KR101826556B1 - 배기 시스템 및 배기 가스 온도 제어 방법 - Google Patents

배기 시스템 및 배기 가스 온도 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템은, 엔진의 배기가스를 배출시키도록 형성된 배기파이프에 장착되고, 배기가스 중 탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO)를 정화시키는 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC) 장치와, 상기 디젤산화촉매 장치 후단에 위치하며, 상기 배기파이프 내부에 우레아 수용액을 분사하는 우레아 인젝터(Urea Injector)와, 상기 우레아 인젝터 후단에 위치하며, 상기 디젤산화촉매 장치를 통과한 배기가스의 신속한 유동 확산이 가능하도록 구비된 믹서(Mixer)와, 상기 믹서 후단에 위치하며, 귀금속을 포함하지 않는 촉매가 코팅되거나 암모니아를 산화시키지 않고 상기 분사된 우레아를 가수분해시키는 가수분해 촉매가 코팅되어 배기가스의 입자상물질을 저감시키는 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate matter Filter; DPF), 및 상기 입자상물질 제거용 필터 후단에 위치하며, 상기 입자상물질 제거용 필터를 통과한 배기가스의 질소산화물을 저감시키는 선택적환원촉매(Selective Catalyst Reduction; SCR) 장치를 포함한다.

Description

배기 시스템 및 배기 가스 온도 제어 방법{EXHAUST SYSTEM AND EXHAUST GAS TEMPERATURE CONTROL METHOD}
본 발명은 배기 시스템 및 배기 가스 온도 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실도로 조건에서 최소 요소수 사용으로 질소산화물 정화 효율을 증대시키는 배기 시스템 및 배기 가스 온도 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 엔진의 배기 시스템은 배기가스 중에 함유된 공해 물질인 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 입자상물질(Particulate Matter, PM), 질소산화물(NOx) 등을 감소시키기 위해 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst, DOC) 장치, 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate matter Filter, DPF), 선택적환원촉매 (Selective Catalyst Reduction, SCR) 장치 및 질소산화물 흡장촉매(Lean NOx Trap, LNT 촉매) 장치, 및 선택적환원촉매에 우레아를 공급하는 우레아 인젝터(Urea Injector) 등과 같은 배기가스 후처리 장치를 구비하고 있다.
그런데, 선택적환원촉매의 질소산화물 정화 효율과 우레아 인젝터 사용의 최적화는 온도 제어를 얼마나 일정하게 하는가에 따라 좌우된다. 또한, 엔진 후분사가 불가능한 저속 및 저부하 조건에서 입자상 물질 제거용 필터의 재생이 필요하다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 엔진 후분사가 불가능한 저속 및 저부하 조건에서 입자상 물질 제거용 필터의 재생이 가능하도록 구성한 배기 시스템 및 플라즈마 개질 시스템을 적용한 선택적환원촉매의 온도 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템은, 엔진의 배기가스를 배출시키도록 형성된 배기파이프에 장착되고, 배기가스 중 탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO)를 정화시키는 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC) 장치와, 상기 디젤산화촉매 장치 후단에 위치하며, 상기 배기파이프 내부에 우레아 수용액을 분사하는 우레아 인젝터(Urea Injector)와, 상기 디젤산화촉매 장치 전단에 위치하며, 상기 엔진으로부터 배출된 배기가스에 디젤 연료를 분사하는 플라즈마 인젝터(Plasma Injector)와, 상기 우레아 인젝터 후단에 위치하며, 질소산화물과 암모니아의 환원반응을 통해 상기 디젤산화촉매 장치를 통과한 배기가스의 질소산화물을 저감시키는 선택적환원촉매(Selective Catalyst Reduction; SCR) 장치, 및 상기 선택적환원촉매 장치 후단에 위치하며, 상기 분사된 우레아를 가수분해시키는 가수분해 촉매가 코팅되어 배기가스의 입자상물질을 저감시키는 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate matter Filter; DPF)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템은, 상기 우레아 인젝터 후단에 위치하며, 상기 디젤산화촉매 장치를 통과한 배기가스의 신속한 유동 확산이 가능하도록 구비된 제1 믹서(Mixer)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템은, 상기 디젤산화촉매 장치 전단에 위치하며, 상기 플라즈마 인젝터로부터 분사된 디젤 연료의 신속한 유동 확산이 가능하도록 구비된 제2 믹서를 더 포함할 수 있다.
상기 입자상물질 제거용 필터와 상기 선택적환원촉매 장치 사이에는, 저압 배기가스 재생(low pressure exhaust gas recirculation; LP-EGR) 장치 파이프가 연결될 수 있다.
상기 선택적환원촉매 장치의 전단 및 후단에 질소산화물 센서가 구비될 수 있다.
상기 디젤산화촉매 장치와 상기 선택적환원촉매 장치 전단에 온도 센서가 더 구비될 수 있다.
상기 디젤산화촉매 장치의 산화 촉매의 촉매 활성을 위한 최소 온도는 150도일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 온도 제어 방법은, 디젤산화촉매 장치의 배기 가스 온도 및 상기 선택적환원촉매 장치의 입구측 배기 가스 온도를 측정하는 단계와, 상기 디젤산화촉매 장치의 배기 가스 온도와 산화 촉매의 촉매 활성을 위한 최소 온도를 비교하고, 상기 선택적환원촉매 장치의 입구측 배기 가스 온도가 상기 선택적환원촉매 장치의 배기 가스 최소 온도를 비교하는 단계, 및 상기 디젤산화촉매 장치의 배기 가스 온도가 산화 촉매의 촉매 활성을 위한 최소 온도보다 크고, 상기 선택적환원촉매 장치의 입구측 배기 가스 온도가 상기 선택적환원촉매 장치의 배기 가스 최소 온도보다 작으면, 상기 디젤 플라즈마 연료의 질량과 전압을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 디젤산화촉매 장치의 산화 촉매의 촉매 활성을 위한 최소 온도는 150도일 수 있다.
본 발명에 따르면, 디젤산화촉매 장치에 플라즈마 디젤 연료 개질 기술을 결합하여 선택적환원촉매의 활성화 온도를 확보하고 제어할 수 있다.
또한, 질소산화물 정화 성능 개선으로 저속 및 저부하의 시내 주행시에도 우레아 분사가 가능하며, 선택적환원촉매의 활성을 확보할 수 있으며, 디젤 입자상물질 제거용 필터의 매연을 재생할 수 있는 저속 및 저부하 영역을 확장할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 온도 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 일 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예들에서는 일 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며, 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고, 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다. 어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수도 있다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 한 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.
이하, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템에 관하여 설명한다.
도 1을 참조하면, 배기 시스템은 디젤산화촉매 장치(20, Diesel Oxidation Catalyst; DOC)와, 우레아 인젝터(30)와, 플라즈마 인젝터(15, Plasma Injector)와, 선택적환원촉매 장치(50), 및 입자상물질 제거용 필터(60)를 포함한다.
디젤산화촉매 장치(20)는 엔진(10)의 배기가스를 배출시키도록 형성된 배기파이프(5)에 장착된다. 즉, 디젤산화촉매 장치(20)의 전단은 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스를 받아들이도록 엔진(10)과 연결된다. 여기서, 구성요소의 전단 및 후단은 배기가스의 흐름을 기준으로 하며, 배기가스가 구성요소의 전단에서 후단으로 흐르는 것으로 정의된다.
디젤산화촉매 장치(20)는 소정 케이스의 내부에 담체가 구비되고, 그 담체에 디젤산화촉매가 코팅된 장치이다. 디젤산화촉매 장치(20)는 배기가스 중 탄화수소와 일산화탄소를 디젤산화촉매를 통해 산화시킨다.
우레아 인젝터(30)는 디젤산화촉매 장치(20)의 후단에 위치하며, 배기파이프(5) 내부에 우레아 수용액을 분사한다. 우레아 인젝터(30)는 우레아를 분사할 수 있으며, 암모니아를 직접 분사할 수도 있다. 또한, 암모니아 외의 다른 환원제가 암모니아와 함께 또는 그 자체로 분사될 수 있다.
플라즈마 인젝터(15)는 디젤산화촉매 장치(20) 전단에 위치하며, 상기 엔진으로부터 배출된 배기가스에 디젤 연료를 분사한다.
선택적환원촉매 장치(50)는 우레아 인젝터 후단에 구비된다. 선택적환원촉매 장치(50)는 환원제(우레아)가 배기가스의 열에 의해 암모니아로 전환되고, 선택적환원촉매에 의한 배기가스 중의 질소산화물과 암모니아의 촉매 반응으로서 질소산화물을 질소가스와 물로 환원시키도록 기능한다.
선택적환원촉매 장치(50)의 전단과 후단에는 질소산화물 센서(52, 54)가 구비되어, 배기가스가 선택적환원촉매 장치(50)를 통과하기 전, 후의 질소산화물 량을 측정할 수 있다.
또한, 디젤산화촉매 장치(20)와 선택적환원촉매 장치(50) 전단에 온도 센서(72, 74)가 구비되어, 디젤산화촉매 장치(20)의 산화촉매의 촉매 활성을 위한 최소 온도와 선택적환원촉매의 온도를 측정할 수 있다. 디젤산화촉매 장치(20)의 산화 촉매의 촉매 활성을 위한 최소 온도는 약 150도일 수 있다.
입자상물질 제거용 필터(60)는 배기가스에 포함된 입자상물질을 포집하기 위한 촉매 담체가 형성되어 입자상물질을 화학적 변환 과정을 통하여 정화시키게 된다. 즉, 입자상물질 제거용 필터(60)는 디젤엔진(10)의 배기가스 중 입자상물질을 필터를 이용하여 물리적으로 포집하고 일정거리 주행 후 입자상물질의 발화 온도(550도) 이상으로 배기가스 온도를 상승시켜 입자상물질을 연소시켜 공해물질을 줄이는 장치이다. 입자상물질 제거용 필터(60)는 전단과 후단에 압력 센서 또는 온도 센서가 마련될 수 있으며, 센서는 배기가스가 입자상물질 제거용 필터(60)를 통과하기 전, 후 압력과 온도를 센싱해서 전자제어부(Electronic Control Unit; ECU)가 엔진(10) 및 관련 장치를 제어해서 쌓인 입자상물질을 제거할 수 있다.
입자상물질 제거용 필터(60)는 귀금속(백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh))을 포함하지 않는 촉매가 코팅된 것일 수 있다. 귀금속을 코팅하지 않아서, 입자상물질 제거용 필터(60)에 유입된 배기가스의 암모니아가 산화되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 입자상물질 제거용 필터(60)는 우레아 인젝터(30)에서 분사된 우레아를 가수분해시키는 가수분해 촉매가 코팅된 것일 수 있다. 가수분해 촉매는 질소를 산화시키지 않고, 분무된 우레아(Urea)를 가수분해시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템은 제1 믹서(40)를 더 포함한다. 제1 믹서(40)는 우레아 인젝터(30) 후단에 위치하며, 디젤산화촉매 장치(20)를 통과한 배기가스의 신속한 유동 확산이 가능하도록 구비된다.
또한, 디젤산화촉매 장치(20) 전단에 위치하며, 플라즈마 인젝터(15)로부터 분사된 디젤 연료의 신속한 유동 확산이 가능하도록 구비된 제2 믹서(45)를 더 포함할 수 있다.
한편, 입자상물질 제거용 필터(60)와 선택적환원촉매 장치(50) 사이에는, 저압 배기가스 재생장치 파이프(70)가 연결되어, 입자상물질 제거용 필터(60)를 통과한 배기가스가 배기가스 재생장치를 통하여 엔진(10)으로 재순환될 수 있다. 배기가스 재생장치는 엔진(10)에서 연료의 연소 후 배출되는 배기가스의 일부를 엔진(10)의 흡기장치로 재순환시켜 엔진(10)의 연소실로 다시 유입되게 함으로써, 연료와 공기의 혼합물인 혼합기의 자체 공연비는 변화시키지 않으면서 혼합기의 밀도를 저하시켜 연소 온도를 저하시키게 된다.
즉, 배기가스 재생 장치는 엔진(10)의 운전 상태에 따라 질소산화물의 배출 양을 저감시킬 필요가 있을 때에, 배기가스의 일부를 엔진(10)의 흡기계에 공급하여 연소실로 유입시킨다. 체적이 변하지 않는 불활성 가스인 배기가스가 상대적으로 혼합기의 밀도를 저하시켜 연료의 연소시 화염 전파 속도가 저하됨으로써, 연료의 연소 속도가 저하됨과 더불어 연소 온도의 상승도 억제되어 질소산화물의 생성이 억제되게 된다.
한편, 촉매 상류의 배기 라인에 플라즈마 생성을 위한 전극이 설치되며, 전극부 방전으로 전극부를 통과한 배기 가스 내에 플라즈마가 형성된 상태에서 디젤 연료가 분사됨으로써, 디젤 연료가 개질되어 일산화 탄소 및 수소 성분이 증가하게 된다. 이로 인해 디젤산화촉매 장치(20)에 유입된 배기 물질의 산화로 발열이 일어나고 선택적환원촉매 장치(50)로 유입되는 배기 가스의 온도가 상승되는 효과가 있다. 이로 인해, 저온 및 저부하 조건에서도 선택적환원촉매 장치(50) 전단부의 온도를 활성 온도 이상으로 유지할 수 있도록 하여 암모니아 슬립 저감 및 선택적환원촉매 정화 성능이 개선될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 온도 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 우선, 온도 센서(72, 74)로부터 디젤산화촉매 장치(20)의 배기 가스 온도(TDOC) 및 선택적환원촉매 장치(50)의 입구측 배기 가스 온도(TSCR_in)를 측정한다(S201).
그 후, 디젤산화촉매 장치(20)의 배기 가스 온도(TDOC)와 디젤산화촉매 장치(20)의 산화 촉매의 촉매 활성을 위한 최소 온도(Toxi_min)를 비교하고, 선택적환원촉매 장치(50)의 입구측 배기 가스 온도(TSCR_in)와 선택적환원촉매 장치(50)의 배기 가스 최소 온도(TSCR_min)를 비교한다(S202). 이 때, 배기 가스 최소 온도(TSCR_min)는 선택적환원촉매 장치(50)의 촉매가 활성화되기 위한 최소의 온도를 의미한다.
디젤산화촉매 장치(20)의 배기 가스 온도(TDOC)가 산화 촉매의 촉매 활성을 위한 최소 온도(Toxi_min)보다 크고, 선택적환원촉매 장치(50)의 입구측 배기 가스 온도(TSCR_in)가 선택적환원촉매 장치(50)의 배기 가스 최소 온도(TSCR_min)보다 작으면, 디젤 플라즈마 연료의 질량과 전압을 제어한다(S203).
선택적환원촉매 장치(50)의 배기 가스 온도의 고온 및 저온 구간의 차이가 심할수록 우레아 슬립이 과다하게 일어나고 배기 가스 정화 효율이 감소된다. 선택적환원촉매 장치(50)의 온도를 일정하게 유지하여 선택적환원촉매 장치(50)의 배기 가스 정화 효율을 향상시키고 우레아 슬립을 최소화하며 충분한 우레아 분사량이 나올 수 있도록 한다.
디젤산화촉매 장치(20)의 산화 촉매의 촉매 활성을 위한 최소 온도는 150도일 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 디젤산화촉매 장치에 플라즈마 디젤 연료 개질 기술을 결합하여 선택적환원촉매의 활성화 온도를 확보하고 제어할 수 있다.
또한, 질소산화물 정화 성능 개선으로 저속 및 저부하의 시내 주행시에도 우레아 분사가 가능하며, 선택적환원촉매의 활성을 확보할 수 있으며, 디젤 입자상물질 제거용 필터의 매연을 재생할 수 있는 저속 및 저부하 영역을 확장할 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
5: 배기파이프 10: 엔진
15: 플라즈마 인젝터 20: 디젤산화촉매 장치
30: 우레아 인젝터 40: 제1 믹서
45: 제2 믹서 50: 선택적환원촉매 장치
52, 54: 질소산화물 센서 60: 입자상물질 제거용 필터
70: 저압 배기 가스 재생 장치 파이프
72, 74: 온도 센서

Claims (9)

  1. 엔진의 배기가스를 배출시키도록 형성된 배기 파이프에 장착되고, 배기가스 중 탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO)를 정화시키는 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC) 장치;
    상기 디젤산화촉매 장치 후단에 위치하며, 상기 배기파이프 내부에 우레아 수용액을 분사하는 우레아 인젝터(Urea Injector);
    상기 디젤산화촉매 장치 전단에 위치하며, 상기 엔진으로부터 배출된 배기가스에 디젤 연료를 분사하는 플라즈마 인젝터(Plasma Injector);
    상기 우레아 인젝터 후단에 위치하며, 질소산화물과 암모니아의 환원반응을 통해 상기 디젤산화촉매 장치를 통과한 배기가스의 질소산화물을 저감시키는 선택적환원촉매(Selective Catalyst Reduction; SCR) 장치; 및
    상기 선택적환원촉매 장치 후단에 위치하며, 상기 분사된 우레아를 가수분해시키는 가수분해 촉매가 코팅되어 배기가스의 입자상물질을 저감시키는 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate matter Filter; DPF)를 포함하고,
    상기 입자상물질 제거용 필터와 상기 선택적환원촉매 장치 사이에는,
    저압 배기가스 재생(low pressure exhaust gas recirculation; LP-EGR) 장치 파이프가 연결되는 배기 시스템.
  2. 제 1 항에서,
    상기 우레아 인젝터 후단에 위치하며, 상기 디젤산화촉매 장치를 통과한 배기가스의 신속한 유동 확산이 가능하도록 구비된 제1 믹서(Mixer)를 더 포함하는 배기 시스템.
  3. 제 1 항에서,
    상기 디젤산화촉매 장치 전단에 위치하며, 상기 플라즈마 인젝터로부터 분사된 디젤 연료의 신속한 유동 확산이 가능하도록 구비된 제2 믹서를 더 포함하는 배기 시스템.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에서,
    상기 선택적환원촉매 장치의 전단 및 후단에 질소산화물 센서가 구비되는 배기 시스템.
  6. 제 1 항에서,
    상기 디젤산화촉매 장치와 상기 선택적환원촉매 장치 전단에 온도 센서가 더 구비되는 배기 시스템.
  7. 제 1 항에서,
    상기 디젤산화촉매 장치의 산화 촉매의 촉매 활성을 위한 최소 온도는 150도인 배기 시스템.
  8. 제 1 항에 따른 배기 시스템에서,
    상기 디젤산화촉매 장치의 배기 가스 온도 및 상기 선택적환원촉매 장치의 입구측 배기 가스 온도를 측정하는 단계;
    상기 디젤산화촉매 장치의 배기 가스 온도와 산화 촉매의 촉매 활성을 위한 최소 온도를 비교하고, 상기 선택적환원촉매 장치의 입구측 배기 가스 온도와 상기 선택적환원촉매 장치의 배기 가스 최소 온도를 비교하는 단계; 및
    상기 디젤산화촉매 장치의 배기 가스 온도가 산화 촉매의 촉매 활성을 위한 최소 온도보다 크고, 상기 선택적환원촉매 장치의 입구측 배기 가스 온도가 상기 선택적환원촉매 장치의 배기 가스 최소 온도보다 작으면, 상기 디젤 연료의 질량과 전압을 제어하는 단계를 포함하는 배기 가스 온도 제어 방법.
  9. 제 8 항에서,
    상기 디젤산화촉매 장치의 산화 촉매의 촉매 활성을 위한 최소 온도는 150도인 배기 가스 온도 제어 방법.
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