KR101836293B1 - 질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 장치 및 탈황 방법 - Google Patents

질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 장치 및 탈황 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 장치는 연한 분위기에서 배기가스에 포함된 질소산화물을 흡장하고 농후한 분위기에서 흡장된 질소산화물을 탈착하여 환원하는 질소산화물 흡장 환원 촉매; 그리고 상기 질소산화물 흡장 촉매에 피독된 황 피독량과 상기 질소산화물 흡장 촉매로부터 탈황된 탈황량을 계산하며, 상기 질소산화물 흡장 촉매의 탈황을 제어하는 제어기;를 포함하며, 상기 제어기는 람다값이 0.85 ~ 0.95인 얕은 리치 분위기와 람다값이 0.7 ~ 0.8인 깊은 리치 분위기를 교번적으로 및 반복적으로 조성하여 질소산화물 흡장 촉매의 탈황을 제어할 수 있다.

Description

질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 장치 및 탈황 방법{APPARATUS AND METHOD OF DESULFURIZING NOx ADSORPTION AND REDUCTION CATALYST}
본 발명은 질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 장치 및 탈황 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 깊은 리치 분위기와 얕은 리치 분위기를 교번적으로 및 반복적으로 조성하여 탈황 시간을 줄이는 질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 장치 및 탈황 방법에 관한 것이다.
일반적으로 엔진에서 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기 가스는 배기 파이프에 설치된 촉매 컨버터(Catalytic Converter)로 유도되어 정화되고, 머플러를 통과하면서 소음이 감쇄된 후 테일 파이프를 통해 대기 중으로 배출된다. 상기한 촉매 컨버터는 배기 가스에 포함되어 있는 오염물질을 정화한다. 그리고 배기 파이프 상에는 배기 가스에 포함된 입자상 물질(Particulate Matters: PM)을 포집하기 위한 매연 필터가 장착된다.
질소산화물 저감 촉매(Denitrification Catalyst; DeNOx Catalyst)는 배기 가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 정화시키는 촉매 컨버터의 한 형식이다. 우레아(Urea), 암모니아(Ammonia), 일산화탄소 및 탄화수소(Hydrocarbon; HC) 등과 같은 환원제를 배기 가스에 제공하면 질소산화물 저감 촉매에서는 배기 가스에 포함된 질소산화물이 상기 환원제와의 산화-환원 반응을 통해 환원되게 된다.
최근에는, 이러한 질소산화물 저감 촉매로 LNT(Lean NOx Trap) 촉매가 사용되고 있다. LNT 촉매는 엔진의 공연비가 희박(lean)한 분위기에서 작동되면 배기 가스에 포함된 질소산화물을 흡착하고, 엔진의 공연비가 농후(rich)한 분위기에서 작동되면 흡착된 질소산화물을 탈착하며, 탈착된 질소산화물과 배기 가스에 포함된 질소산화물을 환원시킨다.
그런데, LNT 촉매에서 질소 산화물을 흡착하는 물질은 염기성이기 때문에 배기 가스에 포함된 질소산화물과 함께 황산화물(연료 또는 엔진 오일에 포함된 황 성분이 산화된 물질) 역시 흡착하게 된다. LNT 촉매 내 황 성분의 피독은 LNT 촉매의 정화 효율을 떨어뜨리게 된다. 이에 따라, LNT 촉매의 탈황 과정이 필요하다.
종래의 LNT 촉매의 탈황 방법에 따르면, 고온(650℃ ~ 700℃)에서 리치한 분위기를 조성하여 LNT 촉매를 탈황하였다. 그런데 리치한 분위기를 조성하면 배기가스의 온도가 너무 높아져 LNT 촉매가 손상될 수 있다. 따라서, 배기가스의 온도가 설정 온도 이상이 되면 린한 분위기를 조성하여 배기가스의 온도를 낮췄다. 즉, 종래의 LNT 촉매의 탈황 방법은 리치한 분위기와 린한 분위기를 교번적으로 및 반복적으로 조성하면서 수행되었다.
그런데, 종래의 LNT 촉매의 탈황 방법에 따르면, 린한 분위기에서 리치한 분위기로 전환될 때 농후한 연료는 LNT 촉매에 흡착된 황보다는 산소와 더 잘 반응하였다. 이에 따라 탈황을 위해 더 많은 연료가 필요하고 이는 연비를 악화시키는 주요한 원인이 되었다.
또한, 탈황은 리치한 분위기에서 이루어지지만 LNT 촉매의 보호를 위해 린한 분위기를 조성해야 하므로, 전체 탈황 시간이 길었다(예를 들어, 100초). 그런데, 100초 정도 동안 탈황 모드를 유지하기가 어려웠다. 예를 들어, 탈황을 수행하는 중 운전자가 감속을 하게 되면, 탈황 모드에서 빠져 나오게 된다. 따라서, 탈황이 자주 수행되어야 하였다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예는 깊은 리치 분위기와 얕은 리치 분위기를 교번적으로 및 반복적으로 조성하여 탈황 시간을 줄이는 질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 장치 및 탈황 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 장치는 연한 분위기에서 배기가스에 포함된 질소산화물을 흡장하고 농후한 분위기에서 흡장된 질소산화물을 탈착하여 환원하는 질소산화물 흡장 환원 촉매; 그리고 상기 질소산화물 흡장 촉매에 피독된 황 피독량과 상기 질소산화물 흡장 촉매로부터 탈황된 탈황량을 계산하며, 상기 질소산화물 흡장 촉매의 탈황을 제어하는 제어기;를 포함하며, 상기 제어기는 람다값이 0.85 ~ 0.95인 얕은 리치 분위기와 람다값이 0.7 ~ 0.8인 깊은 리치 분위기를 교번적으로 및 반복적으로 조성하여 질소산화물 흡장 촉매의 탈황을 제어할 수 있다.
상기 제어기는 배기가스의 온도가 제1설정 온도보다 높으면 얕은 리치 분위기에서 깊은 리치 분위기로 전환하고, 배기가스의 온도가 제2설정 온도 이하이면 깊은 리치 분위기에서 얕은 리치 분위기로 전환할 수 있다.
상기 제어기는 탈황량이 황 피독량 이상이 될 때까지 얕은 리치 분위기와 깊은 리치 분위기를 교번적으로 및 반복적으로 조성할 수 있다.
상기 제어기는 총 깊은 리치 분위기 시간과 총 얕은 리치 분위기 시간에 따라 상기 탈황량을 계산할 수 있다.
상기 제어기는 총 연료 소비량과 연료에 포함된 황의 함량에 따라 상기 황 피독량을 계산할 수 있다.
상기 질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 장치는 상기 질소산화물 흡장 환원 촉매의 후측에 배치되고 배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집하는 매연 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 제어기는 상기 매연 필터에 포집된 입자상 물질을 태우는 매연 필터의 재생을 제어하며, 상기 제어기는 매연 필터의 재생을 완료한 후 질소산화물 흡장 촉매의 탈황을 진행할 수 있다.
상기 제어기는 매연 필터의 재생이 완료되고 탈황 조건을 만족하면, 질소산화물 흡장 촉매의 탈황을 진행할 수 있다.
상기 질소산화물 흡장 환원 촉매는 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT) 촉매일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 방법은 (a) 탈황이 시작되면, 람다값이 0.85 ~ 0.95인 얕은 리치 분위기를 조성하는 단계; (b) 배기 온도가 제1설정 온도보다 높은지를 판단하는 단계; (c) 배기 온도가 제1설정 온도보다 높으면, 람다값이 0.7 ~ 0.8인 깊은 리치 분위기를 조성하는 단계; (d) 배기 온도가 제2설정 온도 이하인지를 판단하는 단계; 그리고 (e) 배기 온도가 제2설정 온도 이하이면, 상기 (a) 단계로 돌아가는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 (a) 단계 내지 (e) 단계는 탈황량이 황 피독량 이상이 될 때까지 반복될 수 있다.
상기 탈황량은 총 깊은 리치 분위기 시간과 총 얕은 리치 분위기 시간에 따라 계산될 수 있다.
상기 황 피독량은 총 연료 소비량과 연료에 포함된 황의 함량에 따라 계산될수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 깊은 리치 분위기와 얕은 리치 분위기를 교번적으로 및 반복적으로 조성하여 탈황 시간을 줄일 수 있다. 따라서, 탈황에 따른 연비의 악화를 방지할 수 있다.
또한, 탈황 시 리치한 분위기를 계속적으로 조성하므로, 산소와의 반응에 사용되는 연료 소모량을 줄일 수 있다. 따라서, 연비의 악화를 더욱 방지할 수 있다.
더 나아가, 탈황 시간이 줄어들므로 탈황을 완료할 가능성이 높아진다.
그 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 방법이 적용될 수 있는 배기 장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 방법을 수행하기 위한 시스템의 블록도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 방법의 흐름도이다.
도 5는 람다값에 따른 배기가스의 온도를 도시한 그래프이다.
도 6은 종래 기술과 본 발명의 실시예에 따른 람다값의 변화를 보인 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 하기의 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성의 명칭이 동일하여 이를 구분하기 위한 것으로, 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 방법이 적용될 수 있는 배기 장치를 도시한 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 내연 기관의 배기 장치는 엔진(10), 배기 파이프(20), 배기 가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation; EGR) 장치(30), 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT) 촉매(40), 매연 필터(Particulate Filter)(60), 그리고 제어기(70)를 포함한다. 본 명세서에서는 질소산화물 흡장 환원 촉매가 LNT 촉매인 것을 예시한다. 그러나, 본 발명은 LNT 촉매에만 적용되는 것으로 한정되어서는 아니한다.
엔진(10)은 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 연소시켜 화학적 에너지를 기계적 에너지로 변환한다. 엔진(10)은 흡기 매니폴드(16)에 연결되어 연소실(12) 내부로 공기를 유입받으며, 연소 과정에서 발생된 배기 가스는 배기 매니폴드(18)에 모인 후 엔진 밖으로 배출되게 된다. 상기 연소실(12)에는 인젝터(14)가 장착되어 연료를 연소실(12) 내부로 분사한다.
여기에서는 디젤 엔진을 예시하였으나 희박 연소(lean burn) 가솔린 엔진을 사용할 수도 있다. 가솔린 엔진을 사용하는 경우, 흡기 매니폴드(16)를 통하여 혼합기가 연소실(12) 내부로 유입되며, 연소실(12) 상부에는 점화를 위한 점화플러그(도시하지 않음)가 장착된다. 또한, 가솔린 직접 분사(Gasoline Direct Injection; GDI) 엔진을 사용하는 경우, 디젤 엔진과 마찬가지로 인젝터(14)가 연소실(12)의 상부에 장착된다.
또한, 다양한 압축비, 바람직하게는 16.5 이하의 압축비를 가지는 엔진이 사용될 수 있다.
배기 파이프(20)는 상기 배기 매니폴드(18)에 연결되어 배기 가스를 차량의 외부로 배출시킨다. 상기 배기 파이프(20) 상에는 LNT 촉매(40) 및 매연 필터(60)가 장착되어 배기 가스 내 포함된 탄화수소, 일산화탄소, 입자상 물질 그리고 질소산화물 등을 제거한다.
배기 가스 재순환 장치(30)는 배기 파이프(20) 상에 장착되어 엔진(10)에서 배출되는 배기 가스 일부를 상기 배기 가스 재순환 장치(30)를 통해 엔진(10)에 재공급한다. 또한, 상기 배기 가스 재순환 장치(30)는 상기 흡기 매니폴드(16)에 연결되어 배기 가스의 일부를 공기에 섞어 연소 온도를 제어한다. 이러한 연소 온도의 제어는 제어기(70)의 제어에 의하여 흡기 매니폴드(16)에 공급되는 배기 가스의 양을 조절함으로써 수행된다. 따라서, 배기 가스 재순환 장치(30)와 흡기 매니폴드(16)를 연결하는 라인 상에는 제어기(70)에 의하여 제어되는 재순환 밸브(도시하지 않음)가 장착될 수 있다.
상기 배기 가스 재순환 장치(30)의 후방 배기 파이프(20)에는 제1람다 센서(72)가 장착되어 LNT 촉매(40)에 유입되는 배기 가스의 람다값을 측정하여 상기 제어기(70)에 전달함으로써 상기 제어기(70)가 배기 가스의 린/리치 제어(lean/rich control)를 수행하는 것을 돕도록 할 수 있다.
또한, 배기 가스 재순환 장치(30)의 후방 배기 파이프(20)에는 제1온도 센서(74)가 장착되어 LNT 촉매(40)에 유입되는 배기 가스의 온도를 검출한다.
LNT 촉매(40)는 상기 배기 가스 재순환 장치(30)의 후방 배기 파이프(20)에 장착되어 있다. 상기 LNT 촉매(40)는 연한(lean) 분위기에서 배기 가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 흡장하고, 농후한(rich) 분위기에서 흡장된 질소산화물을 탈착하며 배기 가스에 포함된 질소산화물 또는 탈착된 질소산화물을 환원시킨다. 또한, LNT 촉매(40)는 배기 가스에 포함된 일산화탄소(CO) 및 탄화수소(HC)를 산화시킨다.
여기에서, 탄화수소는 배기 가스와 연료에 포함된 탄소와 수소로 구성된 화합물을 모두 지칭하는 것으로 이해하여야 할 것이다.
상기 LNT 촉매(40)의 후방 배기 파이프(20)에는 제2람다 센서(76)와 제2온도 센서(78)가 장착되어 있다.
상기 제2람다 센서(76)는 상기 LNT 촉매(40)에서 배출되는 배기 가스의 람다값을 측정하여 이에 대한 신호를 상기 제어기(70)에 전달한다. 상기 제1람다 센서(72)와 제2람다 센서(76)의 검출값을 기초로 상기 제어기(70)는 배기 가스의 린/리치 제어를 수행할 수 있다.
제2온도 센서(78) 상기 LNT 촉매(40)에서 배출되는 배기 가스의 온도를 측정하여 이에 대한 신호를 상기 제어기(70)에 전달한다.
매연 필터(60)는 LNT 촉매(40)의 후단 배기 파이프에 장착되어 있으며, 배기 가스에 포함된 입자상 물질을 포집한다.
상기 배기 파이프(20)에는 차압센서(66)가 장착되어 있다. 차압센서(66)는 상기 매연 필터(60)의 전단부와 후단부의 압력 차이를 측정하고 이에 대한 신호를 상기 제어기(70)에 전달한다. 상기 제어기(70)는 상기 차압센서(66)에서 측정된 압력 차이가 설정 압력 이상인 경우 상기 매연 필터(60)를 재생하도록 제어할 수 있다. 이 경우, 인젝터(14)에서 연료를 후분사함으로써 매연 필터(60) 내부에 포집된 입자상 물질을 연소시킬 수 있다.
제어기(70)는 각 센서들에서 검출된 신호들을 기초로 엔진의 운전 조건을 판단하고, 상기 엔진의 운전 조건을 기초로 린/리치 제어를 수행하여 LNT(40)에서 질소산화물을 제거하도록 한다. 린/리치 제어는 인젝터(14)에서 분사되는 연료의 양을 조절함으로써 수행될 수 있다. 또한, 제어기(70)는 상기 LNT 촉매(40)의 탈황과 매연 필터(60)의 재생을 제어한다.
이러한 목적을 위하여, 상기 제어기(70)는 설정된 프로그램에 의해 동작하는 하나 이상의 프로세서로 구현될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 방법의 각 단계를 수행하도록 프로그래밍된 것일 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 방법을 수행하기 위한 시스템의 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1람다 센서(72), 제1온도 센서(74), 제2람다 센서(76), 제2온도 센서(78), 차압 센서(66), 흡기량 센서(80)는 제어기(70)에 전기적으로 연결되어 있으며 검출한 값들을 제어기(70)에 전달한다.
제1람다 센서(72)는 LNT 촉매(40)에 유입되는 배기 가스의 람다값을 측정하여 이에 대한 신호를 상기 제어기(70)에 전달한다. 통상적으로, 람다는 이론 공연비에 대한 실제 공연비의 비를 나타내며, 람다가 1을 초과하면 희박한 분위기로 보고, 람다가 1 미만이면 농후한 분위기로 본다.
제1온도 센서(74)는 상기 LNT 촉매(40)에 유입되는 배기 가스의 온도를 측정하여 이에 대한 신호를 상기 제어기(70)에 전달한다.
제2람다 센서(76)는 LNT 촉매(40)에서 배출되는 배기 가스의 람다값을 측정하여 이에 대한 신호를 상기 제어기(70)에 전달한다.
제2온도 센서(78)는 LNT 촉매(40)에서 배출되는 배기 가스의 온도를 측정하여 이에 대한 신호를 상기 제어기(70)에 전달한다.
차압 센서(66)는 상기 매연 필터(60)의 전단부와 후단부의 압력 차이를 측정하고 이에 대한 신호를 상기 제어기(70)에 전달한다. 상기 제어기(70)는 상기 차압센서(66)에서 측정된 압력 차이가 설정 압력 이상인 경우 상기 매연 필터(60)에 포집된 입자상 물질을 태우도록 제어할 수 있다.
흡기량 센서(80)는 엔진(10)의 흡기 장치에 공급되는 흡기의 양을 검출하고, 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다.
제어기(70)는 상기 검출된 값을 기초로 LNT 촉매(40)의 온도와 매연 필터(60)의 온도를 계산한다. 또한, 상기 제어기(70)는 엔진(10)에 공급된 연료의 양과 연료에 포함된 황의 함량을 기초로 엔진(10)에서 발생되는 황산화물(SOx)의 양을 계산하고, 엔진(10)에서 발생되는 황산화물의 양을 기초로 LNT 촉매(40)의 황 피독량을 계산하며, 상기 LNT 촉매(40)의 황 피독량을 기초로 탈황 조건을 만족하는지를 판단한다. 또한, 제어기(70)는 차압 센서(66)에서 측정된 압력 차이를 기초로 매연 필터(60)의 재생 조건을 만족하는지를 판단한다. 또한, 제어기(70)는 탈황 조건의 만족 여부 또는 매연 필터(60)의 재생 조건 만족 여부에 따라 인젝터(14)를 제어하기 위한 신호를 인젝터(14)에 출력한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 배기 장치에는 도 2에 기재된 센서들 외에 다수의 센서들이 장착될 수 있으나, 설명의 편의를 위하여 생략한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 방법의 흐름도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 방법은 엔진(10)의 운전(S100)과 함께 시작된다.
엔진(10)이 작동하고 있는 중에, 제어기(70)는 매연 필터(60)의 재생 조건을 만족하는지를 판단한다(S110). 앞에서 언급한 바와 같이, 매연 필터(60)의 재생 조건은 차압센서(66)에서 측정된 압력 차이가 설정 압력 이상인 경우 만족되는 것으로 할 수 있다.
S110 단계에서 매연 필터(60)의 재생 조건을 만족하지 않으면, 상기 방법은 S100 단계로 돌아가 엔진(10)을 계속 운전한다.
S110 단계에서 매연 필터(60)의 재생 조건을 만족하면, 제어기(70)는 매연 필터(60)의 재생을 진행한다(S120). 즉, 연한 분위기에서 인젝터(14)가 연료를 후분사하도록 하여 배기 가스의 온도를 상승시키고, 온도가 상승된 배기 가스에 의하여 매연 필터(60)에 포집된 입자상 물질이 태워진다.
그 후, 제어기(70)는 매연 필터(60)의 재생이 완료되었는지를 판단한다(S130). 예를 들어, 차압센서(66)에서 측정된 압력 차이가 작거나 재생 지속 시간이 설정 시간보다 길면, 제어기(70)는 매연 필터(60)의 재생이 완료되었다고 판단한다.
S130 단계에서 매연 필터(60)의 재생이 완료되지 않았으면, 상기 방법은 S120 단계로 돌아가 매연 필터(60)의 재생을 계속 수행한다.
S130 단계에서 매연 필터(60)의 재생이 완료되었으면, 제어기(70)는 탈황 조건을 만족하는지를 판단한다(S140). 탈황 조건은 LNT 촉매(40)의 황 피독량이 한계 황 피독량보다 많으면 만족되는 것으로 할 수 있다.
S140 단계에서 탈황 조건이 만족되지 않으면, 상기 방법은 종료된다.
S140 단계에서 탈황 조건이 만족되면, 제어기(70)는 탈황에 진입한다(S200).
한편, 본 실시예에서는 탈황 조건의 만족되는 경우에 탈황에 진입하는 것을 예시하였으나, 이에 한정되지 아니한다. 예를 들어, 매연 필터(60)의 재생이 완료되면, 반드시 탈황에 진입하도록 할 수도 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 탈황에 진입하면(S200), 제어기(70)는 람다값이 0.85 ~ 0.95인 얕은 리치 분위기를 조성한다(S210). 람다값의 조절은 인젝터(14)에서 분사되는 연료량을 조절함으로써 수행된다. 여기서, 람다값은 제1람다 센서(72)에서 측정된 LNT 촉매(40)에 유입되는 배기 가스의 람다값을 의미할 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 배기 가스의 온도는 람다값에 따라 변화하게 된다. 람다값이 0.85 ~ 0.95 사이에서 배기 가스의 온도가 최고 온도를 나타내며, 람다값이 감소하거나 람다값이 증가하면 배기 가스의 온도가 감소한다. 따라서, S210 단계를 수행하면, 배기 가스의 온도가 상승하게 된다.
그 후, 제어기(70)는 황 피독량이 탈황량보다 많은지를 판단한다(S220). 앞에서 언급한 바와 같이, 황 피독량은 총 연료 소비량(이전 탈황 이후 소모된 총 연료 소비량)과 연료에 포함된 황의 함량에 따라 계산된다. 탈황은 얕은 리치 분위기에서 주로 발생하나, 깊은 리치 분위기에서도 약간의 탈황이 발생할 수 있다. 따라서, 탈황량은 총 깊은 리치 분위기 시간과 총 얕은 리치 분위기 시간에 따라 계산될 수 있다. 또한, 총 깊은 리치 분위기 시간은 탈황 진입 시점부터 탈황 종료 시점 또는 탈황 해제 시점까지 발생한 깊은 리치 분위기 시간들의 합을 의미하고, 총 얕은 리치 분위기 시간은 탈황 진입 시점부터 탈황 종료 시점 또는 탈황 해제 시점까지 발생한 얕은 리치 분위기 시간들의 합을 의미한다.
S220 단계에서 탈황량이 황 피독량 이상이면, 상기 방법은 종료된다. 즉, 충분한 양의 황산화물이 제거되었으므로, 제어기(70)는 탈황 모드를 종료한다.
S220 단계에서 황 피독량이 탈황량보다 많으면, 제어기(70)는 배기 온도가 제1설정 온도(약 650℃)보다 높은지를 판단한다(S230). 앞에서 언급한 바와 같이, 얕은 리치 분위기에서는 배기 가스의 온도가 높아지게 된다. 만일 배기 가스의 온도가 상부 한계 온도(예를 들어, 약 800℃) 이상으로 높아지면, LNT 촉매(40)는 손상될 수 있다. 따라서, 배기 가스의 온도가 관리될 필요가 있다.
여기서 배기 가스의 온도는 제1온도 센서(74)에서 측정된 LNT 촉매(40)에 유입되는 배기 가스의 온도 또는 제1온도 센서(74)와 제2온도 센서(78)의 측정값들을 기초로 계산된 LNT 촉매(40)의 온도일 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다.
S230 단계에서 배기 가스의 온도가 제1설정 온도 이하이면, 상기 방법은 S210 단계로 돌아가 얕은 리치 분위기를 계속하여 조성한다.
S230 단계에서 배기 가스의 온도가 제1설정 온도보다 높으면, 제어기(70)는 람다값이 0.7 ~ 0.8인 깊은 리치 분위기를 조성한다(S240). 이에 따라, 배기 가스의 온도가 떨어지게 된다. 만일 배기 가스의 온도가 하부 한계 온도 이하로 떨어지면, LNT 촉매(40)의 탈황은 발생되지 아니한다. 따라서, 제어기(70)는 배기 가스의 온도가 제2설정 온도보다 높은지를 판단한다(S250).
S250 단계에서 배기 가스의 온도가 제2설정 온도보다 높으면, 상기 방법은 S240 단계로 돌아가 깊은 리치 분위기를 계속하여 조성한다.
S250 단계에서 배기 가스의 온도가 제2설정 온도 이하이면, 상기 방법은 S210 단계로 돌아가 얕은 리치 분위기를 조성한다.
한편, 상기 S210 단계 내지 S250 단계는 탈황량이 황 피독량 이상이 될 때까지 반복된다.
도 6은 종래 기술과 본 발명의 실시예에 따른 람다값의 변화를 보인 그래프이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따르면, 리치한 분위기와 린한 분위기가 반복되면서 탈황이 수행되었다. 린한 분위기에서 리치한 분위기로 전환될 때 농후한 연료는 LNT 촉매에 흡착된 황보다는 산소와 더 잘 반응하기 때문에, 탈황을 위해 더 많은 연료가 필요하였다. 또한, 탈황과는 무관한 린한 분위기를 반복적으로 조성해야 하므로 전체 탈황 시간이 길어지게 되었다.
본 발명에 따르면, 깊은 리치 분위기와 얕은 리치 분위기가 반복되면서 탈황이 수행되었다. 린한 분위기로 전환되지 않으므로, 산소와의 반응에 사용되는 불필요한 연료 소모량을 줄일 수 있다. 또한, 깊은 리치 분위기와 얕은 리치 분위기에서 모두 탈황이 일어나므로(비록 정도의 차이는 있지만), 전체 탈황 시간을 대폭 줄일 수 있다. 이에 따라 탈황이 중단되지 않고 완료될 가능성이 높아진다.
비록 깊은 리치 분위기를 조성하기 위하여 연료 분사량이 늘어나지만, 전체 탈황 시간이 대폭적으로 줄어들기 때문에 전체 연비는 향상되게 된다. 특히, 산소와의 반응에 사용되는 불필요한 연료 소모량을 줄일 수 있으므로, 연비는 더욱 향상되게 된다.
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.

Claims (13)

  1. 린한 분위기에서 배기가스에 포함된 질소산화물을 흡장하고 리치한 분위기에서 흡장된 질소산화물을 탈착하여 환원하는 질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 방법에 있어서,
    (a) 탈황이 시작되면, 람다값이 0.85 ~ 0.95인 얕은 리치 분위기를 조성하는 단계;
    (b) 배기 온도가 제1설정 온도보다 높은지를 판단하는 단계;
    (c) 배기 온도가 제1설정 온도보다 높으면, 람다값이 0.7 ~ 0.8인 깊은 리치 분위기를 조성하는 단계;
    (d) 배기 온도가 제2설정 온도 이하인지를 판단하는 단계; 그리고
    (e) 배기 온도가 제2설정 온도 이하이면, 상기 (a) 단계로 돌아가는 단계;
    를 포함하는 질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계 내지 (e) 단계는 탈황량이 황 피독량 이상이 될 때까지 반복되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 탈황량은 총 깊은 리치 분위기 시간과 총 얕은 리치 분위기 시간에 따라 계산되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 황 피독량은 총 연료 소비량과 연료에 포함된 황의 함량에 따라 계산되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 질소산화물 흡장 환원 촉매는 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT) 촉매인 것을 특징으로 하는 질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 방법.
  6. 연한 분위기에서 배기가스에 포함된 질소산화물을 흡장하고 농후한 분위기에서 흡장된 질소산화물을 탈착하여 환원하는 질소산화물 흡장 환원 촉매; 그리고
    상기 질소산화물 흡장 촉매에 피독된 황 피독량과 상기 질소산화물 흡장 촉매로부터 탈황된 탈황량을 계산하며, 상기 질소산화물 흡장 촉매의 탈황을 제어하는 제어기;
    를 포함하며,
    상기 제어기는 람다값이 0.85 ~ 0.95인 얕은 리치 분위기와 람다값이 0.7 ~ 0.8인 깊은 리치 분위기를 교번적으로 및 반복적으로 조성하여 질소산화물 흡장 촉매의 탈황을 제어하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어기는 배기가스의 온도가 제1설정 온도보다 높으면 얕은 리치 분위기에서 깊은 리치 분위기로 전환하고, 배기가스의 온도가 제2설정 온도 이하이면 깊은 리치 분위기에서 얕은 리치 분위기로 전환하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제어기는 탈황량이 황 피독량 이상이 될 때까지 얕은 리치 분위기와 깊은 리치 분위기를 교번적으로 및 반복적으로 조성하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제어기는 총 깊은 리치 분위기 시간과 총 얕은 리치 분위기 시간에 따라 상기 탈황량을 계산하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제어기는 총 연료 소비량과 연료에 포함된 황의 함량에 따라 상기 황 피독량을 계산하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 장치.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 질소산화물 흡장 환원 촉매의 후측에 배치되고 배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집하는 매연 필터를 더 포함하고,
    상기 제어기는 상기 매연 필터에 포집된 입자상 물질을 태우는 매연 필터의 재생을 제어하며,
    상기 제어기는 매연 필터의 재생을 완료한 후 질소산화물 흡장 촉매의 탈황을 진행하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어기는 매연 필터의 재생이 완료되고 탈황 조건을 만족하면, 질소산화물 흡장 촉매의 탈황을 진행하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 장치.
  13. 제6항 내지 제12항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 질소산화물 흡장 환원 촉매는 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT) 촉매인 것을 특징으로 하는 질소산화물 흡장 환원 촉매의 탈황 장치.
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