KR101886088B1

KR101886088B1 - 배기 가스 정화 장치 및 배기 가스 정화 방법

Info

Publication number: KR101886088B1
Application number: KR1020160094295A
Authority: KR
Inventors: 조지호; 김종학
Original assignee: 현대자동차 주식회사
Priority date: 2016-07-25
Filing date: 2016-07-25
Publication date: 2018-08-07
Also published as: US20180023440A1; KR20180011648A; US9988961B2

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 정화 방법은, 선택적 환원 촉매가 코팅된 디젤 매연 필터(Selective Catalytic Reduction on Diesel Particulate Filter; SDPF) 후단으로 암모니아(NH3)가 슬립될 확률을 예측하는 단계와, 상기 예측된 암모니아 슬립 확률과 저압 배기 가스 재순환(Low Pressure-Exhaust Gas Recirculation; LP-EGR) 장치의 구동을 제한하는 암모니아 슬립 확률을 비교하는 단계와, 상기 예측된 암모니아 슬립 확률이 상기 저압 배기 가스 재순환 장치의 구동을 제한하는 암모니아 슬립 확률보다 큰 경우, 암모니아 흡장량과 암모니아 흡장 목표량에 최소 목표 흡장량 비율을 곱한 값을 비교하는 단계와, 상기 암모니아 흡장량이 상기 암모니아 흡장 목표량에 최소 목표 흡장량 비율을 곱한 값보다 크지 않은 경우, 저압 배기 가스 재순환 장치의 구동을 제한하는 단계와, 우레아 수용액을 분사 구동하는 단계를 포함한다.

Description

배기 가스 정화 장치 및 배기 가스 정화 방법{SYSTEM AND METHOD OF PURIFYING EXHAUST GAS}

본 발명은 배기 가스 정화 장치 및 배기 가스 정화 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 암모니아 유입량을 예측하여 우레아 수용액을 분사 조절할 수 있는 배기 가스 정화 장치 및 배기 가스 정화 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 엔진의 배기 시스템은 배기 가스 중에 함유된 공해 물질인 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 입자상물질(Particulate Matter, PM), 질소산화물(NOx) 등을 감소시키기 위해 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst, DOC) 장치, 선택적 환원 촉매가 코팅된 디젤 매연 필터(Diesel Particulate matter Filter with SCR, SDPF), 및 선택적환원촉매 (Selective Catalyst Reduction, SCR) 장치 및 질소산화물 흡장촉매(Lean NOx Trap, LNT 촉매) 장치 등과 같은 배기 가스 후처리 장치를 구비하고 있다.

질소산화물 흡장촉매 장치는 엔진의 희박 연소에 의해 발생되는 질소산화물을 흡장하여 저장하고, 환원 작용으로 질소산화물을 질소로 환원시켜 배출하며, 선택적 환원 촉매가 코팅된 디젤 매연 필터는 선택적환원촉매가 고기공 입자상물질 제거용 필터에 코팅된 형태로 형성되어 있다. 또한, 선택적환원촉매 장치는 선택적 환원 촉매가 코팅된 디젤 매연 필터를 통과한 배기 가스의 질소산화물을 저감시키는 역할을 한다.

한편, 질소산화물 저감을 위해 배기 가스 재순환 장치(EGR)를 사용하는데 배기 가스 재순환 장치는 배기 파이프 상에 장착되어 엔진에서 배출되는 배기 가스 일부를 상기 배기 가스 재순환 장치를 통해 엔진에 재공급한다. 차량에서 배출되는 질소산화물 및 입자상 물질을 안정적으로 저감시킬 수 있는 입자상 물질 제거용 필터와 배기 가스 재순환 장치의 복합 시스템을 적용하기 위해서는 배기 가스 재순환 장치로 재순환되는 암모니아량의 정확한 측정 및 예측 수단이 필요하나, 이를 대신하여 선택적 환원 촉매가 코팅된 디젤 매연 필터 후단으로 배출되는 암모니아량의 측정 및 예측을 통해 질소산화물 정화량을 통합 제어할 필요성이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예는 저압 배기 가스 재순환 장치와 선택적 환원 촉매가 코팅된 디젤 매연 필터가 구비된 배기 가스 정화 장치에서 디젤 매연 필터 후단으로 배출되는 암모니아량의 측정 및 예측을 통한 배기 가스 정화 방법 및 배기 가스 정화 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 정화 방법은, 상기 예측된 암모니아 슬립 확률이 상기 저압 배기 가스 재순환 장치의 구동을 제한하는 암모니아 슬립 확률보다 크지 않은 경우 암모니아 흡장량과 암모니아 최소 흡장량을 비교하는 단계, 및 상기 암모니아 흡장량이 상기 암모니아 최소 흡장량보다 작은 경우, 배기 가스 히트 업(HEAT UP)을 시행하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 정화 방법은, 상기 암모니아 흡장량이 상기 암모니아 흡장 목표량에 최소 목표 흡장량 비율을 곱한 값보다 큰 경우, 상기 저압 배기 가스 재순환 장치의 구동이 제한되어 있는지 판단하는 단계, 및 상기 저압 배기 가스 재순환 장치의 구동이 제한되어 있는 경우, 우레아 수용액을 분사 구동하는 단계를 더 포함할 수 있다.

한편, 상기 우레아 수용액을 분사 구동하는 단계에서, 상기 암모니아 흡장량은 암모니아 흡장 목표량에 최대 목표 흡장량 비율을 곱한 값일 수 있다.

한편, 선택적 환원 촉매가 코팅된 디젤 매연 필터 후단으로 암모니아가 슬립될 확률은, 촉매 온도, 배기 유량, 질소산화물(NOx) 유량, 암모니아 흡장량, 암모니아 공급량을 고려하여 예측될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치는, 연료를 그 내부로 분사하기 위한 인젝터를 포함하며, 공기와 연료의 혼합기를 태워 동력을 생산하고, 연소 과정에서 발생한 배기 가스를 배기 파이프를 통하여 외부로 배출하는 엔진과, 상기 배기 파이프에 장착되어 있으며, 공연비가 희박(lean)한 분위기에서 배기 가스에 포함된 질소산화물을 흡장하고, 농후(rich)한 분위기에서 흡장된 질소산화물을 탈착하며 배기 가스에 포함된 질소산화물 또는 탈착된 질소산화물을 환원시키는 질소산화물 흡장 촉매(Lean NOx Trap; LNT) 장치와, 상기 배기 파이프에 장착되어 있으며, 배기 가스에 환원제를 분사하도록 된 분사 모듈과, 상기 분사 모듈 하부의 배기 파이프에 장착되어 있으며, 배기 가스에 포함된 입자상 물질을 포집하고, 상기 분사 모듈에서 분사된 환원제를 이용하여 배기 가스에 포함된 질소산화물을 환원하는 선택적 환원 촉매가 코팅된 디젤 매연 필터, 및 상기 선택적 환원 촉매가 코팅된 디젤 매연 필터 후단으로 암모니아가 슬립되는 예측된 확률, 암모니아 흡장량을 통해 저압 배기 가스 재순환 장치 구동 및 우레아 수용액의 분사 구동을 제어하는 제어기를 포함한다.

상기 엔진과 상기 질소산화물 흡장 촉매 장치 사이에는, 저압 배기 가스 재순환 장치가 더 구비될 수 있다.

상기 분사 모듈과 상기 선택적 환원 촉매가 코팅된 디젤 매연 필터 사이의 배기 파이프에 장착되며, 환원제를 배기 가스에 골고루 혼합시키는 믹서를 더 포함할 수 있다.

상기 선택적 환원 촉매가 코팅된 디젤 매연 필터는 상기 분사 모듈에서 분사된 환원제를 이용하여 배기 가스에 포함된 질소산화물을 환원하는 추가적인 선택적 환원 촉매(SCR)를 더 포함할 수 있다.

상기 제어기는, 암모니아 슬립 확률이 특정 수준을 초과하는 운전 조건에서, 암모니아 흡장량이 요구 수준 대비 특정 수준 미만일 경우 저압 배기 가스 재순환 장치의 구동을 제한하고 우레아 분사를 시행할 수 있다.

상기 제어기는, 암모니아 슬립 확률이 특정 수준 이하인 운전 조건에서, 암모니아 흡장량이 요구 수준 대비 특정 수준 미만일 경우 배기 가스 히트 업(HEAT UP)을 시행할 수 있다.

상기 선택적 환원 촉매가 코팅된 디젤 매연 필터 후단으로 암모니아가 슬립될 확률은, 촉매 온도, 배기 유량, 질소산화물 유량, 암모니아 흡장량, 암모니아 공급량을 고려하여 예측될 수 있다.

본 발명에 따르면, 저압 배기 가스 재순환 장치와 선택적 환원 촉매가 코팅된 디젤 매연 필터가 구비된 배기 가스 정화 장치에서 디젤 매연 필터 후단으로 배출되는 암모니아량의 측정 및 예측에 따라 배기 가스에 포함된 질소산화물의 정화 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 정화 방법에 사용되는 제어기에서 입력과 출력 관계를 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 정화 방법을 개략적으로 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 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치에 관하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치를 도시한 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 정화 방법에 사용되는 제어기에서 입력과 출력 관계를 도시한 블록도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 내연 기관의 배기 장치는 엔진(10), 배기 파이프(20), 저압 배기 가스 재순환(Low Pressure-Exhaust Gas Recirculation; LP-EGR) 장치(30), 질소산화물 흡장 촉매(Lean NOx Trap; LNT) 장치(40), 분사 모듈(50), 매연 필터(Particulate Filter)(60), 그리고 제어기(70)를 포함한다.

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(10) 밖으로 배출되게 된다. 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 엔진(10)이 사용될 수 있다.

배기 파이프(20)는 배기 매니폴드(18)에 연결되어 배기 가스를 차량의 외부로 배출시킨다. 배기 파이프(20) 상에는 질소산화물 흡장 촉매 장치(40), 분사 모듈(50) 및 매연 필터(60)가 장착되어 배기 가스 내 포함된 탄화수소, 일산화탄소, 입자상 물질 그리고 질소산화물 등을 제거한다.

저압 배기 가스 재순환 장치(30)는 배기 파이프(20) 상에 장착되어 엔진(10)에서 배출되는 배기 가스 일부를 저압 배기 가스 재순환 장치(30)를 통해 엔진(10)에 재공급한다. 또한, 저압 배기 가스 재순환 장치(30)는 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, 저압 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.

저압 배기 가스 재순환 장치(30)의 후방 배기 파이프(20)에는 제1 산소 센서(72)가 장착되어 저압 배기 가스 재순환 장치(30)를 통과한 배기 가스 내의 산소량을 검출하여 제어기(70)에 전달함으로써 제어기(70)가 배기 가스의 린/리치 제어(lean/rich control)를 수행하는 것을 돕도록 할 수 있다. 본 명세서에서는 제1 산소 센서(72)의 측정값을 질소산화물 흡장 촉매 장치 전단의 공연비(lambda)라고 칭하기로 한다.

또한, 저압 배기 가스 재순환 장치(30)의 후방 배기 파이프(20)에는 제1 온도 센서(74)가 장착되어 저압 배기 가스 재순환 장치(30)를 통과한 배기 가스의 온도를 검출한다.

질소산화물 흡장 촉매 장치(40)는 저압 배기 가스 재순환 장치(30)의 후방 배기 파이프(20)에 장착되어 있다. 질소산화물 흡장 촉매 장치(40)는 연한(lean) 분위기에서 배기 가스에 포함된 질소산화물을 흡장하고, 농후한(rich) 분위기에서 흡장된 질소산화물을 탈착하며 배기 가스에 포함된 질소산화물 또는 탈착된 질소산화물을 환원시킨다. 또한, 질소산화물 흡장 촉매 장치(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.

질소산화물 흡장 촉매 장치(40)의 후방 배기 파이프(20)에는 제2 산소 센서(76), 제2 온도 센서(78) 및 제1 질소산화물 센서(80)가 장착되어 있다.

제2 산소 센서(76)는 매연 필터(60)에 유입되는 배기 가스에 포함된 산소량을 측정하여 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다. 제1 산소 센서(72)와 제 2산소 센서(76)의 검출값을 기초로 제어기(70)는 배기 가스의 린/리치 제어를 수행할 수 있다. 본 명세서에서 제2 산소 센서(62)의 측정값을 필터 전단의 공연비(lambda)라고 칭하기로 한다.

제2 온도 센서(78)는 매연 필터(60)에 유입되는 배기 가스의 온도를 측정하여 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다.

제1 질소산화물 센서(80)는 매연 필터(60)에 유입되는 배기 가스에 포함된 질소산화물 양을 측정하여 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다. 제1 질소산화물 센서(80)에서 측정된 질소산화물 양은 분사 모듈(50)에서 분사할 환원제의 양을 결정하는데 사용될 수 있다.

분사 모듈(50)은 매연 필터(60)의 전단 배기 파이프(20)에 장착되어 있으며, 제어기(70)에 의하여 제어되어 환원제를 배기 가스에 분사한다. 통상적으로, 분사 모듈(50)은 우레아(urea)를 분사하며, 분사된 우레아는 가수분해에 의하여 암모니아로 변환된다. 그러나, 환원제는 암모니아에 한정되지는 않는다. 이하에서는 설명의 편의상 환원제로 암모니아를 사용하고 분사 모듈(50)에서 우레아를 분사하는 것을 예시한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상 내에서 암모니아 이외의 환원제를 사용하는 것도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 할 것이다.

분사 모듈(50)의 후단 배기 파이프(20)에는 믹서(55)가 장착되어 환원제를 배기 가스에 골고루 혼합시킨다.

매연 필터(60)는 믹서(55)의 후단 배기 파이프에 장착되어 있으며, 배기 가스에 포함된 입자상 물질을 포집하고, 분사 모듈(50)에서 분사된 환원제를 이용하여 배기 가스에 포함된 질소산화물을 환원한다. 이러한 목적을 위하여, 매연 필터(60)는 선택적 환원 촉매가 코팅된 디젤 매연 필터(Selective Catalytic Reduction on Diesel Particulate Filter; SDPF)(62)와 추가적인 선택적 환원 촉매(SCR)(64)를 포함한다.

SDPF(62)는 선택적 환원 촉매의 채널을 구성하는 격벽에 선택적 환원 촉매가 코팅되어 있다. 통상적으로 DPF는 복수개의 입구 채널과 출구 채널을 포함한다. 입구 채널은 그 일단이 개구되고 그 타단이 막혀 있어 DPF의 전단으로부터 배기 가스를 유입받는다. 또한, 출구 채널은 그 일단이 막혀 있고 그 타단이 개구되어 DPF 내부의 배기 가스를 배출한다. 입구 채널을 통해 DPF에 유입된 배기 가스는 입구 채널과 출구 채널을 분할하는 다공성의 격벽을 통해 출구 채널로 들어간 후, 출구 채널을 통해 DPF로부터 배출된다. 배기 가스가 다공성의 격벽을 통과하는 과정에서 배기 가스에 포함된 입자상 물질이 포집된다. 또한, SDPF(62)에 코팅된 선택적 환원 촉매는 분사 모듈(50)에서 분사된 환원제를 이용하여 배기 가스에 포함된 질소산화물을 환원시킨다.

추가적인 선택적 환원 촉매(64)는 SDPF(62)의 후단에 장착된다. 추가적인 선택적 환원 촉매(64)는 SDPF(62)에서 질소산화물이 완벽하게 정화되지 못하는 경우, 질소산화물을 추가적으로 환원시킨다.

한편, 배기 파이프(20)에는 차압센서(66)가 장착되어 있다. 차압센서(66)는 매연 필터(60)의 전단부와 후단부의 압력 차이를 측정하고 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다. 제어기(70)는 차압센서(66)에서 측정된 압력 차이가 설정 압력 이상인 경우 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.

또한, 매연 필터(60)의 후단 배기 파이프(20)에는 제2 질소산화물 센서(82)가 장착된다. 제2 질소산화물 센서(82)는 매연 필터(60)로부터 배출된 배기 가스에 포함된 질소산화물의 양을 검출하고, 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다. 제어기(70)는 제2 질소산화물 센서(82)의 검출값을 기초로 매연 필터(60)가 배기 가스에 포함된 질소산화물을 정상적으로 제거하고 있는지 모니터링 할 수 있다. 즉, 제2 질소산화물 센서(82)는 매연 필터(60)의 성능을 평가하기 위하여 사용될 수 있다.

한편, 제어기(70)는 SDPF(62) 후단으로 암모니아가 슬립되는 예측된 확률, 암모니아 흡장량을 통해 저압 배기 가스 재순환 장치(30) 구동 및 우레아 수용액의 분사 구동을 제어한다.

또한, 제어기(70)는 암모니아 슬립 확률이 특정 수준을 초과하는 운전 조건에서, 암모니아 흡장량이 요구 수준 대비 특정 수준 미만일 경우 저압 배기 가스 재순환 장치(30)의 구동을 제한하고 우레아 분사를 시행한다.

또한, 암모니아 슬립 확률이 특정 수준 이하인 운전 조건에서, 암모니아 흡장량이 요구 수준 대비 특정 수준 미만일 경우 배기 가스 히트 업(HEAT UP)을 시행한다.

한편, SDPF(62) 후단으로 암모니아가 슬립될 확률은, 촉매 온도, 배기 유량, 질소산화물 유량, 암모니아 흡장량, 암모니아 공급량을 고려하여 예측될 수 있다.

도 2를 참조하면, 제1 산소 센서(72), 제1 온도 센서(74), 제2 산소 센서(76), 제2 온도 센서(78), 제1 질소산화물 센서(80), 제2 질소산화물 센서(82), 그리고 차압 센서(66)는 제어기(70)에 전기적으로 연결되어 있으며 검출한 값들을 제어기(70)에 전달한다.

제1 산소 센서(72)는 저압 배기 가스 재순환 장치(30)를 통과한 배기 가스 내의 산소량을 검출하여 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다. 제어기(70)가 제1 산소 센서(72)에서 검출된 배기 가스 내의 산소량을 기초로 배기 가스의 린/리치 제어(lean/rich control)를 수행하는 것을 돕도록 할 수 있다. 제1 산소 센서(72)에서 검출된 값은 람다(λ)로 표시될 수 있다. 람다는 이론 공기량에 대한 실제 공기량의 비를 나타내며, 람다가 1을 초과하면 희박한 분위기로 보고, 람다가 1 미만이면 농후한 분위기로 본다.

제1 온도 센서(74)는 저압 배기 가스 재순환 장치(30)를 통과한 배기 가스의 온도를 검출하여 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다.

제2산소 센서(76)는 매연 필터(60)에 유입되는 배기 가스에 포함된 산소량을 측정하여 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다.

제1 질소산화물 센서(80)는 매연 필터(60)에 유입되는 배기 가스에 포함된 질소산화물 양을 측정하여 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다.

제2NOx 센서(82)는 매연 필터(60)로부터 배출된 배기 가스에 포함된 질소산화물의 양을 검출하고, 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다.

차압센서(66)는 매연 필터(60)의 전단부와 후단부의 압력 차이를 측정하고 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다.

제어기(70)는 전달된 값들을 기초로 엔진 운전 조건, 연료 분사량, 연료 분사 시기, 연료 분사 패턴, 환원제 분사량, 매연 필터(60)의 재생 시기 및 질소산화물 흡장 촉매 장치(40)의 탈황 시기를 결정하고, 인젝터(14) 및 분사 모듈(50)을 제어하기 위한 신호를 인젝터(14) 및 분사 모듈(50)에 출력한다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치에는 도 2에 기재된 센서들 외에 다수의 센서들이 장착될 수 있으나, 설명의 편의를 위하여 생략한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 정화 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.

도 3을 참조하면, 우선 SDPF(62) 후단으로 암모니아가 슬립될 확률(P_NH3Slip)을 예측한다(S301). SDPF(62) 후단으로 암모니아가 슬립될 확률(P_NH3Slip)은 촉매 온도, 배기 유량, 질소산화물 유량, 암모니아 흡장량, 암모니아 공급량을 고려하여 예측된다.

그 후, 상기 예측된 암모니아 슬립 확률(P_NH3Slip)과 저압 배기 가스 재순환(Low Pressure-Exhaust Gas Recirculation; LP-EGR) 장치의 구동을 제한하는 암모니아 슬립 확률(P_{NH3Slip, Limit})을 비교한다(S302).

그 후, 상기 예측된 암모니아 슬립 확률(P_NH3Slip)이 상기 저압 배기 가스 재순환 장치의 구동을 제한하는 암모니아 슬립 확률(P_{NH3Slip, Limit})보다 큰 경우, 암모니아 흡장량(m_{NH3, Stored})과 암모니아 흡장 목표량(m_{NH3, Target})에 최소 목표 흡장량 비율(f_LB)을 곱한 값을 비교한다(S303).

그 후, 상기 암모니아 흡장량(m_{NH3, Stored})이 상기 암모니아 흡장 목표량(m_NH3 _{, Target})에 최소 목표 흡장량 비율(f_LB)을 곱한 값보다 크지 않은 경우, 저압 배기 가스 재순환 장치(30)의 구동을 제한하며(S304), 우레아 수용액을 분사 구동하게 된다(S305).

한편, 상기 예측된 암모니아 슬립 확률(P_NH3Slip)이 상기 저압 배기 가스 재순환 장치(30)의 구동을 제한하는 암모니아 슬립 확률(P_NH3Slip _{, Limit})보다 크지 않은 경우 암모니아 흡장량(m_{NH3, Stored})과 암모니아 최소 흡장량(m_{NH3, Limit})을 비교하며(S306), 상기 암모니아 흡장량(m_{NH3, Stored})이 상기 암모니아 최소 흡장량(m_{NH3, Limit})보다 작은 경우, 배기 가스 히트 업(HEAT UP)을 시행한다(S307).

또한, 상기 암모니아 흡장량(m_{NH3, Stored})이 상기 암모니아 흡장 목표량(m_NH3 _{, Target})에 최소 목표 흡장량 비율(f_LB)을 곱한 값보다 큰 경우, 상기 저압 배기 가스 재순환 장치(30)의 구동이 제한되어 있는지 판단하고(S308), 상기 저압 배기 가스 재순환 장치(30)의 구동이 제한되어 있는 경우, 우레아 수용액을 분사 구동한다(S309).

이 때, 상기 우레아 수용액을 분사 구동시 상기 암모니아 흡장량(m_{NH3, Stored})은 암모니아 흡장 목표량(m_{NH3, Target})에 최대 목표 흡장량 비율(f_UB)을 곱한 값일 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따르면, 저압 배기 가스 재순환 장치와 선택적 환원 촉매가 코팅된 디젤 매연 필터가 구비된 배기 가스 정화 장치에서 디젤 매연 필터 후단으로 배출되는 암모니아량의 측정 및 예측에 따라 배기 가스에 포함된 질소산화물의 정화 효율을 향상시킬 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.

10: 엔진 20: 배기 파이프
30: 저압 배기 가스 재순환 장치 40: 질소산화물 흡장 촉매 장치
50: 분사 모듈 60: 매연 필터
62: SDPF 64: 추가적인 선택적 환원 촉매
70: 제어기

Claims

선택적 환원 촉매가 코팅된 디젤 매연 필터(Selective Catalytic Reduction on Diesel Particulate Filter; SDPF) 후단으로 암모니아(NH3)가 슬립될 확률을 예측하는 단계;
상기 예측된 암모니아 슬립 확률과 저압 배기 가스 재순환(Low Pressure-Exhaust Gas Recirculation; LP-EGR) 장치의 구동을 제한하는 암모니아 슬립 확률을 비교하는 단계;
상기 예측된 암모니아 슬립 확률이 상기 저압 배기 가스 재순환 장치의 구동을 제한하는 암모니아 슬립 확률보다 큰 경우, 암모니아 흡장량과 암모니아 흡장 목표량에 최소 목표 흡장량 비율을 곱한 값을 비교하는 단계;
상기 암모니아 흡장량이 상기 암모니아 흡장 목표량에 최소 목표 흡장량 비율을 곱한 값보다 크지 않은 경우, 저압 배기 가스 재순환 장치의 구동을 제한하는 단계; 및
우레아 수용액을 분사 구동하는 단계를 포함하는 배기 가스 정화 방법.
제 1 항에서,
상기 예측된 암모니아 슬립 확률이 상기 저압 배기 가스 재순환 장치의 구동을 제한하는 암모니아 슬립 확률보다 크지 않은 경우 암모니아 흡장량과 암모니아 최소 흡장량을 비교하는 단계; 및
상기 암모니아 흡장량이 상기 암모니아 최소 흡장량보다 작은 경우, 배기 가스 히트 업(HEAT UP)을 시행하는 단계를 더 포함하는 배기 가스 정화 방법.
제 1 항에서,
상기 암모니아 흡장량이 상기 암모니아 흡장 목표량에 최소 목표 흡장량 비율을 곱한 값보다 큰 경우, 상기 저압 배기 가스 재순환 장치의 구동이 제한되어 있는지 판단하는 단계; 및
상기 저압 배기 가스 재순환 장치의 구동이 제한되어 있는 경우, 우레아 수용액을 분사 구동하는 단계를 더 포함하는 배기 가스 정화 방법.
제 3 항에서,
상기 우레아 수용액을 분사 구동하는 단계에서,
상기 암모니아 흡장량은 암모니아 흡장 목표량에 최대 목표 흡장량 비율을 곱한 값인 배기 가스 정화 방법.
제 1 항에서,
선택적 환원 촉매가 코팅된 디젤 매연 필터 후단으로 암모니아가 슬립될 확률은,
촉매 온도, 배기 유량, 질소산화물(NOx) 유량, 암모니아 흡장량, 암모니아 공급량을 고려하여 예측되는 배기 가스 정화 방법.
연료를 그 내부로 분사하기 위한 인젝터를 포함하며, 공기와 연료의 혼합기를 태워 동력을 생산하고, 연소 과정에서 발생한 배기 가스를 배기 파이프를 통하여 외부로 배출하는 엔진;
상기 배기 파이프에 장착되어 있으며, 공연비가 희박(lean)한 분위기에서 배기 가스에 포함된 질소산화물을 흡장하고, 농후(rich)한 분위기에서 흡장된 질소산화물을 탈착하며 배기 가스에 포함된 질소산화물 또는 탈착된 질소산화물을 환원시키는 질소산화물 흡장 촉매(Lean NOx Trap; LNT) 장치;
상기 배기 파이프에 장착되어 있으며, 배기 가스에 환원제를 분사하도록 된 분사 모듈;
상기 분사 모듈 하부의 배기 파이프에 장착되어 있으며, 배기 가스에 포함된 입자상 물질을 포집하고, 상기 분사 모듈에서 분사된 환원제를 이용하여 배기 가스에 포함된 질소산화물을 환원하는 선택적 환원 촉매가 코팅된 디젤 매연 필터(Selective Catalytic Reduction on Diesel Particulate Filter; SDPF); 및
상기 선택적 환원 촉매가 코팅된 디젤 매연 필터 후단으로 암모니아가 슬립되는 예측된 확률, 암모니아 흡장량을 통해 저압 배기 가스 재순환 장치 구동 및 우레아 수용액의 분사 구동을 제어하는 제어기를 포함하고,
상기 제어기는,
암모니아 슬립 확률이 특정 수준을 초과하는 운전 조건에서, 암모니아 흡장량이 요구 수준 대비 특정 수준 미만일 경우 저압 배기 가스 재순환 장치의 구동을 제한하고 우레아 분사를 시행하며,
상기 제어기는,
암모니아 슬립 확률이 특정 수준 이하인 운전 조건에서, 암모니아 흡장량이 요구 수준 대비 특정 수준 미만일 경우 배기 가스 히트 업(HEAT UP)을 시행하는 배기 가스 정화 장치.
제 6 항에서,
상기 엔진과 상기 질소산화물 흡장 촉매 장치 사이에는,
저압 배기 가스 재순환 장치가 더 구비되는 배기 가스 정화 장치.
제 6 항에서,
상기 분사 모듈과 상기 선택적 환원 촉매가 코팅된 디젤 매연 필터 사이의 배기 파이프에 장착되며, 환원제를 배기 가스에 골고루 혼합시키는 믹서를 더 포함하는 배기 가스 정화 장치.
제 6 항에서,
상기 선택적 환원 촉매가 코팅된 디젤 매연 필터는 상기 분사 모듈에서 분사된 환원제를 이용하여 배기 가스에 포함된 질소산화물을 환원하는 추가적인 선택적 환원 촉매(SCR)를 더 포함하는 배기 가스 정화 장치.
삭제
삭제
제 6 항에서,
상기 선택적 환원 촉매가 코팅된 디젤 매연 필터 후단으로 암모니아가 슬립될 확률은,
촉매 온도, 배기 유량, 질소산화물 유량, 암모니아 흡장량, 암모니아 공급량을 고려하여 예측되는 배기 가스 정화 장치.