KR102257395B1 - 배기가스 후처리 시스템 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예들에 따른 배기가스 후처리 시스템 제어 장치는, 엔진에 연결되어 상기 엔진의 배기가스를 처리하고, DOC(Diesel Oxidation Catalyst) 장치, DPF(Diesel Particulate Filter) 장치, 및 SCR(Selective Catalytic Reduction) 장치를 포함하는 배기가스 후처리 시스템을 제어하는 장치로서, 상기 엔진의 후분사를 제어하는 후분사 제어기 및 상기 SCR 장치의 요소수 분사를 제어하는 요소수 분사 제어기를 포함한다.

Description

배기가스 후처리 시스템 제어 장치{APPARATUS FOR CONTROLLING ENGINE EMISSION AFTERTREATMENT SYSTEM}
본 발명은 배기가스 후처리 시스템 제어 장치에 관한 것이다.
디젤 엔진의 배기가스에서는 CO, HC (탄화수소; Hydrocarbon), PM (미세먼지), NOx 등 환경오염에 영향을 미치는 여러 화합물들이 배출되는데, DOC-DPF-SCR 시스템은 이를 저감하기 위한 장치이다. 기존 DOC-DPF-SCR 시스템은 각각의 장치가 저감하는 화합물들의 농도를 기준치 이하로 유지하기 위해 개별적으로 제어되어 NOx 저감 제어에 효과적이지 못하다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 배기가스 후처리 시스템을 효과적으로 제어할 수 있는 장치를 제공한다.
본 발명의 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 명확해 질 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 배기가스 후처리 시스템 제어 장치는, 엔진에 연결되어 상기 엔진의 배기가스를 처리하고, DOC(Diesel Oxidation Catalyst) 장치, DPF(Diesel Particulate Filter) 장치, 및 SCR(Selective Catalytic Reduction) 장치를 포함하는 배기가스 후처리 시스템을 제어하는 장치로서, 상기 엔진의 후분사를 제어하는 후분사 제어기 및 상기 SCR 장치의 요소수 분사를 제어하는 요소수 분사 제어기를 포함한다.
상기 후분사 제어기는, 상기 배기가스의 온도를 제어하는 PM 제어기 및 상기 SCR 장치 전단의 NO2/NOx 비율을 제어하는 NOx 제어기를 포함할 수 있다.
상기 PM 제어기는, 제어 구간 동안의 후분사 모드 조합에 대해 상태 변수들을 계산하고 상기 PM 제어기의 목적 함수를 최소화하는 현재의 후분사 모드를 정할 수 있다.
상기 NOx 제어기는, 제어 구간 동안의 후분사 모드 조합에 대해 상태 변수들을 계산하고 상기 NOx 제어기의 목적 함수를 최소화하는 현재의 후분사 모드를 정할 수 있다. 상기 NOx 제어기는, 상기 SCR 장치 전단의 NO2/NOx 비율이 0.5가 되도록 제어할 수 있다.
상기 후분사 제어기는, 상기 후분사를 단순화하기 위해 상기 엔진의 연료 주입량을 고정시키고 상기 후분사의 시간 간격을 1초로 고정시켜 매 초마다 후분사 모드를 린 모드 및 리치 모드의 이진 변수로 설정할 수 있다.
상기 후분사 제어기는, 연속적 선형화 기반 모델 예측 제어를 사용하여 상태 변수를 계산할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 배기가스 후처리 시스템을 효과적으로 제어할 수 있다. 엔진의 후분사를 간단하면서도 빠르게 제어하여 배기가스의 NOx를 효과적으로 저감할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 모델링 방법을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 후분사맵을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템 제어 장치를 나타낸다.
이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예들을 통해 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 이하의 실시예들에 의하여 본 발명이 제한되어서는 안 된다.
[DOC-DFP-SCR 시스템]
DOC-DPF-SCR 시스템은 디젤 엔진의 배기가스인 CO, HC(탄화수소; Hydrocarbon), PM(미세먼지), NOx 등 환경오염에 영향을 미치는 여러 화합물들을 저감하기 위한 장치이다. DOC(Diesel Oxidation Catalyst)는 산소를 이용하여 CO, HC 등을 산화시키는 장치이며, 배기가스는 DOC를 통과하면서 연소열에 의해 그 온도가 상승한다. DPF(Diesel Particulate Filter)는 촉매 필터를 이용하여 PM을 걸러내는 장치로, 온도가 낮은 평상시에는 NO2에 의한 수동 재생을 하다가 PM이 기준치 이상 쌓이게 되면 높은 온도에서 O2에 의한 능동 재생을 하게 된다. Urea-SCR(Selective Catalytic Reduction)은 NOx를 N2로 환원시키는 장치로, 전단에서 분사된 요소수의 열분해에 의해 암모니아가 생성되고, 상기 생성된 암모니아는 SCR 촉매에 흡착되어 NOx를 N2로 환원시킨다.
SCR의 NOx 저감 효율에 크게 영향을 미치는 요소는 두 가지로, 요소수 분사량과 SCR 전단의 NO2/NOx 비율이다. 요소수를 소량 주입하면 NOx 저감 효율이 낮아지며, 요소수를 다량 주입하면 배기가스에 다량의 암모니아 슬립이 섞여 나오게 되고 요소수 교체 횟수도 잦아진다. 또, 금속 치환 ZSM-5 촉매를 이용하는 SCR의 경우 SCR의 전단의 NO와 NO2 농도가 같을 때 넓은 온도 범위에서 SCR의 NOx 저감 효율이 최대가 된다.
[DOC-DFP-SCR 시스템 모델링]
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 시스템 모델링 방법을 나타낸다. 도 1은 플로우-스루 모놀리스(flow-through monolith) 모델링을 나타내고, 도 2는 월-플로우 모놀리스(wall-flow monolith) 모델링을 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참조하면, DOC, 및 SCR은 플로우-스루 모놀리스로 모델링되고, DPF는 필터가 있는 월-플로우 모놀리스로 모델링된다. 또, 계산 로드를 감소시키면서 실제 반응기의 상태 변수(농도, 온도)를 비교적 잘 예측할 수 있는 1-D 기반의 모델링을 도입하여 반응기 길이 방향에 따라 상태 변수를 예측할 수 있게 하였다. DPF의 경우 필터의 윗 부분(ｌ= 1)과 아랫 부분(ｌ= 2)을 구분하는 1D+1D 모델링을 도입하였다.
플로우-스루 모놀리스와 월-플로우 모노릴스의 상태변수를 계산할 수 있는 지배방정식은 다음과 같다.
플로우 - 스루 모놀리스의 지배방정식
Figure 112019103506212-pat00001
월- 플로우 모노릴스의 지배방정식
Figure 112019103506212-pat00002
구축된 모델은 PDE 시스템이기 때문에 MOL(Method of Line) 기법에 따라 각 반응기에 대해 길이 방향(z-axis)을 4등분하는 선형화를 통해 ODE 시스템으로 변환하고 총 5개의 위치에 대한 상태 변수 값을 예측한다. 각 위치에서의 상태 변수로는 공통적으로 화학종(j)별 벌크 가스(bulk gas)의 농도(Cg,j) 및 워시코트 포어 가스(washcoat pore gas)의 농도(Cwc,j), 벌크 가스의 온도(Tg), 고체의 온도(Ts)가 있다. SCR의 경우 NH3 커버리지(coverage)(θ: 촉매에 흡착 가능한 NH3의 최대 몰수 대비 현재 흡착된 NH3의 몰수 비율)에 대한 상태 변수가 추가된다. 플로우-스루 모놀리스의 경우 압력 강하를 무시하기 때문에 모멘텀 보존 식이 필요 없지만, 월-플로우 모놀리스의 경우에는 필요하며, 따라서 DPF의 경우 각 층(layer, ｌ)에 따른 압력(pl) 및 벌크 가스 층의 두께(dl), 수트 질량(soot mass)(m)에 대한 상태 변수가 추가된다.
지배방정식의 ri는 반응 i에 대한 반응 몰수이며, 각 반응기별 화학반응식들은 다음과 같다.
Figure 112019103506212-pat00003
대부분의 화학반응식들은 각 반응물들의 1차식으로 이루어진 글로벌 역학(global kinetics)으로 가정하며, 반응 속도 상수(ki)는 아레니우스 식(Arrhenius equation)(ki=Aiexp(-Ei/RT))을 따른다.
[엔진 후분사맵 ]
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 후분사맵을 나타낸다. 엔진 후분사(post injection)는 엔진의 주분사(main injection) 이후에 시간차를 두고 연료를 주입하여 배기가스의 온도를 높이는 방식으로, 후분사 시기와 연료 주입량에 따라 배기가스의 화합물 농도와 온도가 달라진다.
도 3을 참조하면, 후분사 모델을 단순화하기 위해 연료 주입량을 고정시키고 후분사 시기의 간격을 1s로 고정시켜 매 초마다 후분사 모드를 린 모드(lean mode)(0; 후분사를 하지 않는 상태)와 리치 모드(rich mode)(1; 후분사를 하는 상태)의 이진 변수로 설정한다. 일련의 엔진 후분사 모드 조합에 따라 엔진에서 나오는 C3H6, CO, H2, O2의 농도와 온도가 변하며, 복잡한 엔진 모델링 대신 엔진의 구동 제약 조건을 고려하여 15s(이전 11s의 조합 + 이후 4s의 조합) 동안 가능한 175개의 모든 조합에 대해 화학종의 농도와 온도 변화량을 미리 계산하고 엔진 후분사맵을 구축하여 계산 시간을 단축시킬 수 있다.
[연속적 선형화 기반 모델 예측 제어]
모델 예측 제어(MPC; Model Predictive Control)는 현재의 상태와 모델을 알고 있을 때, 모델을 활용하여 제어 구간(control horizon) 동안의 가능한 미래 조작 조합에 대응되는 예측 구간(prediction horizon) 동안의 상태를 예측하고, 이를 기반으로 목적 함수를 최소로 만드는 최적의 입력 조작 조합을 찾아 현재의 입력만을 적용하는 제어기이다. 이 제어기는 매번 구간을 옮기며 최적의 현재 입력값을 찾는 방식이기 때문에 이동 구간 제어(Receding Horizon Control)라고도 불린다.
농도와 온도 측정 센서는 측정 간격이 1s이므로 모델 예측 제어를 적용할 경우 제어기는 최적화 문제를 매초 풀며 매초 마다 최적의 현재 입력을 찾는다. PDE 형태의 지배방정식은 MOL에 의해
Figure 112019103506212-pat00004
(x: 상태변수, u: 입력변수) 형태의 비선형 ODE 시스템으로 변형되며, 상기 모델은 과도(transient) 구간이 많기 때문에 제어 구간 동안 가능한 모든 조작 조합에 대해 그대로 적분하여 상태변수 x를 구하는 방식은 시간이 굉장히 오래 걸린다.
따라서 비선형 시스템을 연속적으로 선형화시켜 간단한 행렬 연산으로 바꾸는 연속적 선형화 기반의 모델 예측 제어를 사용하여 계산 로드를 줄일 수 있다. 여기서,
Figure 112019103506212-pat00005
,
Figure 112019103506212-pat00006
는
Figure 112019103506212-pat00007
시점에
Figure 112019103506212-pat00008
상태에서 일정한
Figure 112019103506212-pat00009
의 입력이 들어오는 비선형 시스템을 선형화한 야코비 행렬(Jacobian Matrix)
Figure 112019103506212-pat00010
,
Figure 112019103506212-pat00011
를 이산시스템(discrete time system)으로 변환한 행렬이다. 이때
Figure 112019103506212-pat00012
은
Figure 112019103506212-pat00013
상태에서 일정한
Figure 112019103506212-pat00014
의 입력이 들어온다고 할 때
Figure 112019103506212-pat00015
의 시간 동안
Figure 112019103506212-pat00016
를 적분해서 얻는 상태 벡터를 의미한다. 즉 모델을 알고 있다면
Figure 112019103506212-pat00017
시점의 정보
Figure 112019103506212-pat00018
를 기반으로 예측 구간 동안의 상태 변수
Figure 112019103506212-pat00019
,
Figure 112019103506212-pat00020
, …,
Figure 112019103506212-pat00021
들을 계산할 수 있다.
Figure 112019103506212-pat00022
이와 같이 연속적 선형화를 진행하면 복잡한 ODE의 적분
Figure 112019103506212-pat00023
는 예측 구간 동안 단 한 번만 풀면 되고 입력 변화에 따른 상태 변수의 변화량은 야코비 행렬로부터 계산한 감도 행렬(sensitivity matrix),
Figure 112019103506212-pat00024
,
Figure 112019103506212-pat00025
로 이루어진 행렬과 후분사맵으로부터 계산된 입력 변화 벡터의 단순 곱으로 계산할 수 있다. 따라서 예측 구간 동안의 모든 조작 조합에 대해 ODE를 적분하여 푸는 기존의 방식에 비해 계산 로드를 훨씬 줄일 수 있다.
[배기가스 후처리 시스템 제어 장치]
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템 제어 장치를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 배기가스 후처리 시스템 제어 장치는 엔진에 연결되어 상기 엔진의 배기가스를 처리하고, DOC(Diesel Oxidation Catalyst) 장치, DPF(Diesel Particulate Filter) 장치, 및 SCR(Selective Catalytic Reduction) 장치를 포함하는 배기가스 후처리 시스템을 제어한다. 상기 배기가스 후처리 시스템 제어 장치는 후분사 제어기 및 요소수 분사 제어기를 포함한다.
후분사 제어기
평소에는 NOx 제어기의 로직에 따라 제어 구간 동안의 가능한 모든 후분사 모드(lean/rich) 조합에 대해 DOC-DPF 시스템의 상태를 추정하여 DPF 후단의 NO2/NOx를 0.5에 근접하게 하는 현재의 후분사 모드를 정한다. DPF에 PM이 기준치 이상 쌓이면 높은 온도에서 O2에 의한 능동 재생이 필요하므로 PM 제어기에 따라 배기가스의 온도를 DPF의 능동 재생이 가능한 수준까지 올리도록 제어 구간 동안의 가능한 모든 후분사 모드 조합을 따져 현재의 후분사 모드를 정한다.
요소수 분사 제어기
후분사 제어기를 통해 결정된 SCR 유입구(inlet)의 농도 및 온도를 기반으로 예측 구간 동안 요소수 분사량과 누적 NOx 방출량의 가중치 합으로 이루어지는 목적 함수를 최소화하는 FHOCP(Finite Horizon Optimal Control Problem)를 풀어 매초 마다 최적의 요소수 분사량을 결정한다.
상기 배기가스 후처리 시스템 제어 장치는 SCR 전단의 NO2/NOx 비율을 제어할 수 있어, 요소수 분사 제어기만 단독으로 사용하는 SCR에 비해 더 좋은 최적성을 가질 수 있다. 또, 연속적 선형화 기반의 모델 예측 제어를 사용해 기존의 모델 예측 제어에 비해 계산 시간을 줄일 수 있다.
배기가스 후처리 시스템 제어 알고리즘
1. 엔진 배기가스(Engine raw emission)의 NOx 센서가 유의미한 값을 측정할 때 시작한다.(k ← 1)
2. k ← k+1
3. 엔진 배기가스(Engine raw emission)의 농도 및 온도와 과거 후분사 모드의 순서를 기반으로 후분사가 전혀 들어가지 않을 때의 BCI(base case inlet) 데이터를 생성한다.
4. BCI(Base case inlet)일 때 DOC-DPF 모델을 기반으로 상태 변수들을 계산하고, DPF 내 PM 질량이 기준치 이상일 경우 '5 (1)'의 [PM 제어기]를 작동시키며 그렇지 않을 경우 '5 (2)'의 NOx 제어기를 작동시킨다.
5. (1) [PM 제어기] 제어 구간 동안의 가능한 모든 후분사 모드 조합에 대해 상태 변수들을 계산하고 PM 제어기의 목적함수를 최소화하는 현재의 후분사 모드를 정한다.(배기가스의 온도를 타겟 온도까지 올리는 제어) (2) [NOx 제어기] 제어 구간 동안의 가능한 모든 후분사 모드 조합에 대해 상태 변수들을 계산하고 NOx 제어기의 목적함수를 최소화하는 현재의 후분사 모드를 정한다.(SCR 전단 NO2/NOx 비율을 0.5로 만드는 제어)
6. [요소수 분사 제어기] 후분사 제어기를 통해 결정된 SCR inlet과 SCR 모델을 기반으로 해당 제어기의 FHOCP(Finite Horizon Optimal Control Problem)를 풀고, 최적의 요소수 분사량을 결정한다.
7. 주행이 끝나기 전까지 2 ~ 6의 과정을 반복한다.
[시뮬레이션 적용예 ]
도시 모드(City mode), 고속도로 모드(highway mode), 시골 모드(rural mode)의 3가지 모드로 구성된 총 4990초의 실주행 시나리오 하에서 본 발명의 배기가스 후처리 시스템 제어 장치를 검증하였다.
사례 1(case 1)은 NOx 제어기의 목적 함수가 SCR 전단의 NO2/NOx 비를 0.5로 유지시키도록 하고, 사례 2(case 2)는 NOx 제어기의 목적 함수가 SCR 후단의 NOx 누적 방출량을 최소화하도록 하였으며, 후분사 제어기에 NOx 제어기 없이 PM 제어기만 작동할 때를 기준(reference)으로 하여 상대적인 수치를 비교하였다.
사례 2는 SCR 전단의 NO2/NOx 비가 0.5일 때 SCR의 NOx 저감 효율이 최대라는 사실을 이용하지 않는다. 따라서 사례 1에 비해 최적성이 더 보장되지만 모든 가능한 후분사 모드 조합에 대해 요소수 분사 제어기의 FHOCP를 풀어야 하므로 계산 시간이 많이 소요된다. 따라서 실시간 계산을 적용해야 하는 실제 차량 시스템에는 적용하기 어려우며, 상기 알고리즘은 사례 1에 대한 최적성 검증용으로 사용할 수 있다.
사례 1(case 1) - 목적함수
Figure 112019103506212-pat00026
사례 2(case 2) - 목적함수
Figure 112019103506212-pat00027
NO 2 /NOx 비율 그래프
Figure 112019103506212-pat00028
[표 1]
Figure 112019103506212-pat00029
사례 1에 대해서는 (wa,wb)의 조합을 두 가지로 하여 표 1에 나타내었고, 비교를 용이하게 하기 위해 NO2/NOx 비율 그래프에는 사례 1 중에서 wa=1, wb=1일 때만 도시하였다.
NO2/NOx 비율 그래프를 보면 초반에 0.1이던 NO2/NOx ratio가 불과 몇 초 만에 0.5 근처에서 유지가 되며, 배기가스 온도가 상대적으로 높은 고속도로 주행 사이클에서는 PM이 많이 쌓인 상태로, NOx 제어기 대신 PM 제어기가 작동하여 NO2/NOx 비율이 유지되지 않음을 확인할 수 있다.
표 1을 보면 NOx 제어기의 도입으로 인해 리치(rich) 모드 횟수가 증가하였음을 알 수 있고, 오히려 PM 제어기가 작동할 때는 리치 모드 횟수가 줄었음을 확인할 수 있다. 이는 NOx 제어기로 인한 후분사 모드 횟수 증가로 인해 평소에도 배기가스의 온도가 NOx 제어기를 사용하지 않을 때에 비해 높게 유지되기 때문이다.
배기가스 후처리 시스템 제어 장치는 NOx 제어기의 도입으로 리치 모드 횟수가 증가했지만 누적 NOx 방출량과 요소수 주입량은 훨씬 줄어들어 SCR의 NOx 저감 제어에 있어 좀 더 좋은 최적성을 보이며, 계산 속도를 크게 단축시킬 수 있다.
이제까지 본 발명에 대한 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 엔진에 연결되어 상기 엔진의 배기가스를 처리하고, DOC(Diesel Oxidation Catalyst) 장치, DPF(Diesel Particulate Filter) 장치, 및 SCR(Selective Catalytic Reduction) 장치를 포함하는 배기가스 후처리 시스템을 제어하는 장치로서,
    상기 엔진의 후분사를 제어하는 후분사 제어기; 및
    상기 SCR 장치의 요소수 분사를 제어하는 요소수 분사 제어기를 포함하며,
    상기 후분사 제어기는,
    상기 배기가스의 온도를 제어하는 PM 제어기 및
    상기 SCR 장치 전단의 NO2/NOx 비율을 제어하는 NOx 제어기를 포함하고,
    상기 후분사를 단순화하기 위해 상기 엔진의 연료 주입량을 고정시키고 상기 후분사의 시간 간격을 일정 시간으로 고정시켜 상기 일정 시간마다 후분사 모드를 0(후분사를 하지 않는 상태) 및 1(후분사를 하는 상태)의 이진 변수로 설정하여 제어 구간 동안의 가능한 모든 후분사 모드 조합에 대해 상기 배기가스의 화학종의 농도와 온도 변화량을 미리 계산하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 PM 제어기는, 상기 후분사 모드 조합에 대해 상태 변수들을 계산하고 상기 PM 제어기의 목적 함수를 최소화하는 현재의 후분사 모드를 정하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 NOx 제어기는, 상기 후분사 모드 조합에 대해 상태 변수들을 계산하고 상기 NOx 제어기의 목적 함수를 최소화하는 현재의 후분사 모드를 정하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 NO2/NOx 비율은 0.5가 되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템 제어 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 일정 시간은 1초인 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템 제어 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 후분사 제어기는, 연속적 선형화 기반 모델 예측 제어를 사용하여 상태 변수를 계산하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템 제어 장치.
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