KR102301917B1 - 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치 및 환원제 공급 제어 방법 - Google Patents

환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치 및 환원제 공급 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치 및 환원제 공급 제어 방법에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치는 기설정된 공연비로 공기와 연료를 연소시켜 질소산화물을 함유한 배기가스를 배출하는 엔진과, 상기 엔진이 배출한 배기가스가 이동하는 배기 유로와, 상기 엔진에 공급되는 공기의 압력을 실측하는 압력 센서와, 상기 배기 유로 상에 설치되어 상기 엔진에서 배출된 배기가스의 질소산화물 농도를 측정하는 질소산화물 농도 센서와, 상기 배기 유로를 따라 이동하는 배기가스에 환원제를 공급하는 환원제 공급부, 그리고 상기 압력 센서와 상기 질소산화물 농도 센서로부터 전달받은 정보에 기초하여 환원제 공급량을 결정하여 상기 환원제 공급부를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치 및 환원제 공급 제어 방법{POWER PLANT WITH REDUCTANT SUPPLY CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR CONTROL REDUCTANT SUPPLY}
본 발명의 실시예는 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치 및 환원제 공급 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 환원제의 공급량을 제어하기 위한 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치 및 환원제 공급 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템은 디젤 엔진, 보일러, 소각기 등에서 발생된 배기 가스를 정화하여 질소산화물을 저감시키기 위한 시스템이다.
선택적 촉매 환원 시스템은 촉매가 내부에 설치된 반응기에 배기 가스와 환원제를 함께 통과시키면서 배기 가스에 함유된 질소산화물과 환원제를 반응시켜 질소와 수증기로 환원 처리한다.
선택적 촉매 환원 시스템은 질소산화물을 저감시키기 위한 환원제로 우레아(urea)를 직접 분사하여 사용하거나 우레아를 가수분해시켜 생성된 암모니아(NH3)를 분사하여 사용하고 있다.
일반적으로, 촉매가 설치된 선택적 촉매 환원용 반응기 전단에 센서를 설치하여 질소산화물 농도를 실측하고, 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위해 필요한 양의 환원제를 분사하고 있다.
하지만, 촉매의 활성화 정도, 촉매의 피독 여부, 배기가스의 온도 등 여러 변수에 의해 반응 효율이 달라지므로, 선택적 촉매 환원 반응 전에 질소산화물의 농도를 실측하여 정량적으로 환원제의 양을 결정하여 분사하게 되면, 실제 반응에서 일어나는 여러 변수와 오차들을 반영하지 못하여 배기가스가 함유한 질소산화물의 저감을 정밀하게 제어하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 앞으로는 이러한 선택적 촉매 환원 시스템은 선박용 디젤 엔진에서 배출되는 질소산화물(NOx)의 배출량이 엔진 국제 대기 오염 방지 3차 규제(IMO Tier-III)를 만족시킬 수 있는 성능과 운용이 앞으로 요구되고 있다.
이에, 엔진 국제 대기 오염 방지 3차 규제(IMO Tier-III) 조건을 충분히 만족시키기 위하여 환원제로 사용되는 암모니아가 필요 이상으로 분사될 경우에는 암모니아 슬립(Ammonia Slip)이 발생된다. 암모니아 슬립은 질소산화물과 정량적으로 반응하는 암모니아 양보다 많은 양의 암모니아가 주입되면 반응에 참여하지 않은 미반응 암모니아가 배기가스와 함께 외부로 배출하는 현상이다.
암모니아 슬립이 일어나면, 미반응 암모니아가 촉매의 수명을 단축시키거나 촉매의 부식을 야기할 수 있으며, 미반응 암모니아가 배기가스와 함께 외부로 배출되면 암모니아에 의한 대기오염 문제가 추가로 발생될 수 있다.
반면, 환원제로 사용되는 암모니아의 분사량이 부족할 경우에는 배기가스에 함유된 질소산화물을 충분히 저감시키지 못하여 엔진 국제 대기 오염 방지 3차 규제(IMO Tier-III) 조건을 만족시키지 못하게 된다.
따라서 디젤 엔진의 가동 초기뿐만 아니라 부하 변동 시에도 엔진 국제 대기 오염 방지 3차 규제(IMO Tier-III) 조건을 만족시킬 뿐만 아니라 암모니아 슬립의 발생을 최소화할 수 있는 선택적 촉매 환원 시스템의 운용이 요구된다.
따라서, 적정한 환원제가 사용되도록 환원제 공급량을 제어하기 위해 종래에는 MAF(mass air flow) 센서를 이용하여 측정한 흡입 공기량 및 전자 제어 장치(electronic control unit, ECU)를 활용하여 계산된 엔진의 연료량을 가지고 산출한 배기가스 총량과 배기가스에서 측정된 질소산화물 농도로 제거해야 할 질소산화물의 양을 산출하고, 이에 따라 환원제 공급량을 제어하였다.
하지만, 선박에 사용되는 엔진의 경우 소금기나 수분 등으로 인해 MAF(mass air flow) 센서의 내구성이 보장되기 어려운 문제점이 있다.
이에, 환경 또는 경제적인 이유로 MAF(mass air flow) 센서를 사용하지 않고도 환원제 공급량을 제어할 수 있는 방법이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 질소산화물의 환원 반응에 사용되는 환원제의 공급을 효과적으로 제어할 수 있는 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치 및 환원제 공급 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치는 기설정된 공연비로 공기와 연료를 연소시켜 질소산화물을 함유한 배기가스를 배출하는 엔진과, 상기 엔진이 배출한 배기가스가 이동하는 배기 유로와, 상기 엔진에 공급되는 공기의 압력을 실측하는 압력 센서와, 상기 배기 유로 상에 설치되어 상기 엔진에서 배출된 배기가스의 질소산화물(NOx) 농도를 측정하는 질소산화물 농도 센서와, 상기 배기 유로를 따라 이동하는 배기가스에 환원제를 공급하는 환원제 공급부, 그리고 상기 압력 센서와 상기 질소산화물 농도 센서로부터 전달받은 정보에 기초하여 환원제 공급량을 결정하여 상기 환원제 공급부를 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는 기 설정된 상기 엔진으로 공급되는 공기의 압력과 공기 질량 간의 상관관계 데이터를 활용하여 상기 압력 센서가 실측한 공기의 압력으로부터 상기 엔진의 실린더의 스트로크(stroke) 당 공기 질량을 산출하고, 상기 엔진의 회전 속도와 상기 엔진의 총 실린더수, 그리고 상기 산출된 스트로크 당 공기 질량을 활용하여 시간 당 공기 질량을 산출하고, 상기 시간 당 공기 질량을 공연비로 나누어 시간 당 연료 질량을 산출하고, 상기 질소산화물 농도 센서가 측정한 질소산화물(NOx) 농도와 상기 시간 당 공기 질량 그리고 상기 시간 당 연료 질량을 가지고 상기 엔진에서 배출된 질소산화물 총량을 산출한 후, 상기 질소산화물 총량을 환원시킬 수 있는 환원제의 공급량을 결정할 수 있다.
삭제
상기 상관관계 데이터는 상기 엔진의 실린더의 스트로크 당 공기 질량과 상기 엔진에 공급하는 공기의 압력 간의 상관관계를 시험을 통해 취득하여 설정될 수 있다.
삭제
상기 제어부는 아래의 수학식을 이용하여 상기 시간 당 공기 질량을 산출할 수 있다.
[수학식]
Figure 112015038782244-pat00001
상기한 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치는 상기 배기가스가 갖는 압력에 의해 회전하는 터빈과 상기 터빈으로부터 동력을 전달받아 상기 엔진으로 공급되는 공기를 압축하는 압축기를 포함하는 과급기(turbo charger)와, 상기 과급기의 압축기와 상기 엔진 사이에 경로 상에 배치된 인터쿨러를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 압력 센서는 상기 인터쿨러의 하류에 설치되어 상기 과급기에 의해 압축된 후 상기 엔진으로 공급되는 공기의 압력을 측정할 수 있다.
상기 제어부는 상기 엔진의 회전 속도와 부하 그리고 환원제의 환원율을 고려하여 상기 산출된 환원제 분사량을 보정할 수 있다.
또한, 상기한 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치는 상기 배기 유로 상에 설치되어 배기가스에 함유된 질소산화물과 상기 환원제 공급부가 공급한 환원제의 반응을 촉진시키는 촉매를 포함한 선택적 촉매 환원 반응기와, 상기 선택적 촉매 환원 반응기의 내부 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 제어부는 상기 촉매의 온도에 따라 상기 산출된 환원제 공급량을 보정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 엔진이 공기를 공급받아 기설정된 공연비로 연료와 함께 연소시킨 후 배출한 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 환원시키기 위한 환원제 공급 제어 방법은 상기 엔진의 실린더의 스트로크 당 공기 질량을 산출하는 단계와, 상기 엔진의 회전 속도와 상기 엔진의 총 실린더수를 고려하여 상기 추정된 스트로크 당 공기 질량을 가지고 시간 당 공기 질량을 산출하는 단계와, 상기 시간 당 공기 질량을 공연비로 나누어 시간 당 연료 질량을 산출하는 단계와, 상기 엔진에서 배출된 배기가스의 질소산화물(NOx) 농도를 측정하는 단계와, 상기 시간 당 공기 질량과 상기 시간 당 연료 질량 그리고 상기 질소산화물의 농도를 가지고 상기 엔진에서 배출된 질소산화물 총량을 산출하는 단계, 그리고 상기 질소산화물 총량을 환원시킬 수 있는 환원제의 공급량을 산출하는 단계를 포함한다. 그리고 상기 상관관계 데이터는 시험을 통해 취득된 상기 엔진의 실린더의 스트로크 당 공기 질량과 상기 엔진에 공급하는 공기의 압력 간의 상관관계일 수 있다.
상기 시간 당 공기 질량은 아래의 수학식을 이용하여 산출할 수 있다.
[수학식]
Figure 112015038782244-pat00002
또한, 상기한 환원제 공급 제어 방법은 엔진의 회전 속도와 부하 그리고 환원제의 환원율을 고려하여 상기 산출된 환원제 공급량을 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기한 환원제 공급 제어 방법은 촉매를 사용하여 질소산화물을 전환시키기 위한 환원 반응을 촉진시키며, 상기 촉매의 온도에 따라 상기 산출된 환원제 공급량을 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치 및 환원제 공급 방법은 질소산화물의 환원 반응에 사용되는 환원제의 공급을 효과적으로 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치를 나타낸 구성도이다.
도 2는 시험을 통해 취득한 엔진의 실린더의 스트로크(stroke) 당 공기 질량과 과급기가 엔진에 공급하는 공기의 압력 간의 상관관계 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 공급 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 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 실시예에 한정되지 않는다.
도면들은 개략적이고 축척에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 축소되어 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.
본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 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 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치(101)를 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치(101)는 엔진(200), 배기 유로(610), 과급기(300), 압력 센서(710), 질소산화물 농도 센서(720), 환원제 공급부(400), 및 제어부(700)를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치(101)는 인터쿨러(280), 선택적 촉매 환원 반응기(500), 및 온도 센서(760)를 더 포함할 수 있다.
엔진(200)은 폭발 행정이 발생하는 실린더를 하나 이상 포함한다. 엔진(200)은 기설정된 공연비로 공기와 연료를 연소시켜 동력을 발생한다. 여기서, 공연비는 엔진(200)의 종류에 따라 제조사에 의해 회전 속도 및 부하별로 기설정될 수 있다.
그리고 본 발명의 일 실시예에서, 엔진(200)은 질소산화물(NOx) 등 환경 규제 물질을 함유한 배기가스를 배출한다.
일례로, 엔진(200)은 디젤 엔진으로 선박의 주동력원으로 사용될 수 있다. 또한, 엔진(200)은 4행정 엔진 또는 2행정 엔진일 수 있다.
배기 유로(610)는 엔진(200)의 배기가스를 배출시킨다. 즉, 엔진(200)이 배출한 배기가스는 배기 유로(610)를 따라 이동한다.
과급기(turbo charger, 300)는 엔진(200)의 실린더와 연결되어 엔진(200)의 실린더에 연소용 공기를 밀어 넣는다.
구체적으로, 과급기(300)는 배기 유로(610) 상에 설치되어 배기가스가 갖는 압력으로 회전하는 터빈(310)과 터빈(310)의 회전력으로 엔진(200)에 공기를 밀어 넣는 압축기(320)를 포함한다.
이와 같이, 과급기(300)는 엔진 본체(200)가 배출한 배기가스가 갖는 압력으로 터빈(310)을 돌려 엔진 본체(200)에 새로운 외부 공기를 압축하여 공급함으로써, 엔진 본체(200)의 출력을 향상시킬 수 있다.
인터쿨러(intercooler, 280)는 엔진(200)의 흡기를 냉각시킨다.
구체적으로, 인터쿨러(280)는 과급기(300)와 엔진(200) 사이에 배치되어 과급기(300)가 압축시킨 공기를 냉각시킨다. 과급기(300)가 공기를 압축할 때 생기는 열 때문에 과급기(300)에 의해 애써 가압된 공기 밀도가 희박해진다. 이 때문에 기온이 높은 여름철 등에는 충전 효율이 나빠진다. 인터쿨러(280)는 과급기(300)가 가압한 공기를 냉각하여 공기 밀도를 올린다.
압력 센서(710)는 과급기(300)가 엔진(200)에 공급하는 공기의 압력을 실측한다.
본 발명의 일 실시예에서, 압력 센서(710)는 인터쿨러(280)의 후단에 인접하게 설치될 수 있다. 즉, 압력 센서(710)는 과급기(300)에서 압축된 후 인터쿨러(280)를 거치면서 냉각된 공기의 압력을 측정할 수 있다.
질소산화물(NOx) 농도 센서(720)는 배기 유로(610) 상에 설치되어 엔진(200)에서 배출된 배기가스의 질소산화물(NOx) 농도를 측정할 수 있다.
선택적 촉매 환원 반응기(500)는 배기 유로(610) 상에 설치된다. 선택적 촉매 환원 반응기(500)는 엔진(200)에서 배출된 배기가스가 함유한 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 촉매를 포함한다. 촉매는 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)과 환원제의 반응을 촉진시켜 질소산화물(NOx)을 질소와 수증기로 환원 처리한다. 이때, 환원제로 우레아(urea)를 사용할 수 있으며, 우레아는 암모니아(NH3)로 분해되어 질소산화물(NOx)과 반응하게 된다.
촉매는 제올라이트(Zeolite), 바나듐(Vanadium), 및 백금(Platinum) 등과 같이 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 소재로 만들어질 수 있다. 일례로, 촉매는 섭씨 250도 내지 섭씨 450도 범위 내의 활성 온도를 가질 수 있다. 여기서, 활성 온도는 촉매가 피독되지 않고 안정적으로 질소산화물을 환원시킬 수 있는 온도를 말한다. 촉매가 활성 온도 범위 밖에서 반응하면, 촉매가 피독되면서 효율이 저하된다.
구체적으로, 촉매를 피독시키는 피독 물질은 황산암모늄(Ammonium sulfate, (NH4)2SO4)과 아황산수소암모늄(Ammonium bisulfate, NH4HSO4) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 촉매 피독 물질은 촉매에 흡착되어 촉매의 활성을 저하시킨다. 촉매 피독 물질은 상대적으로 높은 온도에서 분해되므로, 촉매를 승온시키면 피독된 촉매를 재생할 수 있다.
온도 센서(760)는 선택적 촉매 환원 반응기(500)의 내부 온도를 측정한다. 구체적으로, 온도 센서(760)는 선택적 촉매 환원 반응기(500)의 내부에 설치된 촉매의 온도를 측정하기 위해 사용된다.
환원제 공급부(400)는 배기 유로(610)를 따라 이동하는 배기가스에 환원제를 공급한다. 그리고 환원제 공급부(400)는 환원제 저장부(450)와 환원제 분사부(410)를 포함할 수 있다.
환원제 저장부(450)는 우레아와 물이 혼합된 요소수를 저장하고, 이를 환원제 분사부(410)에 공급한다. 즉, 환원제 분사부(410)는 우레아와 물이 혼합된 요소수를 분사할 수 있다.
또한, 환원제 분사부(410)는 엔진 본체(200)와 반응기(500) 사이의 배기 유로(610)에서 환원제를 분사한다. 이에, 배기가스는 환원제와 혼합되어 반응기(500)에 유입된다.
환원제 분사부(410)에서 요소수가 분사되면, 요소수의 우레아가 배기가스가 갖는 열에너지에 의해 분해되면서 암모니아(NH3)와 이소시안산(Isocyanic acid, HNCO)이 생성되고, 이소시안산(HNCO)은 다시 암모니아(NH3)와 이산화탄소(CO2)로 분해된다.
즉, 요소수는 최종적으로 암모니아로 분해되어 배기가스에 함유된 질소산화물과 반응하게 된다.
제어부(700)는 압력 센서(710)와 질소산화물 농도 센서(720)로부터 전달받은 정보에 기초하여 환원제 공급량을 결정하여 환원제 공급부(400)가 해당 환원제 공급량을 공급하도록 제어한다. 여기서, 제어부(700)는 엔진(200)의 전자 제어 장치(electronic control unit, ECU)이거나 별도의 제어 장치일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제어부(700)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 엔진(200)으로부터 공급되는 공기 질량과 공기 압력 간의 상관관계 그래프에 압력 센서(710)가 실측한 공기의 압력을 대입하여 스트로크(stroke) 당 공기 질량을 추정한다. 여기서, 상관관계 그래프는 엔진(200)의 실린더의 스트로크 당 공기 질량과 과급기(300)가 엔진(200)에 공급하는 공기의 압력 간의 상관관계를 시험을 통해 취득하여 설정될 수 있다. 과급기(300)가 엔진(200)에 공급하는 공기의 압력은 과급기(300) 하류의 압력을 의미할 수 있다.
일례로, 엔진(200) 실린더의 스트로크(stroke) 당 공기 질량과 과급기(300)가 엔진(200)에 공급하는 공기의 압력 간의 상관관계 그래프는 다이노미터(dynamometer)를 이용한 실험을 통해 취득할 수 있다.
여기서, 과급기(300)가 장착된 디젤 엔진(200)의 경우 실린더 스트로크(stroke) 당 공기 유량과 과급기(300)의 압축기(320) 후단의 압력(boost pressure)은 1차식의 선형적인 관계를 나타낸다는 결과의 도출은 각고의 노력과 투자의 산실이다.
그리고 제어부(700)는 엔진(200)의 회전 속도와 엔진(200)의 총 실린더수를 고려하여 추정된 스트로크 당 공기 질량을 가지고 시간 당 공기 질량을 산출한다.
이때, 제어부(700)는 아래의 수학식을 이용하여 시간 당 공기 질량을 산출할 수 있다.
[수학식]
Figure 112015038782244-pat00003
이어, 제어부(700)는 시간 당 공기 질량을 공연비로 나누어 시간 당 연료 질량을 산출한다. 여기서, 공연비는 엔진(200)의 종류에 따라 제조사에 의해 기설정된다.
제어부(700)는 질소산화물 농도 센서(720)가 측정한 질소산화물(NOx) 농도와 시간 당 공기 질량 그리고 시간 당 연료 질량을 가지고 엔진(200)에서 배출된 질소산화물 총량을 산출할 수 있다. 제어부(700)는 질소산화물 총량이 산출되면 이를 환원시킬 수 있는 환원제의 공급량을 결정하여, 해당 환원제 공급량이 공급되도록 환원제 공급부(400)를 제어한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서, 제어부(700)는 엔진(200)의 회전 속도와 부하 그리고 환원제의 환원율을 고려하여 산출된 환원제 분사량을 보정할 수 있다.
전술한 단계의 환원제 공급량은 우레아 ?? 암모니아 전환율이 이론적인 상태(ANR[Ammonia to NOx Ratio]=1)에서 산출된 값이다.
하지만, 질소산화물을 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원 반응에서는 촉매의 열화 정도 및 촉매 반응 활성 온도 등에 의해 효율이 저하될 수 있다.
따라서, 전술한 이론적으로 산출된 환원제 공급량보다 더 많은 양의 환원제를 공급할 필요가 있다.
이에, 본 발명의 일 실시예에서는, 엔진(200)의 회전 속도와 부하 별로 촉매에서의 선택적 촉매 환원 반응의 효율을 시험을 통해 파악하여 이론값 대비 실제 적정 환원제 분사량을 조절할 수 있도록 엔진(200)의 회전 속도와 부하 별 환원제 분사량 보정값을 맵핑(mapping)하여 테이블(table)화하여 사용할 수 있다.
전술한 테이블을 사용하여 환원제 공급량을 보정함으로써, 선택적 촉매 환원 반응 효율을 높이고 싶은 엔진(200)의 부하 구간에서는 우레아 ?? 암모니아 전환율(ANR)을 높게 설정하여 맵핑(mapping)할 수 있다.
반대로, 암모니아 슬립(slip)량이 많이 발생하는 구간에서는 우레아 ?? 암모니아 전환율(ANR)을 낮춰 맵핑(mapping)하여 암모니아 슬립량을 최소화 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서, 제어부(700)는 촉매의 온도에 따라 산출된 환원제 공급량을 보정할 수 있다.
선택적 촉매 환원 반응에 사용되는 촉매는 종류와 성분에 따라 효율이 낮은 온도 구간과 높은 온도 구간을 갖는다.
촉매의 온도가 효율이 낮은 온도 구간에 속할 때에는, 질소산화물(NOx)의 저감 효과는 없이 우레아만 소모된다. 또한, 우레아가 분사되는 지점에 우레아 결정화(urea crystallization) 현상이 발생될 수도 있다.
따라서, 촉매의 온도가 효율이 낮은 온도 구간에 속할 때에는 환원제 공급량을 줄이거나 제한하도록 환원제 공급량을 보정할 수 있다.
또한, 촉매의 온도가 효율이 높은 온도 구간에 속할 때에는 환원제 공급량을 늘려 질소산화물 제거 효율을 극대화시킬 수도 있다.
촉매의 활성 온도는 촉매의 종류에 성분에 따라 상이하나, 일례로 촉매는 섭씨 200도 이하에서 매우 낮은 효율을 보이며, 섭씨 350도 내지 섭씨 450도 범위 내에서 매우 높은 효율을 보일 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치(101)는 질소산화물의 환원 반응에 사용되는 환원제의 공급을 효과적으로 제어할 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 공급 제어 방법을 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 공급 제어 방법은 엔진(200)이 과급기(300)가 압축한 공기를 공급받아 기설정된 공연비로 연료와 함께 연소시킨 후 배출한 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 환원시키기 위해 필요한 환원제를 공급하기 위한 방법이다.
먼저, 엔진(200)으로 공급되는 공기 질량과 공기 압력 간의 상관관계 그래프를 마련한다. 여기서, 상관관계 그래프는 엔진(200) 실린더의 스트로크(stroke) 당 공기 질량과 과급기(300)가 엔진(200)에 공급하는 공기의 압력 간의 상관관계를 시험을 통해 취득하여 설정할 수 있다.
일례로, 엔진(200) 실린더의 스트로크(stroke) 당 공기 질량과 과급기(300)가 엔진(200)에 공급하는 공기의 압력 간의 상관관계 그래프는 다이노미터(dynamometer)를 이용한 실험을 통해 취득할 수 있다.
다음, 과급기(300)가 엔진(200)에 공급하는 공기의 압력을 실측한 후, 실측한 공기의 압력을 상관관계 그래프에 대입하여 스트로크 당 공기 질량을 추정한다.
다음, 엔진(200)의 회전 속도와 엔진(200)의 총 실린더수를 고려하여 추정된 스트로크 당 공기 질량을 가지고 시간 당 공기 질량을 산출한다.
이때, 시간 당 공기 질량은 아래의 수학식을 이용하여 산출할 수 있다.
[수학식]
Figure 112015038782244-pat00004
다음, 시간 당 공기 질량을 공연비로 나누어 시간 당 연료 질량을 산출한다. 공연비는 엔진(200)의 종류에 따라 제조사에 의해 기설정된 값이 제공된다.
다음, 엔진(200)에서 배출된 배기가스의 질소산화물(NOx) 농도를 측정한다. 그리고 시간 당 공기 질량과 시간 당 연료 질량 및 질소산화물의 농도를 가지고 엔진(200)에서 배출된 질소산화물 총량을 산출한다.
질소산화물 총량이 산출되면 이를 환원시킬 수 있는 환원제의 공급량을 산출한다.
이후, 산출된 값에 따라 환원제를 공급하게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 공급 제어 방법에서는, 엔진(200)의 회전 속도와 부하 그리고 환원제의 환원율을 고려하여 산출된 환원제 공급량을 보정할 수도 있다.
질소산화물을 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원 반응에서는 촉매의 열화 정도 및 촉매 반응 활성 온도 등에 의해 효율이 저하될 수 있으므로, 전술한 이론적으로 산출된 환원제 공급량보다 더 많은 양의 환원제를 공급할 필요가 있다.
이에, 본 발명의 일 실시예에서는, 엔진(200)의 회전 속도와 부하 별로 촉매에서의 선택적 촉매 환원 반응의 효율을 시험을 통해 파악하여 이론값 대비 실제 적정 환원제 분사량을 조절할 수 있도록 엔진(200)의 회전 속도와 부하 별 환원제 분사량 보정값을 맵핑(mapping)하여 테이블(table)화하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 공급 제어 방법에서는, 촉매를 사용하여 질소산화물을 전환시키기 위한 환원 반응을 촉진시킬 수 있다. 그리고 촉매의 온도에 따라 산출된 환원제 공급량을 보정할 수 있다.
선택적 촉매 환원 반응에 사용되는 촉매는 종류와 성분에 따라 효율이 낮은 온도 구간과 높은 온도 구간을 갖는다.
따라서 촉매에 온도에 따라 환원제 공급량을 보정하여 환원제가 불필요하게 낭비되거나 암모니아 슬립 현상이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 공급 제어 방법은 질소산화물의 환원 반응에 사용되는 환원제의 공급을 효과적으로 제어할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
101: 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치
200: 엔진
280: 인터쿨러
300: 과급기
310: 터빈
320: 압축기
400: 환원제 공급부
410: 환원제 분사부
450: 환원제 저장부
500: 선택적 촉매 환원 반응기
610: 배기 유로
700: 제어부
710: 압력 센서
720: 질소산화물 농도 센서
760: 온도 센서

Claims (12)

  1. 기설정된 공연비로 공기와 연료를 연소시켜 질소산화물을 함유한 배기가스를 배출하는 엔진;
    상기 엔진이 배출한 배기가스가 이동하는 배기 유로;
    상기 엔진에 공급되는 공기의 압력을 실측하는 압력 센서;
    상기 배기 유로 상에 설치되어 상기 엔진에서 배출된 배기가스의 질소산화물(NOx) 농도를 측정하는 질소산화물 농도 센서;
    상기 배기 유로를 따라 이동하는 배기가스에 환원제를 공급하는 환원제 공급부; 및
    상기 압력 센서와 상기 질소산화물 농도 센서로부터 전달받은 정보에 기초하여 환원제 공급량을 결정하여 상기 환원제 공급부를 제어하는 제어부
    를 포함하며,
    상기 제어부는,
    기 설정된 상기 엔진으로 공급되는 공기의 압력과 공기 질량 간의 상관관계 데이터를 활용하여 상기 압력 센서가 실측한 공기의 압력으로부터 상기 엔진의 실린더의 스트로크(stroke) 당 공기 질량을 산출하고,
    상기 엔진의 회전 속도와 상기 엔진의 총 실린더수, 그리고 상기 산출된 스트로크 당 공기 질량을 활용하여 시간 당 공기 질량을 산출하고,
    상기 시간 당 공기 질량을 공연비로 나누어 시간 당 연료 질량을 산출하고,
    상기 질소산화물 농도 센서가 측정한 질소산화물(NOx) 농도와 상기 시간 당 공기 질량 그리고 상기 시간 당 연료 질량을 가지고 상기 엔진에서 배출된 질소산화물 총량을 산출한 후, 상기 질소산화물 총량을 환원시킬 수 있는 환원제의 공급량을 결정하는 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상관관계 데이터는 상기 엔진의 실린더의 스트로크 당 공기 질량과 상기 엔진에 공급하는 공기의 압력 간의 상관관계를 시험을 통해 취득하여 설정된 것을 특징으로 하는 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 아래의 수학식을 이용하여 상기 시간 당 공기 질량을 산출하는 것을 특징으로 하는 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치.
    Figure 112021102216043-pat00005
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배기가스가 갖는 압력에 의해 회전하는 터빈과 상기 터빈으로부터 동력을 전달받아 상기 엔진으로 공급되는 공기를 압축하는 압축기를 포함하는 과급기(turbo charger); 및
    상기 과급기의 압축기와 상기 엔진 사이에 경로 상에 배치된 인터쿨러
    를 더 포함하며,
    상기 압력 센서는 상기 인터쿨러의 하류에 설치되어 상기 과급기에 의해 압축된 후 상기 엔진으로 공급되는 공기의 압력을 측정하는 것을 특징으로 하는 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 엔진의 회전 속도와 부하 그리고 환원제의 환원율을 고려하여 상기 산출된 환원제 분사량을 보정하는 것을 특징으로 하는 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배기 유로 상에 설치되어 배기가스에 함유된 질소산화물과 상기 환원제 공급부가 공급한 환원제의 반응을 촉진시키는 촉매를 포함한 선택적 촉매 환원 반응기와;
    상기 선택적 촉매 환원 반응기의 내부 온도를 측정하는 온도 센서
    를 더 포함하며,
    상기 제어부는 상기 촉매의 온도에 따라 상기 산출된 환원제 공급량을 보정하는 것을 특징으로 하는 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치.
  8. 엔진이 공기를 공급받아 기설정된 공연비로 연료와 함께 연소시킨 후 배출한 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 환원시키기 위한 환원제 공급 제어 방법에 있어서,
    상기 엔진에 공급되는 공기의 압력을 실측한 후 기 설정된 상관관계 데이터를 활용하여 상기 엔진의 실린더의 스트로크 당 공기 질량을 산출하는 단계;
    상기 엔진의 회전 속도와 상기 엔진의 총 실린더수를 고려하여 산출된 스트로크 당 공기 질량을 가지고 시간 당 공기 질량을 산출하는 단계;
    상기 시간 당 공기 질량을 공연비로 나누어 시간 당 연료 질량을 산출하는 단계;
    상기 엔진에서 배출된 배기가스의 질소산화물(NOx) 농도를 측정하는 단계;
    상기 시간 당 공기 질량과 상기 시간 당 연료 질량 그리고 상기 질소산화물의 농도를 가지고 상기 엔진에서 배출된 질소산화물 총량을 산출하는 단계; 및
    상기 질소산화물 총량을 환원시킬 수 있는 환원제의 공급량을 산출하는 단계
    를 포함하는 환원제 공급 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 상관관계 데이터는 시험을 통해 취득된 상기 엔진의 실린더의 스트로크 당 공기 질량과 상기 엔진에 공급하는 공기의 압력 간의 상관관계인 것을 특징으로 하는 환원제 공급 제어 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 시간 당 공기 질량은 아래의 수학식을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 환원제 공급 제어 방법.
    Figure 112020040564690-pat00006
  11. 제8항에 있어서,
    상기 엔진의 회전 속도와 부하 그리고 환원제의 환원율을 고려하여 상기 산출된 환원제 공급량을 보정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 환원제 공급 제어 방법.
  12. 제8항에서,
    촉매를 사용하여 질소산화물을 전환시키기 위한 환원 반응을 촉진시키며,
    상기 촉매의 온도에 따라 상기 산출된 환원제 공급량을 보정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 환원제 공급 제어 방법.
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