KR102383213B1 - 차량의 배기정화장치 및 그 제어방법 - Google Patents

차량의 배기정화장치 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

차량의 배기정화장치 및 그 제어방법이 개시된다. 배기 가스가 유동하는 배기 파이프에 설치되어 상기 배기 가스 중의 탄화수소를 흡착 및 탈리시키는 탄화수소 트랩 촉매; 상기 배기 가스의 유동 경로 중에서 상기 탄화수소 트랩 촉매보다 하류에 상기 배기 파이프에 설치되어 질소산화물을 흡착하고, 가열 장치가 내장된 EHC TWC/NSR 촉매; 및 상기 배기 가스의 유동 경로 중에서 상기 탄화수소 트랩 촉매보다 상류에 상기 배기 파이프에 설치되어, 상기 배기 파이프 내부로 에어를 분사하는 에어 인젝터를 포함하여, 차량의 냉시동시에 배기 가스의 유해 성분을 효과적으로 저감할 수 있다.

Description

차량의 배기정화장치 및 그 제어방법{EXHAUST GAS PURIFICATION DEVICE OF VEHICLE AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 차량의 배기정화장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량의 냉시동시에 탄화수소(HC) 트랩(Trap) 촉매로부터 탄화수소가 탈리되기 시작하는 시점에 에어를 분사하고, EHC(Electrically Heated Catalyst) TWC(Three Way Catalyst)/NSR(NOx Storage Reduction) 촉매에서 탄화수소를 산화시켜 생성된 환원 가스를 이용하여 EHC TWC/NSR에 흡착된 질소 산화물(NOx)을 정화시킴으로써, 차량의 냉시동시에 배기 유해 성분을 효과적으로 저감하도록 한 차량의 배기정화장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 차량은 엔진을 이용하여 연료를 연소해서 차량의 구동에 필요한 동력을 만들고 있다. 엔진을 이용한 연료의 연소 과정에는 필연적으로 연소가스가 발생되고, 이러한 연소가스(배기가스)는 배기장치를 통해 대기 중으로 방출되고 있다.
최근 들어 지구 환경에 대한 관심이 커지면서 차량으로부터 배출되는 배기가스에 함유된 유해 물질을 저감하기 위해 많은 연구와 개발이 진행되고 있다.
특히 차량에 사용되고 있는 디젤 엔진 혹은 가솔린 엔진으로부터 배출되는 배기가스 중에는 지구 환경에 특히 유해한 입자상 물질(particle material)과 질소 산화물(NOx) 등을 저감하기 위해 많은 노력들이 기울어지고 있다.
상기 입자상 물질과 질소 산화물 등과 같은 배기 가스에 함유된 유해한 물질들을 저감하기 위해 통상적으로 필터와 촉매를 이용하고 있는 데, 그 일례로서 삼원 촉매(TWC; Three Way Catalyst)는 배기 가스의 온도가 400℃ 이상일 경우에 엔진으로부터 배출되는 탄소수소(HC)와, 일산화탄소(CO), 질소산화물 등과 같은 인체에 유해한 물질을 거의 완벽하게 정화시키지만, 차량의 냉시동 구간에서는 정화 성능이 저하되어 다량의 유해 물질을 배출하게 되는 단점이 있다.
차량의 냉시동 구간에서 배기가스의 유해 물질을 저감하기 위해 엔진에 보다 가까운 위치에 촉매 컨버터를 장착하여, 촉매 컨버터의 워밍 업 속도를 올리는 방법을 사용하고 있었지만, 이 방법은 차량의 연비를 악화시키는 단점이 있었다.
최근에는 탄화수소(HC) 트랩(Trap) 촉매와 NSR(NOx Storage Reduction) 촉매를 접목한 시스템이 주목받고 있는 바, 탄화수소(HC) 트랩(Trap) 촉매는 삼원 촉매(TWC)의 워밍 업이 끝나는 시점에서 탄화수소를 탈리하여 처리하고자 적용하는 기술로서 보통 제오라이트(Zeolite)계 물질을 사용하며, 150 ~ 250 ℃의 온도 범위까지 탄화수소를 흡착하는 성질을 가지고 있다.
NSR은 엔진의 린(Lean) 운전 조건에서 질소산화물을 저장하는 특성을 가지며, 람다(공연비) = 1 에서 질소산화물을 탈리하여 화원제로 정화하는 촉매이다.
상기 탄화수소(HC) 트랩(Trap) 촉매와 NSR(NOx Storage Reduction) 촉매의 장착 위치는 재료의 내구성과 사용 온도를 고려할 때에 언더 플로어(차체 바닥 패널)에 장착하는 것이 바람직하다. 그러나, NSR이 정상적으로 작동하기 위해서는 200℃ 이상의 온도가 필요하지만, 상기 서술한 바와 같이 NSR은 언더 플로어 장착되어 조기에 워밍 업되지 못함에 따라 차량의 냉시동 구간에서는 정상적인 기능을 발휘하지 못하는 단점이 있었다.
이에, 탄화수소(HC) 트랩(Trap) 촉매와 NSR(NOx Storage Reduction) 촉매들을 조합한 촉매 시스템이 차량의 냉시동 구간에서도 정상적으로 제기능을 발휘하도록 하여 배기가스의 유해 물질을 저감할 필요가 있었다.
본 발명의 실시 예는, 차량의 냉시동시에 탄화수소 트랩 촉매로부터 탄화수소가 탈리되기 시작하는 시점에 에어를 분사하고, EHC TWC/NSR 촉매에서 탄화수소를 산화시켜 생성된 환원 가스를 이용하여 EHC TWC/NSR에 흡착된 질소 산화물을 정화시킴으로써, 차량의 냉시동시에 배기 유해 성분을 효과적으로 저감하도록 한 차량의 배기정화장치요소수용액 저장탱크에서 발생하는 암모니아 가스의 외부 누출을 원천적으로 방지하여 차량의 상품성을 향상시키고, 주변 환경 오염을 예방할 수 있도록 한 차량의 배기정화장치 및 그 제어방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 차량의 배기정화장치는, 배기 가스가 유동하는 배기 파이프에 설치되어 상기 배기 가스 중의 탄화수소를 흡착 및 탈리시키는 탄화수소 트랩 촉매; 상기 배기 가스의 유동 경로 중에서 상기 탄화수소 트랩 촉매보다 하류에 상기 배기 파이프에 설치되어 질소산화물을 흡착하고, 가열 장치가 내장된 EHC TWC/NSR 촉매; 및 상기 배기 가스의 유동 경로 중에서 상기 탄화수소 트랩 촉매보다 상류에 상기 배기 파이프에 설치되어, 상기 배기 파이프 내부로 에어를 분사하는 에어 인젝터를 포함할 수 있다.
엔진의 시동 상태에 따라 상기 에어 인젝터에 에어 분사를 위한 제어 신호를 인가하고, 상기 EHC TWC/NSR 촉매에 전원을 선택적으로 공급하는 ECU가 더 구비될 수 있다.
상기 ECU는 운전자의 운전 의지를 판단하고, 운전 의지가 판단된 경우에, 냉각수 온도를 감지하며, 냉각수 온도가 소정 온도 이하일 경우에 상기 EHC TWC/NSR 촉매에 전원이 공급되게 할 수 있다.
상기 소정 온도는 80℃ 이하일 수 있다.
상기 운전자의 운전 의지 판단은, 브레이크 페달의 조작 여부, 혹은 시동 키 삽입여부, 또는 안전벨트 착용 여부, 혹은 이들의 조합에 의해 이루어질 수 있다.
상기 ECU의 전원 공급에 의해 상기 EHC TWC/NSR 촉매가 200℃ 이하까지 온도가 상승되게 제어될 수 있다.
상기 ECU에 의한 상기 에어 인젝터의 제어 신호 인가는, 상기 EHC TWC/NSR 촉매에 전원 공급을 차단한 이후에 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 차량의 재기정화장치 제어방법은, 운전자의 운전 의지를 판단하는 단계; 엔진의 냉각수 온도를 감지하여 소정 온도 이하인지를 판단하는 냉각수 온도판단단계; 냉각수 온도판단단계에서 판단한 냉각수 온도가 소정 온도 이하인 경우에 EHC TWC/NSR 촉매에 전원을 공급하는 단계; 상기 EHC TWC/NSR 촉매의 온도를 감지하는 단계; 상기 EHC TWC/NSR 촉매의 온도가 소정 온도 이상인 경우에 상기 EHC TWC/NSR 촉매에 공급하고 있는 전원을 차단하는 단계; 탄화수소 트랩 촉매의 상류의 배기 파이프에 에어를 분사하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 차량의 배기정화장치 및 그 제어방법에 의하면, EHC TWC/NSR 촉매를 이용하여 빠른 시간 안에 EHC TWC/NSR에 내장된 TWC/NSR 촉매를 활성화시키고, 엔진 시동과 동시에 탄화수소 트랩 촉매와, 활성화된 TWC/SCR를 이용하여, 탄화수소와 질소산화물을 흡착한 후에, 탄화수소 트랩의 온도 상승으로 인해 탄화수소가 탈리되는 시점에 에어를 분사해서, TWC/SCR 상에서 탄화수소를 산화시켜 생성된 환원 가스를 이용하여 흡착된 질소산화물을 정화시킴으로써, 차량의 냉시동시에 배기가스의 유해 성분을 효과적으로 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 차량의 배기정화장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 차량의 배기정화장치의 제어 방법의 순서도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 차량의 배기정화장치는, 차량의 엔진에서 연료의 연소 과정에 발생된 배기 가스를 엔진의 외부로 유도하는 배기 파이프(10)에 설치될 수 있다.
엔진으로부터 배출된 배기 가스가 유입되는 배기 파이프(10)의 상류 부위에는 WCC(WORM-UP CATALYST CONVERTER; 20)가 설치되어, 배기 가스를 1차적으로 정화시킬 수 있다.
배기 파이프(10)의 배기 가스 유동 경로상에서 WCC(20)보다 하류 부위에는 탄화수소(HC) 트랩(Trap) 촉매(30)가 설치될 수 있다.
배기 파이프(10)의 배기 가스 유동 경로상에서 탄화수소 트랩촉매(30) 보다 하류 부위에는 EHC TWC/NSR 촉매(40)가 설치될 수 있다.
EHC(Electrically Heated Catalyst) TWC(Three Way Catalyst)/NSR(NOx Storage Reduction) 촉매(40)는 촉매 캔의 내부에 전기적인 가열 장치가 내장된 촉매로서, TWC와 NSR이 촉매 캔에 내장되어 있으며, 전원을 공급하면 발열이 일어나서 TWC와 NSR을 가열하게 되어 있다.
배기 파이프(10)의 배기 가스 유동 경로상에서 탄화수소 트랩촉매(30) 보다 상류 부위에는 에어를 배기 파이프(10)의 내부로 분사해서 공급하는 에어 인젝터(50)가 설치될 수 있다.
에어 인젝터(50)의 분사 시기를 조절하기 위해 에어 인젝터(50)의 제어장치로서 ECU(Engine Control Unit)가 에어 인젝터(50)에 연결될 수 있다.
또한 ECU는 EHC TWC/NSR 촉매(40)의 가열을 위한 전원을 선택적으로 공급하기 위해 EHC TWC/NSR 촉매(40)와 접속될 수 있다.
이와 더불어 ECU는 운전자의 운전 의지를 판단하기 위해 각종 센서(60), 예를 들면 브레이크 페달 조작감지센서, 키 삽입 감지센서 혹은 안전벨트 착용 감지센서들과 접속될 수 있고, 엔진 냉각수 온도를 감지하기 위해 냉각수 온도 감지센서와 접속될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시 예에 따른 차량의 배기 정화장치의 제어순서를 도시하는 도 2를 참조하면, 운전자가 차량을 시동하기 위해 브레이크 페달을 밟거나, 시동 키를 삽입하거나 혹은 안전벨트를 착용할 경우에, ECU는 이를 센서(60)를 통해 감지하여, 운전자의 운전 의지를 감지하게 된다.
상기와 같이 ECU가 운전자의 운전 의지를 감지하면, ECU는 엔진의 냉각수 온도가 80℃ 이하인지 여부를 센서(60)를 통해 감지한다.
차량의 시동시에 엔진의 냉각수 온도가 80℃ 이하인 경우는, 차량을 장시간 운행하지 않았거나 혹은 동절기에 차량을 운행할 경우에, 차량이 냉시동되는 경우를 말한다.
차량이 냉시동될 경우에는 배기정화장치가 충분히 워밍 업되지 않은 상태이므로 원활하게 작동되지 않게 된다.
따라서, 본 발명에서는 배기정화장치가 원활하게 작동될 수 있도록 배기정화장치를 적절히 예열하게 된다.
즉, ECU는 EHC TWC/NSR 촉매(40)에 전원을 공급하여 EHC TWC/NSR 촉매(40)에 내장된 TWC/NSR 촉매를 가열하게 되는 데, 바람직하기로는 EHC TWC/NSR 촉매(40)의 온도가 약 200℃될 때까지 ECU는 EHC TWC/NSR 촉매(40)에 계속해서 전원을 공급하여 EHC TWC/NSR 촉매(40)를 가열한다.
EHC TWC/NSR 촉매(40)의 온도를 약 200℃까지 상승시킨 후에는 ECU는 EHC TWC/NSR 촉매(40)에 전원 공급을 중단하고, 이 후에는 배기 가스에 의해 EHC TWC/NSR 촉매(40)가 가열되도록 하여, EHC TWC/NSR 촉매(40)의 가열 에너지를 가능한 한 최소한으로 사용한다.
이에 따라 엔진이 시동되고 나서 약 20초 이내의 냉시동 구간에서는 발생하는 탄화수소(HC)와 질소산화물(NOx)을 탄화수소 트랩 촉매(30)와 EHC TWC/NSR 촉매(40)로 흡장한 후에, 엔진 시동후 약 20초 이후에는 탄화수소 트랩 촉매(30)의 온도가 대략 200~250℃까지 상승하게 되는 데, 이 시점에서 흡착되었던 탄화수소가 탈리의 시작되며, 이 때에 ECU는 에어 인젝터(50)에 제어신호를 인가하여 에어 인젝터(50)로부터 에어가 분사되게 한다.
그러면, EHC TWC/NSR 촉매(40)에서 탈리가 시작되는 탄화수소가 에어에 의해 산화되고, 이 때에 생성된 환원가스를 이용하여 EHC TWC/NSR 촉매(40)에서 흡착된 질소산화물(NOx)을 효과적으로 정화시키게 되는 것이다.
이상과 같이, 본 발명은 한정된 실시 예와 도면을 통하여 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
10: 배기 파이프
20: WCC
30: 탄화수소 트랩 촉매
40: EHC TWC/NSR
50: 에어 인젝터
60: 센서

Claims (11)

  1. 배기 가스가 유동하는 배기 파이프에 설치되어 상기 배기 가스 중의 탄화수소를 흡착 및 탈리시키는 탄화수소 트랩 촉매;
    상기 배기 가스의 유동 경로 중에서 상기 탄화수소 트랩 촉매보다 하류에 상기 배기 파이프에 설치되어 질소산화물을 흡착하고, 가열 장치가 내장된 EHC TWC/NSR 촉매; 및
    상기 배기 가스의 유동 경로 중에서 상기 탄화수소 트랩 촉매보다 상류에 상기 배기 파이프에 설치되어, 상기 배기 파이프 내부로 에어를 분사하는 에어 인젝터;
    를 포함하되,
    엔진의 시동 상태에 따라 상기 에어 인젝터에 에어 분사를 위한 제어 신호를 인가하고, 상기 EHC TWC/NSR 촉매에 전원을 선택적으로 공급하는 ECU가 더 구비되고,
    상기 ECU에 의한 상기 에어 인젝터의 제어 신호 인가는, 상기 EHC TWC/NSR 촉매에 전원 공급을 차단한 이후에 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량의 배기정화장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 ECU는 운전자의 운전 의지를 판단하고, 운전 의지가 판단된 경우에, 냉각수 온도를 감지하며, 냉각수 온도가 소정 온도 이하일 경우에 상기 EHC TWC/NSR 촉매에 전원이 공급되게 하는 것을 특징으로 하는 차량의 배기정화장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 소정 온도는 80℃ 이하인 것을 특징으로 하는 차량의 배기정화장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 운전자의 운전 의지 판단은, 브레이크 페달의 조작 여부, 혹은 시동 키 삽입여부, 또는 안전벨트 착용 여부, 혹은 이들의 조합에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량의 배기정화장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 ECU의 전원 공급에 의해 상기 EHC TWC/NSR 촉매가 200℃ 이하까지 온도가 상승되게 제어되는 것을 특징으로 하는 차량의 배기정화장치.

  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
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