KR102383235B1

KR102383235B1 - Sdpf 내 nh3 산화에 따른 n2o 생성 예측 방법

Info

Publication number: KR102383235B1
Application number: KR1020170092922A
Authority: KR
Inventors: 주기형
Original assignee: 현대자동차 주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2017-07-21
Filing date: 2017-07-21
Publication date: 2022-04-05
Also published as: DE102017222885A1; US20190024567A1; KR20190010309A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 SDPF 내 NH₃ 산화에 따른 N₂O 발생량 예측 방법은, SDPF내 최초 NH₃ 흡착량을 측정하는 단계와, 상기 SDPF내 최초 NH₃ 흡착량에서 상기 SDPF 내에서 슬립되는 NH₃ 양을 차감하여 제1 중간 NH₃ 흡착량을 산출하는 단계와, 상기 제1 중간 NH₃ 흡착량에서 NO_x 와 N₂로 산화되는 NH₃ 양을 차감하여 제2 중간 NH₃ 흡착량을 산출하는 단계와, 상기 SDPF내 N₂O 발생량을 산출하는 단계, 및 상기 제2 중간 NH₃ 흡착량에서 상기 N₂O 발생량을 차감하여 SDPF내 최종 NH₃ 흡착량을 산출하는 단계를 포함한다.

Description

SDPF 내 NH3 산화에 따른 N2O 생성 예측 방법{METHOD OF EXPECTATING N2O GENERATION ACCORDIGN TO OXIDATION OF NH3 IN SDPF}

본 발명은 N₂O 발생 팩터를 이용하여 SDPF 내 NH₃ 산화에 따른 N₂O 생성을 예측하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 엔진에서 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기가스는 배기 파이프의 도중에 형성된 촉매 컨버터(Catalytic converter)로 유도되어 정화되고, 머플러를 통과하면서 소음이 감쇄된 후 테일 파이프를 통해 대기 중으로 방출된다.

상기 촉매 컨버터는 배기가스에 포함되어 있는 오염 물질을 처리한다. 그리고, 배기 파이프 상에는 배기가스에 포함된 입자상 물질(Particulate Matters; PM)을 포집하기 위한 매연 필터가 장착된다.

선택적환원촉매(Selective Catalytic Reduction; SCR) 장치는 이러한 촉매 컨버터의 한 형식이다. 선택적환원촉매 장치는 우레아(Urea), 암모니아(NH₃), 일산화탄소와 탄화수소(Hydrocarbon; HC) 등과 같은 환원제가 산소와 질소산화물(NO_x) 중에서 질소산화물과 더 잘 반응하도록 한다는 의미에서 선택적환원촉매라고 명명된다.

매연 필터(Diesel Particulate Filter)는 배기 파이프에 장착되어 있으며, 배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집하고, 분사 모듈에서 분사된 환원제를 이용하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 환원한다. 이러한 목적을 위하여, 매연 필터는 선택적환원촉매가 코팅된 디젤 매연 필터(Selective Catalytic Reduction on Diesel Particulate Filter; SDPF)와 추가적인 선택적 환원 촉매를 포함할 수 있다.

이러한 선택적환원촉매 장치가 장착된 내연기관의 경우, 산소가 많은 디젤 엔진의 일반 주행 모드에서 엔진에서 배출되는 질소산화물과 배기 파이프에 직접 분사되어 공급되는 우레아에 의해 발생되는 암모니아가 선택적으로 반응하여 질소산화물을 무해한 질소(N₂)로 변환하여 제거하게 된다.

그런데, 선택적환원촉매가 코팅된 디젤 매연 필터 내 흡착되어 있던 암모니아(NH₃)가 고온에 노출되면, 암모니아의 산화반응을 통해 N₂O 가 생성된다.

생성된 N₂O 는 이산화탄소가 지구 온난화에 미치는 수준의 약 300배 수준이므로, N₂O 의 생성을 줄이려는 노력이 진행되고 있다.

본 발명은 선택적환원촉매가 코팅된 디젤 매연 필터 내 NH₃ 산화에 따른 N₂O 생성을 예측하고, SDPF 후단의 질소산화물(NO_x), NH₃ 슬립의 예측을 개선하는 제어 로직을 제공하고자 한다.

상기 제1 중간 NH₃ 흡착량을 산출하는 단계에서, 상기 SDPF 내에서 슬립되는 NH₃ 양은 상기 SDPF내 최초 NH₃ 흡착량에 NH₃ 슬립 팩터를 곱한 값일 수 있다.

상기 제2 중간 NH₃ 흡착량을 산출하는 단계에서, 상기 NO_x 와 N₂로 산화되는 NH₃ 양은 상기 제1 중간 NH₃ 흡착량에 NO_x 와 N₂로 산화되는 산화 팩터를 곱한 값일 수 있다.

상기 SDPF내 N₂O 발생량을 산출하는 단계에서, 상기 N₂O 발생량은 상기 제2 중간 NH₃ 흡착량에 N₂O 발생 팩터를 곱하여 산출되는 값일 수 있다.

상기 N₂O 발생 팩터는, SCR 촉매 온도와, SDPF 내 NH₃ 흡착율과, 배기가스 유량과, 일산화질소 농도, 및 촉매 열화 정도를 고려하여 결정될 수 있다.

상기 SCR 촉매 온도는 배기가스 온도를 측정하여 산출될 수 있다.

상기 일산화질소 가스량은 일산화질소 농도를 측정하여 산출될 수 있다.

상기 촉매 열화 정도는 촉매 열화 팩터를 대입한 촉매 열화 맵을 이용하여 산출되는 값일 수 있다.

상기 N₂O 발생 팩터는, 상기 SCR 촉매 온도와 상기 SDPF 내 NH₃ 흡착율을 제1 맵에 대입하여 제1 값을 산출하는 단계와, 상기 배기가스 유량과 상기 일산화질소 농도를 제2 맵에 대입하여 제2 값을 산출하는 단계와, 상기 촉매 열화 팩터를 제3 맵에 대입하여 제3 값을 산출하는 단계, 및 상기 제1 값, 제2 값 및 제3 값을 곱하는 단계를 포함하여 산출될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 SDPF 내 NH₃ 산화에 따른 N₂O 발생량 예측 방법은, 상기 N₂O 발생량에서 맵을 이용한 변환상수를 대입하여 N₂O 슬립량을 산출하는 단계, 및 상기 SDPF내 최초 NH₃ 흡착량에서 상기 N₂O 발생량을 차감하여 NH₃ 슬립량을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, SDPF의 산화 부산물의 모델 정확도가 개선될 수 있다.

또한, SDPF 후단의 NO_x, NH₃ 슬립의 예측이 개선될 수 있다.

또한, SDPF 모델 정확도 개선을 통해, 촉매 용량을 축소할 수 있어 원가 절감 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SDPF 내 NH₃ 산화에 따른 N₂O 발생량 예측 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SDPF 내 NH₃ 산화에 따른 N₂O 발생량 예측 방법에서, N₂O 발생 팩터를 산출하는 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 3은 도 1에 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 SDPF 내 NH₃ 산화에 따른 N₂O 발생량 예측 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 4는 도 2에 도시한 N₂O 발생 팩터를 산출하는 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 SDPF 내 NH₃ 산화에 따른 N₂O 발생량 예측 방법을 반영 여부에 따른 SDPF 내 최종 NH₃ 흡착량과 실측값과의 차이를 나타내는 그래프이다.

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 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 SDPF 내 NH₃ 산화에 따른 N₂O 발생량 예측 방법에 관하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SDPF 내 NH₃ 산화에 따른 N₂O 발생량 예측 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이고, 도 3은 도 1에 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 SDPF 내 NH₃ 산화에 따른 N₂O 발생량 예측 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.

도 1 및 도 3을 참조하면, 우선 SDPF 내 최초 NH₃ 흡착량(A, 100)을 측정한다(S101).

그 후, SDPF내 최초 NH₃ 흡착량(A, 100)에서 SDPF 내에서 슬립되는 NH₃ 양을 차감하여 제1 중간 NH₃ 흡착량(B, 200)을 산출한다(S102). 이 때, SDPF 내에서 슬립되는 NH₃ 양은 SDPF내 최초 NH₃ 흡착량(A, 100)에 NH₃ 슬립 팩터를 곱한 값일 수 있다.

그 후, 제1 중간 NH₃ 흡착량(B, 200)에서 NO_x 와 N₂로 산화되는 NH₃ 양을 차감하여 제2 중간 NH₃ 흡착량(C, 300)을 산출한다(S103). 이 때, NO_x 와 N₂로 산화되는 NH₃ 양은 제1 중간 NH₃ 흡착량(B, 200)에 NO_x 와 N₂로 산화되는 산화 팩터를 곱한 값일 수 있다.

그 후, SDPF내 N₂O 발생량을 산출하고(S104), 제2 중간 NH₃ 흡착량(C, 300)에서 N₂O 발생량을 차감하여 SDPF내 최종 NH₃ 흡착량(final, 400)을 산출한다(S105). 이 때, N₂O 발생량은 제2 중간 NH₃ 흡착량(C, 300)에 N₂O 발생 팩터를 곱하여 산출되는 값일 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 SDPF 내 NH₃ 산화에 따른 N₂O 발생량 예측 방법은, N₂O 발생량에서 맵을 이용한 변환상수를 대입하여 N₂O 슬립량을 산출하는 단계(S106), 및 SDPF내 최초 NH₃ 흡착량(A, 100)에서 N₂O 발생량을 차감하여 NH₃ 슬립량을 산출하는 단계(S107)를 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 SDPF 내 NH₃ 산화에 따른 N₂O 발생량 예측 방법을 적용하여 최종 NH₃ 흡착량(final)이 100이라 할 때, 본 발명에 따른 예측 방법을 적용하지 않은 경우, 최종 NH₃ 흡착량(final)이 98이 될 수 있다. 98인 최종 NH₃ 흡착량(final)이 현재 흡착량이 되고, 우레아가 분사될 때, 분사되어 SDPF에 흡착되는 NH₃ 양이 2라면, 총 흡착되는 NH₃ 양은 100이 된다. 그러나, 본 발명에 따른 예측 방법을 적용하지 않은 경우 102가 된다.

흡착량이 100일 때 보다, 102일 때 산화량이나 N₂O 슬립량이 더 많아지게 된다. 흡착량은 계속 누적되기 때문에, 그 오차 값은 계속 커지게 된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SDPF 내 NH₃ 산화에 따른 N₂O 발생량 예측 방법에서, N₂O 발생 팩터를 산출하는 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이고, 도 4는 도 2에 도시한 N₂O 발생 팩터를 산출하는 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.

도 2 및 도 4를 참조하면, 상기 SDPF내 N₂O 발생량을 산출하는 단계(S104)에서, N₂O 발생 팩터는, SCR 촉매 온도와, SDPF 내 NH₃ 흡착율과, 배기가스 유량과, 일산화질소 농도, 및 촉매 열화 정도를 고려하여 결정될 수 있다.

SCR 촉매 온도는 배기가스 온도를 측정하여 산출될 수 있고, 일산화질소 가스량은 일산화질소 농도를 측정하여 산출될 수 있으며, 촉매 열화 정도는 촉매 열화 팩터를 대입한 촉매 열화 맵을 이용하여 산출되는 값일 수 있다.

한편, N₂O 발생 팩터는, SCR 촉매 온도와 SDPF 내 NH₃ 흡착율을 제1 맵(10)에 대입하여 제1 값을 산출하는 단계(S201)와, 배기가스 유량과 일산화질소 농도를 제2 맵(20)에 대입하여 제2 값을 산출하는 단계(S202)와, 촉매 열화 팩터를 제3 맵(30)에 대입하여 제3 값을 산출하는 단계(S203), 및 제1 값, 제2 값 및 제3 값을 곱하는 단계(S204)를 포함하여 산출될 수 있다. 제1 맵(10)은 SCR 촉매 온도 대비 SDPF 내 NH₃ 흡착율 실험에 의해 미리 정해져 수치를 제시하고 있는 맵일 수 있고, 제2 맵(20)은 배기가스 유량 대비 일산화질소 농도를 실험에 의해 미리 정해져 수치를 제시하고 있는 맵일 수 있으며, 제3 맵(30)은 시간에 따른 촉매 열화 정도를 실험에 의해 미리 정해져 수치를 제시하고 있는 맵일 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 SDPF 내 NH₃ 산화에 따른 N₂O 발생량 예측 방법을 반영 여부에 따른 SDPF 내 최종 NH₃ 흡착량과 실측값과의 차이를 나타내는 그래프이다.

도 5를 참조하면, 트렌지언트 운전 모드에서, 시간이 경과함에 따라, SDPF 내 최종 NH₃ 흡착량은 증가된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 SDPF 내 NH₃ 산화에 따른 N₂O 발생량 예측 방법을 반영하지 않은 경우의 NH₃ 흡착량(NH₃ 누적량)과 실측값의 차이는 반영한 경우의 NH₃ 흡착량(NH₃ 누적량)과 실측값의 차이보다 더 크다. 본 발명의 일 실시예에 따른 SDPF 내 NH₃ 산화에 따른 N₂O 발생량 예측 방법을 반영함으로써, NH₃ 흡착량의 실측값과의 오차를 줄일 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, SDPF의 산화 부산물의 모델 정확도가 개선될 수 있다.

또한, SDPF 후단의 NO_x, NH₃ 슬립의 예측이 개선될 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: 제1 맵 20: 제2 맵
30: 제3 맵 100: SDPF 내 최초 NH₃ 흡착량
200: 제1 중간 NH₃ 흡착량 300: 제2 중간 NH₃ 흡착량
400: 최종 NH₃ 흡착량

Claims

SDPF내 최초 NH₃ 흡착량을 측정하는 단계;
상기 SDPF내 최초 NH₃ 흡착량에서 상기 SDPF 내에서 슬립되는 NH₃ 양을 차감하여 제1 중간 NH₃ 흡착량을 산출하는 단계;
상기 제1 중간 NH₃ 흡착량에서 NO_x 와 N₂로 산화되는 NH₃ 양을 차감하여 제2 중간 NH₃ 흡착량을 산출하는 단계;
상기 SDPF내 N₂O 발생량을 산출하는 단계: 및
상기 제2 중간 NH₃ 흡착량에서 상기 N₂O 발생량을 차감하여 SDPF내 최종 NH₃ 흡착량(final)을 산출하는 단계를 포함하고,
상기 N₂O 발생량은 상기 제2 중간 NH₃ 흡착량에 N₂O 발생 팩터를 곱하여 산출되는 값인 SDPF 내 NH₃ 산화에 따른 N₂O 발생량 예측 방법.
제 1 항에서,
상기 제1 중간 NH₃ 흡착량을 산출하는 단계에서,
상기 SDPF 내에서 슬립되는 NH₃ 양은 상기 SDPF내 최초 NH₃ 흡착량에 NH₃ 슬립 팩터를 곱한 값인 SDPF 내 NH₃ 산화에 따른 N₂O 발생량 예측 방법.
제 1 항에서,
상기 제2 중간 NH₃ 흡착량을 산출하는 단계에서,
상기 NO_x 와 N₂로 산화되는 NH₃ 양은 상기 제1 중간 NH₃ 흡착량에 NO_x 와 N₂로 산화되는 산화 팩터를 곱한 값인 SDPF 내 NH₃ 산화에 따른 N₂O 발생량 예측 방법.
삭제
제 1 항에서,
상기 N₂O 발생 팩터는,
SCR 촉매 온도와, SDPF 내 NH₃ 흡착율과, 배기가스 유량과, 일산화질소 농도, 및 촉매 열화 정도를 고려하여 결정되는 SDPF 내 NH₃ 산화에 따른 N₂O 발생량 예측 방법.
제 5 항에서,
상기 SCR 촉매 온도는 배기가스 온도를 측정하여 산출되는 SDPF 내 NH₃ 산화에 따른 N₂O 발생량 예측 방법.
제 5 항에서,
일산화질소 가스량은 일산화질소 농도를 측정하여 산출되는 SDPF 내 NH₃ 산화에 따른 N₂O 발생량 예측 방법.
제 5 항에서,
상기 촉매 열화 정도는 촉매 열화 팩터를 대입한 촉매 열화 맵을 이용하여 산출되는 값인 SDPF 내 NH₃ 산화에 따른 N₂O 발생량 예측 방법.
제 8 항에서,
상기 N₂O 발생 팩터는,
상기 SCR 촉매 온도와 상기 SDPF 내 NH₃ 흡착율을 제1 맵에 대입하여 제1 값을 산출하는 단계;
상기 배기가스 유량과 상기 일산화질소 농도를 제2 맵에 대입하여 제2 값을 산출하는 단계;
상기 촉매 열화 팩터를 제3 맵에 대입하여 제3 값을 산출하는 단계; 및
상기 제1 값, 제2 값 및 제3 값을 곱하는 단계를 포함하여 산출되는 SDPF 내 NH₃ 산화에 따른 N₂O 발생량 예측 방법.
제 1 항에서,
상기 N₂O 발생량에서 맵을 이용한 변환상수를 대입하여 N₂O 슬립량을 산출하는 단계; 및
상기 SDPF내 최초 NH₃ 흡착량에서 상기 N₂O 발생량을 차감하여 NH₃ 슬립량을 산출하는 단계를 더 포함하는 SDPF 내 NH₃ 산화에 따른 N₂O 발생량 예측 방법.