KR102435649B1 - 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은, 복수의 내연기관과 이격되어 설치되며, 상기 복수의 내연기관으로부터 배출되는 배기가스를 제공받아, 상기 배기가스 내의 질소산화물의 양을 저감시키는 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템으로서, 상기 복수의 내연기관으로부터 배기가스를 제공받아 혼합하는 헤더; 상기 헤더로부터 유입되는 배기가스에 연료가 혼합되며, 열분해를 이용하여 연료로부터 환원제를 생성하는 연료분해촉매; 상기 연료분해촉매의 전방에 설치되고, 연료를 분사하여 상기 연료분해촉매에 제공하는 제1 인젝터; 상기 환원제를 이용하여, 상기 연료분해촉매로부터 유입되는 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시키는 질소산화물 저감촉매; 상기 헤더와 상기 연료분해촉매 사이에 배치되는 제1 온도센서, 제1 산소센서, 및 제1 질소산화물센서; 상기 연료분해촉매와 상기 질소산화물 저감촉매 사이에 배치되는 제2 온도센서; 및 상기 제1 인젝터의 분사를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 제1 온도센서, 상기 제1 산소센서, 및 상기 제1 질소산화물센서의 측정값들 이용하여 기준 연료 분사량을 계산하되, 상기 제2 온도센서의 측정값이 미리 정해진 제1 활성온도값 이상인 경우, 상기 제1 산소센서의 측정값으로부터 제1 공연비 람다값을 산출하고, 상기 제1 공연비 람다값을 이용하여 상기 제1 인젝터의 목표 연료 분사량을 계산할 수 있다.

Description

분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템{NITROGEN OXIDE REDUCTION SYSTEM}
본 발명은 복수의 내연기관으로부터 배출되는 배기가스를 제공받아 배기가스 내의 질소산화물을 저감시키는, 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템에 관한 것이다.
GHP(가스엔진 구동형 열펌프) 냉난방기, 열병합발전기, 공기압축기 등을 구동하기 위해 디젤 연료를 사용하는 복합기능 내연기관 시스템이 사용되고 있다. 이러한 내연기관 시스템은 내연기관과, 내연기관에서 배출되는 배출가스를 정화하는 시스템이 구분되어 설치된다.
이러한 내연기관 시스템의 경우, 현재 법으로 규제되는 질소산화물은 NO2에 한정되어 있으며, 대부분 배출가스 농도에 대한 규정을 따르기 위해 별도의 촉매 컨버터(catalytic converter)를 사용하고 있지 않고 있다. 그러나, 통상적으로 NO를 포함하는 전체 질소산화물의 배출 농도는 NO2 대비 100배 이상이므로, 전체 질소산화물의 배출을 효과적으로 감소시킬 수 있는 질소산화물 정화 시스템이 필요하다.
또한, 내연기관 제어부는 내연기관의 구동만을 제어하고, 배기가스 정화시스템은 내연기관과 이격되어 설치되는 별치형 설비이므로, 내연기관 제어부는 배기가스 정화 시스템을 제어하지 않는다. 따라서, 내연기관과 별개의 장치로 분리하여 설치되는 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템에 있어서는, 이를 자체적으로 제어하여 내연기관으로부터 배출되는 배기가스의 정화 효율을 높이는 것이 중요한 문제이다.
다만, 질소산화물 정화 시스템이 복수의 내연기관과 이격되어 있는 경우, 배기가스가 질소산화물 정화 시스템으로 관을 통해 유입되는 과정에서 온도가 낮아질 수 있으며, 일반적으로 정화해야 하는 배기가스의 양이 많고 배기관의 전체 길이가 길게 설계되어 시스템 내의 각 구간에서 배기가스의 분위기를 적절하게 설정하는 것이 매우 어려우므로, 이를 적절하게 조절할 수 있는 시스템이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명의 목적은 질소산화물 정화 시스템을 내연기관과 별도로 구성하여 복수의 내연기관으로부터 배출되는 배기가스를 정화하되, 상기 시스템 내의 분위기를 조절하여 질소산화물 저감촉매의 정화 효율을 높일 수 있는, 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템을 제공함에 있다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은, 복수의 내연기관과 이격되어 설치되며, 상기 복수의 내연기관으로부터 배출되는 배기가스를 제공받아, 상기 배기가스 내의 질소산화물의 양을 저감시키는 것으로서, 상기 복수의 내연기관으로부터 배기가스를 제공받아 혼합하는 헤더; 상기 헤더로부터 유입되는 배기가스에 연료가 혼합되며, 열분해를 이용하여 연료로부터 환원제를 생성하는 연료분해촉매; 상기 연료분해촉매의 전방에 설치되고, 연료를 분사하여 상기 연료분해촉매에 제공하는 제1 인젝터; 상기 환원제를 이용하여, 상기 연료분해촉매로부터 유입되는 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시키는 질소산화물 저감촉매; 상기 헤더와 상기 연료분해촉매 사이에 배치되는 제1 온도센서, 제1 산소센서, 및 제1 질소산화물센서; 상기 연료분해촉매와 상기 질소산화물 저감촉매 사이에 배치되는 제2 온도센서; 및 상기 제1 인젝터의 분사를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 제1 온도센서, 상기 제1 산소센서, 및 상기 제1 질소산화물센서의 측정값들 이용하여 기준 연료 분사량을 계산하되, 상기 제2 온도센서의 측정값이 미리 정해진 제1 활성온도값 이상인 경우, 상기 제1 산소센서의 측정값으로부터 제1 공연비 람다값을 산출하고, 상기 제1 공연비 람다값을 이용하여 상기 제1 인젝터의 목표 연료 분사량을 계산할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 제2 온도센서의 측정값이 상기 제1 활성온도값 미만인 경우, 상기 제1 온도센서의 측정값의 상승 변화량이 미리 정해진 값 이상이면 상기 제1 인젝터를 분사 대기 상태로 제어하되, 상기 제1 온도센서의 측정값이 상승된 후 일정 값을 유지하면 상기 제1 인젝터의 분사를 개시할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 제1 공연비 람다값이 1보다 큰 경우, 상기 제1 공연비 람다값이 1이 되도록 하는 상기 제1 인젝터의 목표 연료 분사량을 계산하며, 상기 제1 공연비 람다값이 1보다 작은 경우, 상기 제1 인젝터의 목표 연료 분사량을 0으로 설정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 연료분해촉매와 상기 질소산화물 저감촉매 사이에 배치되는 제2 산소센서를 더 포함하며, 상기 제어부는, 상기 제2 산소센서의 측정값으로부터 제2 공연비 람다값을 산출하고, 상기 제1 인젝터의 목표 연료 분사량을 보정하여 상기 제2 공연비 람다값이 미리 정해진 값에 도달하도록 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 연료분해촉매에서 반응하는 탄화수소의 양인 HC 소모량, 및 상기 연료분해촉매에서 반응하지 않은 탄화수소의 양인 HC 슬립량을 계산하되, 상기 HC 슬립량은 상기 제2 공연비 람다값에서 1을 뺀 값으로부터 계산되며, 상기 HC 슬립량을 감소시키도록 상기 목표 연료 분사량을 보정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 연료분해촉매와 상기 질소산화물 저감촉매 사이에 배치되는 제2 질소산화물센서를 더 포함하며, 상기 제어부는, 상기 제2 공연비 람다값, 상기 제2 온도센서의 측정값, 및 상기 제2 질소산화물센서의 측정값을 이용하여 상기 질소산화물 저감촉매로 유입되는 배기가스의 질소산화물 조성비를 계산하고, 상기 연료분해촉매에서 반응하는 탄화수소의 양인 HC 소모량으로부터 상기 연료분해촉매에서 발생하는 NH3 발생량을 계산하며, 상기 질소산화물 조성비와 상기 NH3 발생량을 통해 상기 질소산화물 저감촉매의 NH3 소모량을 계산할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 질소산화물 저감촉매의 후방에 배치되는 제3 산소센서를 더 포함하며, 상기 제어부는, 상기 제3 산소센서의 측정값으로부터 제3 공연비 람다값을 산출하고, 상기 제2 공연비 람다값 및 상기 제3 공연비 람다값을 이용하여, 상기 질소산화물 저감촉매에서 반응하는 NH3의 양인 NH3 소모량, 및 상기 질소산화물 저감촉매에서 반응하지 않은 NH3의 양인 NH3 슬립량을 계산할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 NH3 소모량으로부터 상기 질소산화물 저감촉매에서의 배기가스의 산소 소진과 질소산화물 환원을 위해 사용된 실제 NH3 반응량을 계산하고, 상기 실제 NH3 반응량과 미리 정해진 테이블을 통해 계산된 기준 NH3 반응량의 차이에 따라 제2 인젝터의 요소수 분사량을 조절할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제어부에는, 상기 질소산화물 저감촉매로 유입되는 배기가스의 상기 제2 공연비 람다값, 상기 제2 온도센서의 측정값, 및 상기 제2 질소산화물센서의 측정값에 따른 상기 질소산화물 저감촉매의 저장효율 테이블이 저장되며, 상기 제어부는, 상기 제2 공연비 람다값, 상기 제2 온도센서의 측정값, 및 상기 제2 질소산화물센서의 측정값을 이용하여 상기 저장효율을 산출하고, 상기 제2 질소산화물센서의 측정값에 상기 질소산화물 저감촉매의 저장효율을 곱하여 상기 질소산화물 저감촉매에 저장되는 질소산화물의 저장량을 계산하되, 상기 제2 질소산화물센서의 측정값에서 상기 질소산화물의 저장량을 뺀 값을 NOx 슬립값으로 하여, 상기 NOx 슬립값을 감소시키도록 상기 제1 인젝터의 연료 분사량을 조절할 수 있다.
본 발명에 따르면, 질소산화물 정화 시스템을 내연기관과 별도로 구성하여, 내연기관이 복수개로 설치되어 있어도 내연기관을 질소산화물 정화 시스템의 헤더에 연결함으로써, 배연설비로부터 배기되는 배기가스가 한꺼번에 처리될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템의 각 구성을 개략적으로 도시한 장치도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템의 각 공정을 개략적으로 도시한 공정도이다.
도 3은 도 2의 각 단계 중, HC 질량유량 계산 단계의 세부적인 단계를 도시한 순서도이다.
도 4는 도 2의 각 단계 중, NH3 반응 모델 대입 단계의 세부적인 단계를 도시한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템의 각 구성을 개략적으로 도시한 장치도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템의 각 공정을 개략적으로 도시한 공정도이다.
도 7은 배기가스 온도별 발생하는 질소산화물 조성 NO2/NOx 비율 특성을 도시한 그래프이다.
도 8은 배기가스에 포함된 질소산화물의 NO 발생량에 대한 NO2/NOx 비율 특성을 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 명세서에서, 본 발명에 따른 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템의 각 연산은 미리 정해진 수식 또는 테이블을 통해 계산될 수 있으며, 필요에 따라 공지의 수식 또한 적용 가능하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템의 각 구성을 개략적으로 도시한 장치도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템(1)은 복수의 내연기관(2)와 이격되어 설치되며, 복수의 내연기관(2)로부터 배출되는 배기가스를 제공받아 정화 경로를 따라 유동시키면서 배기가스 내의 질소산화물의 양을 저감시키도록 설계된다. 상기 시스템은, 헤더(10), 연료분해촉매(20), 제1 인젝터(30), 질소산화물 저감촉매(40), 및 제어부(50)를 포함한다. 또한, 상기 시스템은, 헤더(10)와 연료분해촉매(20) 사이에 배치되는 제1 온도센서(111), 제1 산소센서(112), 및 제1 질소산화물센서(113)를 포함하며, 연료분해촉매(20)와 질소산화물 저감촉매(40) 사이에 배치되는 제2 온도센서(121), 제2 산소센서(122), 및 제2 질소산화물센서(123)를 포함하며, 질소산화물 저감촉매(40)의 후방에 배치되는 제3 온도센서(131), 제3 산소센서(132), 및 제3 질소산화물센서(133)를 포함한다.
헤더(10)는 복수의 내연기관(2)로부터 배기가스를 제공받아 혼합한다. 헤더(10)는 배기가스를 혼합하기 위한 것으로서, 복수의 내연기관(2) 각각으로부터 인출된 배기파이프로부터 유입된 배기가스를 혼합한다. 헤더(10)는 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템(1)의 도입부에 해당한다.
연료분해촉매(20)는 헤더(10)의 후단과 관을 통해 연결되고, 열분해를 이용하여 연료로부터 환원제를 생성한다. 제1 인젝터(30)는 연료분해촉매(30)의 전방에 설치되고, 연료를 분사하여 연료분해촉매(30)에 제공한다. 연료분해촉매(30)는 촉매 반응을 통해 연료 내에 포함된 탄소화합물의 체인 고리를 끊어 분해시킨다. 즉, 연료분해촉매(30)는 열분해(thermal cracking)를 통해 탄화 수소를 구성하는 연결 고리를 끊어 분해시킨다. 이에 따라, 제1 인젝터(30)로부터 분사된 연료의 유효 반응 표면적이 증가되며, 반응성이 큰 산소가 포함된 탄화수소(oxygenated HC), CO, H2 등이 생성된다.
상세하게는, 대략 200degC 정도의 온도를 갖는 배기가스는 제1 인젝터(30)에서 분사되는 연료와 반응하여, 연료분해촉매에서는 다음과 같은 화학반응이 일어난다. 이 과정을 통해, 제2 온도센서(121)에서 검출되는 배출가스의 온도는 대략 250degC ~ 400degC가 된다.
<반응식 세트 1>
C10 ~ C118인 탄화수소 -> C2 ~ C5인 탄화수소
CO + (1/2)O2 -> CO2
NO + (1/2)O2 -> NO2
2HC(Gas) + (5/2)O2 -> 2CO2 +H2O
2HC(Gas) + (5/2)NO2 -> (5/2)N2 + 2CO2 + H2O
2HC(Gas) + NO2 + 2O2 -> NH3 + 3CO2
질소산화물 저감촉매(40)는 연료분해촉매(20) 후단과 관을 통해 연결되고, 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시킨다. 질소산화물 저감촉매(40)는 촉매 담체를 구비한다. 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 질소산화물 저감촉매(40)는 우레아(urea)가 물과 혼합된 요소수와 같은 환원제를 배기가스에 반응시켜 질소산화물을 저감시킬 수 있는 질소산화물 정화촉매(40a)로 설계된다.
질소산화물 저감촉매(40)의 전방에는 제2 온도센서(121)가 배치되고 후방에는 제3 온도센서(131)가 배치된다. 제2 온도센서(121)와 제3 온도센서(131)는 각각 질소산화물 저감촉매(40)의 입구부와 출구부의 배기가스의 온도를 측정할 수 있다. 한편, 질소산화물 저감촉매(40)의 전방에는 요소수를 분사하는 제2 인젝터(60)가 구비되며, 요소수탱크를 포함하는 요소수 공급 모듈(미도시)이 제2 인젝터(60)와 연결된다. 요소수(UREA)는 CO(NH2)2라는 물질을 물에 희석한 수용액으로서 통상 우레아 32.5%, 물 67.5%의 조성비를 가질 수 있다.
제어부(50)는 제1 인젝터(30), 및 본 발명의 제1 실시예에 있어서 제2 인젝터(60)에 전기적으로 연결되어, 제1 인젝터(30)와 제2 인젝터(60)의 분사를 제어할 수 있다. 제어부(50)는 각 센서들에서 검출된 신호들을 기초로 제1 인젝터(30)와 제2 인젝터(60)의 분사조건을 판단하고, 분사량과 분사시기를 제어함으로써 배기가스 내의 질소산화물의 환원 반응을 최적화할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템의 각 공정을 개략적으로 도시한 공정도이다.
도 2를 참조하면, 제어부(50)는 제1 온도센서(111), 제1 산소센서(112), 및 제1 질소산화물센서(113)의 측정값을 이용하여 기준 연료 분사량을 계산한다. 또한, 제어부(50)는 제2 온도센서(121)의 측정값이 미리 정해진 제1 활성온도값 이상인 경우, 제1 산소센서(112)의 측정값으로부터 제1 공연비 람다값(λ1)을 산출하고, 제1 공연비 람다값(λ1)을 이용하여 제1 인젝터(30)의 목표 연료 분사량을 계산한다. 공연비 람다값는 실제공연비를 이론공연비로 나눈 값이다. 이론공연비는 이론상 과부족없이 공기와 연료가 완전히 연소할 수 있는 공연비로서 14.7:1로 알려져 있다. 공연비 람다값이 1보다 작은 경우에는 연료가 농후하거나 또는 공기가 부족한 상태이며, 공연비 람다값이 1보다 큰 경우에는 연료가 희박하거나 또는 공기가 과다한 상태이다.
상세하게는, 먼저, 설비운전이 시작되어 복수의 내연기관(2)가 가동되면(s110), 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템(1)의 헤더(10)로 복수의 내연기관(2)로부터 배출되는 배기가스가 유입된다. 그 다음, 제어부(50)는 배기가스가 연료분해촉매(20) 활성온도 조건을 만족하는지 판단하는데(s120), 이는 제2 온도센서(121)의 측정값이 미리 정해진 제1 활성온도값 이상일 때를 의미한다. 한편, 제어부(50)는 제2 온도센서(121)의 측정값이 제1 활성온도값 미만인 경우, 제1 온도센서(111)의 측정값의 상승 변화량이 미리 정해진 값 이상이면 제1 인젝터(30)를 분사 대기 상태로 제어하되, 제1 온도센서(111)의 측정값이 상승된 후 일정 값을 유지하면 제1 인젝터(30)의 분사를 개시한다.
제어부(50)는 제1 공연비 람다값(λ1)이 1보다 큰 경우, 제1 공연비 람다값(λ1)이 1이 되도록 하는 제1 인젝터(30)의 목표 연료 분사량을 계산한다(s130). 반면, 제어부(50)는 제1 공연비 람다값(λ1)이 1보다 작은 경우, 제1 인젝터(30)의 목표 연료 분사량을 0으로 설정한다.
상세하게는, 제어부(50)는 제1 인젝터(30)의 목표 연료 분사량을 제1 공연비 람다값(λ1)을 이용하여 계산한다. 제1 공연비 람다값(λ1)은 연료분해촉매(20) 전방의 배기가스의 공연비에 해당한다. 제어부(50)는 제1 공연비 람다값(λ1)이 1보다 큰 희박 공연비인 경우, λ1=1을 만족시키는 제1 인젝터의 목표 연료 분사량을 계산한다. 또한, 제어부(50)는 제1 공연비 람다값(λ1)이 1보다 작은 농후 공연비인 경우, 제1 인젝터(30)의 목표 연료 분사량을 0으로 한다.
제어부(50)는 제2 산소센서(122)의 측정값으로부터 제2 공연비 람다값(λ2)을 산출하고, 제1 인젝터(30)의 목표 연료 분사량을 보정하여 제2 공연비 람다값(λ2)이 미리 정해진 값에 도달하도록 한다.
상세하게는, 제어부(50)는 제1 인젝터(30)의 목표 연료 분사량은 제2 온도센서(121)와 제2 산소센서(122)의 측정값에 따라 제1 인젝터(30)의 목표 연료 분사량을 보정할 수 있다. 제어부(50)는 제2 산소센서(122)의 측정값을 수신하여 제2 공연비 람다값(λ2)을 산출한다. 제2 공연비 람다값(λ2)은 연료분해촉매(20) 후방의 배기가스의 공연비에 해당한다. 제2 공연비 람다값(λ2)이 1보다 큰 희박 공연비인 경우, 제어부(50)는 질소산화물 저감촉매(40)에서 NOx 환원을 위해 필요한 산소량을 고려한 제2 공연비 람다값(λ2)의 목표값을 만족시키는 제1 인젝터(30)의 연료 분사량 보정값을 계산한다. 한편, 제2 공연비 람다값(λ2)이 1보다 작은 농후 공연비인 경우에도 제2 공연비 람다값(λ2)이 1보다 큰 희박 공연비인 경우와 같은 방식으로 연료 분사량 보정값을 계산한다.
또한, 제2 온도센서(121)에서 검출한 온도값이 소정의 활성온도 이상인 경우, 제어부(50)는 제2 질소산화물센서(123)의 측정값에 따라 도 6에 예시된 NO2/NOx 비율 특성을 포함하는 모델링에 따라 NO2의 비율을 계산하고, 다시 도 8에 예시된 특성을 포함하는 모델링에 따라 NO와 이외의 NOx의 질소 산화물 조성비를 계산한다. 도 7 및 도 8에 예시된 질소산화물 조성비에 대한 특성은 반복된 실험을 통하여 확보한 데이터를 통하여 획득할 수 있으며, 이 데이터는 제어부(50)에 소정의 테이블 형태로 내장 가능하여 제어부(50)는 이를 통해 실시간으로 배기가스의 조성비를 계산할 수 있다.
그 다음, 제어부(50)는 연료분해촉매(20)에 유입된 탄화수소의 질량유량을 계산한다(s140). 제어부(50)는 연료분해촉매(20)에서 반응하는 탄화수소의 양인 HC 소모량, 및 연료분해촉매(20)에서 반응하지 않은 탄화수소의 양인 HC 슬립량을 계산한다. 상기 HC 슬립량은 제2 공연비 람다값(λ2)에서 1을 뺀 값으로부터 계산되며, 제어부(50)는 상기 HC 슬립량을 감소시키도록 상기 목표 연료 분사량을 보정한다.
상세하게는, 도 3는 도 2의 각 단계 중, HC 질량유량 계산 단계의 세부적인 단계를 도시한 순서도이다. 도 2의 각 단계 중, HC 질량유량 계산 단계(s140)는 NOx 환원 및 배기계 전체의 온도를 최적의 반응 온도의 분위기로 조성하기 위한 단계로서, 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저, 연료분해촉매(20)로 유입된 탄화수소 중 NOx 환원에 기여한 유량을 계산한다(s141). 연료분해촉매(20)에서 진행되는 배출가스와 제1 인젝터(30)로부터 분사된 연료의 혼합물에 대한 분해 반응은 상기 '반응식 세트 1'과 같으며, 이와 같은 HC 반응 모델은 제어부(50)에 저장되어 있다.
제어부(50)는 상기 HC 반응 모델을 연료분해촉매(20) 전체 체적에 대하여 혼합가스량을 적분하여 일정시간마다 지속적으로 업데이트하면서(s142), HC 소모질량과 HC 슬립질량을 계산한다(s143). HC 슬립질량은 제2 공연비 람다값(λ2)의 농후 공연비 양으로부터 계산되며, 상기 HC 슬립질량은 제1 인젝터(30)로부터 추가분사된 연료량의 보정을 통해 수정 진행된다. 또한, 제어부(50)는 상기 HC 소모질량으로부터 연료분해촉매(20)에서의 산소 소진량, 질소산화물의 성분별(NO2, NO, NOx) 조성량, 및 NH3 발생량을 계산한다(s144).
도 1 및 도 2를 다시 참조하면, 제2 인젝터(60)는 질소산화물 저감촉매(40)의 전방에 설치되고, 요소수를 분사하여 질소산화물 저감촉매(40)에 제공한다. 제어부(50)는 제3 온도센서(131)의 측정값이 미리 정해진 제2 활성온도값 이상인 경우, 제2 인젝터(60)의 분사를 개시한다.
상세하게는, 제어부(50)는 제3 온도센서(131)의 온도를 참조하여 질소산화물 저감촉매(40)의 활성 온도 조건을 만족하는지 판단한다(s210). 예를 들어, 제3 온도센서(53)의 온도가 상기 제2 활성온도값 이상이면, 제어부(50)는 질소산화물 저감촉매(40)에 의한 NOx 환원 반응을 위하여, 제2 인젝터(60)가 요소수 분사를 개시하도록 제어한다. 반면, 제3 온도센서(53)의 온도가 상기 제2 활성온도값 미만이면, 제어부(50)는 설비 운전을 지속하면서 제1 인젝터(30)에 의한 연료 분사와 연료분해촉매(20) 산화 반응에 의한 발열 반응을 지속한다.
제어부(50)는 제2 공연비 람다값(λ2), 제2 온도센서(121)의 측정값, 및 제2 질소산화물센서(123)의 측정값을 이용하여 질소산화물 저감촉매(40)로 유입되는 배기가스의 질소산화물 조성비를 계산한다. 또한, 제어부(50)는 상기 HC 소모량으로부터 연료분해촉매(20)에서 발생하는 NH3 발생량을 계산한다. 제어부(50)는 상기 질소산화물 조성비와 상기 NH3 발생량을 통해 질소산화물 저감촉매(40)의 NH3 소모량을 계산한다.
상세하게는, 도 4는 도 2의 각 단계 중, NH3 반응 모델 대입 단계의 세부적인 단계를 도시한 순서도이다. NOx 환원에 사용되는 NH3 질량 유량의 계산을 위해 NH3 반응모델에 대입하는 단계(s220)를 도 4를 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 먼저, 제어부(50)는 NOx 환원에 사용되는 NH3 질량유량을 계산한다(s221). 제어부(50)는 연료분해촉매(20) 후방의 제2 산소센서(122)로부터 제2 공연비 람다값(λ2) 정보, 및 제2 온도센서(121)와 제2 질소산화물센서(123)로부터 배기가스의 온도와 NOx 정보를 수신한다. 이를 이용하여, 제어부(50)는 저장되어 있는 질소 산화물 조성비에 대한 데이터를 참조하여, 질소산화물 저감촉매(40) 전방의 NO2, NO, NOx 등의 질소산화물 조성비를 계산한다. 또한, 제어부(50)는 연료분해촉매(20)의 부산물로서 HC로부터 생성된 NH3 추정량 정보를 이용하여 상기 NH3 반응모델의 계산을 진행한다.
상세하게는, 제2 인젝터(60)가 요소수를 분사하면, 배기가스의 열에 의하여 다음과 같은 흡열 반응과 가수분해 반응이 일어난다.
<반응식 세트 2>
(NH2)2CO -> NH3 + HNCO (흡열 반응)
HNCO + H2O -> NH3 + CO2 (가수분해 반응)
상기 요소수는 믹서(미도시)를 통해 작게 쪼개져 작은 액적(Droplet) 형태가 된다. 상기 요소수 액적은 질소산화물 저감촉매(40)의 담체에 흡장된다. 이와 같은 상태에서, NOx를 포함하는 배기가스가 질소산화물 저감촉매(40)에 유입되면, 질소산화물 저감촉매(40)의 촉매 담체에 의하여 요소수와 NOx가 화학반응을 일으켜 NOx가 환원된다. 이러한 화학 반응을 화학식으로 표현하면 다음과 같다.
<반응식 세트 3>
4NO + 4NH3 + O2 -> 4N2 + 6H2O
NO + NO2 + 2NH3 -> 2N2 + 3H2O
6NO2 + 8NH3 -> 7N2 + 12H2O
상기의 변환이 발생하는 최적의 효율은 대략 섭씨 250 ~ 450도 정도이다. 질소산화물 저감촉매(40)에서, 제2 인젝터(60)의 요소수 분사량이 낮으면 NOX의 저감효율이 낮아지고, 요소수 분사량이 높으면 대기 중으로 NH3 슬립(slip) 현상이 일어난다. NH3 슬립은 a ratio(NH3/NOX)가 높을수록 증가하며, 제어부(50)는, 실제 만족할 만한 수준의 NOX 저감효율을 유지하면서, NH3 슬립을 최소화할 수 있는 a ratio를 대략 0.9 ~ 1로 제어할 수 있다. 상기 제어는 질소산화물 저감촉매(40)의 배기가스 입구에서의 배기가스 조성 상 NOx의 농도와 온도에 따라 적절하게 수행될 수 있다.
질소산화물 저감촉매(40)에 적용되는 금속은 사용빈도가 높은 순서로 하여 V, Fe, W, Cu, Mo, Ce, Ni, Sn 등이 있다. 또한, 금속 또는 그 화합물과 질소산화물 간의 반응성은 Pt, MeO2, CuO, Fe203, Cr203, Co203, Mo03, NiO, WO3, Ag2O, ZrO2, Al203, Si02, PhO 순으로 반응성이 낮아진다. 금속산화물 촉매는 질소산화물과 반응성이 높은 금속 또는 그 화합물을 2가지 이상 혼합하여 사용하는데, 사용빈도가 높은 촉매로는 V205-Al203 촉매, V205-SiO2-TiO2 촉매, Pt 촉매, WO-TiO2 촉매, Fe203-TiO2 촉매, CuO-TiO2 촉매, 및 CuO-Al203 촉매 등이 있다. 질소산화물 저감촉매(40)의 촉매의 형태는 허니컴(honeycomb) 타입과 플레이트(plate) 타입 중 어느 하나의 형태가 적용될 수 있으며, 허니컴(honeycomb) 타입의 촉매가 기하학적인 표면적이 넓기 때문에 더욱 적절하다.
촉매의 형태를 유지하는 기본적인 원료는 이산화티타늄(TiO2)이며, 활성원료로 오산화바나듐(V205)와 삼산화텅스텐(WO3)이 첨가된다. 촉매의 활성도는 운전조건이나 화학적인 요인에 의해 낮아지기 때문에 공정 운전조건에 맞는 촉매가 적용되는 것이 적절하다. 예를 들면, 증유보일러에서 증유에 함유된 바나듐에 의해 촉매 활성도가 상승하여 NOx 제거효율이 상승할 뿐만 아니라 SO2나 SO3의 산화도 촉진되는데, 이러한 운전조건 하에서는 연료특성을 고려하여 활성도를 유지하면서 황산화물의 산화를 최소화하는 촉매가 적용되는 것이 적절하다. 촉매의 사용 온도범위를 대략적으로 구분하면, 저온촉매는 160 ~ 300℃, 중온촉매는 280 ~ 420℃, 고온촉매는 350 ~ 450℃ 정도이다.
질소산화물 저감촉매(40)에서 진행되는 배출가스 중 질소산화물에 대한 분해 반응은 상기 '반응식 세트 3'과 같으며, 이러한 반응 모델은 제어부(50)에 저장되어 있다. 제어부(50)는 질소산화물 저감촉매(40)의 전체 체적에 대하여 배기가스 혼합물 양을 적분하여 일정시간마다 지속적으로 업데이트하면서 NH3 소모량을 계산하고(s222), 이를 NH3 반응 모델에 대입한다(s223).
제어부(50)는 상기 질소산화물 저감촉매(40)의 상기 NH3 소모량을 이용하여 제2 인젝터(60)의 목표 요소수 분사량을 계산하고(s230), 제2 인젝터(60)의 분사 횟수 및 시간을 통해 실제 요소수 분사량을 계산할 수 있다(s240). 제어부(50)는 상기 목표 요소수 분사량과 상기 실제 요소수 분사량의 차이가 미리 정해진 값 이상인 경우 제2 인젝터(60)의 분사량을 증가시킬 수 있다.
상세하게는, 제어부(50)는 질소산화물 저감촉매(40)가 상기 활성 온도 조건을 만족하면, 목표 요소수 분사량을 계산한다. 상기 목표 요소수 분사량은 제2 인젝터(60)의 NH3 소모질량을 통해 계산된 요소수의 NH3 질량과, 제어부(50)에 소정의 상수로 입력된 요소수의 NH3:H2O의 희석비율 사양, 및 제어부(50)에 소정의 상수 표로 입력된 질소산화물 저감촉매(40)의 온도와 이에 따른 정화효율을 참조하여 계산된다. 그 다음, 제어부(50)는 측정된 제2 인젝터(60)의 요소수 분사 압력 및 요소수 분사 시간을 이용하여 실제 요소수 분사량을 계산한다. 이때, 요소수 분사 압력은 통상 일정하게 고정되므로, 요소수가 분사된 횟수와 시간을 누적하여 요소수 분사량을 계산한다. 이와 같은 요소수 소비량의 지속적인 모니터링은, 제2 인젝터(60)에 연결된 요소수 탱크 내의 요소수의 잔존량을 파악하여 적절한 시기에 요소수를 요소수 탱크에 보충하기 위한 것이다.
제어부(50)는 상기 목표 요소수 분사량과 실제 요소수 분사량의 차이가 목표 요소수 분사량 대비 소정의 설정치 이상이 되는지 판단한 후, 소정의 설정치 미만이면 운행 누적 시간 1시간 주기로 요소수 소비량의 평균값을 업데이트하여 적산한다. 누적 평균 요소수 소비량이 요소수 탱크 용량의 소정의 정해진 설정치를 초과할 경우, 제어부(50)는 사용자에게 요소수 보충을 통지한다.
제어부(50)는 제2 인젝터(60)로부터 실제 분사된 요소수 분사량으로부터 질소산화물 저감촉매(40)에 유입되어 반응 가능한 총 NH3 질량 유량을 계산한다(s250). 질소산화물 저감촉매(40)에 유입되는 NH3 질량 유량은 배기가스의 온도와 배기가스의 유속 및 유량에 의존하는 것으로, 제어부(50)에는 상기 인자들로 구성된 소정의 맵이 저장되어 있다. 제어부(50)는 여러 번의 실험에 의하여 그 설정치를 결정하여 질소산화물 저감촉매(40)에 유입되는 NH3의 양을 계산한다.
제어부(50)는 제3 산소센서(132)의 측정값으로부터 제3 공연비 람다값(λ3)을 산출할 수 있다. 제어부(50)는 제2 공연비 람다값(λ2) 및 제3 공연비 람다값(λ3)을 이용하여, 질소산화물 저감촉매(40)에서 반응하는 NH3의 양인 NH3 소모량, 및 질소산화물 저감촉매(40)에서 반응하지 않은 NH3의 양인 NH3 슬립량을 계산한다(s260).
상세하게는, 제어부(50)는 질소산화물 저감촉매(40)에 유입되어 반응 가능한 NH3 질량유량, 질소산화물 저감촉매(40)의 온도, 질소산화물 저감촉매(40)에 유입되는 질소산화물의 양, 제2 공연비 람다값(λ2), 및 제3 공연비 람다값(λ3)을 질소산화물 저감촉매(40)의 반응 모델에 대입하여, NH3 소모질량과 NH3 슬립질량을 계산한다.
제어부(50)는 상기 NH3 소모량으로부터 질소산화물 저감촉매에서의 배기가스의 산소 소진과 질소산화물 환원을 위해 사용된 실제 NH3 반응량을 계산하고, 상기 실제 NH3 반응량과 미리 정해진 테이블을 통해 산출된 기준 NH3 반응량의 차이에 따라 제2 인젝터(60)의 분사량을 조절할 수 있다.
상세하게는, 제어부(50)는 NH3 소모질량으로부터 산소 소진과 NOx 환원에 사용된 실제 NH3 질량 유량을 계산한다. 이때, 제어부(50)는 반응에 참여하는 NH3 질량유량, 질소산화물저감촉매(40) 전단의 제2 공연비 람다값(λ2), NH3, NO2, N2,H2O의 물질 조성비가 이미 계산되어 있으므로, 이로부터 질소산화물 저감촉매(40)에서의 산소 소진에 사용되는 NH3 질량 유량과 NOx 환원에 사용되는 실제 NH3 질량유량을 계산할 수 있다(s270). 제어부(50)는 상기 실제 NH3 반응량과 미리 정해진 테이블을 통해 산출된 기준 NH3 반응량의 차이가 소정의 정해진 설정값이며, 상기 설정값이 소정의 정해진 설정 시간 동안 유지될 경우, 이를 이용하여 제2 인젝터(60)의 분사량을 조절할 수 있다.
그 다음, 사용자의 운전 종료 요청에 따라 제어부(50)는 운전을 종료한다(s280).
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템의 각 구성을 개략적으로 도시한 장치도이다. 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템의 각 공정을 개략적으로 도시한 공정도이다.
도 5 및 도 6을 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템을 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템에는 하기에 설명된 차이점을 제외하고 제1 실시예에 따른 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템의 상술한 내용(단계 's110' 내지 's140' 포함)이 그대로 적용된다. 본 발명의 제2 실시예에 따르면, 질소산화물 저감촉매(40)는 제올라이트 촉매 등을 이용하여 질소산화물을 저감시킬 수 있는 질소산화물 저감촉매(40')로 설계된다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템의 질소산화물 저감촉매(40')는, 배기가스 유입구 측에 배치되고 제올라이트 촉매를 포함하는 제1 촉매부(41), 및 배기가스 유출구 측에 배치되고 전이금속과 NOx 흡착물질을 포함하는 제2 촉매부(42)을 포함한다. 제1 촉매부(41)는 배기가스에 포함된 질소 산화물을 산화시키고, 산화된 질소 산화물의 일부를 타지 않은 연료 또는 배기가스에 포함된 탄화수소와의 산화-환원 반응에 의하여 환원시킨다. 산화된 질소 산화물의 다른 일부는 제2 촉매부(42)로 확산된다. 제2 촉매부(42)는 제1 촉매부(41)에서 확산된 질소 산화물을 저장하고, 추가 분사되는 연료에 의하여 상기 저장된 질소 산화물을 탈착하여 제1 촉매부(41)에서 환원되도록 한다.
제어부(50)는 제2 온도센서(121)에서 측정되는 배기가스 온도 범위를 질소산화물 저감촉매(40')의 특성에 따라 변화시킨다. 제어부(50)는, 질소산화물 저감촉매(40')의 특성에 따라 Pt/Alumina를 사용한 촉매의 경우 200degC 전후, Cu/ZSM5를 사용한 촉매의 경우 400degC 전후로 온도를 설정하고, 질소산화물 저감촉매(40')내의 반응이 극대화될 수 있도록 제1 인젝터(30)의 연료분사량을 조절할 수 있다.
질소산화물 저감촉매(40')는 연료분해촉매(20)의 후방에 배치되어 배기가스에 포함된 질소 산화물을 저장하고, 제1 인젝터(30)의 연료 추가 분사에 따라 저장된 질소 산화물을 탈착하여 환원 반응을 진행함으로써 배기가스에 포함된 질소 산화물을 정화한다.
질소산화물 저감촉매(40')의 전방과 후방에는 제2 온도센서(121)와 제3 온도센서(131)가 각각 장착되어 질소산화물 저감촉매(40')의 입구부 온도와 출구부 온도를 측정한다. 질소산화물 저감촉매(40')의 사양은 질소산화물 저감촉매(40')의 제3 질소산화물센서(133)가 측정한 질소산화물 배출 농도를 반영하여 정해질 수 있다. 이때, 질소산화물 저감촉매(40')의 촉매 담체에 코팅된 금속의 비율을 달리 함으로써 효율성을 높일 수 있다. 예를 들어, 질소산화물 저감촉매(40')의 제1 촉매부(41)에는 팔라듐(Pd)의 비율을 높임으로써 내열 기능을 강화하고, 제2 촉매부(42)에는 백금(Pt)의 비율을 높임으로써 탄화수소의 슬립을 방지할 수 있다. 다만, 질소산화물 저감촉매(40')의 담체에 코팅된 금속의 비율이 전 영역에서 동일하게 설정될 수도 있다.
질소산화물 저감촉매(40')의 후방의 배기 파이프에는 제3 산소센서(132), 및 제3 질소산화물센서(133)가 장착되어 있다. 제어부(50)는 질소산화물 저감촉매(40')의 전방에 장착된 제2 산소센서(122)를 비롯하여, 상기 제3 산소센서(132), 및 제3 질소산화물센서(133)의 측정값들을 이용하여 질소산화물 저감촉매(40')가 배기가스에 포함된 유해 물질을 정상적으로 제거하고 있는지 모니터링한다.
한편, 연료분해촉매(20)를 거쳐 생성된 환원제는 질소산화물 저감촉매(40')로 유입되어 아래와 같은 화학반응을 통해 NOx를 N2로 전환시킨다.
<반응식 세트 4>
CmHn + (2m + 1/2n)NO -> (m + 1/4n)N2 + mCO2 + 1/2n H2O
CmHn + (m + 1/4n)O2 -> mCO2 + 1/2n H2O
질소산화물 저감촉매(40')에 적용되는 촉매로는 제올라이트 촉매가 적용될 수 있다. 상기 제올라이트로는 모데나이트(modernite), Y 제올라이트, ZSM-5, 베타 제올라이트 등이 적용될 수 있다. 일반적으로, 질소산화물 저감촉매(40')는 활성 온도 영역이 좁으므로 제올라이트의 기공 크기와 이온 교환하는 금속의 종류를 변화시킴으로써 NOx의 정화 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 제올라이트 촉매와 함께 다공성 알루미나에 담지된 귀금속 촉매(예를 들어, 팔라듐 또는 백금이 다공성 알루미나에 담지된 촉매)를 사용함으로써 NOx의 정화 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
제2 촉매부(42)는 전이금속과 흡착물질을 포함한다. 상기 전이금속으로는 코발트, 망간, 바나듐 구리, 철, 크롬, 니켈, 루데늄 중 적어도 어느 하나의 금속이 사용된다. 상기 흡착물질로는 약염 기성 산화물(예를 들어, ZrO2, Al2O3, 및 TiO2, ZrO2, Al2O3 중 적어도 2개가 섞인 복합산화물 등)이 사용된다.
질소산화물 저감촉매(40')에서 일어나는 화학 반응은 하기와 같다.
<반응식 세트 5>
Figure 112021019796841-pat00001
Figure 112021019796841-pat00002
Figure 112021019796841-pat00003
Figure 112021019796841-pat00004
Figure 112021019796841-pat00005
여기에서, Z는 제올라이트를 의미하고, 아래첨자 ads는 흡착을 의미한다.
또한, 상기 다공성 알루미나에 담지된 금속 촉매로는 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄, 텅스텐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 구리, 아연, 은 중 적어도 하나 이상의 금속이 사용될 수 있다. 상기 다공성 알루미나에 담지된 금속 촉매에서 일어나는 화학 반응은 다음과 같다.
<반응식 세트 6>
Figure 112021019796841-pat00006
Figure 112021019796841-pat00007
Figure 112021019796841-pat00008
Figure 112021019796841-pat00009
여기에서, THC는 탄화수소를 의미한다. 탄화수소는 배기가스와 연료에 포함된 탄소와 수소로 구성된 화합물을 모두 포함한다.
일반적으로, NOx, SOx는 산화 가스이기 때문에 염기성 물질에 흡착이 잘 된다. 그러나, NOx 흡착을 위하여 강염기성 물질을 사용하면 SOx 피독에 취약할 수 있다. 배기가스 중의 NOx와 SOx는 일반적으로 NO와 SOx의 형태로 존재하며, 이러한 NOx와 SOx는 산화-환원 반응을 거쳐 촉매에 흡착되는 것이 보통이다. 또한, 약염기성의 흡착물질을 사용하므로 연비를 크게 저하시키지 않고도 NOx를 탈착할 수 있다. 또한, SOx가 약간 흡착되더라도 SOx는 NOx의 탈착 온도와 비슷한 온도에서 탈착이 진행되므로 별도의 탈황과정이 필요 없는 장점이 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템의 각 공정 중, 제1 실시예와 다른 주요 특징을 살펴보면 다음과 같다.
제어부(50)는 제2 온도센서(121)의 온도를 참조하여, 질소산화물 저감촉매(40')의 활성 온도 조건을 만족하는지를 판단한다(s210'). 제2 온도센서(121)의 온도 조건이 예를 들어 200degC 전후의 활성 온도 조건을 만족하면, 제어부(50)는 질소산화물 저감촉매(40')에 의한 NOx 환원 반응이 개시된다. 만약, 제2 온도센서(121)의 온도 조건이 활성 온도 조건을 만족하지 못하면, 제어부(50)는 설비 운전을 지속하면서 제1 인젝터(30)의 연료 분사, 및 연료분해촉매(20)의 산화 반응에 의한 발열 과정을 지속한다.
그 다음, NH3 질량 유량을 계산하여 질소산화물 흡장량 모델에 대입하는 단계가 수행된다(s220'). 이 단계에는 도 4의 각 세부 단계가 적용될 수 있다. 제어부(50)는 NOx 환원에 사용되는 NH3 질량유량을 계산한다. 질소산화물 흡장량 모델과 질소산화물 탈락 및 환원 모델은 반복된 실험 데이터와 함께 제어부(50)에 저장된다. 또한, 도 7 및 도 8의 예시와 같은 NO2/NOx 모델도 반복된 실험을 통해 추출한 데이터와 함께 제어부(50)에 보관된다.
질소산화물 저감촉매(40')가 활성 온도 조건을 만족하면, 제1 인젝터(30)의 목표 연료 분사량을 계산하는데, 상기 목표 연료 분사량은 질소산화물 저감촉매(40')에서 환원제와 화학적으로 반응하는 NOx 질량유량을 계산하기 위해 환원제로 사용되는 HC 량에 비례한다. 질소산화물 저감촉매(40')에서 HC와 NOx가 반응하는 화학식은 상기 '반응식 세트 4'와 같다. 이 식으로부터, 질소산화물 저감촉매(40')에 유입되는 HC 질량유량의 일부는 질소산화물을 환원하는 데 사용되고, HC의 다른 일부는 NH3를 생성하는 데 사용된다. 이때, 상기 목표 연료 분사량은 연료분해촉매(20) 후단의 배출가스의 조성 및 분위기, NH3와 NO, NO2의 비율, 및 질소산화물 저감촉매(40') 후단의 온도, NH3와 NO, NO2의 비율을 참조하여 결정된다.
다음으로, 질소산화물 저감촉매(40')의 온도와 정화효율로부터 반응 가능한 NOx 질량유량을 계산한다(s240'). 제어부(50)에는, 질소산화물 저감촉매(40')로 유입되는 배기가스의 제2 공연비 람다값, 상기 제2 온도센서의 측정값, 및 상기 제2 질소산화물센서의 측정값에 따른 질소산화물 저감촉매(40')의 저장효율 테이블이 저장된다. 제어부(50)는, 제2 공연비 람다값(λ2), 상기 제2 온도센서의 측정값, 및 상기 제2 질소산화물센서의 측정값을 이용하여 상기 저장효율을 산출하고, 제2 질소산화물센서(123)의 측정값에 질소산화물 저감촉매(40')의 상기 저장효율을 곱하여 질소산화물 저감촉매(40')에 저장되는 질소산화물의 저장량을 계산한다. 제어부(50)는, 제2 질소산화물센서(123)의 측정값에서 상기 질소산화물의 저장량을 뺀 값을 NOx 슬립값으로 하여(s250'), 상기 NOx 슬립값을 감소시키도록 제1 인젝터(30)의 연료 분사량을 조절할 수 있다.
상세하게는, 질소산화물 저감촉매(40')에 저장되는 NOx 질량유량은, 질소산화물 저감촉매(40')에 유입되는 NOx 질량유량과 질소산화물 저감촉매(40')의 NOx 저장효율을 곱함으로써 계산된다(s260'). 또한, 질소산화물 저감촉매(40')로부터 슬립되는 NOx 질량유량은 질소산화물 저감촉매(40')에 유입되는 NOx 질량유량에서 질소산화물 저감촉매(40')에 흡장된 NOx 질량유량을 빼는 것으로 계산된다. 상기 NOx 저장효율은, 제2 공연비 람다값(λ2)이 1보다 작은 농후 공연비에서의 저장효율과, 제2 공연비 람다값(λ2)이 1보다 큰 희박 공연비에서의 저장 효율로 나뉜다.
제2 공연비 람다값(λ2)이 농후 공연비인 경우, 질소산화물 저감촉매(40')의 NOx 저장효율은 질소산화물 저감촉매(40')의 온도와 질소산화물 저감촉매(40')을 통과하는 배기가스 유량에 따라 계산된다. 이는, 상기 조건들에 대한 반복된 실험으로 결정된 제1 효율 맵을 제어부(50)에 저장하여 사용할 수 있다. 반면, 제2 공연비 람다값(λ2)이 희박 공연비인 경우, 질소산화물 저감촉매(40')의 NOx 저장효율은 질소산화물 저감촉매(40')의 온도와 질소산화물 저감촉매(40')의 상대 NOx 흡장량에 따라 결정된다. 이는, 상기 조건들에 대한 반복된 실험으로 결정된 제2 효율 맵을 제어부(50)에 저장하여 사용할 수 있다. 그 다음, 사용자의 운전 종료 요청에 따라 제어부(50)는 운전을 종료한다(s270').
이 분야의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명의 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.
10: 헤더 20: 연료분해촉매
30: 제1 인젝터
40, 40a, 40b: 질소산화물 저감촉매
41: 제1 촉매부 42: 제2 촉매부
50: 제어부 60: 제2 인젝터
111: 제1 온도센서 112: 제1 산소센서
113: 제1 질소산화물센서 121: 제2 온도센서
122: 제2 산소센서 123: 제2 질소산화물센서
131: 제3 온도센서 132: 제3 산소센서
133: 제3 질소산화물센서
λ1: 제1 공연비 람다값
λ2: 제2 공연비 람다값
λ3: 제3 공연비 람다값

Claims (9)

  1. 복수의 내연기관과 이격되어 설치되며, 상기 복수의 내연기관으로부터 배출되는 배기가스를 제공받아, 상기 배기가스 내의 질소산화물의 양을 저감시키는 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템으로서,
    상기 복수의 내연기관으로부터 배기가스를 제공받아 혼합하는 헤더;
    상기 헤더로부터 유입되는 배기가스에 연료가 혼합되며, 열분해를 이용하여 연료로부터 환원제를 생성하는 연료분해촉매;
    상기 연료분해촉매의 전방에 설치되고, 연료를 분사하여 상기 연료분해촉매에 제공하는 제1 인젝터;
    상기 환원제를 이용하여, 상기 연료분해촉매로부터 유입되는 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시키는 질소산화물 저감촉매;
    상기 헤더와 상기 연료분해촉매 사이에 배치되는 제1 온도센서, 제1 산소센서, 및 제1 질소산화물센서;
    상기 연료분해촉매와 상기 질소산화물 저감촉매 사이에 배치되는 제2 온도센서; 및
    상기 제1 인젝터의 분사를 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 제1 온도센서, 상기 제1 산소센서, 및 상기 제1 질소산화물센서의 측정값들 이용하여 기준 연료 분사량을 계산하되, 상기 제2 온도센서의 측정값이 미리 정해진 제1 활성온도값 이상인 경우, 상기 제1 산소센서의 측정값으로부터 제1 공연비 람다값을 산출하고, 상기 제1 공연비 람다값을 이용하여 상기 제1 인젝터의 목표 연료 분사량을 계산하는 것을 특징으로 하는, 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제2 온도센서의 측정값이 상기 제1 활성온도값 미만인 경우, 상기 제1 온도센서의 측정값의 상승 변화량이 미리 정해진 값 이상이면 상기 제1 인젝터를 분사 대기 상태로 제어하되, 상기 제1 온도센서의 측정값이 상승된 후 일정 값을 유지하면 상기 제1 인젝터의 분사를 개시하는 것을 특징으로 하는, 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 공연비 람다값이 1보다 큰 경우, 상기 제1 공연비 람다값이 1이 되도록 하는 상기 제1 인젝터의 목표 연료 분사량을 계산하며,
    상기 제1 공연비 람다값이 1보다 작은 경우, 상기 제1 인젝터의 목표 연료 분사량을 0으로 설정하는 것을 특징으로 하는, 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연료분해촉매와 상기 질소산화물 저감촉매 사이에 배치되는 제2 산소센서를 더 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 제2 산소센서의 측정값으로부터 제2 공연비 람다값을 산출하고, 상기 제1 인젝터의 목표 연료 분사량을 보정하여 상기 제2 공연비 람다값이 미리 정해진 값에 도달하도록 하는 것을 특징으로 하는, 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 연료분해촉매에서 반응하는 탄화수소의 양인 HC 소모량, 및 상기 연료분해촉매에서 반응하지 않은 탄화수소의 양인 HC 슬립량을 계산하되, 상기 HC 슬립량은 상기 제2 공연비 람다값에서 1을 뺀 값으로부터 계산되며, 상기 HC 슬립량을 감소시키도록 상기 목표 연료 분사량을 보정하는 것을 특징으로 하는, 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 연료분해촉매와 상기 질소산화물 저감촉매 사이에 배치되는 제2 질소산화물센서를 더 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 제2 공연비 람다값, 상기 제2 온도센서의 측정값, 및 상기 제2 질소산화물센서의 측정값을 이용하여 상기 질소산화물 저감촉매로 유입되는 배기가스의 질소산화물 조성비를 계산하고, 상기 연료분해촉매에서 반응하는 탄화수소의 양인 HC 소모량으로부터 상기 연료분해촉매에서 발생하는 NH3 발생량을 계산하며, 상기 질소산화물 조성비와 상기 NH3 발생량을 통해 상기 질소산화물 저감촉매의 NH3 소모량을 계산하는 것을 특징으로 하는, 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 질소산화물 저감촉매의 후방에 배치되는 제3 산소센서를 더 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 제3 산소센서의 측정값으로부터 제3 공연비 람다값을 산출하고, 상기 제2 공연비 람다값 및 상기 제3 공연비 람다값을 이용하여, 상기 질소산화물 저감촉매에서 반응하는 NH3의 양인 NH3 소모량, 및 상기 질소산화물 저감촉매에서 반응하지 않은 NH3의 양인 NH3 슬립량을 계산하는 것을 특징으로 하는, 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 NH3 소모량으로부터 상기 질소산화물 저감촉매에서의 배기가스의 산소 소진과 질소산화물 환원을 위해 사용된 실제 NH3 반응량을 계산하고, 상기 실제 NH3 반응량과 미리 정해진 테이블을 통해 계산된 기준 NH3 반응량의 차이에 따라 제2 인젝터의 요소수 분사량을 조절하는 것을 특징으로 하는, 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제어부에는, 상기 질소산화물 저감촉매로 유입되는 배기가스의 상기 제2 공연비 람다값, 상기 제2 온도센서의 측정값, 및 상기 제2 질소산화물센서의 측정값에 따른 상기 질소산화물 저감촉매의 저장효율 테이블이 저장되며,
    상기 제어부는, 상기 제2 공연비 람다값, 상기 제2 온도센서의 측정값, 및 상기 제2 질소산화물센서의 측정값을 이용하여 상기 저장효율을 산출하고, 상기 제2 질소산화물센서의 측정값에 상기 질소산화물 저감촉매의 저장효율을 곱하여 상기 질소산화물 저감촉매에 저장되는 질소산화물의 저장량을 계산하되, 상기 제2 질소산화물센서의 측정값에서 상기 질소산화물의 저장량을 뺀 값을 NOx 슬립값으로 하여, 상기 NOx 슬립값을 감소시키도록 상기 제1 인젝터의 연료 분사량을 조절하는 것을 특징으로 하는, 분리형 배기가스 질소산화물 정화 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20100058238A (ko) * 2008-11-24 2010-06-03 현대자동차주식회사 내연기관의 2차 연료분사 제어 장치
JP2010185337A (ja) * 2009-02-12 2010-08-26 Yanmar Co Ltd 排気ガス浄化システム
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