KR20070049859A

KR20070049859A - 디젤 자동차의 배기가스 정화장치 및 그 재생방법

Info

Publication number: KR20070049859A
Application number: KR1020050107108A
Authority: KR
Inventors: 권충일
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2005-11-09
Filing date: 2005-11-09
Publication date: 2007-05-14

Abstract

유럽 배기가스 규제 법규인 EURO-4에 대응하기 위해 디젤 입자상 물질필터(Diesel Particulate Filter ; DPF)가 장착되는 디젤 자동차에서 디젤 엔진과 디젤 입자상 물질필터의 사이에 Nox를 저감시키는 Nox 흡장 촉매를 추가 장착하여 배기가스에 포함된 입자상 물질(PM)과 Nox를 효율적으로 저감시키도록 하는 것으로,

디젤 엔진이 운전중인 상태에서 배기계 시스템의 온도, 배기가스에 포함된 산소 농도, LNT에 흡장되는 Nox 농도를 모니터링하는 과정과, 모니터링 결과 LNT의 재생 조건을 만족하는지 판단하는 과정과, LNT의 재생 조건을 만족하면 설정된 기준 범위의 공연비 조건에서 배기가스 분위기를 농후 영역으로 제어하여 LNT에 흡장된 Nox를 제거하는 과정을 포함한다.

디젤 입자상 물질필터, LNT, CPF, 람다 센서, Nox, 입자상 물질(PM)

Description

디젤 자동차의 배기가스 정화장치 및 그 재생방법{A EXHAUST GAS PURIFICATION SYSTEM OF DIESEL VEHICLE AND METHOD FOR REGENERATION THEREOF}

도 1은 본 발명에 따른 디젤 자동차의 배기가스 정화장치에 대한 개략적인 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 디젤 자동차에서 배기가스 정화장치의 재생을 수행하는 일 실시예의 흐름도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 엔진 20 : LNT

30 : DOC 40 : CPF

50 : 람다 센서 60 : 제1 Nox 센서

70 : 제2 Nox 센서 80 : 제어부

본 발명은 유럽 배기가스 규제 법규인 EURO-4에 대응하기 위해 디젤 입자상 물질필터(Diesel Particulate Filter ; DPF)가 장착되는 디젤 자동차에 관한 것으로, 더 상세하게는 엔진과 디젤 입자상 물질필터의 사이에 Nox를 저감시키는 촉매 를 추가 장착하여 배기가스에 포함된 입자상 물질(PM)과 Nox를 효율적으로 저감시키도록 하는 디젤 자동차의 배기가스 정화장치 및 그것의 재생방법에 관한 것이다.

일반적으로, 디젤 자동차에 적용되는 엔진은 뛰어난 연비, 출력 등에도 불구하고, 디젤 엔진의 특성상 공기 과잉율이 큰 상태에서 연소가 이루어지기 때문에 배출가스 중에는 가솔린 엔진과는 달리 일산화탄소(CO)나 탄화수소(HC)의 배출량이 적은 반면 질소산화물(이하, "NOx" 라 한다.)과 입자성물질(PM)이 상당히 많이 배출되는 단점이 있다.

입자상 물질(PM)의 배출에 대하여 연소 제어를 통해 많은 저감이 이루어지고 있으나, 입자성 물질(PM)과 Nox는 서로 상반되는 관계가 있어 Nox를 줄이면 입자상 물질(PM)이 증가하고, 입자상 물질(PM)을 줄이면 반대로 Nox가 증가하게 되어 양자를 동시에 저감 제어하는데 있어 다소간의 곤란한 상황이 발생된다.

특히, 최근들어 입자상 물질(PM)은 대기를 오염시키는 가장 중요한 주원인으로 각종 매체에서 보도되고, 인체에 많은 해를 미친다.

이러한 입자상 물질(PM)을 저감시키는 방법으로서 디젤 자동차에 디젤 입자상 물질필터(DPF)를 장착하고 있다.

디젤 입자상 물질필터(DPF)는 디젤 엔진으로부터 배출되는 입자상 물질(PM)을 필터내에 물리적으로 포집후 후분사 제어(Post Injection)로 배기가스의 온도를 일정온도 이상으로 승온하여 필터에 포집된 입자상 물질(PM)을 연소시켜 제거한다.

유럽 배기가스 규제인 EURO-4에 대응하기 위한 방법으로 디젤 자동차에 상기한 디젤 입자상 물질필터를 장착하고 있으나, 강화된 유럽 배기가스 규제인 EURO-5 및 EURO-6, 북미규제인 US Tier2 Bin 5등의 규제는 EURO-4 규제에 비하여 휠씬 더 저감시키도록 하고 있다.

그러나, 아직까지 전세계적으로 승용 디젤차종에 대하여 상기 강화될 규제를 만족할 수 있는 시스템을 갖춘 차량이 없는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 엔진과 디젤 입자상 물질필터(DPF)의 사이에 Nox를 저감시키는 촉매를 추가 장착하여 배기가스에 포함된 입자상 물질(PM)과 Nox를 효율적으로 저감시키도록 함으로써, 강화된 배기가스 규제인 EURO-5 및 EURO-6, 북미규제인 US Tier2 Bin 5의 법규에 대응할 수 있도록 한 것이다.

또한, 배기가스에 포함되는 Nox의 효율적인 저감을 제공하기 위해 람다 센서 및 Nox 센서를 장착하여 LNT(Lean Nox Trap)의 재생시점을 판단하여 적절한 엔진 제어를 통해 LNT의 재생이 제공되도록 한 것이다.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 디젤 엔진과; 상기 디젤 엔진의 배기 다기관에 장착되며, 배기가스 중에 포함된 Nox 성분을 포집 흡장한 다음 일정 조건에 도달되는 경우 N2의 성분으로 탈착시키는 LNT와; 디젤 입자상 물질필터를 구성하는 하나의 요소인 산화촉매로, 상기 LNT(20)의 후단에 장착되며 배기가스중에 포함된 일산화탄소(CO) 및 탄화수소(HC)를 산화(연소) 반응을 통해 정화하는 DOC와; 디젤 입자상 물질필터를 구성하는 다른 하나의 요소로, 상기 DOC의 후단 부에 장착되어 배기가스 중에 포함된 입자상 물질(PM)을 필터로 포집하고, 일정한 조건에서 필터에 포집된 입자상 물질(PM)을 태워 재생하는 CPF와; 배기 다기관에 장착되어 배기가스에 포함되어 있는 산소의 농도를 검출하여 현재의 혼합비가 농후한지 혹은 희박한지를 판정할 수 있도록 하는 람다 센서와; LNT의 양측에 장착되어, LNT에 저장되어지는 Nox의 양을 측정하는 제1,제2 Nox 센서와; 배기계 시스템의 각 부분에 대한 온도와 배기가스에 포함되어 있는 산소의 농도, LNT에 포집되는 Nox의 농도를 모니터링하여 제1 Nox 센서에서 검출되는 신호와 제 2 Nox 센서에서 검출되는 신호가 일치하여 LNT의 재생조건이 만족되면 EGR 및 후분사 제어를 통해 LNT를 재생하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 자동차의 배기가스 정화장치를 제공한다.

또한, 디젤 엔진이 운전중인 상태에서 배기계 시스템의 온도, 배기가스에 포함된 산소 농도, LNT에 흡장되는 Nox 농도를 모니터링하는 과정과; 상기 모니터링 결과 LNT의 재생 조건을 만족하는지 판단하는 과정과; LNT의 재생 조건을 만족하면 설정된 기준 범위의 공연비 조건에서 배기가스 분위기를 농후 영역으로 제어하여 LNT에 흡장된 Nox를 제거하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 자동차의 배기가스 정화장치 재생방법을 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 디젤 자동차의 배기가스 정화장치에 대한 개략적인 구성도이다.

도시된 바와 같이, 디젤 엔진(10)과, LNT(20), DOC(30), CPF(40), 람다센서(50), 제1 Nox 센서(60), 제2 Nox 센서(70) 및 제어부(80)를 포함하여 구성된다.

LNT(20)는 디젤 엔진(10)의 배기 다기관에 장착되며, 배기가스 중에 포함된 Nox 성분을 포집 흡장한 다음 일정 조건에 도달되는 경우 N2의 성분으로 탈착시키는 Nox 흡장 촉매이다.

DOC(Diesel Oxidation Catalyst ; 20)는 디젤 입자상 물질필터(DPF)를 구성하는 하나의 요소인 산화촉매로, 상기 LNT(20)의 후단에 장착되며 배기가스중에 포함된 일산화탄소(CO) 및 탄화수소(HC)를 산화(연소) 반응을 통해 정화한다.

CPF(Diesel Catalyzed Particulate Filter ; 40)는 디젤 입자상 물질필터(DPF)를 구성하는 다른 하나의 요소로, 상기 DOC(20)의 후단부에 장착되어 배기가스중에 포함된 입자상 물질(PM)을 필터로 포집하고, 일정한 조건에서 필터에 포집된 입자상 물질(PM)을 태워 재생한다.

람다 센서(50)는 상기 배기 다기관에 장착되어 배기가스에 포함되어 있는 산소의 농도를 검출하여 제어부(80)에 인가함으로써, 제어부(80)로 하여금 현재의 혼합비가 농후한지(Rich) 혹은 희박한지(Lean)를 판정하여 이론 공연비의 혼합비가 제어가 유지되도록 한다.

제1,제2 Nox 센서(60)(70)는 LNT(20)의 양측에 장착되어, LNT(20)에 저장되어지는 Nox의 양을 측정한 다음 그에 대한 신호를 제어부(80)에 인가하여 LNT(20)의 재생이 제어되도록 한다.

제어부(80)는 배기계 시스템의 각 부분에 대한 온도와 배기가스에 포함되어 있는 산소의 농도, LNT(20)에 포집되는 Nox의 농도를 모니터링하여 LNT(20)의 선단에 장착되는 제1 Nox 센서(60)에서 검출되는 신호와 LNT(20)의 후단에 장착되는 제 2 Nox 센서(70)에서 검출되는 신호가 일치하여 LNT(20)의 재생조건이 만족하는 경우 EGR 제어 및 후분사 제어를 통해 LNT(20)의 재생이 이루어질 수 있도록 한다.

상기 제어부(80)는 상기 LNT(20)를 제어하는 경우 공연비가 설정된 기준값의 범위, 바람직하게는 0.9 이상 0.95의 범위에서 제어되도록 한다.

전술한 바와 같은 기능을 포함하여 구성되는 본 발명의 동작에 대하여 설명하면 다음과 같다.

일반적으로, 디젤 자동차에 장착되는 디젤 엔진(10)은 공기 과잉률이 큰 상태, 즉 희박(Lean) 영역에서 운전됨에 따라 많은 양의 Nox 가 배출되며, 배기가스에 산소의 농도가 풍부함에 따라 산화 분위기에서 Nox는 LNT(20)에 흡장된다.

따라서, 도 2에서 알 수 있는 바와 같이 디젤 엔진(10)이 운전중인 상태에서(S101) 제어부(80)는 배기계 시스템의 각 부분에 대한 온도와 람다 센서(50)로부터 배기가스에 포함되어 있는 산소의 농도, 제1,제2 Nox 센서(60)(70)로부터 LNT(20)에 흡장되는 Nox의 농도를 모니터링한다(S102).

이후, 모니터링 결과 LNT(20)의 선단에 장착되어 있는 제1 Nox 센서(60)에서 검출되는 Nox의 신호와 LNT(20)의 후단에 장착되어 있는 제 2 Nox 센서(70)에서 검출되는 Nox의 신호가 설로 일치하는지를 판단한다(S103).

상기 S103의 판단 결과 두 센서의 신호가 서로 일치하지 않으면, LNT(20)의 Nox 포집 능력이 가용한 상태인 것으로 판단하여 초기의 과정으로 리턴되고, 두 센 서의 신호가 서로 일치하는 상태이면 LNT(20)의 Nox 포집 능력이 포화 상태, 즉 LNT(20)의 재생이 요구되는 것으로 판단한다.

상기 LNT(20)의 Nox 포집 능력이 포화 상태에 진입된 경우에는 배기가스에 포함된 Nox를 더 이상 흡장시키지 못하고 대기중으로 그대로 배출되는 상태가 되어, 에미션을 악화시키는 상태이다.

따라서, S103의 판단 결과 두 센서의 신호가 서로 일치되어 LNT(20)의 재생이 요구되는 것으로 판단되면 제어부(80)는 EGR(Exhaust Gas Recirculation)을 증대시키고(S104), 연료의 후 분사(Post Injection)를 제어하여 배기가스의 분위기를 농후 영역으로 운전함으로써, LNT(20)에 흡장되어 있는 Nox의 탈착이 이루어져 재생되도록 한다.

상기와 같이 EGR의 증대와 후분사 제어를 통해 LNT(20)를 재생함에 있어 설정된 기준범위내, 바람직하게는 0.9 ＜ λ ＜ 0.95의 공연비 조건에서 이루어지도록 하며, 공연비(λ)가 설정된 기준범위를 벗어나는 경우 EGR 량 및 후분사 량을 조정한다(S106).

이후, LNT(20)의 재생 제어의 유지에 대한 설정된 일정시간 동안이 경과하는 경우 LNT(20)의 재생을 종료한 다음 초기 과정으로 리턴하여 전술한 조건이 충족되는 경우 상기한 과정이 반복적으로 이루어질 수 있도록 한다(S107).

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 디젤 자동차에서 디젤 입자상 물질필터의 장착을 통해 배기가스에 포함된 입자상 물질(PM)을 제거하고, LNT의 장착으로 배기가스에 포함되어 있는 Nox를 효율적으로 제거함으로, 입자상 물질(PM)과 Nox의 동시 저감을 통해 강화된 유럽 배기가스 규제인 EURO-5 및 EURO-6, 북미규제인 US Tier2 Bin 5 등을 만족시키는 효과를 제공한다.

또한, 람다 센서 및 제1,제2 Nox 센서를 통한 피드백 제어로 LNT의 재생에 정밀성 및 신뢰성을 제공한다.

Claims

디젤 엔진과;

상기 디젤 엔진의 배기 다기관에 장착되며, 배기가스 중에 포함된 Nox 성분을 포집 저장한 다음 일정 조건에 도달되는 경우 N2의 성분으로 탈착시키는 LNT와;

디젤 입자상 물질필터를 구성하는 하나의 요소인 산화촉매로, 상기 LNT(20)의 후단에 장착되며 배기가스중에 포함된 일산화탄소(CO) 및 탄화수소(HC)를 산화(연소) 반응을 통해 정화하는 DOC와;

디젤 입자상 물질필터를 구성하는 다른 하나의 요소로, 상기 DOC의 후단부에 장착되어 배기가스중에 포함된 입자상 물질(PM)을 필터로 포집하고, 일정한 조건에서 필터에 포집된 입자상 물질(PM)을 태워 재생하는 CPF와;

배기 다기관에 장착되어 배기가스에 포함되어 있는 산소의 농도를 검출하여 현재의 혼합비가 농후한지 혹은 희박한지를 판정할 수 있도록 하는 람다 센서와;

LNT의 양측에 장착되어, LNT에 저장되어지는 Nox의 양을 측정하는 제1,제2 Nox 센서와;

배기계 시스템의 각 부분에 대한 온도와 배기가스에 포함되어 있는 산소의 농도, LNT에 포집되는 Nox의 농도를 모니터링하여 제1 Nox 센서에서 검출되는 신호와 제 2 Nox 센서에서 검출되는 신호가 일치하여 LNT의 재생조건이 만족되면 EGR 및 후분사 제어를 통해 LNT를 재생하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 자동차의 배기가스 정화장치.
제1항에 있어서,

상기 제1 Nox 센서는 LNT의 선단부에 장착되고, 제 2 Nox 센서는 LNT의 후단부에 장착되는 것을 특징으로 하는 디젤 자동차의 배기가스 정화장치.
제1항에 있어서,

상기 제어부는 LNT 재생시 EGR 증대와 후분사 제어로 배기가스의 분위기를 농후 영역으로 제어하여 포집된 Nox를 탈착시키는 것을 특징으로 디젤 자동차의 배기가스 정화장치.
제1항에 있어서,

상기 제어부는 LNT를 재생을 설정된 기준값 범위의 공연비에서 수행하는 것을 특징으로 하는 디젤 자동차에서 배기가스 정화장치.
제4항에 있어서,

상기 공연비의 기준값 범위는 0.9 ＜ λ ＜ 0.95인 것을 특징으로 하는 디젤 자동차에서 배기가스 정화장치.
디젤 엔진이 운전중인 상태에서 배기계 시스템의 온도, 배기가스에 포함된 산소 농도, LNT에 흡장되는 Nox 농도를 모니터링하는 과정과;

상기 모니터링 결과 LNT의 재생 조건을 만족하는지 판단하는 과정과;

LNT의 재생 조건을 만족하면 설정된 기준 범위의 공연비 조건에서 배기가스 분위기를 농후 영역으로 제어하여 LNT에 흡장된 Nox를 제거하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 자동차의 배기가스 정화장치 재생방법.
제6항에 있어서,

상기 LNT의 재상 조건은 LNT 선단에 장착되는 제1 Nox 센서의 신호와 LNT 후단에 장착되는 제2 Nox 센서의 신호가 서로 일치하는 조건인 것을 특징으로 하는 디젤 자동차의 배기가스 정화장치 재생방법.
제6항에 있어서,

상기 배기가스 분위기의 농후 영역 제어는 EGR 증대와 후분사 제어를 통해 수행하는 것을 특징으로 하는 디젤 자동차의 배기가스 정화장치 재생방법.
제6항에 있어서,

상기 LNT 재생 조건에서의 공연비 기준 범위는 0.9 ＜ λ ＜0.95 의 조건인 것을 특징으로 하는 디젤 자동차의 배기가스 정화장치 재생방법.