KR20070062207A

KR20070062207A - NOx 흡장촉매 재생방법

Info

Publication number: KR20070062207A
Application number: KR1020050122000A
Authority: KR
Inventors: 남건우
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2005-12-12
Filing date: 2005-12-12
Publication date: 2007-06-15
Also published as: CN1982663A; JP2007162675A; US20070130920A1; CN1982663B; JP4953349B2; KR100821793B1; DE102006046455B4; DE102006046455A1; US7587891B2

Abstract

본 발명은 NOx 흡장촉매 재생방법에 관한 것으로, NOx 센서에 의해 배기가스 중의 NOx 값을 감지하여, 상기 센싱값을 설정된 값인 어퍼 리미트와 비교하여 재생모드 수행 여부를 판단하는 재생모드 수행 판단 단계; 상기 재생모드 수행 판단단계에서 재생모드 수행이 필요한 것으로 판단되면 소정 시간(T1) 동안 재생모드를 수행하는 제1재생모드 단계; 상기 제1재생모드 단계의 실행 후 2차 재생모드 수행 시간(T2)을 결정하고, 결정된 시간 동안 재생모드를 수행하는 제2재생모드 단계; 상기 제2재생모드의 수행 후 감지된 NOx 배출량을 이용하여 NOx 흡장 촉매의 성능 저하가 있는지 여부를 판단하고, 이를 통해 피독회복모드 수행 여부를 판단하는 피독회복모드 수행 판단단계; 및 상기 피독회복모드 판단단계에서 피독회복모드 수행이 필요한 것으로 판단되면 피독회복모드를 수행하는 피독회복모드 단계를 포함한다.

Description

ＮＯｘ 흡장촉매 재생방법{METHOD FOR REGENERATING A NOx ABSORBING CATALYST}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 NOx 흡장촉매 재생방법이 수행되는 NPRS 시스템의 구성을 도시하고 있는 구성도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 NOx 흡장촉매 재생방법의 흐름도이다.

도 3은 도 2 에 도시된 본 발명에 따른 NOx 흡장촉매 재생방법을 보다 자세히 설명하고 있는 흐름도이다.

도 4는 본 발명에 따른 NOx 흡장촉매 재생방법에 따른 NOx센서의 센싱값의 변화를 보여주는 그래프이다.

본 발명은 NOx 흡장촉매 재생방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 NOx 흡장 촉매에 의해 일정 범위 내로 NOx 배출량을 제한하면서 NOx 흡장 촉매의 재생 및 피독 회복이 이루어지도록 하는 NOx 흡장촉매 재생방법에 관한 것이다.

연비 향상을 목적으로 희박 연소가 이루어지는 디젤 엔진(diesel engine) 자동차에서는 배기가스 중에 다량의 미세 입자상 물질(PM)과, 질소 산화물(NOx) 등이 포함되어 있기 때문에, 이러한 PM과 질소 산화물(NOx) 등의 배출을 저감하기 위한 여러가지 방안이 사용되고 있다.

이러한 방안으로서, DPF(Diesel Particulate matter Filter; 디젤 입자상 물질 필터)와 LNT(Lean　NOx Trap, NOx 흡장촉매)를 동시에 사용하여 PM/NOx 를 동시에 저감하는 시스템(NPRS, NOx PM Reduction system)이 이용되고 있다.

DPF는 디젤엔진의 배기가스 중 입자상 물질을 트랩을 이용하여 물리적으로 포집하여 일정 주기마다 입자상의 물질을 발화온도(약 650도) 이상으로 승온시켜 입자상 물질의 제거하고 재생시켜 사용하며, DPF에 의한 PM 포집 효율은 약 70% 이상으로 알려지고 있다.

그리고 NOx 흡장촉매는 배기가스 중의 질소 산화물(NOx)을 주로 정화하는 배기가스 정화촉매이다. NOx 흡장촉매는 촉매를 통과하는 질소 산화물을 흡장하며, 재생과정을 통해 흡장된 질소산화물을 무해한 질소(N₂)로 환원하는 배기가스 정화 작용을 한다. 따라서 NOx 흡장촉매가 정확 작용을 지속하기 위해서는 적절하게 재생이 이루어져야 한다.

한편, 배기가스 중에는 질소 산화물 뿐만 아니라 황 산화물(SOx)도 포함하고 있는 데, NOx 흡장촉매는 배기가스 중의 질소산화물뿐만 아니라 황 성분(S)도 흡장해 버리는 성질이 있다. NOx 흡장 촉매에 황 성분 축적되며 NOx 흡장 촉매의 질소산화물 정화 능력이 떨어져 NOx 흡장 촉매 본래의 배기가스 정화 성능이 떨어진다. 이러한 문제를 해결하기 위해는 NOx 흡장촉매를 황에 의한 피독으로부터 회복시키 는 피독 회복이 실행되어야 한다.

이와 같이, NOx 흡장촉매는 그 본래의 작용을 위해 NOx 환원이 이루어지는 재생모드와, 피독회복모드가 이루어져야 하므로 이를 이룰 수 있는 재생방법이 문제된다.

이러한 방안의 일 예로서, 종래의 NOx 흡장촉매의 전 후단에 2개의 NOx 센서를 적용하여 제어하는 기술이 개시되었다. 이는 전후단의 NOx의 센싱값이 동일한 경우 일정시간 동안 재생모드를 작동시켜 NOx 흡장 촉매를 재생하는 방법으로, NOx 흡장촉매의 NOx 흡장량이 초과된 경우에만 재생이 이루어진다는 점에서 NOx 배출량을 정확하게 제어할 수 없는 단점이 있었다. 또한 황에 의한 피독을 정확히 판단하지 못하고 피독 회복이 주기적으로만 이루어진다는 한계가 있었다.

이에 따라 NOx 흡장촉매가 본래의 정화 작용을 할 수 있도록 재생모드와 피독회복모드가 적절하게 이루어질 수 있는 방안이 절실히 필요한 실정이다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 NOx 흡장 촉매에 의해 NOx 배출량을 일정하게 제한될 수 있게, NOx 흡장 촉매의 재생모드와 피독회복모드가 이루어지도록 하는 NOx 흡장촉매 재생방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 NOx 흡장촉매 재생 방법은, NOx 센서에 의해 배기가스 중의 NOx 값을 감지하여, 상기 센싱값을 설정된 값인 어퍼 리미트와 비교하여 재생모드 수행 여부를 판단하는 재생모드 수행 판단 단계; 상기 재생모드 수행 판단단계에서 재생모드 수행이 필요한 것으로 판단되면 소정 시간(T1) 동안 재생모드를 수행하는 제1재생모드 단계; 상기 제1재생모드 단계의 실행 후 2차 재생모드 수행 시간(T2)을 결정하고, 결정된 시간 동안 재생모드를 수행하는 제2재생모드 단계; 상기 제2재생모드의 수행 후 감지된 NOx 배출량을 이용하여 NOx 흡장 촉매의 성능 저하가 있는지 여부를 판단하고, 이를 통해 피독회복모드 수행 여부를 판단하는 피독회복모드 수행 판단단계; 및 상기 피독회복모드 판단단계에서 피독회복모드 수행이 필요한 것으로 판단되면 피독회복모드를 수행하는 피독회복모드 단계를 포함한다.

본 발명에 의하면, 상기 제2재생모드에서 2차 재생모드 수행 시간의 결정은,

제1재생모드의 수행 시간과 상기 제1재생모드 수행에 따른 NOx 배출량 차이를 이용하며, 여기서 2차 재생모드 수행 시간(T2)은 T2 = T1*(b-FL)/(a-b (a 는 초기 NOx 센싱값, b는 1차 재생모드 수행 후 NOx 센싱값, T1은 1차 재생모드 수행시간, FL 은 설정된 프레쉬 레벨)로 결정된다.

그리고, 상기 피독회복모드 판단 단계는 2차 재생모드 수행 후 감지되는 NOx 값과, NOx 에 대한 재생모드의 수행의 결과 의도된 기준인 프레쉬 레벨 사이의 차이가, 설정된 값인 SPL 보다 큰지 여부를 판단하여, 이를 통해 NOx 흡장 촉매의 성능 저하를 판단한다.

본 발명의 실시예에 따른 NOx 흡장촉매 재생방법은, NOx 센서에 의해 NOx 값 이 감지되는 1차 센싱단계와, 상기 NOx 센싱단계에서 센싱된 센싱값을 어퍼 리미트(UL)와 비교하여 재생모드 수행여부를 판단하는 재생모드 수행 판단단계와, T1 시간동안 NOx 흡장촉매 재생을 수행하는 1차 재생모드 단계와, 상기 1차 재생모드 수행 후 NOx 센서에 의해 NOx 값을 다시 감지하는 2차 센싱단계와, 상기 2차 재생모드 수행 시간(T2)을 설정 방식에 따라 결정하는 2차 재생모드 시간 결정단계와, 상기 결정된 수행시간(T2) 동안 NOx 흡장촉매를 재생하는 2차 재생모드 단계와, 상기 2차 재생모드 수행 후 NOx 센서에 의해 NOx값을 다시 감지하는 3차 센싱단계와, 상기 3차 센싱값을 이용하여 피독회복모드 수행 여부를 판단하는 피독회복모드 판단 단계와, 상기 피독회복모드 수행 여부 판단에 따라 피독회복모드를 수행하는 피독회복모드 수행 단계를 포함한다.

상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 이하 첨부한 도면들을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.

도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 NPRS 시스템은 엔진(1)->터보차져(2)->DPF(3)->LNT(NOx 흡장촉매, 4)의 순서로 배열되며, LNT(4) 전단에 NOx 흡장촉매 (4) 재생시 환원제로 사용되는 연료를 분사하는 2차분사장치(5)가 설치되며, LNT(4) 후단으로 NOx 센서(6)가 설치되어 있다. 또한, 2차분사장치(5) 및 NOx센서(6)는 제어유닛(미도시)과 전기적인 신호로 연결되어 있다.

제어유닛은 NOx센서(6)에 의해 감지되는 센싱값을 이용하여 NOx 흡장촉매(4) 에 의한 NOx 배출량을 설정된 상한값인 어퍼 리미트(Upper Limit, UL)와, 피독에 의한 성능 저하가 문제되지 않는 상태에서 환원된 NOx 흡장촉매가 가지는 NOx 배출량인 프레쉬 레벨(Fresh Level, FL) 사이에 유지될 수 있도록 1,2차 NOx 재생모드를 수행하고, 2차 재생모드의 수행 결과에 따른 NOx센서(6)의 센싱값을 이용하여 피독회복모드를 수행한다.

도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 NOx 흡장촉매 재생방법의 흐름도이다. 본발명의 실시예에 따른 NOx 흡장촉매 재생방법는 크게, 재생모드 수행 판단단계(S1)와, 제1재생모드 단계(S2)와, 제2재생모드단계(S3)와, 피독회복모드 수행 판단단계(S4)와, 피독회복모드 단계(S5)로 구분된다.

재생모드 수행 판단단계(S1)은 NOx 센서에 의해 배기가스 중의 NOx 값을 감지하여, 상기 센싱값을 설정된 값인 어퍼 리미트와 비교하여 재생모드 수행 여부를 판단한다.

제1재생모드 단계(S2)는 재생모드 수행이 필요한 것으로 판단되면 소정 시간(T1) 동안 재생모드를 수행한다.

제2재생모드 단계(S3)은 상기 제1재생모드 단계의 실행 후 2차 재생모드 수행 시간(T2)을 결정하고, 결정된 시간 동안 재생모드를 다시 수행한다.

피독회복모드 단계(S4)는 상기 제2재생모드의 수행 후 감지된 NOx 배출량을 이용하여 NOx 흡장 촉매의 성능 저하가 있는지 여부를 판단하고, 이를 통해 피독회복모드 수행 여부를 판단한다.

피독회복모드 단계(S5)상기 피독회복모드 판단단계에서 피독회복모드 수행이 필요한 것으로 판단되면 피독회복모드를 수행한다. 이를 통해 NOx 흡장촉매는 피독이 제거되고 NOx 흡장 성능 즉, 배기가스 정화 성능이 회복된다.

도 3 은 도 2 에 도시된 본 발명에 따른 NOx 흡장촉매 재생방법을 보다 자세히 설명하고 있는 흐름도이다.

도 3 을 참조하면, 본 발명에 따른 NOx 흡장촉매 재생방법은 엔진 시동이 이루어지면 수행되고, NOx센서에 의해 NOx 값이 감지되는 1차 센싱단계(S10)와, 1차 센싱단계의 센싱값을 이용하여 재생모드 수행여부를 판단하는 재생모드 수행 판단단계(S12)와, 설정된 T1 시간동안 재생 모드를 수행하는 1차 재생모드 단계(S14)와, NOx 센서에 의해 NOx 값을 1차 재생모드 수행 후 감지하는 2차 센싱단계(S16)와, 2차 재생모드 수행 시간(T2)을 결정하는 2차 재생모드 시간 결정단계(S18)와, 이에 따라 NOx 촉매를 T2 시간 동안 재생하는 2차 재생모드 단계(S20)와, 2차 재생모드 수행 후 NOx 센서에 의해 NOx값을 다시 감지하는 3차 센싱단계(S22)와, 3차 센싱값을 이용하여 피독회복모드 수행 여부를 판단하는 피독회복모드 수행 판단단계(S24)와, 피독회복모드 단계(S26)를 포함한다.

1차 센싱단계(12)는 엔진 시동이 이루어지면 시작되고, NOx 센서는 NOx 값을 감지하여 센싱값 a 을 제어유닛에 제공한다.

재생모드 수행 판단단계(S14)에서는 제어유닛은 감지된 1차 센싱단계에서 센싱된 센싱값 a 를 제어유닛에 비교 기준으로 설정되어 있는 어퍼 리미트(UL)와 비교하여 재생모드 수행 여부를 판단한다. 어퍼 리미트(UL) 값은 NOx 흡장촉매를 통과한 배기가스 중의 NOx 허용 한계값으로 설정되며, 센싱값 a 가 어퍼 리미트(UL) 를 초과하면 NOx 에 흡장된 NOx 에 의해 NOx 흡장센서의 NOx 정화 능력이 허용할 수 있는 한계에 도달했음을 의미한다. 따라서 센싱값 a가 어퍼 리미트(UL) 이하이면 NOx 센서에 의한 NOx 센싱단계가 반복되고, 센싱값 a가 어퍼 리미트(UL)를 초과하면 NOx 흡장촉매에 NOx 흡장 성능을 회복하기 위하여 NOx 흡장촉매를 재생하는 재생모드가 수행된다.

1차 재생모드 단계(S16)에서는 2차 분사장치에 의해 분사가 이루어지면서 T1 시간동안 NOx 재생모드가 수행된다. T1 시간은 제어유닛에 기준시간으로 미리 설정되는 값이다.

2차 센싱단계에서(S18)는 1차 재생모드의 수행 후 NOx 센서에 의해 NOx 값을 다시 센싱한다. NOx 센서는 NOx 값을 감지하여 센싱값 b를 제어유닛에 제공한다.

2차 재생모드 시간 결정단계(S20)는 센싱값 a, b 와 설정된 어퍼 리미트(UL) 및 프레쉬 레벨(FL)을 이용하여 NOx 흡장 촉매의 2차 재생 시간(T2)을 결정하는 단계이다. 2차 재생모드 시간은 다음과 같이 산출된다.

T2 = T1*(b-FL)/(a-b)

(a 는 1차 NOx 센싱값, b는 1차 재생모드 수행 후 센싱되는 2차 NOx 센싱값, T1은 1차 재생모드 수행시간, FL 은 설정된 프레쉬 레벨)

2차 재생모드 단계에서(S20)는 2차 재생모드 시간 결정단계에서 결정된 T2 시간에 따라 NOx 재생모드를 수행한다.

3차 센싱단계(S22)에서는, 2차 재생모드 수행 후 NOx센서에 의해 NOx값을 다시 감지한다. NOx 센서는 NOx 값을 감지하여 센싱값 c를 제어유닛에 제공한다.

피독회복모드 수행 판단단계(S24)에서는 센싱값 c 와 미리 결정된 판단기준값인 SPL(Sulfur poisoning limit)과 설정된 프레쉬 레벨(FL)을 이용하여 피독회복모드 수행 여부를 다음과 같이 판단한다

(c-FL)>SPL

3차 센싱단계(S22)에서 센싱된 센싱값 c와 프레쉬 레벨(FL)을 차이가 SPL 보다 크다면 이는 2차 재생모드의 수행에도 불구하고 NOx 흡장 촉매의 재생이 만족스럽게 이루어지지 않은 것을 의미하다. NOx 흡장촉매는 NOx 뿐만 아니라 유황 성분도 흡장하고 이러한 흡장된 NOx 유황 성분은 NOx 흡장촉매에 축적되어 NOx흡장촉매의 성능을 떨어뜨리고 이로 인해 NOx 흡장촉매 재생 성능이 저하된다. 따라서 T2 시간동안의 2차 재생모드 수행에도 불구하고 흡장촉매에 의한 NOx 흡장성능이 설정된 레벨으로 상승되지 않은 것으로부터 NOx 흡장촉매에 의한 유황 성분 피독을 감지할 수 있게 되는 것이다.

따라서 피독회복모드 수행 판단단계(S24)에서 T2 시간동안 수행된 2차 재생모드 수행에서 NOx 흡장촉매의 NOx 흡장성능이 설정된 수준의 레벨으로 회복되면 순환되어 다시 1차센싱단계가 수행되고, 설정된 수준의 레벨으로 회복되지 못한 것으로 판단되면 NOx 흡장 촉매에 일정 수준의 유황 피독이 이루어진 것으로 판단하여 피독회복모드 수행을 결정하게 되는 것이다.

피독회복모드 수행 단계의 수행이 결정되며, 피독회복모드 단계(S26)로서 NOx흡장 촉매의 피독회복모드가 수행되어 피독 회복 제어가 실시된다.

도면에 도시된 바와 같이, a 에서는 2차 재생모드의 수행으로 NOx 흡장촉매의 NOx 흡장성능이 설정된 수준의 레벨로 회복되어 피독회복모드가 수행되지 않았으나, b 에서는 2차 재생모드의 수행에도 불구하고, NOx 흡장촉매의 NOx 흡장성능이 설정된 수준의 레벨로 회복되지 않아 피독회복모드가 수행되었다.

이러한 NOx 제어에 의해 NOx 를 통과하는 배기가스의 NOx 값은 항상 어퍼 리미트(UL)와 프레쉬 레벨(FL) 사이로 제한될 수 있다. 즉, NOx 배출량을 일정한 범위 내로 제한하는 것이 가능하게 되는 것이다. 더욱이 피독회복모드가 NOx 흡장 촉매의 성능 저하가 나타난 경우에 적절하게 수행되므로 피독 회복 제어가 적절히 이루어질 수 있고, 피독에 의한 NOx 배출량 증대를 막을 수 있다.

이상에서 설명된 본 발명은 특정된 바람직한 실시예를 참조하여 구체적으로 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상이나 범위를 벗어남이 다양한 변형이 가능할 것이다. 첨부된 청구항들은 전술한 실시예 뿐만 아니라 이러한 다양한 변형예들을 포함하기 위해 의도된 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 NOx 흡장촉매 재생방법 는 NOx 흡장 촉매의 NOx 배출량 제어 성능을 일정하게 유지시켜 NOx 배출량 어퍼 리미트와 프레쉬 레벨 사이에서 일정하게 제한할 수 있다. 또한 본 발명의 실시예에 따른 NOx 흡장촉매 재생방법은 NOx 센서를 하나만을 사용하여 이루어지므로 시스템 측면에서 간소화를 이루면서 보다 효율적인 NOx 흡장촉매의 성능 제어가 이루어질 수 있다. 또한 적절한 시기에 NOx 흡장 촉매의 피독 회복 제어가 이루어지게 하여, 피독에 의한 NOx 성능 저하 및 NOx 배출량 증대를 방지할수 있게 한다. 이로 인해 NOx 흡장 촉매의 성능 및 효율성을 극대화할 수 있다.

Claims

NOx 센서에 의해 배기가스 중의 NOx 값을 감지하여, 상기 센싱값을 설정된 값인 어퍼 리미트와 비교하여 재생모드 수행 여부를 판단하는 재생모드 수행 판단 단계;

상기 재생모드 수행 판단단계에서 재생모드 수행이 필요한 것으로 판단되면 소정 시간(T1) 동안 재생모드를 수행하는 제1재생모드 단계;

상기 제1재생모드 단계의 실행 후 2차 재생모드 수행 시간(T2)을 결정하고, 결정된 시간 동안 재생모드를 수행하는 제2재생모드 단계;

상기 제2재생모드의 수행 후 감지된 NOx 배출량을 이용하여 NOx 흡장 촉매의 성능 저하가 있는지 여부를 통해 피독회복모드 수행 여부를 판단하는 피독회복모드 수행 판단단계;

상기 피독회복모드 판단단계에서 피독회복모드 수행이 필요한 것으로 판단되면 피독회복모드를 수행하는 피독회복모드 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 NOx 흡장촉매 재생방법.
제1항에 있어서,

상기 제2재생모드에서 2차 재생모드 수행 시간의 결정은,

제1재생모드의 수행 시간과 상기 제1재생모드 수행에 따른 NOx 배출량 차이를 이용하는 것을 특징으로 하는 NOx 흡장촉매 재생방법.
제2항에 있어서,

제2재생모드 단계에서,

2차 재생모드 수행 시간(T2)은

T2 = T1`*(b-FL)/(a-b)

(a 는 초기 NOx 센싱값, b는 1차 재생모드 수행 후 NOx 센싱값, T1은 1차 재생모드 수행시간, FL 은 설정된 프레쉬 레벨)

로 결정되는 것을 특징으로 하는 NOx 흡장촉매 재생방법.
제1항에 있어서,

피독회복모드 판단 단계는 2차 재생모드 수행 후 감지되는 NOx 값과, NOx 에 대한 재생모드의 수행의 결과 의도된 기준인 프레쉬 레벨 사이의 차이가, 설정된 값인 SPL 보다 큰지 여부를 판단하여, 이를 통해 NOx 흡장 촉매의 성능 저하를 판단하는 것을 특징으로 하는 NOx 흡장촉매 재생방법.
NOx 센서에 의해 NOx 값이 감지되는 1차 센싱단계와,

상기 NOx 센싱단계에서 센싱된 센싱값을 어퍼 리미트(UL)와 비교하여 재생모드 수행여부를 판단하는 재생모드 수행 판단단계와,

T1 시간동안 NOx 흡장촉매 재생을 수행하는 1차 재생모드 단계와,

상기 1차 재생모드 수행 후 NOx 센서에 의해 NOx 값을 다시 감지하는 2차 센 싱단계와,

상기 2차 재생모드 수행 시간(T2)을 설정 방식에 따라 결정하는 2차 재생모드 시간 결정단계와,

상기 결정된 수행시간(T2) 동안 NOx 흡장촉매를 재생하는 2차 재생모드 단계와,

상기 2차 재생모드 수행 후 NOx 센서에 의해 NOx값을 다시 감지하는 3차 센싱단계와,

상기 3차 센싱값을 이용하여 피독회복모드 수행 여부를 판단하는 피독회복모드 판단 단계와,

상기 피독회복모드 수행 여부 판단에 따라 피독회복모드를 수행하는 피독회복모드 수행 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 정화촉매 재생방법.