KR20090100769A

KR20090100769A - 차량 배기 계의 후 처리 장치를 구성하는 매연 여과 필터의다단 재생 방법

Info

Publication number: KR20090100769A
Application number: KR1020080026175A
Authority: KR
Inventors: 권충일
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2008-03-21
Filing date: 2008-03-21
Publication date: 2009-09-24
Also published as: KR100957275B1

Abstract

본 발명은 배기 가스 후처리 장치를 이루도록 배기 파이프(3)에 직렬로 배열된 LNT(4,Lean NOx Trap)와 CPF(5,Catalyzed Particulate Filter)에 대한 PM(Particulate Matter)과 NOx(질소 산화물) 정화 율을 높이고, 그 성능을 최적으로 유지하도록 ECU(1)가 CPF(5)의 필터 재생을 위한 연료 후 분사 제어를 수행할 때, 상기 ECU(1)는 CPF(5)의 필터 재생을 위해 그을음(Soot)에 대한 주 연소 단계의 온도 상승이 약 550℃~580℃ 범위를 유지하고, 이어지는 재 연소 구간에서는 약 630℃~650℃ 로 온도를 상승시켜 주는 단계를 이어 가는 다단 재생 방식을 구현함에 따라, CPF(5)의 필터 재생 시 CPF(5)의 전단에 위치된 LNT(4)의 촉매에 코팅된 바륨(Ba), 칼륨(K)등이 갖는 열화 한계 온도인 약 700℃ 초과로 인한 열화 손상을 차단할 수 있음은 물론, LNT(4)의 열화로 인한 NOx 정화 율 감소를 방지할 수 있도록 작용하는 특징이 있게 된다.

필터, 다단재생, 저온

Description

차량 배기 계의 후 처리 장치를 구성하는 매연 여과 필터의 다단 재생 방법{Multiple regeneration method for catalyzed particulate filter of exhaust system in vehicle}

본 발명은 차량 배기 계에 관한 것으로, 특히 차량 배기 계의 후 처리 장치를 구성하는 매연 여과 필터의 다단 재생 방법에 관한 것이다.

일반적으로 차량의 엔진 특히, 디젤 엔진에서 연소된 후 배출되는 연소가스인 배기 가스 중에는 CO, HC, 및 NOx(질소화합물)등과 같은 유해 성분이 다량 포함되어 있다.

이러한 배기 가스 중 NOx는 연소 온도가 높아지면 NOx의 양도 증가함에 따라, 상기 NOx양을 줄이기 위해서는 엔진의 연소 온도를 저감시키거나 촉매등을 이용한 정화 방법과 같은 다양한 방식이 실시되고 있다.

특히, 유럽 및 북미를 중심으로 해 점점 더 승용 디젤에서 배출되는 배기가스 규제 강화 일례로, EURO3 단계에 적용된 배기 규제는 디젤산화촉매를 통해 만족되지만, EURO4 단계에 적용된 배기 규제는 PM(Particulate Matter)에 대한 강화로 인해 디젤산화촉매로 불충분함에 따라, DPF(Diesel Particulate Filter) 혹은 CPF(Catalyzed Particulate Filter)를 적용해 규제를 만족해 주게 된다.

하지만, 이러한 배기 가스 규제는 더욱 강화되어 향후에는 EURO5 이후 배기 규제 및 북미 US Tier2 BIN5 규제가 적용되고, 이는 배기 가스 중 PM(Particulate Matter)은 물론 NOx(질소 산화물)의 저감도 필수적으로 달성해야만 함에 따라, 엔진을 통한 저감 방식과 더불어 후처리 장치를 이용한 저감 방식에 대한 기술을 끊임없이 개발하고 있는 추세이다.

이러한 PM(Particulate Matter)과 NOx(질소 산화물)의 저감 방식은 통상적으로, 엔진 신기술을 적용하면서 동시에 NOx의 저감에 한계성을 극복하고자 후처리 장치를 함께 적용하게 된다.

이와 같이 NOx를 저감시키는 후처리 장치는 일례로, LNT(Lean NOx Trap)와 SCR(Selective Catalytic Reduction) 등이 있고, 이러한 LNT와 SCR의 경우 각각의 장단점이 있어 적용시스템과 차량 및 엔진 등에 따라 각기 다르게 적용되어진다.

여기서, 상기 LNT는 NOx 성분을 저감시킬 수 있는 바륨(Ba), 칼륨(K)등과 같은 NOx 흡장 물질 및 조 촉매 성분이 귀금속과 같이 코팅된 촉매를 이용하게 된다.

이러한 후 처리 장치 중 LNT를 이용하는 경우 통상적으로, 전단으로 LNT를 설치하고 후단으로는 CPF(Catalyzed Particulate Filter)를 설치해 LNT와 CPF가 직렬로 배열되도록 구성되는데, 이와 같은 LNT+CPF 방식은 CPF를 이루는 필터 내에 그을음(Soot)을 축적시킴에 따라, 상기 그을음(Soot)을 제거하는 재생 과정을 수행 즉, 연료 후 분사를 통해 LNT 촉매로 과도한 CO나 HC를 도달시켜 촉매 내부에서 화학적 반응을 통한 발열 반응을 일으키게 되고, 이로 인해 LNT 후단으로 설치된 CPF 쪽으로 650℃ 이상의 높은 배기가스가 공급되어지게 된다.

이와 같이 650℃ 이상의 높은 배기가스가 CPF로 공급됨에 따라 CPF 내 필터에 축적된 그을음(Soot)이 연소되고, 이를 통해 CPF 내 필터가 재생되어져 PM과 NOx의 정화 율을 다시 높여 주게된다.

하지만, 이러한 CPF 내 필터 재생 방식이 650℃ 이상으로 높은 배기가스 온도를 요구하므로, CPF의 전단에 위치된 LNT의 온도 상승이 필연적으로 이루어져 촉매의 표면온도(bed온도)가 실제적으로 700℃ ~800℃ 까지 상승하는 현상이 발생되고, 이러한 현상은 고온에 매우 취약한 성질을 갖는 바륨(Ba)이 코팅되어 약 700℃ 정도의 열화 한계온도를 갖는 LNT의 경우 NOx 정화 율을 저하시키는 취약성을 발생시켜 주게 된다.

또한, CPF의 재생이 반복적으로 진행되는 경우는 LNT 내 촉매에 코팅된 바륨(Ba)의 열화로 인한 성능 저하가 발생 일례로, 에이징 온도를 50℃ 단위로 증가할 때 LNT의 NOx 정화 율이 현저하게 감소하는 경향이 있게 된다.

이에 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 것으로, 디젤 엔진의 배기 계에 장착되어 배기 가스 내 PM(Particulate Matter)과 NOx(질소 산화물)을 정화하는 후처리 장치를 이루도록, 배기 파이프에 설치된 LNT(Lean NOx Trap)의 후단으로 설치된 CPF(Catalyzed Particulate Filter)를 다단재생 방식을 통해 정밀한 온도 제어를 수행해 줌에 따라, 연료 후 분사를 통해 CPF 내 필터의 그을음(Soot)연소를 위해 주로 형성되는 온도가 650℃ 이하에서 약 550℃~580℃ 범위를 갖고서 필터 재생 과정을 수행할 수 있도록 함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 배기 파이프에 설치된 LNT(Lean NOx Trap)의 후단으로 배열되어 배기 가스 후처리 장치를 이루는 CPF 필터의 재생이 650℃ 이하에서 주로 약 550℃~580℃ 범위를 유지시키는 온도로 정밀하게 제어되는 다단재생 방식을 통해 구현됨에 따라, CPF의 전단에 설치된 LNT 내 촉매의 표면온도(bed온도)가 코팅된 바륨(Ba)의 열화 한계 온도인 약 700℃를 초과하지 않고서 필터 재생을 구현할 수 있어, CPF의 반복적인 필터 재생이 이루어지더라도 LNT의 NOx 정화 율을 저하시키지 않도록 함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 디젤 엔진의 배기 가스 후처리 장치를 이루는 CPF(Catalyzed Particulate Filter)의 필터 재생 과정이 다단재생 방식으로 650℃ 이하인 약 550℃~580℃의 비교적 낮은 온도 범위에서 이루어짐에 따라, CPF의 선단으로 설치된 촉매 부위가 고온에 의한 손상을 발생하지 않아 LNT + CPF 장치뿐만 아니라, PM(Particulate Matter)저감을 위한 디젤산화촉매(DOC; Diesel Oxidation Catalyst)를 이용한 DOC + CPF 장치로도 구성할 수 있는 범용성을 갖도록 함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 엔진에 연결된 배기 파이프에 설치된 LNT(4,Lean NOx Trap)와 간격을 두고 후단에서 직렬 배열된 CPF(Catalyzed Particulate Filter)가 배기 가스 성분인 PM(Particulate Matter)과 NOx(질소 산화물)을 정화시켜 주는 후 처리 장치를 이루고, 상기 CPF의 필터가 ECU에 의해 제어되는 단계적 배기 가스 온도 상승이 다단 재생 방식을 통해 재생되되,

상기 다단 재생은 CPF의 필터에 축적된 그을음(Soot)을 연소하는 시점에서, ECU는 연료 후 분사를 통해 CPF로 유입되는 배기 가스 온도를 그을음(Soot)이 연소되는 1차 연소 온도로 높인 다음, 다시 상기 CPF로 유입되는 배기 가스 온도를 1차 연소 온도보다 높은 2차 연소 온도로 높여 그을음(Soot)을 재 연소시키는 방식으로 구현되는 것을 특징으로 한다.

이를 위해, 상기 다단 재생은 ECU가 모니터링(Monitoring)한 일반 정상 주행 조건에서 차량 상태를 파악하는 엔진 작동 정보와 배출되는 배기 가스 정보를 이용해 배기가스 내 포함된 NOx가 환원되도록, 연료 량과 공기 량에 대한 제어를 구현해 수행되는 린/리치제어(Lean & Rich)단계;

상기 린/리치제어(Lean & Rich) 구현 시, ECU에 의해 지속적으로 모니터링(Monitoring)된 정보를 이용해 CPF내 필터에 축적된 그을음(Soot)에 대한 연소 시점을 판단하는 필터 재생 판단 단계;

필터 재생이 구현되면 ECU에 의해 제어되는 연료 후 분사를 수행하고, 이를 통해 LNT의 촉매가 충분한 발열반응 온도인 LOT(Light-off Temperature) 이상까지 LNT의 전단 부 배기 가스 온도를 상승시켜 주는 LOT 형성 단계;

LNT의 전단 부 배기 가스 온도가 LOT(Light-off Temperature) 이상까지 상승 된 후, ECU는 CPF의 전단 부 배기 가스 온도가 550℃~580℃ 까지 상승하도록 연료 후 분사를 지속하는 1차 필터 재생 단계;

1차 필터 재생이 완료 된 후, ECU는 CPF의 전단 부 배기 가스 온도가 650℃ 까지 상승하도록 연료 후 분사를 지속하는 2차 필터 재생 단계;

2차 필터 재생이 완료되면, ECU는 상기 린/리치제어(Lean & Rich)단계로 복귀되어 린/리치제어를 수행하는 복귀 제어 단계; 로 구현되어진다.

이러한 본 발명에 의하면, 디젤 엔진의 배기 가스 내 PM(Particulate Matter)과 NOx(질소 산화물)을 정화하는 배기 가스 후처리 장치를 이루도록 LNT(Lean NOx Trap)의 후단으로 배열된 CPF(Catalyzed Particulate Filter)가 650℃ 이하에서 약 550℃~580℃ 의 주 연소 온도 범위를 갖고서 다단재생 방식으로 필터 재생 과정을 수행됨에 따라, 약 700℃의 열화 한계 온도를 갖는 바륨(Ba), 칼륨(K)등이 코팅되어 CPF의 전단에 설치된 LNT의 손상이 없이 CPF 내 필터의 그을음(Soot) 연소 과정을 반복적으로 수행할 수 있는 효과가 있게 된다.

또한, 본 발명은 디젤 엔진의 배기 가스 후처리 장치를 이루는 CPF(Catalyzed Particulate Filter)가 650℃ 이하에서 약 550℃~580℃ 온도 범위에서 다단재생 방식으로 필터 재생 과정을 수행함에 따라, CPF의 전단으로 설치되어 약 700℃의 열화 한계 온도를 갖는 바륨(Ba),칼륨(K)등이 코팅되어진 LNT(Lean NOx Trap)의 열화방지와 더불어 NOx 정화 율을 저하시키지 않는 효과가 있게 된다.

또한, 본 발명은 디젤 엔진의 배기 가스 후처리 장치를 이루는 CPF(Catalyzed Particulate Filter)의 필터 재생 시, 전단에 설치된 LNT(Lean NOx Trap)의 코팅된 바륨(Ba)에 대한 열화 손상이 없도록 함에 따라, LNT의 열화로 인한 NOx 정화 율 감소를 회복하기 위해 정상 주행 시에도 NOx 정화 율의 회복을 위한 추가 연료 량 분사가 없게 되므로, 차량의 연비도 향상을 할 수 있는 효과가 있게 된다.

또한, 본 발명은 디젤 엔진의 배기 가스 후처리 장치를 이루는 CPF(Catalyzed Particulate Filter)가 전단으로 설치된 촉매 쪽을 손상하는 650℃ 고온이 아닌 비교적 낮은 약 550℃~580℃ 온도에서 필터 재생이 이루어질 수 있어, PM(Particulate Matter)저감을 위한 디젤산화촉매(DOC; Diesel Oxidation Catalyst)를 CPF의 전단으로 설치할 수 있게 됨에 따라, 매연 포집 량을 향상시킬 수 있는 DOC + CPF 후 처리 장치를 구성할 수 있는 효과가 있게 된다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 후 처리 장치를 갖춘 차량 배기 계 구성도를 도시한 것인바, 본 발명의 배기 가스 후처리 장치는 ECU(1)가 차량 정보와 더불어 배기 가 스에 관한 여러 정보를 제공받아 제어 신호를 발생하고, 엔진(2)쪽으로 연결된 배기 파이프(2)상에 LNT(4,Lean NOx Trap)와 CPF(5,Catalyzed Particulate Filter)가 간격을 두고 직렬로 배치되어져, 엔진(2)에서 배출된 배기 가스가 배기 파이프(2)로 모아진 후 LNT(4)와 CPF(5)를 지날 때, 배기 가스 내 PM(Particulate Matter)과 NOx(질소 산화물)을 정화시켜 줌과 더불어, 상기 ECU(1)가 연료 후 분사를 통해 CPF(5)의 필터에 축적된 그을음(Soot)을 연소시켜 필터를 재생 할 수 있도록 구성되어진다.

이와 더불어, 상기 LNT(4)와 CPF(5)의 각 전단 부위에는 배기 가스의 온도 상승을 알 수 있도록 각각 온도 센서가 구비되고, 이러한 온도 센서의 측정값은 ECU(1)로 전달되어져, 상기 ECU(1)가 온도 범위 제어를 위해 온도 거버너(Temperature Governer)를 통해 연료 후 분사량을 조절하기 위한 정보로 이용된다.

그리고, 상기 LNT(4)는 NOx 성분을 저감시킬 수 있는 바륨(Ba)등과 같은 NOx 흡장 물질 및 조 촉매 성분이 귀금속과 같이 코팅된 촉매를 이용하고, 상기 CPF(5)는 필터를 통해 PM(Particulate Matter)과 NOx(질소 산화물)을 정화시켜 주는, 통상적으로 적용되는 촉매이다.

이러한, 본 발명은 배기 가스 후처리 장치의 PM(Particulate Matter)과 NOx(질소 산화물) 정화 율을 높이고 그 성능을 최적으로 유지하도록, ECU(1)가 CPF(5)의 필터 재생을 위한 연료 후 분사 제어를 수행하게 되는데, 이러한 작동 구현 시 상기 ECU(1)는 CPF(5)의 필터 재생을 위해 그을음(Soot)에 대한 주 연소 단 계의 온도 상승이 약 550℃~580℃ 범위를 유지하고, 이어지는 재 연소 구간에서는 약 630℃~650℃ 로 온도를 상승시켜 주는 단계를 이어 가는 다단 재생 방식을 구현하게 된다.

이로 인해 CPF(5)의 필터 재생 시, CPF(5)의 전단에 위치된 LNT(4)의 촉매에 코팅된 바륨(Ba)이 갖는 열화 한계 온도인 약 700℃ 초과로 인한 열화 손상을 차단할 수 있음은 물론, LNT(4)의 열화로 인한 NOx 정화 율 감소를 방지할 수 있도록 작용하게 된다.

이러한 LNT(4) + CPF(5) 타입 후 처리 장치는 17이하의 압축 비를 갖는 승용 디젤 엔진에 주로 적용되어진다.

이와 더불어, 상기 ECU(1)가 LNT(4)의 후단으로 위치된 CPF(5)의 필터를 재생할 때, 약 550℃~580℃의 낮은 온도 범위에서 필터에 붙은 그을음(Soot)을 연소시켜 CPF의 전단으로 설치된 촉매 부위가 고온에 의한 손상을 발생하지 않게 됨에 따라, 후 처리 장치로서 LNT + CPF 뿐만 아니라, PM(Particulate Matter)저감을 위한 디젤산화촉매(DOC; Diesel Oxidation Catalyst)를 이용한 DOC + CPF 로도 구성할 수 있어, 매연 포집 량을 보다 향상시킬 수 있는 후 처리 장치를 구성할 수 있게 된다.

이를 위해 상기 ECU(1)는 다단재생 방식을 통해 약 550℃~580℃ 범위 내에서 정밀한 온도 제어를 수행해 CPF(5)내 필터를 재생하게 되는데, 이는 도 2(가)에 도시된 바와 같이 ECU(1)는 차량의 일반 정상 운행 시 모니터링(Monitoring)된 정보 값을 이용해 CPF(5)내 필터의 그을음(Soot)축적 정도를 산출하게 되고, 이를 근거 로 CPF(5)의 다단 재생 시점을 판단하게 된다.

이때, 상기 ECU(1)가 모니터링(Monitoring)하는 정보는 일반 주행조건에서는 엔진 회전수(RPM)과 쓰로틀, 배기가스온도, NOx농도, 람다, 차압신호등을 제공받게 되며, 이러한 정보는 보다 정밀한 제어를 위해 연관된 다른 정보들과 함께 모니터링 되어진다.

또한, 이와 같은 일반 주행 조건에서는 ECU(1)는 모니터링한 정보들을 이용해 배기가스의 NOx를 저감시키도록, 연료 량과 공기 량에 대한 제어를 통해 NOx가 환원될 수 있는 조건으로 린/리치제어(Lean & Rich)를 주기적으로 반복하게 된다.

이어, CPF(5)의 필터 재생 시점을 판단한 ECU(1)는 다단 재생 모드를 통해 CPF(5)의 필터를 재생하게 되고, 이를 위해 상기 ECU(1)는 연료 후 분사를 통해 CPF(5)로 유입되는 배기 가스 온도를 상승시켜 주게 된다.

이러한 배기 가스 온도 상승은 온도 조건에 따라 CPF(5)의 온도 상승이 다단계로 진행되는데 이는, CPF(5)의 필터에 그을음(Soot)이 축적된 필터 재생 시작 구간(a)에서 시작해 도 2(나)에 도시된 바와 같이, 40% ~ 60% 정도의 필터 재생이 이루어지도록 CPF(5)의 전단 부위 온도를 약 550℃~580℃ 까지 상승시키는 1차 재생 구간(A)이 수행 된 후, 90% 이상의 필터 재생이 이루어지도록 CPF(5)의 전단 부위 온도를 약 650℃ 이하로 상승시키는 2차 재생 구간(B)의 수행을 통해 구현되어진다.

이와 같은 재생 구현 시 상기 1차 재생 구간(A)은 LNT(4)의 전단 부 온도에 따라 다시 단계를 구획하게 되는데, 이는 필터 재생 시작 구간(a)에서 LNT(4)의 전 단 부 온도가 300℃ 이하일 경우는 LNT(4)의 촉매가 충분한 발열반응을 할 수 있도록, LNT(4)의 LOT(Light-off Temperature) 이상으로 연료 후 분사를 통해 배기 가스 온도를 상승시키는 LOT 형성 구간(b)이 수행되어진다.

이어, 상기 LOT 형성 구간(b)이 수행된 후 CPF(5)의 전단 부위 온도를 약 550℃~580℃ 까지 상승시키는 필터 재생 온도 상승 구간(c)을 수행하게 되며, 이때 상기 LNT(4)의 전단 부 온도가 300℃ 이상일 경우는 LOT 형성 구간(b)이 수행되지 않고, 필터 재생 시작 구간(a)에서 필터 재생 온도 상승 구간(c)을 바로 수행하게 된다.

이와 같은 필터 재생 온도 상승 구간(c)은 LNT(4) 내 촉매의 표면온도(bed온도)가 열화 한계 온도인 약 700℃(일례로, 바륨(Ba))를 초과하지 않고서 필터를 재생하도록, ECU(1)는 CPF(5)의 전단 부위 온도가 약 550℃~580℃ 범위로 유지시키기 위해 연료 후 분사에 대한 정밀 제어 수행하게 된다.

이는, CPF(5)의 전단 부위 온도가 약 550℃ 이하로 되는 경우는 CPF(5)의 필터에 축적된 그을음(Soot)의 연소가 거의 일어나지 않게 되고, 또한 CPF(5)의 전단 부위 온도가 약 580℃ 이상으로 되는 경우는 LNT(4) 내 촉매의 표면온도(bed온도)가 열화 한계 온도인 약 700℃ 이상으로 상승되어 LNT(4) 내 촉매가 손상될 수 있는 위험성이 크게 높아질 수 있게 된다.

이와 더불어 약 550℃~580℃ 이상으로 급격하게 CPF(5)의 선단 부위 온도가 상승되는 경우는, CPF(5) 내 필터 자체의 파손을 가져 올 수 있게 된다.

이러한 이유로 ECU(1)는 CPF(5)의 필터 전단 부위에 설치된 온도 센서를 통 해 모니터링 된 온도를 바탕으로, 온도 거버너(Temperature Governer)를 통해 연료 후 분사 량이 조절되도록 해 온도 범위를 제어하게 된다.

이어, 상기 ECU(1)는 필터 재생 온도 상승 구간(c)을 약 5~8분 정도 지속하게 되는데, 이러한 지속 시간은 CPF(5)의 필터 내에 축적된 그을음(Soot)의 양을 약 40~60% 정도 연소시킬 수 있는 시간으로서, 만약 5~8분에 비해 짧은 연소 시간이 유지되면 그을음(Soot)이 정상적으로 연소되지 않거나, 또는 5~8분에 비해 긴 연소 시간이 유지되면 필터 자체적인 과도 연소로 인해 연비 악화를 가져올 수 있게 된다.

이때, 이러한 CPF(5)의 필터 연소 지속 시간인 약 5~8분은 LNT(4)와 CPF(5)의 성능 사양을 통해 실험적으로 산출되어진다.

이와 같이 CPF(5)에 대해 약 5~8분 동안 필터 재생이 수행 된 후에는 ECU(1)는 다시 CPF(5)의 선단 부위 온도를 재 상승시키게 되는데, 이러한 온도 재 상승은 필터에 달라붙은 그을음(Soot)을 보다 높은 온도로 재 연소시켜 전체적으로 90%이상의 그을음(Soot) 제거를 달성할 수 있게 작용하게 된다.

즉, ECU(1)가 1차 재생 구간(A)에서 필터 재생 온도 상승 구간(c)을 수행한 다음, 580℃ 이상의 온도로 CPF(5)의 필터에 대한 2차 재생 구간(B)을 수행하게 된다.

이러한 2차 재생 구간(B)은 약 550℃~580℃ 로 약 5 ~ 8분 정도 지속된 연소 시 제거되지 않고 남은 잔여 그을음(Soot)을 재 연소해 필터를 90% 이상 재생하기 위한 것으로, 이를 위해 ECU(1)는 CPF(5)의 전단 부위 온도를 약 650℃ 까지 상승 시켜 주게 된다.

이와 같은 2차 재생 구간(B)은 단계별로 구분되어 수행되는데 즉, ECU(1)가 연료 후 분사 량을 제어해 CPF(5)의 전단 부위 온도가 550℃~580℃에서 약 630℃~650℃ 로 상승시키는 연소 온도 재 상승 구간(d)을 수행한 다음, 이후 상승된 630℃~650℃를 유지해 CPF(5)의 필터를 90% 이상 재생시켜주는 필터 재생 완료 구간(e)을 수행해 주게 된다.

이때, 상기 CPF(5)의 전단 부위 온도 상승 범위인 약 630℃~650℃ 은 통상적으로 CPF(5)의 필터 재생 시 적용되는 온도이며, 필터 재생 완료를 위한 시간 유지는 CPF(5)의 전체적인 사양에 따라 결정되어진다.

이어, ECU(1)가 2차 재생 구간(B)을 완료한 후 CPF(5)의 필터 재생 율이 90%이상으로 되면, 상기 ECU(1)는 모니터링한 정보들을 이용해 배기가스의 NOx를 저감시키도록, 연료 량과 공기 량에 대한 제어를 통해 NOx가 환원될 수 있는 조건으로 린/리치제어(Lean & Rich)를 주기적으로 반복하는 단계로 복귀되어진다.

이와 같이 ECU(1)가 CPF(5)를 다단 재생 방법을 이용 즉, 1차적으로 약 530℃~550℃ 온도를 이용해 필터를 주로 재생한 후, 2차적으로 약 630℃~650℃ 온도를 이용해 필터를 다시 재생하게 되면 도 3(가),(나)에 도시된 바와 같이, CPF(5)의 선단에 설치된 LNT(4)의 촉매의 표면온도(bed온도)가 코팅된 바륨(Ba)의 열화 한계 온도인 약 700℃를 초과하지 않게 됨을 알 수 있고, 이로 인해 도 3(다)에 도시된 바와 같이 NOx 정화 율이 보다 향상될 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 후 처리 장치를 갖춘 차량 배기 계 구성도

도 2(가),(나)는 본 발명에 따른 본 발명에 따른 차량 배기 계를 이루는 매연 여과 필터의 다단 재생 방법에 대한 순서도

도 3(가)내지 (다)는 본 발명에 따른 매연 여과 필터의 다단 재생 방식을 적용한 차량 배기 계의 분석 선도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : ECU 2 : 엔진

3 : 배기 파이프 4 : LNT(Lean NOx Trap)

5 : CPF(Catalyzed Particulate Filter)

Claims

엔진에 연결된 배기 파이프에 설치된 LNT(4,Lena NOx Trap)와 간격을 두고 후단에서 직렬 배열된 CPF(5,Catalyzed Particulate Filter)가 배기 가스 성분인 PM(Particulate Matter)과 NOx(질소 산화물)을 정화시켜 주는 후 처리 장치를 이루고, 상기 CPF의 필터가 ECU에 의해 제어되는 단계적 배기 가스 온도 상승이 다단 재생 방식을 통해 재생되되,

상기 다단 재생은 CPF의 필터에 축적된 그을음(Soot)을 연소하는 시점에서, ECU는 연료 후 분사를 통해 CPF로 유입되는 배기 가스 온도를 그을음(Soot)이 연소되는 1차 연소 온도로 높인 다음, 다시 상기 CPF로 유입되는 배기 가스 온도를 1차 연소 온도보다 높은 2차 연소 온도로 높여 그을음(Soot)을 재 연소시키는 방식으로 구현되는 것을 특징으로 하는 차량 배기 계의 후 처리 장치를 구성하는 매연 여과 필터의 다단 재생 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 다단 재생은

ECU(1)가 모니터링(Monitoring)한 일반 정상 주행 조건에서 차량 상태를 파악하는 엔진 작동 정보와 배출되는 배기 가스 정보를 이용해 배기가스 내 포함된 NOx가 환원되도록, 연료 량과 공기 량에 대한 제어를 구현해 수행되는 린/리치제 어(Lean & Rich)단계;

상기 린/리치제어(Lean & Rich) 구현 시, ECU에 의해 지속적으로 모니터링(Monitoring)된 정보를 이용해 CPF내 필터에 축적된 그을음(Soot)에 대한 연소 시점을 판단하는 필터 재생 판단 단계;

필터 재생이 구현되면 ECU에 의해 제어되는 연료 후 분사를 수행하고, 이를 통해 LNT의 촉매가 충분한 발열반응 온도인 LOT(Light-off Temperature) 이상까지 LNT의 전단 부 배기 가스 온도를 상승시켜 주는 LOT 형성 단계;

LNT의 전단 부 배기 가스 온도가 LOT(Light-off Temperature) 이상까지 상승된 후, ECU는 CPF의 전단 부 배기 가스 온도가 550℃~580℃ 까지 상승하도록 연료 후 분사를 지속하는 1차 필터 재생 단계;

1차 필터 재생이 완료 된 후, ECU는 CPF의 전단 부 배기 가스 온도가 650℃ 까지 상승하도록 연료 후 분사를 지속하는 2차 필터 재생 단계;

2차 필터 재생이 완료되면, ECU는 상기 린/리치제어(Lean & Rich)단계로 복귀되어 린/리치제어를 수행하는 복귀 제어 단계;

로 구현되어지는 것을 특징으로 하는 차량 배기 계의 후 처리 장치를 구성하는 매연 여과 필터의 다단 재생 방법.
청구항 2에 있어서, 상기 ECU의 모니터링 정보는 엔진 회전수(RPM), 쓰로틀 개도, 배기가스 온도, NOx농도, 람다, 차압신호인 것을 특징으로 하는 차량 배기 계의 후 처리 장치를 구성하는 매연 여과 필터의 다단 재생 방법.
청구항 2에 있어서, 상기 1차 필터 재생 단계는 필터에 축적된 그을음 연소 개시 시점에서 LNT의 전단 부 배기 가스 온도가 300℃ 인 경우, 상기 LNT의 LOT 형성 단계를 거치지 않고 ECU에 의해 바로 수행되는 것을 특징으로 하는 차량 배기 계의 후 처리 장치를 구성하는 매연 여과 필터의 다단 재생 방법.
청구항 2에 있어서, 상기 1차 필터 재생 단계는 5~8분 정도 지속되어져, CPF의 필터 내에 쌓인 그을음(Soot)의 양을 40~60% 정도 연소시키도록 된 것을 특징으로 하는 차량 배기 계의 후 처리 장치를 구성하는 매연 여과 필터의 다단 재생 방법.
청구항 2에 있어서, 상기 2차 필터 재생 단계는 ECU가 연료 후 분사 량을 제어해, CPF의 전단 부위 온도가 550℃~580℃에서 630℃~650℃ 까지 상승시킨 후, 상승된 630℃~650℃가 유지되도록 구현하는 것을 특징으로 하는 차량 배기 계의 후 처리 장치를 구성하는 매연 여과 필터의 다단 재생 방법.
청구항 6에 있어서, 상기 ECU에 의한 630℃~650℃ 온도 유지는 CPF의 필터가 90% 이상 재생되는 시점인 것을 특징으로 하는 차량 배기 계의 후 처리 장치를 구성하는 매연 여과 필터의 다단 재생 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 LNT + CPF 타입 후 처리 장치는 17이하의 압축 비를 갖는 승용 디젤 엔진에 장착되는 것을 특징으로 하는 차량 배기 계의 후 처리 장치를 구성하는 매연 여과 필터의 다단 재생 방법.
청구항 8에 있어서, 상기 LNT는 디젤산화촉매(DOC; Diesel Oxidation Catalyst)로 대체되어져, DOC + CPF 타입 후 처리 장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 차량 배기 계의 후 처리 장치를 구성하는 매연 여과 필터의 다단 재생 방법.