KR20100007602A

KR20100007602A - 차량의 우레아 분사 제어장치 및 방법

Info

Publication number: KR20100007602A
Application number: KR1020080068304A
Authority: KR
Inventors: 조지호
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2008-07-14
Filing date: 2008-07-14
Publication date: 2010-01-22
Also published as: KR100999622B1

Abstract

본 발명은 수치해석 및 반응속도론을 접목한 SCR 반응모델을 적용하여 운전 상황에 따라 우레아 수용액의 분사를 제어하는 것으로,

운전조건과 SCR촉매의 온도 및 NOx 정화효율을 검출하는 과정, SCR 반응모델을 적용하여 운전조건과 NOx 정화효율에 따른 NH3 흡착량을 산출하는 과정, NH3의 흡착량에 따른 우레아 수용액의 양을 결정하여 도징모듈의 작동을 통해 SCR 촉매의 전단에 분사하는 과정을 포함한다.

SCR촉매, 우레아 수용액, NH3, 도징모듈

Description

차량의 우레아 분사 제어장치 및 방법{SYSTEM FOR CONTROL UREA INJECTION OF VEHICLE AND METHOD THEREOF}

본 발명은 차량의 촉매 제어장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 수치해석 및 반응속도론을 접목한 SCR(Selective Catalytic Reduction) 반응모델을 적용하여 운전 상황에 따라 우레아(Urea) 수용액의 분사를 제어하는 차량의 우레아 분사 제어장치 및 방법에 관한 것이다.

디젤 엔진이 적용되는 차량은 북미디젤 Tier2 BIN5 규제나 유로 6의 배기가스 규제에 따라 배기가스에 포함된 NOx, CO, THC, 그을음(soot), 입자상 물질(Particulate Matters) 등의 유해물질을 제거시키는 후처리 장치가 장착된다.

디젤 차량에 장착되는 후처리 장치는 배기 파이프에서 엔진과 가장 근접하게 배치되어 NMHC 변환기능을 실행하는 DOC(Diesel Oxidation Catalyst), DOC의 하류측에 배치되어 입자상 물질(Particulate Matters :PM)을 포집하는 CPF(Catalyzed Particulate Filter), CPF의 하류측에 배치되며 V₂O₅/TiO₂나 Pt/Al₂O₃ 또는 Zeolite로 이루어지며, 환원작용을 통해 NOx를 정화하는 SCR촉매가 포함된다.

상기의 SCR촉매는 NOx를 정화하기 위한 환원제로 NH3(암모니아)를 사용하며, NOx에 대한 선택도가 매우 우수할 뿐만 아니라 산소가 존재하는 경우에도 NOx와 NH3 사이의 반응이 촉진되는 장점이 있다.

NOx와 NH3의 환원반응은 다음과 같다.

NOx + NH3 → N2 + H2O

SCR촉매의 NOx 정화성능을 일정수준으로 이상으로 유지하기 위해 도징모듈(Dosing Module)로 우레아(Urea) 수용액을 분사하고, 우레아 수용액의 증발 및 분해에 따라 생성되는 NH3를 취득하여 SCR촉매의 내부에 NH3의 흡착량을 유지시킨다.

통상적으로 우레아 수용액의 주입량을 증가시키게 되면 NOx 정화율도 증가하는 경향을 보이나, 일정량 이상의 우레아 수용액을 주입하게 되면 생성된 NH3가 분해되지 않거나 반응하지 않고 남게 되어 대기중으로 배출되어 더 심각한 환경오염을 유발시키게 되는 문제점이 발생한다.

특히, 과도한 NH3의 생성으로 인하여 배기관을 통해 배출되는 경우 악취를 유발시키게 되어 차량의 품질을 저하시키는 문제점을 발생시킨다.

따라서 우레아 수용액의 주입량을 적정하게 유지시키면서 NOx의 정화율을 높이는 것이 매우 중요하다.

현재 차량에는 엔진 회전수와 배출가스의 온도로부터 배기가스에 포함되는 NOx 량을 산출한 다음 우레아 수용액의 주입량을 결정하여 분사하는 방식이 제공되고 있다.

이 방식은 운전자의 가감속에 따라 수시로 변화하는 부하에 대하여 NOx 양을 능동적으로 계산할 수 없으며 이에 따라 우레아 분사량 제어가 불확실하게 수행되어지는 단점이 있다.

NOx 맵에 따라 우레아 수용액을 분사하는 경우 실제 차량에서의 발생량을 예측하는 것이 아니라 대상 엔진에서의 발생량을 기준으로 예측분사하기 때문에 실제의 NOx 발생량과 차이가 불가피하고, 정확한 우레아 수용액의 분사량으로 분사할 수 없으며, SCR촉매의 효율에 대한 정확도가 보장되지 않고, NH3 소모량의 오예측을 유발시키는 문제점이 발생된다.

이러한 문제는 필요 이상의 과도한 우레아 수용액이 분사되어 반응되지 못하고 잔류하는 NH3의 배출이라는 2차 오염을 발생시킬 수 있으며, 이를 방지하기 위한 2차, 3차 촉매를 사용하여야 하는 또 하나의 문제점을 발생시킨다.

반대로 우레아 수용액의 분사량이 모자라는 경우에는 NOx 정화효율의 저하로 연결되어 배출가스의 안정화를 제공하지 못하는 문제점을 발생시킨다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 SCR 촉매에서 NOx의 정화에 필요한 NH3를 생성하는데 요구되는 우레아 수용액의 분사량을 수치해석 및 반응속도론이 접목된 SCR 반응모델을 적용하여 결정함으로써, 운전조건에 적합한 최대의 NOx 정화효율이 제공되는 우레아 수용액의 분사가 제공되도록 하는 것이다.

상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명의 특징에 따른 차량의 우레아 분사 제어장치는, 엔진; 배기가스에 포함된 NOx와 NH3의 환원반응을 NOx를 정화하는 SCR촉매; 상기 SCR촉매의 양단간 NOx 농도를 검출하는 제1,2NOx센서; 상기 SCR촉매의 선단에 우레아 수용액을 분사하는 도징모듈; 상기 SCR촉매의 온도를 검출하는 온도센서를 포함하며,

운전조건과 SCR촉매의 NOx 정화효율에 따라 SCR 반응모델을 통해 SCR촉매의 필요 NH3 양을 산출하고, 우레아 수용액의 양을 결정하여 도징모듈을 통해 분사 제어하는 제어부를 더 포함한다.

또한, 본 발명의 특징에 따른 차량의 우레아 분사 제어방법은, 운전조건과 SCR촉매의 온도 및 NOx 정화효율을 검출하는 과정; SCR 반응모델을 적용하여 운전조건과 NOx 정화효율에 따른 NH3 흡착량을 산출하는 과정; NH3의 흡착량에 따른 우레아 수용액의 양을 결정하여 도징모듈의 작동을 통해 SCR 촉매의 전단에 분사하는 과정을 포함한다.

전술한 구성에 의하여 본 발명은 SCR 촉매에서 NH3의 생성에 필요한 양의 우레아 수용액을 결정하여 분사함으로써, 우레아 수용액의 소모를 최소화하면서도 NOx의 정화효율이 최대화되는 효과가 기대된다.

또한, 우레아 수용액이 엔진 조건에 맞는 현실적인 분사량으로 제어됨으로써, NH3의 과다 혹은 과소 생성으로 인한 배기가스 불안정이 발생되지 않는다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 우레아 분사 제어장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명은 동력원인 엔진(2), 연소된 배기가스를 배출시키는 배기 파이프(6), SCR촉매(10), 제1NOx센서(12), 제2NOx센서(14), 온도센서(16), 제어부(18), 도징모듈(20), 우레아 탱크(30) 및 펌프(32)를 포함한다.

상기 SCR촉매(10)는 엔진(2)과 연결되는 배기 파이프(6)의 소정 위치에 배치되어 V₂O₅/TiO₂또는 Pt/Al₂O₃ 또는 Zeolite로 이루어지며, 우레아 수용액의 분해로 산출되는 NH3와 NOx의 환원반응에 의해 NOx를 정화한다.

제1NOx센서(12)는 SCR촉매(10)의 입구측에 배치되어 SCR촉매(10)에 유입되는 배기가스에 포함된 NOx 양을 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(18)에 제공한다.

제2NOx센서(14)는 SCR촉매(10)의 출구측에 배치되어 SCR촉매(10)의 환원반응에 의해 정화된 배기가스에 포함된 NOx 양의 검출하여 그에 대한 정보를 제어 부(18)에 제공한다.

온도센서(16)는 배기가스의 온도에 의해 활성화되는 SCR촉매(10)의 온도를 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(18)에 제공한다.

제어부(18)는 공기량과 엔진 회전수의 정보, 배기가스 온도를 분석하여 엔진의 운전조건을 분석하고, 제1,2NOx센서(12)(14)의 정보와 온도센서(16)의 정보를 분석하여 온도에 따른 SCR촉매(10)의 NOx 정화효율을 분석하며, 운전조건과 NOx 정화효율에 따라 수치해석과 반응속도론을 접목한 SCR 반응모델을 적용하여 SCR촉매(10)의 필요 NH3 양을 산출한다.

그리고, 필요 NH3의 양에 따라 요구되는 우레아 수용액의 양을 결정하여 도징모듈(20)을 통해 우레아 수용액의 분사를 제어한다.

상기 제어부(18)는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 출력으로 도징모듈(20)의 작동시켜 우레아 수용액의 분사를 제어한다.

우레아 탱크(30)는 운전조건에 따라 SCR촉매(10)의 선단에 분사하기 위한 우레아 수용액이 수용되고, 펌프(32)는 우레아 탱크(30)로부터 도징도뮬(20)에 공급되는 우레아 수용액을 설정된 압력으로 형성시켜 PWM신호에 따라 도징모듈(20)이 작동되는 경우 고압의 분사가 제공되도록 한다.

전술한 기능을 포함하는 본 발명에 따른 차량에서 우레아 수용액의 분사를 제어하는 동작에 대하여 설명한다.

엔진(2)이 시동 온되면 제어부(18)는 공기량, 엔진 회전수, 부하 등의 정보를 종합하여 엔진(2)의 동작을 제어하며(S101), 온도센서(16)를 통해 SCR촉매(10) 의 온도를 검출하여 SCR촉매(10)의 활성화가 이루어졌는지를 판단한다(S102).

상기 SCR촉매(10)의 활성화가 이루어진 상태이면 SCR촉매(10) 전후단의 NOx 농도를 검출한다(S103).

즉, SCR촉매(10)의 입구측에 배치되는 제1NOx센서(12)와 출구측에 배치되는 제2NOx센서(14)의 정보를 분석하여 SCR촉매(10)의 NOx 정화효율을 판단한다.

상기 SCR촉매(10)의 반응 모델링은 다음과 같다.

우레아 수용액의 분해에 따른 NH3의 흡착은 화학식 1과 같이 반응된다.

NH3 + S_ACID → S_ACIDNH3

그리고, NH3와 NOx의 반응은 화학식 2와 같다.

NO + NO₂ + 2S_ACIDNH₃ → 2N₂ + 3H₂O

4NO + O₂ + 4S_ACIDNH₃ → 4N₂ + 6H₂O

6NO₂ + 8S_ACIDNH₃ → 7N₂ + 12H₂O

또한, SCR촉매(10)내에서 NH3의 탈착은 화학식 3과 같이 반응된다.

S_ACIDNH3 → NH3 + S_ACID

이후, 수치해석과 반응속도론을 접목한 SCR 반응모델을 적용한 다음(S104) 상기 현재의 운전조건에서 판단되는 SCR촉매(10)의 NOx 정화효율에 따라 NH3의 흡착량을 예측한다(S105)

상기에서 NH3의 흡착량 예측은 SCR촉매(10)의 온도별, 배기유량별, NOx 농도별, NH3 농도별 조건에 따라 결정되며, SCR촉매(10)의 NH3 흡착과 탈착 관계는 도 3에 도시된 바와 같다.

상기 S105에서 현재의 운전조건에 따른 SCR촉매(10)의 실질적인 NH3 흡착량이 예측되면 이에 따라 요구되는 우레아 수용액의 양을 결정한다(S106)

상기 SCR촉매(10)의 선단에 분사하기 위한 우레아 수용액의 양은 우레아 수용액이 NH3로 변환될 수 있는 상수를 적용하여 상기 S105에서 예측된 NH3의 흡착량을 추종하도록 한다.

상기와 같이 SCR촉매(10)에서 흡착에 필요한 NH3에 따른 우레아 수용액의 양이 결정되면 제어부(18)는 도징모듈(20)을 PWM신호로 작동시켜 SCR촉매(10)의 선단에 우레아 수용액을 분사한다(S107).

따라서, SCR촉매(10)는 NH3의 슬립이나 부족이 없는 조건으로 NOx와 환원반응하여 NOx의 정화효율을 높여주고, NH3의 슬립으로 인한 2차 오염이 발생되는 현상을 배제하여 차량의 상품성을 향상시킨다.

도 2는 SCR촉매(10)의 온도별, 배기유량별, NOx 농도별, NH3 농도별 조건을 하기의 테이블과 같이 설정될 때 NOx의 정화성능 예측값과 실험값의 비교 결과 그래프이다.

SCR 촉매온도(℃)	배기유량(kg/h)	전단 NOx(ppm)	NH3/NOx
250	156	347	1.18
			1.50
300	164	448	1.12
			1.50
400	199	756	1.10

도 4에 도시된 바와 같이 상기한 절차를 통해 결정한 우레아 수용액의 분사에 따른 SCR촉매(10)에 NOx 정화효율은 예측치와 실험치가 동일 내지 유사한 특성을 나타내고 있음을 확인할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량에서 우레아 분사제어를 실행하는 흐름도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 SCR촉매에서 NH3의 흡착 및 탈착 관계를 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량에서 SCR촉매 온도별 NOx의 정화성능을 도시한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

2 : 엔진 6 : 배기 파이프

10 : SCR촉매 12 : 제1NOx센서

14 : 제2NOx센서 16 : 온도센서

18 제어부 20 : 도징모듈

30 : 요소탱크 32 : 펌프

Claims

엔진;

배기가스에 포함된 NOx와 NH3의 환원반응을 NOx를 정화하는 SCR촉매;

상기 SCR촉매의 양단간 NOx 농도를 검출하는 제1,2NOx센서;

상기 SCR촉매의 선단에 우레아 수용액을 분사하는 도징모듈;

상기 SCR촉매의 온도를 검출하는 온도센서를 포함하며,

운전조건과 SCR촉매의 NOx 정화효율에 따라 SCR 반응모델을 통해 SCR촉매의 필요 NH3 양을 산출하고, 우레아 수용액의 양을 결정하여 도징모듈을 통해 분사 제어하는 제어부를 더 포함하는 차량의 우레아 수용액 분사 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 운전조건은 공기량과 엔진 회전수 및 배기가스 온도의 분석으로 결정되고, SCR 촉매의 NOx 정화효율은 제1,2NOx센서의 정보와 온도센서 정보의 분석으로 결정되는 차량의 우레아 수용액 분사 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 SCR 반응모델은 수치해석과 반응속도론이 접목되어 SCR촉매의 온도조건, 배기 유량, NOx 농도, NH3 농도에 따라 테이블로 설정되는 차량의 우레아 수용액 분사 제어장치.
운전조건과 SCR촉매의 온도 및 NOx 정화효율을 검출하는 과정;

SCR 반응모델을 적용하여 운전조건과 NOx 정화효율에 따른 NH3 흡착량을 산출하는 과정;

NH3의 흡착량에 따른 우레아 수용액의 양을 결정하여 도징모듈의 작동을 통해 SCR 촉매의 전단에 분사하는 과정;

을 포함하는 차량의 우레아 수용액 분사 제어방법.
제4항에 있어서,

상기 NH3 흡착량은 SCR 촉매의 온도, 배기유량, NOx 농도, NH3 농도별 NOx의 환원특성이 적용되어 산출되는 차량의 우레아 수용액 분사 제어방법.