KR20100064912A

KR20100064912A - 디젤차량의 후처리장치 및 그것의 2차 분사 제어방법

Info

Publication number: KR20100064912A
Application number: KR1020080123563A
Authority: KR
Inventors: 박지원
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2008-12-05
Filing date: 2008-12-05
Publication date: 2010-06-15
Also published as: KR101040346B1

Abstract

본 발명은 2차 분사장치가 적용되는 디젤차량의 후처리장치에서 산소농도에 따라 환원제(Hydrocarbon)의 농도를 다르게 제어하여 환원제의 슬립을 방지하고, 최적의 NOx 정화효율을 얻고자 하는 것이다.

본 발명은 LNT에 흡장된 NOx의 DeNOx 조건인지 판단하는 과정, DeNOx 조건이면 산소센서를 통해 배기가스의 산소농도를 측정하는 과정, 산소농도에 따라 DeNOx를 위한 환원제의 농도를 결정하는 과정, 연료 분사로 결정된 농도의 환원제를 생성시키는 과정을 포함한다.

후처리장치, DeNOx촉매, 산소농도, 환원제, 연료분사

Description

디젤차량의 후처리장치 및 그것의 2차 분사 제어방법{SYSTEM FOR EMISSION REDUCE LINE OF DIESEL VEHICLE AND SECOND INJECTION CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 디젤차량의 후처리장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 2차 분사장치가 적용되는 LNT(Lean NOx Trap) 시스템에서 산소농도에 따라 환원제의 농도를 다르게 제어하여 환원제의 슬립을 방지하고, 최적의 NOx 정화효율을 얻고자 하는 디젤차량의 후처리장치 및 그것의 2차 분사 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 디젤차량에서 발생되는 주된 대기 오염물질은 NOx(질소산화물)와 입자상 물질(PM ; Particulate Matter), 불완전 연소로 발생되는 THC, CO 등의 물질이며, 이들 물질은 북미디젤 Tier2 BIN5 규제나 유로 6 배기가스 규제의 주요한 대상 물질이다.

따라서, 디젤차량에는 상기와 같은 규제물질(오염물질)을 저감시키기 위한 다양한 형태의 후처리장치를 적용되고 있는데, 통상적으로 불완전 연소된 가스를 정화하기 위한 산화촉매인 DOC(Diesel Oxidation Catalyst), 입자상 물질(PM)을 필터로 걸러주는 DPF(Diesel Particulate Filter), NOx 물질을 제거하는 LNT(Lean NOx Trap) 등의 촉매가 적용된다.

상기 LNT는 NOx 흡장촉매와 DOC가 하나의 담체에 구성되며, 희박(Lean) 운전영역에서 백금(Pt)과 같은 산화촉매, 산화바륨 등의 촉매 담층(Wash coat)에 NOx를 흡착하여 저장하고, NOx 흡장촉매의 재생시점, 예를 들어 농후(Rich) 운전영역에서 2차 분사 인젝터를 작동시켜 환원제로 활용되는 디젤연료를 분사하여 NOx 흡장촉매에 흡장된 NOx를 환원시켜 촉매를 재생한다.

상기 NOx 흡장촉매의 재생에 많은 영향을 미치는 2차 분사 인젝터의 연료분사 패턴은 단일분사의 일정한 패턴을 갖는 분사방식이 적용된다.

일정한 패턴의 분사방식은 엔진의 다양한 운전 조건의 변화에 대응하는데 한계가 존재하며, 배기가스의 산소농도 및 유량에 관계없이 일정한 분사패턴 또는 촉매의 재생시간을 갖게 된다면 도 5에 도시된 바와 같이, 필요 이상의 환원제가 주입되는 현상이 발생하며, 이로 인하여 환원제의 슬립이 발생하여 연비악화 및 2차 오염을 유발시키는 문제점이 있다.

특허 WO 2007/026229 A1에는 NOx를 제거하기 위해 촉매의 NOx 저장정도에 따라 환원제의 양을 예측하여 촉매의 재생시간 및 연료비(Fuel Ratio)를 조절하여 일정량의 환원제를 주입시키는 방법이 게재되어 있다.

그러나, 이러한 방법 역시 최적의 환원제 양을 주입하고도 목표로 하는 NOx 정화율에 도달하지 못하거나 환원제 슬립 및 과도한 환원제 주입으로 인한 연비 악화를 발생시키는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 엔진의 상태에 따라 변화되는 배기가스 포함된 산소농도에 따라서 환원제의 농도를 조절함으로써, 환원제의 슬립이 발생되지 않도록 하고 최적의 NOx 정화율을 확보하도록 하는 것이다.

상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명의 특징에 따른 디젤차량의 후처리 장치는, HC 및 CO를 정화하는 DOC영역과 입자상 물질을 포집하는 DPF로 구성되는 CPF; 배기가스에 포함된 산소농도를 검출하는 하나 이상의 산소센서; 환원제 생성을 위해 DeNOx 모드에서 연료를 분사하는 인젝터; 연료를 열분해하여 CnHx(n=1~5) 분자 형태의 환원제를 생성하는 연료분해촉매와 희박 운전영역에서 NOx를 흡장하고, 농후 운전영역에서 환원제와 반응하여 흡장된 NOx를 환원시키는 DeNOx촉매로 구성되는 LNT를 포함하며,

DeNOx 모드에서 배기가스의 산소농도에 따라 설정된 맵 테이블로부터 환원제 농도를 결정하여 연료 분사량을 제어하는 제어부를 포함한다.

또한, 본 발명의 특징에 따른 디젤차량의 2차분사 제어방법은,

LNT에 흡장된 NOx의 DeNOx 조건인지 판단하는 과정;

DeNOx 조건이면 산소센서를 통해 배기가스의 산소농도를 측정하는 과정;

산소농도에 따라 DeNOx를 위한 환원제의 농도를 결정하는 과정;

인젝터를 통한 연료 분사로 결정된 농도의 환원제를 생성시키는 과정을 포함한다.

전술한 구성에 의하여 본 발명은 강화되는 북미 및 유럽의 배기 규제를 만족하는 후처리 장치를 제공하고, 환원제 농도를 최적으로 조절하여 분사함으로써 NOx 정화율을 높이고, 환원제의 슬립이 발생되지 않아 연비 향상을 제공하며, 2차 오염이 발생되지 않는 효과가 기대된다.

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 디젤차량의 후처리장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명은 동력원인 엔진(100)과 CPF(200), LNT(300), 제어부(400), 제1산소센서(410), 제2산소센서(420) 및 2차 분사 인젝터(430)를 포함한다.

CPF(200)는 배기 파이프에서 엔진(100)과 근접한 최상류측에 설치되고, NMHC 변환의 주기능을 실행하는 DOC영역(210)와 입자상 물질(PM)을 포집하는 DPF(220)로 구성되어 배기가스에 포함된 유해물질을 1차 정화한다.

상기 DOC영역(210)은 엔진(100)의 배기가스가 직접적으로 인입되는 선단부의 영역으로, 귀금속 재료가 촉매로 코팅되어 DOC의 기능이 부여되고, 산화세륨(Ceria)이 첨가되어 산소 저장능력이 부여된다.

따라서, DOC영역(210)은 배기가스에 포함된 유해한 물질인 CO, HC와 입자상 물질 중에서 용해성 유기물질(SOF)을 세라믹 담체에 코팅된 백금계 촉매와 반응시켜 CO2, H2O로 정화한다.

DPF(220)는 배기가스에 포함된 입자상 물질(PM)을 물리적으로 포집하고, 포집량에 따라 후처리 분사를 통해 배기가스 온도가 입자상 물질(PM)의 발화온도 이상으로 상승되는 경우 포집된 입자상 물질(PM)이 연소되어 재생된다.

LNT(300)는 상기 CPF(200)의 하류측에 장착되며, 연료분해촉매(DFC : 310)와 DeNOx촉매(320)로 구성되어, 희박(Lean) 운전영역에서 촉매 담층(Wash coat)에 NOx를 흡착하여 저장하고, 농후(Rich) 운전영역에서 환원제와 반응하여 촉매에 흡장된 NOx를 환원시켜 촉매를 재생한다.

상기 LNT(300)의 NOx 정화효율은 대략적으로 70 ~ 90% 이상이며, 활성온도는 대략적으로 200℃ 내지 500℃의 범위로, 디젤엔진의 부하와 배기가스의 온도 범위와 상관관계가 매우 양호하여 NOx의 정화효율이 높게 나타난다.

상기 연료분해촉매(310)는 200 ~ 400℃의 낮은 배기가스 온도 및 낮은 유량에서도 활성이 유리하도록 알루미나를 주성분으로 하고 여기에 로듐이나 루세늄 또는 그 혼합성분을 담체의 전체 겉보기 부피에 대하여 1 ~ 10g/ℓ 담지시켜 제조한 것을 사용한다.

상기 연료분해촉매(310)는 2차분사 인젝터(430)를 통해 공급되는 연료를 환 원제로 사용 가능한 CnHx(n=1~5) 분자 형태로 열분해하고, 산화작용을 통해 CO2 및 H2를 생성시킨다.

DeNOx촉매(320)는 연료분해촉매(310)에서 생성되는 환원제와 촉매 담층에 흡장된 NOx를 환원 반응시켜 NOx를 정화한다.

제1산소센서(410)는 CPF(200)의 상류측에 장착되어, 배기가스에 포함된 산소의 농도를 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(500)에 인가한다.

제2산소센서(420)는 CPF(200)의 하류측에 장착되어, CPF(200)의 정화를 거친 배기가스에 포함된 산소농도를 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(500)에 인가한다.

2차 분사 인젝터(430)는 제어부(500)에서 인가되는 제어신호에 따라 동작되어 연료를 분사하여 DeNOx에 필요한 환원제를 공급한다.

제어부(500)는 공기량과 부하, 엔진 회전부에 따라 엔진(100)의 동작을 제어하고, LNT(300)에 흡장된 NOx의 DeNOx조건을 만족하면 제2산소센서(420)의 농도를 검출하고, 검출되는 산소농도에 따라 환원제 농도를 조절하여 최적의 NOx 정화율이 유지되고 환원제의 슬립이 발생되지 않도록 한다.

상기한 구성을 갖는 본 발명의 동작에 대하여 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

디젤차량의 엔진 시동이 온을 유지하고 후처리장치의 활성화가 완료된 상태에서(S101), ECU(500)는 LNT(300)의 하류측에 설치된 NOx 센서(440)의 신호를 검출하여 LNT(300)의 재생, 바람직하게는 LNT(300)를 구성하는 DeNOx촉매(320)의 재생 이 필요한 상태인지를 판단한다(S102).

상기 S102의 판단에서 LNT(300)의 재생이 필요하지 않은 상태이면 리턴되고, LNT(300)의 재생이 필요한 상태이면 제2산소센서(420)를 통해 LNT(300)에 유입되는 배기가스에 포함된 산소농도를 검출한다(S103).

그리고, 현재의 운전조건에 따른 공기량 및 엔진 부하를 검출하고(S104) 공연비의 연료 분사량을 결정하여 엔진(100)의 동작을 제어한다(S105).

또한, 상기 제2산소센서(420)를 통해 검출되는 산소농도에 따라 예를 들어 첨부된 도 4와 같이 설정되는 맵 테이블로부터 환원제의 농도를 결정한 다음 2차 분사 인젝터(430)를 작동시켜 LNT(300)의 상류측에 결정된 농도의 환원제를 얻을 수 있는 연료를 분사한다(S106).

따라서, LNT(300)내의 연료분해촉매(310)는 2차분사 인젝터(430)를 통해 공급되는 연료를 환원제로 사용 가능한 CnHx(n=1~5) 분자 형태로 열분해하고, 산화작용을 통해 결정된 농도의 환원제(CO2 및 H2)를 생성시키게 되며, DeNOx촉매(320)는 연료분해촉매(310)에서 생성되는 환원제와 촉매 담층에 흡장된 NOx를 환원 반응시켜 NOx를 정화한다(S107).

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 디젤차량에서 NOx 정화율과 환원제 농도의 관계를 도시한 그래프이다.

일정량의 환원제를 1 ~ 6(숫자가 작을수록 환원제 농도수준은 높음) 수준으로 농도를 다르게 한 다음 주입하여 NOx 정화율 및 환원제의 슬립을 분석한 결과 적정한 환원제량을 주변 분위기에 맞추어 주입하더라도 적절한 환원제 농도가 이루 어지지 않을 경우 환원제 슬립 또는 최대 NOx 정화율을 얻지 못함을 알 수 있다.

동일한 양의 환원제를 주입하더라도 환원제의 농도를 크게 하여 주입하였을 때에는 높은 NOx 정화율을 얻을 수 있으나 이에 반하여 환원제의 슬립이 많이 일어나는 것을 알 수 있다.

따라서, 산소의 농도에 따라서 도 4와 같이 설정되는 맵 테이블을 적용하여 환원제의 농도를 결정한 다음 2차분사 인젝터(430)를 통해 연료의 분사량을 조정함으로써, 최적의 NOx 정화율을 얻을 수 있게 된다.

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 디젤차량의 후처리장치에서 2차 분사 제어절차를 도시한 흐름도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 디젤차량의 후처리장치에서 환원제의 슬립과 NOx정화율의 관계를 도시한 그래프이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 디젤차량의 후처리장치에서 산소농도와 환원제 농도의 관계를 맵핑한 그래프이다.

도 5는 종래의 디젤차량의 후처리장치에서 환원제 슬립을 도시한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 엔진 200 : CPF

300 : LNT 410 : 제1산소센서

420 : 제2산소센서 430 : 2차분사 인젝터

500 : 제어부

Claims

HC 및 CO를 정화하는 DOC영역과 입자상 물질을 포집하는 DPF로 구성되는 CPF;

배기가스에 포함된 산소농도를 검출하는 하나 이상의 산소센서;

환원제 생성을 위해 DeNOx 모드에서 연료를 분사하는 인젝터;

연료를 열분해하여 CnHx(n=1~5) 분자 형태의 환원제를 생성하는 연료분해촉매와 희박 운전영역에서 NOx를 흡장하고, 농후 운전영역에서 환원제와 반응하여 흡장된 NOx를 환원시키는 DeNOx촉매로 구성되는 LNT;

를 포함하며,

DeNOx 모드에서 배기가스의 산소농도에 따라 설정된 맵 테이블로부터 환원제 농도를 결정하여 연료 분사량을 제어하는 제어부;

를 포함하는 디젤차량의 후처리장치.
제1항에 있어서,

상기 제어부는 산소농도에 따라 환원제 농도를 조정하여 NOx 정화율을 높이고, 환원제의 슬립이 발생되지 않도록 하는 디젤차량의 후처리장치.
LNT에 흡장된 NOx의 DeNOx 조건인지 판단하는 과정;

DeNOx 조건이면 산소센서를 통해 배기가스의 산소농도를 측정하는 과정;

산소농도에 따라 DeNOx를 위한 환원제의 농도를 결정하는 과정;

연료 분사로 결정된 농도의 환원제를 생성시키는 과정;

을 포함하는 디젤차량의 2차분사 제어방법.