KR20110062617A

KR20110062617A - 차량에서 2차 분사 배기가스 정화장치 및 방법

Info

Publication number: KR20110062617A
Application number: KR1020090119396A
Authority: KR
Inventors: 이진하; 박진우; 이효경; 이상민; 박준성
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2009-12-03
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2011-06-10

Abstract

본 발명은 차량에서 엔진 회전수와 연료량에 따라 변경되는 맵에 따라 2차 연료분사 패턴을 능동적으로 제어 다이나믹하게 구동되는 엔진 운전에 동조하여 최적의 배기가스 정화효율을 제공하도록 하는 것이다.

본 발명은 2차 분사조건을 만족할 때 엔진 회전수 및 엔진 내 연료 분사량에 따라 운전 영역을 판별하는 과정, 운전 영역 기준의 설정 맵을 적용하여 2차 연료 분사 패턴을 결정한 다음 촉매 전단에 2차 연료 또는 환원제를 공급하여 입자상 물질 또는 NOx를 정화하는 과정을 포함한다.

촉매, 2차 분사, 운전영역, NOx정화, 입자상 물질 정화

Description

차량에서 2차 분사 배기가스 정화장치 및 방법{SYSTEM FOR CONTROLLING SECONDARY INJECTION OF AUTOMOBILE AND METHOD THEREOF}

본 발명은 차량 후처리 배기가스 정화장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 엔진 회전수와 연료량에 따라 변경되는 맵을 통해 2차 분사 패턴을 능동적으로 제어하여 다이나믹(Dynamic)하게 구동되는 엔진 운전에 동조 최적의 배기가스 정화효율을 제공하는 차량에서 2차 분사 배기가스 정화장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 차량에서 발생되는 주된 대기 오염물질은 NOx(질소산화물)와 입자상 물질(PM : Particulate Matter), 불완전 연소로 발생되는 HC, CO 등의 물질이며, 이들 물질은 배기가스 규제의 주요 대상 물질이다.

차량에는 배기가스 오염물질을 저감하기 위하여 산화촉매(Oxidation Catalyst), 입자상 물질을 정화하는 매연필터(Particulate Filter : PF), NOx를 정화하는 LNT(Lean NOx Trap), SCR(Selective Catalytic Reduction)촉매 등 후처리장치를 사용하고 있다.

이중에서 NOx와 입자상 물질의 정화를 위해 엔진과 NOx 정화 촉매 혹은 엔진과 입자상 물질을 정화하는 매연필터의 사이에 2차 분사장치를 장착하여 배기관 내 2차 연료 또는 환원제를 분사하여 배기가스에 포함된 유해물질인 NOx 또는 입자상 물질을 정화하는 기술이 제안되고 있다.

2차 분사장치를 이용한 배기가스 정화 방법은 연료 또는 환원제를 엔진 배기 포트 후단과 촉매 전단 사이에 분사하여, 배기가스 온도를 상승시키거나 배기가스 내 HC농도 등 배기가스 분위기를 인위적으로 조정하여 입자상 물질 또는 NOx 배출량을 감소시키는 것이다.

특허 WO 2007/026229에는 엔진 유입 공기량, 연료 사용량, 목표 공연비(또는 NOx 및 HC 정화율), 배기가스 농후 유지 기간에 따라 배기관 내 추가적으로 연료를 분사하여 농후 운전 영역에서 목표 공연비를 유지하도록 하는 기술이 제안되었다.

그러나, 상기 기술은 기본적으로 엔진 회전수와 연료 분사량에 따라 큰 폭으로 변화하는 차량의 운전조건에 신속하고 다양한 대응이 어려우며, 이에 따라 안정된 배기가스의 정화 효율을 얻을 수 없다는 단점이 있다.

즉, 엔진에 유입되는 공기량, 연료 사용량, 목표 공연비에 따라 배기관 내 분사되는 2차 분사 연료량을 조절하게 되면 동일한 연료량의 분사가 제어되고 있는 경우에라도 2차 분사 조건에 따라 NOx 정화 성능 및 THC 슬립(Slip) 량이 크게 달라져 후처리장치의 성능을 최적으로 끌어낼 수 없으며, 운전 영역에 따라 목표 규제를 넘어서는 영역이 발생할 수 있다는 문제점이 있다.

마찬가지로 NOx 및 HC 정화율 기준에 따라 2차 분사패턴을 조절하게 되면 다양한 운전 조건에 대한 대응이 어려워 큰 연비 손실을 가져올 수 있으며, 목표 NOx 정화율을 달성하기 위해서는 큰 폭의 THC 슬립 증가가 발생하므로 급격한 운전 조 건 변경에 따라 실제 NOx 및 HC 정화율을 확보하는 것은 거의 불가하다.

본 발명은 앞에서 제기한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 그 목적은 2차 연료 분사패턴을 구성하는 분사 회수, 분사 주파수, 분사 펄스폭에 대하여 엔진 운전 영역을 기준으로 엔진 회전수와 연료 분사량의 맵으로 구성하고, 엔진 회전수와 연료 분사량에 변화에 따라 2차 연료를 맵 기준의 2차 분사 패턴에 맞게 2차 분사장치를 통해 분사하여 NOx 또는 입자상 물질의 안정적인 정화 성능을 제공하는 것이다.

상기 목적을 구현하기 위해 본 발명의 특징에 따른 차량에서 2차 분사 배기가스 정화장치는, 엔진에 연결된 배기관 소정 위치에 설치된 유해물질 정화촉매; 엔진과 촉매 사이의 배기관에 설치되어 촉매 전단에 연료 또는 환원제를 공급하는 2차 분사장치; 2차 분사조건에서 엔진에 분사되는 연료량과 엔진회전수에 따라 운전 영역을 판별하고, 운전 영역 기준으로 설정된 2차 분사 맵을 적용하여 2차 연료 분사 패턴을 결정하며, 2차 분사장치를 통해 촉매 전단에 연료 또는 환원제를 공급하여 NOx 또는 입자상 물질을 정화하는 제어부를 포함한다.

또한, 본 발명의 특징에 따른 차량에서 2차 분사 배기가스 정화방법은, 2차 분사조건을 만족하면 엔진 회전수 및 엔진 내 연료 분사량에 따른 운전 영역을 판별하는 과정; 운전 영역을 기준으로 설정된 맵을 적용하여 2차 분사 패턴을 결정한 다음 촉매 전단에 2차 분사 연료 또는 환원제를 공급하여 입자상 물질 또는 NOx를 정화시키는 과정을 포함한다.

전술한 구성에 의하여 본 발명은 내연기관에서 엔진 회전수와 엔진 내 연료 분사량을 기반으로 하는 2차 분사장치 구동을 통해 다이나믹하게 구동되는 엔진과 동조 전 운전영역에서 유해 배기가스 성분인 입자상 물질 또는 NOx 정화 성능 그리고 연비를 향상시킬 수 있다.

아래에서는 첨부된 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 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.

도 1은 본 발명의 실시예에 차량의 2차 분사 제어장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명은 엔진(2)과 배기관(6), 촉매(10), 온도센서(14), 제1산소센서(16), 제2산소센서(18), 인젝터(20), 연료탱크(30) 및 제어부(40)를 포함한다.

엔진(2)에서 연소된 배기가스를 배출시키는 배기관(6)의 소정 위치에 NOx 또는 입자상 물질 등의 유해물질을 정화시키는 촉매(10)가 장착된다.

상기 촉매(10)는 배기가스에 포함된 유해 물질인 CO, HC, 용해성 유기물질(SOF)을 세라믹 담체에 코팅된 백금계 촉매와 반응시켜 CO₂, H₂O로 정화시키는 산화촉매, 배기가스에 포함된 입자상 물질을 물리적으로 포집하고, 2차 분사를 통해 배기가스 온도가 입자상 물질의 발화온도 이상 상승되는 경우 입자상 물질이 연소되어 재생되는 매연필터, 희박(Lean) 운전 영역에서 NOx를 흡장하고, 산소농도가 감소하는 운전 영역에서 2차 분사를 통해 생성되는 환원제와 반응하여 촉매에 흡장된 NOx를 탈착/환원시켜 촉매를 재생시키는 NOx 정화 촉매 중 어느 하나 혹은 둘 이상으로 구성될 수 있다.

상기 NOx 정화촉매의 NOx 정화효율은 대략적으로 50 ~ 80% 이며, 활성온도는 대략적으로 200℃ ~ 500℃의 범위로, 엔진 부하와 배기가스 온도 범위와 밀접한 상관관계를 갖는다.

상기 NOx 정화촉매 전단과 상기 2차 분사장치 사이에 2차 분사된 액상 연료의 증발을 촉진시키거나 추가 분사된 연료의 열분하를 통하여 고반응성 환원제로 변환시키는 연료분해 촉매를 더 포함할 수 있다.

상기 연료분해촉매는 인젝터(20)를 통해 2차 분사되는 연료를 환원제로 사용 가능한 CnHx(n=1~5) 분자 형태로 열분해하여 짧은 고리의 HC 및 CO, H₂를 생성시키고, NOx정화촉매는 연료분해촉매에서 생성된 환원제와 흡장된 NOx를 환원 반응시켜 NOx를 정화한다.

온도센서(14)는 촉매(10) 후단에 설치되어 촉매(10) 온도를 제어부(40)에 제 공함으로써, 촉매(10) 활성화 여부를 판단할 수 있도록 한다.

제1산소센서(16)는 촉매(10) 상류측에 장착되어, 촉매(10)에 유입되는 배기가스에 포함된 산소 농도를 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(40)에 인가한다.

제2산소센서(18)는 촉매(10) 하류측에 장착되어, 촉매(10)에서 정화된 배기가스에 포함된 산소농도를 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(40)에 인가한다.

인젝터(20)는 2차 분사장치로, 엔진(2)과 촉매(10) 사이 배기관(6))에 설치되며, 제어부(40)에서 인가되는 제어신호에 따라 동작되고 촉매(10) 전단에 연료 또는 환원제를 공급하여 입자상 물질 또는 NOx를 정화한다.

연료탱크(30)는 내연기관 출력 생성 및 2차 분사를 위한 연료가 저장된다.

제어부(40)는 엔진(2)의 전반적인 동작을 제어하고, 2차 분사조건(DeNOx 혹은 입자상 물질 정화조건)을 만족하면 엔진 내 연료 분사량과 엔진 회전수에 따라 운전 영역을 기준으로 설정된 2차 분사 맵을 적용하여 2차 연료 패턴을 결정한 다음 2차 분사장치인 인젝터(20)를 이용, 연료 또는 환원제를 분사하여 NOx 또는 입자상 물질을 정화를 제어한다.

전술한 바와 같은 기능이 포함된 본 발명에서 2차 분사제어를 통해 NOx 또는 입자상 물질을 정화하는 동작에 대하여 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 엔진(2)이 제어부(40)의 제어에 따라 동작이 제어되는 상태이고, 시동 후 제1산소센서(16)와 제2산소센서(18)의 모델링으로 검출되는 정보가 촉매(10)의 재생 조건, 즉 인젝터(20)를 통한 2차 분사조건이 만족되는지 판단한다(S101).

상기 S101의 판단에서 2차 분사조건을 만족하면 제어부(40)는 엔진(2)에 유입되는 연료 분사량과 엔진 회전수를 검출하여(S102), 연료 분사량과 엔진 회전수에 따른 운전 영역을 판별한다(S103).

이후, 연료 분사량과 엔진 회전수에 따라 판별되는 운전 영역을 기준으로 설정되는 맵을 적용하여 2차 연료 분사 패턴을 결정한 다음(S104) 2차 분사장치인 인젝터(20)는 통해 촉매(10) 전단에 결정된 연료 또는 환원제를 공급한다(S105).

따라서, 배기관내에는 2차 분사된 연료 또는 환원제가 고온의 배기가스에 의해 증발, 촉매상에서 반응하여 배기가스의 온도를 입자상 물질 발화온도 이상으로 상승시켜 촉매에 포집된 입자상 물질을 정화한다.

또한, 촉매(10) 전단에 2차 분사된 연료는 CnHx(n=1~5) 분자 형태로 열분해되어 환원제인 CO, 짧은 고리 형태의 HC와 H₂를 생성 촉매(10)에 흡장된 NOx와 환원 반응을 일으켜 NOx를 정화한다.

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

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량에서 2차 분사 배기가스 정화장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량에서 2차 분사 제어절차를 도시한 흐름도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

2 : 엔진 6 : 배기관

10 : 촉매 14 : 온도센서

16,18 : 산소센서 20 : 인젝터

30 :연료탱크 40 : 제어부

Claims

엔진에 연결된 배기관 소정 위치에 설치된 유해물질 정화촉매;

엔진과 촉매 사이 배기관에 설치되어 촉매 전단에 연료 또는 환원제를 공급하는 2차 분사장치;

2차 분사조건에서 엔진에 분사되는 연료량과 엔진 회전수에 따라 운전 영역을 판별하고, 운전 영역을 기준으로 설정된 2차 분사 맵을 적용하여 2차 연료 분사패턴을 결정하며, 2차 분사장치를 통해 촉매 전단에 연료 또는 환원제를 공급하여 NOx 또는 입자상 물질을 정화하는 제어부;

를 포함하는 차량에서 2차 분사 배기가스 정화장치.
제1항에 있어서,

상기 촉매는 배기가스에 포함된 CO, HC, 용해성 유기물질(SOF)을 CO₂, H₂O 형태로 정화시키는 산화촉매;

입자상 물질을 포집하고, 2차 분사에 의해 재생되는 매연필터;

희박 운전 영역에서 NOx를 흡장하고, 산소농도가 감소하는 운전 영역에서 2차 분사를 통해 생성되는 환원제와 NOx를 환원 반응시켜 촉매를 재생시키는 NOx 정화촉매;

중 어느 하나 혹은 둘 이상으로 구성되는 차량에서 2차 분사 배기가스 정화 장치.
제1항에 있어서,

상기 촉매 후단에 촉매 온도를 검출하는 온도센서가 설치되고,

촉매에 유입되는 배기가스에 포함된 산소 농도를 검출하는 제1산소센서가 촉매 전단에 설치되며,

촉매에서 정화된 배기가스에 포함된 산소농도를 검출하는 제2산소센서가 촉매 후단에 설치되는 것을 특징으로 하는 차량에서 2차 분사 배기가스 정화장치.
2차 분사조건을 만족하면 엔진 회전수 및 연료 분사량에 따라 운전 영역을 판별하는 과정;

운전 영역을 기준으로 설정된 맵을 적용하여 2차 분사 연료 패턴을 결정한 다음 촉매 전단에 2차 분사 연료 또는 환원제를 공급하여 입자상 물질 또는 NOx를 정화시키는 과정;

을 포함하는 차량에서 2차 분사 배기가스 정화방법.
제4항에 있어서,

상기 입자상 물질은 2차 분사 연료의 화학반응에 따른 배기가스 온도의 상승으로 입자상 물질을 태워 정화시키는 것을 특징으로 하는 차량에서 2차 분사 배기가스 정화방법.
제4항에 있어서,

상기 2차 분사된 연료에서 생성되는 환원제와 NOx가 반응하여 NOx 정화가 실행되는 것을 특징으로 하는 차량에서 2차 분사 배기가스 정화방법.