KR20120060372A - 질소산화물 저감 촉매의 재생 예측 방법 및 이를 이용한 배기 장치 - Google Patents

질소산화물 저감 촉매의 재생 예측 방법 및 이를 이용한 배기 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 질소산화물 저감 촉매의 재생 이후에 남은 질소산화물의 양과 이산화질소의 양을 정확히 예측하는 질소산화물 저감 촉매의 재생을 예측하는 방법 및 이를 이용하여 질소산화물 저감 촉매의 재생 시기 및 분사되는 환원제의 양을 조절하도록 하는 배기 장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감 촉매의 재생 예측 방법은 총 환원제 질량 유량을 계산하는 단계; 상기 총 환원제 질량 유량을 이용하여 질산염 환원 반응에 사용되는 환원제 질량 유량, 이산화질소 환원 반응에 사용되는 환원제 질량 유량, 그리고 단순히 산화되는 환원제 질량 유량을 계산하는 단계; 질산염 환원 반응에 사용되는 환원제 질량 유량 및 이산화질소 환원 반응에 사용되는 환원제 질량 유량을 이용하여 탈착된 이산화질소의 질량 유량과 환원되는 이산화질소의 질량 유량을 계산하는 단계; 질소산화물 저감 촉매에서 슬립되는 이산화질소의 질량 유량을 계산하는 단계; 그리고 탈착된 이산화질소의 질량 유량, 환원되는 이산화질소의 질량 유량, 그리고 슬립되는 이산화질소의 질량 유량으로부터 재생 후 상기 질소산화물 저감 촉매에 남는 이산화질소의 질량과 질소산화물의 질량을 계산하는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

질소산화물 저감 촉매의 재생 예측 방법 및 이를 이용한 배기 장치{METHOD FOR PREDICTING REGENERATION OF DeNOx CATALYST AND EXHAUST SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 질소산화물 저감 촉매의 재생을 예측하는 방법 및 이를 이용한 배기 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 질소산화물 저감 촉매의 재생 이후에 남은 질소산화물의 양과 이산화질소의 양을 정확히 예측하는 질소산화물 저감 촉매의 재생을 예측하는 방법 및 이를 이용하여 질소산화물 저감 촉매의 재생 시기 및 분사되는 환원제의 양을 조절하도록 하는 배기 장치에 관한 것이다.
일반적으로 엔진에서 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기 가스는 배기 파이프에 설치된 촉매 컨버터(Catalytic Converter)로 유도되어 정화되고, 머플러를 통과하면서 소음이 감쇄된 후 테일 파이프를 통해 대기 중으로 배출된다. 상기한 촉매 컨버터는 배기 가스에 포함되어 있는 오염물질을 정화한다. 그리고 배기 파이프 상에는 배기 가스에 포함된 입자상 물질(Particulate Matters: PM)을 포집하기 위한 매연 필터가 장착된다.
질소산화물 저감 촉매(Denitrification Catalyst; DeNOx Catalyst)는 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 정화시키는 촉매 컨버터의 한 형식이다. 우레아(Urea), 암모니아(Ammonia), 일산화탄소 및 탄화수소(Hydrocarbon; HC) 등과 같은 환원제를 배기 가스에 제공하면 질소산화물 저감 촉매에서는 배기 가스에 포함된 질소산화물이 상기 환원제와의 산화-환원 반응을 통해 환원되게 된다.
최근에는, 이러한 질소산화물 저감 촉매로 LNT 촉매(Lean NOx Trap Catalyst)가 사용되고 있다. LNT 촉매는 엔진이 린(lean)한 분위기에서 작동되면 배기 가스에 포함된 질소산화물을 흡착하고, 엔진이 농후(rich)한 분위기에서 작동되면 흡착된 질소산화물을 탈착한다. 이와 같이 LNT 촉매에 흡착된 질소산화물을 탈착하는 것을 재생이라고 한다.
종래의 LNT 촉매의 재생 방법은 엔진의 운전 상태에 따라 발생되는 배기 가스에 포함된 질소산화물의 양을 예측하고, 이 배기 가스에 포함된 질소산화물의 양으로부터 LNT 촉매에 흡장된 질소산화물을 예측하며, LNT 촉매에 흡장된 질소산화물의 양이 설정된 양 이상이 되면 환원제를 분사하거나 연소 분위기를 조절함으로써 수행되었다. 종래 방법에 따른 LNT 촉매의 재생을 성공적으로 수행하기 위해서는, LNT 촉매에 흡장된 질소산화물의 양을 정확히 예측하여야 한다. 또한, LNT 촉매에 흡장된 질소산화물의 양을 정확히 예측하기 위해서는, 배기 가스에 포함된 질소산화물의 양과 이전 재생 후 LNT 촉매에 남은 질소산화물 및 이산화질소의 양을 정확히 예측해야 한다. 배기 가스에 포함된 질소산화물의 양을 정확히 예측하는 방법은 한국특허출원 10-2010-0115239 및 10-2010-0115238에 개시하였으므로, 여기에서는 이전 재생 후 LNT 촉매에 남은 질소산화물 및 이산화질소의 양을 정확히 예측하는 방법에 대하여 개시하고자 한다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 질소산화물의 환원 반응에 실질적으로 사용되는 환원제의 양 및 질소산화물 저감 촉매의 열화도를 고려하여 재생 후 질소산화물 저감 촉매에 남은 질소산화물 및 이산화질소의 양을 정확히 예측하도록 하는 질소산화물 저감 촉매의 재생 예측 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 예측된 질소산화물 재생 상태에 따라 질소산화물 저감 촉매의 재생 시기 및 환원제 투입량을 정확히 예측하도록 하는 배기 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감 촉매의 재생 예측 방법은 총 환원제 질량 유량을 계산하는 단계; 상기 총 환원제 질량 유량을 이용하여 질산염 환원 반응에 사용되는 환원제 질량 유량, 이산화질소 환원 반응에 사용되는 환원제 질량 유량, 그리고 단순히 산화되는 환원제 질량 유량을 계산하는 단계; 질산염 환원 반응에 사용되는 환원제 질량 유량 및 이산화질소 환원 반응에 사용되는 환원제 질량 유량을 이용하여 탈착된 이산화질소의 질량 유량과 환원되는 이산화질소의 질량 유량을 계산하는 단계; 질소산화물 저감 촉매에서 슬립되는 이산화질소의 질량 유량을 계산하는 단계; 그리고 탈착된 이산화질소의 질량 유량, 환원되는 이산화질소의 질량 유량, 그리고 슬립되는 이산화질소의 질량 유량으로부터 재생 후 상기 질소산화물 저감 촉매에 남는 이산화질소의 질량과 질소산화물의 질량을 계산하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 총 환원제 질량 유량은 환원제 이용 효율과 분사된 환원제의 질량 유량을 이용하여 계산될 수 있다.
상기 환원제 이용 효율은 배기 가스의 질량 유량과 질소산화물 저감 촉매의 열화도를 이용하여 계산될 수 있다.
질산염 환원 반응에 사용되는 환원제 질량 유량은 질소산화물 저감 촉매의 온도, 질소산화물 저감 촉매 전단의 공연비(lambda), 촉매에 저장된 질소산화물의 질량, 그리고 총 환원제 질량 유량을 이용하여 계산될 수 있다.
이산화질소 환원 반응에 사용되는 환원제 질량 유량은 질소산화물 저감 촉매에 저장된 이산화질소의 질량, 질소산화물 저감 촉매의 온도, 그리고 총 환원제 질량 유량을 이용하여 계산될 수 있다.
단순히 산화되는 환원제 질량 유량은 질소산화물 저감 촉매의 온도, 엔진 출구의 공연비, 그리고 총 환원제 질량 유량을 이용하여 계산될 수 있다.
질소산화물 저감 촉매에서 슬립되는 이산화질소의 질량 유량은 이산화질소 슬립 효율, 질소산화물 저감 촉매에 저장된 이산화질소의 질량, 그리고 질소산화물 저감 촉매의 온도를 이용하여 계산될 수 있다.
상기 이산화질소의 슬립 효율은 질소산화물 저감 촉매의 열화도, 초기 질소산화물 저감 촉매의 슬립 효율, 그리고 열화된 질소산화물 저감 촉매의 슬립 효율을 이용하여 계산될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배기 장치는 연소실 내 연료를 분사하는 제1인젝터를 가지는 엔진에서 발생된 배기 가스가 흘러가는 배기 파이프; 상기 배기 파이프에 장착되어 환원제를 분사하는 제2인젝터; 상기 제2인젝터의 후단 배기 파이프에 장착되어 상기 제2인젝터에서 분사된 환원제를 이용하여 배기 가스에 포함된 질소산화물을 저감시키는 질소산화물 저감 촉매; 그리고 상기 제2인젝터를 제어하여 질소산화물 저감 촉매의 재생시키고, 재생 후 상기 질소산화물 저감 촉매에 남는 이산화질소의 질량과 질소산화물의 양을 계산하는 제어부;를 포함하며, 상기 제어부는 질소산화물 저감 촉매의 재생에 사용되는 총 환원제 질량 유량을 계산하고, 질산염 환원 반응, 이산화질소 환원 반응, 그리고 환원제의 단순 산화 반응에 사용되는 각 환원제 질량 유량을 계산하며, 상기 각 환원제 질량 유량을 이용하여 질소산화물 저감 촉매로부터 탈착된 이산화질소 질량 유량과 환원되는 이산화질소 질량 유량을 계산할 수 있다.
상기 제어부는 이산화질소 슬립 효율, 질소산화물 저감 촉매에 저장된 이산화질소의 질량, 그리고 질소산화물 저감 촉매의 온도를 이용하여 상기 질소산화물 저감 촉매에서 슬립되는 이산화질소의 질량 유량을 계산할 수 있다.
상기 제어부는 질소산화물 저감 촉매로부터 탈착된 이산화질소 질량 유량, 환원되는 이산화질소 질량 유량, 그리고 슬립되는 이산화질소의 질량 유량으로부터 재생 후 상기 질소산화물 저감 촉매에 남는 이산화질소의 질량과 질소산화물의 질량을 계산할 수 있다.
상기 제어부는 환원제 이용 효율과 분사된 환원제의 질량 유량으로부터 총 환원제 질량 유량을 계산할 수 있다.
상기 제어부는 배기 가스의 질량 유량과 질소산화물 저감 촉매의 열화도로부터 환원제 이용 효율을 계산할 수 있다.
상기 제어부는 질소산화물 저감 촉매의 온도, 질소산화물 저감 촉매 전단의 공연비(lambda), 촉매에 저장된 질소산화물의 질량, 그리고 총 환원제 질량 유량으로부터 상기 질산염 환원 반응에 사용되는 환원제 질량 유량을 계산할 수 있다.
상기 제어부는 질소산화물 저감 촉매에 저장된 이산화질소의 질량, 질소산화물 저감 촉매의 온도, 그리고 총 환원제 질량 유량으로부터 이산화질소 환원 반응에 사용되는 환원제의 질량 유량을 계산할 수 있다.
상기 제어부는 질소산화물 저감 촉매의 온도, 엔진 출구의 공연비, 그리고 총 환원제 질량 유량으로부터 환원제의 단순 산화 반응에 사용되는 환원제 질량 유량을 계산할 수 있다.
상기 제어부는 질소산화물 저감 촉매의 열화도, 초기 질소산화물 저감 촉매의 슬립 효율, 그리고 열화된 질소산화물 저감 촉매의 슬립 효율로부터 상기 이산화질소의 슬립 효율을 계산할 수 있다.
상기 환원제는 연료일 수 있다.
상기 배기 장치는 제2인젝터와 질소산화물 저감 촉매 사이의 상기 배기 파이프 상에 장착되어 있으며, 상기 연료를 분해하는 연료 분해 촉매를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 재생 후 질소산화물 저감 촉매에 남은 질소산화물 및 이산화질소의 양을 정확히 예측하여 후속 재생에 사용함으로써 질소산화물의 정화 효율이 향상될 수 있다.
질소산화물 저감 촉매에 흡장된 질소산화물 및 이산화질소의 정확한 양에 따라 재생 시기 및 환원제의 분사량을 조절함으로써 연비가 향상될 수 있다.
또한, 질소산화물 저감 촉매에 흡장된 질소산화물 및 이산화질소의 정확한 양을 예측할 수 있으므로 질소산화물 저감 촉매의 과대 설계를 줄일 수 있고 이에 따라 질소산화물 저감 촉매에 사용되는 귀금속의 양을 줄이 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감 촉매의 재생 예측 방법이 적용될 수 있는 배기 장치의 일 예를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감 촉매의 재생 예측 방법에 사용되는 제어부에서 입력과 출력 관계를 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감 촉매의 재생 예측 방법을 수행하는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 각 반응에 참여하는 환원제 질량 유량을 계산하는 것을 수행하는 흐름도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물의 양을 예측하는 방법이 적용될 수 있는 배기 장치의 일 예를 도시한 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 내연 기관의 배기 장치는 엔진(10), 배기 파이프(20), 배기 가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation; EGR) 장치(80), 연료 분해 촉매(32), 매연 필터(Particulate Filter)(30), 질소산화물 저감 촉매(40), 그리고 제어부(50)를 포함한다.
엔진(10)은 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 연소시켜 화학적 에너지를 기계적 에너지로 변환한다. 엔진(10)은 흡기 매니폴드(18)에 연결되어 연소실(12) 내부로 공기를 유입받으며, 연소 과정에서 발생된 배기 가스는 배기 매니폴드(16)에 모인 후 엔진 밖으로 배출되게 된다. 상기 연소실(12)에는 제1인젝터(14)가 장착되어 연료를 연소실(12) 내부로 분사한다.
여기에서는 디젤 엔진을 예시하였으나 희박 연소(lean burn) 가솔린 엔진을 사용할 수도 있다. 가솔린 엔진을 사용하는 경우, 흡기 매니폴드(18)를 통하여 혼합기가 연소실(12) 내부로 유입되며, 연소실(12) 상부에는 점화를 위한 점화플러그(도시하지 않음)가 장착된다.
또한, 다양한 압축비, 바람직하게는 16.5 이하의 압축비를 가지는 엔진이 사용될 수 있다.
배기 파이프(20)는 상기 배기 매니폴드(16)에 연결되어 배기 가스를 차량의 외부로 배출시킨다. 상기 배기 파이프(20) 상에는 매연 필터(30)와 질소산화물 저감 촉매(40)가 장착되어 배기 가스 내 포함된 탄화수소, 일산화탄소, 입자상 물질 그리고 질소산화물 등을 제거한다.
배기 가스 재순환 장치(80)는 배기 파이프(20) 상에 장착되어 엔진(10)에서 배출되는 배기 가스 일부를 상기 배기 가스 재순환 장치(80)를 통해 엔진에 재공급한다. 또한, 상기 배기 가스 재순환 장치(80)는 상기 흡기 매니폴드(18)에 연결되어 배기 가스의 일부를 공기에 섞어 연소 온도를 제어한다. 이러한 연소 온도의 제어는 제어부(50)의 제어에 의하여 흡기 매니폴드(18)에 공급되는 배기 가스의 양을 조절함으로써 수행된다.
상기 배기 가스 재순환 장치(80)의 후방 배기 파이프(20)에는 제1산소 센서(25)가 장착되어 배기 가스 재순환 장치(80)를 통과한 배기 가스 내의 산소량을 검출한다. 본 명세서에서는 상기 제1산소 센서의 측정값을 엔진 출구의 공연비(lambda)라고 칭하기로 한다.
제2인젝터(90)는 상기 배기 가스 재순환 장치(80)의 후방 배기 파이프(20)에 장착되며, 상기 제어부(50)에 전기적으로 연결되어 제어부(50)의 제어에 따라 배기 파이프(20) 내에 연료의 추가 분사를 수행한다.
매연 필터(30)는 상기 제2인젝터(90)의 후방 배기 파이프(20)에 장착되어 있다. 상기 매연 필터(30)의 전단부에는 연료 분해 촉매(Fuel Cracking Catalyst)가 구비되어 있다. 이 경우, 연료 분해 촉매(32)는 제2인젝터(90)와 질소산화물 저감 촉매(40) 사이에 배치되게 된다. 여기에서는, 매연 필터(30)와는 별도로 연료 분해 촉매(32)가 구비된 것을 예시하였으나, 연료 분해 촉매(32)를 매연 필터(30)의 전단부에 코팅할 수도 있다.
상기 연료 분해 촉매(32)는 촉매 반응을 통해 연료 내에 포함된 탄소화합물의 체인 고리를 끊어 분해시킨다. 즉, 연료 분해 촉매(32)는 열분해(Thermal Cracking) 기능을 통해 탄화 수소를 구성하는 연결 고리를 끊어 분해하게 된다. 이에 의하여, 추가 분사된 연료의 유효 반응 표면적이 증가되며 반응성이 큰 산소가 포함된 탄화수소(Oxygenated HC), CO, H2 등을 생성한다.
Thermal Cracking은 하기와 같은 절차를 거쳐 진행되게 된다.
C16H34 → 2n-C8H17* → n-C6H13* → n-C4H9* → C2H5* → C2H4
C16H34 → 8C2H4 + H2
여기서, *는 라디칼을 의미한다.
여기에서, 탄화수소는 배기 가스와 연료에 포함된 탄소와 수소로 구성된 화합물을 모두 지칭하는 것으로 한다.
상기 연료 분해 촉매(32) 후방에는 상기 매연 필터(30)의 한 종류인 매연 여과 장치(Particulate Filter)(30)가 장착되어 배기 파이프(20)를 통하여 배출되는 배기 가스에 포함된 입자상 물질(Particulate Matters: PM)을 포집한다. 여기에서, 매연 필터(30)는 매연 여과 장치(30)와 동일한 의미로 사용된다. 그러나, 매연 여과 장치(30) 대신에 다른 종류의 매연 필터(30)(예를 들어, 촉매 매연 필터(catalyzed particulate filter: CPF))가 사용될 수도 있다.
또한, 상기 매연 여과 장치(30)에는 산화 촉매(Oxidation Catalyst)가 코팅될 수 있다. 이러한 산화 촉매는 배기 가스에 포함된 탄화수소와 일산화탄소를 이산화탄소로 산화시키며, 배기 가스에 포함된 일산화질소를 이산화질소로 산화시킨다. 상기 산화 촉매는 매연 필터(30)의 일정 부분에 많이 코팅되어 있을 수도 있고 매연 필터(30)의 전 영역에 고르게 코팅되어 있을 수도 있다.
상기 연료 분해 촉매(32)의 전방 배기 파이프에는 제1온도 센서(35)가 장착되어 연료 분해 촉매(32)의 입구 온도를 측정하고, 연료 분해 촉매(32)의 후방에는 제2온도 센서(36)가 장착되어 연료 분해 촉매(32)의 출구 온도 또는 매연 필터(30)의 입구 온도를 측정한다.
한편, 상기 배기 파이프(20)에는 차압센서(55)가 장착되어 있다. 차압센서(55)는 상기 매연 필터(30)의 전단부와 후단부의 압력 차이를 측정하고 이에 대한 신호를 상기 제어부(50)에 전달한다. 상기 제어부(50)는 상기 차압센서(55)에서 측정된 압력 차이가 제1설정 압력 이상인 경우 상기 매연 필터(30)를 재생하도록 제어할 수 있다. 이 경우, 상기 제1인젝터(14)에서 연료를 후분사함으로써 매연 필터(30) 내부에 포집된 입자상 물질을 연소시킬 수 있다. 이와는 달리, 제2인젝터(90)에서 연료를 추가 분사함으로써 매연 필터(30)를 재생시킬 수도 있다.
질소산화물 저감 촉매(40)는 상기 매연 필터(30)의 후방 상기 배기 파이프(20) 상에 장착되어 배기 가스에 포함된 질소산화물을 흡착하고, 연료의 추가 분사에 따라 흡착된 질소산화물을 탈착하여 환원 반응을 진행함으로써 배기 가스에 포함된 질소산화물을 정화한다.
상기 질소산화물 저감 촉매(40)의 전방과 또는 후방에는 제3온도 센서(60)와 제4온도 센서(65)가 각각 장착되어 질소산화물 저감 촉매(40)의 입구부 온도와 출구부 온도를 측정한다. 여기에서, 질소산화물 저감 촉매(40)가 2개의 부분으로 나뉘어 있는 것을 도시하였다. 이는 담체에 코팅된 금속 비율을 달리 함으로써 특정 기능을 수행하도록 하기 위한 것이다. 예를 들어, 엔진(10)에 가까운 제1부분(40)에는 팔라듐(Pd)의 비율을 높임으로써 내열 기능을 강화하고, 테일 파이프에 가까운 제2부분(40)에는 백금(Pt)의 비율을 높임으로써 탄화 수소의 슬립을 방지할 수 있다. 이와는 달리, 담체에 코팅된 금속 비율이 전 영역에서 동일한 질소산화물 저감 촉매(40)가 사용될 수도 있다.
또한, 상기 질소산화물 저감 촉매(40)의 전방 배기 파이프(20)에는 제2산소 센서(62)가 장착되어 있고, 상기 질소산화물 저감 촉매(40)의 후방 배기 파이프(20)에는 제3산소 센서(70)가 장착된다. 상기 제2산소 센서(62)는 상기 질소산화물 저감 촉매(40)에 유입되는 배기 가스에 포함된 산소량을 측정하여 이에 대한 신호를 상기 제어부(50)에 전달함으로써 상기 제어부(50)가 배기 가스의 린/리치 제어(lean/rich control)를 수행하는 것을 돕도록 할 수 있다. 또한, 상기 제3산소 센서(70)는 본 발명의 실시예에 따른 내연 기관의 배기 장치가 배기 가스에 포함된 유해 물질을 정상적으로 제거하고 있는지 모니터링 하기 위한 것이다. 여기에서는, 배기 파이프(20)에 제2산소 센서(62)를 추가적으로 장착한 것을 도시하였다. 그러나, 배기 파이프(20)에 제2산소 센서(62)를 장착하지 않고, 제1산소 센서(25)와 제3산소 센서(70)의 측정값, 연료 소모량, 및 엔진의 가동 히스토리(history) 중 적어도 하나를 기초로 질소산화물 저감 촉매(40)에 유입되는 배기 가스에 포함된 산소량을 추정할 수도 있다. 본 명세서에서 상기 제2산소 센서(62)의 측정값을 촉매 전단의 공연비(lambda)라고 칭하기로 한다.
제어부(50)는 각 센서들에서 검출된 신호들을 기초로 엔진의 운전 조건을 판단하고, 상기 엔진의 운전 조건을 기초로 연료 추가 분사량 및 추가 분사 시기를 제어함으로써 질소산화물 저감 촉매(40)에 흡착된 질소산화물을 탈착한다. 일 예로, 제어부(50)는 상기 질소산화물 저감 촉매(40)에 흡착된 질소산화물의 양이 설정된 값 이상인 경우에는 연료를 추가 분사하도록 제어 한다.
또한, 상기 제어부(50)는 질소산화물 저감 촉매(40)에서 질소산화물의 환원 반응이 활성화되도록 배기 가스 내에서 질소산화물에 대한 탄화 수소의 비율이 설정된 비율 이상이 되도록 제어한다. 상기 설정된 비율은 5일 수 있다.
한편, 상기 제어부(50)는 엔진 운전 조건을 기초로 질소산화물 저감 촉매(40)에 흡착된 질소산화물의 양, 질소산화물 저감 촉매 후단 질소산화물의 슬립양, 그리고 질소산화물에 대한 탄화 수소 비율을 계산한다. 이러한 계산은 수많은 실험에 의하여 정해진 맵을 기초로 수행된다.
또한, 제어부(50)는 엔진 운전 조건, 엔진 상태 또는 질소산화물 저감 촉매 상태에 따라 제2인젝터(90)의 연료 분사 패턴을 변화시킨다. 여기서, 엔진 상태는 엔진 작동 기간을 고려하여 추정되고, 질소산화물 저감 촉매 상태는 질소산화물 저감 촉매의 열화를 고려하여 추정된다.
더 나아가, 상기 제어부(50)는 매연 필터(30)의 재생을 진행한다.
한편, 제어부(50)는 제2인젝터(90)에서의 추가 분사를 제어하는 대신, 제1인젝터(14)에서의 후분사를 제어함으로써 질소산화물 저감 촉매(40)에서 질소산화물 환원 반응을 활성화시킬 수 있다. 이 경우, 후분사된 연료는 연료 분해 촉매(32)에서 고반응성 환원제로 변화되어 질소산화물 저감 촉매(40)에서 질소산화물의 환원 반응을 촉진시킨다. 따라서, 이 명세서에서 및 특허청구범위에서의 추가 분사는 후분사를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
여기에서는, 질소산화물 저감 촉매(40)로 LNT 촉매가 사용된 것을 예시하였다.
이하, 질소산화물 저감 촉매(40)의 일 예를 상세히 설명한다.
상기 질소산화물 저감 촉매(40)는 담체에 코팅된 제1,2 촉매층을 포함한다. 상기 제1 촉매층은 배기 가스에 근접하여 배치되며, 상기 제2 촉매층은 담체에 근접하여 배치된다.
상기 제1 촉매층은 배기 가스에 포함된 질소산화물을 산화시키고, 산화된 질소산화물 일부를 타지 않은 연료 또는 배기 가스에 포함된 탄화 수소와의 산화-환원 반응에 의하여 환원시킨다. 또한, 산화된 질소산화물의 다른 일부는 제2 촉매층으로 확산된다.
상기 제2 촉매층은 제1 촉매층에서 확산된 질소산화물을 흡착하고, 추가 분사되는 연료에 의하여 상기 흡착된 질소산화물을 탈착하여 상기 제1 촉매층에서 환원되도록 한다. 상기 제2촉매층으로 확산된 질소산화물은 질산염의 형태로 제2촉매층에 흡착된다. 또한, 제2촉매층에서 탈착된 질소산화물은 이산화질소의 형태를 가지고 제1촉매층으로 이동하며, 상기 이산화질소의 일부는 환원되고, 다른 일부는 슬립되며, 나머지 일부는 제1촉매층에 흡착된다.
상기 제2 촉매층은 흡착 물질을 포함한다. 이러한 흡착 물질로는 약염기성 산화물이 사용된다. 상기 약염기성 산화물로는 알카리 또는 알카리토금속을 포함하는 산화물이 사용될 수 있으며, 보다 구체적으로 바륨을 포함하는 산화물이 사용될 수 있다.
이하, 질소산화물 저감 촉매(40)의 작동 원리를 상세히 설명한다.
제2인젝터(90)에서 연료가 추가 분사되지 않은 경우에는, 배기 가스에 포함된 질소산화물은 제1 촉매층에서 산화된다. 산화된 질소산화물의 일부는 배기 가스에 포함된 탄화수소와 산화-환원 반응을 하여 질소 기체로 환원된다. 이 과정에서, 배기 가스에 포함된 탄화수소는 이산화탄소로 산화된다.
또한, 산화된 질소산화물의 다른 일부와 배기 가스에 포함된 질소산화물은 제2 촉매층으로 확산되어 흡착된다.
제2인젝터(90)에서 연료가 추가 분사되는 경우에는, 추가 분사된 연료가 연료 분해 촉매을 통과하고, 이 과정에서 연료가 저분자의 탄화수소로 변환된다. 또한, 저분자의 탄화수소의 일부는 산소와 결합된 탄화수소로 변환되어 질소산화물 저감 촉매(40)를 통과한다.
이 때, 제2 촉매층에서는 질소산화물이 상기 탄화수소와 치환 반응을 통하여 탈착된다. 또한, 제1 촉매층에서는 상기 탈착된 질소산화물과 탄화수소/산소와 결합한 탄화수소 사이의 산화-환원 반응에 의하여 질소산화물은 질소 기체로 환원되고 탄화수소/산소와 결합한 탄화수소는 이산화탄소로 산화된다.
따라서, 배기 가스에 포함된 질소산화물과 탄화수소가 정화된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감 촉매의 재생 예측 방법에 사용되는 제어부에서 입력과 출력 관계를 도시한 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 배기가스 질량 유량 검출부(100), 촉매 열화도 검출부(110), 환원제 분사량 검출부(120), NOx량 검출부(130), 제3온도 센서(60), 제4온도 센서(65), 제1산소 센서(25), 그리고 제2산소 센서(62)는 제어부(50)에 전기적으로 연결되어 있으며 검출한 값들을 제어부(50)에 전달한다.
배기가스 질량 유량 검출부(100)는 배기 파이프(20)를 흘러가는 배기가스의 질량 유량을 검출한다.
촉매 열화도 검출부(110)는 질소산화물 저감 촉매(40)의 열화도를 검출한다. 촉매 열화도는 엔진(10)의 가동 히스토리, 질소산화물 저감 촉매(40)의 재생 히스토리, 그리고 재생 후 질소산화물 저감 촉매(40)의 입구부와 출구부 온도 차 등을 고려하여 결정될 수 있다.
환원제 분사량 검출부(120)는 현재 분사되고 있는 환원제 분사량을 검출한다. 상기 환원제 분사량은 제어부(50)에 의하여 듀티 제어되므로 현재 듀티값을 읽음으로써 검출할 수 있다.
제3온도 센서(60)는 질소산화물 저감 촉매(40)의 입구부 온도를 검출한다.
제4온도 센서(65)는 질소산화물 저감 촉매(40)의 출구부 온도를 검출한다.
상기 제3온도 센서(60) 및 제4온도 센서(65)에서 검출된 온도는 설정된 계산에 의하여 질소산화물 저감 촉매(40)의 온도를 결정하는데 사용될 수 있다. 이와는 달리, 상기 질소산화물 저감 촉매(40)의 입구부 온도 또는 상기 질소산화물 저감 촉매(40)의 출구부 온도를 질소산화물 저감 촉매(40)의 온도로 결정할 수도 있다.
제1산소 센서(25)는 배기 가스 재순환 장치(80)를 통과한 배기 가스 내의 산소량을 검출한다. 앞에서 언급한 바와 같이, 제1산소 센서(25)의 검출값은 엔진 출구 공연비로 표시된다.
제2산소 센서(62)는 질소산화물 저감 촉매(40)로 유입되는 배기 가스 내의 산소량을 검출한다. 앞에서 언급한 바와 같이, 제2산소 센서(62)의 검출값은 질소산화물 저감 촉매(40) 전단 공연비로 표시된다.
제어부(50)에서는 상기 전달된 값들을 기초로 엔진 운전 조건, 연료 분사량, 연료 분사 시기, 연료 분사 패턴, 연료의 추가 분사량(즉, 환원제 분사량), 추가 분사 시기(즉, 재생 시기) 및 추가 분사 패턴을 결정하고, 제1,2인젝터(14, 90)를 제어하기 위한 신호를 제1,2인젝터(14, 90)에 출력한다. 또한, 상기 제어부(50)는 차압센서(55)에서 측정된 값을 기초로 매연 필터(30)의 재생을 제어한다. 앞에서 설명한 바와 같이, 매연 필터(30)의 재생은 제1인젝터(14)에 의한 후분사 또는 제2인젝터(90)에 의한 추가 분사에 의하여 수행된다. 더 나아가, 상기 제어부(50)는 상기 제2촉매층에서 탈착되는 이산화질소의 질량 유량, 질소 기체로 환원되는 이산화질소의 질량 유량, 질소산화물 저감 촉매(40)에서 슬립되는 이산화질소의 질량 유량을 계산하고, 이를 기초로 재생 후 상기 제2촉매층에 잔류하는 질산염의 질량과 제1촉매층에 잔류하는 이산화질소의 질량을 계산한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 내연 기관의 배기 장치에는 도 2에 기재된 센서들 외에 다수의 센서들이 장착될 수 있으나, 설명의 편의를 위하여 생략한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물 저감 촉매의 재생 예측 방법을 수행하는 흐름도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에서 각 반응에 참여하는 환원제 질량 유량을 계산하는 것을 수행하는 흐름도이다.
배기가스 질량 유량 검출부(100)는 배기 가스 질량 유량을 검출하고(S210), 촉매 열화도 검출부(110)는 질소산화물 저감 촉매(40)의 열화도를 검출하며(S220), 환원제 분사량 검출부(120)는 배기 가스에 분사된 환원제의 질량 유량을 검출하고(S230), 그리고 제3,4온도 센서(60, 65)의 검출값을 기초로 질소산화물 저감 촉매(40)의 온도를 검출한다(S240).
또한, 제어부(50)는 이전 재생 후 제2촉매층에 잔류하는 질소산화물의 양과 새로이 제2촉매층에 흡착되는 질소산화물의 양으로부터 촉매에 흡착된 질소산화물의 양을 검출하고(S250), 제1산소 센서(25)는 엔진 출구 공연비를 검출하며(S260), 제2산소 센서(62)는 촉매 전단 공연비(S270)를 검출한다. 한편, 제1,2산소 센서(25)의 부정확성 및 시간 지연의 이유로(due to inaccuracy and time delay reasons of the first and second oxygen sensor), 엔진 출구의 공연비와 촉매 전단 공연비는 다음의 식에 의하여 계산될 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
여기서, λExhMnf는 엔진 출구 공연비이고, mAir는 신선한 공기의 질량이며, mFuel 및 mFuel,int는 엔진에 분사된 연료량이고,
Figure pat00003
는 환원제의 질량 유량이며, Lst는 공연비이고, n은 엔진 속도이며, i는 연소 사이클이고, z는 실린더의 개수이다.
제어부(50)는 상기 배기 가스 질량 유량과 질소산화물 저감 촉매(40)의 열화도를 이용하여 설정된 맵으로부터 환원제 이용 효율을 계산하고(S280), 상기 환원제 이용 효율과 분사된 환원제 질량 유량으로부터 질소산화물 저감 촉매(40)에서 일어나는 반응에 참가하는 총 환원제 질량 유량을 계산한다(S290).
그 후, 제어부(50)는 각 반응에 참가하는 환원제 질량 유량을 계산한다(S300).
이하, 도 4를 참고로 각 반응에 참가하는 환원제 질량 유량을 계산하는 과정을 보다 상세히 설명한다.
제어부(50)는 질소산화물 저감 촉매(40)의 온도, 질소산화물 저감 촉매(40) 전단 공연비, 그리고 질소산화물 저감 촉매(40)에 저장된 질소산화물의 양을 이용하여 설정된 맵으로부터 질산염 환원 반응에 사용되는 환원제 질량 유량을 계산하기 위한 제1반응 계수(k1)를 계산한다(S420).
또한, 제어부(50)는 질소산화물 저감 촉매(40)의 온도와 질소산화물 저감 촉매(40)에 흡착된 이산화질소의 양을 이용하여 설정된 맵으로부터 이산화질소 환원 반응에 사용되는 환원제의 질량 유량을 계산하기 위한 제2반응 계수(k2)를 계산한다(S430). 상기 질소산화물 저감 촉매(40)에 흡착된 이산화질소의 양은 이전 재생 후 질소산화물 저감 촉매(40)에 잔류하는 이산화질소의 양과 새로이 질소산화물 저감 촉매(40)에 흡착되는 이산화질소의 양을 이용하여 제어부(50)가 검출한다(S340).
또한, 제어부(50)는 엔진(10)의 공연비로부터 배기 가스 중에 포함된 산소의 농도를 계산하고(S440), 질소산화물 저감 촉매(40)의 온도와 배기 가스 중에 포함된 산소의 농도로부터 단순히 산소와의 산화 반응에 사용되는 환원제의 질량 유량을 계산하기 위한 제3반응 계수(k3)를 계산한다(S450).
그 후, 제어부(50)는 상기 제1,2,3반응 계수(k1, k2, k3)를 합하여 총 반응계수(k)를 구하고(S470), 제1반응 계수(k1)를 총 반응 계수(k)로 나누어 제1반응 계수 비율(r1)을 구하고(S480), 제2반응 계수(k2)를 총 반응 계수(k)로 나누어 제2반응 계수 비율(r2)를 구하며(S490), 제3반응 계수(k3)를 총 반응 계수(k)로 나누어 제3반응 계수 비율(r3)를 구한다.
그 후, 제어부(50)는 제1반응 계수 비율(r1)과 총 환원제 질량 유량을 이용하여 질산염 환원 반응에 사용되는 환원제의 질량 유량을 계산하고(S310), 제2반응 계수 비율(r2)과 총 환원제 질량 유량을 이용하여 이산화질소 환원 반응에 사용되는 환원제의 질량 유량을 계산하며(S320), 제3반응 계수 비율(r3)과 총 환원제 질량 유량을 이용하여 단순히 산화되는 환원제 질량 유량을 계산한다(S330).
상기와 같이 각 반응에 사용되는 환원제 질량 유량이 계산되면(S300), 제어부(50)는 제2촉매층으로부터 탈착되는 이산화질소의 질량 유량을 계산한다(S350). 제2촉매층으로부터 탈착되는 이산화질소의 질량 유량은 하기의 [식 1]을 기초로 계산된다.
[식 1]
Figure pat00004
만일 Mad(알카리 또는 알카리토금속)로 바륨(Ba)을 사용하고 CxHy로 C3H6를 사용하면, [식 1]은 다음과 같다.
9*Ba(NO3)2+C3H6→9*BAO+18NO2+3*CO2+3*H2O
따라서, 총 환원제 질량 유량, 제1반응 계수 비율, 이산화질소의 몰질량, 그리고 환원제의 몰질량으로부터 [식 1]을 이용하여 제2촉매층으로부터 탈착되는 이산화질소의 질량 유량을 계산할 수 있다.
또한, 제어부(50)는 제1촉매층으로부터 환원되는 이산화질소의 질량 유량을 계산한다(S360). 제1촉매층으로부터 환원되는 이산화질소의 질량 유량은 하기의 [식 2]를 기초로 계산된다.
[식 2]
Figure pat00005
만일 CxHy로 C3H6를 사용하면, [식 2]는 다음과 같다.
4.5*NO2+C3H6→2.25*N2+3*CO2+3*H2O
따라서, 총 환원제 질량 유량, 제2반응 계수 비율, 이산화질소의 몰질량, 그리고 환원제의 몰질량으로부터 [식 2]를 이용하여 제1촉매층으로부터 환원되는 이산화질소의 질량 유량을 계산할 수 있다.
또한, 제어부(50)는 단순히 산화되는 환원제의 질량 유량을 하기의 [식 3]을 기초로 계산한다(S330).
[식 3]
Figure pat00006
만일 CxHy로 C3H6를 사용하면, [식 3]은 다음과 같다.
C3H6+4.5*O2→3*CO2+3*H2O
제어부(50)는 질소산화물 저감 촉매(40)의 열화도, 초기 질소산화물 저감 촉매(40)의 슬립 효율, 그리고 열화된 질소산화물 저감 촉매(40)의 슬립 효율을 이용하여 현재 질소산화물 저감 촉매(40)의 슬립 효율을 계산한다(S370). 그리고, 제어부(50)는 현재 질소산화물 저감 촉매(40)의 슬립 효율, 질소산화물 저감 촉매(40)의 온도, 그리고 질소산화물 저감 촉매(40)에 흡착된 이산화질소의 양을 이용하여 이산화질소의 슬립 질량 유량을 계산한다(S380). 그 후, 제어부(50)는 탈착된 이산화질소의 질량 유량에서 환원된 이산화질소의 질량 유량과 슬립된 이산화질소의 질량 유량을 뺀 값을 적분한다(S390).
따라서, 재생 후 질소산화물 저감 촉매(40)에 잔류하는 질소산화물의 양이 계산되고(S400), 재생 후 질소산화물 저감 촉매(40)에 잔류하는 이산화질소의 양이 계산된다(S410).
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

Claims (18)

  1. 총 환원제 질량 유량을 계산하는 단계;
    상기 총 환원제 질량 유량을 이용하여 질산염 환원 반응에 사용되는 환원제 질량 유량, 이산화질소 환원 반응에 사용되는 환원제 질량 유량, 그리고 단순히 산화되는 환원제 질량 유량을 계산하는 단계;
    질산염 환원 반응에 사용되는 환원제 질량 유량 및 이산화질소 환원 반응에 사용되는 환원제 질량 유량을 이용하여 탈착된 이산화질소의 질량 유량과 환원되는 이산화질소의 질량 유량을 계산하는 단계;
    질소산화물 저감 촉매에서 슬립되는 이산화질소의 질량 유량을 계산하는 단계; 그리고
    탈착된 이산화질소의 질량 유량, 환원되는 이산화질소의 질량 유량, 그리고 슬립되는 이산화질소의 질량 유량으로부터 재생 후 상기 질소산화물 저감 촉매에 남는 이산화질소의 질량과 질소산화물의 질량을 계산하는 단계;
    를 포함하는 질소산화물 저감 촉매의 재생 예측 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 총 환원제 질량 유량은 환원제 이용 효율과 분사된 환원제의 질량 유량을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감 촉매의 재생 예측 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 환원제 이용 효율은 배기 가스의 질량 유량과 질소산화물 저감 촉매의 열화도를 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감 촉매의 재생 예측 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    질산염 환원 반응에 사용되는 환원제 질량 유량은 질소산화물 저감 촉매의 온도, 질소산화물 저감 촉매 전단의 공연비(lambda), 촉매에 저장된 질소산화물의 질량, 그리고 총 환원제 질량 유량을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감 촉매의 재생 예측 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    이산화질소 환원 반응에 사용되는 환원제 질량 유량은 질소산화물 저감 촉매에 저장된 이산화질소의 질량, 질소산화물 저감 촉매의 온도, 그리고 총 환원제 질량 유량을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감 촉매의 재생 예측 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    단순히 산화되는 환원제 질량 유량은 질소산화물 저감 촉매의 온도, 엔진 출구의 공연비, 그리고 총 환원제 질량 유량을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감 촉매의 재생 예측 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    질소산화물 저감 촉매에서 슬립되는 이산화질소의 질량 유량은 이산화질소 슬립 효율, 질소산화물 저감 촉매에 저장된 이산화질소의 질량, 그리고 질소산화물 저감 촉매의 온도를 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감 촉매의 재생 예측 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 이산화질소의 슬립 효율은 질소산화물 저감 촉매의 열화도, 초기 질소산화물 저감 촉매의 슬립 효율, 그리고 열화된 질소산화물 저감 촉매의 슬립 효율을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감 촉매의 재생 예측 방법.
  9. 연소실 내 연료를 분사하는 제1인젝터를 가지는 엔진에서 발생된 배기 가스가 흘러가는 배기 파이프;
    상기 배기 파이프에 장착되어 환원제를 분사하는 제2인젝터;
    상기 제2인젝터의 후단 배기 파이프에 장착되어 상기 제2인젝터에서 분사된 환원제를 이용하여 배기 가스에 포함된 질소산화물을 저감시키는 질소산화물 저감 촉매; 그리고
    상기 제2인젝터를 제어하여 질소산화물 저감 촉매를 재생시키고, 재생 후 상기 질소산화물 저감 촉매에 남는 이산화질소의 질량과 질소산화물의 양을 계산하는 제어부;
    를 포함하며,
    상기 제어부는 질소산화물 저감 촉매의 재생에 사용되는 총 환원제 질량 유량을 계산하고, 질산염 환원 반응, 이산화질소 환원 반응, 그리고 환원제의 단순 산화 반응에 사용되는 각 환원제 질량 유량을 계산하며, 상기 각 환원제 질량 유량을 이용하여 질소산화물 저감 촉매로부터 탈착된 이산화질소 질량 유량과 환원되는 이산화질소 질량 유량을 계산하는 것을 특징으로 하는 배기 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는 이산화질소 슬립 효율, 질소산화물 저감 촉매에 저장된 이산화질소의 질량, 그리고 질소산화물 저감 촉매의 온도를 이용하여 상기 질소산화물 저감 촉매에서 슬립되는 이산화질소의 질량 유량을 계산하는 것을 특징으로 하는 배기 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는 질소산화물 저감 촉매로부터 탈착된 이산화질소 질량 유량, 환원되는 이산화질소 질량 유량, 그리고 슬립되는 이산화질소의 질량 유량으로부터 재생 후 상기 질소산화물 저감 촉매에 남는 이산화질소의 질량과 질소산화물의 질량을 계산하는 것을 특징으로 하는 배기 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는 환원제 이용 효율과 분사된 환원제의 질량 유량으로부터 총 환원제 질량 유량을 계산하는 것을 특징으로 하는 배기 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는 배기 가스의 질량 유량과 질소산화물 저감 촉매의 열화도로부터 환원제 이용 효율을 계산하는 것을 특징으로 하는 배기 장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는 질소산화물 저감 촉매의 온도, 질소산화물 저감 촉매 전단의 공연비(lambda), 촉매에 저장된 질소산화물의 질량, 그리고 총 환원제 질량 유량으로부터 상기 질산염 환원 반응에 사용되는 환원제 질량 유량을 계산하는 것을 특징으로 하는 배기 장치.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는 질소산화물 저감 촉매에 저장된 이산화질소의 질량, 질소산화물 저감 촉매의 온도, 그리고 총 환원제 질량 유량으로부터 이산화질소 환원 반응에 사용되는 환원제의 질량 유량을 계산하는 것을 특징으로 하는 배기 장치.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는 질소산화물 저감 촉매의 온도, 엔진 출구의 공연비, 그리고 총 환원제 질량 유량으로부터 환원제의 단순 산화 반응에 사용되는 환원제 질량 유량을 계산하는 것을 특징으로 하는 배기 장치.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는 질소산화물 저감 촉매의 열화도, 초기 질소산화물 저감 촉매의 슬립 효율, 그리고 열화된 질소산화물 저감 촉매의 슬립 효율로부터 상기 이산화질소의 슬립 효율을 계산하는 것을 특징으로 하는 배기 장치.
  18. 제9항에 있어서,
    상기 환원제는 연료이며,
    상기 배기 장치는 제2인젝터와 질소산화물 저감 촉매 사이의 상기 배기 파이프 상에 장착되어 있으며, 상기 연료를 분해하는 연료 분해 촉매를 더 포함하는 배기 장치.
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