KR20130049302A

KR20130049302A - Ｄｏｃ활성 향상시스템 및 향상방법

Info

Publication number: KR20130049302A
Application number: KR20110114235A
Authority: KR
Inventors: 최성무
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2011-11-04
Filing date: 2011-11-04
Publication date: 2013-05-14

Abstract

디젤엔진의 배기가스를 정화하는 DOC(Diesel Oxidation Catalyst); DOC 주변의 배기가스 또는 DOC 내부의 온도를 측정하는 온도측정부; 디젤엔진의 연소 공기과잉율(λ)을 측정하는 과잉율측정부; 및 상기 배기가스 또는 DOC 내부의 온도가 일정온도 범위로 승온되도록 공기과잉율을 1.0 이하의 일정범위로 제어함으로써 상기 DOC 내부의 촉매가 재활성되도록 하는 엔진제어부;를 포함하는 DOC활성 향상시스템 및 향상방법이 소개된다.

Description

ＤＯＣ활성 향상시스템 및 향상방법 {SYSTEM AND METHOD FOR IMPROVING ACTIVITY OF DOC}

본 발명은 디젤엔진 차량의 DOC 촉매를 간단하게 활성화함으로써 배기가스를 효율적으로 정화할 수 있도록 하는 DOC활성 향상시스템 및 향상방법에 관한 것이다.

최근 환경에 대한 관심이 집중되면서 자동차의 배기가스에 대한 규제가 강화되고 있는 실정이다. 일 예로 EURO-6와 같은 경우 규제에의 대응시 DeNOx 시스템이 없는 DOC + DPF 시스템의 경우, Nox 규제의 급격한 감소로 인하여 배기온이 급격하게 감소되고, 또한 HC/CO량이 급격하게 증가하게 된다.

이와 같은 경우, 배기온이 낮아짐에 따라 촉매의 저온 활성을 향상시키는 방법으로는 귀금속량을 증가시키는 것인데, 귀금속량에 따른 배기가스의 정화 효율 특성은 귀금속량이 증가함에 따라 점점 감소하게 된다. 즉, 귀금속량이 증가하여도 촉매의 저온활성 개선량은 미미해지는 것이다.

따라서, 촉매의 저온 활성을 개선하기 위해서는 Pd-RICH (Pt/Pd ≤ 0.67) 촉매를 사용해야 한다. 그러나 이러한 Pd-RICH 촉매의 경우에도 귀금속 증가에 따른 저온활성의 개선이 충분히 개선되지 않는 문제가 있으므로, 촉매가 열적 에이징이 된 후에도 활성화되도록, 촉매를 재활성해 주어야 한다.

이러한 재활성화는 주기적인 LEAN/RICH CYCLE을 적용함으로써, 1) 촉매에 흡착된 HC, SOF, SOOT, 황산화물을 효과적으로 제거하여, 촉매 표면을 CLEAN하게 할 수 있고, 2) LEAN/RICH 주기를 줌으로써, 귀금속의 산화상태를 환원시켜 주어 귀금속으로 존재하게 함으로써, 배기가스의 흡/탈착을 용이하게 하고 CO/HC 정화능을 향상시킬 수 있다. 또한 3) CERIUM NITRATE로 촉매가 존재하는 것으로 LEAN/RICH 재활성을 통하여 NITRATE를 제거하면 WATER GAS SHIFT REACTION을 촉진시켜 CO 저감을 효과적으로 하게 된다.

따라서, 이러한 종래의 귀금속 함량 증대 또는 Pd - RICH 촉매의 사용 등과 같이 단순하고 원가가 증대되는 방법보다, 연소를 제어함으로써 촉매의 저온활성화를 도모하여 제조원가를 줄이고 환경규제에도 대응할 수 있는 DOC 활성 향상시스템 및 향상방법이 필요하였던 것이다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 디젤엔진의 연소제어를 통하여 안전하고 효과적으로 DOC 촉매를 재활성화할 수 있는 DOC활성 향상시스템 및 향상방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 DOC활성 향상시스템은, 디젤엔진의 배기가스를 정화하는 DOC(Diesel Oxidation Catalyst); DOC 주변의 배기가스 또는 DOC 내부의 온도를 측정하는 온도측정부; 디젤엔진의 연소 공기과잉율(λ)을 측정하는 과잉율측정부; 및 상기 배기가스 또는 DOC 내부의 온도가 일정온도 범위로 승온되도록 공기과잉율을 1.0 이하의 일정범위로 제어함으로써 상기 DOC 내부의 촉매가 재활성되도록 하는 엔진제어부;를 포함한다.

또는 DOC활성 향상시스템은, DOC 전단이나 후단의 배기가스 온도 또는 DOC 내부의 온도가 일정범위의 온도로 승온되도록 디젤엔진의 공기과잉율을 1.0 이하의 일정범위로 일정시간 이내에서 제어함으로써 DOC 내부의 촉매가 재활성되도록 하는 엔진제어부;를 포함한다.

한편, 상기 DOC활성 향상시스템을 이용한 DOC활성 향상방법은, DPF(Diesel Particulate Filter)의 재생 후, DOC 전단이나 후단의 배기가스 온도 또는 DOC 내부의 온도가 일정범위의 온도로 승온되도록 디젤엔진의 공기과잉율을 1.0 이하의 일정범위로 일정시간 이내에서 제어함으로써 DOC 내부의 촉매가 재활성되도록 한다.

여기서, 상기 배기가스 온도는 400 ~ 700 ℃이고, DOC 내부온도는 450 ~ 750 ℃일 수 있으며, 상기 공기과잉율은 0.9 ~ 1.0이고, 일정시간은 5 ~ 30 초일 수 있고, 상기 배기가스 온도는 400 ~ 550 ℃이고, DOC 내부온도는 450 ~ 600 ℃일 수 있다.

또한, 평상시에는 디젤엔진의 공기과잉율을 1.0 이상으로 유지하되, 상기 DPF의 재생 후에만 일정시간 이내에서 공기과잉율을 1.0 미만으로 제어할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 DOC활성 향상방법은, 주행거리 또는 연료소모량이 일정량에 다다른 경우, DOC 전단이나 후단의 배기가스 온도 또는 DOC 내부의 온도가 일정범위의 온도로 승온되도록 디젤엔진의 공기과잉율을 1.0 이하의 일정범위로 일정시간 이내에서 제어함으로써 DOC 내부의 촉매가 재활성되도록 할 수 있다.

또한, 이러한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 DOC활성 향상방법은, 디젤엔진의 배기가스를 정화하는 DOC(Diesel Oxidation Catalyst); DOC 주변의 배기가스 또는 DOC 내부의 온도를 측정하는 온도측정부; 디젤엔진의 연소 공기과잉율(λ)을 측정하는 과잉율측정부; 및 상기 공기과잉율을 1.0 이상으로 제어하는 희박연소제어와 상기 배기가스 또는 DOC 내부의 온도가 일정온도 범위로 승온되도록 공기과잉율을 1.0 이하의 일정범위로 제어함으로써 상기 DOC 내부의 촉매가 재활성되도록 하는 과잉연소제어가 한 사이클이 되도록 제어하는 엔진제어부;를 포함할 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 DOC활성 향상시스템 및 향상방법에 따르면, 엔진의 연소를 평상시 희박연소로 유지하다가 필요시에만 농후연소를 하게 됨으로써 효과적으로 DOC 촉매의 활성화가 가능하고, 특히 저온에서의 활성을 주기적으로 증대시켜 귀금속 등의 함유량을 줄일 수 있게 된다.

또한, DPF나 DOC의 구성을 보호하기 위해 배기가스의 온도 등을 고려하여 제어함으로써 부품의 손상을 방지하며 안전하게 배기가스를 정화할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DOC활성 향상방법의 엔진연소 제어를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 DOC활성 향상방법의 효과를 설명하기 위한 일산화탄소 배출 그래프.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DOC활성 향상방법의 연속적용시 효과를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 DOC활성 향상방법의 적용시 배기가스 온도를 고려해야 하는 이유를 설명하기 위한 도면.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 DOC활성 향상시스템 및 향상방법에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DOC활성 향상방법의 엔진연소 제어를 나타낸 그래프로서, 본 발명의 DOC활성 향상시스템은, 디젤엔진의 배기가스를 정화하는 DOC(Diesel Oxidation Catalyst); DOC 주변의 배기가스 또는 DOC 내부의 온도를 측정하는 온도측정부; 디젤엔진의 연소 공기과잉율(λ)을 측정하는 과잉율측정부; 및 상기 배기가스 또는 DOC 내부의 온도가 일정온도 범위로 승온되도록 공기과잉율을 1.0 이하의 일정범위로 제어함으로써 상기 DOC 내부의 촉매가 재활성되도록 하는 엔진제어부;를 포함한다.

또는, 본 발명의 DOC활성 향상시스템은, DOC 전단이나 후단의 배기가스 온도 또는 DOC 내부의 온도가 일정범위의 온도로 승온되도록 디젤엔진의 공기과잉율을 1.0 이하의 일정범위로 일정시간 이내에서 제어함으로써 DOC 내부의 촉매가 재활성되도록 하는 엔진제어부;를 포함한다.

일반적으로 배기가스를 정화하기 위한 시스템은, 디젤엔진, DOC, DPF 순으로 배치되며, 여기서 DOC란 Diesel Oxidation Catalyst(디젤산화촉매)로서 디젤 배기가스의 HC, CO 등의 가스를 제거하며 귀금속 촉매로서 Pt, Pd 등을 사용한다. 그리고, DPF는 Diesel Particulate Filter(입자상물질필터)로서 PM과 같은 매연입자를 포집하고 일정량 포집시 이를 제거토록 한다.

이러한 구성 중 특히 DOC의 경우 배기가스의 정화가 이루어질수록 귀금속 촉매가 산화물에 의해 활성을 잃어가고, 특히 저온에서의 활성도가 낮아져 배기가스의 유해물질 정화가 제대로 이루어지지 못하는 경우가 발생된다.

이러한 DOC의 귀금속 촉매의 활성을 재활성화 하기 위해서 본 발명에서는 디젤엔진의 공기과잉율(λ)을 순간적으로 1.0 이하의 범위 즉, 농후연소를 실시함으로써 배기가스의 온도를 승온시키고 이를 통해 DOC의 촉매를 재활성화시키는 것이 핵심이다.

그러나 이러한 재활성화 과정에서는 고려해야 할 요소가 다양한바, 대표적으로는 DOC의 파괴방지와 DPF의 파괴방지 및 연비의 확보이다.

먼저, DOC의 파괴방지를 위하여는 너무 높은 온도로 배기가스를 가열하는 것을 피하기 위하여, 배기가스 또는 DOC 내부의 온도가 일정온도 범위로까지만 승온되도록 공기과잉율을 1.0 이하의 일정범위로 제어토록 한다.

본 발명의 실시예에서는 상기 배기가스 온도는 400 ~ 700 ℃이고, DOC 내부온도는 450 ~ 750 ℃가 되도록 순간적으로 공기과잉율을 조절한다. 또한, 상기 공기과잉율은 0.9 ~ 1.0이고, 이 범위를 유지하는 일정시간은 5 ~ 30 초의 범위 내에서 선택함으로써 연비를 확보하고 동시에 DOC의 안정성을 보장토록 한다.

한편, 귀금속의 종류에 따라서는 상기 배기가스 온도를 400 ~ 550 ℃범위로 하고, DOC 내부온도의 범위를 450 ~ 600 ℃으로 목표를 잡아 운용함으로써 충분한 재활효과를 얻을 수도 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DOC활성 향상방법의 엔진연소 제어를 나타낸 그래프로서, 평상시 디젤엔진은 항상 공기과잉율 1.0 이상의 희박연소 상태로 운영되고, DPF의 재생시에도 마찬가지라고 할 수 있다. 그러나 특정 시점에서 DOC의 재활이 필요한 경우에는 일정시간의 범위 내에서 공기과잉율을 1.0 미만으로 제어함으로써 순간적으로 DOC 전단의 배기가스 온도를 높이고, 이를 통하여 귀금속의 재활을 이루게 된다. 한편, 이러한 과정은 필요시마다 주기적으로 이루어질 수 있도록 엔진제어부에서 공기과잉율을 제어토록 하는 것이다.

이를 통해 DOC는 저온에서의 촉매활성을 증대시킬 수 있어 귀금속의 증대와 같은 원가부담의 단점을 극복할 수 있게 된다. DOC 촉매의 재활성화는 고온의 농후연소(RICH EXCURSION)에 의한 귀금속 환원, CERIUM NITRATE에서의 NITRATE 제거, DOC의 물리/화학적 흡착물의 제거(예, 황, HC, SOF, PM 등) 등에 기인하는 것이다.

또한, 본 발명의 DOC활성 향상방법은 DPF(Diesel Particulate Filter)의 재생 후, DOC 전단이나 후단의 배기가스 온도 또는 DOC 내부의 온도가 일정범위의 온도로 승온되도록 디젤엔진의 공기과잉율을 1.0 이하의 일정범위로 일정시간 이내에서 제어함으로써 DOC 내부의 촉매가 재활성되도록 하는 것도 가능하다.

즉, DPF의 경우 포집된 PM의 누적시 배기압이 걸리므로 이를 덜어내기 위해 배기가스의 온도를 상승시키고 PM을 태움으로써 제거하도록 한다. 그러나 이러한 경우에도 어디까지나 공기과잉율은 1.0 이상의 범위에서 이루어지는 정도인바, DOC의 재활시 이러한 DPF에 PM이 많이 누적된 경우 경우에 따라서는 DPF의 과열로 DPF가 손상될 수도 있는 것이다.

따라서, 본 발명의 DOC 재활성은 상기 DPF의 재활성 후에 이루어지도록 함으로써 DPF를 보호토록 하는 것이 바람직할 것이다.

또는, 본 발명의 DOC활성 향상방법은, 주행거리 또는 연료소모량이 일정량에 다다른 경우 이루어지도록 함으로써 연비를 확보하고 DOC를 보호하도록 함이 바람직할 것이고, 이러한 DOC 재활성의 시점은 상기 DPF의 재활성 및 주행거리 또는 연료소모량을 모두 고려하여 정하는 것이 가장 바람직할 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 DOC활성 향상방법의 효과를 설명하기 위한 일산화탄소 배출 그래프이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DOC활성 향상방법의 연속적용시 효과를 나타낸 그래프이다.

도 2는 열적으로 에이징한 DOC 촉매(예, 800도, 10시간)를 LEAN/RICH CYCLE(예, DOC INLET 온도: 525℃(LEAN) ~ 660℃(RICH), RICH 20초 / LEAN 1분, 람다 0.95) 1회 적용시 CO 정화율이 급격히 개선되었음을 나타낸다. 촉매가 없을 경우의 CO가 1.2g/km이므로, 정화율이 84%에서 92%로 8% 개선된 것이다. 특히, NEDC 모드를 수십번 주행한 후, 재활성을 실시한 경우 에에징된 촉매 대비 정화율이 약 7% 정도 개선되었다. 따라서, DOC의 재활성을 적용함으로써, 촉매의 정화능력이 개선되었음을 알 수 있다.

도 3은 재활성 횟수에 따른 CO 정화율의 정도로서, 1회 ~ 5회는 거의 동등 수준의 CO 개선율을 가지므로, 1회만 실시해도 CO 정화율이 충분히 개선되었음을 알 수 있다.

한편, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 DOC활성 향상방법의 적용시 배기가스 온도를 고려해야 하는 이유를 설명하기 위한 도면으로서, 그래프와 같이 RICH EXCURSION(농후연소)을 공기과잉율 0.95로 20초 하는 동안 DOC 전단의 온도(T4)는 525℃에서 660℃까지 증가하고, DOC 후단의 온도(T5)는 RICH EXCURSION이 종료된 후에 최고 725℃까지 증가하게 된다. DOC 내부(BED)온도 또한 RICH EXCURSION이 종료된 후, DOC로 유입되는 산소가 많아지면서 최고온도에 도달하게 된다. 따라서, RICH EXCURSION을 해서, DOC ACTIVATION을 시킬 경우, 공기과잉율 값을 유지시키는 시간을 DOC 전/후단 온도를 기준해서 제어해야 하며, RICH 시간이 길어 질수록 RICH에서 LEAN 변환시 DOC의 내부 온도가 급격히 증가하여 열적인 손상을 줄 수 있으므로 DOC의 입구/출구 온도를 기준으로 RICH(농후연소) 시간을 조절해야 한다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

Claims

디젤엔진의 배기가스를 정화하는 DOC(Diesel Oxidation Catalyst);
DOC 주변의 배기가스 또는 DOC 내부의 온도를 측정하는 온도측정부;
디젤엔진의 연소 공기과잉율(λ)을 측정하는 과잉율측정부; 및
상기 배기가스 또는 DOC 내부의 온도가 일정온도 범위로 승온되도록 공기과잉율을 1.0 이하의 일정범위로 제어함으로써 상기 DOC 내부의 촉매가 재활성되도록 하는 엔진제어부;를 포함하는 DOC활성 향상시스템.
DOC 전단이나 후단의 배기가스 온도 또는 DOC 내부의 온도가 일정범위의 온도로 승온되도록 디젤엔진의 공기과잉율을 1.0 이하의 일정범위로 일정시간 이내에서 제어함으로써 DOC 내부의 촉매가 재활성되도록 하는 엔진제어부;를 포함하는 DOC활성 향상시스템.
DPF(Diesel Particulate Filter)의 재생 후, DOC 전단이나 후단의 배기가스 온도 또는 DOC 내부의 온도가 일정범위의 온도로 승온되도록 디젤엔진의 공기과잉율을 1.0 이하의 일정범위로 일정시간 이내에서 제어함으로써 DOC 내부의 촉매가 재활성되도록 하는 DOC활성 향상방법.
청구항 3에 있어서,
상기 DOC 전단의 배기가스 온도는 400 ~ 700 ℃이고, DOC 내부온도는 450 ~ 750 ℃인 것을 특징으로 하는 DOC활성 향상방법.
청구항 3에 있어서,
상기 공기과잉율은 0.9 ~ 1.0이고, 일정시간은 5 ~ 30 초인 것을 특징으로 하는 DOC활성 향상방법.
청구항 3에 있어서,
상기 DOC 전단의 배기가스 온도는 400 ~ 550 ℃이고, DOC 내부온도는 450 ~ 600 ℃인 것을 특징으로 하는 DOC활성 향상방법.
청구항 3에 있어서,
평상시에는 디젤엔진의 공기과잉율을 1.0 이상으로 유지하되, 상기 DPF의 재생 후에만 일정시간 이내에서 공기과잉율을 1.0 미만으로 제어하는 것을 특징으로 하는 DOC활성 향상방법.
주행거리 또는 연료소모량이 일정량에 다다른 경우, DOC 전단이나 후단의 배기가스 온도 또는 DOC 내부의 온도가 일정범위의 온도로 승온되도록 디젤엔진의 공기과잉율을 1.0 이하의 일정범위로 일정시간 이내에서 제어함으로써 DOC 내부의 촉매가 재활성되도록 하는 DOC활성 향상방법.
디젤엔진의 배기가스를 정화하는 DOC(Diesel Oxidation Catalyst);
DOC 주변의 배기가스 또는 DOC 내부의 온도를 측정하는 온도측정부;
디젤엔진의 연소 공기과잉율(λ)을 측정하는 과잉율측정부; 및
상기 공기과잉율을 1.0 이상으로 제어하는 희박연소제어와 상기 배기가스 또는 DOC 내부의 온도가 일정온도 범위로 승온되도록 공기과잉율을 1.0 이하의 일정범위로 제어함으로써 상기 DOC 내부의 촉매가 재활성되도록 하는 과잉연소제어가 한 사이클이 되도록 제어하는 엔진제어부;를 포함하는 DOC활성 향상시스템.