KR20170096684A - 요소수 회수 제어방법과 컨트롤러 및 요소수 분사 시스템 - Google Patents

요소수 회수 제어방법과 컨트롤러 및 요소수 분사 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 요소수 회수 제어방법은 Key-off 시 Build-up 수행과 대기온도 및 배기온도가 요소수 회수를 위한 After-Run 인자로 검출되고, Build-up 수행 후 요소수 빙결(Freezing)과 요소수 결정화(Crystallization)가 대기온도와 배기온도의 병렬조건으로 판단되며, 요소수 빙결과 요소수 결정화 중 어느 하나의 충족 시 요소수 회수를 위한 After-Run이 수행되도록 컨트롤러(10)로 구현되고, 컨트롤러(10)가 차량의 배기시스템에 적용된 SCR 분사시스템(1)을 제어함으로써 Key-off 시 펌프(5)의 가동 최소화로 펌프(5) 및 분사모듈(7)의 내구성악화와 배터리 소모가 방지되고, 특히 다음 운행에 의한 Build-up 시간소요를 줄여줌으로써 요소수 분사 대기 시간 소요가 짧아지는 특징을 갖는다.

Description

요소수 회수 제어방법과 컨트롤러 및 요소수 분사 시스템{Method for Controlling Urea After-Run, Controller and Selective Catalytic Reduction Injection System thereof}
본 발명은 요소수 회수 제어에 관한 것으로, 특히 펌프의 불필요한 가동을 방지한 요소수 회수 제어방법과 컨트롤러 및 요소수 분사 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 물에 요소를 희석한 수용액인 요소수는 SCR(Selective Catalyst Reduction)촉매로 분사되어 화학반응을 통해 NOx를 질소(N2)와 물(H2O)로 분해한다. 그러므로, 배기가스에 NOx, CO, 그을음(soot), 입자상 물질(Particulate Matters)등이 포함된 디젤 차량은 NOx 제거 법규충족을 위해 SCR(Selective Catalytic Reduction) 분사 시스템에서 요소수를 분사하고, 화학반응을 통해 NOx를 질소(N2)와 물(H2O)로 분해한다.
환원반응 화학식 : 2NH3 + 2O2 → N2O + 3H2O, 4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O, 4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O
특히, 상기 SCR 분사 시스템에는 요소수 상변화 방지장치를 더 구비함으로써 어떠한 외부조건에서도 요소수를 액체 상태로 유지하여 준다. 이러한 이유는 요소수가 물과 거의 일치하는 온도에 따른 상변화를 가짐으로써 어는점 이하의 온도에서는 빙결(Freezing)이 되며, 끓는점 이상의 온도에서는 기화가 되어 요소만 결정체(Crystallization)로 남는 현상을 방지하기 위함이다. 이를 위해, 상기 요소수 상변화 방지장치는 히터와 펌프를 포함하고, 상기 히터와 상기 펌프는 DCU(Dosing Control Unit)(또는 엔진 ECU(Electronic Control Unit))로 제어된다.
일례로, DCU(또는 엔진 ECU)는 차량 운행(Key-on) 중 전기적 히터 작동에 의한 온도 유지로 상변화를 방지하여 요소수를 액체 상태로 유지한다. 반면, DCU(또는 엔진 ECU)는 차량 운행 정지(Key-off) 상태에서 전기적 히터 작동 및 냉각수 유동이 불가능하기 때문에 펌프에 의한 After-Run로직(요소수 회수 기능)으로 요소수의 우레아 탱크 회수를 수행함으로써 요소수 빙결로 인한 요소수 분사 장치의 파손 방지와 배기열에 의한 요소수 기화를 방지한다.
그러므로, DCU(또는 엔진 ECU)에 의한 요소수 흐름은 SCR시스템이 작동할 때는 펌프가 요소수를 탱크로부터 빨아들여 분사모듈로 공급하는 Build-up(빌드업) 과정을 거치는 반면 차량 운행 정지(Key-off) 시에는 Build-up 과정과 반대로 펌프가 분사모듈로부터 요소수를 빨아들여 탱크로 다시 채우는 After-Run 과정을 거친다.
국내특개10-2013-0013487(2013년02월06일)
하지만, DCU(또는 엔진 ECU)의 After-Run 로직은 시동 키 스위치(Ignition Key switch)에 만 연동됨으로써 Key-off 시 마다 펌프를 작동시키고, 이는 요소수 빙결의 염려가 없어 요소수 회수 기능이 불필요한 상황에서도 펌프가 가동됨으로써 펌프 및 분사모듈의 내구성악화와 배터리 소모 발생 등을 가져올 수밖에 없다.
특히, 다음 운행 시 분사모듈의 요소수 분사를 위한 Build-up 시간은 요소수 라인에 채워진 요소수에 의존됨으로써 불필요한 After-Run에 의한 요소수 회수는 Build-up 수행에 의한 SCR 분사 시스템의 대기 시간 소요를 가져올 수밖에 없다.
이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 요소수 빙결 및 기화조건이 반영된 After-Run 실행으로 Key-off 시에도 펌프의 불필요한 가동을 방지함으로써 펌프 및 분사모듈의 내구성악화 및 배터리 소모 발생이 방지되고, 특히 다음 운행에 의한 Build-up 시간소요를 줄여줌으로써 요소수 분사 대기 시간 소요가 짧아지는 요소수 회수 제어방법과 컨트롤러 및 요소수 분사 시스템의 제공에 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 요소수 회수 제어방법은 (A) 엔진의 Key-off를 검출하면, 요소수 회수를 위한 After-Run 인자가 컨트롤러에 의해 검출되는 단계; (B) 상기 After-Run 인자로 요소수 빙결(Freezing)과 요소수 결정화(Crystallization)가 상기 컨트롤러에 의해 판단되는 단계; (C) 상기 After-Run 인자가 상기 요소수 빙결과 상기 요소수 결정화 중 어느 하나를 충족하면, 요소수 회수를 위한 After-Run이 상기 컨트롤러에 의해 수행된 후 SCR 분사 시스템이 종료되는 단계; 가 포함된 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 After-Run 인자는 Build-up, 차량 배기가스의 배기온도, 차량 외부의 대기온도이다.
바람직한 실시예로서, 상기 Build-up이 검출되지 않으면, 상기 After-Run의 수행없이 상기 SCR 분사 시스템이 종료된다.
바람직한 실시예로서, 상기 Build-up이 검출 시 상기 배기온도는 요소수 결정화(Crystallization)조건으로 상기 대기온도는 요소수 빙결(Freezing)조건으로 각각 적용되고, 병렬로 판단된다. 상기 배기온도는 x℃(요소수 결정화 온도)와 비교되고, 상기 대기온도는 x℃(요소수 빙결 온도)와 비교된다.
바람직한 실시예로서, 상기 배기온도가 x℃(요소수 결정화 온도)보다 높으면서 동시에 상기 대기온도가 x℃(요소수 빙결 온도)보다 높으면, 상기 After-Run이 수행되고; 상기 배기온도가 x℃(요소수 결정화 온도)보다 낮으면서 동시에 상기 대기온도가 x℃(요소수 빙결 온도)보다 낮으면, 상기 After-Run이 수행되며; 상기 배기온도가 x℃(요소수 결정화 온도)보다 낮으면서 동시에 상기 대기온도가 x℃(요소수 빙결 온도)보다 높으면, 상기 After-Run이 수행되지 않는다.
그리고, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 컨트롤러는 Key-off 시 Build-up 수행과 대기온도 및 배기온도가 요소수 회수를 위한 After-Run 인자로 검출되고, Build-up 수행 후 요소수 빙결(Freezing)과 요소수 결정화(Crystallization)가 대기온도와 배기온도의 병렬조건으로 판단되며, 요소수 빙결과 요소수 결정화 중 어느 하나의 충족 시 요소수 회수를 위한 After-Run이 수행되고; 대기온도와 배기온도가 설정값과 비교된 테이블로 구축된 After-Run 맵과 연계된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 요소수 분사 시스템은 Key-off 시 Build-up 수행과 대기온도 및 배기온도가 요소수 회수를 위한 After-Run 인자로 검출되고, Build-up 수행 후 요소수 빙결(Freezing)과 요소수 결정화(Crystallization)가 대기온도와 배기온도의 병렬조건으로 판단되며, 요소수 빙결과 요소수 결정화 중 어느 하나의 충족 시 요소수 회수를 위한 After-Run이 수행되고, 대기온도와 배기온도가 설정값과 비교된 테이블로 구축된 After-Run 맵과 연계된는 컨트롤러; 상기 컨트롤러와 협조 제어하고, 엔진을 제어하는 엔진 ECU(Electronic Control Unit); 가 포함된 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 컨트롤러는 요소수 분사를 제어하는 DCU(Dosing Control Unit)이고, 상기 DCU의 요소수 분사제어는 배기가스의 NOx를 제거한 배출가스로 배출하는 SCR(Selective Catalyst Reduction)에 수행된다.
이러한 본 발명의 SCR 분사 시스템은 요소수 회수를 위한 After-Run 실행이 Key-off와 함께 요소수 빙결 및 기화조건을 반영함으로써 다음과 같은 장점 및 효과가 있다.
첫째, Key-off 시에도 After-Run 실행이 요소수 회수 기능을 필요로 하는 상황에서만 이루어짐으로써 불필요한 펌프 구동이 방지된다. 둘째, 펌프 구동 횟수를 줄여줌으로써 펌프 및 분사 모듈의 내구성 향상이 이루어진다. 셋째, Key-off 후 알터네이터의 비작동 상황에서 After-Run 실행이 줄어들어 배터리 소모 전력 저감을 방지한다. 넷째, 요소수 빙결 및 기화조건이 아닌 상황에서 After-Run 미 실시로 요소수가 라인에 항시 채워져 있는 상태를 유지함으로써 다음 운행 시 요소수를 라인에 채우는 Build-up을 위한 펌프 구동이 불필요하다. 다섯째, Build-up 과정의 생략으로 SCR 분사 시스템의 대기 시간을 단축할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 요소수 회수 제어방법의 순서도이고, 도 2는 본 발명에 따른 요소수 회수 제어방법이 수행되는 컨트롤러를 적용한 요소수 분사 시스템의 구성예이며, 도 3은 본 발명에 따른 요소수 분사 시스템의 After-Run 실행 상태이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 요소수 회수 제어방법의 순서도를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 요소수 회수 제어방법은 Key-off, Build-up, 대기온도와 배기온도를 요소수 회수 기능 로직의 After-Run 인자로 적용함으로써 요소수 회수 기능을 수행하지 않아도 되는 다양한 조건이 반영된다. 그 결과, 요소수 회수 제어방법은 엔진의 Key-off 마다 펌프 구동 방지로 펌프 및 분사 모듈의 내구성 향상, 배터리 소모 전력 저감 방지, 신속한 Build-up 수행, SCR 분사 시스템 대기 시간 단축이 구현되는 특징을 갖는다.
한편, 도 2는 본 발명에 따른 요소수 분사 시스템(이하, SCR(Selective Catalytic Reduction)분사 시스템)의 구성을 나타낸다. 도시된 바와 같이, SCR 분사 시스템(1)은 요소수를 저장하는 요소수 탱크(3), 요소수를 펌핑하는 펌프(5), 요소수를 분사하는 분사모듈(7), 어는점 이하의 온도에서 요소수의 빙결(Freezing)을 방지도록 요소수 온도를 올려주는 히터(9), After-Run 맵(10-1)이 연계된 컨트롤러(10)를 포함하고, 상기 컨트롤러(10)는 펌프(5)와 분사모듈(7) 및 히터(9)를 제어하고, 요소수 분사 시스템(1)이 적용된 차량의 엔진을 제어하는 엔진 ECU(Electronic Control Unit)(20)와 협조 제어한다.
특히, 상기 SCR 분사 시스템(1)은 엔진(100)에서 나온 배기가스가 배출되는 배기시스템(200)에 장착된 SCR(Selective Catalyst Reduction)과 연계되고, SCR에 요소수를 분사함으로써 SCR을 통해 배기가스의 NOx가 제거되고, 배출가스 규제를 초과하지 않는 배출가스를 배출하도록 작용한다.
또한, 상기 SCR 분사 시스템(1)에는 요소수의 농도를 계산하여 요소수 농도에 따른 배출가스 NOx 규제량을 모니터링하는 초음파 타입 UQS(Urea Quality Sensor), SCR의 전단과 후단에서 NOx 농도를 검출하는 NOx 센서가 더 포함된다.
이하, 본 발명의 요소수 회수 제어방법에 대한 실시예를 After-Run 수행이 이루어지는 도 3을 참조로 상세히 설명한다. 이 경우, 제어주체는 After-Run 맵(10-1)과 연계된 컨트롤러(10)이고, 상기 컨트롤러(10)는 DOC 또는 엔진 ECU와 협조 제어하는 DOC를 적용한다.
S10은 Key-off를 검출하는 단계이고, S20은 Key-off전 Build-up이 수행되었는지를 판단하는 단계이다.
도 3을 참조하면, 컨트롤러(10)는 엔진 ECU(20)로부터 Key-off 신호를 읽어 엔진의 Key-off를 인식하고, Key-off 전 펌프(5)의 구동여부를 검출하여 Build-up 수행여부를 판단한다. 그 결과, Key-off이면서 펌프(5)의 구동이 없었으면 Build-up 미 수행으로 판단함으로써 S70으로 전환해 SCR 분사 시스템을 종료(OFF)한다. 이러한 이유는, Build-up이 Key-off 이전에 수행이 되지 않았다면 요소수가 요소수 탱크(3)로부터 공급되지 않았기 때문에 요소수 회수 기능 자체를 실시할 필요가 없음에 기인한다. 반면, Key-off이면서 펌프(5)의 구동이 있었으면 Build-up 수행으로 판단함으로써 S30으로 진입하여 After-Run 수행여부에 대한 절차를 수행한다.
S30은 After-Run 인자를 검출하는 단계이다.
도 3을 참조하면, 컨트롤러(10)는 엔진 ECU(20)로부터 대기온도와 배기온도를 읽고, 검출된 대기온도와 배기온도의 각각을 After-Run 인자로 적용한다.
S40-1과 S40-2 및 S40-3은 검출된 After-Run 인자로 After-Run 수행 적합성을 판단하는 단계로서, 상기 After-Run 수행 적합성은 대기온도와 배기온도는 병렬로 조건을 판단된다. 이러한 이유는 배기온도가 특정 온도 이하여도 대기온도가 특정 온도 이하이면 요소수 빙결(Freezing) 방지를 위해 요소수 회수 기능을 실시해야 하며, 대기온도가 특정 온도 이상이어도 배기온도가 특정 온도 이상이면 요소수 결정화(Crystallization)방지를 위해 요소수 회수 기능을 실시해야 함에 기인된다.
도 3을 참조하면, 컨트롤러(10)는 After-Run 맵(10-1)과 연계하여 검출된 대기온도와 배기온도의 각각에 대한 기준값 비교로 After-Run 수행 적합성을 판단한다. 일례로, 상기 After-Run 수행 적합성은 배기온 > x℃ 및 대기온도 > x℃를 적용한다. 배기온 > x℃에서 "x"는 요소수 결정화(Crystallization)가 가능한 배기가스온도이고, 대기온도 > x℃에서 "x"는 요소수 빙결(Freezing)이 가능한 대기온도로서 약 -7℃(영하 7도)로 설정된다.
S40-1에서 배기온이 x℃(요소수 결정화 온도)보다 높으면서 동시에 대기온도가 x℃(요소수 빙결 온도)보다 높으면, 컨트롤러(10)는 현재 차량 조건이 요소수 결정화 방지를 위한 After-Run 수행을 필요로 한다고 판단함으로써 펌프(5)를 구동한다. 그 결과, S50-1의 After-Run 수행과 S60-1의 요소수 회수가 이루어지도록 펌프(5)가 구동됨으로써 Build-up 후 잔존하는 모든 요소수가 분사모듈(7)로부터 요소수 탱크(3)로 회수된다. 반면, S40-1의 조건 미 충족시 컨트롤러(10)는 S40-2로 전환한다.
S40-2에서 배기온이 x℃(요소수 결정화 온도)보다 낮으면서 동시에 대기온도가 x℃(요소수 빙결 온도)보다 낮으면, 컨트롤러(10)는 현재 차량 조건이 요소수 결정화 방지와 더불어 요소수 빙결 방지를 위한 After-Run 수행을 필요로 한다고 판단함으로써 펌프(5)를 구동한다. 그 결과, S50-1의 After-Run 수행과 S60-1의 요소수 회수가 이루어지도록 펌프(5)가 구동됨으로써 Build-up 후 잔존하는 모든 요소수가 분사모듈(7)로부터 요소수 탱크(3)로 회수된다. 반면, S40-2의 조건 미 충족시 컨트롤러(10)는 S40-3으로 전환한다.
S40-3에서 배기온이 x℃(요소수 결정화 온도)보다 낮으면서 동시에 대기온도가 x℃(요소수 빙결 온도)보다 높으면, 컨트롤러(10)는 현재 차량 조건이 After-Run 수행을 필요로 하지 않는다고 판단함으로써 펌프(5)를 구동하지 않는다. 그 결과, S50-2와 같이 After-Run이 미 수행됨으로써 S60-2과 같이 요소수 미회수 상태가 된다. 반면, S40-3의 조건 미 충족시 컨트롤러(10)는 S40-1로 복귀됨으로써 After-Run 수행 적합성을 다시 판단한다.
그러므로, S40-1과 S40-2 및 S40-3의 다단계로 After-Run 수행 적합성이 판단됨으로써 동절기를 제외한 계절에서는 일반적인 주행 후 요소수 회수 기능이 수행되지 않고, 아울러 동절기에서도 특정 대기온 이상이라면 일반적인 주행 후 요소수 회수 기능을 수행하지 않게 된다. 일례로, 일반적인 주행을 가정하였을 경우 요소수 어는점이 -7℃이므로 최저 기온이 -7℃를 제외한 날이(2014년 대관령 기준) 365-90 = 275일(전체 75%)이다. 그러므로, 배기온도와 대기온도를 After-Run 인자로 적용하지 않는 종전 대비 요소수 회수 기능을 최소 25% 만 사용할 수 있다.
S70은 SCR 분사 시스템이 After-Run 미 수행 또는 After-Run 수행 후 종료되는 단계이다,
전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 요소수 회수 제어방법은 Key-off 시 Build-up 수행과 대기온도 및 배기온도가 요소수 회수를 위한 After-Run 인자로 검출되고, Build-up 수행 후 요소수 빙결(Freezing)과 요소수 결정화(Crystallization)가 대기온도와 배기온도의 병렬조건으로 판단되며, 요소수 빙결과 요소수 결정화 중 어느 하나의 충족 시 요소수 회수를 위한 After-Run이 수행되도록 컨트롤러(10)로 구현되고, 컨트롤러(10)가 차량의 배기시스템에 적용된 SCR 분사시스템(1)을 제어함으로써 Key-off 시 펌프(5)의 가동 최소화로 펌프(5) 및 분사모듈(7)의 내구성악화와 배터리 소모가 방지되고, 특히 다음 운행에 의한 Build-up 시간소요를 줄여줌으로써 요소수 분사 대기 시간 소요가 짧아진다.
1 : SCR(Selective Catalytic Reduction) 분사 시스템
3 : 요소수 탱크 5 : 펌프
7 : 분사모듈 9 : 히터
10 : 컨트롤러 10-1 : After-Run 맵
20 : 엔진 ECU(Electronic Control Unit)

Claims (13)

  1. (A) 엔진의 Key-off를 검출하면, 요소수 회수를 위한 After-Run 인자가 컨트롤러에 의해 검출되는 단계;
    (B) 상기 After-Run 인자로 요소수 빙결(Freezing)과 요소수 결정화(Crystallization)가 상기 컨트롤러에 의해 판단되는 단계;
    (C) 상기 After-Run 인자가 상기 요소수 빙결과 상기 요소수 결정화 중 어느 하나를 충족하면, 요소수 회수를 위한 After-Run이 상기 컨트롤러에 의해 수행된 후 SCR 분사 시스템이 종료되는 단계;
    가 포함된 것을 특징으로 하는 요소수 회수 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 After-Run은 펌프의 구동으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 요소수 회수 제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 After-Run 인자는 Build-up, 차량 배기가스의 배기온도, 차량 외부의 대기온도인 것을 특징으로 하는 요소수 회수 제어방법.

  4. 청구항 3에 있어서, 상기 Build-up이 검출되지 않으면, 상기 After-Run의 수행없이 상기 SCR 분사 시스템이 종료되는 것을 특징으로 하는 요소수 회수 제어방법.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 Build-up이 검출 시 상기 배기온도는 요소수 결정화(Crystallization)조건으로 상기 대기온도는 요소수 빙결(Freezing)조건으로 각각 적용되고, 병렬로 판단되는 것을 특징으로 하는 요소수 회수 제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 배기온도는 x℃(요소수 결정화 온도)와 비교되고, 상기 대기온도는 x℃(요소수 빙결 온도)와 비교되는 것을 특징으로 하는 요소수 회수 제어방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 배기온도가 x℃(요소수 결정화 온도)보다 높으면서 동시에 상기 대기온도가 x℃(요소수 빙결 온도)보다 높으면, 상기 After-Run이 수행되는 것을 특징으로 하는 요소수 회수 제어방법.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 배기온도가 x℃(요소수 결정화 온도)보다 낮으면서 동시에 상기 대기온도가 x℃(요소수 빙결 온도)보다 낮으면, 상기 After-Run이 수행되는 것을 특징으로 하는 요소수 회수 제어방법.
  9. 청구항 6에 있어서, 상기 배기온도가 x℃(요소수 결정화 온도)보다 낮으면서 동시에 상기 대기온도가 x℃(요소수 빙결 온도)보다 높으면, 상기 After-Run이 수행되지 않는 것을 특징으로 하는 요소수 회수 제어방법.
  10. 대기온도와 배기온도가 설정값과 비교된 테이블로 구축된 After-Run 맵(;
    청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 의한 요소수 회수 제어방법이 상기 After-Run 맵과 연계되어 수행되는 것을 특징으로 하는 컨트롤러.
  11. 청구항 10에 의한 컨트롤러;
    상기 컨트롤러와 협조 제어하고, 엔진을 제어하는 엔진 ECU(Electronic Control Unit);
    가 포함된 것을 특징으로 하는 요소수 분사 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 컨트롤러는 요소수 분사를 제어하는 DCU(Dosing Control Unit)인 것을 특징으로 하는 요소수 분사 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 DCU의 요소수 분사제어는 배기가스의 NOx를 제거한 배출가스로 배출하는 SCR(Selective Catalyst Reduction)에 수행되는 것을 특징으로 하는 요소수 분사 시스템.
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