KR20200036478A - 배기 가스 정화 장치 및 배기 가스 정화 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 정화 방법은, 차압 센서를 통해 DPF 전후단의 차압을 검출하는 차압 검출 단계와, 상기 DPF 전후단의 차압을 제1 설정값과 비교하는 제1 차압 비교 단계와, 상기 DPF 전후단의 차압이 상기 제1 설정값보다 크면, 상기 DPF에 연료를 후분사하고, 상기 DPF 전단의 배기가스 온도를 제1 온도로 승온하여 상기 DPF를 재생시키는 단계와, 상기 DPF 전후단의 차압을 검출하고, 상기 DPF 전후단의 차압을 상기 제1 설정값과 비교하는 제2 차압 비교 단계와, 상기 DPF 전후단의 차압이 제1 설정값보다 작으면, SCR 장치의 전후단에 구비된 질소산화물 센서를 통해 상기 SCR 장치의 질소산화물 정화율을 검출하는 단계와, 상기 SCR 장치의 질소산화물 정화율을 제2 설정값과 비교하는 제1 질소산화물 정화율 비교 단계와, 상기 SCR 장치의 질소산화물 정화율이 제2 설정값보다 작으면, 상기 SCR 장치에 연료를 후분사하고, 상기 SCR 장치 전단의 배기가스 온도를 제2 온도로 승온하여 상기 SCR 장치를 재생시키는 단계와, 상기 SCR 장치의 질소산화물 정화율을 검출하고, 상기 SCR 장치의 질소산화물 정화율을 상기 제2 설정값과 비교하는 제2 질소산화물 정화율 비교 단계, 및 상기 SCR 장치의 질소산화물 정화율이 제2 설정값보다 작으면, 경고등을 점등하는 단계를 포함한다.

Description

배기 가스 정화 장치 및 배기 가스 정화 방법{SYSTEM AND METHOD OF PURIFYING EXHAUST GAS}
본 발명은 배기 가스 정화 장치 및 배기 가스 정화 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 선택적환원촉매(Selective Catalytic Reduction; SCR) 장치의 재생 전에 우레아 부산물에 의한 피독을 제거할 수 있는 배기 가스 정화 장치 및 배기 가스 정화 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 엔진의 배기 시스템은 배기 가스 중에 함유된 공해 물질인 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 입자상물질(Particulate Matter, PM), 질소산화물(NOx) 등을 감소시키기 위해 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst, DOC) 장치, 디젤 매연 필터(Diesel Particulate matter Filter, DPF), 및 선택적환원촉매 (Selective Catalyst Reduction, SCR) 장치 및 질소산화물 흡장촉매(Lean NOx Trap, LNT 촉매) 장치 등과 같은 배기 가스 후처리 장치를 구비하고 있다.
LNT 장치는 엔진의 희박 연소에 의해 발생되는 질소산화물을 흡장하여 저장하고, 환원 작용으로 질소산화물을 질소로 환원시켜 배출하며, DPF는 디젤 내연 기관에서 발생하는 입자상 물질을 물리적으로 여과하기 위한 장치로 입자상 물질이 포집되면 일정 주기로 이를 제거하는 과정을 거치는데, 이러한 과정을 재생(regeneration) 과정이라 하며, 이를 통해 반영구적으로 사용이 가능하다. 또한, SCR 촉매는 DPF를 통과한 배기 가스의 질소산화물을 저감시키는 역할을 한다.
한편, 배기 가스의 질소산화물을 제거하기 위하여 우레아(urea) 분사 시스템을 사용할 경우, 우레아에 의한 부산물이 SCR 촉매에 피독되어 SCR의 성능이 저하될 수 있다. 이 경우, SCR의 효율이 저하되어 고장 모드를 발생시키게 되어 사용자은 촉매 교환 등의 정비를 받게 된다. 그러나, 일반적인 우레아 부산물은 높은 온도에서 제거되어 SCR의 성능이 회복될 수 있다. 따라서, SCR 성능 저하 고장 모드(엔진 경고등의 점등)가 발생되기 전에 우레아 부산물에 의한 피독을 먼저 해소하여 SCR의 성능을 정상적으로 회복시키는 방안이 연구되고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예는 DPF 전후단의 차압과 SCR 장치의 질소산화물 정화율을 측정하여 DPF 재생에 의해 우레아 부산물에 의한 피독을 먼저 해소함으로써, SCR의 성능을 회복시킬 수 있는 배기 가스 정화 장치 및 배기 가스 정화 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치는, 연료를 그 내부로 분사하기 위한 인젝터를 포함하며, 공기와 연료의 혼합기를 태워 동력을 생산하고, 연소 과정에서 발생한 배기 가스를 배기 파이프를 통하여 외부로 배출하는 엔진과, 상기 배기 파이프에 장착되어 있으며, 희박(lean)한 분위기에서 배기 가스에 포함된 질소산화물을 흡장하고, 농후(rich)한 분위기에서 흡장된 질소산화물을 탈착하며 배기 가스에 포함된 질소산화물 또는 탈착된 질소산화물을 환원시키는 질소산화물 흡장 촉매(Lean NOx Trap; LNT) 장치와, 상기 LNT 장치 후단의 상기 배기 파이프에 장착되어 있으며, 배기 가스에 환원제를 분사하도록 된 분사 모듈과, 상기 분사 모듈 후단의 상기 배기 파이프에 장착되어 있으며, 배기 가스에 포함된 입자상 물질을 포집하는 디젤 매연 필터(Diesel Particulate Filter; DPF)와, 상기 DPF 후단의 상기 배기 파이프에 장착되어 있으며, 상기 DPF를 통과한 배기 가스의 질소산화물을 저감시키는 선택적환원촉매(Selective Catalytic Reduction; SCR) 장치, 및 상기 DPF 전후단의 차압과 제1 설정값의 비교를 통해 상기 DPF 전단의 배기가스 온도를 상승시켜 상기 DPF를 재생하고, 상기 SCR 장치의 질소산화물 정화율과 제2 설정값의 비교를 통해 상기 SCR 장치 전단의 배기가스 온도를 상승시켜 상기 SCR 장치를 재생하도록 제어하는 제어기를 포함한다.
상기 엔진과 상기 LNT 장치 사이에는, 저압 배기 가스 재생(Low Pressure-Exhaust Gas Regeneration; LP-EGR) 장치가 더 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치는, 상기 분사 모듈과 상기 DPF 사이의 배기 파이프에 장착되며, 환원제를 배기 가스에 골고루 혼합시키는 믹서(Mixer)를 더 포함할 수 있다.
상기 DPF 전단에는 상기 DPF에 유입되는 배기 가스에 포함된 질소산화물 양을 측정하여 이에 대한 신호를 상기 제어기에 전달하는 제1 질소산화물 센서가 구비되고, 상기 SCR 후단에는 SCR로부터 배출된 배기 가스에 포함된 질소산화물의 양을 검출하고, 이에 대한 신호를 상기 제어기에 전달하는 제2 질소산화물 센서가 구비될 수 있다.
상기 배기 파이프에는 상기 DPF 전단과 상기 SCR 장치 후단 사이에 구비되어 상기 DPF 전후단의 압력 차이를 측정하여 이에 대한 신호를 상기 제어기에 전달하는 차압 센서가 구비될 수 있다.
상기 LNT 전단에는 상기 LP-EGR 장치를 통과한 배기 가스의 온도를 검출하여 이에 대한 신호를 상기 제어기에 전달하는 제1 온도 센서가 구비되고, 상기 LNT 후단에는 상기 DPF에 유입되는 배기 가스의 온도를 측정하여 이에 대한 신호를 상기 제어기에 전달하는 제2 온도 센서가 구비될 수 있다.
상기 LNT 전단에는 상기 LP-EGR 장치를 통과한 배기 가스 내의 산소량을 검출하여 이에 대한 신호를 상기 제어기에 전달하는 제1 산소 센서가 구비되고, 상기 LNT 후단에는 상기 DPF에 유입되는 배기 가스에 포함된 산소량을 검출하여 이에 대한 신호를 상기 제어기에 전달하는 제2 산소 센서가 구비될 수 있다.
상기 DPF에는, 상기 DPF 전후단의 차압이 제1 설정값보다 크면 상기 DPF 내부로 연료를 후분사하여 상기 DPF를 재생하도록 하는 제1 후분사 인젝터가 구비될 수 있다.
상기 SCR 장치에는, 상기 SCR 장치의 질소산화물 정화율이 제2 설정값보다 작으면, 상기 SCR 장치에 연료를 후분사하여 상기 SCR 장치를 재생하도록 하는 제2 후분사 인젝터가 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 정화 방법은, 차압 센서를 통해 DPF 전후단의 차압을 검출하는 차압 검출 단계와, 상기 DPF 전후단의 차압을 제1 설정값과 비교하는 제1 차압 비교 단계와, 상기 DPF 전후단의 차압이 상기 제1 설정값보다 크면, 상기 DPF에 연료를 후분사하고, 상기 DPF 전단의 배기가스 온도를 제1 온도로 승온하여 상기 DPF를 재생시키는 단계와, 상기 DPF 전후단의 차압을 검출하고, 상기 DPF 전후단의 차압을 상기 제1 설정값과 비교하는 제2 차압 비교 단계와, 상기 DPF 전후단의 차압이 제1 설정값보다 작으면, SCR 장치의 전후단에 구비된 질소산화물 센서를 통해 상기 SCR 장치의 질소산화물 정화율을 검출하는 단계와, 상기 SCR 장치의 질소산화물 정화율을 제2 설정값과 비교하는 제1 질소산화물 정화율 비교 단계와, 상기 SCR 장치의 질소산화물 정화율이 제2 설정값보다 작으면, 상기 SCR 장치에 연료를 후분사하고, 상기 SCR 장치 전단의 배기가스 온도를 제2 온도로 승온하여 상기 SCR 장치를 재생시키는 단계와, 상기 SCR 장치의 질소산화물 정화율을 검출하고, 상기 SCR 장치의 질소산화물 정화율을 상기 제2 설정값과 비교하는 제2 질소산화물 정화율 비교 단계, 및 상기 SCR 장치의 질소산화물 정화율이 제2 설정값보다 작으면, 경고등을 점등하는 단계를 포함한다.
상기 제2 차압 비교 단계에서, 상기 DPF 전후단의 차압이 제1 설정값보다 작지 않으면, 상기 DPF에 연료를 후분사하고, 상기 DPF 전단의 배기가스 온도를 상기 제1 온도로 승온하여 상기 DPF를 재생시킬 수 있다.
상기 제1 질소산화물 정화율 비교 단계에서, 상기 SCR 장치의 질소산화물 정화율이 제2 설정값보다 작지 않으면, 상기 SCR 장치의 재생을 종료하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 설정값은 상기 DPF의 온도, 배기유량에 따라 변화되는, 실험에 의해 미리 설정된 값일 수 있다.
상기 제2 설정값은 상기 SCR 장치의 온도, 배기유량 및 질소산화물 정화율에 따라 변화되는, 실험에 의해 미리 설정된 값일 수 있다.
상기 제1 온도는 600℃ 내지 650℃로 설정하여 이루어질 수 있다.
상기 제2 온도는 600℃ 내지 700℃로 설정하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, DPF 전후단의 차압과 SCR 장치의 질소산화물 정화율을 측정하여 DPF 재생에 의해 우레아 부산물에 의한 피독을 먼저 해소함으로써, SCR의 성능을 회복시킬 수 있다.
또한, SCR의 성능을 회복시킴으로써, SCR 장치의 성능 저하에 따른 경고등 점등 및 촉매 교환 등의 정비를 생략할 수 있으므로, SCR 장치의 상품성이 개선되고 필드 클레임(field claim)이 저감될 수 있어 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 정화 방법에 사용되는 제어기에서 입력과 출력 관계를 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 정화 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치에서, 우레아 부산물에 의한 피독시 재생에 따라 SCR 장치의 질소산화물 정화효율이 변화되는 상태를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 일 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예들에서는 일 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며, 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고, 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다. 어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수도 있다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 한 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치에 관하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치를 도시한 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 정화 방법에 사용되는 제어기에서 입력과 출력 관계를 도시한 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 내연 기관의 배기 장치는 엔진(10), 배기 파이프(20), 저압 배기 가스 재순환(Low Pressure-Exhaust Gas Recirculation; LP-EGR) 장치(30), 질소산화물 흡장 촉매(Lean NOx Trap; LNT) 장치(40), 분사 모듈(50), 디젤 매연 필터(Diesel Particulate matter Filter; DPF)(62), 선택적환원촉매(Selective Catalytic Reduction; SCR) 장치(64), 및 제어기(70)를 포함한다.
엔진(10)은 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 연소시켜 화학적 에너지를 기계적 에너지로 변환한다. 엔진(10)은 흡기 매니폴드(16)에 연결되어 연소실(12) 내부로 공기를 유입받으며, 연소 과정에서 발생된 배기 가스는 배기 매니폴드(18)에 모인 후 엔진(10) 밖으로 배출되게 된다. 연소실(12)에는 인젝터(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(16)를 통하여 혼합기가 연소실(12) 내부로 유입되며, 연소실(12) 상부에는 점화를 위한 점화플러그(도시하지 않음)가 장착된다. 또한, 가솔린 직접 분사(Gasoline Direct Injection; GDI) 엔진을 사용하는 경우, 디젤 엔진과 마찬가지로 인젝터(14)가 연소실(12)의 상부에 장착된다.
또한, 다양한 압축비, 바람직하게는 16.5 이하의 압축비를 가지는 엔진(10)이 사용될 수 있다.
배기 파이프(20)는 배기 매니폴드(18)에 연결되어 배기 가스를 차량의 외부로 배출시킨다. 배기 파이프(20) 상에는 질소산화물 흡장 촉매 장치(40), 분사 모듈(50), DPF(62) 및 SCR 장치(64)가 장착되어 배기 가스 내 포함된 탄화수소, 일산화탄소, 입자상 물질 그리고 질소산화물 등을 제거한다.
LP-EGR 장치(30)는 배기 파이프(20) 상에 장착되어 엔진(10)에서 배출되는 배기 가스 일부를 LP-EGR 장치(30)를 통해 엔진(10)에 재공급한다. 또한, LP-EGR 장치(30)는 흡기 매니폴드(16)에 연결되어 배기 가스의 일부를 공기에 섞어 연소 온도를 제어한다. 이러한 연소 온도의 제어는 제어기(70)의 제어에 의하여 흡기 매니폴드(16)에 공급되는 배기 가스의 양을 조절함으로써 수행된다. 따라서, LP-EGR 장치(30)와 흡기 매니폴드(16)를 연결하는 라인 상에는 제어기(70)에 의하여 제어되는 재순환 밸브(도시하지 않음)가 장착될 수 있다.
LP-EGR 장치(30)의 후방 배기 파이프(20)에는 제1 산소 센서(72)가 장착되어 LP-EGR 장치(30)를 통과한 배기 가스 내의 산소량을 검출하여 제어기(70)에 전달함으로써 제어기(70)가 배기 가스의 린/리치 제어(lean/rich control)를 수행하는 것을 돕도록 할 수 있다.
또한, LP-EGR 장치(30)의 후방 배기 파이프(20)에는 제1 온도 센서(74)가 장착되어 LP-EGR 장치(30)를 통과한 배기 가스의 온도를 검출한다.
LNT 장치(40)는 LP-EGR 장치(30)의 후방 배기 파이프(20)에 장착되어 있다. LNT 장치(40)는 희박한(lean) 분위기에서 배기 가스에 포함된 질소산화물을 흡장하고, 농후한(rich) 분위기에서 흡장된 질소산화물을 탈착하며 배기 가스에 포함된 질소산화물 또는 탈착된 질소산화물을 환원시킨다. 또한, LNT 장치(40)는 배기 가스에 포함된 일산화탄소(CO) 및 탄화수소(HC)를 산화시킨다.
여기에서, 탄화수소는 배기 가스와 연료에 포함된 탄소와 수소로 구성된 화합물을 모두 지칭하는 것으로 이해하여야 할 것이다.
LNT 장치(40)의 후방 배기 파이프(20)에는 제2 산소 센서(76), 제2 온도 센서(78) 및 제1 질소산화물 센서(80)가 장착되어 있다.
제2 산소 센서(76)는 DPF(62)에 유입되는 배기 가스에 포함된 산소량을 측정하여 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다. 제1 산소 센서(72)와 제 2산소 센서(76)의 검출값을 기초로 제어기(70)는 배기 가스의 린/리치 제어를 수행할 수 있다.
제2 온도 센서(78)는 DPF(62)에 유입되는 배기 가스의 온도를 측정하여 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다.
제1 질소산화물 센서(80)는 DPF(62)에 유입되는 배기 가스에 포함된 질소산화물 양을 측정하여 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다. 제1 질소산화물 센서(80)에서 측정된 질소산화물 양은 분사 모듈(50)에서 분사할 환원제의 양을 결정하는데 사용될 수 있다.
분사 모듈(50)은 DPF(62)의 전단 배기 파이프(20)에 장착되어 있으며, 제어기(70)에 의하여 제어되어 환원제를 배기 가스에 분사한다. 통상적으로, 분사 모듈(50)은 우레아(urea)를 분사하며, 분사된 우레아는 가수분해에 의하여 암모니아로 변환된다. 그러나, 환원제는 암모니아에 한정되지는 않는다. 이하에서는 설명의 편의상 환원제로 암모니아를 사용하고 분사 모듈(50)에서 우레아를 분사하는 것을 예시한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상 내에서 암모니아 이외의 환원제를 사용하는 것도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 할 것이다.
분사 모듈(50)의 후단 배기 파이프(20)에는 믹서(Mixer, 55)가 장착되어 환원제를 배기 가스에 골고루 혼합시킨다.
DPF(62)는 믹서(55)의 후단 배기 파이프(20)에 장착되어 있으며, 배기 가스에 포함된 입자상 물질을 포집한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서는, DPF(62)가 구비되는 것으로 기술하였으나, DPF(62) 대신에, 선택적 환원 촉매가 코팅된 디젤 매연 필터(Diesel Particulate matter Filter with Selective Catalytic Reduction; SDPF)가 구비될 수 있다. SDPF는 배기 가스에 포함된 입자상 물질을 포집하고, 상기 분사 모듈에서 분사된 환원제를 이용하여 배기 가스에 포함된 질소산화물을 환원할 수 있다.
SDPF는 선택적 환원 촉매의 채널을 구성하는 격벽에 선택적 환원 촉매가 코팅되어 있다. 통상적으로 DPF는 복수개의 입구 채널과 출구 채널을 포함한다. 입구 채널은 그 일단이 개구되고 그 타단이 막혀 있어 DPF의 전단으로부터 배기 가스를 유입받는다. 또한, 출구 채널은 그 일단이 막혀 있고 그 타단이 개구되어 DPF 내부의 배기 가스를 배출한다. 입구 채널을 통해 DPF에 유입된 배기 가스는 입구 채널과 출구 채널을 분할하는 다공성의 격벽을 통해 출구 채널로 들어간 후, 출구 채널을 통해 DPF로부터 배출된다. 배기 가스가 다공성의 격벽을 통과하는 과정에서 배기 가스에 포함된 입자상 물질이 포집된다. 또한, DPF에 코팅된 선택적 환원 촉매는 분사 모듈(50)에서 분사된 환원제를 이용하여 배기 가스에 포함된 질소산화물을 환원시킨다.
SCR 장치(64)는 DPF(62)의 후단에 장착된다. SCR 장치(64)는 DPF(62)를 통과한 배기가스에 포함된 질소산화물을 환원시킨다.
한편, 배기 파이프(20)에는 차압 센서(66)가 장착되어 있다. 차압 센서(66)는 DPF(62) 전단과 SCR 장치(64) 후단 사이에 구비되어 DPF(62) 전후단의 압력 차이를 측정하고 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다. 제어기(70)는 차압 센서(66)에서 측정된 압력 차이가 제1 설정값 이상인 경우 DPF(62)를 재생하도록 제어할 수 있다. 이 경우, 제1 후분사 인젝터(15)에서 DPF(62) 내부로 연료를 후분사하고, DPF 전단의 배기가스 온도를 상승시킴으로써 DPF(62) 내부에 포집된 입자상 물질을 연소시킬 수 있다. 이 때, 제1 설정값은 DPF(62)의 온도, 배기유량에 따라 변화되는, 실험에 의해 미리 설정된 값일 수 있다.
또한, SCR 장치(64)의 후단 배기 파이프(20)에는 제2 질소산화물 센서(82)가 장착된다. 제2 질소산화물 센서(82)는 SCR 장치(64)로부터 배출된 배기 가스에 포함된 질소산화물의 양을 검출하고, 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다. 제어기(70)는 제2 질소산화물 센서(82)의 검출값을 기초로 SCR 장치(64)가 배기 가스에 포함된 질소산화물을 정상적으로 제거하고 있는지 모니터링 할 수 있다. 즉, 제2 질소산화물 센서(82)는 SCR 장치(64)의 성능을 평가하기 위하여 사용될 수 있다.
또한, DPF(62) 전단에 구비된 제1 질소산화물 센서(80)와 SCR 장치(64) 후단에 구비된 제2 질소산화물 센서(82)를 통해 질소산화물 정화율을 검출할 수 있다. SCR 장치(64)의 질소산화물 정화율이 제2 설정값보다 작으면, 제2 후분사 인젝터(17)에서 SCR 장치(64) 내부로 우레아를 후분사하고, SCR 장치 전단의 배기가스 온도를 상승시킴으로써 SCR 장치(64) 내부에 포집된 입자상 물질을 연소시킬 수 있다. 이 때, 제2 설정값은 SCR 장치(64)의 온도, 배기유량 및 질소산화물 정화율에 따라 변화되는, 실험에 의해 미리 설정된 값일 수 있다.
상기와 같이, 제어기(70)는 DPF(62) 전후단의 차압을 통해 DPF(62)를 재생하고, SCR 장치(64)의 질소산화물 정화율을 통해 SCR 장치(64)를 재생하도록 제어한다.
도 2를 참조하면, 제1 산소 센서(72), 제1 온도 센서(74), 제2 산소 센서(76), 제2 온도 센서(78), 제1 질소산화물 센서(80), 제2 질소산화물 센서(82), 그리고 차압 센서(66)는 제어기(70)에 전기적으로 연결되어 있으며 검출한 값들을 제어기(70)에 전달한다.
제1 산소 센서(72)는 LP-EGR 장치(30)를 통과한 배기 가스 내의 산소량을 검출하여 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다. 제어기(70)가 제1 산소 센서(72)에서 검출된 배기 가스 내의 산소량을 기초로 배기 가스의 린/리치 제어(lean/rich control)를 수행하는 것을 돕도록 할 수 있다. 제1 산소 센서(72)에서 검출된 값은 람다(λ)로 표시될 수 있다. 람다는 이론 공기량에 대한 실제 공기량의 비를 나타내며, 람다가 1을 초과하면 희박한 분위기로 보고, 람다가 1 미만이면 농후한 분위기로 본다.
제1 온도 센서(74)는 LP-EGR 장치(30)를 통과한 배기 가스의 온도를 검출하여 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다.
제2산소 센서(76)는 DPF(62)에 유입되는 배기 가스에 포함된 산소량을 측정하여 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다.
제2 온도 센서(78)는 DPF(62)에 유입되는 배기 가스의 온도를 측정하여 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다.
제1 질소산화물 센서(80)는 DPF(62)에 유입되는 배기 가스에 포함된 질소산화물 양을 측정하여 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다.
제2 질소산화물 센서(82)는 SCR 장치(64)로부터 배출된 배기 가스에 포함된 질소산화물의 양을 검출하고, 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다.
차압 센서(66)는 DPF(62) 전단과 SCR 장치(64) 후단 사이에 구비되어 DPF(62) 전후단의 압력 차이를 측정하고 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다.
제어기(70)는 DPF(62) 전후단의 차압을 통해 DPF(62)를 재생하고, SCR 장치(64)의 질소산화물 정화율을 통해 SCR 장치(64)를 재생하도록 제어한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치에는 도 2에 기재된 센서들 외에 다수의 센서들이 장착될 수 있으나, 설명의 편의를 위하여 생략한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 정화 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 3을 참조하면, 우선, 차압 센서를 통해 DPF(62) 전후단의 차압을 검출한다(S301). 차압 센서(66)는 DPF(62) 전단과 SCR 장치(64) 후단 사이에 구비되어 DPF(62) 전후단의 압력 차이를 측정하고 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다.
그 후, DPF(62) 전후단의 차압을 제1 설정값과 비교하고(S302), DPF(62) 전후단의 차압이 제1 설정값보다 크면, DPF(62)에 연료를 후분사하고, DPF 전단의 배기가스 온도를 제1 온도로 승온하여 DPF(62)를 재생시킨다(S303). 이 경우, 제1 후분사 인젝터(15)에서 DPF(62) 내부로 연료를 후분사함으로써 DPF(62) 내부에 포집된 입자상 물질을 연소시킬 수 있다. 이 때, 제1 설정값은 DPF(62)의 온도, 배기유량에 따라 변화되는, 실험에 의해 미리 설정된 값일 수 있다. 또한, 제1 온도는 약 600℃ 내지 약 650℃로 설정하여 이루어질 수 있다.
그 후, 다시 DPF(62) 전후단의 차압을 검출하고, DPF(62) 전후단의 차압을 제1 설정값과 비교한다(S304). DPF(62) 전후단의 차압이 제1 설정값보다 작으면, SCR 장치(64)의 전후단에 구비된 질소산화물 센서(80, 82)를 통해 SCR 장치(64)의 질소산화물 정화율을 검출한다(S305). DPF(62) 전후단의 차압이 제1 설정값보다 작지 않으면, DPF(62)에 연료를 후분사하고, DPF 전단의 배기가스 온도를 제1 온도로 승온하여 다시 DPF(62)를 재생한다(S303).
DPF(62) 전단에는 제1 질소산화물 센서(80)가 장착되며 SCR 장치(64)의 후단에 제2 질소산화물 센서(82)가 장착되며, 제1 질소산화물 센서(80) 및 제2 질소산화물 센서(82)에 의해 측정되는 질소산화물량을 통해 SCR 장치(64)의 질소산화물 정화율을 검출할 수 있다.
그 후, SCR 장치(64)의 질소산화물 정화율을 제2 설정값과 비교하고(S306), SCR 장치(64)의 질소산화물 정화율이 제2 설정값보다 작으면, SCR 장치(64)에 연료를 후분사하고, SCR 장치 전단의 배기가스 온도를 제2 온도로 승온하여 SCR 장치(64)를 재생시킨다(S307). 이 경우, 제2 후분사 인젝터(17)에서 SCR 장치(64) 내부로 우레아를 후분사함으로써 SCR 장치(64) 내부에 포집된 입자상 물질을 연소시킬 수 있다. 이 때, 제2 설정값은 SCR 장치(64)의 온도, 배기유량 및 질소산화물 정화율에 따라 변화되는, 실험에 의해 미리 설정된 값일 수 있다. 또한, 제2 온도는 약 600℃ 내지 약 700℃로 설정하여 이루어질 수 있다.
한편, SCR 장치(64)의 질소산화물 정화율이 제2 설정값보다 작지 않으면, SCR 장치(64)의 재생을 종료한다(S310).
그 후, 다시 SCR 장치(64)의 질소산화물 정화율을 검출하고, SCR 장치(64)의 질소산화물 정화율을 제2 설정값과 비교한다(S308). SCR 장치(64)의 질소산화물 정화율이 제2 설정값보다 작으면, 경고등을 점등하며(S309), SCR 장치(64)의 질소산화물 정화율이 제2 설정값보다 작지 않으면, 다시 DPF(62) 전후단의 차압을 검출하는 단계(S301)로 되돌아가 상기 과정을 재차 진행하게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치에서, 우레아 부산물에 의한 피독시 재생에 따라 SCR 장치의 질소산화물 정화효율이 변화되는 상태를 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 엔진 고품의 경우(CuSCR45H_엔진고품), SCR 장치(64)는 우레아 부산물에 의해 피독되어 질소산화물 정화율이 감소된다. SCR 장치(64)가 차량의 전단에 설치된 경우(Front), 200℃에서 약 41%의 질소산화물 정화율이 나타나며, 600℃에서 약 55%의 질소산화물 정화율이 나타난다. 그리고, SCR 장치(64)가 차량의 후단에 설치된 경우(Rear), 200℃에서 약 51%의 질소산화물 정화율이 나타나며, 600℃에서 약 45%의 질소산화물 정화율이 나타난다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치(CuSCR45H_680℃ HT (HMC))의 경우, SCR 장치(64)를 680℃에서 수열 처리하는 경우, 200℃에서 약 74%의 질소산화물 정화율이 나타나며, 600℃에서 약 67%의 질소산화물 정화율이 나타난다. 또한, 고품이라 하더라도 700℃로 SCR 장치(64)를 재생시킨 후 질소산화물 정화율을 측정했을 때, 200℃ 및 600℃에서 본 발명의 SCR 장치의 질소산화물 정화율 만큼 높은 정화율이 나타날 수 있음을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, DPF 전후단의 차압과 SCR 장치의 질소산화물 정화율을 측정하여 DPF 재생에 의해 우레아 부산물에 의한 피독을 먼저 해소함으로써, SCR의 성능을 회복시킬 수 있다.
또한, SCR의 성능을 회복시킴으로써, SCR 장치의 성능 저하에 따른 경고등 점등 및 촉매 교환 등의 정비를 생략할 수 있으므로, SCR 장치의 상품성이 개선되고 필드 클레임이 저감될 수 있어 비용을 절감할 수 있다..
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.
10: 엔진 15: 제1 후분사 인젝터
17: 제2 후분사 인젝터 20: 배기 파이프
30: 저압 배기 가스 재순환 장치 40: 질소산화물 흡장 촉매 장치
50: 분사 모듈 55: 믹서
62: DPF
64: SCR 장치 66: 차압 센서
70: 제어기 72: 제1 산소 센서
74: 제1 온도 센서 76: 제2 산소 센서
78: 제2 온도 센서 80: 제1 질소산화물 센서
82: 제2 질소산화물 센서

Claims (16)

  1. 연료를 그 내부로 분사하기 위한 인젝터를 포함하며, 공기와 연료의 혼합기를 태워 동력을 생산하고, 연소 과정에서 발생한 배기 가스를 배기 파이프를 통하여 외부로 배출하는 엔진;
    상기 배기 파이프에 장착되어 있으며, 희박(lean)한 분위기에서 배기 가스에 포함된 질소산화물을 흡장하고, 농후(rich)한 분위기에서 흡장된 질소산화물을 탈착하며 배기 가스에 포함된 질소산화물 또는 탈착된 질소산화물을 환원시키는 질소산화물 흡장 촉매(Lean NOx Trap; LNT) 장치;
    상기 LNT 장치 후단의 상기 배기 파이프에 장착되어 있으며, 배기 가스에 환원제를 분사하도록 된 분사 모듈;
    상기 분사 모듈 후단의 상기 배기 파이프에 장착되어 있으며, 배기 가스에 포함된 입자상 물질을 포집하는 디젤 매연 필터(Diesel Particulate Filter; DPF);
    상기 DPF 후단의 상기 배기 파이프에 장착되어 있으며, 상기 DPF를 통과한 배기 가스의 질소산화물을 저감시키는 선택적환원촉매(Selective Catalytic Reduction; SCR) 장치; 및
    상기 DPF 전후단의 차압과 제1 설정값의 비교를 통해 상기 DPF 전단의 배기가스 온도를 상승시켜 상기 DPF를 재생하고, 상기 SCR 장치의 질소산화물 정화율과 제2 설정값의 비교를 통해 상기 SCR 장치 전단의 배기가스 온도를 상승시켜 상기 SCR 장치를 재생하도록 제어하는 제어기를 포함하는 배기 가스 정화 장치.
  2. 제 1 항에서,
    상기 엔진과 상기 LNT 장치 사이에는,
    저압 배기 가스 재생(Low Pressure-Exhaust Gas Regeneration; LP-EGR) 장치가 더 구비되는 배기 가스 정화 장치.
  3. 제 1 항에서,
    상기 분사 모듈과 상기 DPF 사이의 배기 파이프에 장착되며, 환원제를 배기 가스에 골고루 혼합시키는 믹서(Mixer)를 더 포함하는 배기 가스 정화 장치.
  4. 제 1 항에서,
    상기 DPF 전단에는 상기 DPF에 유입되는 배기 가스에 포함된 질소산화물 양을 측정하여 이에 대한 신호를 상기 제어기에 전달하는 제1 질소산화물 센서가 구비되고, 상기 SCR 후단에는 SCR로부터 배출된 배기 가스에 포함된 질소산화물의 양을 검출하고, 이에 대한 신호를 상기 제어기에 전달하는 제2 질소산화물 센서가 구비되는 배기 가스 정화 장치.
  5. 제 1 항에서,
    상기 배기 파이프에는 상기 DPF 전단과 상기 SCR 장치 후단 사이에 구비되어 상기 DPF 전후단의 압력 차이를 측정하여 이에 대한 신호를 상기 제어기에 전달하는 차압 센서가 구비되는 배기 가스 정화 장치.
  6. 제 1 항에서,
    상기 LNT 전단에는 상기 LP-EGR 장치를 통과한 배기 가스의 온도를 검출하여 이에 대한 신호를 상기 제어기에 전달하는 제1 온도 센서가 구비되고, 상기 LNT 후단에는 상기 DPF에 유입되는 배기 가스의 온도를 측정하여 이에 대한 신호를 상기 제어기에 전달하는 제2 온도 센서가 구비되는 배기 가스 정화 장치.
  7. 제 1 항에서,
    상기 LNT 전단에는 상기 LP-EGR 장치를 통과한 배기 가스 내의 산소량을 검출하여 이에 대한 신호를 상기 제어기에 전달하는 제1 산소 센서가 구비되고, 상기 LNT 후단에는 상기 DPF에 유입되는 배기 가스에 포함된 산소량을 검출하여 이에 대한 신호를 상기 제어기에 전달하는 제2 산소 센서가 구비되는 배기 가스 정화 장치.
  8. 제 1 항에서,
    상기 DPF에는, 상기 DPF 전후단의 차압이 제1 설정값보다 크면 상기 DPF 내부로 연료를 후분사하여 상기 DPF를 재생하도록 하는 제1 후분사 인젝터가 구비되는 배기 가스 정화 장치.
  9. 제 1 항에서,
    상기 SCR 장치에는, 상기 SCR 장치의 질소산화물 정화율이 제2 설정값보다 작으면, 상기 SCR 장치에 연료를 후분사하여 상기 SCR 장치를 재생하도록 하는 제2 후분사 인젝터가 구비되는 배기 가스 정화 장치.
  10. 차압 센서를 통해 DPF 전후단의 차압을 검출하는 차압 검출 단계;
    상기 DPF 전후단의 차압을 제1 설정값과 비교하는 제1 차압 비교 단계;
    상기 DPF 전후단의 차압이 상기 제1 설정값보다 크면, 상기 DPF에 연료를 후분사하고, 상기 DPF 전단의 배기가스 온도를 제1 온도로 승온하여 상기 DPF를 재생시키는 단계;
    상기 DPF 전후단의 차압을 검출하고, 상기 DPF 전후단의 차압을 상기 제1 설정값과 비교하는 제2 차압 비교 단계;
    상기 DPF 전후단의 차압이 제1 설정값보다 작으면, SCR 장치의 전후단에 구비된 질소산화물 센서를 통해 상기 SCR 장치의 질소산화물 정화율을 검출하는 단계;
    상기 SCR 장치의 질소산화물 정화율을 제2 설정값과 비교하는 제1 질소산화물 정화율 비교 단계;
    상기 SCR 장치의 질소산화물 정화율이 제2 설정값보다 작으면, 상기 SCR 장치에 연료를 후분사하고, 상기 SCR 장치 전단의 배기가스 온도를 제2 온도로 승온하여 상기 SCR 장치를 재생시키는 단계;
    상기 SCR 장치의 질소산화물 정화율을 검출하고, 상기 SCR 장치의 질소산화물 정화율을 상기 제2 설정값과 비교하는 제2 질소산화물 정화율 비교 단계; 및
    상기 SCR 장치의 질소산화물 정화율이 제2 설정값보다 작으면, 경고등을 점등하는 단계를 포함하는 배기 가스 정화 방법.
  11. 제 10 항에서,
    상기 제2 차압 비교 단계에서, 상기 DPF 전후단의 차압이 제1 설정값보다 작지 않으면, 상기 DPF에 연료를 후분사하고, 상기 DPF 전단의 배기가스 온도를 상기 제1 온도로 승온하여 상기 DPF를 재생시키는 배기 가스 정화 방법.
  12. 제 10 항에서,
    상기 제1 질소산화물 정화율 비교 단계에서, 상기 SCR 장치의 질소산화물 정화율이 제2 설정값보다 작지 않으면, 상기 SCR 장치의 재생을 종료하는 단계를 더 포함하는 배기 가스 정화 방법.
  13. 제 10 항에서,
    상기 제1 설정값은 상기 DPF의 온도, 배기유량에 따라 변화되는, 실험에 의해 미리 설정된 값인 배기 가스 정화 방법.
  14. 제 10 항에서,
    상기 제2 설정값은 상기 SCR 장치의 온도, 배기유량 및 질소산화물 정화율에 따라 변화되는, 실험에 의해 미리 설정된 값인 배기 가스 정화 방법.
  15. 제 10 항에서,
    상기 제1 온도는 600℃ 내지 650℃로 설정하여 이루어지는 배기 가스 정화 방법.
  16. 제 10 항에서,
    상기 제2 온도는 600℃ 내지 700℃로 설정하여 이루어지는 배기 가스 정화 방법.
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