KR20200054321A - 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템을 동작시키는 방법 및 배기가스 후처리 시스템 - Google Patents

디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템을 동작시키는 방법 및 배기가스 후처리 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템을 동작시키는 방법 및 관련 배기가스 후처리 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 SCR 촉매 변환기의 상류의 및 하류에 2개의 NOx 센서를 포함한다. 상기 SCR 촉매 변환기의 하류의 NOx 센서는 상기 SCR 촉매 변환기의 상류의 상기 센서로부터 측정된 NOx 정보를 NOx값과 NH3값으로 분리하는 데 사용된다. 이 간단한 방법을 사용하면 상기 SCR 촉매 제어 및 진단을 정확하고 강력하게 수행할 수 있다.

Description

디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템을 동작시키는 방법 및 배기가스 후처리 시스템
본 발명은, 배기가스 라인에 SCR(selective catalytic reduction) 결합 디젤 입자 필터를 포함하고 그 하류의 배기가스 라인에 SCR 촉매를 포함하고, 우레아(urea) 수용액이 SCR 결합 디젤 입자 필터의 상류의 배기가스 라인에 주입되는, 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템을 동작시키는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 디젤 엔진으로부터 배출량에 대한 한계값이 점점 낮아지는 것으로 알려져 있는데, 이는 시험대에서 해당 값뿐만 아니라 실제 주행 사이클에서 해당 값에 관한 것이다. 그리하여 배기가스 후처리 시스템에 신중한 진단 및 제어를 수행하기 위해서는 가능한 많은 정보를 얻는 것이 매우 중요하다.
디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템에서, 이전에는 디젤 입자 필터의 하류의 배기가스 라인에 디젤 산화 촉매(diesel oxidation catalyst: DOC)가 제공되었다. 우레아 수용액이 이 디젤 입자 필터의 하류의 배기가스 라인에 주입되었다. 이러한 방식으로 특히 배기가스의 NOx 비율을 감소시키기 위해, 해당 주입 지점의 하류에 SCR 촉매(선택적 촉매 환원 촉매)가 배열되었다. 2개의 NOx 센서가 디젤 산화 촉매의 상류에 및 SCR 촉매의 하류에 배열되었고, SCR 촉매의 하류의 NOx 센서는 실제 SCR 부하가 각각의 공칭 값에 대응하는 것을 보장하기 위해 SCR 촉매에서 NH3의 부하 모델을 적응시키는데 사용되었다.
그러나 보다 최근에는, 이러한 배기가스 후처리 시스템에서 2개의 SCR 촉매가 사용되었다. 하나의 이러한 SCR 촉매는 여기서 대응하는 디젤 입자 필터와 결합되고, 예를 들어, 대응하는 SCR 코팅을 갖는다. 따라서 이러한 SCR 결합 디젤 입자 필터(SCR combined diesel particle filter: SCRF)는 선택적 촉매 환원 및 입자 여과라는 두 가지 목표를 모두 충족한다.
이러한 배열을 통해, 제2 SCR 촉매는 이러한 SCR 결합 디젤 입자 필터의 하류의 배기 라인에 배열된다. 우레아 수용액은 SCR 결합 디젤 입자 필터의 상류에서 주입된다.
본 발명은 SCR 결합 디젤 입자 필터(SCR combined diesel particle filter: SDPF)와 하류의 SCR 촉매의 결합을 갖는 배기가스 후처리 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 특히 정확하고 강력한 방식으로 상기 시스템을 진단 및 제어하기 위하여 이러한 결합된 시스템에 관한 대응하는 정보가 얻어진다.
따라서, 본 발명은 특히 정확히 배기가스를 후처리할 수 있는 초기에 설명된 유형의 방법을 제공하는 목적에 기초한다.
상기 목적은 본 발명에 따라,
- NOx 센서에 의해 SCR 촉매의 하류에서 NOx 농도를 측정하는 단계;
- NOx 센서에 의해 상기 SCR 촉매의 상류에서 NOx 농도를 측정하는 단계;
- 상기 SCR 촉매의 하류에서 측정된 NOx 농도와 상기 SCR 촉매의 상류에서 측정된 NOx 농도 사이의 비율이 제1 임계값보다 크고, 상기 SCR 촉매의 상류에서 측정된 NOx의 농도와 상기 SCR 촉매의 하류에서 측정된 NOx 농도 사이의 차이가 제2 임계값보다 큰 경우, 상기 SCR 촉매의 상류에서 측정된 NOx 농도를 NH3으로 식별하는 단계; 및
- 상기 언급된 조건이 더 이상 충족되지 않을 때까지 주입되는 우레아 수용액을 감소시키는 단계를 포함하는 제시된 유형의 방법에 의해 달성된다.
따라서, 본 발명에 따른 방법에서, 상기 SCR 촉매의 하류의 NOx 센서는 상기 SCR 촉매의 상류의 NOx 센서에 의해 측정된 NOx 정보를 NOx값과 NH3값으로 분리하기 위해 사용된다. 이러한 방식으로, 상기 SCR 촉매의 상류의 배기가스의 NH3 비율에 관한 정보가 얻어지며, 이는 주입되는 우레아 수용액과 관련하여 사용되며, 우레아 수용액의 공급은 본 발명에 따라 부과된 조건이 더이상 충족되지 않을 때까지 감소된다. 따라서, 측정된 NOx 센서 신호로부터 대응하는 NOx/NH3 정보를 분리시키는 방법이 제공되며, 이 방법은 간단한 방식으로 구현될 수 있고, SCR 결합 디젤 입자 필터 및 SCR 촉매를 포함하는 배기가스 후처리 시스템을 정밀하고 강력히 제어 및 진단할 수 있다.
상기 제1 임계값은 예를 들어 1에 이를 수 있고, 상기 제2 임계값은 예를 들어 40ppm일 수 있다. 상기 SCR 촉매의 하류의 NH3 농도(NH3_a_SCR)는 다음 식을 사용하여 상기 SCR 촉매의 하류의 NOx 센서에 의해 측정된 NOx 농도(NOx_a_SCR_센서)로부터 계산될 수 있다:
NH3_a_SCR = NOx_a_SCR_센서/계수_NH3
계수_NH3은 NOx 측정값에 비해 NOx 센서에 의한 NH3 측정값의 감도 계수이다. NH3는 NOx값에 비해 더 높은 확산 상수 및 그리하여 더 높은 값을 가지기 때문에 이 값은 예를 들어 1.1에 이른다.
상기 언급된 조건(측정된 NOx 농도 사이의 비율 및 측정된 NOx 농도 사이의 차이)이 충족되지 않으면, 바람직하게는 SCR 촉매의 하류의 NOx 센서에 의해 측정된 NOx 농도는 SCR 촉매의 상류의 NOx 센서에 의해 측정된 NOx 농도와 같아지고, 이로부터 SCR 촉매의 상류의 NH3 농도가 결정된다. 따라서 SCR 촉매의 상류의 NH3 농도는 다음과 같이 결정될 수 있다:
NOx_b_SCR = NOx_a_SCR_센서
NH3_b_SCR =(NOx_b_SCR_센서 - NOx_b_SCR)/계수_NH3
여기서,
NOx_b_SCR = SCR 촉매의 상류에서 결정된 NOx 농도
NH3_b_SCR = SCR 촉매의 상류에서 결정된 NH3 농도
NOx_b_SCR_센서 = SCR 촉매의 상류의 NOx 센서에 의해 측정된 NOx 농도
NOx_a_SCR_센서 = SCR 촉매의 하류의 NOx 센서에 의해 측정된 NOx 농도
계수_NH3 = NOx 측정값에 비해 NOx 센서에 의한 NH3 측정값의 감도 계수
(NH3은 NOx 신호에 비해 더 높은 확산 상수 및 그리하여 더 높은 측정값을 가지기 때문에 이 값은 예를 들어 1.1이다).
SCR 촉매의 상류의 및 하류에서 NOx 및 NH3 농도에 대해 상기 언급된 방식으로 결정된 정보는 SCRF 및 SCR 부하 모델에 의해 계산된 SCR 촉매의 상류의 및 하류의 NOx 및 NH3 모델 값과 비교될 수 있고, 만약 편차가 임계값보다 더 큰 경우, NOx 센서 정보로부터 획득된 값에 모델 값을 적응시키기 위해 이 모델 값은 적절히 적응될 수 있다.
또한, 실제 SCRF 및 SCR 부하가 공칭 부하에 가깝다면 SCRF/SCR 효율 진단이 수행될 수 있다. 여기서, 예를 들어, 온보드 진단(on-board diagnostic: OBD) 임계값이 부하에 따라 적용될 수 있다. 이러한 방식으로 OBD 진단이 강력하게 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 방법을 통해, SCR 결합 디젤 입자 필터(SDPF)의 상류에 제3 NOx 센서가 더 배열될 수 있다.
본 발명은 또한, 배기가스 라인에 SCR 결합 디젤 입자 필터를 포함하고 그 하류의 배기가스 라인에 SCR 촉매를 포함하고, 우레아 수용액이 상기 SCR 결합 디젤 입자 필터의 상류의 상기 배기가스 라인에 주입되는, 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템에 관한 것이다. 상기 배기가스 후처리 시스템은 상기 SCR 촉매의 상류의 상기 배기가스 라인에 제1 NOx 센서를 포함하고, 상기 SCR 촉매의 하류의 상기 배기가스 라인에 제2 NOx 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다. NOx 센서의 이러한 결합을 통해 전술한 방법이 수행될 수 있다.
바람직하게는, 상기 배기가스 후처리 시스템은 상기 SCR 결합 디젤 입자 필터의 상류의 상기 배기가스 라인에만 우레아 수용액을 공급하기 위한 장치를 포함한다.
본 발명의 변형예에서, 상기 SCR 결합 디젤 입자 필터의 상류의 상기 배기가스 라인에 제3 NOx 센서가 제공된다. 또한, 이 시스템을 통해 디젤 산화 촉매(DOC)가 상기 SCR 결합 디젤 입자 필터의 상류의 상기 배기가스 라인에 배열될 수 있다.
본 발명은 도면과 함께 예시적인 실시예를 참조하여 아래에서 상세히 설명될 것이다.
도 1은 배기가스 후처리 시스템의 개략도; 및
도 2는 시간에 따라 배기가스 후처리 시스템의 여러 지점에서의 다양한 NOx, NH3 및 온도 값을 도시하는 도면.
도 1에 개략적으로 도시된 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템은 배기가스 라인(1)을 포함하고, 여기서 엔진으로부터의 배기가스는 도면에서 좌측으로부터 우측으로 흐른다. 엔진 옆 배기가스 라인에는 디젤 산화 촉매(2)가 제공되고, 이어서 하류에 SCR 결합 디젤 입자 필터(3)가 제공된다. 적절한 탱크(5)에서 제공되는 우레아 수용액의 주입 지점(6)은 디젤 산화 촉매(2)와 SCR 결합 디젤 입자 필터(5) 사이에 위치된다. SCR 촉매(4)는 SCR 결합 디젤 입자 필터(3)의 하류에 제공된다. 대응하는 촉매 및 입자 필터는 일반적으로 알려져 있으므로, 이에 대한 자세한 내용은 여기서 더 설명되지 않는다. 또한 이러한 구성 요소의 대응하는 기능은 초기에 설명되었다.
각각의 NOx 센서(8, 7)는 SCR 촉매(4)의 상류의 및 하류의 배기가스 라인에 배열된다. 추가의 선택적 NOx 센서(9)는 SCR 결합 디젤 입자 필터(3)의 상류의 배기가스 라인에 배열된다.
초기에 설명된 바와 같이, 배기가스의 다양한 NOx 농도 값은 SCR 촉매(4)의 상류의 및 하류에 2개의 NOx 센서(8, 7)를 배열하는 것에 의해 결정된다. 특히, SCR 촉매의 하류에 있는 NOx 센서는 SCR 촉매의 상류에서 측정된 NOx 정보를 NOx값과 NH3 값으로 분리하는데 사용된다. 이어서, 우레아 수용액을 계량하여 공급하는 량이 예를 들어 결과에 따라 제어된다.
전체적으로, SCR 촉매의 상류의 및 하류의 NOx 및 NH3 농도가 결정되고, 대응하는 부하 모델과 비교되고, 만약 편차가 클 경우 적응이 수행된다.
도 2는 시간에 따라 대응하는 NH3, NOx 및 온도 값의 다이어그램을 도시하고, 다이어그램은 이들 값의 원점을 나타낸다. 또한 다이어그램은 대응하는 NH3 값을 나타낸다. 각 곡선에는 대응하는 측정 지점의 번호가 표시된다.

Claims (10)

  1. 배기가스 라인(1)에 SCR 결합 디젤 입자 필터(2)를 포함하고 그 하류의 상기 배기가스 라인(1)에 SCR 촉매(4)를 포함하고, 우레아 수용액이 상기 SCR 결합 디젤 입자 필터(3)의 상류의 상기 배기가스 라인(1)에 주입되는, 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템을 동작시키는 방법으로서,
    - NOx 센서(7)에 의해 상기 SCR 촉매(4)의 하류에서 NOx 농도를 측정하는 단계;
    - NOx 센서(8)에 의해 상기 SCR 촉매(4)의 상류에서 NOx 농도를 측정하는 단계;
    - 상기 SCR 촉매(4)의 하류에서 측정된 NOx 농도와 상기 SCR 촉매(4)의 상류에서 측정된 NOx 농도 사이의 비율이 제1 임계값보다 더 크고, 상기 SCR 촉매(4)의 상류에서 측정된 NOx 농도와 상기 SCR 촉매(4)의 하류에서 측정된 NOx 농도 사이의 차이가 제2 임계값보다 더 큰 경우, 상기 SCR 촉매(4)의 상류에서 측정된 NOx 농도를 NH3로 식별하는 단계; 및
    - 상기 언급된 조건이 더 이상 충족되지 않을 때까지 주입되는 상기 우레아 수용액을 감소시키는 단계를 포함하는, 배기가스 후처리 시스템을 동작시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제1항에서 주어진 조건이 충족되지 않는 경우, 상기 SCR 촉매(4)의 하류의 상기 NOx 센서(7)에 의해 측정된 NOx 농도는 상기 SCR 촉매(4)의 상류의 상기 NOx 센서(8)에 의해 측정된 NOx 농도와 같아지고, 이로부터 상기 SCR 촉매(4)의 상류의 NH3 농도를 결정하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템을 동작시키는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 SCR 촉매(4)의 상류의 및 하류에서 상기 NOx 센서의 측정에 의해 결정된 NOx 및 NH3 농도를, SCRF(SCR combined diesel particle filter) 및 SCR 부하 모델에 의해 계산된 상기 SCR 촉매(4)의 상류의 및 하류의 NOx 및 NH3 모델 값과 비교하고, 만약 편차가 임계값보다 더 큰 경우에 상기 모델 값을 NOx 센서 정보로부터 얻어진 값에 적응시키기 위해 상기 모델 값을 적절히 적응시키는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템을 동작시키는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 실제 SCRF 및 SCR 부하가 공칭 부하에 가까운 경우 SCRF/SCR 효율 진단을 수행하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템을 동작시키는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 부하에 따라 OBD(on-board diagnosis) 진단 임계값을 설정하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템을 동작시키는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제3 NOx 센서(9)는 상기 SCR 결합 디젤 입자 필터(3)의 상류에 배열되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템을 동작시키는 방법.
  7. 배기가스 라인(1)에 SCR 결합 디젤 입자 필터(3)를 포함하고 그 하류의 상기 배기가스 라인(1)에 SCR 촉매(4)를 포함하고, 우레아 수용액이 상기 SCR 결합 디젤 입자 필터(3)의 상류의 상기 배기가스 라인(1)에 주입되는, 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템으로서,
    상기 SCR 촉매(4)의 상류의 상기 배기가스 라인(1)에 제1 NOx 센서(8)를 포함하고, 상기 SCR 촉매(4)의 하류의 상기 배기가스 라인(1)에 제2 NOx 센서(7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 SCR 결합 디젤 입자 필터(3)의 상류의 상기 배기가스 라인(1)으로만 우레아 수용액을 공급하기 위한 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 SCR 결합 디젤 입자 필터(39)의 상류의 상기 배기가스 라인(1)에 제3 NOx 센서(9)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 SCR 결합 디젤 입자 필터(3)의 상류의 상기 배기가스 라인(1)에 디젤 산화 촉매(2)가 배열되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
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