KR20200095297A - 린번 엔진용 후처리 장치 및 후처리 방법 - Google Patents

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KR20200095297A
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정창호
김창환
김도형
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현대자동차주식회사
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Abstract

린번 엔진용 후처리 방법이 개시된다. 후처리 방법은 린번 엔진에 연결되어 배출가스가 흘러가는 배기 파이프에 암모니아 생성 촉매 모듈, 선택적 환원 촉매, 그리고 일산화탄소 제거 촉매가 순차적으로 배치된 후처리 장치를 제어한다. 선택적 환원 촉매의 온도와 선택적 환원 촉매의 온도 변화율에 따라 암모니아 생성 촉매 모듈에서 생성되는 암모니아의 양이 달라진다.

Description

린번 엔진용 후처리 장치 및 후처리 방법{AFTER TREATMENT SYSTEM AND AFTER TREATMENT METHOD FOR LEAN-BURN ENGINE}
본 발명은 린번 엔진용 후처리 장치 및 후처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 농후한 공연비에서 암모니아를 생성할 수 있는 암모니아 생성 촉매 모듈과, 암모니아 생성 촉매에서 생성된 암모니아를 저장하고 상기 저장된 암모니아를 이용하여 배출가스에 포함된 질소산화물을 환원하는 선택적 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매가 배기 파이프에 순차적으로 배치된 후처리 장치 및 상기 SCR 촉매의 온도에 따라 암모니아를 생성을 제어하는 후처리 방법에 관한 것이다.
차량에는 배출가스에 포함된 배출물을 줄이기 위하여 촉매 컨버터가 장착된다. 엔진에서 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배출가스는 배기 파이프에 설치된 촉매 컨버터(Catalytic Converter)로 유도되어 정화되고, 머플러를 통과하면서 소음이 감쇄된 후 테일 파이프를 통해 대기 중으로 배출된다. 상기한 촉매 컨버터는 배출가스에 포함되어 있는 배출물을 정화한다. 그리고 배기 파이프 상에는 배출가스에 포함된 입자상 물질(Particulate Matters: PM)을 포집하기 위한 매연 필터가 장착될 수 있다.
삼원 촉매는 상기 촉매 컨버터의 일종이며, 배출가스의 유해성분인 탄화수소계 화합물, 일산화탄소 및 질소산화물(NOx)과 동시에 반응하여 이들 화합물을 제거시킨다. 삼원 촉매는 주로 가솔린 차량에 장착되며, Pt/Rh, Pd/Rh 또는 Pt/Pd/Rh계가 이용된다.
가솔린 엔진 중 린번 엔진은 연한 혼합기를 연소하여 연비를 향상시킨다. 린번 엔진은 연한 혼합기를 연소시키므로 배출가스의 공연비도 연하다. 그런데, 공연비가 연할 때 삼원 촉매는 배출가스에 포함된 질소산화물을 충분히 환원시키지 못하고 슬립시킨다. 따라서, 린번 엔진을 구비한 차량은 삼원 촉매에서 슬립되는 질소산화물을 정화하기 위한 선택적 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매를 추가로 구비하고 있다. 린번 엔진을 구비한 차량에 사용되는 SCR 촉매는 패시브 타입의 SCR 촉매일 수 있다.
공연비가 농후할 때, 삼원 촉매는 질소산화물을 환원하여 암모니아를 생성하고 삼원 촉매에서 생성된 암모니아는 패시브 타입의 SCR 촉매에 저장된다. 공연비가 연할 때, 패시브 타입의 SCR 촉매는 상기 저장된 암모니아를 이용하여 배출가스에 포함된 질소산화물을 정화한다.
린번 엔진을 구비한 차량일지라도 고속/고부하 조건 하에서는 이론 공연비에서 엔진이 운전된다. 고속/고부하 조건 하에서 이론 공연비에서 엔진이 운전되면, 엔진에 가깝게 배치된 삼원 촉매의 온도는 1,000℃까지 상승할 수 있고 SCR 촉매의 온도도 700℃까지 상승할 수 있다. SCR 촉매의 온도가 상승함에 따라, SCR 촉매의 암모니아 저장 능력은 감소하게 된다. 예를 들어, SCR 촉매의 온도가 500℃ 이상이면, SCR 촉매는 암모니아를 거의 저장하지 못한다. 따라서, SCR 촉매의 온도가 400℃ 이상으로 올라가면, SCR 촉매에 저장되었던 암모니아가 슬립되게 된다. 이러한 상태에서 엔진의 부하가 감소하더라도 배출가스에 포함된 질소산화물을 정화할 수 없으므로 연한 공연비로 진입하기 어렵다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예는 선택적 환원 촉매의 온도와 선택적 환원 촉매의 온도 변화율에 따라 암모니아 생성 촉매 모듈에서 생성되는 암모니아의 양을 조절하는 린번 엔진용 후처리 장치 및 후처리 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 실시예는 선택적 환원 촉매로부터 슬립되는 암모니아의 양을 줄일 수 있는 린번 엔진용 후처리 장치 및 후처리 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 또 다른 실시예는 암모니아를 효율적으로 생성함으로써 연비를 향상시키고 배출물을 줄일 수 있는 린번 엔진용 후처리 장치 및 후처리 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 장치는 린번 엔진에 연결되어 린번 엔진에서 발생한 배출가스가 흘러가는 배기 파이프; 상기 배기 파이프에 장착되며, 배출가스에 포함된 배출물을 정화할 수 있고, 공연비가 농후하면 배출가스에 포함된 질소산화물 또는 그 안에 저장된 질소산화물을 이용하여 암모니아를 생성하는 암모니아 생성 촉매 모듈; 상기 암모니아 생성 촉매 모듈 하류의 배기 파이프에 장착되며, 암모니아 생성 촉매 모듈에서 생성된 암모니아를 저장하며, 저장된 암모니아를 이용하여 배출가스에 포함된 질소산화물을 환원하는 선택적 환원 촉매; 그리고 상기 배출가스의 공연비 및 온도에 대한 정보를 검출하고, 배출가스의 공연비 및 온도에 대한 정보를 기초로 배출가스의 공연비를 제어하도록 된 제어기;를 포함하며, 상기 제어기는 암모니아의 생성이 필요하다는 것을 검출하는 것에 반응하여 상기 선택적 환원 촉매 내에 목표 암모니아 저장양이 저장되도록 리치 시간 및 목표 리치 공연비를 조절하되, 상기 목표 암모니아 저장양은 선택적 환원 촉매의 온도와 선택적 환원 촉매의 온도 변화율에 따라 조절될 수 있다.
선택적 환원 촉매의 온도가 제1설정 온도 미만이면, 상기 목표 암모니아의 저장양은 제1목표 암모니아 저장양일 수 있다.
상기 제1목표 암모니아 저장양은 선택적 환원 촉매가 제1설정 온도에서 저장할 수 있는 최대 암모니아의 양의 10% ~ 50% 사이일 수 있다.
선택적 환원 촉매의 온도가 제1설정 온도 이상 제2설정 온도 미만이고 선택적 환원 촉매의 온도 변화율이 0이거나 음의 값이면, 상기 목표 암모니아 저장양은 제1목표 암모니아 저장양보다 적은 제2목표 암모니아 저장양일 수 있다.
상기 제2목표 암모니아 저장양은 상기 제1목표 암모니아 저장양의 40% ~ 60%일 수 있다.
선택적 환원 촉매의 온도가 제1설정 온도 이상 제2설정 온도 미만이고 선택적 환원 촉매의 온도 변화율이 양의 값이거나, 선택적 환원 촉매의 온도가 제2설정 온도 이상이면, 상기 목표 암모니아 저장양은 0일 수 있다.
선택적 환원 촉매에 저장된 암모니아의 양이 0이 되면, 상기 제어기는 이론 공연비에서 엔진을 운전할 수 있다.
상기 암모니아 생성 촉매 모듈은 삼원 촉매, 암모니아 생성 촉매, 추가 삼원 촉매, 그리고 린 녹스 트랩 촉매 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 후처리 장치는 배출가스에 포함된 입자상 물질을 포집하는 입자상 필터가 상기 배기 파이프에 더 포함할 수 있다.
상기 후처리 장치는 배출가스에 포함된 일산화탄소를 정화하는 일산화탄소 제거 촉매가 상기 선택적 환원 촉매 하류의 배기 파이프에 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 방법은 린번 엔진에 연결되어 배출가스가 흘러가는 배기 파이프에 암모니아 생성 촉매 모듈, 선택적 환원 촉매, 그리고 일산화탄소 제거 촉매가 순차적으로 배치된 후처리 장치를 제어한다.
상기 후처리 방법은 암모니아 생성이 필요한지를 판단하는 단계; 암모니아 생성이 필요하면, 선택적 환원 촉매의 온도가 제1설정 온도 이상 제2설정 온도 미만인지를 판단하는 단계; 선택적 환원 촉매의 온도가 제1설정 온도 이상 제2설정 온도 미만이면, 선택적 환원 촉매의 온도 변화율이 양의 값인지 판단하는 단계; 그리고 선택적 환원 촉매의 온도 변화율이 양의 값이면, 선택적 환원 촉매에 저장되었던 암모니아를 소진하고 이론 공연비로 엔진을 운전하는 단계;를 포함할 수 있다.
선택적 환원 촉매의 온도가 제1설정 온도 미만이면, 상기 후처리 방법은 농후한 공연비를 유지할 제1리치 시간과 제1목표 리치 공연비를 계산하는 단계; 그리고 제1목표 리치 공연비로 제1리치 시간 동안 엔진을 운전하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
제1목표 리치 공연비로 제1리치 시간 동안 엔진을 운전하는 경우, 상기 선택적 환원 촉매에 저장되는 암모니아의 양은 제1목표 암모니아 저장양일 수 있다.
상기 제1목표 암모니아 저장양은 선택적 환원 촉매가 제1설정 온도에서 저장할 수 있는 최대 암모니아의 양의 10% ~ 50% 사이일 수 있다.
상기 제1리치 시간은 제1목표 리치 공연비 및 일산화탄소 제거 촉매의 온도에 따라 계산될 수 있다.
선택적 환원 촉매의 온도가 제1설정 온도 이상 제2설정 온도 미만이고 선택적 환원 촉매의 온도 변화율이 0이거나 음의 값이면, 상기 후처리 방법은 농후한 공연비를 유지할 제2리치 시간과 제2목표 리치 공연비를 계산하는 단계; 그리고 제2목표 리치 공연비로 제2리치 시간 동안 엔진을 운전하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
제2목표 리치 공연비로 제2리치 시간 동안 엔진을 운전하는 경우, 상기 선택적 환원 촉매에 저장되는 암모니아의 양은 제1목표 암모니아 저장양보다 적은 제2목표 암모니아 저장양일 수 있다.
상기 제2목표 암모니아 저장양은 상기 제1목표 암모니아 저장양의 40% ~ 60%일 수 있다.
상기 제2리치 시간은 제2목표 리치 공연비 및 일산화탄소 제거 촉매의 온도에 따라 계산될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 선택적 환원 촉매의 온도와 온도 변화율에 따라 암모니아 생성 촉매 모듈에서 생성되는 암모니아의 양을 조절할 수 있다. 따라서, 불필요한 암모니아를 생성하지 않으므로 선택적 환원 촉매로부터 슬립되는 암모니아의 양을 줄일 수 있고 연비를 향상시킬 수 있다.
그 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.
본 명세서의 실시예들은 유사한 참조 부호들이 동일하거나 또는 기능적으로 유사한 요소를 지칭하는 첨부한 도면들과 연계한 이하의 설명을 참조하여 더 잘 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 장치의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 장치의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 장치의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 장치의 블록도이다.
도 8은 선택적 환원 촉매의 온도에 따라 선택적 환원 촉매에 저장되는 암모니아의 양과 선택적 환원 촉매의 질소산화물 정화 효율을 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 방법의 흐름도이다.
도 10은 제1설정 온도에 따른 암모니아 상대 슬립양과 상대 연비를 도시한 그래프이다.
도 11은 제2설정 온도에 따른 암모니아 상대 슬립양과 상대 연비를 도시한 그래프이다.
위에서 참조된 도면들은 반드시 축적에 맞추어 도시된 것은 아니고, 본 발명의 기본 원리를 예시하는 다양한 선호되는 특징들의 다소 간략한 표현을 제시하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 특정 치수, 방향, 위치, 및 형상을 포함하는 본 발명의 특정 설계 특징들이 특정 의도된 응용과 사용 환경에 의해 일부 결정될 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예들을 기술하기 위한 목적뿐이고 본 발명을 한정하는 것을 의도하는 것은 아니다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 분명하게 달리 나타내지 않는 한, 또한 복수 형태들을 포함하는 것으로 의도된다. 본 명세서에서 사용되는 "포함한다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는 명시된 특징들, 정수, 단계들, 작동, 엘리먼트들 및/또는 컴포넌트들의 존재를 나타내지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계들, 작동, 컴포넌트들, 및/또는 이들의 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것은 아니라는 것이 또한 이해되어야 할 것이다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "및/또는" 이라는 용어는 연관되어 나열된 하나 이상의 항목들 중 임의의 하나 또는 모든 조합들을 포함한다. "결합된"이라는 용어는 컴포넌트들이 상호 간에 직접 연결되거나 또는 하나 이상의 매개 컴포넌트들을 통해 간접적으로 연결되는 두 개의 컴포넌트들 간의 물리적 관계를 표시한다.
"차량", "차량의", "자동차" 또는 본 명세서에서 사용되는 다른 유사 용어는 일반적으로, 스포츠 유틸리티 차량(SUV), 버스, 트럭, 다양한 상용 차량을 포함하는 자동차(passenger automobiles), 다양한 보트 및 배를 포함하는 선박, 항공기 등과 같은 모터 차량을 포함하고, 하이브리드 자동차, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차, 수소 동력 차량 및 다른 대체 연료 차량(예를 들어, 석유가 아닌 다른 리소스로부터 유도된 연료)을 포함한다.
또한, 아래의 방법 또는 이들의 양상들 중 하나 이상은 적어도 하나 이상의 제어기에 의해 실행될 수 있다. "제어기"라는 용어는 메모리 및 프로세서를 포함하는 하드웨어 장치를 지칭할 수 있다. 메모리는 프로그램 명령들을 저장하도록 구성되고, 프로세서는 아래에서 더 상세하게 설명될 하나 이상의 프로세스들을 수행하는 프로그램 명령들을 실행하도록 특별히 프로그래밍된다. 더욱이, 아래의 방법들은 아래에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 제어기를 포함하는 시스템에 의해 실행될 수 있다.
또한, 본 명세서의 제어기는 프로세서 등에 의해 실행되는 실행가능 프로그램 명령들을 포함하는 일시적이지 않은 컴퓨터 판독가능 매체로서 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독가능 매체의 예시들은 롬(ROM), 램(RAM), 씨디 롬(CD ROMs), 자기 테이프, 플로피 디스크, 플래시 드라이브, 스마트 카드, 및 광학 데이터 기억 장치를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 컴퓨터 판독가능 매체는 프로그램 명령들이 예를 들어, 텔레매틱스 서버 또는 컨트롤러 영역 네트워크(CAN)에 의하여 분산 형태로 저장되거나 또는 실행되도록 컴퓨터 네트워크를 통해 또한 분산될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 장치의 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 후처리 장치는 엔진(10), 배기 파이프(20), 삼원 촉매(Three-Way Catalyst; TWC)(30), 입자상 필터(Gasoline Particulate Filter; GPF)(40), 선택적 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매(50), 그리고 일산화탄소 제거 촉매(CO Clean-Up Catalyst; CUC)(60)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 배출가스는 배기 매니폴드(18)에 모인 후 엔진(10) 밖으로 배출되게 된다. 상기 연소실(12)에는 점화플러그(14)가 장착되어 연소실(12) 내부의 혼합기를 점화할 수 있다. 상기 엔진(10)은 가솔린 엔진일 수 있다. 가솔린 엔진의 타입에 따라, 연료를 연소실(12) 내부로 직접 분사하거나 흡기 매니폴드(16)를 통해 혼합기가 연소실(12)에 공급될 수 있다. 또한, 상기 엔진(10)은 린번 엔진(lean-burn engine)일 수 있다. 따라서, 상기 엔진(10)은 특별한 운전 조건을 제외하고는 연한 공연비에서 작동된다.
배기 파이프(20)는 상기 배기 매니폴드(18)에 연결되어 배출가스를 차량의 외부로 배출시킨다. 상기 배기 파이프(20)에는 삼원 촉매(30), 입자상 필터(40), 선택적 환원 촉매(50), 그리고 일산화탄소 제거 촉매(60)가 장착되어 배출가스 내에 포함된 배출물과 입자상물질을 정화하거나 제거한다.
삼원 촉매(30)는 엔진(10)에서 배출되는 배출가스가 통과하는 배기 파이프(20)에 배치되며, 상기 배출가스에 포함된 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물을 포함하는 유해물질을 산화-환원 반응에 의해 무해한 성분으로 변화시킨다. 특히, 삼원 촉매(30)는 공연비(air-fuel ratio; AFR)가 농후하면 배출가스에 포함된 질소산화물을 암모니아로 환원시킬 수 있다. 이 때, 삼원 촉매(30)는 배출가스의 일산화탄소와 탄화수소를 충분히 정화하지 못하고 슬립할 수 있다. 또한, 삼원 촉매(30)는 공연비가 연하면 배출가스에 포함된 일산화탄소와 탄화수소를 산화한다. 일반적으로, 삼원 촉매(30)는 이론 공연비(stoichiometric AFR)에서 배출가스에 포함된 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물을 모두 정화할 수 있다. 삼원 촉매(30)에 대하여는 당업자에게 잘 알려져 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 입자상 필터(40)는 삼원 촉매(30) 후단의 배기 파이프(20)에 장착되며, 배출가스에 포함된 입자상물질을 포집하고 포집된 입자상물질을 태운다. 상기 입자상 필터(40)는 하우징 내에 유입셀과 유출셀이 교대로 배치되며, 유입셀과 유출셀 사이에는 월이 배치되어 있다. 유입셀은 그 일단이 개구되고 그 타단이 막혀 있으며, 유출셀은 그 일단이 막혀 있고 그 타단이 개구되어 있다. 배출가스는 유입셀의 개구된 일단을 통해 입자상 필터(40) 내로 유입되고 월을 통해 유출셀로 이동하며 유출셀의 개구된 타단을 통해 입자상 필터(40)의 외부로 배출된다. 배출가스가 월을 통과할 때, 배출가스에 포함된 입자상물질은 월을 통과하지 못하고 유입셀에 남게 된다.
상기 선택적 환원 촉매(50)는 상기 입자상 필터(40)의 하류의 배기 파이프(20)에 장착된다. 상기 SCR 촉매(50)는 공연비가 농후할 때 삼원 촉매(30)에서 생성된 암모니아를 저장하고, 공연비가 연할 때 상기 저장된 암모니아를 이용하여 배출가스에 포함된 질소산화물을 환원한다. 이러한 타입의 SCR 촉매(50)를 패시브(passive) 타입 SCR 촉매(50)라고 부르기도 한다.
상기 SCR 촉매(50)는 제올라이트 촉매와 다공성 알루미나에 담지된 금속 촉매 중 하나 또는 이들의 조합으로 구성되어 있을 수 있다. 상기 제올라이트 촉매는 구리(Cu), 백금(Pt), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 아연(Zn), 세슘(Cs), 갈륨(Ga) 중 하나 이상의 원소가 이온 교환된 것일 수 있다. 상기 다공성 알루미나에 담지된 금속 촉매는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 구리(Cu), 아연(Zn), 은(Ag) 중 하나 이상의 금속이 다공성 알루미나에 담지된 것일 수 있다.
일산화탄소 제거 촉매(60)는 상기 SCR 촉매(50)의 하류 배기 파이프(20)에 장착된다. 상기 CUC(60)는 배출가스에 포함된 일산화탄소를 정화한다. 특히, 공연비가 농후할 때 상기 삼원 촉매(30)로부터 일산화탄소가 슬립될 수 있다. 따라서, 일산화탄소 제거 촉매(60)를 후처리 장치의 가장 하류에 장착하여 차량 외부로 일산화탄소의 배출을 방지한다. 일산화탄소 제거 촉매(60)는 세리아(CeO2)와 알루미나(Al2O3)에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 바륨(Ba) 등이 담지된 것일 수 있다.
하나의 양상에서, 상기 일산화탄소 제거 촉매(60)는 그 전체 중량에 대하여, 0.2 ~ 1.5 중량%의 백금(Pt), 0 ~ 0.4 중량%의 팔라듐(Pd), 0 ~ 0.4 중량%의 로듐(Rh), 0 ~ 5.0 중량%의 바륨(Ba), 40 ~ 90 중량%의 세리아(CeO2), 9.8 ~ 59.8 중량%의 알루미나(Al2O3), 0 ~ 10 중량%의 첨가물을 포함할 수 있다.
다른 하나의 양상에서, 상기 일산화탄소 제거 촉매(60)는 그 전체 중량에 대하여, 0.2 ~ 1.5 중량%의 백금(Pt), 0 ~ 0.4 중량%의 팔라듐(Pd), 0 ~ 0.4 중량%의 로듐(Rh), 0 ~ 5.0 중량%의 바륨(Ba), 40 ~ 90 중량%의 세리아(CeO2), 9.8 ~ 59.8 중량%의 알루미나(Al2O3), 0 ~ 20 중량%의 첨가물을 포함할 수 있다.
상기 첨가물은 세리아 및 알루미나의 성능 향상을 위해 첨가되는 것으로, 란타늄(La), 지르코늄(Zr), 마그네슘(Mg), 프라세오디뮴(Pr) 중 하나 이상을 포함한다.
일산화탄소 제거 촉매(60)는 백금/세리아를 그 주성분으로 한다. 여기서, 백금은 일산화탄소를 산화시키는 역할을 하고, 세리아는 산소 저장 용량(Oxygen Storage Capacity; OSC)을 갖는 산소 저장 물질을 포함하고 있어 공연비가 농후한 저온에서 일산화탄소의 산화를 돕는다. 팔라듐/알루미나도 백금/세리아와 유사한 역할을 하나, 저온 산화 능력의 향상을 위하여 백금/세리아의 양이 팔라듐/알루미나의 양보다 많은 것이 바람직하다.
일산화탄소 제거 촉매(60)에 포함된 바륨은 공연비가 연할 때 SCR 촉매(50)에서 제거되지 못한 미량의 질소산화물을 제거하는 역할을 한다.
일산화탄소 제거 촉매(60)에 포함된 로듐은 공연비가 농후할 때 질소산화물의 환원을 촉진하기 위한 것이다.
상기 배기 파이프(20)에는 배출가스의 공연비 및 촉매(30, 40, 50, 60)의 작동을 검출하기 위한 다수의 센서들(32, 34, 62, 64)이 장착될 수 있다.
제1산소 센서(32)는 삼원 촉매(30)의 전단의 배기 파이프(20)에 장착되며, 삼원 촉매(30) 전단의 배출가스에 포함된 산소의 농도를 검출하여 이에 대한 신호를 제어기(90)에 전달한다. 여기에서 기재된 배출가스의 공연비(이하 'λ'라고 합니다.)는 제1산소 센서(32)의 측정값을 의미할 수 있다. 또한, 여기에서 기재된 공연비 제어는 배출가스의 공연비를 목표 공연비가 되도록 제어하는 것을 의미할 수 있다.
제2산소 센서(34)는 삼원 촉매(30)의 후단 배기 파이프(20)에 장착되며, 삼원 촉매(30) 후단의 배출가스에 포함된 산소의 농도를 검출하여 이에 대한 신호를 제어기(90)에 전달한다.
제1온도 센서(62)는 SCR 촉매(50)의 전단의 배기 파이프(20)에 장착되며, SCR 촉매(50) 전단의 배출가스의 온도를 검출하여 이에 대한 신호를 제어기(90)에 전달한다.
제2온도 센서(64)는 SCR 촉매(50)의 후단의 배기 파이프(20)에 장착되며, SCR 촉매(50) 후단의 배출가스의 온도를 검출하여 이에 대한 신호를 제어기(90)에 전달한다.
여기에서 기재된 센서들(32, 34, 62, 64) 외에 후처리 장치는 다양한 센서들을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 삼원 촉매(30)의 전단과 후단의 배기 파이프(20)에 추가 온도 센서를 장착하여, 삼원 촉매(30)의 전단과 후단에서 배출가스의 온도를 검출할 수도 있다. 또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 후처리 장치는 공기량 센서(66)를 더 포함할 수 있다. 더 나아가, 후처리 장치는 배기 파이프(20)에 장착된 질소산화물 센서, 탄화수소 센서 또는 일산화탄소 센서 등을 더 포함하며, 이들 센서를 통하여 배출가스에 포함된 배출물의 농도를 검출할 수도 있다.
제어기(90)는 상기 센서들(32, 34, 62, 64, 66)에 전기적으로 연결되어 센서들(32, 34, 62, 64, 66)에서 검출된 값들에 해당하는 신호들을 수신하고, 상기 신호들을 기초로 차량의 운전 조건, 공연비, 촉매들(30, 40, 50, 60)의 온도 등을 판단할 수 있다. 상기 제어기(90)는 상기 판단을 근거로 엔진(10)을 제어하여 점화 시기, 연료의 분사 시기, 연료량 등을 제어할 수 있다. 제어기(90)는 설정된 프로그램에 의해 동작하는 하나 이상의 프로세서로 구현될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 본 발명의 실시예에 따른 후처리 방법의 각 단계를 수행하도록 프로그램밍된 것일 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 장치의 개략도이다. 도 2에 도시된 후처리 장치는 도 1에 도시된 후처리 장치를 변형한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 후처리 장치는 배기 파이프(20)에 삼원 촉매(30), 추가 삼원 촉매(70), 입자상 필터(40), 선택적 환원 촉매(50), 그리고 일산화탄소 제거 촉매(60)가 순차적으로 배치된다. 삼원 촉매(30), 입자상 필터(40), 선택적 환원 촉매(50), 그리고 일산화탄소 제거 촉매(60)는 앞에서 설명하였으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
추가 삼원 촉매(70)는 상기 삼원 촉매(30)와 입자상 필터(40) 사이의 배기 파이프(20)에 배치된다. 추가 삼원 촉매(70)는 기본적으로 삼원 촉매(30)와 동일한 역할을 수행한다. 즉, 추가 삼원 촉매(70)는 배출가스에 포함된 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물을 포함하는 유해물질을 산화-환원 반응에 의해 무해한 성분으로 변화시킨다. 또한, 추가 삼원 촉매(70)는 공연비(air-fuel ratio; AFR)가 농후할 때 배출가스에 포함된 질소산화물을 암모니아로 환원시켜 SCR 촉매(50)에 공급되는 암모니아의 양을 증가시킨다. 또한, 추가 삼원 촉매(70)와 삼원 촉매(30)에는 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT) 촉매가 추가로 코팅될 수 있다. LNT 촉매는 연한 공연비에서 질소산화물을 흡장하고 농후한 공연비에서 흡장된 질소산화물을 탈착하며 탈착된 질소산화물을 질소기체 또는 암모니아로 환원시킨다. 따라서, LNT 촉매는 연한 공연비에서 질소산화물의 정화 성능이 떨어지는 삼원 촉매를 보조한다. 상기 LNT 촉매는 칼륨(K), 나트륨(Na), 리튬(Li), 세슘(Cs)을 포함하는 알칼리 금속, 바륨(Ba), 칼슘(Ca)을 포함하는 알칼리 토금속, 이리듐(Ir), 란탄(La)을 포함하는 희토류 금속, 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh)을 포함하는 귀금속 중 하나 또는 이들의 조합으로 구성되어 있을 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 장치의 개략도이다. 도 3에 도시된 후처리 장치는 도 1에 도시된 후처리 장치에서 삼원 촉매(30) 대신 LNT 촉매가 코팅된 삼원 촉매(30')를 사용한 것이다. 도 1에 도시된 후처리 장치 및 LNT 촉매가 코팅된 삼원 촉매(30')는 앞에서 언급하였으므로, 여기에서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 장치의 개략도이다. 도 4에 도시된 후처리 장치는 도 1에 도시된 후처리 장치를 변형한 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 후처리 장치는 배기 파이프(20)에 삼원 촉매(30), 암모니아 생성 촉매(Ammonia Production Catalyst; APU)(80), 선택적 환원 촉매(50), 그리고 일산화탄소 제거 촉매(60)가 순차적으로 배치되어 있다. 삼원 촉매(30), 선택적 환원 촉매(50), 그리고 일산화탄소 제거 촉매(60)는 앞에서 설명하였으므로, 여기에서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.
암모니아 생성 촉매(80)는 상기 삼원 촉매(30) 하류의 배기 파이프(20)에 배치된다. 상기 암모니아 생성 촉매(80)는 공연비가 연하면 배출가스에 포함된 질소산화물을 저장하고, 공연비가 농후하면 수소를 생성하여 저장된 질소산화물을 탈착하며 탈착된 질소산화물과 생성된 수소를 이용하여 암모니아를 생성한다.
하나의 양상에서, 상기 암모니아 생성 촉매(80)는 그 전체 중량에 대하여, 0.4 ~ 0.9 중량%의 백금(Pt), 0.057 ~ 0.3 중량%의 팔라듐(Pd), 0.03 ~ 0.1 중량%의 로듐(Rh), 5.0 ~ 15.0 중량%의 바륨(Ba), 10 ~ 30 중량%의 세리아(CeO2), 48.7 ~ 84.513 중량%의 산화마그네슘(MgO)과 알루미나(Al2O3)의 복합체, 0 ~ 5 중량%의 첨가물을 포함할 수 있다.
다른 하나의 양상에서, 상기 암모니아 생성 촉매(80)는 그 전체 중량에 대하여, 촉매 전체 중량에 대하여, 0.4 ~ 0.9 중량%의 백금(Pt), 0.057 ~ 0.3 중량%의 팔라듐(Pd), 0.03 ~ 0.1 중량%의 로듐(Rh), 5.0 ~ 15.0 중량%의 바륨(Ba), 10 ~ 25 중량%의 세리아(CeO2), 48.7 ~ 79.513 중량%의 산화마그네슘(MgO)과 알루미나(Al2O3)의 복합체, 0 ~ 10 중량%의 첨가물을 포함할 수 있다.
상기 첨가물은 세리아 및 알루미나의 성능 향상을 위해 첨가되는 것으로, 란타늄(La), 지르코늄(Zr), 마그네슘(Mg), 프라세오디뮴(Pr) 중 하나 이상을 포함한다.
암모니아 생성 촉매(80)에 포함된 백금은 질소산화물을 산화하여 암모니아 생성 촉매(80)가 질소산화물을 저장할 수 있도록 하는 것이다. 또한, 백금은 암모니아 생성 촉매(80)가 생성하는 수소(H2)의 양을 증가시킨다.
암모니아 생성 촉매(80)에 포함된 팔라듐은 암모니아 생성 촉매(80)의 내열성을 향상시킨다. 암모니아 생성 촉매(80)는 엔진(10)에 가깝게 배치되므로 그 온도가 950℃까지 상승할 수 있다. 따라서, 팔라듐을 암모니아 생성 촉매(80)에 포함시켜 그 내열성을 향상시킨다.
암모니아와 수소의 생성량을 증대시키기 위하여, 암모니아 생성 촉매(80)에 포함된 백금과 팔라듐의 중량비는 3:1 ~ 7:1일 수 있다. 바람직하게는, 암모니아 생성 촉매(80)에 포함된 백금과 팔라듐의 중량비는 3:1 ~ 5:1일 수 있다.
암모니아 생성 촉매(80)에 포함된 로듐은 공연비가 이론공연비(stoichiometric AFR)일 때 배출가스에 포함된 질소산화물을 정화한다.
암모니아 생성 촉매(80)에 포함된 바륨과 세리아는 질소산화물을 질산염 형태로 저장하는 기능을 가진다.
또한, 상기 세리아는 수소의 생성을 증가시킨다. 그러나 암모니아 생성 촉매(80)가 많은 양의 세리아를 포함하고 있으면, 생성된 암모니아를 다시 산화시킬 수 있다. 따라서, 암모니아 생성 촉매(80)는 그 전체 중량에 대하여 10 ~ 30 중량%의 세리아를 포함하는 것이 바람직하다.
암모니아 생성 촉매(80)에 포함된 산화마그네슘과 알루미나의 복합체는 담체로서 기능한다. 상기 산화마그네슘과 알루미나 복합체는 산화마그네슘과 알루미나 복합체의 총 중량 대비 15~25%의 산화마그네슘을 포함할 수 있다. 상기 산화마그네슘은 바륨의 열적 안정성을 증가시킨다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 장치의 개략도이다. 도 5에 도시된 후처리 장치는 도 4에 도시된 후처리 장치를 변형한 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 후처리 장치는 배기 파이프(20)에 삼원 촉매(30), 입자상 필터(40), 암모니아 생성 촉매(80), 선택적 환원 촉매(50), 그리고 일산화탄소 제거 촉매(60)가 순차적으로 배치되어 있다. 삼원 촉매(30), 입자상 필터(40), 암모니아 생성 촉매(80), 선택적 환원 촉매(50), 그리고 일산화탄소 제거 촉매(60)는 앞에서 설명하였으므로, 여기에서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 장치의 개략도이다. 도 6에 도시된 후처리 장치는 도 4에 도시된 후처리 장치를 변형한 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 후처리 장치는 배기 파이프(20)에 삼원 촉매(30), 암모니아 생성 촉매(80), 입자상 필터(40), 선택적 환원 촉매(50), 그리고 일산화탄소 제거 촉매(60)가 순차적으로 배치되어 있다. 삼원 촉매(30), 암모니아 생성 촉매(80), 입자상 필터(40), 선택적 환원 촉매(50), 그리고 일산화탄소 제거 촉매(60)는 앞에서 설명하였으므로, 여기에서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 후처리 장치의 전단에 농후한 공연비에서 암모니아를 생성할 수 있는 촉매(예를 들어, TWC, 추가 TWC, LNT, APC 등)들을 배치하고, 후처리 장치의 중간부에 상기 암모니아를 저장하고 저장된 암모니아를 이용하여 질소산화물을 정화할 수 있는 선택적 환원 촉매를 배치하며, 후처리 장치의 후단부에 일산화탄소 제거 촉매를 배치하였다. 이에 따라, 배출가스에 포함된 배출물들의 정화 성능이 향상된다.
본 명세서에서는 배출가스에 포함된 배출물을 정화할 수 있고 농연비가 농후하면 배출가스에 포함된 질소산화물 또는 그 안에 저장된 질소산화물을 이용하여 암모니아를 생성할 수 있는 촉매들(특히, 선택적 환원 촉매의 상류에 배치된 촉매들)을 암모니아 생성 촉매 모듈로 지칭하기로 한다. 즉, 상기 암모니아 생성 촉매 모듈은 삼원 촉매, 암모니아 생성 촉매, 추가 삼원 촉매, 그리고 린 녹스 트랩 촉매 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 상기 암모니아 생성 촉매 모듈은 산소 저장 용량(Oxygen Storage Capacity; OSC)을 갖는 산소 저장 물질을 포함하고 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 장치의 블록도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 후처리 장치를 구현하기 위한 제어기(90)의 입력과 출력을 간단하게 도시한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 제어기(90)의 입력과 출력은 도 7에 도시된 실시예에 한정되지 않음을 이해하여야 할 것이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 제어기(90)는 제1, 2산소 센서(32, 34), 제1, 2온도 센서(62, 64), 그리고 공기량 센서(66)에 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 센서들(32, 34, 62, 64, 66)에서 검출된 값들에 해당하는 신호들을 수신한다.
제1산소 센서(32)는 삼원 촉매(30) 전단의 배출가스에 포함된 산소의 농도를 검출하여 이에 대한 신호를 제어기(90)에 전달하고, 제2산소 센서(34)는 삼원 촉매(30) 후단의 배출가스에 포함된 산소의 농도를 검출하여 이에 대한 신호를 제어기(90)에 전달한다. 상기 제어기(90)는 상기 제1, 2산소 센서(32, 34)의 신호를 기초로 삼원 촉매(30)가 정상적으로 작동하고 있는지 여부를 판단하고, 엔진(10)의 공연비 제어를 수행할 수 있다.
제1온도 센서(62)는 SCR 촉매(50) 전단의 배출가스의 온도를 검출하여 이에 대한 신호를 제어기(90)에 전달하고, 제2온도 센서(64)는 SCR 촉매(50) 후단의 배출가스의 온도를 검출하여 이에 대한 신호를 제어기(90)에 전달한다. 상기 제어기(90)는 상기 제1, 2온도 센서(62, 64)의 신호를 기초로 삼원 촉매(30), 입자상 필터(40), SCR 촉매(50), 그리고 CUC(60)의 온도를 계산할 수 있다.
공기량 센서(66)는 흡기 파이프 또는 흡기 덕트에 장착되어 흡기 계통에 유입되는 공기량을 검출하고, 이에 대한 신호를 제어기(90)에 전달한다.
제어기(90)는 상기 센서들(32, 34, 62, 64, 66)에서 검출된 값들에 기초하여 엔진(10)의 작동을 제어한다. 즉, 제어기(90)는 목표 공연비를 맞추기 위하여 연료 분사량을 조절할 수 있고, 촉매(30, 40, 50, 60)의 웜업을 위하여 점화시기를 지연시킬 수 있다. 또한, 제어기(90)는 암모니아의 생성이 필요하다는 것을 검출하는 것에 반응하여 상기 선택적 환원 촉매(50) 내에 저장되는 암모니아의 양이 목표 암모니아 저장양이 되도록 리치 시간 및 목표 리치 공연비를 조절한다. 상기 목표 암모니아 저장양은 선택적 환원 촉매(50)의 온도와 온도 변화율에 따라 조절될 수 있다.
도 8은 선택적 환원 촉매의 온도에 따라 선택적 환원 촉매에 저장되는 암모니아의 양과 선택적 환원 촉매의 질소산화물 정화 효율을 도시한 그래프이다.
도 8에서 실선은 선택적 환원 촉매(50)의 질소산화물 정화 효율을 나타내고, 점선은 선택적 환원 촉매(50)에 저장되는 암모니아의 양을 나타낸다.
도 8에 도시된 바와 같이, 선택적 환원 촉매(50)의 온도가 200℃일 때 선택적 환원 촉매(50)에 저장된 암모니아의 양이 최대이고, 선택적 환원 촉매(50)의 온도가 증가함에 따라 선택적 환원 촉매(50)에 저장된 암모니아의 양도 줄어들게 된다.
그러나, 선택적 환원 촉매(50)의 질소산화물 정화 효율은 선택적 환원 촉매(50)의 온도가 250℃ ~ 400℃에서 100%에 가깝다.
만일 선택적 환원 촉매(50)의 온도가 250℃보다 낮으면 선택적 환원 촉매(50)에 저장된 암모니아의 양은 많지만 선택적 환원 촉매(50)의 질소산화물 정화 효율이 낮아 선택적 환원 촉매(50)는 배출가스에 포함된 질소산화물을 효율적으로 정화하지 못한다.
또한, 만일 선택적 환원 촉매(50)의 온도가 400℃보다 높으면, 선택적 환원 촉매(50)의 질소산화물 정화 효율이 높기는 하나 선택적 환원 촉매(50)에 저장된 암모니아의 양이 적어 선택적 환원 촉매(50)는 배출가스에 포함된 질소산화물을 효율적으로 정화하지 못한다. 이 경우, 암모니아 생성 촉매 모듈(30, 30', 70, 80)에서 암모니아를 생성하더라도 선택적 환원 촉매(50)는 암모니아를 저장하지 못하고 슬립하게 된다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 선택적 환원 촉매(50)의 온도가 400℃보다 높거나 400℃까지 올라가고 있으면, 암모니아 생성 촉매 모듈(30, 30', 70, 80)에서 암모니아를 생성하지 못하도록 엔진(10)을 제어한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 방법을 상세히 설명하기로 한다. 설명의 편의를 위하여 도 1에 도시된 실시예에 따른 후처리 장치를 제어하는 방법을 예시한다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따른 후처리 방법은 적절한 변경을 가하여 도 2 내지 도 6에 도시된 후처리 장치에 적용될 수 있음을 이해하여야 할 것이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 방법의 흐름도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 엔진(10)이 시동되면(S110), 제어기(90)는 촉매(30, 40, 50, 60)의 온도를 계산한다. 본 발명의 실시예에 따른 후처리 방법을 실시하기 위해서는 촉매(30, 40, 50, 60)들이 활성화되어야 한다. 따라서, 제어기(90)는 촉매(30, 40, 50, 60)가 활성화되지 않았으면, 촉매(30, 40, 50, 60)의 웜업을 실시한다(S120). 즉, 점화시기를 지연시키거나 연료 분사량을 늘려 배출가스의 온도를 높인다.
촉매(30, 40, 50, 60)의 웜업이 완료되었으면, 제어기(90)는 연한 공연비에서 엔진(10)을 운전한다(S130). 따라서, 삼원 촉매(30)는 배출가스에 포함된 일산화탄소와 탄화수소를 정화하고 입자상 필터(40)는 배출가스에 포함된 입자상물질을 포집한다. 또한, 선택적 환원 촉매(50)는 그 안에 저장된 암모니아를 이용하여 배출가스에 포함된 질소산화물을 환원시킨다.
그 후, 제어기(90)는 암모니아 생성 촉매 모듈(예를 들어, 삼원 촉매(30))에서 암모니아 생성이 필요한지를 판단한다(S140).
암모니아 생성이 필요한지를 판단하기 위하여, 제어기(90)는 먼저 SCR 촉매(50)에 저장된 암모니아의 양을 계산한다. 즉, 엔진(10) 가동 히스토리, SCR 촉매(50)의 온도 히스토리 등을 기초로 SCR 촉매(50)에 저장된 암모니아의 양을 계산한다.
그 후, 제어기(90)는 SCR 촉매(50)에 저장된 암모니아의 양을 기초로 암모니아 생성이 필요한지, 즉 농후한 공연비로 전환이 필요한지를 판단한다.
하나의 양상에서, 농후한 공연비로 전환이 필요한지 판단하기 위하여, 제어기(90)는 SCR 촉매(50)에 유입될 질소산화물의 양을 계산할 수 있다. 엔진(10)의 연소 상태(예를 들어, 연소 온도, 연소 압력, 공기량, 연료량 등)를 기초로 엔진(10)에서 발생되는 질소산화물의 양을 계산하고, 배출가스의 공연비, 삼원 촉매(30)의 온도 등을 기초로 삼원 촉매(30)로부터 슬립되는 질소산화물의 양을 계산한다.
그 후, 제어기(90)는 SCR 촉매(50)가 질소산화물을 정화할 수 있는지 판단한다. 즉, SCR 촉매(50)에 저장된 암모니아의 양이 SCR 촉매(50)에 유입되는 질소산화물을 정화하기에 충분한지를 판단한다. 예를 들어, SCR 촉매(50)에 저장된 암모니아의 양이 SCR 촉매(50)에 유입되는 질소산화물을 정화하는데 필요한 암모니아의 양 이상이면, 제어기(90)는 SCR 촉매(50)가 질소산화물을 정화할 수 있다고 판단한다. 이와는 달리, SCR 촉매(50)에 저장된 암모니아의 양이 SCR 촉매(50)에 유입되는 질소산화물을 정화하는데 필요한 암모니아의 양 미만이면, 제어기(90)는 농후한 공연비로 전환이 필요, 즉 암모니아의 생성이 필요하다고 판단한다.
다른 하나의 양상에서, 농후한 공연비로 전환이 필요한지 판단하기 위하여, 제어기(90)는 SCR 촉매(50)에 저장된 암모니아의 양이 암모니아 하한값 이상인지를 판단할 수 있다. 예를 들어, SCR 촉매(50)에 저장된 암모니아의 양이 암모니아 하한값 이상이면, 제어기(90)는 농후한 공연비로 전환이 필요하지 않다고 판단한다. 이와는 달리, SCR 촉매(50)에 저장된 암모니아의 양이 암모니아 하한값 미만이면, 제어기(90)는 농후한 공연비로 전환이 필요, 즉 암모니아의 생성이 필요하다고 판단한다.
S140 단계에서 암모니아의 생성이 필요하다고 판단하면, 제어기(90)는 SCR 촉매(50)의 온도를 계산 또는 측정한다. 예를 들어, 제어기(90)는 제1, 2온도 센서(62, 64)의 측정값을 기초로 SCR 촉매(50)의 온도를 검출/계산한다. 그 후, 제어기(90)는 SCR 촉매(50)의 온도가 제1설정 온도 이상인지를 판단한다(S150). 상기 제1설정 온도는 암모니아 생성 촉매 모듈(예를 들어, 삼원 촉매(30))에서 생성하는 목표 암모니아 생성양을 조절하기 위해 설정된 온도이며, 설계 의도에 따라 당업자가 임의로 설정할 수 있다. 하나의 양상에서, 상기 제1설정 온도는 330℃ 이상 370℃ 이하일 수 있다. 다른 하나의 양상에서, 상기 제1설정 온도는 350℃일 수 있다.
S150 단계에서 SCR 촉매(50)의 온도가 제1설정 온도 이상이면, 제어기(90)는 SCR 촉매(50)의 온도가 제2설정 온도보다 높은지를 판단한다(S160). 상기 제2설정 온도는 SCR 촉매(50)가 저장할 수 있는 암모니아의 양이 하한값 이하가 되는 온도이며, 설계 의도에 따라 당업자가 임의로 설정할 수 있다. 하나의 양상에서, 상기 제2설정 온도는 360℃ 이상 420℃ 이하일 수 있다. 다른 하나의 양상에서, 상기 제2설정 온도는 400℃일 수 있다. 설계 의도를 고려하면, 상기 제2설정 온도는 제1설정 온도보다 높을 수 있다.
S160 단계에서 SCR 촉매(50)의 온도가 제2설정 온도 이하이면, 제어기(90)는 SCR 촉매(50)의 온도 변화율이 양의 값인지를 판단한다(S170).
S170 단계에서 SCR 촉매(50)의 온도 변화율이 양의 값이면, 제어기(90)는 SCR 촉매(50)에 저장된 암모니아를 사용하도록 엔진(10)을 제어한다(S180). 즉, SCR 촉매(50) 내에 저장될 목표 암모니아 저장양은 0이다. SCR 촉매(50)의 온도 변화율이 양의 값이면, SCR 촉매(50)의 온도가 상승하고 있고 설정 시간이 지나면 SCR 촉매(50)의 온도가 제2설정 온도 이상이 될 수 있다. 이 경우, SCR 촉매(50)에 저장되었던 암모니아가 슬립될 수 있다. 암모니아의 슬립을 방지하기 위하여 제어기(90)는 엔진(10)을 연한 분위기에서 운전하여 암모니아 생성 촉매 모듈에서 암모니아를 생성하지 못하도록 하고 SCR 촉매(50)에 저장된 암모니아를 미리 사용한다. 이에 따라, 배출가스에 포함된 질소산화물은 정화되게 된다.
그 후, 제어기(90)는 SCR 촉매(50)에 저장된 암모니아를 완전히 사용하였는지 판단한다(S190).
S190 단계에서 SCR 촉매(50)에 저장된 암모니아를 완전히 사용하지 않았으면, 제어기(90)는 S180 단계로 돌아가 SCR 촉매(50)에 저장된 암모니아를 계속하여 사용한다.
S190 단계에서 SCR 촉매(50)에 저장된 암모니아를 완전히 사용한 것으로 판단하면, 제어기(90)는 이론 공연비(λ=1)에서 엔진(10)을 운전한다(S200). 이에 따라, 삼원 촉매(30)는 배출가스에 포함된 일산화탄소, 탄화수소 및 질소산화물을 모두 정화하게 된다. 그 후, 제어기(90)는 S160 단계로 돌아간다.
한편, S160 단계에서 SCR 촉매(50)의 온도가 제2설정 온도보다 높으면, 제어기(90)는 S180 단계로 진행한다. SCR 촉매(50)의 온도가 제2설정 온도보다 높으면, SCR 촉매(50)에 저장되었던 암모니아가 슬립될 수 있다. 암모니아의 슬립을 방지하기 위하여 제어기(90)는 엔진(10)을 연한 분위기에서 운전하여 암모니아 생성 촉매 모듈에서 암모니아를 생성하지 못하도록 하고 SCR 촉매(50)에 저장된 암모니아를 미리 사용한다.
만일 S150 단계에서 SCR 촉매(50)의 온도가 제1설정 온도보다 낮으면, 제어기(90)는 암모니아를 생성하기 위한 제1리치 시간과 제1목표 리치 공연비를 계산한다(S210). 상기 제1리치 시간과 제1목표 리치 공연비는 SCR 촉매(50) 내에 저장되는 암모니아의 양이 제1목표 암모니아 저장양이 되도록 계산된다. 즉, 엔진(10)을 제1리치 시간 동안 제1목표 리치 공연비로 운전하면, SCR 촉매(50) 내에 제1목표 암모니아 저장양이 저장된다. 상기 제1목표 암모니아 저장양은 선택적 환원 촉매(50)가 제1설정 온도에서 저장할 수 있는 최대 암모니아의 양의 10% ~ 50% 사이일 수 있다. 비록 SCR 촉매(50)의 현재 온도가 제1설정 온도 미만일지라도, 운전 조건의 변화에 의하여 SCR 촉매(50)의 온도가 제1설정 온도보다 높아질 수 있다. 따라서, SCR 촉매(50)로부터 암모니아 슬립을 방지하기 위하여 상기 제1목표 암모니아 저장양은 선택적 환원 촉매(50)가 제1설정 온도에서 저장할 수 있는 최대 암모니아의 양의 50% 이하로 설정할 수 있다. 만일 제1목표 암모니아 저장양이 선택적 환원 촉매(50)가 제1설정 온도에서 저장할 수 있는 최대 암모니아의 양의 10% 미만으로 설정되면, 연한 공연비를 지속할 수 있는 시간이 매우 짧아지게 되고, 농후한 공연비로 자주 전환되게 된다. 이 경우, 연비가 악화될 수 있다.
상기 제1목표 리치 공연비는 약간 농후한 공연비로 0.97일 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다. 또한, 상기 제1리치 시간은 제1목표 리치 공연비 및 일산화탄소 제거 촉매(60)의 온도에 따라 계산된다. 상기 CUC(60)의 일산화탄소 정화 용량은 공연비와 CUC(60)의 온도에 따라 변화한다. 차량 외부로 배출되는 일산화탄소의 양을 줄이기 위해서 제1리치 시간은 CUC(60)의 일산화탄소 정화 용량에 따라 계산될 수 있다. 즉, 상기 제1리치 시간은 제1목표 리치 공연비 및 CUC(60)의 온도에 따라 계산될 수 있다.
S210 단계에서 제1리치 시간 및 제1목표 리치 공연비를 계산하였으면, 제어기(90)는 제1목표 리치 공연비에서 제1리치 시간 동안 엔진(10)을 운전한다(S220). 즉, 엔진(10)을 제1리치 시간 동안 제1목표 리치 공연비로 운전하여 SCR 촉매(50) 내에 제1목표 암모니아 저장양이 저장되도록 한다.
그 후, 제어기(90)는 S140 단계로 돌아가 암모니아를 생성할 필요가 있는지 판단한다. 만일 암모니아를 생성할 필요가 없다고 판단되면, S140 단계에서 후처리 방법이 종료될 것이다.
한편, S170 단계에서 SCR 촉매(50)의 온도 변화율이 양의 값이 아니면, 제어기(90)는 암모니아를 생성하기 위한 제2리치 시간과 제2목표 리치 공연비를 계산한다(S230). SCR 촉매(50)의 온도 변화율이 양의 값이 아니면, SCR 촉매(50)의 온도가 변화하지 않거나 하강하고 있다. 이 경우, SCR 촉매(50)의 온도가 제1설정 온도 미만에서 연한 공연비로의 진입을 대비하기 위하여, SCR 촉매(50)에 일정양의 암모니아를 저장시킨다.
상기 제2리치 시간과 제2목표 리치 공연비는 SCR 촉매(50) 내에 저장되는 암모니아의 양이 제2목표 암모니아 저장양이 되도록 계산된다. 즉, 엔진(10)을 제2리치 시간 동안 제2목표 리치 공연비로 운전하면, SCR 촉매(50) 내에 제2목표 암모니아 저장양이 저장된다. SCR 촉매(50)의 온도가 다시 상승할 수 있으므로, 상기 제2목표 암모니아 저장양은 제1목표 암모니아 저장양보다 적을 수 있다. 예를 들어, 상기 제2목표 암모니아 저장양은 상기 제1목표 암모니아 저장양의 40% ~ 60%일 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다.
상기 제2목표 리치 공연비는 약간 농후한 공연비로 0.97일 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다. 또한, 상기 제2리치 시간은 제2목표 리치 공연비 및 일산화탄소 제거 촉매(60)의 온도에 따라 계산될 수 있다.
S230 단계에서 제2리치 시간 및 제2목표 리치 공연비를 계산하였으면, 제어기(90)는 제2목표 리치 공연비에서 제2리치 시간 동안 엔진(10)을 운전한다(S240). 즉, 엔진(10)을 제2리치 시간 동안 제2목표 리치 공연비로 운전하여 SCR 촉매(50) 내에 제2목표 암모니아 저장양이 저장되도록 한다.
그 후, 제어기(90)는 S140 단계로 돌아가 암모니아를 생성할 필요가 있는지 판단한다. 만일 암모니아를 생성할 필요가 없다고 판단되면, S140 단계에서 후처리 방법이 종료될 것이다.
(시험 방법)
배기 파이프(20)에 TWC(30), GPF(40), SCR 촉매(50), CUC(60)를 순차적으로 배치하였다. 그 후, 2.0L, 4기통, 린번 가솔린 엔진을 배기 파이프(20)에 연결하여 에이징(aging) 처리를 하였다. 에이징 처리는 TWC(30) 기준 1000℃에서 50시간 동안 수행되었다.
에이징 처리 후, FTP 모드와 US06 모드가 조합된 모드에서 엔진(10)을 운전하였다. 여기서, FTP 모드와 US06 모드는 미리 설정된 배출가스 테스트 모드이며, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 잘 알려져 있다.
이하, 본 발명의 실시예들에 따른 후처리 방법의 성능을 다양한 비교예들의 성능과 비교하기로 한다.
(실시예)
다양한 실시예와 비교예에서 제1설정 온도와 제2설정 온도는 [표 1]과 같이설정된다.
제1설정 온도(℃) 제2설정 온도(℃)
비교예1 - -
실시예1 350 400
비교예2 310 400
실시예2 330 400
실시예3 370 400
비교예3 390 400
실시예4 350 360
실시예5 350 380
실시예6 350 420
비교예4 350 440
비교예1에 따른 후처리 방법에서는, 암모니아 생성이 필요한 경우 SCR 촉매(50)의 온도 및 온도 변화율에 상관 없이 엔진(10)을 농후한 공연비에서 운전하여 삼원 촉매(30)가 암모니아를 생성하도록 하였다. 특히, 엔진(10)을 제1리치 시간 동안 제1목표 리치 공연비로 운전하여 SCR 촉매(50) 내에 제1목표 암모니아 저장양이 저장되도록 하였다.
비교예2 내지 비교예4 및 실시예1 내지 실시예6에서는 도 9에 도시된 후처리 방법이 수행되었다.
도 10은 제1설정 온도에 따른 암모니아 상대 슬립양과 상대 연비를 도시한 그래프이고, 도 11은 제2설정 온도에 따른 암모니아 상대 슬립양과 상대 연비를 도시한 그래프이다.
도 10 및 도 11에서 실선은 SCR 촉매(50)에서 슬립되는 암모니아의 양을 나타내며, 점선은 연비를 나타낸다. 특히, 도 10 및 도 11은 실시예1에서 SCR 촉매(50)에서 슬립되는 암모니아의 양 및 연비에 대한 각 실시예 및 각 비교예에서 SCR 촉매(50)에서 슬립되는 암모니아의 양 및 연비의 상대값을 도시한 것이다. 실시예1에서 SCR 촉매(50)에서 슬립되는 암모니아의 양 및 연비는 각각 100으로 표시하였다.
도 10을 참고하면, 제1설정 온도가 310℃(비교예2의 경우)이면 SCR 촉매(50)에서 슬립되는 암모니아의 양은 적으나 연비가 떨어진다. 즉, 제1설정 온도가 낮으면 암모니아 생성을 위한 단계들(예를 들어, 도 9의 S210 단계 및 S220 단계)로 진입하는 것이 상당히 제한되고, SCR 촉매(50)에 저장되는 암모니아의 양이 적다. 이 경우, 제어기(90)는 연한 공연비에서 엔진(10)을 운전하지 못하고 이론 공연비에서 엔진(10)을 운전하게 된다. 따라서, 연비가 떨어지게 된다.
이와는 달리, 제1설정 온도가 390℃(비교예3의 경우)이거나 제1설정 온도가 설정되지 않았으면(비교예1의 경우), SCR 촉매(50)에서 슬립되는 암모니아의 양도 많고 연비도 떨어진다. 즉, 제1설정 온도가 높으면 암모니아 생성을 위한 단계들(예를 들어, 도 9의 S210 단계 및 S220 단계)로 자주 진입하여 암모니아 생성 촉매 모듈에서 충분한 양의 암모니아를 생성하지만, 높은 SCR 촉매(50) 온도 때문에 생성된 암모니아는 SCR 촉매(50)에 저장되지 못하고 슬립되게 된다. 이 경우, 제어기(90)는 SCR 촉매(50) 내에 제1목표 암모니아 저장양을 저장하기 위하여 엔진(10)을 농후한 공연비로 자주 운전하게 된다. 따라서, 연비가 떨어지게 된다.
SCR 촉매(50)로부터 슬립되는 암모니아의 양을 줄이면서도 연비를 향상시키기 위해서는 하나의 양상에서 상기 제1설정 온도는 330℃ 이상 370℃ 이하일 수 있다. 다른 하나의 양상에서, 상기 제1설정 온도는 350℃일 수 있다.
도 11을 참고하면, 제2설정 온도가 440℃(비교예4의 경우)이거나 제2설정 온도가 설정되지 않았으면(비교예1의 경우), SCR 촉매(50)에서 슬립되는 암모니아의 양도 많고 연비도 떨어진다. 즉, 제2설정 온도가 높으면 암모니아 생성을 위한 단계들(예를 들어, 도 9의 S230 단계 및 S240 단계)로 자주 진입하여 암모니아 생성 촉매 모듈에서 충분한 양의 암모니아를 생성하지만, 높은 SCR 촉매(50) 온도 때문에 생성된 암모니아는 SCR 촉매(50)에 저장되지 못하고 슬립되게 된다. 이 경우, 제어기(90)는 SCR 촉매(50) 내에 제2목표 암모니아 저장양을 저장하기 위하여 엔진(10)을 농후한 공연비로 자주 운전하게 된다. 따라서, 연비가 떨어지게 된다.
이와는 달리, 제2설정 온도가 360℃ 미만이면, SCR 촉매(50)에서 슬립되는 암모니아의 양은 적으나 연비가 떨어진다. 즉, 제2설정 온도가 낮으면 암모니아 생성을 위한 단계들(예를 들어, 도 9의 S230 단계 및 S240 단계)로 진입하는 것이 상당히 제한되고, SCR 촉매(50)에 저장되는 암모니아의 양이 적다. 이 경우, 제어기(90)는 연한 공연비에서 엔진(10)을 운전하지 못하고 이론 공연비에서 엔진(10)을 운전하게 된다. 따라서, 연비가 떨어지게 된다.
SCR 촉매(50)로부터 슬립되는 암모니아의 양을 줄이면서도 연비를 향상시키기 위해서는 하나의 양상에서 상기 제2설정 온도는 360℃ 이상 420℃ 이하일 수 있다. 다른 하나의 양상에서, 상기 제2설정 온도는 400℃일 수 있다. 설계 의도를 고려하면, 상기 제2설정 온도는 제1설정 온도보다 높을 수 있다. 예를 들어, 제2설정 온도는 제1설정 온도보다 40℃ ~ 60℃만큼 높을 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.

Claims (19)

  1. 린번 엔진에 연결되어 린번 엔진에서 발생한 배출가스가 흘러가는 배기 파이프;
    상기 배기 파이프에 장착되며, 배출가스에 포함된 배출물을 정화할 수 있고, 공연비가 농후하면 배출가스에 포함된 질소산화물 또는 그 안에 저장된 질소산화물을 이용하여 암모니아를 생성하는 암모니아 생성 촉매 모듈;
    상기 암모니아 생성 촉매 모듈 하류의 배기 파이프에 장착되며, 암모니아 생성 촉매 모듈에서 생성된 암모니아를 저장하며, 저장된 암모니아를 이용하여 배출가스에 포함된 질소산화물을 환원하는 선택적 환원 촉매; 그리고
    상기 배출가스의 공연비 및 온도에 대한 정보를 검출하고, 배출가스의 공연비 및 온도에 대한 정보를 기초로 배출가스의 공연비를 제어하도록 된 제어기;
    를 포함하며,
    상기 제어기는 암모니아의 생성이 필요하다는 것을 검출하는 것에 반응하여 상기 선택적 환원 촉매 내에 목표 암모니아 저장양이 저장되도록 리치 시간 및 목표 리치 공연비를 조절하되, 상기 목표 암모니아 저장양은 선택적 환원 촉매의 온도와 선택적 환원 촉매의 온도 변화율에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 린번 엔진용 후처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    선택적 환원 촉매의 온도가 제1설정 온도 미만이면, 상기 목표 암모니아의 저장양은 제1목표 암모니아 저장양인 것을 특징으로 하는 린번 엔진용 후처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1목표 암모니아 저장양은 선택적 환원 촉매가 제1설정 온도에서 저장할 수 있는 최대 암모니아의 양의 10% ~ 50% 사이인 것을 특징으로 하는 린번 엔진용 후처리 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    선택적 환원 촉매의 온도가 제1설정 온도 이상 제2설정 온도 미만이고 선택적 환원 촉매의 온도 변화율이 0이거나 음의 값이면, 상기 목표 암모니아 저장양은 제1목표 암모니아 저장양보다 적은 제2목표 암모니아 저장양인 것을 특징으로 하는 린번 엔진용 후처리 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2목표 암모니아 저장양은 상기 제1목표 암모니아 저장양의 40% ~ 60%인 것을 특징으로 하는 린번 엔진용 후처리 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    선택적 환원 촉매의 온도가 제1설정 온도 이상 제2설정 온도 미만이고 선택적 환원 촉매의 온도 변화율이 양의 값이거나, 선택적 환원 촉매의 온도가 제2설정 온도 이상이면, 상기 목표 암모니아 저장양은 0인 것을 특징으로 하는 린번 엔진용 후처리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    선택적 환원 촉매에 저장된 암모니아의 양이 0이 되면, 상기 제어기는 이론 공연비에서 엔진을 운전하는 것을 특징으로 하는 린번 엔진용 후처리 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 암모니아 생성 촉매 모듈은 삼원 촉매, 암모니아 생성 촉매, 추가 삼원 촉매, 그리고 린 녹스 트랩 촉매 중 적어도 하나 이상을 포함하는 린번 엔진용 후처리 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 배기 파이프에는 배출가스에 포함된 입자상 물질을 포집하는 입자상 필터를 더 포함하는 린번 엔진용 후처리 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 선택적 환원 촉매 하류의 배기 파이프에는 배출가스에 포함된 일산화탄소를 정화하는 일산화탄소 제거 촉매를 더 포함하는 린번 엔진용 후처리 장치.
  11. 린번 엔진에 연결되어 배출가스가 흘러가는 배기 파이프에 암모니아 생성 촉매 모듈, 선택적 환원 촉매, 그리고 일산화탄소 제거 촉매가 순차적으로 배치된 후처리 장치를 제어하는 후처리 방법에 있어서,
    암모니아 생성이 필요한지를 판단하는 단계;
    암모니아 생성이 필요하면, 선택적 환원 촉매의 온도가 제1설정 온도 이상 제2설정 온도 미만인지를 판단하는 단계;
    선택적 환원 촉매의 온도가 제1설정 온도 이상 제2설정 온도 미만이면, 선택적 환원 촉매의 온도 변화율이 양의 값인지 판단하는 단계; 그리고
    선택적 환원 촉매의 온도 변화율이 양의 값이면, 선택적 환원 촉매에 저장되었던 암모니아를 소진하고 이론 공연비로 엔진을 운전하는 단계;
    를 포함하는 린번 엔진용 후처리 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    선택적 환원 촉매의 온도가 제1설정 온도 미만이면,
    농후한 공연비를 유지할 제1리치 시간과 제1목표 리치 공연비를 계산하는 단계; 그리고
    제1목표 리치 공연비로 제1리치 시간 동안 엔진을 운전하는 단계;
    를 더 포함하는 린번 엔진용 후처리 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    제1목표 리치 공연비로 제1리치 시간 동안 엔진을 운전하는 경우, 상기 선택적 환원 촉매에 저장되는 암모니아의 양은 제1목표 암모니아 저장양인 것을 특징으로 하는 린번 엔진용 후처리 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1목표 암모니아 저장양은 선택적 환원 촉매가 제1설정 온도에서 저장할 수 있는 최대 암모니아의 양의 10% ~ 50% 사이인 것을 특징으로 하는 린번 엔진용 후처리 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제1리치 시간은 제1목표 리치 공연비 및 일산화탄소 제거 촉매의 온도에 따라 계산되는 린번 엔진용 후처리 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    선택적 환원 촉매의 온도가 제1설정 온도 이상 제2설정 온도 미만이고 선택적 환원 촉매의 온도 변화율이 0이거나 음의 값이면,
    농후한 공연비를 유지할 제2리치 시간과 제2목표 리치 공연비를 계산하는 단계; 그리고
    제2목표 리치 공연비로 제2리치 시간 동안 엔진을 운전하는 단계;
    를 더 포함하는 린번 엔진용 후처리 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    제2목표 리치 공연비로 제2리치 시간 동안 엔진을 운전하는 경우, 상기 선택적 환원 촉매에 저장되는 암모니아의 양은 제1목표 암모니아 저장양보다 적은 제2목표 암모니아 저장양인 것을 특징으로 하는 린번 엔진용 후처리 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제2목표 암모니아 저장양은 상기 제1목표 암모니아 저장양의 40% ~ 60%인 것을 특징으로 하는 린번 엔진용 후처리 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 제2리치 시간은 제2목표 리치 공연비 및 일산화탄소 제거 촉매의 온도에 따라 계산되는 린번 엔진용 후처리 방법.
KR1020190027557A 2019-01-31 2019-03-11 린번 엔진용 후처리 장치 및 후처리 방법 KR20200095297A (ko)

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