KR20200096396A - 린번 엔진용 후처리 장치 및 후처리 방법 - Google Patents

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주남로
정창호
김창환
이승재
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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. 상기 후처리 방법은 농후한 공연비로 전환이 요구되는 것을 검출하는 것에 반응하여 농후한 공연비를 다단 페이스로 제어한다.

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 공연비가 요구될 때 농후한 공연비를 다단 페이스로 제어하는 린번 엔진용 후처리 장치 및 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.
삼원 촉매와 패시브 타입의 SCR 촉매를 포함하는 린번 엔진은 패시브 타입의 SCR 촉매에 충분한 암모니아를 저장하기 위하여 설정된 기간 동안 연료량을 증가시켜 공연비를 농후하게 조절하여야 한다. 만일 린번 엔진에서 배출되는 질소산화물의 양이 증가하면, 린번 엔진이 농후한 공연비에서 작동하는 기간 및 횟수가 증가하게 된다. 따라서, 연비가 악화될 수 있다.
또한, 공연비가 농후할 때 삼원 촉매는 일산화탄소와 탄화수소를 슬립시킬 수 있다. 삼원 촉매에서 슬립된 일산화탄소와 탄화수소는 정화되지 못하고 차량 외부로 배출될 수 있다. 따라서, 암모니아를 생성하기 위하여 공연비를 농후하게 조절할 때 슬립되는 일산화탄소와 탄화수소를 줄이기 위한 추가적인 촉매 컨버터 또는 제어가 필요하다.
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 농후한 공연비에서 암모니아 생성량을 증가시킬 수 있는 린번 엔진용 후처리 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 실시예는 농후한 공연비에서 외부로 배출되는 일산화탄소와 탄화수소의 양을 줄일 수 있는 린번 엔진용 후처리 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 또 다른 실시예는 농후한 공연비가 지속되는 시간을 줄여 일산화탄소와 탄화수소의 슬립양을 줄이는 반면 상기 시간 동안 암모니아 생성양을 늘릴 수 있는 린번 엔진용 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; 선택적 환원 촉매 하류의 배기 파이프에 장착되며, 배출가스에 포함된 일산화탄소를 정화하는 일산화탄소 제거 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 농후한 공연비가 요구되는 것을 검출하는 것에 반응하여 암모니아 생성 촉매 모듈 내의 산소 저장 용량(OSC)의 소진을 가속하는 제1페이스에 따른 리치 제어, 상기 산소 저장 용량이 소진하는 제2페이스에 따른 리치 제어, 일산화탄소 제거 촉매 후단으로 일산화탄소가 슬립되기 전까지 암모니아를 생성시키는 제3페이스에 따른 리치 제어를 순차적으로 수행하도록 되어 있을 수 있다.
상기 제1페이스에 따른 리치 제어에서는 상기 공연비가 제1공연비로 제어되고, 상기 제2페이스에 따른 리치 제어에서는 상기 공연비가 제2공연비로 제어되며, 상기 제3페이스에 따른 리치 제어에서는 상기 공연비가 제3공연비로 제어될 수 있다.
상기 암모니아 생성 촉매 모듈 전단에 장착된 산소 센서의 측정값을 기준으로 상기 제1공연비, 제2공연비, 제3공연비는 순차적으로 증가할 수 있다.
상기 제어기는 일산화탄소 제거 촉매 후단으로 슬립된 일산화탄소의 누적양이 설정양이 되는 리치 시간까지 암모니아를 추가로 생성하는 제4페이스에 따른 리치 제어를 더 수행하도록 되어 있을 수 있다.
상기 제4페이스에 따른 리치 제어에서는 상기 공연비는 제4공연비로 제어되며, 상기 제4공연비는 암모니아 생성 촉매 모듈 전단에 장착된 산소 센서의 측정값을 기준으로 제1공연비 내지 제3공연비보다 클 수 있다.
상기 리치 시간은 제4공연비 및 일산화탄소 제거 촉매의 온도에 따라 계산될 수 있다.
상기 제1페이스에 따른 리치 제어는 설정 시간 동안 수행될 수 있다.
상기 설정 시간은 상기 산소 저장 용량 및 제1공연비에 따라 계산될 수 있다.
상기 암모니아 생성 촉매 모듈은 배출가스에 포함된 탄화수소, 일산화탄소, 질소산화물을 정화하는 삼원 촉매; 그리고 상기 삼원 촉매 하류의 배기 파이프에 장착되며, 공연비가 연하면 질소산화물을 저장하고, 공연비가 농후하면 수소를 생성하여 저장된 질소산화물을 탈착하고 탈착된 질소산화물과 생성된 수소를 이용하여 암모니아를 생성하는 암모니아 생성 촉매;를 포함할 수 있다.
상기 후처리 장치는 상기 삼원 촉매와 암모니아 생성 촉매 사이 또는 상기 암모니아 생성 촉매와 상기 선택적 환원 촉매 사이에는 배출가스에 포함된 입자상물질을 포집하는 입자상 필터를 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 연한 공연비에서 엔진을 운전하는 단계; 선택적 환원 촉매에 저장된 암모니아의 양을 계산하는 단계; 농후한 공연비로 전환이 필요한지 판단하는 단계; 농후한 공연비로 전환이 필요하면, 설정 시간 동안 제1공연비로 엔진을 운전하는 단계; 그리고 상기 암모니아 생성 촉매 모듈 내의 산소 저장 용량이 소진할 때까지 제2공연비로 엔진을 운전하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제1공연비는 상기 암모니아 생성 촉매 모듈 전단에 장착된 산소 센서의 측정값을 기준으로 상기 제2공연비보다 작을 수 있다.
상기 설정 시간은 상기 산소 저장 용량 및 제1공연비에 따라 계산될 수 있다.
상기 후처리 방법은 상기 일산화탄소 제거 촉매 후단으로 일산화탄소가 슬립되기 전까지 제3공연비로 엔진을 운전하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제3공연비는 상기 암모니아 생성 촉매 모듈 전단에 장착된 산소 센서의 측정값을 기준으로 상기 제2공연비보다 클 수 있다.
상기 후처리 방법은 일산화탄소 제거 촉매 후단으로 슬립된 일산화탄소의 누적양이 설정양이 되는 리치 시간까지 제4공연비로 엔진을 운전하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제4공연비는 상기 암모니아 생성 촉매 모듈 전단에 장착된 산소 센서의 측정값을 기준으로 상기 제3공연비보다 클 수 있다.
상기 리치 시간은 제4공연비 및 일산화탄소 제거 촉매의 온도에 따라 계산될 수 있다.
하나의 양상에서, 농후한 공연비로 전환이 필요한지 판단하는 단계는 선택적 환원 촉매에 유입될 질소산화물의 양을 계산하는 단계를 포함할 수 있다. 선택적 환원 촉매에 저장된 암모니아의 양이 선택적 환원 촉매에 유입되는 질소산화물을 정화하는데 필요한 암모니아의 양보다 작으면 농후한 공연비로 전환이 필요한 것으로 판단할 수 있다.
다른 하나의 양상에서, 농후한 공연비로 전환이 필요한지 판단하는 단계는 선택적 환원 촉매에 저장된 암모니아의 양과 미리 설정된 암모니아 하한값과 비교하는 단계를 포함할 수 있다. 선택적 환원 촉매에 저장된 암모니아의 양이 미리 설정된 암모니아 하한값보다 작으면 농후한 공연비로 전환이 필요한 것으로 판단할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 암모니아 생성 촉매를 삼원 촉매와 선택적 환원 촉매 사이에 배치하여 공연비가 농후할 때 선택적 환원 촉매에 공급되는 암모니아의 양을 증가시킬 수 있다. 따라서, 엔진이 농후한 공연비에서 작동하는 기간 및 횟수를 줄일 수 있고, 이에 따라 연비가 향상될 수 있다.
또한, 선택적 환원 촉매 후단에 일산화탄소 제거 촉매를 배치하여 삼원 촉매와 암모니아 생성 촉매에서 슬립되는 일산화탄소를 정화할 수 있다.
또한, 적어도 두 개 이상의 페이스에 따라 리치 제어를 수행함으로써 농후한 공연비가 지속시간을 줄여 일산화탄소와 탄화수소의 슬립양을 줄이는 반면 상기 시간 동안 암모니아 생성양을 늘릴 수 있다. 따라서, 연비 향상과 함께 배출물을 저감할 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 또 다른 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 장치의 블록도이다.
도 5는 공연비가 농후할 때 암모니아 생성 촉매 모듈 후단에서 시간 경과에 따라 누적된 암모니아의 양과, 암모니아 생성 촉매 모듈 후단에서 시간 경과에 따라 누적된 일산화탄소의 양과, 일산화탄소 제거 촉매 후단에서 시간 경과에 따라 누적된 일산화탄소의 양을 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 방법의 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 방법의 흐름도이다.
도 8은 하나의 양상에 따른 리치 다단 제어의 흐름도이다.
도 9는 다른 하나의 양상에 따른 리치 다단 제어의 흐름도이다.
도 10은 제1페이스에 따른 리치 제어가 수행되는 설정 시간에 따른 암모니아 생성 촉매 모듈 후단으로 슬립되는 탄화수소의 양과 암모니아 생성 촉매 모듈 내의 산소 저장 물질의 소진 시간을 도시한 그래프이다.
도 11은 제2공연비에 따른 암모니아 생성 촉매 모듈 후단으로 슬립되는 탄화수소의 양과 암모니아 생성 촉매 모듈 내의 산소 저장 물질의 소진 시간을 도시한 그래프이다.
도 12는 제3공연비에 따른 암모니아 생성 촉매 모듈에서 생성된 암모니아의 양과 제3페이스에 따른 리치 제어가 수행되는 시간을 도시한 그래프이다.
도 13은 제4공연비에 따른 암모니아 생성 촉매 모듈에서 생성된 암모니아의 양과 제4페이스에 따른 리치 제어가 수행되는 시간을 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), 암모니아 생성 촉매 모듈(35), 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 암모니아 생성 촉매 모듈(35), 선택적 환원 촉매(50), 일산화탄소 제거 촉매(60)가 장착되어 배출가스 내에 포함된 배출물을 정화하거나 제거한다.
암모니아 생성 촉매 모듈(35)은 삼원 촉매(Three-Way Catalyst; TWC)(30)와 암모니아 생성 촉매(Ammonia Production Catalyst; APC)(40)를 포함한다. 상기 삼원 촉매(30)와 암모니아 생성 촉매(40)는, 이에 한정되지 않으나. 하나의 하우징 안에 배치될 수 있다. 암모니아 생성 촉매 모듈(35)은 농후한 공연비에서 배출가스에 포함된 질소산화물 또는 암모니아 생성 촉매 모듈(35) 안에 저장된 질소산화물을 이용하여 암모니아를 생성할 수 있다. 상기 암모니아 생성 촉매 모듈(35)은 산소 저장 용량(Oxygen Storage Capacity; OSC)을 갖는 산소 저장 물질을 포함하고 있다.
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. 삼원 촉매(30)에 대하여는 당업자에게 잘 알려져 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
암모니아 생성 촉매(40)는 상기 삼원 촉매(30) 하류의 배기 파이프(20)에 배치된다. 상기 암모니아 생성 촉매(40)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(40)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(40)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(40)에 포함된 백금은 질소산화물을 산화하여 암모니아 생성 촉매(40)가 질소산화물을 저장할 수 있도록 하는 것이다. 또한, 백금은 암모니아 생성 촉매(40)가 생성하는 수소(H2)의 양을 증가시킨다.
암모니아 생성 촉매(40)에 포함된 팔라듐은 암모니아 생성 촉매(40)의 내열성을 향상시킨다. 암모니아 생성 촉매(40)는 엔진(10)에 가깝게 배치되므로 그 온도가 950℃까지 상승할 수 있다. 따라서, 팔라듐을 암모니아 생성 촉매(40)에 포함시켜 그 내열성을 향상시킨다.
암모니아와 수소의 생성량을 증대시키기 위하여, 암모니아 생성 촉매(40)에 포함된 백금과 팔라듐의 중량비는 3:1 ~ 7:1일 수 있다. 바람직하게는, 암모니아 생성 촉매(40)에 포함된 백금과 팔라듐의 중량비는 3:1 ~ 5:1일 수 있다.
암모니아 생성 촉매(40)에 포함된 로듐은 공연비가 이론공연비(stoichiometric AFR)일 때 배출가스에 포함된 질소산화물을 정화한다.
암모니아 생성 촉매(40)에 포함된 바륨과 세리아는 질소산화물을 질산염 형태로 저장하는 기능을 가진다. 상기 세리아는 산소 저장 물질을 포함하고 있다.
또한, 상기 세리아는 수소의 생성을 증가시킨다. 그러나 암모니아 생성 촉매(40)가 많은 양의 세리아를 포함하고 있으면, 생성된 암모니아를 다시 산화시킬 수 있다. 따라서, 암모니아 생성 촉매(40)는 그 전체 중량에 대하여 10 ~ 30 중량%의 세리아를 포함하는 것이 바람직하다.
암모니아 생성 촉매(40)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.
상기 선택적 환원 촉매(50)는 상기 암모니아 생성 촉매(40)의 하류 배기 파이프(20)에 장착된다. 상기 SCR 촉매(50)는 공연비가 농후할 때 암모니아 생성 촉매 모듈(35)(즉, 삼원 촉매(30)와 암모니아 생성 촉매(40))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 암모니아 생성 촉매 모듈(35)(즉, 삼원 촉매(30)와 암모니아 생성 촉매(40))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 용량을 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, 36, 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.
제3산소 센서(36)는 암모니아 생성 촉매(40)의 후단 배기파이프(20)에 장착되며, 암모니아 생성 촉매(40)(즉, 암모니아 생성 촉매 모듈(35)) 후단의 배출가스에 포함된 산소의 농도를 검출하여 이에 대한 신호를 제어기(90)에 전달한다. 상기 제3산소 센서(36)의 측정값은 암모니아 생성 촉매 모듈(35)의 OSC가 소진되었는지를 판단하는데 사용될 수 있다.
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, 36, 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 4에 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, 36, 62, 64, 66)에 전기적으로 연결되어 센서들(32, 34, 36, 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 린번 엔진용 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), 입자상 필터(Gasoline Particulate Filter; GPF)(70), 암모니아 생성 촉매(40), 선택적 환원 촉매(50), 그리고 일산화탄소 제거 촉매(60)가 순차적으로 배치된다. 삼원 촉매(30), 암모니아 생성 촉매(40), 선택적 환원 촉매(50), 그리고 일산화탄소 제거 촉매(60)는 앞에서 설명하였으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 입자상 필터(70)는 삼원 촉매(30) 후단의 배기 파이프(20)에 장착되며, 배출가스에 포함된 입자상물질을 포집하고 포집된 입자상물질을 태운다. 상기 입자상 필터(70)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(70) 내로 유입되고 월을 통해 유출셀로 이동하며 유출셀의 개구된 타단을 통해 입자상 필터(70)의 외부로 배출된다. 배출가스가 월을 통과할 때, 배출가스에 포함된 입자상물질은 월을 통과하지 못하고 유입셀에 남게 된다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 장치의 개략도이다. 도 3에 도시된 후처리 장치는 도 1에 도시된 후처리 장치를 변형한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 장치는 배기 파이프(20)에 삼원 촉매(30), 암모니아 생성 촉매(40), 입자상 필터(70), 선택적 환원 촉매(50), 그리고 일산화탄소 제거 촉매(60)가 순차적으로 배치된다. 삼원 촉매(30), 암모니아 생성 촉매(40), 입자상 필터(70), 선택적 환원 촉매(50), 그리고 일산화탄소 제거 촉매(60)는 앞에서 설명하였으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 장치의 블록도이다.
도 4는 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 4에 도시된 실시예에 한정되지 않음을 이해하여야 할 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제어기(90)는 제1, 2, 3산소 센서(32, 34, 36), 제1, 2온도 센서(62, 64), 그리고 공기량 센서(66)에 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 센서들(32, 34, 36, 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.
또한, 제3산소 센서(36)는 암모니아 생성 촉매 모듈(35) 후단의 배출가스에 포함된 산소의 농도를 검출하여 이에 대한 신호를 제어기(90)에 전달한다. 제어기(90)는 상기 제3산소 센서(36)의 신호를 기초로 암모니아 생성 촉매 모듈(35)의 OSC가 모두 소진되었는지를 판단할 수 있다. 예를 들어, 제3산소 센서(36)의 신호가 암모니아 생성 촉매 모듈(35)의 후단 공연비가 농후한 것을 가리키면, 제어기(90)는 암모니아 생성 촉매 모듈(35)의 OSC가 모두 소진된 것으로 판단한다.
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), 암모니아 생성 촉매(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 농후한 공연비가 요구되는 것을 검출하는 것에 반응하여 농후한 공연비를 다단 페이스로 제어할 수 있다.
이하, 도 5를 참고로, 본 발명의 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 방법의 제어 전략을 설명한다.
도 5는 공연비가 농후할 때 암모니아 생성 촉매 모듈 후단에서 시간 경과에 따라 누적된 암모니아의 양과, 암모니아 생성 촉매 모듈 후단에서 시간 경과에 따라 누적된 일산화탄소의 양과, 일산화탄소 제거 촉매 후단에서 시간 경과에 따라 누적된 일산화탄소의 양을 도시한 그래프이다. 도 5에 도시된 그래프들은 배기 파이프(20)에 삼원 촉매(30), 입자상 필터(70), 암모니아 생성 촉매(40), 선택적 환원 촉매(50) 그리고 일산화탄소 제거 촉매(60)를 순차적으로 배치하고 농후한 공연비에서 엔진(10)을 작동시킬 때 얻어진다.
도 5에서 굵은 실선은 암모니아 생성 촉매 모듈(35) 후단에서 시간 경과에 따라 누적된 암모니아의 양을 나타내고, 점선은 암모니아 생성 촉매 모듈(35) 후단에서 시간 경과에 따라 누적된 일산화탄소의 양을 나타내며, 가는 실선은 일산화탄소 제거 촉매(60) 후단에서 시간 경과에 따라 누적된 일산화탄소의 양을 나타낸다.
도 5에 도시된 바와 같이, 엔진(10)이 농후한 공연비에서 작동하기 시작한 시점부터 OSC 소진 시간(t2)까지 암모니아 생성 촉매 모듈(35)의 OSC가 소진된다. 이 경우, 비록 배출가스의 공연비는 농후하지만 암모니아 생성 촉매 모듈(35)에 저장된 산소에 의하여 암모니아 생성 촉매 모듈(35) 내의 공연비는 연한 상태를 유지한다. 이에 따라, 암모니아 생성 촉매 모듈(35)의 OSC가 완전히 소진될 때까지 암모니아 생성 촉매 모듈(35)에서는 암모니아가 생성되지 못한다. 또한, 암모니아 생성 촉매 모듈(35)의 OSC가 완전히 소진될 때까지 암모니아 생성 촉매 모듈(35)로부터 일산화탄소는 슬립되지 않는다. 여기서 OSC 소진 시간(t2)은 암모니아 생성 촉매 모듈(35)의 OSC가 소진될 때까지의 기간을 의미한다.
한편, OSC 소진 시간은 공연비가 농후한 정도에 관련된다. 예를 들어, 공연비가 깊게 농후(예를 들어, λ < 0.90)하면 OSC 소진 시간이 짧아지지만 암모니아 생성 촉매 모듈(35)에서 탄화수소가 슬립될 수 있다. 이와는 달리, 공연비가 얕게 농후(예를 들어, λ > 0.97)하면 암모니아 생성 촉매 모듈(35)로부터 탄화수소는 슬립되지 않지만 OSC 소진 시간이 길어지게 된다. 또한, 공연비가 깊게 농후하여도 설정 시간(t1) 동안에는 암모니아 생성 촉매 모듈(35)로부터 탄화수소가 슬립되지 않는다. 여기서, 설정 시간(t1)은 깊게 농후한 공연비에서 암모니아 생성 촉매 모듈(35)로부터 탄화수소가 슬립되지 않는 기간을 의미한다.
OSC 소진 시간(t2)이 경과하면, 암모니아 생성 촉매 모듈(35)은 암모니아를 생성하게 된다. 암모니아 생성 촉매 모듈(35)에서 생성된 암모니아는 선택적 환원 촉매(50)에 저장되게 된다. 또한, OSC 소진 시간(t2)이 경과하면, 암모니아 생성 촉매 모듈(35)로부터 일산화탄소가 슬립되기 시작한다. 암모니아 생성 촉매 모듈(35)로부터 슬립된 일산화탄소는 지연 시간(t3)이 경과할 때까지 일산화탄소 제거 촉매(60)에서 정화된다. 따라서, 지연 시간(t3)이 경과할 때까지 일산화탄소 제거 촉매(60)로부터 슬립되는 일산화탄소는 거의 없다. 여기서 지연 시간(t3)은 일산화탄소 제거 촉매(60)로부터 일산화탄소가 슬립되기 시작할 때까지의 기간을 의미한다.
지연 시간(t3)이 경과하면, 일산화탄소 제거 촉매(60)에서 일산화탄소가 슬립되기 시작한다. 일산화탄소 제거 촉매(60)에서 슬립된 일산화탄소의 누적량은 시간 경과에 비례하여 증가하게 된다. 마찬가지로, 암모니아 생성 촉매 모듈(35)에서 생성되는 암모니아의 누적량도 시간 경과에 비례하여 증가하게 된다. 따라서, 일산화탄소 제거 촉매(60) 후단으로 슬립된 일산화탄소의 누적양이 설정양이 되는 리치 시간(t4)까지 공연비를 농후하게 유지하면, 암모니아 생성 촉매 모듈(35)에서 생성되는 암모니아의 양을 더욱 증가시킬 수 있다. 여기서 리치 시간(t4)은 일산화탄소 제거 촉매(60)에서 슬립된 일산화탄소의 누적양이 설정양이 될 때까지의 기간을 의미한다.
이와 같이, 주어진 시간 내에 일산화탄소와 탄화수소의 슬립양을 줄이면서 암모니아 생성양을 증가시키기 위해서는 농후한 공연비를 다단 페이스로 제어할 수 있다.
예를 들어, 농후한 공연비는 세 개의 페이스로 제어될 수 있다. 제1페이스는 엔진(10)이 농후한 공연비에서 작동하기 시작한 시점부터 설정 시간(t1)까지의 기간이며, 제1페이스에서는 암모니아 생성 촉매 모듈(35) 내의 OSC의 소진을 가속한다. 제2페이스는 설정 시간(t1)부터 OSC 소진 시간(t2)까지의 기간이며, 제2페이스에서는 상기 OSC가 완전히 소진된다. 제3페이스는 OSC 소진 시간(t2)부터 지연 시간(t3)까지의 기간이며, 제3페이스에서는 암모니아 생성 촉매 모듈(35)이 암모니아를 생성시키고, 생성된 암모니아는 선택적 환원 촉매(50)에 저장된다.
선택적으로, 암모니아 생성양을 더욱 증가시키기 위하여 제4페이스에 따른 리치 제어가 수행될 수 있다. 제4페이스는 지연 시간(t3)으로부터 리치 시간(t4)까지의 기간이며, 제4페이스에서는 암모니아를 추가로 생성한다.
이하, 도 6 내지 도 9를 참고로, 본 발명의 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 방법을 설명한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 방법의 흐름도이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 방법의 흐름도이다.
도 6에 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(70)는 배출가스에 포함된 입자상물질을 포집한다.
제어기(90)는 SCR 촉매(50)에 저장된 암모니아의 양을 계산한다(S140). 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 농후한 공연비가 요구되는지, 즉 농후한 공연비로 전환이 필요한지를 판단한다.
하나의 양상에서, 농후한 공연비로 전환이 필요한지 판단하기 위하여, 제어기(90)는 SCR 촉매(50)에 유입될 질소산화물의 양을 계산한다(S150). 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, 암모니아 생성 촉매(40)의 온도 등을 기초로 암모니아 생성 촉매 모듈(35)로부터 슬립되는 질소산화물의 양을 계산한다.
그 후, 제어기(90)는 SCR 촉매(50)가 질소산화물을 정화할 수 있는지 판단한다(S160). 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.
S160 단계에서 SCR 촉매(50)가 질소산화물을 정화할 수 있으면, 제어기(90)는 본 발명의 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 방법을 종료한다. 이 경우, 엔진(10)은 연한 공연비에서 운전된다.
S160 단계에서 SCR 촉매(50)가 질소산화물을 정화할 수 없으면(즉, SCR 촉매(50)에 저장된 암모니아의 양이 SCR 촉매(50)에 유입되는 질소산화물을 정화하기에 충분하지 않으면), 제어기(90)는 농후한 공연비로 전환이 필요한 것으로 판단한다. 그 후, 제어기(90)는 농후한 공연비를 다단 페이스로 제어한다(S170).
다른 하나의 양상에서, 도 7에 도시된 바와 같이, 농후한 공연비로 전환이 필요한지 판단하기 위하여, 제어기(90)는 SCR 촉매(50)에 저장된 암모니아의 양이 암모니아 하한값 이상인지를 판단한다(S165).
S165 단계에서 SCR 촉매(50)에 저장된 암모니아의 양이 암모니아 하한값 이상이면, 제어기(90)는 본 발명의 실시예에 따른 린번 엔진용 후처리 방법을 종료하고 엔진(10)은 연한 공연비에서 운전된다.
S165 단계에서 SCR 촉매(50)에 저장된 암모니아의 양이 암모니아 하한값보다 작으면, 제어기(90)는 농후한 공연비로 전환이 필요한 것으로 판단한다. 그 후, 제어기(90)는 농후한 공연비를 다단 페이스로 제어한다(S170).
이하, 도 8 내지 도 9를 참고로, S170 단계를 보다 상세히 설명한다.
도 8은 하나의 양상에 따른 리치 다단 제어의 흐름도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 리치 다단 제어가 시작되면(S170), 제어기(90)는 설정 시간(t1) 동안 제1페이스에 따른 리치 제어를 수행한다(S210). 이에 따라, 암모니아 생성 촉매 모듈(35)의 OSC의 소진이 가속된다. 제1페이스에 따른 리치 제어는 배출가스의 공연비를 제1공연비로 제어함으로써 수행되며, 상기 제1공연비는 깊이 농후한 공연비이다. 하나의 양상에서, 제1공연비는 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 0.90보다 작을 수 있다. 다른 하나의 양상에서, 제1공연비는 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 0.87 이상이고 0.9 미만일 수 있다. 또한, 설정 시간(t1)은 엔진(10)이 제1공연비에서 작동하여도 암모니아 생성 촉매 모듈(35)에서 탄화수소가 슬립되지 않는 기간이며 미리 설정될 수 있다. 하나의 양상에서, 상기 설정 시간(t1)은 1초 이내일 수 있다. 다른 하나의 양상에서, 상기 설정 시간(t1)은 0.3초에서 0.7초 사이의 값일 수 있다. 또 다른 하나의 양상에서, 상기 설정 시간(t1)은 0.5초일 수 있다. 또한, 상기 설정 시간(t1)은 제1공연비와 암모니아 생성 촉매 모듈(35)의 OSC에 따라 계산될 수 있다.
설정 시간(t1) 동안 제1페이스에 따른 리치 제어를 수행한 후, 제어기(90)는 OSC 소진 시간(t2)까지 제2페이스에 따른 리치 제어를 수행한다(S220). 이에 따라, 암모니아 생성 촉매 모듈(35)의 OSC가 완전히 소진한다. 제2페이스에 따른 리치 제어는 배출가스의 공연비를 제2공연비로 제어함으로써 수행되며, 상기 제2공연비는 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 제1공연비보다 클 수 있다. 하나의 양상에서, 상기 제2공연비는 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 0.945 이상 0.97 미만일 수 있다. 다른 하나의 양상에서, 상기 제2공연비는 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 0.945 이상 0.95이하일 수 있다. 또 다른 하나의 양상에서, 상기 제2공연비는 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 0.95일 수 있다. 만일 제2공연비가 0.94보다 작으면 암모니아 생성 촉매 모듈(35)에서 탄화수소가 슬립될 수 있다. 이와는 달리, 만일 제2공연비가 0.97 이상이면 OSC 소진 시간(t2)이 길어진다.
제2페이스에 따른 리치 제어를 수행하는 도중, 제어기(90)는 암모니아 생성 촉매 모듈(35)의 후단 배기가스의 공연비가 농후한지를 판단한다(S230). 즉, 제어기(90)는 OSC 소진 시간(t2)이 경과하였는지를 판단한다. 제1페이스에 따른 리치 제어와 제2페이스에 따른 리치 제어를 수행하여 암모니아 생성 촉매 모듈(35)의 OSC가 소진하면, 암모니아 생성 촉매 모듈(35)의 후단 배기가스의 공연비가 농후해진다. 이에 따라, 제3산소 센서(36)의 측정값이 1 미만이 된다. 따라서, 제어기(90)는 제3산소 센서(36)의 측정값을 기초로 암모니아 생성 촉매 모듈(35)의 후단 배기가스의 공연비가 농후한지를 판단한다.
S230 단계에서 암모니아 생성 촉매 모듈(35)의 후단 배기가스의 공연비가 농후하지 않으면, 제어기(90)는 S220 단계로 돌아가 제2페이스에 따른 리치 제어를 계속하여 수행한다.
S230 단계에서 암모니아 생성 촉매 모듈(35)의 후단 배기가스의 공연비가 농후하면, 지연 시간(t3)까지 제어기(90)는 제3페이스에 따른 리치 제어를 수행한다(S240). 이에 따라, 일산화탄소 제거 촉매(60)로부터 일산화탄소가 슬립되기 전까지 암모니아 생성 촉매 모듈(35)은 암모니아를 생성한다. 상기 제3페이스에 따른 리치 제어는 배출가스의 공연비를 제3공연비로 제어함으로써 수행되며, 상기 제3공연비는 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 제2공연비보다 클 수 있다. 하나의 양상에서, 상기 제3공연비는 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 0.965 이상 0.985 미만일 수 있다. 다른 하나의 양상에서, 상기 제3공연비는 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 0.97이상 0.98 이하일 수 있다. 또 다른 하나의 양상에서, 상기 제3공연비는 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 0.975일 수 있다. 만일 제3공연비가 0.965보다 작으면 지연 시간(t3)이 짧아진다. 따라서, 지연 시간(t3) 동안 암모니아 생성 촉매 모듈(35)에서 생성되는 암모니아의 양이 줄어들게 된다. 또한, 제3공연비가 0.985보다 크면 암모니아 생성 촉매 모듈(35)에서 생성되는 암모니아의 양이 줄어들게 된다.
제3페이스에 따른 리치 제어를 수행하는 도중, 제어기(90)는 일산화탄소 제거 촉매(60)에서 일산화탄소가 슬립되기 시작하였는지를 판단한다(S250). 하나의 양상에서, 일산화탄소 제거 촉매(60) 후단에 일산화탄소 센서(도시하지 않음)를 부착하고 제어기(90)는 일산화탄소 센서에서 측정하는 일산화탄소의 양을 기초로 일산화탄소 제거 촉매(60)에서 일산화탄소가 슬립되기 시작하였는지를 판단할 수 있다. 다른 하나의 양상에서, 제3공연비와 일산화탄소 제거 촉매(60)의 온도에 따른 지연 시간(t3)을 맵에 저장하고, 제어기(90)는 농후한 공연비가 유지된 기간이 상기 맵에 저장된 지연 시간(t3)과 동일한지를 판단함으로써 일산화탄소 제거 촉매(60)에서 일산화탄소가 슬립되기 시작하였는지를 판단할 수 있다.
S250 단계에서 일산화탄소 제거 촉매(60)에서 일산화탄소가 슬립되지 않았다고 판단되면, 제어기(90)는 S240 단계로 돌아가 제3페이스에 따른 리치 제어를 계속하여 수행한다.
S250 단계에서 일산화탄소 제거 촉매(60)에서 일산화탄소가 슬립되기 시작하였다고 판단되면, 제어기(90)는 리치 다단 제어를 종료하고(S260), S130 단계로 돌아간다. 이에 따라, 엔진(10)은 연한 공연비에서 운전된다.
도 9는 다른 하나의 양상에 따른 리치 다단 제어의 흐름도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 다른 하나의 양상에 따른 리치 다단 제어는 하나의 양상에 따른 리치 다단 제어에 S252 단계와 S254 단계가 추가된다. 즉, 제어기(90)는 S210 단계 내지 S250 단계를 수행한 후, S252 단계와 S254 단계를 더 수행한다.
S250 단계에서 일산화탄소 제거 촉매(60)에서 일산화탄소가 슬립되기 시작하였다고 판단되면, 제어기(90)는 리치 시간(t4)까지 제4페이스에 따른 리치 제어를 수행한다(S252). 이에 따라, 일산화탄소 제거 촉매(60)로부터 슬립된 일산화탄소의 누적양이 설정양이 될 때까지, 암모니아 생성 촉매 모듈(35)은 암모니아를 추가로 생성한다. 상기 제4페이스에 따른 리치 제어는 배출가스의 공연비를 제4공연비로 제어함으로써 수행되며, 상기 제4공연비는 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 제3공연비보다 클 수 있다. 즉, 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 제1공연비, 제2공연비, 제3공연비, 제4공연비의 순서로 커진다. 하나의 양상에서, 상기 제4공연비는 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 0.975 이상 0.99 이하일 수 있다. 다른 하나의 양상에서, 상기 제4공연비는 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 0.985 이상 0.99 이하일 수 있다. 또 다른 하나의 양상에서, 상기 제4공연비는 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 0.985일 수 있다. 만일 제4공연비가 0.975 미만이면 리치 시간(t4)이 짧아진다. 이는 일산화탄소 제거 촉매(60)에서 슬립되는 일산화탄소의 양이 증가되는 것을 의미한다. 이와는 달리, 만일 제4공연비가 0.99보다 크면 암모니아 생성 촉매 모듈(35)에서 생성되는 암모니아의 양이 줄어들게 된다.
제4페이스에 따른 리치 제어를 수행하는 도중, 제어기(90)는 일산화탄소 제거 촉매(60)에서 슬립된 일산화탄소의 누적양이 설정양 이상인지를 판단한다(S254). 예를 들어, 상기 설정양은, 이에 한정되지 아니하지만, 0.1g일 수 있다. 하나의 양상에서, 일산화탄소 제거 촉매(60) 후단에 일산화탄소 센서를 부착하고 제어기(90)는 일산화탄소 센서에서 측정하는 일산화탄소의 양을 기초로 일산화탄소 제거 촉매(60)에서 슬립된 일산화탄소의 누적양이 설정양 이상인지를 판단할 수 있다. 다른 하나의 양상에서, 제4공연비와 일산화탄소 제거 촉매(60)의 온도에 따른 리치 시간(t4)을 맵에 저장하고, 제어기(90)는 농후한 공연비가 유지된 기간이 상기 맵에 저장된 리치 시간(t4)과 동일한지를 판단함으로써 일산화탄소 제거 촉매(60)에서 슬립된 일산화탄소의 누적양이 설정양 이상인지를 판단할 수 있다.
S254 단계에서 일산화탄소 제거 촉매(60)에서 슬립된 일산화탄소의 누적양이 설정양보다 작으면, 제어기(90)는 S252 단계로 돌아가 제4페이스에 따른 리치 제어를 계속하여 수행한다.
S254 단계에서 일산화탄소 제거 촉매(60)에서 슬립된 일산화탄소의 누적양이 설정양 이상이면, 제어기(90)는 리치 다단 제어를 종료하고(S260), S130 단계로 돌아간다. 이에 따라, 엔진(10)은 연한 공연비에서 운전된다.
(실시예)
이하, 본 발명의 실시예에 따른 후처리 방법의 성능을 다양한 실시예와 비교예를 통하여 설명하기로 한다. 다양한 실시예와 비교예의 설정 시간 및 공연비는 [표 1]과 같다.
제1페이스 제2페이스 제3페이스 제4페이스
실시예1 0.89(0.5초) 0.95 0.975 -
실시예2 0.89(0.5초) 0.95 0.975 0.985
비교예1 0.95 0.95 0.975 -
비교예2 0.89(0.7초) 0.95 0.975 -
비교예3 0.89(0.9초) 0.95 0.975 -
비교예4 0.89(1.1초) 0.95 0.975 -
비교예5 0.89(1.3초) 0.95 0.975 -
비교예6 0.89(0.5초) 0.935 0.975 -
비교예7 0.89(0.5초) 0.94 0.975 -
비교예8 0.89(0.5초) 0.945 0.975 -
비교예9 0.89(0.5초) 0.955 0.975 -
비교예10 0.89(0.5초) 0.95 0.965 -
비교예11 0.89(0.5초) 0.95 0.97 -
비교예12 0.89(0.5초) 0.95 0.98 -
비교예13 0.89(0.5초) 0.95 0.985 -
비교예14 0.89(0.5초) 0.95 0.99 -
비교예15 0.89(0.5초) 0.95 0.975 0.975
비교예16 0.89(0.5초) 0.95 0.975 0.98
비교예17 0.89(0.5초) 0.95 0.975 0.99
비교예18 0.89(0.5초) 0.95 0.975 0.995
각 셀에는 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 배출가스의 공연비가 기재되어 있으며, 제2열의 괄호 안에는 설정 시간이 기재되어 있다. 실시예1 내지 실시예2 및 비교예1 내지 비교예14에서는 하나의 양상에 따른 리치 다단 제어가 수행되었고(도 8 참고), 비교예15 내지 비교예18에서는 다른 하나의 양상에 따른 리치 다단 제어가 수행되었다(도 9 참고). 비교예1은 제1페이스에 따른 리치 제어의 효과를 비교하기 위하여 사용되고, 비교예2 내지 비교예5는 설정 시간에 따른 효과를 비교하기 위하여 사용되며, 비교예6 내지 비교예9는 제2공연비에 따른 효과를 비교하기 위하여 사용되고, 비교예10 내지 비교예14는 제3공연비에 따른 효과를 비교하기 위하여 사용되며, 비교예15 내지 비교예18은 제4공연비에 따른 효과를 비교하기 위하여 사용된다.
(시험 방법)
배기 파이프(20)에 TWC(30), GPF(70), APC(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.
엔진 회전수가 2000rpm에서 공연비를 연하게(λ=1.8) 5분간 유지하여 후처리 장치 전체를 연한 분위기로 만들었다. 그 후, 엔진 회전수가 2000rpm에서 리치 다단 제어를 수행하였다.
도 10은 제1페이스에 따른 리치 제어가 수행되는 설정 시간에 따른 암모니아 생성 촉매 모듈 후단으로 슬립되는 탄화수소의 양과 암모니아 생성 촉매 모듈 내의 산소 저장 물질의 소진 시간을 도시한 그래프이다.
도 10에서 가는 실선은 OSC 소진 시간(t2)을 나타내고 굵은 실선은 하나의 양상에 따른 리치 다단 제어를 수행하는 동안 암모니아 생성 촉매 모듈(35)에서 슬립되는 탄화수소의 양을 나타낸다.
도 10에 도시된 바와 같이, 제1페이스에 따른 리치 제어를 수행하지 않는 비교예1의 경우, 암모니아 생성 촉매 모듈(35)에서 탄화수소가 슬립되지는 않으나 OSC 소진 시간(t2)이 매우 길다(약 9초). 0.5초 이상 제1페이스에 따른 리치 제어를 수행하면, OSC 소진 시간(t2)이 6초 이하가 된다(실시예1 및 비교예2 내지 비교예5의 경우). 그러나, 0.7초 이상 제1페이스에 따른 리치 제어를 수행하면, 암모니아 생성 촉매 모듈(35)에서 탄화수소가 슬립된다. 특히, 1.1초 이상 제1페이스에 따른 리치 제어를 수행하면 암모니아 생성 촉매 모듈(35)에서 슬립되는 탄화수소의 양이 급격히 증가함을 알 수 있다. OSC 소진 시간을 단축하면서 암모니아 생성 촉매 모듈(35)에서 슬립되는 탄화수소의 양을 줄이기 위해서는 설정 시간(t1) 동안 제1페이스에 따른 리치 제어를 수행하는 것이 바람직하다. 하나의 양상에서, 상기 설정 시간(t1)은 1초 이내일 수 있다. 다른 하나의 양상에서, 상기 설정 시간(t1)은 0.3초에서 0.7초 사이의 값일 수 있다. 또 다른 하나의 양상에서, 상기 설정 시간(t1)은 0.5초일 수 있다.
도 11은 제2공연비에 따른 암모니아 생성 촉매 모듈 후단으로 슬립되는 탄화수소의 양과 암모니아 생성 촉매 모듈 내의 산소 저장 물질의 소진 시간을 도시한 그래프이다.
도 11에서 가는 실선은 OSC 소진 시간(t2)을 나타내고 굵은 실선은 하나의 양상에 따른 리치 다단 제어를 수행하는 동안 암모니아 생성 촉매 모듈(35)에서 슬립되는 탄화수소의 양을 나타낸다.
도 11에 도시된 바와 같이, 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 제2공연비가 증가하면 OSC 소진 시간(t2)은 서서히 증가하나 암모니아 생성 촉매 모듈(35)에서 슬립되는 탄화수소의 양은 감소한다. 만일 제2공연비가 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 0.94 이하이면(비교예6 및 비교예7의 경우) 암모니아 생성 촉매(35)에서 슬립되는 탄화수소의 양은 상당히 많다. 만일 제2공연비가 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 0.97을 초과하면 OSC 소진 시간(t2)이 상당히 길게 된다. 따라서, OSC 소진 시간을 단축하면서 암모니아 생성 촉매 모듈(35)에서 슬립되는 탄화수소의 양을 줄이기 위해서는 상기 제2공연비는 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 0.945 이상 0.97 미만일 수 있다. 다른 하나의 양상에서, 상기 제2공연비는 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 0.945 이상 0.95이하일 수 있다. 또 다른 하나의 양상에서, 상기 제2공연비는 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 0.95일 수 있다.
도 12는 제3공연비에 따른 암모니아 생성 촉매 모듈에서 생성된 암모니아의 양과 제3페이스에 따른 리치 제어가 수행되는 시간을 도시한 그래프이다.
도 12에서 가는 실선은 제3페이스에 따른 리치 제어가 수행되는 시간(즉, t3 ?? t2)을 나타내고, 굵은 실선은 하나의 양상에 따른 리치 다단 제어를 수행하는 동안 암모니아 생성 촉매 모듈(35)에서 생성되는 암모니아의 양을 나타낸다.
도 12에 도시된 바와 같이, 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 제3공연비가 증가할수록 제3페이스에 따른 리치 제어가 수행되는 시간도 함께 증가한다. 그러나, 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 제3공연비가 증가하면 암모니아 생성 촉매 모듈(35)에서 생성되는 암모니아의 양은 증가하다 감소하며, 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 제3공연비가 0.975에서 암모니아 생성 촉매 모듈(35)에서 생성되는 암모니아의 양은 가장 많다. 특히, 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 제3공연비가 0.975로부터 증가할수록 암모니아 생성 촉매 모듈(35)에서 생성되는 암모니아의 양은 감소한다. 따라서, 암모니아 생성 촉매 모듈(35)에서 생성되는 암모니아의 양을 늘리기 위해서는 상기 제3공연비는 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 0.965 이상 0.985 미만일 수 있다. 다른 하나의 양상에서, 상기 제3공연비는 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 0.97이상 0.98 이하일 수 있다. 또 다른 하나의 양상에서, 상기 제3공연비는 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 0.975일 수 있다.
도 13은 제4공연비에 따른 암모니아 생성 촉매 모듈에서 생성된 암모니아의 양과 제4페이스에 따른 리치 제어가 수행되는 시간을 도시한 그래프이다.
도 13에서 가는 실선은 제4페이스에 따른 리치 제어가 수행되는 시간(즉, t4 ?? t3)을 나타내고, 굵은 실선은 다른 하나의 양상에 따른 리치 다단 제어를 수행하는 동안 암모니아 생성 촉매 모듈(35)에서 생성되는 암모니아의 양을 나타낸다.
도 13에 도시된 바와 같이, 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 제4공연비가 증가할수록 제4페이스에 따른 리치 제어가 수행되는 시간도 함께 증가한다. 특히, 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 제4공연비가 0.985보다 커지면, 제4페이스에 따른 리치 제어가 수행되는 시간이 길다. 그러나, 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 제4공연비가 증가하면 암모니아 생성 촉매 모듈(35)에서 생성되는 암모니아의 양은 증가하다 감소하며, 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 제4공연비가 0.990에서 암모니아 생성 촉매 모듈(35)에서 생성되는 암모니아의 양은 가장 많다. 특히, 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 제4공연비가 0.990로부터 증가할수록 암모니아 생성 촉매 모듈(35)에서 생성되는 암모니아의 양은 급격히 감소한다. 따라서, 제4페이스에 따른 리치 제어가 수행되는 시간을 증가시키지 않으면서 암모니아 생성 촉매 모듈(35)에서 생성되는 암모니아의 양을 늘리기 위해서는 상기 제4공연비는 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 0.975 이상 0.99 이하일 수 있다. 다른 하나의 양상에서, 상기 제4공연비는 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 0.985 이상 0.99 이하일 수 있다. 또 다른 하나의 양상에서, 상기 제4공연비는 제1산소 센서(32)의 측정값을 기준으로 0.985일 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 (20)

  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;
    선택적 환원 촉매 하류의 배기 파이프에 장착되며, 배출가스에 포함된 일산화탄소를 정화하는 일산화탄소 제거 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 농후한 공연비가 요구되는 것을 검출하는 것에 반응하여 암모니아 생성 촉매 모듈 내의 산소 저장 용량(OSC)의 소진을 가속하는 제1페이스에 따른 리치 제어, 상기 산소 저장 용량이 소진하는 제2페이스에 따른 리치 제어, 일산화탄소 제거 촉매 후단으로 일산화탄소가 슬립되기 전까지 암모니아를 생성시키는 제3페이스에 따른 리치 제어를 순차적으로 수행하도록 된 린번 엔진용 후처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1페이스에 따른 리치 제어에서는 상기 공연비가 제1공연비로 제어되고, 상기 제2페이스에 따른 리치 제어에서는 상기 공연비가 제2공연비로 제어되며, 상기 제3페이스에 따른 리치 제어에서는 상기 공연비가 제3공연비로 제어되는 것을 특징으로 하는 린번 엔진용 후처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 암모니아 생성 촉매 모듈 전단에 장착된 산소 센서의 측정값을 기준으로 상기 제1공연비, 제2공연비, 제3공연비는 순차적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 린번 엔진용 후처리 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어기는 일산화탄소 제거 촉매 후단으로 슬립된 일산화탄소의 누적양이 설정양이 되는 리치 시간까지 암모니아를 추가로 생성하는 제4페이스에 따른 리치 제어를 더 수행하도록 된 린번 엔진용 후처리 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제4페이스에 따른 리치 제어에서는 상기 공연비는 제4공연비로 제어되며,
    상기 제4공연비는 암모니아 생성 촉매 모듈 전단에 장착된 산소 센서의 측정값을 기준으로 제1공연비 내지 제3공연비보다 큰 것을 특징으로 하는 린번 엔진용 후처리 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 리치 시간은 제4공연비 및 일산화탄소 제거 촉매의 온도에 따라 계산되는 것을 특징으로 하는 린번 엔진용 후처리 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제1페이스에 따른 리치 제어는 설정 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 린번 엔진용 후처리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 설정 시간은 상기 산소 저장 용량 및 제1공연비에 따라 계산되는 것을 특징으로 하는 린번 엔진용 후처리 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 암모니아 생성 촉매 모듈은
    배출가스에 포함된 탄화수소, 일산화탄소, 질소산화물을 정화하는 삼원 촉매; 그리고
    상기 삼원 촉매 하류의 배기 파이프에 장착되며, 공연비가 연하면 질소산화물을 저장하고, 공연비가 농후하면 수소를 생성하여 저장된 질소산화물을 탈착하고 탈착된 질소산화물과 생성된 수소를 이용하여 암모니아를 생성하는 암모니아 생성 촉매;
    를 포함하는 린번 엔진용 후처리 장치
  10. 제9항에 있어서,
    상기 삼원 촉매와 암모니아 생성 촉매 사이 또는 상기 암모니아 생성 촉매와 상기 선택적 환원 촉매 사이에는 배출가스에 포함된 입자상물질을 포집하는 입자상 필터를 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,
    연한 공연비에서 엔진을 운전하는 단계;
    선택적 환원 촉매에 저장된 암모니아의 양을 계산하는 단계;
    농후한 공연비로 전환이 필요한지 판단하는 단계;
    농후한 공연비로 전환이 필요하면, 설정 시간 동안 제1공연비로 엔진을 운전하는 단계; 그리고
    상기 암모니아 생성 촉매 모듈 내의 산소 저장 용량이 소진할 때까지 제2공연비로 엔진을 운전하는 단계;
    를 포함하는 린번 엔진용 후처리 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1공연비는 상기 암모니아 생성 촉매 모듈 전단에 장착된 산소 센서의 측정값을 기준으로 상기 제2공연비보다 작은 것을 특징으로 하는 린번 엔진용 후처리 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 설정 시간은 상기 산소 저장 용량 및 제1공연비에 따라 계산되는 것을 특징으로 하는 린번 엔진용 후처리 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 일산화탄소 제거 촉매 후단으로 일산화탄소가 슬립되기 전까지 제3공연비로 엔진을 운전하는 단계를 더 포함하는 린번 엔진용 후처리 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제3공연비는 상기 암모니아 생성 촉매 모듈 전단에 장착된 산소 센서의 측정값을 기준으로 상기 제2공연비보다 큰 것을 특징으로 하는 린번 엔진용 후처리 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    일산화탄소 제거 촉매 후단으로 슬립된 일산화탄소의 누적양이 설정양이 되는 리치 시간까지 제4공연비로 엔진을 운전하는 단계를 더 포함하는 린번 엔진용 후처리 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제4공연비는 상기 암모니아 생성 촉매 모듈 전단에 장착된 산소 센서의 측정값을 기준으로 상기 제3공연비보다 큰 것을 특징으로 하는 린번 엔진용 후처리 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 리치 시간은 제4공연비 및 일산화탄소 제거 촉매의 온도에 따라 계산되는 것을 특징으로 하는 린번 엔진용 후처리 방법.
  19. 제11항에 있어서,
    농후한 공연비로 전환이 필요한지 판단하는 단계는 선택적 환원 촉매에 유입될 질소산화물의 양을 계산하는 단계를 포함하며,
    선택적 환원 촉매에 저장된 암모니아의 양이 선택적 환원 촉매에 유입되는 질소산화물을 정화하는데 필요한 암모니아의 양보다 작으면 농후한 공연비로 전환이 필요한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 린번 엔진용 후처리 방법.
  20. 제11항에 있어서,
    농후한 공연비로 전환이 필요한지 판단하는 단계는 선택적 환원 촉매에 저장된 암모니아의 양과 미리 설정된 암모니아 하한값과 비교하는 단계를 포함하며,
    선택적 환원 촉매에 저장된 암모니아의 양이 미리 설정된 암모니아 하한값보다 작으면 농후한 공연비로 전환이 필요한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 린번 엔진용 후처리 방법.
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