KR20200102150A - 자동차의 배기가스 정화장치 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치는, 엔진의 배기가스를 정화하도록 상기 엔진의 배기측과 연결된 배기 파이프 상에 구비되는 자동차의 배기가스 정화장치에 있어서, 상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 받아들이고, 경유한 배기가스를 후방으로 배출시키도록 상기 배기 파이프 상에 배치되는 하우징과, 상기 하우징의 전단을 통하여 상기 하우징 유입된 배기가스를 1차적으로 정화시키도록 상기 하우징에 내장되는 전단 촉매와, 상기 전단 촉매를 경유한 배기가스를 상기 하우징의 후단으로 유출되기 전에 2차적으로 정화시키도록 상기 하우징에 내장되는 후단 촉매, 및 상기 하우징의 전단에서 상기 배기 파이프와 연결되어 상기 하우징에 유입되는 배기가스에 함유된 미연소 연료의 농도를 제어하는 제어기를 포함하되, 상기 제어기는, 상기 엔진 시동 후 상기 하우징에 유입되는 배기가스에 함유된 미연소 연료의 농도를 연료 희박(fuel lean)이 되도록 제어하는 희박 제어를 수행하고, 상기 전단 촉매 및 후단 촉매의 열화도에 따른 설정 온도에서 상기 희박 제어를 종료하며, 상기 하우징에 유입되는 배기가스에 함유된 미연소 연료의 농도를 연료 희박 및 연료 농후(fuel rich)가 주기적으로 규칙적인 교대를 반복하도록 제어하는 일반 제어를 수행하도록 제어한다.

Description

자동차의 배기가스 정화장치 및 그 제어방법{EXHAUST GAS PURIFICATION SYSTEM FOR VEHICLE AND METHOD OF CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 자동차의 배기가스 정화장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배기가스 중의 공해 물질을 저감시킬 수 있는 자동차의 배기가스 정화장치 및 그 제어방법에 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, 입자상물질 제거용 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.
그러나, 상기 장치들을 가솔린 엔진에 적용하는 것은 상당한 원가 상승을 야기하고, 요소의 충전 등 차량의 유지 및 보수의 불편함을 동반한다. 또한, 가솔린 엔진의 고부하 영역에서는 암모니아(NH3)의 생성량 부족으로 인해 질소산화물(NOx) 정화 성능이 저하될 수 있다. 특히, 린번(lean burn) 가솔린 엔진의 고부하 영역에서는 질소산화물(NOx) 정화 성능이 지나치게 저하될 수 있다.
최근에는 이러한 문제점을 해소하면서도 자동차의 친환경성 규제에 맞추어 가솔린 엔진의 배기가스 후처리를 수행하는 기술로서, 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 및 로듐(Rh) 계의 촉매 중 적어도 하나(주로 팔라듐 단독 또는 백금 및 로듐 중 적어도 하나와 팔라듐의 조합)의 촉매를 기반으로 일산화탄소, 질소산화물, 및 탄화수소를 동시에 제거하도록 기능하는 삼원촉매(TWC: three way catalyst)가 개발되어 가솔린 엔진의 배기가스 후처리 장치에 적용되고 있다.
하지만, 상기 삼원촉매를 이용한 배기가스 후처리에는 일산화탄소 및 탄화수소를 산화시킴과 동시에 질소산화물을 환원시키도록 엔진의 연료 희박(fuel lean) 및 연료 농후(fuel rich) 조건을 교대로 만드는 제어가 요구되는데, 엔진이 가열되어 상기 삼원촉매가 웜업(warm up)된 상태에서는 질소산화물을 비롯한 배기가스의 유해성분이 100%에 가깝게 제거되나 엔진시동 초기의 냉간 상태에서는 질소산화물을 제거하는 것에 한계가 있다. 실험결과에 따르면, 미국 환경보호청이 규정한 도심주행 모드인 FTP-75의 기준에 따라 엔진의 연료 희박(fuel lean) 및 연료 농후(fuel rich) 조건이 주기적으로 교대하는 기존의 삼원촉매를 이용한 배기가스 후처리 장치를 평가한 경우에 엔진시동 초기의 냉간 상태에서는 배기가스에 함유되어 배출되는 전체 질소산화물 중에서 60% 이상이 제거되지 못하고 테일 파이프(tail pipe)를 통하여 배출되는 것으로 나타났다. 특히, 자동차의 친환경성 규제 중 하나인 연비 규제를 만족시키기 위하여 차량에 적용되고 있는 고효율 엔진은 배기가스의 온도를 낮추도록 개발되고 있어 저온의 배기가스를 정화하기 위한 기술이 더욱 요구되고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 엔진시동 초기인 냉간 상태에서 연료 희박 조건에서 질소산화물(NOx) 저장 이벤트 종료시 삼원 촉매의 산소 저장(OSC) 물질 특성을 고려하여 연료 희박 및 연료 농후 조건이 교대로 수행되는 일반 운전 모드로 전환하여 배기가스 중의 질소산화물을 효과적으로 제거할 수 있는 자동차의 배기가스 정화장치 및 그 제어방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치는, 엔진의 배기가스를 정화하도록 상기 엔진의 배기측과 연결된 배기 파이프 상에 구비되는 자동차의 배기가스 정화장치에 있어서, 상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 받아들이고, 경유한 배기가스를 후방으로 배출시키도록 상기 배기 파이프 상에 배치되는 하우징과, 상기 하우징의 전단을 통하여 상기 하우징 유입된 배기가스를 1차적으로 정화시키도록 상기 하우징에 내장되는 전단 촉매와, 상기 전단 촉매를 경유한 배기가스를 상기 하우징의 후단으로 유출되기 전에 2차적으로 정화시키도록 상기 하우징에 내장되는 후단 촉매, 및 상기 하우징의 전단에서 상기 배기 파이프와 연결되어 상기 하우징에 유입되는 배기가스에 함유된 미연소 연료의 농도를 제어하는 제어기를 포함하되, 상기 제어기는, 상기 엔진 시동 후 상기 하우징에 유입되는 배기가스에 함유된 미연소 연료의 농도를 연료 희박(fuel lean)이 되도록 제어하는 희박 제어를 수행하고, 상기 전단 촉매 및 후단 촉매의 열화도에 따른 설정 온도에서 상기 희박 제어를 종료하며, 상기 하우징에 유입되는 배기가스에 함유된 미연소 연료의 농도를 연료 희박 및 연료 농후(fuel rich)가 주기적으로 규칙적인 교대를 반복하도록 제어하는 일반 제어를 수행하도록 제어한다.
상기 전단 촉매는 탄화수소 및 일산화탄소를 산화시킴과 동시에 질소산화물을 흡장하는 팔라듐 촉매일 수 있다.
상기 전단 촉매는 Pd/CZO 촉매일 수 있다.
상기 후단 촉매는 질소산화물을 환원시키는 로듐 촉매일 수 있다.
상기 후단 촉매는 Rh/CZO 촉매일 수 있다.
상기 제어기는, 상기 전단 촉매 및 후단 촉매가 신품이면, 상기 하우징에 유입되는 배기가스의 온도가 300℃에 도달하면 상기 희박 제어를 종료하도록 제어할 수 있다.
상기 제어기는, 상기 전단 촉매 및 후단 촉매가 열화품이면, 상기 하우징에 유입되는 배기가스의 온도가 400℃에 도달하면 상기 희박 제어를 종료하도록 제어할 수 있다.
상기 제어기는, 상기 일반 제어를 수행하기 전에, 상기 희박 제어 종료 후 상기 전단 촉매 및 후단 촉매에 산소 퍼지를 수행하도록 제어할 수 있다.
상기 제어기는, 상기 산소 퍼지를 수행하여 상기 전단 촉매 및 후단 촉매의 산소 저장(OSC) 물질 내 산소 포화도를 40% 이하로 줄이도록 제어할 수 있다.
상기 제어기는, 상기 산소 퍼지를 공연비(λ) 0.95 이하의 농후 조건에서 3초 이상 수행하도록 제어할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치 제어방법은, 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 받아들이고, 경유한 배기가스를 후방으로 배출시키도록 배기 파이프 상에 배치되는 하우징 내부에 배기가스를 1차적으로 정화시키는 전단 촉매 및 상기 전단 촉매를 경유한 배기가스를 2차적으로 정화시키는 후단 촉매가 내장되고, 제어기에 의해 상기 하우징의 전단에서 상기 배기 파이프와 연결되어 상기 하우징에 유입되는 배기가스에 함유된 미연소 연료의 농도가 제어되는 자동차의 배기가스 정화장치 제어방법에 있어서, 상기 엔진을 시동하는 단계와, 상기 하우징에 유입되는 배기가스에 함유된 미연소 연료의 농도를 연료 희박이 되도록 제어하는 희박제어를 수행하는 단계와, 상기 전단 촉매 및 후단 촉매가 신품인지 열화품인지 판단하는 단계와, 상기 전단 촉매 및 후단 촉매가 신품이면, 상기 전단 촉매 및 후단 촉매의 온도가 제1 설정 온도 이상인지 판단하는 단계와, 상기 전단 촉매 및 후단 촉매의 온도가 제1 설정 온도 이상이면, 상기 희박 제어를 종료하는 단계, 및 상기 하우징에 유입되는 배기가스에 함유된 미연소 연료의 농도를 연료 희박 및 연료 농후가 주기적으로 규칙적인 교대를 반복하도록 제어하는 일반제어를 수행하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치 제어방법은, 상기 전단 촉매 및 후단 촉매가 신품인지 열화품인지 판단하는 단계 후에, 상기 전단 촉매 및 후단 촉매가 열화품이면, 상기 전단 촉매 및 후단 촉매의 온도가 제2 설정 온도 이상인지 판단하는 단계와, 상기 전단 촉매 및 후단 촉매의 온도가 제2 설정 온도 이상이면, 상기 희박 제어를 종료하는 단계, 및 상기 전단 촉매 및 후단 촉매에 산소 퍼지를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 설정 온도는 300℃일 수 있다.
상기 제2 설정 온도는 400℃일 수 있다.
상기 산소 퍼지는 상기 전단 촉매 및 후단 촉매의 산소 저장(OSC) 물질 내 산소 포화도를 40% 이하로 줄이도록 수행될 수 있다.
상기 산소 퍼지는 공연비(λ) 0.95 이하의 농후 조건에서 3초 이상 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 엔진시동 초기인 냉간 상태에서 연료 희박 조건에서 질소산화물(NOx) 저장 이벤트 종료시 삼원 촉매의 산소 저장(OSC) 물질 특성을 고려하여 연료 희박 및 연료 농후 조건이 교대로 수행되는 일반 운전 모드로 전환하여 배기가스 중의 질소산화물을 효과적으로 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치가 엔진의 냉간 상태에서 희박 제어를 수행하고 촉매의 산소 저장(OSC) 물질의 산소 포화 전후 희박 제어를 종료한 경우에 따른 질소산화물 저장 성능을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치의 엔진의 냉간 상태에서 희박 제어를 수행하고 촉매의 산소 저장(OSC) 물질의 산소 포화 전후 희박 제어를 종료한 경우에 따른 각 공연비(λ)의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치의 엔진의 냉간 상태에서 촉매의 열화도에 따른 희박 제어를 종료한 각 경우 촉매의 산소 저장(OSC) 물질의 산소 포화도를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치의 엔진의 냉간 상태에서 촉매의 열화도에 따른 각 경우의 희박 제어 종료 온도를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치 제어방법을 나타내는 흐름도이다.
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 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치에 관하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치(20)는 엔진(10)의 배기가스를 정화하도록 엔진(10)의 배기측과 연결된 배기 파이프(12) 상에 구비되며, 배기 파이프(12) 상에 배치되는 하우징(21)과, 하우징(21)에 내장되는 전단 촉매(22) 및 후단 촉매(24)와, 배기가스에 함유된 미연소 연료의 농도를 제어하는 제어기(25)를 포함한다. 도 1에는 전단 촉매(22) 및 후단 촉매(24)의 구성을 보여주기 위하여 하우징(21)의 일부분이 커팅된 것이 도시되었다.
엔진(10)은 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 연소시켜 화학적 에너지를 기계적 에너지로 변환한다. 엔진(10)은 연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 복수의 연소실을 포함하고, 흡기 매니폴드에 연결되어 연소실 내부로 공기를 유입받으며, 연소 과정에서 발생된 배기 가스는 배기 매니폴드에 모인 후 엔진(10) 밖으로 배출되게 된다. 연소실에는 인젝터가 장착되어 연료를 연소실 내부로 분사한다.
배기 파이프(12)는 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스를 외부로 배출시키도록 엔진(10)의 배기측과 연결된다. 한편, 배기 파이프(12)는 차량의 후방으로 배기가스를 배출시키도록 차량의 언더 플로어(under floor)를 따라 후방으로 연장될 수 있으며, 이러한 배기 파이프(12)의 배치 및 엔진(10) 배기측과의 연결은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하, 당업자)에게 자명하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
엔진(10)으로부터 배출된 배기가스는 배기 파이프(12)를 통과하면서 배기가스 정화장치(20)를 경유한다. 또한, 배기가스 정화장치(20)를 경유하는 배기가스는 전단 촉매(22) 및 후단 촉매(24)를 순차적으로 경유한다. 즉, 하우징(21)의 전단은 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스를 받아들이도록 배기 파이프(12)에 의해 엔진(10)과 연결되고, 하우징(21)의 후단은 배기가스 정화장치(20)를 경유한 배기가스를 차량의 후방으로 배출시키도록 배기 파이프(12)와 연통된다. 여기서, 구성요소의 전단 및 후단은 배기가스의 흐름을 기준으로 하며, 배기가스가 구성요소의 전단에서 후단으로 흐르는 것으로 정의된다.
전단 촉매(22)는 하우징(21)의 전단을 통하여 하우징(21) 유입된 배기가스를 1차적으로 정화시키도록 기능한다. 또한, 전단 촉매(22)는 팔라듐 촉매(palladium catalyst)로서, 탄화수소(HC) 및 일산화탄소(CO)를 산화시킴과 동시에 질소산화물(NOx)을 흡장한다. 한편, 보다 상세하게는 전단 촉매(22)에 팔라듐(Pd) 촉매 중 Pd/CZO 촉매가 적용될 수 있다. 여기서, Pd 촉매 및 Pd 촉매의 활성 효율을 높이기 위해 함유되는 세륨(Ce)와 지르코늄(Zr)의 혼합산화물인 CZO는 당업자에게 자명하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
후단 촉매(24)는 전단 촉매(52)의 후단에 배치되어 전단 촉매(22)를 경유한 배기가스를 하우징(21)의 후단으로 유출되기 전에 2차적으로 정화시키도록 기능한다. 또한, 후단 촉매(24)는 로듐 촉매(rhodium catalyst)로서, 질소산화물(NOx)을 환원시킨다. 한편, 보다 상세하게는 후단 촉매(24)에 로듐(Rh) 촉매 중 Rh/CZO 촉매가 적용될 수 있다. 여기서, Rh 촉매는 당업자에게 자명하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
제어기(25)는 하우징(21)의 전단에서 배기 파이프(12)와 연결되어 하우징(21)에 유입되는 배기가스에 함유된 미연소 연료의 농도를 제어한다.
제어기(25)는 제어기(25)에 연결된 온도 센서를 통해 하우징(21)의 전단에 연결된 배기 파이프(12)를 흐르는 배기가스의 온도를 감지하고, 제어기(25)에 연결된 산소 센서에 의해 공연비(λ)의 정보를 수집할 수 있다.
제어기(25)는 엔진 시동 후 하우징에 유입되는 배기가스에 함유된 미연소 연료의 농도를 연료 희박(fuel lean)이 되도록 희박 제어를 수행할 수 있다. 이 때, 공연비(λ)가 약 1.05인 조건에서 희박 제어가 수행될 수 있다.
제어기(25)는 전단 촉매(22) 및 후단 촉매(24)의 열화도에 따른 설정 온도에서 희박 제어를 종료한다. 희박 제어는 전단 촉매(22)와 후단 촉매(24)가 활성화되는 온도까지 진행되는데, 전단 촉매(22)와 후단 촉매(24)의 열화도가 낮은 신품일수록 활성화 온도는 낮으며, 전단 촉매(22)와 후단 촉매(24)의 열화도가 높은 고품(열화품)일수록 활성화 온도는 높다. 제어기(25)는, 전단 촉매(22) 및 후단 촉매(24)가 신품이면, 하우징(21)에 유입되는 배기가스의 온도가 활성화 온도(설정 온도)인 약 300℃에 도달하면 희박 제어를 종료한다. 또한, 제어기(25)는, 전단 촉매(22) 및 후단 촉매(24)가 열화품이면, 하우징(21)에 유입되는 배기가스의 온도가 활성화 온도(설정 온도)인 약 400℃에 도달하면 희박 제어를 종료한다.
제어기(25)는, 희박 제어 종료 후, 하우징(21)에 유입되는 배기가스에 함유된 미연소 연료의 농도를 연료 희박 및 연료 농후(fuel rich)가 주기적으로 규칙적인 교대를 반복하도록 제어하는 일반 제어를 수행하도록 제어한다.
한편, 제어기(25)는, 전단 촉매(22) 및 후단 촉매(24)가 열화품이면, 일반 제어를 수행하기 전에 산소 퍼지를 수행하도록 제어한다. 전단 촉매(22) 및 후단 촉매(24)가 신품인 경우, 촉매(22, 24)의 산소 저장(OSC) 물질이 산소로 포화되기 전에 촉매(22, 24)가 활성화되어 질소산화물(NOx)이 탈착 환원이 가능하므로, 별도의 산소 퍼지가 필요 없다. 그러나, 전단 촉매(22) 및 후단 촉매(24)가 열화품인 경우, 촉매(22, 24)가 활성화되는 온도에서는 촉매(22, 24)의 산소 저장(OSC) 물질이 산소로 포화되어 질소산화물(NOx)이 탈착 환원이 어렵다. 따라서, 촉매(22, 24)가 열화품인 경우, 제어기(25)는 일반 제어를 수행하기 전에 산소 퍼지를 먼저 수행하여 촉매(22, 24)의 산소 저장(OSC) 물질 내 산소 포화도를 약 40% 이하로 줄이도록 제어한다. 이러한 산소 퍼지는 공연비(λ) 약 0.95 이하의 농후 조건에서 약 3초 이상 수행될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치가 엔진의 냉간 상태에서 희박 제어를 수행하고 촉매의 산소 저장(OSC) 물질의 산소 포화 전후 희박 제어를 종료한 경우에 따른 질소산화물 저장 성능을 나타내는 그래프이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치의 엔진의 냉간 상태에서 희박 제어를 수행하고 촉매의 산소 저장(OSC) 물질의 산소 포화 전후 희박 제어를 종료한 경우에 따른 각 공연비(λ)의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2에 도시된 그래프는 세로축이 배기가스 중에 함유된 질소산화물(NOx)의 농도를 나타내고, 가로축이 시간을 나타낸다. 즉, 상기 그래프는 엔진(10)의 시동 후에 초기의 냉간 상태에서 시간의 흐름에 따른 배기가스 중에 함유된 질소산화물(NOx)의 농도를 보여준다. 한편, 상기 그래프에는 엔진(10)의 시동 후에 초기의 냉간 상태에서 시간의 흐름에 따른 촉매 온도(Temperature) 상승 곡선이 2점 쇄선으로 함께 도시되었으며, 촉매(22, 24)의 산소 저장(OSC) 물질 내 산소 포화 전후 희박 제어를 종료한 경우(case 1, case 2) 하우징(21)으로부터 유출되는 배기가스 중에 함유된 질소산화물(NOx)의 농도 변화가 얇고 굵은 실선으로 각각 도시되었다.
도 3에 도시된 그래프는 세로축이 공연비(λ)를 나타내고, 가로축은 시간을 나타낸다. 즉, 엔진(10)의 시동 후에 초기의 냉간 상태에서 시간의 흐름에 따라 촉매(22, 24)의 산소 저장(OSC) 물질 내 산소가 포화되기 전후 희박 제어를 종료(case 1, case 2)하고 일반제어를 수행하는 각 경우의 공연비(λ)의 변화를 나타낸다.
도 2에 도시된 바와 같이, 희박 연소가 진행된 후 촉매(22, 24) 온도가 상승되고, 촉매(22, 24)의 산소 저장(OSC) 물질 내 산소가 포화되기 전 희박 제어를 종료한 경우(case 1) 질소산화물(NOx)이 탈착 환원이 가능하므로 질소산화물(NOx) 정화 성능이 우수하게 유지된다. 그러나, 촉매(22, 24)의 산소 저장(OSC) 물질 내 산소가 포화된 후 희박 제어를 종료한 경우(case 2) 질소산화물(NOx)이 탈착 환원이 어려우므로 질소산화물(NOx) 정화 성능이 매우 좋지 않음을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치의 엔진의 냉간 상태에서 촉매의 열화도에 따른 희박 제어를 종료한 각 경우 촉매의 산소 저장(OSC) 물질의 산소 포화도를 나타내는 그래프이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치의 엔진의 냉간 상태에서 촉매의 열화도에 따른 각 경우의 희박 제어 종료 온도를 나타내는 그래프이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 촉매(22, 24)가 열화도가 높지 않은 신품인 경우 촉매 활성화 온도는 약 300℃이며, A 지점에서 희박 연소가 종료된다(case 1). 이 경우 촉매(22, 24)의 산소 저장(OSC) 물질 내 산소 저장 용량은 B 지점에 해당되는 용량이므로 최대 산소 저장 용량(Maximum OSC)과 차이가 있다. 따라서, 이 경우는 별도로 촉매(22, 24)의 산소 퍼지 필요없이 희박 연소 종료 후 바로 일반 연소로 진행하여도 질소산화물(NOx) 탈착 성능은 높게 유지될 수 있다.
그러나, 촉매(22, 24)가 열화도가 높은 고품(열화품)인 경우 촉매 활성화 온도는 약 400℃이며, C 지점에서 희박 연소가 종료된다(case 2). 이 경우, 산소 저장(OSC) 물질 내 산소 저장 용량은 최대 산소 저장 용량(Maximum OSC)과 차이가 거의 없어 산소 포화도가 매우 높은 상태이다. 따라서, 이 경우는 별도로 산소 퍼지를 통해서 D 지점까지 산소 포화도를 낮추어 줄 필요가 있다. 이 때, 촉매(22, 24)의 산소 저장(OSC) 물질 내 산소 포화도를 약 40% 이하로 줄이도록 하고, 산소 퍼지는 공연비(λ) 약 0.95 이하의 농후 조건에서 약 3초 이상 수행되도록 할 수 있다. 산소 퍼지 종료 후 일반 연소를 진행하여 질소산화물(NOx) 탈착 성능이 높게 유지되도록 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치 제어방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치 제어방법은, 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스를 받아들이고, 경유한 배기가스를 후방으로 배출시키도록 배기 파이프(12) 상에 배치되는 하우징(21) 내부에 배기가스를 1차적으로 정화시키는 전단 촉매(22) 및 전단 촉매(22)를 경유한 배기가스를 2차적으로 정화시키는 후단 촉매(24)가 내장되고, 제어기(25)에 의해 하우징(21)의 전단에서 배기 파이프(12)와 연결되어 하우징(21)에 유입되는 배기가스에 함유된 미연소 연료의 농도가 제어되는 자동차의 배기가스 정화장치 제어방법으로서, 우선 엔진(10)의 시동과 함께 시작된다(S101). 또한, 엔진(10)의 시동과 함께 또는 직후에 하우징(21)에 유입되는 배기가스에 함유된 미연소 연료의 농도를 연료 희박이 되도록 제어하는 희박 제어가 제어기(25)에 의해 수행된다(S102). 여기서, 희박 제어는 최저 공연비(λ)가 1.03 이상으로 유지되도록 하는 것이 바람직할 수 있으며, 바람직하게는 공연비(λ)가 약 1.05로 유지되도록 할 수 있다.
희박제어가 수행되는 동안에 전단 촉매(22) 및 후단 촉매(24)가 신품인지 열화품인지 판단한다(S103).
그 후, 전단 촉매(22) 및 후단 촉매(24)가 신품이면, 전단 촉매(22) 및 후단 촉매(24)의 온도가 제1 설정 온도 이상인지 판단한다(S104). 이 때, 제1 설정 온도는 촉매 활성화 온도로서 약 300℃일 수 있다.
그 후, 전단 촉매(22) 및 후단 촉매(24)의 온도가 제1 설정 온도 이상이면, 희박 제어를 종료하고(S105), 하우징(21)에 유입되는 배기가스에 함유된 미연소 연료의 농도를 연료 희박 및 연료 농후가 주기적으로 규칙적인 교대를 반복하도록 제어하는 일반제어를 수행한다(S106).
한편, 전단 촉매(22) 및 후단 촉매(24)가 신품인지 열화품인지 판단하는 단계(S103) 후에, 전단 촉매(22) 및 후단 촉매(24)가 열화품이면, 전단 촉매(22) 및 후단 촉매(24)의 온도가 제2 설정 온도 이상인지 판단한다(S107). 이 때, 제2 설정 온도는 촉매 활성화 온도로서 약 400℃일 수 있다.
그 후, 전단 촉매(22) 및 후단 촉매(24)의 온도가 제2 설정 온도 이상이면, 희박 제어를 종료하고(S108), 전단 촉매(22) 및 후단 촉매(24)에 산소 퍼지를 수행한다(S109). 이 때, 산소 퍼지는 전단 촉매(22) 및 후단 촉매(24)의 산소 저장(OSC) 물질 내 산소 포화도를 약 40% 이하로 줄이도록 수행될 수 있고, 공연비(λ) 약 0.95 이하의 농후 조건에서 약 3초 이상 수행될 수 있다. 그 후, 하우징(21)에 유입되는 배기가스에 함유된 미연소 연료의 농도를 연료 희박 및 연료 농후가 주기적으로 규칙적인 교대를 반복하도록 제어하는 일반제어를 수행한다(S106).
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 엔진시동 초기인 냉간 상태에서 연료 희박 조건에서 질소산화물(NOx) 저장 이벤트 종료시 삼원 촉매의 산소 저장(OSC) 물질 특성을 고려하여 연료 희박 및 연료 농후 조건이 교대로 수행되는 일반 운전 모드로 전환하여 배기가스 중의 질소산화물을 효과적으로 제거할 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 12: 배기 파이프
20: 배기가스 정화장치 21: 하우징
22: 전단 촉매 24: 후단 촉매
25: 제어기

Claims (16)

  1. 엔진의 배기가스를 정화하도록 상기 엔진의 배기측과 연결된 배기 파이프 상에 구비되는 자동차의 배기가스 정화장치에 있어서,
    상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 받아들이고, 경유한 배기가스를 후방으로 배출시키도록 상기 배기 파이프 상에 배치되는 하우징;
    상기 하우징의 전단을 통하여 상기 하우징 유입된 배기가스를 1차적으로 정화시키도록 상기 하우징에 내장되는 전단 촉매;
    상기 전단 촉매를 경유한 배기가스를 상기 하우징의 후단으로 유출되기 전에 2차적으로 정화시키도록 상기 하우징에 내장되는 후단 촉매; 및
    상기 하우징의 전단에서 상기 배기 파이프와 연결되어 상기 하우징에 유입되는 배기가스에 함유된 미연소 연료의 농도를 제어하는 제어기를 포함하되,
    상기 제어기는,
    상기 엔진 시동 후 상기 하우징에 유입되는 배기가스에 함유된 미연소 연료의 농도를 연료 희박(fuel lean)이 되도록 제어하는 희박 제어를 수행하고, 상기 전단 촉매 및 후단 촉매의 열화도에 따른 설정 온도에서 상기 희박 제어를 종료하며, 상기 하우징에 유입되는 배기가스에 함유된 미연소 연료의 농도를 연료 희박 및 연료 농후(fuel rich)가 주기적으로 규칙적인 교대를 반복하도록 제어하는 일반 제어를 수행하도록 제어하는 자동차의 배기가스 정화장치.
  2. 제 1 항에서,
    상기 전단 촉매는 탄화수소 및 일산화탄소를 산화시킴과 동시에 질소산화물을 흡장하는 팔라듐 촉매인 자동차의 배기가스 정화장치.
  3. 제 2 항에서,
    상기 전단 촉매는 Pd/CZO 촉매인 자동차의 배기가스 정화장치.
  4. 제 1 항에서,
    상기 후단 촉매는 질소산화물을 환원시키는 로듐 촉매인 자동차의 배기가스 정화장치.
  5. 제 4 항에서,
    상기 후단 촉매는 Rh/CZO 촉매인 자동차의 배기가스 정화장치.
  6. 제 1 항에서,
    상기 제어기는,
    상기 전단 촉매 및 후단 촉매가 신품이면, 상기 하우징에 유입되는 배기가스의 온도가 300℃에 도달하면 상기 희박 제어를 종료하도록 제어하는 자동차의 배기가스 정화장치.
  7. 제 1 항에서,
    상기 제어기는,
    상기 전단 촉매 및 후단 촉매가 열화품이면, 상기 하우징에 유입되는 배기가스의 온도가 400℃에 도달하면 상기 희박 제어를 종료하도록 제어하는 자동차의 배기가스 정화장치.
  8. 제 7 항에서,
    상기 제어기는,
    상기 일반 제어를 수행하기 전에, 상기 희박 제어 종료 후 상기 전단 촉매 및 후단 촉매에 산소 퍼지를 수행하도록 제어하는 자동차의 배기가스 정화장치.
  9. 제 8 항에서,
    상기 제어기는,
    상기 산소 퍼지를 수행하여 상기 전단 촉매 및 후단 촉매의 산소 저장(OSC) 물질 내 산소 포화도를 40% 이하로 줄이도록 제어하는 자동차의 배기가스 정화장치.
  10. 제 8 항에서,
    상기 제어기는,
    상기 산소 퍼지를 공연비(λ) 0.95 이하의 농후 조건에서 3초 이상 수행하도록 제어하는 자동차의 배기가스 정화장치.
  11. 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 받아들이고, 경유한 배기가스를 후방으로 배출시키도록 배기 파이프 상에 배치되는 하우징 내부에 배기가스를 1차적으로 정화시키는 전단 촉매 및 상기 전단 촉매를 경유한 배기가스를 2차적으로 정화시키는 후단 촉매가 내장되고, 제어기에 의해 상기 하우징의 전단에서 상기 배기 파이프와 연결되어 상기 하우징에 유입되는 배기가스에 함유된 미연소 연료의 농도가 제어되는 자동차의 배기가스 정화장치 제어방법에 있어서,
    상기 엔진을 시동하는 단계;
    상기 하우징에 유입되는 배기가스에 함유된 미연소 연료의 농도를 연료 희박이 되도록 제어하는 희박제어를 수행하는 단계;
    상기 전단 촉매 및 후단 촉매가 신품인지 열화품인지 판단하는 단계;
    상기 전단 촉매 및 후단 촉매가 신품이면, 상기 전단 촉매 및 후단 촉매의 온도가 제1 설정 온도 이상인지 판단하는 단계;
    상기 전단 촉매 및 후단 촉매의 온도가 제1 설정 온도 이상이면, 상기 희박 제어를 종료하는 단계; 및
    상기 하우징에 유입되는 배기가스에 함유된 미연소 연료의 농도를 연료 희박 및 연료 농후가 주기적으로 규칙적인 교대를 반복하도록 제어하는 일반제어를 수행하는 단계를 포함하는 자동차의 배기가스 정화장치 제어방법.
  12. 제 11 항에서,
    상기 전단 촉매 및 후단 촉매가 신품인지 열화품인지 판단하는 단계 후에,
    상기 전단 촉매 및 후단 촉매가 열화품이면, 상기 전단 촉매 및 후단 촉매의 온도가 제2 설정 온도 이상인지 판단하는 단계;
    상기 전단 촉매 및 후단 촉매의 온도가 제2 설정 온도 이상이면, 상기 희박 제어를 종료하는 단계; 및
    상기 전단 촉매 및 후단 촉매에 산소 퍼지를 수행하는 단계를 더 포함하는 자동차의 배기가스 정화장치 제어방법.
  13. 제 11 항에서,
    상기 제1 설정 온도는 300℃인 자동차의 배기가스 정화장치 제어방법.
  14. 제 12 항에서,
    상기 제2 설정 온도는 400℃인 자동차의 배기가스 정화장치 제어방법.
  15. 제 14 항에서,
    상기 산소 퍼지는 상기 전단 촉매 및 후단 촉매의 산소 저장(OSC) 물질 내 산소 포화도를 40% 이하로 줄이도록 수행되는 자동차의 배기가스 정화장치 제어방법.
  16. 제 14 항에서,
    상기 산소 퍼지는 공연비(λ) 0.95 이하의 농후 조건에서 3초 이상 수행되는 자동차의 배기가스 정화장치 제어방법.
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