KR20200134576A - 배기 시스템 및 이의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템은, 엔진으로부터 배기 라인을 통해 유입된 배기가스의 희박 연소에 의해 발생되는 질소산화물을 흡장하여 저장하고, 환원 작용으로 질소산화물을 질소로 환원시켜 배출하는 LNT(Lean NOx Trap) 장치와, 상기 LNT 장치 후단에 위치하고, 상기 LNT 장치를 통과한 배기가스에 잔류하는 질소산화물을 저감시키는, 선택적환원촉매(SCR)가 고기공 입자상물질 제거용 필터에 코팅된 SDPF(Selective Catalyst Reduction on Diesel Particulate matter filter) 장치와, 상기 SDPF 장치를 통과한 배기가스의 일부를 상기 엔진의 흡기 장치로 재순환시켜 상기 엔진의 연소실로 다시 유입되게 하여 질소산화물의 생성을 억제하도록 구비되는 배기가스 재순환(EGR; Exhaust Gas Recirculation) 시스템과, 상기 SDPF 전단의 배기 라인에 구비되고, 상기 SDPF 장치에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 제1 온도 센서, 및 상기 SDPF 장치에 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 이상인 상태에서 배기가스가 상기 SCR 장치로 통과하도록 제어하고, 상기 SDPF 장치에 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 미만인 상태에서 배기가스가 상기 EGR 시스템을 통과하도록 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

배기 시스템 및 이의 제어 방법{EXHAUST SYSTEM AND CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 배기 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배기가스의 온도에 따라 배기가스 재순환(EGR) 시스템으로의 배기가스 흐름을 제어하여 배기가스의 질소산화물(NOx)의 양을 조절할 수 있는 배기 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 엔진의 배기 시스템은 배기가스 중에 함유된 공해 물질인 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 입자상물질(PM; Particulate Matter), 질소산화물(NOx) 등을 감소시키기 위해 디젤산화촉매(DOC; Diesel Oxidation Catalyst) 장치, 입자상물질 제거용 필터(DPF; Diesel Particulate matter Filter) 장치, 및 선택적환원촉매 (SCR; Selective Catalyst Reduction) 장치 및 질소산화물 흡장촉매(LNT; Lean NOx Trap) 장치 등과 같은 배기가스 후처리 장치를 구비하고 있다.
배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation; EGR) 시스템은 유해 배기가스의 저감을 위해 차량에 장착되는 시스템이다. 일반적으로, NOx는 혼합기 중에 공기의 비율이 높아서 연소가 잘될 때 증가한다. 따라서, EGR 시스템은 엔진에서 배출되는 배기가스의 일부(예를 들어 5~20%)를 다시 혼합기에 섞어 혼합기 속의 산소량을 줄이고 연소를 방해하여 NOx의 발생을 억제하는 시스템이다.
일반적인 배기가스 재순환 시스템은 엔진의 실린더로부터 배기 매니폴드를 통해 배출되어 배기 라인을 흐르는 배기 가스를 재순환 라인을 통해 엔진의 실린더로 재순환시키고, 상기 재순환 라인에는 EGR 밸브가 장착되어 EGR율을 조절하게 된다.
그런데, 선택적환원촉매가 코팅된 입자상물질 제거용 필터(SDPF)를 엔진룸(CC)에 적용하는 경우, 고속/고부하의 운행 조건 또는 필터 재생 조건에서 촉매의 반응 온도가 차량 하부(uf)에 위치하는 선택적환원촉매(SCR)에 비해 100℃ 이상 높아서, SDPF에서는 부반응인 암모니아(NH3) 산화 반응이 더욱 활성화되어 질소산화물 정화율이 크게 감소하는 경향이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 엔진룸(CC)에 적용되는 SDPF 장치 및 SCR 장치에 유입되는 배기가스 온도에 따라 NOx의 양을 조절하여, 고온에서의 NOx 정화율을 확보하기 위한 배기 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템은, 엔진으로부터 배기 라인을 통해 유입된 배기가스의 희박 연소에 의해 발생되는 질소산화물을 흡장하여 저장하고, 환원 작용으로 질소산화물을 질소로 환원시켜 배출하는 LNT(Lean NOx Trap) 장치와, 상기 LNT 장치 후단에 위치하고, 상기 LNT 장치를 통과한 배기가스에 잔류하는 질소산화물을 저감시키는, 선택적환원촉매(SCR)가 고기공 입자상물질 제거용 필터에 코팅된 SDPF(Selective Catalyst Reduction on Diesel Particulate matter filter) 장치와, 상기 SDPF 장치를 통과한 배기가스의 일부를 상기 엔진의 흡기 장치로 재순환시켜 상기 엔진의 연소실로 다시 유입되게 하여 질소산화물의 생성을 억제하도록 구비되는 배기가스 재순환(EGR; Exhaust Gas Recirculation) 시스템과, 상기 SDPF 전단의 배기 라인에 구비되고, 상기 SDPF 장치에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 제1 온도 센서, 및 상기 SDPF 장치에 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 이상인 상태에서 배기가스가 상기 SDPF 장치 후방으로 통과하도록 제어하고, 상기 SDPF 장치에 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 미만인 상태에서 배기가스가 상기 EGR 시스템을 통과하도록 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템은, 상기 SDPF 장치 후단에 위치하고, 상기 SDPF 장치를 통과한 배기가스에 잔류하는 질소산화물을 저감하는 SCR(Selective Catalyst Reduction) 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 EGR 시스템은, 상기 SDPF 장치 후단으로부터 상기 엔진의 전단까지 연결되는 저압 EGR 라인과, 상기 저압 EGR 라인에 구비되고, 상기 SDPF 장치를 통과한 배기가스가 상기 저압 EGR 라인을 통과하도록 개폐되는 EGR 밸브, 및 상기 EGR 밸브 후단의 저압 EGR 라인에 구비되고, 상기 저압 EGR 라인을 통하여 재순환되는 배기가스 가스를 냉각하는 EGR 쿨러를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템은, 상기 LNT 장치 전단의 배기라인에 구비되고, 상기 LNT 장치에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 제2 온도 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 특정값은 500℃ 일 수 있다.
상기 LNT 장치, 및 상기 SDPF 장치는 차량의 엔진룸(CC)에 구비되며, 상기 SCR 장치는 차량 하부(uf)에 구비될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템의 제어 방법은, 선택적환원촉매(SCR)가 고기공 입자상물질 제거용 필터에 코팅된 SDPF 장치와, 상기 SDPF 장치 전단의 배기 라인에 구비되는 온도 센서, 및 상기 SDPF 장치를 통과한 배기가스가 EGR 시스템의 저압 EGR 라인을 통과하도록 개폐되는 EGR 밸브를 구비하는 배기 시스템의 제어 방법으로서, 상기 SDPF 장치 전단으로 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 제1 온도 측정 단계와, 상기 SDPF 장치 전단으로 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 이상인지 판단하는 제1 온도 비교 단계와, 상기 SDPF 장치 전단으로 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 이상이면 상기 EGR 밸브를 폐쇄하는 EGR 밸브 폐쇄 단계와, 상기 SDPF 장치 전단으로 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 제2 온도 측정 단계와, 상기 SDPF 장치 전단으로 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 이상인지 판단하는 제2 온도 비교 단계, 및 상기 SDPF 장치 전단으로 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 미만이면 상기 EGR 밸브를 개방하는 EGR 밸브 개방 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템의 제어 방법은, 상기 제1 온도 비교 단계에서, 상기 SDPF 장치 전단으로 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 미만이면 재차 상기 SDPF 장치 전단으로 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템의 제어 방법은, 상기 제2 온도 비교 단계에서, 상기 SDPF 장치 전단으로 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 이상이면 상기 EGR 밸브를 폐쇄하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 특정값은 500℃ 일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배기 시스템은, 엔진으로부터 배기 라인을 통해 유입된 배기가스 중 탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO)를 정화시키는 디젤산화촉매(DOC; Diesel Oxidation Catalyst) 장치와, 상기 DOC 장치 후단에 위치하고, 상기 DOC 장치를 통과한 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시키는 선택적환원촉매(SCR)가 고기공 입자상물질 제거용 필터에 코팅된 SDPF(Selective Catalyst Reduction on Diesel Particulate matter filter) 장치와, 상기 SDPF 장치를 통과한 배기가스의 일부를 상기 엔진의 흡기 장치로 재순환시켜 상기 엔진의 연소실로 다시 유입되게 하여 질소산화물의 생성을 억제하도록 구비되는 배기가스 재순환(EGR; Exhaust Gas Recirculation) 시스템과, 상기 SDPF 장치 전단의 배기 라인에 구비되고, 상기 SDPF 장치에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 제1 온도 센서, 및 상기 SDPF 장치에 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 이상인 상태에서 배기가스가 외부로 배출되도록 제어하고, 상기 SDPF 장치에 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 미만인 상태에서 배기가스가 상기 EGR 시스템을 통과하도록 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 EGR 시스템은, 상기 SDPF 장치 후단으로부터 상기 엔진의 전단까지 연결되는 저압 EGR 라인과, 상기 저압 EGR 라인에 구비되고, 상기 SDPF 장치를 통과한 배기가스가 상기 저압 EGR 라인을 통과하도록 개폐되는 EGR 밸브, 및 상기 EGR 밸브 후단의 저압 EGR 라인에 구비되고, 상기 저압 EGR 라인을 통하여 재순환되는 배기가스 가스를 냉각하는 EGR 쿨러를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배기 시스템은, 상기 DOC 장치 전단의 배기라인에 구비되고, 상기 DOC 장치에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 제2 온도 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 특정값은 500℃ 일 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배기 시스템은, 엔진으로부터 배기 라인을 통해 유입된 배기가스의 희박 연소에 의해 발생되는 질소산화물을 흡장하여 저장하고, 환원 작용으로 질소산화물을 질소로 환원시켜 배출하는 LNT(Lean NOx Trap) 장치와, 상기 LNT 장치 후단에 위치하고, 귀금속을 포함하지 않는 촉매가 코팅되거나 암모니아를 산화시키지 않고 우레아를 가수분해시키는 가수분해 촉매가 코팅되어 배기가스의 입자상물질을 저감시키는 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate matter Filter; DPF) 장치와, 상기 DPF 장치 후단에 위치하고, 상기 DPF 장치를 통과한 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감하는 SCR(Selective Catalyst Reduction) 장치와, 상기 DPF 장치를 통과한 배기가스의 일부를 상기 엔진의 흡기 장치로 재순환시켜 상기 엔진의 연소실로 다시 유입되게 하여 질소산화물의 생성을 억제하도록 구비되는 배기가스 재순환(EGR; Exhaust Gas Recirculation) 시스템과, 상기 DPF 장치 전단의 배기 라인에 구비되고, 상기 SCR 장치에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 제1 온도 센서, 및 상기 SCR 장치에 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 이상인 상태에서 배기가스가 상기 SCR 장치로 통과하도록 제어하고, 상기 SCR 장치에 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 미만인 상태에서 배기가스가 상기 EGR 시스템을 통과하도록 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 EGR 시스템은, 상기 DPF 장치 후단으로부터 상기 엔진의 전단까지 연결되는 저압 EGR 라인과, 상기 저압 EGR 라인에 구비되고, 상기 DPF 장치를 통과한 배기가스가 상기 저압 EGR 라인을 통과하도록 개폐되는 EGR 밸브, 및 상기 EGR 밸브 후단의 저압 EGR 라인에 구비되고, 상기 저압 EGR 라인을 통하여 재순환되는 배기가스 가스를 냉각하는 EGR 쿨러를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배기 시스템은, 상기 DPF 장치 전단의 배기라인에 구비되고, 상기 DPF 장치에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 제2 온도 센서, 및 상기 LNT 장치 전단의 배기라인에 구비되고, 상기 LNT 장치에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 제3 온도 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 특정값은 500℃ 일 수 있다.
상기 LNT 장치, 및 상기 DPF 장치는 차량의 엔진룸(CC)에 구비되며, 상기 SCR 장치는 차량 하부(uf)에 구비될 수 있다.
본 발명에 따르면, 고속/고부하 운행 또는 필터 재생 조건에서 SDPF 또는 SCR 촉매가 고온에 노출될 경우, EGR 시스템의 미적용을 통해 높은 농도의 raw NOx를 SCR 촉매로 통과시킴으로써, 이후 테일 파이프(tail pipe)를 통해 배출되는 NOx 양을 저감시킴으로써, 배기 시스템 전체의 NOx 정화 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템을 개략적으로 나타낸 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템에서, 반응온도 200℃에서 raw NOx 별 SDPF의 NOx 정화율을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템에서, 반응온도 540℃에서 raw NOx 별 SDPF의 NOx 정화율을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템에서, 반응온도 640℃에서 raw NOx 별 SDPF의 NOx 정화율을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템에서, 반응온도 200℃에서 raw NOx 별 SDPF의 NOx 및 NH3의 슬립량을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템에서, 반응온도 540℃에서 raw NOx 별 SDPF의 NOx 및 NH3의 슬립량을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템에서, 반응온도 640℃에서 raw NOx 별 SDPF의 NOx 및 NH3의 슬립량을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배기 시스템의 일부를 개략적으로 나타낸 블럭도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배기 시스템의 일부를 개략적으로 나타낸 블럭도이다.
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 배기 시스템에 관하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템을 개략적으로 나타낸 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 배기 시스템(100)은, 엔진(10)의 배기가스를 정화시키도록 엔진(10)과 연결되며, LNT(Lean NOx Trap) 장치(20)와, SDPF(Selective Catalyst Reduction on Diesel Particulate matter filter) 장치(30)와, SCR(Selective Catalyst Reduction) 장치(60)와, 배기가스 재순환(EGR; Exhaust Gas Recirculation) 시스템과, 제1 온도 센서(24), 및 제어부(70)를 포함한다.
여기서, 구성요소의 전단 및 후단은 배기가스의 흐름을 기준으로 하며, 배기가스가 구성요소의 전단에서 후단으로 흐르는 것으로 정의된다.
LNT 장치(20)는, 엔진(10)으로부터 배기 라인(5)을 통해 유입된 배기가스의 희박 연소에 의해 발생되는 질소산화물을 흡장하여 저장하고, 환원 작용으로 질소산화물을 질소로 환원시켜 배출한다.
SDPF 장치(30)는 LNT 장치(20) 후단에 위치하고, LNT 장치(20)를 통과한 배기가스에 잔류하는 질소산화물을 저감시킬 수 있다. SDPF는 선택적환원촉매(SCR)가 고기공 입자상물질 제거용 필터에 코팅된 형태이다.
SCR 장치(60)는 SDPF 장치(30) 후단에 위치하고, SDPF 장치(30)를 통과한 배기가스에 잔류하는 질소산화물을 저감시킬 수 있다. SCR 장치(60)는 환원제(우레아)가 배기가스의 열에 의해 암모니아로 전환되고, SCR 촉매에 의한 배기가스 중의 질소산화물과 암모니아의 촉매 반응으로서 질소산화물을 질소가스와 물로 환원시키도록 기능한다.
SDPF 장치(30)의 전단과 후단, 및 SCR 장치(60)의 후단에는 질소산화물 센서(미도시)가 구비되어, 배기가스가 SCR 장치(60)를 통과하기 전, 후의 질소산화물 량을 측정할 수 있다.
EGR 시스템은 SDPF 장치(30)를 통과한 배기가스의 일부를 엔진(10)의 흡기 장치로 재순환시켜 엔진(10)의 연소실로 다시 유입되게 하여 질소산화물의 생성을 억제하도록 구비된다. EGR 시스템은, SDPF 장치(30) 후단으로부터 엔진(10)의 전단까지 연결되는 저압 EGR 라인(7)과, 저압 EGR 라인(7)에 구비되고, SDPF 장치(30)를 통과한 배기가스가 저압 EGR 라인(7)을 통과하도록 개폐되는 EGR 밸브(40), 및 EGR 밸브(40) 후단의 저압 EGR 라인(7)에 구비되고, 저압 EGR 라인(7) 통하여 재순환되는 배기가스 가스를 냉각하는 EGR 쿨러(50)를 포함할 수 있다. EGR 시스템은, 엔진(10)에서 연료의 연소 후 배출되는 배기가스의 일부를 엔진(10)의 흡기장치로 재순환시켜 엔진(10)의 연소실로 다시 유입되게 함으로써, 연료와 공기의 혼합물인 혼합기의 자체 공연비는 변화시키지 않으면서 혼합기의 밀도를 저하시켜 연소 온도를 저하시키게 된다.
즉, EGR 시스템은 엔진(10)의 운전 상태에 따라 질소산화물의 배출 양을 저감시킬 필요가 있을 때에, 배기가스의 일부를 엔진(10)의 흡기계에 공급하여 연소실로 유입시킨다. 체적이 변하지 않는 불활성 가스인 배기가스가 상대적으로 혼합기의 밀도를 저하시켜 연료의 연소시 화염 전파 속도가 저하됨으로써, 연료의 연소 속도가 저하됨과 더불어 연소 온도의 상승도 억제되어 질소산화물의 생성이 억제되게 된다.
제1 온도 센서(24)는 SDPF 전단(30)의 배기 라인(5)에 구비되고, SDPF 장치(30)에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하여 온도 정보를 제어부(70)에 전달한다.
제어부(70)는 SDPF 장치(30)에 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 미만인 상태에서 배기가스가 SDPF 장치(30) 후방 즉, SCR 장치(60)로 통과하도록 제어하고, SDPF 장치(30)에 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 이상인 상태에서 배기가스가 EGR 시스템을 통과하도록 제어한다. 즉, 제1 온도 센서(24)에 의해 측정된 SDPF 장치(30) 전단의 온도가 제1 특정값 미만이면, 제어부(70)는 EGR 시스템의 EGR 밸브(40)를 폐쇄하도록 제어하여 배기가스가 SDPF 장치(30) 후방 즉, SCR 장치(60)로 통과하도록 하고, SDPF 장치(30) 전단의 온도가 제1 특정값 이상이면, 제어부(70)는 EGR 밸브(40)를 개방하도록 제어하여 배기가스가 EGR 시스템을 통과하도록 한다.
한편, LNT 장치(20) 전단의 배기라인에는 LNT 장치(20)에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 제2 온도 센서(22)를 더 포함할 수 있고, 제1 특정값은 약 500℃로 설정될 수 있다.
또한, LNT 장치(20), 및 SDPF 장치(30)는 차량의 엔진룸(CC)에 구비될 수 있고, SCR 장치(60)는 차량 하부(uf)에 구비될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2의 순서도에 따른 배기 시스템 제어 방법은 SDPF 장치(30)와, SDPF 장치(30) 전단의 배기 라인(5)에 구비되는 온도 센서(24), 및 SDPF 장치(30)를 통과한 배기가스가 EGR 시스템의 저압 EGR 라인(7)을 통과하도록 개폐되는 EGR 밸브(40)를 구비하는 도 1에 도시된 배기 시스템을 기준으로 설명한다.
도 2를 참조하면, SDPF 장치(30) 전단으로 유입되는 배기가스의 온도를 측정한다(S201). SDPF 장치(30) 전단의 배기 라인(5)에 구비된 온도 센서(24)를 이용하여 SDPF 장치(30) 전단에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하고, 온도 정보를 제어부(70)에 전달한다.
그 후, SDPF 장치(30) 전단으로 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 이상인지 판단한다(S202). 이 때, 제1 특정값은 약 500℃일 수 있다.
그 후, SDPF 장치(30) 전단으로 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 이상이면 EGR 밸브(40)를 폐쇄한다(S203). 배기가스의 온도가 제1 특정값 이상이면, 차량의 고온/고부하 주행 또는 필터 재생 상태로 볼 수 있다. EGR 밸브(40)가 폐쇄되면 모든 고온의 배기가스는 SDPF 장치(30)를 통과하여 SCR 장치(60)로 유입된다.
SDPF 장치(30) 전단으로 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 미만이면, 재차 상기 SDPF 장치(30) 전단으로 유입되는 배기가스의 온도를 측정한다(S201). 배기가스의 온도가 500℃ 미만인 상태는 차량의 저속 일반 주행 상태로 볼 수 있다. EGR 밸브(40)가 폐쇄되기 전에는 EGR 밸브(40)가 개방되어 있는 상태이므로, 차량의 저속 일반 주행 상태에서 차량 속도가 점차 증가함에 따라 배기 라인(5)을 따라 흐르는 배기가스 온도는 점차 증가하고, 제1 특정값 이상이 될 때까지는 배기가스는 EGR 시스템을 통과하도록 제어된다.
그 후, EGR 밸브 폐쇄 단계(S203)에서 EGR 밸브(40)가 폐쇄된 이후에는, SDPF 장치(30) 전단으로 유입되는 배기가스의 온도를 다시 측정하고(S204), SDPF 장치(30) 전단으로 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 이상인지 판단한다(S205).
이 때, SDPF 장치(30) 전단으로 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 미만이면, EGR 밸브(40)를 개방한다(S206). 배기가스의 온도가 제1 특정값 미만이면, 차량의 저속 일반 주행 상태로 볼 수 있다. 따라서, EGR 밸브(40)를 개방하여 배기가스가 EGR 시스템을 통과하도록 제어한다.
SDPF 장치(30) 전단으로 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 이상이면, 차량의 고속/고부하 주행 또는 필터 재생 상태로 판단하고, EGR 밸브(40)가 폐쇄된 상태를 유지한다(S203).
이와 같이, SDPF 장치(30) 전단으로 유입되는 배기가스의 온도를 통해 차량의 주행 상태를 판단하고, 차량의 주행 상태가 저속 일반 주행 상태 또는 고속/고부하 주행 또는 필터 재생 상태인지에 따라서 EGR 밸브(40)의 개폐 여부를 제어함으로써, 고온 고속/고부하 주행 또는 필터 재생 상태에서 높은 농도의 NOx를 SDPF 장치(30) 및 SCR 장치(60)에 제공하여 SDPF 장치(30) 및 SCR 장치(60)의 NOx 저감 성능을 향상시킨다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템에서, 반응온도에 따른 raw NOx 별 SDPF의 NOx 정화율을 나타낸 그래프들이다.
도 3을 참조하면, 반응온도 200℃에서, raw NOx의 농도가 약 200ppm에서 약 500ppm까지 증가함에도 불구하고, NOx 정화율은 약 80%로서 거의 변화가 없다. 그러나 도 4에 도시된 바와 같이, 반응온도 540℃에서, raw NOx의 농도가 약 200ppm에서 약 500ppm까지 증가하는 동안 NOx 정화율은 약 10% 내지 약 20% 증가함을 알 수 있다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 반응온도 640℃에서, raw NOx의 농도가 약 200ppm에서 약 500ppm까지 증가하는 동안 NOx 정화율은 약 60% 내지 약 70% 증가함을 알 수 있다.
이와 같이, 반응온도가 약 500℃ 이상에서 raw NOx의 농도가 증가할수록 SDPF의 NOx 정화율이 증가함을 확인할 수 있다. 즉, 저온 SCR 반응 성능은 raw NOx의 농도에 영향을 받지 않지만, 부반응인 NH3 산화 반응이 활성화되는 고온에서는 raw NOx의 농도의 증가가 오히려 SCR 성능을 증진시킴을 알 수 있다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템에서, 반응온도 에 따른 raw NOx 별 SDPF의 NOx 및 NH3의 슬립량을 나타낸 그래프들이다.
도 6을 참조하면, raw NOx가 186ppm, 347ppm, 505ppm으로 차례로 증가하는 동안 NOx 및 NH3 의 슬립량은 증가함을 알 수 있다. 그러나, 도 7 및 도 8을 참조하면, raw NOx가 186ppm, 347ppm, 505ppm으로 차례로 증가하는 동안 NOx의 슬립량은 유사한 수준으로 유지되고, NH3의 슬립량은 증가함을 알 수 있다.
이와 같이, 반응온도가 약 500℃ 이상의 고온에서는 raw NOx의 농도가 증가되더라도 SDPF 장치(30)의 NOx 슬립량은 큰 차이가 없으며, 오히려 NH3 슬립량이 증가한다. 이러한, SDPF 장치(30)의 NH3 슬립량의 증가는 후단에 위치한 SCR 장치(60)로의 NH3 공급 증가로 추가 NOx 저감을 가능하게 하여, 결국 테일 파이프(tail pipe)의 NOx 슬립량 감소를 가능하게 한다. 따라서, 차량의 저온 일반 주행 상태에서는 EGR 시스템 가동을 통한 raw NOx 농도 감소가 효율적이며, 차량의 고온 고속/고부하 주행 또는 필터 재생 상태에서는 SDPF 온도가 고온으로 유지되면 EGR 시스템의 미가동을 통하여 raw NOx 농도를 늘이는 것이 NOx 농도 저감에 유리함을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배기 시스템의 일부를 개략적으로 나타낸 블럭도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배기 시스템(200)은, 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템과 비교하여, LNT 장치(20) 대신에, 디젤산화촉매(DOC; Diesel Oxidation Catalyst) 장치(25)를 구비하며, SCR 장치(60)를 구비하지 않는 차이점이 있다. 그 외에는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템(100)의 구성과 동일하므로 그 설명은 생략한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배기 시스템(200)이 채용하고 있는 DOC 장치(25)는 엔진(10)의 배기가스를 배출시키도록 형성된 배기 라인(5)에 장착되어, 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스를 받아들이도록 엔진(10)과 연결된다.
DOC 장치(25)는 소정 케이스의 내부에 담체가 구비되고, 그 담체에 디젤산화촉매가 코팅된 장치이다. DOC 장치(20)는 배기가스 중 탄화수소와 일산화탄소를 디젤산화촉매를 통해 산화시킨다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배기 시스템(300)의 일부를 개략적으로 나타낸 블럭도이다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배기 시스템(300)은, 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템(100)과 비교하여, SDPF 장치(30) 대신에, 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate matter Filter; DPF) 장치(35)를 구비하고, 제1 온도 센서(24)는 SCR 장치(60) 전단의 배기 라인에 구비되고, SCR 장치(60)에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하고, 제2 온도 센서(22)는, DPF 장치(35) 전단의 배기라인에 구비되고, DPF 장치(35)에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하며, 제3 온도 센서(21)는 LNT 장치(20) 전단의 배기라인에 구비되고, LNT 장치(20)에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 차이점이 있다. 그 외에는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템(100)의 구성과 동일하므로 그 설명은 생략한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배기 시스템(300)이 채용하고 있는 DPF 장치(35)는 배기가스에 포함된 입자상물질을 포집하기 위한 촉매 담체가 형성되어 입자상물질을 화학적 변환 과정을 통하여 정화시키게 된다. 즉, DPF 장치(35)는 엔진(10)의 배기가스 중 입자상물질을 필터를 이용하여 물리적으로 포집하고 일정거리 주행 후 입자상물질의 발화 온도(550℃) 이상으로 배기가스 온도를 상승시켜 입자상물질을 연소시켜 공해물질을 줄이는 장치이다. DPF 장치(35)는 전단과 후단에 압력 센서 또는 온도 센서가 마련될 수 있으며, 센서는 배기가스가 DPF 장치(35)를 통과하기 전, 후 압력과 온도를 센싱해서 제어부(70)가 엔진(10) 및 관련 장치를 제어해서 쌓인 입자상물질을 제거할 수 있다.
DPF 장치(35)는 귀금속(백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh))을 포함하지 않는 촉매가 코팅된 것일 수 있다. 귀금속을 코팅하지 않아서, DPF 장치(35)에 유입된 배기가스의 암모니아가 산화되는 것을 방지할 수 있다.
또한, DPF 장치(35)는 우레아 인젝터(30)에서 분사된 우레아를 가수분해시키는 가수분해 촉매가 코팅된 것일 수 있다. 가수분해 촉매는 질소를 산화시키지 않고, 분무된 우레아(Urea)를 가수분해시킨다.
제어부(70)는 SCR 장치(60)에 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 이상인 상태에서 배기가스가 SCR 장치(60)로 통과하도록 제어하고, SCR 장치(60)에 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 미만인 상태에서 배기가스가 EGR 시스템을 통과하도록 제어한다.LNT 장치(20), 및 DPF 장치(35)는 차량의 엔진룸(CC)에 구비될 수 있으며, SCR 장치(60)는 차량 하부(uf)에 구비될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 고속/고부하 운행 또는 필터 재생 조건에서 SDPF 또는 SCR 촉매가 고온에 노출될 경우, EGR 시스템의 미적용을 통해 높은 농도의 raw NOx를 SCR 촉매로 통과시킴으로써, 이후 테일 파이프(tail pipe)를 통해 배출되는 NOx 양을 저감시킴으로써, 배기 시스템 전체의 NOx 정화 성능을 향상시킬 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.
5: 배기 라인 7: 저압 EGR 라인
10: 엔진 20: LNT 장치
25: DOC 장치 30: SDPF 장치
35: DPF 장치 40: EGR 밸브
50: EGR 쿨러 60: SCR 장치
70: 제어부

Claims (19)

  1. 엔진으로부터 배기 라인을 통해 유입된 배기가스의 희박 연소에 의해 발생되는 질소산화물을 흡장하여 저장하고, 환원 작용으로 질소산화물을 질소로 환원시켜 배출하는 LNT(Lean NOx Trap) 장치;
    상기 LNT 장치 후단에 위치하고, 상기 LNT 장치를 통과한 배기가스에 잔류하는 질소산화물을 저감시키는, 선택적환원촉매(SCR)가 고기공 입자상물질 제거용 필터에 코팅된 SDPF(Selective Catalyst Reduction on Diesel Particulate matter filter) 장치;
    상기 SDPF 장치를 통과한 배기가스의 일부를 상기 엔진의 흡기 장치로 재순환시켜 상기 엔진의 연소실로 다시 유입되게 하여 질소산화물의 생성을 억제하도록 구비되는 배기가스 재순환(EGR; Exhaust Gas Recirculation) 시스템;
    상기 SDPF 전단의 배기 라인에 구비되고, 상기 SDPF 장치에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 제1 온도 센서; 및
    상기 SDPF 장치에 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 이상인 상태에서 배기가스가 상기 SDPF 장치 후방으로 통과하도록 제어하고, 상기 SDPF 장치에 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 미만인 상태에서 배기가스가 상기 EGR 시스템을 통과하도록 제어하는 제어부를 포함하는 배기 시스템.
  2. 제 1 항에서,
    상기 SDPF 장치 후단에 위치하고, 상기 SDPF 장치를 통과한 배기가스에 잔류하는 질소산화물을 저감하는 SCR(Selective Catalyst Reduction) 장치를 더 포함하는 배기 시스템.
  3. 제 1 항에서,
    상기 EGR 시스템은,
    상기 SDPF 장치 후단으로부터 상기 엔진의 전단까지 연결되는 저압 EGR 라인;
    상기 저압 EGR 라인에 구비되고, 상기 SDPF 장치를 통과한 배기가스가 상기 저압 EGR 라인을 통과하도록 개폐되는 EGR 밸브; 및
    상기 EGR 밸브 후단의 저압 EGR 라인에 구비되고, 상기 저압 EGR 라인을 통하여 재순환되는 배기가스 가스를 냉각하는 EGR 쿨러를 포함하는 배기 시스템.
  4. 제 1 항에서,
    상기 LNT 장치 전단의 배기라인에 구비되고, 상기 LNT 장치에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 제2 온도 센서를 더 포함하는 배기 시스템.
  5. 제 1 항에서,
    상기 제1 특정값은 500℃ 인 배기 시스템.
  6. 제 2 항에서,
    상기 LNT 장치, 및 상기 SDPF 장치는 차량의 엔진룸(CC)에 구비되며,
    상기 SCR 장치는 차량 하부(uf)에 구비되는 배기 시스템.
  7. 선택적환원촉매(SCR)가 고기공 입자상물질 제거용 필터에 코팅된 SDPF 장치와, 상기 SDPF 장치 전단의 배기 라인에 구비되는 온도 센서, 및 상기 SDPF 장치를 통과한 배기가스가 EGR 시스템의 저압 EGR 라인을 통과하도록 개폐되는 EGR 밸브를 구비하는 배기 시스템의 제어 방법으로서,
    상기 SDPF 장치 전단으로 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 제1 온도 측정 단계;
    상기 SDPF 장치 전단으로 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 이상인지 판단하는 제1 온도 비교 단계;
    상기 SDPF 장치 전단으로 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 이상이면 상기 EGR 밸브를 폐쇄하는 EGR 밸브 폐쇄 단계;
    상기 SDPF 장치 전단으로 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 제2 온도 측정 단계;
    상기 SDPF 장치 전단으로 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 이상인지 판단하는 제2 온도 비교 단계; 및
    상기 SDPF 장치 전단으로 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 미만이면 상기 EGR 밸브를 개방하는 EGR 밸브 개방 단계를 포함하는 배기 시스템 제어 방법.
  8. 제 7 항에서,
    상기 제1 온도 비교 단계에서,
    상기 SDPF 장치 전단으로 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 미만이면 재차 상기 SDPF 장치 전단으로 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 단계를 더 포함하는 배기 시스템 제어 방법.
  9. 제 7 항에서,
    상기 제2 온도 비교 단계에서,
    상기 SDPF 장치 전단으로 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 이상이면 상기 EGR 밸브를 폐쇄하는 단계를 더 포함하는 배기 시스템 제어 방법.
  10. 제 7 항에서,
    상기 제1 특정값은 500℃ 인 배기 시스템 제어 방법.
  11. 엔진으로부터 배기 라인을 통해 유입된 배기가스 중 탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO)를 정화시키는 디젤산화촉매(DOC; Diesel Oxidation Catalyst) 장치;
    상기 DOC 장치 후단에 위치하고, 상기 DOC 장치를 통과한 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시키는 선택적환원촉매(SCR)가 고기공 입자상물질 제거용 필터에 코팅된 SDPF(Selective Catalyst Reduction on Diesel Particulate matter filter) 장치;
    상기 SDPF 장치를 통과한 배기가스의 일부를 상기 엔진의 흡기 장치로 재순환시켜 상기 엔진의 연소실로 다시 유입되게 하여 질소산화물의 생성을 억제하도록 구비되는 배기가스 재순환(EGR; Exhaust Gas Recirculation) 시스템;
    상기 SDPF 장치 전단의 배기 라인에 구비되고, 상기 SDPF 장치에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 제1 온도 센서; 및
    상기 SDPF 장치에 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 이상인 상태에서 배기가스가 외부로 배출되도록 제어하고, 상기 SDPF 장치에 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 미만인 상태에서 배기가스가 상기 EGR 시스템을 통과하도록 제어하는 제어부를 포함하는 배기 시스템.
  12. 제 11 항에서,
    상기 EGR 시스템은,
    상기 SDPF 장치 후단으로부터 상기 엔진의 전단까지 연결되는 저압 EGR 라인;
    상기 저압 EGR 라인에 구비되고, 상기 SDPF 장치를 통과한 배기가스가 상기 저압 EGR 라인을 통과하도록 개폐되는 EGR 밸브; 및
    상기 EGR 밸브 후단의 저압 EGR 라인에 구비되고, 상기 저압 EGR 라인을 통하여 재순환되는 배기가스 가스를 냉각하는 EGR 쿨러를 포함하는 배기 시스템.
  13. 제 11 항에서,
    상기 DOC 장치 전단의 배기라인에 구비되고, 상기 DOC 장치에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 제2 온도 센서를 더 포함하는 배기 시스템.
  14. 제 11 항에서,
    상기 제1 특정값은 500℃ 인 배기 시스템.
  15. 엔진으로부터 배기 라인을 통해 유입된 배기가스의 희박 연소에 의해 발생되는 질소산화물을 흡장하여 저장하고, 환원 작용으로 질소산화물을 질소로 환원시켜 배출하는 LNT(Lean NOx Trap) 장치;
    상기 LNT 장치 후단에 위치하고, 귀금속을 포함하지 않는 촉매가 코팅되거나 암모니아를 산화시키지 않고 우레아를 가수분해시키는 가수분해 촉매가 코팅되어 배기가스의 입자상물질을 저감시키는 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate matter Filter; DPF) 장치;
    상기 DPF 장치 후단에 위치하고, 상기 DPF 장치를 통과한 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감하는 SCR(Selective Catalyst Reduction) 장치;
    상기 DPF 장치를 통과한 배기가스의 일부를 상기 엔진의 흡기 장치로 재순환시켜 상기 엔진의 연소실로 다시 유입되게 하여 질소산화물의 생성을 억제하도록 구비되는 배기가스 재순환(EGR; Exhaust Gas Recirculation) 시스템;
    상기 SCR 장치 전단의 배기 라인에 구비되고, 상기 SCR 장치에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 제1 온도 센서; 및
    상기 SCR 장치에 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 이상인 상태에서 배기가스가 상기 SCR 장치로 통과하도록 제어하고, 상기 SCR 장치에 유입되는 배기가스의 온도가 제1 특정값 미만인 상태에서 배기가스가 상기 EGR 시스템을 통과하도록 제어하는 제어부를 포함하는 배기 시스템.
  16. 제 15 항에서,
    상기 EGR 시스템은,
    상기 DPF 장치 후단으로부터 상기 엔진의 전단까지 연결되는 저압 EGR 라인;
    상기 저압 EGR 라인에 구비되고, 상기 DPF 장치를 통과한 배기가스가 상기 저압 EGR 라인을 통과하도록 개폐되는 EGR 밸브; 및
    상기 EGR 밸브 후단의 저압 EGR 라인에 구비되고, 상기 저압 EGR 라인을 통하여 재순환되는 배기가스 가스를 냉각하는 EGR 쿨러를 포함하는 배기 시스템.
  17. 제 15 항에서,
    상기 DPF 장치 전단의 배기라인에 구비되고, 상기 DPF 장치에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 제2 온도 센서, 및
    상기 LNT 장치 전단의 배기라인에 구비되고, 상기 LNT 장치에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 제3 온도 센서를 더 포함하는 배기 시스템.
  18. 제 15 항에서,
    상기 제1 특정값은 500℃ 인 배기 시스템.
  19. 제 15 항에서,
    상기 LNT 장치, 및 상기 DPF 장치는 차량의 엔진룸(CC)에 구비되며,
    상기 SCR 장치는 차량 하부(uf)에 구비되는 배기 시스템.
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