KR20230087848A - 삼원 촉매의 암모니아 저감 장치 및 방법 - Google Patents

삼원 촉매의 암모니아 저감 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 엔진에서 발생한 배기 가스를 배출하는 배기계로 촉매를 공급하기 위한 삼원 촉매 컨버터의 현재 촉매 온도를 판단하는 촉매 온도 판단부, 상기 엔진의 현재 배기 조건에 따른 상기 촉매 컨버터에 저장 가능한 최대 산소 저장 용량을 산출하여 저장하는 최대 산소 저장량 판단부 및 상기 현재 촉매 온도에 따른 상기 최대 산소 저장 용량과, 상기 삼원 촉매 컨버터에 포함된 전기 가열 촉매의 작동을 위한 설정 산소 저장 용량을 비교하여, 상기 최대 산소 저장 용량이 상기 설정 산소 저장 용량을 초과하도록 상기 전기 가열 촉매의 온/오프를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

삼원 촉매의 암모니아 저감 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR REDUCING AMMONIA OF THREE WAY CATALYST}
본 발명은 삼원 촉매의 암모니아 저감 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 삼원 촉매의 산소 저장량을 증가시키기 위해 사용되는 통상의 산소 저장 물질, 즉 세리아(CeO2) 함량은 동일하게 유지하면서도, 암모니아(NH3) 저감을 위한 산소 저장량을 증대시킬 수 있는 삼원 촉매의 암모니아 저감 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 자동차 이용도가 증가하고 교통량이 증가함에 따라, 배기 가스로 인한 대기오염의 문제가 심각한 사회문제로 대두되고 있다.
그에 따라, 각국의 정부들에서는 배기 가스 규제를 위하여 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx) 등의 배기 가스 내 오염물질에 대한 배출 기준을 정해놓고 있으며, 이러한 배기 가스 규제는 점차 강화되고 있다.
또한, 각 자동차 제조사들은 강화되고 있는 배기 가스 규제에 효과적으로 대응하기 위해 많은 노력을 기울이고 있으며, 신규 차량은 배기 가스 배출 기준에 맞추어 생산하고 있다.
특히, 자동차에서는 배기가스 배출기준을 충족시키기 위해, 귀금속이 담지된 삼원 촉매 컨버터(Three way Catalyst Converter, WCC)가 배기계에 장착되어, 탄화수소의 분해, 일산화탄소의 산화, 및 질소산화물의 환원을 촉진시킨다.
이러한 삼원 촉매는 배기 가스의 유해성분인 탄화수소계 화합물, 일산화탄소 및 질소산화물(NOx)과 동시에 반응하여 이들 화합물을 제거시키는 촉매를 의미하며, 주로 Pt/Rh, Pd/Rh 또는 Pt/Pd/Rh 계가 이용된다.
이와 같은, 삼원 촉매는 배기가스 내에 산소의 농도가 높고 환원제의 농도가 희박한(lean) 상태에서, 질소산화물(NOx)이 백금(Pt)이나 팔라디움(Pd)과 같은 촉매성분에 의해 산화되는 한편, 이산화세륨(CeO2)에 흡착되어 저장되고, 배기가스 내에 산소의 농도가 낮고 환원제의 농도가 짙은(rich) 상태에서는, 질소산화물은 로듐(Rh)과 같은 촉매성분에 의해 수소와 반응하여, 암모니아(NH3)로 합성되도록 형성된다.
여기서, 암모니아(NH3)는 대기 중으로 방출될 경우, 냄새가 발생하며, 최근 배기규제 또한 강화되고 있는 추세에 있기 때문에, 암모니아(NH3)의 저감이 필요한 실정이며, 그에 따라 암모니아(NH3)를 저감하기 위해서는 삼원 촉매의 온도를 450도 내지 600도 수준으로 승온시켜, 산소 저장량이 증대되도록 하는 것이 필요하다(산소 저장량과 암모니아(NH3)의 발생량은 반비례 관계를 가짐).
본 발명의 목적은, 촉매 온도 및 촉매의 열화 수준을 판단하고, 현재의 배기 조건에서 저장 가능한 최대 산소 저장량을 산출, 이러한 최대 산소 저장량과, 전기 가열 촉매(Electrically Heated Catalyst, EHC)를 동작시키기 위한 설정된 임계 값을 비교하여, 선택적으로 전기 가열 촉매에 대한 온/오프가 제어되게 함으로써, 삼원 촉매의 산소 저장량을 증가시키기 위해 사용되는 산소 저장물질의 함량은 동일하게 유지하면서도, 전기 가열 촉매가 온 제어됨에 따른 촉매 온도의 상승을 통해 산소 저장량을 증대시킬 수 있어, 배출되는 암모니아(NH3)를 저감시킬 수 있도록 하는 삼원 촉매의 암모니아 저감 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명에 따른 삼원 촉매의 암모니아 저감 장치는 엔진에서 발생한 배기 가스를 배출하는 배기계로 촉매를 공급하기 위한 삼원 촉매 컨버터의 현재 촉매 온도를 판단하는 촉매 온도 판단부, 상기 엔진의 현재 배기 조건에 따른 상기 촉매 컨버터에 저장 가능한 최대 산소 저장 용량을 산출하여 저장하는 최대 산소 저장량 판단부 및 상기 현재 촉매 온도에 따른 상기 최대 산소 저장 용량과, 상기 삼원 촉매 컨버터에 포함된 전기 가열 촉매의 작동을 위한 설정 산소 저장 용량을 비교하여, 상기 최대 산소 저장 용량이 상기 설정 산소 저장 용량을 초과하도록 상기 전기 가열 촉매의 온/오프를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 상기 제어부는 상기 최대 산소 저장 용량과, 상기 전기 가열 촉매의 작동을 위한 설정 산소 저장 용량을 반복 비교하여, 상기 최대 산소 저장 용량이 상기 설정 산소 저장 용량을 초과하면, 상기 전기 가열 촉매를 오프 제어한다.
그리고, 본 발명에 따른 삼원 촉매의 암모니아 저감 장치는 상기 삼원 촉매 컨버터의 입구 및 출구 온도를 각각 측정하여, 촉매의 열화 수준을 판단하는 열화 수준 판단부를 더 포함한다.
여기서, 상기 제어부는 상기 현재 촉매 온도 및 상기 열화 수준에 따른 상기 최대 산소 저장 용량과, 상기 설정 산소 저장 용량을 비교하여, 상기 최대 산소 저장 용량이 상기 설정 산소 저장 용량을 초과하도록 상기 전기 가열 촉매의 온/오프를 제어한다.
한편, 본 발명에 따른 삼원 촉매의 암모니아 저감 방법은 촉매 온도 판단부를 통해 현재 촉매 온도를 판단하는 촉매 온도 판단 단계, 상기 엔진의 현재 배기 조건에 따른 상기 촉매 컨버터에 저장 가능한 최대 산소 저장 용량을 산출하여 저장하는 최대 산소 저장량 판단 단계 및 상기 현재 촉매 온도에 따른 상기 최대 산소 저장 용량과, 전기 가열 촉매의 작동을 위한 설정 산소 저장 용량을 비교하여, 상기 최대 산소 저장 용량이 상기 설정 산소 저장 용량을 초과하도록 상기 전기 가열 촉매를 온/오프 제어하는 전기 가열 촉매 제어 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 전기 가열 촉매 제어 단계는 상기 최대 산소 저장 용량이 상기 설정 산소 저장 용량 이하이면, 상기 전기 가열 촉매를 온 제어하는 제1제어 단계, 상기 전기 가열 촉매의 온 제어가 유지된 상태에서, 현재 촉매 온도 및 최대 산소 저장 용량을 다시 판단하는 최대 산소 저장량 재판단 단계, 상기 최대 산소 저장량 재판단 단계에서의 상기 현재 촉매 온도에 따른 상기 최대 산소 저장 용량과, 상기 설정 산소 저장 용량을 재비교하는 재비교 단계 및 상기 현재 촉매 온도에 따른 상기 최대 산소 저장 용량이 상기 설정 산소 저장 용량을 초과하면, 상기 전기 가열 촉매를 오프 제어하는 전기 가열 촉매 오프 제어 단계를 구비한다.
그리고, 본 발명에 따른 삼원 촉매의 암모니아 저감 방법은 상기 삼원 촉매 컨버터의 입구 및 출구 온도를 각각 측정하여, 촉매의 열화 수준을 판단하는 열화 수준 판단 단계를 더 포함한다.
이러한 상기 전기 가열 촉매 제어 단계는 상기 현재 촉매 온도 및 상기 열화 수준에 따른 상기 최대 산소 저장 용량과, 상기 설정 산소 저장 용량을 비교하여, 상기 최대 산소 저장 용량이 상기 설정 산소 저장 용량을 초과하도록 상기 전기 가열 촉매의 온/오프를 제어한다.
본 발명은, 촉매 온도 및 촉매의 열화 수준을 판단하고, 현재의 배기 조건에서 저장 가능한 최대 산소 저장량을 산출, 이러한 최대 산소 저장량과, 전기 가열 촉매(Electrically Heated Catalyst, EHC)를 동작시키기 위한 설정된 임계 값을 비교하여, 선택적으로 전기 가열 촉매에 대한 온/오프가 제어되게 함으로써, 삼원 촉매의 산소 저장량을 증가시키기 위해 사용되는 산소 저장물질의 함량은 동일하게 유지하면서도, 전기 가열 촉매가 온 제어됨에 따른 촉매 온도의 상승을 통해 산소 저장량을 증대시킬 수 있어, 배출되는 암모니아(NH3)를 저감시킬 수 있도록 하는 효과를 갖는다.
그에 따라, 본 발명은 냉시동 시, 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물 저감을 위한 히팅 제어, 예를 들어 시동 이후, 50초 전후에 이루어지는 종래의 히팅 제어와 비교하여, 설정된 임계 산소량 이하 조건에서는 전기 가열 촉매를 작동시켜 촉매가 언제나 일정량 이상의 산소 저장량을 확보하게 함으로써, 저온에서 암모니아(NH3)의 발생량을 효과적으로 줄일 수 있으며, 결국 암모니아(NH3)를 효과적으로 저감시킬 수 있어 배기규제를 만족시킬 수 있게 하는 효과를 갖는다.
도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 삼원 촉매의 암모니아 저감 장치에 대한 구성을 개략적으로 보여주기 위한 도면이다.
도 2 는 발명의 일실시예에 따른 삼원 촉매의 암모니아 저감 장치에 대한 온도 및 세리아 함량에 따른 산소 저장 용량을 보여주기 위한 도면이다.
도 3 은 발명의 일실시예에 따른 삼원 촉매의 암모니아 저감 장치에 대한 온도 및 세리아 함량에 따른 산소 저장 용량 증가비를 보여주기 위한 도면이다.
도 4 는 발명의 일실시예에 따른 삼원 촉매의 암모니아 저감 장치에 대한 촉매의 승온 효과에 따른 NH3 배출량을 보여주기 위한 도면이다.
도 5 는 발명의 다른 실시예에 따른 삼원 촉매의 암모니아 저감 장치에 대한 제1실시예를 순차적으로 보여주기 위한 도면이다.
도 6 은 발명의 다른 실시예에 따른 삼원 촉매의 암모니아 저감 장치에 대한 제2실시예를 순차적으로 보여주기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에 개시되는 실시 예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 삼원 촉매의 암모니아 저감 장치에 대한 구성을 개략적으로 보여주기 위한 도면이고, 도 2 는 발명의 일실시예에 따른 삼원 촉매의 암모니아 저감 장치에 대한 온도 및 세리아 함량에 따른 산소 저장 용량을 보여주기 위한 도면이다.
그리고, 도 3 은 발명의 일실시예에 따른 삼원 촉매의 암모니아 저감 장치에 대한 온도 및 세리아 함량에 따른 산소 저장 용량 증가비를 보여주기 위한 도면이고, 도 4 는 발명의 일실시예에 따른 삼원 촉매의 암모니아 저감 장치에 대한 촉매의 승온 효과에 따른 NH3 배출량을 보여주기 위한 도면이다.
일반적으로, 자동차에서는 배기 가스 배출 기준을 충족시키기 위해 귀금속이 담지된 삼원 촉매 컨버터(Three Waycatalyst Converter, WCC)가 배기계에 장착되어 탄화수소의 분해, 일산화탄소의 산화, 및 질소산화물의 환원을 촉진시킨다.
통상의 삼원 촉매는 배기 가스의 유해성분인 탄화수소계 화합물, 일산화탄소 및 질소산화물(NOx)과 동시에 반응하여 이들 화합물을 제거시키는 촉매를 의미하며, 주로 Pt/Rh, Pd/Rh 또는 Pt/Pd/Rh계가 이용된다.
이러한 삼원 촉매는 배기 가스의 공연비를 기준으로 린(lean, 산소 과대) 분위기와, 리치(rich, 연료 과대) 분위기의 변동에 따라, 일산화탄소와 탄화수소를 저감시키고, 질소산화물을 저감시키는 기능을 수행한다.
하지만, 이와 같은 종래의 촉매 시스템은 NO를 리치 분위기에서 정화할 경우, NO + H2 반응에 의해, 암모니아(NH3)를 다량으로 발생시키게 된다.
이렇게 발생한 NH3의 경우, 린 분위기에서는 고온 산화에 의해, N2, NO, N2O로 분해되고, 리치 분위기에서는 고온까지 분해되지 않고, 고온에서 NH3가 존재하게 된다.
즉, 린 분위기에서는 온도가 상승함에 따라 NH3 생성이 감소하고, 생성된 NH3 또한 고온에서 산소와 반응하여 용이하게 감소되는 반면, 리치 분위기에서는 NH3 생성이 용이하지만, 산소가 없는 조건이므로, NH3가 제거 될 수 없다.
결국, 실차 운전 조건에서 배기가스가 리치 분위기로 바뀌면, NO+H2 -> NH3 + H2O 반응으로 NH3가 먼저 촉매에서 발생하고, 발생된 NH3는 삼원 촉매에서 저장된 O2에 의해, N2, N2O, NO로 변환이 되는데, 계속 리치 분위기가 지속됨에 따라, 삼원 촉매에 저장된 O2가 모두 소진되면, NH3 가 다량으로 배출되기 때문에, NH3 배출을 줄이도록 하는 것이 중요하다.
이를 위해, 종래에는 삼원 촉매에 저장된 산소 저장량을 증가시키기 위하여, 산소저장 물질, 예를 들어, 세리아(CeO2) 함량을 증가시키도록 하였으나, 이와 같이 세리아 함량을 증가시킬 경우 일반적인 삼원 촉매의 세리아 함량은 50g/L 전후이기 때문에, 단순하게 산소 저장량을 늘리기 위하여 세리아 함량을 50g/L -> 100g/L으로 증대시키면, 물리적으로 세리아 함량을 증대시킴에 따라, 대략 2배 정도의 산소량이 증가하지만, 이것만으로 NH3 를 줄이는 것이 충분하지 않다.
그리고, 세리아와 같은 산소 저장물질이 증가할 경우, 촉매의 저온성능 및 활성이 감소하게 되기 때문에, 산소 저장물질의 증가를 통해 NH3 를 줄이는 것은 어려운 실정이다.
이는, 통상적인 삼원 촉매의 경우, 약 250g/L 내외의 촉매 코팅량을 가지며, 이에 따라 산소 저장물질 50g/L는 촉매 코팅량 전체의 20% 수준이고, 그 나머지는 Al2O3 가 차지하게 되는데, 이러한 Al2O3 는 비표면적이 넓고, 내열성이 우수하므로, 촉매성능을 향상시키기 위해 필수적이지만, 만일 100g/L로 함량이 증대된 세리아를 사용하게 되면, 세리아의 함량이 증대된 만큼 그 나머지를 차지하는 Al2O3 함량이 상대적으로 40%(100/250) 수준으로 줄어들게 되어, 비표면적이 감소하고, 내열성이 악화되게 된다.
결과적으로, 삼원 촉매에 사용되는 세리아 함량은 유지하되, 산소 저장량을 증대시키는 방법이 필요한데, 이를 위해 본 실시예에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 촉매 온도 판단부(100), 최대 산소 저장량 판단부(200) 및 제어부(300)를 포함하여, 산소 저장 용량(oxygen storage capacity, OSC)이 증대될 수 있도록 한다.
다시 말해, 도 2에 도시된 바와 같이, 온도가 증가할수록 산소 저장 용량이 증가하게 되는 것을 확인할 수 있으며, 또한 도 3에 도시된 바와 같이, 예를 들어 온도를 300℃ 에서 450℃ 로 증가시키게 되면, 상대적으로 세리아 함량이 낮을수록, 즉 세리아 함량이 2g/L 인 경우 4.6배, 5g/L 인 경우 2.7배, 8g/L 인 경우 2.4배인 실험 결과를 바탕으로 볼 때, 물리적으로 세리아의 함량을 증가시키게 되면, 산소 저장 용량 증가 배수가 낮아지는 반면, 촉매 온도를 상승시키면 산소 저장 용량이 증가하므로, 세리아의 함량은 동일 수준으로 유지하되, 촉매 온도를 일정 수준으로 증가시켜 산소 저장 용량을 증대시키도록 하는 것이 NH3 를 저감시키는데 효율적일 수 있다.
촉매 온도 판단부(100)는 엔진에서 발생한 배기 가스를 배출하는 배기계로 촉매를 공급하기 위한 삼원 촉매 컨버터의 현재 촉매 온도를 판단한다.
또한, 최대 산소 저장량 판단부(200)는 엔진의 현재 배기 조건에 따른 촉매 컨버터에 저장 가능한 최대 산소 저장 용량을 산출하여 저장한다.
이러한 산소 저장 용량의 산출은, 통상적으로 화학 흡착법, 모의 활성 평가 장치, 엔진, 차량 등을 활용하여 측정될 수 있다.
이와 같이 측정된 최대 산소 저장 용량은 촉매 온도 판단부(100) 및 최대 산소 저장량 판단부(200)를 통해 산출될 수 있으며, 하기 [표1]에서와 같이, 예를 들어 300℃, 400℃, 500℃ 와 같이 촉매 온도 판단부(100)를 통해 산출된 서로 다른 특정 촉매 온도 조건에 대하여, 최대 산소 저장량 판단부(200)를 통해 최대 산소 저장 용량을 각각 산출하여 서로 다른 값으로 저장될 수 있다.
촉매 온도 300 400 500 600
최대 산소 저장 용량 100 250 500 700
제어부(300)는 현재 촉매 온도에 따른 최대 산소 저장 용량과, 삼원 촉매 컨버터에 포함된 전기 가열 촉매(Electrically Heated Catalyst, EHC)의 작동을 위한 설정 산소 저장 용량을 비교하여, 최대 산소 저장 용량이 설정 산소 저장 용량을 초과하도록 전기 가열 촉매의 온/오프를 제어한다.
종래의 전기 가열 촉매는 초기 시동 이후, 대략 50초 시간동안 온 제어되어 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물 저감을 위한 히팅 제어를 수행하게 되는데, 삼원 촉매 온도의 경우, 150초 이후, 500℃ 이하로 낮아지므로, 산소 저장 용량이 줄어들게 된다.
통상적으로, 촉매 온도와 최대 산소 저장 용량의 관계는 서로 비례 관계이기 때문에(산소 저장 용량과 NH3 발생량은 반비례 관계를 가짐), 초기 시동 이후, 전기 가열 촉매의 온도를 판단, 500℃ 를 초과하는 수준을 유지하도록 선택적으로 삼원 촉매의 승온이 이루어지게 함으로써, 도 4에 도시된 바와 같이, 종래의 시동 초기 50초 시간 동안 온 제어하는 방법과 비교하여, NH3 배출량 저감을 위한 산소 저장 용량이 효과적으로 증가되게 할 수 있다.
결국, 제어부(300)는 최대 산소 저장 용량과, 전기 가열 촉매의 작동을 위한 설정 산소 저장 용량을 반복 비교하여, 만일 최대 산소 저장 용량이 설정 산소 저장 용량 이하이면, 전기 가열 촉매를 온 제어하여 삼원 촉매를 승온시키고, 그에 따라 산소 저장 용량의 증가를 통해 삼원 촉매에서 활용하는 산소량이 증대될 수 있게 함으로써, NH3 정화(산화)를 통해 배출량을 저감시킬 수 있다.
또한, 제어부(300)는 최대 산소 저장 용량과, 전기 가열 촉매의 작동을 위한 설정 산소 저장 용량을 반복 비교하여, 만일 최대 산소 저장 용량이 설정 산소 저장 용량을 초과하면, 전기 가열 촉매를 오프 제어하여, 이러한 반복 제어를 통해 삼원 촉매가 항상 NH3 를 저감할 수 있는 조건으로 유지되게 할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 삼원 촉매의 암모니아 저감 장치는 열화 수준 판단부(400)를 더 포함하며, 이러한 열화 수준 판단부(400)는 삼원 촉매 컨버터의 입구 및 출구 온도를 각각 측정하여, 촉매의 열화 수준을 판단하여 전기 가열 촉매의 온/오프 제어를 위한 변수로 사용될 수 있도록 한다.
즉, 제어부(300)는 현재 촉매 온도 및 열화 수준에 따른 최대 산소 저장 용량과, 설정 산소 저장 용량을 비교하여, 최대 산소 저장 용량이 설정 산소 저장 용량을 초과하도록 전기 가열 촉매의 온/오프를 제어하도록 한다.
통상, 차량 마일리지가 증가함에 따라 촉매의 성능은 점차적으로 저하되는데, 이를 촉매의 열화라고 하며, 화학적 비활성화, 열적 비활성화에 의해 이러한 촉매 열화가 발생될 수 있는데, 특히 가솔린 촉매의 경우 열화의 주된 원인은 고온 노출에 의한 열적 열화이다.
이와 같이, 삼원 촉매의 열화가 발생하게 되면, 열화도가 증가할수록 산소 저장 용량이 줄어들기 때문에, 산소 저장 용량이 감소하게 되는데, 제어부(300)는 이러한 촉매 온도 및 열화 수준을 고려하여 전기 가열 촉매의 온/오프 제어가 이루어지게 하여, 산소 저장 용량이 작은 조건, 예를 들어 저온 또는 열화가 심한 조건에서는 산소 저장 용량 증대를 위한 전기 가열 촉매 작동 시점을 서로 다르게 제어함으로써, 생성된 NH3 를 더욱 효과적으로 저감(산화)시킬 수 있다.
예를 들어, 전기 가열 촉매의 작동을 위한 최대 산소 저장 용량이 500mg으로 설정된 것으로 가정하면, 촉매 온도 및 열화 수준을 모두 고려할 경우, 하기의 [표2]와 같이, Fresh의 경우, 400℃ 근처에서 최대 산소 저장 용량이 설정된 임계 값에 해당하는 500mg이 되므로, 제어부(300)는 400℃ 이하의 온도에서는 전기 가열 촉매를 온 작동시키도록 제어하고, 규제 100% 수준으로 열화된 경우에서는 500℃ 미만일 때, 500mg이 되므로, 이러한 경우에는 400℃ 이하가 아니라, 500℃ 미만일 경우, 전기 가열 촉매를 온 작동시키도록 제어한다.
300
(촉매 온도)		 400
(촉매 온도)		 500
(촉매 온도)		 600
(촉매 온도)
Fresh
(열화수준)		 200 450 1000 1200
규체 50% 수준 열화
(열화수준)		 150 350 750 900
규제100% 수준 열화
(열화수준)		 100 250 500 700
이하, 도 5 는 발명의 다른 실시예에 따른 삼원 촉매의 암모니아 저감 장치에 대한 제1실시예를 순차적으로 보여주기 위한 도면이고, 도 6 은 발명의 다른 실시예에 따른 삼원 촉매의 암모니아 저감 장치에 대한 제2실시예를 순차적으로 보여주기 위한 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 삼원 촉매의 암모니아 저감 장치에 대한 제1실시예를 순차적으로 설명하면, 다음과 같다.
촉매 온도 판단부(100)를 통해 현재 촉매 온도를 판단한다(S100).
이후, 최대 산소 저장량 판단부(200)를 통해 엔진의 현재 배기 조건에 따른 촉매 컨버터에 저장 가능한 최대 산소 저장 용량, 즉 특정 촉매 온도에서서의 최대 산소 저장량을 산출하여, 전술된 [표1]에서와 같이 저장한다(S200).
제어부(300)는 전기 가열 촉매의 작동을 위한 산소 저장 용량의 임계 값, 예를 들어 500mg의 임계 값과, 저장 가능한 최대 산소 저장 용량을 비교하여(S300), 500℃ 일 때, 최대 산소 저장 용량이 500mg이 되므로([표1] 참조), 촉매 온도 500℃ 미만에서 전기 가열 촉매를 온 제어한다(S400).
이와 같이, 전기 가열 촉매의 온 제어가 유지된 상태에서, 일례로 초기 시동 이후, 대략 50초 시간이 경과한 이후, 현재 촉매 온도 및 저장 가능한 최대 산소 저장 용량을 다시 판단한다(S500).
다음으로, 촉매 온도 판단부(100)를 통해 최대 산소 저장량 재판단 단계(S500)에서의 현재 촉매 온도와, 그에 따른 최대 산소 저장 용량을 최대 산소 저장량 판단부(200)를 통해 산출하여 설정 산소 저장 용량을 재비교한다(S600).
이때, 제어부(300)를 통해 만일 현재 촉매 온도에 따른 최대 산소 저장 용량이 설정 산소 저장 용량, 즉 전술된 임계 값 500mg을 초과하면, 전기 가열 촉매를 오프 제어한다(S700).
결국, 본 실시예서는 최대 산소 저장 용량과, 전기 가열 촉매의 작동을 위한 설정 산소 저장 용량을 반복 비교하여, 만일 최대 산소 저장 용량이 설정 산소 저장 용량 이하이면, 전기 가열 촉매를 온 제어하여 삼원 촉매를 승온시키고, 그에 따라 산소 저장 용량의 증가를 통해 삼원 촉매에서 활용하는 산소량이 증대될 수 있게 함으로써, NH3 정화(산화)를 통해 배출량을 저감시킬 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 삼원 촉매의 암모니아 저감 방법은 도 6에 도시된 바와 같이, 삼원 촉매 컨버터의 입구 및 출구 온도를 각각 측정하여, 촉매의 열화 수준을 판단하는 열화 수준 판단 단계를 더 포함할 수 있다.
즉, 촉매 온도 판단부(100)를 통해 현재 촉매 온도를 판단하고, 열화 수준 판단부(400)를 통해 촉매의 열화 수준을 판단한다(S100).
이후, 최대 산소 저장량 판단부(200)를 통해 엔진의 현재 배기 조건에 따른 촉매 컨버터에 저장 가능한 최대 산소 저장 용량, 즉 특정 촉매 온도 및 열화 수준에서의 최대 산소 저장량을 산출, 전술된 [표2]에서와 같이 저장한다(S200).
제어부(300)는 전기 가열 촉매의 작동을 위한 최대 산소 저장 용량이 임계 값인 500mg으로 설정된 것으로 가정하면, 촉매 온도 및 열화 수준을 모두 고려할 경우, Fresh 에서는, 400℃ 근처에서 최대 산소 저장 용량이 설정된 임계 값에 해당하는 500mg이 되므로(S300), 제어부(300)는 400℃ 이하의 온도에서는 전기 가열 촉매를 온 작동시키도록 제어하고(S400), 규제 100% 수준으로 열화된 경우에서는 500℃ 미만일 때, 500mg이 되므로(S300), 이러한 경우에는 400℃ 이하가 아니라, 촉매 온도가 500℃ 미만일 경우, 전기 가열 촉매를 온 작동시키도록 제어한다(S400).
이와 같이, 전기 가열 촉매의 온 제어 상태에서, 예를 들어 초기 시동 이후, 대략 50초 시간이 경과한 이후, 현재 촉매 온도 및 저장 가능한 최대 산소 저장 용량을 다시 판단한다(S500).
다음으로, 촉매 온도 판단부(100)를 통해 최대 산소 저장량 재판단 단계(S500)에서의 현재 촉매 온도와, 그에 따른 최대 산소 저장 용량을 최대 산소 저장량 판단부(200)를 통해 산출하여 설정 산소 저장 용량을 재비교한다(S600).
이때, 제어부(300)를 통해 만일 현재 촉매 온도에 따른 최대 산소 저장 용량이 설정 산소 저장 용량, 즉 500mg을 초과하면, 전기 가열 촉매를 오프 제어한다(S700).
이와 같이, 삼원 촉매의 열화가 발생하게 되면, 열화도가 증가할수록 산소 저장 용량이 줄어들기 때문에, 산소 저장 용량이 감소하게 되는데, 제어부(300)는 이러한 촉매 온도 및 열화 수준을 고려하여 전기 가열 촉매의 온/오프 제어가 이루어지게 하여, 산소 저장 용량이 작은 조건, 예를 들어 저온 또는 열화가 심한 조건에서는 산소 저장 용량 증대를 위한 전기 가열 촉매 작동 시점을 서로 다르게 제어함으로써, 생성된 NH3 를 더욱 효과적으로 저감(산화)시킬 수 있다.
결국, 초기 시동 이후, 대략 50초 시간이 경과한 이후에도, 상기와 같은 제어를 통해 삼원 촉매의 온도를 상승시켜, 촉매의 온도가 소정 수준, 예를 들어 500℃ 이상으로 유지될 수 있도록 제어하여 산소 저장 용량이 임계 값 이상으로 유지될 수 있게 함으로써, 효과적으로 NH3 발생을 저감시킬 수 있다.
본 발명은, 촉매 온도 및 촉매의 열화 수준을 판단하고, 현재의 배기 조건에서 저장 가능한 최대 산소 저장량을 산출, 이러한 최대 산소 저장량과, 전기 가열 촉매(Electrically Heated Catalyst, EHC)를 동작시키기 위한 설정된 임계 값을 비교하여, 선택적으로 전기 가열 촉매에 대한 온/오프가 제어되게 함으로써, 삼원 촉매의 산소 저장량을 증가시키기 위해 사용되는 산소 저장물질의 함량은 동일하게 유지하면서도, 전기 가열 촉매가 온 제어됨에 따른 촉매 온도의 상승을 통해 산소 저장량을 증대시킬 수 있어, 배출되는 암모니아(NH3)를 저감시킬 수 있도록 하는 효과를 갖는다.
그에 따라, 본 발명은 냉시동 시, 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물 저감을 위한 히팅 제어, 예를 들어 시동 이후, 50초 전후에 이루어지는 종래의 히팅 제어와 비교하여, 설정된 임계 산소량 이하 조건에서는 전기 가열 촉매를 작동시켜 촉매가 언제나 일정량 이상의 산소 저장량을 확보하게 함으로써, 저온에서 암모니아(NH3)의 발생량을 효과적으로 줄일 수 있으며, 결국 암모니아(NH3)를 효과적으로 저감시킬 수 있어 배기규제를 만족시킬 수 있게 하는 효과를 갖는다.
이상의 본 발명은 도면에 도시된 실시 예(들)를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형이 이루어질 수 있으며, 상기 설명된 실시예(들)의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해여야 할 것이다.
100 : 촉매 온도 판단부 200 : 최대 산소 저장량 판단부
300 : 제어부 400 : 열화 수준 판단부

Claims (8)

  1. 엔진에서 발생한 배기 가스를 배출하는 배기계로 촉매를 공급하기 위한 삼원 촉매 컨버터의 현재 촉매 온도를 판단하는 촉매 온도 판단부;
    상기 엔진의 현재 배기 조건에 따른 상기 촉매 컨버터에 저장 가능한 최대 산소 저장 용량을 산출하여 저장하는 최대 산소 저장량 판단부; 및
    상기 현재 촉매 온도에 따른 상기 최대 산소 저장 용량과, 상기 삼원 촉매 컨버터에 포함된 전기 가열 촉매의 작동을 위한 설정 산소 저장 용량을 비교하여, 상기 최대 산소 저장 용량이 상기 설정 산소 저장 용량을 초과하도록 상기 전기 가열 촉매의 온/오프를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼원 촉매의 암모니아 저감 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 최대 산소 저장 용량과, 상기 전기 가열 촉매의 작동을 위한 설정 산소 저장 용량을 반복 비교하여, 상기 최대 산소 저장 용량이 상기 설정 산소 저장 용량을 초과하면, 상기 전기 가열 촉매를 오프 제어하는 것을 특징으로 하는 삼원 촉매의 암모니아 저감 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 삼원 촉매 컨버터의 입구 및 출구 온도를 각각 측정하여, 촉매의 열화 수준을 판단하는 열화 수준 판단부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 삼원 촉매의 암모니아 저감 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 현재 촉매 온도 및 상기 열화 수준에 따른 상기 최대 산소 저장 용량과, 상기 설정 산소 저장 용량을 비교하여, 상기 최대 산소 저장 용량이 상기 설정 산소 저장 용량을 초과하도록 상기 전기 가열 촉매의 온/오프를 제어하는 것을 특징으로 하는 삼원 촉매의 암모니아 저감 장치.
  5. 촉매 온도 판단부를 통해 현재 촉매 온도를 판단하는 촉매 온도 판단 단계;
    상기 현재 촉매 온도에 따른 상기 촉매 컨버터에 저장 가능한 최대 산소 저장 용량을 산출하여 저장하는 최대 산소 저장량 판단 단계; 및
    상기 엔진의 현재 배기 조건에 따른 상기 최대 산소 저장 용량과, 전기 가열 촉매의 작동을 위한 설정 산소 저장 용량을 비교하여, 상기 최대 산소 저장 용량이 상기 설정 산소 저장 용량을 초과하도록 상기 전기 가열 촉매를 온/오프 제어하는 전기 가열 촉매 제어 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼원 촉매의 암모니아 저감 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 전기 가열 촉매 제어 단계는,
    상기 최대 산소 저장 용량이 상기 설정 산소 저장 용량 이하이면, 상기 전기 가열 촉매를 온 제어하는 제1제어 단계;
    상기 전기 가열 촉매의 온 제어가 유지된 상태에서, 현재 촉매 온도 및 최대 산소 저장 용량을 다시 판단하는 최대 산소 저장량 재판단 단계;
    상기 최대 산소 저장량 재판단 단계에서의 상기 현재 촉매 온도에 따른 상기 최대 산소 저장 용량과, 상기 설정 산소 저장 용량을 재비교하는 재비교 단계; 및
    상기 현재 촉매 온도에 따른 상기 최대 산소 저장 용량이 상기 설정 산소 저장 용량을 초과하면, 상기 전기 가열 촉매를 오프 제어하는 전기 가열 촉매 오프 제어 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 삼원 촉매의 암모니아 저감 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 삼원 촉매 컨버터의 입구 및 출구 온도를 각각 측정하여, 촉매의 열화 수준을 판단하는 열화 수준 판단 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 삼원 촉매의 암모니아 저감 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 전기 가열 촉매 제어 단계는,
    상기 현재 촉매 온도 및 상기 열화 수준에 따른 상기 최대 산소 저장 용량과, 상기 설정 산소 저장 용량을 비교하여, 상기 최대 산소 저장 용량이 상기 설정 산소 저장 용량을 초과하도록 상기 전기 가열 촉매의 온/오프를 제어하는 것을 특징으로 하는 삼원 촉매의 암모니아 저감 방법.
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