WO2016171481A1 - 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치 및 환원제 공급 제어 방법 - Google Patents

환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치 및 환원제 공급 제어 방법 Download PDF

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이재형
김태섭
김기범
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Definitions

  • Embodiment of the present invention relates to a power unit and a reducing agent supply control method including a reducing agent supply control system, and more particularly to a reducing agent supply control system for controlling the supply amount of the reducing agent for reducing the nitrogen oxide contained in the exhaust gas It relates to a power unit and a reducing agent supply control method.
  • a selective catalytic reduction (SCR) system is a system for reducing nitrogen oxides by purifying exhaust gases generated from diesel engines, boilers, and incinerators.
  • the nitrogen gas contained in the exhaust gas and the reducing agent react with each other while passing the exhaust gas and the reducing agent together in a reactor in which the catalyst is installed therein, and the reduction process is performed with nitrogen and water vapor.
  • the selective catalytic reduction system is used by directly injecting urea as a reducing agent to reduce nitrogen oxides or by spraying ammonia (NH 3 ) generated by hydrolysis of urea.
  • a sensor is installed in front of a reactor for selective catalytic reduction equipped with a catalyst to measure nitrogen oxide concentration and spray a reducing agent in an amount necessary to reduce nitrogen oxide contained in exhaust gas.
  • the reaction efficiency varies depending on various factors such as catalyst activation, poisoning of the catalyst and temperature of the exhaust gas. Therefore, when the concentration of the reducing agent is determined and injected quantitatively by measuring the concentration of nitrogen oxide before the selective catalytic reduction reaction, However, there is a problem that it is difficult to precisely control the reduction of nitrogen oxides contained in the exhaust gas because it does not reflect various variables and errors occurring in the actual reaction.
  • ammonia slip is generated.
  • Ammonia slip is a phenomenon in which unreacted ammonia, which does not participate in the reaction, is discharged to the outside along with exhaust gas when ammonia is injected in an amount greater than that of quantitatively reacting with nitrogen oxide.
  • ammonia slip occurs, unreacted ammonia may shorten the life of the catalyst or cause corrosion of the catalyst, and if unreacted ammonia is discharged to the outside together with the exhaust gas, air pollution by ammonia may further occur. .
  • the intake air amount measured using a mass air flow (MAF) sensor and the fuel amount of the engine calculated using an electronic control unit (ECU) are calculated.
  • the amount of nitrogen oxide to be removed was calculated from the calculated exhaust gas total amount and the nitrogen oxide concentration measured in the exhaust gas, and the amount of reducing agent supplied was controlled accordingly.
  • Embodiments of the present invention provide a power unit and a reducing agent supply control method including a reducing agent supply control system capable of effectively controlling the supply of a reducing agent used in a reduction reaction of nitrogen oxides.
  • a power unit including a reducing agent supply control system includes an engine for exhausting exhaust gas containing nitrogen oxide by burning air and fuel at a predetermined air-fuel ratio, and the exhaust gas discharged by the engine is moved.
  • An exhaust flow path a pressure sensor for measuring the pressure of air supplied to the engine, a nitrogen oxide concentration sensor provided on the exhaust flow path to measure nitrogen oxide (NOx) concentration of the exhaust gas, and along the exhaust flow path
  • a reducing agent supply unit for supplying a reducing agent to the moving exhaust gas, and a control unit for controlling the reducing agent supply unit by determining the reducing agent supply amount based on the information received from the pressure sensor and the nitrogen oxide concentration sensor.
  • the controller calculates an air mass per stroke of the cylinder of the engine from the pressure of air measured by the pressure sensor by using correlation data between the air pressure and air mass supplied to the engine. Calculate the air mass per hour using the rotational speed of the engine, the total number of cylinders of the engine, and the calculated air mass per stroke, calculate the fuel mass per hour by dividing the air mass per hour by the air-fuel ratio, A reducing agent capable of reducing the total amount of nitrogen oxides after calculating the total amount of nitrogen oxides emitted from the engine with the concentration of nitrogen oxides (NOx) measured by the nitrogen oxide concentration sensor, the air mass per hour, and the fuel mass per hour. The supply amount of can be determined.
  • the correlation data may be set by acquiring a correlation between the air mass per stroke of the cylinder of the engine and the pressure of the air supplied to the engine.
  • the control unit may calculate the air mass per hour using the following equation.
  • the power unit including the reducing agent supply control system includes a turbine that rotates by the pressure of the exhaust gas and a compressor that receives power from the turbine and compresses air supplied to the engine, and is installed on the exhaust passage.
  • the turbocharger may further include an intercooler disposed on a path between the compressor of the turbocharger and the engine.
  • the pressure sensor may be installed downstream of the intercooler to measure the pressure of air supplied to the engine after being compressed by the supercharger.
  • the controller may correct the calculated reducing agent injection amount in consideration of the rotational speed and the load of the engine and the reduction rate of the reducing agent.
  • the power unit including the reducing agent supply control system is a selective catalytic reduction reactor including a catalyst installed on the exhaust flow path for promoting the reaction of the nitrogen oxide contained in the exhaust gas and the reducing agent supplied by the reducing agent supply unit, and It may further include a temperature sensor for measuring the internal temperature of the selective catalytic reduction reactor. The controller may correct the calculated amount of reducing agent supply according to the temperature of the catalyst.
  • a method of controlling a reducing agent supply for reducing nitrogen oxides (NOx) contained in exhaust gas discharged after the engine is supplied with air and combusted with fuel at a predetermined air-fuel ratio is provided to the engine.
  • Calculating the air mass per stroke of the cylinder of the engine using preset correlation data after measuring the pressure of the supplied air, and considering the rotational speed of the engine and the total number of cylinders of the engine Calculating an air mass per hour with an air mass per stroke, calculating a fuel mass per hour by dividing the air mass per hour by an air-fuel ratio, and determining the NOx concentration of exhaust gas emitted from the engine.
  • the correlation data relates to a correlation between the air mass per stroke of the cylinder of the engine obtained through the test and the pressure of air supplied to the engine.
  • the air mass per hour may be calculated using the following equation.
  • the reducing agent supply control method may further include correcting the calculated reducing agent supply amount in consideration of the rotational speed and the load of the engine and the reduction rate of the reducing agent.
  • the reducing agent supply control method may further include the step of promoting the reduction reaction for converting nitrogen oxides using a catalyst, and correcting the calculated reducing agent supply amount according to the temperature of the catalyst.
  • the power unit including the reducing agent supply control system and the reducing agent supply method can effectively control the supply of the reducing agent used in the reduction reaction of the nitrogen oxides.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a power unit including a reducing agent supply control system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a flow chart showing a reducing agent supply control method according to an embodiment of the present invention.
  • Embodiments of the invention specifically illustrate ideal embodiments of the invention. As a result, various modifications of the drawings are expected. Thus, the embodiment is not limited to the specific form of the illustrated region, but includes, for example, modification of the form by manufacture.
  • a power device 101 including a reducing agent supply control system includes an engine 200, an exhaust passage 610, a supercharger 300, a pressure sensor 710, The nitrogen oxide concentration sensor 720, the reducing agent supply unit 400, and the control unit 700.
  • the power unit 101 including a reducing agent supply control system may further include an intercooler 280, a selective catalytic reduction reactor 500, and a temperature sensor 760.
  • the engine 200 includes one or more cylinders in which an explosion stroke occurs.
  • the engine 200 generates power by burning air and fuel at a preset air-fuel ratio.
  • the air-fuel ratio may be preset by rotation speed and load by the manufacturer according to the type of the engine 200.
  • the engine 200 discharges exhaust gas containing environmental regulatory substances such as nitrogen oxides (NOx).
  • environmental regulatory substances such as nitrogen oxides (NOx).
  • the engine 200 may be used as a main power source of a ship as a diesel engine.
  • the engine 200 may be a four-stroke engine or a two-stroke engine.
  • the exhaust passage 610 exhausts the exhaust gas of the engine 200. That is, the exhaust gas discharged from the engine 200 moves along the exhaust flow path 610.
  • the turbo charger 300 is connected to the cylinder of the engine 200 to push the combustion air into the cylinder of the engine 200.
  • the turbocharger 300 is installed on the exhaust flow path 610 and the compressor 320 for rotating the air at the pressure of the exhaust gas and the compressor 320 for pushing the air into the engine 200 by the rotational force of the turbine 310 It includes.
  • the supercharger 300 rotates the turbine 310 at the pressure of the exhaust gas discharged from the engine main body 200 to compress and supply new external air to the engine main body 200, thereby outputting the engine main body 200. Can improve.
  • An intercooler 280 cools the intake air of the engine 200.
  • the intercooler 280 is disposed between the supercharger 300 and the engine 200 to cool the air compressed by the supercharger 300.
  • the heat generated when the supercharger 300 compresses the air makes the air density pressurized by the supercharger 300 thin. For this reason, charging efficiency worsens in summer, when temperature is high.
  • the intercooler 280 cools the air pressurized by the supercharger 300 to increase the air density.
  • the pressure sensor 710 measures the pressure of air supplied by the supercharger 300 to the engine 200.
  • the pressure sensor 710 may be installed adjacent to the rear end of the intercooler 280. That is, the pressure sensor 710 may measure the pressure of the cooled air while passing through the intercooler 280 after being compressed by the supercharger 300.
  • the nitrogen oxide (NOx) concentration sensor 720 may be installed on the exhaust passage 610 to measure the nitrogen oxide (NOx) concentration of the exhaust gas discharged from the engine 200.
  • the selective catalytic reduction reactor 500 is installed on the exhaust flow path 610.
  • the selective catalytic reduction reactor 500 includes a catalyst for reducing nitrogen oxides (NOx) contained in the exhaust gas discharged from the engine 200.
  • the catalyst catalyzes the reaction between the nitrogen oxide (NOx) contained in the exhaust gas and the reducing agent to reduce the nitrogen oxide (NOx) to nitrogen and water vapor.
  • urea may be used as a reducing agent, and urea is decomposed into ammonia (NH 3 ) to react with nitrogen oxide (NOx).
  • the catalyst may be made of various materials known to those skilled in the art, such as zeolite, vanadium, platinum and the like.
  • the catalyst may have an active temperature in the range of 250 degrees Celsius to 450 degrees Celsius.
  • the active temperature refers to a temperature at which the catalyst can be stably reduced without poisoning the catalyst. If the catalyst reacts outside the active temperature range, the catalyst is poisoned and the efficiency decreases.
  • the poisoning substance for poisoning the catalyst may include one or more of ammonium sulfate (NH 4 ) 2 SO 4 ) and ammonium bisulfate (NH 4 HSO 4 ). These catalyst poisoning substances are adsorbed on the catalyst to lower the activity of the catalyst. Since the catalyst poisoning substance decomposes at a relatively high temperature, the catalyst can be regenerated by raising the temperature.
  • the temperature sensor 760 measures the internal temperature of the selective catalytic reduction reactor 500. Specifically, the temperature sensor 760 is used to measure the temperature of the catalyst installed inside the selective catalytic reduction reactor 500.
  • the reducing agent supply unit 400 supplies a reducing agent to the exhaust gas moving along the exhaust passage 610.
  • the reducing agent supply unit 400 may include a reducing agent storage unit 450 and a reducing agent injection unit 410.
  • the reducing agent storage unit 450 stores urea water mixed with urea and water, and supplies the same to the reducing agent injection unit 410. That is, the reducing agent injector 410 may spray urea and water mixed with urea.
  • the reducing agent injector 410 injects the reducing agent in the exhaust passage 610 between the engine body 200 and the reactor 500. Accordingly, the exhaust gas is mixed with the reducing agent and introduced into the reactor 500.
  • urea water When urea water is injected from the reducing agent injection unit 410, urea of urea water is decomposed by the heat energy of the exhaust gas, thereby producing ammonia (NH 3 ) and isocyanic acid (HNCO), and isocyanic acid (HNCO). ) Is decomposed into ammonia (NH 3 ) and carbon dioxide (CO 2 ).
  • urea water is finally decomposed into ammonia to react with the nitrogen oxide contained in the exhaust gas.
  • the controller 700 determines the reducing agent supply amount based on the information received from the pressure sensor 710 and the nitrogen oxide concentration sensor 720 and controls the reducing agent supply unit 400 to supply the reducing agent supply amount.
  • the control unit 700 may be an electronic control unit (ECU) of the engine 200 or may be a separate control device.
  • control unit 700 as shown in Figure 2, the pressure of the air measured by the pressure sensor 710 in the correlation data between the air mass and the air pressure supplied from the engine 200 to estimate the air mass per stroke.
  • the air mass may be an air mass per stroke of the cylinder of the engine 200
  • the air pressure may be a pressure of air supplied to the engine 200.
  • the engine to which the supercharger 300 is applied may measure the pressure of air compressed by the supercharger 300 by measuring the pressure downstream of the supercharger 300.
  • the correlation between the air mass and the air pressure may be obtained through a test and stored in the controller 700.
  • downstream in the present specification means the rear with respect to the moving direction of the fluid.
  • the correlation data between the air mass per stroke of the cylinder of the engine 200 and the pressure of the air supplied by the supercharger 300 to the engine 200 may be obtained through an experiment using a dynamometer. have.
  • the air flow rate per cylinder stroke and the boost pressure at the rear end of the compressor 320 of the turbocharger 300 have a linear relationship.
  • the derivation of results is the result of hard work and investment.
  • the controller 700 calculates the air mass per hour with the estimated air mass per stroke in consideration of the rotational speed of the engine 200 and the total number of cylinders of the engine 200.
  • controller 700 may calculate the air mass per hour using the following equation.
  • the controller 700 calculates the fuel mass per hour by dividing the air mass per hour by the air-fuel ratio.
  • the air-fuel ratio is preset by the manufacturer according to the type of the engine 200.
  • the controller 700 may calculate the total amount of nitrogen oxide discharged from the engine 200 based on the nitrogen oxide (NOx) concentration, the air mass per hour, and the fuel mass per hour measured by the nitrogen oxide concentration sensor 720. When the total amount of nitrogen oxide is calculated, the controller 700 determines a supply amount of a reducing agent capable of reducing the amount of nitrogen oxide, and controls the reducing agent supply unit 400 to supply a corresponding reducing agent supply amount.
  • NOx nitrogen oxide
  • control unit 700 may correct the reducing agent injection amount calculated in consideration of the rotational speed and load of the engine 200 and the reduction rate of the reducing agent.
  • the efficiency may be lowered due to the degree of deterioration of the catalyst and the catalytic reaction activity temperature.
  • the engine 200 to adjust the actual appropriate reducing agent injection amount compared to the theoretical value by grasping through the test the efficiency of the selective catalytic reduction reaction in the catalyst for each rotation speed and load of the engine 200 It is possible to map the rotational speed and the reducing agent injection amount correction value for each load to make a table.
  • the urea-ammonia conversion may be set to be high and mapped.
  • ammonia slip amount may be minimized by lowering the urea-ammonia conversion rate (ANR).
  • the controller 700 may correct the amount of reducing agent supplied calculated according to the temperature of the catalyst.
  • the catalyst used in the selective catalytic reduction reaction has a low temperature range and a high temperature range depending on the type and components.
  • the temperature of the catalyst belongs to a temperature range of low efficiency, only urea is consumed without the effect of reducing NOx. In addition, urea crystallization may occur at the point where the urea is injected.
  • the reducing agent supply amount can be corrected to reduce or limit the reducing agent supply amount.
  • the temperature of the catalyst belongs to a high temperature range of efficiency, it is possible to maximize the nitrogen oxide removal efficiency by increasing the reducing agent supply amount.
  • the active temperature of the catalyst varies depending on the type of catalyst, but for example, the catalyst has a very low efficiency at 200 degrees Celsius or less, and may have a very high efficiency within a range of 350 degrees Celsius to 450 degrees Celsius.
  • the power unit 101 including the reducing agent supply control system can effectively control the supply of the reducing agent used for the reduction reaction of nitrogen oxides.
  • Reducing agent supply control method is nitrogen oxide contained in the exhaust gas discharged after the engine 200 is supplied with the air compressed by the supercharger 300 and combusted with the fuel at a predetermined air-fuel ratio (NOx) ) Is a method for supplying a reducing agent necessary to reduce).
  • the pressure of the air supplied to the engine 200 is measured.
  • the pressure of the measured air may be the pressure of air compressed by the supercharger 300 and supplied to the engine 200.
  • the mass of air is estimated by comparing the measured air pressure with the correlation data between the pre-stored mass of air and the pressure.
  • the mass of air may be the mass of air per stroke of the cylinder of the engine 200.
  • Such correlation data may be obtained through a test performed in advance and stored in the controller 700.
  • the correlation data between the air mass per stroke of the cylinder of the engine 200 and the pressure of the air supplied by the supercharger 300 to the engine 200 may be obtained through an experiment using a dynamometer. Correlation data may be prepared in graph form.
  • the air mass per hour is calculated with the estimated air mass per stroke taking into account the rotational speed of the engine 200 and the total number of cylinders of the engine 200.
  • the air mass per hour may be calculated using the following equation.
  • the air-fuel ratio is provided with a value preset by the manufacturer according to the type of the engine 200.
  • the nitrogen oxide (NOx) concentration of the exhaust gas discharged from the engine 200 is measured.
  • the total amount of nitrogen oxides emitted from the engine 200 is calculated based on the air mass per hour, the fuel mass per hour, and the concentration of nitrogen oxide.
  • the supply amount of a reducing agent capable of reducing them is calculated.
  • the reducing agent is supplied according to the calculated value.
  • the reducing agent supply amount may be corrected in consideration of the rotational speed and load of the engine 200 and the reduction rate of the reducing agent.
  • the efficiency may be reduced by the degree of deterioration of the catalyst, the catalytic reaction activity temperature, and the like. Therefore, it is necessary to supply a larger amount of the reducing agent than the theoretically calculated reducing agent supply amount.
  • the engine 200 to adjust the actual appropriate reducing agent injection amount compared to the theoretical value by grasping through the test the efficiency of the selective catalytic reduction reaction in the catalyst for each rotation speed and load of the engine 200 It is possible to map the rotational speed and the reducing agent injection amount correction value for each load to make a table.
  • the reducing agent supply control method it is possible to promote a reduction reaction for converting nitrogen oxide using a catalyst.
  • the amount of reducing agent supplied calculated according to the temperature of the catalyst can be corrected.
  • the catalyst used in the selective catalytic reduction reaction has a low temperature range and a high temperature range depending on the type and components.
  • the amount of reducing agent supplied to the catalyst can be corrected according to the temperature, thereby suppressing unnecessary waste or ammonia slip phenomenon.
  • the reducing agent supply control method can effectively control the supply of the reducing agent used in the reduction reaction of the nitrogen oxides.
  • the power unit and the reducing agent supply method including the reducing agent supply control system according to the embodiment of the present invention can be used to effectively control the supply of the reducing agent used in the reduction reaction of nitrogen oxides.

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치는 기 설정된 공연비로 공기와 연료를 연소시켜 질소산화물을 함유한 배기가스를 배출하는 엔진과, 상기 엔진이 배출한 배기가스가 이동하는 배기 유로와, 상기 엔진에 공급하는 공기의 압력을 실측하는 압력 센서와, 상기 배기 유로 상에 설치되어 상기 배기가스의 질소산화물 농도를 측정하는 질소산화물 농도 센서와, 상기 배기 유로를 따라 이동하는 상기 배기가스에 환원제를 공급하는 환원제 공급부, 그리고 상기 압력 센서와 상기 질소산화물 농도 센서로부터 전달받은 정보에 기초하여 환원제 공급량을 결정하여 상기 환원제 공급부를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치 및 환원제 공급 제어 방법
본 발명의 실시예는 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치 및 환원제 공급 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 환원제의 공급량을 제어하기 위한 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치 및 환원제 공급 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템은 디젤 엔진, 보일러, 소각기 등에서 발생된 배기 가스를 정화하여 질소산화물을 저감시키기 위한 시스템이다.
선택적 촉매 환원 시스템은 촉매가 내부에 설치된 반응기에 배기 가스와 환원제를 함께 통과시키면서 배기 가스에 함유된 질소산화물과 환원제를 반응시켜 질소와 수증기로 환원 처리한다.
선택적 촉매 환원 시스템은 질소산화물을 저감시키기 위한 환원제로 우레아(urea)를 직접 분사하여 사용하거나 우레아를 가수분해시켜 생성된 암모니아(NH3)를 분사하여 사용하고 있다.
일반적으로, 촉매가 설치된 선택적 촉매 환원용 반응기 전단에 센서를 설치하여 질소산화물 농도를 실측하고, 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위해 필요한 양의 환원제를 분사하고 있다.
하지만, 촉매의 활성화 정도, 촉매의 피독 여부, 배기가스의 온도 등 여러 변수에 의해 반응 효율이 달라지므로, 선택적 촉매 환원 반응 전에 질소산화물의 농도를 실측하여 정량적으로 환원제의 양을 결정하여 분사하게 되면, 실제 반응에서 일어나는 여러 변수와 오차들을 반영하지 못하여 배기가스가 함유한 질소산화물의 저감을 정밀하게 제어하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 앞으로는 이러한 선택적 촉매 환원 시스템은 선박용 디젤 엔진에서 배출되는 질소산화물(NOx)의 배출량이 엔진 국제 대기 오염 방지 3차 규제(IMO Tier-III)를 만족시킬 수 있는 성능과 운용이 앞으로 요구되고 있다.
이에, 엔진 국제 대기 오염 방지 3차 규제(IMO Tier-III) 조건을 충분히 만족시키기 위하여 환원제로 사용되는 암모니아가 필요 이상으로 분사될 경우에는 암모니아 슬립(Ammonia Slip)이 발생된다. 암모니아 슬립은 질소산화물과 정량적으로 반응하는 암모니아 양보다 많은 양의 암모니아가 주입되면 반응에 참여하지 않은 미반응 암모니아가 배기가스와 함께 외부로 배출하는 현상이다.
암모니아 슬립이 일어나면, 미반응 암모니아가 촉매의 수명을 단축시키거나 촉매의 부식을 야기할 수 있으며, 미반응 암모니아가 배기가스와 함께 외부로 배출되면 암모니아에 의한 대기오염 문제가 추가로 발생될 수 있다.
반면, 환원제로 사용되는 암모니아의 분사량이 부족할 경우에는 배기가스에 함유된 질소산화물을 충분히 저감시키지 못하여 엔진 국제 대기 오염 방지 3차 규제(IMO Tier-III) 조건을 만족시키지 못하게 된다.
따라서 디젤 엔진의 가동 초기뿐만 아니라 부하 변동 시에도 엔진 국제 대기 오염 방지 3차 규제(IMO Tier-III) 조건을 만족시킬 뿐만 아니라 암모니아 슬립의 발생을 최소화할 수 있는 선택적 촉매 환원 시스템의 운용이 요구된다.
따라서, 적정한 환원제가 사용되도록 환원제 공급량을 제어하기 위해 종래에는 MAF(mass air flow) 센서를 이용하여 측정한 흡입 공기량 및 전자 제어 장치(electronic control unit, ECU)를 활용하여 계산된 엔진의 연료량을 가지고 산출한 배기가스 총량과 배기가스에서 측정된 질소산화물 농도로 제거해야 할 질소산화물의 양을 산출하고, 이에 따라 환원제 공급량을 제어하였다.
하지만, 선박에 사용되는 엔진의 경우 소금기나 수분 등으로 인해 MAF(mass air flow) 센서의 내구성이 보장되기 어려운 문제점이 있다.
이에, 환경 또는 경제적인 이유로 MAF(mass air flow) 센서를 사용하지 않고도 환원제 공급량을 제어할 수 있는 방법이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 질소산화물의 환원 반응에 사용되는 환원제의 공급을 효과적으로 제어할 수 있는 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치 및 환원제 공급 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치는 기 설정된 공연비로 공기와 연료를 연소시켜 질소산화물을 함유한 배기가스를 배출하는 엔진과, 상기 엔진이 배출한 배기가스가 이동하는 배기 유로와, 상기 엔진에 공급하는 공기의 압력을 실측하는 압력 센서와, 상기 배기 유로 상에 설치되어 상기 배기가스의 질소산화물(NOx) 농도를 측정하는 질소산화물 농도 센서와, 상기 배기 유로를 따라 이동하는 상기 배기가스에 환원제를 공급하는 환원제 공급부, 그리고 상기 압력 센서와 상기 질소산화물 농도 센서로부터 전달받은 정보에 기초하여 환원제 공급량을 결정하여 상기 환원제 공급부를 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는 기 설정된 상기 엔진으로 공급되는 공기 압력과 공기 질량 간의 상관관계 데이터를 활용하여 상기 압력 센서가 실측한 공기의 압력으로부터 상기 엔진의 설린더의 스트로크(stroke) 당 공기 질량을 산출하고, 상기 엔진의 회전 속도와, 상기 엔진의 총 실린더 수, 그리고 상기 산출된 스트로크 당 공기 질량을 활용하여 시간 당 공기 질량을 산출하고, 상기 시간 당 공기 질량을 공연비로 나누어 시간 당 연료 질량을 산출하고, 상기 질소산화물 농도 센서가 측정한 질소산화물(NOx) 농도와 상기 시간 당 공기 질량 그리고 상기 시간 당 연료 질량을 가지고 상기 엔진에서 배출된 질소산화물 총량을 산출한 후, 상기 질소산화물 총량을 환원시킬 수 있는 환원제의 공급량을 결정할 수 있다.
상기 상관관계 데이터는 상기 엔진의 실린더의 스트로크 당 공기 질량과 상기 엔진에 공급하는 공기의 압력 간의 상관관계를 시험을 통해 취득하여 설정될 수 있다.
상기 제어부는 아래의 수학식을 이용하여 상기 시간 당 공기 질량을 산출할 수 있다.
Figure PCTKR2016004142-appb-I000001
상기한 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치는 상기 배기가스가 갖는 압력에 의해 회전하는 터빈과 상기 터빈으로부터 동력을 전달 받아 상기 엔진으로 공급되는 공기를 압축하는 압축기를 포함하며, 상기 배기 유로 상에 설치되는 과급기(turbo charger)와, 상기 과급기의 압축기와 상기 엔진 사이에 경로 상에 배치된 인터쿨러를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 압력 센서는 상기 인터쿨러의 하류에 설치되어 상기 과급기에 의해 압축된 후 상기 엔진으로 공급되는 공기의 압력을 측정할 수 있다.
상기 제어부는 상기 엔진의 회전 속도와 부하 그리고 환원제의 환원율을 고려하여 상기 산출된 환원제 분사량을 보정할 수 있다.
또한, 상기한 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치는 상기 배기 유로 상에 설치되어 배기가스에 함유된 질소산화물과 상기 환원제 공급부가 공급한 환원제의 반응을 촉진시키는 촉매를 포함한 선택적 촉매 환원 반응기와, 상기 선택적 촉매 환원 반응기의 내부 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 제어부는 상기 촉매의 온도에 따라 상기 산출된 환원제 공급량을 보정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 엔진이 공기를 공급받아 기 설정된 공연비로 연료와 함께 연소시킨 후 배출한 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 환원시키기 위한 환원제 공급 제어 방법은 상기 엔진에 공급되는 공기의 압력을 실측한 후 기 설정된 상관관계 데이터를 활용하여 상기 엔진의 실린더의 스트로크 당 공기 질량을 산출하는 단계와, 상기 엔진의 회전 속도와 상기 엔진의 총 실린더수를 고려하여 상기 추정된 스트로크 당 공기 질량을 가지고 시간 당 공기 질량을 산출하는 단계와, 상기 시간 당 공기 질량을 공연비로 나누어 시간 당 연료 질량을 산출하는 단계와, 상기 엔진에서 배출된 배기가스의 질소산화물(NOx) 농도를 측정하는 단계와, 상기 시간 당 공기 질량과 상기 시간 당 연료 질량 그리고 상기 질소산화물의 농도를 가지고 상기 엔진에서 배출된 질소산화물 총량을 산출하는 단계, 그리고 상기 질소산화물 총량을 환원시킬 수 있는 환원제의 공급량을 산출하는 단계를 포함한다.
상기 상관관계 데이터는 시험을 통해 취득된 상기 엔진의 실린더의 스트로크(stroke) 당 공기 질량과 상기 엔진에 공급되는 공기의 압력 간의 상관관계에 관련된 것이다.
상기 시간 당 공기 질량은 아래의 수학식을 이용하여 산출할 수 있다.
Figure PCTKR2016004142-appb-I000002
또한, 상기한 환원제 공급 제어 방법은 엔진의 회전 속도와 부하 그리고 환원제의 환원율을 고려하여 상기 산출된 환원제 공급량을 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기한 환원제 공급 제어 방법은 촉매를 사용하여 질소산화물을 전환시키기 위한 환원 반응을 촉진시키며, 상기 촉매의 온도에 따라 상기 산출된 환원제 공급량을 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치 및 환원제 공급 방법은 질소산화물의 환원 반응에 사용되는 환원제의 공급을 효과적으로 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치를 나타낸 구성도이다.
도 2는 시험을 통해 취득한 엔진의 실린더의 스트로크(stroke) 당 공기 질량과 과급기가 엔진에 공급하는 공기의 압력 간의 상관관계 데이터이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 공급 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 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 실시예에 한정되지 않는다.
도면들은 개략적이고 축척에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 축소되어 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.
본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 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 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치(101)를 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치(101)는 엔진(200), 배기 유로(610), 과급기(300), 압력 센서(710), 질소산화물 농도 센서(720), 환원제 공급부(400), 및 제어부(700)를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치(101)는 인터쿨러(280), 선택적 촉매 환원 반응기(500), 및 온도 센서(760)를 더 포함할 수 있다.
엔진(200)은 폭발 행정이 발생하는 실린더를 하나 이상 포함한다. 엔진(200)은 기 설정된 공연비로 공기와 연료를 연소시켜 동력을 발생한다. 여기서, 공연비는 엔진(200)의 종류에 따라 제조사에 의해 회전 속도 및 부하별로 기 설정될 수 있다.
그리고 본 발명의 일 실시예에서, 엔진(200)은 질소산화물(NOx) 등 환경 규제 물질을 함유한 배기가스를 배출한다.
일례로, 엔진(200)은 디젤 엔진으로 선박의 주동력원으로 사용될 수 있다. 또한, 엔진(200)은 4행정 엔진 또는 2행정 엔진일 수 있다.
배기 유로(610)는 엔진(200)의 배기가스를 배출시킨다. 즉, 엔진(200)이 배출한 배기가스는 배기 유로(610)를 따라 이동한다.
과급기(turbo charger, 300)는 엔진(200)의 실린더와 연결되어 엔진(200)의 실린더에 연소용 공기를 밀어 넣는다.
구체적으로, 과급기(300)는 배기 유로(610) 상에 설치되어 배기가스가 갖는 압력으로 회전하는 터빈(310)과 터빈(310)의 회전력으로 엔진(200)에 공기를 밀어 넣는 압축기(320)를 포함한다.
이와 같이, 과급기(300)는 엔진 본체(200)가 배출한 배기가스가 갖는 압력으로 터빈(310)을 돌려 엔진 본체(200)에 새로운 외부 공기를 압축하여 공급함으로써, 엔진 본체(200)의 출력을 향상시킬 수 있다.
인터쿨러(intercooler, 280)는 엔진(200)의 흡기를 냉각시킨다.
구체적으로, 인터쿨러(280)는 과급기(300)와 엔진(200) 사이에 배치되어 과급기(300)가 압축시킨 공기를 냉각시킨다. 과급기(300)가 공기를 압축할 때 생기는 열 때문에 과급기(300)에 의해 애써 가압된 공기 밀도가 희박해진다. 이 때문에 기온이 높은 여름철 등에는 충전 효율이 나빠진다. 인터쿨러(280)는 과급기(300)가 가압한 공기를 냉각하여 공기 밀도를 올린다.
압력 센서(710)는 과급기(300)가 엔진(200)에 공급하는 공기의 압력을 실측한다.
본 발명의 일 실시예에서, 압력 센서(710)는 인터쿨러(280)의 후단에 인접하게 설치될 수 있다. 즉, 압력 센서(710)는 과급기(300)에서 압축된 후 인터쿨러(280)를 거치면서 냉각된 공기의 압력을 측정할 수 있다.
질소산화물(NOx) 농도 센서(720)는 배기 유로(610) 상에 설치되어 엔진(200)에서 배출된 배기가스의 질소산화물(NOx) 농도를 측정할 수 있다.
선택적 촉매 환원 반응기(500)는 배기 유로(610) 상에 설치된다. 선택적 촉매 환원 반응기(500)는 엔진(200)에서 배출된 배기가스가 함유한 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 촉매를 포함한다. 촉매는 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)과 환원제의 반응을 촉진시켜 질소산화물(NOx)을 질소와 수증기로 환원 처리한다. 이때, 환원제로 우레아(urea)를 사용할 수 있으며, 우레아는 암모니아(NH3)로 분해되어 질소산화물(NOx)과 반응하게 된다.
촉매는 제올라이트(Zeolite), 바나듐(Vanadium), 및 백금(Platinum) 등과 같이 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 소재로 만들어질 수 있다. 일례로, 촉매는 섭씨 250도 내지 섭씨 450도 범위 내의 활성 온도를 가질 수 있다. 여기서, 활성 온도는 촉매가 피독되지 않고 안정적으로 질소산화물을 환원시킬 수 있는 온도를 말한다. 촉매가 활성 온도 범위 밖에서 반응하면, 촉매가 피독되면서 효율이 저하된다.
구체적으로, 촉매를 피독시키는 피독 물질은 황산암모늄(Ammonium sulfate, (NH4)2SO4)과 아황산수소암모늄(Ammonium bisulfate, NH4HSO4) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 촉매 피독 물질은 촉매에 흡착되어 촉매의 활성을 저하시킨다. 촉매 피독 물질은 상대적으로 높은 온도에서 분해되므로, 촉매를 승온시키면 피독된 촉매를 재생할 수 있다.
온도 센서(760)는 선택적 촉매 환원 반응기(500)의 내부 온도를 측정한다. 구체적으로, 온도 센서(760)는 선택적 촉매 환원 반응기(500)의 내부에 설치된 촉매의 온도를 측정하기 위해 사용된다.
환원제 공급부(400)는 배기 유로(610)를 따라 이동하는 배기가스에 환원제를 공급한다. 그리고 환원제 공급부(400)는 환원제 저장부(450)와 환원제 분사부(410)를 포함할 수 있다.
환원제 저장부(450)는 우레아와 물이 혼합된 요소수를 저장하고, 이를 환원제 분사부(410)에 공급한다. 즉, 환원제 분사부(410)는 우레아와 물이 혼합된 요소수를 분사할 수 있다.
또한, 환원제 분사부(410)는 엔진 본체(200)와 반응기(500) 사이의 배기 유로(610)에서 환원제를 분사한다. 이에, 배기가스는 환원제와 혼합되어 반응기(500)에 유입된다.
환원제 분사부(410)에서 요소수가 분사되면, 요소수의 우레아가 배기가스가 갖는 열에너지에 의해 분해되면서 암모니아(NH3)와 이소시안산(Isocyanic acid, HNCO)이 생성되고, 이소시안산(HNCO)은 다시 암모니아(NH3)와 이산화탄소(CO2)로 분해된다.
즉, 요소수는 최종적으로 암모니아로 분해되어 배기가스에 함유된 질소산화물과 반응하게 된다.
제어부(700)는 압력 센서(710)와 질소산화물 농도 센서(720)로부터 전달받은 정보에 기초하여 환원제 공급량을 결정하여 환원제 공급부(400)가 해당 환원제 공급량을 공급하도록 제어한다. 여기서, 제어부(700)는 엔진(200)의 전자 제어 장치(electronic control unit, ECU)이거나 별도의 제어 장치일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제어부(700)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 엔진(200)으로부터 공급되는 공기 질량과 공기 압력 간의 상관관계 데이터에 압력 센서(710)가 실측한 공기의 압력을 대입하여 스트로크(stroke) 당 공기 질량을 추정한다.
여기서, 공기 질량은 엔진(200)의 실린더의 스트로크 당 공기 질량일 수 있고, 공기 압력은 엔진(200)에 공급되는 공기의 압력일 수 있다. 과급기(300)가 적용된 엔진은 과급기(300) 하류의 압력을 측정함으로써 과급기(300)에 의해 압축된 공기의 압력을 측정할 수 있다. 이러한 공기 질량과 공기 압력의 상관관계는 시험을 통해 취득되어 제어부(700)에 저장될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 하류라 함은 유체의 이동 방향을 기준으로 후방을 의미한다.
일례로, 엔진(200) 실린더의 스트로크(stroke) 당 공기 질량과 과급기(300)가 엔진(200)에 공급하는 공기의 압력 간의 상관관계 데이터는 다이노미터(dynamometer)를 이용한 실험을 통해 취득할 수 있다.
여기서, 과급기(300)가 장착된 디젤 엔진(200)의 경우 실린더 스트로크(stroke) 당 공기 유량과 과급기(300)의 압축기(320) 후단의 압력(boost pressure)은 1차식의 선형적인 관계를 나타낸다는 결과의 도출은 각고의 노력과 투자의 산실이다.
그리고 제어부(700)는 엔진(200)의 회전 속도와 엔진(200)의 총 실린더수를 고려하여 추정된 스트로크 당 공기 질량을 가지고 시간 당 공기 질량을 산출한다.
이때, 제어부(700)는 아래의 수학식을 이용하여 시간 당 공기 질량을 산출할 수 있다.
[수학식]
Figure PCTKR2016004142-appb-I000003
이어, 제어부(700)는 시간 당 공기 질량을 공연비로 나누어 시간 당 연료 질량을 산출한다. 여기서, 공연비는 엔진(200)의 종류에 따라 제조사에 의해 기 설정된다.
제어부(700)는 질소산화물 농도 센서(720)가 측정한 질소산화물(NOx) 농도와 시간 당 공기 질량 그리고 시간 당 연료 질량을 가지고 엔진(200)에서 배출된 질소산화물 총량을 산출할 수 있다. 제어부(700)는 질소산화물 총량이 산출되면 이를 환원시킬 수 있는 환원제의 공급량을 결정하여, 해당 환원제 공급량이 공급되도록 환원제 공급부(400)를 제어한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서, 제어부(700)는 엔진(200)의 회전 속도와 부하 그리고 환원제의 환원율을 고려하여 산출된 환원제 분사량을 보정할 수 있다.
전술한 단계의 환원제 공급량은 우레아-암모니아 전환율이 이론적인 상태(ANR[Ammonia to NOx Ratio]=1)에서 산출된 값이다.
하지만, 질소산화물을 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원 반응에서는 촉매의 열화 정도 및 촉매 반응 활성 온도 등에 의해 효율이 저하될 수 있다.
따라서, 전술한 이론적으로 산출된 환원제 공급량보다 더 많은 양의 환원제를 공급할 필요가 있다.
이에, 본 발명의 일 실시예에서는, 엔진(200)의 회전 속도와 부하 별로 촉매에서의 선택적 촉매 환원 반응의 효율을 시험을 통해 파악하여 이론값 대비 실제 적정 환원제 분사량을 조절할 수 있도록 엔진(200)의 회전 속도와 부하 별 환원제 분사량 보정값을 맵핑(mapping)하여 테이블(table)화하여 사용할 수 있다.
전술한 테이블을 사용하여 환원제 공급량을 보정함으로써, 선택적 촉매 환원 반응 효율을 높이고 싶은 엔진(200)의 부하 구간에서는 우레아-암모니아 전환율(ANR)을 높게 설정하여 맵핑(mapping)할 수 있다.
반대로, 암모니아 슬립(slip)량이 많이 발생하는 구간에서는 우레아-암모니아 전환율(ANR)을 낮춰 맵핑(mapping)하여 암모니아 슬립량을 최소화 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서, 제어부(700)는 촉매의 온도에 따라 산출된 환원제 공급량을 보정할 수 있다.
선택적 촉매 환원 반응에 사용되는 촉매는 종류와 성분에 따라 효율이 낮은 온도 구간과 높은 온도 구간을 갖는다.
촉매의 온도가 효율이 낮은 온도 구간에 속할 때에는, 질소산화물(NOx)의 저감 효과는 없이 우레아만 소모된다. 또한, 우레아가 분사되는 지점에 우레아 결정화(urea crystallization) 현상이 발생될 수도 있다.
따라서, 촉매의 온도가 효율이 낮은 온도 구간에 속할 때에는 환원제 공급량을 줄이거나 제한하도록 환원제 공급량을 보정할 수 있다.
또한, 촉매의 온도가 효율이 높은 온도 구간에 속할 때에는 환원제 공급량을 늘려 질소산화물 제거 효율을 극대화시킬 수도 있다.
촉매의 활성 온도는 촉매의 종류에 성분에 따라 상이하나, 일례로 촉매는 섭씨 200도 이하에서 매우 낮은 효율을 보이며, 섭씨 350도 내지 섭씨 450도 범위 내에서 매우 높은 효율을 보일 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치(101)는 질소산화물의 환원 반응에 사용되는 환원제의 공급을 효과적으로 제어할 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 공급 제어 방법을 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 공급 제어 방법은 엔진(200)이 과급기(300)가 압축한 공기를 공급받아 기 설정된 공연비로 연료와 함께 연소시킨 후 배출한 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 환원시키기 위해 필요한 환원제를 공급하기 위한 방법이다.
먼저, 엔진(200)에 공급되는 공기의 압력을 실측한다. 과급기(300)가 적용된 경우, 실측되는 공기의 압력은 과급기(300)에 의해 압축되어 엔진(200)으로 공급되는 공기의 압력일 수 있다.
이렇게 실측된 공기의 압력을 기 저장된 공기의 질량과 압력의 상관관계 데이터와 비교하여 공기의 질량을 추정한다. 공기의 질량은 엔진(200)의 실린더의 스트로크 당 공기의 질량일 수 있다. 이러한 상관관계 데이터는 사전에 시행된 시험을 통해 취득되어 제어부(700)에 저장될 수 있다.
일례로, 엔진(200)의 실린더의 스트로크(stroke) 당 공기 질량과 과급기(300)가 엔진(200)에 공급하는 공기의 압력 간의 상관관계 데이터는 다이노미터(dynamometer)를 이용한 실험을 통해 취득될 수 있으며, 상관관계 데이터는 그래프 형태로 준비될 수 있다.
다음, 엔진(200)의 회전 속도와 엔진(200)의 총 실린더수를 고려하여 추정된 스트로크 당 공기 질량을 가지고 시간 당 공기 질량을 산출한다.
이때, 시간 당 공기 질량은 아래의 수학식을 이용하여 산출할 수 있다.
[수학식]
Figure PCTKR2016004142-appb-I000004
다음, 시간 당 공기 질량을 공연비로 나누어 시간 당 연료 질량을 산출한다. 공연비는 엔진(200)의 종류에 따라 제조사에 의해 기 설정된 값이 제공된다.
다음, 엔진(200)에서 배출된 배기가스의 질소산화물(NOx) 농도를 측정한다. 그리고 시간 당 공기 질량과 시간 당 연료 질량 및 질소산화물의 농도를 가지고 엔진(200)에서 배출된 질소산화물 총량을 산출한다.
질소산화물 총량이 산출되면 이를 환원시킬 수 있는 환원제의 공급량을 산출한다.
이후, 산출된 값에 따라 환원제를 공급하게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 공급 제어 방법에서는, 엔진(200)의 회전 속도와 부하 그리고 환원제의 환원율을 고려하여 산출된 환원제 공급량을 보정할 수도 있다.
질소산화물을 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원 반응에서는 촉매의 열화 정도 및 촉매 반응 활성 온도 등에 의해 효율이 저하될 수 있으므로, 전술한 이론적으로 산출된 환원제 공급량보다 더 많은 양의 환원제를 공급할 필요가 있다.
이에, 본 발명의 일 실시예에서는, 엔진(200)의 회전 속도와 부하 별로 촉매에서의 선택적 촉매 환원 반응의 효율을 시험을 통해 파악하여 이론값 대비 실제 적정 환원제 분사량을 조절할 수 있도록 엔진(200)의 회전 속도와 부하 별 환원제 분사량 보정값을 맵핑(mapping)하여 테이블(table)화하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 공급 제어 방법에서는, 촉매를 사용하여 질소산화물을 전환시키기 위한 환원 반응을 촉진시킬 수 있다. 그리고 촉매의 온도에 따라 산출된 환원제 공급량을 보정할 수 있다.
선택적 촉매 환원 반응에 사용되는 촉매는 종류와 성분에 따라 효율이 낮은 온도 구간과 높은 온도 구간을 갖는다.
따라서 촉매에 온도에 따라 환원제 공급량을 보정하여 환원제가 불필요하게 낭비되거나 암모니아 슬립 현상이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 공급 제어 방법은 질소산화물의 환원 반응에 사용되는 환원제의 공급을 효과적으로 제어할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명의 실시예에 따른 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치 및 환원제 공급 방법은 질소산화물의 환원 반응에 사용되는 환원제의 공급을 효과적으로 제어하는데 사용할 수 있다.

Claims (12)

  1. 기 설정된 공연비로 공기와 연료를 연소시켜 질소산화물을 함유한 배기가스를 배출하는 엔진;
    상기 엔진이 배출한 배기가스가 이동하는 배기 유로;
    상기 엔진에 공급하는 공기의 압력을 실측하는 압력 센서;
    상기 배기 유로 상에 설치되어 상기 배기가스의 질소산화물(NOx) 농도를 측정하는 질소산화물 농도 센서;
    상기 배기 유로를 따라 이동하는 상기 배기가스에 환원제를 공급하는 환원제 공급부; 및
    상기 압력 센서와 상기 질소산화물 농도 센서로부터 전달받은 정보에 기초하여 환원제 공급량을 결정하여 상기 환원제 공급부를 제어하는 제어부
    를 포함하는 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    기 설정된 상기 엔진으로 공급되는 공기 압력과 공기 질량 간의 상관관계 데이터를 활용하여 상기 압력 센서가 실측한 공기의 압력으로부터 상기 엔진의 설린더의 스트로크(stroke) 당 공기 질량을 산출하고,
    상기 엔진의 회전 속도와, 상기 엔진의 총 실린더 수, 그리고 상기 산출된 스트로크 당 공기 질량을 활용하여 시간 당 공기 질량을 산출하고,
    상기 시간 당 공기 질량을 공연비로 나누어 시간 당 연료 질량을 산출하고,
    상기 질소산화물 농도 센서가 측정한 질소산화물(NOx) 농도와 상기 시간 당 공기 질량 그리고 상기 시간 당 연료 질량을 가지고 상기 엔진에서 배출된 질소산화물 총량을 산출한 후, 상기 질소산화물 총량을 환원시킬 수 있는 환원제의 공급량을 결정하는 것을 특징으로 하는 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 상관관계 데이터는 상기 엔진의 실린더의 스트로크 당 공기 질량과 상기 엔진에 공급하는 공기의 압력 간의 상관관계를 시험을 통해 취득하여 설정된 것을 특징으로 하는 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 아래의 수학식을 이용하여 상기 시간 당 공기 질량을 산출하는 것을 특징으로 하는 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치.
    Figure PCTKR2016004142-appb-I000005
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배기가스가 갖는 압력에 의해 회전하는 터빈과 상기 터빈으로부터 동력을 전달 받아 상기 엔진으로 공급되는 공기를 압축하는 압축기를 포함하며, 상기 배기 유로 상에 설치되는 과급기(turbo charger); 및
    상기 과급기의 압축기와 상기 엔진 사이에 경로 상에 배치된 인터쿨러를 더 포함하며,
    상기 압력 센서는 상기 인터쿨러의 하류에 설치되어 상기 과급기에 의해 압축된 후 상기 엔진으로 공급되는 공기의 압력을 측정하는 것을 특징으로 하는 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 엔진의 회전 속도와 부하 그리고 환원제의 환원율을 고려하여 상기 산출된 환원제 분사량을 보정하는 것을 특징으로 하는 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 배기 유로 상에 설치되어 배기가스에 함유된 질소산화물과 상기 환원제 공급부가 공급한 환원제의 반응을 촉진시키는 촉매를 포함한 선택적 촉매 환원 반응기와;
    상기 선택적 촉매 환원 반응기의 내부 온도를 측정하는 온도 센서
    를 더 포함하며,
    상기 제어부는 상기 촉매의 온도에 따라 상기 산출된 환원제 공급량을 보정하는 것을 특징으로 하는 환원제 공급 제어 시스템을 포함한 동력 장치.
  8. 엔진이 공기를 공급받아 기 설정된 공연비로 연료와 함께 연소시킨 후 배출한 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 환원시키기 위한 환원제 공급 제어 방법에 있어서,
    상기 엔진에 공급되는 공기의 압력을 실측한 후 기 설정된 상관관계 데이터를 활용하여 상기 엔진의 실린더의 스트로크 당 공기 질량을 산출하는 단계;
    상기 엔진의 회전 속도와 상기 엔진의 총 실린더수를 고려하여 상기 추정된 스트로크 당 공기 질량을 가지고 시간 당 공기 질량을 산출하는 단계;
    상기 시간 당 공기 질량을 공연비로 나누어 시간 당 연료 질량을 산출하는 단계;
    상기 엔진에서 배출된 배기가스의 질소산화물(NOx) 농도를 측정하는 단계;
    상기 시간 당 공기 질량과 상기 시간 당 연료 질량 그리고 상기 질소산화물의 농도를 가지고 상기 엔진에서 배출된 질소산화물 총량을 산출하는 단계; 및
    상기 질소산화물 총량을 환원시킬 수 있는 환원제의 공급량을 산출하는 단계
    를 포함하는 환원제 공급 제어 방법.
  9. 제8항에서,
    상기 상관관계 데이터는 시험을 통해 취득된 상기 엔진의 실린더의 스트로크(stroke) 당 공기 질량과 상기 엔진에 공급되는 공기의 압력 간의 상관관계에 관련된 것을 특징으로 하는 환원제 공급 제어 방법.
  10. 제8항에서,
    상기 시간 당 공기 질량은 아래의 수학식을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 환원제 공급 제어 방법.
    Figure PCTKR2016004142-appb-I000006
  11. 제8항에서,
    상기 엔진의 회전 속도와 부하 그리고 환원제의 환원율을 고려하여 상기 산출된 환원제 공급량을 보정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 환원제 공급 제어 방법.
  12. 제8항에서,
    촉매를 사용하여 질소산화물을 전환시키기 위한 환원 반응을 촉진시키며,
    상기 촉매의 온도에 따라 상기 산출된 환원제 공급량을 보정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 환원제 공급 제어 방법.
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