WO2021162437A1 - 배기가스 후처리 시스템 - Google Patents

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WO2021162437A1
WO2021162437A1 PCT/KR2021/001756 KR2021001756W WO2021162437A1 WO 2021162437 A1 WO2021162437 A1 WO 2021162437A1 KR 2021001756 W KR2021001756 W KR 2021001756W WO 2021162437 A1 WO2021162437 A1 WO 2021162437A1
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exhaust gas
differential pressure
particulate filter
diesel particulate
control device
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PCT/KR2021/001756
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김정호
김태섭
이웅건
안태식
변종욱
이영훈
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Doosan Infracore Co Ltd
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N11/00—Monitoring or diagnostic devices for exhaust-gas treatment apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/02—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust
    • F01N3/021—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the present invention relates to an exhaust gas aftertreatment system, and more particularly, to an exhaust gas aftertreatment system comprising a diesel particulate filter for removing particulate matter contained in exhaust gas.
  • the exhaust gas after-treatment system includes a diesel particulate filter (DPF) to remove particulate matter (PM) and a selective catalytic reduction (SCR) reactor to reduce nitrogen oxides (NOx) etc.
  • DPF diesel particulate filter
  • SCR selective catalytic reduction
  • the diesel particulate filter removes particulate matter such as soot from the exhaust gas of a diesel engine by collecting it in the filter, the particulate matter collected in the filter gradually increases as the engine operating time passes. Accordingly, it is necessary to periodically perform a regeneration operation to burn particulate matter trapped in the diesel particulate filter. For example, regeneration of the diesel particulate filter is performed by increasing the temperature of exhaust gas flowing into the diesel particulate filter to burn particulate matter collected in the diesel particulate filter.
  • a diagnosis of the filtering efficiency of a diesel particulate filter is also newly required. Accordingly, in order to diagnose the filtering efficiency of the diesel particulate filter (DPF), the particulate matter emission amount of the exhaust gas passing through the diesel particulate filter (DPF) is measured using a particulate matter sensor (PM sensor).
  • PM sensor particulate matter sensor
  • the particulate matter sensor (PM sensor) is not only a relatively expensive equipment, but also has a problem in that accuracy is reduced and the lifespan is shortened in an environment in which pressure and temperature are greatly changed.
  • An embodiment of the present invention provides an exhaust gas aftertreatment system capable of effectively diagnosing whether a diesel particulate filter (DPF) is abnormal.
  • DPF diesel particulate filter
  • another embodiment of the present invention provides an exhaust gas post-treatment system capable of effectively diagnosing whether a diesel particulate filter (DPF) is abnormal and whether deposits are generated in a mixer.
  • DPF diesel particulate filter
  • an exhaust gas post-treatment system for post-treatment of exhaust gas includes a diesel particulate filter (DPF) for removing particulate matter contained in exhaust gas, and exhaust gas passing through the diesel particulate filter
  • DPF diesel particulate filter
  • a differential pressure sensor that measures the differential pressure of and a control device for diagnosing whether the diesel particulate filter is abnormal by comparing the differential pressure with the selected differential pressure reference value.
  • the exhaust gas post-treatment system may further include a flow meter for measuring the flow rate of the exhaust gas. And the control device may acquire the exhaust gas flow rate information using the flow meter.
  • control device calculates the flow rate of the exhaust gas through the rotation speed of the engine that discharges the exhaust gas, the rotation speed of the supercharger mounted on the engine, the load of the engine, or the scavenging air pressure of the engine.
  • the exhaust gas flow rate information can also be acquired.
  • control device may diagnose that an abnormality has occurred in the diesel particulate filter when a preset time elapses in a state in which the differential pressure of the exhaust gas measured by the differential pressure sensor is less than the selected differential pressure reference value.
  • the control device may diagnose that the amount of particulate matter discharged through the diesel particulate filter is greater than 25 mg/kWh.
  • control device may diagnose that the carrier of the diesel particulate filter is damaged or the carrier is removed.
  • an exhaust gas post-treatment system for post-treatment of exhaust gas includes a diesel particulate filter (DPF) for removing particulate matter contained in exhaust gas, and the diesel particulate filter A mixer through which the coarse exhaust gas passes, a differential pressure sensor for measuring the differential pressure of exhaust gas that has passed through the diesel particulate filter and the mixer, and data on a differential pressure reference range for each flow rate of exhaust gas are stored, and exhaust gas flow rate Control for diagnosing abnormalities in the diesel particulate filter and the mixer by acquiring information and selecting a differential pressure reference range according to the acquired exhaust gas flow rate information, and comparing the differential pressure of exhaust gas measured by the differential pressure sensor with the selected differential pressure reference range includes the device.
  • DPF diesel particulate filter
  • the exhaust gas post-treatment system may further include a flow meter for measuring the flow rate of the exhaust gas. And the control device may acquire the exhaust gas flow rate information using the flow meter.
  • the control device calculates a flow rate of exhaust gas through a rotation speed of an engine for discharging exhaust gas, a rotation speed of a supercharger mounted on the engine, a load of the engine, or a scavenging air pressure of the engine to calculate the exhaust gas flow rate.
  • Gas flow rate information can be acquired.
  • the control device may diagnose that an abnormality has occurred in the diesel particulate filter when a preset time elapses in a state in which the differential pressure of the exhaust gas measured by the differential pressure sensor is less than the minimum value of the selected differential pressure reference range.
  • the control device may perform forced regeneration of the diesel particulate filter when a preset time elapses in a state in which the differential pressure of the exhaust gas measured by the differential pressure sensor exceeds the maximum value of the selected differential pressure reference range.
  • the control device may diagnose that an abnormality has occurred in the diesel particulate filter when the differential pressure of the exhaust gas measured by the differential pressure sensor is out of the selected differential pressure reference range even after the forced regeneration of the diesel particulate filter.
  • differential pressure of the exhaust gas measured by the differential pressure sensor falls within the selected differential pressure reference range after forcible regeneration of the diesel particulate filter, a precipitate is generated in the mixer and the exhaust gas measured by the differential pressure sensor It may be diagnosed that the differential pressure has exceeded the maximum value of the selected differential pressure reference range.
  • the exhaust gas after-treatment system can effectively diagnose whether the diesel particulate filter (DPF) is abnormal.
  • DPF diesel particulate filter
  • the exhaust gas after-treatment system can effectively diagnose whether the diesel particulate filter (DPF) is abnormal and whether deposits are generated in the mixer.
  • DPF diesel particulate filter
  • FIG. 1 is a block diagram of an exhaust gas post-treatment system according to a first embodiment of the present invention.
  • Figure 2 shows a normal diesel particulate filter used in the exhaust gas aftertreatment system of Figure 1;
  • 3 and 4 show abnormal diesel particulate filters used in an exhaust gas aftertreatment system.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating an operation process of the exhaust gas post-treatment system of FIG. 1 .
  • FIG. 6 is a block diagram of an exhaust gas post-treatment system according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating an operation process of the exhaust gas post-treatment system of FIG. 6 .
  • the embodiment of the present invention specifically represents an ideal embodiment of the present invention. As a result, various modifications of the diagram are expected. Therefore, the embodiment is not limited to a specific shape of the illustrated area, and includes, for example, a shape modification by manufacturing.
  • a diesel engine 100 for a construction machine is exemplarily shown as an emission source for discharging exhaust gas, but the first embodiment of the present invention is not limited thereto. That is, the first embodiment of the present invention can be applied to various power units.
  • the engine 100 discharges exhaust gas containing environmental control substances such as particulate matter (PM) and nitrogen oxides (NOx).
  • PM particulate matter
  • NOx nitrogen oxides
  • the engine 100 may be equipped with a turbo charger 150 . That is, the exhaust gas discharged from the engine 100 may be discharged through the supercharger 150 .
  • the supercharger 150 increases the output of the engine 100 by turning the turbine with the pressure of the exhaust gas of the engine 100 and supplying new external air to the engine 100 by compressing it. And the exhaust gas discharged from the engine 100 passes through the supercharger 150, the temperature and pressure are lowered.
  • the exhaust gas aftertreatment system 101 includes a diesel particulate filter (DPF) 200, a differential pressure sensor 720, and a control device ( 700).
  • DPF diesel particulate filter
  • the exhaust gas post-treatment system 101 may further include an exhaust flow path 610 and a flow meter 400 .
  • the exhaust flow path 610 is connected to the exhaust port of the engine 100 , which is the aforementioned power device, to move the exhaust gas discharged from the engine 100 .
  • a diesel particulate filter (DPF) 200 is installed on the exhaust flow path 610 to physically collect and burn particulate matter contained in the exhaust gas to remove it.
  • the diesel particulate filter (DPF) 200 removes particulate matter, such as soot, from the exhaust gas of the engine 100 by collecting it, the particulate matter collected in the diesel particulate filter 200 is 100) gradually increases as the operating time elapses. Therefore, it is necessary to periodically perform a regeneration operation to burn the particulate matter collected in the diesel particulate filter 200 .
  • the diesel particulate filter 200 may be regenerated by increasing the temperature of exhaust gas flowing into the diesel particulate filter 200 to burn particulate matter collected in the diesel particulate filter 200 , and the diesel particulate filter 200 may be regenerated.
  • the temperature of the exhaust gas required for regeneration of the filter 200 may be in the range of 500 degrees Celsius to 650 degrees Celsius.
  • a separate sensor (not shown) may be installed in the diesel particulate filter 200 or upstream and downstream of the diesel particulate filter 200 to check the regeneration condition.
  • the separate sensor may include a temperature sensor and a pressure sensor, and measure the pressure or temperature of exhaust gas passing through the diesel particulate filter 200 to help determine whether to regenerate.
  • upstream and downstream refer to the flow of exhaust gas.
  • the differential pressure sensor 720 measures the differential pressure of exhaust gas that has passed through the diesel particulate filter 200 .
  • the flow meter 400 measures the flow rate of exhaust gas discharged from the engine 100 .
  • the flow meter 400 may be omitted in some cases.
  • the control device 700 stores data on the reference value of differential pressure for each flow rate of exhaust gas.
  • the data may be a table as exemplified in Table 1 or a mapping graph.
  • the control device 700 acquires exhaust gas flow rate information.
  • the exhaust gas flow rate information may be acquired using the flow meter 400 .
  • the control device 700 includes the rotation speed of the engine 100 emitting exhaust gas, and the supercharger 150 mounted on the engine 100 . ), the load of the engine 100, or the exhaust gas flow rate information may be obtained by calculating the exhaust gas flow rate through the scavenging air pressure of the engine 100 .
  • the control device 700 selects a differential pressure reference value according to the acquired exhaust gas flow rate information, and compares the differential pressure of the exhaust gas measured by the differential pressure sensor 720 with the selected differential pressure reference value to diagnose whether the diesel particulate filter 200 is abnormal. can do.
  • the control device 700 may diagnose that an abnormality has occurred in the diesel particulate filter 200 when a preset time elapses when the differential pressure of the exhaust gas measured by the differential pressure sensor 720 is less than the selected differential pressure reference value.
  • the differential pressure measured by the differential pressure sensor 720 may also change instantaneously.
  • the differential pressure may be momentarily and abruptly changed due to sensor noise of the differential pressure sensor 720 . Accordingly, when the differential pressure measured for a predetermined time is maintained lower than the selected differential pressure reference value, the control device 200 may confirm the diagnosis to increase accuracy.
  • the control device 700 may diagnose that an abnormality has occurred in the diesel particulate filter 200 when a preset time elapses when the differential pressure of the exhaust gas measured by the differential pressure sensor 720 is less than the selected differential pressure reference value.
  • the control device 700 determines that the amount of particulate matter discharged through the diesel particulate filter 200 is greater than 25 mg/kWh. can be diagnosed
  • control device 700 may diagnose that the carrier of the diesel particulate filter 200 is damaged or the carrier is removed.
  • the control device 700 may automatically diagnose whether the diesel particulate filter 200 is abnormal.
  • the control device 700 diagnoses an abnormality in the diesel particulate filter 200 , it continuously generates a warning sound or limits the operation of the engine 100 , such as a problem caused by an abnormality or a defect in the diesel particulate filter 200 . can prevent the occurrence of
  • FIG. 2 shows a carrier of the diesel particulate filter 200 in a normal state
  • FIG. 3 shows a state in which the carrier of the diesel particulate filter is damaged
  • FIG. 4 shows a state in which the carrier is removed from the diesel particulate filter.
  • the differential pressure reference value of may be different from each other.
  • the exhaust gas post-treatment system 101 can effectively diagnose whether the diesel particulate filter (DPF) is abnormal.
  • DPF diesel particulate filter
  • the flow rate of the exhaust gas is measured or calculated.
  • the flow rate of the exhaust gas is measured using the flow meter 400 or the control device 700 is the rotation speed of the engine 100, the rotation speed of the supercharger 150 mounted on the engine 100, the engine 100
  • the flow rate of the exhaust gas may be calculated through the load of the engine 100 or the scavenging air pressure of the engine 100 .
  • Such information may be transmitted to the control device 700 through a sensor basically built into the engine 100 or the supercharger 150 .
  • control device 700 selects the differential pressure reference value by substituting the measured or calculated flow rate of exhaust gas into the data for the differential pressure reference value for each flow rate of the stored exhaust gas.
  • the differential pressure of the exhaust gas that has passed through the diesel particulate filter 200 is measured through the differential pressure sensor 720 , and the differential pressure of the exhaust gas measured by the differential pressure sensor 720 is compared with a differential pressure reference value selected from data. Specifically, it is determined whether the differential pressure of the exhaust gas measured by the differential pressure sensor 720 is less than a reference value of differential pressure selected from data.
  • the control device 700 diagnoses that an abnormality has occurred in the diesel particulate filter 200 when a preset time elapses when the differential pressure of the exhaust gas measured by the differential pressure sensor 720 is less than the selected differential pressure reference value. Accordingly, even if the differential pressure measured by the differential pressure sensor 720 is momentarily abruptly changed due to a sudden load change of the engine 100 or sensor noise of the differential pressure sensor 720 , the control device 700 controls the differential pressure measured for a certain period of time. When the selected differential pressure is kept lower than the reference value, the diagnosis can be confirmed and the accuracy can be increased.
  • the control device 700 controls the emission of particulate matter discharged through the diesel particulate filter 200 It can be diagnosed as greater than 25 mg/kWh.
  • the control device 700 determines that the carrier of the diesel particulate filter 200 is damaged or the carrier has been removed. can be diagnosed.
  • the differential pressure reference value of may be different from each other.
  • the exhaust gas post-treatment system 101 can effectively diagnose whether the diesel particulate filter (DPF) is abnormal.
  • DPF diesel particulate filter
  • the exhaust gas aftertreatment system 102 includes a diesel particulate filter (DPF) 200 , a mixer 250 , and a differential pressure sensor. 720 , and a control device 700 .
  • DPF diesel particulate filter
  • the exhaust gas post-treatment system 102 may further include an exhaust flow path 610 and a flow meter 400 .
  • the mixer 250 is located downstream of the diesel particulate filter 200 on the exhaust flow path 610 . That is, the exhaust gas passing through the diesel particulate filter 200 passes through the mixer 250 .
  • the mixer 250 may mix a reducing agent and exhaust gas for selective catalytic reduction (SCR).
  • SCR selective catalytic reduction
  • the selective catalytic reduction reaction can reduce nitrogen oxides contained in exhaust gas.
  • a reducing agent for the selective catalytic reduction reaction ammonia (NH 3 ) is used. That is, ammonia reacts with nitrogen oxides to reduce nitrogen oxides.
  • NH 3 reducing agent for the selective catalytic reduction reaction
  • ammonia reacts with nitrogen oxides to reduce nitrogen oxides.
  • ammonia itself is not easy to store and transport as a contaminant, it is common to use a stable aqueous solution of urea that is a reducing agent precursor rather than directly using ammonia.
  • urea urea, CO(NH 2 ) 2
  • ammonia NH 3
  • urea is directly injected into the exhaust gas having a temperature of less than 250 degrees Celsius
  • biuret, cyanuric acid, melamine, and ammeline, etc. are generated as urea is decomposed.
  • the sediment is by-product.
  • the differential pressure sensor 720 measures the differential pressure of exhaust gas that has passed through the diesel particulate filter 200 and the mixer 250 .
  • the control device 700 stores data on a differential pressure reference range for each flow rate of exhaust gas.
  • the data may be a table as exemplified in Table 2 or a mapping graph.
  • the control device 700 acquires exhaust gas flow rate information.
  • the exhaust gas flow rate information may be acquired using the flow meter 400 .
  • the control device 700 includes the rotation speed of the engine 100 emitting exhaust gas, and the supercharger 150 mounted on the engine 100 . ), the load of the engine 100, or the exhaust gas flow rate information may be obtained by calculating the exhaust gas flow rate through the scavenging air pressure of the engine 100 .
  • the control device 700 selects a differential pressure reference range according to the acquired exhaust gas flow rate information, compares the differential pressure of exhaust gas measured by the differential pressure sensor 720 with the minimum and maximum values of the selected differential pressure reference range to filter the diesel particulate filter ( 200) and the presence or absence of an abnormality in the mixer 250 may be diagnosed. Specifically, the control device 700 may diagnose whether the diesel particulate filter 200 is abnormal and whether a deposit is generated in the mixer 250 .
  • control device 700 can diagnose that an abnormality has occurred in the diesel particulate filter 200 when a preset time elapses when the differential pressure of the exhaust gas measured by the differential pressure sensor 720 is less than the minimum value of the selected differential pressure reference range. have.
  • the differential pressure measured by the differential pressure sensor 720 may also change instantaneously. Also, the differential pressure may be momentarily and abruptly changed due to sensor noise of the differential pressure sensor 720 . Accordingly, when the differential pressure measured for a predetermined time is maintained lower than the minimum value of the selected differential pressure reference range, the control device 200 may confirm the diagnosis to increase accuracy.
  • the control device 700 diagnoses that an abnormality has occurred in the diesel particulate filter 200 when a preset time elapses when the differential pressure of the exhaust gas measured by the differential pressure sensor 720 is less than the minimum value of the selected differential pressure reference range.
  • control device 700 determines that the differential pressure of the exhaust gas measured by the differential pressure sensor 720 exceeds the maximum value of the selected differential pressure reference range and when a preset time elapses, the diesel particulate Forced regeneration of the filter 250 is performed.
  • control device 700 diagnoses that an abnormality has occurred in the diesel particulate filter 250 if the differential pressure of the exhaust gas measured by the differential pressure sensor 720 is out of the selected differential pressure reference range even after the forced regeneration of the diesel particulate filter 250 . will do
  • the differential pressure of the exhaust gas measured by the differential pressure sensor 720 is lower than the minimum value of the selected differential pressure reference range even after the steel material is regenerated, it can be seen that the carrier of the diesel particulate filter 200 is damaged or the carrier has been removed. Conversely, if the differential pressure of the exhaust gas measured by the differential pressure sensor 720 is higher than the maximum value of the selected differential pressure reference range even after the steel is regenerated, soot is excessively present in the diesel particulate filter 200 to reduce its performance. It may not be available or it may be considered that the service life has expired, and replacement of the diesel particulate filter 200 may be required.
  • the control device 700 generates deposits in the mixer 250, It may be diagnosed that the differential pressure of the exhaust gas measured by the differential pressure sensor 720 has exceeded the maximum value of the selected differential pressure reference range. In this case, the diesel particulate filter 200 may be diagnosed as normal.
  • the exhaust gas post-treatment system 102 can effectively diagnose whether the diesel particulate filter (DPF) is abnormal and whether deposits are generated in the mixer. have.
  • DPF diesel particulate filter
  • the flow rate of the exhaust gas is measured or calculated.
  • the flow rate of the exhaust gas is measured using the flow meter 400 or the control device 700 is the rotation speed of the engine 100, the rotation speed of the supercharger 150 mounted on the engine 100, the engine 100
  • the flow rate of the exhaust gas may be calculated through the load of the engine 100 or the scavenging air pressure of the engine 100 .
  • Such information may be transmitted to the control device 700 through a sensor basically built into the engine 100 or the supercharger 150 .
  • control device 700 selects the differential pressure reference range by substituting the measured or calculated exhaust gas flow rate into the data on the differential pressure reference range for each flow rate of the stored exhaust gas.
  • the differential pressure of the exhaust gas that has passed through the diesel particulate filter 200 is measured through the differential pressure sensor 720 , and the differential pressure of the exhaust gas measured by the differential pressure sensor 720 is compared with the differential pressure reference range selected from the data.
  • the control device 700 diagnoses that the diesel particulate filter is normal.
  • control device 700 diagnoses that an abnormality has occurred in the diesel particulate filter 200 when a preset time elapses when the differential pressure of the exhaust gas measured by the differential pressure sensor 720 is less than the minimum value of the selected differential pressure reference range.
  • control device 700 performs forced regeneration of the diesel particulate filter 250 when a preset time elapses when the differential pressure of the exhaust gas measured by the differential pressure sensor 720 exceeds the maximum value of the selected differential pressure reference range.
  • control device 700 diagnoses that an abnormality has occurred in the diesel particulate filter 250 if the differential pressure of the exhaust gas measured by the differential pressure sensor 720 is out of the selected differential pressure reference range even after the forced regeneration of the diesel particulate filter 250 . will do
  • the differential pressure of the exhaust gas measured by the differential pressure sensor 720 is lower than the minimum value of the selected differential pressure reference range even after the steel is regenerated, it may be considered that the carrier of the diesel particulate filter 200 is damaged or the carrier has been removed.
  • the differential pressure of the exhaust gas measured by the differential pressure sensor 720 is higher than the maximum value of the selected differential pressure reference range even after the steel is regenerated, soot is excessively present in the diesel particulate filter 200 to reduce its performance. It may not be available or it may be considered that the service life has expired, and replacement of the diesel particulate filter 200 may be required.
  • the control device 700 generates deposits in the mixer 250, It may be diagnosed that the differential pressure of the exhaust gas measured by the differential pressure sensor 720 has exceeded the maximum value of the selected differential pressure reference range. In this case, the diesel particulate filter 200 may be diagnosed as normal.
  • the exhaust gas after-treatment system 102 can effectively diagnose whether the diesel particulate filter (DPF) is abnormal and whether deposits are generated in the mixer.
  • DPF diesel particulate filter
  • the exhaust gas post-treatment system 102 can effectively diagnose whether the diesel particulate filter (DPF) is abnormal.
  • DPF diesel particulate filter
  • the exhaust gas after-treatment system can be used to effectively diagnose whether a diesel particulate filter (DPF) is abnormal.
  • DPF diesel particulate filter
  • the exhaust gas post-treatment system can be used to effectively diagnose whether a diesel particulate filter (DPF) is abnormal and whether deposits are generated in a mixer.
  • DPF diesel particulate filter

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Abstract

본 발명은 배기가스를 후처리하는 배기가스 후처리 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템은 배기가스 중에 함유된 입자상 물질을 제거하는 디젤 미립자 필터와, 상기 디젤 미립자 필터를 거친 배기가스의 차압을 측정하는 차압 센서, 그리고 배기가스의 유량 별 차압 기준값에 대한 데이터를 저장하고 배기가스 유량 정보를 취득하여 취득한 배기가스 유량 정보에 따라 차압 기준값을 선택하며 상기 차압 센서가 측정한 배기가스의 차압을 선택된 상기 차압 기준값과 비교하여 상기 디젤 미립자 필터의 이상 유무를 진단하는 제어 장치를 포함한다.

Description

배기가스 후처리 시스템
본 발명은 배기가스 후처리 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배기가스에 함유된 입자상 물질을 제거하기 위한 디젤 미립자 필터를 포함하는 배기가스 후처리 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 차량, 건설 기계, 선박, 또는 플랜트에서 사용되는 디젤 엔진을 포함한 다양한 동력 장치는 배기가스를 발생시킨다. 그런데, 동력 장치에서 배출된 배기가스에 대한 규제가 전세계적으로 강화되는 추세이다. 이에, 동력 장치에서 발생된 배기가스는 배기가스 후처리 시스템을 거쳐 배출되고 있다.
배기가스 후처리 시스템은 입자상 물질(Particulate matter, PM)을 제거하기 위한 디젤 미립자 필터(diesel particulate filter, DPF)와, 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 반응기 등을 포함한다.
디젤 미립자 필터(DPF)는 디젤 엔진의 배기가스 중에서 검댕(soot) 등의 입자상 물질을 필터에 포집하는 방식으로 제거하기 때문에 필터에 포집된 입자상 물질은 엔진의 작동 시간이 경과할수록 점점 증가하게 된다. 이에, 디젤 미립자 필터 내 포집된 입자상 물질을 태워주는 재생(regeneration) 작업을 주기적으로 수행해야 한다. 일례로, 디젤 미립자 필터에 유입되는 배기가스의 온도를 상승시킴으로써 디젤 미립자 필터 내 포집된 입자상 물질을 태우는 방식으로 디젤 미립자 필터의 재생이 수행되고 있다.
또한, 디젤 미립자 필터 내에 입자상 물질이 포집 될수록 엔진의 배압 증가하여 엔진의 출력 및 연비 성능이 저하된다.
또한, 근래에 환경 규제가 점점 강화되면서 디젤 미립자 필터(DPF)의 필터링 효율에 대한 진단도 새롭게 요구되고 있다. 이에, 디젤 미립자 필터(DPF)의 필터링 효율을 진단하기 위해서 입자상 물질 센서(PM sensor)를 사용하여 디젤 미립자 필터(DPF)를 거친 배기가스의 입자상 물질 배출량을 측정하고 있다.
하지만, 입자상 물질 센서(PM sensor)는 상대적으로 고가의 장비일 뿐만 아니라 압력과 온도가 큰 폭으로 변화되는 환경에서 정확도가 떨어지고 수명이 단축되는 문제점이 있다.
또한, 사용자가 엔진의 연비를 향상시키기 위해 법규를 무시하고 디젤 미립자 필터(DPF)의 담체에 구멍을 내거나 담체를 제거하여 디젤 미립자 필터(DPF)가 막히는 것을 피하거나 디젤 미립자 필터(DPF)가 강제로 재생되는 것을 억제하는 경우도 발생하고 있다. 이러한 사용자의 임의 조작 행위는 대기 중으로 배출되는 매연을 증가시킬 뿐만 아니라 불량한 디젤 미립자 필터(DPF)가 장착된 차량, 건설 기계, 또는 선박의 운행에 문제를 야기하는 문제점도 있다.
따라서, 제어 장치가 디젤 미립자 필터의 이상 여부를 자동으로 진단하여 디젤 미립자 필터의 이상 또는 불량에 기인한 여러 문제의 발생을 사전에 차단하거나 예방할 필요성이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 디젤 미립자 필터(DPF)의 이상 여부를 효과적으로 진단할 수 있는 배기가스 후처리 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예는 디젤 미립자 필터(DPF)의 이상 여부 및 믹서(mixer)에 침전물(deposit) 생성 여부를 효과적으로 진단할 수 있는 배기가스 후처리 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배기가스를 후처리하는 배기가스 후처리 시스템은 배기가스 중에 함유된 입자상 물질을 제거하는 디젤 미립자 필터(diesel particulate filter, DPF)와, 상기 디젤 미립자 필터를 거친 배기가스의 차압을 측정하는 차압 센서, 그리고 배기가스의 유량 별 차압 기준값에 대한 데이터를 저장하고 배기가스 유량 정보를 취득하여 취득한 배기가스 유량 정보에 따라 차압 기준값을 선택하며 상기 차압 센서가 측정한 배기가스의 차압을 선택된 상기 차압 기준값과 비교하여 상기 디젤 미립자 필터의 이상 유무를 진단하는 제어 장치를 포함한다.
상기한 배기가스 후처리 시스템은 상기 배기가스의 유량을 측정하는 유량계를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 제어 장치는 상기 유량계를 사용하여 상기 배기가스 유량 정보를 취득할 수 있다.
또한, 상기 제어 장치는 배기가스를 배출하는 엔진의 회전 속도, 상기 엔진에 장착된 과급기의 회전 속도, 상기 엔진의 부하, 또는 상기 엔진의 소기(掃氣) 압력을 통해 배기가스의 유량을 산출하여 상기 배기가스 유량 정보를 취득할 수도 있다.
또한, 상기 제어 장치는 상기 차압 센서가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 상기 차압 기준값 미만인 상태로 기설정된 시간이 경과하면 상기 디젤 미립자 필터에 이상이 발생한 것으로 진단할 수 있다.
또한, 상기 제어 장치는 상기 차압 센서가 측정한 배기가스의 차압이 상기 차압 기준값 미만이면 상기 디젤 미립자 필터를 거쳐 배출되는 입자상 물질의 배출량이 25mg/kWh 보다 큰 것으로 진단할 수 있다.
또한, 상기 제어 장치는 상기 차압 센서가 측정한 배기가스의 차압이 상기 차압 기준값 미만이면 상기 디젤 미립자 필터의 담체가 손상되거나 담체가 제거된 것으로 진단할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 배기가스를 후처리하는 배기가스 후처리 시스템은 배기가스 중에 함유된 입자상 물질을 제거하는 디젤 미립자 필터(diesel particulate filter, DPF)와, 상기 디젤 미립자 필터를 거친 배기가스가 통과하는 믹서(mixer)와, 상기 디젤 미립자 필터와 상기 믹서를 거친 배기가스의 차압을 측정하는 차압 센서와, 배기가스의 유량 별 차압 기준 범위에 대한 데이터를 저장하고, 배기가스 유량 정보를 취득하여 취득한 배기가스 유량 정보에 따라 차압 기준 범위를 선택하며 상기 차압 센서가 측정한 배기가스의 차압을 선택된 상기 차압 기준 범위와 비교하여 상기 디젤 미립자 필터 및 상기 믹서의 이상 유무를 진단하는 제어 장치를 포함한다.
상기한 배기가스 후처리 시스템은 상기 배기가스의 유량을 측정하는 유량계를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 제어 장치는 상기 유량계를 사용하여 상기 배기가스 유량 정보를 취득할 수 있다.
상기 제어 장치는 배기가스를 배출하는 엔진의 회전 속도, 상기 엔진에 장착된 과급기의 회전 속도, 상기 엔진의 부하, 또는 상기 엔진의 소기(掃氣) 압력을 통해 배기가스의 유량을 산출하여 상기 배기가스 유량 정보를 취득할 수 있다.
상기 제어 장치는 상기 차압 센서가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 상기 차압 기준 범위의 최소값 미만인 상태로 기설정된 시간이 경과하면 상기 디젤 미립자 필터에 이상이 발생한 것으로 진단할 수 있다.
상기 제어 장치는 상기 차압 센서가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 상기 차압 기준 범위의 최대값을 초과한 상태로 기설정된 시간이 경과하면 상기 디젤 미립자 필터에 대한 강제 재생을 수행할 수 있다.
상기 제어 장치는 상기 디젤 미립자 필터에 대한 강제 재생 이후에도 상기 차압 센서가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 상기 차압 기준 범위를 벗어나면 상기 디젤 미립자 필터에 이상이 발생한 것으로 진단할 수 있다.
상기 제어 장치는 상기 디젤 미립자 필터에 대한 강제 재생 이후에 상기 차압 센서가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 상기 차압 기준 범위 내에 속하면, 상기 믹서에 침전물이 생성되어 상기 차압 센서가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 상기 차압 기준 범위의 최대값을 초과했던 것으로 진단할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배기가스 후처리 시스템은 디젤 미립자 필터(DPF)의 이상 여부를 효과적으로 진단할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 배기가스 후처리 시스템은 디젤 미립자 필터(DPF)의 이상 여부 및 믹서(mixer)에 침전물(deposit) 생성 여부를 효과적으로 진단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1의 배기가스 후처리 시스템에 사용된 정상적인 디젤 미립자 필터를 나타낸다.
도 3 및 도 4는 배기가스 후처리 시스템에 사용된 비정상적인 디젤 미립자 필터들을 나타낸다.
도 5는 도 1의 배기가스 후처리 시스템의 동작 과정을 나타낸 순서도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템의 구성도이다.
도 7은 도 6의 배기가스 후처리 시스템의 동작 과정을 나타낸 순서도이다.
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 제1 실시예에서 설명하고, 그 외의 제2 실시예에서는 제1 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 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 제1 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템(101)을 설명한다.
도 1에서는, 배기가스를 배출하는 배출원으로 건설 기계용 디젤 엔진(100)을 예시적으로 나타내나 본 발명의 제1 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 제1 실시예는 다양한 동력 장치에 적용될 수 있다. 그리고 엔진(100)은 입자상 물질(PM; Particulate matter)과 질소산화물(NOx) 등의 환경 규제 물질을 함유한 배기가스를 배출한다.
또한, 도 1에 도시한 바와 같이, 엔진(100)에는 과급기(turbo charger, 150)가 장착될 수 있다. 즉, 엔진(100)에서 배출된 배기가스는 과급기(150)를 거쳐 배출될 수 있다. 과급기(150)는 엔진(100)의 배기가스가 갖는 압력으로 터빈을 돌려 엔진(100)에 새로운 외부 공기를 압축시켜 공급함으로써, 엔진(100)의 출력을 향상시킨다. 그리고 엔진(100)에서 배출된 배기가스는 과급기(150)를 거치면서 온도와 압력이 내려가게 된다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템(101)은 디젤 미립자 필터(diesel particulate filter, DPF)(200), 차압 센서(720), 및 제어 장치(700)를 포함한다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템(101)은 배기 유로(610) 및 유량계(400)를 더 포함할 수 있다.
배기 유로(610)는 전술한 동력 장치인 엔진(100)의 배기구와 연결되어 엔진(100)에서 배출된 배기가스를 이동시킨다.
디젤 미립자 필터(diesel particulate filter, DPF)(200)는 배기 유로(610) 상에 설치되어 배기가스 중에 함유된 입자상 물질을 물리적으로 포집하고 연소시켜 제거한다. 그런데, 디젤 미립자 필터(DPF)(200)는 엔진(100)의 배기가스 중에서 검댕(soot) 등의 입자상 물질을 포집하는 방식으로 제거하기 때문에 디젤 미립자 필터(200)에 포집된 입자상 물질은 엔진(100)의 작동 시간이 경과할수록 점점 증가하게 된다. 따라서 디젤 미립자 필터(200) 내 포집된 입자상 물질을 태워주는 재생(regeneration) 작업을 주기적으로 수행해야 한다. 일례로, 디젤 미립자 필터(200)에 유입되는 배기가스의 온도를 상승시킴으로써 디젤 미립자 필터(200) 내 포집된 입자상 물질을 태우는 방식으로 디젤 미립자 필터(200)의 재생을 수행할 수 있으며, 디젤 미립자 필터(200)의 재생을 위해 요구되는 배기가스의 온도는 섭씨 500도 내지 650도 범위 내일 수 있다.
또한, 디젤 미립자 필터(200) 내에 입자상 물질이 포집될수록 엔진(100)의 배압 증가하여 엔진(100)의 출력 및 연비 성능이 저하된다. 또한, 디젤 미립자 필터(200)에 입자상 물질이 과도하게 포집된 상태에서 재생 작업을 수행하게 되면 재생 시 과도한 온도 상승으로 디젤 미립자 필터(200)가 손상될 수 있다. 따라서, 디젤 미립자 필터(200)의 재생 주기를 적절하게 설정해야 주어야 한다. 이러한 재생 조건을 확인하기 위해 디젤 미립자 필터(200) 내부 또는 디젤 미립자 필터(200)의 상류 및 하류에 별도의 센서(미도시)가 설치될 수 있다. 별도의 센서는 온도 센서 및 압력 센서를 포함할 수 있으며, 디젤 미립자 필터(200)을 경유하는 배기가스의 압력 또는 온도를 측정하여 재생 여부 판단을 도울 수 있다.
본 명세서에서, 상류와 하류는 배기가스의 흐름을 기준으로 한다.
차압 센서(720)는 디젤 미립자 필터(200)를 거친 배기가스의 차압을 측정한다.
유량계(400)는 엔진(100)에서 배출된 배기가스의 유량을 측정한다. 본 발명의 제1 실시예에서는, 경우에 따라 유량계(400)를 생략할 수도 있다.
제어 장치(700)는 배기가스의 유량 별 차압 기준값에 대한 데이터를 저장한다. 여기서, 데이터는 표 1에서 예시한 바와 같은 테이블이거나 맵핑 그래프일 수 있다.
배기가스의 유량 제1 유량
(200)		 제2 유량
(300)		 제3 유량
(400)		 제4 유량
(500)		 제5 유량
(600)		 제6 유량
(700)
차압 기준값 제1 기준값
(40)		 제2 기준값
(45)		 제3 기준값
(50)		 제4 기준값
(55)		 제5 기준값
(60)		 제6 기준값
(65)
그리고 제어 장치(700)는 배기가스 유량 정보를 취득한다. 이때, 배기가스 유량 정보는 유량계(400)를 사용하여 취득할 수 있다.또한, 제어 장치(700)는 배기가스를 배출하는 엔진(100)의 회전 속도, 엔진(100)에 장착된 과급기(150)의 회전 속도, 엔진(100)의 부하, 또는 엔진(100)의 소기(掃氣) 압력을 통해 배기가스의 유량을 산출하여 배기가스 유량 정보를 취득할 수도 있다.
그리고 제어 장치(700)는 취득한 배기가스 유량 정보에 따라 차압 기준값을 선택하고, 차압 센서(720)가 측정한 배기가스의 차압을 선택된 차압 기준값과 비교하여 디젤 미립자 필터(200)의 이상 유무를 진단할 수 있다.
이때, 제어 장치(700)는 차압 센서(720)가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 차압 기준값 미만인 상태로 기설정된 시간이 경과하면 디젤 미립자 필터(200)에 이상이 발생한 것으로 진단할 수 있다. 엔진(100)의 부하가 급격하게 변동하면 차압 센서(720)가 측정한 차압도 순간적으로 변동할 수 있다. 또한, 차압 센서(720)의 센서 노이즈에 의해서도 순간적으로 급격하게 차압이 변동할 수도 있다. 따라서, 제어 장치(200)는 일정 시간 동안 측정된 차압이 선택된 차압 기준값보다 낮게 유지되었을 때 진단을 확정하여 정확도를 높일 수 있다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이, 디젤 미립자 필터(200)는 작동 시간이 경과할수록 입자상 물질이 포집되면서 재생이 진행되기 전까지 엔진(100)의 배압 증가시키게 된다. 즉, 정상적인 상태에서는 작동 시간이 경과할수록 디젤 미립자 필터(200)를 거친 배기가스의 차압을 증가시킨다. 따라서, 제어 장치(700)는 차압 센서(720)가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 차압 기준값 미만인 상태로 기설정된 시간이 경과할 경우 디젤 미립자 필터(200)에 이상이 발생한 것으로 진단할 수 있다.
구체적으로 예를 들면, 제어 장치(700)는 차압 센서(720)가 측정한 배기가스의 차압이 차압 기준값 미만이면 디젤 미립자 필터(200)를 거쳐 배출되는 입자상 물질의 배출량이 25mg/kWh 보다 큰 것으로 진단할 수 있다.
또한, 제어 장치(700)는 차압 센서(720)가 측정한 배기가스의 차압이 차압 기준값 미만이면 디젤 미립자 필터(200)의 담체가 손상되거나 담체가 제거된 것으로 진단할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 사용자가 엔진(100)의 연비를 향상시키기 위해 법규를 무시하고 디젤 미립자 필터(200)의 담체에 구멍을 내거나 담체를 제거하여 디젤 미립자 필터(200)가 막히는 것을 피하거나 디젤 미립자 필터(200)가 강제로 재생되는 것을 억제하는 경우, 제어 장치(700)가 디젤 미립자 필터(200)의 이상 여부를 자동으로 진단할 수 있다. 그리고 제어 장치(700)는 디젤 미립자 필터(200)의 이상을 진단하면, 지속적으로 경고음을 발생시키거나 엔진(100)의 운전을 제한하는 등 디젤 미립자 필터(200)의 이상 또는 불량에 기인한 문제의 발생을 예방할 수 있다.
예시적으로, 도 2는 정상 상태인 디젤 미립자 필터(200)의 담체를 나타내고, 도 3은 디젤 미립자 필터의 담체가 손상된 상태를 나타내며, 도 4는 디젤 미립자 필터에서 담체가 제거된 상태를 나타낸다.
여기서, 디젤 미립자 필터(200)를 거쳐 배출되는 입자상 물질의 배출량이 25mg/kWh 보다 큰 것으로 진단하는 경우와 디젤 미립자 필터(200)의 담체가 손상된 것으로 진단하는 경우 그리고 담체가 제거된 것으로 진단하는 경우의 차압 기준값은 각각 상이할 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템(101)은 디젤 미립자 필터(DPF)의 이상 여부를 효과적으로 진단할 수 있다.
이하, 도 5을 참조하여 제1 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템(102)의 동작 원리를 상세히 설명한다.
먼저, 도 5에 도시한 바와 같이, 배기가스의 유량을 측정 또는 산출한다. 구체적으로, 유량계(400)를 사용하여 배기가스의 유량을 측정하거나 제어 장치(700)가 엔진(100)의 회전 속도, 엔진(100)에 장착된 과급기(150)의 회전 속도, 엔진(100)의 부하, 또는 엔진(100)의 소기(掃氣) 압력을 통해 배기가스의 유량을 산출할 수 있다. 이러한 정보는 엔진(100) 또는 과급기(150)에 기본적으로 내장된 센서를 통해 제어 장치(700)가 전달받을 수 있다.
그리고 제어 장치(700)는 저장된 배기가스의 유량 별 차압 기준값에 대한 데이터에 측정 또는 산출된 배기가스의 유량을 대입하여 차압 기준값을 선택한다.
다음, 차압 센서(720)를 통해 디젤 미립자 필터(200)를 거친 배기가스의 차압을 측정하고, 차압 센서(720)가 측정한 배기가스의 차압을 데이터에서 선택된 차압 기준값과 비교한다. 구체적으로, 차압 센서(720)가 측정한 배기가스의 차압이 데이터에서 선택된 차압 기준값 미만인가를 판단한다.
다음, 제어 장치(700)는 차압 센서(720)가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 차압 기준값 미만인 상태로 기설정된 시간이 경과하면 디젤 미립자 필터(200)에 이상이 발생한 것으로 진단한다. 이에, 엔진(100)의 급격한 부하 변동이나 차압 센서(720)의 센서 노이즈에 의해 차압 센서(720)가 측정한 차압이 순간적으로 급격하게 변화되더라도, 제어 장치(700)는 일정 시간 동안 측정된 차압이 선택된 차압 기준값보다 낮게 유지되었을 때 진단을 확정하여 정확도를 높일 수 있다.
예를 들어, 차압 센서(720)가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 차압 기준값 미만인 상태로 기설정된 시간이 경과하면 제어 장치(700)는 디젤 미립자 필터(200)를 거쳐 배출되는 입자상 물질의 배출량이 25mg/kWh 보다 큰 것으로 진단할 수 있다.
또한, 차압 센서(720)가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 상기 차압 기준값 미만인 상태로 기설정된 시간이 경과하면 제어 장치(700)는 디젤 미립자 필터(200)의 담체가 손상되거나 담체가 제거된 것으로 진단할 수도 있다.
여기서, 디젤 미립자 필터(200)를 거쳐 배출되는 입자상 물질의 배출량이 25mg/kWh 보다 큰 것으로 진단하는 경우와 디젤 미립자 필터(200)의 담체가 손상된 것으로 진단하는 경우 그리고 담체가 제거된 것으로 진단하는 경우의 차압 기준값은 각각 상이할 수 있다.
이와 같은 동작 과정에 따라, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템(101)은 디젤 미립자 필터(DPF)의 이상 여부를 효과적으로 진단할 수 있다.
이하, 도 6을 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템(102)을 설명한다.
도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템(102)은 디젤 미립자 필터(diesel particulate filter, DPF)(200), 믹서(mixer)(250), 차압 센서(720), 및 제어 장치(700)를 포함한다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템(102)도 배기 유로(610) 및 유량계(400)를 더 포함할 수 있다.
믹서(250)는 배기 유로(610) 상에서 디젤 미립자 필터(200)보다 하류에 위치한다. 즉, 믹서(250)는 디젤 미립자 필터(200)를 거친 배기가스가 통과하게 된다.
예를 들어, 믹서(250)는 선택적 촉매 환원 반응(selective catalytic reduction, SCR)을 위한 환원제와 배기가스를 혼합시킬 수 있다. 선택적 촉매 환원 반응은 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시킬 수 있다. 선택적 촉매 환원 반응을 위한 환원제로는 암모니아(NH 3)가 사용되고 있다. 즉, 암모니아가 질소산화물과 반응하여 질소산화물을 저감시키게 된다. 그런데 암모니아 자체가 오염 물질로 보관과 운반이 용이하지 않기 때문에 암모니아를 직접 사용하기 보다는 환원제 전구체에 해당하면서 안정적인 우레아 수용액을 사용하는 것이 보편적이다. 즉, 우레아(urea, CO(NH 2) 2) 수용액을 배기가스에 분사하여 혼합시키고, 우레아 수용액이 분해되면서 생성되는 암모니아(NH 3)를 선택적 촉매 환원 반응에 사용하게 되는 것이다. 그런데 우레아가 섭씨 250도 미만의 온도를 갖는 배기가스에 직접 분사되면, 우레아가 분해되면서 생성되는 뷰렛(biuret), 시아누르산(cyanuric acid), 멜라민(melamine), 및 아멜린(ammeline) 등과 같은 침전물이 부산된다. 이러한 침전물이 믹서(250)에 쌓이게 되면 배기가스의 흐름을 방해하여 압력을 상승시키게 된다.
차압 센서(720)는 디젤 미립자 필터(200)와 믹서(250)를 거친 배기가스의 차압을 측정한다.
제어 장치(700)는 배기가스의 유량 별 차압 기준 범위에 대한 데이터를 저장한다. 여기서, 데이터는 표 2에서 예시한 바와 같은 테이블이거나 맵핑 그래프일 수 있다.
배기가스의 유량 제1 유량
(200)		 제2 유량
(300)		 제3 유량
(400)		 제4 유량
(500)		 제5 유량
(600)		 제6 유량
(700)
차압 기준 범위 최소값 제1 최소값
(40)		 제2 최소값
(45)		 제3 최소값
(50)		 제4 최소값
(55)		 제5 최소값
(60)		 제6 최소값
(65)
차압 기준 범위 최대값 제1 최대값
(60)		 제2 최대값
(65)		 제3 최대값
(70)		 제4 최대값
(75)		 제5 최대값
(80)		 제6 최대값
(85)
그리고 제어 장치(700)는 배기가스 유량 정보를 취득한다. 이때, 배기가스 유량 정보는 유량계(400)를 사용하여 취득할 수 있다.또한, 제어 장치(700)는 배기가스를 배출하는 엔진(100)의 회전 속도, 엔진(100)에 장착된 과급기(150)의 회전 속도, 엔진(100)의 부하, 또는 엔진(100)의 소기(掃氣) 압력을 통해 배기가스의 유량을 산출하여 배기가스 유량 정보를 취득할 수도 있다.
그리고 제어 장치(700)는 취득한 배기가스 유량 정보에 따라 차압 기준 범위를 선택하고, 차압 센서(720)가 측정한 배기가스의 차압을 선택된 차압 기준 범위의 최소값 및 최대값과 비교하여 디젤 미립자 필터(200) 및 믹서(250)의 이상 유무를 진단할 수 있다. 구체적으로, 제어 장치(700)는 디젤 미립자 필터(200)의 이상 여부와 믹서(250)에 침전물(deposit) 생성 여부를 진단할 수 있다.
이때, 제어 장치(700)는 차압 센서(720)가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 차압 기준 범위의 최소값 미만인 상태로 기설정된 시간이 경과하면 디젤 미립자 필터(200)에 이상이 발생한 것으로 진단할 수 있다.
엔진(100)의 부하가 급격하게 변동하면 차압 센서(720)가 측정한 차압도 순간적으로 변동할 수 있다. 또한, 차압 센서(720)의 센서 노이즈에 의해서도 순간적으로 급격하게 차압이 변동할 수도 있다. 따라서, 제어 장치(200)는 일정 시간 동안 측정된 차압이 선택된 차압 기준 범위의 최소값보다 낮게 유지되었을 때 진단을 확정하여 정확도를 높일 수 있다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이, 디젤 미립자 필터(200)는 작동 시간이 경과할수록 입자상 물질이 포집되면서 재생이 진행되기 전까지 엔진(100)의 배압 증가시키게 된다. 즉, 정상적인 상태에서는 작동 시간이 경과할수록 디젤 미립자 필터(200)를 거친 배기가스의 차압을 증가시킨다. 따라서, 제어 장치(700)는 차압 센서(720)가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 차압 기준 범위의 최소값 미만인 상태로 기설정된 시간이 경과할 경우 디젤 미립자 필터(200)에 이상이 발생한 것으로 진단할 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에서는, 제어 장치(700)는 차압 센서(720)가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 차압 기준 범위의 최대값을 초과한 상태로 기설정된 시간이 경과하면 디젤 미립자 필터(250)에 대한 강제 재생을 수행하게 된다.
그리고 제어 장치(700)는 디젤 미립자 필터(250)에 대한 강제 재생 이후에도 차압 센서(720)가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 차압 기준 범위를 벗어나면 디젤 미립자 필터(250)에 이상이 발생한 것으로 진단하게 된다.
구체적으로, 강재 재생 이후에도 차압 센서(720)가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 차압 기준 범위의 최소값 보다 낮다면, 디젤 미립자 필터(200)의 담체가 손상되거나 담체가 제거된 것으로 볼 수 있다. 반대로, 강재 재생 이후에도 차압 센서(720)가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 차압 기준 범위의 최대값 보다 높다면, 디젤 미립자 필터(200)의 내부에 그을음(soot)이 과다하게 존재하여 제 성능을 낼 수 없거나 수명이 다한 것으로 볼 수 있으며, 디젤 미립자 필터(200)의 교체가 요구될 수 있다.
또한, 제어 장치(700)는 디젤 미립자 필터(200)에 대한 강제 재생 이후에 차압 센서(720)가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 차압 기준 범위 내에 속하면, 믹서(250)에 침전물이 생성되어 차압 센서(720)가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 차압 기준 범위의 최대값을 초과했던 것으로 진단할 수 있다. 이 경우, 디젤 미립자 필터(200)는 정상으로 진단할 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템(102)은 디젤 미립자 필터(DPF)의 이상 여부 및 믹서(mixer)에 침전물(deposit) 생성 여부를 효과적으로 진단할 수 있다.
특히, 하나의 차압 센서(720)를 가지고 디젤 미립자 필터(200)와 믹서(250)의 상태를 모두 진단할 수 있다.
이하, 도 7을 참조하여 제2 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템(102)의 동작 원리를 상세히 설명한다.
먼저, 도 7에 도시한 바와 같이, 배기가스의 유량을 측정 또는 산출한다. 구체적으로, 유량계(400)를 사용하여 배기가스의 유량을 측정하거나 제어 장치(700)가 엔진(100)의 회전 속도, 엔진(100)에 장착된 과급기(150)의 회전 속도, 엔진(100)의 부하, 또는 엔진(100)의 소기(掃氣) 압력을 통해 배기가스의 유량을 산출할 수 있다. 이러한 정보는 엔진(100) 또는 과급기(150)에 기본적으로 내장된 센서를 통해 제어 장치(700)가 전달받을 수 있다.
그리고 제어 장치(700)는 저장된 배기가스의 유량 별 차압 기준 범위에 대한 데이터에 측정 또는 산출된 배기가스의 유량을 대입하여 차압 기준 범위를 선택한다.
다음, 차압 센서(720)를 통해 디젤 미립자 필터(200)를 거친 배기가스의 차압을 측정하고, 차압 센서(720)가 측정한 배기가스의 차압을 데이터에서 선택된 차압 기준 범위와 비교한다.
차압 센서(720)가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 차압 기준 범위 이내에 속한다면, 제어 장치(700)는 디젤 미립자 필터가 정상임을 진단하게 된다.
한편, 제어 장치(700)는 차압 센서(720)가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 차압 기준 범위의 최소값 미만인 상태로 기설정된 시간이 경과하면 디젤 미립자 필터(200)에 이상이 발생한 것으로 진단한다.
또한, 제어 장치(700)는 차압 센서(720)가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 차압 기준 범위의 최대값을 초과한 상태로 기설정된 시간이 경과하면 디젤 미립자 필터(250)에 대한 강제 재생을 수행하게 된다.
그리고 제어 장치(700)는 디젤 미립자 필터(250)에 대한 강제 재생 이후에도 차압 센서(720)가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 차압 기준 범위를 벗어나면 디젤 미립자 필터(250)에 이상이 발생한 것으로 진단하게 된다.
예를 들어, 강재 재생 이후에도 차압 센서(720)가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 차압 기준 범위의 최소값 보다 낮다면, 디젤 미립자 필터(200)의 담체가 손상되거나 담체가 제거된 것으로 볼 수 있다. 반대로, 강재 재생 이후에도 차압 센서(720)가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 차압 기준 범위의 최대값 보다 높다면, 디젤 미립자 필터(200)의 내부에 그을음(soot)이 과다하게 존재하여 제 성능을 낼 수 없거나 수명이 다한 것으로 볼 수 있으며, 디젤 미립자 필터(200)의 교체가 요구될 수 있다.
또한, 제어 장치(700)는 디젤 미립자 필터(200)에 대한 강제 재생 이후에 차압 센서(720)가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 차압 기준 범위 내에 속하면, 믹서(250)에 침전물이 생성되어 차압 센서(720)가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 차압 기준 범위의 최대값을 초과했던 것으로 진단할 수 있다. 이 경우, 디젤 미립자 필터(200)는 정상으로 진단할 수 있다.
이와 같은 동작 과정에 따라, 본 발명의 제2 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템(102)은 디젤 미립자 필터(DPF)의 이상 여부 및 믹서(mixer)에 침전물(deposit) 생성 여부를 효과적으로 진단할 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템(102)은 디젤 미립자 필터(DPF)의 이상 여부를 효과적으로 진단할 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.
< 부호의 설명 >
100: 엔진
101, 102: 배기가스 후처리 시스템
150: 과급기
200: 디젤 미립자 필터
250: 믹서
400: 유량계
610: 배기 유로
700: 제어 장치
720: 차압 센서
본 발명의 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템은 디젤 미립자 필터(DPF)의 이상 여부를 효과적으로 진단하는데 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템은 디젤 미립자 필터(DPF)의 이상 여부 및 믹서(mixer)에 침전물(deposit) 생성 여부를 효과적으로 진단하는데 사용될 수 있다.

Claims (13)

  1. 배기가스를 후처리하는 배기가스 후처리 시스템에 있어서,
    배기가스 중에 함유된 입자상 물질을 제거하는 디젤 미립자 필터(diesel particulate filter, DPF);
    상기 디젤 미립자 필터를 거친 배기가스의 차압을 측정하는 차압 센서;
    배기가스의 유량 별 차압 기준값에 대한 데이터를 저장하고, 배기가스 유량 정보를 취득하여 취득한 배기가스 유량 정보에 따라 차압 기준값을 선택하며, 상기 차압 센서가 측정한 배기가스의 차압을 선택된 상기 차압 기준값과 비교하여 상기 디젤 미립자 필터의 이상 유무를 진단하는 제어 장치
    를 포함하는 배기가스 후처리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배기가스의 유량을 측정하는 유량계를 더 포함하며,
    상기 제어 장치는 상기 유량계를 사용하여 상기 배기가스 유량 정보를 취득하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는 배기가스를 배출하는 엔진의 회전 속도, 상기 엔진에 장착된 과급기의 회전 속도, 상기 엔진의 부하, 또는 상기 엔진의 소기(掃氣) 압력을 통해 배기가스의 유량을 산출하여 상기 배기가스 유량 정보를 취득하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는 상기 차압 센서가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 상기 차압 기준값 미만인 상태로 기설정된 시간이 경과하면 상기 디젤 미립자 필터에 이상이 발생한 것으로 진단하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는 상기 차압 센서가 측정한 배기가스의 차압이 상기 차압 기준값 미만이면 상기 디젤 미립자 필터를 거쳐 배출되는 입자상 물질의 배출량이 25mg/kWh 보다 큰 것으로 진단하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는 상기 차압 센서가 측정한 배기가스의 차압이 상기 차압 기준값 미만이면 상기 디젤 미립자 필터의 담체가 손상되거나 담체가 제거된 것으로 진단하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  7. 배기가스를 후처리하는 배기가스 후처리 시스템에 있어서,
    배기가스 중에 함유된 입자상 물질을 제거하는 디젤 미립자 필터(diesel particulate filter, DPF);
    상기 디젤 미립자 필터를 거친 배기가스가 통과하는 믹서(mixer);
    상기 디젤 미립자 필터와 상기 믹서를 거친 배기가스의 차압을 측정하는 차압 센서;
    배기가스의 유량 별 차압 기준 범위에 대한 데이터를 저장하고, 배기가스 유량 정보를 취득하여 취득한 배기가스 유량 정보에 따라 차압 기준 범위를 선택하며, 상기 차압 센서가 측정한 배기가스의 차압을 선택된 상기 차압 기준 범위와 비교하여 상기 디젤 미립자 필터 및 상기 믹서의 이상 유무를 진단하는 제어 장치
    를 포함하는 배기가스 후처리 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 배기가스의 유량을 측정하는 유량계를 더 포함하며,
    상기 제어 장치는 상기 유량계를 사용하여 상기 배기가스 유량 정보를 취득하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어 장치는 배기가스를 배출하는 엔진의 회전 속도, 상기 엔진에 장착된 과급기의 회전 속도, 상기 엔진의 부하, 또는 상기 엔진의 소기(掃氣) 압력을 통해 배기가스의 유량을 산출하여 상기 배기가스 유량 정보를 취득하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제어 장치는 상기 차압 센서가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 상기 차압 기준 범위의 최소값 미만인 상태로 기설정된 시간이 경과하면 상기 디젤 미립자 필터에 이상이 발생한 것으로 진단하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제어 장치는 상기 차압 센서가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 상기 차압 기준 범위의 최대값을 초과한 상태로 기설정된 시간이 경과하면 상기 디젤 미립자 필터에 대한 강제 재생을 수행하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어 장치는 상기 디젤 미립자 필터에 대한 강제 재생 이후에도 상기 차압 센서가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 상기 차압 기준 범위를 벗어나면 상기 디젤 미립자 필터에 이상이 발생한 것으로 진단하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제어 장치는 상기 디젤 미립자 필터에 대한 강제 재생 이후에 상기 차압 센서가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 상기 차압 기준 범위 내에 속하면,
    상기 믹서에 침전물이 생성되어 상기 차압 센서가 측정한 배기가스의 차압이 선택된 상기 차압 기준 범위의 최대값을 초과했던 것으로 진단하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
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