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KR100836338B1 - 우레아 ｓｃｒ시스템의 도싱 인젝터 작동을 감지하는 방법 - Google Patents

우레아 ｓｃｒ시스템의 도싱 인젝터 작동을 감지하는 방법 Download PDF

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KR100836338B1
KR100836338B1 KR1020070030648A KR20070030648A KR100836338B1 KR 100836338 B1 KR100836338 B1 KR 100836338B1 KR 1020070030648 A KR1020070030648 A KR 1020070030648A KR 20070030648 A KR20070030648 A KR 20070030648A KR 100836338 B1 KR100836338 B1 KR 100836338B1
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Abstract

본 발명은 우레아 SCR시스템의 도싱 인젝터 작동을 감지하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 우레아 SCR시스템의 도싱 인젝터에 대한 작동 불량을 구별해낼 수 있도록 한 우레아 SCR시스템의 도싱 인젝터 작동을 감지하는 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 우레아(UREA) SCR에서 배출되는 NOx 값 및 그 촉매 온도를 기반으로 계산된 도싱량이 500g/hr 이상임을 판단하는 단계와; 도싱량이 500g/hr 이상이면 컨트롤 유니트를 통하여 도싱 인젝터에 전기신호를 인가하여 작동되게 하는 단계와; 배기가스 온도 저하량을 감지하여 그 온도 저하가 20℃ 이상이면 도싱 인젝터가 정상임을 판정하는 단계와; 배기가스 온도 저하량이 20℃ 이하이면서 SCR 후단으로 배출된 NOx 검출값이 2000ppm 이상이면 도싱 인젝터를 고장 상태로 판정하는 단계; 로 이루어진 것을 특징으로 하는 우레아 SCR시스템의 도싱 인젝터 작동을 감지하는 방법을 제공한다.
우레아, SCR, 도싱 인젝터, 배기가스 온도, NOx

Description

우레아 ＳＣＲ시스템의 도싱 인젝터 작동을 감지하는 방법{METHOD FOR DETECTING FAULT OF DOSING INJECTOR OF UREA SCR SYSTEM}
도 1은 유럽 및 북미 배기가스 에미션(Emission) 규제 대응을 위한 개발 방안 개념도
도 2는 SCR 촉매 및 UREA SCR 반응 메카니즘 개략도,
도 3은 북미디젤 대응을 위한 DOC~CPF~UREA SCR촉매로 구성되는 후처리 시스템도,
도 4는 종래의 SCR시스템용 UREA 분사로직 흐름도,
도 5는 본 발명에 따른 우레아 SCR시스템의 도싱 인젝터 작동을 감지하는 방법을 설명하는 순서도.
본 발명은 우레아 SCR시스템의 도싱 인젝터 작동을 감지하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 우레아 SCR시스템의 도싱 인젝터에 대한 작동 불량을 구 별해낼 수 있도록 한 우레아 SCR시스템의 도싱 인젝터 작동을 감지하는 방법에 관한 것이다.
디젤자동차의 북미 진출에 대한 기대와 가능성이 지속적으로 확대됨에도 불구하고, 북미 시장의 승용디젤자동차의 런칭이 어려운 이유는 가솔린 배기가스규제 수준에 준하는 디젤차량에 대한 에미션(Emission) 규제에 기인한다고 볼 수 있다.
이러한 북미 디젤승용차에 대한 에미션 규제 정도를 아래의 표 1에 정리된 바와 같다.
Figure 112007024506480-pat00001
현재 본원 출원인의 EN(또는 HM) 디젤자동차의 배기가스 배출 정도는 위의 표 1에 나타난 바와 같이 EURO-IV 수준이며, 북미시장의 진출을 위해서는 본원 출원인이 보유한 현재의 기술수준에 대비하여 약 10배 이상의 질소산화물과 매연을 제거해야만 하고, 그에 따라 북미배기규제 수준에 대한 만족을 위해서는 엔진 및 후처리시스템의 핵심적 요소기술의 개발이 절실한 상황이라 할 수 있다.
위의 표 1 및 첨부한 도 1에 나타낸 바와 같이, 북미 배기가스 에미션 규제 수준을 만족시키기 위해서는 필연적으로 유럽 배기가스 에미션 규제 수준(EURO-V)을 선행하여 만족시킬 필요가 있으며, 먼저 대상 차량인 EN에 대한 EURO-V 규제를 만족시키기 위해서는 매연여과필터(Catalyzed Particulate Filter : 이하 CPF)의 적용이 필수적이며, 대상 엔진 하드웨어의 질소산화물(NOx) 저감을 위한 노력이 병행되어야 한다.
이러한 노력을 통하여 EURO-V 규제수준을 달성한 후, 후처리시스템을 통한 질소산화물(NOx)에 대한 추가 저감 노력이 수반되어야 할 것으로 판단된다.
이에, 질소산화물(NOx)을 저감은 De-NOx Technology 로 통칭할 수 있으며, 각 기술 별로 질소산화물의 저감 수준은 아래의 표 2에 정리된 바와 같다.
Figure 112007024506480-pat00002
위의 표 2는 가솔린 린 번(Lean-Burn) 엔진과 디젤엔진의 배기가스 중 질소산화물을 저감시키기 위해 개발되고 있는 기술(De-NOx Technology)들이며, 이외에 플라즈마를 이용하여 디젤산화촉매를 대신하려는 노력이 있으며, 질소산화물을 저감시키려는 연구가 진행되고 있지만 질소산화물의 저감 효율과 이동원에서의 적용이라는 기술적인 문제를 해결하여야 한다.
최근 질소산화물의 저감(De-NOx)을 위해 활발히 연구 개발이 진행되는 후처리 기술은 크게 두가지로 분류할 수 있다.
첫째는 토요다(Toyota)사에서 개발한 NOx 흡장 물질을 적용한 질소산화물 흡장촉매(Lean NOx Trap : 일명 LNT, NOx Storage Catalyst : 일명 NSC)로서, 이는 토요다사에서는 LNT를 이용하여 지난 2004년 D-2.0 & 2005년 D-2.2L 디젤차량(차량명 : 아벤시스)을 출시한 바 있다.
그러나, 질소산화물 흡장하는 LNT 촉매를 이용하기 위해서는 디젤엔진에서 이론공연비(14.7) 이하의 운전 영역 구현이 가능하여야 하고, 이를 위한 엔진 EMS 및 H/W에 대한 제어 기술이 매우 복잡하다.
또한, 이론공연비 이하의 영역(일명 : Rich Spike)을 만들기 위해 엔진 후분사 기술 뿐만 아니라 배기관 내에 연료를 2차 분사함에 따라 연비의 손실이 크며, 그럼에도 불구하고 질소산화물 저감을 위한 LNT 기술의 폭넓은 상용화를 위해서는 NOx 흡장물질(BaO & K2O)로써 사용되는 알카리금속 또는 알카리토금속산화물에 대한 내열, 내구성 문제 해결이 필요하다 하겠다.
질소산화물을 저감시키기 위한 둘째 방법은 UREA(일명 : 요소) 수용액을 배기관에 분사하는 것으로서, 분사된 요소수용액(UREA Solution)은 배기관 내의 열에 의해 열분해(분해온도 : 156℃)되거나 촉매와 접촉하여 접촉분해 됨으로써, 한분자의 요소는 두분자의 암모니아로 전환되고, 이렇게 전환된 암모니아를 이용하여 배기가스 중의 질소산화물과 SCR(Selective Catalyst Reduction : 일명 선택적 촉매환원법) 반응을 시킴으로써 무해한 질소와 물로써 배출시키는 기술이다.
위의 암모니아를 이용한 SCR 방법은 공장 굴뚝 가스의 질소산화물을 제거하기 위한 기술로써 약 20년전에 개발되어 상용화 되었으며, 그러나 이동원에의 적용은 암모니아 가스 공급에 대한 문제가 있었다.
또한, UREA SCR을 통한 이동원에서의 De-NOx 기술은 UREA(일명 : 요소)를 열분해하여 암모니아를 공급함에 따라 현실화될 수 있지만, UREA 수용액에 대한 저장 장치 마련과 배기관 내의 공급 및 분사에 대한 별도의 장치가 요구되고, 이를 제어하여야 한다는 부담에 따라 상용트럭(Heavy Duty 차량)에서 먼저 연구, 진행되어 왔다.
이렇게 상용트럭을 대상으로 개발되던 UREA SCR 후처리 기술은 유럽(EURO-V & VI) 및 북미 배기가스(Tier2 BIN5) 규제와 더불어 승용디젤자동차에 그 가능성을 타진하게 되었고, 북미시장에 대한 승용디젤자동차의 진출을 위해서 필수불가결한 De-NOx 후처리 핵심기술로 자리매김하게 되었다.
상기 UREA SCR(Selective Catalytic Reduction) 반응은 상술한 바와 같이 공장 굴뚝에서 사용하는 암모니아(Ammonia) SCR 반응과 매우 흡사하며, 이때 환원제로써 암모니아를 대신하여 우레아(UREA)를 분사함으로써 우레아 수용액이 열분해됨에 따라 한분자의 우레아에서 두분자의 암모니아를 생성하여 이용한다는 차이점이 있다.
먼저, 우레아(UREA) SCR 반응에 이용되는 우레아 수용액(또는 UREA Solution)은 32.5wt.%의 우레아 수용액이며, 이 우레아 수용액을 배기관 내에 분사할 경우, 첨부한 도 2에 나타낸 바와 같은 SCR 메커니즘 경로를 거쳐 촉매 반응을 일으카게 되며, 그 우레아 SCR 메커니즘은 우레아 수용액(UREA Solution) 열분해 또는 하이드로리시스 촉매(Hydrolysis Catalyst)를 이용한 접촉분해 반응으로서 아래의 반응식에 따른다.
Figure 112007024506480-pat00003
배기관 내에 우레아 수용액을 분사하여 순수한 배기관 열에 의한 우레아 열분해(156℃ 이상, UREA 분해 반응이 나타남, 이를 Thermal Decomposition 이라 함) 반응 또는 도 2에 나타낸 하이드로시스 촉매(Hydrolysis Catalyst)를 이용한 접촉분해(Catalytic Decomposition) 반응이 진행된다.
상기 접촉분해 반응은 엔진 배기열과 촉매를 이용하여 활성 에너지(Activation Energy)를 낮추게 됨으로 보다 효율적으로 암모니아를 생성하여 후단으로 공급할 수 있으며, 위의 반응식 1에서 보인 바와 같이 우레아 한분자(Mole ratio)에 대하여 암모니아 두분자가 생성된다.
우레아 분사장치에 의해 분사된 우레아 수용액은 반응식 1과 같이 열분해 또는 접촉분해됨으로써 암모니아가 생성되고, 생성된 암모니아를 이용한 암모니아 SCR 반응이 후단에 위치한 SCR 촉매 상에서 진행된다.
Figure 112007024506480-pat00004
위의 반응식 2에 따르면 네번째 반응이 가장 반응속도가 빠른 반응으로 알려져 있고, 또한 본 반응의 활성 에너지(Activation Energy)가 가장 낮기 때문에 반응의 효율에 있어서도 저온영역으로 치우쳐 있다.
따라서, 반응식 2와 같은 암모니아(Ammonia) SCR 반응 메커니즘에 따라 온도가 낮은 저온영역에서부터 높은 NOx 정화 효율을 얻고자 한다면 SCR 촉매 전단의 NO/NO2 몰비(Mole Ratio)를 1:1로 만들어 주어야 한다. NO/NO2 Mole Ratio는 엔진 배기가스의 온도에 따라 변화하며, SCR 촉매 전단에 위치하게 되는 WCC 또는 DOC 촉매들의 산화력에 따른다.
따라서, 대상 차량의 온도분포 데이터를 비롯한 WCC & DOC 촉매들의 귀금속 량을 대상 엔진 및 차량의 주 운전영역 배기가스 온도에서 NO/NO2 Mole Ratio가 1/1 될 수 있도록 조절하여야 한다.
NO/NO2 Mole Ratio가 1:1 이 아닌 다른 조건에서는 반응식 2의 반응메카니즘 중 첫째, 둘째, 셋째 반응이 진행되면서 보다 고온의 배기가스 온도가 필요하며, 몰비(Mole Ratio)가 달라지면서 동일 NOx 정화율을 얻기위한 우레아 수용액 분사량 제어가 매우 복잡한 경로를 거치게 된다.
이에, 우레아(UREA) SCR 반응을 통하여 우레아(UREA) 수용액의 적정량을 배기관 내로 분사하는 것이 매우 중요하다 할 것이다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, NOx저감을 위해 액상으로 배기관 내에 분사된 우레아(UREA)가 약 200℃ 이상의 고온의 배기가스 열에 의해 기화되면서 암모니아가 생성됨과 함께 우레아(UREA) 기화시 증발 잠열에 의해 배기가스 온도가 낮아지는 점을 이용하여 우레아 SCR시스템의 도싱 인젝터에 대한 작동 불량을 구별해낼 수 있도록 우레아 SCR시스템의 도싱 인젝터 작동을 감지하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 우레아(UREA) SCR에서 배출되는 NOx 값 및 그 촉매 온도를 기반으로 계산된 도싱량이 500g/hr 이상임을 판단하는 단계와; 도싱량이 500g/hr 이상이면 컨트롤 유니트를 통하여 도싱 인젝터에 전기신호를 인가하여 작동되게 하는 단계와; 상기 도싱 인젝터에 전기신호가 인가되기 전과 후의 배기가스 온도차이를 감지하여, 그 온도 저하가 20℃ 이상이면 도싱 인젝터가 정상임을 판정하는 단계와; 배기가스 온도 저하량이 20℃ 이하이면서 SCR 후단으로 배출된 NOx 검출값이 2000ppm 이상이면 도싱 인젝터를 고장 상태로 판정하는 단계; 로 이루어진 것을 특징으로 하는 우레아 SCR시스템의 도싱 인젝터 작동 을 감지하는 방법을 제공한다.
바람직한 구현예로서, 상기 도싱 인젝터를 고장 상태로 판정하게되면, 그 고정코드의 기억 및 엔진경고등의 점등이 더 진행되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 우레아 SCR 후처리 시스템을 간략히 살펴보면, 북미디젤 대응을 위한 DOC~CPF~UREA SCR촉매로 구성되는 후처리 시스템을 나타내는 도 3에서 보는 바와 같이, 우레아(UREA) SCR시스템의 경우 배기가스 유동량과 엔진 로(raw) NOx량에 의한 최적의 우레아 도싱(UREA DOSING)량 계산이 필요하고, 배기가스 유동량 및 배기가스 온도에 따른 NOx반응율 모델링을 위해 도싱 인젝터(DOSING INJECTOR)와 SCR촉매 사이에 배기가스 온도센서가 필수로 장착되어 있다.
본 발명은 NOx저감을 위해 액상으로 배기관 내에 분사된 우레아(UREA)가 약 200℃ 이상의 고온의 배기가스 열에 의해 기화되면서 암모니아가 생성됨과 함께 우레아(UREA) 기화시 증발 잠열에 의해 배기가스 온도가 낮아지는 점을 이용하여 우레아 SCR시스템의 도싱 인젝터에 대한 작동 불량을 구별해낼 수 있도록 한 것이다.
즉, 도싱(dosing)량은 엔진 운전 조건에 따라 가변되나, 최소 10g/hr에서 최대 1000g/hr가 분사되며, 500g/hr 이상 분사되는 영역에서는 우레아(UREA)증발에 의해 배기가스 온도가 최소 20~30℃도 이상 저감되는 바, 본 발명은 이를 이용하여 도싱 인젝터의 불량을 구별해낼 수 있도록 한 것이다.
도싱 컨트롤 유니트(DOSING CONTROL UNIT)에서 운전조건에 따른 전기신호를 도싱(dosing) 인젝터에 인가하면 솔레노이드 작동에 의해 우레아(UREA)가 배기관 내로 분사되나, 신호를 인가했을 경우 실제 요구하는 량 만큼 분사가 되었는 지의 유무는 현재의 하드웨어로는 피드백(feedback) 제어가 불가능하다.
또한, SCR후단 촉매의 NOx센서 값을 통해 단순히 모니터링하는 경우에는, NOx센서 값의 증가가 도싱 인젝터 분사상태 불량이 원인인 지, 또는 SCR촉매 효율 저하가 원인인 지, 또는 NOx센서 신호의 불량이 원인인 지 판별하기가 어려운 바, 본 발명은 도싱 인젝터 불량상태와, 나머지 불량의 경우를 구별해 낼 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
첨부한 도 4는 종래의 SCR시스템의 UREA 분사로직 흐름도로서, 도 4의 로직도에서 보는 바와 같이 희망 도싱(dosing)량이 정해지면, 도싱 컨트롤 유니트에서 전기신호를 인가한다.
전기신호가 인가되면 인젝터가 정상인 경우, 원하는 만큼의 우레아(UREA)가 분사되며 분사된 우레아의 증발시 잠열에 의해 배기가스 온도가 약 20~30도 정도 낮아진다.
따라서, 인젝터 고착, 응결, 손상 등으로 비정상인 상태에서는 정상적인 ㅇ우레아 분사가 어려우므로 우레아가 소량분사 또는 아예 분사되지 않으며 상기의 경우에는 배기가스온도의 변동이 없으므로 이를 감지하여 도싱 인젝터 정상 작동유무를 감지해 낼 수 있다.
본 발명의 도싱 인젝터의 정상 작동 유무를 판별하는 방법을 첨부한 도 5를 참조로 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 우레아(UREA) SCR에서 배출되는 NOx 값 및 그 촉매 온도를 기반으로 계산된 도싱량이 500g/hr 이상임을 도싱 컨트롤 유니트에서 판단하게 된다.
이때, 상기 도싱(dosing)량이 특정 값 즉, 500 g/hr으로 한정한 이유는 도싱량이 작은 경우에는 배기가스 온도 변화가 작아 판별력이 어렵기 때문이다.
다음으로, 상기 도싱량이 500g/hr 이상이면 도싱 컨트롤 유니트를 통하여 도싱 인젝터에 전기신호를 인가하여 도싱 인젝터가 작동되게 하는 단계가 진행된다.
이어서, 도싱 인젝터와 SCR촉매 사이에 장착된 배기가스 온도센서에서 배기가스 온도를 감지하되, 상기 도싱 인젝터에 전기신호가 인가되기 전과 후의 배기가스 온도차이를 감지하여, 도싱 컨트롤 유니트로 전송하게 된다.
이때, 상기 도싱 컨트롤 유니트는 배기가스 저하 온도가 20℃ 이상이면 도싱 인젝터가 정상임을 판정하고, 배기가스 온도 저하량이 20℃ 이하이면 도싱 인젝터의 고장 징후로 판단하여 SCR 후단으로 배출되는 NOx값을 수신하게 된다.
따라서, 배기가스 온도 저하량이 20℃ 이하이면서 SCR 후단으로 배출된 NOx 검출값이 2000ppm 이상이면 도싱 인젝터를 고장 상태로 판정하게 된다.
즉, 최종적으로 도싱 인젝터 고장을 판정하기 위해 SCR후단의 NOx센서 값을 비교하는 것으로 정상적인 UREA가 분사된 경우 측정될 수 없는 값 이상, 즉 2000ppm 이상으로 NOx가 검출될 경우에는 도싱 인젝터 고장에 의해 우레아 분사가 수행되지 않고, 이로 인해 NOx가 그대로 배출되는 것으로 보고 최종 도싱 인젝터 고장으로 판정하게 된다.
이후, 상기 도싱 인젝터를 고장 상태로 판정되면, 그 고정코드의 기억 및 엔진경고등의 점등되어 운전자가 이를 인식하여 정비를 받을 수 있도록 한다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 우레아 SCR시스템의 도싱 인젝터 작동을 감지하는 방법에 의하면, NOx저감을 위해 액상으로 배기관 내에 분사된 우레아(UREA)가 약 200℃ 이상의 고온의 배기가스 열에 의해 기화되면서 암모니아가 생성됨과 함께 우레아(UREA) 기화시 증발 잠열에 의해 배기가스 온도가 낮아지는 점을 이용하여 우레아 SCR시스템의 도싱 인젝터에 대한 작동 불량을 손쉽게 구별해낼 수 있는 효과를 제공한다.

Claims (2)

  1. 우레아(UREA) SCR에서 배출되는 NOx 값 및 그 촉매 온도를 기반으로 계산된 도싱량이 500g/hr 이상임을 판단하는 단계와;
    도싱량이 500g/hr 이상이면 컨트롤 유니트를 통하여 도싱 인젝터에 전기신호를 인가하여 작동되게 하는 단계와;
    상기 도싱 인젝터에 전기신호가 인가되기 전과 후의 배기가스 온도차이를 감지하여, 그 온도 저하가 20℃ 이상이면 도싱 인젝터가 정상임을 판정하는 단계와;
    배기가스 온도 저하량이 20℃ 이하이면서 SCR 후단으로 배출된 NOx 검출값이 2000ppm 이상이면 도싱 인젝터를 고장 상태로 판정하는 단계;
    로 이루어진 것을 특징으로 하는 우레아 SCR시스템의 도싱 인젝터 작동을 감지하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 도싱 인젝터를 고장 상태로 판정하게되면, 그 고정코드의 기억 및 엔진경고등의 점등이 더 진행되는 것을 특징으로 하는 우레아 SCR시스템의 도싱 인젝터 작동을 감지하는 방법.
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