KR101091628B1 - Exhaust system - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 배기 시스템은, 엔진에서 배출되는 배기가스가 통과하는 배기라인, 상기 배기라인에 설치되어 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시키는 질소산화물정화촉매, 상기 질소산화물정화촉매에 저장된 질소산화물을 탈착하여 환원시켜 제거하기 위해서 환원제를 생성을 위한 연료를 추가 분사하도록 상기 질소산화물정화촉매의 전단부에 설치되는 인젝터, 및 상기 질소산화물정화촉매가 열화된 것으로 판단되면, 설정된 운전조건에서 엔진에서 연료를 추가로 분사하여 상기 질소산화물정화촉매의 온도를 높이기 위한 급속승온을 실시하는 제어부를 포함한다.Exhaust system according to an embodiment of the present invention, the exhaust line through which the exhaust gas discharged from the engine passes, the nitrogen oxide purification catalyst which is installed in the exhaust line to reduce the nitrogen oxide contained in the exhaust gas, the nitrogen oxide purification catalyst Injector installed at the front end of the nitrogen oxide purification catalyst to further inject the fuel for generating a reducing agent in order to desorb the reduced nitrogen oxide to remove and remove the stored nitrogen oxide, and if it is determined that the nitrogen oxide purification catalyst deteriorated, set operating conditions In the engine further comprises a control unit for performing a rapid temperature increase to increase the temperature of the nitrogen oxide purification catalyst by further fuel injection.
따라서, 질소산화물정화촉매 또는 연료분해촉매의 열화도가 설정된 수치보다 높다고 판단되면, 설정된 운전조건에서, 급속승온을 실시하여 촉매의 정화효율이 신속하게 정상화된다.Therefore, when it is determined that the deterioration degree of the nitrogen oxide purification catalyst or the fuel decomposition catalyst is higher than the set value, the purification efficiency of the catalyst is quickly normalized by rapidly increasing the temperature under the set operating conditions.
2차분사, 인젝터, NOx, 연료분해촉매, DPF, DOC, 질소산화물, 정화촉매 Secondary injection, injector, NOx, fuel decomposition catalyst, DPF, DOC, nitrogen oxide, purification catalyst
Description
본 발명은 배기 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시키는 배기 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an exhaust system, and more particularly to an exhaust system for reducing nitrogen oxide contained in the exhaust gas.
일반적으로 엔진에서 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기가스는 배기 파이프의 도중에 형성된 촉매 컨버터(Catalytic converter)로 유도되어 정화되고, 머플러를 통과하면서 소음이 감쇄된 후 테일 파이프를 통해 대기 중으로 방출된다.In general, the exhaust gas discharged from the engine through the exhaust manifold is guided to a catalytic converter formed in the middle of the exhaust pipe and purified, and the noise is attenuated while passing through the muffler, and then released into the atmosphere through the tail pipe.
상기 촉매 컨버터는 배기가스에 포함되어 있는 오염물질을 처리한다. 그리고 배기 파이프 상에는 배기가스에 포함된 입자상 물질(PM)을 포집하기 위한 매연 필터가 장착된다.The catalytic converter treats pollutants contained in the exhaust gas. And a soot filter for trapping particulate matter (PM) contained in the exhaust gas is mounted on the exhaust pipe.
선택적 촉매 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 장치는 이러한 촉매 컨버터의 한 형식이다. 선택적 촉매 환원(SCR) 장치는 우레아(Urea), 암모니아(Ammonia), 일산화탄소와 탄화수소(Hydrocarbon; HC) 등과 같은 환원제가 산소와 질소산화물 중에서 질소산화물과 더 잘 반응하도록 한다는 의미에서 선택적 촉매 환원이라고 명명된다.Selective Catalytic Reduction (SCR) equipment is a type of such catalytic converter. Selective Catalytic Reduction (SCR) devices are termed selective catalytic reduction in the sense that reducing agents such as urea, ammonia, carbon monoxide and hydrocarbons (HC) react better with nitrogen oxides in oxygen and nitrogen oxides. do.
이러한 선택적 촉매 환원 장치가 장착된 내연기관 중 탄화수소(Hydrocarbon; HC)를 환원제로 사용하는 경우, 배기가스에 포함된 질소산화물의 양에 따라 탄화수소를 공급하기 위해 연료를 연속적으로 추가 분사하였다. 따라서, 탄화수소의 슬립이 발생되고 연비가 악화되었다. When using a hydrocarbon (HC) in the internal combustion engine equipped with such a selective catalytic reduction device as a reducing agent, fuel was continuously injected in order to supply hydrocarbons according to the amount of nitrogen oxide contained in the exhaust gas. Thus, slip of hydrocarbon occurs and fuel economy deteriorates.
또한, 연속적으로 환원제를 공급하는 경우, 산화/환원 반응 또한 연속적으로 일어나게 되었다. 따라서, 산화/환원 반응 시 발생되는 산화열에 의하여 촉매의 내구성이 악화되었다. In addition, when the reducing agent was continuously supplied, the oxidation / reduction reaction also occurred continuously. Therefore, the durability of the catalyst is deteriorated by the heat of oxidation generated during the oxidation / reduction reaction.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 촉매의 열화에 따라서 그 정화효율을 향상시키기 위한 제어를 수행하는 배기 시스템을 제공하는 것이다. Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an exhaust system which performs control for improving the purification efficiency according to deterioration of the catalyst.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 배기 시스템은, 엔진에서 배출되는 배기가스가 통과하는 배기라인, 상기 배기라인에 설치되어 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시키는 질소산화물정화촉매, 상기 질소산화물정화촉매에 저장된 질소산화물을 탈착하여 환원시켜 제거하기 위해서 환원제를 생성을 위한 연료를 추가 분사하도록 상기 질소산화물정화촉매의 전단부에 설치되는 인젝터, 및 상기 질소산화물정화촉매가 열화된 것으로 판단되면, 설정된 운전조건에서 엔진에서 연료를 추가로 분사하여 상기 질소산화물정화촉매의 온도를 높이기 위한 급속승온을 실시하는 제어부를 포함한다.Exhaust system according to an embodiment of the present invention for achieving this object, an exhaust line through which the exhaust gas discharged from the engine passes, a nitrogen oxide purification catalyst installed in the exhaust line to reduce the nitrogen oxide contained in the exhaust gas, The injector installed at the front end of the nitrogen oxide purification catalyst, and the nitrogen oxide purification catalyst deteriorated to further inject the fuel for generating a reducing agent in order to desorb the nitrogen oxide stored in the nitrogen oxide purification catalyst to reduce and remove it. If determined, the control unit for performing a rapid temperature increase to increase the temperature of the nitrogen oxide purification catalyst by additionally injecting fuel from the engine under the set operating conditions.
상기 제어부는, 상기 인젝터에서 연료가 추가로 분사 완료 후, 상기 연료분해촉매 또는 질소산화물정화촉매의 전후단의 온도차이가 설정된 수치 이하이면 상기 연료분해촉매 또는 질소산화물정화촉매가 열화된 것으로 판단한다.The control unit may determine that the fuel decomposition catalyst or the nitrogen oxide purification catalyst is deteriorated when the temperature difference between the front and rear ends of the fuel decomposition catalyst or the nitrogen oxide purification catalyst is less than or equal to a predetermined value after the fuel is additionally injected from the injector. .
상기 제어부는, 상기 인젝터에서 연료가 추가분사 완료 후, 상기 질소산화물정화촉매의 전후단의 산소농도 차이가 설정된 수치 이하이며, 상기 질소산화물정화촉매가 열화된 것으로 판단한다.The control unit, after the fuel is further injected in the injector, the oxygen concentration difference between the front and rear ends of the nitrogen oxide purification catalyst is less than the set value, it is determined that the nitrogen oxide purification catalyst deteriorated.
상기 설정된 운전조건은, 엔진의 재가동시 냉각수온도 또는 오일온도가 설정된 온도 이상이고, 질소산화물정화촉매의 전단온도가 설정된 온도 이하인 것을 포함한다.The set operating conditions include that the coolant temperature or the oil temperature is higher than the set temperature when the engine is restarted and the shear temperature of the nitrogen oxide purification catalyst is lower than or equal to the set temperature.
상기 질소산화물정화촉매의 전단부의 온도가 설정된 온도에 도달하면, 상기 엔진에서 추가로 연료를 분사하는 것을 중지한다.When the temperature of the front end of the nitrogen oxide purification catalyst reaches a set temperature, the engine stops injecting further fuel.
운전 중 상기 질소산화물정화촉매의 전단부의 온도가 설정된 온도 이하로 떨어지면, 상기 제어부는 상기 엔진에서 연료를 추가로 분사하여 급속승온을 실시한다.If the temperature of the front end portion of the nitrogen oxide purification catalyst during the operation falls below the set temperature, the control unit further injects fuel from the engine to rapidly increase the temperature.
상기 인젝터에서 추가로 분사된 연료를 환원제로 전환하고, 산화반응으로 후단의 온도를 상승시키는 연료분해촉매가 상기 인젝터와 상기 질소산화물정화촉매 사이에 더 설치되고, 상기 질소산화물정화촉매는, 배기가스에 포함된 질소산화물의 일부를 타지 않은 연료 또는 탄화수소를 이용하여 환원시키고, 질소산화물의 다른 일부는 내부로 확산시켜 저장하되, 상기 연료분해촉매에서 형성된 환원제를 이용하여 상기 질소산화물정화촉매에 저장된 질소산화물을 탈착시켜 환원시킨다.A fuel decomposition catalyst for converting the fuel further injected from the injector into a reducing agent and raising the temperature of the rear stage by an oxidation reaction is further provided between the injector and the nitrogen oxide purification catalyst, and the nitrogen oxide purification catalyst is an exhaust gas. Part of the nitrogen oxide contained in the reduced by using unburned fuel or hydrocarbon, and the other part of the nitrogen oxide is stored by diffusing the inside, the nitrogen stored in the nitrogen oxide purification catalyst using the reducing agent formed in the fuel decomposition catalyst The oxide is desorbed and reduced.
상기 연료분해촉매와 상기 질소산화물정화촉매 사이에 설치되어 배기가스 중 입자상 물질을 포집하여 제거하는 촉매여과필터, 및 상기 촉매여과필터의 전후단의 압력차이를 감지하여 상기 촉매여과필터에 포집된 입자상물질의 양을 감지하는 차압센서를 더 포함한다.A catalyst filtration filter installed between the fuel decomposition catalyst and the nitrogen oxide purification catalyst to collect and remove particulate matter in exhaust gas, and the particulate matter collected in the catalyst filtration filter by detecting a pressure difference between front and rear ends of the catalyst filtration filter. It further comprises a differential pressure sensor for sensing the amount of material.
상기 제어부는, 상기 연료분해촉매 또는 질소산화물정화촉매가 열화된 것으로 판단되고, 설정된 운전조건이 만족되면 상기 엔진에서 연료를 추가로 분사함으로써 상기 질소산화물정화촉매의 온도를 높이는 급속승온을 실시한다.The controller determines that the fuel decomposition catalyst or the nitrogen oxide purification catalyst is deteriorated, and when the set operating condition is satisfied, the controller performs rapid temperature increase to increase the temperature of the nitrogen oxide purification catalyst by additionally injecting fuel from the engine.
상기 제어부는, 상기 인젝터에서 연료가 추가분사 완료 후, 상기 연료분해촉매의 전후단의 온도차이가 설정된 수치 이하이면 상기 연료분해촉매가 열화된 것으로 판단한다.The control unit determines that the fuel decomposition catalyst is deteriorated if the temperature difference between the front and rear ends of the fuel decomposition catalyst is less than or equal to a set value after the fuel has been further injected in the injector.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 질소산화물정화촉매 또는 연료분해촉매의 열화도가 설정된 수치보다 높다고 판단되면, 설정된 운전조건에서, 급속승온을 실시하여 촉매의 정화효율이 신속하게 정상화된다.As described above, according to the present invention, if it is determined that the degree of deterioration of the nitrogen oxide purification catalyst or the fuel decomposition catalyst is higher than the set value, the purification efficiency of the catalyst is quickly normalized by rapidly increasing the temperature under the set operating conditions.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기 시스템의 개략적인 구성도이다.1 is a schematic structural diagram of an exhaust system according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 배기시스템은 엔진(100), 제어부(110), 인젝터(120), 연료분해촉매(130), 촉매여과필터(140), 배기라인(150), 질소산화물정화촉매(160), 제1 산소센서(170a), 제2산소센서(170b), 제1온도센서(180a), 제2온도센서(180b), 제3온도센서(180c), 제4온도센서(180d), 및 차압센서(190)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the exhaust system includes an engine 100, a
상기 엔진(100) 내부에는 연료를 실린더 내로 연료를 분사하거나 흡기공기로 연료를 분사하는 별도의 인젝터(미도시)를 구비한다.The engine 100 is provided with a separate injector (not shown) for injecting fuel into the cylinder or injecting fuel into the intake air.
상기 엔진(100)에서 배출되는 연소가스는 상기 배기라인(150)을 통해서 배출되고, 상기 배기라인(150)에는 상기 인젝터(120), 상기 연료분해촉매(130), 상기 촉매여과필터(140), 상기 질소산화물정화촉매(160)가 순차적으로 배치된다.Combustion gas discharged from the engine 100 is discharged through the
상기 배기라인(150)에는 상기 엔진(100)과 상기 인젝터(120) 사이에 제1산소센서(170a)와 제1온도센서(180a)가 배치되고, 상기 연료분해촉매(130)와 상기 촉매여과필터(140) 사이에 상기 제2온도센서(180b)가 배치된다. In the
아울러, 상기 질소산화물정화촉매(160)의 입구측과 출구측에 각각 상기 제3온도센서(180c)와 상기 제4온도센서(180d)가 배치되고, 상기 제2산소센서(170b)는 상기 제4온도센서(180d)의 하류측에 배치된다.In addition, the
상기 차압센서(190)는 상기 촉매여과필터(140) 전후단 사이에 압력차이를 감지한다.The
상기 제1,2산소센서(170a, 170b), 상기 제1,2,3,4온도센서(180a, 180b, 180c, 180d), 및 상기 차압센서(190)에서 감지된 신호는 상기 제어부(110)에 전달되어, 상기 인젝터(120) 및 상기 엔진(100)은 그 전달된 신호에 따라서 제어된다.Signals detected by the first and
상기 질소산화물정화촉매(160)는 상기 엔진(100)에서 배출되는 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 흡장하고, 상기 인젝터(120)에서 추가로 분사된 연료에 의해서 상기 연료분해촉매(130)에서 생성된 환원제를 이용하여 탈착되어 환원된다.The nitrogen
즉, 상기 질소산화물정화촉매(160)에 흡장된 질소산화물을 탈착하여 환원시키기 위해서, 상기 배기라인(150)에 설치된 상기 인젝터(120)를 이용하여 연료를 추가분사하고, 상기 연료분해촉매(130)는 HC, CO, H2 등과 같은 환원제를 생성한다. 이 환원제를 이용하여 상기 질소산화물정화촉매(160)가 재생되는 것이다.That is, in order to desorb and reduce the nitrogen oxide stored in the nitrogen
한편, 엔진의 운전시간이 경과함에 따라서, 상기 질소산화물정화촉매(160) 또는 상기 연료분해촉매(130)의 열화도(deterioration rate)가 증가하여 정화효율이 감소하는 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명의 실시예에서, 상기 질소산화물정화촉매(160) 또는 상기 연료분해촉매(130) 열화도에 따라서 재시동시 운전조건에 따라서 배기가스의 온도를 급속 승온시켜, 상기 질소산화물정화촉매(160) 또는 상기 연료분해촉매(130)의 기능을 초기에 정상화시킨다.On the other hand, in order to solve the problem that the deterioration rate (deterioration rate) of the nitrogen
도 1을 참조하면, 상기 촉매여과필터(140)는 배기가스에 포함된 입자상 물질(Particulate Materials; PM)을 포집하고, 설정된 조건에서 제거한다.Referring to FIG. 1, the
상기 제어부(110)는 상기 차압센서(190)에서 측정된 압력 차이가 설정값 이상인 경우 상기 촉매여과필터(140)를 재생하도록 제어할 수 있다. 이 경우, 연소실 내 후분사 또는 상기 인젝터(120)에서 연료를 후분사함으로써 상기 촉매여과필터(140) 내부에 포집된 수트(soot)를 연소시킬 수 있다. The
상기 질소산화물정화촉매(160)에 저장된 질소산화물과 배기가스 내의 HC의 비율이 맵데이터에 설정되고, 상기 제어부(110)는 실제 운전조건에서 NOx 대비 HC의 비율과 맵데이터에서 설정된 값을 비교하여, 그 값이 설정된 값 이하인 경우 상 기 인젝터(120)를 작동시켜 상기 배기가스 내로 연료를 추가로 분사한다.The ratio of nitrogen oxide stored in the nitrogen
상기 연료분해촉매(130)는 촉매 반응을 통해 연료 내에 포함된 탄소화합물의 체인 고리를 끊어 분해시킨다. 즉, 상기 연료분해촉매(130)는 연료를 분해하는 Thermal Cracking 기능을 통해 탄화수소를 구성하는 연결 고리를 끊어 분해하게 된다. 여기서, Thermal Cracking은 하기와 같은 절차를 거쳐 진행되게 된다.The
C16H34 → 2n-C8H17* → n-C6H13* → n-C4H9* → C2H5* → C2H4 C 16 H 34 → 2n-C 8 H17 * → nC 6 H 13 * → nC 4 H 9 * → C 2 H 5 * → C 2 H 4
C16H34 → 8C2H4 + H2, *는 라디칼을 의미.C 16 H 34 → 8C 2 H 4 + H 2 , * denotes a radical.
또한, 상기 연료분해촉매(130)는 탄화수소 중 일부를 산소와 결합된 탄화수소로 변환하여 상기 인젝터(120)에서 분사된 연료를 활성화시킨다. In addition, the
아울러, 상기 연료분해촉매(130)는 액적 상태로 분사되어 증발된 연료를 고 반응성 환원제로 변환하는 동시에, 산화반응으로 산소의 농도를 감소시키고 배기가스의 온도를 상승시키는 기능도 한다. 촉매성분으로써는 Pt, Pd, Rh 가 사용된다.In addition, the
상기 질소산화물정화촉매(160)의 후단부에는 질소산화물감지센서가 구비될 수 있고, 상기 질소산화물감지센서는 배기가스 내의 질소산화물의 양을 검출하고 이에 대한 신호를 상기 제어부에 전달 할 수 있다. A nitrogen oxide detection sensor may be provided at a rear end of the nitrogen
한편, 본 발명의 실시예에서, 상기 질소산화물감지센서를 사용하는 대신, 실험값에 의하여 정해진 맵으로부터 그 저장량을 예측하는 것이 바람직하다.On the other hand, in the embodiment of the present invention, instead of using the nitrogen oxide detection sensor, it is preferable to predict the storage amount from the map determined by the experimental value.
상기 제어부(110)는 각 센서들에서 검출된 신호 및 맵자료들을 기초로 연료의 추가 분사량 및 추가 분사 시기를 제어함으로써 상기 질소산화물정화촉매(160) 에 저장된 질소산화물을 탈착하여 제거한다. The
일 예로, 상기 제어부(110)는 상기 질소산화물정화촉매(160)에 저장된 질소산화물이 설정된 값 이상인 경우에는 연료를 추가 분사하도록 제어 한다. As an example, the
여기서, 상기 제어부(110)는 상기 질소산화물정화촉매(160)에 저장된 질소산화물이 이탈되어 용이하게 환원되도록 질소산화물(NOx)에 대한 탄화수소(HC)의 비율이 설정된 비율 이상이 되도록 제어한다. 상기 설정된 비율은 8일 수 있다. Here, the
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배기 시스템의 제어 플로우차트이다.2 is a control flowchart of an exhaust system according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 배기 시스템은 제0단계(S00), 제1단계(S01), 제2단계(S02), 제3단계(S03), 제4단계(S04), 제5단계(S05), 제6단계(S06), 및 제7단계(S07)와 관련된 제어를 실시한다.Referring to FIG. 2, the exhaust system includes step 0 (S00), step 1 (S01), step 2 (S02), step 3 (S03), step 4 (S04), and step 5 (S05). Then, control associated with the sixth step S06 and the seventh step S07 is performed.
상기 제0단계(S00)에서, 시동이 감지되고 제어가 시작된다. 상기 제1단계(S01)에서, 운전조건이 감지되는데, 상기 운전조건은 흡입공기량, 연료분사량, 회전수, EGR율, 토크, 냉각수온, 오일온도, 및 외기온도를 포함한다.In the 0th step S00, start-up is detected and control starts. In the first step S01, an operating condition is sensed. The operating condition includes an intake air amount, a fuel injection amount, a rotation speed, an EGR rate, a torque, a cooling water temperature, an oil temperature, and an outside air temperature.
상기 제2단계(S02)에서, 촉매재생조건이 감지된다. 상기 촉매재생조건은 상기 질소산화물정화촉매(160)의 재생조건, 상기 촉매여과필터(140)의 재생조건, 또는 상기 질소산화물정화촉매(160)의 탈황조건을 포함한다.In the second step S02, catalyst regeneration conditions are sensed. The catalyst regeneration conditions include regeneration conditions of the nitrogen
상기 제2단계(S02)에서, 상기 질소산화물정화촉매(160), 상기 촉매여과필터(140)의 재생조건이 만족되면, 상기 제3단계(S03)에서, 상기 배기라인(150)에 설치된 상기 인젝터(120)가 작동되어 연료가 추가로 분사된다.In the second step (S02), if the regeneration conditions of the nitrogen
연료가 추가로 분사되면, 상기 제4단계(S04)에서, 상기 질소산화물정화촉 매(160) 또는 상기 연료분해촉매(130)의 열화도가 판단된다. When the fuel is further injected, the deterioration degree of the nitrogen
상기 질소산화물정화촉매(160)의 열화도를 판단하는 방법에 대해서, 상세하게 설명하면, 연료가 추가로 분사 완료 후에, 상기 제1,2,3,4온도센서(180a, 180b, 180c, 180d)를 이용하여 상기 연료분해촉매(130)와 질소산화물정화촉매(160)의 전후단의 온도차를 연산한다. 그 다음, 그 온도차가 설정된 수치보다 작으면, 상기 연료분해촉매(130)와 질소산화물정화촉매(160)가 열화된 것으로 판단한다.A method of determining the degree of deterioration of the nitrogen
아울러, 본 발명의 실시예에서는, 상기 배기라인(150)에 설치된 상기 제1,2산소센서(170a, 170b)를 이용하여 상기 연료분해촉매(130) 또는 상기 질소산화물정화촉매(160)의 열화도를 판단하는데, 상기 제1,2산소센서(170a, 170b)에서 산소의 농도를 감지하고, 그 차이가 설정된 수치 이하일 때, 상기 질소산화물정화촉매(160) 또는 상기 연료분해촉매(130)가 열화된 것으로 판단한다.In addition, in the embodiment of the present invention, deterioration of the
상기 질소산화물정화촉매(160)나 상기 연료분해촉매(130)가 초기에는 산화능력이 높아서, 전후단 온도차이가 설정된 수치보다 크고, 산소와의 반응성도 높아서 전후단 산소농도의 차이가 설정된 수치보다 크다. 그러나, 상기 촉매들(130, 160)이 열화되면 산화능력이 저하되고, 산소와의 반응성이 낮아진다.The nitrogen
상기 제4단계(S04)에서, 상기 촉매들 중 적어도 하나가 열화된 것으로 판단되면, 상기 제5단계(S05)에서 급속승온을 실시하도록 프로그램되고, 열화되지 않으면, 상기 제6단계(S06)에서 급속승온을 실시하지 않는 것으로 프로그램되어, 상기 제7단계(S07)에서, 엔진은 정상적으로 운전된다.In the fourth step S04, if it is determined that at least one of the catalysts is deteriorated, it is programmed to perform a rapid temperature increase in the fifth step S05, and if it is not deteriorated, in the sixth step S06 It is programmed not to perform rapid temperature increase, and in the seventh step S07, the engine is normally operated.
상기 제5단계(S05)에서, 바로 급속승온이 실시되지는 않고, 재시동 후 설정 된 운전조건에서 급속승온이 실시된다.In the fifth step (S05), the rapid rise in temperature is not immediately performed, the rapid rise in the operating conditions set after restarting.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배기 시스템의 제어 플로우차트이다.3 is a control flowchart of an exhaust system according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 배기 시스템은 제8단계(S08), 제9계(S09), 제10단계(S10), 제11단계(S11), 제12단계(S12), 제13단계(S13), 및 제14단계(S14)와 관련된 제어를 실시한다.Referring to FIG. 3, the exhaust system includes the eighth step S08, the ninth system S09, the tenth step S10, the eleventh step S11, the twelfth step S12, and the thirteenth step S13. , And control associated with the fourteenth step S14.
상기 제5단계(S05)에서, 급속승온이 판정되고, 상기 엔진(100)의 운전이 종료된 후, 상기 제8단계(S08)에서 상기 엔진(100)의 재시동이 감지된다.In the fifth step S05, the rapid temperature rise is determined, and after the operation of the engine 100 ends, the restart of the engine 100 is sensed in the eighth step S08.
상기 제9단계(S09)에서, 상기 엔진(100)의 운전조건이 감지된다. 아울러, 상기 질소산화물정화촉매(160)의 입구온도가 감지된다.In the ninth step S09, an operating condition of the engine 100 is detected. In addition, the inlet temperature of the nitrogen
상기 엔진(100)의 운전조건은 흡입공기량, 연료분사량, 회전수, EGR율, 토크, 냉각수온, 엔진오일온도, 및 외부온도를 포함한다. 여기서, 냉각수온도 또는 엔진오일온도가 설정된 온도보다 높고, 질소산화물정화촉매(160) 입구온도가 설정된 온도보다 낮으면, 상기 제11단계(S11)에서 급속승온이 실시된다.The operating conditions of the engine 100 include intake air amount, fuel injection amount, rotation speed, EGR rate, torque, cooling water temperature, engine oil temperature, and external temperature. Here, when the coolant temperature or the engine oil temperature is higher than the set temperature, and the inlet temperature of the nitrogen
상기 제11단계(S11)에서와 같이, 급속승온이 실시된 후, 상기 제12단계(S12)에서, 상기 질소산화물정화촉매(160)의 상기 입구온도가 설정된 온도 이하로 내려가면, 상기 엔진(100)에서 설정된 수치보다 연료를 추가로 분사한다. As in the eleventh step S11, after the rapid temperature increase is performed, in the twelfth step S12, when the inlet temperature of the nitrogen
상기 제13단계(S13)에서, 상기 질소산화물정화촉매(160)의 입구온도가 설정된 온도 이상으로 높아지면, 상기 제14단계(S14)에서, 급속승온을 중단한다. 즉, 상기 엔진(100)에서 추가로 연료를 분사하지 않는다.In the thirteenth step S13, when the inlet temperature of the nitrogen
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 질소산화물정화촉매(160)는 담체에 코팅된 제1,2촉매층(444, 446)을 포함한다. 상기 제1촉매층(444)은 배기가스에 근접하여 배치되며, 상기 제2촉매층(446)은 담체에 근접하여 배치된다. As shown in FIGS. 4 and 5, the nitrogen
상기 제1촉매층(444)은 배기가스에 포함된 질소산화물을 산화시키고, 산화된 질소산화물의 일부를 타지 않은 연료 또는 배기가스에 포함된 탄화수소와의 산화/환원 반응에 의하여 환원시킨다. The
또한, 산화된 질소산화물의 다른 일부는 상기 제2촉매층(446)으로 확산된다. 도 4, 도 5, 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1촉매층(444)은, 제올라이트촉매(412)와 다공성 알루미나에 담지된 금속촉매(414)중 적어도 하나를 포함할 수 있다. In addition, another portion of the oxidized nitrogen oxide is diffused into the
상기 제올라이트촉매(412)는 구리, 백금, 망간, 철, 코발트, 니켈, 아연, 은, 세륨, 갈륨 중 적어도 하나 이상의 원소가 이온 교환된 촉매이다. 상기 제올라이트촉매(412)에서 일어나는 화학 반응은 하기와 같다.The
Z-Cu2+O- + NO → Z-Cu2+(NO2 -)ads → Z-Cu2+ + NO2 Z-Cu 2+ O - + NO → Z-
Z+O- + NO → Z+(NO2 -)ads → Z+ + NO2 Z + O - + NO → Z + (NO 2 -) ads → Z + +
Z-Cu2+(NO2 -)ads + NO → Z-Cu2+(N2O3)- ads → Z-Cu2+O- +N2 +O2 Z-Cu 2+ (NO 2 - ) ads + NO → Z-
Z-H+ + CnH2n → Z-CnH2n+1 + → n(Z-H) + CnH2n + ZH + + C n H 2n → ZC n H 2n + 1 + → n (ZH) + C n H 2n +
mNO2 + CnH2n+ → CnH2nNmO2m → N2 + CO2 + H2OmNO 2 + C n H 2n + → C n H 2n N m O 2m → N 2 + CO 2 + H 2 O
여기에서, Z는 제올라이트를 의미하고, 아래첨자 ads는 흡착을 의미한다. Here, Z means zeolite and subscript ads means adsorption.
또한, 상기 다공성 알루미나에 담지된 금속촉매(414)로는 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄, 텅스텐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 구리, 아연, 은 중 적어도 하나 이상의 금속이 사용될 수 있다. 상기 다공성 알루미나에 담지된 금속촉매(414)에서 일어나는 화학 반응은 아래와 같다. In addition, at least one metal of platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium, tungsten, chromium, manganese, iron, cobalt, copper, zinc, and silver may be used as the
NO + O2 → (NOx)ads NO + O 2 → (NO x ) ads
THC + (NOx)ads → THC-ONO or THC-NO2 THC + (NO x ) ads → THC-ONO or THC-NO 2
THC-NO2 → THC-NCO THC-NO 2 → THC-NCO
THC-NCO + NO + O2 → N2 + CO2 + H2OTHC-NCO + NO + O 2 → N 2 + CO 2 + H 2 O
여기에서, THC는 탄화수소를 의미한다. 앞에서 언급한 바와 같이, 탄화수소는 배기가스와 연료에 포함된 탄소와 수소로 구성된 화합물을 모두 나타내는 것으로 한다.Here, THC means hydrocarbon. As mentioned above, hydrocarbons are intended to represent compounds composed of carbon and hydrogen contained in exhaust gases and fuels.
상기 제2촉매층(446)은 상기 제1촉매층(444)에서 산화된 질소산화물의 일부를 저장하고, 설정된 조건에 따라 추가 분사되는 연료에 의하여 상기 저장된 질소산화물을 탈착하여 상기 제1촉매층(444)에서 환원되도록 한다. The
앞에서 언급한 바와 같이, 설정된 조건은 상기 제1촉매층(444)에서 질소산화물의 환원 반응이 활성화되도록 상기 제2촉매층(446)에 저장된 질소산화물이 맵데이타에서 설정된 값 이상인 경우로 한다. As mentioned above, the set condition is a case where the nitrogen oxide stored in the
상기 제2촉매층(446)은 귀금속(408)과 질소산화물저장물질(406)을 포함한다. 질소산화물저장물질(406)로는 산화 바륨(BaO)이 사용될 수 있다. 상기 귀금속(408)은 질소산화물저장물질(406)이 질소산화물을 저장하는 것을 촉진시킨다. 상기 귀금속(408)으로는 백금, 팔라듐 등 다양한 금속 물질이 사용될 수 있다. The
이하, 본 발명의 작동 원리를 상세히 설명한다. Hereinafter, the operating principle of the present invention will be described in detail.
질소산화물 저장 모드NOx storage mode
상기 제2촉매층(446)에 저장된 질소산화물이 설정된 수치보다 작은 경우에는, 배기가스에 포함된 질소산화물은 제1촉매층(444)에서 산화되고, 산화된 질소산화물의 일부는 배기가스에 포함된 탄화수소와 산화/환원 반응을 하여 질소 기체로 환원되고, 다른 일부는 상기 제2촉매층(446)에 저장된다. 이 과정에서, 배기가스에 포함된 탄화수소는 이산화 탄소로 산화된다. 상기 제1촉매층(444)에서 일어나는 반응은 하기의 식과 같이 간략하게 표현된다.When the nitrogen oxide stored in the
NO + 1/2O2 → NO2 NO + 1 / 2O 2 → NO 2
NO + HC → 1/2N2 + CO2 NO + HC → 1 / 2N 2 + CO 2
또한, 산화된 질소산화물의 다른 일부와 배기가스에 포함된 질소산화물이 상기 제2촉매층(446)으로 확산되어 저장될 때, 상기 제2촉매층(446)의 귀금속(408)은 질소산화물저장물질(406)이 질소산화물을 저장하는 것을 촉진시킨다. 상기 제2촉매층(446)에서 일어나는 반응은 하기의 식과 같이 간략하게 표현된다.In addition, when another portion of the oxidized nitrogen oxide and nitrogen oxide included in the exhaust gas are diffused and stored in the
BaO + 2NO2 + 1/2O2 → Ba(NO3)2 BaO + 2NO 2 + 1 / 2O 2 → Ba (NO 3 ) 2
질소산화물 재생 모드NOx Regeneration Mode
상기 제2촉매층(446)에 저장된 질소산화물이 설정된 값 이상인 경우, 상기 제어부(110)는 상기 제2인젝터(120)로 하여금 연료의 추가 분사를 수행한다. 추가 분사된 연료는 상기 연료분해촉매(130)(DFC)을 통과하고, 이 과정에서 연료가 저분자의 탄화수소로 쪼개져 변환된다. 또한, 저분자의 탄화수소의 일부는 산소와 결합된 탄화수소로 변환되어 상기 질소산화물정화촉매(160)를 통과한다. When the nitrogen oxide stored in the
이 때, 상기 제2촉매층(446)에서는 질소산화물이 상기 탄화수소와 치환 반응을 통하여 탈착되며 이는 하기의 식과 같이 간략하게 표현된다. At this time, in the
Ba(NO3)2 + 3CO → BaCO3 + 2NO + 2CO2 Ba (NO 3 ) 2 + 3CO → BaCO 3 + 2NO + 2CO 2
또한, 제1촉매층(444)에서는 상기 제2촉매층(446)에서 탈착된 질소산화물과 탄화수소/산소와 결합한 탄화수소 사이의 산화/환원 반응에 의하여 질소산화물은 질소 기체로 환원되고 탄화수소/산소와 결합한 탄화수소는 이산화 탄소로 산화된다. 이는 하기의 식과 같이 간략하게 표현된다.In addition, in the
NO + HC/Oxygenated HC = 1/2N2 + CO2 NO + HC / Oxygenated HC = 1 / 2N 2 + CO 2
전술한 바와 같이, 배기가스에 포함된 질소산화물과 탄화수소가 정화된다. As described above, nitrogen oxides and hydrocarbons contained in the exhaust gas are purified.
본 발명의 실시예에서는 연료의 추가 분사가 연속적으로 수행되는 대신, 상기 제어부(110)는 배기가스 내의 HC/NOx의 비율이 미리 설정된 값 이하일 때 상기 제2인젝터(120)에서 연료의 추가 분사를 수행된다. 따라서, 운전조건에 따라서 최적화된 조건에서 연료가 추가 분사되기 때문에 탄화수소의 슬립이 방지되고 연비가 향상된다.In the embodiment of the present invention, instead of continuously performing further injection of fuel, the
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, And all changes to the scope that are deemed to be valid.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기 시스템의 개략적인 구성도이다.1 is a schematic structural diagram of an exhaust system according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배기 시스템의 제어 플로우차트이다.2 is a control flowchart of an exhaust system according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배기 시스템의 제어 플로우차트이다.3 is a control flowchart of an exhaust system according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배기 시스템에 질소산화물이 저장되는 경우를 도시한 개략도이다.4 is a schematic diagram illustrating a case where nitrogen oxide is stored in an exhaust system according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배기 시스템에서 질소산화물이 탈착되는 경우를 도시한 개략도이다.5 is a schematic diagram illustrating a case where nitrogen oxide is desorbed in an exhaust system according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
100: 엔진100: engine
110: 제어부110: control unit
120: 인젝터120: injector
130: 연료분해촉매(DFC: diesel fuel cracking)130: diesel fuel cracking (DFC)
140: 촉매여과필터(DPF: diesel particulate filter)140: diesel particulate filter (DPF)
150: 배기라인150: exhaust line
160: 질소산화물정화촉매(NOx trap)160: nitrogen oxide purification catalyst (NOx trap)
170a, 170b: 제1,2산소센서170a, 170b: first and second oxygen sensors
180a, 180b, 180c, 180d: 제1,2,3,4온도센서180a, 180b, 180c, 180d: first, second, third and fourth temperature sensors
190: 차압센서190: differential pressure sensor
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