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KR101500349B1 - Ｌｎｔ촉매의 열화 감지장치 및 방법 - Google Patents

Ｌｎｔ촉매의 열화 감지장치 및 방법 Download PDF

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KR101500349B1
KR101500349B1 KR1020090120090A KR20090120090A KR101500349B1 KR 101500349 B1 KR101500349 B1 KR 101500349B1 KR 1020090120090 A KR1020090120090 A KR 1020090120090A KR 20090120090 A KR20090120090 A KR 20090120090A KR 101500349 B1 KR101500349 B1 KR 101500349B1
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현대자동차 주식회사
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Abstract

본 발명은 LNT(Lean NOx Trap)촉매의 모니터링 방법으로, LNT촉매에 흡장된 NOx를 질소로 환원시키는 농후모드(Rich Mode)의 운전에서 NOx 재생에 사용된 환원제와 NOx재생에 사용되지 않고 LNT촉매의 후단으로 슬립(Slip)되는 환원제의 비를 통해 LNT촉매의 열화 여부를 감지하는 것이다.
본 발명은 LNT촉매에 흡장된 NOx를 환원시키는 운전모드에서 제1,2람다센서의 신호를 검출하는 과정, 제1,2람다센서의 신호에서 NOx 환원에 소모된 환원제 양과 반응되지 않고 슬립되는 환원제 양을 검출하는 과정, 상기 소모된 환원제 양과 슬립되는 환원제 양을 이용하여 환원제의 슬립비를 연산하는 과정, 상기 연산된 환원제의 슬립비와 임계값을 비교하여 LNT촉매의 열화 여부를 진단하는 과정을 포함한다.
LNT촉매, 환원제, 농후모드, 열화감지, 슬립비, 람다센서

Description

ＬＮＴ촉매의 열화 감지장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING AGED OF LEAN NOx TRAP CATALYST}
본 발명은 LNT(Lean NOx Trap)촉매의 모니터링 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 LNT촉매에 흡장된 NOx를 질소로 환원시키는 농후모드(Rich Mode)의 운전에서 NOx 재생에 사용된 환원제와 NOx재생에 사용되지 않고 LNT촉매의 후단으로 슬립(Slip)되는 환원제의 비를 통해 LNT촉매의 열화 여부를 감지하도록 하는 LNT촉매의 열화 감지장치 및 방법에 관한 것이다.
차량의 엔진에서 배출되는 배기가스에는 다양한 유해물질이 포함되어 있으므로, 이러한 유해물질을 정화시켜 에미션(E/M)을 안정화시키기 위한 다양한 형태의 촉매가 장착된다.
디젤엔진에 대한 배기가스 규제에 따라 NOx 저감을 위해 NSC(NOx Storage Catalyst)를 적용한 LNT촉매가 적용되고 있다.
LNT촉매는 NOx 흡장촉매와 산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst : DOC)가 하나의 담체에 구성되며, 희박모드(Lean Mode)의 운전에서 촉매담층(Wash coat)에 NOx를 흡장하고, 농후모드의 운전에서 디젤 연료를 환원제로 활용하여 흡장된 NOx 를 인체에 무해한 질소로 환원시켜 정화한다.
상기 LNT촉매는 대략적으로 200℃ 내지 500℃의 활성온도 범위에서 70 ~ 80% 이상의 매우 높은 NOx 정화효율을 갖는다.
통상적으로 디젤엔진은 엔진에 투입되는 공기가 이론 당량비의 공기보다 많은 상태인 희박모드로 운전되며, 희박모드의 운전에서 발생되는 NOx는 NSC인 LNT촉매에 흡장된다.
그리고, LNT촉매에 흡장된 NOx를 인체에 무해한 질소로 환원시키기 위하여 스로틀 밸브를 일정량 닫음으로써 투입 공기를 감소시키고, 후연소를 추가로 유도하여 농후모드의 운전으로 전환한다.
농후모드와 희박모드의 운전을 위해 LNT촉매의 전/후단에 설치되는 람다센서 혹은 NOx 센서의 신호를 이용하고 있으나, 고가의 NOx센서 비용으로 인하여 람다센서를 이용하여 목표 공연비를 추종하는 방식이 적용된다.
LNT촉매에 흡장된 NOx가 일정량의 수준에 도달하면 농후모드의 운전으로 전환되면서 LNT촉매의 전단에 설치된 람다센서의 신호를 기준으로 하여 0.92 ~ 0.94 수준에서 NOx 재생 제어를 시작하며, 농후모드의 운전에서 생성된 HC, CO, H2와 같은 환원제는 LNT촉매에 흡장된 NOx를 N2로 환원시키는 역할을 한다.
LNT촉매는 NOx의 환원에 따라 흡장된 NOx량은 점차 감소하게 되고, 반응물이 점차 줄어들면서 농후모드가 지속될수록 슬립되는 환원제의 양도 증가하게 된다.
이에 따라 LNT촉매의 후단에 설치된 람다센서에서 검출되는 값은 점차적으로 LNT촉매의 전단에 설치된 람다센서에서 검출되는 값에 수렴을 하게 되면서, LNT촉 매의 후단에서 환원제가 슬립되고 있음을 나타내게 된다.
정상적인 LNT촉매와 대비하여 열화 및 황피독이 진행된 LNT촉매의 경우 NOx 정화율이 점차 감소하게 되고, 그에 따라 LNT촉매의 후단으로 슬립되는 환원제의 양은 증가하게 된다.
통상적으로 LNT촉매(200)는 열화가 진행됨에 따라 NOx 정화율이 감소되는데, 도 4에 도시된 바와 같이 LNT촉매(200)가 정상적인 상태인 경우 농후모드의 운전에서 LNT촉매(200)로 유입되는 환원제는 상당량(a)이 NOx의 환원(재생)에 사용되고, LNT촉매(200)의 후단으로 슬립되는 환원제(b)는 일부의 양에 해당된다.
그러나, LNT촉매(200)가 열화된 경우 농후모드의 운전에서 LNT촉매(200)로 유입되는 환원제는 일부분의 양(a)만이 NOx의 환원(재생)에 사용되고, LNT촉매(200)의 후단으로 슬립되는 환원제(b)는 상당양으로 증가된다.
따라서, OBD-Ⅱ의 규제에서는 LNT촉매의 열화를 모니터링 하도록 하고 있으며, 규제를 만족시키지 못하는 경우 벌금을 부과하고 있다.
종래의 차량에서는 LNT 촉매의 전/후단에 설치된 고가의 NOx센서 정보를 이용하여 LNT촉매의 정화율을 판정하고, 정화율에 따라 LNT촉매의 열화여부를 판정하는 방법을 적용하고 있어 LNT촉매의 열화 판정에 신뢰성이 결여되는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 LNT촉매에 흡장된 NOx를 질소로 환원시키는 모드의 운전에서 LNT촉매의 전단 및 후단 에 설치된 람다센서의 정보로부터 NOx 재생에 사용된 환원제의 양과 NOx재생에 사용되지 않고 LNT촉매의 후단으로 슬립되는 환원제의 양을 검출하고, 이들 환원제 양의 비를 분석하여 LNT촉매의 열화 여부를 감지하도록 하는 것이다.
상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명의 특징에 따른 LNT촉매의 열화 감지장치는, 희박모드에서 NOx를 흡장하고, NOx를 환원제와 반응시켜 NOx를 재생시키는 LNT촉매; 농후모드에서 LNT촉매 전/후단의 람다값을 검출하는 제1,2람다센서; 상기 제1,2람다센서의 신호를 이용하여 NOx 환원에 소모된 환원제 양과 슬립되는 환원제 양을 검출하여 슬립비를 산출하고, 슬립비에 따라 LNT촉매의 열화 여부를 판정하는 제어부를 포함한다.
또한, 본 발명의 특징에 따른 LNT촉매의 열화 감지방법은, LNT촉매에 흡장된 NOx를 환원시키는 운전모드에서 제1,2람다센서의 신호를 검출하는 과정; 제1,2람다센서의 신호에서 NOx 환원에 소모된 환원제 양과 반응되지 않고 슬립되는 환원제 양을 검출하는 과정; 상기 소모된 환원제 양과 슬립되는 환원제 양을 이용하여 환원제의 슬립비를 연산하는 과정; 상기 연산된 환원제의 슬립비와 임계값을 비교하여 LNT촉매의 열화 여부를 진단하는 과정을 포함한다.
전술한 구성에 의하여 본 발명은 농후모드의 운전에서 NOx의 재생에 반응하는 환원제 양과 슬립되는 환원제 양의 슬립비를 분석하여 LNT촉매의 열화 여부를 진단함으로써, OBD-Ⅱ의 규제를 만족시켜 차량의 운행에 안정성 및 신뢰성을 제공 하는 효과가 있다.
아래에서는 첨부된 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 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 LNT촉매의 열화 감지장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명은 차량의 동력원인 엔진(100)과, 공기량센서(110), LNT촉매(200), 제1람다센서(210), 제2람다센서(220), 온도센서(230) 및 제어부(300)를 포함한다.
공기량센서(110)는 흡기 매니폴더의 소정 위치에 장착되어 엔진(100)이 시동 온을 유지하는 상태에서 엔진(100)에 흡입되는 공기량을 검출하여 그에 대한 정보를 제어기(300)에 제공한다.
LNT촉매(200)는 NOx 흡장촉매와 산화촉매가 하나의 담체에 구성되어, 희박모드의 운전에서 촉매 담층에 NOx를 흡장하여 저장하고, 농후모드의 운전에서 공급되는 환원제와 반응하여 흡장된 NOx를 인체에 무해한 질소로 환원시켜 정화한다.
제1람다센서(210)는 NOx를 환원시키는 농후모드의 운전에서 LNT촉매(200) 전단의 람다값을 검출하여 그에 대한 정보를 제어기(300)에 제공한다.
제2람다센서(220)는 NOx를 환원시키는 농후모드의 운전에서 LNT촉매(200) 후단의 람다값을 검출하여 그에 대한 정보를 제어기(300)에 제공한다.
제어부(300)는 공기량센서의 정보로부터 농후모드의 연료 분사량을 산출하여 제어하고, 연료 분사량으로부터 배기가스의 유량을 추정하며, 온도센서(230)에서 검출되는 LNT촉매(200)의 온도를 분석하여 LNT촉매(200)의 활성화가 이루어졌는지를 판단한다.
상기 제어부(300)는 LNT촉매(200)의 활성화가 이루어진 상태이고 농후모드의 운전이 진행되어 HC, CO 등의 환원제가 공급되는 경우 제1람다센서(210)와 제2람다센서(220)의 람다값을 검출하며, 환원제의 양은 람다값에 비례하므로 제1람다센서(210)를 통해 검출되는 람다값(λ=1)에서 제2람다센서(220)의 람다값을 차 연산하여 LNT촉매(200) 후단으로 슬립되는 환원제의 양을 산출한다.
그리고, 제2람다센서(220)를 통해 검출되는 람다값에서 제1람다센서(210)에서 검출되는 람다값을 차 연산하여 LNT촉매(200)에서 NOx의 환원에 소모된 환원제의 양을 산출한다.
상기와 같이 LNT촉매(200)에서 NOx의 환원에 소모된 환원제 양과 LNT촉매(200)의 후단으로 슬립되는 환원제 양이 산출되면 환원제의 슬립량을 환원제의 공급량(소모량 + 슬립량)으로 나누어 슬립비를 산출하며, 슬립비가 설정된 임계값을 초과하면 LNT촉매(200)의 NOx 정화율이 감소된 상태이므로 LNT촉매(200)를 열화로 판정하고, 슬립비가 설정된 임계값 미만이면 LNT촉매(200)의 NOx 정화율은 정상을 유지하는 것으로 판정하여 LNT촉매(200)를 정상으로 판정한다.
상기 임계값은 북미 13My 이후 차량인 경우 FTP-NOx의 1.75배(0.123g/mile)이다.
상기한 농후모드의 운전에서 LNT촉매(200)에 공급되는 환원제와 NOx 환원에 소모된 환원제 양 및 슬립량의 관계는 도 3에 도시된 바와 같다.
전술한 바와 같은 기능을 포함하는 본 발명의 동작에 대하여 도 2를 참조하여 구체적으로 설명한다.
본 발명이 적용되는 디젤차량의 엔진이 시동 온을 유지하는 상태에서 제어부(300)는 온도센서(230)에서 검출되는 정보가 LNT촉매(200)의 활성화가 이루어진 상태이면 LNT촉매(200)의 NOx 흡장량을 검출하여(S101) LNT촉매(200)의 재생이 필요한 상태인지를 판단한다(S102).
상기 S102의 판단에서 LNT촉매(200)의 재생이 필요한 상태가 아니면 현재의 희박모드 운전을 유지하여 NOx의 흡장을 유지하고, LNT촉매(200)의 재생이 필요한 상태이면 제어부(300)는 농후모드의 운전으로 전환하여 NOx의 환원에 필요한 환원제를 공급한다(S103).
상기 S103에서 농후모드의 운전으로 전환되면 제어부(300)는 LNT촉매(200)의 전단에 설치된 제1람다센서(210)의 신호와 LNT촉매(200)의 후단에 설치된 제2람다센서(220)의 신호를 판독하여(S104) LNT촉매(200)에서 NOx의 환원에 소모되는 환원제의 소모량을 검출하고(S105), LNT촉매(200)에서 소모되지 못하고 슬립되는 환원제의 슬립량을 검출한다(S106).
상기에서 농후모드의 운전에 따라 LNT촉매(200)에 공급되는 환원제의 양은 람다값에 비례하므로, 제2람다센서(220)를 통해 검출되는 람다값에서 제1람다센서(210)에서 검출되는 람다값을 차 연산하여 LNT촉매(200)에서 NOx의 환원에 소모된 환원제의 양을 산출한다.
그리고, 제1람다센서(210)를 통해 검출되는 람다값(λ=1)에서 제2람다센서(220)의 람다값을 차 연산하여 LNT촉매(200) 후단으로 슬립되는 환원제의 양을 산출한다.
상기와 같이 LNT촉매(200)에서 NOx 환원에 소모된 환원제 양과 LNT촉매(200)의 후단으로 슬립되는 환원제 양이 산출되면 환원제의 슬립량을 환원제의 공급량으로 나누어 슬립비를 산출한다(S107).
상기 환원제의 공급량을 소모된 환원제 양과 슬립되는 환원제 양의 합으로 산출된다.
상기 S107에서 슬립비가 산출되면 슬립비가 설정된 임계값을 초과하는지 판단하여(S108), 임계값을 초과하면 LNT촉매(200)의 NOx 정화율이 감소된 상태이므로 LNT촉매(200)를 열화로 판정하고(S109) 그에 따른 고장코드를 저장함과 동시에 표시수단을 통해 운전자에게 지시한다(S110).
그러나, 상기 S108의 판단에서 슬립비가 설정된 임계값 미만이면 LNT촉매(200)의 NOx 정화율은 정상을 유지하는 상태이므로 LNT촉매(200)를 정상으로 판정한다(S111).
따라서, LNT촉매(200)의 열화 감지에 안정성 및 신뢰성을 제공한다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것이 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 LNT촉매의 열화 감지장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 LNT촉매의 열화 감지절차를 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 3은 디젤엔진의 농후모드 운전에서 LNT촉매에 공급되는 환원제 양과 NOx 재생에 사용된 환원제 양 및 슬립되는 환원제 양을 도시한 도면이다.
도 4는 정상적인 LNT촉매와 열화된 LNT촉매에서 NOx 재생에 사용되는 환원제 와 슬립되는 환원제의 양을 도시한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 엔진 110 : 공기량센서
200 : LNT촉매 210 : 제1람다센서
220 : 제2람다센서 300 : 제어부

Claims (8)

  1. 희박모드에서 NOx를 흡장하고, NOx를 환원제와 반응시켜 NOx를 재생시키는 LNT촉매;
    LNT촉매 전/후단에 각각 장착되어 람다값을 검출하는 제1,2람다센서;
    상기 제1,2람다센서의 신호를 이용하여 NOx 환원에 소모된 환원제 양과 슬립되는 환원제 양을 검출하여 슬립비를 산출하고, 슬립비에 따라 LNT촉매의 열화 여부를 판정하는 제어부;
    를 포함하되,
    상기 제어부는 람다값(λ=1)에서 제2람다센서의 람다값을 차 연산하여 LNT촉매 후단으로 슬립되는 환원제의 양을 산출하고,
    제2람다센서의 람다값에서 제1람다센서의 람다값을 차 연산하여 LNT촉매에서 NOx의 환원에 소모된 환원제의 양을 산출하는 것을 특징으로 하는 LNT촉매의 열화 감지장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 환원제의 슬립량을 환원제의 공급량으로 나누어 슬립비를 산출하고, 슬립비가 설정된 임계값을 초과하면 LNT촉매를 열화로 판정하며, 슬립비가 설정된 임계값 미만이면 LNT촉매를 정상으로 판정하는 것을 특징으로 하는 LNT촉매의 열화 감지장치.
  4. LNT촉매에 흡장된 NOx를 환원시키는 운전모드에서 제1,2람다센서의 신호를 검출하는 과정;
    제1,2람다센서의 신호에서 NOx 환원에 소모된 환원제 양과 반응되지 않고 슬립되는 환원제 양을 검출하는 과정;
    상기 소모된 환원제 양과 슬립되는 환원제 양을 이용하여 환원제의 슬립비를 연산하는 과정;
    상기 연산된 환원제의 슬립비와 임계값을 비교하여 LNT촉매의 열화 여부를 진단하는 과정;
    을 포함하며,
    상기에서 NOx 환원에 소모된 환원제 양은 제2람다센서의 람다값에서 제1람다센서의 람다값을 차 연산하여 산출하는 것을 특징으로 하는 LNT촉매의 열화 감지방법.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기에서 NOx 환원에 소모되지 못하고 슬립되는 환원제 양은 람다값(λ=1)에 서 제2람다센서의 람다값을 차 연산하여 산출하는 것을 특징으로 하는 LNT촉매의 열화 감지방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 슬립비는 환원제의 슬립량을 환원제의 공급량(소모량+슬립량)으로 나누어 산출하며, 슬립비가 임계값을 초과하면 LNT촉매를 열화로 판정하고, 슬립비가 임계값 미만이면 LNT촉매를 정상으로 판정하는 것을 특징으로 하는 LNT촉매의 열화 감지방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 LNT촉매의 열화가 판정되면 고장 코드를 저장함과 동시에 표시수단을 통해 지시하는 것을 특징으로 하는 LNT촉매의 열화 감지방법.
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