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KR101684135B1 - Scr 시스템의 고장진단방법 - Google Patents

Scr 시스템의 고장진단방법 Download PDF

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KR101684135B1
KR101684135B1 KR1020150091359A KR20150091359A KR101684135B1 KR 101684135 B1 KR101684135 B1 KR 101684135B1 KR 1020150091359 A KR1020150091359 A KR 1020150091359A KR 20150091359 A KR20150091359 A KR 20150091359A KR 101684135 B1 KR101684135 B1 KR 101684135B1
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KR
South Korea
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injector
amount
diagnosis
nox
ammonia
Prior art date
Application number
KR1020150091359A
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English (en)
Inventor
장화용
Original Assignee
현대자동차주식회사
기아자동차주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명의 SCR 시스템의 고장진단방법은 인젝터를 이용하여 배기관 내부로 요소를 분사하는 단계; 분사단계 후, 배기관 후단에 마련된 NOx센서를 통해 NOx양 및 암모니아 양을 감지하는 단계; 및 NOx양 또는 암모니아양 중 적어도 하나에 기반하여 인젝터의 고장을 진단하는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

SCR 시스템의 고장진단방법 {Failure diagnosis method of SCR system}
본 발명은 SCR 시스템에서 요소를 분사하는 인젝터의 고장을 진단하도록 고안된 방법에 관한 것이다.
디젤 엔진에서 발생하는 질소산화물(NOx)을 효과적으로 저감할 수 있는 고효율 요소 첨가 선택적 촉매 반응 시스템(Urea-SCR:Urea-Selective Catalytic Reduction)에 대한 관심이 증가하고 있다.
이러한 SCR 시스템은 질소산화물(NOx)과 암모니아(NH3)의 반응을 이용한 기술로써 요소수(UREA)를 배기관에 분사하면 가수분해 작용에 의해 요소수(Urea)가 암모니아(NH3)로 변환된다. 변환된 암모니아(NH3)와 질소 산화물(NOx)이 촉매상에서 화학반응을 하여 환경과 인간에 무해한 물과 질소로 변환된다.
여기서, 인젝터는 암모니아수를 배기관 내에 분사하는 역할을 수행하여 SCR 촉매 상에서 배기가스의 질소화합물이 산화/환원 반응에 의해 질소와 물(H20)로 변환된다.
이때, 요소 분사량은 얼마동안 전류를 인젝터에 인가하는지에 따라서 결정된다. 인젝터의 하드웨어적인 분사량 기준값은 개발시 결정될 수 있다. 하지만, 인젝터는 사용함에 따라 열화 및 반복 작동 등에 의하여 요소 분사량 기준값보다 적거나, 과다하게 분사되어 SCR 촉매 화학반응에 개발비 의도한 기준을 만족하지 못하는 상태가 될 수 있다. 만약 기준값보다 적은 요소가 분사될 시 배출가스 법규를 불만족하게 되며, 과다하게 분사될 시에는 화학반응되지 못한 요소가 머플러 후단으로 배출됨으로써 머플러에서 암모니아 냄새와 오염이 발생하는 문제점이 있었다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 0836338 B1
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 배기관 후단에 마련된 NOx센서를 이용하여 NOx양을 감지하고, 감지된 NOx양과 기맵핑된 목표량의 차이에 기반하여 노후화에 따른 인젝터의 고장을 진단하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 SCR 시스템의 고장진단방법은 인젝터를 이용하여 배기관 내부로 요소를 분사하는 단계; 상기 분사단계 후, 배기관 후단에 마련된 NOx센서를 통해 NOx양 및 암모니아 양을 감지하는 단계; 및 상기 NOx양 또는 암모니아양 중 적어도 하나에 기반하여 인젝터의 고장을 진단하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 진단단계 시, NOx양이 기맵핑된 NOx기준값 이상이거나 암모니아 양이 기맵핑된 암모니아 기준값 이상인 경우, 인젝터의 고장을 진단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 인젝터를 고장이라 진단한 경우 진단기에 고장신호를 출력하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 분사단계 시, 인젝터는 일정시간마다 요소를 분사하도록 제어되고, 상기 감지단계는 인젝터가 분사 제어되는 시점으로부터 설정시간 경과시 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 분사단계 시, 인젝터는 시간경과에 따라 더 많은 양의 요소를 분사하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 분사단계 전, 전자제어유닛이 진단기로부터 진단신호가 수신하는 단계; 및 상기 수신단계 후, 전자제어유닛이 인젝터의 진단이 가능한지 판단하는 단계;를 더 포함하고, 상기 인젝터의 진단이 가능하다고 판단된 경우, 상기 분사단계를 실시하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 판단단계 시, 엔진의 RPM이 일정범위를 벗어나는 경우 진단이 불가능하다고 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 판단단계 시, 차속이 0보다 크거나 엑셀 개도가 설정각도 이상인 경우 진단이 불가능하다고 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 판단단계 시, 외기온도가 설정온도범위를 벗어나는 경우 진단이 불가능하다고 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 판단단계 시, 냉각수온도가 일정온도범위를 벗어나는 경우 진단이 불가능하다고 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 SCR 시스템의 고장진단방법에 따르면 배기관 후단의 질소산화물 양과 암모니아의 양을 기준값들과 비교함으로써 배기관 내부에 요소 과다 또는 요소 부족 현상을 감지하여 인젝터의 고장을 용이하게 감지할 수 있다.
또한, 인젝터 고장에 따른 배출가스 법규 위반 또는 차량의 머플러 후단에서 암모니아 냄새 또는 오염이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 시스템의 고장진단장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 시스템의 고장진단방법을 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인젝터 고장진단 시점을 도시한 그래프이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 SCR 시스템의 고장진단방법에 대하여 살펴본다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 시스템의 고장진단장치를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 시스템의 고장진단방법을 도시한 순서도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인젝터 고장진단 시점을 도시한 그래프이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, SCR 시스템의 고장진단방법은 인젝터(3)를 이용하여 배기관(1) 내부로 요소를 분사하는 단계(S120); 상기 분사단계(S120) 후, 배기관(1) 후단에 마련된 NOx센서(5)를 통해 NOx양 및 암모니아 양을 감지하는 단계(S130); 및 상기 NOx양 또는 암모니아 양 중 적어도 하나에 기반하여 인젝터(3)의 고장을 진단하는 단계(S170);를 포함할 수 있다.
상기 인젝터(3)가 배기관(1) 내부로 요소(UREA)를 분사하면 가수분해 작용에 의해 암모니아가 발생하고, 암모니아와 배기가스에 포함된 질소 산화물(NOx)이 배기관(1) 내부에서 화학반응하여 환경과 인간에게 무해한 물과 질소로 변환된다.
인젝터(3)가 정상일 경우에는 적정량의 요소(UREA)를 분사하지만, 인젝터(3)가 노후화되면 열화 등의 이유로 요소 분사량이 기준보다 적거나 과다해지는 문제가 발생한다. 이러한 고장상황을 감지하기 위해 제어부(10)는 NOx센서(5)를 이용하여 화학반응이 완료된 배기관(1) 후단의 NOx양을 감지하고 분사된 요소량 대비 NOx양을 통해 암모니아 양을 산출하여 인젝터(3) 고장여부를 진단에 필요한 특성치들을 감지할 수 있다.
이러한 진단방법에 의하면 인젝터(3)가 고장으로 인해 요소(UREA)를 적정량보다 적게 또는 과다하게 분사하는 것을 방지함으로써 배출가스 법규 준수 및 머플러 후단의 암모니아 냄새 또는 오염이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
구체적으로 상기 NOx양이 기맵핑된 NOx기준값 이상이거나(S140) 암모니아 양이 기맵핑된 암모니아 기준값 이상인 경우(S150), 인젝터(3)의 고장을 진단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 기맵핑된 NOx기준값과 암모니아 기준값은 인젝터가 정상일 경우에 배기가스에 형성되는 NOx양과 암모니아 양으로 맵핑된 값이다. 만약, NOx센서(5)로부터 측정된 NOx양과 암모니아 양이 기준값들과 동일할 경우 제어부(10)는 인젝터(3)가 적정한 양의 요소를 분사하고 있다고 판단할 수 있다. 따라서, NOx센서(5)로부터 감지된 NOx양과 암모니아 양을 기준값들과 비교함으로써 인젝터(3)의 고장을 진단할 수 있다.
여기서 기맵핑된 NOx기준값과 암모니아 기준값은 인젝터가 정상일 때 NOx양과 암모니아 양에 소정의 허용량를 더하여서 인젝터(3)의 고장이 명확한 경우에만 진단될 수 있도록 마련할 수 있다. 이때, NOx기준값, 암모니아 기준값, 허용량은 차량 및 설계자에 따라 상이하게 설정될 수 있다.
예를 들어, 인젝터(3)가 고장상황으로 요소를 목표량보다 과도하게 분사하는 경우, 화학반응이 완료된 배기관(1) 후단에는 다량의 암모니아(NH3)가 잔존해있을 것이다. 따라서, NOx센서(5)로부터 측정된 암모니아 양이 암모니아 기준값 이상으로 측정되는바 인젝터(3)의 고장을 진단할 수 있다(S140,S170). 또한, 인젝터(3)가 고장상황으로 요소를 목표량보다 적게 분사하는 경우, 배기관(1) 후단에는 제거되지 않은 질소산화물(NOx)가 다량 잔존할 것이다. 따라서, NOx센서(5)로부터 측정된 NOx양이 NOx기준값 이상으로 측정되는바 이를 제어부(10)는 인젝터(3)의 고장상황이라 진단할 수 있다(S150,S170).
제어부(10)는 인젝터(3)를 고장이라 진단한 경우 진단기(20)에 고장신호를 출력하는 것을 특징으로 할 수 있다(S175).
즉, 인젝터(3)가 목표량보다 요소를 적게 분사하는 경우, 질소산화물(NOx)을 제거하지 못하여 배출가스 법규를 위반하게 될 수 있다. 반대로, 인젝터(3)가 목표량보다 요소를 과도하게 분사하는 경우에는 배기관(1) 후단에 암모니아(NH3)가 발생하여 차량의 배기관이 오염되거나 암모니아 냄새가 발생할 수 있다.
상술한 악영향이 발생하는 것을 방지하기 위해 제어부(10)는 진단기(20)로 고장신호를 출력하고 진단기(20)는 고장신호가 수신될 시 디스플레이 또는 소리를 이용하여 운전자 또는 정비사에게 인젝터(3)의 고장을 알리도록 마련될 수 있다.
반대로 제어부(10)는 인젝터(3)를 정상이라 진단할 경우(S160), 진단기(20)에 정상신호를 출력할 수 있다(S165). 이에 따라 운전자 또는 정비사가 진단기(20)를 통해 인젝터(3)가 정상임을 인지할 수 있다.
한편, 상기 분사단계(S120) 시, 인젝터(3)는 일정시간마다 요소를 분사하도록 제어되고, 상기 감지단계(S130)는 인젝터(3)가 분사 제어되는 시점으로부터 설정시간 경과시 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 분사단계(S120) 시, 인젝터(3)는 시간경과에 따라 더 많은 양의 요소를 분사하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 인젝터(3)는 항상 동일한 압력으로 요소(UREA)를 분사하기 때문에 요소의 분사량은 인젝터(3)의 밸브(7)가 오픈(OPEN)되는 듀티값에 따라 증가/감소하게 된다.
예를 들어, 인젝터(3)가 5bar 정도의 압력으로 요소를 공급하는 상태를 유지하되, 일정시간마다 밸브(7)가 오픈(OPEN)됨으로써 배기관(1) 내부에 요소를 공급시킬 수 있다. 인젝터(3)는 일정압력을 공급하도록 유지되는바 시간경과에 따라 밸브(7)가 오픈될 시 이전에 배기관(1) 내부로 공급된 요소의 양보다 많은 양이 배기관(1)에 공급될 수 있다.
일 실시예인 도 3을 참조하면 인젝터(3)가 요소를 일정압력으로 공급하기 시작한 후 2초에 도달한 경우 밸브(7)를 오픈(OPEN)하여 요소를 배기관(1)으로 공급시킨다. 이후 10초에 도달하기 전에 NOx센서(5)를 이용하여 배기관(1) 후단의 NOx양과 암모니아 양을 감지함으로써 화학반응이 완료되었을 시의 질소산화물 및 암모니아 잔존량을 정확하게 파악할 수 있다. 이후 12초에 도달한 경우 밸브(7)를 오픈하되 이때 요소 분사량은 이전 요소 분사량보다 증가됨을 알 수 있다. 다음으로 20초에 도달하기 전에 다시 NOx센서(5)를 이용하여 NOx양과 암모니아 양을 감지함으로써 인젝터(3) 고장진단시 필요한 정확한 데이터를 취득할 수 있다.
상술한 인젝터(3)의 요소를 공급하는 압력, 밸브(7)를 개방하는 시간 및 NOx센서(5)로 감지를 실시하는 시간은 일 실시예에 따른 값을 적시한 것일 뿐, 차량 및 설계자에 따라 가변되어 적용될 수 있다.
아울러, 상기 분사단계(S120) 전, 전자제어유닛(30)이 진단기(20)로부터 진단신호가 수신하는 단계(S100); 및 상기 수신단계(S100) 후, 전자제어유닛(30)이 인젝터(3)의 진단이 가능한지 판단하는 단계(S110);를 더 포함하고, 상기 인젝터(3)의 진단이 가능하다고 판단된 경우, 상기 분사단계(S120)를 실시하는 것을 특징으로 할 수 있다.
즉, 진단기(20)는 운전자 또는 정비사가 SCR 관련 부품의 고장을 감지하여 정확한 진단을 위해 해당 진단기(20)의 진단모드를 조작할 때 진단신호를 출력할 수 있다.
제어부(10)의 상위 제어기인 전자제어유닛(ECU:Electronic Control Unit,30)은 해당 진단신호를 수신할 경우 인젝터(3)의 고장을 진단할 수 있는 조건인지 판단한다.
구체적으로, 상기 판단단계(S110) 시, 엔진의 RPM이 일정범위를 벗어나는 경우, 차속이 0보다 크거나 엑셀 개도가 설정각도 이상인 경우, 외기온도가 설정온도범위를 벗어나는 경우 또는 냉각수온도가 일정온도범위를 벗어나는 경우 진단이 불가능하다고 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
즉, 전자제어유닛(30)은 엔진RPM이 아이들(Idle)상태일때의 일정RPM범위를 벗어나는 경우에는 차량이 아이들 상태가 아니라고 판단하여 인젝터(3)의 진단이 불가능하다고 판단한다. 또한, 차속이나 엑셀의 개도가 0이 아닌 경우 차량이 정차상태가 아닌바 인젝터(3)의 진단이 불가능하다고 판단한다. 또한, 외기온도나 냉각수온도가 각각의 정상온도범위 내에 포함되지 않은 경우 인젝터(3)의 진단이 불가능한 상태라고 판단한다. 이에 따라 인젝터(3)의 정확한 진단이 가능한 경우에만 진단을 실시할 수 있다.
상술한 바와 같이 전자제어유닛(30)이 인젝터(3)의 진단이 불가하다고 판단한 경우에는 진단기(20)에 진단불가신호를 출력함으로써 운전자 또는 정비사가 진단 불가상황을 인지할 수 있도록 한다(S180). 반대로, 전자제어유닛(30)이 진단 가능하다고 판단한 경우에는 제어부(10)가 인젝터(3)를 이용하여 요소 분사를 실시할 수 있도록 제어한다(S120).
상기 제어부(10)는 DCU(Dosing Control Unit)일 수 있으며, 배기관(1)은 SCR 촉매부일 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 SCR 시스템의 고장진단방법에 따르면 배기관 후단의 질소산화물 양과 암모니아의 양을 기준값들과 비교함으로써 배기관 내부에 요소 과다 또는 요소 부족 현상을 감지하여 인젝터의 고장을 용이하게 감지할 수 있다.
또한, 인젝터 고장에 따른 배출가스 법규 위반 또는 차량의 머플러 후단에서 암모니아 냄새 또는 오염이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
1: 배기관 3: 인젝터
5: NOx센서 7: 밸브
10: 제어부 20: 진단기
30: 전자제어유닛

Claims (10)

  1. 인젝터를 이용하여 배기관 내부로 요소를 분사하는 단계;
    상기 분사단계 후, 배기관 후단에 마련된 NOx센서를 통해 NOx양 및 암모니아 양을 감지하는 단계; 및
    상기 NOx양 또는 암모니아양 중 적어도 하나에 기반하여 인젝터의 고장을 진단하는 단계;를 포함하고,
    상기 분사단계 시, 인젝터는 일정시간마다 요소를 분사하되, 시간경과에 따라 더 많은 양의 요소를 분사하며,
    상기 감지단계는 인젝터가 분사 제어되는 시점으로부터 설정시간 경과시 수행되는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 고장진단방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 진단단계 시, NOx양이 기맵핑된 NOx기준값 이상이거나 암모니아 양이 기맵핑된 암모니아 기준값 이상인 경우, 인젝터의 고장을 진단하는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 고장진단방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 인젝터를 고장이라 진단한 경우 진단기에 고장신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 고장진단방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 분사단계 전, 전자제어유닛이 진단기로부터 진단신호가 수신하는 단계; 및
    상기 수신단계 후, 전자제어유닛이 인젝터의 진단이 가능한지 판단하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 인젝터의 진단이 가능하다고 판단된 경우, 상기 분사단계를 실시하는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 고장진단방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 판단단계 시, 엔진의 RPM이 일정범위를 벗어나는 경우 진단이 불가능하다고 판단하는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 고장진단방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 판단단계 시, 차속이 0보다 크거나 엑셀 개도가 설정각도 이상인 경우 진단이 불가능하다고 판단하는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 고장진단방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 판단단계 시, 외기온도가 설정온도범위를 벗어나는 경우 진단이 불가능하다고 판단하는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 고장진단방법.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 판단단계 시, 냉각수온도가 일정온도범위를 벗어나는 경우 진단이 불가능하다고 판단하는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 고장진단방법.
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