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KR101724453B1 - 배기 가스 정화 장치 및 이를 제어하는 방법 - Google Patents

배기 가스 정화 장치 및 이를 제어하는 방법 Download PDF

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KR101724453B1
KR101724453B1 KR1020110069546A KR20110069546A KR101724453B1 KR 101724453 B1 KR101724453 B1 KR 101724453B1 KR 1020110069546 A KR1020110069546 A KR 1020110069546A KR 20110069546 A KR20110069546 A KR 20110069546A KR 101724453 B1 KR101724453 B1 KR 101724453B1
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Abstract

본 발명은 LNT 촉매 온도와 매연 필터의 온도에 따라 농후한 분위기를 조성하여 LNT 촉매에서 질소산화물을 탈착시키고, 탈착된 질소산화물을 환원시키거나 슬립시켜 매연 필터의 재생에 사용하는 배기 가스 정화 장치 및 이를 제어하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치는 희박한 분위기에서 배기 가스에 포함된 질소산화물을 흡장하고, 농후한 분위기에서 흡장된 질소산화물을 탈착시키며, 그 온도에 따라 탈착된 질소산화물을 환원시키거나 슬립시키는 LNT 촉매; 상기 배기 가스에 포함된 입자상 물질을 포집하고 LNT 촉매로부터 슬립된 질소산화물을 이용하여 상기 포집된 입자상 물질을 재생시키는 매연 필터; 그리고 선택적으로 농후한 분위기를 조성하도록 된 제어부;를 포함하며, 상기 제어부는 LNT 촉매 온도가 제1설정온도 이상이거나 매연 필터의 온도가 제2설정온도 이상이면 농후한 분위기를 조성하도록 되어 있을 수 있다.

Description

배기 가스 정화 장치 및 이를 제어하는 방법{SYSTEM FOR PURIFYING EXHAUST GAS AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 배기 가스 정화 장치 및 이를 제어하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 LNT 촉매 온도와 매연 필터의 온도에 따라 농후한 분위기를 조성하여 LNT 촉매에서 질소산화물을 탈착시키고, 탈착된 질소산화물을 환원시키거나 슬립시켜 매연 필터의 재생에 사용하는 배기 가스 정화 장치 및 이를 제어하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 엔진에서 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기 가스는 배기 파이프의 도중에 형성된 촉매 컨버터(Catalytic converter)로 유도되어 정화되고, 머플러를 통과하면서 소음이 감쇄된 후 테일 파이프를 통해 대기 중으로 방출된다.
질소산화물 저감 촉매(Denitrification Catalyst; DeNOx Catalyst)는 배기 가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 정화시키는 촉매 컨버터의 한 형식이다. 우레아(Urea), 암모니아(Ammonia), 일산화탄소 및 탄화수소(Hydrocarbon; HC) 등과 같은 환원제를 배기 가스에 제공하면 질소산화물 저감 촉매에서는 배기 가스에 포함된 질소산화물이 상기 환원제와의 산화-환원 반응을 통해 환원되게 된다.
최근에는, 이러한 질소산화물 저감 촉매로 LNT 촉매(Lean NOx Trap Catalyst)가 사용되고 있다. LNT 촉매는 엔진이 연(lean)한 분위기에서 작동되면 배기 가스에 포함된 질소산화물을 흡착하고, 엔진이 농후(rich)한 분위기에서 작동되면 흡착된 질소산화물을 탈착하여 질소 기체로 환원시킨다.
한편, 배기 파이프 상에는 배기 가스에 포함된 입자상 물질(Particulate Matters: PM)을 포집하기 위한 매연 필터가 장착된다. 상기 매연 필터에 과도한 매연이 포집되면, 배기 가스가 매연 필터를 통과하기 어려워지며 배기 가스의 압력이 높아지게 된다. 배기 가스의 높은 압력은 엔진의 성능을 저하시키고 매연 필터를 파손시킬 수 있다. 따라서, 매연 필터에 포집된 매연의 양이 설정된 양 이상이 되면, 배기 가스의 온도를 올려 매연 필터에 포집된 매연을 태우게 된다. 이러한 과정을 매연 필터의 재생(regeneration)이라고 한다.
이러한 매연 필터의 재생으로는 자연 재생과 강제 재생이 있다. 자연 재생은 배기 가스에 포함된 질소산화물이 수트의 재생을 위해 필요한 이산화질소를 공급함으로써 이루어지는 것을 말하며, 강제 재생은 엔진의 연소실에 연료를 후분사하면 후분사된 연료는 산화되며 산화열을 발생시키고 이 산화열에 의하여 매연 필터에 포집된 매연을 태우는 것을 말한다. 강제 재생의 경우 재생 온도가 높아 재생에 진입하기 위해 많은 에너지가 소모된다. 따라서, 재생주기를 길게 가져가게 된다. 자연 재생은 강제 재생과 비교할 때 재생 온도가 낮아 재생에 진입하기 위해 적은 에너지가 소모된다. 따라서, 재생주기를 짧게 가져갈 수 있다.
강제 재생을 너무 자주 하게 되면, 연비가 악화되고 오일 희석(oil dilution)이 발생하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 매연 필터의 체적을 2.5L 이상으로 크게 한다.
그런데, 매연 필터의 상류에 LNT 촉매가 배치되어 있는 경우, 배기 가스에 포함된 이산화질소가 LNT 촉매에 흡장되어 매연 필터의 자연 재생을 방해하게 된다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 LNT 촉매와 매연 필터가 순차적으로 배치된 배기 가스 정화 장치에서 매연 필터가 자연 재생이 가능하면 LNT 촉매에서 탈착된 이산화질소를 슬립시켜 매연 필터를 자연 재생시키는 배기 가스 정화 장치 및 이를 제어하는 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치는 희박한 분위기에서 배기 가스에 포함된 질소산화물을 흡장하고, 농후한 분위기에서 흡장된 질소산화물을 탈착시키며, 그 온도에 따라 탈착된 질소산화물을 환원시키거나 슬립시키는 LNT 촉매; 상기 배기 가스에 포함된 입자상 물질을 포집하고 LNT 촉매로부터 슬립된 질소산화물을 이용하여 상기 포집된 입자상 물질을 재생시키는 매연 필터; 그리고 선택적으로 농후한 분위기를 조성하도록 된 제어부;를 포함하며, 상기 제어부는 LNT 촉매 온도가 제1설정온도 이상이거나 매연 필터의 온도가 제2설정온도 이상이면 농후한 분위기를 조성하도록 되어 있을 수 있다.
상기 LNT 촉매는 배기 가스에 포함된 질소산화물을 질산염 형태로 흡장하고, 흡장된 질소산화물을 이산화질소 형태로 탈착할 수 있다.
LNT 촉매에서 탈착된 이산화질소는 LNT 촉매 온도가 제1설정온도 이상인 경우 질소기체로 환원될 수 있다.
LNT 촉매에서 탈착된 이산화질소는 LNT 촉매 온도가 제1설정온도 미만인 경우 슬립될 수 있다.
LNT 촉매로부터 슬립된 이산화질소는 매연 필터의 온도가 제2설정온도 이상인 경우 입자상 물질의 재생에 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치의 제어 방법은 엔진 운전 중에 LNT 촉매 온도가 제1설정온도 이상인지를 판단하는 단계; LNT 촉매 온도가 제1설정온도 이상인 경우, 농후한 분위기를 조성하여 LNT 촉매로부터 이산화질소를 탈착하는 단계; 그리고 탈착된 이산화질소를 환원하는 단계;를 포함할 수 있다.
LNT 촉매 온도가 제1설정온도 미만인 경우, 상기 제어 방법은 매연 필터의 온도가 제2설정온도 이상인지를 판단하는 단계; 매연 필터의온도가 제2설정온도 이상인 경우, 농후한 분위기를 조성하여 LNT 촉매로부터 이산화질소를 탈착하는 단계; 탈착된 이산화질소를 슬립시키는 단계; 그리고 슬립된 이산화질소를 이용하여 매연 필터를 재생하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 매연 필터를 자연 재생시키므로 배기 감소 및 연비가 향상될 수 있다.
매연 필터를 강제 재생시킬 때보다 짧은 주기로 재생시키므로 매연 필터의 용량을 축소할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치의 제어 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치의 제어 방법이 적용될 수 있는 조건을 도시한 그래프이다.
도 4는 자연 재생에 의하여 매연 필터를 재생하는 경우 재생량을 도시한 그래프이다.
도 5는 강제 재생에 의하여 매연 필터를 재생하는 경우 재생량을 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치는 엔진(10), 배기 파이프(20), LNT(Lean NOx Trap) 촉매(30), 매연 필터(40), 그리고 제어기(50)를 포함한다.
엔진(10)은 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 연소시켜 화학적 에너지를 기계적 에너지로 변환한다. 엔진(10)은 흡기 매니폴드에 연결되어 연소실 내부로 공기를 유입받으며, 배기 매니폴드에 연결되어 연소 과정에서 발생된 배기 가스는 배기 매니폴드에 모인 후 차량의 외부로 배출되게 된다. 상기 연소실에는 인젝터가 장착되어 연료를 연소실 내부로 분사한다.
배기 파이프(20)는 상기 배기 매니폴드에 연결되어 배기 가스를 차량의 외부로 배출시킨다. 상기 배기 파이프(20) 상에는 LNT 촉매(30) 및 매연 필터(40)가 장착되어 배기 가스 내에 포함된 입자상 물질(Particulate Matters; PM)과 질소산화물 등을 제거한다.
몇몇 실시예에서는 상기 배기 파이프(20)에는 배기 에너지를 이용하여 흡기를 증가시키기 위한 터보 챠져와, 배기 가스에 함유된 탄화수소 및 일산화탄소를 산화시키기 위한 산화 촉매와, 배기 가스에 함유된 질소산화물, 탄화수소 및 일산화탄소를 제거하기 위한 선택적 환원 촉매가 장착되어 있을 수 있다.
LNT 촉매(30)는 배기 파이프(20) 상에 장착되어 엔진(10)에서 배출되는 배기 가스는 상기 LNT 촉매(30)를 통과하도록 되어 있다. LNT 촉매(30)는 연한(lean) 분위기에서 배기 가스에 포함된 질소산화물을 흡장하고 농후한(rich) 분위기에서 상기 흡장된 질소산화물을 탈착하도록 되어 있다. 이 때, LNT 촉매(30)는 질소산화물을 질산염 형태로 흡장하고 이산화질소 형태로 탈착한다. 또한, LNT 촉매(30)의 온도가 제1설정온도 이상이면 LNT 촉매(30)는 탈착한 이산화질소를 질소 기체로 환원하고, LNT 촉매(30)의 온도가 제1설정온도 미만이면 LNT 촉매(30)는 탈착한 이산화질소를 슬립시킨다. LNT 촉매(30)는 귀금속과 흡장 물질을 포함하는데, 귀금속은 백금, 팔라듐, 그리고 로듐을 포함하고, 흡장 물질은 약염기성 물질, 예를 들어 탄산바륨을 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명의 범위는 여기에서 예시된 귀금속 또는 흡장 물질에 한정되지 않는다.
상기 LNT 촉매(30)의 후방의 배기 파이프(20)에는 매연 필터(40)가 장착되어 있다. 상기 매연 필터(40)는 배기 파이프(20)를 통하여 배출되는 배기 가스에 포함된 입자상 물질(또는 수트)을 포집한다. 또한, 상기 매연 필터(40)는 LNT 촉매(30)로부터 슬립된 질소산화물(예를 들어, 이산화질소)을 이용하여 포집된 수트의 자연 재생이 이루어지도록 한다. 이와 같이, LNT 촉매(30)에서 질소산화물(이산화질소)가 슬립될 때마다 매연 필터(40)에서 자연 재생이 이루어지도록 함으로써 매연 필터(40)의 강제 재생 절차를 생략할 수 있다. 이에 따라 연비가 향상되는 효과가 있다. 또한, 강제 재생 절차가 생략되면 매연 필터(40)의 전후단 압력 차이를 측정하는 차압 센서도 생략될 수 있다. 따라서, 원가가 감소하게 된다.
몇몇 실시예에서, 상기 LNT 촉매(30)와 매연 필터(40)에는 온도 센서들(32, 42)이 각각 장착되어 있다. 제1온도 센서(32)는 LNT 촉매(30)의 온도를 측정하고, 제2온도 센서(42)는 매연 필터(40)의 온도를 측정한다. 제1,2온도 센서(32, 42)에서 측정된 값들을 기초로 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치가 제어된다.
한편, 몇몇 실시예에서 온도 센서들(32, 42)을 장착하는 대신 엔진의 작동 상태(예를 들어, 연료 분사량, 연료 분사 시기, 엔진 가동 히스토리 등)를 기초로 LNT 촉매(30) 및 매연 필터(40)의 온도를 예측하고, 예측된 온도들을 기초로 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치가 제어된다.
제어기(50)는 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치를 제어한다. 이를 위하여, 제어기(50)는 제1,2온도 센서(32, 42)에 전기적으로 연결되어 제1,2온도 센서(32, 42)에서 측정된 온도값을 전달 받고, 상기 온도값을 기초로 LNT 촉매(30)에서 탈착된 질소산화물을 환원시킬 것인지 또는 슬립시킬 것인지를 결정하고 엔진의 연소 분위기를 제어한다. 엔진의 연소 분위기의 제어는 분사되는 연료량을 제어함으로써 수행된다. 즉, 엔진(10)에 분사되는 연료량을 증가시키면 연소 분위기는 농후해지고, 엔진(10)에 분사되는 연료량을 감소시키면 연소 분위기는 연해진다. 엔진의 연소 분위기의 제어는 당업자에게 잘 알려져 있으므로 여기에서는 더 이상의 설명을 생략하기로 한다.
또한, 앞에서 언급한 바와 같이, 예측된 LNT 촉매(30) 및 매연 필터(40)의 온도를 기초로 제어기(40)가 작동할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치의 제어 방법의 흐름도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치의 제어는 엔진이 작동 중(S100)일 때 수행된다. 엔진(10)이 작동 중이면, 제1,2온도 센서(32, 42)는 LNT 촉매(30)의 온도와 매연 필터(40)의 온도를 측정하고(S110), 측정된 온도를 제어기(50)에 전달한다.
제어기(50)는 LNT 촉매(30)의 온도가 제1설정 온도 이상인지를 판단한다(S120). 상기 제1설정 온도는 LNT 촉매(30)에서 탈착된 질소산화물이 환원될 수 있는 온도를 의미한다. 제1설정 온도는 예를 들어 300℃일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 S120 단계에서 LNT 촉매(30)의 온도가 제1설정 온도 이상이면, 제어기(50)는 엔진(10)을 제어하여 농후한 분위기를 조성하고, LNT 촉매(30)로부터 이산화질소를 탈착시킨다(S130).
그 후, 탈착된 이산화질소는 LNT 촉매(30)에서 질소 기체로 환원되고(S140), 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치의 제어 방법은 종료된다.
상기 S120 단계에서 LNT 촉매(30)의 온도가 제1설정 온도 미만이면, 제어기(50)는 매연 필터(40)의 온도가 제2설정 온도 이상인지를 판단한다(S150). 상기 제2설정 온도는 매연 필터(40)에서 자연 재생이 일어날 수 있는 온도를 의미한다. 제2설정 온도는 예를 들어 350℃일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 S150 단계에서 매연 필터(40)의 온도가 제2설정 온도 미만이면, 제어기(50)는 S110 단계로 돌아간다.
상기 S150 단계에서 매연 필터(40)의 온도가 제2설정 온도 이상이면, 제어기(50)는 엔진(10)을 제어하여 농후한 분위기를 조성하고, LNT 촉매(30)로부터 이산화질소를 탈착시킨다(S160).
그 후, 탈착된 이산화질소는 LNT 촉매(30)로부터 슬립되어(S170) 매연 필터(40)에 공급된다.
매연 필터(40)에 공급된 이산화질소는 매연 필터(40)에서 환원되며 수트의 재생을 위한 산소를 공급한다. 이에 따라 매연 필터(40)가 자연 재생되고(S180), 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치의 제어 방법은 종료된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치의 제어 방법은 엔진(10)이 가동 중에는 계속적으로 실시된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치의 제어 방법이 적용될 수 있는 조건을 도시한 그래프이다.
도 3에서 위의 박스는 LNT 촉매(30)에서 질소산화물이 환원될 수 있는 조건을 보여 준다. 즉, LNT 촉매(30)의 온도가 높은 경우, 제어기(50)는 농후한 분위기를 조성하여 LNT 촉매(30)에 흡장된 질소산화물을 탈착시키고, 탈착된 질소산화물은 LNT 촉매(30)에서 질소 기체로 환원된다.
도 3에서 아래의 박스는 LNT 촉매(30)에서 질소산화물이 슬립되고 매연 필터(40)가 재생될 수 있는 조건을 보여준다. 즉, LNT 촉매(30)의 온도가 낮고 매연 필터(40)의 온도가 높을 경우, 제어기(50)는 농후한 분위기를 조성하여 LNT 촉매(30)에 흡잔된 질소산화물을 탈착시킨다. LNT 촉매(30)의 온도가 낮으므로 LNT 촉매(30)에서 탈착된 질소산화물은 환원되지 못하고 슬립된다. 슬립된 질소산화물은 매연 필터(40)에서 환원되며 매연 필터(40)를 재생시킨다.
도 4는 자연 재생에 의하여 매연 필터를 재생하는 경우 재생량을 도시한 그래프이다. 도 4에서 점선은 매연 필터(40) 전단과 후단 사이의 이산화탄소의 차이고, 얇은 실선은 매연 필터(40) 전단과 후단 사이의 총탄화수소의 차이며, 굵은 실선은 매연 필터(40) 전단과 후단 사이의 일산화탄소의 차이다. 또한, 도 4에서 일점쇄선은 상기 차이들의 합을 나타내며, 이 합은 매연 필터(40)에서 재생되는 수트량과 동일하다.
도 4를 참조하면, 최대 수트 재생량은 1.2g/sec이고, 평균 수트 재생량은 0.8g/sec이며, 자연 재생에 소요되는 시간은 7초 정도이다. 차량이 500km를 운행할 때 10km마다 자연 재생을 실시한다고 하면, 280g의 수트가 재생되게 된다.
도 5는 강제 재생에 의하여 매연 필터를 재생하는 경우 재생량을 도시한 그래프이다.
도 5에서 굵은 실선과 얇은 실선의 차만큼 수트가 재생되게 된다. 도 5를 참조하면 최대 수트 재생량은 0.65g/sec이고, 평균 수트 재생량은 0.8g/sec이며, 강제 재생에 소요되는 시간은 1000초 정도이다. 현재 차량이 500km 운행할 때 매연 필터(40)가 1회 강제 재생되며, 300g의 수트가 재생되게 된다.
본 발명의 실시예에 따라 수트를 자연 재생시킬 때의 수트의 재생량은 강제 재생에 의한 수트의 재생량과 거의 비슷함을 알 수 있다.
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.

Claims (7)

  1. 희박한 분위기에서 배기 가스에 포함된 질소산화물을 흡장하고, 농후한 분위기에서 흡장된 질소산화물을 탈착시키며, 그 온도에 따라 탈착된 질소산화물을 환원시키거나 슬립시키는 LNT 촉매;
    상기 배기 가스에 포함된 입자상 물질을 포집하고 LNT 촉매로부터 슬립된 질소산화물을 이용하여 상기 포집된 입자상 물질을 재생시키는 매연 필터; 그리고
    선택적으로 농후한 분위기를 조성하도록 된 제어부;
    를 포함하며,
    상기 제어부는 LNT 촉매 온도가 제1설정온도 미만인 경우에도 매연 필터의 온도가 제2설정온도 이상이면 농후한 분위기를 조성하도록 되어 있으며,
    상기 LNT 촉매는 배기 가스에 포함된 질소산화물을 질산염 형태로 흡장하고, 흡장된 질소산화물을 이산화질소 형태로 탈착하고,
    LNT 촉매에서 탈착된 이산화질소는 LNT 촉매 온도가 제1설정온도 미만인 경우 슬립되며,
    LNT 촉매로부터 슬립된 이산화질소는 매연 필터의 온도가 제2설정온도 이상인 경우 입자상 물질의 재생에 사용되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 정화 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    LNT 촉매 온도가 제1설정온도 이상인 경우, 농후한 분위기를 조성하는 단계를 더 포함하며,
    LNT 촉매에서 탈착된 이산화질소는 LNT 촉매 온도가 제1설정온도 이상인 경우 질소기체로 환원되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 정화 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 배기 가스에 포함된 질소산화물을 흡장 또는 탈착하는 LNT 촉매와, 상기 LNT 촉매의 하류에 배치되어 있으며 배기 가스에 포함된 입자상 물질을 포집하는 매연 필터를 포함하는 배기 가스 정화 장치의 제어 방법에 있어서,
    엔진 운전 중에 LNT 촉매 온도가 제1설정온도 이상인지를 판단하는 단계;
    LNT 촉매 온도가 제1설정온도 미만인 경우, 매연 필터의 온도가 제2설정온도 이상인지를 판단하는 단계;
    매연 필터의온도가 제2설정온도 이상인 경우, 농후한 분위기를 조성하여 LNT 촉매로부터 이산화질소를 탈착하는 단계;
    탈착된 이산화질소를 슬립시키는 단계; 그리고
    슬립된 이산화질소를 이용하여 매연 필터를 재생하는 단계;
    를 더 포함하는 배기 가스 정화 장치의 제어 방법.
  7. 삭제
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