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KR102451917B1 - 배기 정화 시스템 및 이의 제어방법 - Google Patents

배기 정화 시스템 및 이의 제어방법 Download PDF

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KR102451917B1
KR102451917B1 KR1020180058972A KR20180058972A KR102451917B1 KR 102451917 B1 KR102451917 B1 KR 102451917B1 KR 1020180058972 A KR1020180058972 A KR 1020180058972A KR 20180058972 A KR20180058972 A KR 20180058972A KR 102451917 B1 KR102451917 B1 KR 102451917B1
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catalyst
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조세프 켄시 웰데마
팔라니아판 무스카루판 아른
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현대자동차 주식회사
기아 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배기 정화 시스템은, 엔진의 후단 배기파이프에 장착된 제1 촉매와, 상기 제1 촉매의 후단 배기파이프에 장착된 SCR 촉매가 코팅된 디젤 매연 필터(Selective Catalytic Reduction on Diesel Particulate Filter; SDPF)와, 상기 제1 촉매와 SDPF 사이의 배기파이프에 장착되며, 환원제를 분사하는 환원제 인젝터, 및 상기 환원제 인젝터에서 분사되는 환원제의 양을 제어하는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 상기 SDPF 내부의 단위 시간당 온도 변화가 특정값 보다 큰 경우, 상기 SDPF 후단의 NOx 측정값이 모델링된 NOx 값보다 크면 암모니아 슬립량을 계산하고 환원제 분사량을 감소시키며, 상기 SDPF 후단의 NOx 측정값이 모델값보다 작으면 환원제 분사량을 증가시키도록 제어한다.

Description

배기 정화 시스템 및 이의 제어방법{EXHAUST GAS PURIFICATION SYSTEM AND THE CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 선택적 환원 촉매가 코팅된 디젤 매연 필터(selective catalytic reduction catalyst on diesel particulate filter; SDPF)를 구비한 배기 정화 시스템 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
선택적 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매는 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 정화시키는 촉매 컨버터의 한 형식이다. 우레아(Urea), 암모니아(Ammonia), 일산화탄소 및 탄화수소(Hydrocarbon; HC) 등과 같은 환원제를 배기가스에 제공하면 SCR 촉매에서는 배기가스에 포함된 질소산화물이 상기 환원제와의 산화/환원 반응을 통해 환원되게 된다.
LNT와 SCR 촉매를 함께 사용하는 경우, 공간적 제약 때문에 SCR 촉매가 디젤 매연 필터에 코팅될 수 있다. 선택적 환원 촉매가 코팅된 디젤 매연 필터(selective catalytic reduction catalyst on diesel particulate filter; SDPF)는 배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집하고 환원제를 이용하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 제거한다.
SCR 시스템의 NOx 정화 효율을 측정하기 위해 NOx 센서는 일반적으로 SCR의 전단 및 후단에 장착된다. SCR 전단과 후단의 측정값 사이의 차이는 NOx가 정화된 양이며, SCR 시스템의 효율성을 나타낸다. 그러나, 차량에 장착된 이러한 NOx 센서는 NH3에 교차 반응하며, NH3를 NOx로 인식한다.
SCR 시스템의 일부 영역은 NH3가 많이 공급되고, 다른 영역은 NH3가 부족하게 공급될 수 있으며, NH3가 많이 공급되는 영역에서는 NH3를 흡장하다가 흡장 능력을 넘어서 NH3가 슬립(slip)되기 시작한다. NH3가 많이 공급되는 영역에서 NH3 슬립을 줄이기 위해 우레아 분사를 중단하면, NH3 공급이 부족한 영역에서의 NOx 정화를 막아서 테일 파이프의 NOx 배출량이 증가한다.
SCR 일부 영역에서 NH3 슬립이 발생되면, SCR 후단의 NOx 센서는 슬립된 NH3를 정화가 되지 않은 NOx로 오인식하여, 우레아 공급량을 증가하도록 피드백 제어하며, 이 경우 NH3 슬립은 계속 증가하게 되고, SCR 전/후단 NOx 센서를 이용한 NOx 정화율은 악화된다. 따라서, 우레아 분사 보정 제어 및 SCR 효율 모니터링이 불가한 상황이 초래된다. 즉, 실제 SCR은 여전히 좋은 정화 효율을 유지하고 있지만, NOx 센서를 사용하여 측정된 SCR 효율은 악화되었다고 계산될 수 있다. 따라서, OBD(On-Board Diagnotics; 배출가스 자기진단) 관점에서는 정상적인 SCR이 결함이 있는 SCR로 진단될 수 있다.
특히, 오버런(Overrun)시의 NH3 감지시 감지 범위가 제한적이고, 다양한 운전 조건에서의 정확도의 문제가 있다. 또한, NOx 센서로 측정하여 계산된 NOx 정화 효율에서 NOx와 NH3에 의한 기여도를 알 수 없다.
또한, NOx 정화 효율이 낮게 계산되는 SCR 시스템이 실제로 고장나서 NOx 정화 성능이 안 좋아진 것인지, 아니면 NOx 정화 성능은 좋게 유지되고 있는데 NH3 슬립에 의해서 센서값에 왜곡이 발생한 것인지 알 수 없다.
NH3 슬립에 의한 NOx 정화 효율 영향도를 판단할 수 없어서 정상 부품을 고장 부품으로 진단할 수 있으며, 이 경우 SCR 부품 전체를 교체해 주어야 하기 때문에 발생되는 비용이 커지는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 다양한 운전 조건에서, SDPF 후단 NOx 센서값 및 모델값을 이용하여 NH3 슬립을 실시간 감지하고, 이를 통해 우레아 분사량을 조절하고, NH3 슬립이 발생하는 다양한 운전 조건에서 OBD 진단의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 배기 정화 시스템 및 이의 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 정화 시스템은, 엔진의 후단 배기파이프에 장착된 제1 촉매와, 상기 제1 촉매의 후단 배기파이프에 장착된 SCR 촉매가 코팅된 디젤 매연 필터(Selective Catalytic Reduction on Diesel Particulate Filter; SDPF)와, 상기 제1 촉매와 SDPF 사이의 배기파이프에 장착되며, 환원제를 분사하는 환원제 인젝터, 및 상기 환원제 인젝터에서 분사되는 환원제의 양을 제어하는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 상기 SDPF 내부의 단위 시간당 온도 변화가 특정값 보다 큰 경우, 상기 SDPF 후단의 NOx 측정값이 모델링된 NOx 값보다 크면 암모니아 슬립량을 계산하고 환원제 분사량을 감소시키며, 상기 SDPF 후단의 NOx 측정값이 모델값보다 작으면 환원제 분사량을 증가시키도록 제어한다.
상기 SDPF는 배기가스의 흐름을 따라 적어도 하나의 슬라이스로 구분되고, 상기 각 슬라이스는 서로 동일한 면적을 가지도록 설정된 형상의 적어도 하나의 셀로 구성될 수 있다.
상기 제어기는, 상기 SDPF의 센서상 측정된 NOx 정화 효율이 고장 진단 임계 NOx 정화 효율보다 큰 조건에서 고장 진단을 수행할 수 있다.
상기 SDPF의 센서상 측정된 NOx 정화 효율은 상기 SDPF 전단 NOx 측정값 대비, 상기 SDPF 전단 NOx 측정값에서 상기 SPDF 후단 NOx 측정값을 차감한 값의 비율로 계산될 수 있다.
상기 SDPF 후단 NOx 측정값은, 상기 SDPF 후단 NOx 모델링값과, 암모니아 슬립량에 NOx 센서에서 NH3를 NOx로 인식하는 비율을 곱한 값을 더하여 계산될 수 있다.
상기 제어기는 모델링된 NOx 정화 효율에서 고장 진단 임계 NOx 정화 효율을 차감한 후, 상기 NOx 센서 오차에 의한 NOx 정화 효율을 차감한 값을 한계 NOx 정화 효율로 계산하고, 상기 한계 NOx 정화 효율이 SDPF 전단 NOx 센서 측정값 대비 NOx 센서에서 NH3를 NOx로 인식하는 비율을 SDPF 후단 NH3 슬립량을 곱한 값에서 상기 NOx 센서 오차에 의한 NOx 정화 효율을 차감한 값보다 크면 고장 진단을 수행할 수 있다.
상기 SDPF의 후단 배기파이프에는 상기 SDPF에서 슬립된 암모니아를 이용하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 환원하는 추가 SCR 촉매를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 촉매는 린녹스트랩(Lean NOx Trap; LNT) 촉매일 수 있다.
상기 제1 촉매는 산화 촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC)일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라서, SDPF의 NH3 슬립을 감지하여 우레아 분사량을 최적화함으로써, 운전간 NH3 저감과 NOx 정화 효율을 최적으로 유지할 수 있다.
또한, SDPF 후단 NOx 센서가 슬립된 NH3를 NOx로 오측정하는 것을 방지하며, SDPF 후단의 NOx 및 NH3 슬립양을 계산하여 예측할 수 있다.
또한, 실시간으로 NH3 슬립에 의한 NOx 정화 효율 영향도를 판단할 수 있어서, NH3 슬립이 발생하는 다양한 운전 조건에서 정상 부품을 고장 부품으로 진단하지 않고, OBD 진단의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기 정화 시스템을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배기 정화 시스템에서 제어기의 입력과 출력 관계를 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 사용되는 SDPF를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 사용되는 SDPF를 개략적으로 도시한 측단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 사용되는 셀의 구성의 하나의 예를 도시한 정면 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 배기 정화 시스템에서 환원제의 분사량을 조절하는 방법을 도시한 흐름도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
단, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
단, 본 발명의 실시 예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하여 설명한다.
하기의 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성의 명칭이 동일하여 이를 구분하기 위한 것으로, 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기 정화 시스템을 도시한 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 내연 기관의 배기 정화 시스템은 엔진(10), 배기파이프(20), 배기가스재순환(Exhaust Gas Recirculation; EGR) 장치(30), 린녹스트랩(Lean NOx Trap; LNT)(40), 분사 모듈(50), 선택적 환원 촉매가 코팅된 디젤 매연 필터(selective catalytic reduction catalyst on diesel particulate filter; SDPF)(60), 및 제어기(70)를 포함한다.
엔진(10)은 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 연소시켜 화학적 에너지를 기계적 에너지로 변환한다. 엔진(10)은 흡기매니폴드(16)에 연결되어 연소실(12) 내부로 공기를 유입받으며, 연소 과정에서 발생된 배기가스는 배기매니폴드(18)에 모인 후 엔진 밖으로 배출되게 된다. 연소실(12)에는 인젝터(14)가 장착되어 연료를 연소실(12) 내부로 분사한다.
여기에서는 디젤 엔진을 예시하였으나 희박 연소(lean burn) 가솔린 엔진을 사용할 수도 있다. 가솔린 엔진을 사용하는 경우, 흡기매니폴드(16)를 통하여 혼합기가 연소실(12) 내부로 유입되며, 연소실(12) 상부에는 점화를 위한 점화플러그(도시하지 않음)가 장착된다. 또한, 가솔린 직접 분사(Gasoline Direct Injection; GDI) 엔진을 사용하는 경우, 디젤 엔진과 마찬가지로 인젝터(14)가 연소실(12)의 상부에 장착된다.
배기파이프(20)는 배기매니폴드(18)에 연결되어 배기가스를 차량의 외부로 배출시킨다. 배기파이프(20) 상에는 LNT(40), 분사 모듈(50) 및 SDPF(60)가 장착되어 배기가스 내 포함된 탄화수소, 일산화탄소, 입자상 물질 그리고 질소산화물 등을 제거한다.
배기가스재순환장치(30)는 배기파이프(20) 상에 장착되어 엔진(10)에서 배출되는 배기가스 일부를 배기가스재순환장치(30)를 통해 엔진(10)에 재공급한다. 또한, 배기가스재순환장치(30)는 흡기매니폴드(16)에 연결되어 배기가스의 일부를 공기에 섞어 연소 온도를 제어한다. 이러한 연소 온도의 제어는 제어기(70)의 제어에 의하여 흡기매니폴드(16)에 공급되는 배기가스의 양을 조절함으로써 수행된다. 따라서, 배기가스재순환장치(30)와 흡기 매니폴드(16)를 연결하는 라인 상에는 제어기(70)에 의하여 제어되는 재순환 밸브(도시하지 않음)가 장착될 수 있다.
배기가스재순환장치(30)의 후방 배기파이프(20)에는 제1 산소 센서(72)가 장착되어 배기가스재순환장치(30)를 통과한 배기가스 내의 산소량을 검출하여 상기 제어기(70)에 전달함으로써 제어기(70)가 배기가스의 린/리치 제어(lean/rich control)를 수행하는 것을 돕도록 할 수 있다. 본 명세서에서는 제1 산소 센서(72)의 측정값을 LNT 전단의 공연비(lambda)라고 칭하기로 한다.
또한, 배기가스재순환장치(30)의 후방 배기파이프(20)에는 제1 온도 센서(74)가 장착되어 배기가스재순환장치(30)를 통과한 배기가스의 온도를 검출한다.
LNT(40)는 배기가스재순환장치(30)의 후방 배기파이프(20)에 장착되어 있다. LNT(40)는 연한(lean) 분위기에서 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 흡장하고, 농후한(rich) 분위기에서 흡장된 질소산화물을 탈착하며 배기가스에 포함된 질소산화물 또는 탈착된 질소산화물을 환원시킨다. 또한, LNT(40)는 배기가스에 포함된 일산화탄소(CO) 및 탄화수소(HC)를 산화시킨다.
여기에서, 탄화수소는 배기가스와 연료에 포함된 탄소와 수소로 구성된 화합물을 모두 지칭하는 것으로 이해하여야 할 것이다. 또한, LNT(40)가 제1 촉매의 예시로 설명되었지만, 제1 촉매는 산화 촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC)로 구성될 수도 있다.
LNT(40)의 후방 배기파이프(20)에는 제2 산소 센서(76), 제2 온도 센서(78) 및 제1 NOx 센서(80)가 장착되어 있다.
제2 산소 센서(76)는 SDPF(60)에 유입되는 배기가스에 포함된 산소량을 측정하여 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다. 제1 산소 센서(72)와 제2 산소 센서(76)의 검출값을 기초로 제어기(70)는 배기가스의 린/리치 제어를 수행할 수 있다. 본 명세서에서 제2 산소 센서(76)의 측정값을 필터 전단의 공연비(lambda)라고 칭하기로 한다.
제2 온도 센서(78)는 SDPF(60)에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하여 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다. 여기서, 매연 필터(60)에서 배출되는 배기가스의 온도를 감지하고, 이를 제어기(70)로 전송하는 제3 온도 센서(90)가 더 배치될 수 있다.
제1 NOx 센서(80)는 SDPF(60)에 유입되는 배기가스에 포함된 NOx 양을 측정하여 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다. 제1 NOx 센서(80)에서 측정된 NOx 양은 분사 모듈(50)에서 분사할 환원제의 양을 결정하는데 사용될 수 있다.
분사 모듈(50)은 SDPF(60)의 전단 배기파이프(20)에 장착되어 있으며, 제어기(70)에 의하여 제어되어 환원제를 배기가스에 분사한다. 통상적으로, 분사 모듈(50)은 요소를 분사하며, 분사된 요소는 가수분해에 의하여 암모니아로 변환된다.
그러나, 환원제는 암모니아에 한정되지는 않는다. 이하에서는 설명의 편의상 환원제로 암모니아를 사용하고 분사 모듈(50)에서 요소를 분사하는 것을 예시한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상 내에서 암모니아 이외의 환원제를 사용하는 것도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 할 것이다.
분사 모듈(50)의 후단 배기파이프(20)에는 믹서(55)가 장착되어 환원제를 배기가스에 골고루 혼합시킨다.
SDPF(60)는 믹서(55)의 후단 배기파이프(20)에 장착되어 있으며, 배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집하고, 분사 모듈(50)에서 분사된 환원제를 이용하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 환원한다.
도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, SDPF(60)는 배기가스의 흐름을 따라 적어도 하나의 슬라이스(60a, 60b, 60c)로 구분되고, 각 슬라이스는 서로 동일한 면적을 가지도록 설정된 형상의 적어도 하나의 셀로 구성될 수 있다. 예를 들어, 하나의 슬라이스(60a)는 복수의 셀(60a_1 내지 60a_10)로 구성될 수 있다.
제어기(70)는 환원제 분사량을 계산하기 위해, SDPF(60)를 복수개의 슬라이스로 분리하여 인식한다. 즉, SDPF(60)는 복수개의 슬라이스가 배기가스의 흐름을 따라 순차적으로 배치되고, 물리적 또는 가상적으로 구분될 수 있다. 각 슬라이스의 길이는 동일하고, 이에 따라, 메모리 용량, 계산 시간 등이 최소화될 수 있다.
또한, 제어기(70)는 각 슬라이스를 복수개의 셀로 분리하여 인식한다. 각 슬라이스를 구성하는 셀들의 개수는 계산의 정확도, 메모리 용량 및 계산 시간을 고려하여 설계자가 결정할 수 있다. 또한, 하나의 슬라이스의 n번째 셀은 다른 하나의 슬라이스의 n번째 셀과 반경 방향 및 원주방향으로 동일한 위치에 위치하며, 그 모양 또한 동일하다. 더 나아가, 각 셀들의 면적도 동일하다. 도 5에 도시된 바와 같이, 각 셀들은 부채꼴 형상을 가지고 있으며 그 중심각이 동일하다. 중심에는 원형의 셀(60a_10)이 위치하고, 그 주위에 동일한 중심각을 가진 부채꼴 형상의 조각들(원형의 셀 부분이 잘린)의 셀(60a_1 내지 60a_8)이 위치할 수 있다. 각 셀들의 면적을 동일하게 하고, 각 슬라이스에서 n번째 셀의 위치 및 형상을 동일하게 함으로써, 메모리의 용량 및 계산 시간을 최소화할 수 있다.
각 셀의 내부에는 질소산화물의 농도, 암모니아의 농도, 온도 등 물리적/화학적 특성들이 동일하다. 또한, 배기가스, NOx, 암모니아 등은 각 슬라이스를 구성하는 셀들 사이에서 이동이 가능하지 않다고 가정할 수 있다.
슬라이스의 개수, 슬라이스의 형상, 셀의 개수 및 셀의 형상은 여기에서 예시한 것에 한정되지 아니하며, 모델 계산의 정확도를 고려하여 설계자가 설정할 수 있다.
SDPF(60) 후단 배기파이프(20)에는 SDPF(60)에서 슬립된 암모니아를 이용하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 환원하는 추가 SCR 촉매를 더 포함할 수 있다. 추가적인 SCR 촉매는 SDPF(60)에서 질소산화물이 완벽하게 정화되지 못하는 경우, 질소산화물을 추가적으로 환원시킬 수 있다. 추가적인 SCR 촉매는 SDPF(60)와는 물리적으로 이격되어 장착될 수도 있다.
한편, 배기파이프(20)에는 차압 센서(66)가 장착되어 있다. 차압 센서(66)는 SDPF(60)의 전단부와 후단부의 압력 차이를 측정하고 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다. 제어기(70)는 차압 센서(66)에서 측정된 압력 차이가 설정 압력 이상인 경우 SDPF(60)를 재생하도록 제어할 수 있다.
이 경우, 인젝터(14)에서 연료를 후분사함으로써 SDPF(60) 내부에 포집된 입자상 물질을 연소시킬 수 있다.
또한, SDPF(60)의 후단 배기파이프(20)에는 제2 NOx 센서(82)가 장착된다. 제2 NOx 센서(82)는 SDPF(60)로부터 배출된 배기가스에 포함된 질소산화물의 양을 검출하고, 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다. 제어기(70)는 제2 NOx 센서(82)의 검출값을 기초로 SDPF(60)가 배기가스에 포함된 질소산화물을 정상적으로 제거하고 있는지 모니터링 할 수 있다. 즉, 제2 NOx 센서(82)는 SDPF(60)의 성능을 평가하기 위하여 사용될 수 있다.
제어기(70)는 각 센서들에서 검출된 신호들을 기초로 엔진(10)의 운전 조건을 판단하고, 엔진(10)의 운전 조건을 기초로 린/리치 제어 및 분사 모듈(50)에서 분사되는 환원제의 양을 제어한다.
일 예로, 제어기(70)는 공연비를 농후한 분위기로 제어함으로써 LNT(40)에서 질소산화물을 제거(본 명세서에서는 'LNT의 재생'이라고 한다)하도록 하고, 환원제 분사를 통하여 SDPF(60)에서 질소산화물을 제거하도록 할 수 있다. 린/리치 제어는 인젝터(14)에서 분사되는 연료의 양 및 분사 시기를 조절함으로써 수행될 수 있다.
한편, 제어기(70)는 엔진 운전 조건을 기초로 SDPF(60)의 내부 온도, SDPF(60)에 흡장된 암모니아 양, LNT(40) 후단 NOx 배출량 등을 계산하고, 이들을 기초로 SDPF(60)의 NOx 정화율을 예측한다.
이러한 목적을 위하여, 제어기(70)에는 SDPF(60) 내부 온도에 따른 암모니아 흡장/산화 특성, SDPF(60) 내부 온도에 따른 암모니아 탈착 특성, 농후한 분위기에서 LNT(40)의 NOx 슬립 특성 등이 저장되어 있다.
SDPF(60) 내부 온도에 따른 암모니아 흡장/산화 특성, SDPF(60) 내부 온도에 따른 암모니아 탈착 특성, 농후한 분위기에서 LNT(40)의 NOx 슬립 특성 등은 수많은 실험에 의하여 맵으로 정해질 수 있다. 또한, 제어기(70)는 SDPF(60)의 재생과 LNT(40)의 탈황을 진행한다.
이러한 목적을 위하여, 제어기(70)는 설정된 프로그램에 의해 동작하는 하나 이상의 프로세서로 구현될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 본 발명의 실시예에 따른 배기 정화 시스템의 제어방법의 각 단계를 수행하도록 프로그래밍된 것일 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배기 정화 시스템에서 제어기의 입력과 출력 관계를 도시한 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1 산소 센서(72), 제1 온도 센서(74), 제2 산소 센서(76), 제2 온도 센서(78), 제1 NOx 센서(80), 제2 NOx 센서(82), 제3 온도 센서(90), 그리고 차압 센서(66)는 제어기(70)에 전기적으로 연결되어 있으며 검출한 값들을 제어기(70)에 전달한다.
제1 산소 센서(72)는 배기가스재순환장치(30)를 통과한 배기가스 내의 산소량을 검출하여 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다. 제어기(70)가 제1 산소 센서(72)에서 검출된 배기가스 내의 산소량을 기초로 배기가스의 린/리치 제어(lean/rich control)를 수행하는 것을 돕도록 할 수 있다. 제1 산소 센서(72)에서 검출된 값은 람다(λ)로 표시될 수 있다. 람다는 이론 공연비에 대한 실제 공연비의 비를 나타내며, 람다가 1을 초과하면 희박한 분위기로 보고, 람다가 1 미만이면 농후한 분위기로 본다.
제1 온도 센서(74)는 배기가스재순환장치(30)를 통과한 배기가스의 온도를 검출하여 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다.
제2 산소 센서(76)는 SDPF(60)에 유입되는 배기가스에 포함된 산소량을 측정하여 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다.
제2 온도 센서(78)는 SDPF(60)에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하여 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다.
제1 NOx 센서(80)는 SDPF(60)에 유입되는 배기가스에 포함된 NOx 양을 측정하여 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다.
제2 NOx 센서(82)는 SDPF(60)로부터 배출된 배기가스에 포함된 질소산화물의 양을 검출하고, 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다.
차압 센서(66)는 SDPF(60)의 전단부와 후단부의 압력 차이를 측정하고 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달하고, 제3 온도 센서(90)는 SDPF(60)에서 배출되는 배기가스의 온도를 측정하여 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다.
제어기(70)는 상기 전달된 값들을 기초로 엔진 운전 조건, 연료 분사량, 연료 분사 시기, 연료 분사 패턴, 환원제 분사량, SDPF(60)의 재생 시기 및 LNT(40)의 재생/탈황 시기를 결정하고, 인젝터(14) 및 분사 모듈(50)을 제어하기 위한 신호를 인젝터(14) 및 분사 모듈(50)에 출력한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 배기 정화 시스템에는 도 2에 기재된 센서들 외에 다수의 센서들이 장착될 수 있으나, 설명의 편의를 위하여 생략한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 배기 정화 시스템에서 환원제의 분사량을 조절하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 엔진(10)이 시동되면, 제어기(70)는 제어를 시작한다.
우선, 제어기(70)는 SDPF(60) 내부 온도를 연산한다. 제어기(70)는 운행정보에 따라서 SDPF(60)의 내부 온도를 연산할 수 있다. 여기서, 운행정보는 엔진(10)의 RPM, 연료분사량, 외기온, 또는 냉각수온 등을 포함할 수 있다.
제어기(70)는 SDPF(60) 내부의 단위시간당 온도 변화(dT/dt)를 연산하고, SDPF(60) 내부의 단위시간당 온도 변화가 제1 특정값 이상인지 판단한다(S601). 이 때, 제1 특정값은 약 10℃일 수 있다.
그 후, SDPF(60) 내부의 단위시간당 온도 변화가 제1 특정값 이상이면, SDPF(60) 후단의 NOx 측정값이 모델링된 NOx 값보다 큰지 판단한다(S602).
그 후, SDPF(60) 후단의 NOx 측정값이 모델링된 NOx 값보다 크면, NH3 슬립양을 계산하고(S603), 환원제 분사량을 감소시킨다(S604).
만약, SDPF(60) 후단의 NOx 측정값이 모델링된 NOx 값보다 크지 않으면, 정화 효율 미달로 판단하고(S605), 환원제 분사량을 증가시킨다(S606).
한편, 제어기(70)는, SDPF(60)의 센서상 측정된 NOx 정화 효율이 고장 진단 임계 NOx 정화 효율(ηthreshold)보다 큰 조건에서 고장 진단을 수행한다.
SDPF의 센서상 측정된 NOx 정화 효율은 SDPF 전단 NOx 측정값(NOxUsmeas) 대비, SDPF 전단 NOx 측정값(NOxUsmeas)에서 SPDF 후단 NOx 측정값(NOxDsmeas)을 차감한 값의 비율로 계산될 수 있으며, 고장 진단 조건은 하기 수학식(1)로 나타낼 수 있다.
Figure 112018050971645-pat00001
……… 수학식(1)
또한, SDPF 후단 NOx 측정값(NOxUsmeas)은, SDPF 후단 NOx 모델링값(NOxDsmodel)과, 암모니아 슬립량(NH3slip)에 NOx 센서에서 NH3를 NOx로 인식하는 비율(χ)을 곱한 값을 더하여 계산될 수 있다.
따라서, 상기 수학식(1)은 하기 수학식(2)로 나타낼 수 있다.
Figure 112018050971645-pat00002
… 수학식(2)
또한, 상기 수학식(2)는 하기 수학식(3)으로 나타낼 수 있다. 이 때, 모델링된 NOx 정화 효율(ηmodel)은 SDPF 후단 NOx 측정값(NOxUsmeas) 대비, SDPF 후단 NOx 측정값(NOxUsmeas)에서 SDPF 후단 NOx 모델링값(NOxDsmodel)을 차감한 값이다.
Figure 112018050971645-pat00003
………… 수학식(3)
또한, 상기 수학식(3)은 하기 수학식(4)로 나타낼 수 있다.
Figure 112018050971645-pat00004
……… 수학식(4)
제어기(70)는 모델링된 NOx 정화 효율(ηmodel)에서 고장 진단 임계 NOx 정화 효율(ηthreshold)을 차감한 후, NOx 센서 오차에 의한 NOx 정화 효율(ηoffset)을 차감한 값을 한계 NOx 정화 효율(ηlimit)로 계산하며, 이는 아래 수학식(5)로 나타낼 수 있다.
Figure 112018050971645-pat00005
… 수학식(5)
상기 수학식(4)에 수학식(5)를 대입하면, 하기 수학식(6)으로 나타낼 수 있다.
Figure 112018050971645-pat00006
………………… 수학식(6)
수학식(6)을 만족하는 상태 즉, 상기 한계 NOx 정화 효율(ηlimit)이 SDPF 전단 NOx 센서 측정값(NOxUsmeas) 대비 NOx 센서에서 NH3를 NOx로 인식하는 비율(χ)을 SDPF 후단 NH3 슬립량(NH3slip)을 곱한 값에서 센서 오차에 의한 NOx 정화 효율(ηoffset)을 차감한 값보다 크면 고장 진단을 수행할 수 있다. 상기 수학식(6)을 만족하지 않으면, 고장 진단을 중지한다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, SDPF의 NH3 슬립을 감지하여 우레아 분사량을 최적화함으로써, 운전간 NH3 저감과 NOx 정화 효율을 최적으로 유지할 수 있다.
또한, SDPF 후단 NOx 센서가 슬립된 NH3를 NOx로 오측정하는 것을 방지하며, SDPF 후단의 NOx 및 NH3 슬립양을 계산하여 예측할 수 있다.
또한, 실시간으로 NH3 슬립에 의한 NOx 정화 효율 영향도를 판단할 수 있어서, NH3 슬립이 발생하는 다양한 운전 조건에서 정상 부품을 고장 부품으로 진단하지 않고, OBD 진단의 신뢰성을 향상시킬 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.
10: 엔진 30: 배기가스재순환장치
40: 린녹스트랩(LNT) 50: 분사 모듈
60: SDPF 70: 제어기

Claims (9)

  1. 엔진의 후단 배기파이프에 장착된 제1 촉매;
    상기 제1 촉매의 후단 배기파이프에 장착된 SCR 촉매가 코팅된 디젤 매연 필터(Selective Catalytic Reduction on Diesel Particulate Filter; SDPF);
    상기 제1 촉매와 SDPF 사이의 배기파이프에 장착되며, 환원제를 분사하는 환원제 인젝터; 및
    상기 환원제 인젝터에서 분사되는 환원제의 양을 제어하는 제어기를 포함하고,
    상기 제어기는 상기 SDPF 내부의 단위 시간당 온도 변화가 특정값 보다 큰 경우, 상기 SDPF 후단의 NOx 측정값이 모델링된 NOx 값보다 크면 암모니아 슬립량을 계산하고 환원제 분사량을 감소시키며, 상기 SDPF 후단의 NOx 측정값이 모델값보다 작으면 환원제 분사량을 증가시키도록 제어하는 배기 정화 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 SDPF는 배기가스의 흐름을 따라 적어도 하나의 슬라이스로 구분되고, 상기 각 슬라이스는 서로 동일한 면적을 가지도록 설정된 형상의 적어도 하나의 셀로 구성되는 배기 정화 시스템.
  3. 제 1 항에서,
    상기 제어기는, 상기 SDPF의 센서상 측정된 NOx 정화 효율이 고장 진단 임계 NOx 정화 효율보다 큰 조건에서 고장 진단을 수행하는 배기 정화 시스템.
  4. 제 3 항에서,
    상기 SDPF의 센서상 측정된 NOx 정화 효율은 상기 SDPF 전단 NOx 측정값 대비, 상기 SDPF 전단 NOx 측정값에서 상기 SPDF 후단 NOx 측정값을 차감한 값의 비율로 계산되는 배기 정화 시스템.
  5. 제 4 항에서,
    상기 SDPF 후단 NOx 측정값은,
    상기 SDPF 후단 NOx 모델링값과, 암모니아 슬립량에 NOx 센서에서 NH3를 NOx로 인식하는 비율을 곱한 값을 더하여 계산되는 배기 정화 시스템.
  6. 제 5 항에서,
    상기 제어기는 모델링된 NOx 정화 효율에서 고장 진단 임계 NOx 정화 효율을 차감한 후, 상기 NOx 센서 오차에 의한 NOx 정화 효율을 차감한 값을 한계 NOx 정화 효율로 계산하고,
    상기 한계 NOx 정화 효율이 SDPF 전단 NOx 센서 측정값 대비 NOx 센서에서 NH3를 NOx로 인식하는 비율을 SDPF 후단 NH3 슬립량을 곱한 값에서 상기 NOx 센서 오차에 의한 NOx 정화 효율을 차감한 값보다 크면 고장 진단을 수행하는 배기 정화 시스템.
  7. 제 6 항에서,
    상기 SDPF의 후단 배기파이프에는 상기 SDPF에서 슬립된 암모니아를 이용하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 환원하는 추가 SCR 촉매를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 정화 시스템.
  8. 제 1 항에서,
    상기 제1 촉매는 린녹스트랩(Lean NOx Trap; LNT) 촉매인 것을 특징으로 하는 배기 정화 시스템.
  9. 제 1 항에서,
    상기 제1 촉매는 산화 촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC)인 것을 특징으로 하는 배기 정화 시스템.
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