KR100999611B1

KR100999611B1 - 선택적 촉매 환원 장치 내의 암모니아 흡장량 계산 방법

Info

Publication number: KR100999611B1
Application number: KR1020070131557A
Authority: KR
Inventors: 강중훈
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2027-12-14
Also published as: KR20090064002A; US20090155153A1; DE102008058286A1; US8380353B2

Abstract

본 발명은 선택적 촉매 환원 장치 내에 흡장되는 암모니아 량을 정확히 계산하여 질소산화물의 정화율을 최대화하고 암모니아의 슬립을 방지하는 선택적 촉매 환원 장치 내의 암모니아 흡장량 계산 방법에 관한 것이다.

본 발명은 선택적 촉매 환원 장치 내의 온도 변화량을 측정하는 단계; 상기 선택적 촉매 환원 장치 내의 온도 변화량이 증가하는지 판단하는 단계; 만일 상기 선택적 촉매 환원 장치 내의 온도 변화량이 증가하면, 온도 변화량에 따른 암모니아 흡장 보정량을 계산하는 단계; 상기 암모니아 흡장 보정량을 이용하여 암모니아 흡장 변화량을 계산하는 단계; 그리고 상기 암모니아 흡장 변화량을 이용하여 현재의 암모니아 흡장량을 계산하는 단계;를 포함할 수 있다.

선택적 촉매 혼원 장치, 촉매 컨버터, 매연 여과 장치

Description

선택적 촉매 환원 장치 내의 암모니아 흡장량 계산 방법{METHOD FOR CALCULATING AMMONIA STORAGE AMOUNT}

본 발명은 선택적 촉매 환원 장치 내의 암모니아 흡장량 계산 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 선택적 촉매 환원 장치 내에 흡장되는 암모니아 량을 정확히 계산하여 질소산화물의 정화율을 최대화하고 암모니아의 슬립을 방지하는 선택적 촉매 환원 장치 내의 암모니아 흡장량 계산 방법에 관한 것이다.

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. 상기한 촉매 컨버터는 매연여과장치(DTF, Diesel Particulate Filter)의 일종으로 배출가스에 포함되어 있는 오염물질을 처리한다. 그리고 상기한 촉매컨버터 내부에는 배기가스에 포함된 입자상 물질(PM)을 포집하기 위한 촉매 담체가 형성되어 엔진에서 배출되는 각종 배기가스를 화학적 변환과정을 통하여 정화시키게 되는 것이다.

상기와 같은 역할을 하는 촉매 컨버터에 적용되는 촉매형식 중의 하나로 선택적 촉매 환원 장치(SCR, Selective Catalytic Reduction)가 있다. 선택적 촉매 환원 장치(SCR)는 일산화탄소와 총 탄화수소(Tetrahydrocannabinol; THC) 등과 같은 환원제가 산소와 질소산화물 중에서 질소산화물과 더 잘 반응하도록 한다는 의미에서 선택적 촉매 환원이라고 명명되고 있다. 선택적 촉매 환원 장치 중에서 암모니아-SCR은 질소산화물을 정화하기 위한 환원제로 암모니아를 사용하는 것으로 질소산화물에 대한 선택도가 매우 우수할 뿐만 아니라, 산소가 존재하는 경우에 일산화질소와 암모니아 사이의 반응이 촉진되는 장점이 있어 디젤 배기 장치에 적용하기에 유리한 것으로 알려져 있다.

이러한 암모니아-SCR을 자동차에 적용하여 질소산화물을 선택적으로 제거하고자 하는 것이 요소-SCR(Urea-SCR)이다. 상기한 요소-SCR은 요소 수용액을 SCR 촉매 상류에 주입하여 요소가 분해되면서 생성되는 암모니아를 사용하여 질소산화물을 선택적으로 환원시키는 것이기 때문에 SCR 촉매를 기준으로 보았을 때에는 암모니아-SCR이라고 볼 수 있다.

보통 요소-SCR에서는 요소의 주입량이 증가하게 되면 질소산화물의 정화율도 증가하는 경향을 보인다. 그러나 일정량 이상의 요소를 주입하게 되면, 주입된 요소 중 일부가 분해되지 않거나 반응하지 않고 남게 되는 암모니아의 양이 증가하게 된다. 따라서 요소 SCR에서는 요소의 사용량을 최소화하면서 질소산화물의 정화율을 높이는 것이 매우 중요하다.

또한, SCR 내에서 질소산화물 정화율을 높이고 암모니아의 슬립을 방지하기 위해서는 SCR 내에 흡장 가능한 암모니아 목표치에 실제 암모니아 흡장량이 일치하도록 제어가 필요하다. 그러나 SCR 내에 흡장된 암모니아의 흡장량은 센서를 통한 측정이 불가능하고 추정되어야 한다.

종래의 SCR 내의 암모니아 흡장량은 분사되는 암모니아 량에서 질소산화물과 반응하는 암모니아 량을 빼는 방법에 의하여 추정되었으며, 이 경우 현재 흡장된 암모니아는 줄어들지 않는다고 가정하였다.

그러나, 도 5에 도시된 바와 같이, SCR 내의 암모니아 흡장량은 온도에 따라 변화하게 된다. 즉, SCR 내의 온도가 상승하면 SCR 내의 암모니아 흡장량은 줄어들게 된다.

따라서, 종래의 SCR 내의 암모니아 흡장량 추정 방법에 의하면, 추정된 암모니아 흡장량이 실제 암모니아 흡장량과 차이가 있으며, 이에 따라 질소산화물의 정화율 저하 또는 암모니아의 슬립이 발생하였다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 선택적 촉매 환원 장치 내에 흡장되는 암모니아 량을 정확히 계산하여 질소산화물의 정화율을 최대화하고 암모니아의 슬립을 방지하는 선택적 촉매 환원 장치 내의 암모니아 흡장량 계산 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 장치 내의 암모니아 흡장량 계산 방법은, 선택적 촉매 환원 장치 내의 온도 변화량을 측정하는 단계; 상기 선택적 촉매 환원 장치 내의 온도 변화량이 증가하는지 판단하는 단계; 만일 상기 선택적 촉매 환원 장치 내의 온도 변화량이 증가하면, 온도 변화량에 따른 암모니아 흡장 보정량을 계산하는 단계; 상기 암모니아 흡장 보정량을 이용하여 암모니아 흡장 변화량을 계산하는 단계; 그리고 상기 암모니아 흡장 변화량을 이용하여 현재의 암모니아 흡장량을 계산하는 단계;를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 장치 내의 암모니아 흡장량 계산 방법은, 만일 선택적 촉매 환원 장치 내의 온도 변화량이 증가하지 않으면, 상기 암모니아 흡장 보정량은 "0"으로 정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 온도 변화량에 따른 암모니아 흡장 보정량은 맵에 저장되어 있을 수 있다.

상기 암모니아 흡장 변화량은, 암모니아 흡장 변화량 = 암모니아 분사량 - 반응량 - 흡장 보정량의 식으로부터 계산되되, 상기 암모니아 분사량은 배기가스의 유량과 배기가스 내의 질소산화물의 양에 따라 정해지고, 상기 반응량은 이전 암모니아 흡장량, 선택적 촉매 환원 장치 내의 온도, 그리고 질소산화물의 양에 따라 정해질 수 있다.

현재의 암모니아 흡장량은, 현재의 암모니아 흡장량 = 이전 암모니아 흡장량 + 암모니아 흡장 변화량의 식으로부터 계산될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원 장치 내의 암모니아 흡장량 계산 방법에 의하면, 선택적 촉매 환원 장치 내의 온도 변화량에 따른 암모니아 흡장량 변화량을 고려하여 현재의 암모니아 흡장량을 정확히 계산할 수 있다. 따라서, 질소산화물의 정화율을 최대화하고 암모니아 슬립을 방지할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 장치 내의 암모니아 흡장량 계산 방법이 적용되는 배기 장치를 도시한 개략도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 엔진(10)의 배기 가스는 배기 파이프(60)를 통해 흘러가며 배기 가스 내에 포함되어 있는 여러가지 유해 성분이 제거되고 난 후, 테 일 파이프(70)를 통해 외부로 배출된다.

엔진(10)은 혼합기를 연소하기 위한 복수개의 실린더(3)를 포함하고 있다. 상기 실린더는 흡기 매니폴드(5)에 연결되어 혼합기를 공급받으며, 상기 흡기 매니폴드(5)는 흡입 파이프(1)에 연결되어 외부의 공기를 공급받는다.

또한, 상기 실린더(3)는 배기 매니폴드(7)에 연결되어 연소 과정에서 발생한 배기 가스는 상기 배기 매니폴드(7)에 모이게 된다. 상기 배기 매니폴드(7)는 배기 파이프(60)에 연결되어 있다.

상기 배기 파이프(60)에는 배기 가스에 포함된 유해성분을 제거하기 위한 디젤산화 촉매 장치(20), 매연 저감 장치(30), 노즐(40), 그리고 선택적 촉매 환원 장치(50)가 장착되어 있다.

디젤산화 촉매 장치(20)는 배기 가스에 포함된 질소산화물을 이산화질소로 환원하여 선택적 촉매 환원 장치(50)에서 상기 이산화질소를 사용하도록 한다.

매연 저감 장치(30)는 배기 가스 내에 포함된 입자상 물질(Particulate Material)을 여과하여 저장하며, 상기 저장된 입자상 물질을 일정 조건 하에서 연소한다.

노즐(40)은 배기 가스에 요소(Urea)를 분사하며 분사된 요소는 암모니아로 분해되어 선택적 촉매 환원 장치(50)에서 사용된다.

선택적 촉매 환원 장치(50)는 요소에 의해 분해된 암모니아를 사용하여 이산화질소와 일산화질소를 질소 가스로 환원한다.

상기 디젤산화 촉매 장치(20), 매연 저감 장치(30), 노즐(40), 그리고 선택 적 촉매 환원 장치(50)는 당업자에게 널리 알려져 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

또한, 상기 배기 파이프(60)에는 플로우 미터(75), 질소산화물 센서(80)가 설치되어 있고, 상기 선택적 촉매 환원 장치(50)의 입구에는 온도 센서(90)가 설치되어 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 장치 내의 암모니아 흡장량 계산 방법이 수행되는 시스템을 도시한 구성도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 장치 내의 암모니아 흡장량 계산 방법이 수행되는 시스템은 플로우 미터(75), 질소산화물 센서(80), 온도 센서(90), 제어 유닛(95), 그리고 노즐(40)을 포함한다.

플로우 미터(75)는 배기 파이프(60)를 흘러가는 배기가스의 유량을 측정하여 이에 대한 신호를 상기 제어 유닛(95)에 전달한다.

질소산화물 센서(80)는 배기가스 내의 질소산화물의 양을 측정하여 이에 대한 신호를 상기 제어 유닛(95)에 전달한다.

온도 센서(90)는 선택적 촉매 환원 장치(50) 내의 온도를 측정하여 이에 대한 신호를 상기 제어 유닛(95)에 전달한다.

제어 유닛(95)는 설정된 프로그램에 의해 동작하는 하나 이상의 프로세서로 구현될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 장치 내의 암모니아 흡장량 계산 방법의 각 단계를 수행하도록 프로그래밍된 것일 수 있다.

상기 제어 유닛(95)은 상기 플로우 미터(75), 질소산화물 센서(80), 그리고 상기 온도 센서(90)에 연결되어 배기가스의 유량, 배기가스 내의 질소산화물의 양, 그리고 선택적 촉매 환원 장치(50) 내의 온도에 대한 신호를 전달받는다.

또한, 상기 제어 유닛(95)은 상기 신호들을 기초로 선택적 촉매 환원 장치(50) 내의 온도 변화량을 계산하고, 온도 변화량에 따른 암모니아 흡장 보정량, 암모니아 흡장 변화량, 그리고 현재의 암모니아 흡장량을 계산한다.

노즐(40)은 상기 제어 유닛(95)의 제어에 따라 배기가스에 요소를 분사한다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 장치 내의 암모니아 흡장량 계산 방법을 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 장치 내의 암모니아 흡장량 계산 방법의 플로우 챠트이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 각 센서(75, 80, 90)들이 배기가스의 유량, 배기가스 내의 질소산화물의 양, 그리고 선택적 촉매 환원 장치(50)내의 온도를 측정하면, 제어 유닛(95)은 선택적 촉매 환원 장치 내의 온도 변화량을 측정한다(S110).

그 후, 온도 변화량이 증가하면 암모니아 흡장량이 줄어들기 때문에, 상기 제어 유닛(95)은 선택적 촉매 환원 장치 내의 온도 변화량이 증가하는지를 판단한다(S120).

만일 S120 단계에서 선택적 촉매 환원 장치 내의 온도 변화량이 증가하면, 상기 제어 유닛(95)은 온도 변화량에 따른 암모니아 흡장 보정량을 계산한다(S130). 온도 변화량(dT)에 따른 암모니아 흡장 보정량(dm)은, 도 4에 도시된 바 와 같이, 맵에 저장되어 있으며, 상기 제어 유닛(95)은 계산된 온도 변화량에 따른 흡장 보정량을 상기 맵으로부터 계산한다. 도 4에 도시된 맵은 여러 번의 실험에 의하여 작성된다.

만일 S120 단계에서 선택적 촉매 환원 장치 내의 온도 변화량이 증가하지 않으면, 상기 제어 유닛(95)은 온도 변화량에 따른 암모니아 흡장 보정량을 "0"으로 정한다(S170).

그 후, 상기 제어 유닛(95)은 암모니아 흡장 보정량을 이용하여 암모니아 흡장 변화량을 계산한다(S140). 상기 암모니아 흡장 변화량은, 암모니아 흡장 변화량 = 암모니아 분사량 - 반응량 - 흡장 보정량의 식으로부터 계산된다.

또한, 상기 암모니아 분사량은 배기가스의 유량과 배기가스 내의 질소산화물의 양에 따라 정해진다. 즉, 배기가스의 유량과 배기가스 내의 질소산화물의 양에 따라 분사되는 요소의 양이 정해지며 이에 따라 요소의 분해에 의하여 발생될 암모니아 분사량이 정해진다.

또한, 상기 반응량은 이전 암모니아 흡장량, 선택적 촉매 환원 장치 내의 온도, 그리고 질소산화물의 양에 따라 정해진다. 즉, 이전 암모니아 흡장량과 질소산화물의 양을 알면 암모니아와 질소산화물의 화학반응식으로부터 반응량을 계산할 수 있다. 이 경우, 암모니아와 질소산화물의 화학 반응은 온도에 민감하므로 선택적 촉매 환원 장치 내의 온도를 고려하여 상기 반응량을 정한다.

한편, 이전 암모니아 흡장량은 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 장치 내의 암모니아 흡장량 계산 방법에 의하여 이전 번에 계산되어 상기 제어 유 닛(95)에 저장되어 있다.

그 후, 제어 유닛(95)은 상기 암모니아 흡장 변화량을 이용하여 현재의 암모니아 흡장량을 계산한다(S150). 현재의 암모니아 흡장량은, 현재의 암모니아 흡장량 = 이전 암모니아 흡장량 + 암모니아 흡장 변화량의 식으로부터 계산된다.

마지막으로, 제어 유닛(95)은 상기 현재의 암모니아 흡장량을 저장하고(S160), 이에 따라 요소 분사량을 제어한다. 또한, 저장된 현재 암모니아 흡장량은 다음 번의 경우에는 이전 암모니아 흡장량으로 사용된다.

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.

도 4는 온도 변화량에 따른 암모니아 흡장 보정량의 맵의 일 예이다.

도 5는 온도에 따른 선택적 촉매 환원 장치 내의 암모니아 흡장량을 도시한 그래프이다.

Claims

선택적 촉매 환원 장치 내의 온도 변화량을 측정하는 단계;

상기 선택적 촉매 환원 장치 내의 온도 변화량이 증가하는지 판단하는 단계;

만일 상기 선택적 촉매 환원 장치 내의 온도 변화량이 증가하면, 온도 변화량에 따른 암모니아 흡장 보정량을 계산하는 단계;

상기 암모니아 흡장 보정량을 이용하여 암모니아 흡장 변화량을 계산하는 단계; 그리고

상기 암모니아 흡장 변화량을 이용하여 현재의 암모니아 흡장량을 계산하는 단계;

를 포함하는 선택적 촉매 환원 장치 내의 암모니아 흡장량 계산 방법.
제 1항에 있어서,

선택적 촉매 환원 장치 내의 온도 변화량이 증가하지 않으면, 상기 암모니아 흡장 보정량은 "0"으로 정하는 단계를 더 포함하는 선택적 촉매 환원 장치 내의 암모니아 흡장량 계산 방법.
제 1항에 있어서,

상기 온도 변화량에 따른 암모니아 흡장 보정량은 맵에 저장되어 있는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 장치 내의 암모니아 흡장량 계산 방법.
제 1항에 있어서,

상기 암모니아 흡장 변화량은, 암모니아 흡장 변화량 = 암모니아 분사량 - 반응량 - 흡장 보정량의 식으로부터 계산되되,

상기 암모니아 분사량은 배기가스의 유량과 배기가스 내의 질소산화물의 양에 따라 정해지고,

상기 반응량은 이전 암모니아 흡장량, 선택적 촉매 환원 장치 내의 온도, 그리고 질소산화물의 양에 따라 정해지는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 장치 내의 암모니아 흡장량 계산 방법.
제 4항에 있어서,

현재의 암모니아 흡장량은, 현재의 암모니아 흡장량 = 이전 암모니아 흡장량 + 암모니아 흡장 변화량의 식으로부터 계산되는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 장치 내의 암모니아 흡장량 계산 방법.