KR101048112B1 - 내연 기관의 배기 가스 정화 장치 및 이의 탈황 방법 - Google Patents

내연 기관의 배기 가스 정화 장치 및 이의 탈황 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 질소 산화물 저감 촉매가 구비된 배기 가스 정화장치에서 질소 산화물 저감 촉매에 피독된 황을 제거함으로써 질소 산화물 저감 촉매의 정화 성능을 회복시키는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치 및 이의 탈황 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 내연 기관의 배기 가스 정화 장치는 연소실 내에 연료를 분사하는 제1인젝터를 가지는 내연 기관에서 발생된 배기 가스가 흘러가는 배기 파이프; 상기 배기 파이프에 장착되어 연료를 추가 분사하는 제2인젝터; 상기 제2인젝터의 후단 배기 파이프에 장착되어 배기 가스에 포함된 입자상 물질을 걸러주는 매연 필터; 상기 매연 필터 후단에 장착되어 배기 가스에 포함된 질소산화물을 저감시키는 질소 산화물 저감 촉매; 그리고 상기 매연 필터 재생 중, 탈황 진입 조건과 탈황 조건을 모두 만족하는 경우 질소 산화물 저감 촉매의 탈황을 진행하는 제어부;를 포함할 수 있다.
후분사, 추가 분사, 질소 산화물 저감 촉매, 매연 필터, 탈황

Description

내연 기관의 배기 가스 정화 장치 및 이의 탈황 방법{EXHAUST PURIFICATION SYSTEM FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND DESULFURIZATION METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 내연 기관의 배기 가스 정화 장치 및 이의 탈황 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 질소 산화물 저감 촉매가 구비된 배기 장치에서 질소 산화물 저감 촉매에 피독된 황을 제거함으로써 질소 산화물의 정화 성능을 회복시키는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치 및 이의 탈황 방법에 관한 것이다.
일반적으로 엔진에서 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기 가스는 배기 파이프에 설치된 촉매 컨버터(Catalytic Converter)로 유도되어 정화되고, 머플러를 통과하면서 소음이 감쇄된 후 테일 파이프를 통해 대기 중으로 배출된다. 상기한 촉매 컨버터는 배기 가스에 포함되어 있는 오염물질을 정화한다. 그리고 배기 파이프 상에는 배기 가스에 포함된 입자상 물질(Particulate Matters: PM)을 포집하기 위한 매연 필터가 장착된다.
질소 산화물 저감 촉매(Denitrification Catalyst; DeNOx Catalyst)는 배기가스에 포함된 질소 산화물을 정화시키는 촉매 컨버터의 한 형식이다. 우레아(Urea), 암모니아(Ammonia), 일산화탄소 및 탄화수소(Hydrocarbon; HC) 등과 같은 환원제를 배기 가스에 제공하면 질소 산화물 저감 촉매에서는 배기 가스에 포함된 질소산화물이 상기 환원제와의 산화-환원 반응을 통해 환원되게 된다.
최근에는, 이러한 질소 산화물 저감 촉매로 LNT 촉매(Lean NOx Trap Catalyst)가 사용되고 있다. LNT 촉매는 엔진이 린(lean)한 분위기에서 작동되면 배기 가스에 포함된 질소 산화물을 흡착하고, 엔진이 농후(rich)한 분위기에서 작동되면 흡착된 질소산화물을 탈착한다.
그러나, 질소 산화물 저감 촉매에서 질소 산화물을 흡착하는 물질은 염기성이기 때문에 배기 가스에 포함된 질소산화물과 함께 황산화물(연료 또는 엔진 오일에 포함된 황 성분이 산화된 물질) 역시 흡착하게 된다. 질소 산화물 저감 촉매 내 황 성분의 피독은 질소 산화물 정화 효율을 떨어뜨리게 된다. 이에 따라, 질소 산화물 저감 촉매의 탈황을 필요로 한다.
종래의 배기 장치의 탈황 방법에 따르면, 매연 필터의 재생를 재생한 후 질소 산화물 저감 촉매(질소 산화물 흡장형 질소 산화물 저감 촉매)의 탈황을 진행하였다. 즉, 매연 필터의 재생 과정에서 생성된 고온을 이용하여 질소 산화물 저감 촉매의 탈황을 수행하였다.
그런데, 종래의 배기 장치의 탈황 방법에 따르면, 매연 필터의 재생과 질소 산화물 저감 촉매의 탈황이 동시에 수행될 수 없었다. 그 이유는 매연 필터의 재생에는 다량의 산소가 필요하나, 질소 산화물 저감 촉매의 탈황은 산소가 부족한 농후한 분위기가 필요하기 때문이다. 따라서, 매연 필터의 재생을 완료한 후 질소 산 화물 저감 촉매의 탈황을 진행하였다. 일반적으로, 매연 필터의 재생에는 10~20분이 소요되고, 질소 산화물 저감 촉매의 탈황에는 15~30분이 소요된다. 결국, 질소 산화물 저감 촉매의 탈황은 25~50분 동안 연소실에 연료를 후분사함으로써 수행되게 된다. 이에 따라 연비가 현저히 악화된다.
또한, 연소실에 연료를 후분사하는 경우 엔진 토크 변동이 발생하게 되고, 이에 대한 개선을 위해 연비 및 운전 성능의 악화를 초래하게 되었다.
더 나아가, 연소실에 연료를 후분사하는 경우 다량의 PM과 윤활유 희석(oil dilution)이 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기 제기한 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로, 본 발명의 목적은 매연 필터의 재생을 진행하는 과정에서 탈황 진입 조건과 탈황 조건을 만족하는 경우 질소 산화물 저감 촉매의 탈황을 진행함으로써 탈황에 소요되는 시간을 단축하고, 연비를 향상시키는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치 및 이의 탈황 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 질소 산화물 저감 촉매의 탈황을 배기 파이프에 장착된 인젝터에서 연료를 추가 분사함으로써 수행하기 때문에, 엔진 토크의 변동이 없고 윤활유 희석이 발생하지 않는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치 및 이의 탈황 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 내연 기관의 배기 가스 정화 장치는 연소실 내 연료를 분사하는 제1인젝터를 가지는 내연 기관에서 발생된 배기 가스가 흘러가는 배기 파이프; 상기 배기 파이프에 장착되어 연료를 추가 분사하는 제2인젝터; 상기 제2인젝터의 후단 배기 파이프에 장착되어 배기 가스에 포함된 입자상 물질을 걸러주는 매연 필터; 상기 매연 필터 후단 배기 파이프에 장착되어 배기 가스에 포함된 질소 산화물을 저감시키는 질소 산화물 저감 촉매; 그리고 상기 매연 필터의 재생을 수행하는 중, 탈황 진입 조건과 탈황 조건을 모두 만족하는 경우 질소 산화물 저감 촉매 탈황을 진행하는 제어부;를 포함할 수 있다.
상기 매연 필터의 재생은 상기 매연 필터 전후단 압력 차가 제1설정 압력 이상인 경우 시작될 수 있다.
상기 매연 필터의 제1인젝터에 의한 후분사 또는 제2인젝터에 의한 추가 분사에 의하여 수행될 수 있다.
상기 탈황 진입 조건은 상기 매연 필터의 재생 시작점으로부터 미리 설정된 시간이 경과된 경우, 상기 매연 필터 내의 PM량이 설정된 PM량보다 작은 경우, 또는 상기 매연 필터의 전단과 후단의 압력 차가 제2설정 압력보다 작은 경우 만족될 수 있다.
상기 탈황 조건은 상기 질소 산화물 저감 촉매 내 축적된 황 피독량이 미리 설정된 피독량을 초과하는 경우 만족될 수 있다.
상기 질소 산화물 저감 촉매 내 축적된 황 피독량은 엔진 가동 시간, 연료 소모량, 그리고 엔진 가동 히스토리에 따라 추정된 엔진 오일 소모량 중 적어도 하나를 기초로 추정될 수 있다.
상기 질소 산화물 저감 촉매의 탈황은 상기 제2인젝터에 의하여 연료를 추가 분사하여 공연비가 연한(lean) 분위기와 농후(rich)한 분위기가 반복되도록 함으로써 수행될 수 있다.
상기 질소 산화물 저감 촉매의 탈황은 상기 매연 필터의 재생 중에 발생하는 고온을 이용하여 수행될 수 있다.
상기 배기 장치는 상기 제2인젝터와 상기 질소 산화물 저감 촉매 사이의 배기 파이프에는 추가 분사된 액상 연료의 증발을 촉진시키거나 추가 분사된 연료의 열분해를 통하여 고반응성 환원제로 변환시키는 연료 분해 촉매를 더 포함할 수 있다.
상기 질소 산화물 저감 촉매는 배기 가스에 포함된 질소 산화물을 저장하고 추가 분사되는 연료에 의하여 상기 저장된 질소 산화물을 탈착하여 상기 고반응성 환원제와의 산화-환원 반응을 통하여 환원시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배기 장치의 탈황 방법은 상기 매연 필터의 재생 조건을 만족하는지 판단하는 단계; 상기 매연 필터의 재생 조건을 만족하는 경우, 매연 필터의 재생을 수행하는 단계; 상기 매연 필터의 재생을 수행하는 중에, 탈황 진입 조건을 만족하는지 판단하는 단계; 탈황 진입 조건을 만족하는 경우, 탈황 조건을 만족하는지 판단하는 단계; 그리고 탈황 조건을 만족하면, 질소 산화물 저감 촉매의 탈황을 수행하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 매연 필터의 재생 조건은 상기 매연 필터 전후단 압력 차가 제1설정 압력 이상인 경우 만족될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 매연 필터의 재생과 질소 산화물 저감 촉매의 탈황을 중첩하여 진행함으로써 탈황에 소요되는 시간을 단축하고, 연비를 향상시킬 수 있다.
배기 파이프에 장착된 인젝터에서 연료를 추가 분사함으로써 탈황을 수행하여, 엔진 토크의 변동이 없으며, 윤활유 희석이 발생하지 않는다. 따라서, 운전 성능이 향상된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 내연 기관의 배기 가스 정화 장치를 도시한 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 내연 기관의 배기 장치는 엔진(10), 배기 파이프(20), 배기 가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation; EGR) 장치(80), 연료 분해 촉매(32), 매연 필터(Particulate Filter)(30), 질소 산화물 저감 촉매(40), 그리고 제어부(50)를 포함한다.
엔진(10)은 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 연소시켜 화학적 에너지를 기계적 에너지로 변환한다. 엔진(10)은 흡기 매니폴드(18)에 연결되어 연소실(12) 내부로 공기를 유입받으며, 연소 과정에서 발생된 배기 가스는 배기 매니폴드(16)에 모인 후 엔진 밖으로 배출되게 된다. 상기 연소실(12)에는 제1인젝터(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, 흡기 매니폴드(18)를 통하여 혼합기가 연소실(12) 내부로 유입되며, 연소실(12) 상부에는 점화를 위한 점화플러그(도시하지 않음)가 장착된다.
또한, 다양한 압축비, 바람직하게는 16.5 이하의 압축비를 가지는 엔진이 사용될 수 있다.
배기 파이프(20)는 상기 배기 매니폴드(16)에 연결되어 배기 가스를 차량의 외부로 배출시킨다. 상기 배기 파이프(20) 상에는 매연 필터(30)와 질소 산화물 저감 촉매(40)가 장착되어 배기 가스 내 포함된 탄화수소, 일산화탄소, 입자상 물질 그리고 질소산화물 등을 제거한다.
배기 가스 재순환 장치(80)는 배기 파이프(20) 상에 장착되어 엔진(10)에서 배출되는 배기 가스 일부를 상기 배기 가스 재순환 장치(80)를 통해 엔진에 재공급한다. 또한, 상기 배기 가스 재순환 장치(80)는 상기 흡기 매니폴드(18)에 연결되어 배기 가스의 일부를 공기에 섞어 연소 온도를 제어한다. 이러한 연소 온도의 제어는 제어부(50)의 제어에 의하여 흡기 매니폴드(18)에 공급되는 배기 가스의 양을 조절함으로써 수행된다.
상기 배기 가스 재순환 장치(80)의 후방 배기 파이프(20)에는 제1산소 센서(25)가 장착되어 배기 가스 재순환 장치(80)를 통과한 배기 가스 내의 산소량을 검출한다.
제2인젝터(90)는 상기 배기 가스 재순환 장치(80)의 후방 배기 파이프(20)에 장착되며, 상기 제어부(50)에 전기적으로 연결되어 제어부(50)의 제어에 따라 배기 파이프(20) 내에 연료의 추가 분사를 수행한다.
매연 필터(30)는 상기 제2인젝터(90)의 후방 배기 파이프(20)에 장착되어 있다. 상기 매연 필터(30)의 전단부에는 연료 분해 촉매(Fuel Cracking Catalyst)가 구비되어 있다. 이 경우, 연료 분해 촉매(32)는 제2인젝터(90)와 질소 산화물 저감 촉매(40) 사이에 배치되게 된다. 여기에서는, 매연 필터(30)와는 별도로 연료 분해 촉매(32)가 구비된 것을 예시하였으나, 연료 분해 촉매(32)를 매연 필터(30)의 전단부에 코팅할 수도 있다.
상기 연료 분해 촉매(32)는 촉매 반응을 통해 연료 내에 포함된 탄소화합물의 체인 고리를 끊어 분해시킨다. 즉, 연료 분해 촉매(32)는 열분해(Thermal Cracking) 기능을 통해 탄화 수소를 구성하는 연결 고리를 끊어 분해하게 된다. 이에 의하여, 추가 분사된 연료의 유효 반응 표면적이 증가되며 반응성이 큰 산소가 포함된 탄화수소(Oxygenated HC), CO, H2 등을 생성한다.
Thermal Cracking은 하기와 같은 절차를 거쳐 진행되게 된다.
C16H34 → 2n-C8H17* → n-C6H13* → n-C4H9* → C2H5* → C2H4
C16H34 → 8C2H4 + H2
여기서, *는 라디칼을 의미한다.
여기에서, 탄화수소는 배기 가스와 연료에 포함된 탄소와 수소로 구성된 화합물을 모두 지칭하는 것으로 한다.
상기 연료 분해 촉매(32) 후방에는 상기 매연 필터(30)의 한 종류인 매연 여과 장치(Particulate Filter)(30)가 장착되어 배기 파이프(20)를 통하여 배출되는 배기 가스에 포함된 입자상 물질(Particulate Matters: PM)을 포집한다. 여기에서, 매연 필터(30)는 매연 여과 장치(30)와 동일한 의미로 사용된다. 그러나, 매연 여과 장치(30) 대신에 다른 종류의 매연 필터(30)(예를 들어, 촉매 매연 필터(catalyzed particulate filter: CPF))가 사용될 수도 있다.
또한, 상기 매연 여과 장치(30)에는 산화 촉매(Oxidation Catalyst)가 코팅될 수 있다. 이러한 산화 촉매는 배기 가스에 포함된 탄화수소와 일산화탄소를 이산화탄소로 산화시키며, 배기 가스에 포함된 일산화질소를 이산화질소로 산화시킨다. 상기 산화 촉매는 매연 필터(30)의 일정 부분에 많이 코팅되어 있을 수도 있고 매연 필터(30)의 전 영역에 고르게 코팅되어 있을 수도 있다.
상기 연료 분해 촉매(32)의 전방의 배기 파이프에는 제1온도 센서(35)가 장착되어 연료 분해 촉매(32)의 입구 온도를 측정하고, 연료 분해 촉매(32)의 후방에는 제2온도 센서(36)가 장착되어 연료 분해 촉매(32)의 출구 온도 또는 매연 필터(30)의 입구 온도를 측정한다.
한편, 상기 배기 파이프(20)에는 차압센서(55)가 장착되어 있다. 차압센서(55)는 상기 매연 필터(30)의 전단부와 후단부의 압력 차이를 측정하고 이에 대한 신호를 상기 제어부(50)에 전달한다. 상기 제어부(50)는 상기 차압센서(55)에서 측정된 압력 차이가 제1설정 압력 이상인 경우 상기 매연 필터(30)를 재생하도록 제어할 수 있다. 이 경우, 상기 제1인젝터(14)에서 연료를 후분사함으로써 매연 필터(30) 내부에 포집된 입자상 물질을 연소시킬 수 있다. 이와는 달리, 제2인젝터(90)에서 연료를 추가 분사함으로써 매연 필터(30)를 재생시킬 수도 있다.
질소 산화물 저감 촉매(40)는 상기 매연 필터(30)의 후방으로 상기 배기 파이프(20) 상에 장착되어 배기 가스에 포함된 질소 산화물을 저장하고, 연료의 추가 분사에 따라 저장된 질소 산화물을 탈착하여 환원 반응을 진행함으로써 배기 가스에 포함된 질소 산화물을 정화한다.
상기 질소 산화물 저감 촉매(40)의 전방과 또는 후방에는 제3온도 센서(60)와 제4온도 센서(65)가 각각 장착되어 질소 산화물 저감 촉매(40)의 입구부 온도와 출구부 온도를 측정한다. 여기에서, 질소 산화물 저감 촉매(40)가 2개의 부분으로 나뉘어 있는 것을 도시하였다. 이는 담체에 코팅된 금속 비율을 달리 함으로써 특정 기능을 수행하도록 하기 위한 것이다. 예를 들어, 엔진(10)에 가까운 제1부분(40)에는 팔라듐(Pd)의 비율을 높임으로써 내열 기능을 강화하고, 테일 파이프에 가까운 제2부분(40)에는 백금(Pt)의 비율을 높임으로써 탄화 수소의 슬립을 방 지할 수 있다. 이와는 달리, 담체에 코팅된 금속 비율이 전 영역에서 동일한 질소 산화물 저감 촉매(40)가 사용될 수도 있다.
또한, 상기 질소 산화물 저감 촉매(40)의 전방 배기 파이프(20)에는 제2산소 센서(62)가 장착되어 있고, 상기 질소 산화물 저감 촉매(40)의 후방 배기 파이프(20)에는 제3산소 센서(70)가 장착된다. 상기 제2산소 센서(62)는 상기 질소 산화물 저감 촉매(40)에 유입되는 배기 가스에 포함된 산소량을 측정하여 이에 대한 신호를 상기 제어부(50)에 전달함으로써 상기 제어부(50)가 배기 가스의 린/리치 제어(lean/rich control)를 수행하는 것을 돕는다. 또한, 상기 제3산소 센서(70)는 본 발명의 실시예에 따른 내연 기관의 배기 장치가 배기 가스에 포함된 유해 물질을 정상적으로 제거하고 있는지 모니터링 하기 위한 것이다. 여기에서는, 배기 파이프(20)에 제2산소 센서(62)를 추가적으로 장착한 것을 도시하였다. 그러나, 배기 파이프(20)에 제2산소 센서(62)를 장착하지 않고, 제1산소 센서(25)와 제3산소 센서(70)의 측정값, 연료 소모량, 및 엔진의 가동 히스토리(history) 중 적어도 하나를 기초로 질소 산화물 저감 촉매(40)에 유입되는 배기 가스에 포함된 산소량을 추정할 수도 있다.
제어부(50)는 각 센서들(25, 35, 36, 55, 60, 62, 65, 70)에서 검출된 신호들을 기초로 엔진의 운전 조건을 판단하고, 상기 엔진의 운전 조건을 기초로 연료 추가 분사량 및 추가 분사 시기를 제어함으로써 질소 산화물 저감 촉매(40)에 저장된 질소 산화물을 탈착한다. 일 예로, 제어부(50)는 상기 질소 산화물 저감 촉매(40)에 저장된 질소 산화물의 양이 설정된 값 이상인 경우에는 연료를 추가 분 사하도록 제어 한다.
또한, 상기 제어부(50)는 질소 산화물 저감 촉매(40)에서 질소 산화물의 환원 반응이 활성화되도록 배기 가스 내에서 질소 산화물에 대한 탄화 수소의 비율이 설정된 비율 이상이 되도록 제어한다. 상기 설정된 비율은 5일 수 있다.
한편, 상기 제어부(50)는 엔진 운전 조건을 기초로 질소 산화물 저감 촉매(40)에 저장된 질소 산화물의 양, 질소 산화물 저감 촉매 후단 질소 산화물의 슬립양, 그리고 질소 산화물에 대한 탄화 수소 비율을 계산한다. 이러한 계산은 수많은 실험에 의하여 정해진 맵을 기초로 수행된다.
또한, 제어부(50)는 엔진 운전 조건, 엔진 상태 또는 질소 산화물 저감 촉매 상태에 따라 제2인젝터(90)의 연료 분사 패턴을 변화시킨다. 여기서, 엔진 상태는 엔진 작동 기간을 고려하여 추정되고, 질소 산화물 저감 촉매 상태는 질소 산화물 저감 촉매의 열화를 고려하여 추정된다.
더 나아가, 상기 제어부(50)는 매연 필터(30)의 재생을 진행하고, 질소 산화물 저감 촉매(40)의 탈황을 진행한다. 이에 대하여는 후술한다.
한편, 제어부(50)는 제2인젝터(90)에서의 추가 분사를 제어하는 대신, 제1인젝터(14)에서의 후분사를 제어함으로써 질소 산화물 저감 촉매(40)에서 질소 산화물 환원 반응을 활성화시킬 수 있다. 이 경우, 후분사된 연료는 연료 분해 촉매(32)에서 고반응성 환원제로 변화되어 질소 산화물 저감 촉매(40)에서 질소 산화물의 환원 반응을 촉진시킨다. 따라서, 이 명세서에서 및 특허청구범위에서의 추가 분사는 후분사를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
이하, 질소 산화물 저감 촉매(40)의 일 예를 상세히 설명한다.
상기 질소 산화물 저감 촉매(40)는 담체에 코팅된 제1,2 촉매층을 포함한다. 상기 제1 촉매층은 배기 가스에 근접하여 배치되며, 상기 제2 촉매층은 담체에 근접하여 배치된다.
상기 제1 촉매층은 배기 가스에 포함된 질소 산화물을 산화시키고, 산화된 질소 산화물 일부를 타지 않은 연료 또는 배기 가스에 포함된 탄화 수소와의 산화-환원 반응에 의하여 환원시킨다. 또한, 산화된 질소 산화물의 다른 일부는 제2 촉매층으로 확산된다.
상기 제2 촉매층은 제1 촉매층에서 확산된 질소 산화물을 저장하고, 추가 분사되는 연료에 의하여 상기 저장된 질소 산화물을 탈착하여 상기 제1 촉매층에서 환원되도록 한다.
상기 제2 촉매층은 흡착 물질을 포함한다. 이러한 흡착 물질로는 약염기성 산화물이 사용된다. 일반적으로, 질소 산화물과 황 산화물은 산화 가스이기 때문에, 염기성 물질에 흡착이 잘 된다. 이러한 흡착 물질은 질소 산화물뿐만 아니라 황 산화물도 흡착하고, 상기 흡착 물질에 흡착된 황 산화물은 질소 산화물 저감 촉매(40)의 정화 성능을 떨어지게 한다. 따라서, 질소 산화물 저감 촉매(40)의 탈황이 요구된다.
이하, 질소 산화물 저감 촉매(40)의 작동 원리를 상세히 설명한다.
제2인젝터(90)에서 연료가 추가 분사되지 않은 경우에는, 배기 가스에 포함된 질소 산화물은 제1 촉매층에서 산화된다. 산화된 질소 산화물의 일부는 배기 가스에 포함된 탄화수소와 산화-환원 반응을 하여 질소 기체로 환원된다. 이 과정에서, 배기 가스에 포함된 탄화수소는 이산화탄소로 산화된다.
또한, 산화된 질소 산화물의 다른 일부와 배기 가스에 포함된 질소 산화물은 제2 촉매층으로 확산되어 저장된다.
제2인젝터(90)에서 연료가 추가 분사되는 경우에는, 추가 분사된 연료가 연료 분해 촉매을 통과하고, 이 과정에서 연료가 저분자의 탄화수소로 변환된다. 또한, 저분자의 탄화수소의 일부는 산소와 결합된 탄화수소로 변환되어 질소 산화물 저감 촉매(40)를 통과한다.
이 때, 제2 촉매층에서는 질소 산화물이 상기 탄화수소와 치환 반응을 통하여 탈착된다. 또한, 제1 촉매층에서는 상기 탈착된 질소산화물과 탄화수소/산소와 결합한 탄화수소 사이의 산화-환원 반응에 의하여 질소산화물은 질소 기체로 환원되고 탄화수소/산소와 결합한 탄화수소는 이산화탄소로 산화된다.
따라서, 배기 가스에 포함된 질소산화물과 탄화수소가 정화된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 내연 기관의 배기 장치에 사용되는 제어부에서 입력과 출력 관계를 도시한 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1,2,3산소 센서(25, 62, 70), 제1,2,3,4온도 센서(35, 36, 60, 65), 그리고 타이머(85)에서 측정된 값들은 제어부(50)로 전달된다. 제어부(50)에서는 상기 전달된 값들을 기초로 엔진 운전 조건, 연료의 추가 분사량, 추가 분사 시기 및 추가 분사 패턴을 결정하고, 제2인젝터(90)를 제어하기 위한 신호를 제2인젝터(90)에 출력한다. 또한, 상기 제어부(50)는 차압센서(55)에서 측정된 값을 기초로 매연 필터(30)의 재생을 제어한다. 앞에서 설명한 바와 같이, 매연 필터(30)의 재생은 제1인젝터(14)에 의한 후분사 또는 제2인젝터(90)에 의한 추가 분사에 의하여 수행된다. 더 나아가, 상기 제어부(50)는 상기 타이머(85)와 차압센서(55)에서 측정된 값을 기초로 탈황 진입 조건을 판단하고, 엔진 가동 시간, 연료 소모량, 그리고 엔진 가동 히스토리에 따라 추정된 엔진 오일의 소모량 중 적어도 하나를 기초로 황 피독량을 추정한다.
타이머(85)는 매연 필터(30)의 재생이 시작되면 켜지게 되고, 매연 필터(30)의 재생 시간을 측정한다. 이와 같이 측정된 매연 필터(30)의 재생 시간은 상기 제어부(50)에 전달된다. 이와 반대로, 타이머(85)는 켜진 상태에서 탈황 진입 조건(도 3 참조)을 만족하면 리셋된다.
또한, 상기 타이머(85)는 질소 산화물 저감 촉매(40)의 탈황이 시작되면 켜지게 되고, 질소 산화물 저감 촉매(40)의 탈황 시간을 측정한다. 이와 같이 측정된 탈황 시간은 제어부(50)에 전달된다. 이와는 반대로, 타이머(85)는 켜진 상태에서 질소 산화물 저감 촉매(40)의 탈황이 완료되면 리셋된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 내연 기관의 배기 장치에는 도 2에 기재된 센서들 외에 다수의 센서들이 장착될 수 있으나, 설명의 편의를 위하여 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 배기 장치의 탈황 방법을 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배기 장치의 탈황 방법을 수행하는 흐름도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 차량이 일반 운전 모드로 운행중인 상태에서(S200), 제어부(50)는 매연 필터(30)의 재생 조건을 만족하는지 판단한다(S210). 앞에서 설명한 바와 같이, 매연 필터(30)의 재생 조건은 차압센서(55)에서 측정된 매연 필터(30)의 전단부와 후단부의 압력 차이가 제1설정 압력 이상인 경우 만족된다.
만일 상기 S210 단계에서 매연 필터(30)의 재생 조건을 만족하지 않는다면, 제어부(50)는 상기 S200 단계를 계속하여 수행한다.
만일 상기 S210 단계에서 매연 필터(30)의 재생 조건을 만족하면, 상기 제어부(50)는 매연 필터(30)의 재생을 수행한다(S220). 앞에서 언급한 바와 같이, 매연 필터(30)의 재생은 제1인젝터(14)에 의한 후분사 또는 제2인젝터(90)에 의한 추가 분사에 의하여 수행된다. 이러한 매연 필터(30)의 재생은 2 단계로 진행된다.
제1단계는 매연 필터(30)의 재생만 수행되는 단계이다. 즉, 제1인젝터(14)에 의한 후분사 또는 제2인젝터(90)에 의한 추가 분사를 통하여 배기 가스 온도가 상승되며, 상승된 배기 가스 온도에 의하여 매연 필터(30)에 포집된 PM이 연소된다. 이 과정은 통상적으로 5분 정도의 시간이 소요되며 매연 필터(30)에 포집된 75~80%의 PM이 제거된다.
제2단계는 매연 필터(30)의 재생과 질소 산화물 저감 촉매(40)의 탈황이 동 시에 수행되는 단계이다. 매연 필터(30)의 재생은 매연 필터(30) 전단의 배기 가스가 고온(600ㅀC 이상)이면 되므로, 제2인젝터(90)의 추가 분사를 제어함으로써 추가 분사된 연료가 매연 필터(30)에서 산화되도록 하고, 산화된 연료가 질소 산화물 저감 촉매(40)에 도달하기 전 모두 기화되어 공연비가 농후하도록 한다. 이에 따라, 질소 산화물 저감 촉매(40)의 탈황이 수행된다.
제2단계를 수행하기 위하여, 제어부(50)는 매연 필터(30)의 재생을 수행하는 도중, 탈황 진입 조건을 만족하는지를 판단한다(S230). 탈황 진입 조건은, 예를 들어 매연 필터(30)의 재생 시작점으로부터 미리 설정된 시간(예를 들어, 5분)이 경과된 경우, 상기 매연 필터 내의 PM량이 설정된 PM량(예를 들어, 재생 시작점에서의 PM량의 20~25%)보다 작은 경우, 또는 상기 매연 필터(30)의 전단부와 후단부의 압력 차가 제2설정 압력(제1설정 압력보다 작음)보다 작은 경우 만족되는 것으로 할 수 있다. 즉, 탈황 진입 조건은 상기 제1단계의 종료를 알기 위하여 사용된다.
한편, 상기 매연 필터 내의 PM량은 차압센서(55)에서 측정되는 압력 차이 등을 기초로 추정될 수 있다.
만일 상기 S230 단계에서 탈황 진입 조건을 만족하지 않으면, 상기 제어부(50)는 매연 필터(30)의 재생을 계속하여 수행한다(S220).
만일 상기 S230 단계에서 탈황 진입 조건을 만족하면, 상기 제어부(50)는 탈황 조건을 만족하는지를 판단한다(S240). 상기 탈황 조건은 상기 질소 산화물 저감 촉매(40) 내에 축적된 황 피독량이 미리 설정된 피독량을 초과하는 경우 만족되는 것으로 할 수 있다. 질소 산화물 저감 촉매(40) 내 축적된 황 피독량의 추정은 당 업자가 적절하다고 생각하는 방법에 의하여 진행될 수 있다. 예를 들어, 상기 질소 산화물 저감 촉매(40) 내에 축적된 황 피독량은 엔진 가동 시간, 연료 소모량, 그리고 엔진 가동 히스토리에 따라 추정된 엔진 오일의 소모량 중 적어도 하나를 기초로 추정될 수 있다.
만일 상기 S240 단계에서 탈황 조건을 만족하지 않으면, 제어부(50)는 매연 필터(30)의 재생을 계속하여 수행한다(S220). 이와는 달리, 만일 S240 단계에서 탈황 조건을 만족하지 않으면, S200 단계로 돌아갈 수도 있다.
만일 상기 S240 단계에서 탈황 조건을 만족하면, 제어부(50)는 질소 산화물 저감 촉매(40)의 탈황을 수행한다(S250). 즉, 제어부(50)는 미리 설정된 제어 시퀀스(Control Sequence)에 따라, 제2인젝터(90)의 작동 주파수, 작동 시간, 그리고 작동 회수를 조정함으로써 질소 산화물 저감 촉매(40) 전단부의 공연비가 연한(Lean) 분위기와 농후한(Rich) 분위기가 반복되도록 한다. 질소 산화물 저감 촉매(40)의 탈황을 위해서는 농후한 공연비가 필요하나, 농후한 공연비를 오래 유지하는 경우 질소 산화물 흡장 촉매(40)가 과열되거나 황화수소(H2S)가 발생할 수 있다. 따라서, 질소 산화물 흡장 촉매(40)의 과열과 황화수소의 발생을 방지하기 위하여, 상기 제어부(50)는 질소 산화물 저감 촉매(40) 전단부의 공연비가 연한 분위기와 농후한 분위기가 반복되도록 제어한다.
또한, 질소 산화물 저감 촉매(40)의 탈황을 위하여 매연 필터(30) 재생 중에 발생하는 고온이 이용된다. 이를 위하여, 질소 산화물 저감 촉매(40)의 탈황은 매 연 필터(30)의 재생 중에 수행된다.
그 후, 제어부(50)는 질소 산화물 저감 촉매(40)의 탈황이 완료되었는지를 판단한다(S260). 즉, 질소 산화물 저감 촉매(40)의 탈황 시간이 설정된 시간(예를 들어, 15~30분) 이상이 되면, 제어부(50)는 질소 산화물 저감 촉매(40)의 탈황이 완료된 것으로 판단한다. 여기에서는 탈황 시간을 기준으로 탈황 완료를 판단하였으나, 이와 다른 판단 방법도 가능하다. 예를 들어, 질소 산화물 저감 촉매(40) 내에 황 피독량을 추정하고, 추정된 황 피독량이 설정된 량보다 작은 경우 탈황이 완료된 것으로 판단할 수 있다.
만일 상기 S260 단계에서 질소 산화물 저감 촉매(40)의 탈황이 완료되지 않았다면, 제어부(50)는 계속하여 탈황을 진행한다(S250).
만일 상기 S260 단계에서 질소 산화물 저감 촉매(40)의 탈황이 완료되었다면, 본 발명의 실시예에 따른 배기 장치의 탈황 방법은 상기 S200 단계로 되돌아간다.
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 1은 본 발명의 실시예에 따른 내연 기관의 배기 가스 정화 장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 내연 기관의 배기 가스 정화 장치에 사용되는 제어부에서 입력과 출력 관계를 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배기 장치의 탈황 방법을 수행하는 흐름도이다.

Claims (16)

  1. 연소실 내 연료를 분사하는 제1인젝터를 가지는 내연 기관에서 발생된 배기 가스가 흘러가는 배기 파이프;
    상기 배기 파이프에 장착되어 연료를 추가 분사하는 제2인젝터;
    상기 제2인젝터 후단 배기 파이프에 장착되어 배기 가스에 포함된 입자상 물질을 걸러주는 매연 필터;
    상기 매연 필터 후단 배기 파이프에 장착되어 배기 가스에 포함된 질소산화물을 저감시키는 질소 산화물 저감 촉매; 그리고
    상기 매연 필터 재생 중, 탈황 진입 조건과 탈황 조건을 모두 만족하는 경우 질소 산화물 저감 촉매 탈황을 진행하는 제어부;
    를 포함하는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 매연 필터의 재생은 상기 매연 필터의 전단과 후단의 압력 차가 제1설정 압력 이상인 경우 시작되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 매연 필터의 제1인젝터에 의한 후분사 또는 제2인젝터에 의한 추가 분 사에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 탈황 진입 조건은 상기 매연 필터의 재생 시작점으로부터 미리 설정된 시간이 경과된 경우, 상기 매연 필터 내 PM량이 설정된 PM량보다 작은 경우, 또는 상기 매연 필터의 전단과 후단의 압력차가 제2설정 압력보다 작은 경우 만족되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 탈황 조건은 상기 질소 산화물 저감 촉매 내 축적된 황 피독량이 미리 설정된 피독량을 초과하는 경우 만족되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 질소 산화물 저감 촉매 내 축적된 황 피독량은 엔진 가동 시간, 연료 소모량, 그리고 엔진 가동 히스토리에 따라 추정된 엔진 오일의 소모량 중 적어도 하나를 기초로 추정되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 질소 산화물 저감 촉매의 탈황은 상기 제2인젝터에 의하여 연료를 추가 분사하여 공연비가 연한 분위기와 농후한 분위기가 반복되도록 함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 질소 산화물 저감 촉매의 탈황은 상기 매연 필터 재생 중에 발생하는 고온을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제2인젝터와 상기 질소 산화물 저감 촉매 사이 배기 파이프에는 추가 분사된 액상 연료의 증발을 촉진시키거나 추가 분사된 연료의 열분해를 통하여 고반응성 환원제로 변환시키는 연료 분해 촉매를 더 포함하는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 질소 산화물 저감 촉매는 배기 가스에 포함된 질소 산화물을 저장하고 추가 분사된 연료에 의하여 상기 저장된 질소 산화물을 탈착하여 상기 고반응성의 환원제와의 산화-환원 반응을 통하여 환원시키는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치.
  11. 배기 장치의 탈황 방법에 있어서,
    상기 배기 가스 정화 장치는 배기 파이프에 장착되어 연료를 추가 분사하는 인젝터, 상기 인젝터 후단 배기 파이프에 장착되어 배기 가스에 포함된 입자상 물질을 걸러주는 매연 필터, 그리고 상기 매연 필터 후단 배기 파이프에 장착되어 배기 가스에 포함된 질소 산화물을 저감시키는 질소 산화물 저감 촉매를 포함하며,
    상기 탈황 방법은,
    상기 매연 필터의 재생 조건의 만족 여부를 판단하는 단계;
    상기 매연 필터의 재생 조건을 만족하는 경우, 매연 필터의 재생을 수행하는 단계;
    상기 매연 필터의 재생을 수행하는 중, 탈황 진입 조건을 만족하는지 판단하는 단계;
    탈황 진입 조건을 만족하는 경우, 탈황 조건을 만족하는지 판단하는 단계; 그리고
    탈황 조건을 만족하면, 질소 산화물 저감 촉매의 탈황을 수행하는 단계;
    를 포함하는 배기 장치의 탈황 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 매연 필터의 재생 조건은 상기 매연 필터의 전단과 후단의 압력 차가 제1설정 압력 이상인 경우 만족되는 것을 특징으로 하는 배기 장치의 탈황 방법.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 탈황 진입 조건은 상기 매연 필터의 재생 시작점으로부터 미리 설정된 시간이 경과된 경우, 상기 매연 필터 내 PM량이 설정된 PM량보다 작은 경우, 또는 상기 매연 필터의 전단과 후단의 압력 차가 제2설정 압력보다 작은 경우 만족되는 것을 특징으로 하는 배기 장치의 탈황 방법.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 탈황 조건은 상기 질소 산화물 저감 촉매 내 축적된 황 피독량이 미리 설정된 피독량을 초과하는 경우 만족되는 것을 특징으로 하는 배기 장치의 탈황 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 질소 산화물 저감 촉매 내에 축적된 황 피독량은 엔진 가동 시간, 연료 소모량, 그리고 엔진 가동 히스토리에 따라 추정된 엔진 오일 소모량 중 적어도 하나를 기초로 추정되는 것을 특징으로 하는 배기 장치의 탈황 방법.
  16. 제 11항에 있어서,
    상기 질소 산화물 저감 촉매의 탈황은 상기 제2인젝터에 의하여 연료를 추가 분사하여 공연비가 연한 분위기와 농후한 분위기가 반복되도록 함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 배기 장치의 탈황 방법.
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