KR100892538B1

KR100892538B1 - 디젤매연여과장치의 재생시 질소산화물 흡장성능 향상을위한 배기가스 후처리장치

Info

Publication number: KR100892538B1
Application number: KR1020070131762A
Authority: KR
Inventors: 정재훈
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2007-12-15
Filing date: 2007-12-15
Publication date: 2009-04-09

Abstract

본 발명은 디젤매연여과장치의 재생시 질소산화물 흡장성능 향상을 위한 배기가스 후처리장치에 관한 것으로, 흡기매니폴드(11)의 일단과 저온형 LNT(70)의 전단을 바이패스관(110)으로 연결하고, 상기 바이패스관(110)의 입구측에 전자제어유니트(40)에 의해 개도량이 제어되는 공기유량제어밸브(120)를 설치한 구성으로 이루어진다.

따라서, DPF(50) 재생시 상기 공기유량제어밸브(120)를 열어 연소실로 공급되는 공기의 일부를 상기 저온형 LNT(70)의 앞쪽으로 우회시킴으로써 연소실 공급공기 감소와 저온형 LNT(70)의 배기가스 온도 감온을 동시에 이루어 DPF(50) 재생시에도 정상적인 녹스(NO_x)흡장이 이루어질 수 있게 된다.

배기가스 후처리장치, LNT, DPF

Description

디젤매연여과장치의 재생시 질소산화물 흡장성능 향상을 위한 배기가스 후처리장치{exhaust gas after treatment system for improvement in NO occlusion performance during DPF regeneration}

본 발명은 디젤자동차의 배기가스 후처리 장치에 관한 것으로, 특히 디젤매연여과장치의 재생시 질소산화물(NO_x)의 흡장(吸藏) 성능을 향상시킬 수 있도록 된 배기가스 후처리장치에 관한 것이다.

디젤엔진의 배기가스 정화는 주로 질소산화물(NO_x ;이하 녹스라 칭함)과 입자상물질(PM ; 매연을 포함한 다양한 입자상 유해물질)을 대상으로 하여 이루어진다.

녹스의 저감은 LNT(Lean NO_x Trap)에 의해 이루어지는데, 상기 LNT는 삼원촉매와 녹스 흡장 물질을 결합시킨 형태의 후처리 장치로서 산소 과잉 상태인 일반 디젤연소(lean 상태) 운행시 촉매에 의한 녹스 환원이 미미한 점을 보완하기 위하여 녹스를 흡장시키고 주기적으로 연료 과잉 조건을 조성하여 녹스를 질소(N₂)로 환원시켜 흡장성능을 재생하도록 되어 있다.

한편, DPF(Diesel Particulate Filter;매연여과장치)는 배출가스 중의 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)를 이산화탄소(CO₂)와 물(H₂O)로 전환하고, 입자상 물질을 필터에 포집한다. 포집량이 증가하거나 일정 주기가 경과하면 배기가스온도 또는 별도의 재생장치를 작동시켜 포집된 입자상 물질을 가열/연소시켜 제거함으로써 재생된다.

도 1에는 상기 엔진(1)의 배기관(2)에 상기 LNT(3)와 DPF(4)가 설치된 예가 도시되어 있다.

그런데, 상기 LNT는 양호한 흡장성능을 발휘하는 활성 온도 영역이 좁기 때문에 저온에서는 흡장을 위한 화학반응이 원활히 이루어지지 않고 고온에서는 반응물질들이 불안정하여 미처 흡장되지 못하고 빠져나가게 된다.

이러한 단점을 보완하기 위하여 도 2와 같이, DPF(4)의 뒤쪽에 또 하나의 LNT(5)를 장착하여 DPF(4) 전 후단의 온도차를 이용하여 LNT 전체의 활성 온도 영역을 넓히고 있다. 이때 DPF 전단에는 고온활성이 우수한 LNT를 배치하고 후단에는 저온활성이 우수한 LNT를 배치함으로써 활성 온도 영역을 더욱 넓힐 수 있다.

그런데, 상기와 같은 방식으로 활성 온도 영역을 넓혀도 상기 DPF 재생시 배기가스온도가 650℃ 이상 상승되므로 LNT가 녹스를 흡장하기에 지나치게 고온이어서 정상적인 흡장이 이루어지지 못하고 그대로 배출되는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, DPF 재생을 위해 배기가스 온도가 상승하여도 DPF 후단의 저온형 LNT에서 정상적인 녹스 흡장이 이루어질 수 있게 됨으로써 DPF 재생시에도 효과적으로 녹스의 배출 억제가 이루어질 수 있도록 된 디젤매연여과장치의 재생시 질소산화물 흡장성능 향상을 위한 배기가스 후처리장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

터보차저를 구비한 디젤엔진의 배기관에 순차적으로 고온형 LNT와 DPF 및 저온형 LNT가 설치된 디젤엔진의 배기가스 후처리 장치에 있어서,

상기 디젤엔진의 흡기매니폴드와 상기 저온형 LNT의 전단부를 연결하는 바이패스관이 설치되고,

상기 바이패스관의 입구에 엔진제어유니트에 의해 제어되는 공기유량제어밸브가 설치된 것을 특징으로 한다.

상기 엔진제어유니트는 DPF 재생시 상기 공기유량제어밸브를 제어하여 연소실로 공급되는 공기량과 상기 저온형 LNT의 전단으로 공급되는 공기량을 조절하는 것을 특징으로 한다.

상기 엔진제어유니트에 의한 공기유량제어밸브의 개도량 제어는 상기 고온형 LNT의 전단에 위치한 산소센서를 통해 피드백제어된다.

상기와 같이 DPF 재생시 흡기의 일부가 저온형 LNT의 전단으로 바이패스됨으 로써 DPF 재생에 필요한 공기량 감소 조건과 저온형 LNT의 배기가스 유입온도 감소 조건을 모두 만족시킬 수 있게 되어, DPF 재생중에도 효과적으로 녹스를 저감시킬 수 있게 된다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 배기가스 후처리장치의 구성도이다.

디젤엔진(10)은 연소실로 공기를 분배하는 흡기매니폴드(11)와 연소실로부터 연소가스를 모아 배기관(20)으로 전달하는 배기매니폴드(12)를 갖춘다.

상기 배기매니폴드(12)는 배기관(20)에 연결되어 있으며, 그 연결부분에 터보차저(30)의 터빈이 설치된다. 터보차저(30)의 터빈과 동축상에 설치된 임펠러는 흡기관로에 설치되며 터보차저(30)와 흡기매니폴드(11)의 사이에는 인터쿨러가 설치된다.

상기 터보차저(30)는 VGT(Variable Geometry Turbocharger) 타입으로서 엔진제어유니트(40)에 의해 가변 제어되어 과급압(boost pressure)을 조절할 수 있다. 엔진제어유니트(40)에는 상기 과급압 맵(map)이 입력되어 있어서 그에 따른 제어가 수행된다.

상기 배기관(20)에는 입자상 물질 저감을 위한 DPF(50)가 설치되고, 상기 DPF(50)의 앞쪽과 뒤쪽에 각각 녹스(NO_x) 흡장을 위한 고온형 LNT(60)와 저온형 LNT(70)가 설치된다.

상기 고온형 LNT(60)와 저온형 LNT(70) 각각의 전단과 후단에는 산소센서(80,81)가 설치되고, 상기 고온형 LNT(60)의 전후단과 상기 DPF(50)의 후단에는 온도센서(90,91,92)가 설치되며, 상기 고온형 LNT(60)의 전단과 저온형 LNT(70)의 후단에는 녹스센서(100,101)가 기 설치되어 있다.

상기의 구성에 있어서, 본 발명은 상기 흡기매니폴드(11)의 일측 단부와 상기 배기관(20)의 저온형 LNT(70) 앞쪽 부분이 바이패스관(110)으로 연결된 것을 특징으로 한다.

상기 바이패스관(110)은 고온의 배기관(20)에 연결되므로 내열성 호스나 금속재 파이프가 적당하다.

한편, 상기 바이패스관(110)의 입구측에는 상기 엔진제어유니트(40)에 의해 개도가 제어되는 공기유량제어밸브(120)가 설치된다.

상기 엔진제어유니트(40)에는 DPF 재생용 람다(λ;산소센서 측정값) 요구량 맵이 입력되어 있다.

상기 엔진제어유니트(40)는 DPF(50) 재생시 터보차저(30) 가변제어(VGT 제어)를 통해 과급압을 작게 하지 않고, 상기 공기유량제어밸브(120)를 열도록 프로그램된다.

즉, 상기 엔진제어유니트(40)는 DPF(50) 재생시 상기 공기유량제어밸브(120)의 개도를 제어하여 디젤엔진(10)의 연소실로 공급되는 공기량과 상기 저온형 LNT(70)의 전단으로 공급되는 공기량을 조절한다.

이제 본 발명의 작용효과를 설명한다.

종래에는 DPF 재생시, 상기 터보차저(30)를 가변제어하여 과급압을 작게 하여 공급공기량을 감소시킴으로써 연소실내 연소와 DPF(50) 내 입자상물질 연소에 필요한 만큼의 공기만을 공급하고, 연료 후분사를 통해 공연비를 농후(rich)하게 하여 배기가스 온도를 상승시킴으로써 DPF(50)의 재생 온도조건을 만족시켰었다. 즉, 종래에는 DPF 재생시 연소실에 공급되는 공기량을 감소시켰다.

그러나 본 발명에 따르면 전술한 바와 같이 DPF(50) 재생시 과급압을 작게하기 위한 터보차저(30) 가변제어를 수행하지 않는다.

대신 DPF(50) 재생시 엔진제어유니트(40)는 상기 공기유량제어밸브(120)를 열어 엔진 연소실로 공급되는 압축공기의 일부를 상기 바이패스관(110)으로 우회시켜 상기 저온형 LNT(70)의 앞쪽으로 공급한다.

따라서 상온의 공기가 저온형 LNT(70)의 앞쪽에서 배기가스와 혼합되어 배기가스의 온도를 더욱 떨어뜨리게 된다.(배기가스는 상기 DPF(50)를 통과하면서 온도가 1차적으로 감소된 상태이다.)

즉, 결과적으로 엔진 연소실로 공급되는 공기량이 줄어들고 저온형 LNT(70)로 유입되는 배기가스의 온도가 낮아진 것이다.

따라서, 본 발명에 따르면 DPF(50) 재생에 필요한 공기량 감소 조건과 저온형 LNT(70)에 유입되는 배기가스 온도의 감온 조건(녹스 흡장이 가능하도록)이 동시에 달성된다.

이에 본 발명에 따르면 DPF 재생시에도 저온형 LNT(70)의 녹스 흡장 작용이 정상적으로 이루어져 녹스의 배출을 억제할 수 있게 된다.

한편, 상기 전자제어유니트(40)는 과급압 맵에 의해 과급압을 조절하는데, 어떤 임의 시점의 과급 수준에서 요구되는 람다값(산소센서(80)의 측정값)대로 연소실로 유입되는 공기량이 제어되도록 터보차저(30)에서 토출된 공기량 중 잉여 공기량을 상기 공기유량제어밸브(120)를 통해 바이패스시킨다. 이때 상기 람다값의 피드백(feedback)은 고온형 LNT(60)의 전단에 설치된 산소센서(80)에 의해 이루어진다.

또한, 일반적으로 DPF 재생시에는 배기가스재순환장치의 작동을 중지(EGR 밸브 off)시키므로 본 발명이 적용된 엔진에서 연소실로 공급되는 공기량의 제어는 터보차저(30)의 가변제어와 상기 공기유량제어밸브(120)의 개도량 제어에 의해 이루어진다.

도 1은 종래 배기가스 후처리장치의 일 예를 도시한 도면,

도 2는 종래 배기가스 후처리장치의 또 다른 예를 도시한 도면,

도 3은 본 발명에 따른 배기가스 후처리장치의 구성도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 디젤엔진 11 : 흡기매니폴드

12 : 배기매니폴드 30 : 터보차저

40 : 엔진제어유니트 50 : DPF

60 : 저온형 LNT 70 : 고온형 LNT

80,81 : 산소센서 90,91,92 : 온도센서

100,101 : 녹스센서 110 : 바이패스관

120 : 공기유량제어밸브

Claims

터보차저(30)를 구비한 디젤엔진(10)의 배기관(20)에 순차적으로 고온형 LNT(60)와 DPF(50) 및 저온형 LNT(70)가 설치된 디젤엔진의 배기가스 후처리 장치에 있어서,

상기 디젤엔진(10)의 흡기매니폴드(11)와 상기 저온형 LNT(70)의 전단부를 연결하는 바이패스관(110)이 설치되고,

상기 바이패스관(110)의 입구에 엔진제어유니트(40)에 의해 제어되는 공기유량제어밸브(120)가 설치된 것을 특징으로 하는 디젤매연여과장치의 재생시 질소산화물 흡장성능 향상을 위한 배기가스 후처리장치.
청구항 1에 있어서, 상기 엔진제어유니트(40)는 DPF(50) 재생시 상기 공기유량제어밸브(120)를 제어하여 연소실로 공급되는 공기량과 상기 저온형 LNT(70)의 전단으로 공급되는 공기량을 조절하는 것을 특징으로 하는 디젤매연여과장치의 재생시 질소산화물 흡장성능 향상을 위한 배기가스 후처리장치.
청구항 2에 있어서, 상기 엔진제어유니트(40)에 의한 공기유량제어밸브(120)의 개도량 제어는 상기 고온형 LNT(60)의 전단에 위치한 산소센서(80)를 통해 피드백제어되는 것을 특징으로 하는 디젤매연여과장치의 재생시 질소산화물 흡장성능 향상을 위한 배기가스 후처리장치.