KR100907363B1 - Ｕｒｅａ-ｓｃｒ 시스템 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 목표 요소 분사량을 계산하는 제1단계와, 요소 분사 압력 및 요소 분사 시간을 측정하여 실제 요소 분사량을 계산하는 제2단계와, 상기 목표 요소 분사량과 실제 요소 분사량의 차이를 계산하고, 일정한 시간마다 상기 두 값의 차이를 모니터링하는 제3단계와, 상기 차이가 일정 수준을 넘으면 일정 시간 동안 상기 차이 값을 누적하여 그 평균이 일정 수준 이상이면 운전자에게 경고 신호를 보내는 제4단계 및 상기 경고 신호를 보낸 다음에 엔진 시동 횟수 카운트 및 주행 마일리지를 누적하기 시작하고 엔진 시동 횟수가 설정 횟수 이상이거나, 주행 누적 마일리지가 일정 거리 이상이 되는 동안 상기 차이가 일정 수준 이하가 되지 않으면 운전자 요소 재주입 유도방안을 실행시키는 제5단계를 포함한다. 따라서, 요소 소비량을 지속적으로 모니터링하여 요소의 잔존량을 보다 정확하게 판단할 수 있고, 정확한 시점에 요소 주입을 유도하여 질소산화물 배출을 방지할 수 있는 효과가 있다.
요소(UREA), SCR, 질소산화물, 주행 마일리지

Description

ＵＲＥＡ-ＳＣＲ 시스템 제어방법{Method for controlling UREA-SCR system}
본 발명은 UREA-SCR 시스템 제어방법에 관한 것이다.
최근 환경오염의 문제로 배기가스 내의 질소산화물을 저감시키고자 하는 연구 개발이 활발히 진행되고 있으며, 이와 같은 질소산화물 저감(De-Nox)을 위한 후처리 기술은 크게 두 가지로 분류할 수 있다.
첫째는 질소산화물 흡장 물질을 적용한 질소산화물 흡장촉매(Lean NOx Trap:LNT)이다. 그러나 질소산화물 흡장하는 LNT 촉매를 이용하기 위해서는 디젤 엔진에서 이론공연비(14.7) 이하의 운전 영역 구현이 가능하여야 한다.
또한, 이론공연비 이하의 영역(Rich Spike)을 만들기 위해 엔진 후분사 기술을 이용해야할 뿐만 아니라 배기관 내에 연료를 2차 분사해야하므로, 연비의 손실이 크다는 단점이 있다.
질소산화물을 저감시키기 위한 둘째 방법은 요소(UREA) 수용액을 배기관에 분사하여 배기가스 중의 질소산화물을 저감시키는 '요소를 이용한 선택적 촉매 환 원'(UREA-Selective Catalyst Reduction: 이하 UREA-SCR 이라함)은 배기관 내의 열에 의해 열분해(분해온도 : 156도)되거나 촉매와 접촉하여 접촉분해 됨으로써, 아래 [식 1]과 같이 한분자의 요소가 두 분자의 암모니아로 전환된다.
[식 1]
(NH2)2C0 + H2O → 2NH3 + CO2
이렇게 전환된 암모니아는 아래 [식 2]와 같이 배기가스 중의 질소산화물과 SCR(Selective Catalyst Reduction : 선택적 촉매 환원)반응되어, 차량 외부로는 질소와 물이 배출된다.
[식 2]
4NH3 + 4NO +O2 → 4N2 + 6H2O
4NH3 + 2NO2 +O2 → 3N2 + 6H2O
8NH3 + 6NO2 → 7N2 + 12H2O
2NH3 + NO + NO2 → 2N2 + 3H2O
이와 같이 암모니아를 이용하여 질소산화물을 제거하는 기술은 약 20년 전에 개발되어 상용화 되어 있는바, 암모니아와 질소산화물 간의 반응에 대한 상세한 설명은 생략한다.
북미 시장에서 UREA-SCR이 적용되는 차량에 대한 EPA의 Guidance 확정안(2007년 3월 30일 배포)과 달리, 유럽 법규에서는 UREA-SCR 적용 차량에 대해 REDECING AGENT CONSUMPTION MONITORING을 명문화하여 규제하고 있다. 이에 따라 상기 방안에 대응하기 위한 제어로직 검토가 필요하다.
본 발명은 요소(UREA)의 소비량 진단에 대한 최적 제어를 구현하기 위한 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 목표 요소 분사량을 계산하는 제1단계와, 요소 분사 압력 및 요소 분사 시간을 측정하여 실제 요소 분사량을 계산하는 제2단계와, 상기 목표 요소 분사량과 실제 요소 분사량의 차이를 계산하고, 일정한 시간마다 상기 두 값의 차이를 모니터링하는 제3단계와, 상기 차이가 일정 수준을 넘으면 일정 시간 동안 상기 차이 값을 누적하여 그 평균이 일정 수준 이상이면 운전자에게 경고 신호를 보내는 제4단계 및 상기 경고 신호를 보낸 다음에 엔진 시동 횟수 카운트 및 주행 마일리지를 누적하기 시작하고 엔진 시동 횟수가 설정 횟수 이상이거나, 주행 누적 마일리지가 일정 거리 이상이 되는 동안 상기 차이가 일정 수준 이하가 되지 않으면 운전자 요소 재주입 유도방안을 실행시키는 제5단계를 포함한다.
상기 목표 요소 분사량은 엔진회전수 및 연료량을 측정하여 초기 NOx 중 NO:NO2 초기값을 선정하고, DOC 촉매 온도를 통해 예측된 NO2 증가량 및 CPF 온도 및 CRT에 의한 NO2 증가량 또는 감소량을 상기 NO:NO2 초기값에 반영하여 최종 NO:NO2 비율을 계산한 후 이 비율에 의해 NH3와의 반응몰비 및 SCR 촉매의 NOx 정화 효율을 정하여 계산하며, 상기 실제 요소 분사량 계산 값은 실시간으로 클러스터로 전송하여 운전자가 볼 수 있도록 디스플레이하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 목표 요소 분사량과 실제 요소 분사량의 차이가 일정 수준 이하일 경우, 주행 누적 마일리지가 기 설정된 일정 주기일 때마다 상기 차이 값의 평균값을 업데이트하여 적산하는 단계를 더 포함하며, 상기 운전자 요소 재주입 유도방안은 엔진의 출력을 제한하는 출력제한 로직 및 시동이 걸리지 않도록 하는 재시동 불가 로직을 포함한다. 이때, 상기 출력제한 로직은 엔진 시동 횟수가 설정횟수 이상이면 동작하고, 상기 재시동 불가 로직은 엔진 시동 횟수가 설정횟수 미만일 때, 주행 누적 마일리지가 일정 거리 이상이고 목표 요소 소비량과 실제 요소 소비량 차이가 일정 이상일 때 동작하는 것이 바람직하다.
본 발명은 요소 소비량을 지속적으로 모니터링하여 요소의 잔존량을 보다 정확하게 판단할 수 있고, 정확한 시점에 요소 주입을 유도하여 질소산화물 배출을 방지할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 UREA-SCR 시스템 제어방법의 실시 예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 UREA-SCR 시스템 제어방법을 나타내는 순서도이다.
엔진 및 차량의 운전조건에 따라 목표 요소 분사량을 계산한다(S101). 이때, 상기 목표 요소 분사량은 엔진회전수 및 연료량을 측정하여 초기 NOx 중 NO:NO2 초기값을 선정하고, DOC 촉매 온도를 통해 예측된 NO2 증가량 및 CPF 온도 및 CRT에 의한 NO2 증가량 또는 감소량을 상기 NO:NO2 초기값에 반영하여 최종 NO:NO2 비율을 계산한 후 이 비율에 의해 NH3와의 반응몰비 및 SCR 촉매의 NOx 정화효율을 정하여 계산한다. 또한, NO2 증가량은 배기가스 온도센서에 의해 DOC 내부에서 HC가 산화되는 양을 측정하여 측정된 HC의 산화량에 따른 DOC 온도의 증가량을 측정함으로써 얻어지고, NO2 감소량은 차압센서 신호에 의해 CPF 내부에 일정량 이상의 수트(soot)가 로딩된 것을 감지하고, CPF의 배기가스 온도센서에 의해 배기가스 온도가 CRT조건에 도달했는지의 여부를 판단한 후 상기 차압센서 신호에 의해 CRT에 의한 차압변화량을 측정함으로써 얻어진다.
다음으로, 요소 분사 압력 및 요소 분사 시간을 측정하여 실제 요소 분사량을 계산한다(S103). 이때, 요소 분사 압력은 통상적으로 일정한 압력(5bar)으로 고정되므로, 요소가 분사된 회수와 시간을 누적하여 카운트하면 요소가 분사된 량을 거의 정확하게 계산할 수 있다. 상기 목표 요소 분사량과 실제 요소 분사량의 차이가 목표 요소 분사량의 50% 이상이 되는지를 판단한 후(S107), 50% 미만이면 주행 누적 거리 2400km를 주기로 요소 소비량의 평균값을 업데이트하여 적산한다(S109).
또한, 상기 차이가 일정 수준을 넘으면 타이머를 작동시키고 30분간 누적된 목표 요소 분사량과 실제 요소 분사량 차이의 평균값을 계산하여(S113), 상기 평균값이 목표 요소 분사량의 50% 이상이면 운전자에게 경고 신호를 보낸 후 엔진 시동 횟수를 카운트하고 주행 거리 누적을 시작한다(S117). 이때 경고 신호는 램프 또는 부저 등이 사용되고, 엔진 시동 횟수는 1부터 카운트되며 주행 거리 누적은 0km부터 시작되는 것이 바람직하다.
카운트된 엔진 횟수가 설정 횟수 이하이고, 상기 누적된 주행거리가 50km가 된 이후에 목표 요소 분사량과 실제 요소 분사량의 차이가 목표 요소 분사량의 50% 미만이면(S119) 주행 누적 거리 2400km를 주기로 요소 소비량의 평균값을 업데이트하여 적산한다(S109). 또한, 카운트된 엔진 횟수가 설정 횟수 이상이고, 상기 누적된 주행거리가 50km가 된 이후에 목표 요소 분사량과 실제 요소 분사량의 차이가 목표 요소 분사량의 50% 미만이면(S121) 엔진의 출력을 제한하도록 출력제한 로직을 작동시킨다(S123). 그러나, 카운트된 엔진 횟수가 설정 횟수 미만이고, 상기 누적된 주행거리가 50km가 된 이후에 목표 요소 분사량과 실제 요소 분사량의 차이가 목표 요소 분사량의 50% 이상이면, 요소 잔존량이 거의 없는 것으로 판단하여 시동이 다시 걸리지 않도록 재시동 불가 로직을 작동시킨다(S125).
따라서, 요소소비량을 지속적으로 모니터링하여 요소의 잔존량을 보다 정확히 파악하여 적절한 시기에 요소의 재주입을 유도함으로써, 질소산화물의 배출을 방지할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 UREA-SCR 시스템 제어방법을 나타내는 순서도이다.

Claims (6)

  1. 목표 요소 분사량을 계산하는 제1단계;
    요소 분사 압력 및 요소 분사 시간을 측정하여 실제 요소 분사량을 계산하는 제2단계;
    상기 목표 요소 분사량과 실제 요소 분사량의 차이를 계산하고, 일정한 시간마다 상기 두 값의 차이를 모니터링하는 제3단계;
    상기 차이가 일정 수준을 넘으면 일정 시간 동안 상기 차이 값을 누적하여 그 평균이 일정 수준 이상이면 운전자에게 경고 신호를 보내는 제4단계;
    상기 경고 신호를 보낸 다음에 엔진 시동 횟수 카운트 및 주행 마일리지를 누적하기 시작하고 엔진 시동 횟수가 설정 횟수 이상이거나, 주행 누적 마일리지가 일정 거리 이상이 되는 동안 상기 차이가 일정 수준 이하가 되지 않으면 운전자 요소 재주입 유도방안을 실행시키는 제5단계;
    를 포함하는 UREA-SCR 시스템 제어방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제1단계에서
    목표 요소 분사량은 엔진회전수 및 연료량을 측정하여 초기 NOx 중 NO:NO2 초기값을 선정하고, DOC 촉매 온도를 통해 예측된 NO2 증가량 및 CPF 온도 및 CRT에 의한 NO2 증가량 또는 감소량을 상기 NO:NO2 초기값에 반영하여 최종 NO:NO2 비율을 계산한 후 이 비율에 의해 NH3와의 반응몰비 및 SCR 촉매의 NOx 정화효율을 정하여 계산하는 UREA-SCR 시스템 제어방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제2단계에서
    실제 요소 분사량 계산 값은 실시간으로 클러스터로 전송하여 운전자가 볼 수 있도록 디스플레이하는 UREA-SCR 시스템 제어방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제4단계에서
    상기 목표 요소 분사량과 실제 요소 분사량의 차이가 일정 수준 이하일 경우, 주행 누적 마일리지가 기 설정된 일정 주기일 때마다 상기 차이 값의 평균값을 업데이트하여 적산하는 단계를 더 포함하는 UREA-SCR 시스템 제어방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제5단계에서
    운전자 요소 재주입 유도방안은 엔진의 출력을 제한하는 출력제한 로직 및 시동이 걸리지 않도록 하는 재시동 불가 로직을 포함하는 UREA-SCR 시스템 제어방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 출력제한 로직은 엔진 시동 횟수가 설정횟수 이상이면 동작하고, 상기 재시동 불가 로직은 엔진 시동 횟수가 설정횟수 미만일 때, 주행 누적 마일리지가 일정 거리 이상이고 목표 요소 소비량과 실제 요소 소비량 차이가 일정 수준 이상이면 동작하는 UREA-SCR 시스템 제어방법.
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