KR101610114B1 - Lnt의 성능 유지를 위한 제어방법 및 이의 제어시스템 - Google Patents

Lnt의 성능 유지를 위한 제어방법 및 이의 제어시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 LNT의 성능 유지를 위한 제어방법에 의하면, LNT의 현재온도를 연산하는 단계, 상기 현재온도를 기초로 상기 LNT의 현재산소흡장량을 연산하는 단계, 상기 현재산소흡장량이 설정값 이상인지 판단하는 단계, 상기 현재산소흡장량이 상기 설정값 이상으로 판단되면, 상기 LNT로 유입되는 배기가스를 리치상태로 유지하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

LNT의 성능 유지를 위한 제어방법 및 이의 제어시스템{CONTROL METHOD FOR MAINTAINING PERFORMANCE OF LNT AND THE CONTROL SYSTEM THEREOF}
본 발명은 LNT를 통해서 질소산화물을 저감시키고, 배기가스의 상태를 주기적으로 리치하게 제어함으로써 질소산화물과 CO/HC에 대한 정화율을 안정적으로 유지하는 LNT의 성능 유지를 위한 제어방법에 관한 것이다.
승용 디젤 엔진에서 배기가스규제에 대응하기 위해서, 디젤산화촉매(DOC)와 디젤매연필터(DPF), 질소산화물정화유닛(LNT, lean NOx trap), 및 선택적환원촉매유닛(SCR, selective catalytic reduction unit) 등이 고려되고 있다.
유럽의 배기가스 요구조건은 NEDC모드 대신에 ARTEMIS 모드가 검토되고 있고, 이는 실제 고속주행 조건을 대표한다. 이러한 실제 고속주행 조건에서는 DOC+DPF+LNT 시스템은 과다한 질소산화물(NOx)을 배출하므로, 이러한 질소산화물을 저감시키는 방법이 필요하다.
한편, LNT가 린한 상태에 지속적으로 노출되는 시간과 온도가 증가할수록, LNT의 성분 중 세리아가 Ce2O3에서 CeO2로 변하는 양이 증가하고, 리치를 인가하지 않으면, CeO2가 증가하여, LNT의 저온 산화능력은 급속하게 악화된다.
따라서, LNT로 유입되는 배기가스를 주기적으로, 리치하게 제어함으로써, 저온에서 산화성능을 가지도록 하여 HC/CO를 효과적으로 제거할 수 있다.
그러나, LNT를 너무 자주 리치로 제어하게 되면, 연료소모가 늘어나고 리치제어에 의해서 외부로 배출되는 HC의 양이 늘어날 수 있다.
본 발명의 목적은 LNT의 리치주기를 최적화함으로서 CO/HC, 및 질소산화물의 정화율을 효율적으로 유지하면서, 연료소모를 줄일 수 있는 LNT의 성능 유지를 위한 제어방법을 제공하는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 LNT의 성능 유지를 위한 제어방법에 의하면, LNT의 현재온도를 연산하는 단계, 상기 현재온도를 기초로 상기 LNT의 현재산소흡장량을 연산하는 단계, 상기 현재산소흡장량이 설정값 이상인지 판단하는 단계, 상기 현재산소흡장량이 상기 설정값 이상으로 판단되면, 상기 LNT로 유입되는 배기가스를 리치상태로 유지하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 리치상태로 유지하는 단계에서, 상기 리치상태는 설정온도로 설정시간동안 유지되도록 설정될 수 있다.
상기 현재산소흡장량을 연산하는 단계에서, 상기 현재산소흡장량은, 상기 LNT의 이전산소흡장량, 현재온도에서 단위시간당 산소흡장량, 및 이전온도에서 산소흡장저항계수를 통해서 연산되도록 설정될 수 있다.
상기 현재산소흡장양은, 상기 현재온도에서 단위시간당 산소흡장량과 상기 이전온도에서 산소흡장저항계수를 곱하고, 상기 LNT의 이전산소흡장량을 더해서 연산되도록 설정될 수 있다.
상기 단위시간당 산소흡장량은 온도의 함수이며, 온도와 비례 관계를 갖도록 설정될 수 있다.
상기 산소흡장저항계수는, 상기 이전산소흡장량을 이전온도의 최대산소흡장량으로 나눈 비(ratio)의 함수로 설정될 수 있다.
상기 비의 값이 클수록, 상기 산소흡장저항계수의 값은 커지도록 설정될 수 있다.
상기 최대산소흡장량은 온도의 함수로, 온도가 높을수록 커지지도록 설정될 수 있다.
상기 LNT의 사용기간에 따라서 상기 최대산소흡장량은 가변되도록 설정될 수 있다.
상기 리치상태로 유지하는 단계에서, 상기 LNT에 포함된 산소저장량은 줄어들고, CeO2가 Ce2O3로 변환되어, CO/HC에 대한 저온활성특성이 회복될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 LNT 제어 시스템은, 연료를 연소시켜서 회전력을 발생시키는 엔진, 상기 엔진에서 배출되는 배기가스가 지나는 배기라인, 상기 배기라인의 일측에 설치되어 질소산화물을 흡착 및 방출하고, 저감시키는 LNT, 상기 LNT의 상류 또는 하류측에 설치되어 배기가스의 린/리치 상태를 감지하는 람다센서, 상기 람다센서에서 전송되는 신호에 따라서, 상기 엔진에서 분사되는 연료를 제어하여, 상기 배기라인을 지나는 배기가스의 린/리치를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 제1항에 따른 방법을 수행할 수 있다.
상기 LNT의 상류측과 하류측에 설치되어 배기가스의 온도를 감지하는 제1온도센서 및 제2온도센서를 포함할 수 있다.
상기 람다센서는, 상기 LNT의 상류측과 하류측에 설치되는 제1람다센서와 제2람다센서를 포함할 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따라서, LNT에 흡장되는 산소의 양을 신속하고 정확하게 예측하고, 이에 따라서 LNT로 유입되는 배기가스를 리치상태로 제어함으로써, LNT의 리치주기를 최적화하고 CO/HC, 및 질소산화물의 정화율을 효율적으로 유지하며, 연료소모를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 성능 유지를 위한 제어방법을 수행하는 LNT의 제어시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 성능 유지를 위한 제어방법의 제어흐름을 보여주는 전체적인 플로우 차트이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 단위시간당 산소흡장량을 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 산소흡장저항계수를 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 산소저장량을 보여주는 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 상태에 따라서 최대산소흡장량을 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 산호흡장량에 따라서 일산화탄소의 정화율을 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 리치 처리에 따른 일산화탄소의 정화율을 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 정화특성을 보여주는 그래프이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 귀금속의 양에 따른 배기가스의 정화특성을 보여주는 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 성능 유지를 위한 제어방법을 수행하는 LNT의 제어시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, LNT의 제어시스템은 엔진(100), 배기라인(110), LNT(120), 제1온도센서(142), 제1람다센서(152), 제2온도센서(144), 제2람다센서(154), 및 제어부(130)를 포함한다.
상기 엔진(100)에서는 연료 분사 인젝터(미도시)가 배치되고, 상기 인젝터는 연소실로 연료를 분사하고, 상기 엔진(100)은 연료의 연소 팽창 에너지를 이용하여 회전력을 발생시킨다.
상기 엔진(100)에서 배출되는 배기가스는 상기 배기라인(110)을 따라서 이동하고, 상기 LNT(120)를 통과하고, 머플러(미도시)를 통해서 외부로 배출된다.
상기 LNT(120)는 lean NOx Trap의 약자로, 질소산화물 흡장 물질을 포함하고 있으며, 배기가스가 린 한 상태에서 질소산화물을 흡장하고, 배기가스가 리치 한 상태에서 질소산화물을 배출하면서 환원분위기에서 제거하는 기능을 수행한다. 이러한 LNT(120)를 효과적으로 사용하기 위해서, 디젤엔진에서 이론공연비 이하의 운전영역을 구현해야한다.
상기 LNT(120)로 유입되는 배기가스의 온도 및 린/리치 상태를 제어하기 위해서, 상기 LNT(120)의 상류측에는 제1온도센서(142)와 제1람다센서(152)가 배치되고, 상기 LNT(120)의 하류측에는 제2온도센서(144)와 제2람다센서(154)가 배치된다.
상기 제어부(130)는 상기 제1,2온도센서(142, 144)를 통해서 배기가스의 온도를 감지하고, 상기 LNT(120)의 온도를 연산할 수 있다.
그리고, 상기 제1,2람다센서(152, 154)를 통해서 배기가스의 린/리치 상태를 감지하고, 상기 엔진(100)에 배치되는 연료분사 인젝터의 후분사를 제어하거나, 상기 배기라인(110)에 설치되는 별도의 연료분사 인젝터(미도시)의 연료분사 특성을 제어할 수 있다.
상기 제어부(130)는 배기가스를 미리 설정된 주기에 따라서, 배기가스를 리치 상태로 제어하여, 상기 LNT(120)에 흡장된 질소산화물을 이탈시키고 제거한다.
그런데, 상기 LNT(120)에 흡장된 질소산화물을 제거하기 위한 리치주기는 비교적 짧고(예를 들어, 주행 거리10km), HC/CO의 정화율을 유지하기 위한 리치주기는 비교적 길다(예를 들어, 주행 거리 500km).
따라서, 본 발명의 실시예에서는, 상기 제어부(130)는 상기 LNT(120)의 리치주기를 보다 효과적인 방법으로 설정함으로써, 상기 LNT(120)의 정화율을 향상시키는 동시에, 연료소모를 줄일 수 있다.
상기 제어부(130)는 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 하나 이상의 마이크로 프로세서로 구현될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 후술하는 본 발명의 실시예에 따른 방법을 수행하기 위한 일련의 명령을 포함할 수 있고, 미리 설정된 맵 데이터 또는 데이터를 포함하는 메모리를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 성능 유지를 위한 제어방법의 제어흐름을 보여주는 전체적인 플로우 차트이다.
도 2를 참조하면, S200에서 시동이 온되어 제어가 시작되고, S210에서 상기 LNT(120)의 온도가 측정 또는 추정된다. 상기 LNT(120)의 온도는 배기가스의 온도를 통해서 감지되거나, 배기가스의 온도를 통해서 추정될 수 있다.
S220에서 제어 플로우가 카운팅되어 저장된다. 이러한 카운팅된 값은 주행시간 또는 주행거리에 의해서 재설정될 수 있다.
S230에서 현재(N)의 상기 LNT(120)의 현재산소흡장량(Yn)이 연산된다. 여기서, 즉, Yn= Yn -1 + f(Tn) * f(Xn-1)이다.
여기서, Yn =상기 LNT의 현재산소흡장량,
Yn -1 = 이전(N-1)의 상기 LNT(120)의 이전산소흡장량,
f(Tn) = 현재온도에서 단위시간당 산소흡장량,
f(Xn-1) = 이전온도에서 산소흡장저항계수,
그리고, S240에서, 상기 LNT(120)의 현재산소흡장량이 OSC max[@Tn]보다 작은지 판단된다. 여기서, OSC max[@Tn] = 현재온도(Tn)에서 상기 LNT의 최대산소저장량(Max oxygen storage capacity)을 의미한다.
상기 S240에서 상기 LNT(120)의 현재산소흡장량(Yn)이 최대산소저장량(OSC max[@Tn]) 이상이면, 상기 S295를 수행하고, 상기 S240에서 상기 LNT(120)의 현재산소흡장량(Yn)이 최대산소저장량(OSC max[@Tn]) 보다 작으면, S250을 수행한다. 상기 S250은 상기 S230과 동일한 연산을 반복하는 것이다.
그리고, S260에서, 상기 LNT(120)의 현재산소흡장량(Yn)이 설정값(a) 이상인지 판단되고, 그렇지 않으면, S210을 수행하고, 그러면, S270을 수행한다.
상기 S270에서, 상기 LNT(120)로 유입되는 배기가스를 리치 상태로 설정된 온도(c)로 설정된 시간(b)동안 제어한다.
그리고, S280에서 상기 LNT(120)의 현재산소흡장량(Yn)이 약 0에 도달하면, S210을 수행하고, 시동이 오프되면, S290에서 제어 플로우가 종료된다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 단위시간당 산소흡장량을 보여주는 그래프이다.
도 3a를 살펴보면, 가로축은 프레쉬(fresh)한 LNT의 상태에서, 상기 LNT(120)의 온도 또는 LNT(120)로 유입되는 배기가스의 온도를 나타내고, 세로축은 단위시간당 산소흡장량(g/L.s=f(Tn))을 나타낸다.
도시한 바와 같이, 단위시간단 산소흡장량(g/L.s=f(Tn))은 온도에 비례관계를 가지고 있으며, 미리 설정된 함수, y=A2+(A1-A2)/(1+exp((x-x0)/dx))로 설정될 수 있다.
도 3b를 살펴보면, 가로축은 오래 사용된(aged) LNT의 상태에서, 상기 LNT(120)의 온도 또는 LNT(120)로 유입되는 배기가스의 온도를 나타내고, 세로축은 단위시간당 산소흡장량(g/L.s=f(Tn))을 나타낸다.
도시한 바와 같이, 단위시간단 산소흡장량(g/L.s=f(Tn))은 온도에 비례관계를 가지고 있으며, 미리 설정된 함수, y=A2+(A1-A2)/(1+exp((x-x0)/dx))로 설정될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 산소흡장저항계수를 보여주는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 가로축은 1-(Xn -1)을 나타내고, 세로축은 산소흡장저항계수 f(Xn-1)을 나타낸다. 여기서, Xn- 1은 Yn- 1/ OSC max[@Tn- 1]으로, Yn- 1은 이전(n-1)의 산소흡장량이고, OSC max[@Tn-1]은 이전의 산소최대흡장량(OSC max[@Tn-1])이다.
도시한 바와 같이, Xn-1이 클수록, 산소흡장저항계수 f(Xn-1)의 값은 증가하는 경향을 갖는다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 산소저장량을 보여주는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 배기가스의 온도를 나타낸다. 초기 상태에서 시간이 지남에 따라서, 배기온도를 상승과 하락을 반복하고, 상승이 반복됨에 따라서, 산소흡장량(Yn)도 점차 증가한다. 그리고, 약 1100초 시간에서 미리 설정된 산소흡장량에 도달하고, 리치 인가 기준을 충족한다.
따라서, 상기 배기가스가 리치상태로 제어되어 상기 LNT(120)에 포함된 산소저장량은 줄어들고, CeO2가 Ce2O3로 변환되어, CO/HC에 대한 저온활성특성이 회복된다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 상태에 따라서 최대산소흡장량을 보여주는 그래프이다.
도 6a를 참조하면, 가로축은 배기가스의 온도를 나타내고, 세로측은 사용되지 않은 프레쉬(fresh)한 LNT의 최대산소저장량(OSC max: oxygen storage capacity, g/L) 그래프를 나타낸다.
도 6b를 참조하면, 가로축은 배기가스의 온도를 나타내고, 세로측은 오래 사용된(aged) LNT의 최대산소저장량(OSC max: oxygen storage capacity, g/L) 그래프를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 산호흡장량에 따라서 일산화탄소의 정화율을 보여주는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 가로축은 실험번호를 나타내고, 세로축은 CO의 양과 CO의 정화율을 각각 보여준다.
실험1에서, CO의 양은 0.34g/km이고, CO의 정화율은 81%로 나타난다. 이 상태에서 리치제어가 수행되고, 실험2 내지 9에서 CO의 양은 0.17에서 0.25로 증가하고, CO의 정화율은 88%에서 82%로 줄어든다.
따라서, 상기 LNT(120)의 CO 정화율을 향상시키기 위해서, 약 500km 이내에서 리치제어가 필요하다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 리치 처리에 따른 일산화탄소의 정화율을 보여주는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 가로축은 배기가스의 온도를 나타내고, 세로축은 CO의 정화율을 보여주는 것으로, LNT(120)를 지나는 배기가스에 리치상태가 있는 경우LNT(W/rich)와 리치상태가 없는 경우LNT(W/Orich)를 비교했을 때, 리치상태가 있는 경우에 정화율이 높게 나타난다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 정화특성을 보여주는 그래프이다.
도 9를 참조하면, 가로축은 시간(또는 주행거리)를 나타내고, 세로축은 상기 LNT로 유입되는 배기가스의 온도, 차속, 및 상기 LNT에 흡장된 CO/HC의 양을 각각 나타낸다.
도시한 바와 같이, 상기 LNT(120)에서 유도되는 반응(water gas shift reaction)에 의해서 CO의 저온활성 향상으로 인하여, NEDC 70초 부근에서 CO정화율이 약 100%에 도달하는 것을 알 수 있다.
일반적으로, DOC의 경우에, 200 내지 400초 부근에서 CO의 정화율이 100%에 도달하지만, LNT의 경우에, 100초 이전에 CO정화율이 100%에 도달할 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 귀금속의 양에 따른 배기가스의 정화특성을 보여주는 그래프이다.
도 10a를 참조하면, 가로축은 상기 LNT(120)에 포함되는 귀금속의 양을 나타내고, 세로축은 CO/HC/NOx의 배출양을 각각 나타낸다. 아울러, 도 10b를 참조하면, 가로축은 상기 LNT(120)에 포함되는 귀금속의 양을 나타내고, 세로축은 CO/HC/NOx의 정화율을 나타낸다.
도시한 바와 같이, 상기 LNT(120)에 포함되는 귀금속의 양이 일정범위일 때, HC/CO 등에 대한 배출량과 정화율은 크게 변하지 않으므로, 적절하게 리치제어가 될 경우에, 상기 LNT에 적용되는 귀금속의 양을 줄이고 비용 등을 줄일 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.
100: 엔진 110: 배기라인
120: LNT 130: 제어부
142: 제1온도센서 144: 제2온도센서
152: 제1람다센서 154: 제2람다센서

Claims (13)

  1. LNT의 현재온도를 연산하는 단계;
    상기 현재온도를 기초로 상기 LNT의 현재산소흡장량을 연산하는 단계;
    상기 현재산소흡장량이 설정값 이상인지 판단하는 단계; 및
    상기 현재산소흡장량이 상기 설정값 이상으로 판단되면, 상기 LNT로 유입되는 배기가스를 리치상태로 유지하는 단계; 를 포함하고,
    상기 현재산소흡장량을 연산하는 단계에서,
    상기 현재산소흡장량은,
    상기 LNT의 이전산소흡장량, 현재온도에서 단위시간당 산소흡장량, 및 이전온도에서 산소흡장저항계수; 를 통해서 연산되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 LNT의 성능 유지를 위한 제어방법.
  2. 제1항에서,
    상기 리치상태로 유지하는 단계에서,
    상기 리치상태는 설정온도로 설정시간동안 유지되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 LNT의 성능 유지를 위한 제어방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에서,
    상기 현재산소흡장량은,
    상기 현재온도에서 단위시간당 산소흡장량과 상기 이전온도에서 산소흡장저항계수를 곱하고, 상기 LNT의 이전산소흡장량을 더해서 연산되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 LNT의 성능 유지를 위한 제어방법.
  5. 제1항에서,
    상기 단위시간당 산소흡장량은 온도의 함수이며, 온도와 비례 관계를 갖도록 설정되는 것을 특징으로 하는 LNT의 성능 유지를 위한 제어방법.
  6. 제1항에서,
    상기 산소흡장저항계수는,
    상기 이전산소흡장량을 이전온도의 최대산소흡장량으로 나눈 비(ratio)의 함수로 설정되는 것을 특징으로 하는 LNT의 성능 유지를 위한 제어방법.
  7. 제6항에서,
    상기 비의 값이 클수록, 상기 산소흡장저항계수의 값은 커지도록 설정되는 것을 특징으로 하는 LNT의 성능 유지를 위한 제어방법.
  8. 제6항에서,
    상기 최대산소흡장량은 온도의 함수로, 온도가 높을수록 커지지도록 설정되는 것을 특징으로 하는 LNT의 성능 유지를 위한 제어방법.
  9. 제6항에서,
    상기 LNT의 사용기간에 따라서 상기 최대산소흡장량은 가변되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 LNT의 성능 유지를 위한 제어방법.
  10. 제1항에서,
    상기 리치상태로 유지하는 단계에서,
    상기 LNT에 포함된 산소저장량은 줄어들고, CeO2가 Ce2O3로 변환되어, CO/HC에 대한 저온활성특성이 회복되는 것을 특징으로 하는 LNT의 성능 유지를 위한 제어방법.
  11. 연료를 연소시켜서 회전력을 발생시키는 엔진;
    상기 엔진에서 배출되는 배기가스가 지나는 배기라인;
    상기 배기라인의 일측에 설치되어 질소산화물을 흡착 및 방출하고, 저감시키는 LNT;
    상기 LNT의 상류 또는 하류측에 설치되어 배기가스의 린/리치 상태를 감지하는 람다센서;
    상기 람다센서에서 전송되는 신호에 따라서, 상기 엔진에서 분사되는 연료를 제어하여, 상기 배기라인을 지나는 배기가스의 린/리치를 제어하는 제어부; 를 포함하고,
    상기 제어부는 제1항에 따른 방법을 수행하는 것을 특징으로 하는 LNT 제어 시스템.
  12. 제11항에서,
    상기 LNT의 상류측과 하류측에 설치되어 배기가스의 온도를 감지하는 제1온도센서 및 제2온도센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 LNT 제어 시스템.
  13. 제11항에서,
    상기 람다센서는, 상기 LNT의 상류측과 하류측에 설치되는 제1람다센서와 제2람다센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 LNT 제어 시스템.
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