KR101673359B1 - 린 녹스 트랩과 선택적 환원 촉매를 구비한 배기 가스 정화 장치에서 린 녹스 트랩의 재생 방법 및 배기 가스 정화 장치 - Google Patents

린 녹스 트랩과 선택적 환원 촉매를 구비한 배기 가스 정화 장치에서 린 녹스 트랩의 재생 방법 및 배기 가스 정화 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT)과 선택적 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매를 구비한 배기 가스 정화 장치에서 LNT의 재생 방법은 상기 LNT의 재생 가능 조건을 만족하는지 판단하는 단계; LNT의 재생 필요 조건을 만족하는지 판단하는 단계; 그리고 LNT 재생 가능 조건과 LNT 재생 필요 조건을 만족하면, LNT의 재생을 진행하는 단계;를 포함하며, 상기 LNT 재생 가능 조건은 엔진 운전 조건, LNT 상태 조건, 람다 센서 동기화 조건을 모두 만족하는 경우에 만족될 수 있다.

Description

린 녹스 트랩과 선택적 환원 촉매를 구비한 배기 가스 정화 장치에서 린 녹스 트랩의 재생 방법 및 배기 가스 정화 장치{METHOD OF REGENERATING LEAN NOx TRAP OF EXHAUST PURIFICATION SYSTEM PROVIDED WITH LEAN NOx TRAP AND SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION CATALYST AND EXHAUST PURIFICATION SYSTEM}
본 발명은 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT)과 선택적 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매를 구비한 배기 가스 정화 장치에서 린 녹스 트랩의 재생 방법 및 배기 가스 정화 장치에 관한 것으로, LNT의 재생이 가능한 시점을 정확히 판단함으로써 질소산화물의 정화 효율과 연비를 향상시킬 수 있는 린 녹스 트랩과 선택적 환원 촉매를 구비한 배기 가스 정화 장치에서 린 녹스 트랩의 재생 방법 및 배기 가스 정화 장치에 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.
질소산화물 저감 촉매(Denitrification Catalyst; DeNOx Catalyst)는 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 정화시키는 촉매 컨버터의 한 형식이다. 우레아(Urea), 암모니아(Ammonia), 일산화탄소 및 탄화수소(Hydrocarbon; HC) 등과 같은 환원제를 배기 가스에 제공하면 질소산화물 저감 촉매에서는 배기 가스에 포함된 질소산화물이 상기 환원제와의 산화-환원 반응을 통해 환원되게 된다.
최근에는, 이러한 질소산화물 저감 촉매로 LNT(Lean NOx Trap)가 사용되고 있다. LNT는 엔진의 공연비가 희박(lean)한 분위기에서 작동되면 배기 가스에 포함된 질소산화물을 흡착하고, 엔진의 공연비가 농후(rich)한 분위기에서 작동되면 흡착된 질소산화물을 탈착하며, 탈착된 질소산화물과 배기 가스에 포함된 질소산화물을 환원시킨다(여기에서는 'LNT의 재생'이라고 표현한다).
그런데, 통상적인 디젤 엔진은 공연비가 희박한 분위기에서 운전하기 때문에LNT에 흡장된 질소산화물을 탈착시키기 위하여는 공연비를 인위적으로 농후한 분위기로 조절할 필요가 있다. 이를 위하여, LNT에 흡장된 질소산화물을 탈착할 시기(즉, 재생 시기)를 정확히 판단하여야 한다. 특히, LNT의 질소산화물 정화 효율과 연비를 향상시키고 LNT의 열화를 방지하기 위하여 LNT의 재생이 가능한 시점을 정확히 판단할 필요가 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, LNT의 재생이 가능한 시점을 정확히 판단함으로써 질소산화물의 정화 효율과 연비를 향상시킬 수 있는 린 녹스 트랩과 선택적 환원 촉매를 구비한 배기 가스 정화 장치에서 린 녹스 트랩의 재생 방법 및 배기 가스 정화 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT)과 선택적 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매를 구비한 배기 가스 정화 장치에서 LNT의 재생 방법은 상기 LNT의 재생 가능 조건을 만족하는지 판단하는 단계; LNT의 재생 필요 조건을 만족하는지 판단하는 단계; 그리고 LNT 재생 가능 조건과 LNT 재생 필요 조건을 만족하면, LNT의 재생을 진행하는 단계;를 포함하며, 상기 LNT 재생 가능 조건은 엔진 운전 조건, LNT 상태 조건, 람다 센서 동기화 조건을 모두 만족하는 경우에 만족될 수 있다.
상기 엔진 운전 조건은 엔진토크가 엔진 회전수에 따라 정해지는 최소 엔진토크와 최대 엔진토크 사이이고, 엔진 회전수가 최소 엔진 회전수와 최대 엔진 회전수 사이이며, 기어 단수가 엔진 회전수와 엔진토크에 따른 최소 기어 단수 이상이고, 토크 변화율이 상기 최소 엔진토크에 따른 최대 토크 변화율 아래이면 만족되는 것으로 할 수 있다.
상기 최대 토크 변화율은 최소 엔진토크와 현재 엔진토크의 차를 미리 설정된 재생 기간으로 나누어 계산될 수 있다.
상기 LNT의 상태 조건은 LNT의 온도 조건, 재생 간 최소 시간 조건 및 최대 재생 기간 조건을 모두 만족하는 경우 만족할 수 있다.
상기 LNT의 온도 조건은 LNT의 전단 온도가 LNT의 평균 온도에 따른 LNT 전단 최저 온도보다 높고, LNT의 평균 온도가 LNT를 통과하는 배기 가스의 유량에 따른 LNT 최저 재생 온도보다 높으며, LNT 후단 온도가 LNT 최고 재생 온도보다 낮으면 만족될 수 있다.
상기 LNT 최고 재생 온도는 엔진 운전 모드에 따라 미리 설정될 수 있다.
상기 재생 간 최소 시간 조건은 이전 재생으로부터 경과된 시간이 LNT의 평균 온도와 LNT의 NOx 흡착율에 따른 재생 간 최소 시간보다 큰 경우 만족될 수 있다.
상기 최대 재생 기간 조건은 재생 시작부터 경과한 시간이 최대 설정 기간 이상인 경우 만족될 수 있다.
상기 최대 설정 기간은 람다 센서 동기화가 이루어지지 않은 연속적인 횟수에 따라 변경될 수 있다.
상기 람다 센서 동기화 조건은 LNT의 전단과 후단에 각각 장착된 제1, 2산소 센서의 측정값들의 차가 설정값 미만이거나 LNT에서 암모니아가 생성된 것으로 예상되면 만족될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치는 연료를 그 내부로 분사하기 위한 인젝터를 포함하며, 공기와 연료의 혼합기를 태워 동력을 생산하고, 연소 과정에서 발생한 배기 가스를 배기 파이프를 통하여 외부로 배출하는 엔진; 상기 배기 파이프에 장착되어 있으며, 공연비가 희박(lean)한 분위기에서 배기 가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 흡장하고, 농후(rich)한 분위기에서 흡장된 질소산화물을 탈착하며 배기 가스에 포함된 질소산화물 또는 탈착된 질소산화물을 배기가스에 포함된 탄소 또는 수소를 포함한 환원제를 이용하여 환원시키는 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT); 상기 LNT의 후단 상기 배기 파이프에 장착되어 있으며, 배기 가스에 직접 환원제를 분사하도록 된 분사 모듈; 상기 분사 모듈 하부의 배기 파이프에 장착되어 있으며, 상기 분사 모듈에서 분사된 환원제를 이용하여 배기 가스에 포함된 질소산화물을 환원하는 선택적 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매; 그리고 엔진의 운전 조건에 따라 LNT 및/또는 SCR 촉매를 이용하여 질소산화물의 제거를 수행하도록 하는 제어기;를 포함하며, 상기 제어기는 LNT 재생 필요 조건과 LNT 재생 가능 조건을 모두 만족하는 경우 LNT의 재생을 진행하되, 상기 LNT 재생 가능 조건은 엔진 운전 조건, LNT 상태 조건, 람다 센서 동기화 조건을 모두 만족하는 경우에 만족될 수 있다.
상기 엔진 운전 조건은 엔진토크가 엔진 회전수에 따라 정해지는 최소 엔진토크와 최대 엔진토크 사이이고, 엔진 회전수가 최소 엔진 회전수와 최대 엔진 회전수 사이이며, 기어 단수가 엔진 회전수와 엔진토크에 따른 최소 기어 단수 이상이고, 토크 변화율이 상기 최소 엔진토크에 따른 최대 토크 변화율 아래이면 만족될 수 있다.
상기 제어기는 최소 엔진토크와 현재 엔진토크의 차를 미리 설정된 재생 기간으로 나누어 상기 최대 토크 변화율을 계산할 수 있다.
상기 LNT의 상태 조건은 LNT의 온도 조건, 재생 간 최소 시간 조건 및 최대 재생 기간 조건을 모두 만족하는 경우 만족할 수 있다.
상기 LNT의 온도 조건은 LNT의 전단 온도가 LNT의 평균 온도에 따른 LNT 전단 최저 온도보다 높고, LNT의 평균 온도가 LNT를 통과하는 배기 가스의 유량에 따른 LNT 최저 재생 온도보다 높으며, LNT 후단 온도가 LNT 최고 재생 온도보다 낮으면 만족될 수 있다.
상기 LNT 최고 재생 온도는 엔진 운전 모드에 따라 미리 설정될 수 있다.
상기 재생 간 최소 시간 조건은 이전 재생으로부터 경과된 시간이 LNT의 평균 온도와 LNT의 NOx 흡착율에 따른 재생 간 최소 시간보다 큰 경우 만족될 수 있다.
상기 최대 재생 기간 조건은 재생 시작부터 경과한 시간이 최대 설정 기간 이상인 경우 만족될 수 있다.
상기 최대 설정 기간은 람다 센서 동기화가 이루어지지 않은 연속적인 횟수에 따라 변경될 수 있다.
상기 람다 센서 동기화 조건은 LNT의 전단과 후단에 각각 장착된 제1, 2산소 센서의 측정값들의 차가 설정값 미만이거나 LNT에서 암모니아가 생성된 것으로 예상되면 만족될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, LNT의 재생이 가능한 시점을 정확히 판단함으로써 질소산화물의 정화 효율이 향상되고 LNT의 열화가 방지된다.
또한, 불필요한 LNT의 재생을 방지함으로써 연비를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치에서 LNT의 재생 방법에 사용되는 제어기에서 입력과 출력 관계를 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 재생 방법의 흐름도이다.
도 4는 도 3의 흐름도를 보다 상세히 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 S110 단계를 보다 상세히 도시한 도면이다.
도 6은 도 5의 S410 단계를 보다 상세히 도시한 도면이다.
도 7은 도 5의 S420 단계를 보다 상세히 도시한 도면이다.
도 8은 도 5의 S430 단계를 보다 상세히 도시한 도면이다.
도 9는 도 5의 S440 단계를 보다 상세히 도시한 도면이다.
도 10은 도 9의 S443 단계를 보다 상세히 도시한 도면이다.
도 11은 도 5의 S450 단계를 보다 상세히 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 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(30), 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT)(40), 분사 모듈(50), 매연 필터(Particulate Filter)(60), 그리고 제어기(70)를 포함한다.
엔진(10)은 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 연소시켜 화학적 에너지를 기계적 에너지로 변환한다. 엔진(10)은 흡기 매니폴드(16)에 연결되어 연소실(12) 내부로 공기를 유입받으며, 연소 과정에서 발생된 배기 가스는 배기 매니폴드(18)에 모인 후 엔진 밖으로 배출되게 된다. 상기 연소실(12)에는 인젝터(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(16)를 통하여 혼합기가 연소실(12) 내부로 유입되며, 연소실(12) 상부에는 점화를 위한 점화플러그(도시하지 않음)가 장착된다. 또한, 가솔린 직접 분사(Gasoline Direct Injection; GDI) 엔진을 사용하는 경우, 디젤 엔진과 마찬가지로 인젝터(14)가 연소실(12)의 상부에 장착된다.
배기 파이프(20)는 상기 배기 매니폴드(18)에 연결되어 배기 가스를 차량의 외부로 배출시킨다. 상기 배기 파이프(20) 상에는 LNT(40), 분사 모듈(50) 및 매연 필터(60)가 장착되어 배기 가스 내 포함된 탄화수소, 일산화탄소, 입자상 물질 그리고 질소산화물 등을 제거한다.
배기 가스 재순환 장치(30)는 배기 파이프(20) 상에 장착되어 엔진(10)에서 배출되는 배기 가스 일부를 상기 배기 가스 재순환 장치(30)를 통해 엔진(10)에 재공급한다. 또한, 상기 배기 가스 재순환 장치(30)는 상기 흡기 매니폴드(16)에 연결되어 배기 가스의 일부를 공기에 섞어 연소 온도를 제어한다. 이러한 연소 온도의 제어는 제어기(70)의 제어에 의하여 흡기 매니폴드(16)에 공급되는 배기 가스의 양을 조절함으로써 수행된다. 따라서, 배기 가스 재순환 장치(30)와 흡기 매니폴드(16)를 연결하는 라인 상에는 제어기(70)에 의하여 제어되는 재순환 밸브(도시하지 않음)가 장착될 수 있다.
상기 배기 가스 재순환 장치(30)의 후방 배기 파이프(20)에는 제1산소 센서(또는 제1람다 센서)(72)가 장착되어 배기 가스 재순환 장치(30)를 통과한 배기 가스 내의 산소량을 검출하여 상기 제어기(70)에 전달함으로써 상기 제어기(70)가 배기 가스의 린/리치 제어(lean/rich control)를 수행하는 것을 돕도록 할 수 있다. 본 명세서에서는 상기 제1산소 센서(72)의 측정값을 LNT 전단의 공연비(lambda)라고 칭하기로 한다.
또한, 배기 가스 재순환 장치(30)의 후방 배기 파이프(20)에는 제1온도 센서(74)가 장착되어 배기 가스 재순환 장치(30)를 통과한 배기 가스의 온도를 검출한다.
LNT(40)는 상기 배기 가스 재순환 장치(30)의 후방 배기 파이프(20)에 장착되어 있다. 상기 LNT(40)는 연한(lean) 분위기에서 배기 가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 흡장하고, 농후한(rich) 분위기에서 흡장된 질소산화물을 탈착하며 배기 가스에 포함된 질소산화물 또는 탈착된 질소산화물을 환원시킨다. 또한, LNT(40)는 배기 가스에 포함된 일산화탄소(CO) 및 탄화수소(HC)를 산화시킨다.
여기에서, 탄화수소는 배기 가스와 연료에 포함된 탄소와 수소로 구성된 화합물을 모두 지칭하는 것으로 이해하여야 할 것이다.
상기 LNT(40)의 후방 배기 파이프(20)에는 제2산소 센서(76), 제2온도 센서(78) 및 제1NOx 센서(80)가 장착되어 있다.
상기 제2산소 센서(또는 제2람다 센서)(76)는 상기 매연 필터(60)에 유입되는 배기 가스에 포함된 산소량을 측정하여 이에 대한 신호를 상기 제어기(70)에 전달한다. 상기 제1산소 센서(72)와 제2산소 센서(76)의 검출값을 기초로 상기 제어기(70)는 배기 가스의 린/리치 제어를 수행할 수 있다. 본 명세서에서 상기 제2산소 센서(62)의 측정값을 LNT 후단의 공연비(lambda)라고 칭하기로 한다.
제2온도 센서(78)는 상기 매연 필터(60)에 유입되는 배기 가스의 온도를 측정하여 이에 대한 신호를 상기 제어기(70)에 전달한다.
제1NOx 센서(80)는 매연 필터(60)에 유입되는 배기 가스에 포함된 NOx 양을 측정하여 이에 대한 신호를 상기 제어기(70)에 전달한다. 상기 제1NOx 센서(80)에서 측정된 NOx 양은 상기 분사 모듈(50)에서 분사할 환원제의 양을 결정하는데 사용될 수 있다.
분사 모듈(50)은 상기 매연 필터(60)의 전단 배기 파이프(20)에 장착되어 있으며, 제어기(70)에 의하여 제어되어 환원제를 배기 가스에 분사한다. 통상적으로, 분사 모듈(50)은 요소를 분사하며, 분사된 요소는 가수분해에 의하여 암모니아로 변환된다. 그러나, 환원제는 암모니아에 한정되지는 않는다.
상기 분사 모듈(50)의 후단 배기 파이프(20)에는 믹서(55)가 장착되어 환원제를 배기 가스에 골고루 혼합시킨다.
매연 필터(60)는 믹서(55)의 후단 배기 파이프(20)에 장착되어 있으며, 배기 가스에 포함된 입자상 물질을 포집하고, 상기 분사 모듈(50)에서 분사된 환원제를 이용하여 배기 가스에 포함된 질소산화물을 환원한다. 이러한 목적을 위하여, 상기 매연 필터(60)는 선택적 환원 촉매가 코팅된 디젤 매연 필터(Selective Catalytic Reduction on Diesel Particulate Filter; SDPF)(62)와 추가적인 선택적 환원(SCR) 촉매(64)를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다.
한편, 본 명세서 및 청구항에서 SCR 촉매라는 명칭은, 특별히 다르게 언급하지 않는 한, SCR 촉매 그 자체 또는 SDPF를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
SDPF(62)는 DPF의 채널을 구성하는 격벽에 SCR 촉매가 코팅되어 있다. 통상적으로 DPF는 복수개의 입구 채널과 출구 채널을 포함한다. 입구 채널은 그 일단이 개구되고 그 타단이 막혀 있어 DPF의 전단으로부터 배기 가스를 유입받는다. 또한, 출구 채널은 그 일단이 막혀 있고 그 타단이 개구되어 DPF 내부의 배기 가스를 배출한다. 입구 채널을 통해 DPF에 유입된 배기 가스는 입구 채널과 출구 채널을 분할하는 다공성의 격벽을 통해 출구 채널로 들어간 후, 출구 채널을 통해 DPF로부터 배출된다. 배기 가스가 다공성의 격벽을 통과하는 과정에서 배기 가스에 포함된 입자상 물질이 포집된다. 또한, SDPF(62)에 코팅된 SCR 촉매는 분사 모듈(50)에서 분사된 환원제를 이용하여 배기 가스에 포함된 질소산화물을 환원시킨다.
추가적인 SCR 촉매(64)는 상기 SDPF(62)의 후단에 장착된다. 추가적인 SCR 촉매(64)는 상기 SDPF(62)에서 질소산화물이 완벽하게 정화되지 못하는 경우, 질소산화물을 추가적으로 환원시킬 수 있다. 추가적인 SCR 촉매(64)는 상기 SDPF(62)와는 물리적으로 이격되어 장착될 수도 있다.
한편, 상기 배기 파이프(20)에는 차압센서(66)가 장착되어 있다. 차압센서(66)는 상기 매연 필터(60)의 전단부와 후단부의 압력 차이를 측정하고 이에 대한 신호를 상기 제어기(70)에 전달한다. 상기 제어기(70)는 상기 차압센서(66)에서 측정된 압력 차이가 설정 압력 이상인 경우 상기 매연 필터(60)를 재생하도록 제어할 수 있다. 이 경우, 인젝터(14)에서 연료를 후분사함으로써 매연 필터(60) 내부에 포집된 입자상 물질을 연소시킬 수 있다.
또한, 상기 매연 필터(60)의 후단 배기 파이프(20)에는 제2NOx 센서(82)가 장착된다. 상기 제2NOx 센서(82)는 매연 필터(60)로부터 배출된 배기 가스에 포함된 질소산화물의 양을 검출하고, 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다. 제어기(70)는 제2NOx 센서(82)의 검출값을 기초로 매연 필터(60)가 배기 가스에 포함된 질소산화물을 정상적으로 제거하고 있는지 모니터링 할 수 있다. 즉, 제2NOx 센서(82)는 매연 필터(60)의 성능을 평가하기 위하여 사용될 수 있다.
제어기(70)는 각 센서들에서 검출된 신호들을 기초로 엔진의 운전 조건을 판단하고, 상기 엔진의 운전 조건을 기초로 린/리치 제어 및 분사 모듈(50)에서 분사되는 환원제의 양을 제어한다. 일 예로, 제어기(70)는 공연비를 농후한 분위기로 제어함으로써 LNT(40)에서 질소산화물을 탈착하고 탈착된 질소산화물을 배기 가스에 포함된 환원제를 이용하여 환원(본 명세서에서는 'LNT의 재생'이라고 한다)하도록 하고, 환원제 분사를 통하여 SDPF(60)에서 질소산화물을 제거하도록 할 수 있다. 린/리치 제어는 인젝터(14)에서 분사되는 연료의 양 및 분사 시기를 조절함으로써 수행될 수 있다.
한편, 상기 제어기(70)는 복수의 맵들과 LNT의 특성들 및 보정계수들이 저장되어 있으며, 이것들을 기초로 LNT의 재생 시작 시기 및 재생 종료 시기를 계산할 수 있다. 상기 복수의 맵들, LNT의 특성들 및 보정계수 등은 수많은 실험에 의하여 정해질 수 있다.
또한, 상기 제어기(70)는 매연 필터(60)의 재생과 LNT(40)의 탈황을 진행한다.
이러한 목적을 위하여, 상기 제어기(70)는 설정된 프로그램에 의해 동작하는 하나 이상의 프로세서로 구현될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 재생 방법의 각 단계를 수행하도록 프로그래밍된 것일 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치에서 LNT의 재생 방법에 사용되는 제어기에서 입력과 출력 관계를 도시한 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1산소 센서(72), 제1온도 센서(74), 제2산소 센서(76), 제2온도 센서(78), 제1NOx 센서(80), 제2NOx 센서(82), 차압 센서(66), 그리고 흡기량 센서(11)는 제어기(70)에 전기적으로 연결되어 있으며 검출한 값들을 제어기(70)에 전달한다.
제1산소 센서(72)는 배기 가스 재순환 장치(30)를 통과한 배기 가스 내의 산소량을 검출하여 이에 대한 신호를 상기 제어기(70)에 전달한다. 상기 제어기(70)가 상기 제1산소 센서(72)에서 검출된 배기 가스 내의 산소량을 기초로 배기 가스의 린/리치 제어(lean/rich control)를 수행하는 것을 돕도록 할 수 있다. 제1산소 센서(72)에서 검출된 값은 람다(λ)로 표시될 수 있다. 람다는 이론 공연비에 대한 실제 공연비의 비를 나타내며, 람다가 1을 초과하면 희박한 분위기로 보고, 람다가 1 미만이면 농후한 분위기로 본다.
제1온도 센서(74)는 배기 가스 재순환 장치(30)를 통과한 배기 가스의 온도를 검출하여 이에 대한 신호를 상기 제어기(70)에 전달한다.
상기 제2산소 센서(76)는 상기 매연 필터(60)에 유입되는 배기 가스에 포함된 산소량을 측정하여 이에 대한 신호를 상기 제어기(70)에 전달한다.
제2온도 센서(78)는 상기 매연 필터(60)에 유입되는 배기 가스의 온도를 측정하여 이에 대한 신호를 상기 제어기(70)에 전달한다.
제1NOx 센서(80)는 매연 필터(60)에 유입되는 배기 가스에 포함된 NOx 양을 측정하여 이에 대한 신호를 상기 제어기(70)에 전달한다.
상기 제2NOx 센서(82)는 매연 필터(60)로부터 배출된 배기 가스에 포함된 질소산화물의 양을 검출하고, 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다.
차압센서(66)는 상기 매연 필터(60)의 전단부와 후단부의 압력 차이를 측정하고 이에 대한 신호를 상기 제어기(70)에 전달한다.
흡기량 센서(11)는 엔진(10)의 흡기 장치에 공급되는 흡기의 양을 검출하고, 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다.
제어기(70)는 상기 전달된 값들을 기초로 엔진 운전 조건, 연료 분사량, 연료 분사 시기, 연료 분사 패턴, 환원제 분사량, 매연 필터(60)의 재생 시기 및 LNT(40)의 재생/탈황 시기를 결정하고, 인젝터(14) 및 분사 모듈(50)을 제어하기 위한 신호를 인젝터(14) 및 분사 모듈(50)에 출력한다. 또한, 상기 제어기(70)는 상기 전달된 값들을 기초로 LNT(40)의 재생 시작 시기 및 재생 종료 시기를 계산할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치에는 도 2에 기재된 센서들 외에 다수의 센서들이 장착될 수 있으나, 설명의 편의를 위하여 생략한다.
이하, 도 3 내지 도 11을 참조로, 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 재생 방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 3 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 재생 방법의 흐름도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 재생 방법에서는 제어기(70) 및 각종 센서들이 엔진/차량/환경/센서 조건을 모니터링하고(S100), 제어기(70)는 엔진/차량/환경/센서 조건이 LNT의 재생 가능 조건을 만족하는지를 판단한다(S110). 또한, 상기 제어기(70) 및 각종 센서들은 엔진/차량/LNT/SCR 촉매를 모니터링하고(S120), 제어기(70)는 엔진/차량/LNT/SCR 촉매의 상태가 LNT 재생 필요 조건을 만족하는지를 판단한다(S130). 그 후, 제어기(70)는 LNT의 재생 가능 조건과, LNT 재생 필요 조건을 모두 만족하는 경우에만 LNT(40)의 재생을 진행한다(S140). 만일 LNT의 재생 가능 조건과 LNT 재생 필요 조건 중 어느 하나라도 만족하지 않는다면, 제어기(70)는 LNT(40)의 재생을 진행하지 않고 각 조건의 만족 여부를 계속하여 체크하게 된다.
도 4를 참조로, 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 재생 방법을 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, LNT의 재생 방법은 다양한 데이터를 검출 또는 계산함으로써 시작된다. 즉, 제어기(70)는 LNT(40)를 통과하는 배기 가스의 질량 유량을 검출 또는 계산하고(S200), LNT(40) 전단 NOx 농도를 검출 또는 계산하며(S205), LNT(40) 후단 NOx 농도를 검출 또는 계산하고(S210), 전단 터보 온도를 검출 또는 계산하며(S215), 연료 온도를 검출 또는 계산하고(S220), 엔진 토크를 검출 또는 계산한다(S225). 여기서, 질량 유량은 단위 시간 당 질량을 의미하며, 질량 유량을 시간에 대하여 적분하면 질량이 계산된다. 또한, 제어기(70)가 데이터를 검출한다고 함은 제어기(70)에 전기적으로 연결된 센서가 데이터를 검출하는 것을 포함하는 것으로 이해하여야 할 것이다.
LNT(40)를 통과하는 배기 가스의 질량 유량은 흡기량 센서(11)에서 검출된 흡기의 양과, 배기 가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation; EGR) 양으로부터 계산되거나 별도의 센서로부터 검출될 수 있고, LNT(40) 전단 NOx 농도는 엔진 운전 조건에 따라 발생되는 NOx의 양과 배기 가스의 양으로부터 계산되거나 별도의 센서로부터 검출될 수 있으며, LNT(40) 후단 NOx 농도는 LNT(40) 전단 NOx 농도와 LNT(40)의 상태로부터 계산되거나 제1NOx 센서(80)에서 검출된 NOx의 양을 기초로 계산될 수 있다. 전단 터보 온도는 엔진 운전 조건으로부터 계산되거나 제1온도 센서(74)가 검출한 배기 가스의 온도로부터 계산되고, 연료 온도는 연료 탱크 또는 연료 공급 라인 상에 장착된 온도 센서로부터 검출되며, 엔진 토크는 엔진 운전 조건으로부터 계산될 수 있다.
또한, 제어기(70)는 배터리 전압을 검출하고(S230), 냉각수 온도를 검출하며(S235), 제1산소 센서(72)의 상태와 제2산소 센서(76)의 상태를 검출하며(S240, S245), 엔진 회전수를 검출하고(S250), 현재 계합된 기어의 단수를 검출한다(S255). 여기서, 센서의 상태는 해당 센서가 활성화되었는지를 가리키는 값으로, 해당 센서가 활성화된 경우에는 "True" 또는 "1" 등으로 나타날 수 있으며, 해당 센서가 활성화되지 않은 경우에는 "False" 또는 "0" 등으로 나타날 수 있다.
또한, 제어기(70)는 전단 람다와 후단 람다를 검출 또는 계산하고(S260, S265), LNT(40) 전단에서 배기 가스의 온도와 LNT(40)의 후단에서 배기 가스의 온도를 검출 또는 계산하며(S270, S275), LNT(40)의 NOx 흡착율을 계산하고(S280), 엔진 운전 모드를 검출하며(S285), LNT(40)의 NOx 흡장량을 계산하며(S290), LNT(40)의 평균 온도를 계산한다(S295). 즉, 전단 람다와 후단 람다는 제1산소 센서(72)와 제2산소 센서(76)에서 검출되거나 엔진 운전 조건, LNT(40)의 상태 등을 기초로 제어기(70)에 의하여 계산될 수 있고, LNT(40) 전단에서 배기 가스의 온도와 LNT(40)의 후단에서 배기 가스의 온도는 제1, 2온도 센서(74, 78)에 의하여 검출되거나 엔진 운전 조건에 따라 제어기(70)가 계산할 수 있으며, LNT(40)의 NOx 흡착율은 엔진 운전 조건, LNT(40)의 상태 등을 기초로 계산된 LNT(40)의 최대 NOx 흡장량과, LNT(40)의 실제 NOx 흡장량으로부터 제어기(70)에 의하여 계산될 수 있고, LNT(40)의 평균 온도는 LNT(40) 전단에서 배기 가스의 온도와 LNT(40)의 후단에서 배기 가스의 온도로부터 제어기(70)에 의하여 계산될 수 있다.
한편, 엔진 운전 모드는 노말(normal) 모드, LNT 재생 모드, LNT 탈황 모드, SDPF 재생 모드, SDPF 탈황 모드 등을 포함할 수 있다. 노말 모드는 LNT 재생 모드, LNT 탈황 모드, SDPF 재생 모드, SDPF 탈황 모드가 아닌 모드를 의미할 수 있다.
또한, 제어기(70)는 차량 속도를 검출하고(S300), LNT(40)의 열화 계수를 계산하며(S305), 차량 운행 거리를 검출하고(S310), 재생 시(즉, 농후한 분위기에서) 엔진(10)에 공급되는 공기의 질량 유량을 검출하며(S315), 재생 시 목표 람다값을 계산하고(S320), LNT(40)의 O2 흡장량을 계산한다(S325). 여기서, LNT(40)의 열화 계수는 LNT(40)의 사용 기간에 따라 계산되고, 재생 시 엔진(10)에 공급되는 공기의 질량 유량은 재생 시 흡기량 센서(11)를 통해 검출될 수 있으며, 재생 시 목표 람다값은 엔진 운전 조건, LNT(40)의 상태 및 SDPF(60)의 상태에 따라 정해질 수 있고, LNT(40)의 O2 흡장량은 LNT(40)의 온도, LNT(40) 재생 후 엔진 가동 이력, LNT(40) 열화 계수 등을 기초로 계산될 수 있다.
또한, 제어기(70)는 SDPF(60)의 목표 NH3 흡장량을 계산하고(S330), SDPF(60) 후단에서 NOx 질량 유량을 계산하며(S335), 제2NOx 센서(82)의 상태를 검출하고(S340), SDPF(60)의 NH3 흡장량을 계산하며(S345), SDPF(60)의 NOx 정화 효율을 계산한다(S350). 여기서, SDPF(60)의 목표 NH3 흡장량은 SDPF(60)의 온도, SDPF 전단 람다값, SDPF(60)의 NOx 정화 효율 등을 기초로 설정된 맵으로부터 계산되고, SDPF(60) 후단에서 NOx 질량 유량은 제2NOx 센서(82)에서 검출된 SDPF(60) 후단에서 NOx의 양을 기초로 계산되며, SDPF(60)의 NH3 흡장량은 SDPF(60)의 온도, SDPF 전단 람다값, 분사 모듈(50)에서 환원제 분사 이력 등을 기초로 계산되며 SDPF(60)의 NOx 정화 효율은 SDPF(60)의 온도, SDPF 전단 람다값, SDPF(60)의 NH3 흡장량 등을 기초로 계산된다.
다양한 데이터가 검출 또는 계산되면, 제어기(70)는 LNT(40)를 통과하는 배기 가스의 질량 유량, LNT(40) 전단 NOx 농도, LNT(40) 후단 NOx 농도, 전단 터보 온도, 연료 온도, 엔진 토크, 배터리 전압, 냉각수 온도, 제1산소 센서(72)의 상태, 제2산소 센서(76)의 상태, 엔진 회전수, 기어 단수, 전단 람다, 후단 람다, LNT(40) 전단에서 배기 가스의 온도, LNT(40)의 후단에서 배기 가스의 온도, LNT(40)의 NOx 흡착율, LNT(40)의 NOx 흡장량, LNT(40)의 평균 온도를 기초로 LNT 재생 가능 조건을 만족하는지를 판단한다(S110). 이 과정에서, 제어기(70)는 전단 터보 온도 상태를 검출하고(S382), 기어 단수 상태를 검출하며(S384), 일반적 NOx 탈착 조건 상태를 검출하고(S386), 람다 센서 동기화에 의한 NOx 및 O2 흡장량 리셋 신호를 출력하며(S388), 람다 센서 동기화 여부를 검출하고(S390), 람다 센서 동기화 요구 스위치가 켜져 있는지를 검출한다. 전단 터보 온도 상태는 전단 터보 온도가 설정된 범위 내에 있는지 여부를 나타내는 것이다. 즉, 전단 터보 온도가 설정된 범위 내에 있으면, 전단 터보 온도 상태는 "True" 또는 "1" 등으로 나타날 수 있으며, 전단 터보 온도가 설정된 범위 내에 있지 않으면, 전단 터보 온도 상태는 "False" 또는 "0" 등으로 나타날 수 있다. 마찬 가지로, 기어 단수 상태는 기어 단수가 설정된 기어 단수 범위 내에 있는지 여부를 나타내고, 일반적 NOx 탈착 조건 상태는 현재 엔진/환경/LNT 상태가 NOx가 탈착 가능한 일반적인 조건을 만족하는지 여부를 나타내며, 람다 센서 동기화 여부는 제1, 2산소 센서(72, 76)에서 각각 측정한 람다값들의 차이가 설정값 이하인지를 나타낸다. 또한, NOx 및 O2 흡장량 리셋 신호가 출력되면, 제어기(70)는 메모리에 저장된 LNT(40)의 NOx 흡장량 및 O2 흡장량을 0 또는 설정된 값으로 리셋한다. 더 나아가, 람다 센서 동기화 요구 스위치가 켜져 있으면, 제어기(70)는 람다 센서를 동기화하기 위한 각종 제어를 실행할 수 있다.
또한, 제어기(70)는 람다 센서 동기화 여부, 람다 센서 동기화 요구 스위치가 켜져 있는지 여부, 엔진 운전 모드, LNT(40)의 NOx 흡장량, LNT(40)의 평균 온도, 차량 속도, LNT(40)의 열화 계수, 차량 운행 거리, 재생 시(즉, 농후한 분위기에서) 엔진(10)에 공급되는 공기의 질량 유량, 재생 시 목표 람다값, LNT(40)의 O2 흡장량, SDPF(60)의 목표 NH3 흡장량, SDPF(60) 후단에서 NOx 질량 유량, 제2NOx 센서(82)의 상태, SDPF(60)의 NH3 흡장량, SDPF(60)의 NOx 정화 효율을 기초로 LNT의 재생 필요 조건을 만족하는지를 판단한다(S130).
그 후, 제어기(70)는 LNT 재생 가능 조건과 LNT의 재생 필요 조건을 만족하면, 재생 신호를 출력하여 LNT(40)의 재생을 진행한다(S140).
이하, 도 5를 참고로, 도 4의 S110 단계를 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 5를 참고하면, S110 단계는 크게 일반적인 재생 가능 조건을 판단하는 단계(S400), 엔진 운전 조건을 판단하는 단계(S410), LNT(40)의 상태 조건을 판단하는 단계(S420, S430, S440), 람다 센서 동기화 조건을 판단하는 단계(S450), 전단 터보 온도 상태를 판단하는 단계(S382)를 포함한다. 제어기(70)는 일반적인 재생 가능 조건, 엔진 운전 조건, LNT(40)의 상태 조건, 람다 센서 동기화 조건, 전단 터보 온도 조건을 모두 만족하면 LNT(40)의 재생 가능 신호를 출력한다(S442).
보다 구체적으로, 제어기(70)는 제1산소 센서(72)의 상태, 제2산소 센서(76)의 상태, 냉각수의 온도, 배터리의 전압, 연료 온도를 기초로 일반적인 재생 가능 조건을 판단하고(S400), 일반적인 재생 가능 조건을 만족하는 경우 해당 신호를 출력한다. 일반적인 재생 가능 조건은 제1, 2산소 센서(72, 76)가 활성화되었는지 여부, 연료의 온도가 설정 온도 범위 내인지 여부, 배터리 전압이 설정 전압 범위 내인지 여부, 냉각수 온도가 설정 냉각수 온도 범위 내인지 여부 등을 포함한다.
제어기(70)는 엔진 토크, 엔진 회전수, 기어 단수를 기초로 엔진 운전 조건을 판단하고(S410), 엔진 운전 조건을 만족하는 경우 해당 신호를 출력한다. 상기 엔진 운전 조건은 엔진토크 조건, 엔진 회전수 조건, 기어 단수 조건, 토크 변화율 조건을 포함한다. 제어기(70)는 엔진 운전 조건을 만족하는 경우 토크 변화율 조건 만족 신호, 엔진 회전수 만족 신호, 엔진토크 조건 만족 신호, 기어 단수 조건 만족 신호를 출력한다(S411, S412, S413, S415).
제어기(70)는 LNT(40)를 통과하는 배기 가스의 질량 유량, LNT(40) 전단에서 배기 가스의 온도, LNT(40)의 후단에서 배기 가스의 온도, LNT(40)의 평균 온도, 엔진 운전 모드를 기초로 LNT(40)의 온도 조건을 만족하는지 판단하고(S420), LNT(40)의 온도 조건을 만족하는 경우 해당 신호를 출력한다.
제어기(70)는 LNT(40)의 평균 온도, 엔진 운전 모드, LNT(40)의 NOx 흡착율을 기초로 재생 간 최소 시간 조건을 만족하는지 판단하고(S430), 재생 간 최소 시간 조건을 만족하는 경우 해당 신호를 출력한다.
제어기(70)는 엔진 운전 조건과 람다 센서 동기화 여부를 기초로 최대 재생 기간 조건을 만족하는지를 판단하고(S440), 최대 재생 기간 조건을 만족하는 경우 해당 신호를 출력한다. 이 때, 제어기(70)는 람다 센서 동기화 요구 스위치가 켜져 있다는 신호를 출력한다(S444).
제어기(70)는 제1산소 센서(72)의 상태, 제2산소 센서(76)의 상태, LNT(40)의 평균 온도, 엔진 운전 모드, 전단 람다. 후단 람다, LNT(40)의 전단 NOx 농도, LNT(40)의 후단 NOx 농도, LNT(40)의 NOx 흡장량을 기초로 람다 센서 동기화 조건을 판단하고(S450), 람다 센서 동기화 조건을 만족하는 경우 람다 센서 동기화 신호와, 람다 센서 동기화에 의한 NOx 및 O2 흡장량 리셋 신호를 출력한다(S390, S388). 여기서, LNT(40) 전단 NOx 농도는 엔진 운전 조건에 따라 발생되는 NOx의 양과 배기 가스의 양으로부터 계산되거나 별도의 센서로부터 검출될 수 있으며(S291), LNT(40) 후단 NOx 농도는 LNT(40) 전단 NOx 농도와 LNT(40)의 상태로부터 계산되거나 제1NOx 센서(80)에서 검출된 NOx의 양을 기초로 계산될 수 있다(S292).
제어기(70)는 전단 터보 온도를 기초로 전단 터보 온도 상태 조건을 만족하는지 판단하고 전단 터보 온도 상태를 출력한다(S382).
이하, 도 6을 참고로, 도 5의 S410 단계를 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제어기(70)는 엔진 회전수를 설정된 맵들(102, 104)에 대입하여 현재 엔진 운전 상태에서의 최소 엔진토크와 최대 엔진토크를 계산하고, 현재 엔진토크가 최소 엔진토크 이상인지를 판단하며(S504), 현재 엔진토크가 최대 엔진토크 이하인지를 판단한다(S506). 그 후, 제어기(70)는 S504 단계와 S506 단계를 모두 만족하는지를 판단하고(S508), S504 단계와 S506 단계를 모두 만족하면 엔진토크 조건 만족 신호를 출력한다(S413).
제어기(70)는 현재 엔진 회전수를 미리 설정된 최소 엔진 회전수 이상인지를판단하고(S512), 현재 엔진 회전수를 미리 설정된 최대 엔진 회전수 이하인지를 판단한다(S514). 그 후, 제어기(70)는 S512 단계와 S514 단계를 모두 만족하는지를 판단하고(S516), S512 단계와 S514 단계를 모두 만족하면 엔진 회전수 조건 만족 신호를 출력한다(S412).
제어기(70)는 이전 엔진토크와 현재 엔진토크를 측정 주기로 나누어 토크 변화율을 계산하고(S502), 상기 토크 변화율을 필터링한다. 또한, 현재 엔진토크와 엔진 회전수에 따른 최소 엔진토크의 차를 계산하고(S518), 상기 차를 기준 재생 기간(미리 설정됨)으로 나누어 최대 토크 변화율을 계산한다(S520). 그 후, 제어기(70)는 필터링 된 토크 변화율이 최대 토크 변화율 미만인지를 판단하고(S522), 필터링 된 토크 변화율이 최대 토크 변화율 미만이면 토크 변화율 조건 만족 신호를 출력한다(S411). 상기 토크 변화율 조건은 최소 토크 범위 근처에서 엔진 토크가 감소할 때 재생이 시작되는 것을 방지하기 위함이다.
제어기(70)는 엔진토크와 엔진 회전수를 설정된 맵(106)에 대입하여 최소 기어 단수를 계산하고, 현재 체결된 기어 단수가 상기 최소 기어 단수 이상인지를 판단하며(S510), 현재 체결된 기어 단수가 상기 최소 기어 단수 이상이면 기어 단수 조건 만족 신호를 출력한다(S415).
이하, 도 7을 참고로 도 5의 S420 단계를 보다 상세히 설명한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제어기(70)는 LNT(40)의 평균 온도를 설정된 맵(107)에 대입하여 LNT(40)의 전단 최저 온도를 계산하고, LNT(40)의 전단 온도가 LNT(40)의 전단 최저 온도보다 높은지를 판단한다(S530). 또한, 제어기(70)는 LNT(40)를 통과하는 배기 가스의 유량을 설정된 맵(108)에 대입하여 LNT(40)의 최저 재생 온도를 계산하고, LNT(40)의 평균 온도가 LNT(40)의 최저 재생 온도보다 높은지를 판단한다(S532). 그 후, 제어기(70)는 S530 단계와 S532 단계를 모두 만족하는지를 판단하고(S534), 530 단계와 S532 단계를 모두 만족하면 LNT 전단 온도 조건 만족 신호를 출력한다(S422).
제어기는 LNT(40)의 마지막 슬라이스의 온도와 LNT(40)의 후단 온도 중 최대값을 선택하고(S546), 엔진 운전 모드가 재생 모드인지 아닌지를 판단하며(S540), 엔진 운전 모드에 따른 LNT(40)의 최고 재생 온도를 계산한다(S542).
여기서, 제어기(70)는 LNT(40)를 n개의 슬라이스로 분리하여 인식한다. 즉, LNT(40)는 첫번째 슬라이스부터 n번째 슬라이스까지 n개의 슬라이스로 구분된다. 상기 n개의 슬라이스는 배기 가스의 흐름을 따라 순차적으로 배치되고, 물리적 또는 가상적으로 구분될 수 있다. 또한, 제어기(70)는 LNT(40)의 전단 온도와 첫번째 슬라이스에서 발생되거나 제거된 열로부터 첫번째 슬라이스의 온도를 계산하고, 첫번째 슬라이스의 온도와 두번째 슬라이스에서 발생되거나 제거된 열로부터 두번째 슬라이스의 온도를 계산한다. 동일한 방식으로, 제어기(70)는 n번째 슬라이스의 온도를 계산하여 이를 마지막 슬라이스의 온도로 인식한다. 이와는 달리, 제어기(70)는 LNT(40)의 후단 온도를 LNT(40)의 마지막 슬라이스의 온도로 정의할 수 있다.
또한, 엔진 운전 모드에 따른 LNT(40)의 최고 재생 온도는 미리 설정되어 있을 수 있다. 예를 들어, 재생 모드에서는 LNT(40)의 최고 재생 온도가 580℃로 설정되고 재생 모드가 아닌 모드에서는 LNT(40)의 최고 재생 온도가 500℃로 설정될 수 있다. 엔진 운전 모드에 따른 LNT(40)의 최고 재생 온도는 여기에서 예시된 것에 한하지 않으며, 당업자가 LNT(40)의 성능에 따라 적절히 설정할 수 있다.
마지막 슬라이스의 온도와 LNT(40)의 후단 온도 중 최대값과, 엔진 운전 모드에 따른 LNT(40)의 최고 재생 온도가 계산되면, 제어기(70)는 상기 최대값이 LNT(40)의 최고 재생 온도보다 낮은지를 판단하고(S548), 상기 최대값이 LNT(40)의 최고 재생 온도보다 낮으면 LNT 후단 온도 조건 만족 신호를 출력한다(S424).
이하, 도 8을 참고로 도 5의 S430 단계를 보다 상세히 설명한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제어기(70)는 엔진 운전 모드가 재생 모드인지를 판단하고(S550), 엔진 운전 모드가 재생 모드가 아니면 S552 단계를 활성화시킨다. 또한, 제어기(70)는 LNT(40)의 평균 온도와 LNT(40)의 NOx 흡착율을 설정된 맵(110)에 대입하여 재생 간 최소 시간을 계산한다. S552 단계에서는 제어기(70)는 활성화된 시간을 상기 재생 간 최소 시간과 비교하고, 활성화된 시간이 재생 간 최소 시간보다 큰 경우에는 재생 간 최소 시간 조건 만족 신호를 출력한다(S430).
이하, 도 9를 참조로 도 5의 S440 단계를 보다 상세히 설명한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 제어기(70)는 재생 모드에 진입하면 타이머를 켜서 재생 모드가 진행된 기간을 카운팅한다(S570). 또한, 제어기(70)는 엔진 운전 모드, 람다 센서 동기화 여부, 재생 모드가 진행된 기간을 기초로 람다 센서 동기화 요구 스위치를 켤 것인지와 람다 센서 동기화가 이루어지지 않은 횟수를 계산한다(S443). 만일 람다 센서 동기화가 이루어졌거나 재생 모드가 진행된 기간이 설정 기간 이상이면, 제어기(70)는 동기화 요구 스위치를 켜는 신호를 출력한다(S444). 또한, 람다 센서 동기화가 이루어지지 않은 연속적인 횟수가 설정 횟수 이상이고 재생 모드가 진행된 기간이 설정 기간 이상이면, 제어기(70)는 동기화 요구 스위치를 켜는 것과 동시에 최대 설정 기간을 변경한다(S566). 즉, S566 단계에는 제1최대 설정 기간과 제2최대 설정 기간이 입력된다(S562, S564). 제1최대 설정 기간은 LNT(40)의 재생을 시작하고 재생 효율이 더 이상 상승하지 않는 시간으로 미리 설정되고, 제2최대 설정 기간은 재생 효율이 급격히 낮아지는 시간으로 미리 설정되어 있다. 즉, 제1최대 설정 기간은 람다 센서 동기화가 이루어지지 않은 연속적인 횟수가 설정 횟수 미만일 때 사용되는 최대 설정 시간이고, 제2최대 설정 기간은 람다 센서 동기화가 이루어지지 않은 연속적인 횟수가 설정 횟수 이상일 때 사용되는 최대 설정 시간이다. 따라서, 람다 센서 동기화가 이루어지지 않은 연속적인 횟수가 설정 횟수 이상이면, 제어기(70)는 제2최대 설정 기간 동안 재생을 진행한다. 여기서, 제2최대 설정 기간 동안 재생을 진행하는 확장된 재생 진행 횟수도 미리 설정될 수 있다. 즉, 제어기(70)는 확장된 재생 진행 횟수만큼 제2최대 설정 기간으로 재생을 진행한 후 람다 센서 동기화가 이루어지지 않은 연속적인 횟수를 리셋할 수 있다.
앞에서 언급한 바와 같이, 최대 설정 기간이 결정되면, 제어기(70)는 재생 모드가 진행된 기간이 최대 설정 기간 이상인지를 판단하고(S576), 재생 모드가 진행된 기간이 최대 설정 기간 이상이면 최대 재생 기간 조건 만족 신호를 출력한다(S441).
한편, 제어기(70)는 엔진 운전 모드가 재생 모드가 아닌지를 판단하고(S572), 엔진 운전 모드가 재생 모드가 아니면 리셋 신호를 출력한다(S574).
이하, 도 10을 참고로, 도 9의 S443 단계를 보다 상세히 설명한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 제어기(70)는 재생 모드가 진행된 기간이 미리 설정된 최소 재생 기간을 초과하는지 판단하고(S582), 엔진 운전 모드가 재생 모드인지를 판단한다(S584). 그 후, 제어기(70)는 S582 단계와 S584 단계를 모두 만족하는지를 판단하고(S586), S582 단계와 S584 단계를 모두 만족하고 람다 센서 동기화가 이루어지지 않았다면 람다 센서 동기화가 이루어지지 않은 연속적인 횟수를 카운트한다(S588).
또한, 제어기(70)는 설정 횟수를 입력 받거나 읽어 오고(S592), 람다 센서 동기화가 이루어지지 않은 연속적인 횟수가 설정 횟수 이상인지를 판단한다(S598). 만일 람다 센서 동기화가 이루어지지 않은 연속적인 횟수가 설정 횟수 이상이면, 제어기(70)는 동기화 요구 스위치를 켜는 신호를 출력한다(S444).
또한, 제어기(70)는 재생 진행 횟수를 입력 받거나 읽어 오고(S594), 설정 횟수와 재생 진행 횟수를 합한다(S596). 그 후, 제어기(70)는 람다 센서 동기화가 이루어지지 않은 연속적인 횟수가 설정 횟수와 재생 진행 횟수의 합 이상인지를 판단한다(S599). 그 후, 제어기(70)는 람다 센서 동기화가 이루어지지 않은 연속적인 횟수가 설정 횟수와 재생 진행 횟수의 합 이상이고, 람다 센서가 동기화 되었으면, 리셋 신호를 출력한다(S590). S590 단계에서 리셋 신호가 출력되면, 제어기(70)는 람다 센서 동기화가 이루어지지 않은 연속적인 횟수를 리셋할 수 있다.
이하, 도 11을 참고로, 도 5의 S450 단계를 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 11에 도시된 바와 같이, 제어기(70)는 제1산소 센서(72)와 제2산소 센서가 활성화 되었는지를 검출하고, 제1산소 센서(72)와 제2산소 센서가 활성화 되었으면 전단 람다와 후단 람다가 모두 1보다 작은지를 판단한다(S602). 또한, 제어기(70)는 미리 설정된 오프셋을 입력받거나 읽어오고(S604), 후단 람다와 전단 람다의 차가 상기 오프셋 미만인지를 판단한다(S608). 그 후, 제어기(70)는 1산소 센서(72)와 제2산소 센서가 활성화 되었고, 전단 람다와 후단 람다가 모두 1보다 작으며, 후단 람다와 전단 람다의 차가 상기 오프셋 미만이면 람다 센서 동기화가 이루어진 것으로 판단한다(S610).
또한, 제어기(70)는 전단 람다, 엔진 운전 모드, LNT(40)의 평균 온도, LNT(40)의 NOx 흡장량, LNT(40) 전단 NOx 농도, LNT(40) 후단 NOx 농도를 기초로 LNT(40)에서 암모니아가 생성되었는지 여부를 판단한다(S606). 보다 상세히 설명하면, 제어기(70)는 엔진 운전 모드가 재생 모드일 때 전단 람다, LNT(40)의 평균 온도, LNT(40)의 NOx 흡장량, LNT(40) 전단 NOx 농도, LNT(40) 후단 NOx 농도를 기초로 재생 진행율을 계산한다. 제어기(70)는 재생 진행율이 설정 진행율 이상이면 LNT(40)에서 암모니아가 생성되었다고 판단한다. 이와는 달리, 제어기(70)는 재생 모드가 진행된 기간이 미리 설정된 암모니아 생성 시간 이상이면 LNT(40)에서 암모니아가 생성되었다고 판단할 수 있다.
그 후, 제어기(70)는 S610 단계 또는 S606 단계를 만족하는지 판단한다(S612). 만일 S612 단계를 만족하면, 제어기(70)는 람다 센서 동기화 신호를 출력한다(S390). 동시에, 제어기(70)는 람다 센서 동기화 조건 만족 신호를 출력하고(S452), 람다 센서 동기화에 의한 NOx 및 O2 흡장량 리셋 신호를 출력한다(S388).
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.

Claims (20)

  1. 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT)과 선택적 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매를 구비한 배기 가스 정화 장치에서 LNT의 재생 방법에 있어서,
    상기 LNT의 재생 가능 조건을 만족하는지 판단하는 단계;
    LNT의 재생 필요 조건을 만족하는지 판단하는 단계; 그리고
    LNT 재생 가능 조건과 LNT 재생 필요 조건을 만족하면, LNT의 재생을 진행하는 단계;
    를 포함하는 LNT의 재생 방법에 있어서,
    상기 LNT 재생 가능 조건은 엔진 운전 조건, LNT 상태 조건, 람다 센서 동기화 조건을 모두 만족하는 경우에 만족하고,
    상기 엔진 운전 조건은 엔진토크가 엔진 회전수에 따라 정해지는 최소 엔진토크와 최대 엔진토크 사이이고, 엔진 회전수가 최소 엔진 회전수와 최대 엔진 회전수 사이이며, 기어 단수가 엔진 회전수와 엔진토크에 따른 최소 기어 단수 이상이고, 토크 변화율이 상기 최소 엔진토크에 따른 최대 토크 변화율 아래이면 만족되며,
    상기 최대 토크 변화율은 최소 엔진토크와 현재 엔진토크의 차를 미리 설정된 재생 기간으로 나누어 계산되는 것을 특징으로 하는 LNT의 재생 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT)과 선택적 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매를 구비한 배기 가스 정화 장치에서 LNT의 재생 방법에 있어서,
    상기 LNT의 재생 가능 조건을 만족하는지 판단하는 단계;
    LNT의 재생 필요 조건을 만족하는지 판단하는 단계; 그리고
    LNT 재생 가능 조건과 LNT 재생 필요 조건을 만족하면, LNT의 재생을 진행하는 단계;
    를 포함하는 LNT의 재생 방법에 있어서,
    상기 LNT 재생 가능 조건은 엔진 운전 조건, LNT 상태 조건, 람다 센서 동기화 조건을 모두 만족하는 경우에 만족하고,
    상기 LNT의 상태 조건은 LNT의 온도 조건, 재생 간 최소 시간 조건 및 최대 재생 기간 조건을 모두 만족하는 경우 만족하며,
    상기 재생 간 최소 시간 조건은 이전 재생으로부터 경과된 시간이 LNT의 평균 온도와 LNT의 NOx 흡착율에 따른 재생 간 최소 시간보다 큰 경우 만족되는 것을 특징으로 하는 LNT의 재생 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 LNT의 온도 조건은 LNT의 전단 온도가 LNT의 평균 온도에 따른 LNT 전단 최저 온도보다 높고, LNT의 평균 온도가 LNT를 통과하는 배기 가스의 유량에 따른 LNT 최저 재생 온도보다 높으며, LNT 후단 온도가 LNT 최고 재생 온도보다 낮으면 만족되는 것을 특징으로 하는 LNT의 재생 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 LNT 최고 재생 온도는 엔진 운전 모드에 따라 미리 설정되는 것을 특징으로 하는 LNT의 재생 방법.
  7. 삭제
  8. 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT)과 선택적 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매를 구비한 배기 가스 정화 장치에서 LNT의 재생 방법에 있어서,
    상기 LNT의 재생 가능 조건을 만족하는지 판단하는 단계;
    LNT의 재생 필요 조건을 만족하는지 판단하는 단계; 그리고
    LNT 재생 가능 조건과 LNT 재생 필요 조건을 만족하면, LNT의 재생을 진행하는 단계;
    를 포함하는 LNT의 재생 방법에 있어서,
    상기 LNT 재생 가능 조건은 엔진 운전 조건, LNT 상태 조건, 람다 센서 동기화 조건을 모두 만족하는 경우에 만족하고,
    상기 LNT의 상태 조건은 LNT의 온도 조건, 재생 간 최소 시간 조건 및 최대 재생 기간 조건을 모두 만족하는 경우 만족하며,
    상기 최대 재생 기간 조건은 재생 시작부터 경과한 시간이 최대 설정 기간 이상인 경우 만족되고,
    상기 최대 설정 기간은 람다 센서 동기화가 이루어지지 않은 연속적인 횟수에 따라 변경될 수 있는 것을 특징으로 하는 LNT의 재생 방법.
  9. 삭제
  10. 제1항, 제4항 및 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 람다 센서 동기화 조건은 LNT의 전단과 후단에 각각 장착된 제1, 2산소 센서의 측정값들의 차가 설정값 미만이거나 LNT에서 암모니아가 생성된 것으로 예상되면 만족되는 것을 특징으로 하는 LNT의 재생 방법.
  11. 연료를 그 내부로 분사하기 위한 인젝터를 포함하며, 공기와 연료의 혼합기를 태워 동력을 생산하고, 연소 과정에서 발생한 배기 가스를 배기 파이프를 통하여 외부로 배출하는 엔진;
    상기 배기 파이프에 장착되어 있으며, 공연비가 희박(lean)한 분위기에서 배기 가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 흡장하고, 농후(rich)한 분위기에서 흡장된 질소산화물을 탈착하며 배기 가스에 포함된 질소산화물 또는 탈착된 질소산화물을 배기가스에 포함된 탄소 또는 수소를 포함한 환원제를 이용하여 환원시키는 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT);
    상기 LNT의 후단 상기 배기 파이프에 장착되어 있으며, 배기 가스에 직접 환원제를 분사하도록 된 분사 모듈;
    상기 분사 모듈 하부의 배기 파이프에 장착되어 있으며, 상기 분사 모듈에서 분사된 환원제를 이용하여 배기 가스에 포함된 질소산화물을 환원하는 선택적 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매; 그리고
    엔진의 운전 조건에 따라 LNT 또는 SCR 촉매를 이용하여 질소산화물의 제거를 수행하도록 하는 제어기;
    를 포함하며,
    상기 제어기는 LNT 재생 필요 조건과 LNT 재생 가능 조건을 모두 만족하는 경우 LNT의 재생을 진행하되,
    상기 LNT 재생 가능 조건은 엔진 운전 조건, LNT 상태 조건, 람다 센서 동기화 조건을 모두 만족하는 경우에 만족되고,
    상기 엔진 운전 조건은 엔진토크가 엔진 회전수에 따라 정해지는 최소 엔진토크와 최대 엔진토크 사이이고, 엔진 회전수가 최소 엔진 회전수와 최대 엔진 회전수 사이이며, 기어 단수가 엔진 회전수와 엔진토크에 따른 최소 기어 단수 이상이고, 토크 변화율이 상기 최소 엔진토크에 따른 최대 토크 변화율 아래이면 만족되며,
    상기 제어기는 최소 엔진토크와 현재 엔진토크의 차를 미리 설정된 재생 기간으로 나누어 상기 최대 토크 변화율을 계산하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 정화 장치.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 연료를 그 내부로 분사하기 위한 인젝터를 포함하며, 공기와 연료의 혼합기를 태워 동력을 생산하고, 연소 과정에서 발생한 배기 가스를 배기 파이프를 통하여 외부로 배출하는 엔진;
    상기 배기 파이프에 장착되어 있으며, 공연비가 희박(lean)한 분위기에서 배기 가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 흡장하고, 농후(rich)한 분위기에서 흡장된 질소산화물을 탈착하며 배기 가스에 포함된 질소산화물 또는 탈착된 질소산화물을 배기가스에 포함된 탄소 또는 수소를 포함한 환원제를 이용하여 환원시키는 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT);
    상기 LNT의 후단 상기 배기 파이프에 장착되어 있으며, 배기 가스에 직접 환원제를 분사하도록 된 분사 모듈;
    상기 분사 모듈 하부의 배기 파이프에 장착되어 있으며, 상기 분사 모듈에서 분사된 환원제를 이용하여 배기 가스에 포함된 질소산화물을 환원하는 선택적 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매; 그리고
    엔진의 운전 조건에 따라 LNT 또는 SCR 촉매를 이용하여 질소산화물의 제거를 수행하도록 하는 제어기;
    를 포함하며,
    상기 제어기는 LNT 재생 필요 조건과 LNT 재생 가능 조건을 모두 만족하는 경우 LNT의 재생을 진행하되,
    상기 LNT 재생 가능 조건은 엔진 운전 조건, LNT 상태 조건, 람다 센서 동기화 조건을 모두 만족하는 경우에 만족되고,
    상기 LNT의 상태 조건은 LNT의 온도 조건, 재생 간 최소 시간 조건 및 최대 재생 기간 조건을 모두 만족하는 경우 만족하며,
    상기 재생 간 최소 시간 조건은 이전 재생으로부터 경과된 시간이 LNT의 평균 온도와 LNT의 NOx 흡착율에 따른 재생 간 최소 시간보다 큰 경우 만족되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 정화 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 LNT의 온도 조건은 LNT의 전단 온도가 LNT의 평균 온도에 따른 LNT 전단 최저 온도보다 높고, LNT의 평균 온도가 LNT를 통과하는 배기 가스의 유량에 따른 LNT 최저 재생 온도보다 높으며, LNT 후단 온도가 LNT 최고 재생 온도보다 낮으면 만족되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 정화 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 LNT 최고 재생 온도는 엔진 운전 모드에 따라 미리 설정되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 정화 장치.
  17. 삭제
  18. 연료를 그 내부로 분사하기 위한 인젝터를 포함하며, 공기와 연료의 혼합기를 태워 동력을 생산하고, 연소 과정에서 발생한 배기 가스를 배기 파이프를 통하여 외부로 배출하는 엔진;
    상기 배기 파이프에 장착되어 있으며, 공연비가 희박(lean)한 분위기에서 배기 가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 흡장하고, 농후(rich)한 분위기에서 흡장된 질소산화물을 탈착하며 배기 가스에 포함된 질소산화물 또는 탈착된 질소산화물을 배기가스에 포함된 탄소 또는 수소를 포함한 환원제를 이용하여 환원시키는 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT);
    상기 LNT의 후단 상기 배기 파이프에 장착되어 있으며, 배기 가스에 직접 환원제를 분사하도록 된 분사 모듈;
    상기 분사 모듈 하부의 배기 파이프에 장착되어 있으며, 상기 분사 모듈에서 분사된 환원제를 이용하여 배기 가스에 포함된 질소산화물을 환원하는 선택적 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매; 그리고
    엔진의 운전 조건에 따라 LNT 또는 SCR 촉매를 이용하여 질소산화물의 제거를 수행하도록 하는 제어기;
    를 포함하며,
    상기 제어기는 LNT 재생 필요 조건과 LNT 재생 가능 조건을 모두 만족하는 경우 LNT의 재생을 진행하되,
    상기 LNT 재생 가능 조건은 엔진 운전 조건, LNT 상태 조건, 람다 센서 동기화 조건을 모두 만족하는 경우에 만족되고,
    상기 LNT의 상태 조건은 LNT의 온도 조건, 재생 간 최소 시간 조건 및 최대 재생 기간 조건을 모두 만족하는 경우 만족하며,
    상기 최대 재생 기간 조건은 재생 시작부터 경과한 시간이 최대 설정 기간 이상인 경우 만족되고,
    상기 최대 설정 기간은 람다 센서 동기화가 이루어지지 않은 연속적인 횟수에 따라 변경될 수 있는 것을 특징으로 하는 배기 가스 정화 장치.
  19. 삭제
  20. 제11항, 제14항 및 제18항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 람다 센서 동기화 조건은 LNT의 전단과 후단에 각각 장착된 제1, 2산소 센서의 측정값들의 차가 설정값 미만이거나 LNT에서 암모니아가 생성된 것으로 예상되면 만족되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 정화 장치.
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