KR20220095895A - 배출가스 촉매전환효율 향상을 위한 흡기 온도 관리 장치 - Google Patents
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Abstract
차량의 엔진으로 유입되는 흡기의 온도를 조절하기 위한 흡기 온도 관리 장치는 상기 흡기가 통과하는 흡기관에 설치되며 상기 흡기를 냉각할 수 있도록 구성되는 인터쿨러, 상기 인터쿨러를 우회하는 바이패스 흡기관에 설치되며 상기 흡기를 가열할 수 있도록 구성되는 열교환기, 상기 흡기관과 상기 바이패스 흡기관의 분기 지점에 설치되어 상기 인터쿨러를 통과하는 흡기 유로 및 상기 열교환기를 통과하는 흡기 유로 중 어느 하나를 선택적으로 형성할 수 있도록 작동하는 3-웨이 밸브, 그리고 상기 3-웨이 밸브의 작동을 제어하는 컨트롤러를 포함한다.
Description
본 발명은 차량에 사용되는 배기가스용 촉매의 성능 향상을 위해 배기가스 온도 상승을 위한 흡기 온도 관리 장치에 관한 것이다.
환경오염 문제는 인류가 직면한 큰 문제들 중 하나로 대두되고 있다. 특히 산업 현장, 자동차, 선박 등에 주로 사용되는 내연 기관에서 배출되는 배기가스는 환경오염을 일으키는 주요한 원인이다. 따라서 내연기관에서 배출되는 배기가스 중 광화학 스모그의 원인이 되는 질소산화물(NOx)과 미세먼지의 주요한 원인이 되는 입자상 물질(PM, particle matter)을 각각 저감하기 위해 개발된 SCR(selective catalytic reduction) 장치와 DPF(diesel particle filter)가 사용되고 있다.
SCR 장치는 배출가스에 암모니아와 같은 환원제를 분사한 후 촉매층을 통과시켜 질소산화물의 환원반응을 효과적으로 진행시키도록 구성된 시스템이다. 촉매의 종류와 코팅량에 따라 다르지만 통상적으로 탈질 메커니즘 상에서 환원반응은 대략 360℃의 온도에서 가장 높은 반응률을 가지며 최소한의 반응 온도는 200℃ 내지 220℃를 만족해야 한다.
DPF는 담체 내부의 기공으로 배출가스가 흐를 때 탄소성분 입자들이 걸러지도록 설계되고 코팅된 촉매를 통해 산화되도록 한다. 그러나 촉매에 다량의 입자들이 쌓이기만 하고 재생되지 않는다면, 배압이 증가하고 엔진의 작동에 부정적 영향을 미칠 가능성이 커진다. 이러한 이유로 인해 촉매 재생에 관한 많은 연구들이 이루어지고 있다. 촉매 재생은 크게 자연 재생과 강제 재생으로 나뉘어 질 수 있다. 자연 재생은 촉매의 특성을 이용하여 재생평형온도(BPT) 이상에서 포집되어 있던 입자들을 연소시켜 이산화탄소로 배출되도록 하는 방식을 갖고, 강제 재생은 버너와 같은 추가 열원을 이용하여 포집된 매연입자들을 650℃ 온도에서 강제적으로 연소시키는 방식을 갖는다.
SCR 장치의 질소산화물 환원에 있어서 가장 중요한 것은 엔진에서 배출되는 배출가스의 온도 조건이다. SCR 촉매는 종류에 따라 사용온도가 달라지나 발전소와 같은 정치형의 경우 350℃ 전후의 온도조건에 적합한 바나디아 계열의 고온용 촉매를 사용하며, 자동차와 같이 배기가스의 온도가 일정하지 않고 낮은 경우 지올라이트 계열의 저온 촉매를 사용한다. 또한 환원제로 사용하는 요소수는 배기가스에서 열분해 내지 가수분해를 통해 암모니아와 이산화탄소로 분해되어 SCR 촉매에서 환원제 역할을 한다. 배기 온도가 낮은 경우 분사된 요소수는 암모니아로 분해되지 못하고 중간 생성물을 형성하거나 암모늄 염을 만들어 또 다른 입자를 생성하고 관련 장치를 손상시키기도 한다. 대부분의 SCR 시스템의 요소수 분사 시작 온도는 220℃ 수준이다.
나아가 배출가스의 온도 조건은 SCR 장치 뿐만 아니라 DPF의 자연 재생에 있어서도 중요한 요소이다. 일반적으로 자동차의 배출가스 온도는 입자상 물질의 연소 온도 조건인 650℃ 보다 낮으므로, 일상 영역에서 필터 재생을 진행하기 위해 입자상 물질의 연도 온도를 낮출 수 있는 저온 활성 촉매를 적용한다. 통상적으로 백금족 금속(PGM; platinum group metal) 촉매가 필터 벽면에 코팅되어 있으며, 촉매에서 배기가스 중 질소산화물의 대부분을 차지하고 있는 일산화질소(NO)를 산화시켜 이산화질소(NO2)로 전환시키며, 이산화질소 분위기 하에서는 매연의 재생되는 온도는 대략 250℃ 정도에서 시작되며 290℃ 내지 310℃에서 재생평형온도를 가지며 그 이상의 온도에서 연소가 급격히 이루어지며 자연재생이 이루어진다. 그러나 백금은 비싼 귀금속이기 때문에 함량을 높일수록 가격이 비싸지는 단점을 가지고 있어 백금 함량의 증가에 한계가 있다. 또한 대기 온도가 상대적으로 낮은 겨울철에는 배출가스 온도를 재생평형온도 이상으로 필요한 시간동안 유지하는 것이 어렵기 때문에 자연 재생에 어려움이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 엔진으로 유입되는 흡기의 온도를 올려 배출가스가 상대적으로 낮은 저부하 영역에서부터 배출가스 온도를 높여 SCR 장치의 암모니아 분사 및 DPF의 자연재생 온도를 더 빠르게 형성하여 배출가스의 오염 물질의 저감 능력을 향상시킬 수 있는 방안을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 흡기 온도 관리 장치는 차량의 엔진으로 유입되는 흡기의 온도를 조절하기 위한 것이며, 상기 흡기가 통과하는 흡기관에 설치되며 상기 흡기를 냉각할 수 있도록 구성되는 인터쿨러, 상기 인터쿨러를 우회하는 바이패스 흡기관에 설치되며 상기 흡기를 가열할 수 있도록 구성되는 열교환기, 상기 흡기관과 상기 바이패스 흡기관의 분기 지점에 설치되어 상기 인터쿨러를 통과하는 흡기 유로 및 상기 열교환기를 통과하는 흡기 유로 중 어느 하나를 선택적으로 형성할 수 있도록 작동하는 3-웨이 밸브, 그리고 상기 3-웨이 밸브의 작동을 제어하는 컨트롤러를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 흡기 온도 관리 장치는 배출가스의 온도를 검출하는 배가가스 온도 검출 센서를 더 포함할 수 있다. 상기 컨트롤러는 상기 배출가스 온도 센서에 의해 검출되는 상기 배출가스의 온도를 기초로 상기 3-웨이 밸브를 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 컨트롤러는 상기 배출가스의 온도가 미리 설정된 온도보다 낮은 경우 상기 열교환기를 통과하는 흡기 유로가 형성되도록 상기 3-웨이 밸브를 제어하고 상기 배출가스의 온도가 상기 미리 설정된 온도에 도달하면 상기 인터쿨러를 통과하는 흡기 유로가 형성되도록 상기 3-웨이 밸브를 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 열교환기는 상기 차량의 냉각수와 상기 흡기 사이의 열교환이 이루어지도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 차량의 흡기 온도 관리 장치는 엔진으로 공급되는 흡기의 과급을 위한 과급기를 사용하고 상기 과급기에 의해 과급된 흡기를 인터쿨러를 통해 냉각하며, 상기 엔진에서 배출되는 냉각수를 이용하여 열교환기를 통해 흡기를 가열하여 배기가스의 온도를 상승시킬 수 있도록 구성된다.
본 발명에 의하면, 인터쿨러를 우회하는 바이패스 흡기관에 열교환기를 설치하고 배출가스의 온도가 상대적으로 낮은 저부하 영역에서 흡기가 열교환기를 통과하면서 가열되도록 함으로써, 배출가스 온도를 빨리 상승시킬 수 있으며 그에 의해 저부하 영역에서 배출가스 처리 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 흡기 온도 관리 장치를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 흡기 온도 관리 장치의 블록도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 흡기 온도 관리 장치에 의해 인터쿨러 온 상태 및 오프 상태에서 스로틀 개도율에 따른 흡기 온도와 배기 온도의 변화를 보여주는 그래프를 도시한다.
도 4는 도 2의 그래프에서 스로틀 개도율 별로 인터쿨러 온 상태 및 오프 상태에서의 배기 온도의 평균 값을 보여주는 그래프를 도시한다.
도 5는 도 2의 그래프에서 스로틀 개도율 별로 인터쿨러 온 상태 및 오프 상태에서의 흡기 온도의 평균 값을 보여주는 그래프를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 흡기 온도 관리 장치의 블록도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 흡기 온도 관리 장치에 의해 인터쿨러 온 상태 및 오프 상태에서 스로틀 개도율에 따른 흡기 온도와 배기 온도의 변화를 보여주는 그래프를 도시한다.
도 4는 도 2의 그래프에서 스로틀 개도율 별로 인터쿨러 온 상태 및 오프 상태에서의 배기 온도의 평균 값을 보여주는 그래프를 도시한다.
도 5는 도 2의 그래프에서 스로틀 개도율 별로 인터쿨러 온 상태 및 오프 상태에서의 흡기 온도의 평균 값을 보여주는 그래프를 도시한다.
아래에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 설명된 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 흡기 온도 관리 장치의 개략도를 도시하고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 흡기 온도 관리 장치의 블록도를 도시한다.
본 발명의 실시예에 따른 흡기 온도 관리 장치는 엔진으로 유입되는 흡기의 온도를 조절하는 작용을 하며, 배출가스 온도가 상대적으로 낮은 저부하 영역에서 배출가스의 온도를 높여 SCR 장치의 암모니아 분사 및 DPF의 자연재생 온도를 더 빠르게 형성하여 배출가스 저감 능력을 향상시키는 역할을 한다.
흡기관(11)은 흡기가 지나는 통로를 형성하며 흡기를 엔진(20)으로 안내할 수 있도록 구성된다. 도면에 명시되지 않았으나, 흡기관(11)에는 흡기에 함유된 불순물을 거르기 위한 에어 필터가 설치될 수 있다.
인터쿨러(intercooler)(12)는 터보차저, 슈퍼차저와 같은 과급기를 통과하면서 뜨거워진 흡기의 온도를 낮추기 위한 장치이다. 즉 인터쿨러(12)는 압축되어 온도가 상승된 흡기를 냉각하는 기능을 하는 열교환기로 흡기 계통의 장치이다. 인터쿨러(12)를 이용하여 압축된 흡기의 온도를 낮춤으로써 엔진의 연소 효율 개선, 연비 향상, 배출가스의 저감 등이 도모될 수 있다. 인터쿨러(12)는 공기를 이용하여 흡기를 냉각하는 공냉식 인터쿨러, 냉각수에 의해 흡기를 냉각하는 수냉식 인터쿨러로 구별될 수 있다. 도 1에는 생략되었으나, 인터쿨러(12)는 흡기관(11)에 연통되어 흡기가 지나는 통로를 형성할 수 있으며, 흡기와 열교환을 하는 공기 또는 냉각수와 같은 열교환 매체가 지나는 통로를 형성할 수 있다. 인터쿨러(12)는 내부를 흐르는 흡기와 열교환 매체 사이의 열교환을 통해 흡기의 온도가 열교환 매체로 전달될 수 있도록 구성된다. 도 1에는 생략되었으나, 인터쿨러(12)는 열교환 매체의 유입을 위한 유입구와 흡기의 열을 흡수한 열교환 매체가 배출되는 배출구를 포함할 수 있다. 배기관(12)은 흡기를 인터쿨러(12)로 안내하고 또한 인터쿨러(12)를 통과한 흡기를 엔진(20)으로 안내할 수 있도록 형성될 수 있다.
인터쿨러(12)를 우회하는 바이패스 흡기관(14)이 구비되며, 열교환기(14)가 바이패스 흡기관(14)에 설치된다. 바이패스 흡기관(14)은 인터쿨러(12)를 우회하며, 흡기는 바이패스 흡기관(14)을 통해 인터쿨러(12)를 지나지 않고 엔진(20)으로 유입될 수 있다.
열교환기(14)는 차량의 냉각수와 흡기 사이의 열교환이 이루어질 수 있도록 구성될 수 있다. 더 구체적으로, 바이패스 흡기관(14)을 지나는 흡기가 열교환기(14)에서 냉각수의 열을 흡수하여 온도가 상승할 수 있다. 냉각수는 차량의 엔진이 작동하는 상태에서 대략 80℃의 온도를 유지하도록 제어되기 때문에, 바이패스 흡기관(14)을 지나는 흡기가 열교환기(14)에서 냉각수의 열을 흡수하여 온도 상승될 수 있다. 열교환기(14)는 냉각수의 유입을 위한 냉각수 인렛(15)와 냉각수의 배출을 위한 냉각수 아웃렛(16)을 구비할 수 있다. 열교환기(14)는 냉각수가 흐르는 냉각수 경로와 흡기가 흐르는 흡기 경로를 형성할 수 있으며, 냉각수 경로를 흐르는 냉각수와 흡기 경로를 흐르는 흡기 사이의 열교환이 이루어질 수 있도록 구성될 수 있다. 흡기는 열교환기(14)를 통과하면서 냉각수의 열을 흡수하여 온도 상승을 겪는다.
흡기의 흐름을 조절하기 위한 3-웨이 밸브(17)가 구비된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 3-웨이 밸브(17)는 바이패스 흡기관(13)이 분기되는 지점에 설치될 수 있으며, 세 개의 유로, 즉 흡기가 유입되는 유로, 흡기를 인터쿨러(12)가 설치된 흡기관(11)으로 안내하는 배출 유로, 및 흡기를 열교환기(14)가 설치된 바이패스 흡기관(13)으로 안내하는 배출 유로를 형성한다. 3-웨이 밸브(17)는 유입된 흡기가 인터쿨러(12)가 설치된 흡기관(11)에 연통된 배출 유로로 흐르도록 하거나 또는 열교환기(14)가 설치된 바이패스 흡기관(13)에 연통된 배출 유로로 흐르도록 할 수 있다.
도 2를 참조하면, 컨트롤러(21)가 3-웨이 밸브(17)의 작동을 제어하기 위한 제어 신호를 3-웨이 밸브(17)로 전송할 수 있도록 3-웨이 밸브(17)에 연결될 수 있다. 이때, 컨트롤러(21)는 엔진(20)에서 배출된 배기의 온도를 검출할 수 있는 배출가스 온도 센서(22)의 신호를 수신할 수 있도록 배출가스 온도 센서(22)에 연결될 수 있다. 배출가스 온도 센서(22)는 엔진(20)에서 배출된 배기의 온도를 검출할 수 있도록 배기관에 설치될 수 있다.
컨트롤러(21)는 배출가스 온도 센서(22)의 출력 신호, 즉 배기 온도를 나타내는 신호를 입력으로 이용하여 3-웨이 밸브(17)의 작동을 제어하기 위한 신호를 출력하도록 구성된다. 컨트롤러(21)는 마이크로프로세서, 메모리, 및 관련 하드웨어와 소프트웨어를 포함할 수 있다. 마이크로프로세서는 아래에서 설명할 방식으로 3-웨이 밸브(17)를 제어하도록 프로그램될 수 있으며, 메모리는 이러한 제어를 위해 필요한 데이터를 저장할 수 있다.
컨트롤러(21)는 배출가스 온도가 미리 설정된 온도에 도달하기 전까지는 흡기가 열교환기(14)가 설치된 바이패스 흡기관(13)으로 흐르게 하는 유로(도 1에 점선 화살표로 도시된 유로)를 형성하도록 3-웨이 밸브(17)를 제어하고, 배출가스 온도가 미리 설정된 온도에 도달하면 흡기가 인터쿨러(12)가 설치된 흡기관(11)으로 흐르게 하는 유로(도 1에 실선 화살표로 도시된 유로)를 형성하도록 3-웨이 밸브(17)를 제어할 수 있다. 이때, 미리 설정된 온도는 배출가스를 처리하는 후처리 장치인 SCR 장치 또는 DPF의 안정적 작동이 확보될 수 있는 온도, 예를 들어 200℃ 내지 220℃의 온도 범위에 속하는 온도일 수 있다. 더 바람직하게는, 미리 설정된 온도는 220℃일 수 있다. 배출가스의 온도가 상대적으로 낮은 저부하 영역에서는 냉각수의 열을 이용하여 흡기의 온도를 높일 수 있도록 제어하고, 배출가스가 충분히 올라간 상태에서는 인터쿨러(12)를 이용하여 흡기를 냉각하는 일반적인 흡기 온도 조절이 이루어지도록 제어한다. 이와 같은 흡기 온도의 조절을 통해 배출가스의 온도가 상대적으로 낮은 저부하 영역에서 배출가스의 온도를 보다 빨리 높일 수 있으며 그에 의해 SCR 장치의 암모니아 분사 및 DPF의 자연재생 온도를 더 빠르게 형성하여 배출가스 저감 능력을 높일 수 있다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 흡기 온도 관리 장치에 의한 흡기 온도와 배출가스 온도를 측정한 결과를 나타내는 그래프를 도시한다. 먼저, 도 5에는, 인터쿨러(12)의 온(on) 상태, 즉 흡기가 인터쿨러(12)를 통과하는 상태에의 배출가스 온도의 변화(IC_ON_Exhaust), 인터쿨러(12)의 오프(off) 상태, 즉 흡기가 인터쿨러(12)가 아닌 열교환기(14)를 통과하는 상태에서의 배출가스 온도의 변화(IC_OFF_Exhaust), 인터쿨러(12)의 온(on) 상태, 즉 흡기가 인터쿨러(12)를 통과하는 상태에의 흡기 온도의 변화(IC_ON_Intake), 인터쿨러(12)의 오프(off) 상태, 즉 흡기가 인터쿨러(12)가 아닌 열교환기(14)를 통과하는 상태에서의 흡기 온도의 변화(IC_OFF_Intake)가 도시되어 있다. 도 5의 실험 결과는 엔진이 1,500 RPM으로 회전하는 상태에서 스로틀 개도율(α)을 변화시켜 가면서 측정한 것이다. 도 4는 도 3의 측정 결과에서 각 스로틀 개도율에서 인터쿨러의 온 상태에서의 배출가스의 평균 온도(IC_ON_Exhaust)와 인터쿨러의 오프 상태에서의 배출가스의 평균 온도(IC_OFF_Exhaust)를 도시한다. 또한 도 5는 도 3의 측정 결과에서 각 스로틀 개도율에서 인터쿨러의 온 상태에서의 흡기의 평균 온도(IC_ON_Intake)와 인터쿨러의 오프 상태에서의 흡기의 평균 온도(IC_OFF_Intake)를 도시한다. 도 3 내지 도 5에 표시된 실험 결과로부터, 인터쿨러를 오프하고 흡기가 열교환기에서 열을 흡수하도록 하면 흡기 및 배출가스의 온도가 높아지는 것을 알 수 있으며, 이로 인해 앞에서 설명한 바와 같이 배출가스 온도가 상대적으로 낮은 저부하 영역에서 배출가스 처리 능력이 향상될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.
11 흡기관
12 인터쿨러
13 바이패스 흡기관
14 열교환기
15 냉각수 인렛
16 냉각수 아웃렛
17 3-웨이 밸브
20 엔진
12 인터쿨러
13 바이패스 흡기관
14 열교환기
15 냉각수 인렛
16 냉각수 아웃렛
17 3-웨이 밸브
20 엔진
Claims (5)
- 차량의 엔진으로 유입되는 흡기의 온도를 조절하기 위한 흡기 온도 관리 장치에 있어서,
상기 흡기가 통과하는 흡기관에 설치되며 상기 흡기를 냉각할 수 있도록 구성되는 인터쿨러,
상기 인터쿨러를 우회하는 바이패스 흡기관에 설치되며 상기 흡기를 가열할 수 있도록 구성되는 열교환기,
상기 흡기관과 상기 바이패스 흡기관의 분기 지점에 설치되어 상기 인터쿨러를 통과하는 흡기 유로 및 상기 열교환기를 통과하는 흡기 유로 중 어느 하나를 선택적으로 형성할 수 있도록 작동하는 3-웨이 밸브, 그리고
상기 3-웨이 밸브의 작동을 제어하는 컨트롤러
를 포함하는 흡기 온도 관리 장치. - 제1항에서,
배출가스의 온도를 검출하는 배출가스 온도 검출 센서를 더 포함하며,
상기 컨트롤러는 상기 배출가스 온도 센서에 의해 검출되는 상기 배출가스의 온도를 기초로 상기 3-웨이 밸브를 제어하도록 구성되는
흡기 온도 관리 장치. - 제2항에서,
상기 컨트롤러는 상기 배출가스의 온도가 미리 설정된 온도보다 낮은 경우 상기 열교환기를 통과하는 흡기 유로가 형성되도록 상기 3-웨이 밸브를 제어하고, 상기 배출가스의 온도가 상기 미리 설정된 온도에 도달하면 상기 인터쿨러를 통과하는 흡기 유로가 형성되도록 상기 3-웨이 밸브를 제어하도록 구성되는
흡기 온도 관리 장치. - 제1항에서,
상기 열교환기는 상기 차량의 냉각수와 상기 흡기 사이의 열교환이 이루어지도록 구성되는 흡기 온도 관리 장치. - 엔진으로 공급되는 흡기의 과급을 위한 과급기를 사용하고 상기 과급기에 의해 과급된 흡기를 인터쿨러를 통해 냉각하는 차량의 흡기 온도 관리 장치에 있어서,
상기 엔진에서 배출되는 냉각수를 이용하여 열교환기를 통해 흡기를 가열하여 배기가스의 온도를 상승시킬 수 있도록 구성되는 흡기 온도 관리 장치.
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