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KR102506874B1 - 배기가스 후처리시스템의 우레아 분사제어방법 - Google Patents

배기가스 후처리시스템의 우레아 분사제어방법 Download PDF

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KR102506874B1
KR102506874B1 KR1020180089250A KR20180089250A KR102506874B1 KR 102506874 B1 KR102506874 B1 KR 102506874B1 KR 1020180089250 A KR1020180089250 A KR 1020180089250A KR 20180089250 A KR20180089250 A KR 20180089250A KR 102506874 B1 KR102506874 B1 KR 102506874B1
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scr catalyst
sdpf
urea
amount
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최윤성
Original Assignee
현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Abstract

본 발명에 의한 배기가스 후처리시스템의 우레아 분사제어방법은 필터 재생이 종료된 시점에서 상기 SCR촉매의 온도가 설정온도 보다 높으면 해당 시점에서 가장 높은 온도를 기준으로 우레아의 분사량을 조절하는 암모니아 슬립방지로직을 실행하고, 상기 필터 재생의 종료시점에서 상기 SCR촉매의 모델온도가 설정온도 보다 낮으면 암모니아 흡장량 맵에 따라 우레아의 분사량을 조절하며, 상기 암모니아 슬립방지로직은 필터 재생의 종료시점으로부터 열평형시점까지 실행되며, 상기 열평형시점은 상기 필터의 실제 담체온도가 배기가스 온도에 수렴하는 시점이다.

Description

배기가스 후처리시스템의 우레아 분사제어방법{UREA INJECITON CONTROL METHOD IN AN EXHAUST AFTERTREATMENT SYSTEM}
본 발명은 배기가스 후처리시스템의 우레아 분사제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 필터 재생이 종료된 직후에 암모니아 슬립의 발생을 최소화 내지 방지할 수 있는 SCR시스템의 제어방법에 관한 것이다.
최근들어 내연기관의 배기가스 규제(emission regulations)가 점차 엄격해지고 있으며, 이에 배기가스 규제를 위한 다양한 후처리시스템이 연구개발되고 있다.
필터(filter)는 PM(particulate matter) 또는 soot를 제거하도록 구성될 수 있다. 그리고, PM 또는 SOOT이 필터에 축적되는 축적량이 증가됨에 따라 필터의 상류단 및 하류단 사이의 차압(differential pressure between a upstream end and a downstream end of the filter)이 설정값 이상이 되면 재생공정(regeneration process)을 통해 PM 또는 SOOT를 연소시키는 필터 재생(filter regeneration)이 실행된다. 필터 재생의 온도는 대략 650℃~750℃로서 상대적으로 고온이다.
필터는 DPF(DIESEL PARTICULAR FILTER) 또는 SDPF(DPF WITH SCR coating)일 수 있다. DPF는 배기가스가 통과하는 복수의 병렬통로를 가진 다공성 세라믹 매트릭스를 포함한다. SDPF(DPF WITH SCR coating)는 DPF(DIESEL PARTICULAR FILTER)에 SCR촉매(일반적으로, Cu-zeolite, Fe-zeolite)가 코팅된 것으로, SCR 및 DPF 기능이 하나로 통합된다. 이러한 SDPF는 NH3와 배기가스 중의 NOx를 SCR 촉매물질과 반응시킴으로써 NOx를 물과 N2로 정화할 수 있다. 또한, SDPF는 배기가스에 포함된 PM 또는 SOOT를 포집한다.
SCR(Selective Catalytic Reduction)시스템은 우레아와 같은 환원제와 NOx를 반응시킴으로써 배출가스 내 NOX를 저감하도록 구성된다. SCR시스템은 SCR촉매와, 우레아(Urea solution)를 저장하는 우레아 탱크와, 우레아 탱크에 저장된 우레아를 SCR 촉매에 분사하는 우레아 분사장치와, 우레아 분사장치를 제어 및 모니터하는 도징컨트롤유닛(DCU, Dosing Control Unit)를 포함한다. 도징컨트롤유닛(DCU)은 암모니아 흡장량 맵(ammonia storage amount map) 및 NOx의 생성량 등에 기초하여 우레아의 분사량을 제어하도록 구성될 수 있다.
최근에는 SCR촉매 및 SCR촉매의 상류 측에 배치된 SDPF를 포함한 배기가스 후처리시스템이 개발되고 있다.
SDPF 및 SCR촉매에 흡장되는 암모니아 흡장량은 배기가스의 온도가 아닌 SDPF의 담체온도 및 SCR촉매의 담체온도에 의해 결정된다. 암모니아 흡장량은 SDPF의 온도 및 SCR촉매의 온도가 높을수록 작아진다. 이에, NOx의 효율적인 저감 및 암모니아 슬립을 방지하도록 SDPF의 담체온도 및 SCR촉매의 담체온도가 높을수록 우레아의 분사량을 작게 조절한다.
암모니아 흡장량 맵은 SDPF의 담체온도 및 SCR촉매의 담체온도에 따라 촉매에 흡장되는(stored) 암모니아의 양을 예측한 맵이다. SDPF의 담체온도 및 SCR촉매의 담체온도는 실측하기 어려우므로, 배기가스의 온도를 물리적 계산식 및 물리적 모델에 적용함으로써 SDPF의 담체온도 및 SCR촉매의 담체온도를 예측한 촉매의 모델 온도를 활용한다. 한편, SDPF는 엔진의 배기매니폴드에 근접하게 배치되고, SCR 촉매는 차량의 언더플로어에 배치되기 때문에, SDPF 및 SCR촉매 사이의 거리가 상대적으로 멀게 배치된다. 이로 인해, SDPF의 입구 온도, SDPF의 모델온도, SCR촉매의 입구 온도, SCR촉매의 모델온도가 서로 상이해질 수 있다. 이에, SDPF의 모델 온도 및 SCR촉매의 모델온도에 보상치를 적용함으로써 대표 모델온도을 계산하고, 이러한 대표 모델온도를 기초로 암모니아의 흡장량을 예측한다. 이러한 암모니아 흡장량 맵에서 대표 모델온도와 배기가스 온도(SDPF의 입구 온도, SCR촉매의 입구 온도 등)는 서로 상이하지만 설정된 범위 이내로 수렴한다.
SDPF의 필터 재생 직후에는 필터 재생의 고온(650~750℃)으로 인해 SDPF의 실제 담체온도 및/또는 SCR촉매의 실제 담체온도가 배기가스 온도 보다 커질 수 있고, 이에 SDPF의 실제 담체온도 및/또는 SCR촉매의 실제 담체온도는 해당 시점에서 암모니아 흡장량 맵의 대표 모델온도 보다 과도하게 커질 수 있다. 이런 상태에서 암모니아 흡장량 맵에 기초하여 우레아를 분사하면 SDPF 및/또는 SCR촉매에 실제로 흡장되는(stored) 암모니아 흡장량은 암모니아 흡장량 맵에 의해 예측된 암모니아 흡장량 보다 작아진다(즉, 도징컨트롤유닛은 실제 담체온도에 부합되는 우레아의 분사량 보다 상대적으로 많은 우레아의 분사량을 결정함). 이로 인해, 암모니아 슬립(ammonia slip)이 발생할 수 있다. 차량의 ECU는 상술한 암모니아 슬립의 발생을 SCR촉매의 고장으로 인식할 수 있고, 이에 SCR촉매가 고장나지 않음에도 불구하고 차량 ECU는 SCR촉매의 고장 경고등을 점등할 수 있고, 이는 필드클레임이 될 수 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래 기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 안출한 것으로, 필터 재생 직후에 암모니아 슬립의 발생을 최소화 내지 방지할 수 있는 배기가스 후처리시스템의 우레아 분사제어방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면은 SCR촉매와, SCR촉매의 상류측에 배치된 필터와, 상기 SCR촉매에 우레아를 분사하도록 구성된 도징모듈과, 도징모듈을 제어하는 도징컨트롤유닛을 가진 배기가스 후처리시스템의 우레아 분사제어방법으로,
필터 재생의 종료시점에서 상기 SCR촉매의 온도가 설정온도 보다 높으면 상기 필터 재생의 종료시점으로부터 열평형시점까지의 시간구간 동안 가장 높은 온도를 기준으로 우레아의 분사량을 조절하는 암모니아 슬립방지로직을 실행하고,
상기 필터 재생의 종료시점에서 상기 SCR촉매의 온도가 설정온도 보다 낮으면 암모니아 흡장량 맵를 기초로 우레아의 분사량을 조절하며,
상기 열평형시점은 상기 필터의 온도가 배기가스 온도에 수렴하는 시점일 수 있다.
상기 필터는 SDPF이고,
상기 암모니아 흡장량 맵은 상기 SDPF의 입구측 온도, 상기 SCR촉매의 입구측 온도, 상기 SDPF의 모델온도, 상기 SCR촉매의 모델온도, 및 대표 모델온도에 따라 암모니아 흡장량이 정의된 맵 데이터이며,
상기 SDPF의 모델온도는 상기 SDPF의 입구측 온도에 기초하여 계산된 상기 SDPF의 담체온도이며, 상기 SCR촉매의 모델온도는 상기 SCR촉매의 입구측 온도에 기초하여 계산된 상기 SCR촉매의 담체온도이고, 대표 모델온도는 상기 SDPF의 모델온도 및 상기 SCR촉매의 모델온도를 평균한 값에 보정치가 적용된 값일 수 있다.
상기 암모니아 슬립방지로직은, 상기 SDPF의 입구측 온도, 상기 SDPF의 모델온도, 상기 SCR촉매의 입구측 온도, 상기 SCR촉매의 모델온도, 및 상기 대표 모델온도 중에서 가장 높은 온도를 기준으로 우레아의 분사량을 조절할 수 있다.
상기 암모니아 슬립방지로직은, 상기 SDPF의 모델온도를 기준으로 우레아의 분사량을 조절할 수 있다.
필터 재생의 종료시점에서 상기 SDPF 및 상기 SCR촉매에 흡장된 암모니아 흡장량을 계산하는 단계를 더 포함하고, 상기 계산된 암모니아 흡장량이 요구 흡장량 보다 작으면 우레아의 분사량을 조절할 수 있다.
상기 계산된 암모니아 흡장량이 상기 요구 흡장량 보다 크면 우레아의 분사를 정지할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 SCR촉매와, SCR촉매의 상류측에 배치된 필터와, 상기 SCR촉매에 우레아를 분사하도록 구성된 도징모듈과, 도징모듈을 제어하는 도징컨트롤유닛을 가진 배기가스 후처리시스템의 우레아 분사제어방법으로,
필터 재생의 종료시점에서 상기 SCR촉매의 온도가 설정온도 보다 높으면 상기 SCR촉매로 유입되는 NOx의 유입양을 계산하고, 상기 필터 재생의 종료시점으로부터 열평형시점까지의 시간구간 동안 상기 NOx의 유입양과 동일해지는 비율로 우레아의 분사량을 조절하는 암모니아 슬립방지로직을 실행하며,
상기 필터 재생의 종료시점에서 상기 SCR촉매의 온도가 설정온도 보다 낮으면 암모니아 흡장량 맵에 따라 우레아의 분사량을 조절하며,
상기 열평형시점은 상기 필터의 온도가 배기가스 온도에 수렴하는 시점일 수 있다.
상기 필터는 SDPF이고,
상기 암모니아 흡장량 맵은 상기 SDPF의 입구측 온도, 상기 SCR촉매의 입구측 온도, 상기 SDPF의 모델온도, 상기 SCR촉매의 모델온도, 및 대표 모델온도에 따라 암모니아 흡장량이 정의된 맵 데이터이며,
상기 SDPF의 모델온도는 상기 SDPF의 입구측 온도에 기초하여 계산된 상기 SDPF의 담체온도이며, 상기 SCR촉매의 모델온도는 상기 SCR촉매의 입구측 온도에 기초하여 계산된 상기 SCR촉매의 담체온도이고, 상기 대표 모델온도는 상기 SDPF의 모델온도 및 상기 SCR촉매의 모델온도를 평균한 값에 보정치가 적용된 값일 수 있다.
본 발명에 의하면, 필터 재생이 종료된 직후에 해당 시점에서 가장 높은 온도를 기준으로 우레아의 분사량을 조절하거나 SCR촉매에 유입되는 NOx의 유입량과 동일해지도록 우레아의 분사량을 조절함으로써 필터 재생이 종료된 직후에 발생하는 암모니아 슬립을 최소화 내지 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 후처리시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 후처리시스템에 이용되는 암모니아 흡장량 맵을 예시한 도면이다.
도 3은 필터 재생이 종료된 직후에 SCR촉매의 실제 담체온도 및 배기가스의 온도 차이를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스 후처리시스템의 우레아 분사제어방법을 도시한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 배기가스 후처리시스템의 우레아 분사제어방법을 도시한 순서도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 후처리시스템(10)은 엔진(11)의 배기관(15)에 장착된 필터(21) 및 SCR촉매(22)를 포함한다.
필터(21)는 배기가스에 포함된 PM 또는 soot를 제거할 수 있는 DPF 또는 SDPF일 수 있다. PM 또는 SOOT이 필터(21)에 축적되는 축적량이 증가됨에 따라 필터(21)의 입구 및 출구 사이의 차압이 설정값 이상이 되면 재생공정(regeneration process)을 통해 PM 또는 SOOT를 연소시키는 필터 재생(filter regeneration)이 실행된다. 필터 재생의 온도는 대략 650℃~750℃로서 상대적으로 고온이다.
본 발명의 명세서 내에서 "필터 재생(filter regenration)"은 연료의 후분사(fuel post-injection) 또는 가열 등을 통해 DPF 또는 SDPF에 축적된 soot 및 PM을 연소하는 것으로 정의된다. 그리고, "재생공정(regeneration process)"은 연료의 후분사 또는 필터(21)에 인접한 히팅기구(미도시)의 가열 등을 통해 필터(21)의 온도를 상승시키는 것으로 정의된다.
본 발명의 실시예에 따르면 필터(21)는 DPF(DIESEL PARTICULAR FILTER)에 SCR촉매(일반적으로, Cu-zeolite, Fe-zeolite)가 코팅된 SDPF(21)일 수 있다. 그리고, SDPF(21)는 엔진(11)의 배기매니폴드에 근접하게 배치된 클로우즈 커플드 SDPF(closed coupled SDPF)일 수 있다. 이하에서는, 참조번호 "21"을 "SDPF"로 지칭한다.
SCR촉매(22)는 차량의 언더플로어(under floor)에 배치된 언더플로어 SCR촉매(underfloor SCR catalyst)일 수 있다.
제1온도센서(41)가 SDPF(21)의 입구에 근접하게 배치될 수 있고, 제1온도센서(41)는 SDPF(21)의 입구로 유입되는 배기가스의 온도 즉, SDPF(21)의 입구온도를 측정할 수 있다.
제2온도센서(42)가 SCR촉매(22)의 입구에 근접하게 배치될 수 있고, 제2온도센서(42)는 SCR촉매(22)의 입구로 유입되는 배기가스의 온도 즉, SCR촉매(22)의 입구온도를 측정할 수 있다.
제1NOx센서(43)가 SDPF(21)의 입구에 근접하게 배치될 수 있고, 제1NOx센서(43)는 SDPF(21)의 입구로 유입되는 NOx의 양을 측정할 수 있다.
제2NOx센서(44)가 SCR촉매(22)의 출구에 근접하게 배치될 수 있고, 제2NOx센서(43)는 SCR촉매(22)의 출구로부터 배출되는 NOx의 양을 측정할 수 있다.
제1압력센서(45)가 SDPF(21)의 입구에 근접하게 배치될 수 있고, 제2압력센서(46)는 SDPF(21)의 출구 및 SCR촉매(22)의 입구 사이에 배치될 수 있으며, 제3압력센서(47)는 SCR촉매(22)의 출구에 근접하게 배치될 수 있다. 제1압력센서(45) 및 제2압력센서(46)에 의해 SDPF(21)의 입구측 압력 및 출구측 압려 사이의 차압을 측정할 수 있고, 제2압력센서(46) 및 제3압력센서(47)에 의해 SCR촉매(22)의 입구측 압력 및 출구측 압력 사이의 차압을 측정할 수 있다.
SDPF(21)의 입구측에는 도징모듈(31)이 배치될 수 있고, 도징모듈(31)에는 우레아 탱크(32)가 연결될 수 있으며, 우레아 탱크(32)에 저장된 우레아가 도징모듈(31)에 공급될 수 있고, 도징모듈(31)은 우레아를 분사할 수 있다. 도징컨트롤유닛(33)은 도징모듈(31)을 제어하고 모니터링하도록 구성될 수 있다. 제1온도센서(41), 제2온도센서(42), 제1NOx센서(43), 제2NOx센서(44)가 도징컨트롤유닛(33)에 전기적으로 연결될 수 있다.
도징컨트롤유닛(33)은 암모니아 흡장량 맵(ammonia storage amount map) 및 NOx의 생성량 등에 기초하여 우레아의 분사량을 제어하도록 구성될 수 있다.
도징컨트롤유닛(33)은 메모리(34) 및 프로세서(35)를 포함할 수 있고, 프로세서(35)는 메모리(34)에 저장된 암모니아 흡장량 맵 및 제어명령(instructions)을 수신하고 도징모듈(31)에 제어명령(instructions)을 전송하도록 프로그램될 수 있다. 메모리(34)는 암모니아 흡장량 맵, 다양한 센서들로부터 입력된 데이터 등을 저장할 수 있다. 메모리(34)는 하드디스크드라이브, 솔리드스테이트 드라이브, 서버, 휘발성 저장매체, 비휘발성 저장매체 등과 같은 데이터 스토어일 수 있다.
도징컨트롤유닛(33)은 암모니아 흡장량 맵, 각 SDPF(21), SCR촉매(22)로 유입되는 NOx의 유입량, 배기가스의 온도 등을 기초로 도징모듈(31)을 제어함으로써 우레아의 분사량을 조절할 수 있다.
도징컨트롤유닛(33)은 ECU(50)와 전기적으로 연결되고, ECU(50)와 협동하도록 구성될 수 있다.
ECU(50, Electronic Control Unit or Engine Control Unit)는 엔진(11) 및 엔진(11)과 관련된 다양한 엑츄에이터들을 제어하도록 구성될 수 있다. ECU(50)는 엔진의 다양한 엑츄에이터(연료 공급시스템, 연료 인젝터, 및 가변밸브타이밍기구 등)들을 제어하도록 구성될 수 있다. ECU(50)는 프로세서 및 메모리를 포함할 수 있고, 프로세서는 메모리에 저장된 제어명령(instructions)을 수신하고, 엑츄에이터들에 제어명령(instructions)을 전송하도록 프로그램될 수 있다. 메모리는 하드디스크드라이브, 솔리드스테이트 드라이브, 서버, 휘발성 저장매체, 비휘발성 저장매체 등과 같은 데이터 스토어일 수 있다.
ECU(50)는 제1압력센서(45), 제2압력센서(46)에 의해 SDPF(21)의 입구측 압력 및 출구측 압력 사이의 차압이 설정차압 이상인 것으로 판단하면 연료의 후분사(post-injection) 등을 통해 배기가스의 온도를 상승시킴으로써 SDPF(21)에 축적된 soot 및 PM을 연소하는 필터 재생(filter regeneration)을 실행할 수 있다.
도징컨트롤유닛(33)은 암모니아 흡장량 맵(ammonia storage amount map), 배기가스의 온도, 및 NOx의 유입량 등에 기초하여 우레아의 분사를 제어하도록 구성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 SCR시스템(10)의 도징컨트롤유닛(33)의 메모리(34)에 저장된 암모니아 흡장량 맵을 예시한 그래프이다.
SDPF(21) 및 SCR촉매(22)의 온도는 측정되기 어려우므로, 도징컨트롤유닛(33)은 암모니아 흡장량 맵을 이용하여 SDPF(21) 및 SCR촉매(22)에서 요구되는 암모니아 흡장량을 조절할 수 있다.
암모니아 흡장량 맵은 각 SDPF(21)의 모델온도, SCR촉매(22)의 모델온도, SDPF(21)의 입구측 온도, SCR촉매(22)의 입구측 온도 등에 따라 암모니아가 SDPF(21) 및 SCR촉매(22)에 흡장되는 암모니아 흡장량들이 정의된 맵이다. SDPF(21)의 모델온도는 SDPF(21)의 입구측 온도를 물리적 계산식에 대입함으로써 계산된 값으로, SDPF(21)의 각 입구측 온도에 따라 예상되는 SDPF(21)의 담체온도일 수 있다. SCR촉매(22)의 모델온도는 SCR촉매(22)의 입구측 온도를 물리적 계산식에 대입함으로써 계산된 값으로, SCR촉매(22)의 각 입구측 온도에 따라 예상되는 SCR촉매(22)의 담체온도일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, SDPF(21)는 엔진의 배기매니폴드에 근접하게 배치되고, SCR촉매(22)는 차량의 언더플로어에 배치되기 때문에, SDPF(21) 및 SCR촉매(22) 사이의 거리가 상대적으로 멀어질 수 있고, 이에 SDPF(21)의 입구측 온도, SDPF(21)의 모델온도, SCR촉매(22)의 입구측 온도, SCR촉매(22)의 모델온도가 서로 상이해질 수 있다. 이에, SDPF(21)의 모델온도 및 SCR촉매(22)의 모델온도를 대표하는 대표 모델온도가 요구될 수 있다. 대표 모델온도는 SDPF(21)의 모델온도 및 SCR촉매(22)의 모델온도를 평균한 값에 보정치가 적용됨으로써 계산될 수 있다. 이에 따라, 암모니아 흡장량 맵은 SDPF(21)의 입구측 온도, SCR촉매(22)의 입구측 온도, 및 대표 모델온도에 대응하는 암모니아 흡장량들이 정의된 맵일 수 있다.
도 2의 암모니아 흡장량 맵은 대표 모델온도에 따라 SDPF(21) 및 SCR촉매(22)에 흡장되는(stored) 암모니아의 흡장량을 정의한 맵데이터이다. 도 2와 같이, 대표 모델온도가 증가할수록 SDPF(21) 및 SCR촉매(22)에 흡장되는(stored) 암모니아 흡장량이 감소한다.
아래의 [표 1]은 SDPF(21)의 입구온도 및 SCR촉매(22)의 입구온도에 따른 대표 모델온도과, 대표 모델온도에 따라 SDPF(21) 및 SCR촉매(22)가 암모니아를 최대로 흡장할 수 있는 최대 암모니아 흡장량을 예시한다. 표 1에 예시된 바와 같이, SDPF의 입구온도가 SCR촉매의 입구온도 보다 상대적으로 높고, 대표 모델온도는 SDPF의 입구온도 보다 낮고 SCR촉매의 입구온도 보다 높을 수 있다.
대표 모델온도(℃) SDPF의 입구온도(℃) SCR촉매의 입구온도(℃) 최대 NH3 흡장량(g)
250 265 221 10.3
300 328 270 9.06
350 388 331 6.26
400 437 383 3.74
450 483 435 No slip
도 3에 예시된 바와 같이, SDPF(21)의 필터 재생이 종료되는 시점(도 3의 D점 참조) 이후부터 일정한 시간구간(도 3의 C 구간 참조)동안 SDPF(21)의 실제 담체온도 및/또는 SCR촉매(22)의 실제 담체온도(도 3의 A선 참조)가 배기가스의 온도(도 3의 B선 참조) 보다 과도하게 높아질 수 있다. 이에, 필터 재생이 종료된 직후에 대표 모델온도(도 2 및 [표 1]의 암모니아 흡장량 맵)에 따라 우레아를 분사할 경우에는 SDPF(21)의 실제 담체온도 및/또는 SCR촉매(22)의 실제 담체온도가 대표 모델온도 보다 과도하게 높기 때문에 SDPF(21) 및 SCR촉매(22)에 흡장되는 암모니아 흡장량이 암모니아 흡장량 맵에 의해 예측된 암모니아 흡장량 보다 작아지므로, 암모니아 슬립이 발생할 가능성이 있다.
이에, 필터 재생의 종료시점에서 암모니아 슬립을 최소화하거나 방지하도록, 도징컨트롤유닛(33)은 필터 재생의 종료시점(도 3의 D점)으로부터 열평형시점(도 3의 E점 참조)까지 암모니아 슬립방지 로직을 실행하도록 구성될 수 있다. 열평형시점(도 3의 E점)은 도 3에 나타난 바와 같이, SDPF(21)의 실제 담체온도 및/또는 SCR촉매(22)의 실제 담체온도가 배기가스 온도에 수렴하는 시점이고, 필터 재생의 종료시점(도 3의 D점)에서 열평형시점(도 3의 E점)까지의 시간구간(도 3의 C구간)은 대략 100초가 될 수 있으며, 이러한 시간구간(도 3의 C 구간)은 필터 재생이 종료된 직후에 측정된 SDPF(21)의 실제 담체온도(actual substrate temperature) 및/또는 SCR촉매(22)의 실제 담체온도, 배기가스 온도 등에 기초하여 맵핑될 수 있다.
제1실시예에 따르면, 암모니아 슬립방지 로직은 필터 재생의 종료시점(도 3의 D점)에서 열평형시점(도 3의 E점)까지의 시간구간(도 3의 C구간)에서 SDPF(21)의 입구측 온도, SCR촉매(22)의 입구측 온도, SDPF(21)의 모델온도, SCR촉매(22)의 모델온도, 및 대표 모델온도 중에서 가장 높은 온도를 기준으로 우레아의 분사량을 조절하는 로직일 수 있다. 구체적으로, SDPF(21)가 SCR촉매(22)의 상류에 위치하므로 SDPF(21)의 모델온도가 가장 높을 수 있고, 이에, 암모니아 슬립방지 로직은 SDPF(21)의 모델온도를 기준으로 우레아의 분사량을 조절하는 로직일 수 있다. 한편, 도징컨트롤유닛(33)이 제1실시예에 따른 암모니아 슬립방지 로직을 실행할 때 SDPF(21) 및 SCR촉매(22)에 유입되는 NOx의 양을 고려하지 않는다. 즉, 제1실시예에 따른 암모니아 슬립방지 로직은 SDPF(21) 및 SCR촉매(22)를 통과하는 NOx의 정화량을 고려하지 않음을 의미한다.
제2실시예에 따르면, 암모니아 슬립방지 로직은 SDPF(21) 및 SCR촉매(22)에 유입되는 NOx의 양과 동일하게 우레아의 분사량을 조절하는 로직일 수 있다. 즉, NOx 유입양 : 우레아의 분사량이 1:1 비율이 되도록 우레아의 분사량을 조절한다. 즉, 제2실시에의 암모니아 슬립방지 로직은 SDPF(21) 및 SCR촉매(22)에 흡장되는 암모니아 흡장량을 고려하지 않음을 의미한다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 우레아 분사제어방법을 도시한 순서도이다.
제1압력센서(45), 제2압력센서(46), 및 제3압력센서(47)에 의해 ECU(50)는 SPDF(21)의 입구 압력 및 출구 압력 사이의 차압이 설정차압(predetermined threshold) 이상인 지를 판단한다(S1).
SDPF(21)의 차압이 설정차압 이상이면 ECU(50)는 연료의 후분사 등을 통해 SDPF(21)의 온도를 상승시키고, 이를 통해 SDPF(21)의 필터재생(filter regeneration)을 실행(perform)한다(S2).
ECU(50)는 SDPF(21)의 필터 재생 도중에 SDPF(21)의 차압이 설정차압 이하 인지를 판단한다(S3).
SDPF(21)의 차압이 설정차압 이하이면 ECU(50)는 연료의 후분사를 정지함으로써 필터 재생을 종료하다(S4).
SDPF(21)의 필터 재생이 종료되면 도징컨트롤유닛(33)은 제1 및 제2 NOx센서(43, 44)에 의해 측정된 NOx의 유입량 및 NOx의 배출량, SDPF(21)의 입구측 온도, SCR촉매(22)의 입구측 온도 등을 이용하여 SDPF(21) 및 SCR촉매(22)에 실제로 흡장된 암모니아 흡장량을 계산하고, 도징컨트롤유닛(33)은 계산된 암모니아 흡장량이 요구 흡장량 보다 작은지를 판단한다(S5). 계산된 암모니아 흡장량이 요구 흡장량 보다 크면 도징컨트롤유닛(33)은 우레아의 분사를 정지한다(S8).
계산된 암모니아 흡장량이 요구 흡장량 보다 작으면 도징컨트롤유닛(33)은 SCR촉매(22)의 온도 또는 대표 모델온도가 설정온도(predetermined threshold temperature) 이상인지를 판단한다(S6). 설정온도 이상에서는 필터 재생 직후에 SDPF(21)의 실제 담체온도 및/또는 SCR촉매(22)의 실체 담체온도가 배기가스의 온도보다 과도하게 높아지고, 설정온도 이하에서는 SDPF(21)의 실제 담체온도 및/또는 SCR촉매(22)의 실제 담체온도가 배기가스의 온도에 수렴한다. 예컨대, 설정온도는 350℃~300℃일 수 있다.
SCR촉매(22)의 온도 또는 대표 모델온도가 설정온도 이상이면 도징컨트롤유닛(33)은 SDPF(21)의 입구측 온도, SCR촉매(22)의 입구측 온도, SDPF(21)의 모델온도, SCR촉매(22)의 모델온도, 대표 모델온도 중에서 가장 높은 온도를 기준으로 우레아의 분사량을 조절하는 암모니아 슬립방지로직이 실행되고(S7), 도징모듈(31)이 조절된 분사량으로 우레아를 분사함으로써 필터 재생이 종료된 이후에 암모니아 슬립이 발생함을 방지할 수 있다. 구체적으로, SDPF(21)가 SCR촉매(22)의 상류에 위치하므로 SDPF(21)의 모델온도가 가장 높을 수 있고, 이에, 도징컨트롤유닛(33)은 SDPF(21)의 모델온도를 기준으로 우레아의 분사량을 조절할 수 있다. 이때, 도징컨트롤유닛(33)은 SDPF(21) 및 SCR촉매(22)에 유입되는 NOx의 양을 고려하지 않는다. 즉, SDPF(21) 및 SCR촉매(22)를 통과하는 NOx의 정화량을 고려하지 않음을 의미한다.
SCR촉매(22)의 온도 또는 대표 모델온도가 설정온도 이하이면 도징컨트롤유닛(33)은 대표 모델온도를 기반으로 한 암모니아 흡장량 맵에 따라 우레아의 분사량을 조절하고 그 조절된 분사량으로 우레아를 분사한다(S9).
대안적인 실시예에 따르면, S7단계의 암모니아 슬립방지 로직은 필터 재생의 종료시점(도 3의 D점)부터 열평형시점(도 3의 E점)까지의 맵핑된 시간구간(도 3의 C 구간) 동안에 실행될 수 있다. 이에, 암모니아 슬립방지로직의 진입을 위한 S6단계를 대체하여, 필터 재생의 종료시점으로부터 경과된 시간이 필터 재생의 종료시점으로부터 열평형시점까지의 맵핑된 시간구간 이내인지를 판단하고, 필터 재생의 종료시점으로부터 경과된 시간이 상기 맵핑된 시간구간 이내이면 암모니아 슬립방지 로직을 실행하고, 필터 재생의 종료시점으로부터 경과된 시간이 상기 맵핑된 시간구간을 벗어나면 암모니아 슬립방지 로직을 종료함과 동시에 S9단계를 실행한다. 여기서, 열평형시점(도 3의 E점)은 도 3에 나타난 바와 같이, SDPF(21)의 실제 담체온도 및/또는 SCR촉매(22)의 실제 담체온도가 배기가스 온도에 수렴하는 시점이고, 필터 재생의 종료시점(도 3의 D점)에서 열평형시점(도 3의 E점)까지의 시간구간(도 3의 C구간)은 대략 100초가 될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 우레아 분사제어방법을 도시한 순서도이다.
제1압력센서(45), 제2압력센서(46)에 의해 ECU(50)는 SDPF(21)의 입구압력 및 출구압력 사이의 차압이 설정차압 이상인 지를 판단한다(S11).
SDPF(21)의 차압이 설정차압 이상이면 ECU(50)는 엔진(1)의 연료분사시스템을 제어하여 연료의 후분사를 실행하고, 이를 통해 SDPF(21)의 필터 재생을 실행한다(S12).
ECU(50)는 연료의 후분사 실행하는 도중에 SDPF(21)의 차압이 설정차압 이하인지를 판단한다(S13).
SDPF(21)의 차압이 설정차압 이하이면 ECU(50)는 연료의 후분사를 정지함으로써 SDPDF(21)의 필터 재생을 종료하다(S14).
필터 재생이 종료되면 도징컨트롤유닛(33)은 제1 및 제2 NOx센서(43, 44)에 의해 측정된 NOx의 유입량 및 NOx의 배출량, SDPF(21)의 입구측 온도, SCR촉매(22)의 입구측 온도 등을 이용하여 SDPF(21) 및 SCR촉매(22)에 실제로 흡장된 암모니아 흡장량을 계산하고, 도징컨트롤유닛(33)은 계산된 암모니아 흡장량이 요구 흡장량 보다 작은지를 판단한다(S15). 계산된 암모니아 흡장량이 요구 흡장량 보다 크면 도징컨트롤유닛(33)은 우레아의 분사를 정지한다(S18).
계산된 암모니아 흡장량이 요구 흡장량 보다 작으면 도징컨트롤유닛(33)은 SCR촉매(22)의 온도 또는 대표 모델온도가 설정온도 이상인지를 판단한다(S16). 설정온도 이상에서는 필터 재생 직후에 SDPF(21)의 실제 담체온도 및/또는 SCR촉매(22)의 실제 담체온도가 배기가스의 온도보다 과도하게 커지고, 설정온도 이하에서는 SDPF(21)의 실제 담체온도 및/또는 SCR촉매(22)의 실제 담체온도가 배기가스의 온도에 수렴한다. 예컨대, 설정온도는 350℃~300℃일 수 있다.
SCR촉매(22)의 온도 또는 대표 모델온도가 설정온도 이상이면 도징컨트롤유닛(33)은 제1NOx센서(43) 및 제2NOx센서(44)에 의해 SDPF(21) 및 SCR촉매(22)로 유입되는 NOx의 유입량을 계산하고, 도징컨트롤유닛(33)은 계산된 NOx의 유입량과 동일해지는 비율로 우레아의 분사량을 조절하는 암모니아 슬립방지로직을 실행한다(S17). 이때, NOx 유입양 : 우레아의 분사량이 1:1 비율이 되도록 조절함으로써 암모니아가 SDPF(21) 및 SCR촉매(22)에 흡장되는 것을 전혀 고려하지 않는 로직임을 의미한다.
SCR촉매(22)의 온도 또는 대표 모델온도가 설정온도 이하이면 도징컨트롤유닛(33)은 대표 모델온도를 기반으로 한 암모니아 흡장량 맵에 따라 우레아의 분사량을 조절하고 그 조절된 분사량으로 우레아를 분사한다(S19).
대안적인 실시예에 따르면, S17단계의 암모니아 슬립방지 로직은 필터 재생의 종료시점(도 3의 D점)부터 열평형시점(도 3의 E점)까지의 맵핑된 시간구간 동안에 실행될 수 있다. 이에, 암모니아 슬립방지로직의 진입을 위한 S16단계를 대체하여, 필터 재생이 종료된 시점으로부터 경과된 시간이 필터 재생 종료시점으로부터 열평형시점까지의 맵핑된 시간구간 이내인지를 판단하고, 필터 재생이 종료된 시점으로부터 경과된 시간이 상기 맵핑된 시간구간 이내이면 암모니아 슬립방지 로직을 실행하고, 필터 재싱이 종료된 시점으로부터 경과된 시간이 상기 맵핑된 시간구간을 벗어나면 암모니아 슬립방지 로직을 종료함과 동시에 S19단계를 실행한다. 여기서, 열평형시점(도 3의 E점)은 도 3에 나타난 바와 같이, SDPF(21)의 실제 담체온도 및/또는 SCR촉매(22)의 실제 담체온도가 배기가스 온도에 수렴하는 시점이고, 재생 종료시점(도 3의 D점)에서 열평형시점(도 3의 E점)까지의 시간구간(도 3의 C구간)은 대략 100초가 될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 배기가스 후처리시스템 11: 엔진
21: 필터(SDPF) 22: SCR촉매
31: 도징모듈 32: 우레아 탱크
33: 도징컨트롤유닛 34: 메모리
35: 중앙처리유닛 41: 제1온도센서
42: 제2온도센서 43: 제1NOx센서
44: 제2NOx센서 45: 제1압력센서
46: 제2압력센서 50: ECU

Claims (10)

  1. SCR촉매와, SCR촉매의 상류측에 배치된 필터와, 상기 SCR촉매에 우레아를 분사하도록 구성된 도징모듈과, 도징모듈을 제어하는 도징컨트롤유닛을 가진 배기가스 후처리시스템의 우레아 분사제어방법으로,
    필터 재생의 종료시점에서 상기 SCR촉매의 온도가 설정온도 보다 높은지를 판단하는 단계;
    상기 필터 재생의 종료시점에서 상기 SCR촉매의 온도가 설정온도 보다 높으면 상기 필터 재생의 종료시점으로부터 열평형시점까지의 시간구간 동안 가장 높은 온도를 기준으로 우레아의 분사량을 조절하는 암모니아 슬립방지로직을 실행하는 단계; 및
    상기 필터 재생이 종료된 시점에서 상기 SCR촉매의 온도가 설정온도 보다 낮으면 암모니아 흡장량 맵를 기초로 우레아의 분사량을 조절하는 단계;를 포함하고,
    상기 열평형시점은 상기 필터의 온도가 배기가스 온도에 수렴하는 시점인 배기가스 후처리시스템의 우레아 분사제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 필터는 SDPF이고,
    상기 암모니아 흡장량 맵은 상기 SDPF의 입구측 온도, 상기 SCR촉매의 입구측 온도, 상기 SDPF의 모델온도, 상기 SCR촉매의 모델온도, 및 대표 모델온도에 따라 암모니아 흡장량이 정의된 맵 데이터이며,
    상기 SDPF의 모델온도는 상기 SDPF의 입구측 온도에 기초하여 계산된 상기 SDPF의 담체온도이며, 상기 SCR촉매의 모델온도는 상기 SCR촉매의 입구측 온도에 기초하여 계산된 상기 SCR촉매의 담체온도이고, 상기 대표 모델온도는 상기 SDPF의 모델온도 및 상기 SCR촉매의 모델온도를 평균한 값에 보정치가 적용된 값인 배기가스 후처리시스템의 우레아 분사제어방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 암모니아 슬립방지로직은, 상기 SDPF의 입구측 온도, 상기 SDPF의 모델온도, 상기 SCR촉매의 입구측 온도, 상기 SCR촉매의 모델온도, 및 상기 대표 모델온도 중에서 가장 높은 온도를 기준으로 우레아의 분사량을 조절하는 배기가스 후처리시스템의 우레아 분사제어방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 암모니아 슬립방지로직은, 상기 SDPF의 모델온도를 기준으로 우레아의 분사량을 조절하는 배기가스 후처리시스템의 우레아 분사제어방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 필터 재생의 종료시점에서 상기 SDPF 및 상기 SCR촉매에 흡장된 암모니아 흡장량을 계산하는 단계를 더 포함하고,
    상기 계산된 암모니아 흡장량이 요구 흡장량 보다 작으면 우레아의 분사량을 조절하는 배기가스 후처리시스템의 우레아 분사제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 계산된 암모니아 흡장량이 상기 요구 흡장량 보다 크면 우레아의 분사를 정지하는 배기가스 후처리시스템의 우레아 분사제어방법.
  7. SCR촉매와, SCR촉매의 상류측에 배치된 필터와, 상기 SCR촉매에 우레아를 분사하도록 구성된 도징모듈과, 도징모듈을 제어하는 도징컨트롤유닛을 가진 배기가스 후처리시스템의 우레아 분사제어방법으로,
    필터 재생의 종료시점에서 상기 SCR촉매의 온도가 설정온도 보다 높은지를 판단하는 단계;
    필터 재생의 종료시점에서 상기 SCR촉매의 온도가 설정온도 보다 높으면 상기 SCR촉매로 유입되는 NOx의 유입양을 계산하고, 상기 필터 재생의 종료시점으로부터 열평형시점까지의 시간구간 동안 상기 NOx의 유입양과 동일해지는 비율로 우레아의 분사량을 조절하는 암모니아 슬립방지로직을 실행하는 단계; 및
    상기 필터 재생의 종료시점에서 상기 SCR촉매의 온도가 설정온도 보다 낮으면 암모니아 흡장량 맵에 따라 우레아의 분사량을 조절하는 단계;를 포함하고,
    상기 열평형시점은 상기 필터의 온도가 배기가스 온도에 수렴하는 시점인 배기가스 후처리시스템의 우레아 분사제어방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 필터는 SDPF이고,
    상기 암모니아 흡장량 맵은 상기 SDPF의 입구측 온도, 상기 SCR촉매의 입구측 온도, 상기 SDPF의 모델온도, 상기 SCR촉매의 모델온도, 및 대표 모델온도에 따라 암모니아 흡장량이 정의된 맵 데이터이며,
    상기 SDPF의 모델온도는 상기 SDPF의 입구측 온도에 기초하여 계산된 상기 SDPF의 담체온도이며, 상기 SCR촉매의 모델온도는 상기 SCR촉매의 입구측 온도에 기초하여 계산된 상기 SCR촉매의 담체온도이고, 상기 대표 모델온도는 상기 SDPF의 모델온도 및 상기 SCR촉매의 모델온도를 평균한 값에 보정치가 적용된 값인 배기가스 후처리시스템의 우레아 분사제어방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    필터 재생의 종료시점에서 상기 SDPF 및 상기 SCR촉매에 흡장된 암모니아 흡장량을 계산하는 단계를 더 포함하고,
    상기 계산된 암모니아 흡장량이 요구 흡장량 보다 작으면 우레아의 분사량을 조절하는 배기가스 후처리시스템의 우레아 분사제어방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 계산된 암모니아 흡장량이 상기 요구 흡장량 보다 크면 우레아의 분사를 정지하는 배기가스 후처리시스템의 우레아 분사제어방법.
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