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WO2017039268A1 - 배기가스 정화 시스템 및 이의 모니터링 방법 - Google Patents

배기가스 정화 시스템 및 이의 모니터링 방법 Download PDF

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WO2017039268A1
WO2017039268A1 PCT/KR2016/009610 KR2016009610W WO2017039268A1 WO 2017039268 A1 WO2017039268 A1 WO 2017039268A1 KR 2016009610 W KR2016009610 W KR 2016009610W WO 2017039268 A1 WO2017039268 A1 WO 2017039268A1
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WO
WIPO (PCT)
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reduction catalyst
selective reduction
catalyst device
exhaust gas
pressure
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Ceased
Application number
PCT/KR2016/009610
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English (en)
French (fr)
Inventor
문성은
임인혁
김태형
최남일
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
HD Hyundai Infracore Co Ltd
Original Assignee
Doosan Infracore Co Ltd
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Publication date
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Priority to EP16842234.3A priority patent/EP3339592B1/en
Priority to KR1020187005868A priority patent/KR102002468B1/ko
Priority to US15/756,448 priority patent/US10392992B2/en
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    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the present invention relates to an exhaust gas purification system and a monitoring method thereof. More particularly, the present invention relates to an exhaust gas purification system having a selective reduction catalyst device and a monitoring method thereof.
  • the urea water injected from the reducing agent injection module may be attached to the inner wall of the selective reduction catalyst device and crystallized.
  • urea water may be combined with soot or the like to block the inlet of the selective reduction catalyst device.
  • the performance of the selective reduction catalyst device may be lowered, and the exhaust gas pressure of the engine may be increased to lower the performance of the engine.
  • One object of the present invention is to provide an exhaust gas purification system.
  • Another object of the present invention is to provide a method for monitoring the performance of an exhaust gas purification system.
  • an exhaust gas purification system is installed in a housing that can be mounted to an exhaust pipe from which an exhaust gas is discharged from an engine and injects a reducing agent into the housing.
  • a selective reduction catalyst device for reducing the nitrogen oxides by catalytically reacting a nitrogen oxide in the exhaust gas with a reducing agent injected from the reducing agent injection module and installed at a rear of the reducing agent injection module in the housing;
  • a differential pressure sensor for measuring a pressure difference between a pressure in front of the device and a pressure behind the selective reduction catalyst device, and receiving pressure information from the differential pressure sensor and outputting a first warning signal when the received pressure is below a preset pressure It includes a control device for.
  • the exhaust gas purification system may further include an air volume sensor for measuring an amount of air sucked into the engine, and the control device receives information about the intake air amount from the air volume sensor. By controlling the reducing agent injection amount of the reducing agent injection module.
  • the air mass sensor may be a Manifold Absolute Pressure (MAP) sensor.
  • control device may receive concentration information of nitrogen oxide from the first and second concentration sensors, and from the received concentration information, nitrogen oxide conversion efficiency of the selective reduction catalyst device. May be calculated, and when the calculated switching efficiency is less than or equal to a preset switching efficiency, a second warning signal different from the first signal may be output.
  • control device outputs a third warning signal different from the first and second warning signals when the switching efficiency is greater than or equal to a preset switching efficiency and the received pressure is greater than or equal to a preset pressure. can do.
  • the exhaust gas purification system may further include a display device configured to notify the driver of the first to third warning signals, wherein the display device is less than or equal to a preset conversion efficiency.
  • the display device may include a first display unit that operates, and a second display unit that operates when the received pressure is greater than or equal to a preset pressure.
  • the exhaust gas purification system may further include a display device to notify the driver of the first warning signal.
  • the exhaust gas purification system may be installed between the reducing agent injection module and the selective reduction catalyst device, and may further include a mixing device for uniformly mixing the reducing agent with the exhaust gas.
  • the differential pressure sensor may be connected to a first pressure line connected to the front of the selective reduction catalyst device and a second pressure line connected to the rear of the selective reduction catalyst device.
  • the housing may be connected to the carrier front housing and the housing in which the carrier is installed, and the first pressure line may be disposed between the mixing device and the carrier installed inside the selective reduction catalyst device. Can be connected to.
  • the monitoring method of the exhaust gas purification system is the pressure difference of the exhaust gas before and after the selective reduction catalyst device and nitrogen contained in the exhaust gas
  • the concentration of the oxide is detected.
  • the nitrogen oxide conversion efficiency of the selective reduction catalyst device is calculated from the detected concentration information. From the calculated conversion efficiency and the detected pressure difference, it is determined whether the selective reduction catalyst device is abnormal. If it is determined that there is an error in the selective reduction catalyst device, a warning signal is output.
  • the determining of whether the selective reduction catalyst device is abnormal may include: when the calculated conversion efficiency is less than or equal to a preset conversion efficiency or when the measured pressure difference is greater than or equal to a preset pressure. It may include determining that there is an error.
  • the determining whether the selective reduction catalyst device is abnormal may include determining that a part of the selective reduction catalyst device is blocked when the measured pressure difference is greater than or equal to a preset pressure. Inducing cleaning.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating an exhaust gas purification system according to exemplary embodiments.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a method for monitoring performance of an exhaust gas purification system according to exemplary embodiments.
  • first, second, etc. are used herein to describe various members, parts, regions, and / or parts, it is obvious that these members, parts, regions, and / or parts should not be limited by these terms. Do. These terms are only used to distinguish one member, part, region or part from another region or part. Thus, the first member, part, region, or portion, which will be described below, may refer to the second member, component, region, or portion without departing from the teachings of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating an exhaust gas purification system according to exemplary embodiments.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the exhaust gas purification system of FIG. 1.
  • the control device 140, and the warning signal may comprise a display device 180 to inform the operator.
  • the position "front” indicates that the engine is relatively closer to the engine based on the flow F of the exhaust gas discharged from the engine, and the position "rear” indicates the exhaust gas emitted from the engine. Relative farther from the engine relative to the flow (F).
  • the engine may be a mechanical engine.
  • the mechanical engine may be an engine of a mechanical method, for example, a method of manually adjusting the condition of the engine by a driver's pedal or throttle lever operation.
  • the electronic engine may be an engine in which the condition of the engine is automatically adjusted by an electronic control unit (ECU). That is, unlike the electronic engine in which the electronic control unit (ECU) automatically controls the fuel injection amount, the intake air amount, the reducing agent injection amount, and the like, the mechanical engine allows the driver to manually adjust the fuel injection amount using a pedal or a lever. Can be controlled.
  • the control device 140 to be described later may automatically control the reducing agent injection amount of the reducing agent injection module 130 using the intake air amount information of the engine received from the air volume sensor 170.
  • Exhaust gas discharged from the engine may be introduced into the housing 110 through the exhaust pipe.
  • the exhaust gas may be mixed with the reducing agent by the reducing agent injection module 130 in the housing 110, and the nitrogen oxide NO x may be removed by the selective reduction catalyst device 120 and discharged to the outside.
  • first and second concentration sensors 150 and 152 and first and second pressure lines 162 and 164 may be installed at one side wall of the housing 110.
  • the reducing agent injection module 130 is installed in front of the selective reduction catalyst device 120 and injects a reducing agent such as urea into the housing 110 to reduce nitrogen oxides contained in the exhaust gas discharged from the engine. can do.
  • the reducing agent injection module 130 may inject the reducing agent at an injection amount corresponding to a change in the amount of air flowing into the engine, a change in the concentration of nitrogen oxides in the exhaust gas, or a combination thereof.
  • Control of the reducing agent injection amount may be controlled through a separate control device provided in the control device 140 or the reducing agent injection module 130 to be described later.
  • the engine intake air amount change may be detected by the air amount sensor 170 to be described later or calculated based on a pedal or lever manipulation amount of a driver.
  • the concentration change of the nitrogen oxide may be detected through the first concentration sensor 150 described later.
  • the reducing agent injection amount may be corrected by receiving feedback of the detection amount of the nitric oxide of the second concentration sensor 152 which will be described later.
  • the reducing agent injection module 130 may be connected to the reducing agent storage tank 132 through the reducing agent supply line 134 to inject the reducing agent into the housing 110. Since the temperature of the exhaust gas discharged from the engine is a high temperature of several hundred °C, the reducing agent injected in the housing 110 can be vaporized immediately. The vaporized reducing agent may be mixed with the exhaust gas, and the nitrogen oxide may be catalytically reacted with the reducing agent in the selective reduction catalyst device 120 to be reduced to nitrogen gas and water.
  • the selective reduction catalyst device 120 is installed at the rear of the reducing agent injection module 130 inside the housing 110, and converts nitrogen oxides into harmless nitrogen (N 2 ) by reducing nitrogen oxides by the following reaction schemes 1 to 3. You can.
  • Urea (NH 2 ) 2 CO supplied through the reducing agent injection module 130 may generate ammonia (NH 3 ) by hydrolysis.
  • the ammonia thus produced can be converted to nitrogen (N 2 ), which is harmless to the human body by reducing NO and NO 2 .
  • the selective reduction catalyst device 120 may include a carrier 122 having a plurality of passages 124.
  • the carrier 122 can increase the contact area between the selective reduction catalyst device 120 and the exhaust gas by having a plurality of passages 124 extending in the axial direction.
  • the exhaust gas purification system may further include an ammonia slip catalyst device (not shown) installed behind the selective reduction catalyst device 120 to remove ammonia in the exhaust gas.
  • an ammonia slip catalyst device (not shown) installed behind the selective reduction catalyst device 120 to remove ammonia in the exhaust gas.
  • Ammonia generated by the reducing agent injected from the reducing agent injection module 130 may reduce nitrogen oxides in the exhaust gas.
  • ammonia may be supplied in a larger amount than the stoichiometric amount.
  • ammonia slip may prevent the ammonia slip phenomenon by removing ammonia not consumed in the selective reduction catalyst device 120.
  • the first concentration sensor 150 is installed on one side wall of the housing 110 in front of the selective reduction catalyst device 120, and the second concentration sensor 152 is located behind the housing 110 of the selective reduction catalyst device 122. It may be installed on one side wall.
  • the first and second concentration sensors 150 and 152 may measure the concentration of nitrogen oxide (NO X ) contained in the exhaust gas inside the housing 110. That is, the first concentration sensor 150 may measure the nitrogen oxide concentration in the exhaust gas flowing into the selective reduction catalyst device 120, and the second concentration sensor 152 may be discharged from the selective reduction catalyst device 120.
  • the concentration of nitrogen oxides in the exhaust gas can be measured.
  • the measured concentration information may be input to the control device 140.
  • the differential pressure sensor 160 may include a first pressure line 162 and a second pressure line 164 extending from the interior of the housing 110 to the exterior of the housing 110. .
  • One end of the first pressure line 162 may contact the exhaust gas through one side wall of the housing 110 in front of the selective reduction catalyst device 120, and the other end may be connected to the differential pressure sensor 160.
  • One end of the second pressure line 164 penetrates through one side wall of the housing 110 behind the selective reduction catalyst device 120 and contacts the exhaust gas, and the other end may be connected to the differential pressure sensor 160.
  • the first and second pressure lines may be hoses connecting the differential pressure sensor and the inside of the housing. The first and second pressure lines described above may be connected to the exhaust pipe instead of the housing.
  • the first pressure line may be connected to the inside of the housing between the mixing device 190 and the carrier 122. In this case, whether or not masking caused by accumulation of foreign matter on the inlet side of the carrier 122 may be confirmed through pressure measurement. In addition, as described above, when the housing is separated, difficulty in disassembly and assembly by the first pressure line 162 may be prevented.
  • a separate pressure sensor may be installed separately from the first and second pressure lines described above in front of the mixing device 190. In this case, clogging phenomena in each of the mixing apparatus 190 and the carrier 122 can be detected separately from each other.
  • the differential pressure sensor 160 is connected to the first pressure line 162 and the second pressure line 164, and measures the difference between the pressure inside the first pressure line 162 and the pressure inside the second pressure line 164. can do.
  • the pressure inside the first pressure line 162 may be the same as the pressure inside the housing 110 in front of the selective reduction catalyst device 120
  • the pressure inside the second pressure line 164 may be a selective reduction.
  • the pressure inside the housing 110 behind the catalytic device 120 may be the same. That is, the differential pressure sensor 160 may detect a pressure difference in the housing 110 in front of and behind the selective reduction catalyst device 120. The detected pressure information may be input to the control device 140.
  • the exhaust gas purification system 100 may further include an air mass sensor 170 for determining the amount of air flowing into the engine.
  • the air mass sensor 170 is connected to the intake manifold of the engine and may measure the amount of air flowing into the engine.
  • the measured air amount information is input to the control device 140, and the control device 140 may determine the reducing agent injection amount in the reducing agent injection module 130 using the input air amount information and the nitrogen oxide concentration information in the exhaust gas. have.
  • the air mass sensor 170 may be a Manifold Absolute Pressure (MAP) sensor.
  • MAP Manifold Absolute Pressure
  • the Marp sensor may be installed at the intake manifold or may be installed at one side of the housing 110 to be connected to the intake manifold.
  • the Marp sensor can indirectly detect the amount of air entering it from the engine by measuring the absolute pressure in the intake manifold.
  • the detected intake air amount information may be input to the control device 140.
  • the control device 140 may be mounted on one side of the housing 110 or may be mounted separately from the housing 110 in a vehicle.
  • the control device 140 may receive information from the sensors 150, 152, 160 and 170, control the reducing agent injection module 130 using the received information, or output a warning signal to the driver.
  • the information detected from the sensors 150, 152, 160, 170 may be controlled via wireless communication, for example, a controller area network (CAN), a local interconnect network (LIN), a FlexRay, or the like. May be sent to the device 140.
  • CAN controller area network
  • LIN local interconnect network
  • FlexRay FlexRay
  • the sensors 150, 152, 160, 170 may be directly connected to the control device 140 through a wire.
  • the control device 140 may determine whether the selective reduction catalyst device 120 is abnormal and output a warning signal to the driver.
  • the control device 140 may receive information on the concentration of nitrogen oxide in the housing 110 from the first and second concentration sensors 150 and 152. Specifically, the nitrogen oxide concentration information received in front of the selective reduction catalyst device 120 from the first concentration sensor 150, and the nitrogen oxide concentration behind the selective reduction catalyst device 120 from the second concentration sensor 152. Information can be received.
  • the control device 120 may calculate the nitrogen oxide conversion efficiency of the selective reduction catalyst device 120 using the received concentration information, and compare the calculated conversion efficiency with a preset efficiency (hereinafter referred to as 'setting efficiency'). By doing so, it may be determined whether the selective reduction catalyst device 120 is abnormal. That is, when the calculated conversion efficiency is greater than or equal to the set efficiency, it may be determined that the performance of the selective reduction catalyst device 120 is normal.
  • the selective reduction catalyst device 120 may deteriorate and may need to be replaced.
  • the control device 120 may output a warning signal to replace the selective reduction catalyst device 120 with the display device 180.
  • the driver may solve the problem by replacing the selective reduction catalyst device 120 with a new one.
  • control device 140 is a pressure difference between the pressure inside the housing 110 in front of the selective reduction catalyst device 120 and the pressure inside the housing 110 behind the selective reduction catalyst device 120 from the differential pressure sensor 160. Information can be received.
  • the control device 140 may determine whether the selective reduction catalyst device 120 is abnormal by comparing the received pressure difference with a preset pressure (hereinafter, referred to as 'setting pressure').
  • the selective reduction catalyst 120 when the received pressure difference is less than or equal to the set pressure, it may be determined that the selective reduction catalyst 120 operates normally, and when the received pressure difference exceeds the set pressure, the selective reduction catalyst device 120 It can be judged that there is an error in.
  • the exhaust gas when a low quality fuel is used, the exhaust gas may contain a large amount of impurities such as soot, and the impurities may be combined with a reducing agent to prevent the front end of the selective reduction catalyst device 120. In this case, the pressure difference between the front and rear of the selective reduction catalyst device 120 may be large.
  • the control device 140 may output a warning signal to clean the selective reduction catalyst device 120 to the display device 180.
  • the cleaning may allow the driver to increase the fuel injection amount to increase the temperature of the exhaust gas so that impurities coupled to the selective reduction catalyst device 120 may be removed.
  • the cleaning operation may be performed by a driver or an operator by manually removing the housing. Such manual cleaning may be performed when an abnormality occurs in the pressure even after the cleaning is performed by increasing the exhaust gas temperature.
  • the display device 180 may receive a warning signal from the control device 140 and provide it to the driver.
  • the display device may be a buzzer, a speaker, a lamp, a display device, or the like.
  • the display device 180 may include a plurality of display units operated as shown in Table 1 below according to the type of warning signal received from the control device 140.
  • the first display unit may operate to warn the driver.
  • the cleaning warning signal is received from the control unit 180
  • the second display unit may operate to drive the driver. You can warn them.
  • the display device 180 may include only one display unit, and may combine warning signs to be displayed through the first and second display units instead of the warning signals through the first display unit and the second display unit. Other first, second and third warnings may be displayed. In this case, the replacement warning signal and the cleaning warning signal may be classified and transmitted to the driver using a plurality of colors or sounds that can be distinguished from each other.
  • the exhaust gas purification system 100 may be mounted on an exhaust pipe connected to an engine to purify the exhaust gas discharged from the engine.
  • the control device 140 can automatically control the reducing agent injection amount in the reducing agent injection module 130, it can be applied to a mechanical engine that does not include an electronic control unit (ECU).
  • ECU electronice control unit
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a method for monitoring performance of an exhaust gas purification system according to exemplary embodiments.
  • the concentration of nitrogen oxides in the exhaust gas is measured by using the first concentration sensor 150 and the second concentration sensor 152 installed at the front and the rear of the selective reduction catalyst device 120, respectively.
  • Measure The control device 140 may receive the measured concentration information, and calculate the nitrogen oxide conversion efficiency of the selective reduction catalyst device 120 using the measured concentration information.
  • the selective reduction catalyst device is abnormal by using the nitrogen oxide conversion efficiency and the differential pressure information.
  • the calculated NOx conversion efficiency is compared with a predetermined efficiency (hereinafter referred to as 'setting efficiency') (S110), and the measured differential pressure is compared with a preset pressure (hereinafter referred to as 'setting pressure'). (S120, S122).
  • a first warning signal is output (S130).
  • the selective reduction catalyst device 120 is deteriorated to not properly perform a reducing action on nitrogen oxides.
  • the driver can solve the problem by replacing the selective reduction catalyst device 120 with a new one.
  • the cleaning operation may be performed by a driver by operating a pedal or a lever to increase the fuel injection amount to increase the temperature of the exhaust gas, thereby removing the impurities coupled to the selective reduction catalyst device 120 or separating the housing 110 to remove the impurities.
  • the blocked portion of 120 may be cleaned, for example, mixing device 120 and carrier 122.
  • cleaning of the mixing apparatus and the carrier is not shown, first, an attempt is made to remove the exhaust gas by raising the temperature, but it may be performed when it is not solved or it is not easy to raise the temperature of the exhaust gas. If the cleaning result does not change, the driver may need to inspect the exhaust gas purification system 100 such as replacing the selective reduction catalyst device 120 with a new one.
  • the calculated switching efficiency is greater than the set efficiency, but when the measured differential pressure is greater than or equal to the set pressure, a third warning signal different from the first and second warning signals is output (S134).
  • a third warning signal different from the first and second warning signals is output (S134).
  • the driver may remove the impurities bound to the selective reduction catalyst device 120 by increasing the fuel injection amount to increase the temperature of the exhaust gas.
  • the driver may also detach the housing 110 to clean the blocked portion of the selective reduction catalyst device 120, for example, the mixing device 120 and the carrier 122. Direct cleaning of the mixing device and the carrier may be performed if not shown but first attempting to remove the exhaust gas by raising the temperature, but if not resolved or raising the temperature of the exhaust gas is not acceptable.
  • the warning signal may not be output.
  • exhaust gas purification system 110 housing
  • passage 130 reducing agent injection module
  • reducing agent storage tank 134 reducing agent supply line
  • control device 150 first concentration sensor
  • first pressure line 164 second pressure line

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Abstract

배기가스 정화 시스템은 엔진으로부터 배기가스가 배출되는 배기 파이프에 장착 가능한 하우징에 설치되고 하우징 내부로 환원제를 분사하는 환원제 분사 모듈, 하우징 내부의 환원제 분사 모듈 후방에 설치되고 배기가스 중의 질소산화물을 환원제 분사 모듈에서 분사된 환원제와 촉매 반응시킴으로써 질소산화물을 환원시키기 위한 선택적 환원 촉매 장치, 선택적 환원 촉매 장치 전방의 하우징 내부 압력 및 선택적 환원 촉매 장치 후방의 하우징 내부 압력 사이의 압력차를 측정하기 위한 차압 센서, 및 차압 센서로부터 압력 정보를 수신하고 수신된 압력이 기 설정된 압력 이하인 경우 제1 경고 신호를 출력하기 위한 제어 장치를 포함한다.

Description

배기가스 정화 시스템 및 이의 모니터링 방법
본 발명은 배기가스 정화 시스템 및 이의 모니터링 방법에 관한 것이다. 더욱 자세하게는, 선택적 환원 촉매 장치를 갖는 배기가스 정화 시스템 및 이의 모니터링 방법에 관한 것이다.
디젤 엔진은 압축착화 연소 방식을 채용함으로써 높은 압축비로 연료를 연소시킬 수 있으나, 진동이 심하고, 질소산화물(NOX)및 분진 등의 공해물질을 다량으로 배출한다는 단점이 있다. 이에 따라, 점차 강화되고 있는 배기 규제를 만족시키기 위하여 선택적 환원 촉매(Selective catalyst reduction, SCR) 장치 등과 같은 배기가스 후처리 장치들을 구비할 수 있다.
선택적 환원 촉매 장치는 요소수 등의 환원제를 배기가스 중의 질소산화물(NOX)과 촉매 반응시킴으로써 질소산화물을 질소 가스와 물로 환원시킬 수 있다.
그런데, 배기가스의 온도가 낮아지거나 유량이 적어지면 환원제 분사 모듈에서 분사된 요소수가 선택적 환원 촉매 장치의 내벽 등에 부착되어 결정화될 수 있다. 또한, 저품질의 연료를 사용하는 경우에는 요소수가 그을음(soot) 등과 결합하여 선택적 환원 촉매 장치의 입구를 막을 수도 있다. 이로 인하여 선택적 환원 촉매 장치의 성능이 저하될 수 있고, 엔진의 배출가스 압력이 상승하여 엔진의 성능이 저하될 수 있다.
본 발명의 일 과제는 배기가스 정화 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 과제는 배기가스 정화 시스템의 성능을 모니터링하는 방법을 제공하는데 있다.
상술한 본 발명의 일 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 배기가스 정화 시스템은 엔진으로부터 배기가스가 배출되는 배기 파이프에 장착 가능한 하우징에 설치되고 상기 하우징 내부로 환원제를 분사하는 환원제 분사 모듈, 상기 하우징 내부의 상기 환원제 분사 모듈 후방에 설치되고 배기가스 중의 질소산화물을 상기 환원제 분사 모듈에서 분사된 환원제와 촉매 반응시킴으로써 질소산화물을 환원시키기 위한 선택적 환원 촉매 장치, 상기 선택적 환원 촉매 장치 전방의 압력 및 상기 선택적 환원 촉매 장치 후방의 압력 사이의 압력차를 측정하기 위한 차압 센서, 및 상기 차압 센서로부터 압력 정보를 수신하고 상기 수신된 압력이 기 설정된 압력 이하인 경우 제1 경고 신호를 출력하기 위한 제어 장치를 포함한다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 엔진은 기계식 엔진일 수 있으며, 상기 환원제 분사 모듈은 상기 엔진으로 유입되는 공기량 변화 및 배기가스의 질소산화물의 농도 변화 중 적어도 하나에 대응하는 양을 기반으로 상기 환원제의 분사량을 조절할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 배기가스 정화 시스템은 상기 엔진으로 흡입되는 공기의 양을 측정하기 위한 공기량 센서를 더 포함할 수 있고, 상기 제어 장치는 상기 공기량 센서로부터 흡입 공기량에 대한 정보를 수신하여 상기 환원제 분사 모듈의 환원제 분사량을 제어할 수 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 공기량 센서는 마프(Manifold Absolute Pressure, MAP) 센서일 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 배기가스 정화 시스템은 상기 선택적 환원 촉매 장치 전방 및 후방의 상기 하우징 일측벽에 각각 설치되며, 상기 하우징 내부의 질소산화물의 농도를 측정하기 위한 제1 농도 센서 및 제2 농도 센서를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 제1 및 제2 농도 센서들로부터 질소산화물의 농도 정보들을 수신할 수 있고, 상기 수신된 농도 정보들로부터 상기 선택적 환원 촉매 장치의 질소산화물 전환 효율을 계산할 수 있고, 상기 계산된 전환 효율이 기 설정된 전환 효율 이하인 경우 상기 제1 신호와 다른 제2 경고 신호를 출력할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 전환 효율이 기 설정된 전환 효율 이상이고, 상기 수신된 압력이 기 설정된 압력 이상인 경우 상기 제1 및 제2 경고 신호들과 다른 제3 경고 신호를 출력할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 배기가스 정화 시스템은 상기 제1 내지 제3 경고 신호들을 운전자에게 알리기 위한 표시 장치를 더 포함할 수 있고, 상기 표시 장치는 상기 전환 효율이 기 설정된 전환 효율 이하일 경우 작동하는 제1 표시부, 및 상기 수신된 압력이 기 설정된 압력 이상인 경우 작동하는 제2 표시부를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 배기가스 정화 시스템은 상기 제1 경고 신호를 운전자에게 알리기 위한 표시 장치를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 배기가스 정화 시스템은 상기 환원제 분사 모듈 및 상기 선택적 환원 촉매 장치 사이에 설치되며, 상기 환원제를 배기가스와 균일하게 혼합시키기 위한 믹싱 장치를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 차압 센서는, 상기 선택적 환원 촉매 장치 전방과 연결된 제1 압력 라인 및 상기 선택적 환원 촉매 장치 후방에 연결된 제2 압력 라인과 연결될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 하우징은 상기 담체 전방측 하우징과 상기 담체가 설치된 하우징이 상호 분리 가능하게 연결되고, 상기 제1 압력 라인은 상기 믹싱 장치와 상기 선택적 환원 촉매 장치 내부에 설치된 담체 사이에 연결될 수 있다.
상술한 본 발명의 다른 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 배기가스 정화 시스템의 모니터링 방법은 선택적 환원 촉매 장치 전후에서의 배기가스의 압력차 및 상기 배기가스에 포함된 질소산화물의 농도를 검출한다. 상기 검출된 농도 정보들로부터 상기 선택적 환원 촉매 장치의 질소산화물 전환 효율을 계산한다. 상기 계산된 전환 효율 및 상기 검출된 압력차로부터 상기 선택적 환원 촉매 장치의 이상 여부를 판단한다. 그리고 상기 선택적 환원 촉매 장치에 이상이 있다고 판단되면 경고신호를 출력한다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 선택적 환원 촉매 장치의 이상 여부를 판단하는 단계는, 상기 계산된 전환 효율이 기 설정된 전환 효율 이하인 경우 또는 상기 측정된 압력차가 기 설정된 압력 이상인 경우 상기 선택적 환원 촉매 장치에 이상이 있는 것으로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 선택적 환원 촉매 장치의 이상 여부를 판단하는 단계는, 상기 계산된 전환 효율이 기 설정된 전환 효율 이상이고 상기 측정된 압력차가 기 설정된 압력 이상인 경우 상기 선택적 환원 촉매 장치에 이상이 있는 것으로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 선택적 환원 촉매 장치의 이상 여부를 판단하는 단계는, 상기 측정된 압력차가 기 설정된 압력 이상인 경우 상기 선택적 환원 촉매 장치의 일부가 막힌 것으로 판단하여 상기 선택적 환원 촉매 장치의 클리닝을 유도하는 단계를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 배기가스 정화 시스템은 환원제 분사량을 직접 제어할 수 있기 때문에, 전자 제어 장치(Electronic Control unit, ECU)를 포함하지 않는 기계식 엔진에도 장착될 수 있다.
또한, 선택적 환원 촉매 장치의 이상 여부를 판단하여 운전자에게 경고함으로써, 운전자의 정비를 유도하여 상기 선택적 환원 촉매 장치의 성능을 일정하게 유지시킬 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 배기가스 정화 시스템을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 배기가스 정화 시스템을 나타내는 단면도이다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 배기가스 정화 시스템의 성능 모니터링 방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
명세서 전체에 걸쳐서, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에", "연결되어", 또는 "커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 상술한 하나의 구성요소가 직접적으로 다른 구성요소 "상에", "연결되어", 또는 "커플링되어" 접촉하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에", "직접 연결되어", 또는 "직접 커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다. 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역 또는 부분을 다른 영역 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1 부재, 부품, 영역 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 부품, 영역 또는 부분을 지칭할 수 있다.
또한, "상의" 또는 "위의" 및 "하의" 또는 "아래의"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향에 추가하여 장치의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면들에서 장치가 뒤집어 진다면(turned over), 다른 요소들의 상부의 면상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상술한 다른 요소들의 하부의 면상에 방향을 가지게 된다. 그러므로, 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수 있다. 구성 요소가 다른 방향으로 향한다면(다른 방향에 대하여 90도 회전), 본 명세서에 사용되는 상대적인 설명들은 이에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 이하 실시예들은 하나 또는 복수 개를 조합하여 구성할 수도 있다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 배기가스 정화 시스템을 나타내는 사시도이다. 도 2는 도 1의 배기가스 정화 시스템을 나타내는 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 배기가스 정화 시스템(100)은 엔진(도시되지 않음)으로부터 배기가스가 배출되는 배기 파이프(도시되지 않음)에 연결되는 하우징(110), 하우징(110) 내부에 순차적으로 설치되는 환원제 분사 모듈(130) 및 선택적 환원 촉매(Selective Catalyst Reduction, SCR) 장치(120), 선택적 환원 촉매 장치(120)의 전방과 후방에서 하우징(110)의 일측벽에 각각 설치되어 하우징(110) 내부의 질소산화물의 농도를 측정하기 위한 제1 농도 센서(150) 및 제2 농도 센서(152), 선택적 환원 촉매 장치(120) 전방의 하우징(110) 내부 압력 및 선택적 환원 촉매 장치(120) 후방의 하우징(110) 내부 압력 사이의 압력차를 측정하기 위한 차압 센서(160), 환원제 분사 모듈(130)에서의 환원제 분사량을 제어하고 선택적 환원 촉매 장치(120)에 이상이 있는 경우 경고신호를 출력하기 위한 제어 장치(140), 및 상기 경고신호를 운전자에게 알리기 위한 표시 장치(180)를 포함할 수 있다. 이 때, '전방'에 위치한다는 것은 상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 흐름(F)을 기준으로 상대적으로 상기 엔진에 더 가까이 있음을 나타내고, '후방'에 위치한다는 것은 상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 흐름(F)을 기준으로 상대적으로 상기 엔진에서 더 멀리 있음을 나타낸다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 엔진은 기계식 엔진일 수 있다. 상기 기계식 엔진은 기계적인 방식, 예를 들어, 운전자의 페달 또는 스로틀 레버 조작 등에 의하여 상기 엔진의 컨디션을 수동으로 조절하는 방식의 엔진일 수 있다. 이와 다르게, 전자식 엔진은 전자 제어 장치(Electronic Control Unit, ECU)에 의하여 상기 엔진의 컨디션을 자동으로 조절하는 방식의 엔진일 수 있다. 즉, 상기 전자 제어 장치(ECU)가 연료 분사량, 흡입 공기량, 환원제 분사량 등을 자동으로 제어하는 상기 전자식 엔진과는 달리, 상기 기계식 엔진은 운전자가 페달이나 레버 등을 이용하여 수동으로 연료 분사량 등을 제어할 수 있다. 다만, 후술하는 제어 장치(140)는 공기량 센서(170)로부터 수신한 상기 엔진의 흡입 공기량 정보를 이용하여 환원제 분사 모듈(130)의 환원제 분사량을 자동으로 제어할 수 있다.
하우징(110)의 일단은 상기 엔진과 연결된 상기 배기 파이프에 장착될 수 있다. 하우징(110)의 타단은 외부와 연통되거나 또는 암모니아 슬립 촉매 장치(도시되지 않음) 등의 다른 배기가스 정화 장치와 연결될 수 있다. 예를 들면, 상기 하우징은 상기 배기 파이프와 동일한 소재를 포함할 수 있다.
상기 엔진에서 배출된 배기가스는 상기 배기 파이프를 통해 하우징(110) 내부로 유입될 수 있다. 배기가스는 하우징(110) 내부에서 환원제 분사 모듈(130)에 의해 환원제와 혼합되며, 선택적 환원 촉매 장치(120)에 의해 질소산화물(NOX)이 제거되어 외부로 배출될 수 있다. 이 경우에 있어서, 하우징(110)의 일측벽에는 제1 및 제2 농도 센서들(150, 152), 및 제1 및 제2 압력 라인들(162, 164)이 설치될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 하우징은 상기 배기 파이프에 분리 가능하도록 설치될 수 있다. 예를 들면, 후술하는 담체(122)를 기준으로 하여 전방측 하우징이 담체(122)가 설치된 후방측 하우징과 분리 가능하도록 설치될 수 있다. 이 경우에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 담체(122)및 후술하는 믹싱 장치(190) 사이가 상호 분리될 수 있으며, 상기 전,후방측 하우징 단부들의 플랜지들(연결 부위)은 볼트와 같은 체결 부재(128)에 의해 서로 연결되어 상기 하우징을 형성할 수 있다. 이와 같이, 상기 하우징이 분리 가능하도록 구성된 경우, 제1 압력 라인(162)은 상기 하우징의 연결 부위보다 후방에 연결되어 상기 하우징의 분리 및 장착을 용이하게 할 수 있다.
환원제 분사 모듈(130)은 선택적 환원 촉매 장치(120) 전방에 설치되며, 상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스에 포함된 질소산화물을 환원시키기 위하여 우레아(Urea)와 같은 환원제를 하우징(110) 내부로 분사할 수 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 환원제 분사 모듈(130)은 상기 엔진으로 유입되는 공기량 변화, 배기가스의 질소산화물의 농도 변화 또는 이들의 조합에 대응하는 분사량으로 환원제를 분사할 수 있다. 이러한 환원제 분사량의 조절은 후술하는 제어 장치(140) 또는 환원제 분사 모듈(130)에 마련된 별도의 제어 장치를 통해 제어될 수 있다. 상기 엔진 유입 공기량 변화는 후술하는 공기량 센서(170)에 의해 검출되거나 운전자의 페달 또는 레버 조작량을 기반으로 산출될 수 있다. 상기 질소산화물의 농도 변화는 후술하는 제1 농도 센서(150)를 통해 검출될 수 있다. 또한, 상기 환원제 분사량은 후술하는 제2 농도 센서(152)의 질산화물 농도 검출량을 피드백 받아 보정될 수 있다.
예를 들면, 환원제 분사 모듈(130)은 환원제 공급 라인(134)을 통해 환원제 저장 탱크(132)와 연결되어 상기 환원제를 하우징(110) 내부로 분사할 수 있다. 상기 엔진으로부터 배출된 배기가스의 온도는 수백 ℃에 이르는 고온이므로, 하우징(110) 내에 분사된 상기 환원제는 곧바로 기화될 수 있다. 상기 기화된 환원제는 배기가스와 혼합되고, 질소산화물은 선택적 환원 촉매 장치(120)에서 상기 환원제와 촉매 반응하여 질소 가스와 물로 환원될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 배기가스 정화 시스템(100)은 환원제 분사 모듈(130) 및 선택적 환원 촉매 장치(120)사이에 설치되는 믹싱 장치(190)를 더 포함할 수 있다. 믹싱 장치(190)는 환원제 분사 모듈(130)에서 분사된 환원제가 배기가스와 균일하게 혼합되도록 하여 선택적 환원 촉매 장치(120)의 질소산화물 환원 효율을 증대시킬 수 있다. 믹싱 장치(190)는 필요에 따라 제거될 수도 있다.
선택적 환원 촉매 장치(120)는 하우징(110) 내부의 환원제 분사 모듈(130) 후방에 설치되며, 다음과 같은 반응식 1 내지 반응식 3에 의해 질소산화물을 환원시켜 인제에 무해한 질소(N2)로 변환시킬 수 있다.
[반응식 1]
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[반응식 2]
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[반응식 3]
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환원제 분사 모듈(130)을 통해 공급된 요소((NH2)2CO)는 가수 분해에 의해 암모니아(NH3)를 생성할 수 있다. 이렇게 생성된 상기 암모니아는 NO 및 NO2를 환원시켜, 인체에 무해한 질소(N2)로 변환시킬 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 선택적 환원 촉매 장치(120)는 복수개의 통로들(124)을 갖는 담체(122)를 포함할 수 있다. 담체(122)는 축방향으로 연장하는 복수개의 통로들(124)을 구비함으로써 선택적 환원 촉매 장치(120)와 배기가스 사이의 접촉 면적을 증가시킬 수 있다.
예를 들면, 상기 담체는 세라믹 재질의 원재료를 압출하여 허니콤(honeycomb) 형상으로 형성될 수 있다. 담체(122)의 예로서는, 코디어라이트, 탄화규소, 페칼로이, NiCrAl, NiFeCrAl 등을 들 수 있다. 이와 다르게, 담체(122)는 금속을 이용하여 다공질 구조를 갖도록 형성될 수도 있다. 예를 들면, 담체(122)는 금속 섬유(metal fiber)가 그물망처럼 엮인 금속 섬유 구조(metal fiber structure)로 형성되거나, 또는 무수히 많은 기공들을 갖는 금속 폼(metal foam) 형상으로 형성될 수도 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 배기가스 정화 시스템은 선택적 환원 촉매 장치(120) 후방에 설치되며 배기가스 중의 암모니아를 제거하기 위한 암모니아 슬립 촉매 장치(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다.
환원제 분사 모듈(130)에서 분사된 환원제에 의해 생성된 암모니아는 배기가스 중의 질소산화물을 환원시킬 수 있다. 이 때, 질소산화물의 전환 효율을 극대화시키기 위해서 화학 양론적 양보다 더 많은 양의 암모니아가 공급될 수 있다. 이로 인해, 암모니아가 촉매반응을 통해 완전히 소모되지 못하고 대기 중으로 방출되어 대기 오염을 유발할 수 있는데, 이를 암모니아 슬립(Ammonia slip) 현상이라 한다. 상기 암모니아 슬립 촉매 장치는 선택적 환원 촉매 장치(120)에서 소모되지 못한 암모니아를 제거함으로써 암모니아 슬립 현상을 방지할 수 있다.
제1 농도 센서(150)는 선택적 환원 촉매 장치(120) 전방에서 하우징(110)의 일측벽에 설치되며, 제2 농도 센서(152)는 선택적 환원 촉매 장치(122) 후방에서 하우징(110)의 일측벽에 설치될 수 있다. 제1 및 제2 농도 센서들(150, 152)은 하우징(110) 내부의 배기가스 중에 포함된 질소산화물(NOX)의 농도를 측정할 수 있다. 즉, 제1 농도 센서(150)는 선택적 환원 촉매 장치(120)로 유입되는 배기가스 중의 질소산화물 농도를 측정할 수 있고, 제2 농도 센서(152)는 선택적 환원 촉매 장치(120)로부터 배출되는 배기가스 중의 질소산화물 농도를 측정할 수 있다. 상기 측정된 농도 정보들은 제어 장치(140)로 입력될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 차압 센서(160)는 하우징(110)의 내부에서 하우징(110)의 외부로 연장하는 제1 압력 라인(162) 및 제2 압력 라인(164)을 포함할 수 있다. 제1 압력 라인(162)의 일단은 선택적 환원 촉매 장치(120) 전방에서 하우징(110)의 일측벽을 관통하여 배기가스와 접촉하며, 타단은 차압 센서(160)와 연결될 수 있다. 제2 압력 라인(164)의 일단은 선택적 환원 촉매 장치(120) 후방에서 하우징(110)의 일측벽을 관통하여 배기가스와 접촉하며, 타단은 차압 센서(160)와 연결될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 및 제2 압력 라인들은 상기 차압 센서와 상기 하우징 내부를 연결하는 호스들일 수 있다. 상술한 제1 및 제2 압력 라인들은 상기 하우징 대신 상기 배기 파이프에 연결될 수 있다. 또한, 상기 제1 압력 라인은 믹싱 장치(190)와 담체(122) 사이의 하우징 내부와 연결될 수 있다. 이 경우, 담체(122)의 입구측에 이물질이 쌓여 발생되는 마스킹(masking) 여부를 압력 측정을 통해 확인할 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 상기 하우징을 분리시킬 경우, 제1 압력 라인(162)에 의한 분해 조립의 어려움을 방지할 수 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 믹싱 장치(190)의 전방에 별도의 압력 센서를 상술한 제1 및 제2 압력 라인들과 별도로 설치할 수 있다. 이 경우에 있어서, 믹싱 장치(190) 및 담체(122) 각각에서의 막힘 현상을 서로 구별하여 검출할 수 있다.
차압 센서(160)는 제1 압력 라인(162) 및 제2 압력 라인(164)과 연결되며, 제1 압력 라인(162) 내부의 압력과 제2 압력 라인(164) 내부의 압력의 차이를 측정할 수 있다. 이 때, 상기 제1 압력 라인(162) 내부의 압력은 선택적 환원 촉매 장치(120) 전방의 하우징(110) 내부 압력과 동일할 수 있고, 상기 제2 압력 라인(164) 내부의 압력은 선택적 환원 촉매 장치(120) 후방의 하우징(110) 내부 압력과 동일할 수 있다. 즉, 차압 센서(160)는 선택적 환원 촉매 장치(120) 전방과 후방의 하우징(110) 내부 압력차를 검출할 수 있다. 상기 검출된 압력 정보는 제어 장치(140)로 입력될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 배기가스 정화 시스템(100)은 상기 엔진으로 유입되는 공기량을 파악하기 위한 공기량 센서(170)를 더 포함할 수 있다.
공기량 센서(170)는 상기 엔진의 흡기 매니폴드와 연결되며, 상기 엔진으로 유입되는 공기의 양을 측정할 수 있다. 상기 측정된 공기량 정보는 제어 장치(140)로 입력되며, 제어 장치(140)는 상기 입력된 공기량 정보 및 배기가스 중의 질소산화물 농도 정보를 이용하여 환원제 분사 모듈(130)에서의 환원제 분사량을 결정할 수 있다.
예를 들면, 공기량 센서(170)는 마프(Manifold Absolute Pressure, MAP) 센서일 수 있다. 상기 마프 센서는 상기 흡기 매니폴드에 설치되거나 또는 하우징(110)의 일측에 설치되어 상기 흡기 매니폴드와 연결될 수 있다. 상기 마프 센서는 흡기 매니폴드 내의 절대 압력을 측정함으로써 이로부터 상기 엔진으로 유입되는 공기의 양을 간접적으로 검출할 수 있다. 상기 검출된 흡기 공기량 정보는 제어 장치(140)로 입력될 수 있다.
제어 장치(140)는 하우징(110)의 일측면 상에 장착되거나 또는 하우징(110)과 분리되어 차량에 장착될 수도 있다. 제어 장치(140)는 센서들(150, 152, 160, 170)로부터 정보들을 수신하고, 상기 수신된 정보들을 이용하여 환원제 분사 모듈(130)을 제어하거나 또는 운전자에게 경고 신호를 출력할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 센서들(150, 152, 160, 170)로부터 검출된 정보들은 무선 통신, 예를 들면, CAN(Controller Area Network), LIN(Local Interconnect Network), FlexRay 등을 통해 제어 장치(140)로 송신될 수 있다. 이와 다르게, 센서들(150, 152, 160, 170) 중 적어도 일부는 유선을 통해 직접 제어 장치(140)와 연결될 수도 있다.
제어 장치(140)는 공기량 센서(170)로부터 상기 엔진에 공급되는 공기의 양에 대한 정보를 수신할 수 있고, 제1 농도 센서(150)로부터 하우징(110) 내부의 질소산화물의 농도 정보를 수신할 수 있다. 제어 장치(140)는 수신된 공기량 정보 및 질소산화물의 농도 정보를 이용하여 하우징(110) 내부에서 필요한 환원제의 양을 계산하고, 이에 따른 제어신호를 환원제 분사 모듈(130)로 출력할 수 있다.
제어 장치(140)는 선택적 환원 촉매 장치(120)의 이상 여부를 판단하여 운전자에게 경고신호를 출력할 수 있다.
예를 들어, 제어 장치(140)는 제1 및 제2 농도 센서들(150, 152)로부터 하우징(110) 내부의 질소산화물의 농도에 대한 정보를 수신할 수 있다. 구체적으로, 제1 농도 센서(150)로부터 선택적 환원 촉매 장치(120) 전방에서의 질소산화물 농도 정보를 수신하고, 제2 농도 센서(152)로부터 선택적 환원 촉매 장치(120) 후방에서의 질소산화물 농도 정보를 수신할 수 있다. 제어 장치(120)는 수신된 농도 정보들을 이용하여 선택적 환원 촉매 장치(120)의 질소산화물 전환 효율을 계산해 낼 수 있고, 계산된 전환 효율을 기 설정된 효율(이하 '설정 효율'이라 한다)과 비교함으로써 선택적 환원 촉매 장치(120)의 이상 여부를 판단할 수 있다. 즉, 상기 계산된 전환 효율이 상기 설정 효율 이상인 경우에는 선택적 환원 촉매 장치(120)의 성능이 정상인 것으로 판단할 수 있고, 이와 다르게 상기 계산된 전환 효율이 상기 설정 효율 미만인 경우에는 선택적 환원 촉매 장치(120)가 열화되어 교체가 필요한 것으로 판단할 수 있다. 제어 장치(120)는 표시 장치(180)로 선택적 환원 촉매 장치(120)를 교체하라는 경고신호를 출력할 수 있다. 이 경우, 운전자는 선택적 환원 촉매 장치(120)를 새 것으로 교체함으로써 상기 문제를 해결할 수 있다.
또한, 제어 장치(140)는 차압 센서(160)로부터 선택적 환원 촉매 장치(120) 전방의 하우징(110) 내부 압력과 선택적 환원 촉매 장치(120) 후방의 하우징(110) 내부 압력 사이의 압력차에 대한 정보를 수신할 수 있다. 제어 장치(140)는 수신된 압력차를 기 설정된 압력(이하 '설정 압력'이라 한다)과 비교함으로써 선택적 환원 촉매 장치(120)의 이상 여부를 판단할 수 있다.
구체적으로, 상기 수신된 압력차가 상기 설정 압력 이하인 경우에는 선택적 환원 촉매(120)가 정상적으로 작동하는 것으로 판단할 수 있고, 상기 수신된 압력차가 상기 설정 압력을 초과하는 경우에는 선택적 환원 촉매 장치(120)에 이상이 있는 것으로 판단할 수 있다. 예를 들어, 저품질의 연료를 사용하는 경우 배기가스에는 그을음(soot) 등의 불순물이 다량 포함될 수 있는데, 상기 불순물이 환원제와 결합하여 선택적 환원 촉매 장치(120)의 전단을 막을 수 있다. 이 경우 선택적 환원 촉매 장치(120) 전방과 후방에서의 압력차가 크게 나타날 수 있다.
제어 장치(140)는 선택적 환원 촉매 장치(120)의 일부가 막힌 것으로 판단되면 표시 장치(180)로 선택적 환원 촉매 장치(120)를 클리닝하라는 경고신호를 출력할 수 있다. 상기 클리닝은 운전자가 연료 분사량을 늘려 배기가스의 온도를 상승시킴으로써 선택적 환원 촉매 장치(120)에 결합된 불순물들이 제거되도록 할 수 있다. 상기 하우징이 전후방이 분리 가능하도록 구성된 경우, 상기 클리닝 작업을 운전자 또는 작업자가 직접 하우징을 분리하여 진행할 수 있다. 이러한 수동 클리닝은 우선 배기가스 온도를 높여 클리닝을 진행한 후에도 압력에 이상이 발생된 경우 진행할 수 있다.
표시 장치(180)는 제어 장치(140)로부터 경고신호를 수신하여 이를 운전자에게 제공할 수 있다. 예를 들면, 상기 표시 장치는 부저, 스피커, 램프, 디스플레이 장치 등일 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 표시 장치(180)는 제어 장치(140)로부터 수신되는 경고신호의 종류에 따라 아래의 표 1과 같이 작동되는 복수개의 표시부들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어 장치(180)로부터 상기 교체 경고신호가 수신되면 제1 표시부가 작동하여 운전자에게 경고할 수 있고, 제어 장치(180)로부터 상기 클리닝 경고신호가 수신되면 제2 표시부가 작동하여 운전자에게 경고할 수 있다. 이와 다르게, 표시 장치(180)는 하나의 표시부만을 포함할 수 있으며, 앞서 설명된 제1 표시부 및 제2 표시부를 통한 경고신호 대신 상기 제1 및 제2 표시부들을 통해 표시될 경고 표시들을 조합하여 서로 다른 제1, 제2, 제3 경고를 표시할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 내지 제3 표시들을 서로 구분 가능한 복수개의 색상 또는 소리 등을 이용하여 상기 교체 경고신호와 상기 클리닝 경고신호를 구분하여 운전자에게 전달할 수 있다.
Figure PCTKR2016009610-appb-T000001
상술한 바와 같이, 예시적인 실시예들에 따른 배기가스 정화 시스템(100)은 엔진과 연결된 배기 파이프에 장착되어 상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 정화할 수 있다. 이 때, 제어 장치(140)가 환원제 분사 모듈(130)에서의 환원제 분사량을 자동으로 제어할 수 있기 때문에, 전자 제어 장치(ECU)를 포함하지 않는 기계식 엔진에도 적용될 수 있다.
또한, 선택적 환원 촉매 장치(120) 전방 및 후방에 설치되는 질소산화물 농도 센서들(150, 152) 및 차압 센서(160)를 이용하여 선택적 환원 촉매 장치(120)의 이상 여부를 판단할 수 있다. 선택적 환원 촉매 장치(120)에 이상이 있다고 판단되면 경고신호를 출력하여 운전자의 정비를 유도함으로써, 선택적 환원 촉매 장치(120)의 성능을 일정하게 유지할 수 있다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 배기가스 정화 시스템의 성능 모니터링 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3을 참조하면, 먼저, 선택적 환원 촉매 장치의 질소산화물 전환 효율 및 선택적 환원 촉매 장치 전후에서의 배기가스의 압력차를 모니터링 한다(S100).
예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 선택적 환원 촉매 장치(120) 전방과 후방에 각각 설치된 제1 농도 센서(150) 및 제2 농도 센서(152)를 이용하여 배기가스 중의 질소산화물 농도를 측정한다. 제어 장치(140)는 상기 측정된 농도 정보들을 수신하고, 이를 이용하여 선택적 환원 촉매 장치(120)의 질소산화물 전환 효율을 계산할 수 있다.
또한, 차압 센서(160)를 이용하여 선택적 환원 촉매 장치(120)의 전후에서의 배기가스의 압력차를 측정한다. 제어 장치(140)는 상기 측정된 차압 정보를 수신할 수 있다.
이후, 상기 질소산화물 전환 효율 및 상기 차압 정보를 이용하여 선택적 환원 촉매 장치의 이상 여부를 판단하고, 이상이 있는 것으로 판단되면 경고신호를 출력한다.
구체적으로, 상기 계산된 질소산화물 전환 효율을 기 설정된 효율(이하 '설정 효율'이라 한다)과 비교하고(S110), 상기 측정된 차압을 기 설정된 압력(이하 '설정 압력'이라 한다)과 비교한다(S120, S122).
상기 계산된 전환 효율이 상기 설정 효율 이하이고, 상기 측정된 차압은 상기 설정 압력 미만인 경우에는 제1 경고신호를 출력한다(S130). 예를 들면, 선택적 환원 촉매 장치(120)가 열화되어 질소산화물에 대한 환원 작용을 제대로 수행하지 못하는 경우일 수 있다. 운전자는 선택적 환원 촉매 장치(120)를 새 것으로 교체함으로써 상기 문제를 해결할 수 있다.
상기 계산된 전환 효율이 상기 설정 효율 이하이고, 상기 측정된 차압이 상기 설정 압력 이상인 경우에는 상기 제1 경고신호와 다른 제2 경고신호를 출력한다(S132). 예를 들면, 배기가스에 포함된 불순물 또는 환원제가 선택적 환원 촉매 장치(120)의 전단을 막고 있으며, 선택적 환원 촉매 장치(120) 자체 성능에도 문제가 있는 경우일 수 있다. 이 경우, 선택적 환원 촉매 장치(120) 자체에는 이상이 없으나, 배기가스에 포함된 불순물 또는 환원제가 선택적 환원 촉매 장치(120)의 전단을 막은 경우일 수 있다. 이 때, 제어 장치는 표시 장치 등을 통해 경고함으로써 운전자가 선택적 환원 장치(120)를 클리닝하도록 유도할 수 있다. 상기 클리닝 작업은 운전자가 페달 또는 레버를 작동시켜 연료 분사량을 늘려 배기가스의 온도를 상승시킴으로써 선택적 환원 촉매 장치(120)에 결합된 상기 불순물들을 제거하거나 하우징(110)을 분리하여 선택적 환원 촉매 장치(120)의 막힌 부위, 예를 들면, 믹싱 장치(120) 및 담체(122)를 청소할 수 있다. 상기 믹싱 장치 및 상기 담체의 청소는, 도시되지 않았지만 우선 배기가스의 온도를 상승시켜 제거하는 것을 시도하였으나 해결되지 않거나 배기가스의 온도를 상승시키는 것이 여의치 않을 경우 수행할 수 있다. 클리닝에도 진단결과가 변화가 없을 경우 운전자는 선택적 환원 촉매 장치(120)를 새 것으로 교체하는 등 배기가스 정화 시스템(100)에 대한 전반적인 검사가 필요할 수 있다.
상기 계산된 전환 효율은 상기 설정 효율보다 크지만, 상기 측정된 차압이 상기 설정 압력 이상인 경우에는 상기 제1 및 제2 경고신호들과 다른 제3 경고신호를 출력한다(S134). 예를 들면, 선택적 환원 촉매 장치(120) 자체에는 이상이 없으나, 배기가스에 포함된 불순물 또는 환원제가 선택적 환원 촉매 장치(120)의 전단을 막은 경우일 수 있다. 운전자는 연료 분사량을 늘려 배기가스의 온도를 상승시킴으로써 선택적 환원 촉매 장치(120)에 결합된 상기 불순물들을 제거할 수 있다. 또한 운전자는 하우징(110)을 분리하여 선택적 환원 촉매 장치(120)의 막힌 부위, 예를 들면, 믹싱 장치(120) 및 담체(122)를 청소할 수 있다. 상기 믹싱 장치 및 상기 담체의 직접 청소는, 도시되지 않았지만 우선 배기가스의 온도를 상승시켜 제거하는 것을 시도하였으나 해결되지 않거나 배기가스의 온도를 상승시키는 것이 여의치 않을 경우 수행할 수 있다.
마지막으로, 상기 계산된 전환 효율도 상기 설정 효율보다 크고, 상기 측정된 차압도 상기 설정 압력 미만인 경우에는 선택적 환원 촉매 장치(120)에 이상이 없는 것으로 판단할 수 있다. 따라서 경고신호를 출력하지 않을 수 있다.
상술한 바와 같이, 예시적인 실시예들에 따른 배기가스 정화 시스템의 모니터링 방법은, 선택적 환원 촉매 장치 전후에서의 질소산화물의 농도 정보 및 배기가스의 차압 정보들을 이용하여 상기 선택적 환원 촉매 장치의 이상 여부를 판단할 수 있다. 상기 선택적 환원 촉매 장치에 이상이 있는 것으로 판단되면 운전자에게 경고신호를 출력함으로써, 상기 배기가스 정화 시스템의 성능을 담보할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
<부호의 설명>
100: 배기가스 정화 시스템 110: 하우징
120: 선택적 환원 촉매 장치 122: 담체
124: 통로 130: 환원제 분사 모듈
132: 환원제 저장 탱크 134: 환원제 공급 라인
140: 제어 장치 150: 제1 농도 센서
152: 제2 농도 센서 160: 차압 센서
162: 제1 압력 라인 164: 제2 압력 라인
170: 공기량 센서 180: 표시 장치
190: 믹싱 장치

Claims (13)

  1. 엔진으로부터 배기가스가 배출되는 배기 파이프에 장착 가능한 하우징에 설치되고, 상기 하우징 내부로 환원제를 분사하는 환원제 분사 모듈;
    상기 환원제 분사 모듈 후방에 설치되고, 상기 배기가스에 포함된 질소산화물을 상기 환원제 분사 모듈에서 분사된 환원제와 촉매 반응시킴으로써 질소산화물을 환원시키기 위한 선택적 환원 촉매 장치;
    상기 선택적 환원 촉매 장치 전방의 압력 및 상기 선택적 환원 촉매 장치 후방의 압력 사이의 압력차를 측정하기 위한 차압 센서; 및
    상기 차압 센서로부터 압력 정보를 수신하고, 상기 수신된 압력이 기 설정된 압력 이하인 경우 제1 경고 신호를 출력하기 위한 제어 장치를 포함하는 배기가스 정화 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 엔진은 기계식 엔진이고, 상기 환원제 분사 모듈은 상기 엔진으로 유입되는 공기량 변화 및 배기가스의 질소산화물의 농도 변화 중 적어도 하나에 대응하는 양을 기반으로 상기 환원제의 분사량을 조절하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 엔진으로 흡입되는 공기의 양을 측정하기 위한 공기량 센서를 더 포함하고,
    상기 제어 장치는 상기 공기량 센서로부터 흡입 공기량에 대한 정보를 수신하여 상기 환원제 분사 모듈의 환원제 분사량을 제어하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 선택적 환원 촉매 장치 전방 및 후방의 상기 하우징 일측벽에 각각 설치되며, 상기 하우징 내부의 질소산화물의 농도를 측정하기 위한 제1 농도 센서 및 제2 농도 센서를 더 포함하고,
    상기 제어 장치는 상기 제1 및 제2 농도 센서들로부터 질소산화물의 농도 정보들을 수신하고, 상기 수신된 농도 정보들로부터 상기 선택적 환원 촉매 장치의 질소산화물 전환 효율을 계산하고, 상기 계산된 전환 효율이 기 설정된 전환 효율 이하인 경우 상기 제1 신호와 다른 제2 경고 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어 장치는 상기 전환 효율이 기 설정된 전환 효율 이상이고, 상기 수신된 압력이 기 설정된 압력 이상인 경우 상기 제1 및 제2 경고 신호들과 다른 제3 경고 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제1 내지 제3 경고 신호들을 운전자에게 알리기 위한 표시 장치를 더 포함하고,
    상기 표시 장치는,
    상기 전환 효율이 기 설정된 전환 효율 이하일 경우 작동하는 제1 표시부; 및
    상기 수신된 압력이 기 설정된 압력 이상인 경우 작동하는 제2 표시부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 경고 신호를 운전자에게 알리기 위한 표시 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 환원제 분사 모듈 및 상기 선택적 환원 촉매 장치 사이에 설치되며, 상기 환원제를 배기가스와 균일하게 혼합시키기 위한 믹싱 장치를 더 포함하고,
    상기 차압 센서는,
    상기 선택적 환원 촉매 장치 전방과 연결된 제1 압력 라인 및 상기 선택적 환원 촉매 장치 후방에 연결된 제2 압력 라인과 연결되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 담체 전방측 하우징과 상기 담체가 설치된 하우징이 상호 분리 가능하게 연결되고,
    상기 제1 압력 라인은 상기 믹싱 장치와 상기 선택적 환원 촉매 장치 내부에 설치된 담체 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 시스템.
  10. 선택적 환원 촉매 장치 전후에서의 배기가스의 압력차 및 상기 배기가스에 포함된 질소산화물의 농도를 검출하는 단계;
    상기 검출된 농도 정보들로부터 상기 선택적 환원 촉매 장치의 질소산화물 전환 효율을 계산하는 단계;
    상기 계산된 전환 효율 및 상기 검출된 압력차로부터 상기 선택적 환원 촉매 장치의 이상 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 선택적 환원 촉매 장치에 이상이 있다고 판단되면 경고신호를 출력하는 단계를 포함하는 배기가스 정화 시스템의 모니터링 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 선택적 환원 촉매 장치의 이상 여부를 판단하는 단계는, 상기 계산된 전환 효율이 기 설정된 전환 효율 이하인 경우 또는 상기 측정된 압력차가 기 설정된 압력 이상인 경우 상기 선택적 환원 촉매 장치에 이상이 있는 것으로 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 시스템의 모니터링 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 선택적 환원 촉매 장치의 이상 여부를 판단하는 단계는, 상기 계산된 전환 효율이 기 설정된 전환 효율 이상이고 상기 측정된 압력차가 기 설정된 압력 이상인 경우 상기 선택적 환원 촉매 장치에 이상이 있는 것으로 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 시스템의 모니터링 방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 선택적 환원 촉매 장치의 이상 여부를 판단하는 단계는, 상기 측정된 압력차가 기 설정된 압력 이상인 경우 상기 선택적 환원 촉매 장치의 일부가 막힌 것으로 판단하여 상기 선택적 환원 촉매 장치의 클리닝을 유도하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 시스템의 모니터링 방법.
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