본 발명은 디젤엔진 배기가스 저감 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 NOx 및 PM 저감 후처리장치를 동시에 적용하여 NOx 흡착 및 정화율이 향상되도록 하기 위한 디젤엔진 배기가스 저감 시스템에 관한 것이다.

디젤차량의 배출가스 규제가 날로 강화되어감에 따라, 질소산화물(이하, NOx라 함)을 저감시키기 위한 후처리장치로 LNT(Lean NOx Traps), SCR(Selective Catalytic Reduction), DeNOx 촉매(Catalyst) 등의 기술이, 그리고 입자상물질(이하, PM(Particulate Matters)이라 함)을 저감시키기 위한 후처리 기술로 CPF(CatalyzedParticulate Filter)기술이 독립적으로 개발되어 차량 적용 단계에 접어들고 있다.

그러나, 좀 더 가혹한 배기규제인 Euro-5 이후 및 Tier-2 규제를 맞이하여, 이들 NOx 및 PM 저감 기술을 독립적인 적용이 아닌 동시 적용하지 않으면 안될 상황이 되고 있다.

예컨대, 도요타 자동차의 DPNR(Diesel Particulate NOx Reduction) 기술을 필두로, 선진 자동차 메이커(Maker)에서는 NOx 후처리기술과 PM 후처리기술을 한 시스템에 동시적용하기에 이르렀다.

이러한 기술은 크게 두 가지 유형으로 구분되는데, 첫째 CPF + SCR 조합기술, CPF + LNT 기술과 같은 PM 저감후 NOx를 저감시키는 기술과, 그리고 LNT + CPF 기술, SCR + CPF 조합기술과 같은 NOx 저감 후 PM 을 저감시키 는 기술로 대별될 수 있다.

이들 두 가지 기술 중, 첫 번째의 CPF + SCR, 혹은 CPF + LNT 기술, 즉 PM 저감후 NOx를 저감시키는 기술 조합은 다음과 같은 문제점을 않고 있다.

우선, 상기한 SCR은 연속 흡착 및 환원을 수행하는 NOx 후처리 장치이다.

그리고 CPF 재생을 위해서는 일정온도와 O2 농도를 필요로 하는데, CPF 재생조건이 되어 CPF 재생 시에는 CPF후단의 산소농도가 낮아지므로 SCR 흡착/환원에 필요한 O2가 부족하게 되어 SCR의 효율을 극도로 악화시킨다.

또한 SCR 환원을 위한 요소(Urea) 인젝터는 요소만 분사하는 단일연료분사 인젝터나, 요소와 공기를 미리 혼합하여 인젝터에 도입되어 SCR의 환원을 위한 O2 농도 조절에 전혀 기여할 수 없다.

특허 기술 설명

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, NOx 및 PM 저감 후처리장치를 동시에 적용하여 NOx 흡착 및 정화율이 향상되도록 한 디젤엔진 배기가스 저감 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

디젤엔진 배기가스 저감 시스템의 구성

본 발명에 따른 디젤엔진 배기가스 저감 시스템은, 디젤엔진의 배기가스 통로(10)에 설치되어 배기가스의 유해물질을 저감시키기 위해 각각 설치된 CPF(11)와, SCR(12)과, 이 CPF(11)와 SCR(12) 사이의 배기가스 통로(10) 일측에 설치되어 요소탱크(13)와 요소펌프(14)로부터 요소와,

공기펌프(15)에 의한 공기의 공급에 의해 공기가 각각 또는 동시에 분사되도록 설치된 2-유체 분사 인젝터(20)와, 이 2-유체 분사 인젝터(20)로 요소와 공기의 공급을 제어하기 위해 설치된 제어기(ECU)(30)를 포함하여 구성된다.

그리고 상기 2-유체 분사 인젝터(20)는, 아래그림에 도시된 바와 같이, 요소와 공기가 혼합되어 동시에 분사되도록 혼합액체 분사공(21a)이 형성된 노즐케이스(21)와, 이 노즐 케이스(21) 내에 설치되어 요소가 분사되도록 요소분사공(22a)이 형성된 요소노즐(22)과, 이 요소노즐(22)과 노즐케이스(21) 사이의 공간에 형성된 공기유입부(23)를 포함하여 구성된다.

또한 상기 SCR(12)의 일측에는 O2 및 NOx의 농도를 측정하여 제어기(30)로 송신하는 O2센서(41)와, NOx센서(42)가 설치된다. 이 O2센서(41)와 NOx센서(42)는 상기와 같이 O2 및 NOx의 농도를 효과적으로 측정하기 위해SCR(12) 전단부에 설치되는 것이 바람직하다.

디젤엔진 배기가스 저감 시스템의 작용

본 발명에 따른 디젤엔진 배기가스 저감 시스템은, 향후 강화되는 배기규제에 대응하여 디젤엔진 차량에 NOx 및 PM 저감 후처리장치를 동시 적용할 경우 발생되는 문제점을 극복할 수있다.

이를 보다 구체적으로 설명한다.

본 발명에 따른 디젤엔진 배기가스 저감 시스템은, CPF(11) + 요소 도싱(Dosing) 2-유체 분사 시스템 + SCR(12)로 조합 구성되는 후처리장치에서 요소 도싱(Dosing) 2-유체 분사 시스템에 대한 것이다.

한편, CPF(11) 재생 시에 SCR(12)의 암모니아 포집 분위기인 O2 농도 저하로 SCR(12) 효율이 저하된다.

따라서 SCR(12)의 요소 분사장치를 가솔린 인젝터와 같은 단일 연료분사장치가 아닌, 축압공기 가압방식의 공기+ 요소 동시분사 인젝터(2-유체 분사 인젝터(20))에 의해 SCR(12)에 요소를 공급함과 동시에 O2 농도를 충분히확보하거나, 혹은 농도 조절을 할 수 있어 NOx 흡착 및 정화율을 향상시킨다.

그리고 SCR(12) 전단에서 O2 및 NOx 농도를 측정하여 제어기(ECU)(30)에 전달된 정보는 NO환원 및 환원 분위기를 결정한다.

만일, 환원분위기(O2 농도)가 악화되어 있으면, 제어기(30)는 요소와 공기의 비율을 정하여 2-유체 분사 인젝터(20)에 분사명령을 내림으로써, SCR(12) 내의 O2 농도가 환원 분위기가 되어, NOx는 촉매에 흡착과 동시에 N2와H2O로 되어 정화된다.

디젤엔진 배기가스 저감 시스템의 작동

우선, 상기 SCR(12) 전단부에 설치된 O2센서(41)와 NOx센서(42)를 통하여 O2 및 NOx의 농도를 검출한다.(단계110)

검출된 NOx 농도가 기준값(ppm) 이상인지 판단한다.(단계 120)

상기 단계 120의 조건을 만족하는 경우, O2 농도가 기준값(%) 이상인지 판단한다.(단계 130)

상기 단계 130의 조건을 만족하는 경우, 2-유체 분사 인젝터(20)를 통하여 요소만을 분사하고, SCR(12)을 작동시키고 NOx를 환원시킨다.(단계 140,150)

반면, 상기 단계 120에서의 조건을 만족하지 못하는 경우, 상기 SCR(12)을 오프(off)시킨다.(단계 210)

그리고 상기 단계 130을 만족하지 못하는 경우, 요소 + 공기의 분사율을 결정한다.(단계 310)

이어서, 다시 한번 더 O2 농도가 기준값(%) 이상인지 판단한다.(단계 320)

상기 단계 320의 조건을 만족하지 못하는 경우에는 상기 단계 310을 반복 수행하고, 반면에 상기 단계 320의 조건을 만족하는 경우에는 SCR(12)을 작동시키고 NOx를 환원시킨다.(단계 330)

본 발명에 따른 디젤엔진 배기가스 저감 시스템은 NOx 흡착 및 정화율을 향상시킬 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

발명자: 김장헌

대리인: 유미특허법인