차량 배기계 선택적 촉매장치 및 그 제어방법 document_id A220623019384

본 발명은 차량의 배기계에 장착되는 선택적 촉매장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 운전 상황에 따른 UREA 용액의 적절한 분사 제어로 배기계에서 배출되는 NOx를 보다 안정적으로 정화하는 차량 배기계 선택적 촉매장치 및 그 제어방법에 관한 것이다. 일반적으로 엔진에서 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기가스는 배기 파이프의 도중에 형성된 촉매 컨버터(Catalytic Converter)로 유도되어 정화되고, 머플러를 통과하면서 소음이 감쇄된 후 테일 배기파이프를 통해 대기 중으로 방출된다. 상기한 촉매 컨버터는 매연여과장치(Diesel Particulate Filter ; DPF)의 일종으로 배출가스에 포함되어 있는 오염물질을 처리하는 역할을 하는 것이다. 촉매 컨버터의 내부에는 배출가스에 포함된 입자상 물질(PM)을 포집하기 위한 촉매담체가 형성되어 엔진에서 배출되는 각종 배기가스를 화학적 변환과정을 통하여 정화한다. 상기와 같은 역할을 하는 촉매 컨버터에 적용되는 촉매형식 중의 하나로 선택적 촉매장치(Selective Catalytic Reduction ; SCR)가 있다. 선택적 촉매장치(SCR)는 THC, CO 등과 같은 환원제가 산소와 NOx 중에서 NOx와 더 잘 반응하도록 한다는 의미에서 "선택적 촉매 환원장치"라 명명되고 있다. 선택적 환원 촉매장치 중에서 암모니아-SCR은 NOx를 정화하기 위한 환원제로 암모니아를 사용하는 것으로 NOx에 대한 선택도가 매우 우수할 뿐만 아니라, 산소가 존재하는 경우에 NOx와 암모니아 사이의 반응이 촉진되는 장점이 있어 디젤 배기가스에 적용하기에 유리한 것으로 알려져 있다. 실제로 암모니아-SCR은 대형 고정 오염원인 화력 발전소에 적용되어 그 성능이 입증된 바 있다. 이러한 암모니아-SCR을 자동차에 적용하여 NOx를 선택적으로 제거하고자 하는 것이 요소-SCR(Urea-SCR)이다. 상기한 요소-SCR은 요소 수용액을 SCR 촉매 상류에 주입하여 요소가 분해되면서 생성되는 암모니아를 사용하여 NOx를 선택적으로 환원시키는 것이기 때문에 SCR 촉매를 기준으로 보았을 때에는 암모니아-SCR이라고 볼 수 있다. 보통 요소-SCR에서는 요소의 주입량이 증가하게 되면 NOx 정화율도 증가하는 경향을 보인다. 그러나 일정량 이상의 요소를 주입하게 되면, 주입된 요소 중 일부가 분해되지 않거나 반응하지 않고 남게 되어 암모니아의 양이 증가하게 된다. 따라서 요소-SCR에서는 요소의 사용량을 최소화하면서 NOx의 정화율을 높이는 것이 매우 중요하다. 상기한 요소-SCR에서 NOx의 정화율을 높이기 위한 방법으로 엔진 회전수와 배출가스의 온도로부터 배기가스에 포함되는 NOx 량을 산출한 다음 요소의 주입량을 결정 제어하는 방식이 제공되고 있다. 그러나, 이러한 방식은 이동원 차량이 신호의 대기, 운전자의 가감속에 따라 수시로 부하의 변화에 능동적으로 NOx 량을 계산할 수 없으며, 이에 따라 요소의 주입량 제어가 불확실하게 수행되어지는 단점이 있다. 따라서, 각 자동차 회사에서는 이를 개선하기 위한 방법으로 NOx 맵(Map)을 적용하고 있다. NOx 맵을 작성한다는 의미는 대상 엔진 시험을 진행하여 각 부하 조건에 따른 NOx의 발생량을 미리 계측하고, 발생량에 대한 NOx 지도를 만들어 사용함을 의미한다. 그러나 이는 단지 대상 엔진에서 가능하며, 실제 차량에서의 NOx 발생량을 실제로 반영하지 못하는 문제점이 발생한다. 또한, 차량은 실도로의 조건에 따라 가, 감속을 반복하고, 이에 따라 NOx의 발생량은 엔진 대상에서의 NOx 맵 데이터와 달리 배출될 가능성이 매우 농후하다. 결국, 상기의 문제는 NOx 맵에 따라 요소를 분사함에 있어 실제 차량에서의 발생량을 예측하는 것이 아니라 대상 엔진에서의 발생량을 기준으로 분사하기 때문에 실제의 NOx 발생량과 차이가 불가피하고, 정확한 요소의 분사량을 분사할 수 없게 되는 것이다. 이러한 문제는 넘치는 요소의 분해 과정에 따라 암모니아의 배출이라는 2차 오염을 발생시킬 수 있으며, 이를 방지하기 위한 2차, 3차 촉매를 사용하여야 하는 또 하나의 문제점을 발생시킨다. 반대로 요소의 분사량이 모자라는 경우에는 NOx 정화율 저하로 연결되어 배출가스의 안정화를 제공하지 못하는 문제점을 발생시킨다. 또한, NOx 맵을 적용하여 현재의 엔진 부하의 조건에서 NOx 발생량을 정확하게 예측한다하여도 실제 차량에서 발생된 NOx가 요소-SCR 촉매를 지나가는 시기와 요소 분사의 시기를 정확히 일치시킬 수 없기 때문에 앞서 기술한 문제점을 해결되지 않고 있다.