KR100564212B1 - 내연기관의 배기 시스템 내에서 질소산화물 저장기의 온도 범위를 조절하는 방법 및 장치 - Google Patents

내연기관의 배기 시스템 내에서 질소산화물 저장기의 온도 범위를 조절하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 특히 디젤 또는 린번 엔진에 사용 가능한, 내연기관(1)의 배기가스 스트림을 정화하기 위한 질소산화물 저장기(7)의 온도를 조절하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 상기 방법 또는 장치에 의하면, 상기 질소산화물 저장기의 최대 온도가 초과되지 아니하도록, 보다 상세하게는, 소정 온도범위가 유지되도록, 상기 내연기관(1)의 작동 상태에 따라 배기관(5) 내의 질소산화물 저장기(7)의 상류측 배기가스 스트림으로부터 열류(W1, W2)가 방출된다. 상기 질소산화물 저장기의 최소 작동온도를 얻기 위해, 적어도 상기 최소 작동온도에 도달될 때까지 상기 내연기관(1)이 공연비 λ≤1로 운전된다.

Description

내연기관의 배기 시스템 내에서 질소산화물 저장기의 온도 범위를 조절하는 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING THE TEMPERATURE RANGE OF AN NOx ACCUMULATOR IN THE EXHAUST SYSTEM OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연기관 내의 배기가스 스트림을 정화하기 위한 배기 시스템 내의 질소산화물 저장기(NOX store)의 온도 범위를 조절하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 특히 배기가스 내에 존재하는 미연소 탄화수소, 일산화탄소 및 질소산화물과 같은 물질을 정화하여 없애기 위한, 디젤 또는 린번 엔진 내의 배기가스 스트림의 정화에 이용될 수 있다.
점진적으로 커져가는 환경에 대한 인식과 이러한 환경 인식을 반영한 보다 엄격한 배기 가스 규제로 인하여, 유해한 것으로 분류되는 내연기관 내에 함유된 배기가스 성분을 한층 더 감소시킬 필요가 있다. 보통, 현대의 자동차에서는 3원 촉매(three-way catalyst)가 사용되는데, 이를 이용함으로써 일산화탄소(CO), 미연소 탄화수소(HC) 및 질소산화물(NOX)이 유해하지 않은 성분으로 변환된다.
EP 0 298 240 B1은, 공지의 배기가스 촉매 시스템에서, 산소 탐침(oxygen probe)을 이용하여 배기가스 내의 잔여 산소 함량을 판단하고, 촉매에서의 온도 프 로파일을 판단하며, 그리고 촉매 반응 도중 방출되는 열량을 판단함으로써 내연기관의 배기가스 거동을 추론할 수 있다는 것을 개시한다.
작동 과정 도중, 특히 상온 시동 상태(cold-starting phase)에서, 내연기관 내부에 오염물질이 발생한다. 따라서, 내연기관의 배기관에 촉매(catalyst)를 제공할 필요가 있다. 이것은 예컨대, EP 0 628 134 B1으로부터 공지되어 있다. 더욱이, 상온 시동 상태 도중 발생하여 하류측 촉매가 작동 준비를 갖출 때 다시 배출되는 미연소 탄화수소를 저장하기 위한 흡수기를 사용하는 것이 EP 0 485 179에 개시되어 있다.
고정식 내연기관(stationary internal combustion engine)의 경우, 독일에서는 대기오염 규제가 적용된다. 고정식 시스템에서, 종종 요소(urea)를 이용하여 내연기관의 배기가스로부터 배출되는 산화질소의 감소가 이루어진다.
이는 자동차용 내연기관에서는 불가능한데, 상기 목적을 위해 수반되는 탱크와 그 중량 때문에 특히 그러하다. 특히 상용차의 경우에는 재냉각된 배기가스를 이용함으로써 배기가스를 재순환하는 것이 알려져있다. 또한, 물을 주입하여 질소산화물의 배출을 감소시키는 것도 알려져있다. 또한, 배출된 질소산화물을 즉시 질소산화물 저장기에 우선적으로 저장한 다음, 미연소 탄화수소와의 반응을 조절하여 이를 질소로 환원시키는 것, 즉 상기 질소산화물의 성분으로부터 산소를 추출해내는 것에 의해 질소산화물의 배출을 감소시키는 것이 또한 알려져있다.
이러한 타입의 질소산화물 저장기가 신뢰성있게 작동하는 정상 작동 온도범위는 현재 약 150℃ 내지 500℃이고, 새로운 타입의 코팅을 이용함으로써 달성하고자 하는 온도 상한은, 예를 들어, 700℃이다. 현재, 최고 온도 800℃를 초과하면, 질소산화물 저장기가 손상되고, 따라서 어떤 경우에도 이러한 온도는 회피되어야 한다. 이러한 타입의 질소산화물 저장기는 상기 배기 시스템 내에서 대체로 제 1 촉매의 하류측에 배열된다. 상기 제 1 촉매 내에서 발생하는 반응, 특히 산소와 탄화수소의 반응은 발열성이므로, 상기 촉매 내에서 배기가스가 정화되는 동안 상기 배기가스에 열류(heat flow)가 공급된다. 상기 질소산화물 저장기는 150℃가 되어서야 그 최저 작동온도에 도달하므로, 무엇보다 이런 타입의 배기가스 정화시스템의 상온 시동 거동에 비추어 볼 때, 상기 질소산화물 저장기를 상기 제 1 촉매의 하류측에 가능한한 근접하게 배치하는 것이 바람직하다. 내연기관이 전부하 모드(full-load mode)에 있을 때, 제 1 촉매에서 발생하는 발열성 반응 중에 상기 촉매 하류의 배기가스 온도는 1000℃ 근방이거나 이보다 높은 온도 범위에 도달한다. 따라서, 이러한 전부하 상태하에서는, 전부하 상태라 하더라도 질소산화물 저장기의 온도가 대략 800℃를 초과하여 상승하지 않도록 하기 위해, 상기 질소산화물 저장기를 제 1 촉매의 하류에 가능한 한 멀리 배열하는 것이 바람직하다. 상기 2가지 상태는 상충 관계에 있다.
따라서, 본 발명은 특히 디젤 및 린번 엔진에 있어서, 내연기관의 모든 부하 조건에서 배기가스 내에 존재하는 미연소 탄화수소, 일산화탄소 및 질소산화물과 같은 물질을 가능한 한 멀리 제거하고, 배기 시스템 내에 배열된 질소산화물 저장기에 열적으로 기인되는 손상을 방지하며, 상온 시동 후 신속히 작동하는 것을 보장하는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이 목적은 특허청구범위 제 1 항 및 제 11 항에 기재된 바와 같은 특징을 가진 방법 및 특허청구범위 제 14 항에 기재된 바와 같은 특징을 가진 배기가스 촉매시스템에 의하여 달성된다. 편의적인 개선 사항은 각각의 종속항에서 특정된다.
본 발명에 따른 방법은 내연기관 내의 배기가스 스트림을 정화하는데 이용된다. 본 발명의 방법에 따르면, 내연기관의 작동 상태에 대한 함수로서 열 교환기를 이용함으로써, 질소산화물 흡수기로 표현되기도 하는 질소산화물 저장기의 상류측의 배기가스 스트림으로부터 열류(heat flow)가 방출된다. 상기 열 교환기는 무엇보다도, 적어도 대략 150℃에 달하는 질소산화물 저장기의 작동 온도에 신속히 도달하는 것을 돕기 위해 상온 시동 상태 중에는 작동하지 아니한다. 내연기관의 부하가 증가함에 따라 배기관 내에 배열된 제 1 촉매의 발열 반응의 효과가 커질수록, 상기 내연기관의 전체 작동기간 동안에 질소산화물 저장기의 온도가 800℃를 초과하지 않게 하고, 상기 온도가 소정의 온도 범위 내에서 확실히 유지되는 것을 보장하기 위하여, 상기 질소산화물 저장기의 상류에 위치하는 열 교환기는 상기 열류를 방출하는데 필요한 냉각 능력을 보다 많이 필요로 한다. 따라서, 내연기관 내의 배기가스 스트림을 정화하기 위한 본 발명에 따른 방법은 질소산화물 저장기의 수명을 증가시키기 위한 작동 신뢰성 등에도 기여한다. 결과적으로, 내연기관의 부하 범위 전체에 걸쳐서 배기가스 스트림의 신뢰성있는 정화가 이루어진다. 일반적으로, 열 교환기는 순수하게 그 디자인에 의해 저온에서는 적은 양의 열을 방출하고 고온에서는 많은 양의 열을 방출(예컨대, 근본적으로 방열(heat radiation)에 기초한 열의 방출)하도록 디자인된다. 그러나, 대안적으로 혹은 부가적으로, 열 방출을 제어하거나 조절하는 부가적인 수단을 이용하는 것도 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제 1 촉매의 상류 또는 하류측 배기가스 스트림으로부터의 열류로서, 배기가스 스트림 내에 포함된 열 에너지의 적어도 일부가 방출된다. 이 경우, 질소산화물 저장기의 상류측 열류로서 방출된 에너지량(energy fraction)은 종래의 기능에 따른 약 150℃ 내지 500℃의 온도 한계, 또는 질소산화물 저장기의 800℃의 최대 온도에 따라 좌우된다.
다른 바람직한 실시예에 따르면, 배기가스 스트림이 2단계(two-stage)로 배출된다. 이 경우, 열류의 2단계 배출은, 질소산화물 저장기 상류측에서 서로 앞뒤로 배열된 2개의 열 교환기에 의해 수행되거나, 또는 제 1 촉매의 상류에서 상기 제 1 촉매와 상기 질소산화물 저장기의 사이에 있는 하나의 열 교환기에 의해 수행될 수 있다. 특히 내연기관의 하류로 열류가 직접 방출될 때에는, 내연기관이 고부하에 있을 때, 특히 질소산화물 저장기의 상류에 배열된 제 1 촉매의 하류에서 배기가스의 출구 온도가 제어되면서 낮추어질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 질소산화물 저장기 내에서 질소산화물이 흡수됨과 아울러 촉매성 산화가 수행된다. 그러나, 처음에는 질소산화물 저장기 내에 질소산화물만이 흡수되고, 예컨대 상기 질소산화물 저장기를 재생(regeneration)하는데 필요하고 일정 조건하에서 상기 배기관에 부가적으로 도입되어지는 미연소 탄화수소가, 외부에서, 질소산화물 저장기 하류의 제 2 촉매에서 산화되는 것이 또한 가능하다.
열 교환기에 의해 배출되는 열류는 5 kW 내지 50 kW의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
배기가스 과급장치(turbocharger)를 보유한 내연기관에서, 어떤 경우에는 일반적으로 상기 과급장치로부터 과잉 공기가 송출된다. 따라서, 이 공기는 배기관의 강제 냉각에 특히 유리한 방식으로 사용된다.
다른 실시예에 따르면, 열류가 내연기관의 부하에 대한 함수로서 제어되는 형식으로 방출된다. 이 경우, 상기 질소산화물 저장기가 질소산화물을 확실하게 흡수할 뿐아니라 손상되지 않은 채 작동하게 되는, 즉 열적으로 과부하되지 않는 질소산화물 저장기의 온도 범위가 제어변수가 된다. 약 150℃ 내지 500℃인 질소산화물 저장기의 작동 온도범위 내에서 열량이 방출되도록 조절하는 것은, 대응 열전대(thermocouple)를 이용하여 판단된 각 작동 온도를 통해 확인하는 방식으로 조절될 수 있는데, 상기 각 작동 온도는 예컨대, 열류 방출의 수단인 냉매의 양을 조절하는 근거가 된다. 어떤 경우라도 열 방출의 증가가 최대 온도인 800℃를 초과하는 것은 피해야 한다.
후속 과정 중에 발생하는, 질소산화물 저장기의 온도의 조절과는 무관한 효과를 가지는 본 발명의 다른 측면에 의하면, 질소산화물 저장기가 그 최소 작동 온도인 약 150℃에 도달할 때까지, 내연기관은 상온 시동 중에 공연비(air/fuel ratio) λ≤1로 운전된다. 상세하게는, 내연기관이 농후(rich)하거나 적어도 이론 작동 범위(stoichometric operating range) 내에서 운전되므로, 배기가스에는 질소산화물 저장기의 상류에 위치한 제 1 촉매의 작동 온도를 급격히 상승시키는 미연소 탄화수소가 충분히 존재한다. 제 1 촉매의 작동 온도의 급격한 상승으로 인해, 적어도 약 150℃인 질소산화물 저장기의 작동 온도 또한 비교적 빨리 도달된다. 바람직하게는, 상기 질소산화물 저장기가 질소산화물을 저장하고 미연소 탄화수소를 산화시킨다.
본 발명의 두번째 측면에 의하면, 특히 디젤 또는 린번 엔진에 사용되는, 상기 방법을 수행하는 배기가스 촉매 시스템은 배기관 내에 배열된 제 1 촉매 및 질소산화물 저장기를 각각 적어도 하나씩 포함한다. 본 발명에 의하면, 배기관 내의 질소산화물 저장기의 상류측에 하나 이상의 열 교환기가 배열되고, 내연기관의 각 작동 상태에 따라 상기 열 교환기에 의하여 열류가 방출된다.
바람직하게는, 상기 질소산화물 저장기가 제 1 촉매와 제 2 촉매의 사이에 배열되고, 상기 열 교환기가 상기 제 1 촉매와 상기 질소산화물 저장기의 사이에 배열된다. 특히, 제 1 촉매와 질소산화물 저장기 사이에 배열된 열 교환기를 이용하면 상기 질소산화물 저장기가 한계 온도인 약 800℃를 초과하는 열적 부하를 겪게 되는 경우를 피할 수 있다.
다른 실시예에 의하면, 내연기관과 제 1 촉매 사이에 부가적인 열 교환기가 배열된다. 상기 질소산화물 저장기의 상류측 배기 시스템으로부터의 열류 방출이 결과적으로 보다 융통성 있게 수행될 수 있다. 만일 열 교환기가 내연기관과 제 1 촉매 사이 그리고 제 1 촉매와 질소산화물 저장기 사이에 각각 하나씩 배열된다면, 이로써 2단계 열 방출이 이루어진다. 만일 하나의 열 교환기만이 질소산화물 저장기의 상류에서 내연기관과 촉매 사이에 배열된다면 융통성은 약간 저하된다. 그러나, 이러한 구성이 채택되는 모든 경우에는, 질소산화물 저장기가 열적으로 과부하되지 않는 방식으로, 다시 말해 그 온도가 800℃ 이하로 유지되도록 상기 촉매의 온도가 감소될 수 있다. 그러나, 이와 동시에, 경우에 따라, 특히 내연기관이 높은 부하를 받을 때는 모든 미연소 탄화수소가 더 이상 충분히 산화되지 않고, 이로써 유동 방향에서 질소산화물 저장기의 하류에 동급의 효과를 가지는 3원 촉매를 추가로 제공할 필요가 발생할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 제 1 촉매 및 제 2 촉매가 각각 3원 촉매로 설계된다. 그러나, 바람직한 실시예에 따르면, 질소산화물 저장기와 제 2 촉매가 하나의 유닛으로 통합되는 것도 가능하다. 예를 들어, 이는 질소산화물 저장기가 3원 코팅을 가짐으로써 실현될 수 있다. 이러한 경우에는 질소산화물 저장기가 한편으로는 질소산화물을 흡수하고, 다른 한편으로는 산화 촉매로서 작용하며, 흡수된 질소산화물은 탄화수소와 직접 반응한다.
다른 실시예에 따르면, 배기관 내에 제공된 열 교환기의 냉각능력은 5 kW 내지 50 kW의 범위에 있다. 무엇보다도 보다 높은 냉각능력을 달성하기 위해, 고효율의 열 교환기가 필요하다. 예를 들어, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 열 교환기가 역류 열 교환기(countercurrent heat exchanger)로 설계된다. 바람직하게는, 역류 열 교환기가 이중벽면 관이나 리브붙이 관(ribbed tube)으로 디자인된다. 그 내부로는, 배기가스가 관류하고, 이중 벽면 구조로 형성된 케이싱 내에서는 배기 가스의 유동과 반대 방향으로 냉매가 유동한다. 바람직하게는, 상기 냉매는 열 교환기를 통해 강제 유동하는 공기 또는 물이다. 그러나, 개개의 구성요소 사이의 단순 리브붙이 관, 또는 이동 차량의 공기 스트림 내에서 효과적으로 냉각되는 적절한 크기의 관까지도 본 발명에 따른 열 교환기로서 작용할 수 있다는 점을 지적한다.
특히, 배기관의 강제 냉각용 배기가스 과급장치로부터 송출되는 공기를 이용하는 것 또한 유용하다.
통상적인 적용에서는, 배기가스에 탄화수소를 간단히 첨가시킴으로써 상기 질소산화물 저장기가 재생될 수 있다. 이는 상기 질소산화물 저장기내에서 발생하는 미연소 탄화수소의 산화에 의해, 상기 저장된 질소산화물이 산소, 질소 및 이로 인해 질소산화물 저장기로부터 배출되는 CO2 및 물의 공급기로서 작용한다는 것을 의미한다. 이런 식으로 질소산화물이 상기 질소산화물 저장기로부터 "축출"되고나면, 상기 질소산화물 저장기는 내연기관으로부터의 배기가스 내에서 전달되어지는 질소산화물을 흡수하는데 있어서 원래의 용량을 회복한다. 또한, 재생을 위해 제공된 다량의 탄화수소가 질소산화물 저장기에 도달하도록 하기 위하여, 상기 제 1 촉매가 단지 낮은 산소 저장 능력을 가짐으로써 상기 탄화수소가 미리 산화되지 않고, 따라서 실질적으로 소모되지 않도록 하는 것이 유리하다.
본 발명의 다른 장점, 특징 및 사용 가능성은 첨부 도면을 참조한 예시적 실시예를 이용함으로써 하기와 같이 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 배기가스 정화 시스템의 제 1 예시적 실시예를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 배기가스 정화 시스템의 제 2 예시적 실시예를 도시한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 배기가스 정화 시스템을 개략적으로 도시한 것이다. 배기가스는 내연기관(1)으로부터 제 1 촉매(2) 및 제 2 촉매(6)가 배열된 배기관(5)으로 이동한다. 상기 2개의 촉매(2, 6) 사이에 질소산화물 저장기(4)가 배열된다. 배기관(5) 내에서 제 1 촉매(2)와 질소산화물 저장기(4) 사이에 열 교환기(3)가 배열된다. 배기가스가 내연기관(1)으로부터 배기관(5)을 거쳐 제 1 촉매(2)로 이동할 때, 상기 제 1 촉매(2)가 예컨대, 추가적인 가열 수단(도시 안됨)을 설치함으로써 달성될 수 있는 작동온도에 도달한 다음, 미연소 탄화수소와 일산화탄소의 산화작용이 발열반응으로 일어난다. 상기 제 1 촉매(2) 내에서 발생된 발열 반응의 결과, 배기가스 스트림에 에너지가 공급되어 배기가스 스트림의 온도가 상승하는 결과를 가져온다. 상기 내연기관이 고부하에 있을 때, 상기 제 1 촉매(2)의 하류측 출구에서 대략 1000℃이거나 또는 그 이상의 작동 온도가 발생된다. 배기관 내의 제 1 촉매(2)의 하류측에 배열된 질소산화물 저장기(4)의 최대 온도는 약 800℃이고, 그 작동 능력은 약 150℃ 내지 약 500℃의 범위 내에 있으므로, 이와 같은 고온에서의 배기가스 스트림으로 인해 상기 질소산화물 저장기(4)의 파손이 촉진되거나 또는 오작동이 초래되어, 그 결과, 환경적으로 유해한 질소산화물이 배기가스 스트림으로부터 제거되지 못한다. 이런 이유로, 제 1 촉매(2)와 질소산화물 저장기(4) 사이에 열 교환기(3)가 제공되는 것이고, 이를 이용하여, 특히 내연기관이 고부하에 있을 때 열류(W)의 부하-의존적 방출이 수행될 수 있다. 원칙상, 상온 시동 거동에 대한 단점을 수반하지 않는 한, 이와 같은 열 교환기는 제 1 촉매(2)의 상류에 배치될 수도 있다.
발열 반응의 결과로서 제 1 촉매(2) 내에 방출되고 상기 배기가스 스트림 내에 포함된 열에너지에 따라, 그리고 이에 의해 상기 제 1 촉매(2)로부터 나가는 배기가스 스트림의 온도에 따라, 열류(W)의 조절된 방출이 수행되고, 따라서 질소산화물 저장기의 온도가 소망하는 범위 내에 유지될 수 있게 된다. 배기가스 스트림으로부터 추출된 열에너지는 가열 목적 등으로 차량에 사용될 수 있다. 마찬가지로 높은 작동온도에서 상기 제 1 촉매(2)가 배기가스 스트림 내에 포함된 미연소 탄화수소와 그 내부에 포함된 일산화탄소의 비교적 많은 비율을 이미 산화시켰으므로, 대체로 상기 질소산화물 저장기(4)내에 저장된 질소산화물과의 반응을 위한 미연소 탄화수소가 더이상 충분하지 않게 된다. 따라서, 특히 작동 조건에 따라서 질소산화물 저장기(4)의 상류측 배기관(5) 내에 간격을 두고 미연소 탄화수소를 주입하는 것이 추가적으로 필요하다. 모든 작동 조건 하에서 배기가스의 정화가 가능한한 완전하게 이루어지도록 하기 위해, 질소산화물 저장기(4)의 하류에 제 2 촉매(6)가 또한 제공되는데, 이는 또한 부가적으로 도입된 미연소 탄화수소를 산화시키고 그 결과 근본적으로 정화된 배기가스를 전달한다.
도 2는 본 발명에 의한 배기가스 촉매 시스템의 다른 예시적 실시예를 도시한 것이다. 이 배기가스 촉매 시스템에서, 내연기관(1)으로부터 배출된 배기가스 스트림이 배기관(5)으로 도입되는데, 여기에는 3원 촉매 코팅을 보유한 질소산화물 저장기(7), 2개의 열 교환기(3, 8), 및 제 1 촉매(2)가 배열되어 있다. 도 1의 예시적 실시예에 대응하여 상기 촉매(2)와 질소산화물 저장기(7)의 사이에 제 1 열 교환기(3)가 다시 배열된다. 이 열 교환기(3)에 의해, 각 작동 부하 또는 내연기관(1)의 각 작동 상태에 따라 배기가스 스트림으로부터 형성된 열류(W2)를 방출하는 것이 가능하다. 또한, 내연기관(1)과 촉매(2)의 사이에 다른 열 교환기(8)가 제공되는데, 이를 이용하여 배기가스 스트림으로부터 부가적인 열류(W1)를 방출하는 것이 가능하다. 그러나, 그 결과로서 촉매(2)의 입구 온도가 떨어지고 이로 인해 어떤 경우 여기에서 발생하는 발열반응이 또한 지연된다. 결과적으로, 촉매(2)로부터의 출구 온도가 도 1에 따른 예시적 실시예의 경우에 비해 낮아진다. 따라서, 2개의 열 교환기(3, 8) 모두가 작동하는 작동 상태에서 열 교환기(3)로부터 배출되는 열류(W2)는 도 1에 따른 예시적 실시예보다 낮다. 어떤 경우라도 상기 열 교환기(3, 8)는 질소산화물 저장기의 소정 온도 범위가 유지될 수 있도록 하기 위해 상기 질소산화물 저장기(7)로 유입되는 배기가스 스트림의 최고 온도를 낮추는데 기여한다.
상기 촉매(2) 내에서 발열 반응이 감소된 경우, 일부 상태에서는 미연소 탄화수소가 질소산화물 저장기(7)내에 저장된 질소산화물과 완전히 반응하지 않고 상기 질소산화물 저장기(7)를 미연소 상태로 존치시키므로, 상기 질소산화물 저장기(7)가 3원 촉매 코팅과의 통합 유닛으로서 제공된다. 상기 3원 촉매 코팅은 도 1에 따른 주요 촉매(6)와 동일한 방식으로 작용하고, 배기가스 정화 시스템에 요구되는 개별 부품이 보다 적다는 장점이 있다.
만약 2개의 열 교환기(3, 8)가 제공되면, 배출될 열류를 내연기관의 작동 상태에 적합하게 하는데 있어서의 융통성은, 도 1에 따른 하나의 열 교환기(3)만을 가진 예시적 실시예에 비해 현저히 개선된다.
도 2에 나타난 바와 같이, 배기관(5)은 또한 내연기관(1)의 하류측에 배기가스 과급장치(9)를 포함할 수 있다. 배기가스는 상기 과급장치(9)를 구동하여 거기에서 주변 공기가 압축되어 내연기관(1)으로 도입되도록 한다. 이 경우, 과잉 공기가 일반적인 방법으로 송출되고, 이 공기는 본 발명에 따라 배기관(5)의 강제 냉각을 위해, 예를 들어 부가적 열 교환기(8) 내에서 역류로 사용되는 등 유리하게 사용될 수 있다.
본 발명은 전체적으로 배기 시스템의 질소산화물 저장기의 소정 온도 범위를 간단하고도 효과적으로 유지하는 것을 가능하여, 결과적으로 상이한 작동 조건하에서의 배기가스 정화를 질적으로 향상시킨다.

Claims (27)

  1. 배기관(5) 내에서 유도되는 내연기관(1)의 배기가스 스트림을 정화하기 위한 질소산화물 저장기(4; 7)의 온도 범위를 조절하는 방법으로서,
    상기 질소산화물 저장기(4; 7)의 최대 부하 온도가 초과되지 아니하도록, 또는 상기 최대 부하 온도가 초과되지 아니함과 동시에 소정 온도 범위가 대체로 유지되도록, 상기 내연기관(1)의 작동 상태에 따라 상기 질소산화물 저장기(4; 7)의 상류측 배기가스 스트림으로부터 열류(W; W1, W2)를 방출하는 단계;
    상기 배기가스에 포함된 열에너지의 적어도 일부를, 제 1 촉매(2)의 상류측 또는 하류측 또는 상류측과 하류측 모두의 배기가스 스트림으로부터 열류(W)로서 방출하는 단계; 및
    상기 질소산화물 저장기(4; 7)에 질소산화물을 저장하는 단계;를 포함하는,
    질소산화물 저장기의 온도범위 조절 방법.
  2. 배기관(5) 내에서 유도되는 내연기관(1)의 배기가스 스트림을 정화하기 위한 질소산화물 저장기(4; 7)의 온도 범위를 조절하는 방법으로서,
    상기 질소산화물 저장기(4; 7)의 최대 부하 온도가 초과되지 아니하도록, 또는 상기 최대 부하 온도가 초과되지 아니함과 동시에 소정 온도 범위가 대체로 유지되도록, 상기 내연기관(1)의 작동 상태에 따라 상기 질소산화물 저장기(7)의 상류측에서 2단계(two-stage)로 배기가스 스트림으로부터 열류(W1, W2)를 방출하는 단계; 및
    상기 질소산화물 저장기(7)에 질소산화물을 저장하는 단계;를 포함하는,
    질소산화물 저장기의 온도범위 조절 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 열류(W1, W2)를 제 1 촉매(2)의 상류측 및 하류측 배기가스 스트림으로부터 방출하는 단계를 더 포함하는,
    질소산화물 저장기의 온도범위 조절 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 질소산화물을 산화 촉매로서 추가적으로 작용하는 질소산화물 저장기(4; 7)에 저장하는 단계를 더 포함하는,
    질소산화물 저장기의 온도범위 조절 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    5 kW 내지 50 kW의 열류(W; W1, W2)를 방출하는 단계를 더 포함하는,
    질소산화물 저장기의 온도범위 조절 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 내연기관(1)과 연관된 배기가스 과급장치(9)로부터 송출된 공기를 이용하여 상기 질소산화물 저장기(7)의 상류측 배기관(5)을 강제 냉각하는 단계를 더 포함하는,
    질소산화물 저장기의 온도범위 조절 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 내연기관(1)의 부하에 대한 함수로서 상기 질소산화물 저장기(4; 7)의 소정 온도범위를 조절 변수로 하여 상기 열류(W; W1, W2)의 방출을 조절하는 단계를 더 포함하는,
    질소산화물 저장기의 온도범위 조절 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 질소산화물 저장기(4; 7)의 소정 온도범위를 150℃의 하한과 700℃의 상한으로 설정하는 단계를 더 포함하는,
    질소산화물 저장기의 온도범위 조절 방법.
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 질소산화물 저장기(4; 7)가 150℃인 그 최저 작동 온도에 도달할 때까지, 상기 내연기관(1)을 공연비 λ≤1로 운전하는 단계를 더 포함하는,
    질소산화물 저장기의 온도범위 조절 방법.
  11. 배기가스 촉매 시스템으로서,
    배기가스 스트림을 배출하는 내연기관(1);
    상기 배기가스 스트림을 유도하는 배기관(5);
    상기 배기관(5) 내에 배열되어 질소산화물을 저장하며, 상기 배기가스 스트림을 정화하기 위해 조절되는 온도범위를 갖는 질소산화물 저장기(4; 7);
    상기 배기관(5) 내에 배열되는 하나 이상의 촉매(2, 6); 및
    상기 배기관(5) 내에서 상기 질소산화물 저장기(4; 7)의 상류측에 배열되는 하나 이상의 열 교환기(3; 8);를 포함하는,
    배기가스 촉매 시스템.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 촉매가 제 1 촉매(2)이고, 상기 배기관(5) 내에 제 2 촉매(6)가 배열되며, 상기 질소산화물 저장기(4; 7)가 상기 제 1 촉매(2)와 제 2 촉매(6) 사이에 배치되고, 상기 하나 이상의 열 교환기(3)가 상기 제 1 촉매(2)의 상류측에 배치되는,
    배기가스 촉매 시스템.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 촉매가 제 1 촉매(2)이고, 상기 배기관(5) 내에 제 2 촉매(6)가 배열되며, 상기 질소산화물 저장기(4; 7)가 상기 제 1 촉매(2)와 제 2 촉매(6) 사이에 배치되고, 상기 하나 이상의 열 교환기(3)가 상기 제 1 촉매(2)와 상기 질소산화물 저장기(4) 사이에 배치되는,
    배기가스 촉매 시스템.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 내연기관(1)과 상기 제 1 촉매(2) 사이에 배치된 추가적인 열 교환기(8)를 포함하는,
    배기가스 촉매 시스템.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 제 14 항에 있어서,
    상기 질소산화물 저장기(4; 7)와 상기 제 2 촉매(6)가 하나의 유닛으로 통합된,
    배기가스 촉매 시스템.
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 제 11 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 열 교환기(3; 8)가 역류 열 교환기이며,
    상기 하나 이상의 열 교환기(3; 8)가 이중벽면 관이고, 배기가스가 그 내측을 관류하며, 또한 냉매가 상기 이중 벽면에 의해 형성된 공간을 통해 관류하고,
    상기 냉매가 상기 하나 이상의 열 교환기(3; 8)를 통해 강제 유동하는 공기 또는 물이며,
    상기 내연기관(2)과 연관된 배기가스 과급장치(9)를 포함하고,
    상기 배기가스 과급장치(9)가 상기 하나 이상의 열 교환기(3; 8)를 관류하는 송출 공기를 발생시키는,
    배기가스 촉매 시스템.
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