KR101399049B1 - 디젤 배출 제어용 이중 인젝터 시스템 - Google Patents

디젤 배출 제어용 이중 인젝터 시스템 Download PDF

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토마스 반스 엘드리지
그레고리 존 배커리
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Abstract

본 발명은 디젤엔진 배기부로부터 질소 산화물(NOx) 배출을 감소시키기 위해 수성 우레아 용액 같은 액체를 분사하는 방법과 장치를 제공한다. 특히, 본 발명은 디젤 배출 제어용 이중 인젝터 시스템과 해당 방법을 제공한다.
디젤엔진, 인젝터, NOx, 시제, 탄화수소, 우레아

Description

디젤 배출 제어용 이중 인젝터 시스템{Dual Injector System for Diesel Emission Control}
본 발명은 디젤엔진에 의하여 발생되는 배출의 감축에 관한 것으로서, 특히 디젤엔진 배기부로부터의 NOx(질소 산화물: oxides of nitrogen) 배출을 감소시키도록 수성 우레아 용액 또는 디젤연료 같은 탄화수소 등의 액체를 배기가스류 속으로 분사하는 방법과 장치를 제공한다. 더 구체적으로, 본 발명은 디젤 배출제어용 이중 인젝터 시스템과 해당 방법을 제공한다.
디젤엔진 배출을 후처리시스템으로 제어하는데에는 보통 디젤 미세먼지를 제어하는 디젤 미립자 필터와 NOx의 제어를 위한 LNT(린-NOx 트랩: lean-NOx trap) 또는 SCR(선택적 촉매 환원: selective catalytic reduction) 같은 기술을 이용하게 된다. 디젤연료 같은 탄화수소(HC)계 시제(reagent)는 디젤엔진 배기부 안으로 분사되면서 DPF(디젤 미립자 필터: Diesel Particulate Filter)에 모아진 검댕을 재생 및 완전연소시키는데 돕거나 NO2로 저장된 NOx의 화학적 제거를 위하여 LNT 전체에 연료과잉 상태를 만들어 준다. 보통 물을 이용한 우레아 또는 암모니아 용액 같은 시제를 이용하여 바나듐, 귀금속 또는 지올라이트계 촉매(zeolite catalyst)를 지나면서 NOx가 무해한 질소가스로 화학변환되도록 하고 있다. 이러한 시스템은 모두 엔진가동 및 후처리공정 조건에 밀접히 연계된 넓은 범위의 시제 유동속도에 걸쳐서 시제를 정밀하게 제어하며 배기부로 분사주입하는 것에 그 성공이 좌우되고 있다. 더욱이, 승용차의 2리터 미만 엔진크기에서 대형트럭의 16리터에 이르는 엔진에 이르기까지 엔진마다 다른 분량의 정량 시제를 배기부에 분사할 것이 요구되어 매번 다른 응용예 마다 상이한 인젝터 크기와 디자인이 무수히 많아지게 되므로 제조, 재고 및 서비스비용이 증가하는 것이다.
제어기가 장치된 간단한 시스템을 제공하여 엔진신호 중 엔진 ECU(electrical control unit)으로부터의 rpm, 하중, 배기온도 또는 배압(backpressure) 같은 정보를 받아들여 디젤엔진의 배기파이프 내부 한 군데 이상의 위치에서 개별적으로 또는 동시적으로 HC 또는 우레아를 분사하는 하나 이상의 인젝터에 대한 공급펌프를 제어하는 것이 유리할 것이다.
온도와 압력 같은 변수에 근거하여 시제를 분사하는 제어기를 포함하는 시스템이 몇개 알려져 있다. 예를 들어, 피터-호블린 외.의 미국특허 제 6,361,754호("the Peter-Holyn patent")는 시제 분사구 또는 분사노즐의 유류 또는 펄스를 변조하는 제어기를 포함하는 배출저감 시스템을 개시한다. 그러나, 피터-호블린 특허의 시스템은 2개의 상이한 시제의 분사를 다루고 있지는 않으며 실제로 상류공정에서 수성 우레아의 가수분해로부터 생성된 기상 암모니아를 배출할 뿐이다.
블레이크먼 외.의 미국특허 제 7,264,785호("Blakeman patent")에는 배기류에서의 복수 위치에서 질소함유 환원제, 암모니아를 분사하는 수단을 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템이 개시되어 있다. 블레이크 특허에는 계속해서 암모니아의 유입을 제어하는 수단이 개시되어 있다. 그러나, 개시된 시스템은 배기류에 한 개의 환원제를 분사할 뿐이고, 그것도 한번에 한 군데로 국한된다. 특히, 그 시스템은 배기류의 제 1 지역에 암모니아를 주입하고 나서 특정온도에 도달했을 때 제 2 지역으로 전환한다. 블레이크먼 특허에 설명된 시스템은 또한 기상 암모니아를 사용하므로 가수분해 촉매를 지나치면서 우레아가 기상 암모니아로 복잡한 촉매변환을 하도록 요구하고 있다. 계속해서 블레이크먼 특허는 엔진이 꺼질 때 우레아를 분사하고 엔진이 켜질 때까지 촉매 안에 우레아를 저장하는 복잡한 수단을 개시하고 있다.
발렌타인의 국제출원공개 WO 2004/058642 ("the Valentine application")는 내연엔진용 NOx 제어시스템을 개시한다. 그 시스템은 2개 이상의 촉매와 촉매 상류의 상이한 2개 영역에서 어떤 시제를 분사하는 인젝터들을 포함한다. 제어기는 측정된 변수를 받아 기준치에 비교하여 시제 이용을 최적화할 수 있는 제어신호를 생성한다. 특히, 제어기는 가스 온도에 근거해서 필요에 따라 시제의 위치를 제 1 영역에서 제 2 영역으로 전환한다. 다른 인용 선행기술에서와 같이, 단일의 시제만이 이용된다. 더욱이, 발렌타인의 출원에는 각 촉매 앞에 단일 인젝터가 주어졌을 때 여러 엔진가동조건에 필요한 광범위한 시제들을 어떻게 만들어 줄 것인지가 개시되어 있지 않다. 각 촉매의 온도 한계로 인하여 높은 유속에서 2개 인젝터 모두를 이용한 동시 분사가 불가능하다.
또한 0.25 내지 600 g/min의 넓은 유속범위가 가능한 인젝터를 제공할 수 있으면 유익할 것이다. 더욱 유리하게는 합계 최고 1200 g/min의 유속을 낼 수 있는 2개의 인젝터를 제공할 수 있으면 좋을 것이다. 더욱 유리하게는 일정한 구개(orifice) 직경범위(0.1016-0.762mm 또는 0.004-0.030")를 가진 이동식 구개판(orifice plate) 하나를 물리적으로 변형시키고 또한 운전변수 백분율 온 타임(on-time) 시간(1%-95%), 또는 운전 빈도(1-10Hz)나 운전 압력(60-120psi)을 변화시켜 유속범위를 변동시킬 수 있으면 좋을 것이다. 또한, 만약 그러한 인젝터가 미립화(atomization)나 냉각을 위해 공기를 필요로 하지 않고 그 구성재료도 HC나 우레아계의 시제들을 150℃ 내지 800℃ 온도범위의 배기가스 속으로 분사 가능한 것으로 되고 드웰공간(dwell space)은 최소로 되어 침적물이 인젝터 안에 생기거나 쌓이지 않게 된다면 유익할 것이다. 더욱 유리하게는 복잡한 시제 촉매 전처리 없이 시제의 분사가 가능하면 좋을 것이다.
본 발명의 방법들과 장치는 상기한 것 이상의 장점을 제공한다.
본 발명은 디젤엔진 배기부로부터의 질소 산화물 NOx 배출을 감소시키도록 수성 우레아 용액 또는 디젤연료 같은 탄화수소 등의 액체를 배기가스류 속으로 분사하는 방법과 장치를 제공한다. 특히, 본 발명은 디젤 배출제어용 이중 인젝터 시스템과 해당 방법을 제공한다.
공동 소유인 2005. 4. 22자 미국특허출원 제 11/112,039호와 2006. 5. 31자 미국특허가출원 제 60/809,918호는 공급압력, 순환속도, 온 타임 시간, 빈도 또는 구개의 크기를 변화시킴으로써 유속에 있어서 조정 가능한 HC 또는 우레아 분사에 유용한 인젝터의 실시예들을 개시한다. 본 발명은 이들 개시내용을 확장하는 것으로서, 종합 유속 20 g/min 미만에서 1200 g/min 까지 제공하도록 단일 또는 이중 펌프를 갖춘 단일 ECU에 의하여 제어되는 이중 인젝터의 응용을 제시한다.
본 발명의 목적들을 달성하기 위해 제공되는 2개 이상의 시제 인젝터를 가진 디젤 배출 제어시스템은, 디젤 미립자 필터와 린-NOx 트랩의 적어도 어느 하나의 상류에 위치하여 디젤엔진으로부터의 배기류 속으로 제 1 시제를 분사하는 제 1 인젝터; 선택적 촉매 환원 촉매의 상류에 위치하여 상기 제 1 시제와 다른 제 2 시제를 상기 배기류 속으로 분사하는 제 2 인젝터; 상기 제 1 시제를 상기 제 1 인젝터로 제공하는 제 1 펌프; 상기 제 2 시제를 상기 제 2 인젝터로 제공하는 제 2 펌프; 및 상기 제 1 시제와 상기 제 2 시제 모두의 분사를 제어하는 제어유니트를 포함한다.
어떤 실시예에서, 제어유니트는 엔진 운전변수들에 근거하여 적어도 하나의 제어신호를 발생시킨다. 어떤 실시예에서, 상기 제어유니트는 상기 제 1 펌프 및 상기 제 2 펌프 각각에 하나 이상의 제어신호를 전송함으로써, 또 동시에 또는 택일적으로 상기 제 1 인젝터 및 상기 제 2 인젝터 각각에 하나 이상의 제어신호를 전송함으로써 상기 분사를 제어한다.
본 발명의 다른 목적들을 달성하기 위해 제공되는 2개 이상의 시제 인젝터를 이용한 디젤 배출 제어 방법은, 디젤엔진의 엔진부하를 검출하는 단계; 검출된 엔진부하가 제 1 임계치 이하일 때 제 1 인젝터로부터 제 1 분사 빈도로 상기 디젤엔진의 배기류 속으로 제 1 시제를 분사하는 단계; 상기 검출된 엔진부하가 상기 제 1 임계치 너머로 상승할 때 상기 제 1 인젝터의 분사 빈도를 제 2 분사 빈도로 증가시키는 단계; 상기 검출된 엔진부하가 상기 제 2 임계치 너머로 상승할 때 제 2 인젝터로부터 상기 배기류 속으로 제 2 시제를 분사하기 시작하는 단계; 및 상기 검출된 엔진부하가 상기 제 2 임계치 보다 높을 때 상기 제 2 인젝터로부터 상기 제 2 시제를 상기 제 2 분사 빈도로 분사하고 상기 제 1 인젝터로부터 상기 제 1 시제를 상기 제 2 분사 빈도로 분사하는 단계를 포함한다.
어떤 실시예에서, 상기 제 1 분사 빈도는 약 1.5Hz 이하이고; 상기 제 1 임계치는 약 15%이고; 상기 제 2 분사 빈도는 적어도 약 10Hz이고; 상기 제 2 임계치는 약 40%이다.
더 제공되는 2개의 인젝터를 이용한 시제 분사 제어 방법은, 약 60psi와 120psi 사이의 압력으로 선단 인젝터와 후단 인젝터에 적어도 하나의 시제를 제공하는 하나 이상의 유체공급 펌프를 제공하는 단계; 약 0.25 내지 600g/min의 유속으로 상기 선단 인젝터로부터 디젤엔진의 배기류 속으로 제 1 시제를 전달하되, 상기 배기류에는 NOx 및 입자 제어를 위한 한 가지 이상의 후처리 촉매가 포함되는 제 1 시제 전달 단계; 약 0.25 내지 600g/min의 유속으로 상기 후단 인젝터로부터 상기 배기류 속으로 상기 제 1 시제와 다른 제 2 시제를 전달하는 단계; 상기 제 1 시제와 상기 제 2 시제 각각의 전달을 단일 제어유니트로부터 제어하는 단계를 포함하고, 상기 선단 및 후단 인젝터 각각이 약 40 내지 약 80 미크론 SMD의 분무를 제공하도록 미립화를 수행하는 스월판(swirl plate)을 갖는 단일 유체 펄스폭 변조 인젝터를 포함한다.
본 발명에 따른 다른 목적, 특장점은 첨부도면을 참조로 한 아래의 상세한 바람직한 실시예 설명으로부터 분명히 알 수 있으며 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 동일한 부호를 가지도록 하였다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 각 도면의 구성요소들의 동일한 참조부호는 동일한 구성요소들을 나타낸다
도 1은 본 발명의 한 실시예의 블록 구성도,
도 2A 내지 2D는 본 발명의 다양한 실시예에서의 이중 인젝터 위치를 보여주는 블록 구성도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 부하조건을 증감시킴에 따른 양 인젝터 사이의 유속할당을 나타낸 그래프이다.
아래의 상세설명은 실시예의 제시에 불과하며 본 발명의 범위, 응용 또는 구성을 제한하려는 것이 아니다. 그보다, 아래 실시예들의 상세설명은 당업자에게 본 발명의 실시예를 구현할 수 있게 하는 설명서로서 역할을 하는 것이다. 첨부된 청구범위에 기재된 발명의 정신과 범위에서 벗어남이 없이 요소들의 기능과 배열에 다양한 변경이 이루어질 수 있음은 누구나 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시예를 블록 구성도로 보여준다. 도우징 시스템(dosing system) ECU(12)는 2개의 12V DC 용적형(positive displacement) 펌프(16, 18)를 구동할 수 있는 소프트웨어 프로그램을 포함하는데, 펌프(16, 18)의 각각은 인젝터 (1, 2) 각각의 공급원이 되고 인젝터(1, 2)에는 유사 또는 상이한 크기의 구개판이 유사 또는 상이한 압력, 빈도 및 백분율 온 타임 시간으로 동작될 수 있도록 내장되어 있다. ECU(10)는 엔진 운전변수 또는 도우징 신호를 도우징 시스템 ECU(12)에 공급 하여 펌프(16, 18)와 인젝터(1, 2)를 제어하도록 할 수 있다. 펌프(16, 18)는 도 1에 나타낸 단일 탱크(14)에서 시제를 공급 받을 수 있다. 다른 예에서 각 펌프(16, 18)는 별개의 탱크들로부터 시제의 공급을 받을 수 있고 탱크 각각이 상이한 시제를 저장할 수 있는데, 이는 아래에서 자세히 설명한다. 인젝터(1, 2)용 구개판들은 크기 범위가 0.1016-0.762mm(0.004-0.030인치)로 순환속도로는 9.46 - 37.85l/hr(2.5 - 10 gals/hr)의 조건에 운전 압력 60 - 120psi의 것으로 선택될 수 있다. 예를 들어 엔진 ECU(10)나 도우징 시스템 ECU(12)를 통한 펄스폭변조 인젝터의 작동은 최저 1% 온 타임 시간에서 95% 온 타임 시간까지 다양할 수 있고 빈도는 1 내지 10Hz로 변동될 수 있다. 이러한 변수를 선택한 것은 인젝터(1, 2)로부터의 평균 분무입경을 40 - 80 미크론 SMD (평균입경) 범위에서 제공하기 위한 것이다. 도 1에서 점선은 제어신호 경로를 나타내고 실선은 시제의 흐름선을 나타낸다.
도 1에는 두 인젝터(1, 2)가 탱크(14)로부터 펌프(16, 18)를 통해 시제공급을 받는 것으로 나타나 있으나 동일한 시제를 인젝터(1, 2)에 공급하는 경우 단일펌프를 이용하여 공통의 시제를 양 인젝터(1, 2)에 공급하여도 된다.
다른 실시예에서는 시제를 인젝터(1, 2)의 냉각에 이용할 수 있다. 이 경우, 이 시제는 복귀선(16a, 16b)을 각각 이용해서 시제 탱크(14)로 복귀할 수 있다.
본 발명과 함께 사용하기에 적합한 유형의 인젝터는 고유의 디자인 특성으로 인하여 낮은 유속에서 동작 시 +/-20%의 가변성을 가질 수 있는 것으로 되어있다. 따라서, 그러한 인젝터는 더욱 양호한 유체 제어의 정밀도를 갖도록 가능한 한 많이 10% 온 타임 시간을 웃돌게끔 동작하게 함이 바람직하다.
도 2A에 도시한 다른 실시예에서, 시제가 예를 들어 DPF(디젤 미립자 필터) 재생과 LNT(린-NOx 트랩) 안으로의 분사 모두에 적합한 유사 탄화수소인 경우, 단일 펌프를 두 인젝터의 공급원으로 이용할 수 있다. 여기서 두 인젝터는 희망 유동 범위에 부합되게 선택되고 동작되는 것들이다. 이 경우, 탄화수소계 시제는 DTF(20) 전단에 위치한 제 1 인젝터(1)에 공급되고 또한 LNT(22) 전단에 위치한 제 2 인젝터(2)에도 공급된다.
도 2B에 도시한 본 발명의 또 다른 실시예에서는, 상이한 2종의 시제들이 이용될 수 있다. 예를 들어, 탄화수소가 DPF 재생을 위한 DPF(20) 전단의 한 개 인젝터(가령, 인젝터 1)를 통해 디젤 배기류 속으로 분사될 수 있고 우레아가 SCR(선택적 촉매 환원)을 위한 SCR 촉매(24) 전단의 다른 인젝터(가령, 인젝터 2)에 의하여 분사될 수 있다. 이러한 실시예에서는, 2개의 펌프(각기 소속된 탱크가 HC계 시제 및 SCR 시제를 따로 담고 있음)가 이용될 수 있고, 그 펌프 각각은 엔진 ECU(10) 및/또는 도우징 시스템 ECU(12)로부터의 신호에 근거하여 희망 시제 유속을 만들어내도록 치수결정되고 동작하는 특정 인젝터의 전용으로 된다. 엔진 ECU(10) 또는 도우징 시스템 ECU(12)는 각개 인젝터의 응용 요구조건에 따라 각 인젝터 동작시간과 빈도를 변화시키도록 설계될 수 있다.
상이한 2종의 시제가 이용될 수 있는 본 발명의 또 다른 실시예를 도 2C에 나타내었다. 이 예에서는, 탄화수소가 LNT(22) 전단의 한 개 인젝터(가령, 인젝터 1)를 통해 디젤 배기류 속으로 분사될 수 있고 우레아가 SCR을 위한 SCR 촉매(24) 전단의 다른 인젝터(가령, 인젝터 2)에 의하여 분사될 수 있다. 이러한 실시예에서는, 2개의 펌프(각기 소속된 시제 탱크가 HC계 시제 및 SCR 시제를 따로 담고 있음)가 이용될 수 있고, 그 펌프 각각은 엔진 ECU(10) 및/또는 도우징 시스템 ECU(12)로부터의 신호에 근거하여 희망 시제 유속을 만들어내도록 치수결정되고 동작되는 특정 인젝터의 전용으로 된다. 엔진 ECU(10) 또는 도우징 시스템 ECU(12)는 각개 인젝터의 응용 요구조건에 따라 각 인젝터 동작시간과 빈도를 변화시키도록 설계될 수 있다.
도 2C에 나타낸 실시예에서 양 인젝터 (1 과 2)는 동시에 동작할 수 있다. 대안으로서, 시스템은 엔진구동조건에 따라 한 인젝터를 켜고 다른 인젝터를 끌 수 있다. 또한, 인젝터(1)은 처음에 꺼지고 시스템이 인젝터(2) 만을 우레아를 SCR촉매(24) 속으로 분사하게 하도록 동작할 수 있다. 인젝터(2)용 펌프의 공급원이 되는 탱크에서 우레아가 소정의 저레벨에 이르면 알람이 울릴 수 있다. 일단 알람 작동이 되면 엔진 ECU(10) 및/또는 도우징 시스템 ECU(12)은 인젝터(2)에게 우레아 분사의 중지를 명령할 수 있다. 그러나, 탱크에 남은 우레아는 알람 발생 후에도 인젝터(2)를 냉각시키기 위하여 인젝터(2)를 지나 순환될 수 있다. 인젝터(2)가 중단됨과 동시에 ECU(10) 및/또는 도우징 시스템 ECU(12)가 인젝터(1)을 켜면 인젝터(1)은 LNT(22)에 탄화수소를 분사주입하기 시작하여 우레아 탱크가 재충전될 때 까지 계속한다. 인젝터(1)가 꺼져있는 동안에 탄화수소는 냉각을 목적으로 그곳을 통해 순환할 수 있다. LNT(22)와 SCR 촉매(24)를 함께 가진 시스템을 이용할 때, 도 2C에서처럼 LNT(22)를 SCR 촉매(24)의 앞 단에 두는 것이 유리할 수 있는데, 이는 SCR 촉매(24)가 탄화수소의 대 LNT(22) 반응에서 생기는 암모니아 부산물을 이용할 수 있기 때문이다. 그러나, SCR(24)을 LNT(22) 전단에 배치한 시스템을 구현하는 생각도 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서 대형 엔진에서와 같이 대량의 시제가 필요한 경우, 이중 펌프 및 이중 인젝터 구성을 이용해서 총유속 최고 1200 g/min을 달성할 수 있다. 그러한 실시예에서, 제 1 인젝터(1)는 선단 인젝터로 지정하고 제 2 인젝터(2)는 후단 인젝터로 한다. 적절한 치수결정과 선택에 의하여 선단 인젝터는 최소에서 중간 범위의 유동을 제공하도록 낮은 펄스폭 1-2Hz와 낮은 백분율 온 타임 시간 1-5%로 그리고 빈도가 자동으로 10Hz로 변하기 전 최대 15-50% 온 타임 시간으로 동작하고, 그럼으로써 선단 인젝터로부터의 유동을 증가시키고 그 최적 유동범위에서의 동작을 최대화한다. 선단 인젝터(1)로부터의 최대유동의 40-50% 지점에서, 제 2 (후단) 인젝터(2)는 시스템 제어에서 요구되는 임의의 추가 유동을 만들어 주도록 10Hz 빈도로 동작개시될 수 있다. 양 인젝터는 ECU로부터의 요구신호에 따라 최고유속에 도달할 때까지 온 타임 시간의 나란한 증가를 경험하게 된다.
본 발명의 이중 인젝터 시스템의 일 실시예가 유익할 수 있는 상황이 다수 존재한다. 예를 들면, HC 분사가 가끔 비정기적으로 DPF의 재생에 이용되는 경우 분사속도가 매 483km(300마일) 마다 1-5분의 시간 내에 1-5g/min으로부터 400- 600g/min까지 변할 수 있다. DPF의 재생을 위하여 분사가 필요하지 않은 기간 동안 선단 인젝터는 계속해서 인젝터를 통해 탄화수소를 순환시켜 인젝터의 계속 냉각과 내부 탄소 침적 예방을 성취한다. 전용의 우레아 순환 펌프와 공급 연결이 된 제 2 인젝터는, 엔진 부하 및 속도의 함수로 배출되는 NOx에 의하여 결정되는 속도로 SCR 촉매를 지나치며 우레아 시제를 분사하는데 이용될 수 있다. 경량 응용으로 0.25g/min 내지 100g/min의 유속과 중량 응용의 20g/min 내지 600g/min의 유속이 통상적이며 그 선택은 구개 크기, 운전 빈도, 백분율 온 타임 시간 및/또는 펌프 압력을 통하여 할 수 있다.
다른 예에서는, SCR 시스템이 저하중에서의 10-20g/min부터 고하중에서의 1000g/min까지 광범위한 유속을 요할 수 있다. 통상적인 0.025 구개의 인젝터는 10Hz와 90% 온 타임 시간에서 대략 500g/min을 제공하는데 그친다. 1.5% 온 타임 시간으로 동작 시에는 20g/min을 달성할 수 있다. 이 경우, 선단 인젝터는 빈도와 온 타임 시간 변화 값을 이용하여 20-500g/min을 달성하도록 동작될 수 있는데, 이때 후단 인젝터는 전단 인젝터에 병렬동작 방식으로 개시되어 약 100g/min 및 10Hz에서부터 시작하는 추가적 우레아 유동을 제공한다. 양 인젝터의 백분율 온 타임 시간은 최대 95%까지 증가하여 총 1000g/min까지의 우레아를 공급할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 운전 또는 펌프 압력도 변화되어 분사량을 제어한다. 특히, 펌프 압력은 약 80psig 너머로 증가하여 대분사량에 도달하는데 돕는다.
본 발명의 도 2D에 나타낸 이중 인젝터 시스템 구현예의 시험결과를 설명한다. 이 구현예에서, 운전결과를 제공한 HC계 시스템은 그 설계와 프로그램에 따라 시제 20g/min 이하에서 최대 800g/min 이상까지의 시제를 제공하여 린 NOx 트랩(22) 또는 이 LNT(22) 상류에서 HC계 시제를 더욱 반응 적인 종으로 변환하는데 이용되는 상류 HC개질기(26)의 전단에서 분사시킨다. 본 예에서는 2개의 0.028 구개 인젝터(1 및 2)가 각각 LNT(22)와 HC개질기(26) 전단에 위치되고, 각기 80-110psi 라인 압력의 개별 펌프와 공급연결이 되고 단일 ECU를 이용하여 각 인젝터의 빈도와 백분율 온 타임 시간을 제어하되 엔진 부하신호나 상응하는 ECU 시제 도우징 신호에 시제 분사를 대응시키도록 계발된 프로그램에 따라 제어한다. SCR촉매(24)는 LNT(22)의 하류에 위치될 수 있어서 탄화수소의 대 LNT(22) 반응에서 형성되는 암모니아 부산물을 이용하게 된다
이중 인젝터 동작절차
상승 부하조건: 아래의 표1에 표시한 것과 같이, 최소 부하(1%)에서 인젝터(1)는 빈도 1.5Hz와 17g/min으로 분사를 시작한다. 부하가 1%에서 15%로 상승하는 동안 인젝터 빈도는 1.5Hz에 머물고 인젝터(1)의 유속은 비례적으로 분당 17에서 125그램까지 변화한다. 부하계 계속 증가하여 15%를 넘어가면 인젝터 빈도는 약 60밀리세컨드 안에 1.5Hz에서 10Hz로 바뀐다. 10Hz로 동작하는 인젝터(1)는 계속해서 부하 40%에 이르기까지 요구된 유속을 분당 330그램까지 제공한다. 부하가 40%를 지나 상승하면, 인젝터(2)는 빈도 10Hz로 분사를 시작하고, 유동은 인젝터(1)로부터 78%(264g/min)와 인젝터(2)로부터 22%(72g/min) 분할된다. 부하가 40%에서 100%로 상승하면서 유속은 인젝터(1)에서 보다 인젝터(2)에서 더 빨리 증가하여 100% 부하에서 두 인젝터(1과 2) 사이에서 50/50 분할 유속을 가져오고 총 유동은 분당 816그램이 된다.
주: 인젝터(1)은 저부하(＜15%)에서 1.5Hz로 동작하고 15% 초과 부하에서 10Hz로 동작한다. 인젝터(2)는 모든 운전조건에서 10Hz로 동작한다.
하강 부하조건: 부하가 100%에서 40%로 하강하는 동안 인젝터들은 부하 상승에서와 똑같은 식으로 부하를 나누면서 최대부하에서의 50/50 분할로부터 양 인젝터가 10Hz 빈도로 동작하며 인젝터(1)로부터 78% (262g/min) 그리고 인젝터(2)로부터 22% (71g/min)의 분할에 이르기까지 변해간다. 부하가 40%에서 21%로 하강하는 동안 인젝터(2)는 계속 10Hz의 빈도로 분사하고 유동은 71g/min을 유지한다. 인젝터(1)은 빈도 10Hz로 분사하고 그 유속을 이들 지점 사이에서 비례적으로 떨어뜨려 40% 부하에서 분당 253그램인 것을 21% 부하에서 분당 90그램으로 감속시킨다. 부하가 21% 아래로 떨어지면 인젝터(2)는 분사를 중지하고 인젝터(1)은 계속 빈도 10Hz로 분사하여 20% 부하에서 분당 162그램의 총 요구 도우즈를 제공하기 시작하여 12% 부하일 때 분당 95그램까지를 제공한다. 12% 아래의 부하에서 인젝터(1)의 빈도는 하강 명령을 받은때 160밀리세컨드 안에 10Hz에서 1.5Hz로 바뀐다. 인젝터(1)은 계속 요구 도우즈를 빈도 1.5Hz로 분사하고 도우즈를 12% 부하에서의 분당 95그램에서 1% 부하에서의 분당 17그램으로 비례적으로 감소시킨다.
주: 인젝터(1)은 저부하(＜12%)에서 1.5Hz로 동작하고 12% 초과 부하에서 10Hz로 동작한다. 인젝터(2)는 모든 운전조건에서 10Hz로 동작한다.
도 3은 상기 실시예에 따른 부하의 증감에 대한 인젝터(1)과 인젝터(2) 사이의 유속 할당을 그래프로 보여준다. 라인 30과 32는 부하 상승 중 인젝터(1)과 인 젝터(2)의 유속을 각각 나타낸다. 라인 34와 36은 부하 하강 중 인젝터(1)과 인젝터(2)의 유속을 각각 나타낸다. 라인 38은 양 인젝터 (1)과 인젝터(2)로부터의 총유속을 나타낸다.
증감하는 부하에 대하여 인젝터 성능이 상이한 행동특성이 있게 하는 것은 양 인젝터의 분사품질을 최적으로 유지하면서 변화가 빠른 부하조건에서 "부정 순환(Short cycling)"을 감소시키려는 목적 때문임을 강조한다.
표 1:
Figure 112009021906168-pct00001
또 다른 실시예에서, 이중 SCR 촉매 시스템이 장착된 차량에 있어서, 선단 인젝터를 통해 귀금속류의 한가지 촉매를 저온 운전(200℃ 미만의 배기온도)에 공급사용하고 온도가 200-250℃ 이상일 때 후단 인젝터를 통하여 상기 저온 촉매의 하류위치에서 바나듐이나 지올라이트계의 제 2 촉매를 사용할 수 있으며, 이 지점에서 선단 인젝터는 더 이상 저온 촉매 속으로 시제를 분사하지 않고 다만 계속해서 시제를 순환시켜 인젝터를 냉각 상태로 유지한다. 200-250℃ 범위의 어떤 배기온도에서 양 인젝터가 동작하여 NOx 줄이기를 최대화하고 부산물 생성을 최소화할 수 있다.
이제 알 수 있는 바와 같이 본 발명은 이중 인젝터를 이용하여 NOx 배출을 감소시키는 유리한 방법과 장치를 제공한다.
이상 다양한 실시예를 들어서 본 발명을 설명하였으나, 청구범위에 기재한 바와 같은 본 발명의 정신과 범위에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 개정이 가능할 것이다.
관련출원의 표시
본 특허출원은 2006. 10. 11.에 미국에 출원한 가출원번호 제 60/851,104호에 대해 미국 특허법 119(a)조(35 U.S.C. § 119(a))에 따라 우선권을 주장하며, 그 내용은 참고문헌으로 본 특허출원에 병합된다.

Claims (23)

  1. 디젤 미립자 필터와 린-NOx 트랩의 적어도 어느 하나의 상류에 위치하여 디젤엔진으로부터의 배기류 속으로 제 1 시제를 분사하는 제 1 인젝터;
    선택적 촉매 환원 촉매의 상류에 위치하여 상기 제 1 시제와 다른 제 2 시제를 상기 배기류 속으로 분사하는 제 2 인젝터;
    상기 제 1 시제를 상기 제 1 인젝터로 제공하는 제 1 펌프;
    상기 제 2 시제를 상기 제 2 인젝터로 제공하는 제 2 펌프; 및
    상기 제 1 시제와 상기 제 2 시제 모두의 분사를 제어하는 제어유니트를 포함하는 것을 특징으로 하는
    적어도 2개의 시제용 인젝터를 가진 디젤 배출 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어유니트가, rpm, 하중, 배기온도 또는 배압(backpressure) 중 적어도 하나를 포함한 엔진 운전변수들에 근거하여 적어도 하나의 제어신호를 발생시키는
    디젤 배출 제어 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어유니트가 상기 제 1 펌프 및 상기 제 2 펌프 각각에 적어도 하나의 제어신호를 전송함으로써 상기 분사를 제어하는
    디젤 배출 제어 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어유니트가 상기 제 1 인젝터 및 상기 제 2 인젝터 각각에 적어도 하나의 제어신호를 전송함으로써 상기 분사를 제어하는
    디젤 배출 제어 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 시제가 탄화수소이고 상기 제 2 시제가 우레아인
    디젤 배출 제어 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어유니트가 상기 제 1 인젝터 및 상기 제 2 인젝터 각각의 온 타임 시간과 분사 빈도를 변화시키는
    디젤 배출 제어 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 펌프에 연결되고 상기 제 1 시제를 포함하는 제 1 탱크; 및
    상기 제 2 펌프에 연결되고 상기 제 2 시제를 포함하는 제 2 탱크
    를 더 포함하는
    디젤 배출 제어 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어유니트가 상기 제 2 탱크가 일정 저레벨에 도달한 것을 나타내는 경고신호를 수신하도록 되고,
    상기 제어유니트가 상기 경고신호를 수신하면 적어도 하나의 제어신호를 송신하여 상기 제 2 시제의 분사를 중지시키고 상기 제 1 시제의 분사를 개시하는
    디젤 배출 제어 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 인젝터 및 상기 제 2 인젝터 각각이 구개 직경 0.004 내지 0.030인치 또는 0.1016 내지 0.762mm인 구개판을 포함하는
    디젤 배출 제어 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 인젝터 및 상기 제 2 인젝터 각각이 40 내지 80 미크론 SMD(평균입경)의 분무를 제공하도록 미립화를 수행하는 스월판(swirl plate)을 포함하는
    디젤 배출 제어 시스템.
  11. 디젤엔진의 엔진부하를 검출하는 단계;
    검출된 엔진부하가 제 1 임계치 이하일 때 제 1 인젝터로부터 제 1 분사 빈도로 상기 디젤엔진의 배기류 속으로 제 1 시제를 분사하는 단계;
    상기 검출된 엔진부하가 상기 제 1 임계치 너머로 상승할 때 상기 제 1 인젝터의 분사 빈도를 제 2 분사 빈도로 증가시키는 단계;
    상기 검출된 엔진부하가 상기 제 2 임계치 너머로 상승할 때 제 2 인젝터로부터 상기 배기류 속으로 제 2 시제를 분사하기 시작하는 단계; 및
    상기 검출된 엔진부하가 상기 제 2 임계치 보다 높을 때 상기 제 2 인젝터로부터 상기 제 2 시제를 상기 제 2 분사 빈도로 분사하고 상기 제 1 인젝터로부터 상기 제 1 시제를 상기 제 2 분사 빈도로 분사하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는
    적어도 2개의 시제용 인젝터를 이용한 디젤 배출 제어 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 분사 빈도가 0 초과 1.5Hz 이하이고;
    상기 제 1 임계치가 15%이고;
    상기 제 2 분사 빈도가 적어도 10Hz이고;
    상기 제 2 임계치는 40%인
    디젤 배출 제어 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 검출된 엔진부하가 1%에서 15%로 상승하는 동안 상기 제 1 인젝터로부터의 제 1 유속이 125g/min으로 달성되도록 상기 제 1 인젝터의 온 타임 시간을 증가시키는 단계; 및
    상기 엔진부하가 40%로 상승하는 동안 상기 제 1 유속이 330g/min으로 될 때까지 상기 인젝터의 온 타임 시간을 증가시키는 단계
    를 더 포함하는
    디젤 배출 제어 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    총 유속이 816g/min으로 달성될 때까지 상기 제 1 유속을 증가시키고 상기 제 2 인젝터로부터의 제 2 유속을 증가시키는 단계
    를 더 포함하는
    디젤 배출 제어 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 검출된 엔진부하가 제 3 임계치로 하강하는 동안 상기 제 1 시제를 상기 제 2 분사 빈도로 분사하고 상기 제 2 시제를 상기 제 2 분사 빈도로 분사하는 단계;
    상기 검출된 엔진부하가 상기 제 3 임계치 아래로 하강할 때 상기 제 2 인젝 터로부터의 상기 제 2 시제의 분사를 중지시키는 단계; 및
    상기 검출된 엔진부하가 제 4 임계치 아래로 하강할 때 상기 제 1 인젝터의 분사 빈도를 상기 제 1 분사 빈도로 감소시키는 단계
    를 더 포함하는
    디젤 배출 제어 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 3 임계치는 21%이고, 상기 제 4 임계치는 12%인
    디젤 배출 제어 방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 인젝터와 상기 제 1 인젝터 각각의 유속을 변화시키는 단계를 더 포함하는
    디젤 배출 제어 방법.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 시제와 상기 제 2 시제가 우레아인
    디젤 배출 제어 방법.
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 시제와 상기 제 2 시제가 탄화수소인
    디젤 배출 제어 방법.
  20. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 시제의 공급이 일정 저레벨에 도달하는 것을 나타내는 경고신호를 제어유니트에서 수신하는 단계;
    상기 경고신호를 수신하면 상기 제 2 시제의 분사를 중지시키고 상기 제 1 시제의 분사를 개시하도록 상기 제어유니트로부터 적어도 하나의 제어신호를 송신하는 단계
    를 더 포함하는
    디젤 배출 제어 방법.
  21. 60psi와 120psi 사이의 압력으로 선단 인젝터와 후단 인젝터에 적어도 하나의 시제를 제공하는 적어도 하나의 유체공급 펌프를 제공하는 단계;
    0.25 내지 600g/min의 유속으로 상기 선단 인젝터로부터 디젤엔진의 배기류 속으로 제 1 시제를 전달하되, 상기 배기류에는 NOx 및 입자 제어를 위한 적어도 한 가지의 후처리 촉매가 포함되는 제 1 시제 전달 단계;
    0.25 내지 600g/min의 유속으로 상기 후단 인젝터로부터 상기 배기류 속으로 상기 제 1 시제와 다른 제 2 시제를 전달하는 단계;
    상기 제 1 시제와 상기 제 2 시제 각각의 전달을 단일 제어유니트로부터 제어하는 단계
    를 포함하고,
    상기 선단 및 후단 인젝터 각각이 40 내지 80 미크론 SMD의 분무를 제공하도록 미립화를 수행하는 스월판을 갖는 단일 유체 펄스폭 변조 인젝터를 포함하는 것을 특징으로 하는
    2개의 인젝터를 이용한 시제 분사 제어 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 적어도 한 가지의 후처리 촉매가 디젤 입자필터와 상기 디젤 입자필터의 하류에 위치한 선택적 촉매 환원 촉매를 포함하고;
    상기 선단 인젝터가 상기 디젤 입자필터의 상류에서 탄화수소계 시제를 분사하고;
    상기 후단 인젝터가 상기 디젤 입자필터와 상기 선택적 촉매 환원 촉매 사이에서 우레아계 시제를 분사하는
    시제 분사 제어 방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 제 1 인젝터 및 상기 제 2 인젝터 각각이 구개 직경 0.004 내지 0.030인치 또는 0.1016 내지 0.762mm인 구개판을 포함하고;
    상기 제 1 인젝터와 상기 제 2 인젝터 각각의 구성이 백분율 온 타임 시간 1% 내지 95%, 분사 빈도 1Hz 내지 10Hz, 유체압력 60psi 내지 120psi, 그리고 순환속도 9.46 내지 37.85l/hr 또는 2.5 내지 10 gals/hr를 제공하도록 되는
    시제 분사 제어 방법.
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