KR101523706B1 - 디젤 입자 필터 재생 시스템 및 방법 - Google Patents

디젤 입자 필터 재생 시스템 및 방법 Download PDF

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스카니아 씨브이 악티에볼라그
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Abstract

본 발명은 내연 기관(101)에서 연소에 의해 발생하는 배기 가스를 처리하도록 배열되어 있으며 연소 공정과 관련된 입자 필터(202)의 재생 방법에 관한 것으로, 상기 방법은, 재생 시, 엔진(101)을 제1 모드와 제2 모드에 따라 제어하는 단계를 포함하며, 상기 제1 모드에서, 상기 엔진(101)은 높은 배기 가스 온도가 발생하도록 제어된다. 상기 방법은 상기 입자 필터(202)의 온도를 결정하는 단계와, 결정된 상기 온도가 제1 값 이하일 때 상기 제1 모드에 따라 상기 엔진(101)을 제어하는 단계를 더 포함한다. 또한, 본 발명은 시스템과 차량(100)에 관한 것이다.

Description

디젤 입자 필터 재생 시스템 및 방법{METHOD AND SYSTEM FOR DIESEL PARTICLE FILTER REGENERATION}
본 발명은 입자 필터에 관한 것으로, 특히, 청구항 제1항의 전제부에 따른 입자 필터의 재생 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 시스템과 차량에 관한 것이다.
특히, 도시 지역에서 오염과 공기 품질에 대한 공적인 관심이 증가함에 따라, 많은 관할 구역에서 배출 기준과 법규가 채택되기에 이르렀다.
이러한 배출 기준들은 흔히 내연 기관이 장착된 차량으로부터의 배기 가스 방출에 대한 허용가능한 한계를 규정하는 요건들을 설정한다. 이 기준들은 흔히 대부분의 유형의 차량들로부터, 예컨대, 질소 산화물(NOx), 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO) 및 입자들의 방출 수준을 규제한다.
이러한 배출 기준을 충족하기 위한 노력으로 인하여, 내연 기관의 연소에 의해 발생하는 배기 가스의 후처리(정화)를 통해 배출물을 저감하고자 하는 연구가 계속되고 있다.
내연 기관으로부터의 배기 가스를 후처리 하는 하나의 방법은 소위 촉매 정화 공정이며, 이에 따라, 내연 기관에 의해 구동되는 차량과 많은 다른 적어도 대형 운송 수단은 일반적으로 적어도 하나의 촉매를 또한 구비한다.
또한, 후처리 시스템은, 대안적으로 또는 하나 이상의 촉매와 조합하여, 다른 부품, 예컨대, 입자 필터를 포함한다. 입자 필터와 촉매가 서로 통합되는 경우도 있다.
내연 기관의 실린더 내에서의 연료의 연소는 수트 입자의 형성을 초래한다. 입자 필터는 이러한 수트 입자를 포획하기 위해 사용되며, 배기 가스 유동이 필터 구조를 통과하도록 함으로써, 통과하는 배기 가스 유동으로부터 수트 입자가 포획되어 입자 필터에 저장되도록 작용한다.
입자 필터는 차량 운행중에 수트로 점차 충진되며, 조만간 비워져야 하는데 일반적으로, 이는 소위 재생(regeneration)에 의해 구현된다.
재생에서는 주로 탄소 입자로 이루어진 수트 입자가 하나 이상의 화학적 공정을 거쳐 이산화탄소 및/또는 일산화탄소로 변환되며, 대체로 두 가지 서로 다른 방식으로 이루어질 수 있다. 한가지 방식은 소위 산소(O2) 기반 재생, 소위 능동 재생에 의한 재생이다. 능동 재생에서는 탄소가 산소에 의해 이산화탄소와 물로 변환된다.
이러한 화학 반응에는 소정의 반응 속도(필터 배출 속도(emptying rates))를 완벽하게 달성하기 위해 비교적 높은 입자 필터 온도가 필요하다.
능동 재생 대신, 이산화질소(NO2) 기반 재생, 소위 수동 재생을 적용하는 것이 가능하다. 수동 재생에서는 탄소와 이산화질소 간의 반응에 의해 질소 산화물과 탄소 산화물이 형성된다. 수동 재생의 장점은 상당히 낮은 온도에서 소정의 반응 속도와, 그에 따른 필터의 배출 속도가 달성된다는 것이다.
능동 또는 수동 중 어느 재생이 적용되는지와는 관계없이, 입자 필터의 재생이 적정 시간 내에 이루어질 수 있도록 효과적인 방식으로 실시되는 것이 중요하다.
본 발명의 목적은 효과적인 방식으로 입자 필터를 재생하기 위한 방법을 제안하는 것이다.
이 목적은 청구항 제1항의 특징부에 따른 방법에 의해 구현된다.
본 발명은 내연 기관에서 연소에 의해 발생하는 배기 가스를 처리하도록 배열되어 있으며 연소 공정과 관련된 입자 필터의 수동 재생 방법에 관한 것으로, 상기 방법은, 재생 시, 높은 배기 가스 온도가 발생하도록 엔진을 제어하는 제1 모드와, 제2 모드에 따라서 엔진을 제어하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 입자 필터의 온도를 결정하는 단계와, 결정된 상기 온도가 제1 값 이하일 때 상기 제1 모드에 따라 상기 엔진을 제어하는 단계를 더 포함한다.
본 발명은 높은 배기 가스 온도가 구현됨으로써 입자 필터의 온도를 승온시키는 장점을 제공한다. 재생 속도는 온도에 의존적이기 때문에, 이는 높은 재생 속도가 구현될 수 있다는 것을 의미한다.
상기 입자 필터의 온도가 더 높은 제2 온도에 도달할 때까지, 상기 엔진은 제1 모드에 따라 제어될 수 있으며, 상기 제2 온도에서 상기 엔진의 제어가 상기 제2 모드로 전환되고, 상기 제2 모드에서는 상기 제1 모드에서보다 실질적으로 더 많은 양의 질소 산화물이 전달되도록 엔진이 제어될 수 있다. 수동 재생에서의 재생 속도는 온도와 질소 산화물(이산화질소)에 대한 접근성에 따라 좌우되기 때문에, 재생 속도가 더 상승할 수 있다.
상기 제2 온도는 250℃를 초과하는 적당한 온도일 수 있다.
상기 입자 필터가 상기 제2 온도에 도달하여 상기 엔진이 상기 제2 모드로 전환되었을 때, 결정된 상기 온도가 강하함으로써, 예컨대, 500℃ 이하로 강하함으로써, 재생 속도가 너무 낮아지는 것을 방지하기 위해 다시 상승될 필요가 있을 때까지 상기 엔진은 상기 제2 모드에 따라 제어될 수 있다. 상기 온도가 더 낮은 수준으로 강하하였을 때 제1 모드로 역전환하는 대신, 제2 모드로의 변환이 발생한 후 소정 시간이 경과하였을 때, 제1 모드로의 전환이 이루어질 수 있다.
상기 모드 변환은, 상기 입자 필터가 원하는 수준으로 재생될 때까지, 또는 재생이 몇몇 이유로 중단될 때까지, 반복될 수 있다.
상기 제1 모드에서는 에너지의 많은 부분이 열로 변환되도록 엔진의 효율이 낮은 수준으로 저하될 수 있다. 이는, 예컨대, 피스톤이 상사점을 지나서 하방으로 움직일 때 연료를 분사함으로써 구현된다. 연료가 사실상 점화되기는 하지만 차량을 추진하기 위한 동력의 발생에는 실질적으로 기여를 하지 않는 방식으로, 예컨대, 분사 시간(분사 각도)이 제어될 수 있다. 공기 냉각 효과를 저하시키기 위해, 엔진은 낮은 λ값, 즉 낮은 공기 공급 측으로 또한 제어될 수 있다.
본 발명의 다른 특징들과 그 장점들을 첨부도면과 예시적 실시예에 대해 후술한 상세한 설명으로 나타내었다.
도 1a는 본 발명이 유리하게 사용될 수 있는 차량의 동력 계통을 도시하고 있다.
도 1b는 차량 제어 시스템의 제어 유닛의 예를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명이 유리하게 사용될 수 있는 차량의 후처리 시스템의 예를 도시하고 있다.
도 3은 입자 필터 내의 수트의 양의 함수로서의 재생 속도(수트 소멸(burn-out) 속도)의 예와, 그 온도 의존도를 도시하고 있다.
도 4는 산화 촉매에서 이산화질소로의 질소 산화물 산화의 온도 의존도를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명에 따른 재생 방법의 예의 개략도이다.
도 6은 본 발명에 따른 방법의 예의 개략도이다.
도 1a는 본 발명의 실시예의 일 예에 따른 중형 차량(100), 예컨대, 트럭 또는 버스 등을 개략적으로 도시하고 있다. 도 1a에 개략적으로 도시된 차량(100)은 한 쌍의 전륜(111, 112)과 한 쌍의 후륜(113, 114)을 포함한다. 차량(100)은, 예컨대, 클러치(106)를 통해, 엔진(101)의 출력 샤프트(102)에 의해 기어박스(103)에 통상의 방식으로 연결된 내연 기관(101)을 구비한 동력 계통을 더 포함한다.
기어박스(103)로부터의 출력 샤프트(107)는 파이널 기어(108)를 통해, 예컨대, 상기 파이널 기어(108)에 연결된 차동 샤프트(104) 및 구동 샤프트(105)를 통해, 구동 륜(113, 114)을 구동시킨다.
차량(100)은 엔진(100)으로부터의 배기 가스 배출물을 처리(정화)하기 위한 후처리(배기 가스 정화) 시스템(200)을 더 포함한다.
도 2에 후처리 시스템이 더 상세하게 도시되어 있다. 이 도면은 연소에 의해 발생된 배기 가스가 터보 유닛(220)을 통해 안내되는 차량(100)의 엔진(101)을 도시하고 있다(터보 엔진에서는 연소에 의해 발생된 배기 가스 유동이 실린더 내에서의 연소를 위해 유입 공기를 압축하기 위해 사용되는 터보 유닛을 구동시킨다). 터보 유닛의 기능은 잘 알려져 있으므로, 여기에서 구체적인 설명은 생략한다. 그 다음, 배기 가스 유동은 (화살표로 도시된) 파이프(204)를 통해 산화 촉매(205)(디젤 산화 촉매, DOC)를 경유하여 입자 필터(202)(디젤 입자 필터, DPF)로 안내된다.
후처리 시스템은 입자 필터(202)의 하류측에 배치된 SCR(선택적 촉매 환원) 촉매(201)를 더 포함한다. SCR 촉매는 소정 량의 질소 산화물(NOx)을 환원시키기 위한 첨가제로서 암모니아(NH3) 또는 암모니아를 발생/형성시킬 수 있는 화합물을 이용한다.
입자 필터(202)는, 본 발명이 SCR 촉매에 의해 일반적으로 환원되는 질소 산화물에 의존하는 소위 수동 재생과 연관되는 경우에는 덜 유리할 수 있지만, SCR 촉매(201)의 하류측에 대안적으로 위치될 수도 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 후처리 시스템은 SCR 촉매를 전혀 포함하지 않는다.
산화 촉매(DOC)(205)는 여러 가지 기능을 가지며, 산화 촉매 내의 귀금속 코팅과 함께 화학 시약으로서 배기 가스 유동 내에 디젤 엔진 공정이 일반적으로 발생시키는 과잉 공기를 이용한다. 일반적으로 산화 촉매는 배기 가스 유동 내에 잔류하는 탄화수소와 일산화탄소를 이산화탄소와 물로 산화시키기 위해 주로 사용된다.
그러나, 산화 촉매는 배기 가스 유동 내에 존재하는 일산화질소(NO)의 대부분을 이산화질소(NO2)로 산화시킬 수도 있다. 그리고, 이 이산화질소는 본 발명에 따른 수동 재생에서 사용된다. 산화 촉매에서 다른 반응들이 이루어질 수도 있다.
도시된 실시예에서, DOC(205), DPF(202)와 아울러 SCR 촉매(201)도 조합된 배기 가스 정화 유닛(203) 내에 통합되어 있다. 그러나, DOC(205)와 DPF(202)는 조합된 배기 가스 정화 유닛(203) 내에 통합될 필요가 없으며, 적절한 것으로 밝혀진 몇몇 다른 방식으로 배치될 수도 있다. 예컨대, DOC(205)는 엔진(101) 부근에 배치될 수 있다. 마찬가지로, DOC(205) 및/또는 DPF(202)로부터 SCR 촉매가 분리될 수도 있다.
도 2에서와 같이 구성된 후처리 시스템은 일반적으로 중형 차량에 존재하며, 적어도 엄격한 배출물 요건이 적용되는 관할 구역 내에 존재하지만, 산화 촉매의 대안으로서, 산화물 촉매에서 발생하였을 화학 공정이 입자 필터 내에서 대신 발생하도록 입자 필터가 귀금속 코팅을 대신 구비할 수도 있으며, 이에 따라, 그 경우 후처리 시스템은 DOC를 갖지 않는다.
전술한 바와 같이, 엔진(101)에서의 연소는 수트 입자의 형성을 초래한다. 이 수트 입자는 차량의 주변으로 방출될 필요가 없으며, 많은 경우들에서 방출이 허용되지 않는다. 디젤 입자는 탄화수소, 탄소(수트), 및 황과 애쉬(ash) 같은 무기물로 구성되어 있다. 전술한 바와 같이, 이 수트 입자들은 입자 필터(202)에 의해 포획되며, 상기 입자 필터는, 배기 가스 유동이 필터 구조를 통과하도록 함으로써, 상기 필터 구조 내에서 통과하는 배기 가스 유동으로부터 수트 입자들이 포획되어 필터(202) 내에 저장되도록 작용한다. 필터(202)에 의해 상당한 비율의 입자들이 배기 가스 유동으로부터 분리될 수 있다.
따라서, 배기 가스 유동으로부터 이와 같이 분리된 입자들이 입자 필터(202) 내에 축적됨으로써, 시간이 지남에 따라 필터가 수트로 충진되게 한다. 현재 운전 조건, 운전자의 운전 모드 및 차량의 부하와 같은 변수에 따라, 더 많거나 더 적은 양의 수트 입자가 발생할 것이므로, 이러한 충진이 더 빨리 또는 더 느리게 발생할 것이나, 필터가 소정의 충진 수준에 도달하면, "배출(emptying)"이 필요하다. 필터가 너무 높은 수준으로 충진되면, 차량의 성능에 영향을 미칠 수 있으며, 고온과 조합하여 수트 축적으로 인한 화재 위험이 있을 수 있다.
전술한 바와 같이, 입자 필터(202)의 배출은, 수트 입자, 즉 탄소 입자가 화학 공정에서 이산화탄소 및/또는 일산화탄소로 변환되는 재생에 의해 이루어진다. 따라서, 시간이 지나면, 필터(202)는 다소 규칙적인 간격으로 재생되어야 하며, 필터의 재생에 적절한 시간을 결정하는 것은, 예컨대, 필터를 가로지르는 차압을 측정하는 압력 센서(209)로부터의 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 적당한 시간 또는 시간들을 결정할 수 있는 제어 유닛(208)에 의해 이루어진다. 필터(202)가 더 충진되면 될수록, 필터를 가로지르는 압력차는 더 커질 것이다.
또한, 재생 타이밍의 결정은 산화 촉매(205) 이전 및/또는 이후, 및/또는 필터(202) 이전 및/또는 이후의 현재 온도들에 의해 영향을 받을 수 있다. 이 온도들은, 예컨대, 온도 센서(210 내지 212)들에 의해 결정될 수 있다.
필터의 충진 수준이 소정의 수준 이하로 유지되는 한, 재생 작용은 통상적으로 발생하지 않는다. 예컨대, 필터 재생에 대한 제어 시스템의 제어는, 충진 정도가 60 내지 80% 범위 이내의 적당한 수준 이하인 한, 재생 작용이 발생하지 않도록 구성될 수 있다. 임의의 적당한 방식으로, 예컨대, 소정의 압력차가 소정의 충진 정도를 나타내게 되는 경우에, 전술한 차압에 기초하여, 충진의 정도를 예측할 수 있다.
제어 유닛(208)은, 이하에 구체적으로 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 재생 공정을 또한 제어한다.
일반적으로, 현대 차량의 제어 시스템은 일반적으로 많은 전자 제어 유닛(ECU) 또는 컨트롤러와 차량에 배치된 다양한 부품들을 함께 연결하기 위한 하나 이상의 통신 버스들로 구성된 통신 버스 시스템을 포함한다. 이러한 제어 시스템은 많은 수의 제어 유닛들을 포함할 수 있으며, 특수한 기능을 위한 책임이 이들 중 2개 이상에 분할될 수 있다.
명료함을 위해, 도 2는 제어 유닛(208)만을 도시하고 있으나, 본 기술 분야에 속하는 기술자들에게 잘 알려진 바와 같이, 도시된 유형의 차량은 엔진, 제어박스 등의 제어를 위해 비교적 많은 수의 제어 유닛들을 흔히 갖는다.
따라서, 본 발명은 이 제어 유닛(208) 내에서 실시될 수 있으나, 차량에 제공된 하나 이상의 다른 제어 유닛들에서 전체적으로 또는 부분적으로 실시될 수도 있다.
도시된 유형의 제어 유닛들은 일반적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 예컨대, 상기 압력 센서(209)와 온도 센서(210 내지 212)들과 아울러, 예컨대, 엔진 제어 유닛(미도시) 등 차량의 다양한 부분들로부터 센서 신호를 수신하도록 되어 있다. 제어 유닛에 의해 발생되는 제어 신호들은 일반적으로 다른 제어 유닛으로부터의 신호와 부품들로부터의 신호 모두에 따라 좌우된다. 예컨대, 본 발명에 따른 재생에서 제어 신호(208)에 의해 실시되는 제어는, 예컨대, 도 2에 도시된 온도/압력 센서와 엔진 제어 유닛으로부터 수신된 정보에 기초할 수 있다.
또한, 도시된 유형의 제어 유닛은 일반적으로 차량의 다양한 부분들과 부품들로, 예컨대, 본 예에서는 하기된 바와 같이 엔진의 연소 제어를 요구/명령하기 위해 엔진 제어 유닛으로, 제어 신호를 전달하도록 되어 있다.
제어는 흔히 프로그램된 지시에 의해 통제된다. 이러한 지시들은 통상적으로 컴퓨터 프로그램의 형태를 취하며, 컴퓨터 또는 제어 유닛에서 실시될 경우, 컴퓨터/제어 유닛으로 하여금 소정 형태의 제어 작용, 예컨대, 본 발명에 따른 방법 단계들을 실시하도록 한다. 일반적으로, 컴퓨터 프로그램은, 예컨대, 제어 유닛에 연결되거나 그 내부에 있으면서 제어 유닛에 의해 실행되는, ROM(리드-온리 메모리), PROM(프로그램가능한 리드-온리 메모리), EPROM(소거가능한 PROM), 플래시 메모리, EEPROM(전기적으로 소거가능한 PROM), 하드 디스크 유닛 등의 디지털 저장 매체(121)(도 1b 참조)에 저장된 컴퓨터 프로그램 제품(109)의 형태를 취한다. 따라서, 컴퓨터 프로그램의 지시를 변경함으로써, 차량의 거동이 특수한 상황에서 조절될 수 있다.
제어 유닛(제어 유닛(208))의 예가 도 1b에 개략적으로 도시되어 있으며, 제어 유닛(208)은 결국, 예컨대, 디지털 신호 처리용 회로(디지털 신호 프로세서, DSP) 또는 소정의 특수 기능을 구비한 회로(주문형 집적 회로, ASIC) 등의 실질적으로 임의의 적당한 유형의 프로세서 또는 마이크로프로세서의 형태를 취할 수 있는 계산 유닛(120)을 포함할 수 있다. 계산 유닛(120)은, 예컨대, 계산 유닛(120)이 계산을 실시할 수 있기 위해서는 필요한 저장된 프로그램 코드(109) 및/또는 저장된 데이터를 당해 계산 유닛에 제공하는 메모리 유닛(121)에 연결된다. 또한, 계산 유닛(120)은 메모리 유닛(120)에 계산의 부분적 또는 최종적 결과를 저장하도록 구성된다.
제어 유닛(208)은 입출력 신호들을 수신하고 송신하기 위한 개별 디바이스(122, 123, 124, 125)들을 더 구비한다. 이 입출력 신호들은 입력 신호 수신 다바이스(122, 125)들이 정보로서 검출할 수 있고 계산 유닛(120)이 처리할 수 있는 신호들로 변환될 수 있는 파형, 펄스 또는 다른 속성을 포함할 수 있다.
그 후, 이 신호들은 계산 유닛(120)으로 전달된다. 출력 신호 송신 디바이스(123, 124)들은 계산 유닛(120)으로부터 수신한 신호들을, 예컨대, 변조함으로써 순차적으로 변환하여, 차량의 제어 시스템의 다른 부분들 및/또는 신호들이 의도한 부품/부품들로 전달될 수 있는 출력 신호들을 생성하도록 구성된다. 입출력 신호들을 수신하고 송신하는 개별 디바이스들에 대한 각각의 연결은 케이블, 데이터 버스, 예컨대, CAN(계측 제어기 통신망) 버스, MOST(차량 네트워크 시스템) 버스 또는 몇몇 다른 버스 구조 또는 무선 연결 중 하나 이상의 형태를 취할 수 있다.
전술한 바와 같이, 재생은 대체로 두 가지 서로 다른 방식으로 이루어질 수 있다. 한가지 방식은 소위 산소(O2) 기반 재생, 소위 능동 재생이다. 능동 재생에서는 실질적으로 하기의 식 1과 같은 화학적 공정이 발생한다.
C + O2 = CO2 + 열 (식 1)
이에 따라, 능동 재생은 탄소와 산소가 혼합된 가스를 이산화탄소와 열로 변환한다. 그러나, 이러한 화학 반응은 온도에 매우 의존적이며, 허용가능한 반응 속도를 완벽하게 달성하기 위해 비교적 높은 필터 온도가 필요하다. 통상적으로 500℃의 최저 필터 온도가 필요하지만, 바람직한 속도로 재생이 발생하도록 하기 위해서는 더 높은 온도가 바람직하다.
그러나, 능동 재생에 이용가능한 최고 온도는 흔히 연관된 부품들의 공차에 의해 제한된다. 예컨대, 입자 필터(202) 및/또는 임의의 하류측 SCR 촉매는 이들이 받게 되는 최대 온도와 관련된 설계 한계를 흔히 갖는다. 이는 능동 재생이 영향을 받는 부품들로 인하여 수용할 수 없는 낮은 최대 허용 온도의 대상이 될 수 있음을 의미한다. 동시에, 이용가능한 반응 속도를 완벽하게 달성하기 위해서는 매우 높은 최저 온도가 필요하다. 능동 재생에서, 필터(202)에서의 수트 부하는 일반적으로 실질적으로 완벽하게 소멸된다. 입자 필터가 완전히 재생된 후, 필터의 수트 수준은 실질적으로 0%가 될 것이다.
차량에 입자 필터(202)뿐만 아니라 SCR 촉매(201)가 설치되는 일은 이제 점차 일반화되고 있으며, 이 경우 능동 재생은 하류측 SCR 촉매 처리 공정이 과열되는 형태의 문제점을 수반할 수 있다.
적어도 부분적으로는 이러한 이유로 인하여, 본 발명은 전술한 능동 재생 대신 NO2 기반 (수동) 재생을 적용한다. 수동 재생에서는 하기의 식 1과 같은 탄소와 이산화질소 간의 반응으로 질소 산화물과 탄소 산화물이 형성된다.
NO2 + C = NO + CO (식 2)
수동 재생의 장점은 더 낮은 온도에서 소정의 반응 속도와, 그에 따른 필터의 배출 속도가 달성된다는 것이다. 입자 필터의 수동 재생은 일반적으로 200℃ 내지 500℃의 범위 내의 온도에서 발생하며, 통상적으로 이 범위의 상위 온도가 더 바람직하기는 하다. 그럼에도 불구하고, 능동 재생에서보다 실질적으로 더 낮은 이 온도 범위는, 예컨대, SCR 촉매가 있는 경우 더 유리한데, 그 이유는 SCR 촉매에 대한 손상 위험을 유발하는 높은 온도 수준에 도달할 위험을 수반하지 않기 때문이다.
도 3은 두 가지 서로 다른 온도(350℃ 및 450℃) 상황에서 작동하고 있는 입자 필터(202) 내의 수트의 양의 함수로서 재생 속도(수트 소멸 속도)의 예를 도시하고 있다. 높고 낮은 이산화질소의 농도에 대한 각각의 재생 속도가 또한 예시되어 있다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 소멸 속도는 저온(350℃)과 낮은 이산화질소 농도에서 낮다. 재생 속도의 온도 의존도는, 필터 온도가 낮은 한, 심지어 높은 이산화질소 농도에서도 비교적 낮다는 것이 소멸 속도로 명확하게 표시되어 있다. 소멸 속도는, 이산화질소 함량이 높은 것이 명백하게 바람직하지만, 심지어 이산화질소 농도가 낮은 경우에서도, 450℃에서 상당히 높다.
그러나, 수동 재생은 도 3에서와 같은 필터 온도와 수트의 양에 의해서만 좌우되는 것이 아니라, 상술한 식 2와 도 3에 나타낸 바와 같이, 이산화질소에 대한 접근(access)에 의해서도 좌우된다. 그러나, 엔진 연소로 발생되는 질소 산화물(NOx)의 총량에 대한 이산화질소(NO2)의 비율은 통상적으로 약 0 내지 10%에 불과하다. 엔진이 중부하를 받을 때, NO2의 비율은 2 내지 4% 정도로 낮다. 따라서, 필터의 신속한 재생을 구현하기 위해서는, 필터로 유입되는 배기 가스 유동에서 이산화질소의 비율이 가능한 한 높은 것이 바람직하다.
따라서, 엔진의 연소로 인해 발생하는 배기 가스 유동에서 이산화질소(NO2)의 양을 증대시키는 것이 바람직하다. 이러한 전환을 구현하는 몇 가지 다른 방식들이 있으며, 질소 산화물이 이산화질소로 산화될 수 있는 산화 촉매(205)에 의해 달성될 수 있다.
그러나, 산화 촉매에서 질소 산화물을 이산화질소로 산화시키는 것도 도 4에 예시한 바와 같이 온도에 매우 의존적인 공정이다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 바람직한 온도에서 배기 가스 유동에서 질소 산화물의 총량에 대한 이산화질소의 비율이 거의 60%로 증대될 수 있다. 따라서, 도면이 또한 도시하고 있는 바와 같이, 질소 산화물을 이산화질소로 가능한 한 많이 산화시키기 위해서는 대략 250 내지 350℃의 온도가 수동 재생에서 최적일 것이다.
식 2와 도 3에 관련하여 설명한 바와 같이, 그러나, 실제 소멸 공정에 대해서는 완전히 다른 온도 상황이 적용된다. 이 온도 상황이 도 4에 점선으로 표시되어 있으며, 알 수 있는 바와 같이, 200 내지 250℃ 이하의 입자 필터 온도에서는 반응 속도가 실질적으로 존재하지 않는 것으로 간주될 수 있다. 그러나, 인용된 온도 표시는 예에 불과하며, 실제 값은 이들과 상이할 수 있음을 유의하여야 한다. 예컨대, 온도를 결정/계산하는 방식이 온도 한계에 영향을 미칠 수 있다. 필터의 온도를 결정하는 몇 가지 방법이 이하에 예시되어 있다.
이산화질소에 대한 접근이 자유롭다면, 가능한 한 높은 필터 온도가 바람직할 것이다. 도 4에서도 알 수 있는 바와 같이, 그러나, 이는 이산화질소로의 질소 산화물의 산화를 저하시키는 결과를 가져오며, 이는, 이산화질소의 부족에 의해 반응이 제한될 것임을 의미한다. 최적의 재생 온도를 결정하기가 어려움을 더 나타내는 다른 양태는 엔진 연소에 의해 발생되는 질소 산화물의 양과 그로 인한 배기 가스 온도 간의 관계로 인해 높은 질소 산화물 함량이 더 낮은 배기 가스 온도와 그에 따라 낮은 재생 속도를 초래한다는 사실이다.
따라서, 본 발명의 목적은 수동 재생에서 만족스러운 재생 속도를 구현하는 것이다. 이 목적은 적어도 두 가지의 서로 다른 모드로 엔진의 제어 방식을 전환함으로써 구현된다. 전술한 바와 같이, 가능한 한 효과적인 방식으로 수트를 소멸시키기 위한 주요 요건은 높은 온도이다. 이러한 이유로, 입자 필터 온도가 제1 값 이하일 때, 엔진은 제1 모드에 따라 제어된다. 제1 모드에서는 높거나 심지어 최대화된 배기 가스 온도를 구현하는 방식으로 엔진이 제어된다.
이는 에너지의 많은 부분이 열로 변환되도록 엔진의 효율을 낮은 수준으로 저하시킴으로써 이루어진다. 낮은 효율은 연소 사이클에서 피스톤이 상사점을 지나서 하방으로 움직일 때 연료가 늦게 분사됨으로써 구현된다. 이는 공급된 연료가 크랭크샤프트의 토크 발생에는 덜 기여하는 대신 단순히 연소의 정도를 더 크게 함으로써 열을 발생시킨다는 것을 의미한다. 연료가 사실상 점화되기는 하지만 차량을 추진하기 위한 동력의 발생에는 특별히 큰 기여를 하지 않는 방식으로 분사 시간(분사 각도)이 제어될 수 있다. 연소에 대량의 공기(높은 λ값)가 사용될 때 발생하는 냉각 효과를 저하시키기 위해, 엔진은 낮은 λ값, 즉 낮은 공기 공급 측으로 또한 제어된다.
따라서, 제1 모드에서는 배기 가스가 높은 온도에 도달할 수 있으며, 이에 따라 후처리 시스템을 통과할 때 후처리 시스템을 가온할 수 있다. 제1 모드는 필터 온도(T)가, 예컨대, 대략 375℃인 제2 한계에 도달할 때까지 유지될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 예가 도 5 및 도 6에 도시되어 있다. 도 6에서, 방법은 단계(601)에서 시작하며, 이 단계에서는 재생을 발생시킬 것인지의 여부를 결정한다. 재생을 발생시킬 것이라면, 상기 방법은 단계(602)로 진행되어 상기 제1 모드에 따라 엔진을 제어하고, 상기 방법은 단계(603)로 진행되어 필터 온도(T)가 한계(T2)에 도달할 때까지 머무른다. 이는 도 5에 또한 도시되어 있으며, 필터 온도(T)가 지점(A)에 도달할 때까지, 라인(501)을 따르는 상기 제1 모드에 따라 엔진이 제어된다. 낮은 효율(높은 배기 가스 온도)로 엔진을 가동하면 배기 가스 내에 낮은 질소 산화물 함량을 초래하지만, 온도가 높고 이산화질소 함량이 낮은 경우에서의 재생 속도가 일반적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 온도가 낮고 질소 산화물 함량이 높은 경우에서보다 더 나아질 것이다. 도 5에는, 배기 가스의 특정 NOx 함량에서의 각각의 재생 속도들을 나타내는 라인(501, 502)들로 재생 속도의 온도 의존도가 또한 예시되어 있다.
배기 가스 온도와 그에 따른 필터 온도의 증가는 엔진의 효율뿐만 아니라 그 현재 부하에 따라서도 좌우되므로, 이 또한 최대한 활용될 수 있다. 식 3은 엔진의 토크 관계를 설명하며,
Figure 112013028370716-pct00001
(식 3)
여기서, Mind은 엔진의 연소에 의해 발생되는 총 토크이다.
Mvev은 크랭크샤프트에서 발생된 토크, 즉 그로 인한 추진 토크이다. 이 토크는 현재 운전 조건에 의해 제어되므로, 차량이 원하는 방식으로 구동될 예정일 때 구현되는 토크이다.
Mgas은 펌핑 일(pumping work), 즉 배기 가스 유동에서의 저항에 의해 엔진이 받게 되는 제동 토크이다. 이 제동 토크는, 예컨대, 배기 가스 제동에 의해 증대될 수 있으므로, 배기 가스 유동을 제한하면 제동 토크가 발생될 것이다.
Mfrikl은 상당히 일정하며 영향을 받지 않을 수 있는 엔진 마찰을 나타낸다.
Magg은 차량에 일반적으로 장착된 부속물들에 의해 발생되는 제동 토크이며, 상기 부속물들은 엔진에 의해 구동되므로 차량의 추진력으로부터 동력을 빼앗는다. 냉각 유닛 등이 이러한 부속물들의 예이다. 이 부속물들이 엔진에 높거나 최대의 부하를 가하도록 하는 방식으로 이들을 제어하면, 원하는 크랭크샤프트 토크(Mvev)와 그에 따른 원하는 차량 속도가 유지되도록 하기 위해서 연소에 의해 발생되어야 하는 토크가 증대된다.
따라서, Mind의 크기는 엔진의 효율에 의해서 뿐만이 아니라 전술한 바와 같이 부하를 증대시킴에 의해서도 영향을 받는다. 따라서, (Mvev에서 구현된 추진 토크에 대해 반대로 작용하는) Mgas과 Magg을 증대시키면, 엔진이 더 많이 일하여 더 고온의 배기 가스를 전달하도록 강제함으로써, 입자 필터의 온도를 T2로 더 신속하게 승온한다.
입자 필터가 T2로에 도달하면, 본 발명은 도 6의 단계(604)에서 제2 모드로 엔진의 제어 방식을 전환함으로써, 엔진은 연소로부터 전달되는 NOx의 양이 증가하도록 제어된다. 전술한 바와 같이, 필터 재생 속도는 이용가능한 질소 산화물의 양에 따라 증가하므로, 제2 모드로의 전환은 필터 재생 속도를 높일 것이다. 이는 도 5에 점선(502)으로 또한 도시되어 있으며, 상기 점선은 제2 모드에서 발생되는 질소 산화물의 양에서의 재생 속도를 나타낸다.
따라서, 모드 전환에서 재생의 작용점(working point)은 실선에서 점선으로 이동할 것이다. 도시된 예에서, 재생의 작용점은 도 5에서 지점(A)로부터 지점(B)로 변한다. 알 수 있는 바와 같이, 이는 재생 속도가 훨씬 더 높은 수준(지점(B))으로 상승할 것임을 의미한다. 도 6의 단계(605)에서, 필터 온도가 T1으로, 예컨대, 300℃로 강하할 때까지 상기 제2 모드에 따른 재생이 유지될 수 있으며, 이 온도에서는 재생의 작용점이 도면의 지점(C)에 있고, 이 지점에서 도 6의 단계(602)로 역행하는 제1 모드로의 역전환이 발생하여 실선(501)의 지점(D)에 있게 되는데, 이는 지점(B)으로 후속하여 변환되는 상기 제2 모드로의 또 다른 전환을 위해 필터의 온도를 지점(A)으로 다시 상승시키기 위함이다. 필터가 상기 제1 모드로 복귀하지 않고 강하할 수 있는 온도(T1)는 임의의 적당한 온도일 수 있다. 이는, 예컨대, 상기 모드들 간의 전환과 이에 후속한 엔진 제어 매개변수들의 전환이 너무 자주 발생하지 않도록, 선택될 수 있다. 예컨대, 온도(T1)는, 예컨대, 모드 전환이 10초마다, 15초마다, 30초마다, 1분에 한번, 또는 몇몇 다른 적당한 간격으로 발생하는 것보다 더 자주 발생하지 않도록, 선택될 수 있다.
상기 온도(T1)는 현재의 엔진 부하에 따라 설정될 수도 있다. 즉, T1은 높은 엔진 부하에서 1개의 값을 갖고 낮은 엔진 부하에서 다른 1개의 값을 가질 수 있다. T2와 T1 모두를, 이 온도들 중 어느 하나 또는 모두가 추진 동력 등을 위해 필요한 전류와 같은 매개변수를 기초로 하여 연속적으로 변하도록, 모델-기반 제어하는 것도 가능하다.
도 5에 도시된 방법은, 예컨대, 차압이 소정 수준으로 강하하였거나 몇몇 다른 이유로 재생이 중단됨으로써 재생이 완료된 것으로 간주될 때까지, 반복된다. 이 또한 도 6에 도시되어 있으며, 여기서, 재생이 완료될 때, 대기 단계(603, 605)들이 중단되고, 그 결과, 방법이 단계(606)에서 종료된다.
연소의 효율이 높으면 높을수록, 질소 산화물의 양이 더 많아지는 것이 일반적이다. 그러나, 높은 효율은 더 낮은 배기 가스 온도(더 적은 손실)를 수반하며, 이는 시간이 지남에 따라 입자 필터의 온도를 하강시키는 결과를 초래한다. 효율이 높다는 것은 다량의 공기가 실린더와 그에 따른 배기 가스 유동으로 공급된다는 것을 또한 의미하며, 비교적 저온의 공기에 의해 입자 필터가 더 신속하게 냉각되는 결과로 이어진다. 따라서, 최대량의 질소 산화물이 발생되게 하는 최고의 효율이, 급속한 냉각을 초래하므로, 가장 최적의 해결책인지는 확실하지 않기 때문에, 상기 제2 모드의 작용점을 선택할 때는 균형을 맞출 필요가 있다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예는 상기 제1 모드에 비해서 실질적으로 더 많은 양의 질소 산화물이 발생되면서도 높은 배기 가스 온도 수준이 가능한 한 오래 유지되는 작용점을 이용한다. 예컨대, 상기 제2 모드에서의 작용점은 상기 제1 모드에서보다 50 내지 400% 더 많은 질소 산화물을 발생시키도록 설정될 수 있다.
따라서, 일 실시예는 제2 모드에서 작동 중에 연료를 분사하는 것보다 더 낮은 효율에서 더 높은 배기 가스 온도를 구현하기 위해, 제1 모드에서 연소시 더 늦은 시간 및/또는 분사 각도로 연료가 분사되도록 하는 엔진 제어를 적용할 수 있다.
전술한 바와 같은 법규에 적용되는 필터 온도를 결정하기 위한 다양한 방식들이 있다. 도 2에 도시된 실시예에서, 제1 온도 센서(210)가 산화 촉매(205)의 상류 측에 배치된다. 제2 온도 센서(211)는 산화 촉매의 하류 측(입자 필터의 하류 측)에 배치되며, 제3 온도 센서(212)는 입자 필터(202)의 하류 측에 배치된다. 필터 온도는, 예컨대, 센서(211, 212)들에 의해 계측된 온도의 평균에 기초하여 결정될 수 있다. 대안적으로, 센서(211 또는 212)로부터의 온도만 이용될 수도 있다. 마찬가지로, 몇몇 다른 적합한 온도 센서, 예컨대, 후처리 시스템의 모델과 함께, 예컨대, 현재 배기 가스 유동과 함께, 필터 온도를 계산하는 센서(210)가 이용될 수 있다.
본 발명은 차량과 관련하여 위에 예시되었다. 그러나, 본 발명은 전술한 바와 같은 배기 가스 정화 시스템이 적용될 수 있는 임의의 운송 수단, 예컨대, 전술한 바와 같은 연소 공정/재생 공정을 구비한 선박 및/또는 항공기에도 적용가능하다.

Claims (22)

  1. 내연 기관(101)에서 연소에 의해 발생하는 배기 가스를 처리하도록 배열되어 있으며 연소 공정과 관련된 입자 필터(202)의 NO2 기반 재생 방법으로서,
    - NO2 기반 재생 시, 엔진(101)을 제1 모드와 제2 모드에 따라 제어하는 단계를 포함하며, 상기 제1 모드에서는 높은 배기 가스 온도가 발생하도록 엔진(101)이 제어되고, 상기 제2 모드에서는 상기 제1 모드에서보다 실질적으로 많은 양의 질소 산화물이 전달되도록 엔진(101)이 제어되며,
    상기 방법이,
    - 상기 입자 필터(202)의 온도를 결정하는 단계와,
    - 결정된 상기 온도가 제1 값 이하일 때 상기 제1 모드에 따라 상기 엔진(101)을 제어하는 단계를 더 포함하고,
    결정된 상기 온도가 상기 제1 값보다 더 높은 제2 값에 도달할 때까지, 상기 엔진(101)이 상기 제1 모드에 따라 제어되며, 상기 제2 값에서 상기 엔진(101)의 제어가 상기 제2 모드로 전환되는 것을 특징으로 하는 입자 필터의 NO2 기반 재생 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 값은 사전에 결정된 250℃를 초과하는 온도인 것을 특징으로 하는 입자 필터의 NO2 기반 재생 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 값은 사전에 결정된 500℃ 이하의 온도인 것을 특징으로 하는 입자 필터의 NO2 기반 재생 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    결정된 상기 온도가 상기 제2 값에 도달하여 상기 엔진(101)의 제어가 상기 제2 모드로 전환되었을 때, 결정된 상기 온도가 상기 제1 값으로 강하할 때까지 상기 엔진(101)을 상기 제2 모드에 따라 제어하는 단계를 더 포함하며, 상기 제1 값에서 상기 엔진(101)의 제어가 상기 제1 모드로 복귀되는 것을 특징으로 하는 입자 필터의 NO2 기반 재생 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 값 및/또는 제2 값은 현재 엔진 부하에 기초하여 변하는 것을 특징으로 하는 입자 필터의 NO2 기반 재생 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    결정된 상기 온도가 상기 제2 값에 도달하여 상기 엔진(101)의 제어가 상기 제2 모드로 전환되었을 때, 제1 기간 동안 상기 엔진(101)을 상기 제2 모드에 따라 제어하는 단계를 더 포함하며, 상기 제1 기간 후 상기 엔진(101)의 제어가 상기 제1 모드로 복귀되는 것을 특징으로 하는 입자 필터의 NO2 기반 재생 방법.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모드 변환은, 상기 입자 필터(202)가 원하는 수준으로 재생될 때까지, 또는 재생이 몇몇 다른 이유로 중단될 때까지, 반복되는 것을 특징으로 하는 입자 필터의 NO2 기반 재생 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 입자 필터에서의 차압이 원하는 수준으로 강하하였을 때, 상기 입자 필터(202)가 원하는 수준으로 재생되는 것을 특징으로 하는 입자 필터의 NO2 기반 재생 방법.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 모드에서, 실질적으로 최대화된 배기 가스 온도가 구현되도록 엔진(101)이 제어되는 것을 특징으로 하는 입자 필터의 NO2 기반 재생 방법.
  10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 모드에서, 에너지의 많은 부분이 열로 변환되도록 엔진(101)의 효율이 낮은 수준으로 저하되는 것을 특징으로 하는 입자 필터의 NO2 기반 재생 방법.
  11. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 상기 제1 모드에서,
    - 펌핑 일(Mgas), 및/또는
    - 차량에 장착된 부속물들에 의해 발생되는 제동 토크(Magg)를 증대시킴으로써, 내연 기관(101)에 대한 부하가 증대되는 것을 특징으로 하는 입자 필터의 NO2 기반 재생 방법.
  12. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 모드에서, 상기 제1 모드에서보다 적어도 50% 함량이 더 높은 질소 산화물이 발생되는 것을 특징으로 하는 입자 필터의 NO2 기반 재생 방법.
  13. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입자 필터(202)의 온도는 입자 필터(202) 내에 또는 그 부근에 배치된 하나 이상의 온도 센서(210 내지 212)들에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 입자 필터의 NO2 기반 재생 방법.
  14. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입자 필터(202)의 온도는, 배기 가스 처리 모델과 함께, 배기 가스 유동 내에 배치된 온도 센서(210 내지 212)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 입자 필터의 NO2 기반 재생 방법.
  15. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 모드에서, 상기 엔진 내의 피스톤이 상사점을 지난 후 적어도 부분적으로 연료가 분사되는 것을 특징으로 하는 입자 필터의 NO2 기반 재생 방법.
  16. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 모드에서, 상기 제2 모드에 따른 연료 분사의 경우에서보다 연소 중에 더 늦은 시간 및/또는 분사 각도에서 연료가 분사되는 것을 특징으로 하는 입자 필터의 NO2 기반 재생 방법.
  17. 삭제
  18. 내연 기관(101)에서 연소에 의해 발생하는 배기 가스를 처리하기 위한 연소 공정과 관련된 입자 필터(202)의 NO2 기반 재생 시스템으로서,
    NO2 기반 재생 중에 상기 시스템은 엔진(101)을 적어도 제1 모드와 제2 모드에 따라 제어하도록 되어 있으며, 상기 제1 모드에서, 상기 엔진(101)은 높은 배기 가스 온도가 발생하도록 제어되고, 상기 제2 모드에서, 상기 제1 모드에서보다 실질적으로 더 많은 양의 질소 산화물이 전달되도록 엔진(101)이 제어되며,
    상기 시스템은,
    - 상기 입자 필터(202)의 온도를 결정하는 수단과,
    - 결정된 상기 온도가 제1 값 이하일 때 상기 제1 모드에 따라 상기 엔진(101)을 제어하는 수단을 더 포함하고,
    결정된 상기 온도가 상기 제1 값보다 더 높은 제2 값에 도달할 때까지, 상기 엔진(101)이 상기 제1 모드에 따라 제어되며, 상기 제2 값에서 상기 엔진(101)의 제어가 상기 제2 모드로 전환되는 것을 특징으로 하는 입자 필터의 NO2 기반 재생 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 입자 필터(202)의 상류 측에 산화 촉매가 배치된 것을 특징으로 하는 입자 필터의 NO2 기반 재생 시스템.
  20. 차량(100)에 있어서,
    제18항 또는 제19항에 따른 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량.
  21. 삭제
  22. 삭제
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