KR101784021B1

KR101784021B1 - 개질된 에탄올 엔진들

Info

Publication number: KR101784021B1
Application number: KR1020127000360A
Authority: KR
Inventors: 다비드 에이. 모젠스턴; 제니퍼 씨. 윌러; 로버트 에이. 스텐
Original assignee: 몬산토 테크놀로지 엘엘씨
Priority date: 2009-06-29
Filing date: 2010-06-28
Publication date: 2017-10-10
Also published as: CN102482976A; MX2012000074A; US20120097117A1; WO2011002722A1; US8967089B2; CA2766044A1; BRPI1013165B1; CA2766044C; EP2449220B1; EP2449220A1; KR20120038958A; MX358986B; BRPI1013165A2

Abstract

수소-함유 가스 혼합물을 포함하는 개질된 알콜 연료를 사용하는 개선된 내연기관 동력 시스템들(예를 들어, 차량 응용예들에서 기계적 또는 전기적 동력을 생성하는데 사용되는 것들), 보다 상세하게는, 이러한 엔진들 및 동력 시스템들의 효과적인 작동법이 공개된다. 빠른 시동 및 낮은 비용 및 배기물질들을 제공하는 엔진 동력 시스템들을 작동시키는 모드들이 제공된다. 다양한 선호되는 실시예들에서, 내연기관 동력 시스템들은 희석제인 과잉 연소 공기 및/또는 재순환되는 배기가스를 사용하여 엔진의 연소실 또는 실린더에 도입되는 흡입 유체 혼합물의 희석, 연료인 개질되지 않은 에탄올 및 에탄올 개질휘발유의 혼합물들의 사용 및 희박 질소산화물 트랩(lean NO_x trap)을 사용하여 실린더로부터 배출된 배기가스의 후처리를 포함한다.

Description

개질된 에탄올 엔진들{Reformed ethanol engines}

본 발명은 일반적으로 수소-함유 가스 혼합물을 포함하는 개질된 알콜 연료를 사용하는 내연기관 동력 시스템들(예를 들어, 차량 응용예들에서 기계적 또는 전기적 동력을 생성하는데 사용되는 것들)에 대한 것이고, 보다 상세하게는, 이러한 엔진들 및 동력 시스템들의 효과적인 작동에 대한 것이다.

미국 공보 제 US 2004/0137288 A1호와 " 구리-도금된 레이니 니켈(raney nickel) 상에서 에탄올의 저온 개질: 수송에 대한 지속가능한 수소에 대한 새로운 길," 에너지와 연료, 19권, 4호, pp. 1708-1716(2005), Morgenstern 등에는 구리-도금된 레이니 합금들을 포함하는 개질 촉매를 사용하여 저온에서(예를 들어, 약 300℃ 이하) 에탄의 메탄, 수소 및 CO/CO₂로의 변환 및 가스 상 개질을 위한 공정이 개시된다.

Morgenstern의 미국 공보 제 US 2008/0010993 A1호에는 개질 반응에 열을 제공하는데 사용되는 엔진으로부터의 배기가스와, 기계적 또는 전기적 동력을 제공하기 위해 내연기관에서 연소될 수 있는 수소와 메탄-함유 개질휘발유(reformate) 가스 혼합물을 생성하도록 에탄올을 개질하기 위한 공정들이 개시된다.

Morgenstern 등의 이러한 공보들의 전체 내용들은 본원에 참고문헌으로서 포함된다.

본 발명의 일 실시예는 에탄올을 포함하는 연료로부터 기계적 또는 전기적 동력을 생성하기 위한 공정에 대한 것이다. 이 공정은 일산화탄소, 이산화탄소 및 이들의 혼합물들로 구성되는 그룹으로부터 선택된 탄소 산화물 성분과 메탄, 수소를 포함하는 제품 개질휘발유 가스 혼합물을 생성하도록 개질 반응 영역에 구리를 포함하는 개질 촉매와 에탄올 연료를 포함하는 공급 가스를 접촉시키는 것을 포함한다. 연소가능한 가스 혼합물이 내연기관의 연소실에서 연소되어 배기가스 혼합물을 생성한다. 연소가능한 가스 혼합물은 이전의 연소에서 생성된 배기가스 혼합물의 약 5% 내지 약 40%를 포함하는 배기가스 배출물(effluent)과 제품 개질휘발유 가스 혼합물에서 얻어지는 메탄과 수소, 공기를 포함한다. 연소 에너지는 기계적 또는 전기적 동력의 생성을 위해 사용되고, 배기가스 혼합물의 적어도 일부분이 연소실로부터 배출되고 배출된 배기가스 혼합물의 적어도 일부분이 개질 반응 영역과 열적 접촉하게 되어 그 안의 개질 촉매를 가열하고 배출된 배기가스 혼합물을 냉각시킨다.

본 발명의 다른 실시예에 따라, 에탄올을 포함하는 연료로부터 기계적 또는 전기적 동력을 생성하기 위한 공정이 일산화탄소, 이산화탄소 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 탄소 산화물 성분과 메탄, 수소를 포함하는 제품 개질휘발유 가스 혼합물을 생성하기 위해 개질 반응 영역에서 구리를 포함하는 개질 촉매와 에탄올 연료를 포함하는 공급 가스 혼합물을 접촉시키는 것을 포함한다. 제품 개질휘발유 가스 혼합물에서 탄소 산화물 성분에 대한 메탄의 몰 비는 약 0.9 내지 약 1.25이고 개질휘발유 가스 혼합물에 메탄이 생성되는 비는 몰 기준으로 개질 반응 영역에 유입되는 에탄올의 비의 적어도 약 50%이다. 제품 개질휘발유 가스 혼합물에서 얻어지는 메탄 및 수소와 공기를 포함하는 연소가능한 가스 혼합물은 배기가스 혼합물을 생성하도록 약 5% 내지 약 40% 배기가스 재순환되어 내연기관의 연소실에서 연소된다. 연소 에너지는 기계적 또는 전기적 동력의 생성을 위해 사용되고 배출된 배기가스 혼합물의 적어도 일부분이 개질 반응 영역과 열적 접촉하게 되어 그 안의 개질 촉매를 가열하고 배출된 배기가스 혼합물을 냉각시킨다.

본 발명의 추가 실시예에서, 에탄올을 포함하는 연료로부터 기계적 또는 전기적 동력을 생성하기 위한 공정은 일산화탄소, 이산화탄소 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 탄소 산화물 성분과 메탄, 수소를 포함하는 제품 개질휘발유 가스 혼합물을 생성하기 위해 개질 반응 영역에서 구리를 포함하는 개질 촉매와 에탄올 연료를 포함하는 공급 가스 혼합물을 접촉시키는 것을 포함한다. 흡입 유체 혼합물이 내연기관의 연소실에 유입된다. 흡입 유체 혼합물은 제품 개질휘발유 가스 혼합물에서 얻어지는 메탄 및 수소와 공기를 포함하고 흡입 유체 혼합물의 람다(λ)는 1 이상이다. 흡입 유체 혼합물은 연소실에서 연소되어 질소 산화물들을 포함하는 배기가스 혼합물을 생성하고 연소 에너지는 기계적 또는 전기적 동력의 생성을 위해 사용된다. 배기가스 혼합물의 적어도 일부분이 연소실로부터 배출되고 개질 반응 영역과 열적 접촉하게 되어 그 안의 개질 촉매를 가열하고 배출된 배기가스 혼합물을 냉각시킨다. 배출된 가스 혼합물의 적어도 일부분은 질소 산화물 트랩(trap)을 통과한다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 에탄올을 포함하는 연료로부터 기계적 또는 전기적 동력을 생성하기 위한 공정은 일산화탄소, 이산화탄소 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 탄소 산화물 성분과 메탄, 수소를 포함하는 제품 개질휘발유 가스 혼합물을 생성하기 위해 개질 반응 영역에서 구리를 포함하는 개질 촉매와 에탄올 연료를 포함하는 공급 가스 혼합물을 접촉시키는 것을 포함한다. 제품 개질휘발유 가스 혼합물, 개질되지 않은 에탄올 및 이들의 혼합물에서 얻어지는 메탄 및 수소로 구성된 그룹으로부터 선택되는 연료와 공기를 포함하는 흡입 유체 혼합물이 내연기관의 연소실에 도입된다. 흡입 유체 혼합물이 연소실에서 연소되어 배기가스 혼합물을 생성하고 연소 에너지가 기계적 또는 전기적 동력의 생성을 위해 사용된다. 배기가스 혼합물의 적어도 일부분이 연소실로부터 배출되고 개질 반응 영역과 열적 접촉하게 되어 그 안의 개질 촉매를 가열하고 배출된 배기가스 혼합물을 냉각시킨다. 내연기관이 약 7바(bar) IMEP(지시 평균 유효 압력) 아래에서 작동할 때, 흡입 유체 혼합물은 적어도 약 20%만큼 희석되고 흡입 유체 혼합물의 연료는 약 1:3 내지 약 3:1의 질량 비로 개질된 에탄올과 개질되지 않은 에탄올의 혼합물을 포함한다.

다른 목적들 및 특징들은 이후에 부분적으로는 명백해질 것이며 부분적으로는 지적될 것이다.

도 1은 알콜 개질기, 개질휘발유 냉각기, 버퍼 탱크 및 희박 NO_x 트랩을 포함하는 개질된 에탄올 이중-연료(flex-fuel) 동력 시스템의 개략도.
도 2는 개질휘발유 흐름에서 액체 액적들을 분리하는 성능을 갖는 버퍼 탱크에 대한 디자인.
도 3은 개질휘발유와 공기를 혼합하기 위해 바이패스 밸브를 정상 개방한 과급기의 사용을 도시하는 도면. 개질휘발유는 과급기의 공기 흡입구에 분무된다.
도 4는 MBT 점화 타이밍에서 E100과 개질휘발유를 사용하여 예 1의 엔진의 25℃ 냉간 시동을 위한 순 지시 평균 유효 압력의 변화의 계수의 도면.
도 5는 MBT 점화 타이밍에서 E100과 개질휘발유를 사용하여 예 1의 엔진의 25℃ 냉간 시동 중의 탄화수소 배출물(ppm)의 도면.
도 6은 MBT 점화 타이밍에서 E100과 모사된 에탄올 개질휘발유를 사용하여 예 1의 엔진의 25℃ 냉간 시동 중의 탄화수소 배출물(ppm)의 도면.
도 7은 MBT 및 지연된 점화 타이밍에서 에탄올 개질휘발유를 사용하여 예 1의 엔진의 냉간 시동 중의 연료 소비의 도면.
도 8은 1200rpm, 4.33바 BMEP 희박 NOx 트랩 재생 사이클의 도면.
도 9는 1500rpm, 2.83바 BMEP 희박 NOx 트랩 재생 사이클의 도면.
도 10은 20℃에서 예 12의 엔진의 시동 중의 엔진 속도, 람다, 탄화수소, 및 CO 배출의 도면.

본 발명의 실시예들은 개질된 알콜(예를 들어, 에탄올) 연료 또는 개질휘발유를 사용하는 내연기관(ICE) 동력 시스템들과 개선된 효율 및 낮은 배출물을 보이는 이러한 시스템들의 제공에 대한 것이다. 빠른 시동과 낮은 비용을 제공하는 ICE 동력 시스템의 작동 모드들도 제공된다.

본 발명의 일 양상은 알콜 개질기의 개질 반응 영역에서 높은 변환을 유지하기에 충분히 높은 배기가스 온도를 유지하면서, 고효율들과 낮은 배출 레벨들을 동시에 획득할 수 있게 하는 과잉 공기 및/또는 배기가스(배기가스 재순환 또는 EGR)를 사용하는 ICE의 연소실 또는 실린더에서 희석 레벨(예를 들어, 적어도 약 20%)을 제공하는 것이다. 배기가스가 희석제로서 사용될 때, 약 5% 내지 약 40%의 EGR 레벨들이 선호되고(즉, 배기가스의 약 5% 내지 약 40%가 재순환되는 것이 바람직함), 보다 바람직하게는, 약 15% 내지 약 40%, 보다 바람직하게는 적어도 약 20%, 훨씬 더 바람직하게는 약 30% 내지 약 40%, 더 높은 레벨들은 사이클 대 사이클의 연소시 바람직하지 않은 변동을 생성할 수 있기 때문이다. 과잉 공기가 사용될 때, 화학량론적으로 요구되는 것에 대한 흡입 유체 혼합물의 공기의 비(일반적으로 람다(λ)로 알려져 있음)는 바람직하게는 개질 반응 영역에 충분한 열을 제공하고 개질 촉매의 활성도를 유지하기에 충분히 높은 배기가스 온도를 유지하도록 선택된다. 람다(λ)는 연료가 연소되기 위한 공기:연료의 화학량론적 비로 실제 공기:연료 비를 나눠 계산된다. 과잉 공기가 희석제로서 사용될 때, 적어도 약 20%의 희석 레벨들이 선호된다(약 1.2의 람다(λ) 값에 따라). 몇몇 실시예들에서, 1.8 내지 2.2의 람다(λ) 값들이 특히 선호되는데 이들이 전형적으로 약 400℃의 배기 온도들을 생성하기 때문이다. 배기가스 재순환과 과잉 공기는 내연기관의 연소실에 도입되는 흡입 유체 혼합물의 원하는 희석 레벨을 달성하는 것에 관련하여 사용될 수 있다.

과잉 공기 전략의 일 실시예(즉, 흡입 유체 혼합물의 람다(λ)가 1 이상임)에서, "희박 NO_x 트랩"이 배기가스 중 질소 산화물들(예를 들어, NO, NO₂; 집합적으로 NO_x로 공지됨)의 농도들을 낮은 레벨들로 감소시키기 위해 배기가스 트레인(train)에 존재한다. 트랩은 예를 들어, 에탄올 개질휘발유를 사용하여 또는 다르게는 화학량론적으로 농후한 엔진의 단속적인 운전에 의해(즉, 흡입 유체 혼합물의 람다(λ)를 필요에 따라 1미만으로 감소시켜) 효과적으로 재생될 수 있다. 현재까지의 경험은 후자의 전략, 단속적인 농후한 엔진 운전이 선호될 수 있음을 제안하데 왜냐하면 에탄올 개질휘발유의 메탄이 희박한 NOx 트랩을 재생시킬 때 적은 양하고만 반응하기 때문이다.

시동시 배출물을 감소시키는 것에 대한 본 발명의 추가 실시예에서, 엔진은 촉매 변환기가 기능하게 되는 온도인 "활성화(light-off)" 온도로 배기가스 온도를 빠르게 증가시키기 위해 지연된 점화 타이밍으로 차량에 탑재된 개질휘발유를 사용하여 냉간 시동될 수 있다. 촉매 활성화는 배기가스 온도가 약 100℃에 도달할 때 촉매 변환기에 개질휘발유 연료의 흐름을 공급하여 추가로 가속될 수 있다.

본 발명의 추가 양상은 엔진에 연료를 공급하는데 사용되는 에탄올의 일부분만을 개질하는 이점에 대한 것이다(즉, 연소실에 도입되는 흡입 유체 혼합물이 개질되지 않은 에탄올과 제품 개질휘발유 가스 혼합물에서 얻어지는 메탄과 수소를 포함하는 연료 혼합물과 공기를 포함함). 에탄올의 일부를 개질하고 액체 에탄올인 연료의 나머지를, 바람직하게는 포트 연료 분사기들을 통해, 도입하는 것은, 대부분의 작동 지점들에서 효율을 개선하는 것으로 밝혀졌다. 또한, 연료의 일부분만을 개질하는 것은 알콜 개질기의 사이즈 및 비용을 감소시킬 수 있게 한다. 일반적으로, 에탄올 연료의 약 25% 내지 약 75%(질량으로)의 개질이 선호되고(즉, 흡입 연료 혼합물의 연료가 개질된 에탄올과 개질되지 않은 에탄올의 혼합물을 약 1:3 내지 약 3:1의 질량비로 포함함), 개질되는 연료의 더 많은 부분이 더 낮은 출력 및 더 높은 속도에서 선호된다.

Morgenstern 등의 상술한 공보들은 에탄올이 그에 의해 수학식 (1) 및 (2)에 따라 저온들(예를 들어, 300℃)에서 가스들의 혼합물(즉, 개질휘발유)을 생성하도록 개질될 수 있는 공정을 설명한다. 기체상태 생성물들은 액체 에탄올보다 약 7% 높은 연료값(또는 더 낮은 가열값)을 갖는다.

수분-가스 이동(shift)없이:

(1)

선택적인 수분-가스 이동 후 순량(net):

(2)

개질기(reformer)의 개질 반응 영역에 도입되는 공급 가스 혼합물이 에탄올을 포함하는 실시예들에서, 개질 과정이 (수분이 에탄올 공급물에 존재하면 선택적인 수분-가스 이동 후에) 반응 화학식 (1) 및 (2)에 도시된 저온 반응 경로를 따라 진행되는 것이 바람직하다. 즉, 개질 온도를 바람직한 범위(예를 들어, 약 400℃ 이하, 보다 바람직하게는 350℃ 이하) 내로 유지하여, 고온 수증기-변성 시스템들에서 우세한, 에탄올의 고온 증착이 눈에 띄게 발생하지 않는다. 그러므로, 생성된 제품 개질휘발유 가스 혼합물이 일산화탄소, 이산화탄소 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 탄소 산화물 성분과 수소, 메탄을 포함하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 메탄과 탄소 산화물 성분들은 제품 개질휘발유 가스 혼합물과 거의 같은 몰 량으로 존재한다. 약 0.9 내지 약 1.25의 메탄 대 탄소 산화물 성분의 몰 비들은 거의 같은 몰이다. 또한, 바람직하지 않은 메탄 생성이 바람직하게는 최소화된다. 니켈 스펀지 지지 구조물의 표면에서 구리-함유 활성 상(active phase)을 포함하는 바람직한 개질 촉매의 중요한 장점은 메탄 생성이 약 400℃까지의 개질 온도, 보다 바람직하게는, 약 350℃까지의 온도들에서 개질기의 바람직한 작동 조건들 하에서 무시가능하다는 것이다.

개질 반응 영역에 도입되는 공급 가스 혼합물 중의 알콜 연료가 에탄올을 포함할 때, 제품 개질휘발유 가스 혼합물에서 메탄 생성의 비가 몰 기준으로 에탄올 공급 비의 적어도 약 50%인 것이 바람직하다(즉, 에탄 대 메탄의 적어도 약 50% 변환이 달성된다). 보다 바람직하게는, 적어도 약 60%의 에탄 대 메탄 변환이 달성되고, 훨씬 바람직하게는 적어도 약 70% 변환, 적어도 약 80% 변환, 적어도 약 90% 변환, 또한 보다 바람직하게는 적어도 약 95%의 공급 가스 혼합물 중 에탄올이 몰 기준으로 개질휘발유 가스 중 메탄으로 변환된다. 제품 개질휘발유 가스 혼합물은 바람직하게는 약 10 몰%이하의 아세트알데히드와 약 20 몰%이하의 에탄올, 보다 바람직하게는, 약 5 몰%이하의 아세트알데히드와 약 15 몰%이하의 에탄올을 포함한다. 금속 지지 구조물의 표면에 구리-함유 활성 상을 포함하는 촉매들에 대해, Morgenstern 등의 "구리-도금된 레이니 니켈 상에서 에탄올의 저온 개질: 수송용 지속가능한 수소에 대한 새로운 길," 에너지와 연료, 19권, 4호, pp. 1708-1716(2005)에 반응속도(kinetics)가 개질기 조건들이 원하는 조성의 제품 개질휘발유 가스 혼합물을 생성하기 위해 동력 시스템 요구조건들에 기반하여 쉽게 결정 및 선택될 수 있도록 에탄올 공급율, 촉매 로딩(loading), 및 온도의 함수로 설명되어 있다.

증가된 연료값에 부가하여, 개질 에탄올은 엔진 효율에 이점을 갖는데 왜냐하면 제품 개질휘발유 가스 혼합물 중 수소의 존재는 화염 속도를 크게 증가시켜, 실린더에 도입되는 흡입 유체 혼합물이 과잉 공기 또는 배기가스로 희석될 때에도 연소가 허용가능한 속도로 발생할 수 있게 하기 때문이다. 효율 개선을 달성하기 위해 희석 흡입 혼합물들을 사용하는 것은 엔진 업계에 공지되어 있다. 희석제들은 실린더의 온도를 감소시켜 이는 결국 실린더 벽들을 통한 냉매로의 열 손실들을 감소시킨다. 또한, 일부 로딩시, 희석제들은 스로틀링 손실들을 감소시킨다. 과잉 공기를 사용하는 것은 실린더 중 혼합물의 특정 열들의 비, 또는 감마(γ)를 감소시켜 효율의 추가 개선을 제공한다.

과잉 공기 또는 냉각된 외부 배기가스 재순환(EGR)을 사용하면 배기가스 온도들을 감소시키고, 이는 개질기를 가열하는데 사용되는 배기가스가 촉매를 그 작동 온도(예를 들어, 개질기의 출구에서 적어도 약 300℃)로 가열시킬 수 없게 되면 개질기의 성능에 치명적인 효과를 줄 수 있다. 다른 한편, 내부 EGR을 사용하면 과잉 공기 또는 냉각된 외부 EGR을 사용하여 생성된 배기 가스보다 더 높은 온도를 갖는 배기가스를 생성할 수 있는데 왜냐하면 내부 EGR은 실린더로 복귀될 때 냉각된 외부 EGR보다 높은 온도를 갖기 때문이다. 보다 상세하게는, 내부 EGR을 사용하는 것과 같이, 증가된 배기가스 온도들은 귀중할 수 있는데 왜냐하면 알콜 개질기가 이를 수용하는 유입하는 에탄올 연료와 촉매와 배기가스 흐름(열을 제공함) 간의 열교환기로서 기능하기 때문이다. 소정의 지점에서 단위 면적당 열 전달율은 고온 및 저온 측들 간의 온도 차이에 비례한다. 미분 형태에서, 이러한 관계는 수학식(3)에 의해 표현되고, 이는 열전달 핸드북(Rohsenow, Warren M., Hartnett, James P., 및 Cho, Young I. 편집인들, McGraw Hill New York, 1998 pg17.28)에서 취했고, 여기서 dq는 표면적 dA에 걸친 고온으로부터 저온 액체로의 열전달율이고 (T_h-T_c)_loc는 이 지점에서 온도 차이이다.

q=(T_h-T_c)_locdA (3)

이 경우에, T_h-T_c는 촉매의 온도와 배기가스 흐름의 온도 간의 차이에 상응한다. 촉매의 온도는 전형적으로 개질기의 출구에서 약 300℃이다. 그러므로, 더 높은 배기가스 온도를 유지하여, 더 작은 열교환 표면적을 갖는 알콜 개질기를 사용할 수 있으므로, 개질기에 대한 비용 및 무게를 줄일 수 있다. 또한, 더 작은 개질기는 더 낮은 열적 질량을 가지므로 배기가스 열에 보다 빠르게 온도로 될 수 있다. 구동 사이클의 대부분에 걸쳐 적어도 약 400℃ 보다 바람직하게는 개질기를 지나는 연료 유동의 더 높은 유량 즉, 더 큰 열전달율(예를 들어, 낮은 출력 및 더 높은 속도들에서)을 필요로 하는 구동 사이클의 부분들 중에 적어도 약 450℃로 배기가스 온도를 유지하는 것이 바람직할 수 있다.

이러한 이유로, 배기가스 재순환(EGR)을 사용하는 것은 더 높은 엔진 부하들에서 과잉 공기의 사용보다 선호된다. 전체 연료 유동이 높기 때문에, 이러한 조건들 하에서 개질기 활성도가 유지됨을 보장하기 위해 조치를 취하는 것이 바람직하다. EGR을 사용하면 더 높은 배기가스 온도를 유지하고 개질기로의 연료 유동의 부분이 감소된다. 또한, EGR의 일부 또는 모두가 냉각된 외부 EGR이 아닌 "내부 EGR"인 것이 바람직하다. 냉각기를 통해 흡입 다기관으로의 복귀의 배기가스의 재순환은 엔진들의 배출물들을 개선하기 위한 일반적인 접근법이지만, 배기가스 온도를 감소시키는 효과를 갖는다. 부가적으로, 양산차에서 이러한 높은 EGR 율(즉, 바람직하게는 약 30% 내지 약 40%)을 달성하기는 어렵다. 또한, 재순환되는 배기가스들의 더 높은 온도들은 내부적으로 스로틀링 손실들을 감소시킨다. 내부 EGR은 이후의 흡입 행정의 일부분 중에 배기 밸브를 연 상태로 놓아 달성될 수 있고, 이는 배출되는 배기가스 혼합물의 일부분이 연소실 또는 실린더로 다시 인입되게 하고, 또는 다르게는 연소실의 배기가스 혼합물의 일부분을 유지하여 달성될 수 있다. 매우 적은 배기가스 냉각이 이 과정 중에 이루어지고, 이는 공기 또는 냉각된 배기가스로의 등가의 희석에 의해 달성되는 것보다 높은 배기가스 온도들이 되게 한다. 배기 밸브의 지연된 개방도 배기가스 감압(blowdown)을 지연시켜 팽창 작동을 증가시킨다. 내부 EGR은 밸브들이 가변 캠 타이밍 또는 전자 제어 중 어느 하나에 의해 가변 타이밍으로 제어되는 엔진들에서 빠르게 수정될 수 있는 추가 장점들을 갖는다. 이러한 엔진들은 개질된 에탄올 연료로 작동하는데 선호된다.

상술한 바와 같이, 에탄올의 일부만을 개질하는 것이 100% 개질휘발유로 작동하는 것 또는 개질되지 않은 액체 에탄올 연료만(0% 개질휘발유)을 사용하는 것에 비해 대부분의 작동 점들에서 개선된 효율을 제공함이 밝혀졌다. 바람직한 비율의 에탄올을 개질하는 것은 엔진 효율을 개선하는데만 유익한 것이 아니라, 개질기의 열 요구를 감소시키는데에도 유익한데, 왜냐하면 그와 동일한 양을 기화 및 개질할 필요가 없기 때문이다. 개질된 및 액체 에탄올 간의 바람직한 몫(split)이 후술된다.

과잉 공기 또는 EGR의 사용에 대한 추가 구속조건은 엔진의 실린더로 도입되는 흡입 유체 혼합물의 과잉 희석이 연소가 불안정하게 한다는 사실로부터 기인한다. 연소 안정성은 전형적으로 지시 평균 유효 압력(IMEP)의 변화 계수(COV)로서 측정된다. 약 2% 이상의 COV들이 일반적으로 공회전시를 제외한 승용차 동작에 대해 허용할 수 없는 것으로 간주된다. 이는 사용되는 화학량론적 또는 EGR 레벨을 넘는 공기-연료 비를 제한한다.

이러한 다양한 고려사항들을 볼 때, 배기가스가 희석제로서 사용될 때, 약 30% 내지 약 40%의 EGR 레벨들이 본 발명의 몇몇 실시예들에서 특히 선호되는데, 더 높은 레벨들은 사이클 대 사이클의 바람직하지 않은 연소 변화를 일으키는 경향이 있기 때문이다. 예들에 보이는 바와 같이, 배기가스 온도들은 이러한 레벨들에서 냉각된 외부 EGR을 사용할 때에도 약 450℃로 유지된다. EGR이 아닌, 과잉 공기로 희석하는 것은 낮은 부하에서 더 높은 효율 개선을 가능하게 한다. 상술한 바와 같이, 약 1.8 내지 약 2.2의 람다(λ) 값들이 본 발명의 몇몇 실시예들에서 선호되는데 이들이 약 2% 이하의 COV로 약 400℃의 배기가스 온도들을 생성하기 때문이다. 더 높은 λ값들은 COV를 증가시키고 바람직한 범위 밖의 배기가스 온도들을 감소시킨다. 약 2개의 최적 λ값들이 Wong 등에 의해 설명되었다.

또 다른 추가 고려사항은 법적 기준들을 달성하거나 초과하도록 엔진으로부터의 배출물 레벨들을 관리하는 것을 포함한다. 불꽃 점화 엔진들에 대해, 3가지 주요 오염물질이 질소 산화물들(NO_x), 일산화탄소(CO), 및 탄화수소들이다. 특히 미국에서, 탄화수소 기준들이 미-메탄 탄화수소들에 대해 정의되어 있다. 그러므로 에탄올 개질휘발유는 기존의 탄화수소 배출물 요구조건들을 만족하는데 대해 유익한 연료인데 왜냐하면 메탄은 연료에서 탄화수소뿐이기 때문이다. 그러나 개질되지 않은 에탄올과 모터 오일로부터의 약간의 탄화수소 배출물들이 기대된다.

차량들로부터 메탄 배출물들은 미래에 규제될 수 있는데, 왜냐하면 메탄이 잠재적인 온실가스이기 때문이다. 그러나, 에탄올 개질휘발유와 E85의 50-50 혼합물의 연료를 공급받는 엔진들로부터의 엔진에서-나오는 메탄 배출물들이 동일한 작동점에서 동일한 엔진에서 가솔린으로부터의 배출물과 등가임이 밝혀졌다. 배기관 배출물들은 과잉 공기로 작동될 때 더 낮은데(람다가 1이상) 왜냐하면 배기가스 중 산소의 존재는 촉매 변환기의 탄화수소 산화 효율을 개선하기 때문이다.

에탄올 개질휘발유를 사용할 때 신속한 화염 전파때문에, CO와 탄화수소들(모두 불완전 연소의 생성물임)이 개질되지 않은 액체 에탄올과 가솔린 연료들에 비해 억제됨이 밝혀졌다. 또한, CO와 탄화수소 배출물들은 배기가스 온도가 3-웨이 촉매 활성도를 유지하기에 충분히 높게 유지되는 한 높은 람다(λ)에서도 종래의 3-웨이 배기 촉매들에 의해 효과적으로 관리될 수 있다. 이는 전형적으로 적어도 약 400℃의 배기가스 온도를 요구한다. 그러나 3-웨이 촉매들은 과잉 공기 존재시 NO_x를 감소시키는데에는 비효율적이다(즉, 람다(λ) 값이 1이상).

예들에 보인 바와 같이, EGR 또는 과잉 공기로의 희석은 NO_x 배출물을 크게 감소시키는데 효과적이다. 과잉 공기없이 EGR을 사용하여 작동할 때, 종래의 3-웨이 촉매에 의한 NO_x 레벨들의 추가 감소는 3-웨이 촉매가 적절한 작동 온도일 때 매우 낮은 NO_x 레벨들이 달성될 수 있게 한다. 엔진에서-나오는 NO_x 레벨들은 바람직한 범위에서 과잉 공기로 작동될 때 낮지만(예를 들어, 람다(λ) 값이 약 2), 이들은 무시할 수 없다.

허용가능한 NO_x 레벨들을 달성하는 에탄올 개질휘발유를 사용할 때 3가지 바람직한 작동 전략들이 있다.

1. 구동 사이클에 걸쳐 과잉 공기 없이(람다(λ) 값이 1미만) EGR로 작동.

2. 구동 사이클의 적은 부분에 대해(바람직하게는 저출력에서) 약 2의 람다(λ)로 작동, 구동 사이클의 나머지에 걸쳐 EGR로 작동.

3. NO_x 경감을 위한 개선된 후처리 시스템, 바람직하게는 선택적 촉매 환원(SCR) 또는 희박 NO_x 트랩의 사용과 연계하여 구동 사이클의 상당 부분에 대해 1 이상의 람다(λ)로 작동.

전략 3은 내부 EGR의 사용과 조합될 때 특히 선호된다. 예들에서 추가로 설명하듯이, 각각의 작동점에 대한 람다와 EGR 레벨들은 상술한 기준을 만족하도록 선택될 수 있다: 적절한 배기가스 온도, BMEP의 허용가능한 COV, 적은 NO_x, 및 고 효율. 부가적으로, 많은 엔진들이 약간의 레벨의 진공이 PCV 및 다른 시스템들을 작동시키기 위해 흡입 다기관에서 유지되어야 한다는 사실로 인해 부가적인 작동 구속조건을 부과한다. 다기관 절대 압력("MAP 제한")은 엔진-특정적이다. 예들에서 설명하는 다중-실린더 엔진에 대해, MAP 제한은 90kPa 절대 압력이었다.

이러한 제한들의 정확한 값들은 개질기의 성능과 차량에 의존한다. 예를 들어, 보다 효율적인 개질기는 더 낮은 배기 온도들을 견딜 수 있고 더 무거운 차량들은 NOx에 더 엄격한 제한들을 필요로 한다. 더 높은 NOx는 증가된 실린더 온도들로 인해 더 높은-출력 작동점들에서 기대된다. 전형적인 목표들은 425℃ 배기 온도, 연소의 2% COV, 및 2-4g의 브레이크-특정적 NOx/kWh이다.

희박 NO_x 트랩들은 희박하게 운전되는(즉, 람다(λ)가 1이상) 엔진들로부터 NO_x 배출물들을 감소시키기 위한 방법으로서 당업계에 공지되어 있다. W.S. Epling 등의 Catal. Rev., vol. 46(2004), pp163-245에 의해 설명된 바와 같이, 희박 운전 중에, 배기 흐름 중 NO가 전형적으로 백금에 의해 NO₂로 산화된다. 그 다음에 NO₂는 질산염으로서 추가로 산화 및 흡수된다. 환원 조건들 하에서 재생 중에 질산염들은 N₂로 환원된다. 희박 NO_x 트랩들은 가솔린 중 황으로부터 유도된 황 산화물들로부터의 중독으로 인해 비활성화되기 쉽지만, 에탄올(및 에탄올 개질휘발유)은 황이 적다. 희박 NO_x 트랩들의 황 중독은 Matsumoto 등(Appl. Cat. B., vol. 25(2000), 115-24)에 의해 설명되어 있다.

본 발명에 따라, 희박 NO_x 트랩은 바람직하게는 알콜 개질기로부터 하류측에 배치된다. NO 산화가 약 300 내지 약 400℃에서 선호되므로, 개질기에서 일어나는 배기가스의 냉각이 NO_x 트랩 성능을 개선한다.

약 2의 람다(λ) 값들로 또는 내부 또는 외부 EGR과 조합된 1.2 내지 2의 람다 값들에 대해 작동 중의 NO_x 레벨들이 액체 연료들을 사용하는 전형적인 것보다 훨씬 낮아, 희박 NO_x 트랩 재생의 빈도를 크게 감소시켜 연료 경제성을 개선한다.

엔진 시동시의 배출물들은, 3-웨이 촉매가 차갑고 비활성일 때, 구동 사이클에 걸쳐 전체 차량 배출물들에 중요한 기여자이다. 이는 개질되지 않은 에탄올 차량들에 대해 특히 참인데, 왜냐하면 에탄올의 기화열이 가솔린의 것보다 높아(가솔린의 약 350kJ/kg에 비해 840kJ/kg), 냉간 시동 중에 불완전 연소 및 높은 레벨의 탄화수소와 CO 배출물이 발생된다. 결과적으로, E85와 같은 에탄올-농후 연료들에서 작동하는 엔진들은 SULEV와 같은 엄격한 배출물 기준들을 만족하기 어렵다. 이 문제는 SAE 논문 2009-01-1080, J.A. Lupescu 등의 "촉매반응되는 탄화수소 트랩들로 E85와 가솔린의 연소로부터 차량 배출물들의 처리"에 보다 상세히 설명되어 있다.

Morgenstern의 미국 공보 제 US 2008/0010993 A1호에서, 엔진을 냉간 시동하기 위해 저장된 에탄올 개질휘발유를 사용하는 것이 설명되어 있다. 개질휘발유 탱크는 엔진의 부하가 변함에 따라 개질휘발유 과도적인 요구를 완충하는 역할을 한다. 본 발명의 추가 특징은 바람직한 양의 저장될 개질휘발유의 결정과 적은 배기관 배출물을 달성하기 위해 시동시 개질휘발유를 사용하기 위한 개선된 전략이다.

예 8에 추가로 설명된 바와 같이, 0.575 리터 배기량 단일-실린더 엔진의 시동이 저장된 에탄올 개질휘발유를 모사하는 수소, 메탄, 및 일산화탄소의 1:1:1 혼합물을 사용하여 대기 온도(25℃)에서 수행되었다. 1000rpm, 1.0bar 순 지시 평균 유효 압력(NIMEP)에서, 엔진은 개질되지 않은 액체 에탄올에 비해 훨씬 낮은 탄화수소 배출물을 갖고 개질휘발유를 사용하여 훨씬 원활하게 시동되었다. 에탄올 개질휘발유로 시동시, 스파크(spark)를 약 20°만큼 지연시키면 13초에서 약 300℃를 초과하고 21초에서 400℃를 초과하는 배기가스 온도들이 가능함이 발견되었다. 스파크를 지연시키면 산화를 촉진시키는 팽창 행정 중의 온도들을 증가시켜 탄화수소 및 CO 배출을 추가로 감소시킨다. 또한, 틈(crevice) 체적들이 저압들에서 미연소 혼합물로 채워져 있어, 지시 특정 탄화수소(ISHC) 배출을 추가로 감소시킨다.

종래의 3-웨이 촉매들에 대한 작업 온도(또는 "활성화 온도")는 약 300℃ 이상이다(M. Shelef와 R.W.McCabe, Catal. Today, vol. 62, (2000) 25-50 참조). 스파크 타이밍이 약 20°만큼 지연되어 개질휘발유로 냉간 시동 중에 약 0.52kg/hr의 연료 유동이 요구되었다. 그러므로 13초의 개질휘발유(배기 온도를 약 400℃로 올리기 충분함)는 1.9g의 연료 또는 2.7 표준 리터를 나타낸다.

차량 엔진들에 저장될 필요가 있는 개질휘발유의 양은 3가지 요인에 의존한다: 엔진의 배기량; 초기 개질휘발유 압력; 엔진으로의 연료를 계량하기 위해 요구되는 최소 개질휘발유 저장 압력. 예를 들어, 엔진이 2.0리터의 배기량을 가지면, 전달되어야 하는 개질휘발유의 양은 식 (4)에 따라 단일-실린더 연구로부터의 결과들을 확대축소(scaling)하여 계산될 수 있다:

1.9g 개질휘발유 × (2.0L/0.575L) = 6.5g 개질휘발유 시동을 위해 요구됨 (4)

초기 저장 압력과 최소 전달 압력이 각각 7 atm.(절대압)과 4 atm.(절대압)이면, 개질휘발유 저장 또는 버퍼 탱크의 총 용량은 식 (5)에 따라 계산될 수 있다:

6.5g 개질휘발유 × (7 atm.)/(4 atm.) = 11.4g 개질휘발유(16.7 std. liters) (5)

7 atm.(절대압)의 압력에서 0℃의 시동 온도에 대해, 버퍼 탱크 용량은 약 4gal(갤런)이 필요하다. 엔진실에서 혼잡함을 최소화하기 위해 저장 탱크의 체적을 최소화하는 것이 바람직하기 때문에, 따라서 개질휘발유의 정확한 계량을 위해 요구되는 버퍼 탱크 압력을 최소화하는 것이 바람직하다. 개질기와 버퍼 탱크 사이에 냉각기를 사용하는 것이 또한 바람직한데, 왜냐하면 더 낮은 개질휘발유 온도들에서 더 많은 개질휘발유가 탱크에 저장될 수 있기 때문이다. 엔진 냉매 또는, 바람직하게는, 유입하는 에탄올이 저장된 개질휘발유를 냉각하는데 사용될 수 있다. 예들에서 설명되는 바와 같이, 사용 다중-실린더 엔진의 냉간 시동이 E85와 에탄올 개질휘발유의 혼합물들을 사용하여 달성될 수 있다. 50% 개질휘발유/50% E85를 사용하면 CO와 탄화수소 배출을 크게 감소시켰다. 몇몇 실시예들에서, 혼합된 액체 연료와 개질휘발유를 사용하는 것이 버퍼 탱크에 요구되는 사이즈 및 압력 등급(rating)을 감소시키기 위해 선호될 수 있다.

알콜 개질기, 개질휘발유 냉각기, 버퍼 탱크 및 희박 NO_x 트랩을 포함하는 양호한 개질된 에탄올 이중-연료 동력 시스템의 개략적인 배치(layout)가 도 1에 도시되어 있다. 에탄올은 열교환기로 펌핑되고 여기서 이는 개질기를 나가는 개질휘발유와 열교환하고 개질휘발유를 냉각시키고 유입하는 에탄올을 부분적으로 기화시킨다. 그 다음에 에탄올은 개질기를 통과하고 개질휘발유는 개질휘발유 버퍼 탱크로 간다. 동일한 시스템 구성이 희박 NO_x 트랩없이 사용될 수 있지만, 이는 희박한 엔진 조건이 구동 사이클의 보다 작은 부분에 한정될 것을 요구한다.

가압수송율(pump rate)은 개질휘발유 버퍼 탱크에서 압력 설정점을 유지하도록 제어된다. 이는 압력 센서로부터 버퍼 탱크, P1, 펌프 상의 점선으로 지시되어 있다. 온도는 내부 열전대(T로 표기됨)를 통해 모니터링된다. 개질기 온도는 개질기를 지나가는 배기가스의 비율을 제어하는 배기가스 다이버터(diverter) 밸브를 사용하여 제어된다. 배기가스의 나머지는 개질기를 바이패스하지만, 배기가스 흐름들 모두 희박 NO_x 트랩을 통과하기 전에 조합된다. 개질휘발유는 엔진으로 계량되어 보내지고 필요에 따라 희박 NO_x 트랩의 재생을 위해 배기부로 보내진다. 3-웨이 촉매(TWC)는 바람직하게는 빠른 촉매 활성화를 위해 배기 다기관에 밀접하게-커플링된다. 제 2 압력 센서(P2)는 펌프 하류측의 압력을 모니터링한다. 펌프는 입구 압력이 개질기의 압력 등급을 초과할 때 차단된다. 또한, 펌프는 개질기가 허용가능한 작동 온도, 바람직하게는 적어도 약 250℃이지 않으면 작동하지 않는다.

바람직한 실시예에서, 버퍼 탱크는 개질휘발유 흐름의 액체 성분들을 분리 및 채집하는 역할을 한다. 이 액체는 바람직하게는 액체 연료 분사기들에 보내지지만 이는 연료 탱크에 재순환될 수도 있다. 도 1에 도시된 버퍼 탱크와 개질휘발유 냉각기 사이의 개질휘발유 경로에 위치한 열교환기로 연료가 추가로 냉각되면 응축이 개선된다. 바람직하게는, 액체 연료 흐름이 냉매로 사용되지만, 엔진 냉매를 사용하는 냉각 루프(cooling loop)도 액체 연료-냉각 열교환기 대신에 또는 보조로 사용될 수 있다. 냉각 후, 그 다음에 액체는 기체상태 연료 분사기들에 보내지는 기체상태 개질휘발유 흐름으로부터 분리되어야 한다. 이는 편리하게는 버퍼 탱크에서 달성된다.

이러한 방식으로 가스와 액체를 분리하는 방법들은 당업계에 공지되어 있고 (M. Stewart와 K. Arnold, "가스-액체 및 액체-액체 분리기들, Elsevier, New York, 2008, pp 65-130.)에 설명되어 있다. 바람직한 실시예에서, 개질휘발유 흐름은 측면으로부터 버퍼 탱크에 들어가고 다이버터 판과 부딪힌다. 버퍼 탱크는 바람직하게는 정전 용량 또는 전도성을 사용하는, 레벨 센서를 구비한다. 액체 레벨은 버퍼 탱크의 압력에 의해 구동되는, 하부 제어 밸브를 통해 액체를 배수하여 제어된다. 기체상태 개질휘발유는 버퍼 탱크의 상부를 통해 나간다. 바람직하게는, 전형적으로 편직된 금속 망으로 만들어지는 미립자 추출기(mist extractor)가, 액체 액적들을 제거(knockout)하기 위해 버퍼 탱크의 상부에 위치한다. 미립자 추출기들은 (Fabian, P.; Cusack, R.; Hennessey, P.; Neuman, M., "미립자 추출기들의 선택의 설명", Chemical Engineering, Nov. 1993, 100/11, pp. 148-56.)에 설명되어 있다. 이 디자인은 도 2에 예시되어 있다.

도 1에 도시한 구성에서, 에탄올 개질휘발유가 ICE의 흡입 다기관에 공급된다. 다른 바람직한 구성에서, 개질휘발유는 포트 연료 분사기들에 공급될 수 있다. 그러나, 어느 한 경우에, 한 세트의 포트 연료 분사기들(PFI's)이 바람직하게는 개질되지 않은 액체 에탄올 또는 가솔린을 엔진에 계량하여 보내는데(metering) 사용된다. 이는 액체 에탄올이 개질휘발유와 연계하여 사용될 수 있게 하여, 이 시스템이 개질기 활성도의 변동들에 대해 강하게(robust) 한다. 이러한 변동들은 예를 들어, 공회전으로 인한 낮은 배기가스 온도의 오랜 기간 후의 고출력 요구에 의해 발생될 수 있다.

관련한 바람직한 실시예에서, 버퍼 탱크로부터의 개질휘발유가 촉매 변환기의 하류측이 아닌 상류측에 공급된다. 촉매 변환기의 귀금속들은 이들이 탄화수소들을 산화시킬 수 있는 것보다 낮은 온도들에서 수소와 일산화탄소를 산화시킬 수 있다. 미국 공보 제 US 2009/0071420 A1호에서 설명하는 바와 같이, 개질기로부터 배기가스 흐름에 수소와 일산화탄소를 추가하는 것은 촉매 활성화 온도를 150-180℃로 감소시킨다.

바람직하게는, 개질휘발유는 촉매 온도가 약 100℃에 도달할 때 시작하여 배기 흐름에 도입되고 촉매 활성화가 달성될 때까지 계속된다. 엔진은 이 기간 중에 바람직하게는 촉매 변환기가 개질휘발유의 수소와 CO의 연소할 수 있기에 딱 충분한 산소를 공급하는 람다(λ) 값에서 약간 희박하게 작동된다. 개질휘발유 공급률은 대체로 촉매 활성도의 함수이고 특정 시스템에 대해 실험적으로 쉽게 결정될 수 있다.

미국에서, 에탄올 모터 연료는 전형적으로 E85로서 공급되고, 이는 공칭적으로 15% 가솔린을 함유한다. 그러나, 가솔린 함량은 15%보다 크게 높을 수 있다. 가솔린은 에탄올 개질기의 바람직한 작동 온도들에서(350℃ 미만) 개질된다. 그러므로, 액체 가솔린 액적들은 개질휘발유에, 특히 냉각 후에 존재한다. 액상 물은 메탄 생성이 조금만 발생하거나 또는 유수 에탄올(hydrous ethanol)이 연료로서 사용되면 존재할 수도 있다. 액체 에탄올은 개질이 불완전하면 존재할 수도 있다. 이러한 액적들은 "연소 소음"의 근원으로 밝혀졌다. 기체상태 연료 흐름 중 응축물의 액적들은 분사되는 연료의 양에 변동들을 생성할 수 있다. 그러므로, 개질휘발유 연료 분사기들의 상류측에서 액적들을 응축시키는 것이 바람직할 수 있다.

바람직한 실시예에서, 버퍼 탱크는 개질휘발유 흐름 중 액체 성분들을 분리 및 채집하는 역할을 한다. 이 액체는 바람직하게는 액체 연료 분사기들에 보내지지만 연료 탱크에 재순환될 수도 있다. 연료가 도 1에 도시한 버퍼 탱크와 개질휘발유 냉각기 사이의 개질휘발유 경로에 위치하는 열교환기로 추가로 냉각되면 응축이 개선된다. 바람직하게는, 액체 연료 흐름이 냉매로 사용되지만, 엔진 냉매를 사용하는 냉각 루프도 액체 연료-냉각 열교환기 대신에 또는 보조로 사용될 수 있다. 냉각 후, 그 다음에 액체는 기체상태 연료 분사기들에 보내지는 기체상태 개질휘발유 흐름으로부터 분리되어야 한다. 이는 편리하게는 버퍼 탱크에서 달성된다.

이러한 방식으로 가스와 액체를 분리하는 방법들은 당업계에 공지되어 있고 (M. Stewart와 K. Arnold, "가스-액체 및 액체-액체 분리기들, Elsevier, New York, 2008, pp 65-130.)에 설명되어 있다. 바람직한 실시예에서, 개질휘발유 흐름은 측면으로부터 버퍼 탱크에 들어가고 다이버터 판과 부딪힌다. 버퍼 탱크는 바람직하게는 정전 용량 또는 전도성을 사용하는, 레벨 센서를 구비한다. 액체 레벨은 버퍼 탱크의 압력에 의해 구동되는, 하부 제어 밸브를 통해 액체를 배수하여 제어된다. 기체상태 개질휘발유는 버퍼 탱크의 상부를 통해 나간다. 바람직하게는, 전형적으로 편직된 금속 망으로 만들어지는 미립자 추출기가, 액체 액적들을 제거하기 위해 버퍼 탱크의 상부에 위치한다. 미립자 추출기들은 (Fabian, P.; Cusack, R.; Hennessey, P.; Neuman, M., "미립자 추출기들의 선택의 설명", Chemical Engineering, Nov. 1993, 100/11, pp. 148-56.)에 설명되어 있다. 이 디자인은 도 2에 예시되어 있다.

액체 액적들의 분리를 개선하는 것은 버퍼 탱크 상류측의 파장판(waveplate) 가스-액체 분리기를 사용하여 달성될 수도 있다. 파장판 가스-액체 분리기들은 (Wilkinson, D., "가스-액체 분리를 위한 파장판들의 디자인의 최적화", Proc. Instn. Mech. Engrs. vol 213 Part E, 1999, 265-74)에 설명되어 있다.

비용 및 효율 장점들이 구동 사이클의 각각의 작동점에서 개질되지 않은 액체 에탄올과 개질휘발유 간의 몫을 최적화하여 얻어질 수 있다. 예 9는 단일-실린더 엔진으로부터 2000rpm, 8.5bar IMEP에서의 데이터를 제공한다. 이러한 고출력에서, 개질휘발유를 사용하는 효율은 개질되지 않은 액체 에탄올을 사용하는 것보다 낫지 않다. 이는 연소가 액체 에탄올을 사용하여 고출력에서 신속하여 에탄올 개질휘발유에 의해 제공되는 더 빠른 연소 반응속도가 덜 중요하게 하기 때문이다. 동시에, 개질되지 않은 액체 에탄올을 사용하면 실린더에서 연료-공기 급기(charge)를 냉각하여 효율을 개선한다.

혼합된 개질휘발유와 액체 에탄올에서의 작동이 액체 연료로 전환되어야 하는 출력은 사용되는 엔진에만 다소 의존한다. 압축비를 증가시키고(이는 압축 행정의 끝에서 실린더 내 공기-연료 혼합물의 온도를 증가시킴) 실린더의 난류와 급기 운동을 증가시키도록 장치를 사용하면 희석 성능을 개선하고 5-7 bar IMEP에서 적은 NOx로 액체 에탄올 또는 E85를 사용하여 희박 운전이 가능할 수 있다. 또한, 하기의 예 13에 설명된 바와 같이 급기 운동 개선을 위해 급기 운동 제어 밸브를 포함하는 것이 바람직할 수 있다.

예 3 내지 5는 약 3.5 내지 약 6 bar의 IMEP 값들에서 개질되지 않은 액체 에탄올에 비해 에탄올 개질휘발유의 희박(dilute) 연소를 사용하여 상당한 효율 개선을 보인다. 그러므로, 이 엔진에 대해, 적어도 약간의 에탄올 개질휘발유를 사용하는 것은 약 7 bar IMEP 아래에서 선호된다. 놀랍게도, 연료의 약 25% 내지 75%(질량으로)가 개질휘발유이고 나머지는 개질되지 않은 액체 에탄올일 때 최대 효율이 얻어짐이 밝혀졌다. 바람직하게는, 개질되지 않은 액체 에탄올이 포트 연료 분사기들을 사용하여 도입된다.

상술한 전략들의 바람직한 실시예는 부분 부하시 배기 및 흡기 밸브들 모두의 지연된 폐쇄를 포함한다. 배기 밸브의 지연된 폐쇄는 상술한 바와 같이 내부 배기가스 재순환(EGR)을 제공하여, 냉매로의 열손실들과 펌핑 손실들을 감소시킨다. 특히 바람직한 실시에에서, 이러한 지연된 밸브 폐쇄/내부 EGR 작동 전략은 약간 희박한 공기-연료 비의 사용과 조합되고, 람다(λ) 값들은 바람직하게는 약 1.04 내지 약 1.4의 범위이고 희박 NO_x 트랩은 배기가스 트레인에 사용된다. 과잉 공기는 EGR 공차(tolerance)를 크게 개선한다.

추가 바람직한 실시예에서, 부분 부하시, 배기 및 흡기 밸브 개방의 지연은 거의 동일하지만, 지연 정도는 최적 효율을 위해 수정된다. "이중 동일 캠 지연"으로 불리는 이러한 전략은 단일 오버헤드 캠들과 가변 캠 타이밍을 갖는 엔진들에서 실시될 수 있다.

다중-실린더 엔진에서 이러한 전략의 구현은 아래의 예 10에서 설명된다. MAP 한계를 갖는 엔진들에 대한 추가 특히 바람직한 실시예에서, 배기 및 흡기 밸브 개방의 지연은 같지 않다. 특히 다기관 압력이 MAP 한계에 접근하는 고출력점들에서, MAP 한계를 초과하지 않도록 배기 밸브 개방의 지연을 제한하고 내부 EGR을 증가시키도록 배기 밸브 개방의 지연을 증가시키는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 전략은 이중 동일 캠 지연보다 다소 더 비싼 밸브 타이밍의 "이중 독립" 제어를 필요로 하지만, 이는 더 높은 부하 작동점들에서 더 나은 NOx 및 연료 경제성을 제공한다.

예들에서 설명하는 바와 같이, 이중 독립 밸브 타이밍을 갖는 엔진을 작동시킬 때, 특정 작동점에서 과잉 공기와 내부 EGR의 최적 조합의 선택은 연소의 허용가능한 COV와 허용가능한 배기가스 온도들을 유지하면서 NOx 최소화와 효율 개선에 근거한다. 최대 열 효율과 최저 NOx 배출은 전형적으로 최대 달성가능한 람다 값이 아닌, 지연된 밸브 개방과 과잉 공기에 의해 달성되는 내부 EGR의 조합을 사용하여 달성된다. 이에 대한 몇가지 이유가 있다. 큰 캠 지연시, 늦은 흡기 밸브 개방은 큰 실린더-내 난류를 제공하고 이는 연소를 촉진하고 엔진의 희박 성능을 증가시킨다. 예를 들어, 2.62 bar BMEP과 1500rpm에서, 더 높은 희석량은 캠 지연이 없는 1.65의 람다를 사용하는 것이 아닌 55°CA의 캠 지연과 1.35의 람다를 사용하여 달성된다. 이는 효율을 증가시키고 NOx 배출을 감소시킨다. 부가적으로, 55°CA의 캠 지연시 지연된 밸브 오버랩과 늦은 흡기 밸브 폐쇄 이벤트는 크게 감소된 흡입 펌프 작동을 제공한다. 마지막으로, 지연된 배기 밸브 개방 이벤트는 팽창 일을 증가시킨다.

세계의 대부분의 영역에서 에탄올 연료의 제한된 입수가능성 때문에, 차량은 바람직하게는 포트 연료 분사기들에 공급될 수도 있는 별개의 가솔린 탱크를 구비한다. 냉간 시동을 위한 버퍼 탱크에 개질휘발유가 불충분하면, 차량은 가솔린을 사용하여 냉간-시동될 수 있다.

개질되지 않은 액체 에탄올과 에탄올 개질휘발유로 작동하는 엔진의 효율은 증가된 압축비들을 사용하여 개선된다. 그러나 가솔린은 약 10 이상의 압축비들에서 고출력시 노킹(knock) 문제들을 겪는다. 가솔린과 에탄올 모두에서 엔진을 작동시킬 능력을 유지할 필요가 없으면, 압축비는 바람직하게는 개질되지 않은 액체 에탄올의 노킹 한계까지 증가된다. EPA 연구는 액체 에탄올을 사용하여 19.5의 압축비에서 불꽃 점화 엔진의 작동을 보고했지만, 이는 높은 부하 및 속도에서 노킹을 겪었다. (M. Brusstar 등, SAE 2002-01-2743). E85를 사용하는 이후의 연구에서, 압축비는 16.3으로 감소되었다(M. Brusstar와 C.L Gray Jr., SAE 2007-01-3993).

압축비를 증가시키는 것은 일반적으로 연소실 또는 실린더의 표면-대-체적 비를 증가시키는 것을 수반하고, 이는 연소를 끄는(quench) 경향이 있다. 그러므로, 표면-대-체적 비를 최소화하는 실린더 형상을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 보울-인-피스톤(bowl-in-piston) 연소실 디자인이 사용된다.

미국 공보 제 US 2008/0010993 A1호에서, Morgenstern은 앳킨슨(Atkinson) 사이클로 알려진, 높은 압축비에서 가솔린에 작동하는 전략을 설명한다. 이 접근법에서, 흡기 밸브는 가솔린을 사용하여 작동할 때 상사점 이후에 열린 채로 남겨져, 유효 압축비를 감소시킨다. 예 7은 14의 압축비를 사용하여 단일-실린더 엔진에서 앳킨슨 사이클로 가솔린을 사용하는 작동을 설명한다. 보다 낮은 동력에서(예를 들어, 예 7에서 3.5 bar IMEP), 엔진은 노킹-제한되지 않고 엔진은 가솔린으로 정상적으로 작동될 수 있다.

보다 높은 동력에서(예를 들어, 예 7에서 8.5 bar IMEP, 2000 rpm), 엔진은 심하게 노킹-제한된다. 흡기 밸브 폐쇄를 지연하는 앳킨슨 사이클 전략이 지연된 스파크 타이밍으로 보충되면 보다 나은 출력이 달성됨이 밝혀졌다. 이는 흡기 밸브를 하사점 후에 65°에서 닫을 때에도, 엔진이 여전히 노킹-제한되기 때문이다. 유효 압축비는 더 늦은 크랭크 각으로 흡기 밸브 폐쇄를 지연시켜 추가로 감소될 수 있지만, 이는 실린더에 인입될 수 있는 공기의 양을 제한하여, 피크(peak) 엔진 토크를 감소시킨다. MBT(최대 제동 토크) 타이밍 후에 스파크를 지연시켜, 8.5 bar IMEP가 달성될 수 있다. 스파크 타이밍의 변화로부터 약간의 효율 손실이 있지만, 효율은 10의 압축비에서 종래의 오토(Otto) 사이클로 작동되는 가솔린보다는 훨씬 나은데, 왜냐하면 앳킨슨 사이클이 14의 팽창비를 제공하기 때문이다.

그러므로 바람직한 실시예에서, 약 11 내지 약 17의, 보다 바람직하게는 약 12.5 내지 약 15의 압축비들에서, 에탄올 개질휘발유는 상술한 특정한 수단에 의해 엔진에 대한 주 연료로서 사용되지만, 원할 때 (바람직하게는 포트 연료 분사기들을 통해) 가솔린으로 엔진에 연료공급하게 제공되고 가솔린 작동은 압축 행정 중에 흡기 밸브의 지연된 폐쇄(앳킨슨 사이클)와 MBT로부터 지연된 스파크 타이밍의 사용에 의해 가능하게 된다.

다른 바람직한 실시예에서, 고 옥탄 가솔린이 사용되고 압축비는 약 12로 제한된다. 두 연료들 모두 이 압축비에서 잘 작동할 수 있다. Nakata 등은 13의 압축비에서, 100 RON 가솔린과 에탄올 모두가 92 RON 가솔린에 대해 개선된 효율을 제공함을 입증했다(SAE 2006-01-3380). 이 실시예에서, 앳킨슨 사이클을 사용할 필요는 없다.

압축비를 증가시키는 것은 효율을 개선하기 위해 다른 전략과 상승작용하고 본 발명의 일부로서 실시될 수 있는 응축물의 관리를 간단하게 한다. 피크 엔진 토크는 압축비와 함께 증가한다. 예 11은 10:1로부터 12:1로의 압축비의 증가를 동반하는 약 7%의 피크 토크의 증가를 보인다. 압축비의 추가 증가들은 토크의 추가 증가들을 야기한다.

엔진 효율을 개선하기 위한 일반적인 전략은 엔진 배기량을 감소시키는 것이고 피크 토크를 복원하는 것을 돕도록 과급(boosting)을 제공한다. 과급은 전형적으로 터보 과급기(turbocharger)에 의해 제공되지만, 터보 과급은 일반적으로 본 발명에 관련하여 선호되지 않는다. 일반적으로, 터보 과급기를 포함하는 것은 개질기가 요구하는 배기 엔탈피를 감소시킨다. 배기 엔탈피의 임의의 큰 감소는 개질기 가열에 원하지 않은 지연들을 일으킨다.

그러나, 당업자는 기계적으로 또는 전기적으로-구동되는 과급기(supercharger)의 사용이 본 발명과 연계시 가치있을 수 있다고 고려할 수 있는데 왜냐하면 과급기가 엔진에 의해 직접 또는 발전기를 통해 간접적으로 구동되기 때문이다. 또한, 과급기로부터의 부하는 토크에의 압축비의 상술한 효과로 인해 증가된 압축비들에서 에탄올 연료들을 사용할 때 본 발명에서 크게 감소된다.

과급기를 포함하는 실시예들에서, 터빈-타입 과급기가 선호된다.

과급 시스템들은 일반적으로 바이패스 밸브들을 포함하고 이는, 이 경우에, 과급기의 상류측에 압축된 공기를 재순환시키는데 사용된다. 개질휘발유는 과급기의 바로 상류측에 도입된다. 개질휘발유-공기 혼합물은 특히 과급기가 하기의 도 3에 도시한 바와 같이 스로틀 밸브의 상류측에 있었을 때, 과급기를 지나는 다중 통과(pass)를 수행한다. 압축이 무시할 수 있기 때문에, 과급기의 기생 부하는 혼합기로서 작동될 때 적어야 한다.

개질휘발유가 연료 분사기와 같은 좁은 원추형 분무 장치를 사용하여 과급기의 상류측의 흡입 공기에 도입된다. 버퍼 탱크로부터의 압력 강하는 기체상태 개질휘발유에 의해 제공되는 밀어냄(push)이 그렇듯이 잔류 액체의 향상된 미립화를 허용한다. 응축물의 액적들은 과급기 터빈 블레이드들에 의해 흐름에 혼합되어 균일한 안개를 형성하거나 흡기 다기관의 벽들을 가역적으로 젖게 한다. 이는 연소 소음을 방지한다. 상이한 실린더들에 도달하는 연료-공기 비의 적은 차이들은 액체 분사기들에 의해 전달되는 연료에 대한 약간의 수정들에 의해 "다듬어질(trimming)" 수 있다.

버퍼 탱크의 상류측의 효율적인 응축은 본 발명의 이 실시예에 여전히 중요한데 왜냐하면 과다한 액체가 흡기 다기관 표면 상에 액체 연료의 상당한 적층을 일으켜, 저-출력 엔진 과도기들 중에 과다한 탄화수소 배출들을 일으킬 수 있기 때문이다.

본 발명의 실시예들이 상세히 설명되었고, 수정들 및 변형들이 첨부한 청구범위들에 정의된 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 가능함이 명백하다.

예들

하기의 비-제한적인 예들은 본 발명을 추가로 예시하기 위해 제공된다.

예 1. 본 예는 본 발명의 특정 실시예들을 실증하는데 사용되는 단일-실린더 피스톤 엔진의 설명을 제공한다. 엔진은 가스 포트 연료 분사(PFI) 시스템을 구비하였다. 엔진 매개변수들이 표 1에 주어졌다.

표 1: 엔진 매개변수들

엔진은 2개의 입구 포트들, 접선방향 선회(tangential swirl) 포트와 중립 충전(neutral filling) 또는 고 유동 포트를 갖는다. 이 포트들은 접선방향 선회 포트만 개방되면 2.6 그리고 두 밸브들 모두 개방되면 0.1의 토크 미터 선회 비를 내게 설계된다. 두 흡기 밸브들 모두가 초기에 흡기 공기 유동을 최대화하도록 사용되었다. 그러나, 고 유동 포트는 E100(100% 개질되지 않은 액체 에탄올)으로 운전하면서 내경 세척(bore wash)을 방지하는 것을 돕고 혼합을 증가시키기 위해 이후에 사용중지되었다. 높은 선회 비는 높은 희석 비들로 운전하는데 또한 유익하다.

Sturman 완전 가변적 유압 밸브 작동(HVA) 시스템이 밸브 타이밍들과 양정들을 제어하기 위해 엔진에 사용된다. 이는 엔진 흡기와 배기 밸브들을 작동시키기 위해, 종래의 기계적 캠 샤프트들 대신에, 고속 디지털 래칭(latching) 밸브들에 의해 제어되는 유압 힘을 사용한다. 완전 가변적 양정, 지속시간, 및 타이밍은 3개의 엔진 밸브들 모두에 대해 독립적으로 제어된다. 이 시스템은 종래의 캠 밸브 양정 프로파일들을 생성하지 않지만, 오히려 고원(plateau)-형상 프로파일들을 생성한다. 고정된 밸브 타이밍이 2000rpm에서 스로틀-조정되지 않은(unthrottled) 엔진을 구동하면서 흡기 공기 유동과 피크 실린더 압력을 최대화하여 결정되었다.

표준 가솔린(indolene)을 사용하는 데이터가 완전히 편평한 피스톤을 사용하여 10:1의 압축비에서 얻어졌다. 에탄올 개질휘발유, 개질되지 않은 액체 에탄올(E100)과 이들의 혼합물에 대한 모든 데이터는 돔형상(domed) 피스톤을 사용하여 14:1의 압축비에서 얻어졌다.

Sturman 소프트웨어는 스파크 타이밍과 연료 펄스 폭도 제어한다. 흡기 스로틀링과 연료 펄스 폭은 각각의 엔진 속도에서 엔진 부하와 공기-연료 비를 제어하기 위해 수정된다. 스파크 타이밍은 토크를 최대화하고 폭발을 회피하기 위해 제어된다.

이 엔진은 EGR 밸브와 냉각기도 구비한다. EGR 밸브는 흡기 공기 질량의 50%까지를 배기가스들로 대체하는 사이즈를 갖는다. EGR 냉각기는 배기가스 온도들을 1000℃로부터 120℃로 감소시킬 수 있다.

고속 데이터 획득을 위해, AVL Indimeter 619가 사용되었다. 지시 평균 유효 압력(IMEP)과 50% 질량 비율 연소 위치의 크랭크 각도(CA50)와 같은, 모든 연소-관련 매개변수들이 AVL IndiWin 소프트웨어에 의해 계산되었다. 하기의 예들에서 나타낸 모든 데이터는 압축과 팽창 행정들에 부가하여 흡기 및 배기 행정들의 효과들을 포함하는 순(net) 값으로서 계산되었다(즉, 720 크랭크 각도(crank angle degree) 이상이 합쳐졌다). 체적 효과는 흡기 다기관의 측정된 압력과 온도를 사용하여 계산된다. 연소의 시작(SOC)은 5%의 질량 비율이 연소되는 위치로 정의된다. 열역학적 효율은 저위발열량(lower heating value; LHV)에 기반하여 계산된다. 다른 모든 보고된 매개변수들은 종래의 방법들을 사용하여 결정된다.

대부분의 배출물 측정들은 AVL CEB II 미가공 배출물 벤치(raw emissions bench)로 수행되었다. 이 장치는 탄화수소(HC), CO, CO₂, O₂와, NO_x의 연속적 측정을 수행한다. 알데히드 측정들은 비색관(colorimetric tube)들을 사용하는 휴대용 장치를 사용하여 판정되었다. 배기가스는 휴대용 펌프를 사용하여 사전-교정된(pre-calibrated) 관들을 통해 포트로부터 배기가스 흐름에 인입되었다. 측정들은 중량 100만분율(ppm)로 기록되고 총 배기 유동, IMEP와 엔진 속도에 근거하여 g/kWh로 변환된다.

3가지 연료들이 이러한 실험들에 사용되었다. 표준 가솔린, "Indelene,"(Conoco Phillips), 미개질된 변질된(denatured) 에탄올("The Andersons, Albion MI, 96.3 중량% 에탄올)과 모사된 에탄올 개질휘발유. 모사된 개질휘발유는 2%의 공차를 갖고 수소, 일산화탄소와, 메탄의 1:1:1(몰:몰:몰) 혼합물을 포함했고 상술한 Morgenstern 등의 공보들에 내용에 따라 생산될 것으로 기대되는 개질휘발유를 나타낸다.

두 액체 연료들 모두 포트 연료 분사기들을 통해 분사되었다. 모사된 개질휘발유는 EGR 밸브의 상류측의 흡기 시스템에 분사되었다. 3 bar의 압력과 25℃의 온도에서 공급되었다. 유동량은 표준 분당 리터(SLPM)로 측정되어 kg/h로 변환되고 최종적으로 총 연료 질량의 백분율로 보고되었다.

예 2. 본 예는 전개방 스로틀(WOT)을 사용하여 10:1의 압축비에서 예 1에 설명된 엔진에서 가솔린을 사용하여 생성된 데이터를 제공한다. 그 결과들이 표 2에 도시되어 있다. 이 표 및 이후의 표들에서, 하기의 약어들이 사용된다:

NISFC = 순 지시 특정 연료 소비

NITE = 순 지시 열 효율

NIMEP = 순 지시 평균 유효 압력

COV = NIMEP의 변화 계수

SA = 상사점 전의 크랭크 각도들의 점화 진각(spark advance)(deg BTDC)

ISCO = 순 지시 특정 CO 배출

ISHC = 순 지시 특정 탄화수소 배출

ISNOX= 순 지시 특정 NO_x 배출

EGT = 배기가스 온도

본 예 및 모든 이후 예들에서, 도시된 배출물 값들은 "엔진에서 나온 것(engine out)"이고 후처리의 효과를 반영하지 않는다.

표 2: WOT에서 가솔린(Indolene)

예 3. 본 예는 배기가스 재순환 또는 높은 공기/연료 비 중 어느 하나를 사용하여 모사된 개질휘발유 및 개질되지 않은 액체 에탄올 연료(E100)와 압축비 14를 사용하여 예 1의 엔진의 작동을 위한 1500rpm, 3.5 bar NIMEP에서 데이터를 나타낸다. 이 예로 시작하여, 다른 효율 측정기준이 보고된다:

Eff. NITE = 유효 순 지시 열 효율

이 측정기준은 에탄올의 연료 값과 같은 에탄올 개질휘발유의 연료값(LHV)을 설정한다. 본 발명은 에탄올의 에탄올 개질휘발유로의 변환을 구동하기 위해 배기가스 열을 사용하는 것을 포함한다. 배기가스 열이 사실상 엔진으로부터의 폐열이므로, 개질기를 구동하기 위한 배기가스 열의 사용은 효율 손실을 구성하지 않는다. Eff NITE 측정기준은 개질기가 에탄올을 개질휘발유로 업그레이드하는 것 이외에 효율에 영향을 갖지 않으면 에탄올을 기계적 동력으로 변환하는데 본 발명의 개질기/엔진 시스템에 대해 기대되는 효율이다. 이 매개변수는 일체형 시스템에서 일어날 수 있는 부가적인 배기가스 배압(backpressure)과 같은 효과들을 배제하지만, 이는 적을 것으로 기대된다.

표 3: EGR. 없는 람다(λ)=1 1500rpm, 3.5 bar NIMEP에서 가솔린과 E100에 비해 높은 공기-연료 비에서 모사된 에탄올 개질휘발유(Ref)

표 4: EGR. 없는 람다(λ)=1 1500rpm, 3.5 bar NIMEP에서 가솔린과 E100에 비해 냉각된 배기가스 재순환(EGR)을 사용하는 모사된 에탄올 개질휘발유(Ref)

예 4. 본 예에서, 예 1의 엔진이 3.5 bar NIMEP과 몇가지 엔진 속도들에서 냉각된 배기가스 재순환을 갖고 모사된 에탄올 개질휘발유와 개질되지 않은 액체 에탄올의 혼합물을 사용하여 작동되었다. 주어진 연료 혼합물에 대한 EGR 율이 NIMEP의 COV를 2.3% 미만으로 유지하게 선택되었다.

얻어진 데이터는 하기의 표들에 도시되어 있다. 데이터는 에탄올 개질의 배출물 및 효율 이점들을 얻기 위해 모든 에탄올 연료를 개질할 필요가 없음을 보인다.

표 5: 10:1에서 1000rpm, 3.5 bar NIMEP에서 가솔린에 비해 14:1의 압축비에서 혼합된 개질되지 않은 액체 에탄올(E100)과 모사된 에탄올 개질휘발유(Ref)에 대한 데이터

표 6: 10:1에서 1500rpm, 3.5 bar NIMEP에서 가솔린에 비해 14:1의 압축비에서 혼합된 개질되지 않은 액체 에탄올(E100)과 모사된 에탄올 개질휘발유(Ref)에 대한 데이터

표 7: 10:1에서 2000rpm, 3.5 bar NIMEP에서 가솔린에 비해 14:1의 압축비에서 혼합된 개질되지 않은 액체 에탄올(E100)과 모사된 에탄올 개질휘발유(Ref)에 대한 데이터

예 5. 본 예에서, 예 1의 엔진이 6 bar NIMEP에서 1500 및 2000 rpm에서 냉각된 배기가스 재순환을 갖고 모사된 에탄올 개질휘발유와 개질되지 않은 액체 에탄올의 혼합물을 사용하여 작동되었다. 주어진 연료 혼합물에 대한 EGR 율은 2.3%미만의 NIMEP의 COV를 유지하도록 선택되었다.

표 8: 10:1에서 1500rpm, 6 bar NIMEP에서 가솔린에 비해 14:1의 압축비에서 혼합된 개질되지 않은 액체 에탄올(E100)과 모사된 에탄올 개질휘발유(Ref)에 대한 데이터

표 9: 10:1에서 2000rpm, 6 bar NIMEP에서 가솔린에 비해 14:1의 압축비에서 혼합된 개질되지 않은 액체 에탄올(E100)과 모사된 에탄올 개질휘발유(Ref)에 대한 데이터

예 6. 본 예는 모사된 에탄올 개질휘발유와 E100의 혼합물들에 대한 예 5와 예 6의 5개의 속도/부하 점들에 대한 알데히드 배출(아세트알데히드로서 g/kWh)의 레벨을 제공한다. 개질휘발유 비율을 증가시키면 알데히드를 억제한다. 억제는 100% 개질휘발유가 사용될 때 사실상 완료된다.

표 10: 몇가지 레벨의 EGR과 E100과 모사된 에탄올 개질휘발유(Ref)의 몇가지 혼합물들을 사용하여 3.5 bar IMEP에서 작동에 대한 알데히드 레벨들(g/kWh).

표 11:

몇가지 레벨의 EGR과 E100과 모사된 에탄올 개질휘발유의 몇가지 혼합물들을 사용하여 6 bar IMEP에서 작동에 대한 알데히드 레벨들(g/kWh).

예 7. 본 예는 예 3 내지 5에서와 같은 피스톤을 사용하여, 14:1의 공칭 압축비로 예 1의 엔진에서 가솔린(Indolene)의 사용을 실증한다. 흡기 밸브의 지연된 폐쇄와 지연된 스파크가 엔진 노킹을 방지하는데 사용되었다. EGR은 사용되지 않았다.

먼저, 엔진이 1500 rpm, 3.5 bar NIMEP에서 작동되었다. 엔진은 이 낮은 부하에서 노킹-제한되지 않았다. 그러므로, 보다 낮은 유효 압축비를 제공하기 위해 흡기 밸브 폐쇄 시간을 바꿀 필요가 없다. 밸브 타이밍은 유지되었고 스파크는 MBT 타이밍을 결정하기 위해 변화되었다.

기대된 바와 같이, 2000 rpm, 8.5 bar NIMEP에서, 엔진은 더 높은 압축비에서 가솔린 운전할 때 극심하게 노킹 제한되었다. 노킹을 경감시키기 위해, 흡기 밸브 폐쇄 시간은 더 낮은 유효 압축비가 달성되도록 수정되었다. 밸브를 하사점 후 65°에서 폐쇄하면 최고 NIMEP을 제공했지만, 엔진은 여전히 노킹-제한되었다. 노킹은 스파크 타이밍을 지연시켜 제거되었다.

표 12: 1500 rpm, 3.5 bar NIMEP에서, 10:1과 14:1의 압축비들에서 가솔린에 대한 데이터

표 13: 2000 rpm, 8.5 bar NIMEP에서, 10:1과 14:1의 압축비들에서 가솔린에 대한 데이터

예 8. 본 예는 실내 대기 온도(약 25℃)에서 예 1의 엔진을 냉간 시동하는 것을 설명한다. 제 1 냉간 시동 실험에 대해, 100% 개질휘발유가 1000 rpm, 1.0 bar NIMEP에서 엔진을 시동하는데 사용되었고 유체 온도는 25℃로 설정되었다. 엔진은 즉시 시동되었고, 도 4에 도시된 바와 같이 매우 낮은 NIMEP의 COV로 표시된 우수한 연소 안정성을 갖는다. 엔진은 100% E100이 사용될 때에도 즉시 시동되었다. 그러나, 연소 안정성은 열악하였고, 훨씬 높은 NIMEP의 COV와 훨씬 높은 ISHC 배출로 표시된다(도 5).

이후의 실험들에서, 배기가스의 온도를 보다 빠르게 상승시키고 촉매 변환기의 활성화를 보다 이른 시간에 달성하기 위해 상사점 후 15 내지 20°까지 지연되었다. 배기 온도의 보다 빠른 상승이 도 6에 도시되어 있다. 그러나, 스파크의 지연은 도 7에 도시된 바와 같이 연료 소비를 증가시켰다.

예 9. 본 예에서, 예 1의 엔진이 8.5 bar NIMEP과 2000 rpm의 엔진속도에서 냉각된 배기가스 재순환을 갖고 개질휘발유와 액체 에탄올의 혼합물을 사용하여 작동되었다. 데이터는 하기의 표에 도시되어 있다.

2000 rpm, 8.5 bar NIMEP에서의 이러한 높은 부하 작동점에 대해, 개질휘발유 유량과 EGR의 양이 총 흡기 질량의 양에 의해 제한되었고 엔진은 스로틀링되지 않은 조건들에서 작동될 수 있었다. 이러한 이유로, 25% EGR만이 100% 에탄올 경우에 달성될 수 있지만 여전히 8.5 bar NIMEP을 유지한다. 75% 개질휘발유의 경우에 대해, 15% EGR만이 달성될 수 있다. 열 효율에 관해 이 작동점에서 연료를 개질하는 장점이 없음이 명백하다. 사실상, 동일한 열 효율과 낮은 ISNOx 배출이 개질휘발유 유동없이 25% EGR을 운전하여 달성될 수 있다. 그러나, 개질은 이 작동점에서 보다 낮은 탄화수소 배출을 제공한다.

표 14: 2000 rpm, 8.5 bar NIMEP에서, 10:1에서의 가솔린에 비해 14:1의 압축비에서 혼합된 액체 에탄올("E100")과 개질휘발유 연료에 대한 데이터

예 10. 본 예는 에탄올 개질휘발유와 E85 연료로 작동하기 위해 Ford 5.4리터 8-실린더 엔진의 수정을 설명한다. 이 엔진은 실린더당 3개의 밸브를 갖고 동일한 이중 캠 지연 성능을 갖는다. 압축비는 완전히 편평한 피스톤 크라운(crown)을 유지하면서 피스톤 높이를 증가시켜 12:1로 증가되었다.

E85 또는 가솔린은 포트 연료 분사기들을 통해 분사되었다. Quantum에 의해 제조된 Hydrogen 수소 기체상태 연료 분사기들(P/N 110764-001)이 흡기 포트들에서 액체 연료의 바로 상류측에 개질휘발유 연료를 도입하는데 사용되었다. 엔진의 우측 뱅크(bank) 배기 다기관 플랜지로부터 EGR 밸브로 배기 유동을 보내기 위해 스테인리스 강 파이프를 사용하여 외부 EGR 성능이 추가되었다. 엔진 사양은 표 15에 주어져 있다.

표 15: 에탄올 개질휘발유와 E85 연료를 사용하여 작동되는 8-실린더 엔진에 대한 엔진 사양

개질기들이 촉매 변환기들의 하류측의 배기 트레인에 삽입되었다. 배기 흐름에 배치된 다이버터 밸브가 개질기로 보내지는 배기 유량을 제어했다. 2개의 6″×6″ 경년 브릭(aged brick)을 갖는 5.6L 체적 LNT가 개질기의 하류측에 설치되었다. 하기의 예들에서, 개질기가 사용되지 않았고 개질휘발유가 수소, 메탄과, 일산화탄소의 1:1:1(몰:몰) 혼합물을 함유하고 실린더로부터 직접 공급된 실험들로부터 데이터가 제공되었다. 이는 효율 및 배출에 대한 엔진 작동 전략의 영향을 보다 명확히 정의하는 역할을 한다.

예 11. 엔진 토크가 10:1과 12:1 압축비들 각각에서 98 RON 가솔린과 공인된 E85를 사용하여 예 10의 엔진에 대해 전개방 스로틀(WOT)에서 측정되었다. E85의 유리한 옥탄 등급들과 압축비의 증가는 일정 범위의 엔진 속도들에 걸쳐 최대 토크의 5-10% 증가를 제공했다. 데이터는 표 16에 도시되어 있다.

표 16: CR 10:1에서 98 RON 가솔린과 CR 12:1에서 E85를 사용한 토크, 전-개방 스로틀.

예 12. 본 예는 구동 사이클에서 3개의 대표적인 정상-상태 지점들에서 엔진 효율과 배출물을 비교한다. 최대 제동 토크(MBT) 스파크 타이밍이 모든 지점들에 대해 사용되었다. 엔진 작동 조건들은 액체 E85와 가스 실린더들로부터의 "모사된 개질휘발유"로 혼합된 (50/50) 연료공급, 액체 E85, 98 RON 가솔린에 대해 개별적으로 최적화되었다. 2가지 액체 연료들은 허용가능한 COV와 NOx로 1이상의 람다를 갖는 작동을 할 수 있는 충분한 희석 공차를 보이지 않았다. 그러므로 가솔린과 E85에 대한 최적점들은 연소의 허용가능한 COV를 유지하면서 달성가능한 최대 캠 지연에 상응하게 선택되었다. 유사하게, 개질휘발유/E85를 사용하는 최적 작동점이 425℃ 이상의 배기 온도들과 연소의 허용가능한 COV를 갖는 NOx와 효율에 근거하여 선택되었다. 본 명세서에서 논의되는 바와 같이, 이는 전형적으로 최고 람다의 지점이 아니었다.

단일-실린더 엔진으로부터의 데이터를 보이는 예들과는 다르게, 이 데이터는 지시된 출력이 아니라, 엔진에 의해 생성되는 실제 출력에 기준한 효율과 배출로 "제동" 기준으로 표현된다. 하나의 작동점(1200 rpm, 1.95 bar BMEP)에 대해, 가솔린 데이터는 실험 문제로 인해 사용가능하지 않다.

약어들:

COV: IMEP의 변화의 계수

BSFC: 제동-특정적 연료 소비

BTE: 공급되는 연료의 저위발열량(LHV)에 근거한 제동 열 효율.

Eff BTE: 개질기-엔진 시스템의 유효 효율을 모사하는, 개질휘발유에 대한 에탄올의 저위발열량에 근거한 제동 열 효율.

COV: 사이클 당 실린더 당 출력의 변화의 계수

MAP: 다기관 절대 압력

SA: 상사점 전의 점화 진각

BSCO: 엔진으로부터의 제동-특정적 일산화탄소 배출

BSHC: 엔진으로부터의 제동-특정적 총 탄화수소 배출

BSCH4: 엔진으로부터의 제동-특정적 메탄 배출

BSNOx: 엔진으로부터의 제동-특정적 NOx 배출

EGT: 촉매 변환기들의 상류측의 배기가스 온도, 2개의 배기 뱅크 온도들의 평균

표 17: 1500 rpm, 2.62 bar BMEP에서 12:1의 압축비에서 E85 연료 단독 또는 50-50 혼합물 모사된 에탄올 개질휘발유(E85/Ref), 10: 1의 압축비에서 98 RON 가솔린을 사용하여 예 10에 예시된 엔진으로부터의 데이터. 도시된 데이터는 동작점들에서 명세서에 설명된 바와 같이 최적화된다. 여기에서 Lambda 는 람다, Cam Retard 는 캠 지연.

표 18: 1200 rpm, 1.95 bar BMEP에서의 데이터. 여기에서 Lambda 는 람다, Cam Retard 는 캠 지연.

예 13. 본 예는 1200 rpm 4.33 bar BMEP, 보다 높은 출력 작동점에서 예 12에서와 유사한 데이터를 제공한다. 이 지점에서 기본(base) 캠 지연(Cam Retard)은 50°CA이다. 이는 이미 90 kPa의 한계에 근접한 이 작동점에서 매우 높은 MAP을 제공한다. 람다를 증가시키기 위해, 캠 지연은 증가된 희석을 위한 기회를 제공하기 위해 연속적으로 감소되어야 한다. 감소된 캠 지연은 적은 실린더-내 급기 운동을 제공하고 이는 엔진의 희석 한계를 감소시킨다. 이 엔진은 급기 운동 제어 밸브(CMCV)를 포함한 2006MY 프로토타입 흡기 다기관을 구비했다. CMCV는 난류를 증가시키고 연소를 촉진하는데 사용될 수 있다. 이는 2009MY 엔진에 사용될 수 없는데 왜냐하면 높은 레벨의 캠 지연과 연소실의 흡기 마스크의 증가된 높이로 인해 불필요하기 때문이다. 그러나, 이 작동점에 대해, 희석 한계를 추가로 증가시키기 위해 난류 혼합을 촉진하도록 CMCV를 사용하는 것이 편리했는데 왜냐하면 낮은 레벨의 캠 지연이 요구되었기 때문이다. 표 19의 데이터는 E85와 E85/개질휘발유에 대한 CMCV의 사용을 반영하지만 가솔린에 대한 것은 아니다.

표 19: 1200 rpm, 4.33 bar BMEP에서의 데이터. 여기에서 Lambda 는 람다, Cam Retard 는 캠 지연.

예 14. 본 예는 공회전시 예 12의 엔진에 대한 데이터를 제공한다. 엔진의 공회전 점은 논의한 다른 부분-부하 점들로부터 독특하다. 공회전시 낮은 EGT는 높은 람다의 사용을 방지한다. 또한, 공회전 속도에서 낮은 엔진 오일 압력은 내부 잔류를 증가시키기 위해 캠 지연을 적용하도록 VCT의 사용을 방지한다. 그러므로, 희석을 증가시키는 단 하나의 가능한 방법은 외부 EGR의 사용이다. 이 방법은 전형적으로 가솔린과 또는 E85와 함께 사용될 수 없는데 왜냐하면 열화된 공회전 안정성을 일으키기 때문이다.

엔진은 E85와 50% 개질휘발유 경우 모두에 대해 공회전시 안정하였다. 그러나, 개질휘발유 경우는 0-10% 연소 지속시간이 약간 빨랐고 HC 배출이 수소 촉진된 연소에 의해 크게 감소되었다. 그러므로, EGR 스윕(sweep)이 개질휘발유로만 수행되었는데 왜냐하면 이러한 저 부하에서, 증가된 EGR은 HC 배출을 추가로 증가시키기 때문이다. 두 경우 모두에 대해, 람다는 연료 소비를 개선하기 위해 CO 배출을 감소시키도록 1.04로 약간 증가되었는데, 왜냐하면 희박 연소는 LNT의 사용에 의해 허용되기 때문이다. 공회전시, BMEP의 작은 변화는 종래의 방식으로 보고되면 연소 안정성, 연료 소비 및 배출 측정값들에 큰 변화들을 일으킬 수 있다. 그러므로, 연소 안정성은 IMEP의 SD로 지시되고 연료 소비와 배출은 엔진 배기량의 시간당 리터당 그램(g/Lh)으로 보고된다.

개질휘발유의 경우에 대해, EGR은 어떠한 안정성 문제들도 겪지 않고 0%로부터 20%로 증가된다. 또한 증가된 EGR은 증가된 MAP을 제공했고 이는 감소된 펌핑 작업을 통해 연료 소비를 감소시켰다. 또한 공급가스 NOx는 더 높은 레벨의 희석으로 인해 크게 감소되었다. 이는 중요한데, 왜냐하면 이는 LNT가 재생을 요구하기 전에 약간 희박하게 운전하기 위한 증가된 기간을 허용하기 때문이다.

표 20: 공회전, 525rpm, 1.0 bar BMEP시의 데이터, 캠 지연은 낮은 오일 압력때문에 공회전시 0이었지만, 외부 EGR이 사용되었다. 여기에서 Lambda 는 람다.

예 15. 본 예는 예 12의 엔진으로 작동하는 희박 NOx 트랩의 사용 및 재생을 설명한다. 엔진은 예 13 및 예 14에서 설명한 바와 같이 희박하게 작동된 다음에 몇 초 동안 농후하게(람다=0.8) 엔진을 작동하여 재생되었다.

도 8은 예 13에서와 같이 1200 rpm, 4.33 bar BMEP에서 엔진을 작동시키는 동안 몇가지 재생 사이클들을 보인다. 이 작동점에서 개질휘발유를 사용하는 희박 운전으로 달성되는 BSFC는 E85 단독과 화학량론적 운전을 사용하는 347 g/kWh에 비해 327 g/kWh이었다. 100s 희박 그리고 2s 농후의 LNT 재생 사이클을 사용하면 BSFC가 1.2%만큼 331 g/kWh로 증가되게 했다. 이는 12:1 CR 및 높은 내부 희석에서 기준값 E85 경우에 대해 5% 개선이다.

LNT의 부하 성능 및 변환 효율은 LNT 촉매 온도에 매우 의존한다. 이 재생 사이클 중에, LNT 온도가 약간 감소되었다. 온도가 안정됨에 따라, 변환 효율이 증가되었다. 이는 감소하는 배기관 NOx와 증가하는 CO 슬립(slip)으로 지시되었다. 이러한 매개변수들의 변화들은 더 긴 부하 간격 또는 더 짧은 재생 간격이 이 지점을 최적화하고 BSFC를 추가로 감소시키는데 사용될 수 있음을 암시한다.

1500 rpm, 2.83 bar BMEP에서 희박 NOx 트랩의 재생이 도 9에 도시되어 있다. 이 사이클에 대해, 간격들은 300s 희박 연소 후에 4s 농후 연소하여 결정되었다. 이 동작점에서 개질휘발유를 사용하는 희박 운전으로 달성되는 BSFC는 E85 단독 및 화학량론적 운전을 사용하는 377 g/kWh에 비해 362 g/kWh였다. 300s 희박과 4s 농후의 LNT 재생 사이클은 BSFC를 1.5%만큼 368 g/kWh로 증가시켰다. 이 간격 타이밍은 매우 높은 NOx 변환 효율과 매우 낮은 배기관 NOx를 제공한다. CO 슬립과 HC 슬립은 매우 높아 간격 타이밍의 추가 최적화가 필요하고 BSFC를 크게 개선함을 보인다. 그러나, 최적화의 부족에도 불구하고, 이 타이밍은 기준값 E85 경우에 대해 2.5%의 연료 소비 개선을 제공한다.

예 16. 본 예는 20℃에서 예 12의 엔진의 냉간 시동 시험을 설명한다. E85에서 냉간 시동은 공장 보정을 사용하여 Ford 엔진 제어 유닛(ECU)에 의해 제어되었다. 이 경우에 대한 람다 값들은 초기에 엔진을 점화시키기 위해 0.5만큼 농후하였다. 그 다음에 엔진 속도가 증가되면서 화학량론적 운전이 사용되고 TWC의 빠른 활성화를 위해 높은 EGT를 얻기 위해 15°CA ATDC로 스파크 타이밍이 지연되었다. 일단 400℃의 온도가 달성되면, 엔진 속도는 약 850 rpm으로 느리게 감소된다. 이 엔진 속도는 엔진이 더 낮은 엔진 공회전 속도를 유지하기에 충분하게 따듯해질 때까지 유지된다.

또한 1.0의 람다 값에서 (실린더로부터의) 개질휘발유와 E85의 혼합물들로 냉간 시동이 달성되었다. 이에 의해 연료 소비가 감소되었고 수소의 높은 가연성이 화학량론적 시동 조건들에도 불구하고 매우 빠른 점화를 일으킨다.

중요하게도, 50-100% 개질휘발유를 사용하는 냉간 시동은 수소에 의해 가능하게 된 빠른 연소와 람다 = 1 에서 시동할 수 있는 능력으로 인해, 엔진에서 나오는 탄화수소와 CO 배출을 크게 감소시켰다. 도 10에 도시한 바와 같이, E85만을 사용하는 탄화수소 배출은 기기의 최대 판독값을 초과했지만, 이러한 레벨들은 50%, 75%, 또는 100% 개질휘발유 사용시 극적으로 감소된다. CO 배출도 극적으로 감소된다.

본 발명의 또는 그 바람직한 실시예(들)의 요소들을 도입할 때, 부정관사들 "하나의(a, an)", "그(the)"와 "상기(said)"는 하나 이상의 요소들이 있음을 의미하고자 한다. 용어 "포함하는(comprising, including)"과 "갖는(having)"은 포괄적이고자 하고 열거한 요소들 이외의 부가적인 요소들이 있을 수 있음을 의미하고자 한다.

다양한 변화들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 상기 구성들, 제품들, 및 방법들에서 이루어질 수 있으므로, 상기 설명과 첨부한 도면들에 도시된 모든 것은 예시적인 것으로 해석되어야 하고 제한하는 의미로 해석되지 않아야 한다.

Claims

에탄올을 포함하는 연료로부터 기계적 또는 전기적 출력을 생성하기 위한 방법에 있어서,
일산화탄소, 이산화탄소 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 탄소 산화물 성분과, 메탄 및 수소를 포함하는 제품 개질휘발유 가스 혼합물을 생성하기 위해 개질 반응 영역에서 구리를 포함하는 개질 촉매와 에탄올 연료를 포함하는 공급 가스 혼합물을 접촉시키고, 여기서 제품 개질휘발유 가스 혼합물에서 탄소 산화물 성분에 대한 메탄의 몰 비는 약 0.9 내지 약 1.25이고 메탄이 개질휘발유 가스 혼합물에서 생성되는 비율은 몰 기준으로 개질 반응 영역에 도입되는 에탄올의 비율의 적어도 약 50%이고;
배기가스 혼합물을 생성하도록 내연기관의 연소실에서 연소가능한 가스 혼합물을 연소시키고, 상기 연소가능한 가스 혼합물은 이전의 연소에서 생성된 배기가스 혼합물의 약 5% 내지 약 40%를 포함하는 배기가스 배출물과 제품 개질휘발유 가스 혼합물에서 얻어지는 메탄과 수소 및 공기를 포함하고;
기계적 또는 전기적 출력의 생성을 위해 연소 에너지를 사용하고;
연소실로부터 배기가스 혼합물의 적어도 일부분을 배출하고;
배기되는 배기가스 혼합물의 적어도 일부를 개질 반응 영역과 열적 접촉시켜 그 안의 개질 촉매를 가열하고 배출된 배기가스 혼합물을 냉각시키는 것을 포함하는 출력 생성 방법.
청구항 1에 있어서,
개질 반응 영역의 출구에서 개질 촉매의 온도는 약 400℃ 이하인 출력 생성 방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 연소가능한 가스 혼합물은 개질되지 않은 에탄올을 추가로 포함하는 출력 생성 방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,
배기가스 배출물을 포함하는 상기 연소가능한 가스 혼합물은
배기가스 혼합물의 일부분을 연소실에 유지함으로써 및/또는 이후의 흡기 행정 중에 배출된 배기가스 혼합물의 일부분을 연소실에 다시 인입함으로써 배기가스 혼합물의 일부분을 내부 재순환시키고; 및/또는
개질 반응 영역과 배출된 배기가스 혼합물 간의 열적 접촉 이후에 연소실로 냉각된 배기가스 혼합물의 일부를 외부 재순환시켜
생성되는 출력 생성 방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,
배기가스 혼합물의 약 5% 내지 약 25%가 연소실에 외부 재순환되는 출력 생성 방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,
배기가스 혼합물의 약 5% 내지 약 40%가 내부 재순환되는 출력 생성 방법.
청구항 6에 있어서,
배기가스 혼합물의 일부분이 동일한 이중 캠 지연을 사용하여 내부 재순환되는 출력 생성 방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,
이전의 연소에서 생성된 배기가스 혼합물의 약 15% 내지 약 40%가 연소실에 재순환되는 출력 생성 방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,
이전의 연소에서 생성된 배기가스 혼합물의 약 30% 내지 약 40%가 연소실에 재순환되는 출력 생성 방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 연소가능한 가스 혼합물은 몰 기준으로 상기 연소가능한 가스 혼합물의 에탄올 개질휘발유에 대해 적어도 20% 개질되지 않은 에탄올을 포함하는 출력 생성 방법.
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