KR102048779B1 - 내연기관용 배기 시스템, 그리고 상기 배기 시스템의 작동 방법 - Google Patents

내연기관용 배기 시스템, 그리고 상기 배기 시스템의 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 내연기관의 유출구와 연결되며, 미립자 필터를 포함하는 내연기관용 배기 시스템에 관한 것이다. 미립자 필터의 포화의 결정을 위해, 미립자 필터 상류의 배기가스 덕트의 섹션 및/또는 미립자 필터 하류의 배기가스 덕트의 섹션을 차압 센서와 연결하는 차압 라인이 제공된다. 배기가스 덕트로 향해 있는 차압 라인의 단부 상에는 응축수의 수용을 위한 저장부가 형성되며, 저장부는 배기가스 덕트 내로 돌출되어 배기가스 덕트 내의 배기가스를 통해 가열될 수 있다. 저장부의 가열을 통해, 저장부 내에 포집된 액체는 증발되고, 저장부의 개구부를 통해 기상 형태로 배기가스 덕트 내로 유입될 수 있으며, 그럼으로써 배기가스 덕트 내에서의 액적 형성의 위험은 방지된다.
또한, 본 발명은 배기가스 후처리를 위한 방법에도 관한 것이며, 내연기관의 배기가스에서 발생하는 응축수는 저장부 내에서 포집된다. 이에 이어서, 응축수는 증발되고, 기상 형태로 다시 배기가스 덕트 내로 유입된다.

Description

내연기관용 배기 시스템, 그리고 상기 배기 시스템의 작동 방법{EXHAUST SYSTEM FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE, AND METHOD FOR OPERATING SUCH AN EXHAUST SYSTEM}
본 발명은 독립 청구항들의 전제부들에 따른 내연기관용 배기 시스템 및 상기 배기 시스템을 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다.
현재와 미래에 더욱 더 엄격해지는 배출가스 규제법은 내연기관들의 엔진의 미연소 배출량 및 배기가스 후처리에 대해 까다로운 요건을 설정하고 있다. 이 경우, 연료 소모량의 지속적인 감소에 대한 요구, 및 허용 산화질소 배출량과 관련한 배출가스 표준의 추가적인 강화는 엔진 개발자에게는 도전이 된다. 가솔린 엔진의 경우, 배기가스 정화는, 공지된 방식으로, 삼원 촉매 컨버터, 및 이 삼원 촉매 컨버터의 상류 및 하류에 연결되는 추가 촉매 컨버터들을 통해 수행된다. 디젤 엔진의 경우에는, 현재, 산화 촉매 컨버터 또는 NOx 트랩 촉매 컨버터; 산화질소의 선택적 촉매 환원을 위한 촉매 컨버터(SCR 촉매 컨버터); 및 매연 입자의 분리를 위한 미립자 필터; 그리고 필요에 따라 추가 촉매 컨버터들을 포함하는 배기가스 후처리 시스템들이 이용되고 있다. 이 경우, 환원제로서 바람직하게는 암모니아가 이용된다. 순수 암모니아의 취급 방법은 복잡하기 때문에, 차량의 경우, 통상, 합성 요소 수용액이 이용되며, 이 요소 수용액은 SCR 촉매 컨버터의 상류에 연결된 혼합 장치 내에서 고온의 배기가스 유량과 혼합된다. 이런 혼합을 통해, 요소 수용액이 가열되며, 요소 수용액은 배기가스 덕트 내에서 암모니아를 방출한다. 상업상의 요소 수용액은 일반적으로 32.5%의 요소와 67.5%의 물로 구성된다.
현재 및 향후의 배출가스 규제법을 통해, 특히 디젤 엔진을 장착한 자동차의 경우, 산화질소 한계 값의 엄수와 관련한 노력은 증가하고 있다. 엔진 근처의 SCR 촉매 컨버터 또는 NOx 트랩 촉매 컨버터 및 엔진 근처의 디젤 미립자 필터를 포함하는 배기가스 후처리 시스템들의 경우, 현재의 요건이 충족될 수는 있지만, 상기 배기가스 후처리 시스템들은 더욱 더 그 기능적 한계에 도달하고 있다. 또한, 배출가스 표준의 추가적인 강화는, 내연기관의 미연소 배출량의 향상된 폐루프 제어 및 그 감소를 위해, 그리고 배기가스 후처리 구성요소들의 내장 진단(On-Board diagnosis)을 위해 촉매 컨버터들 및 미립자 필터의 체적에서 체적 확대; 배기가스 배압의 감소; 및 추가적인 배기가스 센서들;을 요구한다. 상기 배기가스의 분석을 위해, 미립자 필터의 하류에, 특히 차압 라인의 하류에 미립자 필터의 포화의 모니터링을 위해 추가 NOx 센서가 배치될 수 있다. 그러나 이 경우, 응축수 액적(condensate drip)이 배기가스 질량 유량을 통해 차압 라인으로부터 함께 반출될 수 있고 센서에 부딪칠 때 센서의 오작동에서부터 고장까지를 야기할 수 있다.
DE 10 2013 215 594 A1호로부터는 내연기관을 위한 배기 시스템이 공지되어 있으며, 이 경우 미립자 필터 상에는 압력 센서가 제공되고, 내연기관의 배기가스 덕트와 압력 센서 사이의 연결 라인은 튜브 라인으로서 형성된다. 이 경우, 상기 연결 라인은, 저온의 온도 조건에서 연결 라인의 동결을 방지하기 위해, 응축수가 연결 라인으로부터 배기가스 덕트 내로 유입되도록 형성되어 있다.
WO 2008/042048 A1호로부터는 내연기관의 배기 시스템 내에서 열적 관리를 위한 방법이 공지되어 있다. 이 경우, 배기가스 덕트는, 배기가스 덕트와 내연기관의 급기 냉각기를 연결하는 라인을 포함할 수 있다. 이 경우, 급기 냉각기에서 분리된 응축수는 배기 시스템의 열적 관리를 위해 이용될 수 있다.
그러나 공지된 해결책들에서 단점은, 물이 액적 형태로 배기가스 덕트 내에 도달할 수 있고 그에 따라 부딪치는 물 액적을 통해 배기가스 덕트 내 센서, 특히 NOx 센서의 잠재적인 오작동 또는 고장 문제가 해결되지 않는다는 점에 있다.
한편, 본 발명의 과제는, 내연기관을 위한 배기가스 후처리 장치를 제공하고, 배기가스 덕트 내로의 액적 형태의 물의 침투를 방지하며, 그리고 그에 따라 배기가스 덕트 내 센서의 손상을 배제하는 것에 있다.
상기 과제는, 본 발명에 따라서, 내연기관의 배기 시스템이 내연기관의 유출구와 연결되어 있는 것인 내연기관용 배기 시스템을 통해 해결된다. 배기 시스템은, 미립자 필터가 내부에 배치되어 있는 배기가스 덕트를 포함한다. 차압 라인은, 미립자 필터 상류의 배기가스 덕트의 제1 섹션 및/또는 미립자 필터 하류의 배기가스 덕트의 제2 섹션을 차압 센서와 연결하며, 그럼으로써 미립자 필터를 통한 압력차가 검출될 수 있으며, 이 압력차는 미립자 필터의 매연 입자들의 포화에 대한 척도이다. 배기가스 덕트로 향해 있는 차압 라인의 단부 상에는, 배기가스 덕트 내로 돌출되고 배기가스 덕트와 유체 연결되는 저장부(reservoir)가 형성되며, 저장부는, 저장부 내에 포집된 액체가 배기가스 덕트 내로의 유출 전에 증발되어 기상 형태로 배기가스 덕트 내로 유입되도록, 내연기관의 배기가스를 통해 가열될 수 있다. 저장부를 통해서는 응축수가 포착되고 포집될 수 있으며, 그럼으로써 차압 라인 내의 응축수를 통한 액체 액적은 배기가스 덕트 내에 도달하지 않게 된다. 이 경우, 저장부는 배기가스 덕트 내에 배치되며, 그럼으로써 저장부는 신속하고 간단하면서도 비용 효과적으로 배기가스 덕트 내 고온의 배기가스를 통해 가열될 수 있고 증발되게 된다. 그 다음, 증발된 응축수는 문제없이 배기가스 덕트 내로 유입될 수 있는데, 그 이유는 이런 경우 더 이상 액적 형성이 기대되지 않고 기체는 센서들의 손상을 야기하지 않기 때문이다. 이 경우, 저장부는, 차압 센서(84)와 미립자 필터(16) 상류의 배기가스 덕트(18)를 연결하는 차압 라인(20)의 제1 섹션(90) 상에 배치될 수 있을 뿐만 아니라, 차압 센서(84)와 미립자 필터(16) 하류의 배기가스 덕트(18)를 연결하는 차압 라인(20)의 제2 섹션(92) 상에서도 배치될 수 있다.
종속 청구항들에 열거되는 특징들을 통해, 독립 청구항에 명시된 배기 시스템의 바람직한 개선들 및 개량들이 가능하다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따라서, 배기 시스템 내에서, 저장부의 하류에는, 산화질소 농도의 측정을 위한 센서, 특히 NOx 센서, 온도 센서 및/또는 미립자 센서가 배치된다. 디젤 엔진의 엔진 근처에서의 배기가스 정화를 위한 배기 시스템의 경우, 엔진 근처의 산화 촉매 컨버터 또는 NOx 트랩 촉매 컨버터, 및 미립자 필터, 바람직하게는 산화질소의 선택적 촉매 환원을 위한 코팅층을 포함한 미립자 필터가 제공된다. 이 경우, 미립자 필터의 하류에, 그리고 차압 라인의 합류점의 하류에 NOx 센서가 제공되며, 이 NOx 센서에 의해 배기가스 정화 후 잔존하는 산화질소의 농도가 측정될 수 있다. 차압 라인으로부터 유출되는 액체 액적, 특히 응축수가 부딪치는 것을 통한 상기 센서의 손상을 방지하기 위해, 배기가스 덕트로 향해 있는 차압 라인의 단부 상에는, 특히 차압 라인의 제2 섹션 상에는, 미립자 필터의 하류에서 배기가스 덕트 내로의 액체의 침투를 방지하기 위해 저장부가 제공된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따라서, 바람직하게는, 저장부에는 저장부 내에 포집된 액체의, 배기가스 덕트 내로의 제어식 배출을 위한 개구부 또는 슬롯이 형성된다. 일차적으로, 개구부 또는 슬롯은, 압력 측정을 가능하게 하기 위해 차압 라인과 배기가스 덕트 간의 유체 연결부를 형성하는 기능을 갖는다. 이에 추가로, 상기 슬롯 또는 상기 개구부는, 응축수가 증발 후에 제어되면서 배기가스 덕트 내로 유입될 수 있도록 하기 위해 이용될 수 있다. 따라서, 응축수가 제어되지 않은 채 배기가스 덕트 내로 액적화되는 점은 방지된다.
이 경우, 특히 바람직하게는, 개구부 또는 슬롯은, 액체는 중력에 의해 개구부 또는 슬롯으로부터 유출되지 않지만, 기상 매체는 개구부 또는 슬롯을 통해 배기가스 덕트 내로 빠져나갈 수 있도록 배치된다. 중력을 통해 응축수로 충전되는 저장부의 폐쇄된 단부를 통해, 응축수는, 배기가스 덕트 내로 액적화되지 않으면서 포집될 수 있다. 이 경우, 저장부에는 개구부 또는 슬롯이 제공되며, 이 개구부 또는 슬롯은 측지학적으로 폐쇄된 단부의 상부에 위치하며, 그리고 그에 따라 응축수가 증발되어 압력 강하로 인해 배기가스 덕트 내로 배출될 때 비로소 배기가스 덕트 상으로의 응축수의 배출을 허용한다. 이 경우, 개구부 또는 슬롯은, 저장부 내로의 배기가스의 침투를 방지하기 위해, 배기가스 덕트를 관류하는 배기가스의 유동 방향에서 배기가스 유량의 반대 방향으로 향해 있는 저장부의 면 상에 위치한다.
본 발명의 또 다른 바람직한 구현예에 따라서, 저장부에는 저장부로부터 유출되는 체적 유량이 배기가스 덕트의 벽부 상에 접촉되는 것을 방지하는 분리 에지가 형성된다. 그 결과, 특히 배기가스 덕트가 저온일 경우 내연기관의 냉간 시동 후, 액체가 다시 배기가스 덕트의 벽부 상에서 응축되고 그에 따라 다시 액체 액적이 미립자 필터 하류의 배기가스 덕트 내에 존재하는 점은 방지될 수 있다. 또한, 여타의 경우 미립자 필터의 하류에 배치되어 배기가스 후처리를 위한 구성요소의 기능 또는 내구성을 제한할 수도 있는 액체의 국소적 집중(local concentration)은 방지될 수 있다.
본원의 배기 시스템의 또 다른 개선예에 따라서, 바람직하게는, 차압 라인의 하류 단부는 미립자 필터의 필터 몸체 바로 하류에서 배기가스 깔때기부(exhaust gas funnel) 내로 통해 있다. 그 결과, 본 발명에 따른 배기 시스템의 특히 조밀한 실시형태가 가능하며, 그 외에도 깔때기부를 통해 미립자 필터 하류에서 정체 압력(stagnation pressure)은 최소화되며, 그럼으로써 미립자 필터의 포화 상태의 결정(determination)은 향상될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따라서, 차압 라인은 저압 배기가스 재순환부를 위한 분기부의 상류에서 배기가스 덕트로부터 분기되고, 저압 배기가스 재순환부를 위한 분기부의 하류에서는 다시 배기가스 덕트 내로 합류된다. 저압 배기가스 재순환부 하류에서 차압 라인의 합류를 통해, NOx 센서에 의해서도 산화질소의 잔여 함량에 대한 진술 내용의 정당함이 특히 정확하게 확인될 수 있는데, 그 이유는 차압 라인의 합류점의 하류에서 추가의 배기가스 재순환이 수행되지 않기 때문이다. 그에 따라, NOx 센서에서 측정되는 산화질소 농도는 배기관 배출량(tailpipe emission)에 상응하거나, 바람직하게는 자동차의 언더바디 위치에 배치되어 미립자 필터 하류의 배기가스 덕트 내에서 배기가스 후처리를 위한 추가 구성요소의 유입구 배출량에 상응하게 된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 개선예에 따라서, 저장부는 박판, 주조 부품, 선삭 부품 또는 밀링 부품으로 형성된다. 저장부는 특히 간단하면서도 비용 효과적으로 박판으로 형성된다. 이 경우, 간단한 제조 방법에서, 예컨대 펀칭 공정 또는 펀칭/벤딩 공정을 통해 슬롯 또는 개구부가 박판 내에 구성될 수 있으면서 박판의 기하구조가 제조될 수 있다. 또한, 슬롯은 박판의 성형 공정을 통해서도 형성될 수 있다.
이 경우, 바람직하게는, 박판, 주조 부품, 선삭 부품 또는 밀링 부품은 배기가스 덕트 내에 나사로 고정된다. 배기가스 덕트 내에 박판을 나사로 고정하는 것을 통해 특히 간단한 조립이 수행될 수 있다. 이 경우, 바람직하게 벤딩 공정 또는 딥드로잉 공정에서 성형된 박판은, 간단한 유형 및 방식으로 배기가스 덕트 내에 나사로 고정될 수 있는 저장부를 형성한다. 이 경우, 조립은 미립자 필터의 필터 몸체의 하류에서 배기가스 깔때기부를 통해 수월해지는데, 그 이유는 나머지 배기가스 덕트에 비해 확대된 지름을 통해 더 간단한 조립이 가능하기 때문이다.
그 대안으로, 바람직하게는, 박판, 주조 부품, 선삭 부품 또는 밀링 부품은 차압 라인과 형상 결합식 또는 강제 결합식으로 연결된다. 차압 라인과 박판의 연결을 통해, 저장부는 차압 라인용 연결 개구부를 통해 삽입될 수 있고, 그에 따라 어셈블리로서 차압 라인과 함께 사전 조립될 수 있다. 그 결과, 배기가스 덕트의 조립은 수월해진다.
본 발명의 또 다른 개선예에 따라서, 배기가스 덕트 내의 센서, 특히 NOx 센서, 온도 센서 또는 미립자 센서는 미립자 필터의 필터 몸체로부터 하류로 120㎜ 내지 1500㎜의 이격 간격을 두고 배치된다. NOx 센서를 통해, 미립자 필터의 하류에서 배기가스 덕트 내 산화질소 농도가 측정된다. 최대한 조밀한 구조를 달성하고 필요한 경우 미립자 필터의 하류에서 배기가스 후처리용 추가 구성요소들을 위한 공간을 제공하기 위해, 바람직하게는, NOx 센서는 미립자 필터의 필터 몸체로부터 하류로 120㎜ 내지 1500㎜, 특히 바람직하게는 120㎜와 250㎜ 사이의 이격 간격을 두고 배치된다. 이 경우, 저장부 내에서 액체를 증발시키는 것을 통해, 필터 몸체와 NOx 센서 간의 짧은 이격 간격에도 불구하고 NOx 센서에서 응축수 액적의 부딪침은 방지된다는 점이 달성된다.
본 발명에 따라서, 내연기관의 배기가스 후처리를 위한 방법이 제안되며, 내연기관의 배기가스는 배기가스 덕트를 포함한 배기 시스템을 통해 안내된다. 이 경우, 내연기관의 배기가스는 미립자 필터를 통해 정화된다. 배기 시스템 상에는, 미립자 필터 상류의 배기가스 덕트의 제1 섹션 및/또는 미립자 필터 하류의 배기가스 덕트의 제2 섹션을 차압 센서와 연결하는 차압 라인이 제공된다. 배기가스 덕트로 향해 있는 차압 라인의 단부 상에는, 배기가스 덕트 내로 돌출되어 배기가스 덕트와 유체 연결되는 저장부가 형성되며, 저장부는, 저장부 내에 포집된 액체가 배기가스 덕트 내로의 유출 전에 증발되어 기상 형태로 배기가스 덕트 내로 유입되도록, 내연기관의 배기가스를 통해 가열될 수 있다. 본 발명에 따른 방법을 통해, 응축수가 차압 라인으로부터 액상 형태로 배기가스 덕트 내에 도달하여 그 위치에서 센서 또는 배기가스 후처리용 구성요소의 고장을 야기하는 점은 방지될 수 있다.
본 출원에서 언급되는 본 발명의 다양한 실시형태들은, 개별적으로 별도로 상술하지 않는 한, 바람직하게 서로 조합될 수 있다.
본 발명은 하기에서 첨부한 도면들에 따른 실시예들에서 설명된다. 이 경우, 동일한 부품들, 또는 동일한 기능을 갖는 부품들은 도면들에서 동일한 도면부호들로 표시된다.
도 1은 본 발명에 따른 배기 시스템을 포함하는 내연기관의 일 실시예를 도시한 개략도이다.
도 2는 내연기관을 위한 본 발명에 따른 배기 시스템을 도시한 3차원도이다.
도 3은 저장부를 포함하여 배기가스 덕트로 향해 있는 차압 라인의 단부 섹션을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 배기 시스템의 일 섹션을 도시한 또 다른 도면이다.
도 5는 미립자 필터, 및 이 미립자 필터의 하류에 연결되는 배기가스 덕트의 섹션을 나타내는 본 발명에 따른 배기 시스템의 일 섹션을 도시한 도면이다.
도 6은 미립자 필터 및 차압 라인을 포함하는 본 발명에 따른 배기 시스템을 도시한 3차원도이다.
도 1에는, 본 발명에 따른 배기 시스템(12)을 포함한 내연기관(10)의 일 실시예가 도시되어 있다. 내연기관(10)은 바람직하게는 압축을 통해 자기 착화하는 디젤 엔진으로서 구현된다. 그 대안으로, 내연기관(10)은 점화 장치에 의한 불꽃 점화식 가솔린 엔진으로서도, 특히 연료 직접 분사 장치를 포함한 가솔린 엔진으로서도 구현될 수 있다. 내연기관(10)은, 배기 시스템(12)과 연결되는 유출구(52)를 포함한다. 배기 시스템(12)은, 제1 촉매 컨버터(14), 바람직하게는 디젤 산화 촉매 컨버터, 또는 NOx 트랩 촉매 컨버터; 및 바람직하게는 산화질소의 선택적 촉매 환원을 위한 코팅층(66)(SCR 코팅층)을 구비하여 제1 촉매 컨버터(14)의 하류에 배치되는 미립자 필터(16);를 포함한다. 또한, 배기 시스템(12)은, 배기 시스템(12)의 배기관(78)(tailpipe)과 유출구(52)를 연결하는 배기가스 덕트(18)도 포함한다. 이 경우, 배기가스 덕트(18)의 제1 섹션(22)은 미립자 필터(16)와 내연기관(10)의 유출구(52)를 연결한다. 상기 제1 섹션(22) 내에서는, 바람직하게는 유출구(52)의 하류에, 그리고 제1 촉매 컨버터(14)의 상류에 배기가스 터보차저(54)의 터빈(56)이 배치된다. 또한, 배기가스 덕트(18)의 제1 섹션(22) 내에는, 환원제 탱크(62) 내에 저장된 환원제(64), 특히 요소 수용액의 계량 공급을 위한 계량 부재(60)가 배치된다.
미립자 필터(16)는 하나의 유입구와 2개의 유출구들을 포함한다. 이 경우, 미립자 필터(16)의 제1 유출구는 저압 배기가스 재순환부(46)와 연결되며, 이 저압 배기가스 재순환부를 통해서는, 내연기관(10)의 연소실들 내에서 연료/공기 혼합기의 연소 시의 미연소 배출량을 감소시키기 위해, 터빈(56)에 의해 구동되는 배기가스 터보차저(54)의 압축기의 상류에서 배기가스가 신선 공기에 첨가 혼합될 수 있다. 미립자 필터(16)의 제2 유출구는 배기 시스템(12)의 배기가스 덕트(18)의 제2 섹션(24)과 연결되며, 이 제2 섹션은 주 덕트(main duct)로서도 지칭된다. 배기가스 덕트(18)의 제2 섹션(24)은 배기 시스템(12)의 배기관(78)과 미립자 필터(16)를 연결한다. 주 덕트 내에는, 특히 본 발명에 따른 배기 시스템(12)을 포함한 내연기관(10)이 그 내에 장착되어 있는 자동차의 언더바디 위치에는, 추가적인 배기가스 정화를 가능하게 하기 위해, 추가 촉매 컨버터(76), 특히 산화질소의 선택적 촉매 환원을 위한 추가 촉매 컨버터가 배치될 수 있다. 그 대안으로, 추가 촉매 컨버터(76)는, 산화질소의 선택적 촉매 환원을 위한 두 배기가스 후처리 구성요소들(18, 76) 중 적어도 하나가 산화질소의 효율적인 반응을 가능하게 하는 온도 범위 역시도 확대시킬 수 있다.
바람직하게는, 제1 촉매 컨버터(14) 및 미립자 필터(16)는 각각 엔진 근처에 배치된다. 이러한 맥락에서, 엔진 근처 배치는, 내연기관(10)의 유출구(52)에서부터 최대 80㎝, 바람직하게는 최대 60㎝의 배기가스 이동 길이를 갖는 배치를 의미한다. 이 경우, 유념할 사항은, 미립자 필터(16)가 SCR 코팅층(66)을 구비하여 형성되는 경우, 제1 촉매 컨버터(14)와 미립자 필터(16) 사이에 미립자 필터(16) 내로의 유입 전 배기가스와 배기가스 덕트(18) 내로 계량 공급된 환원제(64)의 혼합을 위한 충분히 긴 혼합 구간이 제공되어야 한다는 점이다. 혼합 구간의 길이를 단축시키기 위해, 제1 촉매 컨버터(14)와 미립자 필터(16) 사이의 배기가스 덕트(18)의 섹션은 약 60°의 만곡부를 포함하며, 그럼으로써 편향으로 인해 배기가스의 난류가 발생하며, 그리고 그에 따라 환원제(64)는 비교적 짧은 혼합 구간에서 균일하게 배기가스 덕트(18) 내에 분배된다. 또한, 배기가스 덕트(18)의 섹션은, 환원제(64)와 배기가스 유량의 혼합을 추가로 향상시키기 위해, 혼합 부재(80)를 포함할 수 있다. 미립자 필터(16) 상에는, 미립자 필터(16)를 관류하는 배기가스의 유동 방향에서 필터 몸체(40)의 하류에 분기부(44)가 형성되며, 이 분기부 상에서, 배기가스 덕트(18)는, 저압 배기가스 재순환부(46)와, 배기 시스템(12)의 배기관(78)과 미립자 필터(16)를 연결하는 주 덕트로 분기된다. 이를 위해, 미립자 필터(16)는 필터 몸체(40)의 하류에 배기가스 깔때기부(48)를 포함하며, 이 배기가스 깔때기부는 제2 깔때기부(68)와 제3 깔때기부(72)로 분기된다. 이 경우, 제2 깔때기부(68)는 저압 배기가스 재순환부(46)와 연결된다. 그 외에도, 제2 깔때기부(68)는, 저압 배기가스 재순환부(46) 내로의 매연 입자들의 침투를 방지하기 위해, 필터 부재(70)를 포함한다. 제3 깔때기부(72)는 제2 깔때기부(68)보다 더 큰 지름을 보유하면서 배기 시스템(12)의 주 덕트와 미립자 필터(16)를 연결한다.
특히 산화질소 배출량과 관련하여 배출가스 규제법의 증가하고 있는 강화를 통해, 엔진 내부적인 조치들과 배기가스 후처리를 위한 조치들을 서로 연계할 필요가 있다. 내연기관(10)의 미연소 배출량을 개선하는 가능성은, 산화질소 배출량의 형성을 감소시키기 위해 신선 공기에 배기가스를 첨가 혼합하는 점에 있다. 이 경우, 바람직하게는, 재순환되는 배기가스는 최대한 저온 상태이다. 이런 이유에서, 저압 배기가스 재순환부(46) 내에는 저압 배기가스 재순환 냉각기가 배치될 수 있다. 배기 시스템(12)의 주 덕트 내에는, 저압 배기가스 재순환부(46)로 공급되는 배기가스량에 영향을 미칠 수 있는 배기가스 플랩(74)이 추가로 배치될 수 있다.
또한, 내연기관(10)은, 이 내연기관(10)의 연소실들로 공급되는 연료량을 개루프 모드 또는 폐루프 모드로 제어하는 제어 장치(58)를 추가로 포함한다. 또한, 제어 장치(58)를 통해, 본 발명에 따른 배기 시스템이 제어되며, 그리고 예컨대 배기가스 덕트(18) 내로 계량 공급되는 환원제(56)의 양, 또는 미립자 필터(16)의 재생도 개루프 모드로 제어된다.
도 2에는, 내연기관(10)의 본 발명에 따른 배기 시스템(12)이 3차원도로 도시되어 있다. 본 발명에 따른 배기 시스템(12)을 통해, 최소의 배기가스 배압이 조밀하면서도 공간을 절약하는 구조에서 실현될 수 있다. 이 경우, 배기 시스템(12)은, 내연기관(10)의 유출구(52)에 직접 연결되어 배치되는 배기가스 터보차저(54)를 포함하며, 이 배기가스 터보차저의 터빈(56)은 내연기관(10)의 배기가스에 의해 구동된다. 배기 시스템(12)은, 미립자 필터(16)의 상류에서 차압 라인(20)의 제1 섹션(90)을 통해 차압 센서(84)의 제1 입력단(94)과 배기가스 덕트(18)의 제1 섹션(22)을 연결하는 차압 라인(20)을 포함한다. 배기가스 덕트(18)의 제2 섹션(24)은 차압 라인(20)의 제2 섹션(92)을 통해 차압 센서(84)의 제2 입력단(96)과 연결된다. 또한, 차압 센서(84)는, 검출된 압력 신호가 제어 장치(58)로 전송되여 그 제어 장치에서 처리될 수 있게 하는 전기 접촉부(98)도 추가로 포함한다. 차압 라인(20)의 하류 단부(38) 상에는 저장부(26)가 형성되며, 저장부 내에서는 차압 라인(20) 내에서 발생한 응축수가 포집될 수 있다. 미립자 필터(16)의 하류에, 그리고 차압 라인(20)의 합류점의 하류에 NOx 센서(50)가 제공된다. 차압 라인의 하류 단부(38)는 도 3에 더 구체적으로 시각화되어 있다.
도 3에는, 배기가스 덕트(18)로 향해 있는 차압 라인(20)의 하류 단부(38)가 도시되어 있다. 차압 라인(20)은 연결 포트(82)에 의해 배기가스 덕트(18)의 벽부(36) 상에 고정된다. 차압 라인(20)의 하류 단부(38) 상에는, 응축수를 위한 포집 영역 및 하나 이상의 개구부(30) 또는 슬롯(32)을 포함하는 저장부(26)가 형성된다. 포집 영역 내에서는 응축된 액체(28)가 포집될 수 있으며, 그럼으로써 상기 액체는 제어되지 않은 채 배기가스 덕트(18) 내로 액적화되지 않게 된다. 이 경우, 저장부(26)는, 저장부(26) 내에 수용된 액체(28)의 가열 및 증발을 촉진하기 위해, 배기가스 덕트(20) 내로 돌출된다. 이 경우, 슬롯(32) 또는 개구부(30)는, 배기가스 덕트 세그먼트 내의 압력이 결정될 수 있도록 배치된다. 또한, 슬롯(32) 또는 개구부는, 저장부로부터 배기가스 덕트(18) 내로 유출시키기 위해 액체(28)가 포집 영역으로부터 중력에 반하여 상승될 수밖에 없게 함으로써 배기가스 덕트(18) 내로 응축수가 제어되지 않은 채 액적화되는 것이 방지되도록 배치된다. 저장부(26)에는, 배기가스와 증발된 응축수의 혼합을 촉진하기 위해, 그리고, 응축수의 상대적으로 더 많은 양이 배기가스 덕트(18)의 벽부(36) 상에 포집되어 그 위치에서 불리한 작동 상태들 하에서 다시 응축될 수 있는 점을 방지하기 위해, 분리 에지(34)가 형성된다.
도 4에는, 본 발명에 따른 배기 시스템(12)의 또 다른 실시예가 도시되어 있으며, 명확성을 위해 오직 미립자 필터(16) 하류의 섹션(24)만이 도시되어 있다. 배기가스 덕트(18)의 제2 섹션(24) 상에는 차압 라인(20)을 위한 연결 포트(82)가 형성된다. 미립자 필터(16)의 필터 몸체(40)의 하류에서, 그리고 연결 포트(82)의 하류에서, 배기가스 덕트(18) 상에는, 미립자 필터(16) 하류의 산화질소 농도를 검출하고 그에 따라 SCR 코팅층(66)을 포함한 미립자 필터(16)의 경우 배기가스 후처리의 기능을 점검하기 위해, NOx 센서가 배치된다. 그 대안으로, 또는 그에 추가로, NOx 센서(50)는, 도 4에 도시되지 않은 제2 촉매 컨버터(76) 상류에서 산화질소 농도를 검출하고 그 위치에서 배기가스 덕트(18) 내로 상응하는 양의 환원제를 계량 공급하기 위해서도 이용될 수 있다. NOx 센서(50)는 미립자 필터(16)의 필터 몸체(40)로부터 하류로 약 150㎜의 이격 간격을 두고 배치되며, 그리고 그에 따라 본 발명에 따른 배기 시스템(12)의 조밀한 구조를 가능하게 한다.
도 5에는, 본 발명에 따른 배기 시스템(12)의 또 다른 실시형태가 도시되어 있다. 이 경우, 배기가스 덕트(18)는, 배기가스 깔때기부(48)에서, 저압 배기가스 재순환부(46)와 배기 시스템(12)의 주 덕트로 분기되며, 상기 주 덕트 상에는 차압 라인(20)이 연결 포트(82)에 의해 고정된다. 이 경우, 저장부(26)는, 배기가스 덕트(18) 내로 삽입되고 바람직하게는 배기가스 덕트와 나사로 결합되거나 용접되는 박판(42)으로 형성된다.
배기 시스템(12)의 작동 중에, 그리고 특히 작동 후에, 차압 라인 내에는 수증기 및/또는 환원제가 응축될 수 있으며, 이 수증기 및/또는 환원제는 액체 액적의 형태로 차압 라인의 벽부 상에 포집되고, 중력의 영향 하에 저장부(26) 내에 포집된다. 이 경우, 응축수는 주변 온도가 저온일 때, 그리고 내연기관(10)의 정지 후에 경우에 따라 동결될 수도 있다. 그러나 저장부(26)의 포집 영역을 통해, 액상 응축수 액적 또는 얼음이 미립자 필터(16)의 하류에서 배기가스 덕트(18) 내로 침투하여 그 위치에서 손상, 특히 저장부(26)의 바로 하류에 배치되는 NOx 센서(50)의 손상을 야기하는 점은 방지된다. 고온 배기가스를 통해, 저장부(26)의 포집 영역 내에 포집된 응축수는 증발되며, 그런 다음 증기로서 개구부(30) 또는 슬롯(32)을 경유하여 배기가스 덕트 내에 도달하며, 그럼으로써 저장부(26)의 하류에서 부품들의 기계적 손상은 배제된다. 저장부(26)는 단일 부재형 펀칭/벤딩 부품으로서, 또는 딥드로잉 부품으로서 비용 효과적으로 제조될 수 있지만, 복수의 부품으로 저장부(26)를 구성하고 이를 위해 상응하는 부품들을 형상 결합식, 강제 결합식 또는 재료 결합식으로 서로 연결할 수도 있다.
도 6에는, 미립자 필터(16)를 포함하는 본 발명에 따른 배기 시스템의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 2에 대해 상술한 것과 실질적으로 동일한 구성에서, 본 도면에는, 미립자 필터(16)의 상류 및 하류에서 배기가스 덕트(18) 상의 차압 라인(20)의 포트가 도시되어 있다. 이 경우, 차압 라인(20)의 제1 섹션(90)은 차압 센서(84)의 제1 입력단(94)과 배기가스 덕트(18)의 제1 섹션(22)을 연결한다. 차압 라인(20)의 제2 섹션(92)은 차압 센서(84)의 제2 입력단(96)과 미립자 필터(16) 하류의 배기가스 덕트(18)의 제2 섹션(24)을 연결한다. 그 결과, 미립자 필터(16)의 상류 및 하류에서 배기가스 덕트(18) 내의 압력차가 검출될 수 있으며, 이런 압력차는 미립자 필터(16)의 포화에 대한 척도로서 이용된다. 또한, 차압 센서(84) 상에는, 차압 센서(84)의 압력 신호를 제어 장치(58)로 전송하기 위해, 전기 접촉부(98)가 추가로 제공된다.
10: 내연기관
12: 배기 시스템
14: 제1 촉매 컨버터
16: 미립자 필터
18: 배기가스 덕트
20: 차압 라인
22: 배기가스 덕트의 제1 섹션
24: 배기가스 덕트의 제2 섹션
26: 저장부
28: 액체
30: 개구부
32: 슬롯
34: 분리 에지
36: 벽부
38: 차압 라인의 하류 단부
40: 필터 몸체
42: 박판
44: 분기부
46: 저압 배기가스 재순환부
48: 배기가스 깔때기부
50: NOx 센서
52: 유출구
54: 배기가스 터보차저
56: 터빈
58: 제어 장치
60: 계량 모듈
62: 환원제 탱크
64: 환원제
66: SCR 코팅층
68: 제2 깔때기부
70: 필터 부재
72: 제3 깔때기부
74: 배기가스 플랩
76: 추가 촉매 컨버터
78: 배기관
80: 배기가스 혼합기
82: 연결 포트
84: 차압 센서
86: 온도 센서
88: 미립자 센서
90: 차압 라인의 제1 섹션
92: 차압 라인의 제2 섹션
94: 차압 센서의 제1 입력단
96: 차압 센서의 제2 입력단
98: 전기 접촉부
D: 이격 간격

Claims (12)

  1. 미립자 필터(16)가 내부에 배치되어 있는 배기가스 덕트(18)와; 미립자 필터(16) 상류의 배기가스 덕트(18)의 제1 섹션(22) 및 미립자 필터(16) 하류의 배기가스 덕트(18)의 제2 섹션(24) 중 적어도 하나를 차압 센서(84)와 연결하는 차압 라인(20);을 포함하는 내연기관(10)용 배기 시스템(12)에 있어서,
    배기가스 덕트(18)로 향해 있는 차압 라인(20)의 단부(38) 상에는, 배기가스 덕트(18) 내로 돌출되고 배기가스 덕트(18)와 유체 연결되는 저장부(26)가 형성되며, 저장부(26)는, 저장부(26) 내에 포집된 액체(28)가 배기가스 덕트(18) 내로의 유출 전에 증발되어 기상 형태로 배기가스 덕트(18) 내로 유입되도록, 내연기관(10)의 배기가스를 통해 가열될 수 있는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 배기 시스템(12).
  2. 제1항에 있어서, 배기 시스템(12) 내에서, 저장부(26)의 하류에는, 배기가스 덕트(18) 내의 산화질소 농도의 측정을 위한 NOx 센서(50), 온도 센서(86) 또는 미립자 센서(88)가 배치되는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 배기 시스템(12).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 저장부(26)에는, 저장부(26) 내에 포집된 액체(28)의, 배기가스 덕트(18) 내로의 제어식 배출을 위한 개구부(30) 또는 슬롯(32)이 형성되는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 배기 시스템(12).
  4. 제3항에 있어서, 개구부(30) 또는 슬롯(32)은, 액체(28)는 중력에 의해 개구부(30) 또는 슬롯(32)으로부터 유출되지 않지만, 기상 매체는 개구부(30) 또는 슬롯(32)을 통해 배기가스 덕트(18) 내로 빠져나갈 수 있도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 배기 시스템(12).
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 저장부에는 저장부(26)로부터 유출되는 체적 유량이 배기가스 덕트(18)의 벽부(36) 상에 접촉되는 것을 방지하는 분리 에지(34)가 형성되는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 배기 시스템(12).
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 차압 라인(20)의 하류 단부(38)는 미립자 필터(16)의 필터 몸체(40) 바로 하류에서 배기가스 깔때기부(48) 내로 통해 있는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 배기 시스템(12).
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 차압 라인(20)은 저압 배기가스 재순환부(46)를 위한 분기부(44)의 상류에서 배기가스 덕트(18)로부터 분기되고, 저압 배기가스 재순환부(46)를 위한 분기부(44)의 하류에서는 다시 배기가스 덕트(18) 내로 합류되는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 배기 시스템(12).
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 저장부(26)는 박판(42), 주조 부품, 선삭 부품 또는 밀링 부품으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 배기 시스템(12).
  9. 제8항에 있어서, 상기 박판(42), 주조 부품, 선삭 부품 또는 밀링 부품은 배기가스 덕트(18) 내에 나사로 고정되는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 배기 시스템(12).
  10. 제8항에 있어서, 상기 박판(42), 주조 부품, 선삭 부품 또는 밀링 부품은 차압 라인(20)과 형상 결합식 또는 강제 결합식으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 배기 시스템(12).
  11. 제2항에 있어서, NOx 센서(50), 온도 센서(86) 또는 미립자 센서(88)는 미립자 필터(16)의 필터 몸체(40)로부터 하류로 120㎜ 내지 1500㎜의 이격 간격(D)을 두고 배치되는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 배기 시스템(12).
  12. 내연기관(10)의 배기가스 후처리를 위한 방법으로서,
    내연기관(10)의 배기가스는 배기가스 덕트(18)를 포함하는 배기 시스템(12)을 통해 안내되는 단계와,
    내연기관(10)의 배기가스는 미립자 필터(16)를 통해 정화되는 단계를 포함하고,
    배기 시스템(12) 상에는, 미립자 필터(16) 상류의 배기가스 덕트(18)의 제1 섹션(22) 및 미립자 필터(16) 하류의 배기가스 덕트(18)의 제2 섹션(24) 중 적어도 하나를 차압 센서(84)와 연결하는 차압 라인(20)이 제공되는, 상기 내연기관의 배기가스 후처리 방법에 있어서,
    배기가스 덕트(18)로 향해 있는 차압 라인(20)의 단부(38) 상에는, 배기가스 덕트(18) 내로 돌출되어 배기가스 덕트(18)와 유체 연결되는 저장부(26)가 형성되며, 저장부(26)는, 저장부(26) 내에 포집된 액체(28)가 배기가스 덕트(18) 내로의 유출 전에 증발되어 기상 형태로 배기가스 덕트(18) 내로 유입되도록, 내연기관(10)의 배기가스를 통해 가열되는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 후처리 방법.
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