KR102548637B1

KR102548637B1 - 배기가스 후처리를 위한 방법 및 배기가스 후처리 시스템

Info

Publication number: KR102548637B1
Application number: KR1020217015038A
Authority: KR
Inventors: 게르하르트 하프트
Original assignee: 비테스코 테크놀로지스 게엠베하
Priority date: 2018-10-23
Filing date: 2019-10-22
Publication date: 2023-06-27
Also published as: US20210239025A1; KR20210075186A; DE102018218138B4; US11377994B2; CN112867849B; WO2020083859A1; DE102018218138A1; CN112867849A

Abstract

본 발명은 휘발유 엔진(10)의 배기가스 후처리를 위한 방법 및 배기가스 후처리 시스템에 관한 것이다. 방법에서, 휘발유 엔진(10)의 배기가스 관(1)에 배열된 2개의 촉매(2.3)는 상이한 상태로 작동된다. 제1 삼원 촉매(2)는 약간 저-산소 구역에서 작동되고 제2 삼원 촉매(3)는 약간 산소-농후 구역에서 작동된다. 또한, 2차 공기는 2개의 삼원 촉매(2.3) 사이의 배기가스 관(1)으로 불어넣어진다. 그 결과, 휘발유 엔진(10)의 배출물의 출력은 특히 급격하게 환원될 수 있다. 본 발명은 또한 배기가스 후처리 시스템에 관한 것이다.

Description

배기가스 후처리를 위한 방법 및 배기가스 후처리 시스템

본 발명은 가솔린 엔진의 배기가스 후처리를 위한 방법 및 배기가스 후처리 시스템에 관한 것이다.

가솔린 엔진의 경우에, 삼원 촉매 변환기가 배기가스 후처리를 위해 사용된다. 이 촉매 변환기는 오염물질, 즉, 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO) 및 산화질소(NOx)를 무해한 배기가스 성분, 예컨대, 물 및 이산화탄소로 변환시킨다. 이상적인 변환을 위해, 촉매 변환기에서 특정 상태가 우세해야 한다. 따라서, 촉매 변환기의 온도는 변환에 필요한 라이트 오프 온도를 초과해야 한다. 또한, 정확한 비의 반응물질이 사용 가능해야 한다. 이것은 배기가스의 산소량이 모든 배기가스 구성요소가 산화될 수 있을 정도로 정확하게 충분한 경우이다. 이 경우에, λ = 1.0의 배기가스 람다값을 참조한다.

촉매 변환기에서 이러한 이상적인 변환 조건을 보장하기 위해, 현재 스파크 점화 엔진은 엔진이 정확한 람다값의 배기가스를 전달하는 람다 프로브를 통한 방식으로 제어된다. 현재, 2개의 람다 프로브가 이 목적을 위해 사용된다.

1. 삼원 촉매 변환기 앞의 선형 람다 프로브,

2. 삼원 촉매 변환기 뒤의 이진 람다 프로브.

이것은 LIN/BIN 람다 프로브 시스템으로서 지칭된다.

제어의 목적은 촉매 변환기에 약간 농후한 배기가스(λ < 1) 그리고 이어서 약간 희박한 배기가스(λ > 1)를 교번하여 공급하여, 정확히 λ = 1.000의 평균을 제공하는 것이다. 촉매 변환기가 산소 그리고 또한 일산화탄소를 저장하는 능력을 가져서, 항상 충분한 반응물질이 사용 가능한 것을 보장한다는 것이 도움이 된다.

a. 희박 단계에서, HC와 CO는 과잉의 산소와 함께 산화되고, 산화질소는 저장된 CO에 의해 환원되고, 과잉의 산소는 촉매 변환기에 저장된다.

b. 농후 단계에서 NOx는 산소의 부족으로 CO에 의해 환원되고, HC와 CO는 저장된 산소에 의해 산화되고, 과잉의 CO는 촉매 변환기에 저장된다.

이 목적을 위해, 선형 람다 프로브는 교번 람다 설정점을 설정하도록 사용된다. 이진 람다 프로브는 "트림 제어" 시스템에 의해 650mV의 이진 프로브 전압을 설정하도록 사용된다.

전체 시스템은 촉매 변환기가 항상 성공적으로 λ = 1.000의 평균으로 유지되는 경우에만 작동한다. 엔진에서 희박하거나 또는 농후한 배기가스가 너무 오랫동안 배출되어, 저장 용량이 더 이상 충분하지 않을 경우에, 브레이크스루(breakthrough)가 제공된다. 희박 브레이크스루의 경우에, NOx 배출이 그 결과이다. 농후 브레이크스루의 경우에, HC와 CO 배출이 있다. 이것을 방지하기 위해, 점점 더 큰 촉매변환기 또는 더 높은 저장 용량(귀금속의 더 높은 충전)을 가진 촉매변환기 또는 차량 하부의 부가적인 촉매 변환기가 가장 최근의 배기가스 법규를 준수하도록 설계된 초저배출 개념을 위해 사용된다.

그러나, 현대의 내연기관(가변 밸브 타이밍/밸브 리프트)의 매우 동적인 작동 및 다수의 조작된 변수에 기인하여 설정값으로부터 람다값의 편차가 반복된다. 이러한 이유로, 사전에 미리 설정된 농후 단계와 희박 단계가 서로 평균되어 상쇄된다는 보장이 없다. 원칙적으로, 트림 제어 시스템은 같지 않은 농후 단계와 희박 단계의 균형을 유지해야 한다. 그러나, 이 제어기는 매우 느리다. 따라서 람다값에서 복수의 비교적 큰 편차가 연속적으로 발생한다면, 브레이크스루가 발생할 수도 있다.

LIN/BIN 시스템의 기본적인 문제는 촉매 변환기가 매우 좁은 변환 윈도우로 작동된다는 것이다. 그 결과, 하나 또는 다른 방향에서의 훨씬 작은 편차가 배출을 발생시킨다.

본 발명은 배기가스 후처리를 위한 방법을 제공하는 목적에 기초하고 이 방법에 의해 배출은 특히 큰 정도로 감소될 수 있다.

이 목적은 다음의 단계를 포함하는, 가솔린 엔진의 배기가스 후처리를 위한 방법에 의해 본 발명에 따라 달성된다:

약간 저-산소 범위에서 엔진의 배기가스 관에 배열된 제1 삼원 촉매 변환기를 작동시키는 단계;

약간 산소-농후 범위에서 엔진의 배기가스 관의 하류에 배열된 제2 삼원 촉매 변환기를 작동시키는 단계;

2개의 삼원 촉매 변환기 사이의 배기가스 관으로 2차 공기를 불어넣는 단계.

본 발명에 따르면, 위에서 언급된 문제는 2개의 촉매 변환기가 상이한 상태로 작동된다는 사실에 의해 해결된다. 여기서, 제1 삼원 촉매 변환기(주 촉매 변환기)는 이것이 모든 산화질소를 확실히 환원시킬 수 있는 방식으로 작동된다. 이 목적을 위해, 이것은 저-산소 범위에서 약간 더 많이 작동된다.

제1 삼원 촉매 변환기가 이 방식으로 작동된다면, HC 및 CO의 100% 변환이 불가능하다는 문제가 있다. 따라서 항상 약간의 HC 및 CO 슬립이 있다. 이제 이 구성요소를 완전히 변환시키기 위해, 제2 삼원 촉매 변환기가 사용된다. 충분한 산소가 있는 것은 HC 및 CO의 변환을 위해 중요하다. 이 목적을 위해, 2차 공기가 2개의 촉매 변환기 사이에 불어넣어진다.

제2 삼원 촉매 변환기는 모든 잔여 HC 및 잔여 CO를 변환시켜야 한다. 따라서 촉매 변환기는 산소-농후 범위에서 작동되어야 한다.

법규를 고려하여, 본 발명은 비교적 작은 촉매 변환기 용적에서도, 안정적인 방식으로 배기가스 배출 한계를 준수하기 위해 특히 강력한 제어 개념을 더 제공한다. 이것을 달성하기 위해, 약간 저-산소 범위(약간 농후한 범위)에서 제1 삼원 촉매 변환기의 제어를 구현하도록 NH₃ 센서로서 NOx 센서가 본 발명에 따라 사용된다.

저-산소 범위에서 촉매 변환기의 작동은 이진 포스트-캣 프로브(binary post-cat probe)가 예를 들어, 800㎷의 프로브 전압을 나타내는 경우이다. 그러나, 800㎷의 구역에서 프로브 신호가 이미 매우 평평하여, 이 설정점에 대한 제어가 사실상 불가능하기 때문에, 이진 포스트-캣 프로브에 의한 제어는 여기에서 한계에 부딪힌다.

본 발명에 따르면, 암모니아(NH₃)에 대한 강한 교차 감도를 갖는 NOx 센서가 이 목적을 위해 사용된다. 제1 삼원 촉매 변환기가 800㎷ 포스트-캣 프로브 전압의 구역에서 작동된다면, 이것은 암모니아가 생성되는 범위이다. 본 발명에 따르면, 이것은 NOx 센서에 의해 제1 삼원 촉매 변환기의 2-점 제어를 수행하도록 사용될 수 있다.

이것은 예를 들어, 아래에 설명된 방식으로 수행될 수 있다:

1. 이진 프로브 전압이 650㎷에 도달할 때까지 엔진은 희박 방식(예를 들어, λ = 1.02)으로 작동된다.

2. 이어서 NH₃증가가 NOx 센서에 의해 검출될 때까지 엔진은 농후 방식(예를 들어, λ = 0.98)으로 작동된다.

따라서 본 발명에 따르면, NOx 센서는 제1 삼원 촉매 변환기를 제어할 목적을 위해 사용된다. 이러한 종류의 NOx 센서가 3개의 센서, 즉, 이진 람다 프로브, 선형 람다 프로브 및 실제 NOx 센서로 구성되기 때문에, 본 발명에 따르면, 설명된 제어를 수행하기 위해 2개의 센서를 사용할 필요가 없다. NOx 센서의 이진 프로브 신호를 사용하는 것이 여기서 간단히 가능하다.

제2 삼원 촉매 변환기에 대하여, 바람직하게는 약간 산소-농후 범위에서 제2 삼원 촉매 변환기의 제어를 구현하기 위해 이진 람다 프로브가 사용된다. 마찬가지로 희박 모드와 농후 모드로 교번하여 제2 삼원 촉매 변환기를 작동시키고 이것을 평균적으로 λ = 1에 매우 가깝게 유지하기 위해 이러한 제어가 필요하다.

이 경우에, 제2 삼원 촉매 변환기를 제어하기 위해 사용되는 이진 람다 프로브는 400㎷ 미만(약간 산소-농후 범위)의 프로브 전압을 나타내야 한다. 이러한 방식으로 제2 삼원 촉매 변환기의 산소 로딩을 제어하기 위해, 바람직하게는 희박 이진 프로브 설정점(예를 들어, 300㎷)으로 제어되는 이진 프로브가 본 발명에 따라 사용된다.

배기 가스가 제1 삼원 촉매 변환기 이후 약간만 농후하므로, 매우 적은 양의 2차 공기만을 부가하는 것이 또한 필요하다. 따라서 시스템은 2차 공기를 매우 정밀하게 계량해야 한다. 따라서, 2차 공기는 바람직하게는 희박 단계와 농후 단계를 구현하기 위해 교번하여 스위치 온/오프되고, 온 시간의 지속기간 또는 2차 공기량은 이진 프로브의 프로브 전압에 의해 제어된다.

따라서, 본 발명에 따라 수행되는 제어와 관련하여, 3개의 단계는 매우 중요하다:

약간 농후한 범위에서 제1 삼원 촉매 변환기의 제어를 구현하기 위해 NH₃ 센서로서 NOx 센서의 사용, 상이한 람다 범위에서 촉매 변환기를 작동시키기 위해 2차 공기의 사용, 및 약간 희박한 범위에서 제2 삼원 촉매 변환기를 작동시키기 위해 사용되는 이진 프로브에 의한 2차 공기의 제어.

전반적으로, 일련의 장점은 본 발명에 따른 방법에 의해 달성된다. 이것은 배기가스 후처리 시스템의 더 안정한 제어 그리고 따라서 대응하는 구동 사이클(또한 RDE 구동 사이클)에서 더 적은 배출, 촉매 변환기에서 귀금속의 충전 시 가능한 환원, 및 NOx 센서에 의한 주 촉매 변환기의 더 간단한 진단을 포함한다.

본 발명은 또한 배기가스 관에 배열된 제1 삼원 촉매 변환기, 상기 배기가스 관의 하류에 배열된 제2 삼원 촉매 변환기, 및 2개의 삼원 촉매 변환기 사이의 배기가스 관으로 2차 공기를 불어넣기 위한 디바이스를 가진, 가솔린 엔진을 위한 배기가스 후처리 시스템에 관한 것이다.

이러한 종류의 배기가스 후처리 시스템에 의해 수행되는 방법이 위에서 설명되었다. 이러한 종류의 배기가스 후처리 시스템을 제어하기 위한 방법이 또한 설명된다. 이 제어 목적을 위해, 시스템은 바람직하게는 약간 저-산소 범위에서 제1 삼원 촉매 변환기를 제어하기 위해 NH₃ 센서로서 사용되는 NOx 센서를 갖는다. 이 목적을 위해, NOx 센서를 제1 삼원 촉매 변환기에 배열하는 것이 편리하다.

약간 산소-농후 범위에서 제2 삼원 촉매 변환기를 제어하기 위해, 시스템은 바람직하게는 이진 람다 프로브를 갖는다.

원칙적으로, NOx 센서 뒤에 그리고 이진 프로브 뒤에 사용 가능한 활성 촉매 변환기 용적을 갖는 것은 가치가 있다. NOx 센서에 대해, 그 이유는 농후에서 희박으로의 전환이 수행되는 데 특정 시간이 걸리기 때문이다. 따라서, NOx 센서가 NH₃의 증가를 검출한다면, 즉각적인 NH₃ 브레이크스루가 있어서는 안 되고, 그 때문에 센서는 바람직하게는 촉매 변환기 뒤에 배열되는 것이 아니라 촉매 변환기 자체에(예를 들어, 길이의 2/3에서) 또는 주 촉매 변환기의 2개의 브릭 사이에 배열된다.

이진 프로브에 대해, 그 이유는 촉매 변환기 또는 프로브 자체의 진단이다. 제2 촉매 변환기의 산소 저장 능력을 테스트하기 위해, 시스템은 브레이크스루가 발생할 때까지 농후 또는 희박 모드로 작동되어야 한다. 사용 가능한 추가의 촉매 변환기 용적이 이제 없다면, 진단 동안 증가된 배출물이 있을 것이다.

시스템이 제1 삼원 촉매 변환기의 상류에 선형 람다 프로브를 갖는 경우가 편리하다.

제공된 이진 프로브가 2차 공기 공급부를 제어하게 하기 위해, 2차 공기를 불어넣기 위한 디바이스는 바람직하게는2차 공기 펌프 및 2차 공기 밸브를 갖는다.

제공된 제2 삼원 촉매 변환기는 바람직하게는 하부 촉매 변환기로서 설계될 수 있다.

제2 삼원 촉매 변환기가 사원 촉매 변환기로서 설계되는 것이 또한 가능하다. 이 촉매 변환기는 다시 말해 순수한 삼원 촉매 변환기, 또는 대안적으로, 삼원 촉매 코팅을 가진 입자 여과기(사원 촉매 변환기)일 수 있다.

본 발명은 도면과 함께 예시적인 실시형태에 의해 아래에서 상세히 설명될 것이다. 도면에서:
도 1은 배기가스 후처리 시스템의 개략도; 및
도 2는 도 1의 시스템의 확대도.

도 1은 공기 공급관(11) 및 배기가스 관(1)을 가진, 가솔린 엔진(스파크-점화 엔진)(10)을 개략적으로 도시한다. 제1 삼원 촉매 변환기(2)가 배기가스 관(1)에 배열되며, 제2 삼원 촉매 변환기(3)가 뒤따른다. 선형 람다 프로브(7)는 제1 삼원 촉매 변환기(2)의 상류에 배열된다. 촉매 변환기의 길이의 2/3에서 촉매 변환기에 배열되는 NOx 센서(8)가 제1 삼원 촉매 변환기(2)에 제공된다.

제2 삼원 촉매 변환기(3)는 제1 삼원 촉매 변환기(2)의 하류에 위치되고 이진 람다 프로브(9)를 갖는다. 2차 공기 라인(4)이 2개의 촉매 변환기(2, 3) 사이의 배기가스 관(1)으로 통하고, 이에 의해 2차 공기가 2차 공기 펌프(6) 및 2차 공기 밸브(5)에 의해 불어넣어진다.

위에서 설명된 배기가스 후처리 시스템의 작동 모드는 도 2를 참조하여 설명된다. 시스템은 라인(18)을 통해 알려진 방식으로, 엔진(2)에 공급되는 공기-연료 혼합물을 제어하는 제어 장치(미도시)로 신호를 출력하는 종래의 선형 람다 프로브(7)를 갖는다. 제1 삼원 촉매 변환기(2)(주 촉매 변환기)는 이제 이것이 모든 산화질소를 확실히 환원시킬 수 있는 방식으로 작동된다. 이 목적을 위해, 이것은 저-산소 범위에서 작동된다. 여기서, NOx 센서(8)는 한편으로는 촉매 변환기에서 생성되는 암모니아(NH₃)의 비율을 검출하고 다른 한편으로는 비교할 만한 이진 포스트-캣 프로브의 대응하는 프로브 전압의 획득을 위한 이진 프로브 신호를 공급하는 것을 제어하기 위한 센서로서 사용된다. 신호 둘 다가 라인(19 및 12)을 통해 제어 장치로 공급되어 대응하는 제어를 수행한다.

제1 촉매 변환기(2)와 마찬가지로, 제2 촉매 변환기(3)는 또한 희박 모드와 농후 모드로 교번하여 작동해야 하고, 이 목적을 위해 제2 촉매 변환기(3)를 평균적으로 λ = 1에 매우 가깝게 유지하기 위해서 마찬가지로 제어가 필요하다. 제2 촉매 변환기(3)의 산소 부하를 대응하는 방식으로 제어하기 위해, 희박 이진 프로브 설정점을 설정하는 이진 프로브(9)를 사용한다. 이 목적을 위해, 대응하는 신호(13)가 제어 장치로 출력된다.

배기 가스가 제1 촉매 변환기(2) 이후 약간만 농후하므로, 매우 적은 양의 2차 공기만 부가하는 것이 또한 필요하다. 따라서 시스템은 2차 공기를 매우 정밀하게 계량해야 한다. 따라서, 2차 공기는 희박 단계와 농후 단계를 구현하기 위해 2차 공기 밸브(5)에 의해 교번하여 스위치 온/오프된다. 온 시간의 지속기간 또는 2차 공기량은 이진 프로브(9)의 프로브 전압에 의해 제어된다. 여기서, 2차 공기 펌프(6) 및 2차 공기 밸브(5)의 대응하는 작동은 (14)와 (15)로 표시된다.

Claims

가솔린 엔진(10)의 배기가스 후처리를 위한 방법으로서,
저-산소 범위에서 상기 엔진(10)의 배기가스 관(1)에 배열된 제1 삼원 촉매 변환기(2)를 작동시키는 단계;
산소-농후 범위에서 상기 엔진(10)의 상기 배기가스 관(1)에서 상기 제1 삼원 촉매 변환기(2)의 하류에 배열된 제2 삼원 촉매 변환기(3)를 작동시키는 단계;
상기 제1 삼원 촉매 변환기(2)에 배열된 NOx 센서(8)를 작동시키는 단계; 및
2개의 삼원 촉매 변환기(2, 3) 사이의 상기 배기가스 관(1)으로 2차 공기를 불어넣는 단계를 포함하고,
상기 NOx 센서(8)는 상기 저-산소 범위에서 상기 제1 삼원 촉매 변환기(2)의 제어를 구현하기 위해 NH₃ 센서로서 사용되는 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진의 배기가스 후처리를 위한 방법.
삭제
제1항에 있어서, 이진 람다 프로브(9)는 상기 산소-농후 범위에서 상기 제2 삼원 촉매 변환기(3)의 제어를 구현하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진의 배기가스 후처리를 위한 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 삼원 촉매 변환기(2)의 제어는 상기 NOx 센서(8)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진의 배기가스 후처리를 위한 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 삼원 촉매 변환기(2)의 상류의 선형 람다 프로브(7)가 사용되는 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진의 배기가스 후처리를 위한 방법.
제1항에 있어서, 2차 공기 공급부는 제어 목적을 위해 교번하여 스위치 온 및 오프되는 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진의 배기가스 후처리를 위한 방법.
가솔린 엔진(10)을 위한 배기가스 후처리 시스템으로서,
배기가스 관(1),
상기 배기가스 관(1)에 배열된 제1 삼원 촉매 변환기(2),
상기 배기가스 관(1)에서 상기 제1 삼원 촉매 변환기(2)의 하류에 배열된 제2 삼원 촉매 변환기(3),
상기 제1 삼원 촉매 변환기(2)에 배열되는 NOx 센서(8), 및
2개의 삼원 촉매 변환기(2, 3) 사이의 상기 배기가스 관(1)으로 2차 공기를 불어넣기 위한 디바이스를 포함하고,
상기 NOx 센서(8)는 저-산소 범위에서 상기 제1 삼원 촉매 변환기(2)의 제어를 구현하기 위해 NH₃ 센서로서 사용되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
삭제
삭제
제7항에 있어서, 상기 배기가스 후처리 시스템은 산소-농후 범위에서 상기 제2 삼원 촉매 변환기(3)의 제어를 위한 이진 람다 프로브(9)를 갖는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
제7항에 있어서, 상기 배기가스 후처리 시스템은 상기 제1 삼원 촉매 변환기(2)의 상류에 선형 람다 프로브(7)를 갖는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
제7항에 있어서, 상기 2차 공기를 불어넣기 위한 상기 디바이스는 2차 공기 펌프(6) 및 2차 공기 밸브(5)를 갖는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
제7항에 있어서, 상기 제2 삼원 촉매 변환기(3)는 하부 촉매 변환기로서 설계되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
제7항에 있어서, 상기 제2 삼원 촉매 변환기(3)는 사원 촉매 변환기로서 설계되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.