KR102617164B1 - 배기가스 후처리 시스템의 작동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 내연기관용, 특히 디젤 엔진용 배기가스 후처리 시스템의 작동 방법으로서, 배기 계통(7)에 적어도 하나의 SCR 미립자 필터(15)가 제공되고, 상기 SCR 미립자 필터(15)가 내연기관(5)으로부터 나오는 배기가스(9)에 포함된 미립자, 특히 탄소 미립자를 배기가스(9)로부터 여과해서 저장하는 역할을 하고, 상기 SCR 미립자 필터(15)가 내연기관(5)으로부터 나오는 배기가스(9)에 포함된 질소산화물을, 환원제로서 암모니아를 사용하여, 환원시키는 역할을 하고, 환원제, 특히 요소 수용액 형태의 환원제를 배기가스의 유동 방향에서 보았을 때의 SCR 미립자 필터(15)의 상류 측의 배기 계통(7) 안으로 도입시키는 역할을 하는 제1 환원제 공급 장치(22)가 제공되고, 상기 SCR 미립자 필터(15)의 연속 재생이 산화제로서 이산화질소를 사용하여 가능해지고, 적어도 하나의 SCR 촉매 변환기 요소(19)가 SCR 미립자 필터(15)의 하류에 배치되어, 내연기관(5)으로부터 나오는 배기가스(9)에 마찬가지로 포함된 질소산화물을, 환원제로서 암모니아를 사용하여, 환원시키는 역할을 하고, 환원제, 특히 요소 수용액 형태의 환원제를 SCR 미립자 필터(15)의 하류 측 및 SCR 촉매 변환기 요소(19)의 상류 측의 배기 계통(7) 안으로 도입시키는 역할을 하는 제2 환원제 공급 장치(26)가 제공되는, 배기가스 후처리 시스템의 작동 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 제1 환원제 공급 장치(22) 및/또는 제2 환원제 공급 장치(26)에 의해 배기 계통(7) 안으로 도입되는 환원제의 양을 SCR 미립자 필터(15)의 온도(TSCR-PF)의 함수로서 조절 및/또는 제어하는 역할을 하는 제어 장치(25)가 제공된다.

Description

배기가스 후처리 시스템의 작동 방법{METHOD FOR THE OPERATION OF AN EXHAUST GAS AFTERTREATMENT SYSTEM}
본 발명은 특허 청구항 1의 전제부에 따른, 내연기관용, 특히 디젤 엔진용 배기가스 후처리 시스템의 작동 방법, 특허 청구항 14의 전제부에 따른 장치, 및 특허 청구항 15에 청구된 것으로서, 상기 방법을 수행하기 위한 및/또는 상기 장치를 구비하는 차량, 특히 상용 차량에 관한 것이다.
내연기관으로부터 나오는 배기가스에 포함된 미립자, 특히 탄소 미립자를 배기가스로부터 여과시켜서 저장하는 역할을 하는 미립자 필터를 내연기관의 배관 계통(exhaust tract)에 제공하는 것은 알려져 있다. 그러한 입자 필터의 재생은, 예를 들면, 미립자 필터에 저장된 미립자의 연소를 통해 달성될 수 있다. 이러한 연소를 위해서는 높은 온도(대략 600℃)가 필요한데, 이 온도는 내연기관, 특히 디젤 엔진의 통상적인 작동에서는 일상적으로 얻을 수 없다. 그럼에도 불구하고 미립자 필터에 축적된 미립자들을 태울 수 있도록 하기 위해서, 일반적으로는, 미립자 필터의 온도를 일시적으로 증가시키기 위한 수단들이 취해진다. 그러한 수단들에는 예를 들어 분사되는 연료의 양 증가, 또는 가열 장치를 이용한 미립자 필터 가열, 또는 배기가스의 역류가 포함될 수 있다. 미립자 필터를 재생하는 또 다른 공지 방법은 연속 재생 트랩(CRT: continuous regeneration trap)이다. 이러한 미립자 필터 재생에 있어서는, 일반적으로, 디젤 엔진으로부터 나오는 배기가스에 포함된 일산화질소를 이산화질소로 변환시키는 역할을 하는 산화 촉매 변환기가 배기가스의 유동 방향에서 보았을 때의 미립자 필터의 상류 측의 배기 계통에 배치된다. 심지어는 낮은 배기가스 온도(약 250℃)에서도, 형성된 이산화질소가 미립자 필터에 저장된 탄소 미립자와 반응하고, 이에 의해 미립자 필터가 재생된다. 이것은 일반적으로 다음의 반응식에 따라 일어난다.
2NO2 + C -> 2NO + CO2
이외에 또한 공지된 것으로는, 내연기관으로부터 나오는 배기가스에 포함된 질소산화물을, 환원제로서 암모니아를 사용하여, 환원시킬 수 있는 SCR 활성 촉매 물질을 미립자 필터에 제공하는 것이 있다. 일반적으로, 상기 암모니아는 배기가스의 흐름 방향에서 보았을 때의 미립자 필터의 상류 측의 배기 계통에 요소 수용액("AdBlue")의 형태로 도입된다. 질소산화물의 환원은 일반적으로 다음의 반응식에 따라 일어난다.
4NH3 + 4NO + O2 -> 4N2 + 6H2O
2NH3 + NO + NO2 -> 2N2 + 3H2O
4NH3 + 3NO2 -> 3.5N2 + 6H2O
위에 나타낸 반응식들로부터 명백한 바와 같이, 연속적으로 재생되어야 하며 SCR 촉매 물질을 포함하고 있는 미립자 필터에서는, 배기가스에 포함된 이산화질소와 상대하는 경쟁이 생기는 상황이 발생한다. 이러한 경쟁 상황을 상쇄시키기 위해, 독일 특허 공개 공보 DE 10 2014 001 880 A1호는, 배기가스의 흐름 방향에서 보았을 때, 미립자 필터의 하류 측에 추가적인 SCR 촉매 변환기를 배치하는 것과, 배기가스의 흐름 방향에서 보았을 때, 상기 미립자 필터와 상기 추가적인 SCR 촉매 변환기 사이의 배기 계통 안으로 요소 수용액을 유사하게 도입시키는 것을 개시하고 있다. 이는 미립자 필터의 상류 측의 배기 계통 안으로 도입되는 요소 수용액의 양을 줄일 수 있게 하되 미립자 필터의 연속 재생은 보장할 수 있도록 하여 줄일 수 있게 한다. 배기가스에 포함된 질소산화물의 바람직한 감소는 미립자 필터의 하류 측과 상기 추가적인 SCR 촉매 변환기의 상류 측의 배기 계통 안으로 도입되는 요소 수용액에 의해 확보된다.
본 발명의 목적은 내연기관용, 특히 디젤 엔진용 배기가스 후처리 시스템의 작동 방법을, 배기가스 후처리의 효율을 증가시키는 역할을 효과적으로 하는 장치와 함께 제공하는 것이다.
이 목적은 독립 특허 청구항들의 특징들에 의해 달성된다.
청구항 1에 따르면, 내연기관용, 특히 디젤 엔진용 배기가스 후처리 시스템의 작동 방법으로서, 배기 계통에 적어도 하나의 SCR 미립자 필터가 제공되고, 상기 SCR 미립자 필터가 내연기관으로부터 나오는 배기가스에 포함된 미립자, 특히 탄소 미립자를 배기가스로부터 여과해서 저장하는 역할을 하고, 상기 SCR 미립자 필터가 내연기관으로부터 나오는 배기가스에 포함된 질소산화물을, 환원제로서 암모니아를 사용하여, 환원시키는 역할을 하고, 환원제, 특히 요소 수용액 형태의 환원제를 배기가스의 유동 방향에서 보았을 때의 SCR 미립자 필터의 상류 측의 배기 계통 안으로 도입시키는 역할을 하는 제1 환원제 공급 장치가 제공되고, 상기 SCR 미립자 필터의 연속 재생이 산화제로서 이산화질소를 사용하여 가능해지고, 적어도 하나의 SCR 촉매 변환기 요소가 SCR 미립자 필터의 하류에 배치되어, 내연기관으로부터 나오는 배기가스에 마찬가지로 포함된 질소산화물을, 환원제로서 암모니아를 사용하여, 환원시키는 역할을 하고, 환원제, 특히 요소 수용액 형태의 환원제를 SCR 미립자 필터의 하류 측 및 SCR 촉매 변환기 요소의 상류 측의 배기 계통 안으로 도입시키는 역할을 하는 제2 환원제 공급 장치가 제공되는, 배기가스 후처리 시스템의 작동 방법이 제안된다. 본 발명에 따르면, 제1 환원제 공급 장치 및/또는 제2 환원제 공급 장치에 의해 배기 계통 안으로 도입되는 환원제의 양을 SCR 미립자 필터의 온도에 따라 조절 및/또는 제어하는 역할을 하는 제어 장치가 제공된다.
이렇게 해서, 배기가스 후처리의 효율이 효과적으로 향상되는데, 그 이유는, 제1 환원제 공급 장치에 의해 배기 계통 안으로 도입되는 환원제의 양 및/또는 제2 환원제 공급 장치에 의해 배기 계통 안으로 도입되는 환원제의 양이, 이제는 SCR 미립자 필터의 온도에 따라 조정되거나 변동되기 때문이다. SCR 미립자 필터의 온도는 SCR 촉매 효과와 SCR 미립자 필터의 연속 재생에 큰 영향을 미치며, 상기 시스템을 최적화하고 배기 계통 안으로의 환원제의 전달을 최적화하는 데 있어서의 중요한 변수를 대표한다. 이 변수를 이용해서, SCR 미립자 필터의 바람직한 연속 재생과, 내연기관으로부터 나오는 배기가스에 포함된 질소산화물의 바람직한 감소를 달성할 수 있고, 이와 동시에, 배기 계통 안으로 도입되는 환원제의 양을 최소화할 수 있다. 적은 환원제 소비는 배기가스 후처리 시스템의 운전비용을 절감하며, 그리고, 배기가스 후처리 시스템을 차량에 설치하는 경우에, 그 설치되는 차량의 범위를 확대시킨다.
여기서, SCR 미립자 필터의 온도는, 배기가스 온도를 측정하기 위해서 온도 센서들, 특히 열전대들을 SCR 미립자 필터의 제1 상류 측 및 SCR 미립자 필터의 제2 하류 측의 배기 계통에 또는 배기 계통 안에 제공함으로써 얻을 수 있고, 상기 센서들로부터 측정된 값들은 제어 장치에 의해서 SCR 미립자 필터의 온도를 결정하는 데 사용된다.
또한, 용어 "배기 계통(exhaust tract)"은 여기서는 명백히 넓은 의미로 해석된다. 따라서, 배기 계통은 여기서는 내연기관으로부터 나오는 배기가스가 통과하여 유동하는 모든 영역 및 구성 요소들을 포함한다.
상기 방법의 양호한 실시에 있어서, SCR 미립자 필터의 실제 온도가, 규정된 미립자 필터 온도 값보다 낮은 경우에, 환원제는 제1 환원제 공급 장치에 의해 배기 계통 안으로 도입되지 않는다. SCR 미립자 필터의 실제 온도가, 규정된 미립자 필터 온도 값을 초과한 경우에는, 규정된 양의 환원제가 제1 환원제 공급 장치에 의해 배기 계통 안으로 도입된다. 따라서, SCR 미립자 필터가 충분히 높은 SCR 촉매 효과를 가지는 경우에만 환원제가 제1 환원제 공급 장치에 의해 배기 계통 안으로 도입된다.
상기 규정된 미립자 필터 온도 값은, 배기가스에 포함된 질소산화물이 SCR 미립자 필터에 의해 환원될 수 있는 온도인, SCR 미립자 필터의 SCR 반응 온도 보다 낮은 것이 바람직하다. 이것은, SCR 미립자 필터의 SCR 반응 온도에 도달할 때에 이미 충분한 양의 환원제가 SCR 미립자 필터에 존재하게 됨으로써 SCR 미립자 필터를 통과하는 질소산화물을 환원시키는 것을 확실하게 보장한다. 여기서, 상기 SCR 미립자 필터의 SCR 반응 온도는 220℃ 내지 250℃의 온도 범위에 있는 것이 바람직하다. 그러나, 대안으로서, 상기 규정된 미립자 필터 온도 값도 물론 SCR 입자 필터의 SCR 반응 온도와 동등하거나 혹은 일치될 수 있다.
상기 방법의 또 다른 양호한 실시에 있어서, 상기 제어 장치는 제1 환원제 공급 장치에 의해 배기 계통 안으로 도입되는 환원제의 양 및/또는 제2 환원제 공급 장치에 의해 배기 계통 안으로 도입되는 환원제의 양을 SCR 촉매 변환기 요소의 온도에 따라서도 추가로 조절 및/또는 제어한다. 이렇게 해서, 배기가스 후처리의 효율이 더욱 향상될 수 있다. SCR 촉매 변환기 요소의 온도도 마찬가지로, 배기가스 온도를 측정하기 위해서 온도 센서들, 특히 열전대들을 SCR 촉매 변환기 요소의 제1 상류 측 및 SCR 촉매 변환기 요소의 제2 하류 측의 배기 계통에 또는 배기 계통 안에 제공함으로써 얻을 수 있고, 상기 센서들로부터 측정된 값들은 제어 장치에 의해서 SCR 촉매 변환기 요소의 온도를 결정하는 데 사용된다.
여기서, SCR 촉매 변환기 요소의 실제 온도가 규정된 촉매 변환기 요소 온도 값보다 낮은 경우에는, 환원제가 제2 환원제 공급 장치에 의해 배기 계통 안으로 도입되지 않는 것이 바람직하다. SCR 촉매 변환기 요소의 실제 온도가 상기 규정된 촉매 변환기 요소 온도 값을 초과한 경우에는, 규정된 양의 환원제가 제2 환원제 공급 장치에 의해 배기 계통 안으로 도입될 수 있다. 이에 의하면, SCR 촉매 변환기 요소가 충분히 높은 SCR 촉매 효과를 가지는 경우에만 환원제가 배기 계통 안으로 도입될 수 있다. 이는 환원제를 절감하며, 미사용 암모니아가 배기 계통으로부터 주변 환경으로 유동하지 못하게 하는 역할을 한다.
원칙적으로, 상기 규정된 촉매 변환기 온도 값도 물론 SCR 촉매 변환기 요소의 SCR 반응 온도와 동등하거나 혹은 일치될 수 있다. 그렇지만, 상기 규정된 촉매 변환기 요소 온도 값도 마찬가지로, 배기가스에 포함된 질소산화물이 SCR 촉매 변환기 요소에 의해 환원될 수 있는 온도인 SCR 반응 온도 보다 낮은 것이 바람직하다. 이에 의하면, SCR 촉매 변환기 요소가 그의 SCR 반응 온도에 도달한 때에는, SCR 촉매 변환기 요소에 의한 질소산화물의 환원도 또한 보장된다. 여기서, 상기 SCR 촉매 변환기 요소의 SCR 반응 온도는 220℃ 내지 250℃의 온도 범위에 있는 것이 바람직하다.
상기 규정된 미립자 필터 온도 값 및/또는 상기 규정된 촉매 변환기 요소 온도 값은 더 바람직하게는 150℃ 내지 190℃의 온도 범위에 있다. 이러한 온도 범위는 환원제의 특히 효율적인 사용을 보장한다.
또한, SCR 미립자 필터의 실제 온도가 상기 규정된 미립자 필터 온도 값을 초과하고 SCR 촉매 변환기 요소의 실제 온도가 상기 규정된 촉매 변환기 요소 온도 값보다 낮은 경우에는, 대체로 화학양론적 환원제-질소산화물 비율이 제1 환원제 공급 장치의 영역에 조성되도록 하는 정도의 양의 환원제가 제1 환원제 공급 장치에 의해서 배기 계통 안으로 도입되는 것이 바람직하다. 이에 의하면, SCR 촉매 변환기 요소가 아직 그의 작동 온도에 도달하지 않은 경우에는, 배기가스 안에 포함된 많은 양의 질소산화물을 SCR 미립자 필터에 의해 저감시킬 수 있다. 또한, 이러한 양의 환원제는 배기 계통 내에 요소 수용액이 부착되지 못하게 하는 중화 작용을 한다. 이러한 화학양론적 환원제 도입에 대한 대안으로서, 화학양론적 환원제-질소산화물 비율을 위해 필요한 양보다 더 많은 양의 환원제가 제1 환원제 공급 장치의 영역에 존재하도록 하는 정도의 양의 환원제가 제1 환원제 공급 장치에 의해서 배기 계통 안으로 도입될 수 있기도 하다. 이에 의해, 특히 많은 양의 질소산화물이 SCR 미립자 필터에 의해 저감될 수 있다.
SCR 미립자 필터의 실제 온도가 상기 규정된 미립자 필터 온도 값을 초과하고 SCR 촉매 변환기 요소의 실제 온도가 상기 규정된 촉매 변환기 요소 온도 값을 초과한 경우에는, 화학양론적 환원제-질소산화물 비율을 위해 필요한 양보다 적은 양의 환원제가 제1 환원제 공급 장치의 영역에 존재하도록 하는 정도의 양의 환원제가 제1 환원제 공급 장치에 의해서 배기 계통 안으로 도입되는 것이 바람직하다. 이는 SCR 미립자 필터가 연속적으로 재생되는 것을 보장한다. 여기서, 바람직하게는, 화학양론적 환원제-질소산화물 비율을 위해 필요한 환원제 양의 50% 내지 80%가 제1 환원제 공급 장치의 영역에 존재하도록 하는 정도의 양의 환원제가 제1 환원제 공급 장치에 의해서 배기 계통 안으로 도입되는 것이 좋다. 이에 의해, 배기가스의 산화물에 포함된 질소산화물의 효과적인 감소와 함께 SCR 미립자 필터의 효과적인 연속 재생이 SCR 미립자 필터에 의해 동시에 달성된다.
또한, SCR 미립자 필터의 실제 온도가 상기 규정된 미립자 필터 온도 값을 초과하고 SCR 촉매 변환기 요소의 실제 온도가 상기 규정된 촉매 변환기 요소 온도 값을 초과한 경우에는, 대체로 화학양론적 환원제-질소산화물 비율이 제2 환원제 공급 장치의 영역에 지배적으로 존재하도록 하는 정도의 양의 환원제가 제2 환원제 공급 장치에 의해서 배기 계통 안으로 도입되는 것이 바람직하다. 이에 의해, 내연기관으로부터 나오는 배기가스 안에 포함된 많은 양의 질소산화물을 SCR 촉매 변환기 요소에 의해 저감시킬 수 있다. 또한, 이러한 양의 환원제는 배기 계통 내에 요소 수용액이 부착되지 못하게 하는 중화 작용을 한다. 그러나, 대안으로서, 화학양론적 환원제-질소산화물 비율을 위해 필요한 양보다 더 많은 양의 환원제가 제2 환원제 공급 장치의 영역에 존재하도록 하는 정도의 양의 환원제가 제2 환원제 공급 장치에 의해서 배기 계통 안으로 도입될 수 있기도 하다. 이에 의해, 특히 많은 양의 질소산화물을 SCR 촉매 변환기 요소에 의해 저감시킬 수 있다.
바람직한 발전된 예에 있어서, 내연기관으로부터 나오는 배기가스에 포함된 일산화질소를 산화시켜서 이산화질소를 형성시킬 수 있는 적어도 하나의 산화 촉매 변환기가 SCR 미립자 필터의 상류 측 배기 계통 내에 또는 배기 계통에 배치된다. 이러한 산화 촉매 변환기는 SCR 입자 필터의 연속 재생을 확실하게 보장하는 역할을 한다.
배기가스 온도에 따라 배기가스에 포함된 질소산화물을 저장하고 방출시킬 수 있는 적어도 하나의 질소산화물 저장 요소가 배기 계통 내에 또는 배기 계통에 배치되는 것은 더욱 더 바람직하다. 여기서, 질소산화물 저장 요소의 온도가, 규정된 온도 한계보다 낮은 때에는, 질소산화물 저장 요소는 배기가스에 포함된 질소산화물을 저장해두는 것이 바람직하다. 질소산화물 저장 요소가 상기 규정된 한계 온도를 초과하게 되면, 그 질소산화물 저장 요소는 저장되어 있는 질소산화물을 방출시킬 수 있다. 여기서, 온도 한계는 100℃ 내지 200℃의 범위에 있는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 180℃ 내지 200℃의 범위에 있는 것이다. 이러한 질소산화물 저장 요소는, SCR 미립자 필터 및/또는 적어도 하나의 SCR 촉매 변환기 요소가 아직 그들의 작동 온도에 도달하지 못한 경우에는 내연기관으로부터 나오는 배기가스에 포함된 질소산화물이 우선 저장되도록 하는 것을 보장한다. SCR 미립자 필터 및/또는 SCR 촉매 변환기 요소가 그들의 작동 온도에 도달했을 때는 상기 저장된 질소산화물이 다시 방출되어서 상기 SCR 미립자 필터 및/또는 SCR 촉매 변환기 요소에 의해 환원된다. 여기서, 상기 질소산화물 저장 요소는 저장 물질로서 질산바륨 및/또는 산화세륨을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 질소산화물 저장 요소는 예를 들면 SCR 미립자 필터 및/또는 산화 촉매 변환기의 상류 측의 배기 계통 내에 또는 배기 계통에 배치될 수 있다. 대안적으로 및/또는 추가적으로, 상기 질소산화물 저장 요소는 SCR 미립자 필터 및/또는 산화 촉매 변환기에 직접 제공될 수도 있다.
바람직하게는, SCR 미립자 필터 및/또는 SCR 촉매 변환기 요소가 구리 및/또는 바나듐 및/또는 적어도 하나의 제올라이트 물질을 SCR 유효 촉매 물질로서 포함한다. 이러한 촉매 물질은 배기가스에 포함된 질소산화물의 특히 효과적인 감소를 보장한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 내연기관, 특히 디젤 엔진과, 배기 계통을 구비하는 장치로서, 상기 배기 계통이, 내연기관의 배기가스에 포함된 미립자, 특히 탄소 미립자를 배기가스로부터 여과하여 저장하는 역할을 하는 적어도 하나의 SCR 미립자 필터를 포함하고, 상기 SCR 미립자 필터가 내연기관으로부터 나오는 배기가스에 포함된 질소산화물을, 환원제로서 암모니아를 사용하여, 환원시키는 역할을 하고, 환원제, 특히 요소 수용액 형태의 환원제를 배기가스의 유동 방향에서 보았을 때의 SCR 미립자 필터의 상류 측의 배기 계통 안으로 도입시키는 역할을 하는 제1 환원제 공급 장치가 제공되고, 상기 SCR 미립자 필터의 연속 재생이 산화제로서 이산화질소를 사용하여 가능해지고, 적어도 하나의 SCR 촉매 변환기 요소가 SCR 미립자 필터의 하류 측의 배기 계통 내에 또는 배기 계통에 배치되어, 내연기관으로부터 나오는 배기가스에 마찬가지로 포함된 질소산화물을, 환원제로서 암모니아를 사용하여, 환원시키는 역할을 하고, 환원제, 특히 요소 수용액 형태의 환원제를 SCR 미립자 필터의 하류 측 및 SCR 촉매 변환기 요소의 상류 측의 배기 계통 안으로 도입시키는 역할을 하는 제2 환원제 공급 장치가 제공되는, 장치가 추가로 청구된다. 본 발명에 따르면, 제1 환원제 공급 장치 및/또는 제2 환원제 공급 장치에 의해 배기 계통 안으로 도입되는 환원제의 양을 SCR 미립자 필터의 온도에 따라 조절 및/또는 제어하는 역할을 하는 제어 장치가 제공된다.
본 발명에 따른 장치에서 생기는 장점들은 이미 개시한 본 발명에 따른 방법의 장점들과 동일하므로, 그 장점들을 여기서 반복해서 설명하지 않는다.
또한, 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위한 및/또는 본 발명에 따른 장치를 포함하는, 차량, 특히 상용 차량이 청구된다. 이로부터 생기는 장점들은 마찬가지로 이미 개시한 본 발명에 따른 방법의 장점들과 동일해서, 위와 마찬가지로, 여기서 반복해서 설명하지 않는다. 그러나 상기 차량에 대한 대안으로서, 본 발명의 장치는 물론 움직이지 않게 하거나 고정시킬 수도 있다.
위에 설명되고 및/또는 종속 청구항들에 재현된 본 발명의 바람직한 실시예들 및/또는 발전시킨 예들은, 예를 들어 명확한 종속물 또는 모순된 대안의 경우를 제외하고는, 개별적으로 적용되거나 혹은 서로 조합되어서도 적용될 수 있다.
아래에서는, 다음의 도면을 참조해서, 본 발명과 본 발명의 바람직한 실시예들 및/또는 발전된 예들을 그들의 장점과 함께 단지 예시의 목적으로 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 장치를 구비한 트럭의 측면도.
도 2는 본 발명에 따른 장치의 구성을 설명하는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 방법을 설명하는 도해도.
도 4는 본 발명에 따른 방법의 순서를 설명하는 도해도.
도 1은 본 발명에 따른 장치(3)(도 2 참조)를 구비한 차량으로서, 여기서는 일례로 트럭으로 구현된 차량(1)을 도시하고 있다. 이하에서는 장치(3)의 구성을 도 2를 참조하여 더 상세히 설명한다.
도 2가 보여주고 있는 바와 같이, 장치(3)는 차량(1)의 구동 장치로서의 내연기관(5)과, 내연기관(5)에 연결되며, 내연기관(5)으로부터 나오는 배기가스(9)가 통과해서 유동하는 배기 계통(exhaust tract)(7)을 포함한다. 배기가스의 유동 방향에서 보았을 때, 배기 계통(7)은 여기에서는 산화 촉매 변환기(11), 제1 환원제 도입 영역(13), SCR 미립자 필터(15), 제2 환원제 도입 영역(17), 및 SCR 촉매 변환기 요소(19)를 포함한다.
내연기관(5)에서 출발한 배기가스(9)는, 먼저 배기가스(9)에 포함된 일산화질소를 부분적으로 산화시켜서 이산화질소를 형성하는 역할을 하는 산화 촉매 변환기(11)를 통해 흐른다. 이어서 배기가스(9)는 제1 환원제 도입 영역(13)을 지나 흐르는데, 상기 제1 환원제 도입 영역에서는 배기가스(9)에 포함된 질소산화물을 환원하기 위한 환원제 - 여기서는 예를 들어 요소 수용액 형태의 환원제임 - 가 배기 계통(7) 안으로 도입될 수 있다. 요소 수용액은, 여기서는, 장치(3)의 요소 탱크(21)에 저장되고, 제1 환원제 공급 장치(22)에 의해 배기 계통(7) 안으로 도입된다. 상기 환원제 공급 장치(22)는, 여기서는, 펌프(23)와, 일례로 직통 밸브(straight-way valve)(24)를 포함한다. 상기 직통 밸브(24)는, 여기서는, 제어 장치(25)에 연결되어 신호를 그 제어 장치로 보내며, 상기 제어 장치는 상기 직통 밸브(24)를 조절 및 제어하고 그에 따라 제2 환원제 도입 영역(17)에서 배기 계통(7) 안으로 도입되는 요소 수용액의 양을 조절 및 제어하는 역할을 한다.
이어서, 배기가스(9)는, 내연기관(5)으로부터 나오는 배기가스(9)에 포함된 미립자, 특히 탄소 미립자를 배기가스(9)로부터 여과시켜서 저장하는 역할을 하는 SCR 미립자 필터(15)를 통해 흐른다. SCR 미립자 필터(15)는, 여기서는, 산화 촉매 변환기(11)에 의해 형성되는 이산화질소에 의해 연속적으로 재생된다. SCR 미립자 필터(15)를 재생하기 위한 추가적인 수단으로서, SCR 미립자 필터(15)에 축적된 미립자들을 규정된 시간에 태울 수도 있다. 여기서, 상기 시간은 일례로 규정된 시간 간격으로 고정될 수 있거나, 혹은 SCR 미립자 필터(15)의 실제 저장 용량을 계산하여 결정될 수 있다. 미립자들은, 예를 들어, 증가된 양의 연료를 주입하거나, 미립자 필터를 가열하거나, 또는 배기가스를 역류시킴으로써 소각될 수 있다. 또한, SCR 미립자 필터(15)는, 내연기관(5)으로부터 나오는 배기가스(9)에 포함된 질소산화물을, 환원제로서 암모니아를 사용하여, 환원시키는 역할을 하는 SCR 촉매 물질도 포함한다. 상기 암모니아는 요소 수용액의 형태로 환원제 공급 장치(22)에 의해 배기 계통 안으로 도입된다. 바람직하게는, SCR 미립자 필터(15)가 구리 및/또는 바나듐 및/또는 적어도 제올라이트를 SCR 유효 촉매 물질로서 포함한다.
내연기관(5)으로부터 나온 배기가스(9)는 SCR 미립자 필터(15)로부터 제2 환원제 도입 영역(17)을 지나 흐르는데, 상기 제2 환원제 도입 영역에서는 요소 탱크(21)에 저장된 요소 수용액이 마찬가지로 배기 계통(7)에 도입될 수 있다. 상기 요소 수용액은, 여기서는, 제2 환원제 공급 장치(26)에 의해 배기 계통(7) 안으로 도입된다. 상기 환원제 공급 장치(26)는, 여기서는, 마찬가지로 일례로 펌프(27)와, 직통 밸브(28)를 포함한다. 상기 직통 밸브(28)는, 여기서는, 마찬가지로 제어 장치(25)에 연결되어 신호를 그 제어 장치로 보내며, 상기 제어 장치는 상기 직통 밸브(28)를 조절 및 제어하고 그에 따라 제2 환원제 도입 영역(17)에서 배기 계통(7) 안으로 도입되는 요소 수용액의 양을 조절 및 제어하는 역할을 한다.
끝으로, 내연기관(5)으로부터 나오는 배기가스(9)는, 그 내연기관으로부터 나오는 배기가스(9)에 마찬가지로 포함된 질소산화물을, 환원제로서 암모니아를 사용하여, 환원시키는 역할을 하는 SCR 촉매 변환기 요소(19)를 통해서 흐른다. 이를 위해 필요한 암모니아는 환원제 공급 장치(22) 및/또는 환원제 공급 장치(26)에 의해 배기 계통(7) 안으로 도입된다. 바람직하게는, SCR 촉매 변환기 요소(19)도 마찬가지로 구리 및/또는 바나듐 및/또는 적어도 하나의 제올라이트를 SCR 유효 촉매 물질로서 포함한다.
도 3은 SCR 미립자 필터(15)의 부하(loading)를 환원제 공급 장치(22)에 의해 배기 계통(7) 안으로 도입된 요소 수용액의 양의 함수로서 나타내는 도해도(29)를 도시하고 있다. 시간 t0에서부터 시간 t1까지, 화학양론적 환원제-질소산화물 비율을 위해 필요한 양보다 더 많은 양의 환원제가 제1 환원제 도입 영역(13)에 존재하도록 하는 정도의 양의 요소 수용액이 제1 환원제 공급 장치(22)에 의해서 배기 계통(7) 안으로 도입된다. 시간 t1에서부터 시간 t3까지, 상기 환원제 공급 장치(22)는, 화학양론적 환원제-질소산화물 비율을 위해 필요한 양보다 더 적은 양의 환원제가 제1 환원제 도입 영역(13)에 존재하도록 하는 정도의 양의 요소 수용액을, 배기 계통(7) 안으로 도입시킨다. 시간 t1과 시간 t2 사이에서, 상기 환원제 공급 장치(22)는, 여기서는, 화학양론적 환원제-질소산화물 비율을 위해 필요한 환원제 양의 80%가 제1 환원제 도입 영역(13)에 존재하도록 하는 정도의 양의 요소 수용액을, 배기 계통(7) 안으로 도입시킨다. 시간 t2와 시간 t3 사이에서, 상기 환원제 공급 장치(22)는, 화학양론적 환원제-질소산화물 비율을 위해 필요한 환원제 양의 50%가 제1 환원제 도입 영역(13)에 존재하도록 하는 정도의 양의 요소 수용액을, 배기 계통(7) 안으로 도입시킨다.
상기 도해도(29)에서 알 수 있는 바와 같이, 환원제 공급 장치(22)가 화학양론적 양을 초과하는 요소 수용액을 배기 계통(7)에 도입시킬 때는 SCR 미립자 필터(15)의 미립자 부하(particle loading)가 증가한다. 그 이유는 도입된 암모니아의 이산화질소와의 경쟁적 반응으로 인해 SCR 미립자 필터(15)의 연속 재생이 감소되기 때문이다. 화학양론적 양 미만의 양의 요소 수용액이 배기 계통(7)에 도입되면, SCR 미립자 필터(15)의 입자 부하는 다시 감소한다. 따라서, SCR 미립자 필터(15)의 연속 재생은 배기 계통(7)에 과량의 암모니아를 도입시킴으로써 교란된다는 것을 도해도(29)는 명확하게 보여주고 있다.
또한, 환원제 공급 장치(22, 26)에 의해 배기 계통(7)에 도입되는 환원제의 양은, 여기서는, 제어 장치(25)에 의해서 SCR 미립자 필터(15)의 온도와 SCR 촉매 변환기 요소(19)의 온도에 따라 조절 및 제어된다. 이하에서는 이러한 조절 및 제어에 대해서 도 4를 참조하여 더 상세히 설명한다.
초기 상태에서, 여기서는 일례로 내연기관(5)을 끈다. 이 때, 배기 계통(7) 안으로 요소 수용액이 도입되지 않는다. 내연기관(5)을 시동한 후에, 단계 31에서, SCR 미립자 필터의 온도(TSCR-PF)가 제1 방출 온도(TFreigabe,1)보다 크거나 같은지 여부를 검사한다. 상기 방출 온도(TFreigabe,1)는, 여기서는, 예를 들어 SCR 미립자 필터(15)의 SCR 반응 온도, 즉 배기가스(9)에 포함된 질소산화물이 SCR 미립자 필터(15)에 의해 환원될 수 있거나, 또는 SCR 미립자 필터(15)가 질소산화물을 환원시키기 위한 그의 작동 온도에 도달할 수 있게 되는 온도인, SCR 반응 온도보다 낮다.
SCR 미립자 필터(15)의 온도(TSCR-PF)가 방출 온도(TFreigabe,1)보다 높거나 같으면, 제1 환원제 공급 장치(22)는 규정된 제1 질량 유량(m1)의 요소 수용액을 배기 계통(7) 안으로 도입시킨다. 상기 규정된 제1 질량 유량(m1)은, 여기서는, 대체로 화학양론적 환원제-질소산화물 비율이 제1 환원제 공급 장치(22)의 영역에 조성되도록 설계된다. 이 때, 제2 환원제 공급 장치(26)는 여전히 요소 수용액을 배기 계통(7)으로 전혀 도입시키지 않는다.
그 다음, 단계 33에서는, SCR 촉매 변환기 요소(19)의 온도(TSCR-Kat.)가 제2 방출 온도(TFreigabe,2)보다 크거나 같은지 여부를 검사한다. 상기 방출 온도(TFreigabe,2)는, 여기서는, 마찬가지로 예를 들어 SCR 촉매 변환기 요소(19)의 SCR 반응 온도, 즉 배기가스(9)에 포함된 질소산화물이 SCR 촉매 변환기 요소(19)에 의해 환원될 수 있거나, 또는 SCR 미립자 필터(15)가 질소산화물을 환원시키기 위한 그의 작동 온도에 도달할 수 있게 되는 온도인, SCR 반응 온도보다 낮다.
SCR 촉매 변환기 요소(19)의 온도(TSCR-Kat.)가 방출 온도(TFreigabe,2)보다 높거나 같으면, 제1 환원제 공급 장치(22)는 규정된 제2 질량 유량(m2)의 요소 수용액을 배기 계통(7) 안으로 도입시킨다. 상기 규정된 제2 질량 유량(m2)은, 여기서는, 화학양론적 환원제-질소산화물 비율을 위해 필요한 양보다 적은 양의 환원제가 제1 환원제 공급 장치(22)의 영역에 존재하도록 설계된다. 그 다음, 제2 환원제 공급 장치(26)는 규정된 제3 질량 유량(m3)의 요소 수용액을 배기 계통(7)으로 도입시킨다. 상기 규정된 제3 질량 유량(m3)은, 여기서는, 대체로 화학양론적 환원제-질소산화물 비율이 제2 환원제 공급 장치(26)의 영역에 조성되도록 설계된다.
환원제 공급 장치(22, 26)의 이러한 조절과 제어는 내연기관(5)으로부터 나오는 배기가스(9)를 특히 효율적으로 정화하는 역할을 한다.
1: 차량
3: 장치
5: 내연기관
7: 배기 계통
9: 배기가스
11: 산화 촉매 변환기
13: 환원제 도입 영역
15: SCR 입자 필터
17: 환원제 도입 영역
19: SCR 촉매 변환기 요소
21: 요소 탱크
22: 환원제 공급 장치
23: 펌프
24: 직통 밸브
25: 제어 장치
26: 환원제 공급 장치
27: 펌프
28: 직통 밸브
29: 도해도
31: 단계
33: 단계
m1: 제1 질량 유량
m2: 제2 질량 유량
m3: 제3 질량 유량
t: 시간
t0: 시작 시간
t1: 제1 시간
t2: 제2 시간
t3: 제3 시간
TFreigabe,1: 제1 방출 온도
TFreigabe,2: 제2 방출 온도
TSCR-PF: SCR 입자 필터의 온도
TSCR-Kat.: SCR 촉매 변환기 요소의 온도

Claims (15)

  1. 내연기관용 배기가스 후처리 시스템의 작동 방법으로서,
    배기 계통(exhaust tract)(7)에 적어도 하나의 SCR 미립자 필터(15)가 제공되고, 상기 SCR 미립자 필터(15)가 내연기관(5)으로부터 나오는 배기가스(9)에 포함된 미립자를 배기가스(9)로부터 여과해서 저장하는 역할을 하고, 상기 SCR 미립자 필터(15)가 내연기관(5)으로부터 나오는 배기가스(9)에 포함된 질소산화물을, 환원제로서 암모니아를 사용하여, 환원시키는 역할을 하고, 환원제를 배기가스의 유동 방향에서 보았을 때의 SCR 미립자 필터(15)의 상류 측의 배기 계통(7) 안으로 도입시키는 역할을 하는 제1 환원제 공급 장치(22)가 제공되고, 상기 SCR 미립자 필터(15)의 연속 재생이 산화제로서 이산화질소를 사용하여 가능해지고, 적어도 하나의 SCR 촉매 변환기 요소(19)가 SCR 미립자 필터(15)의 하류에 배치되어, 내연기관(5)으로부터 나오는 배기가스(9)에 마찬가지로 포함된 질소산화물을, 환원제로서 암모니아를 사용하여, 환원시키는 역할을 하고, 환원제를 SCR 미립자 필터(15)의 하류 측 및 SCR 촉매 변환기 요소(19)의 상류 측의 배기 계통(7) 안으로 도입시키는 역할을 하는 제2 환원제 공급 장치(26)가 제공되는, 배기가스 후처리 시스템의 작동 방법에 있어서,
    제1 환원제 공급 장치(22) 및 제2 환원제 공급 장치(26) 중 하나 이상에 의해 배기 계통(7) 안으로 도입되는 환원제의 양을 SCR 미립자 필터(15)의 온도(TSCR-PF)에 따라 조절 또는 제어하는 역할을 하는 제어 장치(25)가 제공되고,
    SCR 미립자 필터(15)의 실제 온도(TSCR-PF)가 규정된 미립자 필터 온도 값(TFreigabe,1)보다 낮은 경우에는, 환원제가 제1 환원제 공급 장치(22)에 의해 배기 계통(7)에 도입되지 않고, SCR 미립자 필터(15)의 실제 온도(TSCR-PF)가 규정된 미립자 필터 온도 값(TFreigabe,1)을 초과한 경우에는, 규정된 양(m1, m2)의 환원제가 제1 환원제 공급 장치(22)에 의해 배기 계통(7) 안으로 도입되며,
    상기 규정된 미립자 필터 온도 값(TFreigabe,1)은, 배기가스(9)에 포함된 질소산화물이 SCR 미립자 필터(15)에 의해 환원될 수 있는 온도인, SCR 미립자 필터(15)의 SCR 반응 온도 보다 낮은 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템의 작동 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 SCR 미립자 필터(15)의 SCR 반응 온도는 220℃ 내지 250℃의 온도 범위에 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템의 작동 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어 장치(25)는 제1 환원제 공급 장치(22) 및 제2 환원제 공급 장치(26) 중 하나 이상에 의해 배기 계통(7) 안으로 도입되는 환원제의 양을 SCR 촉매 변환기 요소(19)의 온도(TSCR-Kat.)에 따라서도 추가로 조절 또는 제어하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템의 작동 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    SCR 촉매 변환기 요소(19)의 실제 온도(TSCR-Kat.)가 규정된 촉매 변환기 요소 온도 값(TFreigabe,2)보다 낮은 경우에는, 환원제가 제2 환원제 공급 장치(26)에 의해 배기 계통(7)에 도입되지 않고, SCR 촉매 변환기 요소(19)의 실제 온도(TSCR - Kat .)가 규정된 촉매 변환기 요소 온도 값(TFreigabe,2)을 초과한 경우에는, 규정된 양(m3)의 환원제가 제2 환원제 공급 장치(26)에 의해 배기 계통(7) 안으로 도입되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템의 작동 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 규정된 촉매 변환기 요소 온도 값(TFreigabe,2)은, 배기가스(9)에 포함된 질소산화물이 SCR 촉매 변환기 요소(19)에 의해 환원될 수 있는 온도인, SCR 촉매 변환기 요소(19)의 SCR 반응 온도 보다 낮고, 상기 SCR 촉매 변환기 요소(19)의 SCR 반응 온도는 220℃ 내지 250℃의 온도 범위에 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템의 작동 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 규정된 미립자 필터 온도 값(TFreigabe,1) 및 상기 규정된 촉매 변환기 요소 온도 값(TFreigabe,2) 중 하나 이상이 150℃ 내지 190℃의 온도 범위에 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템의 작동 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    SCR 미립자 필터(15)의 실제 온도(TSCR-PF)가 상기 규정된 미립자 필터 온도 값(TFreigabe,1)을 초과하고, SCR 촉매 변환기 요소(19)의 실제 온도(TSCR-Kat.)가 상기 규정된 촉매 변환기 요소 온도 값(TFreigabe,2)보다 낮은 경우, 화학양론적 환원제-질소산화물 비율이 제1 환원제 공급 장치(22)의 영역에 조성되도록 하는 양(m1)의 환원제가 제1 환원제 공급 장치(22)에 의해서 배기 계통(7) 안으로 도입되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템의 작동 방법.
  9. 제5항에 있어서,
    SCR 미립자 필터(15)의 실제 온도(TSCR-PF)가 상기 규정된 미립자 필터 온도 값(TFreigabe,1)을 초과하고, SCR 촉매 변환기 요소(19)의 실제 온도가 상기 규정된 촉매 변환기 요소 온도 값(TFreigabe,2)을 초과한 경우, 화학양론적 환원제-질소산화물 비율을 위해 필요한 양보다 적은 양의 환원제가 제1 환원제 공급 장치(22)의 영역에 존재하도록 하는 양(m2)의 환원제가 제1 환원제 공급 장치(22)에 의해서 배기 계통(7) 안으로 도입되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템의 작동 방법.
  10. 제5항에 있어서,
    SCR 미립자 필터(15)의 실제 온도(TSCR-PF)가 상기 규정된 미립자 필터 온도 값(TFreigabe,1)을 초과하고, SCR 촉매 변환기 요소(19)의 실제 온도(TSCR-Kat.)가 상기 규정된 촉매 변환기 요소 온도 값(TFreigabe,2)을 초과한 경우, 화학양론적 환원제-질소산화물 비율이 제2 환원제 공급 장치(26)의 영역에 조성되도록 하는 양(m3)의 환원제가 제2 환원제 공급 장치(26)에 의해서 배기 계통(7) 안으로 도입되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템의 작동 방법.
  11. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    내연기관(5)으로부터 나오는 배기가스(9)에 포함된 일산화질소를 산화시켜서 이산화질소를 형성할 수 있는 적어도 하나의 산화 촉매 변환기(11)가 SCR 미립자 필터(15)의 상류 측에 배치되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템의 작동 방법.
  12. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    배기가스 온도에 따라 배기가스(9)에 포함된 질소산화물을 저장하고 방출시킬 수 있는 적어도 하나의 질소산화물 저장 요소가 배치되고, 상기 질소산화물 저장 요소는 질산바륨 및 산화세륨 중 하나 이상을 저장 물질로서 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템의 작동 방법.
  13. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    SCR 미립자 필터(15), SCR 촉매 변환기 요소(19), 또는 SCR 미립자 필터(15) 및 SCR 촉매 변환기 요소(19)가 구리, 바나듐, 및 적어도 하나의 제올라이트 물질 중 1종 이상을 SCR 촉매 물질로서 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템의 작동 방법.
  14. 내연기관(5)과, 배기 계통(7)을 구비하는 장치로서,
    상기 배기 계통(7)이, 내연기관(5)으로부터 나오는 배기가스(9)에 포함된 미립자를 배기가스(9)로부터 여과하여 저장하는 역할을 하는 적어도 하나의 SCR 미립자 필터(15)를 포함하고, 상기 SCR 미립자 필터(15)가 내연기관(5)으로부터 나오는 배기가스(9)에 포함된 질소산화물을, 환원제로서 암모니아를 사용하여, 환원시키는 역할을 하고, 환원제를 배기가스의 유동 방향에서 보았을 때의 SCR 미립자 필터(15)의 상류 측의 배기 계통(7) 안으로 도입시키는 역할을 하는 제1 환원제 공급 장치(22)가 제공되고, 상기 SCR 미립자 필터(15)의 연속 재생이 산화제로서 이산화질소를 사용하여 가능해지고, 적어도 하나의 SCR 촉매 변환기 요소(19)가 SCR 미립자 필터(15)의 하류에 배치되어, 내연기관(5)으로부터 나오는 배기가스(9)에 마찬가지로 포함된 질소산화물을, 환원제로서 암모니아를 사용하여, 환원시키는 역할을 하고, 환원제를 SCR 미립자 필터(15)의 하류 측 및 SCR 촉매 변환기 요소(19)의 상류 측의 배기 계통(7) 안으로 도입시키는 역할을 하는 제2 환원제 공급 장치(26)가 제공되는, 장치에 있어서,
    제1 환원제 공급 장치(22) 및 제2 환원제 공급 장치(26) 중 하나 이상에 의해 배기 계통(7) 안으로 도입되는 환원제의 양을 SCR 미립자 필터(15)의 온도(TSCR-PF)에 따라 조절 또는 제어하는 역할을 하는 제어 장치(25)가 제공되고,
    SCR 미립자 필터(15)의 실제 온도(TSCR-PF)가 규정된 미립자 필터 온도 값(TFreigabe,1)보다 낮은 경우에는, 환원제가 제1 환원제 공급 장치(22)에 의해 배기 계통(7)에 도입되지 않고, SCR 미립자 필터(15)의 실제 온도(TSCR-PF)가 규정된 미립자 필터 온도 값(TFreigabe,1)을 초과한 경우에는, 규정된 양(m1, m2)의 환원제가 제1 환원제 공급 장치(22)에 의해 배기 계통(7) 안으로 도입되며,
    상기 규정된 미립자 필터 온도 값(TFreigabe,1)은, 배기가스(9)에 포함된 질소산화물이 SCR 미립자 필터(15)에 의해 환원될 수 있는 온도인, SCR 미립자 필터(15)의 SCR 반응 온도 보다 낮은 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제1항에 따른 방법을 실행하거나, 또는 제14항에 따른 장치를 포함하는 차량.
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