KR20070032827A - 디젤엔진 배기가스 후처리 장치 재생 시스템 - Google Patents

Abstract

디젤엔진 배기가스 후처리장치 재생 시스템은 배기가스 후처리 장치로 배기 가스을 운반하는 배기 도관을 포함한다. 시스템은 배기 도관에 부착된 하측부를 갖는 어댑터 하우징의 챔버 내에 완전히 수용된 흡입부를 구비한 저압의 하부 공급 연료 분사기를 더 포함한다. 상기 하우징에는 저압의 연료가 순환되어 챔버 내의 연료 분사 흡입부를 냉각시키는 연료 흐름 개구부가 공급된다. 배기 도관에 분사된 연료는 바람직하게는 배기 도관 내의 기화 부재로 향하고, 배기 가스로부터 열을 흡수하여 증착된 연료를 기화시킨다. 기화 부재와 후처리 장치 사이에 있는 상기 배기 도관 내에서 내부로 연장된 복수의 혼합 배플은 장치의 재생을 보조하기 위하여 연료 기화를 개선하기 위한 혼합 경로를 연장한다.

Description

디젤엔진 배기가스 후처리 장치 재생 시스템{DIESEL EXHAUST AFTERTREATMENT DEVICE REGENERATION SYSTEM}

본 발명은 배기가스 후처리 장치가 동작하는 동안 재생하는 것에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이와 같은 재생을 시작하기 위한 배기가스 연료 분사 시스템에 관한 것이다.

촉매형 매연 여과 장치(CDPF: Catalyzed Diesel Particulate Filter)와 같은 디젤 엔진 후처리 장치와 NOx 흡착 촉매(NAC: NOx adsorber catalysts)가 디젤 엔진의 배출 가스를 제어하는 것으로 당업계에 알려져 있다. 디젤 엔진이 동작하는 동안 연소의 부산물로 질소 산화물 및 탄소 미립자가 생성된다. 이러한 물질은 그 후에 NAC 또는 CDPA에 의해 수집된다. 질소 산화물 및 탄소 미립자가 이와 같은 후처리 장치 내에서 축적됨에 따라, 후처리 장치는 재생되어야만 한다. 이것은 질소산화물을 감소시키고 탄소 미립자를 산화시키는 것에 의해서 달성된다.

NAC 장치는 일반적으로 NAC에 저장된 질소 산화물을 감소시킬 수 있는 감소제를 제공하기 위하여 엔진 동작의 매 분당 수 초 동안 디젤 엔진을 넉넉하게 운전 하는 것에 의하여 재생된다. 그러나, 엔진이 넉넉하게 운전됨에 따라 연료가 낭비될 수 있고, 추가의 연료가 완전히 산화되거나 감소제가 NAC를 재생하는데 사용되기 전에 과도한 연기를 생성할 수 있다.

CDPF 장치는 200 마일의 차량 운전 거리와 같은 긴 간격으로 재생이 필요하다. CDPF의 재생은 통상적으로 CDPF에서 연소하는 동안 배기가스와 함께 수행되는 연료 증기를 형성하기 위하여 배기 사이클 동안 엔진 실린더에 연료를 분사함으로써 달성된다. 그러나, 타이밍과 엔진 동작 상태에 따라 연료 증기가 CDPF에 도달하기 전에 나중에 분사된 연료가 완전히 산화하거나 연기를 생성할 수 있다.

CDPF를 재생하는 제안된 방법은 저압의 디젤 연료를 엔진의 배기가스 하류에 직접 주입하는 후 분사 방법이다. 그러나, 배기가스의 온도에 따라 분사된 연료는 완전히 기화되지 않을 수 있으며, 배기 시스템에서 탄소 축적부(buildup)를 형성할 수 있다.

본 발명은 개선된 디젤 엔진 배기가스 후처리 장치 재생 시스템을 제공하여, 연료 분사기 온도를 감소시키고 후처리 재생 이벤트가 발생하는 동안 후 분사된 연료의 기화를 개선한다.

상기 시스템은 엔진의 배기 가스를 수용하기 위한 내부 통로가 형성된 배기 파이프 또는 도관과, 디젤 산화 촉매(DOC)와, 촉매형 매연 여과 장치(CDPF)와 같은 후처리 장치를 포함한다. 배기 도관은 후처리 장치의 상류측에 내부 연료 기화 부재를 가지며, 기화 부재와 후처리 장치의 사이에 혼합 경로를 연장하고 연료의 기화를 개선하기 위한 복수의 내부 버플(buffle)을 포함한다. 바람직하게는, 기화 부재는 수평으로 확장되고 배기 도관 내에서 연결 지지부에 의해 지지되는 플레이트이다. 원한다면, 상기 플레이트는 그 표면에 기화되지 않은 연료를 임시로 보유하는 위로 향한 주변 림(upturned peripheral rim)을 가질 수 있다.

상기 도관 상의 어댑터 하우징은 상기 도관의 내부 통로로 개방된 챔버를 형성하고, 상기 챔버를 통해 연료를 운반한다. 상기 어댑터의 하측부는 상기 배기 도관에 부착된다. 상기 챔버 내부에 밀봉된 연료 흡입부와 상기 내부 통로를 향하는 분사 노즐을 가지는 하부 공급 연료 분사기는 엔진 작동 동안 시간 간격을 가지고 상기 내부 통로로 디젤 연료를 분사한다. 어댑터 하우징에 의해 형성된 연료 흐름 개구부 쌍은 상기 연료 분사기 흡입부 주위로 상기 연료가 순환하도록 가압된 연료가 상기 챔버로 들어가게 한다. 순환된 연료는 배기 가스로부터 전달된 열을 흡수하기 위하여 상기 연료 분사기와 하우징을 위한 냉각을 제공한다.

연료 펌프는 가압된 연료를 하우징과 분사기의 흡입부로 공급하기 위하여 자동차 연료 탱크와 같은 연료 공급부에서 연료를 가져온다.

당업계에 공지된 바와 같이, 엔진 제어 모듈(ECM: engine cotrol module)은 상기 연료 분사기를 통한 연료 배송을 후처리 재생을 개시하는데 필요한 바에 따라 제어한다.

엔진 작동 동안, 배기 가스 후처리 시스템을 통해 흐르는 배기 가스는 먼저 기화 부재를 가열하고 그 다음 DOC를 통해 CDPF로 통과하여, 정화된 배기가스는 통과하는 반면 탄소 미립자는 남겨진다. 탄소 미립자가 CDPF에서 축적되는 소정의 시간 또는 작동 시간 간격 후에, ECM은 연료 분사기를 활성화하여 분무된 연료가 기화 부재로 분사되게 한다. 분사기로부터 분사된 분무된 연료가 가열된 기화 부재와 접촉할 때, 연료는 기화되고 배기가스와 혼합된다. 배기 가스가 기화된 연료를 배기 도관을 통해 후처리 장치로 수송할 때, 배플은 혼합 경로를 연장하고 연료 기화를 개선한다.

기화된 연료는 먼저 기화된 연료의 산화를 개시하는 DOC를 접촉한다. 산화된 연료에 의해 생성된 열은 배기가스 후처리 장치를 통해 이동하고 CDPF에 수집된 탄소를 산화시켜, 이에 의하여 CDPF를 재생한다. 소정의 시간 구간 후에, 제어부는 재생 이벤트를 종료하기 위하여 연료 분사기를 비활성화시킨다.

본 발명에 대한 이러한 특성 또는 다른 특성과 장점은 첨부된 도면과 소정의 특정 실시예들에 대한 다음의 실시예로부터 더욱 완전하게 이해될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 배기가스 후처리 시스템의 개략도이다.

도 2는 해당 연료 공급 시스템과 함께 장착된 기화 부재 및 연료 분사기를 도시한 도 1의 일부분의 개략도이다.

먼저, 도 1을 상세히 참조하면, 도면부호(10)는 일반적으로 내연 디젤 엔진 에 대한 배기 시스템에서 배출 제어 장치를 재생하기 위한 디젤엔진 배기 제어 장치 재생 시스템을 나타낸다. 시스템(10)은 내부 통로(13)를 형성하고 촉매형 매연 여과 장치(18)(CDPF)의 전단에 장착된 디젤 산화 촉매(DOC)(16)와 같은 배기가스 후처리 장치(14)로 배기가스를 수송하는 배기 도관(12)을 포함한다. 배기 도관(12)은 후처리 장치(14)의 상류측에 배치된 내부 연료 기화 부재(20)와, 상기 기화 부재와 후처리 장치의 사이에 있는 복수의 내부 버플(22)을 포함한다.

바람직하게는, 기화 부재(20)는 연결 지지부(26)에 의해 배기 도관(12) 내에서 지지되는 수평으로 연장된 플레이트(24)이다. 원한다면, 상기 플레이트(24)는 플레이트의 표면에 기화되지 않은 연료를 임시로 보존하는 위로 향한 주변 림(28)을 가질 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 저압 하부 공급 연료 분사기(low pressure bottom feed fuel injector)(30)의 노즐(29)은 배기 도관(12)으로의 디젤 연료 분사가 기화 부재(20)를 향하도록 배치된다. 연료 분사기(30)의 흡입부(31)는 도관(12)에 부착된 하측부(36)를 갖는 어댑터 하우징(34)의 챔버(32)에 장착된다. 챔버(32)는 도관의 개구부(37)를 통하여 내부 경로(13) 방향으로 개방된다. 하우징에는 연료가 챔버로 또는 챔버를 통해 흐르도록 하는 연료 흐름 개구부(38, 39)가 제공된다.

분사기(30)와 하우징(34) 사이의 상부 및 하부 밀봉부(40, 41)는 챔버(32)로부터 연료가 누출되는 것을 방지한다. 챔버(32)에 장착되는 연료 분사기(30)는 가압된 디젤 연료를 챔버(32)로부터 공급받아 엔진이 운전되는 동안 시간 간격을 가지면서 도관(12)의 내부 통로(13)에서 기화 부재(20)로 디젤 연료를 분사한다.

바람직하게는, 가압된 연료는 차량 연료 탱크(44)로부터 공급된다. 저압 연료 펌프(46)는 연료 탱크(44)로부터 디젤 연료를 펌핑하고, 하우징(32)을 통과하여 다시 연료탱크로 돌아가는 루프에서 저압 연료를 순환시킨다. 저압 연료는 연료 분사기와 하우징을 냉각시키기 위해 하우징(32)을 통과하여 연료 분사기(30) 주위를 계속적으로 순환한다. 연료 탱크로 되돌아온 연료의 온도를 낮추기 위하여 선택적인 열교환기(48)가 하우징(32)과 연료 탱크(44) 사이에 설치될 수 있다.

당업계에 알려진 바와 같이, 엔진 제어 모듈(ECM: engine coltrol module)은 후처리 재생을 개시하는데 필요한 연료 분사기(30)를 통한 연료 수송을 제어한다.

엔진이 운전하는 동안, 검댕 입자의 형상으로 탄소를 포함하는 배기 가스가 연소 중에 생성된다. 그 후에, 배기 가스는 엔진에서 배기 도관(12)으로 방출된다. 배기 가스가 배기 도관(12)을 통해 흐를 때, 배기 가스로부터의 열은 기화 부재(20)와 배플(22)의 온도를 높인다. 또한, 배기 가스는 탄소 미립자가 촉매형 매연 여과 장치(18)에 의해 수집되는 후처리 장치(14)에 전달된다. 시간이 지나면, 매연 여과 장치(18)의 탄소 축적부에 의해 후방 압력이 증가하여 엔진의 운전 효율이 악화된다.

기설정된 시간 간격에서 또는 압력 신호가 공급될 때, 엔진 제어 모듈(50)은 기화 부재(20)에 연료를 분사하도록 연료 분사기(30)를 작동시킨다. 연료가 가열된 기화 부재(20)에 접촉하게 되면, 기화 부재(20)와 둘러싸는 배기 가스로부터의 열은 연료를 기화시키고 배기 도관(12)을 통해 흐르는 배기 가스와 혼합되게 한다.

주변 림(28)이 기화 부재(20)의 플레이트(24) 주위에 있게 되면, 림은 연료 의 기화를 위한 추가 시간을 허용하기 위하여 플레이트의 표면에 있는 기화되지 않은 연료를 보유하는데 도움을 준다.

그 다음, 기화된 연료와 기화되지 않은 작은 방울은 배기 도관(12)을 통해 후처리 장치(14)쪽으로 운반된다. 기화되지 않은 연료가 배기 도관(12)을 통해 운반될 때, 혼합 배플(22)은 난류(turbulence)를 생성하고, 이것은 연료 증기와 배기 가스의 혼합을 도와준다. 또한, 혼합 배플(22)은 연료가 기화되는데 더 많은 시간을 주기 위하여 기화 부재(20)와 후처리 장치(14) 사이의 경로를 연장시킨다.

기화된 연료와 배기 가스가 디젤 산화 촉매(16)와 접촉하게 되면, 촉매는 기화된 연료의 산화를 개시하고, 후처리 장치(14) 내에서 열을 생성한다. 산화된 연료에 의해 생성된 열은 촉매형 매연 여과 장치(18)에서 탄소 축적부를 산화(연소)시켜, 미립자 필터를 재생한다. 기설정된 시간 주기 후에, 엔진 제어 모듈(50)은 재생 이벤트를 종료하기 위하여 연료 분사기(30)를 비활성화시킨다.

재생 시스템(10)이 NOx 흡착 장치(NAC)와 같은 다른 배기가스 장치의 재생에 수정되어 적용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 이러한 경우에, 연료 분사기는 엔진 작동 동안 NAC에 의해 수집되는 질소산화물을 감소시키기 위하여 엔진과 NAC 사이에 기화된 연료를 제공하도록 기화 부재 및 혼합 배플과 관련하여 사용될 수 있다.

본 발명이 소정의 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 다양한 변경이 설명된 발명적 개념의 사상 및 범위 내에서 이루어질 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 따라서, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않고 다음의 청구범위의 해석 에 의하여 허용된 모든 범위를 갖도록 의도된다.

Claims (11)

1. 엔진의 배기 가스를 하류의 후처리 장치로 수송하기 위하여 연결된 내부 통로를 형성하는 배기 도관;

   상기 통로로 개방된 챔버를 형성하고, 상기 배기 도관에 부착되고 상기 챔버를 통해 연료를 운반하는 하측부를 갖는 상기 도관 상에 형성된 어댑터 하우징; 및

   상기 챔버 내부에서 밀봉된 연료 흡입부와 상기 내부 통로 안으로 조준된 분사 노즐을 가지며, 상기 하우징을 통해 연료 흐름을 재순환함으로써 냉각되도록 배치되고, 엔진 작동 동안 시간 간격을 두고 상기 내부 통로 안으로 디젤 연료를 분사하는 하부 공급 연료 분사기;

   를 포함하고,

   상기 내부 통로로 분사된 연료는 고온의 배기가스에 의해 기화되고 상기 장치의 재생을 보조하도록 상기 후처리 장치로 수송되는 디젤 엔진 후처리 장치 재생 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 내부 통로로 분사된 연료를 가로막기 위하여 상기 배기 도관 내에 배치된 기화 부재를 더 포함하며,

   상기 기화 부재는 상기 기화 부재에 증착된 연료를 기화하기 위하여 상기 배 기 가스로부터 열을 흡수하는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진 후처리 장치 재생 시스템.
3. 제2항이 있어서,

   상기 기화 부재와 상기 후처리 장치 사이의 상기 배기 도관 내에서 내부로 연장되어, 연료의 기화를 개선하기 위하여 상기 내부 통로를 연장하는 복수의 혼합 배플(baffle)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진 후처리 장치 재생 시스템.
4. 엔진의 배기 가스를 수용하고 하류의 배기 가스 후처리 장치로 상기 배기 가스를 수송하도록 연결된 배기 도관;

   상기 배기 도관 내에 장착되고 증착된 연료를 기화시키기 위하여 상기 배기 가스로부터 열을 흡수하는 기화 부재; 및

   엔진 작동 동안 상기 배기 도관 내의 기화 부재에 디젤 연료를 단속적으로 분사하는 연료 분사기;

   를 포함하고,

   상기 기화 부재로 분사된 연료는 상기 장치의 재생을 위하여 배기열에 의해 기화되고 상기 배기 가스 후처리 장치로 수송되는 디젤 엔진 후처리 장치 재생 시 스템.
5. 제4항에 있어서,

   상기 기화 부재와 상기 후처리 장치 사이의 상기 배기 도관 내에서 내부로 연장되어, 연료의 기화를 개선하기 위하여 혼합 경로를 연장하는 복수의 혼합 배플을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진 후처리 장치 재생 시스템.
6. 제4항에 있어서,

   상기 기화 부재는 상기 배기 도관 내에 길이방향으로 연장되고 연결 지지부에 의해 상기 배기 가스 도관 내에서 지지된 플레이트인 것을 특징으로 하는 디젤 엔진 후처리 장치 재생 시스템.
7. 제6항에 있어서,

   상기 플레이트는 실질적으로 수평이며, 액체 연료를 임시로 보존하기 위하여 위로 향한 주변 림을 구비한 것을 특징으로 하는 디젤 엔진 후처리 장치 재생 시스템.
8. 제4항에 있어서,

   상기 연료 분사기에 의한 연료 분사를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진 후처리 장치 재생 시스템.
9. 제4항에 있어서,

   상기 연료 분사기는 전자적으로 제어되는 하부 공급 분사기인 것을 특징으로 하는 디젤 엔진 후처리 장치 재생 시스템.
10. 제9항에 있어서,

    상기 연료 분사기는 하우징 내에 밀봉되어 수용된 연료 흡입부를 구비하며, 상기 하우징은 상기 배기 도관에 부착된 하측부와 상기 분사기를 냉각시키기 위하여 상기 분사기의 연료 흡입부 주위로 상기 연료가 순환하도록 가압된 연료를 들어오게 하는 연료 흐름 개구부를 갖는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진 후처리 장치 재생 시스템.
11. 엔진의 배기 가스를 수용하고 하류의 배기 가스 후처리 장치로 상기 배기 가 스를 수송하도록 연결된 배기 도관;

    엔진 작동 동안 상기 배기 도관으로 디젤 연료를 단속적으로 분사하는 연료 분사기; 및

    상기 연료 분사기와 상기 후처리 장치 사이의 상기 배기 도관 내에서 내부로 연장되어, 연료의 기화를 개선하기 위하여 상기 연료 분사기와 상기 후처리 장치 사이의 혼합 경로를 연장하는 복수의 혼합 배플;

    을 포함하고,

    상기 배기 도관으로 분사된 연료는 상기 후처리 장치의 재생을 보조하도록 상기 배기 가스 후처리 장치로 수송될 때 상기 배기가스의 열에 의해 기화되고 상기 배플에 의하여 상기 배기 가스와 혼합되는 디젤 엔진 후처리 장치 재생 시스템.

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