KR20080088406A - 배기가스 정화 시스템과 장치, 및 배기가스 내의 ＮＯｘ를환원하는 방법 - Google Patents

배기가스 정화 시스템과 장치, 및 배기가스 내의 ＮＯｘ를환원하는 방법 Download PDF

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Abstract

특히 NOx 환원에 의한 배기 가스 정화 방법 및 장치가 제공된다. 장치는 화학량론적으로 희박 작동에 적합한 내연기관 엔진을 포함한다. 유체식으로 연결되어 내연기관으로부터 배출되는 배기가스를 처리하기 적합한 후처리 시스템이 있다. 후처리 시스템은 탄화수소 선택적 촉매 환원 장치를 포함한다. 연료와 점화 개선제를 탄화수소 선택적 촉매 환원 장치의 상류 지점의 배기가스 내로 분사하기 적합한 분사 장치가 있다. 제어 모듈은 분사 지점에서 배기 가스의 온도가 약 280℃ 이상인 경우 배기 가스 내에 혼합된 연료와 세탄 향상제를 분사하는 분사 장치를 제어하기 적합하다.
Figure P1020080024536
내연기관, 배기 후처리 시스템, 배기 가스, 환원

Description

배기가스 정화 시스템과 장치, 및 배기가스 내의 ＮＯｘ를 환원하는 방법{Method and apparatus for exhaust gas purifying using hydrocarbon-selective catalytic reduction}
본 발명은 일반적으로 내연기관과 배기 후처리에 관한 것이다.
이 부분에서의 서술은 단순히 본 명세서에 관련된 배경기술을 제공하고, 종래기술을 구성하지 않을 수 있다.
내연기관의 제조업자들은 수요자들의 요구와 다양한 규제를 충족시키기 위해 계속적으로 새로운 엔진 제어 방법을 개발하고 있다. 한가지 엔진 제어 방법으로는 연료 효율을 향상시키고 온실가스 배출을 감소시키기 위해 화학량론적으로 희박한 공연비에서 엔진을 작동하는 것이다. 이러한 엔진은 압축-점화엔진과 희박연소 불꽃-점화엔진 양자 모두를 포함한다. 화학량론적으로 희박한 영역에서 엔진이 작동하는 경우, 연소온도는 일반적으로 증가하고, 연소온도의 증가는 증가된 NOx 배출을 초래한다. 한가지 제안된 NOx 배출을 관리하고 감소시키기 위한 배기 후처리 시스템과 제어방법은 다른 가스들 사이에서 HC-SCR 장치를 거쳐 질소와 산소로 NOx 배기 가스의 환원을 일으키기 위해 탄화수소 선택적 촉매 환원(HC-SCR) 촉매 장치의 상류에 있는 배기가스 공급류 내에 환원제를 분사하는 것을 포함한다.
현재, NOx의 선택적 촉매 환원용 환원제 분사를 위한 제안된 시스템은 이와 같은 작동을 달성하기 위해 부가적인 하드웨어와 제어 방법을 요구한다. 이런 시스템의 한가지 예는 배기류 내에 엔진 연료의 분사를 포함한다. 이러한 방법의 유효성은 분사 지점에서 배기가스 온도가 400℃ 이하인 경우 상당히 감소하고, 배기가스 공급류에서 환원제의 적당한 체류 시간을 요구한다. 다른 예에서는 환원 촉매의 배기 공급류 상류 내에 암모니아의 분사를 포함한다. 암모니아의 저장, 수송, 취급과 관계된 하부구조와 관련된 문제가 있다. 더욱이, 미반응 암모니아는 SCR을 거쳐 통과될 수 있고, 대기에 배출될 수 있다. 다른 예에서는 선택적 촉매 환원용 환원제로서 요소(urea)의 사용을 포함한다. 이러한 시스템은 자동차 내에 장착된 요소의 계속적인 공급이 필요하고, 요소를 장착한 자동차는 요소를 분배하기 위하여 하부구조가 필요하다. 더욱이, 요소 용액의 어는 점이 -12℃이고, 이것은 추운 날씨에서 요소 용액의 사용에 대한 문제를 나타낸다. 다른 예에서 NOx 저장 촉매의 사용을 포함한다. 이러한 촉매는 효과적일 수 있으나, 이러한 촉매는 전형적으로 큰 촉매 부피와 초저유황연료와 결합하는 풍부한 양의 비싼 플레티늄계 금속(예를 들어, Pt,Pd,Rh)과 촉매를 재생하기 위한 엔진의 주기적인 강제 작동을 필요로 하고, 따라서 자동차의 효율적인 연료 소비를 감소시킨다.
탄화수소 선택적 촉매 환원(HC-SCR)은 예를 들어 디젤 배기와 같은 희박 배 기에서 질소 산화물의 배출을 감소시키기 위한 기술이다. HC-SCR 보완의 중요한 도전 중의 하나는 전형적으로 매일 작동하는 동안 경험된 속도와 적재량에서 디젤 엔진에서 발견된 배기 온도의 범위를 넘는 온도에서 NOx배출의 충분한 감소를 허용하는 시스템을 발달시키는 것이다. 더욱이, 탄화수소 환원제가 자동차에 존재하는 것이 바람직하다. 환원제의 한가지 공급원은 배기 그 자체이나, 엔진 배기에 존재하는 전형적인 탄화수소는 일반적으로 디젤 연료에서보다 반응성이 낮다. 디젤 연료의 사용과 환원제로서 선택된 디젤 연료 성분인 탄화수소는 몇몇 조사자들에 의해 조사되어 왔다. 만약 적당한 활성 탄화수소종이 사용되면 HC-SCR 촉매의 NOx환원 효율은 상당히 향상될 수 있다는 결과를 나타낸다. 가장 효율적인 활성종은 아세트 알데히드와 포름알데히드와 같은 과산화 탄화수소로 여겨진다. 이러한 과산화종은 디젤 연료에 존재하는 타입의 긴 직쇄형 알칸 탄화수소(long, straight-chain alkane hydrocarbon)의 낮은 온도 산화에 의해 생산된다. 또한, 긴 직쇄형 알칸 탄화수소는 이러한 동일한 알칸의 낮은 온도 산화에 의해 생산되고, 몇몇 연구에서 긴 직쇄형 알칸 탄화수소보다 더욱 효과적인 환원제임이 발견되었다.
예를 들어 200℃-500℃에서의 매일 운전에 의해 경험된 속도와 적재량에서 디젤 엔진에서 전형적으로 알려진 배기 온도의 범위를 넘는 온도에서 NOx 배출의 적당한 감소를 초래하는 시스템이 바람직하다. 다수의 탄화수소는 알콜과 알데히드 뿐만 아니라 긴 직쇄형 알칸 탄화수소, 알켄 탄화수소, 그리고 디젤 연료를 포함한 실버-알루미나(Ag/Al2O3)와 바륨-이트리아(barium-yttria, BaY) 제올라이트 촉매제 보다 NOx환원에 효율적인 것으로 보여진다.
메탄, 에탄, 프로필렌, 프로판과 같은 디젤과 가솔린 엔진 배기에 존재하는 탄화수소는 적당한 NOx변환을 위해 높은 온도를 필요로 하고, 일반적으로 HC-SCR용으로 적당하지 않다. 디젤 연료에서 존재하는 n-옥탄과 n-데칸과 같은 긴 직쇄형 알칸 탄화수소는 더 가벼운 탄화수소와 비교하여 적당한 NOx변환을 위해 다소 낮은 온도를 필요로 한다. 다수의 연구에서의 이러한 결과는 디젤 연료와 긴 직쇄형 알칸 탄화수소를 NOx환원제로 사용하게 하였다. 그러나 이러한 연구는 긴 직쇄형 탄화수소 뿐만 아니라 디젤 연료가 단지 대략 300℃(573K)의 촉매 온도 이상에서와 낮은 촉매 공간속도에서 적당하다는 것을 나타내고 있다. 계속적인 연구는 알콜과 알데히드가 200 내지 250℃(473K 내지 523K)와 같이 낮은 촉매 온도에서 NOx를 환원시킬 수 있다는 것을 나타내고 있다. 긴 직쇄형 알칸 탄화수소는 250 내지 300℃(523K 내지 573K)와 같이 낮은 온도에서 효율적이라는 것이 발견되었다. 그러나, 이러한 종은 엔진 배기류에 쉽게 사용할 수 없다. 전체적으로 바람직한 배기 온도 범위보다 높은 온도에서 NOx의 효율적인 선택적 환원을 이끌어 내는 자동차에 적재되는 이러한 종을 생산하기 위한 방법이 바람직하다.
디젤 연료를 사용하여 NOx변환을 위한 최고(peak) 온도는 낮은 촉매 온도를 유지하는 동안 400℃(673K)로 예열된 촉매의 상류 영역에 디젤 연료를 분사함으로써 감소될 수 있다는 것이 알려져 있다. 이 방법에 의한 최고(peak) NOx변환 효율은 촉매 온도 300℃(573K) 주위온도에서 얻어진다. 디젤 연료는 스스로 디젤 연료보다 HC-SCR용으로 더욱 효과적인 종을 형성하기 위해 부분적으로 400℃(673K)에서 산화된다고 여겨진다. 그러나 배기의 보충적인 가열이 자동차의 실제적인 엔진 배기 시스템용으로 적당하지 않을 수 있다는 점이 이 방법의 결점이다. 점화 개선제가 디젤 연료에 부가될 때, 점화 개선제는 디젤 연료 산화가 발생되기 시작하는 곳에서 온도를 낮춤에 의해 자동점화 온도를 낮추다는 것을 보여준다. 배기 HC-SCR에서 사용하기 위한 부분적인 산화 생성물을 준비하기 위해 이러한 낮은 산화 온도를 이용하는 방법은 유용할 수 있다.
특정한 희박 작동 엔진 구성은 탄화수소와 미립자 물질에 관계된 배기가스 방출을 유지하기 위해 그리고 연료 유황을 수용하기 위해 엔진의 하류에 인접하여 산화 촉매 장치를 채용할 수 있다. 산화 촉매는 쉽게 알데히드를 산화시킨다. 실린더 내에서 연소되는 엔진에서 생산되는 어떤 알데히드는 산화 촉매에서 산화되고, HC-SCR 장치에서 NOx환원을 위해 이용될 수 없다.
따라서, 화학량론적으로 희박하게 작동하는 엔진용 후처리 시스템에서 배기가스 NOx의 탄화수소 선택적 환원을 이용하기 위한 방법 및 시스템이 필요하고, 이러한 후처리 시스템은 HC-SCR 장치의 상류에 산화 장치 또는 다른 촉매 장치를 포함한다. 한편 역점을 두고 다루는 논점은 이와 관련된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기한 바와 같은 요구에 중점을 두고 다루어지는 NOx환원을 위한 방법 및 장치는 배기 가스 정화 시스템을 포함하여 제공된다. 본 시스템은 내연 기관 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 다루기에 적합한 탄화수소 선택적 촉매 환원 장치를 포함한다. 탄화수소 선택적 촉매 환원 촉매의 상류 지점에 있는 배기 가스 내에 연료와 점화 개선제의 혼합물을 분사하기 위해 적합한 분사 장치가 있다. 제어 모듈은 분사 지점의 배기 가스의 온도가 대략 280℃ 이상인 경우 배기 가스 내에 다량의 혼합된 연료와 점화 개선제를 분사하기 위한 분사 장치를 제어하기 적합하다.
본 발명의 기술적 사상은 실시예에 따른 아래의 상세한 설명에 의해 당해 기술분야에서 숙력된 자에게 명백하게 될 것이다.
도면을 참조하면, 도면에서 도시된 사항은 단지 발명을 나타내기 위한 목적으로 사용되고 발명을 제한하기 위한 목적으로 사용되는 것이 아니다. 본 발명의 일실시예에 따른 도 1은 개략적으로 도시된 내연기관(10), 배기 후처리 시스템, 및 제어 시스템을 포함한다.
예시적인 엔진(10)은 직접 분사, 압축 점화, 4행정 운전을 채용한 내연기관을 포함하고, 각각의 엔진 연소 사이클은 흡기-압축-팽창-배기의 180도의 4단계로 나누어지는 720도의 크랭크 축(24)의 회전 각도를 포함하며, 720도의 크랭크 축(24)의 회전 각도는 각각의 엔진 실린더(20)에서 피스톤(22)의 왕복 운동을 기술하고, 피스톤(22)의 왕복 운동은 엔진 헤드와 연소 챔버의 다양한 부피를 형성한다. 엔진은 바람직하게 근본적으로 화학량론적으로 희박한 작동 조건을 가진다. 당업자는 본 발명이 근본적으로 화학량론적으로 희박하게 작동하는 다른 엔진 구성, 예를 들어 균질예혼합압축착화(homogeneous-charge compression-ignition) 엔진, 희박연소 스파크 점화(lean-burn spark-ignition) 엔진, 및 2행정 엔진 구성에 적용될 수 있음을 이해할 수 있다. 왕복 이동하는 피스톤은 크랭크 축(24)에 결합되고, 크랭크 축(24)은 자동차 트랜스미션과 동력전달장치에 견인 토크를 전달하기 위해 동력전달장치에 결합된다. 압축 점화 엔진의 작동 진행 중에 연소는 연료가 연소 챔버(34) 내에 분사될 때인 각각의 엔진 사이클 중인 압축 스트로크(storke) 동안 일어나고 분사된 연료의 점화로 이어진다. 실린더에서 연료와 공기 혼합물의 불완전한 연소에 의해 연소 가스가 발생되고, 엔진의 배기 밸브의 개방시 연소 챔버의 외부로 배출되는 경우 배기 가스가 된다. 배기 가스는 바람직하게 후처리 시스템에 의해 비활성 가스로 변환되는 규제된 구성 요소로 이루어지고, 그 중에서도 특히 일반적으로 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 그리고 미립자 물질(PM)을 포함한다. 엔진은 엔진의 작동을 모니터하는 센싱 장치와 엔진 작동을 제어하는 엑츄에이터를 포함한다. 센싱 장치와 엑츄에이터는 신호적으로, 작동적으로 제어 모듈(5)에 연결된다.
센싱 장치는 물리적인 특성을 모니터하고 엔진과 주위 변수에 관계된 신호를 발생시키기 위해 엔진에 또는 엔진 가까이에 설치된다. 센싱 장치는 바람직하게 크랭크 축 속도(RPM)를 모니터하기 위한 크랭크 센서(44), 매니폴드 압력(MAP)과 주위 압력(BARO)을 모니터하기 위한 매니폴드 압력 센서, 흡입 질량공기유동(MAF)과 흡입 공기 온도(TIN)를 모니터하기 위한 질량공기유동 센서, 및 하나 이상의 배기가스 변수, 예를 들어 온도, 공연비, 구성물(EXH)의 상태를 모니터하기 위한 배기가스 센서(13)를 포함한다. 배기가스 센서는 배기 후처리 시스템의 하류를 자세히 나타낸다. 당업자는 제어와 진단의 목적으로 배기 후처리 시스템의 전방, 중간, 후방에서 배기 가스를 모니터하기 위한 하나 이상의 센싱 장치와 센싱 방법이 있을 수 있음을 이해한다. 조작자의 입력은 조작자의 토크 요구(To_REQ)의 형태로 전형적으로 다른 장치들 중에서도 특히 스로틀 페달과 브레이크 페달을 통해 얻어진다. 바람직하게 엔진에는 작동을 모니터하고 시스템 제어를 목적으로 다른 센서들(미도시)이 설치된다. 센싱 장치 각각은 제어 모듈에 의해 각각 모니터된 변수를 나타내는 정보로 변환되는 신호 정보를 제공하기 위하여 신호적으로 제어 모듈(5)에 연결된다. 이러한 구성은 설명적인 것이고, 제한적이 아니며, 기능적으로 동일한 장치 및 알고리즘 내에서 대체될 수 있는 다양한 센싱 장치를 포함하며, 여전히 본 발명의 범위 내에 있음을 알 수 있다.
엑츄에이터는 엔진과 후처리 시스템에 설치되고, 조작자의 입력에 반응하여 다양한 성능 목적을 달성하기 위해 제어 모듈(5)에 의해 제어된다. 엑츄에이터는 명령된 입력(ETC)으로 스로틀 개방을 제어하는 전기적으로 제어되는 스로틀 장치, 명령된 입력(INJ_PW)에 반응하여 연소 챔버의 각각에 연료를 직접 분사하기 적합한 연료 분사기(12)를 포함하고, 조작자 토크 요구(To_REQ)에 반응하여 제어되는 스로틀 장치와 연료분사기 모두를 포함한다. 다른 엔진 시스템 구성 요소(미도시)는 예를 들어 다양한 기하학적 터빈 장치와 공기 압축기, 다단 압축기, 배기가스 재순환 밸브(EGR)와 냉각기, 그리고 흡입/배출 밸브 제어 및 유지 시스템, 그 중에서도 특히 흡입 공기 압축 장치를 포함할 수 있다.
이 실시예에서, 시스템은 기계화되고 연료와 점화 개선제의 혼합물을 HC-SCR 장치(15)의 배기가스관 상류 내에 분사하기 접합한 제2 분사장치(14)를 포함하고, 제어 모듈로부터의 신호(INJ_PW_POST) 출력에 의해 제어되고, 분사 시기와 분사량을 제어하기 적합하다. 연료탱크(18)와 점화 개선제를 담고 있는 탱크 또는 다른 저장 장치(19)가 있다. 연료와 점화 개선제는 혼합되고, 혼합물은 제2 분사장치(14)를 사용하여 분사된다. 제2 분사장치(14)는 바람직하게 혼합된 연료와 세탄을 배기 시스템 내로 분사하기 적합한 솔레노이드구동 연료 분사기를 포함한다. 시스템은 분사기(14)에서 점화 개선제의 유동을 계측하기 위한 유동 제어 밸브(21)를 포함하기 위해 기계화된다. 유동 제어 밸브(1)의 작동은 제어 모듈에 의해 제어된다. 제어 모듈은 작동조건, 혼합된 연료와 점화 개선제의 분사 위치에서 가장 현저한 온도와 엔진 작동 조건에 의존하는 연료와 점화 개선제의 소정의 혼합을 달성하기 위해 유동 제어 밸브(21)의 작동을 제어하기 위한 제어 신호(CE_FLOW)를 발생시킨다. 도 2를 참조하여 설명하면, 배기 가스 온도가 분사 위치에서 대략 430℃ 이상인 경우, 연료는 스스로 HC-SCR 촉매 장치(15)의 상류에 있는 배기가스 공급류 에서 산화된 탄화수소 환원제, 예를 들어 아세트알데히드의 충분한 양을 발생시키기 위해 산화될 수 있다. 따라서, 상기한 작동온도 또는 그 이상의 온도에서 혼합된 연료와 점화 개선제에 대한 요구가 제한될 수 있고, 따라서 유동 제어 밸브(21)는 바람직하게 점화 개선제의 유동을 제거하기 위해 차단된다.
HC-SCR 장치(15)의 배기가스 공급류 상류에서 연료와 점화 개선제의 혼합물의 질량유량은 엔진 작동조건과 HC-SCR 장치(15)의 공간 속도에 기초하여 결정된다. 엔진 작동 조건은 특별하게 엔진으로부터 배출되는 NOx 배출 질량을 결정하기 위해 사용될 수 있는 것들을 포함한다. NOx 배출의 질량유량은 엔진 속도, 질량 공기 유동률, 재순환 배기가스 유동, 그리고, 연료 유동률을 포함하는, 즉 당업자가 이것으로부터 엔진 공연비와 NOx 배출 질량 유량율을 예측하거나 측정할 수 있는 다양한 엔진 변수의 작동 상태를 모니터함으로써 결정될 수 있다. 또한, 배기에서 NOx의 직접적인 측정은 적절한 NOx 센서에 의해 달성될 수 있다. 배기 시스템 내에서 연료와 점화 개선제 혼합물의 질량 유동률은 제어 시기와 탄화수소의 활성종의 충분한 양을 생산하기 위해 부분적으로 연료를 산화시키기 위한 분사 펄스 폭(injector pulsewidth, INJ_PW_POST)의 듀티 사이클(duty cycle)에 의해 제어된다. 이러한 활성종은 현존하는 촉매로 비산화 디젤 연료에 의해 가능한 것보다 더 낮은 촉매 온도에서 NOx분자를 질소와 다른 비활성 가스로 환원시키기 위한 탄화수소 선택적 촉매 환원(HC-SCR) 촉매를 가로질러 흐른다.
배기 후처리 시스템은 배기 가스의 구성요소를 비활성 가스로 변환하기 위한 통합된 시스템을 포함한다. 배기 후처리 시스템은 바람직하게 엔진의 배기 가스 구성요소를 처리하기 위한 다양한 능력을 가진 기술들, 예를 들어 선택적 촉매 환원, 산화, 미립자 필터링을 채용한 다수개의 장치로 구성된다. 장치들은 바람직하게 유체식으로 공지된 파이프과 연결구를 사용한 결합체에 연결된다. 배기 매니폴드는 배기가스 유동을 끌고 가서 배기 후처리 시스템으로 향하게 한다. 설명된 후처리 시스템은 산화 촉매 장치(DOC,16)와 탄화수소 선택적 촉매 환원(HC-SCR) 장치(15)를 포함한다.
비록 본 발명이 제한되지 않지만, 설명된 산화 촉매 장치(16)는 금속으로 만들어지는 세라믹 벌집구조 기질에 스며드는 알루미나 워시코트(alumina washcoat)로 지지되는 플라티나계 금속 촉매를 포함하고, 유동 입구와 유동 출구를 가지는 장치일 수 있다.
탄화수소 선택적 촉매 환원(HC-SCR) 장치(15)는 산화 촉매(16)로부터 배기 가스 흐름을 수령하고 산화 촉매를 통해 배기 가스가 흐르도록 하기 위해 유체식으로 산화 촉매(16)와 연결된다. 예시적인 HC-SCR 촉매는 알루미나 촉매, 실버-알루미나(Ag/Al2O3) 촉매, 바륨 및 나트륨-이트리아 제올라이트 촉매(barium- and sodium-yttria zeolite catalyst)를 포함한다. 선택된 HC-SCR 촉매는 적합한 워시코트 내에서 혼합되고, 예를 들어 벌집형 원자배열인 유동-관통 특성(flow-through characteristics)을 가진 세라믹 또는 금속 기질에 스며든다. 침투 기질은 HC-SCR 장치를 형성하기 위해 입구와 출구를 가진 스테인레스 강 금속결합체로 만들어진다. HC-SCR 장치는 특정 엔진과 자동차에 적용되기 적합한 크기, 부피, 공간 속도와 유동 제한을 포함하는 물리적인 특성을 가진다. 배기 후처리 시스템(15)의 다른 장치들은 자동차 발달에 맞추어 결정되고 HC-SCR 장치의 하류에 위치하는 예를 들어 디젤 미립자 필터 장치(DPF)를 포함할 수 있다.
제어 모듈(5)는 바람직하게 여기에서 설명된 전동기구 시스템을 포함한 다양한 자동차 시스템의 조화된 제어를 제공하기 적합한 복수개의 제어 모듈를 포함하는 분배된 제어 시스템의 요소이다. 제어 모듈은 센싱 장치로부터의 입력을 모니터할 수 있고, 적절한 정보를 종합할 수 있고, 연료 경제성, 배기가스 배출, 성능, 주행성능, 하드웨어의 보호와 같은 변수를 포함하는 제어 목표를 달성하기 위해 다양한 엑추에이터를 제어하기 위한 알고리즘을 수행할 수 있다. 제어 모듈은 자동차 조작자가 일반적으로 다수개의 다른 장치를 제어하거나 자동차 그리고 전동기구의 작동을 조작함을 통해 직접 또는 제어 시스템을 통하여 다수개의 다른 장치에 작동적으로 연결된다. 자동차 조작자가 제어하고 전동기구의 작동을 지시하는 예시적인 장치는 스로틀과 브레이크 페달, 트랜스미션 기어, 그리고 자동차 속도 순항 제어를 포함한다.
제어 모듈(5)은 데이터 버스(data bus)를 통해 휘발성 그리고 비휘발성 메모리 장치에 신호적으로 전기적으로 연결된 중앙 처리 유닛을 포함한다. 제어 모듈은 바람직하게 일반적 목적의 디지털 컴퓨터이고, 일반적으로 마이크로프로세서 또는 중앙 처리 유닛, 임의 추출 기억 장치(RAM)를 포함하는 저장 매체, 판독 전용 기억 장치(ROM)와 전기적으로 프로그램할 수 있는 판독 전용 기억 장치(EPROM)를 포함하는 비휘발성 메모리 장치, 고속 클럭(high speed clock), 아나로그/디지털(A/D) 및 디지털/아나로그(D/A) 회로소자, 그리고 입력/출력 회로소자 및 장치(I/O), 그리고 적당한 신호 조건화 및 완충 회로소자를 포함한다. 내재하는 프로그램 명령 및 측정장치를 구비하는 제어 알고리즘은 비휘발성 메모리 장치에 저장되고, 각각의 기능을 제공하기 위해 수행된다. 알고리즘은 일반적으로 기설정된 루프 사이클 동안 수행되고 각각의 알고리즘은 적어도 한번 각각의 루프 사이클에서 수행된다. 알고리즘은 센싱 장치로부터의 입력을 모니터하기 위해 중앙 처리 유닛 중 하나에 의해 수행되고, 각각의 장치의 작동을 제어하기 위해 제어 및 진단 루틴을 수행한다. 루프 사이클은 일반적으로 작동중인 엔진과 자동차의 운전 동안 규칙적인 간격, 예를 들어 각 3.125, 6.25, 12.5, 25, 및 100 msec(milliseconds)에서 수행된다. 선택적으로, 알고리즘은 사건의 발생에 반응하여 수행될 수 있다.
본 발명은 HC-SCR 장치의 상류에 있는 엔진(10)의 배기가스 공급류와 상기에서 언급된 산화 촉매 장치와 같은 어떤 개입된 촉매 장치 이후에서 바람직하게 산화된 탄화수소 및 직쇄형 알칸 탄화수소 환원제를 포함하는 활성종을 생산하기 위해 제어 모듈에서 하나 이상의 알고리즘으로 수행되는 방법을 포함한다. 방법은 점화 개선제와 혼합된 연료에 기초한 탄화수소를 연료가 분사되는 위치에서 배기 가스 온도가 분사 개시시에 약 280℃ 내지 약 430℃의 온도 범위에 있는 배기가스 공급류 내에 분사하는 단계를 포함한다. 배기 가스 온도는 온도 모니터링 장치(미도시)를 사용하여 직접적으로 측정될 수 있고, 또는 엔진의 발달 동안 발생된 기설정 된 측정장치에 근거하여 추론될 수 있고, 제어 모듈의 비휘발성 메모리에 저장될 수 있다.
도 2를 참조하면, 분사 지점에서 온도에 근거한 아세트 알데히드의 생산량을 나타내는 결과는 디젤 연료(n-헵탄 모델)를 나타내고, 부가되어 점화 개선제, 예를 들어 세탄 향상제(cetane-enhancer) 소량을 함유한 디젤 연료를 나타낸다. 이러한 결과는 HC-SCR 장치를 거쳐 NOx환원제로 사용할 수 있는 아세트알데히드는 첨가제의 부가 없는 디젤 연료와 비교하여 디터트부틸페록사이드(di-t-butylperoxide, 2% DTBP)와 옥틸하이드로페록사이드(octylhydroperoxide, 2% C8H17OOH)의 세탄 향상제의 부가에 의해 낮은 온도에서 형성된다는 것을 나타낸다. 초기의 충분한 낮은 온도 산화를 요구하는 온도는 디젤 연료와 소량의 점화 개선제의 혼합에 의해 상당하게 감소된다. 점화 개선제, 예를 들어 다량의 연료의 세탄가를 향상시키는 기질은 디터트부틸페록사이드, 메틸하이드로페록사이드(methylhydroperoxide), 헵틸하이드로페록사이드(heptylhydroperoxide), 옥틸하이드로페록사이드, 2-에틸헥실나이트레이트(2-ethylhexylnitrate)와 다른 페록사이드, 하이드로페록사이드, 알킬나이트레이트(alkyl nitrate), 또는 아세틸렌(acetylene)과 같은 물질을 포함한다. 따라서, 산화된 탄화수소종은 배기 내에 연료와 점화 개선제 혼합물의 분사에 의해 엔진 배기에서 생산될 수 있다. 이러한 혼합물의 분사는 활성종을 생산하는 낮은 온도 산화 반응을 초래한다. 98% n-헵탄과 2% 디터트부틸페록사이드 또는 이소옥틸 하이드로페록사이드(isooctyl hydroperoxide)의 혼합은 부가된 페록사이드 또는 하이드로 페록사이드 없이 요구되는 온도보다 아세트 알데히드와 다른 과산화물의 상당한 양이 생산되는 곳에서의 온도를 약 40-50℃까지 감소시킬 수 있다. 이것은 점화 개선제 없이 연료의 분사를 통해 얻어지는 환원과 비교하여 HC-SCR에서 높은 NOx변환을 달성하기 위해 요구되는 배기 온도에서 상당한 환원를 허용한다. 하이드로페록사이드와 페록사이드는 자동차에 적재된 가솔린 또는 디젤 연료로부터 자동산화에 의해 생산될 수 있다. 이러한 방법은 적재된 생산물과 이러한 불안정한 요소의 사용 사이에서 시간의 최소양을 허용한다. 선택적으로 만약 원한다면 엔진 연료와 혼합되는 요구된 성분의 작은 저장소는 공장 또는 서비스지점에서 채워질 수 있다. HC-SCR을 위해 배기 내에 분사되는 연료의 1.8g/mile의 사용 수준과 가솔린에 대해 110g/mole의 평균 분자량을 가정하면, 이소-옥틸하이드로페록사이드의 2% 모랄 농도는 하이드로페록사이드 약 4.8kg에 대응하는 100,000 마일의 작동 동안 하이드로페록사이드의 32.7mole을 필요로 한다. 세번째 선택은 첨가제의 요구되는 양을 이미 함유한 엔진 연료를 사용하는 것이다.
배기에서 생산된 활성종은 200에서 250℃와 같이 낮은 촉매 온도에서 HC-SCR 장치에서 질소 분자로의 질소산화물의 변환을 위한 환원제로서 작용한다. 이러한 촉매 온도에서 HC-SCR 촉매의 상류에 있는 배기 내에 분사될 때 디젤 연료 그 자체는 HC-SCR에서 환원제로서 덜 효과적이다. 본 발명은 배기 온도의 넓은 범위에서 효과적인 선택적 NOx환원이 일어나는 것을 용이하게 하고, 넓은 범위의 속도와 적재량 조건에서도 용이하게 한다. 이러한 작동의 이익은 낮은 배기가스 온도에서 HC- SCR을 거쳐 향상된 성능(더 높은 NOx변환)을 포함한다. 그리고, 부피, 질량, 및 배기 후처리 장치의 비용이 감소될 잠재성을 포함한다.
작동중에, 제어 모듈은 분사장치가 다량의 연료와 점화 개선제의 혼합물을 탄화수소 선택적 촉매 환원 촉매의 상류에 있는 배기 가스 내에 분사하는 것을 제어한다. 바람직하게 아래에 설계에 따라 분사지점에서의 배기 가스의 온도가 약 280℃이상인 경우, 제2 분사 장치(14)와 유동 제어 밸브(21)는 배기가스 내에 다량의 혼합된 연료와 점화 개선제를 분사하도록 작동된다. 온도가 약 280℃인 경우, 분사되는 혼합물은 점화 개선제의 유동이 없는 상태의 연료로 구성된다. 점화 개선제의 유동을 제어하기 위해 온도를 상승시킴에 따라, 유동 제어 밸브는 작동되고, 온도가 약 280℃ 내지 400℃인 경우 혼합물은 약 2% 점화 개선제와 나머지 양을 포함하는 연료의 혼합물로 구성된다. 280℃ 내지 350℃의 온도범위에서 점화 개선제와 디젤 연료의 작은 반응이 배기류에 있다. 그러나, 점화 개선제는 SCR 촉매 상에서 탄화수소 활성을 이끄는 탄화 수소 산화의 비율을 디젤 연료가 단독으로 있는 경우의 비율과 비교하여 다소 증가시킬 수 있다. 따라서, HC-SCR 촉매 상에서 변환 효율의 증가를 제공한다. 온도를 더 증가시키면, 유동 제어 밸브(21)의 작동은 배기 가스의 온도가 약 430℃보다 높아질 때까지 바람직하게 선형적으로 제어되고, 분사된 혼합물은 실질적으로 점화 개선제의 유동이 없는 연료로 구성된다. 배기 가스 내에 분사된 혼합된 연료와 점화 개선제의 양은 엔진 작동 조건과 탄화수소 선택 촉매 환원 장치를 통한 효과적인 NOx환원을 달성하기 위한 탄화수소 선택적 촉매 환원 장치의 공간 속도에 근거하여 결정된다.
분사 개시시에 약 350℃ 내지 430℃까지의 온도 범위에서 연료와 점화개선제의 혼합물의 분사는 연료의 부분적인 산화 반응을 일으키고, 따라서 활성 또는 산화된 종을 발생시킨다. 이러한 범위는 점화 개선제의 적당한 선택과 디젤 연료에서 혼합된 점화 개선제의 농도에 의해 더 낮은 온도에까지 확장될 수 있다. 활성종을 포함한 연료의 부분적인 산화 생성물은 HC-SCR 장치에서 NOx배출을 감소시키기 위해 HC-SCR 장치를 거친 배기 가스와 반응하는 환원제로서 넓은 온도 범위에서 작용한다. 350℃ 내지 430℃까지의 온도범위에서 연료 분사는 산화물과, 배기 가스 공급류에 엔진으로부터 배출되는 NOx종의 탄화수소 선택적 촉매 산화(HC-SCR)용 다른 특별한 활성종을 생산한다. 활성종은, 이에 제한되지 않고, 에탄올, 포름알데히드, 아세트알데히드, 그리고 1-부텐 및 1-옥텐과 같은 직쇄형 올레핀을 포함한다. 소정의 연료는 가솔린 또는 디젤 연료에 제한되지 않고 어떤 사용하기 편리한 탄화수소 연료일 수 있다.
본 발명은 소정의 실시예를 참조하여 설명되었고 본 발명에 대한 변경에 대하여 설명되었다. 명세서를 읽고 이해하는 당업자는 변경과 교체를 할 수 있을 것이고, 본 명세서는 발명의 범위 내에서 이루어질 수 있는 모든 변경과 교체를 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 전동기구를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 데이터그래프이다.

Claims (18)

  1. 내연기관으로부터 흐르는 배기가스를 처리하는 탄화수소 선택적 촉매 환원 장치;
    연료와 점화 개선제의 혼합물을 상기 탄화수소 선택적 촉매 환원 장치의 상류 위치에 있는 배기가스 내로 분사하는 분사 장치; 및
    분사 위치에서의 배기가스의 온도가 약 280℃ 이상인 경우, 다량의 상기 혼합된 연료와 점화 개선제를 배기가스 내에 분사하도록 상기 분사 장치를 제어하는 제어 모듈;
    을 포함하는 배기가스 정화 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄화수소 선택적 촉매 환원 장치는 은-알루미나 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄화수소 선택적 촉매 환원 장치는 바륨-이트리아 제올라이트 촉매(barium-yttria zeolite catalyst)와 나트륨-이트리아 제올라이트 촉매(sodium-yttria zeolite catalyst) 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분사 장치는 연료와 점화 개선제의 다량의 혼합물을 전달하는 장치를 더 포함하고,
    상기 연료와 점화 개선제의 다량의 혼합물을 전달하는 장치는 연료를 차량의 연료 탱크로부터 분사 장치로 이송하는 장치 및 저장 장치로부터 연료 내의 상기 점화 개선제를 계측하는 유동 제어 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    배기가스 내에 분사된 상기 혼합된 연료와 점화 개선제의 양은 엔진 작동 조건 및 상기 탄화수소 선택적 촉매 환원 장치의 공간 속도에 근거하여 결정되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    분사 위치에서의 배기가스의 온도가 약 280℃ 이상인 경우, 상기 혼합물은 연료를 포함하고,
    분사 위치에서의 배기가스의 온도가 약 280℃ 내지 400℃인 경우, 상기 혼합물은 약 2%의 점화 개선제와 나머지 양을 포함하는 연료의 혼합물을 포함하며,
    분사 위치에서의 배기가스의 온도가 약 430℃ 이상인 경우, 상기 혼합물은 연료를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 점화 개선제는 페록사이드, 하이드로페록사이드, 알킬 나이트레이트 및 아세틸렌 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 페록사이드는 디-터트-부틸페록사이드를 포함하고, 상기 하이드로페록사이드는 메틸하이드로페록사이드, 헵틸하이드로페록사이드 및 옥틸하이드로페록사이드를 포함하며, 상기 알킬 나이트레이트는 2-에틸헥실나이트레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    연료와 점화 개선제의 상기 분사된 혼합물은 활성종(active species)을 포함하는 연료의 부분 산화 생성물을 포함하는 환원제를 발생시키는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 탄화수소 선택적 촉매 환원 장치와 상기 분사 장치의 상류에 산화 촉매 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 내연기관은 린번 압축 점화 엔진을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 내연기관은 불꽃 점화 린번 엔진을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 시스템.
  13. 내연기관에 유체식으로 연결되어, 화학량론적으로 희박한 공연비에서 작동가능한 내연기관으로부터 흐르는 배기가스를 처리하는 배기 후처리 시스템으로서, 탄화수소 선택적 촉매 환원 장치의 상류에 있고 유체식으로 연결된 산화 촉매 장치를 포함하는, 상기 배기 후처리 시스템;
    연료와 점화 개선제의 혼합물을 상기 산화 촉매와 상기 탄화수소 선택적 촉매 환원 촉매 사이의 위치에 있는 배기가스 내에 분사하는 분사 장치로서, 상기 연료와 점화 개선제의 혼합물은 분사 위치에서의 배기가스의 온도에 근거하는, 상기 분사 장치; 및
    분사 위치에서의 배기가스의 온도가 약 280℃ 이상인 경우, 다량의 상기 혼합된 연료와 점화 개선제를 배기가스 내에 분사하도록 상기 분사 장치를 제어하는 제어 모듈;
    을 포함하는 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 분사된 연료와 점화 개선제의 혼합물은, 상기 탄화수소 선택적 촉매 환원 장치의 상류에 있는 활성종을 포함하는 연료의 부분 산화 생성물을 포함하는 환원제를 발생시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 분사 위치에서의 배기가스의 온도가 약 280℃ 이상인 경우, 연료와 점화 개선제의 혼합물을 상기 탄화수소 선택적 촉매 환원 장치의 상류에 있는 배기가스 내에 분사하는 단계를 포함하는 작동 진행 시에 린번 작동식 내연기관의 배기가스 내의 NOx를 환원하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 연료와 점화 개선제의 혼합물을 배기가스 내에 분사하는 단계는, 분사 위치에서의 배기가스의 온도가 약 280℃ 내지 400℃인 경우, 약 2%의 점화 개선제와 나머지 양을 포함하는 연료의 혼합물을 포함하는 연료와 점화 개선제의 혼합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 내의 NOx를 환원하는 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 연료와 점화 개선제의 혼합물을 배기가스 내에 분사하는 단계는, 분사 위치에서의 배기가스의 온도가 약 430℃ 이상인 경우, 연료를 점화 개선제 없이 분사하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 내의 NOx를 환원하는 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    엔진 작동 조건에 근거하여 NOx 배출물의 질량 유동률을 결정하는 단계; 및
    상기 탄화수소 선택적 촉매 환원 장치의 공간 속도에 근거하여 상기 탄화수소 선택적 촉매 환원 촉매를 가로질러 NOx 배출물의 질량 유동률을 감소시키도록, 상기 분사된 연료와 점화 개선제의 혼합물의 질량 유동률을 제어하는 단계;를 더 포함하는 배기가스 내의 NOx를 환원하는 방법.
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