KR20090028718A - 내연 기관의 배기 가스 구역에 배치되는 이미션 제어 시스템의 작동 방법 - Google Patents

내연 기관의 배기 가스 구역에 배치되는 이미션 제어 시스템의 작동 방법 Download PDF

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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 내연 기관의 배출 가스 구역에 배치되는 이미션 제어 시스템을 작동하기 위한 작동 방법에 관한 것이다. 상기 이미션 제어 시스템은 산화 반응을 야기하는 촉매 층(130)과 입자 필터(140)를 포함한다. 이 입자 필터(140) 내부에는 내연 기관의 작동 중에 적어도 하나의 배기 가스 성분이 퇴적된다. 또한, 상기 입자 필터는 사전 지정된 작동 단계에서 상기 배기 가스 성분으로부터 재생된다. 본원의 방법에 따라, 상기 입자 필터가 재생되는 사전 지정된 작동 단계에서, 내연 기관의 적어도 하나의 연소실(100)을 통과하는 공기 통과량을 감소시킨다.
배출 가스 구역, 이미션 제어 시스템, 촉매 층, 입자 필터, 공기 통과량

Description

내연 기관의 배기 가스 구역에 배치되는 이미션 제어 시스템의 작동 방법 {METHOD FOR THE OPERATION OF AN EMISSION CONTROL SYSTEM LOCATED IN AN EXHAUST GAS ZONE OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은, 독립 청구항 제1항의 형식에 따라, 산화 반응을 야기하는 촉매 층과 입자 필터를 포함하고 내연 기관의 배기 가스 구역에 배치되는 이미션 제어 시스템을 작동하기 위한 작동 방법에 관한 것이다.
본 발명의 대상은 청구항 제9항에 따른 컴퓨터 프로그램 및 청구항 제10항에 따른 컴퓨터 프로그램 제품이다.
DE 199 06 287 A1호로부터는, 내연 기관의 배기 가스 구역에 배치된 입자 필터를 재생하기 위한 재생 방법이 공지되어 있으며, 상기 방법의 경우, 현재의 작동 상태와 입자 필터의 상태에 따라서 여러 작동 상태 간의 전환이 이루어진다. 이 경우, 침착된 입자로부터 입자 필터의 재생은 작동 상태에서 이루어진다. 상기 재생은 상승한 온도에서 발생하여, 입자, 주로 수트(soot) 입자 및 재(ash) 입자가 산화 반응에 의해 연소된다.
DE 103 23 561 A1호에는 내연 기관의 배기 가스 구역에 배치되는 부품, 특히 입자 필터를 작동하기 위한 작동 방법과, 상기 방법을 실행하기 위한 장치가 설명 되어 있으며, 상기 장치의 경우 재생 단계는 내연 기관의 작동 상태에 따라 그리고/또는 부품의 작동 상태, 특히 입자 필터의 퇴적 정도에 따라 개시된다. 이 경우, 재생 단계는 임의로 외부 개시 신호에 의해 개시된다. 이런 방식으로 부품의 재생된 상태는, 예컨대 내연 기관과 이의 부품에 대한 진단을 실행할 수 있도록 내연 기관이 탑재된 자동차가 정비소에 입고될 때에 사용자에 의해 복원될 수 있다.
이 경우, 디젤 입자 필터의 재생은 예컨대 배기 가스 배압의 함수로서 불연속적으로 발생된다. 필터의 재생을 위한 산화 과정에 필요한 배기가스 및 필터 온도는 충분한 산화 속도의 조건 하에서 대개는 약 600℃ 이상이다. 이는 추가 조치 없이 단지 내연 기관의 상부의 평균 압력/회전 속도 특성 필드에서만 기대되기 때문에, 연소실 또는 배기 장치 내에 디젤 연료의 후분사(after-injection)에 의해서, 이 경우 방출되는 반응열(reaction heat)을 이용하면서, 필터의 재생에 필요한 배기 가스 온도 상승이 설정된다. 이런 방식은 바람직하지 못하게 연료 소모량을 증가시킨다.
디젤 입자 필터의 재생은 후분사 이외에도, 배기 가스 완전 흐름 또는 부분 흐름 내 추가 버너에 의해, 온도를 상승시키는 엔진 처리 간섭에 의해, 추가 전기 에너지에 의해, 또는 연료 첨가에 의해서도 이루어질 수 있다. 그러나 연료 첨가에 의한 재생은 디젤 입자 필터의 장시간 안정성을 고려할 때 문제가 된다. 왜냐하면, 이 경우 금속 러그(metalic lug)의 유입이 개시되고, 이런 유입은 디젤 입자 필터의 유효 수명을 단축하기 때문이다.
종래 기술에 비해서 독립 청구항 제1항의 특징부를 포함하는 본 발명에 따른 작동 방법은, 내연 기관의 많은 연료 초과 소모량 없이도 필터의 재생을 가능케 한다. 즉, 내연 기관의 적어도 하나의 연소실을 통과하는 공기 통과량을 감소시킴으로써, 연료 소모는 거의 동일하면서도 혼합기 열가를 유의적으로 상승시켜, 필터의 재생에 필요한 배기 가스 온도의 상승이 달성된다.
바람직하게는 내연 기관의 적어도 하나의 연소실을 통과하는 공기 통과량의 감소는, 사전 설정된 전체 작동 단계 동안 연속해서 이루어진다. 이처럼 공기 통과량의 연속적인 감소를 통해, 어느 정도까지 소정의 한계 내에서 필터의 연속적인 재생이 가능하게 된다. 이 경우, 비록 필터가 완전히 재생되지 못하더라도, 필터의 불연속적인 재생 주기는, 예컨대 연소실 또는 배기 장치 내 디젤 연료의 후분사의 형태로 이루어지는 추가 조치에 의해, 또는 예컨대 연료 첨가에 이해 연장된다.
필터의 재생이 이루어지는 사전 지정된 작동 단계는 바람직하게는 내연 기관의 부분 부하 영역이다.
내연 기관의 적어도 하나의 연소실을 통과하는 공기 통과량의 감소는 원칙적으로 다양한 방식으로 실현될 수 있다. 바람직한 실시예에 따르면, 내연 기관의 적어도 하나의 연소실을 통과하는 공기 통과량의 감소는, 밀러법(Miller method)에 유사하게 적어도 하나의 연소실의 적어도 하나의 흡기 밸브의 진각 변위된 폐쇄(advance-displaced closure)에 의해 실현된다. 적어도 하나의 흡기 밸브의 폐쇄란, 본 발명에 따르면, 내연 기관이 연소실 당 각각 하나의 흡기 밸브를 포함할 때, 상기 흡기 밸브가 진각되어 폐쇄되는 것을 의미한다. 이는, 내연 기관의 실린더의 수와 이 실린더의 작동 주기에 따라 하나 또는 다수의 연소실에서 이루어질 수 있다. 따라서 예컨대 연소실 당 2개의 흡기 밸브를 포함하는 내연 기관의 경우는 밀러법에 유사하게, 하나 또는 다수의 연소실에서 두 흡기 밸브가 진각되어 폐쇄된다.
대안적으로 또는 추가적으로, 흡기 밸브/흡기 밸브들의 상대적으로 더욱 진각된 폐쇄(further-advanced closure)를 위해, 배기 밸브/배기 밸브들의 진각된 폐쇄가 제공될 수도 있으며, 이로 인해 잔류 가스 함량이 상승하고, 내연 기관의 연소실을 통과하는 공기 통과량도 마찬가지로 감소한다. 반면 연소실 당 하나의 배기 밸브를 포함하는 내연 기관의 경우, 적어도 하나의 연소실 내의 상기 배기 밸브가 진각되어 폐쇄된다. 연소실 당 하나 이상의 배기 밸브, 특히 연소실 당 2개의 배기 밸브를 포함하는 내연 기관의 경우는, 적어도 하나의 연소실 내의 상기 두 배기 밸브가 진각되어 폐쇄된다.
위의 실시예는 가변식 밸브 구동 장치를 전제로 한다. 이런 구성의 기본적인 사고는, 원칙적으로 높은 공기 초과량을 갖는 부분 부하 영역에서, 혼합기 열가와 그에 따른 배기 가스 온도의 유의적인 상승을 야기할 수 있도록, 자동차용 직접 분사식 디젤 내연 기관에서도, 지금까지 대형 디젤 엔진에서만, 예컨대 선박 엔진에서만 이용된 이른바 밀러법을 적용해 왔다. 이런 방법의 장점은, 흡기 밸브/흡기 밸브들의 폐쇄, 및/또는 배기 밸브/배기 밸브들의 폐쇄의 진각 변위를 바탕으로, 한편으로 낮은 연료 초과 소모량만이 소요되고, 그 외에도 상기 방법으로 인해 미연소 이미션의 저하를 고려하지 않아도 된다는 점에 있다.
본원의 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 공기 통과량의 감소는 흡입 트랙트(intake tract) 내에 적어도 하나의 스로틀 밸브를 배치함으로써 이루어진다.
이 경우, 이미션 제어 시스템은 다양한 형식 및 방식으로 형성될 수 있다. 한 실시예에 따르면, 산화 반응을 야기하는 촉매 층은, 디젤 입자 필터 하류측에 배치되는 산화 촉매 컨버터에 의해 형성된다.
또 다른 실시예에 따르면, 촉매 코팅층이 통합된 디젤 입자 필터, 특히 이른바 촉매 수트 필터(catalytic soot filter)가 제공된다.
산화 반응을 야기하는 촉매 층과 입자 필터의 조합은, 본원에서 설명되는 작동 방법을 위해 절대적으로 필요하다. 왜냐하면, 우선 촉매 층에 의해서 일산화질소가, 입자 필터, 특히 디젤 입자 필터의 연속적인 재생을 위해 필요한 이산화질소로 산화되기 때문이다. 이와 같은 연속적인 재생은, 이산화질소(NO2) 대 탄소(C)의 비율이 8보다 크거나, 또는 8과 동일할 때에만 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예들은 도면에 도시되고 다음의 설명에서 더욱 상세하게 설명된다.
도1은 본 발명에 따른 작동 방법이 진행되는 기술적인 환경을 개략적으로 도시한 도면이다.
도2는 본 발명에 따른 작동 방법의 흐름을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도1에는 내연 기관의 연소실(100)이 실시예에 따라 개략적으로 도시되어 있다. 상기 연소실 내에서는 피스톤(105)이 공지된 방식으로 상하로 운동한다. 연소실(100)은 흡기 채널(110) 및 배기 채널(120)을 포함한다. 배기 채널(120)은 배기 장치 분기(122)로 개방되며, 이 배기 장치 분기(122) 내에는 산화 촉매 컨버터(130) 및 입자 필터(140)를 포함하는 이미션 제어 시스템이 배치된다. 산화 반응을 야기하는 산화 촉매 컨버터(130)와 입자 필터(140)를 배치하는 대신에, 공지된 이른바 CSF(촉매 수트 필터), 즉 코팅된 입자 필터가 제공될 수 있다. 이런 필터의 촉매 층은 산화 반응을 야기하는데, 특히 일산화질소(NO)를 이산화질소(NO2)로 산화시킨다.
흡기 채널(110)은 흡기 밸브(112)를 통해 연소실(100)과 연통될 수 있다. 배기 채널(120)은 배기 밸브(122)를 통해 연소실과 연통될 수 있다. 흡기 밸브(112) 및 배기 밸브(122)는 사전 설정 가능한 한계 내에서 흡기 및 배기 제어 시간을 변경할 수 있도록 하기 위해 가변식 밸브 구동 장치에 의해 제어될 수 있다. 흡기 밸브(112) 및 배기 밸브(122)는 예컨대 전기 유압식 밸브 제어 장치 등에 의해 제어될 수 있다. 이 경우, 제어는 엔진 제어 장치(150)에 의해 실행될 수 있다.
입자 필터(140)의 퇴적은 공지된 방식으로 예컨대 차압 센서(145)에 의해 검출된다. 차압 센서는 배기 가스 흐름 방향에서 필터(140)의 상류측 및 하류측의 배기 가스의 압력 차이를 검출한다. 차압 센서(145)의 출력 신호는 마찬가지로 제 어 장치(150)에 공급된다. 내연 기관의 여러 작동 상태는, 적합한 센서들에 의해, 예컨대 회전 속도 검출용 센서와 연소 온도 검출용 센서 등에 의해 검출된다. 다수의 센서를 대표하여, 도1에는 센서(160)가 도시되어 있다. 상기 센서(160)의 출력 신호는 제어 장치(150)에 공급된다.
또한 흡기 채널(110) 내에는 스로틀 밸브(170)가 배치된다. 이 스로틀 밸브의 위치는 제어 장치(150)에서 결정되고 전기적으로 제어될 수 있다.
이하에는 도2와 관련하여 입자 필터(140)의 재생 방법을 설명한다.
본 발명의 기본적인 사고는, 사전 지정된 작동 단계에서, 즉 특히 내연 기관의 부분 부하 영역에서 내연 기관의 연소실(100)을 통과하는 공기 통과량을 감소하는 것에 있다. 이는, 높은 공기 초과량을 포함하는 부분 부하 영역에서 연소실(100)을 통과하는 공기 통과량을 감소시킴으로써 혼합기 열가와 그에 따라 배기 가스 온도가 유의적으로 상승할 수 있다는 생각을 기초로 한다. 이 경우, 배기 가스 온도는 입자 필터(140)의 수동적인 연속 재생이 가능한 방식으로 상승할 수 있다. 이를 위해 제1 단계(210)에서 우선적으로, 재생에 필요한 작동 단계, 즉 부분 부하 영역이 존재하는지 여부가 검사된다. 만일 부분 부하 영역이 존재한다면, 단계(220)에서, 재생을 위해 이하에서 더욱 상세하게 설명되는 한계 조건, 특히 이산화질소(NO2) 대 탄소(C)의 요구되는 비율이 존재하는지 여부가 검사된다. 만일 그런 한계 조건이 존재한다면, 단계(230)에서 연소실을 통과하는 공기 통과량은 감소하게 된다. 이는, 예컨대 흡기 밸브(112)를 진각 폐쇄함으로써, 즉 흡기 밸 브(112)의 폐쇄 시점을 진각된 크랭크축 각도 쪽으로 변위 시킴으로써 이루어질 수 있다.
"진각" 방향으로 진행하는 폐쇄 시점의 변위는 밀러법에 유사하게 이루어진다. 그러나 본 실시예의 경우 밀러법과는 달리, 흡기 밸브의 진각 폐쇄를 바탕으로 감소된 공기 통과량이 흡기 채널(110)에서 배기가스 터보차저, 또는 압축기 등에 의해 생성되는 상대적으로 높은 압력에 의해 보상되지 않는다. 물론 본 발명에 따라, 혼합기 열가와 그에 따라 재생에 필요한 배기 가스 온도를 유의적으로 상승시킬 수 있도록 하기 위해, 흡기 밸브(112)의 진각된 폐쇄에 의해, 이미 높은 공기 초과량이 존재하고 본 실시예에 관계하는 부분 부하 영역에서 연소실(100) 내의 밸러스트 공기(ballast air)가 더욱 감소하여야 한다.
원칙적으로 연소실(100)을 통과하는 공기 통과량의 감소는, 잔류 가스 압축을 통한 밀러법과 유사하게 배기 밸브(122)의 진각된 폐쇄에 의해서도 달성될 수 있다.
또한, 대안적으로 또는 추가적으로, 연소실(100)을 통과하는 공기 통과량의 감소는, 스로틀 밸브(170)를 적절히 제어함으로써도 이루어질 수 있다.
앞서 설명한 방법은 열역학적인 한계 조건을 바탕으로, 신선한 가스 질량을 조절할 시에 낮은 연료 초과 소모량만이 설정되고, 배기 가스 온도 상승을 통해 입자 필터(140)의 수동적인 연속 재생이 수반된다는 장점이 있다. 또한 배기 가스 채널(120) 내 미연소 이미션의 품질도 개선된다. 이 때문에, 저온 영역에서도 입자 필터(140)의 완전한 재생이 달성될 수 있다.
이 경우, 재생은 바람직하게는 전체 작동 단계 동안, 즉 모든 부분 부하 영역에서 연속적으로 이루어진다. 이 경우, 연속적인 재생은 이하에서 설명되는 방식으로 이루어진다. 산화 촉매 컨버터(130) 내에서는 배기 가스 내에 존재하는 일산화질소(NO)가 이산화질소(NO2)로 산화되는데, 왜냐하면, 수트, 즉 탄소(C)가, 분자 산소(O2)와 반응할 때보다 훨씬 더 낮고 앞서 설명한 방식으로 실현될 수 있는 온도에서 이산화질소(NO2)와 반응하면서 일산화탄소(CO) 또는 이산화탄소(CO2)로 산화되기 때문이다. 따라서 산화 촉매 컨버터(130)는, 동시에 발생하는 수트가 산화되고 가능한 바람직하지 못한 수트 축적과 그에 따른 입자 필터(140) 내 압력 손실이 발생하지 않을 정도로 많은 이산화질소(NO2)를 계속해서 생성해야 한다. 이 경우, 수트 산화는 본질적으로 탄소(수트) 대 이산화질소(NO2)의 비율에 의해 결정된다. 완전한 재생은 이산화질소(NO2) 대 탄소(C)의 비율이 8보다 클 때에만 가능하다.
앞서 설명한 바와 같이, 배기 가스 구역에 배치되는 입자 필터(140)의 연속 재생을 위한 방법은, 재생 단계 동안 낮은 연료 초과 소모량만을 필요로 한다. 왜냐하면, 입자 필터(140)에서 고압 손실이 발생하지 않고, 예컨대 후분사에 의해 실행되는 강제 재생이 이루어질 때까지의 주기가 상당히 연장되며, 이에 의해 연료 초과 소모량은 훨씬 더 감소하기 때문이다. 매우 바람직하게는, 흡기 밸브의 상대적으로 더욱 진각된 폐쇄를 바탕으로, 혼합기 균질화가 개선됨과 동시에, 연소 개 시 전 흡입 온도가 감소될 수 있다. 이와 같은 방식으로 미연소 배기 가스 내 수트 이미션은 유의적으로 감소될 수 있다.
또한 냉간 시동 이미션, 특히 탄화수소 및 일산화탄소의 이미션의 개선이 실현될 수 있고, 상기 이미션은 혼합기 열가와 그에 따른 평균 가스 온도의 상승에 의해 분명하게 감소된다.
마지막으로 언급할 사항은, 본원에서 설명한 방법은 종래 기술로부터 공지되고 소정의 작동 단계에서 강제 재생이 이루어지는 입자 필터 재생 방법과 병행하여 적용될 수 있다는 것이다. 이런 경우 예컨대 후분사에 의해 강제 재생이 실행된다면 두 재생 주기는 더욱더 증가시킬 수 있다.

Claims (10)

  1. 산화 반응을 야기하는 촉매 층(130)과 입자 필터(140)를 포함하고 내연 기관의 배기 가스 구역에 배치되는 이미션 제어 시스템의 작동 방법이며, 상기 입자 필터 내에서는 내연 기관의 작동 중에 적어도 하나의 배기 가스 성분이 퇴적되고, 상기 입자 필터는 사전 지정된 작동 단계에서 상기 배기 가스 성분으로부터 재생되는 상기 작동 방법에 있어서,
    상기 입자 필터(140)가 재생되는 사전 지정된 작동 단계에서 내연 기관의 적어도 하나의 연소실(100)을 통과하는 공기 통과량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 이미션 제어 시스템의 작동 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공기 공급의 감소는, 상기 입자 필터(140)가 재생되는 사전 지정된 작동 단계에 연속해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미션 제어 시스템의 작동 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 사전 지정된 작동 단계는 내연 기관의 부분 부하 영역인 것을 특징으로 하는 이미션 제어 시스템의 작동 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 내연 기관의 적어도 하나의 연소실(100)을 통과하는 공기 통과량의 감소는, 밀러법에 유사하게 적어도 하나의 연소 실(100)의 적어도 하나의 흡기 밸브(112)의 진각 변위된 폐쇄에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미션 제어 시스템의 작동 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 내연 기관의 적어도 하나의 연소실(100)을 통과하는 공기 통과량의 감소는, 잔류 가스 압축을 이용하는 밀러법에 유사하게 적어도 하나의 배기 밸브(122)의 진각 변위된 폐쇄에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미션 제어 시스템의 작동 방법.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 내연 기관의 적어도 하나의 연소실(100)을 통과하는 공기 통과량의 감소는, 흡입 트랙트 내에 배치된 스로틀 밸브(170)에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미션 제어 시스템의 작동 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 산화 반응을 야기하는 촉매 층은 산화 촉매 컨버터(130)이고, 입자 필터는 상기 산화 촉매 컨버터(130) 하류측에 배치되는 디젤 입자 필터(140)인 것을 특징으로 하는 이미션 제어 시스템의 작동 방법.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이미션 제어 시스템은, 코팅된 입자 필터, 특히 촉매 수트 필터에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 이미션 제어 시스템의 작동 방법.
  9. 컴퓨터 프로그램이며,
    컴퓨터 장치에서 실행될 때 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따르는 작동 방법의 모든 단계를 실행하는 컴퓨터 프로그램.
  10. 기계 판독이 가능한 매체에 저장된 프로그램 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품이며,
    프로그램이 컴퓨터 또는 제어 장치(150)에서 실행될 때 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따르는 작동 방법을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램 제품.
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