KR20100017471A - 내연 기관의 미립자 필터 재생 방법 - Google Patents

내연 기관의 미립자 필터 재생 방법 Download PDF

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안토니오 마티아
가에타노 그라쏘
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명에 따르면, 내연 기관(1)의 미립자 필터(29)를 재생하기 위한 방법은 배기 가스 파이프(25) 내에서 후연소를 수행하기 위해 미립자 필터(29) 상류의 배기 가스 파이프(25)에 공기를 공급하는 단계와, 고압 펌핑 유닛(17)에 의해 내연 기관(1)의 실린더(8)에 연료를 공급하는 단계와, 고압 펌핑 유닛(17)에 의해 미립자 필터(29) 상류의 배기 파이프(25)에 연료를 공급하는 단계를 제공한다.
내연 기관, 미립자 필터, 배기 파이프, 후연소, 실린더, 미립자 필터 재생

Description

내연 기관의 미립자 필터 재생 방법{METHOD FOR REGENERATING A PARTICULATE FILTER OF AN INTERNAL-COMBUSTION ENGINE}
디젤 동력식 내연 기관의 배기는 상당한 양의 미립자를 함유하고 있으며 엄격한 공해 방지 규제를 받는다. 디젤 동력식 내연 기관에는 미립자를 포함하고 현행 규제에 의해 규정된 소정의 공해 방지 파라미터(anti-pollution parameter)에 따르기 위한 미립자 필터가 구비된다. 미립자 필터의 수용력은 제한적이며, 미립자 필터는 필터 내의 미립자를 소각(burning off)하는 사이클에 의해 주기적으로 재생되어야 한다. 미립자의 연소는 배출 가스와 함께 필터로부터 방출되는 이산화탄소를 생성하여, 사실상 미립자 필터의 세척을 보장한다. 내연 기관의 작동 속도(running speed) 및 작동 속도 트렌지언트(running speed transients)에 따라 미립자 필터의 재생을 수행할 필요가 있는지가 결정된다. 사실, 내연 기관의 특정한 작동 상태로 인해 필터에 의해 보유되는 미립자의 연소를 개시할 수 있는 배기 가스 온도가 발생되고, 이와 동시에, 연소를 수행하는데 요구되는 산소의 공급을 생성하여 필터에서 미립자를 부분적으로 제거한다. 하지만, 상술된 상태를 유발하는 작동 속도 및 트렌지언트는 미립자 필터가 완전히 재생(세척)되기 위한 충분한 시간 동안 유지되지 않으며, 그 결과 배기 가스의 과잉 공기 상태 및 온도는 미립자 필터의 완전한 재생(세척)을 수행하도록 결정되어 이에 충분한 시간 동안 유지되어 야 한다.
미립자 필터 내에서 미립자의 연소를 촉발하는데 요구되는 온도는 배기 가스 파이프 내에 공급되는 과잉 공기 및 연료의 배기 가스 파이프 내의 후연소에 의해 제공된다.
후연소는 배기 가스 파이프를 따라 미립자 필터의 상류에서 수행되고, 6bar 이상의 평균 압력으로 이 지점에 연료를 공급하는 것을 포함한다. 이는 차량이 내연 기관의 임의의 작동 상태에서 미립자 필터의 상류에 연료를 공급할 수 있게 하는 연료 펌프를 구비해야 한다는 것을 의미한다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 갖지 않으며 특히 경제적인, 내연 기관의 미립자 필터를 재생하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 내연 기관의 미립자 필터를 재생하기 위한 방법이 제공되며, 상기 방법은 배기 파이프 내에서 후연소를 수행하기 위해 미립자 필터 상류의 배기 파이프로 연소 공기를 공급하는 단계와, 고압 펌핑 유닛에 의해 내연 기관의 실린더에 연료를 공급하는 단계를 포함하고, 상기 방법은 고압 펌핑 유닛에 의해 배기 파이프(25)로 연료를 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 내연 기관에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 내연 기관에 제공되고, 상기 내연 기관은 실린더를 구비한 구동 유닛과, 미립자 필터를 포함하는 배기 유닛과, 실린더 및 배기 유닛에 대한 공급을 위한 연소 공기 공급 유닛과, 고압 펌핑 유닛을 포함하는, 실린더에 연료를 공급하기 위한 유닛을 포함하고, 상기 내연 기관은 배기 유닛으로 후연소 연료를 공급하기 위한 장치를 포함하고, 상기 공급 장치는 고압 펌핑 유닛의 가압된 연료 출구에 연결되는 공급 라인을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 특징적 구성 및 장점은 명확성을 위해 일부가 제거된 본 발명에 따라 제공된 내연 기관의 개략도인 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예의 비제한적 예의 후속하는 설명으로부터 명확해질 것이다.
첨부된 도면에서, 도면 부호 1은 구동 유닛(2)과, 구동 유닛(2)에 연소 공기(comburent air)를 공급하기 위한 유닛(3)과, 연료, 구체적으로는 디젤 연료를 구동 유닛(2)에 공급하기 위한 유닛(4)과, 연소된 가스를 위한 배기 유닛(5)과, 배기 유닛(5) 내의 후연소(post combustion)를 수행하기 위해 배기 유닛(5)으로 연료를 공급하기 위한 장치(6)를 포함하는 내연 기관 전체를 나타낸다.
구동 유닛(2)은 각각이 연소 공기 공급 유닛(3), 연료 공급 유닛(4) 및 배기 유닛(5)과 직접 소통되는 4개의 실린더(8)를 포함하는 실린더 헤드(7)를 포함한다. 구동 유닛(2)은 열 에너지를 구동 샤프트(9)에 공급되는 기계적 에너지로 변환한다.
공급 유닛(3)은 각 실린더(8)에 연결되는 공급 파이프(10), 압축기(11), 가열기(12) 및 기류를 조절하기 위한 밸브(13)를 포함한다.
연료 공급 유닛(4)은 소위 커먼-레일형이며, 연료 탱크(14)와 공급 라인(15)을 포함하고, 공급 라인(15)은 공급 라인을 따라 연속적으로 필터(16), 고압 펌핑 유닛(17) 및 모든 실린더에 대한 공통 분배 매니폴드(18, common distribution manifold)를 구비한다. 공급 유닛(4)은 4개의 분사 장치(19)를 포함하고, 각각의 분사 장치는 각각의 실린더(6)와 결합하고 각각의 라인(20)에 의해 분배 매니폴드(18)에 연결된다.
고압 펌핑 유닛(17)은 피스톤 펌프(21)와, 피스톤 펌프(21) 그리고 선택적으로 연료 공급 장치(6)에 대한 공급 기능을 갖는 기어 펌프(22)를 포함한다. 고압 펌핑 유닛(17)은 피스톤 펌프(21) 및 기어 펌프(22)를 작동하기 위한 샤프트(23)와, 구동 샤프트(9)를 작동 샤프트(23)에 연결하기 위한 운동학적 전동 장치(24, kinematic transmission)(파선으로 개략적으로 표시됨)을 포함한다.
배기 유닛(5)은 실린더(8)에 연결된 배기 파이프(25)와, 배기 파이프(25) 내측에 수납되고 샤프트(27)에 의해 압축기(11)에 연결되는 터빈(26)과, 배기 파이프(25)를 따라 배열되는 연소 챔버(28)와, 연소 챔버(28)의 하류에서 배기 파이프(25) 내측에 수납되는 미립자 필터(29)를 포함한다.
공급 유닛(3)은 바이패스 파이프(30)에 의해 배기 유닛(5)에 연결되는데, 구체적으로 바이패스 파이프(30)는 압축기(11)의 하류에서 공급 파이프(10)를 따라 배열되고, 연소 챔버(28)의 상류에서 배기 파이프(25)를 따라 배열된다. 조절 밸브(31)와, 공기를 배기 가스 온도에 근접한 온도로 가열하기 위한 가열기(32)는 바이패스 파이프(30)를 따라 연속적으로 배열된다.
공급 장치(6)는 미립자 필터(29) 상류의 연소 챔버(28) 내에서의 후연소를 위해 필요한 연료를 제공할 수 있으며, 고압 펌핑 유닛(17)을 연소 챔버(28)의 인 접 상류에 있는 배기 파이프(25)에 연결하는 연료 공급 라인(33)과, 공급 라인(33)을 고압 펌핑 유닛(17)에 연결하기 위한 접합관(34, union)과, 배기 파이프(25)로 연료를 분사하도록 설계된 연료 분사 장치(35)와, 공급 라인(23)을 따라 연료를 선택적으로 공급하기 위한 온/오프형의 차단 밸브(36, intercept valve)와, 제어 유닛(37)을 포함한다.
제어 유닛(37)은 미립자 필터(29)의 재생을 위한 사이클을 활성화시켜 배기 파이프(25) 내의 배기 가스의 온도 및 미립자 필터(29)의 포화도에 따라 배기 파이프(25) 내측의 연료 유동을 계량하도록 설계된다.
구체적으로, 배기 파이프(25)에는, 미립자 필터(29)의 상류와 하류에서의 압력차를 검출하고 검출된 압력차와 관련된 신호(DP)를 발신하기 위한 차압 센서(38, differential pressure sensor)와, 연소 챔버(28)의 상류에 배열되고 온도 시호(T1)를 발신하도록 설계된 온도 센서(39)와, 연소 챔버(28)와 미립자 필터(29) 사이에 배열되고 온도 신호(T2)를 발신하도록 설계된 온도 센서(40)가 설치된다.
사용 도중, 제어 유닛(37)은 비교 유닛(41)에서 신호(DP)와 한계값(DPS)을 비교하고, 신호(DP)가 한계값(DPS)보다 클 때 제어 유닛(37)은 차단 밸브(31)를 개방하는 재생 신호(RS)를 발신한다. 신호(T1, T2)는 안전값(TS) 및 미립자의 자동 연소를 위한 값(TA)과 비교된다. 실제로, 자동 연소값(TA)은 미립자의 자동 연소 온도, 즉 미립자가 연소되어 일산화탄소로 전환되는 온도를 넘는 온도에 관련된 것인 반면에, 안전값(TS)은 배기 유닛(5)의 구조 부분에 배기 가스 및 후연소와 관련된 고온에 의해 유발되는 손상이 가해질 수 있는 온도를 넘는 온도와 관련된다.
기본적으로, 제어 유닛(37)은 비교 유닛(42)에서 온도 신호(T1, T2)와 자동 연소값(TA) 및 안전값(TS)을 비교하고, 안전값(TS)을 초과할 위험 없이 온도 신호(T2)를 가능한 높게 그리고 어떠한 경우에도 자동 연소값(TA)보다 높게 유지하는 알고리즘을 기초로 연료 분사 장치(35)를 활성화시키는 계량 신호(DS)를 발신한다.
공급 장치(6)의 접합관(34)은 기어 펌프(22)에 의해 생성되는 압력 변동(pressure fluctuation)을 감쇠하기 위해 연료 유동 단면을 따라 제한부(43, constriction)를 포함한다. 또한, 제한부(43)는 연료의 일부가 후연소를 위해 유출될 때 고압 펌핑 유닛(17) 내의 압력 강하를 방지하는 장점을 갖는다.
상술된 방법은 일반적인 고압 펌핑 유닛을 이러한 새로운 기능에 맞게 개조하는데 요구되는 변경이 상대적으로 제한적인 성격을 갖기 때문에 비용면에서 효율적이다. 사실상, 기어 펌프(22)에 의해 펌핑되는 연료를 배기 가스 파이프(25)에 공급하기 위해, 접합관(34)과 결합될 수 있는 출구 파이프(44)에 의해 본질적으로 형성되는 추가적인 출구를 고압 펌핑 유닛(17)에 추가하는 것이 요구된다.
본원에서 특정한 참조가 재생의 특정 형태로 이루어졌지만, 본 발명의 용도는 연료의 사용을 요구하는 미립자필터의 임의 형태의 재생으로 확장된다.

Claims (13)

  1. 내연 기관(1)의 미립자 필터(29)를 재생하기 위한 방법으로서, 배기 파이프(25) 내에서 후연소를 수행하기 위해 미립자 필터(29) 상류의 배기 파이프(25)로 연소 공기를 공급하는 단계와, 고압 펌핑 유닛(17)에 의해 내연 기관(1)의 실린더(8)에 연료를 공급하는 단계를 포함하는 미립자 필터 재생 방법에 있어서,
    고압 펌핑 유닛(17)에 의해 배기 파이프(25)로 연료를 공급하는 것을 특징으로 하는 미립자 필터 재생 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    고압 펌핑 유닛(17)은 피스톤 펌프(21)와, 피스톤 펌프(21)에 대한 공급을 위해 설계된 기어 펌프(22)를 포함하고,
    상기 방법은 기어 펌프(22)에 의해 배기 파이프(25)로 연료를 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미립자 필터 재생 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    연료 분사 장치(35)에 의해 배기 파이프(25) 내의 연료를 계량하는 단계를 특징으로 하는 미립자 필터 재생 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    고압 펌핑 유닛(17)과 배기 파이프(25) 사이에서 연장하는 연료 공급 라인(33)을 따라 배열되는 차단 밸브(36)에 의해 고압 펌핑 유닛(17)과 배기 가스 파이프(25) 사이의 연료 유동을 선택적으로 차단/허용하는 것을 특징으로 하는 미립자 필터 재생 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    차단 밸브(33)는 정상 상태에서 폐쇄되는 온/오프 전기 밸브이며,
    상기 방법은 제어 유닛(37)에 의해 발신되는 재생 신호(RS)에 의해 차단 밸브를 개방하는 단계를 파악하는 것을 특징으로 하는 미립자 필터 재생 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    750rpm의 구동 샤프트(9) 작동 속도에서 6bar보다 큰 평균 압력으로 연료를 공급하는 것을 특징으로 하는 미립자 필터 재생 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    고압 펌핑 유닛(17)의 인접 하류에서 후연소 연료 전달을 제한하는 단계를 특징으로 하는 미립자 필터 재생 방법.
  8. 내연 기관으로서, 실린더(8)를 구비한 구동 유닛(2)과, 미립자 필터(29)를 포함하는 배기 유닛(5)과, 실린더(8) 및 배기 유닛(5)에 대한 공급을 위한 연소 공 기 공급 유닛(3)과, 고압 펌핑 유닛(17)을 포함하는, 실린더(8)에 연료를 공급하기 위한 유닛(4)을 포함하는 내연 기관에 있어서,
    배기 유닛(5)으로 후연소 연료를 공급하기 위한 장치(6)를 포함하고, 상기 공급 장치(6)는 고압 펌핑 유닛(17)의 가압된 연료 출구에 연결되는 공급 라인(33)을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  9. 제8항에 있어서,
    고압 펌핑 유닛(17)은 피스톤 펌프(21) 및 기어 펌프(22)를 포함하고, 상기 연료 출구는 기어 펌프(22)와 피스톤 펌프(21) 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    공급 장치(6)는 배기 유닛(5) 내의 연료를 계량하기 위한 연료 분사 장치(35)를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    공급 장치(6)는 고압 펌핑 유닛(17)과 배기 가스 파이프(25) 사이의 연료 유동을 선택적으로 차단/허용하기 위해 고압 펌핑 유닛(17)과 배기 파이프 사이에서 연장하는 연료 공급 라인(33)을 따라 배열되는 차단 밸브(36)를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  12. 제11항에 있어서,
    차단 밸브(33)는 정상 상태에서 폐쇄되는 온/오프 전기 밸브이며,
    상기 방법은 제어 유닛(37)에 의해 발신되는 재생 신호(RS)에 의해 차단 밸브(36)를 개방하는 단계를 파악하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  13. 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    공급 장치(6)는, 고압 펌핑 유닛(17)의 출구 파이프(44)에 연결될 수 있으며 상류에서 압력 변동을 감쇠하여 압력 변동을 평균 압력의 ± 0.5bar 내로 감소시키기 위해 연료 유동 단면에 대한 제한부(43)를 갖는 접합관(34)을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
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