KR20100057861A - 능동적 디젤 미립자 필터 재생을 위한 디젤 투여 시스템 - Google Patents

능동적 디젤 미립자 필터 재생을 위한 디젤 투여 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 디젤 투여 모듈은 디젤 산화 촉매의 입구로 투여 연료를 제공하기 위해 연료 차단 밸브 및 디젤 연료 투여 밸브를 사용하고, 말단부에 부착된 노즐로부터 그리고 디젤 투여 모듈에 부착된 투여 라인으로부터 연료를 정화하기 위해 공기 퍼지 밸브를 사용한다. 밸브들은 차량의 고온 영역과 노즐로부터 원격으로 위치 설정 가능한 하우징 매니폴드에 부착된다.

Description

능동적 디젤 미립자 필터 재생을 위한 디젤 투여 시스템 {DIESEL DOSING SYSTEM FOR ACTIVE DIESEL PARTICULATE FILTER REGENERATION}
본 발명은 작은 점유면적을 갖는 단일의 디젤 투여 모듈을 이용한 능동적 디젤 미립자 필터 재생을 위한 디젤 투여 시스템에 관한 것이다.
디젤 엔진 배기 요구조건이 더욱 엄중해짐에 따라, 차량과 엔진 제조업자는 디젤 엔진 배기 개선 전략의 개발 및 구현이 불가피해진다. 현재 노력은 질소 산화물 배기를 증가시키지 않도록 노력하면서 미립자 물질, 탄화수소 및 일산화탄소를 감소시키는 것에 초점을 두고 있다. 엔진과 연료 기술은 이러한 배기를 일정한 정도까지만 감소시킬 수 있을 뿐이며, 전세계 통치체에 의해 설정된 배기 규제를 충족하기 위해서는 이러한 기술 이외에도 보조적 시스템이 요구된다.
사용되는 하나의 배기 기술은 디젤 산화 촉매와 디젤 미립자 필터의 결합이다. 디젤 산화 촉매는 최대 90%의 탄화수소 및 일산화탄소와, 최대 10%의 미립자 물질을 제거한다. 디젤 미립자 필터는 최대 95%의 미립자 물질을 제거하는데 사용된다. 디젤 미립자 필터는 미립자 물질을 덜 해로운 성분으로 변환시키기 위해 고온에서 작동되어야 한다. 디젤 미립자 필터 온도가 너무 낮으면, 그의 용량은 한정되게 되고, 배기 배압(exhaust backpressure)의 증가의 결과로서 차량 성능이 저해될 것이다. 디젤 미립자 필터는 자체 재생을 개시하기 위해 대략 450℃ 내지 700℃의 비교적 높은 고온에서 작동한다. 이러한 상태 하에서의 작동은, 디젤 미립자 필터에게 무한한 용량을 제공한다. 높은 디젤 미립자 필터 온도를 유지하기 위해, 디젤 산화 촉매가 고온에서 작동하는 것과 열 손실을 감소시키기 위해 상술한 2개의 수동형 장치들을 조밀하게 패키징하는 것이 중요하다. 디젤 산화 촉매 온도는 엔진 부하 의존형이고, 따라서 디젤 산화 촉매/디젤 미립자 필터 온도는 연속적인 디젤 미립자 필터 재생을 위한 최적 온도로 항상 있을 수는 없다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예는 디젤 투여 모듈을 제공하는데, 이 디젤 투여 모듈은 연료 공급원에 부착된 연료 입구, 공기 공급원에 부착된 공기 입구, 및 투여 연료/공기 출구를 갖는 하우징과; 투여 연료/공기 출구에 부착되고, 말단부에 노즐을 갖는 투여 라인과; 하우징 내에 적어도 부분적으로 위치 설정되는 연료 차단 밸브 및 디젤 연료 투여 밸브와; 하우징 내에 적어도 부분적으로 위치 설정되는 공기 퍼지 밸브를 포함하고, 연료 차단 밸브 및 디젤 연료 투여 밸브는 연료를 노즐에 제공할 수 있고, 공기 퍼지 밸브는 투여 라인과 노즐로부터 연료를 정화(purging)할 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예는 디젤 투여 모듈을 제공하는데, 이 디젤 투여 모듈은 연료 공급원에 부착된 연료 입구, 공기 공급원에 부착된 공기 입구, 및 투여 연료/공기 출구를 갖는 하우징 매니폴드와; 투여 연료/공기 출구에 부착되고, 말단부에 노즐을 갖는 투여 라인과; 하우징 매니폴드에 각각 부착되는 연료 차단 밸브 및 디젤 연료 투여 밸브와; 하우징 매니폴드에 부착되는 공기 퍼지 밸브와; 하우징 매니폴드에 부착되고, 연료 차단 밸브, 디젤 연료 투여 밸브 및 공기 퍼지 밸브를 수납하는 하우징 커버와; 하우징 매니폴드 및 하우징 커버에 의해 적어도 부분적으로 수납되는 전자 제어 유닛을 포함하고, 연료 차단 밸브 및 디젤 연료 투여 밸브는 연료를 노즐에 제공할 수 있고, 공기 퍼지 밸브는 투여 라인과 노즐로부터 연료를 정화할 수 있고, 이 밸브들은 전자 제어 유닛에 의해 제어된다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예는 차량을 위한 디젤 투여 방법을 제공하는데, 이 방법은 연료 입구, 공기 입구 및 투여 연료/공기 출구를 갖는 하우징 매니폴드와, 투여 연료/공기 출구에 부착되고 말단부에 노즐을 갖는 투여 라인과, 연료 차단 밸브와, 디젤 연료 투여 밸브와, 공기 퍼지 밸브를 포함하고, 각 밸브는 하우징 매니폴드에 부착되는, 디젤 투여 모듈을 제공하는 단계와; 연료 입구에서 하우징 매니폴드에 연료 공급원을 연결하는 단계와; 공기 입구에서 하우징 매니폴드에 공기 공급원을 연결하는 단계와; 디젤 산화 촉매의 상류 위치에서 배기 라인 내로 노즐을 삽입하는 단계와; 노즐로부터 원격인 위치에서 차량에 하우징 매니폴드를 연결하는 단계와; 연료 차단 밸브 및 디젤 연료 투여 밸브를 통해 노즐로 연료를 선택적으로 제공하는 단계와; 투여 라인 및 노즐로부터 연료를 정화하기 위해 공기 퍼지 밸브를 통해 노즐로 공기를 선택적으로 제공하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예들은 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세히 이제 기술될 것이다.
도 1은 디젤 투여 적용례에서의 디젤 투여 모듈의 실시예의 개략적 도면이다.
도 2는 디젤 투여 모듈의 실시예의 분해도이다.
도 3은 디젤 투여 모듈의 실시예의 개략도이다;
도 4는 디젤 투여 모듈의 전자 커넥터 커버 측의 입면도이다.
도 5는 디젤 투여 모듈의 매니폴드 측의 입면도이다.
도 6은 디젤 투여 모듈의 디젤 연료 출구 측의 입면도이다.
도 7은 디젤 투여 모듈의 연료 및 공기 입구 측의 입면도이다.
본 발명의 디젤 투여 모듈(10)의 실시예를 통합한 디젤 배기(exhaust) 시스템(110)이 도 1에 도시된다. 디젤 엔진(112)은 디젤 투여 모듈(10)의 공기 필터(116)를 통해 여과된 공기를 공급하는 공기 흡기 매니폴드(114)를 갖는다. 디젤 엔진(112)으로부터의 배기 가스(exhaust)는 배기 매니폴드(118)에 의해, 디젤 산화 촉매(122) 및 디젤 미립자 필터(124)를 포함하는 배기 파이프(120)로 지나간다. 여과된 연료는 디젤 엔진(112)으로부터 디젤 투여 모듈(10)로 전달된다. 여과된 공기는 디젤 투여 모듈(10)로 전달된다. 디젤 투여 모듈(10)은 디젤 산화 촉매(122)의 출구에서의 온도 정보와 디젤 미립자 필터(124)의 단부로부터의 배압 강하 정보를 수신할 수 있는 차량의 전자 제어 유닛(126)에 연결될 수 있다. 차량의 전자 제어 유닛(126)은 디젤 투여 모듈(10)을 제어하기 위해 온도 및 배압 데이터를 사용할 수 있다. 디젤 투여 모듈(10)은 디젤 산화 촉매(122)의 입구 이전에 있는 배기 파이프(120)에 미세하게 분무된 디젤 연료의 정확한 양을 제공한다. 기화된 연료가 디젤 산화 촉매(122)의 백금(platinum) 및/또는 팔라듐(Palladium) 내부 구조와 접촉하게 될 때, 발열 화학 반응이 발생하고 열이 방출된다. 연속적 재생을 위해 적절한 온도를 유지하기 위해, 구동 파라미터로서 디젤 산화 촉매(122) 온도를 사용하는 폐쇄 루프 제어 시스템이 채용된다. 배기 시스템 배압 피드백도 디젤 미립자 필터(124)의 상태와 이것이 미립자 물질로 막히게 될 수도 있는 양을 결정하는데 사용될 수 있다.
도 2 내지 도 7에 도시된 디젤 투여 모듈(10)은 연료 공급원에 부착된 연료 입구(14), 공기 공급원에 부착된 공기 입구(16), 및 투여 연료/공기 출구(18)를 갖는 하우징(12)을 포함한다. 투여 라인(50)은 투여 연료/공기 출구(18)에 부착된다. 노즐(60)은 모듈(10)이 고온 영역으로부터 멀리 있는 위치에 위치될 수 있도록 모듈(10)로부터 원격인 투여 라인(50)의 말단부에서 투여 라인(50)에 부착된다. 노즐(60)은 디젤 산화 촉매(122)의 상류에 있는 배기 파이프(120) 내로 연료를 분무하도록 위치 설정된다. 본 발명의 일 실시예에서, 노즐(60)은 파커 매크로스프레이(Parker Macrospray®) 노즐이다. 모듈(10)은 하우징(12) 내에 적어도 부분적으로 위치 설정되는 연료 차단 밸브(20) 및 디젤 연료 투여 밸브(30)와, 하우징(12) 내에 적어도 부분적으로 위치 설정되는 공기 퍼지 밸브(40)를 더 포함한다. 도시된 바와 같이, 하우징(12)은 모듈(10)의 내용물을 일반적으로 내장하고 보호하는 커버(15)와 매니폴드(13)를 포함한다. 커버(15)는 체결구(19)에 의해 매니폴드(13)에 부착 가능한 것으로 도시되어 있다. 연료 차단 밸브(20) 및 디젤 연료 투여 밸브(30)는 매니폴드(13)에 부착되고, 연료를 노즐(60)에 제공할 수 있다. 공기 퍼지 밸브(40)는 매니폴드(13)에 부착되고, 투여 라인(50) 및 노즐(60)로부터 연료를 정화할 수 있다. 체크 밸브(44)는 연료가 공기 라인으로 진입하는 것을 방지한다.
모듈(10)의 작동은 차량의 전자 제어 유닛(126)에 원격으로 부착되고 하우징(12) 내에 적어도 부분적으로 수납되는 전자 제어 유닛(70)에 의해 제어될 수도 있다. 이러한 부착은 캔 버스(CAN bus) 또는 다른 알려진 수단을 통하여 이루어질 수도 있다. 전자 제어 유닛(70)은 상술한 바와 같이 차량의 전자 제어 유닛(126)으로부터 수신된 데이터를 기초로 작동할 수도 있다. 다르게는, 모듈(10)은 전자 제어 유닛(70)을 내장하지 않고, 차량의 전자 제어 유닛(126)에 의해 직접적으로 제어된다.
언급된 바와 같이, 차량의 전자 제어 유닛(126)은 디젤 산화 촉매 온도 및 디젤 미립자 필터 배압을 모니터링하고, 탄화수소의 투여가 요구되는지 여부와, 요구되는 경우에 얼마나 많은 연료가 디젤 산화 촉매(122) 내로 도입되는 것인지에 대해 결정한다. 투여 시스템 전자 제어 모듈(70)은 그 정보를 획득하고, 모듈 기능을 관리한다. 전자 제어 유닛(70)은 연료 차단 밸브(20) 상태를 관리한다. 연료 차단 밸브(20)는 투여할 때 개방되는 디지털 밸브이다. 전자 제어 유닛(70)은 디젤 연료 투여 밸브(30) 작업 사이클을 관리한다. 작업 사이클은 5%와 연속적인 개방 사이에서 비례하여 변한다. 전자 제어 유닛(70)은 공기 퍼지 밸브(40) 상태를 관리한다. 공기 퍼지 시퀸스는 연료의 연료 라인을 정화하기 위해 투여 주기의 마지막에 사용된다. 또한, 보존 퍼지(maintenance purge)가 노즐의 팁으로부터 검댕(soot)을 깨끗이 하기 위해 투여 주기 이전에 추가될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 디젤 투여 모듈(10)은 연료 퍼지 시퀸스 동안에 노즐(60)의 청결 상태(health)에 관한 정보를 제공할 수 있는 하나 이상의 압력 변환기(42, 22)를 포함한다. 또한, 전자 제어 유닛(70 또는 126)은 노즐 상태를 관리한다.
디젤 투여 모듈(10)에 의해 사용되는 공기 공급은 엔진 콤프레서(engine compressor)에 의해 전형적으로 공급되는 차량 공기 시스템으로부터 이루어질 수 있다. 엔진이 터보 차저(turbocharger)를 갖는 경우와 같은 몇몇 경우에, 최대 터보 차저 공기 압력이 용례 특정 체적(application specific volume)를 갖는 어큐뮬레이터(80; accumulator) 내에 저장된다. 어큐뮬레이터(80)는 도 3에 도시되고, 공기 체크 밸브(82)가 도시되어 있다. 또한, 보충 공기 시스템(supplemental air system)이 이용될 수 있고, 필요한 경우에, 용례 특정 체적을 갖는 어큐뮬레이터(80)를 이용할 수 있다는 것이 고려된다.
전자 제어 유닛(126)에 의해 획득된 차량 데이터는 브레이크 위치 스위치, 파킹 브레이크 스위치 또는 구동 샤프트 속도 센서로부터의 프로세스 입력이 공기 퍼지 시퀸스가 전자 제어 유닛(70)에 의해 개시될 수 있다는 것을 나타낼 때와 같이 셧다운(shutdown)을 예상하는데 사용될 수도 있다. 이는 연료가 라인 내에 있는 동안 셧다운이 노즐 및/또는 연료 라인 코킹(fuel line coking)의 결과를 가져올 수 있는 열 소크(heat soak) 상태를 야기할 수 있는 동안에 유익하다.
또한, 전자 제어 유닛(70)은 온보드 진단기(on-board diagnostics)에 사용될 수 있다. 예를 들면, 시스템은 시간 경과에 따른 노즐 압력 강하를 측정함으로써 노즐 청결 상태[코킹됨(coked)]를 예상할 수 있고; 적절한 밸브 기능을 결정하기 위한 진단을 수행할 수 있고; 일관된 흐름을 허용하기 위해 밸브의 응답 상태에 따라 밸브 입력을 조절할 수 있고; 일관된 흐름을 허용하기 위해 연료 온도에 따라 디젤 투여 밸브의 응답을 조절할 수 있다.
예로서, 디젤 투여 모듈(10)의 작동이 기술될 것이다. 소정 상태가 충족될 때, 디젤 투여 주기의 작동은 차량의 전자 제어 유닛(126)에 의해 개시된다. 연료 차단 밸브(20)가 개방되고, 디젤 투여 밸브(30)가 개방된다. 여과된 연료는 밸브(20, 30)를 통해, 연료 투여 라인(50)을 통해, 그리고 디젤 산화 촉매(122)의 유체 출입구 이전에 유체를 기화시키는 노즐(60)을 통해 유동한다. 기화된 연료가 디젤 산화 촉매의 백금 및/또는 팔라듐 내부 구조와 접촉하게 될 때, 발열 화학 반응이 발생하고 열이 방출된다.
이 작동은, 공기 퍼지 밸브(40)가 개방되고 공기가 연료 투여 라인(50)을 통해 그리고 노즐(60)을 통해 유동하는 공기 퍼지 작동과 함께 시작되고/시작되거나 종료될 수도 있다. 이후, 공기 퍼지 밸브(40)는 미리 정해진 시간 이후에 폐쇄된다. 본 발명의 원칙, 실시예 및 작동이 본원에 상세히 기술되었을지라도, 이는 기술된 특정한 예시 형태로 제한되는 것으로서 해석되지 않는 것이다. 본원에서의 실시예의 다양한 변형이 본 발명의 기술사상 또는 범주로부터 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다는 것이 당해 기술분야의 숙련자들에게 명백하게 될 것이다. 이에 따라, 본 발명의 범주와 내용은 첨부된 특허청구범위의 용어에 의해서만 규정되는 것이다.

Claims (20)

  1. 디젤 투여 모듈이며,
    연료 공급원에 부착된 연료 입구, 공기 공급원에 부착된 공기 입구, 및 투여 연료/공기 출구를 갖는 하우징과,
    투여 연료/공기 출구에 부착되고, 말단부에 노즐을 갖는 투여 라인과,
    하우징 내에 적어도 부분적으로 위치 설정되는 연료 차단 밸브 및 디젤 연료 투여 밸브와,
    하우징 내에 적어도 부분적으로 위치 설정되는 공기 퍼지 밸브를 포함하고,
    연료 차단 밸브 및 디젤 연료 투여 밸브는 연료를 노즐에 제공할 수 있고,
    공기 퍼지 밸브는 투여 라인과 노즐로부터 연료를 정화할 수 있는
    디젤 투여 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    하우징 내에 적어도 부분적으로 위치 설정되는 전자 제어 유닛을 더 포함하는
    디젤 투여 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    밸브는 하우징 내에 위치 설정된 전자 제어 유닛에 의해 제어되는
    디젤 투여 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    노즐의 작동 상태를 모니터링하는 수단을 더 포함하는
    디젤 투여 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    노즐의 작동 상태를 모니터링하는 수단은 하우징 내에 위치 설정되는 압력 변환기를 포함하는
    디젤 투여 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    하우징 내에 적어도 부분적으로 위치 설정되는 공기 어큐뮬레이터를 더 포함하는
    디젤 투여 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    공기 입구와 어큐뮬레이터 사이에 체크 밸브를, 그리고 공기 퍼지 밸브와 투여 연료/공기 출구 사이에 체크 밸브를 더 포함하는
    디젤 투여 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    연료 차단 밸브 및 디젤 연료 투여 밸브의 작동은 디젤 산화 촉매의 감지된 출구 온도와 직접적으로 관련되는
    디젤 투여 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    연료 차단 밸브 및 디젤 연료 투여 밸브의 작동은 디젤 산화 촉매의 감지된 출구 온도와 직접적으로 관련되는
    디젤 투여 모듈.
  10. 디젤 투여 모듈이며,
    연료 공급원에 부착된 연료 입구, 공기 공급원에 부착된 공기 입구, 및 투여 연료/공기 출구를 갖는 하우징 매니폴드와,
    투여 연료/공기 출구에 부착되고, 말단부에 노즐을 갖는 투여 라인과,
    하우징 매니폴드에 각각 부착되는 연료 차단 밸브 및 디젤 연료 투여 밸브와,
    하우징 매니폴드에 부착되는 공기 퍼지 밸브와,
    하우징 매니폴드에 부착되고, 연료 차단 밸브, 디젤 연료 투여 밸브 및 공기 퍼지 밸브를 수납하는 하우징 커버와,
    하우징 매니폴드 및 하우징 커버에 의해 적어도 부분적으로 수납되는 전자 제어 유닛을 포함하고,
    연료 차단 밸브 및 디젤 연료 투여 밸브는 연료를 노즐에 제공할 수 있고,
    공기 퍼지 밸브는 투여 라인과 노즐로부터 연료를 정화할 수 있고,
    상기 밸브들은 전자 제어 유닛에 의해 제어되는
    디젤 투여 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    모듈의 전자 제어 유닛은 차량의 전자 제어 유닛에 연결되도록 구성되는
    디젤 투여 모듈.
  12. 제10항에 있어서,
    매니폴드에 부착되는 압력 변환기를 더 포함하고, 압력 변환기는 노즐의 작동 상태를 모니터링할 수 있는
    디젤 투여 모듈.
  13. 제10항에 있어서,
    공기 어큐뮬레이터를 더 포함하는
    디젤 투여 모듈.
  14. 제13항에 있어서,
    공기 입구와 어큐뮬레이터 사이에 체크 밸브를 더 포함하는
    디젤 투여 모듈.
  15. 제13항에 있어서,
    어큐뮬레이터는 최대 터보 차저 공기를 저장하기 위해 차량의 터보 차저와 함께 작동하는
    디젤 투여 모듈.
  16. 차량을 위한 디젤 투여 방법이며,
    연료 입구, 공기 입구 및 투여 연료/공기 출구를 갖는 하우징 매니폴드와, 투여 연료/공기 출구에 부착되고 말단부에 노즐을 갖는 투여 라인과, 하우징 매니폴드에 각각 부착되는 연료 차단 밸브, 디젤 연료 투여 밸브, 및 공기 퍼지 밸브를 포함하는, 디젤 투여 모듈을 제공하는 단계와,
    연료 입구에서 하우징 매니폴드에 연료 공급원을 연결하는 단계와,
    공기 입구에서 하우징 매니폴드에 공기 공급원을 연결하는 단계와,
    디젤 산화 촉매의 상류 위치에서 배기 라인 내로 노즐을 삽입하는 단계와,
    노즐로부터 원격인 위치에서 차량에 하우징 매니폴드를 연결하는 단계와,
    연료 차단 밸브 및 디젤 연료 투여 밸브를 통해 노즐로 연료를 선택적으로 제공하는 단계와,
    투여 라인 및 노즐로부터 연료를 정화하기 위해 공기 퍼지 밸브를 통해 노즐로 공기를 선택적으로 제공하는 단계를 포함하는
    차량을 위한 디젤 투여 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    연료 차단 밸브 및 디젤 연료 투여 밸브를 통해 노즐로 연료를 선택적으로 제공하는 단계는, 디젤 미립자 필터의 입구와 출구 사이의 압력 강하와 디젤 산화 촉매 출구 온도 중 하나 이상을 모니터링하는 차량의 전자 제어 모듈에 의해 결정되는
    차량을 위한 디젤 투여 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    투여 라인 및 노즐로부터 연료를 정화하기 위해 공기 퍼지 밸브를 통해 노즐로 공기를 선택적으로 제공하는 단계는, 차량 브레이크 위치 스위치, 파킹 브레이크 스위치 또는 구동 샤프트 속도 센서로부터의 입력에 대한 응답에 기초하여 차량의 전자 제어 모듈에 의해 결정되는
    차량을 위한 디젤 투여 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    노즐의 상태를 결정하기 위해 노즐을 가로지르는 압력 강하를 모니터링하는 단계를 더 포함하는
    차량을 위한 디젤 투여 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    일관된 흐름을 허용하기 위해 연료 온도에 따라 디젤 투여 밸브의 응답을 조절하는 단계를 더 포함하는
    차량을 위한 디젤 투여 방법.
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