KR20130133867A

KR20130133867A - 미립자 필터 재생용 촉매를 함유한 연료가 공급되는 엔진의 작동 방법

Info

Publication number: KR20130133867A
Application number: KR1020137026987A
Authority: KR
Inventors: 비르지니 아르; 미하엘 랄망; 티에리 세귀로
Original assignee: 로디아 오퍼레이션스
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2013-12-09
Also published as: CN103502402B; BR112013023746A2; JP2016200149A; CN103502402A; WO2012123540A1; KR101605597B1; EP2686410A1; US20140048029A1; FR2972766A1; FR2972766B1; JP2014511960A

Abstract

본 발명은 촉매형 미립자 필터를 포함하는 배기 시스템이 구비된 차량의 내연기관 작동 방법에 관한 것이며, 미립자 필터를 재생시키기 위한 촉매가 함유된 연료를 엔진에 공급한다. 상기 방법은 연료 내 촉매의 농도가 불연속적으로 변화되는 것을 특징으로 한다.

Description

미립자 필터 재생용 촉매를 함유한 연료가 공급되는 엔진의 작동 방법{PROCESS FOR OPERATING AN ENGINE SUPPLIED WITH A FUEL CONTAINING A CATALYST FOR REGENERATING A PARTICULATE FILTER}

본 발명은 미립자 필터 재생용 촉매를 함유한 연료가 공급되는 내연기관, 특히 디젤 엔진의 작동 방법에 관한 것이다. 이러한 방법은 엔진 배기가스로부터의 검은 연기를 제거시키기 위한 촉매식 미립자 필터를 구비한 자동차에 적용된다.

차량, 특히 디젤 차량에 대한 새로운 배기가스 관리 기준을 충족시키기 위해, 점차 이들 차량에 미립자 필터(PF)가 장착되고 있다. Euro 5 배기가스 기준이 시행되고 있는 유럽에서는 이미 장착되고 있다. 대부분의 예에서, 촉매는 필터에 포집된 매연(soot)을 주기적으로 연소시키는 작업을 돕고, 이에 따라 PF를 재생시키는 데 사용된다.

PF는 PF의 상류측 온도를, 매연 연소 및 이에 따른 PF 재생에 충분히 높은 온도까지 주기적으로 높임으로써 재생된다.

이러한 온도는 통상 650℃를 초과하므로, 이 수준의 열을 얻기 위해서 연료는 엔진 내에서 연소되거나(후분사) 또는 PF의 상류측 산화 촉매적 컨버터 상에서 보통 연소된다. 이는 디젤 엔진의 배기가스 온도가 일반적으로 현저히 더 낮기 때문이다(통상 400℃ 미만). 배기가스의 온도는 또한 HCCl 유형의 균일 예혼합 연소와 같은 새로운 연소 기술을 사용하게 되면서 낮아지는 추세에 있다. 배기가스의 온도는 또한 시내에서 사용할 때와 같이 특정 조건 하에서 차량을 사용할 때, 종종 250 미만으로 매우 낮다.

두 번째로 중요한 변수는 PF 재생 기간, 즉 PF의 상류측 온도를 높은 수준에 유지하는데 요구되는 시간 길이이다. 더 큰 추가적 연료 소비의 경제적, 환경적 영향 이상으로, 흔히 짧은 시간에 이루어지는 도시 주변 여행과 같은 일부 경우에서, PF를 재생하기에 충분히 더 길게 상기 조건들을 유지하기란 불가능하다.

이러한 재생 작업의 횟수와 지속기간을 줄일 수 있으면서, 또한 재생 작업을 더 낮은 온도에서 수행할 수 있는 몇몇 장점들이 있어야 함을 이해할 것이다. 이는, 후분사에 사용되는 연료량이 더 낮음을 감안할 때 차량의 연료 소비를 줄이는 효과를 가지기 때문이다. 결과적으로, 차량의 온실가스(CO₂) 배출이 낮아진다.

이는 또한 예를 들어 탄화규소처럼 내열성일 필요가 없는, 따라서 더 저렴한 재료의 PF를 사용할 수 있도록 한다. 아울러, 후분사 지속기간을 단축하면, 엔진 수명 및 고압 연료 분사기와 같은 특정 부품의 수명 또는 심지어 엔진 오일 체인지 간격과 같은 다른 기준들과 관련하여 유리하다는 것이 또한 입증되었다.

이러한 목적들을 충족시키기 위해, 상기 재생 작업을 촉진시키는 촉매를 대개 두 가지 주요 방식으로 사용한다.

- PF 벽에 형성된 기공 내부로 산화 촉매를 도입: 이러한 경우 PF는 촉매식 미립자 필터로 지칭되거나, 대안으로는 촉매 매연 필터(CSF)로 일컬어진다. 촉매는 일반적으로 백금과 같은 귀금속, 및 알루미나와 같은 전이금속 산화물, 또는 심지어 세륨, 세륨과 지르코늄, 또는 보다 포괄적으로는 희토류에 기반한 산화물과 같은 환원성 산화물로 구성된다. 본 기술은 현재 유럽 내 Euro 5 배기가스 기준을 충족시키는 요즘 차량들에 널리 사용되고 있다.

- 엔진에 공급될 연료에 함유되는 PF 재생 첨가제(대안으로, 연료 내장형 촉매(FBC))의 사용. 특히 세륨 및/또는 철에 기반한 각종 FBC 첨가제가 알려져 있다. 본 기술은 현재 디젤 차량에 마찬가지로 적합하다.

두 번째 방식이 보통 더 효과적이며, 특히 시내 운전시, 모든 주행 조건 하에 더 경제적으로, 더 환경친화적인 방식으로 PF를 재생할 수 있게 한다.

그러나, FBC 기술의 주요 단점은 기술을 구현하는 데 있어서의 복잡성, 상기 기술과 잘 맞은 차량에 현재 구현되는 것과 같이, 연료가 가능한 가장 일정한 첨가제 농도를 갖도록 보장하는 데 있어서의 복잡성이다. 통상, 연료 내 첨가제의 농도가 현저하게 변하지 않고 유지되게 하는 것, 즉, 첨가제 농도가 통상 20% 미만 또는 심지어 10% 미만의 농도 변화를 나타내도록 하는 것이 목적이다.

PF를 연료로 재생시키는 작업을 돕는 FBC 촉매적 첨가제가 도입될 수 있는 시스템에는, 일반적으로 첨가제 비축량을 포함하여 최소 용적이 2 내지 3 리터인 대용량이면서 연료 탱크 가까이의 영역에 설치될 필요가 있는 저장용기가 요구된다.

첨가제를 계량하는 기존 방법들은 또한 추가 전용 전자 장치를 사용하여 조절해야 하는 고정밀 계량 펌프를 필요로 한다. 이러한 전자 장치는 일반적으로 차량 전자 중앙 제어 장치 또는 ECU에 의존한다. 이러한 계량 장치는, 연료 내 첨가제의 함량이 PF의 양호한 재생을 가능하게 할 정도로 높되, 장치 내부에 포집되어 남아있는, PF 재생에서 발생된 무기 잔여물로 인해 PF가 조기 오염(premature fouling)될 정도로 아주 높지는 않도록 보장하기 위해 매우 정확하게 관리될 필요가 있다. 보통, 연료 추가 후에 탱크 내 연료 수준이 높아지면, ECU는 이러한 정보를 컴퓨터와 소통하고, 컴퓨터는 연료 내 첨가제의 농도를 항상 일정하게 유지하기 위해서 얼마나 많은 첨가제를 탱크에 분사해야 하는 지 펌프에 알려 준다.

이들 계량 펌프는 극도로 정확하고 매우 고가이다. 이러한 방법들을 이용하게 되면, 계량 시스템을 제대로 운영하고, 시스템의 작동 상태를 확인하는 작업이 수반된다. 따라서 이러한 시스템은 복잡하고, 결과적으로 고가이다.

본 발명의 목적은 공지된 방법들처럼 복잡하지 않고, 따라서 시행하기에 비용이 많이 들지 않는 방법을 제시하는 데에 있다.

이를 위해, 본 발명의 방법은 촉매형 미립자 필터(CSF)를 포함하는 배기 시스템이 구비된 차량 내연기관의 작동 방법이며, 미립자 필터 재생용 촉매를 함유한 연료를 엔진에 공급하면서, 연료 내 촉매 농도가 불연속적으로 변화되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 방법은, 연료 내 농도를 일정값에 유지하기 위한 종래 기술의 복잡한 시스템을 사용할 필요 없이, CSF가 특히 저온에서 효과적으로 재생될 수 있도록 한다.

본 발명의 다른 특징들, 상세 사항 및 이점들은 첨부된 도면을 참조로 이하 제공되는 설명을 읽음으로써 더욱더 완전히 명백해질 것이다.
도 1은 시간이 경과되면서 연료 탱크의 충전 수준에 따른 연료 내 촉매의 농도를 제공한다.

본 발명에 의한 방법의 본질적인 특징은 연료 내 촉매의 농도가 불연속적으로 변화한다는 점이다. 이는, 공지되어 있는 방법들과 달리, 촉매 농도가 일정하지 않고 시간에 따라 변화될 수 있다는 것을 뜻하며, 뿐만 아니라 촉매 농도는 불연속적으로 변화한다. 따라서, 매우 짧은 시간 내에 또는 순간적으로 촉매 농도는 다양한 값을 취할 수 있다. 촉매 농도는 0일 수 있고, 예를 들면 0 내지 30배, 더 구체적으로는 0 내지 20배 범위 내에서 변화할 수 있다. 더욱더 구체적으로, 이들 범위는 0 내지 15, 특히는 0 내지 5배로 다양할 수 있다. 따라서 이러한 농도는 특정 시간 동안 특정값에 일정하게 유지되다가, 매우 짧은 시간 내에 또는 순간적으로 다른 값으로 변경된 후, 또 다른 시간 동안 일정하게 유지될 수 있다.

본 발명의 방법은 다양한 대안적 방식으로 시행될 수 있다.

제1 대안예에 따르면, 본 방법은 CSF 충전(charge) 기간 동안과 같은 조건 하에 시행되며, 연료 내 촉매의 농도는 1회만 변화되어 증가한다. 따라서, 촉매 농도는 0일 수 있는 V₀값에서 V_n값으로 변화되어, V_n > V₀이 된다.

필터 충전 기간은, 배기가스가 CSF를 통해 흐르는 기간과, CSF가 꾸준히 매연으로 가득 차게 되는 기간을 의미한다. 이들 모두는 필터 재생 기간 밖의 엔진 작동 기간이다.

본 발명에 의한 방법의 제2 대안예에 따르면, 역시 미립자 필터 충전 기간 동안, 연료 내 촉매의 농도는 수회 변화되어 증가한다. 따라서, 촉매 농도는 0일 수 있는 V₀값에서 V_n값으로 변한 후 또 다른 V_n ₊ ₁값으로 변화되어, 이들 값은 V_n ₊₁> V_n > V₀이 된다.

또 다른 대안예에 따르면, 본 방법은 미립자 필터 충전 기간 동안, 연료 내 촉매의 농도가 1회 또는 수회 변화되어 감소된다. 따라서, 0이 아닌 V₀값에서 V_n값으로 변한 후 가능하게는 또 다른 V_n ₊ ₁값으로 변화되어, 이들 값은 V_n ₊₁< V_n < V₀이 된다.

제2 또는 제3 대안예의 경우, 변화가 일어나는 횟수는 무제한일 수 있다.

끝으로, 또 다른 대안예에 따르면, 연료 내 촉매의 농도는 수회 변화되어, CSF 충전 기간 동안 감소하거나 증가하여, 시간이 경과하면서 농도가 0이 될 수 있다.

본 발명은 모든 종류의 CSF 재생 촉매와 이용될 수 있다. 이들 촉매에 대해 잘 알려져 있다. 더 구체적으로, 단지 예를 들자면, 촉매는 콜로이드 분산액 형태를 취할 수 있다. 이러한 콜로이드 분산액 속의 콜로이드는 희토류의 화합물 및/또는 주기율표의 IIA, IVA, VIIA, VIII, IB, IIB, IIIB 및 IVB 족으로부터 선택되는 금속의 화합물을 기반으로 할 수 있다.

더 구체적으로 상기 콜로이드는 세륨 화합물 및/또는 철 화합물에 기반할 수 있다.

또한 세정제 조성물을 함유하는 콜로이드 분산액을 사용하는 것도 가능하다.

여기서 언급된 원소들의 주기율표는 French Chemical Society Bulletin No. 1 (1966년 1월)에 대한 부록으로 출판된 것이다.

예를 들어, 특허출원 EP 671205, WO 97/19022, WO 01/10545 및 WO 03/053560에 기재된 콜로이드 분산액을 언급할 수 있으며, 끝의 두 문헌은 각각 구체적으로 세륨 화합물 및 철 화합물에 기반하며, 양친매성 작용제 역시 함유하는 분산액에 대해 기재하고 있다.

철 화합물, 양친매성 작용제, 및 4차 암모늄염-함유 세정제 조성물에 기반한 콜로이드 분산액에 대해 기재하고 있는 특허출원 WO 2010/150040을 또한 언급할 수 있다.

4차 암모늄염은

(a) 하이드로카빌-치환된 아실화제, 및 아실화제를 축합시킬 수 있는 산소 또는 질소 원자를 가진 화합물의 축합 반응으로 수득되며, 적어도 1개의 3차 암모늄기를 가진 축합 생성물,

(b) 적어도 1개의 3차 아미노기를 가진 폴리알켄-치환 아민, 및

(c) 적어도 1개의 3차 아미노기를 가지며, 하이드로카빌-치환된 페놀, 알데하이드 및 아민으로부터 유도된 만니히 반응 생성물

을 함유할 수 있는 (i) 적어도 1종의 화합물과;

(ii) (i) 화합물의 3차 아미노기를 4차 질소로 전환시키는데 적합한 4기화 작용제(quaternizing agent)의 반응 생성물일 수 있다.

4기화 작용제로, 디알킬 설페이트; 벤질 할라이드; 하이드로카빌 치환된 카보네이트; 산과 배합된 하이드로카빌 치환된 에폭사이드; 또는 이들의 혼합물이 있을 수 있다.

촉매형 PF 역시 잘 알려져 있다. 일반적으로 이들 PF는 백금 및 백금족 금속(이를테면, 가령 팔라듐) 중에서 선택된 1종 이상의 금속에 기반한 촉매를 포함한다. 백금과 이들 금속의 조합물, 또는 이들 금속과 다른 금속과의 조합물 역시 가능하다.

촉매의 금속은 필터에 혼입되거나 공지된 한 방식으로 필터에 적용될 수 있다. 예를 들면, 그 자체로 필터에 도포되는 코팅(워시코트)에 포함될 수 있다. 이러한 워시코트는 알루미나, 산화티타늄, 실리카, 스피넬, 제올라이트, 실리케이트, 결정성 알루미늄 포스페이트, 및 이들의 혼합물 중에서 선택될 수 있다. 더 구체적으로는 알루미나를 사용할 수 있다. 워시코트는 또한 매연 연소에 직접 또는 간접적인 도움을 줄 수 있는 환원성 물질을 함유할 수 있다. 예를 들어, 산화세륨에 기반한 물질(이를테면, 세린), 그리고 가능하게는 도핑된 세륨 및 지르코늄-기반 혼합형 산화물, 또는 망간 산화물을 언급할 수도 있다.

PF 촉매가 매연의 연소를 돕는 촉매인 경우에는, 비교적 저함량으로, 즉, 일반적으로 70 g/foot³(2.5 g/dm³) 이하의 양으로 필터 상에 존재하게 된다. 상기 양은 PF의 부피에 대한 원소형 금속의 질량, 예를 들면 백금 질량 기준으로 표현한다. 더 구체적으로 상기 양은 60 g/foot³(2.1 g/dm ³) 이하, 더욱더 구체적으로는 50 g/foot³(1.8 g/dm³) 이하일 수 있다.

연료 내 재생 촉매, 특히 콜로이드 분산액의 형태로 존재하는 재생 촉매의 질량 농도는 유리하게 0 내지 30 ppm에 포함되며, 상기 함량은 철-기반 콜로이드 분산액의 경우, 철과 같은 원소형 금속을 기준으로 표현한다. 엔진에서 배출되는 매연의 촉매 농도(원소형 금속의 질량을 기준으로 표현함)는 연료 내 재생 촉매의 함량, 차량의 연료 소비 및 매연의 생산에 따라 0 내지 8%에 속할 수 있다.

본 발명의 방법을 시행할 때, 다양한 함량의 재생 촉매를 함유한 연료로 차량을 주행시키게 되며, 이때 상기 함량은 특정 기간에 걸쳐 0일 수 있다. 엔진에 의해 생성된 매연에는, 연료 내 첨가제 수준에 따라, CSF의 재생에 적극적인 역할을 하는 원소들이 다소 고함량으로 함유되어 있을 수 있다.

따라서, CSF는 대안적으로 재생 촉매 첨가제를 전혀 함유하지 않거나, 재생 촉매 첨가제가 다양한 농도로 함유된 매연으로 가득하게 될 것이다. CSF의 주기적 재생시 사용되는 연료는 첨가제를 함유하거나 함유하지 않을 수 있다.

재생 작업은 제조사가 선택한 기술을 이용하여 ECU 차량을 제어하는 가운에 종래 방식으로 수행된다.

본 발명의 장점은, 공지되어 있는 방법들보다 저렴한 단순한 시스템을 통해 첨가제를 연료에 도입할 수 있다는 것과, 그 계량 방침을 차량에 설치하기가 더 단순하면서 더 신속하다는 것이다. 특히 바람직한 시스템은 차량의 중앙 제어 시스템 ECU와 전혀 인터페이스할 필요가 없는 시스템으로, 차량 상의 설치 작업을 더 단순화시킨다.

하기에는, 시간이 경과함에 따라 상이하고 다양한 양의 첨가제를 도입할 수 있도록 하는 간단한 구현예들을 제공한다.

제1 구현예는 일반적으로 액체인 소정 용량의 첨가제를 차량 연료 탱크에 손수 부음으로써 첨가시키는 작업을 포함한다. 첨가제 용량은 CSF를 재생시키는데 적극적인 물질의 함량이 CSF 내에 포집된 매연의 연소를 촉진시키기에 충분히 높도록 산출된다. 예를 들자면, 철 입자의 콜로이드 현탁액, 이를테면 특허출원 WO 2010/150040의 실시예 3에 따른 분산액(C)에 기반한 첨가제의 경우, 첨가제의 수동식 적용 직후 연료 내 원소형 철의 함량은 유리하게 금속 철의 질량을 기준으로 2 내지 30 ppm에, 더 구체적으로는 금속 철의 질량을 기준으로 5 내지 20 ppm에 포하될 수 있다.

이러한 간단한 방식으로, 필요할 때 첨가제를 연료에 첨가할 수 있으며, 특히 차량이 주로 시내에서 사용되는 경우에는 일정한 횟수로, 예를 들면 1000 내지 3000 km마다 첨가제를 첨가하는 방식으로 첨가할 수 있다. 이러한 방식은 또한 차량 계기판에 표시등이 공해 감소 수단의 고장 상태를 신호 주는 경우에도 이용될 수 있다.

도 1은, 수동으로 탱크에 소정 용량의 첨가제를 정기적으로, 본 경우에서는 2200 km 마다(또는 주행 44 시간 마다) 수동으로 첨가시켜 얻을 수 있는, 연료 내 재생 촉매 농도의 그래프에 대한 한 예를 도시한다. 본 예에서는 6 l/100 km의 고정 연료 소비량, 50 km/h의 고정 속도, 그리고 이에 따른 3 l/h의 고정 연료 소비량을 고려하였다. 통상, 소정 용량의 첨가제를 첨가하자 마자(도면에서 Ev1로 표시된 제1 이벤트: 탱크에 함유된 연료 40 리터 내에 15 ppm의 금속 철 함량을 얻을 수 있게 하는 재생 촉매의 부피), 철 함량이 급격하게 높아졌다(이 경우, 0에서 15 ppm으로 변했다). 이러한 철 함량은 연료가 탱크에 추가될 때까지 시간이 지나도 일정하였으며, 이는 첨가제-함유 연료의 남아있는 부피와, (첨가제를 함유하지 않은) 추가된 연료의 부피(Ev2로 표시된 제2 이벤트: 탱크에 남아있는 20 L의 연료에 40 L의 연료(첨가제를 함유하지 않음)를 첨가함)의 각 비율에서 철의 농도 희석으로 이어진다. 이러한 제2 이벤트를 본 예에서 4번 반복하였다. 각 첨가시, 철의 농도가 비례적으로 감소하였다.

도면은 또한 CSF 재생 기간(도면에서 별표로 표시됨) - 주기적인 700 km 간격으로, 즉 14시간 작동 시간마다 재생됨 - 을 나타내었다. 예를 들어, 첫 번째 재생에 해당되는 CSF의 매연 적재량은, 첨가제-비함유 연료로 차량이 운전된 시간의 50% 및 15 ppm 중량의 철이 첨가된 연료로 운전된 시간의 50%에서 구하였다는 것을 주목한다. 하기 실시예 1은 이러한 충전 조건들 하에서 수행된 CSF 재생 엔진을 통해 얻게 되는 이점을 설명한다.

따라서, CSF에 매연이 충전되는 현상은 가변성 첨가제 농도를 가진 연료를 사용함으로써 발생하고, 소정 용량의 첨가제를 (본 예에서는, 2200 km 마다(44 시간마다) 수동으로 탱크에 붓는 작업을 포함하는 매우 단순한 시스템을 이용하여 이득을 얻는다는 것을 주목한다.

또 다른 구현예는, 재생 촉매를 도입하기 위해 차량에 단순한 자동 수단, 즉, 차량의 중앙 ECU에 연결되지 않는 수단을 설치하는 것으로 이용될 수 있다. 이러한 수단은 소형 FBC 탱크(통상 1 리터 이하)와, 일정한 간격으로 연료 탱크에 소정 양의 첨가제를 분사할 수 있게 하는 계량 펌프가 추가되어 구성될 수 있다. 기존의 시스템과 비교했을 때, 상기 펌프는 덜 복잡하며, 분사량이 정해져 있으므로 더 저렴하다. 예를 들어 펌프는 일정한 간격(이를테면 매 5 내지 10시간을 기준으로 한 간격 및/또는 이를테면 1000 내지 3000 km의 거리를 기준으로 한 간격)으로 분사하도록 프로그래밍될 수 있기 때문에, ECU와 인터페이스할 필요가 전혀 없다. 펌프에 위치되는 국소 장치들, 이를테면 전력 인가 장치 또는 GPS 칩은 차량이 주행되고 있다는 것을 펌프에 알려주거나, 또는 차량의 주행 거리를 제공할 수 있다.

이하 실시예들을 제공한다.

실시예 1

폭스바겐 그룹에서 공급하는 디젤 엔진(4 실린더, 2 리터, 공냉식 터보차져, 81 Kw)을 엔진 시험대(test bed)로 사용하였다. 하류측에 장착된 배기 라인은 백금 및 알루미나에 기반한 워시코트를 함유하는 산화 촉매 컨버터에 이어, 백금 및 알루미나에 기반한 워시코트를 함유하는 상업용 CSF(전체 필터 부피: 3 L)로 이루어진 상업용 라인이다.

연료로는, 10 ppm 미만의 황과 7 부피%의 FAME 또는 지방산 메틸 에스테르를 함휴하는 EN590 DIN 51628 표준에 따른 상업용 연료를 사용하였다. FBC 재생 촉매를 사용하는 경우에는, 연료의 질량에 대해 질량 ppm 형태로 표현되는 다양한 금속성 철 함량을 얻을 수 있게 하는 양의 FBC 첨가제를 연료에 첨가하였다. 사용된 FBC 첨가제는 특허출원 WO 2010/150040의 실시예 3에 따른 분산액 C와 같은 철 입자의 콜로이드 분산액에 기반한 첨가제이며, 본 첨가제 내 원소형 철의 함량의 4.3 질량%의 금속성 철이었다.

첨가제-함유 연료 내 철의 함량은 X-선 형광 기법을 이용하여 유기 액체 중에서 직접 모니터링하였다.

본 시험은 두 개의 연속적 단계로 수행하였다: CSF 매연 충전 단계에 이은, CSF 재생 단계. 이들 두 단계를 위한 조건들은 각종 시험에서 엄격하게 동일시하되, 단 사용된 연료의 종류(첨가제를 함유 여부)는 예외로 하였다.

충전 단계는 엔진을 3000 revs/min (rpm)의 속도에서, 45 Nm의 회전력을 사용하여, 대략 6시간 동안 운전시킴으로써 수행하였다. 본 충전 단계는 CSF에 12 g의 미립자(또는 매연)가 가득찼을 때 중단하였다. 이 단계 동안, CSF의 상류측 가스들의 온도는 230 내지 235℃였다. 이러한 조건들 하에서, 미립자 배출은 약 2 g/h였다.

이러한 충전 단계가 끝나면, 상기 단계 동안 적재된 미립자들의 질량을 확인하기 위해, CSF를 분리시킨 후 무게를 측정하였다.

CSF를 시험대 상에 다시 맞추어 넣고, 30분 동안 충전 주행 조건(3000 rpm/45 Nm)으로 되돌아가는 엔진에 의해 가열하였다. 그런 후에는 엔진 조건들을 변경하고(회전력 80 Nm/2200 rpm), 엔진 중앙 제어 장치(ECU)는 후분사를 감독하여, CSF의 상류측 온도가 500℃까지 높아지고 재생 작업이 시작될 수 있도록 하였다. 이들 조건을 60분 동안 유지하였다. 이때 시간은 후분사가 시작된 시점으로부터 측정한다.

모든 경우에서, 재생에 사용된 연료는 CSF 충전 단계에서 사용된 마지막 연료에 해당한다.

CSF 재생의 효율은 두 가지 변수를 통해 측정하였다:

- 재생시 연소된 매연의 질량, 이는 충전 전(Mo), 충전 후(Mc) 및 재생이 끝났을 때(Mr) CSF의 무게를 재어 산출하였다. 재생 60분 후 연소된 매연의 %를 아래와 같이 표현하였다:

연소된 매연의 총 % = (Mc-Mr)/(Mc-Mo)*100

- 재생이 시작될 때의 압력 강하(DPc)는 매연 질량으로 가득 찬 CSF의 압력 강화(Mc-Mo)에 대응하고, 60분 후의 압력 강하(DPr)는 연소되지 않은 매연으로 가득 찬 CSF의 압력 강화(Mr-Mo)에 대응한다는 것을 감안하여, 각 시점 DPt에서 CSF를 가로지르는 압력 강하 변화로부터 산출되는 임의의 재생 시점 t에서 연소된 매연의 질량.

연소된 매연 % (t) = ((DPc-DPt)/(Dpc-Dpr)) * 연소된 매연의 총 %

일반적으로, 이들 변수가 더 높을 수록, 더 효율적으로 재생된다.

CSF를 충전하는 동안 다양한 연료들을 사용하여 각종 시험을 수행하였다.

첨가제-비함유 연료를 사용하거나(시험 1), CSF 충전 및 재생 내내 첨가제가 첨가된 연료를 사용하여(시험 10: 연료 첨가제 함량 - 철 15 ppm, 시험 11: 연료 내 첨가제 함량 - 철 3 ppm), (본 발명에 따른 것이 아닌) 3가지 대조군 시험을 수행하였다.

CSF 충전을 시작할 때 첨가제를 전혀 함유하지 않았지만(연료 No. 1), 충전이 끝났을 때 첨가제를 함유하거나(연료 No. 2)(시험 2 내지 5 및 8 내지 9), 그 반대 순서로, 즉 CSF 충전을 시작할 때 첨가제를 함유하였지만 충전이 끝났을 때 첨가제를 함유하지 않은 연료(시험 6 내지 7)를 사용하여, (본 발명에 따른) 8가지 시험을 수행하였다.

각 시험은 첨가제-함유 연료의 유무에 따른 각각의 충전 시간, 또는 연료에 함유된 FBC 첨가제 양의 변화를 나타낸다.

표 1에서는, CSF 재생시 얻은 결과들, 즉 재생 기간(1 시간)이 끝났을 때 또는 재생이 시작될 때(20분) 전체 연소된 매연 %를 비교하였다.

첨가제-비함유 연료를 사용한 경우(시험 1)의 CSF의 평균 효과를 계산하여 구한 이론적 효과와, 첨가제-함유 연료로 충전된(시험 10)의 CSF의 평균 효과를 각 시점에서 비교하였다.

다양한 연료를 사용한, CSF 재생 엔진 시험의 결과
				전체 1시간 내에 연소된 매연%		20분 후 연소된 매연%
시험 번호	연료 번호 1	연료 번호 2	연료 번호 2를 사용한 동안의 시간%	E^**	Th^**	E^*	Th^*
1^*	첨가제 무(無)	첨가제 무(無)	N/A	60	N/A	39	N/A
2	첨가제 무(無)	철 15 ppm	50%	85	75	72	64
3	첨가제 무(無)	철 15 ppm	33%	84	70	68	55
4	첨가제 무(無)	철 15 ppm	25%	77	67	56	51
5	첨가제 무(無)	철 15 ppm	15%	78	64	54	46
6	철 15 ppm	첨가제 무(無)	50%	87	75	80	64
7	철 15 ppm	첨가제 무(無)	33%	83	70	69	55
8	첨가제 무(無)	철 7 ppm	33%	84	70	62	55
9	첨가제 무(無)	철 3 ppm	50%	86	75	68	64
10^*	철 15 ppm	철 15 ppm	N/A	90	N/A	90	N/A
11^*	철 3ppm	철 3 ppm	N/A	88	N/A	88	N/A

* 본 발명에 따른 것이 아닌 비교 시험

** E = 실험값 Th = 이론값

*** 전체 필터 충전 시간에 대한 %로 표현

무엇보다도, CSF 충전 기간 내내 연료에 FBC를 첨가한 결과(시험 10 및 시험 11), 재생 효율이 크게 증가된 것을 주목할 수 있다. 이는 500℃에서 20분이 지나면 재생 작업이 거의 완료되어(연소된 매연 88 내지 90%), 철 함량(3 내지 15 ppm)이 재생에 영향을 거의 미치지 않기 때문이다.

이와는 반대로, 첨가제-비함유 연료를 사용한 결과(시험 1), 재생이 완료되지 않았으며(1시간 후 60%), 게다가 훨씬 더 천천히(20분 후 39% 재생) 일어났다.

첨가제-비함유 연료를 사용하다가 첨가제-함유 연료로 변경하여 사용한 (또는 그 역으로도 가능) CSF의 충전 결과, CSF의 재생 효율이 크게 증가하였다.

철 15 ppm의 첨가제를 함유한 연료를 사용한 경우(시험 2 또는 6) 충전 시간의 50%에서 시험이 끝났을 때의 거의 전체 (85 내지 87%) 재생을 얻을 수 있었으며, 20분 재생 후에는 재생이 많이 진행되었다(72 내지 80%).

뜻밖에, FBC 도입과, 첨가제-비함유 연료에 의한 기여도를 감안하였을 때, 실험적으로 관찰된 값들이 이론값들보다 현저히 더 높다는 것을 발견하였다.

시험 2는 도 1에서 첫 번째 재생시 CSF의 충전에 대해 설명된 CSF 충전 조건들을 나타낸다.

상기 결론들은 CSF가 첨가제-함유 연료로 충전되는 시간 비율(15% 내지 50%)이 무엇이든, 그리고 첨가제-함유 연료를 사용하는 순서에 관계없이(충전 기간의 초기에 또는 말미에 사용하였든지) 유효하다.

또한, 시험 8과 시험 9에서 설명한 바와 같이 연료 내 FBC의 함량이 매우 낮으면, 유리한 시너지적 효과를 관찰할 수 있다는 것을 알 수 있다.

실험 2

실시예 1에 기재된 것과 동일한 프로토콜과 동일한 장비를 사용하여, 다른 시리즈의 CSF 재생 엔진 시험들을 수행하였다.

여기서, 연료 내 (실시예 1의 것과 같은) FBC 농도를 더 자주 변화시키면서 CSF를 충전하였다.

따라서, CSF 충전 작업은 표 2에 기재되는 바와 같은 순서로 연료들을 사용하여 수행하였다.

* 본 발명에 따르지 않은 비교 시험

표 3에서는, 재생 기간(1 시간)이 끝났을 때 또는 재생이 시작될 때(20분) 전체 연소된 매연 %를 ㅍ현하는, CSF 재생시 얻은 결과들을 비교하였다.

시험 No	1시간 내에 연소된 전체 매연 %	20분 후 연소된 매연 %
1	60	39
12	91	88
13	88	85
10	90	90

첨가제-비함유 연료를 사용하여 CSF를 재생한 경우(시험 1)에 비해, FBC 첨가제를 연료에 첨가하였을 때(시험 10, 12 및 13) 효율이 증가한다는 것(재생이 거의 완료되고, 재생 역학이 향상됨)을 주목할 것이다. 연료에 첨가제를 전혀 첨가하지 않은 기간인 혼입 기간(시험 12 및 13)을 포함하여, 시간 경과에 따라 첨가제를 상이한 용량으로 첨가하였을 때, 시간 경과에 따른 첨가제 함량을 완벽하게 제어한 연료를 사용하였을 때(시험 10)와 동일한 결과를 낳았다.

Claims

촉매형 미립자 필터를 포함하는 배기 시스템을 구비하며, 미립자 필터 재생용 촉매를 함유한 연료를 엔진에 공급하는 차량 내연기관의 작동 방법이며, 연료 내 촉매 농도가 불연속적으로 변화되는 것을 특징으로 하는 상기 차량 내연기관의 작동 방법.
제1항에 있어서, 미립자 필터 충전 기간 동안, 연료 내 촉매의 농도가 1회만 변화하여 증가되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 미립자 필터 충전 기간 동안, 연료 내 촉매의 농도가 수회 변화하여 증가되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 미립자 필터 충전 기간 동안, 연료 내 촉매의 농도가 1회 또는 수회 변화하여 감소되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 미립자 필터 충전 기간 동안, 연료 내 촉매의 농도가 수회 변화하여 증가 또는 감소되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 미립자 필터를 재생시키는 촉매는 콜로이드 분산액 형태를 취하는 것을 특징으로 하는 방법.
제6항에 있어서, 콜로이드 분산액 속의 콜로이드는 희토류의 화합물 및/또는 주기율표의 IIA, IVA, VIIA, VIII, IB, IIB, IIIB 및 IVB 족으로부터 선택되는 금속의 화합물을 기반으로 하는 것임을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 콜로이드 분산액 속의 콜로이드는 세륨 화합물 및/또는 철 화합물을 기반으로 하는 것임을 특징으로 하는 방법.
제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 콜로이드 분산액은 세정제 조성물을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
제8항 또는 제9항에 있어서, 콜로이드 분산액은 철 화합물, 양친매성 작용제, 및 4차 암모늄염-함유 세정제 조성물을 기반으로 하는 것임을 특징으로 하는 방법.