KR20150119316A - 이중 연료 엔진들에 대한 배기 시스템 - Google Patents

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마이클 골린
아담 제이. 코트르바
로버트 애플게이트
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테네코 오토모티브 오퍼레이팅 컴파니 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 제1 연료 및 제2 연료가 제공되는 이중 연료 엔진에 대한 배기 시스템에 관한 것이다. 배기 시스템은 배기 가스 통로를 포함하며, 배기 가스 처리 구성 요소가 배기 가스 통로에 제공된다. 열 증대 디바이스는 배기 가스 통로와 연통하고 배기 가스 처리 구성 요소 상류에 위치되며, 열 증대 디바이스는 이중 연료 엔진으로 제공되는 제1 연료와 제2 연료 사이의 전환 동안 배기 가스 통로에 위치되는 배기 가스의 온도를 상승시키도록 작동 가능하다. 배기 가스 처리 시스템은 배기 가스 처리 구성 요소를 우회하는 배기 가스 통로와 연통하는 바이패스 파이프를 포함할 수도 있으며, 이중 연료 엔진에 의한 제1 연료의 연소 동안, 바이패스 파이프는 열려있다. 이중 연료 엔진에 의한 제2 연료의 연소 동안, 바이패스 파이프는 폐쇄된다.

Description

이중 연료 엔진들에 대한 배기 시스템{EXHAUST SYSTEM FOR DUAL FUEL ENGINES}
본 발명은 이중 연료 엔진들에 대한 엔진 배기 시스템들에 관한 것이다.
본 항목은, 반드시 종래 기술이지는 않은, 본 개시 내용과 관련된 배경 정보를 제공한다.
이중 연료들 상에서 작동하는 엔진들은 다양한 배출물 규정이 연안 지역들에서 유효하지만, 육지로부터 미리 정해진 거리에서 난바다로 있는 동안은 유효하지 않을 수 있는 선박 산업에서 통상적이다. 예를 들어, 해양 선박 상의 엔진은 해안에 근접한 동안 보다 적은 유황 함유 연료를 사용하여 작동하고, 항해 중에 있는 동안 많은 유황 함유 연료를 사용하여 작동할 수 있다.
유황 함유 연료의 연소는 유황을 포함하는 배기 가스를 생성한다. 배기 가스에서의 유황은 환경에 유해할 수 있는 황 산화물(SOX)의 생성을 증가시킬 수 있다. 게다가, 배기 가스에서의 유황은 배기 가스 후처리 시약들과 반응하여 암모니아 중황산염과 같은 부산물을 생성할 수 있다. 암모니아 중황산염에 오랜 기간 노출된 후에, 배기 가스 후처리 시스템의 촉매 코팅된 기층들은 막힐 수 있으며, 이는 배기 가스 후처리 시스템의 능률을 감소시킨다.
보다 많은 유황 함량을 갖는 연료들을 포함하는 일부 연료는 암모니아 중황산염을 생성하기 더 쉽다. 이러한 우려를 해결하기 위해, 연료 공급자들은 보다 적은 유황 함량 연료들을 개발하였다. 그러나, 보다 적은 유황 함량을 갖는 연료는 연료의 생산 비용 증가로 인해 더 고가이다. 이러한 연료 비용을 고려하여, 앞서 주목된 이중 연료 엔진들이 개발되었다. 그러나 연료 전환시, 잔류 연료가 배기 시스템에 남는 것은 보기 드문 것은 아니다. 배기 시스템에서의 연료가 보다 많은 유황 함량을 가지면, 잔류 연료는 배기 가스 후처리 시스템의 촉매 코팅된 기층들을 오랜 기간에 걸쳐 막을 수 있는 많은 양의 암모니아 중황산염을 생성할 수 있다.
본 항목은, 개시 내용에 관한 일반적인 요지를 제공하나, 이는 개시 내용의 전체 범위의 포괄적인 개시 또는 그 특징들 모두는 아니다.
본 발명은 제1 연료 및 제2 연료가 제공되는 이중 연료 엔진에 대한 배기 시스템을 제공한다. 배기 시스템은 배기 가스 통로를 포함하며, 배기 가스 처리 구성 요소가 배기 가스 통로에 제공된다. 열 증대 디바이스는 배기 가스 통로와 연통하고 배기 가스 처리 구성 요소의 상류에 위치되며, 열 증대 디바이스는 이중 연료 엔진으로 제공되는 제1 연료와 제2 연료 사이의 전환 동안 배기 가스 통로에 위치되는 배기 가스의 온도를 상승시키도록 작동 가능하다. 배기 가스 처리 시스템은 배기 가스 처리 구성 요소를 우회하는 배기 가스 통로와 연통하는 바이패스 파이프를 포함할 수도 있으며, 이중 연료 엔진에 의한 제1 연료의 연소 동안, 바이패스 파이프는 열려있다. 이중 연료 엔진에 의한 제2 연료의 연소 동안, 바이패스 파이프는 폐쇄된다.
추가적으로 적용 가능한 분야가 본원에서 제공될 설명으로부터 자명해질 것이다. 본 요지의 설명 및 구체적인 예는 단지 설명의 목적을 위한 것이고 본 개시 내용의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
본원에서 설명된 도면은 단지 선택된 실시예의 설명을 위한 것이고 모든 가능한 구현예에 대한 것은 아니며, 본 개시 내용의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 배기 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 원리에 따른 방법을 개략적으로 도시하는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 원리에 따른 다른 방법을 개략적으로 도시하는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 원리에 따른 다른 방법을 개략적으로 도시하는 흐름도이다.
도면들 중 몇몇 도면 전반을 통해서, 상응하는 참조 번호가 상응하는 부분을 나타낸다.
예시적 실시예를 첨부 도면을 참조하여 이제 보다 상세히 설명할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 배기 시스템(10)을 개략적으로 도시한다. 배기 시스템(10)은 연소되면, 배기 가스 후처리 시스템(16)을 갖는 배기 가스 통로(14)로 배출되는 배기 가스들을 생성할 한 쌍의 연료원(13a 및 13b)과 연통하는 적어도 엔진(12)을 포함할 수 있다. 연료원들(13a 및 13b)은 상이한 연료들을 포함한다. 예를 들어, 연료원(13a)은 적은 유황 디젤 연료(LSF)를 포함할 수 있는 반면에, 연료원(13b)은 초미량 유황 디젤 연료(ULSF)를 포함할 수 있다. 사용될 수 있는 다른 예시적인 연료들은 선박용 경유(MGO), 선박용 디젤유(MDO), 중간 연료유(IFO), 중유(HFO), 천연 가스 및 디젤 연료의 조합들, 또는 수소와 천연 가스의 혼합물들을 포함한다. 게다가, 앞서 언급된 연료들의 임의의 조합이 연료원들(13a 및 13b)에 저장될 수 있다는 점이 이해될 것이다.
디젤 산화 촉매(DOC), 촉매 코팅된 디젤 미립자 필터(DPF) 구성 요소 또는 예시된 바와 같이, 선택적 촉매 환원(SCR) 구성 요소(20)를 포함할 수 있는 배기 가스 처리 구성 요소(18)가 엔진(12) 하류에 배치될 수 있다. SCR 구성 요소(20)가 도시되었지만, SCR 구성 요소(20)가 DOC 또는 DPF를 내부에 포함할 수도 있다는 점이 이해될 것이다. 게다가, SCR 구성 요소(20)는 SCR 촉매 코팅된 DPF 또는 SCR 촉매 코팅된 관류 필터(FTF)일 수 있다.
배기 가스 후처리 시스템(16)은 배기 가스 통로(24)를 통과하는 배기 가스들의 온도를 증가시키기 위해 열 증대 디바이스 또는 버너(17)와 같은 구성 요소들을 더 포함할 수 있다. 배기 가스의 온도를 증가시키는 것은 추운 기후 조건에서 그리고 엔진(12)의 시동 시에 배기 가스 처리 구성 요소(18)의 촉매의 라이트-오프를 달성하는데 뿐만 아니라, 배기 가스 처리 구성 요소(18)가 DPF일 때, 배기 가스 처리 구성 요소(18)의 재생을 개시하는데 유리하다.
엔진(12)에 의해 생성되는 배출물들의 환원을 돕기 위해, 배기 가스 후처리 시스템(16)은 배기 가스 처리 유체를 배기 가스 흐름으로 주기적으로 투입하는 투입 모듈(22)을 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 투입 모듈(22)은 배기 가스 처리 구성 요소(18)의 상류에 위치될 수 있고, 배기 가스 처리 유체를 배기 가스 흐름으로 주입하도록 작동 가능하다. 이것과 관련하여, 투입 모듈(22)은 디젤 연료, 요소 또는 기체 암모니아와 같은 배기 가스 처리 유체를 배기 가스 처리 구성 요소(20)의 상류의 배기 가스 통로(24)로 투입하기 위해 입구 라인(28)을 통하여 시약 탱크(24) 및 펌프(26)와 유체 연통한다. 탱크(24)는 액체 배기 가스 처리 유체들을 저장할 수 있거나, 고체 또는 기체 암모니아를 저장할 수 있다. 요소와의 조합으로 배기 가스 처리를 향상시키는데 사용될 수 있는 다른 재료들은 별도의 탱크(미도시)에 저장될 수 있는 에탄올 또는 수소일 수 있다.
투입 모듈(22)은 복귀 라인(30)을 통하여 시약 탱크(24)와 연통할 수도 있다. 복귀 라인(30)은 배기 가스 흐름으로 투입되지 않는 임의의 배기 가스 처리 유체가 시약 탱크(24)로 복귀되는 것을 가능하게 한다. 입구 라인(28), 투입 모듈(22) 및 복귀 라인(30)을 통한 배기 가스 처리 유체의 흐름은 또한 투입 모듈(22)이 과열되지 않도록 투입 모듈(22)을 냉각하는 것을 돕는다. 도면들에 도시되지 않았지만, 투입 모듈(22)은 투입 모듈(22)을 냉각시키기 위해 냉각수를 투입 모듈(22) 주변에 전달하는 냉각 재킷을 포함하도록 구성될 수 있다.
배기 가스 흐름을 효과적으로 처리하는데 필요한 배기 가스 처리 유체의 양은 부하, 엔진 속도, 배기 가스 온도, 배기 가스 흐름, 엔진 연료 주입 타이밍, 원하는 NOx 감소, 대기압, 상대 습도, EGR 속도 및 엔진 냉각수 온도에 따라 다를 수 있다. NOx 센서 또는 계량기(32)가 SCR(20) 하류에 위치될 수 있다. NOx 센서(32)는 배기 가스 NOx 함량을 나타내는 신호를 엔진 제어부(ECU)(34)로 출력하도록 작동 가능하다. 엔진 작동 파라미터들 모두 또는 일부는 (ECU)(34)에서 엔진/차량 데이터버스를 통하여 배기 시스템 제어기(36)로 공급될 수 있다. 배기 시스템 제어기(36)는 ECU(34)의 일부로서 포함될 수도 있다. 배기 가스 온도, 배기 가스 흐름 및 배기 가스 배압 그리고 다른 차량 작동 파라미터들이 도 1에 나타내어진 바와 같이 각각의 센서들에 의해 측정될 수 있다.
배기 가스 흐름을 효과적으로 처리하는데 필요한 배기 가스 처리 유체의 양은 엔진(12)의 크기에 의존할 수도 있다. 이것과 관련하여, 기관차, 선박 응용, 및 고정된 응용에 사용되는 대규모의 디젤 엔진들은 단일 투입 모듈(22)의 용량을 초과하는 배기 가스 흐름 속도를 가질 수 있다. 따라서, 요소 투입을 위한 투입 모듈(22)이 하나만 도시되지만, 요소 주입을 위한 다수의 투입 모듈(22)이 본 발명에 의해 고려된다는 점이 이해될 것이다.
엔진(12)의 작동 동안, 앞서 주목된 바와 같이, 엔진(12)으로 제공되는 연료의 타입은 상이한 연료원들(13a 및 13b) 사이에서 전환될 수 있다. 연료원들(13a 및 13b)이 각각 상이한 유황 함량들을 갖는 연료들을 수용하는 경우에, 엔진(12)이 보다 많은 유황 함량을 갖는 연료를 사용하고 있을 때, 후처리 시스템(16)이 반드시 활용되고 있는 것은 아니라는 점이 이해될 것이다. 즉, 엔진(12)이 선박이 해안으로부터 미리 정해진 거리에 위치되는 선박 응용일 때, 배출물 규정들은 후처리 시스템(16)의 사용을 요구하지 않을 수 있다. 따라서, 많은 유황 함량 연료 (또는 임의의 타입의 연료)를 사용하는 동안, 엔진(12)에 의해 생성되는 임의의 배기 가스는 후처리 시스템(16)을 통과하지 않고 배기로 배출될 수 있다. 후처리 시스템(16)에 도달하기 전에 배기 가스를 바로 대기로 배출하기 위해, 배기 시스템(10)은 후처리 바이패스 파이프(40)를 포함할 수 있다. 밸브(44)는 배기 가스가 바이패스 파이프(40) 또는 후처리 시스템(16)을 통해 흐르는 것을 가능하게 하도록 바이패스 파이프(40)의 입구에 위치될 수 있다. 밸브(44)는 제어기(36) 또는 ECU(34)와 통신한다. 엔진(12)이 많은 유황 함량 연료 상에서 작동하고 있으면, 제어기(36) 또는 ECU(34)는 밸브(44)에 바이패스 파이프(40)를 개방하고 밸브(44)의 하류의 배기 가스 통로(14)를 폐쇄할 것을 지시하여 배기 가스가 후처리 시스템(16)을 통과하지 않고 대기로 벗어나는 것을 가능하게 할 수 있다. 마찬가지로, 엔진(12)이 배출물 규정들이 배기 가스 후처리를 요구하는 지역에서 작동하고 있으면, 제어기(36) 또는 ECU(34)는 밸브(44)에 바이패스 파이프(40)를 폐쇄할 것을 지시하여 배기 가스가 후처리 시스템(16)을 통과하는 것을 가능하게 할 수 있다.
유황을 함유하는 연료들의 연소를 통해 생성되는 배기 가스는 SCR(20)를 막을 수 있는 부산물을 생성하기 더 쉬울 수 있다. 예를 들어, 유황 함유 연료의 연소를 통해 생성되는 배기 가스가 배기 가스 후처리 시스템(16)을 통과하고 요소가 주입기(22)에 의해 배기 가스 흐름으로 투입되는 시약일 때, 장기간 SCR(20)에 노출된 후에 SCR(20)을 막을 수 있는 암모늄 중황산염 [NH4]+[HSO4]-이 생성될 수 있다. 임의의 유황 함유 연료가 암모늄 중황산염을 생성할 수 있지만, 보다 적은 유황 함량을 갖는 연료들은 암모늄 중황산염을 생성하기 덜 쉽다. 따라서, 엔진(12)에 의한 보다 많은 유황 함유 연료들의 연소를 통해 생성되는 배기 가스를 후처리 시스템(16)을 통과시키지 않고, 오히려 SCR(20)을 통과하기 전에 바이패스 파이프(40)를 통해 배출하는 것이 바람직하다.
그러나, 엔진(12)의 작동 동안 많은 유황 함유 연료와 보다 적은 유황 함유 연료 사이의 연료 전환의 경우에, 많은 유황 함유 연료의 연소되지 않은 연료 액적들이 연료 전환 동안 배기 가스 흐름으로 이어지는 것은 통상적일 수 있다. 배기 가스의 잔류 연료는 요소와 반응하여 암모늄 중황산염을 생성할 수 있으며, 이는 오랜 기간들에 걸쳐 SCR(20)을 막을 수 있다. 배기 가스 흐름에 존재하는 잔류 많은 유황 함유 연료가 암모늄 중황산염을 형성하는 것을 방지하거나 적어도 실질적으로 최소화하기 위해, 버너(17)가 배기 가스 흐름에 존재하는 임의의 잔류 많은 유황 함유 연료를 완전히 연소시키도록 미리 정해진 기간 동안 작동될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 제어 알고리즘들을 이제 설명할 것이다. 연료 탱크들(13a 및 13b)에 의해 엔진(12)으로 제공되는 연료는 각각 밸브들(46a 및 46b)을 통해 제어된다. 밸브들(46a 및 46b)는 제어기(36) 및/또는 ECU(34)와 통신한다. 탱크들(13a 및 13b)에 의해 제공되는 연료들 사이에서 전환하는 것이 원해질 때, 제어기(36) 또는 ECU(34)는 밸브들(46a 및 46b)에 개방하거나 폐쇄할 것을 지시할 수 있다. 예를 들어, 엔진(12)이 보다 많은 유황 함유 연료에서 보다 적은 유황 함유 연료로 전환되고 있으면, 제어기(36) 또는 ECU(34)는 밸브(46a)에 폐쇄될 것을 지시하고 밸브(46b)에 개방될 것을 지시할 수 있다. 제어기(36) 또는 ECU(34)가 개방하거나 폐쇄하도록 밸브들(46a 및 46b)에 명령어들을 송신하기 전에, 제어기(36) 또는 ECU(34)는 배기 가스 흐름에 존재하는 임의의 연소되지 않은 연료가 연소될 수 있을 정도까지(예를 들어, 300C) 배기 가스 온도를 상승시키도록 작동될 것을 버너(17)에 지시할 수 있다. 이것과 관련하여, 연료 전환이 원해진다면, 제어기(36) 또는 ECU(34)는 버너(17)에 작동할 것을 지시하고, 버너(17)가 미리 정해진 기간 동안 작동할 때까지, 밸브들(46a 및 46b)의 작동을 지연시킬 수 있다.
연료들을 전환하기 전에 버너(17)를 작동시키는 것이 바람직하지만, 제어기(36) 또는 ECU(34)가 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 연료 전환과 동시에, 또는 연료 전환 직후에 버너(17)를 작동시킬 수 있다는 점이 이해될 것이다. 그럼에도 불구하고, 연료 전환 버너(17)는 배기 가스 흐름에서 임의의 사용되지 않는 연료를 연소시키기에 충분한 지속 기간(예를 들어, 5 내지 10분) 동안 작동되어야 한다. 이러한 방식으로, SCR(20)를 막을 수 있는 불필요한 부산물이 제거되거나, 적어도 실질적으로 최소화될 수 있다.
본 발명에 의해 요구되지 않지만, 버너(17)가 작동되는 동안의 연료 전환 동안 밸브(44)가 바이패스 파이프(40)를 개방하도록 제어될 수 있다는 점이 이해될 것이다. 연료 전환이 완료되고 버너(17)가 정지될 때, 밸브(44)는 바이패스 파이프(40)를 폐쇄하고 배기 가스가 배기 가스 후처리 시스템(16)을 통과하는 것을 가능하게 할 수 있다. 이러한 방식으로, 임의의 연소되지 않은 많은 유황 함유 연료가 SCR(20)에 도달하는 것이 방지될 수 있다는 것이 보장될 수 있다.
더욱이, 밸브(44)는 연료 밸브들(46a 및 46b)과 동기화되도록 설계될 수 있다. 즉, 엔진(12)이 보다 적은 유황 함유 연료 상에서 작동할 수 있도록 개방하라는 신호가 제어기(36)에 의해 연료 밸브(46b)에 송신되면, 밸브(44)는 배기 가스가 배기 가스 후처리 시스템(16)을 통해 이동하는 것을 가능하게 하도록 바이패스 파이프(40)를 폐쇄하라는 신호를 동시에 수신할 수 있다. 마찬가지로, 엔진(12)이 보다 많은 유황 함유 연료 상에서 작동할 수 있도록 연료 밸브(46a)를 개방하라는 신호가 제어기(36)에 의해 송신되면, 밸브(44)는 배기 가스가 후처리 시스템(16)을 통과하기 전에 대기로 배출되는 것을 가능하게 하도록 바이패스 파이프(40)를 개방하라는 신호를 동시에 수신할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 블리드(bleed) 통로(50)(도 1)는 바이패스 파이프(40)와 SCR(20)의 상류에 위치되는 위치 사이에 연통을 제공한다. 블리드 통로(50)는 바이패스 파이프(40)를 통해 SCR(20) 상류에 위치되는 배기 가스 통로(14)의 위치로 이동하는 배기 가스의 일부를 전달할 수 있다. 보다 상세하게는, 배기 가스가 후처리 시스템(16)을 통과하지 않고 바이패스 파이프(40)를 통해 대기로 배출되는 방식으로 엔진(12)이 작동하고 있으면, SCR(20)은 실질적으로 배기 가스 온도 미만의 온도일 수 있다. 배기 가스를 후처리 시스템(16)을 통과시키고자 할 때, 밸브(44)는 바이패스 파이프(40)를 폐쇄하고 배기 가스가 후처리 시스템(16)과 상대적으로 차가운 SCR로 진입하는 것을 가능하게 하도록 작동될 것이다. 배기 가스와 SCR(20) 사이의 온도 차이는, 특히 버너(17)가 미연 연료를 연소시키고 배기 가스 온도를 상승시키도록 작동되는 연료 전환 동안 최적인 것보다 더 클 수 있다. SCR(20)의 기층(미도시)을 균열시킬 수 있는 열 충격 이벤트가 발생할 수 있다.
SCR(20)이 SCR(20)의 기층들을 균열시킬 수 있는 큰 온도 차이를 겪는 것을 방지하기 위해, 블리드 통로(50)는 SCR(20)의 온도를 서서히 상승시키도록 SCR(20)에 미리 정해지거나 계량된 양의 배기 가스 흐름을 제공할 수 있다. 블리드 밸브(52)는 배기 가스가 블리드 통로(50)로 진입하고 SCR(20) 상류에 위치되는 위치에서 배기 가스 통로(14)로 다시 이동하는 것을 가능하게 하도록 블리드 통로(50)에 제공될 수 있다. 블리드 밸브(52)는 제어기(36) 또는 ECU(34)에 의해 제어될 수 있고, 후처리 시스템(16)이 활용될 경우에, 개방되도록 지시될 수 있다. 배기 가스가 일정 기간에 걸쳐 SCR(20)에 제공됨에 따라, SCR(20)의 온도는 밸브(44)가 바이패스 파이프(40)를 폐쇄한 후에, SCR(20)이 큰 온도 경도를 겪지 않을 정도까지 상승될 것이다.
블리드 밸브(52)는 밸브들(46a 및 46b)로 송신되는 연료 전환 명령어에 대응하여 개방되도록 지시될 수도 있다. 예를 들어, 연료 전환이 많은 유황 함유 연료와 보다 적은 유황 함유 연료 사이에서 발생하면, 제어기(36) 또는 ECU(34)는 블리드 밸브(52)에 블리드 통로(50)를 개방하여 계량된 양의 배기 가스가 연료 전환의 지속 기간에 걸쳐 SCR(20)에 공급되는 것을 가능하게 할 것을 지시할 수 있다. SCR(20)에 도달하는 것이 가능하게 된 계량된 양의 배기 가스는 밸브(44)가 바이패스 파이프(40)를 폐쇄한 후에, SCR(20)이 큰 온도 경도를 겪지 않을 정도까지 SCR(20)의 온도가 상승되는 것을 가능하게 할 것이다.
이제 도 2를 참조하여, 연료 전환 동안 발생할 수 있는 배기 가스의 잔류 연료를 제거하는 방법을 설명할 것이다. 단계(100)에서, 제어기(36)는 연료 전환이 엔진(12)의 작동 동안 요청되었는지 여부를 판단할 것이다. 연료 전환이 요청되었으면, 제어기(36) 또는 ECU(34)는 버너(17)에 작동할 것을 지시할 수 있다(단계(200)). 버너(17)의 작동에 이어서, 연료 밸브들(46a 및 46b)은 탱크들(13a 및 13b)에 저장되는 각각의 연료들 사이에서 전환하도록 작동될 수 있다(단계(300)). 연료들 사이의 전환 동안, 버너(17)는 배기 가스의 잔류 연료가 연소되는 것을 보장하기에 충분한 미리 정해진 기간(예를 들어, 10 내지 15 분) 동안 작동될 수 있다(단계(400)). 미리 정해진 기간이 경과한 후에, 버너(17)는 정지될 수 있다(단계(500)). 이러한 방식으로, 암모니아 중황산염의 생성은 오랜 기간의 작동에 걸쳐 SCR(20)의 막힘을 방지하도록 실질적으로 감소될 수 있다.
이제 도 3을 참조하여, 보다 적은 유황 함유 연료와 많은 유황 함유 연료 사이의 전환 동안 배기 시스템(16)을 작동시키는 방법을 설명할 것이다. 단계(600)에서, 제어기(36) 또는 ECU(34)는 연료 전환이 요청되었는지 여부를 판단할 수 있다. 그러한 전환이 요청되었으면, 제어기(36) 또는 ECU(34)는 연료 밸브들(46a 및 46b)에 상이한 연료들 사이를 전환하도록 작동할 것을 지시할 뿐만 아니라(단계(700)), 버너(17)에 작동될 것을 지시할 수 있다(단계 800). 앞서 논의된 바와 같이, 버너(17)는 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 밸브들(46a 및 46b)의 작동 이전에 작동되거나, 밸브들(46a 및 46b)과 동시에 작동되거나, 밸브들(46a 및 46b)의 작동 직후에 작동될 수 있다.
밸브들(46a 및 46b) 및 버너(17)의 작동 후에, 제어기(36) 또는 ECU(34)는 바이패스 밸브(44)에 바이패스 파이프(40)를 개방할 것을 지시하여 많은 유황 함유 연료의 연소 동안 생성되는 배기 가스가 SCR(20)를 우회하는 것을 가능하게 할 수 있다(단계 900). 연료들 사이의 전환 동안, 버너(17)는 잔류하는 보다 적은 유황 함유 연료가 연소되는 것을 보장하기에 충분한 미리 정해진 기간(예를 들어, 10 내지 15분) 동안 작동될 수 있다(단계(1000)). 미리 정해진 기간이 경과한 후에, 버너(17)는 정지될 수 있다(단계(1100)). 많은 유황 함유 연료의 연소를 통해 생성되는 배기 가스들이 SCR(20)을 통과하지 않고 대기로 배출되므로, 암모니아 중황산염의 생성이 오랜 기간의 작동에 걸쳐 SCR(20)의 막힘을 방지하도록 실질적으로 감소될 수 있다.
도 4를 참조하여, 많은 유황 함유 연료와 보다 적은 유황 함유 연료 사이의 연료 전환 동안 SCR(20)을 미리 가열시키는 방법을 설명할 것이다. 단계(1200)에서, 제어기(36) 또는 ECU(34)는 많은 유황 함유 연료와 보다 적은 유황 함유 연료 사이의 전환이 요청되었는지 여부를 판단할 수 있다. 그러한 전환이 요청되었으면, 제어기(36) 또는 ECU(34)는 연료 밸브들(46a 및 46b)에 연료들 사이의 전환을 실시하록 작동할 것을 지시할 뿐만 아니라(단계(1300)), 버너(17)에 작동할 것을 지시할 수 있다(단계 1400). 앞서 논의된 바와 같이, 버너(17)는 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 밸브들(46a 및 46b)의 작동 이전에 작동되거나, 밸브들(46a 및 46b)과 동시에 작동되거나, 밸브들(46a 및 46b)의 작동 직후에 작동될 수 있다.
밸브들(46a 및 46b) 및 버너(17)의 작동 후에, 제어기(36) 또는 ECU(34)는 블리드 밸브(52)에 블리드 통로(50)를 개방할 것을 지시하여 소량의 배기 가스가 SCR(20)에 진입하기 시작하는 것을 가능하게 할 수 있다(단계(1500)). SCR(20) 하류의 배기 가스 온도를 모니터링함으로써(도 1), SCR(20)이 충분히 미리 가열되었는지 여부가 판단될 수 있다(단계(1600)). SCR(20)이 충분히 미리 가열되었으면, 제어기(36) 또는 ECU(34)는 버너(17)가 잔류 많은 유황 함유 연료가 SCR(20)에 도달하는 것을 방지하도록 미리 정해진 양의 시간 동안 작동되었는지 여부를 판단할 수 있다(단계(1700)). 버너(17)가 미리 정해진 양의 시간 동안 작동되었으면, 제어기(36) 또는 ECU(34)는 블리드 밸브(52) 및 바이패스 밸브들(44)에 폐쇄될 것을 지시하고(단계(1800)) 버너(17)에 정지할 것을 지시할 수 있다(단계(1900)).
버너(17)의 작동을 연료 전환에 대하여 상술하였지만, 버너(17)의 작동이 정상 엔진 작동의 기간 동안 암모늄 중황산염의 형성을 약화시키는 것을 도울 수도 있다는 점이 이해될 것이다. SCR(20)은 요소가 배기 가스 통로(14)로 투입되고 배기 가스 처리 디바이스(18)로 진입할 때, 요소 배기 가스 처리 유체를 흡수하는 다공성 기층이다. 투입이 일어나기 전에, SCR(20)는 내부에 임의의 요소 배기 가스 처리 유체가 실질적으로 없을 수 있다. 그러나, 투입이 시작됨에 따라, SCR(20)은 요소 배기 가스 처리 유체를 상대적으로 빠르게 흡수하고 NOX를 질소 기체(N2) 및 물(H2O)로 환원하는 프로세스를 시작할 것이다.
엔진(12)이 상대적으로 높은 부하로 작동하고 있을 때, 배기 가스의 온도는 전형적으로 350 내지 400℃ 사이일 수 있다. 게다가, 이러한 상대적으로 높은 부하에서 엔진(12)이 작동하는 동안, 투입 모듈(22)은 배기 가스에 함유된 NOX를 환원시키기 위해 요소 배기 가스 처리 유체를 배기 가스 흐름으로 일반적으로 투입하고 있다. 요소 및 유황이 모두 존재하므로, 암모늄 중황산염이 형성될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 배기 가스 온도가 350℃보다 더 클 때, 암모늄 중황산염은 일반적으로 기체이고 SCR(20)에 실질적으로 부착되지 않고 SCR(20)를 통과한다.
엔진(12)의 부하가 감소될 때, 배기 가스의 온도는 150 내지 250℃ 사이의 범위의 온도로 떨어질 수 있다. 180℃ 미만의 온도에서, 요소 배기 가스 처리 유체의 투입은 배기 가스 통로(14)에서 침전물을 형성할 수 있다. 그러므로, 엔진 부하가 감소되었을 때, 침전물의 형성을 피하기 위해 투입 모듈(22)을 작동시키는 것이 바람직하지 않을 수 있다. 요소 배기 가스 처리 유체의 투입이 배기 가스 온도의 감소로 인해 중단될 수 있지만, SCR(20)은 여전히 내부에 흡수된 상대적으로 높은 양의 요소를 가질 수 있다. 그러므로, 암모늄 중황산염의 형성이 여전히 일어날 수 있다. 더욱이, 150℃ 내지 250℃의 감소된 배기 가스 온도에서, 암모늄 중황산염은 SCR(20)에 부착될 수 있는 액체 상태로 있을 수 있으며, 이는 바람직하지 않다.
배기 가스 온도가 또한 감소되고 요소 투입이 중단될 정도까지 엔진 부하가 감소되는 경우에, 버너(17)가 작동될 수 있다. 버너(17)가 작동될 때, 배기 가스 온도는 암모늄 중황산염이 SCR(20)에 부착되지 않고 SCR(20)를 계속해서 통과할 기체 상태로 있을 수 있는 레벨(예를 들어, 350℃ 내지 400℃)로 유지될 수 있다. 버너(17)는 SCR(20)에 의해 흡수되는 임의의 잔류 요소가 배기 가스들과 충분히 반응했을 것을 보장하기에 충분한 기간(예를 들어, 10 내지 20분) 동안 작동될 수 있다. 전체 기간은 NOX 센서(32)에 의해 취해지는 (예를 들어, NOX 함량이 상승하기 시작할 때, SCR(20)이 아마도 요소가 없는) 측정값들에 기반할 수 있다. SCR(20)이 완전히 건조되었으면, 버너(17)는 정지될 수 있다. 요소가 더 이상 배기 가스 흐름에 있지 않으므로, 암모늄 중황산염이 형성되는 것이 방지된다.
실시예에 관한 전술한 설명이 묘사 및 설명의 목적으로 제공되었다. 그러한 설명이 포괄적으로 의도되거나 발명을 제한하도록 의도된 것이 아니다. 특별한 실시예의 개별적인 요소 또는 특징이 일반적으로 그러한 특별한 실시예로 제한되지 않고, 적용가능한 경우에, 구체적으로 도시되거나 설명되지 않은 경우에도, 상호 교환가능하고, 선택될 실시예에서 이용될 수 있다. 그러한 것이 많은 방식으로 변경될 수 있을 것이다. 그러한 변경은 발명으로부터 벗어나는 것으로 간주되지 않고, 그러한 모든 변형예는 발명의 범위 내에 포함되도록 의도된다.

Claims (26)

  1. 제1 연료 및 제2 연료가 제공되는 이중 연료 엔진에 대한 배기 시스템으로서:
    배기 가스 통로;
    상기 배기 가스 통로에 제공되는 배기 가스 처리 구성 요소;
    상기 배기 가스 통로와 연통하고 상기 배기 가스 처리 구성 요소의 상류에 위치되는 열 증대 디바이스; 및
    상기 제1 연료에서 상기 제2 연료로의 전환 동안 상기 열 증대 디바이스를 작동시키고 정지시키는 제어기를 포함하며,
    상기 열 증대 디바이스는 상기 제1 연료와 상기 제2 연료 사이의 상기 전환 동안 상기 배기 가스 통로에서 연료를 연소시키기 위해 배기 가스의 온도를 증가시키는, 배기 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배기 가스 처리 구성 요소는 선택적 촉매 환원(SCR) 구성 요소인, 배기 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배기 가스 처리 구성 요소를 우회하는 배기 가스 바이패스 파이프를 더 포함하는, 배기 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배기 가스 바이패스 파이프를 개방하고 폐쇄하도록 작동 가능한 밸브를 더 포함하는, 배기 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 배기 가스 통로와 상기 배기 가스 바이패스 파이프 사이에서 연통하는 블리드 통로를 더 포함하는, 배기 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열 증대 디바이스는 상기 전환 전에, 상기 전환과 동시에 또는 상기 전환 직후에 작동되는, 배기 시스템.
  7. 제1 및 제2 연료들을 연소시키도록 작동 가능한 이중 연료 엔진에 의해 생성되는 배기 가스를 처리하는 배기 가스 후처리 시스템으로서:
    배기 가스 통로;
    상기 배기 가스 통로에 위치되는 배기 가스 처리 구성 요소; 및
    밸브를 통해 상기 배기 가스 통로와 연통하고, 상기 배기 가스 처리 구성 요소를 우회하도록 구성되는 바이패스 파이프를 포함하며,
    상기 이중 연료 엔진에 의한 상기 제1 연료의 연소 동안, 상기 밸브는 상기 바이패스 파이프를 개방하고 상기 배기 가스 처리 구성 요소와의 연통을 폐쇄하고;
    상기 이중 연료 엔진에 의한 상기 제2 연료의 연소 동안, 상기 밸브는 상기 바이패스 파이프를 폐쇄하고 상기 배기 가스 처리 구성 요소와의 연통을 개방하여 상기 배기 가스가 상기 배기 가스 처리 구성 요소를 통과하게 하는, 배기 가스 후처리 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    열 증대 디바이스를 더 포함하는, 배기 가스 후처리 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 이중 연료 엔진으로 제공되는 상기 제1 연료와 상기 제2 연료 사이의 전환 동안, 상기 열 증대 디바이스는 상기 배기 가스의 잔류 연료를 연소시키도록 작동되는, 배기 가스 후처리 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 열 증대 디바이스는 상기 전환 전에, 상기 전환과 동시에 또는 상기 전환 직후에 작동되는, 배기 가스 후처리 시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 열 증대 디바이스의 작동을 제어하도록 작동 가능하고 상기 밸브를 제어하도록 작동 가능한 제어기를 더 포함하는, 배기 가스 후처리 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 이중 연료 엔진으로 제공되는 상기 제1 연료와 상기 제2 연료 사이의 전환 동안, 상기 제어기는 상기 열 증대 디바이스를 작동시키고 상기 밸브를 폐쇄하는, 배기 가스 후처리 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 이중 연료 엔진으로 제공되는 상기 제2 연료와 상기 제1 연료 사이의 전환 동안, 상기 제어기는 상기 밸브를 개방하는, 배기 가스 후처리 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 연료는 상기 제2 연료보다 더 큰 유황 함량을 갖는, 배기 가스 후처리 시스템.
  15. 제7항에 있어서,
    상기 배기 가스 통로와 상기 바이패스 파이프 사이에서 연통하는 블리드 통로를 더 포함하는, 배기 가스 후처리 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 블리드 통로는 블리드 밸브를 포함하는, 배기 가스 후처리 시스템.
  17. 제1 연료와 제2 연료 사이를 전환하도록 작동 가능한 이중 연료 엔진에 의해 생성되는 배기 가스를 처리하는 방법으로서, 상기 제1 연료와 상기 제2 연료 사이를 전환하는 동안 배기 가스 온도를 상승시키는 열 증대 디바이스를 작동시키는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 연료는 상기 제2 연료보다 더 큰 유황 함량을 갖는, 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    배기 가스 처리 디바이스로 상기 제2 연료의 연소를 통해 생성되는 배기 가스를 처리하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 배기 가스 처리 구성 요소는 SCR인, 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    배기 가스 처리 디바이스로 상기 제1 연료의 연소를 통해 생성되는 상기 배기 가스를 처리하기 전에 상기 제1 연료의 연소를 통해 생성되는 배기 가스를 대기로 배출하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 열 증대 디바이스는 상기 연료들을 전환하기 전에, 상기 연료들을 전환하는 동안 또는 상기 연료들을 전환한 후에 작동되는, 방법.
  23. 배기 가스 통로;
    상기 배기 가스 통로에 위치되는 배기 가스 처리 구성 요소;
    배기 가스가 상기 배기 가스 처리 구성 요소를 우회하는 것을 가능하게 하도록 구성되는 바이패스 파이프로서, 상기 배기 가스 처리 구성 요소 상류의 위치에서 상기 배기 가스 통로와 연통하는 입구를 갖는 바이패스 파이프;
    상기 배기 가스가 상기 바이패스 파이프로 진입하는 것을 가능하게 하고 상기 배기 가스가 상기 배기 가스 처리 구성 요소로 진입하는 것을 방지하는, 상기 바이패스 파이프의 입구에 위치되는 바이패스 밸브; 및
    상기 입구 하류이고 상기 배기 가스 처리 구성 요소 상류인 위치에서 상기 배기 가스 통로와 상기 바이패스 파이프 사이에 연통을 제공하는 블리드 통로로서, 상기 배기 가스의 일부가 상기 배기 가스 처리 구성 요소로 진입하는 것을 가능하게 하는 블리드 통로를 포함하는, 배기 가스 후처리 시스템.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 블리드 통로를 개방하고 폐쇄하는 상기 블리드 통로에서의 블리드 밸브를 더 포함하는, 배기 가스 후처리 시스템.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 바이패스 밸브 및 상기 블리드 밸브를 제어하는 제어기를 더 포함하는, 배기 가스 후처리 시스템.
  26. 제23항에 있어서,
    상기 배기 가스 처리 구성 요소로 진입하는 상기 배기 가스의 일부는 상기 배기 가스 처리 구성 요소를 미리 가열하는, 배기 가스 후처리 시스템.
KR1020157025250A 2013-03-14 2014-03-13 이중 연료 엔진들에 대한 배기 시스템 KR20150119316A (ko)

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