KR20160119250A - 연소 엔진으로부터의 질소 산화물 배출물을 제어하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

연소 엔진으로부터의 질소 산화물 배출물을 제어하기 위한 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 연소 엔진(301) 내에서의 연소로부터 발생하는 배기 기류(303)의 처리를 위하여 제공된다. 배기 기류(303)는 질소 산화물(NOx)을 포함하며, 질소 산화물 내에는 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)가 포함된다. 배기 기류(303)는 연소 엔진(301)에 연결된 배기 처리 시스템(350)을 통과한다. 배기 처리 시스템 내에서, 상기 배기 기류(303) 내의 질소, 탄소 및 수소 중에서 하나 또는 다수를 포함하는 화합물의 산화(210)가 일어난다. 또한, 배기 처리 시스템(350) 내의 산화성 구성요소(310, 311, 312, 320)의 하류에 배치된 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량의 환원(220)이 일어난다. 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 이산화질소(NO2)의 함량과 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량 사이의 비율에 대한 값((NO2/NOx)det)이 결정된다. 비율에 대한 결정 값((NO2/NOx)det)에 기초하여, 연소 엔진(301)과 관련된 적어도 하나의 파라미터의 능동 제어(240)가 실시된다. 이러한 능동 제어(240)는, 비율에 대한 결정 값((NO2/NOx)det)이 상측 문턱 값((NO2/NOx)threshold_high)을 초과하면, 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량이 증가하도록 실시된다.

Description

연소 엔진으로부터의 질소 산화물 배출물을 제어하기 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLING NITROGEN OXIDE EMISSIONS FROM A COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 배기 기류(exhaust stream)의 처리를 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 청구항 28의 전제부에 따라 배기 기류의 처리를 위하여 배치된 배기 처리 시스템과, 본 발명에 따른 방법을 실시하는 컴퓨터 프로그램 및 컴퓨터 프로그램 제품에 관한 것이다.
이하의 배경 설명은, 본 발명에 대한 배경의 설명에 관한 것이며, 따라서 반드시 종래 기술에 관한 것은 아니다.
주로 도시 지역에서의 공해 및 대기질(air quality)에 관한 정부의 관심 증가와 관련하여, 여러 관할구역(jurisdiction)에서, 연소 엔진으로부터의 배출에 관한 배출 기준 및 규정이 입안되어 왔다.
그와 같은 배출 기준은, 흔히, 예를 들면 차량 내의 연소 엔진으로부터의 배기 배출의 허용 한계를 규정하는 요건들로 이루어진다. 예를 들면, 질소 산화물(NOx), 탄화수소(CxHy), 일산화탄소(CO) 및 입자(particle)(PM)의 배출 수준은 대부분의 유형의 차량에 대한 그와 같은 기준에 의하여 흔히 규제된다. 연소 엔진을 구비한 차량은 전형적으로 다양한 정도로 그와 같은 배출을 일으킨다. 본 명세서에서, 본 발명은 주로 차량 내의 적용에 대하여 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 연소 엔진이 사용되는 실질적으로 모든 적용 분야에, 예를 들면 선박 또는 항공기/헬리콥터와 같은 이동체(vessel) 내에 사용될 수 있으며, 그와 같은 적용을 위한 규정 및 기준은 연소 엔진으로부터의 배출을 제한한다.
배출 기준을 준수하기 위한 노력의 일환으로, 연소 엔진의 연소에 의해 발생하는 배기물(exhaust)이 처리(정화)된다.
연소 엔진으로부터의 배기물을 처리하는 일반적 방법은 이른바 촉매 정화 공정으로 이루어지며, 이러한 이유로, 연소 엔진을 구비한 차량은 일반적으로 적어도 하나의 촉매를 포함한다. 여러 유형의 촉매가 존재하며, 예를 들면 차량 내에 이용되는 연소 원리(combustion concept), 연소 계획(combustion strategy) 및/또는 연료 종류에 따라, 그리고/또는 정화될 배기 기류 내의 화합물의 종류에 따라, 각각 다른 유형의 촉매가 적합할 수 있다. 이하에서 질소 산화물(NOx)이라고 지칭되는 적어도 질소 함유 가스(nitrous gas)(일산화질소, 이산화질소)와 관련하여, 질소 산화물(NOx)을 주로 질소 가스와 수증기로 환원시키기 위하여, 차량은 일반적으로 촉매를 포함하며, 연소 엔진 내에서의 연소로부터 발생하는 배기 가스에는 첨가제가 공급된다.
SCR(Selective Catalytic Reduction, 선택적 촉매 환원) 촉매는 이러한 유형의 환원을 위하여 주로 대형 화물 차량(heavy goods vehicle)에 통상적으로 사용되는 유형의 촉매이다. SCR 촉매는, 일반적으로, 배기물 내의 질소 산화물(NOx)의 함량을 감소시키는 첨가제로서, 암모니아(NH3) 또는 암모니아가 발생/형성될 수 있는 조성물(composition)을 사용한다. 첨가제는, 촉매의 상류에서, 연소 엔진으로부터 발생하는 배기 기류 내에 주입된다. 촉매에 첨가된 첨가제는 촉매 내에 암모니아(NH3) 형태로 흡수(저장)되며, 따라서 배기물 내의 질소 산화물(NOx)과 첨가제에 의해 이용 가능한 암모니아(NH3) 사이에 산화-환원 반응이 일어날 수 있다.
근래의 연소 엔진은 엔진과 배기 처리 사이에 협동 및 상호 영향(mutual impact)이 존재하는 시스템이다. 구체적으로는, 질소 산화물(NOx)을 감소시키는 배기 처리 시스템의 능력과 연소 엔진의 연료 효율 사이에는 상관성이 존재한다. 연소 엔진에 있어서, 엔진의 연료 효율/전체 효율과 그에 의해 생성된 질소 산화물(NOx) 사이에 상관성이 존재한다. 이러한 상관성에 의하면, 주어진 시스템에 있어서, 생성된 질소 산화물(NOx)과 연료 효율 사이에는 양의 상관성(positive correlation)이 존재하는 것으로 나타나는데, 다시 말하자면, 더 많은 질소 산화물(NOx)의 배출이 허용된 엔진은 더 적은 연료를 소비하도록 유도될 수 있으며, 이에 따라 더 높은 연소 효율이 달성될 수 있다. 유사하게, 생성된 입자량(particle mass)(PM)과 연료 효율 사이에는 일반적으로 음의 상관성이 존재하는데, 이는 엔진으로부터의 입자량(PM)의 배출 증가가 연료 소비 증가와 관련되어 있다는 것을 의미한다.
이러한 상관성은 SCR-촉매를 포함하는 배기 처리 시스템의 보편적인 사용에 대한 배경이며, 그 목적은, 비교적 다량의 질소 산화물(NOx)이 생성되는 방향으로, 엔진의 연료 소비 및 입자 배출의 최적화이다. 이때에, 이러한 질소 산화물(NOx)의 환원은, SCR 촉매를 또한 포함할 수 있는 배기 처리 시스템 내에서 실시된다. 엔진 및 배기 처리 시스템의 설계에서, 엔진과 배기 처리가 서로 보완적인 통합적 접근 방식을 통하여, 입자(PM) 및 질소 산화물(NOx) 모두의 배출 감소와 더불어 연료 효율의 증가가 달성될 수 있다.
배기 처리 시스템 내에 포함된 기재 부피(substrate volume)를 증가시키면, 특히 기재를 통과하는 배기 기류의 불균일한 분포에 기인하는 손실이 감소하며, 배기 처리 시스템의 성능이 어느 정도는 향상될 수 있다. 그와 동시에, 더 큰 기재 부피는, 더 높은 변환도(conversion degree)에 의한 연료 효율의 이득(gain)을 상쇄할 수 있는 더 큰 배압(back pressure)을 제공한다. 따라서, 크기 및/또는 제조 비용의 측면에서, 예를 들면 대형화(over-sizing)를 회피하고/하거나 배기 처리 시스템의 확장(spread)을 제한함으로써, 배기 처리 시스템을 최적으로 이용할 수 있는 것이 중요하다.
일반적으로 촉매에 대한, 특히 환원 촉매에 대한 기능 및 효율은, 예를 들면 배기물 내의 이산화질소와 질소 산화물 사이의 비율, 다시 말하자면 NO2/NOx-분율(fraction)에 의존한다. 그러나, NO2/NOx-분율은, 다수의 다른 요인, 예를 들면 운전자가 차량을 어떻게 운전하는지 그리고/또는 현재의 운전 모드에 의존한다. 예를 들면, 배기물 내의 NO2/NOx-분율은, 운전자 및/또는 정속 주행 제어(cruise control)에 의해 요구되는 토크, 차량이 위치하는 도로 구역의 지형(appearance) 및/또는 운전자의 운전 스타일에 의존할 수 있다.
촉매 온도 및 기류에 관한 몇몇 조건에서, 즉 촉매("공간 속도(Space Velocity)")에서의 소정의 체류-시간(dwell-time) 동안에, 바람직하지 않은 분율의 이산화질소(NO2)가 발생할 위험성이 존재한다. 구체적으로는, NO2/NOx의 비율이 50%의 값을 초과할 위험성이 존재하며, 이는 배기 정화에서 실제로 문제가 될 수 있다.
위에 언급된 임계 작동 모드(critical operating mode)를 위한 NO2/NOx의 비율의 최적화는, 다른 작동 모드에서 너무 높은 분율의 이산화질소(NO2)를 발생시킬 위험성이 있다. 이러한 이산화질소(NO2)의 분율 증가는, SCR-촉매에 대한 부피 요건의 증가 및/또는 엔진으로부터 방출되는 질소 산화물의 양의 제한과, 그에 따른 차량의 연료 효율 감소를 초래한다.
또한, 이산화질소(NO2)의 분율 증가는 소기 가스(laughing gas)(N2O)를 발생시킬 위험성도 수반한다.
바람직하지 않은 분율의 이산화질소(NO2)의 이러한 발생 위험성은 시스템의 노후화(ageing)에 또한 기인한다. 예를 들어, 시스템이 노후화되면, NO2/NOx의 비율은 더욱 낮은 값을 가질 수 있으며, 이에 따라, 노후화를 보상하기 위해서는, 노후화되지 않은 상태에서 상당히 높은 분율의 NO2/NOx를 발생시키는 촉매 규격이 이용되어야 하는 결과를 초래할 수 있다.
따라서, 근래의 배기 처리 시스템 내의 기능을 최적화할 필요성이 존재한다.
따라서, 본 발명의 하나의 목적은, 다양한 조건에서 높은 성능과 양호한 기능을 제공할 수 있는 방법과 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 1의 특징부에 따른 상기 방법을 통해 달성된다. 그 목적은, 청구항 28에 따른 상기 배기 처리 시스템과, 위에 언급된 컴퓨터 프로그램 및 컴퓨터 프로그램 제품을 통하여 또한 달성된다.
본 발명은 연소 엔진 내에서의 연소로부터 발생하는 배기 기류의 처리를 위하여 제공된다. 그와 같은 배기 기류는 질소 산화물(NOx)을 포함하며, 질소 산화물 내에는 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)가 적어도 포함된다. 배기 기류는 연소 엔진에 연결된 배기 처리 시스템을 통과한다.
배기 처리 시스템 내에서, 배기 기류 내의 질소, 탄소 및 수소 중에서 하나 또는 다수를 포함하는 화합물의 산화가 일어난다. 그와 같은 산화는 배기 처리 시스템 내에 배치된 적어도 하나의 산화성 구성요소(oxidising component)에 의하여 실시된다.
또한, 배기 처리 시스템 내의 적어도 하나의 산화성 구성요소의 하류에 배치된 환원 촉매 장치에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량의 환원이 실시된다. 그와 같은 환원은 환원 촉매 장치 내에서 첨가제의 사용과 함께 환원 반응을 통하여 실시된다.
본 발명에 따르면, 환원 촉매 장치에 도달하는 이산화질소(NO2)의 함량과, 환원 촉매 장치에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량 사이의 비율에 대한 (NO2/NOx)det의 값이 결정된다.
본 발명에 따르면, 비율에 대한 결정 값((NO2/NOx)det)에 기초하여, 연소 엔진과 관련된 적어도 하나의 파라미터의 능동 제어(active control)가 실시된다. 이러한 능동 제어는, 비율에 대한 결정 값((NO2/NOx)det)이 상측 문턱 값(upper threshold value)((NO2/NOx)threshold_high)을 초과하면, 즉 (NO2/NOx)det > (NO2/NOx)threshold_high이면, 적어도 하나의 산화성 구성요소에 도달하고 따라서 환원 촉매 장치에도 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량이 증가하도록 실시된다.
따라서, 비율에 대한 결정 값((NO2/NOx)det)이 너무 높으면, 본 발명의 이용에 의하여, 연소 엔진은, 연소 엔진으로부터 방출되어 적어도 하나의 산화성 구성요소에 도달하고 따라서 환원 촉매 장치에도 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량을 증가시키도록 제어된다. 질소 산화물(NOx)의 함량의 그와 같은 증가는 NO2/NOx의 비율에 대한 값이 감소한다는 것을 의미하는데, 그 이유는, 비율에 대한 표현에 있어서 질소 산화물(NOx)의 함량이 분모에 포함되고 NO2가 동일한 정도로 증가하지 않기 때문이며, 이는 더욱 효율적인 환원이 촉매 환원 장치에 의해 달성될 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 연소 엔진의 능동 제어는, 소정 작동 모드에서, 고속 반응 경로(fast reaction path)를 통하여, 다시 말하자면 고속 SCR(fast SCR)(환원은 산화질소(NO)와 이산화질소(NO2) 모두와 관련된 반응 경로를 통해 일어남)을 통하여 일어나는 질소 산화물(NOx)의 전체 변환의 분율이 증가할 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, 촉매와 관련된 부피 요건은 또한 감소할 수 있다. 고속 SCR에서의 반응은 동일한 양의 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)를 이용하며, 이는 적절한 값, 예를 들면 0.5(50%)에 근사한 값을 향하여 NO2/NOx의 몰비(molar ratio)를 제어할 수 있는 것이 중요하다는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 연소 엔진에 대해 적절히 선택된 능동 제어에 의하여, 활용이 개선되므로, 촉매와 관련된 부피 요건이 또한 감소할 수 있다.
본 발명의 이용에 의하여, 첨가제의 소비가 또한 감소한다. 또한, 차량으로부터의 NO2 형태의 NOx의 슬립(slip)이 감소한다.
본 발명이 이용되면, 배기 처리 시스템은 덜 둔화되고 제어/조정하기가 더욱 용이해지며, 이는 첨가제의 공급의 더욱 정밀한 제어가 실시될 수 있다는 것을 의미한다.
또한, 주로 NOx-변환을 최적화하기 위하여 여기에서 실시되는 본 발명에 따른 연소 엔진의 능동 제어는, 바람직한 부수적인 효과로서, 차량의 연료 소비를 또한 감소시킨다.
본 발명은 하이브리드 차량(hybrid vehicle) 내에 유리하게 이용될 수도 있다. 이때에, 하이브리드 시스템은 NO2/NOx의 비율의 제어를 위한 유연성을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 이용을 통하여, 엔진에 대하여 더욱 높은 효율이 달성되도록, 더욱 연료 효율적 방식으로 엔진을 제어할 수 있는 그와 같은 가능성이 존재하므로, 차량에 대하여 개선된 연료 최적화가 달성될 수 있다. 따라서, 본 발명이 이용되면, 성능 향상(performance gain) 및/또는 이산화탄소(CO2)의 배출 감소가 달성될 수 있다.
본 발명의 이용을 통하여, 이산화질소(NO2)로 이루어진 질소 산화물(NOx)의 분율은 능동적으로 제어될 수 있으며, 이는, 배기 처리 시스템 내에서, 예를 들면 귀금속(precious metal)을 포함하는 산화성 피막(oxidising coating)을 구비하는 적어도 하나의 기재의 상류에서, 질소 산화물(NOx)의 함량의 능동 제어에 의하여 용이해진다. NO2/NOx의 비율의 이러한 제어는, 높은 NOx-변환과 같은 촉매 성능에 있어서의 장점과는 별도로, 매우 유해하고 냄새가 강한 배출물을 발생시키는 이산화질소(NO2)의 배출을 특히 감소시킬 수 있는 가능성도 제공한다. 이에 따른 장점에 의하면, 이산화질소(NO2)의 배출을 감소시킬 수 있는 가능성을 통하여, 이산화질소(NO2)와 관련하여 장래에 별도의 규제 요건의 도입 시에 유리할 수 있다. 이는 예를 들면 유로 VI-시스템(Euro VI-system)과 비교될 수 있는데, 유로 VI-시스템 내에서 이산화질소(NO2)의 분율은 사용/작동에 의존하고 다른 방식으로는 제어될 수 없기 때문에, 배기 정화에 공급된 이산화질소(NO2)의 분율은 배기 처리 시스템 자체 내에서 직접적으로 영향을 받을 수 없다.
본 발명은, 제1 및 제2 장치의 상류에서 환원제의 투입을 위하여, 예를 들면 요소의 투입을 위하여, 협동하는 2개의 투입 장치들이 조합되어 사용된다는 점에서 또한 장점을 가지며, 환원제(reductant)의 주입이 물리적으로 별개의 두 위치에 분리되어 있으므로, 환원제는 보다 자유롭고 용이하게 혼합되고 기화될 수 있게 된다. 이는, 환원제가 배기 처리 시스템을 국소적으로 냉각할 위험성을 감소시켜, 환원제가 주입되는 위치에 또는 그와 같은 위치의 하류에 부착물(deposit)을 형성할 수도 있는 위험성을 감소시킨다.
본 발명은 이하에 첨부 도면과 함께 더욱 상세히 설명되어 있으며, 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호가 사용되어 있다.
도 1은 본 발명을 포함할 수 있는 예시적 차량을 나타낸다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 배기 처리를 위한 방법에 대한 흐름도를 나타낸다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 배기 처리 시스템의 예를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 방법이 실시될 수 있는 제어 장치를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시 형태의 일례에 따른 배기 처리 시스템(150)일 수 있는 배기 처리 시스템(150)을 포함하는 예시적 차량(100)을 나타낸다. 동력-트레인은 연소 엔진(101)을 포함하며, 그 엔진은 통상의 방식으로 연소 엔진(101) 상의 출력 샤프트(102)를 통하여, 일반적으로는 플라이휠을 통하여, 클러치(106)를 거쳐 기어박스(103)에 연결된다.
연소 엔진(101)은, 차량 제어 시스템에 의해, 배기 처리 시스템(150)에 연결될 수 있는 제어 장치(115)를 통하여 제어된다. 유사하게, 클러치(106) 및 기어박스(103)는, 차량의 제어 시스템에 의해, 하나 이상의 적용 가능한 제어 장치(도시 생략)의 도움으로 제어될 수 있다. 물론, 차량의 구동-라인(driveline)은, 통상적인 자동 기어박스를 구비하는 유형과 같은 또 다른 유형, 혼성 구동-라인을 구비하는 유형 등일 수도 있다.
기어박스(103)로부터의 출력 샤프트(107)는, 예를 들면 통상의 차동 장치(differential)와 같은 최종 구동기(final drive)(108) 및 상기 최종 구동기(108)에 연결된 구동 샤프트(104, 105)를 통하여, 차륜(113, 114)을 구동한다.
차량(100)은, 실린더들로 이루어질 수 있는 연소 엔진(101)의 연소 체임버 내에서의 연소에 기인하는 배기 배출물의 처리/정화를 위한 배기 처리 시스템/배기 정화 시스템(150)을 또한 포함한다. 배기 처리 시스템(150)은, 차량의 제어 시스템에 의하여, 제어 장치(160)를 통하여 제어될 수 있다.
본 발명에 따르면, 연소 엔진 내에서의 연소에 의해 발생하고 질소 산화물(NOx)을 포함하는 배기 기류의 처리를 위한 방법이 제공된다. 질소 산화물(NOx)은 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)를 적어도 포함한다. 배기 기류는 연소 엔진에 연결된 배기 처리 시스템을 통과한다.
본 방법은 도 2a의 흐름도로 설명될 수 있다.
본 방법의 제1 단계(210)에서는, 배기 기류 내에서 질소, 탄소 및 수소 중에서 하나 또는 다수를 포함하는 화합물의 산화가 실시된다. 그와 같은 산화는 배기 처리 시스템 내에 배치된 적어도 하나의 산화성 구성요소(oxidising component)에 의해 실시된다.
본 방법의 제2 단계(220)에서는, 배기 처리 시스템 내의 산화성 구성요소의 하류에 배치된 환원 촉매 장치에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량의 환원이 실시된다. 그와 같은 환원은, 첨가제의 사용과 함께, 환원 촉매 장치 내에서의 촉매 반응을 통하여 실시된다.
본 발명에 따른 방법의 제3 단계(230)에서는, 환원 촉매 장치에 도달하는 이산화질소(NO2)의 함량과 환원 촉매 장치에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량 사이의 비율에 대한 값((NO2/NOx)det)이 결정된다.
본 방법의 제4 단계(240)에서는, 연소 엔진과 관련된 적어도 하나의 파라미터의 능동 제어가 실시된다. 이러한 적어도 하나의 파라미터는, 예를 들면, 연소 엔진 내의 연소와 관련될 수 있다. 본 발명에 따르면, 이러한 능동 제어는, 비율에 대한 결정 값((NO2/NOx)det)이 상측 문턱 값(upper threshold value)을 초과하면, 즉 (NO2/NOx)det > (NO2/NOx)threshold_ high이면, 환원 촉매 장치에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량이 증가하도록, 비율에 대한 결정 값((NO2/NOx)det)에 기초하여 실시된다.
도 2a에 도시되어 있는 제1 단계(210), 제2 단계(220), 제3 단계(230) 및 제4 단계(240)는, 본 발명에 따르면, 도 2a에 도시되어 있는 순서와는 적어도 부분적으로 다른 순서로 실시될 수도 있다. 예를 들면, 제3 단계(230)와 제4 단계(240)는, 도 2b에 도시되어 있는 바와 같이, 제1 단계(210)와 제2 단계(220) 사이에 실시될 수 있다.
본 발명의 이용을 통하여, 연소 엔진은, 비율에 대한 결정 값((NO2/NOx)det)이 너무 높으면, 연소 엔진에 의해 방출되는 질소 산화물(NOx)의 함량을 증가시키도록 제어될 수 있다. 그와 같은 질소 산화물(NOx)의 함량의 증가는, 고속 반응 경로(fast reaction path)를 통하여 일어나는 질소 산화물(NOx)의 전체 변환의 분율이 증가될 수 있도록, NO2/NOx의 비율에 대한 값이 감소한다는 것을 의미한다. 또한, 본 발명에 따르면, 연소 엔진의 능동 제어에 의하여, 활용이 개선되므로, 촉매와 관련된 부피 요건이 또한 감소될 수 있다.
위에 기재되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따르면, 환원 촉매 장치에 도달하는 이산화질소(NO2)의 함량과 질소 산화물(NOx)의 함량 사이의 NO2/NOx 비율에 대한 소망 값을 달성하기 위하여, 엔진 내의 연소와 관련된 적어도 하나의 파라미터의 능동 제어(240)가 실시된다. 이러한 능동 제어는, 본 발명의 여러 실시 형태에 따르면, 다양한 방식으로 실시될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시 형태에 따르면, 능동 제어는 연소 엔진을 위한 적어도 하나의 주입 계획(injection strategy)의 선택을 포함한다.
본 발명의 실시 형태의 일례에 따르면, 연소 엔진 내의 각각의 실린더 내로의 연료 주입의 타이밍은, 적어도 하나의 산화성 구성요소에 도달하고 따라서 환원 촉매 장치에 또한 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량의 증가가 달성되도록 제어될 수 있다. 이러한 증가는 주입들 중에서 하나 또는 다수의 타이밍을 진각(advancing)시킴으로써 달성될 수 있다. 이러한 질소 산화물(NOx)의 함량의 증가는 NO2/NOx의 비율에 대한 값의 감소를 일으킨다.
유사하게, 연소 엔진 내의 각각의 실린더 내로 연료 주입을 위한 타이밍은, 환원 촉매 장치에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량의 감소가 달성되도록 제어될 수 있다. 이러한 증가는 주입들 중에서 하나 또는 다수의 타이밍을 지연시킴으로써 달성될 수 있다. 이러한 질소 산화물(NOx)의 함량의 감소는 NO2/NOx의 비율에 대한 값의 증가를 일으킨다.
본 발명의 실시 형태의 일례에 따르면, 연소 엔진 내의 각각의 실린더 내로의 연료 주입을 위한 주입 압력은, 환원 촉매 장치에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량의 증가가 달성되도록 제어될 수 있다. 이러한 증가는 하나 또는 다수의 실린더를 위한 주입 압력의 증가에 의해 달성될 수 있다. 이러한 질소 산화물(NOx)의 함량의 증가는 NO2/NOx의 비율에 대한 값의 감소를 일으킨다.
유사하게, 연소 엔진의 각각의 실린더 내로의 연료 주입을 위한 주입 압력은, 환원 촉매 장치에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량의 감소가 달성되도록 제어될 수 있다. 이러한 감소는 하나 또는 다수의 실린더를 위한 주입 압력의 감소에 의하여 달성될 수 있다. 이러한 질소 산화물(NOx)의 함량의 감소는 NO2/NOx의 비율에 대한 값의 증가를 일으킨다.
본 발명의 실시 형태의 일례에 따르면, 환원 촉매 장치에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량의 증가가 달성되도록, 각각의 실린더 내로의 연료 주입을 위한 주입 위상(injection phasing)이 제어될 수 있다. 이러한 증가는, 주입 위상이 비교적 큰 압력 구배(pressure gradient)를 일으키도록, 주입 위상을 제어함으로써 달성될 수 있다. 이러한 질소 산화물(NOx)의 함량의 증가는 NO2/NOx의 비율에 대한 값의 감소를 일으킨다.
주입 위상은, 이 용어가 여기에서 사용될 때에, 주입이 시간에 따라 어떻게 변화하는지, 예를 들면 주입을 위한 압력이 시간에 따라 어떻게 변화하는지를 의미한다. 주입 위상의 척도는 예를 들면 실린더 압력에 대한 시간 도함수일 수 있다.
유사하게, 각각의 실린더 내로 연료의 주입을 위한 주입 위상은, 환원 촉매 장치에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량의 감소가 달성되도록 제어될 수 있다. 이러한 감소는, 주입 위상이 실린더 압력에 대하여 비교적 작은 압력 구배를 일으키도록, 주입 위상을 제어함으로써 달성될 수 있다. 이러한 질소 산화물(NOx)의 함량의 감소는 NO2/NOx의 비율에 대한 값의 증가를 일으킨다.
본 발명의 실시 형태의 일례에 따르면, 적어도 하나의 연소 관련 파라미터의 능동 제어는 교환 가스 재순환(exchange gas recirculation, EGR)을 위한 장치의 제어를 포함한다. 연소 엔진에는 유입구에서 공기가 공급되어, 엔진에 또한 공급되는 연료와 함께, 연소에 적합한 가스 혼합이 달성된다. 연소는 엔진의 실린더 내에서 발생하며, 가스 혼합물은 연소된다. 연소에 의해 배기물이 생성되어, 유출구에서 엔진으로부터 방출된다. 배기물 재순환 도관은 엔진의 유출구에서부터 유입구까지 배치되고, 배기물의 일부를 유출구에서부터 유입구까지 다시 안내한다. 따라서, 공기 흡입구(air intake)에서 흡인 손실이 감소할 수 있고, 엔진으로부터 방출되는 질소 산화물(NOx)은 조정될 수 있다.
본 발명의 실시 형태의 일례에 따르면, 환원 촉매 장치에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량의 증가는, 배기 재순환(exhaust recirculation)(EGR)을 위한 장치를 통해 재순환되는 배기 기류의 분율을 감소시킴으로써 달성될 수 있다. 이러한 질소 산화물(NOx)의 함량의 증가는 NO2/NOx의 비율에 대한 값의 감소를 일으킨다.
유사하게, 환원 촉매 장치에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량의 감소는, 배기 재순환(EGR)을 위한 장치를 통해 재순환되는 배기 기류의 분율을 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 이러한 질소 산화물(NOx)의 함량의 감소는 NO2/NOx의 비율에 대한 값의 증가를 일으킨다.
환원 촉매 장치에 도달하는 이산화질소(NO2)의 함량과 질소 산화물(NOx)의 함량 사이의 비율에 대한 결정 값((NO2/NOx)det)은, 예를 들면 비율에 대하여 측정된 값, 예측된 값 및/또는 모델링된 값(modelled value)으로 이루어지며, 측정, 예측 및/또는 모델링은 현재의 작동 및/또는 운전 모드, 차량이 위치하는 도로 구역의 특성, 연소 엔진의 특성 및/또는 연소 엔진을 구동하기 위하여 사용되는 연료의 특성을 고려할 수 있다. 측정, 예측 및/또는 모델링은, 예를 들면 운전자 및/또는 정속 주행 제어(cruise control)에 의해 요구되는 토크에 대하여 그리고 운전자의 운전 스타일에 대하여, 차량이 어떻게 운전되는지를 고려할 수 있다.
환원 촉매 장치에 도달하는 이산화질소(NO2)의 함량과 질소 산화물(NOx)의 함량 사이의 비율에 대한 결정 값((NO2/NOx)det)은, 배기 처리 시스템 내에 배치된 하나 또는 다수의 NOx-센서 및/또는 NO2-센서의 사용을 통하여 측정된 측정 값으로 이루어질 수도 있다.
본 발명의 실시 형태의 일례에 따르면, 연소 엔진 내의 연소와 관련된 적어도 하나의 파라미터의 능동 제어(240)는, 비율에 대한 결정 값((NO2/NOx)det)이 하측 문턱 값((NO2/NOx)threshold_low)보다 작거나 같으면, 즉 (NO2/NOx)det ≤ (NO2/NOx)threshold_low이면, 환원 촉매 장치에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량이 감소하도록 실시될 수 있다.
본 명세서에는, 본 발명의 일반적인 설명에 있어서, 능동 제어는, 적어도 하나의 산화성 구성요소에 도달하고 따라서 환원 촉매 장치에도 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량의 증가 또는 감소를 일으키는 것으로 기재되어 있다.
환원 촉매 장치에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량의 그와 같은 증가는, 비율에 대한 결정 값((NO2/NOx)det)에 포함된 질소 산화물(NOx)의 함량에 비하여, 환원 촉매 장치에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량이 더 많아지는 결과를 수반할 수 있다. 이와 관련하여, 환원 촉매 장치에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량은, 비율에 대한 결정 값((NO2/NOx)det)에 대응하는 질소 산화물(NOx)의 농도에 비하여, 배기 기류 내에 더 높은 질소 산화물(NOx) 농도를 갖는 것으로 설명될 수도 있다.
환원 촉매 장치에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량의 그와 같은 감소는, 유사한 방식으로, 비율에 대한 결정 값((NO2/NOx)det)에 포함된 질소 산화물(NOx)의 함량에 비하여, 환원 촉매 장치에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량이 더 적어지는 결과를 수반한다. 이와 관련하여, 환원 촉매 장치에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량은, 비율에 대한 결정 값((NO2/NOx)det)에 대응하는 질소 산화물(NOx)의 농도에 비하여, 배기 기류 내에 더 낮은 질소 산화물(NOx) 농도를 갖는 것으로 설명될 수도 있다.
위에 기재되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따르면, 연소 엔진 내의 연소와 관련된 적어도 하나의 파라미터의 능동 제어는, 비율에 대한 결정 값((NO2/NOx)det)과 상측 문턱 값((NO2/NOx)threshold_high) 및/또는 하측 문턱 값((NO2/NOx)threshold_low)의 비교에 기초하여 실시된다.
하측 문턱 값((NO2/NOx)threshold_low)은, 본 발명에 따르면, 환원 촉매 장치에서의 온도에 의존하는 값이다. 비-제한적 예로서, 하측 문턱 값((NO2/NOx)threshold_low)은 50%, 45%, 30%, 20% 또는 10%를 나타내는 비율의 값을 가질 수도 있는 것으로 설명될 수 있다.
유사하게, 상측 문턱 값((NO2/NOx)threshold_high)은 환원 촉매 장치에서의 온도에 의존하는 값을 가질 수 있다. 비-제한적 예로서, 상측 문턱 값((NO2/NOx)threshold_high)은 45%, 50%, 60%를 나타내는 비율의 값 또는 65%보다 큰(> 65%) 비율의 값을 가질 수도 있는 것으로 설명될 수 있다.
당해 분야의 기술자라면, 본 발명에 따른 배기 기류의 처리를 위한 방법은 컴퓨터 프로그램 내에서 실시될 수도 있다는 것을 이해할 것이며, 컴퓨터 내에서 컴퓨터 프로그램이 실행되면 컴퓨터는 본 방법을 실시하게 된다. 컴퓨터 프로그램은 일반적으로 컴퓨터 프로그램 제품(403)의 일부로 이루어지며, 컴퓨터 프로그램 제품은 컴퓨터 프로그램이 저장된 적절한 비-휘발성/영속성/지속성/내구성 디지털 저장 매체를 포함한다. 상기 비-휘발성/영속성/지속성/내구성 컴퓨터 가독형 매체(computer readable medium)는 적절한 메모리, 예를 들면 ROM(읽기-전용 메모리), PROM(프로그램화 가능한 읽기-전용 메모리), EPROM(소거 가능한(Erasable) PROM), 플래시(Flash), EEPROM(전기적으로 소거 가능한 PROM), 하드 디스크 장치 등으로 이루어진다.
도 4는 제어 장치(400)를 개략적으로 나타낸다. 제어 장치(400)는, 본질적으로 적절한 유형의 프로세서 또는 마이크로컴퓨터, 예를 들면 디지털 신호 처리를 위한 회로(디지털 신호 프로세서, DSP) 또는 사전-결정된 특정 기능을 갖는 회로(용도 특정형 집적 회로(Application Specific Integrated Circuit), ASIC)으로 이루어질 수 있는 연산 장치(401)를 포함한다. 연산 장치(401)는 제어 장치(400) 내에 설치된 메모리 유닛(402)에 연결되며, 메모리 유닛은 예를 들면 연산 장치(401)가 연산을 실시할 수 있기 위하여 필요로 하는 저장 프로그램 코드 및/또는 저장 데이터를 연산 장치(401)에 제공한다. 연산 장치(401)는 연산의 중간 결과 또는 최종 결과를 메모리 장치(402) 내에 저장하도록 또한 구성된다.
또한, 제어 장치(400)에는 입력 및 출력 신호들을 수신하고 전송하기 위한 장치(411, 412, 413, 414)들이 설치된다. 이러한 입력 및 출력 신호들은, 입력 신호의 수신을 위한 장치(411, 413)들에 의해 정보로서 검출될 수 있고 연산 장치(401)에 의해 처리될 수 있는 신호로 변환될 수 있는 파형, 펄스 또는 기타 속성을 포함할 수 있다. 이러한 신호는 그 후에 연산 장치(401)에 제공된다. 출력 신호를 전송하기 위한 장치(412, 414)들은, 연산 유닛(401)으로부터의 연산 결과를 차량의 제어 시스템의 다른 부분 및/또는 신호가 사용되는 구성요소(들), 예를 들면 제1 및/또는 제2 투입 장치에 전달하기 위한 출력 신호로 변환하도록 배치된다.
입력 및 또는 출력 신호를 수신하고 전송하기 위한 장치로의 각각의 연결은, 케이블; CAN(제어기 영역 네트워크(Controller Area Network)) 버스, MOST(미디어 지향성 시스템 전송(Media Oriented System Transport)) 버스 또는 기타 버스 구성과 같은 데이터 버스; 또는 무선 연결 중에서 하나 또는 다수로 이루어질 수 있다.
당해 분야의 기술자라면, 위에 언급된 컴퓨터는 연산 장치(401)로 이루어질 수 있고, 위에 언급된 메모리는 메모리 장치(402)로 이루어질 수 있다는 점을 이해할 것이다.
일반적으로, 근래의 차량 내의 제어 시스템은, 다수의 전자 제어 장치(ECU) 또는 제어기 및 차량의 소정 위치에 국한된 여러 구성요소들을 연결하기 위한 하나 또는 다수의 통신 버스로 이루어진 통신 버스 시스템으로 이루어진다. 그와 같은 제어 시스템은 다수의 제어 장치를 포함할 수 있으며, 특정 기능을 위한 담당은 하나보다 많은 장치들 간에 분담될 수 있다. 따라서, 도시된 유형의 차량은, 흔히, 도 4에 도시된 것보다 상당히 많은 제어 장치들을 포함하며, 이는 해당 기술 분야의 기술자에게 널리 공지되어 있다.
본 발명은, 도시된 실시 형태에 있어서, 제어 장치(400) 내에서 실시된다. 그러나, 본 발명은, 차량 내에 이미 존재하는 하나 또는 다수의 다른 제어 장치 내에서, 또는 본 발명에 전용되는 제어 장치 내에서, 전체적으로 또는 부분적으로 실시될 수도 있다.
여기에서, 그리고 본 명세서에서, 장치들은 일반적으로 본 발명에 따른 방법 내의 단계들을 실시하도록 배치되어 있는 것으로 설명되어 있다. 이는 장치들이 이러한 방법 단계들을 실시하도록 구성 및/또는 설정되어 있다는 것을 또한 의미한다.
본 발명의 하나의 양태에 따르면, 연소 엔진 내에서의 연소로부터 발생하는 배기 기류의 처리를 위하여 배치된 배기 처리 시스템이 제공된다. 배기 기류는, 적어도 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)가 포함된 질소 산화물(NOx)을 함유한다. 도 3a 및 도 3b는, 본 발명에 따른 방법이 이용될 수 있는 배기 처리 시스템(350)의 2개의 비-제한적 예를 개략적으로 나타낸다. 도 3a 및 도 3b에서, 유사한 장치들은 동일한 도면 부호를 갖는다.
본 발명에 따른 배기 처리 시스템(350)은, 배기 기류(303) 내의 질소, 탄소 및 수소 중에서 하나 또는 다수를 포함하는 화합물의 산화(210)를 실시하기 위하여, 배기 처리 시스템(350) 내에 배치된 적어도 하나의 산화성 구성요소(310, 311, 312, 320)를 포함한다.
본 발명에 따른 배기 처리 시스템(350)은 배기 처리 시스템(350) 내의 산화성 구성요소(310, 311, 312, 320)의 하류에 배치된 적어도 하나의 환원 촉매 장치(330, 331, 332)를 또한 포함하며, 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량의 환원(220)을 실시한다. 이러한 환원은 첨가제(371, 372)를 사용하는 촉매 반응을 통하여 실시된다.
본 발명에 따른 배기 처리 시스템(350)은, 위에 기재되어 있는 바와 같이, 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 이산화질소(NO2)의 함량과 적어도 하나의 산화성 구성요소(310, 311, 312)에 도달하고 따라서 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에도 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량 사이의 비율에 대한 값((NO2/NOx)det)의 결정(230)을 제공/실시하기 위하여 배치된 제어 장치(380)를 또한 포함한다. 제어 장치(240)는, 비율에 대한 결정 값((NO2/NOx)det)에 기초하여, 연소 엔진과 관련된 적어도 하나의 파라미터, 예를 들면 연소 엔진 내의 연소와 관련된 파라미터의 능동 제어(240)를 또한 실시하도록 배치된다. 이러한 능동 제어(240)는, 비율에 대한 결정 값((NO2/NOx)det)이 상측 문턱 값((NO2/NOx)threshold_high)을 초과하면, 즉 (NO2/NOx)det > (NO2/NOx)threshold_ high이면, 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량이 증가하도록 실시된다.
도 3a 및 도 3b에 도시되어 있는 바와 같이, 배기 처리 시스템(350)은, 적어도 하나의 산화성 구성요소(310, 311, 312, 320)와, 산화성 구성요소(310, 311, 312, 320)의 하류의 적어도 하나의 환원 촉매 장치(330, 331, 332)와, 적어도 하나의 산화성 구성요소(310, 311, 312)에 도달하고 따라서 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에도 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량이 조정될 수 있도록 연소 엔진(301)의 능동 제어를 달성할 수 있는 제어 장치(380)를 포함한다면, 다수의 상이한 구성들을 가질 수 있다.
도 3a 및 도 3b에 도시되어 있는 시스템에서는, 배기 파이프(302)가 연소 엔진(301)에 연결되어 있다.
도 3a는 이른바 유로 VI-시스템(Euro VI-system)을 설명할 수 있는 배기 처리 시스템(350)을 나타낸다. 배기 기류(303)는 디젤 산화 촉매(DOC)를 통하여 디젤 입자 필터(DPF)(320)로 안내된다. 연소 엔진 내에서의 연소 중에, 매연 입자가 형성되며, 이러한 매연 입자를 포집하기 위하여 입자 필터(DPF)가 사용된다. 배기 기류(303)는 여기에서 필터 구조를 통해 안내되며, 통과하는 배기 기류(303)로부터 매연 입자가 포집되어 입자 필터(320) 내에 저장된다.
산화 촉매(DOC)(310)는, 이러한 실시 형태에 따르면, 산화성 구성요소(310)를 구성하고, 주로 배기 처리 중에 배기 기류(303) 내의 잔류 탄화수소(CxHy)(HC라고도 지칭) 및 일산화탄소(CO)를 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O)로 산화시키기 위하여 일반적으로 사용된다. 산화 촉매(DOC)(310)는 배기 기류 내에 발생하는 다량의 일산화질소(NO)를 이산화질소(NO2)로 또한 산화시킬 수 있다. 일산화질소(NO)로부터 이산화질소(NO2)로의 산화는, 필터 내에서 이산화질소 기반의 매연 산화(nitrogen dioxide based soot oxidation)에 중요하며, 후속할 수 있는 질소 산화물(NOx)의 환원 시에 또한 바람직하다. 이러한 점에서, 배기 처리 시스템(350)은 입자 필터(DPF)(320)의 하류에 배치된 SCR(선택적 촉매 환원)(Selective Catalytic Reduction) 촉매를 포함하며, 여기에서는 환원 촉매 장치(330)를 구성한다. SCR 촉매는, 배기 기류 내의 질소 산화물(NOx)의 환원을 위한 첨가제로서, 암모니아(NH3) 또는 암모니아가 생성/형성될 수 있는 조성물, 예를 들면 요소(urea)를 사용한다. 이러한 환원의 반응 속도(reaction rate)는 배기 기류 내의 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)의 비율에 의하여 영향을 받으며, 산화 촉매(DOC) 내에서 NO로부터 NO2로의 선행 산화에 의하여 환원 반응이 양의 방향으로(in a positive direction) 영향을 받는다. 이는 대략 50%의 NO2/NOx의 몰비(molar ratio)를 나타내는 값까지 적용된다. 높은 분율의 NO2/NOx의 몰비에 대해서는, 다시 말하자면 50%를 초과하는 값에 대해서는, 반응 속도(reaction speed)는 강한 음의 방식으로(in a strongly negative manner) 영향을 받는다. 이러한 문제점은 본 발명에 의해 해결된다.
SCR-촉매(330)는 배기 기류(303) 내의 질소 산화물(NOx)의 농도를 감소시키기 위하여 첨가제를 필요로 한다. 그와 같은 첨가제는 SCR-촉매(330)의 상류에서 배기 기류(371) 내로 주입된다. 그와 같은 첨가제는 일반적으로 암모니아 및/또는 요소계이거나, 암모니아가 추출 또는 방출될 수 있는 물질로 이루어지고, 예를 들면 기본적으로 물과 혼합된 요소로 구성된 애드블루(AdBlue)로 이루어질 수 있다. 요소는 가열(열분해)(thermolysis) 시에 그리고 산화성 표면 상에서의 불균일 촉매 작용(heterogeneous catalysis)(가수분해)(hydrolysis) 시에 암모니아를 형성하며, 그 표면은 예를 들면 SCR-촉매 내의 이산화티타늄(TiO2) 또는 투입 장치의 하류의 전용 가수분해 촉매로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시 형태의 일례에 따르면, 실질적으로 임의의 적절한 가수분해 피막으로 이루어질 수 있는 제1 가수분해 촉매 및/또는 제1 혼합기(mixer)가 제1 투입 장치(371)에 연결되도록 배치될 수 있다. 제1 가수분해 촉매 및/또는 제1 혼합기는, 요소로부터 암모니아로의 분해 속도를 증가시키기 위하여 그리고/또는 첨가제를 배출물과 혼합하기 위하여 그리고/또는 첨가제를 기화시키기 위하여 사용된다.
배기 처리 시스템(350)은, SCR-촉매(330) 후에 잔류할 수 있는 과잉의 첨가제를 산화시키기 위하여 그리고/또는 SCR-촉매를 보조하여 추가로 NOx를 환원시키기 위하여 배치된 슬립-촉매(slip-catalyst)(SC)를 또한 구비한다. 그에 따라, 슬립-촉매(SC)는 시스템의 전체 NOx 변환/환원을 향상시킬 수 있는 가능성을 제공할 수 있다.
배기 처리 시스템(350)은, 배기 처리 시스템 내의 질소 산화물 및/또는 온도의 결정을 위하여, 예를 들면 산화 촉매(310)로의 유입구, 입자 필터(320)로의 유입구, SCR-촉매(330)로의 유입구 및/또는 슬립-촉매(340)로부터의 유출구에 배치된 하나 또는 다수의 NOx-, NO2- 및/또는 온도 센서(361, 362, 363, 364)와 같은 하나 또는 다수의 센서를 또한 구비한다.
제어 장치(380)는 연소 엔진(301) 내에서의 연소와 관련된 하나 또는 다수의 파라미터의 능동 제어를 실시하기 위하여 배치된다. 이러한 제어는 배기 처리 시스템 내의 다수의 센서로부터의 신호, 특히 NOx-, NO2- 및/또는 온도 센서(361, 362, 363, 364) 중에서 하나 또는 다수로부터의 신호에 기초할 수 있다.
도 3b는 2개의 환원 촉매 장치(331, 332)를 포함하는 배기 처리 시스템(350)을 나타낸다. 엔진(301) 내에서의 연소 시에 생성된 배기물, 다시 말하자면, 배기 기류(303)(화살표로 표시)는, 배기 기류(303)에 제1 첨가제의 제1 공급(210)을 제공하기 위하여 배기 처리 시스템(350) 내에 배치된 제1 투입 장치(371)를 지나도록 안내된다. 배기 처리 시스템(350)은, 제1 장치(331)에 도달하는 질소 산화물의 제1 함량(NOx_1)에 제1 작용(impact)을 제공하기 위하여, 제1 투입 장치(371)의 하류에 배치된 제1 환원 촉매 장치(331)를 포함한다. 제1 장치(331) 내에 제공되는 이러한 제1 작용 시에, 배기 기류 내에 공급되는 제1 첨가제가 사용된다.
배기 처리 시스템(350)은, 배기 처리 시스템(303)에 제2 첨가제의 제2 공급을 제공하기 위하여, 제1 장치(331)의 하류에 배치된 제2 투입 장치(372)를 또한 포함한다. 제2 투입 장치(372)의 하류에는, 제2 장치(332)에 도달하는 질소 산화물의 제2 함량(NOx_2)에 제2 작용을 제공하기 위하여, 제2 환원 촉매 장치(332)가 배치된다. 이러한 제2 작용 시에, 제2 투입 장치(372)에 의해 배기 기류에 공급되는 제1 및/또는 제2 첨가제가 이용된다.
도 3b에서의 배기 처리 시스템(350)에 있어서, 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 이산화질소(NO2)의 함량과 질소 산화물(NOx)의 함량 사이의 NO2/NOx의 비율은, 환원 촉매 장치(331)에 도달하는 이산화질소의 제1 함량(NO2_1)과 질소 산화물의 제1 함량(NOx_1) 사이의 NO2_1/NOx_1의 비율로 이루어질 수 있다. 도 3b에서의 배기 처리 시스템(350)에 있어서, 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 이산화질소(NO2)의 함량과 질소 산화물(NOx)의 함량 사이의 NO2/NOx의 비율은, 환원 촉매 장치(332)에 도달하는 이산화질소의 제2 함량(NO2_2)과 질소 산화물의 제2 함량(NOx_2) 사이의 NO2_2/NOx_2의 비율로 이루어질 수 있다.
배기 처리 시스템(350)은, 배기 처리 시스템 내의 질소 산화물, 이산화질소 및/또는 온도의 결정을 위하여, 예를 들면 산화 촉매(311)로의 유입구, 제1 환원 촉매 장치(331)로의 유입구, 제1 환원 촉매 장치(331)로부터의 유출구, 산화 촉매(312)로의 유입구, 제2 환원 촉매 장치(372)로의 유입구 및/또는 제2 환원 촉매 장치(332)로부터의 유출구에 배치된 하나 또는 다수의 NOx-, NO2- 및/또는 온도 센서(361, 362, 363, 364, 365)와 같은 하나 또는 다수의 센서를 또한 구비한다.
제어 장치(380)는, 본 발명에 따르면, 연소 엔진(301) 내에서의 연소와 관련된 하나 또는 다수의 파라미터의 능동 제어를 실시하도록 배치된다. 이러한 제어는 배기 처리 시스템 내의 다수의 센서, 특히 NOx-, NO2- 및/또는 온도 센서(361, 362, 363, 364, 365) 중에서 하나 또는 다수로부터의 신호에 기초할 수 있다.
본 발명의 실시 형태의 일례에 따르면, 배기 처리 시스템은 제1 투입 장치(371)의 상류에 배치된 제1 산화 촉매(DOC1)(311) 및/또는 제1 장치(331)의 하류에 배치된 제2 산화 촉매(DOC2)(312)를 포함할 수 있다. 제1 산화 촉매(DOC1)(311) 및/또는 제2 산화 촉매(DOC2)(312)는, 이 경우에, 배기 처리 시스템(350) 내의 배기 기류(303) 내의 질소 화합물, 탄소 화합물 및/또는 탄화수소 화합물을 산화시키기 위하여 배치된다. 제1 산화 촉매(DOC1)(311) 내에서의 산화 시에, 배기 기류(303) 내의 일산화질소(NO)의 일부가 이산화질소(NO2)로 산화된다.
제1 산화 촉매(DOC1)(311) 및/또는 제2 산화 촉매(DOC2)(312)는 적어도 부분적으로 촉매 산화성 피막으로 코팅되어 있으며, 그와 같은 산화성 피막은 적어도 하나의 귀금속(precious metal), 예를 들면 백금을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태의 일례에 따르면, 배기 처리 시스템(350)은, 제1 장치의 하류에, 또는 시스템 내에 제2 산화 촉매(DOC2)(312)가 시스템 내에 포함되어 있다면 제2 산화 촉매의 하류에, 입자 필터(320)를 포함한다. 입자 필터(320)는 매연 입자를 포집하고 산화시키기 위하여 배치된다. 배기 기류는 여기에서 입자 필터의 필터 구조를 통하여 안내되며, 통과하는 배기 기류로부터 필터 구조 내에 매연 입자가 포집되어, 입자 필터 내에 저장되고 산화된다. 본 발명의 실시 형태의 일례에 따르면, 입자 필터(320)는 디젤 입자 필터(DPF)로 이루어진다. 이러한 필터는 배기 기류(303)로부터 매연 입자를 포집, 저장 및 산화시키기 위하여 그와 같이 사용된다.
본 발명의 여러 실시 형태에 따르면, 입자 필터(320)는 적어도 부분적으로 촉매 산화성 피막으로 코팅된 입자 필터로 이루어지며, 그와 같은 산화성 피막은 적어도 하나의 귀금속을 포함할 수 있다. 다시 말하자면, 입자 필터(320)는 적어도 부분적으로 하나 또는 다수의 귀금속, 예를 들면 백금으로 코팅될 수 있다. 산화성 피막을 포함하는 입자 필터(cDPF)는 제2 환원 촉매 장치(332)에서 이산화질소(NO2) 수준에 대한 비율을 더욱 안정시킬 수 있다. 또한, 산화성 피막을 포함하는 입자 필터(cDPF)의 사용은, NO2/NOx의 비율에 대한 값, 다시 말하자면 NO2의 수준이 제어될 수 있다는 것을 의미한다. 실시 형태의 일례에 따르면, 산화성 피막을 구비하는 입자 필터(cDPF)가 사용되므로, 시스템 내에 제2 산화 촉매(DOC2)(312)가 필요하지 않다.
따라서, 본 발명에 따라 환원 촉매 장치(330, 331, 332)의 상류에 배치된 적어도 하나의 산화성 구성요소(310, 311, 312, 320)는, 산화 촉매(310, 311, 312) 및 촉매 산화성 피막을 적어도 부분적으로 포함하는 입자 필터(320) 중에서 하나 또는 다수를 포함할 수 있다.
위에 기재되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따르면, 엔진(301) 내에서의 연소와 관련된 적어도 하나의 파라미터의 능동 제어(240)는, 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 이산화질소(NO2)의 함량과 질소 산화물(NOx)의 함량 사이의 비율에 대한 소망 값을 달성하기 위하여 실시된다. 이러한 능동 제어는, 본 발명의 여러 실시 형태에 따르면, 다양한 방식으로 실시될 수 있다.
엔진(301) 내에서의 연소와 관련된 적어도 하나의 파라미터의 능동 제어는, 본 발명의 실시 형태의 일례에 따르면, 연소 엔진(301)을 위한 적어도 하나의 주입 계획의 선택을 포함한다. 도 3a 및 도 3b에서, 제어 장치(380)는 엔진(301)에 연결되어 있는 것으로 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 연결은, 제어 장치(380)가 직접적으로 또는 엔진 제어 장치(115)(도 1)를 통하여 연소 엔진의 실린더 내로의 연료 주입을 더욱 적절히 제어할 수 있도록 배치된다는 것을 의미한다.
본 발명의 실시 형태의 일례에 따르면, 연소 엔진(301) 내의 각각의 실린더 내로 연료의 주입을 위한 타이밍은 제어 장치에 의하여 보다 조기에 일어나도록 제어될 수 있으며, 주입 타이밍을 진각시킴으로써, 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량의 증가가 달성된다. 유사하게, 주입의 타이밍을 지연시킴으로써, 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량의 감소가 달성될 수 있다.
본 발명의 실시 형태의 일례에 따르면, 위에 기재되어 있는 바와 같이, 연소 엔진 내의 각각의 실린더 내로의 연료 주입을 위한 주입 압력은, 하나 또는 다수의 실린더에 대하여 주입 압력의 증가가 달성되어 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량의 증가가 달성되도록, 제어 장치에 의해 제어될 수 있다. 유사하게, 연소 엔진 내의 각각의 실린더 내로의 연료 주입을 위한 주입 압력은, 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량의 감소가 달성되도록 제어될 수 있다.
본 발명의 실시 형태의 일례에 따르면, 위에 기재되어 있는 바와 같이, 각각의 실린더 내로의 연료 주입을 위한 주입 위상은, 비교적 큰 압력 구배가 얻어지고 환원 촉매 장치에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량의 증가가 달성되도록, 제어 장치에 의해 제어될 수 있다. 유사하게, 주입은, 비교적 작은 실린더 압력 구배가 얻어지고 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량의 감소가 달성되도록 제어될 수 있다.
위에 기재되어 있는 바와 같이, 본 발명의 실시 형태의 일례에 따르면, 적어도 하나의 연소 관련 파라미터의 능동 제어는 교환 가스 재순환을 위한 장치(EGR)(304)를 제어하는 제어 장치(380)를 포함할 수 있다. 이는, 도 3a 및 도 3b에서, 제어 장치(380)와 교환 가스 재순환 장치(304) 사이의 연결에 의하여 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 연결은, 제어 장치(380)가, 직접 또는 예를 들면 엔진 제어 장치(115)(도 1)를 통하여, 엔진의 유출구(305)로부터 유입구(306)까지 재순환되는 배기 기류(303)의 분율을 제어할 수 있다는 것을 나타낸다. 예를 들면, 제어 장치(380)는 여기에서 유입구(306)로의 배기 재순환의 양에 영향을 미치는 EGR-재순환 장치(304) 내의 조절판(damper) 등을 제어하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 실시 형태의 일례에 따르면, 제어 장치(380)는 배기 재순환(EGR)을 위한 장치를 통해 재순환되는 배기 기류의 분율을 감소시키도록 배치될 수 있으며, 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량의 증가가 달성된다. 유사하게, 배기 가스 재순환 장치(EGR)를 통해 재순환되는 배기 기류의 분율의 증가는 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량의 감소를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시 형태의 일례에 따르면, 제1 및/또는 제2 첨가제는 암모니아(NH3) 또는 요소를 포함하며, 요소로부터 암모니아가 생성/형성/방출될 수 있다. 이러한 첨가제는 예를 들면 애드블루(AdBlue)로 이루어질 수 있다. 제1 및/또는 제2 첨가제는 동일한 유형일 수 있거나 서로 다른 유형일 수 있다.
본 발명의 실시 형태의 일례에 따르면, 배기 처리 시스템(350)은 첨가제의 공급을 위한 시스템(370)을 포함하며, 첨가제의 공급을 위한 시스템은, 도 3a에서의 투입 장치(371) 및 도 3b에서의 제1 투입 장치(371)와 제2 투입 장치(372)에 각각 첨가제를 공급하도록, 다시 말하자면 예를 들어 암모니아 또는 요소를 공급하도록 배치된 적어도 하나의 펌프(373)를 포함한다.
첨가제의 공급을 위한 그와 같은 시스템(370)의 일례가 도 3b에 개략적으로 도시되어 있으며, 시스템은 제1 장치(331)의 상류 및 제2 장치(332)의 상류에 각각 배치된 제1 투입 장치(371) 및 제2 투입 장치(372)를 포함한다. 일반적으로 배기 기류(303)에 첨가제를 투여하고 그와 같은 첨가제를 배기 기류와 혼합하는 투입 노즐로 이루어진 제1 및 제2 투입 장치(371, 372)에는, 적어도 하나의 펌프(373)에 의하여, 첨가제를 위한 도관(375)을 통하여 첨가제가 공급된다. 적어도 하나의 펌프(373)는, 첨가제를 위한 하나 또는 다수의 탱크(376)로부터, 탱크(376)/탱크들과 적어도 하나의 펌프(373) 사이의 하나 또는 다수의 도관(377)을 통하여 첨가제를 수급한다. 첨가제는 액상 형태 및/또는 가스상 형태(gaseous form)일 수 있다는 점을 이해하여야 한다. 첨가제가 액상 형태일 경우에, 펌프(373)는 액체 펌프(liquid pump)이고, 하나 또는 다수의 탱크(376)는 액체 탱크이다. 첨가제가 가스상 형태일 경우에, 펌프(373)는 가스 펌프(gas pump)이고, 하나 또는 다수의 탱크(376)는 가스 탱크이다. 가스상 및 액상 첨가제 모두가 사용되면, 다수의 탱크 및 펌프가 배치되며, 적어도 하나의 탱크와 적어도 하나의 펌프는 액상 첨가제를 공급하도록 설정되고, 적어도 하나의 탱크와 적어도 하나의 펌프는 가스상 첨가제를 공급하도록 설정된다.
본 발명의 실시 형태의 일례에 따르면, 적어도 하나의 펌프(373)는, 제1 및 제2 투입 장치(371, 372) 모두에 제1 및 제2 첨가제를 각각 공급하는 조인트 펌프(joint pump)를 포함한다. 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 적어도 하나의 펌프는, 각각의 제1 및 제2 투입 장치(371, 372)에 제1 및 제2 첨가제를 각각 공급하는 제1 및 제2 펌프를 포함한다. 첨가제 시스템(370)의 구체적 기능은 종래 기술에 기재되어 있으며, 따라서 첨가제의 주입을 위한 정확한 방법은 여기에서는 더욱 상세히 기재되어 있지는 않다. 그러나, 일반적으로, 주입/SCR-촉매의 지점에서의 온도는, 질산암모늄(NH4NO3)과 같은 의도하지 않은 부산물의 침전 및 형성을 방지하기 위하여, 하측 문턱 온도(lower threshold temperature)보다 높아야 한다. 그와 같은 하측 문턱 온도에 대한 값의 일례는 대략 200oC일 수 있다. 본 발명의 실시 형태의 일례에 따르면, 첨가제의 공급을 위한 시스템(370)은, 첨가제가 배기 기류에 공급되도록, 적어도 하나의 펌프(373)를 제어하기 위하여 배치된 투입 제어 장치(374)를 포함한다. 투입 제어 장치(374)는, 실시 형태의 일례에 따르면, 제1 첨가제의 제1 투입이 제1 투입 장치(371)를 통하여 배기 기류(303)에 제공되도록, 적어도 하나의 펌프(373)를 제어하기 위하여 배치된 제1 펌프 제어 장치(378)를 포함한다. 투입 제어 장치(374)는, 제2 첨가제의 제2 투입이 제2 투입 장치(372)를 통하여 배기 기류(303)에 제공되도록, 적어도 하나의 펌프(373)를 제어하기 위하여 배치된 제2 펌프 제어 장치(379)를 또한 포함한다.
제1 및 제2 첨가제는 일반적으로 동일한 유형, 예를 들면 요소로 이루어진다. 그러나, 본 발명의 실시 형태의 일례에 따르면, 제1 첨가제 및 제2 첨가제는 서로 다른 유형, 예를 들면 요소 및 암모니아로 이루어질 수 있으며, 이는 각각의 제1 및 제2 환원 촉매 장치(331, 332)로의 투입 및 그에 따른 각각의 제1 및 제2 환원 촉매 장치(331, 332)에 대한 기능이 첨가제의 유형에 대해서도 최적화될 수 있다는 것을 의미한다. 서로 다른 유형의 첨가제가 사용되면, 탱크(376)는 서로 다른 각각의 유형의 첨가제를 수용하는 다수의 서브-탱크(sub-tank)를 포함한다. 제1 투입 장치(371) 및 제2 투입 장치(372)에 서로 다른 유형의 첨가제를 공급하기 위하여, 하나 또는 다수의 펌프(373)가 사용될 수 있다. 위에 언급된 바와 같이, 하나 또는 다수의 탱크 및 하나 또는 다수의 펌프는, 첨가제의 상태에 따라, 다시 말하자면 첨가제가 가스상 또는 액상인지에 따라 적용된다.
하나 또는 다수의 펌프(373)는, 제1 및 제2 장치(331, 332) 각각의 상류의 제1 및 제2 투입 장치(371, 372) 각각의 도움으로 배기 기류(303) 내에 소망 양이 주입되도록, 첨가제의 공급의 제어를 위한 제어 신호를 생성하는 투입 제어 장치(374)에 의해 그와 같이 제어된다. 더욱 상세하게는, 제1 펌프 제어 장치(378)는 조인트 펌프 또는 제1 투입 장치(371)에 전용되는 펌프를 제어하도록 배치되며, 따라서 제1 투입은 제1 투입 장치(371)를 통해 배기 기류(303)에 제공되도록 제어된다. 제2 펌프 제어 장치(379)는 조인트 펌프 또는 제2 투입 장치(372)에 전용되는 펌프를 제어하도록 배치되며, 따라서 제2 투입은 제2 투입 장치(372)를 통해 배기 기류(303)에 제공되도록 제어된다.
본 발명이 실시되는 배기 처리 시스템(350)은 다양하게 설계될 수 있다. 위에 언급되어 있는 바와 같이, 배기 처리 시스템은, 적어도 하나의 산화성 구성요소와 그 하류에 후속하는 적어도 하나의 환원 촉매 장치(330, 331, 332)를 포함한다면, 기본적으로 어떠한 형상이라도 구비할 수 있으며, 적어도 하나의 산화성 구성요소(310, 311, 312)에 도달하고 따라서 적어도 하나의 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에도 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량을 변화시키기 위하여, 연소 엔진(301)은 제어 장치(380)에 의하여 제어될 수 있다.
적어도 하나의 환원 촉매 장치(330, 331, 332)는, 예를 들면 본 발명의 여러 비-제한적 실시 형태에 따르면, 아래의 그룹 중에서 하나를 포함할 수 있다.
- 선택적 촉매 환원 촉매(SCR);
- 선택적 촉매 환원 촉매(SCR)와, 그 하류에 후속하는 슬립-촉매(SC): 여기에서, 슬립-촉매(SC)는 첨가제의 잔류물을 산화시키기 위하여 그리고/또는 선택적 촉매 환원 촉매(SCR)를 보조하여 배기 기류(303) 내의 질소 산화물(NOx)을 추가로 환원시키기 위하여 배치됨;
- 1차적으로는 질소 산화물(NOx)의 산화를 위하여, 2차적으로는 배기 기류(303) 내의 첨가제의 환원을 위하여 배치된 슬립-촉매(SC);
- 슬립-촉매(SC)와 그 하류에 배치된 선택적 촉매 환원 촉매(SCR): 여기에서, 슬립-촉매(SC)는 첨가제를 산화시키기 위하여 그리고/또는 선택적 촉매 환원 촉매(SCR)를 보조하여 배기 기류(303) 내의 질소 산화물(NOx)을 환원시키기 위하여 배치됨;
- 슬립-촉매(SC)와, 그 하류에 후속하는 선택적 촉매 환원 촉매(SCR)와, 그 하류에 후속하는 추가 슬립-촉매(SC): 여기에서, 슬립-촉매(SC) 및/또는 추가 슬립-촉매(SC)는 첨가제를 산화시키기 위하여 그리고/또는 선택적 촉매 환원 촉매(SCR)를 보조하여 배기 기류(303) 내의 질소 산화물(NOx)을 환원시키기 위하여 배치됨;
- 유출구 부분에서 완전 산화성 피막(purely oxidising coating)과 결합된 선택적 촉매 환원 촉매(SCR);
- 슬립-촉매(SC)와, 그 하류에 후속하고 유출구 부분에서 완전 산화성 피막과 결합한 선택적 촉매 환원 촉매(SCR): 여기에서, 슬립-촉매(SC)는, 1차적으로는 질소 산화물(NOx)의 환원을 위하여, 2차적으로는 배기 기류(303) 내의 첨가제의 산화를 위하여 배치됨.
본 명세서에서, 선택적 촉매 환원 촉매(SCR)는 통상의 SCR(선택적 촉매 환원)-촉매를 의미한다. SCR 촉매는 첨가제, 흔히 암모니아(NH3) 또는 암모니아가 생성/형성될 수 있는 조성물을 일반적으로 사용하며, 첨가제는 배기물 내의 질소 산화물(NOx)의 환원을 위하여 사용된다. 첨가제는, 위에 기재되어 있는 바와 같이, 촉매의 상류에서, 연소 엔진으로부터 발생하는 배기 기류 내에 주입된다. 촉매에 첨가된 첨가제는 촉매 내에 암모니아(NH3) 형태로 흡수(저장)되며, 따라서 배기물 내의 질소 산화물(NOx)과 첨가제에 의해 이용 가능한 암모니아(NH3) 사이에 산화-환원 반응이 일어날 수 있다.
본 명세서에서, 슬립-촉매(SC)는 첨가제를 산화시키기 위하여 그리고/또는 선택적 촉매 환원 촉매(SCR)를 보조하여 배기 기류(303) 내의 질소 산화물(NOx)을 환원시키기 위하여 배치된 촉매를 의미한다. 제1 장치(331) 내에 제1 슬립-촉매(SC1)의 사용은, 제1 선택적 촉매 환원 촉매(SCR1)가 더 큰 부하를 처리할 수 있게 하고 그에 따라 더욱 활용될 수 있게 하며, NOx-환원에 대해 개시 온도("활성 개시(light off)"-온도)의 감소에도 기여한다. 슬립-촉매(SC)는 배기 기류 내의 일산화질소(NO) 및/또는 탄화수소(HC)를 또한 산화시킬 수 있으며, 따라서 열/발열 반응이 발생한다.
제1 장치(331)가 제1 슬립-촉매(SC1) 및/또는 추가 제1 슬립-촉매(SC1b)를 포함하고, 슬립-촉매들이 다기능성이고 그에 따라 첨가제 사용을 통하여 질소 산화물(NOx)을 환원시키고 첨가제를 또한 산화시킨다는 사실은, 배기 처리 시스템에 대한 여러 장점들을 수반한다. 제1 슬립-촉매(SC1) 및/또는 추가 제1 슬립-촉매(SC1b)는 여기에서 제1 환원 촉매(SCR1)와 함께 사용될 수 있으며, 따라서 질소 산화물(NOx)의 환원 및 첨가제의 잔류물의 산화에 대한 제1 슬립-촉매(SC1) 및/또는 추가 제1 슬립-촉매(SC1b)의 활성과, 첨가제에 대한 슬립-촉매(SC1, SC1b)들의 흡착 특성(deposit characteristics)은, 제1 환원 촉매(SCR1)의 기능에 대한 보완적 기능을 한다. 제1 환원 촉매(SCR1), 제1 슬립-촉매(SC1) 및/또는 추가 제1 슬립-촉매(SC1b)를 포함하는 제1 장치(331)에 대한 이러한 특성들의 조합은, 제1 장치(331)에서 더욱 높은 변환 수준이 달성될 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 제1 장치(331) 내에 제1 슬립-촉매(SC1) 및/또는 추가 제1 슬립-촉매(SC1b)의 사용은, 배기 처리 시스템 내의 제1 장치(331)의 하류에 배치되고 백금 금속을 포함할 수 있는 구성요소 내에서 환원제의 비-선택적 산화(non-selective oxidation)가 발생하는 것을 방지할 수 있는 조건을 발생시킨다.
더욱이, 테스트에 의하면, 제1 장치(331) 내에서 제1 다기능성 슬립-촉매(SC1) 및/또는 추가 제1 슬립-촉매(SC1b)에 의한 질소 산화물(NOx)의 환원은 경이로울 정도로 효율적이라는 것이 밝혀졌다. 이는, 질소 산화물(NOx)의 효율적인 환원이 달성되도록, 제1 장치 내의 제1 슬립-촉매(SC1) 및/또는 추가 제1 슬립-촉매(SC1b)에서 배기 기류(303) 내에 충분한 양의 질소 산화물(NOx)이 존재하기 때문이다. 다시 말하자면, 다기능성 슬립-촉매(SC1) 및/또는 추가 제1 슬립-촉매(SC1b)가 제1 촉매 장치(331) 내에 사용되면, 제1 슬립-촉매(SC1) 및/또는 추가 제1 슬립-촉매(SC1b)에서의 질소 산화물(NOx)의 비교적 양호한 가용성은, 매우 양호한 성능 및/또는 매우 양호한 활용을 달성하기 위하여 이용될 수 있다.
제1 선택적 촉매 환원 촉매(SCR1), 제1 슬립-촉매(SC1) 및/또는 추가 제1 슬립-촉매(SC1b)는, 예를 들면 배기 기류 내의 탄화수소의 산화에 의해 열을 발생시킬 목적으로 사용될 수 있으며, 이는 황으로 오염된 구성요소, 예를 들면 제1 선택적 촉매 환원 촉매 및/또는 그 하류에 배치된 구성요소가 용이하게 재생(regeneration)될 수 있게 한다. 황으로 오염된 구성요소의 재생 시에, 구성요소 내에, 다시 말하자면 제1 선택적 촉매 환원 촉매(SCR1) 및 그 하류에 배치된 구성요소들 중에서 적어도 하나의 내에 침입한 황의 양은 감소된다.
본 발명에 따른 시스템은 위에 기재된 실시 형태의 방법과 청구항에 기재된 방법 모두를 실시하도록 구성될 수 있으며, 따라서 각각의 실시 형태에 대한 시스템은 각각의 실시 형태에 대하여 위에 기재된 장점들을 달성한다.
당해 분야의 기술자라면, 위의 시스템은 본 발명에 따른 방법의 여러 실시 형태에 따라 변경될 수 있다는 점을 이해할 것이다. 또한, 본 발명은 배기 기류의 처리를 위한 적어도 하나의 시스템을 포함하는 모터 차량(100), 예를 들면 트럭 또는 버스에 관한 것이다.
본 발명은 위에 기재된 본 발명의 실시 형태로 제한되는 것이 아니라, 첨부된 독립 청구항의 범위 내의 모든 실시 형태에 관한 것이고 이를 포함한다.

Claims (30)

  1. 연소 엔진(301) 내에서의 연소로부터 발생하고, 배기 처리 시스템(350)을 통과하고, 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)를 포함하는 질소 산화물(NOx)을 함유하는 배기 기류(303)의 처리를 위한 방법에 있어서,
    - 상기 배기 기류(303) 내의 질소, 탄소 및 수소 중에서 하나 또는 다수를 포함하는 화합물의 산화(210)를 실시하되, 상기 배기 처리 시스템(350) 내에 배치된 적어도 하나의 산화성 구성요소(310, 311, 312, 320)에 의하여 상기 산화(210)를 실시하는 단계와;
    - 상기 배기 처리 시스템(350) 내의 상기 산화성 구성요소(310, 311, 312, 320)의 하류에 배치된 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량의 환원(220)을 실시하되, 첨가제를 사용하는 촉매 반응을 통하여 상기 환원을 실시하는 단계와;
    - 상기 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 이산화질소(NO2)의 함량과 상기 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량 사이의 비율에 대한 값((NO2/NOx)det)의 결정(230)을 실시하는 단계와;
    - 상기 비율에 대한 상기 결정 값((NO2/NOx)det)에 기초하여, 상기 연소 엔진(301)과 관련된 적어도 하나의 파라미터의 능동 제어(240)를 실시하되, 상기 비율에 대한 상기 결정 값((NO2/NOx)det)이 상측 문턱 값((NO2/NOx)threshold_high)을 초과하면, 즉 (NO2/NOx)det > (NO2/NOx)threshold_ high이면, 상기 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량이 증가하도록, 상기 능동 제어(240)를 실시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배기 기류의 처리를 위한 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 상기 함량의 증가에 수반하여, 상기 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 상기 함량은, 상기 비율에 대한 상기 결정 값((NO2/NOx)det) 내에 포함된 질소 산화물(NOx)의 함량보다 증가하는 것을 특징으로 하는, 배기 기류의 처리를 위한 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 상기 함량의 증가에 수반하여, 상기 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 상기 함량은, 상기 비율에 대한 상기 결정 값((NO2/NOx)det)에 대응하는 질소 산화물(NOx)의 농도에 비하여, 상기 배기 기류 내에 더 높은 질소 산화물(NOx) 농도를 갖는 것을 특징으로 하는, 배기 기류의 처리를 위한 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 연소 엔진(301) 내에서의 연소와 관련된 상기 적어도 하나의 파라미터의 상기 능동 제어는, 상기 비율에 대한 상기 결정 값((NO2/NOx)det)이 하측 문턱 값((NO2/NOx)threshold_low)보다 작거나 같으면, 즉 (NO2/NOx)det ≤ (NO2/NOx)threshold_ low이면, 상기 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량이 감소하도록 실시되는 것을 특징으로 하는, 배기 기류의 처리를 위한 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 상기 함량의 감소에 수반하여, 상기 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 상기 함량은, 상기 비율에 대한 상기 결정 값((NO2/NOx)det) 내에 포함된 질소 산화물(NOx)의 함량보다 감소하는 것을 특징으로 하는, 배기 기류의 처리를 위한 방법.
  6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 상기 함량의 감소에 수반하여, 상기 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 상기 함량은, 상기 비율에 대한 상기 결정 값((NO2/NOx)det)에 대응하는 질소 산화물(NOx)의 농도에 비하여, 상기 배기 기류 내에 더 낮은 질소 산화물(NOx) 농도를 갖는 것을 특징으로 하는, 배기 기류의 처리를 위한 방법.
  7. 청구항 4 내지 청구항 6 중에서 어느 하나에 있어서,
    상기 하측 문턱 값((NO2/NOx)threshold_low)은
    - 50%;
    - 45%;
    - 30%;
    - 20%; 및
    - 10%;의
    그룹 중에서 하나를 나타내는 값을 갖는 것을 특징으로 하는, 배기 기류의 처리를 위한 방법.
  8. 청구항 4 내지 청구항 7 중에서 어느 하나에 있어서,
    상기 하측 문턱 값((NO2/NOx)threshold_low)은 상기 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에서의 온도에 의존하는 값을 갖는 것을 특징으로 하는, 배기 기류의 처리를 위한 방법.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중에서 어느 하나에 있어서,
    상기 상측 문턱 값((NO2/NOx)threshold_high)은
    - 45%;
    - 50%;
    - 60%; 및
    - >65%;의
    그룹 중에서 하나를 나타내는 값을 갖는 것을 특징으로 하는, 배기 기류의 처리를 위한 방법.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중에서 어느 하나에 있어서,
    상기 상측 문턱 값((NO2/NOx)threshold_high)은 상기 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에서의 온도에 의존하는 값을 갖는 것을 특징으로 하는, 배기 기류의 처리를 위한 방법.
  11. 청구항 1 내지 청구항 9 중에서 어느 하나에 있어서,
    상기 적어도 하나의 파라미터의 상기 능동 제어는 상기 연소 엔진(301)에 대한 적어도 하나의 주입 계획의 선택을 포함하는 것을 특징으로 하는, 배기 기류의 처리를 위한 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 적어도 하나의 주입 계획은 상기 연소 엔진(301) 내의 각각의 실린더 내로의 연료의 주입을 위한 타이밍의 제어를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배기 기류의 처리를 위한 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 상기 함량의 증가는 상기 주입에 대한 상기 타이밍을 진각시킴으로써 달성되는 것을 특징으로 하는, 배기 기류의 처리를 위한 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 상기 함량의 감소는 상기 주입에 대한 상기 타이밍을 지연시킴으로써 달성되는 것을 특징으로 하는, 배기 기류의 처리를 위한 방법.
  15. 청구항 11 내지 청구항 14 중에서 어느 하나에 있어서,
    상기 적어도 하나의 주입 계획은 상기 연소 엔진(301) 내의 각각의 실린더 내로의 연료의 주입을 위한 주입 압력의 제어를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배기 기류의 처리를 위한 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 상기 함량의 증가는 상기 주입 압력의 증가에 의하여 달성되는 것을 특징으로 하는, 배기 기류의 처리를 위한 방법.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 상기 함량의 감소는 상기 주입 압력의 감소에 의하여 달성되는 것을 특징으로 하는, 배기 기류의 처리를 위한 방법.
  18. 청구항 11 내지 청구항 17 중에서 어느 하나에 있어서,
    상기 적어도 하나의 주입 계획은 상기 연소 엔진(301) 내의 각각의 실린더 내로의 연료의 주입을 위한 주입 위상의 제어를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배기 기류의 처리를 위한 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 상기 함량의 증가는, 비교적 큰 압력 구배를 달성하는 주입 위상의 제어에 의하여 달성되는 것을 특징으로 하는, 배기 기류의 처리를 위한 방법.
  20. 청구항 18에 있어서,
    상기 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 상기 함량의 감소는, 비교적 작은 압력 구배를 달성하는 주입 위상의 제어에 의하여 달성되는 것을 특징으로 하는, 배기 기류의 처리를 위한 방법.
  21. 청구항 1 내지 청구항 20 중에서 어느 하나에 있어서,
    상기 적어도 하나의 파라미터의 능동 제어는 배기 재순환을 위한 장치(EGR; 304)의 제어를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배기 기류의 처리를 위한 방법.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 상기 함량의 증가는, 상기 배기 재순환을 위한 장치(EGR; 304)를 통해 재순환되는 상기 배기 기류의 분율을 감소시킴으로써 달성되는 것을 특징으로 하는, 배기 기류의 처리를 위한 방법.
  23. 청구항 21에 있어서,
    상기 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 상기 함량의 감소는, 상기 배기 재순환을 위한 장치(EGR; 304)를 통해 재순환되는 상기 배기 기류의 분율을 증가시킴으로써 달성되는 것을 특징으로 하는, 배기 기류의 처리를 위한 방법.
  24. 청구항 1 내지 청구항 23 중에서 어느 하나에 있어서,
    상기 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 이산화질소(NO2)의 함량과 상기 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량 사이의 상기 비율에 대한 결정 값((NO2/NOx)det)은,
    - 예측 값;
    - 모델링 값; 및
    - 측정 값;의
    그룹 중에서 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는, 배기 기류의 처리를 위한 방법.
  25. 청구항 1 내지 청구항 24 중에서 어느 하나에 있어서,
    상기 산화성 구성요소(310, 311, 312, 320)는,
    - 산화 촉매(310, 311, 312); 및
    - 촉매 산화성 피막을 적어도 부분적으로 포함하는 입자 필터(320);
    중에서 하나 또는 다수를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배기 기류의 처리를 위한 방법.
  26. 프로그램 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램으로서,
    상기 프로그램 코드가 컴퓨터 내에서 실행되면, 상기 컴퓨터가 청구항 1 내지 청구항 25 중에서 어느 하나에 따른 방법을 실행하는 것을 달성하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램.
  27. 컴퓨터 가독형 매체 및 청구항 26에 따른 컴퓨터 프로그램을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품으로서,
    상기 컴퓨터 프로그램은 상기 컴퓨터-가독형 매체 내에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램 제품.
  28. 연소 엔진(301) 내에서의 연소로부터 발생하고 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)를 포함하는 질소 산화물(NOx)을 함유하는 배기 기류(303)의 처리를 위하여 배치된 배기 처리 시스템(350)에 있어서,
    적어도 하나의 산화성 구성요소(310, 311, 312, 320); 촉매 환원 장치(330, 331, 332); 및 제어 장치(380)를 포함하며,
    - 상기 적어도 하나의 산화성 구성요소(310, 311, 312, 320)는, 상기 배기 기류(303) 내의 질소, 탄소 및 수소 중에서 하나 또는 다수를 포함하는 화합물의 산화(210)를 위하여, 상기 배기 처리 시스템(350) 내에 배치되고;
    - 상기 촉매 환원 장치(330, 331, 332)는, 촉매 환원 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량의 환원(220)을 위하여, 상기 배기 처리 시스템(350) 내의 상기 산화성 구성요소(310, 311, 312, 320)의 하류에 배치되며, 상기 환원은 첨가제를 이용하는 촉매 반응을 통하여 일어나고;
    - 상기 제어 장치(380)는,
    - 상기 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 이산화질소(NO2)의 함량과 상기 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량 사이의 비율에 대한 값((NO2/NOx)det)의 결정(230)과;
    - 상기 비율에 대한 상기 결정 값((NO2/NOx)det)에 기초하여, 상기 연소 엔진(301)과 관련된 적어도 하나의 파라미터의 능동 제어(240)를 제공하도록 배치되며,
    상기 능동 제어는, 상기 비율에 대한 상기 결정 값((NO2/NOx)det)이 상측 문턱 값((NO2/NOx)threshold_high)을 초과하면, 즉 (NO2/NOx)det > (NO2/NOx)threshold_ high이면, 상기 환원 촉매 장치(330, 331, 332)에 도달하는 질소 산화물(NOx)의 함량이 증가하도록 실시되는 것을 특징으로 하는 배기 처리 시스템.
  29. 청구항 28에 있어서,
    상기 산화성 구성요소(310, 311, 312, 320)는,
    - 산화 촉매(310, 311, 312);
    - 촉매 산화성 피막을 적어도 부분적으로 포함하는 입자 필터(320); 및
    - 산화 촉매(310, 311, 312)와 그 하류에 후속하는 입자 필터(320);
    중에서 하나 또는 다수를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 처리 시스템.
  30. 청구항 28 또는 청구항 29에 있어서,
    상기 촉매 환원 장치(330, 331, 332)는,
    - 선택적 촉매 환원 촉매(SCR);
    - 선택적 촉매 환원 촉매(SCR)와, 그 하류에 후속하는 슬립-촉매(SC); 여기에서, 상기 슬립-촉매(SC)는 첨가제의 잔류물을 산화시키기 위하여 그리고/또는 상기 선택적 촉매 환원 촉매(SCR)를 보조하여 상기 배기 기류(303) 내의 질소 산화물(NOx)을 추가로 환원시키기 위하여 배치됨;
    - 1차적으로는 질소 산화물(NOx)의 환원을 위하여, 2차적으로는 상기 배기 기류(303) 내의 첨가제의 산화를 위하여 배치되어 있는 슬립-촉매(SC);
    - 슬립-촉매(SC)와, 그 하류에 후속하는 선택적 촉매 환원 촉매(SCR): 여기에서, 상기 슬립-촉매(SC)는 첨가제를 산화시키기 위하여 그리고/또는 상기 선택적 촉매 환원 촉매(SCR)를 보조하여 상기 배기 기류(303) 내의 질소 산화물(NOx)을 환원시키기 위하여 배치됨;
    - 슬립-촉매(SC)와, 그 하류에 후속하는 선택적 촉매 환원 촉매(SCR)와, 그 하류에 후속하는 추가 슬립-촉매(SCb): 여기에서, 상기 슬립-촉매(SC) 및/또는 상기 추가 슬립-촉매(SCb)는 첨가제를 산화시키기 위하여 그리고/또는 상기 선택적 촉매 환원 촉매(SCR)를 보조하여 상기 배기 기류(303) 내의 질소 산화물(NOx)을 환원시키기 위하여 배치됨;
    - 유출구 부분에서 완전 산화성 피막과 결합된 선택적 촉매 환원 촉매(SCR); 및
    - 슬립-촉매(SC)와, 그 하류에 후속하고 유출구 부분에서 완전 산화성 피막과 결합된 선택적 촉매 환원 촉매(SCR): 여기에서, 슬립-촉매(SC)는 1차적으로는 질소 산화물(NOx)의 환원을 위하여, 2차적으로는 상기 배기 기류(303) 내의 첨가제의 산화를 위하여 배치됨;의
    그룹 중에서 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 처리 시스템.
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