KR20190007523A - 냉각된 내부 배기 가스 재순환 및 scr 촉매를 갖는 내연 엔진 - Google Patents

냉각된 내부 배기 가스 재순환 및 scr 촉매를 갖는 내연 엔진 Download PDF

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Abstract

내연 엔진 (10) 및 이를 작동하는 방법은, 실린더 (12) 에서 연료를 연소시킨 후, 실린더 (12) 로부터 배기 덕트 (20) 로 배기 가스를 가이드하기 위해 실린더 (12) 의 배기 밸브 (22) 를 개방하는 단계, 흡입 행정 중, 하사점 이전에, 배기 덕트 (20) 로부터 실린더 (12) 로 다시 복귀시키도록 배기 가스의 일부를 가이드하기 위해 배기 밸브 (22) 를 개방하여서, 내부 배기 가스 재순환을 유발하는 단계, 내부 배기 가스 재순환 스테이지에서 환원제를 함유한 수성 용액을 실린더로 도입하는 단계, 및 엔진 (10) 의 하류에서 배기 가스 덕트 (20) 에 배열된 선택적 촉매 환원 스테이지 (70) 에 의해 배기 가스 배출들을 제어하는 단계를 포함한다.

Description

냉각된 내부 배기 가스 재순환 및 SCR 촉매를 갖는 내연 엔진
본 발명은 청구항 1 의 전제부에 따른 내연 피스톤 엔진을 작동하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한 내연 피스톤 엔진에 관한 것이다.
환경 문제들에 관한 연소 엔진들의 작동 요건들이 점점 더 요구가 많아지고 있다. 배출들, 특히 내연 엔진의 산화 질소 (NOx) 배출들은 엄격한 규제들을 받고 있으며, 자연 보호를 위해서 이러한 엄격한 규제들은 강화되고 있다. 이러한 요건들에 대처하기 위해서 엔진이 가동 중일 때 가스 배출물들을 제어할 수 있는 다양한 기술들이 이용 가능하다. 따라서, 내연 엔진들은 환경 친화적이지만 동력 면에서 여전히 효율적이도록 계속 개발된다. 즉, 배출물들을 감소시키는 것을 목표로 하는 작용들 때문에 엔진의 전체 성능이 악화되는 것은 바람직하지 않을 것이다.
배기 가스 재순환 (EGR) 은 NOx 배출을 감소시키기 위해서 통상적으로 사용된다. EGR 에서, 배기 가스는 일부는 엔진의 실린더들로 가이드된다. EGR 시스템은 내부 또는 외부에 있을 수 있다. 외부 EGR 시스템들에서, 배기 가스는 배기 가스 덕트로부터 흡입 덕트로 재순환되고, 반면에 내부 EGR 시스템에서 배기 가스의 일부는 실린더 내에 트랩되고 또는 배기 덕트로부터 배기 가스는 연소 챔버로 역류하도록 실질적으로 직접 가이드된다.
US 6038860 A 는 터보차저로 과급된 내연 엔진에서 배기 가스를 재순환시키기 위한 시스템을 개시하고 선택된 부피의 배기 가스는 재순환 도관을 통하여 배기 매니폴드로부터 흡입 매니폴드로 재순환된다. 냉각 흡입 공기의 유동은 방향 전환되어 바이패스 도관을 통하여 엔진을 바이패스하고 재순환하는 배기 가스는 방향 전환된 흡입 공기의 유동을 이용함으로써 재순환 도관에서 냉각된다.
US 2009/0250041 A1 은 촉매를 사용하는 연속 재생 디젤 미립자 필터를 포함하는 디젤 엔진의 배기 가스를 정화하기 위한 기기를 개시한다. 소 용량의 제 2 연속 재생 디젤 미립자 필터는 연속 재생 디젤 미립자 필터를 갖춘 디젤 엔진의 배기 가스 통로를 바이패스하는 우회로에 배치된다. 미립자 물질은 낮은 배기 가스 온도들의 구역에서 제 2 연속 재생 디젤 미립자 필터에 의해 트랩된다. 균질 차지 압축 착화는 미립자 물질의 형성을 감소시키기 위해서 실린더들로 연료를 분사하기 위한 타이밍을 앞당김으로써 실행된다. 따라서, 제 2 연속 재생 디젤 미립자 필터가 소 용량을 가짐에도 불구하고 미립자 물질은 충분한 정도로 트랩될 수 있다. NOx 의 형성을 억제하기 위해서, 또한, 냉각된 배기 가스는 실린더들로 재순환되고, 게다가 우레아 첨가된 SCR 촉매는 배기 가스 통로에 배치되어 배기 가스 중 NOx 를 감소 및 분해시켜 NOx 를 추가로 감소시킨다.
외부 EGR 시스템을 사용하는 단점은 실린더들로 다시 도입하기 전 배기 가스로부터 불순물이 제거되어야 한다는 점이다. 불순물이 재순환된 배기 가스로부터 충분히 제거되지 않는다면, 그것은 내부의 유동 경로 내에 있는 엔진 부품들의 손상을 야기할 수도 있다. 따라서, 외부 EGR 시스템들은 꽤 복잡할 수 있다.
일반적으로, NOx 배출물들은 엔진의 연소 챔버들에서 온도를 내림으로써 감소된다. 예를 들어, 소위 밀러 (Miller) 사이클을 사용하는 것은 실린더 내 온도를 내림으로써 배출물 생성을 감소시키는 잘 알려진 방법이다. 밀러 사이클은 미국 특허 제 2,670,595 A 호에 개시된다. 밀러 사이클에서, 개질된 흡입 밸브 폐쇄 타이밍이 이용되고 압축 착화시 흡입 밸브 폐쇄 타이밍이 앞당겨진다. 피스톤이 하사점에 도달하기 전 흡입 밸브들은 폐쇄되고 실린더 내 압력 및 온도는 압축 행정의 종료시 낮아질 것이다. 내부 EGR 시스템에서, 배기 가스를 엔진의 실린더로 역류시키도록 배기 가스의 압력은 실린더에서 우세한 것보다 더 높을 필요가 있다. 재순환된 배기 가스의 양은 흡입 밸브 개방 및 폐쇄 타이밍에 의해 제어될 수 있다. 흡입 밸브들의 조기 개방은 더 적은 양의 재순환된 배기 가스를 유발하고, 대응하여, 흡입 밸브들의 조기 폐쇄는 더 많은 양의 재순환된 배기 가스를 유발한다.
WO 2013/124532 A1 은 적어도 2 개의 상이한 작동 모드들을 포함한 내연 엔진을 작동하기 위한 방법을 개시한다. 적어도 하나의 작동 모드에서 흡입 밸브들은 실린더들 내 압력을 낮추기 위해 흡입 행정 중 하사점 이전에 폐쇄되고, 내부 배기 가스 재순환은 배기 덕트로부터 실린더들로 배기 가스 재순환을 허용하기 위해 흡입 밸브들의 폐쇄 후와 하사점 이전에 배기 밸브들을 재개방함으로써 사용된다. 재순환된 배기 가스를 냉각하기 위해 배기 포트들로 물이 분사된다. 상이한 밸브 오버랩 지속시간들은 실린더들 내에 트랩되는 배기 가스의 양을 조정하기 위해 상이한 작동 모드들에서 사용되고 적어도 하나의 작동 모드에서 재순환된 배기 가스의 양은 엔진의 흡입 덕트와 배기 덕트 사이에 배열된 바이패스 밸브에 의해 조정된다.
이러한 방법이 그와 같이 유리할지라도 본 발명의 목적은 종래 기술의 해결책들과 비교해 성능이 개선된 내연 피스톤 엔진을 작동하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 독립항들 및 본 발명의 상이한 실시형태들의 보다 세부사항들을 기재한 다른 청구항들에 개시된 대로 실질적으로 충족될 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 내연 피스톤 엔진을 작동하는 방법으로서, 엔진이 가동하는 동안 하기 단계들이 실행된다:
- 흡입 덕트를 통하여 상기 엔진의 실린더로 흡입 공기를 도입하기 위해 흡입 밸브를 개방하는 단계,
- 상기 실린더에서 피스톤의 하사점 이전에 흡입 행정 중 상기 흡입 밸브를 폐쇄하는 단계,
- 상기 실린더에서 흡입 공기를 압축하는 단계,
- 상기 엔진의 상기 실린더로 연료를 공급하고 배기 가스를 생성하는 상기 실린더 내 연료를 연소시키는 단계,
- 상기 실린더로부터 배기 덕트로 상기 배기 가스를 가이드하기 위해 연료를 연소시킨 후 상기 실린더의 배기 밸브를 개방하는 단계, 및
- 배기 밸브를 개방하는 하사점 이전 흡입 행정 중 상기 배기 밸브를 통하여 상기 배기 덕트로부터 상기 실린더로 복귀하도록 상기 배기 가스의 일부를 가이드하여서 내부 배기 가스 재순환 (EGR) 을 유발하는 단계,
- 내부 배기 가스 재순환 스테이지에서 환원제를 함유한 수성 용액을 배기 가스로 도입하는 단계, 및
- 상기 엔진 하류에서 배기 가스 덕트에 배열된 선택적 촉매 환원 스테이지에 의해 배기 가스 배출을 제어하는 단계.
이것은 성능이 상당히 개선된 내연 피스톤 엔진을 작동하기 위한 방법을 제공한다. 이 방법은 엔진의 전체 배출물들을 감소시키는 효율적인 방식을 제공한다. 특히, 배출물 저감은 다른 로케이션들 또는 스테이지들에서, 즉 양 배출물 저감 스테이지들에서 동일한 수성 용액을 사용하는 엔진 하류의 SCR 유닛에서 그리고 엔진의 실린더에서 효율적으로 제어된다. 2 개의 시스템들의 조합을 이용한다는 사실로 인해, 시스템들의 조합이 충분한 배출물 저감을 유발하도록 선택적 촉매 환원 시스템의 크기가 감소될 수 있다. 게다가, 배출물들을 감소시키는 부담이 2 개의 시스템들에 나누어져서 각각의 시스템은 덜 부하를 받는다. 이것은 엔진의 배출물들을 감소시키기 위한 시스템들의 내구성 및 효율성을 개선한다. 구체적으로, 배출물들이 효율적으로 감소되면서 엔진은 여전히 효율적이다. 유리하게도, 단지 내부 EGR 이 사용된다.
수성 용액 중 환원제의 양은 엔진의 작동 파라미터들을 기반으로 제어 가능하다.
이 방법은 모든 타입들의 연료들에 적용 가능하다. 그것은 또한 연료 - 전부 또는 단지 파일럿 연료 - 가 연소 챔버 및/또는 예연소실로 직접 분사되는 소위 직접 분사식 엔진들에 적용 가능하다. 이 방법은 또한 연료가 연료-공기 혼합물로서 연소 챔버에 도입되는 경우에 적용 가능하다.
본 발명은 또한 광범위한 제어를 제공하는데 왜냐하면 그것은 첫째로 수성 용액 분사의 제어 가능한 냉각 효과와 내부 EGR 의 제어 가능한 사용 및 부가적으로 제어 가능한 양의 SCR 환원제에 의한 SCR 의 제어 가능한 작동을 허용하기 때문이다. 환원제의 양은 수성 용액의 유량 및/또는 수성 용액 중 SCR 환원제의 농도를 제어함으로써 제어될 수도 있다. SCR 환원제의 농도는 물에서 환원제의 비 또는 그 반대로 제어함으로써 제어될 수도 있다. 환원제는 예를 들어 우레아 또는 암모니아 수용액일 수도 있다. SCR 환원제의 농도 제어에 의해, 물 양을 제어함으로써 내부 EGR 프로세스에서 가스 냉각 및 환원제 양을 제어함으로써 SCR 프로세스의 작동을 실질적으로 독립적으로 제어할 수 있다. 가장 실행 가능한 조합들은 적합한 실험들을 이용해 사례별로 찾을 수 있다.
본 발명은 또한 예컨대 빠른 엔진 부하 증가 상황에서 환원 용량 변화에 대한 신속한 응답을 제공한다. 부가적으로 내부 EGR 및 SCR 스테이지의 획득된 조합 효과는 그들 중 단 하나만 사용하는 것과 비교해 양 시스템의 소형화를 허용한다. 또한, 내부 EGR 과 SCR 스테이지 간 NOx 환원 공유에 영향을 미칠 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 수성 용액은 선택적 촉매 환원 스테이지에서 사용된 환원제를 포함한다. 이같이 엔진의 선택적 촉매 환원 유닛에 사용된 환원제 수성 용액은 또한 NOx 배출물들의 감소를 추가로 개선하는 내부 재순환 프로세스에서 배기 가스를 냉각하기 위해 사용될 수도 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 실린더로부터 배기 덕트로 배기 가스를 가이드한 후 배기 밸브가 먼저 폐쇄되고 나중에 재개방되고 배기 가스의 일부는 재개방된 배기 밸브를 통하여 배기 덕트로부터 실린더로 가이드된다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 수성 용액은 실린더의 배기 포트로 분사되고 이같이 내부 재순환된 배기 가스는 냉각된다. 이것은 또한 연소시 배출물 생성, 특히 NOx 생성을 감소시킨다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 수성 용액은 재순환된 배기 가스를 냉각하고 실린더에서 배출물 생성을 감소시키기 위해 실린더의 연소 챔버로 직접 분사된다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 흡입 밸브를 폐쇄한 후 배기 밸브가 개방된다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 흡입 공기는 터보차저에 의해 가압되고 흡입 밸브를 폐쇄하기 전 배기 밸브가 개방되고, 터보차저의 작동은 배기 덕트에서보다 낮게 연소 챔버 내 압력을 유지하도록 제어된다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 이 방법은 환원제 소비, 물 소비 및 연료 소비 중 하나 이상을 모니터링하고 모니터링된 값들에 응하여 실린더로 도입된 수성 용액의 양 및/또는 수성 용액 중 환원제의 농도를 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 이 방법은 엔진의 부하를 측정하고 측정된 엔진의 부하에 응하여 수성 용액의 양 및/또는 수성 용액 중 환원제의 농도와 같은 분사를 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 이 방법은 엔진의 배출물들을 측정하고 측정된 엔진의 배출물들에 응하여 수성 용액의 분사량 및/또는 수성 용액 중 환원제의 농도를 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 측정되거나 다르게 결정된 엔진의 배출물들이 미리 정해진 설정값을 초과한 후에만 환원제는 수성 용액에 첨가되거나 환원제의 양이 증가되고 측정되거나 다르게 결정된 엔진의 배출물들이 미리 정해진 설정값 미만일 때, 환원제의 양은 감소되거나 환원제 없이 수성 용액이 사용될 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 이 방법은 상기 엔진의 지리적 위치를 나타내는 신호들을 수신하고 지리적 위치를 나타내는 신호에 응하여 수성 용액의 분사 및/또는 수성 용액 중 환원제의 농도를 제어하는 단계를 포함한다. 유리하게도, 엔진은 GPS 신호를 수신하도록 위성 위치 확인 시스템 (GPS) 수신기를 구비한다. 따라서, 지역 배출 요건들이 제어되고 효율적으로 충족된다.
환원제는 예를 들어 우레아 또는 암모니아 수용액일 수도 있다.
이 방법은 엔진을 터보차저로 과급하는 유리한 적어도 하나의 단계를 포함하고 본 발명의 실시형태에 따르면 선택적 촉매 환원 스테이지에 의해 배기 가스 중 배출물들을 제어하는 단계는 배기 가스 유동 방향으로 최종 터보차저의 터빈의 상류에서 수행된다. 이 경우에 터빈 스테이지들 사이에서 선택적 촉매 환원 스테이지의 위치는 예컨대 SCR 유닛에서 촉매 프로세스의 요구되는 온도 레벨을 기반으로 선택될 수도 있다.
이 방법은 엔진을 터보차저로 과급하는 유리한 적어도 하나의 단계를 포함하고 본 발명의 다른 실시형태에 따르면 선택적 촉매 환원 스테이지에 의해 배기 가스 중 배출물들을 제어하는 단계는 배기 가스 유동 방향으로 최종 터보차저의 터빈의 하류에서 수행된다.
본 발명은 콤팩트하면서 종래 기술의 배출물 저감 장치만큼 양호하거나 심지어 더 나은 배출물 저감을 여전히 제공하는 배출물 저감 장치를 제공한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 내연 피스톤 엔진은 배출물 저감 장치를 포함하고, 상기 엔진은 엔진의 실린더들로 흡입 공기를 도입하기 위한 흡입 덕트, 상기 흡입 덕트와 상기 실린더 사이 유동 연통을 개방 및 폐쇄하기 위한 상기 엔진의 각각의 실린더를 위한 적어도 하나의 흡입 밸브, 배기 덕트 및 상기 실린더로부터 상기 배기 덕트로 유동 연통을 개방 및 폐쇄하기 위한 각각의 실린더를 위한 적어도 하나의 배기 밸브를 포함하고, 상기 배출물 저감 장치는 상기 배기 덕트로부터 상기 실린더들로 내부 배기 가스 재순환을 허용하기 위해 상기 배기 밸브의 작동을 제어하는 수단을 구비하고, 상기 배출물 저감 장치는 내부 배기 가스 재순환시 배기 가스에 수성 용액을 제공하도록 배열된 수성 용액 분사 시스템을 구비하고, 상기 배기 덕트는 상기 엔진의 하류에 배열된 선택적 촉매 환원 (SCR) 유닛을 더 구비하고, 상기 배출물 저감 장치는 상기 선택적 촉매 환원 (SCR) 유닛에서 사용하기 위해 상기 수성 용액으로 SCR 환원제를 제어 가능하게 유입시키기 위해 상기 수성 용액 분사 시스템과 연결된 환원제 유입 시스템을 구비한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 배출물 저감 장치는 청구항 1 내지 청구항 14 에 따른 내연 피스톤 엔진을 작동하는 방법을 실시하는 실행 가능 명령들을 포함하는 컴퓨터 제어 유닛을 포함한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 수성 용액의 질량 유량 대 연료의 질량 유량의 비로서 표현되는 수성 용액의 유리한 양, 즉 WFR = qm수성용액/qm연료 은 0 < WFR < 1 이다.
엔진이 부분 부하로 가동 중일 때 수성 용액의 양은 엔진이 전 부하로 가동 중일 때보다 적다.
수행된 실험들에 따르면 수성 용액의 질량 유량 대 연료의 질량 유량의 비로서 표현되는 수성 용액의 사용 가능한 양, 즉 WFR = qm수성용액/qm연료 은 일부 경우에 0 < WFR ≤ 1.5 이도록 확장될 수도 있음을 발견하였다.
예로서, 엔진이 공칭 최대 부하의 75% 미만 부하에서 가동 중일 때, WFR = 0.01 ~ 1.0 이고; 엔진이 공칭 최대 부하의 40% ~ 110% 부하에서 가동 중일 때, WFR = 0.5 ~ 1.5 이다.
환원제의 농도가 일정하고 단지 물의 양만 조절될 때 간단한 실시형태가 제공되지만, 환원제의 농도와 물의 양을 모두 조절하면 내부 EGR 및 SCR 프로세스 양자에 정확한 제어를 제공한다. 원하는 효과를 얻기만 하면 도입되는 물의 양을 최소화하는 것이 유리하다. 특히 엔진의 저 부하에서 연기 및 미립자 배출 위험이 증가되고 물의 양 제어는 이것을 고려해야 한다.
이 특허 출원에서 제시된 본 발명의 예시적 실시형태들은 첨부된 청구 범위의 적용 가능성에 제한을 가하도록 해석되어서는 안 된다. 동사 "포함하다" 는 또한 언급되지 않은 특징들의 존재를 배제하지 않는 개방형 한정으로 이 특허 출원에서 사용된다. 종속항들에 언급된 특징들은 달리 명시하지 않는 한 상호 자유롭게 조합 가능하다. 본 발명의 특징으로 간주되는 신규한 특징들은 특히 첨부된 청구 범위에서 개시된다.
이하에서, 본 발명은 첨부된 예시적인 개략적인 도면들을 참조하여 설명될 것이다.
도 1 은 본 발명의 실시형태에 따른 배출물 저감 장치를 포함하는 터보차저로 과급된 내연 피스톤 엔진을 도시한다.
도 2 는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 배출물 저감 장치를 포함하는 터보차저로 과급된 내연 피스톤 엔진을 도시한다.
도 1 은 터보차저로 과급된 내연 피스톤 엔진 (10) 을 개략적으로 도시한다. 여기에서 엔진은 예로서 일렬로 배열된 6 개의 실린더들 (12) 을 포함한다. 실린더들의 개수 뿐만 아니라 구성은 경우에 따라 달라질 수도 있다. 또한 엔진 (10) 과 연결되어 배출물 저감 장치 (100) 가 배열된다.
일반적으로, 4 행정 엔진에서 하나의 실린더의 작동은 4 개의 단계들로 나누어질 수 있다: 1) 흡입 공기가 실린더로 유입되는 흡입 행정, 2) 피스톤이 그것의 상사점 위치를 향해 이동하고 연소 공기/차지가 폐쇄된 연소 챔버에서 압축되는 압축 행정, 3) 연료 연소로부터 기인한 팽창 가스가 크랭크샤프트를 회전시키는 실린더 아래로 피스톤을 강제로 움직이는 동력 행정, 및 4) 실린더로부터 배기 가스 제거를 위한 배기 행정. 엔진이 가동 중일 때 단계들 1) 내지 4) 의 순서는 연속적으로 반복된다.
터보차저로 과급된 내연 피스톤 엔진 (10) 은 엔진 (10) 의 실린더(들) (12) 로 흡입 공기를 도입하기 위해 흡입 덕트 (14) 를 포함한다. 엔진 (10) 은 연소 후 실린더(들) (12) 로부터 배기 가스를 배출하기 위한 배기 덕트 (20) 를 추가로 구비한다. 터보차저로 과급된 내연 피스톤 엔진 (10) 은 흡입 덕트 (14) 에 배열된 압축기 (42) 및 배기 덕트 (20) 에 배열된 터빈 (t) 을 포함하는 터보차저 (40) 를 구비한다.
엔진 (10) 은 엔진 (10) 의 각각의 실린더 (12) 를 위한 적어도 하나의 흡입 밸브 (18) 를 포함하고, 상기 흡입 밸브 (18) 는 흡입 덕트 (14) 로부터 엔진 (10) 의 실린더 (12) 까지 유동 연통을 개방 또는 폐쇄하도록 배열된다. 흡입 밸브 (18) 는 엔진 (10) 의 실린더 헤드에 배열된다. 엔진 (10) 의 작동 중, 흡입 공기는 압축기 (42) 에 의해 가압되고 보통 차지 공기 냉각기 (미도시) 에 의해 냉각된 후 실린더 (12) 의 적어도 하나의 흡입 밸브 (18) 를 개방함으로써 실린더 (12) 로 도입된다. 흡입 밸브 (18) 는 흡입 행정 중 실린더 (12) 내 피스톤의 하사점 (BDC) 이전에 폐쇄된다. 흡입 행정은 상사점 (TDC) 으로부터 하사점 (BDC) 까지 피스톤의 운동을 의미하고 그 동안 흡입 공기는 개방된 흡입 밸브 (18) 를 통하여 실린더 (12) 로 도입된다. 실린더 (12) 내 피스톤의 하사점 (BDC) 이전에 흡입 행정 중 흡입 밸브 (18) 의 폐쇄는, 흡입 밸브 (18) 가 폐쇄될 때 흡입 행정의 종료시 흡입 공기의 팽창으로 인해 실린더 (12) 내 차지 공기의 유효 압력 및 온도를 낮춘다. 이같이, 압력과 온도 양자는 또한 압축 행정의 종료시 낮아져서 더 낮은 NOx 배출물 생성을 유발할 것이다.
직접 분사식 디젤 엔진들과 같은 직접 분사식 엔진들에서 연료는 압축 행정 후 엔진 (10) 의 실린더 (12) 로 직접 공급되고 배기 가스를 발생시키는 실린더의 연소 챔버에서 연소된다. 각각의 실린더 (12) 는 실린더 (12), 즉 연소 챔버와 배기 덕트 (20) 사이 유동 연통을 개방 또는 폐쇄하기 위한 적어도 하나의 배기 밸브 (22) 를 구비한다. 실린더 (12) 에서 연료를 연소시킨 후, 실린더 (12) 의 배기 밸브 (22) 는 상사점으로 피스톤의 운동 및 연소 챔버 내 압력에 의해 유발되는 배기 가스를 실린더 (12) 로부터 배기 덕트 (20) 로 가이드하기 위해 개방된다. 배기 행정 후, 사이클은 흡입 행정에 의해 다시 시작된다. NOx 배출물들을 추가로 감소시키기 위해서, 엔진 (10) 및/또는 엔진 (10) 과 연결된 배출물 저감 장치 (100) 는 배기 덕트 (20) 로부터 실린더들 (12) 로 내부 배기 가스 재순환을 허용하고 제공하기 위해 배기 밸브 (22) 를 제어하는 수단 (50, 55) 을 구비한다. 배기 밸브 (22) 를 제어하기 위한 수단은 제어기 컴퓨터 유닛 (50), 그 안에서 실행되는 실행 가능 명령들, 제어기 컴퓨터 (50) 와 밸브들 (22) 사이 신호 경로 (55) 및 밸브들 내 액추에이터 시스템 (미도시) 을 포함하고 이 시스템에 의해 밸브의 위치는 그에 맞춰 제어 가능하다. 배기 밸브 (22) 의 작동은, 예를 들어, 유압 또는 전기 유압 시스템, 또는 밸브의 폐쇄 타이밍을 제어하기 위한 유압 수단을 구비한 캠 구동 기구에 의해 제어될 수 있다. 이같이, 하사점 이전에 흡입 행정 중, 배기 밸브 (22) 는 재개방될 수도 있고 배기 가스의 일부는 배기 덕트 (20) 로부터 엔진의 실린더 (12) 로 다시 복귀하도록 허용되어서 내부 배기 가스 재순환 (EGR) 을 유발한다. 내부 배기 가스 재순환 프로세스에서, 배기 가스는 배기 가스 덕트 (20) 로부터 직접 실린더 (12) 로 다시 복귀된다. 배기 덕트 (20) 로부터 실린더들 (12) 로 역류하는 배기 가스의 기능을 제공하기 위해서, 배기 덕트 (20) 내 압력은 실린더 (12) 내 압력보다 더 높아야 하고, 배기 밸브 (22) 는 개방되어야 한다. 실린더 (12) 로 다시 복귀되는 배기 가스의 양은 1) 배기 덕트 (20) 와 실린더 (12) 사이 압력 차이, 2) 배기 밸브 (22) 개방과 폐쇄 사이 지속 기간 및 3) 흡입 밸브 및 배기 밸브의 가변/선택적 밸브 오버랩에 의존한다. 배기 밸브 및 흡입 밸브의 오버랩이 매우 작거나 최소화된다면, 내부 배기 가스 재순환 중 더 높은 EGR 비율이 달성된다. 본 발명은, 연소 프로세스의 사이클 중, 실린더 (12) 로부터 배기 덕트 (20) 로 배기 가스를 가이드하기 위해 연료를 연소한 후 실린더 (12) 의 배기 밸브 (22) 가 개방되고, 그 후 폐쇄되고, 하사점 이전에 흡입 행정 중 또는 후에 부가적으로 재개방되도록 구현될 수도 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 흡입 공기는 터보차저 (40) 에 의해 가압된다. 흡입 행정 중 흡입 밸브를 폐쇄하기 전 배기 밸브 (22) 가 개방되고 실린더 (12) 내 압력이 배기 덕트 (20) 내 압력보다 낮게 유지되도록 터보차저 (40) 의 작동이 제어된다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 배기 가스 밸브 (22) 는 흡입 밸브 (18) 를 폐쇄한 후에만 개방된다. 이 실시형태에서, 흡입 밸브 (18) 가 폐쇄된 후 실린더 (12) 내 압력이 배기 덕트 (20) 내 압력보다 낮게 유지되도록 터보차저 (40) 의 작동이 제어된다. 터보차저의 작동은 웨이스트-게이트 (waste-gate) 에 의해 또는 가변 기하학적 구조의 터보차저를 사용해 제어될 수도 있다.
도 1 에 도시된 대로, 배출물 저감 장치 (100) 는 배기 덕트 (20) 와 연결되게 배열된 선택적 촉매 환원 (SCR) 유닛 (70) 을 포함한다. 배출물 저감 장치 (100) 는 엔진 (10) 과 연결되는 수성 용액 분사 시스템 (60) 을 추가로 포함한다. 각각의 실린더는 엔진의 내부 배기 가스 재순환시 수성 용액을 배기 가스로 분사하기 위한 분사기 (62) 를 구비한다.
선택적 촉매 환원 (SCR) 유닛 (70) 은 SCR 촉매로도 알려진 적어도 하나의 촉매 원소를 포함한다. 선택적 촉매 환원 유닛 (70) 에서, 산화 질소 배출물들 (NOx 배출물들) 이 환원된다. 유리하게도 수용액으로서, 암모니아 또는 우레아가 수성 용액에서 사용된다. 적합한 온도에서 산화 질소는 질소 (N2) 및 수증기 (H2O) 로 환원된다. 방향 "하류" 는 배기 덕트 (20) 에서 엔진 (10) 으로부터 멀리 유동하는 배기 가스의 방향에 대해 규정되는 점에 주목해야 한다. 환원제가 엔진에 도입된다는 사실로 인해, 환원제는 SCR 유닛 (70) 으로 들어가기 전 증발, 분해 및/또는 배기 가스와 혼합되도록 보장된다.
배출물 저감 장치 (100) 는 투여 유닛 (90) 을 추가로 포함한다. 또한, 배출물 저감 장치 (100) 는 투여 유닛 (90) 에서 제조된 수성 용액으로 첨가될 환원제를 제공하도록 배열되는 SCR 환원제의 공급원 (94) 을 포함하는 환원제 유입 시스템 (91) 을 구비한다. 컴퓨터 제어 유닛 (50) 은 엔진 (10) 의 작동 중 배출물 저감을 제어하도록 배열된다. 도 1 은 또한 수성 용액에 물을 제공하기 위한 물 공급원 (96) 을 도시한다. 투여 유닛 (90) 은 물 공급원 (96) 으로부터 물을 수용하고 명령들에 따라 제어된 양의 환원제를 함유하는 수성 용액을 수성 용액 분사 시스템 (60) 으로 가이드한다. 따라서, 환원제 공급원 (94) 은 투여 유닛 (90) 에 연결되고 투여 유닛 (90) 은 환원제 용액, 예컨대 물-우레아 용액을 제공하기 위해 환원제를 수용한다.
도면에서 점선들은 장치 (100) 의 부품들 사이 데이터 라인들 또는 케이블링과 같은 제어 신호 경로들을 도시한다. 도면에 구체적으로 도시되지 않았지만, 엔진 및 배출물 저감 장치 (100) 와 연결되어 각각의 측정 신호들을 제공하는 적합한 프로브들 또는 측정 송신기들이 있을 수도 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 투여 유닛 (90) 및 따라서 수성 용액의 분사 프로세스 뿐만 아니라 수성 용액 중 환원제의 농도는 선택적 촉매 환원 유닛 (70) 의 하류에서 측정된 엔진의 배출물들에 응하여 제어된다. 배기 덕트 (20) 에서 선택적 촉매 환원 유닛 (70) 의 하류에 배기 가스의 배출 정보를 송신하도록 배열된 제 1 제어 신호 경로 (51) 가 있다. 제 1 제어 신호 경로 (51) 의 일 단부는 NOx 배출물들을 결정하기 위해 적합한 프로브를 구비한 선택적 촉매 환원 유닛 (70) 의 하류에 위치되고, 타 단부는 컴퓨터 제어 유닛 (50) 에 연결된다. 이같이, 컴퓨터 제어 유닛 (50) 은 제 1 제어 신호 경로 (51) 를 통하여 배기 덕트 (20) 내 배출물 함유량의 정보를 수신하고 제 1 신호 경로 (51) 는 배기 덕트 (20) 내 NOx 배출물들을 나타내는 제어 신호를 컴퓨터 제어 유닛 (50) 으로 송신한다. 유리하게도, 컴퓨터 제어 유닛 (50) 은 배기 가스의 NOx 함유량을 분석하기 위한 NOx 분석기를 포함한다. 이같이, 수성 용액 및/또는 환원제의 도입은 측정된 엔진의 배출물들에 응하여 제어된다.
컴퓨터 제어 유닛 (50) 의 제 2 신호 경로 (52) 는 특정 명령들을 기반으로 투여 유닛의 작동을 제어하도록 투여 유닛 (90) 에 연결된다. 제 2 신호 경로 (52) 는 측정된 그리고/또는 수신된 신호(들)에 응하여 수성 용액 분사 시스템 (60) 으로 환원제의 투여량 및/또는 분사 노즐 장치 (80) 로 수성 용액의 유량을 제어하도록 명령들을 송신한다. 투여 유닛 (90) 은 수성 용액에서 환원제의 양, 즉 물에서 환원제의 농도를 제어 가능하게 변화시킬 수 있다.
엔진들 속도 및/또는 엔진들 부하를 결정하기 위한 수단을 구비한 엔진에 연결되는 제 3 신호 경로 (53) 가 있다. 컴퓨터 제어 유닛 (50) 의 제 3 신호 경로 (53) 는 엔진의 부하 또는 부하 관련 값 및/또는 엔진의 속도 정보를 송신한다. 따라서, 본 발명의 실시형태에 따르면, 수성 용액 및 환원제의 분사는 측정된 엔진의 부하 및/또는 속도에 응하여 제어된다. 컴퓨터 제어 유닛 (50) 의 제 4 신호 경로 (54) 는 분사기들 (62) 의 작동 및 각각의 실린더들로 수성 용액의 투여를 제어하기 위해서 각각의 분사기들 (62) 에 연결된다.
수성 용액 분사 시스템 (60) 은 내부 배기 가스 재순환시 배기 가스에 수성 용액을 분사하기 위한 복수의 분사기들 (62) 을 포함한다. 도 1 에서, 수성 용액 분사 시스템 (60) 의 분사기들 (62) 각각은 실린더 (12) 의 대응하는 배기 포트 (24) 와 연결되어 배열된다. 배기 밸브 (22) 가까이에서 수성 용액의 분사가 일어난다. 이같이, 수성 용액은 실린더 (12) 의 배기 포트 (24) 로 분사되고 내부 재순환된 배기 가스는 냉각된다. 연소 챔버 내 차지 온도가 냉각될 때, 연소시 배출물 생성은 감소된다. 환언하면, 수성 용액은 실린더로 직접 가이드되는 배기 가스에 분사된다. 엔진 (10) 은 배기 덕트 (20) 로부터 실린더들 (12) 로 내부 배기 가스 재순환을 허용하기 위해 배기 밸브 (22) 를 제어하는 수단을 구비한다. 배기 밸브들 (22) 이 폐쇄되기 전 배기 가스 재순환시 수성 용액이 배기 가스에 분사된다. 즉, 배기 밸브들 (22) 의 폐쇄는 배기 가스 재순환을 종료한다. 대안적으로, 분사기들 (62) 은 엔진의 실린더들 (12) 로 직접 개방되도록 배열될 수도 있다.
컴퓨터 제어 유닛 (50) 은 수성 용액의 투여 및 내부의 환원제의 농도를 제어하도록 실행 가능 명령들을 포함한다. NOx 배출물들의 생성이 충분히 낮도록 엔진이 작동되는 경우에, 배출물 저감은 내부에 0% 의 환원제를 갖는 수성 용액 분사와 내부 배기 가스 재순환에 의해 실행되고 배출물 생성이 임의의 미리 정해진 값을 초과할 때 수성 용액에서 환원제의 농도는 증가되어서 SCR 유닛의 작동을 시작한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 수성 용액의 분사 및 환원제의 농도는 엔진의 지리적 위치를 나타내는 신호들에 응하여, 특히 지리적 배출 요건들에 응하여 제어된다. 예를 들어, NOx 배출이 매우 낮을 필요가 있는 영역에서는, 환원제를 갖는 수성 용액이 사용된다. NOx 배출이 더 높을 수 있는 (매우 낮은 NOx 배출 영역에서보다 높은) 영역에서는, 그러면 환원제 없이 또는 저 농도의 환원제와 수성 용액이 사용된다.
도 2 는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 터보차저로 과급된 내연 피스톤 엔진 (10) 을 개시한다. 배출물 저감 장치 (100) 가 엔진 하류에서 그러나 터보차저 (40) 의 터빈 (44) 상류에서 배기 덕트 (20) 와 연결되어 배열된 선택적 촉매 환원 (SCR) 유닛 (70) 을 포함한다는 점을 제외하고 도 1 에 도시된 것과 그 외에는 유사하다. 따라서, 이와 관련해서 엔진 하류라는 용어는 엔진의 실린더 하류를 의미한다. 그리고, 여기에서는 도시되지 않았지만 각각 터빈들이 직렬로 연결되고 압축기들이 직렬로 연결되도록 엔진이 예컨대 2 개의 터보차저들을 구비하는 것을 또한 생각할 수 있다. 이러한 경우에 선택적 촉매 환원 (SCR) 유닛 (70) 은 엔진의 하류에 그러나 배기 가스 유동 방향으로 최종 터보차저 (40) 의 터빈 (44) 의 상류에 배기 덕트 (20) 와 연결되어 배열된다. 터빈 (44) (또는 터빈들) 에 대해 SCR 유닛 (70) 의 위치를 적절히 선택함으로써 촉매의 요건들을 충족하고 사례별로 원하는 반응들을 얻도록 SCR 유닛의 작동 온도에 영향을 미칠 수 있다.
본 발명은 본원에서 예로서 현재 가장 바람직한 실시형태들로 간주되는 것과 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시형태들에 제한되지 않고 첨부된 청구 범위에 규정된 대로 본 발명의 범위 내에 포함된 특징들의 다양한 조합들 또는 수정들, 여러 다른 응용들을 포함하도록 의도된다는 점을 이해해야 한다. 상기 임의의 실시형태와 관련하여 언급된 세부사항들은, 이러한 조합이 기술적으로 실행 가능할 때 다른 실시형태와 관련하여 사용될 수도 있다.

Claims (16)

  1. 내연 피스톤 엔진 (10) 을 작동하는 방법으로서,
    상기 내연 피스톤 엔진 (10) 이 가동하는 동안 하기 단계들:
    - 흡입 덕트 (14) 를 통하여 상기 내연 피스톤 엔진 (10) 의 실린더 (12) 로 흡입 공기를 도입하기 위해 흡입 밸브 (18) 를 개방하는 단계,
    - 상기 실린더 (12) 에서 피스톤의 하사점 이전에 흡입 행정 중 상기 흡입 밸브 (18) 를 폐쇄하는 단계,
    - 상기 실린더 (12) 에서 상기 흡입 공기를 압축하는 단계,
    - 상기 내연 피스톤 엔진 (10) 의 상기 실린더 (12) 로 연료를 공급하고 배기 가스를 생성하는 상기 실린더 (12) 내 연료를 연소시키는 단계,
    - 상기 실린더 (12) 로부터 배기 덕트 (20) 로 상기 배기 가스를 가이드하기 위해 연료를 연소시킨 후 상기 실린더 (12) 의 배기 밸브 (22) 를 개방하는 단계, 및
    - 상기 하사점 이전에 상기 흡입 행정 중 상기 배기 밸브 (22) 를 통하여 상기 배기 덕트 (20) 로부터 상기 실린더 (12) 로 상기 배기 가스의 일부를 가이드하여서 내부 배기 가스 재순환을 유발하는 단계가 실행되고,
    상기 방법은,
    - 내부 배기 가스 재순환 스테이지에서 환원제를 함유한 수성 용액을 상기 실린더로 도입하는 단계, 및
    - 상기 내연 피스톤 엔진 (10) 하류에서 상기 배기 가스 덕트 (20) 에 배열된 선택적 촉매 환원 스테이지 (70) 에 의해 상기 배기 가스의 배출을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (10) 을 작동하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 실린더로 도입된 상기 수성 용액 중 환원제는 상기 선택적 촉매 환원 스테이지 (70) 에서 사용되는 것을 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (10) 을 작동하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 실린더 (12) 로부터 상기 배기 덕트 (20) 로 배기 가스를 가이드한 후, 상기 배기 밸브 (22) 는 재개방되고 재개방된 상기 배기 밸브 (22) 를 통하여 상기 배기 덕트 (20) 로부터 상기 실린더 (12) 로 상기 배기 가스의 일부를 가이드하는 것을 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (10) 을 작동하는 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 환원제는 우레아인 것을 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (10) 을 작동하는 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 환원제는 암모니아인 것을 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (10) 을 작동하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 수성 용액은 내부 재순환된 상기 배기 가스를 냉각하고 연소시 배출물 생성을 감소하기 위해 상기 실린더 (12) 의 배기 포트 (24) 에 분사되는 것을 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (10) 을 작동하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 수성 용액은 재순환된 상기 배기 가스를 냉각하고 상기 실린더 (12) 에서 배출물 생성을 감소시키기 위해 상기 실린더 (12) 의 연소 챔버로 직접 분사되는 것을 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (10) 을 작동하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    엔진의 부하를 측정하고 측정된 엔진의 부하에 응하여 상기 실린더로 도입된 상기 수성 용액의 양 및/또는 상기 수성 용액 중 환원제의 농도를 제어하는 단계를 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (10) 을 작동하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    환원제 소비, 물 소비 및 연료 소비 중 하나 이상을 모니터링하고 모니터링된 값들에 응하여 상기 실린더로 도입된 상기 수성 용액의 양 및/또는 상기 수성 용액 중 환원제의 농도를 제어하는 단계를 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (10) 을 작동하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    엔진의 배출물들을 측정하고 측정된 엔진의 배출물들에 응하여 상기 실린더로 도입된 상기 수성 용액의 양 및/또는 상기 수성 용액 중 환원제의 농도를 제어하는 단계를 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (10) 을 작동하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 내연 피스톤 엔진의 지리적 위치를 나타내는 신호들을 수신하고 상기 지리적 위치를 나타내는 신호들에 응하여 상기 실린더로 도입된 상기 수성 용액의 양 및/또는 상기 수성 용액 중 환원제의 농도를 제어하는 단계를 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (10) 을 작동하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    선택적 촉매 환원 스테이지 (70) 에 의해 상기 배기 가스의 배출을 제어하는 단계는 배기 가스 유동 방향으로 최종 터보차저 (40) 의 터빈 (44) 상류에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (10) 을 작동하는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    선택적 촉매 환원 스테이지 (70) 에 의해 상기 배기 가스의 배출을 제어하는 단계는 배기 가스 유동 방향으로 최종 터보차저 (40) 의 터빈 (44) 하류에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (10) 을 작동하는 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    수성 용액의 질량 유량 대 연료의 질량 유량의 비로서 표현된 수성 용액의 양, WFR 은, 0 < WFR < 1 인 것을 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (10) 을 작동하는 방법.
  15. 배출물 저감 장치 (100) 를 포함하는 내연 피스톤 엔진 (10) 으로서,
    상기 내연 피스톤 엔진 (10) 은:
    - 상기 내연 피스톤 엔진 (10) 의 실린더들 (12) 로 흡입 공기를 도입하기 위한 흡입 덕트 (14) 및 상기 흡입 덕트 (14) 와 상기 실린더 (12) 사이 유동 연통을 개방 및 폐쇄하기 위한 상기 내연 피스톤 엔진 (10) 의 각각의 실린더 (12) 를 위한 적어도 하나의 흡입 밸브 (18),
    - 배기 덕트 (20) 및 상기 실린더 (12) 로부터 상기 배기 덕트 (20) 로 유동 연통을 개방 및 폐쇄하기 위해 각각의 실린더 (12) 를 위한 적어도 하나의 배기 밸브 (22) 를 포함하고,
    - 상기 배출물 저감 장치 (100) 는 상기 배기 덕트 (20) 로부터 상기 실린더들 (12) 로 내부 배기 가스 재순환을 허용하기 위해 상기 배기 밸브 (22) 의 작동을 제어하는 수단 (50) 을 구비하고,
    상기 배출물 저감 장치 (100) 는 상기 실린더들 (12) 로 수성 용액을 제공하도록 배열된 수성 용액 분사 시스템 (60) 을 구비하고, 상기 배기 덕트 (20) 는 상기 내연 피스톤 엔진 (100) 의 하류에 배열된 선택적 촉매 환원 (SCR) 유닛 (70) 을 더 구비하고 상기 배출물 저감 장치 (100) 는 상기 선택적 촉매 환원 (SCR) 유닛 (70) 에서 사용하기 위해 상기 수성 용액으로 환원제를 제어 가능하게 유입시키기 위해 상기 수성 용액 분사 시스템 (60) 과 연결된 환원제 유입 시스템 (91) 을 구비하는 것을 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (10).
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 배출물 저감 장치 (100) 는 제 1 항 내지 제 14 항에 따른 내연 피스톤 엔진을 작동하는 방법을 실시하는 실행 가능 명령들을 포함하는 컴퓨터 제어 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는, 내연 피스톤 엔진 (10).
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