KR20200094050A - 배기가스 후처리 시스템 및 방법 - Google Patents

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슈라이버 미카엘
랑 슈테판
인마르 렝가
디터 슈미트 마르커스
혹 팀
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현대자동차주식회사
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Abstract

배기가스 후처리 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템은 내연기관으로부터 배출되는 배기가스에 촉매 처리를 수행하도록 상기 내연기관으로부터 공기 또는 배기가스가 유입되는 가스 유입구와 처리된 가스를 배출하는 가스 배출구를 포함하는 촉매 컨버터; 공기 또는 배기가스를 일시적으로 저장하기 위해 구비되는 가스 탱크; 및 상기 내연기관으로부터 상기 가스 탱크에 유래하는 공기 또는 배기가스의 적어도 일부분을 상기 촉매 컨버터의 가스 유입구의 상류, 또는 상기 촉매 컨버터의 가스 배출구의 하류 측에서 상기 가스 탱크에 선택적으로 전환시키고, 상기 가스 탱크에 저장된 공기 또는 배기가스를 상기 촉매 컨버터, 배기 배출구, 및 상기 내연기관 중, 적어도 어느 하나에 선택적으로 안내하도록 구성된 구비되는 가스 분배 시스템; 을 포함한다.

Description

배기가스 후처리 시스템 및 방법{System and method for exhaust gas after treatment}
본 발명은 배기가스 후처리 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하기는 자동차의 내연 기관, 특히 디젤 엔진의 운행 중에 발생하는 배기가스를 후처리 하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 촉매 컨버터는 내연 기관으로부터 발생되는 배기가스 내의 유독 가스 및 오염 물질을 저독성 또는 비 독성 물질로 전환시키고, 배기가스 스트림으로부터 이러한 유독 가스 및 오염 물질을 여과하는 배기가스 배출 제어 장치이다.
이러한 촉매 컨버터는 특히 가솔린(휘발유)또는 디젤 연료로 작동하는 내연기관에 사용된다.
선택적 환원 촉매(Selective catalytic reduction, SCR)는 질소산화물(NOx)이 촉매의 도움으로 이원자 질소(질소가스)와 물로 전환시기 위한 촉매 변환기에 사용되는 대표적인 잘 알려진 기술이다.
기체 또는 액체 환원제, 예를 들면, 무수 암모니아, 수성 암모니아, 또는 우레아는 배기가스의 스트림에 첨가되어 촉매 상에 흡착된다.
SCR 컨버터는 전형적으로 소위 라이트 - 오프 온도 이상에서만 촉매 반응이 시작되기 위해 제대로 작동하려면 특정온도를 요구한다.
일반적으로 SCR은 통과하는 배기가스에 의해 가열된다.
이에 따라, 특히 저온 시동 시에는 질소산화물(NOx) 배출이 효과적으로 감소될 때까지 SCR 컨버터를 가열하기 위한 시간이 비교적 오래 걸린다.
더욱이, 차량의 엔진이 오버런으로 작동될 때(예를 들어, 차량이 연료의 분사 없이 주행(타성주행)될 경우), 외부로부터 유입된 공기가 엔진을 통해 SCR 시스템으로 주입되어 SCR 시스템을 냉각시킴에 따라, 성능 저하를 초래할 수 있다.
더욱이, 종래의 SCR 시스템에서 엔진의 가속은 단기간에 질소산화물(NOx) 배출량을 급격히 증가시키기 때문에 어려움을 초래할 수 있다.
SCR과 함께 종종 사용되는 다른 한 가지 방법은 배기가스의 일부를 다시 엔진으로 재순환시킴으로써, 질소산화물(NOx) 배출량을 더욱 감소시키는 배기가스 재순환 (EGR)이다.
이 과정에서 재순환 된 배기가스는 들어오는 공기 흐름에 기인하는 산소를 희석시키고, 이로 인해, 실린더 내부를 피크 온도로 높여 질소산화물(NOx) 배출량을 감소시킨다.
그러나, 일반적으로 엔진의 저 부하, 및 저속 조건에서, 각각의 엔진의 터보차저가 종종 요구되는 부스트 압력을 생성 할 수 없기 때문에, 높은 EGR 율을 달성하는 것이 어렵다.
선행기술 DE 10 2007 022 494 A1은 자동차 내부의 배기가스 탱크 내에 내연기관의 배기가스를 저장하는 방법을 기술한다.
배기가스 탱크에 저장된 배기가스는 예를 들어 주유소에서 후속적으로 보다 큰 외부 탱크로 이동될 수 있다.
선행기술 WO 2013/050442 A1은 공기 탱크로부터 제공된 압축 공기의 도움으로 내연 기관의 터보차저에 동력을 공급하는 방법 및 장치를 기술한다.
이러한 배경에 대해, 내연기관의 배기가스 후처리 시스템의 성능을 개선할 필요가 있다.
이를 위해, 본 발명은 청구항 제1항에 따른 시스템과 청구항 제11항에 따른 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 배기가스 후처리 시스템은 내연기관으로부터 배출되는 배기가스에 촉매 처리를 수행하도록 상기 내연기관으로부터 공기 또는 배기가스가 유입되는 가스 유입구와 처리된 가스를 배출하는 가스 배출구를 포함하는 촉매 컨버터; 공기 또는 배기가스를 일시적으로 저장하기 위해 구비되는 가스 탱크; 및 상기 내연기관으로부터 상기 가스 탱크에 유래하는 공기 또는 배기가스의 적어도 일부분을 상기 촉매 컨버터의 가스 유입구의 상류, 또는 상기 촉매 컨버터의 가스 배출구의 하류 측에서 상기 가스 탱크에 선택적으로 전환시키고, 상기 가스 탱크에 저장된 공기 또는 배기가스를 상기 촉매 컨버터, 배기 배출구, 및 상기 내연기관 중, 적어도 어느 하나에 선택적으로 안내하도록 구성된 구비되는 가스 분배 시스템; 을 포함한다.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 후처리 방법은 내연기관으로부터 유래되는 공기 또는 배기가스를 촉매 컨버터의 가스 유입구의 상류, 또는 촉매 컨버터의 가스 배출구의 하류에서 가스 탱크로 전환하는 제1 단계; 상기 가스 탱크 내에 공기 또는 배기가스를 일시적으로 저장하는 제2 단계; 및 상기 가스 탱크에 저장된 공기 또는 배기가스를 상기 촉매 컨버터, 배기 배출구, 및 상기 내연기관 중, 적어도 어느 하나에 선택적으로 가이드 하는 제3 단계; 를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 내연기관, 및 배기가스 후처리 시스템을 구비한 차량이 제공된다.
본 발명은 내연기관으로부터 배출되는 배기가스 또는 공기를 차량 내부에 특별히 제공된 가스 탱크 내부에 저장하는 것이다. 공기 또는 배기가스는 배기가스 후처리 성능 또는 엔진 자체의 성능을 향상시키기 위해 다양한 목적으로 사용될 수 있다.
엔진의 현재 작동 단계 또는 조건에 따라 공기, 및 배기가스 또는, 공기와 배기가스의 혼합물이 엔진에 의해 방출 될 수 있다. 종래의 시스템에서, 이 가스는 촉매 변환 시스템을 통과하여 최종적으로 배기 출구에서 배출될 수 있다 (그러나, 가스의 일부는 EGR 시스템을 통해 엔진으로 재순환 될 수 있다).
본 발명의 가스 분배 시스템은 이 가스의 일부 또는 전부를 촉매 변환기의 상류 또는 하류로 전환시켜 그것을 가스 탱크 내에 저장한다. 상기 가스의 채널링 오프는 상기 시스템 또는 상기 엔진의 현재 작동 단계에 따라 선택적으로 수행된다.
저장된 가스는 특정 목적을 위해 시스템의 성능을 향상시키도록 시스템의 후속 작동 단계에서 사용될 수 있다.
예를 들어, 배기가스는 상기 가스 탱크의 내부에 저장될 수 있고, 촉매 처리를 위하여 상기 가스 탱크로부터 상기 촉매 컨버터로 안내될 수 있다.
이 예에서, 엔진으로부터 배출된 배기가스는 엔진의 냉간 시동 또는 가속 단계 동안 상기 촉매 컨버터가 최적의 작동 온도 또는 효율적인 작동 시점(예를 들어, 작동 온도에 도달 할 때까지) 일시적으로 상기 가스 탱크 내에 저장될 수 있다.
따라서, 상기 가스 탱크는 짧은 방출 피크(예를 들어, 저온 시동 또는 가속 단계에서 이산화탄소(CO2) 및 질소산화물(NOx) 배출 수준을 줄이기 위한 몇 초)를 위해 배기가스를 저장하는 데 사용될 수 있다.
그러나, 상기 가스 탱크에 저장된 배기가스는 상기 엔진의 EGR 시스템 또는 터보 부스터를 지지하도록 상기 엔진으로 안내 될 수 있으며, 이는 또한 이산화탄소(CO2) 감소로 이어질 수 있다.
다른 예에서, 상기 엔진으로부터의 신선한 공기(터보차저를 통해 주입된)는 상기 가스 탱크의 내부에 저장될 수 있고, 부스팅 목적을 위해 상기 가스 탱크로부터 상기 엔진으로 안내될 수 있다. 이 예에서, 상기 신선한 공기는 상기 컨버터의 쿨 다운(Cooldown)을 초래할 수 있는 오버런(Overrun) 단계에서 상기 촉매 컨버터를 통과하지 못하게 할 수도 있다. 대신에, 공기는 일 예로 터보차저의 부스트를 위해 상기 가스 탱크로 우회되고, 상기 가스 탱크로부터 상기 엔진까지 우회된다.
높은 부스팅 압력 (신선한 공기)으로 터보차저를 부스팅하면, 예를 들어, 낮은 엔진 속도에서 시스템의 이산화탄소(CO2) 저감 잠재력을 향상됨으로써, 엔진 성능이 향상 될 수있다. 상기 가스 탱크에 저장된 공기 또는 배기가스는 언제든지 상기 배기 배출구에서 배출될 수 있다. 따라서, 상기 가스 탱크는 엔진의 하나의 작동 단계 동안 신선한 공기를 저장하고, 엔진의 다른 작동 단계 동안 배기가스를 저장하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 공기와 배기가스가 동시에 상기 가스 탱크의 내부에 저장될 수 있는 적용이 있을 수 있음을 이해할 수 있다.
본 발명의 유리한 실시 예 및 개선점은 종속 항에 기재되어있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 가스 분배 시스템은 내연 기관의 오버런 (overrun) 단계 동안 내연 기관으로부터 유래하는 공기를 상기 촉매 변환기의 상기 가스 유입구의 상기 가스 탱크 상류로 전환하도록 구성 될 수 있다.
예를 들어, 엔진으로부터의 신선한 공기는 오버런 단계 동안 상기 촉매 변환기의 냉각을 피하도록 상기 가스 탱크에 저장 될 수 있다. 결과적으로, SCR 장치의 냉각은 종래의 시스템에 비해 감소 될 수 있으며, 이는 차례로 후속 작동 단계에서 SCR 장치의 효율을 증가시킨다. . 예를 들어, 저장된 공기는 예를 들어 엔진 부스트에서 연속적으로 사용될 수 있다. 그러나, 공기는 단지 배기 배출구에서 배출될 수 있다. 후자의 경우, 공기는 시스템의 상기 촉매 변환기를 바이 패스한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 가스 분배 시스템은 내연 기관의 터보 지연 단계 동안 상기 가스 탱크에 저장된 공기를 상기 내연 기관으로 유도하도록 구성 될 수 있다. 공기는 터보차저 또는 상기 내연 기관의 입구 매니 폴드 내로 유도 될 수 있다.
예를 들어, 오버런 단계에서 저장된 공기는 상기 터보차저의 압축기 또는 상기 엔진의 흡입 매니 폴드로 직접 재순환 될 수 있다. 이러한 재순환으로, 엔진은 더 많은 신선한 공기 (즉, 터보차저의 공기 입구 상에 흡입 된 공기의 양 이외에)를 수용하며, 이는 엔진을 충전하기 위해 사용될 수 있어 엔진이 더 많은 토크를 생성 할 수 있다. 이러한 엔진의 부스팅은 상기 터보차저가 높은 부스트 압력 (소위 터보 지연 단계)을 실현하기 위해 배기가스 에너지가 적은 작동 모드에서 특히 유용하다. 그러나 원칙적으로, 공기는 또한 엔진의 다른 작동 단계에서 엔진으로 안내 될 수 있다.
이 접근법의 한 가지 이점은 상기 터보차저가 낮은 엔진 속도 또는 저 부하 조건에서도 높은 저단 토크가 가능하도록 높은 부스트 압력을 달성할 수 있다. 일반적으로, 배기가스 에너지가 종래의 터보차저를 공급할 만큼 충분히 높지 않기 때문에 낮은 엔진 속도에서 충분히 높은 부스트 압력을 제공하는 것은 매우 어렵다. 본 발명은 저속에서의 이산화탄소(CO2) 배출을 줄이기 위해 엔진다운 스피드를 구현하는 데, 즉 긴 기어비에서 분당 매우 낮은 회전 수로 운전하는 데 사용될 수있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 가스 분배 시스템은 내연 기관의 냉간 시동 단계, 또는 가속 단계 동안 내연 기관으로부터 배출되는 배기가스를 촉매 변환기의 가스 유입구 상류 또는 촉매 변환기의 가스 배출구 하류에 구비되는 가스 탱크로 전환하도록 구성 될 수 있다
예를 들어, 배기가스는 콜드 스타트 (cold start phase) 동안 촉매 변환기의 하류에 배치 된 플랩 (flap) 또는 유사한 장치에 의해 우회되어 가스탱크로 안내 될 수 있다. 다른 단계에서, 촉매 변환기 내의 배기가스에 분사되는 기체, 또는 액체 환원제가 가스 탱크의 내부에서 엔진으로 유입되는 것을 방지하기 위해 이미 상기 촉매 변환기 상류의 배기가스를 바이패스 하는 것이 바람직 할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 가스 분배 시스템은 상기 촉매 컨버터의 작동 온도가 촉매 컨버터의 라이트 오프 온도를 초과 할 때 가스 탱크에 저장된 배기가스를 촉매 컨버터의 가스 유입구로 가이드 하도록 구성 될 수 있다.
예를 들어, 배기가스는 냉 시동(cold start) 단계, 또는 상기 촉매 컨버터가 아직 배기가스를 충분히 또는 효과적으로 처리할 수 없는 임의의 다른 작동 단계 중에 상기 가스탱크에 저장될 수 있다.
상기 배기가스는 엔진 또는 상기 촉매 컨버터가 요구되는 조건에 도달한 이후에 상기 촉매 컨버터로 재순환 될 수 있다. 추가적으로, 배기가스는 상기 엔진으로 재순환될 수 있으며, 예를 들면, 흡기 매니폴드에서 상기 엔진을 통과한 후, 상기 촉매 컨버터로 유입될 수 있다.
상기 촉매 컨버터의 전단에서 배기가스가 재순환되기 때문에 SCR 장치인 경우, 그 사이에 SCR 장치가 더 높은 온도에 도달했을 수 있으므로, 질소산화물(NOx) 방출이 더 높은 효율로 더욱 감소될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 가스 분배 시스템은 내연 기관의 배기가스 재순환 단계 중에 상기 가스 탱크에 저장된 배기가스를 내연 기관에 유도하도록 구성 될 수 있다.
따라서, 상기 가스 탱크 내에 저장된 배기가스는 또한 EGR 서브 시스템을 지원 또는 보완하기 위해 상기 엔진의 흡기 매니폴드를 포함하는 엔진으로 재순환 될 수 있다.
이 접근법의 장점은 조건 하에서 이용 가능한 낮은 부스트 압력에 의해 제한되는 종래의 EGR 시스템에 기초하여 높은 EGR 율을 갖는 것이 어려운 상기 엔진의 저 부하 조건에서도 배기가스가 많은 양으로 순환 될 수 있는 것에 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 가스 분배 시스템은 내연 기관의 터보 부스트 단계 동안 가스 탱크에 저장된 배기가스를 내연 기관의 터보차저로 안내하도록 구성 될 수 있다.
예를 들어, 배기가스는 터보차저를 구동하기 위해, 즉, 부스트 증가를 제공하기 위해 터보차저의 터빈 케이스에서 노즐을 통해 방출 될 수 있다.
이것은 엔진으로부터 배출되는 배기가스가 작은 에너지를 갖는 엔진의 작동 단계(예를 들어 낮은 가속 또는 저속 단계, 터보 지연 단계 등 )의 경우에 특히 유리하다.
따라서, 긴 토크비 및 작은 회전 속도, 즉 분당 회전 수에서도 높은 토크가 발생 될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 가스 분배 시스템은 가스 탱크, 또는 가스 탱크로 가이드 된 공기, 또는 배기가스를 가압하도록 구성된 압축기를 포함 할 수 있다.
따라서, 공기, 또는 배기가스는 가스 탱크 내에서 가압된 상태로 저장 될 수 있다. 가압된 공기 또는 배기가스는 예를 들어 상기 엔진을 부스팅 하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 가스 탱크는 트렁크, 스페어 타이어 웰 또는 자동차 하부에 배치 될 수 있다.
그러나, 가스 탱크는 또한 특정 사용 케이스에 따라 다른 편리한 구성으로 설치 될 수 있음이 이해된다. 가스 탱크가 차량의 구성에 대한 최소한의 변경으로 차량에 장착될 수 있기 때문에 스페어 타이어 웰은 특정 용도에서 바람직 할 수 있다.
일반적인 가스 탱크는 50 내지 100 리터의 부피를 가질 수 있다(예를 들어 60 또는 80 리터).
이 사이즈의 가스 탱크는 스페어 타이어 웰, 또는 일반적인 차량의 트렁크에 쉽게 들어갈 수 있다.
본 발명은 촉매 컨버터의 전단에서 배기가스가 재순환되기 때문에 SCR 장치인 경우, 그 사이에 SCR 장치가 더 높은 온도에 도달했을 수 있으므로, 질소산화물(NOx) 방출이 더 높은 효율로 더욱 감소될 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 조건 하에서 이용 가능한 낮은 부스트 압력에 의해 제한되는 종래의 EGR 시스템에 기초하여 높은 EGR 율을 갖는 것이 어려운 상기 엔진의 저 부하 조건에서도 배기가스가 많은 양으로 순환 될 수 있는 효과도 있다.
본 발명은 엔진으로부터 배출되는 배기가스가 작은 에너지를 갖는 엔진의 작동 단계(예를 들어 낮은 가속 또는 저속 단계, 터보 지연 단계 등 )의 경우에 특히 유리한 효과도 있다.
또한, 본 발명은 긴 토크비 및 작은 회전 속도, 즉 분당 회전 수에서도 높은 토크가 발생 될 수 있는 효과도 있다.
본 발명은 첨부 된 도면에 도시 된 예시적인 실시 예를 참조하여보다 상세히 설명 될 것이다.
첨부 도면은 본 발명의 추가 이해를 제공하기 위해 포함되며 본 명세서에 통합되어 본 명세서의 일부를 구성한다.
도면은 본 발명의 실시 예를 도시하고 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
본 발명의 다른 실시 예들 및 본 발명의 다수의 의도 된 이점들은 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 더 잘 이해 될 수 있을 것이다.
도면의 구성 요소는 반드시 서로에 대해 스케일이 상대적일 필요는 없다.
도면들에서, 달리 지시되지 않는 한, 동일한 참조 번호는 동일하거나 기능적으로 유사한 구성 요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 배기가스 후처리 시스템을 사용하는 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 후처리 방법의 흐름도이다.
도 3은 도 1에 따른 배기가스 후처리 시스템을 포함하는 자동차를 도시한 도면이다.
본 명세서에서 특정 실시 예가 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 도시되고 설명 된 특정 실시 예를 다양한 대체 또는 등가 구현으로 대체 할 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다. 일반적으로, 본 출원은 본 명세서에서 논의 된 특정 실시 예의 임의의 개조 또는 변형을 포괄하도록 의도된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템(10)을 개략적으로 도시한 도면이다.
상기 시스템(10)은 내연기관(101)로부터 가스 파이프(16)를 통해 배출된 배기가스를 정화하도록 구성된다. (예를 들어, 도 3에 도시된 것과 유사한 차량(100)의 디젤 엔진) 이를 위해, 상기 시스템(10)은 순차적으로 배치된 디젤 산화 촉매(13), 디젤 미립자 필터(14), 및 잘 알려진 선택적 촉매 환원(SCR) 장치(15)를 포함하는 촉매 컨버터(2)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 SCR 장치(15)는 상기 내연기관(101)에 대하여 상기 산화 촉매(13)의 하류에 차례로 배치되는 상기 미립자 필터(14)의 하류에 배치된다. 상기 내연기관(101) 내에서 연소가 발생하면, 배기가스는 가스 파이프(16)를 통해 상기 내연기관(101)에서 배출되고, 가스 유입구(4)를 통해 상기 촉매 컨버터 (2)의 내부에 유입되며, 상기 촉매 컨버터(2)에서 가스 배출구(5)로 배출되고, 결국 예를 들면 차량의 테일 파이프인 배기 출구(6)에서 외부로 배출된다.
상기 내연기관(101)은 신선한 공기를 상기 내연기관(101)의 내부로 공급하기 위해 입구 매니폴드(12)와 터보차저(11)를 통하여 공기 유입구(17)와 추가로 연결된다.
따라서, 현재의 작동 모드 또는 상기 내연기관(101)의 작동 단계에 따라 공기, 및 배기가스, 또는 이들 모두의 혼합물이 상기 가스 파이프 (16)를 통해 상기 내연기관(101)에서 배출될 수 있다.
통상적인 방식으로 상기 SCR 장치(15) 내부의 촉매 과정에서 환원제로서 작용하도록 배기가스 스트림에 환원제를 주입하기 위한 환원제 분사기(미도시)는 상기 SCR 장치(15)의 상류에 배치 될 수 있다.
예를 들어, SCR 장치(15)는 입구 표면과 출구 표면(도시 생략) 사이에 배치 된 촉매 활성 기판을 포함 할 수 있다. 기판은 일반적으로 배기가스가 촉매 처리를 위해 전도되는 다수의 촉매 활성 서브 채널을 제공하는 허니콤 구조를 갖는 세라믹 모노리스를 포함 할 수 있다.
상기 촉매 컨버터(2) 내의 촉매 장치들이 도시된 배열은 순수한 예시이며 당업자는 다양한 대안적인 장치, 또는 구성을 고려할 수 있다.
예를 들어, 상기 촉매 컨버터(2)는 가스 유입구(4)와 가스 배출구(5) 사이에서 SCR 장치만을 포함할 수 있다. 이 경우, 추가의 촉매 장치가 예를 들어, 가스 파이프(16)을 시스템 내의 상이한 위치에 구비될 수 있다.
하지만, SCR 장치를 대신하여 다른 촉매 기술이 적용될 수 있으며, 이는 통상의 기술을 갖는 숙련된 기술자가 쉽게 인정할 수 있다.
종래의 시스템과는 달리, 본 실시예의 시스템 (10)은 공기, 또는 배기가스를 일시적으로 저장하도록 구성된 가스 탱크 (1)를 더 포함한다. 이를 위해, 상기 가스 탱크 (1)는 공기, 또는 배기가스가 상기 가스 탱크 (1)로 유입, 또는 배출되기 전에 가압하도록 구성된 압축기(7)와 연결된다.
따라서, 상기 가스 탱크(1)는 특히 가압된 공기 또는 배기가스를 저장할 수 있다. 상기 가스 탱크(1)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 예를 들어 트렁크, 및 스페어 타이어 웰 또는 차량(100)의 하부에 설치될 수 있다. 상기 가스 탱크(1)는 60 내지 80 리터의 용량을 가질 수 있다.
하지만, 다른 실시예에서는 상이한 탱크 크기가 제공될 수 있다. 상기 가스 탱크(1)는 금속, 또는 금속합금, 또는 여러 가지의 금속 및 금속 합금의 조합과 같은 금속 재료로 형성될 수 있다. 하지만, 다른 실시예에서, 상기 가스 탱크(1)는 플라스틱 또는 복합재료로 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 가스 탱크(1)는 60리터의 비압축 탱크 용적을 가질 수 있는데, 이는 상기 가스 탱크(1) 내부의 5 bar의 압력에 대해 300리터의 유효 압력 탱크 용적이 달성된다는 것을 의미할 수 있다.
1.5 bar의 엔진 부스트 압력, 및 1500rpm의 전형적인 엔진 회전 속도에서 1.6 리터의 배기량이 2 회전마다 상기 엔진(102)을 통해 유입된다고 가정하면, 분당 1800 리터, 또는 초당 30 리터가 상기 내연기관(101)으로부터 배출된다.
300 리터의 가스 탱크는 만약, 상기 내연기관(101)으로부터 배출 된 공기, 또는 배기가스 모두가 가스 탱크 (1)로 전환될 경우에 10 초의 기간을 커버 할 수 있다.
상기 가스 탱크(1) 내부의 가스 압력을 제어하기 위해, 상기 가스 탱크(1)는 시스템(10)의 제어 유닛(20)에 의해 제어되는 하나 또는 다수개의 압력 센서(19)를 포함할 수 있다.
상기 가스 탱크(1)는 각각의 제1 내지 제8 플랩(9a 내지 9h)들이 대응하는 분배 파이프(18)들을 통한 가스 유동을 제어하도록 복수의 분배 파이프(18), 및 복수의 제1 내지 제8 플랩(9a 내지 9h)을 포함하는 가스 분배 시스템(3)과 연결될 수 있다(도 1에서는 도면을 단순하게 유지하도록 예시적으로 단지 2 개의 분배 파이프(18)에만 도면 부호를 적용하였다).
상기 가스 분배 시스템(3)은 상기 분배 파이프(18)를 통해 상기 가스 탱크(1)를 상기 시스템(10)의 가스 파이프(16), 및 상기 시스템의 다양한 구성요소들, 특히 상기 엔진(101), 상기 터보차저(11), 상기 흡기 매니폴드(12), 상기 촉매 컨버터(2), 및 상기 배기 배출구(6)에 연결한다.
상기 제1 내지 제8 플랩(9a 내지 9h)을 통한 개별 연결의 목적은 이하에서 더욱 상세히 설명될 것이다.
그러나, 일반적으로 상기 가스 분배 시스템(3)은 상기 촉매 컨버터(2)의 가스 유입구(4)의 상류, 또는 상기 촉매 컨버터(2)의 가스 배출구(5)의 하류에서 상기 내연기관(101)으로부터 유래하는 적어도 일부의 공기, 또는 배기가스가 상기 가스 탱크(1)로 선택적으로 전환하도록 구성된다.
또한, 상기 가스 분배 시스템(3)은 상기 촉매 컨버터(2), 배기 배출구(6), 및 상기 내연기관(101) 중, 적어도 하나에 상기 가스 탱크 (1)에 저장된 공기, 또는 배기가스를 선택적으로 안내하도록 구성된다(예를 들어, 상기 터보차저(11)를 통하거나, 상기 흡기 매니폴드(12)를 통해 직접적으로).
이를 위해, 상기 제어 유닛(20)은 상기 분배 파이프(18)를 통해 상기 가스 탱크(1)로부터, 및 상기 가스 탱크(1)로의 가스 흐름을 조절하기 위해 상기 가스 분배 시스템(3)의 상기 제1 내지 제8 플랩(9a 내지 9h)들을 제어하도록 구성될 수 있다.
배기가스 후처리 방법의 단계들이 도 2에 도시되어 있다. 구체적으로, 배기가스 후처리 방법(M)은 상기 내연기관(101)로부터 유래하는 공기 또는 배기가스를 상기 촉매 컨버터(2)의 가스 유입구(4)의 상류, 또는 상기 촉매 컨버터(2)의 가스 배출구(5)의 하류에서 상기 가스 탱크(1)로 선택적으로 전환시키는 제1 단계(M1)를 포함한다.
상기 배기가스 후처리 방법(M)은 상기 가스 탱크(1)의 내부에 공기 또는 배기가스를 일시적으로 저장하는 제2 단계(M2)를 더 포함한다.
그리고 상기 배기가스 후처리 방법(M)은 상기 가스 탱크(1)에 저장된 공기 또는 배기가스를 상기 촉매 컨버터), 배기 배출구(6), 또는 상기 내연 기관(101)에 선택적으로 안내하는 제3 단계(M3)을 더 포함한다.
다시 도1을 참조하면, 상기 시스템(10)은 상기 내연기관(101)의 다양한 작동 단계에 대한 상기 내연기관(101)의 일반적인 성능뿐만 아니라, 촉매 과정의 성능을 향상시키는데 사용될 수 있다.
예를 들어, 상기 차량의 오버런 단계, 즉, 상기 내연기관(101)이 스로틀 없이 작동되는 모드에서, 연소는 발생되지 않을 수 있으며, 공기 만이 상기 공기 유입구(17)로부터 상기 터보차저(11), 및 상기 흡기 매니폴드(12)를 거쳐 상기 내연기관(101)을 통해 펌핑될 수 있다. 상기 촉매 컨버터(2)의 냉각을 피하기 위하여, 제7 플랩(9g)은 폐쇄될 수 있고, 상기 제2 플랩(9b)은 상기 내연기관(101)로부터 상기 가스 파이프(16)을 통해 흐르는 모든 공기가 상기 가스 유입구(4)의 상류에서 상기 가스 탱크(1)로 전환되도록 개방될 수 있다(상기 압축기(7)와 마찬가지로 개방된 상기 제3 플랩(9c)을 통화한 후).
결과적으로, 상기 촉매 컨버터(2) 및 특히 상기 SCR 장치(15)는 공기 스트림에 의해 냉각되지 않는다. 따라서, 상기 내연기관(101)의 다음 연소 단계에서, 상기 SCR 장치(15)의 고온으로 인해 질소산화물(NOx) 방출이 보다 높은 효율로 감소됨에 따라 촉매 공정의 더 나은 효율이 달성될 수 있다.
공기 또는 배기가스가 상기 가스 탱크(1)로 펌핑되기 전에, 상기 시스템(10)의 상기 제어 유닛(20)은 상기 가스 탱크(1)가 부분적, 또는 완전히 공기 또는 배기가스로 채워지는 지를 상기 가스 탱크(1)의 상기 압력 센서(19)들을 통해 점검할 수 있다.
결과에 따라, 상기 가스 탱크(2)는 예를 들어, 개방된 제1 플랩(9a)에 의해 상기 배기 배출구(6)에서 저장된 공기 또는 배기가스를 불어냄으로써, 먼저 비워질 수 있다. 상기 가스 탱크(1)가 오버런 단계 동안(부분적으로) 공기로 채워지자 마자, 저장된 공기는 다양한 목적으로 사용될 수 있다.
그러나, 공기는 대안적으로 개방된 상기 제1, 및 제8 플랩(9a, 9h)에 의해 상기 배기 배출구(6)에서 불어낼 수 있으며, 따라서, 상기 촉매 컨버터(2)를 우회할 수 있다.
저장된 공기는 상기 가스 탱크(1)로부터 상기 터보차저(11), 또는 상기 내연기관(101)의 흡기 매니폴드(12)에 가압된 공기를 안내함으로써, 상기 내연기관(101)을 부스트 시키기 위해 사용될 수도 있다.
이를 위해, 상기 제5 플랩(9e), 또는 제6 플랩(9f)는 개방될 수 있다. 이는 상기 내연기관(101)의 터보 지연 단계, 즉, 상기 터보차저(11)가 상기 내연기관(101)으로부터의 배기가스 스트림을 이용함으로써, 충분한 압력을 축적할 수 없는 작동 단계에서 특히 유용할 수 있다(예를 들어, 상기 내연기관(101)의 저속 시에).
이 전략의 이점으로서, 낮은 엔진 속도에서도 높은 부스트 압력이 달성될 수 있으며, 이는 긴 기어비에서 상기 내연기관(101)의 하향 속도를 구현하는데 사용될 수 있고, 이는 배기 감소의 개선으로 이어질 수 있다.
상기 제어 유닛(20)은 어떤 동작 단계가 뒤따를 것으로 기대되는지에 기초하여 취할 행동을 결정하도록 구성될 수 있다(예를 들어 오버런 단계 이후).
이를 위해, 시간에 따른 제어 흐름을 최적화하도록 기계 학습 접근법이 활용될 수 있다. 예를 들어, 특정 신뢰 수준에서 다가오는 오버런 또는 부스팅 위상을 예측하기 위해 운전 패턴이 사용될 수 있다.
상기 내연기관(101)의 냉 시동(cold start)은 또 다른 예시적인 작동 단계이다. 이 경우, 배기가스는 상기 가스 파이프(16)를 통해 상기 내연기관(101)에서 배출된다.
상기 촉매 컨버터(2), 특히 상기 SCR 장치(15)가 아직 작동 온도에 도달하지 않았을 경우, 즉, 상기 촉매 컨버터(2)의 현재 온도가 라이트 오프 온도보다 낮으면, 배기가스 내에서 배기가스가 제대로 환원되지 않을 수 있다.
이러한 이유로, 상기 제8 플랩(9h)은 폐쇄될 수 있고, 상기 제1, 및 제3 플랩(9a, 9c)은 배기가스를 상기 배기 배출구(6)에서 배출될 수 없는 대신, 상기 가스 탱크(1)로 전환되도록 개방될 수 있다.
선택적으로 또는 부가적으로, 배기가스는 개방된 상기 제2 플랩(9b)과 가능한 폐쇄된 상기 제7 플랩(9g)에 의해 상기 촉매 컨버터(2)의 가스 유입구(4)의 상류로 전환될 수 있다.
상기 내연기관(101)이 냉 시동(cold start) 단계에 있는지를 결정하기 위해, 상기 촉매 컨버터(2), 또는 상기 내연기관(101)에 적절한 센서(예를 들어, 온도 센서)가 제공될 수 있다.
상기 가스 탱크(1)의 압력 센서는 상기 가스 탱크(1)가 비어 있거나 (부분적으로)채워졌는지 여부를 상기 제어 유닛(20)에 알릴 수 있다. 필요할 경우, 상기 가스 탱크(1)는 배기가스가 상기 가스 탱크(1)의 내부에 저장되기 전에 비워질 수 있다.
상기 SCR 장치(15), 또는 상기 촉매 컨버터(2)는 온도가 특정 임계 값(예를 들어, 라이트 오프 임계 값)을 넘으면, 저장된 배기가스는 상기 가스 탱크(1)로부터 상기 촉매 컨버터(2)로 유입될 수 있다(예: 개방된 상기 제2, 제3, 및 제7 플랩(9b, 9c, 9g)들에 의해 상기 가스 유입구(4)에서).
상기 촉매 컨버터(2)가 적절하게 작동됨에 따라, 상기 제8 플랩(9h)은 처리된 가스가 상기 배기 배출구(6)에서 배출되도록 개방될 수 있다.
대안적으로, 배기는 먼저 채널을 지정하여 상기 내연기관(101)을 통해 상기 촉매 컨버터(2)로 직접 방향 전환될 수 있다(예: 상기 흡기 매니폴드(12)에 직접적으로 연결되어).
이를 위해, 상기 제5 플랩(9e)은 상기 제2, 및 제3 플랩(9b, 9c) 대신에 개방될 수 있다. 따라서, 배기가스는 상기 내연기관(101)의 내부 질소산화물(NOx) 저감을 증가시키기 위해 EGR 시스템에 사용될 수 있다.
이 방법의 하나의 이점은 배기가스가 상기 터보타처(11)가 요구되는 압력에 도달하기 어려울 정도로 상기 내연기관(101)의 저 부하, 또는 저속 조건에서도 높은 양으로 순환될 수 있다는 것이다.
비슷한 맥락에서, 상기 내연기관(101)로부터 나오는 배기가스는 차량(100)의 가속 조작의 경우에 상기 촉매 컨버터(2)의 상류 또는 하류로 전환될 수 있다(예를 들어, 상기 내연기관(101)의 가속 기울기를 측정하는 센서가 제공될 수 있다).
이것의 배후에 있는 이론적인 근거는 전형적인 상기 촉매 컨버터(2)가 이러한 과정에서 배기가스 배출량의 갑작스러운 증가에 대처할 수 없으므로, 이들이 최적의 방법으로 처리되지 않을 수도 있다는 것이다.
이 경우에도, 배기가스는 상기 가스 탱크(1)로 전환된 다음, 후속 단계(또는 상기 내연기관(101))에서 다시 상기 촉매 컨버터(2)로 안내될 수 있다. 이 경우에도, 차량 학습 접근법이 상기 차량(100)의 특정 주행 패턴을 예측하기 위해 사용될 수 있다(예를 들어 다가오는 가속 단계를 예측하기 위해).
상기 가스 탱크(1)에 저장된 배기가스는 다른 목적을 위해 더 이용될 수 있다. 일 예로, 배기가스는 개방된 제4 플랩(9d)과, 상기 터보차저(11)를 구동시키도록 배기가스를 방출하는 노즐(8)에 의해 부스팅을 위하여 사용될 수 있고, 이에 따라, 부스트 압력이 증가하게 된다.
요약하면, 상기 내연기관(101)으로부터 유래하는 공기 또는 배기가스의 일시적인 저장을 위한 상기 가스 탱크(1)는 배기가스 후처리 뿐만 아니라, 상기 내연기관(101)의 성능을 향상시키는데 사용될 수 있다.
배기가스는 냉 시동(cold start) 단계 동안뿐만 아니라, 가속 단계 중에도 상기 가스 탱크(1)의 내부에 저장될 수 있다.
또한, 공기는 오버런 단계에서 상기 가스 탱크(1)의 내부에 저장될 수 있다. 저장된 공기 또는 배기가스는 상기 내연기관(101), 또는 상기 내연기관(101)의 터보차저(11)의 부스팅(승압)을 위해 사용될 수 있다.
전술 한 상세한 설명에서, 다양한 특징은 본 개시를 간소화 할 목적으로 하나 이상의 예 또는 예들로 함께 그룹화된다. 상기 설명은 예시적이고 제한적이 아닌 것으로 이해되어야 한다. 이것은 모든 대안, 수정 및 등가물을 포함되도록 의도되었다. 많은 다른 예들은 상기 명세서를 검토할 때, 당업자에게 명백할 것이다.
예를 들어, 상기 분배 파이프(18)들과 제1 내지 제8 플랩(9a 내지 9h)의 상이한 배치가 고려될 수 있다. 예를 들어, 상기 시스템은 공기 또는 배기가스 만을 저장하도록 구성될 수 있다.
결과적으로, 도 1에 도시된 모든 플랩들과 분배 파이프들이 이러한 경우들에 요구될 수 있다.
실시 예는 본 발명의 원리 및 실제 응용을 설명하고, 당업자가 본 발명 및 의도 된 특정 용도에 적합한 다양한 변형 예를 갖는 다양한 실시 예를 이용할 수 있도록 선택 및 설명되었다. 많은 다른 예들은 상기 명세서를 검토할 때 당업자에게 명백할 것이다.
1 : 가스 탱크
2 : 촉매 컨버터
3 : 가스 분배 시스템
4 : 가스 유입구
5 : 가스 배출구
6 : 배기 배출구
7 : 압축기
8 : 노즐
9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f, 9g, 9h : 제1 내지 제8 플랩
10 : 배기가스 후처리 시스템
11 : 터보차저
12 : 흡기 매니폴드
13 : 산화 촉매
14 : 미립자 필터
15 : 선택적 촉매 환원(SCR) 장치
16 : 가스 파이프
17 : 공기 유입구
18 : 분배 파이프
19 : 압력 센서
20 : 제어 유닛
100 : 차량
101 : 내연기관
M : 배기가스 후처리 방법
M1, M2, M3 : 제1, 제2, 제3 단계

Claims (17)

  1. 내연기관으로부터 배출되는 배기가스에 촉매 처리를 수행하도록 상기 내연기관으로부터 공기 또는 배기가스가 유입되는 가스 유입구와 처리된 가스를 배출하는 가스 배출구를 포함하는 촉매 컨버터;
    공기 또는 배기가스를 일시적으로 저장하기 위해 구비되는 가스 탱크; 및
    상기 내연기관으로부터 상기 가스 탱크에 유래하는 공기 또는 배기가스의 적어도 일부분을 상기 촉매 컨버터의 가스 유입구의 상류, 또는 상기 촉매 컨버터의 가스 배출구의 하류 측에서 상기 가스 탱크에 선택적으로 전환시키고, 상기 가스 탱크에 저장된 공기 또는 배기가스를 상기 촉매 컨버터, 배기 배출구, 및 상기 내연기관 중, 적어도 어느 하나에 선택적으로 안내하도록 구성된 구비되는 가스 분배 시스템;
    을 포함하는 배기가스 후처리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 분배 시스템은
    상기 내연기관의 오버런 단계 동안 상기 촉매 컨버터의 가스 입구의 상류에서 상기 가스 탱크에 공급하기 위해 상기 내연기관으로부터 유래하는 공기를 전환시키는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항 중, 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 분배 시스템은
    상기 내연기관의 터보 지연 단계 동안 상기 가스 탱크에 저장된 공기를 상기 내연기관으로 가이드 하며,
    상기 공기는 터보차저, 또는 상기 내연기관의 흡기 매니폴드로 가이드 되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가스 분배 시스템은
    상기 내연기관의 냉 시동(cold start), 또는 가속 단계 동안 상기 내연기관으로부터 유래되는 배기가스를 상기 촉매 컨버터의 가스 유입구의 상류, 또는 상기 촉매 컨버터의 가스 배출구의 하류에서 상기 가스 탱크에 전환시키는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가스 분배 시스템은
    상기 촉매 컨버터의 작동 온도가 라이트 오프(light-off) 온도를 초과하면, 상기 가스 탱크에 저장된 배기가스를 상기 촉매 컨버터의 가스 유입구로 안내하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가스 분배 시스템은
    상기 내연기관의 배기가스 재순환 단계 동안, 상기 가스 탱크에 저장된 배기가스를 상기 내연기관으로 가이드 하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가스 분배 시스템은
    상기 내연기관의 터부 부스트 단계 동안, 상기 가스 탱크에 저장된 배기가스를 상기 내연기관의 터보차저에 가이드 하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가스 분배 시스템은
    상기 가스 탱크로 가이드 되는 공기 또는 배기가스를 압축시키도록 구성된 압축기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  9. 내연기관, 및 청구항 제1항 내지 제8항 중, 어느 한 항에 따른 배기가스 후처리 시스템을 포함하는 차량.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 가스탱크는 상기 차량의 트렁크, 또는 스페어 타이어 웰, 또는 차량의 하부에 배치되는 것을 특징으로 하는 차량.
  11. 내연기관으로부터 유래되는 공기 또는 배기가스를 촉매 컨버터의 가스 유입구의 상류, 또는 촉매 컨버터의 가스 배출구의 하류에서 가스 탱크로 전환하는 제1 단계;
    상기 가스 탱크 내에 공기 또는 배기가스를 일시적으로 저장하는 제2 단계; 및
    상기 가스 탱크에 저장된 공기 또는 배기가스를 상기 촉매 컨버터, 배기 배출구, 및 상기 내연기관 중, 적어도 어느 하나에 선택적으로 가이드 하는 제3 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 공기는
    상기 내연기관의 오버런 단계 동안, 상기 내연기관으로부터 상기 촉매 컨버터의 가스 유입구 상류에서 상기 가스 탱크로 전환되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 방법.
  13. 제11항 또는 제12항 중, 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기가스는
    상기 내연기관의 냉 시동(cold start), 또는 가속 단계 동안, 상기 내연기관으로부터 상기 촉매 컨버터의 가스 유입구의 상류, 또는 상기 촉매 컨버터의 가스 배출구의 하류에서 상기 가스 탱크에 전환되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 공기는 상기 내연기관의 터보 지연 단계 동안, 상기 가스 탱크로부터 상기 내연기관으로 가이드 되고,
    상기 공기는 터보차저, 또는 상기 내연기관의 흡기 매니폴드로 가이드 되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 배기가스는
    상기 촉매 컨버터의 작동 온도가 라이트 오프(light-off) 온도를 초과하면, 상기 가스 탱크로부터 상기 촉매 컨버터의 가스 유입구로 안내되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 배기가스는
    상기 내연기관의 배기가스 재순환 단계 동안, 상기 가스 탱크로부터 상기 내연기관으로 가이드 되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 배기가스는
    상기 내연기관의 터보 부스트 단계 동안, 상기 가스 탱크로부터 내연기관의 터보차저로 가이드 되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 방법.
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