KR20210099640A - 디젤 엔진에서 증가된 배기 가스 온도를 위한 방법 및 장치 - Google Patents

디젤 엔진에서 증가된 배기 가스 온도를 위한 방법 및 장치 Download PDF

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매츠 헤드만
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헤드만 에릭슨 페이턴트 에이비
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Abstract

본 발명은 디젤 엔진에서 부분 부하에서 증가된 배기 가스 온도 및 배출 저감을 위한 방법에 관한 것으로, 엔진은 왕복동 피스톤을 갖는 실린더, 가변 압축 부피(VCR) 및 적어도 하나의 배기 밸브와 적어도 하나의 흡기 밸브를 포함하며, 흡기 밸브에는 가변 밸브 타이밍(VVT)이 제공된다. 현재의 엔진 파워 요구에 따라, 엔진 제어 시스템은, 흡기 밸브가 언제 개폐되어야 할지, 그리고 정확한 배기 가스 정화가 이루어질 수 있도록 충분히 높은 배기 가스 온도를 얻기 위해 압축 부피의 크기를 결정한다. 본 방법의 특징으로서, 팽창 행정 동안의 실린더 압력은 VCR 및 VVT 기능을 이용하여 엔진 제어 시스템에 의해 관리되며, 그래서, 최대 엔진 부하의 25% 이하의 엔진 부하에서 압력은 하사점에서 또는 그 전에 대기압에 도달하거나 또는 그 이하로 되며, 그리하여 흡기 밸브가 개방되어 공기가 연소 가스와 혼합될 수 있다. 본 발명은 또한 대응하는 장치 및 이 장치를 포함하는 디젤 엔진에 관한 것이다.

Description

디젤 엔진에서 증가된 배기 가스 온도를 위한 방법 및 장치
본 발명은 디젤 엔진에서 엔진 부분 부하 동안에 증가된 배기 온도 및/또는 저감된 배출을 제공하기 위한 방법 및 이 방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다.
디젤 엔진을 갖는 차량에서 배출물 제어는 예컨대 도시 교통 또는 빈번한 시동 및 정지 동안에 낮은 속도에서 불량하게 작동하는 것으로 널리 알려져 있다. 이는 냉간 엔진으로 시동 및 초기 주행 동안에 특히 유효하다.
2012년 10월 이후의 배출물 제어, 11장에 관한 스위스 교통 행정국의 공보에서, 이하, 배경, 최신 기술 및 오늘날의 디젤 엔진의 문제를 충분하게 또한 완전하게 설명한다.
11. 배출물 제어
배기 가스 배출물 및 배출물 제어
디젤 엔진에서의 연소 동안에, 상이한 종류의 배기 가스 배출물이 형성된다. 이들 중의 일부에 대한 배출 레벨이 법과 규칙으로 규제된다. 법이 도입되었기 때문에, 요건은 점점 더 엄격해 지고 있다. 규제되는 배출물은 탄화수소 배출물(HC), 일산화탄소(CO), 질소 산화물(NOx) 및 미립자(PM)이다. 이산화탄소가 또한 디젤 연소 동안에 배출되지만, 이 가스는 연료 중의 탄소 원자의 수에 의존하는 양으로 발생되는 연소 생성물이다. 이산화탄소는 온실 효과에 기여하는 가스이고, 화석 연료의 연소 동안에 생성되면, 소위 이산화탄소 세금이라고 하는 세금이 부과될 것이다.
오래 전부터, 배출물에 관한 모든 엔진 개발에 대한 기본적인 목표는, 엔진으로부터의 베이스 배출물, 즉, 엔진의 연소 시스템에서 형성되는 배출물을 줄이는 것이었다. 이는 진보된 연소 개량, 매우 높은 압력을 가지며 순차 분사가 일어나는 분사 시스템 및 터보 과급 시스템의 발전에 의한 진보된 가스 교환을 사용하여 수년간 매우 성공적이었다. 이는 엔진과 그의 구성품에 대한 점점 더 진보된 전자제어와 함께 일어났다.
그러나 배출 요건은 지난 십년 동안 상당히 더 엄격해졌고, 이 결과 상이한 종류의 배기 후처리 시스템이 개발되었다. 이들 시스템은 엔진 후의 배출물을 더욱더 저감시킨다.
가장 어려운 문제 중의 하나는 미립자와 NOx의 배출물을 저감시키는 것이다. NOx는 공기 중에 있는 산소와 질소 간의 산화의 결과이고 연소 온도에 따라 급격히 증가하게 된다. 고온에서의 연소는 HC, CO 및 미립자 형성을 감소시키고 낮은 연료 소비에 기여하지만, NOx 배출물을 증가시킨다.
NOx 저감 방법
중(heavy) 디젤 엔진에서 나오는 NOx 배출물을 저감시키는 요건이 수년 간에 걸쳐 급격히 더욱 엄격해졌다. 최초 배출 기준(Euro Ⅰ1992)부터 오늘날의 배출 기준(Euro Ⅵ 2013)까지, 한계 값은 95%로 감소했다.
개선된 연소 기술로 이 감소를 이루는 것은 가능하지 않았고, 대신에 별도의 기술적 해결책을 개발하는 것이 필요했다.
배기 가스 재순환(EGR)
이 방법은, 배기 가스의 일부분이 냉각되고 엔진의 공기 입구로 재순환되며 그런 다음에 실린더 안으로 들어가는 것에 기반한다. 한편으로 산소 농도가 감소되고 다른 한편으로는 배기 가스가 실린더 내의 가스를 냉각시키기 때문에, 이들 배기 가스는 NOx 형성을 감소시킨다. 이 결과, 화염 자체에서 낮은 연소 온도가 나타나며, 그래서 NOx 형성이 감소된다.
위의 방법은 효율적이지만, 재순환 배기의 양은 엔진 속도와 부하에 따라 제어되어야 한다. 단점은, 미립자의 형성이 종종 증가되고 또한 이 방법은 미립자 필터에 대한 더 높은 부하에 기여한다는 것이다. 해당 기술은 엔진의 연료 소비를 다소 증가시킨다.
SCR-선택적 촉매 환원
SCR은 SCR 촉매가 엔진 뒤에 설치됨을 의미한다. 요소(urea) 용액을 담고 있는 탱크가 차량에 장착된다. 그 탱크로부터, 요소 용액이 촉매 앞에서 배기 관 안으로 분사된다. 정확한 혼합시에, 배기 가스의 질소 산화물은 질소 가스와 물로 전환된다. 요소의 주입은 전자적으로 제어되고 엔진 부하 및 속도에 따라 변하게 된다. NOx의 촉매 환원은, 촉매 및 이 촉매 앞에서 추가되는 환원제에 의한 질소(N2)와 산소(O2)(물: H2O)로의 전환을 의미한다. 가장 일반적인 환원 화학물질은 암모니아(NH3)인데, 이는 통상적으로 요소의 형태로 있다. 요소(AdBLUE®)는 차량에 저장되고 환원과 관련하여 암모니아로 전환된다.
SCR 시스템이 작동하기 위한 요건은, 배기 온도가 충분히 높아야 한다는 것이다. 배기 온도가 약 200℃ 아래로 떨어지면, SCR 시스템은 더 이상 작용하지 않고, NOx의 환원이 일어나지 않게 된다. 약 300℃에서, 환원은 약 90 - 95%이다. 다른 요건은 배기 가스 중에 충분한 산소가 있어야 한다는 것이다. 또한, 산소 보조 요소 주입이 일어나는 시스템도 있는데, 그 요소 주입은 한편으로 요소 용액을 미립화시켜 분무가 더욱 미립화되고 또한 더 효율적으로 사용된다. 이 방법은 또한 배기 가스 중의 산소 함량이 적절한 레벨로 있는 것을 보장해 준다.
NOx 환원에 추가로, SCR 촉매는 디젤 엔진에서 미립자와 HC를 줄여준다. HC 배출물은 최대 80%로 저감될 수 있고 미립자는 20 - 30%로 저감될 수 있다. SCR 시스템을 작동시킴에 있어 여러 가지 기술적 난제가 있다. 몇 가지 예를 들면 다음과 같다: 요소 및 그의 투여량의 복잡한 취급, 촉매가 효율적으로 작동하기 위한 높은 온도에 대한 필요성, 과도기적 조건 동안 잉여 암모니아의 제어 및 촉매의 크기. 주변 공기 중에 있는 암모니아는 이차적인 미립자를 유발할 수 있는데, 이러한 이유로, "암모니아 슬립 촉매"가 또한 사용되어야 한다. SCR은 더 작은 미립자를 방출시킬 수 있고 그래서 종종 미립자 필터와 함께 사용된다.
CO 및 HC 배출물의 저감
디젤 엔진에서는 잉여 공기로 일어나는 연소가 있기 때문에, 디젤 엔진에서 나오는 CO 배출물은 비교적 작은 문제를 유발한다. 그러나, 디젤 엔진에서 나오는 HC 배출물은 시동 및 가열 단계 동안에 높을 수 있다. 정상 작동 동안에, 이들 배출물은 통상적으로 상당히 낮다.
그러나 CO 및 HC 배출물은 산화 촉매를 사용하여 저감시키는 것이 쉽다. 이 촉매는 배기 가스 중에 과잉 산소를 필요로 하며, 그것이 디젤 엔진이 갖는 것이다. 이 산소의 도움으로, CO, HC 및 HC 유도체가 산화되어 CO2 및 수증기로 된다. 단점은, 촉매가 작용하기 위해서는 특정한 배기 온도가 요구된다는 것인데, 이는 통상적으로 엔진의 시동 및 가열 동안에는 그렇지 않다. 산화 촉매는 총 NOX 배출물에는 영향을 미치지 않지만, NO를 NO2로 산화시킨다. 이는 산화 촉매가 미립자 필터와 함께 사용될 때 유용하다(아래의 "이들 시스템의 조합" 참조요). 이는 종종 EGR 기술과 조합되어 탄화수소 배출물을 저감시킨다.
미립자 배출물을 저감시키는 방법
미립자는 엔진의 연소실에서 형성되며, 그 후에, 더 큰 입자를 형성하도록 합쳐지는 더 작은 입자 및 휘발성 물질의 응축에 의해 배기 관에서 어떤 성장을 하게 된다. 매우 작은 입자는 통상적으로 탄소, 미연소 연료, 윤활유, 금속 입자 및 황화합물로 이루어진다. 이것들은 발암성이 있고 그의 작은 크기로 인해 호흡 동안에 폐 안에 머무르고 그 폐로부터 혈류에 들어가게 된다. 그것들은 긴 거리를 이동될 수 있다. 그러므로 미립자 배출물에 대한 요건은 매우 낮은 값으로 감소되었다. 디젤 엔진에서 나오는 미립자 배출물을 저감시키기 위해, 엔진에는 미립자 필터가 제공되는데, 이 필터는 배기 시스템에 설치되고, 배기 가스가 배기 관을 떠나기 전에 입자를 물리적으로 포집하게 된다.
결국, 필터가 미립자로 충전됨에 따라 관류 저항이 점점 더 높게 되고, 이의 영향으로서, 연료 소비가 증가된다. 그래서 모인 입자는 소위 재생 동안에 필터로부터 제거될 필요가 있다. 이를 위해 본질적으로 2개의 방법이 있다.
입자 내의 탄소가 점화되어 연소되도록 온도를 제어된 방식으로 증가시켜 이루어지는 입자의 연소 및 산화. 두번째 방법은 연속적인 재생에 근거한다. 이러한 시스템을 연속 재생 트랩®(CRT®)이라고 한다. 이들 필터 시스템은 미립자 필터 앞에 있는 산화 촉매로 이루어진다. 촉매의 기능은 NO를 NO2로 산화시키는 것이다. 결과적으로 형성된 NO2는 탄소를 촉매 산화시켜 CO2 및 N2로 되게 한다. 촉매는 또한 HC 및 CO 배출물을 산화시키며, 그리하여 모든 배출물을 저감시키는 시스템이 얻어진다. 이 시스템이 갖는 단점은, 시간이 지남에 따라 NO2와 미립자 유동 사이에 균형이 있어야 하고 또한 촉매가 작용하기 위해 배기 온도는 약 250℃ 보다 높게 되어야 한다는 것이다. 이들 조건이 시간이 지남에 따라 만족되지 않으면, 미립자 필터가 입자로 포화될 수 있고 결과적으로 연료 소비가 증가되며, 최악의 경우에는 그 필터가 파괴될 수 있다. 시간이 지남에 따라, 필터는 재(ash) 생성물로 충전되고 그래서 필터가 교환되거나 정화될 필요가 있다. 통상적인 트럭(40톤의 긴 견인 트럭)의 경우에, 이는 약 300,000km 후에 필요해질 수 있다(사용 등에 따라).
많은 용례에서, 빈번한 정지, 느린 속도 및 많은 아이들링을 갖는 예컨대 유통 트럭 및 쓰레기 트럭에서는 그 온도 요건에 도달하는 것이 어려울 수 있다. 그래서 배기 온도를 증가시키는 작용 시스템이 요구된다. 통상적인 시스템은, 촉매 앞에서 연료를 분사하는 것이며, 이는 촉매적으로 연소되며 배기 온도를 증가시킨다. 그러나 촉매가 작용하기에 배기 온도가 너무 낮은 경우의 기본적인 문제가 남아 있을 수 있다. 이 경우, 시스템의 버너 또는 전기 가열이 추가될 수 있다.
배출 법규를 준수하기 위해, 대형 제조업체는 EGR 기술, SCR 기술 또는 이것들의 조합을 사용하는 것을 선택했다. 그러므로, 새로운 투자가 있기 전에, 그 기술에 대한 이점과 단점에 대해 알고 또한 비지니스에 어떤 중요성을 줄 수 있는 지를 분석하는 것이 권고된다. SCR 및 EGR 기술 둘 모두는 자체의 이점과 단점을 갖는다.
디젤 소비는 SCR 기술을 사용하여, 분사된 요소의 양과 대략 동일한 레벨로 감소된다(Euro V 약 5%). 요소의 가격이 디젤의 가격 보다 실질적으로 낮다고 가정하면, 차량에 대한 전체 연료비가 감소된다.
요소에 대한 비용을 낮게 유지하는 한 방법은 자신만의 저장부를 갖는 것이며, 요소는 더 많은 양으로 또한 더 낮은 가격으로 그 저장부에 보내진다.
EGR 엔진에서는, 재순환 배기 가스 때문에 엔진 윤활유는 SCR 엔진 보다 더 자주 교환될 필요가 있을 수 있다.
EGR 기술은 알려져 있고 또한 입증되어 있다. 이 기술은 소스, 즉 엔진에서 배출물을 저감시킨다. 그 기술은 또한 연속적으로 개량되고 있다.
SCR은 추가의 관리 및 유지 보수를 필요로 하는 능동적인 후처리 시스템이다. 차량의 소유자로서, 차량의 작동을 위해 다루어야 할 다른 생성물 및 유지 보수를 위해 다른 시스템을 요구한다. 부가물로 인해 차량의 중량이 증가하며, 이 결과 차량에 대한 유효 탑재량이 더 낮아지게 된다.
SCR 촉매는 효율적으로 작동하기 위해 약 300℃의 최저 작동 온도를 필요로 한다. 이는 많은 시동과 정지가 있는 예컨대 도시 교통 차량의 경우에 달성하기가 어려울 수 있다. SCR 촉매가 작동하지 않을 때, NOx 배출물은 Euro Ⅰ또는 Euro Ⅱ엔진에서 배출되는 배출물과 동등할 것이다.
미립자 필터는 연료와 오일로부터 재를 모으기 때문에, 필터의 수명 길이를 증가시키기 위해 낮은 재 함량을 갖는 연료를 사용하는 것이 유리하다.
엔진이 가열될 때 SCR은 작동하지 않고 (EGR)이 사용될 수 없으며, 이는 실제로 시동부터 엔진이 특정한 온도에 도달할 때까지 NOx 배출물의 저감은 없음을 의미한다. SCR 촉매의 개발은 더 낮은 온도에서 촉매의 작동을 달성하는 것을 목표로 하며, EGR은 잠재적으로 시동부터 (거의) 직접 사용될 수 있다. 그러나, 지금까지 이들 목표는 도달되지 않았다. 배출 저감 시스템 간의 선택은, 환경적으로 최선인 해결책을 얻기 위해 작동 조건을 고려하여 이루어져야 하지만, 종종 그러한 고려 사항에 대한 기준은 없다.
따라서, 위에서 언급된 바와 같은 SCR은, SCR 촉매가 엔진 뒤에 배치됨을 의미한다. 요소 용액을 담는 탱크가 차량에 장착된다. 그 용액은 탱크로부터 촉매 앞에서 배기 관 안으로 분사된다. 정확한 혼합시에, 배기 가스의 질소 산화물이 질소 가스와 물로 전환된다. 요소의 분사는 전자적으로 제어되고, 엔진 부하 및 속도에 따라 변하게 된다. NOx의 촉매 환원은, 촉매 및 이 촉매 앞에서 추가되는 환원제에 의한 질소(N2)와 산소(O2)(물: H2O)로의 전환을 의미한다. 가장 일반적인 환원 화학물질은 암모니아(NH3)인데, 이는 통상적으로 요소의 형태로 있다. 요소(AdBLUE®)는 차량에 저장되고 환원과 관련하여 암모니아로 전환된다.
SCR 시스템은 배기 온도가 충분히 높을 때에만 작동한다. 배기 온도가 약 200℃ 아래로 떨어지면, SCR 시스템은 더 이상 작용하지 않고, NOx의 환원이 일어나지 않게 된다. 약 300℃에서, 환원은 약 90 - 95% 이다.
엔진에서 나오는 HC 배출물은 시동과 가열 단계 동안에 높을 수 있음을 언급한다. 정상 작동 중에, 이들 배출물은 통상적으로 상당히 낮다.
CO 및 HC 배출물은 산화 촉매를 사용하여 저감시키기가 쉽다. 단점은, 촉매가 작용하기 위해서는 특정한 배기 온도가 필요하다는 것이며, 이는 통상적으로 엔진의 시동 및 가열 단계 동안에는 그렇지 않다.
또한, 앞에서 언급한 바와 같이, 입자가 엔진의 연소실에 형성되며, 그 후에, 더 큰 입자를 형성하도록 합쳐지는 더 작은 입자 및 휘발성 물질의 응축에 의해 배기 관에서 어떤 성장을 하게 된다. 매우 작은 입자는 통상적으로 탄소, 미연소 연료, 윤활유, 금속 입자 및 황화합물로 이루어진다. 이것들은 발암성이 있고 그의 작은 크기로 인해 호흡 동안에 폐 안에 머무르고 그 폐로부터 혈류에 들어가게 된다. 그것들은 긴 거리를 이동될 수 있다. 그러므로 미립자 배출물에 대한 요건은 매우 낮은 값으로 감소되었다.
디젤 엔진에서 나오는 미립자 배출물은 배기 시스템에 있는 미립자 필터를 사용하여 다루어지는데, 이는 배기 가스가 배기 관을 떠나기 전에 입자 포획됨을 의미한다.
결국, 관류 저항이 점점 더 높게 되고, 이의 영향으로서, 연료 소비가 증가된다. 그래서 소위 재생 동안에 입자는 필터로부터 제거될 필요가 있다. 한 방법은, 입자 내의 탄소가 점화되어 연소되도록 온도를 제어된 방식으로 증가시켜 입자를 연소 및 산화시키는 것이다.
따라서 배출물 제어는 NOx, CO, HC 및 미립자 배출물의 저감에 대한 것이다. 배기 온도는 저감의 성공 여부를 결정한다.
오늘날의 디젤 엔진의 고유한 문제는, 그 디젤 엔진은 연료 유동과 비교하여 큰 부피의 공기 유동을 갖는다는 것인데, 이는 배출물 제어가 만족스럽게 작동하기에는 배기 온도가 너무 낮게 됨을 의미한다.
차량을 위한 오늘날의 디젤 엔진은 통상적으로 4-행정 원리에 따라 작동하며, 이 경우, 더 높은 압력에서의 터보 과급 동안에 대기압의 연소 공기가 예컨대 스로틀링을 통한 제어 없이 흡기 행정 동안에 도입되는데, 이는 압축 행정 전에 흡기 행정 끝의 압력은 적어도 대기압임을 의미한다. 압축 행정의 끝에서, 요구되는 부하에 대해 필요한 연료의 양이 분사되어 연소되며(소위, 정성적(qualitative) 연소), 연소 가스가 피스톤 작동 중에 작동 행정에서 팽창된다. 작동 행정 동안에 또는 그의 끝에서, 연소 가스의 압력은 결코 대기압(통상적으로 약 1 bar) 아래로 내려갈 수 없다. 엔진 부하가 낮을 수록, 배기 가스의 온도는 더 낮아지게 된다.
아래의 한 예는, 0℃(273K)의 공기 온도에서의 대기압(1 bar)과 16.67의 유효 압축비 및 추가로, 본 발명의 개념에 대한 중요성이 없이, 연소는 피스톤의 상사점에서 일정한 부피로(즉, 오토(Otto) 사이클에서 처럼) 일어난다는 것에 근거하며, 오늘 날의 디젤 엔진은 그 사이클에 접근하고 있고, 오토 사이클은 소위 정량적(quantitative) 연소에 대한 가능성을 가지고 디젤 엔진에서 VVT 및 VCR을 사용할 때 적절하다. 따라서 온도와 압력 등에 대한 값은 이론적인 것이고 열손실 및 마찰 등의 영향이 없고, 반올림 되지만, 언급한 바와 같이, 본 발명에 대한 중요성은 없다.
아래의 예에 대한 필요 조건은, 오늘날의 디젤 엔진에는 전(full) 부하 동안에 압축 공기의 온도를 2000도로 증가시키는 연료가 공급되는 것이다.
따라서, 일정한 부피에서의 연소에 대한 방식에 따라 오늘날의 디젤 엔진에서 25% 부하의 결과로, 압축 공기에서 0.25*2000 = 500도의 온도 증가가 나타나게 된다. 압축 압력은 841.2K의 온도에서 51.4 bar로 되며, 그리고 1341.2K의 온도에서 압축 압력은 81.9 bar로 되고, 작동 행정의 끝에서 배기 가스의 압력은 435K, 즉 162℃의 배기 온도에서 1.6 bar로 된다. 이는 전술한 바에 따른 스웨덴 교통 행정국을 참조하는 예컨대 SCR 촉매가 더 이상 작용하지 않는 온도(200℃ 아래의 온도)이다. 예시된 것 보다 낮은 엔진 부하에서, 배기 온도는 물론 훨씬 더 낮게 된다. 이 예로, 배출물 제어의 문제에 대한 원인이 확인된다.
부분 부하 동안에(예컨대, 도시 교통에서 낮은 속도 동안에 또는 많은 출발과 정지가 있는 교통 동안에 또는 냉간 엔진의 시동 동안에) 디젤 엔진을 갖는 차량에서 배기 온도를 상당히 증가시킴으로써, 효율적인 배출물 제어가 달성된다.
스웨덴 특허 SE1500404-7(참조로 관련되어 있음)에는, VCR 및 VVT(거기에서는, 자유롭게 제어 가능한 밸브라고 함), 가변 압축비 및 가변 밸브 타이밍이 각각 설명되어 있다. 배기 온도가 여전히 높은 상태에 있는 중에, 부분 부하시에 배기 가스의 부피 유동이 상당히 감소될 수 있다. 그리하여, 촉매의 적절한 작동에 필요한 배기 온도가 얻어진다.
본 발명의 주 목적은, 낮은 부하에서 배출물 제어가 불충분한 문제를 해결하는 더 개선된 기술을 제공하는 것이다. 이 목적은 특허 청구항에 기재된 특징을 갖는 방법과 장치를 제공하여 달성된다.
본 발명은 연소 기술의 개량(이전에는 가능하지 않았던 개량)에 관한 것이다.
본 발명은 SE1500404-7에 기재되어 있는 해결책을 더 개량한 것이다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 엔진 부분 부하에서 증가된 온도 및/또는 낮아진 배출을 제공하기 위한 방법이 제공되며, 이 엔진은 왕복동 피스톤을 갖는 적어도 하나의 실린더를 포함하고, 가변 압축 부피(VCR) 및 적어도 하나의 배기 밸브와 적어도 하나의 흡기 밸브를 가지며, 흡기 밸브에는 가변 밸브 타이밍(VVT)이 제공된다. 디젤 엔진의 엔진 제어 시스템은, 엔진 파워에 대한 현재 요구에 근거하여, 흡기 밸브가 언제 개폐되어야 할지 그리고 배출시 배기 가스의 온도가 현재 배기 후처리의 의도된 정화 기능을 위해 충분히 높게 되도록 압축 부피가 어떤 크기로 조절되어야 할지를 결정하도록 구성될 수 있다. 본 발명의 특징으로서, 엔진 제어 시스템은, 최대 엔진 부하의 25% 이하인 엔진 부하에서, 피스톤이 하사점에 도달하기 전에 또는 도달하면 작동 행정 동안의 실린더 압력을 현재 대기압에 도달하거나 그 아래로 떨어지도록 VVT 및 VCR에 대한 기능을 제어하며, 실린더 압력이 현재 대기압에 도달하거나 그 아래로 떨어지면 상기 흡기 밸브가 개방되어 공기가 도입되어 연소 가스와 혼합된다. 이는 미립자, CO, HC의 산화 및 실린더 내의 압력 증가로 인한 엔진 작동의 증가에 기여한다. 어느 정도, 연소 가스의 온도 증가가 또한 증가된 압력으로 인해 얻어진다.
높은 배기 온도를 제공한다는 것은, 종래의 디젤 엔진과 비교하여 더 높은 배기 온도, 즉 증가된 배기 온도를 제공함을 말하는 것으로 이해한다. 현재 대기압에 도달하거나 그 아래로 떨어지는 전술한 실린더 압력은, 예컨대, 요구되는 엔진 부하를 위해 필요하다고 엔진 제어 시스템에 의해 결정된(소위 초기 밀러(Miller) 사이클에 따라) 연소 공기의 양이 공급되었고 동시에 압축비가 최선의 효율을 위해 엔진 제어 시스템에 의해 조절될 때 흡기 밸브가 폐쇄되도록 VVT 및 VCR을 제어함으로써 얻어진다. 배기 밸브는 반드시 가변적일 필요는 없다. 실시 형태에서, 의도된 정화 기능을 위한 현재 배기 후처리를 위한 배출시의 배기 가스의 충분히 높은 온도를 제공하기 위한 엔진 제어 시스템의 위에서 언급된 구성은, 흡기 밸브의 조기 폐쇄 및 최선의 효율을 위한 압축비 조절로 또한 달성될 수 있다. 대안적으로, 흡기 밸브의 늦은 폐쇄(소위 후반 밀러 사이클에 따라 상사점 후에)가 동일한 목적으로 사용될 수 있다.
공기 추가로 얻어지는 위에서 언급된 이점 외에도, 실린더 내의 과소 압력으로 인해 고온 배기 가스가 실린더 안으로 역류하고 이는 배기 가스가 다시 배출되기 전에 미립자, CO 및 HC의 산화에 기여하기 때문에, 배기 가스의 초기 배출 동안에 실질적으로 더 효율적인 배출물 제어가 나타날 수 있다.
25% 부하는, 기본적으로, 유입 행정의 25%가 완료되었을 때 연소 공기의 도입이 중단되고 또한 압축 행정의 25%가 남아 있을 때 16.67의 유효 압축비가 시작됨을 의미한다. 위와 같이 압축비는 841.2 K의 온도에서 51.4 bar가 되지만, 작동 행정의 끝에서 배기 가스의 압력이 530 K, 즉 257℃에서(이 온도에서 SCR 촉매는 여전히 작용함) 0.5 bar가 될 때 연소 압력이 2841.2 K의 온도에서 173.5 bar로 증가한다. 그러나, 가장 흥미로운 점은, 압력이 대기압(여기서는 1 bar)을 지날 때 작동 행정 동안에 온도가 되는 것인데, 왜냐하면, 배기 가스의 배출이 주로 이 온도에서 시작되기 때문이다. 1 bar에서, 온도는 654 K, 즉 381℃이며, 이 온도에서 SCR 촉매는 NOx를 약 95%로 환원시킨다.
작동 행정 동안에 1 bar를 지날 때, 작동 행정의 40%가 남아 있고 엔진 부하가 낮을 수록 작동 행정의 더 많은 부분이 남게 된다. 예컨대, 10% 부하시에, 온도는 여전히 654 K가 되며, 1 bar를 지날 때 작동 행정의 75%가 남아 있다.
따라서, 엔진 부분 부하에서, 대기압 보다 낮은 연소 압력을 생성할 수 있고, 이 압력은 배기 가스가 실린더를 떠나기 전에 배출물 제어가 이미 수행되기 위한 작용을 허용한다.
오늘날의 디젤 엔진에서의 유동과 비교되는 배출되는 배기 가스의 낮은 질량 유동은 촉매에서 더 긴 체류 시간을 제공하며, 그리하여, 더 개선된 촉매 기능을 제공하게 되며, 이는 형성된 NOx가 어느 정도 질소와 산소로 각각 환원되는 데에 기여한다. 또한, 냉간 엔진의 시동시에 고온의 배기 가스를 직접 생성할 수 있으며, 이어서 실린더와 배기 시스템이 신속히 가열되는데, 이는 촉매 작용이 시동 후에 거의 즉시 시작되기 때문에 실질적인 이점이 된다.
실시 형태에서, 도입되는 공기는 열교환기(Interheatertm)로 가열되며, 이 열교환기는 예컨대 배기 가스와 열을 교환한다. 이는 산화를 개선시키고 또한 생성되는 혼합물의 온도를 증가시키는 데에 기여한다. 증가된 온도로 인해 또한 열교환기가 없는 경우와 비교하여 배기 온도가 증가하게 된다.
실시 형태에서, 공기의 도입은 배출의 시작과 관련하여 일어나고, 높은 속도의 공기가 실린더 안으로 유입되며 연소 가스와 효과적으로 혼합된다. 이는 예컨대 가변 밸브 타이밍(VVT)을 갖는 흡기 밸브에 의해 이루어질 수 있으며, 그 흡기 밸브는 배기 밸브와 동시에 열린다(배기 밸브는 반드시 가변적일 필요는 없음).
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 디젤 엔진에서 엔진 부분 부하에서 증가된 온도 및/또는 낮아진 배출을 제공하기 위한 장치가 제공된다. 디젤 엔진은 가변 압축 부피(VCR)를 허용하는 왕복동 피스톤을 갖는 적어도 하나의 실린더, 적어도 하나의 배기 밸브와 적어도 하나의 흡기 밸브를 포함하며, 흡기 밸브에는 가변 밸브 타이밍(VVT)이 제공된다. 디젤 엔진의 엔진 제어 시스템은, 엔진 파워에 대한 현재 요구에 근거하여, 흡기 밸브가 언제 개폐되어야 할지 그리고 배출시 배기 가스의 온도가 현재 배기 후처리의 의도된 정화 기능을 위해 충분히 높게 되도록 압축 부피가 어떤 크기로 조절되어야 할지를 결정하도록 구성될 수 있다. 엔진 제어 시스템은 본 발명의 제 1 양태에 따른 방법을 수행하도록 구성될 수 있다. 본 장치의 특징으로서, 작동 행정 동안의 배기 가스의 압력은, 최대 엔진 부하의 25% 이하인 엔진 부하에서, 피스톤이 하사점에 도달하기 전에 그 압력이 현재 대기압에 도달하거나 그 아래로 떨어지도록, VVT 및 VCR에 대한 기능을 사용하여 엔진 제어 시스템에 의해 제어되고, 흡기 밸브가 개방되어 공기가 도입된다.
본 발명의 제 3 양태에 따르면, 왕복동 피스톤과 가변 압축 부피(VCR)를 갖는 적어도 하나의 실린더, 적어도 하나의 배기 밸브 및 적어도 하나의 흡기 밸브를 포함하는 디젤 엔진이 제공되며, 흡기 밸브에는 가변 밸브 타이밍(VVT)이 제공되며, 본 디젤 엔진은 또한 엔진 제어 시스템을 포함한다. 엔진 제어 시스템은, VVT 및 VCR에 대한 기능을 사용하여, 최대 엔진 부하의 25% 이하인 엔진 부하에서, 피스톤이 하사점에 도달하기 전에 실린더 압력이 현재 대기압에 도달하거나 그 아래로 떨어지도록 실린더 압력을 제어하며 또한 실린더 압력이 현재 대기압에 도달하거나 그 아래로 떨어지면 흡기 밸브를 개방되도록 제어하도록 구성되어 있고, 그리하여 공기가 도입된다. 디젤 엔진의 엔진 제어 시스템은, 엔진 파워에 대한 현재 요구에 근거하여, 흡기 밸브가 언제 개폐되어야 할지 그리고 배출시 배기 가스의 온도가 현재 배기 후처리의 의도된 정화 기능을 위해 충분히 높게 되도록 압축 부피가 어떤 크기로 조절되어야 할지를 결정하도록 더 구성될 수 있다.
본 발명의 전술한 실시 형태는 또한 본 발명의 제 2 및 제 3 양태의 대응하는 실시 형태로서 적용 가능하다.
이제 본 발명의 실시 형태를 나타내는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 전술한 및 다른 양태를 더 상세히 설명할 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 양태에 따른 방법의 일 실시 형태를 도시하는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 제 2 양태에 따른 장치의 일 실시 형태를 개략적으로 도시한다.
도 1은 본 발명의 제 1 양태에 따른 방법의 일 실시 형태를 개략적으로 도시하는 흐름도이며, 본 방법은, 엔진 파워에 대한 현재 요구에 근거하여, 흡기 밸브가 언제 개폐되어야 할지 그리고 배출시 배기 가스의 온도가 현재 배기 후처리의 의도된 정화 기능을 위해 충분히 높게 되도록 압축 부피가 어떤 크기로 조절되어야 할지를 결정한다(1). 본 방법은, 엔진 제어 시스템을 사용하여, 최대 엔진 부하의 25% 이하인 엔진 부하에서, 피스톤이 하사점에 도달하기 전에 또는 도달할 때 작동 행정 동안의 실린더 압력이 현재 대기압에 도달하거나 그 아래로 떨어지고 실린더 압력이 현재 대기압에 도달하거나 그 아래로 떨어지면 흡기 밸브가 개방되어(4) 연소 가스와 혼합되는 공기를 도입하도록 VVT 및 VCR에 대한 기능을 제어한다(2). 공기가 도입되기 전에, 그 공기는 배기 가스와의 열교환으로 가열된다(3).
도 2는 본 발명의 제 2 양태에 따른 장치의 일 실시 형태를 도시하지만, 본 발명의 제 3 양태에 따른 디젤 엔진의 일 실시 형태의 일부분을 도시하는 것으로 생각될 수도 있다.
통상적인 방식으로 엔진에는 실린더(11)가 제공되어 있고, 피스톤 로드(13)에 연결되어 있는 실린더가 그 실린더 안에서 앞뒤로 운동한다. 엔진은 보조 실린더(15)의 실린더 헤드에 형성되어 있는 가변 압축 부피(14)를 더 포함하고, 그 보조 실린더는 실린더(11) 쪽으로 아래로 개방되어 있고 가변 압축 부피(VCR)를 가능하게 해주는 왕복동 보조 피스톤(16)이 제공되어 있다. 보조 피스톤(16)의 위치를 변화시켜, 피스톤(12) 위쪽의 총 부피가 변하게 된다. 보조 피스톤은 액츄에이터(17)로 조절 가능하다. 적어도 하나의 배기 밸브(18) 및 적어도 하나의 흡기 밸브(19)가 실린더 헤드에 배치되어 있다. 적어도 흡기 밸브에는, 액츄에이터(20)를 사용하는 가변 밸브 타이밍(VVT)이 제공되어 있다. 도면에서, 배기 밸브(18)는 흡기 밸브로서 대응 방식으로 액츄에이터를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 이는 반드시 필요한 것은 아니다. 캠축을 사용하는 배기 밸브의 통상적인 구동도 가능하다. 액츄에이터(17, 20)로서 사용되기에 적절한 다른 종류의 액츄에이터가 알려져 있고 그래서 여기서 상세히 설명되지 않는다. 분사기(23)가 연료를 가변 압축 부피(14) 안으로 분사하도록 배치된다.
엔진과 장치는 엔진 제어 시스템(21)을 더 포함하는데, 이 제어 시스템은, 엔진 파워에 대한 현재 요구에 근거하여, 흡기 밸브(19)가 언제 개폐되어야 할지 그리고 배출시(배기 밸브(18)가 개방될 때) 배기 가스의 온도가 배기 후처리(예컨대 SCR)의 의도된 정화 기능을 제공하고 유지하기 위해 충분히 높게 되도록 압축 부피(14)가 어떤 크기로 조절되어야 할지를 결정한다. 엔진 제어 시스템(21)은, VVT 및 VCR에 대한 기능을 사용하여(즉, 액츄에이터(17, 20)를 사용해 흡기 밸브의 개폐 시간 및 보조 피스톤(16)의 위치를 제어하여), 최대 엔진 부하의 25% 이하인 엔진 부하에서 피스톤(12)이 하사점에 도달하기 전에 실린더 압력을 현재 대기압에 도달하거나 그 아래로 떨어지도록 제어하도록 구성된다. 엔진 제어 시스템(21)은, 실린더 압력이 현재 대기압에 도달하거나 그 아래로 떨어지면 액츄에이터(20)를 사용하여 흡기 밸브(19)를 개방되도록 제어하도록 구성되며, 그리하여 공기가 도입된다.
도면에서, 피스톤(12)은 하사점 바로 위에 있는, 즉 작동 행정의 종료 동안에 있는 것으로 도시되어 있다. 엔진 제어 시스템(21)의 제어로, 실린더 압력은 이때 현재 대기압 보다 낮다. 흡기 및 배기 밸브(18, 19) 둘 모두가 개방되어, 공기가 흡기 밸브를 통해 도입되고 또한 고온의 배기 가스가 배기 밸브를 통해 도입된다(도면에 있는 화살표 참조). 흡기 밸브를 통해 도입되는 공기는 열교환기(22)(개략적으로 도시되어 있음)를 사용한 배기 가스와의 열교환으로 가열된다.
피스톤(12)이 결국 상향 운동을 시작하면(하사점 후에), 흡기 밸브(19)가 닫히고, 배기 밸브(18)는 열린 상태로 유지되어 배기 가스를 배출시킨다(배기 행정 동안에).
본 발명은 전술한 실시 형태에 한정되지 않고, 첨부된 청구 범위 내에서 수정이 이루어질 수 있다. 예컨대, 가변 압축 부피 및 가변 밸브 타이밍은 많은 다른 방식으로 또한 많은 다른 종류의 액츄에이터(공압식, 유압식, 전기식 액츄에이터)로 실현될 수 있다. 엔진 제어 시스템은 또한 전술한 바 그대로 작동되도록 구성될 필요는 없다. 예컨대, 배기 밸브 및 흡기 밸브는 동시에 개방될 필요가 없고, 배기 밸브가 개방되기 전에 흡기 밸브가 개폐될 수 있다.

Claims (7)

  1. 디젤 엔진에서 최대 엔진 부하의 25% 이하인 엔진 부분 부하에서 증가된 배기 온도 및 낮아진 배출을 제공하기 위한 방법으로서, 상기 엔진은 왕복동 피스톤을 갖는 적어도 하나의 실린더를 포함하고, 가변 압축 부피(VCR) 및 적어도 하나의 배기 밸브와 적어도 하나의 흡기 밸브를 가지며, 흡기 밸브에는 가변 밸브 타이밍(VVT)이 제공되며, 엔진 제어 시스템은, 엔진 파워에 대한 현재 요구에 근거하여, 흡기 밸브가 언제 개폐되어야 할지 그리고 배출시 배기 가스의 온도가 현재 배기 후처리의 의도된 정화 기능을 위해 충분히 높게 되도록 압축 부피가 어떤 크기로 조절되어야 할지를 결정하고(1), 상기 엔진 제어 시스템은, VVT 및 VCR에 대한 기능을 사용하여, 최대 엔진 부하의 25% 이하인 엔진 부하에서, 피스톤이 하사점에 도달하기 전에 작동 행정 동안의 실린더 압력을 현재 대기압에 도달하거나 그 아래로 떨어지도록 제어하며(2), 실린더 압력이 상기 현재 대기압에 도달하거나 그 아래로 떨어지면 상기 흡기 밸브가 개방되어(4) 공기가 도입되어 연소 가스와 혼합되는, 증가된 배기 온도 및 낮아진 배출을 제공하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    도입되는 공기는 열교환기에서 배기 가스로 가열되는(3), 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 밸브는 배출의 시작과 관련하여 공기를 도입시키기 위해 열리는(4), 방법.
  4. 디젤 엔진에서 엔진 부분 부하에서 증가된 배기 온도 및 낮아진 배출을 제공하고 또한 제 1 항에 따른 방법을 수행하기 위한 장치로서, 상기 엔진은 가변 압축 부피(VCR)(14)를 허용하는 왕복동 피스톤(12)을 갖는 적어도 하나의 실린더(11), 적어도 하나의 배기 밸브(18) 및 적어도 하나의 흡기 밸브(19)를 포함하고, 흡기 밸브에는 가변 밸브 타이밍(VVT)이 제공되며, 상기 장치는 엔진 제어 시스템(21)을 포함하고, 이 엔진 제어 시스템은, 엔진 파워에 대한 현재 요구에 근거하여, 상기 흡기 밸브(19)가 언제 개폐되어야 할지 그리고 배출시 배기 가스의 온도가 현재 배기 후처리의 의도된 정화 기능을 위해 충분히 높게 되도록 압축 부피(14)가 어떤 크기로 조절되어야 할지를 결정하고, 상기 엔진 제어 시스템(21)은, VVT 및 VCR에 대한 기능을 사용하여, 최대 엔진 부하의 25% 이하인 엔진 부하에서, 피스톤이 하사점에 도달하기 전에 실린더 압력을 현재 대기압에 도달하거나 그 아래로 떨어지도록 제어하고 또한 실린더 압력이 현재 대기압에 도달하거나 그 아래로 떨어지면 상기 흡기 밸브(19)를 개방되도록 제어하도록 구성되며, 그리하여 공기가 도입되는, 증가된 온도 및 낮아진 배출을 제공하기 위한 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 실린더 압력이 현재 대기압에 도달하거나 그 아래로 떨어지면 상기 흡기 밸브(19)를 통해 도입되는 공기의 온도를 상승시키도록 배치되는 열교환기(22)를 더 포함하는 장치.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 엔진 제어 시스템(21)은, 실린더 압력이 현재 대기압에 도달하거나 그 아래로 떨어지면 또한 배출의 시작과 관련하여 흡기 밸브(19)가 열리도록 그 흡기 밸브를 제어하도록 구성되어 있는, 장치.
  7. 디젤 엔진으로서, 왕복동 피스톤(12)과 가변 압축 부피(VCR)(14)를 갖는 적어도 하나의 실린더(11), 적어도 하나의 배기 밸브(18) 및 적어도 하나의 흡기 밸브(19) 및 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 장치를 포함하고, 상기 흡기 밸브에는 가변 밸브 타이밍(VVT)이 제공되는, 디젤 엔진.
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