KR20220054811A

KR20220054811A - 연소 엔진 시동 시 삼원 촉매를 사용하여 오염물질을 처리하는 방법

Info

Publication number: KR20220054811A
Application number: KR1020227008141A
Authority: KR
Inventors: 캐시 바티송; 브루노 페레시니
Original assignee: 르노 에스.아.에스.
Priority date: 2019-09-11
Filing date: 2020-09-08
Publication date: 2022-05-03
Also published as: JP2022547431A; FR3100566A1; EP4028652A1; US20220397047A1; CN114651115A; FR3100566B1; US11781456B2; WO2021048084A1

Abstract

본 발명은 열 엔진을 갖는 차량에 의해 배출되는 오염물질의 처리를 포함하는 방법에 관한 것이며, 여기서 촉매 수단(3)은 가열되고, 상기 방법은, 상기 촉매 수단(3)의 상류에 공기를 주입함으로써 상기 촉매 수단(3) 내의 산소량 (OS)이 산소의 최소량 (OS1) 초과이도록 제어되는 것을 특징으로 한다.

Description

연소 엔진 시동 시 삼원 촉매를 사용하여 오염물질을 처리하는 방법

본 발명은, 엔진 시동 시 오염물질 성분, 예컨대 일산화탄소, 질소 산화물 또는 미연소 탄화수소의 배출을 감소시키기 위한 목적으로, 내연 기관의 배기 가스, 특히 차량에 의해 배출되는 배기 가스를 처리하도록 의도된 촉매 변환기 분야에 관한 것이다.

촉매 변환기가 배기 가스 중 이들 오염물질 배출을 효과적으로 처리하기 위해, 이의 온도는, 일반적으로 촉매 변환기를 통해 통과하는 배기 가스에 의한 촉매 변환기의 가열에 의해 도달하는 임계 활성화 온도(threshold lightoff temperature) 초과일 필요가 있다.

촉매 변환기가 이 온도에 도달하는 데 걸리는 시간이 길 수 있다. 이는, 시행 중인 표준과 관련하여 또는 상기 표준의 것보다 더 낮은 자체 부과 목표와 관련하여, 양이 과도하게 높을 수 있는 오염물질을 함유하는 상당한 부피의 비처리된 가스의 배출을 초래한다.

예를 들어 특허 출원 FR2778206A1로부터, 엔진 시동 전에 후자로 유입되는 가스를 가열함으로써 촉매 온도의 증가를 달성하는 것이 알려져 있는 관행이다.

그러나, 이 해결책은 촉매 중 산소량을 조절하는 것을 제공하지 않기 때문에 오염의 만족스러운 감소를 제공하지 못하는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 엔진 시동 직후에, 온도가 높다고 할지라도 산소 부족으로 인하여 탄화수소 처리 용량이 낮을 수 있다.

본 발명은 촉매 온도 조절 및 산소 조절을 조합함으로써 오염물질 성분의 배출을 감소시키는 것을 추구한다.

상기에 비추어, 본 발명의 대상은, 연소 엔진에 의해 배출되는 오염물질의 처리 방법이며, 여기서 촉매 수단은 가열되고, 촉매 수단의 상류에 공기를 주입함으로써 촉매 수단 내의 산소량이 산소의 최소량 초과에서 유지되도록 조절된다.

바람직하게는, 촉매 수단 내의 산소량이 조절되기 전에 촉매 수단은 예열 임계 온도 초과로 가열된다.

예를 들어, 촉매 수단의 가열은 엔진의 시동이 승인되기 전에 수행된다.

유리하게는, 촉매 수단 내의 산소량의 조절은 엔진의 시동이 승인되기 전에 수행된다.

일 구현예에 따르면, 산소량의 조절 및 촉매 수단의 가열은 엔진 시동에 대한 요청이 감지된 후에 수행된다.

일 구현예에서, 촉매 수단 내의 산소량은 엔진의 시동 후 화학량론적 산소 풍부도 임계값(stoichiometric oxygen-richness threshold) 초과에서 유지된다.

유리하게는, 촉매 수단의 온도가 엔진 시동 후 정상 상태(steady-state) 온도 임계값을 초과하는 경우 가열 요소의 스위치가 꺼진다.

상기 방법은, 촉매 수단 내의 산소량이 엔진 시동 후에 그리고 가열 요소의 스위치가 꺼지면 화학량론적 산소 풍부도 임계값을 초과하여 증가되는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

바람직하게는, 촉매 수단 내의 산소량은, 화학량론적 풍부도 임계값을 초과한 후 실질적으로 상기 화학량론적 산소 풍부도 임계값 주위에서 유지되도록 조절된다.

본 발명은 또한, 촉매 수단이 가열 요소로 가열되기 전에 상기 가열 요소의 예열 그리드(preheating grid)가 최소 그리드 온도까지 가열되는 방법에 관한 것이다.

이러한 방식으로, 엔진 시동 직후 촉매 시스템의 만족스러운 작동을 달성하는 것이 가능하게 된다. 그러면, 이는 특히 이러한 촉매 시스템이 장착된 차량이 빈번한 출발로 이어지는 짧은 여행을 통해 시내를 주행하는 경우, 배출되는 오염물질 양의 상당한 감소를 낳는다.

본 발명은, 비제한적인 예로서 고려되고 첨부된 도면에 의해 예시되는 다수의 구현예의 상세한 연구를 수행하는 것으로부터 더 잘 이해될 것이며, 첨부된 도면에서,
[도 1]은 촉매 수단을 사용하여 연소 엔진 차량에 의해 배출되는 오염물질의 처리를 구현하기 위해 사용되는 시스템을 개략적으로 도시하고;
[도 2]는 도 1의 처리 시스템의 구현의 예를 예시하고;
[도 3]은 엔진 시동 전의 도 2의 구현 단계를 상세히 설명하고;
[도 4]는 엔진 시동 후의 도 2의 구현 단계를 상세히 설명한다.

연소 엔진(1)으로부터의 배기관(4) 뒤에 배치된 촉매 수단(3)을 사용하여 연소 엔진(1)을 갖는 차량에 의해 배출되는 오염물질의 처리를 구현하기 위해 사용되는 시스템의 일 구현예를 예시하는 도 1을 참조한다.

촉매(3)는 소위 "귀금속", 예컨대 팔라듐, 백금 또는 로듐이 제공된 삼원 촉매 변환기(3)를 포함한다. 이는 일산화탄소의 산화, 탄화수소의 산화 및 질소 산화물의 환원의 3종의 병렬 화학 반응을 사용하여 배기관(6)을 떠나는 배기 가스를 처리하도록 의도된다.

다수의 촉매가 직렬로 제공될 수 있다.

촉매(3)는 촉매 반응을 촉진하기 위해 산소를 매우 빠르게 저장하거나 또는 방출할 수 있는 산화세륨계 화합물을 함유하는 함침 표면 ("워시코트(washcoat)"로서 알려져 있음)을 포함한다.

촉매(3)는 섭씨 약 400도 초과에서만 효과적이다. 현재의 기술 상태에서, 짧은 여행은 촉매 변환기를 충분히 워밍업할 수 있는 충분한 시간을 제공하지 않는다.

따라서, 오염물질의 처리를 위한 시스템은, 줄 효과(Joule effect)를 통해, 예를 들어 전류가 통과하는 전기 저항성 금속 요소로 이루어지는 예열 그리드를 통해 열을 촉매(3)로 방출하도록 의도된 가열 수단(5)을 또한 포함한다. 가열 요소(5)는, 가스가 유동하는 방향으로 촉매(3)의 상류에 또는 촉매(3) 상에 위치할 수 있다.

오염물질의 처리는 또한, 촉매(3)의 상류에 공기를 전달하도록 설계된 공기 순환 수단(2), 예를 들어 배기관(4, 6)으로 송풍하는 압축기를 포함하는 공기 순환 펌프(2)를 이용한다.

제어 수단은, 촉매(3)의 상류 또는 하류에 위치하는 산소 함량 및 온도에 대한 프로브(S1, S2) 및 시스템 간 통신 네트워크 사이의 연결을 확립하도록 구성되며, 상기 시스템 간 통신 네트워크는, 예를 들어 CAN 버스(bus)를 가지며, 예를 들어 프로세서를 포함하는 자동차 컴퓨터에 의해 구현되는 컴퓨터를 통해 가열 수단(5) 및 공기 순환 펌프(2)를 제어하기 위한 것이다.

예를 들어, 상류 프로브(S1)는, 연소 엔진(1)을 떠나는 가스 내의 연료에 대하여 공기 또는 산소 측면에서 풍부도를 제어한다.

촉매(3)의 출구에 산소 풍부도 (Os)를 모니터링하기 위해 하류 프로브(S2)가 제공될 수 있다. 풍부도는, 촉매(3) 내의 공기 중 연료의 화학량론적 수준에 대하여 프로브(S1, S2)에 의해 추정되거나 또는 측정된 바와 같은, 공기 중 연료의 수준으로서 정의된다. 화학량론적 비는, 거의 완전한 연쇄 촉매 반응으로 이어지는 공기 중 연료의 수준이다.

도 2는 오염물질 처리 시스템 구현의 하나의 예를 예시한다.

이 구현은, 예를 들어 차량 시동에 대한 요청 또는 사용자 존재의 감지를 통해 연소 엔진(1)의 스위치를 즉시 켜고자 하는 갈망이 감지되는 단계 R0으로 시작한다.

이를 위해, 시동 방지 시스템이 중립화될(neutralized) 때, 차량 점화의 스위치가 켜질 때, 또는 그 외에 차량의 도어, 특히 운전석 도어가 개방될 때, 엔진 시동에 대한 사용자의 요구가 감지될 수 있다.

대안적으로, 착석한 사용자의 존재는, 예를 들어 차량의 시트(seat)와의 접촉을 감지함으로써, 적외선 감지를 사용함으로써 또는 사용자의 동공을 감지함으로써 감지된다.

제어 수단은 차량 대시보드(dashboard) 제어 인터페이스를 통해 또는 원격 장치, 예컨대 다기능 전화기를 통해 프로그램화될 수 있다. 특히, 제어 수단은 단계 M0 전체에 걸쳐 차량의 시동 없이 시스템이 사용되는 것을 허용하도록 구성된다.

예를 들어, 제어 수단은 사전정의된 시간에 매일 단계 R0의 구현, 즉 단계 M0으로 이어지는 엔진 시동에 대한 소망의 확인을 스케줄링하도록 구성된다.

제어 수단은, 차량의 전기-전하 축전지(electrical-charge accumulator), 예를 들어 차량 배터리에서 이용가능한 전기 에너지의 양에 관한 정보를 고려하도록 구성되었을 수 있으며, 이 정보가 이용가능한 경우, 단계 R0은 엔진의 사용 전에 오염물질 처리 시스템을 사용하는 것을 중단함으로써 상기 전략의 종료(exiting)로 이어질 수 있다. 따라서, 차량 배터리가 거의 방전되는 사용의 문맥에서, 차량의 추진에 우선순위를 부여하기 위해 단계 M0 동안 촉매를 가열하라는 명령이 조정되거나 또는 심지어 취소될 수 있다.

제어 수단이 연소 엔진(1)의 시동에 대한 갈망을 확인하는 요청을 인식할 때, 상기 방법은 단계 M0의 단계 C1로 진행한다.

도 3에 상세히 설명된 단계 M0은 단계 C1, C2, E1, E2 및 C3을 포함하며, 이에 의해, 단계 D0 동안 연소 엔진(1)의 시동이 허용되기 전에 촉매작용에 유리한 조건이 준비된다.

단계 C1 동안, 컴퓨터는 촉매(3)의 상류 및/또는 하류의 온도 프로브(S1, S2)로부터의 적어도 하나의 측정으로부터 촉매(3)의 온도 (TCAT)를 추정하고, 이를 섭씨 400도 정도의 예열 임계값 (TCAT1)과 비교한다.

따라서, 촉매(3)는 단계 D0 동안 연소 엔진(1)이 시동될 때 촉매 반응을 위한 활성화 온도에 있을 수 있다.

컴퓨터(7)는, 예를 들어 단계 C1 동안, 차량(1)에 장착되고 필요할 예정인 모든 구현 수단(2, 3, 5) 및 센서(S1, S2)가 기능하는지 여부를 결정하도록 또한 구성될 수 있다. 적절한 경우, 단계 C1은 단계 C2로 이어진다.

필요한 센서(S1, S2) 중 하나 또는 가열 요소(5)의 고장이 감지되는 경우, 단계 C1 동안 저하 모드(degraded mode)가 선언되는 것이 제공될 수 있다.

단계 C1의 저하 모드는, 예를 들어 전략의 종료가 수반되면서, 즉 예열 또는 공기 주입 없이 바로 시동을 허용하면서 차량(1)의 계기판(instrument panel) 상에 오류 신호를 표시하는 것과 같은 정보를 발행하는 것으로 구성된다.

제1 비교 단계 C1은 규칙적인 시간 간격으로, 예를 들어 매 10 밀리초마다 반복된다.

단계 C1 동안 예열 온도 (TCAT1)에 도달하는 경우, 이는 단계 C2로 이어지며, 그렇지 않은 경우 이는 단계 C3으로 이어진다.

단계 C2는, 온도 프로브를 사용하여 예열 그리드가 최소 그리드 온도 (TGRID)보다 더 높은 온도에 있는지 확인하는 것으로 구성된다. 적절한 경우, 단계 C2는 단계 E1에 의해 계속되고, 그렇지 않은 경우 이는 단계 E2로 진행한다.

연소 엔진(1)의 시동 시 촉매작용의 최대 효율을 위해, 가열 그리드(5)의 예열은 공기 순환 펌프(2)의 작동을 수반하므로, 가열 그리드에 의해 생성된 열이 연소 엔진(1)으로부터 나오는 가스의 유동의 부재 하에 상기 가열 그리드의 하류에 위치한 촉매(3)로 전달될 수 있다.

따라서, 단계 E1은, 가열 요소(5)에 전력을 공급하고, 공기 순환 펌프(2)의 스위치를 끄거나 또는 스위치가 꺼진 상태로 유지하는 것으로 구성된다. 단계 E1은 단계 C2로 진행한다. 가열 요소(5)가 온도 (TGRID)에 도달하지 않는 한, 예열 그리드를 통해 통과하는 전력의 공급은 유지되거나 또는 증가된다.

단계 E2는, 가열 요소(5)의 스위치를 켜거나 또는 스위치가 켜진 상태로 유지하고, 공기 순환 펌프(2)의 스위치를 켜거나 또는 스위치가 켜진 상태로 유지하는 것으로 구성된다. 따라서, 이어서 촉매(3)의 상류에 전달된 공기는 산소가 다량 함유된 주위 공기로부터 끌어 당겨지고, 예열 그리드를 통해 순환하여, 연소 엔진(1)의 시동 전에 촉매(3)가 예열될 수 있도록 한다.

단계 C3 동안, 촉매(3) 내의 산소량 (OS)은 입방 미터당 8 내지 10 mol 정도의 산소 함량 (OS1)과 비교된다. 산소 함량 (OS)이 산소 함량 (OS1) 미만인 한, 단계 C3은 단계 E2로 진행하고, 그렇지 않은 경우 이는 단계 D0으로 계속된다.

단계 D0은, 연소 엔진(1)의 시동을 허용하고 수행하는 것으로 구성된다. 시동 순간에, 공기 순환 펌프(2)의 스위치가 꺼지고, 가열 요소(5)의 활성화는 유지될 수 있다. 단계 D0은 단계 M1의 단계 E3 및 모음(collection)에 의해 계속된다.

단계 M1의 모음은, 규칙적인 간격으로, 예를 들어 매 10 밀리초마다 연속적으로 수행되는 단계 E3, C4, E4, E5 및 C5, E6, E7을 포함한다.

단계 E3은, 예를 들어 연소 엔진(1)이 시동되자마자 공기 순환 펌프(2)의 스위치를 끔으로써 공기의 주입을 중지하는 것으로 구성된다. 단계 E3은 병렬로 수행되는 단계 C4 및 C5에 의해 계속된다.

배기 가스에 남아있는 일산화탄소를 연소시키기 위해, 촉매(3)의 온도 (TCAT)는 섭씨 600도 정도의 온도 임계값 (TCAT2)보다 더 높을 필요가 있고, 촉매 내의 산소량 (Os)은 입방 미터당 1 내지 3 mol 정도의 산소 함량 임계값 (OS2)을 초과할 필요가 있다.

촉매(3)는 제공된 전기 가열을 보충하는 발열 촉매 반응에 의해 열화학적으로 가열된다.

단계 C4는 촉매(3)의 온도 (TCAT)를 임계값 (TCAT2)과 비교하는 것으로 구성된다. 촉매(3)의 온도 (TCAT)가 임계값 (TCAT2)을 초과하는 경우, 가열 요소(5)의 스위치는 꺼지고, 열의 이러한 첨가는 열화학적 첨가로 대체되며, 그렇지 않은 경우 상기 방법은 단계 E5로 복귀하고, 이 단계 동안 가열 요소(5)의 스위치가 켜지거나 또는 스위치가 켜진 상태로 유지되고, 이를 통해 통과하는 전류가 유지되거나 또는 증가된다.

단계 C5는, 촉매(3)의 산소 함량 (OS)이 산소 함량 임계값 (OS2) 미만으로 하락하지 않았는지 확인하는 것이다. 촉매(3)의 산소 함량 (OS)이 임계값 (OS2) 미만으로 하락하는 경우, 단계 C5는 단계 E6에 의해 계속되고, 그렇지 않은 경우 단계 C5는 단계 E7로 진행한다.

단계 E6은 배기 가스로부터 일산화탄소를 제거하는 것으로 구성된다. 이를 위해, 110 퍼센트 및 140 퍼센트 사이를 포함하는 100 퍼센트 초과의 풍부도 설정값이 촉매(3) 내의 풍부도에 부과되거나, 또는 즉 산소 함량 (OS)이 화학량론적 양 초과로 증가된다. 이 단계는, 가열 요소(5)의 스위치가 켜져 있는 한, 즉 상기 방법이 단계 E4를 넘어 통과하지 않은 한, 단계 C5로 진행한다. 단계 E6은, 단계 E4를 통과한 후 단계 C5로 이동하기 전에 5초 내지 60초 동안 유지될 수 있다. 따라서, 단계 E6은 엔진 시동 후 단 1회 수행된다.

단계 E7 동안, 엔진은 정상 상태에 도달하고, 처리 시스템의 종래 풍부도 조절이 활성화된다. 예를 들어, 실질적으로 100 퍼센트의 풍부도 설정값이 제어 수단으로 전송된다.

이러한 방식으로, 상기 시스템은 촉매의 산소 요구량을 평가 및 확인하고, 탄화수소, 질소-함유 화합물 및 일산화탄소의 배출을 제한하기 위해 엔진 시동 전후에 적절한 온도에 도달하도록 관리한다.

Claims

연소 엔진에 의해 배출되는 오염물질의 처리 방법으로서, 여기서 촉매 수단(3)은 가열되며, 상기 처리 방법은, 상기 촉매 수단(3)의 상류에 공기를 주입함으로써 상기 촉매 수단(3) 내의 산소량 (OS)이 산소의 최소량 (OS1) 초과에서 유지되도록 조절되는 것을 특징으로 하는, 처리 방법.
제1항에 있어서, 상기 촉매 수단(3) 내의 상기 산소량 (OS)이 조절되기 전에 상기 촉매 수단(3)이 예열 임계 온도 (TCAT1) 초과로 가열되는, 처리 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 촉매 수단(3)의 가열이 상기 연소 엔진(1)의 시동이 승인되기 전에 수행되는, 처리 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매 수단(3) 내의 상기 산소량 (OS)의 조절이 상기 연소 엔진(1)의 시동이 승인되기 전에 수행되는, 처리 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산소량 (OS)의 조절 및 상기 촉매 수단(3)의 가열이 상기 연소 엔진(1) 시동에 대한 요청이 감지된 후에 수행되는, 처리 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매 수단(3) 내의 상기 산소량 (OS)이 상기 연소 엔진(1)의 시동 후 화학량론적 산소 풍부도 임계값(stoichiometric oxygen-richness threshold) (OS2) 초과에서 유지되는, 처리 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매 수단(3)의 온도 (TCAT)가 상기 연소 엔진(1)의 시동 후 정상 상태(steady-state) 온도 임계값 (TCAT2)을 초과하는 경우 가열 요소(5)의 스위치가 꺼지는, 처리 방법.
제7항에 있어서, 상기 촉매 수단(3) 내의 상기 산소량 (OS)이, 상기 연소 엔진(1)의 시동 후에 그리고 상기 가열 요소(5)의 스위치가 꺼지면 화학량론적 산소 풍부도 임계값 (OS2)을 초과하여 증가되는, 처리 방법.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 촉매 수단(3) 내의 상기 산소량 (OS)이, 화학량론적 산소 풍부도 임계값 (OS2)이 초과된 후 실질적으로 상기 화학량론적 산소 풍부도 임계값 (OS2) 주위에 유지되도록 조절되는, 처리 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매 수단(3)이 가열 요소(5)로 가열되기 전에 상기 가열 요소(5)의 예열 그리드(preheating grid)가 최소 그리드 온도 (TGRID)까지 가열되는, 처리 방법.