KR20220070516A - 배기 가스 혼합기, 시스템, 및 사용 방법 - Google Patents

배기 가스 혼합기, 시스템, 및 사용 방법 Download PDF

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KR20220070516A
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exhaust gas
mixer
nox
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scr catalyst
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KR1020227014459A
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맨즈아워 매자우디
제이콥 로이 헨셀
에드워드 벤자민 테겔러 4세
니콜라이 알렉스 폴리아코프
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에미솔 엘엘씨
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Abstract

연소 엔진으로부터의 NOx 배출을 제어하기 위한 세그먼트화된, 가열형 우레아 혼합기 및 배기 시스템은 복수의 요소를 포함하며, 적어도 하나의 요소는 다른 요소의 온도 위의 온도로 외부 전원에 의해 독립적으로 가열가능하다. 컨트롤러를 더 포함하는 배기 가스 혼합기 및 배기 가스 혼합기 시스템을 사용하는 방법이 또한 개시된다.

Description

배기 가스 혼합기, 시스템, 및 사용 방법
관련 출원
본 출원은 2020년 3월 10일자로 출원된 미국 가출원 일련 번호 제62/987,430호, 2019년 9월 29일자로 출원된 미국 가출원 일련 번호 제62/907,650호, 및 2019년 9월 29일자로 출원된 미국 가출원 일련 번호 제62/907,651호의 이익을 주장하며; 이 개시는 전체적으로 본원에 참조로 통합된다.
정부 지원 진술
본 발명은 부분적으로 승인 번호 제1831231호 하에서 미국 국립 과학 재단으로부터의 기금으로 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에 대해 특정 권리를 가질 수 있다.
본 섹션의 진술은 단지 본 개시와 관련되는 배경 정보를 제공하고 종래 기술을 구성하지 않을 수 있다.
배기 배출은 모니터링을 필요로 하고 통상 NOx로서 지칭되는 질소 산화물의 형성을 최소화하기 위해 적극적으로 처리된다. 하나의 그러한 처리 방법은 질소 및 물을 형성하기 위해 SCR 촉매에 의한 NOx의 촉매 환원(catalytic reduction) 이전에 배기 가스 스트림 내에 환원제, 즉, 암모니아를 제공하는 단계를 포함한다. 이러한 촉매 반응에 필요한 암모니아는 수성 우레아(urea)의 스트림을 배기 가스 스트림 내로 주입함으로써 제공되며, 이는 열적으로 분해되어 암모니아, 암모니아 전구체, 및 이산화탄소를 형성한다. 그러나, 더 낮은 온도에서 이러한 분해 반응은 상당한 속도로 발생하지 않는다. 이것은 전형적으로 가솔린 또는 다른 라이트(lite) 탄화수소에 의해 구동되는 내연기관(internal combustion engine)을 통해 생성되는 배기보다 훨씬 더 낮은 온도에 있는 디젤 배기에서 특히 문제이다.
더 낮은 배기 가스 온도에서 NOx를 질소로 전환하기에 적절한 양으로 배기 시스템 내에서 수성 우레아로부터 암모니아를 형성하기 위한 필요성이 존재한다.
본 요약은 상세한 설명에서 아래에 추가로 설명되는 개념의 선택을 소개하기 위해 제공된다. 본 요약은 청구된 발명 대상의 주요한 또는 본질적인 특징을 식별하도록 의도되지 않고, 그것은 또한 청구된 발명 대상의 범위를 제한하는 것을 보조하는 것으로서 사용되도록 의도되지 않는다.
본 개시는 연소 엔진으로부터의 NOx 배출을 제어하는 세그먼트화된, 가열형 우레아(urea) 혼합기 시스템에 관한 것이다. 실시예에서, 배기 가스 혼합기는 배기 가스 및 환원제가 배기 가스 혼합기 안으로 흐르는 혼합기 유입구와 배기 가스 및 환원제가 배기 가스 혼합기 밖으로 흐르는 혼합기 유출구 사이에 위치되는 유로 내에 배치되는 복수의 요소(element)를 포함하며, 복수의 요소 중 적어도 하나는 복수의 요소 중 다른 요소와 독립적으로 외부 전원에 의해 가열가능하다.
관련된 실시예에서, 배기 가스 혼합기는 배기 가스 및 환원제가 배기 가스 혼합기 안으로 흐르는 혼합기 유입구와 배기 가스 및 환원제가 배기 가스 혼합기 밖으로 흐르는 혼합기 유출구 사이에 위치되는 유로 내에 배치되는 복수의 요소 또는 세그먼트를 포함하며, 여기서 복수의 요소 중 적어도 하나, 적어도 둘, 또는 각각은 다른 요소와 독립적으로 외부 전원에 의해 가열가능하다.
다른 실시예에서, 배기 가스 소스, 예를 들어, 내연기관으로부터의 배기 가스를 처리하기 위한 배기 가스 시스템은 요소수 용액(urea water solution; UWS) 인젝터 시스템의 하류, 및 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction; SCR) 촉매의 상류의 도관 내에 배치되는 배기 가스 혼합기, 혼합기의 적어도 하나의 요소와 전기 통신하고, 하나 이상의 센서 및/또는 제어 모듈과 전자 통신하는 전자 컨트롤러를 포함하며; 배기 가스 혼합기는 배기 가스 및 환원제가 배기 가스 혼합기 안으로 흐르는 혼합기 유입구와 배기 가스 및 환원제가 배기 가스 혼합기 밖으로 흐르는 혼합기 유출구 사이에 위치되는 유로 내에 배치되는 복수의 요소(element)를 포함하며 - 복수의 요소 중 적어도 하나는 복수의 요소 중 다른 요소와 독립적으로 외부 전원에 의해 가열가능함 -; 여기서 컨트롤러는, 하나 이상의 센서 및/또는 제어 모듈로부터의 하나 이상의 입력에 기초하여, SCR 촉매의 하류의 질소 및 물로 그것을 통해서 흐르는 배기 가스에 존재하는 NOx의 SCR 촉매 환원을 최적화하기 위해 다른 요소와 독립적으로 하나 이상의 요소의 온도를 증가 또는 감소시키도록 복수의 요소 중 적어도 하나에 외부 전원으로부터의 전력을 지향시키도록 구성된다.
하나 이상의 실시예에서, 배기 가스 소스로부터의 배기 가스를 처리하기 위한 배기 가스 시스템은 요소수 용액(urea water solution; UWS) 인젝터 시스템의 하류, 및 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction; SCR) 촉매의 상류의 도관 내에 배치되는 배기 가스 혼합기, 혼합기의 적어도 하나의 요소와 전기 통신하고, 하나 이상의 센서 및/또는 제어 모듈과 전자 통신하는 전자 컨트롤러를 포함하며; 배기 가스 혼합기는 배기 가스 및 환원제가 배기 가스 혼합기 안으로 흐르는 혼합기 유입구, 및 배기 가스 및 환원제가 배기 가스 혼합기 밖으로 흐르는 혼합기 유출구 사이에 위치되는 유로 내에 배치되는 복수의 요소(element)를 포함하며 - 복수의 요소 중 적어도 하나는 복수의 요소 중 다른 요소와 독립적으로 외부 전원에 의해 가열가능함 -; 여기서 컨트롤러는, 하나 이상의 센서로부터의 하나 이상의 입력에 기초하여, SCR 촉매의 하류의 질소 및 물로 그것을 통해서 흐르는 배기 가스에 존재하는 NOx의 SCR 촉매 환원을 최적화하기 위해 다른 요소와 독립적으로 하나 이상의 요소의 온도를 증가시키도록 복수의 요소 중 적어도 하나에 외부 전원으로부터의 전력을 지향시키도록 구성된다.
실시예에서, 방법은 i) 본원에 개시되는 실시예 중 임의의 하나 또는 조합에 따른 배기 가스 혼합기를 포함하는 본원에 개시되는 실시예 중 임의의 하나 또는 조합에 따른 배기 가스 시스템을 제공하는 단계; ii) 무화된(atomized) 요소수 용액(즉, 요소수 용액의 액적) 및 배기 가스 소스로부터의 NOx의 양을 포함하는 배기 가스를 그것을 통해서 지향시키는 단계; 및 iii) 하나 이상의 센서 및/또는 제어 모듈로부터의 하나 이상의 입력에 기초하여, SCR 촉매 하류의 질소 및 물로 그것을 통해서 흐르는 배기 가스에 존재하는 NOx의 SCR 촉매 환원을 최적화하기 위해 적어도 하나의 요소의 온도를 독립적으로 증가 또는 감소시키도록 복수의 요소 중 적어도 하나에 대한 외부 전원으로부터의 전력의 방향을 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 예로서만 본원에 설명되며, 여기서:
도 1은 종래 기술에 따른 우레아 분해 파이프를 갖는 연소-엔진 배기 시스템의 일 부분에서의 요소의 단면 표현을 도시하는 단순화된 고-수준 개략도이고;
도 2는 본원에 개시되는 하나 이상의 실시예에 따른 시스템 성능을 향상시키기 위해 세그먼트화된 가열형 혼합기를 갖는 연소-엔진 배기 시스템의 일 부분에서의 요소의 단면 표현을 도시하는 단순화된 고-수준 개략도이고;
도 3은 실시예에 따른 세그먼트화된 혼합기를 위한 컨트롤러의 시스템 아키텍처를 도시하는 단순화된 고-수준 개략도이며, 컨트롤러는 도 2의 연소-엔진 배기 시스템의 일반적인 표현에 동작적으로 연결되고;
도 4는 컨트롤러가 NOx 감소 효율(reduction efficiency)을 평가 및 개선하는 주요 프로세스 단계의 단순화된 흐름도이며 여기서 컨트롤러는 특정 혼합기 세그먼트를 선택하고 그것이 그 목표 감소 효율에 도달할 때까지 NOx 감소 효율을 개선하는 것을 목표로 하는 특정 알고리즘에 의하여 그들에게 동력을 공급하고;
도 5는 본원에 개시되는 실시예에 따른 파라미터 제어 변화를 사용하여 목표 환원제 균일성 지수(uniformity index; UI)를 갖는 원하는 시스템 상태로의 초기 시스템 상태에 대한 주요 프로세스 단계의 단순화된 흐름도이고;
도 6a는 혼합 세그먼트가 사분면-타입 배열로 구성되는 세그먼트화된 가열형 혼합기의 개략적 표현이고;
도 6b는 혼합 세그먼트가 동심원-타입 링으로 구성되는 세그먼트화된 가열형 혼합기의 개략적 표현이고;
도 6c는 혼합 세그먼트가 원형-타입 형상의 섹터로 구성되는 세그먼트화된 가열형 혼합기의 개략적 표현이고;
도 6d는 혼합 세그먼트가 사분면-타입 및 원형-타입 배열의 조합으로 구성되는 세그먼트화된 가열형 혼합기의 개략적 표현이고;
도 6e는 본원에 개시되는 실시예에 따른 세그먼트가 와류-유도(swirl-inducing) 요소를 갖는 동심 원형 구성으로 구성되는 세그먼트화된 가열형 혼합기를 도시하고;
도 6f는 본원에 개시되는 실시예에 따른 세그먼트화된 가열형 혼합기를 도시하고;
도 6g는 본원에 개시되는 실시예에 따른 상이하게 프로파일된 가열가능한 요소를 포함하는 세그먼트화된 가열형 혼합기를 도시하고;
도 6h는 본원에 개시되는 실시예에 따른 상이하게 프로파일된 가열가능한 요소를 포함하는 세그먼트화된 가열형 혼합기를 도시하고;
도 6i는 본원에 개시되는 실시예에 따른 상이하게 프로파일된 가열가능한 요소를 포함하는 세그먼트화된 가열형 혼합기를 도시하고;
도 6j는 본원에 개시되는 실시예에 따른 복수의 원형의 가열가능한 요소를 포함하는 세그먼트화된 가열형 혼합기를 도시하고;
도 7은 3개의 세그먼트가 배기 파이프의 길이를 따라서 배향되는 세그먼트화된 가열형 혼합기를 도시하고;
도 8a는 환원제 및 NOx의 불충분한(poor) 로딩 균일성을 갖는 SCR 촉매의 단면에서의 저장된 환원제 공간 프로파일을 도시하고;
도 8b는 본원에 개시되는 실시예에 따른 환원제 및 NOx의 양호한 또는 개선된 로딩 균일성을 갖는 SCR 촉매의 단면에서의 저장된 환원제 공간 프로파일을 도시하고;
도 8c는 본원에 개시되는 실시예에 따른 환원제 및 NOx의 본질적으로 최적의 로딩 균일성을 갖는 SCR 촉매의 단면에서의 저장된 환원제 공간 프로파일을 도시하고;
도 8d는 본원에 개시되는 실시예에 따른 SCR 촉매의 방사상 단면에서의 저장된 환원제 공간 프로파일을 도시하고;
도 8e는 본원에 개시되는 실시예에 따라 SCR 촉매의 방사상 단면에서의 저장된 환원제 공간 프로파일을 도시하고;
도 9는 본원에 개시되는 실시예에 따른 펜던트 비가열형(unheated) 요소 또는 세그먼트와 함께 래더 배열을 갖는 혼합기 요소를 도시하고;
도 10은 본원에 개시되는 실시예에 따른 별도의 전류 유입구 및 유출구를 각각 갖는 한 쌍의 개별적으로 가열가능한 요소를 도시하고;
도 11은 본원에 개시되는 실시예에 따른 가열가능한 혼합 요소의 톱니(sawtooth) 프로파일을 도시하고;
도 12a는 본원에 개시되는 실시예에 따른 2개의 상이한 재료로 형성되는 요소를 도시하고;
도 12b는 본원에 개시되는 대안적인 실시예에 따른 2개의 상이한 재료로 형성되는 요소를 도시하고;
도 12c는 본원에 개시되는 대안적인 실시예에 따른 상이한 구역이 상이한 전기 저항을 갖는 동일한 재료로 형성되는 요소를 도시하고;
도 12d는 본원에 개시되는 대안적인 실시예에 따른 2개의 상이한 재료로 형성되는 요소를 도시하고;
도 13은 본원에 개시되는 실시예에 따른 선형 배열을 갖는 상이한 타입의 다수의 요소를 포함하는 배기 가스 혼합기를 도시한다.
처음에, 임의의 그러한 실제 실시예의 개발에서, 다수의 구현-특이적 결정은 개발자의 특정 목표, 예컨대 시스템 관련 제약 및 비즈니스 관련 제약 준수를 달성하기 위해 이루어져야만 하며, 이는 하나의 구현으로부터 다른 구현으로 가변될 것이라는 점이 주목되어야만 한다. 더욱이, 그러한 개발 노력은 복잡하고 시간 소모적일 수 있지만 그럼에도 불구하고 본 개시의 이점을 갖는 당업자에 대해서는 일상적인 일(undertaking)이 될 것이라는 점이 이해될 것이다. 게다가, 본원에 사용되는/개시되는 디바이스, 시스템 및/또는 방법은 또한 인용된 것들과 다른 일부 구성요소를 포함할 수 있다.
요약 및 이러한 상세 설명에서, 각각의 수치 값은 (이미 명시적으로 그렇게 수정되지 않는 한), 용어 "약(about)"에 의해 수정되는 바와 같이 일단 판독되고, 그 다음, 맥락에서 달리 지시되지 않는 한 그렇게 수정되지 않는 것으로서 다시 판독되어야만 한다. 또한, 요약 및 이러한 상세 설명에서, 유용하거나, 적절하거나, 이와 유사한 것으로서 열거되거나 설명되는 물리적 범위는 종점을 포함하는 범위 내의 임의의 값 및 모든 값이 진술된 바와 같이 간주되어야 한다는 것으로 의도된다는 점이 이해되어야만 한다. 예를 들어, "1 내지 10의 범위"는 약 1과 약 10 사이의 연속체(continuum)를 따라 각각 및 모든 가능한 수를 나타내는 것으로서 판독되어야 한다. 따라서, 범위 내의 특정 데이터 포인트가 명시적으로 식별되거나 단지 몇 개의 특정 데이터 포인트를 지칭하는 경우에도, 또는 범위 내의 데이터 포인트가 명시적으로 식별되거나 단지 몇 개의 특정 데이터 포인트를 지칭하지 않는 경우에도, 발명자는 범위 내의 임의의 및 모든 데이터 포인트가 특정된 것으로 간주되어야 한다는 점을 인식 및 이해하고, 발명자는 전체 범위 및 범위 내의 모든 포인트의 지식을 소유한다고 이해되어야 한다.
이하의 정의는 당업자가 상세 설명을 이해하는 것을 돕기 위해 제공된다. 명세서 및 청구항에서 사용되는 바와 같이, "near"는 "at"을 포함한다. 용어 "and/or"는 포괄적인 "and" 케이스 및 배타적인 "or" 케이스 둘 다를 지칭하고, 그러한 용어는 간략화를 위해 본원에 사용된다. 예를 들어, "A 및/또는 B"를 포함하는 조성물은 A 단독, B 단독, 또는 A 및 B 둘 다를 포함할 수 있다.
SCR은 기술 분야의 일반적인 이해에 따라 선택적 촉매 환원 촉매를 지칭한다. UWS는 기술 분야에 공지된 선택적 환원 촉매에 의해 이용되는 환원제를 형성할 시에 사용하기에 적절한 요소수 용액(urea water solution)을 지칭한다. 용어 UWS, 디젤 배기 유체(diesel exhaust fluid; DEF) 및/또는 AdBlue는 본원에서 교환가능하게 사용된다. 마찬가지로, 용어 암모니아 및 환원제는 본원에서 교환가능하게 사용되고 그러한 스트림에 존재하는 것으로 공지되는 다른 재료 뿐만 아니라, 본원에서 사용하기에 적절한 다른 기술, 예를 들어, 암모니아 증기를 포함한다. 또한, 용어 "혼합기", "우레아 혼합기", "UWS 혼합기" 등은 일반성 또는 특이성의 손실 없이 교환가능하게 사용될 수 있을 것이다.
본원의 목적을 위해, 내연기관으로부터 그리고 특별히 디젤 엔진에서 (통상적으로 NOx로서 기록되는) 질소 산화물의 환원(reduction) 및 제어를 통한 배기 가스의 처리는 온- 또는 오프-고속도로 차량, 승용차, 선박, 고정식 젠셋(genset), 산업 플랜트 등 모두를 포함한다. 게다가, 본 발명은 또한 다른 종(species) 및/또는 다른 타입의 엔진 및/또는 다른 타입의 프로세스의 제어에 대해 유용하다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "정보", "신호", "입력", "알고리즘", 및 "데이터"는 설명 전반에 걸쳐 교환가능하거나 동의어로서 사용될 수 있다.
도면을 참조하면, 도 1은 종래 기술에 따른 우레아 분해 파이프룰 갖는 연소-엔진 배기 시스템의 일 부분에서의 요소의 단면 표면을 도시하는 단순화된 고-수준 개략도이다. 배기 가스(4)의 종방향 흐름을 갖는 배기 파이프(2)가 도시되며 UWS 액적(8)을 배기 가스(4)로 주입하기 위해 요소수 용액(urea-water solution; UWS)을 분사하기 위한 통합된 우레아 분사 인젝터(6)를 갖는다. 혼합기(10)는 UWS 액적(8)과 배기 가스(4)를 혼합하기 위한 인젝터(6)의 하류에 위치된다. UWS(전형적으로 약 30-40% 우레아 및 나머지가 물인 혼합물)는 또한 디젤 배기 유체(Diesel Exhaust Fluid; DEF) 및/또는 AdBlue로서 공지되어 있다.
선택적 촉매 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매는 엔진 배기에서 규제된 NOx 종을 선택적으로 감소시킨다. 엔진 배기에서 NOx를 감소시키기 위해, SCR은 요소수 용액의 무화된(atomized) 환원제를 형성하기 위해 디젤 배기 유체(Diesel Exhaust Fluid; DEF)를 주입(무화)함으로써 형성되는 기상 암모니아를 필요로 한다. 배기 가스 내의 열은 DEF 분사 액적에 존재하는 물을 증발시켜, 다음 반응을 통해, 배기에 기상 암모니아(NH3)를 형성한다:
1. 액적 가열, 수분 함량 손실
(NH2)2CO(aq) → (NH2)2CO(l) + H2O(g)
2. 열분해: 우레아는 암모니아(NH3), 이소시안산(HNCO)으로 전환
(NH2)2CO(l) → NH3(g) + HNCO(g)
3. 가수분해: 이소시안산은 NH3로 전환
HNCO(g) + H2O(g) → NH3(g) + CO2(g)
3개의 반응 모두는 암모니아 및 이소시안산(HNCO)을 형성하기 위해 배기 가스 열에서 이용가능한 열 에너지에 의존하며, 후자는 통상적으로 SCR 내부의 촉매 상에서 암모니아로 전환되어 암모니아, 즉, '환원제(reductant)'를 형성한다. 환원제는 엔진 배기에서 규제된 NOx 종을 감소시키기 위해 선택적 촉매 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR)의 동작에 가장 중요하다.
그러나, 주입된 UWS로부터 환원제의 형성은 약 200℃ 아래의 배기 가스 온도이도록 본원에 정의되는 상대적으로 낮은 배기 온도에서 달성하기 어렵다. 그러한 조건은 도시 주행, 정지 및 이동, 저속 공전(low idle) 등에서와 같은 저부하 엔진 동작 하에서 존재할 수 있다. 따라서, 그러한 조건 하에서 다양한 제어 시스템은 UWS의 주입을 금지시킨다.
UWS 주입에 의한 환원제의 균일한 로딩을 형성하기 위한 SCR 촉매 및 최적 조건은 다소 상이한 온도 요구를 갖는다. 둘 다는 약 250℃ 이상인 것으로 본원에 정의되는 더 높은 배기 가스 온도에서 잘 수행되지만, SCR 촉매를 위한 최적 온도는 약 250-350℃의 범위에 있다. 도 1 도시된 바와 같이, 약 200℃ 아래의 더 낮은 배기 가스 온도 하에서, UWS 액적(8)은 배기 파이프(2)의 상대적으로 더 차가운 내부 표면 상에, 그리고 다른 구성요소 예컨대 혼합기, 인젝터 팁, 촉매 상에, 및/또는 근처에 우레아 결정화 및 고체 퇴적물의 형성을 초래하는 다른 구성요소 또는 부착물 상에 액체 풀(16)로서 수집될 수 있다. 그러나, 이러한 더 낮은 온도에서 SCR 촉매는 동작할 수 있으며, 여기서 150℃만큼 낮은 온도는, 암모니아가 촉매에 제공된다면, 대략 약 50%의 NOx 감소 효율을 산출한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 우레아 "분해 파이프 길이"(18)는 UWS 액적(8)의 암모니아(12)로의 전환을 용이하게 하기 위해 이용될 수 있다. 그러나, (SCR 촉매(14)로 이어지는 유입구 콘(cone)(20)으로서 도시되는) 기하학적 간격 제약 및 다양한 다른 시스템 제한을 수용하도록 요구될 수 있는 가변 형태의 곡선 섹션은 환원제의 형성에 부정적으로 영향을 미칠 뿐만 아니라 UWS 액적(8)의 불충분한 분포 균일성 및/또는 배기 가스(4)에서 그 후에 형성되는 암모니아(12)의 분포 균일성을 야기하는 것으로 공지되어 있다. 따라서, 배기 가스에서 환원제의 양호한 균일 분포는 NOx 촉매 효율을 증가시키고; 불충분한-비-균일(불균일) 분포는 촉매 효율을 감소시킨다.
출원인은 환원제 "균일성(uniformity)" 또는 균일성 지수로서 또한 지칭되는 SCR 촉매 입구에서의 환원제 "분포(distribution)"의 품질이 주입된 우레아가 배기 가스에서 이동하는 동안 그것이 우레아 혼합기 상에 충돌할 시에 환원 종(환원제)으로 증발하는 가열형 혼합 요소를 이용함으로써 개선될 수 있다는 점을 발견하였다.
게다가, 출원인은 혼합 요소 중 적어도 하나가 다른 혼합 요소와 독립적으로 가열가능한 복수의 혼합 요소를 갖는 세그먼트화된 혼합기를 이용함으로써, 혼합기가 높은 환원제 균일성을 생성하는 것에 더하여 다른 이점을 달성한다는 점을 발견하였다. 본원에 개시되는 실시예에 따른 세그먼트화된 가열가능한 혼합기는 우레아 액적을 상대적으로-더 차가운 배기 파이프 벽(전형적으로 우레아 퇴적물을 형성하는 경향이 있는 배기 시스템에서 가장 차가운 지점)으로부터 멀리 유지함으로써 성가신 우레아 퇴적물의 형성을 추가로 억제하고 실제로 제거하는 것으로 발견되었으며, 또는 필요한 경우, 가열형 혼합기는 저온 배기 가스 조건 하에서 최적의 레벨로 SCR 촉매의 온도를 차례로 상승시키는 배기 가스의 온도를 상승시키기 위해 열을 생성하도록 제어될 수 있다.
마찬가지로, 낮은 배기 온도 하에서 세그먼트화된 가열형 혼합기의 사용은 이러한 결정(crystal)이 높은 온도 조건하에서 환원제로 전환됨에 따라 우레아 결정의 형성 및 높은 암모니아 스파이크의 결과적인 형성 둘 다를 방지할 뿐만 아니라, 혼합기가 우레아 액적이 그것에 지속적으로 충돌하여, 추가로 그 온도를 감소시키는 것으로 인해 계속해서 '냉각되는(cooled)' 문제를 해결한다.
따라서, 혼합기 상에 충돌하는 UWS 액적이 추가적인 가열을 받도록 하는 것이 유리하다. 이것은 '차가운(cold)' 혼합기 요소 상에 충돌하는 UWS 액적이 가열 및 증발을 위한 충분한 열을 수용하지 않고 빠르게 증발하지 않는 액적을 야기하고, 충분한 암모니아가 형성되지 않고, 우레아 퇴적물이 형성되는 저온 배기 동작에서 특히 유리하다.
따라서, 실시예는 배기 가스 및 환원제가 배기 가스 혼합기 안으로 흐르는 혼합기 유입구와 배기 가스 및 환원제가 배기 가스 혼합기 밖으로 흐르는 혼합기 유출구 사이에 위치되는 유로 내에 배치되는 복수의 요소(element)를 포함하는 배기 가스 혼합기를 포함하며, 요소 중 적어도 하나는 복수의 요소 중 다른 요소와 독립적으로 외부 전원에 의해 가열가능하며, 여기서 복수의 요소 중 둘 이상, 또는 복수의 요소 각각은 외부 전원에 의해 독립적으로 가열가능하다.
실시예에서, 요소 중 적어도 하나는 전기 저항, 전자파, 복사 가열, 자기장 유도 가열, 외부 열원과의 열 연통(thermal communication), 압전 가열, 또는 이들의 조합을 사용하여 가열된다. 실시예에서, 요소 중 적어도 하나는 저항 가열을 위해 독립적으로 구성되며 여기서 전류의 양은, 다른 요소와 독립적으로, 요소의 온도를 증가시키기에 충분한 요소를 통해 지향된다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 요소는 혼합기를 통해 흐르는 배기 가스 및 환원제의 흐름을 방해하기 위해 유로 내에 치수화되고 배열된다. 그러한 실시예 중 일부에서, 요소 중 하나 이상은 하나 이상의 노즐, 흐름 전환기, 핀(fin), 부속물(appendage), 홀, 단면 프로파일, 벤드(bend), 트위스트(twist), 또는 이들의 조합을 포함한다.
실시예에서, 복수의 요소는 데카르트 격자, 극 격자, 구형 격자, 토로이달 격자를 따라서, 래더(ladder) 타입 배열로, 복수의 배열, 행, 그룹으로, 또는 이들의 조합으로 유로 내에 배열된다. 마찬가지로, 또는 대안적인 실시예에서, 복수의 요소는 혼합기 유입구로부터 혼합기 유출구로의 선형 유로가 존재하지 않도록 유로 내에 배열된다.
실시예에서, 적어도 하나의 요소의 적어도 일 부분은 우레아로부터 암모니아 및/또는 암모니아 전구체를 생성하기에 적절한 촉매 활성 물질을 포함하는 전기 전도성 기판 상에 배치되는 하나 이상의 코팅층; 소수성 표면; 친수성 표면; 요소와 접촉하는 액적으로부터 환원제의 형성을 용이하게 하는 모폴로지(morphology); 또는 이들의 조합을 포함하고/하거나, 적어도 하나의 요소의 표면의 적어도 일 부분은 약 50 미크론(microns) 이상의 RMS 거칠기; 약 50 미크론 이하의 RMS 거칠기; 반점(stippled) 모폴로지; 다공성 모폴로지; 톱니 프로파일; 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.
실시예에서, 적어도 하나의 요소는 제1 전기 저항을 갖는 제1 부분; 제1 전기 저항과 상이한 제2 전기 저항을 갖는 제2 부분을 포함함으로써, 전류가 요소를 통해 흐를 때, 제1 부분은 제2 부분보다 더 높은 온도로 가열된다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 요소는 전원과 접지 사이에 최단 전기 유로(즉, 직접 회로)를 포함하는 메인 부분(main portion)을 포함함으로써 메인 부분은 충분한 양의 전류가 상기 요소를 통해 흐를 때 제1 온도로 저항적으로 가열되며, 상기 메인 부분에 펜던트 배열되고 동일한 전류가 상기 요소를 통해 흐를 때 상기 제1 온도 아래의 제 2 온도로, 가능한 한, 저항적으로 가열되는 하나 이상의 2차 부분(secondary portions)을 포함한다.
실시예에서, 적어도 하나의 요소는 복수의 구역을 포함하며, 여기서 적어도 하나의 구역은 복수의 구역 중 다른 구역에 대해 상이한 금속 또는 금속 합금을 포함한다. 실시예에서, 혼합기 및/또는 적어도 하나의 요소는 금속 발포체, 3D-인쇄 구조, 부가적(additive) 제조 구조, 또는 이들의 조합을 더 포함할 수 있다.
실시예에서, 배기 가스 소스로부터의 배기 가스를 처리하기 위한 배기 가스 시스템은: 요소수 용액(urea water solution; UWS) 인젝터 시스템의 하류, 및 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction; SCR) 촉매의 상류의 도관 내에 배치되는 배기 가스 혼합기, 전력을 혼합기의 적어도 하나의 요소에 지향시키고, 하나 이상의 센서 및/또는 제어 모듈과 전자 통신하도록 구성되는 전자 컨트롤러를 포함하며; 배기 가스 혼합기는 배기 가스 및 환원제가 배기 가스 혼합기 안으로 흐르는 혼합기 유입구와 배기 가스 및 환원제가 배기 가스 혼합기 밖으로 흐르는 혼합기 유출구 사이에 위치되는 유로 내에 배치되는 복수의 요소를 포함하며 - 복수의 요소 중 적어도 하나는 복수의 요소 중 다른 요소와 독립적으로 외부 전원에 의해 가열가능함 -; 여기서 컨트롤러는, 하나 이상의 센서 및/또는 제어 모듈로부터의 하나 이상의 입력에 기초하여, SCR 촉매의 하류의 질소 및 물로 그것을 통해서 흐르는 배기 가스에 존재하는 NOx의 SCR 촉매 환원을 최적화하기 위해 다른 요소와 독립적으로 상기 하나 이상의 요소의 온도를 증가 또는 감소시키도록 구성된다.
실시예에서, 시스템은 컨트롤러와 각각 전자 통신하는 하나 이상의 제어 모듈, 및/또는 하나 이상의 시스템 구성요소를 더 포함하며, 여기서 컨트롤러는 하나 이상의 센서, 하나 이상의 제어 모듈로부터의 입력을 모니터링하고/하거나, 하나 이상의 시스템 구성요소를 제어하도록 구성되고, 여기서 컨트롤러는 하나 이상의 센서 및/또는 제어 모듈 입력에 기초하여, 및/또는 하나 이상의 시스템 구성요소를 제어하는 것과 조화를 이루어 전력을 복수의 요소 중 하나 이상으로 지향시킨다.
실시예에서, 하나 이상의 센서 및/또는 제어 모듈 입력, 및/또는 하나 이상의 시스템 구성요소 제어는: 요소수 용액(urea water solution; UWS) 주입 질량, UWS 분사 액적 크기 또는 크기 분포, UWS 인젝터 주파수, UWS 인젝터 듀티 사이클, UWS 주입 펌프 압력, 배기 가스 유량 센서, SCR 촉매 하류의 NOx 농도 센서, UWS 인젝터 상류의 NOx 농도 센서, 혼합기와 SCR 촉매의 출구 사이의 NOx 농도 센서, 혼합기 하류의 흐름 및 환원제의 분포 균일성의 측정, UWS 인젝터 상류의 배기 가스 온도 센서, UWS 인젝터 하류의 배기 가스 온도 센서, 혼합기 세그먼트 온도 센서, 열 카메라, 혼합기 온도 분포, SCR 촉매 내의 저장된 암모니아 질량, SCR 촉매 내의 저장된 암모니아 분포, SCR 촉매 내의 저장된 NOx 질량, SCR 촉매 내의 저장된 NOx 분포, SCR 촉매 내의 저장된 황 질량, SCR 촉매 내의 저장된 황 분포, SCR 촉매 내의 저장된 탄화수소 질량, SCR 촉매 내의 저장된 탄화수소 분포, SCR 촉매 내의 저장된 물 질량, SCR 촉매 내의 저장된 물 분포, 배기 가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation; EGR) 설정, 실린더 비활성화 설정, 연료 인젝터 타이밍, 연료 주입 질량, 엔진 부하, 고도(elevation), 주변 온도 센서, UWS 무결성 센서, 엔진 속도, 연료 연소 센서, 또는 이들의 조합을 포함한다.
실시예에서, 컨트롤러는 외부 전원으로부터의 전력을 지향시키기 위한 하나 이상의 요소 중 어느 것을 선택하고, 그것을 통해서 흐르는 배기 가스에 존재하는 NOx의 SCR 촉매 환원을 최적화하기 위해 알고리즘, 머신 러닝, 신경망, 인공 지능, 모델, 예측 메커니즘의 계산, 하나 이상의 룩업 테이블, 또는 그들의 조합을 이용한다.
실시예에서, 시스템은 약 220℃ 아래의 배기 가스 온도에서 약 0.5 g NOx/bhp-hr 이상, 또는 약 300 mg NOx/mile 이상의 NOx 레벨을 제거하기에 적절한 암모니아 및/또는 암모니아 전구체의 양을 생성할 수 있다.
실시예에서, 컨트롤러는 SCR 촉매의 적어도 일 부분의 온도를 증가시키기에 충분한 양으로 그것을 통해서 흐르는 배기 가스의 온도를 증가시키기 위해 복수의 요소 중 하나 이상으로 외부 전원으로부터의 전력의 양을 지향시키도록 구성된다.
실시예에서, 방법은 본원에 개시되는 실시예 중 어느 하나 또는 조합에 따른 배기 가스 혼합기를 포함하는, 본원에 개시되는 실시예 중 어느 하나 또는 조합에 따른 배기 가스 시스템을 제공하는 단계; 배기 가스 소스로부터의 NOx의 양을 포함하는 배기 가스 및 요소수 용액을 그것을 통해서 지향시키는 단계; 및 하나 이상의 센서 및/또는 제어 모듈로부터의 하나 이상의 입력에 기초하여, SCR 촉매 하류의 질소 및 물로 그것을 통해서 흐르는 배기 가스에 존재하는 NOx의 SCR 촉매 환원을 최적화하기 위해 적어도 하나의 요소의 온도를 독립적으로 증가 또는 감소시키도록 복수의 요소 중 적어도 하나에 대한 외부 전원으로부터의 전력의 방향을 제어하는 단계를 포함한다.
실시예에서, 전력을 혼합기의 적어도 하나의 요소로 지향시키고, 하나 이상의 센서 또는 제어 모듈과 전자 통신하도록 구성되는 전자 컨트롤러는 (예를 들어, 예를 들어 전-/후-SCR NOx 센서(들)로부터, 후처리 제어 모듈로부터, 모델로부터, 엔진 ECU로부터 또는 다른 것으로부터의 하나 이상의 NOx 신호(들)(SNOx)을 통해) 낮은 SCR 효율을 검출하기 위해 알고리즘 또는 다른 프로그래밍으로 구성되며, 따라서 더 낮은 전체 SCR 효율을 야기한다. 그 다음, 컨트롤러 알고리즘은 전력을 세그먼트 중 하나 이상에 위치되는 혼합기 세그먼트, (예를 들어, 혼합기의 하단 섹션에 위치되며, 따라서 배기 파이프의 하단 섹션에서 주로 생성되는 환원제 농도를 증가시키는 세그먼트)로 선택 및 지향시키고, 그 다음 SCR 촉매에 도달하는 환원제 농도의 균일성 및/또는 성능에서 개선이 있는지를 결정하여 그것에 의해 SCR 촉매 성능을 최적화하고 확장에 의해, 하나 이상의 센서 및/또는 제어 모듈로부터의 하나 이상의 입력에 기초하여 SCR 촉매의 하류의 질소 및 물로 그것을 통해서 흐르는 배기 가스에 존재하는 NOx의 SCR 촉매 환원을 최적화한다.
일부 실시예에서, 컨트롤러는 미리결정되고 내장된 알고리즘(들)을 이용할 것이며, 혼합기 컨트롤러는 그것에 의해 성능이 떨어지는 SCR 촉매 효율을 향상시키기 위한 임의의 바람직한 환원제 농도 및 그 결과 분포를 달성하기 위해 어떤 혼합기 세그먼트(들)에 동력을 공급할지를 결정하도록 구성된다. 게다가, 그러한 세그먼트화된 가열형 혼합기 시스템은 또한 다른 성능 메트릭(metric)의 개선을 포함하는 고도로 제어된 환원제 균일성 이상의 것을 달성하기에 적절하다.
실시예에서, 각각의 세그먼트는 개별적으로, 또는 하나 이상의 다른 세그먼트와 협력하여 동력을 공급받을 수 있어서, 하류 SCR 촉매의 입구에서 환원제 형성 및 개선된 균일성 둘 다를 증가시키고/시키거나 촉진시키기 위해 혼합기 구조에 걸쳐 최적의 온도 분포를 제공한다. 예를 들어, 환원제 균일성이 높은 것으로 결정될 때, SCR 촉매는 균일하게 환원제를 수용할 수 있고 컨트롤러 혼합기는 (다른 옵션 중에서) 그 세그먼트의 전부를 가열하거나, 전혀 가열하지 않도록 선택할 수 있다. 그러나, 균일성이 SCR 촉매 성능을 모니터링하는 것을 통해 컨트롤러에 의해검출가능한 바와 같이 낮은 것으로 결정될 때, 컨트롤러는 그 세그먼트의 "일부"만을 가열하고/하거나 특정 조합 또는 순열로 세그먼트를 가열하도록 선택할 수 있으며, 이는 SCR 성능을 통해 검출가능한 바와 같은 증가된 환원제 농도 및 더 높은 균일성 둘 다를 생성하기 위해, 미리결정된 알고리즘을 통해, 하나 이상의 시험 및 성능 모니터링을 사용하여 용이하게 될 수 있다. 저온, 중온 또는 고온은, 원하는 바와 같이, 임의의 세그먼트 상에 개별적으로 부과될 수 있을 것이다. 일부 세그먼트는 심지어 비가열된 상태로 유지될 수 있다. 게다가, 또는 다른 실시예에서, 본원에 개시되는 실시예에 따른 세그먼트화된 가열형 혼합기는 또한 다른 목적, 예컨대 퇴적물 제거, 배기의 가열 및/또는 SCR 촉매의 예열, 및/또는 이와 유사한 것을 위해 이용될 수 있다.
그러한 세그먼트화된 가열형 혼합기는 세그먼트화된 혼합기의 동작을 엔진 시스템 및 그 환경의 동적으로 변화하는 조건에 적응시키기 위해 컨트롤러를 필요로 한다. 실시예에 따른 그러한 컨트롤러는, 환원제 형성을 가속화하고/하거나, 우레아 결정화를 회피하고/하거나, 환원제 균일성을 선택적으로 촉진하기 위해 혼합기 상에 충돌하는 UWS 액적을 가열하는 유연성을 제공하는 궁극적 목적과 함께, 전력(즉, 에너지)이 개별 혼합기 세그먼트를 가열하기 위해 전달되는 양, 속도, 및 방식을 제어할 수 있다. 그러한 컨트롤러는 적절한 시스템 또는 서브-시스템 성능 조정 또는 최적화를 위해 다른 시스템 구성요소에 신호를 송신함으로써 다른 파라미터를 제어할 뿐만 아니라, 전체 혼합기 온도, 또는 혼합기 온도 분포를 변경하기 위해 가열형 혼합기 세그먼트를 언제, 어떻게, 어느 위치에서, 그리고 어느 속도로 동력을 공급할지를 결정하기 위해 시스템 센서 데이터 및 온-보드 로직에 기초하여 결정하고 평가한다.
실시예에서, 세그먼트화된 가열형 혼합기 시스템은 연소 엔진으로부터의 NOx 배출을 감소시키기 위해 상기 세그먼트화된 가열형 우레아 혼합기를 제어하기 위한 세그먼트화된 가열형 혼합기 및 방법 및 디바이스를 포함한다.
세그먼트화된 가열형 배기 가스 혼합기의 제어
도면을 다시 참조하면, 도 2는 실시예에 따른 시스템 성능을 향상시키기 위해 세그먼트화된 가열형 혼합기를 갖는 연소-엔진 배기 시스템의 일 부분에서의 요소의 단면 표현을 도시하는 단순화된 고-수준 개략도이다. 도 2의 구성은 도 1의 구성에 비해 효과적으로-감소된 우레아 분해 구역을 생성하고/하거나, 기상 환원제 농도를 증가시키고/시키거나, 균일성 품질을 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 배기 가스 소스(미도시)로부터의 배기 가스(4)를 처리하기 위한 발명적 배기 가스 시스템은 요소수 용액(the urea water solution; UWS) 인젝터 시스템(6)의 하류, 및 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction; SCR) 촉매(14)의 상류의 도관, 예를 들어, 배기 파이프(2)에 배치되는 배기 가스 혼합기(55), 및 예를 들어, 전자 통신(61)을 통해 외부 전원(59)으로부터의 전력을 혼합기(55)의 적어도 하나의 요소에 지향시키도록 구성되는 전자 컨트롤러(57)를 포함한다. 컨트롤러(57)는 하나 이상의 센서(63, 65, 및 67), 및/또는 하나 이상의 제어 모듈, 예를 들어, UWS 인젝터의 제어 모듈(69)과 전자 통신한다. 배기 가스 혼합기(55)는 배기 가스(4) 및 환원제(8)가 배기 가스 혼합기(55) 안으로 흐르는 혼합기 유입구(77)와 배기 가스 및 환원제가 배기 가스 혼합기 밖으로 흐르는 혼합기 유출구(79) 사이에 위치되는 유로(75) 내에 배치되는 복수의 요소 또는 세그먼트(71 및 73)를 포함하며, 복수의 요소(71) 중 적어도 하나는 복수의 요소(73) 중 다른 요소와 독립적으로 외부 전원(59)에 의해 가열가능하다. 바람직하게는 모든 요소 또는 세그먼트는 다른 것들과 독립적으로 외부 전원에 의해 가열가능하다. 실시예에서, 컨트롤러(57)는, 하나 이상의 센서 예를 들어, 63, 65 및 67 및/또는 하나 이상의 제어 모듈 예를 들어, 69로부터의 하나 이상의 입력에 기초하여, SCR 촉매(14)의 하류의 질소 및 물로 그것을 통해서 흐르는 배기 가스에 존재하는 NOx의 SCR 촉매 환원을 최적화하기 위해 다른 요소와 독립적으로 하나 이상의 요소(71 및/또는 73)의 온도를 증가 또는 감소시키도록 구성된다.
그렇게 함으로써, 환원제 액적(8)에 존재하는 우레아의 암모니아/암모니아 전구체로의 전환은 우레아 퇴적물 형성의 위험, 구성요소 고장 또는 NOx를 감소시키기는 SCR 촉매의 비효율적인 동작을 감소시키는 효과적으로-감소된 우레아 분해 구역에 걸쳐 조절된다. 더욱이, 실시예에서, 도 1의 우레아 분해 파이프 길이(18)는 SCR 촉매(14)를 가열형 세그먼트화된 혼합기(55)에 더 가까이 이동시킴으로써 감소되고/되거나 제거될 수 있어서, 보다 컴팩트한 시스템을 야기한다. 혼합기의 가열을 위해 요구되는 세그먼트화된 혼합기(55) 및 연관된 구성요소는 구성 및 성능 유연성을 제공하고, 동작 시스템의 요구 및 제약에 더 적합하도록 구성 및 이용될 수 있다.
도 3은 실시예에 따른 연소-엔진 배기 시스템의 일반적인 표현에 동작적으로 연결되는 혼합기 컨트롤러의 시스템 아키텍처를 도시하는 단순화된 고-수준 개략도이다. 여기서, 컨트롤러는, 하나 이상의 센서 및/또는 제어 모듈로부터의 하나 이상의 입력에 기초하여, SCR 촉매의 하류의 질소 및 물로 그것을 통해서 흐르는 배기 가스에 존재하는 NOx의 SCR 촉매 환원를 최적화하기 위한 적어도 하나의 요소의 온도를 독립적으로 증가 또는 감소시키기 위해 외부 전원으로부터의 전력의 방향을 요소 중 적어도 하나로 제어하도록 구성된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 연소-엔진 배기는 배기 가스를 방출하는 그 배기 파이프와 함께 엔진(40)에 의해 표현된다. 인젝터(42)는 44-i(i = 1,2,3, ...)에서와 같이 혼합기 세그먼트(1,2,3, ...)로 구성되는 세그먼트화된 가열형 혼합기(44) 자체의 상류에 UWS 분사를 주입하는 것으로 도시된다. 가스 스트림은 시스템을 나가기 전에 SCR 촉매(46)로 계속된다. 다양한 구성요소와 연관되는 배기 시스템 및 제어 모듈 내의 센서는 다음을 포함하는 가스 스트림으로부터의 정보를 획득한다: 배기 온도 신호(Texh), 질량 공기-흐름 신호(MAF), UWS 분사 주입 정보(예를 들어, 인젝터 펌프 압력, 주입된 질량, 및 주파수, 및 듀티 사이클에 기초한 액적 크기)를 제공하는 주입 데이터(Dinject), 혼합기 온도 신호 또는 신호들(Tmix, i 여기서 i=1,2,3 ...은 혼합기 세그먼트(44-i)(i = 1,2,3, ...) 각각의 온도(T)를 나타냄), 및 SCR 촉매(46) 하류의 NOx 농도를 측정하기 위한 NOx 신호(SNOx).
컨트롤러(48)는 혼합기 전력 계산 맵(50) 및 (예를 들어, 미도시된 UWS 인젝터 컨트롤러에 의해 잠재적으로 부분 제공되는 암모니아 저장, NOx 저장, 및 감소의) SCR 촉매 성능 맵(52)과 관련된 온보드 로직을 포함하는 것으로 도시된다. 컨트롤러(48)는, 예를 들어, 엔진의 전자 제어 유닛(ECU)으로부터, 다른 맵으로부터, 또는 직접적인, 상류 NOx 센서 신호(미도시)로부터 입력으로서 획득되는 엔진-아웃 NOx 배출 맵(54)을 그 온-보드 로직 안으로 선택적으로 통합시킬 수 있다. 대안적으로, 추가적인 센서는 추가적인 엔진 상태 데이터를 컨트롤러(48) 예컨대 다른 ECU, 배출 제어 시스템, 또는 그 안의 서브-구성요소에 제공할 수 있다. 본원에 설명되는 컨트롤러(48)에 내장되는 온보드 로직은 그 규정된 기능을 수행하기 위한 그 자체의 통합 컴포넌트리(즉, 하드웨어, 펌웨어, 및/또는 소프트웨어)를 포함할 수 있다는 점이 주목되고 이해된다. 따라서, 구조적 컴포넌트리 예컨대 프로세서, 메모리 모듈, 명령어 세트, 및 통신 하드웨어 및 프로토콜은 컨트롤러(48)의 설명에 암묵적으로 포함된다.
그것의 소스와 관계없이, 그러한 신호는 요소수 용액(urea water solution; UWS) 주입 질량, UWS 분사 액적 크기 또는 크기 분포, UWS 인젝터 주파수, UWS 인젝터 듀티 사이클, UWS 주입 펌프 압력, 배기 가스 유량 센서, SCR 촉매 하류의 NOx 농도 센서, UWS 인젝터 상류의 NOx 농도 센서, 혼합기와 SCR 촉매의 출구 사이의 NOx 농도 센서, 혼합기 하류의 흐름, 환원제의 분포 균일성의 측정, UWS 인젝터 상류의 배기 가스 온도 센서, UWS 인젝터 하류의 배기 가스 온도 센서, 혼합기 세그먼트 온도 센서, 열 카메라, 혼합기 온도 분포, SCR 촉매 내의 저장된 암모니아 질량, SCR 촉매 내의 저장된 암모니아 분포, SCR 촉매 내의 저장된 NOx 질량, SCR 촉매 내의 저장된 NOx 분포, SCR 촉매 내의 저장된 황 질량, SCR 촉매 내의 저장된 황 분포, SCR 촉매 내의 저장된 탄화수소 질량, SCR 촉매 내의 저장된 탄화수소 분포, SCR 촉매 내의 저장된 물 질량, SCR 촉매 내의 저장된 물 분포, 배기 가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation; EGR) 설정, 실린더 비활성화 설정, 연료 인젝터 타이밍, 연료 주입 질량, 엔진 부하, 고도, 주변 온도 센서, UWS 무결성 센서, 엔진 속도, 연료 연소 센서, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
하나 이상의 실시예에서, 컨트롤러로의 입력은 NOx 정보 예컨대 (예를 들어, SNOx와 같은 전- 또는 후-SCR NOx 센서(들)로부터, 온보드로부터, NOx 농도를 추적하는 모델-기반 알고리즘(들)로부터 또는 이들의 조합으로부터의 신호(들)을 통해) NOx 농도, 전- 및/또는 후-SCR NOx 농도 정보를 제공하는 엔진-아웃 배출 맵(54); 배기 온도 정보 예컨대 Texh; 배기 유량 정보 예컨대 MAF; 주입된 UWS 질량 또는 속도(rate), 액적 크기, 온도, 주입 질량, 분사 콘 각도, 분사 분포, 주입 주파수/듀티 사이클 중 하나 또는 이들의 조합, 및/또는 UWS 인젝터의 도우징(dosing) 컨트롤러 또는 제어 모듈(종종 도우징 제어 유닛 또는 DCU로 지칭됨)로부터 수신될 수 있는 다른 UWS 정보와의 조합과 같은 UWS 주입 정보(Dinject); 일단 그들이, 예를 들어, UI 위치 UIL1(즉, 혼합기 입구에서 분사/배기 가스 분포 정보/균일성) 및 UIL2(즉, 촉매 입구에서 환원제/배기 가스 분포 정보/균일성)에서와 같이, 촉매, 포스트-혼합기, 및/또는 SCR 촉매 입구에 들어가면 대부분 암모니아로 전환되는 암모니아, 이소시안산, 및/또는 비증발된 환원제 액적의 임의의 조합을 포함할 수 있는 환원제 분포의 균일성 지수(UI); 바람직한 단면에서 및/또는 SCR 촉매 입구 예컨대 UIL1 및 UIL2에서의 배기 가스 흐름/속도의 균일성 지수; 바람직한 단면에서 및/또는 SCR 촉매 입구 예컨대 UIL1 및 UIL2에서의 SAI(Stoichiometric Area Index); (예를 들어, 그 촉매 온도 또는 다른 파라미터의 함수로서) 촉매의 암모니아 및 NOx 저장, 암모니아 및/또는 NOx 저장의 시간적 또는 공간적 분포, 온도 분포, 촉매 에이징(aging) 및 적응 교정 맵, 황/탄화수소 영향 맵, 및/또는 유사한 정보와 같은 SCR 촉매(46)의 교정 및 동작에 사용되는 SCR 촉매 성능 맵(52)과 같은 SCR 촉매 정보; 모델(들)을 통해, Tmix, i 를 통해 측정되는 바와 같은 혼합기 세그먼트 상에 위치되는 온도 센서를 통해, 혼합기 세그먼트의 상류 또는 하류의 일부 거리에 있는 열 카메라에 의해, 또는 적절한 위치의 배기 가스 내의 온도 센서에 의해, 또는 기술 분야에 공지된 다른 수단에 의해 감지될 수 있는, 예를 들어, 혼합기 세그먼트(44-i)의 온도; 혼합기 세그먼트(들)(44-i)에 걸쳐 전위차를 측정하는 것을 통해 결정될 수 있는 세그먼트의 온도(들) Tmix, i (각각의 세그먼트로부터 또는 다양한 세그먼트로부터의 1개, 2개 이상의 신호); 컨트롤러 내의 하나 이상의 알고리즘에서 또는 컨트롤러 외부에서 이용가능한 모델-기반 추정기로부터, 또는 일부 배출 제어 시스템에서 이용가능한 SCR 촉매 내의 하나 이상의 전 또는 후 SCR 암모니아 센서(들) 및/또는 암모니아 센서로부터의 암모니아 농도 정보; 배기 흐름으로/으로부터, 예를 들어, 혼합기 전력 계산 맵(50)에 내장되는 모델로부터 혼합기 세그먼트(44-i)에 동력을 공급하기 이전에 및/또는 이후에 혼합기 세그먼트(44-i)로부터의 열 손실/이득; 엔진-아웃 NOx에 대한, 적용가능한 경우, 엔진의 배기 가스 재순환(EGR) 정보 또는 그 영향; 혼합기(44) 및/또는 혼합기 세그먼트(44-i)의 효율 반응, (즉, 전력 효율 손실); 및/또는 당업자에 의해 보증되는 관련성의 다른 파라미터를 포함할 수 있다.
실시예에서, 혼합기 컨트롤러(48)는 UWS 분사의 우레아 액적에 필요한 열 전달을, 원하는 바와 같이 우선적으로, 공급하기 위해 혼합기 입력 신호(Imix, i , i = 1,2,3, ...)를 통해 혼합기 세그먼트(44-i)에 열 동력을 공급하기 위해 요구되는 전력(예를 들어, 와트량)을 계산하기 위해 위에 언급된 입력 파라미터의 임의의 조합을 사용하도록 구성되는 온보드 로직/내장된 알고리즘을 이용한다.
일부 실시예에서, 컨트롤러(48)는 액적이 혼합기 세그먼트(44-i)와 접촉 시 UWS 액적 온도를 증가시키고, 따라서 적절한 촉매 성능 하류(downstream)를 위해 요구되는 바와 같은 환원제 형성을 증가시키기 위해 적절하게 혼합기 세그먼트(44-i)에 동력을 공급하도록 구성되고/되거나, 컨트롤러(48)는 다양한 이유를 위해 혼합기 세그먼트(44-i)에 동력을 공급할 수 있다. 예를 들어, 혼합기 세그먼트(44-i)는 그들이 혼합기 세그먼트(44-i)와 접촉 시 액적 온도를 증가시키기 위해 동력을 공급받을 수 있다. 대안적으로, 배기 온도가 배기 가스 밀도를 국부적으로 감소시키는 가열형 혼합기 세그먼트(44-i)로 인해 변화되므로, 컨트롤러(48)는 예를 들어 흐름 균일성 및/또는 흐름 계층화(stratification)에 영향을 미치기 위한 국부적인 가스 밀도 변화를 유도하기 위해 혼합기 세그먼트(44-i)를 가열할 수 있다.
실시예에서, 컨트롤러(48)는 NOx 감소 효율을 계산할 수 있는 컨트롤러(48)에 내장되는 혼합기 전력 계산 맵(50)을 이용한다. 예를 들어, NOx 감소 효율이 낮은 저온 배기 동작 하에서, 컨트롤러가 NOx 감소 효율이 성능이 떨어진다고 결정하는 경우, 컨트롤러(48)는 SCR 촉매(46) 하류에서 NOx 감소 효율을 증가시키도록 구성된다. 이것을 달성하기 위해, NOx 환원 개선은 증가된 환원제 농도를 통해, 또는 (SCR 촉매 입구에서) 그 개선된 균일성을 통해, 또는 둘 다를 통해 달성될 수 있다.
환원제 농도를 증가시키기 위해, 컨트롤러(48)는 하나 이상의 혼합기 세그먼트의 Tmix, i 를 수정/증가시키기 위해 내부에 내장되는 특정의 미리결정된 알고리즘을 사용한다. 하나 이상의 선택된 세그먼트의 수정된/증가된 Tmix, i 는 그러한 세그먼트 상에 충돌되는 주입된 UWS 액적의 가열을 가속화하며, 따라서 환원제 형성/농도를 증가시킨다. (컨트롤러(48)는 추가적으로 인젝터 DCU에게 UWS 주입을 수정하도록/증가시키도록 신호할 수 있다).
환원제 균일성을 증가시키기 위해, 컨트롤러(48)는 얼마나 많은 세그먼트(예를 들어 하나, 둘 또는 그 이상) 및 어떤 위치에 위치되는 어느 세그먼트(예를 들어 혼합기 상의 상단 또는 하단 위치 상의 세그먼트, 또는, 혼합기 상의 내부 또는 외부 위치의 세그먼트)가 어떤 조합(들)/시퀀스로(예를 들어 제1 에너자이징 세그먼트(44-2), 다음/동시 세그먼트(44-6), 다음/동시 세그먼트(44-1) 등), 어떤 목표 온도로, 얼마나 오랫 동안 동력을 공급받을지 여부, 및 시간에 따라 각각 선형적으로 또는 비선형적으로 가열할지 여부(일시적, 주기적으로 세그먼트 열을 조절할지 여부)를 결정하기 위해 내부에 내장되는 미리결정된 알고리즘을 이용할 수 있다.
그렇게 함으로써, 컨트롤러(48)는 예를 들어 샘플링 방법, 난수 생성기, 신경망, 섭동 방법, 통계적 방법(초기에 내장되거나 컨트롤러(48)에 의해 시간이 경과됨에 따라 학습됨)을 사용할 수 있지만, 다른 선택/의사-결정 방법이 이용될 수 있다.
실시예에서, 컨트롤러(48)에 내장되는 혼합기 전력 계산 맵(50)은 다양한 시스템 파라미터를 사용하여, 단순성을 위해 단지 균일성으로서 본원에 또한 지칭되는, 환원제 균일성 지수를 계산할 수 있다.
예를 들어, 시스템 NOx 감소 효율이 성능이 떨어지는 것으로 결정되는 경우, 컨트롤러(48)는 증가된 환원제를 제공하기 위해, 또는 균일성을 개선하여 SCR 촉매(46) 하류에서 NOx 감소 효율을 추가로 증가시키기 위해 (세그먼트의 다양한 조합을 샘플링하는 것, 신경망을 통한 것, 또는 다른 알고리즘을 통한 것과 같은) 내부에 내장되는 특정의 미리결정된 알고리즘(들)에 대하여 하나 이상의 Tmix, i 를 변화시킬 수 있다. 그러한 제어는 쌍방향 통신을 포함할 수 있으며 여기서, 예를 들어, Tmix, i 는, 예를 들어, 혼합기 세그먼트(들)(44-i)에 걸쳐 전위차를 측정함으로써 컨트롤러(48)에 다시 공급될 수 있다는 점이 주목된다.
일반적으로, 위에 언급된 대부분의 신호, 또는 당업자에 의해 보증될 수 있는 바와 같은 언급되지 않은 추가적인 신호는 컨트롤러(48)에 의해 수신되고 혼합기 세그먼트(44-i)의 그 적절한 동작을 위해 처리된다. 그러나, 컨트롤러(48)가, 대신에, 컨트롤러(48), 혼합기 세그먼트(44-i), 또는 SCR 촉매(46)의 주요 기능과 함께 구성요소 동작을 조정/관리하는 위에 언급된 하나 이상의 구성요소 또는 언급되지 않은 추가적인 구성요소로 피드백 신호를 발행하는 상황이 존재한다. 그러한 상황에서, 컨트롤러(48)는 그 자신의 목적을 위해 정보를 단지 수신 및 처리하지 않고, 차량 내의 다른 컨트롤러 및 제어 시스템과의 상호작용을 추가로 포함할 수 있는 개선된 시스템 또는 서브-시스템 성능을 위해 구성요소에 정보를 또한 송신할 것이다.
컨트롤러(48)에 의한 그러한 보조 제어의 예는 우레아 주입이다. 우레아 인젝터는 일반적으로 그 자신의 컨트롤러를 갖고, NOx 환원 시스템 요구를 만족시키는 특정 알고리즘을 사용하여 (엔진 ECU 및/또는 다른 신호 및 구성요소와 협력하지만) 대부분 독립적으로 동작하도록 구성되지만, 컨트롤러(48)는 우레아 인젝터 컨트롤러로부터 신호 정보(예를 들어, 주입 질량, 주파수, 또는 듀티 사이클)를 수신할 수 있을 뿐만 아니라, 신호/정보를 다시 우레아 인젝터(42)로 송신할 수 있어서, 혼합기 컨트롤러 성능과 주입 질량 또는 다른 동작 파라미터의 인젝터 컨트롤러의 계산을 상관시킨다.
컨트롤러(48)에 의한 그러한 보조 제어의 다른 예는 신호/정보를 EGR로 송신하거나 신호/정보를 EGR로부터 수신하는 것이다. 그러한 예는 다른 구성요소로부터/구성요소로의 다른 피드백 시나리오로 쉽게 확장될 수 있다.
컨트롤러(48)가 시스템 성능에 영향을 미치는 동적 변화를 연속적으로 평가하는 다양한 방법이 존재하며; 그러한 변화는 컨트롤러의 의사-결정 및/또는 혼합기(44)로/로부터 송신된/수신된 신호에 영향을 미칠 수 있을 것이다. 컨트롤러(48)는 다음에서의 변화와 같은 임의의 수신된 및/또는 처리된 신호를 모니터링함으로써 동적 변화를 모니터링하도록 구성될 수 있다: 하드웨어, 소프트웨어, 및/또는 컨트롤러 내부 또는 컨트롤러 외부에서 이용가능한 모델-기반 알고리즘으로부터의 임의의 NOx 농도 신호, 배기 온도 또는 흐름, UWS 주입된 질량, 속도, 주파수, 및/또는 듀티 사이클; 우레아 결정 또는 배기 그을음(soot)을 갖는 인젝터 홀의 부분 차단으로 인해 또는 인젝터 에이징(aging)으로 인한 것과 같은 주입 품질; 인젝터 DCU 적응 전략 또는 측정으로서 지칭되는 인젝터 환경 적응; 흐름 또는 환원제의 균일성 지수; 촉매 성능(예를 들어, NOx 감소 효율, 저장된 NOx 또는 암모니아, 저장된 NOx 또는 암모니아 분포, 촉매 에이징, 및 황/탄화수소 영향); 배기 흐름에 의한 과잉 냉각으로 인한 또는 혼합기 상의 우레아 결정 퇴적물의 예상 밖의 형성으로 인한 것과 같은 혼합기 세그먼트 온도; 배기 흐름에서 및/또는 (암모니아 센서가 구현되거나 구현되지 않은) 촉매에서 저장된 바와 같은 암모니아 농도; 및/또는 혼합기의 효율 반응.
실시예에서, 컨트롤러(48)는 하드웨어 신호, 소프트웨어 신호, 내장된 맵을 통해, 및/또는 모델-기반 알고리즘 또는 외부 시스템(들) 내에서 이용가능한 다른 알고리즘을 통해 이러한 변화 중 임의의 변화를 인식하게 될 수 있다.
일부 실시예에서, 컨트롤러(48)는 동적 변화, 혼합기 전력 계산 맵(50)의 임의의 조합을 평가하고 개선된 혼합기 성능, 및 따라서 향상된 환원제 형성 품질 및 양을 위해 혼합기 세그먼트(44-i)에 대한 Imix,i를 "수정" 또는 갱신하도록 구성되어, 증대된 NOx 환원 촉매 성능을 야기한다.
하나 이상의 실시예에서, 컨트롤러는 예를 들어 환원제 균일성에서 동적 변화를 평가 및 수정하도록 구성된다. 적절한 환원제 농도를 형성하는 것이 촉매 성능에 대한 핵심(key)이지만, 출원인은 SCR 촉매(46)의 입구에서 환원제의 균일 분포의 측정인 통상 균일성 또는 균일성 지수로 지칭되는 환원제 분포 품질이 적절한 촉매 동작을 위해 대단히 중요하다는 것을 발견하였다. 본원의 목적을 위해, 컨트롤러에 의해 이용되는 UI는 다양한 UI 표현에 기초하여 결정될 수 있다.
다양한 성능 조건(UI 상태로 지칭됨)은 환원제 균일성 지수에 대응하는 UI 상태의 상이한 조합에 대한 배기 시스템 파라미터의 파라메트릭 행렬(matrix)을 제시하는 표 1에 도시되는 바와 같이 구성될 수 있는 파라메트릭 상관 행렬을 포함하며, 여기서 예시적 UI 상태는 다양한 행렬 경로 화살표에 의해 임의로 도시된다.
그러한 실시예에서, 각각의 UI 상태는 그 자체의 환원제 균일성 지수를 갖는다. 성능 파라미터의 적절한 선택은 다양한 성능 조건에 관계된 모든 적용가능한 UI 상태에 대한 예측 능력을 가능하게 한다. 도 4a는 실시예에 따른 환원제 UI의 예측 맵을 형성하기 위해 표 1에 예시화되는 파라메트릭 행렬 연구에서 기인하는 집합적인 예시적 UI 상태의 그래프를 도시한다. 집합적 UI 상태의 매핑은 다양한 동작 조건 하에서 환원제 UI의 예측 능력을 허용한다.
[표 1]
Figure pct00001
실시예에서, 컨트롤러는 도 4a에 도시되는 바와 같은 예측 맵을 구조화하도록 구성되며, 여기서 UI는 수 개의 저(low), 중(mid), 또는 고(high) 값의 실제적인 조합으로, 표 1에 도시된 바와 같은, 예를 들어 행렬 내의 모든 상태에 대해 유도되며, 여기서 저, 중, 또는 고 값은 값의 범위에 걸쳐 복수의 데이터 포인트에 대응할 수 있다는 점이 이해된다. 예를 들어, 15-리터 디젤 엔진에서, 표 1에서와 같은 행렬에 캡처되는 동작 조건의 파라미터는 저/고 배기 질량 유량(예를 들어, 약 300-1,500 kg/hr), 저/고 흐름 온도(예를 들어, 약 120-400℃), 저/고 UWS 주입 속도(예를 들어, 약 1-100 g/min.), EGR 설정(예를 들어, 약 10-35%), 및 엔진-아웃 NOx 배출(예를 들어, 약 1-4 g NOx/bhp-hr)의 조합으로서 주어진다. SCR 촉매 내의 저장된 암모니아의 질량(예를 들어, 약 0.1-10 g)과 같은 관심있는 다른 값이 또한 포함될 수 있다. 혼합기 세그먼트 온도(예를 들어, 약 100-400℃)가 포함될 수 있다.
실시예에서, 상이한 접근법은 각각의 상태에 대한 대응하는 UI를 유도하기 위해 취해질 수 있다: 실험적 셋업, 컴퓨터 시뮬레이션, 수학적 모델링, 또는 이들의 조합. 다른 값은 시스템 하드웨어 기하구조(예를 들어, 배기 파이프 크기, 형상, 및 혼합기 기하구조), 흐름 속도/온도 조합, UWS 주입 조건(예를 들어, 속도 및 액적 크기), 및/또는 관심있는 다른 파라미터를 포함한다. 각각의 UI 상태를 측정하기 위한 실험적 접근법은 교차-흐름 다공성 멤브레인 및 분사 시각화를 사용하여 분포 균일성을 결정하거나(미국 특허 공개 번호 제2016/0239954A1호 참조), 관심있는 주어진 흐름 단면의 수 개의 포인트에 가스 분석기를 반복적으로 위치시킴으로써 점별(pointwise) 환원제 농도를 측정하는 것을 포함할 수 있으며, 이로부터 UI 상태는 쉽게 계산될 수 있을 것이다.
일 실시예에서, UI를 결정하기 위한 표현은 아래와 같으며:
Figure pct00002
,
이는 각각의 상태에 대해 제로(즉, 매우 불충분한 분포)와 1(즉, 완벽한 분포) 사이의 값인, γ로서 나타내는 환원제 UI를 계산하기 위해 사용될 수 있다. 일반적으로, γ가 1에 가까울수록, 균일성 품질은 더 양호하고, 따라서 촉매 성능은 더 양호하다. 대부분의 실제 응용에서, 약 0.9-1의 범위의 목표(target)가 적절하지만, 다른 값이 시스템 요건 및 성능 메트릭(metric)에 따라 바람직할 수 있다는 점이 발견되었다. 표현에서, w i 는 단면의 다양한 포인트에서 환원제 농도의 '국부적인'(점방식의) 값인 반면,
Figure pct00003
는 (전체 단면에 걸쳐 평균화되는) 평균 환원제 농도이며; n은 취해지는 측정 포인트의 수이다.
실시예에서, 다양한 상태에 대한 모든 UI의 값은 도 4a에서와 같은 예측 맵을 생성하기 위해 사용되어, 다양한 시스템 성능 조건 하에서 UI 예측 능력을 가능하게 하기 위해 컨트롤러(48)에 내장되는 도 3의 혼합기 전력 계산 맵(50)을 초래한다. 따라서, 실시예에서, 도 3의 UIL1 및 UIL2는 흐름 스트림에서 주어진 위치에 대한 (측정된 UI가 아닌) 예측 UI이다. 혼합기 전력 계산 맵(50)은 UI 상태 이외의 파라미터를 고려한다.
일부 실시예에서, 표 1의 행렬 내의 파라미터의 모든 가능한 조합이 생성될 필요는 없다. 일부 실시예에서, 단지 특정 선택 파라미터 조합 예를 들어, 행렬의 최외각 및 최내각 경계 및 그 사이의 일부 UI에 대한 UI의 결정이 적절하다. 다른 조합에 대한 UI 값은 기술 분야에 공지된 방법에 따라 보간 또는 외삽을 사용하여 결정될 수 있다.
도 3의 컨트롤러(48)는 수 개의 파라미터 예컨대 고정된(즉, 불변의) 하드웨어(예를 들어, 파이프 직경/길이, 혼합 길이, UWS 주입 위치, 및 액적 크기)에 대한 제어를 갖지 않으며; 마찬가지로, 구성될 때, 컨트롤러(48)는 엔진 파라미터 예컨대 배기 흐름 속도 및 온도에 대한 제한된 제어를 갖거나 제어를 갖지 않을 수 있다. 그러나, 컨트롤러(48)는 각각의 혼합기 세그먼트 온도(복수의 혼합기 도처에서 세그먼트별 또는 전체적인 분포)를 자유롭게 변경하기 위해 Tmix, i 에 대한 제어를 가지며; 그것은 (컨트롤러(48)에 의해 제어되는 바와 같은) 혼합기 세그먼트 사이의 최적 온도 분포가 혼합기(44) 이후의 배기 가스에서 공간적으로, 시간적으로 및 우선적으로 개선된 환원제 생성 뿐만 아니라, 환원제 혼합 및 베이스(base) 흐름과의 수송, 및 따라서 개선된 균일성 및 환원제 농도를 촉진하므로 Tmix, i 와 같은 (원하는 UWS 주입 질량 흐름 속도, 주파수, 및 듀티 사이클을 요구하는 인젝터 DCU와 통신하는 것에 의한) UWS 주입 주파수 및 듀티 사이클, 및 (EGR에게 엔진-아웃 NOx를 증가 또는 감소시키도록 요구하여, 그것에 의해 UWS 주입 질량 유량 뿐만 아니라, 다른 파라미터에 영향을 미치는) EGR로/로부터 신호를 추가적으로 송신/수신할 수 있다.
실시예에서, 컨트롤러는 더 낮은 환원제 분포 품질을 보상하고, 따라서 SCR 촉매(46)에 대한 입구에서 환원제 UI를 개선하기 위해 다양한 조합을 이용한다.
컨트롤러(48)가 시스템 성능을 향상시킬 수 있는 다른 양태는 우레아 결정 퇴적물을 제거하는 것이다. 엔진이 초기에 시동될 때, 그것이 더 높은 온도에 도달하기 전에(예를 들어, 동작의 초기 몇 분 동안), 혼합기 세그먼트(44-i)는 필요한 경우 우선적으로 가열될 수 있고 더 많은 퇴적물이 이전 구동 사이클로부터 유지되는 임의의 잔류 퇴적물을 연소시키기 위해 임의의 우레아 주입 개시 없이 또는 그 전에 예상될 수 있는 특정 조합으로 가열될 수 있다. (SCR 촉매(46) 하류의) SNOx 신호가 암모니아에서 비정상적인 증가 또는 스파이크 신호를 보내는 경우(SNOx는 NOx 및 암모니아 둘 다에 반응할 수 있음), 그것은 고체 우레아 및 그 승화의 존재를 나타낸다. 따라서, 배기 파이프에 존재하는/존재한 결정 퇴적물은 동력이 공급되는 세그먼트 근처에서 연소될 수도 있고, 차례로 배기 가스 온도를 상승시킴으로써 우레아 퇴적물을 승화시키는 가열형 혼합기 세그먼트(44-i)를 사용하여 배기 가스를 가열하는 추가적인 도움에 의해 제거되고 있다.
컨트롤러(48)가 시스템 성능을 향상시킬 수 있는 다른 양태는 혼합기가 (공급된 전력에 의해, 배기 가스 흐름에 의해, 또는 2개의 조합에 의해) 가열되기 전에 예컨대 엔진 냉간-시동(cold-start) 동안 상대적으로 소량의 주입된 우레아로 혼합기 세그먼트(44-i)를 프라이밍하는 것이다. 혼합기 세그먼트(44-i)가 (44-i에서 환원된 DPF 크기와 독립적으로) 그 후에 가열될 때, 우레아-프라이밍된 혼합기는 암모니아 저장을 위해 SCR 촉매(46)에 암모니아를 제공한다.
컨트롤러(48)가 시스템 성능을 향상시키거나 진단을 수행할 수 있는 다른 양태는 배기 시스템 또는 내부의 구성요소를 플러깅하는 우레아 결정의 존재로 인해 배기 가스에서 더 높은 압력 신호를 사용하는 것이다. 컨트롤러(48)는 우레아를 주입하는 것 없이 혼합기 세그먼트(44-i)(i= 1, 2, 3, ...)에 와트량(wattage)을 공급함으로써 Tmix, i 를 증가시킬 수 있다. (예를 들어 SCR 촉매(46)의 하류로부터의) SNOx가 암모니아에서 비정상적인 증가 또는 스파이크 신호를 보내는 경우(SNOx는 NOx 및 암모니아 둘 다에 응답할 수 있음), 그것은 고체 우레아 및 그 승화의 존재를 나타낸다. 따라서, 배기 파이프 내의 퇴적물은 혼합기 세그먼트(44-i)를 가열함으로써 연소되었을 수 있으며, 이는 차례로 배기 가스 온도를 가열함으로써 우레아를 승화시킨다. 그러한 결정 퇴적물에 대한 다른 가능한 소스는 엔진이 꺼지기 전의 이전 주행(run)으로부터의 배기 파이프 내의 잔류물과 같은 것이다.
컨트롤러(48)가 시스템 성능을 향상시킬 수 있는 다른 양태는 가열형 혼합기가 부재한 시스템에서 UI에 영향을 미치는 UI 예측 맵을 사용하는 것이다. 예를 들어, UI는 UWS 주입 주파수 및 듀티 사이클을 변화시키거나, 변화를 EGR로 신호화함으로써 영향을 받을 수 있다.
도 5는 실시예에 따른 파라미터 제어 변화를 사용하여 목표 환원제 UI를 갖는 원하는 시스템 상태로의 초기 시스템 상태에 대한 더 높은 NOx 감소 효율을 산출하기 위해 컨트롤러(48)에 의해 실행되는 주요 프로세스 단계의 단순화된 흐름도이다. 프로세스는 컨트롤러가 먼저 시스템 조건/정보를 사용하여 내부적으로 평가함으로써 NOx 감소 효율을 평가하면서 시작하거나(단계 60), 그것은 대안적으로 컨트롤러 외부의 소스로부터 그러한 효율 정보를 수신할 수 있다. 다음으로, 컨트롤러(48)는 시스템 NOx 감소 효율이 개선가능한지 여부를 판단한다. 그렇지 않은 경우, 그 다음, 프로세스는 종료된다(단계 72). 개선가능한 경우, 그 다음, 컨트롤러는 컨트롤러(48)가 그 알고리즘 및/또는 다른 시스템 입력 정보를 이용하고, 특성 혼합기 세그먼트를 선택하고, 그들을, 함께 또는 특정 순서로, 동일한 또는 상이한 온도 타겟으로, 동일한 또는 상이한 지속기간 동안, 선형적 또는 비-선형적 등으로 동력을 공급하는 프로세스를 시작하는 것을 계산한다(단계 64). 그렇게 함으로써, 컨트롤러(48)는 샘플링 방법, 난수 생성기, 신경망, 섭동 방법, (초기에 내장되거나 컨트롤러(48)에 의해 시간이 경과됨에 따라 학습되는) 통계적 방법을 사용할 수 있지만, 그것은 다른 선택/의사 결정 방법을 이용할 수 있다. 이러한 프로세스 전반에 걸쳐, 컨트롤러(48)는 계속해서, 또는 필요한 경우 종종, NOx 감소 효율을 재평가한다(환원제 UI가 시스템 조건/정보를 제공한 단계)(단계 62). 단계 60 및 그 개선가능성(단계 62). 컨트롤러(48)는 바람직한 또는 목표 NOx 감소 효율이 도달될 때 정지한다(단계 72). 초기 시스템 상태를 정의한다. 그러나, 컨트롤러는 이때 동작하는 동안 초기 시스템 상태에 기초하여 프로세스를 다시 시작한다는 점이 이해되어야 한다.
도 8a에 도시된 바와 같이, 다양한 환원제, SCR 촉매 내의 NOx 또는 탄화수소 분포, 환원제 및/또는 다른 종의 불충분한-비-균일(불균일) 분포의 모델을 나타내는 것은 촉매 효율을 감소시키는 반면, 도 8b 및 도 8c에 도시된 바와 같이, 본원에 개시되는 배기 가스 혼합기 및 시스템을 이용하여 획득되는 바와 같은 환원제 또는 다른 종의 보다 균일한 분포는 최적 NOx 촉매 효율로의 증가를 야기한다. 게다가, 실시예에서, 세그먼트화된 가열형 혼합기를 제어하는 것은 도 8d 및 도 8e에 도시된 바와 같이 SCR 촉매 내에서 종방향으로 및/또는 방사상으로 SCR 촉매에 암모니아 저장 및/또는 다른 종의 저장을 촉진하고/하거나 제어하기 위해 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 연소 엔진으로부터 배기 시스템으로의 NOx 배출을 감소시키기 위해 요소수 용액(Urea-Water Solution; UWS) 인젝터의 하류에 위치되는, 세그먼트화된 가열형 혼합기를 제어하기 위한 디바이스가 제공되며, 여기서 배기 시스템은 UWS 인젝터 및 세그먼트화된 가열형 혼합기의 하류에 위치되는 선택적 촉매 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매를 가지며, 디바이스는: (a) 계산 동작을 수행하기 위한 CPU; (b) 데이터를 저장하기 위한 메모리 모듈; (c) 컨트롤러 모듈을 포함하며, 컨트롤러 모듈은: (i) SCR 촉매의 NOx 감소 효율을 결정하고; (ii) 배기 시스템 및 혼합기 전력 계산 맵의 동작 파라미터에 기초하여 적어도 하나의 환원제 균일성 지수(Uniformity Index; UI)를 평가하고; (iii) 적어도 하나의 환원제 UI를 개선하고/하거나 NOx 감소 효율을 개선하기 위해 적어도 하나의 환원제 UI에 기초하여 가열형 혼합기 세그먼트에 대한 전력을 조절함으로써 세그먼트화된 가열형 혼합기의 혼합기 온도 분포를 수정하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 동작 파라미터는 다음으로 구성되는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 파라미터 유형을 포함한다: 주입된 UWS 질량, 인젝터 주파수, 인젝터 듀티 사이클, 주입 펌프 압력, 배기 가스 유량, SCR 촉매 하류의 NOx 농도, UWS 인젝터 상류의 NOx 농도, UWS 인젝터 상류의 배기 가스 온도, UWS 인젝터 하류의 배기 가스 온도, 혼합기 온도 분포, SCR 촉매 내의 저장된 암모니아 질량, SCR 촉매 내의 저장된 NOx 질량, SCR 촉매 내의 저장된 황 질량, SCR 촉매 내의 저장된 탄화수소 질량, 배기 가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation; EGR) 백분위 설정, 엔진 부하, 및 엔진 속도.
일부 실시예에서, 복수의 환원제 UI는 적어도 하나의 UI 상태에 대한 기초(basis)를 형성하고, 여기서 적어도 하나의 UI 상태는 상대적인 NOx 감소 효율을 나타낸다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 환원제 UI는 배기 시스템에서 적어도 하나의 특정 위치에 대해 평가되고, 여기서 적어도 하나의 특정 위치는 SCR 촉매 상류의 촉매 위치 및/또는 세그먼트화된 가열형 혼합기 상류의 혼합기 위치를 포함한다.
일부 실시예에서, 수정은 다음으로 구성되는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 파라미터 변경을 포함한다: 주입된 UWS 질량을 변경하는 것, 인젝터 주파수를 변경하는 것, 인젝터 듀티 사이클을 변경하는 것, 주입 펌프 압력을 변경하는 것, 및 배기 가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation; EGR) 백분위 설정을 변경하는 것.
일부 실시예에서, 컨트롤러 모듈은: (iv) 배기 시스템의 동작 파라미터에 기초하여 적어도 하나의 환원제 UI 및/또는 혼합기 전력 계산 맵을 검증하도록 더 구성된다.
일부 실시예에서, 컨트롤러 모듈은: 배기 시스템에서 증가된 암모니아 질량에 기초하여 적어도 하나의 UI 및/또는 NOx 감소 효율 중 적어도 하나의 잠재적인 개선을 검출하도록 더 구성된다.
일부 실시예에서, 컨트롤러 모듈은: (iv) 결정 이전에, 배기 시스템 내의 임의의 UWS 주입 이전에 가열형 혼합기 세그먼트에 대한 전력을 조절함으로써 우레아 결정 퇴적물을 제거하도록 더 구성된다.
일부 실시예에서, 컨트롤러 모듈은: 결정 이전에, UWS 인젝터에게 UWS를 가열형 혼합기 상으로 주입하도록 지시함으로써 가열형 혼합기를 프라이밍하도록 더 구성된다.
일부 실시예에서, 컨트롤러 모듈은: (iv) 결정 이전에, 배기 시스템 내의 임의의 UWS 주입 이전에 가열형 혼합기 세그먼트에 대한 전력을 증가시키고; (v) 결정 이전에, 배기 시스템 내의 증가된 암모니아 질량을 측정하고; (vi) 결정 이전에, 다음: 즉, (A) 배기 시스템의 정상 동작 조건 하에서 보다 더 높은 배기 가스 압력을 관찰하는 것; 및 (B) 배기 시스템 내의 증가된 암모니아 질량에 기초하여 배기 시스템의 우레아 결정 막힘(blockage)을 식별하도록 더 구성된다.
세그먼트화된 가열형 배기 가스 혼합기
실시예에서, 배기 가스 혼합기는 배기 가스 및 환원제가 배기 가스 혼합기 안으로 흐르는 혼합기 유입구와 배기 가스 및 상기 환원제가 배기 가스 혼합기 밖으로 흐르는 혼합기 유출구 사이에 위치되는 유로 내에 배치되는 복수의 복수의 요소 또는 세그먼트를 포함하며, 요소 또는 세그먼트 중 적어도 하나는 복수의 요소 중 다른 요소와 독립적으로 외부 전원에 의해 가열가능하다. 바람직한 실시예에서, 배기 가스 혼합기는 복수의 요소 중 다른 요소와 독립적으로 외부 전원에 의해 가열가능한 적어도 2개의 요소 또는 세그먼트를 포함한다. 더 다른 실시예에서, 상기 복수의 요소 또는 세그먼트 각각은 외부 전원에 의해 독립적으로 가열가능하다.
도 6a 내지 도 6j는 세그먼트화된 가열형 혼합기가 포함할 수 있는 세그먼트화의 다수의 상이한 배열 및 조합을 포함하는 세그먼트화된 혼합기의 다양한 실시예를 도시한다. 세그먼트화된 혼합기의 각각의 세그먼트는 액적 충돌을 최적화하고/하거나 세그먼트 상의 유체 필름 성장(development)을 촉진하거나, 특정 흐름 구성을 산출하도록 기하학적으로 구성될 수 있다. 세그먼트는 세그먼트화된 혼합기에 걸쳐 특정 온도 분포를 달성하기 위해 우선적으로 가열될 수 있으며, 따라서 액적 가열 및 유체 필름 증발을 최대화하면서 동시에 SCR 촉매에 대한 유입구에서 혼합기 하류의 환원제 균일성을 개선/촉진한다.
일부 실시예에서, 세그먼트화된 가열형 혼합기는 도 7에 도시된 바와 같이 배기 가스(4) 및 환원제(8)의 유로(75)를 따라서 혼합기 유입구(77)와 혼합기 유출구(79) 사이에 복수의 세그먼트를 포함하며, 여기서 세그먼트(250, 251, 252, 및 254) 중 적어도 하나는 다른 것들과 독립적으로 가열가능한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 복수의 요소 또는 세그먼트는 일반적인 흐름 방향, 또는 일들의 조합에 적정하게 수직인 혼합기 유입구 사이의 흐름 경로의 길이를 따라서 종방향으로 배열될 수 있다. 각각의 혼합기 세그먼트는 흐름 선회기(swirler), 원형 섹터, 동심 링 등과 같은 하나 이상의 실시예를 포함할 수 있다. 실시예에서, 세그먼트(250, 251, 252, 및 254) 중 하나 이상은 동력을 공급받을 수 있으며, 예를 들어 그들의 전기 저항으로 인해, 서로 독립적으로, 특정 순서로, 또는 특정 증분 또는 감분으로 가열될 수 있다. 256 및 258은 각각 250의 양극 및 음극 전기 단자를 지칭한다. 다른 실시예에서, 음극 단자는, 단순히 접지(259)에 의해 표시되는 바와 같이, 배기 파이프(2)에 의해 제공되는 접지이다. 마찬가지로, 260 및 262는 252의 양극 및 음극 전기 단자를 지칭하고, 264 및 266은 254의 양극 및 음극 전기 단자를 지칭한다. 각각의 세그먼트는 동일하거나 상이할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 실시예에서, 복수의 요소는 혼합기 유입구로부터 혼합기 유출구로의 (도트형 화살표(270)에 의해 표현된 바와 같은) 선형 유로가 존재하지 않도록 유로 내에 배열된다. 환언하면, 요소는 가시선(line of sight)이 유입구와 유출구 사이에 존재하지 않도록 배열된다.
도 9에 도시된 바와 같이, 혼합기 요소가 래더 타입 확인(confirmation)으로 배열되는 실시예에서, 일반적으로 100으로서 표시되는 혼합기의 적어도 하나의 요소는 전류 유입구(110)와 전류 유출구 또는 접지(112) 사이에 메인 부분을 포함한다. 혼합기 요소의 제1 부분은 전류가 (점선(114)에 의해 표시되는 바와 같이) 흐르는 전원과 접지 사이에 최단 전기 유로(즉, 메인 경로)를 포함함으로써, 요소(116)의 메인 부분은 충분한 양의 전류(114)가 요소를 통해 흐를 때 제1 온도로 저항적으로 가열되며, 메인 부분에 펜던트 배열되는 예를 들어, 메인 부분에 물리적으로 부착되지만 전류가 펜던트 부분을 통해 거의 또는 전혀 흐르지 않도록 메인 부분으로부터 떨어져 의존하는 하나 이상의 2차 부분(118)을 포함한다. 따라서, 전류가 요소를 통해 흐름에 따라, 펜던트 부분은 동일한 전류가 요소를 통해 흐를 때 제1 온도 아래의 제2 온도로, 가능한 한, 저항적으로 가열된다.
따라서, 실시예에서, 저항적-가열형 혼합기는 저항적으로-가열되지 않은 적어도 하나의 구성요소를 포함할 수 있다. 하나의 그러한 실시예에서, 혼합기 요소 또는 세그먼트는 가열가능한 요소의 전체에 부착되고 저항적으로 가열되는 다른 혼합 구조로부터의 전도만을 통해 열을 수용하도록 배열된다.
다른 실시예에서, 서로 중첩하여 배열되는 2개의 가열가능한 요소를 도시하는 도 10에 도시된 바와 같이, 혼합기는 복수의 요소를 포함하며 여기서 복수의 요소 각각은 외부 전원에 의해 독립적으로 가열가능하며, 즉, 각각은 전류 유입구(110a 및 110b), 및 전류 유출구 또는 접지(112a 및 112b)를 포함한다.
도 13에 도시된 바와 같이, 실시예에서 혼합기는 제1 가열가능한 요소(300)를 포함하며, 이는 전기 연결부(308)를 통해 접지로 전기적으로 가열될 수 있는 제2 요소(302)와 독립적으로 전기 연결부(304 및 306)를 통해 전기적으로 가열된다.
실시예에서, 복수의 혼합기 요소 각각은 가열되거나 가열되지 않을 수 있거나, 균일하게 가열되지 않을 수 있거나, 동일한 목적을 위해 가열되지 않을 수 있거나, 동일한 설계 특징을 사용하여 가열되지 않을 수 있거나, 부분적으로 또는 전체적으로 코팅되거나 코팅되지 않을 수 있거나, 상이한 코팅 재료를 사용하여 또는 상이한 목적을 위해 상이한 세그먼트(섹션)로 코팅될 수 있거나, (예를 들어 전기적으로 가열될 때) 하나 이상의 에너지 경로를 사용하여 가열되거나 가열되지 않을 수 있거나, 다른 바람직한 성능 목표를 산출하는 다른 설계, 재료 또는 성능 특징 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.
실시예에서, 세그먼트화된 혼합기 가열은 특정 목적(들)을 달성하기 위해, 예를 들어 SCR 촉매의 NOx 감소 효율을 개선하기 위해 특정 혼합기 영역의 가열을 통해 환원제 균일성을 증가시키거나, 혼합기 전력 소비를 최소화하거나, 특정 온도 분포 프로파일에서 배기 온도를 증가시키기 위해 가열형 혼합기를 사용하거나, 복수의 모든 혼합기 상에서가 아닌 혼합기의 특정 세크먼트 상에 형성되었을 수 있는 우레아 퇴적물 등을 제거하도록 치수화되고 배열될 수 있고/있거나, 다른 목적은 더 많은 또는 모든 세그먼트가 아닌, 특정 혼합기 세그먼트(들)만을 가열하기 위해 존재할 수 있다.
실시예에서, 세그먼트화된 혼합기는 세그먼트 상에 액체 필름을 형성하기 위해 배열되며 따라서 UWS의 기상 암모니아로의 변환을 최대화한다. 이것은 퇴적물을 방지하고/하거나 배기 가스의 온도를 상승시키기 위해 주로 설계되는 디바이스와 대조적이다.
실시예에서, 본 개시에 따른 가열형, 세그먼트화된 혼합기는 전체 배기 가스 온도에서 거의 또는 전혀 증가없이, UWS를 기상 환원제로 변환시키는, 200℃ 아래의 배기 가스 온도에서 동작 및 기능하도록 고유하게 설계된다.
실시예에서, 일부 세그먼트는 가열될 수 있는 반면 다른 세그먼트는 가열될 수 없으며, 그것은 상이한 가열형 세그먼트를 상이한 온도로 가열하도록 보증될 수 있다. 예를 들어, 그것은 특정 세그먼트를 더 높은 온도(들)로 가열하여 그러한 세그먼트에 충돌하는 UWS 액적의 가열 및 증발을 가속화하도록(암모니아 형성을 증가시키도록) 보증될 수 있는 반면, 다른 세그먼트는 그러한 세그먼트 상의 퇴적물 형성의 위험을 감소시키기 위해 적당하게만 가열될 수 있다.
실시예에서, 세그먼트 또는 가열가능한 요소는 상이하게: 즉, 시간적으로, 공간적으로 또는 이들의 조합으로 가열될 수 있다. 일부 실시예에서, 가열형 세그먼트는 상이한 온도로 및/또는 상이한 시간에서 가열될 수 있다. 마찬가지로, 하나의 시간에서 가열되지 않는 세그먼트는 다른 시간에서 가열될 수 있다. 또한, 임의의 가열형 세그먼트는 상이한 시간에서 (낮은 또는 높은) 상이한 목표 온도로 가열될 수 있다. 임의의 하나의 세그먼트의 온도, 또는 복수의 소수의 세그먼트의 온도는 시간에 따라 고정될 수 있거나, 그러한 세그먼트 또는 그들 세그먼트에 대해 시간에 따라 일시적(가변적)일 수 있다. 마찬가지로, 임의의 주어진 세그먼트의 온도는 세그먼트 전반에 걸쳐 일정할 수 있거나, 시간에 따라 임의의 주어진 경우의 세그먼트를 통해 가변될 수 있다.
일부 실시예에서, 혼합기 세그먼트 중 하나, 둘, 또는 그 이상, 또는 모두는 코팅될 수 있다. 하나의 그러한 실시예에서, 세그먼트 또는 요소 중 적어도 일 부분은 친수성 재료로, 소수성 재료로, 또는 다른 코팅으로 코팅될 수 있다. 실시예에서, 적절한 코팅은 티타늄, 몰리브덴, 텅스텐 등의 산화물을 포함하는 세라믹 재료를 포함한다. 다른 적절한 코팅은 제올라이트, 및/또는 귀금속을 포함한다. 더 다른 적절한 코팅은 다양한 형태의 탄소를 단독으로 또는 다른 재료와의 조합으로 포함할 수 있다. 실시예에서, 코팅은 티타늄 산화물(TiO2)을 포함한다.
실시예에서, 혼합기 세그먼트 중 임의의 하나, 둘, 또는 그 이상, 또는 모두의 표면 토포그래피(topography) 또는 모폴로지(morphology)는 평활화되거나, 거칠어지거나, 반점화되거나, 장식화되거나, 그 평활화가 달리 개질될 수 있으며, 따라서 그러한 세그먼트(들) 상에 충돌하는 액적에 영향을 미쳐서 예를 들어 액적의 2차 무화(atomization)를 가속화하거나, 혼합기 세그먼트(들)와 충돌하는 입자 사이의 열 교환에 영향을 미치거나, 혼합기 세그먼트(들) 상에 충돌할 때 특정 액적 동역학에 영향을 미치거나, 혼합기 세그먼트(들)와 상호작용하는 배기 가스 흐름에 영향을 미치거나, 배기 가스 흐름 및 또는 액적과 세그먼트(들) 사이의 열 및/또는 질량 교환의 다른 메트릭(metric)에 영향을 미친다.
실시예에서, 혼합 요소는 그들의 용도 및 응용에 따라 다양한 재료로부터 형성될 수 있다. 바람직하게는, 혼합 요소는 전도성 재료 예컨대 금속 특별히 스테인리스강, 다양한 크롬 합금 등으로 이루어진다.
혼합기가 고 전도성 재료 예컨대 금속으로 이루어질 때, 혼합기 요소는 그것을 통해 전류를 통과시키는 것을 통해 가열될 수 있으며, 그 세그먼트의 임의의 국부적 온도는 세그먼트의 국부적, 전기 저항에 의존한다. 따라서, 혼합기 세그먼트 중 임의의 하나, 둘, 그 이상, 또는 모두는 그러한 세그먼트(들)에서 특정 국부적 저항(들) 및 따라서 특정 국부적 온도(들)을 산출하기 위해 임의의 특정 형상 또는 형상들로 윤곽화될 수 있다. 일 예로소, 전기의 흐름의 경로는 세그먼트에서 또는 수 개의 세그먼트에서 국부적 저항을 증가 또는 감소시키기 위해 더 적은-구불구불한 경로 또는 더 많은-구불구불한 경로를 취하도록 조작될 수 있다. 하나의 그러한 예시적 윤곽은 도 11에 도시된 톱니 형상 또는 프로파일이며 따라서 세그먼트 상에 국부적으로 특정 온도 프로파일을 산출한다. 실시예에서, 혼합기 요소 중 하나 이상은 하나 이상의 노즐, 흐름 전환기, 핀, 부속물, 홀, 단면 프로파일, 벤드, 트위스트, 또는 이들의 조합을 포함한다. 하나 이상의 실시예에서, 적어도 하나의 요소는 복수의 구역을 포함하며, 여기서 적어도 하나의 구역은 구역 중 다른 구역에 대해 상이한 금속 또는 금속 합금, 금속 발포체, 3D-인쇄 구조, 부가적 제조 구조, 또는 이들의 조합을 포함한다. 실시예에서, 전기 전도성 기판 상에 배치되는 하나 이상의 코팅층은 우레아로부터 암모니아 및/또는 암모니아 전구체를 생성하기에 적절한 촉매 활성 물질; 소수성 표면; 친수성 표면; 및 또는 요소와 접촉하는 액적의 2차 무화를 용이하게 하는 모폴로지를 포함한다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 요소의 표면의 적어도 일 부분은 약 50 미크론 이상, 또는 약 100 미크론 이상, 또는 약 200 미크론 이상, 또는 약 500 미크론 이상의 RMS 거칠기를 포함한다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 요소의 표면의 적어도 일 부분은 약 50 미크론 이하, 또는 약 20 미크론 이하, 또는 약 10 미크론 이하의 RMS 거칠기를 포함한다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 요소의 표면의 적어도 일 부분은 균일한 또는 비-균일한 배열의 복수의 함몰부 및/또는 "범프(bump)를 특징으로 하는 반점(stippled) 모폴로지를 포함한다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 요소의 표면의 적어도 일 부분은 바람직하게는 약 1 미크론 이상, 또는 약 50 미크론 이상, 또는 약 100 미크론 이상의 평균 기공 크기를 갖는 다공성 모폴로지를 포함한다. 그러한 실시예 중 일부에서, 기공은 요소를 통해 연장되는 반면, 다른 실시예에서, 기공은 요소로 부분적으로만 연장된다.
도 12a 내지 도 12d에 도시된 바와 같이, 전기적으로 가열될 때, 임의의 하나의 세그먼트의 국부적 온도는 그 국부적 저항에 의존한다. 일부 실시예에서, 세그먼트 저항은 세그먼트에 바람직한, 국부적 온도 프로파일(분포)를 산출하기 위해, 재료(들)로 인해 또는 세그먼트 형상으로 인해, 또는 이들의 조합으로 인해, 직렬로 또는 병렬로, 하나 이상의 저항을 포함한다. 도 12a 내지 도 12d에 도시된 예에서, 직렬 또는 병렬 저항이 사용될 수 있고/있거나, 다양한 재료 및/또는 적절한 형상, 또는 이들의 조합을 사용하는 것은 원하는 효과를 달성하기 위해 사용될 수 있다. 마찬가지로, 능동적으로 세그먼트화된 혼합기는 (음극 및 양극 커넥터 상에) 한 쌍의 전극을 요구하기 위해 각각 일련의 그 연결된 세그먼트를 필요로 할 수 있다.
실시예에서, 혼합기 세그먼트 중 임의의 하나, 둘, 그 이상, 또는 모두는 단일 재료, 또는 복수의 재료로 이루어질 수 있으며, 따라서 상이한 혼합기 세그먼트에서 상이한 가열 응답을 허용한다. 혼합기 세그먼트 재료는 또한 다공성 또는 비-다공성일 수 있거나; 금속 발포체(들)일 수 있으며, 따라서 상이한 모폴로지를 허용하거나, 혼합기 구조에서 모폴로지 변형을 허용하거나, 혼합기 질량을 관리하거나, 국부적 저항을 증가시키거나, 장기적인 가열을 위해 혼합기 기공 안으로 액체 액적을 포획하는 모세관 효과를 허용한다. 실시예에서, 금속 발포체가 이용된다. 실시예에서, 혼합기 또는 세그먼트의 적어도 일 부분 및/또는 전체 혼합기는 3D-프린트될 수 있고/있거나, 부가적 제조에 의해 생성될 수 있다. 임의의 하나, 둘, 또는 그 이상의 혼합기 세그먼트는 가열되지 않도록 설계될 수 있으며; 그러한 세그먼트는 흐름의 분포, 와류(swirling), 및 압력 강하에 영향을 미치기 위해 사용될 있다.
세그먼트화된 배기 가스 혼합기 사용 방법
실시예에서, 방법은 요소수 용액(urea water solution; UWS) 인젝터 시스템의 하류, 및 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction; SCR) 촉매의 상류의 도관 내에 배치되는 본원에 개시되는 실시예 중 임의의 하나 또는 조합에 따른 배기 가스 혼합기, 및 전력을 혼합기의 적어도 하나의 요소에 지향시키고, 본원에 개시되는 하나 이상의 실시예에 따른 하나 이상의 센서 또는 제어 모듈과 전자 통신하는 본원에 개시되는 하나 이상의 실시예에 따른 전자 컨트롤러를 포함하는 배기 가스 시스템을 제공하는 단계를 포함한다.
실시예에서, 방법은 요소수 용액 및 배기 가스 소스로부터의 NOx의 양을 포함하는 배기 가스를 배기 가스 시스템을 통해서(즉, 그것을 통해서) 지향시키는 단계, 및 혼합기의 적어도 하나의 요소의 온도를 독립적으로 증가 또는 감소시키기 위해 본원에 개시되는 하나 이상의 실시예에 따른 요소 중 적어도 하나로 외부 전원으로부터의 전력의 방향을 제어하는 단계를 더 포함하며, 그것에 의해 (예를 들어, 혼합기의 유입구에서 배기 가스에 존재하는 처음 초기 NOx 농도로부터 SCR 촉매의 출구에서 결정되는 배기 가스 내의 더 낮은 NOx 농도로) 그것을 통해서 흐르는 배기 가스에 존재하는 NOx의 SCR 촉매 환원을 최적화함으로써, 배기 가스 스트림에 초기에 존재하는 NOx는 SCR 촉매의 하류에서 질소 및 물로 전환되며; 최적화는 하나 이상의 센서 및/또는 제어 모듈로부터의 적어도 하나 이상의 입력에 기초한다.
실시예에서, 방법은 약 250℃ 또는 220℃, 또는 200℃, 또는 180℃, 또는 150℃ 아래의 배기 가스에서 약 0.5 g NOx/bhp-hr, 또는 1g NOx/bhp-hr, 또는 3g NOx/bhp-hr, 또는 5g NOx/bhp-hr, 또는 7g NOx/bhp-hr 이상의 NOx 레벨을 제거하기에 적절한 암모니아 및/또는 암모니아 전구체의 양을 생성하는 것을 야기한다.
실시예에서, 방법은 약 250℃, 또는 220℃, 또는 200℃, 또는 180℃, 또는 150℃ 아래의 배기 가스 온도에서 약 200 mg NOx/mile, 또는 약 300 mg NOx/mile, 또는 약 400 mg NOx/mile, 또는 약 500 mg NOx/mile 이상의 NOx 레벨를 제거하기에 적절한 암모니아 및/또는 암모니아 전구체의 양을 생성하는 것을 야기한다.
실시예에서 연소 엔진으로부터 배기 시스템 내의 NOx 배출을 감소시키기 위해 요소수 용액(Urea-Water Solution; UWS) 인젝터의 하류에 위치되는 세그먼트화된 가열형 혼합기를 제어하기 위한 방법이 있으며, 여기서 배기 시스템은UWS 인젝터 및 세그먼트화된 가열형 혼합기의 하류에 위치되는 선택적 촉매 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매를 가지며; 방법은: (a) 어느 쪽이든 적절한, SCR 촉매, 또는 시스템의 NOx 감소 효율을 결정하는 단계; (b) NOx 감소 효율이 개선가능한지를 평가하는 단계; (c) 배기 시스템 및 혼합기 전력 계산 맵의 동작 파라미터에 기초하여 바람직한 환원제 균일성 지수(Uniformity Index; UI)를 생성하기 위해 (아래에 설명되는) 특정 알고리즘을 사용하여 혼합기 세그먼트 중 적어도 하나, 둘, 그 이상 또는 조합을 가열 및 평가하는 단계; 및 (c) 적어도 하나의 환원제 UI를 개선하고/하거나 NOx 감소 효율을 개선하고 목표 효율을 달성하기 위해 적어도 하나의 환원제 UI에 기초하여 가열형 혼합기 세그먼트에 대한 전력을 조절함으로써 세그먼트화된 가열형 혼합기의 혼합기 온도 분포를 수정하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 동작 파라미터는 다음으로 구성되는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 파라미터 유형을 포함한다: 주입된 UWS 질량, 인젝터 주파수, 인젝터 듀티 사이클, 주입 펌프 압력, 배기 가스 유량, SCR 촉매 하류의 NOx 농도, UWS 인젝터 상류의 NOx 농도, UWS 인젝터 상류의 배기 가스 온도, UWS 인젝터 하류의 배기 가스 온도, 혼합기 세그먼트 온도, 혼합기 온도 분포, SCR 촉매 내의 저장된 암모니아 질량, SCR 촉매 내의 저장된 암모니아 분포, SCR 촉매 내의 저장된 NOx 질량, SCR 촉매 내의 저장된 NOx 분포, SCR 촉매 내의 저장된 황 질량, SCR 촉매 내의 저장된 황 분포, SCR 촉매 내의 저장된 탄화수소 질량, SCR 촉매 내의 저장된 탄화수소 분포, SCR 촉매 내의 저장된 물 질량, SCR 촉매 내의 저장된 물 분포, 배기 가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation; EGR) 백분위 설정, 실린더 비활성화 설정, 엔진 부하, 및 엔진 속도.
일부 실시예에서, 복수의 환원제 UI는 적어도 하나의 UI 상태에 대한 기초(basis)를 형성하고, 여기서 적어도 하나의 UI 상태는 상대적인 NOx 감소 효율을 나타낸다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 환원제 UI는 배기 시스템에서 적어도 하나의 특정 위치에 대해 평가되고, 여기서 적어도 하나의 특정 위치는 SCR 촉매 상류의 촉매 위치 및/또는 세그먼트화된 가열형 혼합기 상류의 혼합기 위치를 포함한다.
일부 실시예에서, 수정하는 단계는 다음으로 구성되는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 파라미터 변경을 포함한다: 주입된 UWS 질량을 변경하는 것, 인젝터 주파수를 변경하는 것, 인젝터 듀티 사이클을 변경하는 것, 주입 펌프 압력을 변경하는 것, 및 배기 가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation; EGR) 백분위 설정을 변경하는 것.
일부 실시예에서, 방법은: (d) 배기 시스템의 동작 파라미터에 기초하여 적어도 하나의 환원제 UI 및/또는 혼합기 전력 계산 맵을 검증하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은: (d) 배기 시스템에서 증가된 암모니아 질량에 기초하여 적어도 하나의 UI 및/또는 NOx 감소 효율 중 적어도 하나의 잠재적인 개선을 검출하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은: (d) 결정 단계 이전에, 배기 시스템 내의 임의의 UWS 주입 이전에 가열형 혼합기 세그먼트에 대한 전력을 조절함으로써 우레아 결정 퇴적물을 제거하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은: (d) 결정 단계 이전에, UWS 인젝터에게 UWS를 세그먼트화된 가열형 혼합기 상으로 주입하도록 지시함으로써 세그먼트화된 가열형 혼합기를 프라이밍하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은: (d) 결정 단계 이전에, 배기 시스템 내의 임의의 UWS 주입 이전에 전력을 임의의 조합, 또는 복수의 가열형 혼합기 세그먼트로 증가시키는 단계; (e) 결정 단계 이전에, 배기 시스템 내의 증가된 암모니아 질량을 측정하는 단계; 및 (f) 결정 단계 이전에, 다음: 즉, (i) 배기 시스템의 정상 동작 조건 하에서 보다 더 높은 배기 가스 압력을 관찰하는 것; 및 (ii) 배기 시스템 내의 증가된 암모니아 질량에 기초하여 배기 시스템의 우레아 결정 막힘(blockage)을 식별하는 단계를 더 포함한다.
실시예에서, 혼합기의 요소 중 적어도 하나는 바람직하게는 액적 상에 부과되는 라이덴프로스트 거동(Leidenfrost behavior)을 회피하면서 액적 온도를 상승시키기에 최상으로 적합한 온도로 가열된다. 기술 분야에서 전형적으로 이용되는 요소수 용액의 경우, 바람직한 혼합기 온도는 약 170℃보다 더 큰 바람직하게는 약 170℃ 내지 약 220℃이다.
따라서, 결과 혼합기 온도가 이러한 원하는 온도 범위 아래로 또는 위로 현저하게 떨어지지 않도록 보장하기 위해, 실시예에서 혼합기와 컨트롤러 사이의 피드백 통신이, 예를 들어, 혼합기 상에 설치되는 써모커플(thermocouple)을 통해 이용된다. 일부 실시예에서, 컨트롤러는 변조된 전력 입력을 지향시키도록, 즉, 전력을 특정 주파수에서 온-앤-오프 연속적으로 혼합기로 터닝하도록 구성되며, 따라서 원하는 범위에서 혼합기 온도를 유지시킨다.
다른 실시예에서, 배기 가스 혼합기 및 연관된 배기 가스 혼합기 시스템은 일반적으로 내연기관, 및 특히 디젤 엔진을 갖는 내연기관의 연료 효율을 개선하도록 구성, 동작 및/또는 이용된다. 당업자에 의해 쉽게 이해되는 바와 같이, 엔진의 각각의 실린더에서 연소되는 과잉 연료가 적으면 적을수록 그러한 엔진의 연비는 더욱 양호하다. 엔진이 소위 "린(lean)" 조건 하에서 동작될 때, 더 많은 전력이 미립자 등의 감소와 함께 생성된다. 그러나, 또한 공지된 바와 같이, 배기 내의 NOx의 농도는 극적으로 증가한다. 낮은 배기 가스 온도 하에서, 기술 분야에 공지된 시스템 및 혼합기는 여전히 규제 요건을 준수하면서 그러한 린 엔진 조건을 허용하는 암모니아 또는 다른 환원제의 양을 생성할 수 없다. 그러나, 출원인은 순간(instant) 가열형 세그먼트화된 혼합기가 이용될 때, 예를 들어, 250℃ 초과 등등으로 전체 배기 스트림을 가열하도록 시도함으로써 요구되는 실질적인 에너지 패널티를 발생시켜야 하는 것 없이, 규제 기준에 의해 요구되는 바와 같은 NOx 풍부 배기를 처리하기 위한 충분한 양의 환원제를 생성하는 것이 가능하다는 것을 발견하였다.
일 실시예에서, 혼합기는 배기 가스 온도가 약 220℃ 아래에 있을 때 린 조건 하에서 동작되는 엔진에 의해 생성되는 NOx의 양을 처리하기 위해 필요한 환원제의 양을 생성함으로써 연료 절약 모드로 구성, 동작 및/또는 이용된다. 그러한 실시예에서, 가열형 세그먼트화된 배기 가스 혼합기는 약 220℃ 아래의 배기 가스 온도, 바람직하게는 약 200℃ 아래, 바람직하게는 약 170℃ 아래, 또는 약 150℃ 아래, 또는 140℃, 또는 130℃, 또는 120℃, 또는 110℃에서 약 3 g NOx/bhp-hr 이상, 바람직하게는 약 5 g NOx/bhp-hr 이상의 NOx 레벨을 제거하기에 적절한 암모니아 및/또는 암모니아 전구체의 양을 생성할 수 있다. 마찬가지로, 가열형 세그먼트화된 배기 가스 혼합기는 약 220℃ 아래의 배기 가스 온도, 바람직하게는 약 200℃ 아래, 바람직하게는 약 170℃ 아래, 또는 약 150℃ 아래, 또는 140℃, 또는 130℃, 또는 120℃, 또는 110℃에서 약 300 mg NOx/mile 이상, 바람직하게는 약 500 mg NOx/mile 이상, 또는 약 700 mg NOx/mile 이상의 NOx 레벨를 제거하기에 적절한 암모니아 및/또는 암모니아 전구체의 양을 생성할 수 있다.
관련된 실시예에서, 혼합기는 냉간-시동(cold-start) 연료 주입에 의해 생성되는 NOx의 양을 처리하기 위해 필요한 환원제의 양을 생성함으로써 연료 절약 모드로 구성, 동작 및/또는 이용된다. 기술 분야에 공지된 바와 같이, 엔진 냉간-시동 동안, 또는 일반적으로 냉간 엔진 동작(예컨대 공회전 또는 저속-공회전) 동안, 엔진 컨트롤러는 SCR 촉매를 포함하는, 주로 후처리 시스템을 더 따뜻하게/따뜻하게 만들거나/유지하기 위해 추가적인 연료를 주입한다. 이러한 프로세스는 냉간-시동 연료 주입으로서 공지되어 있다. 출원인은 배기 가스가 150℃보다 훨씬 아래에 잘 있을 때 혼합기가 냉간-시동 연료 주입 조건 동안 생성되는 NOx의 양을 처리하기 위해 필요한 환원제의 양을 생성함으로써 연료 절약 모드로 구성, 동작 및/또는 이용될 수 있다는 점을 발견하였다. 실제로, 5% 초과, 또는 7% 초과 또는 더 높은 연료 절약이 달성되었다.
관련된 실시예에서, 혼합기는 냉간 시동 조건 동안 생성되는 NOx의 양을 처리하기 위해 필요한 환원제의 양을 생성함으로써 연료 절약 모드로 구성, 동작 및/또는 이용되며, 따라서 기술 분야에서 통상적인 소위 "급속 가열(rapid heat up)" 제어 방식(scheme)에 대한 필요성을 감소시키고/시키거나 제거한다. 예를 들어, 혼합기는 냉간 시동 조건 동안 또는 일반적으로 냉간 엔진 동작(예컨대 공회전 또는 저속-공회전) 동안 생성되는 NOx의 양을 처리하기 위해 필요한 환원제의 양을 생성함으로써 연료 절약 모드로 구성, 동작 및/또는 이용됨으로써, 과도한 EGR 재순환, 및/또는 직접 촉매 가열을 포함하는 다양한 급속 가열 프로그램이 제거될 수 있다.
관련된 실시예에서, 혼합기는 린-연소(lean-burning) 엔진에 의해 생성되는 NOx의 양을 처리하기 위해 필요한 환원제의 양을 생성함으로써 연료 절약 모드로 구성, 동작 및 이용되고, 따라서 더 많은 연료 풍부 동작과 연관되는 미립자 물질의 형성, 및 그 제거에서 기인하는 연료 소비 및 효율 손실을 감소시킨다.
기술 분야에 공지된 바와 같이, 연료 풍부 동작 하에서, NOx의 양은 감소하지만 배기 내의 미립자 물질의 양은 증가한다. 미립자 물질 필터는 실질적으로 배압을 증가시키는 것으로 공지되어 있으며, 따라서 효율의 손실을 야기한다. 게다가, 미립자 형성의 대응하는 감소로 린-연소 엔진에 의해 생성되는 NOx의 양을 처리하기 위해 필요한 환원제의 양을 생성하는 순간 가열형 세그먼트화된 배기 혼합기의 능력은 더 작은 디젤 미립자 필터가 이용되는 것을 더 허용하며, 따라서 DPF에 의해 요구되는 촉매 및 다른 구성요소의 상대적으로 높은 비용으로 인해 시스템의 전체 비용을 감소시킨다. 게다가, 미립자 물질의 더 낮은 형성은 필요성, 즉, 주파수, 및 따라서 DPF의 재생을 위한 에너지 패널티의 감소를 야기하며, 연비에서의 추가적인 개선에 이른다.
따라서, 실시예에서, 혼합기는 배기 가스 온도가 약 220℃ 아래에 있을 때 린 조건 하에서 동작되는 엔진에 의해 생성되는 NOx의 양을 처리하기 위해 필요한 환원제의 양을 생성함으로써 연료 절약 모드로 구성, 동작 및/또는 이용되며, 여기서 가열형 세그먼트화된 배기 가스 혼합기는 약 220℃ 아래, 바람직하게는 200℃ 아래, 또는 약 150℃ 아래의 배기 가스 온도에서 약 5 g NOx/bhp-hr 이상, 및/또는 약 500 mg NOx/mile 이상의 양의 NOx 레벨을 제거하기에 적절한 암모니아 및/또는 암모니아 전구체의 양을 생성할 수 있다.
더 다른 실시예에서, 혼합기는 암모니아 저장 모드로 구성, 동작, 및/또는 이용되며 여기서 SCR 촉매는 장기간 동안 200℃보다 훨씬 아래의 온도에 있다. 기술 분야에 잘 공지된 바와 같이, 엔진 냉간 시동 조건 하에서, NOx는 이전 구동 사이클로부터 SCR 촉매에 저장되는 암모니아 또는 다른 환원제를 사용하는 SCR에 의해 처리될 수 있다. 이러한 암모니아는, 저온 DEF 주입이 이용가능하지 않을 수 있음에 따라, 다음 냉간 시동 동안 SCR 촉매에서의 초기 NOx 감소에 도움이 된다. 실시예에서, 혼합기는 DEF 주입이 구현되기 이전에 제거 시스템에 의해 종종 요구되는 200℃ 온도 훨씬 아래에 있는 암모니아 온도를 생성함으로써 암모니아 저장 모드에서 구성되고/되거나, 동작되고/되거나 이용된다. 따라서, 200℃ 온도보다 훨씬 아래의 순간(instant) 가열형 세그먼트화된 배기 가스 혼합기의 사용은 SCR 촉매가 더 이상 동작을 위해 이전에 저장된 암모니아에 의존하지 않도록 적절한 양의 암모니아의 형성을 허용한다. 결과적으로, 출원인은 암모니아 저장 모드로 구성, 동작 및/또는 이용되는 본원에 개시되는 혼합기의 실시예를 사용하는 것이 추가적인 개선이 이용가능하다는 것을 나타내는 160℃에서 80% SCR 효율 및 180℃에서 98% SCR 효율 이상을 야기한다는 점을 발견하였다.
게다가, 출원인은 가열형 세그먼트화된 혼합기의 실시예가 추가적으로 우레아 퇴적물의 형성을 회피 및/또는 제거하고/하거나 혼합기의 동작이 우레아 퇴적물을 해동(제거)하기 위해 수행될 수 있다는 점을 발견하였다. 출원인은 150℃의 배기 가스 온도에서 표준 시험 조건 하에서 30분 내지 60분 동안 DEF 주입을 갖는 가열형 세그먼트화된 혼합기의 실시예의 동작이 우레아 퇴적물의 형성을 야기하지 않았다는 점을 발견했다. 따라서, 실시예에서, 혼합기는 약 200℃ 아래, 바람직하게는 약 180℃ 아래 또는 약 150℃ 아래의 배기 가스 온도에서 퇴적물 완화 및/또는 제거 모드로 구성, 동작 및/또는 이용된다.
실시예 목록
상기 개시와 일치하는, 하나 이상의 실시예는 다음을 포함한다:
E1. 배기 가스 혼합기로서, 복수의 요소를 포함하며, 적어도 하나의 요소는 다른 요소의 온도 위의 온도로 외부 전원에 의해 독립적으로 가열가능한, 배기 가스 혼합기.
E2. 실시예 E1에 있어서, 상기 적어도 하나의 가열가능한 요소는 전기 저항, 마이크로파, 기계적, 복사적, 자기장 유도 가열, 유도 코일 가열, 가열된 유체 회로, 압전 가열, 자기장 생성/유도 코일 가열, 복사 가열, 또는 이들의 조합을 사용하여 가열되는, 배기 가스 혼합기.
E3. 실시예 E1 또는 실시예 E2 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 가열가능한 요소는 그것을 통해서 전류를 통과시킴으로써 전기 저항 가열을 사용하여 가열되는, 배기 가스 혼합기.
E4. 실시예 E1 내지 실시예 E3 중 어느 한 실시예에 있어서, 2개 이상, 바람직하게는 상기 요소 각각은 독립적으로 가열가능한, 배기 가스 혼합기.
E5. 실시예 E1 내지 실시예 E4 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 복수의 가열가능한 요소는 데카르트 격자, 극 격자, 구형 격자, 토로이달 격자를 따라서, 래더 타입 배열로, 또는 이들의 조합으로 배열되는, 배기 가스 혼합기.
E6. 실시예 E1 내지 실시예 E5 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 혼합기를 통한 유체 흐름 경로에 비스듬히 및/또는 본질적으로 평행하게 배치되는 혼합 요소의 복수의 어레이, 배열, 행, 그룹, 또는 이들의 조합을 포함하는, 배기 가스 혼합기.
E7. 실시예 E1 내지 실시예 E6 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 복수의 가열가능한 요소 중 적어도 하나의 측면은 상기 혼합기를 통한 유체 흐름 경로에 수직으로 배향되거나, 상기 혼합기를 통한 유체 흐름 경로에 비스듬히 배향되거나, 이들의 조합으로 배향되는, 배기 가스 혼합기.
E8. 실시예 E1 내지 실시예 E7 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 혼합기를 통해 흐르는 유체의 흐름을 방해하도록 치수화되고 배열되는 터빈 형상 요소를 포함하는, 배기 가스 혼합기.
E9. 실시예 E1 내지 실시예 E8 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 복수의 가열가능한 요소 중 하나 이상의 적어도 일 부분은 기판, 바람직하게는 전기 전도성 기판, 바람직하게는 금속 기판 상에 배치되는 하나 이상의 코팅층을 포함하는, 배기 가스 혼합기.
E10. 실시예 E9에 있어서, 상기 하나 이상의 코팅층은 촉매 활성 물질, 바람직하게는 TiO2를 포함하는, 우레아로부터 암모니아 및/또는 암모니아 전구체를 생성하기에 적절한 바람직하게는 촉매 활성 물질을 포함하는, 배기 가스 혼합기.
E11. 실시예 E10에 있어서, 상기 하나 이상의 가열가능한 요소의 적어도 일 부분은 절연성 물질을 포함하며 이는 상기 절연성 물질을 포함하는 상기 요소의 상기 부분과 상기 혼합기를 통해 흐르는 유체 사이의 열 연통을 감소시키는, 배기 가스 혼합기.
E12. 실시예 E1 내지 실시예 E11 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 가열가능한 요소의 적어도 일 부분은 소수성 표면을 포함하는, 배기 가스 혼합기.
E13. 실시예 E1 내지 실시예 E12 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 가열가능한 요소의 적어도 일 부분은 친수성 표면을 포함하는, 배기 가스 혼합기.
E14. 실시예 E1 내지 실시예 E13 중 어느 한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 가열가능한 요소의 제1 부분은 소수성 표면을 포함하고 상기 적어도 하나의 가열가능한 요소의 다른 부분은 친수성 표면을 포함하는, 배기 가스 혼합기.
E15. 실시예 E1 내지 실시예 E14 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 복수의 요소 중 하나 이상의 요소의 표면은 상기 요소와 접촉하는 액적의 2차 무화(atomization)를 용이하게 하는 모폴로지(morphology)를 포함하는, 배기 가스 혼합기.
E16. 실시예 E1 내지 실시예 E15 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 가열가능한 요소의 표면은 수성 우레아 용액으로부터 암모니아 및/또는 암모니아 전구체를 생성하기에 충분한 기간 동안 상기 요소에 충돌하는 상기 수성 우레아 용액의 액적의 유지(retention)를 용이하게 하는 모폴로지를 포함하는, 배기 가스 혼합기.
E17. 실시예 E1 내지 실시예 E16 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 가열가능한 요소의 표면은 거친 모폴로지, 반점(stippled) 모폴로지, 다공성 모폴로지, 또는 이들의 조합을 포함하는, 배기 가스 혼합기.
E18. 실시예 E1 내지 실시예 E17 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 복수의 요소 중 하나 이상의 요소의 표면의 적어도 일 부분은 약 50 미크론 이하의 RMS 거칠기를 포함하는, 배기 가스 혼합기.
E19. 실시예 E1 내지 실시예 E18 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 복수의 요소 중 하나 이상의 요소의 표면의 적어도 일 부분은 약 50 미크론 이상의 RMS 거칠기를 포함하는, 배기 가스 혼합기.
E20. 실시예 E1 내지 실시예 E19 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 가열가능한 요소는 제1 전기 저항을 갖는 제1 부분; 및 상기 제1 전기 저항과 상이한 제2 전기 저항을 갖는 제2 부분을 포함함으로써, 전류가 상기 요소를 통해 흐를 때 상기 제1 부분이 상기 요소의 상기 제2 부분보다 더 높은 온도로 가열되는, 배기 가스 혼합기.
E21. 실시예 E1 내지 실시예 E20 중 어느 한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 가열가능한 요소는 상기 가열가능한 요소의 제2 부분의 상기 전류의 상기 방향에서의 두께 및/또는 단면과 상이한 상기 전류의 상기 방향에서의 두께 및/또는 단면을 갖는 제1 부분을 포함함으로써, 전류가 상기 요소를 통해 흐를 때 상기 제1 부분은 상기 요소의 상기 제2 부분보다 더 높은 온도로 가열되는, 배기 가스 혼합기.
E22. 실시예 E1 내지 실시예 E21 중 어느 한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 가열가능한 요소는 제1 전기 저항을 갖는 제1 조성물을 포함하는 제1 부분, 및 제2 전기 저항을 갖는 제2 조성물을 포함하는 제2 부분을 포함함으로써; 전류가 상기 요소를 통해 흐를 때 상기 제1 부분이 상기 요소의 상기 제2 부분과 상이한 온도로 가열되는, 배기 가스 혼합기.
E23. 실시예 E1 내지 실시예 E22 중 어느 한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 가열가능한 요소는 상기 요소의 표면 및/또는 에지를 따라 배열되는 톱니 프로파일을 포함하는, 배기 가스 혼합기.
E24. 실시예 E1 내지 실시예 E23 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 복수의 요소 중 하나 이상은 하나 이상의 노즐, 흐름 전환기, 핀, 부속물, 홀, 단면 프로파일, 벤드, 트위스트, 또는 이들의 조합을 포함하며, 이는 상기 혼합기를 통해 흐르는 배기 가스로 주입되는 수성 우레아 용액으로부터 암모니아 및/또는 암모니아 전구체의 형성을 용이하게 하는, 배기 가스 혼합기.
E25. 실시예 E1 내지 실시예 E24 중 어느 한 실시예에 있어서, 복수의 가열가능한 요소를 포함하며, 상기 가열가능한 요소 중 2개 이상은 서로 및 외부 전원에 대해 병렬 전기 연통하는, 배기 가스 혼합기.
E26. 실시예 E1 내지 실시예 E25 중 어느 한 실시예에 있어서, 복수의 가열가능한 요소를 포함하며, 상기 가열가능한 요소 중 둘 이상은 서로 및 상기 외부 전원에 대해 직렬 전기 연통하는, 배기 가스 혼합기.
E27. 실시예 E1 내지 실시예 E26 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 가열가능한 요소는 금속 발포체, 3D-인쇄 구조, 및 부가적 제조 구조, 또는 이들의 조합을 포함하는, 배기 가스 혼합기.
E28. 실시예 E1 내지 실시예 E27 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 가열가능한 요소는, 적어도 하나의 가열가능한 요소를 포함하는 복수의 요소를 포함하지 않는 비교 배기 가스 혼합기에 비해, SCR 촉매의 입구에서 증가된 환원제 농도 및/또는 증가된 환원제 균일성을 생성하도록 가열되는, 배기 가스 혼합기.
E29. 배기 가스 혼합기로서, 배기 가스 및 환원제가 상기 배기 가스 혼합기 안으로 흐르는 혼합기 유입구와 상기 배기 가스 및 상기 환원제가 상기 배기 가스 혼합기 밖으로 흐르는 혼합기 유출구 사이에 위치되는 유로 내에 배치되는 복수의 요소(elements)를 포함하며, 상기 복수의 요소 중 적어도 하나는 상기 복수의 요소 중 다른 요소와 독립적으로 외부 전원에 의해 가열가능한, 배기 가스 혼합기.
E30. 실시예 E29에 있어서, 상기 복수의 요소 각각은 상기 외부 전원에 의해 독립적으로 가열가능한, 배기 가스 혼합기.
E31. 실시예 E29 또는 실시예 E30에 있어서, 상기 복수의 요소 중 적어도 하나는 전기 저항, 전자파, 복사 가열, 자기장 유도 가열, 외부 열원과의 열 연통, 압전 가열, 또는 이들의 조합을 사용하여 가열되는, 배기 가스 혼합기.
E32. 실시예 E29 내지 실시예 E31 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 복수의 요소 중 적어도 하나는 저항 가열을 위해 독립적으로 구성되며 여기서 전류의 양은, 다른 요소와 독립적으로, 상기 요소의 상기 온도를 증가시키기에 충분한 상기 요소를 통해 지향되는, 배기 가스 혼합기.
E33. 실시예 E29 내지 실시예 E32 중 어느 한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 요소는 상기 혼합기를 통해 흐르는 상기 배기 가스 및 상기 환원제의 흐름을 방해하기 위해 상기 유로 내에 치수화되고 배열되는, 배기 가스 혼합기.
E34. 실시예 E33에 있어서, 상기 복수의 요소 중 하나 이상은 하나 이상의 노즐, 흐름 전환기, 핀, 부속물, 홀, 단면 프로파일, 벤드, 트위스트, 또는 이들의 조합을 포함하는, 배기 가스 혼합기.
E35. 실시예 E29 내지 실시예 E34 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 복수의 요소는 데카르트 격자, 극 격자, 구형 격자, 토로이달 격자를 따라서, 래더 타입 배열로, 복수의 배열, 행, 그룹으로, 또는 이들의 조합으로 상기 유로 내에 배열되는, 배기 가스 혼합기.
E36. 실시예 E29 내지 실시예 E35 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 복수의 요소는 상기 혼합기 유입구로부터 상기 혼합기 유출구로의 선형 유로가 존재하지 않도록 상기 유로 내에 배열되는, 배기 가스 혼합기.
E37. 실시예 E29 내지 실시예 E36 중 어느 한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 요소의 적어도 일 부분은:
i) 우레아(urea)로부터 암모니아 및/또는 암모니아 전구체를 생성하기에 적절한 촉매 활성 물질을 포함하는 전기 전도성 기판 상에 배치되는 하나 이상의 코팅층;
ii) 소수성 표면;
iii) 친수성 표면;
iv) 상기 요소와 접촉하는 액적(droplet)으로부터 환원제의 형성을 용이하게 하는 모폴로지(morphology);
v) 또는 이들의 조합을 포함하는, 배기 가스 혼합기.
E38. 실시예 E29 내지 실시예 E37 중 어느 한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 요소의 표면의 적어도 일 부분은:
i) 약 50 미크론 이상의 RMS 거칠기;
ii) 약 50 미크론 이하의 RMS 거칠기;
iii) 반점(stippled) 모폴로지;
iv) 다공성 모폴로지;
v) 톱니 프로파일; 또는
vi) 이들의 조합을 포함하는, 배기 가스 혼합기.
E39. 실시예 E29 내지 실시예 E38 중 어느 한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 요소는 제1 전기 저항을 갖는 제1 부분; 상기 제1 전기 저항과 상이한 제2 전기 저항을 갖는 제2 부분을 가짐으로써, 전류가 상기 요소를 통해 흐를 때, 상기 제1 부분이 상기 제2 부분보다 더 높은 온도로 가열되는, 배기 가스 혼합기.
E40. 실시예 E29 내지 실시예 E39 중 어느 한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 요소는 상기 전원과 접지 사이에 최단 전기 유로를 포함하는 메인 부분을 포함함으로써 상기 메인 부분은 충분한 양의 전류가 상기 요소를 통해 흐를 때 제1 온도로 저항적으로 가열되며, 상기 메인 부분에 펜던트 배열되고 동일한 전류가 상기 요소를 통해 흐를 때 상기 제1 온도 아래의 제 2 온도로, 가능한 한, 저항적으로 가열되는 하나 이상의 2차 부분을 포함하는, 배기 가스 혼합기.
E41. 실시예 E29 내지 실시예 E40 중 어느 한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 요소는 복수의 구역(zone)을 포함하며, 적어도 하나의 구역은 상기 복수의 구역 중 다른 구역에 대해 상이한 금속 또는 금속 합금, 금속 발포체, 3D-인쇄 구조, 부가적(additive) 제조 구조, 또는 이들의 조합을 포함하는, 배기 가스 혼합기.
E42. 배기 가스 혼합기 시스템으로서, 다른 요소와 독립적으로 적어도 하나의 가열가능한 요소의 온도를 증가 또는 감소시키기 위해 외부 전원으로부터의 전력을 상기 적어도 하나의 가열가능한 요소로 지향시키도록 구성되는 컨트롤러와 전자 통신하는 실시예 E1 내지 실시예 E41 중 어느 한 실시예에 따른 배기 가스 혼합기를 포함하는, 배기 가스 혼합기 시스템.
E43. 실시예 E42에 있어서, 상기 배기 가스 혼합기는 복수의 가열가능한 요소를 포함하며, 각각은 그것을 통해서 전류를 지향시킴으로써 독립적으로 가열가능하며, 상기 컨트롤러는 제2 가열가능한 요소를 통해 지향되는, 만약에 있다면, 전류의 제2 양보다 더 큰 제1 가열가능한 요소를 통한 전류의 제1 양을 지향시킴으로써, 상기 제2 가열가능한 요소와 독립적으로 제1 가열가능한 요소로 전력을 지향시키도록 구성되는, 배기 가스 혼합기 시스템.
E44. 실시예 E42 또는 실시예 E43에 있어서, 배기 가스 소스의 하류, 및 수성 우레아 인젝터(UWS injector)의 하류, 및 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매의 상류의 배기 가스 도관 내에 배치되고, 하나 이상의 NOx 센서를 더 포함하며, 상기 컨트롤러는 상기 SCR 촉매 하류의 질소로 NOx의 SCR 촉매 환원을 최적화하기 위해 상기 가열가능한 요소 중 하나 이상을 가열할 수 있는, 배기 가스 혼합기 시스템.
E45. 실시예 E42 내지 실시예 E44 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 컨트롤러는 하나 이상의 센서 및/또는 제어 모듈과 전기 통신하고, 이들을 모니터링할 수 있고/있거나, 하나 이상의 시스템 구성요소와 전기 통신하고 이들을 제어할 수 있고, 상기 컨트롤러는, 센서 및/또는 제어 모듈 입력 중 하나 이상에 기초하여, 및/또는 구성요소 중 하나 이상을 제어하는 것과 조화를 이루어 전력을 상기 가열가능한 요소 중 하나 이상에 제공하는, 배기 가스 혼합기 시스템.
E46. 실시예 E42 내지 실시예 E45 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 하나 이상의 센서 및/또는 제어 모듈 입력, 및/또는 상기 하나 이상의 시스템 구성요소는 UWS 인젝터 질량, UWS 인젝터 주파수, UWS 인젝터 듀티 사이클, UWS 주입 펌프 압력, 배기 가스 유량, 상기 SCR 촉매 하류의 NOx 농도, 상기 UWS 인젝터 상류의 NOx 농도, 상기 UWS 인젝터 상류의 배기 가스 온도, 상기 UWS 인젝터 하류의 배기 가스 온도, 혼합기 세그먼트 온도, 혼합기 온도 분포, 상기 SCR 촉매 내의 저장된 암모니아 질량, 상기 SCR 촉매 내의 저장된 암모니아 분포, 상기 SCR 촉매 내의 저장된 NOx 질량, 상기 SCR 촉매 내의 저장된 NOx 분포, 상기 SCR 촉매 내의 저장된 황 질량, 상기 SCR 촉매 내의 저장된 황 분포, 상기 SCR 촉매 내의 저장된 탄화수소 질량, 상기 SCR 촉매 내의 저장된 탄화수소 분포, 상기 SCR 촉매 내의 저장된 물 질량, 상기 SCR 촉매 내의 저장된 물 분포, 배기 가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation; EGR) 백분위 설정, 실린더 비활성화 설정, 연료 인젝터 타이밍, 연료 인젝터 질량, 엔진 부하, 고도(elevation), UWS 무결성 센서, 엔진 속도, 또는 이들의 조합을 포함하는, 배기 가스 시스템.
E47. 실시예 E42 내지 실시예 E46 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 컨트롤러는 알고리즘, 머신 러닝, 신경망, 인공 지능, 모델, 예측 메커니즘의 계산, 하나 이상의 룩업 테이블, 전류 또는 저항 측정, 특정 가열가능한 요소 및/또는 배기 가스와 열 연통하는 온도 써모커플, 열 카메라, 또는 이들의 조합을 사용하여 하나 이상의 가열가능한 요소의 온도를 결정할 수 있는, 배기 가스 혼합기 시스템.
E48. 실시예 E42 내지 실시예 E47 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 요소 중 하나 이상의 요소 상에 형성되는, 바람직하게는 우레아를 포함하는, 퇴적물 및/또는 파울링(fouling)의 존재를 결정하고 상기 퇴적물을 제거하기 위해 더 많은 가열형 요소 중 하나의 가열을 제어할 수 있는, 배기 가스 혼합기 시스템.
E49. 실시예 E42 내지 실시예 E48 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 시스템은 200℃ 아래의 배기 가스 온도에서 약 1 내지 3 g NOx/bhp-hr, 또는 약 3 내지 5 g NOx/bhp-hr, 또는 약 5 g NOx/bhp-hr 이상, 또는 약 7 g NOx/bhp-hr 이상의 NOx 레벨을 제거하기에 적절한 암모니아 및/또는 암모니아 전구체의 양을 생성할 수 있는, 배기 가스 혼합기 시스템.
E50. 실시예 E42 내지 실시예 E49 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 컨트롤러 알고리즘에 의해 요구되는 임의의 순서로 가열가능한 요소의 임의의 하나 이상의 선택된 그룹을 가열할 수 있으며 여기서 상기 선택된 가열가능한 요소 또는 가열가능한 요소의 선택된 그룹은 적절한 기간에 걸쳐 가열되거나, 적절한 기간에 걸쳐 하나 이상의 가열 순서로 가열되거나, 적절한 기간 동안 고정된 온도로 가열되거나, 하나 이상의 요소에서 가변 온도로 가열되거나, 이들의 조합으로 가열됨으로써, 상기 컨트롤러에 의한 상기 가열가능한 요소의 상기 가열은, 상기 가열가능한 요소 및 상기 컨트롤러가 결여되는 비교 시스템에 비해 증가된 SCR 효율에 의해 결정되는 바와 같이, 상기 SCR 입구에서 환원제 농도, 환원제 균일성, 또는 둘 다를 증가시키는, 배기 가스 혼합기 시스템.
E51. 배기 가스 소스로부터 배기 가스를 처리하기 위한 배기 가스 시스템으로서,
i)요소수 용액(urea water solution; UWS) 인젝터 시스템의 하류, 및 선택택 촉매 환원(selective catalytic reduction; SCR) 촉매의 상류의 도관 내에 배치되는 실시예 E1 내지 실시예 E41 중 어느 한 실시예에 따른 배기 가스 혼합기, 전력을 상기 혼합기의 적어도 하나의 요소에 지향시키고, 하나 이상의 센서 및/또는 제어 모듈과 전자 통신하도록 구성되는 전자 컨트롤러를 포함하며;
ii) 상기 배기 가스 혼합기는 상기 배기 가스 및 환원제가 상기 배기 가스 혼합기 안으로 흐르는 혼합기 유입구와 상기 배기 가스 및 상기 환원제가 상기 배기 가스 혼합기 밖으로 흐르는 혼합기 유출구 사이에 위치되는 유로 내에 배치되는 복수의 요소(element)를 포함하며 - 상기 요소 중 적어도 하나는 상기 복수의 요소 중 다른 요소와 독립적으로 외부 전원에 의해 가열됨 -;
iii) 상기 컨트롤러는, 상기 하나 이상의 센서 및/또는 제어 모듈로부터의 하나 이상의 입력에 기초하여, 상기 SCR 촉매의 하류에 질소 및 물로 그것을 통해서 흐르는 상기 배기 가스에 존재하는 NOx의 SCR 촉매 환원을 최적화하기 위해 상기 다른 요소와 독립적으로 상기 하나 이상의 요소의 온도를 증가 또는 감소시키도록 구성되는, 배기 가스 시스템.
E52. 배기 가스 소스로부터 배기 가스를 처리하기 위한 배기 가스 시스템으로서,
i) 요소수 용액(urea water solution; UWS) 인젝터 시스템의 하류, 및 선택택 촉매 환원(selective catalytic reduction; SCR) 촉매의 상류의 도관 내에 배치되는 배기 가스 혼합기, 전력을 상기 혼합기의 적어도 하나의 요소에 지향시키고, 하나 이상의 센서 및/또는 제어 모듈과 전자 통신하도록 구성되는 전자 컨트롤러를 포함하며;
ii) 상기 배기 가스 혼합기는 상기 배기 가스 및 환원제가 상기 배기 가스 혼합기 안으로 흐르는 혼합기 유입구와 상기 배기 가스 및 상기 환원제가 상기 배기 가스 혼합기 밖으로 흐르는 혼합기 유출구 사이에 위치되는 유로 내에 배치되는 복수의 요소(elements)를 포함하며 - 상기 복수의 요소 중 적어도 하나, 바람직하게는 적어도 2개는 상기 복수의 요소 중 다른 요소와 독립적으로 외부 전원에 의해 가열됨 -;
iii) 상기 컨트롤러는, 상기 하나 이상의 센서 및/또는 제어 모듈로부터의 하나 이상의 입력에 기초하여, 상기 SCR 촉매의 하류에 질소 및 물로 그것을 통해서 흐르는 상기 배기 가스에 존재하는 NOx의 SCR 촉매 환원을 최적화하기 위해 상기 다른 요소와 독립적으로 상기 하나 이상의 요소의 온도를 증가 또는 감소시키도록 구성되는, 배기 가스 시스템.
E53. 실시예 E51 또는 실시예 E52에 있어서, 상기 컨트롤러와 각각 전자 통신하는, 하나 이상의 제어 모듈, 및/또는 하나 이상의 시스템 구성요소를 더 포함하며, 상기 컨트롤러는 하나 이상의 센서, 하나 이상의 제어 모듈로부터의 입력을 모니터링하고/하거나, 하나 이상의 시스템 구성요소를 제어하도록 구성되고, 상기 컨트롤러는 하나 이상의 센서 및/또는 제어 모듈 입력에 기초하여, 및/또는 하나 이상의 시스템 구성요소를 제어하는 것과 조화를 이루어 전력을 상기 요소 중 하나 이상의 요소로 지향시키는, 배기 가스 시스템.
E54. 실시예 E51 내지 실시예 E53 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 하나 이상의 센서 및/또는 제어 모듈 입력, 및/또는 상기 하나 이상의 시스템 구성요소 제어는: 요소수 용액(urea water solution; UWS) 주입 질량, UWS 분사 액적 크기 또는 크기 분포, UWS 인젝터 주파수, UWS 인젝터 듀티 사이클, UWS 주입 펌프 압력, 배기 가스 유량 센서, 상기 SCR 촉매 하류의 NOx 농도 센서, 상기 UWS 인젝터 상류의 NOx 농도 센서, 상기 혼합기와 상기 SCR 촉매의 출구 사이의 NOx 농도 센서, 흐름의 분포 균일성의 측정, 상기 혼합기 하류의 환원제, 상기 UWS 인젝터 상류의 배기 가스 온도 센서, 상기 UWS 인젝터 하류의 배기 가스 온도 센서, 혼합기 세그먼트 온도 센서, 열 카메라, 혼합기 온도 분포, 상기 SCR 촉매 내의 저장된 암모니아 질량, 상기 SCR 촉매 내의 저장된 암모니아 분포, 상기 SCR 촉매 내의 저장된 NOx 질량, 상기 SCR 촉매 내의 저장된 NOx 분포, 상기 SCR 촉매 내의 저장된 황 질량, 상기 SCR 촉매 내의 저장된 황 분포, 상기 SCR 촉매 내의 저장된 탄화수소 질량, 상기 SCR 촉매 내의 저장된 탄화수소 분포, 상기 SCR 촉매 내의 저장된 물 질량, 상기 SCR 촉매 내의 저장된 물 분포, 배기 가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation; EGR) 설정, 실린더 비활성화 설정, 연료 인젝터 타이밍, 연료 주입 질량, 엔진 부하, 고도(elevation), 주변 온도 센서, UWS 무결성 센서, 엔진 속도, 연료 연소 센서, 또는 이들의 조합을 포함하는, 배기 가스 시스템.
E55. 실시예 E51 내지 실시예 E54 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 외부 전원으로부터의 전력을 지향시키기 위한 상기 하나 이상의 상기 요소 중 어느 것을 선택하고, 그것을 통해서 흐르는 상기 배기 가스에 존재하는 NOx의 SCR 촉매 환원을 최적화하기 위해 알고리즘, 머신 러닝, 신경망, 인공 지능, 모델, 예측 메커니즘의 계산, 하나 이상의 룩업 테이블, 또는 이들의 조합을 이용하는, 배기 가스 시스템.
E56. 실시예 E51 내지 실시예 E55 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 시스템은 약 220℃ 아래의 배기 가스 온도에서 약 0.5 g NOx/bhp-hr 이상의 NOx 레벨을 제거하기에 적절한 암모니아 및/또는 암모니아 전구체의 양을 생성할 수 있는, 배기 가스 시스템.
E57. 실시예 E51 내지 실시예 E56 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 SCR 촉매의 적어도 일 부분의 온도를 증가시키기에 충분한 양으로 그것을 통해서 흐르는 상기 배기 가스의 상기 온도를 증가시키기 위해 상기 요소 중 하나 이상으로 상기 외부 전원으로부터의 전력의 양을 지향시키도록 구성되는, 배기 가스 시스템.
E58. 방법으로서,
i) 실시예 E1 내지 실시예 E41 중 어느 한 실시예에 따른 상기 배기 가스 혼합기를 포함하는, 실시예 E42 내지 실시예 E57 중 어느 한 실시예에 따른 상기 시스템을 제공하는 단계;
ii) 상기 배기 가스 소스로부터의 NOx의 양을 포함하는 배기 가스 및 요소수 용액을 그것을 통해서 지향시키는 단계; 및
iii) 상기 하나 이상의 센서 및/또는 제어 모듈로부터의 하나 이상의 입력에 기초하여, 상기 SCR 촉매 하류의 질소 및 물로 그것을 통해서 흐르는 상기 배기 가스에 존재하는 NOx의 SCR 촉매 환원을 최적화하기 위해 적어도 하나의 요소의 온도를 독립적으로 증가 또는 감소시키도록 상기 복수의 요소 중 적어도 하나에 대한 상기 외부 전원으로부터의 전력의 방향을 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
E59. 실시예 E1 내지 실시예 E41 중 어느 한 실시예에 따른 상기 배기 가스 혼합기를 사용하는 방법으로서, 상기 적어도 하나의 가열가능한 요소의 온도를 다른 요소의 온도 위로 증가시키기 위해 상기 적어도 하나의 가열가능한 요소로 상기 외부 전원으로부터의 전력을 지향시키는 단계를 포함하는, 방법.
E60. 실시예 E58 또는 실시예 E59에 있어서, 상기 적어도 하나의 가열가능한 요소는 상기 배기 가스 혼합기를 통해 흐르는 상기 요소와 접촉하는 유체 위의 온도로 가열되는, 방법.
E61. 실시예 E58 내지 실시예 E60 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 가열 단계는 상기 외부 전원에 의해 제공되는 상기 적어도 하나의 가열가능한 요소를 통해 전류를 지향시키는 단계를 포함하는, 방법.
E62. 실시예 E58 내지 실시예 E61 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 배기 가스 혼합기는 복수의 가열가능한 요소를 포함하고, 상기 방법은 시간적 배열, 공간적 배열, 또는 이들의 조합에 따라 독립적으로 또는 동시에 하나 이상의 가열가능한 요소를 가열하는 단계를 더 포함하는, 방법.
E63. 실시예 E58 내지 실시예 E62 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 시스템은 약 220℃ 아래의 배기 가스 온도에서 약 0.5 g NOx/bhp-hr 이상의 NOx 레벨을 제거하기에 적절한 암모니아 및/또는 암모니아 전구체의 양을 생성할 수 있는, 방법.
E64. 실시예 E58 내지 실시예 E62 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 시스템은 약 220℃ 아래의 배기 가스 온도에서 약 3 g NOx/bhp-hr 이상의 NOx 레벨을 제거하기에 적절한 암모니아 및/또는 암모니아 전구체의 양을 생성할 수 있는, 방법.
E65. 실시예 E58 내지 실시예 E62 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 시스템은 약 220℃ 아래의 배기 가스 온도에서 약 5 g NOx/bhp-hr 이상의 NOx 레벨을 제거하기에 적절한 암모니아 및/또는 암모니아 전구체의 양을 생성할 수 있는, 방법.
E66. 실시예 E58 내지 실시예 E62 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 시스템은 약 220℃ 아래의 배기 가스 온도에서 약 7 g NOx/bhp-hr 이상의 NOx 레벨을 제거하기에 적절한 암모니아 및/또는 암모니아 전구체의 양을 생성할 수 있는, 방법.
E67. 실시예 E58 내지 실시예 E65 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 시스템은 약 220℃ 아래의 배기 가스 온도에서 약 300 mg NOx/mile 이상의 NOx 레벨을 제거하기에 적절한 암모니아 및/또는 암모니아 전구체의 양을 생성할 수 있는, 방법.
E68. 실시예 E58 내지 실시예 E65 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 시스템은 약 220℃ 아래의 배기 가스 온도에서 약 400 mg NOx/mile 이상의 NOx 레벨을 제거하기에 적절한 암모니아 및/또는 암모니아 전구체의 양을 생성할 수 있는, 방법.
E69. 실시예 E58 내지 실시예 E65 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 시스템은 약 220℃ 아래의 배기 가스 온도에서 약 500 mg NOx/mile 이상의 NOx 레벨을 제거하기에 적절한 암모니아 및/또는 암모니아 전구체의 양을 생성할 수 있는, 방법.
단지 소수의 예시적 실시예가 위에서 상세히 설명되었지만, 당업자는 많은 수정이 본 발명으로부터 실질적으로 벗어나는 것 없이 예시적 실시예에서 가능하다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 따라서, 모든 그러한 수정은 다음의 청구항에 정의되는 바와 같은 본 개시의 범위 내에 포함되도록 의도된다. 청구항에서, 기능식(means-plus-function) 절은 인용된 기능 및 구조적 등가물 뿐만 아니라, 등가 구조물을 수행함에 따라 본원에 설명되는 구조를 커버하도록 의도된다. 따라서, 못(nail)과 나사(screw)는 못이 나무 부품을 함께 고정시키기 위해 원통형 표면을 이용하는 반면, 나사가 나선형 표면을 이용한다는 점에서 구조적 등가물이 아닐 수 있지만, 나무 부품을 고정시키는 환경에서, 못과 나사는 등가 구조물일 수 있다. 청구항이 연관된 기능과 함께 단어 "~을 위한 수단"을 명시적으로 사용하는 것을 제외하고, 본원의 임의의 청구항의 임의의 제한에 대해 35 U.S.C. § 112, 6항을 발동하지 않는 것이 출원인의 명시적인 의도이다.

Claims (20)

  1. 배기 가스 혼합기로서,
    배기 가스 및 환원제가 상기 배기 가스 혼합기 안으로 흐르는 혼합기 유입구와 상기 배기 가스 및 상기 환원제가 상기 배기 가스 혼합기 밖으로 흐르는 혼합기 유출구 사이에 위치되는 유로 내에 배치되는 복수의 요소를 포함하며, 상기 복수의 요소 중 적어도 하나는 상기 복수의 요소 중 다른 요소와 독립적으로 외부 전원에 의해 가열가능한, 배기 가스 혼합기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 요소 각각은 상기 외부 전원에 의해 독립적으로 가열가능한, 배기 가스 혼합기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 요소 중 적어도 하나는 전기 저항, 전자파, 복사 가열, 자기장 유도 가열, 외부 열원과의 열 연통(thermal communication), 압전 가열, 또는 이들의 조합을 사용하여 가열되는, 배기 가스 혼합기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 요소 중 적어도 하나는 저항 가열을 위해 독립적으로 구성되며 여기서 전류의 양은, 다른 요소와 독립적으로, 상기 요소의 온도를 증가시키기에 충분하게 상기 요소를 통해 지향되는, 배기 가스 혼합기.
  5. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 요소는 상기 혼합기를 통해 흐르는 상기 배기 가스 및 상기 환원제의 흐름을 방해하기 위해 상기 유로 내에 치수화되고 배열되는, 배기 가스 혼합기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 요소 중 하나 이상은 하나 이상의 노즐, 흐름 전환기, 핀, 부속물, 홀, 단면 프로파일, 벤드, 트위스트, 또는 이들의 조합을 포함하는, 배기 가스 혼합기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 요소는 데카르트 격자, 극 격자, 구형 격자, 토로이달 격자를 따라서, 래더 타입 배열로, 복수의 배열, 행, 그룹으로, 또는 이들의 조합으로 상기 유로 내에 배열되는, 배기 가스 혼합기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 요소는 상기 혼합기 유입구로부터 상기 혼합기 유출구로의 선형 유로가 존재하지 않도록 상기 유로 내에 배열되는, 배기 가스 혼합기.
  9. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 요소의 적어도 일 부분은:
    i) 우레아(urea)로부터 암모니아 및/또는 암모니아 전구체를 생성하기에 적절한 촉매 활성 물질을 포함하는 전기 전도성 기판 상에 배치되는 하나 이상의 코팅층;
    ii) 소수성 표면;
    iii) 친수성 표면;
    iv) 상기 요소와 접촉하는 액적(droplets)으로부터 환원제의 형성을 용이하게 하는 모폴로지(morphology);
    v) 또는 이들의 조합을 포함하는, 배기 가스 혼합기.
  10. 제9항에 있어서,
    적어도 하나의 요소의 표면의 적어도 일 부분은:
    i) 약 50 미크론 이상의 RMS 거칠기;
    ii) 약 50 미크론 이하의 RMS 거칠기;
    iii) 반점(stippled) 모폴로지;
    iv) 다공성 모폴로지;
    v) 톱니 프로파일; 또는
    vi) 이들의 조합을 포함하는, 배기 가스 혼합기.
  11. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 요소는 제1 전기 저항을 갖는 제1 부분; 상기 제1 전기 저항과 상이한 제2 전기 저항을 갖는 제2 부분을 가짐으로써, 전류가 상기 요소를 통해 흐를 때, 상기 제1 부분이 상기 제2 부분보다 더 높은 온도로 가열되는, 배기 가스 혼합기.
  12. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 요소는 상기 전원과 접지 사이에 최단 전기 유로를 포함하는 메인 부분을 포함함으로써 상기 메인 부분은 충분한 양의 전류가 상기 요소를 통해 흐를 때 제1 온도로 저항적으로 가열되며, 상기 메인 부분에 펜던트 배열되고 동일한 전류가 상기 요소를 통해 흐를 때 상기 제1 온도 아래의 제 2 온도로, 가능한 한, 저항적으로 가열되는 하나 이상의 2차 부분을 포함하는, 배기 가스 혼합기.
  13. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 요소는 복수의 구역(zone)을 포함하며, 적어도 하나의 구역은 상기 복수의 구역 중 다른 구역에 대해 상이한 금속 또는 금속 합금, 금속 발포체, 3D-인쇄 구조, 부가적(additive) 제조 구조, 또는 이들의 조합을 포함하는, 배기 가스 혼합기.
  14. 배기 가스 소스로부터 배기 가스를 처리하기 위한 배기 가스 시스템으로서,
    요소수 용액(urea water solution; UWS) 인젝터 시스템의 하류, 및 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction; SCR) 촉매의 상류의 도관 내에 배치되는 배기 가스 혼합기, 전력을 상기 혼합기의 적어도 하나의 요소에 지향시키고, 하나 이상의 센서 및/또는 제어 모듈과 전자 통신하도록 구성되는 전자 컨트롤러를 포함하며;
    상기 배기 가스 혼합기는 상기 배기 가스 및 환원제가 상기 배기 가스 혼합기 안으로 흐르는 혼합기 유입구와 상기 배기 가스 및 상기 환원제가 상기 배기 가스 혼합기 밖으로 흐르는 혼합기 유출구 사이에 위치되는 유로 내에 배치되는 복수의 요소(element)를 포함하며 - 상기 복수의 요소 중 적어도 하나는 상기 복수의 요소 중 다른 요소와 독립적으로 외부 전원에 의해 가열됨 -;
    상기 컨트롤러는, 상기 하나 이상의 센서 및/또는 제어 모듈로부터의 하나 이상의 입력에 기초하여, 상기 SCR 촉매의 하류의 질소 및 물로 그것을 통해서 흐르는 상기 배기 가스에 존재하는 NOx의 SCR 촉매 환원을 최적화하기 위해 상기 다른 요소와 독립적으로 상기 하나 이상의 요소의 온도를 증가 또는 감소시키도록 구성되는, 배기 가스 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 컨트롤러와 각각 전자 통신하는, 하나 이상의 제어 모듈, 및/또는 하나 이상의 시스템 구성요소(system components)를 더 포함하며, 상기 컨트롤러는 하나 이상의 센서, 하나 이상의 제어 모듈로부터의 입력을 모니터링하고/하거나, 하나 이상의 시스템 구성요소를 제어하도록 구성되고, 상기 컨트롤러는 하나 이상의 센서 및/또는 제어 모듈 입력에 기초하여, 및/또는 하나 이상의 시스템 구성요소를 제어하는 것과 조화를 이루어 전력을 상기 복수의 요소 중 하나 이상으로 지향시키는, 배기 가스 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서 및/또는 제어 모듈 입력, 및/또는 상기 하나 이상의 시스템 구성요소 제어는:
    요소수 용액(urea water solution; UWS) 주입 질량, UWS 분사 액적 크기 또는 크기 분포, UWS 인젝터 주파수, UWS 인젝터 듀티 사이클, UWS 주입 펌프 압력, 배기 가스 유량 센서, 상기 SCR 촉매 하류의 NOx 및/또는 암모니아 농도 센서, 상기 UWS 인젝터 상류의 NOx 및/또는 암모니아 농도 센서, 상기 혼합기와 상기 SCR 촉매의 출구 사이의 NOx 및/또는 암모니아 농도 센서, 흐름의 분포 균일성의 측정, 상기 혼합기 하류의 환원제, 상기 UWS 인젝터 상류의 배기 가스 온도 센서, 상기 UWS 인젝터 하류의 배기 가스 온도 센서, 혼합기 세그먼트 온도 센서, 열 카메라, 혼합기 온도 분포, 상기 SCR 촉매 내의 저장된 암모니아 질량, 상기 SCR 촉매 내의 저장된 암모니아 분포, 상기 SCR 촉매 내의 저장된 NOx 질량, 상기 SCR 촉매 내의 저장된 NOx 분포, 상기 SCR 촉매 내의 저장된 황 질량, 상기 SCR 촉매 내의 저장된 황 분포, 상기 SCR 촉매 내의 저장된 탄화수소 질량, 상기 SCR 촉매 내의 저장된 탄화수소 분포, 상기 SCR 촉매 내의 저장된 물 질량, 상기 SCR 촉매 내의 저장된 물 분포, 배기 가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation; EGR) 설정, 실린더 비활성화 설정, 연료 인젝터 타이밍, 연료 주입 질량, 엔진 부하, 고도(elevation), 주변 온도 센서, UWS 무결성 센서, 엔진 속도, 연료 연소 센서, 또는 이들의 조합을 포함하는, 배기 가스 시스템.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 외부 전원으로부터의 전력을 지향시키기 위한 상기 복수의 요소 중 상기 하나 이상의 어느 것을 선택하고, 그것을 통해서 흐르는 상기 배기 가스에 존재하는 NOx의 SCR 촉매 환원을 최적화하기 위해 알고리즘, 머신 러닝, 신경망, 인공 지능, 모델, 예측 메커니즘의 계산, 하나 이상의 룩업 테이블, 또는 이들의 조합을 이용하는, 배기 가스 시스템.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 시스템은 약 220℃ 아래의 배기 가스 온도에서 약 0.5 g NOx/bhp-hr 이상, 또는 약 300 mg NOx/mile 이상의 NOx 레벨을 제거하기에 적절한 암모니아 및/또는 암모니아 전구체의 양을 생성할 수 있는, 배기 가스 시스템.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 SCR 촉매의 적어도 일 부분의 온도를 증가시키기에 충분한 양으로 그것을 통해서 흐르는 상기 배기 가스의 상기 온도를 증가시키기 위해 상기 복수의 요소 중 하나 이상으로 상기 외부 전원으로부터의 전력의 양을 지향시키도록 구성되는, 배기 가스 시스템.
  20. 방법으로서,
    i) 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 상기 배기 가스 혼합기를 포함하는, 제14항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 상기 배기 가스 시스템을 제공하는 단계;
    ii) 상기 배기 가스 소스로부터의 NOx의 양을 포함하는 배기 가스 및 요소수 용액을 그것을 통해서 지향시키는 단계; 및
    iii) 상기 하나 이상의 센서 및/또는 제어 모듈로부터의 하나 이상의 입력에 기초하여, 상기 SCR 촉매 하류의 질소 및 물로 그것을 통해서 흐르는 상기 배기 가스에 존재하는 NOx의 SCR 촉매 환원을 최적화하기 위해 적어도 하나의 요소의 온도를 독립적으로 증가 또는 감소시키도록 상기 복수의 요소 중 적어도 하나에 대한 상기 외부 전원으로부터의 전력의 방향을 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
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