KR101921885B1 - 저압 ＥＧＲ을 갖는 디젤 엔진의 NOx 저장 촉매 컨버터를 재생하는 방법 - Google Patents

저압 ＥＧＲ을 갖는 디젤 엔진의 NOx 저장 촉매 컨버터를 재생하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 질소 산화물 저장 촉매 컨버터를 재생하기 위한 방법 및 희박 연소 엔진을 위한 대응적으로 구성된 배기 가스 정화 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 차량의 특수 구동 상황 동안 질소 산화물 저장 촉매 컨버터의 재생에 관한 것이다.

Description

저압 ＥＧＲ을 갖는 디젤 엔진의 NOx 저장 촉매 컨버터를 재생하는 방법 {METHOD FOR REGENERATING NOx STORAGE CATALYTIC CONVERTERS OF DIESEL ENGINES WITH LOW-PRESSURE EGR}
본 발명은 질소 산화물 저장 촉매 컨버터를 재생하기 위한 방법 및 희박 연소 엔진을 위한 대응적으로 구성된 배기 가스 정화 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 차량의 특수한 구동 상황 동안 질소 산화물 저장 촉매 컨버터의 재생에 관한 것이다.
미래의 배기 가스 법률은 희박 연소 엔진의 배기 가스 내의 질소 산화물(NOx)의 양을 규제하여 질소 산화물의 촉매 후처리가 필수적이게 한다. 그러나, 희박 연소 내연 기관의 배기 가스 내의 높은 산소 농도에 기인하여 질소를 형성하기 위한 예상 질소 산화물의 환원은 어렵다. 공지된 방법은 질소 산화물 저장 촉매 컨버터(NOx 저장 촉매, NSC, LNT)의 사용에 기초하거나 적절한 촉매 컨버터, 또는 축약하여 SCR 촉매 컨버터 상에서 환원제로서 일반적으로 암모니아에 의한 선택적 촉매 환원(SCR)을 위한 방법이다. 상기 방법의 조합도 알려져 있으며, 여기서는 예로서, 암모니아가 농후 동작 조건 하에서 상류 질소 산화물 저장 촉매 컨버터 상의 이차 배기물로서 생성되고, 암모니아는 질소 산화물 저장 촉매 컨버터를 지나가는 질소 산화물의 환원을 위해 후속 희박 연소 동작 페이즈에서 사용되기 이전에 최초에 하류에 배열된 SCR 촉매 컨버터 내에 저장된다. DE 102007060623호는 탈질소화 장치를 갖는 배기 가스 정화 시스템의, 종래 기술에 존재하는 일련의 변형을 개시하고 있다.
질소 산화물 저장 촉매 컨버터는 소위 희박 연소 엔진(디젤, 희박 GDI)의 희박 배기 가스에 포함된 질소 산화물을 제거하기 위해 사용된다. 여기서, 정화 작용은 엔진의 희박 연소 동작 페이즈(저장 페이즈, 희박 동작)에서, 질소 산화물은 질산염 형태의 촉매 컨버터의 저장 재료에 의해 저장된다는 사실에 기초한다. 엔진의 후속 농후 동작 페이즈(재생 페이즈, 농후 동작, 탈NOx 페이즈)에서, 이전에 형성된 질산염은 파괴되고, 농후 동작 동안, 질소, 이산화탄소 및 물을 형성하기 위해 환원 작용을 갖는 농후 배기 가스 성분에 의해 다시 방출되는 질소 산화물이 변환된다. 배기 가스의 농후 성분은 특히 탄화수소, 일산화탄소, 암모니아 및 수소를 포함한다.
질소 산화물 저장 촉매 컨버터의 동작 모드는 SAE 문헌 SAE 950809에 상세히 설명되어 있다. 질소 산화물 저장 촉매의 조성은 당업자에게 잘 알려져 있다. 질소 산화물 저장 재료는 일반적으로 미세하게 분포된 형태로 적절한 기재 재료에 적용되는 예로서, 바륨 및 스트론튬의 산화물, 수산화물 또는 탄산염 같은 알칼리 또는 알칼리토류 금속의 베이스 화합물이다. 또한, 질소 산화물 저장 촉매는 백금 그룹으로부터의 촉매 활성 귀금속 및 산소 저장 재료도 갖는다. 상기 조성물은 3방 촉매 컨버터의 기능을 갖는 화학양론적 동작 조건 하에서의 질소 산화물 저장 촉매 컨버터를 제공한다(DE102009039249호 및 여기에 인용된 문헌).
질소 산화물의 저장 페이즈(희박 연소 동작)는 통상적으로 100 내지 2000 초 지속되며, 배기 가스 내의 질소 산화물의 농도 및 촉매 컨버터의 저장 용량에 의존한다. 그러나, 저장 기능이 감소된 노후 촉매 컨버터의 경우에, 저장 페이즈의 기간은 또한 50초 미만으로 떨어질 수 있다. 대조적으로, 재생 페이즈(농후 모드)는 항상 현저히 짧으며, 단지 수초 지속된다(5초 내지 20초). 재생 동안 질소 산화물 저장 촉매 컨버터로부터 방출되는 배기 가스는 실질적으로 어떠한 오염물도 갖지 않으며, 대략 화학양론적 조성으로 이루어진다. 그 공기 비율(λ)(람다: 배기 가스 내의 공기에 대한 연료의 비율을 나타냄 - 이하 참조)은 이 시간 동안 대략 1과 같다. 재생 페이즈의 종점에서, 방출된 질소 산화물 및 촉매 컨버터의 산소 저장 구성요소에 결합된 산소는 농후 배기 가스 성분 모두를 더 이상 충분히 산화시킬 수 없다. 따라서, 촉매 컨버터를 통한 상기 성분의 파과(breakthrough)가 발생하며, 공기 비율은 1 미만의 값으로 떨어진다. 상기 파괴는 재생의 종료를 신호하며, 저장 촉매 컨버터의 하류의 소위 람다 프로브에 의해 등록될 수 있다.
유럽 용례에 대하여, 양호한 후처리 시스템은 긴밀하게 결합된 질소 산화물 저장 촉매 컨버터 또는 촉매 코팅된 필터가 후속되는 NOx 저장 촉매 컨버터(LNT, NSC, NSR)를 포함한다. 현대의 희박 연소 엔진은 낮은 연료 소비를 위해 최적화되며, 종종 터보 차져 및 NOx 배기물의 엔진 내부 환원을 위한 배기 가스 재순환 시스템(EGR)을 포함한다. 이 방식으로, 배기 가스 온도는 더 오래된 디젤 엔진에 관하여 현저히 감소된다. 그러나, 낮은 배기 가스 온도는 질소 산화물 저장 촉매 컨버터 내의 질소 산화물의 축적의 효율과, 또한, NSC의 재생 효율 양자 모두를 감소시키며, NSC의 재생 동안 농후 배기 가스 혼합물에 의해, 저장된 질소 산화물이 방출되고 질소로 변환된다.
모든 외부 배기 가스 재순환 시스템에서, 배기 가스의 전달 유동을 허용하기 위해 배기 가스 측부로부터 신규 공기 측부로의 압력 구배가 존재하여야만 한다. 이는 배기 가스 재순환이 적어도 이 조건이 충족되는 엔진 회전 속도/부하 범위 내에서만 가능하다는 것을 의미한다. 고압(HP) EGR 시스템의 경우에, 배기 가스는 터보차저의 터빈의 상류에서 추출되고, 터보차저의 압축기 하류에서 신규 공기에 공급된다. 저압(LP) EGR 시스템의 경우에, 배기 가스는 터빈의 하류에서 추출되고, 터보차저의 압축기의 상류에서 신규 공기에 공급된다(DE 102005056955호). 저압 EGR 시스템은 HP EGR 시스템보다 높은 재순환율을 갖는, 더 넓은 특성 맵 범위에 걸쳐 배기 가스 재순환을 허용한다. 저 LP EGR 시스템 내의 신규 공기 및 터빈 내의 탄화수소와 수트(soot)의 축적을 방지하기 위해, 배기 가스는 일반적으로 입자 필터의 하류에서 추출된다. 양 시스템(HP 및 LP)의 조합도 마찬가지로 공지되어 있다(JP 6257519호, US 2004050375호).
질소 산화물 저장 촉매 컨버터의 효율적 재생은 일반적으로 250℃를 초과한 온도에서만 가능하다. 더 낮은 온도에서, NOx 저장 촉매 컨버터의 감소된 활동에 기인하여, 저장된 질소 산화물의 일부는 동시적으로 환원되지 않고 촉매 컨버터로부터 탈착될 수 있으며, 그 결과, NOx 배기물이 증가된다. 신규 유럽 구동 사이클[New European Driving Cycle(NEDC)]에서, 이는 재생이 먼저 구동 사이클의 종료시에 고속도로 부분(stra-urban part)에서 가능해진다는 것을 의미하며, 그 이유는 여기서, 급속하고 효율적인 NOx 환원을 위해 필요한 배기 가스 온도가 처음으로 도달되기 때문이다. 그러나, 또한, 저속에서의 더 긴 여정 동안에도 효율적 NOx 후처리를 보증할 수 있도록 더 낮은 온도(시내 주행 상황에서)에서 효율적 재생을 수행할 수도 있는 것이 바람직하다. 따라서, 현재에는, 상기 구동 상황에서 효율적 재생을 수행할 수 있도록 하기 위해 재생을 위하여 배기 시스템을 가열할 필요가 있고, 이는 불가피하게 연료 소비의 증가와, 또한, HC/CO 배기물의 증가를 수반한다.
상술한 바와 같이, 따라서, 저장 촉매 컨버터의 재생은 일반적으로 일산화탄소 및 탄화수소의 짧은 배기물 피크와 연계되며, 이는 또한 이하의 효과에 의해 추가로 강화될 수 있다: 엔진과 저장 촉매 컨버터 사이의 배기 라인은 통상적으로 유한한 길이를 가진다. 농후 동작으로부터 희박 동작으로의 절환 동안 전체 배기 라인은 여전히 농후 배기 가스로 충전되며, 이는 절환 이후, 엔진의 이제는 희박한 배기 가스에 의해 환경으로 촉매 컨버터를 통해 배출된다. 촉매 컨버터는 더 이상 농후 배기 가스의 상기 잔류 부분을 정화할 수 없으며, 그 이유는 이전에 저장된 산화 성분이 이미 농후 동작 동안 소비되었기 때문이다. 따라서, 일산화탄소 및 탄화수소의 강화된 배기물 피크는 재생의 종점에서 발생한다.
농후 배기 가스에 의한 디젤 엔진의 동작은 일반적으로 낮은 엔진 회전 속도(2000 내지 3000 rpm 미만) 및 중간 평균 유효 압력(2-4 내지 12-14 bar)으로 제한된다. 이러한 제한은 최초에 실린더 내에서의 안정한 연소가 보증되어야만하고, 두 번째로 과도하게 높은 실린더 내부 압력이 회피되어야만 하며, 세 번째로 과도하게 높은 배기 가스 온도가 회피되어야만 한다는 것에서 발생한다. 연소 챔버에서의 불안정한 또는 실질적으로 불완전한 연소의 경우에, 비교적 많은 양의 비연소 연료가 질소 산화물 저장 촉매 컨버터를 가로질러 전달되고 그곳에서 산화된다. 이는 최초에 질소 산화물 저장 촉매 컨버터에 높은 온도를 초래하고, 결과적으로, 촉매 컨버터에 대한 열적 손상을 초래한다. 두 번째로, 질소 산화물 저장 촉매 컨버터의 연료의 산화는 불완전하고, 이는 증가된 일산화탄소 및 탄화수소 배기물을 초래한다. 과도하게 높은 배기 가스 온도의 경우에, 터보차저 및 질소 산화물 저장 촉매 컨버터가 손상될 수 있다.
따라서, 본 발명의 문제는 질소 산화물 저장 촉매 컨버터를 재생하기 위한 방법 및 주로 희박 연소 모드에서 동작되는 내연 기관의 배기 가스 정화를 위한 대응 시스템을 특정하는 것이며, 이 시스템은 질소 산화물 저장 촉매 컨버터에 의해 질소 산화물을 환원시키는 것을 돕는다. 먼저, 이 방법은 저장 촉매 컨버터의 특수한 가열을 필요로 하지 않고 배기 가스 온도가 사실상 너무 낮은 구동 상황에서도 저장 촉매 컨버터의 재생이 수행될 수 있게 하는 것이다. 두 번째로, 이 방법은 현재까지 질소 산화물 저장 촉매 컨버터의 재생을 위한 농후 배기 가스 조건을 설정하는 것이 가능하지 않은 엔진 동작 상황에서도 저장 촉매 컨버터의 재생이 수행될 수 있게 하여야 한다. 여기서, 이 방법 및 시스템은 경제적 및 생리학적 양태로부터 종래 기술로부터의 대응하는 공지된 조치에 비해 우수하여야 하며, 말하자면, 특히, 미래의 배기 가스 한계값 부합될 수 있어야 한다.
상기 문제점 및 본 명세서에서 언급되지 않았지만 종래 기술로부터 당업자가 명백히 알 수 있는 다른 문제점은 독립 청구항 1 및 10의 재생 방법 및 시스템에 의해 해결된다. 이 방법 및 시스템의 양호한 실시예가 각각 청구항 1 및 10에 종속하는 종속항에서 발견될 수 있다.
도 1 및 도 2는 가능한 시스템 배치도를 예로서 도시하는 도면.
엔진(1)은 저압 배기물 가스 재순환을 위한 장치를 구비하고, 저압 EGR 밸브(9)가 저압 EGR 라인(14) 내에 배열되는, 희박 연소 엔진(1)의 배기 라인(3) 내에 배열되는 질소 산화물 저장 촉매 컨버터(5)를 재생하기 위한 방법과, 예로서 배기 가스 플랩 같은 배기 가스 배출(10)을 감소시키기 위한 장치 및/또는 예로서 스로틀 플랩 같은 흡기 공기(11)를 감소시키기 위한 장치에서, 장치(11)에 의한 흡기 공기의 스로틀링 및/또는 장치(10)에 의한 배기 가스의 배출의 감소에 의해, 배기 가스가 질소 산화물 저장 촉매 컨버터(5)와 엔진(1)을 통한 저압 EGR 밸브(9)를 통해 실질적으로 회로 내에서 전달되는 방식으로 재생이 엔진 오버런 동작 동안 수행되고, 이 동안, 1 이하의 람다값에 대응하는 공기 연료 혼합물이 설정된다는 사실에 기인하여, 상술한 문제에 대한 해법이 극도로 간단하게, 그러나, 동일한 정도로 유리한 방식으로 달성된다.
오버런 동작의 기간에 따라서, 고압 EGR 부분에 의한 재생은 정상 재생(3-5초)보다 상당히 길게(5-20초) 지속될 수 있다. 그러나, 여기서, 더 많지 않은 양의 HC/CO가 방출된다. 배기 가스가 회로 내에서 수행되고, 따라서, 수회 촉매 컨버터와 접촉하게 된다는 사실의 결과로서, 배기 가스 정화의 효율은 현저히 증가될 수 있다. 이 방식으로, 질소 산화물은 더욱 효율적으로 감소되고, 질소 산화물 저장 촉매 컨버터는 낮은 배기 가스 온도에서도 효과적으로 비워질 수 있으며, 이는 또한, 귀금속 조달 비용을 감소시킬 수 있다. 또한, 특히, 엔진의 부하 동작의 재개시 질소 산화물 저장 촉매 컨버터가 그 활성 온도 미만까지 냉각되게 할 수 있는, 차가운 흡기 공기가 연소 없이 직접적으로 엔진을 통해 그리고, 촉매 컨버터를 가로질러 수행되는 정상 오버런 동작 조건보다 높은 저압 EGR 비율을 갖는 오버런 동작 동안 질소 산화물 저장 촉매 컨버터가 덜 냉각될 것이다.
직전에 설명한 바와 같이, 엔진이 어떠한 포지티브 작동도 수행하지 않아서, 일반적으로 어떠한 연료도 엔진에 공급되지 않지만, 그럼에도 불구하고 엔진은 차량의 (관성 및 중력) 질량에 의해 구동되고 있는 시기에 질소 산화물 저장 촉매 컨버터의 재생이 수행된다. 이런 동작은 엔진이 소위 오버런 동작에 있을 때의 경우이다. 이런 동작은 예로서 차량의 제동(적절하다면 엔진 브레이크에 의한)의 결과로서 감속 페이즈가 개시될 때, 즉, 차량의 속도가 감소되고 더 이상의 연료가 엔진에 공급되지 않을 때 발생한다. 그러나, 이 페이즈에서, 엔진은 여전히 변속기에 결합되어 있고, 기어가 맞물려있다. 여기서, 일반적으로 터닝 오버 엔진을 통해 그리고 배기 시스템 내로 흡기 매니폴드를 통해 공기만이 펌핑된다. 이런 동작은 예로서 적색등에 접근할 때 또는 더 느리게 이동하는 차량에 급속히 접근할 때 발생한다.
내연 기관 외에도, 전기 모터가 또한 차량을 추진하기 위해 사용되는 하이브리드 구동에서, 내연 기관의 오버런 동작은 또한 질소 산화물 저장 촉매 컨버터의 본 발명에 따른 재생을 위해 상기 오버런 동작을 사용하기 위하여 다른 구동 상황에서도 실행될 수 있다. 여기서, 또한, 차량이 서있을 때 또는 상기 내연 기관에 의해, 그리고, 가능하게는 추가적으로 전기 모터에 의해 차량이 구동될 때 내연 기관이 턴 오버 될 수 있게 한다. 엔진의 오버런 동작은 따라서 전기 모터에 의해 실행된다. 따라서, 하이브리드 구동의 경우에, 전기 모터의 구동 파워가 내연 기관과 차량을 구동하기에 충분한 모든 구동 상황까지 질소 산화물 저장 촉매 컨버터의 본 발명에 따른 재생이 확장될 수 있다. 이는 특히, 시내 구동 상황에서이다.
본 발명의 다른 양호한 실시예에서, 오버런 동작은 마찬가지로 엔진의 셧다운 시에 또는 셧다운 동안 발생하는 구동 조건을 의미하는 것으로 이해된다. 여기서, 농후 배기 가스로 질소 산화물 저장 촉매 컨버터를 통해 플러싱하고 그에 의해 적어도 부분적으로 엔진의 셧다운 동안 질소 산화물 저장 촉매 컨버터를 재생하기 위해 상술한 방식으로 높은 저압 EGR율 및 농후 배기 가스로의 절환이 이루어진다. 엔진을 셧다운하기 위해, 기계적 작동(유도된 파워)으로의 열의 변환은 감소되어야 하고, 그래서, 상기 파워는 엔진의 마찰 손실을 완전히 극복하기에 더 이상 충분하지 않다. 이는 일반적으로 실린더 내에서의 작동 스트로크 동안 열의 발생을 중단시킴으로써 달성된다. 스파크 점화 엔진의 경우에, 이는 점화의 차단(점화 스파크)에 의해 이전에 실현된다. 디젤 엔진 및 현대의 스파크 점화 엔진의 경우에, 이는 연료 공급을 차단함으로써 실현된다. 본 발명에 따른 상황에서, 실린더 내의 열의 생성은 연료의 공급이 초기에 지속되는 동안 공기/산소 공급을 차단함으로써 달성된다. 여기서, 분리된 변속기를 갖는 엔진의 지속된 턴 오버는 추가적으로 시동기 또는 전기 모터(하이브리드 구동)에 의해 보조 및 장기화될 수 있다. 이는 엔진의 셧다운 동안 또는 정지/시동 기능을 갖는 차량의 경우에는 엔진이 자동으로 셧다운되는 차량의 정지 주기 동안 이루어질 수 있다. 상술한 높은 저압 EGR율에 의한 보강은 따라서 엔진의 오버런 동작 동안 착수될 수 있고, 가능하게는 결함 없이 엔진의 셧다운에 병합될 수 있다.
본 발명에 따라서, 이는 가능한 큰, 적어도 50%의 배기 가스 유동, 바람직하게는 적어도 80%, 그리고, 특히 바람직하게는 약 100%의 배기 가스 유동이 저압 EGR 라인(14), 엔진(1) 및 질소 산화물 저장 촉매 컨버터(5)를 통해 회로 내에서 수행되도록 저압 EGR 값이 완전히 개방되는 오버런 동작에서 상기 재생 페이즈에서의 경우에 바람직하다. 높은 저압 EGR 율을 획득하기 위해, 다른 밸브(10) 및/또는 밸브(11)가 더 크거나 더 작은 정도로 동시에 폐쇄될 수 있다. 대안적으로, 저압 EGR 라인을 통해 수행되지 않는 배기 가스 유동은 고압 EGR 라인(15-도 2)을 통해 재순환될 수 있다. 저압 및 고압 EGR 라인을 통한 배기 가스의 재순환은 가능한 낮은 엔진의 제동을 유지하기 위해 배기 가스의 유동 저항을 감소시키는 것을 고려할 때 유리하게 사용될 수 있다.
재생 동안 설정되는 공기/연료 비율(람다)은 1 이하의 값(λ≤1)의 값을 가져야 한다. 공기/연료 비율의 측정은 공지된 람다 센서 또는 산소 센서나 NOx 센서(Handbuch Verbrennungsmotor[Internal Combustion Engine Handbook], van Basshuysen/Schaefer, ISBN 3-528-13933-1)에 의해 실현될 수 있거나 엔진 제어 유닛에 의해 계산될 수 있다. 람다 센서에 따라서, 신호는 mV 단위로 출력되거나 람다값으로서 출력된다. 본 발명에 따라서, 값 람다(λ)는 공기와 연료로 구성되는 혼합물 조성을 설명하는 수치로 간주된다. 이에 관한 다른 표현은 공기-연료 비율, 공기 비율 수, 공기 수, 잉여 공기 및 잉여 공기 수이다.
연소 공기 비율은 완전 연소를 위해 필요한 최소 요구 화학양론적 공기 질량(mA . st)을 갖는 비율로 연소에 실제 가용한 공기 질량(mA , st)을 부여한다.
Figure 112013111890930-pct00001
λ=1인 경우, 이때, 이 비율은 mA , act=mA , st인 화학양론적 연소 공기 비율이며, 이는 산소가 부족하거나 연소되지 않은 산소가 남겨지지 않고 모든 연료 분자가 이론적으로 완전히 공기 중의 산소와 반응할 때의 경우이다.
내연 기관을 위해,
λ<1(예를 들어, 0.9)은 "공기의 부족"을 의미한다: 농후 혼합물
λ>1(예를 들어, 1.1)은 "공기의 잉여"를 의미한다: 희박 혼합물
증명: λ=1.1은 화학양론적 반응을 위해 필요한 것 보다 10% 더 많은 공기가 연소에 참여한다는 것을 의미한다. 이는 동시에 공기의 잉여이다. 그러나, 이는 재생 동안, 공기-연료 혼합물이 0.8 내지 1의 람다값에 대응하는 상태로 유지되는 것이 바람직하다. 상기 값은 0.85와 0.99 사이, 더 특히 바람직하게는 0.95와 0.99 사이에 배치되는 것이 특히 바람직하다.
특수한 실시예에서, 차량의 주변 데이터는 엔진의 오버런 동작의 개시 및 기간과 예로서 차량이 적색등에 접근하거나 속도 제한장소에 접근할 때 질소 산화물 저장 촉매 컨버터의 재생을 계산하기 위해 사용된다. 또한, 예로서, 네비게이션 데이터(GPS) 또는 거리 센서가 오버런 동작의 개시 및 종료를 예측하고 재생을 가능한 효율적으로 구성하기 위해 사용된다.
저장된 질소 산화물에 관한 질소 산화물 저장 촉매 컨버터의 재생 동안의 온도는 이에 따라 당업자에 의해 선택될 수 있다. 상기 온도는 바람직하게는 150℃와 500℃ 사이, 특히 바람직하게는 200℃와 450℃ 사이에 존재하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 재생 방법은 희박 연소 엔진의 배기 가스를 정화하기 위해 이하의 시스템과 함께 특히 유리하게 수행될 수 있다. 여기서, 시스템은 이하의 특징을 갖는다.
- 시스템의 조절 장치 및 엔진의 제어를 위한 유닛(ECU);
- 흡기 공기를 스로틀링하기 위한 장치(11);
- 공기/연료 비율을 검출하기 위한 제 1 센서(12);
- 질소 산화물 저장 촉매 컨버터(5);
- 미립자 필터(6);
- 공기/연료 비율을 검출하기 위한 제 2 센서(13);
- 저압 EGR 값(9)을 갖는 저압 EGR 라인(14);
- 선택적으로, 배기 가스의 배출을 감소시키기 위한 장치(10).
유리한 실시예에서, 미립자 필터(6)는 산화 촉매, 황화 수소(H2S) 차단 촉매, SCR 촉매 질소 산화물 저장 촉매, 탄화수소 저장부, 삼원 촉매로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 특성을 갖는 촉매 조성물로 코팅된다. 코팅은 하나 이상의 코팅 재료와 촉매 특성으로 구성될 수 있으며, 내부 측부 및/또는 외부 측부의 구역에서 또는 필터의 전체 길이에 걸쳐 적용될 수 있다. 또한, 코팅은 서로의 상단에 다수의 층으로 적용될 수도 있다.
다른 다양한 실시예에서, 산화 촉매 컨버터, H2S 차단 촉매 컨버터, SCR 촉매컨버터, 질소 산화물 저장 촉매 컨버터, 탄화수소 저장부, 삼원 촉매 컨버터로 구성된 그룹으로부터 선택된 특성을 갖는 촉매 컨버터(7)가 저압 EGR 라인(14)의 상류 및 미립자 필터(6)의 하류에 배열된다. 상기 선택적 촉매 컨버터(7)와, 또한, 미립자 필터(6)는 여전히 저압 회로 내에 배치되고, 따라서, 질소 산화물 저장 촉매의 재생 동안 재생 생성물을 흡수하거나 촉매 변환하는 것을 지속할 수 있다. 촉매 컨버터(7)는 암모니아 저장 기능을 갖는 SCR 촉매 컨버터인 것이 특히 바람직하다.
미립자 필터(6)와 촉매 컨버터(7)가 암모니아 저장 기능을 갖는 SCR 촉매 컨버터를 갖는 시스템이 더 특히 바람직하다. 이는 본 발명에 따른 방법에 의해 재생 동안 질소 산화물 저장 촉매 컨버터를 가로지른 증가된 암모니아의 형성의 결과로서 질소 산화물의 개선된 환원에 대한 추가적 가능성을 산출한다. 이 사실은 재생 동안 암모니아로 암모니아 저장부를 충전하기 위해, 그리고, 예로서, SCR 촉매 컨버터에 의해 추가적 NOx를 위한 후속 희박 동작 동안 상기 암모니아를 사용하기 위해 사용될 수 있다.
다른 유리한 실시예에서, 미립자 필터(6)는 산화 기능, 그리고, 가능하게는 탄화수소 저장 기능을 갖는 코팅을 구비하며, 그 이유는, 상기 촉매 컨버터가 질소 산화물 저장 촉매 컨버터(5) 이후 가장 신속하게 그 동작 온도에 도달하고, 따라서, 탄화수소와 CO의 산화에서 질소 산화물 저장 촉매 컨버터를 보조하고, 필터의 재생 동안에도 상기 배기 가스 구성요소의 증가된 배기물을 방지한다.
미립자 필터(6) 상의 H2S 차단 촉매 기능 및/또는 선택적 촉매 컨버터(7)는 질소 산화물 저장 촉매 컨버터(5)의 탈황화 동안 형성된 임의의 H2S가 주변 공기로 배출되는 것을 방지하며, 여기서, 이는 H2S를 저장하고, 희박 배기 가스 조건 하에서, 이를 다시 이산화황(SO2)으로서 방출한다. 상술한 기능 중 어느 것이 미립자 필터(6) 및/또는 촉매 컨버터(7) 중 어느 쪽에 통합되는지는 용례에 따라 변할 수 있으며, 당업자에 의해 특정되어야 한다.
산화 촉매 컨버터, H2S 차단 촉매 컨버터, SCR 촉매 컨버터, NOx 저장 촉매 컨버터, 탄화수소 저장부, 삼원 촉매 컨버터로 구성된 그룹으로부터 선택된 특성을 갖는 다른 촉매 컨버터(8)가 저압 EGR 라인(14)의 하류의 배기 섹션에 배치되는 시스템이 특히 바람직하다. 상기 선택적 촉매 컨버터(8)는 저압 EGR 회로 외부에 배치되고, 예로서, 산화 촉매 컨버터로서 설계되는 경우, NSC 재생 이후 불완전하게 연소된 환원제를 산화시키는 역할을 할 수 있다. 이 목적을 위해, 촉매 컨버터(8)는 예로서, Pt, Pd, Rh, Ag, Au, Fe, Cu, Co 및 Ni 같은 환원제의 산화와, 또한, 예로서, 세륨, 파라세오디뮴, 네오디뮴 및 이크륨 같은 희토류 금속 화합물 같은 산소 저장 재료 양자 모두를 허용하는 촉매 특성을 가져야 하며, 이는 일시적 화학량론적 배기 가스에서도 환원제를 변환하기 위해 저장된 산소를 사용할 수 있다.
엔진으로부터 떨어져 있는 상기 촉매 컨버터(8)의 위치와, 결과적인 비교적 낮은 배기 가스 온도의 결과로서, 예로서, 이하와 같은 배기 가스 구성요소의 흡착을 실행하는 코팅이 마찬가지로 특히 유리하다.
- 질소 산화물 저장 촉매 컨버터의 탈황화 동안 H2S 차단 촉매 컨버터 내의 H2S의 흡착,
- 엔진의 냉간 시동 동안 또는 미립자 필터나 질소 산화물 저장 촉매 컨버터의 재생 동안 예로서 수산화탄소 저장부 또는 산화 촉매 컨버터에서의 탄화수소의 흡착,
- 질소 산화물 저장 촉매 컨버터(5)의 NOx 저장 활동이 더 이상 충분한 배기 가스 정화를 위해 충분하지 않는 특히 증가된 배기 가스 온도를 갖는 엔진 동작 지점에서 NOx 변환의 추가적 개선을 달성하기 위해 예로서 SCR 촉매 컨버터 또는 질소 산화물 저장 촉매 컨버터에서의 질소 산화물의 흡착,
- 질소 산화물 저장 촉매 컨버터의 재생 동안 형성된 암모니아를 포획하기 위해 예로서 SCR 촉매 컨버터에서의 암모니아 흡착.
촉매 컨버터(8)는 산소 촉매 컨버터 및/또는 H2S 차단 촉매 컨버터를 갖는 것이 매우 특히 바람직하다.
다양한 기능을 갖는 촉매 활성 코팅은 선택적으로 마찬가지로 NOx 저장 촉매 컨버터(5) 상의, 그리고, 선택적 촉매 컨버터(7) 및 (8) 상의 층 및/또는 구역에 적용될 수 있으며, 여기서, 코팅은 관통유동 모놀리스(monolith)라 통상적으로 지칭되는 허니콤 형상 지지체에 적용되는 것이 바람직하다.
다른 양호한 실시예에서, 산화 촉매 컨버터 또는 삼원 촉매 컨버터(TWC)가 탄화수소 및 CO의 개선된 변환을 달성하기 위해 질소 산화물 저장 촉매 컨버터(5)의 상류에 배열된다. 또한, 상기 선택적 촉매 컨버터는 추가적으로 코팅을 또한 포함할 수 있으며, 이 코팅은 재생 동안 공급되는 탄화수소를 부분적으로 산화시키고, 부분적으로 산화된 탄화수소, CO 및 수소 같은 환원제로 상기 탄화수소를 변환시키며, 이는 질소 산화물 저장 촉매 컨버터의 개선된 재생을 가능하게 한다. 상기 반응은 특히, Pt 및 Pd를 포함하는 촉매에 의해 촉매화된다.
다른 양호한 실시예에서, 질소 산화물 저장 촉매 컨버터(5)는 또한 미립자 필터(6)에 및/또는 촉매 컨버터(7)에 통합될 수 있고, 그 결과, 질소 산화물 저장 촉매 컨버터(5)는 불필요해질 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, HP EGR 라인(15)이 상술한 조치에 추가로 제공되는 시스템이 마찬가지로 바람직하다.
본 명세서에 설명한 촉매 컨버터 및 구성요소 기능은 종래 기술로부터 나타난다. 예로서, EP 2112339는 유리한 산화 촉매 컨버터 및 미립자 필터를 제공한다. DE 102009039249호 및 DE 102008048854호는 바람직하게 사용되어야 하는 질소 산화물 저장 촉매 컨버터를 제공하고, WO2011/023332호는 일반적으로 본 발명을 위해 바람직한 저장 재료에 관련한다.
본 발명에서, 디젤 엔진은 희박 연소 엔진으로서 사용되는 것이 특히 바람직하다.
낮은 배기 가스 온도에서(≤350℃, 바람직하게는 ≤250℃, 특히 바람직하게는 ≤200℃), NOx 동반 질소 산화물 저장 촉매 컨버터의 재생 효율을 개선시키기 위해, 본 발명에 따라서, 재생의 기간은 예로서, 본 발명에 따른 이하의 방법의 적용을 통해 현저하게 증가된 HC/CO 배기물 또는 연료 소비 없이 길어지는 것이 본 발명에 따라 제공된다.
질소 산화물 저장 촉매 컨버터 및 코팅될 수 있는 DPF(미립자 필터)를 포함하는 희박 연소 엔진의 배기 시스템과, 또한, 저압 배기가스 재순환(EGR)을 위한 장치는 이하와 같이 동작된다:
1. 희박 연소 엔진은 희박 연소 프로세스(정상 동작)로 동작되며, 배기 가스는 질소 산화물 저장 촉매 컨버터 및 코팅될 수 있는 DPF를 통해 전달되며, 질소 산화물의 일부는 질소 산화물 저장 촉매 컨버터 내에 저장되고, 수트 입자의 일부는 DPF 내에서 분리된다.
2. 질소 산화물 저장 촉매 컨버터가 그 정화 효율을 유지하는 것을 지속하기 위해 재생되어야 할 때, 엔진이 오버런 동작 상태인 구동 동작의 페이즈가 이 목적을 위해 사용된다. 상기 페이즈 동안(그 동안 일반적으로 어떠한 연료도 엔진 내로 주입되는 동작), 바람직하게는 배기 가스의 100%가 엔진으로 다시 재순환된다. 이는 이 페이즈의 시작점에서, 저압 EGR 밸브(9)가 개방되고, 생성 작동을 위한 연료의 공급이 종료되고, 동시에, 흡기 공기를 위한 스로틀 플랩(11) 또는 다르게는 배기 가스 플랩(10)이 대략 완전히 폐쇄되는 것이 달성된다. 작동기의 조절의 순서 및 속도는 원하는 압력 서지, 노이즈 및 진동이 방지 또는 감소될 수 있도록 각각의 구동 상황과 조화되는 방식으로 이루어지는 것이 바람직하다. 동시에, 재생 람다값 달성을 위해 요구되는 연료 양은 이하의 변수로부터 계산되는 것이 바람직하다: 회로 경로의 체적 및 회로 경로 내에 배치된 가스의 현재 상태(압력, 온도 및 람다 같은). 또한, 질소 산화물 저장 촉매 컨버터(5) 내에 현재 저장된 질소 산화물의 환원을 위해 필요한 요구 연료 량과, 가능하게는 추가적 촉매 컨버터(6 및 7)와 저장될 수 있는 산소의 양이 바람직하게 계산된다. 두 개의 계산된 연료량은 바람직하게는 하나 이상의 연료 노즐에 의해 부분적으로 및/또는 단계적으로 또는 완전히 회로 경로 내로 투입된다. 설정되는 재생 람다값은 람다 ≤ 1의 값을 가져야 한다. 이때, 연료의 주입은 차단된다.
3. 농후 배기 가스는 이제 질소 산화물 저장 촉매 컨버터를 통해 회로 내로 전달되고, 추가로, 연료는 필요시, 예로서, 람다가 1보다 큰 값으로 상승하는 경우 주입될 수 있다. 필요한 연료량은 질소 산화물 저장 촉매 컨버터의 상류 및/또는 질소 산화물 저장 촉매 컨버터의 하류의 람다값으로부터, 그리고, 순환 경로의 체적과 배기 가스 재순환율로부터 결정될 수 있다. 재생의 종점은 이상적 회전 속도가 도달될 때, 엔진이 정지될 때 또는 엔진으로부터의 파워에 대한 수요시, 질소 산화물 저장 촉매 컨버터 내에 저장된 질소 산화물의 완전한 환원시에 도달된다.
4. 재생의 종점이 도달되었을 때, 배기 가스(10) 및/또는 스로틀 플랩(11)이 다시 개방되며, 저압 EGR율이 밸브(9) 조절에 의해 감소되고, 연소 혼합물은 다시 희박 동작으로 설정된다. 회로에서 수행되는 환원제 농후 배기 가스가 완전히 그리고 급격하게 처리 내의 주변 공기로 배출되어 HC 및 CO 배기물의 집약적 상승을 초래하는 것을 방지하기 위해, 이하의 방법이 제안된다: 재생의 종점 이후, 단지 혼합물이 미소하게 희박해지는 양의 신규 공기가 저압 가스 회로 내로 혼합되고, 50%를 초과하는, 바람직하게는 80%를 초과하는, 특히 바람직하게는 약 100%를 초과하는 높은 EGR율이 유리하게는 잉여 환원제가 촉매 컨버터(5, 6, 7)를 가로질러 대부분 산화될 때까지 계속 유지된다. 단지 그 후, 다시 정상 희박 동작으로의 완전한 절환이 이루어진다. 작동기의 조절의 순서 및 속도는 원치 않는 압력 서지, 노이즈 및 진동이 방지 또는 감소되도록 각각의 구동 상황과 조화되는 방식으로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 구동 특성은 재생 동안 가능한 부정적인 영향을 받지 않을 수 있으며, 그 이유는 본 발명에 따라서, 엔진이 동작할 필요가 없을 때 재생이 이루어지기 때문이다. 또한, 이는 본 발명에 따른 방법에 준한 재생 동안의 오일 희석 위험을 감소시킨다. 또한, 이 방법 동안 질소 산화물 저장 촉매 컨버터의 OBD(온보드 진단)이 수행될 수 있게 한다.
또한, 이 방법은 비교적 높은 배기 가스 온도에서 적용될 수 있다.
여기서, 장점은 이하를 포함한다.
- 재생 동안의 더 낮은 연료 소비.
- 재생이 가능한 추가적 동작 상태.
- 재생 동안 발열성 열의 감소된 생성 및 결과적으로, 재생 이후의 질소 산화물 저장 촉매 컨버터의 개선된 저장 거동.
- 탈착된 NOx가 저압 EGR 시스템을 통해 질소 산화물 저장 촉매 컨버터를 가로질러 다수회 수행되고 그 후 농후 조건에서 감소되기 때문에, 재생의 시작시의 NOx 탈착 피크의 감소.
- 농후 동작 조건 하에서의 질소 산화물 저장 촉매 컨버터를 가로질러 다수회 전달된 N2O의 결과로서 재생 동안 N2O 배기물의 감소.
- NH3를 형성하기 위해 질소 산화물 저장 촉매 컨버터를 가로지른 다수회 NOx 감소의 가능성의 결과로서의 높은 NH3 산출량.
- 환원제의 더 효율적 활용의 결과로서 재생 동안 탄화수소 및 CO 배기물의 감소.
본 발명에 따른 방법은 NOx 저장 촉매 컨버터의 NOx 재생을 위해서 뿐만 아니라 NOx 저장 촉매 컨버터의 탈황화(황 재생)를 위해서도 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따라, 표현 "질소 산화물 저장 촉매 컨버터의 재생"은 질소 산화물, 그리고, 또한, 저장된 황 산화물의 제거를 통한 촉매 컨버터의 저장 용량의 회복 양자 모두를 의미하는 것으로 이해된다. 양자 모두가 동시에 이루어지는 것은 필수적인 것은 아니다.
질소 산화물 저장 촉매 컨버터는 엔진 오일 및 연료에 포함된 황에 의해 그 기능에 관하여 훼손되며, 그 이유는, 상기 질소 산화물 저장 촉매 컨버터가 황과 결합하고, 이는 매우 안정적인 황산염의 형태로 배기 가스 내로 전달되며, 이는 질소 산화물 저장 용량을 댓가로 한다. 탈황화는 본 발명의 범주 내에서, 형성된 황산염의 파괴 및 수소 황화물 또는 바람직하게는 이산화황으로서의 그 배기물을 의미하는 것으로 이해된다. 이를 위해, 배기 가스는 탈황화 조건이 되어야만 하며, 즉, 이는 농후화되고 그 온도가 증가되어야만 한다.
당업자는 질소 산화물 저장 촉매 컨버터에서, 황 산화물은 질소 산화물보다 더 많이 견고히 결합된다는 사실에 친숙하다. 따라서, 황 산화물에 관하여 질소 산화물 저장 촉매 컨버터의 재생이 이루어지는 조건은 질소 산화물에 관한 질소 산화물 저장 촉매 컨버터의 재생에 대하여 상술된 것보다 더욱 극적으로 선택되어야만 한다. 상세한 설명은 이하에서 찾을 수 있다: "Untersuchungen zum Einsatz eines NOx-Speicherkatalysators am Dieselmotor"["디젤 엔진 상의 NOx 저장 촉매 컨버터의 사용에 관한 시험들(Tests regarding the use of a NOx storage catalytic converter on the diesel engine)"](P. Kattwinkel, VDI, Series 12, no. 638, ISBN 978-3-18-363812-3). 원론적으로, 본 발명에 따른 상술한 방법과, 또한, 본 발명에 따른 시스템도 황 산화물에 관한 질소 산화물 저장 촉매 컨버터의 재생을 위해 사용될 수 있다. 여기에 제공된 양호한, 그리고, 유리한 실시예는 따라서, 질소 산화물 저장 촉매 컨버터의 탈황화를 위해 고수되어야 하는 조건을 고려하여 유사하게 적용된다.
질소 산화물 저장 촉매 컨버터에 황 함유 배기 가스가 탑재될 때, 따라서, 저장 촉매 컨버터는 저장된 질소 산화물의 제거를 위한 규칙적 재생을 받을 뿐만 아니라, 또한, 형성되는 황산염에 의해 유발되는 질소 산화물 저장 용량의 연속적 열화를 역전시키기 위해 때때로 탈황화되어야만 한다. 두 탈황화 사이의 간격은 자체적으로 명백하게 연료의 황 함량에 의존하지만, 높은 황 함량의 경우에도 저장된 질소 산화물을 제거하기 위한 두 개의 재생 사이의 간격보다 현저히 더 길고 일반적으로 수 시간 또는 수일이거나, 대략 1000-6000 km의 구동 거리이다.
배기 가스의 공기 비율(λ)은 이 목적을 위해 1과 0.7 사이, 바람직하게는 0.99 내지 0.8, 그리고, 특히 바람직하게는 0.97 내지 0.90 사이의 값으로 감소되어야만 한다. 탈황화 동안, 배기 가스 온도는 >500℃, 바람직하게는 500℃와 850℃ 사이, 그리고, 특히 바람직하게는 550℃와 750℃ 사이의 값이다.
탈황화를 위해, 탈황화 동안의 온도 및 황화의 수준에 의존하여 2 내지 15분의 시간이 일반적으로 필요하다. 탈황화는 일반적으로 탈황화 온도가 도달될 때 교번적으로 농후/희박 조건 하에서 수행됨으로서 가능한 황이 H2S가 아닌 SO2로서 탈착되고 촉매 컨버터가 탈황화 온도(이에 관하여, 또한, 상술한 문헌 참조)로 유지되도록 수행되는 것이 일반적이다. 또한, 구동성의 이유로, 디젤 엔진의 경우에, 긴 시간 기간 동안 농후 조건 하에서 구동이 수행되는 것이 곤란하다. 따라서, 실제로, 5-10초 농후 및 5-20초 희박의 농후/희박 교번으로 구동이 수행된다. 따라서, 전체 탈황화는 마찬가지로 단지 수초 지속되는 저장 촉매 컨버터의 질소 산화물 재생보다 현저히 길게 지속된다. 그러나, 본 발명에 따른 방법에 의해, 엔진의 전체 오버런 동작에 걸쳐 탈황화 동안의 농후 주기가 연장되는 것이 가능하며, 엔진의 오버런 동작은 종래의 것 이외의 10초의 최대치보다 현저히 길게 지속될 수 있다. 연장된 농후 기간은 순차적으로 가능한 신속하게 질소 산화물 저장 촉매 컨버터의 외부로 황을 구동하는 것을 돕는다.
탈황화는 연료 소비를 댓가로 하며, 요구되는 비교적 높은 배기 가스 온도에 기인하여 촉매 컨버터의 급속한 노화를 초래할 수 있다. 따라서, 희박 연소 내연 기관을 갖는 자동차가 유럽 시장에서 바람직하게 판매되고, 그 이유는 여기에서 판매되는 연료가 10 ppm 미만의 황 함량을 갖기 때문이다. 미국에서, 비록 배기 가스 법률이 특히 엄격하지만, 그러나, 여기서 스파크 점화 엔진을 위한 연료 내의 황 함량은 현재 여전히 30 ppm까지 존재한다. 다른 지역에서, 연료 내의 황 함량은 여전히 현저히 더 높다.
따라서, 연료 내의 높은 황 함량을 갖는 시장을 위한 희박 연소 엔진을 갖는 자동차의 개발이 또한 고려되어야만 하며, 이 경우, 질소 산화물 저장 촉매 컨버터는 빈번히 탈황화되어야만 한다. 빈번한 탈황화의 상술한 단점, 특히, 촉매 컨버터의 높은 온도 부하와 증가된 연료 소비에 추가로, 다른 단점은 탈황화 동안 질소 산화물과 탄화수소의 증가된 배기물이다. 탈황화 동안의 배기물은 매우 높으며, 그 이유는 탈황화를 위해, 질소 산화물 저장 촉매 컨버터의 외부로 수소 황화물 또는 이산화황의 형태로 황을 구동할 수 있게 하기 위해 농후 배기 가스 혼합물이 요구된다. 농후 배기 가스는 고 농도의 불연소 탄화수소, 일산화탄소 및 질소 산화물과 질소 산화물로부터 촉매 컨버터 상에 형성된 암모니아를 포함한다. 농후 가스가 촉매 컨버터 상의 상기 구성요소를 변환하기에 충분한 산소를 포함하지 않기 때문에, 따라서, 상기 오염물은 일반적으로 정화 없이 대기로 배출된다.
NOx 저장 촉매 컨버터를 탈황화하기 위해 마찬가지로 본 발명에 따른 방법 및 시스템을 사용하는 것을 통해, 탈황화 동안의 증가된 오염 배기물은 실질적으로 억제될 수 있고, 그 이유는, 탈황화 동안, 질소 산화물에 관한 재생과 유사하게, 구성요소가 이 공정 동안 방출되지 않기 때문이다. 도 1 또는 도 2에 따른 배열은 이 목적을 위해 바람직하다. 여전히 저압 EGR 회로 내에, 즉, 미립자 필터(6) 및/또는 선택적 촉매 컨버터(7)상에 있지만 NOx 저장 촉매 컨버터(5)의 하류에 H2S 차단 촉매 기능이 배열되는 것이 특히 유리한 것으로 판명되었으며, H2S 차단 촉매 기능은 농후 배기 가스 조건 하에서 배기 가스 외부로의 수소 황화물(H2S)의 필터링과, 후속하여, 희박 배기 가스 조건 하에서 이산화황(SO2)의 형태로 배기 가스로의 이의 재방출을 가능하게 한다. 따라서, 미립자 필터(6) 및/또는 촉매 컨버터(7)는 H2S 차단 촉매 기능으로 코팅된 배기 가스 정화 시스템이 특히 바람직하다.
NOx 저장 촉매 컨버터(5)의 황 재생(탈황화)을 위해, 본 발명에 따른 시스템은 원론적으로 서두에 설명된 것 같은 본 발명에 따른 동일한 방법을 사용하여 동작된다. 관찰되는 특정사항이 추가로 상술되어 있다. 또한, 질소 산화물 저장 촉매 컨버터의 탈황화 동안, 저장된 황 화합물은 파괴되어 예로서, H2S 및 SO2 같은 휘발성 황 구성요소를 형성하며, NOx 저장 촉매 컨버터로부터 탈착된다. H2S는 유리하게 하류에 배열된 H2S 차단 촉매 컨버터 기능 상에 저장되며, SO2는 마찬가지로 농후 배기 가스 내에서 감소되어 H2S를 형성하고 H2S 차단 촉매 컨버터 내에 저장될 때까지 회로 내에서 수행된다. 탈황화의 종점은 질소 산화물 저장 촉매 컨버터에 저장된 황 산화물의 완전한 감소시, 이상적 회전 속도가 도달될 때, 엔진이 정지될 때 또는 엔진으로부터의 파워 수요시에 도달된다.
재생의 종점이 도달되었을 때, 배기 가스(10) 및/또는 스로틀 플랩(11)이 다시 개방되고, 저압 EGR율은 밸브(9)를 조절함으로써 감소되고, 연소 혼합물은 다시 희박 동작으로 설정된다. 회로 내에서 전달되는 환원제 농후 배기 가스가 프로세스의 주변 공기로 완전히, 그리고, 급격하게 배출되어 HC 및 CO 배기물의 집약적 상승을 초래하는 것을 방지하기 위해, 이하의 방법이 제안된다.
1. 재생의 종점 이후, 혼합물이 단지 미소하게 농후한 상태로 유지되는(예로서, 람다 = 0.98 내지 0.999) 신규 공기의 양만이 저압 가스 회로 내로 혼합되며, 바람직하게 잉여 환원제가 촉매 컨버터(5, 6, 7)를 가로질러 대부분 산화될 때까지 80%를 초과, 바람직하게는, 90% 초과, 특히 바람직하게는 95%를 초과하는 높은 EGR율이 지속적으로 유지된다.
2. 그 후에만, 다시 정상적 희박 동작으로의 완전한 절환이 이루어진다. 작동기의 조절의 순서 및 속도는 원하는 압력 서지, 노이즈 및 진동이 방지 또는 감소되도록 각각의 구동 상황과 조화되는 방식으로 이루어지는 것이 바람직하다.
3. 희박 동작으로의 절환 이후, H2S 차단 촉매 컨버터에 의해 저장된 황 구성요소는 SO2의 형태로 배기 가스 내로 방출된다.
탈황화 동안, 이 방법에서, H2S 차단 촉매 컨버터 내에 저장된 황 구성요소가 다시 SO2로서 탈착되고, 저압 EGR을 통해 NOx 저장 촉매 컨버터에 다시 공급되고 황산염으로서 다시 저장되는 상황을 방지하기 위해 람다값이 1을 초과하여 증가하지 않는 것을 보증하는 것이 유리하다. 또한, 탈황화의 종점 이후, 그리고, 직접적으로 1보다 큰 람다로의 절환 이후, SO2가 저압 EGR을 통해 다시 희박 분위기의 NOx 저장 촉매 컨버터에 공급되는 것을 방지하기 위해, H2S 차단 촉매 컨버터가 SO2의 탈착에 의해 H2S가 완전히 비워질 때까지 저압 EGR이 가능한 완전하게 차단되는 것이 유리하다.
질소 산화물 저장 촉매 컨버터를 탈황화하는 방법은, 질소 산화물 저장 촉매 컨버터 내의 온도가 탈황화 온도를 초과하는 값에 도달할 때마다, 이 방법이 오버런 동작 페이즈에서 수행되도록 유리하게 적용된다. 500℃를 초과하는 온도가 질소 산화물 저장 촉매 컨버터를 탈황화하기 위해 일반적으로 요구되기 때문에, 예로서, 비교적 긴 오르막(증가된 부하 수요 및 온도 상승) 이후의 내리막(오버런 조건) 동안 또는 DPF 재생 이전/이후 또는 도중에, 오버런 동작이 이루어질 때 탈황화를 위한 가능성이 제공된다. 본 발명의 다른 유리한 실시예에서, 탈황화는 또한 질소 산화물 저장 촉매 컨버터에서 탈황화 온도가 도달된 이후, 먼저 배기 가스가 1 이하의 람다의 값으로 설정되고, 후속하여, 대략 5 내지 30초 이후, 저압 EGR 율이 100%에 근접한 값으로 설정되도록 수행될 수도 있다. 이는 탈황화의 시작시에 형성된 SO2가 사전에 회로 내에서 전달될 필요 없이 대기로 여전히 배출될 수 있고, 탈황화동안 추후 형성된 H2S만이 회로 내에서 전달되어 H2S 차단 촉매 컨버터에 저장된다는 장점을 가질 수 있다.
질소 산화물 저장 촉매 컨버터를 탈황화하기 위한 본 발명에 따른 방법은 이 방법을 사용하지 않는 종래의 탈황화에 비해 이하의 장점을 제공한다.
1. 농후 배기 가스가 연속적으로 생성되고 방출되지 않지만, 대신 회로 내에서 전도되기 때문에 탈황화 동안 현저히 감소된 HC, CO, NH3, NOx 및 입자 배기물.
2. 오버런 동작이 존재할 때 DPF 재생 동안 탈황화가 수행될 수 있다.
3. 탈황화는 엔진의 추가적 동작 상태에서 이루어질 수 있다.
4. 단지 소량의 연료만이 저압 EGR 내의 배기 가스를 농후 상태로 설정할 필요가 있기 때문에, 탈황화 동안의 현저히 감소된 연료 소비.
5. 농후 페이즈의 장기화 및 이에 따른 촉매 컨버터 노화를 초래하는 농후/희박 교번의 감소의 결과로서 NOx 저장 촉매 컨버터의 열적 노화의 감소.
6. 탈황화 동안 오일 희석 효과의 감소.
7. 예로서, 구동 쾌적성, 배기물 및 오일 희석의 이유 때문에 정상 구동 동작에서는 어렵게만 실시될 수 있는 농후 조건 하에서의 더 긴 시간 기간 동안의 구동 가능성을 통한 더 효율적인 탈황화.
NOx 저장 촉매 컨버터의 재생의 조절은 차량 내의 전자 제어 유닛(ECU)에 의해 실현된다. 당업자는 이런 전자 조정 프로그램의 구성 및 실행에 매우 친숙하다.
본 발명에 따른 질소 산화물 저장 촉매 컨버터의 더욱 효율적인 재생의 결과로서, 시스템에 더 적은 귀금속이 사용될 수 있게 하고, 그 이유는 다른 경우에는 저온에서도 질소 산화물 저장 촉매 컨버터를 재생할 수 있도록 더 높은 양의 귀금속이 요구되기 때문이다. 또한, 구동 특성은 재생 동안 훼손되지 않고 오일 희석은 최소화된다. 이는 공지된 종래 기술의 배경에서는 예측되지 않는다.
1: 엔진 2: 실린더
3: 배기 시스템 4: 흡기 공기 시스템
5: NOx 저장 촉매 컨버터 6: 미립자 필터
7: 선택적 촉매 컨버터
8: 선택적 촉매 컨버터(또한, (10)의 하류에 배열될 수도 있음)
9: 저압 EGR 값 10: 배기 플랩
11: 스로틀 플랩
12: 공기/연료 비율을 검출하기 위한 센서, 예로서, 람다 센서
13: 공기/연료 비율을 검출하기 위한 센서, 예로서, 람다 센서 또는 NOx 센서(또한, (5) 또는 (7)의 하류에도 배열될 수 있음)
14: 저압 EGR 라인 15: 고압 EGR 라인
16: 고압 EGR 밸브 17: 터보차저의 압축기
18: 터보차저의 터빈

Claims (17)

  1. 차량의 희박 연소 엔진(1)의 배기 라인(3) 내에 배열된 질소 산화물 저장 촉매 컨버터(5)를 재생하는 방법으로서, 상기 엔진(1)에는 저압 배기 가스 재순환을 위한 장치가 구비되고, 상기 엔진은 저압 EGR 라인(14) 내의 저압 EGR 밸브(9)와 함께 배열되며, 또한 상기 엔진은 배기 가스 배출물(10)을 감소시키기 위한 장치, 또는 흡기 공기(11)를 감소시키기 위한 장치, 또는 배기 가스 배출물(10)을 감소시키기 위한 장치 및 흡기 공기(11)를 감소시키기 위한 장치 모두와 함께 배열되는, 상기 질소 산화물 저장 촉매 컨버터 재생 방법에 있어서,
    상기 흡기 공기(11)를 감소시키기 위한 장치에 의한 상기 흡기 공기의 스로틀링, 또는 상기 배기 가스 배출물(10)을 감소시키기 위한 장치에 의한 상기 배기 가스의 배출의 감소, 또는 상기 흡기 공기(11)를 감소시키기 위한 장치에 의한 상기 흡기 공기의 스로틀링 및 상기 배기 가스 배출물(10)을 감소시키기 위한 장치에 의한 상기 배기 가스의 배출의 감소 모두에 의해, 상기 배기 가스가 시동하는 상기 엔진(1)을 거쳐 상기 저압 EGR 밸브(9)를 통해, 그리고, 상기 질소 산화물 저장 촉매 컨버터(5)를 통해, 회로 내에서 안내되는 방식으로 상기 엔진의 오버런(overrun) 동작 동안 상기 재생이 수행되며, 이 시간 동안 1 이하(≤1)의 람다값에 대응하는 공기-연료 혼합물이 설정되고,
    상기 엔진이 여전히 변속기에 결합되어 있을 때, 상기 엔진의 오버런 동작은 상기 차량의 관성 또는 중력 질량의 작용하에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 질소 산화물 저장 촉매 컨버터 재생 방법.
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  5. 제 1 항에 있어서, 상기 저압 EGR 밸브(9)는 상기 재생 동안 완전히 개방되는 것을 특징으로 하는 질소 산화물 저장 촉매 컨버터 재생 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 재생 동안, 0.8 내지 1의 람다값에 대응하는 공기-연료 혼합물이 유지되는 것을 특징으로 하는 질소 산화물 저장 촉매 컨버터 재생 방법.
  7. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 질소 산화물 저장 촉매 컨버터의 재생 및 상기 엔진의 오버런 동작의 개시와 기간을 계산하기 위해 상기 차량의 주변 데이터가 사용되는 것을 특징으로 하는 질소 산화물 저장 촉매 컨버터 재생 방법.
  8. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 질소 산화물들에 관한 상기 질소 산화물 저장 촉매 컨버터(5)의 재생은 상기 질소 산화물 저장 촉매 컨버터에서 150과 500℃ 사이의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 질소 산화물 저장 촉매 컨버터 재생 방법.
  9. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 황 산화물들에 관한 상기 질소 산화물 저장 촉매 컨버터(5)의 재생은 상기 질소 산화물 저장 촉매 컨버터에서 500℃를 초과한 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 질소 산화물 저장 촉매 컨버터 재생 방법.
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