KR102309229B1 - 내연기관 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나 이상의 배기가스 처리 장치와 하나 이상의 요소-물-용액 탱크(AUST)(3)를 구비한 하나 이상의 배기가스 라인을 포함하는 내연기관에 관한 것으로서, 이때 AUST(3)는 엔진 가까이 배치되어 있다.

Description

내연기관{COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연기관에 관한 것이다.
예를 들어, 상기 유형의 내연기관은 하나 이상의 가열 부재를 갖는 환원제 공급 시스템을 제어하기 위한 방법을 기재하고 있는 DE 103 48 800으로부터 공지되어 있다. 이러한 공급 시스템은 상류에서 SCR 촉매 컨버터와 연결되어 있다. 환원제를 공기 지원 방식으로 공급 시스템 내에 분사하는 경우, 가열된 부재에 의해 증발된, 공기와 환원제의 혼합물이 형성되고, 상기 혼합물은 SCR 촉매 컨버터 내에 유입되는 배기가스 혼합물 내에 도입된다. 환원제로서는 수성 요소 용액이 이용된다. AUS와 공기를 위한 혼합 유닛 및 가열 부재/증발 유닛을 포함하는 전체 공급 시스템은 SCR 촉매 컨버터 쪽을 향해 유출 측에서 배기가스를 안내하는 튜브 내로 엔진 배출구 쪽을 향해 통합된다. AUS-공기 혼합물의 증발을 위해 필요한 열량은 전기적으로 12V 배터리 전류의 도움으로 생성된다.
DE 10 2007 029 674는, 특히 내연기관의 배기가스 시스템의 산소 함유 가스 유동에서 질소산화물 감소를 위한 모듈을 개시하고 있으며, 상기 모듈은 질소산화물 및 산소를 안내하는 가스 라인 내에 배치되는 SCR 촉매 컨버터와, 암모니아 전구물질을 함유하는 용액을 암모니아 용액으로 변환시키는 변환 반응기와, 별도의 부품으로서 형성되어 변환 반응기의 하류에 연결되며 내부에서는 암모니아 용액이 가스 라인 내로 유입되기 전에 SCR 촉매 컨버터의 상류에서 증발되는 증발 유닛을 포함한다. 암모니아 전구물질을 함유하는 용액(바람직하게는 요소 수용액)이 암모니아 용액으로 변환되는 것은, 본 발명에 따라 마이크로파의 이용하에 수행된다. 별도의 부품으로서 형성되는, 암모니아 용액을 위한 증발 유닛의 상류에는, 예컨대 배기가스 재순환 라인의 열이 이용됨으로써 증발을 위해 필요한 에너지를 감소시키기 위해, 암모니아 용액을 가열하기 위한 열교환기가 연결될 수 있다. 증발기 자체는 전기 작동식 가열 부재이다.
DE 10 2007 042 836은, 암모니아를 유리시키는 액체, 예컨대 요소 수용액을 이용한, 자동차의 배기가스 후처리를 위한 장치를 개시하고 있으며, 상기 장치는 액체를 저장하기 위한 저장 탱크를 포함하고, 액체를 온도 조절하기 위한 온도 조절 장치가 제공된다. 온도 조절 장치는 액체의 냉각을 위해 자동차의 냉각 회로에 할당된다. 냉각 회로는 내연기관의 냉각 회로일 수 있거나, 에어 켠디셔닝 시스템 회로일 수 있다. 온도 조절 장치는 별도의 부품으로서 형성된다. 온도 조절 장치에 의해 액체가 가열되면서 액체의 동결이 방지될 수 있거나, 액체는 특히 우수한 배기가스 정화를 제공하는 바람직한 온도 레벨로 가열될 수 있다.
DE 10 2009 009 538은, 내연기관의 배기가스 시스템을 위한 유체 첨가제, 바람직하게는 요소 수용액을 온도 조절하기 위한 시스템을 개시하고 있으며, 상기 시스템은, 특히 에어 컨디셔닝 시스템의 냉매 시스템의 냉매 회로와 첨가제 사이에서 열교환을 위한 수단을 특징으로 한다.
DE 10 2007 011 184에 기술된 개발의 과제는, 내연기관, 특히 디젤 엔진의 배기가스 함량을 더욱 감소시키고 배기가스의 처리를 위해 필요한 조립 공간을 최소화시키는 것에 있다. 상기 과제의 해결을 위해, 내연기관의 배기가스의 재순환을 위해 자동차의 내연기관의 배기가스의 냉각을 위한 열교환기가 개시된다. 상기 열교환기는 냉각을 위한 하나 이상의 제1 유체를 이용한 관류를 위한 하나 이상의 제1 유동 채널과, 냉각할 제2 유체를 이용한 관류를 위한 하나 이상의 제2 유동 채널을 포함할 뿐 아니라, 하나 이상의 제1 유동 채널 및 하나 이상의 제2 유동 채널을 수용하기 위한 하우징도 포함한다. 하우징은 열교환기 내로 제2 유체의 유입을 위한 하나 이상의 유입 섹션과, 열교환기로부터 제2 유체를 유출시키기 위한 하나 이상의 유출 섹션을 포함한다. 열교환기는 액상 요소 용액을 적어도 암모니아 가스로 변환하기 위한 하나 이상의 장치를 특징으로 한다.
WO 2012/022687은, 환원제를 위한 하나 이상의 저장기와 환원제를 위한 하나 이상의 공급 장치를 포함하는 배기가스 후처리 장치를 작동시키기 위한 방법을 개시하고 있으며, 상기 방법은 적어도 하기 단계들, 즉 a) 하나 이상의 저장기의 충전 레벨을 검사하는 단계와; b) 현재의 배기가스 질량 유량을 검사하는 단계와; c) 하나 이상의 저장기의 충전 레벨이 충전 레벨 최솟값을 하회하고 배기가스 질량 유량이 저부하 영역에 위치한다면, 환원제를 공급하는 단계를 포함한다. 특별한 실시예에서, 단계 c)에서는 하기 조처들 중 하나 이상의 조처가 실행되며, 즉 적어도 배기가스 질량 유량 또는 환원제의 가열 및 환원제의 공급이 실행된다. 이 경우, 환원제 쪽으로 향하는 열 공급은 외부 전기 히터를 통해 보장되고 향상될 수 있다.
DE 10 2009 025 135는, 요소 수용액의 증발을 위한 장치를 개시하고 있으며, 상기 장치는, 열 에너지의 공급을 위한 하나 이상의 제1 구역 및 제2 구역을 통과하여 연장되는 요소 수용액용 이송 채널을 포함하고, 상기 두 구역은 서로 분리되어 가열될 수 있고, 제2 구역 내의 이송 채널은 맨 먼저 제2 유입 영역에 곡류형(meandering) 연장부를 포함하고 그런 후에는 직선형 연장부를 포함한다. 제1 구역에서 요소 수용액은 100℃ 내지 180℃ 범위의 온도로 예열되고, 제2 구역에서는 420℃ 내지 490℃의 온도에서 증발된다.
DE 10 2008 012 087은, 마찬가지로 별도의 부품으로서 형성되어, 요소 수용액에서 암모니아를 함유하는 가스 유량을 생성하기 위한 증발 유닛을 개시하고 있다.
종래 기술에 따르는 산업용 엔진은 전형적으로, 유효한 배기가스 규정들(Tier4 최종 단계 / EU 단계 IV 및 후속 단계들)을 준수하기 위해, 앞서 언급한 EP-B 1 054 722에 따른 촉매 작용형 EAT 시스템들[소위, SCR/ASC 촉매 컨버터의 상류에서 요소 수용액(AUS)을 계량 공급하는 DOC/(c)DPF + SCR/ASC로 구성되는 "SCRT® 시스템"으로도 지칭된다]을 이용하여 작동된다.
EAT 시스템이 요구되는 정화 효율로 작동될 수 있도록 하기 위해, 230℃ 이상의 최소 배기가스 온도 및 촉매 컨버터 작동 온도가 요구된다.
저부하 작동 상태들에서, 요구되는 최소 배기가스 온도는 엔진의 열 조치들(예: 엔진의 스로틀링)로만 제공될 수 있다. 필요한 배기가스 온도를 제공하기 위해 배기가스 내로 유입되는 에너지는 구동 트레인용으로 소실된다. 그 결과, 엔진의 구동 효율은 감소하고 연료 소비량은 증가하며 그에 따라 CO2 배출량도 증가한다.
연료 소비량에 대한 특히 큰 부정적인 영향은 밀폐된 디젤 미립자 필터의 재생을 포함한다. 필터 내에 침착되는 매연을 제어하면서 연소하기 위해, 약 600℃의 배기가스 온도가 요구된다. 이를 달성하기 위해, 일반적으로 수동적 재생에 부가적으로, EP-A 2 177 728, EP-A 2 192 279 또는 WO 2010/139429에 따르는, 예컨대 추가적인 연료 후분사, 및 결과적으로 발생하는 미연소된 탄화수소의 DOC로의 발열 변환과 같은 능동적 조치들, 또는 예컨대 연료로 작동되는 버너를 이용한 능동적 재생 조치들이 필요하다.
SCR 시스템의 작동을 위해, 환원제로서는 전형적으로 32.5%의 요소를 함유하는 요소 수용액이 이용된다. 다시 말하면, 요소 수용액에서 암모니아를 유리시키기 위해, 맨 먼저 67.5%의 물이 증발되고 요소는 가수분해에 의해 암모니아와 CO2로 분해되어야 한다.
오늘날 SCR 시스템의 경우, 환원제인 암모니아를 생성하기 위해 필요한 수성 요소 용액(요소-물-용액, AUS, 상품명 AdBlue®)은 온도 조절되지 않은 액상 상태로 SCR 촉매 컨버터로 향하는 유입 측에서 배기가스 내로 분사된다. AUS을, 완전하게, 그리고 암모니아를 (정량적으로) 유리시키면서 기상으로 변환(=요소 처리)하기 위해 필요한 열량은 전적으로 고온의 배기가스를 통해 제공되어야만 한다.
그러나 특히 저부하의 작동점들에서, 배기가스 내에 존재하는 열량은 보통, 마찬가지로 배기가스 내에 존재하는 질소산화물의 완전한 환원을 위해 소요되는 분사된 AUS을 완전히 처리하기에 충분하지 않다. 그 결과, 배기가스 시스템 내에는, 배기가스 시스템을 경우에 따라 완전히 차단시킬 수 있는, 요소, 및 이소시안산, 시아누르산 및 멜라민과 같은 요소 반응 생성물들의 참착물이 발생할 뿐 아니라(결정화), 질소산화물 환원을 위해 필요한 화학량론적 양의 암모니아의 불충분한 제공으로 인해 SCR 반응에서 변환 손실이 발생한다.
본 발명의 과제는, 저부하의 작동점에서도 방해가 되는 결정화 없이 완전한 SCR 변환을 보장하기 위한 충분한 암모니아가 생성될 수 있을 정도로, AUS의 적합한 사전 처리를 통해, 암모니아로의 요소의 처리 및 가수분해를 개선하는 것이다.
이 경우, 비용이 집중되는 추가의 구성 부품, 예를 들어 열 교환기, 가열 장치, 예열 플러그를 배기가스 설비 또는 엔진의 주변에 도입하지 않아도 된다.
상기 과제는 배기가스 라인을 포함하는 내연기관에 의해 해결되는데, 상기 배기가스 라인은 하나 이상의 배기가스 처리 장치와 하나 이상의 요소-물-용액 탱크(AUST)를 구비하되, AUST가 엔진 가까이 배치되어 있다.
또한, 상기 과제는 장치의 작동 방법에 의해 해결된다.
바람직한 구성에 따르면, DOC + SDPF + SCR/ASC로 구성된 EAT 시스템을 구비한 산업용 엔진이 제공되며, 요소 수용액의 분사 대신에, 엔진에 제공된 NH3 재생기 내에서 요소의 확산과, SDPF 이전에, 경우에 따라 추가로 SCR/ASC 이전에 배기가스 내에 암모니아의 계량 공급이 제공될뿐만 아니라, SCR 촉매로 활성화되는 미립자 필터(SDPF)를 위한 수동적 재생 개념이 제공된다. 미립자 필터의 추가의 정상 상태 재생은 서비스의 범주 내에서 이루어지고, 마찬가지로 서비스 간격의 외부에서 매연 재생 비율이 충분하지 않은 경우에 "비-정상 상태 재생"이 실행될 수 있도록 SDPF에 의한 배기가스 배압의 모니터링이 이루어진다.
미립자 필터 내에 SCR 촉매 컨버터 체적을 (부분적으로) 통합하는 것을 통해, 종래의 시스템들에 비해 EAT 시스템의 축소가 가능하다. 그 결과, 콜드 스타트 후 EAT 시스템의 가열 특성은 향상되고 배기가스 시스템을 통한 열 손실은 훨씬 더 적어진다. 또한, 조립 공간 장점들도 제공된다. 미립자 필터의 하류에 배치되는 SCR 촉매 컨버터는 선택에 따라 이용되며, 더욱 정확하게 말하면 미립자 필터 내로 통합될 수 있는 SCR 체적이 작동 시간(8000 작동 시간)에 걸쳐 전체 시스템의 97%를 초과하는 NOx 변환을 보장하기에 충분하지 않을 때 이용된다.
배기가스 시스템으로부터 암모니아로의 요소 처리를 제거하고 EAT 시스템 내로 암모니아를 직접 계량 공급하는 것을 통해, 환원제의 계량 공급을 위한 온도 임계값은 분명히 200 ~ 230℃ 미만으로 감소될 수 있다.
하한 계량 공급 임계 온도의 한계는 SCR 촉매 컨버터의 작동 온도 영역의 범위에 위치한다. 요소의 불충분한 분해의 결과로 발생하고 너무 낮은 작동 온도에서 배기가스 시스템의 완전한 차단을 야기할 수 있는, 이소시안산 / 시아누르산 및 멜라민과 같은 요소 반응 생성물들 및 요소의 결정화 위험은 존재하지 않는다. 또한, 암모니아로의 불충분한 요소 처리를 통한 탈질 효율의 제한도 존재하지 않는다. 저부하점에서 불충분한 요소 처리의 보상을 위한 환원제의 과량 공급은 불필요하다. ASC의 축소, 및/또는 ASC 없이 시간 평균에서 (허용) 10Vppm의 암모니아 이차 배출량의 완전한 방지가 가능해진다.
요소-물-용액을 위한 계량 공급 장치는 배기가스 터보 차저 직후에 위치할 수 있다.
바람직한 실시예는 종속 청구항들에 기재된다.
수동적 필터 재생 개념을 갖는 SCR 촉매로 활성화되는 미립자 필터의 도입에 의해, 침착된 매연 입자의 NO2를 이용한 산화가 수행되는 이른바 "CRT 반응"에 따른 매연의 연소를 야기한다.
CRT® 반응: Cn + 2n NO2 → n CO2 + 2n NO
상기 반응은 SCR 반응과 경쟁 관계에 있다. SCR 반응의 경우, 서로 다른 반응 속도(RR)로 진행되는 3가지 반응 메커니즘이 존재한다.
표준 SCR: 4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O 평균 RR
고속 SCR: NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O 고속 RR
저속 SCR: 6NO2 + 8NH3 2N2 + 12H2O 저속 RR
미립자 필터의 수동적 재생을 위한 매연 연소를 위해 충분히 많은 NO2를 제공하려면, 상류에 배치된 DOC는 350 ~ 375℃의 배기가스 온도까지의 작동점에서 NOx 내에 50%를 초과하는 NO2를 제공해야만 한다. NO2 초과량은, "CRT® 반응"이 "저속 SCR" 반응보다 더 빠르게 진행된다면, 매연 연소를 위해 이용하도록 제공되며, 그럼으로써 수동적 미립자 필터 재생이 보장된다.
DOC 작동 온도가 약 300℃를 상회하는 경우, 동력학적으로 제어되는 영역에서 벗어난다. 촉매 컨버터에 의해 생성될 수 있는 배기가스 내의 NO2 농도는 더 이상 촉매 컨버터 성능에 따라 결정되는 것이 아니라, 열역학적 평형의 상태에 따라서만 결정된다. 400℃를 초과하는 온도의 경우, NOx 내에서 50%를 초과하는 NO2 농도는 더 이상 생성될 수 없다:
Figure 112015014437559-pat00001
이미 250℃부터, NO2를 이용한 매연 산화가 시작한다. 300℃부터는 높은 작동 안전성으로 미립자 필터의 수동적 재생이 가능하다(출처: C. Hageluecken 등, "자동 배기가스 촉매 컨버터, 2판, expert 출판사, 2005년, 102쪽). 이런 한계 조건들하에서, 충분히 높은 NO2 농도가 제공될 때, SCR 반응과 "CRT® 반응" 간의 경쟁이 취급될 수 있다.
DOC를 통해 공급될 수 있는 NO2 양이 한편으로 SCR 반응과 다른 한편으로는 매연 재생 사이의 경쟁 상황을 생산적으로 해결하기에 충분하지 않다면, 미립자 필터의 충분한 수동적 재생을 보장하기 위해, 계량 공급될 환원제량의 제한을 통해 SCR 촉매로 활성화되는 필터의 탈질 효율을 제한할 수 있는 가능성이 존재한다. 이런 경우에, 대체되는 구성에서, 97%를 초과하는 전체 시스템의 요구되는 탈질 효율을 보장하기 위해, 암모니아를 위한 제2 계량 공급 위치가 하류에 배치되는 (추가의) SCR 촉매 컨버터의 전방에 제공된다.
AUS 대신에 환원제로서 암모니아를 계량 공급함으로써, 배기가스 온도에서 처리의 필요성이 없어진다. 기상 NH3를 배기 가스에 계량 공급하는 경우에 필요한 것은, SDPF/촉매 컨버터 유입부 이전에 가급적 짧은 경로에 걸쳐 NH3/배기가스 혼합물의 균일화를 보장하는 것이다.
본 발명 및 기술적 환경은 하기에서 도면들에 따라서 설명된다. 주지할 사항은, 본 발명이 도면들의 대상으로 국한되지 않는다는 점이다.
도 1은 본 발명에 따른 장치를 실행하기 위한 바람직한 실시예를 도시한 개략도이다.
도 2는 내연기관의 크랭크 케이스를 도시한 개략도이다.
도 1에는, 배기가스 라인(2), 요소-물-용액 탱크(3) 및 NH3-재생기(4)를 포함하는 내연기관(1)이 도시되어 있다. NH3-재생기(4)는 사실상 내연기관(1)의 크랭크 케이스 영역에 배치되어 있다. 배기가스의 유동 방향으로 배기가스 라인(2) 내에서 DOC(5)와 SDPF(6) 사이에는 NOx 센서(9) 및 NH3-유입 장치가 배치되며, 상기 유입 장치는 NH3-재생기(4)로부터 공급받는다. 또한, NH3-재생기(4)는 SDPF(6)와 SCR(7) 사이의 NH3-유입 장치에 NH3도 공급할 수 있다. 배기가스의 유동 방향에서 암모니아 슬립 촉매 컨버터(ASC)(8)는 SCR(7)의 후방에 위치된다. 배기가스 라인(2)의 단부에는 NOx 센서(9)가 배치된다. 대체되는 구성에서, NH3-재생기(4)는, 2개의 NOx 센서(9)를 포함하는 실질적으로 이중 벽형 배기가스 튜브(11) 내에 배치되며, 일측 NOx 센서(9)는 DOC(5)와 SDPF(6) 사이에, 그리고 타측 센서는 ASC(8)의 후방에 배치된다.
도 2에는, 냉각 회로 내지 워터 재킷(13) 내에 통합된 AUS 열교환기(14)를 포함하는 내연기관(1)의 크랭크 케이스가 도시되어 있다. AUS은 내연기관의 영역 내에 배치된 요소-물-용액 탱크(3) 내에 위치된다. AUS은 액상 요소 이송 펌프(12)에 의해 내연기관(1)의 크랭크 케이스의 냉각수 안내 영역 중에서, AUS 열교환기(14)가 위치하고 AUS을 가열하는 영역 내로 이송된다. 도시되지 않은 대체되는 구성에서, AUS 열교환기(14)는 내연기관(1)의 실린더 헤드 내에 배치된다. 가열된 AUS은 액상 요소 이송 펌프(12)에 의해 AUS 열교환기(14)에서 배출된 후에 계량 공급 장치(15) 내에 도달한다. AUS이 계량 공급 장치(15)에서 배출된 후에, AUS은 배기가스 배관(16) 내의 혼합 섹션 내에 도달하고, 여기서 AUS은 계속하여 가열된다.
축약어:
AdBlue 32.5%의 수성 요소 용액
EAT 배기가스 후처리
ASC 암모니아 슬립 촉매 컨버터
CSF 배기가스 성분들의 산화를 위한 코팅층을 포함한 미립자 필터
DOC 디젤 산화 촉매 컨버터
DPF 디젤 미립자 필터
NH3 암모니아
NOx 엔진 연소 동안 발생하는 질소산화물(NO, NO2, N2O 등)의 합
SCR 선택적 촉매 환원
SDPF SCR 활성 코팅층을 포함한 디젤 미립자 필터
1 내연기관
2 배기가스 라인
3 요소-물-용액 탱크
4 NH3-재생기
5 DOC
6 SDPF
7 SCR
8 ASC
9 NOx 센서
10 실린더 헤드
11 이중 벽형 배기가스 튜브
12 액상 요소 이송 펌프
13 워터 재킷
14 AUS 열교환기
15 계량 공급 장치
16 배기가스 배관

Claims (10)

  1. 내연기관 시스템으로서,
    내연기관에서의 배기가스의 처리를 위한 하나 이상의 장치와 하나 이상의 요소-물-용액 탱크를 구비한 하나 이상의 배기가스 라인;
    내연기관의 크랭크 케이스 중 냉각수를 안내하는 영역에 위치하는 요소-물-용액 열교환기(14); 및
    하나 이상의 요소-물 용액 탱크로부터의 요소를 처리하여 선택적 촉매 환원-활성 코팅(SDPF) 이전에 배기가스 라인 내에 계량 공급을 위한 암모니아를 형성하도록 구성된, 내연기관에 설치된 NH3 재생기를 포함하고,
    배기가스의 처리를 위한 하나 이상의 장치는 SDPF을 갖는 디젤 미립자 필터를 포함하는 내연기관 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 배기가스 라인(2)은 하나 이상의 DOC(5)를 포함하는 내연기관 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 배기가스 라인(2)은 SDPF(6)를 포함하는 내연기관 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 배기가스 라인(2)은 하나 이상의 SCR(7)를 포함하는 내연기관 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 배기가스 라인(2)은 하나 이상의 ASC(8)를 포함하는 내연기관 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 배기가스 라인(2)은 하나 이상의 NOx 센서(9)를 포함하는 내연기관 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 요소-물-용액 열교환기(14)는 실린더 헤드(10)에 또는 실린더 헤드 내에 배치되어 있는 내연기관 시스템.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서, 배기가스 터보 차저 직후에 위치하는 요소-물-용액을 위한 계량 공급 장치를 더 포함하는 내연기관 시스템.
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