KR20100038442A - 터보차저 이전의 배기 가스 이차 처리 - Google Patents

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Abstract

적어도 하나의 배기관 (4), 적어도 하나의 터보차저 (5) 및 적어도 하나의 배기 가스 컨버터 (6) 를 구비한 차량 (3) 의 내연기관 (2) 용 배기 가스 후처리 시스템 (1) 으로서, 상기 촉매 컨버터 (6) 는 내연기관 (2) 과 적어도 하나의 터보차저 (5) 사이에 형성되어 있으며 적어도 0.6 ℓ의 제 1 체적 (7) 을 갖는 차량의 내연기관용 배기 가스 후처리 시스템.

Description

터보차저 이전의 배기 가스 이차 처리{EXHAUST-GAS SECONDARY TREATMENT PRECEDING A TURBOCHARGER}
본 발명은 차량의 내연기관을 위한 배기 가스 후처리 시스템에 관한 것이며, 그 배기 가스 후처리 시스템은 적어도 하나의 배기관, 적어도 하나의 터보차저 및 적어도 하나의 배기 가스 컨버터를 구비한다. 상기 배기 가스 후처리 시스템은 특히 승용차의 린번 (lean-burn) 엔진의 배기 가스 후처리를 위한 시스템이다.
과거에는, 불꽃 점화 엔진을 위한 배기 가스 법령에 따르는 데에 초점이 맞춰져 왔으나 최근에는 이러한 실정이 바뀌었다. 디젤 엔진이 환경에 미치는 영향의 중요성에 대한 대중의 인식이 높아졌다. 그 이유는 첫번째, 그러한 종류의 엔진의 입자 배출에 의한 특정한 건강상의 위험성에 대한 논의 및 두번째 유럽에 등록된 디젤 차량의 수의 급격한 증가에 있다. 이러한 발전에 있어서 결정적인 요인은 경제적인 이유 및, 현대 디젤 엔진이 구비된 차량에 있어서 엔진의 저속도에서 높은 토크를 특징으로 하는 구동 거동이다. 오염 물질의 배출을 최대한 낮게 유지시키기 위하여 복수의 다른 시스템이 이미 개발되어왔으며, 이로써 예컨대 개선된 주입 시스템 (주입 압력이 비교적 높은 공통 레일 시스템) 과 같은 진보된 배기 가스 터보차저 및 배기 가스 재순환 기술과 모델계 연소 공정이 제어 또는 조정을 위해 사용된다. 또, 특정한 작동 영역에서, 원칙적으로 압축 점화가 유지된다고 해도, 더 최신의 디젤 엔진은 균일한 연소 공정에 의한 크거나 혹은 작은 범위를 특징으로 한다(HCCI: Homogeneous Charge Compression Ignition; 균일 충전 압축 점화). 상기 종류의 엔진은 상기 작동 모드시에 질소 산화물 및 수트는 매우 적게 배출된다. 그러나, 일산화 탄소와 탄화 수소는 배출 가능성이 커진다. 산화 촉매 컨버터의 형태로 시도되고 시험된 기술이 상기 오염물질을 제거하는데 이용가능하지만, 디젤 엔진을 대표하는 낮은 배기 가스 온도와 관련된 배출 정도는 상당한 난점을 지닌다.
특히 상기의 상황에 있어서, 위에서 명기한 기술적 어려움 및 문제를 적어도 부분적으로 해결하는 배기 가스 처리 시스템을 상술하고자 한다. 여기서, 특히 배기 가스 후처리 시스템은 디젤 엔진 또는 린번 엔진의 상이한 작동 상태에 대하여 균일한 효율성으로 작동되어야 하며, 그럼에도 불구하고, 생산 비용이 효율적이어야 한다.
상기 목적들은 특허 청구항 제 1 항의 특징부에 따른 배기 가스 후처리 시스템에 의해 그리고 청구항 7 항의 특징부에 따른 방법에 의해 달성된다. 본 발명의 다른 유리한 실시형태는 종속 청구항에 명기되어 있다. 특허 청구항에 개별적으로 명기된 특징들은 누구나 바라는 기술적으로 의미있는 방식으로 본 발명의 가장 두드러진 다른 실시형태로 조합될 수 있다는 점에 주목해야 한다. 상세한 설명부는 특히 본 발명의 다른 예시적인 실시형태를 도면과 관련하여 기술한다.
차량의 내연기관을 위한 본 발명에 따른 배기 가스 후처리 시스템은 적어도 하나의 배기관, 적어도 하나의 터보차저 및 적어도 하나의 배기 가스 컨버터를 구비하며, 배기 가스 컨버터는 내연기관과 적어도 하나의 터보차저 사이에 제공되며 적어도 0.6 ℓ 의 제 1 체적을 갖는다.
배기가스 시스템은 예컨대 처음에는 내연기관으로부터 나아가는 복수의 스트랜드 설계로 이루어질 수 있어서 예컨대 분리된 배기관이 연소실의 각각의 출구에 제공된다. 또, 전체적으로 팬 타입 (fan type) 의 매니폴드로도 불리는 상기 배기관부는 이후에 합쳐져 공통의 배기관을 형성할 수 있다. 상기 타입의 배기관 (또는 복수의 배기관) 에는 배기 가스 터보차저가 형성되어 있을 수 있다.
상기 종류의 터보차저는 작동 행정당 공기량 스루풋 (throughput) 및 연료 스루풋이 증가되어 내연기관의 동력을 증가시키는 역할을 한다. 여기서, 터보차저는 배기 가스 압력에 의해 구동되며, 이 터보차저는 배기 가스 속도를 에너지원 (임펄스 과급) 으로서 이용가능하게 한다. 터보차저는 배기 가스 유동내에 배기 가스 터빈으로 구성되며, 그 배기 가스 터빈은 내연기관을 위한 흡입로 (intake tract) 로 압축기에 축에 의해 연결된다. 터빈은 내연기관의 배기 유동에 의해 회전되게 설정되며 이로써 압축기를 구동한다. 압축기는 내연기관의 흡입로내 압력을 증가시켜 흡입 행정시 더 많은 양의 공기가 연소실안으로 지나가게 된다. 이로써, 더 많은 산소가 그에 상응하여 더 큰 연료량의 연소에 이용가능하다. 그러므로, 내연기관의 동력이 상당히 커질 수 있다(특히, 디젤 엔진).
상기 목적을 위하여 터보차저내에 충분한 에너지를 제공할 수 있도록 높은 에너지로 터보차저 안으로 배기가스 유동을 유입시키는 개념이 지금까지 이용되어 왔다. 이러한 점은 또한 배기 가스 터보차저의 압력 강하를 예방하여 감압 작용을 예방할 수 있도록 단지 초소형의 배기 가스 처리부를 내연기관과 터보차저 사이에 삽입해온 이유였다. 예컨대, 소위 프리-터보차저 촉매 컨버터 ("PTC" : pre-turbocharger-catalyst) 가 알려져 있으며, 이는 배기 가스 터보차저의 상류에서 매니폴드내 내연기관의 실린더 헤드에서의 출구 밸브의 바로 하류에 있는 배기관 또는 배기 가스 터보차저의 바로 상류에 혹은 심지어 배기 가스 터보차저내에 위치될 수 있다. 엔진에 근접한 상기 위치에서 산화 촉매 컨버터를 위치시켜 상기 산화 촉매 컨버터 (특히, 이는 난류를 발생시키는 표면을 구비함) 는 발열 반응의 결과로 배기 가스 온도를 더욱 상승시키고, 이로써 그후에 배기 가스 정화 요소를 "가열" 한다.
본 발명은 최초로 상기 방침을 벗어나, 터보차저의 상류에 위치된 배기 가스 컨버터가 적어도 0.6 ℓ의 제 1 체적을 갖는 것을 제안한다. 여기서, 특히 촉매 활성인 배기 가스 컨버터는 이제 더 이상은 간단히 하류의 배기 가스 처리부의 온도를 상승시키지 않지만, 배기가스 내에 포함된 오염물질, 특히 탄화수소 (HC), 일산화탄소, (CO), 산화 질소, 입자 등의 유효 전환 (significant conversion) 을 보장한다. 상기 종류의 배기 가스 컨버터는 종종 허니콤체의 형태로 설계되는데, 허니콤체에는 세라믹 또는 (바람직하게는) 금속제벽이 형성되어 있다. 이를 위해, 상기 벽에는 적어도 부분적으로, 대응 코팅: 산화 촉매, 3원 촉매, 흡착제 코팅이 형성되어 있을 수 있다. 또, 설계는 예컨대 소위 이차 유동 필터 또는 벽 유동 필터로서 대응되게 개조될 수 있다. 여기서, 체적은 벽과 덕트의 합으로 이루어진다. 특히 매우 큰 내연기관내에 몇가지 상황 하에 터보 차저의 상류에서 배기 가스 컨버터는 유리하게도 더 큰 제 1 체적, 예컨대 적어도 1.0 ℓ또는 심지어 1.5 ℓ 인 제 1 체적을 제공할 수 있다.
이러한 점은 수십년 동안 이어져온, 차량의 언더바디 영역내에서 주로 수행되는 배기 가스 처리의 개념에서 벗어난 것이다. 여기서, 차량의 엔진 격납실 (engine bay) 내에 극도로 제한된 공간 조건과, 체적과 함께 증가하는 배기 가스의 압력 강하에도 불구하고, 터보차저의 상류에 그러한 큰 체적의 배기 가스 컨버터를 제공하는 것을 제안한다. 여기서 지정한 제 1 체적은 근본적으로 내연기관과 적어도 하나의 터보차저 사이에 위치한 복수의 배기 가스 컨버터로 형성될 수 있지만, 여기서 지정한 제 1 체적의 단일 배기 가스 컨버터를 제공하는 것이 바람직하다.
배기 가스 후처리 시스템의 하나의 개선점에 따르면, 적어도 하나의 배기 가스 컨버터가 적어도 하나의 터보차저를 대향하여 위치해 있는 적어도 하나의 배기가스 후처리부의 제 2 체적보다 큰 제 1 체적을 갖는다는 것을 제안한다. 이는 특히, 배기가스 후처리 시스템에는 더 큰 반응 체적이 터보차저의 상류에 제공되도록 배기 가스 컨버터와 동일하게 기능하는 배기 가스 후처리부와 터보차저의 상류에 (특히, 촉매 활성인) 배기 가스 컨버터가 형성되어 있다는 것을 의미한다. 이러한 방식으로, 예컨대 엔진에 대한 근접성으로 인해 존재하는 비교적 높은 온도와 배기 가스 컨버터의 더 큰 촉매 활성 표면 때문에, 상당히 더 큰 비율의 관련 오염물질이 전환된다. 이러한 방식으로 배기 가스 후처리 시스템은 전반적으로 비용면에서 더욱 효율적인 디자인을 가질 수 있는데 특히 터보차저의 상류의 배기 가스 컨버터에는 벽 내에 또는 벽에 난류-발생 구조 (구멍, 유동 압축부 (constrictions), 유동 굴절부 등) 가 제공된다.
여기서 본 발명은 특별히 적어도 하나의 배기 가스 컨버터가 산화 촉매 컨버터를 포함한다고 이해한다. 이는 특히 상기 배기 가스 컨버터가 바람직하게는, 기판 물질 (예컨대 워시 코트 (washcoat)) 및 귀금속 (백금, 로듐, 등) 과 같은 상응 촉매가 제공된 적어도 부분적으로 구조화된 금속제 판금 포일이 있는 허니콤체의 형태로 설계되어 있는 것을 의미한다. 여기서 제안된 산화 촉매 컨버터의 크기에 따라, 몇 가지 환경하에 여러 개의 기능을 조합하는 것이 가능하다. 예컨대 하류의 입자 분리기를 계속적으로 재현할 수 있도록 탄화수소 및 일산화탄소의 전환 이외에 예컨대 이산화 질소도 생성될 수 있다.
따라서, 적어도 하나의 배기 가스 컨버터가 산화 촉매 컨버터와 입자 분리기를 포함하는 배기 가스 후처리 시스템 역시 바람직하다. 여기서, 유동 막힘부 (flow dead-ends) 를 구비하지 않으며 특히 적어도 판금 포일, 촘촘히 짠 쇠그물 (wire cloth), 섬유 부직물 등을 포함한 금속제 요소로 구성된 개방 입자 분리기가 바람직하지만, 입자 분리기는 흐름 차단 유동로 및 다공성 벽을 교대로 갖는 소위 벽 유동형 필터로서 구성될 수 있다. 입자 분리를 위해 입자의 정전기적 충전, 입자의 응집화, 온도 구배에서의 분자의 운동 (thermophoresis), 확산 및 대류 등의 효과 중 적어도 하나가 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 배기 가스 후처리 시스템의 특히 바람직한 하나의 개선점에 있어서, 적어도 하나의 배기 가스 컨버터는 복수의 배기관부를 위한 수집 공간부에 위치된다. 이는 특히 배기 가스 컨버터가 하나의 요소로서 형성되며, 배기 가스 컨버터가 공통의 배기관을 형성하기 위해 개별적인 매니폴드 튜브의 접합부의 영역에 배치되는 것을 의미한다. 여기서, 특히 유동이 반경방향으로 가로지르는 배기 가스 컨버터 및/또는 비 원통형의 배기 가스 컨버터를 이용할 수 있다.
본 발명은 특히 적어도 하나의 터보차저가 2 개의 스테이지를 갖게 설계되는 배기 가스 후처리 시스템에 적합하다. 그러므로, 2 개의 스테이지를 갖는 터보차저 특히 하나의 압축기와 하나의 터빈을 각각 포함하는 저압 스테이지와 고압 스테이지를 갖는 2 개의 스테이지를 갖는 터보차저가 제공된다. 각각의 터빈과 압축기는 공통의 축에 의해 서로 연결된다. 그러므로 다른 크기를 갖는 2 개의 터보차저 특히 낮은 엔진속도 영역을 위한 소형의 터보차저, 높은 회전 속도 영역을 위한 다량의 공기 스루풋을 갖는 대형의 터보차저가 사용된다. 2 개의 터보차저는 배기 가스측과 공기측에 직렬로 서로 연결되어 있으며 바이패스 플랩 (bypass flaps) 에 의해 엔진의 각각의 속도 및 하중 범위에 대해 조정된다. 충전 압력 레벨에 따라 1 내지 2 개의 충전 공기 냉각기가 필수적일 수도 있다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 적어도 하나의 터보차저가 제공된 배기 가스 후처리 시스템으로 내연 기관의 배기 가스를 정화하는 방법을 제안하는데, 모든 배기 가스는 터보차저의 하류 영역에서보다 내연기관과 터보차저 사이에서 더 많이 산화에 의해서 전환된다.
상기 방법은 특히 여기서 본 발명에 따라 설명한 배기 가스 후처리 시스템으로 실현될 수 있다.
여기서, "더 많이" 전환된다는 것은 예컨대 재현성 표준 테스트에서 터보차저의 상류에서 전환되는 탄화수소 (HC) 및/또는 일산화탄소 (CO) 의 (질량) 비가 이후의 배기 가스 후처리부에 의해 전환되는 (질량) 비보다 크다는 것을 의미한다. 이는 바람직하게는 더 많이라는 것이 더 큰 제 1 체적과 관련된 것이지만, 엔진 근처에서 상승된 온도에 의해 배기 가스 후처리부보다 작은 배기 가스 컨버터의 제 1 체적으로도 달성될 수 있다. 상기 방법에 있어서, 위에서 지정한 장치의 효과를 다른 방식으로 참조한다.
본 발명에 따라 여기서 기술된 배기 가스 후처리 시스템을 구비한 차량은 본 발명에 따라 여기서 기술된 바와 같은 방법으로 작동되는 것이 특히 바람직하며, 이들 시스템 및 방법은 린번 엔진 형태의 내연기관에서 사용하는데 적합하다. 여기서 "린번 엔진" 이란 예컨대 디젤 엔진과 같은 과잉 공기로 규칙적으로 작동되는 내연기관을 말한다.
본 발명과 기술 분야를 이제 도면을 기초하여 더욱 상세하게 설명한다. 도면에 도시된 대표적인 실시형태는 본 발명을 제한하는 것이 아니라는 것을 주목해야 한다.
도 1 은 차량의 배기 가스 후처리 시스템의 제 1 실시형태의 변형예를 개략적으로 나타낸다.
도 2 는 본 발명에 따른 배기 가스 후처리 시스템의 다른 실시형태의 변형예를 개략적으로 나타낸다.
도 1 은 디젤 엔진의 형태의 내연 기관 (2) 을 구비하는 차량 (3) 을 개략적으로 도시하는데, 여기서 내연기관에서 발생된 배기 가스는 배기 가스 후처리 시스템 (1) 을 통해 처리된다. 여기 나타낸 실시예에서는, 배기 가스가 우선 배기 가스 컨버터 (6) 를 통해 유동방향 (13) 으로 유동하고, 그리고 나서, 배기 가스가 배기관 (4) 을 통과하여, 예컨대 차량 (3) 의 언더 플로우 영역 안으로 유동하기 전에 터보차저 (5) (2 개의 스테이지 (16) 로 설계됨) 를 통해 유동하는데, 이 경우에는 배기 가스 후처리부 (9) 에 예컨대 산화 촉매 컨버터 (10), 입자 분리기 (14) 및 SCR 촉매 컨버터 (15) 가 제공된다.
여기서, 내연기관 (2) 과 터보차저 (5) 사이에 제공된 배기 가스 컨버터 (6) 는 동일한 기능을 수행하는 배기 가스 후처리부 (9) 의 제 2 체적 (8) 보다 큰 제 1 체적 (7) 을 갖는다. 여기서, 배기 가스 컨버터 (6) 는 산화 촉매 컨버터 (10) 및 산화 코팅된 입자 분리기 (14) 의 조합으로 이루어진다. 여기 나타낸 실시형태의 변형예에서 배기 가스 컨버터 (6) 에는 예컨대 산화 촉매 컨버터 (10) 및 산화 코팅된 입자 분리기 (14) 가 형성되어 있다. SCR 촉매 컨버터 (SCR = selective catalytic reaction; 선택 촉매 반응) 는 환원 코팅을 포함하며, 이로써 다른 기능을 갖는다. 결과적으로, 여기서 제 1 체적 (7) 은 산화 촉매 컨버터 (10) 및 입자 분리기 (14) (중간 공간은 무시) 로 이루어진 제 2 체적 (8) 보다 더 크지만, 이는 반드시 그럴 필요는 없다.
도 2 는 한 예로서, 매니폴드라고도 불리는 다음의 배기관부 (12) 를 구비한 내연기관 (2) 의 일부에 대한 평면도이다. 개별적인 배기관부 (12) 는, 여기서 산화 촉매 컨버터 (10) 가 다시 제 1 촉매 컨버터 (6) 로서 제공되어 있는 공통의 수집 공간부 (11) 쪽으로 개방된다. 배기관부 (12) 를 통하여 배기 가스 컨버터 (6) 로 유동하는 배기 가스는 그에 상응하여 촉매 처리되고, 그 후에 유동 방향 (13) 으로 (함께) 배기 가스 컨버터 (6) 에서 나가며 하류에 위치해 있는 터보차저 (5) 를 향해 더 유동한다.
물론 명백한 변형예가 수행될 수도 있다. 예를 들어 배기 가스 처리 시스템 (1) 이 복수의 배기 가스 터보 챠저 (5) 의 하류까지 분리되어 있는 배기관 (4) 을 구비하는 것이 가능하다. 또한, 복수의 배기 가스 컨버터 (6) 가 내연 기관 (2) 과 적어도 하나의 터보차저 (5) 사이에 제공되는 것도 가능하다. 또한, 배기 가스 컨버터 (6) 는 다른 배기 가스 후처리부 (9), 예컨대 산화 촉매 컨버터 (10) 외에 예를 들어 입자 분리기도 포함할 수 있다. 또한, 구체적으로는 SCR 촉매 컨버터와 연결 상태로, 유입하는 액상 및/또는 기상 환원제를 위한 장치가 제공되는 것이 가능하다. 이 외에, 배기 가스 컨버터 (6) 에는 덕트 벽에 개구 및/또는 가이드 블레이드 및/또는 유동 압축부 및/또는 난류 발생 지점이 형성되어 있을 수 있어 내부에서 난류를 실현시키고 이로써 전환될 오염물질과 배기 가스 컨버터의 촉매 활성 코팅 사이의 접촉이 향상될 수 있다. 이러한 사실은 터보차저 (5) 의 하류에 상응하는 영향을 미치는 관련 압력 손실에 대한 지식에서 제안된다. 그리고 나서 적절한 경우에, 복수의 터보차저 (5) 가 상기 효과를 약간 보상하기 위해서 배기 가스의 유동 방향으로 직렬로 제공될 수도 있다.
1: 배기가스 후처리 시스템
2: 내연기관
3: 차량
4: 배기관
5: 터보차저
6: 배기가스 컨버터
7: 제 1 체적
8: 제 2 체적
9: 배기가스 후처리부
10: 산화 촉매 컨버터
11: 수집 공간부
12: 배기관부
13: 유동방향
14: 입자 분리기
15: SCR 촉매 컨버터
16: 스테이지

Claims (8)

  1. 적어도 하나의 배기관 (4), 적어도 하나의 터보차저 (5) 및 적어도 하나의 배기 가스 컨버터 (6) 를 구비한 차량 (3) 의 내연기관 (2) 용 배기 가스 후처리 시스템 (1) 으로서, 상기 촉매 컨버터 (6) 는 내연기관 (2) 과 적어도 하나의 터보차저 (5) 사이에 형성되어 있으며 적어도 0.6 ℓ의 제 1 체적 (7) 을 갖는 차량의 내연기관용 배기 가스 후처리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 배기 가스 컨버터 (6) 는 적어도 하나의 터보차저 (5) 에 대향하여 위치된 적어도 하나의 배기 가스 후처리부 (9) 의 제 2 체적 (8) 보다 더 큰 제 1 체적 (7) 을 갖는 차량의 내연기관용 배기 가스 후처리 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 배기 가스 컨버터 (6) 는 산화 촉매 컨버터 (10) 를 포함하는 차량의 내연기관용 배기 가스 후처리 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 배기 가스 컨버터 (6) 는 산화 촉매 컨버터 (10) 및 입자 분리기 (14) 를 포함하는 차량의 내연기관용 배기 가스 후처리 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 배기 가스 컨버터 (6) 는 복수의 배기관부 (12) 를 위한 수집 공간부 (11) 에 위치되어 있는 차량의 내연기관용 배기 가스 후처리 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 터보차저 (5) 는 2 개의 스테이지로 설계된 차량의 내연기관용 배기 가스 후처리 시스템.
  7. 배기 가스 후처리 시스템 (1) 으로 내연기관 (2) 의 배기 가스 정화 방법으로서, 적어도 하나의 터보차저 (5) 가 제공되어 있으며, 모든 배기 가스는 터보차저 (5) 의 하류 영역에서보다 내연기관 (2) 과 터보차저 (5) 사이에서 더 많이 산화에 의해서 전환되는 내연기관의 배기 가스 정화 방법.
  8. 내연기관 (2) 이 린번 엔진인 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 배기 가스 후처리 시스템 (1) 을 구비한 차량.
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