KR20150044810A - 내연기관의 배기가스 후처리 시스템의 탈황화 방법 - Google Patents

내연기관의 배기가스 후처리 시스템의 탈황화 방법 Download PDF

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안드레아스 되링
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만 디젤 앤 터보 에스이
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Abstract

본 발명은 내연기관의 배기가스 후처리 시스템을 탈황화하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 방법은,
- 배기가스 후처리 시스템이 하나 이상의 지시 파라미터의 측정을 통해 황산염의 존재 유무에 대해 검사되는 단계와,
- 추가되거나 대체되는 방식으로, 배기가스 후처리 시스템의 영역에서 황산염 형성에 관련 있는 하나 이상의 관련 파라미터가 검출되어, 이 파라미터가 황산염 형성을 야기하는 값 범위 이내에 존재하는지의 여부가 결정되는 단계와,
- 황산염이 존재하고, 및/또는 값 범위 이내의 파라미터가 결정되는 경우, 배기가스 후처리 시스템 내에서 탈황화가 개시되고, 및/또는 파라미터가 황산염 형성을 야기하는 값 범위에서 벗어나도록, 내연기관의 배기가스가 엔진 내부 또는 엔진 이후의 조치들을 통해 적합하게 조정되게 하는 단계를 포함한다.

Description

내연기관의 배기가스 후처리 시스템의 탈황화 방법{METHOD FOR DESULPHATING AN EXHAUST GAS RETREATMENT SYSTEM OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따라서 내연기관의 배기가스 후처리 시스템을 탈황화하기 위한 방법에 관한 것이다.
더욱더 엄격해지고 있는 배기가스 규정들은, 예컨대 선박 형태의 수상 운송수단의 경우에도 이 수상 운송수단에서 이용되는 내연기관에 대해, 질소 산화물 배출량의 감소를 위해 이용되는, 예컨대 산화 촉매 컨버터, 파티큘레이트 필터 및 SCR 촉매 컨버터를 포함한 배기가스 후처리 시스템의 이용을 요구하고 있다.
선박의 경우 대부분 높은 황 함량을 함유하는 증류유 또는 잔류유가 연료로서 이용된다. 황은 연소를 통해 배기가스 후처리 시스템 내에 도달하고 이 배기가스 후처리 시스템에서 촉매 컨버터 및/또는 파티큘레이트 필터를 적어도 국소적으로 비활성화시킬 수 있다.
NOx 감소를 위해 이용되는 SCR 촉매 컨버터의 경우, 암모니아를 유리시키기 위해 환원제로서 보통 요소가 이용되지만, 그러나 암모니아는 배기가스 내에 함유된 산화 황과 함께 황산 암모늄 및 황산 수소 암모늄을 형성하며, 이들 암모늄은 촉매 컨버터 채널들 내에 침착되고 그에 따라 촉매 컨버터의 유동 저항을 상당히 증가시킬 수 있다.
높은 황 함량을 함유한 연료들의 경우, 심지어 촉매 컨버터 채널들을 막히게 할 수 있고, 그 결과 배기가스 후처리 시스템 내 배기가스 배압이 상당히 상승하여, 내연기관에 의해 야기되는 배출 작업이 분명히 상승하기 때문에 구동 출력이 소실될 뿐 아니라 내연기관의 손상 위험도 존재하게 된다.
귀금속들로 코팅된 촉매 컨버터들의 경우에도 산화 황을 통해 촉매 컨버터의 국소적 오염 현상이 발생할 수 있는데, 그 이유는 황이 예컨대 백금, 팔라듐 및 알루미늄과 같은 촉매 컨버터의 활성 성분들과 반응하여, 촉매 컨버터의 변환율을 상당히 감소시킬 수 있는 황산염을 형성하기 때문이다.
이용되는 연료 내에 황 함량이 더 높아질수록, 촉매 컨버터의 오염 현상 또는 배기가스 배압의 상승이 더 빠르게 발생한다.
EP 1 173 693 B1에 따라서는, 내연기관의 배기가스 후처리 시스템을 모니터링하기 위한 방법 및 그 장치가 공지되었다. 상기 공지된 방법의 경우, 배기가스 후처리 시스템 내에 제공되어 있는 산화 촉매 컨버터가 자신의 성능 능력과 관련하여 모니터링되며, 더 정확하게는 개시될 파티큘레이트 필터 재생의 경우 촉매 컨버터의 상류 및 그 하류에서 온도 거동의 평가를 통해 모니터링된다.
본 발명의 과제는, 배기가스 후처리 시스템 내에 제공되어 배기가스를 후처리하기 위한 장치들이 재생되면서 효율적으로 유지될 수 있게 하는, 내연기관의 배기가스 후처리 시스템을 탈황화하기 위한 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명은 상기 과제의 해결을 위해 청구항 제1항에 명시된 특징들을 갖는다. 본 발명의 바람직한 구성들은 추가 청구항들에 기술되어 있다.
본 발명은, 내연기관의 배기가스 후처리 시스템을 탈황화하기 위한 방법에 있어서,
- 배기가스 후처리 시스템이 하나 이상의 지시 파라미터의 측정을 통해 황산염의 존재 유무에 대해 검사되는 단계와,
- 추가되거나 대체되는 방식으로, 배기가스 후처리 시스템의 영역에서 황산염 형성에 관련 있는 하나 이상의 관련 파라미터가 검출되어, 이 파라미터가 황산염 형성을 야기하는 값 범위 이내에 존재하는지의 여부가 결정되는 단계와,
- 황산염이 존재하고, 및/또는 값 범위 이내의 파라미터가 결정되는 경우, 배기가스 후처리 시스템 내에서 탈황화가 개시되고, 및/또는 파라미터가 황산염 형성을 야기하는 값 범위에서 벗어나도록, 내연기관의 배기가스가 엔진 내부 또는 엔진 이후의 조치들을 통해 적합하게 조정되게 하는 단계
를 포함하는 상기 탈황화 방법을 제공한다.
달리 말하면, 본 발명은, 배기가스 후처리 시스템 내에 황산염의 존재에 대한 하나 이상의 지시 파라미터이며, 다시 말하면 배기가스 후처리 시스템 내 황산염의 존재를 지시하고 예컨대 배기가스 후처리 시스템에 의해 형성되는 배기가스 배압일 수 있는 상기 하나 이상의 지시 파라미터가 모니터링되는 방법을 제공한다. 배기가스 배압은 배기가스 후처리 시스템의 전체 유동 영역에서 측정 기술로 검출될 수 있는데, 그 이유는 탈황화가 거듭해서 진행될수록 내연기관에 대항하는 정체 압력이 배기가스 후처리 시스템의 촉매 컨버터의 영역에서 황산염의 증가하는 침착과 더불어 상승하기 때문이다. 다시 말해, 압력 측정은 예컨대 촉매 컨버터의 유입구의 영역에서 개시될 수 있다.
배기가스 후처리 시스템 내 침착물의 존재를 지시하는 파라미터의 검출에 추가되거나 대체되는 방식으로, 본 발명에 따른 방법에 따라서, 배기가스 후처리 시스템의 영역 내 황산염의 형성에 관련 있는 파라미터가 검출되고, 이 파라미터가 황산염 형성을 야기하는 값 범위 이내에 존재하는지의 여부가 결정된다. 상기 파라미터는 예컨대 배기가스 후처리 시스템의 영역에 제공되어 있는 촉매 컨버터의 작용 표면 상의 온도일 수 있고, 상기 촉매 컨버터는 SCR 촉매 컨버터일 수 있거나, 예컨대 귀금속들로 도핑된 작용 표면을 구비하여 배기가스 감소를 위해 이용되는 또 다른 촉매 컨버터일 수 있다.
지시 파라미터의 측정이 배기가스 후처리 시스템 내 황산염의 존재를 지시하고, 및/또는 관련 파라미터가 황산염 형성을 야기하는 값 범위 이내에 존재한다면, 배기가스 후처리 시스템 내 탈황화가 개시되고, 및/또는 파라미터가 황산염 형성을 야기하는 값 범위에서 벗어나도록, 내연기관의 배기가스가 엔진 내부 또는 엔진 이후의 조치들을 통해 적합하게 조정된다.
엔진 내부 또는 엔진 이후의 조치들을 통해, 예컨대 배기가스 후처리 시스템 내에서 재생 탈황화를 위해 요구되는 온도 범위이면서, 촉매 컨버터의 활성 성분들로 황산 암모늄 및/또는 황산 수소 암모늄 또는 황산염의 분해를 위해 필요한 상기 온도 범위가 달성되는 점이 달성될 수 있다.
전술한 조치들을 통해, 배기가스 규정들을 준수하면서 내연기관의 확실한 작동이 가능한 점, 다시 말하면 예컨대 엔진 내부의 조치들이 배기가스의 온도 상승을 목적으로 하지만, 그러나 내연기관의 확실한 작동을 위해 필요한 온도 범위 및/또는 압력 범위에서 벗어나지 않는 점이 달성된다.
이는, 촉매 컨버터에 침착된 황산염이 분해되지만, 그러나 촉매 컨버터 내에서 촉매 컨버터의 온도 안정성을 초과하는 온도 범위에는 도달하지 않게 함으로써, 촉매 컨버터의 반응 능력을 복원하는 것을 목적으로 하는 일시적인 조치일 수 있다.
촉매 컨버터의 재생을 위해 필요한 활성화 온도의 달성은 예컨대 촉매 컨버터 유입구에서 온도 센서를 통해 측정될 수 있지만, 그러나 내연기관의 작동을 위해 요구되는 작동 데이터의 평가하에 계산 모델에 의해 결정될 수도 있다.
필요한 활성화 온도를 야기하기 위해, 예컨대 촉매 컨버터의 상류의 영역에서, 촉매 컨버터 내에서 탄화수소의 형태로 요구되는 환원제를 제공하는 연료가 분사될 수 있다. 이런 조치는, 엔진 이후의 조치, 다시 말하면 배기가스와 관련하여 내연기관의 하류에서 개시되는 조치이다.
이에 보충되거나 대체되는 방식으로, 본 발명에 따라서, 배기가스 촉매 컨버터의 영역에서 탈황화를 야기하는 활성화 온도를 달성하기 위한 엔진 내부의 조치들을 달성하는 점도 제공된다. 이를 위해, 기본적으로, 내연기관이 보통 저부하 범위에서 작동하는 경우에도, 그에 상응하게 낮은 배기가스 온도로 활성화 온도를 달성하는 엔진 내부의 모든 조치가 적합하다.
이는 예컨대 내연기관의 하나 이상의 작동 실린더 내로 연료 분사의 시작 시점의 진각(advancing)일 수 있으며, 다시 말하면 연료 분사가, 고정식 작동 모드에서 개시되는 분사 시작 시점과 비교하여, 예컨대 일시적으로 진각 방향으로 변위된다. 연료의 분사가 상대적으로 더 진각되어 시작되어 분사기간이 극미하게 연장된다면, 분사되는 연료의 총량은 증가하고 배기가스 내 탄화수소는 농후화되며 그에 따라 하류에 연결된 촉매 컨버터 내에서 재생을 위해 필요한 활성화 온도가 달성될 수 있다. 또한, 배기가스 촉매 컨버터의 상류에 유동 기술 측면에서 산화 촉매 컨버터가 연결될 수 있으며, 이 산화 촉매 컨버터는, 추가 탄화수소를 발열 변환함으로써, 촉매 컨버터의 재생을 위해 필요한 열을 제공한다.
이에 대체되거나 보충되는 방식으로, 내연기관의 하나 이상의 작동 실린더에서 1회 이상의 연료 후분사를 실행할 수도 있다. 전술한 두 조치는 내연기관의 배기가스의 온도 상승을 야기하며, 그럼으로써 배기가스 촉매 컨버터를 탈황화하기 위한 재생용 활성화 온도가 달성될 수 있다.
이에 대체되거나 보충되는 방식으로, 내연기관의 하나 이상의 작동 실린더에서 연소 효율성을 저하시키기 위한 하나 이상의 조치를 적어도 일시적으로 취할 수도 있으며, 다시 말하면 촉매 컨버터의 재생을 위한 환원제로서 탄화수소를 제공하기 위해, 탄화수소로 내연기관의 배기가스를 농후화하도록 고의로 연료 연소를 저하시킬 수도 있다. 이는, 일시적인 조치이기 때문에, 촉매 컨버터의 재생 과정 동안 간헐적으로도 진행될 수 있으며, 이를 위해 예컨대 촉매 컨버터의 온도 모니터링이 가능하며, 그리고 조치는 촉매 컨버터 내에서 측정된 온도가 활성화 온도의 하한에 근접할 때 시작된다.
따라서 연소는, 탈황화를 위한 활성화 온도가 달성될 때까지만 저하되고, 그 다음 다시 정상으로 돌아가며, 그리고 다시 촉매 컨버터 내 온도가 탈황화를 위한 활성화 온도의 하한에 근접하거나, 또는 이미 상기 하한 미만으로 감소될 때에만 연소의 저하가 재개된다.
이에 대체되거나 보충되는 방식으로, 본 발명에 따라서, 작동 실린더로 연료를 실질적으로 변함없이 공급하는 조건에서, 배기가스 부피 유동의 감소를 위해, 내연기관의 하나 이상의 작동 실린더로 공급되는 흡입 공기 유동을 감소시킨다. 그 결과, 더 많은 비연소된 탄화수소 성분을 함유한 배기가스가 제공되며, 이 배기가스는 예컨대 배기가스 촉매 컨버터의 상류에 연결된 산화 촉매 컨버터로 공급될 수 있으며, 그럼으로써 배기가스 후처리 시스템의 탈황화를 위한 활성화 온도를 달성하기에 충분한 배기가스의 온도 상승이 달성된다.
이런 방식으로, 배기가스 후처리 시스템 내에 SCR 촉매 컨버터가 포함되는 경우, 황산 암모늄 및 황산 수소 암모늄이 분해될 수 있고, 촉매 컨버터는, 배기가스 온도가 전술한 엔진 내부 또는 엔진 이후의 조치들을 통해 섭씨 약 350도의 활성화 온도로 상승됨으로써, 다시 자신의 원래 성능 능력을 달성한다.
이런 방식으로, 배기가스 후처리 시스템 내에 제공되어 있는 파티큘레이트 필터는 파티큘레이트 필터의 상류에 연결된 산화 촉매 컨버터에 의해 재생될 수 있다. 산화 촉매 컨버터는 예컨대, 귀금속 촉매 컨버터들의 재생을 위해 필요한 섭씨 450도 내지 550도의 배기가스 온도를 달성하기 위해서도 이용될 수 있다.
전술한 엔진 내부의 조치들에 의해, 더욱 농후한 배기가스로서 표현될 배기가스가 달성되며, 이 배기가스에 의해 배기가스 후처리 시스템의 촉매 컨버터 내에서, 탈황화를 위해 충분하지만, 그러나 촉매 컨버터의 온도 안정성을 손상시키는 온도 레벨에 도달하지 않도록 제어되는 온도가 달성된다.
따라서 본 발명에 따른 방법은, 각각의 배기가스 규정들을 준수하도록, 통상적으로 높은 황 함량을 함유한 증류유 또는 잔류유로 작동되면서 수상 운송수단의 구동을 위해 이용되는 내연기관을 작동시킬 수 있다.

Claims (7)

  1. 내연기관의 배기가스 후처리 시스템을 탈황화하기 위한 방법으로서,
    - 상기 배기가스 후처리 시스템이 하나 이상의 지시 파라미터의 측정을 통해 황산염의 존재 유무에 대해 검사되는 단계와,
    - 추가되거나 대체되는 방식으로, 상기 배기가스 후처리 시스템의 영역에서 황산염 형성에 관련 있는 하나 이상의 관련 파라미터가 검출되어, 상기 파라미터가 황산염 형성을 야기하는 값 범위 이내에 존재하는지의 여부가 결정되는 단계와,
    - 황산염이 존재하고, 및/또는 상기 값 범위 이내의 파라미터가 결정되는 경우, 상기 배기가스 후처리 시스템 내에서 탈황화가 개시되고, 및/또는 상기 파라미터가 황산염 형성을 야기하는 상기 값 범위에서 벗어나도록, 상기 내연기관의 배기가스가 엔진 내부 또는 엔진 이후의 조치들을 통해 적합하게 조정되게 하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템의 탈황화 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 지시 파라미터의 측정을 위해, 상기 배기가스 후처리 시스템에 의해 생성된 배기가스 배압이 검출되고, 임계값을 초과할 경우 상기 조치들이 실행되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템의 탈황화 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 관련 파라미터의 측정을 위해, 상기 배기가스 후철 시스템의 영역에서 배기가스의 온도가 검출되고, 상기 온도가 황산염 형성을 야기하는 값 범위 이내에 존재한다면, 상기 조치들이 실행되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템의 탈황화 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 관련 파라미터는 내연기관의 작동 파라미터들을 기반으로 계산 모델에 의해 결정될 수 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템의 탈황화 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배기가스 후처리 시스템의 배기가스 촉매 컨버터의 영역에서 탈황화를 야기하는 활성화 온도는 하기 조치들, 즉
    - 내연기관의 하나 이상의 작동 실린더에서 연료 분사의 시작 시점을 진각시키는 조치,
    - 내연기관의 하나 이상의 작동 실린더에서 1회 이상의 연료 후분사를 실행하는 조치,
    - 상기 배기가스 촉매 컨버터의 상류에서 연료를 유입하는 조치,
    - 내연기관의 하나 이상의 작동 실린더에서 연소 효율성을 일시적으로 저하시키기 위한 하나 이상의 조치를 실행하는 조치, 및
    - 작동 실린더로 연료를 실질적으로 변함없이 공급하는 조건에서 배기가스 부피 유동을 감소시키기 위해 내연기관의 하나 이상의 작동 실린더로 공급되는 흡입 공기 유동을 감소시키는 조치 중에서
    하나 이상의 조치에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템의 탈황화 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배기가스 후처리 시스템은 하나 이상의 SCR 촉매 컨버터 및/또는 파티큘레이트 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템의 탈황화 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 내연기관은 디젤 원리에 따라서 작동하고 수상 운송수단용 구동 엔진으로서 제공되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템의 탈황화 방법.
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