KR20180127207A - 내연 엔진의 배기 시스템 내의 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터의 재생 - Google Patents

내연 엔진의 배기 시스템 내의 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터의 재생 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내연 엔진의 배기 시스템 내의 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터의 재생을 위한 방법에 관한 것으로, 이 방법에서는 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터의 재생 중 질소산화물 배출물의 증가가 방지되거나 적어도 최소화된다.
내연 엔진의 배기 시스템 내에 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터가 배치되는 구성이 제공된다. 내연 엔진의 스위치-오프 요구 시 연료 분사 및 점화가 중단된다. 질량 관성에 의해 내연 엔진은 스위치-오프 회전수로부터 정지 상태에 이르게 되며, 이 위상에서 산소 풍부 신선 공기가 배기관 내로 공급된다. 이러한 신선 공기 내에 함유된 산소에 의해, 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터의 부분 재생이 수행되며, 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터로부터 배출되는 입자 질량이 계산 모델에 의해 산출된다.
또한, 상기 방법을 실행할 수 있는 배기 가스 후처리 장치가 제안된다.

Description

내연 엔진의 배기 시스템 내의 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터의 재생 {REGENERATION OF A PARTICULATE FILTER OR FOUR-WAY CATALYTIC CONVERTER IN AN EXHAUST SYSTEM OF A INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연 엔진의 배기 시스템 내의 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터의 재생을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
배기 가스 법규의 지속적인 강화는 자동차 제조사에 까다로운 요건을 제기하는데, 이러한 요건은 엔진 미연소 배출물을 환원하기 위한 상응하는 조치 및 상응하는 배기 가스 후처리에 의해 해결된다. 법규 등급 EU6의 도입으로, 가솔린 엔진에 있어서 많은 경우에 가솔린 입자 필터의 사용을 필요하게 하는 입자 수 한계값이 규정된다. 주행 작동 중에, 그러한 가솔린 입자 필터에 그을음이 포집된다. 배기 가스 배압이 너무 강하게 증가하지 않게 하려면, 가솔린 입자 필터가 지속적으로 또는 주기적으로 재생되어야 한다. 가솔린 입자 필터 내에 억류된 그을음의 열산화(thermal oxidation)를 실행하기 위해서는, 가솔린 엔진의 배기 시스템 내에 산소의 동시적인 존재와 함께 충분히 높은 온도 레벨이 필요하다. 현대의 가솔린 엔진은 통상 산소 과잉없이 화학량론적 연소 공기비(λ= 1)로 작동하기 때문에, 이를 위해 추가적인 조치가 요구된다. 이를 위한 조치들로서, 예를 들어 점화각 조정을 통한 온도 상승, 가솔린 엔진의 일시적인 희박 조정, 배기 시스템으로의 2차 공기 주입 또는 이러한 조치들의 조합이 고려된다. 바람직하게 종래에는, 이러한 방법이 추가의 구성 부품을 필요로 하지 않고 가솔린 엔진의 대부분의 작동점에서 충분한 산소량을 공급할 수 있기 때문에, 가솔린 엔진의 희박 조정과의 조합으로 지각 방향으로의 점화각 조정이 사용된다. 또한, 가능한 한 빨리 유해 배기 가스 성분에 대한 높은 변환율을 달성하기 위해, 냉간 시동 후에 가능한 한 빨리 내연 엔진의 배기관 내의 촉매 컨버터를 작동 온도에 도달시키려고 한다. 그러나 이러한 입자 필터의 재생 중 내연 엔진의 희박 조정은, 입자 필터의 재생 중에 질소산화물 배출물(NOx 배출물)의 현저한 증가를 야기할 수 있는데, 그 이유는, 삼원 촉매 컨버터에서 질소산화물 배출물을 분자 질소로 촉매 환원시키는 것이 가능한, 초-화학량론적(super-stoichiometric) 연소 공기비에서는 배기 가스 내에 일산화탄소(CO) 또는 미연소 탄화수소(HC)와 같은 성분이 함유되지 않기 때문이다.
DE 10 2013 220 899 A1호로부터, 내연 엔진의 배기 시스템 내의 입자 필터의 재생을 위한 방법이 공지되어 있으며, 여기서는 입자 필터의 재생을 위해 필요한 온도 및 내연 엔진의 배기관 내 잔류 산소의 동시적인 존재를 보장하기 위해, 내연 엔진의 배기 가스의 온도가 상응하는 람다 조절에 의해 조정된다. 그러나, 이러한 방법의 단점은 입자 필터의 재생 중에, 내연 엔진의 희박 조정을 통해 배기 가스 내의 질소산화물 배출물의 증가가 야기된다는 것이다.
WO 2015/169958 A1호로부터, 내부에 입자 필터가 배치된 배기 시스템을 구비한 스파크 점화식 내연 엔진이 공지되어 있으며, 입자 필터의 재생 중에 주행 안락감이 가능한 한 적게 감소되도록 입자 필터의 재생을 위해 다단계 프로세스가 실행된다. 이를 위해, 내연 엔진의 코스팅 위상에서 입자 필터의 수동 재생은 "가장 가벼운" 조치로서 재생을 위한 상응하는 능동적 조치와 조합되며, 다단계 프로세스에서, 주행 안락감 또는 내연 엔진의 출력에 대한 최소 간섭으로 실행될 수 있는 조치들이 각각 선택된다. 그러나 이러한 방법의 단점은, 여기에서도 능동적 조치들에서 내연 엔진의 연소 공기비의 희박 조정 및 이와 관련된 질소산화물 배출의 증가가 야기된다는 것이다.
DE 10 2012 022 153 A1에는, 가솔린 엔진의 배기관 내의 입자 필터의 재생을 위한 방법이 개시되어 있으며, 제1 단계에서 입자 필터의 온도 또는 입자 필터를 통한 배기 가스 질량 유량의 온도가 결정되고, 화학량론적 배기 가스를 초과하는 배기 가스 내의 산소 함량이 증가되는 방식으로, 입자 필터의 재생 온도의 도달 시에 입자 필터 내에 억류되어 있던 그을음이 산화된다.
DE 10 2010 046 899 A1호로부터, 내연 엔진의 배기관 내에서의 입자 필터의 재생이 공지되어 있으며, 여기서는 재생이 내연 엔진의 스위치-오프 중에 수행된다. 이 경우, 입자 필터가 상응하는 포집량을 가지며, 입자 필터의 온도가 엔진의 스위치-오프 시에 입자 필터의 부분 재생이 가능하기에 충분히 높으면, 점화 차단 직전에 "희박" 방향으로의 연소 공기비의 조정이 수행된다. 그러나, 제안된 방법은 분사 및 점화의 정지 후 산소 풍부 공기가 배기관 내로 공급되는 기간이 비교적 짧기 때문에, 입자 필터 내에 억류된 그을음의 작은 부분량의 재생만을 가능케 한다.
또한, 입자 필터의 온도가 엔진 측 조치를 통해, 특히, "지각" 방향으로의 점화각의 조정을 통해, 입자 필터의 재생 온도에 도달할 때까지 상승하고, 입자 필터 내에 억류된 그을음의 산화를 위해 필요한 산소가 2차 공기 시스템을 통해 공급되는 배기 가스 후처리 시스템이 공지되어 있다. 그러나 이를 위해서는 항시 2차 공기 시스템이 필요한데, 이는 내연 엔진을 위한 비용을 상당히 증가시킨다.
본 발명의 과제는, 2차 공기 시스템이 없는 배기 시스템에서 입자 필터의 적어도 실질적으로 배출 중립적인(emission-neutral) 재생을 가능하게 하고 종래 기술에 공지된 단점을 극복하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이러한 과제는 내부에 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터가 배치된 배기 시스템을 구비한 내연 엔진의 배기 가스 후처리 방법에 의해 해결되며, 상기 방법은 이하의 단계를 포함한다:
- 내연 엔진을 정상 작동 모드에서 화학량론적 연소 공기비로 작동하는 단계로서, 연소 시에 발생하는 그을음 입자가 배기 시스템 내에서 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터에 의해 억류되는 단계와,
- 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터 내로의 입자 유입이 계산 모델을 통해 산출되는 단계와,
- 내연 엔진의 스위치-오프 요구가 내연 엔진의 제어 장치에 전달되는 단계와,
- 내연 엔진의 연소실 내로의 연료 분사가 차단되는 단계로서, 내연 엔진의 엔진 회전수가 임계값을 초과할 경우 연료 분사가 차단되는 단계와,
- 연료 분사의 차단 후에 내연 엔진의 코스팅 시에 배기 시스템 내로 공급되는 잔류 산소에 의해 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터가 재생되는 단계와,
-입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터로부터의 그을음 배출이 계산 모델을 통해 산출되는 단계.
이러한 방법에서, 재생 중에 배출물, 특히 질소산화물의 현저한 증가를 야기하지 않으면서, 입자 필터의 재생, 특히 복수의 부분 단계에 걸친 재생이 수행될 수 있다. 본 발명에 따른 방법에 의하면, 내연 엔진의 희박 조정이 불필요하다. 따라서, 전체 엔진 작동 중에 3원 촉매 컨버터를 통한 배기 가스 정화 및 유해 물질의 변환이 보장될 수 있고, 입자 필터의 재생 중에 배기 가스 후처리를 위한 추가 조치를 취할 필요가 없다. 연료 분사가 차단됨으로써, 내연 엔진은 관성으로 인해 계속 회전하기 때문에, 연료 분사 차단 시점과 엔진 정지 사이에, 입자 필터 내에 억류된 그을음 입자를 산화시키는 산소 풍부 공기가 배기관 내로 공급된다.
종속항에 열거된 특징들에 의해, 독립 청구항에 명시된 내연 엔진의 배기 가스 후처리를 위한 방법의 유리한 개선 및 개진이 가능하다.
본 발명의 바람직한 구성에서, 내연 엔진이 스위치-오프 요구 시점에 공회전 상태에 있을 경우, 내연 엔진의 회전수가 스위치-오프 전에 임계값을 초과하는 회전수로 상승하는 구성이 제공된다. 내연 엔진의 스위치-오프 이전에, 그리고 특히 내연 엔진의 연소실 내로 연료 분사가 차단되기 전에 엔진 회전수의 상승을 통해, 입자 필터의 재생을 위해 제공되는 공기량이 증가할 수 있다. 이 경우에, 스위치-오프 과정 중에 입자 필터의 부분 재생을 실행하기 위해, 내연 엔진의 관성이 다시 이용된다. 즉, 입자 필터의 부분 포집량 또는 완전 포집량에서 시작하여, 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터의 재생이 필요해지기 전에, 제안된 방법을 통해 매 엔진 정지 시마다 1mg 내지 100mg의 부분량이 입자 필터로부터 배출될 수 있다. 따라서, 이에 의해 다수의 부분 재생이 필요하나, 이는 각각 추가적인 노력 없이 구현될 수 있으므로, 차량의 운전자가 감지할 수 없다.
이 경우, 엔진 회전수의 임계값은 내연 엔진의 통상의 공회전 회전수를 초과한다. 스위치-오프 전 회전수의 상승을 통해 내연 엔진의 코스팅 과정이 연장되고, 이에 따라 더 많은 산소가 배기 시스템 내로 공급된다. 이에 의해, 그을음 입자의 더 큰 부분량이 산화될 수 있다. 이로써, 입자 필터가 완전히 재생될 때까지 더 적은 재생 단계가 필요하다.
이 경우에, 엔진 회전수의 임계값이 900U/min을 초과하는 것이 특히 바람직하다. 승용차 엔진이 통상적으로 650U/min 내지 900U/min의 공회전 회전수를 갖기 때문에, 이러한 임계값에 의해, 충분한 양의 산소가 내연 엔진의 배기관 내로 도달하는 것이 보장될 수 있다.
방법의 다른 바람직한 구성에서, 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터의 온도 또는 배기 가스 온도가 임계 온도를 초과할 경우에만, 내연 엔진의 연소실 내로의 연료 분사가 차단되는 구성이 제공된다. 능동 재생을 위한 스타트/스톱 시스템(start/stop system)의 이용이 연속으로 사용된다. 필터가 재생되지 않을 경우에도, 엔진은 정지 위상이 되는데, 즉, 분사가 중단된다. 이는 주행 거동 관점에서 이루어진다. 차량은 항상 동일하게 거동해야 한다. 입자 필터의 재생을 위해, 즉 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터 내에 억류된 그을음 입자의 산화를 위해, 산소의 존재 외에도 그을음의 산화를 가능하게 하는 최소 온도가 동시에 필요하다. 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터가 최소 온도 미만의 온도 레벨에 있을 경우에는, 제안된 방법을 통한 입자 필터의 재생이 불가능하다. 따라서, 이러한 작동 상태에서는 본 발명에 따른 방법의 개시가 생략되고, 내연 엔진이 특히 회전수의 상승 없이 정지된다.
이 경우에, 임계 온도는 바람직하게는 550℃ 내지 750℃ 사이의 범위 내에 있다. 이러한 온도 범위에서는, 입자 필터 내에 억류된 그을음의 산화가 입자 필터의 열 손상의 위험 없이 가능하다.
제안된 방법의 개선에 따르면, 내연 엔진의 스위치-오프 요구 시에 내연 엔진의 배기관 내의 스로틀 밸브가 완전히 개방된다. 스로틀 밸브의 개방을 통해, 배기관 내로 공급되는 공기량, 및 그럼으로써 입자 필터 및 4원 촉매 컨버터 내에 억류된 그을음의 산화를 위해 제공되는 산소량이 증가할 수 있다. 이에 의해, 그을음 입자의 더 큰 부분량이 산화될 수 있다. 이로써, 입자 필터가 완전히 재생될 때까지 더 적은 재생 단계가 필요하다. 동시에, 필터를 열적으로 과열되지 않도록 하기 위해, 스로틀 밸브의 위치를 통해 산화가 방지된다. 이 역시 프로젝트에 따라 선택적으로 적용된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 내연 엔진의 스위치-오프 신호가 내연 엔진의 스타트-스톱 시스템에 의해 트리거되는 구성이 제공된다. 스타트-스톱 시스템에서, 내연 엔진의 스위치-오프는, 예를 들어 신호등에서 정지 시에, 스타트-스톱 시스템이 없는 내연 엔진보다 훨씬 자주 수행된다. 이에 의해, 재생 위상의 수가 증가함으로써, 입자 필터로부터 배출되는 입자 질량이 증가할 수 있다. 따라서, 예를 들어 정체 교통에서 빈번한 스타트-스톱 프로세스에서, 입자 필터의 실질적으로 완전한 재생이 비교적 짧은 시간 내에 달성될 수 있다.
방법의 다른 개선예에서, 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터의 포집량이 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터의 포집량에 대한 임계값을 초과할 경우에 상기 방법이 개시되는 구성이 제공된다. 원칙적으로는 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터의 포집 상태와 무관하게 상기 방법이 수행되는 것도 가능하다. 그러나, 입자 필터가 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터의 포집량에 대한 제1 임계값에 도달한 경우, 스위치-오프 과정 이전에 내연 엔진의 회전수를 상승시킴으로써 상기 방법이 개시되는 것이 특히 유리하다.
방법의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 내연 엔진의 실시간 스위치-오프 요구가 인지되면 배기 가스 온도가 상승하는 구성이 제공된다. 이에 의해, 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터가 재생 온도로 가열될 수 있으므로, 제안된 방법에 의해 배기관 내로 도입된 산소가 그을음의 산화를 위한 충분한 온도도 제공할 수 있다. 대안적으로, 입자 필터 상의 그을음 연소를 가속시키고 연료 분사 차단과 내연 엔진의 정지 사이의 시간적 제한 범위 내에서 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터로부터 더 많은 그을음을 방출시키기 위해, 온도가 상승될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 과제는, 내부에 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터가 배치된 배기 시스템과; 컴퓨터 판독 가능한 프로그램 코드를 구비한 제어 장치;를 갖는, 내연 엔진의 배기 가스 후처리 장치에 의해서도 해결되며, 상기 제어 장치는 프로그램 코드의 실행 시에 본 발명에 따른 방법을 수행하도록 구성된다. 이러한 배기 가스 후처리 장치에 의해, 종래 기술에 공지된 배기 시스템에서 배출물의 증가를 야기할 수 있는 작동 위상 중에, 특히 입자 필터의 재생 시에 특히 효율적인 배기 가스 정화가 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터가 엔진 근처에 제1 배기 가스 후처리 부품으로서 배치되는 구성이 제공된다. 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터가 엔진 근처에 배치됨으로써, 적어도 550℃의 재생 온도에 비교적 쉽게 도달할 수 있다. 이에 의해, 내연 엔진의 스위치-오프 중에 배기관 내로 도입된 신선 공기가 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터 내에 억류된 그을음의 산화를 위해 효율적으로 사용되는 것이 가능하다. 내연 엔진의 배기관 내에 NOx 저장 촉매 컨버터가 추가로 제공된다면, 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터가 제1 배기 가스 후처리 부품으로서 배치되고, NOx 저장 촉매 컨버터는 상기 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터의 하류에 배치되는 것이 특히 바람직하다. NOx 저장 촉매 컨버터의 최대 저장 용량이 약 250℃내지 480℃의 온도 범위 내에 있고, 이로써 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터의 재생 온도 미만에 있기 때문에, 최적의 배기 가스 후처리 및 가능한 최저 배출물을 달성하기 위해, 뜨거운 배기 가스가 먼저 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터를 통과하고, 그 다음 NOx 저장 촉매 컨버터를 통과하는 것이 특히 바람직하다.
이 경우에, 차량 정지 시에, 예를 들어 신호등에서, 내연 엔진을 스위치-오프하고, 출발 요구 시에 다시 시동시키는 스타트-스톱 시스템이 내연 엔진에 할당되는 것이 바람직하다. 스타트-스톱 시스템을 갖는 내연 엔진은 훨씬 더 자주 엔진 스위치-오프를 수반하기 때문에, 제안된 방법이 훨씬 더 자주 결합될 수 있다. 이로써, 입자 필터 또는 4원 촉매 컨버터의 실시간 재생이 가능하다.
본 출원에서 언급된 본 발명의 다양한 실시예는 특수한 경우에 달리 언급되지 않는 한 유리하게 서로 조합될 수 있다.
이하, 본 발명이 첨부된 도면을 참조하여 실시예에서 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 방법에서 입자 필터의 재생 중에 배출물을 감소시킬 수 있는 배기 시스템 및 흡기 매니폴드를 갖는 내연 엔진을 도시한다.
도 2는 입자 필터 대신에, 엔진 근처에 4원 촉매 컨버터가 배치된, 본 발명에 따른 배기 시스템의 대안적인 실시예를 도시한다.
도 3은 내연 엔진의 배기 가스 후처리를 위한 본 발명에 따른 방법의 프로세스를 위한 그래프를 도시한다.
도 1은 내연 엔진(10)의 배출부(32)에 연결된 배기 시스템(12)을 갖는 내연 엔진(10)의 개략도를 도시한다. 배기 시스템(12) 내에서, 배기 시스템(12)을 통해 내연 엔진(10)의 배기 가스가 유동하는 방향으로 엔진 근처에 입자 필터(14)가 배치된다. 이와 관련하여 엔진 근처의 위치는, 배기 시스템 내에서 내연 엔진(10)의 배출부(32)로부터의 배출 가스 유동 길이가 80cm 미만, 바람직하게는 50cm 미만의 거리를 갖는 위치로 이해된다. 입자 필터(14)의 하류에, 특히 차량의 하부(underbody) 위치에 삼원 촉매 컨버터(16)가 배치되고, 더 하류에는 NOx 저장 촉매 컨버터(18)가 배치되는데, 이들은 배기 시스템(12)의 배기관(20)을 통해 서로 연결된다. 내연 엔진(10)의 연소실(34) 내로 분사된 연료의 양 및 내연 엔진(10)의 연소 공기비(λE)가 제어 장치(24)를 통해 제어될 수 있다. 내연 엔진(10)의 연소 공기비(λE)의 제어를 위해, 복수의 람다 센서(26, 28, 30)가 배기관(20) 내에 배열된다. 내연 엔진(10)의 배출부(32) 하류에 그리고 입자 필터(14)의 상류에는 배기 가스 터보 과급기(42)가 제공되는데, 그 터빈(44)은 내연 엔진(10)의 배기 가스 유동에 의해 구동된다. 또한, 내연 엔진(10)은, 내연 엔진(10)의 연소실(34)에 공급된 공기량의 제어를 위한 스로틀 밸브(36)가 내부에 배치된 흡기관(38)을 갖는 흡기 매니폴드를 포함한다. 또한, 흡기 매니폴드 내에는 압축기(46)가 배치되는데, 이는 배기 가스 터보 과급기(42)의 터빈(44)에 의해 구동되고, 내연 엔진(10)에 공급된 신선 공기를 압축한다. 내연 엔진(10)에는 스타트-스톱 시스템(40)이 할당되는데, 이 스타트-스톱 시스템에 의해 내연 엔진(10)이 차량 정지 시에 스위치-오프되고, 예를 들어 브레이크 페달의 릴리스와 같은 스타트 신호에서 비로소 다시 시동된다.
도 1에 설명된 것과 실질적으로 동일한 구조에서, 도 2에 도시된 실시예에서 (코팅되지 않은) 입자 필터(14)가 3원 촉매식으로 작용하는 코팅을 갖는 입자 필터, 이른바 4원 촉매 컨버터(22)로 대체된다. 이 경우에, 4원 촉매 컨버터(22)는 입자 필터와 3원 촉매 컨버터의 기능을 통합한다. 추가의 3원 촉매 컨버터(16)가 차량의 하부에 배치됨으로써, 내연 엔진(10)의 냉간 시동 후에 작동 온도로의 빠른 가열이 가능하케 하기 위한 4원 촉매 컨버터가 비교적 작게 구성될 수 있다. 대안적으로, 4원 촉매 컨버터(22)에 의해 추가의 3원 촉매 컨버터(16), 특히 차량 하부 내의 3원 촉매 컨버터(16)도 생략될 수 있다.
내연 엔진(10)의 작동 중, 연소 시에 발생하는 내연 엔진(10)의 배기 가스 내 입자가 입자 필터(14) 또는 4원 촉매 컨버터(22)를 통해 억류된다. 이 경우에, 입자 필터(14) 또는 4원 촉매 컨버터(22)가 공지된 방식으로 그을음을 포집한다. 포집의 결과, 입자 필터(14) 또는 4원 촉매 컨버터(22)의 포집에 의해 배기 가스 배압이 특정 임계값(SL) 이상으로 상승할 경우, 연료 소비 증가, 출력 손실 및 실화와 같은 효과가 발생할 수 있다. 결과적으로, 입자 필터(14) 또는 4원 촉매 컨버터(22)는 주기적으로 또는 포집량에 따라 재생되어야 한다. 입자 필터(14) 또는 4원 촉매 컨버터(22)의 재생을 위해, 입자 필터(14) 또는 4원 촉매 컨버터(22) 내에 억류된 그을음 입자를 산화시키기 위해 재생 온도에 도달하는 것 외에도, 배기 시스템 내에 잔류 산소가 존재하는 것이 필요하다. 내연 엔진(10)의 초-화학량론적 작동으로 인해, 3원 촉매 컨버터(16) 및 4원 촉매 컨버터(22)가 질소산화물 변환 특성을 상실하는데, 그 이유는 질소산화물의 환원을 위한 환원제가 존재하지 않기 때문이다.
내연 엔진(10)의 초-화학량론적 작동 및 이와 관련된 질소산화물 배출물의 증가를 방지하기 위해, 내연 엔진(10)의 스위치-오프 시 먼저 내연 엔진(10)의 연소실(24) 내로의 연료 분사가 차단되며, 정지 시까지 내연 엔진(10)의 잔류 회전수가 산소 풍부 신선 공기를 배기 시스템(12) 내로 공급하기 위해 이용되는 방식으로, 입자 필터(14) 또는 4원 촉매 컨버터(22)의 재생을 위해 필요한 산소를 배기 시스템 내로 공급하는 구성이 제공된다.
도 3에는 엔진 그래프가 도시되며, 이를 이용하여 내연 엔진(10)의 배기 가스 후처리를 위한 본 발명에 따른 방법이 설명된다. 여기에는, 내연 엔진의 엔진 회전수(n)가 시간(t)에 걸쳐 도시되어 있다. 방법의 제1 위상(I)에서, 내연 엔진(10)의 회전수(n)가 회전수(n)에 대한 임계값(S1)을 초과하는 지의 여부가 검사된다. 회전수(n)가 상기 임계값(S1) 미만일 경우, 특히 통상의 공회전 회전수(nI)에서, 먼저, 내연 엔진의 회전수(n)가 임계값(S1)을 초과하는 회전수(n)로, 특히 적어도 1100U/min의 회전수로, 특히 바람직하게는 적어도 1200U/min의 회전수로 상승한다. 내연 엔진(10)의 회전수(n)가 임계값(S1)을 초과할 경우, 추가의 조치가 수행되지 않는다. 제2 방법 단계에서, 시점(T1)에서 내연 엔진(10)의 연소실(34) 내로의 연료의 분사가 차단되며 점화가 중단된다. 이에 의해, 내연 엔진(10)의 회전수(n)가 작동 회전수로부터 0으로 하강함으로써, 내연 엔진(10)이 정지된다. 스위치-오프 중에 내연 엔진은 그의 관성에 의해 정지할 때까지 신선 공기를 배기관(20) 내로 공급한다. 이 경우, 제2 위상(II)에서 배기 시스템(12) 내 산소 과잉(λ>>1) 상태가 단시간 조정됨으로써, 입자 필터(14) 또는 4원 촉매 컨버터(22) 내에 억류된 그을음이 산화되어, 입자 필터(14) 또는 4원 촉매 컨버터(22)로부터 이산화탄소(CO2) 형태로 배출된다. 이러한 그을음의 배출은 그을음의 산화에 필요한 조건이 존재하는 한 수행된다. 이 경우에, 도 3에서, 입자 필터(14) 또는 4원 촉매 컨버터(22)로부터 배출된 입자 질량(Ppm)이 시간(t)에 걸쳐 도시된다. 내연 엔진(10)이 정지하게 되면, 더 이상 신선 공기가 배기관(20) 내로 공급되지 않음으로써, 입자 필터(14) 또는 4원 촉매 컨버터(22)의 재생이 정지된다. 이로써, 제안된 방법은 통제되지 않은 그을음 연소로부터도 입자 필터(14) 또는 4원 촉매 컨버터(22)를 보호하는데, 그 이유는 그을음의 산화를 위한 과잉 산소가 항상 시간적으로 매우 제한된 단 몇 초의 시간 동안만 제공되기 때문이다. 내연 엔진(10)이 내연 엔진(10)의 정지 후에 다시 시동되면, 입자 필터(14) 또는 4원 촉매 컨버터(22)에 그을음 입자가 다시 포집되며, 입자 필터(14) 또는 4원 촉매 컨버터(22) 내로의 그을음 유입량이 계산 모델에 의해 산출된다.
10: 내연 엔진
12: 배기 시스템
14: 입자 필터
16: 3원 촉매 컨버터
18: NOx 저장 촉매 컨버터
20: 배기관
22: 4원 촉매 컨버터
24: 제어 장치
26: 제1 람다 센서
28: 제2 람다 센서
30: 제3 람다 센서
32: 배출부
34: 연소실
36: 스로틀 밸브
38: 흡기관
40: 스타트-스톱 시스템
42: 배기 가스 터보 과급기
44: 터빈
46: 압축기
n: 내연 엔진의 회전수
nA: 차단 회전수
nI: 통상의 공회전 회전수
Ppm: 입자 필터로부터 배출된 입자 질량
S1: 임계값
ST: 임계 온도
SL: 입자 필터의 포집량에 대한 임계값
TEG: 배기 가스 온도
U/min: 분당 회전수
λE: 내연 엔진의 연소 공기비

Claims (13)

  1. 내부에 입자 필터(14) 또는 4원 촉매 컨버터(22)가 배치된 배기 시스템(12)을 구비한 내연 엔진(10)의 배기 가스 후처리 방법이며,
    내연 엔진(10)이 정상 작동 모드에서 화학량론적 연소 공기비로 작동되는 단계로서, 연소 시에 발생하는 그을음 입자가 배기 시스템(12) 내에서 입자 필터(14) 또는 4원 촉매 컨버터(22)에 의해 억류되는 단계와,
    입자 필터(14) 또는 4원 촉매 컨버터(22) 내로의 입자 유입이 계산 모델을 통해 산출되는 단계와,
    내연 엔진(10)의 스위치-오프 요구가 내연 엔진(10)의 제어 장치(24)에 전달되는 단계와,
    내연 엔진(10)의 연소실(34) 내로의 연료 분사가 차단되는 단계로서, 내연 엔진(10)의 엔진 회전수(n)가 임계값(S1)을 초과할 경우 연료 분사가 차단되는 단계와,
    연료 분사의 차단 이후 내연 엔진(10)의 코스팅 시 배기 시스템(12) 내로 공급되는 잔류 산소에 의해 입자 필터(14) 또는 4원 촉매 컨버터(22)가 재생되는 단계와,
    입자 필터(14) 또는 4원 촉매 컨버터(22)로부터의 그을음 배출이 계산 모델을 통해 산출되는 단계를 포함하는, 내연 엔진의 배기 가스 후처리 방법.
  2. 제1항에 있어서, 내연 엔진(10)이 스위치-오프 요구 시점에 공회전 상태에 있는 경우, 내연 엔진(10)의 회전수(n)는 스위치-오프 전에 임계값(S1)을 초과하는 회전수(nA)로 상승하는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진의 배기 가스 후처리 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 회전수(n)의 임계값(S1)이 내연 엔진(10)의 통상의 공회전 회전수(nI)를 초과하는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진의 배기 가스 후처리 방법.
  4. 제3항에 있어서, 임계값(S1)이 1100U/min 내지 1800U/min의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진의 배기 가스 후처리 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 입자 필터(14) 또는 4원 촉매 컨버터(22)의 온도(TPF) 또는 배기 가스 온도(TEG)가 임계 온도(ST)를 초과할 경우에만, 내연 엔진(10)의 연소실(34) 내로의 연료 분사가 차단되는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진의 배기 가스 후처리 방법.
  6. 제5항에 있어서, 임계 온도(ST)는 550℃ 내지 700℃의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진의 배기 가스 후처리 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 내연 엔진(10)의 스위치-오프 요구 시 내연 엔진(10)의 배기관(38) 내의 스로틀 밸브(36)가 완전히 개방되는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진의 배기 가스 후처리 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 내연 엔진(10)의 스위치-오프 신호가 내연 엔진(10)의 스타트-스톱 시스템(40)에 의해 트리거되는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진의 배기 가스 후처리 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은, 입자 필터(14) 또는 4원 촉매 컨버터(22)의 포집량이 입자 필터(14) 또는 4원 촉매 컨버터(22)의 포집량 임계값(SL)을 초과할 경우에 개시되는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진의 배기 가스 후처리 방법.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 내연 엔진(10)의 실시간 스위치-오프 요구가 인지되면 배기 가스 온도(TEG)가 상승하는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진의 배기 가스 후처리 방법.
  11. 내부에 입자 필터(14) 또는 4원 촉매 컨버터(22)가 배치된 배기 시스템(12)과; 컴퓨터 판독 가능한 프로그램 코드를 구비한 제어 장치(24);를 갖는, 내연 엔진(10)의 배기 가스 후처리 장치이며, 상기 제어 장치는 프로그램 코드의 실행 시 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하도록 구성되는, 내연 엔진의 배기 가스 후처리 장치.
  12. 제11항에 있어서, 입자 필터(14) 또는 4원 촉매 컨버터(22)는 엔진 근처에 제1 배기 가스 후처리 부품으로서 배치되는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진의 배기 가스 후처리 장치.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 내연 엔진(10)에 스타트-스톱 시스템(40)이 할당되는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진의 배기 가스 후처리 장치.
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