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KR20080026504A - 내연기관의 배기가스 공급류 내로 환원제를 분사하는 장치및 방법 그리고 내연기관용의 배기 후처리 시스템 - Google Patents

내연기관의 배기가스 공급류 내로 환원제를 분사하는 장치및 방법 그리고 내연기관용의 배기 후처리 시스템 Download PDF

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KR20080026504A
KR20080026504A KR1020070095175A KR20070095175A KR20080026504A KR 20080026504 A KR20080026504 A KR 20080026504A KR 1020070095175 A KR1020070095175 A KR 1020070095175A KR 20070095175 A KR20070095175 A KR 20070095175A KR 20080026504 A KR20080026504 A KR 20080026504A
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internal combustion
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combustion engine
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마이클 비. 바이올라
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지엠 글로벌 테크놀러지 오퍼레이션스, 인코포레이티드
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Abstract

내연기관용의 배기 후처리 시스템은 배기가스 공급류 내에 환원제를 분사하기 위한 장치 및 방법을 구비하여 제공된다. 배기가스 공급류 및 제어가능한 압력 조절 장치 내에 환원제를 분사시키기 위한 연료 계측 장치를 구비한다. 제어 모듈은 환원제 계측 장치 및 제어가능한 압력 조절 장치에 작동식으로 연결되고 제어가능한 유동 범위 이상으로 배기가스 공급류 내에 환원제를 유동시킨다.

Description

내연기관의 배기가스 공급류 내로 환원제를 분사하는 장치 및 방법 그리고 내연기관용의 배기 후처리 시스템{APPARATUS AND METHOD TO INJECT A REDUCTANT INTO AN EXHAUST GAS FEEDSTREAM}
미국 정부는 미국 에너지국으로부터 주어진 DE-FC26-02NT41218의 조항이 정하는 바에 따라 합리적인 조항으로 특허 소유자는 다른 사람에게 특허를 인가할 필요가 있는 제한된 상황에서 본 발명 및 그 권리에 대한 페이드업 라이센스(paid-up license)를 갖는다.
본 발명은 내연기관용의 배기 후처리 시스템, 및 내연기관의 배기가스 공급류 내로 환원제를 분사하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
내연기관의 제조사들은 수요자의 요구를 충족시키기 위한 엔진 제어 방법을 개발하고 배출물 및 연료의 경제성을 위한 각종 법규를 만족시킨다. 하나의 엔진 제어 방법은, 연료 경제성을 개선하기 위한 화학양론적인 희박공연비에서 엔진을 작동시키는 단계와, 온실 가스 배출물을 저감시키는 단계를 포함한다. 이러한 작업은 압축 점화(디젤) 및 린번 불꽃 점화 엔진을 이용함으로써 가능하다. 엔진을 희박 공연비로 작동시킬 경우, 연소 온도가 결과적으로 낮춰짐으로써 엔진으로부터 나온 NOx 배출물(engine-out NOx emmision)을 감소시킨다. 그러나, 희박 배기 조건 하에서 NOx를 제거하기 위한 효과적인 방법이 없으므로 희박 작동 엔진의 상업적인 적용은 제한된다. 이에 따라, 디젤 및 희박 연소 가솔린 배출물로부터 질소산화물(NOx = NO + NO2)을 효과적으로 환원하는 것은 미래의 배출물 기준을 만족시키고 차량 연료 경제성을 개선하는데 중요하다.
과잉 산소를 함유하는 배기 공급류로부터 NOx를 환원하는 것은 차량 제조사들에게는 해결할 과제이다. 예로서, 미합중국 내의 Bin 5 규제에 따라 현재의 기대되는 엔진으로부터 나온 NOx 레벨에 근거하여 FTP(Fedral Test Procedure)에 대한 70-90%의 NOx 변환 효율을 할 수 있는 후처리 시스템을 요구될 수 있다. 실제의 적용을 위해, 변환 효율은 전술한 FTP 사이클 동안에 발생하는 저온 작동 범위(예컨대, 200-350℃)에서 그리고 고속 사이클 동안에 발생하는 보다 높은 온도 작동 범위(예컨대, 450-550℃)에서 수득되어야 한다.
몇 가지의 가능한 후처리 시스템이 차량 적용을 위해 제안되고 있다. 하나의 접근법으로는 NOx를 N2로 환원하기 위해 요소(urea)-SCR 촉매의 상류에 NOx 환원제, 예컨대, 요소를 분사하는 단계를 포함하는 후처리 시스템을 이용하는 것을 포 함한다. 환원제로서 요소를 사용하면, 2차적인 유체를 위한 차량용 모니터링 시스템(on-vehicle monitoring system) 및 요소 분배 하부 조직(urea distribution infrastructure)을 필요로 하고, 요소 용액의 비교적 높은 어는점(-12℃)으로 인한 추운 날씨에서의 잠재적인 문제점을 가질 수 있다. NOx 저장 촉매는 일반적으로 효과적인 저장 작동을 위해 큰 촉매 체적, 많은 양의 백금계 금속 및 적은 유황 연료를 필요로 한다. 이러한 시스템은 높은 배기가스 온도를 발생시키기 위한 연료 분사 및 촉매의 저장 물질을 재생시키기 위한 환원제 분사를 포함하는 주기적인 촉매 재생을 필요로 한다.
내연기관의 차량 및 다른 적용을 위해, 광범위한 작동 조건에 관하여 배기가스 공급류 내에 환원제를 도입하기 위한 효과적인 장치 및 방법에 대한 필요성이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 배기가스 공급류 내로 환원제를 분사하는 장치를 구비한 내연기관용의 배기 후처리 시스템이 제공된다. 상기 배기가스 공급류 내로 환원제를 분사시키는 유체 계측 장치 및 제어가능한 압력 조절 장치를 구비한다. 제어 모듈은 상기 유체 계측 장치와 상기 제어가능한 압력 조절 장치에 작동식으로 연결되고 제어가능한 유량 이상으로 환원제를 상기 배기가스 공급류 내로 유동시킨다.
본 발명의 실시예는 발명의 상세한 설명을 판독할 때에 당업자에게 명백할 것이다.
본 발명은 특정 부품들 및 부품들의 구성에 있어서 물리적인 형태를 취할 수 있으며, 그 실시예는 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부된 도면에 상세하게 기재되어 있다.
본 발명을 제한할 목적이 아니라 단지 본 발명을 기술하기 위해 도시된 도면을 참조하면, 도 1 및 도 2는 내연기관(10), 배기 후처리 시스템, 및 본 발명의 실시예에 따라 구성된 제어 시스템을 개략적으로 도시한다.
예시적인 엔진 및 제어 시스템은 종래의 4행정 내연기관(10) 및 전자 엔진 제어 모듈('ECM')(5)을 포함한다. 엔진(10)은 화학양론적으로 주로 희박한 작동 방식을 갖는 공지된 압축 점화 엔진을 포함한다. 변형례로서, 엔진(10)은 화학양론적으로 희박하게 작동하는 많은 엔진 제어 방식, 예컨대 예혼합 압축 점화 엔진(homogeneous-charge compression-ignition engine) 및 희박 연소 불꽃 점화 엔진 중 어느 하나를 채용한 엔진을 포함할 수 있다. 엔진(10)은 크랭크샤프트에 부착되고 견인 토크를 전달하도록 차량 동력 전달 장치에 작동가능하게 부착된 복수의 왕복운동식 피스톤을 구비한다. 엔진(10)은 전형적으로 탄화수소('HC'), 일산화탄소('CO'), 질소산화물('NOx'), 입자 물질('PM') 등을 포함하는 조정형 구성요소를 포함하는 배기가스 공급류를 발생시킨다. 조정형 구성요소는 산화 및 환원과 같은 처리를 통해 배기 후처리 시스템 내에서 부분적으로 또는 완전히 무해한 가스로 변환된다.
배기 후처리 시스템은 배기가스 공급류의 구성요소를 무해한 가스로 변환하도록 작동하는 집적 시스템(integrated system)을 포함한다. 배기 매니폴드는 배기 후처리 시스템으로 엔진 배기가스를 비말 동반하여 지향시킨다. 도시한 후처리 시스템은 산화 촉매('DOC')(14), 탄화수소 배연탈질(selective-catalyst-reduction)('SCR') 촉매(20), 및 디젤 입자 필터('CDPF')와 결합된 제 2 산화 촉매('DOC')를 포함하는 촉매(24)를 포함하는 촉매 반응 장치를 구비한다. 각각의 촉매 반응 장치는 배기가스 공급류의 구성요소를 처리하기 위한 각종 특성, 즉 산화, 환원, 환원제 투여, 입자 여과를 갖는 기술을 채용하는 장치를 포함한다. 이 장치는 공지된 파이프 및 커넥터를 이용하여 직렬로 연결되는 것이 바람직하다. 도 1 및 도 2를 참조하여 기술된 특정의 촉매 반응 장치의 구성 및 이용은 예시적이며 특정 설계 및 레이아웃에 제한되지 않는다.
SCR 장치(20)는 탄화수소 환원제의 존재 하에서 질소 가스를 삽입하기 위해 배기가스 내의 NOx 가스의 실질적인 부분을 선택적으로 감소하도록 작동하는 촉매 장치를 포함한다. 예시적인 SCR 장치(20)는 촉매 물질로서 실버 알루미나("AgAl")를 사용하고, 알루미나 담층(washcoat) 상에 지지된 사전 선택된 중량%의 Ag2O를 포함한다. 촉매 물질의 예시적인 범위는 2 내지 4중량%의 AgAl이며, 2 내지 3g/in3 범위의 담층의 부착량은 400cell/in2의 코디어라이트 모노리스 담체(cordierite monolith substrate) 상에 지지된다. HC-SCR 장치는 부착 범위를 갖고 담체 장치 상에 지지된 몇 가지의 공지된 촉매 물질 및 담층 중 하나를 선택적으로 사용할 수 있다. 촉매의 특성은 시스템을 설명하고 기재된 방법을 제어하기 위한 단지 예일 뿐이다.
후처리 시스템은 ECM(5)에 바람직하게 신호적으로 연결된 감지 장치 및 시스템을 구비한다. 감지 장치는 NOx 센서(12), 온도 센서(26) 및 제 1 배기가스 감지 장치(22)를 구비하는 것이 바람직하다. NOx 센서(12)는 엔진(10)에서 배출되는 배기가스를 모니터링하도록 작동한다. 온도 센서는 SCR 촉매(20)의 상류의 DOC(14)에서 배출되는 배기가스의 온도를 모니터링하도록 작동하거나, 또는 변형적으로, 이 센서는 SCR 장치(20)의 작동 온도를 결정하기 위한 어느 경우에 있어서 SCR 장 치(20)의 베드(bed) 내에 배치될 수 있다. 배기가스 감지 장치(22)는 SCR 장치(20) 후의 배기가스의 구성요소를 모니터링하도록 작동하는 제 2 센서이다. NOx 센서(12)는 배기가스 공급류 내의 NOx 농도에 대한 매개변수 값에 상호관련된 전기 신호를 발생시키도록 작동하고, 또 배기가스 산소 함유량을 결정할 수 있는 배기가스 공급류의 공연비에 대한 매개변수 값에 상호관련된 제 2 전기 신호를 발생시키도록 작동하는 센서를 포함하는 것이 바람직하다. 변형적으로, NOx 센서(12)는 엔진 작동 조건에 근거하여 NOx에 대한 매개변수 값을 결정하도록 작동하는 제어 모듈 내에 알고리즘 레지던트(algorithm resident)를 포함하는 실질적인 NOx 감지 장치일 수 있다. 배기가스 감지 장치(22)는 SCR 장치(20) 후의 배기가스 공급류 내의 NOx 농도에 대한 매개변수 값에 상호관련된 전기 신호를 발생시키도록 작동하는 NOx 센서를 포함할 수 있다. 변형적으로, 배기가스 감지 장치(22)는 피드백 제어 방식을 사용하기 위해 SCR 장치(20) 후의 배기가스 공급류 내의 NOx 농도에 대한 매개변수 값에 상호관련된 전기 신호를 발생시키도록 작동하는 탄화수소 센서를 포함할 수 있다. 변형적으로, 배기가스 감지 장치(22)는 피드백 제어 방식을 사용하기 위해 SCR 장치(20) 후의 배기가스 공급류 내의 NOx 농도에 대한 매개변수 값에 상호관련된 전기 신호를 발생시키도록 작동하는 산소 센서를 포함할 수 있다. 필요에 따라서, SCR 장치(20) 상류의 후처리 시스템 내에 다른 센서(18), 예컨대 진단 및 피드 백 제어를 위한 산소 센서가 배치될 수 있다.
제어 시스템은 ECM(5)을 구비한 분배형 제어 모듈 구성을 포함하는 것이 바람직하다. 제어 시스템의 제어 모듈은 본원에 기술된 전동 기구 시스템을 구비한 각종 차량 시스템의 협조 제어(coordinated control)를 제공한다. 제어 시스템은 감지 장치[예컨대, 센서(12, 18, 22, 26)]로부터의 입력을 모니터링하고, 관련 정보를 종합하며, 연료 경제성, 배출물, 성능, 주행성 및 하드웨어의 보호성 등의 매개변수를 포함하는 제어 목표값을 성취하도록 각종 액추에이터(예컨대, 16, 32)를 제어하기 위한 알고리즘을 실행하도록 작동한다. 분배형 제어 모듈 구성은, ECM(5)와, 차량 운전자가 전형적으로 차량 및 전동 장치의 작동을 제어 또는 지향시키는 복수의 다른 장치에 작동식으로 연결된 유저 인터페이스(user interface)('UI')(13)를 구비한다. 차량 운전자가 UI(13)으로의 입력을 제공하는 예시적인 장치는 가속 페달, 브레이크 페달, 변속기 기어 레버 및 차량 속도 항속 제어를 구비한다. 전술한 제어기 및 장치 각각은 참조번호(6)로 도시한 LAN(local area network) 버스(bus)를 거쳐서 다른 제어기, 장치, 센서 및 액추에이터와 통신한다. LAN 버스(6)는 제어 매개변수의 구조적인 통신을 허용하고 각종 프로세서, 제어 모듈 및 장치 사이에서 명령한다. 사용되는 특정 통신 프로토콜은 맞춤형이다. LAN 버스 및 적절한 프로토콜은 전술한 제어기 사이에서 접속하는 확고한 전자 통신 및 멀티 제어기와, ABS(antilock brakes), 견인 제어(traction control) 및 차량 안정성(vehicle stability) 등의 기능을 제공하는 다른 제어기를 제공한다.
ECM(5)은 데이터 버스를 거쳐 휘발성 및 비휘발성 메모리 장치에 신호적 및 전기식으로 연결된 중아 처리 유닛을 포함한다. ECM(5)은 도시한 바와 같이 엔진(10) 및 배기 시스템의 작동을 진행식으로 모니터링하고 제어하도록 감지 장치 및 다른 출력 장치에 작동식으로 부착된다. 출력 장치는, 예컨대 공기 흡입 시스템, 연료 분사 시스템, 불꽃 점화 시스템(불꽃 점화 엔진을 사용하는 경우), 배기가스 순환 시스템 및 증발 제어 시스템을 구비하는 엔진의 적절한 제어 및 작동을 위해 필요한 서브시스템을 구비하는 것이 바람직하다. 엔진 감지 장치는 엔진 작동 및 외부 조건을 모니터링하도록 작동가능한 장치를 구비하며, 동력 및 신호 전달 장치(wiring harnesses)를 거쳐 ECM(5)에 신호적으로 부착된다.
비휘발성 메모리 장치 내에 저장된 알고리즘은 중앙 처리 유닛에 의해 실행되고, 감지 장치로부터의 입력을 모니터링하도록 작동가능하며, 사전설정된 보정을 이용하여 배기 후처리 장치 및 엔진의 작동을 제어하도록 엔진 제어 및 진단 루틴을 실행한다. 알고리즘은 일반적으로 사전설정된 루프 사이클 동안에 실행되며, 각각의 제어 알고리즘은 각각의 루프 사이클을 적어도 한번 실행된다. 루프 사이클은 일반적으로 엔진 작동시에 3.125, 6.25, 12.5, 25 및 100msec 각각을 실행한다. 변형적으로, 제어 알고리즘은 사건 발생에 반응하여 실행될 수 있다. 주기적인 사건, 예컨대 엔진 연료 보급의 연산은 각각의 엔진 사이클에서 실행될 수 있다. 진단 알고리즘은 엔진 키온 사이클(engine key-on cycle)당 한번 실행될 수 있다. 진단 알고리즘은 실행 전에 특정 실시가능한 기준을 성취하기 위한 요건을 포함하는 또다른 제한사항을 가질 수 있다. 당업자는 내연기관(10)의 각종 실시예 의 작동을 제어 및 진단하도록 ECM(5)의 사용을 이해할 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 본 발명은 내연기관(5)의 작동시에 [SCR 장치(20)로서 도시된] 촉매 장치 중 하나의 상류에 예시적인 내연기관(10)의 배기가스 공급류 내로 탄화수소 환원제를 분사하는 장치를 포함하는 것이 바람직하다. 이와 같은 장치는 배기가스 공급류 내에 탄화수소 환원제를 분사시키고, 제어가능한 압력 조절 장치(32)에 유체식으로 연결된 액체 또는 연료 계측 장치, 예컨대 연료 분사기를 포함하는 환원제 분사 장치(16)를 포함하는 것이 바람직하다. ECM(5)은 환원제 분사 장치(16)와 제어가능한 압력 조절 장치(32)에 작동식으로 연결되고, 제어가능한 유동 범위 이상으로 배기가스 공급류 내에 환원제를 유동시키도록 제어한다. 탄화수소 환원제는 탄화수소 연료를 포함하는 것이 바람직하다. 배기 시스템은 ECM(5)이 배기가스 온도, 유량 및 배출물의 매개변수를 결정할 수 있는 배기가스 공급류의 매개변수를 모니터링하도록 작동하는 감지 장치, 예컨대 센서(12, 18, 22 및 26)를 구비한다. ECM(5)은 HC1/NOx의 소정의 비율 및 배기가스 공급류 매개변수, 특히 NOx 농도에 근거하여 연료 계측 장치 및 압력 조절 장치를 제어하기 위한 피드 포워드 제어 방식 및 피드백 제어 방식을 포함하는 알고리즘을 구비한다. 내연기관은, 예컨대 압축 점화 엔진(compression-ignition engine), 예혼합 압축 점화 엔진(homogeneous-charge compression-ignition engine)을 포함하는 희박 공연비 영역 내에서 작동하는 많은 엔진 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 이에 대해서는 상세히 후술한다.
본 실시예의 환원제 분사 장치(16)는 배기가스 공급류 내에 디젤 연료를 분사시키기 위한 커먼 레일 디젤 연료 분사기(common rail diesel fuel injector)를 포함한다. 디젤 분사기를 채택하는 것은 배기 시스템 내에 장치를 삽입시키기 위한 고정부(fitting)를 추가하고, 배기가스 공급류 분위기를 수용하는 물질 변경을 포함한다. 엔진(30)으로부터의 연료 라인(30)은 제어가능한 압력 조절 장치(32)에 가압된 연료를 제공하며, 제어가능한 압력 조절 장치(32)의 출력부는 환원제 분사 장치(16)에 유체식으로 연결된다. 환원제 분사 장치(16) 및 제어가능한 압력 조절 장치(32) 각각은 ECM(5)에 작동식으로 연결되며, 이 ECM(5)은 연료 압력을 제어하도록 제어가능한 압력 조절 장치(32)를 제어하고, 환원제 분사 장치(16) 밖으로의 연료 유량을 제어하도록 분사기 개구 펄스폭 및 반복률을 제어함으로써 배기가스 공급류 내로의 환원제의 유량을 제어한다.
연료 환원제를 분사하기 위해 커먼 레일 디젤 연료 분사기를 사용하는 것은 분사기로부터의 최대 유량 및 최소 유량으로서 규정된 매우 높은 다이나믹 영역(dynamic range) 또는 부하 조정비(turndown ratio)("TDR')를 필요로 한다. 엔진으로부터 나온 NOx의 기대 레벨과 함께 각종 테스트 사이클 동안의 테스트 데이터에 근거하여, 1.0g/초의 범위에 있는 환원제 분사 장치(16)의 최대 유량은 특정 작동 조건 하에서 NOx를 효과적으로 감소시키는데 필요하고, 0.001g/초만큼 낮은 범위에 있는 최대 유량은 상응하는 HC 슬립 또는 HC 배출물의 누출 없이 특정 작동 조건 하에서 NOx를 효과적으로 감소시키는데 필요하다. 따라서, 1,000:1의 TDR을 갖 는 환원제 분사 시스템이 기대되며, 이는 기존의 공지된 탄화수소 연료 분사 장치의 다이나믹 영역을 초과한다. 제어가능한 압력 조절 장치(32)를 이용하는 것은 규정된 최대 및 최소 유량을 성취하도록 환원제 분사 장치(16)로부터의 광범위의 유량을 용이하게 한다.
제어가능한 압력 조절 장치(32)는 제어된 압력에서 연료 라인 내의 가압된 연료량을 제공하도록 작동하는 공지된 많은 장치 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 예시적인 조절 장치는 제어된 압력을 제공하도록 설계된 차압 조절 장치를 포함하며, 제어된 압력은 신호 또는 기준압력과 바이어스 압력의 합이다. 바이어스는 양(+) 또는 음(-)일 수 있다. 바이어스 압력을 제어함으로써 제어된 압력은 변경될 수 있다.
환원제의 필수적인 유량은 하기와 같이 결정된다. 작동시에, 배기 시스템 내의 NOx 센서(12)에 의해 감지된 데이터는, 특히 ppm(parts per million)의 엔진으로부터 나온 NOx 배출물을 측정하는데 이용된다. 엔진으로부터 나온 NOx 및 [센서(26)에 의해 측정된] 배기가스 온도는 NOx환원과 관련된 배기 온도를 결정하도록 ECM(5)에 의해 사용된다. 배기 유량은 엔진(10) 내로의 공기 유량, 그리고 연료 및 평균 배기가스 특성에 근거하여 연산된다. 촉매 공간 속도는 촉매 체적 및 유량에 근거하여 결정된다. 공간 속도는 촉매의 단위 체적당 배기가스의 공급량(체적)를 나타내며, 그 단위는 h-1이다.
환원제 분사 장치(16)를 이용하여 배기가스 내로 분사된 환원제, 예컨대 디 젤 연료의 유량은 최고 NOx 환원 및 HC-SCR 촉매(20)를 지난 최소의 HC 슬립을 위해 요구되는 HC1:NOx 비를 결정함으로써 연산된다. HC-SCR 촉매를 지나서의 최고점의 NOx 환원 및 최소의 HC 슬립을 위해 요구된 HC1:NOx 비를 결정하기 위한 예시적인 방법은, 참고로 인용된 배기가스 공급류 내의 NOx를 선택적으로 감소하기 위한 방법 및 장치(METHOD AND APPARATUS TO SELECTIVELY REDUCE NOx IN AN EXHAUST GAS FFFDSTREAM)의 명칭으로 동시계속출원 중인 미국 특허 출원(정리번호 GP-308485)에 기재되어 있다. 디젤 연료 특성을 이용하면, 예시적인 엔진(10)의 전체 작동 범위를 위해 필요한 C1을 주성분으로 한 탄소 대 NOx의 비, 즉 HC1:NOx 비를 연산할 수 있다. ECM(5)의 메모리 장치 내에 표로 저장된 보정은 배기가스 온도의 범위 및 촉매 공간 속도 매개변수의 범위 이상으로 결정된 복수의 최적화된 HC1:NOx 비를 포함한다. 소정의 온도 및 소정의 SV에 대한 최적화된 HC1:NOx 비는 HC-SCR 장치(20)를 통한 NOx 환원을 성취하도록 피드 포워드 제어 방식으로 ECM(5) 내의 알고리즘에 의해 사용된다. 또한, 분사 장치(16) 및 SCR 촉매(20)의 상류 후의 배기 공급류 내의 산소 센서(도시하지 않음)로부터의 피드백은 HC 투여의 정도를 조절하는데 이용될 수 있다. 예를 들면, 배기가스 내의 낮은 산소 레벨은 NOx 효율을 개선시키는 경향이 있다. 따라서, 배기가스 공급류 내의 산소 레벨이 강하함에 따라, HC 분사 정도는 감소될 수 있다.
분사된 환원제의 양은 하기와 같이 결정된다. 배기가스 공급류 내의 NOx 배출물의 정도는 센서로부터의 정보를 이용하여 ECM(5)에 의해 결정된다. 최적화된 HC1:NOx 비의 특정값은 특정 배기가스 온도 및 촉매 공간 속도에 대한 전술된 표로 나타낸 보정으로부터 결정된다. NOx 배출물의 정도는 배기가스 공급류 내로 분사하기 위해C1을 주성분으로 한 필수적으로 분사된 연료량을 결정하도록 최적화된 HC1:NOx 비를 곱한다. 예로서, 1ppm의 증발된 디젤 연료는 대략 14개의 탄소 원자를 가지므로, 배기가스 공급류 내의 100ppm의 입구측 NOx를 갖는 10의 HC1:NOx 비는 10×100/14 = 71ppm 디젤 연료의 분사를 필요로 한다. 이에 따라, HC1:NOx 비는 촉매 이상의 NOx 환원을 위한 연료 보정량을 연산 및 분사하는데 이용된다.
도 2를 참조하면, 본 시스템의 변형 실시예를 기술한다. 제 2 시스템은 도 1을 참조하여 기술된 제 1 시스템의 모든 실시예를 포함하며, 제어가능한 압력 조절 장치(32)의 출력부에 유체식으로 연결된 제 2 환원제 분사 장치(17)를 구비한다. 제 2 환원제 분사 장치(17)는 ECM(5)에 의해 제어되며, 산화 촉매(14)로서 도시된 본 실시예에 있어서 디슐페이션(desulfation)을 성취하기 위한 제 2 촉매 장치의 상류에 있는 제어된 탄화수소의 양을 분사하도록 작동한다. 변형적으로, 도시하지 않은 제 2 시스템은 촉매(24)의 상류에 분사하도록 기계화될 수 있으며, 이는 재생을 성취하기 위해 디젤 입자 필터('CDPF')를 구비한다.
실시예들을 참조하여 본원에 기술된 시스템은 각종 압축 점화 엔진 및 불꽃 점화 엔진을 위한 연소후 분사 방식에 적용가능하다. 기술한 바와 같이, 이러한 시스템은 디젤 입자 필터를 재생시키기 위한 연소후 HC 분사, 디젤 산화 촉매의 디슐페이션을 위한 연소후 HC 분사, 및 희박 NOx 촉매의 재생 및 디슐페이션을 위한 연소후 HC 분사을 구비한다.
본원에 기재된 배기 후처리 시스템은 촉매 반응 장치(14), 복수의 배기가스 감지 장치(12, 22, 26) 및 환원제 분사 시스템을 포함한다. 환원제 분사 시스템은 촉매 반응 장치(20)의 상류에 있는 배기가스 공급류 내에 환원제를 분배하고, 배기가스 공급류 및 제어가능한 압력 조절 장치(32) 내에 환원제를 분사시키는 환원제 분사 장치(16)를 포함한다. 제어 시스템은 배기가스 공급류 및 소정의 환원제 공급량의 매개변수를 결정한다. 환원제 분사 시스템은 희박 작동시에 소정의 환원제 공급량으로 제어된다. 이러한 제어를 사용하면, 촉매 이상의 최대 NOx 환원을 성취하면서 차량 연료 경제성을 최적화할 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예 및 그의 변형례를 참조하여 기술하였다. 본 명세서를 판독시에 또다른 변형 및 수정이 일어날 수 있다. 이러한 변형 및 수정은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 전동 기구 시스템의 개략적인 도면.

Claims (16)

  1. 내연기관의 배기가스 공급류 내로 환원제를 분사하는 장치에 있어서,
    상기 배기가스 공급류 내로 환원제를 분사시키는 유체 계측 장치;
    제어가능한 압력 조절 장치; 및
    상기 유체 계측 장치와 상기 제어가능한 압력 조절 장치에 작동식으로 연결되고 제어가능한 유량 이상으로 환원제를 상기 배기가스 공급류 내로 유동시키는 제어 모듈;을 포함하는 내연기관의 배기가스 공급류 내로 환원제를 분사하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유체 계측 장치는 상기 내연기관의 희박 작동시에 선택적인 촉매 환원 장치의 상기 배기가스 공급류의 상류 내로 탄화수소 연료를 분사시키는 연료 계측 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 공급류 내로 환원제를 분사하는 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어 모듈은, 상기 연료 계측 장치와 상기 압력 조절 장치에 작동식으 로 연결되고, 엔진으로부터 나온 NOx 농도에 근거하여 상기 연료 계측 장치와 상기 압력 조절 장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 공급류 내로 환원제를 분사하는 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어 모듈은, 상기 연료 계측 장치와 상기 압력 조절 장치에 작동식으로 연결되고, HC1/NOx의 소정의 비율에 근거하여 상기 연료 계측 장치와 상기 압력 조절 장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 공급류 내로 환원제를 분사하는 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어 모듈은, 상기 배기가스 공급류의 변수를 모니터링하도록 작동하는 복수의 감지 장치에 신호에 의해 연결되고, 배기가스 온도, 유량 및 배출물의 변수를 결정하도록 작동하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 공급류 내로 환원제를 분사하는 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    제어가능한 유량 이상으로 환원제를 상기 배기가스 공급류 내로 유동시키는 상기 제어 모듈은, HC1/NOx의 소정의 비율 및 상기 배기가스 공급류 변수에 근거하여 상기 연료 계측 장치와 상기 압력 조절 장치를 제어하도록 피드포워드 제어 방식을 수행시키는 제어 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 공급류 내로 환원제를 분사하는 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    HC1/NOx의 소정의 비율 및 상기 배기가스 공급류 변수에 근거하여 상기 연료 계측 장치와 상기 압력 조절 장치를 제어하도록 피드백 제어 방식을 수행시키는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 공급류 내로 환원제를 분사하는 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제어가능한 유량은 상기 연료 계측 장치로부터 약 0.001g/초 내지 약 1.0g/초의 범위 이상의 연료 유량을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 공급류 내로 환원제를 분사하는 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 내연기관은 압축 점화 엔진을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 공급류 내로 환원제를 분사하는 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 내연기관은 예혼합 압축 점화 엔진(homogeneous-charge compression-ignition engine)을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 공급류 내로 환원제를 분사하는 장치.
  11. 희박 공연비 영역 내에서 작동하는 내연기관용의 배기 후처리 시스템에 있어서,
    촉매 반응 장치;
    복수의 배기가스 감지 장치;
    상기 촉매 반응 장치의 상기 배기가스 공급류의 상류 내로 환원제를 분배하도록 작동하고, 상기 배기가스 공급류 내로 환원제를 분사시키는 유체 계측 장치와, 제어가능한 압력 조절 장치를 포함하는, 환원제 분사 시스템; 및
    상기 배기가스 공급류의 변수를 결정하고, 소정의 환원제 공급량을 결정하 며, 내연기관의 희박 작동시에 상기 소정의 환원제 공급량으로 상기 환원제 분사 시스템을 선택적으로 제어하는 제어 시스템;을 포함하는 희박 공연비 영역 내에서 작동하는 내연기관용의 배기 후처리 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    탄화수소 환원제를 분배하도록 작동하는 환원제 분사 시스템을 더 포함하고,
    상기 촉매 반응 장치는 탄화수소의 선택적 촉매 환원 장치를 포함하며,
    상기 소정의 환원제 공급량은 상기 탄화수소의 선택적 촉매 환원 장치를 통해 NOx 농도를 환원하기에 효과적인 탄화수소/NOx 비율을 포함하는 것을 특징으로 하는 희박 공연비 영역 내에서 작동하는 내연기관용의 배기 후처리 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 촉매 반응 장치는 실버 알루미나 촉매 반응 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 희박 공연비 영역 내에서 작동하는 내연기관용의 배기 후처리 시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    탄화수소 환원제를 분배하도록 작동하는 환원제 분사 시스템을 더 포함하고,
    상기 촉매 반응 장치는 디젤 입자 필터 장치를 포함하며,
    상기 소정의 환원제 공급량은 상기 디젤 입자 필터 장치를 재생하는데 효과적인 것을 특징으로 하는 희박 공연비 영역 내에서 작동하는 내연기관용의 배기 후처리 시스템.
  15. 제11항에 있어서,
    탄화수소 환원제를 분배하도록 작동하는 환원제 분사 시스템을 더 포함하고,
    상기 촉매 반응 장치는 디젤 산화 촉매 장치를 포함하며,
    상기 소정의 환원제 공급량은 상기 디젤 산화 촉매 장치를 디슐페이트(desulfate)하는데 효과적인 것을 특징으로 하는 희박 공연비 영역 내에서 작동하는 내연기관용의 배기 후처리 시스템.
  16. 내연기관의 배기가스 공급류 내로 환원제를 분사하는 방법에 있어서,
    상기 배기가스 공급류 내로 환원제를 분사시키는 연료 계측 장치로의 유체 압력을 제어하도록 작동하는 제어가능한 압력 조절 장치를 제공하는 단계; 및
    상기 연료 계측 장치로의 상기 압력과, 상기 연료 계측 장치를 제어하여 상기 배기가스 공급류 내로 환원제의 유동을 선택적으로 제어하는 단계;를 포함하는 내연기관의 배기가스 공급류 내로 환원제를 분사하는 방법.
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