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KR102159068B1 - 내연기관의 배기가스 후처리 방법 및 장치 - Google Patents

내연기관의 배기가스 후처리 방법 및 장치 Download PDF

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KR102159068B1
KR102159068B1 KR1020197001745A KR20197001745A KR102159068B1 KR 102159068 B1 KR102159068 B1 KR 102159068B1 KR 1020197001745 A KR1020197001745 A KR 1020197001745A KR 20197001745 A KR20197001745 A KR 20197001745A KR 102159068 B1 KR102159068 B1 KR 102159068B1
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KR
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particle filter
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combustion engine
secondary air
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KR1020197001745A
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플로리안 칭크
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폭스바겐 악티엔 게젤샤프트
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Publication date
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Abstract

본 발명은, 특히 내연기관의 배기가스 채널 내 입자 필터를 재생하기 위한, 내연기관의 배기가스 후처리 방법에 관한 것으로, 이 경우 내연기관의 정상 작동 시 입자 필터에 그을음 입자가 포집된다. 입자 필터의 재생 온도에 도달하기 위하여, 내연기관이 농후 연료 혼합비로 작동되는 동시에 2차 공기가 배기가스 채널 내부로 도입되며, 이 경우 연소되지 않은 연료 성분은, 입자 필터가 재생 온도로 가열될 때까지, 입자 필터 상에서 2차 공기와 발열 반응을 한다. 재생 온도에 도달하면, 내연기관이 화학량론적 연소 공기비로 작동되고, 2차 공기는 입자 필터 내에 보유된 그을음 입자의 산화를 위해 배기가스 채널 내부로 취입되며, 이 경우 2차 공기량의 조절은 2차 공기용 도입 지점 하류와 입자 필터 상류에서 람다 프로브에 의해 수행된다.

Description

내연기관의 배기가스 후처리 방법 및 장치
본 발명은, 내연기관의 배기가스 후처리를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
배기가스 배출과 관련된 법규정의 지속적인 강화는 차량 제조자에게, 엔진 미연소 배출을 줄이기 위한 상응하는 조치들과 상응하는 배기가스 후처리를 통해 해결되는 높은 수준의 요건을 제기한다. 다음 입법 단계인 EU6의 도입으로, 오토 엔진에 대해서도 입자수 한계값이 규정될 것이다. 이는, 일부 모델의 경우, 오토 입자 필터의 사용이 필요할 수 있는 상황을 야기할 수 있다. 주행 모드에서는, 이와 같은 오토 입자 필터에 그을음(soot)이 적재된다. 배기가스 배압이 지나치게 강하게 상승하지 않도록 하기 위해, 상기 오토 입자 필터가 연속적으로 또는 주기적으로 재생되어야 한다. 오토 입자 필터 내에 보유된 그을음을 산소에 의해 열적 산화시키기 위해, 오토 엔진의 배기가스 설비 내에 공존하는 산소와 연계된 충분히 높은 온도 레벨이 필요하다. 이로써 입자 필터 내에 침전된 그을음이 산화될 수 있다. 최근의 오토 엔진은 통상적으로 산소 과잉 없이 화학량론적 연소 공기비(λ = 1)로 작동되기 때문에, 상기 목적을 위해서는 추가 조치들이 필요하다. 배기가스 채널 내부로의 산소의 유입은 일반적으로, 연소실 내부로 연료가 분사되지 않는 내연기관의 코스팅 상태를 통해 실시된다. 그의 대안적인 조치로서, 예를 들어 오토 엔진의 일시적인 희박 조정 또는 배기가스 시스템 내부로의 2차 공기의 취입(blow in)이 고려된다. 바람직하게, 지금까지는 오토 엔진의 희박 조정이 적용되고 있는데, 그 이유는 이와 같은 방법이 추가 부품 없이도 구현될 수 있고, 오토 엔진의 대부분의 작동점에서 충분한 양의 산소를 공급할 수 있기 때문이다. 또한, 재생을 모니터링하고 제어하기 위해서는 복잡한 센서 시스템이 필요하다. 하지만, 이와 같은 희박 조정에서의 단점은 바로, 낮은 부분 부하 모드 및 짧은 구간 주행에서는 입자 필터의 재생을 위해서 필요한 재생 온도에 도달하지 않는다는 것이다. 또한, 엔진의 희박 조정 동안에는, 질소 산화물을 위한 환원제가 존재하지 않기 때문에 질소 산화물이 삼원 촉매 컨버터에 의해 충분히 변환될 수 없다.
DE 10 2010 044 102 A1호에는, 내연기관이 입자 필터의 재생 동안 화학량론적 연소 공기로 작동되고, 입자 필터의 재생을 위해 2차 공기가 배기가스 채널 내부로 취입되는 내연기관의 배기가스 후처리 방법이 공지되어 있다. 이 경우에는, 2차 공기량이 패시브 플러터 밸브(passive flutter valve)를 통해 배기가스 채널 내부로 주입됨으로써, 2차 공기량의 정량 제어가 불가능하다.
DE 10 2011 002 438 A1호로부터 공지된, 내연기관의 배기가스 채널 내 입자 필터의 적재 상태를 결정하기 위한 방법에서는, 체적 유량을 확대하고 이로써 입자 필터의 적재 상태 계산에 기초가 되는 차압 측정의 결과를 개선하기 위하여, 내연기관의 작동 상태들에서 입자 필터의 상류에서 적은 배기가스 부피로써 2차 공기가 배기가스 채널 내부로 주입된다.
DE 10 2013 220 899 A1호로부터 공지된, 내연기관의 배기가스 채널 내 입자 필터를 재생하기 위한 방법에서는, 내연기관의 엔진 관련 조치를 통해 입자 필터의 가열이 수행되며, 이 경우 내연기관의 희박 연소 혼합물의 잔류 산소에 의해 입자 필터에 상기 입자 필터 내에 보유된 그을음 입자의 산화를 위해 공급되며, 이 경우 입자 필터 상에 있는 그을음의 산화를 위한 잔류 산소량의 조절은 내연기관의 람다 조절에 의해 수행된다.
이제 본 발명의 과제는, 입자 필터의 재생을 위한 충분히 높은 온도 레벨에 도달하게 할 뿐만 아니라 입자 필터의 재생 동안 유해 물질 배출이 가급적 적게 유지되게 함으로써, 입자 필터의 재생이 실질적으로 방출 중립적으로 수행될 수 있게 하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제는, 배기가스 채널과, 배기가스 채널 내에 배치된 삼원 촉매 컨버터와, 삼원 촉매 컨버터 하류에 배치된 입자 필터를 구비한 내연기관을 후처리하기 위한 방법에 의해 해결되며, 이 방법은 다음과 같은 단계들, 즉
- 화학량론적 연소 공기비로 내연기관을 작동시키는 단계로서, 연소 시 생성되는 그을음 입자가 입자 필터 내에 적재되는 단계,
- 입자 필터의 적재 상태를 검출하는 단계,
- 적재 상태의 검출 시 입자 필터의 재생 필요성이 인식되면, 입자 필터의 재생을 개시하는 단계,
- 아화학량론적(substoichiometric) 농후 연소 공기비로써, 그리고 그와 동시에 2차 공기를 입자 필터 상류에서 배기가스 채널 내부로 주입함으로써 수행되는 내연기관의 작동에 의해 배기가스 온도를 상승시키는 단계로서, 연소되지 않은 연료 성분이 배기가스 채널 내에서 또는 입자 필터 상에서 2차 공기와 발열 반응을 하는 단계,
- 입자 필터를 재생하는 단계로서, 내연기관이 화학량론적 연소 공기비로 작동되고, 2차 공기가 배기가스 채널 내부로 주입되는 단계를 포함하며, 이 경우
- 배기가스 채널 내부로 주입되는 2차 공기의 양은 2차 공기 도입 지점 하류 및 입자 필터 상류에서 람다 프로브(lambda probe)를 통해 조절된다.
본 발명에 따른 방법에 의해, 입자 필터는 낮은 부분 부하 모드에서도 또는 짧은 구간 주행 시에도 재생 온도까지 가열될 수 있고, 그에 이어서 재생될 수 있다. 이 경우 람다 조절에 의해서는, 지나치게 많은 산소가 배기가스 채널 내부에 도달하여 그을음의 제어되지 않은 연소 및 이와 결부된 입자 필터의 열적 손상을 야기할 수 있는 상황이 방지될 수 있다. 압력 센서 및/또는 온도 센서 대신 람다 프로브를 이용하면, 배기가스 채널 내 입자 필터 상류에서 혼합물 품질이 직접 평가될 수 있다는 장점을 얻게 된다.
종속 청구항들에 기재된 조치들에 의해, 독립 청구항에 명시된 입자 필터의 재생을 위한 방법의 바람직한 향상 및 개선이 가능해진다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는, 가열 단계에서 2차 공기 주입에 의해, 삼원 촉매 컨버터 하류 및 입자 필터 상류에서 배기가스 채널 내의 화학량론적 혼합 공기비가 설정된다. 이렇게 함으로써, 입자 필터의 가열 단계 동안 연소되지 않은 연료 성분이 완전히 배기가스 채널 내에서 그리고/또는 입자 필터 상에서, 2차 공기 공급으로부터 유래하는 산소와 반응하도록 매칭될 수 있으며, 그 결과 가열 단계 동안에도 일산화탄소(CO) 및 연소되지 않은 탄화수소(HC)의 배출이 감소되지 않는다.
본 방법의 한 바람직한 실시예에서는, 입자 필터의 온도가 결정되고, 재생 단계에서는 입자 필터의 재생 온도보다 높게 온도가 유지된다. 이로 인해, 입자 필터의 그을음 포집량이 전부 산화될 때까지, 입자 필터가 연속 공정에서 재생될 수 있다. 이렇게 함으로써, 더욱 빈번한 재생 사이클을 야기하고 이와 결부되어 내연기관의 초과 소비를 야기하는 입자 필터의 잔류 포집이 방지된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서는, 입자 필터의 상부 임계 온도에 도달한 경우 2차 공기의 주입이 중단된다. 2차 공기 주입의 중지에 의해, 입자 필터 내에 보유된 그을음 입자의 발열 산화가 중지됨으로써, 입자 필터의 추가 가열이 방지될 수 있다. 따라서, 2차 공기의 람다 제어는 입자 필터의 부품 보호에 효과적으로 기여할 수 있다.
상기 실시예에서는, 입자 필터의 온도 변화에 따라 배기가스 채널 내부로 계량 주입되는 2차 공기량이 증가하거나 감소하는 경우가 특히 바람직하다. 이 경우에는, 입자 필터의 재생 동안 입자 필터 온도가 상승할 때 이 온도 상승이 종료될 때까지 2차 공기량이 조절된다. 입자 필터의 온도가 하강하는 경우에는, 입자 필터의 온도가 재생 동안 재생 온도 아래로 하강하지 않고 추가의 그을음 입자가 산화될 수 없도록 하기 위해, 입자 필터 상에서의 산화에 의해 그을음 변환량을 증가시키고, 이와 같은 발열 반응에 의해 입자 필터의 온도를 안정화시키거나 높이기 위해, 재생 동안 2차 공기량이 증가된다.
대안적으로 또는 추가로는, 입자 필터의 재생이 증가하고 입자 필터의 포집도가 감소함에 따라, 배기가스 채널 내부로 계량 주입되는 2차 공기량이 증가한다. 입자 필터의 포집도 및 배기가스 온도가 높은 경우에는 즉각 배기가스 채널 내에서의 지나치게 큰 산소 농도가 입자 필터 상에서 제어되지 않은 그을음 연소를 야기하고, 이와 결부되어 입자 필터의 열적 손상을 야기할 위험이 존재한다. 입자 필터의 포집량이 적을수록, 입자 필터 내에 보유된 그을음 입자의 추가 산화는 그만큼 더 적어진다. 재생 과정의 쫑료 시 반응 속도가 너무 강하게 감소하지 않고, 입자 필터에서의 온도가 재생 온도 아래로 하강하도록 하기 위해, 재생 진행 중에 추가의 2차 공기에 의해 산소량이 증가될 수 있다.
대안적으로 바람직하게는, 입자 필터의 재생을 위해 가열 단계와 재생 단계 간에 여러 번 교번이 실시된다. 이로써, 한 편으로는 입자 필터의 재생 동안 부품의 과열 및 손상이 야기되지 않도록 보장될 수 있고, 다른 한 편으로는 온도가 재생 온도 아래로 하강한 후에 입자 필터의 완전한 재생에 도달할 때까지 재생 공정이 자주 반복적으로 개시되는 것이 보장될 수 있다.
방법의 일 개선예에 따라, 입자 필터의 재생 동안 온도가 재생 온도와 상부 임계 온도 사이의 온도 범위 내에서 유지된다. 이와 같은 온도 범위 내에서는, 입자 필터 내에 보유된 그을음 입자의 효율적이고 신속한 산화가 가능하며, 이 경우 입자 필터의 열적 내구성이 저하되지 않아 입자 필터의 수명이 단축된다.
이 경우, 온도 범위가 600℃ 내지 750℃의 범위 내에 놓이는 경우가 특히 바람직하다. 기존의 입자 필터에서는 600℃를 초과하는 온도가 그을음 입자의 산화를 위해 효율적이라고 밝혀졌다. 이와 같은 입자 필터는 입자 필터의 손상을 야기하지 않으면서 750℃까지의 온도를 지속적으로 견딘다.
방법의 또 다른 일 개선예에 따라, 입자 필터의 재생 동안 입자 필터 상류에서의 혼합 공기비(λM)가 1.05 내지 1.4로 설정되도록 2차 공기량이 조절된다. 따라서, 제어되지 않은 그을음 연소 없이, 입자 필터 내에 보유된 그을음의 산화가 가능해진다. 1.1 < λM < 1.25의 범위가 특히 바람직한데, 그 이유는 이 범위에서 그을음 산화 시 입자 필터의 신속한 재생을 보장하기에 충분히 큰 변환율이 달성되기 때문이다.
방법의 바람직한 일 개선예에서는, 입자 필터 하류에서 화학량론적 배기가스가 설정되도록 2차 공기량이 조절된다. 이 경우, 그을음 입자의 화학량론적 산화를 위해 필요한 만큼의 산소가 2차 공기 주입에 의해서 공급된다. 따라서, 그을음 입자의 산화는 실질적으로 배출 중립적으로 실행될 수 있고, 입자 필터의 재생에 의한 추가의 유해성 2차 배출이 발생하지 않는다.
방법의 바람직한 일 실시예에 따라, 입자 필터가 자신의 재생 온도보다 적어도 30℃, 바람직하게는 적어도 50℃ 더 높은 온도에 도달할 때 비로소 가열 단계가 종료된다. 이로써, 그을음 입자의 초기의 적은 발열 산화에서도 입자 필터의 온도가 즉시 재생 온도 아래로 다시 하강하지 않음으로써 재생이 정지하게 되는 점이 보장된다.
바람직한 일 실시예에 따라, 2차 공기 라인에 2차 공기 펌프가 배치된다. 2차 공기 펌프에 의해, 낮은 엔진 부하에서도 배기가스 배압에 대항해서 공기를 배기가스 채널 내부로 이송하기에 충분히 큰 압력차가 발생할 수 있다. 대안적으로, 전기식으로 구동되는 압축기를 갖춘 내연기관에서는, 2차 공기가 압축기 하류의 흡입 라인으로부터도 인출되어 배기가스 채널 내부로 도입될 수 있다. 따라서, 전기식으로 충전되는 엔진의 경우에는 추가의 압력 발생기, 예를 들어 2차 공기 펌프가 생략될 수 있고, 2차 공기는 내연기관의 흡입 다기관으로부터 인출될 수 있다.
본 발명에 따라, 배기가스 채널, 이 배기가스 채널 내에 배치된 삼원 촉매 컨버터, 상기 배기가스 채널 내에서 삼원 촉매 컨버터 하류에 배치된 입자 필터, 2차 공기 공급 장치, 그리고 삼원 촉매 컨버터 상류에 배치된 제1 람다 프로브 및 도입 지점 하류와 입자 필터 상류에 배치된 제2 람다 프로브를 구비한, 내연기관의 배기가스 후처리를 위한 장치가 제안되며, 상기 삼원 촉매 컨버터와 입자 필터 사이에 2차 공기 공급 장치로부터 유래하는 2차 공기를 위한 도입 지점이 제공되며, 이 경우 본원 장치는 본 발명에 따른 방법을 수행하도록 설계된다.
본 발명의 바람직한 또 다른 실시예들은, 종속 청구항들에 언급된 나머지 특징들로부터 도출된다.
본 출원에 언급된 본 발명의 다양한 실시예들은, 개별적으로 달리 언급되지 않는 한, 바람직하게 서로 조합될 수 있다.
본 발명은, 이하의 실시예들에서 관련 도면들을 참조하여 설명된다.
도 1은 삼원 촉매 컨버터 및 이 삼원 촉매 컨버터 하류에 배치된 입자 필터와, 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 2차 공기 공급 장치를 구비한 내연기관을 도시한 도면이다.
도 2는 내연기관의 배기가스 채널 및 본 발명에 따른 방법을 제어하기 위한 람다 센서 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 입자 필터의 재생을 위한 본 발명에 따른 방법의 흐름도이다.
도 1은, 흡입 채널(26) 및 배기가스 채널(12)을 갖고 터보 차저(32)에 의해서 충전되는 오토 엔진 형태의 내연기관(10)을 보여준다. 흡입 채널(26) 내에는 압축기(28), 스로틀 밸브(34) 및 충전 공기 냉각기(36)가 배치되어 있다. 배기 가스 채널(12) 내에는, 구동 샤프트(40)를 통해 터보 차저(32)의 압축기(28)를 구동시키는 터보 차저(32)의 터빈(38)이 내연기관(10)의 배기가스 유동 방향으로 배치되어 있다. 대안적으로, 압축기(28)는 기계식으로 구동되는 압축기로서, 또는 전기식 압축기로서 형성될 수도 있다.
배기가스 채널(12) 내에는, 배기가스 채널(12)을 통과하는 내연기관(10)의 배기가스 유동 방향으로 터빈(38)의 하류에 삼원 촉매 컨버터(14)가 배치되어 있다. 이 경우, 삼원 촉매 컨버터(14)는, 착화(light-off) 온도까지 삼원 촉매 컨버터(14)의 신속한 가열 및 이로써 유해 물질의 효율적인 변환을 가능하게 하기 위하여, 바람직하게 엔진 가까이에 배치되어 있다. 이 경우, 엔진 가까이 배치되어 있다는 것은, 내연기관(10)의 배출구 뒤로 최대 50㎝, 특히 최대 30㎝의 평균 배기가스 진행 경로를 갖는 배치를 의미한다. 삼원 촉매 컨버터(14) 하류에는, 배기 채널(12) 내부로의 2차 공기 주입을 위한 도입 지점(20)이 제공되어 있다. 도입 지점(20)에는, 2차 공기 밸브(42) 및 2차 공기 라인(44)을 포함하는 2차 공기 공급 장치(18)가 연결되어 있으며, 이 경우 2차 공기 라인(44)은 압축기(28) 하류에서 흡입 채널(26)의 일 섹션을 배기가스 채널(12)과 연결한다. 이 경우, 2차 공기 라인(44)에는, 배기가스 채널(12) 내의 압력에 비해 상승한 압력을 발생시킬 수 있는 2차 공기 펌프(48)가 제공되어 있다. 대안적으로, 2차 공기 라인(44)은 주변도 배기가스 채널(12)과 연결할 수 있다. 이 경우, 2차 공기 라인(44)은 2차 공기 밸브(42) 또는 도입 지점(20)에서 삼원 촉매 컨버터(14) 하류 및 입자 필터(16) 상류에서 배기가스 채널(12) 내부로 연통되어 있다. 배기가스 채널(12)을 통과하는 내연기관(10)의 배기가스의 유동 방향으로 삼원 촉매 컨버터(14) 상류에는, 내연기관(10)의 연소 공기비(λE)를 조절하는 제1 람다 프로브(22)가 제공되어 있다. 도입 지점(20) 하류와 입자 필터(16) 상류에는, 2차 공기 밸브(42)를 통과해서 배기가스 채널(12) 내부로 주입되는 2차 공기량을 제어할 수 있는 제2 람다 프로브(24)가 제공되어 있다. 이 경우, 배기가스 채널(12) 내부로 취입되는 2차 공기량의 조절을 가능하게 하기 위해, 제1 람다 프로브(22), 제2 람다 프로브(24) 및 2차 공기 밸브(42)가 신호 라인(46)을 통해 내연기관(10)의 제어 장치(30)와 연결되어 있다.
도 2에는, 배기가스 채널(12)을 갖는 내연기관(10)이 다시 한번 간략히 도시되어 있다. 배기가스 채널(12) 내에서 내연기관(10) 하류에 그리고 삼원 촉매 컨버터(14) 상류에는, 내연기관(10)의 연소 공기비를 제어하기 위한 제1 람다 프로브(22)가 배치되어 있다. 삼원 촉매 컨버터 하류에는, 배기가스 채널(12) 내부로의 2차 공기 주입을 위한 제어 회로가 있으며, 이 경우 제어 회로는 하나 이상의 2차 공기 공급 장치(18)와; 상기 2차 공기 공급 장치(18)의 도입 지점(20) 하류 및 입자 필터(16) 상류에 배치된 제2 람다 프로브(24);를 포함한다.
내연기관의 작동 중에 생성되는 그을음은 입자 필터(16)에 의해 보유되며, 이 경우 입자 필터(16)에는 내연기관(10)의 그을음 입자가 포집된다. 예를 들어 입자 필터(16) 상류와 하류에서의 차압 측정을 통해, 또는 모델 기반의 계산을 통해 수행될 수 있는, 입자 필터(16)의 그을음 포집량의 정해진 임계치가 검출되면, 입자 필터(16)의 재생 방법이 개시된다. 이를 위해, 먼저 내연기관(10)의 배기가스 온도가 입자 필터(16) 내부로 유입되기 전에 적어도 600℃의 재생 온도(TR)까지 상승한다. 바람직하게, 입자 필터(16)는, 연소되지 않은 탄화수소, 일산화탄소 및/또는 수소를 입자 필터(16)의 표면에서 발열 방식으로 산화시키기 위하여, 촉매 코팅층을 갖는다. 먼저, 입자 필터(16)가 예를 들어 대략 350℃의 소위 "착화 온도"를 갖는지의 여부가 검사된다. 이를 통해, 내연기관(10)의 배기가스로부터 유래하는 연료의 미연소 성분이 입자 필터(16) 상에서 발열 방식으로 산화될 수 있는 점이 보장된다. 입자 필터(16)의 착화 온도에 도달하면, 입자 필터(16)는 적어도 재생 온도(TR)까지 계속 가열된다. 이를 위해, 내연기관(10)은 바람직하게 대략 0.9의 연소 공기비(λE)를 갖는 농후 혼합비로 작동된다. 혼합물의 연소되지 않은 성분, 특히 일산화탄소, 탄화수소 및 수소는 연소 생성물과 함께 배기가스 설비(12) 내부로 도입된다. 흡입 채널(26) 내에서 압축기(28) 하류에서의 공기 분기에 의해, 그리고 2차 공기 라인(44) 및 2차 공기 밸브(42)를 통한 배기가스 채널(12) 내부로의 상기 공기의 도입에 의해, 상기 연료의 연소되지 않은 성분이 하류에 놓여 있는 입자 필터(16) 상에서 발열 방식으로 반응될 수 있다. 2차 공기 공급 장치(18)를 통한 외부 공기 공급 및 농후 엔진 작동에 의해, 다량의 배기가스 엔탈피가 입자 필터(16) 내부로 도입될 수 있다. 이와 같은 배기가스 엔탈피를 모니터링하거나 조절하기 위해서는, 압력 센서, 온도 센서 및 제2 람다 프로브(24)를 포함하는 복잡한 센서 장치가 반드시 필요하다. 내연기관(10)의 연소 공기비(λE)는, 원하는 목표 온도가 설정되도록 사전 제어되어 설정될 수 있다. 그와 동시에, 내연기관(10)의 연소 공기비 및 주입된 2차 공기로부터의 혼합 공기비(λm)가 제2 람다 프로브(24)에 의해 도입 지점(20) 하류 및 입자 필터(16) 상류에서 측정된다. 입자 필터(16)의 가열 단계 동안에 상기 혼합 공기비가 λm = 1로 조절됨으로써, 입자 필터(16)의 촉매 코팅 상에서의 배출이 실행될 수 있고, 입자 필터가 자신의 최적의 배기가스 세척 효과에 도달할 수 있다.
가열 단계가 종료되고 온도가 입자 필터(18)의 재생 온도(TR)를 초과하면, 재생 단계로 전환된다. 이를 위해, 내연기관(10)은 재차 화학량론적 연소 공기비(λE = 1)로 작동된다. 이로 인해, 삼원 촉매 컨버터(14) 상에서의 재생 단계 동안에는 내연기관(10)의 배기가스의 모든 유해 물질이 완전히 변환될 수 있다. 입자 필터(16)의 재생을 위한 산소를 제공하기 위해, 2차 공기가 배기가스 채널(12) 내부로 추가로 취입된다. 원하는 혼합물 공기비, 예를 들어 λm = 1.1은 2차 공기 밸브(42)를 통과하는 2차 공기의 상응하는 제어를 통해 조정될 수 있다. 이렇게 함으로써, 예를 들어 입자 필터(16) 내에 보유된 그을음의 변환율이 지나치게 높아지지 않도록 보장되며, 그렇지 않을 경우 입자 필터(16)의 열적 손상이 야기될 수 있다. 재생 동안 입자 필터(16) 내부로의 입구에서 온도가 하강하면, 입자 필터 상에 보유된 그을음의 변환율을 높이고 이로써 배기가스 온도(TEG)를 상승시키기 위하여 2차 공기의 양이 증가된다. 입자 필터(16)의 이와 같은 본 발명에 따른 재생이 도 3에 도시되어 있다. 입자 필터(16)의 재생은 입자 필터(16)가 완전히 재생될 때까지 지속되며, 이는 차압 측정을 통해 또는 마찬가지로 그을음 유입 및 그을음 배출에 대한 계산 모델을 통해 결정될 수 있다. 입자 필터(16)의 완전 재생 이후에는, 2차 공기 공급 장치(18)가 입자 필터(16)의 새로운 포집 단계에서 스위치-오프되고, 엔진 및 전체 배기가스 시스템에는 다시 화학량론적 연소 공기 혼합물(λE = 1)이 공급된다.
제1 단계(Ⅰ)에서는, 내연기관(10)이 화학량론적 연소 공기비(λE = 1)로 작동되고, 그을음 입자는 입자 필터(16) 내에 보유된다. 이 경우, 2차 공기 공급원(18)이 스위치-오프되고, 더는 추가 산소가 내연기관(10)의 배기가스 채널(12) 내부로 주입되지 않는다. 가열 단계로서도 지칭되는 제2 단계(Ⅱ)에서는, 외부 공기 공급이 2차 공기 공급 장치(18)에 의해서 활성화되고, 내연기관(10)이 아화학량론적 농후 연소 공기비(λE < 1)로 작동됨으로써, 도입 지점(20) 하류에서 화학량론적 혼합 공기비(λM = 1)가 설정된다.
재생 단계로서도 지칭되는 제3 단계(Ⅲ)에서는, 내연기관(10)이 화학량론적 연소 공기비(λE = 1)로 작동되고, 2차 공기의 도입은 입자 필터(16)가 완전히 재생될 때까지 연속으로 증가한다. 이 경우, 배기가스 채널(12) 내에서 도입 지점(20) 하류에서 초화학량론적(hyperstoichiometric) 희박 혼합 공기비(λM > 1)가 설정된다. 입자 필터(16)가 완전히 재생되면 2차 공기 공급 장치(18)가 재차 스위치-오프되고, 내연기관(10)은 새로운 포집 단계(I)에서 다시 화학량론적 연소 공기비(λE = 1)로 작동된다. 연소 공기비(λE)는 도 3에 실선으로 도시되어 있고, 도입 지점(20) 하류에서의 혼합 공기비(λM)는 점선으로 도시되어 있으며, 2차 공기 공급 장치(18)를 통해서 주입되는 2차 공기는 파선으로 도시되어 있다.
10: 내연기관
12: 배기가스 채널
14: 삼원 촉매 컨버터
16: 입자 필터
18: 2차 공기 공급 장치
20: 도입 지점
22: 제1 람다 프로브
24: 제2 람다 프로브
26: 흡입 채널
28: 압축기
30: 제어 장치
32: 터보 차저
34: 스로틀 밸브
36: 충전 공기 냉각기
38: 터빈
40: 구동 샤프트
42: 2차 공기 밸브
44: 2차 공기 라인
46: 신호 라인
48: 2차 공기 펌프
λE : 내연기관의 연소 공기비
λM: 2차 공기 주입부 하류에서 배기가스 채널 내의 혼합 공기비
TEG: 배기가스 온도
TPF: 입자 필터의 온도
TR: 입자 필터의 재생 온도
TSO: 상부 임계 온도
ΔTPF : 재생 동안의 입자 필터의 온도 변화

Claims (15)

  1. 배기가스 채널(12) 및 상기 배기가스 채널(12) 내에 배치된 삼원 촉매 컨버터(14), 상기 삼원 촉매 컨버터(14) 하류에 배치된 입자 필터(16), 그리고 2차 공기 공급 장치(18)를 갖는 내연기관(10)의 배기가스를 후처리하기 위한 방법으로서, 다음과 같은 단계들, 즉:
    - 화학량론적 연소 공기비(λE = 1)로 내연기관(10)을 작동시키는 단계로서, 연소 시 생성되는 그을음 입자가 입자 필터(16) 내에 적재되는, 단계와,
    - 입자 필터(16)의 적재 상태를 검출하는 단계와,
    - 적재 상태의 검출에서 입자 필터(16)의 재생 필요성이 인식되면, 상기 입자 필터(16)의 재생을 개시하는 단계와,
    - 아화학량론적 농후 연소 공기비(λE < 1)로써, 그리고 그와 동시에 2차 공기가 입자 필터(16) 상류에서 배기가스 채널(12) 내부로 주입됨으로써 실시되는 내연기관(10)의 작동에 의해, 가열 단계에서 배기가스 온도(TEG)를 상승시키는 단계로서, 연소되지 않은 연료 성분이 배기가스 채널(12) 내에서 또는 입자 필터(16) 상에서, 재생 온도(TR)에 도달할 때까지 2차 공기와 발열 반응을 하는, 단계와,
    - 입자 필터(16)를 재생하는 단계로서, 내연기관(10)이 화학량론적 연소 공기비(λE = 1)로 작동되고, 2차 공기가 배기가스 채널(12) 내부로 주입됨으로써, 2차 공기 도입부의 하류에서는 초화학량론적 배기가스(λM > 1)가 형성되는, 단계를 포함하며, 이 경우
    - 배기가스 채널(12) 내부로 주입되는 2차 공기의 양은 2차 공기 도입 지점(20) 하류 및 입자 필터(16) 상류에서 람다 프로브(24)를 통해 조절되는, 내연기관의 배기가스 후처리 방법.
  2. 제1항에 있어서, 가열 단계에서 2차 공기 주입에 의해, 삼원 촉매 컨버터(14) 하류 및 입자 필터(16) 상류에서 배기가스 채널(12) 내의 화학량론적 혼합 공기비(λM = 1)가 설정되는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 후처리 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 입자 필터(16)의 온도(TPF)가 결정되고, 재생 단계에서는 상기 온도(TPF)가 입자 필터(16)의 재생 온도(TR)보다 높게 유지되는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 후처리 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 입자 필터(16)의 온도(TPF)가 상부 임계 온도(TSO)에 도달한 경우, 2차 공기의 주입이 중단되는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 후처리 방법.
  5. 제3항에 있어서, 입자 필터(16)의 온도 변화(ΔTPF)에 따라 배기가스 채널(12) 내부로 계량 주입되는 2차 공기량이 증가하거나 감소하는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 후처리 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 입자 필터(16)의 재생이 증가하여 산화에 의한 그을음 변환량이 증가함에 따라 배기가스 채널(12) 내부로 계량 주입되는 2차 공기량이 증가하는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 후처리 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 입자 필터(16)의 재생을 위해 가열 단계와 재생 단계 간에 여러 번 교번되는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 후처리 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 재생 동안 입자 필터의 온도가 재생 온도(TR)와 상부 임계 온도(TSO) 사이의 온도 범위 내에서 유지되는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 후처리 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 온도 범위는 600℃ 내지 750℃의 범위 내에 놓이는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 후처리 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 입자 필터(16)의 재생 동안 상기 입자 필터(16) 상류에서의 혼합 공기비(λM)가 1.05 내지 1.4로 설정되도록, 상기 2차 공기량이 조절되는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 후처리 방법.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 입자 필터(16) 하류에서 화학량론적 배기가스가 설정되도록 상기 2차 공기량이 조절되는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 후처리 방법.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 입자 필터(16)가 상기 입자 필터(16)의 재생 온도(TR)보다 적어도 30℃ 더 높은 온도에 도달할 때 비로소 가열 단계가 종료되는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 후처리 방법.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 2차 공기가 압축기(28) 하류에서 내연기관(10)의 흡입 채널(26)로부터 인출되어 배기가스 채널(12) 내부로 도입되는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 후처리 방법.
  14. 제1항 또는 제2항에 따른 방법을 제어하기 위한 컴퓨터 판독 가능 프로그램 알고리즘이 저장된 컴퓨터 판독 가능 매체를 갖는, 내연기관(10)용 제어 장치(30).
  15. 배기가스 채널(12), 상기 배기가스 채널 내에 배치된 삼원 촉매 컨버터(14), 상기 배기가스 채널(12) 내에서 상기 삼원 촉매 컨버터(14) 하류에 배치된 입자 필터(16), 그리고 2차 공기 공급 장치(18), 그리고 삼원 촉매 컨버터(14) 상류에 배치된 제1 람다 프로브(22) 및 도입 지점(20) 하류와 입자 필터(16) 상류에 배치된 제2 람다 프로브(24)를 구비한, 내연기관(10)의 배기가스 후처리를 위한 장치로서, 상기 삼원 촉매 컨버터(14)와 입자 필터(16) 사이에 2차 공기 소스(18)로부터 유래하는 2차 공기의 도입 지점(20)이 제공되며, 상기 장치는 제1항 또는 제2항에 따른 방법을 수행하도록 설계되는, 내연기관의 배기가스 후처리를 위한 장치.
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