KR20170113357A - Method for monitoring of a methane oxidation catalytic converter and an exhaust aftertreatment device - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 내연 기관(400)의 배기가스 트레인 내의 메탄 산화물 촉매 컨버터(420)의 모니터링 방법에 관한 것으로, 이 방법에서는 메탄 산화물 촉매 컨버터(420)에서의 NO2 생성에 기초하여, 메탄 산화물 촉매 컨버터 내에서의 또는 그 하류에서의 NO2 생성을 토대로, 특히 NO2 함량 및/또는 NO2/NOx 비를 토대로 메탄 산화물 촉매 컨버터(420)의 메탄 변환 능력을 추정함으로써, 메탄 산화물 촉매 컨버터의 활성화 진단을 수행한다. 경우에 따라 NO2 생성의 감소를 토대로 메탄 산화물 촉매 컨버터(420)의 메탄 변환 능력의 악화를 추정한다. NO2 생성의 결정을 위해, 바람직하게는 배기가스 트레인의 서브 스트림(450) 내에 위치하는 SCR 촉매 컨버터 장치(460)가 사용된다.The present invention relates to a method for monitoring a methane-oxide catalytic converter (420) in an exhaust gas train of an internal combustion engine (400), wherein, based on NO 2 production in the methane-oxide catalytic converter (420) By estimating the methane conversion capacity of the methane oxide catalytic converter 420 based on NO 2 production in or downstream of the converter, in particular based on the NO 2 content and / or the NO 2 / NO x ratio, Perform activation diagnostics. Estimates the deterioration of the methane conversion capacity of the methane oxide catalytic converter 420 based on the reduction of NO 2 production in some cases. For the determination of NO 2 production, an SCR catalytic converter arrangement 460, preferably located in the sub-stream 450 of the exhaust gas train, is used.
Description
본 발명은, 내연 기관의 배기가스 후처리 시스템 내 메탄 산화물 촉매 컨버터의 모니터링 방법과, 배기가스 후처리 장치와, 상기 방법을 수행하도록 구성된 컴퓨터 프로그램, 기계 판독 가능한 저장 매체 및 전자 제어 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a method for monitoring a methane-oxide catalytic converter in an exhaust gas after-treatment system of an internal combustion engine, an exhaust after-treatment apparatus, and a computer program, a machine-readable storage medium and an electronic control apparatus configured to perform the method .
예를 들어 천연가스와 같은 메탄 함유 가스 또는 메탄으로, 또는 가스와 다른 연료, 예를 들어 디젤 연료의 혼합물로도 작동될 수 있는 내연 기관이 공지되어 있다. 적어도 부분적으로 메탄 함유 가스의 연소에 의해 야기되는 모든 침전물에서, 엔진 측에서 높은 미처리 메탄 배출의 문제가 발생한다. 무엇보다 기후 보호의 이유에서, 메탄 배출은 배기가스 후처리의 범주에서 감소하여야 한다. 팔라듐 풍부 배합물을 기반으로 배기가스 내에 함유된 메탄을 산화시키는 메탄 산화물 촉매 컨버터(MOC, methane oxidation catalytic converter)가 공지되어 있다. 이를 위해, 예를 들어 7:1 이하의 또는 더 높은, 팔라듐(Pd) 대 백금(Pt)의 중량비를 갖는 배합물이 사용될 수 있다. 다른 메탄 산화물 촉매 컨버터는, 예를 들어 팔라듐/산화 알루미늄과 같은, 이른바 팔라듐 단독 배합물을 기반으로 한다. 그러나 통상 이러한 배합물에서는 400℃ 이상에서야 비로소 소정의 메탄 변환이 관찰될 수 있다. 완전한 산화를 위해서는 통상 500℃를 훨씬 초과해야 한다. There is known an internal combustion engine capable of being operated also as a methane-containing gas or methane such as, for example, natural gas, or as a mixture of gas and another fuel, for example, diesel fuel. In all deposits caused at least partially by the combustion of the methane-containing gas, there arises a problem of high untreated methane emissions on the engine side. Above all, for reasons of climate protection, methane emissions should be reduced in the category of exhaust gas aftertreatment. A methane oxidation catalytic converter (MOC), which oxidizes the methane contained in the exhaust gas based on the palladium-rich combination, is known. For this purpose, formulations having a weight ratio of palladium (Pd) to platinum (Pt) of, for example, less than or equal to 7: 1 may be used. Other methane oxide catalytic converters are based on so-called palladium singular formulations, such as, for example, palladium / aluminum oxide. However, usually only a given methane conversion can be observed at temperatures above 400 ° C in these formulations. For complete oxidation, it should normally be well above 500 ° C.
메탄 산화물 촉매 컨버터의 거동, 그리고 통상적으로 온도와 관련된 촉매 컨버터의 거동은, 배기가스 내에 함유된 유해 물질의 사전 설정된 비율의 변환이 일어나는 이른바 활성 온도(light-off temperature)에 의해 기술될 수 있다. 악화된 변환율을 보이는 노후화된 촉매 컨버터에서는 필요 활성 온도가 일반적으로 상승한다. 메탄 산화 촉매 컨버터와 관련하여 새것과 같은 촉매 컨버터의 상태에서는 아직 활성 온도가 통상 예리한 거동을 보이지 않는다. 메탄 변환율은 400 내지 550℃의 범위 내에서 오히려 선형으로 뻗는 경우가 많다.The behavior of the methane-oxide catalytic converter, and typically the behavior of the catalytic converter in relation to temperature, can be described by the so-called light-off temperature at which a predetermined proportion of the toxic substances contained in the exhaust gas is converted. In an aged catalytic converter that exhibits deteriorated conversion rates, the required active temperature generally rises. With respect to methane oxidation catalytic converters, the catalytic converter, such as a new one, does not normally exhibit a sharp, The methane conversion rate is often linear rather than in the range of 400 to 550 占 폚.
많은 촉매 컨버터에서, 온도값에 근거한 기능성 모니터링(OBD, On Board Diagnose)이 수행된다. 그러나 메탄 산화물 촉매 컨버터와 관련해서 이러한 모니터링은 일반적으로 용이하지 않은데, 그 이유는 메탄 산화물 촉매 컨버터의 예리하지 않은 온도 거동에 의해, 메탄 산화물 촉매 컨버터 내에서의 메탄 변환 시 발열 기여도의 변화가 덜 특징적이기 때문이다. 더 문제가 되는 것은, 팔라듐 풍부 메탄 산화 촉매 컨버터가 극도로 황에 민감하며, 심지어 진동 거동을 보인다는 점이다(M. Lyubovski, L. Pfefferle, Catalysis Today 47(1999년): 24-44; R. Schwiedernoch, 하이델베르크 대학 논문, 2005년).Many catalytic converter, the functional monitoring based on the temperature value (OBD, O n B oard iagnose D) is carried out. However, this monitoring is generally not easy in the context of methane oxide catalytic converters, because the unsharpened temperature behavior of the methane oxide catalytic converter allows the change in the contribution of the exothermic contribution to methane conversion in methane oxide catalytic converters to be less characteristic It is enemy. More problematic is that the palladium rich methane oxidation catalytic converter is extremely sulfur sensitive and even exhibits vibratory behavior (M. Lyubovski, L. Pfefferle, Catalysis Today 47 (1999): 24-44; R Schwiedernoch, Heidelberg University, 2005).
본 발명은 메탄 산화물 촉매 컨버터(MOC)를 모니터링하기 위한 개선된 방법을 제공함으로써, 경우에 따라 MOC의 악화된 메탄 변환 능력에 대한 신뢰성 있는 판단이 도출될 수 있다. 이 방법은, 주로 희박 배기가스를 갖는 메탄 함유 연료의 연소에 대해 적어도 비례적으로 제공되는, 내연 기관(가스 또는 디젤/가스 엔진)의 배기가스 트레인 내 MOC의 모니터링을 위해 제공된다. 본 발명에 따른 방법에서 소정의 방식으로, MOC 내에서 측정 가능한 NO2(질소 산화물) 생성에 근거하여, MOC의 활성 진단이 수행되는 방식으로 간접 모니터링이 실시된다. 이 경우, NO2의 생성 및 특히 NO2 함량 및/또는 NO2/NOx 비를 토대로 메탄 산화물 촉매 컨버터 내부 또는 그 하류에서의 MOC의 메탄 변환 능력이 추정된다. 기준값들과의 비교 시 경우에 따라 감소한 NO2 생성에서 MOC의 메탄 변환 능력 악화가 추정된다. 종래 방법을 이용한 메탄 변환 능력의 직접 측정은 실무에서 구현하기가 매우 어려울 수 있다. 이에 반해, 본 발명에 따른 방법은, 간접 모니터링을 통해 MOC의 기능성에 대한 신뢰성있는 판단이 도출될 수 있다. The present invention provides an improved method for monitoring a methane-oxide catalytic converter (MOC), whereby reliable determination of the deteriorated methane conversion capacity of the MOC can be derived in some cases. This method is provided for the monitoring of MOC in an exhaust gas train of an internal combustion engine (gas or diesel / gas engine), which is provided at least proportionally to the combustion of methane-containing fuel with mainly lean exhaust gases. Indirect monitoring is carried out in a manner in which the active diagnosis of the MOC is carried out, in a predetermined manner, on the basis of measurable NO 2 (nitrogen oxide) production in the MOC. In this case, the methane conversion capability of the MOC in or downstream of the methane oxide catalytic converter is estimated based on the production of NO 2 and in particular the NO 2 content and / or the NO 2 / NO x ratio. In comparison with baseline values, the deterioration of methane conversion capacity of MOC is estimated in the case of reduced NO 2 production. Direct measurement of methane conversion capacity using conventional methods can be very difficult to implement in practice. In contrast, the method according to the present invention can result in a reliable judgment of the functionality of the MOC through indirect monitoring.
본 발명에 따른 방법은, Pd 풍부 촉매 컨버터 및 이와 더불어 메탄 산화물 촉매 컨버터도 소정의 NO2 생성을 구현한다는 데 기초한다. 이 경우, MOC의 NO2 생성 능력과 메탄 변환 성능 간의 관계가 형성된다. 메탄 산화물의 활성 온도가 현저히 초과되지 않는 한, NO(일산화질소)로부터 NO2로의 산화는 거의 이루어지지 않는다. 활성 온도 이상에서야 비로소, 그리고 메탄 변환 능력에 따라 MOC에서 NO로부터 NO2로의 소정의 변환이 실시되거나, 활성 온도 이상에서야 비로소 이하의 식에 따라 NO2에 대한 평형 농도가 달성된다: The method according to the invention is based on that the Pd-rich catalytic converter and also the methane-oxide catalytic converter implement the desired NO 2 production. In this case, a relationship between the NO 2 generating ability of the MOC and methane conversion performance is formed. As long as the activation temperature of the methane oxide is not significantly exceeded, oxidation from NO (nitrogen monoxide) to NO 2 hardly occurs. Only at or above the activation temperature a predetermined conversion of NO to NO 2 in the MOC is effected, depending on the methane conversion capacity, or at an activation temperature or above, an equilibrium concentration for NO 2 is achieved according to the following equation:
NO 변환 또는 NO2 생성 능력은 본 발명에 따라, 측정 가능한 NO2 생성을 토대로 메탄 변환 능력을 추정하는 데 이용된다. 이 경우 바람직하게 상기 방법은, 메탄 산화물 촉매 컨버터 하류에서 메탄 변환율과 NO2 함량 및/또는 NO2/NOx 비 사이의 명확한 상관관계가 존재하는 MOC의 온도 범위 내에서 수행된다. 촉매 컨버터에 따라, 상기 특히 적합한 온도 범위는 예를 들어 약 450℃ 내지 500℃ 사이의 범위 내에, 바람직하게는 470℃ 내지 490℃ 사이의 범위 내에 놓일 수 있다. 예시적인 촉매 컨버터 검사에서, 상기 온도 범위 내에서 NO2 생성과 메탄 변환 간의 상관 관계가 가장 강한 것으로 밝혀졌다. NO conversion or NO 2 production capacity is used in accordance with the present invention to estimate methane conversion capacity based on measurable NO 2 production. In this case, preferably, the process is carried out within the temperature range of the MOC where there is a clear correlation between the methane conversion rate and the NO 2 content and / or the NO 2 / NO x ratio downstream of the methane oxide catalytic converter. Depending on the catalytic converter, a particularly suitable temperature range may be, for example, in the range between about 450 ° C and 500 ° C, preferably between 470 ° C and 490 ° C. In an exemplary catalytic converter test, the correlation between NO 2 production and methane conversion was found to be strongest within this temperature range.
본 발명에 따라, MOC의 NO2 생성 능력은 MOC의 모니터링을 위해 이용된다. 이를 위해, 원칙적으로는 MOC 하류에서의 NO2/NOx 비 또는 NO2 함량이 직접 측정될 수 있다. 그러나 특히 바람직하게는, MOC의 NO2 생성 능력의 측정을 위해, 메탄 산화물 촉매 컨버터의 하류에 배치된 SCR 촉매 컨버터 장치가 사용된다. 이는, MOC 하류에서의 NO2/NOx 비 또는 NO2 함량의 직접 측정에 비해 매우 바람직한데, 그 이유는 이에 적합한 센서가 일반적으로 종래의 차량에 제공되어 있지 않기 때문이다. According to the present invention, the NO 2 producing ability of MOC is used for monitoring of MOC. For this purpose, in principle, NO 2 / NO x ratio or NO 2 content downstream of the MOC can be measured directly. However, particularly preferably, for the measurement of the NO 2 producing ability of the MOC, an SCR catalytic converter arrangement disposed downstream of the methane oxide catalytic converter is used. This is highly desirable relative to a direct measurement of the NO 2 / NO x ratio or NO 2 content downstream of the MOC, since suitable sensors for this are generally not provided in conventional vehicles.
NO로부터 NO2로의 변환을 검출하기 위해 SCR 촉매 컨버터 장치를 사용하는 데 있어서, 그 NOx 변환 거동이 SCR 촉매 컨버터 장치 내로 유입되는 가스(공급 가스)의 NO2 함량 및/또는 NO2/NOx 비에 따라 좌우되는 NO2 감응 SCR 촉매 컨버터 장치가 특히 적합하다. 이러한 유형의 NO2 감응 SCR 촉매 컨버터 장치는 말하자면 본 발명에 따른 방법을 위한 센서로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 특히 약 250℃ 이하의 온도에서 공급 가스 내 NO2/NOx 비에 대한 NOx 변환율의 두드러진 종속성을 보이는 몇몇 SCR 촉매 컨버터 장치가 공지되어 있다. 그 예로서, 철이 이온교환된 베타 제올라이트 또는 VWT(Vanadium-Wolfram-Titanium) 촉매 컨버터이다. In using the SCR catalytic converter device to detect the conversion of NO to NO 2 , the NO x conversion behavior is dependent on the NO 2 content of the gas (feed gas) entering the SCR catalytic converter device and / or the NO 2 / NO x the NO 2 sensitivity SCR catalytic converter device that is affected by the ratio is particularly suitable. This type of NO 2 sensitive SCR catalytic converter device can be used as a sensor for the method according to the invention. For example, several SCR catalytic converter devices are known which exhibit significant dependence of the NO x conversion to the NO 2 / NO x ratio in the feed gas, especially at temperatures below about 250 ° C. As an example, an iron ion-exchanged beta zeolite or VWT (V anadium- W olfram- itanium T) catalytic converter.
본 발명에 따른 방법의 특히 바람직한 한 구성에서, NO2 감응 SCR 촉매 컨버터 장치가 배기가스 트레인의 한 서브 스트림 내에 투입되며, 이 경우 상기 SCR 촉매 컨버터 장치는 바람직하게 서브 SCR 촉매 컨버터 장치이다. 이러한 서브 SCR 촉매 컨버터 장치는 바람직하게 배기가스 트레인의 메인 스트림 내 메인 SCR 촉매 컨버터 장치보다 더 작은 부피를 갖는다. 이를 위해 적합한 NO2 감응 SCR 촉매 컨버터 장치는 특히 약 250℃ 이하의 온도에서 이러한 종속성을 보이기 때문에, 서브 SCR 촉매 컨버터 장치는 바람직하게 예를 들어 메인 스트림 내 메인 SCR 촉매 컨버터 장치보다 더 낮은 온도로, 예를 들어 170℃ 내지 250℃ 사이의 범위 내 온도로 작동된다. 온도 조절을 위해, 장착 위치에 따라, 서브 스트림 경로 내에 예를 들어 전기 가열 수단이 제공될 수도 있고, 온도 레벨이 너무 높은 경우에는 능동형 또는 수동형 냉각 가능 수단이 제공될 수도 있다. In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, a NO 2 -sensing SCR catalytic converter arrangement is injected into one sub-stream of the exhaust gas train, in which case the SCR catalytic converter arrangement is preferably a sub-SCR catalytic converter arrangement. This sub SCR catalytic converter device preferably has a smaller volume than the main SCR catalytic converter device in the main stream of the exhaust gas train. Because a suitable NO 2 -sensing SCR catalytic converter device for this purpose exhibits this dependency, especially at temperatures below about 250 ° C, the sub-SCR catalytic converter device is preferably operated at a lower temperature than, for example, the main SCR catalytic converter device in the mainstream, Lt; RTI ID = 0.0 > 170 C < / RTI > For temperature control, depending on the mounting position, for example, electric heating means may be provided in the sub-stream path, and active or passive cooling means may be provided if the temperature level is too high.
서브 SCR 촉매 컨버터 장치의 상류 및 하류에서는, MOC 내에서의 NO2 생성의 결정을 위해 NOx의 측정 또는 계산이 수행되며, 이를 위해 바람직하게는 서브 SCR 촉매 컨버터 장치의 상류 및/또는 하류에 제공된 NOx 센서들이 사용된다. At the upstream and downstream of the sub-SCR catalytic converter device, the measurement or calculation of NO x is carried out for the determination of NO 2 production in the MOC, preferably for the upstream and / or downstream of the sub SCR catalytic converter device NO x sensors are used.
또한, 본 발명은, 배기가스 트레인의 메인 스트림 라인 내에 하나 이상의 MOC를 갖는 내연 기관의 배기가스 트레인용 배기가스 후처리 장치를 포함한다. 본 발명에 따르면, 배기가스 트레인의 서브 스트림 라인 내에 서브 SCR 촉매 컨버터 장치가 위치하고, 이는 본원에서, 그 NOx 변환 거동이 서브 SCR 촉매 컨버터 장치 내로 유입되는 가스의 NO2 함량 및/또는 NO2/NOx 비에 따라 좌우되는, NO2 감응 SCR 촉매 컨버터 장치이다. 전술한 방식으로 상기 NO2 감응 SCR 촉매 컨버터 장치를 이용하여, MOC를 벗어난 배기가스의 NO2 함량이 결정될 수 있다. 상기 NO2 함량을 토대로 MOC 내에서의 NO2 생성을 추정할 수 있으며, MOC 내에서의 NO2 생성을 토대로 MOC의 메탄 변환 능력을 간접적으로 추정할 수 있다. 서브 SCR 촉매 컨버터 장치에서의 NOx 변환율을 측정하기 위해, 서브 SCR 촉매 컨버터 장치의 상류 및/또는 하류에 하나 또는 복수의 NOx 센서가 제공될 수 있다. 서브 SCR 촉매 컨버터 장치는 바람직하게, 배기가스 트레인의 메인 스트림 라인 내의 메인 SCR 촉매 컨버터 장치보다 더 작은 부피를 갖는 SCR 촉매 컨버터 장치이다. 서브 SCR 촉매 컨버터 장치는 바람직하게, 메인 SCR 촉매 컨버터 장치보다 더 낮은 온도로 작동된다. 더 낮은 온도 레벨로, 특히 170℃ 내지 250℃ 사이의 범위 내로의 설정을 위해, 서브 SCR 촉매 컨버터 장치의 영역 내에 바람직하게 가열 수단 및/또는 냉각 수단이 제공된다. The present invention also includes an exhaust gas post-treatment apparatus for an exhaust gas train of an internal combustion engine having at least one MOC in a main stream line of an exhaust gas train. According to the invention, a sub-SCR catalytic converter device located within the sub-stream line of the exhaust gas train, which in the present application, the NO x conversion behavior of the sub of the gas flowing into the SCR catalyst converter device NO 2 content and / or NO 2 / the NO 2 sensitivity SCR catalytic converter device, which is dependent on the NO x ratio. Using the NO 2 sensitive SCR catalytic converter device in the manner described above, the NO 2 content of the exhaust gas outside the MOC can be determined. Based on the NO 2 content, NO 2 production in MOC can be estimated, and the methane conversion capacity of MOC can be indirectly estimated based on NO 2 production in MOC. In order to measure the NO x conversion rate in the sub SCR catalytic converter device, one or more NO x sensors may be provided upstream and / or downstream of the sub SCR catalytic converter device. The sub SCR catalytic converter device is preferably an SCR catalytic converter device having a smaller volume than the main SCR catalytic converter device in the main stream line of the exhaust gas train. The sub SCR catalytic converter device is preferably operated at a lower temperature than the main SCR catalytic converter device. For the setting to a lower temperature level, in particular a range between 170 [deg.] C and 250 [deg.] C, heating means and / or cooling means are preferably provided in the region of the sub SCR catalytic converter device.
본 발명에 따른 배기가스 후처리 장치의 한 구성에서, 서브 SCR 촉매 컨버터 장치가 내부에 배치된 서브 스트림 라인은, 메인 SCR 촉매 컨버터 장치의 영역에서 배기가스 트레인의 메인 스트림 라인으로의 바이패스로서 연장된다. 또 다른, 매우 바람직한 한 구성에서는, 서브 SCR 촉매 컨버터 장치를 갖는 서브 스트림 라인이 메탄 산화물 촉매 컨버터의 하류에서 분기되어 내연 기관의 상류에 또는 내연 기관 내로 합류하는 배기가스 재순환 라인, 특히 저압 배기가스 재순환 라인이다. 또한, 본 발명은 메탄 산화물 촉매 컨버터의 모니터링을 위한 방법에서 상기 유형의 배기가스 후처리 장치를 사용하는 점도 포함한다. 이와 관련해서는 위의 설명을 참조한다. In one configuration of the exhaust gas after-treatment apparatus according to the present invention, the sub-stream line in which the sub-SCR catalytic converter device is disposed is extended as a bypass from the region of the main SCR catalytic converter device to the main stream line of the exhaust gas train do. In yet another highly preferred arrangement, the sub-stream line with the sub-SCR catalytic converter arrangement branches off downstream of the methane-oxide catalytic converter to form an exhaust gas recycle line upstream of the internal combustion engine or into the internal combustion engine, Line. The present invention also includes the use of an exhaust gas aftertreatment apparatus of this type in a method for monitoring methane oxide catalytic converters. See above for this.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 방법의 단계들을 수행하도록 설계된 컴퓨터 프로그램을 포함한다. 마지막으로, 본 발명은, 상기 유형의 컴퓨터 프로그램이 저장된 기계 판독 가능 저장 매체 및 본 발명에 따른 방법의 단계를 수행하도록 설계된 전자 제어 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방법을 컴퓨터 프로그램으로서 또는 기계 판독 가능 저장 매체로서 또는 전자 제어 장치로서 구현하는 점은, 이러한 방식으로 본 발명에 따른 방법의 장점이 예를 들어 기존의 자동차들에서도 이용될 수 있게 하여, 메탄 산화물 촉매 컨버터의 메탄 변환 능력을 신뢰성 있게 모니터링할 수 있다는 특별한 장점을 갖는다. The invention also includes a computer program designed to perform the steps of the method according to the invention. Finally, the present invention relates to a machine-readable storage medium having stored thereon a computer program of this type and to an electronic control device designed to perform the steps of the method according to the invention. The fact that the method according to the invention is embodied as a computer program or as a machine-readable storage medium or as an electronic control means that the advantages of the method according to the invention in this way can be used, for example, , The methane conversion capability of the methane-oxide catalytic converter can be reliably monitored.
본 발명의 그 밖의 특징들 및 장점들은 하기에서 도면들과 관련한 실시예들의 설명에 기술된다. 이 경우, 개별 특징들은 각각 단독으로 또는 서로 조합되어 구현될 수 있다. Other features and advantages of the invention will be set forth in the description of embodiments with reference to the drawings hereinafter. In this case, the individual features may be implemented individually or in combination with each other.
도 1은 온도에 따른, 메탄 산화물 촉매 컨버터의 메탄 변환율과 NO2 생성 능력 간의 관계도이다.
도 2는 배기가스 내 NO2/NOx 비의 함수로서 NO2 감응 SCR 촉매 컨버터 장치의 NOx 변환율을 나타낸 그래프이다.
도 3은 배기가스 후처리 시스템 내 구성요소들의 가능한 배치에 대한 개략도이다.
도 4는 배기가스 후처리 시스템 내 구성요소들의 또 다른 가능한 배치의 개략도이다.
도 5는 배기가스 후처리 시스템 내 구성요소들의 또 다른 가능한 배치의 개략도이다. 1 is a diagram showing the relationship between the methane conversion rate and the NO 2 production capability of a methane oxide catalytic converter, according to temperature.
2 is a graph showing the NO x conversion of a NO 2 sensitive SCR catalytic converter device as a function of the NO 2 / NO x ratio in the exhaust gas.
Figure 3 is a schematic view of possible arrangements of components in the exhaust aftertreatment system.
Figure 4 is a schematic diagram of another possible arrangement of components within the exhaust aftertreatment system.
Figure 5 is a schematic diagram of another possible arrangement of components in the exhaust aftertreatment system.
도 1은 NO 및 메탄을 함유하는 희박 배기가스에서 MOC의 NO2 생성 능력 및 메탄 변환율 간의 관계를 도시한 것이다. 약 250℃ 내지 550℃ 사이의 온도에 따른 3개의 상이한 촉매 컨버터 상태 또는 3개의 상이한 MOC에서의 메탄 변환율(10, 20, 30)이 도시되어 있다. 곡선들(10, 20, 30)은 상이한 공간 속도에서, 예를 들어 상이한 정도로 노후화된, 그리고/또는 산소에 의해 상이한 정도로 억제된(inhibited) 촉매 컨버터들 또는 촉매 컨버터 작동 상태들을 나타낸다. 곡선들(11, 21, 31)은 각각의 MOC를 벗어나는 배기가스 내 NO2/NOx 비를 나타낸다. 이로부터, 상기 유형의 MOC들(Pd 풍부 촉매 컨버터들)이 소정의 범위 내에서 NO를 NO2로 변환함을 알 수 있다. 물론 이러한 NO2 생성은 각각의 촉매 컨버터의 활성 온도 이상에서, 즉,메탄이 필요한 범위 내에서 변환되는 온도 이상에서 비로소 발생한다. 메탄 산화물의 활성 온도가 상당히 초과되지 않는 한, NO로부터 NO2로의 산화는 거의 일어나지 않는다. 따라서, NO2 생성은 메탄 변환 능력에 따라 좌우된다. 이러한 상관관계는 약 450℃ 내지 500℃ 사이, 특히 470℃ 내지 490℃ 사이의 온도 범위 내에서(도면 부호 40) 가장 두드러지게 나타난다. 이 온도 범위는 본 발명에 따른 방법을 수행하는 데 매우 적합하다. 그러나 이러한 거동은, 예를 들어 디젤 산화물 촉매 컨버터와 같이 MOC보다 훨씬 더 높은 백금 함량을 갖는 촉매 컨버터(Pt/Pd 촉매 컨버터)에서는 발생하지 않기 때문에, 보통 본 발명에 따른 방법은, 백금을 포함하지 않거나, 팔라듐보다 더 적은 함량의 백금을 포함하는 Pd 풍부 촉매 컨버터에 매우 적합하다. Figure 1 shows the relationship between the NO 2 production capacity and methane conversion of MOC in lean exhaust gas containing NO and methane. Three different catalyst converter states, or methane conversion rates (10, 20, 30) at three different MOCs according to temperatures between about 250 [deg.] C and 550 [deg.] C are shown.
도 2는 250℃ 이하의 온도에 대한 SCR 촉매 컨버터 장치의 상류에서의 NO2/NOx 비의 함수로서, NO2 감응 SCR 촉매 컨버터 장치의 NOx 변환 거동을 개략적으로 나타낸 그래프이다. 일반적으로, MOC 후방의 SCR 촉매 컨버터 장치의 상류에서 NO2/NOx 비는 도 1에 따라 0.5 이하이다. 따라서, 실무에서, NO2 감응 SCR 촉매 컨버터 장치의 NOx 변환율이 배기가스 내 NO2 함량의 증가에 따라 대략 선형으로 증가함으로써, SCR 촉매 컨버터의 NOx 변환율로부터, 상류에 배치된 MOC 내에서의 NO2 생성이 추정될 수 있다. 2 is a graph schematically illustrating the NO x conversion behavior of a NO 2 sensitive SCR catalytic converter device as a function of the NO 2 / NO x ratio upstream of the SCR catalytic converter device for temperatures below 250 ° C. Generally, the NO 2 / NO x ratio upstream of the SCR catalytic converter device behind the MOC is less than or equal to 0.5 according to FIG. Thus, in practice, the NO x conversion rate of the NO 2 sensitive SCR catalytic converter device increases substantially linearly with the increase of the NO 2 content in the exhaust gas, so that from the NO x conversion rate of the SCR catalytic converter, NO 2 production can be estimated.
본 발명의 목적을 위해 바람직하게는, 메인 배기가스 트레인에 대한 서브 스트림 또는 부분 스트림 내에 배치된 상기 유형의 NO2 감응 SCR 촉매 컨버터가 이용된다. 이러한 서브 SCR 촉매 컨버터 장치는 바람직하게, 배기가스 트레인의 메인 스트림 내 메인 SCR 촉매 컨버터 장치보다 더 작은 부피를 갖는다. 이 경우, 서브 SCR 촉매 컨버터는 바람직하게, 공급 가스의 NO2 함량에 대한 NOx 변환율의 종속성이 매우 두드러진 형태로 발생하는 온도 레벨에서, 특히 250℃ 이하의 온도에서 작동된다. For purposes of the present invention, NO 2 -sensing SCR catalytic converters of this type, which are disposed in the substream or partial stream for the main exhaust gas train, are preferably used. This sub SCR catalytic converter device preferably has a smaller volume than the main SCR catalytic converter device in the main stream of the exhaust gas train. In this case, the sub-SCR catalytic converter is preferably operated at a temperature level where the dependence of the NO x conversion rate on the NO 2 content of the feed gas occurs in a very prominent manner, in particular at a temperature of 250 ° C or less.
MOC에서의 NO2 생성은 MOC의 메탄 변환 능력에 따라 좌우되고, 게다가 상기 두 변수는 예를 들어 특성맵으로서 저장되거나 모델링될 수 있는 촉매 컨버터 부하(공간 속도) 및 온도의 함수로서 알려져 있기 때문에, 서브 SCR 촉매 컨버터 장치에서 측정된 NO2에 좌우되는 NOx 변환율을 통해 이미 공지된 경계 조건들(예: 온도, 공간 속도, 서브 스트림 내 NOx 함량 등)에서 본 발명에 따라 MOC의 메탄 변환 능력이 추정될 수 있다. Since the production of NO 2 in MOC depends on the methane conversion capacity of the MOC, and since these two variables are known as a function of the catalyst converter load (space velocity) and temperature, which can be stored or modeled, for example, as a characteristic map, The methane conversion capacity of the MOC according to the present invention at known boundary conditions (e.g., temperature, space velocity, NO x content in the sub-stream, etc.) through the NO x conversion rate that depends on the NO 2 measured in the sub SCR catalytic converter device Can be estimated.
도 3은 터보 차저(310)를 가진 내연 기관(300)의 배기가스 트레인을 개략적으로 도시한 것이다. 배기가스 트레인 내에는 메탄 산화물 촉매 컨버터(MOC, 320)가 제공된다. MOC(320)의 하류에서 메인 스트림 라인(330) 내에는 메인 SCR 촉매 컨버터 장치(340), 예를 들어 통상적인 SCR 촉매 컨버터 또는 SCR 코팅층을 갖는 입자 필터가 배치된다. 메인 SCR 촉매 컨버터 장치(340)로의 바이패스 내에 서브 SCR 촉매 컨버터 장치(소형 SCR)(360)를 갖는 서브 스트림 라인(350)이 배치된다. 메인 SCR 촉매 컨버터 장치(340)의 상류 및 그와 동시에 서브 스트림(350)의 분기점의 상류에 SCR 촉매 컨버터 장치(340, 360)를 위한, 필요 환원제 용액의 공급 지점(370)이 존재한다. MOC(320)와 메인 SCR 촉매 컨버터 장치(340) 사이에는 예를 들어 람다/NOx 조합 센서로도 구성될 수 있는 제1 NOx 센서(380)가 존재한다. 메인 SCR 촉매 컨버터 장치(340)의 하류 및 그와 동시에 메인 스트림(330)으로의 서브 스트림(350)의 합류부 하류에 추가 NOx 센서(390)가 존재한다. 예를 들어 온도, 람다값 등을 위한, 시스템 내에 필요한 공지된 다른 센서들은 상세히 도시되어 있지 않다. 상기 두 NOx 센서(380, 390)의 감도 및 정확도가 충분한 경우, 소형 SCR 촉매 컨버터 장치(360)를 통한 전체 배기가스 부피 흐름 및 서브 스트림 부피 흐름을 알고 있을 때, 바람직하게 메인 SCR 촉매 컨버터 장치(340)에서의 전체 NOx 변환율이 예측되는 조건하에, 상기 두 NOx 센서(380, 390)의 신호로부터 직접 서브 스트림(350) 또는 소형 SCR 경로를 통한 NOx 변환율이 계산될 수 있다. 이 경우, 메인 배기가스 트레인 내 NOx의 잔여 함량은 전적으로 서브 스트림 경로(350)로부터 유래한다. 따라서, 절대 부피 흐름 또는 질량 흐름을 통해 서브 SCR 촉매 컨버터 장치에서의 NOx 변환율이 정확하게 계산될 수 있다. 3 schematically shows an exhaust gas train of an
도 4는 필적하는 배기가스 후처리 시스템을 도시하며, 이 배기가스 후처리 시스템의 다양한 구성요소들은 도 3과 동일한 도면 부호로 표시되어 있다. 도 3과의 차이점은, 도 4에 따른 레이아웃에서는 서브 스트림(350) 내에 서브 SCR 촉매 컨버터 장치(360)의 하류에 추가 NOx 센서(391)가 배치된다는 것이다. 이러한 구성은 특히, 메인 SCR 촉매 컨버터 장치(340)의 하류에 배치된 NOx 센서(390)의 감도 및 정확도가 충분히 높지 않은 경우에 적합하다. Figure 4 shows a comparable exhaust aftertreatment system in which the various components of the exhaust aftertreatment system are designated by the same reference numerals as in Figure 3. [ The difference from FIG. 3 is that in the layout according to FIG. 4, an additional NO x sensor 391 is disposed downstream of the sub SCR
도 5는 본 발명에 따른 배기가스 후처리 장치의 또 다른 매우 바람직한 구성을 도시한 것이다. 터보 차저(410)를 가진 내연 기관(400)의 배기가스 트레인 내에 MOC(420)가 배치되어 있다. 배기가스 트레인의 메인 스트림(430) 내에는, 요구된 환원제를 위한 공급 장치(470)가 상류에 연결된 메인 SCR 촉매 컨버터 장치(440)가 존재한다. 메인 SCR 촉매 컨버터 장치(440)의 상류 및 하류에는 각각 하나의 NOx 센서(480 및 490)가 존재한다. 이 레이아웃에서도, 서브 SCR 촉매 컨버터 장치(460)는 배기가스 트레인의 서브 스트림(450) 내에 위치하며, 서브 스트림(450)은 공급 지점(470)과 메인 SCR 촉매 컨버터 장치(440) 사이에서 분기한다. 서브 스트림(450)은 내연 기관(400)을 위한 배기가스 플랩(453)을 가진 저압 배기가스 재순환 라인이다. 저압 배기가스 재순환 라인 내에 서브 SCR 촉매 컨버터 장치(460)를 배치하는 것이 매우 바람직한 이유는, 배기가스 재순환 라인(450) 내에 제공된 배기가스 재순환 쿨러(451 및 경우에 따라 452)가 (선택적으로) 약 170℃ 내지 250℃ 사이의 최적의 온도 레벨을 설정할 수 있는 방식으로, 본 발명에 따른 방법에 적합한 온도 레벨이 매우 정확하게 설정될 수 있기 때문이다. 또한, 배기가스 재순환 라인(450) 내의 배기가스 부피 흐름 또는 배기가스 질량 흐름이 다른 이유에서 매우 정확하게 공지됨으로써, 서브 SCR 촉매 컨버터 장치(460) 내의 NOx 변환율은 NOx 센서(491)를 이용하여 서브 SCR 촉매 컨버터 장치(460)의 하류에서 매우 정확하게 계산될 수 있다. 서브 SCR 촉매 컨버터 장치(460)와 배기가스 재순환 쿨러(451, 452)는 하나의 구성 부품 내에 조립되거나 통합될 수 있다. Fig. 5 shows another highly preferred configuration of the exhaust gas post-treatment apparatus according to the present invention. An
본 발명에 따른 모니터링 방법을 수행하기 위해 또는 MOC 진단을 위해, 이하의 단계가 수행될 수 있다: 먼저, 진단을 위해 MOC에서의 현재 배기가스 온도가 검사되고, 진단에 적합한 엔진 작동점이 설정된다(예를 들어 T = 460℃ 등). 적합한 작동점은 기준 거동(기대값)으로부터 도출될 수 있다. 계속해서, 서브 SCR 촉매 컨버터 장치에서의 현재 온도가 검사되고, 진단에 적합한 조건들이 설정된다(예를 들어, 냉각 성능, 서브 스트림 질량 흐름의 상응하는 설정 등을 통해 T = 180℃). 이어서, 서브 SCR 촉매 컨버터 장치를 통한 NOx 변환율이 결정되고, 경우에 따라 해당 NO2/NOx 비가 산출되어 기준값(기대값)과 비교된다(예를 들어, 해당 NO2/NOx 비가 0.25일 때 NOx 변환율은 60%). NOx 변환율이 사전 설정 가능한 임계값과 비교해 충분히 높을 경우, MOC의 메탄 변환 성능도 충분한 것이다. 메탄 변환 성능이 불충분하다고 결정되는 경우, 경우에 따라 MOC를 위한 공지된 재활성 조치들이 다양하게 도입될 수 있다. For performing the monitoring method according to the invention or for MOC diagnosis, the following steps can be carried out: Firstly, the current exhaust gas temperature at the MOC is checked for diagnosis and an engine operating point suitable for diagnosis is set For example T = 460 ° C). A suitable operating point can be derived from the reference behavior (expected value). Subsequently, the current temperature in the sub SCR catalytic converter device is checked, and conditions suitable for diagnosis are set (e.g., T = 180 ° C through cooling performance, corresponding setting of the sub-stream mass flow, etc.). Subsequently, the NO x conversion rate through the sub SCR catalytic converter device is determined, and the corresponding NO 2 / NO x ratio is calculated and compared with a reference value (expected value) as occasion demands (for example, the corresponding NO 2 / NO x ratio is 0.25 NO x conversion is 60%). If the NO x conversion rate is sufficiently high compared to the preset threshold value, the methane conversion performance of the MOC is also sufficient. Where it is determined that the methane conversion performance is insufficient, there may be variously introduced known reactivation measures for MOC.
추가로 또는 대안적으로, MOC에서의 또 다른 온도에서 방법을 반복함으로써 MOC의 비활성화 정도를 정량화할 수 있다. 이를 위해, MOC에서의 배기가스 온도가 다른 엔진 작동점의 설정을 통해 또 다른, 예를 들어 더 높은 온도 레벨로(예를 들어 T = 500℃) 상승할 수 있다. 그 다음 다시, 서브 SCR 촉매 컨버터 장치에서의 온도가 검사되며, 진단에 적합한 조건(예를 들어 T = 180℃)이 설정된다. 서브 SCR 촉매 컨버터 장치를 통한 NOx 변환율이 결정되고, 경우에 따라 관련 NO2/NOx 비가 산출되어 새로운 기대값(임계값)과 비교된다. 상승한 MOC 온도에서도 NOx 변환율이 충분히 높지 않을 경우, 즉, 임계값 미만일 경우, 메탄 변환 성능도 더 이상 충분하지 않은 것이며, 경우에 따라 MOC를 위한 재활성 조치가 도입될 수 있다. Additionally or alternatively, the degree of deactivation of the MOC can be quantified by repeating the process at another temperature in the MOC. To this end, the exhaust gas temperature at the MOC may rise to another, e.g., higher, temperature level (e.g., T = 500 ° C) through the setting of another engine operating point. Then, the temperature in the sub SCR catalytic converter device is again checked, and a condition suitable for diagnosis (for example, T = 180 DEG C) is set. The NO x conversion rate through the sub-SCR catalytic converter device is determined and, in some cases, the associated NO 2 / NO x ratio is calculated and compared with the new expected value (threshold value). If the NO x conversion rate is not sufficiently high even at the elevated MOC temperature, that is, if it is below the threshold value, the methane conversion performance is no longer sufficient and, in some cases, a reactivation measure for the MOC can be introduced.
본 발명에 따른 방법의 이러한 구성은, 충분히 양호한 메탄 산화식 MOC가 기준 상태로서 선택된 경우에 특히 바람직하다. 이 경우, 메탄 변환율이 약간만 감소하여도(여기서는 예를 들어, 기준 상태로서 500℃에서 98% 대신, 470℃에서 90%) NO2 생성은 상당히 감소할 수 있음을 의미한다. 즉, 예를 들어 470℃에서 진단을 수행할 수 있으나, MOC가 실제 작동에서 또는 기준 상태에서는 오히려 500℃에서 작동된다. 이 경우, 470℃에서는 MOC가 매우 적은 NO2 함량으로 인해, 경우에 따라 메탄 산화에 있어서 너무 열악한 것으로 잘못 등급화될 수도 있다. 따라서, MOC의 더 나은 활성화를 기대할 수 있는 하나 또는 복수의 더 높은 온도에서 재차 NO2 생성 진단을 수행하여, 하나 이상의 또 다른 NO2 임계값에서의 메탄 변환을 상관시키는 것이 바람직하다. 더 높은 온도에서도 NO2 생성이 너무 적다면, MOC는 매우 정확하게 불충분한 것으로서 또는 "비활성 상태"인 것으로서 진단될 수 있다. 본 발명에 따른 진단에서 이러한 방식의 온도 상승을 통해, 메탄 변환을 위한 활성 온도 곡선을 말하자면 스캐닝하고(다점 결정), 그럼으로써 메탄 산화물 비활성 정도를 (더) 정확하게 정량화할 수 있는데, 그 이유는 NO2 거동이 더 큰 온도 범위에 걸쳐 검출되기 때문이다. This configuration of the method according to the invention is particularly preferred when a sufficiently good methane-oxidized MOC is selected as the reference state. In this case, even if the methane conversion rate is slightly reduced (here, for example, 90% at 470 캜 instead of 98% at 500 캜 as a reference state), NO 2 production can be significantly reduced. That is, for example, diagnostics can be performed at 470 ° C, but the MOC operates at 500 ° C rather than in actual operation or the reference condition. In this case, at 470 ° C, the MOC may be incorrectly rated as being too poor for methane oxidation, due to the very low NO 2 content. It is therefore desirable to perform NO 2 generation diagnostics again at one or more higher temperatures where better activation of the MOC may be expected to correlate the methane conversion at one or more other NO 2 thresholds. If NO 2 production is too low even at higher temperatures, the MOC can be diagnosed as being very precisely insufficient or "inactive ". Through the temperature rise in this manner in the diagnosis according to the present invention, the active temperature curve for methane conversion can be scanned (multi-point determination), so that the degree of methane oxide inactivity can be (more) accurately quantified, 2 behavior is detected over a larger temperature range.
Claims (15)
메탄 산화물 촉매 컨버터(320; 420)에서의 NO2의 생성에 기초하여, 메탄 산화물 촉매 컨버터 내에서의 또는 그 하류에서의 NO2 생성과, NO2 함량 및/또는 NO2/NOx 비를 토대로 메탄 산화물 촉매 컨버터(320; 420)의 메탄 변환 능력을 추정함으로써, 메탄 산화물 촉매 컨버터(320; 420)의 활성화 진단을 수행하며, 경우에 따라 NO2 생성의 감소를 토대로 메탄 산화물 촉매 컨버터(320; 420)의 메탄 변환 능력의 악화를 추정하는 것을 특징으로 하는, 메탄 산화물 촉매 컨버터의 모니터링 방법.A method for monitoring a methane-oxide catalytic converter (320; 420) in an exhaust gas train of an internal combustion engine (300; 400)
Methane oxide catalyst converter; on the basis of the generation of NO 2 in the (320 420), on the basis of the NO 2 generation and, NO 2 content and / or the NO 2 / NO x ratio at or downstream in the methane oxide catalyst converter by estimating the methane conversion capability of; (420 320), methane oxide catalyst converter methane oxide catalyst converter (320; 420) performs an active diagnosis, in accordance NO methane oxide catalyst converter based on a decrease in the second generation (320 in; 420) in the methane conversion catalytic converter is estimated to be deteriorated.
배기가스 트레인의 서브 스트림 라인(350; 450) 내에 서브 SCR 촉매 컨버터 장치(360; 460)가 배치되고, 상기 서브 SCR 촉매 컨버터 장치(360; 460)의 NOx 변환 거동은 서브 SCR 촉매 컨버터 장치 내로 유입되는 가스의 NO2 함량 및/또는 NO2/NOx 비에 좌우되는 NO2 감응 SCR 촉매 컨버터 장치인 것을 특징으로 하는, 배기가스 후처리 장치.An exhaust gas aftertreatment apparatus for an exhaust gas train of an internal combustion engine (300; 400) having one or more methane oxide catalytic converters (320, 420) in a main stream line (330; 430) of an exhaust gas train,
The sub-SCR catalytic converter device 360 (460) is disposed in the sub-stream line 350 (450) of the exhaust gas train and the NO x conversion behavior of the sub-SCR catalytic converter device 360 (460) NO 2 content of the gas flowing into and / or NO 2 / NO x ratio NO 2 sensitive SCR catalytic converter device in the exhaust gas treatment device, characterized in that the right and left on.
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