KR100852954B1 - 연소기관의 배기가스를 후처리하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소엔진, 특히 내연기관으로부터 배출되는 배기가스의 후처리를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 장치 및 방법은 간단한 구조를 가지게 의도되고, 생산하고 운전하기에 저렴하여야 하며, 배기가스 스트림에서 유동 조건에 미치는 역효과를 보다 적게 가지고 있어야 한다. 이러한 목적을 달성하기 위해서, 비드로 채워진 적어도 하나의 영역이 배기가스 스트림내에 제공되고, 비드는 중공의 비드인 것이 바람직하다. 연소엔진으로부터 배출되는 배기가스는 이 영역을 통하여 지나가게 되고, 그리고 입자 응집이 분리와 동시에 이루어 질 수 있다. 더욱이, 금속 섬유로 채워진 더 멀리 있는 영역은 비드로 채워진 적어도 하나의 영역 뒤에 있고, 그리고 배기가스는 부가적으로 이러한 더 멀리 있는 영역을 통하여 지나가게 된다.

배기가스, 후처리, 비드, 금속섬유, 촉매 후처리

Description

연소기관의 배기가스를 후처리하기 위한 장치 및 방법{METHOD AND DEVICE FOR AFTERTREATMENT OF EXHAUST GASES FROM COMBUSTION ENGINES}

본 발명은 연소기관으로부터 발생되는 배기가스를 후처리하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 그리고 특히 내연기관으로부터 발생되는 배기가스를 후처리 하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

다양한 선택적인 변경 중에, 배기가스 스트림에 포함된 입자를 단독으로 또는 조합하여 촉매 후처리 및/또는 여과를 하는 것이 가능하다.

연소기관으로부터 발생되는 배기가스의 후처리에 대하여 다양한 가능성이 공지되어 있다. 오염된 성분을 무해한 성분으로 전환하고, 입자, 특히 디젤기관의 연소중에 발생된 미립자를 포집하기 위하여, 촉매 전환기 또는 입자 여과기와 같은 부가적인 구성품이 배기관에 배치되고, 그리고 처리될 배기가스는 이러한 구성품을 통하여 또는 지나서 흐르게 된다.

배기가스의 촉매 후처리를 위하여는, 촉매 변환기라고 하는 것을 배기관에 배치하는 것이 지금까지의 관례이었고, 사용되는 변환기는 본질적으로, 상대적으로 큰 표면적을 가지는 구조이며, 그 표면적은 백금, 로듐 및 팔라듐과 같은 촉매 작용 물질에 의하여 도포되거나 채워지기 위하여 표면공학에 의하여 알려진 코팅에 의하여 한층 더 증가된다.

그러나 촉매 작용은 일정한 최저온도를 필요로 하고, 내연기관의 초기 상태에서 필요한 온도 증가는 배기가스의 배출에 의하여만 일어날 수 있으므로, 그 온도는 기존 시스템에서는 일정한 작동방식하에서 도달될 수 있다. 일정한 온도를 넘을 경우에는 촉매 층이 녹거나 벗겨져 버릴 수 있기 때문에, 지금까지 필요로 하고 있는, 활성표면을 증가시키는 코팅에 의해서 과열을 피해야 했고, 따라서 결과적으로 이러한 타입의 촉매 변환기는 내연기관의 배기가스 배출구 바로 직후에 배치될 수는 없다.

매우 광범위한 여과 시스템이 금속 및 세라믹 물질 양자를 사용하여 입자, 특히 미립자를 내연기관에서 발생되는 배기가스로부터 여과하기 위하여 사용되는 것으로 공지되어 있다. 공지된 여과기에서 미립자의 침전물은 지금까지는, 여과기가 실질적으로 막히고 그것으로 인하여 동압(dynamic pressure)이 발생되는 것을 방지하기 위하여, 다소의 정규적인 간격을 두고 재생이라고 공지된 단계를 수행하는 것이 필수적으로 되게 하였다. 이런 타입의 재생을 위하여, 여과기에서 분리된 미립자의 연소를 시작하는 것이 관례적이고, 이것은 에너지 공급을 필요로 하며, 전기 가열이 채용되든지 또는 필요한 연소가 가연성 탄화수소의 공급에 의하여 영향을 받든지에 관계 없이 불가피하게 효율감소에 이르게 한다.

배기가스 스트림에서의 유동 조건은 여과 물질의 장입 상태에 따른 기존의 입자 여과기에 의하여 특히 영향받고, 그 결과 많은 작동기간에서 배기가스 배압의 함수인 최적의 연소 조건을 유지하는 것이 불가능하다.

더욱이, 기존의 시스템의 생산 및 작동 양자는 비용이 많이 든다.

그러므로 본 발명의 목적은 간단한 구조이고, 저렴하며 그리고 배기가스 스트림에서의 유동조건에 대한 역효과가 적은 배기가스 후처리를 위한 장치와 방법을 제안하는 것이다.

본 발명에 따르면, 이 목적은 청구항 1에 따른 장치와 청구항 17의 특징을 갖춘 방법에 의하여 이루어진다. 본발명의 유리한 실시예와 개량은 종속항에 열거된 특징에 의하여 이루어질 수 있다.

연소기관으로부터 배출된 배기가스의 후처리를 위한 본 발명에 따른 장치는 배기가스 스트림내에 배치되고 비드(bead)로 채워진 적어도 하나의 영역을 사용하고, 그리고 배기 가스가 비드 사이의 공간을 흐름으로써, 최적의 유동 조건이 상대적으로 균일한 유동 안내에 의하여 유지되는 것이 가능하다. 이러한 유동 조건은 입자 응집에 특히 유리한 효과를 가지고 있고, 그리고 형성된 응집체는 그때 하류의 여과기 요소에서 보다 효과적으로 배출가스로부터 분리될 수 있고, 그리고 또한 여과기/여과기 요소 또는 이러한 타입의 다른 요소들은 배기가스 압력의 급변동에 대항하여 보호된다.

배기가스 구역의 유동 조건 및 압력 비율은 이러한 타입의 비드가 채워진 영역에 대하여 상대적으로 쉽게 계산 될 수 있고, 그리고 연소가 배기가스 스트림에서 바람직하지 못한 동압 조건에 의하여 역효과를 받지 않도록, 사용된 특정한 연소기관에 따라서 최적화 될 수 있다.

한편으로는 질량을 현저하게 감소하게 하고 다른 한편으로는 소음 발생을 줄일 수 있는 중공의 비드를 사용하는 것이 특히 유리하고 가능하다.

게다가, 비드표면 뿐만 아니라 비드 쉘(shell)의 일정한 공극율은 상대적으로 쉽게 만들어질 수 있고, 그 결과 배기가스 후처리를 보다 효과적으로 하기 위하여 표면적이 증대될 수 있고 또한 유체역학적인 표면 특성도 긍정적으로 영향 받을 수 있다.

비드 또는 중공의 비드로 채워진 구역은 배기가스 구역에 배치될 수 있고, 비드는, 예를 들면, 유동 방향에서 보았을 때 제일 작은 비드의 직경보다 메쉬 폭이 당연히 작아야 하는 금속 스크린에 의하여 적소에 유지될 수 있으며, 이 경우에 사실상 배기가스 구역에서의 임의의 원하는 배치가 이론적으로 가능하지만, 이러한 타입의 영역은 어떠한 경우에도 배기가스의 유동 방향에서 보았을 때 사용될 입자 여과기의 상류에 배치되어야 한다.

그러나, 비드로 채워진 구역은 또한 연소기관의 바로 근처의 배기가스 출구, 예를 들면 배기 매니폴드(manifold)에 직접 배치되는 것이 유리하고, 이 경우 복수 개의 이러한 구역이 이러한 타입의 배기 매니폴드 각각의 배기부에 배치되는 것 또한 가능하다.

비드는 적절하게 열적으로 안정한 물질로 구성되어야 하고; 양호한 열전도도를 고려하였을 때 금속을 사용하는 것이 바람직하게 가능하다.

사용된 비드는 이 영역에서 가능한한 가득 채운다고 하더라도 상응하는 영역에서 느슨한 베드(bed)로 있을 수 있다. 그러나, 열처리에 의하여 인접한 비드의 점소결(spot-sinter) 조립체를 만드는 것이 또한 가능하다.

다른 외경을 가진 비드가 단일의 공통 영역에서 사용되는 것도 또한 가능하다. 그러나, 실질적으로 동일한 외경을 가진 비드가 각 영역에 존재한 채로, 비드가 채워진 복수의 영역이 순차적으로 배치되는 것이 보다 적절하다는 것이 판명되었고, 이 경우 이러한 비드의 외경은 배기가스의 유동 방향으로 단계적인 형태로 감소하거나 증가하는 것이 적절하다.

그러나, 모든 환경에서 비드는 스스로 지탱하는 틀을 형성하므로, 이루어질 소결은 별도로 하더라도, 추가적인 안정성을 증가시키고 강도를 증가시키는 어떠한 조치도 필요없다.

비드가 채워진 영역은 배출가스가 드나드는 개구부와는 별도로, 하우징 요소에 의하여 둘러싸일 수 있고, 이 경우에 다양한 강도와 열적 안정성을 가진 매우 광범위한 재료가 사용될 수 있다. 예를 들어, 만일 금속 하우징이 사용되면, 충분한 열소산이 있어서, 양호한 열전도 특성이 금속 비드를 접합하는데 또한 활용될 수 있다.

사용된 비드 또는 중공의 비드는 표면공학에서 공지된 촉매 작용 물질로 적어도 표면에서 코팅되거나 도포될 수 있어서, 배기가스의 촉매 후처리가 가능하다.

위에서 언급한 연소기관으로부터 배출되는 배기가스 출구의 바로 부근에 비드가 채워진 영역을 배치할 수 있는 가능성은 촉매 활동에 요구되는 온도가 종래의 시스템을 이용한 경우보다 더 빨리 도달한다는 것을 의미한다. 게다가, 특히 중공의 금속 비드가 사용될 경우에는 상대적으로 낮은 열용량에 의하여 감응(response) 도 개선될 수 있다.

배기 가스를 위한 바람직한 유동 조건과 비드가 채워진 영역의 상류에서 상대적으로 작은 압력상승을 보장하기 위하여, 비드가 채워진 영역이 배치된 하우징은 유동 방향으로 그것의 상류와 하류에 배치된 배기관 부분보다 더 큰 자유 단면(free cross section)을 가진다.

중공의 비드 벽의 두께를 0.03 내지 1mm 사이에서 선택할 수 있을 때, 비드 직경은 1 내지 10mm 사이의 범위에서 선택될 수 있다. 비드 구조의 공극률은 70 내지 97% 사이일 수 있다.

배기 가스 스트림의 압력조건의 목표하는 효과에 더하여, 비드가 채워진 구역 뒤의 배기가스 유동은 가능한 한 많이 층류인 것이 유리하며, 이것은 특히 입자 여과를 위한 하류 유닛에 유리한 효과를 가진다.

예를 들면, 위에서 언급한 더 한층 촉매적인 작용을 하는 요소나 입자 여과기가 배기가스의 유동방향으로 하류에 배치되는 것이 가능하다.

특히 유리한 입자 여과기는 선택가능하거나 조절가능한 공극율 및/또는 공극 사이즈 분포를 가진 금속 섬유를 사용하며, 그것을 통하여 배기가스, 특히 디젤기관에서 발생되는 배기가스는 미립자를 여과하기/분리하기 위하여 통과된다. 공극 사이즈 분포는 1 내지 500㎛ 사이의 범위에 있다.

가스가 비드가 채워진 영역을 통과할 때 형성된 입자 응집체는 이러한 타입의 금속 섬유 구조를 이용하여 효과적으로 포집되어질 수 있고, 그리고 사실상 입자가 없는 배기가스가 주위로 배출될 수 있다.

금속 섬유가 채워진 이러한 타입의 영역은 또한 열적으로 안정하고, 그 결과 그것은 또한 연소기관에 가까이 배치될 수 있고, 이러한 영역에서 또한 자동적인 재생에 효과를 미치기에 충분한 배기가스 온도가 발생되어, 결과적으로 미립자를 태우기 위하여 부가적인 에너지를 공급할 필요가 없다.

이런 타입, 다시 말하면 각각이 상이한 공극률 및/또는 공극 사이즈 분포를 가지는 복수의 소영역 타입의 입자 여과기를 위한 단계적인 구조를 선택하는 것은 매우 특별하게 유리하게 가능하고, 가능한 한 많이 감소하는 공극 사이즈 분포는 배기가스의 유동 방향으로 연속적으로 배치된다. 이것은 금속 섬유의 적절한 선택에 의하여 그리고/또는 금속 섬유의 적절하게 밀집되거나 덜 밀집된 패킹을 사용함으로써 가능하다.

금속 섬유로 채워진 영역과 또한 위에서 언급한 단계적인 입자 여과기의 소영역은 또한 금속 스크린에 의하여 밀봉될 수 있고, 그리고 나머지 부분은 금속으로 구성되는 것이 바람직한 밀폐된 하우징에 의하여 둘러싸이게 된다. 비드로 채워진 영역의 출구와 금속 섬유로 채워진 영역으로 들어가는 입구의 단면적은 같은 크기와 형상을 가지고 있어야 한다.

금속 섬유는 소결되고, 자체적으로 지지하는 구조를 형성할 수 있다.

사용된 금속 섬유 구조의 공극률은 또한 70 내지 95%사이의 범위에서 선택되거나 정하여질 수 있고, 그리고 0.005 내지 0.25mm 사이의 범위의 금속 섬유 직경을 이용하는 것이 가능하다.

금속 섬유와 비드 또는 중공의 비드 양자는 크롬-니켈강, 니켈 베이스 합금, 철-크롬-알루미늄 합금 및 알루미늄 합금으로 구성되는 것이 유리하다. 물론, 다른 금속이나 합금을 사용하는 것도 역시 가능하다.

비드 또는 중공의 비드와 관련하여 이미 언급한 바와 같이, 금속 섬유는 촉매 작용 물질로 코팅되거나 도포될 수 있으며, 그 결과 단지 입자 분리 뿐만 아니라 배기 가스의 촉매 후처리도 또한 이루어질 수 있다.

금속 섬유를 포함하는 영역은 또한 상대적으로 낮은 질량을 가지며 자체적으로 지탱하는 구조를 형성한다. 가능한 높은 공극률은 상응하는 높은 분리 속도가 이루어질 수 있도록 한다.

더욱이 소음 발생도 감소되고, 그리고 낮은 열용량과 연관된 금속 섬유의 양호한 열 전도도는 촉매 후처리 및 자동 세정 작용(재생) 양자에서 또한 이루어지기 좋은 있는 감응을 허용한다.

특별히 언급된 재료는 충분히 강하고, 안정되고 그리고 고온에서 견딜 수 있을 뿐만 아니라, 높은 내부식성을 가지며, 그 결과 긴 사용 수명이 얻어질 수 있다.

지금까지 필수적이었던 입자필터를 재생하기 위한 작동중지를 더 이상 계속할 필요가 없으므로, 몇개의 공지된 입자 여과 시스템과 함께 지금까지 이용되었던 과다한 평행 배치는 더 이상 필요가 없다.

중공의 비드 및 금속 섬유 양자는 본질적으로 상응하는 높은 공극율을 가지고 있으며, 그 결과 표면적을 증가시키는 부가적인 코팅이 더 이상 필요가 없고, 그리고 이러한 구조에서 이미 언급하였던 단점은 제거될 수 있다.

본 발명은 실시예를 통해 아래에서 보다 상세하게 설명될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 일례의 구조를 개략적으로 서술하는 도면이다.

도 2는 금속 섬유로 채워진 복수의 소영역으로 나누어진 입자 분리를 위한 영역을 나타내는 도면이다.

도 1에서 도시된 연소기관으로부터 배출된 배기가스의 후처리를 위한 본 발명에 따른 장치의 실시예에서, 처리되지 않고 세정되지 않은 배기가스는 가스 입구 연결편(1)을 통하여 금속 하우징(2)속으로 지나가게 된다. 하우징(2)의 자유 단면은 진행함에 따라 증가한다.

하우징(2)에는 크롬-니켈강 재질인 중공의 금속 비드로 채워진 영역(3)이 존재한다. 중공의 금속 비드는 비교적 큰, 그러나 가장 작은 비드 직경보다는 작은 폭의 메쉬를 가진 금속 스크린에 의하여 하우징(2)의 내부에 수용되고, 그리고 느슨한 베드의 형태 또는 자체로 지탱하는 구조로 소결된 형태로 존재한다.

중공의 비드가 채워진 영역(3)을 통하여 지나는 배기가스는 중공의 비드 표면이 적절한 촉매 작용 물질로 코팅되거나 도포될 경우에 촉매 후처리를 경험할 수 있다.

그러나, 어떠한 경우에도 배기가스 유동은 존재하는 임의의 입자가 응집되고, 그리고 형성된 응집체가 배기가스 스트림으로부터 분리되어 배기가스의 유동방 향에서 뒤에 있고 금속 섬유로 채워진 영역(5)에서 포집되는 방식으로 영향을 받아, 오염물질 및 미립자가 가능한 한 많이 제거된 배기가스가 출구 연결편(6)으로부터 배출될 수 있다.

도 1에 도시된 본 발명에 따른 장치의 실시예에서, 공동부(4)는 중공의 비드로 채워진 영역(3)과 금속 섬유로 채워진 영역(5)사이에 형성되고, 이것을 통하여 가능한 한 많이 층류인 배기가스 유동이 금속 섬유로 채워진 영역(5)으로 들어간다.

여기에서 도시된 실시예에서, 도 2에서 보다 명확하게 볼 수 있듯이, 3단계의 단계적인 배치가 선택되었을 때, 금속 섬유로 채워진 영역(5)의 단계적인 구조가 사용된다.

예를 들면, 입자를 포함하고 있을 수 있는 배기가스는 중공의 비드로 채워진 영역(3)에서부터 거친(coarse) 여과기 역할을 하는 소영역(5')속으로 나타난다. 이 소영역(5')에서, 금속 섬유는 90 내지 95%의 공극율과, 100 내지 200㎛의 공극 사이즈의 범위에서 선택된다.

그리고 나서, 제 1 소영역(5')으로부터 분리된 제 2 소영역(5'')이 배기가스를 통과시키는 적절한 형태로 중심에 있다. 이 소영역(5'')은 50 내지 100㎛ 사이의 공극사이즈와 80 내지 90% 사이의 범위의 공극율을 가지고 있고, 더욱 작은 입자를 보다 더 미세하게 분리하는 역할을 한다.

이 다음에 역시 금속 섬유로 채워진 제 3 소영역(5''')이 가스 출구(6)의 방향으로 뒤따르고, 제 3 소영역의 공극율은 60 내지 70% 사이이고 공극 사이즈는 50 ㎛미만으로 정해져서, 이러한 경우 매우 미세한 여과가 일어난다.

물론, 도시된 세 개의 소영역(5', 5'', 5''')보다 많은 보다 세분화된 단계를 선택하는 것도 가능하다.

촉매작용가능하게 도포되거나 코팅된 금속 섬유는 부가적인 축매 후처리를 수행하기 위하여 소영역(5', 5'' 또는 5''') 중 단지 하나 또는 2개의 소영역에서 사용될 수도 있고 모든 소영역에서 사용될 수도 있다.

본 발명에 따른 장치는 비교적 가변적인 설계이고 그리고, 예를 들면, 중공의 비드로 채워진 영역(3)은 단지 배기가스 유동 및/또는 분리를 촉진하는 입자 응집에 영향을 미치기 위하여 사용될 수도 있고, 촉매 후처리는 선택적인 특징이 될 수도 있다.

이러한 상황은 금속 섬유로 채워진 영역(5)에서도 유사하고 그 영역은 단지 미립자를 배기가스 스트림으로부터 분리하거나 선택적으로 또한 촉매 후처리를 분담하기 위하여서도 사용될 수 있다.

중공의 비드 및 금속 섬유에 사용된 것과 동일한 재료가 또한 하우징(2)에도 사용될 수 있고, 그 결과 어떠한 두드러진 전기화학적인 포텐셜 차이도 없으며, 본 명세서의 전반적인 부분에서 언급되었던 특성치도 또한 나타난다.

본 발명은 연소기관, 특히, 내연기관으로부터 발생되는 배기가스의 후처리에 관한 것으로 보다 상세하게는 간단한 구조이고, 저렴하며 그리고 배기가스 스트림에서의 유동조건에 대한 덜 불리한 효과를 가지는 배기가스 후처리를 위한 장치와 방법을 제안함으로써 연소기관의 배기장치에 관한 산업에 효과적으로 이용될 수 있다.

Claims (20)

1. 연소기관에서 배출된 배기가스의 후처리를 위한 장치로서, 배기가스 스트림이 중공의 비드로 채워진 영역(3)을 지나가고, 그 후에 입자 여과기로서 금속 섬유로 채워진 영역(5)을 지나가게 하는 것을 특징으로 하는 연소기관에서 배출된 배기가스의 후처리를 위한 장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 중공의 비드는 금속으로 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 중공의 비드는 다공질인 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 비드의 직경은 배기가스의 유동방향으로 감소하는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제 1 항에 있어서, 비드는 서로 점 접촉하는 방식으로 소결된 것을 특징으로 하는 장치.
7. 삭제
8. 제 1 항에 있어서, 금속 섬유로 채워진 영역(5)은 배기가스의 유동방향으로 상이한 공극율 및/또는 공극 사이즈 분포를 가진 적층구조로 된 적어도 두개의 소영역으로 나누어지는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제 8 항에 있어서, 공극율은 배기가스의 유동방향으로 감소하는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제 8 항에 있어서, 70 내지 95% 사이의 범위의 공극율이 유지되는 것을 특징으로 하는 장치.
11. 제 1 항에 있어서, 비드 및/또는 금속 섬유의 표면은 촉매 작용 물질로 코팅되거나 도포되는 것을 특징으로 하는 장치.
12. 제 1 항에 있어서, 중공의 비드로 채워진 영역(3)은 연소기관으로부터 배기가스 출구에 가까이 배치된 것을 특징으로 하는 장치.
13. 제 1 항에 있어서, 중공의 비드로 채워진 영역(3)은 연소기관의 배출 매니폴드에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
14. 제 1 항에 있어서, 중공의 비드로 채워진 영역(3)과 금속 섬유로 채워진 영역(5)의 사이에 공동부(4)가 있는 것을 특징으로 하는 장치.
15. 제 1 항에 있어서, 배기가스가 영역(3, 4, 5)을 통하여 지나가게 되는 자유 단면은 배기관의 자유 단면에 비하여 증가되는 것을 특징으로 하는 장치.
16. 제 1 항에 있어서, 비드와 금속 섬유는 철-크롬-니켈 합금, 니켈 베이스 합금, 철-크롬-알루미늄 합금 또는 알루미늄 합금 또는 그들의 조합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치
17. 배기가스가 배기가스의 유동, 입자응집, 및/또는 배기가스의 촉매 후처리에 영향을 미치기 위하여 중공의 비드로 채워진 영역(3)을 통과하여 지나가고, 비드로 채워진 영역(3)에 뒤이어 배기가스로부터 입자를 여과 및/또는 배기가스의 촉매 후처리를 수행하기 위해서, 배기가스가 금속 섬유로 채워진 영역(5)을 통과하여 지나가게 되는 것을 특징으로 하는 연소기관에서 배출되는 배기가스를 후처리하기 위한 방법.
18. 삭제
19. 제 17 항에 있어서, 중공의 비드로 채워진 영역(3)을 지나는 동안 응집된 입자는 금속 섬유로 채워진 영역(5)에서 배기가스 스트림으로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제 17 항에 있어서, 금속 섬유로 채워지고 그리고 상이한 공극율을 가진 소영역(5', 5'', 5''')으로 나누어지는 영역(5)에서 입자는 단계적인 형태로 여과되는 것을 특징으로 하는 방법.

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