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KR100918602B1 - 내연기관의 배기가스 처리 방법 및 장치 - Google Patents

내연기관의 배기가스 처리 방법 및 장치 Download PDF

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KR100918602B1
KR100918602B1 KR1020087000182A KR20087000182A KR100918602B1 KR 100918602 B1 KR100918602 B1 KR 100918602B1 KR 1020087000182 A KR1020087000182 A KR 1020087000182A KR 20087000182 A KR20087000182 A KR 20087000182A KR 100918602 B1 KR100918602 B1 KR 100918602B1
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롤프 브뤽
페터 히르트
볼프강 헬트
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울프 클라인
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에미텍 게젤샤프트 퓌어 에미시온스테크놀로기 엠베하
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Abstract

배기가스를 처리하기 위한 본 발명에 따른 장치는,
- 미립자 분리기 (101),
- 질소산화물을 선택적으로 환원하기 위한 SCR 촉매 변환기 (102), 및
- 질소산화물을 환원시키기 위한 선택적 환원제로서 암모니아를 발생시키기 위한 암모니아 발생기 (103) 를 포함하며,
미립자 분리기 (101) 는 주 배기라인 (104) 에 형성되어 있고, 암모니아 발생기 (103) 는 제 1 부 라인 (105) 에 형성되어 있으며, 제 1 부 라인 (105) 은 암모니아 발생기 (103) 에서 발생되는 암모니아함유 가스 스트림이 SCR 촉매 변환기 (102) 를 통해 흐를 수 있도록 구현되는 연결부에서 주 배기라인 (104) 으로 개방된다.
본 발명에 따른 방법 및 장치는 내연기관 (100) 의 배기가스에 함유된 미립자 및 질소산화물 (NOX) 의 비율이 동시에 감소되게 하며, 이러한 감소를 위한 에너지 소비가 작은 동시에 전체 장치는 컴팩트한 유닛으로 구현될 수 있다.

Description

내연기관의 배기가스 처리 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR TREATING EXHAUST GASES OF INTERNAL COMBUSTING ENGINES}
본 발명의 주제는 내연기관의 배기가스 처리 방법 및 장치, 특히 배기가스의 질소산화물 함유량 및 미립자 함유량을 감소시키기 위한 방법 및 장치이다. 본 발명은 바람직하게는 자동차에 적용된다.
내연기관은 내연기관의 유형, 체적 용량 및 작동 상태에 따라 상이한 조성을 갖는 배기가스를 생성한다. 많은 나라에서, 이러한 배기가스는 점점더 엄중해지고 있는 정지분야에의 적용 예컨대 발전 플랜트, 및 이동분야에의 적용 예컨대 자동차, 보트 또는 항공기에 대한 법정 제한치를 준수해야 한다. 이러한 제한치는 배기가스의 처리 또는 후처리를 통해 주로 준수될 수 있다. 제한치는 많은 배기가스 성분에 대해서 준수되어야 하기 때문에, 배기가스의 후처리를 위해서는 비교적 복잡한 장치 및 방법이 필요하다. 이는 작동에 의해 배기가스의 다른 성분의 농도, 일반적으로는 예컨대 특히 디젤 엔진의 배기가스 중의 질소산화물 및 미립자의 농도에 각각 영향을 줄 수 있는 많은 상이한 배기가스 정화 구성품을 필요로 한다.
질소산화물의 환원을 위해서, 질소산화물의 선택적 촉매 환원 (SCR) 에 기초 하는 방법이 제안되었다. 여기서는, 대응하게 구성된 촉매 변환기에서 질소산화물의 선택적 촉매 환원을 야기하는 예컨대 암모니아 (NH3) 등과 같은 선택적 환원제가 사용된다. 암모니아의 직접 공급은 특히 이동분야에의 적용에서 문제가 되기 때문에, 예컨대 우레아 (urea), 이소시안산 (isocyanic acid), 시아누르산 (cyanuric acid) 또는 그 밖에 카르밤산암모늄 (ammonium carbamate) 등과 같은 암모니아 전구체를 공급하는 단계가 주로 제안되었다. 특히, 시장에의 도입에 주안점을 두고 수용액에 우레아를 공급하는 단계를 개발하였다. 이러한 시스템은 암모니아 전구체를 위한 추가적인 저장 용기가 필요하다는 단점을 가지며, 이는 작은 설치 공간으로 인해 특히 이동분야, 구체적으로는 승객용 차량 분야에의 적용에 바람직하지 않고, 부가적으로는 암모니아 전구체를 충전할 수 있는 표면커버링 (surface-covering) 시스템을 추가로 필요로 하는데, 이는 암모니아 전구체 없이는 질소산화물이 전혀 변환될 수 없고, 그 결과 저장 용기가 비어있을 경우 더 이상 변환은 일어나지않기 때문이다.
나아가, 암모니아를 발생시키기 위한 내장 시스템이 제안되었다. 예컨대, DE 102 58 185 A1 은 물을 함유하는 가스 스트림을 이용하여 암모니아를 형성하기 위해 플라즈마의 보조를 받는 일산화질소의 형성, 및 후속되는 일산화질소의 환원을 통해 대기의 질소로부터 암모니아를 발생시키는 단계를 개시한다. 이러한 시스템은 배기가스의 다른 성분은 제외하고 오직 질소산화물만을 고려한다는 단점을 갖는다.
상술한 것에 기초하여, 본 발명은 질소산화물 및 미립자를 동시에 감소시킬 수 있으며, 동시에 다른 작동 물질을 필요로 하지 않는, 내연기관의 배기가스 중의 질소산화물 및 미립자의 농도를 감소시키기 위한 장치 및 방법을 구체화하려는 목적에 기초한다.
이러한 목적은 청구항 1 의 특징을 갖는 장치 및 청구항 15 의 특징을 갖는 방법에 의해 달성된다. 바람직한 양태는 각각의 종속 청구항의 주제이다.
배기가스를 처리하기 위한 본 발명에 따른 장치는,
- 미립자 분리기,
- 질소산화물을 선택적으로 환원하기 위한 SCR 촉매 변환기, 및
- 질소산화물을 환원시키기 위한 선택적 환원제로서 암모니아를 발생시키기 위한 암모니아 발생기를 포함하며, 미립자 분리기는 주 배기라인에 형성되어 있고, 암모니아 발생기는 제 1 부 라인에 형성되어 있으며, 제 1 부 라인은 암모니아 발생기에서 발생되는 암모니아함유 가스 스트림이 SCR 촉매 변환기를 통해 흐를 수 있도록 구현되는 연결부에서 주 배기라인으로 개방된다.
또한, 암모니아함유 가스 스트림은 바람직하게는 미립자 분리기를 통해 흐른다. 제 1 부 라인에서의 암모니아 발생기의 형성은 특히 암모니아 발생기가 배기라인의 측로에 형성될 수 있는 것을 의미한다. 한편, 형성되는 암모니아 (NH3) 는 배기라인에 공급될 수 있지만, 배기가스는 암모니아 발생기를 통과하거나 암모니아 발생기에 공급될 수 없도록 제 1 부 라인을 배기라인에 연결할 수도 있다. 여기서, 미립자는 특히 탄소함유 미립자 또는 그 밖에 순수 탄소로 구성되는 미립자이다.
미립자 분리기, SCR 촉매 변환기 및 암모니아 발생기는 하나 이상의 허니콤 본체를 각각 포함할 수 있다. 허니콤 본체는 배기가스 등과 같은 유체가 적어도 부분적으로 흐를 수 있는 캐비티를 구비하는 큰 벽 표면을 갖는 본체이다. 허니콤 본체는 예컨대 압출에 의해 예컨대 세라믹 재료로 만들어질 수 있다. 게다가, 허니콤 본체는 금속 층으로 구성될 수도 있다. 금속 층은, 예컨대 나선형으로 감기는 적어도 부분적으로 직조형인 (textured) 층과 하나 이상의 기본적으로 부드러운 층 (적절한 경우) 을 포함한다. 허니콤 본체의 다른 실시예는 적층된 금속 층을 포함하기도 한다. 하나 이상의 스텍 (stack) 이 동일한 방향 또는 반대 방향으로 감긴다. 스텍은 적어도 부분적으로 직조형인 하나 이상의 층, 및 하나 이상의 기본적으로 부드러운 층 (적절한 경우) 을 포함할 수 있다. 적어도 부분적으로 직조형인 하나 이상의 비틀어지지 않은 스텍, 및 적어도 하나 이상의 기본적으로 부드러운 금속 층 (적절한 경우) 을 포함하는 허니콤 본체가 또한 가능하며 본 발명에 따른다.
금속 층은 구체적으로는 판금 포일 (foil), 섬유 부직포, 소결된 다공성 금속 층, 와이어 메쉬 층 또는 이 요소들 중 둘 이상의 조합물이다. 적어도 부분적으로 직조형인 층은 적어도 일정 영역에서는 감기, 적층 또는 꼬기 이후에 캐비티를 형성하는 구조를 갖는다. 특히, 이러한 구조는 파형 형상을 가질 수 있다. 본질적으로 부드러운 층은 부드러우며, 적절한 경우 미세구조를 갖는 층이다. 미세구조는 적어도 부분적으로 직조형인 층의 직조폭보다 상당히 더 작은 직조폭을 갖는 구조이다.
미립자 분리기는 특히 개폐될 수 있다. 닫혀있는 미립자 분리기는, 배기가스가 흐를 때 배기가스가 미립자 분리기의 하나 이상의 벽을 통해 지나가야 하도록 구성된다. 이는, 예컨대 다공성 벽에 의해 분리되며, 허니콤 본체의 가스 유입단부 및 가스 유출단부 면에서 선택적으로 닫히는 복수의 셀로 미립자 분리기가 형성되어, 가스 유입측에서 열리는 단부 측면 및 가스 유출측에서 닫히는 단부 측면을 구비하는 제 1 군의 캐비티가 존재하고, 가스 유입측에서 닫히는 단부 측면 및 가스 유출측에서 열리는 단부 측면을 구비하는 제 2 군의 캐비티가 존재한다는 사실에 의해 달성될 수 있다.
미립자 분리기는 또한 개방된 미립자 필터를 포함할 수 있다. 미립자 필터는, 기본적으로 미립자가 필터를 통해 완전히 지나갈 수 있고, 또한 명확하게는 실제로 여과되는 미립자보다 상당히 더 큰 미립자가 필터를 통해 완전히 지나갈 수 있는 경우에, 개방되었다고 한다. 그 결과, 이러한 필터는 작동중에 단지 미립자가 응집될 때만으로는 막힐 수 없다. 미립자 필터의 개방 상태를 측정하기 위한 적절한 방법은, 예컨대 구형 미립자가 상기 필터를 통해 조금씩이라도 흐를 수 있는 직경을 실험하는 것이다. 본 적용의 경우에는, 특히 직경이 0.1 ㎜ 이상인 구형체, 바람직하게는 직경이 0.2 ㎜ 이상인 구형체가 조금씩이라도 흐를 수 있으면, 필터는 개방되어 있는 것으로 본다.
미립자 분리기는 특히 금속 폼 (foam) 및/또는 세라믹 폼으로 형성될 수 있다. 미립자 분리기는 규칙적, 불규칙적 또는 무질서한 형태로 형성되는 캐비티를 구비할 수 있다.
SCR 촉매 변환기는 바람직하게는 SCR 코팅이 제공되어 있는 허니콤 본체를 포함한다. SCR 코팅은 특히 이산화티탄 (예추석) 지지형 바나듐/텅스텐 혼합 산화물, 또는 특히 X, Y, ZSM-5 또는 ZSM-11 유형의 금속치환 제올라이트, 바람직하게는 이온치환 제올라이트를 포함한다. 내장 암모니아 발생기가 형성되어 있으면, 바람직하게는 우레아를 가수분해하는데 일반적으로 필요한 가수분해 촉매 변환기가 없어도 된다.
본 발명에 따른 장치는 특히 연결 및 작동 면에서 이점을 제공한다. 그러므로, 서로 연관 있는 두 가지 중요한 배기가스 성분을 동시에 감소시키는데 하나의 장치가 사용될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 장치는 질소산화물의 비율 및 미립자의 비율이 모두 동일한 방식으로 감소되도록 제어될 수도 있다. 본 발명에 따른 장치는, 배기 시스템에 대한 사용자 및 시스템 계획자가 설치되는 구성품의 작용에 대한 상세한 방법에 대해서는 염려하지 않아도 되고, 단지 배기 시스템 및 전원에의 연결만을 실행하면 되는 블랙 박스라고 하는 것으로 고려될 수 있다.
연결부는 바람직하게는 암모니아함유 스트림 또한 미립자 분리기를 통해 흐르도록 구현된다. 암모니아는 미립자 분리기의 재생에 바람직하다.
미립자 분리기는 바람직하게는 유체가 적어도 부분적으로 흐를 수 있는 벽에 의해 서로 분리되는 선택적으로 닫히는 셀을 포함한다.
미립자 분리기는 바람직하게는 배기가스가 벽을 통해 흐를 수 있도록 구성된다. 실시예에 따르면, 배기가스는 특히 개방된 미립자 분리기의 경우에는 부분적으로 벽을 통해 흐르거나, 또는 특히 선택적으로 닫히는 셀을 구비하는 닫힌 필터가 존재할 수 있는 경우에는 전체가 벽을 통해 흐를 수 있다. 벽은 바람직하게는 세라믹 및/또는 금속으로 구성될 수 있다.
미립자 분리기는 바람직하게는 적어도 부분적으로 금속인 캐리어를 포함한다. 부분적으로 금속인 캐리어는 예컨대 상술한 바와 같이 구현되는 금속 허니콤 본체일 수 있다. 다른 예는 예컨대 미립자의 정전 응집 및/또는 분리를 위한 전극으로서 금속 구조물이 구현되어 있는 세라믹 캐리어이다.
적어도 부분적으로 금속인 캐리어는 바람직하게는 하나 이상의 금속층을 포함한다. 이러한 관계에 있어서, SCR 촉매 변환기, 암모니아 발생기 및/또는 미립자 분리기는 바람직하게는 하나 이상의 금속층을 포함하는 허니콤 본체를 포함한다. 나아가, 하나 이상의 금속층을 포함하는 다른 캐리어 본체가 구현될 수 있다.
미립자 분리기는 바람직하게는 금속으로 구현된 부분을 갖는 세라믹 필터 요소를 포함한다.
특히, 세라믹 필터 요소는 특히 대응하는 신속한 제조 기술을 이용하여 층 형태로 구성될 수 있다. 여기서, 층 구조는, 구체적으로 우선 본체의 제 1 층이 하나 이상의 원료로 구성되며, 그 다음 이 원료의 적어도 일부가 강화되며, 그 다음 하나 이상의 원료로 구성된 다른 층을 강화된 층에 대는 것을 의미한다. 상기 다른 층 또한 적어도 일부가 강화되고, 필터 요소가 완성될 때까지 상기의 과정이 더 적용된다.
한 원료가 이후에 세라믹 벽을 형성할 수 있으며, 다른 원료가 이후에 금속으로 구현된 부분을 형성할 수 있다. 강화는 예컨대 레이저 빛 방사에 의해 달성되는 간단한 온도 증가에 기초할 수 있다. 공간적으로 선택적인 및/또는 비균질한 가열, 그리고/또는 공간적으로 선택적인 및/또는 비균질한 형태로 적용되는 원료의 사용은, 예컨대 미세구조의 벽을 가질 수 있도록 벽에 의해 분리되는 캐비티를 만들어 낼 수 있게 한다. 나아가, 복수의 원료를 사용함으로써, 예컨대 상이한 영역에서 상이한 공극값 또는 그 밖의 전기 전도값을 갖는 상이한 특성의 영역을 갖는 벽을 구성할 수 있다. 이러한 방식으로, 금속으로 구현된 부분의 형성을 통해 필터 요소가 완성된 이후에, 필터 요소에서의 흐름 분배가 미리 정해질 수도 있으며, 따라서 필터 요소에서의 정전 응집/분리의 경우에 상기 영역들에서 분리가 어느 정도 일어나는지가 미리 정해질 수 있다. 특히, 선택적 레이저 소결, 3차원 인쇄 및 융착 모델링 (fused deposition modelling) 기법이 구성을 위해 바람직하게 사용될 수 있다.
유체가 적어도 흐를 수 있으며, 벽에 의해 적어도 부분적으로 서로 분리되는 캐비티를 구비하는 미립자 분리기를 형성하는 것이 바람직하다.
유체가 흐를 수 있는 캐비티는, 예컨대 말단측이 닫혀있는 셀이다. 특히, 유체는 캐비티를 통해 흐를 수도 있다. 바람직하게는, 상기 셀보다 더 큰 직경을 갖는 캐비티를 형성할 수도 있다. 이러한 캐비티는 바람직하게는 배기가스를 더 잘 혼합시키는 역할을 할 수 있다.
벽은 바람직하게는 다음의 특징 중 하나 이상을 갖는다.
8.1) 벽이 적어도 부분적으로 코팅되어 있음, 또는
8.2) 벽이 하나 이상의 촉매역할을 하는 성분을 가짐.
미립자 분리기 또는 필터 요소는 8.1) 에 따른 코팅을 구비할 수 있으며, 여기 개시된 다른 모든 허니콤에도 적용된다. 상기 코팅은 특히 세라믹일 수 있으며, 그리고/또는 워쉬코트 (wash coat) 및/또는 제올라이트를 포함할 수 있다. 8.2) 에 따르면, 미립자 분리기의 벽은 촉매역할을 하는 성분을 포함할 수 있으며, 여기 개시된 다른 모든 허니콤 본체의 벽에도 적용된다. 상기 성분은 8.1) 에 따라 구현되는 코팅에, 또는 벽 안에 직접 및/또는 벽 위에 직접 사용될 수 있으며, 벽이 세라믹 재료를 포함하는 경우에는 벽에 직접 사용되는 것이 바람직하다. 촉매역할을 하는 성분은 바람직하게는, 예컨대 귀금속 합성물 형태의 귀금속을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 복수의 귀금속이 촉매역할을 하는 성분에 포함될 수 있다.
미립자 성분은, 단부측 중 한쪽 영역에, 바람직하게는 흐름 유입측에 있는 단부 영역에 예컨대 산화를 촉진하는 촉매역할을 하는 성분을 포함할 수 있다. 상기 단부측은, 특히 일산화질소의 산화를 촉진하여 이산화질소를 형성할 수 있지만, 연속 재생의 경우에 CRT (Continuous Regeneration Trap) 원리에 따라 작동하는 미립자 분리기가 필요하다. 나아가, CRT 재생 반응을 촉진시키는 촉매역할을 하는 성분이 미립자 분리기에 형성될 수 있다. 이러한 코팅은 바람직하게는 전체 미립자 분리기에 형성될 수 있다. 산화를 촉진하는 코팅이, 예컨대 미립자 분리기의 가열을 야기하는 탄화수소의 산화를 촉진할 수도 있다. 내연기관은, 예컨대 짧은 기간 동안 사이클 중에 있는 내연기관의 실린더에서의 연료 비율이 증가한 상태로 (농후 모드를 말함) 작동하기 때문에, 탄화수소가 미립자 분리기에 도입될 수 있다. 그 결과, 탄화수소는 미립자 분리기에 도달하여 거기서 산화될 수 있다.
본 발명에 따른 장치의 다른 바람직한 양태에 따르면, 미립자 분리기는 미립자 분리기를 재생시키기 위한 재생 설비를 구비한다. 이러한 관계에 있어서, 재생 설비는 다음의 처리들 중 하나 이상에 의해 작동되는 것이 특히 바람직하다.
10.1) 미립자 분리기의 적어도 일부의 상류에서 이산화질소를 이용할 수 있게 하는 처리;
10.2) 미립자 분리기의 적어도 일부의 온도를 제한 온도 이상으로 증가시키는 처리;
10.3) 미립자 분리기의 적어도 일부의 상류에서 산화제를 이용할 수 있게 하는 처리; 또는
10.4) 전기 방전을 이용하여 재생시키는 처리.
처리 (10.1)) 내지 처리 (10.4)) 중 하나를 미립자 분리기의 일부에 적용함에 있어서, 대응하는 처리가 미립자 분리기의 일부 상에 (10.1) 및 10.3) 의 경우) 또는 미립자 분리기의 일부 내에 (10.2) 의 경우) 실행될 수 있다 (적절한 경우). 재생 설비는 내포된 그리고/또는 퇴적된 미립자의 재생, 즉 미립자 분리기의 내부 및/또는 외부로부터의 미립자의 제거를 위해 미립자 분리기에 적용된다. 재생 설비는 특히 열 및/또는 화학적 구성을 가질 수 있다. 미립자 분리기가 열적 재생 설비를 구비하면, 바람직하게는 배기가스 중의 잔류 산소에 의해서도 미립자의 탄화수소가 산화되는 온도 이상으로 미립자 분리기가 가열되게 할 수 있는 수단을 제공할 수 있다. 미립자 분리기는 이러한 산화를 촉진시키는 촉매역할을 하는 재료를 포함할 수 있다. 열 재생은 배기 온도를 증가시키는 것에 의해 그리고/또는 부가적인 가열 장치에 의해 달성될 수 있다.
미립자 분리기가 화학적 재생 설비를 구비하면, 화학 반응을 통해 미립자를 분해시킬 수 있다. 이는, 예컨대 일산화질소 및 이산화탄소를 형성시키는 탄소와 이산화질소의 반응에 의해 달성될 수 있다. 재생 설비에서 가능한 다른 것으로, 미립자 분리기의 배기가스 중의 이산화질소 농도를 가능한 연속적으로 크게 유지시켜 탄소 미립자를 연속적으로 변환시키는 수단이 형성되어 있는 CRT 법이 있다. 전기 방전에 기초하는 재생 설비는 예컨대 연면방전 (surface creeping discharge) 에 기초한다.
본 발명에 따른 다른 바람직한 실시예에 따르면, 미립자 분리기는 다음의 기능 중 하나 이상을 충족시키는 미립자 분리기에 전기장을 발생시키기 위한 수단을 포함한다.
12.1) 미립자의 응집; 또는
12.2) 미립자의 분리.
미립자의 응집은 특히 복수의 작은 미립자가 상대적으로 큰 미립자에 축적되는 것을 의미한다. 미립자의 분리는 특히 미립자가 필터에 퇴적되는 것을 의미한다.
예컨대, 직경이 10 ㎛ 이하인 미립자를 말하는 미세 먼지는, 이들 미립자의 성질로 인해, 사람 폐의 조직에 흡착되는 바람직하지않은 배기가스 성분이다. 미립자의 평균 직경이 클수록, 미립자가 폐의 조직에 흡착될 확률은 작아진다. 그러므로, 미립자를 분리하는데만 목적을 두지않고 (예컨대, 그럼에도 불구하고 미립자 분리기상의 기계적인 영향으로 인해 (이후에) 작은 미립자의 방출을 야기할 수 있음), 미립자가 비교적 큰 미립자가 되도록 응집시켜 배기가스 중의 미세 먼지의 비율을 감소시키며 가능한 미립자의 평균 직경이 미립자가 폐의 조직에 더 이상 흡착될 수 없을 정도가 되게 하는데에도 목적을 두는 것이 바람직하다.
이러한 응집은 전기장의 인가에 의해 달성될 수도 있다. 전기장은, 예컨대 미립자 분리기가 양의 전위에 접지 전극 및 전극을 구비하고, 그 결과 대응하는 전기장이 셀의 종방향 축선 또는 미립자의 통과 방향에 대해 특히 횡으로 형성되기 때문에 발생될 수 있다. 이러한 전기장을 구성시키는 복수의 전극이 바람직하게는 서로 병렬로 형성될 수도 있고, 그 결과 미립자 분리기는 미립자를 응집 및 분리시키는 복수의 전기장을 포함한다. 전기장은 특히 직류 전압에 의해 작용할 수 있지만 교류 전압에 의해서도 작용하며, 특히 주파수가 10 ㎐ 이하인 저주파수의 교류 전압 또한 가능하며 본 발명에 따른다.
매연 미립자의 분극화현상에 의해, 매연 미립자는 전극 중 하나에 당겨져 거기에 퇴적된다. 전극은 특히 미립자 분리기의 벽과 조합되거나, 특히 벽의 일부로서 구현되거나, 또는 전극 자신이 벽을 형성할 수 있다. 이러한 관계에 있어서, 미립자 분리기는 바람직하게는 금속 폼으로 형성되며, 바람직하게는 특히 대응하게 배합된 두 개 이상의 성분을 갖는다. 미립자 분리기는 특히 바람직하게는 배기가스가 흐르는 복수의 캐비티를 형성하는 금속 폼으로 형성된다.
미립자 분리기는, 바람직하게는 미립자 분리기의 재생을 위해 연면방전을 발생시키도록 미립자 분리기에 제 2 전기장을 발생시키기 위한 수단을 포함한다.
이러한 적용 범위 내에 개시되어 있는 미립자 분리기의 상세 사항들은 장치의 다른 구성품 없이 따로 실행될 수도 있다.
본 발명에 따른 장치의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 암모니아 발생기는 플라즈마 발생기를 포함한다.
여기서, 플라즈마 발생기는 특히 DE 102 58 185 A1 에 개시되어 있는 바와 같고, 특히 플라즈마 발생기의 작동 변수, 전극의 형성, 및 공정 가스의 부가에 대한 상기 출원의 개시 내용이 본 출원의 개시 내용에 통합되어 있다. 플라즈마 발생기는 바람직하게는 공정 가스가 2500 K 이상의 온도로 간단하게 가열되도록 작동된다. 플라즈마 발생기는 공정 가스로서 질소 및 산소를 함유하는 가스가 있는 상태에서 작동되고, 여기서 플라즈마 발생기의 작동 변수는, 플라즈마에서 일어나는 반응의 반응 평형이 치환되어 바람직하게는 일산화질소가 발생되도록 선택된다. 그 다음, 이 일산화질소는, 특히 허니콤 본체에 장착되며 환원제로서 예컨대 수소 및/또는 탄화수소가 첨가되는 대응하게 구현된 환원 촉매 변환기에 의해 환원되어 암모니아를 형성시킨다. 특히, 공기, 배기가스, 또는 공기가 농후한 배기가스가 공정 가스로서 사용될 수 있다.
여기서는, 다음의 성분들 중 하나 이상을 일시적으로 저장하기 위한 하나 이상의 저장 요소를 포함하는 암모니아 발생기를 형성하는 것이 바람직하다.
15.1) 암모니아; 또는
15.2) 암모니아 전구체.
암모니아 전구체는, 예컨대 열분해 (thermolysis), 열분해 (pyrolysis) 및/또는 가수분해를 통해 암모니아를 방출하거나, 또는 다른 유리체와 반응하여 암모니아를 형성시킬 수 있는 기재이다. 여기서, 성분 (15.2)) 은 일산화질소를 포함하는 것이 바람직한데, 이는 비교적 낮은 추가적 연료 소비로도 비교적 높은 암모니아 수율이 달성될 수 있어, 일산화질소를 특히 플라즈마 발생기를 포함하는 암모니아 발생기와 연관된 암모니아로 환원시키기 때문이다. 저장된 성분 (15.1) 및/또는 15.2)) 은 특히 배기가스에 나타나며 비교적 많은 양의 암모니아를 필요로 하는 매우 큰 NOX 농도에 대한 완충제로서 사용될 수도 있다. 게다가, 저장 요소는 바람직하게는 상술한 바와 같은 일산화질소의 중간 저장 및 배출에 사용될 수 있다. 일산화질소, 및 예컨대 우레아, 이소시안산, 시아누르산 또는 카르밤산암모늄 모두가 암모니아 전구체이다.
저장 요소는 흡착 특히 화학적흡착 및/또는 물리적흡착에 의해 하나 이상의 성분을 일시적으로 저장한다.
물리적흡착은 특히 물리적 상호작용에 기초한 저장이며, 화학적흡착은 화학적 결합에 기초한 흡착이다. 물리적흡착은 특히 제 1 제한 온도 미만의 낮은 온도에서 일어나며, 암모니아 전구체의 방출은 이 제 1 제한 온도 이상에서 일어난다. 대응하게 치환된 반응 평형이 일정한 온도를 필요로 하기 때문에, 화학적흡착은 감지할 수 있을 정도의 제 2 제한 온도 이상의 온도에서 일어난다. 저장 요소, 예컨대 저장 요소의 대응하게 구성된 코팅의 적절한 선택은, 제 1 제한 온도 및 제 2 제한 온도가, 일산화질소의 흡착이 넓은 온도 범위에서 이루어질 수 있도록 선택되는 것을 허용한다.
허니콤 본체의 대응하는 코팅은, 예컨대 배기가스가 흐르는 표면에서 더 멀리 있는 코팅 영역이 물리적흡착에 더 적합하고, 배기가스가 흐르는 코팅 표면에 더 가까운 영역이 화학적흡착에 더 적합하도록 구성될 수 있다.
그러므로, 예컨대 하나의 저장 요소는 일산화질소로 충전되는 동안, 다른 저장 요소는 적어도 부분적으로 그것에 저장되어 있는 일산화질소를 방출하여, 일산화질소를 환원시켜 암모니아를 형성시킬 수 있는 두 개 이상의 저장 요소를 구비하는 암모니아 발생기를 제공할 수 있다. 특히, 여기서 일산화질소의 방출은 수소 및 가능한 적은 산소를 포함하는 가스 스트림에서 일어날 수 있다. 이는 필요한 수소의 비율을 감소시키는데, 수소가 일반적으로 먼저 산소와 반응하기 때문이다. 플라즈마 발생기의 공정 가스가 적어도 공기를 포함하면, 공정 가스의 산소의 비율은 공정 가스가 플라즈마 발생기를 떠날 때 여전히 비교적 높은, 예컨대 18 % ~ 19 % 이다. 일산화질소를 준비할 때, 적은 산소와 수소를 함유하는 가스가 사용되면, 필요한 수소의 양은, 공정 가스가 수소함유 가스와 직접 혼합되는 경우보다 상당히 더 작다.
수소함유 가스는 특히 탄화수소의 부분적인 산화를 통해 발생되는 크래킹가스 (cracking gas) 또는 합성가스일 수 있다. 특히, 내연기관을 작동시키는데 사용되는 연료가 크래킹가스 또는 합성가스를 위한 유리체의 역할을 할 수 있다. 필요한 수소의 비율이 감소되기 때문에, 종래의 시스템에 비해 추가적인 연료의 소비 또한 감소된다. 플라즈마 발생기는, 일산화질소를 일시적으로 저장하기 위한 저장 요소, 및 일산화질소를 환원시켜 암모니아를 형성시키기 위한 환원 유닛 (적절한 경우) 을 각각 포함하는 두 개의 가스 라인의 이용으로 간헐적으로 작동될 수 있다. 일산화질소를 환원시켜 암모니아를 형성시키기 위한 환원 유닛은 두 가스 라인에 의해 공동으로 충전될 수도 있다 (적절한 경우). 게다가, 예컨대 대응하는 저장 환원 코팅을 구비하는 허니콤 본체를 형성함으로써, 저장 요소 및 환원 유닛을 하나의 구성품으로 구성할 수 있다.
크래킹가스 및/또는 합성가스는, 바람직하게는 제 2 부 라인에 있는 대응하게 구현된 개질기 또는 반응기에서 발생될 수 있다. 여기서, 탄화수소의 부분적인 산화를 통해 크래킹가스 및/또는 합성가스를 발생시키는 것이 바람직하다. 특히, 제 2 부 라인은, 하나 이상의 저장 요소의 상류에서 제 1 부 라인으로 개방되어, 크래킹가스 및/또는 합성가스가 하나 이상의 저장 요소를 통해 흐를 수 있도록 구현된다.
게다가, 암모니아 발생기는 가스 스트림에 일산화질소를 농후하게 하는 수단을 선택적으로 또는 부가적으로 포함할 수 있는데, 예컨대 질소산화물 (NOX) 을 함유하는 가스 스트림이, NOX 중의 NO 의 상대 비율이 증가되는 제 1 가스 스트림, 및 NOX 중의 NO2 상대 비율이 증가되는 제 2 가스 스트림으로 나뉜다. 이는, 예컨대 대응하는 격벽에 의해 가능해진다.
다른 가능성은 이산화질소를 제외한 일산화질소만을 선택적으로 저장할 수 있는 저장 요소이다. 이는 대응하게 구현된 분자체, 특히 제올라이트에 의해 달성될 수 있다. 일정량의 일산화질소가 저장될 때까지, 배기가스는 이러한 저장 요소를 통해 흐를 수 있다. 그 다음, 이 저장 요소에 일시적으로 저장되는 일산화질소는, 예컨대 가변성의 물리적 처리 및/또는 화학적 처리를 변화시킴으로써 방출될 수 있고, 수소함유 가스 스트림으로 방출될 수 있으며, 이 이후에는 또한 암모니아를 형성시키기 위한 환원이 대응하는 촉매에 의해 촉진된다.
배기가스로부터의 일산화질소를 직접 농후하게 하거나 저장하기 위한 여기 기재된 가능성은, 바람직하게는 주 배기가스 흐름에서 실행될 수 있으며, 그리고 특히 미립자 필터 또는 SCR 촉매 변환기가 형성되어 있지 않아도 실행될 수 있다.
암모니아 발생기는 바람직하게는 일산화질소를 환원시켜 암모니아를 형성시키기 위한 환원제를 공급하기 위한 수단을 포함한다. 상기 수단은 바람직하게는 환원제를 위한 저장 용기 및/또는 반응기, 및/또는 환원제를 형성시키는 개질기에 연결될 수 있다.
환원제에 대해 다음의 기재들 중 하나 이상을 포함하는 것이 또한 바람직하다.
19.1) 탄화수소; 또는
19.2) 수소.
질소산화물, 바람직하게는 일산화질소가 환원제 (19.1) 및/또는 19.2)) 에 의해 제 1 환원 장치 상에서 또는 제 1 환원 장치 내에서 환원될 수 있도록 구현되는 제 1 환원 장치를 형성하는 것이 바람직하다. 특히, 질소산화물은 예컨대 아질산염기 (nitrite group) 또는 질산염기 (nitrate group) 의 형태로 존재하는 화학흡착된 질소산화물과 결합된 형태로 반응될 수 있다.
특히, 환원제를 가용하게 하며 그리고/또는 발생시키는 수단이 형성되어 있다. 이 수단은 특히 탄화수소의 부분적인 산화를 위한 개질기 및/또는 반응기를 포함한다. 산화제를 공급하기 위한 수단은 바람직하게는 환원제를 다른 가스와 혼합시키는데 적합한 혼합기를 포함한다. 이 혼합기는 능동 및/또는 수동 혼합기일 수 있다.
본 발명에 따른 장치의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 다음의 가스 중 하나 이상은 제 1 부 라인을 통해 흐른다.
24.1) 배기가스;
24.2) 적어도 산소 및 질소를 포함하는 가스; 또는
24.3) 공기.
이러한 관계에 있어서, 본 발명에 따라 가스 (24.1), 24.2) 및 24.3)) 의 어떠한 원하는 혼합비도 나타날 수 있다. 특히, 바람직하게는 배기가스가 높은 산소 비율을 가지면, 예컨대 내연기관이 디젤 엔진이면 순수한 배기가스가 제 1 부 라인을 통해 흐를 수 있다. 게다가, 순수 공기가 제 1 부 라인을 통해 흐를 수 있다. 특히, 플라즈마 발생기가 암모니아 발생기에 포함되면, 가스 (24.1), 24.2) 및/또는 24.3)) 이외에 수소함유 가스가 부 라인을 통해 흐를 수 있도록 제 1 부 라인을 구성하는 것이 바람직할 수 있으며, 그 결과 일산화질소의 환원을 야기하여 암모니아를 형성시킨다. 제 1 부 라인은, 바람직하게는 서로에 대한 가스 (24.1), 24.2) 및/또는 24.3)) 의 비가 조정 및/또는 변화될 수 있도록 구성된다.
본 발명에 따른 장치의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 미립자 분리기는 미립자 분리기에 전기장을 발생시키기 위한 수단을 포함하고, 암모니아 발생기는 플라즈마 발생기를 포함하며, 이러한 경우에 있어서 미립자 분리기의 전기장의 폐쇄루프 제어를 발생 및 실행하기 위한, 그리고 플라즈마 발생기를 작동시키기 위한 하나 이상의 제어 장치가 형성된다.
특히, 미립자 분리기 및 플라즈마 발생기의 작동 상태는 최적의 방식으로 서로 조정될 수 있기 때문에, 두 구성품 모두를 위한 하나의 제어 장치를 형성하는 것이 바람직하다. 특히, 공유 제어 장치가, 미립자의 비율, 미립자 크기의 분포, 및/또는 질소산화물 함량이 동일한 정도로 감소되거나 변화될 수 있는 작동 방법을 실행할 수 있다. 게다가, 이러한 방식으로 상기 변수의 조정가능한 또는 선택가능한 감소 또는 변화 이외에, 에너지 및/또는 연료의 부가적인 소비 최소화가 동시에 달성되는 방법을 실행할 수 있다. 이를 위해, 제어 장치는 대응하는 센서, 예컨대 온도 센서, 람다 프로브 (lambda probe), 가스 부분 압력 센서 등에 연결될 수도 있다.
전기장을 발생시키기 위한 수단은, 특히 미립자 분리기의 전극, 및 미립자 분리기의 전극에 전기적으로 연결될 수 있는 전압원을 포함한다. 미립자 분리기에 전기장을 발생시키기 위한 수단, 및 플라즈마 발생기 둘 모두가 제어되게 하며, 전기 에너지를 공급받게 하는 (적절한 경우) 하나의 제어 장치를 형성하는 것이 바람직하다. 특히, 냉간 시동의 경우, 바람직하게는 미립자 분리기에 전기장을 발생시키기 위한 수단에 전기 에너지를 먼저 공급하는 것이 바람직하고, 그 이후 플라즈마 발생기는 소정의 시간이 지난 이후에 전기 에너지를 공급받는다. 이는, 미립자가 기본적으로 응집 및/또는 퇴적되며, SCR 촉매 변환기가 최소 작동 온도 ("라이트오프 (light-off)" 온도) 에 도달할 때까지 질소산화물은 변환되지 않는 이점을 갖는다. 그러나, CSR 촉매 변환기는 일정 시간이 지나서야 작동 온도에 도달한다.
본 출원에 기재되어 있는 암모니아 발생기, 및 제 1 부 라인은 따로, 즉 본 발명에 따른 장치의 다른 구성품 없이도 바람직하게 실행될 수 있다.
본 발명에 따른 장치의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 산화 촉매 변환기는 다음의 위치들 중 하나 이상에 형성된다.
26.1) 미립자 분리기의 상류;
26.2) 암모니아 발생기의 하류 및 SCR 촉매 변환기의 상류; 또는
26.3) SCR 촉매 변환기의 하류.
위치 (26.1)) 에서, 산화 촉매 변환기는 특히 일산화질소의 이산화질소로의 산화를 촉진할 수 있고, 따라서 미립자 분리기를 위한 재생 설비를 제공한다. 위치 (26.3)) 에서, 산화 촉매 변환기는, 예컨대 암모니아 및/또는 탄화수소가 통과하는 것을 효과적으로 방지하는 장벽 촉매 변환기로서의 역할을 할 수 있다. 위치 (26.2)) 에서, 산화 촉매 변환기는 바람직하게는 미립자 분리기를 떠나는 가스가 함유할 수 있는 산소를 소멸시키는 역할을 할 수 있다. 산화 촉매 변환기상의 코팅은, 특히 사용되는 촉매 역할을 하는 기재의 유형 및 농도면에서, 위치 ((26.1), (26.2) 및 (26.3)) 의 산화 촉매 변환기에 따라 변하며, 각각 촉진시키려는 반응에 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 장치의 더 바람직한 실시예에 따르면, 장치는 본질적으로 서로 병렬인 흐름을 갖는 제 1 흐름 영역, 및 하나 이상의 제 2 흐름 영역을 포함하며, 여기서 제 1 흐름 영역은 적어도 주 배기라인의 일부이고, 제 1 흐름 영역 및 제 2 흐름 영역은 열이 제 1 흐름 영역으로부터 하나 이상의 제 2 흐름 영역으로 전달될 수 있도록 구현된다.
흐름 영역들은 바람직하게는 동축 및/또는 동심이다. 나아가, 다음의 구성품들 중 하나 이상이 제 2 흐름 영역에 형성된다.
31.1) 하나 이상의 플라즈마 발생기;
31.2) 하나 이상의 개질기; 또는
31.3) 하나 이상의 반응기.
플라즈마 발생기가 바람직하게는 첫번째 제 2 흐름 영역에 형성되고, 개질기 또는 반응기가 바람직하게는 두번째 제 2 흐름 영역에 형성되며, 상기 개질기 또는 반응기는 부분 산화에 의해 탄화수소로부터 특히 수소를 발생시킨다. 게다가, 제 1 흐름 영역 및 하나 이상의 제 2 흐름 영역이 하나 이상의 분할 벽에 의해 서로 분리되는 양태가 바람직하다.
특히, 제 1 흐름 영역은 분할 벽의 제 1 측에 놓이며, 제 2 흐름 영역은 분할 벽의 제 2 측에 형성되어 있다. 분할 벽은 하나 이상의 층으로 구현될 수 있다. 특히, 두 흐름 영역을 두 개의 통상적인 파이프 사이에 평면의 재료 결합 연결로 구현하는 것이 바람직하며, 이 경우 파이프는 변형될 수도 있다 (적절한 경우). 제 1 흐름 영역 및 제 2 흐름 영역의 동축 구현 이외에, 이 영역들의 동심 배치가 또한 가능하며 본 발명에 따른다.
본 발명에 따른 장치는 배기가스가 제 1 흐름 영역에서 제 1 부분 흐름으로, 제 2 흐름 영역에서는 제 2 배기가스 부분 흐름으로 안내되게 한다. 구성품 (31.1), 31.2) 및/또는 31.3)) 은 제 1 흐름 영역에만 형성되기 때문에, 예컨대 비교적 큰 구성 비용 없이도, 흐름 영역에서 하나의 배기가스 흐름 또는 부분 가스 흐름만이 플라즈마를 이용한 처리를 받게 하거나, 탄화수소의 부분 산화가 하나의 배기가스 흐름 또는 부분 가스 흐름에만 일어나게 할 수 있다. 따라서, 특히 플라즈마 발생기가 자동차의 배기 시스템에 매우 컴팩트한 방식으로 통합될 수 있다. 특히, 플라즈마 발생기는, 플라즈마 발생기의 배기가스가 가스 방전에 의해 2000 K 이상, 바람직하게는 2800 K 이상의 온도로 가열되도록 구성된다. 작동 중에, 배기가스 및 공기 (적절할 경우 첨가될 수 있음) 모두에 존재하는 질소 분자, 및 산소 분자는 매우 활발한 전자를 이용한 비-열적 플라즈마유발 충돌 과정에 의해 전자적으로 여기되고, 분리되며, 이온화된다. 질소산화물은 바람직하게는 전자적으로 여기된 분자, 래디컬 (radical) 및 이온과, 플라즈마에 의해 가열되는 배기가스와의 반응을 통해 형성된다. 일산화질소 (NO) 는 바람직하게는 높은 우세 온도로 인해 형성되는데, 이는 이 온도에서의 반응 평형이 이산화질소의 형성에 대한 일산화질소의 형성을 대응식으로 바람직하게 하기 때문이다. 이를 위한 반응 시간은 10 ㎳ 미만이다.
따라서, 작동중인 플라즈마 발생기에 의해 일산화질소의 농도는 증가될 수 있다. 이 일산화질소는 바람직하게는 환원되어 암모니아를 형성시킬 수도 있다. 플라즈마 발생기는 예컨대 DE 102 58 185 A1 에 개시된 바와 같이 구성될 수 있으며, 플라즈마 발생기의 구성 및 작동에 대한 상기 개시 내용은 본 출원의 개시 내용에 완전히 통합되어 있다.
상기 장치는 플라즈마 발생기 부근에 적절한 포트를 구비하며, 이 포트에 의해 플라즈마 발생기는 대응하는 전원 및 대응하는 제어기에 연결될 수 있다. 대응하는 절연체 등이 본 발명에 따라 구현될 수 있다.
플라즈마 발생기가, 배기가스가 가스 방전에 의해 예컨대 2800 K 이상의 극도로 높은 온도까지 국부적으로 간단하게 가열되도록 작동되면, 한편으로 질소 분자 (N2) 가 플라즈마에 의해 형성된 산소 래디컬과 반응하고, 이 경우 일산화질소 및 질소가 생성되며, 다른 하편으로 이러한 질소 원자가 산소 분자 (O2) 와 반응하여 일산화질소 및 산소 래디컬을 형성시킨다. 다른 반응은 비교적 높은 온도에서는 다소 덜 중요하고, 그 결과 플라즈마 발생기를 이용하고 플라즈마 발생기를 대응하게 작동시킴으로써 높은 일산화질소 수율을 달성할 수 있다.
바람직하게는, 하나 이상의 제 2 흐름 영역이 다음이 위치들 중 하나 이상에 형성된다.
32.1) 저장 요소의 상류;
32.2) 개질기 또는 반응기의 상류; 또는
32.3) 플라즈마 발생기의 상류.
따라서, 바람직하게는 열이 저장 요소, 개질기 또는 반응기, 및/또는 플라즈마 발생기의 각각의 공정 가스에 전달되게 할 수 있어, 상기 구성품들 및 전체 시스템을 작동시키기 위한 에너지를 감소시킬 수 있다. 특히, 이러한 방식으로, 제 1 흐름 영역을 통해 흐를 수 있는 배기가스의 열이 저장 요소, 개질기 또는 반응기, 및/또는 플라즈마 발생기를 가열하는데 사용될 수 있다. 특히, 흡착이 저장 요소에서 일어날 경우, 위치 (32.1)) 에서의 형성의 바람직하다.
가스 공급 수단이 바람직하게는 축 흐름 방향으로 플라즈마 발생기의 상류에 형성되어 있어, 산소 및/또는 질소를 포함하는 가스를 공급한다.
이때, 가스 공급 수단은, 제 1 흐름 영역, 및 흐름 영역들이 아직 서로 분리되지 않은 배기가스 처리 유닛의 일부에 모두 형성될 수 있다. 이러한 영역은, 예컨대 분할 벽이 아직 형성되어 있지 않기 때문에 상류에 형성될 수 있다.
예컨대, 대기의 공기가 산소를 포함하는 가스로서 공급될 수 있다. 이는 또한 질소 분자가 시스템에 공급된다는 이점을 가지며, 상기 질소 분자는 동일한 방식으로 일산화질소를 형성시키는 역할을 할 수 있다. 이때, 기본적으로, 예컨대 압축기에 의한 압력하에 공기를 공급할 수 있다.
바람직하게는, 공유의 제 3 흐름 영역이 적어도 축방향, 바람직하게는 흐름 방향으로 제 1 흐름 영역 및 제 2 흐름 영역의 하류에 형성되어 있다. 분할 벽에 의해 형성되는 이 두 가스 흐름은, 각각의 흐름 영역을 흘러, 특히 제 3 흐름 영역에서 다시 혼합될 수 있게 된 이후에 제 3 흐름 영역에서 다시 함께 흐를 수 있다. 플라즈마 발생기가 작동하여 제 2 흐름 영역에 일산화질소를 발생시키지만, 일산화질소가 농후해 지는 전체적인 배기가스 흐름이 상기 각각의 흐름 영역에 형성되고, 상기 전체적인 배기가스 흐름은 두 흐름 영역을 통해 흐르는 부분 배기가스 흐름을 모두 포함한다. 또한, 예컨대 촉매 캐리어 본체상의 적절한 촉매가 플라즈마 발생기 하류의 제 1 흐름 영역에 도입될 수 있기 때문에, 두 가스 흐름이 합쳐지기 이전에, 일산화질소는 환원되어 암모니아를 형성시킬 수 있다.
바람직하게는, 제 1 환원 촉매 코팅을 구비한 제 1 허니콤 구조가 산소를 감소시키기 위해 축의 바람직한 흐름 방향으로 플라즈마 발생기의 하류에 형성되어 있다.
이 제 1 허니콤 구조는 특히 배기가스 흐름으로부터 잔류 배기가스를 제거하는 역할을 할 수 있다. 이 잔류 산소 함량은, 특히 공기가 가스 공급 수단을 통해 공급될 때 높을 수 있다. 특히, 구체적으로는 예컨대 백금 및/또는 팔라듐을 함유하는 귀금속 함유 성분이 유입되는 워쉬코트 등과 같은 세라믹 코팅 재료가 제 1 환원 촉매 코팅으로서 제공된다.
일축방향의 바람직한 흐름 방향으로 플라즈마 발생기의 하류에, 바람직하게는 제 1 환원 촉매 코팅을 구비하는 제 2 허니콤 구조가 형성되어 있어, 질소산화물을 환원시켜 암모니아를 형성시킨다. 제 2 환원 촉매 코팅은 활동 성분으로서 특히 백금 및/또는 팔라듐을 포함하며, 특이 이러한 코팅에는 오직 소량의 로듐만이 존재하고, 바람직하게는 본질적으로 로듐은 존재하지 않는다.
그러므로, 두 개의 흐름 영역에 의해, 특히 내연기관의 배기 시스템의 이동용에도 사용될 수 있는 컴팩트한 내장 암모니아 발생기가 구성될 수 있다. 이러한 방식으로 발생될 수 있는 암모니아는 하류에서 질소산화물의 선택적 촉매 환원 과정 (SCR-Selective Catalytic Reduction) 에 환원제로서의 역할을 할 수 있다. 특히, 이동용의 경우, 용액 또는 고체로서의 예컨대 암모니아 전구체 (예컨대, 우레아, 카르밤산암모늄, 이소시안산, 시아누르산 등) 등과 같은 환원제를 위한 탱크의 형성이 불필요할 수 있다.
제 2 허니콤 구조의 제 2 환원 촉매 코팅의 대응하는 실시예의 결과로서, 예컨대 이소시안산 또는 시아누르산 등과 같은 다른 환원제가 암모니아 대신에 발생되게 하는 다른 반응을 촉진할 수동 있다. 이러한 환원제 및 대응하는 제 2 환원 촉매 코팅 또한 가능하며 본 발명에 따른다. 제 2 환원 촉매 코팅은 특히 예컨대 백금 등과 같은 귀금속을 촉매로서 포함한다. 제 2 환원 촉매 코팅은 이산화티탄 (예추석) 지지형 바나듐/텅스텐 혼합 산화물, 또는 특히 X, Y, ZSM-5 또는 ZSM-11 유형의 금속치환 제올라이트를 포함한다.
환원제를 공급하기 위한 환원 공급 수단은 바람직하게는 흐름 방향으로 플라즈마 발생기와 제 2 허니콤 구조 사이에 형성되어 있다. 제 1 허니콤 구조가 또한 특히 여전히 존재하는 산소를 감소시키기 위해 형성되어 있으면, 환원 공급 수단은 바람직하게는 제 1 허니콤 구조와 제 2 허니콤 구조 사이에 형성된다.
특히, 탄화수소가 일산화질소를 환원시켜 암모니아를 형성시키기 위한 환원제로서 유용한 것으로 증명되었다. 일산화질소는 내연기관의 연료로부터 쉽게 획득될 수 있다. 따라서, 내연기관으로부터 예컨대 연료 특히 디젤 연료를 환원 공급 수단을 이용하여 제 2 허니콤의 상류에서 배기가스 흐름에 직접 분사할 수 있다. 특히, 환원 공급 수단은 노즐로서 구현된다. 환원 공급 수단은, 특히 흐름 단면에 걸쳐 환원제의 농도가 가능한 가장 균일해지도록 구현된다. 특히, 환원제를 작은 물방울 형태로 분무하는 것이 유용한 것으로 증명되었다.
공유의 흐름 영역에, 혼합기 특히 혼합기 구조가 바람직하게 형성되어 있다.
혼합기 구조는, 예컨대 개별 셀들 사이에 통과구멍을 구비하는 허니콤 구조로 구성될 수 있으며, 이 통과구멍을 통해 배기가스는 흐름 방향에 대해 적어도 부분적으로 본질적으로는 횡으로 흐를 수 있다. 그 결과, 배기가스 흐름은 혼합된다. 이때, 배기가스 흐름을 셀 사이에 위치된 개구부로 향하게 하는 안내 구조를 셀 벽에 형성하는 것이 특히 바람직하다.
SCR 촉매 코팅을 구비하는 제 3 허니콤 구조가 바람직하게는 흐름 방향으로 제 2 허니콤 구조의 하류에 형성되어 있다.
이 SCR 촉매 코팅은 질소산화물의 선택적 촉매 환원을 촉진하는 촉매를 함유하는 코팅이다. SCR 촉매 코팅은 특히 이산화티탄 (예추석) 지지형 바나듐/텅스텐 혼합 산화물, 또는 그 밖에 특히 X, Y, ZSM-5 또는 ZSM-11 유형의 제올라이트 등과 같은 금속치환된 제올라이트를 포함한다.
작동 동안에, 질소 분자를 형성시키기 위한 질소산화물의 선택적 촉매 환원은 제 2 허니콤 구조에 형성되어 있는 암모니아의 비율로 인해 나타날 수 있다. 그 결과, 내연기관의 질소산화물 배출물은 효과적으로 감소된다.
이러한 관계에 있어서, 환원제를 일시적으로 저장하기 위한 수단이 제 2 허니콤 구조와 제 3 허니콤 구조 사이에 형성되어 있다면 특히 바람직하다.
특히, 이것은 이전의 처리 단계에서 형성되는 환원제를 일시적으로 저장하기 위한 수단이다. 특히, 이것은 암모니아를 일시적으로 저장하기 위한 수단이다. 그러나, 예컨대 이소시안산 또는 시아누르산 등과 같은 다른 환원제가 대응하게 저장될 수도 있다.
일시적인 저장을 위한 수단의 형성은 일정량의 환원제가 저장될 수 있게 하고, 이 수단은 매우 빠르게 그리고 매우 강하게 상승하고 있는 질소산화물의 농도가 감소할 때 사용된다. 일시적인 저장을 위한 수단에 일정량의 환원제를 저장하는 것은 환원제를 발생시키기 위한 시스템에서 생길 수 있는 관성을 극복하는데 바람직하다. 특히, 이러한 수단은, 특히 예컨대 A, X, Y 또는 ZSM-5 유형의 제올라이트 등과 같은 특정 제올라이트로 코팅되는 코팅된 허니콤 구조일 수 있다.
이때, 한편으로 배기가스 중의 질소산화물의 농도가 직접 또는 간접적으로 결정되게 하고, 일시적인 저장을 위한 수단에 저장된 환원제의 양을 감지하게도 하는 제어 루프를 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 관계에 있어서, 특히 플라즈마 발생기에서의 일산화질소의 발생은, 예컨대 플라즈마 발생기를 온 (on) 및 오프 (off) 로 전환시키고, 흐름의 강도 및/또는 주파수를 변화시키고, 또는 산소함유 가스를 공급하거나 그 양을 변화시켜 가스의 조성을 변화시킴으로써 제어된다. 이때, 폐쇄루프가 예측되는 형태에 있을 때, 폐쇄루프제어를 시도하는 경우, 이후의 내연기관의 배기가스 중의 질소산화물의 함량을 예측하는 것이 특히 바람직하다. 이는, 질소산화물 농도 이외에, 메모리 모듈 및 미분기를 이용하여, 산소 농도의 증가도 관찰함으로써 이행될 수 있다. 따라서, 이후의 질소산화물 농도를 쉽게 예측할 수 있으며, 필요한 산화제의 양을 추정할 수도 있다. 이러한 추정에 따라, 질소산화물 및 암모니아가 발생되게 할 수 있다.
이러한 관계에 있어서, 제 1 흐름 영역으로 흐르는 배기가스 흐름의 비율이 정해지게 하는 흐름 조정 수단이 흐름 방향으로 공유 벽의 상류에서 제 1 흐름 영역과 제 2 흐름 영역 사이에 형성되는 것이 특히 바람직하다.
기본적으로는, 분할 벽의 형성 자체가 배기가스 흐름을 제 1 흐름 영역과 제 2 흐름 영역으로 나눈다. 이러한 상태에서, 제 1 기하학적 배기가스 부분 흐름은 제 1 흐름 영역으로 흐르고, 제 2 기하학적 배기가스 부분 흐름은 제 2 흐름 여역으로 흐른다. 이와 관련하여, 제 1 흐름 영역을 통해 흐르는 제 1 배기가스 부분 흐름은 제 1 기하학적 배기가스 부분 흐름보다 더 크거나 더 작은 것이 필요할 수 있다. 예컨대, 매우 작은 유량만이 제 1 흐름 영역을 통해 흐르고, 비교적 큰 유량이 제 2 흐름 영역을 통해 흐르도록 조정하는 것이 바람직하다. 예컨대, 플라즈마 발생기 또는 개질기/반응기를 위한 공간으로 인해, 제 1 기하학적 배기가스 부분 흐름이 필요한 배기가스 부분 흐름보다 많으면, 제 1 흐름 영역으로 흐르는 배기가스 부분 흐름을 감소시키는 수단을 흐름이 충돌하는 벽의 전방 부분에 형성할 필요가 있을 수 있다. 이 수단은, 예컨대 전방 부분에 테이퍼링 (tapering) 하는 단계, 또는 그 밖에 배기가스 부분 흐름의 비율을 가변적이게 하는 운동가능한 플랩을 포함할 수 있다.
또한, 본질적으로 전체 유량이 제 2 흐름 영역으로 향하게 하는 흐름 조정 수단을 형성하는 것도 바람직하다. 이러한 경우, 플라즈마 발생기에 공급되는 공정 가스가 산소 및 충분한 질소를 모두 함유하게 할 필요가 있다. 예컨대, 공기가 공정 가스로서 사용될 수 있다.
흐름 조정 수단의 형성과 무관하게, 제 1 흐름 영역은 유입 단부에서 기본적으로 닫힌 구성을 가질 수도 있다. 이는 특히 본질적으로 배기가스가 제 1 흐름 영역으로 흐를 수 없다는 것을 의미한다. 이러한 경우에 있어서, 플라즈마 발생기를 위한 공정 가스 예컨대 공기가 제 1 흐름 영역으로 흐를 수 있고, 배기가스가 공유 벽과의 접촉을 통해 공정 가스를 가열하도록 제 1 흐름 영역이 구성되는 것이 바람직하다.
개질기/반응기 및/또는 플라즈마 발생기의 공정 가스를 예열하는 것이 바람직하다. 이는 전기 저항 가열 또는 그 밖에 배기가스로부터의 열의 전달을 통해 이루어질 수 있다. 나아가, 화학적흡착 또는 물리적흡착이 경우에서 방출 온도가 초과될 때, 하나 이상의 저장 요소로 흐르는 가스를 공기를 공급함으로써 냉각시키는 것이 바람직할 수 있다.
본 출원에 개시된 제 1 흐름 영역 및 제 2 흐름 영역의 실시예는 바람직하게는 장치의 나머지 구성에 대해 독립적으로, 즉 따로 시행될 수도 있으며, 따로 실행될 때도 실시예는 본 발명에 따른다.
혼합기가 바람직하게는 다음의 위치들 중 하나 이상에 형성되어 있다.
39.1) 제 1 부 라인과 주 라인의 연결부;
39.2) 미립자 분리기의 상류; 또는
39.3) 제 2 부 라인과 제 1 부 라인의 연결부.
이때, 하나 이상의 혼합기가 능동 혼합기 및/또는 수동 혼합기로서 구현될 수 있다. 수동 혼합기는 예컨대 상술한 바와 같은 혼합기 구조를 포함한다. 게다가, 미립자 분리기는 수동 혼합기를 포함할 수도 있으며, 미립자 분리기를 통해 흐르는 가스의 혼합, 특히 교차혼합을 야기할 수 있다. 능동 혼합기는 특히 터빈 또는 터보과급기일 수 있다. 나아가, 혼합기는 스월 (swirl) 혼합기로 구현될 수 있다.
혼합 가스 흐름, 구체적으로는 암모니아함유 가스 흐름과 주 배기가스 흐름은 바람직하게는 능동 혼합기, 예컨대 터보과급기에 의해 실행될 수 있다. 나아가, 혼합되는 가스 흐름은 접선식으로 혼합될 수 있다. 나아가, 예컨대 제 1 반복 길이부, 및 반복 길이부보다 더 큰 치수를 갖는 구멍 또는 캐비티를 구비하는 셀을 구비하는 허니콤 본체를 구비하는 혼합기가 형성될 수 있다. 나아가, 셀 벽은, 가스 흐름이 인접한 셀을 향하게 하는 조정 구조 및 구조의 반복 길이부보다 상당히 더 작은 치수를 갖는 통과구멍을 구비할 수 있다.
나아가, 암모니아함유 가스 흐름을 미립자 분리기를 통해 안내하는 것이 바람직할 수도 있다. 특히, 암모니아함유 가스 흐름은 미립자 분리기의 재생에 긍정적인 효과를 가질 수 있다. 이러한 경우에, 미립자 분리기는 바람직하게는 암모니아함유 가스 흐름이 주 배기가스 흐름과 혼합되게 할 수도 있다. 이러한 경우, 제 1 부 라인이 미립자 분리기 및 SCR 촉매 변환기의 상류에서 주 배기라인에 개방되는 장치의 구성을 선택할 수 있다.
제 1 부 라인으로 흐르는 배기가스 또는 가스 흐름이 조정되게 하는 흐름 조정 수단이 형성되는 장치의 양태가 또한 바람직하다. 이러한 흐름 조정 수단은 스로틀 및/또는 밸브를 포함할 수 있다.
플라즈마 발생기의 하류에 형성되는 하나 이상의 저장 요소가 질소산화물의 흡착을 허용하는 작동 상태에 있는 경우에만, 냉간 시동 상태에서 일산화질소의 농후함이 바람직하게 일어난다. 이는 특히 대략 200℃ 이상의 온도에서의 화학흡착 저장 요소에 대한 경우이다.
기본적으로, 복수의 저장 요소가 직렬로 형성되게 할 수 있으며, 또한 암모니아를 형성시키기 위한 질소산화물, 바람직하게는 일산화질소의 환원이 촉진되는 환원 장치의 하류에 저장 요소를 형성할 수 있다. 예컨대, 하나는 물리적흡착에 기초하고 하나는 화학적흡착에 기초하는 두 개의 저장 요소의 형성이 가능하며 본 발명에 따른다.
암모니아는, 바람직하게는 SCR 촉매 변환기가 시동 온도 이상의 작동 온도 ("라이트-오프 온도") 에 도달하고 나서 이용된다. 이러한 상기 촉매 변환기는 바람직하게는 암모니아가 저장될 수 있는 코팅을 구비한다. 저장된 암모니아는 배기가스에 나타나는 질소산화물 피크 (peak) 의 환원을 위한 완충제로서 사용될 수 있다.
상기 방법은, 바람직하게는 작동중에 정의 열 전달이 화학적흡착에 기초하는 저장 요소의 상류에서 또는 저장 요소에서 발생하여, 대응하는 반응이 시작되어 감지할 수 있을 정도까지 일어나는 제한 온도 이상으로 저장 요소를 유지시키도록 구성될 수 있다. 상기 방법은, 바람직하게는 부의 열 전달이 물리적흡착에 기초하는 저장 요소의 상류에서 또는 저장 요소에서 발생하여, 저장 요소를 방출 온도로 유지시키도록 구성될 수 있다.
플라즈마 발생기에 공정 가스의 적어도 일부로서 공기를 공급하는 블로워 (blower) 또는 압축기 등과 같은 공기 공급 수단이 바람직하게 형성될 수 있다.
가스 흐름의 온도 및/또는 농도를, 입력 데이터, 예컨대 하나 이상의 측정 센서를 이용하여, 또는 엔진 관리 시스템에 기초하여 시스템상의 다른 지점에서의 데이터를 산출하는 컴퓨터지지 모델로 감시한다.
SCR 촉매 변환기 및 미립자 분리기가 하나의 유닛을 형성하는 장치의 실시예가 바람직하다. 이때, 동일한 표면이 미립자 분리 및/또는 응집, 및 SCR 과정의 촉진 모두를 위한 역할을 한다.
미립자 분리기 및 SCR 촉매 변환기를 연결하여 하나의 유닛을 형성하면, 본 발명에 따른 컴팩트한 장치가 구성될 수 있다. 미립자 분리 및 SCR 촉진 모두를 위한 하나의 표면을 이용하며 유닛의 구성이 훨씬 더 컴팩트해 진다.
SCR 촉매 변환기는, 환원제 바람직하게는 암모니아의 제 1 양이, 특히 대응하는 구성의 SCR 촉매 변환기의 코팅을 통해 SCR 촉매 변환기에 저장될 수 있게 구현되는 것이 또한 바람직하다.
하나 이상의 터빈이 주 배기라인에 형성되어 있고, 제 1 부 라인은 터빈의 상류에서 주 배기라인으로부터 분기되는 본 발명에 따른 장치의 실시예가 또한 바람직하다. 이때, 제 1 부 라인은 터빈 하류의 주 라인으로 개방되는 것이 특히 바람직하다. 터빈에 의해 상승하는 압력 구배는, 바람직하게는 예컨대 플러터 밸브 (flutter valve) 에 의해 제 1 부 라인으로 흐르는 가스의 양을 측정하는데 사용될 수 있다. 터빈은 특히 터보과급기이다. 두 개 이상의 특히 직렬인 터보과급기가 시스템에 형성되어 있으면, 바람직하게는 연결부가 하나의 터보과급기의 하류 및 다른 터보과급기의 상류에 위치될 수 있다.
나아가, 제 1 부 라인 및/또는 제 2 부 라인으로 흐르는 가스의 양을 조절하기 위한 수단이 형성되는 것이 바람직하다. 특히, 이러한 수단은 플러터 밸브 및/또는 운동가능한 밸브를 포함한다. 따라서, 바람직하게는 제 1 부 라인에 형성된 암모니아 발생기의 작동 상태를 조절 및 조정할 수 있다.
배기가스 순환 라인으로부터 적어도 부분적으로 추출될 수 있는 공정 가스를 개질기 및/또는 반응기에 제공하는 것이 또한 바람직하다.
장치의 모든 구성품, 즉 구체적으로는 암모니아 발생기, 미립자 분리기 및 SCR 촉매 변환기가 공유 하우징에 형성되는 장치가 또한 바람직하다. 바람직하게는, 이는 배기 시스템에의 쉬운 연결을 허용하고, 그러므로 장치는 특히 배기 시스템을 갱신하기 위한 "블랙 박스" 로서 사용될 수 있다.
본 발명의 사상의 다른 양태에 따르면, 배기가스에 있는 미립자가 미립자 분리기에 의해 적어도 부분적으로 분리되고, 배기가스 중의 질소산화물이 SCR 촉매 변환기에서 적어도 부분적으로 환원되는 배기가스 처리 방법을 제안하며, 미립자의 분리는 주 배기라인에서 일어나고, 환원제로서 SCR 촉매 변환기에 공급되는 암모니아는 제 1 부 라인에서 발생된다.
이때, 실내 온도에서 가스상태인 하나 이상의 유리체로부터 제 1 부 라인에서 암모니아를 발생시키는 것이 바람직하다. 나아가, 실내 온도에서 가스상태인 질소원으로부터의 암모니아의 발생이 바람직하다. 특히, 공기 및/또는 배기가스는 질소원으로서의 역할을 할 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 한가지 바람직한 실시예에 따르면, 제 1 부 라인 및 주 배기라인은, 제 1 부 라인에서 발생되는 암모니아함유 가스 스트림이 미립자 분리기를 통해 흐를 수 있도록 결합된다.
본 발명에 따른 방법의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 다음의 기능들 중 하나 이상을 실행하는 하나 이상의 전기장이 미립자 분리기에 형성된다.
58.1) 미립자의 응집;
58.2) 미립자의 분리; 또는
58.3) 미립자 분리기의 재생.
58.1) 에 따른 응집은 미립자가 미립자에 퇴적되어 비교적 큰 평균 직경을 갖는 미립자가 생성되는 것을 의미한다. 이는 특히 직류 전압 또는 저주파수의 교류 전압의 인가에 의해 발생할 수 있다. 58.2) 에서의 분리는 배기가스 흐름으로부터 미립자를 제거하는 것을 의미한다. 58.3) 은 전기장에 의한 미립자의 제거를 의미한다.
본 발명에 따른 방법의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 미립자 분리기는 미립자 분리기를 재생시키기 위한 재생 설비를 구비한다. 재생 설비는 다음의 기계적처리들 중 하나 이상에 기초하는 것이 특히 바람직하다.
60.1) 미립자 분리기의 적어도 일부의 상류에서 이산화질소를 이용할 수 있게 하는 처리;
60.2) 미립자 분리기의 온도를 제한 온도 이상으로 증가시키는 처리;
60.3) 미립자 분리기의 적어도 일부의 상류에서 산화제를 이용할 수 있게 하는 처리; 또는
60.4) 전기 방전에 의해 재생 처리.
미립자 분리기의 재생은 특히 미립자 분리기로부터 분리된 미립자를 제거하는 것을 의미한다. 재생 설비는, 내포된 그리고/또는 퇴적된 미립자의 재생, 즉 미립자 분리기의 외측 및/또는 내측으로부터의 미립자의 제거를 위해 미립자 분리기에 적용된다. 이 재생 설비는 특히 열적 및/또는 화학적 구성을 가질 수 있다.
미립자 분리기가 60.2) 에 따른 열적 재생 설비를 구비하면, 바람직하게는 배기가스 중의 잔류 산소 함유물에 의해 미립자의 탄소의 산화가 일어나는 온도 이상으로 미립자 분리기를 가열할 수 있는 수단이 제공될 수 있다. 미립자 분리기는 이러한 산화를 촉진시키는 촉매 역할을 하는 재료를 포함할 수 있다. 배기 온도를 증가시키는 것에 의해 그리고/또는 부가적인 가열 장치에 의해 열적 재생이 달성될 수 있다.
미립자 분리기가 60.1) 및/또는 60.3) 에 따른 재생 설비를 구비하면, 화학적 반응을 통해 미립자를 제거할 수 있다. 이는, 예컨대 일산화질소 및 이산화탄소를 형성시키는 탄소와 이산화질소와의 반응에 의해 달성될 수 있다. 다른 재생 설비는, 가능한 연속적으로 미립자 분리기에서 배기가스 중에 충분히 큰 이산화질소 농도를 유지시켜 탄소 미립자를 연속적으로 변환시키는 수단이 형성되는 CRT 법의 형태를 취한다. 60.4) 에 따른 전기 방전에 기초하는 재생 설비는 예컨대 연면방전에 기초한다.
본 발명에 따른 방법의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 암모니아는 플라즈마의 보조를 받는 일산화질소의 발생 및 암모니아를 형성시키기 위한 후속의 환원에 의해 발생된다.
플라즈마에 의한 일산화질소의 발생에 대해서는, DE 102 58 185 A1 을 참조하며, 그 개시 내용은 본 출원의 개시 내용에 통합된 정도이다.
이때, 적어도 질소 및 산소를 포함하는 제 1 공정 가스를 이용하여 플라즈마 발생기를 작동시키는 것이 바람직하다. 특히, 공기 및/또는 배기가스가 공정 가스로서 사용될 수 있다.
나아가, 암모니아 발생기가 바람직하게는 질소산화물이 전환적으로 저장될 수 있는 하나 이상의 저장 요소를 포함하는 방법이 바람직하다.
전환가능한 질소산화물의 저장은 플라즈마 발생기에 연결될 수 있는 두 개의 가스 라인을 제공할 수 있게 하여, 질소산화물이 하나의 가스 라인에 각각 저장될 수 있고, 다른 가스 라인에서는 질소산화물이 방출될 수 있으며, 이때 상기 질소산화물은 환원될 수 있어 암모니아를 형성시킨다. 질소산화물이 아질산염 및/또는 질산염으로서 화학흡착되는 저장 환원 코팅을 구비하는 허니콤 본체를 포함하는 저장 요소가 바람직하다.
나아가, 두 개 이상의 저장 요소를 형성하여, 질소산화물이 하나 이상의 저장 요소에 내포되게 하고, 저장된 질소산화물이 하나 이상의 저장 요소로부터 방출되게 하는 방법이 바람직하다. 나아가, 이러한 관계에 있어서, 질소산화물을 각각의 저장 요소에서 선택적으로 내포 및 방출시키는 방법이 바람직하다.
질소산화물의 저장이 물리적흡착 및/또는 화학적흡착에 기초하는 방법의 실시예가 바람직하다.
나아가, 질소산화물의 내포 및 방출을 하나 이상의 물리적 및/또는 화학적 방법 변수의 함수로서 발생시키는 방법이 바람직하다. 이러한 관계에 있어서, 하나 이상의 방법 변수는 특히 바람직하게는 다음의 변수들 중 하나 이상을 포함한다.
69.1) 배기가스의 온도;
69.2) 저장 요소의 온도; 또는
69.3) 저장 요소를 통해 흐르는 가스의 성분의 농도.
이러한 관계에 있어서, 69.3) 에 따른 방법 변수가 다음의 기재들 중 하나 이상의 농도를 포함하는 방법이 특히 바람직하다.
70.1) 수소; 또는
70.2) 탄화수소.
이러한 관계에 있어서, 기재 (70.1)) 는 바람직하게는 개질기 및/또는 반응기에서 이용될 수 있고, 특히 탄화수소의 부분 산화에 의해 발생된다. 이러한 관계에 있어서, 개질기 및/또는 반응기는 바람직하게는 제 2 부 라인에 구현된다.
제 2 부 라인이 저장 요소의 상류에 있는 제 1 부 라인으로 개방되는 경우가 특히 바람직하다. 제 2 부 라인은 바람직하게는 특히 배기가스의 폐열에 의해 특히 개질기 및/또는 반응기의 상류에서 가열될 수 있다. 개질기 및/또는 반응기의 직접 가열 또한 가능하며 본 발명에 따른다. 배기가스의 폐열에 의한 가열뿐만 아니라 또는 그 이외에, 예컨대 전기 저항 가열기에 의한 부가적인 가열이 발생할 수 있다. 제 2 부 라인은 공정 가스로서 탄화수소, 및 공기 (적절한 경우) 로 채워질 수 있다.
질소산화물은 본질적으로 물리적흡착을 기초로 하는 제 1 제한 온도 미만의 온도에서 바람직하게 저장된다.
질소산화물을 본질적으로 화학적흡착을 기초로 하는 제 2 제한 온도 이상의 온도에서 저장하는 방법 또한 바람직하다.
이러한 관계에 있어서,
76.1) 질소산화물이 본질적으로 물리적흡착 및 화학적흡착에 의해 전환가능하게 상부 또는 내부에 저장되는 저장 요소가 바람직하게 형성되고; 또는
76.2) 본질적으로 물리적흡착에 의해 저장 요소 중 하나 이상의 상부 또는 내부에 질소산화물이 전환가능하게 저장되고, 본질적으로 화학적흡착에 의해 하나 이상의 다른 저장 요소의 상부 또는 내부에 질소산화물이 전환가능하게 저장되는 두 개 이상의 저장 요소가 바람직하게 형성되며,
여기서 하나 이상의 저장 요소는, 제 1 제한 온도가 제 2 제한 온도보다 상당히 더 크도록 구성된다.
가능성 (76.1)) 에 있어서, 허니콤 본체는 예컨대 물리적흡착을 위한 제올라이트 또는 유사한 분자체를 포함하는 대응하는 코팅을 포함할 수 있으며, 이는 화학적흡착이 선택적으로 또는 누적적으로 일어날 수 있도록 대응하게 구성된다.
나아가, 하나 이상의 저장 요소에 저장 온도가 있고, 하나 이상의 개질기에 개질기 온도가 있으며, 배기가스에 배기 온도가 있는 것이 바람직하며, 이러한 경우에 있어서 배기가스로부터 다음의 구성품들 중 하나 이상으로의 정의 열 전달, 또는 다음의 구성품들 중 하나 이상으로부터의 부의 열 전달이 있을 수 있으며,
77.1) 하나 이상의 저장 요소; 또는
77.2) 하나 이상의 개질기 또는 반응기,
여기서 열 전달은 다음의 상태들 중 하나 이상을 충족한다.
77.1.a) 물리적흡착이 주로 일어나는 저장 요소로의 또는 저장 요소로부터의 열 전달은, 저장 온도가 본질적으로 제 1 제한 온도 미만으로 유지되도록 폐쇄루프제어 및/또는 개방루프제어됨.
77.1.b) 주로 화학적흡착이 일어나는 저장 요소로의 또는 저장 요소로부터의 열 전달은, 저장 온도가 본질적으로 제 2 제한 온도 이상이 되고 제 3 제한 온도 미만이 되도록 폐쇄루프제어 및/또는 개방루프제어되며, 질소산화물의 방출은 제 3 제한 온도 이상에서 발생함.
77.2.a) 반응기로의 또는 반응기로부터의 열 전달은, 반응 온도가 반응기가 수소함유 가스를 발생시키는 범위에 있도록 폐쇄루프제어 및/또는 개방루프제어됨.
본 방법의 일 바람직한 양태에 따르면, 적어도 부분적으로 화학적흡착에 기초하는 하나 이상의 저장 요소의 저장 온도가 제 2 제한 온도 이상이면, 일산화질소가 플라즈마 발생기에 의해 농후해 진다.
부분적으로 화학적흡착에 기초하는 저장 요소의 저장 온도가 제 2 제한 온도 미만이고, 저장 온도가 제 2 제한 온도 이상일 경우에는 제 1 소정값 보다 더 큰 제 2 소정값 이상이면, 플라즈마 발생기를 위한 제 1 공정 가스의 유량이 본질적으로 제 1 소정값에 대응하는 방법 또한 바람직하다.
전술한 온도가 컴퓨터지지 모델에 의해 적어도 부분적으로 결정되는 방법이 기본적으로 바람직하다.
특히, 이러한 관계에 있어서, 측정 센서에 의한 하나 이상의 온도의 감지가 또한 특히 바람직하다.
본 발명에 따른 방법의 다른 바람직한 구성에 따르면, 암모니아 생성은 배기가스 중의 NOX 농도 및/또는 암모니아 농도의 함수에 따라 폐쇄루프제어 및/또는 개방루프제어된다. 이러한 관계에 있어서, 배기가스 중의 NOX 및/또는 암모니아 함량은 측정 센서에 의해 감지되는 것이 바람직하다.
이러한 관계에 있어서, 측정 센서로 농도차를 측정하고, 그로부터 NOX 및/또는 암모니아 농도를 획득함으로써, 배기가스의 NOX 함량 및/또는 암모니아 함량을 간접적으로 결정할 수도 있다. 나아가, 복수의 측정 센서가 배기 시스템에 형성될 수도 있다.
본 발명에 따른 방법의 다른 바람직한 구성에 따르면, NOX 농도는 내연기관의 작동 데이터로부터 결정된다.
특히, 배기가스 중의 NOX 농도는 엔진 특성 도표로부터 구성될 수 있다. 바람직하게는, 측정된 값을 이용하여 NOX 농도값을 적용할 수 있다.
하나 이상의 터빈을 주 배기라인에 형성시키고, 제 1 부 라인을 터빈의 상류에서 주 배기라인으로부터 분기시키는 방법이 특히 바람직하다. 나아가, 제 1 부 라인은 터빈의 하류에서 주 배기라인에 연결되는 것이 바람직하다.
이러한 경우에 있어서, 터빈에 의해 나타나는 압력 구배는 제 1 부 라인에서의 공정 가스의 흐름을 조절하는데 바람직하게 사용될 수 있다. 특히, 공정 가스의 흐름을 조절하기 위한 수단, 예컨대 플러터 밸브 등이 형성될 수 있다.
제 1 부 라인 및/또는 제 2 부 라인으로 흐르는 가스의 양은, 바람직하게는 플러터 밸브 및/또는 운동가능한 플랩에 의해 폐쇄루프제어 및/또는 개방루프제어된다.
개질기 및/또는 반응기를, 배기가스 재순환 라인으로부터 적어도 부분적으로 추출될 수 있는 공정 가스로 충전하는 일 양태의 방법이 바람직하다.
특히, 배기가스 재순환 라인은 대응하는 흐름 조정 수단을 통해 개질기 및/또는 반응기가 형성되어 있는 제 2 부 라인에 연결될 수 있다. 이 흐름 조정 수단은 제 2 부 라인을 통한 가스 유량의 개방루프제어 및/또는 폐쇄루프제어를 실행하는데 바람직하게 사용될 수 있다.
개질기 및/또는 반응기, 및/또는 플라즈마 발생기가 예열된 공정 가스로 충전되는 것이 또한 특히 바람직하다.
예열은 특히 전기 가열기를 이용하고 그리고/또는 배기가스의 폐열을 이용하여 실행될 수 있다.
본 발명에 따른 장치에 대해 개시되어 있는 상세한 사항은 동일한 방식으로 본 발명에 따른 방법으로 전환될 수 있다. 특히, 미립자 분리기, 암모니아 발생기, SCR 촉매 변환기, 허니콤 본체 등과 같은 사용되는 구성품에 대한 상세한 설명은 본 발명에 따른 방법으로 직접 전환될 수 있다.
상기 발명을 도시된 실시예로 제한하지 않으면서, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명을 하술할 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 장치의 일부로서 배기가스 처리 유닛의 제 1 실시예의 개략적인 종단면도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 장치의 일부로서 배기가스 처리 유닛의 제 2 실시예의 개략적인 종단면도이다.
도 3 은 배기 시스템의 제 1 실시예의 개략도이다.
도 4 는 배기 시스템의 제 2 실시예의 개략도이다.
도 5 는 본 발명에 따른 장치의 일부로서 배기가스 처리 유닛의 개략적인 단면도이다.
도 6 은 본 발명에 따른 장치의 제 1 실시예의 개략도이다.
도 7 은 본 발명에 따른 장치의 제 2 실시예의 개략도이다.
도 8 은 미립자 분리기의 제 1 예의 개략도이다.
도 9 는 미립자 분리기의 제 2 예의 개략도이다.
도 10 은 본 발명에 따른 장치의 제 3 실시예의 개략도이다.
도 11 은 암모니아 발생기의 예의 개략도이다.
도 12 는 미립자 분리기의 예의 개략도이다.
도 1 은 배기가스 처리 유닛 (1) 의 제 1 실시예의 개략적인 종단면도로서, 이 배기가스 처리 유닛 (1) 은 본 발명에 따른 장치의 일부일 수 있지만, 또한 바람직하게는 본 발명에 따른 장치의 다른 구성품 없이도 실행될 수 있다. 배기가스 처리 유닛 (1) 은, 기본적으로 서로 평행한 흐름을 가질 수 있고, 분할벽 (4) 에 의해 서로 분리되는 제 1 흐름 영역 (3) 및 제 2 흐름 영역 (2) 을 포함한다. 제 2 흐름 영역 (2) 에는 플라즈마 발생기 (5) 가 형성되어 있다. 제 2 흐름 영역 (2) 은 제 1 부 라인 (105) 의 일부이고, 제 1 흐름 영역 (3) 은 주 배기라인 (104) 의 일부이다. 선택적인 또는 부가적인 제 2 흐름 영역 (2) 에 반응기 (133) 및/또는 개질기 (111) 가 형성되어 있으면, 제 2 흐름 영역 (2) 은 제 2 부 라인 (110) 의 일부일 수 있다.
본 예에서는, 특히 DE 102 58 185 A1 에 도시된 바와 같은 유형 중 하나에 따라 형성될 수 있는 플라즈마 발생기 (5) 가 제 2 흐름 영역 (2) 에 형성되어 있다. 플라즈마 발생기는 제 1 전극 (6) 및 제 2 전극 (7) 을 포함한다. 제 2 전극 (7) 은 플라즈마 셀 (8) 주위에 깔때기 형상으로 형성되어 있다. 플라즈마 셀 (8) 에서, 직류 전압 또는 교류 전압으로 구현될 수 있는 고전압이 전극 (6, 7) 에 인가되고, 따라서 플라즈마가 발생된다. 단기간에 가스 온도가 2500 K 를 초과하게 만드는 상기 플라즈마에 의해, 질소 및 산소의 일산화질소로 변환이 증가된다. 전력 공급이 포트 (9) 를 통해 제공된다.
도 2 는 제 1 흐름 영역 (3) 및 제 2 흐름 영역 (2) 을 구비하는 배기가스 처리 유닛 (1), 특히 배기가스를 처리하기 위한 본 발명에 따른 장치의 일부일 수 있는 배기가스 처리 유닛 (1) 의 제 2 실시예의 개략도이다. 배기가스 처리 유닛 (1) 이 내연기관 (100) 의 배기시스템에 사용될 경우, 배기가스 흐름 (10) 은 배기가스 처리 유닛 (1) 을 통해 흐름 방향 (11) 으로 흐른다. 배기가스 흐름 (10) 은 흐름 영역 (2, 3) 을 분할하는 분할벽 (4) 에 의해 제 1 배기가스 부분 흐름 (12) 및 제 2 배기가스 부분 흐름 (13) 으로 분할된다. 제 2 흐름 영역 (2) 을 통해 흐르는 제 1 배기가스 부분 흐름 (12) 에서, 플라즈마 발생기 (5) 에 의해 일산화질소가 농후해진다. 산소함유 및 질소함유 (적절한 경우) 가스가 가스 공급 수단 (14) 에 의해 플라즈마 발생기 (5) 의 농후부의 상류에 공급될 수 있다. 상기 가스는 특히 공기일 수 있다. 산소함유가스는 공유벽 (4) 과의 접촉을 통해 예열되는데, 이는 공유벽 (4) 의 타측에 배기가스가 흐르고 있기 때문이다. 배기가스 및 공기는 모두 질소산화물 (NOX), 바람직하게는 일산화질소 (NO) 를 형성하도록 산화에 이용될 수 있는 충분한 질소 (N2) 를 함유한다. 제 1 배기가스 부분 흐름 (12) 에 일산화질소가 농후해진 이후에, 제 1 배기가스 부분 흐름 (12) 에 여전히 함유되어 있는 산소의 감소가, 배기가스 처리 유닛 (1) 에 대한 제 2 실시예의 제 1 환원 촉매 코팅을 구비하는 제 1 허니콤 구조 (15) 에서 발생한다. 배기가스가 제 1 허니콤 구조 (15) 를 통해 흐름 방향 (11) 으로 흐를 수 있으며, 상기 허니콤 구조 (15) 는 특히 제 1 허니콤 구조 (15) 전체에 배열되는 대응하는 캐비티 또는 셀을 구비한다. 여기 기재되어 있는 다른 모든 허니콤 구조와 유사한 제 1 허니콤 구조 (15) 는 특히 세라믹 모노리스 (monolith) 로 구성되거나 적어도 부분적으로 직조형인 금속층으로 구성될 수 있다. 제 2 허니콤 구조 (16) 가 흐름 방향 (11) 으로 제 1 허니콤 구조 (15) 의 하류에 형성되어 있다. 제 2 허니콤 구조 (16) 는 일산화질소를 환원시켜 암모니아를 형성하기 위한 제 2 환원 촉매 코팅을 구비한다. 그 결과, 암모니아를 함유하는 제 1 배기가스 흐름 (12) 이 흐름 방향 (11) 으로 제 2 허니콤 구조 (16) 의 하류에 존재한다.
흐름 방향 (11) 으로 하류에 놓이는 분할 벽 (4) 의 단부의 결과로, 제 1 배 기가스 부분 흐름 (12) 및 제 2 배기가스 부분 흐름 (13) 이 다시 만나는 공유의 제 3 흐름 영역 (17) 이 상기 단부의 하류에 형성된다. 흐름 방향 (11) 으로 제 2 허니콤 구조 (16) 의 상류에 환원제 공급 수단 (18) 이 형성되어 있다. 이 환원제 공급 수단 (18) 에 의해, 제 2 허니콤 구조 (16) 에서 일산화질소를 환원시켜 암모니아를 형성시키는데 필요한 환원제가 공급될 수 있다. 특히, 탄화수소, 예컨대 내연기관의 연료가 환원제로서 여기에 공급될 수 있다.
도 3 은 배기 시스템 (19) 의 개략도이다. 내연기관 (20) 의 배기가스 (10) 는 배기 시스템 (19) 을 통해 흐른다. 분할 벽 (4) 은 제 2 흐름 영역 (2) 으로부터 제 1 흐름 영역 (3) 을 분할한다. 여기서, 배기가스 흐름 (10) 은 제 2 흐름 영역 (2) 및 제 1 흐름 영역 (3) 을 통해 흐르는 제 1 배기가스 부분 흐름 (12) 및 제 2 배기가스 부분 흐름 (13) 으로 분할된다. 제 1 배기가스 부분 흐름 (12) 은 플라즈마 발생기 (5) 를 통해 지나가는데, 이 플라즈마 발생기에서 제 1 배기가스 부분 흐름 (12) 에 일산화질소가 농후해진다. 제 1 배기가스 부분 흐름 (12) 은 플라즈마 발생기 (5) 를 떠난 이후에, 일산화질소가 환원되어 암모니아가 형성되는 제 2 허니콤 구조 (16) 를 통해 흐른다. 이를 위해, 탄화수소함유 또는 수소함유 환원제, 특히 내연기관의 연료가 환원제 공급 수단 (18) 을 통해 첨가된다. 제 1 흐름 영역 (3) 을 통해 지나온 제 2 배기가스 부분 흐름 (13) 이 제 1 흐름 영역 (3) 을 떠난 이후에, 공유의 제 3 흐름 영역 (17) 에서 암모니아를 함유하는 제 1 배기가스 부분 흐름 (12) 과 혼합된다. 두 배기가스 부분 흐름 (12, 13) 의 혼합은 두 배기가스 부분 흐름 (12, 13) 이 혼합되는 혼합 기 구조 (21) 에 의해 촉진된다. 혼합기 구조 (21) 는 일편에서 교차흐름이 흐름 방향 (11) 에 기본적으로 수직으로 발생될 수 있도록 대응하는 금속 포일로 구성될 수 있으며, 추가로 조정 구조물이 형성되어 있어 교차흐름을 강제적으로 야기하거나 촉진시킨다.
배기가스 흐름은 혼합기 구조 (21) 를 지난 이후에, 제 3 허니콤 구조 (22) 로 흐른다. 이 제 3 허니콤 구조 (22) 에는 환원제 암모니아를 이용하여 질소산화물의 선택적 촉매 환원을 촉진하는 제 3 환원 촉매 코팅이 제공되어 있다. 따라서, 제 3 허니콤 구조 (22) 는, 배기가스 흐름 (10) 의 질소산화물 함유량에 비해 질소산화물 함유량이 적어도 실질적으로 감소한 정화된 배기가스 흐름 (23) 을 만들어낸다.
도 4 는 배기 시스템의 제 2 실시예의 개략적인 종단면도이다. 배기 시스템 (19) 에서, 처음에 플라즈마 발생기 (5) 가 제 2 흐름 영역 (2) 에 형성되어 있다. 흐름 방향 (11) 으로 플라즈마 발생기 (5) 의 하류에는, 부분 배기가스 흐름에 여전히 존재할 수 있는 잔류 산소를 감소시키기 위한 제 1 허니콤 구조 (15) 가 형성되어 있다. 게다가, 플라즈마 발생기 (5) 에서 발생되는 일산화질소를 환원시켜 암모니아를 형성시키는 제 2 허니콤 구조 (16) 가 하류에 형성되어 있다. 게다가, 환원제를 일시적으로 저장하기 위한 수단 (24) 이 하류에 형성되어 있다. 환원제는 특히 제 2 허니콤 구조 (16) 에서 형성되는 암모니아일 수 있다. 환원제를 일시적으로 저장하기 위한 수단 (24) 은 환원제가 과잉일 때 환원제의 일부가 저장되게 하고, 이후에 필요할 때 다시 방출되게 한다. 이 는 예컨대 화학적인 흡착 또는 물리적인 흡착에 기초하며, 필요할 때 열을 공급함으로써 다시 역으로 될 수 있는 과정에 의해 실행된다.
플라즈마 발생기 (5) 는 플라즈마 발생기에 전류를 공급하는 제어 수단 (25) 에 연결된다. 게다가, 배기 시스템 (19) 은 제 2 흐름 영역 (2) 과 제 1 흐름 영역 (3) 사이에서 흐름 방향 (11) 으로 분할 벽 (4) 의 상류에 형성되어 있는 흐름 조정 수단 (26) 을 구비한다. 여기 개시된 다른 모든 흐름 조정 수단과 유사한 이 흐름 조정 수단 (26) 은, 예컨대 제 2 흐름 영역 (2) 과 제 1 흐름 영역 (3) 으로의 배기가스 부분 흐름의 분할이 작동 동안에 변화되게 할 수도 있는 조정 배플 (baffle) 또는 선회가능한 플랩 (flap) 으로 구현될 수 있다. 흐름 조정 수단 (26) 의 운동을 화살표로 도시하였다.
도 5 는 제 1 흐름 영역 (3) 및 제 2 흐름 영역 (2) 이 형성되어 있는 영역에서의 배기가스 처리 유닛 (1) 의 개략적인 단면도이다. 이 흐름 영역 (2, 3) 은 분할 벽 (4) 에 의해 분할된다. 특히, 제 2 흐름 영역 (2) 을 통해 흐르는 비교적 찬 가스가 제 1 흐름 영역 (3) 을 통해 흐르는 비교적 따뜻한 가스에 의해 가열될 수 있다. 여기서, 제 1 흐름 영역 (3) 을 통해 흐르는 내연기관 (20) 으로부터의 배기가스를 이용하여 제 2 흐름 영역 (2) 에 있는 플라즈마 발생기 (5) 에 대한 공정 가스를 가열하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 배기가스 처리 유닛 (1) 은, 특히 예컨대 D 형상을 가지며 공유의 관형 외측 파이프에 고정되는 (적절한 경우) 두 개의 파이프로 구성되는 "더블 D 파이프" 로 불리는 것을 포함할 수도 있다.
제 2 흐름 영역 (2) 을 통해 흐르는 배기가스 흐름 또는 배기가스 유량은 바람직하게는 제 1 흐름 영역 (3) 을 통해 흐르는 배기가스 유량에 비해 작다.
배기가스 처리 유닛 (1) 은 바람직하게는 배기가스 처리 유닛을 통해 흐르는 가스 중 일부 흐름에서만 작용하는 컴팩트한 디자인의 플라즈마 발생기 (5) 를 허용한다. 플라즈마 발생기 (5) 를 구비하는 배기가스 처리 유닛 (1) 은 내연기관 (20) 의 질소산화물 배출물을 감소시키기 위한 시스템 또는 방법의 범위 내에서 배기 시스템 (19) 에 특히 바람직하게 사용된다. 플라즈마 발생기 (5) 의 컴팩트한 구성으로 인해, 배기가스 처리 유닛을, 예컨대 자동차, 특히 승객용 차량 및 화물 차량 등과 같은 이동 시스템의 배기 시스템 (19) 에 사용하는 것이 특히 적합하다.
본 발명의 도 1 내지 도 5 및 대응하는 다른 부분에 기재된 배기가스 처리 유닛은 배기가스의 후처리를 위한 장치의 다른 부품 없이 독립적으로 실행될 수도 있다.
도 6 은 미립자 분리기 (101), 질소산화물 (NOX) 의 선택적 촉매 환원을 위한 SCR 촉매 변환기 (102), 및 암모니아 발생기 (103) 를 포함하는 내연기관 (100) 의 배기가스를 처리하기 위한 본 발명에 따른 장치의 제 1 실시예의 개략도이며, 이 경우 암모니아 발생기에서 발생되는 암모니아는 SCR 촉매 변환기에서의 질소산화물의 선택적 촉매 환원을 위한 선택적 환원제로서 사용된다. 본 발명에 따르면, 미립자 분리기 (101) 는 주 배기라인 (104) 에 형성되어 있으며, 암모니아 발 생기 (103) 는 제 1 부 라인 (105) 에 형성되어 있다. 제 1 부 라인 (105) 은 연결부 (106) 에서 주 배기라인 (104) 에 연결된다. 제 1 실시예에 있어서, 연결부 (106) 는 SCR 촉매 변환기 (102) 의 상류에 형성되어 있다.
암모니아 발생기 (103) 를 위해 하나 이상의 공정 가스를 이용할 수 있게 하는 수단 (107) 이 암모니아 발생기 (103) 의 상류에 형성되어 있다. 이 수단 (107) 은 암모니아 발생기 (103) 에 포함될 수도 있다. 수단 (107) 은 특히 다음의 수단 들 중 하나 이상을 포함한다.
a) 질소함유 공정 가스 흐름을 이용할 수 있게 하는 수단.
b) 수소함유 환원제 흐름을 이용할 수 있게 하는 수단.
c) 산소함유 공정 가스 흐름을 이용할 수 있게 하는 수단.
a) 및 c) 를 가능하게 하기 위해, 배기가스, 공기 및/또는 재순환 배기가스를 공급하는 수단을 형성할 수 있다. 수단 (b) 은 탄화수소함유 유리체 (educt) 의 부분적인 산화로 수소함유 공정 가스를 발생시키는 개질기를 포함할 수 있다.
제 1 산화 촉매 변환기 (108) 가 SCR 촉매 변환기 (102) 의 하류에 형성될 수 있고, 이 산화 촉매 변환기 (108) 에서 SCR 촉매 변환기 (102) 를 통과하는 암모니아 또는 탄화수소가 산화되어 주위로 배출되지 않는다.
도 7 은 내연기관 (100) 의 배기가스를 처리하기 위한 본 발명에 따른 장치의 제 2 실시예의 개략도이다. 주 배기라인 (104) 에는 미립자 분리기 (101) 및 SCR 촉매 변환기 (102) 가 형성되어 있으며, SCR 촉매 변환기 (102) 의 하류에 는 SCR 촉매 변환기에 연결된 제 1 산화 촉매 변환기 (108) 가 형성되어 있다. SCR 촉매 변환기 (102) 및 제 1 산화 촉매 변환기 (108) 는 특히 단일의 허니콤 본체에 형성될 수 있다.
플라즈마 발생기 (114) 를 포함하는 암모니아 발생기 (103) 가 제 1 부 라인 (105) 에 형성되어 있다. 상기 플라즈마 발생기 (114) 에는 압축기 (109) 를 통해 공정 가스로서 공기가 공급된다. 게다가, 제 2 실시예에 있어서는, 개질기 (111) 를 포함하는 제 2 부 라인 (110) 이 형성되어 있다. 개질기는 개질기 (111) 에 탄화수소를 공급하는 연료 탱크 (112) 에 연결되어 있다. 게다가, 개질기 (111) 에는 산소함유 가스, 예컨대 배기가스 재순환 라인으로부터 추출한 배기가스 또는 공기가 공급된다. 개질기 (111) 에서 탄화수소의 부분 산화가 발생하여, 수소함유 합성물 흐름 및/또는 열분해 가스 흐름이 생성되고, 이것이 제 2 연결부 (113) 를 통해 제 1 부 라인 (105) 에 공급될 수 있다.
플라즈마 발생기 (114) 는 저장/환원 요소 (115) 에 일시적으로 저장되는 질소산화물함유, 바람직하게는 일산화질소함유 가스 흐름을 발생시킨다. 여기서, 화학 흡착에 의해 질소산화물이 아질산염 및/또는 질산염의 형태로 저장되는 것이 바람직하다. 아질산염 및 질산염은 수소와 반응하여 암모니아를 형성할 수 있다. 저장/환원 요소 (115) 는 먼저 미립자 분리기 (101) 를 통해 흐르고 그 다음 SCR 촉매 변환기 (102) 를 통해 흐르는 암모니아함유 가스 흐름을 만들어낸다. SCR 촉매 변환기 (102) 에 있어서, 암모니아는 질소산화물의 선택적 환원을 위한 환원제로서 작용하고, 미립자 분리기 (101) 에 있어서는 미립자 필터의 재생을 위한 반응 억제제의 역할을 할 수 있다.
도 8 은 본 발명에 따른 장치의 개략적인 상세도이다. 미립자 분리기 (101) 가 주 배기라인 (104) 에 형성되어 있다. 상기 미립자 분리기 (101) 는 미립자 분리기 (101) 를 위한 재생 설비로서 연면방전을 발생시키기 위한 수단 (116) 을 포함한다.
도 9 는 본 발명에 따른 장치의 개략적인 상세도이다. 미립자 분리기 (101) 가 주 배기라인 (104) 에 형성되어 있다. 제 2 산화 촉매 변환기 (117) 가 내연기관 (100) 방향인 상류에 형성되어 있다. 상기 산화 촉매 변환기 (117) 는 미립자 분리기 (101) 의 열 재생 및 화학 재생 모두를 위한 수단의 역할을 할 수 있다. 화학 재생 설비 (10.1 및/또는 10.3) 의 경우에 있어서, 제 2 산화 촉매 변환기 (117) 는 일산화질소를 산화시켜 이산화질소를 형성시키는 역할을 할 수 있는데, 특히 CRT 법의 범위 내에서 미립자 분리기를 위한 재생 수단의 역할을 할 수 있다. 미립자 분리기 (101) 의 열 재생 설비 (10.2) 의 경우에 있어서, 탄화수소가 공급 라인 (118) 을 통해 제 2 산화 촉매 변환기 (117) 에 공급될 수 있으며, 상기 탄화수소는 촉매 변환기에서 변환되어, 미립자 분리기 (101) 를 통해 흐르는 가스 흐름이 발열 산화에 의해 가열되게 한다. 제 2 산화 촉매 변환기 (117) 는 특히 미립자 분리기 (101) 의 일부일 수도 있다. 미립자 분리기 (101) 에는 특히 선택적이거나 부가적인 저항 가열기가 설치되어 있을 수 있거나, 또는 예컨대 내연기관 (100) 을 향하는 가스 입구측 영역에 가열가능한 플레이트를 포함할 수도 있다.
도 10 은 내연기관 (100) 의 배기가스를 처리하기 위한 본 발명에 따른 장치의 제 3 실시예의 개략도이다. 배기 시스템은 주 배기라인 (104) 및 터보과급기 (119) 의 상류에서 주 배기라인 (104) 으로부터 분기되는 제 2 부 라인 (110) 을 포함한다. 제 2 부 라인 (110) 에 개질기 (111) 가 형성되어 있다. 제 2 부 라인 (110) 은 지관 (120) 에서 주 라인 (104) 으로부터 분기된다. 지관 (120) 은 터보과급기 (119) 의 상류에 형성되어 있으며, 제 2 연결부 (113) 는 터보과급기 (119) 의 하류에 형성되어 있다.
게다가, 플라즈마 발생기 (114) 를 포함하는 암모니아 발생기 (103) 가 형성되어 있는 제 1 부 라인 (105) 이 형성되어 있다. 공기 및/또는 배기가스가 플라즈마 발생기 (114) 를 위한 공정 가스 (121) 로 사용되며, 공정 가스 (121) 는 배기가스 및/또는 공기를 포함할 수 있다. 공정 가스 (121) 는 특히 내연기관의 배기가스의 폐열 및/또는 전기 저항 가열기 (122) 에 의해 가열될 수 있다.
작동 중에, 플라즈마 발생기 (114) 는 공정 가스 (121) 로부터의 질소 및 산소를 질소산화물, 바람직하게는 일산화질소로 변환시킨다. 플라즈마 발생기 (114) 는 최대로 가능한 일산화질소 수율이 달성되도록 작동된다. 질소산화물함유 가스 흐름은 질소산화물, 바람직하게는 일산화질소가 아질산염 및/또는 질산염으로서 화학흡착되고 저장되는 저장/환원 요소 (115) 로 향한다.
이때 개질기 (111) 에서 발생되는 수소함유 가스가 저장/환원 요소 (115) 를 통해 흐르면, 아질산염 및/또는 질산염은 환원되어 암모니아를 형성한다. 그 결과로 생성되는 암모니아함유 가스 흐름은 SCR 촉매 변환기 (102) 로 향하고, 거 기서 질소산화물을 위한 선택적 환원제로서 사용된다. SCR 촉매 변환기 (102) 는 바람직하게는 상술한 바와 같은 허니콤 본체를 포함한다.
주 배기라인 (104) 에는, 이산화질소를 형성하기 위한 일산화질소의 산화가 바람직하게 촉진되는 제 2 산화 촉매 변환기 (117) 가 형성되어 있다. 이 이산화질소 (NO2) 는 미립자에 함유된 탄소 (C) 를 이산환탄소 (CO2) 로 변환시키며, 자신은 환원되어 일산화질소 (NO) 를 형성한다. 그 결과, 미립자 분리기 (101) 는 재생될 수 있다.
미립자 분리기 (101) 는 바람직하게는 하나 이상의 필터 요소 (123), 및 하나 이상의 필터 요소 (123) 와 상호작용하며, 전기 연면방전이 필터 요소의 재생을 일으키도록 구현되고 작동되는 제 2 플라즈마 발생기 (124) 를 모두 포함할 수 있다. 플라즈마 발생기의 실시 및 작동에 대해서는, DE 100 57 862 C1 의 개시 내용을 참조하며, 그 개시 내용은 본 발명의 개시 내용에 통합되어 있는 정도이다.
게다가, 전원 (126) 에 연결될 수 있는 제어 유닛 (125) 이 형성되어 있다. 이 제어 유닛 (125) 은 플라즈마 발생기 (114) 및 제 2 플라즈마 발생기 (124) 를 공동으로 제어한다. 이러한 관계에 있어서, 엔진 제어기 (127) 로부터의 데이터가 고려될 수 있다. 특히, 배기가스 중의 NOX 농도는 엔진 제어기 (127) 로부터의 데이터, 바람직하게는 엔진 특성 도표를 참조하여 결정될 수 있다.
하나 이상의 필터 요소 (123), 제 2 산화 촉매 변환기 (117), SCR 촉매 변환기 (102), 개질기 (111), 저장/환원 유닛 (115), 암모니아 발생기 (103) 및/또는 미립자 분리기 (101) 는 하나 이상의 허니콤 본체를 포함할 수 있다. 장치의 구성품들은 바람직하게는 공유 하우징 (128) 에 형성될 수 있다.
도 11 은 제 1 부 라인 (105) 에 형성되어 있는 암모니아 발생기 (103) 의 개략도이다. 제 1 부 라인은 질소함유 및 산소함유 유리체 혼합물로부터 질소산화물, 바람직하게는 일산화질소를 발생시키는 플라즈마 발생기 (114) 를 포함한다. 이러한 방식으로 발생되는 일산화질소를 함유하는 가스 흐름은 제 1 가스 라인 (129) 또는 제 2 가스 라인 (130) 에 공급된다. 제 1 가스 라인 (129) 은 제 1 저장/환원 요소 (131) 를 포함하며, 제 2 가스 라인 (130) 은 제 2 저장/환원 요소 (132) 를 포함한다. 플라즈마 발생기 (114) 로부터의 배기가스가 흐르는 가스 라인 (129, 130) 에서는, 질소산화물이 대응하는 저장/환원 요소 (131, 132) 에 화학흡착된다. 질소산화물은 아질산염 및/또는 질산염으로 저장된다. 각각의 다른 가스 라인 (129, 130) 에, 반응기 (133) 에 의해 생성되는 수소함유 가스 흐름이 지나가는 결과, 암모니아를 형성하기 위한 아질산염 및/또는 질산염 그룹 각각의 환원 및 동시 변환 일어난다. 그 결과로 획득되는 암모니아함유 가스 흐름은 주 배기라인 (104) 에 공급되어 하류에 위치한 SCR 촉매 변환기 (102) 에서 질소산화물을 환원시키기 위한 선택적 환원제로서 사용된다. 반응기 (133) 는 특히 개질기를 포함할 수 있으며, 그리고/또는 탄화수소의 부분 산화를 통해 수소를 발생시킬 수 있다.
저장/환원 요소 (131, 132) 가 각각 채워지고, 이와 병행하여 다른 각각의 저장/환원 요소 (131, 132) 가 비워지는 동안, 플라즈마 발생기 (114) 는 간헐적으 로 작동하기 때문에, 필요한 탄화수소의 양은 감소되는데, 이는 상기의 방식으로 저장/환원 요소 (131, 132) 를 비우는 동안에 존재하는 산소의 비율을 가능한 작게 유지할 수 있기 때문이다. 이러한 경우에 있어서, 수소를 소비하는 수소와 산소 사이의 반응은 나타나지 않고, 암모니아를 형성시키기 위한 질산염/아질산염의 원하는 환원이 주로 일어난다. 가스 흐름은 밸브 (134) 에 의해 적절히 조절될 수 있다.
도 12 는 미립자 분리기 (101) 가 제 1 전기장을 발생시키기 위한 수단 (135) 에 연결될 수 있는 둘 이상의 요소 (136) 를 포함하는 바람직한 양태를 도시한다. 미립자는 제 1 전기장에 의해 응집되며, 그리고/또는 분리될 수 있다.
본 발명에 따른 방법 및 장치는 바람직하게는 내연기관 (100) 의 배기가스에 함유된 미립자 및 질소산화물 (NOX) 의 비율이 동시에 감소될 수 있게 하며, 이러한 경우 감소를 위한 에너지의 소비가 낮은 동시에 전체 장치는 컴팩트한 유닛으로 구현될 수 있다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 배기가스 처리 유닛
2 제 2 흐름 영역
3 제 1 흐름 영역
4 공유 벽
5 플라즈마 발생기
6 제 1 전극
7 제 2 전극
8 플라즈마 셀
9 포트
10 배기가스 흐름
11 흐름 방향
12 제 1 배기가스 부분 흐름
13 제 2 배기가스 부분 흐름
14 가스 공급 수단
15 제 1 허니콤 구조
16 제 2 허니콤 구조
17 제 3 흐름 영역
18 환원제 공급 수단
19 배기 시스템
20 내연기관
21 혼합기 구조
22 제 3 허니콤 구조
23 정화된 배기가스 흐름
24 환원제를 일시적으로 저장하기 위한 수단
25 제어 수단
26 흐름 조정 수단
100 내연기관
101 미립자 분리기
102 SCR 촉매 변환기
103 암모니아 발생기
104 주 배기라인
105 제 1 부 라인
106 연결부
107 하나 이상의 공정 가스를 이용할 수 있게 하는 수단
108 제 1 산화 촉매 변환기
109 압축기
110 제 2 부 라인
111 개질기
112 연료 탱크
113 제 2 연결부
114 플라즈마 발생기
115 저장/환원 요소
116 연면방전을 발생시키기 위한 수단
117 제 2 산화 촉매 변환기
118 공급 라인
119 터보과급기
120 지관
121 공정 가스
122 저항 가열기
123 필터 요소
124 제 2 플라즈마 발생기
125 제어 유닛
126 전원
127 엔진 제어기
128 하우징
129 제 1 가스 라인
130 제 2 가스 라인
131 제 1 저장/환원 요소
132 제 2 저장/환원 요소
133 반응기
134 밸브
135 제 1 전기장을 발생시키기 위한 수단

Claims (26)

  1. - 미립자 분리기 (101),
    - 질소산화물을 선택적으로 환원시키기 위한 SCR 촉매 변환기 (102), 및
    - 질소산화물을 환원시키기 위한 선택적 환원제로서 암모니아를 발생시키기 위한 암모니아 발생기 (103) 를 포함하는 배기가스 처리 장치로서,
    미립자 분리기 (101) 는 주 배기라인 (104) 에 형성되어 있고, 암모니아 발생기 (103) 는 제 1 부 라인 (105) 에 형성되어 있으며, 제 1 부 라인 (105) 은, 암모니아 발생기 (103) 에서 발생되는 암모니아함유 가스 스트림이 SCR 촉매 변환기 (102) 를 통해 흐를 수 있도록 구현되는 연결부에서 주 배기라인 (104) 으로 개방되며,
    제 1 부 라인 (105) 은, 암모니아 발생기 (103) 에서 발생되는 암모니아함유 가스 스트림이 미립자 분리기 (101) 를 통해 흐를 수도 있도록 구현되는 제 1 연결부 (106) 에서 주 배기라인으로 개방되는 배기가스 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 미립자 분리기 (101) 는 미립자 분리기 (101) 를 재생시키기 위한 재생 설비를 구비하는 배기가스 처리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 재생 설비는 다음의 처리들,
    10.1) 미립자 분리기 (101) 의 일부 또는 전부의 상류에서 이산화질소를 이용할 수 있게 하는 처리;
    10.2) 미립자 분리기 (101) 의 일부 또는 전부의 온도를 제한 온도 이상으로 증가시키는 처리;
    10.3) 미립자 분리기 (101) 의 일부 또는 전부의 상류에서 산화제를 이용할 수 있게 하는 처리; 또는
    10.4) 전기 방전을 이용하여 재생시키는 처리
    들 중 하나 이상에 의해 작동되는 배기가스 처리 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 재생 설비는 연면방전에 의해 작동되는 배기가스 처리 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 미립자 분리기 (101) 는, 다음의 기능들,
    12.1) 미립자의 응집; 또는
    12.2) 미립자의 분리
    중 하나 이상을 충족시키는 미립자 분리기 (101) 에 제 1 전기장을 발생시키기 위한 수단 (135) 을 포함하는 배기가스 처리 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 미립자 분리기 (101) 는, 재생을 위해 연면방전이 발생되게 하는 미립자 분리기 (101) 에 제 2 전기장을 발생시키기 위한 수단 (116) 을 포함하는 배기가스 처리 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 암모니아 발생기 (103) 는 플라즈마 발생기 (5, 114) 를 포함하는 배기가스 처리 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 암모니아 발생기 (103) 는 다음의 성분들,
    15.1) 암모니아; 또는
    15.2) 암모니아 전구체
    중 하나 이상을 일시적으로 저장하기 위한 하나 이상의 저장 요소 (115, 131, 132) 를 포함하는 배기가스 처리 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 암모니아 전구체 (15.2) 는 일산화질소를 포함하는 배기가스 처리 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 다음 가스들,
    24.1) 배기가스;
    24.2) 산소 및 질소를 포함하는 가스; 또는
    24.3) 공기
    중 하나 이상이 제 1 부 라인 (105) 을 통해 흐르는 배기가스 처리 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 산화 촉매 변환기 (108, 117) 가 다음의 위치들,
    26.1) 미립자 분리기 (101) 의 상류;
    26.2) 암모니아 발생기 (103) 의 하류 및 SCR 촉매 변환기 (102) 의 상류; 또는
    26.3) SCR 촉매 변환기 (102) 의 하류
    중 하나 이상에 형성되어 있는 배기가스 처리 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 서로 병렬인 흐름을 갖는 제 1 흐름 영역 (3) 및 하나 이상의 제 2 흐름 영역 (2) 을 포함하며, 제 1 흐름 영역 (3) 은 주 배기라인 (104) 의 일부 또는 전부이며, 제 1 흐름 영역 (3) 및 제 2 흐름 영역 (2) 은 열이 제 1 흐름 영역 (3) 으로부터 하나 이상의 제 2 흐름 영역 (2) 으로 전달될 수 있도록 구현되는 배기가스 처리 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 다음의 구성품들,
    31.1) 하나 이상의 플라즈마 발생기 (5, 114);
    31.2) 하나 이상의 개질기 (111); 또는
    31.3) 하나 이상의 반응기 (133)
    중 하나 이상이 제 2 흐름 영역 (2) 에 형성되어 있는 배기가스 처리 장치.
  14. 배기가스에 있는 미립자를 미립자 분리기 (101) 로 부분적으로 또는 전부 분리하고, 배기가스 중의 질소산화물을 SCR 촉매 변환기 (102) 에서 부분적으로 또는 전부 환원시키는 배기가스 처리 방법으로서,
    미립자의 분리는 주 배기라인에서 일어나며, 환원제로서 SCR 촉매 변환기 (102) 에 공급되는 암모니아는 제 1 부 라인 (105) 에서 발생되며,
    제 1 부 라인 (105) 에서 발생되는 암모니아함유 가스 스트림이 미립자 분리기 (101) 를 통해 흐를 수 있도록, 제 1 부 라인 (105) 및 주 배기라인 (104) 을 결합시키는 배기가스 처리 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 다음의 기능들,
    58.1) 미립자의 응집;
    58.2) 미립자의 분리; 또는
    58.3) 미립자 분리기 (101) 의 재생
    중 하나 이상을 실행시키는 하나 이상의 전기장을 미립자 분리기 (101) 에 형성시키는 배기가스 처리 방법.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서, 미립자 분리기 (101) 는 미립자 분리기 (101) 를 재생시키기 위한 재생 설비를 구비하는 배기가스 처리 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 재생 설비는 다음의 처리들,
    60.1) 미립자 분리기 (101) 의 일부 또는 전부의 상류에서 이산화질소를 이용할 수 있게 하는 처리;
    60.2) 미립자 분리기 (101) 의 일부 또는 전부의 온도를 제한 온도 이상으로 증가시키는 처리;
    60.3) 미립자 분리기 (101) 의 일부 또는 전부의 상류에서 산화제를 이용할 수 있게 하는 처리; 또는
    60.4) 전기 방전을 이용하여 재생하는 처리
    중 하나 이상에 기초하는 배기가스 처리 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 60.4) 에 따른 재생 설비는 연면방전을 포함하는 배기가스 처리 방법.
  19. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서, 플라즈마의 보조를 받는 일산화질소의 발생, 및 암모니아를 형성시키기 위한 후속의 환원으로 암모니아 (NH3) 를 발생시키는 배기가스 처리 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 질소 및 산소를 함유하는 제 1 공정 가스에 의해 플라즈마 발생기를 작동시키는 배기가스 처리 방법.
  21. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서, 암모니아 (NH3) 를 암모니아 발생기 (103) 에서 발생시키는 배기가스 처리 방법.
  22. 제 14 항에 있어서, 암모니아 생성은 배기가스 중의 NOX 농도 및 암모니아 농도 중 하나 또는 둘 다에 따라 폐쇄루프제어 또는 개방루프제어되는 배기가스 처리 방법.
  23. 제 22 항에 있어서, 배기가스 중의 NOX 함량 및 암모니아 함량 중 하나 또는 둘 다를 측정 센서를 이용하여 감지하는 배기가스 처리 방법.
  24. 제 22 항 또는 제 23 항에 있어서, NOX 농도를 내연기관 (20, 100) 의 작동 데이터로부터 결정하는 배기가스 처리 방법.
  25. 삭제
  26. 삭제
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