KR100864328B1 - 연소엔진 배기가스의 정화방법 및 정화장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연소엔진의 연소실에 습공기를 공급함으로써 연소엔진으로부터의 배기가스를 정화하는 방법에 관한 것이다. 질소배출을 효과적으로 줄이기 위하여, 특히 디젤엔진이 부분 동력으로 가동될 때에, 또한 각각의 특별한 엔진사용의 요구조건에 맞추도록 정확히 조정할 수 있는 방법을 위하여, 본 발명에 의하면, 가스와 물안개의 혼합물이 스프레이 헤드(3)로써 공간(2)에 주입되고, 연소실로 안내된다. 본 방법은, 연소엔진에 실질적인 변화를 가할 필요없이 작은 공간에 장착될 수 있는 본 발명의 장치에 의해 용이하게 실행될 수 있다. 또한, 본 발명은 연소엔진으로부터의 배기가스를 정화하는 장치에 관한 것이다.

Description

연소엔진 배기가스의 정화방법 및 정화장치{METHOD AND APPARATUS FOR CLEANING EXHAUST GASES FROM A COMBUSTION ENGINE}
본 발명은, 엔진의 연소실에 습공기를 공급함으로써 가스와 물안개의 혼합물을 스프레이 헤드로써 연소실로 이어지는 공간에 공급하는, 연소엔진으로부터의 배기가스를 정화하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한, 연소엔진에 습공기를 공급하는 장치에 관한 것으로서, 상기 장치는, 연소엔진의 공간에 물안개를 공급하는 스프레이 헤드와, 상기 스프레이 헤드에 가스를 주입하는 가스주입수단과, 상기 스프레이 헤드에 수성 액체를 공급하는 액체주입수단과, 가스와 물안개의 혼합물을 스프레이 헤드로부터 상기 공간에 주입하는 혼합수단을 포함하여 구성되며, 연소엔진의 연소실과 유동연결(flow connection)되도록 배치되며 연소실에 가스와 물안개의 혼합물을 공급하도록 배치되는 것이다. 이 종류의 장치는 가스터빈엔진과 관련하여 공지된 것이고, 장치의 목적은 더운 날인 경우에 터빈 주위의 온도가 높을 때에 엔진의 효율과 동력이 떨어지는 방지하고자 하는 것이다.
환경보호의 목적 중 하나는 연소엔진으로부터의 배기가스 배출을 줄이는 것이다. 본 발명은, 다른 연소엔진으로부터의 배기가스도 포함되지만, 특히 디젤엔진으로부터의 배기가스배출을 줄이는 해결방안을 제공하는 것이다.
디젤엔진으로부터의 배기가스는 여러 가지의 유해한 연소생성물을 포함하며, 그 중 질소산화물, 즉 NOX가 환경에 가장 해롭다. 질소산화물은, 예를 들면 삼림의 성장저해 뿐만 아니라 스모그 형성, 온실효과 및 토양의 산성화의 상당한 원인이다.
선박의 디젤엔진은 공기오염의 주범이다. 수년 전 발표된 미국의 조사에 의하면, 세계 질소배출량의 14%, 황 배출량의 16%는 해상 운송수단으로부터 발생된다는 것이다. 대부분 엔진이 낮은 동력레벨로 가동될 때에 생성되는 디젤엔진의 매연/탄소 배출물은 또한 문제를 야기한다. 또한, 엔진이 낮은 동력 레벨로 가동될 때, 상당한 질소배출물이 생성된다. 일반적으로, 선박이 항구에 있을 때에 선박엔진은 낮은 동력 레벨로 가동되고, 따라서 선박이 정박 중일 때에 배출물은 상당한 문제가 된다.
디젤 엔진에 있어서, 질소 배출물은 연소온도를 낮추는 공지의 방식으로 줄일 수가 있으며, 이에 의해 배출물은 생성되기는 하지만 감소된다. 연소온도는 여러 가지 방법으로 낮출 수 있다. 연소실에 물을 주입하거나 연료에 수성 에멀젼을 사용함으로써 연소온도를 낮출 수 있다.
몇몇 연구에 의하면, 연소실에 물을 주입하는 것은 연기 배출을 증가시키는 것이다. 많은 양의 물이 엔진에 주입되면, 연료소비도 늘어난다. 그러나, 다른 연구에 의하면, 습공기(humid air)가 모터에 주입되는 이른바 HAM(습공기 모터) 방 법은 배출과 관련하여 양호한 결과를 낳는다고 한다. 이 방법에 있어서, 디젤 엔진의 충전공기는 증발기에 의해 습하게 되고, 연료는 엔진 실린더에서 통상적인 공기 대신에 습한 공기에서 연소한다. HAM 방법은 디젤엔진의 부하 용량이 상당히 감소된다는 결점을 갖는다. 이 방법은 또 다른 결점은, 물이 증발기 내에서 작은 물방울로 충분히 분산되지 못하고 그 안에서 생성된 물방울이 상대적으로 큰 것이어서 결과적으로 신속하고 용이하게 증발하지 않는다는 것이다. 배출을 낮추고 다른 측면에서도 원활히 엔진을 가동하게 하는 데에 물방울의 신속한 증발은 필수조건이다.
수성 에멀젼 연료의 사용은 이산화탄소의 양이 증가하는 일 없이 질소산화물을 줄인다. 몇몇 연구에 의하면, 얻어진 결과는 물을 실린더에 주입하는 방법에 얻어진 결과에 비해 그다지 좋다. 그러나, '수성 에멀젼 방법'의 문제는 충분한 양의 물이 연료와 섞이지 않는다는 것이다.
미국 특허 4,459,943호 및 4,411,224호에는 연소엔진의 흡입공기 내로 가스와 물안개를 공급하는 시스템이 개시되어 있다. 가스와 물안개의 양은 각각 엔진의 부하에 직접적으로 비례하여 증가된다.
공기 가습의 대체적이고도 보충적인 방법은 촉매전환기(catalytic converter)로 배기가스의 질소배출물을 제거하는 것이다. 촉매전환기로써 배기가스에 요소와 물의 혼합물이 배기가스에 분사되어 질소산화물을 질소와 수증기로 환원시킨다. 촉매전환기는 질소배출을 효과적으로 환원시키지만, 선박에 적용되는 경우에는, 촉매전환기는 매우 고가이다. 엔진비용이 약 30%에 달하고 대형선박의 경우에는 그 이상이다. 게다가, 선박에서 촉매전환기는 공간을 많이 차지하고 정비 등에 상당한 비용이 발생된다.
본 발명의 목적은, 다양한 연소엔진과, 특히 대형의 2행정 및 4행정의 디젤엔진으로부터 발생하는 배기가스 배출물을 정화하는 경제적이고 효과적인 해결방안을 제공하는 것이다. 따라서 선박의 디젤엔진과 디젤 발전소는 중요한 적용예이다.
이는, 연소엔진의 부하 변화에 따라서 가스와 물안개의 혼합이 변화하는 것을 특징으로 하는 본 발명의 방법에 의하여 달성된다. 가스 공급 때문에, 단순한 물 공급, 즉 동일한 주입압력(가스/물안개 혼합물의 주입압력)이지만 가스를 주입하지 않는 물 공급과 비교해서 공급될 물의 양과 그 물방울 크기가 줄어들 것이다. 공급되는 물의 양과 관련하여 가스가 더 많이 공급되면 공급될수록, 물방울은 점점 더 작아질 것이다. 가스의 공급은, 매우 용이하고 신속하게 증발하는 매우 작은 물방울을 제공하여, 많은 양의 에너지를 속박하고 연소온도를 낮추는 데에 기여한다.
본 발명의 방법을 피스톤 엔진, 특히 디젤 엔진에 적용하는 경우에는, 가스와 물안개를 함유하는 혼합물의 혼합비율은, 모터가 부분 동력으로 작동하면서 엔진부하가 주어진 부하 레벨로 증가함에 따라 상기 혼합물에서 물안개의 양이 증가하도록 변화되고, 부하가 높을 때에 물의 절대량이 부하에 의해 증가되도록 엔진부하가 감소됨에 따라 가스와 물안개의 양이 감소되도록 변화되는 것이 바람직하다. 이리하여, 엔진이 부분 동력으로 작동될 때에 엔진을 최적으로 냉각시키는 원하는 물방울 크기가 얻어진다. 엔진부하가 상기 주어진 부하를 초과하면, 가스공급이 실질적으로 중단되고 액체 공급이 계속되는 것이 바람직하고, 이로써 공급되는 액체의 양은 전형적으로는 엔진부하가 증가함에 따라 증가된다. 부하가 높을 때에 가스공급을 실질적으로 또는 완전히 중단하는 것이 가능한 이유는, 엔진 충전공기의 온도가 높은 부하에서 매우 높아서 상대적으로 큰 물방울이더라도 용이하게 증발하기 때문이다.
작은 물방울이 증발함에 따라, 많은 양의 에너지를 속박한다. 어떤 경우에는, 냉각효과가 과도하게 될 수도 있지만, 이는 엔진의 배기가스의 열에 의해 스프레이 헤드에 공급되는 수성 액체를 가열함으로써 방지할 수 있고, 이로써 액체는 엔진에 예열(pre-heated)되어 공급된다.
상기 방법이 가스로서 엔진으로부터의 세정된 배기가스를 채용하면, 더 높은 일정 열이 엔진에 공급되는 혼합물에 제공되고, 이는 엔진의 최대온도를 더욱 줄인다.
본 발명에 의한 방법의 바람직한 실시예를 청구항 2 내지 청구항 13에 개시한다.
본 발명에 의한 방법의 장점은, 질소배출물을 효과적으로 줄일 수 있고, 특히 부분 동력으로 작동하는 디젤 엔진에 적용되는 경우에는, 임의의 특정 엔진 사용의 요구조건에 맞도록 매우 정확하게 조정될 수 있으며, 또한 엔진에 커다란 변화를 가할 필요없이 작은 공간에 용이하게 장착될 수 있다는 것이다. 실제로, 선 박의 배출물을 상당히 줄일 수 있으며, 이는 정박하고 있거나 육지에 가까운 곳에서 선박의 디젤엔진은 부분 동력으로 작동되기 때문이다. 상기 방법에 의하면 위험하고 폭발적인 증발기를 사용하지 않아도 된다. 이는 폭발의 위험은 부식성 환경과 결합된 고온 고압의 조건에서 발생하기 때문이다. 촉매전환기를 설치할 필요가 없거나 적어도 그 필요성이 실질적으로 감소된다. 게다가, 상기 방법의 투자 및 작동비용이 낮다.
본 발명의 장치는, 공급되는 가스와 물안개의 혼합비율이 엔진 부하의 변화에 따라 변화되도록, 주입수단으로부터 수성 액체의 주입량을 제어하는 제어수단과, 주입수단으로부터의 가스의 주입량을 제어하는 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
가스주입수단은 컴프레셔(compressor)를 구비하는 것이 바람직하다. 컴프레셔의 가스주입은 임의의 특정요구에 맞추도록 정확히 조정하기에 용이하다.
액체주입수단은 펌프를 구비하는 것이 바람직하다. 펍프는 가스주입수단에 의해 생성된 압력으로 수성액체를 주입하도록 배치된다. 펌프는, 예컨대 피스톤 펌프이고, 이에 의해 펌프압력은 가스주입의 압력으로 자동적으로 설정된다.
몇몇 경우에는, 물안개는 연소온도를 과도하게 낮춘다. 이러한 관점에서, 장치는, 스프레이 노즐에 주입되는 수성 액체를 가열하는 가열수단을 구비하는 것이 바람직하며, 상기 가열수단은 연소엔진의 배기 매니폴드에 배치된 가스유동공간인 것이 바람직하며, 상기 매니폴드를 통하여 수성액체의 공급원이 수성액체를 공급하도록 배치되어, 배기가스의 열에너지를 수용하고 가열된 수성 액체가 스프레이 헤드로 공급될 수 있다. 이 해결방안은, 버려졌을 배기가스의 열에너지를 이용하는 것이다.
본 발명에 의한 장치의 바람직한 실시예는 청구항 15 내지 청구항 22에 기재되어 있다.
본 발명에 따른 장치의 주된 장점은, 특히 부분 동력으로 가동하는 디젤엔진에 관련하여, 질소배출물을 효과적으로 줄이고, 게다가 그 구조와 장착이 간단하다는 것이다. 상기 장치는 임의의 특정 엔진 사용의 요구조건에 맞도록 정확하게 조정될 수 있고 엔진에 큰 변화를 가할 필요없이 작은 공간에 용이하게 장착될 수 있다는 것이다. 게다가, 장치의 투자 및 작동비용이 낮고 폭발의 위험이 없다.
도 1은, 본 발명의 제 1 실시예를 나타내는 도면이다.
도 2는, 본 발명의 제 2 실시예를 나타내는 도면이다.
도 3은, 본 발명의 주요 구성요소를 예시하는 도면이다.
도 4는 도 1 및 2의 실시예에 적용될 수 있는 배기가스 세정기구를 나타내는 도면이다.
이하, 2개의 바람직한 실시예에 의하여 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 본 발명을 설명한다.
도 1은 선박의 대형 6기통 디젤엔진을 나타낸다. 엔진에는 흡기 파이프라인 (suction pipeline)(2)내로 가압된 연소공기를 주입하는 충전기(charger)(1)가 마 련되어 있다. 엔진의 질소배출을 줄이기 위하여, 흡기 파이프라인(2)에는 흡입 매니폴드내로 가스와 물안개의 혼합물을 주입하도록 배치된 스프레이 헤드(3)가 마련되어 있고, 흡입 매니폴드로부터 엔진 실린더(4) 내로 상기 혼합물이 지나간다. 가스와 물안개의 혼합물이 실린더로 들어가기 때문에, 실린더(4)의 연소온도는 감소한다. 연소온도는 엔진이 풀 파워로 가동될 때와 부분 동력으로 가동될 때의 사이에서 효과적으로 감소한다. 엔진이 부분 동력으로 가동할 때에도 연소온도가 효과적으로 감소하는 이유는, 스프레이 헤드(3)가 또한 흡기 파이프라인 내로 가스를 주입하기 때문이다. 중요한 것은 가스 주입으로 인하여 물방울의 크기가 감소한다는 것이며, 따라서 엔진이 부분 동력으로 가동되고 온도가 상대적으로 낮아도 물방울은 용이하고 신속하게 증발하며, 배출감소에 요구되는 물의 양도 엔진이 풀 파워로 가동될 때에 비하여 더 작다. 낮아진 연소온도로 인하여, 질소배출은 엔진의 전체 동력곡선(동력 대 rpm의 관계를 나타내는 곡선)을 통하여 효과적으로 감소된다. 그리하여, 가스주입은, 공지의 문제점을 해결하여, 특히 엔진이 부분 동력에서 가동될 때에, 충분히 작은 방울을 얻는다.
도 3에서, 흡기 파이프라인(2)에 배치된 스프레이 헤드(3)를 확대하여 나타내었다. 스프레이 헤드(3)는 복수의 노즐(5)을 구비하며, 노즐은 흡기 파이프라인 (2) 내로 가스와 물안개의 혼합물이 균등하게 주입되게 한다. 노즐(5)의 수는 바뀔 수 있다. 기본적으로, 노즐은 하나이면 충분할 것이다. 스프레이 헤드(3)는 소위 트윈 액체스프레이 타입의 것이고, 가스와 액체가 별도로 공급되고, 가스와 물을 스프레이 헤드 내에서 혼합하여, 안개로서 노즐(5)을 통하여 생성되는 혼합물을 분사한다.
도 1의 경우에 있어서, 스프레이 헤드(3)에 공급된 가스는 공기이고, 따라서 참조번호 6은 압축공기 컴프레셔를 가리킨다. 공기는 파이프(7)를 따라서 스프레이 헤드(3) 내로 공급된다. 압력은, 예를 들면 30바(bar)일 수 있다. 참조번호 13은 에어펌프를 가리키고, 참조번호 14는 전기모터를, 참조번호 15는 필터를, 참조번호 16은 매체가 파이프(7)로부터 펌프(13)내로 이송되는 것을 방지하는 역압밸브(back-pressure valve)를 가리킨다.
스프레이 헤드(3) 내로 공급되는 액체는 담수(fresh water)이거나, 높은 물 함유량을 가지는 수성 액체이다. 실제로, 물 함유량은 95% 내지 100%이고, 그러한 경우에 전형적으로는 그 범위의 상한에 가까운 값이 선택된다. 유리하게는, 액체는 내부식성 첨가제나 탈회제(deliming agent)를 함유할 수도 있다. 담수는 펌프 유니트(8)로써 컨테이너(9)로부터 파이프(10)를 따라서 스프레이 헤드(3)로 주입된다. 펌프 유니트(8)는 피스톤 펌프(11)와 전기모터(12)를 구비하며, 그 작동속도는 도면에서 참조번호 50으로 나타낸 제어수단에 의해 제어될 수 있다. 예를 들면, 제어수단(50)은 디젤엔진의 작동속도에 반응하도록 연결될 수 있다. 참조번호 17은 역압밸브를 가리키는 것으로서, 매체가 파이프(10)를 따라서 스프레이 헤드로부터 펌프(11)나 컨테이너(9)로 이송되는 것을 방지한다. 참조번호 18과 19는 파이프와 릴리즈 밸브를 각각 가리키며, 이를 통하여 펌프(11)의 압력과 파이프(18) 내의 압력이 주어진 소정의 한계값을 초과하면 물이 흐를 수 있다. 파이프(18)와 릴리즈 밸브(19)는 압력이 상승하여 구성요소가 손상을 입는 것을 방지하는 안전기 구로서 기능한다. 참조번호 20과 21은 밸브를 가리키고, 참조번호 22는 필터를 가리킨다. 필터(22)는 스프레이 헤드를 막히게 할 수 있는 그러한 입자가 스프레이 헤드(3)로 들어가는 것을 방지한다.
도 1의 디젤 엔진은, 디젤 엔진이 낮은 동력으로 작동할 때에 공기와 물 모두가 스프레이 헤드(3)로 주입되도록 작동한다. 엔진에 필요한 연소공기의 대부분은 충전기(1)를 통하여 흡입 매니폴드 내로 주입된다. 컴프레셔(6)로부터의 공기와 펌프(11)로부터의 물이 스프레이 헤드(3)에서 혼합되고 스프레이 헤드 노즐은 공기와 물의 혼합물을 흡기 파이프라인(2) 내로 분사한다. 물은 기껏해야 200 마이크로미터의 물방울 크기를 가지는 미세등급 안개(fine-grade mist)이고, 바람직하게는 100 마이크로미터 미만, 보다 바람직하게는 50 마이크로미터 미만이다. 상기 물방울 크기의 값은, 예컨대 평균크기가 아니라 모든 물방울의 크기를 나타낸다. 디젤엔진의 작동속도가 클수록, 펌프 유니트(8)가 작동되는 속도는 크고, 이에 의해 스프레이 헤드에 주입되는 물의 양은 증가한다. 펌프 유니트(8)는 채용되는 제어수단에 따라서 여러 가지 방식으로 제어될 수 있다. 한가지 방법은 펌프(11)의 작동속도를 디젤엔진의 작동속도에 의존하도록 하는 것이다. 그 제어방법은 당업자에게 자명한 것이므로, 제어방법이나 펌프제어에 대하여는 여기서 더 상세히 설명하지 않는다. 그리하여, 스프레이 헤드(3)에 공급되는 물의 양은 디젤엔지의 작동속도와 그 순간동력(momentary power)에 의존한다. 동력이 높으면, 보다 많은 물이 주입된다. 주입되는 물의 양은 디젤엔진에 주입되는 연료의 양의 대략 0.5 내지 2.5배이다. 질소배출을 줄이기 위하여는, 디젤엔진이 낮은 동력으로 작동될 때에 물을 주입하는 것이 특히 중요하다. 스프레이 헤드(3)에 주입되는 공기의 양은 일정하거나, 디젤엔진이 낮은 동력에서 작동될 때에 디젤엔진의 작동속도에 따라서 크게는 변화하지 않는다. 상술한 바와 같기 때문에, 스프레이 헤드 (3)로부터 분사된 혼합물의 물 함유량은 감소하고, 디젤엔진에 부하되는 동력이 낮을수록 물방울 크기는 더 작아진다.
디젤엔진의 작동속도가 주어진 상대적으로 높은 한계치를 초과하고 디젤엔진이 높은 동력에서 작동되면, 엔진이 높은 동력으로 작동하는 때에는 연소온도가 높기 때문에, 상대적으로 큰 물방울이라도 용이하게 증발하기 때문에, 스프레이 헤드(3)로의 공기의 주입은 중단되거나, 실질적으로 감소한다.
필요한 경우에는, 물안개의 물방울 크기는 물방울이 실린더(4)까지 들어가도록 크게 선택될 수 있고, 압축행정동안에 실린더 내에서 증발하지 않을 것이다. 증발에 있어서, 압축 작업은 감소되고 이에 따라 디젤엔진의 작동효율이 향상된다.
컨테이너(9) 내의 물의 레벨이 주어진 레벨 이하로 낮아지면, 스위치(23)는 밸브(21)를 개방한다. 컨테이너(9)의 물의 레벨이 주어진 레벨까지 상승하면 스위치(24)가 밸브(21)를 폐쇄한다.
도 2는 디젤엔진에 설치된 본 발명에 따른 장치의 제 2 실시예를 나타낸다. 도 2의 실시예에 있어서, 도 1의 구성요소와 같은 구성요소에 대하여는 같은 참조번호를 붙였다. 스프레이 헤드(3') 내로 주입되는 매체가 가열(예열)된다는 점에서 도 2의 해결방안은 도 1의 것과 상이하다. 파이프(710')가 디젤엔진의 배기 매니폴드(30')에서 가스유동공간(31')에 배치되어, 뜨거운 유동배기가스가 열에너지를 파이프(710') 내를 흐르는 매체, 즉 공기/물 혼합물에 열에너지를 방출하는 방식으로 가열이 실행된다. 파이프(710') 내의 매체는 예열되기 때문에, 스프레이 헤드(3')로부터 분사된 혼합물은 엔진 내로 주입되는 습공기(humid air)를 과도하게 냉각하지 않는다. 예열의 레벨은 작동조건에 따라서 조정됨은 물론이다. 가스유동공간(31')은 온수 컨테이너를 구비하며, 온수 컨테이너는 연소엔진의 배기가스로부터의 열을 수용하도록 배치된다.
또한, 스프레이 헤드(3')에 주입되는 공기와 물은 스프레이 헤드에 주입되기 전에 혼합된다는 점에서 도 2의 실시예는 도 1의 실시예와 상이하다. 그리하여, 스프레이 헤드(3')의 구조는 도 1에 나타낸 스프레이 헤드(3)의 구조보다 보다 간단하게 될 수 있다. 혼합은 주로 P'지점에서 발생하지만, P'지점과 스프레이 헤드 (3') 사이의 파이프(710) 부분에서도 여전히 계속된다.
한편, 도 2의 장치는 도 1의 장치와 마찬가지로 작동한다.
도 4는 세정에 의해 배기가스를 정화하는 기구를 나타낸다. 상기 기구는 도 1 및 도 2에 의한 엔진의 배기 파이프라인에 장착된다. 참조번호 61은 고압 스프레이 헤드를 가리키고, 특정 파이프(90)에 장착되며, 본체(60)에 의해 지지되며, 물안개를 분사하며, 이 스프레이 헤드는 10 내지 300바, 바람직하게는 20 내지 100바의 압력에서 작동한다. 스프레이 헤드(61)의 노즐이 작동함에 따라 배기가스를 빨아들이는 흡기가 발생한다. 물안개와 배기가스의 질소산화물이 반응하여 반응챔버를 구성하는 파이프라인(90) 내에 질산(nitric acid)을 생성한다. 정화된, 즉 세정된 배기가스는 파이프(70)로부터 배출되고, 상기 파이프로부터 파이프(도시하 지 않음)를 통하여 노즐(3과 3')로 안내된다(도 1 및 도 2 참조). 물안개와 배기가스의 반응생성물은 플랜지(100)로부터 방출되어, 파이프(도시하지 않음)를 따라서 반응생성물은 연행될 수 있다. 도 4의 기구는 플랜지(80)에 의해 배기 매니폴드(30, 30')의 측면에 장착되도록 한 것이다. 한편, 플랜지(80)는 생략될 수 있고, 배기가스가 상기 기구를 통과할 수 있도록 배기 매니폴드의 안쪽에 상기 기구가 배치된다. 플랜지(80)의 상승류(upstream)에는 플랜지(80) 내로 안내되고 매니폴드(30)에서 지나가는 배기가스의 양의 비율을 조정할 수 있도록 하는 격벽 (baffle)(도시하지 않음)이 있는 것이 바람직하다. 파이프(70)에서 상방으로 흐르는 세정된 배기가스는 파이프(도시하지 않음)를 통하여 플랜지(80)(및 존재한다면 격벽)의 상승류의 매니폴드(30)로 되돌아갈 수 있다. 배기가스로부터 질소산화물을 제거하기 때문에, 도 1 및 도 2의 장치를 가지는 도 4의 세정기구의 조합은 배출물, 특히 질소산화물의 배출이 매우 낮은 시스템을 제공한다. 또한, 도 4의 장치는 황 배출을 실질적으로 감소시킨다.
단지 2가지의 예에 의해 본 발명을 기술하였지만, 첨부된 청구항의 범위 내에서 다양한 방법으로 본 발명을 실행할 수 있음을 주목해야 한다. 따라서, 스프레이 헤드에 공급되는 가스는 공기일 필요는 없고, 예를 들면 엔진으로부터 발생된 세정된 배기가스 등 다른 가스일 수 있다. 후자의 경우에, 파이프 가스의 특정 열이 공기보다 높기 때문에, 엔진의 피크온도는 낮아질 것이고, 이에 따라, 스프레이 헤드로부터 주입된 가스혼합물의 특정 열은 더 높다. 스프레이 헤드의 노즐의 수와 상호각도, 및 노즐의 거리는 도 3에 도시한 바와 달리 변할 수 있다. 대체로, 몇 개의 스프레이 헤드(3)일 수도 있지만, 하나의 스프레이 헤드로써 가장 성공적으로 본 발명이 실행된다고 생각될 수 있다.
상기 방법과 장치는 디젤엔진 이외의 다른 엔진에도 적용될 수 있고, 따라서 상기 방법은 오토사이클 엔진(Otto-cycle engine)과 가스 터빈에도 적용될 수 있다.

Claims (27)

  1. 가스와 물안개(aqueous mist)의 혼합물을 스프레이 헤드(3, 3')로써 연소엔진의 연소실로 안내되는 공간(2, 2')에 주입하는 단계와,
    가스와 물안개의 혼합비율을 연소엔진의 부하 변화에 따라서 변화시키는 단계를 포함하여 구성되며,
    가스와 물안개의 혼합물의 혼합비율은, 상기 연소엔진이 부분 동력(partial power)으로 작동하면서 연소엔진의 부하가 주어진 부하 레벨로 증가함에 따라 상기 혼합물에서의 물안개의 양이 증가하도록 변화되고, 연소엔진의 부하가 감소함에 따라 상기 혼합물에서의 물안개의 양이 감소하도록 변화되어, 물의 절대량이 엔진부하에 따라 증가되도록 하는 연소엔진 배기가스 정화방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 엔진부하가 상기 주어진 부하레벨을 초과하면, 가스주입은 중단되고, 상기 스프레이 헤드(3, 3')로부터의 물안개의 주입은 계속되는 것을 특징으로 하는 연소엔진 배기가스 정화방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 가스와 수성 액체가 혼합되어 혼합물이 되고, 이 혼합물이 가스와 물안개를 함유하는 상기 혼합물을 얻기 위하여 스프레이 헤드(3)에 공급되는 것을 특징으로 하는 연소엔진 배기가스 정화방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 가스와 수성 액체가 스프레이 헤드(3')에 공급되고, 가스와 물안개를 함유하는 상기 혼합물을 얻기 위하여 상기 스프레이 헤드에서 상기 가스와 상기 수성 액체가 혼합되는 것을 특징으로 하는 연소엔진 배기가스 정화방법.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 가스는 공기인 것을 특징으로 하는 연소엔진 배기가스 정화방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 공기는 컴프레셔(6, 6')로써, 수성 액체는 펌프(11, 11')로써 스프레이 헤드(3, 3')로 주입되는 것을 특징으로 하는 연소엔진 배기가스 정화방법.
  7. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 연소엔진으로부터의 배기가스가 스프레이 헤드(3, 3')에 주입되기 전에 세정(washing)되어 가스로서 사용되는 것을 특징으로 하는 연소엔진 배기가스 정화방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 배기가스를 세정하기 위하여 상기 배기가스내로 하나 이상의 별도의 스프레이헤드(61)로부터 물안개가 분사되는 것을 특징으로 하는 연소엔진 배기가스 정화방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 물안개는 10 내지 300바의 압력으로 분사되는 것을 특징으로 하는 연소엔진 배기가스 정화방법.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 수성액체가 엔진 배기가스의 열에 의하여 예열되고, 이 예열된 수성액체가 상기 스프레이헤드(3,3')로 공급되어 상기 가스와 물안개의 혼합물을 얻기 위하여 상기 스프레이헤드로부터 엔진의 상기 공간(2,2')으로 분사되는 것을 특징으로 하는 연소엔진 배기가스 정화방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합물에서의 물안개의 물방울 크기는 200 마이크로미터 이하인 것을 특징으로 하는 연소엔진 배기가스 정화방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 연소엔진은 피스톤엔진인 것을 특징으로 하는 연소엔진 배기가스 정화방법.
  13. 연소엔진의 공간(2, 2')에 가스와 물안개의 혼합물을 주입하는 스프레이 헤드(3, 3')와,
    상기 스프레이 헤드(3, 3')에 가스를 주입하기 위한 가스주입수단(6, 6')과,
    상기 스프레이 헤드에 수성 액체를 주입하기 위한 액체주입수단(8, 8')과,
    상기 가스주입수단으로부터의 가스와 상기 액체주입수단으로부터의 수성액체를 혼합하고, 상기 가스와 물안개의 혼합물을 얻기 위하여 상기 가스와 수성액체의 혼합물을 상기 스프레이헤드로 공급하는 혼합수단(P')을 포함하여 구성되며,
    상기 공간(2, 2')은 연소엔진의 연소실과 유동연결되도록 배치된 연소엔진 배기가스의 정화장치로서,
    상기 장치는, 연소엔진 부하의 변화에 따라 공급되는 가스와 물안개의 혼합비율이 변화되도록, 액체주입수단(8, 8')으로부터 수성 액체의 주입량을 제어하는 제어수단(50,50')과, 가스주입수단(6, 6')으로부터의 가스의 주입량을 제어하는 제어수단을 구비하며,
    상기 제어수단(50,50')은, 상기 연소엔진이 부분 동력으로 작동하면서 연소엔진의 부하가 주어진 부하 레벨로 증가함에 따라 상기 혼합물에서의 물안개의 양이 증가하도록 변화시키고, 연소엔진의 부하가 감소함에 따라 상기 혼합물에서의 물안개의 양이 감소하도록 변화시켜, 물의 절대량이 엔진 부하에 따라 증가되도록, 상기 수성 액체의 주입양을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연소엔진 배기가스 정화장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 가스주입수단은 컴프레셔(6, 6')를 구비하는 것을 특징으로 하는 연소엔진 배기가스 정화장치.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서, 연소엔진으로부터 배출된 배기가스를 정화하기 위하여 상기 배기가스에 물안개를 분사하는 별도의 고압 스프레이 헤드(61)를 구비하며, 상기 가스주입수단은 스프레이 헤드(3, 3') 내로 상기 고압 스프레이 헤드에 의하여 세정된 배기가스를 안내하는 수단(70)을 구비하는 것을 특징으로 하는 연소엔진 배기가스 정화장치.
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 액체주입수단은, 액체공급원(9, 9')과, 액체공급원으로부터 스프레이 헤드(3, 3')에 액체를 주입하는 펌프(11, 11')를 구비하는 것을 특징으로 하는 연소엔진 배기가스 정화장치.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 펌프(11, 11')는, 연소엔진의 회전율이 증가하면 펌프회전율을 증가시키고, 연소엔진의 회전율이 감소하면 펌프회전율을 감소시키는 제어수단(50, 50')을 구비하는 것을 특징으로 하는 연소엔진 배기가스 정화장치.
  18. 제 13 항에 있어서, 스프레이 헤드(3')에 주입되는 수성 액체를 가열하는 가열수단(31')을 구비하는 것을 특징으로 하는 연소엔진 배기가스 정화장치.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 가열수단은 연소엔진의 배기 매니폴드(30')에 배치된 가스유동공간이며, 상기 가스유동공간을 통하여 수성액체의 공급원(9')은 스프레이 헤드(3')에 수성액체를 공급하도록 배치되어, 스프레이 헤드(3')에 주입되기 이전에 배기가스로부터의 열 에너지를 수성 액체가 수용하는 것을 특징으로 하는 연소엔진 배기가스 정화장치.
  20. 제 13 항에 있어서, 상기 혼합수단이 스프레이 헤드(3)에 위치하는 것을 특징으로 하는 연소엔진 배기가스 정화장치.
  21. 제 13 항에 있어서, 상기 혼합수단(P')이 수성 액체의 유동방향에서 보았을 때에 스프레이 헤드(3')의 상류측에 위치한 것을 특징으로 하는 연소엔진 배기가스 정화장치.
  22. 제 5 항에 있어서, 수성액체가 엔진 배기가스의 열에 의하여 예열되고, 이 예열된 수성액체가 상기 스프레이헤드(3,3')로 공급되어 상기 가스와 물안개의 혼합물을 얻기 위하여 상기 스프레이헤드로부터 엔진의 상기 공간(2,2')으로 분사되는 것을 특징으로 하는 연소엔진 배기가스 정화방법.
  23. 제 6 항에 있어서, 수성액체가 엔진 배기가스의 열에 의하여 예열되고, 이 예열된 수성액체가 상기 스프레이헤드(3,3')로 공급되어 상기 가스와 물안개의 혼합물을 얻기 위하여 상기 스프레이헤드로부터 엔진의 상기 공간(2,2')으로 분사되는 것을 특징으로 하는 연소엔진 배기가스 정화방법.
  24. 제 7 항에 있어서, 수성액체가 엔진 배기가스의 열에 의하여 예열되고, 이 예열된 수성액체가 상기 스프레이헤드(3,3')로 공급되어 상기 가스와 물안개의 혼합물을 얻기 위하여 상기 스프레이헤드로부터 엔진의 상기 공간(2,2')으로 분사되는 것을 특징으로 하는 연소엔진 배기가스 정화방법.
  25. 제 8 항에 있어서, 수성액체가 엔진 배기가스의 열에 의하여 예열되고, 이 예열된 수성액체가 상기 스프레이헤드(3,3')로 공급되어 상기 가스와 물안개의 혼합물을 얻기 위하여 상기 스프레이헤드로부터 엔진의 상기 공간(2,2')으로 분사되는 것을 특징으로 하는 연소엔진 배기가스 정화방법.
  26. 제 9 항에 있어서, 수성액체가 엔진 배기가스의 열에 의하여 예열되고, 이 예열된 수성액체가 상기 스프레이헤드(3,3')로 공급되어 상기 가스와 물안개의 혼합물을 얻기 위하여 상기 스프레이헤드로부터 엔진의 상기 공간(2,2')으로 분사되는 것을 특징으로 하는 연소엔진 배기가스 정화방법.
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