KR100892791B1 - 환원제의 저장 및 주입을 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

주입되는 환원제를 저장하기 위한 장치(10)와, 환원제에 의해 처리되는 배기 가스에 작용하기 위한 주입 장치(20)를 갖는 촉매 배기 가스 처리의 범주에서 사용 가능한 환원제를 저장 및 주입하기 위한 장치를 포함하며, 환원제의 저장 장치(10)는 외부 용기(11)와 상기 용기 내에서 교체 가능하도록 배치되고, 환원제를 함유하는 카트리지(12)를 제공한다.

환원제, 카트리지, 촉매, 배기 가스, 압력 제어 밸브, 감압 장치

Description

환원제의 저장 및 주입을 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR STORING AND DOSING A REDUCING AGENT}

본 발명은 청구항 제1항 및 제10항의 전제부에 따른 환원제의 저장 및 주입을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 청구항 제12항의 전제부에 따른 환원제의 저장 장치에 관한 것이다.

종래에 유해 물질 한계값을 낮추기 위한 끊임없는 결과로 엔진 배기 가스의 사후 처리를 위한 다수의 장치 및 방법이 개발되었다. 예를 들어 질소 산화물(NO_x)-변환을 위한 암모니아를 함유한 환원제를 사용하는 촉매 컨버터 시스템을 통해서 효율적인 배기 가스 사후 처리 시스템이 사용되었다.

배기 가스에서 질소 산화물-성분의 감소를 위해, 특히 디젤 엔진을 위한 환원제 촉매가 개발되었다. 보통 이른바 SCR(Selective Catalytic Reduction)-촉매 컨버터와 이른바 저장 촉매 컨버터로 구분된다. 산화 질소는 SCR-촉매 컨버터에서 환원제와 선택적으로 반응한다. 질소 산화물-환원은 촉매 컨버터의 온도 작용 범위에서 연속적으로 이루어진다. 암모니아는 가장 높은 선택성을 갖는 환원제이다. 암모니아는 차량에서 예를 들어 요소로부터 얻어질 수 있고, 반면에 저장 촉매 컨 버터는 예를 들어 질소 산화물을 질산염으로써 저장하고, 주기적으로 이른바 배기 가스 농후 단계에서 유입된 엔진-연료의 탄화수소와 재생된다.

압착 공기를 이용하여 디젤 엔진으로부터 배기 가스의 산화질소를 제거하도록 요소-수용액이 첨가되는 시스템은 유럽 특허 제0381236에 공지되어 있다. 그러나, 요소-수용액은 추가적인 화학 과정을 통해 암모니아로 변화되어야 하고, 이를 통해 방법의 효율은 더 악화되고, 원하지 않은 부산물이 제외될 수 없다.

상기 방법의 SCR-기술의 범주에서 탄산암모늄 또는 암모니아수 같은 다른 암모니아를 함유한 원료를 사용하는 것이 공지되어 있다. 그러나, 암모니아는 처리의 어려움으로 직접 사용될 수 없기 때문에 전체적으로 공지된 방법은 일치한다.

암모니아를 함유한 원료의 사용에 있어서 다른 단점으로는, 예를 들어 비교적 양에 비해 적은 환원 능력 및 경우에 따라서 겨울에 제한된 유용성을 제공함으로써 상응하는 추가적 조치가 요구된다는 것이다.

미국 특허 제6,122,909호에서 엔진의 배기 가스 방출의 촉매 환원을 위한 장치 및 방법이 공지되어 있다. 상기 공보에는 특히, 촉매 컨버터의 활성화 하에서 질소 및 물의 형성을 위한 산화질소와 반응하기 위해 암모니아는 SCR-방법의 범주에서 배기 가스로 공급될 수 있다는 것이 공지되어 있다. 그러나, 암모니아는 유독 가스로 기술되고, SCR-시스템에 암모니아를 첨가하는 것은 많은 비용이 든다는 것이 확인된다.

본 발명의 목적은 가능한 비용이 들지 않는 방법으로, SCR-방법의 범주에서 암모니아 또는 지금까지 비교적 처리하기 힘든 다른 환원제의 직접적인 첨가를 가 능케 하기 위한 것이다.

상기 목적은 청구항 제1항의 특징을 갖는 장치 및 방법으로 이루어진다.

본 발명에 따른, 예를 들어 SCR-방법에 있어서 환원제로써 순수 암모니아의 가능한 사용은 통상적인 방법의 실시예에 비해 높은 효율로 달성되고, 부산물이 제거되고, 질량에 비해 높은 환원 능력이 구현된다.

본 발명에 따른 해결책은 매우 사용하기 편한 환원제의 주입을 허용하고, 간단히 구현되는 수송을 가능하게 한다.

본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시예는 종속항의 요지이다.

본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시예에 따르면 암모니아는 교체 가능한 카트리지에 저장된다. 상기 카트리지는 카트리지를 둘러싸거나 고정하고 있는 용기에 카트리지의 위치로 삽입 시에 자동으로 개방 가능한 안전 밸브를 포함한다. 상기 안전 밸브가 제공됨으로써 카트리지의 특히 안전한 삽입 및 특히 간단한 교체가 가능하다.

유리하게는 용기 및/또는 카트리지는 압력- 또는 안전 용기로써 형성된다. 견딜 수 있는 통상의 압력은 60 바(bar) 이상이기 때문에 상응하는 압력 용기의 제공은 시스템의 안전을 보장한다.

추가적으로 카트리지의 안전 밸브에 안전 잠금 장치가 제공되는 것은 유리한 것으로 나타난다. 상기 잠금 장치는 예를 들어 용기내로 삽입되기 전에 수동 회전 에 의해 잠금 해제 상태로 될 수 있고, 다른 운동 방향도 생각할 수 있다. 또한, 자동 비틀림은 예를 들어 용기에 카트리지의 삽입 시에 생각할 수 있다.

본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시예에 따르면 상기 용기는 덮개를 포함하고, 덮개를 통해 카트리지는 용기 내에서 제 위치에 고정될 수 있거나 안착될 수 있다. 이러한 유형의 덮개에는 바람직하게는 내부면상에 카트리지의 손잡이가 돌출할 수 있는 홈이 형성된다. 따라서, 덮개의 개방 시에 카트리지의 특히 간단한 착탈이 가능하다.

특히 엔진 냉각수를 통해 작동될 수 있는 용기 및/또는 카트리지가 가열 가능한 것은 바람직하다. 예를 들어 엔진 냉각수가 운반될 수 있는 중공 벽을 갖춘 용기가 형성될 수 있다. 상기 조치로, 예를 들어 카트리지 및 카트리지 내용물을 적합한 온도, 예를 들어 60℃, 40℃ 또는 0℃로 가열하는 것이 가능하고(일정한 압력비의 제공을 위해 온도는 60℃가 바람직하다), 이에 의해 카트리지와 분배 장치 사이에서 환원제, 특히 암모니아의 공급이 지원되고, 환원제의 적어도 일 부분이 가열을 통해 가스 형태의 상태로 전환될 수 있어서, 가스 주입이 실행될 수 있다. 양 압력비를 이루는 다른 온도도 생각할 수 있다.

저장 장치 및 주입 장치는, 특히 압력 센서에 의해 감시 가능한 환원제의 운송을 위한 도관을 통해 서로 연결될 수 있다. 환원제의 주입은 액화- 또는 가스 주입으로써, 또는 액화-가스-주입으로써 실시될 수 있다. 압력 센서를 통해 유리하게는 예를 들어 1.8 바의 조절된 일정한 시스템 압력은 간단한 방법으로 검사될 수 있다. 환원제는 액화 주입에 있어서 액체 형태로 카트리지 및 용기 내에 존재 하는 압력에 의해 주입 유닛에 도달한다. 이는, 주입량이 존재하는 압력에 따라 보정되는 것을 전제로한다. 압력 센서는 상기 시스템 압력의 감시에 사용될 수 있다.

저장 장치 및 주입 장치를 서로 연결하는 도관은 유리하게는 두 겹의 벽으로, 그리고 경우에 따라서는 절연제로 채워진다.

주입 장치(20)는 엔진 냉각수 또는 다른 냉각제, 특히 디젤 연료를 통해 영향을 받는다. 예를 들어 주입 장치의 범주 내에서 사용되는 정량 밸브는 냉각수가 유입 가능한 중공 내벽을 갖도록 형성될 수 있다. 또한, 선택적으로 주입 장치는 냉각제로 형성될 수 있고, 상기 냉각제를 통해 유리하게는 주입 장치가 배치된 배기관의 과도한 열 전도가 보상될 수 있다. 절연층이 주입 장치와 배기관 사이에 형성되는 것은 바람직하다.

외부의 용기 또는 카트리지 내에 형성된 감압 장치를 제공하는 것은 유리하다. 감압 장치는 특히 카트리지 내에서 액화 저장된 환원제를 적어도 부분적으로, 특히 완전히 가스 상태로 전환하는데 적합하다.

특히 압력 제어 밸브의 제공은, 특히 사고 시에 생명이 위험할 수 있는, 액체 및/또는 가스 형태로 차량에 유입된 전체 암모니아의 갑작스런 방출을 방지하기 위해서 특히 바람직하다. 이로써, 특히 유독한 가연성 재료로 위험하게 축적되는 농축 암모니아가 대기로 배출되는 상황이 방지 된다. 또한, 압력 용기가 허용 최대 작동 압력의 초과로 인해 파열되는 것이 신뢰성 있는 방법으로 방지될 수 있다. 이러한 압력 상승은 예를 들어 허용 작동 온도 이상으로 용기가 가열됨으로써 화재 가 발생하는 결과를 야기할 수 있다. 이러한 상황에서 환원제는 적시에 압력 제어 밸브를 통해 적은 양으로 배출되고, 초임계 압력 상승은 신뢰성 있게 방지되어, 용기의 파열이 방지된다.

본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예에 따르면, 환원제로써 암모니아가 사용된다. 촉매 배기 가스 정화의 범주에서 암모니아의 사용은 특히 효과적인 것으로써 나타난다. 본 발명에 의해, 통상적으로 유동적인 사용에 대해 위험한 것으로 간주되는 원료의 안전한 취급이 제공된다.

본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시예는 첨부된 도면을 통해 더 상세히 설명된다.

도1은 본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시예의 개략적인 단면도이다.

삭제

본 발명에 따른 장치의 세 개의 기본 부품은, 사용되는 환원제, 기술된 실시예에서는 암모니아의 저장을 위한 저장 장치가 도면에 전체적으로 10으로 표시되고, 사용된 환원제에 의해 정화되거나 처리된 배기 가스에 작용하기 위한 주입 장치가 도면에 20으로 표시되고, 구성 요소 10과 20을 서로 연결하는 압력관은 도면에 30으로 표시된다.

저장 장치(10)는 외부 가열 가능한 안전 용기(11) 및 상기 안전 용기로 삽입 가능하고 교체 가능한 카트리지(12)를 포함한다. 안전 용기(11)는 수평 개폐 가능한 덮개(11a)를 갖추어 형성되고, 상기 덮개를 통해 삽입된 카트리지(12)는 안전 용기(11)에 배치 되거나 고정될 수 있다. 덮개(11a)는 안전의 이유로 폐쇄 상태에서 카트리지(12)의 손잡이(12a)가 돌출한 홈(11b)을 포함한다. 용기 내벽의 상응하는 성형을 통해 카트리지의 안내 및 축 방향 위치 설정을 위해 상기 홈을 사용하는 것도 생각할 수 있다. 손잡이(12a)를 통해 안전 용기(11)로부터 카트리지(12)의 착탈이 간단한 방법으로 실행 가능하다.

안전 용기(11)는 중공 벽(11c)으로 형성되고, 카트리지의 가열을 위한 엔진 냉각수는 중공 챔버(11d)에 대략 60℃로 공급될 수 있다.

카트리지(12)는 안전 밸브(13) 및 안전 잠금 장치(14)를 갖추어 형성된다. 안전 용기(11)로 카트리지를 삽입하기 전에 안전 잠금 장치는 예를 들어 90°회전을 통해 수동으로 해제될 수 있다. 안전 밸브의 개방은 감압 장치(15)로써 형성된 안전 용기(11)의 영역 내로 카트리지의 삽입 시에 자동으로 실행된다.

안전 밸브(13)의 개방을 통해 암모니아는 감압 장치(15) 및 압력관(30)을 거쳐 주입 장치(20)로 관류할 수 있다. 주입 장치(20)는 상응하는 제어 장치(21)를 통해 제어 가능하다. 주입 장치(20)는 안전 용기(11)와 유사하게 중공 벽(20a)을 갖추고 형성될 수 있어서, 주입 장치(20)는 냉각수로 작동 가능하다.

감압 장치(15)는 유리하게는 부분적으로 카트리지에 액체 형태로 저장된 환원제를 가스 형태로 전환하는 것을 가능케 함으로써 가스 주입이 간단한 방법으로 구현 될 수 있다. 감압 장치는 압력을 감소하는데 사용되고, 액체에서 기체 형태 단계로의 이행은 구체적인 압력- 및 온도 변화를 통해 이루어진다. 완전함의 이유 를 고려하면 용기에는 유리하게는 가스 형태의 부분이 항상 존재한다. (여기에 설명되지 않는) 액화 주입 시에 환원제는 감압 장치의 중간 스위치 없이 탱크 압력 및 카트리지 압력을 갖는 연결관을 통해 주입 유닛에 도달한다. 이는, 주입량이 존재하는 압력에 따라 보정되어야 한다는 것을 전제로한다. 압력관(30)은 상기 목적을 위해 유리하게는 시스템 압력의 감시를 위한 압력 센서(31)를 통해 감시될 수 있다. 시스템 압력을 압력 조절기를 통해 일정하게 유지하는 것도 가능하다. 압력관은 안전의 이유로 두 겹의 벽으로 구현되고, 필요한 경우 절연된다.

주입 장치(20)는 처리된 배기 가스가 관류하는 배기관(40)에 고정되어 설치된다. 주입 장치는 프레임에 설치될 수도 있고, 배기관내로 돌출한 짧은 주입관을 포함한다. 이를 통해 열 부하가 감소될 수 있다. 주입된 환원제는 가스 형태로 주입 장치에 의해 분사관(41)을 통해 배기 가스로 운반된다.

주입 유닛은 유리하게는 하나 이상의 정량 밸브로 구성되고, 필요한 경우에 엔진 냉각수로 냉각될 수 있고, 배기관의 열에 대해 절연 플랜지 또는 중간 도관에 의해 차단될 수 있다.

환원제, 특히 암모니아와 배기 가스의 혼합을 개선하기 위해, 필요한 경우 다수의 정량 밸브 및 분사관 사용이 가능하다.

유리하게는 정량 밸브(20)와 배기관(40) 사이에 정량 밸브를 배기 가스 열로부터 절연하기 위해 절연제(23)가 제공된다.

삽입된 환원제, 여기서는 암모니아를 통해 축적된 배기 가스는 촉매 컨버터(43)로 유입되고, 상기 촉매 컨버터에서 공지된 촉매 배기 가스 처리가 실행 가능하다.

본 발명에 따른 장치의 사용 및 본 발명에 따른 방법의 실행을 위한 바람직한 점은 시스템 구성 요소의 수가 감소된다는 것이다. 본 발명에 따른 장치는 사용자에 유리한 환원제의 주입을 허용함으로써, 암모니아의 공급을 위한 운송이 간단한 방법으로 구현될 수 있다. 본 발명에 따른 장치는 승용차 및 상용차에도 설치 가능하다. 상기 장치는 특히 겨울에 개선된 유용성을 제공한다. 또한, 암모니아 생성 시에 부산물이 발생하지 않는다. 환원제 분리를 통한 기능 장애를 걱정할 필요가 없다.

본 발명에 따른 저장 장치는 카트리지 및 안전 용기로 구성된 시스템으로써 구현된다. 안전 용기는 안전을 더 높이기 위해 압력에 강하게 구성될 수 있다. 안전 용기는 상술한 바와 같이 가열 또는 비가열로 실행될 수 있고, 바람직하게는 엔진 냉각수가 가열에 사용된다. 카트리지 및 용기 내에 존재하는 온도는 추가적으로 조절될 수 있다.

카트리지 교환은, 유리하게는 고속 잠금 덮개로써 구성되는 덮개(11a)를 개방하고, 손잡이의 회전을 통해 카트리지(12)를 잠금 해제하여, 빼냄으로써 이루어진다. 카트리지는 상응하는 기계 장치를 통해서 맞물려 고정되고, 종방향 운동을 통해 해제될 수 있는 것도 가능하다. 안전 밸브(13)는 빼낼 때에 닫힌다. 그리고 나서 교환 카트리지는 삽입되어, 잠궈지고, 안전 밸브(13)는 삽입 시에 다시 자동으로 개방된다.

암모니아의 예에서 다양한 저장 가능성이 기술된다. 가스를 함유하는 액화 암모니아의 공급 시에 카트리지 내에 존재하는 압력은 카트리지 내에 존재하는 온도 기능인 증기압에 상응한다. 영하 20℃에서 1.9 바 내지 영상 60℃에서 26.1 바가 통상의 압력 범위로써 주어진다.

추가적인 조치로써, 카트리지 및 저장 장치를 예를 들어 엔진 냉각수를 통해 영상 60℃로 가열하는 것이 가능하다. 상기 조치로 카트리지 및 저장 장치 내에 존재하는 압력을 일정하게 예를 들어 26.1 바로 조정하는 것이 가능하다.

가스가 없는 액화 암모니아의 저장 시에 유리하게는 카트리지로써 박막 저장 탱크가 사용된다. 여기에서, 카트리지 압력은 증기압보다 크고, 예를 들어 46 바의 시스템 압력 시에 암모니아는 액화 단계 중에 온도가 85℃까지 유지된다.

도2는 저장 장치(10)의 선택적 실시예를 도시한다. 도1에서 도시된 장치에서와 같은 동일한 구성 요소는 동일한 도면 부호로 표시되고, 다시 표시되지 않는다. 저장 장치는 안전 밸브 또는 압력 제어 밸브(16)를 포함한다. 압력 제어 밸브(16)는 안전 용기(11)에 일체된다. 압력 제어 밸브는 감압 장치(15)와 나란히 배치되고, 감압 장치와 평행으로 안전 잠금 장치(14)에 연결된다. 안전 잠금 장치 반대쪽 면에서 밸브(16)는 촉매 컨버터(43) 상류에서 배기관(40)으로 합류하는 도관(100)과 연결된다(배기관(40)에 대한 도관(100)의 접속은 도2에 도시되지 않는다).

카트리지의 내부 압력이 예를 들어 외부 열의 작용에 따라 카트리지의 최대 작동 압력을 초과하면, 압력 제어 밸브(16)는 개방된다. 유출하는 암모니아는 촉매 컨버터의 영역 내에서 적어도 부분적으로 연소될 수 있는 배기 가스 흐름으로 유도된다. 최대 작동 압력의 초과로 인한 카트리지 또는 안전 용기의 파열은 제외될 수 있다. 압력 저장 내용물은 단지 점차적으로 비어지게 되고, 주변 공기와 질산(NH₃)의 높은 희석이 이루어질 수 있기 때문에, 압력 제어 밸브를 통해 제어된 암모니아에 의해 발생하는 위험 가능성은 용기의 파열에 비하면 낮다.

압력 제어 밸브(16)는 안전 용기 대신에 카트리지 내에 일체될 수 있다. 압력 제어 밸브(16)가 선택적으로 설치된 각각의 카트리지와 두 개 이상의 상호 연결된 안전 용기가 선택적으로 제공될 수 있다. 부속된 도관(100)은 별도로 또는 분배관을 통해 배기관(40)으로 유입한다. 선택적으로 도관(100)은 간단히 외부 쪽으로 설치되어, 비상 상황을 방지하기 위해 과잉의 암모니아는 거리에 방출된다.

Claims (22)

1. 주입되는 환원제를 저장하기 위한 장치(10)와, 환원제에 의해 처리되는 배기 가스에 작용하기 위한 주입 장치(20)를 갖는, 촉매 배기 가스 처리의 범주에서 사용 가능한 환원제를 저장 및 주입하기 위한 장치에 있어서,

   환원제를 저장하기 위한 장치(10)는 적어도 하나의 외부 용기(11)와, 상기 용기 내에서 교체 가능하도록 배치되고, 환원제를 함유하는 카트리지(12)를 포함하고,

   카트리지(12)는 용기(11) 내의 카트리지 위치에 카트리지(12)가 삽입될 때 자동으로 개방되는 안전 밸브(13)를 포함하고,

   환원제는 적어도 부분적으로 액체 형태로 카트리지(12) 내에 저장될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 용기(11), 카트리지(12) 또는 용기(11) 및 카트리지(12)는 압력- 및 안전 용기로써 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 카트리지(12)에는 안전 잠금 장치(14)가 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 용기(11)는 덮개(11a)를 포함하고, 이 덮개를 통해 카트리지(12)는 용기 내부의 카트리지 위치에서 고정될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제1항 또는 제3항에 있어서, 용기(11), 카트리지(12) 또는 용기(11) 및 카트리지(12)는 가열 가능하고, 특히 엔진 냉각수를 통해 영향을 받는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제1항 또는 제3항에 있어서, 저장 장치(10) 및 주입 장치(20)는 특히 압력 센서(31)에 의해 감시 가능한 도관(30)을 통해 환원제의 운반을 위하여 서로 연통하는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제1항 또는 제3항에 있어서, 주입 장치(20)는 엔진 냉각수 또는 다른 냉각제를 통해 영향을 받는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제1항 또는 제3항에 있어서, 외부 용기(11) 또는 카트리지(12)에는 감압 장치(15)가 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제1항 또는 제3항에 있어서, 적어도 하나의 압력 제어 밸브(16)가 상기 장치(10)에 일체되는 것을 특징으로 하는 장치.
11. 제10항에 있어서, 압력 제어 밸브(16)는 적어도 하나의 외부 용기(11)에 일 체되는 것을 특징으로 하는 장치.
12. 제11항에 있어서, 카트리지(12)는 카트리지의 최대 허용 작동 압력이 초과될 경우에, 과잉의 환원제를 유도하기 위해 압력 제어 밸브(16)를 통해 도관(100)과 연결 가능한 것을 특징으로 하는 장치.
13. 촉매 배기 가스 처리의 범주 내에서 이용 가능한 환원제의 저장 및 주입 방법에 있어서,

    제1항 또는 제3항에 따른 장치의 사용을 특징으로 하는 방법.
14. 제13항에 있어서, 처리되는 배기 가스내로 직접 분사된 암모니아가 환원제로써 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
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