KR100900746B1 - 내연기관 배기가스 시스템의 조합형 배기가스 재처리/흡음장치 - Google Patents

내연기관 배기가스 시스템의 조합형 배기가스 재처리/흡음장치 Download PDF

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만 누츠파르쪼이게 악티엔게젤샤프트
로쓰-테크닉 오스트리아 게젤샤프트 엠.베.하.
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Abstract

본 발명은 내연기관 배기가스 시스템의 조합형 배기가스 재처리/흡음 장치에 관한 것이다.
본 발명은 특별하게 백금 코팅된 예비 산화 촉매변환기와, 이것에 정확히 매칭된, 50% 이상의 카본블랙 분리율을 얻기 위해 흡음기 내에 배치된 하나 이상의 입자 분리기를 조합하는 것이다.

Description

내연기관 배기가스 시스템의 조합형 배기가스 재처리/흡음 장치 {COMBINED EXHAUST GAS RETREATMENT-/SOUND ABSORPTION DEVICE IN EXHAUST GAS SYSTEM OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
도 1은 본 발명의 제 1 실시예의 종단면도.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예의 정면도.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예의 종단면도.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예의 정면도.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예의 종단면도.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예의 정면도.
도 7은 본 발명의 제 4 실시예의 종단면도.
도 8은 본 발명의 제 4 실시예의 정면도.
도 9는 10개의 횡방향 라인에 V-Kat와 하나 또는 다수의 PM 분리기의 10개의 상이한 조합의 데이터를 나타낸 표.
도 10 및 도 11은 본 발명에 기초가 되는 선행 기술을 나타낸 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 흡음기
14: 유입관
15: 촉매변환기
16: 분리기
19: 종축
20: 유입 챔버
18, 22, 27: 하우징
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 내연기관 배기가스 시스템의 조합형 배기가스 재처리/흡음 장치에 관한 것이다.
이하에서, PM-KAT 시스템이 언급된다. PM-KAT
Figure 112004014664739-pat00001
은 출원인 만 누츠파르쪼이게 악티엔게젤샤프트(MAN Nutzfahrzeuge Aktiengesellschaft)의 상표이다. PM-KAT 시스템은 디젤 엔진의 배기가스 중 카본 블랙 입자를 감소시키기 위한 비폐색 수단이다. 이러한 PM-KAT 시스템은 하나 이상의 예비 산화 촉매변환기(이하, V-Kat이라 함) 및 다음에 접속된 특히 촉매적 입자 분리기(이하, PM 분리기라 함)로 이루어지며, 상기 촉매변환기의 지지체는 활성 성분인 백금으로 코팅된다. 상기 PM 분리기는 예컨대 독일 특허 DE 100 20 170 C1호에 따른 구성/구조를 가질 수 있다.
화물 자동차에서 지금까지 V-Kat은 내연기관에 가급적 가까이 배치된 예비 흡음기 내에 배치되었고, 하나 또는 다수의 PM 분리기는 메인 흡음기 내에 배치되었다(참고 DE 101 23 358 A1).
또한, 상용차 흡음기 내에 PM-KAT 시스템을 통합하는 것은 2002년 4월 25일 및 4월 26일 제23차 Internationalen Wiener Motorensymposium에서 공개되어 있고, 보고서 VDI-Reihe 12 No.490, 제2권, Duesseldorf, VDI-출판사 2002, 페이지 196-216에 개시되어 있다. 도 10 및 도 11은 상기 간행물의 PM-KAT 시스템을 나타낸다. 여기에 나타나는 바와 같이, 흡음기(1)에는 평행 관류용 4개의 배기가스 재처리 모듈(2)이 배치되며, 재킷 튜브(5) 내의 각각의 모듈은 원통형 V-Kat(3)을 둘러싸고 직접 동축으로 연이어 동일한 직경의 원통형 PM 분리기(4)를 포함한다. 흡음기(1)내에 PM KAT 시스템을 통합하는 것은 화물 자동차 또는 버스에서 엔진 근처에 예비 흡음기를 장착하기 위한 공간이 없는 경우에 제공된다. 상기 통합 해결책의 단점은 V-Kat의 체적 만큼 PM 분리기의 체적이 감소된다는 것인데, 그 이유는 흡음기(1)의 외부 용적이 차량에 의해 미리 주어지고 확대 될 수 없기 때문이다. 이것은 50% 미만의 불충분한 분리율을 야기한다. V-Kat 내의 백금 농도 상승 및 PM 분리기의 내부 구조물의 부가 코팅도 ETC(european transient cycle)에서 분리율/변환의 상승 면에서 만족스럽지 못했다. 또한, 백금은 비싸기 때문에, 전체 시스템 비용의 많은 부분을 결정한다.
본 발명의 목적은 전술한 방식의 조합형 배기가스 재처리/흡음 장치에 있어서, V-Kat에 대한 백금 사용을 최소화하면서, ETC에서 50% 이상, 바람직하게는 50%를 훨씬 초과하는 입자 변환율이 얻어질 수 있는 그러한 체적, 및 그러한 형상 및 외장을 가진 PM 분리기 및 V-Kat를 흡음기 내에 장착하는 것이다.
상기 목적은 상기 방식의 조합형 배기가스 재처리/흡음 장치에서 청구항 1의 특징부에 제시된 특징에 의해 달성된다.
바람직한 실시예는 종속 청구항에 제시된다.
4개의 V-Kat을 가진 도 10 및 도 11에 따른 공지된 해결책에 비해, 본 발명에서는 단일 V-Kat의 체적이 팩터 2.5 - 3.5 정도 작아지고, V-Kat의 코팅을 위한 백금 사용도 실시예에 따라 팩터 3.3 - 11.7 정도 감소된다. 이로 인해, 많은 비용이 절감된다. 또한, 상기 단 하나의 비교적 작은 V-Kat에 의해 PM 분리기에 대한 더 많은 장소가 형성되고 결과적으로 입자 변환의 현저한 상승이 얻어진다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참고로 구체적으로 설명한다.
도 1 내지 8은 화물 자동차 또는 버스와 같은 상용차의 내연기관, 특히 디젤 엔진의 배기 시스템에 배치된 조합형 배기가스 재처리/흡음 장치를 도시한다. 상기 장치는 전방 벽(11), 후방 벽(12) 및 외벽(13)에 의해 공간적으로 제한되는 흡음기(10)를 포함한다. 흡음기는 횡단면으로 볼 때 둥글거나, 타원형, 정사각형 또는 대략 직사각형으로 형성되고, 종방향으로 볼 때 원통형 또는 통 형태로 만곡되게 형성될 수 있다. 배기가스 유입관(14)은 상기 흡음기(10)의 내부로 뻗으며, 도시되지 않은 배기관을 통해 내연기관의 배기가스를 공급받는다. 흡음기(10)의 내부에는 또한 관류 배기가스 중의 NO2 성분을 그 백금 코팅으로 인해 현저히 증가시키는 예비 산화 촉매변환기(15)(이하, V-Kat(15)이라 함) 및 하나 이상의 촉매적 입자 분리기(16)(이하 PM 분리기(16)라 함)가 장착된다. 흡음 관(17)에 의해 정화된 배기가스가 흡음기(10)의 내부로부터 대기로 유출된다. 재처리될 배기가스는 배기가스 유입관(14)를 통해 흡음기(10)내로 공급되고, 거기서 먼저 V-Kat(15)을 그리고 그 다음에 PM 분리기(16)를 통해 흐르며 정화되고 간접적으로 흡음되어 관(17)을 통해 다시 흡음기(10)로부터 유출된다. 전후방 벽(11, 12) 및 필요한 경우 외벽(13) 및 관(17)은 흡음 재료로 코팅된다. 배기가스의 공급 및 유출 영역의 특별한 디자인과 흡음기 내부의 횡벽이 흡음에 기여하는데, 이것에 대해서는 다음에 상세히 설명된다.
도 1, 2 및 3, 4 및 5, 6에 따른 3개의 실시예에서, V-Kat이 원통형으로 형성되고, 오스테나이트 또는 페라이트 특수강으로 이루어진 하우징(18)내에 삽입되며 특히, 흡음기(10)의 종축(19)에 대해 평행하게 삽입된다. 전방 벽(11)으로부터 깔대기형으로 확대된 다음, 원통형으로 연장되는 상기 하우징(18)의 유입 챔버(20)내로, 배기가스 유입관(14)이 어느 정도 돌출하고 거기에 바람직하게는 천공 또는 홀(21)을 가짐으로써, 공급된 배기가스가 배기가스 유입관(14)으로부터 방사방향으로 그리고 축방향으로 유입 챔버(20)내로 유출된 다음, V-Kat(15)을 통해 흐를 수 있다. 상기 V-Kat은 하우징(18)의 원통형 부분에 끼워진다.
상기 3개의 실시예에 존재하는 PM 분리기(16) 각각은 원통형으로 형성되며, 마찬가지로 오스테나이트 또는 페라이트 특수강으로 이루어진 하우징(22)내에 삽입되며 상기 하우징과 함께 흡음기의 축(19)에 대해 평행하게 그것 내에 배치된다. 도 1, 2에 따른 실시예에서 4개, 도 3, 4에 따른 실시예에서 3개 그리고 도 5, 6에 따른 실시예에 하나의 하우징(22)이 그안에 장착된 PM 분리기(16)와 함께 V-Kat(15)를 내장한 하우징(18)의 상부에 또는 옆에 배치된다. 하우징(20) 및 (22)의 위치 고정을 위해 흡음기 내에 횡벽(23)이 제공되고, 상기 횡벽은 바람직하게는 천공 또는 홀을 통해 가스를 투과시킬 수 있으므로, V-Kat(15)를 관류한 후에 V-Kat(15)으로부터 유출된 배기가스는 PM 분리기(16)의 관류 전에 외부에서 그것 둘레에 분포되기 때문에 예열되거나 또는 바람직한 작동 온도로 유지될 수 있다. 도 1 내지 6의 총 3개의 실시예에서, PM 분리기(16)는 유출 챔버(24)로 통하고, 상기 유출 챔버는 흡음기(10) 내부에서 벽(25 및 26)에 의해 흡음기(10)의 다른 내부 챔버에 대해 기밀 방식으로 형성된다. 상기 유출 챔버(24)는 관(17)과 통한다. 횡벽(23)에 대해 평행한 벽(25)은 PM 분리기 하우징(22)의 유출측 단부 영역 및 관(17)의 유입 영역을 기밀 방식으로 포함하고 흡음기(10)내에 그 위치 고정에 기여한다.
도 7, 8에 따른 실시예에서, V-Kat(15) 및 여기에 사용된 PM 분리기(16)는 원통형이지만, 직경이 상이하게 형성되고, 공통의 하우징(27)내에 축방향으로 차례로 장착되지만, V-Kat(15)의 유출면으로부터 PM 분리기(16)의 유입면으로 깔대기형으로 확대되는 과류 챔버(28)에 의해 분리되어 장착된다. 배기가스 유입관(14)은 여기서 관(17) 바로 전까지 흡음기(10)의 내부로 비교적 멀리 연장되고, 마찬가지로 천공 또는 홀(21)을 갖는다. V-Kat기(15) 및 PM 분리기(16)가 장착된 하우징(27)은 배기가스 유입관(14)의 상부에 흡음기(10)의 축(19)에 대해 평행하게 흡음기(10)내에 장착되고, 흡음기 내에서 배기가스 유입관(14) 및 관(17)과 마찬가 지로 2개의 횡벽(29, 30)에 의해 고정된다. 횡벽(29)은 홀 또는 천공을 통해 가스를 투과시키는 한편, 이것에 평행한 다른 횡벽(30)은 기밀 방식으로 형성되고 전방 벽(11) 및 외벽(13)와 함께 유출 챔버(31)를 제한한다. 상기 유출 챔버(31)내로 PM 분리기(16)가 통하고, 상기 PM 분리기로부터 관(17)이 연장된다. 하우징(27), 관(17) 및 배기가스 유입관(14)은 횡벽(30)의 관통구 내에 기밀 방식으로 끼워져 수용된다. 횡벽(30)과 후방 벽(12) 사이에서 흡음기(10)의 내부 챔버는 횡벽(29)의 가스 투과성으로 인해, 배기가스 유입관으로부터 방사방향 및 축방향으로 유출된 배기가스로 채워짐으로써, 상기 변형예에서도 V-Kat(15) 및 PM 분리기(16)를 가진 하우징(27)이 예열될 수 있거나 또는 바람직한 작동 온도로 유지될 수 있다.
일반적으로 모든 실시예는 하기 본 발명에 따른 특징을 충족시킨다:
a) V-Kat(15)의 자유 배기가스 유입면은 PM 분리기(16)의 배기가스 유입면 보다 훨씬 작다.
b) V-Kat(15)에서 애스팩트 비 AR = 길이(l)/직경eff(φeff)은 약 0.4 내지 0.6이다.
c) PM 분리기(16)의 애스팩트 비 AR = 길이(l)/직경eff(φeff)은 약 0.5 내지 1.0이다.
d) V-Kat(15)의 체적은 약 2.5 내지 4 리터이고, (모든) PM 분리기(16)의 체적은 약 5.5 내지 22 리터이며, V-Kat(15) 체적 대 PM 분리기(16) 체적의 비는 약 0.15 내지 0.55이다.
e) (모든) PM 분리기(16)의 애스팩트 비 대 V-Kat(15)의 애스팩트 비의 비율은 약 1.05 내지 2.2이다.
f) 최대 배기가스 체적 흐름[Nm3/h]에서 V-Kat(15)에서 채널 속도 KG(= 배기가스 체적 흐름/자유 배기가스 유입면)는 8 m/sec 보다 크고 PM 분리기(16)에서 채널 속도는 5 m/sec 보다 크며, 상기 최대 배기가스 체적 흐름은 허용되는 최대 압력 손실 및, 배기가스 공급 내연기관의 기능과 관련해서 허용되는 최대 배기가스 배압에 의해 제한된다.
b) 및 c)에 언급된 φeff는 V-Kat(15) 및 PM 분리기(16)(하나만 사용되는 경우)의 둥근 유입면의 유입 작용 직경을 나타내거나, 또는 다수의 PM 분리기(16)의 경우, 원형면인 그것의 전체 유효 유입면 및 그것으로 부터 얻어지는 직경을 나타낸다.
도 9의 표에는 여러 V-Kat(15)와 상이한 수의 상이한 PM 분리기(16)의 조합의 10가지 실시예와 이것으로부터 얻어지는, ESC(european steady state cycle) 및 ETC(european transient cycle)에 따른 변환율(입자 분리율)이 제시된다. 반복을 피하기 위해, 도 9에 따른 표 및 그 내용은 상기 설명의 구성 부분으로 간주되어야 한다. 개별 변형예의 테스트는 각각 1200 Nm3/h의 최대 배기가스 체적 흐름을 가지며 ESC 테스트에서는 약 40 mg/KWh 크기의 그리고 ETC 테스트에서는 약 50 mg/KWh의 미처리 입자를 가진 배기가스를 배출하는 디젤 엔진으로 이루어졌다. 상기 최대 배기가스 체적흐름에 의해, 도 9에 따른 표에 제시된 채널 속도 및 변환율이 얻 어진다.
도 1, 2에 따른 실시예에서, 3개의 변형예(1 내지 3)에서 V-Kat가 각각 동일할 때 직경이 동일하지만, 길이가 상이한 PM 분리기(16)의 사용에 의해 변환율이 증가되는지를 시험했다. 최상의 모드는 변형예 3이다. 그 결과, 직경이 비교적 작음에도 불구하고 PM 분리기(16)가 길수록, 변환율이 더 커지는 것으로 나타났다. 따라서, PM 분리기(16)의 긴 실시예가 매우 바람직하다.
도 3, 4에 따른 실시예에서, 변형예 4 및 5에 따라 각각 3개의 동일한 PM 분리기(16)에 각각 상이한 V-Kat(15)가 할당되었다.
도 5, 6에 따른 실시예에서, 변형예 6에서 변형예 4, 5의 3개의 PM 분리기(16)에서와 유사한 전체 체적을 가진 PM 분리기(16)가 동일한 V-Kat(15)와 함께 사용되었다. 여기서는 필적할만하게 양호한 변환율이 나타났다.
도 7, 8에 따른 실시예에서, 4개의 변형예 7 내지 10에서 상이한 다포성을 가진 PM 분리기(16)가 상이한 다포성 또는 상이한 직경을 가진 V-Kat(15)와 조합되었다.
그 결과, 모든 변형예는 50% 이상의 ETC 변환율을 나타냈고, 최대로 변형예 3에서 79%가 얻어졌다.
테스트된 변형예 1 내지 10에서, 백금 코딩 없는 PM 분리기(16)가 사용되었다. 그러나, 백금 코팅된 PM 분리기(16)의 사용이 필요한 경우도 있다. 따라서, 본 발명은 코팅되지 않은 PM 분리기(16) 뿐만 아니라 백금 코팅된 분리기(16)에도 적용된다. 또한, 제시된 다포성과는 다른 다포성을 가진 V-Kat(15) 및 PM 분리기(16)가 사용될 수 있다. 또한, 도시된 실시예와는 달리, 흡음기(10)내의 장소 및/또는 얻어질 흡음율이 허용한다면 하나의 V-Kat(15)를 2개, 5개 또는 6개의 PM 분리기(16)와 조합하는 것도 가능하다.
본 발명에 따른 조합형 배기가스 재처리/흡음 장치에 있어서, V-Kat에 대한 백금 사용을 최소화하면서, ETC에서 50% 이상, 바람직하게는 50%를 훨씬 초과하는 입자 변환율이 얻어질 수 있다.

Claims (6)

  1. 흡음기가 장착되어 있고, 상기 흡음기는 전방 및 후방 벽 그리고 외벽에 의해 공간적으로 제한되며 그 내부에는 관류하는 배기가스 중의 NO2-성분을 현저히 증가시키는 하나 이상의 예비 산화 촉매변환기 및 하나 이상의 -특히 촉매적- 입자 분리기가 장착되고, 재처리될 배기가스는 유입관을 통해 흡음기 내로 유입될 수 있으며 예비 산화 촉매변환기 및 입자 분리기의 관류 후에 정화되고 간접적으로 흡음되어 다시 흡음기로부터 유출될 수 있는, 내연기관, 특히 화물 자동차 또는 버스와 같은 상용차의 디젤 엔진의 배기가스 시스템의 조합형 배기가스 재처리/흡음 장치에 있어서,
    - 상기 예비 산화 촉매변환기(15)의 자유 배기가스 유입면이 입자 분리기(16)의 자유 배기가스 유입면 보다 훨씬 작고,
    - 상기 예비 산화 촉매변환기(15)에서 애스팩트 비 AR = l/φeff는 약 0.4 내지 0.6이며,
    - 상기 입자 분리기(16)의 애스팩트 비 AR = l/φeff는 약 0.5 내지 1.0이고,
    - 상기 예비 촉매변환기(15)의 체적은 약 2.5 내지 4 리터이며, (모든) 입자 분리기(16)의 체적은 약 5.5 내지 22 리터이고, 예비 촉매변환기(15) 체적 대 입자 분리기(16) 체적의 비는 약 0.15 내지 0.55이며,
    - 상기 입자 분리기(16) 애스팩트 비 대 예비 촉매변환기(15) 애스팩트 비의 비율은 약 1.05 내지 2.2이고,
    - 최대 배기가스 체적 흐름[Nm3/h]에서 예비 산화 촉매변환기(15)에서 채널 속도(= 배기가스 체적 흐름/자유 배기 유입면)는 8 m/sec 보다 크고 입자 분리기(16)에서 채널 속도는 5 m/sec 보다 크며, 상기 최대 배기가스 체적 흐름은 허용되는 최대 압력 손실 및, 배기가스 공급 내연기관의 기능과 관련해서 허용되는 최대 배기가스 배압에 의해 제한되는 것을 특징으로 하는 조합형 배기가스 재처리/흡음 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 예비 촉매변환기(15)가 각각 160 또는 200 cpsi의 다포성에서 220 x 101.5 mm 또는 200 x 101.5 mm 또는 160 cpsi의 다포성에서 180 x 101.5 mm의 직경 x 길이의 크기를 가진 원통형 형상을 가지며, 5g/1000 Nm3/h 배기가스 체적 흐름, 즉 약 1.0 내지 1.5 g/리터 체적 크기의 백금 코팅을 갖는 것을 특징으로 하는 조합형 배기가스 재처리/흡음 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 흡음기(10)에는 팽행 관류용의 원통형 형상을 가진 4개의 동일한 입자 분리기(16)가 배치되고, 상기 입자 분리기 각각은 200 cpsi의 다포성에서 150 x 150 mm 또는 150 x 225 mm 또는 150 x 300 mm의 직경 x 길이의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 조합형 배기가스 재처리/흡음 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 흡음기(10)에는 팽행 관류용의 원통형 형상을 가진 3개의 입자 분리기(16)가 배치되고, 상기 입자 분리기 각각은 200 cpsi의 다포성에서 150 x 150 mm의 직경 x 길이의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 조합형 배기가스 재처리/흡음 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 흡음기(10)에는 예비 촉매변환기(15)외에 원통형 형상을 가진 입자 분리기(16)가 배치되고, 상기 입자 분리기는 200 cpsi의 다포성에서 254 x 150 mm 또는 220 x 225 mm 또는 160 cpsi의 다포성에서 220 x 150 mm의 직경 x 길이의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 조합형 배기가스 재처리/흡음 장치.
  6. 제1항에 있어서, V-Kat(15)가 도 9의 각각의 변형예 1 내지 10에 대해 제시된 바와 같은 특징을 가진 하나 또는 다수의 PM 분리기(16)와 조합되고, 모든 변형예 1 내지 10에서 채널 속도 KG 및 변환의 값은 디젤 엔진으로부터 공급되는 배기가스의 미처리 입자가 ESC 테스트에서는 약 40 mg/KWh 크기 그리고 ETC 테스트에서는 약 50 mg/KWh 크기로 방출될 때 시험에 근거한 1200 Nm3/h의 최대 배기가스 체적 흐름을 기초로 얻어진 것을 특징으로 하는 조합형 배기가스 재처리/흡음 장치.
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