KR100966782B1 - 내연 기관으로부터 배출된 배기 가스를 처리하는 공정 및장치 - Google Patents

Abstract

내연 기관 (19) 로부터 배출되는 배기가스 (6) 를 처리하기 위한 공정은 최소한 두 모듈 (3, 4, 5, 7) 이 배기가스 흐름이 내연기관 (19) 의 작동 상태에 따라 최소한 부분적으로 반영될 수 있고, 배기가스 (6) 의 최소한의 부분이 하나 이상의 모듈 (3, 4, 5, 17) 을 통해 흐를 수 있도록 설계된다. 본 발명에 따른 장치와 공정은 대용량 내연 기관 (19) 의 배기가스 시스템과 유사한 방식으로 설계되고 작동되며, 배기가스 (6) 의 전환과 처리는 비작동모드에서도 기본적으로 매우 낮은 배기가스 흐름율에 의해 각 모듈 (3, 4, 5, 17) 에서 발생한다. 각 개별 모듈 (3, 4, 5, 17) 은 내연기관 (19) 의 다양한 부하 정도에 적용될 수 있다.

Description

내연 기관으로부터 배출된 배기 가스를 처리하는 공정 및 장치 {PROCESS AND DEVICE FOR TREATING EXHAUST FUMES FROM AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연 기관으로부터 배출된 배기 가스를 처리하기 위한 공정 및 장치에 대한 발명이다. 본 발명에 대한 특히 바람직한 적용 영역은 대용량을 가진 내연 기관, 특히 디젤 엔진, 특히 기관차와 수송선으로부터 배출된 배기 가스를 처리하기 위함이다.

내연 기관으로부터 배출된 배기 가스는 많은 국가에서 법적 배출 한계를 벗어나는 농도의 바람직하지 못한 물질을 함유한다. 이는 배기 가스에서 미립자의 농도를 포함하고, 많은 국가에서 특정 농도를 초과해서는 아니된다. 그러나, 특히, 일부의 경우 대용량을 수용하는 내연 기관의 경우에 특히 무회전 조건 하에서 이러한 배출 한계를 만족시키는 것은 일부의 경우 어렵게 된다.

결과적으로, 본 발명은 바람직하지 못한 물질의 배출이 대용량의 내연기관에서조차 상당히 감소될 수 있는 공정 및 장치를 제공하고자 하는 목적에 근거한다.

본 발명의 목적은 독립항의 특징을 가진 장치 및 공정에 의해 얻어지고, 종속항은 바람직한 정제에 관계된다.

내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스를 처리하기 위한 본 발명에 따른 공정은, 배기가스를 처리하기 위해 최소한 두 모듈이 형성되어 있고, 배기가스 흐름이 배기가스의 일부분이 하나 이상의 모듈을 통해 흐르도록 내연기관의 작동 상태의 기능으로 최소한 부분적으로 전환될 수 있다는 사실에 근거한다.

본문에서, 배기가스 처리라는 용어는 특히 배기가스중의 최소한 하나의 성분의 농도의 감소를 의미하는 것으로 이해된다. 본문에서, 배기가스 처리는 바람직하게는 배기 가스의 미립자 농도의 감소를 나타내는 것으로 이해될 수 있다. 내연 기관의 부하 상태는 특히 다음과 같은 배기가스 변수에 영향을 준다 : 온도, 배기가스 질량 흐름, 오염 물질 농도 및/또는 평균 배기가스 속도. 매우 작은 수의 부하점, 예를 들면 공전 부하점, 부분 부하점과 완전 부하점이 대용량의 내연 기관에 특히 발생하고, 특히 기관차와 같은 철도 차량, 배 및/또는 보트와 같은 수송선, 그리고 고정 작동에 사용되는 상응하는 디젤 엔진에서 발생된다. 적절하게 모듈을 형성함으로써 그리고 적절하게 절차를 채택함으로써, 상기 언급된 부하점에 정확히 맞는 배기가스 처리를 실행하는 것이 가능해진다. 예를 들면, 모든 모듈은 공전 모드에서 배기가스 상태에 적합한 공전 모듈로서 형성될 수 있고, 그래서 공전 조건 하에서 배기가스를 처리하는데 적합하다. 연결수단을 적절히 조절함으로써, 전체 배기가스 흐름이 최소한 두 모듈에 실질적으로 동일하게 적용되도록 배기가스 흐름을 전환하는 것 또한 가능하다. 전체 배기가스 흐름은 특히 배기가스 흐름을 의미하는 것으로서, 특히 상응하는 모듈을 통해서 흐르는 시간 동안 집적되고/되거나 누적된 배기가스 질량 흐름 또는 부피 흐름을 의미하는 것으로서 이해될 수 있다. 이리하여, 모듈을 통한 흐름은 실질적으로 동일하게 된다. 특히 각 모듈이 배기가스에서 미립자 농도를 감소시키기 위해 최소한 하나의 미립자 필터를 포함한다면, 바람직하게 균일한 로딩과 또한 적절하다면 균일하게 변하는 압력 손실이 얻어진다.

제 1 모듈은 단독으로 또는 다른 모듈과 조합되어서 부분 부하점에서 배기가스 상태에 적합하게 되도록 형성되고, 제 2 모듈은 다른 모듈 및 제 1 모듈과 연결되서 완전 작동점에서 배기가스 상태에 적합하게 형성될 수 있다. 이와같은 방식으로, 모듈형 구조와 배기가스의 적절한 전환에 의해 각 경우마다 다양한 부하점에서 배기가스가 최적으로 전환될 수 있다.

모듈은 일반적으로 배기가스가 흐를 수 있는 통로와 같은 공동을 포함하는 최소한 하나의 허니컴체를 포함한다. 허니컴체는 특히 세라믹 및/또는 금속 허니컴체를 포함할 수 있다. 세라믹 허니컴체는 압출된 단일체로서 제조될 수 있고, 반면에 금속 허니컴체는 배기가스가 흐를 수 있는 공동을 형성하도록 특히 변형된, 최소한 하나의 부분적으로 구조화된 층을 포함할 수 있다. 이러한 변형은 특히 최소한 하나의 금속 층을 포함하는 최소한 하나의 적층체를 감거나 비틀리게 하는 것으로 이해된다. 이 경우에, 최소한 부분적으로 구조화된 층의 구조와 함께 공동을 형성하는 실질적으로 매끄러운 층을 사용하는 것이 또한 가능하다. 허니컴체는 또한 유체가 부분적으로 그들을 통해 흐르도록 하는 벽을 포함할 수 있다. 허니컴체는 미립자 필터를 형성하거나 포함할 수 있다.

배기가스 처리의 효율은 상응하는 모듈을 통한 흐름 조건에 크게 의존한다. 예를 들면, 특히 모듈 내에 가능한 층류가 전혀 없고 난류가 가능한 많이 있는 것이 유리하다. 이러한 방식으로 배기가스 중 작은 부분만이 일반적으로 촉매 활성 코팅을 가지는 허니컴체 내에 공동의 벽과 접촉하도록 하는 경계 층류를 효과적으로 피하는 것이 가능하다. 이는 개방 미립자 필터가 모듈 내에 포함된다면 특히 중요한데, 이는 이와 같은 필터의 효율성이 상응하는 난류 유동에 크게 의존하기 때문이다. 그러나, 특히 대용량의 내연 기관의 경우에 상응하는 배기가스 시스템의 일반적으로 큰치수 뿐만 아니라 공전 모드에서 이와같은 엔진의 낮은 공전 속도로 인해 배기가스 질량 흐름이 매우 낮게 되고, 그 결과 유동 속도가 느리게 된다. 이는 또한 모듈을 통한 흐름에서 상대적으로 낮은 레이놀즈 수가 나타나고 그래서 난류도 너무 낮아질 수 있다. 여기에서, 본 발명에 따른 공정은 배기가스가 처리되도록 흐르는 모듈의 전체 이용가능한 표면적을 감소시키고, 그럼으로써 흐름 속도와 레이놀즈 수를 증가시킴으로써 레이놀즈 수의 증가를 이끌 수 있다.

예를 들면, 상응하는 배기가스 시스템이 배기가스에서 미립자 농도를 감소시키기 위한 네 개의 모듈을 포함하는 것이 가능하다. 공전 모드에서, 각 경우에 네 개의 가능한 모듈 중 오직 하나에만이 배기가스가 흐르도록 장치는 연결 수단의 적절한 조작을 통해서 작동될 수 있다. 이는 또한 최대 이용가능한 반응과 각각 필터링하는 표면적을 감소시키지만, 특히 바람직하게는 흐름 속도를 증가시키고, 그럼으로써 흐름에서 레이놀즈 수를 증가시키게 된다. 그러나, 낮은 반응 및/또는 필터 표면적에서의 단점은 전혀 없는데, 이는 특히 공전 조건 하에서는 미립자의 농도가 낮아서, 모듈의 상응하는 필터 또는 반응 표면적이 충분한 전환과 각각의 필터링을 얻는데 충분하기 때문이다. 이와같은 방식으로, 대용량의 내연 기관의 공전 모드에서조차, 배기가스는 효과적으로 처리될 수 있다. 예를 들면 스위칭 기관차가 다음 스위치를 기다리는 때나 예를 들면 항구에서 파워를 공급하기 위해서 사용되는 배 기관을 기다릴 때, 특히 대용량의 내연기관에서는 연장된 공전 또는 저부하의 상태가 있기 때문에 바람직하다.

부하가 증가할 때, 예를 들면 내연 기관 속도가 증가할 때, 배기가스가 다른 모듈을 통해서 흐르도록 그 모듈을 점차적으로 스위치하는 것이 또한 가능하다. 더 높은 엔진 속도에서, 더 높은 평균 배기가스 속도 및 더 높은 배기가스 질량 흐름이 일반적으로 존재하고, 그 결과 배기가스가 충분히 큰 반응과 각 필터 표면적을 제공하기 위해 복수의 모듈을 통해 흐르는 것이 또한 바람직하다.

본 발명에 따른 공정의 바람직한 개선 구성에 의하면, 각 모듈에서 모듈을 통해 흐르는 배기가스의 미립자 농도의 감소가 적어도 발생한다.

이러한 목적으로, 미립자 필터는 특히 모듈 각각에서 형성될 수 있다. 추가적인 구성요소의 형성이 가능하고 바람직하다; 예를 들면, 허니컴체에서 적절한 산화 촉매가 미립자 필터의 상류에서 형성될 수 있고, 이러면 특히 일산화질소 (NO) 가 이산화 질소 (NO₂) 로 산화되고 이 이산화질고는 미립자에 함유된 탄소에 대한 산화제로서 작용한다. 이러한 형태의 미립자 필터는 연속 재생 미립자 필터로서 알려져 있다 (CRT, 연속 재생 트랩).

본 발명에 따른 공정의 다른 바람직한 구성에 따르면, 미립자 농도의 감소가 개방 미립자 필터에서 발생한다.

개방 미립자 필터는 미립자 필터를 통해 흐르는 배기가스가 미립자 필터의 벽을 통해 흐를 필요가 없는 미립자 필터를 뜻하는 것으로서 이해된다. 대안으로서 폐쇄 미립자 필터가 있고, 여기에서는 다중 통로가 형성되며, 각 경우 이 통로의 일부는 입구 측에서 개방되고 출구 측에서 폐쇄되는 반면, 다른 부분은 입구 측에서 폐쇄되고 출구 측에서 개방된다. 이에 의해서, 배기가스 흐름은 입구 측에서 개방된 통로로부터 출구 측에서 개방된 통로로 흐르도록 미립자 필터의 다공성있는 벽을 통해 강제로 흐르게 된다. 배기가스가 벽을 통해 흐를 경우, 배기가스에 함유된 미립자는 필터링된다. 개방 필터는 또한 예를 들면 교대 측에서 폐쇄된 통로를 가진 디젤 미립자 필터에 의한 주 흐름의 필터링이 없고, 바이패스 흐름의 필터링만 있는 바이패스 유동필터로서 이해된다.

그러므로 개방 미립자 필터는 그 자체로 막힐 수 없다. 필터 표면으로서 사용되는 다공성 벽은 미립자가 더이상 필터되지 않을 정도로 미립자가 적재되는 것이 이론적으로 가능하지만, 이러한 경우에 필터링되지 않은 배기가스가 방해되지 않은 미립자 필터를 통해 계속 흐를 수 있고, 대조적으로, 필터 표면이 막힌 폐쇄 필터는 매우 높은 역 압력을 형성하는데, 이는 궁극적으로 배기가스가 더이상 미립자 필터를 통해 흐를 수 없는 것을 뜻한다. 이에 대해, 개방 미립자 필터는 또한 장애물 없는 미립자 필터로서 이해될 수 있다.

개방 미립자 필터의 경우에, 필터가 실질적으로 매끄러운 층과 적어도 부분적으로 주름잡힌 층으로 구성되는 것이 특히 바람직하다. 특히, 이러한 경우에, 적어도 부분적인 영역에서 실질적으로 매끄러운 층은 유체가 흐를 수 있고 특히 다공성인 재료로 구성될 수 있고, 반면에 적어도 부분적으로 주름잡힌 층은 예를 들면 얇은 금속 시트나 얇은 시트 금속 포일이나 얇은 금속 포일로 구성된다. 주름잡힌 층은 바람직하게는 필터 영역을 향해 배기가스를 전환시키는 안내 구조를 가질 수 있다. 이러한 또는 이와 비슷한 안내 구조의 형상에 대해, 그 구조가 통로에서 배기가스의 속도를 증가시키는 것이 바람직하고, 따라서 특히 개방 통로에 남아 있고 필터면을 지나 또는 필터면을 따라 흐르는 배기가스의 일부분은 통로에 들어갈때의 배기가스의 속도에 비교하여 훨씬 증가된 속도를 얻게 된다. 시험에 의하면, 이 바이패스 배기가스 흐름의 속도가 증가함에 따라 필터 또는 미립자 트랩의 분리율이 증가될 수 있다.

본 발명에 따른 공정은 특히 각 경우에 모듈 내에 포함된 각 경우에 개방 미립자 필터에 특히 유리한데, 왜냐하면 이 경우에 이는 모듈 내의 흐름이 미립자 필터를 통한 흐름 동안 성분의 전환이나 미립자의 효과적인 제거가 발생할 만큼 충분히 높은 레이놀즈 수를 갖는 것이 특히 대용량의 내연 기관의 낮은 공전 속도에서도 보장되기 때문이다.

본 발명의 공정의 추가적인 바람직한 구성에 따르면, 배기가스의 전환은 최소한 다음 변수 중 최소한 하나의 함수로서 발생한다 :

4.1) 모듈에 대한 배기가스의 재생량 및

4.2) 모듈의 재생을 위한 필요.

이러한 본문에서, 배기가스의 전환은 연결 수단에 의한 전환을 뜻하는 것으로 이해된다. 미립자 필터의 재생산은 특히 미립자 필터에서 수용된 미립자의 산화를 포함한다. 이는 예를 들면 이산화질소와 같은 산화제를 제공함으로써 먼저 영향을 받을 수 있거나, 대체제로서 또는 미립자가 미립자 필터의 온도를 우선적으로 산화되는 제한 온도 이상으로 증가시키는 추가적인 열 측정에 의해서 추가적으로 영향을 받을 수 있다. 배기가스가 모듈을 통한 흐름시 재생산이 증가될 수 있도록 일정한 온도에 있다면, 상기 4.1)에서 정의된 배기가스의 재생산 용량을 언급하는 것이 가능하다. 다른 한편으로, 상기에 언급된 모듈의 4.2) 반응에 대한 필요가 예를 들면 미립자 필터의 경우에 현재의 미립자의 양이 모듈을 재생산하기 위해 소정의 제한 값을 초과했다는 것을 의미한다. 특히 미립자 필터에서, 이는 상기 미립자 필터를 통한 압력 손실의 증가 자체를 명백하게 할 수 있다.

본 발명에 따른 공정의 추가적인 바람직한 형상에 따르면, 공전 작동 상태에서 배기가스 흐름은 평균상 실질적으로 동일한 전체 배기가스 흐름이 실질적으로 모든 모듈을 통해서 흐르도록 전환된다.

이 본문에서, 전체 배기가스 흐름은 배기가스 흐름, 바람직하게는 배기가스 질량 흐름이나 배기가스 부피 흐름의 전체 합 및/또는 일시적인 총합을 뜻하는 것으로서 이해되고, 이는 배기가스가 문제되는 모듈을 통해 흐르는 시간 이상을 뜻한다. 그러므로, 전체 배기가스 흐름은 바람직하게는 배기가스 질량 흐름이 고려중이라면 질량, 또는 배기가스 부피 흐름이 고려중이라면 부피로 구성된다. 이러한 본문에서, 특히 5분까지 또는 한시간 이상의 관통흐름 시간은 본 발명에서 가능하게 된다. 원칙적으로, 모듈에서, 바람직하게는 모듈의 최소한의 부분인 허니컴체의 통로에서 유동 속도가 10 m/s 에서부터 25 m/s까지의 범위에 있게 되는 절차를 인정하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 추가적인 바람직한 형상에 따르면, 배기가스가 관통해서 흐르는 모듈의 수는 다음 변수 중 최소한 하나에까지 단조롭게 증가한다:

6.1) 배기가스 온도 및

6.2) 배기가스 질량 흐름.

특히 배기가스 질량 흐름에 독립적인 것이 특히 바람직하고, 그렇지 않다면, 예를 들면 배기가스가 한 모듈을 통해서 흐른다면, 더 높은 작업 상태에서, 특히 완전한 로드에서조차 한 모듈을 통한 흐름은 배기가스 처리의 효과에 바람직하지 못하게 된다. 특히 각각의 모듈이 개방 미립자 필터를 포함하면, 배기가스가 내연 기관의 완전한 로드 상태까지 모든 모듈을 통해서 흐르는 것이 바람직하다. 문제의 미립자 필터의 재생산은 완전한 로드 상태 동안 특히 발생할 수 있다.

본 발명의 추가적인 측면은 내연 기관으로부터 배출되는 배기가스를 처리하기 위한 장치를 제안하고, 이는 내연 기관에 연결될 수 있는 배기가스 파이프, 배기가스 파이프에 연결될 수 있으면서 배기가스 처리를 위해 최소한 두 모듈을 포함하고, 최소한 하나의 모듈에 부여된 최소한 하나의 연결 수단이 형성되고, 이 연결 수단에 의해 상기 모듈은 배기가스의 최소한의 부분이 상기 모듈을 통해 흐를 수 있도록 배기 파이프에 연결될 수 있다.

각각의 모듈은 특히 허니컴체를 포함하고, 바람직하게는 허니컴체는 상응하는 촉매 활성 코팅을 포함하고/하거나 미립자 필터에 적절하게 된다. 연결 수단은 특히 모듈에 연결되는 구성요소를 의미하는 것으로 이해될 수 있고, 이 모듈을 통해 유체는 생산될 수 있거나 연결 해제될 수 있다. 연결 수단은 바람직하게는 상응하게 설계된 플랩이고, 이는 폐쇄 상태에서 모듈로 이끄는 관통류 개구부를 폐쇄할 수 있고 개방 상태에서 이러한 개구부를 개방할 수 있다. 특히, 다양한 연결 수단은 각각의 경우에 배기가스의 부분만이 연관된 모듈을 통해 흐를 수 있거나 대체적으로 모든 배기가스의 모든 부분이 연관된 모듈을 통해 흐를 수 있다. 특히, 후자의 경우에, 다양한 연결수단이 상호작용할 수 있다.

본 발명의 장치의 바람직한 형상에 따르면, 연결 수단이 배기가스가 각 모듈만을 통해 흐를 수 있도록 형성된다.

따라서, 본 발명에 따른 장치는 특히 공전 모드에서 배기가스가 각 모듈을 통해 일정한 정도로 흐르고, 이는 각 모듈이 동등하게 이용되도록 하기 위해 작동될 수 있다. 특히, 모듈이 미립자 필터를 포함하면, 모듈에서 미립자 필터의 실질적으로 일정한 로딩을 얻는 것이 가능해진다. 이는 각 모듈을 따라서 실질적으로 일정한 압력 소실로 이끌어질 수 있다.

본 발명에 따른 장치의 추가적인 바람직한 형상에 따르면, 각 모듈은 모듈을 통해 흐르는 배기가스 흐름의 미립자 농도가 최소한으로 감소되도록 영향을 미친다.

이러한 경우에, 각 모듈이 최소한 하나의 미립자 필터, 즉 특히 바람직하게 개방된 미립자 필터를 포함한다. 개방 미립자 필터의 정의에 있어서, 상기 언급된 진술과 WO 02/00326A2호가 참조되고, 본 발명에서 연관되된 미립자 필터의 설계에 연관된다.

본 발명에 따른 장치의 추가적인 바람직한 형상에 따르면, 연결 수단은 최소한 하나의 플랩을 포함한다.

플랩은 한편으로 제조하기 간단하고 모듈에의 연결을 효과적으로 만들거나 멈출 수 있는 연결 수단을 구성한다. 게다가, 플랩은 배기가스 시스템에서 작동시키기 간단하고 사용될 때 안정적이고 지속적이라는 것이 입증되었다.

본 발명에 따른 장치의 추가적인 형상에 따르면, 연결수단은 배기가스가 연관된 모듈을 통해 흐를 수 있을 때 배기가스 흐름으로부터 최소한 하나의 추가적인 모듈을 제외하도록 형성된다.

이는 3개의 가능한 위치를 가지는 플랩에 의해 특히 실현될 수 있다 :

1.) 모듈로의 연결이 폐쇄되는 제 1 위치,

2.) 모듈에 연결되는 현재의 모든 배기가스가 이 모듈을 통해 흐르도록 모듈로의 연결이 개방되고 배기 파이프가 블록화되는 제 2 위치, 및

3.) 배기가스가 모듈과 배기파이프 둘 다를 통해 자유롭게 흐를 수 있는 제 3 위치.

이러한 타입의 플랩은 특히 배기가스가 각각 모든 모듈을 통해 흐를 수 있는 본 발명에 따른 장치를 구현하는데에 사용될 수 있다.

본 발명은 또한 본 발명에 따른 장치를 포함하거나 본 발명에 따른 공정에서 발생하는 철도-인성의 차량, 바람직하게 철도 차량, 특히 더 바람직하게는 기관차를 제안한다.

본 발명은 또한 본 발명에 따른 장치를 포함하는 수인성의 차량 또는 본 발명에 따른 공정에서 발생하는 수인성의 차량을 제공한다.

본 발명에 따른 공정과 장치는 특히 바람직하게 디젤 엔진의 배기가스 시스템에 배치될 수 있다. 철도-인성의 차량과 수인성의 차량이 또한 디젤 엔진을 가지는 것 또한 바람직하다. 게다가, 본 발명에 따른 장치 및 공정이 고정된 내연 기관에, 특히 디젤 내연기관에 사용되는 것이 또한 바람직하다.

본 발명에 따른 공정의 측면에 개시된 장점과 자세한 사항이 본 발명에 따른 장치와 동일한 방식으로 전달되고 개발될 수 있다. 동일한 사항이 또한 본 발명에 따른 장치의 측면에 개시된 자세한 사항과 장점에 적용되고, 이는 본 발명에 따른 공정에 전달되고 개발될 수 있다. 본 발명에 따른 장치는 특히 본 발명에 따른 공정을 수행하는데에 적절하다.

후술할 본문에서, 본 발명은 상세한 사항 및 그에 의해 보여지는 장점에만 제한되지 않고 첨부된 도면을 참조하여 더 자세히 설명될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 제1 실시예를 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 장치의 모듈로부터의 일부분을 상세히 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 장치의 모듈의 단부 부분을 상세히 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 장치의 제 2 실시예를 통해 제 1 길이방향 단면을 도시한 도면이다.

도 5는 본 발명에 따른 장치의 제 2 실시예를 통해 제 2 길이방향 단면을 도시한 도면이다.

도 6는 제 1 위치에서 연결 수단을 가진 본 발명에 따른 장치의 일부를 상세히 나타낸 도면이다.

도 7은 제 2 위치에서 연결 수단을 가진 본 발명에 따른 장치로부터의 일부를 상세히 나타낸 도면이다.

도 8은 제 3 위치에서 연결 수단을 가진 본 발명에 따른 장치로부터의 일부를 상세히 나타낸 도면이다.

* 주요 도면 부호의 설명 *

1 내연기관으로부터 배출된 배기가스를 처리하기 위한 장치

2 배기 파이프 3 배기가스 처리를 위한 제 1 모듈

4 배기가스 처리를 위한 제 2 모듈

5 공전 모듈 6 배기가스

7 관통류 방향 8 제 1 연결 수단

9 제 2 연결 수단 10 주름잡힌 금속 층

11 실질적으로 매끄러운 층 12 구멍

13 가이드 베인 14 통로

15 미립자 16 허니컴체

17 배기가스 처리를 위한 제 3 모듈

18 제 3 연결 수단

19 내연기관 20 산화 촉매 영역

21 미립자 필터 영역 22 배기가스 처리를 위한 제 4 모듈

도 1 은 배기 가스 (6) 을 처리하기 위한 본 발명에 따른 장치 (1) 의 제 1 실시예를 개략적으로 나타낸 것이다. 상기 장치는 배기 파이프 (2), 배기 가스 처리를 위한 제 1 모듈 (3) 및 제 2 모듈 (4) 을 포함한다. 또한, 공전 모듈 (5) 이 형성되어 있다. 상기 내연 기관 (도시되지 않음) 은 배기 파이프 (2) 를 통해 흐르는 배기 가스 (6) 를 관통류 방향 (7) 으로 방출한다. 배기 가스 처리를 위한 상기 제 1 모듈 (3) 에는 제 1 연결 수단 (8) 이 할당되어 있다. 본 발명의 제 1 실시예에 있어서, 상기 연결 수단 (8) 은 회전 가능한 플랩을 포함하며, 상기 모듈 (3) 은 배기 가스 (6) 의 일부가 상기 모듈 (2) 을 통해 흐를 수 있도록 상기 플랩에 의해 배기 파이프 (2) 에 연결될 수 있다. 제 2 연결 수단 (9) 이 상응하는 방식으로 형성되어 있으며, 배기 가스 처리를 위한 상기 제 2 모듈 (4) 에 할당되어 있다.

제 1 연결 수단 (8) 과 제 2 연결 수단 (9) 이 제 1 모듈 (3) 과 제 2 모듈 (4) 을 통한 흐름을 방지하는 제 1 위치에 있는 경우에도 배기 가스 (6) 가 공전 모듈 (5) 을 통해 흐르기 때문에, 상기 공전 모듈 (5) 에는 연결 수단이 할당되지 않는다. 예를 들어, 기관차, 배 또는 보트와 같은 수송선 차량 및 정지 장 치와 같은 대용량의 내연 기관에 있어서, 공전 상태인 동안 상기 공전 모듈 (5) 이 배기 가스 상황에 적응되는 것이 유리하다. 예를 들어, 스위칭 기관차의 경우에 있어서, 내연 기관은 그의 작동 시간 중의 매우 많은 부분 동안 공전 모드에 있게 되며, 따라서 공전 상태에 적응되는 것이 유용하다. 또한, 대용량의 내연 기관은 매우 낮은 공전 속도 및 유동 속도를 가지며, 결과적으로 공전 상태에서는 낮은 레이놀즈 (Reynolds) 수를 갖는다. 또한, 공전 상태에서 배기 가스 (6) 가 공전 모듈 (5) 과, 배기 가스 처리를 위한 제 1 모듈 (3) 및 제 2 모듈 (4) 둘 다를 통해 흐르게 된다면, 상기 모든 모듈 (3, 4, 5) 에서 배기 가스 유동의 레이놀즈 수는 매우 낮은 값을 갖게 된다. 이는 더 많은 층류 유동을 유발하여, 일반적으로 배기 가스 처리를 위한 모듈에 바람직하지 않다.

예를 들어, 개방형 미립자 필터가 상기 모듈 (3, 4, 5) 에 포함되는 경우, 이러한 미립자 필터를 통과하게 되는 층류 유동은 바람직하지 않다. 도 2 는 이러한 유형의 개방형 미립자 필터로부터 발췌한 것을 개략적으로 나타낸다. 예를 들어, 주름진 금속층 (10) 과 실질적으로 매끄러운 층 (11) 으로 이러한 유형의 개방형 미립자 필터가 형성된다. 실질적으로 매끄러운 층 (11) 은, 예를 들어, 소결 다공성 재료 또는 다공성 섬유 재료와 같이, 적어도 부분적으로 유체를 통과할 수 있게 해주는 재료로 형성된다.

여기서, 주름진 금속층은 가이드 베인 (13) 을 형성하는 구멍 (12) 을 포함한다. 상기 실질적으로 매끄러운 층 (11) 및 상기 주름진 금속층 (10) 은 상기 배기 가스 (6) 가 흐를 수 있는 통로 (14) 를 형성한다. 상기 배기 가스 (6) 는 지시된 유동 라인을 따르게 된다. 상기 구멍 (12) 및 가이드 베인 (13) 은 배기 가스 (6) 가 상기 실질적으로 매끄러운 층 (11) 을 따라 인도되도록 한다. 상기 배기 가스 (6) 에 포함된 미립자 (15) 는 상기 실질적으로 매끄러운 층 (11) 에 축적된다.

도 3 에서 단면으로 개략적으로 나타낸 바와 같이, 모듈 (3, 4, 5) 은 하나 이상의 허니컴 구조체 (16) 를 포함한다. 이 경우, 상기 허니컴 구조체 (16) 는 주름진 금속층 (10) 과 실질적으로 매끄러운 층 (11) 으로 형성된다. 이들은 세 개의 적층체로 쌓아지고, 이러한 적층체는 서로 얽혀, 그 결과 통로 (14) 를 형성한다. 미립자 필터 뿐만 아니라, 다른 유형의 허니컴 구조체를 형성하는 것도 가능하다. 예를 들어, 촉매 활성 코팅을 지지하거나 및/또는 단지 금속 포일로 형성된 허니컴 구조체 (16) 를 형성하는 것도 가능하다. 특히 이러한 촉매 활성 코팅은 촉매 활성 입자를 포함하는 와시코트 (washcoat) 를 포함할 수 있다. 특히, 모듈 (3, 4, 5) 이 산화 촉매를 포함하고 이산화 촉매의 촉매 활성 중심은 일산화질소에서 이산화질소로의 산화를 촉진하고, 이러한 산화 촉매의 하류에서 상응하는 개방형 미립자 필터를 포함하는 것이 유리하다. 이러한 방식으로 형성된 이산화질소는 미립자 필터를 재생, 즉, 미립자 (15) 를 산화시키는데 유용하게 사용될 수 있다. 실질적으로 매끄러운 층 (11) 과 주름진 층 (10) 은 얇은 금속 포일로 형성될 수 있다. 허니컴 구조체 (16) 가 미립자 필터로 사용되지 않고, 촉매 활성 코팅을 위한 지지체만으로 사용되는 경우, 가이드 베인 (13) 및 구멍은 형성하지 않아도 된다.

도 4 는 배기 가스 처리를 위한 본 발명에 따른 장치 (1) 의 제 2 실시예를 개략적으로 나타낸다. 이러한 장치 (1) 는 배기 가스 처리를 위한 배기 파이프 (2), 제 1 모듈 (3), 제 2 모듈 (4), 제 3 모듈 (17) 및 제 4 모듈 (33) 을 포함한다. 여기에서는 공전 모듈이 사용되지 않는다. 또한, 제 1 연결 수단 (8), 제 2 연결 수단 (9) 및 제 3 연결 수단 (18) 이 형성되어 있으며, 각각 모듈 (3, 4, 17) 에 할당되어 있다. 상기 연결 수단 (8, 9, 18) 은 모듈 (3, 4, 17, 22) 의 개수보다 하나가 적다. 상기 연결 수단 (8, 9, 18) 은 배기 가스가 각 모듈 (3, 4, 17, 22) 만을 통해 홀로 흐르도록 형성되어 있다. 내연 기관 (19) 에서 방출된 배기 가스는 내연 기관의 부하 상태에 따라, 연결 수단 (8, 9, 18) 을 사용하여 유리하게 전환될 수 있으며, 상기 배기 가스의 적어도 일부는 배기 가스 처리를 위한 하나 이상의 모듈 (3, 4, 17, 22) 을 통해 흐르게 된다.

특히, 본 발명에 따른 장치 (1) 의 제 2 실시예에 따르면, 평균상 실질적으로 동일한 전체 배기 가스 흐름이 모든 모듈 (3, 4, 17, 22) 을 통해 흐르게 하는 방식으로, 공전 상태에서 배기 가스의 흐름을 전환하는 것이 가능하다. 그러므로, 공전 상태에서, 실질적으로 모든 모듈 (3, 4, 17, 22) 는 실질적으로 균일하게 작용을 받게 된다.

도 5 는 내연 기관 (19) 으로부터의 배기 가스를 처리하기 위한 본 발명에 따른 장치 (1) 의 제 2 실시예를 종방향으로 나타낸 모습을 나타낸 도면이다. 모듈 (3, 4, 17, 22) 각각은 다수의 허니컴체 (16) 를 포함한다. 허니컴체 (16) 각각은 다양한 영역 (zone) 을 포함할 수 있다. 이를 제 4 모듈 (22) 의 허니컴체 (16) 를 기초로 하여서 이하 자세히 설명하도록 하겠다. 제 4 모듈 (22) 의 허니컴체 (16) 각각은 산화 촉매 영역 (20) 및 미립자 필터 영역 (21) 을 포함한다. 이 영역 (20, 21) 은 배출 가스가 산화 촉매 영역 (20) 을 먼저 통과한 후 미립자 필터 지역 (21) 을 통과하는 방식으로 배열되어 있다. 또한, 촉매 영역은 다른 모듈 (3, 4, 17) 에서도 있으며, 모듈 (3, 4, 5, 17) 이 연결되는 개별 장전 상태에 적응되는 방식으로 형성되어 있다. 이들은 특히 추가의 산화 촉매 영역 (20), 산화질소의 전환 및 표준 3원 촉매 영역용 영역일 수 있다. 이는 단지 예이며, 다른 촉매 영역 역시 가능하며, 이 또한 본 발명의 범위 내에 포함된다. 모듈 (3, 4, 17, 22) 당 다수의 영역 (20, 21) 을 갖는 것에 대한 대안으로써, 다수의 대응 허니컴체 (16) 를 직렬로 형성하는 것도 가능하다.

특히, 배출 가스를 처리하는 장치는 배출 가스 (6) 의 재생 용량과 모듈 (5, 3, 4, 17, 22) 의 재생 필요성에 따라서 연결 수단 (8, 9, 18) 에 의해 배출 가스의 전환이 일어나도록 작동될 수 있다. 이는 배출 가스가 미립자 필터 영역 (21) 의 재생에 필요한 특정 파라미터를 만족할 때, 예를 들면 특정 한계 온도를 넘을 때, 배출 가스가 재생의 필요가 있는 모듈 (3, 4, 17, 22) 에 원하는 방식으로 보내지는 것을 의미한다. 이는 특히 개별 모듈 (5, 3, 4, 17, 22) 의 연결에 추가하여 다른 모듈을 통하여 흐르는 것을 막는 것이 가능한 방식으로 형성된 연결 수단 (8, 9, 18) 에 의해 이루어질 수 있다. 산화 촉매 영역 (20) 및 미립자 필터 영역 (21) 은 배출 가스가 연속하여 흐를 수 있는 개별 허니컴체 (16) 로서 형성될 수 있다.

도 6 은 본 발명에 따른 장치 (1) 의 일부분을 도식적으로 나타내고 있다. 여기서, 배출 가스 처리를 위한 제 1 모듈 (3) 에 배정된 연결 수단 (8) 은 제 1 위치에 있고, 그 결과 내연 기관 (19) 으로부터의 배출 가스 (6) 는 제 1 모듈 (3) 을 통과하지 못하고, 그 모듈을 우회하게 된다.

도 7 은 연결 수단 (8) 이 제 2 위치에 있는 본 발명에 따른 장치의 일부분을 도식적으로 상세하게 나타내고 있다. 이는 내연 기관 (19) 으로부터의 배출 가스 (6) 가 모듈 (3) 을 통과하도록 배출 파이프 (2) 를 폐쇄하고 있다. 제 1 모듈 (3) 의 상류에 추가의 모듈이 형성되어 있는지 여부에 따라서, 내연 기관 (19) 으로부터의 배출 가스 모두가 제 1 모듈 (3) 을 통과하거나 혹은 배출 가스 (6) 의 대응 부분만이 통과하게 된다. 이 경우, 대응 부분은 배출 가스가 통과하여 흐를 수 있는 배기 시스템의 일부에서의 압력 손실에 따라서 결정된다.

도 8 은 연결 수단 (8) 이 제 3 위치에 있는 것을 도식적으로 나타내고 있다. 여기서, 제 1 모듈 (3) 로의 접근이 열려 있어 배출 가스 (6) 의 일부가 모듈 (3) 을 통하여 흐를 수 있다. 그러나, 배출 가스 (6) 의 다른 부분은 배출 파이프 (2) 를 통하여 계속 흐를 수 있다. 배출 파이프 (2) 와 모듈 (3) 을 통하여 흐르는 부분 흐름의 분배는 배출 가스가 통과하여 흐르는 개별 부분 영역 (2, 3) 에서의 압력 손실에 따라서 결정된다.

도 6 내지 8 에서 도시된 것과 같은 혹은 유사한 방식으로 형성된 연결 수단 (8, 9, 19) 으로, 배출 가스가 각각의 모듈을 개별적으로 통과하여 흐를 수 있게 할 수 있다. 이는 특히 공전 모드에서 개별 모듈 (3, 4, 17, 22) 에 특히 실질적으로 균일한 배출 가스 흐름이 공급되는 것이 기능함을 의미한다.

본 발명에 따른 공정 및 본 발명에 따른 장치 (1) 에 의하면, 매우 작은 배출 가스 질량 유량과 공전 모드에서도 배출 가스가 개별 모듈 (5, 3, 4, 17, 22) 에서 전환 및 처리되도록 심지어 대용량 내연 기관 (19) 의 배기 시스템도 구성할 수 있다. 개별 모듈은 내연 기관 (19) 의 다른 장착 지점에 사용될 수 있다.

Claims (15)

1. 내연기관 (19) 으로부터 배출된 배기가스 (6) 를 처리하기 위한 장치 (1) 로서, 내연기관 (19) 에 연결될 수 있는 배기 파이프 (2), 및 상기 배기 파이프 (2) 에 연결될 수 있는 배기가스 처리를 위한 최소한 두 개의 모듈 (3, 4, 5, 17, 22) 을 포함하는 배기가스 처리 장치 (1) 에 있어서,

   최소한 하나의 모듈 (3, 4, 5, 17, 22) 에 부여된 최소한 하나의 연결 수단 (8, 9, 18) 이 형성되고, 배기가스 (6) 의 적어도 일부분이 상기 모듈 (3, 4, 5, 17, 22) 을 통해 흐를 수 있도록 상기 연결 수단에 의해서 상기 모듈 (3, 4, 5, 17, 22) 이 배기 파이프 (2) 에 연결될 수 있으며,

   연결 수단 (8, 9, 18) 은 유체가 모듈 (3, 4, 5, 17, 22) 을 통해 흐를 수 있도록 연결하거나 또는 연결을 차단할 수 있는 구성요소이며,

   각각의 연결 수단 (8, 9, 18) 은 하나의 모듈 (3, 4, 5, 17, 22) 에 각각 할당되며,

   연결 수단의 개수는 모듈의 개수보다 하나가 적으며,

   연결 수단 (8, 9, 18) 이 각각의 모듈 (3, 4, 5, 17, 22) 에 연결되는 것과 함께, 다른 모듈 (3, 4, 5, 17, 22) 을 통한 흐름을 막을 수 있도록 제공되는 것을 특징으로 하는 배기가스 처리 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 연결수단 (8, 9, 18) 은 배기가스가 각각의 모듈 (3, 4, 5, 17, 22) 을 통해 흐를 수 있도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 처리 장치 (1).
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   각 모듈 (3, 4, 5, 17, 22) 은 그 모듈 (3, 4, 5, 17, 22) 을 통해 흐르는 배기가스 흐름의 미립자 농도를 적어도 감소시키는 것을 특징으로 하는 배기가스 처리 장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   각 모듈 (3, 4, 5, 17, 22) 이 최소한 하나의 미립자 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 처리 장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 미립자 필터가 개방되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 처리 장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 연결수단 (8, 9, 18) 이 최소한 하나의 플랩을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 처리 장치.
7. 제 1 항에 있어서,

   배기가스 (6) 가 관련된 모듈 (3, 4, 5, 17, 22) 을 통해 흐를 때, 배기가스 흐름으로부터 최소한 하나의 다른 모듈 (3, 4, 5, 17, 22) 을 제외하도록 상기 연결수단 (8, 9, 18) 이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 처리 장치.
8. 제 1 항에 따른 장치를 포함하는 철도 차량.
9. 제 1 항에 따른 장치를 포함하는 수송선.
10. 제 1 항에 따른 장치에 의해 수행되는, 내연기관 (19) 으로부터 배출된 배기가스 (6) 를 처리하는 공정에 있어서,

    최소한 두 개의 모듈 (3, 4, 5, 17, 22) 이 배기가스를 처리하기 위해 형성되어 있고,

    배기가스 (6) 의 적어도 일부분이 하나 이상의 모듈 (3, 4, 5, 17, 22) 을 통해서 흐르도록 내연기관 (19) 의 부하 상태에 따라 배기가스 흐름이 적어도 부분적으로 전환될 수 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 처리 공정.
11. 제 10 항에 있어서,

    각각의 모듈 (3, 4, 5, 17, 22) 에서 그 모듈을 통해 흐르는 배기가스 (6) 의 미립자 농도가 적어도 감소되는 것을 특징으로 하는 배기가스 처리 공정.
12. 제 11 항에 있어서,

    미립자 농도의 감소가 개방 미립자 필터에서 발생하는 것을 특징으로 하는 배기가스 처리 공정.
13. 제 12 항에 있어서,

    배기가스 (6) 의 전환이 다음 변수 중 최소한 하나에 따라 발생하는 것을 특징으로 하는 배기가스 처리 공정 :

    4.1) 모듈 (3, 4, 5, 17, 22) 에 대한 배기가스의 재생 용량, 및

    4.2) 모듈 (3, 4, 5, 17, 22) 의 재생에 대한 필요.
14. 제 10 항에 있어서,

    평균적으로 실질적으로 동일한 전체 배기가스 흐름이 실질적으로 모든 모듈 (3, 4, 5, 17, 22) 을 통해 흐르도록 공전 부하 상태에서 배기가스 흐름이 전환되는 것을 특징으로 하는 배기가스 처리 공정.
15. 제 10 항에 있어서,

    배기가스가 흐르는 모듈 (3, 4, 5, 17, 22) 의 수는 다음 변수 중 최소한 하나에 따라 단조롭게 증가하는 것을 특징으로 하는 배기가스 처리 공정 :

    6.1) 배기가스 온도, 및

    6.2) 배기가스 질량 흐름.

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