KR102353657B1 - 특히 내연 기관의 배기 가스의 오염제거 설비 및 이 설비의 사용 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 특히 내연 기관으로부터의, 배기 라인 (10) 에서 순환하는 배기 가스의 오염제거 설비에 관한 것으로, 이 설비는 질소 산화물 (NOx) 의 선택적 촉매 환원을 위한 적어도 하나의 촉매 수단, 적어도 하나의 입자 제거 수단, 적어도 하나의 입자 환원제를 포함하는 메인 탱크 (26), 및 상기 환원제를 상기 배기 라인으로 공급하기 위한 수단 (20) 을 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 설비는 환원제 첨가 (additivation) 수단 (30) 을 포함한다.

Description

특히 내연 기관의 배기 가스의 오염제거 설비 및 이 설비의 사용 방법
본 발명은 특히 자동차용의, 특히 내연 기관의 배기 가스의 오염제거 설비 및 이의 사용 방법에 관한 것이다.
더욱 상세하게는, 본 발명은, 특히 자동차의 디젤형 내연 기관의 배기 가스에 함유된 오염물질을 처리하는 방법에 관한 것이지만, 어떻게든지, 예를 들어, 가스 연료 또는 가솔린, 특히 희박 주행과 같은 스파크-점화 기관을 위한 방법을 배제하지는 않는다.
잘 알려진 바와 같이, 이러한 엔진으로부터의 배기 가스는 입자뿐만 아니라 미연소 탄화수소 (HC), 일산화탄소, 질소 산화물 (NO 및 NO2), 보다 일반적으로 NOx 라고 하는 많은 오염물질을 포함한다.
NOx 배출은 고온 및 산소의 존재 하에서 일어나는 연소로 인한 것으로 널리 알려져 있다. 이러한 조건은 일반적으로 연료 사용에 관계없이 임의의 유형의 연소에서 발생한다.
보다 구체적으로, 희박 주행 내연 기관은 배기 가스의 조성에서의 산소의 존재로 인해 취급하기 어려운 NOx 배출물을 생성한다.
현재, NOx 배출은 인간 건강, 특히 NO2 에 직접적으로, 그리고 대류권 오존의 2차 형성을 통해 간접적으로 해로운 영향을 미치기 때문에 주요 단점을 갖는다.
배출 기준을 준수하고 환경 및 인간 건강을 보전하기 위해, 배기 가스를 대기로 배출하기 전에 이러한 오염물질을 처리할 필요가 있게 되었다.
일반적으로 잘 알려진 바와 같이, 이는 기관의 배기 라인에서 순환하는 배기 가스의 오염제거를 위한 처리 수단에 의해 달성된다.
따라서, 희박 주행 엔진으로부터의 미연소 탄화수소 및 일산화탄소를 처리하기 위해, 산화 촉매와 같은 촉매 수단이 배기 라인 상에 배치된다.
특히 디젤 기관으로부터의 배기 가스에 관해서는, 배기 가스 내에 존재하는 입자들을 포획 및 제거하고 이들을 대기로 방출하는 것을 회피하기 위하여 유리하게는 미립자 필터가 이 라인 상에 배치된다.
이 필터는, 이 필터에 유지된 입자들의 연소를 달성함으로써, 막힘을 방지하기 위해 주기적으로 재생해야할 필요가 있다. 이러한 재생 작업은 주로 필터 온도를 증가시키는 것으로 이루어지는데, 이는 엔진 제어에 의해 유발되는 배기로의 직접 주입으로부터 또는 연소로 인한 화학 종을 감소시키는 필터로부터 상류에 배치된 촉매에서, 발열 산화에 의해 발생되거나 또는 고부하에서 엔진을 사용할 때에 자발적으로 발생할 수 있다.
재생 첨가제는 재생 단계를 촉진시키는데 사용될 수 있다. 미립자 필터의 재생을 위한 첨가제는, 연속 미립자 필터 재생 현상을 촉진시키고 이에 따라 활성 미립자 필터 재생 기간을 줄일 수 있게 하거나, 또는 활성 미립자 필터 재생 단계 동안에 매연의 연소를 촉진시킬 수 있게 하며, 따라서 이 페이즈에 대한 연료 소비를 제한하고 그리고/또는 배기에서의 온도 조건 및 가스 조성이 이 활성 재생에 유리할 때에 상당한 매연 매스를 연소시킬 기회를 최대화하거나 또는 이들 2 가지 이점의 조합을 허용할 수 있는 임의의 첨가제인 것으로 이해된다.
간략화를 위해, 본 발명의 범위를 제한하지 않고서, 이후에 간단하게 재생 단계 촉진을 언급한다.
NOx 배출물에 관해서도, 배기 가스는 다른 촉매 수단, 특히 SCR (Selective Catalytic Reduction) 유형의 촉매를 통해 또한 흐른다. 이 SCR 촉매는 환원제의 작용을 통해 NOx 를 질소로 선택적으로 환원시킨다.
일반적으로 SCR 촉매의 상류에 주입되는 이 환원제는 암모니아, 또는, 분해에 의해 암모니아를 생성하는 화합물, 예컨대 우레아 또는 산소화되거나 산소화되지 않은 탄화수소, 예컨대 에탄올일 수 있다.
현재, NOx 오염제거를 위한 가장 보편적인 기술들 중 하나는 암모니아를 사용하는 SCR 촉매 반응이다.
이 암모니아는 액체 형태로 주입된 전구체, 일반적으로 유럽에서 "AdBlue" 라는 브랜드 명으로 잘 알려진 32.5 질량% 우레아 수용액의 분해에 의해 간접적으로 얻어진다.
따라서, 우레아 용액은 SCR 촉매 상류의 배기 라인에 주입된다. 이 용액에 포함된 물은 배기 가스 온도의 영향으로 급속히 증발한 다음, 각 우레아 분자는 두 단계에서 두 개의 암모니아 분자로 분해된다.
문헌 FR-3,029,800 에 보다 상세히 기술된 바와 같이, 배기 가스 오염제거 시스템은 미립자 필터 및 선택적 촉매 환원 (SCR) 촉매를 조합한, 가능하게는 SCR 촉매화된 필터 또는 SCRF 필터라고 하는 단일의 요소로 그룹화된 오염제거 수단을 포함하는 배기 라인, 미립자 필터 재생을 위한 첨가제 및 이 오염제거 수단에 존재하는 NOx 를 제거하기 위한 환원제의 혼합물을 함유하는 단일 탱크, 및 이 혼합물을 SCR 촉매 또는 SCRF 필터로부터 상류로 공급하기 위한 인젝터를 포함한다.
이 시스템은 만족스럽지만, 중요한 단점을 수반한다.
실제로, 전술한 문헌에 기재된 시스템은 미립자 필터 재생을 위한 첨가제 및 NOx 제거를 위한 환원제의 혼합물 및 탱크에 공급되기 이전에 차량의 외부에서 준비되는 혼합물을 함유하는 단일 탱크의 사용으로 제한된다.
따라서 차량 사용자 또는 유지 보수 담당자는 이 탱크에 NOx 제거용 환원제와 미립자 필터 재생용 첨가제를 모두 포함하는 유체를 충전 또는 재충전하거나, 적절한 비율로 이 두 제품을 혼합해야 한다. 수성 매체에 용해되는 미립자 필터의 재생을 위한 첨가제 및 기능 모두를 결합하는 이 혼합물은 분배 네트워크의 현재 약점으로 인해 시장에서의 이용가능성이 제한될 수 있는 제품이다.
다른 한편으로, SCR 촉매 환원제, 특히 AdBlue 를 공급하는 분배 네크워크는 이미 개발되었으며, 향후 5 년 내에 강화될 예정이다.
본 발명은 첨가제가 환원제에 더 이상 차량 외부에서가 아니라 이 차량에서 직접적으로 첨가될 수 있는 방법에 의해 전술한 결점을 극복하는 것을 목적으로 한다.
이는 넓게 분포된 NOx 제거를 위한 환원제로 탱크를 초기에 채우는 것을 허용하여, 설치가 어려울 수 있는 병렬 분배 네트워크의 사용을 피할 수 있다는 이점을 제공한다.
따라서, 본 발명은 특히 내연 기관으로부터의, 배기 라인에서 순환하는 배기 가스의 오염제거 설비에 관한 것으로, 이 설비는 질소 산화물의 선택적 촉매 환원을 위한 적어도 하나의 촉매 수단, 적어도 하나의 미립자 필터, 적어도 하나의 환원제를 포함하는 메인 탱크, 및 환원제를 배기 라인으로 공급하기 위한 하나 이상의 수단을 포함하고, 설비는 환원제 첨가 (additivation) 수단을 포함한다.
첨가 수단은 첨가 회로를 포함할 수 있다.
첨가 회로는 메인 탱크에 연결된 적어도 하나의 첨가 탱크를 포함할 수 있다.
환원제를 배기 라인으로 공급하기 위한 하나 이상의 수단은 메인 탱크를 적어도 하나의 미립자 필터의 상류에 연결할 수 있다.
첨가 탱크 및 메인 탱크는 적어도 하나의 미립자 필터의 상류에서 제공될 수 있다.
첨가 탱크는 적어도 하나의 첨가제를 함유할 수 있다.
첨가 회로는 적어도 하나의 첨가제 펌핑 및 투여 수단을 포함할 수 있다.
첨가제는 미립자 필터의 재생 단계를 촉진시키는 제품, 또는 환원제의 분무를 개선시키기 위한 제품, 또는 환원제의 빙점을 제한할 수 있는 제품 또는 환원제의 빙점을 낮추기 위한 제품, 또는 환원제의 냄새를 차폐하기 위한 제품, 또는 이들 제품들중의 2종 이상의 조합물일 수 있다.
환원제는 암모니아 또는 암모니아 전구체 화합물을 함유할 수 있다.
환원제는 산소화되거나 산소화되지 않은 탄화수소일 수 있다.
본 발명은 또한 전술한 배기 가스 오염제거 설비의 사용 방법에 관한 것으로, 이 방법은
- 메인 탱크에 환원제를 충전하는 것, 및
- 메인 탱크에 함유된 환원제를 첨가하는 것
을 포함한다.
환원제는 하나 이상의 첨가 탱크에 함유된 적어도 하나의 첨가제와 함께 첨가된다.
환원제는 메인 탱크에 직접 공급되는 고체 형태의 적어도 하나의 첨가제와 함께 첨가된다.
환원제는 특히 메인 탱크의 목부를 통해 메인 탱크에 직접 공급되는 액체 형태의 적어도 하나의 첨가제와 함께 첨가된다.
환원제는 메인 탱크로 공급되기 전에 천공될 캡슐 내에 함유된 적어도 하나의 첨가제와 함께 첨가된다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은, 본 발명에 따른 방법을 사용하는 설비를 나타내는 첨부된 유일한 도면을 참조하여, 비제한적인 예로서 이하에 주어진 설명을 읽음으로써 명백해질 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 방법을 사용하는 설비를 나타내는 도면이다.
이 배기 가스 오염제거 처리 설비는, 예를 들어 자동차의 내연 기관 (12) 으로부터 배기 가스를 운반하는 배기 라인 (10) 을 포함한다.
내연 기관은 디젤 기관인 것으로 이해되지만, 이는 가솔린, 가스 또는 기타 연료로 작동하는 기관과 같은 다른 모든 내연 기관을 배제하지 않는다.
유일한 도면에서 보다 잘 알 수 있는 바와 같이, 배기 라인 (10) 은, 기관 (12) 으로부터 배출되어 공기에 개방되는 출구 (14) 로의 배기 가스의 순환 방향으로, 배기 가스에 존재하는 입자의 포획 및 제거를 위한 적어도 하나의 수단, 뿐만 아니라 이 가스에 함유된 NOx 의 저감을 위한 적어도 하나의 수단을 포함한다.
유리하게는, 그러나 필수적이지는 않고 단지 도면에 도시된 예에 의해, 이들 수단은 SCR 촉매 필터 또는 SCRF 필터 (16) 로서 더 잘 알려진 단일 요소로 조합된다.
바람직하게는, 이 SCRF 필터는 배기 가스가 촉매 필터를 통과하기 전에 배기 가스에 함유된 미연소 탄화수소 및 일산화탄소를 처리하는 목적을 갖는 산화 촉매 (18) 의 하류에 배치된다.
이 산화 촉매의 목적은 또한 SCR 촉매작용의 전환 효율을 최대화하기 위해 배기 가스에 함유된 일산화질소와 이산화질소 사이의 비율을 조정하는 것이다.
배기 라인은 NOx 제거용 환원제 및 입자 재생용 첨가제의 혼합물을 전달하기 위한 전달 수단을 포함한다.
이러한 전달 수단은 예를 들어 SCRF 필터의 상류에 배치된 인젝터 (20) 의 형태로 제공될 수 있다.
바람직하게는, 인젝터와 SCRF 필터 사이에는 환원제를 배기 가스로 균질화하기 위한 장치 (21) 가 위치된다.
일반적으로 잘 알려진 바와 같이, 배기 라인은 또한 SCRF 필터 입구와 출구 사이의 차압을 결정하기 위한 수단 (22) 을 포함한다.
이렇게 하면, 입자로 인해 SCRF 필터 막힘 비율을 알 수 있다.
또한 그 자체로 공지된 방식으로, 배기 라인은 배기 라인 상에, 보다 상세하게는 촉매 필터 입구에 배치된 온도 검출기 (미도시) 를 지니고 있으며, 이는 이 라인에서 순환하는 배기 가스의 온도를 언제든지 알 수 있게 해준다.
대안적으로, 라인에서 순환하는 배기 가스의 온도를 언제든지 예측할 수 있게 하는 로직 및/또는 컴퓨터 수단이 제공될 수 있다.
이 라인은 촉매 필터 출구에 배열된 NOx 검출기 (미도시) 를 또한 포함할 수 있으며, 이는 이 필터로부터 유동하는 NOx 의 양을 언제든지 알 수 있게 해준다.
이 라인은 촉매 필터 입구에 배열된 NOx 검출기 (미도시) 를 또한 포함할 수 있으며, 이는 이 필터로 유입되는 NOx 의 양을 언제든지 알 수 있게 해준다.
마찬가지로, 이러한 NOx 의 양을 언제든지 예측할 수 있게 하는 로직 및/또는 컴퓨터 수단이 또한 제공될 수 있다.
인젝터 (20) 에 의해 배기 라인으로 공급된 혼합물은 이 인젝터를 이 혼합물을 함유하는 메인 탱크 (26) 에 연결하는 파이프 (24) 를 통해 운반된다. 혼합물은 펌프 (28) 와 같은 펌핑 수단의 영향하에 메인 탱크와 인젝터 사이에서 순환된다.
이 메인 탱크는 초기에 환원제, 암모니아 또는 분해에 의해 암모니아를 생성하는 화합물, 예컨대 우레아를 포함한다.
비한정적인 예로써, 이 암모니아는 배기 라인에 액체 형태로 주입된 전구체, 일반적으로 유럽에서 "AdBlue" 라는 브랜드 명으로 잘 알려진 32.5 질량% 우레아 수용액의 분해에 의해 간접적으로 얻어진다.
간략화를 위해, 이하의 나머지 설명에서, 환원제 및 이 환원제의 전구체를 포괄하는 "환원제" 라는 일반 용어가 사용된다.
이 메인 탱크의 내용물은, 각각 환원제로 채워진 후에, 환원제 첨가 수단으로 완성된다.
이 첨가제는 미립자 필터 재생을 촉진시키는 제품, 환원제의 분무를 개선시키기 위한 제품, 환원제의 빙점을 낮추기 위한 제품, 환원제의 냄새를 차폐하기 위한 제품, 또는 이들 제품들중의 2종 이상의 조합물일 수 있다.
일 실시 형태에 따르면, 첨가제는 미립자 필터 재생을 촉진시키는 제품을 함유할 수 있다. 이 경우, 첨가제는 금속 산화물일 수 있다.
유리하게는, 첨가제는 이하에서 선택된 적어도 하나의 첨가제와 미립자 필터의 재생을 촉진시키는 제품의 조합물일 수 있다:
- 환원제의 분무를 개선시키기 위한 제품,
- 환원제의 빙점을 낮추기 위한 제품,
- 냄새를 차폐하기 위한 제품.
첨가제 이외에, 첨가 수단 및/또는 탱크 (26) 는 환원제 분해 부산물로부터의 퇴적물의 형성을 제한하거나 억제할 수 있는 제품을 포함할 수 있다. 이 유형의 제품은 유기농 제품일 수 있다.
유일한 도면에 도시된 예로서, 탱크 (26) 는 첨가 회로 (30) 를 포함하는 첨가 수단에 연결된다.
이 회로는 첨가 파이프 (34) 에 의해 메인 탱크에 연결된 적어도 하나의 첨가 탱크 (32) 를 포함한다. 이와 유사하게, 투여 펌프와 같은 첨가제 펌핑 및 투여 수단 (36) 이 이 첨가 탱크로부터 탱크에 첨가제를 보내도록 이 파이프에 제공된다.
첨가 회로는 앞서 열거된 하나 이상의 첨가제를 갖는 첨가 탱크 또는 각각 상이한 첨가제를 함유하는 수개의 첨가 탱크들을 포함할 수 있다.
물론, "탱크" 라는 용어는 특히 합성 또는 천연 폴리머를 포함하는 재료로 만들어진 강성 컨테이너 또는 가요성 파우치와 같은 임의의 유체 용기를 포괄한다.
따라서, 메인 탱크 (26) 에 환원제를 채운 후에, 메인 탱크에 첨가 파이프 (34) 를 통해 원하는 양의 첨가제를 공급하기 위해 첨가 투여 펌프 (36) 가 작동되어, 인젝터를 통해 배기 라인에 보내질 혼합물을 생성하게 된다. 메인 탱크에 첨가되는 첨가제의 양은 목표 첨가제 농도에 의해 결정되며, 이는, 경제적인 이유로 그리고 오염제거 시스템의 파울링 (fouling) 또는 가능한 독작용을 제한하기 위해, 공급되는 첨가제의 양을 최소화하여 원하는 효과를 얻을 수 있게 한다.
물론, 검출기와 같은 임의의 수단을 메인 탱크에 제공하여 한편으로는 환원제 충전 레벨 및 다른 한편으로는 첨가제 충전 레벨을 알 수 있게 하는 것은 당업자의 범위 내에 있다.
따라서 이 솔루션은 공장에서 채워지는 미립자 필터 재생 첨가제를 위해 특정 탱크를 사용할 수 있게 한다.
게다가, 이 첨가제의 제한된 소비 때문에, 환원제와 비교하여, 이 탱크는 훨씬 적은 빈도의 충전을 필요로 한다.
또한, 이 솔루션은 운영자 개입없이 거의 자동으로 첨가가 발생하기 때문에 훨씬 더 안정적인 설치를 제공할 수 있는 이점을 제공한다.
예시되지 않은 변형예에서, 첨가 수단은 보다 상세하게는 메인 탱크의 목부를 통해 메인 탱크에 직접 공급되는 액체 또는 고체 형태의 하나 이상의 첨가제를 포함한다.
유사하게 예시되지 않은 또 다른 변형예에서, 첨가는, 보다 특별하게는 메인 탱크의 목부를 통해 환원제를 함유하는 메인 탱크 내로 하나 이상의 (고체 또는 액체) 첨가제를 주입하기 위해, 이 첨가제를 함유하는 캡슐의 천공을 통해 달성된다.
본 발명은 전술한 예에 한정되지 않고, 다른 입자의 포획 및 제거 수단 및 NOx 저감 수단의 실시형태를 포함한다.
특히, 하나의 부품으로 제조된 SCRF 필터는, SCR 촉매 및 미립자 필터를 갖는 적어도 2 개의 배기 가스 처리 수단에 의해 대체될 수 있다. 이러한 구성에서, 인젝터 (20) 는 SCR 촉매의 상류에 배치된다.
한편, 수단 중 하나는 미립자 필터 다음에 촉매가 있을 수 있으며, 인젝터는 미립자 필터의 상류에 배치된다.

Claims (13)

  1. 배기 라인 (10) 에서 순환하는 배기 가스의 오염제거 설비로서,
    질소 산화물 (NOx) 의 선택적 촉매 환원을 위한 적어도 하나의 촉매 수단, 적어도 하나의 미립자 필터, 적어도 하나의 환원제를 포함하는 메인 탱크 (26), 및 상기 환원제를 상기 배기 라인에 공급하기 위한 하나 이상의 수단 (20) 을 포함하고,
    상기 설비는 환원제에 첨가제를 첨가하는 첨가 (additivation) 수단 (30) 을 포함하고, 상기 첨가 수단은 첨가 회로 (30) 를 포함하고, 상기 첨가 회로 (30) 는 메인 탱크 (26) 에 연결된 적어도 하나의 첨가 탱크 (32) 를 포함하고,
    상기 하나 이상의 수단 (20) 은 상기 메인 탱크 (26) 를 상기 적어도 하나의 미립자 필터의 상류에 연결하고,
    상기 첨가 탱크 (32) 및 상기 메인 탱크 (26) 는 상기 적어도 하나의 미립자 필터의 상류에서 제공되며,
    상기 첨가제는 연속 미립자 필터 재생 현상을 촉진시키고 이에 따라 활성 미립자 필터 재생 기간을 줄이거나, 또는 활성 미립자 필터 재생 단계 동안에 매연의 연소를 촉진시켜, 미립자 필터의 재생을 촉진시키는 제품과; 이하의 제품
    - 상기 환원제의 분무를 개선시키기 위한 제품
    - 상기 환원제의 빙점을 낮추기 위한 제품
    - 상기 환원제의 냄새를 차폐하기 위한 제품
    에서 선택된 적어도 하나 이상의 제품의 조합물인,
    배기 가스의 오염제거 설비.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    첨가 탱크 (32) 는 적어도 하나의 첨가제를 함유하는 것을 특징으로 하는 배기 가스의 오염제거 설비.
  5. 제 1 항에 있어서,
    첨가 회로 (30) 는 적어도 하나의 첨가제 펌핑 및 투여 (dosing) 수단 (36) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 가스의 오염제거 설비.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 첨가제는 상기 미립자 필터의 재생 단계를 촉진시키는 제품을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 가스의 오염제거 설비.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 환원제는 암모니아 또는 암모니아 전구체 화합물을 함유하는 것을 특징으로 하는 배기 가스의 오염제거 설비.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 환원제는 산소화되거나 산소화되지 않은 탄화수소인 것을 특징으로 하는 배기 가스의 오염제거 설비.
  9. 제 1 항 및 제 4 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 배기 가스의 오염제거 설비의 사용 방법으로서,
    - 메인 탱크 (26) 에 환원제를 충전하는 단계, 및
    - 메인 탱크 (26) 에 들어 있는 환원제를 상기 배기 라인 (10) 으로 첨가하는 단계
    를 포함하는, 배기 가스의 오염제거 설비의 사용 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 환원제는 하나 이상의 첨가 탱크 (32) 에 함유된 적어도 하나의 첨가제와 함께 첨가되는 것을 특징으로 하는 배기 가스의 오염제거 설비의 사용 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 환원제는 상기 메인 탱크에 직접 공급되는 고체 형태의 적어도 하나의 첨가제와 함께 첨가되는 것을 특징으로 하는 배기 가스의 오염제거 설비의 사용 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 환원제는 메인 탱크 (26) 에 직접 공급되는 액체 형태의 적어도 하나의 첨가제와 함께 첨가되는 것을 특징으로 하는 배기 가스의 오염제거 설비의 사용 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 환원제는 메인 탱크 (26) 로 공급되기 전에 천공될 캡슐 내에 함유된 적어도 하나의 첨가제와 함께 첨가되는 것을 특징으로 하는 배기 가스의 오염제거 설비의 사용 방법.
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