KR102515878B1 - 배기 가스 후처리 시스템 및 배기 가스 후처리를 위한 방법 - Google Patents

배기 가스 후처리 시스템 및 배기 가스 후처리를 위한 방법 Download PDF

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Abstract

배기 가스로부터 수트 및 재 입자를 제거하기 위한 적어도 하나의 입자 분리기 모듈(6)로 이루어진 내연기관(1)의 하류측에 배열된 입자 분리기(3)를 갖는, 내연기관용(1) 배기 가스 후처리 시스템(2)으로서, 세정될 배기 가스는 적어도 하나의 배기 가스 공급 라인을 거쳐 입자 분리기(3)로 공급될 수 있고, 입자 분리기(3) 내에서, 세정된 배기 가스가 입자 분리기(3)로부터 적어도 하나의 배기 가스 배출 라인을 거쳐 배출될 수 있고, 각각의 입자 분리기 모듈(6)은 유동하는 배기 가스가 통과할 수 있는 다수의 배기 가스 유동 통로(10)를 포함하고, 이 배기 가스 유동 통로를 거쳐, 배기 가스 공급 라인으로부터 나온 배기 가스가 배기 가스 배출 라인의 방향으로 안내될 수 있고, 배기 가스 유동 통로(10)는 이웃하는 유동-제어 요소(8, 9)에 의해 경계한정되고, 이 유동-제어 요소는 배기 가스 유동 통로(10) 내에서 난류 배기 가스 유동을 갖는 유동 편향 구역 및/또는 유동의 사구역 및/또는 상이한 유속을 갖는 유동 구역과 같은 거시 구조체를 경계한정하고, 각각의 입자 분리기 모듈(6)은 유동하는 배기 가스 및/또는 압축 공기가 통과할 수 있는 다수의 세정 통로(11)를 포함하고, 이 세정 통로는 배기 가스 유동 통로(10)에 대해 횡방향으로 연장되고 유동-제어 요소(8, 9)에 의해 마찬가지로 경계한정되고, 세정 통로(11)로부터 배기 가스 유동 통로(10)를 분리시키는 유동-제어 요소(8, 9)의 이러한 섹션에는, 세정 통로(11)를 통해 유동하는 배기 가스 그리고/또는 세정 통로(11)를 통해 유동하는 압축 공기의 통과를 위한 리세스가 도입되고, 이 리세스를 거쳐 배기 가스 유동 통로(10)에 대면하는 유동-제어 요소(8, 9)의 이들 섹션의 표면에서 수트 및/또는 재가 세정될 수 있는 것인 배기 가스 후처리 시스템이 개시된다.

Description

배기 가스 후처리 시스템 및 배기 가스 후처리를 위한 방법{EXHAUST GAS AFTER-TREATMENT SYSTEM AND METHOD FOR THE EXHAUST GAS AFTER-TREATMENT}
본 발명은 배기 가스 후처리 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 배기 가스 후처리를 위한 방법에 관한 것이다.
실제로부터, 배기 가스의 유동 방향에서 볼 때 입자 필터의 상류측에 배열되어 있는 적어도 하나의 다른 배기 가스 후처리 조립체 및/또는 배기 가스의 유동 방향에서 볼 때 입자 필터의 하류측에 배열되어 있는 적어도 하나의 다른 배기 가스 후처리 조립체를 배기 가스 후처리 조립체로서 포함하는 내연기관의 배기 가스 후처리 시스템이 공지되어 있다. 유동 방향에서 볼 때, 입자 필터의 상류측에 위치되어 있는 배기 가스 후처리 조립체는 특히 일산화질소(NO)를 이산화질소(NO2)로 산화시키기 위한 산화 촉매 변환기이다. 유동 방향에서 볼 때, 입자 필터의 하류측에 위치되어 있는 배기 가스 후처리 조립체는 소음기(silencer)일 수 있다. 특히, 배기 가스 유동의 유동 방향에서 볼 때, NO의 NO2로의 산화를 위한 산화 촉매 변환기는 입자 필터의 상류측에 위치되어 있고, 산화 촉매 변환기 내에서의 NO의 NO2로의 산화는 이하의 식에 따라 배기 가스 유동 내에 함유된 잔류 산소(O2)의 도움을 받아 이루어진다.
2 NO + O2 → 2 NO2
이러한 일산화질소의 이산화질소로의 산화 중에, 고온에서의 산화 반응의 평형은 일산화질소의 측에 있다. 이는 고온에서, 성취될 수 있는 이산화질소 비율이 상당히 제한되는 결과로 나타난다.
입자 필터에 있어서, 산화 촉매 변환기 내에서 얻어진 이산화질소는 탄소 함유 입자, 소위 수트(soot)로 변환되어, 입자 필터 내에서 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 질소(N2) 및 일산화질소(NO) 내로 축적된다. 이러한 프로세스에서, 입자 필터의 자연 재생(passive regeneration)을 위해, 입자 필터 내에 축적된 탄소 함유 미립자 물질 또는 수트의 연속적인 제거가 이루어지는데, 여기서 전술한 변환은 이하의 식에 따라 이루어진다.
2 NO2 + C → 2 NO + CO2
NO2 + C → NO + CO
2 C + 2 NO2 → N2 + 2 CO2
특히, 입자 필터의 이러한 자연 재생에 의해, 입자 필터 내에 축적된 탄소 함유 미립자 물질 또는 수트의 어떠한 완전한 변환도 이루어질 수 없을 때, 입자 필터 내의 탄소 비율 또는 수트 비율이 증가하고, 여기서 입자 필터는 이때 막히는 경향을 나타내는데, 그 결과 최종적으로 배기 가스 후처리 시스템의 상류측에 연결된 내연기관 상의 소위 배기 가스 배압(backpressure)이 증가한다. 내연기관 상의 증가하는 배기 가스 배압은 내연기관의 동력을 감소시키고, 연료 소비의 상승을 유발한다.
입자 필터 내의 탄소 함유 미립자 물질 또는 수트의 증가 및 이에 따른 입자 필터의 막힘을 피하기 위해, 입자 필터에 촉매 코팅을 제공하는 것이 실제로부터 이미 공지되어 있다. 여기서, 플래티늄 함유 코팅이 바람직하게 이용된다. 그러나, 촉매 코팅을 갖는 이러한 입자 필터의 사용은 탄소 함유 미립자 물질, 즉 수트로의 입자 필터의 충전을 단지 부적절한 정도로만 방지할 수 있다.
특히, 통상적으로 선박의 디젤 내연기관의 경우에서와 같이, 배기 가스 후처리 시스템이 작동되는 내연기관이 예를 들어 중유(heavy fuel oil)와 같이, 고도의 황 함유 연료로 작동될 때, 재(ash) 및 수트의 높은 발생의 결과로서, 배기 가스 후처리 시스템의 입자 필터의 막힘이 마찬가지로 발생할 수 있는 추가의 문제점이 존재한다. 특히, 중유로 작동되는 내연 기관의 경우에, 입자 필터의 유지보수 간격은 발생된 재 및 수트에 의해 매우 현저하게 짧아질 수 있어, 배기 가스 후처리 시스템의 실용적인 작동이 더 이상 가능하지 않게 된다.
따라서, 전술한 이유로, 배기 가스 후처리 시스템 내의 입자 필터를 무필터(filterless) 입자 분리기로 대체하는 것이 실제로부터 이미 공지되어 있다. 입자 분리기의 경우에, 배기 가스는 임의의 필터 매체를 통해 유동하지 않고, 배기 가스 유동은 오히려 입자를 분리하기 위한 텍스처링된 표면(textured surface)을 따라 안내되고 편향된다.
EP 1 072 765 B2호로부터, 내연기관의 배기 가스로부터 입자를 분리하기 위한 방법이 공지되어 있다. 입자는 유동의 사구역(dead zone)에서 확산을 통해 분리된다. 확산에 의한 배기 가스로부터의 입자의 분리는 EP 1 072 765 B2호로부터 공지된 방법에 따라 용이하게 가능하지만, 내연기관 작동이 불안정한 경우에, 분리된 탄소를 산화시키기 위해 적당한 NO2가 빈번히 이용 가능하지 않게 되는 문제점이 존재한다. 이러한 이유로, 입자 분리기는 이후에 탄소의 산화를 위한 적당한 NO2가 이용 가능해질 때까지 입자를 저장해야 한다. 그러나, 입자 필터는 프로세스에서 막히지 않아야 한다.
다른 입자 분리기가 DE 10 2008 029 520 A1호로부터 공지되어 있다. 이 입자 분리기에서, 배기 가스는 또한 배기 가스로부터 입자를 분리하기 위해 꾸준하게 편향된다.
분리된 입자, 특히 탄소 입자가 이후의 산화를 위해 중간 저장될 수 있고 입자 분리기의 막힘을 피하기 위해 수트 및 재를 배출할 수 있는, 입자 분리기를 갖는 배기 가스 후처리 시스템에 대한 요구가 존재한다. 이로부터 시작하여, 본 발명은 새로운 유형의 배기 가스 후처리 시스템 및 새로운 유형의 배기 가스 후처리를 위한 방법을 안출하는 목적에 기초한다.
이 목적은 청구항 1에 따른 배기 가스 후처리 시스템을 통해 해결된다. 배기 가스 후처리 시스템은 배기 가스로부터 수트 및 재 입자를 제거하기 위한 적어도 하나의 입자 분리기 모듈을 포함하고, 세정될 배기 가스는 적어도 하나의 배기 가스 공급 라인을 거쳐 입자 분리기로 공급될 수 있고, 입자 분리기 내에서 세정된 배기 가스는 입자 분리기로부터 적어도 하나의 배기 가스 배출 라인을 거쳐 배출될 수 있고, 각각의 입자 분리기 모듈은 유동하는 배기 가스가 통과할 수 있는 다수의 배기 가스 유동 통로를 포함하고, 이 배기 가스 유동 통로를 거쳐, 배기 가스 공급 라인으로부터 나온 배기 가스가 배기 가스 배출 라인의 방향으로 안내될 수 있고, 배기 가스 유동 통로는 이웃하는 유동-제어 요소에 의해 경계한정되고, 이 유동-제어 요소는 배기 가스 유동 통로 내에서 난류 배기 가스 유동을 갖는 유동 편향 구역 및/또는 유동의 사구역 및/또는 상이한 유속을 갖는 유동 구역과 같은 거시 구조체를 경계한정하고, 각각의 입자 분리기 모듈은 유동하는 배기 가스 및/또는 압축 공기가 통과할 수 있는 다수의 세정 통로를 포함하고, 이 세정 통로는 배기 가스 유동 통로에 대해 횡방향으로 연장되고 유동-제어 요소에 의해 마찬가지로 경계한정되고, 세정 통로로부터 배기 가스 유동 통로를 분리시키는 유동-제어 요소의 적어도 이러한 섹션에는, 세정 통로를 통해 유동하는 배기 가스의 통과를 위한 그리고/또는 세정 통로를 통해 유동하는 압축 공기의 통과를 위한 리세스가 도입되고, 이 리세스를 거쳐 배기 가스 유동 통로에 대면하는 유동-제어 요소의 표면에서 수트 및/또는 재가 세정될 수 있다.
본 발명에 따른 배기 가스 후처리 시스템의 입자 필터의 경우에, 탄소 입자가 산화를 위해 중간 저장될 수 있고, 더욱이 입자 필터의 폐색을 피하기 위해 재 및 수트가 배출될 수 있다. 탄소 입자는 배기 가스 유동 통로의 표면 상에서 입자의 확산 및/또는 대류를 거쳐 분리된다. 압축 공기 및/또는 배기 가스를 안내할 수 있는 세정 통로를 통해, 재 및 수트가 입자 필터로부터 효과적으로 제거될 수 있다.
다른 개량에 따르면, 배기 가스 유동 통로에 대면하는 유동-제어 요소의 표면은 미시 구조체를 형성한다. 바람직하게는, 미시 구조체는 거시 구조체의 유효 표면적을 확장시키고, 미시 구조체는 바람직하게는 0.05 ㎛ 내지 50 ㎛의 거칠기를 갖는다. 배기 가스 유동 통로에 대면하는 유동-제어 요소의 표면 상의 미시 구조체는 확산 및/또는 대류를 통해 배기 가스로부터 입자의 분리를 향상시킨다. 여기서, 0.05 ㎛ 내지 50 ㎛의 미시 구조체의 거칠기는 유속이 0인 경향이 있는 분리된 입자의 얇은 정체성(stagnating) 경계 필름을 형성하기에 특히 바람직하다. 이에 따라, 입자가 유동에 의해 재차 떨어져 나가는 것이 방지될 수 있다.
다른 개량에 따르면, 유동-제어 요소는, 배기 가스 유동 통로 및 세정 통로의 다수의 층을 형성하면서 샌드위치형 또는 스택형으로 교번적으로 설계되어 있는, 편평한 또는 2차원으로 윤곽 형성된 유동-제어 요소 및 파형 또는 3차원으로 윤곽 형성된 유동-제어 요소를 포함한다. 바람직하게는, 거시 구조체로서 3차원으로 윤곽 형성된 유동-제어 요소는 배기 가스 유동 통로의 방향으로 연장되는 유동-안내 윤곽부, 배기 가스 유동 통로의 방향에 대해 횡방향으로 연장되는 유동-축적 윤곽부 및 유동-안내 개구를 형성한다.
배기 가스 유동 통로 및 세정 통로를 형성하거나 경계한정하는, 샌드위치형 또는 스택형으로 서로 상하로 배열된 유동-제어 요소는 확산 및/또는 대류를 통한 탄소 입자의 분리 그리고 입자 필터의 재 및 수트의 세정에 특히 바람직하다.
다른 유리한 다른 개량에 따르면, 유동-제어 요소는 40 ㎛ 내지 150 ㎛, 바람직하게는 40 ㎛ 내지 100 ㎛, 특히 바람직하게는 40 ㎛ 내지 60 ㎛의 벽 두께를 갖는다. 유동-제어 요소의 이러한 얇은 벽 두께는 각각의 경우에 콤팩트한 디자인을 갖는 효과적인 유동 제어, 탄소 입자의 효과적인 분리 및 입자 분리기의 효과적인 세정을 허용한다.
본 발명에 따른 배기 가스 후처리를 위한 방법이 청구항 14에 정의된다.
본 발명의 바람직한 추가의 개량은 종속 청구항 및 이하의 상세한 설명으로부터 얻어진다. 본 발명의 예시적인 실시예는 그에 제한되지 않고 도면을 참조하여 더 상세히 설명된다.
도 1은 배기 가스 후처리 시스템의 블록도.
도 2는 배기 가스 후처리 시스템의 사시도.
도 3은 도 2의 상세도.
여기에 제시된 본 발명은 내연기관용, 바람직하게는 예를 들어 중유와 같이, 고도의 황 함유 연료로 작동되는 선박 상에 이용되는 내연기관용 배기 가스 후처리 시스템에 관한 것이다.
도 1은 내연기관(1)의 하류측에 위치된 배기 가스 후처리 시스템(2)의 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 도 1의 배기 가스 후처리 시스템(2)은 내연기관의 하류측에 위치된 입자 분리기(3)를 포함한다.
배기 가스의 유동에서 볼 때 입자 분리기(3)의 상류측 및 배기 가스의 유동 방향에서 볼 때 입자 분리기(3)의 하류측에는, 배기 가스 후처리 시스템의 적어도 하나의 다른 배기 가스 후처리 구성요소가 각각의 경우에 위치될 수 있다는 것이 여기서 지적된다. 입자 분리기(3)의 상류측에는, 예를 들어 NO의 NO2로의 산화를 위한 산화 촉매 변환기가 위치될 수 있다. 입자 분리기(3)의 하류측에는, 예를 들어 소음기가 위치될 수 있다.
세정될 배기 가스(4)는 상세히 도시되어 있지는 않은 배기 가스 공급 라인을 거쳐 입자 분리기(3)에 공급될 수 있다.
세정될 배기 가스가 입자 분리기(3)를 통해 유동된 후에, 세정된 배기 가스(5)는 바람직하게는 상세하게 도시되어 있지 않은 적어도 하나의 배기 가스 배출 라인을 거쳐, 입자 분리기(3)로부터 배출될 수 있다.
도 1의 블록도에서, 입자 분리기(3)는 2개의 입자 분리기 모듈(6)을 포함한다. 도 1에 도시되어 있는 이들 2개의 입자 분리기 모듈(6)은 병렬로 연결된다.
병렬로 연결된 이러한 입자 분리기 모듈(6)에 부가적으로 또는 대안적으로, 입자 분리기(3)는 직렬로 연결된 입자 분리기 모듈(6)을 또한 포함할 수 있다는 것이 여기서 지적된다.
입자 분리기(3)의 각각의 입자 분리기 모듈(6)은 유동하는 배기 가스가 통과할 수 있는 다수의 배기 가스 유동 통로(10)(도 2, 도 3 참조)를 포함하는데, 이 배기 가스 유동 통로를 거쳐, 배기 가스 공급 라인으로부터 나온 배기 가스가 배기 가스 배출 라인의 방향으로 안내될 수 있다. 배기 가스 유동 통로(10)는 바람직하게는 금속 및/또는 세라믹 및/또는 석영 함유 그리고/또는 유리 함유 및/또는 실리콘 함유 및/또는 실리케이트-함유인 이웃하는 유동 제어 요소(8, 9)에 의해 경계한정되는 데, 이들 유동 제어 요소는 배기 가스 유동 통로(10) 내에서, 밀리미터(mm) 크기 범위 또는 센티미터(cm) 크기 범위의 거시 구조체, 특히 난류 배기 가스 유동을 갖는 유동 편향 구역 및/또는 유동의 사구역 및/또는 상이한 유속을 갖는 유동 구역을 형성하거나 경계한정한다. 그 영역에서 특히 탄소 입자가 확산 및/또는 대류에 의해 분리되는 배기 가스 유동 통로(10)에 추가하여, 각각의 입자 분리기 모듈(6)은 각각의 경우에 유동하는 배기 가스 및/또는 압축 공기가 통과할 수 있는 다수의 세정 통로(11)를 포함하는데, 이 세정 통로는 배기 가스 유동 통로(10)에 대해 횡방향으로 연장되고 마찬가지로 유동-제어 요소(8, 9)에 의해 경계한정된다.
유동-제어 요소(8, 9)의 일부 또는 그 섹션은 이에 따라 한편으로는 제1 측에서 배기 가스 유동 통로(10) 중 하나를 경계한정하고, 제2 측에서 세정 통로(11) 중 하나를 경계한정한다. 한편으로는 배기 가스 유동 통로(10) 및 다른 한편으로는 세정 통로(11)를 서로로부터 분리하는 이러한 유동-제어 요소(8, 9)에서 또는 적어도 유동-제어 요소(8, 9)의 이러한 섹션에는, 세정 통로(11)를 통해 유동하는 배기 가스의 통과 그리고/또는 세정 통로(11)를 통해 유동하는 압축 공기의 통과를 위한 리세스가 도입되고, 이 리세스를 거쳐, 배기 가스 유동 통로(10)에 대면하는 유동-제어 요소(8, 9)의 표면 또는 표면 섹션은, 세정 통로(11)를 거쳐 유동하는 배기 가스 및/또는 압축 가스가 이들 리세스를 거쳐 유동하고 따라서 배기 가스 유동 통로(10)에 대면하는 유동-제어 요소(8, 9)의 표면 또는 표면 섹션의 수트 및/또는 재를 세정하여, 수트 및/또는 재가 세정될 수 있다.
유동-제어 요소(8, 9)는 한편으로는 편평한 플레이트형 및 이에 따라 2차원으로 윤곽 형성된 유동-제어 요소(8) 및 다른 한편으로는 파형 및 이에 따라 3차원으로 구체화된 유동-제어 요소(9)를 포함하는데, 이들 유동-제어 요소들은 도 2 및 도 3으로부터 명백한 바와 같이, 서로 상하로 샌드위치형으로 또는 스택형으로 교번적으로 배열되며, 즉 배기 가스 유동 통로(10) 및 세정 통로(11)의 다수의 층을 형성한다.
유동-제어 요소(8, 9)는 이 경우에 바람직하게는 40 ㎛ 내지 150 ㎛, 바람직하게는 40 ㎛ 내지 100 ㎛, 특히 바람직하게는 40 ㎛ 내지 60 ㎛의 벽 두께를 가지며, 이에 따라 벽이 필름형으로 형성되게 된다.
유동-제어 요소(8, 9)는 또한 익스팬디드 메탈층(expanded metal layer) 또는 격자형으로서 구체화될 수 있다.
3차원으로 윤곽 형성된 유동-제어 요소(9)는 이 경우에 거시 구조체로서, 배기 가스 유동 통로(10)의 방향으로 연장되는 유동 안내 윤곽부(12) 및 난류 유동이 통상적으로 형성되는, 유동 안내 개구(14)와 같은, 배기 가스 유동 통로(10)의 방향에 횡방향으로 연장되는 유동-축적 윤곽부(13)를 형성한다. 3차원으로 윤곽 형성된 유동-제어 요소(9)는 파형 익스팬디드 메탈층일 수 있다.
각각의 경우에, 2차원으로 윤곽 형성된 유동-제어 요소(8)는 3차원으로 윤곽 형성된 2개의 이웃하는 유동-제어 요소(9)를 서로로부터 분리시키고, 거시 구조체로서 유동-안내 개구(15)를 형성한다. 2차원으로 윤곽 형성된 유동-제어 요소(8)는 평활한 파형 익스팬디드 메탈층일 수 있다.
층의 배기 가스 유동 통로(10)를 통해 유동하고 이 층의 유동-축적 윤곽부(13)의 영역에 축적되는 배기 가스는, 유동-안내 개구(14)를 거쳐 이웃하는 층 내의 다른 배기 가스 유동 통로(10) 내로 또는 유동 세정 통로(11) 내로 그리고 후속의 유동-안내 윤곽부(12)의 개구(14)를 거쳐 동일한 층의 배기 가스 유동 통로(10) 내로 강제로 유동하고, 이 배기 가스 유동 통로의 영역에서 상기 배기 가스는 이어서 배기 가스가 재차 후속의 유동-축적 윤곽부(13)의 영역에 진입할 때까지 배기 가스 배출 라인의 방향에서 재차 멀리 유동할 수 있다.
이러한 후속의 유동-축적 윤곽부(13)를 통해, 배기 가스는 개구(14)를 거쳐 이웃하는 층의 유동-안내 통로(10) 내로 또는 후속의 세정 통로(11) 및 후속의 유동-안내 윤곽부(12)의 개구(14)를 거쳐 동일한 층의 배기 가스 유동 통로(10) 내로 재차 강제로 유동한다.
이에 따라, 유동-안내 통로(10)를 거쳐 유동하는 배기 가스는 임의의 필터 매체를 통해 유동하지 않지만, 배기 가스는 유동 편향을 강제로 여러 번 경험하고, 이러한 프로세스에서 입자는 유동의 사구역이 그 위에 형성되는 특히 유동-축적 윤곽부(13)의 영역에서 확산 및/또는 대류에 의해 분리될 수 있다.
확산 및/또는 대류에 의한 배기 가스로부터의 입자의 분리를 촉진하기 위해, 미시 구조체, 즉 마이크로미터(㎛) 범위의 구조체가 유동-제어 요소(8, 9) 상에, 즉 유동-안내 통로(10)에 대면하는 유동-제어 요소(8, 9)의 표면 또는 표면 섹션 상에 형성되어, 상기 표면의 영역에 바람직하게는 0.05 ㎛ 내지 50 ㎛의 거칠기를 설정하고 이를 통해 거시 구조체의 유효 표면적을 확장시킨다.
특히 미시 구조체의 거칠기가 0.05 ㎛ 내지 50 ㎛일 때, 유속이 0인 경향이 있는 얇은 정체성 경계 필름이 거시 구조체의 영역에 형성될 수 있다. 이를 통해, 거칠어진 표면의 영역에서 분리된 입자가 배기 가스 유동에 의해 재차 떨어져 나가는 것이 방지된다.
특히 유동-축적 거시 구조체의 영역에 형성될 수 있는 미시 구조체는 각각의 표면의 기계적 가공에 의해 그리고/또는 화학적 처리에 의해 형성될 수 있다.
이에 따라, 미시 구조체가 이때 브러싱된 구조체 및/또는 연삭된 구조체 및/또는 스크레이핑된 구조체 및/또는 피닝된 구조체 및/또는 스탬핑된 구조체 및/또는 니들 구조체로서 형성되도록 미시 구조체를 브러싱 및/또는 연삭 및/또는 스크레이핑 및/또는 블라스팅 및/또는 스탬핑 및/또는 니들링 성형함으로써 거시 구조체의 표면 상에서 표면의 거칠기를 조정하는 것이 가능하다. 더욱이, 미시 구조체가 이때 에칭된 구조체 및/또는 아연도금된 구조체 및/또는 양극산화된 구조체로서 형성되도록, 에칭 및/또는 아연도금 및/또는 양극산화와 같은 화학적 처리에 의해 미시 구조체를 형성하는 것이 가능하다. 더욱이, 미시 구조체를 형성하기 위한 표면의 코로나 처리가 이루어질 수 있다.
더욱이, 유동-제어 요소(8, 9)의 바람직한 금속 재료의 합금이 적용될 수 있어, 이들 유동-제어 요소의 표면 구조가 열의 영향 하에서 그리고/또는 ph-값의 변동의 영향 하에서 변화하게 된다.
이러한 것의 예는 유동-제어 요소(8, 9)의 합금 내에 알루미늄을 도입하는 것이다. 고온에서, 알루미늄은 표면으로 이동하고 여기서 알루미늄 다발을 형성한다. 유동-제어 요소를 위한 합금 재료는 그 표면이 용이하게 부식되거나 산화될 수 있도록 선택될 수 있다.
이 때문에, 배기 가스의 산화 환경 및 부식 환경에 의해 내연기관의 작동 중에 배기 가스 유동 통로(10)의 영역에서 표면의 거칠기를 증가시키는 것이 가능하다. 이는 유동-제어 요소의 표면의 기계적 처리 또는 화학적 처리가 이때 생략될 수 있게 하도록 짧은 러닝인(running-in) 단계 후에도 성공적이다.
규정된 거칠기를 갖는 규정된 미시 구조체를 형성하기 위해, 납땜 또는 소결에 의한 분말의 유동-제어 요소로의 후속 고정과 함께 금속 분말을 도포하는 것이 또한 가능하다.
이미 설명된 바와 같이, 유동-제어 요소(9)는 3차원으로 윤곽 형성된다. 이에 추가하여, 유동-제어 요소(9)는 파형이고 그리고/또는 아코디언형으로 윤곽 형성될 수 있다.
배기 가스 유동 통로(10)에 대면하고 특히 유동-축적 구조체(13)를 형성하는 유동-제어 요소의 표면으로서, 확산 및/또는 대류를 통해 입자 분리의 역할을 수행하는 유동-제어 요소(8, 9)의 표면을 효과적으로 세정하기 위해, 특히 천공부 또는 슬릿을 통해 유동-제어 요소(8, 9)의 섹션에 리세스가 도입되는데, 이들 리세스를 통하여, 세정 통로(11)를 통해 유동하는 배기 가스 및/또는 압축 공기가 배기 가스 유동 통로(10) 내로 조향되고 따라서 표면으로부터 수트 및/또는 재가 제거된다.
세정 통로(11)는 이 경우에 배기 가스 유동 통로(10)에 대해 횡방향으로 연장되고, 특히 세정 통로(11)는 배기 가스 유동 통로(10)와 20° 내지 160°의 각도, 바람직하게는 50° 내지 120°의 각도, 특히 바람직하게는 80° 내지 100°의 각도, 특히 90°의 각도를 이룬다. 여기서, 세정 통로(11)는 바람직하게는 세정 통로(11)를 거쳐 안내된 배기 가스 또는 세정 통로(11)를 거쳐 안내된 압축 공기를 리세스 또는 천공부를 통해 유동-제어 요소(8, 9)의 대응 섹션 내로 안내하기 위해 일 단부에서 폐쇄되어 있다.
거시 구조체의 치수는 바람직하게는 밀리미터 범위 또는 센티미터 범위이고, 이에 따라 분리된 최대 입자의 치수보다 몇 배 더 크다. 유동을 위한 거시 개구는 이들이 난류 유동의 형성을 촉진하도록 바람직하게 배열된다. 더욱이, 유동의 사구역의 형성이 촉진된다. 상이한 유속을 갖는 영역이 형성된다.
각각의 입자 분리기 모듈(6)의 유동-제어 요소(8, 9)는 이러한 방식으로 각각의 입자 분리기 모듈(6)을 제공하기 위해 캐니스터 내에 봉입된다. 다수의 입자 분리기 모듈(6)은 공통 하우징(17) 내에 위치될 수 있어, 입자 분리기 모듈(6)의 병렬 연결 및/또는 직렬 연결을 형성한다. 도 1은 다수의 입자 분리기 모듈(6)을 위한 이러한 하우징(17) 및 각각의 입자 분리기 모듈(6)을 위한 캐니스터(16)를 매우 개략적으로 도시하고 있다. 입자 분리기 모듈(6)은, 입자 분리기 모듈(6)이 비파괴 방식으로 하우징(17)으로부터 제거될 수 있도록 하는 방식으로 공통 하우징(17) 내에 바람직하게 배열된다.
캐니스터(16)를 통해, 이웃하는 입자 분리기 모듈(6)은, 캐니스터(16)의 테이퍼 및 원추를 거쳐 키-록(key-lock) 원리에 따라, 예를 들어 서로 내로 삽입된 윤곽부를 거쳐, 서로에 대해 밀봉될 수 있다.
입자 분리기(3)의 하우징(17)을 통해, 세정될 배기 가스가 입자 분리기 모듈(6)에 공급될 수 있고 세정된 배기 가스는 하우징(17)을 거쳐 배출될 수 있다. 입자 분리기 모듈(6)의 세정 통로(11)를 거쳐 안내된 압축 공기는 또한 입자 분리기(3)의 하우징(17)을 거쳐 그에 공급될 수 있다. 여기서, 수집 챔버, 즉 이 수집 챔버로부터 나오는 배기 가스 및 압축 공기를 배기 가스 유동 통로(10) 및 세정 통로(11)의 방향으로 안내하기 위해 배기 가스용 수집 챔버 및 압축 가스용 수집 챔버가 하우징 내에 형성될 수 있다. 세정 통로(11)를 거쳐 안내된 압축 공기는 바람직하게는 입자 분리기 모듈(6)로부터 입자 분리기 모듈(6)로 진행한다.
배기 가스 후처리를 위해, 배기 가스 유동 통로(10) 및 세정 통로(11)는 바람직하게는 동시에 유동을 통과시키지 않는다. 특히, 구체적으로 배기 가스 후처리 시스템이 2개 이상의 입자 분리기(3)를 포함할 때, 그리고 구체적으로 제1 입자 분리기(3)가 배기 가스 세정을 위해 이용되고 이러한 프로세스에서 배기 가스가 제1 입자 분리기의 배기 가스 유동 통로(10)를 통해 안내될 때, 제2 입자 분리기(3)가 세정되고 이를 위해 배기 가스 및/또는 압축 공기는 제2 입자 분리기의 세정 통로(11)를 통해 안내되고, 제2 입자 분리기(3)의 영역에서, 제2 입자 분리기의 배기 가스 유동 통로(10)를 통한 배기 가스 유동은 이때 바람직하게는 완전히 정지되거나 또는 대안적으로 감소되는 것이 제시된다.
게다가, 전술한 방법은 수트 및 재가 소용돌이쳐 오르는 세정 단계에서, 입자 분리기(3)로부터 소용돌이쳐 오르는 이들 고체의 추출 및 적합한 용기 내에서의 이후의 수집이 이루어진다. 상기 용기는 추후에 비워질 수 있다.
본 발명에 따른 입자 분리기를 제조하기 위해, 유동-제어 요소(8, 9)가 제공되고, 유동-제어 요소(8, 9) 상의 미시 구조체는 거시 구조체의 형성 전에 또는 형성 후에 형성될 수 있다.
미시 구조체의 형성은 바람직하게는 블라스팅 및/또는 연삭 및/또는 스탬핑 및/또는 니들링 및/또는 에칭 및/또는 아연도금 및/또는 양극산화 및/또는 브러싱 및/또는 코로나 조사 등에 의해 실행된다.
입자 분리기 모듈(6)을 제조하기 위해, 유동-제어 요소(8, 9)용 기본 바디가 초기에 입자 블라스팅 및/또는 연삭 및/또는 스탬핑 및/또는 니들링 및/또는 에칭에 의해 미시 구조체를 구비하도록 절차가 이루어질 수 있다. 그 이후에, 거시 구조체가 성형 또는 납땜 또는 용접에 의해 형성되고, 이 방식으로 3차원으로 윤곽 형성된 유동-제어 요소(9)가 형성된다. 스탬핑 또는 펀칭에 의해, 마무리 장착 상태에서 이웃하는 배기 가스 유동 통로(10)의 연결부를 형성하는 개구(14, 15)가 생성될 수 있다. 그 이후에, 유동-제어 요소(8, 9)의 스택은, 바람직하게는, 2차원으로 윤곽 형성된 유동-제어 요소(8)와 서로 상하로 교번하여 3차원으로 윤곽 형성된 유동-제어 요소(9)를 적층함으로써 형성된다. 특히, 이러한 스택은 바람직하게는 배기 가스 유동 통로의 진행 방향에 수직으로 S형 비틀림에 의해 대략 원통형 바디로 형성될 수 있다. 이러한 바디는 캐니스터(16) 내에 배열될 수 있다. 서로 상하로 배열된 스택 또는 원통형 바디의 유동-제어 요소(8, 9)는 예를 들어 용접 또는 납땜에 의해 서로 영구적으로 결합될 수 있다. 미시 구조체는 또한 거시 구조체의 완료 후에 형성될 수 있다. 미시 구조체를 형성하기 위해, 유동-제어 요소(8, 9)를 적층함으로써 형성된 스택은 에칭 용액 내로의 침지 및 에칭 용액의 이후의 제거에 의해 모든 표면 상에 미시 구조체를 구비할 수 있다.
1: 내연기관 2: 배기 가스 후처리 시스템
3: 입자 분리기 4: 세정될 배기 가스
5: 세정된 배기 가스 6: 입자 분리기 모듈
7: 압축 공기 8: 유동-제어 요소
9: 유동-제어 요소 10: 배기 가스 유동 통로
11: 세정 통로 12: 유동-안내 윤곽부
13: 유동-축적 윤곽부 14: 유동-안내 개구
15: 유동-안내 개구 16: 캐니스터
17: 하우징

Claims (15)

  1. 배기 가스로부터 수트(soot) 및 재 입자를 제거하기 위한 적어도 하나의 입자 분리기 모듈(6)로 이루어진, 내연기관(1)의 하류측에 배열된 입자 분리기(3)를 갖는, 내연기관용(1) 배기 가스 후처리 시스템(2)으로서,
    세정될 배기 가스는 적어도 하나의 배기 가스 공급 라인을 거쳐 상기 입자 분리기(3)로 공급될 수 있고, 상기 입자 분리기(3) 내에서, 세정된 배기 가스가 상기 입자 분리기(3)로부터 적어도 하나의 배기 가스 배출 라인을 거쳐 배출될 수 있고,
    각각의 상기 입자 분리기 모듈(6)은 유동하는 배기 가스가 통과할 수 있는 다수의 배기 가스 유동 통로(10)를 포함하고, 상기 배기 가스 공급 라인으로부터 나온 배기 가스가, 상기 배기 가스 유동 통로를 거쳐, 상기 배기 가스 배출 라인의 방향으로 안내될 수 있고,
    상기 배기 가스 유동 통로(10)는 이웃하는 유동-제어 요소(8, 9)들에 의해 경계한정되고, 상기 유동-제어 요소는 상기 배기 가스 유동 통로(10) 내에서 거시 구조체를 경계한정하고,
    각각의 상기 입자 분리기 모듈(6)은 유동하는 배기 가스, 또는 압축 공기, 또는 양자 모두가 통과할 수 있는 다수의 세정 통로(11)를 포함하고, 상기 세정 통로는 상기 배기 가스 유동 통로(10)에 대해 횡방향으로 연장되고 상기 유동-제어 요소(8, 9)에 의해 마찬가지로 경계한정되고,
    상기 유동-제어 요소(8, 9)는, 상기 배기 가스 유동 통로(10) 및 상기 세정 통로(11)의 다수의 층을 형성하게, 샌드위치형 또는 스택형으로 교번적으로 설계되어 있는, 2차원으로 윤곽 형성된 유동-제어 요소(8) 및 3차원으로 윤곽 형성된 유동-제어 요소(9)를 포함하고,
    거시 구조체로서 상기 3차원으로 윤곽 형성된 유동-제어 요소(9)는 상기 배기 가스 유동 통로의 방향으로 연장되는 유동-안내 윤곽부(12), 상기 배기 가스 유동 통로의 방향에 대해 횡방향으로 연장되는 유동-축적 윤곽부(13), 및 유동-안내 개구(14)로 전개되며,
    적어도 상기 세정 통로(11)로부터 상기 배기 가스 유동 통로(10)를 분리시키는 상기 유동-제어 요소(8, 9)의 섹션에는, 상기 세정 통로(11)를 통해 유동하는 배기 가스의 통과를 위한, 또는 상기 세정 통로(11)를 통해 유동하는 압축 공기의 통과를 위한, 또는 상기 세정 통로(11)를 통해 유동하는 배기 가스와 상기 세정 통로(11)를 통해 유동하는 압축 공기의 통과를 위한 리세스가 도입되고, 상기 리세스를 거쳐 상기 배기 가스 유동 통로(10)에 대면하는 상기 유동-제어 요소(8, 9)의 표면에서 수트, 또는 재, 또는 양자 모두가 세정될 수 있는 것인 배기 가스 후처리 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 배기 가스 유동 통로(10)에 대면하는 상기 유동-제어 요소(8, 9)의 표면은 미시 구조체를 형성하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 미시 구조체는 연삭된 구조체, 스탬핑된 구조체, 니들 구조체, 브러싱된 구조체, 피닝된 구조체, 에칭된 구조체, 양극산화된 구조체, 아연도금된 구조체, 또는 이들의 임의의 조합으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 미시 구조체는 0.05 ㎛ 내지 50 ㎛의 거칠기를 갖는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 미시 구조체는 상기 거시 구조체의 유효 표면적을 확장시키는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  6. 삭제
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세정 통로(11)와 상기 배기 가스 유동 통로(10)는 20° 내지 160°의 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 유동-제어 요소(8, 9)는 40 ㎛ 내지 150 ㎛의 벽 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서, 거시 구조체로서 상기 2차원으로 윤곽 형성된 유동-제어 요소(8)는 유동-안내 개구(15)를 형성하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 상기 입자 분리기 모듈(6)의 유동-제어 요소(8, 9)는 캐니스터에 의해 봉입되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 다수의 상기 입자 분리기 모듈(6)은 공통 하우징 내에 배열되고, 공통 하우징 내에서 입자 분리기 모듈들은 병렬로, 또는 직렬로, 또는 병렬로 그리고 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  14. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자 분리기 모듈(6)의 세정 단계에서 소용돌이쳐 오르는 재 및 수트 입자는 상기 입자 분리기 모듈(6)로부터 추출되어 용기 내에 수집되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  15. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른, 입자 분리기를 포함하는 배기 가스 후처리 시스템으로 내연기관에서 나오는 배기 가스의 배기 가스 후처리를 행하기 위한 방법으로서, 상기 입자 분리기는 병렬로 연결된 제1 입자 분리기 및 제2 입자 분리기를 포함하는 것인, 배기 가스 후처리를 행하기 위한 방법에 있어서,
    배기 가스 세정을 위해 상기 제1 입자 분리기를 이용하는 단계; 및
    상기 단계에서 배기 가스가 상기 제1 입자 분리기의 배기 가스 유동 통로를 통해 안내될 때, 상기 제2 입자 분리기를 세정하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 제2 입자 분리기를 세정하는 단계를 위해, 배기 가스, 또는 유동하는 압축 공기, 또는 양자 모두는 상기 제2 입자 분리기의 세정 통로를 통해 안내되고, 상기 제2 입자 분리기의 배기 가스 유동 통로를 통한 배기 가스 유동은 감소되거나 방지되는 것인, 배기 가스 후처리를 행하기 위한 방법.
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