KR19990044063A - 내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스내에 있는 질소 산화물을 분해하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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디어터 크리스트, 베르너 뵈켈
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Abstract

본 발명은 내연 기관(2)으로부터 배출되는 배기 가스(a)내에 있는 질소 산화물을 분해하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로서, 배기 가스(a) 그리고 압축 공기(b)에 의해 상기 배기 가스내에 스프레이되는 시약(r)은 촉매(21)에 제공된다. 이 경우 상기 내연 기관(2)에는 압축된 공기(l')를 공급하기 위한 압축기(8)가 제공되며, 상기 압축된 공기(l')의 일부분은 분기되어 시약(r)을 스프레이하기 위한 압축 공기로서 이용된다. 스프레이된 상기 시약(r)은 정화될 배기 가스와 함께 촉매(21)에 공급되고, 상기 촉매는 특별히 선택적인 촉매 반응 방법에 따라 질소 산화물을 분해하기 위해 제공된다.

Description

내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스내에 있는 질소 산화물을 분해하기 위한 방법 및 장치
내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스내에 포함된 유독 물질, 특히 질소 산화물을 피하기 위해서는, 조절되고 제어된 디이젤 촉매(GDK) 원칙이 바람직한 것으로 알려졌다. 상기 원칙은 특히, 예컨대 디이젤 엔진 및 빈해합 엔진(lean-mix engine)과 같이 과잉 공기에 의해 작동되는 내연 기관에 이용된다. 실제로 선택적인 촉매 환원(SCR) 방법을 기초로 하는 상기 원칙은 지금까지 예컨대 독일 특허 출원 명세서 43 10 926호, 독일 특허 출원 명세서 43 15 278호 및 유럽 특허 출원 명세서 0 617 199호와 같은 다수의 간행물에 공지되어 있다. 상기 SCR-방법에서는 질소 산화물이 암모니아와 함께 선택 촉매와 접촉되어 질소와 물로 변환된다.
암모니아의 사용과 관련된 문제점들, 즉 독성 및 악취에 의해 야기될 수 있는 괴로움 때문에 암모니아는 GDK-시스템이 장치된 내연 기관에서와 같은 상태로 차량내에 제공되어서는 안된다. 따라서 질소 산화물을 촉매 변환하기 위해 필요한 시약은 요소의 수용액의 형태로 차량내에 제공된다. 암모니아는 가수 분해에 의해 각각 생성된 질소 산화물을 변환시키기 위해 상기 수용액으로부터 필요한 량만큼 발생된다. 예를 들어 발전소의 배기 가스 분기 장치내에 있는 고정식 배기 가스 정화 장치에는 순수한 암모니아 또는 암모니아수가 사용될 수 있다.
독일 특허 출원 명세서 44 17 238호에 공지된 바에 따르면, LKW-디이젤 엔진의 배기 가스 라인은 실린더형 유입 챔버 측면에 직접 제공되며, 상기 유입 챔버내에는 깔때기 모양으로 형성된 구멍난 플레이트가 배치되어 있다. 상기 깔때기의 가장 좁은 장소에는 스프레이용 밸브가 제공되며, 상기 밸브를 통해 수성의 요소 용액이 깔때기의 내부 공간에 스프레이된다. 상기 방식에 의해, 유입 챔버의 전체 횡단면에 걸쳐 있는 배기 가스 내부에 수소 용액이 균일하게 분배된다. 상기 유입 챔버에는 가수 분해 촉매, DeNOX-촉매 및 경우에 따라서는 산화 촉매가 첨가된다.
독일 특허 출원 명세서 0 586 913호에 기술된 용액은 상기 명세서에 기술된 용액과 상이하다. 스프레이될 매체, 즉 수성 요소 용액을 유독 물질이 포함된 배기 가스 흐름내에 제공하기 전에 충분히 스프레이하기 위해서, 혼합 장치 또는 예비 혼합 챔버가 제공된다. 매질 및 공기와 같은 압축 가스는 내부 혼합하기 위해, 즉 분산을 형성하기 위해 상기 예비 챔버내에 유입된다. 예비 혼합 챔버는 혼합 라인 또는 파이프 라인을 통해 배기 가스 흐름내에 배치된 스프레이 노즐과 연결된다. 상기 예비 혼합 및 내부 스프레이에 수성 용액이 배기 가스 흐름내에 제대로 분배될 수 있다. 이 때 압축 공기의 사용은 고온의 배기 가스 흐름내에 있는 스프레이 노즐의 냉각에도 효과가 있다.
스프레이 및 내부 스프레이를 위해 필요한 압축 공기는 통상적으로 특수하게 제조되어야 하는 특수 압축기내에서 형성된다. 그러나 상기 특수 압축기는 비용을 증가시킨다.
본 발명은 배기 가스 그리고 압축 공기에 의해 상기 배기 가스내에 스프레이되는 시약이 촉매에 제공되도록 구성된, 내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스내에 있는 질소 산화물을 분해하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 배기 가스 그리고 압축 공기에 의해 상기 배기 가스내에 스프레이될 시약이 공급될 수 있는 촉매 및 상기 환원제를 스프레이하기 위한 스프레이 장치를 포함하는, 내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스내에 있는 질소 산화물을 분해하기 위한 장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시예는 2개의 도면을 참조하여 하기에 자세히 설명된다. 동일 부품에는 동일한 도면 부호를 사용하였다.
도 1은 배기 가스 터어보 과급기를 갖춘 내연 기관과 결합된 배기 가스 정화 장치의 개략도이고,
도 2는 기계 충전기를 갖춘 내연 기관과 결합된 배기 가스 정화 장치의 개략도이며,
도 3은 배기 가스 터어보 과급기 및 승압 조절기를 갖춘 내연 기관과 결합된 배기 가스 정화 장치의 개략도이다.
본 발명의 목적은, 특수하게 제작된 압축기 없이도 압축 공기를 스프레이할 수 있는 서문에 언급된 방식의 방법 및 배기 가스 정화 장치를 제공하는 것이다.
방법과 관련된 본 발명에 따른 상기 목적은, 배기 가스 그리고 압축 공기에 의해 상기 배기 가스내에 스프레이되는 시약이 촉매에 제공되며, 압축기에 의해 압축된 공기가 내연 기관에 제공되고, 상기 압축된 공기의 일부분은 분기되어 시약을 스프레이하기 위한 압축 공기로서 이용되도록 구성된, 내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스내에 있는 질소 산화물을 분해하기 위한 방법에 의해 달성된다.
상기 내용은 하기와 같이 달리 표현될 수 있다; 상기 방법의 특징은, 충전된 내연 기관에서는 환원제를 스프레이하기 위해 필요한 압축 공기가 상기 내연 기관에 공급되는 압축된 공기로부터 분기된다는 것이다. 상기 방법에서는 구동 장치 및 V-벨트를 통해서 구동되는 또는 다른 방식으로 구동되는, 임의로 형성된 기계적 충전기를 이용한 충전이 중요하다.
상기 압축기는 바람직하게 배기 가스로 충전된 터어빈에 의해 구동되며, 이 경우 압축기 및 터어빈은 특히 배기 가스 과급기를 형성한다.
전술한 형성예에 대한 바람직한 대안으로서 상기 압축기는 내연 기관에 의해 직접 구동될 수도 있다. 즉, 상기 압축기는 자동차 공학에서 통상적으로 사용되는 전문 용어의 의미에서는 "컴프레서(compressor)"이다.
상기 시약은 바람직하게 배기 가스가 촉매에 도달되기 전에 상기 배기 가스내에 균일하게 분배된다; 상기 방식에 의해, 배기 가스내에 포함된 질소 산화물을 갖는 시약이 완전하게 변환될 수 있고, 상기 시약의 배출 또는 그로부터 결과되는 분해 생성물이 주위로 배출되는 것이 피해진다.
상기 시약은 또한 바람직하게, 혼합 후에 암모니아를 형성하면서 배기 가스내로 스프레이되는 물질을 포함하며, 이 경우 암모니아는 반응을 위해 질소 산화물을 갖는 촉매에 제공된다. 상기 물질은 예를 들어 요소이다. 요소는 암모니아와 달리 독성도 없고 불쾌하지도 않으며, 특히 특별한 기타의 안전 조치 없이도 수성 용액의 형태로 자동차에 제공될 수 있다.
장치와 관련된 본 발명에 따른 상기 목적은, 배기 가스 그리고 압축 공기에 의해 상기 배기 가스내에 스프레이될 시약이 공급될 수 있는 촉매 및 상기 시약을 스프레이하기 위한 스프레이 장치를 포함하는, 내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스내에 있는 질소 산화물을 분해하기 위한 장치에 의해 달성되며, 이 경우
a) 상기 내연 기관은 압축된 공기를 형성 및 공급하기 위한 압축기를 포함하고, 상기 압축기와 내연 기관 사이에는 압축된 공기의 일부분을 분기시키는 분기 장치가 배치되며,
b) 상기 분기 장치가 스프레이 장치와 결합되어 있음으로써, 압축된 공기의 분기된 부분은 시약을 스프레이하기 위한 압축 공기로서 이용될 수 있다.
본 발명의 중요한 장점들은 본 발명에 따른 방법의 실행 및 하기에 기술된 바람직한 실시예로부터 추론되어진다.
분기 장치는 바람직하게 압축기로부터 내연 기관으로 안내되는 압축기 라인내에서 직접 내연 기관에 설치된다.
압축기는 특히, 상기 압축기에 부가해서 내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스가 제공되는 터어빈을 포함하는 배기 가스 과급기에 속하며, 상기 압축기는 기계적 구동 장치를 통해 내연 기관과 결합되어 있다.
또한 바람직하게는, 상기 압축기와 내연 기관 사이에는 압축된 공기를 냉각시키기 위한 충전 공기 냉각기가 제공되고, 상기 충전 공기 냉각기와 내연 기관 사이에는 분기 장치가 배치된다. 그럼으로써, 상기 충전 공기 냉각기내에서 냉각된 공기는 시약을 스프레이하기 위해 준비된다. 또한, 스프레이 장치내에서 또는 상기 스프레이 장치 앞에서 시약이 원하지 않게 분산될 가능성이 피해진다. 그러나 이것은 요소가 시약으로서 사용되는 경우에만 의미가 있다.
상기 장치내에 있는 시약은 바람직하게 질소 산화물과 환원제, 특히 암모니아 사이의 반응을 선택적으로 촉매 반응시키기 위해 형성되며, 이 경우 상기 환원제는 본 명세서에서 여러 번 언급한 시약 자체이거나 혹은 상기 시약의 분해 생성물이다.
도 1 및 다수의 장점면에서 도 1과 일치하는 도 3에 따라, 내연 기관(2), 예컨대 디이젤 엔진에는 하나의 배기 가스 과급기(4)가 제공된다. 연료(f)가 공급되는 상기 내연 기관(2)은 예를 들어 자동차 또는 지상에 고정된 기계와 같은 사용자 장치를 구동시킨다. 배기 가스 과급기(4)는 샤프트(12)에 의해 서로 결합된 압축기(8) 및 터어빈(10)을 포함한다. 상기 내연 기관(2)은 특히 충전 공기 냉각기로서 형성될 수 있는 유입 용기(14) 및 배출 용기(16)를 포함한다. (자세하게 도시되지 않은) SCR-촉매(21) 및 스프레이 장치(22)를 포함하는 배기 가스 정화 장치(20)는 작동시 내연 기관(2)으로부터 배출되는 배기 가스(a)를 정화하기 위해 이용된다(DeNOX-정화).
작동시 압축기(8)에 의해 흡인된 공기(l)는 압축된 공기(l')로서 배출되어 상기 유입 용기(14)를 통해 내연 기관(2)에 공급된다. 그곳에서 형성되는 배기 가스(a)는 배출 용기(16)를 통해 상기 압축기(8)를 구동시키는 터어빈(10)에 이른다. 상기 터어빈(10)으로부터 배출된 배기 가스(a)는 SCR-방법에 따라 DeNOX-정화를 목적으로 상기 배기 가스 정화 장치(20)에 공급된다. 상기 정화 장치에는 또한, 정화될 배기 가스(a) 뿐만 아니라 압축 공기에 의해 스프레이 장치(22)내에 스프레이되는 시약(r), 특히 본 경우에는 수성 요소도 공급된다. 정화된 배기 가스(a)는 예컨대 배기 장치와 같은 배출구(23)를 통해 배출된다.
원래부터 존재하는 압축기(8)내에서 압축된 공기(l')의 일부분, 특히 상기 유입 용기(14)의 출구에 있는 일부분의 공기는 분기 장치(26)에 의해 분기되고 라인(28)을 통해 압축 공기(d)로서 스프레이 장치(22)에 공급되어, 상기 시약(r)을 스프레이하기 위해 이용된다. 따라서 상기 시약(r)을 스프레이하기 위한 특수한 압축기는 필요가 없다. 도 1에서 분기 장치(26)는 내연 기관(2)의 압축기 라인(24) 출구에 직접 배치된다.
도 2에 따른 실시예에서는 배기 가스 과급기(4) 대신에 기계식 충전기(30)가 제공된다. 상기 충전기는 압축기(8) 이외에 전송부 또는 구동부(32)를 포함하며, 모터(2)로부터 배출되는 에너지는 상기 구동부에 의해 압축기(8)를 구동시키기 위해서 제공된다. 다른 구동 장치는 도 1의 구동 장치와 동일하기 때문에 다시 설명할 필요는 없을 것이다. 도 2에 따른 실시예에서도 상기 압축기(8)와 충전된 내연 기관(2) 사이, 더 자세히 설명하면 충전 공기 냉각기(14) 뒤에는 분기 장치(26)가 제공된다. 재차 상기 분기 장치(26)를 통해 압축기(8)에 의해 압축된 공기(l')의 일부분이 분기된다. 도 2에서도 분기 장치(26)는 라인(28)을 통해, 압축된 공기(l')의 분기된 부분이 시약(r)을 스프레이 하기 위한 압축 공기(d)로서 이용되는 방식으로 스프레이 장치(22)와 결합된다. 도 2에서도 특수한 압축기는 필요가 없다; 오히려 충전을 위해 필요한 그리고 원래부터 존재하는 압축기(8)에 의존한다.
도 3에 따른 실시예도 마찬가지로 하나의 내연 기관(2)을 포함하며, 상기 내연 기관은 배기 가스 과급기(4)를 통해 연결된 압축기(8) 및 터어빈(10)을 포함하고, 압축된 공기(l')로 채워지며, 상기 내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스(a)도 마찬가지로 터어빈(10) 뒤에서 배기 가스 정화 장치(20)내에 이른다. 이 때 구조 및 기능 방식은 도 1에 따른 실시예와 일치한다; 따라서 도 1에 대한 설명들이 도 3에도 유사하게 적용될 수 있다. 도 3에 나타난 특이한 부분은 압축기 라인(24)내에 삽입된, 압력을 제한하기 위한 승압 조절기(40)이며, 상기 조절기에 의해 압축된 공기(l')가 내연 기관(2)에 제공된다. 상기 승압 조절기(40)의 사용 범위는 자동차 내연 기관(2), 특히 자주 교체되는 부하에 의해 작동될 수밖에 없는 내연 기관까지 확대된다. 최대로 간단하게 기술한다면, 상기 승압 조절기(40)는 도 3에서 도시된 바와 마찬가지로 스프링 하중을 받는 하나의 밸브로 이루어지고, 초과량의 공기를 터어빈(10) 뒤에 있는 배기 가스(a)에 공급해주는 배출 라인(41)을 포함한다. 최고압의 압축 공기가 배기 가스 정화 장치(20)내에 있는 스프레이 장치(22)를 위해 이용될 수 있도록 하기 위해서, 분기 장치(26)가 압축기(8)와 승압 조절기(40) 사이에 제공된다. 따라서, 스프레이 장치(22)에 제공될 압축된 공기 부분을 위해서는 상기 승압 조절기(40)가 쓸모가 없으며, 압축된 공기의 분기된 부분은 대체로 상기 부분이 압축기(8)로부터 전달될 때 갖는 압력과 동일한 압력하에 놓이게 된다. 승압 조절기(40)의 사용은 배기 가스 과급기(4)와 관련해서 사용하는 것에만 한정되지 않는다; 물론 승압 조절기(40)는 도 2에서 알 수 있는 바와 같이 내연 기관(2)에 의해 구동되는 압축기(8)와 관련하여 사용되기도 한다.
도 3에 나타난 또 다른 특성으로서는, 분기 장치(26)로부터 배기 가스 정화 장치(20)로 안내되는 라인(28)내에 있는 압력 조절기(50)를 들 수 있다. 상기 압력 조절기도 또한 배출 라인(51)을 포함하며, 상기 라인은 배출된 공기를 터어빈(10) 뒤에 있는 배기 가스(a)에 공급한다. 압력 조절기(50)는 압축된 공기(l')의 분기된 부분이 스프레이 장치(22)에 이를 때 갖게 되는 압력을 자율적으로 조절할 수 있고, 따라서 스프레이 장치(22)의 안정된 작동에 기여할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 배출 라인(41 및 51)을 사용하는 것은 절대로 필수적인 사항은 아니다; 압력 조절기(40 및 50)의 작동은 제공될 수 있는 모든 방법에 의해 가능하다. 도 3에 따른 실시예의 다른 형성예에서는 예를 들어 충전 공기 냉각기(14)가 도 1 및 도 2에 제공된 것과 마찬가지로 제공될 수 있다. 상기 충전 공기 냉각기는 예컨대 압축기(8)와 분기 장치(26) 사이에 배치될 수 있다; 물론 다른 배치 가능성도 생각할 수 있다.
본 발명은 매우 바람직한 방식으로 내연 기관에 공급될 공기를 압축하기 위한 압축기와 배기 가스 정화 장치를 결합시킨다. 본 발명은 단지 적은 경비만을 요구하며, 본 발명에 의해 내연 기관에서 배출되는 배기 가스로부터 질소 산화물을 효과적으로 분리할 수 있다.

Claims (11)

  1. 배기 가스(a) 그리고 압축 공기(d)에 의해 상기 배기 가스내에 스프레이되는 시약(r)이 촉매(21)에 제공되도록 구성된, 내연 기관(2)으로부터 배출되는 배기 가스(a)내에 있는 질소 산화물을 분해하기 위한 방법에 있어서,
    상기 내연 기관(2)에는 압축기(8)에 의해 압축된 공기(l')가 제공되며, 상기 압축된 공기(l')의 일부분은 분기되어 시약(r)을 스프레이하기 위한 압축 공기(d)로서 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 압축기(8)는 배기 가스(a)가 제공된 터어빈(10)에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 압축기(8)는 내연 기관(10)에 의해 직접 구동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시약(r)은 배기 가스(a)가 촉매(21)에 도달되기 전에 상기 배기 가스(a)내에 균일하게 분배되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 시약(r)은 시약(r)을 배기 가스(a)내에 혼합한 후에 암모니아를 형성하면서 분해되는 물질을 포함하며, 상기 암모니아는 반응을 위해 질소 산화물과 함께 촉매(21)에 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 배기 가스(a) 그리고 압축 공기(d)에 의해 상기 배기 가스(a)내에 스프레이될 시약(r)이 공급될 수 있는 촉매(21) 및 상기 시약(r)을 스프레이하기 위한 스프레이 장치(22)를 포함하는, 내연 기관(2)으로부터 배출되는 배기 가스(a)내에 있는 질소 산화물을 분해하기 위한 장치에 있어서,
    a) 상기 내연 기관(2)은 압축된 공기(l')를 형성 및 공급하기 위한 압축기(8)를 포함하며, 이 경우 상기 압축기(8)와 내연 기관(2) 사이에는 분기 장치(26)가 배치되고, 상기 분기 장치에 의해 압축된 공기(l')의 일부분이 분기될 수 있으며,
    b) 상기 분기 장치(26)가 스프레이 장치(21)와 결합되어 있음으로써, 압축된 공기(l')의 분기된 부분이 시약(r)을 스프레이하기 위한 압축 공기(d)로서 이용되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 압축기(8)로부터 내연 기관(2)으로 안내되는 압축기 라인(24)내에 있는 상기 분기 장치(26)는 직접 내연 기관(2)에 설치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 상기 압축기(8)는 배기 가스 과급기(4)에 속하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 상기 압축기(8)는 기계 구동 장치(30)를 통해 내연 기관(2)과 결합되는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 6항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축기(8)와 내연 기관(2) 사이에는 압축된 공기(l')를 냉각시키기 위한 충전 공기 냉각기(14)가 제공되고, 상기 충전 공기 냉각기(14)와 내연 기관(2) 사이에는 분기 장치(26)가 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 6항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매(21)는 질소 산화물과 환원제, 특히 암모니아 사이의 반응에 선택적으로 촉매 작용하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
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