KR20010034711A - 내연 기관의 배기 장치 및 배기 가스내 오염 물질을환원시키는 방법 - Google Patents

내연 기관의 배기 장치 및 배기 가스내 오염 물질을환원시키는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내연 기관(2), 특히 배기관(3) 및 상기 배기관(3)에 연결된, 내연 기관의 배기 가스 세척 장치(4)를 포함하는 디젤 엔진의 배기 장치(1)에 관한 것이다. 상기 배기 장치(1)에는 응축수 컬렉터(5)가 제공되며, 상기 응축수 컬렉터(5)는 상기 배기 가스 세척 장치(4)로부터 상향으로 연결되고, 배기관(3)에 유체학적으로 연결된다. 또한 본 발명은 내연 기관(2)의 배기 가스내 오염 물질을 환원시키는 방법에 관한 것이다.

Description

내연 기관의 배기 장치 및 배기 가스내 오염 물질을 환원시키는 방법{INTERNAL COMBUSTION ENGINE EXHAUST SYSTEM AND METHOD FOR REDUCING CONTAMINANTS IN EXHAUST GASES}
EP 0 577 853 B1에는 배기관, 상기 배기관에 접속된 DeNOx-촉매 컨버터, 적어도 부분적으로 암모니아로 변할 수 있는 환원제용 저장 용기, 상기 DeNOx-촉매 변환기에 접속된 암모니아 제너레이터 및 상기 DeNOx-촉매 컨버터를 통해 흐르는 배기 가스로 환원제를 투입하기 위한 장치를 포함하는 내연 기관, 특히 디젤 엔진의 배기 가스내 질소 제거 장치가 기술되어있다. DeNOx-촉매 컨버터내에서는 환원제로서 암모니아를 사용한, 질소 산화물로부터 질소로의 선택적 촉매 환원(SCR)이 실시된다. 이 때 암모니아는 예컨대 요소와 같이 독성이 없는 전단계 물질로부터 생성될 수 있다. 이러한 경우 수성 요소 용액으로부터 가수 분해를 통해 SCR-반응에 사용된 암모니아가 발생한다. 가수 분해는 수성 요소 용액을 고온의 배기 가스로 직접 분사함으로써, 또는 수성 요소 용액을 가수 분해 촉매와 접촉시킴으로써 실행된다. 여기서는 20 ~ 60%의 수성 요소 용액이 사용될 수 있다. 또한 DE 30 02 871 A1에는 배기관 및 상기 배기관에 연결된, 디젤 엔진의 배기 가스 세척 장치를 포함하는, 디젤 엔진의 배기 장치가 공지되어있다. 또한 상기 장치로부터 상향 연결되고, 배기관에 유체학적으로 연결되는 응축수 콜렉터도 제공되어있다. 상기 세척 장치는 수착 필터로서 형성된다. 마찬가지로 DE 30 02 871 A1에는 디젤 엔진의 배기 가스를 세척하기 위한 상응하는 방법이 공지되어있다.
본 발명은 배기관 및 상기 배기관에 연결된, 내연 기관의 배기 가스 세척 장치를 포함하는 내연 기관, 특히 디젤 엔진의 배기 장치에 관한 것이다. 또한 본 발명은 내연 기관, 특히 디젤 엔진의 배기 가스내 오염 물질을 환원시키는 방법에 관한 것이다.
도 1은 U자 관을 포함하는 응축수 컬렉터가 장착된 배기 장치의 개략도,
도 2는 촉매 컨버터를 포함하는 응축수 컬렉터가 장착된 배기 장치, 및
도 3은 코울드 트랩을 포함하는 응축수 컬렉터가 장착된 배기 장치이다.
본 발명의 목적은 내연 기관의 배기 가스를 세척하기 위한 매우 간단한 장치를 포함하는, 내연 기관의 배기 장치을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 내연 기관의 배기 가스내 오염 물질을 환원시키기 위한 효과적이고 비용이 저렴한 방법을 제공하는 것이다. 상기 내연 기관에서는 배기 가스 세척 장치의 배기관을 통해 배기 가스가 공급된다.
본 발명에 따른 내연 기관, 특히 디젤 엔진의 배기 장치의 목적은 물 저장 탱크에 응축수 컬렉터가 연결되고, 상기 물 저장 탱크가 촉매를 위한 환원제용 저장기에 유체학적으로 연결됨으로써 달성된다.
본 발명은 배기 장치가 특히 겨울에 내연 기관의 저온 시동시 배기 가스로부터 물이 응축됨으로써 부하를 받는다는 사실을 기초로 한다. 배기관으로 전달된 물은 배기 가스 세척 장치로 유입되기 전에 응축될 수 있고, 응축된 물은 장치, 특히 촉매 컨버터를 통과하며, 거기서 촉매 반응을 방해한다. 또한 응축된 물에 의해 촉매 컨버터의 공극 시스템 안으로 촉매 독성이 침투하며, 부분적으로 상기 시스템을 비활성화시킨다. 그러나 응축된 물은 예컨대 암모니아와 같은 환원제용 용매로서 사용됨으로써 도움이 될 수 있다. 상기 방식으로 용매에 대한 필요 저장량이 감소된다. 환원제 용액의 처리는 필요한 경우 응축수를 사용하여 수행될 수 있다.
유체학적 연결은 예컨대 상응하는 세척 장치가 장착된 또는 장착되지 않은, 응축수용 배수관을 통해 형성될 수 있다. 물 저장 탱크내에는 내연 기관이 장착된 자동차의 다른 설치 영역에도 추가로 사용될 수 있는 충분한 양의 응축수가 공급될 수 있다. 예컨대 응축수는 자동차의 바람막이창, 전조등, 후미등 또는 기타 다른 부품들의 자동 세척 장치에도 사용될 수 있다.
환원제는 예컨대 고체 상태로 공급되며, 응축수에 의해 수성 용액으로 제공되어, 상기 수성 용액이 예컨대 배기 가스 세척 장치의 질소 산화물을 환원시킬 목적으로 공급된다. 이것은 또한 환원제용 저장기 및 물 저장 탱크가 작게 제작될 수 있기 때문에 배기 장치가 매우 콤팩트하게 설계될 수 있도록 해준다. 따라서 수성 용액내 환원제의 저장 회로에 비해 현저한 공간 절약이 달성될 수 있다.
예컨대 산화물 촉매 컨버터 또는 환원제 촉매 컨버터와 같은 촉매 컨버터의 경우, 응축수 컬렉터에 의해 촉매의 활성 성분의 세척이 방지되고, 배기 가스내 함유된, 예컨대 윤활유에서 나온 중금속, 인 및 실리콘 화합물에 의한, 그리고 저온 시동시 발생되는 대부분의 응축수가 제거됨에 따른 촉매의 불활성화가 방지된다. 이는 단거리 주행시 저온 시동 과정의 수가 비례하여 매우 많고, 예상되는 불활성화 과정이 상응하게 악화될 수 있기 때문에, 특히 승용차의 경우 매우 이득이 된다.
바람직하게는 배기 가스가 배기관으로부터 밸브에 의해 응축수 컬렉터로 공급될 수 있다. 상기 밸브에 의해 배기관과 응축수 컬렉터 사이의 유체학적 연결이 형성된다. 이 경우 상기 밸브는 양방향 밸브로서 구현될 수 있으며, 상기 양방향 밸브는 한 쪽 밸브 위치에서는 배기 가스 세척 장치에 대해 직선 경로를 릴리스하고, 제 2 밸브 위치에서는 바로 그 직선 경로를 폐쇄하며, 응축기 컬렉터쪽 경로를 릴리스한다. 또한 예컨대 직선 경로만을 폐쇄하거나, 직선 경로에 영향을 끼치지 않고 응축수 컬렉터의 앞 경로내에 설치되는 간단한 밸브가 사용될 수도 있다. 바람직하게는 상기 밸브가 스위칭되거나 제어될 수 있다. 상기 밸브의 제어, 즉 밸브의 개방 또는 폐쇄는 바람직하게는 특히 내연 기관의 저온 시동 동안 또는 저온 시동 후 짧은 순간 동안의 배기 가스내 수분 함유에 따라 실행된다. 이 경우 상기 제어는 배기 가스내 응축수의 필요량이 존재하는 지의 여부를 인식하는데에 적합한 센서에 의해 이루어진다. 상기 센서는 배기 가스내 수분 함유를 직접 측정하는 수분 센서일 수 있다. 또한 상기 센서는 배기 가스내 온도를 측정함으로써 배기 가스내 물의 부피를 얻어낸다는 역추론을 가능하게 하는 온도 센서일 수도 있다. 배기 가스내 수분 함유가 예정된 값까지 내려가고, 예컨대 그로 인해 온도가 상응하게 상승하면 밸브의 제어는 응축수 컬렉터와 배기관의 유체학적 연결이 차단되도록 실시된다.
응축수 컬렉터는 바람직하게는 응축수용 배수관을 포함한다. 상기 배수관을 통해 응축수가 예컨대 외부로 직접 배출될 수 있다.
마찬가지로 배수관 내에는 세척 장치, 특히 필터가 장착된 세척 장치가 제공되며, 상기 장치에 의해 부가 처리를 위한 응축수가 처리될 수 있다.
바람직하게는 응축수 컬렉터가 U자 관, 코울드 트랩, 응축기 또는 수증기 또는 이미 응결된 물의 응축 및 수집을 위해 적합한, 응축기와 유사한 장치를 포함한다. 응축기는 예컨대 내연 기관에 의해 구동되는 자동차의 주행풍에 의해 냉각되는 관형 응축기로서 제조될 수 있다.
내연 기관, 특히 예컨대 승용차에 사용된 디젤 엔진의 배기 가스내 오염 물질을 환원하는 방법의 목적은 배기 가스가 배기 가스 세척 장치의 배기관을 통해 유입되기 전에 배기 가스에 함유된 물이 응축되어, 적어도 부분적으로 배기 가스 배출용 배기관으로부터 제거됨으로써 달성된다. 본 발명에 따라 응축된 물이 응축수 컬렉터내에 모이고, 그곳으로부터 특히 고체 상태로 존재하는 환원제(예: 요소)와 함께 수성 용액으로 결합된 다음, 상기 용액이 촉매 컨버터, 특히 NOx 제거 촉매 컨버터로 공급된다. 상기 방법의 장점은 위에 제시된 배기 장치의 전술한 장점들에 상응한다.
내연 기관의 배기 가스내 오염 물질을 환원시키기 위한 배기 장치 및 방법이 도면에 따라 실시예로서 설명된다. 여기 제시된 도면들은 부분적으로, 특히 그 입체적 구조에 있어서 정확한 척도로 그려지지 않고 개략적으로 도시되어있다.
도 1에는 내연 기관(2)의 배기 장치(1)가 개략적으로 도시되어있다. 상기 배기 장치(1)는 내연 기관(2)에 유체학적으로 하부에 연결된, 배기 가스(19)의 가이드용 배기관(3)을 포함하며, 상기 배기관(3)은 배기 가스(19)의 세척 장치(4)와 연결된다. 상기 배기관(3)내에는 모터 제어식 밸브(6), 특히 양방향 밸브가 설치된다. 유체학적으로 상기 밸브(6) 앞에는 배기 가스(19)내에 충분히 많은 물이 존재하는지의 여부를 인식하기 위한 센서(7)가 설치된다. 상기 센서(7)는 밸브(6)의 제어를 위해 상기 밸브(6)의 모터에 연결된다. 밸브(6)에는 배기관(3)으로 통하는 U자 관(11)을 포함하는 응축수 컬렉터(5)가 유체학적으로 연결된다. U자 관(11)의 측지학상 가장 낮은 지점에 응축수(23)용 배수관(8)이 제공된다. 상기 배수관(8)내에는 드레인 밸브(17)가 설치되며, 상기 드레인 밸브를 통해 응축수(23) 전체가 배수되거나 또는 계량되어 배수될 수 있다. 드레인 밸브(17)의 하부에는 세척 장치(9), 특히 응축수(23) 세척용 필터가 연결된다. 세척 장치(9)의 하부에는 특히 암모니아와 같은 고체 환원제용 저장기(10)가 유체학적으로 배치된다. 상기 저장기(10)는 응축수(23)가 유입되는 물 저장 탱크(15)로서 형성된다. 따라서 물 저장 탱크(15)에서는 응축수(23)내에 환원제(21) 용액이 형성된다. 상기 물 저장 탱크(15)는 계량 공급 장치(18)를 통해 배기관(3)에 연결된다. 그럼으로써 상기 계량 공급 장치(18)를 통해 응축수(23)내 환원제(21) 용액이 배기관(3)으로, 그리고 그에 따라 배기 가스(19)내로 유입될 수 있다. 배기관(3)내에서 계량 공급 장치(18)의 하부로 촉매 컨버터(14), 특히 NOx 제거 촉매 컨버터 및 선택적 추가 산화물 촉매 컨버터(16)를 포함하는 장치(4)가 설치된다. 상기 촉매 컨버터(14)는 예컨대 금속 박 또는 금속 격자와 같이 금속으로 된 지지 바디, 및 불활성 또는 내화성 세라믹으로 된 지지 바디를 포함할 수 있으며, 상기 지지체는 상응하는 촉매 활성 물질로 코팅된다. 상기 촉매 컨버터(14)는 물론 예컨대 압출 성형된 하이콤(honeycomb) 바디로서 전체가 촉매 활성 물질로 제조될 수도 있다.
마찬가지로 물 저장 탱크(15)를 환원제(21)용 저장기(10)로부터 공간적으로 분리시켜 배치할 수도 있다.
도 2에는 응축수 컬렉터(5)의 대안적인 실시예가 도시되어 있으며, 상기 응축수 컬렉터는 냉각 공기(20)에 의해, 특히 주행풍에 의해 냉각되는 응축기(13)를 포함하고 있다. 상기 응축기(13)의 하부로는 응축수 컬렉터(5)가 응축수(23)용 물 저장 탱크(15)와 연결되고, 상기 물 저장 탱크(15)는 환원제(21)용 저장기(10)에 연결된다. 상기 저장기(10)내에서는 응축수(23)내에 배기관(3)의 계량 공급 장치(18)를 통해 공급되는 환원제(21) 용액이 저장된다. 상기 저장기(10)에는 예컨대 요소와 같은 고체 상태의 환원제(21)가 공급될 수 있다. 응축기(13)로부터 배출된 배기 가스(19)는 밸브(6) 하부에 있는 배기관(3)으로 다시 유입된다.
도 3에는 응축수 컬렉터(5)가 코울드 트랩(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 장치(1)의 실시예가 도시되어있다. 상기 코울드 트랩(12)은 응축수(23)용 배수관(8)을 포함하며, 상기 배수관은 외부로 직접 개방된다. 응축수(23)로부터 배출된 배기 가스(19)는 밸브(6) 하부의 배기관(3)으로 다시 유입된다. 또한 응축수 컬렉터(5)로부터 유체학적으로 분리된 환원제(21)용 저장기(10)가 제공되며, 상기 저장기는 계량 공급 장치(18)를 통해 배기관(3)과 연결된다.
상기 3 개의 실시예의 개별 부품들은 제시된 요구에 따라 분리될 수 있는 것처럼 서로 결합될 수도 있다. 3 개의 실시예의 경우 모두 특히 내연 기관, 바람직하게는 PKW 디젤 엔진의 저온 시동시 물이 함유된 배기 가스(19)가 응축수 컬렉터(5)에 공급된다는 공통점을 갖는다. 상기 응축수 컬렉터(5)내에서 대량의 응축수(23)가 배기 가스(19)와 분리되고, 그리하여 응축수(23)로부터 배출된 배기 가스(19)는 배기 가스의 세척 장치, 특히 배기 가스의 질소 제거 장치로 공급된다. 상기 응축수(23)는 사응하는 처리에 따라, 특히 수성 환원제 용액의 제조를 통해 배기 가스 세척 장치(4)로부터 다시 배기관(3)으로 유입된다. 그럼으로써 배기 가스 세척 장치의 비활성화의 위험이 저지될 뿐만 아니라, 응축수(23)용 물 저장 탱크를 사용함으로써 고체 상태로 존재하는 환원제(21)용 저장기(10)가 장착된 전체 배기 장치(1)의 매우 간결한 구현이 제공된다.

Claims (12)

  1. 배기관(3) 및 상기 배기관(3)에 연결된, 내연 기관(2)의 배기 가스 세척 장치(4)를 포함하며, 이 때 상기 장치(4)의 상향으로 연결되고, 배기관(3)에 유체학적으로 연결되는 응축수 컬렉터(5)가 제공되는, 내연 기관(2), 특히 디젤 엔진의 배기 장치(1)에 있어서,
    상기 응축수 컬렉터(5)에 물 저장 탱크(15)가 제공되고, 상기 물 저장 탱크(15)가 촉매 컨버터(14)를 위한 환원제(21)용 저장기(10)에 유체학적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 배기 장치(1).
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 응축수 컬렉터(5)와 배기관(3) 사이를 유체학적으로 연결시키기 위해 특히 제어 가능한 밸브(6)가 제공되는 것을 특징으로 하는 배기 장치(1).
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 배기관(3)내에서 물의 존재 여부를 인식하기 위한 센서(7)가 제공되고, 상기 센서에 의해 상기 밸브(6)의 제어가 실행되는 것을 특징으로 하는 배기 장치(1).
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 센서(7)가 습도 센서 또는 온도 센서인 것을 특징으로 하는 배기 장치(1).
  5. 제 1항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 응축수 컬렉터(5)내에 응축수(23)용 배수관(8)이 제공되는 것을 특징으로 하는 배기 장치(1).
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 배수관(8)내에 세척 장치(9), 특히 필터가 장착된 세척 장치(9)가 제공되는 것을 특징으로 하는 배기 장치(1).
  7. 제 1항 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 응축수 컬렉터(5)가 U자 관(11)을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 장치(1).
  8. 제 1항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 응축수 컬렉터(5)가 코울드 트랩(12)을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 장치(1).
  9. 제 1항 내지 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 응축수 컬렉터(5)가 응축기(13)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 장치(1).
  10. 제 1항 내지 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매 컨버터(14)가 NOx 제거 촉매 컨버터인 것을 특징으로 하는 배기 장치(1).
  11. 제 1항 내지 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내연 기관(2)이 승용차의 디젤 엔진인 것을 특징으로 하는 배기 장치(1).
  12. 배기 가스가 배기관(3)을 통해 배기 가스 세척 장치(4)에 공급되기 전에, 상기 배기 가스에 함유된 물이 응축되고 적어도 부분적으로 배기 가스의 배출용 배기관(3)으로부터 제거되는, 내연 기관(2), 특히 디젤 엔진의 배기 가스내 오염 물질을 환원시키는 방법에 있어서,
    상기 응축수(23)가 응축수 컬렉터(5)내에 모여, 환원제(21)와 함께 수성 용액으로 결합된 다음, 상기 용액이 촉매 변환기, 특히 NOx 제거 촉매 변환기(14)에 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
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