KR20060021382A - 필터를 포함하는 배기 시스템에서의 흐름 역류 - Google Patents

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에이브 토르드 로니 알란손
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Abstract

린번 왕복 내부 연소 엔진의 배기가스를 처리하는 방법은 제 1 필터(26) 상에 미립자 물질(PM)을 수집하고, 그것의 탄소 부분을 연소키는 단계 및 제 1 필터(26)를 통과하는 가스 흐름의 방향을 주기적으로 역류시키고, 그럼으로써 그것의 이전의 상류측으로부터 연소되지 않은 PM을 전치시키고 제 2 필터(34) 상에 전치된 PM의 적어도 일부를 수집하는 단계를 포함한다.
Figure 112005073726688-PCT00001
배기 시스템, 흐름 역류, 린번 왕복 엔진

Description

필터를 포함하는 배기 시스템에서의 흐름 역류{FLOW REVERSAL IN EXHAUST SYSTEM INCLUDING FILTER}
본 발명은 배기가스가 미립자 물질(PM)을 함유할 때 배기가스의 처리에 관한 것이고, 특히 미립자 필터에서 간헐적인 흐름 역류을 포함하는 그러한 처리에 관한 것이다.
린번 왕복 엔진은 탄소(탄소 화합물 포함), 및 또한 "재(ash)"로 통칭되는 다른 물질을 포함하는 PM을 함유하는 배기가스를 생산한다. 보통의 배기 온도에서 탄소 방출의 주된 감소는 특히 US 4,902,487, SAE 논문지(SAE paper) 890404 (Cooper 등) 및 백금 금속 평론지(Platinum Metals Review) 1995, 39, 2-8 (Hawker)에 기재된 CRT® 공정에 의해 제공되어 왔으며, 이러한 모든 내용은 참고문헌에 의해 본문에 포함된다.
엔진 설계에서의 최근의 진보가 탄소 PM의 방출을 어느 정도 감소시켰지만 필터상에 재의 축적은 상당한 문제를 나타낸다. PM이 설계 수준을 넘어서 축적될 때 PM 필터를 통과하는 흐름의 방향을 역류시킴으로써 이것을 처리하는 것이 제안되어 왔다. 이것은 재를 대기로 배출하지만, 이것은 건강에 해로울 수 있으며, 적어도 불편하다. 그것은 또한 그러한 흐름 역류 전에 산화되지 않는 탄소 PM의 배 출의 위험성을 지닌다.
문제는 윤활유가 엔진에 있는 비휘발성 산화물을 생산하기 위하여 반응하는 무기 원자를 함유하는 동안에도, 그리고 매연-연소 촉매 첨가물이 연료에 존재하더라도 지속되는 것 같다.
제 1 양태에 있어서, 본 발명은 린번 왕복 내부 연소 엔진의 배기가스를 처리하는 방법으로서, 하류쪽으로의 순서로,
(i) 제 1 다공성 필터상에 PM을 수집하고, 그것의 탄소 부분을 연소시키는 단계; 및
(ii) 제 1 필터를 통과하는 가스 흐름의 방향을 주기적으로 역류시키고, 그럼으로써 제 1 필터의 이전의 상류측으로부터 연소되지 않은 PM을 전치시키는 단계를 포함하며,
제 2 필터상에 전치된 PM의 적어도 일부를 수집하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
제 2 양태에 있어서, 본 발명은 린번 왕복 내부 연소 엔진을 위한 배기가스 처리 시스템으로서, 하류쪽으로의 순서로,
(i) 탄소 부분의 연소를 위하여 PM을 수집하는데 효과적인 제 1 다공성 필터; 및
(ii) 제 1 필터를 통과하는 가스 흐름의 방향을 주기적으로 역류시키고, 그럼으로써 연소되지 않은 PM을 전치시키기 위한 수단을 포함하며,
상기 전치된 PM의 적어도 일부를 수집하기 위한 제 2 필터가 상기 제 1 필터의 하류에 배치되는 것을 특징으로 하는 시스템을 제공한다.
제 2 필터는 제 1 필터에서보다 더 작은 공극을 가질 수 있으며, 그럼으로써 크기가 너무 작아서 제 1 필터에 의해 수집되지 못한 입자를 수집할 수 있다. 그러한 조합에서, 제 1 필터는 단일 여과 단계를 사용하는 확립된 시스템의 것보다 더 큰 공극을 가질 수 있다.
본 출원인은, 높은 열역학적 효율의 현대적 엔진에서 낮은 배기 온도 및 엔진으로부터 멀리떨어짐으로 인한 냉각의 결과로서, 제 2 필터가 예를 들어 종이 등의 직조되거나 직조되지 않은 직물과 같은 유기 재료를 사용하는 값싸고 쉽게 대체가능한 유니트가 될 수 있다는 것을 파악하였다. 이것은 바람직하게는 사출성형에 의해 적절하게 만들어지는 스냅식 또는 나사식 하우징에 설치된다. 적절한 필터 재료는 열 및 습기 저항성 종이를 포함한다. 그것들은 전형적으로는 소수성 섬유질을 가진 셀룰로오스를 포함한다.
현대적 엔진의 다른 특징은 US 4,902,487에 기재된 대로, 엔진에서 나오는 NOx가 NO의 산화에 의해 촉매적으로 발생되는 NO2를 사용하는 수동적 필터 재성에 대하여 너무 낮을 수 있다는 것이다. 이러한 문제점은 상기 언급된 낮은 배기 온도에 의해 악화될 수 있으며, 따라서 실제로, 수용가능한 설계 허용범위 내에서 필터를 가로지르는 역압을 유지하기 위하여 필터 재생을 위한 능동적 기술이 요구될 것이다. 그러한 능동적 재생 기술이 예를 들어, EP 0758713에 기재되어 있다.
CRT® 공정의 실제적인 적용에 대한 본 발명의 장점은 제 1 필터에서 흐름 역류가 운행 주기 동안 NO2에서 쉽게 연소되지 않는 PM을 제거하는 데 사용될 수 있다는 것이다. 연소되지 않은 PM은 적절한 간격으로 제거하기 위하여 제 2 필터상에 수집될 수 있다. 따라서, 그러한 배치는 개조 시장에 대한 특수한 이용을 가지며, 값비싸고 연료가 많이 드는 능동적 재생 장치에 알맞은 실제적이고 경제적인 대안을 제공한다.
우선적으로 가스는 제 1 필터의 상류의 촉매적 일산화질소(NO) 산화를 거치게 된다. 대신에 또는 추가적으로, 제 1 필터는 촉매작용을 받을 수 있다. 적절한 필터 촉매는 La/Cs/V2O5 또는 하나 이상의 백금족 금속(PGM), 특히 백금과 같은, PM 연소을 촉진시키는 비금속(卑金屬)을 포함한다. PGM은 필터 재료 그 자체, 또는 필터 공극의 폐쇄를 막기 위해 제형화된 와시코트 성분상에 지지될 수 있다. 그러한 와시코트 성분은 예를 들어 알루미나, 세리아, 및 세리아/지르코니아 혼합 또는 합성 산화물을 포함할 수 있다. 유리하게는, 필터 촉매는 PGM기재 성분에 추가로 NOx 흡수제를 포함할 수 있으며, 이 경우 필터는 4웨이 촉매로 불릴 수 있다. 이러한 치수는 보통의 온도에서 탄소 연소를 이끌며, 따라서 일회용 필터 매질에 의해 견뎌지는 제 2 필터 온도에 쉽게 적응할 수 있다.
제 2 필터의 재료는 제 1 필터가 촉매작용을 받는다면 촉매 가루를 회복하기 위하여 외부로 처리될 수 있다.
본 방법 또는 시스템에서, 필터 흐름 역류는 파이프 접속에 의한 것이고, 이것은 가능하면 앞선 처리과정을 통하여 엔진으로부터 배기가스 입구를 수용하고; 필터의 한쪽 단부에 상기 가스를 공급하고; 필터의 다른쪽 단부에 상기 가스를 간헐적으로 교환하고; 그리고 필터 출구 가스를 수용하며, 가능하면 이후의 처리과정을 통하여, 그것을 상기 제 2 필터에 전달하고, 그곳에서부터 대기로 전달하는 것이다.
바람직하게는 흐름 교환 단계는 모든 연결부가 열려 있는 상태를 통하여 실시가능하고, 모든 것이 닫혀 있는 상태는 배제한다. 밸브에 대한 연결부는 이중으로 되어 있어서, 피복 파이프(lagged pipe)를 통하여 필터에 가스를 공급 및 핀 파이프(finned pipe)를 통하여 필터로부터 가스를 수용하기 위한 것이다.
필터를 통과하는 가스 흐름의 방향을 교환하기 위하여, 파이프 접속은 적절하게는 4웨이 밸브를 포함한다. 그러한 밸브는 전형적으로, 각각의 틈이 외부의 흐름 연결부에 이르는 각도상으로 이격된 틈을 가지는 것으로 형성된 외부가 원통형 또는 절단된 원뿔형 케이싱; 및 2개의 주입 흐름으로부터 교대로 하나를 선택하거나 또는 단일 주입 흐름을 2개의 출구 중 하나에 교대로 향하게 하거나 또는 2개의 주입 흐름을 단일 흐름으로 향하게 하는데 효과적인 변류기 수단을 포함한다. 변류기 수단은 바람직하게는 선택된 가스 흐름이 요구되는 두 말단 위치 사이의 아치형 경로를 통해 실시가능하다. 변류기 수단은 "나비형(butterfly)"을 포함할 수 있다. 밸브 케이싱은 나비형의 계획된 횡단선에 대응하는 더 큰 직경의 벽-영역을 가지는 것으로 형성될 수 있으며, 횡단선의 말단에서 더 작은 직경으로의 변경은 나비형의 윤곽에 맞추어지고 가스 누출에 대한 밀봉으로서 효과적인 축받이로서 형성된다. 나비형의 횡단선은 전형적으로 케이싱의 원주의 10-20%이다. 중간의 비-선택적인 가스 흐름이 요구된다면, 이것은 작동기 수단에 의해 제공된다.
변류기 수단은 케이싱 내에 유체를 밀폐되도록 하고 유체 흐름의 주방향에 대해 횡단하는 축상에서 회전가능한 배럴에 의해 제공될 수 있다. 유체 흐름은 적어도 하나의 유체 밀폐 구분 부재의 배럴의 둘 이상의 방사상 평면의 각각을 따라 형성되고, 적어도 하나의 통로가 배럴의 원주에 대해 서로 각도상 구부러진 위치에서 열려있는 각각의 부분에서 형성되며, 성기 위치는 틈에 대응된다.
배럴(사용된다면)은 그것의 외부 형태 및 내부 통로를 한정하는 시트 재료를 유니트로 구성하거나 또는 고체 재료를 형태를 만들고 그안에 구멍을 뚫어서 구멍 사이의 나머지가 구분 부재를 형성하도록 함으로써 제공될 수 있다. 각각의 통로는 보통은 예를 들어 하나의 입구 연결부 및 둘 또는 셋의 출구 연결부를 가진 4웨이 밸브에서 수직으로, 그것의 입구로 각도상으로 구부러진 출구를 가진다. 2개의 입구 연결부 및 2개의 출구 연결부를 가진 4웨이 밸브에서 각각의 통로는 하나의 입구 및 2개의 출구를 가질 수 있다.
밸브는 배럴의 각도상 움직임을 선택된 흐름 연결부 또는 모든 흐름 연결부가 열린 위치로 제한하는 수단을 포함할 수 있다.
본 방법 및 시스템의 다른 특징은
i) 이미 언급된 대로 NO를 이산화질소(NO2)로 촉매적으로 산화시키는 단계; 및/또는
ii) 필요할 때 가스 온도를 능동적으로 증가시키는 단계;
중 적어도 하나를 접속부의 상류쪽에 포함하며,
i. 희박-NOx 촉매, 재생가능한 NOx 흡수제 또는 선택적인 촉매 환원(SCR)과 같은 질소 산화물(NOx) 제거 단계;
ii. 디젤 산화 촉매(DOC)
중 적어도 하나를 접속부의 하류쪽에서 포함하며, 그리고
제 1 필터 및/또는 제 2 필터(열안정적이라면) 상에 선택적으로
NO2 및/또는 산소를 가진 PM의 탄소 부분의 연소에 효과적인 촉매를 포함한다.
i), ii), i 또는 ii의 촉매는 적절하게는 세라믹, 감긴 주름잡힌 금속, 발포 또는 소결 또는 규칙적 또는 무작위의 와이어 또는 평평한 와이어로 구성된 모노리스 기질을 통과하는 흐름상에 있다. 제 1 및 가능하면 제 2 필터는 가스에 대해 투과성의, PM에 대해 제한된 투과성을 가지는 "필터급"에서, 흡수제 및 촉매의 그것과 유사한 기질 재료를 사용할 수 있다.
본 발명은 첨부되는 도면에 의해 설명된다.
도 1은 흐름 역류가 4개의 개별 밸브에 의해 달성되는 시스템을 도시한다.
도 2는 흐름 역류가 단일 4웨이 밸브에 의해 달성되는 시스템을 도시한다.
도 3A 및 3B는 밸브의 두 말단 위치를 나타내는 도 2에서 사용되는 밸브의 확대된 평면도를 도시한다.
도 1에 따르면, 전체로서 10으로 불리는 시스템은 디젤 엔진 배기 매니폴드(도시되지 않음)에 연결된 반응기(20)를 포함하고 와시코트 및 백금(Pt)를 소지하는 세라믹 벌집형태로 구성된 산화 촉매(22)을 함유한다. 반응기(20)의 출구 단부로부터, 파이프는 밸브(24A 및 24B)을 통하여 벽-흐름형의 필터급 세라믹 벌집형태로 구성되는 PM 필터(26)의 한쪽 단부(도시된 LHS) 및 다른쪽 단부(도시된 RHS)의 헤더 공간으로 각각 이르고, 통로는 입구 단부에서 교대로 열리고 닫히며, 입구 열린 통로에 대응하여 출구 단부에서 교대로 닫힌다. 각각 LHS 및 RHS 헤더 공간으로부터, 파이프는 밸브(24C 및 24D)를 통하여 제 2 필터 용기(30)의 헤더 공간에 이르며, 필터 용기는 플랜지(32)에 의해 일반적으로 지칭되는 열리기 쉬운 말단-덮개를 가지는 것으로 형성되고 일회용 필터 유니트(34)를 함유한다. 사용되는 필터 배기가스는 36에서 대기로 배출된다.
시스템은 프로그램된 컴퓨터의 제어하에서 작동되며, 밸브(24A 및 24C)를 열고 밸브(24B 및 24D)를 닫고(도시된 대로임); 필터(26)를 가로지르는 압력 강하에 대한 신호를 받고; 그리고 압력 강하가 예정된 수준에 도달했을 때 밸브(24A 및 24C)를 닫고 밸브(24B 및 24D)를 열도록 프로그램된다. 이러한 열림과 닫힘은 방해 또는 우회를 피하도록 맞추어져 있다.
도 2에 따르면, 항목(10, 20 및 22)는 도 1과 동일하지만, 제 1 필터(26)는 단 2개의 파이프 연결부를 가진 용기(29)에 있다. 흐름의 역류는 제 1 필터로의 출구(X 및 Y) 및 제 2 필터 용기(31)에 연결부를 가진 4웨이 밸브(25)에 의해 이루어진다. 밸브(25)는 세가지 위치에서 실시가능하다. 즉, X에 대해 열리고, Y에 대해 열리고, 그리고 네 방향에 대해 중간으로, 변환이 방해의 가능성 없이 일어난다. 4웨이 열림의 시간 주기는, 최대한의 엔진 배출 농도에서 PM을 함유하는 가스를 필터(34)에 보내는 것을 제한하기 위하여, 최소한으로 제어된다.
도 3A 및 3B에 따르면, 각각의 도면이 도 2에서처럼 번호가 매겨져 있다. 이들 도면에서 도시되는 평면도는 밸브 케이싱에서부터 밀봉을 통과하여 작동기(도시되지 않음)로 연장되는 선회하는 작동 샤프트(56)를 가지는 직각의 나비형 분류기(54)의 횡단선의 범위를 한정하는, 더 큰 직경의 원주 영역(52)을 가지고 내부에 형성되는 본질적으로 원통형 밸브 케이싱(50)에 관한 것이다. 횡단선의 범위의 끝은 직경이 다른 영역 사이의 축받이(58)에 의해 한정되며, 그런 축받이는 계획된 통로 밖에 가스 누출을 제한한다.
도 2에 따르면, 보통의 엔진의 작동에서, 예를 들어 300℃에서 증기(H2O(g)), 질소(N2), 산소(O2), 이산화탄소(CO2), 연소되지 않은 탄화수소 원료(HC), 일산화탄소(CO), NOx 및 PM을 포함하는 배기가스는, 그 위에서 NO가 NO2로 산화되고 HC 및 CO의 일부가 증기 및 CO2로 산화되는 촉매(22)와 접촉한다. 그런후, 배기가스는 그 상에서 대부분의 PM이 수집되고 배기가스의 탄소 함량이 촉매(22)에서 형성된 NO2 및 가능하게 O2와 반응에 의해 연소되는 필터(26)로 들어간다. 그런후 PM-고갈 가 스는 필터(34)를 가진 용기(31)로 통과하고, 필터(34)는 필터(26)으로부터 방출된 PM을 수집한다. 그러한 PM은 전형적으로 재이며, 이 경우에 필터(34)는 섬유질 또는 종이와 같은 일회용일 수 있다. 필터(34)의 다른 임무는 필터(26)에 의해 수집되지 않은 임의의 초미세 가연성 PM을 수집하는 것이 될 수 있다.

Claims (14)

  1. 린번 왕복 내부 연소 엔진의 배기가스를 처리하는 방법에 있어서, 하류쪽으로의 순서로,
    (i) 제 1 다공성 필터(26) 상에 미립자 물질(PM)을 수집하고, 그것의 탄소 부분을 연소시키는 단계; 및
    (ii) 제 1 필터(26)를 통과하는 가스 흐름의 방향을 주기적으로 역류시키고, 그럼으로써 제 1 필터의 이전의 상류측으로부터 연소되지 않은 PM을 전치시키는 단계를 포함하며,
    제 2 필터(34) 상에 전치된 PM의 적어도 일부를 수집하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, (i) 단계의 상류에, 상기 배기가스에 있는 NO를 NO2로 촉매적으로 산화시키는 단계; 및 상기 PM의 탄소 부분의 적어도 일부를 상기 제 1 필터(26) 상에서 상기 NO2와의 반응에 의해 연소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 제 1 필터(26)에서보다 제 2 필터(34) 상에서 더 미세한 PM을 수집하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 린번 왕복 내부 연소 엔진을 위한 배기가스 처리 시스템에 있어서, 하류쪽으로의 순서로,
    (i) 탄소 부분의 연소를 위하여 PM을 수집하는데 효과적인 제 1 다공성 필터(26); 및
    (ii) 제 1 필터(26)을 통과하는 가스 흐름의 방향을 주기적으로 역류시키고, 그럼으로써 축적된 PM을 전치시키기 위한 수단을 포함하며,
    상기 전치된 PM의 적어도 일부를 수집하기 위한 제 2 필터(34)가 상기 제 1 필터(26)의 하류에 배치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 배기가스에 있는 NO를 NO2로 산화시키기 위한 촉매(22)가 제 1 필터(26)의 상류에 배치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 제 2 필터(34)의 공극이 제 1 필터(26)의 공극보다 더 작은 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제 4 항, 제 5 항 또는 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 제 2 필터(34)가 직조되거나 직조되지 않은 직물과 같은 유기 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 제 2 필터가 종이 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 필터 매질이 사출성형된 스냅식 또는 나사식 하우징(30, 32; 31, 32)에 설치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제 4 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 흐름 역류 수단이 각각의 틀이 외부의 흐름 연결부에 이르는 각도상으로 이격된 틈을 가지는 것으로 형성된 외부가 원통형 또는 절단된 원뿔형 케이싱(50); 및 2개의 주입 흐름으로부터 하나를 선택하거나 또는 단일 주입 흐름을 2개의 출구 중 하나로 향하게 하거나 또는 2개의 주입 흐름을 두갈래로 향하게 하는데 효과적인 분류기 수단(54)을 포함하는 4웨이 흐름 통로 교환 밸브(25)을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 분류기 수단(54)이 선택된 또는 갈라진 가스 흐름이 얻어지는 두 말단 위치(25X, 25Y) 사이의 아치형 경로를 통해 실시가능한 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 분류기 수단(54)이 "나비형(butterfly)"을 포함하고, 밸브 케이싱(50)이 나비형의 계획된 횡단선에 대응하는 더 큰 직경 (52)의 벽-영역을 가지는 것으로 형성되고, 횡단선의 말단에서 더 작은 직경으로의 변경은 나비형의 윤곽에 맞추어지고 가스 누출에 대한 밀봉으로서 효과적인 축받이(58)로서 형성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제 10 항, 제 11 항 또는 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 밸브(24, 25)에 대한 연결부가 이중으로 되어 있어서, 피복 파이프를 통하여 제 1 필터에 가스를 공급 및 핀 파이프를 통하여 제 1 필터로부터 가스를 수용하기 위한 것을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제 4 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 필터(26)를 통과하는 가스 흐름의 주기적인 역류 및 중간의 비선택적 가스 흐름 사이에서 선택하기 위한 제어 수단을 포함하며, 제어 수단은 작동기 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
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