KR20060129532A - 내연기관의 연료 시스템으로부터 황을 포함한 방향족화합물을 저장하거나 방출하기 위한 기기 및 방법 - Google Patents

내연기관의 연료 시스템으로부터 황을 포함한 방향족화합물을 저장하거나 방출하기 위한 기기 및 방법 Download PDF

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가리 비. 줄라우프
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Abstract

내부 연소 연료 스트림으로부터 황화합물을 제거하기 위한 연료 필터는 공지되었다. 일 실시예에 있어서, 연료 필터는 흡수제를 포함한 적어도 하나의 칼럼을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 흡수제는 내연기관에 사용된 연료, 특히 디젤 연료로부터 황화합물, 특히 황을 포함한 방향족 화합물을 제거할 수 있다. 또한, 후연소 배출 제어장치의 라이프 사이클을 연장시키기 위한 기기가 공지되었다. 일 실시예에 있어서, 상기 기기는 내부 연소 연료 스트림으로부터 황화합물을 제거하기 위한 연료 필터와 배출 제어 장치를 포함한다. 결국, 내부 연소 연료 스트림으로부터 황화합물을 제거하기 위한 방법이 공지되었다. 일 실시예에 있어서, 상기 방법은 황화합물을 제거할 수 있는 연료 필터를 통하여 연료를 통과시키는 단계, 저장된 황화합물의 일부를 방출시키는 단계, 및 상기 화합물의 일부분을 엔진을 통하여 배출 제어 장치로 보내는 단계를 포함한다.
Figure 112006073980197-PCT00004
황화합물, 연료 필터, 연료 스트림, 연료, 흡수제, 배출 제어 장치, 후연소 배출 제어 장치.

Description

내연기관의 연료 시스템으로부터 황을 포함한 방향족 화합물을 저장하거나 방출하기 위한 기기 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR STORING AND RELEASING SULFUR CONTAINING AROMATIC COMPOUNDS FROM A FUEL STREAM OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연기관 연료 스트림에 있는 황화합물(sulfur containing compound)을 감소, 조정 및/또는 분배하기 위한 연료 필터, 기기, 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 내연기관, 특히 자동차 엔진으로부터 질소산화물을 감소시키기 위하여 후연소 배출 장치의 능력을 증대시키는 것을 개시하고 있다.
질소산화물 또는 'NOx' 흡수제는 가동 및 정지 내연기관의 배기 스트림으로부터 질소산화물을 제거하는데 사용된다.
그러나, 이러한 NOx 흡수제는 황화합물에 직면하면 그 효율이 감소된다. 이러한 황화합물, 특히 황을 포함한 방향족 화합물은 NOx 흡수제의 촉매를 파괴시키거나 상기 촉매와 역반응한다. 오염된 촉매를 포함한 NOx 흡수제는 효율이 감소된다. 이 결과, 내연기관에 사용된 연료에 황화합물이 있으면 배기 배출시, 특히 아산화질소의 배출과 관련해 해로운 영향을 끼칠 수 있다. 이러한 문제점은 디젤 기 관을 사용하는 자동차 및 고정 시스템에서 특히 문제가 된다.
전형적으로 NOx 흡수제에 있는 촉매는 촉매/NOx 흡수제의 평균여명(life expectancy)이 연장되도록 설계된 재생 처리를 받는다. 첫번째 타입의 재생 처리는 NOx 흡수제로부터 질소 형태의 NOx를 제거하도록 설계되었다. 두번째 타입의 재생 처리에서는, 황화합물과 같은 오염물이 방출되거나 제거된다. 상기 두번째 처리는 때때로 탈황으로 언급되고 전형적으로 NOx 재생 처리보다 고온의 온도에서 일어난다. 이렇게 고온에 반복적으로 노출되면 촉매 평균여명에 악영향을 미칠 수 있다.
연료 스트림에 있는 황화합물의 농도는 NOx 흡수제가 얼마나 자주 탈황되어야 하는지에 직접적으로 영향을 준다. 농도가 높으면 높을수록, NOx 흡수제의 촉매는 보다 자주 탈황되어야 한다. 이와 유사하게, NOx 흡수제는 보다 짧은 평균여명을 가지며 보다 자주 탈황된다.
따라서 NOx 흡수제에서 황 오염물의 악영향을 최소화시킬 수 있는 연료 필터를 제공하는 것이 바람직하다.
종래 기술에서는 내연기관 연료 스트림으로부터 황을 포함한 연료를 제거하는 장치가 제공되도록 시도되었다. 예를 들면, 미국특허출원번호 US 2002/0028505 A1, 이 명세서의 내용은 자동차에 장착된 탈황 장치를 개시하고 있고, 이 탈황 장치는 연료 탱크와 엔진의 인젝터 사이에 배치되고, 상기 장치는 황화합물을 흡수하고 농축하기 위한 황화합물 흡수제와, 흡수된 황화합물을 산화시키기 위한 황화합물 산화제 또는 산화 촉매를 포함하고, 상기 장치는 생성된 황산화물을 재생하고 제거하기 위한 장치를 더 포함하고 있다.
한편, 내부 연소 연료 스트림에 있는 황화합물의 양, 특히 3ppm 이하의 농도로 감소시킬 수 있는 장치, 특히 연료 필터가 필요하다.
그러나, 만약 이러한 연료 필터가 재생될 수 있으면, 즉, 저장된 황화합물의 모두 또는 어느 정도를 분배하여 연료 필터의 라이프 사이클이나 용량이 증대될 수 있으면 이 또한 바람직할 것이다. 이러한 재생이 NOx 흡수제 또는 엔진 배기 배출에 악영향을 미치는 않으면서 발생하는 것이 특히 바람직하다. 또한 이러한 연료 필터가 탈황 정도를 감소시킴으로써 NOx 흡수제의 라이프 사이클을 연장시킬 수 있으면 이 또한 바람직할 것이다.
일 실시예에 있어서, 연료 필터는 내부 연소 연료 스트림으로부터 황화합물을 제거하기 위하여 개시되었으며, 상기 연료 필터는 흡수제를 포함한 적어도 하나의 칼럼을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 흡수제는 황화합물, 특히 황을 포함한 유기 화합물을 내연기관, 특히 디젤연료에 사용된 연료로부터 제거할 수 있다.
또한 후연소 배출 제어 장치의 라이프 사이클을 연장시키기 위한 기기가 개시되었다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 기기는 내부 연소 연료 스트림, 내연기관, 후연소 배출 제어 장치, 및 필터와 연결된 중공의 회로로부터 황화합물을 제거하기 위한 연료 필터, 내연기관, 및 배출 제어 장치를 포함한다.
제황 필터는 황화합물을 제거하고, 저장하고 방출시킬 수 있고, 상기 필터는 배출 제어 장치의 재생 사이클 동안에 저장된 황화합물의 일부 또는 전부를 분배시킬 수 있으며 여기서 황화합물의 방출이 재생시 발생하고 NOx 흡수제에 또는 엔진 배기 배출시에 악영향을 미치지 않으면서 발생한다.
배출 제어 장치의 재생 사이클 사이의 시간 기간을 연장시키기 위한 시스템은: 연료 스트림으로부터 황화합물을 제거하고, 저장하고, 방출시키기 위한 연료 필터; 연료 시스템과 연료 필터와 유체 연통하는 내연기관; 상기 내연기관의 배기 스트림과 유체 연통하는 배출 제어 장치; 및 저장된 황화합물의 방출을 제어하기 위한 장치;를 포함한다.
결국, 내부 연소 연료 스트림으로부터 황화합물을 제거하기 위한 방법이 개시되었다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 방법은 황화합물을 제거할 수 있는 연료 필터에 연료를 통과시키는 단계, 제거된 황화합물을 저장시키는 단계, 저장된 황화합물의 일부를 방출시키는 단계, 및 방출된 상기 화합물의 일부를 상기 내연기관을 통하여 후연소 배출 제어 장치로 보내는 단계를 포함한다.
도 1은 연료 필터가 단일 칼럼을 포함한 일 실시예를 도시한 개략도,
도 2는 가드 베드를 갖춘 단일 칼럼을 포함한 연료 필터의 또 다른 실시예를 도시한 도면,
도 3은 가드 베드를 갖춘 단일 칼럼을 포함한 도 2의 연료 필터를 개시한 또 다른 실시예를 도시한 도면,
도 4는 이중 가드 베드를 갖춘 단일 칼럼을 포함한 연료 필터를 개시한 또 다른 실시예를 도시한 개략도,
도 5는 단일 가드 베드를 갖춘 이중 칼럼을 포함한 연료 필터를 개시한 또 다른 실시예를 도시한 개략도,
도 6은 이중 가드 베드를 갖춘 이중 칼럼을 포함한 연료 필터를 개시한 또 다른 실시예를 도시한 개략도,
도 7은 이중 가드 베드를 갖춘 이중 칼럼을 포함한 도 6의 연료 필터를 개시한 또 다른 실시예를 도시한 도면,
도 8은 스텝 5가 시작할 때 입구 가스 혼합물을 도시한 그래프,
도 9는 스텝 5가 시작할 때 출구 가스 혼합물을 도시한 그래프,
도 10은 스텝 3이 시작할 때 희박 NOx 트랩(LNT) 활성도(activity)를 도시한 그래프,
도 11은 스텝 3이 끝날 때 희박 NOx 트랩(LNT) 활성도를 도시한 그래프,
도 12는 스텝 5가 시작할 때 희박 NOx 트랩(LNT) 활성도를 도시한 그래프,
도 13은 스텝 5가 끝날 때 희박 NOx 트랩(LNT) 활성도를 도시한 그래프,
도 14는 기준선 테스트 시퀀스에 대한 정상 작동이 시작할 때의 변환 효율(%) 대 스텝 수를 도시한 그래프,
도 15는 기준선 테스트 시퀀스에 대한 정상 작동이 끌날 때의 변환 효율(%) 대 스텝 수를 도시한 그래프,
도 16은 고(高)황 테스트 시퀀스에 대한 정상 작동이 시작할 때의 변환 효율(%) 대 스텝 수를 도시한 그래프,
도 17은 고황 테스트 시퀀스에 대한 정상 작동이 끝날 때의 변환 효율(%) 대 스텝 수를 도시한 그래프, 및
도 18은 본 발명의 실시예에 따라 연료 필터를 구비한 내연기관과 NOx 흡수제의 개략도.
내연기관의 연료 스트림으로부터 3ppm 이하의 농도로 황화합물을 제거할 수 있고 제거된 황화합물을 저장할 수 있는 연료 필터가 개시되었다. 이 필터의 저장 용량이 감소될 때 저장된 황화합물의 적어도 일부분이 방출되기 때문에 상기 필터는 재생을 할 수 있다. 본 명세서에서 사용된 필터는 연료에 있는 황화합물을 제거한 이후에 방출하도록 설계된 연료 필터를 개시하고 있다. 본 발명의 실시예에 따르면 별개의 연료 필터가 연료로부터 오염물을 제거하도록 제공됨을 알 수 있다(예를 들면, 전형적인 또는 비황(non-sulfur) 제거 연료 필터). 선택적으로, 황화합물의 제거 및 방출용으로 형성된 단일 연료 필터와 다른 오염물의 필터링은 본 발명의 다른 실시예의 범주 내에서 고려되는 사항이다. 문장속에서 명확하게 지시하지 않는 한 '단일', '하나' 등은 복수의 대상을 포함한다. '부가적으로' 또는 '선택적으로'는 순차적으로 설명된 사건이나 상황이 발생하거나 또는 발생하지 않는다는 것을 의미하고, 이러한 것은 상기 사건이 발생하거나 또는 발생하지 않는 예를 포함한다. 양과 관련하여 사용된 한정어 '대략'은 일정한 값을 포함하고 문장에 의해 지시된 의미를 갖는다(예를 들면, 특정한 양의 측정과 관련된 에러 정도를 포함함).
개시된 연료 필터는 고정 시스템과 자동차 모두에 사용된 내연기관으로 사용될 수 있다. 고정 시스템의 도시된 실시예는 제너레이터와 동력장치를 포함한다. 설명된 차량의 실시예는 자동차, 트럭, 보트, 개인 수상 보트, 세미 트럭, 불도저와 크레인과 같은 건설 장비, 잔디 깎기와 트랙터와 같은 소형 엔진 장치 등을 포함하며, 여기서 제황 연료 필터는 탑재된 시스템의 부품이다. 본 발명의 실시예는 차량의 경우이며, 여기서 제황 필터는 배출 제어 시스템의 부품이고 상기 필터는 NOx 흡수제의 재생 과정 동안에 연료 스트립으로 캡쳐된 황화합물을 방출하고, NOx 흡수제의 재생은 당업자에게 공지된 기술에 따라 안내된다.
적당한 내연기관이 임의의 적합한 유기 연료(organic fuel)에 의해 동력공급된다. 일 실시예에 있어서, 상기 연료는 가솔린 또는 디젤 연료이다. 일 실시예에 있어서, 상기 연료는 디젤 연료이다.
개시된 연료 필터에 의해 제거된 황화합물은 대체로 내연기관에서 사용하기 위한 연료에 통상적으로 알려진 임의의 황화합물일 수 있다. 본 발명의 실시예에 있어서, 개시된 필터에 의해 제거된 황화합물은 황을 포함한 유기 화합물이다. 개시된 연료 필터에 의해 제거된 설명된 황화합물은 벤제티오펜(benzothiophene), 디벤제티오펜(dibenzothiophene), 및 이들의 유도체(derivatives)를 포함한다. 개시된 연료 필터는 연료 스트림으로부터 하나 이상의 이러한 화합물을 제거할 수 있다.
개시된 연료 필터 및 방법은 고황 연료 또는 저황 연료 중 어느 하나를 상업적으로 이용가능한 연료로써 사용할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 필터되지 않은 연료 스트림은 대략 6ppm 내지 500ppm의 황 농도를 포함할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 개시된 필터와 방법은 대략 15ppm 이하의 황 농도를 갖는 필터되지 않은 연료 스트림으로써 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 개시된 필터 및 방법은 대략 9ppm 이하의 황 농도를 갖는 필터되지 않은 연료 스트림으로써 사용될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 개시된 필터 및 방법은 대략 6ppm 내지 15ppm의 황 농도를 갖는 필터되지 않은 연료 스트림으로써 사용될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 개시된 방법은 감소된 황 농도, 특히 3ppm 이하의 황 농도를 갖는 필터된 연료 스트림을 초래한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 연료 필터는 흡수제를 포함한 적어도 하나의 칼럼을 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 칼럼(10)은 제 1 개구(10)와 제 2 개구(14)를 구비하며, 상기 제 1 개구를 통하여 필터되지 않은 연료가 칼럼(10)으로 들어가고 상기 제 2 개구를 통하여 필터된 연료가 칼럼(10)을 빠져나온다. 연료 필터의 정상 작동 동안에, 개구(14)를 빠져나오는 연료에서 황화합물의 농도는 개구(12)에 들어가는 연료에서의 황화합물의 농도보다 낮을 것이다.
본 발명의 흡수제는 하나 이상의 활성된 카본, 제올라이트(zeolite), 점토(clay), 산성 점토(acid clay), 활성 점토(active clay), 실리카 겔(silica gel), 알루미나(alumina), 산화 알루미늄(aluminum oxide), 메소포러스 실리카 포러스 물질(mesoporous silica porous material(FSM)), 이들의 혼합물, 등을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 흡수제는 적어도 하나의 알루미나 또는 산화알루미늄을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 흡수제는 알루미나로 이루어질 수 있 다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 개시된 연료 필터는 도 2 또는 도 3 중 어느 하나에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 가드 베드(guard bed, 16)를 더 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 가드 베드(16)는 제 1 개구(18)와 제 2 개구(20)를 포함하며, 연료는 상기 제 1 개구를 통하여 가드 베드에 들어가고, 연료는 상기 제 2 개구를 통하여 가드 베드를 빠져나온다. 이 실시예에 있어서, 가드 베드(16)는 중공의 도관(22)을 통하여 적어도 하나의 칼럼(10)에 연결되고 상기 도관을 통하여 연료가 통과하여 이송될 수 있다.
선택적으로, 도 3에 도시된 바와 같은 다른 실시예에 있어서, 적어도 하나의 가드 베드(16)는 칼럼(10)에 인접하여 부착되어 연료가 제 1 개구(16)를 통하여 들어가고, 가드 베드(16)와 칼럼(10) 양자를 통과하고, 이후 칼럼(10)의 제 2 개구(14)를 통하여 빠져나온다.
도 4에 도시된 다른 실시예에 있어서, 개시된 연료 필터는 도관(28, 30)을 통하여 2개의 가드 베드(24, 26)에 연결된 적어도 하나의 칼럼(10)을 포함한다. 이러한 실시예에 있어서, 들어오는 연료는 하나 또는 양자의 가드 베드(24, 26)에 들어갈 수 있다. 연료가 하나 또는 양자의 가드 베드(24, 26)로부터 빠져나온 이후에, 도관(30)을 통하여 칼럼(10)으로 이송된다. 이러한 실시예에 있어서, 칼럼(10)을 들어가는 연료는 제 1 개구(12)를 통과하고 제 2 개구(14)를 통하여 칼럼(10)을 빠져나온다.
도 5에 도시된 다른 실시예에 있어서, 연료 필터는 이중 칼럼(32, 34)과 단일의 가드 베드(44)를 포함할 수 있다. 이중 칼럼(32, 34)은 각각 제 1 개구(36, 38) 및 제 2 개구(40, 42)를 구비하며, 연료가 상기 제 1 개구를 통하여 들어가고, 연료가 상기 제 2 개구를 통하여 빠져나온다. 단일 가드 베드(44)는 도관(46)을 통하여 이중 칼럼(32, 34)에 연결된다. 일 실시에에 있어서 도관(46)은 연료가 칼럼(32, 34) 중 하나 또는 양자를 동시에 또는 순차로 들어가도록 배치된 도관(48, 50)을 구비한다.
결국, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 개시된 연료 필터는 2개의 가드 베드(52, 54) 및 2개의 칼럼(56, 58)을 포함한다. 도 2의 실시예와 관련한 상기 설명과 같이, 가드 베드(52, 54)는 도관(60, 62)을 통하여 칼럼(56, 58)에 각각 연결된다. 선택적으로, 가드 베드(52, 54)는 임의의 중공의 도관을 사용하지 않으면서 칼럼(56, 58)에 직접 부착될 수 있다. 도 4 및 도 5와 관련한 상기 설명과 같이, 연료는 칼럼(56, 58)의 하나 또는 양자 뿐만 아니라 가드 베드(52, 54)의 하나 또는 양자를 들어간다.
개시된 연료 필터에 더하여, 본 발명은 또한 내부 연소 연료 스트림으로부터 황화합물을 제거하기 위한 방법을 제공한다. 개시된 방법은 황화합물을 제거할 수 있는 연료 필터를 통하여 연료를 통과시킴으로써 연료로부터 황화합물을 제거하는 단계, 제거된 황화합물을 저장하는 단계, 저장된 황화합물의 일부를 방출하는 단계, 및 상기 화합물의 일부를 배출 제어 장치로 보내는 단계를 포함한다.
황화합물은 연료가 개시된 연료 필터를 통과할 때 연료 스트림으로부터 제거 된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 연료가 상기 개시된 것과 같은 흡수제를 포함한 적어도 하나의 칼럼을 통과할 때 황화합물은 제거된다.
개시된 연료 필터에 의해 연료 스트림으로부터 제거된 황화합물은 연료 필터에 의해 저장된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제거된 황화합물은 흡수제를 포함한 적어도 하나의 칼럼에 저장된다. 특히 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제거된 황화합물은 상기 흡수제에 저장된다.
개시된 연료 필터가 황화합물의 상당량을 제거하면 내연기관의 수명은 뛰어넘는 것은 분명하다. 어느 포인트에서는, 비록 추가 저장이 요구될지라도 흡수제는 임의의 부가적인 황화합물을 저장할 수 있다. 이러한 포인트에서, 개시된 연료 필터는 재생될 것이다. 연료 필터가 황화합물로써 포화상태가 되었을 때를 측정하는 단계로 제한되지 않는 실시예는: 연료 필터 전후의 연료의 황 내용물을 센서에 의해 측정하는 단계; 엔진이 얼마나 많은 황을 배기 스트림에 내보내고 있는지를 측정하도록 센서를 제공하는 단계; 차량의 연료에 있는 황의 ppm으로 기준선을 측정하기 위하여 연료 저장 탱크에 센서를 제공하는 단계; 및 연료 필터 전후에 압력 센서를 제공하는 단계를 포함하고, 필터를 들어가는 연료 필터 전후의 연료의 황의 측정량과 동일하거나 그에 근접한 황의 측정량은 필터가 연료로부터 황을 더 이상 제거하지 못하다는 것을 지시하고, 임의의 상기 방법은 도 18에 도시된 바와 같이 이들과 상호작용하는 마이크로프로세서 또는 제어기 및 여러 센서를 통해 용이해진다. 연료 필터의 재생은 여기서 저장된 황화합물의 적어도 일부분을 배출시키도록 사용된다. 이러한 방출 또는 재생은 하나 이상의 방법에 의해 달성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 연료 필터의 재생은 연료 필터를 상승된 온도로 가열시킴으로써 달성될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 연료 필터의 적어도 하나의 칼럼은 가열체(도 18에 도시됨)에 의해 가열되며, 여기서 연료 필터의 흡수체, 연료 또는 이들 중 어느 하나는 연료 스트림의 최고 정상 작동 온도보다 더 높은 온도로 가열되고, 여기서 캡쳐된 황화합물은 연료 스트림으로 방출될 것이다. 본 발명의 실시예에 있어서, 가열체는 저항성 가열체이고 여기서 동력장치로부터 적용된 전류 또는 전압은 캡쳐된 황화합물을 방출시키기 위하여 연료 또는 흡수체의 온도를 증가시키도록 사용된다. 물론, 다른 상당 가열 장치는 본 발명의 실시예에서 사용하도록 고려되었다. 본 발명의 실시예에 있어서, 연료 필터의 적어도 하나의 칼럼은 대략 100℃ 또는 그 이상의 온도로 가열된다. 다른 실시예에 있어서, 연료 필터의 적어도 하나의 칼럼은 연료의 끓는점 또는 그 이하의 온도로 가열된다.
다른 실시예에 있어서, 연료 필터는 가열된 연료 스트림을 사용함으로써 또는 연료와 다른 솔벤트로써 치환시킴으로써 재생되고, 여기서 상기 솔벤트는 연료 스트림과 유체 연통하는 솔벤트 저장탱크로부터 방출되고 흡수체로부터 캡쳐된 황화합물을 방출시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 솔벤트는 저장탱크로부터 방출되며 적당한 필터에 의해 재캡쳐되거나 또는 선택적으로 솔벤트는 동일 배출 제어 장치 또는 관련 상기 제어 장치를 손상시키지 않으면서 내연기관에 의해 소비될 수 있는 재료이다.
연료 필터의 재생에 의해 방출된 저장된 황화합물의 일부가 내연기관으로 통해 배출 제어 장치, 특히 후연소 배출 제어 장치로 보내진다. 배출 제어 장치는 여기서 가동 및 고정 내연 기관 양자의 배기 스트림으로부터 산화질소를 제거하는데 사용된 산화질서 또는 'NOx' 흡수제로 사용된다. 일 실시예에 있어서, 배출 제어 장치는 희박(lean) NOx 트랩(Trap) 또는 LNT이다. '후연소(Post-combustion)'는 내연기관으로부터 연소 생성물을 수용하도록 위치된, 즉 내연기관의 하류스트림에 위치된 장치를 참조한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 방출부는 상기 내연기관을 통해 배출 제어 장치로 보내져서, 증가된 황 농도의 영향이 최소화될 때 상기 장치의 작동 사이클에서 한번에 또는 한 조작으로 상기 배출 제어 장치로 들어간다. 이러한 시간 또는 작동을 제한하지 않는 실시예는 본 실시예와 도면에 설명되었다.
다른 실시예에 있어서, 상기 방출부가 고레벨의 황에 덜 민감한 작동 사이클 동안에 한번에 상기 내연기관을 통해 NOx 흡수제와 같은 후연소 배출 장치로 보내진다. 이와 같이 시간 또는 작동을 제한하지 않는 실시예는 개시된 실시예와 도면에 설명하였다. 바람직한 실시예에 있어서, 개시된 연료 필터의 재생에 의해 방출된 황화합물의 일부는 NOx 흡수제 및/또는 NOx 흡수제 촉매가 NOx 또는 탈황에 대해 어느 하나를 재생 처리할 때 한번에 NOx 흡수제로 보내진다.
전형적으로 NOx 흡수제에 있는 촉매는 촉매/NOx 흡수제의 효율을 증가시키도록 설계된 재생 처리를 받게 된다. 제 1 타입의 재생 처리는 산화질소를 질소로 변환하도록 설계된다. 제 2 타입의 재생 처리에 있어서, 황화합물과 같은 오염물은 제거된다. 상기 두번째 처리는 때때로 탈황으로 언급되고 첨부된 실시예에 설명된 것과 같이 보다 고온에서 전형적으로 발생한다. 물론, 본 발명의 실시예는 개시된 실시예와 도면에서 설명된 것보다 보다 고온 또는 보다 저온의 온도를 포함할 수 있음을 알 수 있다.
일 실시예에 있어서, 개시된 연료 필터의 재생에 의해 방출된 황화합물의 일부는 NOx 흡수제 및/또는 NOx 흡수제 촉매가 감소에 의해 산화질소의 제거 또는 방출을 초래하는 재생 처리를 받을 때 한번에 NOx 흡수제로 보내진다.
다른 실시예에 있어서, 개시된 연료 필터의 재생에 의해 방출된 황화합물의 일부는 NOx 흡수제 및/또는 NOx 흡수제 촉매가 황화합물의 제거, 즉 탈황을 초래하는 재생 처리를 받을 때 한번에 NOx 흡수제로 보내진다.
본 발명의 일 실시예에 있어서 상기 화합물의 일부의 배출과 상기 화합물의 일부를 배출 제어 장치로 보내는 것은 연료 필터의 재생 기간과 관련된 짧은 기간의 시간 내내 발생한다. 일 실시예에 있어서, 연료 필터의 재생 기간은 배출 제어 장치의 재생 기간과 비슷하다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 배출 제어 장치의 재생 기간은 연료 필터가 NOx 흡수제에 퇴적되는 황의 양을 감소시킴으로써 최대로 되고, 이에 따라 재생 기간은 보다 간격이 짧을 수 있고 휴지 시간(interval)이 더 길 수 있다.
또한 내연기관(72)의 배기와 연통되는 배출 제어 장치(70)의 라이프 사이클을 연장시키기 위한 방법 및 기기가 본 명세서에 개시되었다. 이러한 기기 또는 시스템은 도 18에 개략적으로 도시된 내부 연소 연료 시스템으로부터 황화합물을 제거하고 저장하기 위하여 개시된 연료 필터를 포함한다. 도시된 바와 같이, 내연기관은 연료 필터를 통하여 연료 저장 탱크(74)로부터 연료를 수용한다. 저장된 황화합물을 연료 스트림으로의 방출을 모니터하고 제어하기 위한 기기, 방법 또는 장치로 제한되지 않는 실시예가 도 18에 도시되었다.
일 실시예에 있어서, 배출 제어 장치는 내연기관의 연소실로부터 기체상태의 연소 생성물을 수용하는 후연소 배출 제어 장치이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 저장된 황화합물의 방출을 모니터하고 제어하기 위한 기기, 방법 또는 장치는 복수의 센서(78)를 포함한 장착식 제어 기기이며 상기 센서 각각은 프로그래머블(programmable) 로직을 포함한 마이크로프로세서 또는 제어기(80)에 신호를 제공하며, 상기 로직은 상기 복수의 센서로부터 신호를 수신하고 연료 필터와 그와 관련된 발열체, 내연기관, 연료 전달부 및 점화 시스템에 신호를 제공하도록 형성되어, 공기 대 연료 유동 혼합과, 필요하다면(배기 온도를 증가시키기 위한 희박(lean) 또는 농후(rich) 작동) 본 발명의 배출 제어 장치의 발열체를 변경시키고, 적당한 신호(예를 들면, 연료 필터의 황 용량에 다다르고 배출 제어 장치가 탈황 또는 재생 모드시 또는 상기 모드에서 작동함)를 수신할 때 상기 마이크로프로세서는 연료 스트림으로 황의 방출을 명령하고, 상기 신호에 악영향을 미치지 않으면서 배출 제어 장치에 의해 상기 신호가 수신될 수 있다.
컴퓨터 프로그램에 따라 작동하는 제어기가 상기 설명된 처리를 실행시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 정해진 작동과 소정의 처리를 실행시키기 위하여 뿐만 아니라 이에 따른 계산 결과를 위하여, 상기 제어기는 여기에 제한되는 것은 아니나, 프로세서, 컴퓨터, 메모리, 기억장치(storage), 레지스터, 타이밍, 인터럽트, 커뮤니케이션 인터페이스, 및 입출력 신호 인터페이스, 뿐만 아니라 이들 중 적어 도 하나를 포함한 조합물을 포함할 수 있다.
상기 기재된 바와 같이, 본 발명의 실시예를 실행하기 위한 알고리즘은 이들 프로세스를 실행하기 위한 기기와 컴퓨터 실행된 프로세스의 형태로 실시될 수 있다. 이 알고리즘은 또한 플로피 디스켓, CD-ROMs, 하드 드라이브, 또는 임의의 다른 컴퓨터 판독가능한 저장 매체와 같은 실체적인 매개체에서 실행된 명령을 포함하고 있는 컴퓨터 프로그램 코드의 형태로 실시될 수 있고, 여기서 컴퓨터 프로그램이 컴퓨터 및/또는 제어기로 로드되고 실행될 때, 상기 컴퓨터는 본 발명을 실시하기 위한 기기가 된다. 컴퓨터 프로그램 코드가 컴퓨터에 로드되고 실행될 때, 현재 시스템이 업데이트 될 수 있는 리프로그래머블 기억장치(예를 들면, 플래쉬 메모리)를 구비하여 여러 측면의 명령어 코드를 실행시키므로, 또한 알고리즘은 예를 들면, 기억장치 매체에 저장되거나, 컴퓨터에 의해 로드되고 및/또는 실행되거나, 또는 전선 또는 케이블, 광섬유, 또는 전자기 방사선과 같은 여러 전송 매체를 통해 전송된다. 일반적인 목적의 마이크로프로세서가 실행될 때, 컴퓨터 프로그램 코드 세그먼트는 마이크로프로세서를 형성하여 특정 로직 회로를 생성한다.
예를 들면, 이들 명령은 컴퓨터 또는 제어기의 RAM에 상주할 수 있다. 선택적으로, 상기 명령은 컴퓨터 디스켓과 같은 컴퓨터 판독가능한 매체를 갖춘 데이터 저장 장치에 포함될 수 있다. 또는, 상기 명령은 자기 테이프, 종래의 하드 디스크 드라이브, 일렉트로닉 리드온리 메모리(electronic read-only memory), 광 저장장치, 또는 다른 적당한 데이터 저장장치에 저장될 수 있다. 본 발명의 실시예에 있어서, 컴퓨터 실행가능한 명령은 C++ 호환 코드의 컴파일된 행(lines)일 수 있 다.
본 발명의 실시예에 있어서, 만약 연료 필터로부터의 황이 배출 제어 장치의 탈황 또는 재생 처리 동안에 연료 스트림으로 배출되는지를 측정하도록 제어기는 복수의 센서로부터 신호를 평가하기 위한 로직을 포함한다. 일 실시예에 제한을 두지 않으면서, 황의 방출을 제어하기 위한 장치는 방출에 대한 적당한 시간을 신호하는 내연기관 또는 배출 제어 장치 중 어느 하나에 소정의 온도 또는 압력을 식별하기 위한 회로 및 센서를 포함한다.
본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었을지라도, 당업자라면 본 발명의 사상 및 범주를 벗어남이 없이 본 발명에 대한 여러 변경이 있을 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 게다가, 본 발명의 사상을 벗어남이 없이 본 발명에 특정 상황과 재료를 적용하여 여러 수정이 만들어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 실행시키기 위해 고려된 최상의 모드로 개시된 바람직한 실시예로 한정되지 않으면서, 본 발명이 첨부된 청구범위의 범주내에 모든 실시예가 포함될 수 있다.
(실시예)
다음 테스트는 LNT의 탈황이 LNT의 수명을 결정하기 바로 직전 또는 결정하는 동안에 연료 필터로부터 저장된 황을 정화하고 내연기관으로 상기 황을 주입하는 것을 측정하도록 실행된 것이다. 이 이론은 탈황 동안에, LNT가 감소상태이고 온도가 상승되어 배기가스 중의 높은 황 농도가 LNT에서 유지되지 않으므로 LNT에 해롭지 않게 된다는 것이다.
Johnson Matthey의 총 사이즈의 LNT 촉매는 열수(熱水)작용의 오븐에 24시간 동안에 700℃로 있게 된다. 총 사이즈의 촉매로부터 2인치 길이로 1인치 직경의 코어가 2개 잘라진다. 하나의 코어는 SanAntonio, TX의 Southwest Research Institute(SwRI)로부터의 Universal Synthetic Gas Reactor™(USGR™)에 설치된다. 이때 촉매는 테이블 1 및 2에 주어진 다음 테스트 계획 시퀀스를 테스트한다. 사용된 가스 혼합물은 테이블 3에서 설명된다.
테이블 1. 기준선 LNT 성능 테스트 계획표
Figure 112006073980197-PCT00001
테이블 2. 고 황 노출 LNT 성능 테스트 계획표
Figure 112006073980197-PCT00002
테이블 3. 가스 혼합 이용
Figure 112006073980197-PCT00003
연료 황 레벨은 USGR 가스 스트림에 있는 SO2로써 시뮬레이트된다. 목표 15ppm의 연료 황 레벨, 및 25:1의 AFR에서 작동하는 엔진에 대하여, 배기 황 레벨이 0.6ppm으로 설정된다. 목표 배기 가스 SO2 농도는 NO의 6006ppm과 혼합된 10.3ppm의 SO2를 포함하고 있는 실린더를 사용함으로써 얻어진다. NO 농도가 350ppm으로 설정될 때, SO2는 0.6ppm이 되는 것으로 알려졌다. NO, CO, CO2, C2H4, 및 H2O에 대한 농도가 설정되고 푸리에 변환 적외선 분석기(Fourier Transform Infra-Red analyzer: FTIR)을 사용하여 측정된다. O2농도가 설정되고 표준 폴라로그래픽 분석기를 사용하여 측정된다. NOx 변환 효율이 LNT로써 90에 보다 가깝기 때문에, 23초 희박, 7초 농후한 사이클이 채택된다.
실행된 테스트의 제 1 시퀀스는 기준선 시퀀스이다. 이러한 시퀀스에 있어서, 저황이 스텝 5를 제외한 스텝 전체에 사용되고, 여기서 LNT가 한 시간 동안 75ppm SO2에 노출된다. 기준선 테스트 시퀀스의 제 1 목표는: (i) LNT 성능이 여러 정상 작동/탈황 사이클 동안의 적용가능한 한계 내에서 유지되는지를 측정하고; (ⅱ) LNT 성능이 정상 작동 동안에 그렇지 않으면 한 시간 동안에 고황에 노출됨으로써 부정적인 영향을 받는지를 측정하고; 및 (ⅲ) LNT 성능이 고황에 노출된 후에 탈황 스텝에 의해 효과적으로 복구되었는지를 측정하는 것이다.
도 8은 일 실시예로서 스텝 5의 시작시 입구 가스 농도를 나타낸다. 도 9는 테스트 시퀀스 중 동일지점에서 출구 가스 농도를 나타낸다. 입구에서 SO2의 농도가 75ppm임을 알 수 있으나, 저장완료를 LNT에 표시하는 출구에서 SO2의 농도는 측정불가하거나, 또는 SO2를 다른 형태로 변환할 수 없다. 희박/농후 사이클링은 또한 매우 분명하다. 측정은 정상 작동 중 매 시간 시작할 때와 끝날 때 다시 취해진다.
도 10 및 도 11은 스텝 3이 시작할 때와 끝날 때 측정된 질소를 포함한 종(種, species)을 나타낸다. 스텝 3은 저황(0.6ppm) 스텝이고, 분명한 LNT 촉매 비활성은 기대되지 않는다. LNT의 측정은 상기 시간이 시작할 때와 끝날 때 일어난다는 것은 분명하다. 도 12 및 도 13은 스텝 5가 시작할 때와 끝날 때 동일한 질소를 포함한 종을 나타낸다. 스텝 5는 고황(75ppm) 스텝이고, 상기 스텝의 마지막에서 촉매 탈황이 확실히 예상된다. 상당한 탈황이 플롯으로부터 확실해 보인다.
도 14는 각각의 정상 작동 스텝이 시작할 때 NO, NOx, CO 및 C2H4가 계산된 변환 효율의 요약 플롯이다. 도 15는 각각의 정상 작동 스텝의 마지막부에서 NO, NOx, CO 및 C2H4가 계산된 변환 효율의 요약 플롯이다. 스텝 1은 28초의 희박/2초의 농후 사이클 타임으로 시작되지만 스텝 1에 대한 데이터는 없다. 매 시간의 처음에 측정된 5개의 스텝에 대한 평균 NOx 변환 효율이 계산된다. 표준 편차(σ)는 2퍼센트 내에 있다. 상기 플롯은 계산된 2σ 라인 뿐만 아니라 평균 처음 효율을 나타내며, 촉매가 기준선 시퀀스 과정 내내 비활성되지 않는 것을 나타낸다. 각각의 스텝의 마지막에 대하여, 고황 노출 스텝 5가 보다 아래의 2σ 라인 아래에서 NOx 변환이 더욱 감소한다는 것이 명확하다. 그러나, 스텝 6 탈황 후에 활성도가 완전 복구된다. 따라서 기준선 테스트 시퀀스 테스트의 3개의 모든 목표가 달성된다.
실행된 테스트의 제 2 시퀀스는 테이블 2의 고황 시퀀스이다. 0.6ppm SO2가 스텝 1, 3, 7, 9, 및 11에서 정상 LNT 작동에 사용된다. 75ppm SO2가 스텝 5에서 정상 작동에 그리고 매 16분 탈황 중 처음 15분 동안에 사용된다. 이 시퀀스의 제 1 목표는 LNT가 탈황 동안에 고황의 레벨로 노출되고 정상 작동 동안에 NOx 감소를 계속 유지하는지를 측정하는 것이다.
도 16은 각각의 정상 작동 스텝이 시작할 때 NO, NOx, CO, 및 C2H4에 대한 변환 효율의 요약 플롯이다. 도 17은 각각의 정상 작동 스텝의 마지막에서의 NO, NOx, CO, 및 C2H4에 대한 변환 효율의 요약 플롯이다. 기준선 테스트 시퀀스에 대해서, 6개의 측정된 모든 스텝에 대한 NOx 변환 효율에 대한 표준편차는 확실히 2 퍼센트내이다. 예측되는 바와 같이, 모든 값이 2σ 라인 내에 있다. 각각의 스텝의 마지막에 대해서 고황 노출 스텝 5가 2σ 라인 아래로 상당한 NOx 변환 효율을 떨어뜨리는 것은 분명하다. 이 활성도는 고황 테스트 시퀀스의 마지막에 의해 복구된다. 따라서, 황화합물의 형태로 저장된 황이 연료 필터로부터 정화될 수 있고 LNT를 손상시키지 않으면서 LNT와 같은 배출 제어 장치의 탈황 직전 또는 탈황 동안에 내연기관으로 분사될 수 있음이 분명하다.

Claims (20)

  1. 연료를 황화합물을 제거할 수 있는 연료 필터에 통과시킴으로써, 연료 스트림으로부터 황화합물을 제거하는 단계;
    상기 연료 필터에 있는 황화합물을 저장하는 단계; 및
    배출 제어 장치의 재생 사이클 동안에 저장된 황화합물의 일부를 연료 스트림으로 방출시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연료 스트림으로부터 황화합물을 제거하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연료 필터는 연료로부터 황화합물을 제거하고, 저장하고 방출시키는 흡수제를 포함하고, 그리고 상기 황화합물의 일부가 연료 또는 흡수제를 흡수제로부터 황화합물을 방출시키는 온도로 가열되어 방출되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연료 스트림으로부터 황화합물을 제거하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 배출 제어 장치는 NOx 흡수제인 것을 특징으로 하는 내연기관의 연료 스트림으로부터 황화합물을 제거하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 재생 사이클은 아산화질소의 감소로 끝이 나는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연료 스트림으로부터 황화합물을 제거하는 방법.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 재생 사이클은 배출 제어 장치로부터 황화합물의 배출로 끝이 나는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연료 스트림으로부터 황화합물을 제거하는 방법.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 저장된 황화합물은 흡수제 상에 또는 흡수제에 저장되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연료 스트림으로부터 황화합물을 제거하는 방법.
  7. 제 8 항에 있어서, 상기 저장된 황화합물의 일부를 방출시키는 단계는 연료의 정상 작동 온도보다 고온의 온도로 흡수제를 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연료 스트림으로부터 황화합물을 제거하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 흡수제는 100℃ 또는 그 이상의 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연료 스트림으로부터 황화합물을 제거하는 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 흡수제는 연료의 끓는점 이하의 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연료 스트림으로부터 황화합물을 제거하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 연료는 디젤 연료인 것을 특징으로 하는 내연기관의 연료 스트림으로부터 황화합물을 제거하는 방법.
  11. 내부 연소 연료 스트림으로부터 황화합물을 제거하고, 저장한 후 방출시키고, 흡수제와 상기 흡수제를 가열시키기 위한 발열체를 포함한 적어도 하나의 칼럼을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 필터.
  12. 제 11 항에 있어서, 적어도 하나의 가드 베드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 필터.
  13. 제 12 항에 있어서, 흡수제를 포함한 적어도 2개의 칼럼을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 필터.
  14. 제 13 항에 있어서, 적어도 2개의 가드 베드를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 필터.
  15. 배출 제어 장치의 재생 사이클 동안의 시간 기간을 연장시키기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은,
    연료 스트림으로부터 황화합물을 제거하고, 저장하고 방출시키기 위한 연료 필터;
    연료 시스템과 상기 연료 필터를 유체연통하는 내연기관;
    내연기관의 배기 시스템과 유체연통하는 배출 제어 장치; 및
    저장된 황화합물의 방출을 제어하기 위한 장치;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배출 제어 장치의 재생 사이클 동안의 시간 기간을 연장시키기 위한 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 연료 필터는 흡수제를 포함한 적어도 하나의 칼럼을 포함하는 것을 특징으로 하는 배출 제어 장치의 재생 사이클 동안의 시간 기간을 연장시키기 위한 시스템.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 연료 필터는 적어도 하나의 가드 베드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배출 제어 장치의 재생 사이클 동안의 시간 기간을 연장시키기 위한 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 연료 필터는 흡수제를 포함한 적어도 2개의 칼럼을 포함하는 것을 특징으로 하는 배출 제어 장치의 재생 사이클 동안의 시간 기간을 연장시키기 위한 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 연료 필터는 적어도 2개의 가드 베드를 포함하는 것을 특징으로 하는 배출 제어 장치의 재생 사이클 동안의 시간 기간을 연장시키기 위한 시스템.
  20. 제 15 항에 있어서, 연료 스트림을 필터링하기 위한 제 2 연료 필터를 더 포함하고, 상기 제 2 연료 필터는 연료 스트림으로부터 황화합물을 제거하고, 저장하고 방출시키도록 형성되지 않고, 후연소 배출 제어 장치는 NOx 흡수제인 것을 특징으로 하는 배출 제어 장치의 재생 사이클 동안의 시간 기간을 연장시키기 위한 시스템.
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