KR20100039278A - 디젤엔진 배기가스의 미세 입자상 물질 처리 시스템 및 방법 - Google Patents

디젤엔진 배기가스의 미세 입자상 물질 처리 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

디젤엔진 배기가스로부터의 입자상 물질을 포집하고 소각하는 입자상 물질 변환장치가 엔진으로부터 입자상 물질 변환장치를 통해 연장하는 배기통로를 포함한다. 입자상 물질 변환장치는 하우징과 하우징 내에 위치한 적어도 하나의 캔들을 더 포함한다. 캔들 안에 포집된 매연을 소각하기 위해 전기 소각 시스템이 펄스파 전원에 전기적으로 연결될 수 있다. 배기통로에 디젤 산화 촉매(DOC)가 배치되어 소각을 돕는데 충분한 양의 NO2를 발생시킬 수 있다. 적어도 하나의 배기가스 냉각장치가 배기가스 온도의 제어를 위해 제공될 수 있다. 피드백 제어시스템은 DPC에 걸친 압력강하, DPC 전단의 온도 및 엔진RPM에 근거하여 배기가스 온도를 제어할 수 있다.
디젤엔진, 배기가스, 미세 입자상 물질, 변환장치, 복합 와이어 매쉬, 캔들, 응축, 소각장치

Description

디젤엔진 배기가스의 미세 입자상 물질 처리 시스템 및 방법{System and Method for the Treatment of Diesel Exhaust Particulate Matter}
본 발명은 일반적으로 디젤 및 천연가스 엔진의 후처리장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 복합 와이어 메쉬 캔들(wire mesh candle) 내 입자상 물질의 응결, 포집 및 소각에 관련된다. 더 구체적으로 본 발명은 신뢰성 있고 통제가 된 공정을 통한 소각에 관한 것이다.
디젤엔진의 배기가스로부터 입자상 물질을 포집하는(trap) 방안은 널리 인정을 받았고 도로 운행용 디젤엔진 분야의 다양한 입자상 물질 배출 관련 정부규정에 부합하기 위하여 이용된다. 디젤엔진을 입자상 물질 포집기를 갖도록 사후 개조하는 방안 역시 입자상 물질과 미세 입자상 물질에 대하여 현행 USEPA (US Environmental Protection Agency: 미국환경보호국)의 PM 10과 PM 2.5의 기준과 관련하여 대기 품질을 개선하는 방법으로 인식되고 있다. 입자 포집법은 90%내지 95%에 이를 수 있는 높은 입자상 물질의 감축을 달성할 수 있다. 종래의 입자 포집기(예를 들어, 벽 통과형 포집기와 와이어 메쉬 입자 포집기)는 누적된 입자상 물질을 연소시켜 장치를 원상태로 복귀시키도록 하는 처리를 필요로 한다. 재생이라고 하는 것은 누적 매연을 연소시킴으로써 세라믹 또는 와이어 메쉬의 필터를 원상태로 복귀시켜 다른 매연 침적 사이클을 개시하는 식으로 반복하는 과정이다.
본 발명자와 동일한 양수인에게 양도된 미국특허 제 7,266,943호는 소각과정이라고 명명한 재생공정의 대안을 설명하고 있다. 미국특허 제 7,266,943호의 내용은 본 발명의 설명에 전적으로 포함된다.
미국특허 제 7,266,943호의 기술이 입자상 물질의 소각에 성공적이라고 증명되어 왔으나, 계속적 개선 또한 필요하다.
복합 와이어 메쉬 매체에 의하여 수집, 응축 및 배출한 대형 응축 입자들은 포집 스크린에서 여과되어 매연의 오염 덩어리, 즉 케이크(cake)를 형성한다. 포집 스크린은 펄스파 DC전원에 연결되어 있고, 이 전원은 포집 스크린과 상류 접지 스크린 사이 전기저항을 통해 일정 매연 케이크 농도(퇴적)로의 도달 신호가 있을 때 연결 개시된다. 종래의 디젤 산화 촉매(diesel oxidation catalyst)를 복합 와이어 메쉬 매체의 전단에 통합하거나, 촉매처리 스크린(catalyzed screen)을 복합 와이어 메쉬 매체 전단에 통합함으로써 NO의 일부가 NO2로 변환된다. 소각이 필요하다는 신호가 있으면 소각과정이 개시되어 유지된다.
여기서 소각이라고 하면 수집된 매연을 필요 시마다 산화하는 저속의 과정으로 정의된다. 높은 입자상 물질 저감 효율을 보장하기 위해서는 충분한 매연이 복합 와이어 메쉬 매체에 유지되어야 한다. 그에 따른 산화열은 배기가스로 인하여 약화하고 이 때문에 배기가스에서 온도상승은 감지할 수 없거나 검출시험에서도 나타나지 않는다. 반면, 재생은 여과매체에 누적된 매연 전부를 태우는 과정이고 보통 700℃ 이상에 도달하는 상당한 온도상승과 관련된다.
본 발명은 디젤 배기가스로부터 응축된 입자상 물질을 응축하는 유효하고, 효율적이며 신뢰성 있는 방법에 관한 것이다. 소각장치 디자인을 좌우하는 것은 더치 스크린(Dutch-weave screen)과 같은 포집 스크린에 응축 매연물질을 포집하기, 따라서 상류측에 케이크를 형성하는 문제이다. 더치 스크린은 펄스파 DC전원에 연결되고 상응하는 스크린은 접지된다. 이 두 스크린 사이의 간격은 실 또는 그물의 형태를 갖는 세라믹 재료 분리기구를 끼워서 일정하게 유지한다. 간격의 공간은 현실적 최소 크기로 유지된다. 대략 0.25 내지 대략 0.50mm (0.010인치에서 0.025인치)의 간격크기가 바람직하며 소각할 입자 크기가 감소하는 이유 때문에 작은 범위에서의 간격을 선호한다. 매연의 소각에 효과를 보인 것으로는 전원에 펄스파 직류 12V-48V DC 또는 그 이상을 이용하고 적정량의 NO2와 배기온도 200℃ 이상, 그리고 소각장치 간격에 천금속 또는 비귀금속 (base-metal) 촉매 매립하기를 조합한 것이다. 배기온도가 300℃ 내지 375℃ 범위로 상승할 때 소각과정은 가속되고 매연은 빨리 소각한다. 그러나, 여기 정의한 대로의 소각은 여전히 재생보다는 훨씬 느린 과정이다. 그 결과, 소각 부산물에서 온도상승은 알아차릴 수 없으며, 소각 스크린(더치 스크린)에서의 최대 국부온도는 500℃ 아래이다. 이것의 주원인은 비귀금속 촉매, NO2 산화모드 및 소각에서 발생되는 열의 배기가스이용 냉각으로 인한 낮은 매연 점화온도 때문이다. 매연 산화의 결과로 케이크 크기가 감소하면, 소각장치에 걸친 전기저항이 증가하여 또 한번 매연층의 퇴적이 새 사이클에서 재발할 때까지 전원 차단을 촉발시킨다.
본 발명의 다른 특징은 산화촉매를 미립자 변환장치와 통합하는 데에 있다. 이를 실현하는데 있어서 귀금속 피복 스크린을 복합 와이어 매쉬 매체의 상류 측에 통합한다. 그러한 스크린은 장치의 코어 둘레로 몇 회 감겨서 배기가스와 귀금속 장소 사이에 강한 충돌과 상호작용이 있도록 한다. 그러나 그러한 스크린의 존재는 어떤 엔진동작조건 하에서 어떤 스파크나 열점들(hot spot)을 발생시켜 복합 와이어 메쉬 매체 내부에 부착된 매연을 점화할 수 있다. 비록 이러한 일은 가능성이 작은 일이지만 와이어 메쉬 매체에 파괴적이 될 수 있다. 따라서, 더치 스테인리스강 스크린을 스파크 방지 장치로 이용해서 귀금속 스크린 둘레로 감아 매연 점화의 가능성을 방지한다.
귀금속 촉매의 채용으로 인하여 일부 SO2는 황산염(입자물질)으로 변환되고, 일산화질소(NO)의 일부는 이산화질소(NO2)로 변환된다. 황산염과 NO2는 환영받지 못하는 오염물들이다. 그러나, 시스템 배치 때문에 낮은 배기속도와 깊은 딥 베드(deep bed) 구조를 결합함으로써 배기가스의 긴 거주시간으로 침적 매연과 오래 상호작용을 하도록 한다(세라믹 벽 투과 입자포집기의 평균 100배로 추산). 궁극적인 효과는 황산염이 사실상 이산화황(SO2)으로 순화되는 것과, 복합 와이어 메쉬 매체 안에서 일부 매연이 소각되는 것과, NO2가 사실상 NO와 질소로 소진되는 것이다. 또한, 와이어 메쉬 내에서 NO2와 매연 사이의 강한 상호작용은 NO2로부터 O2가 완전히 해방되는 결과를 초래하여 NOx(질소산화물)의 감소로 이어져 온도에 따라 10-15%가 되는 것으로 추산된다. 궁극적 효과는 해로운 황산염과 이산화질소 오염물질 배기레벨의 개선으로 나타난다. 특정한 일양상에 따르면, 본 발명의 기술은 디젤엔진의 배기가스를 청소하기 위하여 입자상 물질을 수집 및 소각하는 시스템을 제공한다. 이 시스템은 하우징과 하우징 내 적어도 하나의 캔들을 가진 디젤 미립자 변환장치(diesel particulate converter: DPC)를 포함한다. 배기통로는 디젤엔진으로부터 DPC를 통하여 연장한다. 디젤 산화 촉매(diesel oxidation catalyst: DOC)는 배기통로 안에 배치된다. 배기온도의 제어를 위해 적어도 하나의 배기가스 냉각장치가 제공된다. 피드백 제어시스템이 배기가스 온도를 제어하는 데 DPC 전체에 걸친 압력강하, DPC 전단의 온도 및 엔진RPM 등의 요소에 근거하여 제어한다.
다른 특정 양상에 따르면, 본 발명의 기술은 디젤엔진의 배기가스를 청소하기 위하여 입자상 물질의 NO2 소각 방법을 제공한다. 이 방법에는 하우징과 하우징 내 적어도 하나의 캔들을 가진 디젤 미립자 변환장치(DPC)를 제공하는 단계를 포함한다. 디젤엔진 배기가스는 디젤엔진으로부터 DPC를 통하여 연장하는 배기통로를 따라 유도되고 배기통로 안에 배치된 디젤 산화 촉매(DOC)의 처리를 받는다. 피드백 제어시스템이 배기가스 냉각장치의 선택적 제어를 통해 배기가스 온도를 제어하는데, DPC 전체에 걸친 압력강하, DPC 전단의 온도 및 엔진 RPM의 함수로 제어한다. 또 다른 특정 양상에 따르면, 본 발명의 기술은 디젤엔진의 배기가스로부터 입자상 물질을 소각하는 디젤 미립자 변환장치(DPC)를 제공하며, 이 변환장치는 디젤엔진으로부터 DPC를 통하여 연장하는 배기통로를 형성하고 하우징, 하우징 내 적어도 하나의 캔들, 및 펄스파 전원에 전기적으로 연결되어 캔들 내에 수집된 매연을 소각하도록 된 전기소각 시스템을 포함한다.
또 다른 특정 양상에 따르면, 본 발명의 기술은 디젤엔진의 배기가스를 청소하기 위하여 입자상 물질의 전기소각 방법을 제공한다. 이 방법에는 하우징과 하우징 내 적어도 하나의 캔들을 가진 디젤 미립자 변환장치(DPC)를 제공하는 단계와 디젤엔진으로부터 DPC를 통하여 연장하는 배기통로를 따라 디젤엔진 배기가스를 유도하는 단계를 포함한다. 응결된 매연은 적어도 하나의 캔들 내에 수집된다. 응결된 매연은 펄스파 전원에 전기적으로 연결된 전기소각 시스템으로 소각된다.
여기에 설명된 도면들은 예시의 목적일 뿐 본 발명의 범위를 여하한 방법으로든 제한하려는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 기술에 따라 디젤엔진 배기가스로부터 입자상 물질을 소각하는 입자 변환장치의 종단면도로서, 단일 캔들을 포함하는 것으로 예시한 도면,
도 2는 도 1의 선 2-2를 따라 취한 횡단면도,
도 3은 본 발명 기술의 입자 변환장치의 소각장치 일부의 상세 횡단면도,
도 4는 본 발명 기술의 입자 변환장치의 DC전원 시스템의 제어장치의 간략도,
도 5는 다수의 캔들을 포함하는 본 발명 기술의 입자 변환장치를 위한 펄스 파 DC전원 동작사이클의 간략도,
도 6은 도 1과 유사하지만 다수의 캔들을 포함하는 본 발명 기술의 입자 변환장치의 종단면도,
도 7은 도 6의 선 7-7을 따라 취한 횡단면도,
도 8은 통상의 디젤엔진 동작사이클에서 유효 소각을 경험할 가능성을 도시하는 간략도,
도 9는 300℃-330℃에서의 소각의 통상적 결과와 시간 경과에 따른 역압력의 대응 하락을 보여주는 간략도, 및
도 10은 디젤엔진용 배기가스 후처리 시스템에서 디젤 미립자가 디젤엔진과 작동적으로 관련된 것을 보여주는 간략도.
아래의 상세설명은 실시예의 제시에 불과하며 본 발명의 개시, 응용 또는 이용을 제한하려는 것이 아니다. 도면 전체에서 대응하는 참조부호는 같거나 대응하는 부분과 특징을 표시한다. 설명과 특정 사례는 본 발명의 실시예를 나타내지만 사례설명의 목적일 뿐 본 발명의 범위의 한정을 의도하지 않는다. 또한, 다양한 실시예를 들고 특징을 언급하였으나 추가적 특징을 갖는 다른 실시예 또는 언급한 특징들이 다르게 조합된 실시예들을 배제하지 않으려고 한다.
여러 도면에 걸쳐 같은 참조부호로 같거나 대응하는 부분을 나타낸 도면들에서, 본 발명 기술에 따라 구성된 시스템의 디젤 미립자 변환장치(DPC)는 전체적으로 부호 10으로 표시한다. 본 발명의 변환장치(10)는 디젤엔진, 압축식 또는 액체 천연가스 엔진 같이 확인 가능한 정도의 미크론 미만 또는 나노 사이즈의 입자형 물질을 가진 내연기관에 이용될 수 있다. 입자 변환장치(10)는 적어도 하나의 캔들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1은 단일 캔들(12)을 갖는 입자 변환장치(10)를 도시한다. 도 6은 다수의 캔들(12)을 가진 입자 변환장치(10)를 도시한다.
A. 캔들
특히 도 1과 도 2를 참조하면, 입자 변환장치(10)의 캔들(12)은 하우징(14) 안에 설치되어 있고 전체적으로 유입 배기가스를 관형부재(26)로 규정되는 캔들 내측 코어에 균일하게 배분할 수 있다. 본 발명의 기술에 관한 한 하우징(14)과 캔들(12)을 하우징(14) 내에 설치하는 방식은 종래기술이므로 여기서 달리 설명하지 않는다.
도 1에서 캔들(12)은 전원(16)과 작동적으로 연결된다. 이 시스템은 배기통로 내에 디젤 산화 촉매(DOC)를 포함할 수 있다. 도시된 것과 같이, 캔들(12)이 DOC를 포함할 수 있다. 또한, 캔들(12)은 전체적으로 스파크 방지 스크린(20), 복합 와이어 메쉬(wire mesh) 응결장치(22) 및 전기 소각장치(24)를 포함할 수 있다. DOC는 엔진 배기온도 프로파일과 협력하여 충분한 NO2를 발생시켜 복합 와이어 메쉬 응결장치(22), 소각장치 간격(45), 및 포집 스크린(retaining screens)(42)의 상류측 매연 케이크에서 매연 소각이 원활하게 해준다.
캔들(12)은 흡기부(28) 및 출구(30)를 형성하는 대체로 관 모양인 관형부재(26)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 디젤엔진으로부터의 원배기가스는 흡기 부(28)를 통해 화살표 A방향으로 캔들(12)에 유입된다. 캔들(12)은 유동 분배장치(32)와 관련될 수 있다. 유동 분배장치(32)는 관형부재(26) 내에 설치되어 원배기가스의 흐름을 균일하게 방사상으로 나아가도록 동작할 수 있다. 유동 분배장치(32)는 대체로 원추 또는 원통형을 가질 수 있다.
관형부재(26)는 그 길이의 상당부분을 따라 다공성형이 되어 배기가스가 방사형으로 흐르기 쉽게 할 수 있다. 이러한 배치로 인하여 배기가스 유속을 감소시킬 수 있고 또한 캔들의 다공부분 유효길이를 적절하게 선택함으로써 유속조정이 가능해진다.
캔들(12)에 대해서 비교적 상세한 단면도인 도 2에서와 같이, 디젤 산화 촉매는 캔들(12)의 일체 구성부로 될 수 있고 여과 스크린(18)의 한 개 이상 층으로 구성될 수 있다. 적합한 여과 스크린(18) 중 하나는 이 분야에서 더치 스크린으로 잘 알려져 있다. 그러나 다른 스크린들도 이용될 수 있다. 이 설명의 나머지 전체에서 더치 스크린이라고 하면 본 발명의 범위에서 공지된 다른 여과재료로 대체할 수 있는 것으로 한다.
더치 스크린(18)의 방사상 층들은 매연 누적을 최소화하도록 크기조정된 구멍들을 포함하고 고온의 슬러그(slug)를 포집 및 냉각하도록 비틀린 유로를 생성하여 캔들(12) 내부의 자기점화를 방지할 수 있다. 방사상 배치 층은 개수에 상관없이 이용할 수 있지만 어떤 실시예에서 더치 스크린의 층을 2 내지 5겹으로 할 수 있다. 스크린(18)을 백금으로 코팅하여 스크린 위 가스와 촉매 지점들 간 충돌(impingement)과 교환을 강화할 수 있다. 이 스크린(18)에는 알루미나 같은 워시 코트(wash coat)가 있어서 촉매 작용영역을 증가시킬 수 있다. 다른 방안으로는 귀금속 촉매를 전기도금으로 금속 스크린에 직접 부착할 수 있다. 이에 따라 촉매 처리된 더치 스크린(18)은 디젤 산화 촉매로 기능한다. 그러면서도 스크린은 동일한 캔들 구조 내에 통합된다. 또한 스크린은 소결처리, 납접(brazing) 또는 강성 와이어 메쉬 격자를 형성하도록 하는 방식으로 제조될 수 있다.
강성 와이어 메쉬 격자 즉, 편직 와이어 또는 셰이빙한 와이어(shaved wires)에서 DOC를 구성하는 것은 촉매반응을 더욱 향상시키고 성능의 개선을 가져온다. 전통적인 DOC는 평방 인치당 200 채널 이상에 달할 수 있는 금속 또는 세라믹제 직선유동 채널로 구성된다. 그러한 소형 유동채널은 배기류를 난류에서 층류 상태로 변환한다. 층류 상태는 배기가스와 촉매 지점들간 반응에 효율적이지 않다. 한편, 강성 와이어 메쉬 격자는 난류를 증가시키고 국지적 난류를 추가한다. 이로 인하여 촉매작용 증가와 귀금속 필요량 감소 및 촉매성능 개선을 가져올 수 있다.
촉매처리 스크린(18)은 하드웨어를 줄여주고 적용되기에 따라서는 공간제약을 해소해줌으로써 비용감소의 장점을 제공한다. 또한 스크린(18)은 HC와 CO 감축, 그리고 배기가스 온도에 따라 NO를 적절히 NO2로 변환한다. 스크린을 통합함에 있어서 가장 바람직하지 않은 영향은 캔들 내 매연의 자연발생적 점화에 대비하여 배기가스 온도를 낮추면서 촉매작용의 효율까지 낮추는 것이다. 그러나, 최고온도를 낮추는 것은 촉매의 내구성을 높일 수 있다.
캔들(12)은 중간 스크린(20)의 형태로 제 2 방사상 층을 더 포함할 수 있다. 중간 스크린(20)은 스파크 방지장치로서 기능 하도록 더치 스크린(18) 다음에 삽입될 수 있다. 스파크 방지용 스크린(20)은 열안정제와 교체 가능하게 사용될 수 있다. 선택적으로 스크린(20)은 매연 누적을 최소화하도록 넓은 구경들과 촉매반응에서 발생하는 어떤 고온점이라도 냉각시키기 위한 비틀린 유로를 갖게 할 수 있다. 일면으로, 스파크 방지용 스크린(20)은 귀금속 스크린(18)과 복합 와이어 메쉬 또는 와이어 메쉬 응결장치(22) 사이에서 완충기능을 하여 매연의 자체 점화 가능성을 상당히 줄일 수 있다. 복합 와이어 메쉬 매체(22)는 스파크 방지용 스크린(20) 다음으로 위치될 수 있다. 단, 캔들(12)은 와이어 메쉬 응결장치(22) 형태로 제 3 방사상 층을 포함한다.
캔들(12)은 와이어 메쉬 매체(22) 외측에 방사상 배치한 접지 스크린(ground screen)(36)을 더 포함할 수 있다. 접지 스크린(22)은 더 큰 구멍들을 형성할 수 있다. 예를 들어, 접지 스크린(36)은 복합 와이어 메쉬(22) 둘레로 감긴 편평한 40×40 망사를 포함할 수 있다. 감김은 한번이나 여러 번이어도 무방하다. 접지 스크린(36)은 응결 입자들이 통과할 수 있게 하지만, 소각장치(24) 안에 갇힌 매연에 적절한 접지 접점들을 제공한다.
캔들(12)은 추가로 세라믹 기반의 분리기구(ceramic-based separator)(40)와 뒤따르는 더치 스크린(42)을 포함할 수 있다. 소각장치(24)는 접지 스크린(36), 분리기구(40) 및 더치 스크린(42)으로 형성될 수 있다. 비귀금속 촉매(44)는 소각장치(24) 내부에도 매립될 수 있다. 세라믹 분리기구(40)의 기능은 최외곽의 더치 스크린(42)과 접지 스크린(36) 사이에 고정간격(45) 설정을 통한 전기절연을 제공하 는 것이다. 세라믹 분리기구(40)는 세라믹 실이나 세라믹 망의 형태로 이용될 수 있고, 소각장치 간격(45) 내 매연 케이크의 누적이 이루어질 수 있게 넓은 개방면적을 제공할 것이다. 소각장치 간격(45)은 스크린(36)과 스크린(42) 사이 방사상 길이로 정의될 수 있다.
간격(45)의 크기는 가능한 한 작게 선택될 수 있다. 단, 최소 치수는 전기적 단락 우려 때문에 제조 치수공차에 의하여 제한된다. 최소간격 크기는 약 0.25 mm(0.01인치)로 하되 제조공차를 더 까다롭게 하면 작은 간격을 적용할 수 있다. 간격증가는 바람직하지 않지만 어떤 응용에서는 약 0.5 mm(0.02인치) 이상에 달하여도 수용 가능하다.
더치 스크린(42)은 선택적으로 작은 구멍들을 가질 수 있다. 단, 이 구멍은 응결 입자의 효율적 포집과 케이크 형성을 위해 약 70미크론의 구멍일 수 있다. 복합 와이어 메쉬 매체(22)로부터 도래하는 응결 매연입자는 100미크론 이상 크기를 웃돌 수 있다. 이러한 대형 입자는 더치 스크린의 상류측에 쉽게 포집될 수 있다. 반복시험에서 매연 케이크가 두께 0.5mm를 초과하여 누적됨을 보여주고 있다. 케이크 누적은 소각장치 내 낮은 배기가스 속도 때문에 더해진다. 다양한 배기 속도를 초래하는 온로드(on-road)와 오프로드(off-road) 엔진운행 사이클들을 선택해서 응축 매연을 적절히 포집하는지 확인하고 대부분 시간에 소각장치 간격 내에 매연 케이크를 형성하게끔 조정한다. 항상 최소 케이크 두께는 유지하는 것이 중요한 이유는 그것이 필터 기능을 하여 높은 매연여과 효율을 가져오기 때문이다.
매연 케이크가 계속 누적됨에 따라 깊이가 증가하여 매연 케이크는 소각장치 간격을 채우게 된다. 매연 퇴적물이 완전히 균일하지는 않아도 매연 케이크 밀도는 매연 퇴적의 증가와 함께 증가한다. 일단 매연 케이크가 접지 스크린(36)에 닿으면 두 결합 스크린 간 전기저항이 성립된다. 매연이 쌓이는 농도에 따라 두 결합 스크린 간 매연 전기 접촉이 커지면서 전기저항은 낮아진다. 예를 들어, 캔들(12) 길이 45.72cm(18인치) 및 소각장치 직경 7.62cm(3인치)에서 저항은 1 또는 2옴에 이른다. 또한, 같은 매연 케이크에 대해 측정된 전기저항이 배기온도의 증가에 따라 상당히 감소하여 전류가 증가함으로써 소각이 빨라짐을 발견하였다. 와이어 메쉬 응결장치(22), 소각장치 간격 및 포집 스크린들(42)은 협동하여 긴 거주시간을 갖는 매연 포집용의 깊은 딥 베드를 형성한다.
매연 케이크의 소각을 돕는 주된 기여 요소는 더치 스크린과 접지 스크린에 전력을 인가하여 느린 매연 연소에 이르게 하는 것이다. DC 및 AC 전원 양자를 이용하여 실험결과 AC가 소각공정을 개시하고 지속시키는 데 더욱 효과적임이 나타났다. 작은 소각장치 간격 및 200℃ 초과 온도와 함께 저전압이 효율적인 것으로 나타났다. 주목표는 자동차업계에서 보통으로 이용하는 12V-48V DC를 기초로 전원을 만드는 것이다. 이로부터 펄스파 전원으로 발전하게 되었다. 더 높은 전원 전압도 가능하기는 하지만 60볼트를 초과하는 전압은 파괴적일 수 있어 바람직하지 않을 수 있다.
도 6 및 7은 본 발명에 따른 다른 입자 변환장치(10)를 보여준다. 도 6 및 7의 실시예가 앞서 설명한 실시예와 다른 것은 다수의 캔들(12)을 포함한 것이다. 실시예들 간에 유사 요소는 동일 참조부호를 가진다. 도시한 것과 같이, 입자 변환 장치(10)는 3개의 캔들(12)을 포함할 수 있다. 그러나 본 발명의 범위 안에서 캔들(12)을 더 많이 또는 적게 이용할 수 있다. 캔들 수를 증가시키는 것은 디젤 발전기, 철도 및 선박 응용처럼 대형 디젤엔진에 필요한 대로 가능하다.
B. 전원
도 3 및 4를 참조하면, 입자 변환장치(10)의 전원은 DC전원(16)일 수 있다. DC전원(16)은 12V 내지 최고 48V DC일 수 있다. DC전원(16)은 쵸퍼(50)에 공급될 수 있다. 쵸퍼(50)는 가변 주파수/듀티 사이클 쵸퍼(50)일 수 있고 그 출력은 고 전류 출력(52)에 공급될 수 있다. 쵸퍼 주파수와 듀티 사이클은 습성 매연 대 건성 매연으로 표현되는 매연 구성으로 변환된다. 고 전류 출력(52)은 소각장치 더치 스크린(42)과 전기적으로 소통될 수 있다.
입자 변환장치(10)는 소각을 위한 전력을 제어하는 피동 제어시스템 또는 장치(60)를 더 포함할 수 있다. 제어장치(60)는 소각장치(24) 양단의 전기저항을 연속으로 감시하는 제어 논리를 포함할 수 있다. 소각장치 전원이 꺼지면 400 내지 500 옴의 저항을 포함하는 다른 전기회로가 소각장치 회로 또는 피동적 방법의 등가물과 직렬로 연결될 수 있다. 이 회로는 12V DC의 전력수급을 받을 수 있고 전력소비는 매우 소량(예를 들어, 약 0.1와트)일 수 있다. 소각장치(24) 양단의 전압 측정치는 소각장치 저항을 나타낸다. 높은 소각장치 전압은 큰 소각장치 저항을 그 반대는 낮은 저항을 나타낸다. 소각장치(24) 양단의 전기저항이 소정 값 또는 확립된 임계치 아래로 떨어질 때, 고전류 출력(52)이 소각장치(24)와 연결되게 격발될 수 있다. 펄스파 DC 출력이 인가되고 약 30 내지 40 암페어만큼 강한 전류가 소각 장치(24)로 쇄도하여 매연 케이크를 소각할 수 있다. 사전 선택되는 지속시간은 단시간, 예를 들어 5분일 수 있다. 사이클 종료에서, 소각장치(24)의 전기저항이 재차 측정되고, 수치가 확립된 임계치 아래일 때, 다른 전원사이클이 바로 개시되기를 반복하여 매연이 소각될 때까지 이어지는데, 매연 소각의 표시는 소각장치(24)의 전기저항이 임계치 위로 상승하는 것으로 이루어진다. 보통의 저항은 0.5 내지 1.0 옴이지만 임계치는 소각장치 표면적에 좌우된다. 큰 표면적은 작은 임계치를 갖고 작은 표면적은 그 반대이다. 유의해야 할 것은 매연 케이크는 항상 유지되고, 개방 회로 임계치를 일으키는 작은 깊이부분만이 소각된다는 점이다.
대형 디젤엔진에 보통인 복수 캔들 응용을 위해 전원이 승급될 수 있다. 도 5는 복수 캔들 입자 변환장치(10)(도 6 및 7에 예를 듬)용의 전원사이클을 도시한다. 전원은 캔들(12)과 순차적으로 소정의 시간(예를 들어 10분) 동안 결합한 다음 한 캔들(12)에서 전기저항을 측정하고 새 전원사이클의 개시 여부를 판단하여 속행한다.
C. 소각공정 및 동작
여기서 정의하는 소각공정은 저속의 공정으로서 이때 소각장치 간격(45) 안쪽 복합 와이어 메쉬(22)와 포집 스크린(42) 상류측 양측에 수집되어 저장되는 매연은 주로 CO2와 H2O인 무해물질로 산화될 수 있다. 매연의 산화로부터 발생하는 방열(exothermal heat)은 배기가스와의 만남으로 약화한다. 소각공정의 성공에 기여하는 4가지 요소가 있는데, 1) 알맞은 배기가스 온도; 2) 충분한 양의 NO2 발생; 3) 소각장치 간격 안에 비귀금속 촉매 사용; 및 4) 펄스파 DC 보조전원이 그것들이다. 기재한 네 요소의 조합은 디젤엔진들의 모든 운전/가동 사이클에서 높은 통계적 성공률로 효율적인 소각을 달성하는 데 기여할 수 있다. 궁극의 효과는 매연의 포집부분과 소각부분 사이의 균형유지를 달성하는 것이다. 지나친 매연 포집이나 지나친 매연 소각 상태 모두 바람직하지 않다. 당연히 본 발명은 네 가지 요소를 모두 포함하지 않은 다양한 시스템에 이용될 수 있다. 200℃ 정도로 낮은 온도에서 소각은 일어나지만 훨씬 느린 속도로 된다. 350℃에 가까운 온도에서는 NO2를 통하고 비귀금속 촉매의 존재를 통해 완전한 소각이 달성된다. 배기가스 온도가 350℃에 접근하면, 전기소각이 불필요해지고 그 결과 전원 쵸퍼는 자동으로 오프된다. 이는 변환장치 입구에서 배기가스 온도가 자주 350℃를 가리키는 어떤 응용에서 0.1%로 추산되는 낮은 수준으로 연비 손실(fuel penalty)을 감소하는데 효과적이다.
비록 전원이 소각을 유지하는 데 충분한 열을 제공하지만, 낮은 배기가스 온도 (가령, 100℃)는 소각을 매우 느리고 비효율적으로 만든다. 그러한 광범한 엔진운행 조건, 예를 들어 30 내지 50시간은 발생 가능성이 낮다. 실제에서는, 외연적인 저 배기온도에 기인한 효율적 소각 불능 때문에 캔들 전체에 역압력이 증가할 수 있다. 그런 상태가 더 연장되면, 소각장치상의 대형 매연입자가 소각장치 더치 스크린을 통해 자동으로 대기중으로 해방되어 과도한 역압력을 다소 해소한다. 그러한 해방 입자들은 크기가 크고 PM 10과 PM 2.5의 정의 바깥에 있게 되어 정의 상 입자상 오염을 성립시키지 않는다. 또한, 본 입자 변환장치는 그러한 희귀상황에서 엔진가동에 방해를 하지 않고, 혹은 대부분의 입자 여과매체에서 겪는 것처럼 완전 막힘을 일으키지 않는다.
소각장치(24)는 물론 복합 와이어 메쉬 매체(22)의 입자 저장용량은 벽 투과 포집기에 비해 매우 크다. 이로 인하여 외연적 아이들링(idling)이나 저 엔진부하 같은 과도하게 비정상인 엔진가동조건의 영향이 세라믹 포집기와 비교해서 덜 심각해지게 된다. 정상 역압력에 대한 정정은 일단 엔진부하가 증가하고 배기가스 온도가 300℃ 내지 375℃에 도달하면 이루어진다.
특기할 사항은 펄스파 DC 형태의 전력소비는 매연의 가열에만 사용되고 O2 와 NO2의 존재 상태에서는 그 정도로써 소각 메커니즘을 충분하게 한다. 그러나, 전기열 손실에 부닥칠 수 있고 원인은 1) 배기가스류 냉각효과 및 2) 소각장치의 지역성, 즉 전기저항이 비교적 높아 전류가 약해져서 결국 소각이 느려지는 문제이다. 소각장치의 전기저항을 상시적으로 감시하는 방법으로 펄스파 전원은 소각 가능성이 도래하면 자동 연결된다. 이렇게 할 때 전력소비는 초저레벨로 제한되어 대부분의 차량응용에서 약 0.1%의 추정 연비 손실을 달성한다. 배기가스 온도가 대부분 차량응용에서처럼 변환장치 입구에서 300℃에 도달하고 최고 375℃에 이를 때 NO2를 통한 매연 산화가 누적된 매연을 계속 정화하는 데 충분하고 여기에 전력 보조도 필요 없다. 디젤엔진으로부터의 NO2는 보통 총 NOx 중 약 10%이다. 어떤 DOC의 추가가 NO2 비율을 온도에 따라 30-50%로 증가시킬 수 있다. 이는 10-20%의 시간에서 그 온도 300-375℃를 접하는 경우 통상 가능한 일이다. 300℃ 미만에서의 가동사이클에서 전원은 필요가 있을 때마다 자동으로 소각을 보조하게 된다.
비귀금속 촉매들은 와이어나 스크린의 형태로 이용되고 단일요소로 철, 구리, 바나듐, 칼슘, 마그네슘, 또는 그들의 조합을 이용할 수 있다. 촉매들은 감은 와이어의 형태나 세라믹 와이어 또는 망(도시 안 됨)의 스크린 두른 상류부분 형태로 될 수 있다. 비귀금속 촉매의 선정에 있어서, 이러한 가동환경에서 산화가 빠를 수 있음을 감안한다. 따라서, 촉매 스크린의 두께를 아주 얇게 하여 전체 소각장치 간격 두께를 작게 유지하여야 한다. 이 기준으로써 금속 촉매는 가장 바람직하게 약 0.1mm(0.005인치)가 된다. 비귀금속 촉매들은 매연 점화온도를 낮추는 데 효과적이어서 유효 소각의 범위를 크게 확대한다.
도 10의 간략도를 참조하면, 본 발명에 따라 구성된 디젤엔진용 후처리 시스템(100)이 도시되어 있다. 시스템(100)은 디젤엔진(102)과 작동적으로 연결된 모습을 보여준다. 디젤엔진(102)은 임의의 유형일 수 있지만 특히 높은 배기가스 온도 프로파일을 가진 디젤엔진을 포함할 수 있다.
디젤엔진 배기가스는 냉각 파이프(103)를 통해 시스템(100)에 도입된다. 방사형 냉각 파이프(103)는 최고온도를 중간레벨로 제한하도록 설계될 수 있다. 이에 대해서, 약 700℃-750℃의 배기가스 온도는 예를 들어 약 400℃로 감소될 수 있다.
차량응용에서와 같이, 전이 가동 모드를 경험하는 엔진들은 높은 열관 성(thermal inertia)을 갖는 열안정제 또는 열안정부(thermal stabilizer)를 포함할 수 있다. 그리하여, 열안정부(104)를 제공하여 배기가스 온도 변동의 평균을 낼 수 있다. 이러한 열안정부는 소결 편직 금속 와이어으로 구성하되, 높은 열관성을 제공하는 충분한 무게와, 압력하강을 감소시키는 높은 투과성과, 온도 변동을 감소시키는 양호한 열전도도를 갖도록 한다. 편직 와이어는 가열 및 냉각 양방에서 배기가스와 빠른 열교환을 할 수 있다. 그 결과, 변동 및 전이 배기가스 온도 정점과 저점이 나란히 평준화된다. 그 결과는 소각을 위해 더 바람직한 배기가스 온도 프로파일로 나타나는데, 왜냐하면 온도정점은 통제가 안되는 소각을, 저점은 소각불능을 초래할 수 있기 때문이다. 열안정부(104)는 여기서 달리 설명하지 않는 한 종래기술의 것으로 하여도 된다.
시스템(100)은 주변공기를 배기가스에 분사하는 송풍기, 배기가스에 물을 분사하는 펌프, 및 공기조절식 팬(modulated air fan)으로 작동하는 배기가스/외기 열교환기를 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 냉각장치를 포함할 수 있다. 이에 송풍기(105)를 제공하여 외부 냉각공기를 디젤 산화촉매(107)의 앞에 분사할 수 있다. 아래에 제어방법을 설명하겠지만 송풍기(105)는 변환장치 내에서 임계치 위로 높은 매연 포집을 유지하고 자연발생적인 소각을 피할 수 있다. 간단히 말해, 송풍기(105)는 매연 누적 사이클이 요구될 때 필요에 따라 전자제어모듈(106)에 의하여 작동될 수 있다. 설명하겠지만, 송풍기(105)는 전자제어모듈(106)에 의하여 디젤 입자 변환장치(110) 전체의 압력과 변환장치(110)의 흡기온도의 함수로 제어된다.
어떤 디젤엔진을 특징 지우는 것은 고활성 디젤 산화촉매(DOC)와 결합될 경우 고도로 효율적인 연속 간헐 소각을 제공할 수 있는 고온 배기가스 프로파일을 보유하는 점이다. 예를 들어, 어떤 산화촉매는 배기가스 온도 150℃ 내지 175℃에서 NO - NO2 변환효율 25%를 제공할 수 있다. 이러한 변환효율은 적절한 소각을 제공할 수 있다. 더 높은 배기온도에서, 변환은 더 효율적이고 소각 속도도 높다. 과도한 소각은 포집 효율의 하락을 가져올 수 있다. 따라서, 안정상태는 물론 전이조건에서 운행하는 엔진에 대해 매연 포집 효율 및 관련 역압력이 최적조건으로 확실히 유지될 수 있게 소각공정을 제어하는 수단을 제공하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 시스템(100)은 배기가스 온도의 제어를 위해 피드백 제어시스템을 포함할 수 있다. 피드백 제어시스템은 주어진 엔진 RPM과 변환장치 입구온도에서 역압력을 최적의 레벨로 유지하는 것에 근거한 폐루프 제어논리를 포함할 수 있다. 이에 관하여, 피드백 제어시스템은 DPC 전체에 걸친 압력강하, DPC 전단의 온도 및 엔진 RPM을 포함하는 요소들에 근거하여 배기가스 온도를 제어할 수 있다. 피드백 제어시스템은 배기가스 온도를 감시하고 소정의 조건에 응하여 냉각을 제공하도록 동작할 수 있다. 변환장치 전단의 온도 및 엔진 RPM 같은 주어진 엔진가동조건에서 측정되는 압력강하는 특정 압력강하와 상관시키며 기준 압력강하 데이터에 대해 비교될 필요가 있다. 그러한 기준 압력강하 데이터는 특정 온도 및 엔진 RPM에서의 참조표로 제공될 수 있다. 평가의 목적으로, 특정 압력강하는 기준조건에서 등가의 압력강하와 비교된다.
최적 변환장치 조건들은 맵핑(mapping)을 통해 확립될 수 있는 타당한 압력강하와 최선의 매연 저감 효율에 기반을 둔다. 배기가스 냉각의 제어에 몇 가지 대안이 인정될 수 있다. 예를 들어, 외기 또는 물 같은 찬 유체의 분사가 효과일 수 있다. 대안으로, 배기가스의 대류냉각을 제공하는 공기조절 팬으로 동작하는 배기가스/외기 열교환기도 유효하다.
ECU(electronic control unit)(106)는 제 1 신호에 응하여 냉각공기의 도입을 위해 송풍기(105)를 제어하도록 동작할 수 있다. 제 1 신호는 소정의 압력에 응하여 발생할 수 있다. 이 압력은 차압센서(109)에 의하여 디젤 입자 변환장치(110) 전체에서 측정된다. 이 디젤 입자 변환장치는 위에 설명한 것과 유사할 수 있다. 역압력이 목표치보다 낮으면, 디젤 입자 변환장치는 매연을 누적시키도록 허용된다. 이를 성취하는 것은 냉각모드의 작동을 통해 소각을 제한하는 것이다. 한편, 역압력이 목표치보다 높으면 소각을 허용하는데, 역압력이 냉각모드의 정지로 역압력 목표치에 도달하게 할 때까지 허용한다. 역압력 목표치로부터 상관된 역압력의 변동이 10-20% 까지 허용된다. 일면, 그 제어과정은 난방 시스템의 자동온도조절기(thermostat) 제어기능과 유사하다.
주제의 제어기능은 소각을 발생시킴 또는 소각을 최소로 규제/제한함으로써 달성된다. 이를 성취하는 것은 매연 누적에 최저수준으로 배기가스를 냉각하는 것을 통해서이다. 대안으로는, 배기가스 온도가 최대 소각을 제공하도록 상승하게 하는 것이다. 효율적이고 단순한 방법은 송풍기(105)로 외기를 DOC(107)의 전단에 있는 배기가스 속으로 분사하는 것이다. 분사된 공기는 최대효율을 위해서 조 정(modulation)될 수 있다. 열안정부가 이용되는 경우, 배기가스 온도 변동이 감소하므로 송풍기 반응시간은 덜 결정적인 요소로 된다. 분사된 공기의 양은 배기 가운데 작은 부분으로서, 보통, 예를 들면, 10%에 미달된다.
시스템(100)은 임의의 엔진 가동조건에서의 최고 배기온도가 통제 안 되는 소각을 일으킬 수 있는 어떤 임계치를 절대로 넘지 않도록 DPC(110) 전단의 배기가스 온도를 측정하는 안전기능을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 변환장치 전단의 온도가 감시되고 소정의 설정 온도에 비교된다. 소정의 입구온도에 응하여 DPC(110)의 흡입구 안에 위치된 온도센서(108)에 의하여 신호가 발생한다. 배기가스 온도가 높으면, 그 영향은 잠재적으로 가속된 또는 제어 안 되는 소각(제어 안 되는 재생과 동일)으로 이어질 수 있다. 그러한 온도상태가 발생하면, 변환장치(110)에 걸친 역압력과는 무관하게, 변환장치(110) 전단의 안전 배기가스 온도 임계치에 도달할 때까지 송풍기에 의한 최대 공기분사가 일어나 온도를 내린다.
동작시에, 본 피드백 제어시스템은 유효한 소각을 제공하도록 동작하는 데 있어서, DPC에 걸친 압력하강을 감시하고, DPC의 전단 온도신호 및 엔진 RPM을 감시한다. 피드백 제어시스템은 주어진 엔진 가동조건에서의 특정 압력강하를 계산하여 그것을 임계데이터에 비교한다. 임계데이터는 예를 들어 참조표로부터 취할 수 있다. 관련하여, 피드백 제어시스템은 감시한 특정 압력강하가 소정의 특정 압력강하 아래로 떨어질 때, 그리고 감시한 온도가 소정의 온도 임계치 위에 있을 때 변환장치의 최적성능을 유지하도록 배기가스 냉각기능을 제어하는 동작을 한다.
다양한 예에서 본 발명은 능동 구성요소, 센서와 전기적 구성요소가 없는 피 동 장치인 DPC를 제공한다. 전체 시스템 동작은 엔진 운행과 완전히 독립적일 수 있다. 이 시스템은 미크론 미만 및 나노 사이즈의 입자들에 95 내지 99%에 달하는 매우 높은 응결 효율을 가질 수 있다. 이 응결 입자의 대부분은 무해한 부산물로 소각된다. 이 분야의 상응하는 장치들의 경우처럼 일부 입자는 테일 파이프(tail pipe)로 탈출한다. 그러한 입자들은 크기가 커서 PM 10 기준에서 10미크론을 초과하고 PM 2.5 기준에서 2.5미크론을 초과하는 경우 미립자 공해를 성립시키지 않는다. 그 결과, 이 변환장치는 두 세트의 미립자 저감 효율, 즉 측정 효율(총 탈출입자에 기초)과 인정 효율(측정치에서 대형입자 무게를 뺀)을 갖는다.
여기에 설명된 시스템들에 더 포함될 수 있는 것으로는 DPC를 떠나는 배기가스를 디젤엔진에 유체적으로 연결하는 배기가스 재순환(exhaust gas recirculation: EGR) 시스템과 DPC로부터 배기가스를 선택적으로 EGR 시스템으로 전환하는 밸브가 있을 수 있고, 이때 엔진 흡기부로 주입되는 배기가스는 과잉냉각(subcool) 상태에 있고 실질적으로 탈출입자가 없이 정화되어 있는 것이다. 그러한 시스템을 부가한 것을 저압 EGR 시스템이라고 한다. 그러한 시스템은 고압 EGR 시스템에 비해서 월등한 성능을 제공하는데, 이유는 저압 EGR 시스템이 엔진 흡기부에로 분사 전 가스의 청소 및 과잉냉각을 제공하는 반면, 고압 시스템에서는 이를 달성할 수 없기 때문이다. EGR 시스템은 미국특허 제 7,266,943호에 설명된 ERG 시스템과 실질적으로 유사할 수 있다. 미국특허 제 7,266,943호는 여기에 참고로 포함되어있다.
특정 실시예를 명세서에서 설명하고 도면에 나타내었으나, 청구범위에 기재 한 바와 같은 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 다양한 변화와 요소의 대치가 가능할 것이다. 또한, 다양한 예 사이에 특징, 요소 및/또는 기능들을 혼합하고 맞춤하는 것은 여기서 의중에 둔 것임을 표명하며 그리하여 특별히 위에서 반대 설명이 없는 한 일예의 특징, 요소 및/또는 기능들을 적절한 선에서 다른 예에 포함하는 것은 당업자이면 가능하다고 인정할 것이다. 더욱이, 특정 상황이나 재료를 본 발명에 적응시키는 많은 변형도 본 발명의 필수범위에서 벗어남 없이 가능하다. 따라서, 본 발명은 도면과 명세서의 특정예시를 최선실시예로 한정하여 보기보다는 본 발명의 범위가 앞의 설명과 부속 청구범위 속에서 뒤따르는 모든 실시예를 포함하는 의도를 갖는다.
관련출원의 표시
본 특허출원은 2007년 5월 25일자 미국 가출원 제 60/940,123호, 2007년 12월 21일자 제 61/015,875호 및 2007년 12월 21일자 제 61/015,883호에서 우선권을 주장하며, 그 내용은 참고로 본 특허출원에 병합된다.

Claims (65)

  1. 디젤엔진의 배기가스 정화를 위해 입자상 물질을 포집하여 소각하는 시스템으로서,
    하우징과 상기 하우징 안에 위치된 적어도 하나의 캔들을 가진 디젤 미립자 변환장치(DPC);
    배기통로 내의 디젤 산화 촉매(DOC);
    배기가스 온도의 제어를 위한 적어도 하나의 배기가스 냉각장치; 및
    상기 DPC에 걸친 압력강하, 상기 DPC 전단의 온도 및 엔진 RPM에 근거하여 배기가스 온도들을 조절(conditioning)하고 제어하는 피드백 제어 시스템
    을 포함하는 배기가스 입자상 물질 포집 소각 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 캔들이, 두께가 약 5.08mm(0.2인치) 내지 약 12.7mm(0.5인치)이고 복합 와이어 매쉬 응결장치를 형성하는 적어도 하나의 제 1 방사상 와이어 매쉬 층; 및 상기 와이어 매쉬 응결장치의 외주연을 따라 방사상으로 구성되어 응결된 매연을 포집하는 적어도 하나의 포집 스크린을 포함하는 배기가스 입자상 물질 포집 소각 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 캔들이 하나의 와이어 매쉬 응결장치와 다수의 포집 스크린을 포함하고, 상기 DOC가 엔진 배기가스 온도 프로파일들과 협동으로 상기 복합 와이어 매쉬 응결장치 및 상기 포집 스크린들에서의 매연 소각에 충분한 NO2를 발생하는 배기가스 입자상 물질 포집 소각 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 DOC가 소결 와이어 매쉬 격자로 구성되어 상기 배기가스에서 압력하강을 감소, 혼합 및 난류상태를 강화하여 귀금속 투입을 줄일 수 있게 해주는 배기가스 입자상 물질 포집 소각 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 복합 와이어 매쉬 응결장치와 상기 포집 스크린들이 협동하여 긴 거주시간을 갖고 매연 포집용인 딥 베드(deep bed)를 제공하는 배기가스 입자상 물질 포집 소각 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 피드백 제어 시스템이 배기가스 온도를 감시 및 소정의 조건들에 응하여 냉각을 제공하도록 동작하고, 상기 시스템이 주변공기를 상기 배기통로에 분사하는 송풍기, 상기 배기통로에 물을 분사하는 펌프, 및 공기조절식 팬(modulated air fan)으로 작동하는 배기가스/외기 열교환기를 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 냉각장치를 더 포함하는 배기가스 입자상 물질 포집 소각 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 배기통로에서 상기 DOC의 전단에 위치되어 온도를 섭씨 400도 미만으로 하락시키고 NO2 소각의 빈도를 증가시키는 열안정제를 더 포함하는 배기가스 입자상 물질 포집 소각 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 열안정제가 고 열전도성, 고 열관성 및 고 투과성을 가지는 와이어 매쉬를 포함하는 배기가스 입자상 물질 포집 소각 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 와이어 매쉬가 강성 와이어 매쉬 격자인 배기가스 입자상 물질 포집 소각 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 캔들이 상기 DOC를 포함하는 적어도 하나의 제 1 방사상 층; 스파크 방지 스크린을 형성하는 적어도 하나의 제 2 방사상 층; 복합 와이어 매쉬 응결장치를 형성하는 적어도 하나의 제 3 방사상 층; 및 상기 와이어 매쉬 응결장치의 외면 둘레에 방사상으로 구성되어 응결된 매연을 포집하는 적어도 하나의 포집 스크린을 포함하는 배기가스 입자상 물질 포집 소각 시스템.
  11. 제 6 항에 있어서, 상기 피드백 제어 시스템이 효과적인 소각을 제공하도록 동작하는데 있어서 상기 DPC에 걸친 압력강하 신호의 감시, 상기 DPC 전단의 온도신호 및 엔진 RPM 감시, 주어진 엔진가동조건에서의 특정 압력강하 계산 및 상기 특정 압력강하를 임계 데이터에 비교를 행하는 배기가스 입자상 물질 포집 소각 시 스템.
  12. 제 6 항에 있어서, 상기 피드백 제어 시스템이 조건들 중 적어도 하나에 반응하여 배기가스 냉각기능을 제어하도록 동작하고, 그 조건은 감시하의 특정 압력강하가 상기 소정의 특정 압력강하 아래로 떨어질 때, 및 감시하의 온도가 소정의 온도 임계치를 초과할 때인 배기가스 입자상 물질 포집 소각 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 미립자 변환장치가 능동 구성요소, 센서 및 전기적 구성요소를 엔진 배기시스템 가까이에 가지고 있지 않은 피동 장치인 배기가스 입자상 물질 포집 소각 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 시스템의 동작이 엔진 가동과 완전히 무관한 배기가스 입자상 물질 포집 소각 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 시스템이 미크론 미만 및 나노 사이즈의 입자들에 매우 높은 응결효율을 가져서 상기 시스템에서 탈출하는 입자들이 큰 것으로 되어 PM 10 기준에서는 10미크론을 초과하는 정도이고 PM 2.5 기준에서는 2.5미크론을 초과하는 정도인 배기가스 입자상 물질 포집 소각 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 미립자 변환장치를 떠나는 배기가스를 상기 디젤엔 진에 유체적으로 연결하는 배기가스 재순환(EGR) 시스템과 상기 미립자 변환장치로부터 배기가스를 선택적으로 상기 EGR 시스템으로 전환하는 밸브를 더 포함하고, 여기서 상기 엔진의 흡기부로 주입되는 배기가스는 과잉냉각 상태에 있고 탈출 오염물질이 실질적으로 없이 정화된 상태에 있는 배기가스 입자상 물질 포집 소각 시스템.
  17. 제 5 항에 있어서, 상기 딥 베드가 NO2를 N2와 CO2로 변환하는 데 충분한 접촉과 긴 거주시간을 생성하여 NOx 배출을 10-15% 만큼 감축하는 배기가스 입자상 물질 포집 소각 시스템.
  18. 디젤엔진의 배기가스 정화를 위해 입자상 물질 중 NO2를 소각하는 방법으로서,
    하우징과 상기 하우징 안에 위치된 적어도 하나의 캔들을 가진 디젤 미립자 변환장치(DPC)를 제공하는 단계;
    상기 디젤엔진으로부터 상기 DPC를 통하여 연장하는 배기통로를 따라 디젤엔진 배기가스를 유도하는 단계;
    상기 배기통로 내에 배치된 디젤 산화 촉매(DOC)로 상기 디젤엔진 배기가스를 처리하는 단계; 및
    상기 DPC에 걸친 압력강하, 상기 DPC 전단의 온도 및 엔진 RPM의 함수로 배 기가스 냉각장치의 선택적 제어를 통해 피드백 제어 시스템으로 배기가스 온도들을 제어하는 단계
    를 포함하는 배기가스 입자상 물질 중 NO2 소각 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 캔들 안에 응결된 매연을 포집하는 단계를 더 포함하는 배기가스 입자상 물질 NO2 소각 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 DOC를 이용하고 엔진 배기가스 온도 프로파일들과 협동으로 상기 응결된 매연을 소각하는 데 충분한 NO2를 발생하는 단계를 더 포함하는 배기가스 입자상 물질 중 NO2 소각 방법.
  21. 제 18 항에 있어서, 상기 피드백 제어 시스템으로 배기가스 온도들을 제어하는 상기 단계가 배기가스 온도 감시단계와 소정의 조건들에 응하여 냉각을 제공하는 단계를 포함하는 배기가스 입자상 물질 중 NO2 소각 방법.
  22. 제 18 항에 있어서, 주변공기를 상기 배기통로에 분사하는 송풍기, 상기 배기통로에 물을 분사하는 펌프, 및 공기조절식 팬으로 작동하는 배기가스/외기 열교환기를 포함하는 그룹에서 선택되는 냉각장치를 제공하는 단계를 더 포함하는 배기 가스 입자상 물질 중 NO2 소각 방법.
  23. 제 18 항에 있어서, 상기 피드백 제어 시스템으로 배기가스 온도들을 제어하는 상기 단계가 상기 DPC에 걸친 압력강하를 감시하는 단계, 상기 DPC 전단의 온도신호를 감시하는 단계 및 엔진 RPM 감시 단계를 포함하는 배기가스 입자상 물질 중 NO2 소각 방법.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 피드백 제어 시스템으로 배기가스 온도들을 제어하는 상기 단계가 주어진 엔진가동조건에서의 특정 압력강하를 계산하는 단계 및 상기 특정 압력강하를 임계 데이터에 비교하는 단계를 포함하는 배기가스 입자상 물질 중 NO2 소각 방법.
  25. 제 18 항에 있어서, 상기 피드백 제어 시스템으로 배기가스 온도들을 제어하는 상기 단계가, 상기 소정의 특정 압력강하 아래로 압력이 하락하는 것 및 소정의 온도 임계치 위로 온도가 상승하는 것에 응하여 배기가스 냉각을 제어하는 단계를 포함하는 배기가스 입자상 물질 중 NO2 소각 방법.
  26. 제 18 항에 있어서, 상기 배기통로에서 상기 DOC의 전단에 상기 배기가스의 온도를 낮추고 NO2 소각의 빈도를 증가시키는 열안정제를 제공하는 단계를 더 포함하는 배기가스 입자상 물질 중 NO2 소각 방법.
  27. 제 18 항에 있어서, 와이어 매쉬 응결장치를 상기 캔들의 적어도 하나의 와이어 매쉬 구조 방사상 층으로 형성하는 단계를 더 포함하는 배기가스 입자상 물질 중 NO2 소각 방법.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 와이어 매쉬 응결장치의 외주연을 따라 방사상으로 구성된 적어도 하나의 포집 스크린으로 응결된 매연을 포집하는 단계를 더 포함하는 배기가스 입자상 물질 중 NO2 소각 방법.
  29. 디젤엔진의 배기가스로부터 입자상 물질들을 포집 및 소각하는 디젤 미립자 변환장치(DPC)로서,
    상기 디젤엔진으로부터 상기 DPC를 통하여 연장하는 배기통로;
    하우징;
    상기 하우징 안에 위치된 적어도 하나의 캔들; 및
    상기 캔들 안에 포집된 매연을 소각하도록 펄스파 전원에 전기적으로 연결된 전기 소각장치
    를 포함하는 디젤 미립자 변환장치(DPC).
  30. 제 29 항에 있어서, 상기 배기통로 내에 디젤 산화 촉매(DOC)를 더 포함하는 DPC.
  31. 제 30 항에 있어서, 상기 DOC가 소결 와이어 매쉬 격자로 구성되어 상기 배기가스에서 압력하강을 감소, 혼합 및 난류상태를 강화하여 귀금속 투입을 줄일 수 있게 해주는 DPC.
  32. 제 29 항에 있어서, 상기 캔들이, 두께가 약 5.08mm(0.2인치) 내지 약 12.7mm(0.5인치)이고 응결장치를 형성하는 적어도 하나의 방사상 복합 와이어 매쉬 층을 포함하는 DPC.
  33. 제 29 항에 있어서, 상기 전기 소각장치가 상기 복합 와이어 매쉬 응결장치의 외주연을 따라 방사상으로 구성된 두 개의 스테인레스 강 더치 스크린(Dutch screen)을 포함하는 DPC.
  34. 제 33 항에 있어서, 상기 캔들이 캔들 상류측의 일체형 내부구성요소로서 제공된 헤비 게이지(heavy-gauge) 더치 스크린의 복수 층으로 구성된 스파크 방지 스크린을 더 포함하는 DPC.
  35. 제 33 항에 있어서, 상기 캔들이, 상기 캔들의 내부구성요소로서 여러 스크린 형태로 되고 상기 스파크 방지 스크린의 후속 위치에 있는 산화촉매를 더 포함하는 DPC.
  36. 제 29 항에 있어서, 상기 소각장치가, 전기적으로 접지된 헤비 게이지 내부 더치 스크린, 펄스파 전원에 연결된 라이트 게이지(light-gauge) 외부 더치 스크린, 비귀금속 촉매 스크린, 및 상기 내부 스크린과 외부 스크린 사이에 위치되어 대략 0.25 내지 0.50mm(0.010인치에서 0.025인치)의 전기절연 간격을 제공하는 세라믹 분리기구를 포함하는 DPC.
  37. 제 36 항에 있어서, 상기 소각장치 간격에 걸쳐 포집 매연을 통해 소각을 위하여 펄스파 전력을 제공하는 전원을 더 포함하는 DPC.
  38. 제 36 항에 있어서, 상기 비귀금속 촉매가 감은 와이어들 및 편평 스크린들 가운데 선택되는 DPC.
  39. 제 36 항에 있어서, 상기 외부 스크린이 필터로서 70미크론 이하의 직경을 갖는 다수의 구멍을 형성하여 케이크 형태의 매연 응결입자들을 포집하고, 배기가스 통로의 완전 막힘을 피하도록 과잉 매연의 압력해소를 허용하는 DPC.
  40. 제 29 항에 있어서, 상기 소각장치의 전원 리드(lead)와 차량 샤시를 통해 상기 소각장치의 전기저항을 감시하고 약 10분의 시간 동안 약 1옴의 임계 전기저항에 응답하여 상기 소각장치를 작동시키도록 동작하는 피동 제어논리를 더 포함하는 DPC.
  41. 제 29 항에 있어서, 상기 전기소각장치의 펄스파 전원이 12볼트 내지 48볼트 DC의 범위에 있고 인가주파수는 약 100 Hz 내지 약 10,000 Hz이고 듀티 사이클은 낮게 약 10% 내지 약 30%인 DPC.
  42. 제 30 항에 있어서, 상기 DOC가 상기 복합 와이어 매쉬 및 상기 전기 소각장치에 부착된 매연의 소각에 도움을 주도록 보충 NO2 를 발생시키는 DPC.
  43. 제 29 항에 있어서, 상기 배기통로에서 DOC 전단에 위치되어 배기가스 온도를 400℃ 미만으로 내리고 NO2 소각의 빈도를 증가시키는 열안정제로서, 높은 열전도도, 높은 열관성 및, 높은 투과성을 갖는 열안정제를 더 포함하는 DPC.
  44. 제 29 항에 있어서, 상기 DPC를 떠나는 배기가스를 상기 디젤엔진의 흡기부에 유체적으로 연결하고 상기 배기가스가 밸브를 통하게 하여 상기 DPC로부터 상기 배기가스를 선택적으로 상기 엔진으로 전환하도록 하는 저압 배기가스 재순환 시스 템(EGR)을 더 포함하되, 상기 EGR의 유체는 과잉냉각 상태에 있고 탈출 오염물질이 실질적으로 없이 정화된 상태에 있는 DPC.
  45. 제 29 항에 있어서, 상기 캔들이, 복합 와이어 매쉬 응결장치를 형성하는 적어도 하나의 방사상 층, 및 상기 와이어 매쉬 응결장치를 방사상으로 둘러싸는 전기 소각장치를 포함하는 DPC.
  46. 제 29 항에 있어서, 상기 캔들의 일체형 내부구성요소로서 스파크 방지 스크린을 더 포함하는 DPC.
  47. 제 29 항에 있어서, 상기 캔들의 일체형 내부구성요소로서 산화촉매 스크린을 더 포함하는 DPC.
  48. 제 36 항에 있어서, 상기 스파크 방지 스크린이, 매연 누적을 최소화하도록 결정된 구경의 구멍들과 캔들 내에서의 자기점화를 방지하기 위하여 고온의 슬러그들을 포집 및 냉각하도록 비틀린 유로를 갖는 복수 층의 더치 스크린으로 구성된 DPC.
  49. 제 29 항에 있어서, 상기 소각장치가, 내부 접지 스크린, 외부 스크린, 비귀금속 촉매, 및 상기 내부 스크린과 외부 스크린 사이에 위치되어 중간의 간격을 제 공하는 세라믹 분리기구를 포함하되, 상기 간격이 포집된 매연에 의해 전기적으로 중개되도록 작용하는 DPC.
  50. 제 49 항에 있어서, 상기 세라믹 분리기구가 약 0.25 내지 약 0.50mm(약 0.010인치에서 약 0.025인치)의 고정된 간격을 형성하는 DPC.
  51. 제 49 항에 있어서, 상기 세라믹 분리기구 내부 상기 간격의 크기가 매연 케이크 소각으로부터 초래하는 고온으로의 노출을 제한함으로써 소각 중 매연 연소온도의 제어를 위한 피동장치(passive arrangement)를 제공하는 DPC.
  52. 제 50 항에 있어서, 상기 펄스파 전원이 상기 고정된 간격에 걸쳐 소각을 위한 펄스파 전력을 제공하는 DPC.
  53. 제 49 항에 있어서, 상기 비귀금속 촉매가 매연 점화온도를 감소시키도록 작동하는 DPC.
  54. 제 49 항에 있어서, 상기 외부 스크린이 필터로서 70미크론 이하의 직경을 갖는 다수의 구멍을 형성하여 케이크 형태의 매연 응결입자들을 포집하는 DPC.
  55. 제 54 항에 있어서, 매연 케이크 연소 부산물들이 즉각 상기 캔들 외부 약 0.50mm(0.025인치)(상기 외부 스크린의 두께에 근사) 이내로 방출됨으로써 상기 캔들 내의 열/온도 증강을 예방하여 소각 중 상기 외부 스크린을 냉각상태로 유지하는 DPC.
  56. 제 29 항에 있어서, 상기 소각장치의 전기저항을 감시하고 소정의 임계 전기저항에 응하여 상기 소각장치를 작동시키는 피동 제어장치를 더 포함하는 DPC.
  57. 제 29 항에 있어서, 상기 전기 소각 시스템이 소각장치 전기저항을 연속으로 감시하는 피동 논리를 가지는 DPC.
  58. 제 29 항에 있어서, 상기 복합 와이어 매쉬 응결장치와 상기 외부 스크린이 협동하여 거주 시간이 긴 딥 베드(deep bed)를 제공하는 DPC.
  59. 제 29 항에 있어서, 상기 DPC가 미크론 미만 및 나노 입자들에 매우 높은 응결효율을 가져서 상기 시스템에서 탈출하는 입자들이 큰 것으로 되어 PM 10 기준에서는 10미크론을 초과하는 정도이고 PM 2.5 기준에서는 2.5미크론을 초과하는 정도인 DPC.
  60. 제 29 항에 있어서, 상기 미립자 변환장치를 떠나는 배기가스를 상기 디젤엔진에 유체적으로 연결하는 배기가스 재순환 시스템(EGR) 및 상기 배기가스를 상기 미립자 변환장치로부터 선택적으로 상기 EGR 시스템으로 전환하는 밸브를 더 포함하는 DPC.
  61. 제 47 항에 있어서, 상기 딥 베드가 NO2를 N2와 CO2로 변환하는 데 충분한 접촉부들과 긴 거주시간을 생성하여 NOx 배출을 10-15% 만큼 감축하는 DPC.
  62. 디젤엔진의 배기가스 정화를 위해 입자상 물질을 전기 소각하는 방법으로서,
    하우징과 상기 하우징 안에 위치된 적어도 하나의 캔들을 가진 디젤 미립자 변환장치(DPC)를 제공하는 단계;
    상기 디젤엔진으로부터 상기 DPC를 통하여 연장하는 배기통로를 따라 디젤엔진 배기가스를 유도하는 단계; 상기 적어도 하나의 캔들 안에 응결된 매연을 포집하는 단계; 및
    펄스파 전원에 전기적으로 연결된 전기 소각 시스템으로 상기 응결된 매연을 소각하는 단계
    를 포함하는 배기가스 입자상 물질 전기 소각 방법.
  63. 제 62 항에 있어서, 상기 배기통로 내에 배치된 DOC로 상기 배기가스를 처리하는 단계를 더 포함하는 배기가스 입자상 물질 전기 소각 방법.
  64. 제 62 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 캔들이, 내부 접지 스크린, 외부 스크린, 비귀금속 촉매, 및 상기 내부 스크린과 외부 스크린 사이에 위치되어 중간의 간격을 제공하는 세라믹 분리기구를 포함하되, 상기 간격이 포집된 응결 매연에 의해 전기적으로 중개되도록 작용하는 배기가스 입자상 물질 전기 소각 방법.
  65. 제 64 항에 있어서, 상기 펄스파 전원이 상기 간격에 걸쳐 소각을 위한 펄스파 전력을 제공하는 단계를 더 포함하는 배기가스 입자상 물질 전기 소각 방법.
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