KR20110091766A - 파티클을 분리시켜 내연 기관의 배기 가스 유동을 세정하는 장치 및 그 방법 - Google Patents

파티클을 분리시켜 내연 기관의 배기 가스 유동을 세정하는 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적어도 이온화 장치(4), 응집 장치(6), 및 채널(8) 주위의 (촉매 활성식) 반경방향 허니콤 몸체(14)를 적어도 포함하는, 내연 기관(3)의 배기 가스 유동(2)을 세정하는 장치(1)에 관한 것으로서, 배기 가스가 상기 채널로부터 반경방향 허니콤 몸체(14)로 분기되는 한편, 응집된 파티클이 채널(8)의 파티클 분리기(18)에 포집된다.

Description

파티클을 분리시켜 내연 기관의 배기 가스 유동을 세정하는 장치 및 그 방법{ARRANGEMENT AND METHOD FOR CLEANING AN EXHAUST GAS FLOW OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE BY SEPARATING PARTICLES}
본 발명은 내연 기관, 특히 디젤 기관의 배기-가스 유동 정화 장치에 관한 것으로서, 상기 배기-가스 유동으로부터의 파티클이 전기 충전되고, 응집되며 상기 배기-가스 유동과 분리된다. 또한, 본 발명은 이러한 배기-가스 유동 정화 장치의 작동 방법에 관한 것이다.
내연 기관에 있어서, 배출 제한 값이 증대된 결과, 때때로 배기 가스에 포함된 파티클이 배기-가스 유동으로부터 제거되고 배기 라인에 수용되며 및/또는 필요하다면 상기 배기 라인에서 변환될 필요가 있다. 더욱이, 특히 디젤 기관에 의해 대기로 배출될 파티클 질량(수트(soot))과 관련된 제한 값이 법 규정의 결과로 증대되었다.
이를 위하여, 다수의 상이한 필터 시스템이 예를 들면, 소위 심층 필터(deep bed filter), 벽-유동 필터(wall-flow filter), 부분-유동 필터, 사이클론 분리기 및 이들과 유사한 개념에 기초하여, 이미 기재되어 있다. 전기장, 플라즈마 등에 의한 파티클의 처리는 또한 법 규정을 만족하도록 이미 제시되었다. 특히 새로운 연료 및/또는 연소 처리와 관련하여, 배기 가스로부터 상이하게 구성된 및/또는 조성된 파티클을 가능한 용이하고 완전하게 제거하려는 새로운 도전이 끊임없이 계속 되어 오고 있다.
배기-가스 정화 시스템을 승용차 및 또한 다용도 차량에 설치하기 위해, 가능한 작은 구조적 크기가 특히 가장 먼저 개량되고 있다. 따라서, 현재 및 미래 차량에 설치될 수 있는 컴팩트한 시스템이 특히 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술과 관련하여 강조된 문제점을 적어도 부분적으로 해결하는 것이며, 특히 첫째로 배기-가스 유동의 파티클의 갯수를 감소시킬 수 있고, 둘째로 상기 배기-가스 유동의 파티클 질량을 상당히 감소시킬 수 있는, 내연 기관의 상기 배기-가스 유동 정화 장치를 특정하는 것이다. 본 발명에서, 가능한 컴팩트한 설계가 구현될 수 있고, 또한 배기-가스 열을 재생하는 설비가 배기-가스 유동 정화 장치에 통합될 수 있다.
상기 본 발명의 목적은 청구항 제1항의 특징에 따른 장치에 의해 그리고 또한 청구항 제11항의 특징에 따른 방법에 의해 달성된다. 본 발명의 실시예의 다른 장점이 종속 청구항에 특정되어 있다. 종속 청구항에서 개별적으로 특정된 특징이 여러 필요한 기술적으로 의미 있는 방식으로 서로 합쳐질 수 있고, 본 발명의 다른 실시예를 형성할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 더욱이, 청구범위에서 특정된 특징이 본 발명의 바람직한 실시예에서 보다 정확하고 상세하게 기재되어 있는 한편, 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서도 정확하게 상세하게 기재되어 있다.
본 발명에 있어서, 본 발명의 목적은 내연 기관, 특히 디젤 기관의 배기-가스 유동 정화 장치에 의해 달성되며, 상기 배기-가스 정화 장치는
a. 상기 배기-가스 유동에 있는 파티클을 전기 충전하기 위한 이온화 장치,
b. 전기 충전된 파티클을 적어도 부분적으로 응집하기 위한 응집 장치,
c. 유체가 유동할 수 있는 주변 표면, 제 1 단부측에 위치한 입구 및 제 2 단부측에 위치한 출구로 적어도 이루어진 덕트,
d. 내주면, 외주면 및 상기 내주면으로부터 상기 외주면까지 뻗어있는 유동 채널을 구비하고 있고, 상기 덕트의 상기 주변 표면상의 상기 내주면에 배치된 반경방향 허니콤 몸체, 및
e. 상기 배기-가스 유동으로부터의 상기 파티클을 적어도 일시적으로 수용하는 파티클 분리기를 적어도 포함하며,
상기 이온화 장치 및 상기 응집 장치는 상기 입구의 상류나 상기 덕트에 배치되어 있고, 상기 파티클 분리기는 상기 출구의 하류나 상기 덕트에 배치되어 있다.
이온화 장치는 배기-가스 유동에 있는 파티클을 전기 충전하는데 적당하며, 상기 파티클은 응집되어, 상기 이온화 장치의 하류에서 이동하는 보다 큰 파티클을 응집 장치에서 형성한다. 본 발명에 있어서, 이온화 장치가 상이한 방식으로 설계될 수 있고, 특히 배기 라인의 자유 단면 및/또는 상기 배기 라인에 배치된 구조체와 관련된다. 상기 타입의 이온화 기기는, 전위차(예를 들면, 5000V 이상 또는 30000V 이상)를 형성함으로써, 전하를 배기-가스 유동에 포함된 탄소-함유 파티클에 전도할 수 있다.
이에 따라 이온화 장치는 배기-가스 유동 내에 배치된 전극에 의해 특히 형성된다. 본 발명에 있어서, 전극은 특히 구조체나 또는 허니콤 몸체로 형성된다. 이후, 전위가 이온화 장치와 하류에 배치된 응집 장치 사이에 형성되고, 이에 따라 파티클이 이온화 장치에서 전기 충전되고, 상기 응집 장치의 벽부 상에 적어도 일시적으로 퇴적되고, 상기 벽부 상에 또는 배기-가스 유동에서 사전에 덩어리화 되어, 보다 큰 파티클을 형성한다.
더욱이, 이온화 장치는 코로나 방전이나 또는 플라즈마 방전을 형성함으로써 전하를 파티클에 전도할 수 있다.
본 발명의 장치는 또한 반경방향 허니콤 몸체의 내주면에 의해 적어도 부분적으로 형성된 덕트를 포함한다. 따라서, 덕트는 그 주변 표면에서, 적어도 부분적으로 개방되도록 형성되어, 배기-가스 유동이 덕트로부터 반경방향 허니콤 몸체의 허니콤 구조체로 직접적으로 들어간다. 덕트의 주변 표면은 또한 슬리브에 의해 형성될 수 있고, 개구가 상기 슬리브에 적어도 부분적으로 형성되며, 배기-가스 유동이 상기 개구를 통해 상기 덕트를 빠져나올 수 있다. 덕트는 또한 제 1 단부 측에 위치한 입구와 제 2 단부 측에 위치한 출구를 구비하며, 특히 상기 입구와 상기 출구는 또한 상이한 영역을 가질 수 있다. 특히, 덕트의 출구는 입구보다 더 작게 설계된다.
본 발명의 장치는 또한 반경방향 허니콤 몸체를 제공하며, 상기 반경방향 허니콤 몸체는 덕트의 주변 표면을 적어도 부분적으로 둘러싸고, 상기 덕트를 통과하는 배기-가스 유동의 적어도 주요부가 상기 허니콤 몸체를 통해 유동한다. 본 발명에 있어서, 반경방향 허니콤 몸체의 유동 채널은 덕트(배기 라인)와 관련하여 반경 방향으로 내주면으로부터 외주면으로 뻗어있으며, 여기서 상기 유동 채널은 또한 주변 방향으로 만곡된 프로파일 형상을 적어도 부분적으로 가질 수 있다. 반경방향 허니콤 몸체의 유동 채널은 배기-가스 유동의 완전한 혼합 및/또는 난류 형성에 영향을 미칠 수 있는 구조체 및/또는 고정체를 더욱 구비할 수 있다. 반경방향 허니콤 몸체는 적어도 부분적으로 구성된 금속 포일로 바람직하게 형성되며, 또한 섬유 층을 특히 구비한다.
본 발명의 장치는 또한 배기-가스 유동으로부터의 파티클을 적어도 일시적으로 수용하는 파티클 분리기를 구비하며, 상기 파티클 분리기가 (반경방향 허니콤 몸체의 외측) (중앙) 덕트나 또는 출구의 하류에 배치되어, 적어도 주요 부분의 배기-가스 유동이 파티클 분리기를 통해 유동하지 않고도 반경방향 허니콤 몸체를 통해 유동한다. 파티클 분리기가 덕트에 배치된다면, 이후 상기 덕트는 특히 반경방향 허니콤 몸체보다 더 길게 설계되어, 상기 파티클 분리기가 바람직하게도 하류 쪽에 배치된 상기 반경방향 허니콤 몸체의 내주면과 겹치지는 않지만, 상기 반경방향 허니콤 몸체의 연장부 외측에 길이 방향으로(예를 들면 데드 엔드 스트리트(dead end street)의 방식으로), 유동에 의해 상기 허니콤 몸체의 하류에만 배치된다. 그러나 또한 파티클 분리기가 특히 덕트의 상기 구역 내에 배치될 수 있으며, 상기 구역은 반경방향 허니콤 몸체의 내주면 내측, 즉 길이 방향에서의 상기 덕트 연장부의 내측에 위치한다. 이처럼 설계된 경우에 있어서, 파티클 분리기 자체에는 특히 반경방향 허니콤 몸체의 내주면의 방향으로 개구가 구비되고, 및/또는 상기 파티클 분리기의 외경이 덕트와 관련하여 감소되어, 배기-가스 유동이 상기 반경방향 허니콤 몸체의 전체 내주면 상의 상기 반경방향 허니콤 몸체의 유동 채널로 들어갈 수 있다.
파티클 분리기는 특히 반경방향 허니콤 몸체보다 더 큰 유동 저항을 가져서, 배기-가스 유동의 비교적 작은 부분만이 작용하거나 상기 파티클 분리기를 통해 유동한다. 특별한 경우에 있어서, 상기 파티클 분리기는 또한 예를 들면 파티클 제거 장치(히터)를 구비한 배플 플레이트의 방식으로, 및/또는 유체가 (간신히) 유동할 수 있는 다공성 매트나 또는 구조체처럼, 실질적으로 배기 가스가 뚫고 들어갈 수 없도록 설계될 수 있다.
덕트 내 또는 출구 하류의 파티클 분리기 장치의 결과로서, 배기-가스 유동은 덕트 외측으로 그리고 반경방향 허니콤 몸체로 적어도 부분적으로 편향되고, 상기 배기-가스 유동으로부터의 응집된 파티클은, 상기 파티클의 질량이 증가하기 때문에, 관성을 가지므로, 상기 파티클은 상기 배기-가스 유동의 편향을 적어도 부분적으로 따르지 않지만, 상기 덕트를 통해 상기 파티클 분리기로 나아간다. 특히 이와 관련하여, 배기-가스 유동이 파티클 분리기를 통해 유동할 필요가 없으며; 실제로, 상기 파티클 분리기는 또한 벽부나 또는 구조체의 형태로 유동 데드 엔드(dead end)로 설계될 수 있다. 따라서 파티클은 유체가 실질적으로 유동할 수 없는, 배기-가스 유동 외측의 배기 라인 구역으로 이송되어, 상기 파티클이 반경방향 허니콤 몸체를 통해 하류에 위치된 배기 라인으로 배출되지 않는다. 이에 따라 파티클은 적어도 일시적으로 파티클 분리기나 또는 배기 라인의 구역에 유지되며, 상기 배기 라인의 구역을 통해 실질적으로 유체가 유동하지 않고 배기-가스 유동 외측에 응집된 파티클의 퇴적을 위해 제공된다.
유체가 통과해 유동할 수 있는 파티클 분리기의 일 실시예의 경우에 있어서, 비교적 작은 부분의 배기-가스 유동이 파티클 분리기를 통해 안내되고 배기 라인의 다른 섹션을 통해 안내된다. 이후 파티클은 배기-가스 유동으로부터 적어도 부분적으로 필터되고, 상기 파티클 분리기에 적어도 일시적으로 수용된다.
특히, 디젤 엔진의 경우에 있어서, 상기 기재한 장치가 이온화 장치 및 응집 장치의 배기 가스에 포함된 파티클을 전기 충전하고, 상기 파티클을 상기 응집 장치에 적어도 일시적으로 합치는데 적당하다. 파티클이 제공되어, 예를 들면 응집 장치의 구조체와 합쳐져, 상기 파티클이 응집되며, 그 평균 직경과 중량을 증대시킨다. 규칙적인(pulsed) 배기-가스 유동의 결과로서 또는 특히 응집 장치의 외측 여기에 의해, 파티클은 상기 응집 장치로부터 떨어지고 상기 배기-가스 유동으로 다시 배출된다.
파티클이 응집된 결과로서, 현재 상기 파티클은 큰 질량과 이에 따라 큰 관성을 가지며, 상기 파티클은 반경방향 허니콤 몸체로의 덕트 내 배기-가스 유동 편향을 따르지 않지만, 상기 덕트의 연장부의 방향으로 실질적으로 더욱 빠르게 지나가고(fly) 파티클 분리기로 이송된다. 이에 따라 특히, 첫째로 그 구성이 매우 복잡하고 둘째로 초 고 에너지를 필요로 하는 전기장 장치에 의한 배기-가스 유동 외측으로의 파티클의 편향은 더 이상 필요하지 않다.
더욱이, 코로나 방전 발생기나 또는 플라즈마 방전 발생기를 구비한 이온화 장치가 또한 바람직하다. 자동차 공학에 있어서, 플라즈마는 고 전압으로 발생되는 전기장에 의해 발생되는 것이 바람직하다. 코로나 방전이나 또는 유전체 장벽 방전에 의한 플라즈마 발생이 특히 바람직하다. 코로나 방전이 필요하다면, 전기장의 일정하지 않은 정렬이 가능하다. 예를 들면, 와이어를 구비한 장치가 개시되어 있으며, 상기 와이어는, 아크 형성이 방지되는 결과로서, 매우 강하지만 반경방향 외측 방향으로 상당히 감소하는 전기장에 의해 둘러싸이고 하우징에 도달하지 않는다. 선택적으로, 펄스 전압을 가하여 아크의 형성이 피해질 수 있다. 유전체 장벽 방전의 경우에 있어서, 하나 이상의 전극이 유전체로 코팅된다. 발생된 아크는 유전체 재료의 표면 아래에서 소멸된다.
본 발명의 장치의 일 실시예에 따라, 이온화 장치 및/또는 응집 장치는 파이프, 구조체 및 허니콤 몸체로 이루어진 그룹으로부터 하나 이상의 부재를 포함한다. 이는, 이온화 장치 및/또는 응집 장치는 배기 라인 내측에 배치되고, 전하는 유체가 배기-가스 파티클로 유동하는 파이프, 즉 배기 라인 섹션을 통해 또는 배기 라인에 제공되며 상기 응집 장치와 관련하여 전위에 의해 작동되는 구조체에 의해 상기 이온화 장치 내의 파티클로 전도된다는 것을 의미한다. 이 경우, 구조체가 적어도 배기 라인의 주요 단면부를 넘어 뻗어있어, 파티클이 배기-가스 유동에서의 그 위치와 무관하게 전기 충전된다. 특히 구조체는 별 형상으로 설계될 수 있거나 또는 10cpsi(Cells Per Square Inch) 내지 200cpsi의 셀 밀도, 바람직하게는 25cpsi 내지 100cpsi의 셀 밀도를 갖는 허니콤 몸체의 형태로 설계될 수 있다. 또한 상기 부재가 응집 장치에서 부가적으로 사용되고, 특히 본 발명에서 유동통과 방향으로 보다 긴 길이를 갖는다. 장치용으로 제공된 허니콤 몸체는 특히 비-구성된 매끈한 유동 벽부, 즉 비 부가 유동 저항이나 난류-발생 부재 또는 혼합 부재를 구비하고, 적어도 부분적으로 구성된, 특히 주름진 금속 포일과 매끈한 금속 포일로부터 만들어진다. 허니콤 몸체로 설계된 응집 장치는 첫째로 배기 가스에 함유된 파티클의 퇴적과 응집을 위해 표면적을 증대시키고, 둘째로 배기-가스 유동을 "안정(calm)"시켜서, 특히 배기-가스 층류가 응집 장치의 하류에서 나타난다. 배기-가스 유동의 이러한 층류(laminarization)는 파티클 분리기에서의 배기 가스 외측의 응집된 파티클의 퇴적을 촉진시키고, 및/또는 배기 가스에서의 난류의 결과로서 반경방향 허니콤 몸체를 통해 외측으로 유동하는 상기 파티클을 방지한다. 파이프, 구조체 및 허니콤 몸체를 포함한 그룹으로부터의 부재가 특히 배기 라인에 대해 전기 절연되도록 형성되어, 이온화 장치와 응집 장치 사이에서 공간적으로 한정된 전위 발생을 허용한다.
이온화 장치와 응집 장치 사이의 전위의 결과로서, 파티클은 상기 응집 장치의 허니콤 몸체나 또는 구조체의 표면에 또는 파이프 벽부에 적어도 부분적으로 퇴적되어, 결국 상기 벽부에서 그러나 또한 사전에 배기-가스 유동에서 덩어리져서, 그 직경과 질량이 보다 증대된다.
본 발명의 장치의 유리한 실시예에 따라, 반경방향 허니콤 몸체는 적어도 부분적으로 SCR 코팅, 3-방향 코팅 및 NOx 흡착체 코팅으로 이루어진 그룹으로부터 하나 이상의 코팅을 구비한다. SCR 코팅은 "SCR(Selectⅳe Catalytic Reaction)" 방법에 의해 질소 산화물을 변환시키는데 적당한 코팅을 말한다. SCR 코팅은, 특히 배기 가스에 있는 질소 산화물이 제공된 환원제(암모니아, 요소, AdBlue)에 의해 그리고 반경방향 허니콤 몸체의 SCR 코팅에 의해 기본적으로 질소 및 물로 실질적으로 변환되는 효과를 갖는다. 3-방향 코팅이 특히 스파크-점화 기관에 제공되고, 일산화탄소와 탄화수소 화합물의 산화를 행하고 질소 산화물의 환원을 행한다. NOx 흡착체 코팅은 일시적으로 스파크-점화 기관 및 디젤 기관의 배기 가스로부터의 질소 산화물(NOx)을 저장하여, 질소 산화물이 내연 기관의 희박-연소 작동 동안에 유지되고, 상기 질소 산화물이 이후 감소되어, 결국 농후 배기-가스 혼합물과의 짧은 작용 기간에 의해 상기 코팅으로부터 배출된다.
다른 실시예의 배치에 있어서, 반경방향 허니콤 몸체는 덕트의 중심축에 대해 90° 내지 135°의 각도로 배치된 유동 채널을 구비한다. 이러한 각도는 반경방향 허니콤 몸체의 내주면을 직접적으로 연결하는 유동 채널의 방위와 덕트의 중심축 사이에 특히 형성된다. 따라서 배기-가스 유동의 급격한 편향이 얻어져, 배기-가스 유동에서의 응집된 파티클이 덕트에 배치되거나 상기 덕트의 출구 하류에 배치된 파티클 분리기에 거의 대부분 퇴적된다.
다른 바람직한 실시예의 배치에 있어서, EGR 라인은 파티클 분리기와 연결된다. 이러한 EGR("Exhaust-Gas Recirculation") 라인은, 내연 기관의 비교적 작은 부분의 배기-가스 유동이 새로이 공급되어 배기 가스에 함유된 질소 산화물이나 또는 미연소 탄화수소 화합물을 더욱 감소시키도록, 일반적으로 설계된다. 이와 관련하여, 본 발명에 따라 제시된, 작은 부분의 배기-가스 유동 분기가 특히 파티클 분리기를 통해 이루어지며, 이러한 경우에 있어서 상기 파티클 분리기는 유체가 상기 분리기를 통해 유동할 수 있도록 설계된다. EGR 라인에 공급되고 이어서 내연 기관에 새로이 공급된 배기-가스 유동이 이에 따라 특히 실질적으로 배기 가스에 함유된 파티클을 정화시킨다.
일 실시예의 배치에 있어서, 파티클 분리기는 가열 와이어, 가열 촉매 컨버터, 분사부 및 코팅으로 이루어진 그룹 중 하나 이상의 재생 장치를 구비한다. 상기 기재한 타입의 재생 장치에 의해, 파티클 분리기에 있고 배기-가스 유동으로부터 수용되는 파티클이 규칙적인 간격으로 재생되거나 또는 상기 파티클 분리기의 하중 함수로 제공된 간격으로 재생되어, 상기 파티클 분리기의 차단이 상기 배기-가스 유동으로부터의 상기 파티클의 하중의 결과로서 방지될 수 있다. 재생은 열적으로 또는 연속 재생(CRT: continuous regeneration)으로 발생될 수 있다. 연속 재생 경우에 있어서, 파티클 분리기에 있는 수트는, 배기-가스 유동에 이산화질소를 공급함으로써, 이산화탄소로 변환된다.
다른 바람직한 실시예의 배치에 있어서, 하나 이상의 열교환기가 반경방향 허니콤 몸체 및/또는 파티클 분리기의 부분 구역 주위에 적어도 배치된다. 열교환기가 본 발명의 장치에 통합된 결과로서, 배기 가스의 열 에너지의 재생은 예를 들면, 열 에너지를 전기 에너지로 변환시킴으로써 가능하고, 상기 전기 에너지는 이후 자동차나 전기 소비자의 전기 저장 매체에 공급될 수 있다. 이를 위하여, 열교환기는 예를 들면 본 발명의 장치 외측 및/또는 내측에 제공될 수 있는 열전기 소자와 연결될 수 있다.
바람직한 실시예에 따라, 열교환기는 특히 반경방향 허니콤 몸체의 외주면 외측에 배치된 제 1 가열 회로, 상기 반경방향 허니콤 몸체 내측에 적어도 부분적으로 배치된 제 2 가열 회로, 및/또는 파티클 분리기 외측에 배치된 제 3 가열 회로와 같은 하나 이상의 가열 회로를 포함한다. 특히, 반경방향 허니콤 몸체 내측에 배치되거나 상기 반경방향 허니콤 몸체의 외주면 외측에 배치된 가열 회로가 상기 반경방향 허니콤 몸체를 통해 유동하는 배기-가스 유동에 의해 많은 영역 상에 작용함에 따라서, 열교환기의 매우 높은 레벨의 효과가 얻어질 수 있다. 본 발명에 있어서, 허니콤 몸체 내의 가열 회로는 덕트, 즉 허니콤 몸체의 구조체를 통과하는 반경방향 허니콤 몸체의 연장부의 길이 방향으로 실질적으로 뻗어있거나, 또는 덕트 축선에 실질적으로 수직하고 반경방향 허니콤 몸체의 유동 채널 사이에 배치될 수 있다. 필요하다면, 열전기 소자를 구비한 디스크-형상의 세그먼트가 반경방향 허니콤 몸체의 유동 채널 사이에 배치되어, 상기 반경방향 허니콤 몸체 내에서 적어도 부분적으로 배기-가스 열 에너지가 적어도 부분적으로 전기 에너지로 변환될 수 있다. 또한, 이러한 구성은 본 발명의 장치가 컴팩트하게 설계될 수 있게 한다.
본 발명의 장치는 더욱이 하나 이상의 제 1 산화 촉매 컨버터가 하나의 이온화 장치의 상류에 제공되도록 설계될 수 있다. 예를 들면, 이산화질소와 관련된 배기 가스의 조성, 및/또는 상기 배기 가스의 온도가 유리하게도 산화 촉매 컨버터에 의해 설정될 수 있다.
본 발명은 내연 기관의 배기-가스 정화 방법에 관한 것으로서, 상기 배기-가스 정화 방법은:
i. 배기-가스 유동에 함유된 파티클을 전기 충전하는 단계;
ⅱ. 증가된 질량 관성으로 보다 큰 파티클을 형성하기 위하여 충전된 파티클을 응집하는 단계;
ⅲ. 적어도 90도의 각도로 상기 배기-가스 유동의 볼륨을 적어도 80% 편향시키는 단계;
ⅳ. 질량 관성이 현재 증가된 상기 보다 큰 파티클을, 상기 배기-가스 유동의 편향에 의해, 상기 배기-가스 유동 외측으로 분리시키는 단계, 및
v. 상기 보다 큰 파티클을 퇴적하는 단계를 적어도 포함한다.
본 발명의 방법은 특히 본 발명에 따른 장치를 작동시키는데 특히 적당하다.
더욱이, 본 발명의 제시된 방법에 의하면, 배기-가스 유동의 적어도 80% 볼륨, 바람직하게 적어도 90% 볼륨 및 특히 바람직하게 적어도 95% 볼륨이 적어도 90도의 각도를 통해 편향되어 본 발명의 목적을 위해 제공된 반경방향 허니콤 몸체를 통해 유동한다. (유동) 데드 엔드(dead end)의 형태로 설계된 파티클 분리기의 경우에 있어서, 배기-가스 유동의 100% 볼륨 편향이 본 발명에 따른 장치의 덕트 내에서 발생한다.
배기 가스의 비-편향된 볼륨 유동이 본 발명의 목적을 위해 제공된 파티클 분리기를 통해 유동하고, 이 파티클 분리기에서 적어도 부분적으로 응집된 파티클이 적어도 부분적으로 유지된다. 상기 비교적 작은 볼륨의 유동이 파티클 분리기를 통해 유동한 이후에, 바람직하게 EGR 라인에 공급되거나, 본 발명의 장치의 하류의 편향된 배기-가스 유동과 다시 합쳐진다.
본 발명의 방법의 하나의 바람직한 실시예에 있어서, 부가적으로 열 에너지가 배기-가스 유동으로부터 재생될 수 있다. 이를 위하여, 배기-가스 유동의 열 에너지가 전기 에너지로 적어도 부분적으로 변환된다. 상기 타입의 열교환기에 의해, 특히 열이 또한 EGR 라인을 통해 내연 기관에 새로이 공급되는 비교적 작은 부분의 배기-가스 유동으로부터 소산될 수 있다.
결론적으로, 하나의 바람직한 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 장치를 갖는 배기 시스템을 구비한 자동차가 제시된다.
본 발명과 본 발명의 기술 분야가 도면을 기초로 아래에 보다 상세하게 설명되어 있다. 도면은 특히, 본 발명의 바람직한 여러 실시예를 도시한 것으로서, 본 발명이 이들 도시된 사항만으로 한정되지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, 도면에 있어서, 동일한 구성요소를 지시하는데 동일한 부재번호가 사용되었음을 알 수 있다.
도 1은 본 발명의 장치를 구비한 내연 기관의 배기 시스템을 도시한 도면이고;
도 2는 본 발명의 제 1 실시예의 장치를 도시한 도면이고;
도 3은 본 발명의 다른 실시예의 장치를 도시한 도면이며;
도 4는 본 발명의 내연 기관의 다른 실시예의 배기 시스템을 도시한 도면이다.
도 1은 배기 시스템(40)을 구비한 자동차(41)를 개략적으로 도시한 도면으로서, 배기-가스 유동(2) 정화용 장치(1)가 내연 기관(3)의 하류에 제공된다. 이 경우, 제 1 산화 촉매 컨버터(32)가 유동에 의해 상기 정화용 장치(1) 상류와 연결되고, 상기 제 1 산화 촉매 컨버터가, 특히 그 아래쪽 단부 측 하류에서, 상기 제 1 산화 촉매 컨버터(32)의 후방측에서 바람직하게 환원제를 유동시키는 환원제 첨가 유닛(33)을 구비한다. 본 발명의 정화용 장치(1) 자체는 배기-가스 유동(2)의 파티클을 전기 충전하는데 적당한 장치(19)가 설치된 이온화 장치(4)를 구비하고 있다. 전기 충전된 파티클은, 하류에 배치되고 파이프(20), 구조체(21) 또는 허니콤 몸체(22)에 의해 형성된 응집 장치(6)에, 적어도 일시적으로 퇴적된다. 이러한 방식으로 응집되고 현재 더 커진 파티클이 배기-가스 유동(2)의 파동의 결과로서 및/또는 응집 장치(6)의 외측 여기에 의해, 상기 배기-가스 유동(2)으로 복귀하고, 이에 따라 덕트(8)의 제 1 단부 측(11)에서, 하류에 배치된 입구(10)에 들어간다. 적어도 대부분의 배기-가스 유동(2)이 덕트(8) 내에서, 반경방향 허니콤 몸체(14)로 편향된다. 본 발명에 있어서, 반경방향 허니콤 몸체(14)는 덕트(8)의 주변 표면(9) 상에 배치된다. 더욱이, 덕트(8)는 상기 덕트(8)의 제 2 단부 측(13)에서 출구(12)를 구비하고, 이 출구를 통하여 적어도 수개의 파티클, 특히 비교적 큰 파티클이 파티클 분리기(18)로 통과된다. 배기-가스 유동(2)은, 반경방향 허니콤 몸체(14)를 통해 유동한 이후 및/또는 특히 파티클 분리기(18)를 통해 유동한 이후에 배기 라인(34)을 통해, 공통의 배기 라인(34)에서 다시 합쳐지고, 특히 환원제 통로를 막는 장벽 촉매 컨버터로 본 발명에서 특히 제공된 제 2 산화 촉매 컨버터(35)를 통해 유동한 이후에, 주변 환경으로 배출된다.
도 2는 제 1 실시예의 장치(1)를 도시한 도면이다. 이온화 장치와 응집 장치가 도 2에 도시되어 있지 않다. 이들 장치는 덕트(8)의 내외측에 배치될 수 있다. 덕트(8) 내의 배치와 관련하여, 상기 덕트는 배기-가스 유동(2)의 유동 방향과 반대의 중심축(25)을 따라서 길이방향으로 뻗어있어, 이온화 장치 및 응집 장치가 반경방향 허니콤 몸체(14)의 연장부(42) 외측에 배치되고 상기 반경방향 허니콤 몸체(14)의 유동 채널(17)이 자유롭게 이용될 수 있다. 배기-가스 유동(2)은 덕트(8)의 제 1 단부 측(11)에 배치된 입구(10)를 통해 상기 덕트(8)로 들어가고, 상기 덕트(8)에 배치되거나 하류에 배치된 파티클 분리기(18)의 비교적 고 유동 저항의 결과로서 반경방향 허니콤 몸체(14)로 각도(24) 만큼 적어도 대부분 편향된다. 본 발명에 있어서, 반경방향 허니콤 몸체(14)가 덕트(8)의 주변 표면(9) 상의 내주면(15)으로 배치되어, 주요 부분에 대한 배기-가스 유동(2)이 적어도 상기 반경방향 허니콤 몸체(14)의 유동 채널(17)을 통해 반경방향 외측으로 유동하게 된다. 상기 주요 부분의 배기-가스 유동(2)이 이후 반경방향 허니콤 몸체(14)의 외주면(16)을 통해 유동해 나가고 배기 라인(34)을 통해 전방으로 안내된다. 특히 작은 부분의 배기-가스 유동(2)이 덕트(8)를 통해 유동하고, 이러한 경우에 있어서, 상기 덕트(8)의 제 2 단부 측(13)에서 상기 덕트(8)의 출구(12)의 상류의 상기 덕트(8)에 배치된 파티클 분리기(18)로 통과된다. 본 발명에서, 파티클 분리기(18)는 반경방향 허니콤 몸체(14)의 길이 방향(43)으로 연장부(42) 내에 적어도 부분적으로 배치된다. 본 발명에서, 파티클 분리기(18)의 직경이 덕트(8)의 직경보다 더 작게 설계되어, 배기-가스 유동(2)이 반경방향 허니콤 몸체(14)의 모든 유동 채널(17)을 통해 유동할 수 있다. 바람직하게도 상기 단지 작은 부분의 배기-가스 유동(2)이, 반경방향 허니콤 몸체(14)를 통과하는 배기-가스 유동(2)의 편향 결과로서, 상기 배기-가스 유동(2)에 포함된 대부분의 파티클(5)을 구비하며, 상기 파티클은 이온화 장치 및 응집 장치를 통해 유동한 결과로서 응집되어 보다 큰 파티클(7)로 형성된다. 상기 파티클(7)은 파티클 분리기(18)에 현재 퇴적되어 있다. 파티클 분리기(18)를 통해 유동하는 주요 부분의 배기-가스 유동(2)이 이후 반경방향 허니콤 몸체(14)를 통해 유동하고 공통의 배기 라인(34)을 통해 전방으로 안내되는 배기-가스 유동과 합쳐진다.
도 3은 다른 실시예의 장치(1)를 도시한 도면으로서, 또한 도 2에 따른 상기 도 3에서 이온화 장치 및 응집 장치가 도시되지 않았다. 배기-가스 유동(2)이 덕트(8)의 제 1 단부 측(8)에 배치된 입구(10)를 통해 상기 덕트(8)로 들어가고, 반경방향 허니콤 몸체(14)를 통해 적어도 대부분이 편향된다. 본 발명에 있어서, 하나 이상의 열교환기(36)가 제공되며 특히 반경방향 허니콤 몸체(14)의 외주면(16) 외측에 배치된 제 1 가열 회로(37)를 구비한다. 더욱이, 제 2 가열 회로(38)가 제공되며, 필요하다면, 제 1 가열 회로(37)와 연결되고 특히 독립적으로 설계된다. 제 2 가열 회로(38)는 또한 제 1 가열 회로(37)와 독립적으로 제공될 수 있다. 제 2 가열 회로가 반경방향 허니콤 몸체(14) 내에 뻗어있고, 특히 상기 반경방향 허니콤 몸체(14)의 유동 채널(17)에 수직하여 배치된다.
특히 작은 부분의 배기-가스 유동(2)이 전체 덕트(8)를 통해 유동하고, 상기 덕트(8)의 출구(12)를 통해 상기 덕트(8)의 제 2 단부 측(13)에서 상기 덕트(8)의 출구(12)의 하류에 배치된 파티클 분리기(18)로 통과된다.
특히, 제 3 가열 회로(39)가 제공되며, 연속 재생의 결과로서 또는 그렇지 않으면 파티클 분리기(18) 내의 열 재생의 결과로서, 발생된 상기 파티클 분리기로부터의 열을 특히 소산시킬 수 있다.
본 발명에서, 가열 회로(37, 38, 39)는 열전기 소자를 구비하여 배기 가스의 열 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다. 열전기 소자는 장치(1)의 내외측에 제공될 수 있다.
도 4는 다른 실시예의 장치(1)를 도면으로서, 도 4에 자동차(41)의 내연 기관(3)이 제공되며, 이 내연 기관에 일부의 배기-가스 유동(2)이 EGR 라인(26)을 통해 공급된다. 이 경우, 내연 기관(3)의 배기-가스 유동(2)은 특히 상기 배기-가스 유동(2)에 있는 탄화수소 화합물과 일산화탄소를 변환시키는데 적당하게 제공된 제 1 산화 촉매 컨버터(32)를 통해 유동한다. 특히 환원제를 배기-가스 유동(2)에 첨가하기 위한 환원제 첨가 유닛(33)이 제 1 산화 촉매 컨버터의 후방측 하류에 배치된 상태에서, 상기 환원제가 상기 제 1 산화 촉매 컨버터(32)의 하류 단부 측 상에 바람직하게 분배된다. 배기-가스 유동(2)에서의 환원제의 바람직한 분배와 실질적인 증발이 이온화 장치(4)와 응집 장치(6)에 제공되어, 이러한 방식으로 얻어진다. 배기-가스 유동(2)이 이후 덕트(8)를 통과하고 반경방향 허니콤 몸체(14)나 또는 파티클 분리기(18)를 통해 상기 덕트의 전방으로 안내되는 상태에서, 파티클이 상기 파티클 분리기(18)에 의해 상기 배기-가스 유동(2)으로부터 대부분 제거된다. 이 경우, 파티클 분리기(18)를 통해 배출되는 배기-가스 유동(2)은 EGR 라인(26)을 통해 내연 기관(3)으로 새로이 공급된다. 반경방향 허니콤 몸체(14)를 통해 흘러 나가는 배기-가스 유동(2)은 배기 라인(34)에 공급되며, 필요하다면, 이러한 경우에 있어서 상기 배기 라인은 장벽 촉매 컨버터로 설계된 제 2 산화 촉매 컨버터(35)를 구비하여, 환원제가 주변 환경으로 배출되지 않는다.
따라서, 본 발명은 특히 이동가능한 내연 기관의 배기-가스 유동 정화 장치에 관한 것으로서, 상기 배기-가스 유동 정화 장치는 적어도 이온화 장치, 응집 장치 및 배기 가스의 덕트 주변의 (촉매 활성식) 반경방향 허니콤 몸체를 구비하며, 상기 배기 가스는 상기 덕트로부터 상기 반경방향 허니콤 몸체로 편향되는 한편, 응집된 파티클이 상기 덕트의 파티클 분리기에서 트랩된다.
1 정화 장치 2 배기-가스 유동
3 내연 기관 4 이온화 장치
5 파티클 6 응집 장치
7 보다 큰 파티클 8 덕트
9 주변 표면 10 입구
11 제 1 단부 측 12 출구
13 제 2 단부 측 14 반경방향 허니콤 몸체
15 내주면 16 외주면
17 유동 채널 18 파티클 분리기
19 장치 20 파이프
21 구조체 22 허니콤 몸체
23 코팅 24 각도
25 중심축 26 EGR 라인
27 재생 장치 28 가열 와이어
29 가열 촉매 컨버터 30 분사부
31 코팅 32 제 1 산화 촉매 컨버터
33 환원제 첨가 유닛 34 배기 라인
35 제 2 산화 촉매 컨버터 36 열교환기
37 제 1 가열 회로 38 제 2 가열 회로
39 제 3 가열 회로 40 배기 시스템
41 자동차 42 연장부
43 길이 방향

Claims (12)

  1. 내연 기관(3)의 배기-가스 유동(2)의 정화 장치(1)로서,
    a. 상기 배기-가스 유동(2)에 있는 파티클(5)을 전기 충전하기 위한 이온화 장치(4),
    b. 전기 충전된 파티클(5)을 적어도 부분적으로 응집하기 위한 응집 장치(6),
    c. 유체가 유동할 수 있는 주변 표면(9), 제 1 단부 측(11)에 위치한 입구(10) 및 제 2 단부 측(13)에 위치한 출구(12)로 적어도 이루어진 덕트(8),
    d. 내주면(15), 외주면(16) 및 상기 내주면(15)으로부터 상기 외주면(16)까지 뻗어있는 유동 채널(17)을 구비하고 있고, 상기 덕트(8)의 상기 주변 표면(9) 상에서 상기 내주면(15)으로 정렬되는 반경방향 허니콤 몸체(14), 및
    e. 상기 배기-가스 유동(2)으로부터의 상기 파티클(5)을 적어도 일시적으로 수용하는 파티클 분리기(18)를 적어도 포함하고,
    상기 이온화 장치(4)와 상기 응집 장치(6)는 상기 입구(10)의 상류나 또는 상기 덕트(8)에 배치되고, 상기 파티클 분리기(18)는 상기 출구(12)의 하류나 또는 상기 덕트(8)에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연 기관(3)의 배기-가스 유동(2)의 정화 장치(1).
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 이온화 장치(4)는 코로나 방전이나 또는 플라즈마 방전 발생 장치(19)를 구비하는 것을 특징으로 하는 내연 기관(3)의 배기-가스 유동(2)의 정화 장치(1).
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 응집 장치(6)는 파이프(20), 구조체(21) 및 허니콤 몸체(22)로 이루어진 그룹 중 하나 이상의 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관(3)의 배기-가스 유동(2)의 정화 장치(1).
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반경방향 허니콤 몸체(14)는 SCR 코팅, 3-방향 코팅 및 NOx 흡착체 코팅으로 이루어진 그룹 중 하나 이상의 코팅(23)을 적어도 부분적으로 구비하는 것을 특징으로 하는 내연 기관(3)의 배기-가스 유동(2)의 정화 장치(1).
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반경방향 허니콤 몸체(14)는 상기 덕트(8)의 중심축(25)에 대해 90° 내지 135°의 각도(24)로 배치된 유동 채널(17)을 구비하는 것을 특징으로 하는 내연 기관(3)의 배기-가스 유동(2)의 정화 장치(1).
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    EGR 라인(26)은 상기 파티클 분리기(18)와 연결되는 것을 특징으로 하는 내연 기관(3)의 배기-가스 유동(2)의 정화 장치(1).
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파티클 분리기(18)는 가열 와이어(28), 가열 촉매 컨버터(29), 분사부(30) 및 코팅(31)으로 이루어진 그룹 중 하나 이상의 재생 장치(27)를 구비하는 것을 특징으로 하는 내연 기관(3)의 배기-가스 유동(2)의 정화 장치(1).
  8. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 열교환기(36)는 상기 반경방향 허니콤 몸체(14) 및/또는 상기 파티클 분리기(18)의 부분 구역 주위에 적어도 배치되는 것을 특징으로 하는 내연 기관(3)의 배기-가스 유동(2)의 정화 장치(1).
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 열교환기(36)는 복수의 가열 회로, 특히 상기 반경방향 허니콤 몸체(14)의 외주면(16) 외측에 배치된 제 1 가열 회로(37), 상기 반경방향 허니콤 몸체(14) 내에 적어도 부분적으로 배치된 제 2 가열 회로(38), 및 상기 파티클 분리기(18) 외측에 배치된 제 3 가열 회로(39)를 구비하는 것을 특징으로 하는 내연 기관(3)의 배기-가스 유동(2)의 정화 장치(1).
  10. 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 제 1 산화 촉매 컨버터(32)가 하나의 이온화 장치(4)의 상류에 제공되는 것을 특징으로 하는 내연 기관(3)의 배기-가스 유동(2)의 정화 장치(1).
  11. 내연 기관(3)의 배기-가스 정화 방법으로서,
    i. 배기-가스 유동(2)에 함유된 파티클(5)을 전기 충전하는 단계;
    ⅱ. 증가된 질량 관성으로 보다 큰 파티클을 형성하기 위해 충전된 파티클(5)을 응집하는 단계;
    ⅲ. 적어도 90도의 각도로 배기-가스 유동(2)의 볼륨의 적어도 80%를 편향시키는 단계;
    ⅳ. 질량 관성이 현재 증가된 상기 보다 큰 파티클을, 상기 배기-가스 유동(2)의 편향에 의해, 상기 배기-가스 유동(2) 외측으로 분리시키는 단계, 및
    v. 상기 보다 큰 파티클을 퇴적시키는 단계를 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관(3)의 배기-가스 정화 방법.
  12. 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 따른 장치(1)를 구비한 배기 시스템(40)이 설치된 것을 특징으로 하는 자동차(41).
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