KR20150096329A - 디젤엔진 배기가스의 정화 방법 - Google Patents

디젤엔진 배기가스의 정화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기상 잔류 탄화수소(HC) 및 일산화탄소(CO)를 이산화탄소(CO2)로 산화시키고 배기가스 내에 함유된 일산화질소(NO)를 이산화질소(NO2)로 적어도 부분적으로 산화시키기 위한 디젤 산화 촉매 컨버터(DOC)를 포함하는 배기가스 라인을 통해 정화할 배기가스를 통과시키기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

디젤엔진 배기가스의 정화 방법{METHOD FOR PURIFYING DIESEL ENGINE EXHAUST GASES}
본 발명은 디젤엔진 배기가스를 정화하기 위한 방법에 관한 것이다.
신세대 엔진들은 배기량 당 더욱더 높은 출력을 나타내고 있다. 이는, 특히 더 낮은 출력 단계를 적용할 때, 엔진에서 멀리 배치된 SCR 촉매 컨버터를 갖는 "종래의" 배기가스 후처리 시스템은 더 이상 확실한 작동이 보장될 수 없게 되는, 더욱 더 낮은 배기가스 온도가 발생하는 것을 의미한다.
특히 저부하 영역에서, 온도 조절되지 않은 요소 수용액(AUS: Aqueous Urea Solution)을 배기가스 내로 공급할 때, 요소 및 요소 반응생성물의 결정화로 인한 침착물은 거의 방지되지 않는다. 발생하는 침착물은 하위의 부분 부하 영역에서 작동이 지속될 때 침착물의 차단과 그에 따른 장치의 고장을 야기할 수 있다. 또한, 배기가스 내의 AUS이 충분하지 못한 배기가스 온도로 인해 본래 환원제인 암모니아로 완전히 처리될 수 없을 때, 저부하 영역에서 SCR 시스템의 충분한 탈질 성능은 더 이상 보장될 수 없다.
이로 인해, 예컨대 EP-B-1 054 722에 따른 시스템들과 같은, 종래 기술에 따른 오늘날의 EAT 시스템들의 경우, SCR 촉매 컨버터 체적은 충분한 탈질율의 달성을 위해 확대되어야만 한다. 그러나 이는 가용 조립 공간에 일반적으로 조응할 수가 없다.
또한, 신규 유형의 엔진에는 입자 농도 한계값이 적용된다. 이런 한계값들은 폐쇄형 벽유동형 필터의 도입 없이는 더이상 충족되지 않는다.
DE 103 48 800은, 하나 이상의 가열 부재를 포함하는 환원제 공급 시스템의 제어 방법을 개시하고 있다. 공급 시스템은 상류에서 SCR 촉매 컨버터와 연결된다. 공급 시스템 내로 환원제를 공기 지원식으로 분사하는 경우, 가열된 부재를 통해, 공기와 환원제로 이루어진 증발된 혼합물이 형성되고, 이 혼합물은 SCR 촉매 컨버터 내로 유입되는 배기가스 혼합물 내로 유입된다. 환원제로서는 수성 요소 용액이 이용된다. AUS 및 공기를 위한 혼합 유닛 및 가열 부재 / 증발기 유닛을 포함한 전체 공급 시스템은 SCR 촉매 컨버터 쪽을 향해 유출 측에서 배기가스를 안내하는 튜브 내로 엔진 배출구 쪽을 향해 통합된다. AUS-공기 혼합물의 증발을 위해 필요한 열량은 전기적으로 12V 배터리 전류의 도움으로 생성된다.
DE 10 2007 029 674는, 특히 내연기관의 배기가스 시스템의 산소 함유 가스 유동에서 질소산화물 감소를 위한 모듈을 개시하고 있으며, 상기 모듈은 질소산화물 및 산소를 안내하는 가스 라인 내에 배치되는 SCR 촉매 컨버터와, 암모니아 전구물질을 함유하는 용액을 암모니아 용액으로 변환시키는 변환 반응기와, 별도의 부품으로서 형성되어 변환 반응기의 하류에 연결되며 내부에서는 암모니아 용액이 가스 라인 내로 유입되기 전에 SCR 촉매 컨버터의 상류에서 증발되는 증발 유닛을 포함한다. 암모니아 전구물질을 함유하는 용액(바람직하게는 요소 수용액)이 암모니아 용액으로 변환되는 것은, 본 발명에 따라 마이크로파의 이용하에 수행된다. 별도의 부품으로서 형성되는, 암모니아 용액을 위한 증발 유닛의 상류에는, 예컨대 배기가스 재순환 라인의 열이 이용됨으로써 증발을 위해 필요한 에너지를 감소시키기 위해, 암모니아 용액을 가열하기 위한 열교환기가 연결될 수 있다. 증발기 자체는 전기 작동식 가열 부재이다.
DE 10 2007 042 836은, 암모니아를 유리시키는 액체, 예컨대 요소 수용액을 이용한, 자동차의 배기가스 후처리를 위한 장치를 개시하고 있으며, 상기 장치는 액체를 저장하기 위한 저장 탱크를 포함하고, 액체를 온도 조절하기 위한 온도 조절 장치가 제공된다. 온도 조절 장치는 액체의 냉각을 위해 자동차의 냉각 회로에 할당된다. 냉각 회로는 내연기관의 냉각 회로일 수 있거나, 에어 켠디셔닝 시스템 회로일 수 있다. 온도 조절 장치는 별도의 부품으로서 형성된다. 온도 조절 장치에 의해 액체가 가열되면서 액체의 동결이 방지될 수 있거나, 액체는 특히 우수한 배기가스 정화를 제공하는 바람직한 온도 레벨로 가열될 수 있다.
DE 10 2009 009 538은, 내연기관의 배기가스 시스템을 위한 유체 첨가제, 바람직하게는 요소 수용액을 온도 조절하기 위한 시스템을 개시하고 있으며, 상기 시스템은, 특히 에어 컨디셔닝 시스템의 냉매 시스템의 냉매 회로와 첨가제 사이에서 열교환을 위한 수단을 특징으로 한다.
DE 10 2007 011 184에 기술된 개발의 과제는, 내연기관, 특히 디젤 엔진의 배기가스 함량을 더욱 감소시키고 배기가스의 처리를 위해 필요한 조립 공간을 최소화시키는 것에 있다. 상기 과제의 해결을 위해, 내연기관의 배기가스의 재순환을 위해 자동차의 내연기관의 배기가스의 냉각을 위한 열교환기가 개시된다. 상기 열교환기는 냉각을 위한 하나 이상의 제1 유체를 이용한 관류를 위한 하나 이상의 제1 유동 채널과, 냉각할 제2 유체를 이용한 관류를 위한 하나 이상의 제2 유동 채널을 포함할 뿐 아니라, 하나 이상의 제1 유동 채널 및 하나 이상의 제2 유동 채널을 수용하기 위한 하우징도 포함한다. 하우징은 열교환기 내로 제2 유체의 유입을 위한 하나 이상의 유입 섹션과, 열교환기로부터 제2 유체를 유출시키기 위한 하나 이상의 유출 섹션을 포함한다. 열교환기는 액상 요소 용액을 적어도 암모니아 가스로 변환하기 위한 하나 이상의 장치를 특징으로 한다.
WO 2012/022687은, 환원제를 위한 하나 이상의 저장기와 환원제를 위한 하나 이상의 공급 장치를 포함하는 배기가스 후처리 장치를 작동시키기 위한 방법을 개시하고 있으며, 상기 방법은 적어도 하기 단계들, 즉 a) 하나 이상의 저장기의 충전 레벨을 검사하는 단계와; b) 현재의 배기가스 질량 유량을 검사하는 단계와; c) 하나 이상의 저장기의 충전 레벨이 충전 레벨 최솟값을 하회하고 배기가스 질량 유량이 저부하 영역에 위치한다면, 환원제를 공급하는 단계를 포함한다. 특별한 실시예에서, 단계 c)에서는 하기 조처들 중 하나 이상의 조처가 실행되며, 즉 적어도 배기가스 질량 유량 또는 환원제의 가열 및 환원제의 공급이 실행된다. 이 경우, 환원제 쪽으로 향하는 열 공급은 외부 전기 히터를 통해 보장되고 향상될 수 있다.
DE 10 2009 025 135는, 요소 수용액의 증발을 위한 장치를 개시하고 있으며, 상기 장치는, 열 에너지의 공급을 위한 하나 이상의 제1 구역 및 제2 구역을 통과하여 연장되는 요소 수용액용 이송 채널을 포함하고, 상기 두 구역은 서로 분리되어 가열될 수 있고, 제2 구역 내의 이송 채널은 맨 먼저 제2 유입 영역에 곡류형(meandering) 연장부를 포함하고 그런 후에는 직선형 연장부를 포함한다. 제1 구역에서 요소 수용액은 100℃ 내지 180℃ 범위의 온도로 예열되고, 제2 구역에서는 420℃ 내지 490℃의 온도에서 증발된다.
DE 10 2008 012 087은, 마찬가지로 별도의 부품으로서 형성되어, 요소 수용액에서 암모니아를 함유하는 가스 유량을 생성하기 위한 증발 유닛을 개시하고 있다.
종래 기술에 따르는 산업용 엔진은 전형적으로, 유효한 배기가스 규정들(Tier4 최종 단계 / EU 단계 IV 및 후속 단계들)을 준수하기 위해, 앞서 언급한 EP-B-1 054 722에 따른 촉매 작용형 배기가스 후처리(EAT) 시스템들[또는 SCR/ASC 촉매 컨버터의 상류에서 요소 수용액(AUS)을 계량 공급하는 DOC/(c)DPF + SCR/ASC로 구성되는 "SCRT® 시스템"으로도 지칭된다]을 이용하여 작동된다.
EAT 시스템이 요구되는 정화 효율로 작동될 수 있도록 하기 위해, 230℃ 이상의 최소 배기가스 온도 및 촉매 컨버터 작동 온도가 요구된다.
저부하 작동 상태들에서, 요구되는 최소 배기가스 온도는 엔진의 열 조치들(예: 엔진의 스로틀링)로만 제공될 수 있다. 필요한 배기가스 온도를 제공하기 위해 배기가스 내로 유입되는 에너지는 구동 트레인용으로 소실된다. 그 결과, 엔진의 구동 효율은 감소하고 연료 소비량은 증가하며 그에 따라 CO2 배출량도 증가한다.
연료 소비량에 대한 특히 큰 부정적인 영향은 밀폐된 디젤 미립자 필터의 재생을 포함한다. 필터 내에 침착되는 매연을 제어하면서 연소하기 위해, 약 600℃의 배기가스 온도가 요구된다. 이를 달성하기 위해, 일반적으로 수동적 재생에 부가적으로, EP-A 2 177 728, EP-A 2 192 279 또는 WO 2010/139429에 따르는, 예컨대 추가적인 연료 후분사, 및 결과적으로 발생하는 미연소된 탄화수소의 DOC로의 발열 변환과 같은 능동적 조치들, 또는 예컨대 연료로 작동되는 버너를 이용한 능동적 재생 조치들이 필요하다.
SCR 시스템의 작동을 위해, 환원제로서는 전형적으로 32.5%의 요소를 함유하는 요소 수용액이 이용된다. 다시 말하면, 요소 수용액에서 암모니아를 유리시키기 위해, 맨 먼저 67.5%의 물이 증발되고 요소는 가수분해에 의해 암모니아와 CO2로 분해되어야 한다.
오늘날 SCR 시스템의 경우, 환원제인 암모니아를 생성하기 위해 필요한 수성 요소 용액(요소-물-용액, AUS, 상품명 AdBlue®)은 온도 조절되지 않은 액상 상태로 SCR 촉매 컨버터로 향하는 유입 측에서 배기가스 내로 분사된다. AUS을, 완전하게, 그리고 암모니아를 (정량적으로) 유리시키면서 기상으로 변환(=요소 처리)하기 위해 필요한 열량은 전적으로 고온의 배기가스를 통해 제공되어야만 한다.
그러나 특히 저부하의 작동점들에서, 배기가스 내에 존재하는 열량은 보통, 마찬가지로 배기가스 내에 존재하는 질소산화물의 완전한 환원을 위해 소요되는 분사된 요소-물-용액(AUS)을 완전히 처리하기에 충분하지 않다. 그 결과, 배기가스 시스템 내에는, 배기가스 시스템을 경우에 따라 완전히 차단시킬 수 있는, 요소, 및 이소시안산, 시아누르산 및 멜라민과 같은 요소 반응 생성물들의 참착물이 발생할 뿐 아니라(결정화), 질소산화물 환원을 위해 필요한 화학량론적 양의 암모니아의 불충분한 제공으로 인해 SCR 반응에서 변환 손실이 발생한다.
본 발명의 과제는, 특히 저부하 영역에서 내연기관의 작동 동안, 오늘날 방법의 앞서 기술한 단점들을 나타내지 않으면서, 전체 시스템의 최대한 높은 비용 효율과 동시에 향상된 에너지 효율을 나타내는, 디젤 엔진 배기가스를 정화하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는, 하기 방법 단계들을 포함하는, 디젤 엔진 배기가스를 정화하기 위한 방법을 통해 해결된다.
a. 기상 잔류 탄화수소(HC) 및 일산화탄소(CO)를 이산화탄소(CO2)로 산화시키고 배기가스 내에 함유된 일산화질소(NO)를 이산화질소(NO2)로 적어도 부분적으로 산화시키기 위해 디젤 산화 촉매 컨버터(DOC)를 통해 정화할 배기가스를 통과시키는 방법 단계;
b. 단계 a.)의 결과로 생성된 배기가스에, 엔진에서 사전 조정된, 다시 말해 80 ~ 90℃로 가열된 요소 수용액(AUS)을 첨가하고, 가열분해 및 가수분해를 통해 첨가된 요소에서 암모니아를 유리시키는 방법 단계;
c. 배기가스 내에 함유된 입자 및 배기가스 내에 함유된 질소산화물을 감소시키기 위해 SCR 촉매로 활성화되는 미립자 필터(SDPF)를 통해 단계 b.)의 결과로 생성된 배기가스를 통과시키는 방법 단계;
d. 암모니아 잔류 함량을 감소시키기 위해 선택형 암모니아 산화 촉매 컨버터(ASC)를 통해 단계 c.)의 결과로 생성된 배기가스를 통과시키는 방법 단계.
바람직하게는 엔진에서 요소 수용액의 사전 조정은 DE 10 2014 001 879.2에서 개시된 장치에 의해 수행된다.
조정된, 다시 말하면 80 ~ 90℃의 온도로 예열된 요소 수용액(AUS)을 배기가스 라인 내로 공급하면, 한편으로 종래의 계량 공급 방법(200 ~ 230℃)의 경우에서보다 더 낮은 배기가스 온도(180 ~ 200℃)에서 계량 공급이 가능하게 된다. 다른 한편으로는, 암모니아로 AUS의 처리를 위해, 종래의 시스템들에서보다 더 적은 열 에너지가 유입되기만 하면 되기 때문에, 이런 장점은, 계량 공급 임계 온도의 감소를 위한 것 대신, SDPF의 전방에서, 또는 SCR 촉매 컨버터의 전방에서 혼합 섹션의 단축을 위해 이용될 수 있다.
엔진에서 터빈 이후 유출 측에 배치되는 배기가스 후처리 시스템은, DOC와, AUS 계량 공급용 장치와, SCR 촉매로 활성화되는 미립자 필터(SDPF)와, 암모니아 산화 촉매 컨버터와, 선택적으로 SDPF와 암모니아 산화 촉매 컨버터[또한: 암모니아 슬립 촉매 컨버터(ASC)] 사이에 배치되는 제2 SCR 촉매 컨버터를 포함한다.
미립자 필터 내에 SCR 촉매 컨버터 체적을 (부분적으로) 통합하는 것을 통해, 종래의 시스템들에 비해 EAT 시스템의 축소가 가능하다. 그 결과, 콜드 스타트 후 EAT 시스템의 가열 특성은 향상되고 배기가스 시스템을 통한 열 손실은 훨씬 더 적어진다. 또한, 조립 공간 장점들도 제공된다. 배기가스의 유동 방향으로 미립자 필터의 하류에 배치되는 SCR 촉매 컨버터는 선택에 따라 이용되며, 더욱 정확하게 말하면 미립자 필터 내로 통합될 수 있는 SCR 체적이 97%를 초과하는 정도로 작동 시간(8000 작동 시간)에 걸쳐 전체 시스템의 NOx 변환을 보장하기에 충분하지 않을 때 이용된다.
특히 바람직하게는, 본 발명에 따른 방법은, 하기에서 여전히 기술되는 SCR 촉매로 활성화되는 미립자 필터(SDPF)를 위한 수동적 재생 개념을 포함한다. 미립자 필터의 추가적인 정지 재생은 서비스의 범위에서 수행되며, 똑같은 정도로, 서비스 간격 이외에 매연 재생이 불충분한 경우 이른바 비상 정지 재생을 실행할 수 있도록 하기 위해, SDPF를 통한 배기가스 배압의 모니터링도 수행된다.
SCR 촉매로 활성화되는 미립자 필터(SDPF)는 본 발명에 따른 방법의 특히 바람직한 구성에서 수동적 필터 재생 개념으로 작동된다. 이런 개념은, 본 발명에 따른 방법의 제1 단계에서 SDPF로 향하는 유입 측에 배치된 DOC를 통해 생성되는 NO2를 이용하여 침착된 매연 입자의 산화가 수행되는 이른바 CRT® 반응에 따른 침착된 매연의 연소를 포함한다.
CRT® 반응: Cn + 2n NO2 n CO2 + 2n NO
상기 CRT® 반응은 SCR 반응과 경쟁 관계에 있다. SCR 반응의 경우, 서로 다른 반응 속도(RR)로 진행되는 3가지 반응 메커니즘이 존재한다.
표준 SCR: 4NO + 4NH3 + O2 4N2 + 6H2O 평균 RR
고속 SCR: NO + NO2 + 2NH3 2N2 + 3H2O 고속 RR
저속 SCR: 6NO2 + 8NH3 2N2 + 12H2O 저속 RR
미립자 필터의 수동적 재생을 위한 매연 연소를 위해 충분히 많은 NO2를 제공하려면, 상류에 배치된 DOC는 350 ~ 375℃의 배기가스 온도까지의 작동점에서 NOx 내에 50%를 초과하는 NO2를 제공해야만 한다. NO2 초과량은, "CRT® 반응"이 "저속 SCR" 반응보다 더 빠르게 진행된다면, 매연 연소를 위해 이용하도록 제공되며, 그럼으로써 수동적 미립자 필터 재생이 보장된다.
DOC 작동 온도가 약 300℃를 상회하는 경우, 동력학적으로 제어되는 영역에서 벗어난다. 그 다음, 촉매 컨버터에 의해 생성될 수 있는 배기가스 내의 NO2 농도는 더 이상 촉매 컨버터 성능에 따라 결정되는 것이 아니라, 열역학적 평형의 상태에 따라 결정된다. 400℃를 초과하는 온도의 경우, NOx 내에서 50%를 초과하는 NO2 농도는 더 이상 생성될 수 없다:
이미 250℃부터, NO2를 이용한 매연 산화가 시작한다. 300℃부터는 높은 작동 안전성으로 미립자 필터의 수동적 재생이 가능하다(출처: C. Hagelueken 등, "자동 배기가스 촉매 컨버터, 2판, expert 출판사, 2005년, 102쪽). 이런 한계 조건들하에서, 충분히 높은 NO2 농도가 제공될 때, SCR 반응과 "CRT® 반응" 간의 경쟁이 취급될 수 있다.
DOC를 통해 공급될 수 있는 NO2 양이 한편으로 SCR 반응과 다른 한편으로는 매연 재생 사이의 경쟁 상황을 생산적으로 해결하기에 충분하지 않다면, 미립자 필터의 충분한 수동적 재생을 보장하기 위해, 계량 공급될 환원제량의 제한을 통해 SCR 촉매로 활성화되는 필터의 탈질 효율을 제한할 수 있는 가능성이 존재한다. 이런 경우에, 대체되는 구성에서, 요소 수용액(AUS)을 위한 제2 계량 공급 위치가 하류에 배치되는 (추가의) SCR 촉매 컨버터의 전방에 제공된다. 이런 제2 계량 공급 위치에 의해, 사전 조정된, 다시 말하면 80 ~ 90℃로 가열된 요소 수용액(AUS)은, 97%를 초과하는 전체 시스템의 요구되는 탈질 효율(> 97%)을 보장하기 위해, 단계 c.)의 결과로 생성되는 배기가스에 공급된다.
추가의 바람직한 구성에 따라서, DOC + SDPF + SCR/ASC로 구성된 EAT 시스템을 포함하는 산업용 엔진이 제공되며, 여기서는 정화할 배기가스 내로 요소 수용액을 공급하기 위한 장치 대신, 기상 암모니아를 계량 공급하기 위한 장치가 이용된다. 암모니아로의 요소 처리는 상기 구성의 경우 엔진 상에 장착되어 요소 수용액이 추출물로서 공급되는 반응기 내에서 수행되며, 이 반응기 내에서는 이소시안산 및 암모니아를 생성하는 요소의 가열분해, 및 후속하여 결과로 생성된 이소시안산으로부터 암모니아 및 CO2를 생성하는 가수분해를 통한 촉매 방법에서 암모니아로 요소의 처리는 배기가스 시스템 내에서 우세하게 존재하는 작동 조건들과 무관하게 실행된다.
배기가스 시스템으로부터 암모니아로의 요소 처리를 제거하고 EAT 시스템 내로 암모니아를 직접 계량 공급하는 것을 통해, 환원제의 계량 공급을 위한 온도 임계값은 분명히 200 ~ 230℃ 미만으로, 바람직하게는 120 ~ 180℃ 범위의 온도로 감소될 수 있다.
앞서 언급한 하한 계량 공급 임계 온도의 한계는 SCR 촉매 컨버터의 작동 온도 영역의 범위에 위치한다. 기상 암모니아의 공급을 통해, 요소의 불충분한 분해의 결과로 발생하고 너무 낮은 작동 온도에서 배기가스 시스템의 완전한 차단을 야기할 수 있는, 이소시안산, 시아누르산 또는 멜라민과 같은 요소 반응 생성물들 및 요소의 결정화 위험은 존재하지 않는다. 또한, 본원의 방법의 경우, 암모니아로 불충분한 요소 처리를 통한 탈질 효율의 제한도 존재하지 않는다. 저부하점에서 불충분한 요소 처리의 보상을 위한 환원제의 과량 공급은 불필요하다. ASC의 축소, 및/또는 ASC 없이 시간 평균에서 (허용) 10Vppm의 암모니아 이차 배출량의 완전한 방지가 가능해진다.
본 발명 및 기술적 환경은 하기에서 도면들에 따라서 설명된다. 주지할 사항은, 본 발명이 도면들의 대상으로 국한되지 않는다는 점이다.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위한 장치의 바람직한 실시예를 도시한 개략도이다.
도 2는 AUS 열교환기가 통합된 내연기관의 크랭크 케이스를 도시한 개략도이다.
도 1에는, 배기가스 라인(2)과 요소-물-용액 탱크(3)를 포함하는 내연기관(1)이 도시되어 있다. 배기가스의 유동 방향으로 배기가스 라인(2) 내에서 DOC(5)와 SDPF(6) 사이에는 NOx 센서(9) 및 AUS 유입 장치가 배치되며, AUS 유입 장치는 AUS 열교환기(14)로부터 열을 공급받는다. 또한, AUS 열교환기(14)는 SDPF(6)와 SCR(7) 사이의 AUS 유입 장치에 AUS도 공급할 수 있다. 배기가스의 유동 방향에서 암모니아 슬립 촉매 컨버터(ASC)(8)는 SCR(7)의 후방에 위치된다. 배기가스 라인(2)의 단부에는 NOx 센서(9)가 배치된다. 대체되는 구성에서, AUS 열교환기(14)는, 2개의 NOx 센서(9)를 포함하는 실질적으로 이중 벽형 배기가스 튜브(11) 내에 배치되며, 일측 NOx 센서(9)는 DOC(5)와 SDPF(6) 사이에, 그리고 타측 NOx 센서는 ASC(8)의 후방에 배치된다.
도 2에는, 냉각 회로 내지 워터 재킷(13) 내에 통합된 AUS 열교환기(14)를 포함하는 내연기관(1)의 크랭크 케이스가 도시되어 있다. AUS은 내연기관의 영역 내에 배치된 요소-물-용액 탱크(3) 내에 위치된다. AUS은 액상 요소 이송 펌프(12)에 의해 내연기관(1)의 크랭크 케이스의 냉각수 안내 영역 중에서 AUS 열교환기(14)가 위치하고 AUS을 가열하는 영역 내로 이송된다. 도시되지 않은 대체되는 구성에서, AUS 열교환기(14)는 내연기관(1)의 실린더 헤드 내에 배치된다. 가열된 AUS은 액상 요소 이송 펌프(12)에 의해 AUS 열교환기(14)에서 배출된 후에 계량 공급 장치(15) 내에 도달한다. AUS이 계량 공급 장치(15)에서 배출된 후에, AUS은 배기가스 배관(16) 내의 혼합 섹션 내에 도달하고, 여기서 AUS은 계속하여 가열된다.
SCR 코팅형 미립자 필터와 암모니아 산화 촉매 컨버터 사이에 필요에 따라 바람직하게는 추가의 SCR 촉매 컨버터 체적이 통합될 수 있다. 이런 경우에, ASC는 유출 측 구역으로서 SCR 촉매 컨버터 상에 제공된다. 미립자 필터 내로 SCR 촉매 컨버터 체적을 (부분적으로) 통합하는 것을 통해, 배기가스 후처리 시스템에 의해 전체적으로 필요한 조립 공간은 EP-B-1 054 766에 따른 종래의 시스템보다 여전히 훨씬 더 작다.
배기가스 라인 내로 사전 조정된 AUS의 공급은 단지 종래의 공급 방법들에서보다 더 낮은 배기가스 온도에서 계량 공급만을 가능하게 하는 것은 아니다. 암모니아로 AUS의 처리를 위해 종래의 시스템들에서보다 더 낮은 열 에너지가 유입되기만 하면 되기 때문에, 이런 장점은, 계량 공급 임계 온도가 감소되지 않을 경우, 혼합 섹션의 단축을 위해 활용될 수 있다.
종래 기술에서 특히 승용차 적용 분야에서 기술되는 SCR 코팅형 필터를 포함한 시스템들은 전형적으로 능동적으로 재생되는데, 다시 말하면 예컨대 연료 후분사, 및 필터의 상류에 배치된 디젤 산화 촉매 컨버터를 통한, 결과로 발생한 탄화수소의 발열 변환에 의해 재생된다. 본 발명에 따른 방법에서는, 미립자 필터의 수동적 재생이 수행된다. 이를 위해, 미립자 필터의 전방에서 배기가스 내에 충분한 양의 NO2가 필요하다. 그러므로 그 상류에 배치된 산화 촉매 컨버터는 높은 NO 산화율을 보유해야 하며, 그럼으로써 SCR 코팅형 미립자 필터의 전방에서 배기가스 내에 0.5를 초과하는 NO2/NOx 비율이 존재하게 된다. 이런 경우에, SCR 코팅형 필터의 전방에서 배기가스 내에 1:1의 비율로 존재하는 NO2만이 SCR 반응("고속 SCR", 상이한 반응 속도에 유념!!)에서 완전하게 반응된다는 점으로부터 출발할 수 있다. 더욱이, 이를 초과하는 비율의 NO2는 CRT® 효과에 따르는 매연 연소에 이용되도록 제공된다.
최적의 작동 온도가 보다 낮을 경우, 대체되는 구성에서, 바람직하게는 제2 AUS 계량 공급 위치가 SCR 코팅형 미립자 필터와 유출 측 SCR/ASC의 사이에 배치될 수 있다. 그 다음, 광범위한 수동적 재생을 보장하기 위해, SCR 코팅형 필터의 전방에서 아화학량론적(substoichiometric) 양의 환원제가 공급된다. 잔여 탈질은 하류에 배치된 SCR/ASC 촉매 컨버터 내에서 제2 AUS 분사 후에 수행된다.
선택적 촉매 환원(영어: selective catalytic reduction, SCR)이란 개념은 난방 설비, 쓰레기 소각 설비, 가스 터빈, 산업 설비 및 엔진의 배기가스에서 질소산화물의 환원을 위한 기술을 지칭한다. SCR 촉매 컨버터에서 화학 반응은 선택적이며, 다시 말하면 바람직하게는 질소산화물(NO, NO2)이 환원되며, 그에 반해 (예컨대 삼산화황으로 이산화황의 산화와 같은) 의도치 않은 이차 반응은 실질적으로 억제된다.
반응의 진행을 위해서는, 첨가 혼합된 요소 수용액의 배기가스에서 유리되는 암모니아(NH3)가 필요하다. 반응의 생성물은 물(H2O)과 질소(N2)이다. 화학적 측면에서 볼 때, 반응은 질소를 생성하는 암모니아와 질소산화물의 균등화 반응(comproportionation)이다. 다양한 유형들의 촉매들이 존재한다. 한 유형은 실질적으로 이산화티타늄, 바나듐펜톡시드 및 이산화텅스텐으로 구성된다. 다른 유형은 제올라이트를 이용한다.
본 발명에 따른 방법은 SCR 촉매로 활성화되는 미립자 필터의 이용을 통해 미립자 필터 체적 내로 SCR 촉매 컨버터 체적의 적어도 일부분의 통합을 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 방법은, 요소 수용액의 사전 조정을 위한 장치 내에서, 예컨대 공랭식 내연기관의 냉각 리브(cooling rib)와 같은 고온의 엔진 부품들에서 요소 수용액(AUS)의 사전 조정을 제공한다. 추가의 바람직한 구성에 따라서, AUS의 사전 조정 내지 조정은 고에너지의 냉각제 및/또는 윤활제 유량의 영역에서 수행된다.
차량 기술에서, SCR 방법은, 디젤 차량의 경우 질소산화물 배출량을 감소시키기 위해 적용된다. 이런 기술에 의해, 상용차는 Euro-V 표준을 충족하고, 농업용 기계는 Tier 3b 표준을 충족하며, 승용차는 매우 엄격한 미국 BIN5 배기가스 표준 및 Euro-6 표준을 충족할 수 있다. 상기 기술은 배기가스 표준 US Tier 4 최종 단계 및 EU 단계 IV의 충족을 위해서도 이용된다.
SCR 반응을 위해 필요한 암모니아는 직접적으로, 다시 말하면 순수한 형태로 이용되는 것이 아니라, 배기가스 시스템 내에서 32.5%의 수성 요소 용액에서 생성된다. AUS의 조성은 DIN 70070에 규정되어 있다. 이런 수용액은 SCR 촉매 컨버터의 전방에서 배기가스 라인 내로 예컨대 계량 공급 펌프 또는 인젝터에 의해 분사된다. 요소 수용액으로부터는 가열분해 및 가수분해 반응을 통해 암모니아와 CO2가 생성된다. 이렇게 생성된 암모니아는 특별한 SCR 촉매 컨버터 내에서 상응한 온도 조건에서 배기가스 내의 질소산화물과 반응할 수 있다. 분사되는 요소의 양은 엔진의 질소산화물 배출량과 그에 따른 엔진의 순간 속도 및 그 토크에 따라 결정된다. 요소 수용액의 소모량은 엔진의 미처리 배기가스에 따라서 이용되는 디젤 연료의 양의 약 2 내지 8%에 달한다. 그러므로 상응하는 탱크 체적이 동반되어야 한다. 높은 NOx 감소율의 달성을 위해, 요소 수용액(AdBlue®)은 엔진의 질소산화물 배출량에 대해 적절한 비율로 계량 공급되는 것이 중요하다. SCR 촉매 컨버터는 소정의 한계까지 NH3을 저장할 수 있기 때문에, 계량 공급은 평균적으로 NOx 배출량에 상응해야 한다. 계량 공급이 너무 적다면, 질소산화물 감소의 효율은 감소하며, 너무 많은 요소가 첨가된다면, 그로부터 형성되는 암모니아는 NOx와 반응하지 않고 주변 환경에 도달할 수 있다. 암모니아는 톡 쏘는 냄새가 있고 이미 매우 적은 농도로도 감지될 수 있기 때문에, 이는 과량 공급 시 차량 근처에서 악취 피해를 유발할 수도 있다. 대개는 SCR 촉매 컨버터의 후방에 산화 촉매 컨버터를 장착함으로써 대책을 강구한다. 산화 촉매 컨버터는 암모니아 과량 공급 시 NH3를 다시 질소와 물로 변환시킨다. 이른바 암모니아 슬립을 방지할 수 있는 추가의 가능성으로서, 결과적으로 소정의 저장 기능을 확보하기 위해, 촉매 컨버터를 상대적으로 더 크게 설계할 수 있다.
가열분해는, 출발 물질이 가열을 통해 다수의 생성물로 분해되는 화학 반응이다. 열적 분해(=열분해)와 달리, 가열분해는 목표하는 방식으로 정의된 생성물들 또는 반응성 중간물질들을 제공하기 위해 이용된다.
가수분해는 물을 함유하는 화학적 화합물의 분해이다. 일반적으로 하기 화학식들이 적용된다.
요소의 가열분해:
(NH2)2CO → NH3 + HNCO(이소시안산)
결과로 생성되는 이소시안산의 가수분해:
HNCO + H2O → NH3 + CO2
질소산화물의 환원:
4NH3 + 4NO + O2 → 4N2 + 6H2O ("표준 SCR"),
2NH3 + NO + NO2 → 2N2 + 3H2O ("고속 SCR"),
4NH3 +3NO2 → 3.5N2 + 6H2O ("저속 SCR").
질소산화물 감소는 엔진 연소의 변동 없이 수행되며 그에 따라 디젤 엔진의 매우 우수한 효율을 유지한다.
축약어:
AdBlue 32.5%의 수성 요소 용액
EAT 배기가스 후처리
ASC 암모니아 슬립 촉매 컨버터
CRT 연속 재생 트랩
CSF 배기가스 성분들의 산화를 위한 코팅층을 포함한 미립자 필터
DOC 디젤 산화 촉매 컨버터
DPF 디젤 미립자 필터
NH3 암모니아
NOx 엔진 연소 동안 발생하는 질소산화물(NO, NO2, N2O 등)의 합
RR 반응 속도
SCR 선택적 촉매 환원
SDPF SCR 활성 코팅층을 포함한 디젤 미립자 필터
1 내연기관
2 배기가스 라인
3 요소-물-용액 탱크
5 DOC
6 SDPF
7 SCR
8 ASC
9 NOx 센서
10 실린더 헤드
11 이중 벽형 배기가스 튜브
12 액상 요소 이송 펌프
13 크랭크 케이스 내 워터 재킷
14 열교환기, 나선관 열교환기, 튜브 번들 열교환기
15 계량 공급 장치
16 혼합 섹션

Claims (7)

  1. 디젤 엔진 배기가스를 정화하기 위한 방법이며,
    a. 기상 잔류 탄화수소(HC) 및 일산화탄소(CO)를 이산화탄소(CO2)로 산화시키고 배기가스 내에 함유된 일산화질소(NO)를 이산화질소(NO2)로 적어도 부분적으로 산화시키기 위해 디젤 산화 촉매 컨버터(DOC)를 통해 정화할 배기가스를 통과시키는 방법 단계와,
    b. 단계 a.)의 결과로 생성된 배기가스에, 엔진에서 사전 조정된, 다시 말해 80 ~ 90℃로 가열된 요소 수용액(AUS)을 첨가하고, 가열분해 및 가수분해를 통해 첨가된 요소에서 암모니아를 유리시키는 방법 단계와,
    c. 배기가스 내에 함유된 입자 및 배기가스 내에 함유된 질소산화물을 감소시키기 위해 SCR 촉매로 활성화되는 미립자 필터(SDPF)를 통해 단계 b.)의 결과로 생성된 배기가스를 통과시키는 방법 단계와,
    d. 암모니아 잔류 함량을 감소시키기 위해 선택형 암모니아 산화 촉매 컨버터(ASC)를 통해 단계 c.)의 결과로 생성된 배기가스를 통과시키는 방법 단계를
    포함하는 디젤 엔진 배기가스의 정화 방법.
  2. 제1항에 있어서, 단계 c.)의 결과로 생성된 배기가스는, 단계 d.)에서 선택형 암모니아 산화 촉매 컨버터(ASC)를 통해 통과하기 전에, 우선 SCR 촉매로 활성화되는 미립자 필터와 ASC 사이에 배치되는 추가의 SCR 촉매 컨버터를 통해 안내되는 것을 특징으로 하는, 디젤 엔진 배기가스의 정화 방법.
  3. 제1항에 있어서, 단계 a.)의 결과로 생성된 배기가스 내에서 NOx에서 단계 a.)에서 생성된 NO2의 비율은 50%를 초과하는 것을 특징으로 하는, 디젤 엔진 배기가스의 정화 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, SCR 촉매로 활성화되는 미립자 필터(SDPF)는 수동적 재생 개념으로 작동되는 것을 특징으로 하는, 디젤 엔진 배기가스의 정화 방법.
  5. 제4항에 있어서, SDPF 내에서 침착된 매연 입자의 산화는 적어도 부분적으로, 단계 a.)에서 생성된 NO2로 수행되는 것을 특징으로 하는, 디젤 엔진 배기가스의 정화 방법.
  6. 제2항에 있어서, SCR 촉매로 활성화되는 미립자 필터와 그 하류에 배치되는 추가의 SCR 촉매 컨버터 사이에, 사전 조정된, 다시 말해 80 ~ 90℃로 가열된 요소 수용액(AUS)을, 단계 c.)의 결과로 생성된 배기가스에 공급하는 제2 계량 공급 위치가 개재되는 것을 특징으로 하는, 디젤 엔진 배기가스의 정화 방법.
  7. 제6항에 있어서, SCR 촉매로 활성화되는 미립자 필터의 탈질 효율은 단계 b.)에서 공급되는 요소 수용액의 양의 제한을 통해 제한되는 것을 특징으로 하는, 디젤 엔진 배기가스의 정화 방법.
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