KR20150123942A - 희박 연소 엔진용 사이클론 미립자 여과 - Google Patents

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조지프 에이. 팻쳇
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Abstract

미립자 물질을 함유하는 희박 연소 엔진 배기 가스 스트림으로부터 가연성 미립자 물질 및 비가연성 미립자 물질을 제거하기 위한 미립자 여과 장치(10)가 제공된다. 장치는 가연성 미립자 물질을 포획 및 응집시키도록 설계된 내벽(40) 상의 조면화 표면을 갖는 사이클론 본체(20)를 포함한다. 선택적 촉매 환원 촉매, 암모니아 산화 촉매, 가수분해 촉매, 산화 촉매, 삼원 촉매, 및 그의 조합으로부터 선택되는 촉매가 조면화 표면 상에 코팅될 수 있다. 또한, 배기 가스 스트림을 처리하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다.

Description

희박 연소 엔진용 사이클론 미립자 여과 {CYCLONE PARTICULATE FILTRATION FOR LEAN BURN ENGINES}
본 발명은 희박 연소 엔진 배기 가스 스트림으로부터 가연성 미립자 및 비가연성 미립자를 제거하기 위한 미립자 후처리 장치의 분야에 관한 것이다. 구체적인 실시양태는 사이클론 본체(cyclone body)를 사용하는 특정 여과 장치, 시스템 및 방법에 관한 것이다.
희박 연소 엔진, 예를 들어 디젤 엔진 및 희박 연소 가솔린 엔진의 작동은 연료 희박 조건(fuel lean condition) 하에서 높은 공기/연료 비율에서의 그의 작동으로 인해서 사용자에게 우수한 연료 경제성을 제공한다. 특히, 디젤 엔진은 또한 그의 연료 경제성, 내구성 및 낮은 속도에서 높은 토크를 생성하는 그의 능력의 관점에서 가솔린 엔진보다 상당한 이점을 제공한다.
규제 제어되는 디젤 엔진 배기물의 성분은 미립자 물질 (PM), 산화질소 (NOx), 미연소 탄화수소 (HC), 일산화탄소 (CO) 및 최근에는 지구 온난화에 기여하는 가스이다. NOx는 일산화질소 (NO) 및 이산화질소 (NO2)를 비롯한 산화질소의 다양한 화학종을 기술하기 위해서 사용되는 용어이다. 규제에 따라서, 촉매 조성물 및 그 조성물이 배치된 기재가 디젤 엔진 배기 시스템에 제공되어 이러한 배기 성분을 무해한 성분으로 전환시킨다.
디젤 배기물의 총 미립자 물질 방출물은 3가지 주 성분으로 구성된다. 한 성분은 고체이고 무수인 고체 탄소질 분획 또는 그을음 분획이다. 이러한 무수 탄소질 물질은 디젤 배기물에 공통적으로 연관된 가시적인 그을음 방출물에 기여한다. 미립자 물질의 제2 성분은 가용성 유기 분획 ("SOF")이다. SOF는 디젤 배기물의 온도에 따라서 증기로서 또는 에어로졸 (액체 응축물의 미세 소적)로서 디젤 배기물 내에 존재할 수 있다. 표준 측정 시험, 예컨대 "U.S. Heavy Duty Transient Federal Test Procedure"에 의해서 규정된 바와 같이, 그것은 일반적으로 희석 배기물에서 52℃의 표준 미립자 수집 온도에서 응축된 액체로서 존재한다. 이러한 액체는 두 공급원 즉, 1) 피스톤이 상하 온동할 때마다 엔진의 실린더 벽으로부터 휩쓸려온 윤활유; 및 2) 연소되지 않거나 또는 부분적으로 연소된 디젤 연료로부터 발생한다.
미립자 물질의 제3 성분은 술페이트 분획이다. 술페이트 분획은 연료 또는 윤활유 내의 황 함유 화합물의 산화로부터 형성된다. 산화된 황은 배기물 중의 물과 신속하게 조합되어 황산을 형성한다. 황산은 에어로졸로서 미립자와 함께 응축된 상으로 수집되거나 또는 다른 미립자 성분 상에 흡착되어 총 미립자 물질의 질량을 증가시킨다.
미립자 물질 방출 표준은 보다 엄격해지고, 미립자 수 방출 표준이 도입되기 때문에, 디젤 미립자 필터의 여과 효율성이 증가되는 것이 필요할 것이라고 여겨진다. 그러나, 여과 효율의 증가는 더 높은 압력 강하를 유발한다. 대안적으로, 엔진 제조자는 엔진에서 나오는 NOx 방출을 증가시켜서, 미립자 방출물을 감소시킬 수 있고, 90% 미만의 여과 효율을 갖는 필터가 그 표준을 충족시킬 수 있다. 중국 및 브라질과 같은 신흥 시장에서 미립자 여과 응용은 높은 여과 효율성을 요구하지 않을 수 있다.
자동차, 트럭 및 버스를 위한 이동식 디젤 응용에서 사용되는 가장 일반적인 미립자 필터는 벽 유동형 세라믹 필터(wall flow ceramic filter)이고, 이것은 유입구 단부(end) 및 유출구 단부 상에 대안적으로 블로킹된 채널을 한정하는 종 방향으로 연장한 벽을 갖는 허니콤 기재(honeycomb substrate)를 포함한다. 가스가 허니콤 기재를 통해 강제로 통과된다.
사이클론 입자 수집은 가속화될 때 미립자와 가스의 관성 질량 차이를 기초로 하는 미립자의 제거를 포함한다. 전통적인 사이클론은 본질적으로 중력 가속도가 원심 분리력에 의해서 대체되는 정치 챔버이고, 여기서 가속도는 회전 이동에 의해서 수득된 2500 g만큼 클 수 있다. 입자를 분리 및 수집하는 사이클론의 능력은 특정 사이클론 설계, 가스의 특성 및 가스 입자의 특성, 가스에 함유된 먼지의 양 및 입자의 크기 분포에 좌우된다. (SAE 2005-01-3695) 전형적으로 사이클론에 의해서 효과적으로 취급되는 입자는 적어도 5 마이크로미터의 평균 입자 크기를 갖는다. 사이클론은 일반적으로 그의 가스 유입구 설계, 먼지 방출 설계, 그의 가스 취급 능력, 수집 효율 및 그의 배열에 따라서 분류된다. 가장 일반적으로 사용되는 사이클론은 중간 효율의 높은 가스 처리량 (종래의) 사이클이다. 이러한 유형의 사이클론은 수집 효율 및 공간 요건이 주요 고려 사항이 아닌 경우 조대 입자를 수집하기 위해서 주로 사용된다. 10 μm 입자에 대한 종래의 사이클론의 수집 효율은 일반적으로 50 내지 80%이다.
전형적으로 디젤 미립자는 약 0.5 마이크로미터의 평균 입자 크기를 갖는 미립자이고, 대부분의 디젤 미립자는 크기가 1 마이크로미터 미만이다. 더욱이, 디젤 미립자는 탄소질이고, 탄소질 입자는 낮은 비중을 갖는다. 따라서, 입자 수집 및 제거를 위한 전형적인 사이클론 배열은 희박 연소 엔진 배기물로부터 충분한 양의 미립자를 제거하기 위해서 요구되는 미립자 제거에 효과적이지 않을 것이다.
따라서, 희박 연소 엔진 배기물, 특히 디젤 엔진 배기물의 배기 가스 스트림으로부터 작은 미립자 물질을 제거할 수 있는 미립자 여과 장치에 대한 필요성이 존재한다. 현재 사용되는 벽 유동형 필터 또는 다른 부분 필터와 비교해서, 양호한 여과 효율%를 지속적으로 전달하고, 비교적 낮은 압력 강하에서 작동하고, 그의 수명에 걸쳐서 플러깅(plugging)에 민감하지 않을 수 있는 필터를 제공하는 것이 바람직할 것이다.
발명의 개요
본 발명의 제1 측면에서, 실시양태는 미립자 물질을 함유하는 희박 연소 엔진 배기 가스 스트림으로부터 가연성 미립자 물질 및 비가연성 미립자 물질을 제거하기 위한 미립자 여과 장치에 관한 것이다. 하나 이상의 실시양태에서, 장치는 사이클론 본체; 미립자를 함유하는 배기 가스를, 가연성 미립자 물질을 내벽 상에서 포획 및 응집시키도록 설계된 조면화 표면(roughened surface)을 갖는 내벽, 및 외벽을 갖는 사이클론 본체와 유동 소통하게 위치시키기 위한 유입구; 사이클론 본체와 유동 소통하고, 사이클론 본체로부터의 하류에 존재하는 유출구; 사이클론 본체의 바닥의 미립자 수집기; 및 유입구의 내벽의 조면화 표면 상에 포획되거나 또는 미립자 수집기 내에 포획된 미립자 물질을 연소시키기 위한 미립자 물질 소각로를 포함한다.
하나 이상의 실시양태에서, 내벽의 조면화 표면은 조면화 표면에서 국지적으로 더 높은 가스 압력을 제공할 수 있고, 촉매가 선택되는 화학 반응은 조면화 표면에 인접한 국지적으로 높은 가스 압력으로 인해서 그 반응이 상이한 속도로 진행되는 것이다.
하나 이상의 실시양태에서, 미립자 여과 장치는 사이클론 본체의 내벽의 겨친 표면 상에 촉매를 추가로 포함한다. 촉매는 선택적 촉매 환원 촉매(selective catalytic reduction catalyst), 암모니아 산화 촉매, 가수분해 촉매, 산화 촉매, 삼원(three-way) 촉매, 및 그의 조합으로부터 선택될 수 있다.
하나 이상의 실시양태에 따라서, 외벽 및 내벽은 세라믹, 금속, 복합재, 또는 그의 조합을 포함한다.
하나 이상의 실시양태에서, 미립자 물질 소각로는 미립자 물질을 연소시키기에 충분한 온도를 생성하는 가열 메커니즘을 포함한다. 미립자 물질 소각로는 미립자 물질의 연소를 촉진하기 위한 촉매 재료를 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 측면의 실시양태는 희박 연소 엔진의 배기 가스 스트림을 정제하기 위한 시스템에 관한 것이고, 그 시스템은 하나 이상의 실시양태의 미립자 여과 장치, 및 미립자 여과 장치의 상류 또는 하류에 존재하는 적어도 하나의 촉매 물품을 포함한다. 시스템은 벽 유동형 필터를 추가로 포함할 수 있다. 벽 유동형 필터는 적어도 하나의 촉매 재료를 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시양태에서, 시스템은 미립자 여과 장치와 벽 유동형 필터 사이에 배치된 적어도 하나의 촉매 물품을 추가로 포함한다. 벽 유동형 필터는 질량 기준으로 90%를 초과하는 여과 효율을 갖는 벽 유동형 필터일 수 있다.
하나 이상의 실시양태에서, 시스템에서 사이클론 본체의 내벽은 그 위에 배치된 촉매를 포함한다.
하나 이상의 실시양태에 따라서, 시스템에서 사이클론 본체의 유출구는 사이클론의 바닥의 미립자 수집기와 유동 소통한다. 하나 이상의 실시양태에서, 장치를 통해서 여과된 배기 가스 중 적어도 일부는 여과된 배기 가스를 시스템을 통해 재안내하는 배기 가스 재순환 밸브를 통해 안내된다.
본 발명의 제3 측면에서, 공동 유입구 및 유출구 매니폴드(manifold)에 연결된 다수의 사이클론 본체가 존재한다. 하나 이상의 실시양태에서, 촉매는 환원제의 존재 하에서 산화질소의 환원을 위한 선택적 촉매 환원 촉매를 포함한다.
본 발명의 추가 측면의 실시양태는 미립자를 함유하는 희박 연소 엔진 배기 가스 스트림으로부터 가연성 미립자 물질 및 비가연성 미립자 물질을 제거하기 위한 미립자 여과 장치에 관한 것이다. 하나 이상의 실시양태에서, 장치는 사이클론 본체; 미립자를 함유하는 배기 가스를, 미립자 물질을 내벽 상에서 포획, 응집 및 여과하도록 설계된 조면화 및 다공성 표면을 갖는 내벽, 및 외벽을 갖는 사이클론 본체와 유동 소통하게 위치시키기 위한 유입구; 사이클론 본체와 유동 소통하고, 사이클론 본체로부터의 하류에 존재하고, 여과된 가스의 일부를 다공성 표면을 통해 추출하기 위한 유출구; 사이클론 본체에 인접한 미립자 수집기; 및 사이클론 본체의 내벽의 조면화 및 다공성 표면 상에 포획되거나 또는 미립자 수집기 내에 포획된 미립자 물질을 연소시키기 위한 미립자 물질 소각로를 포함한다.
하나 이상의 실시양태에서, 사이클론 본체는 사이클론 본체의 내벽의 조면화 및 다공성 표면 상에 촉매를 포함한다. 촉매가 선택되는 화학 반응은 그 반응이 조면화 및 다공성 표면에 인접한 국지적으로 더 높은 가스 압력으로부터 이득을 보도록 하는 것이다. 하나 이상의 실시양태에 따라서, 촉매는 선택적 촉매 환원 촉매, 암모니아 산화 촉매, 가수분해 촉매, 산화 촉매, 삼원 촉매, 및 그의 조합으로부터 선택된다.
하나 이상의 실시양태에서, 외벽 및 내벽은 세라믹, 금속, 복합재, 또는 그의 조합을 포함한다.
하나 이상의 실시양태에 따라서, 미립자 물질 소각로는 미립자 물질을 연소시키기에 충분한 온도를 생성하는 가열 메커니즘을 포함한다. 미립자 물질 소각로는 미립자 물질의 연소를 촉진하기 위한 촉매 재료를 포함할 수 있다.
본 발명의 더 추가의 측면의 실시양태는 희박 연소 엔진의 배기 가스 스트림을 정제하기 위한 시스템에 관한 것이고, 그 시스템은 사이클론 본체; 미립자를 함유하는 배기 가스를, 미립자 물질을 내벽 상에서 포획, 응집 및 여과하도록 설계된 조면화 및 다공성 표면을 갖는 내벽, 및 외벽을 갖는 사이클론 본체와 유동 소통하게 위치시키기 위한 유입구; 사이클론 본체와 유동 소통하고, 사이클론 본체로부터의 하류에 존재하고, 여과된 가스의 일부를 다공성 표면을 통해 추출하기 위한 유출구; 사이클론 본체에 인접한 미립자 수집기; 및 사이클론 본체의 내벽의 조면화 및 다공성 표면 상에 포획되거나 또는 미립자 수집기 내에 포획된 미립자 물질을 연소시키기 위한 미립자 물질 소각로를 포함하는 미립자 여과 장치, 및 미립자 여과 장치의 상류 또는 하류에 존재하는 적어도 하나의 촉매 물품을 포함한다.
하나 이상의 실시양태에서, 시스템은 벽 유동형 필터를 추가로 포함한다. 벽 유동형 필터는 적어도 하나의 촉매 재료를 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시양태에서, 시스템은 미립자 여과 장치와 벽 유동형 필터 사이에 배치된 적어도 하나의 촉매 물품을 추가로 포함한다. 벽 유동형 필터는 질량 기준으로 90%를 초과하는 여과 효율을 갖는 벽 유동형 필터일 수 있다.
하나 이상의 실시양태에서, 시스템에서 사이클론 본체의 내벽은 그 위에 배치된 촉매 재료를 포함한다. 하나 이상의 실시양태에서, 유출구에서 미립자 여과 장치의 유출구는 장치를 통해서 여과된 배기 가스를 유출구 단부를 통해서 시스템 외부로 안내하는 배기 가스 도관과 유동 소통한다.
하나 이상의 실시양태에서, 시스템에서 장치를 통해서 여과된 배기 가스 중 적어도 일부는 여과된 배기 가스를 시스템을 통해 재안내하는 배기 가스 재순환 밸브를 통해 안내된다.
본 발명의 상기 언급된 특징부가 달성되고, 상세하게 이해될 수 있는 방식을 위해서, 상기에 간략하게 요약된 본 발명의 보다 특별한 설명은 첨부된 도면에서 예시된 그의 실시양태를 참고로 할 수 있다. 그러나, 첨부된 도면은 본 발명의 단지 전형적인 실시양태를 예시하고, 따라서 그의 범주의 제한으로서 간주되어서는 안되고, 본 발명에 대해서 다른 동등하게 효과적인 실시양태를 허용할 수 있다는 것을 주목해야 한다.
도 1은 본 발명의 실시양태에 따른 미립자 여과 장치의 단면도이고;
도 2는 실시양태에 따른 미립자 여과 장치의 단면도이고;
도 3은 실시양태에 따른 미립자 여과 장치의 단면도이고;
도 4는 실시양태에 따른 미립자 여과 장치의 단면도이고;
도 5는 본 발명의 실시양태에 따른 희박 연소 엔진의 배기 가스 스트림을 정제하기 위한 시스템의 개략도이고;
도 6은 실시양태에 따른 희박 연소 엔진의 배기 가스 스트림을 정제하기 위한 시스템의 개략도이고;
도 7은 실시양태에 따른 희박 연소 엔진의 배기 가스 스트림을 정제하기 위한 시스템의 개략도이고;
도 8은 실시양태에 따른 희박 연소 엔진의 배기 가스 스트림을 정제하기 위한 시스템의 개략도이고;
도 9는 실시양태에 따른 미립자 여과 장치의 단면도이고;
도 10은 실시양태에 따른 미립자 여과 장치의 단면도이고;
도 11은 실시양태에 따른 미립자 여과 장치의 단면도이고;
도 12는 실시양태에 따른 희박 연소 엔진의 배기 가스 스트림을 정제하기 위한 시스템의 개략도이다.
본 발명의 몇몇 예시적인 실시양태를 기술하기 전에, 기술된 실시양태는 본 발명의 원리 및 응용의 단지 예시임을 이해해야 한다. 따라서, 개시된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않으면서, 예시적인 실시양태에 다수의 개질이 수행될 수 있고, 다른 배열이 고안될 수 있음을 이해해야 한다.
본 명세서에서 사용된 용어와 관련하여, 하기 정의가 제공된다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "미립자 물질"은 희박 연소 엔진의 배기 가스에서 발견되는 고체 입자와 액체 소적의 혼합물을 정의하는 데 사용된다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "상류" 및 "하류"는 엔진으로부터 테일파이프(tailpipe)로 향하는 엔진 배기 가스 스트림의 유동에 따른 상대적인 방향을 지칭하고, 엔진이 상류 위치에 존재하고, 테일 파이프 및 임의의 오염 저감 물품, 예컨대 필터 및 촉매는 엔진의 하류에 존재한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "스트림"은 넓게는 고체 또는 액체 미립자 물질을 함유할 수 있는 유동 가스의 임의의 조합을 지칭한다. 용어 "가스 스트림" 또는 "배기 가스 스트림"은 가스 구성성분, 예컨대 희박 연소 엔진의 배기물의 스트림을 의미하고, 이것은 비말동반된(entrained) 비-가스 성분, 예컨대 액체 소적, 고체 미립자 등을 함유할 수 있다. 희박 연소 엔진의 배기 가스 스트림은 전형적으로는 연소 생성물, 불완전 연소 생성물, 산화질소, 가연성 미립자 물질 및/또는 탄소질 미립자 물질 (그을음), 및 미반응 산소 및 질소를 추가로 포함한다.
하기에 추가로 기술될 바와 같이, 본 발명의 실시양태에 따라서, 미립자 물질을 함유하는 배기 가스는 원통형 또는 원뿔형 챔버 및 외부 분리기 벽을 포함하는 사이클론 본체에 들어가고, 중앙 개구부를 통해서 나온다. 배기 스트림 내의 미립자 물질은 그의 관성에 의해서 외부 분리기 벽을 향해서 이동하는 경향이 있을 것이다. 전통적인 사이클론 응용에서, 사이클론 본체는 본질적으로는 중력 가속도가 원심 분리력에 의해서 대체되는 정치 챔버로서 기능한다. 미립자 물질의 회전 이동에 의해서 충분한 강도의 원심력이 수득된다.
사이클론 분리기 또는 사이클론을 평가하는 경우, 2가지 성능 파라미터, 즉, 수집 또는 분리 효율 및 사이클론 전체의 전체 압력 강하가 일반적으로 고려된다. 분리 효율은 그것에 들어간 것에 대해서, 사이클론에 의해서 수집된 입자의 분율로서 정의된다. 분리 효율은 입자 크기에 따라서 달라지고, 5 μm보다 큰 입자의 경우 99%만큼 높을 수 있지만, 더 작은 입자 크기의 경우 일반적으로 더 낮다. 분리 효율을 상승시키기 위해서, 사이클론의 기하학적 파라미터가 조정되어 양호한 성능을 성취해야 한다. 그러나, 사이클론의 효율을 증가시키는 것은 종종 사이클론 전체의 압력 강하를 상승시키는 희생을 가져온다. 압력 강하와 분리 효율 간의 관계는 마찰력과 원심력 간의 균형을 나타내고, 여기서는 다른 것이 희생된다.
더러운 배기 가스를 스피닝(spinning)시키는 것은 더 무거운 미립자를 사이클론 벽으로 그리고 벽의 아래로 수집 지점으로 밀어낸다. 효과적이기 위해서, 미립자 질량은 가스 매질과 상이해야 하는데, 이것은 효과적인 여과를 위한 밀도 및 입자 크기에 대한 제한을 내포한다. 무기 미립자의 경우, 일반적으로 허용되는 최소 미립자 크기는 약 5 μm이다. 더 작은 미립자를 분리하는 것이 가능하지만, 더 높은 압력 손실을 갖는다. 디젤 미립자는 직경이 평균 약 0.5 마이크로미터이고, 미립자의 90%가 1 마이크로미터 미만이다. 응집된 입자 밀도는 그의 크기 범위에 따라서 전형적으로 0.2 내지 1.5 g/cm³범위이지만, 비교를 위해서 배기 가스는 0.2 내지 1.4 mg/cm³범위의 밀도를 갖는다고 추정될 수 있다. 따라서, 전통적인 사이클론은 유의한 입자 제거를 제공한다고 예상될 수 없을 것이다.
공지된 사이클론 개념은 입자가 적재된 가스 스트림으로부터 입자를 분리할 것이지만, 입자 분리와 추가적인 기능성의 조합이 추가적인 입자 침착, 입자 응집, 입자 상호작용, 및 촉매를 포함한 화학 반응, 및 촉매를 포함하지 않는 화학 반응을 다룬다는 것을 발견하였다. 촉매를 포함한 화학 반응 및 촉매를 포함하지 않는 화학 반응은 사이클론의 원심분리 분야에서 더 높은 국지적인 가스 압력으로부터 이득을 볼 수 있다. 부가로서, 가스 유동의 일부가 사이클론 본체 벽에 인도되고, 그러면 이것은 다공성일 필요가 있고, 따라서 입자 침착 효율이 추가로 증가될 수 있다. 사이클론 본체 벽 출구를 더 낮은 압력 구역에 연결하는 것이 벽을 통한 유동을 위한 추진력일 것이다. 사이클론을 세정하기 위해서, 열 처리를 통해서, 또는 촉매에 의해서 직접적으로 또는 간접적으로 지지되는 사이클 내의 입자 산화 방법이 사이클론의 요구된 장기간 작동을 위해서 필요하다. 몇몇 시스템 배열이 각각의 사이클론이 본 발명에 따르는 다중 사이클론 배열에 의해서, 또는 벽 유동형 필터 장치와 조합되어 비교적 낮은 압력 강하에서 전체 입자 여과 효율성을 증진시키도록 주로 설계된다.
본 발명의 실시양태에 따라서, 사이클론 내의 미립자 제거 메커니즘이 하기에 기재된 바와 같이 증대되는 경우, 희박 연소 엔진에서의 미립자 제거가 효과적이고 효율적이 된다. 하나 이상의 실시양태에서, 희박 연소 엔진용 미립자 제거 장치는 충돌 메커니즘(impaction mechanism)을 사용하여 미립자 물질을 수집하는 사이클론 본체의 내벽 상에 조면화 표면을 제공하는 것을 포함한다. 사이클론에서 가스 스피닝에 의해서 생성된 원심력은 엔진 배기물 내의 가스와 미립자 혼합물을 사이클론 벽으로 밀어내어 조면화 표면과, 가스와 미립자 혼합물 간의 접촉을 증진시킨다. 그을음은 조면화 표면 상에 수집되고, 응집되어 사이클론에 의해서 쉽게 분리되는 더 큰 입자를 생성한다. 하나 이상의 실시양태에서, 열 소각 메커니즘 또는 촉매 소각 메커티즘을 사용하여 미립자를 제거한다.
사이클론 본체의 조면화 벽은 미립자 제거를 위한 추가 메커니즘을 생성한다. 따라서, 전통적인 사이클론의 입자 크기 한계치가 희박 연소 엔진 배기 가스 스트림에서 미립자 필터로서 작용할 사이클론이 제공될 수 있을 정도로 감소될 수 있다. 조면화 표면은 미립자를 사이클론에 의해서 제거하기에 보다 효과적일 크기 범위로 응집시키는 작용을 한다. 조면화 표면은 또한 촉매 코팅을 배치하기 위한 표면을 제공한다.
표면 조도는 다수의 방식으로 정의될 수 있다. 바우크(Vauck) 및 물러(Muller)는 그들의 문헌 ["Grundoperatiuonen chemischer Verfahrenstechnik" 11th edition published by Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie, Stuttgart 2000]에서 k=nd로서 정의된 인자 k를 사용하여 조도를 정의하고, 여기서, n은 표면의 상대적인 조도이고, d는 표면의 특성이다. 특성 k는 길이의 단위, 전형적으로 밀리미터를 갖는다. 매끄러운 것으로서 간주되는 재료, 예컨대 유리, 플라스틱 및 신강재(new steel)에 대한 k의 값은 0.1 mm 미만이다. 조면화된 것으로 간주되는 재료, 예를 들어 부식된 강철(corroded steel) 및 콘크리트는 0.3 mm을 초과하는 k 값을 갖는다. 본 발명을 위해서 고안된 코팅은 0.5를 초과하는 k 값을 가질 것이다.
회전 배기 가스에 의해서 유발된 원심력은 가스 및 미립자를 조면화 벽으로 밀어내어, 보다 양호한 물질 전달 및 미립자와 촉매 간의 친밀한 접촉을 촉진한다. 촉매가 사이클론 본체의 벽의 조면화 표면 상에 포함되는 경우, 원심력은 촉매에 바로 인접한 가스 압력을 증가시킨다.
상기에 논의된 바와 같이, 미립자 물질에 더하여, 디젤 엔진의 배기 가스 내에서 제거될 오염물은 탄화수소 (HC), 일산화탄소 (CO) 및 산화질소 (NOx)를 포함한다. NOx는 린 NOx 트랩 (lean NOx trap) (LNT), 선택적 촉매 환원 (SCR), 또는 그의 조합에 의해서 제거될 수 있다. NOx 저감 촉매는 린 NOx 트랩 (LNT) 또는 SCR 촉매일 수 있다. LNT는 비금속(base metal) 및 백금족 금속, 예컨대 백금, 팔라듐, 로듐 또는 그의 조합을 포함한다. SCR 촉매는 배기 가스 스트림 내의 환원제와 함께 작용하여 환원 반응에 의해서 NOx를 감소시킨다.
도 1을 참고하면, 하나 이상의 실시양태에서, 미립자를 함유하는 희박 연소 엔진 배기 가스 스트림으로부터 가연성 미립자 물질 및 비가연성 미립자 물질을 제거하기 위한 미립자 여과 장치(10)는 주 본체(18) 및 원뿔형 부분(22)을 포함하는 사이클론 본체(20)를 포함한다. 주 본체(18)는 일반적으로 원통형 형상이고, 일반적으로 원뿔형 형상인 원뿔형 부분(22)과 근접하다. 사이클론 본체(20)는 상부 부분(12) 및 하부 부분(14)을 포함한다. 유입구(50)가 상부 부분(12)에 제공되어 있고, 유입구는 미립자 물질을 함유하는 엔진 배기 가스를 사이클론 본체(20)와 유동 소통하게 위치시키도록 희박 연소 엔진 배기물 도관에 연결될 수 있는 도관이다. 유입구는 금속 또는 임의의 다른 적합한 재료로부터 제조될 수 있다. 사이클론 본체(20)는 외벽(30) 및 내벽(40)을 갖고, 이것은 재료, 전형적으로는 금속 또는 세라믹 재료의 단일 시트에 의해서 제공될 수 있다. 내벽(40)은 미립자 물질을 내벽(40) 상에서 포획 및 응집시키도록 설계된 조면화 표면(60)을 갖는다. 사이클론 본체의 내벽(40)의 조면화 표면은 임의의 적합한 기술, 예를 들어 플라즈마 분무, 또는 아크 분무 및 열 소결에 의해서 제공될 수 있다. 조면화 표면을 생성하기 위한 코팅의 예는 갈리간(Galligan) 등의 미국 특허 출원 2004/0009106, 2005/0163677, 2001/0027165, 및 2002/0128151에 기술되어 있다. 하나 이상의 실시양태에 따라서, 코팅은 그을음을 축적하고 사이클론 본체의 벽과의 상호작용을 촉진하도록 설계된다. 하나 이상의 실시양태에서, 촉매가 사이클론 본체의 내벽의 조면화 표면 상에 혼입될 수 있다. 촉매는 상기에 기술된 바와 같은 선택적 촉매 환원 촉매, 내화성 산화금속 지지체 상에 백금족 금속, 예컨대 백금, 팔라듐 또는 로듐, 또는 그의 조합을 포함하는 암모니아 산화 촉매, 가수분해 촉매, 산화 촉매, 삼원 촉매, 및 그의 조합을 포함할 수 있다. 촉매는 NO의 산화를 촉진하도록 설계될 수 있지만, 다른 촉매가 가능하다. 예를 들어, 일부 디젤 그을음 산화 촉매는 그을음과 촉매 간의 직접적인 접촉에 의존한다. 하나 이상의 실시양태에 따른 미립자 여과 장치는 촉매와 그을음 간의 접촉을 증진시킨다.
미립자 여과 장치를 사용한 미립자 제거를 추가로 개선시키기 위한 추가 기술은 정전기, 열영동(thermophoretic), 및 사이클론 유입구에서 액체 주입에 의해서 입자를 굵어지게 하는 것을 포함한다. 후자는 사이클론이 우레아 용액 기재 SCR 촉매와 조합되는 경우 사용될 수 있다.
장치(10)는 상부 부분(12)으로부터 연장되는 유출구(70)를 추가로 포함하고, 유출구(70)는 사이클론 본체(20)와 유동 소통하고, 사이클론 본체로부터의 하류에 존재한다. 유출구(70)는 임의의 적합한 도관, 예컨대 금속 도관일 수 있다. 사이클론 본체(20)의 원뿔형 섹션(22)의 하부 부분(14) 상에는 미립자 수집기(80)가 위치될 수 있다. 미립자 수집기(80)는 희박 연소 엔진 환경에서 장기간 사용하기 위해서 설계된 임의의 적합한 재료, 예컨대 금속 또는 세라믹일 수 있다. 사이클론 본체(20)의 내벽(40)의 조면화 표면(60) 상에 포획되거나 또는 미립자 수집기(80)에 포획된 미립자 물질은 내벽(40) 또는 미립자 수집기(80)의 내부 상의 촉매 코팅을 사용하여 소각될 수 있다. 촉매 코팅에 더하여, 수집기(80) 내에 그리고/또는 내벽(40) 상에 수집된 미립자 물질은 장치(10)의 상류에서 발열을 생성함으로써 주기적인 재생에 의해서 연소될 수 있다. 발열은 백금족 금속 촉매를 사용하여 다량의 연료를 태움으로써 생성될 수 있다.
도 2를 참고하면, 이것은 하기에 기술된 바와 같이 촉매 재료가 내벽 상에 제공된 것을 제외하고는, 도 1에 도시된 실시양태와 유사하다. 하나 이상의 실시양태에서, 사이클론 본체(20)는 희박 연소 엔진 배기 스트림으로부터 미립자 물질을 포획하고/하거나 촉매를 지지할 수 있는 조면화 내벽(40)을 포함한다. 하나 이상의 실시양태에서, 사이클론 본체(20)는 사이클론 본체(20)의 내벽(40)의 조면화 표면(60) 상에 촉매(25)를 포함한다. 촉매(25)는 선택적 촉매 환원 촉매, 암모니아 산화 촉매, 가수분해 촉매, 산화 촉매, 삼원 촉매, 및 그의 조합으로부터 선택될 수 있다. 촉매는 다양한 기술, 예컨대 침지 코팅, 분무-건조 및/또는 워시코팅에 의해서 적용될 수 있는 코팅 형태로 존재할 수 있다. 액체 비히클 중의 산화물 입자의 현탁액인 슬러리를 표면에 적용하고, 이어서 적용된 슬러리를 건조/하소하여 목적하는 두께 및 조성의 워시코트를 형성함으로써 워시코트가 수득되어, 목적하는 반응을 촉진한다. 하나 이상의 실시양태에서, 촉매는 특정 수집기 및/또는 벽 내에 수집된 그을음을 열적으로 연소시키기 위한 미립자 소각로로서 기능한다.
대안의 실시양태에서, 촉매 코팅에 더하여 또는 촉매 코팅 대신에, 추가적인 미립자 소각 수단이 사용될 수 있다. 도 2에 도시된 실시양태와 유사한 도 3을 참고하면, 추가적인 열이 필요한 경우, 버너(burner) 또는 전기 가열기가 미립자 물질 소각로(90)에 구비된다. 그러한 버너 또는 가열기는 수집된 미립자 물질을 연소시키기에 충분한 열을 제공하기 위해서 수집기 및/또는 주 본체에 근접하게 놓인 전기 가열기 또는 다른 적합한 열원일 수 있다.
도 3과 유사한 도 4를 참고하면, 소각은 미립자 물질 소각로(90) 내의 촉매(92)에 의해서 추가로 증가될 수 있다. 미립자 물질 소각로(90)는 비가연성 미립자의 주기적인 세정을 위해서 개방될 수 있다. 사이클론 본체(20)의 하부 부분(14)은 미립자 수집기(80)와 함께 작동되는 다공성 막일 수 있다. 미립자 수집기(80)는 사이클론 방법으로부터 미립자를 축적할 수 있어서, 미립자 수집기(80)는 비가연성 미립자의 주기적인 세정을 위해서 개방될 수 있다.
하나 이상의 실시양태에서, 사이클론의 조면화 내벽 상의 촉매로서 사용하기에 적합한 촉매 재료는 임의의 촉매 활성 성분의 화합물 및/또는 착물, 예를 들어 하나 이상의 백금족 금속 화합물 또는 착물을 비교적 불활성인 벌크 지지 재료 상에 분산시킴으로써 제조될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "백금족 금속 화합물"에서와 같이 용어 "화합물"은 촉매의 하소 시 또는 촉매의 사용 시, 필수적이지는 않지만 종종 산화물인 촉매 활성 형태로 분해되거나 또는 달리 전환되는 촉매 활성 성분(또는 "촉매 성분")의 임의의 화합물, 착물 또는 유사물을 의미한다. 하나 이상의 촉매 성분의 화합물 또는 착물은 지지 재료를 습윤시키거나 함침시킬 임의의 액체 중에 용해되거나 또는 현탁될 수 있고, 이러한 액체는 촉매 재료의 다른 성분과 불리하게 반응하지 않으며, 가열 및/또는 진공의 적용 시 휘발 또는 분해에 의해서 촉매로부터 제거될 수 있다. 일반적으로, 경제적인 측면 및 환경적인 측면의 관점으로부터 모두, 가용성 화합물 또는 착물의 수용액이 바람직하다. 예를 들어, 적합한 수용성 백금족 금속 화합물은 클로로플라틴산, 염화로듐, 질산로듐, 헥사민 로듐 클로라이드, 질산팔라듐 또는 염화팔라듐 등이다. 이러한 화합물-함유 액체는 촉매의 벌크 지지 입자의 구멍에 함침되고, 함침된 재료는 건조되고, 바람직하게는 하소되어 액체가 제거되고, 백금족 금속이 지지 재료에 결합된다. 일부 경우에, 액체 제거의 완결 (이것은 예를 들어, 결정수로서 존재할 수 있음)은 촉매가 사용되고, 고온 배기 가스에 적용될 때까지 발생하지 않을 수 있다. 하소 단계 동안, 또는 적어도 촉매의 초기 사용 단계 동안, 그러한 화합물은 백금족 금속 또는 그의 화합물의 촉매 활성 형태로 전환된다. 다른 성분을 촉매 재료에 혼입하기 위해서 유사한 접근이 행해질 수 있다. 임의로, 불활성 지지 재료는 생략될 수 있고, 촉매 재료는 종래의 방법에 의해서 사이클론 본체의 조면화 내벽 상에 직접 침착된 촉매 성분으로 본질적으로 이루어질 수 있다. 촉매는 워시 코트 기술, 분무 코팅, 함침법 또는 촉매 재료를 사이클론 벽 상에 침착시키는 다른 방법에 의해서 (예를 들어, 정전하장 및 하전된 전구체에 의해서) 사이클론 벽 상에 코팅될 수 있다.
하나 이상의 실시양태에서, 촉매는 선택적 촉매 환원 촉매이고, 이것은 산화질소 (NOx)를 질소 (N2)와 물로 전환시키는 데 도움을 준다. 환원제, 전형적으로는 무수 암모니아, 수성 암모니아 또는 우레아가 배기 가스의 스트림에 첨가되고, SCR 촉매 상에 흡수된다. 우레아가 환원제로서 사용되는 경우 이산화탄소 (CO2)가 반응 생성물이다. SCR 촉매는 세라믹 재료, 예컨대 이산화티타늄으로부터 제조되고, 활성 촉매 성분은 통상적으로 비금속 (예컨대 바나듐, 몰리브데늄 및 텅스텐), 제올라이트, 또는 각종 귀금속의 산화물이다. 비금속 촉매, 예컨대 바나듐 및 텅스텐은 높은 열 내구성은 부족하지만, 비용이 덜 들고, 산업 및 공공 보일러 응용에서 가장 일반적으로 인지되는 온도 범위에서 매우 잘 작동한다. 강제식 재생의 디젤 미립자 필터의 사용을 도입한 자동차 SCR 응용의 경우에는 열 내구성이 특히 중요하다. 이것은 또한 SO2를 SO3으로 산화시키는 높은 촉매작용 가능성을 갖는데, SO3은 그의 산성 특성으로 인해서 매우 해로울 수 있다. 제올라이트 촉매는 비금속 촉매보다 실질적으로 더 높은 온도에서 작동할 가능성을 갖고, 이것은 900 K의 온도 및 최대 1120 K의 과도한 조건에서 장기간의 작동을 견딜 수 있다. 제올라이트는 또한 잠재적으로 해로운 SO2 산화에 대한 가능성이 낮다.
NO2의 분율이 총 NOx의 20% 내지 50%인 경우 바나듐-우레아 SCR의 성능과 대략 동등한 성능을 갖는 철 및 구리-교환 제올라이트 우레아 SCR가 개발되었다. SCR 촉매가 사용되는 경우, 그 촉매는 사이클론 본체의 조면화 내벽 상에 코팅된다.
적합한 SCR 촉매 조성물은 예를 들어, 미국 특허 번호 4,961,917 ('917 특허), 4,085,193, 4,220,632 및 5,516,497에 기술되어 있고, 이들 전부는 그들의 전문이 참고로 본 명세서에 포함된다. '917 특허에 개시된 조성물은 촉진제와 제올라이트의 총 중량의 약 0.1 내지 30 중량%, 바람직하게는 약 1 내지 5 중량%의 양으로 제올라이트 중에 존재하는 철 촉진제 및 구리 촉진제 중 하나 또는 모두를 포함한다. NH3를 사용한 NOx의 N2로의 환원을 촉매작용하는 그의 능력에 더하여, 개시된 조성물은 특히 더 높은 촉진제 농도를 갖는 그러한 조성물의 경우에는 O2를 사용하여 과량의 NH3의 산화를 또한 촉진할 수 있다. 적합한 SCR 촉매의 예에는 Fe 또는 Cu 촉진된 제올라이트, 예컨대 USY, 베타(Beta), ZSM-20, ZSM-5, SSZ-13, SSZ-62 및 SSZ-39가 포함된다. SAPO 재료, 예컨대 SAPO-34 및 SAPO-44가 또한 하나 이상의 실시양태에 따라서 사용될 수 있다.
본 발명의 실시양태에 따라서, 사이클론 본체의 조면화 표면 상의 촉매는 SCR 촉매 및/또는 산화 촉매를 포함한다. 하나 이상의 실시양태에서, 사이클론 본체 내에서 스피닝 가스에 의해서 유발된 더 높은 압력은 반응물과 생성물 간의 평형을 반응 생성물로 이동시킴으로써 반응 정도를 증진시키거나 또는 하나 이상의 반응물의 표면 농도를 변경함으로서 반응 속도를 증가시킨다. NH3-SCR 반응 및 NO2-NO 평형의 속도론은 예를 들어 감압성이다. NO의 NO2로의 산화, 즉 하기 반응식 1은 압력이 증가할 때 더 높은 NO2 농도로 이동한다.
<반응식 1>
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이것은 엔진의 전체 온도 작동 범위 전체에서 그을음 산화에 사용가능한 NO2의 양을 증가시킨 것을 의미한다. SCR 반응의 경우, 촉매 표면 상의 NH3의 농도는 NH3 분압 및 총 압력의 함수이다. 따라서, 완전한 표면 포화까지, 더 높은 압력은 더 높은 NH3 농도를 제공하여, 더 신속한 반응 속도로 이어진다. 이러한 더 신속한 반응 속도는 주변 압력에서 수행된 반응에 비해서 NOx 제거 정도를 더 증가시킨다.
더 높은 총 압력의 이득과 독립적으로, 촉매 표면의 근접성이 또한 확산 가스, 예컨대 NO 및 NH3의 유효 물질 전달 계수(effective mass transfer of coefficient)를 증가시킬 것이다.
하나 이상의 실시양태에서, 촉매는 암모니아 산화 촉매이다. 암모니아 산화 촉매는 암모니아 주입에 의한 산화질소의 선택적인 촉매작용 환원에 적용된 가스로부터 과량의 암모니아 (NH3)를 촉매작용으로 산화시키기 위해서 사용된다. 암모니아 산화 촉매는 NOx 또는 N2O를 이상적으로 최소한으로 형성하면서, 암모니아 (NH3)가 질소 (N2)와 물 (H2O)로 산화되는 것을 촉매작용한다. 암모니아 산화 촉매가 사용되는 경우, 그 촉매는 사이클론 본체의 조면화 내벽 상에 코팅된다.
추가 실시양태에서, 촉매는 가수분해 촉매이다. 가수분해 촉매는 이소시안산 (HNCO)을 가수분해하여 암모니아를 생성하는 데 유용하다. 이러한 응용에서, 사이클론은 SCR 촉매의 상류에 위치되고, 사이클론의 상류에서 우레아가 첨가된다. 가수분해 촉매가 사용되는 경우, 그 촉매는 사이클론 본체의 조면화 내벽 상에 코팅된다.
더 추가의 실시양태에서, 촉매는 산화 촉매이다. 산화 촉매는 천연 가스 및 희박 연소 엔진으로부터 일산화탄소 (CO), 및 탄화수소, 예컨대 휘발성 유기 화합물 (VOC) 및 포름알데히드를 제어하기에 효과적이다. 산화 촉매가 촉매가 사용되는 경우, 그 촉매는 사이클론 본체의 조면화 내벽 상에 코팅된다.
하나 이상의 실시양태에서, 사이클론 본체의 내벽의 조면화 표면은 조면화 표면에서 국지적으로 더 높은 가스 압력을 제공하고, 조면화 표면 상의 촉매가 선택되는 화학 반응은 조면화 표면에 인접한 국지적으로 더 높은 가스 압력으로 인해서 그 반응이 상이한 속도로 진행되는 것이다.
하나 이상의 실시양태에서, 사이클론 본체의 외벽 및 내벽은 세라믹, 금속, 복합재, 또는 그의 조합을 포함할 수 있다.
도 5를 참고하면, 본 발명의 제2 측면은 희박 연소 엔진(150)의 배기 가스 스트림을 정제하기 위한 시스템에 관한 것이다. 그 시스템(500)은 도 1 내지 4와 관련하여 도시되고 기술된 상기 기술된 실시양태 중 임의의 것에 따라서, 도 1에 도시되고, 기술된 유형의 미립자 여과 장치(10), 및 미립자 여과 장치(10)의 상류 또는 하류에 존재하는 적어도 하나의 촉매 물품(200)을 포함한다. 하나 이상의 실시양태에서, 장치(20)의 유출구(70)는 미립자 여과 장치(10)를 통해서 여과된 배기 가스를 유출구 단부를 통해서 시스템(500) 외부로 안내하는 배기 가스 도관과 유동 소통한다. 미립자 여과 장치를 통해서 여과된 배기 가스 중 적어도 일부는 여과된 배기 가스를 시스템을 통해 재안내하는 배기 가스 재순환 밸브를 통해 안내될 수 있다.
도 6을 참고하면, 시스템(500)은 벽 유동형 필터(300)를 추가로 포함할 수 있다. 벽 유동형 필터는 적어도 하나의 촉매 재료(350)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 실시양태에서, 벽 유동형 필터(300)는 질량 기준으로 90%를 초과하는 여과 효율을 갖는 벽 유동형 필터이다.
도 7을 참고하면, 시스템(500)은 미립자 여과 장치(10)와 벽 유동형 필터(300) 사이에 배치된 적어도 하나의 촉매 물품(400)을 추가로 포함할 수 있다. 하나 이상의 실시양태에서, 벽 유동형 필터(300)는 질량 기준으로 90%를 초과하는 여과 효율을 갖는 벽 유동형 필터이다.
도 8을 참고하면, 하나 이상의 실시양태에서, 시스템은 도 1 내지 4의 미립자 여과 장치(10)의 사이클론 본체를 포함한다. 조면화 내벽(60)은 촉매(25)로 코팅될 수 있고, 촉매는 선택적 촉매 환원 촉매, 암모니아 산화 촉매, 가수분해 촉매, 산화 촉매, 삼원 촉매, 및 그의 조합으로부터 선택될 수 있다. 구체적인 실시양태에서, 촉매는 환원제의 존재 하에서 산화질소를 환원시키기 위해서 선택적 촉매 환원 촉매를 포함한다.
하나 이상의 실시양태에서, 미립자 여과 장치(10)는 공동 유입구 및 유출구 매니폴드에 연결된 다수의 사이클론 본체(20)가 존재하도록 배열될 수 있다. 더 작은 입자 직경을 향한 입자 침착 효율을 증가시키기 위해서, 더 작은 크기의 다수의 사이클론 본체의 평행 배열이 단일 사이클론 배열에 대등하다. 평행 배열이라는 것은 다수의 사이클론의 입구가 엔진으로부터 연장된 유입구 튜브 또는 사이클론 앞에 위치된 장치에 연결될 것이라는 것을 의미한다.
도 9를 참고하면, 본 발명의 추가 측면은 미립자를 함유하는 희박 연소 엔진 배기 가스 스트림으로부터 가연성 물질 및 비가연성 미립자 물질을 제거하기 위한 미립자 여과 장치(110)에 관한 것이다. 장치는 사이클론 본체(120), 및 미립자를 함유하는 배기 가스를 사이클론 본체(120)와 유동 소통하게 위치시키기 위한 유입구(150)를 포함하고, 사이클론 본체(120)는 외벽(130) 및 내벽(140)을 가지며, 내벽(130)은 미립자 물질을 내벽(130) 상에서 포획, 응집 및 여과하도록 설계된 사이클론 본체(120) 전체에 위치된 조면화 표면(160)을 갖는다. 추가로, 사이클론 본체(120)는 사이클론 본체의 상부 부분(112)에 위치된 다공성 벽(165)을 포함한다. 도 1에 도시된 장치와 유사하게, 도 9의 장치(110)는 여과된 배기 가스 중 일부를 추출하기 위한 제1 유출구(170)를 포함하고, 제1 유출구(170)는 사이클론 본체(120)와 유동 소통하고, 사이클론 본체로부터의 하류에 존재한다. 사이클론 본체(120)의 원뿔형 섹션(122)의 하부 부분(114) 상에는 미립자 수집기(180)가 위치될 수 있다.
도 9의 장치의 구조와 유사한 도 10을 참고하면, 미립자 물질 소각로(190)가 미립자 수집기에 인접하게 배치되어 사이클론 본체(120)의 내벽(130)의 조면화 및 다공성 표면(160) 및 (165) 각각 상에 포획되거나 또는 미립자 수집기(180) 내에 포획된 미립자 물질을 연소시킨다.
사이클론 본체(120) 내에는 투과성 또는 다공성의 조면화 표면(165)이 생성되어 있는데, 이것은 사이클론 본체(120)의 벽을 통해서 일부 공기가 유동하는 것을 허용한다. 이러한 방식에서, 스피닝 가스의 사이클론 작용은 벽에 바로 인접한 고압 구역을 생성하는데, 이것은 일부 가스를 투과성 벽(160)으로 밀어낸다. 도 10을 참고하면, 조면화 표면(160)에 촉매(125)를 첨가하는 것이 미립자 물질 제거에 도움을 준다. 다공성 표면(165)을 통해서 통과하는 가스의 양은 사이클론 공기 유동을 여전히 유지시키면서, 압력 강하를 유지하도록 조절될 필요가 있다. 다공성 표면(165)을 통해서 통과한 가스는 수집되고, 하류의 더 낮은 압력 구역으로 전달되어 가스 유동을 위한 추진력을 제공할 필요가 있다. 대안적으로, 이러한 정화된 가스는 EGR 루프의 일부로서 엔진에 다시 전달될 수 있다. 하나 이상의 실시양태에서, 사이클론 본체의 조면화 및 다공성 표면은 세라믹 또는 금속 또는 복합재일 수 있고, 예컨대 소결을 포함하지만 이에 제한되지 않는 전통적인 필터 제조 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 장치(110)는 제2 유출구(195)를 포함하는데, 그의 기능은 하기 도 12를 참고로 기술될 것이다.
조면화 및 다공성 표면의 내벽(160) 및 (165) 각각은 촉매(125)로 코팅될 수 있고, 촉매는 선택적 촉매 환원 촉매, 암모니아 산화 촉매, 가수분해 촉매, 산화 촉매, 삼원 촉매, 및 그의 조합으로부터 선택될 수 있다. 하나 이상의 실시양태에서, 촉매가 선택되는 화학 반응은 그 반응이 사이클론 본체의 내벽의 조면화 및 다공성 표면에 인접한 국지적으로 더 높은 가스 압력으로부터 이득을 보도록 하는 것이다.
하나 이상의 실시양태에서, 미립자 물질 소각로(190)는 미립자 수집기(180) 내에 수집된 그을음을 열적으로 연소시킨다. 도 10과 유사한 도 11을 참고하면, 추가 열이 필요한 경우, 가열 메커니즘, 예컨대 버너 또는 전기 가열기가 소각로(190) 내에 제공되어 미립자 물질을 연소시키기에 충분한 온도를 생성한다. 미립자 물질 소각로(190)는 촉매 재료(192)를 포함하여 미립자의 연소를 촉진할 수 있다. 추가로, 미립자 물질 소각로(190)는 비가연성 미립자의 주기적인 세정을 위해서 개방될 수 있다.
도 12를 참고하면, 본 발명의 또다른 측면은 희박 연소 엔진(150)의 배기 가스 스트림을 정제하기 위한 시스템에 관한 것이다. 그 시스템은, 그 시스템이 제1 유출구(170) 및 제2 유출구(195)를 포함하는 도 9의 장치를 사용하는 것을 제외하고는, 상기에 기술된 도 5에 도시된 시스템과 유사하다. 그 시스템은 미립자 여과 장치(110), 및 미립자 여과 장치(110)의 상류 또는 하류에 존재하는 적어도 하나의 촉매 물품(200)을 포함한다. 미립자 여과 장치(110)는 배기 도관(250)에 연결된 제1 유출구(170)를 통해서 하류 촉매 물품(300)과 유동 소통한다.
하나 이상의 실시양태에서, 시스템은 벽 유동형 필터(400)를 추가로 포함할 수 있다. 벽 유동형 필터는 적어도 하나의 촉매 재료를 포함할 수 있다. 벽 유동형 필터(400)는 촉매 물품(300)의 하류에 배치되고, 필터(400)는 적어도 하나의 촉매 재료를 포함할 수 있다. 하나 이상의 실시양태에서, 벽 유동형 필터(400)은 질량 기준으로 90%를 초과하는 효율을 갖는 벽 유동형 필터이다.
미립자 여과 장치의 내벽 상의 조면화 및 다공성 표면에 촉매를 첨가하는 것은 미립자 물질 제거에 도움을 준다. 미립자 여과 장치(110)의 내벽을 통해서 통과한 가스의 양은 사이클론 공기 유동을 여전히 유지하면서 압력 강하를 유지하도록 조정될 필요가 있다. 내벽을 통해서 통과한 가스는 수집되고, 하류의 더 낮은 압력 구역에 전달되어 가스 유동을 위한 추진력을 제공할 필요가 있다. 대안적으로, 이러한 정화 가스는 EGR 루프(550)를 통해서 다시 전달될 수 있다. 제2 유출구(195)는 배기 도관(250)에 연결된다.
하나 이상의 실시양태에서, 미립자 여과 장치는 공동 유입구 및 유출구 매니폴드에 연결된 다수의 사이클론 본체가 존재하도록 배열될 수 있다. 더 작은 입자 직경을 향한 입자 침착 효율을 증가시키기 위해서, 더 작은 크기의 다수의 사이클론 본체의 평행 배열이 단일 사이클론 배열에 대등하다. 평행 배열이라는 것은 다수의 사이클론의 입구가 엔진으로부터 연장된 유입구 튜브 또는 사이클론 앞에 위치된 장치에 연결될 것이라는 것을 의미한다.
본 명세서 전체에서 "일 실시양태", "특정 실시양태", "하나 이상의 실시양태" 또는 "실시양태"에 대한 언급은, 그 실시양태와 관련하여 기술된 특정 특징부, 구조, 재료 또는 특징이 본 발명의 적어도 하나의 실시양태에 포함됨을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체의 다양한 부분에서 "하나 이상의 실시양태에서", "특정 실시양태에서", "일 실시양태에서", 또는 "실시양태에서"와 같은 구의 존재는 본 발명의 동일한 실시양태를 필수적으로 지칭하는 것은 아니다. 추가로, 특정 특징부, 구조, 재료 또는 특징이 하나 이상의 실시양태에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.
본 발명은 본 명세서에서 특정 실시양태를 참고로 기술되지만, 이러한 실시양태는 본 발명의 원리 및 응용을 단지 예시하는 것임을 이해해야 한다. 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않으면서 본 발명의 방법 및 장치를 다양하게 개질하고, 변경할 수 있음은 본 기술 분야의 숙련인에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위 및 그의 등가물의 범주 내인 개질 및 변경을 포함하려는 의도이다.

Claims (15)

  1. 사이클론 본체(cyclone body);
    미립자를 함유하는 배기 가스를, 가연성 미립자 물질을 내벽 상에서 포획 및 응집시키도록 설계된 조면화 표면을 갖는 내벽, 및 외벽을 갖는 사이클론 본체와 유동 소통하게 위치시키기 위한 유입구;
    사이클론 본체와 유동 소통하고, 사이클론 본체로부터의 하류에 존재하는 유출구;
    사이클론 본체의 바닥의 미립자 수집기; 및
    유입구의 내벽의 조면화 표면 상에 포획되거나 또는 미립자 수집기 내에 포획된 미립자 물질을 연소시키기 위한 미립자 물질 소각로
    를 포함하는, 미립자 물질을 함유하는 희박 연소 엔진 배기 가스 스트림으로부터 가연성 미립자 물질 및 비가연성 미립자 물질을 제거하기 위한 미립자 여과 장치.
  2. 사이클론 본체;
    미립자를 함유하는 배기 가스를, 미립자 물질을 내벽 상에서 포획, 응집 및 여과하도록 설계된 조면화 및 다공성 표면을 갖는 내벽, 및 외벽을 갖는 사이클론 본체와 유동 소통하게 위치시키기 위한 유입구;
    사이클론 본체와 유동 소통하고, 사이클론 본체로부터의 하류에 존재하고, 여과된 가스의 일부를 다공성 표면을 통해 추출하기 위한 유출구;
    사이클론 본체에 인접한 미립자 수집기; 및
    사이클론 본체의 내벽의 조면화 및 다공성 표면 상에 포획되거나 또는 미립자 수집기 내에 포획된 미립자 물질을 연소시키기 위한 미립자 물질 소각로
    를 포함하는, 미립자를 함유하는 희박 연소 엔진 배기 가스 스트림으로부터 가연성 미립자 물질 및 비가연성 미립자 물질을 제거하기 위한 미립자 여과 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 사이클론 본체의 내벽의 조면화 표면 상에 촉매를 추가로 포함하는 미립자 여과 장치.
  4. 제3항에 있어서, 조면화 표면이 조면화 표면에서 국지적으로 더 높은 가스 압력을 제공하고, 촉매가 선택되는 화학 반응은 조면화 표면에 인접한 국지적으로 더 높은 가스 압력으로 인해서 그 반응이 상이한 속도로 진행되는 것인 미립자 여과 장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 촉매가 선택적 촉매 환원 촉매(selective catalytic reduction catalyst), 암모니아 산화 촉매, 가수분해 촉매, 산화 촉매, 삼원(three-way) 촉매 및 그의 조합으로부터 선택된 것인 미립자 여과 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 외벽 및 내벽이 세라믹, 금속, 복합재 또는 그의 조합을 포함하는 것인 미립자 여과 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 내벽이 다공성인 미립자 여과 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 미립자 물질 소각로가 미립자 물질을 연소시키기에 충분한 온도를 생성하는 가열 메커니즘을 포함하는 것인 미립자 여과 장치.
  9. 제7항에 있어서, 미립자 물질 소각로가 미립자 물질의 연소를 촉진하기 위한 촉매 재료를 포함하는 것인 미립자 여과 장치.
  10. 제1항 또는 제2항의 미립자 여과 장치 및 미립자 여과 장치의 상류 또는 하류의 적어도 하나의 촉매 물품을 포함하는, 희박 연소 엔진의 배기 가스 스트림을 정제하기 위한 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 벽 유동형 필터를 추가로 포함하는 시스템.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 미립자 여과 장치와 벽 유동형 필터 사이에 배치된 적어도 하나의 촉매 물품을 추가로 포함하는 시스템.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 유출구가, 장치를 통해 여과된 배기 가스를 유출구 단부를 통해 시스템 외부로 안내하는 배기 가스 도관과 유동 소통하는 것인 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 장치를 통해 여과된 배기 가스 중 적어도 일부가, 여과된 배기 가스를 시스템을 통해 재안내하는 배기 가스 재순환 밸브를 통해 안내되는 것인 시스템.
  15. 제3항에 있어서, 공동 유입구 및 유출구 매니폴드(manifold)에 연결된 다수의 사이클론 본체가 존재하는 것인 미립자 여과 장치.
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