KR20240022424A - 수소 연소 엔진용 배기 시스템 - Google Patents

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게르트 가이저
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푸렘 게엠베하
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Abstract

엔진 배기가스로부터 열을 방출하기 위해 상기 엔진 배기가스가 관류할 수 있는 제1 엔진 배기가스 냉각 유닛(30), 상기 제1 엔진 배기가스 냉각 유닛(30)의 영역 및/또는 하류에, 상기 엔진 배기가스에 포함된 응축물을 분리하기 위한 분리 유닛(34), 상기 분리 유닛(34)의 영역 및/또는 하류에, 엔진 배기가스를 가열하기 위한 엔진 배기가스 가열 유닛(36)을 포함하는, 특히, 차량용 수소 연소 엔진(12)을 위한 배기 시스템(14).

Description

수소 연소 엔진용 배기 시스템{EXHAUST SYSTEM FOR A HYDROGEN COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 예를 들어, 차량에서 구동 장치로 사용될 수 있는 수소 연소 엔진{hydrogen combustion engine)용 배기 시스템에 관한 것이다.
특히 차량의 구동 장치를 위한 대체 에너지원을 사용하기 위한 노력의 일환으로, 수소와 대기 중 산소로 작동되는 수소 연소 엔진의 중요성이 점점 커지고 있다. 이러한 수소 연소 엔진에서는 이 수소 연소 엔진에 공급된 수소와 대기 중 산소가 연소된다. 이러한 연소로 인해 생성되는 엔진 배기가스에는 상당한 양의 수증기가 포함되어 있다. 엔진 배기가스에는 연소되지 않은 수소와 잔류 공기 또는 잔류 대기 중 산소도 포함될 수 있다.
수증기가 많이 포함된 엔진 배기가스가, 특히 비교적 낮은 주변 온도에서 환경으로 배출되는 경우, 엔진 배기가스가 차가운 주변 공기와 접촉할 때 자연적으로 수분이 응축되어 차량 영역에 안개가 형성될 수 있다. 한편으로 이러한 안개 형성은 불쾌하고 바람직하지 않은 것으로 인식될 수 있다. 반면에, 특히 주변 온도가 비교적 낮을 때는 지면이나 차량 주변의 물체에 응축된 수분으로 인해 잠재적으로 위험한 결빙이 형성될 수 있다. 또한, 엔진 배기가스에 포함된 수증기는 배기 시스템에 포함된 촉매 컨버터(catalytic converter)의 과도한 노화를 초래할 수 있다.
본 발명의 과제는 환경으로 배출되는 엔진 배기가스 중 안개 형성을 실질적으로 방지하는 수소 연소 엔진용 배기 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따르면, 상기 과제는 특히 차량용 수소 연소 엔진을 위한 배기 시스템에 의해서 해결되며, 상기 배기 시스템은
- 엔진 배기가스로부터 열을 방출하기 위해 엔진 배기가스가 관류할 수 있는 제1 엔진 배기가스 냉각 유닛,
- 상기 제1 엔진 배기가스 냉각 유닛의 영역 및/또는 하류에, 상기 엔진 배기가스에 포함된 응축물을 분리하기 위한 분리 유닛,
- 상기 분리 유닛의 영역 및/또는 하류에, 상기 엔진 배기가스를 가열하기 위한 엔진 배기가스 가열 유닛을 포함한다.
본 발명에 따라 설계된 배기 시스템에서는, 먼저 엔진 배기가스를 냉각시켜 엔진 배기가스의 온도를 이슬점 이하로 낮춤으로써 엔진 배기가스에서 운반된 수분 또는 수증기의 일부가 엔진 배기가스 밖으로 침전되어 응축물로서 특히 분리 유닛에 포착되거나 수집될 수 있다. 엔진 배기가스 가열 유닛에서 수분 또는 수증기가 고갈된 엔진 배기가스를 가열해도 엔진 배기가스에 여전히 포함된 수증기의 양은 변하지 않는다. 그러나 온도 상승으로 인해 엔진 배기가스의 상대 습도가 크게 떨어진다. 수증기가 고갈된 엔진 배기가스가 온도가 상승한 상태에서 환경으로 배출되면, 자연 발생적인 응축이나 안개 형성이 방지된다. 엔진 배기가스는 온도가 다시 크게 떨어지기 전에도 주변 공기와 충분히 섞일 수 있으므로, 엔진 배기가스가 배기 시스템을 빠져나가는 영역에서 희석되어 국부적으로 짙은 안개가 형성되는 것을 방지할 수 있다.
엔진 배기가스의 효율적인 냉각을 위해, 제1 엔진 배기가스 냉각 유닛은 엔진 배기가스로부터 냉각 매체, 바람직하게는 냉각 액체 또는 냉각 가스로 열을 전달하기 위한 제1 열교환기를 포함할 수 있다.
마찬가지로, 수증기가 고갈된 엔진 배기가스의 효율적인 가열을 위해, 엔진 배기가스 가열 유닛은 가열 매체, 바람직하게는 가열 액체 또는 가열 가스로부터 엔진 배기가스 또는/또는 적어도 하나의 전기 여기 히터로 열을 전달하기 위한 제2 열교환기를 포함할 수 있다.
배기 시스템의 에너지 효율적인 작동을 위해 엔진 배기가스에서 운반된 열을 사용할 수 있도록 하기 위해, 제1 열교환기 및 제2 열교환기를 통해 흐르는 열전달 매체가 냉각 매체 및 가열 매체를 제공하는 것이 제안된다. 따라서 상기 열전달 매체는 배기 시스템의 더 상류인 부분으로 흐르는 엔진 배기가스로부터 배기 시스템의 더 하류인 부분으로 흐르는 엔진 배기가스로 열을 전달할 수 있다.
마찬가지로 엔진 배기가스에서 운반된 열을 이용하는 대안적인 설계 변형예에서는, 제1 열교환기 및 제2 열교환기를 제공하는 열교환 유닛이 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 열교환 유닛은 엔진 배기가스가 흐를 수 있는 상류 열교환기 영역과, 상기 상류 열교환기 영역의 하류에, 상기 상류 열교환기 영역과 열전달 상호작용을 하는 하류 열교환기 영역을 포함할 수 있다. 두 열교환기 영역의 열전달 상호 작용으로 인해 액체 또는 기체 열전달 매체가 필요 없는, 따라서 매우 효율적인 직접 열전달이 이루어진다.
본질적으로 직접적인 이러한 열전달에서도 엔진 배기가스 냉각 후 응축된 수분을 제거할 수 있도록 하기 위해, 상류 열교환기 영역의 하류 및 하류 열교환기 영역의 상류에 분리 유닛을 배치하는 것이 제안된다.
배기 시스템의 상이한 시스템 영역들의 구조적 통합 및 이에 따른 콤팩트한 설계를 위해, 상류 열교환기 영역의 하류에 그리고/또는 이 상류 열교환기 영역의 하류 단부에 그리고 하류 열교환기 영역의 상류에 그리고/또는 이 하류 열교환기 영역의 상류 단부에 엔진 배기가스로부터 열을 배출하기 위한 제2 엔진 배기가스 냉각 유닛이 제공되는 것이 추가로 제안된다. 이러한 제2 엔진 배기가스 냉각 유닛을 제공함으로써, 상류 열교환기 영역에서 이미 냉각이 이루어지는 것 이외에, 엔진 배기가스는 하류 열교환기 영역의 상류에서 추가로 냉각되고, 따라서 수분의 응축이 지원된다.
동시에 제2 엔진 배기가스 냉각 유닛은 엔진 배기가스로부터 냉각 매체, 바람직하게는 냉각 액체 또는 냉각 가스로 열을 전달하기 위한 제3 열교환기를 포함할 수 있다.
열교환기 유닛은 상기 열교환기 유닛 하우징을 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 열교환기 유닛 하우징에는 상류 열교환기 영역 및 하류 열교환기 영역이 제공될 수 있다. 이 경우 제3 열교환기는 본질적으로 열교환기 유닛 하우징 내에 배치되거나 및/또는 외측에서 열교환기 유닛 하우징을 둘러싸는 방식으로 배치될 수 있다.
배기 시스템의 상이한 부분들로 흐르는 엔진 배기가스에 대한 효율적인 열전달을 위해, 열교환기 유닛은 대향류식 열교환기(counter flow heat exchanger) 또는 직교류식 열교환기(cross-flow heat exchanger)를 포함할 수 있다.
엔진 배기가스를 제1 엔진 배기가스 냉각 유닛으로 도입하기 위해, 제1 엔진 배기가스 냉각 유닛으로 안내되는 엔진 배기가스 배기 라인(exhaust line)이 제공될 수 있다.
또한, 수분 또는 수증기가 고갈된 엔진 배기가스를 배출하기 위해, 엔진 배기가스 가열 유닛으로부터 멀리 이어지는 엔진 배기가스 배출 라인이 제공될 수 있다.
엔진 배기가스에 포함된 수소 함량을 감소시키기 위해, 엔진 배기가스에 포함된 수소를 산화시키기 위한 하나 이상의 산화 유닛, 바람직하게는 산화 촉매 컨버터 및/또는 버너가 제공될 수 있다. 특히 수소 연소 엔진의 작동 모드에 따라 엔진 배기가스에 더 많은 양의 질소 산화물도 포함될 수 있기 때문에, 배기 시스템은 엔진 배기가스에 포함된 질소 산화물 함량을 감소시키기 위한 하나 이상의 촉매 컨버터 유닛, 바람직하게는 SCR 촉매 컨버터를 구비하는 것이 추가로 제안된다.
배기 시스템에 제공되는 촉매 컨버터에 가능한 가장 낮은 수증기 함량을 포함하는 엔진 배기가스를 공급하기 위해, 하나 이상의 산화 유닛 및/또는 하나 이상의 촉매 컨버터 유닛이 엔진 배기가스 배출 라인, 즉 제1 엔진 배기가스 냉각 유닛 및 엔진 배기가스 가열 유닛의 하류에 배치되는 것이 제안된다.
엔진 배기가스 내의 질소 산화물 함량을 감소시키기 위해 환원 반응, 예를 들어 선택적 촉매 환원(SCR)이 수행될 수 있다. 이에 필요한 반응제를 엔진 배기가스 내로 전달하기 위해 하나 이상의 반응제 전달 장치가 제공될 수 있다.
바람직하게는, 이 경우 하나 이상의 반응제 전달 장치는 하나 이상의 촉매 컨버터 유닛의 상류에 배치되어 있다.
수소 연소 엔진의 연소 작동 중에 발생하는 소음이 엔진 배기가스를 통해 환경으로 전달되는 것을 최대한 효율적으로 억제하기 위해, 엔진 배기가스 가열 유닛으로부터 멀리 이어지는 엔진 배기가스 배출 라인에 소음기(sound absorber)가 배치될 수 있다.
본 발명은 또한, 수소 연소 엔진 및 이 수소 연소 엔진과 관련되고 본 발명에 따라 구성된 배기 시스템을 포함하는 차량용 구동 시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 특히 수소 연소 엔진에서 배출되는 엔진 배기가스를 냉각시켜 수분을 응축시키고, 수분이 응축된 후 수증기가 고갈된 엔진 배기가스를 가열하는 본 발명에 따른 구조를 갖는 수소 연소 엔진을 포함하는 차량용 구동 시스템의 작동 방법에 관한 것이다.
이하에서는 본 발명이 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명된다. 도면부에서:
도 1은 수소 연소 엔진 및 수소 연소 엔진용 배기 시스템을 포함하는 차량용 구동 시스템의 개략도를 도시하고;
도 2는 도 1에 대응하는, 차량용 구동 시스템의 대안적 설계 유형을 나타낸 예시도를 도시하며;
도 3은 도 1에 대응하는, 차량용 구동 시스템의 대안적 설계 유형을 나타낸 추가 예시도를 도시하고;
도 4는 도 1에 대응하는, 차량용 구동 시스템의 대안적 설계 유형을 나타낸 추가 예시도를 도시하며;
도 5는 도 1에 대응하는, 차량용 구동 시스템의 대안적 설계 유형을 나타낸 추가 예시도를 도시하고;
도 6은 도 1에 대응하는, 차량용 구동 시스템의 대안적 설계 유형을 나타낸 추가 예시도를 도시하며; 그리고
도 7은 도 1에 대응하는, 차량용 구동 시스템의 대안적 설계의 추가 예시도를 도시한다.
도 1에서, 차량용 구동 시스템은 일반적으로 도 10으로 표시되어 있다. 상기 구동 시스템(10)은 수소 또는 수소 함유 가스와 산소 또는 산소 함유 가스, 예를 들어 공기가 공급되는 구동 장치로서 수소 연소 엔진(12)을 포함한다. 수소와 산소는 수소 연소 엔진(12)에서 연소된다. 이러한 연소에 의해 생성되는 엔진 배기가스는 수소 연소 엔진(12)의 엔진 배기가스를 흡수하는 엔진 배기가스 배기 라인(16)과 엔진 배기가스 배출 라인(18)을 포함하는 수소 연소 엔진(12)용 배기 시스템(14)을 통해 환경으로 배출된다.
이러한 수소 연소 엔진(12)이 1 범위의 람다 값을 갖는 작동 모드에서 작동하는 경우, 그 연소 특성은 대략 오토 연소 엔진(otto combustion engine)의 연소 특성과 일치한다. 따라서 이러한 작동 모드에서 배기가스 정화를 위해 엔진 배기가스 배출 라인(18)에 촉매 컨버터가 제공될 수 있으며, 이 촉매 컨버터는 오토 연소 엔진과 함께 사용되는 3방향 촉매 컨버터에 해당한다.
효율이 더 높기 때문에 수소 연소 엔진의 경우 1보다 큰 람다 값으로 작동, 즉 과잉 산소로 작동하는 것이 선호된다. 과잉 공기로 연소 시 엔진 배기가스에는 미량의 미연소 수소뿐만 아니라 질소 산화물도 포함된다. 이 경우 엔진 배기가스에 여전히 포함된 수소의 농도가 너무 높을 수 있어 환경으로 배출하는 것이 허용되지 않는다. 따라서 산화 유닛(20)의 설계예를 형성하는 촉매 컨버터 유닛, 즉 산화 촉매 컨버터가 엔진 배기가스 배출 라인(18)에 배치될 수 있으며, 상기 촉매 컨버터 유닛에서 엔진 배기가스에 포함된 잔류 수소는 공급 라인을 통해 엔진 배기가스 배출 라인(18)으로 공급되는 산소와 함께 산화된다. 예를 들어, 공기는 이 공급 라인을 통해 엔진 배기가스 배출 라인(18)으로 유입될 수 있다.
엔진 배기가스 중의 질소 산화물 함량을 감소시키기 위해, 예를 들어 SCR 촉매 컨버터의 형태로 형성된 촉매 컨버터 유닛(22)이 엔진 배기가스 배출 라인(18)에 제공되어 있다. 이러한 반응을 수행하는 데 필요한 반응제는 일반적으로 인젝터로 지칭되는 반응제 전달 유닛(28)에 의해 촉매 컨버터 유닛(22)의 상류에 배치된 혼합 섹션(26)에 주입될 수 있다. 일반적으로 스프레이 안개로 엔진 배기가스에 분사되는 반응제, 예를 들어 요소와 물의 혼합물은 엔진 배기가스와 혼합된다. 이러한 혼합 중에 요소/물 혼합물로부터 형성된 암모니아는 촉매 컨버터 유닛(22)에서 일어나는 환원 반응에서 탈질화를 유도한다. 환원 반응 후 엔진 배기가스에서 이러한 엔진 배기가스에 여전히 존재할 수 있는 암모니아를 제거하기 위해, 촉매 컨버터 유닛(22)의 하류에 소위 클린-업 촉매 컨버터(clean-up catalytic converter)가 제공되어 여전히 존재하는 암모니아를 감소시킬 수 있다. 대안적으로 탈질화는 수소를 환원제를 사용하여 수행할 수도 있다.
배기 시스템(14) 또는 이를 관류하는 엔진 배기가스를 통해 수소 연소 엔진(12)의 작동 중에 발생하는 소음의 방출을 가능한 한 억제하기 위해, 엔진 배기가스 배출 라인(18), 예를 들어 촉매 컨버터 유닛(22)의 하류에 소음기(24)가 배치되어 있다. 상기 소음기(24)는 가솔린 또는 디젤 내연 기관과 관련된 소음기의 경우와 같이, 엔진 배기가스가 관류할 수 있는 하나 이상의 상호 연결된 챔버 및/또는 하나 이상의 공진기 챔버를 포함할 수 있다.
엔진 배기가스 배기 라인(16)은 제1 엔진 배기가스 냉각 유닛(30)으로 이어진다. 상기 제1 엔진 배기가스 냉각 유닛(30)은 제1 열교환기(32)를 포함할 수 있으며, 상기 제1 열교환기에서 제1 엔진 배기가스 배기 라인(16)을 관류하는 엔진 배기가스가 액체 또는 기체 냉각 매체(K)로 열을 전달하고 이에 따라 냉각된다. 이러한 냉각의 결과로, 엔진 배기가스에 포함된 일부 수분 또는 수증기는 제1 엔진 배기가스 냉각 유닛(30)에 후속하는 분리기 유닛(34)에서 응축되어 액체 형태로 환경으로 배출될 수 있다.
수증기가 고갈된 엔진 배기가스는 분리 유닛(34)의 하류에서 후속하는 엔진 배기가스 가열 유닛(36)에서 재가열된다. 이러한 가열은 엔진 배기가스 가열 유닛(36)이 제2 열교환기(38)로 형성된 경우, 가열 매체(H)에 의해 열이 엔진 배기가스 가열 유닛(36)을 관류하는 엔진 배기가스로 전달됨으로써 수행될 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 엔진 배기가스 가열 유닛(36)은, 수증기가 고갈된 엔진 배기가스가 관류하고 동시에 이러한 엔진 배기가스로 열을 전달하는 전기 여기 히터(40)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 구동 시스템(10)에서는, 엔진 배기가스 배기 라인(16)을 통해 배출되는 엔진 배기가스로부터 이에 포함된 수증기의 일부가, 특히 더 많은 양의 수증기가 냉각에 의해 먼저 제거된다. 비교적 낮은 온도로 인해 수증기가 고갈된 엔진 배기가스는 상대 습도가 높으며, 이는 100%에 가까울 수 있다. 그럼에도 불구하고 상대 습도가 높은 이러한 수증기가 고갈된 엔진 배기가스를 엔진 배기가스 가열 유닛(36)에서 가열함으로써, 엔진 배기가스의 상대 습도를 낮추어 엔진 배기가스 배출 라인(18)을 통해 환경으로 배출되는 엔진 배기가스가 100%보다 현저히 낮은 상대 습도를 갖는다. 이렇게 환경으로 배출된 엔진 배기가스가 비교적 차가운 주변 공기 또는 차량 주변에 위치한 비교적 차가운 물체와 접촉하더라도, 환경으로 배출된 엔진 배기가스의 온도가 이슬점 이하로 떨어지기 전이라도 주변 공기와 비교적 충분히 혼합되어 엔진 배기가스가 비교적 충분히 희석되기 때문에 수분 응축으로 인한 자연 발생적인 안개 형성을 피할 수 있게 된다.
도 1에 도시된 구동 시스템(10)에서, 엔진 배기가스에 포함된 수증기량의 감소는 예를 들어 산화 촉매 컨버터로 형성된 산화 유닛(20) 및 예를 들어 SCR 촉매 컨버터로 형성된 촉매 컨버터 유닛(22)의 상류에서 이루어진다. 이는 상기 촉매 컨버터 유닛에 수증기 함량이 상당히 낮은 엔진 배기가스가 공급된다는 것을 의미하며, 이는 그러한 촉매 컨버터의 노화와 관련하여 특히 유리하다. 또한, 엔진 배기가스 가열 유닛(36)을 작동시킴으로써, 엔진 배기가스 배출 라인(18)으로 유입된 엔진 배기가스는 그 온도가 수소 연소 엔진(12)으로부터 방출되는 온도와 대략 일치하고, 또한 산화 유닛(20) 또는 촉매 컨버터 유닛(22)의 작동 온도 범위 내에 놓이는 방식으로 다시 가열될 수 있다. 따라서 촉매 반응이 안정적으로 그리고 높은 효율로 일어날 수 있다.
특히, 제1 엔진 배기가스 냉각 유닛(30) 및 엔진 배기가스 가열 유닛(36)의 영역에서 수정된 구동 시스템(10)의 설계는 도 2에 도시되어 있다. 이 설계에서, 열은 제1 열교환기(32)로서 형성된 제1 엔진 배기가스 냉각 유닛(30)에서 이를 관류하는 엔진 배기가스로부터, 열전달 매체(M)에 의해 제거되고, 이때 상기 열전달 매체는 예를 들어 폐쇄 회로에서 제2 열교환기(38)로서 형성된 엔진 배기가스 가열 유닛(36)을 통해서도 안내된다. 따라서 배기 시스템(14)에서 더 하류로 흐르는 엔진 배기가스는 배기 시스템(14)에서 더 상류로 흐르는 엔진 배기가스에 의해 가열될 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 엔진 배기가스 가열 유닛(36)에서 이를 관류하는 엔진 배기가스는 가열 매체(H) 및/또는 전기 여기 히터(40)에 의해 가열될 수 있다.
엔진 배기가스를 더 냉각시킬 수 있도록, 제2 엔진 배기가스 냉각 유닛(50)은 제1 엔진 배기가스 냉각 유닛(30)의 하류에 배치되어 있다. 상기 제2 엔진 배기가스 냉각 유닛은 예를 들어, 제1 엔진 배기가스 냉각 유닛(30)에서 이미 냉각된 엔진 배기가스가 냉각 매체(K)로 열을 전달할 수 있는 제3 열교환기(52)를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 분리 유닛(34)에서 수분이 응축되어 수증기가 고갈된 엔진 배기가스가 하류에서 후속하는 엔진 배기가스 가열 유닛(36)의 방향으로 흐른다.
효율적인 열전달 및 간단한 구조적 설계와 관련하여 특히 바람직한 변형예는 도 3에 도시되어 있으며, 이 변형예에서는 더 하류로 흐르는 엔진 배기가스의 일부를 가열하기 위해 엔진 배기가스에 포함된 열이 균일하게 사용된다. 도 3에 도시된 배기 시스템(14)의 설계 형태에서는, 일반적으로 54로 표시된 열교환기 유닛이 제공되어 있으며, 이는 도시된 설계 예에서는 대향류식 열교환기로서 형성되어 있다. 열 교환 유닛(54)은 제1 엔진 배기가스 냉각 유닛(30) 또는 제1 열 교환기(32)를 제공하는 상류 열교환기 영역(56)을 포함한다.
열 교환기 유닛(54)은 엔진 배기가스 가열 유닛(36) 또는 제2 열 교환기(38)를 제공하는 하류 열교환기 영역(58)을 더 포함한다. 두 열교환기 영역(56, 58)은 열교환기 유닛(54)의 열교환기 유닛 하우징(60) 내에 채널형으로 형성될 수 있고, 하나 이상의 분리벽(62)에 의해 서로 분리된 유동 채널을 제공할 수 있으며, 이 유동 채널들에서는 엔진 배기가스가 실제로 서로 반대 방향으로 흐름으로써 상류 열교환기 영역(56)을 관류하는 엔진 배기가스의 부분으로부터 제2 열교환기 영역(58)을 관류하는 엔진 배기가스의 부분으로 열이 전달될 수 있다.
또한, 상기 설계에서도 엔진 배기가스 가열 유닛(36), 즉 제2 열교환기 영역(58)에서, 전술한 바와 같이, 그곳을 흐르는 엔진 배기가스가 가열 매체 또는/또는 전기 여기 히터에 의해 추가로 가열될 수 있음이 언급되어야 한다.
상류 열교환기 영역(56)을 관류하고, 그리고 이를 떠나는 엔진 배기가스는 상기 상류 열교환기 영역(56)의 하류에서 후속하는 제2 엔진 배기가스 가열 유닛(50) 또는 제3 열교환기(52)로 안내되고, 여기서 상기 엔진 배기가스는 냉각 매체(K)로 열을 방출하여 추가로 냉각된다. 추가 냉각으로 인해 엔진 배기가스에서 응축되는 물은 분리 유닛(34)에 수집된다. 그런 다음 수증기가 고갈된 엔진 배기가스는 하류 열교환기 영역(58)으로 계속 흐르고, 여기서 상기 엔진 배기가스는 상류 열교환기 영역(56)에서 흐르는 엔진 배기가스와의 열적 상호 작용에 의해 가열되며, 필요한 경우 추가로 가열 매체 및/또는 전기 여기 히터에 의해 가열된다.
도 4는 제2 엔진 배기가스 냉각 유닛(50) 및 분리 유닛(34)이 열교환기 유닛(54)과 구조적으로 결합된 설계 변형예를 도시한다. 도 5에서 볼 수 있듯이, 제2 엔진 배기가스 냉각 유닛(50)의 제3 열교환기(52)는 상류 열교환기 영역(56), 특히 그의 하류 단부(64)에 통합될 수 있다. 상류 열교환기 영역(56)의 이러한 하류 단부(64)에서 또는 그다음에, 분리 유닛(34)으로 그리고 이 분리 유닛으로부터 하류 열교환기 영역(58)으로 유체 전이가 이루어진다. 분리 유닛(34)에 그리고 이에 따라 열교환기 유닛(54)의 열교환기 유닛 하우징(60)에도 축적된 수분은 예를 들어 차단 유닛(66)을 통해 환경으로 배출될 수 있다.
매우 효율적인 열전달을 위해, 제3 열교환기(52)는 상류 열교환기 영역(56)에서 흐르는 엔진 배기가스와의 열적 상호 작용에 이용 가능한 표면적을 증가시키는 리브(rib)들을 가질 수 있다.
도 4에 도시된 구조 원리의 도 5에 도시된 변형예에서, 제2 엔진 배기가스 냉각 유닛(50)은 상류 열교환기 영역(56), 특히 그 하류 단부(64)의 영역 및 상류 열교환기 영역(58), 특히 그 상류 단부(68)에 모두 통합되어 있다. 따라서 상류 열교환기 영역(58), 즉 제1 엔진 배기가스 냉각 유닛(30)에서 하류 열교환기 영역(58), 즉 엔진 배기가스 가열 유닛(36)으로의 전체 전이 영역에서, 수분 또는 수증기는 엔진 배기가스를 냉각시킴으로써 응축되어 분리 유닛(34)에 흡수 또는 수집될 수 있다.
또한, 상기 설계에서, 매우 효율적인 열전달을 위해, 제3 열 교환기(52)는 상류 열교환기 영역(56)에서 흐르는 엔진 배기가스와의 열적 상호 작용에 이용 가능한 표면적을 증가시키는 리브들을 가질 수 있다. 또한, 이러한 설계 형태에서도, 하류 열교환기 영역(58)을 관류하는 엔진 배기가스의 추가 가열이 가열 매체 및/또는 전기 여기 히터에 의해 수행될 수 있다는 점이 언급되어야 한다.
또한, 도 6에 도시된 배기 시스템(14)의 실시 변형예에서도, 열교환기 유닛(54) 상에서, 상류 열교환기 영역(56)의 하류 단부(64) 영역 및 하류 열교환기 영역(58)의 상류 단부(66) 영역에서 엔진 배기가스로부터 열이 추출된다. 이를 위해, 제1 엔진 배기가스 냉각 유닛(30)의 제1 열교환기(32)는 열교환기 유닛(54)의 열교환기 유닛 하우징(60)을 그 외측에서 둘러싸고 있으며, 냉각 매체(K)에 의해 관류될 수 있다. 열적 상호 작용을 증가시키고, 따라서 열교환기 유닛(54)을 관류하는 엔진 배기가스의 열 방출을 개선하기 위해, 열교환기 유닛 하우징(60)의 외측에 열전달 리브(70)들이 제공될 수 있으며, 이에 의해 냉각 매체(K)로 열을 전달할 수 있는 표면이 증가된다.
열교환기 유닛(54) 내에서 열이, 배기 시스템(14)의 더 상류인 부분에서 흐르는 엔진 배기가스로부터 배기 시스템(14)의 더 하류인 부분에서 흐르는 엔진 배기가스로 전달될 수 있는 대안적인 추가 설계가 도 7에 도시되어 있다. 이 설계 형태에서, 열교환기 유닛(54)은 직교류식 열교환기로서 형성되어 있다. 열교환기 유닛 하우징(60)에는 본질적으로 상류 열교환기 영역(56)을 제공하는 체적이 형성되며, 이 체적은 제1 엔진 배기가스 배기 라인(16)을 통해 공급되는 엔진 배기가스가 관류한다. 이러한 상류 열교환기 영역(56)을 통과한 엔진 배기가스는 제2 엔진 배기가스 냉각 유닛(50) 또는 그의 제3 열교환기(52)를 관류하면서 냉각 매체(K)로 열을 방출합니다. 분리 유닛(34)을 관류한 후, 수증기가 고갈된 엔진 배기가스는 하류 열교환기 영역(58)을 제공하고 열교환기 유닛 하우징(60)에서 연장되는 라인 영역을 통해 흐르고, 이 라인 영역 상에서 열전달 리브(72)들은 상류 열교환기 영역(56)을 관류하는 엔진 배기가스와의 열적 상호 작용을 향상시키기 위해 제공될 수 있다.
또한, 이러한 설계 형태에서, 엔진 배기가스는 가열되어 비교적 낮은 상대 습도를 갖는 환경으로 배출되기 전에 상류 열교환기 영역(58) 또는 열교환기 유닛(54)에서 가열된 후, 예를 들어 촉매 컨버터 유닛(44') 및 소음기(24)로 흐른다.
도 6 및 도 7에 도시된 설계 형태들에서도, 전술한 조치들은 추가 가열을 위해 하류 열교환기 영역(58)에 추가로 할당될 수 있다. 따라서 하류 열교환기 영역(58)을 관류하는 수증기가 고갈된 엔진 배기가스의 추가 가열은 가열 매체 및/또는 전기 여기 히터에 의해 이루어질 수 있다.
전술한 모든 설계 형태에서, 사용되는 경우, 냉각 매체(K) 및/또는 가열 매체(H)는 액체 또는 기체에 의해 제공될 수 있으며, 이 경우 특히 냉각 매체(K)는 추가 열교환기에서 그 안에 흡수된 열을 환경으로 방출할 수 있다. 냉각 매체(K)는 예를 들어, 주변 공기에 의해서도 제공될 수 있으며, 따라서 제1 열 교환기는 예를 들어 주변 공기가 흐를 수 있는 복수의 리브를 포함할 수 있다. 가열 매체(H)는 예를 들어, 산화 유닛(20) 또는 촉매 컨버터 유닛(22)에서 일어나는 촉매 공정 동안에 가열될 수 있다. 대안적으로 엔진 배기가스 내에 여전히 포함된 잔류 수소를 산화시키기 위해 산화 유닛(20)을 제공하는 산화 촉매 컨버터 대신에 또는 산화 촉매 컨버터에 추가하여, 잔류 수소가 산소와 연소되는 버너가 그러한 산화 유닛의 또 다른 예로서 제공될 수 있다. 산소는 예를 들어, 엔진 배기가스 배출 라인(18)으로 공기를 공급함으로써 산화 유닛(20)의 상류에서 제공될 수 있다. 연소에 의해 생성되는 열은 버너와 관련된 열교환기에서 가열 매체(H)로 전달될 수 있고, 이로부터는 제2 열교환기(38)를 관류하는 엔진 배기가스로 전달될 수 있다.
본 발명에 따라 구성된 배기 시스템에서, 특히 도 3 내지 도 6의 설계 형태들이 도시하는 바와 같이, 필요한 경우 제2 엔진 배기가스 냉각 유닛과 함께 상이한 시스템 영역들, 특히 제1 엔진 배기가스 냉각 유닛, 분리 유닛 및 엔진 배기가스 가열 유닛의 구조적 연결 또는 병합이 제공될 수 있으며, 따라서 이러한 상이한 시스템 영역들은 서로 직접 인접하거나 유동 측면에서 서로 중첩될 수도 있다. 따라서 분리 유닛에 의해 이미 제1 엔진 배기가스 냉각 유닛의 영역 및/또는 엔진 배기가스 가열 유닛의 영역에서 수증기 또는 수분은 엔진 배기가스로부터 분리되어 예를 들면 액체 형태로 수집될 수 있다.

Claims (19)

  1. 특히, 차량용 수소 연소 엔진을 위한 배기 시스템으로서, 상기 배기 시스템은:
    - 엔진 배기가스로부터 열을 방출하기 위해 상기 엔진 배기가스가 관류할 수 있는 제1 엔진 배기가스 냉각 유닛(30);
    - 상기 제1 엔진 배기가스 냉각 유닛(30)의 영역 및/또는 하류에서 상기 엔진 배기가스에 포함된 응축물을 분리하기 위한 분리 유닛(34); 및
    - 상기 분리 유닛(34)의 영역 및/또는 하류에서 엔진 배기가스를 가열하기 위한 엔진 배기가스 가열 유닛(36);을 포함하는, 배기 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 엔진 배기가스 냉각 유닛(30)이 엔진 배기가스로부터 냉각 매체(K), 바람직하게는 냉각 액체 또는 냉각 가스로 열을 전달하기 위한 제1 열교환기(32)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배기 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 엔진 배기가스 가열 유닛(36)이 가열 매체(H), 바람직하게는 가열 액체 또는 가열 가스로부터 엔진 배기가스로 열을 전달하기 위한 제2 열교환기(38)를 포함하고, 그리고/또는 상기 엔진 배기가스 가열 유닛(36)이 하나 이상의 전기 여기 히터(40)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배기 시스템.
  4. 제2항 및 제3항에 있어서,
    상기 제1 열교환기(32) 및 상기 제2 열교환기(38)를 관류하는 열전달 매체(M)가 상기 냉각 매체 및 상기 가열 매체를 제공하는 것을 특징으로 하는, 배기 시스템.
  5. 제2항 및 제3항에 있어서,
    상기 배기 시스템은 상기 제1 열교환기(32) 및 상기 제2 열교환기(38)를 제공하는 열교환기 유닛(54)을 구비하고, 이 열교환기 유닛(54)은 엔진 배기가스가 관류할 수 있는 상류 열교환기 영역(56)과 이 상류 열교환기 영역(56)의 하류에서 상기 상류 열교환기 영역(56)과 열전달 상호작용을 하는 하류 열교환기 영역(58)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 배기 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 분리 유닛(34)이 상기 상류 열교환기 영역(56)의 하류 및 상기 하류 열교환기 영역(58)의 상류에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 배기 시스템.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 엔진 배기가스로부터 열을 배출하기 위한 제2 엔진 배기가스 냉각 유닛(50)이, 상기 상류 열교환기 영역(56)의 하류 및/또는 상기 상류 열교환기 영역(56)의 하류 단부(64)에, 그리고 상기 하류 열교환기 영역(58)의 상류 및/또는 상기 하류 열교환기 영역(58)의 상류 단부(68)에 제공되어 있는 것을 특징으로 하는, 배기 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    제2 엔진 배기가스 냉각 유닛(50)은 엔진 배기가스로부터 냉각 매체(K), 바람직하게는 냉각 액체 또는 냉각 가스로 열을 전달하기 위한 제3 열교환기(52)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배기 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 열교환기 유닛(54)은 열교환기 유닛 하우징(60)을 포함하고, 상기 상류 열교환기 영역(56) 및 상기 하류 열교환기 영역(58)은 상기 열교환기 유닛 하우징(60) 내에 배치되어 있으며, 그리고 상기 제3 열교환기(50)는 실제로 상기 열교환기 유닛 하우징(60) 내에 배치되거나/배치되고 상기 열교환기 유닛 하우징(60)을 외측에서 둘러싸는 방식으로 배치되는 것을 특징으로 하는, 배기 시스템.
  10. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기 유닛(54)이 대향류식 열교환기 또는 직교류식 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배기 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 시스템은, 상기 제1 엔진 배기가스 냉각 유닛(30)으로 이어지는 엔진 배기가스 배기 라인(16)을 구비하는 것을 특징으로 하는, 배기 시스템.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 시스템은, 상기 엔진 배기가스 가열 유닛(36)으로부터 멀리 이어지는 엔진 배기가스 배출 라인(18)을 구비하는 것을 특징으로 하는, 배기 시스템.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 시스템은, 엔진 배기가스에 포함된 수소를 산화시키기 위한 하나 이상의 산화 유닛(20), 바람직하게는 산화 촉매 컨버터 및/또는 버너 그리고/또는 엔진 배기가스에 포함된 질소 산화물 함량을 감소시키기 위한 하나 이상의 촉매 컨버터 유닛(22), 바람직하게는 SCR 촉매 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배기 시스템.
  14. 제12항 및 제13항에 있어서,
    하나 이상의 산화 유닛(20) 및/또는 하나 이상의 촉매 컨버터 유닛(22)이 엔진 배기가스 배출 라인(18)에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 배기 시스템.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 시스템은, 엔진 배기가스 내로 반응제를 전달하기 위한 하나 이상의 반응물 전달 장치(28)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배기 시스템.
  16. 제13항 또는 제14항을 인용한다는 전제로 제15항에 있어서,
    하나 이상의 반응제 전달 장치(28)가 하나 이상의 촉매 유닛(22)의 상류에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 배기 시스템.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 시스템은, 상기 엔진 배기가스 가열 유닛(36)으로부터 멀리 이어지는 엔진 배기가스 배출 라인(18)에 배치된 하나 이상의 소음기(24)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배기 시스템.
  18. 수소 연소 엔진(12) 및 이 수소 연소 엔진(12)과 관련된, 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 배기 시스템(14)을 포함하는, 차량용 구동 시스템.
  19. 수소 연소 엔진(12)을 포함하는, 특히 제18항에 따른 차량용 구동 시스템(10)의 작동 방법으로서,
    상기 방법에서는 수소 연소 엔진(12)으로부터 배출되는 엔진 배기가스를 냉각하여 수분을 응축시키고, 수분이 응축된 후 수증기가 고갈된 엔진 배기가스를 가열하는, 작동 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3808805A (en) * 1971-09-28 1974-05-07 L Miramontes Process for the conversion of exhaust gases of the internal combustion engines into harmless products
US4409931A (en) * 1976-02-13 1983-10-18 Owen, Wickersham & Erickson Combustion and pollution control system
US6464854B2 (en) * 1997-12-16 2002-10-15 Lynntech, Inc. Water sources for automotive electrolyzers
US6739125B1 (en) * 2002-11-13 2004-05-25 Collier Technologies, Inc. Internal combustion engine with SCR and integrated ammonia production
DE10300298A1 (de) * 2003-01-02 2004-07-15 Daimlerchrysler Ag Abgasnachbehandlungseinrichtung und -verfahren
JP2007255329A (ja) * 2006-03-23 2007-10-04 Honda Motor Co Ltd 内燃機関システム
KR100694492B1 (ko) 2006-09-18 2007-03-14 문형우 자체 폐열을 이용한 백연방지장치
DE102008006953B4 (de) * 2008-01-31 2010-09-02 Airbus Deutschland Gmbh System und Verfahren zur Reduktion von Schadstoffen in Triebwerksabgasen
DE102017112217A1 (de) 2017-06-02 2017-08-10 FEV Europe GmbH Abgasanlage zum Ableiten eines Abgasstromes einer Verbrennungskraftmaschine
DE102020209154A1 (de) * 2020-07-21 2022-01-27 Vitesco Technologies GmbH Abgasstrang für einen Wasserstoffverbrennungsmotor und Verfahren zum Betreiben eines Abgasstrangs eines Wasserstoffverbrennungsmotors

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