KR100213592B1 - 배기가스 정화장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

배기가스가 방전된 강유전성 재료의 베드를 통과하는 내연기관 배기가스에서 미립자 및 기타 입자를 제거하는 방법이 제공된다. 또한 이러한 방법을 실행하기 위한 3가지 형태의 장치가 제공된다.

Description

배기가스 정화 장치 및 방법
제1도는 내연기관으로부터 배기 방출을 감소시키기 위한 반응기의 일부의 길이 방향 단면도.
제2도는 디젤 엔진에서 방출된 배기가스로부터 미립자 및 기타 방출물을 제거하는데 사용하기 위해 본 발명을 구체화하는 급속 흐름 반응기 챔버의 길이 방향 단면도.
제3도는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 도면.
제4도는 제1도에 따른 실험적 배기가스 정화 장치의 테스트 시스템 하부에 포함된 종이 필터상의 미립자 침착물을 도시한 도면으로서, 본 발명의 작동시와 비작동시에 따른 실험의 초기로부터 여러 시간 간격 경과 후의 침착물을 도시한 도면.
제5도는 본 발명의 작동시와 비작동시 제1도의 배기가스 정화 장치를 통과하는 테스트 가스의 2개의 적외선 흡수 스펙트럼의 일부를 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
101 : 반응기 챔버 110 : 팰릿
111 : 스터브 207 : 가스켓
209 : 팰릿
본 발명은 가스의 정화에 관한 것으로서, 특히 내연기관의 배기가스로부터 미립자나 기타 물질의 방출을 감소시키는 배기가스 정화장치 및 방법에 관한 것이다.
내연기관의 사용과 그에 따른 발전에 따라 대두되는 주요한 문제중의 한 가지는 독성가스의 배출에 관한 것이다. 특히 디젤 엔진의 경우 가장 해로운 물질중 2개는 입자형 탄소와 질소 산화물(NOx)이다. 특히 내연기관 배기 방출로부터 상기와 같은 물질을 효과적인 방식으로 제거하는 것을 찾아내는 것이 내연기관 및 차량 제작자에게 엄격한 방출 규격으로 강제되고 있다. 그러나, 불행하게도 실제로 내연기관 배기 방출 성분중 하나의 성분과 관련하여 이러한 상황을 개선하는 기술은 다른 성분에 대한 상황을 악화시키고 있는 것으로 밝혀졌다. 그러나, 내연기관 배기가스로 방출 미립자를 포착하기 위한 다양한 시스템이 연구되고 있으며, 특히 미립형 물질로 충만되었을 때 그와같은 미립형 물질을 재생 가능하게 포획하는 것에 대한 연구가 집중되고 있다.
이러한 디젤엔진 배기 미립자 필터의 일예는 유럽 특허 출원 제 EP 0 010 384호, 미국 특허 제 4,505,107호, 제 4,485,622호, 제 4,427,418호, 제 4,276,066호, EP 0 244 061GH, PE 0 112 634 호 및 EP 0 132 166호에 기재되어 있다.
상기 모든 경우에 있어서, 미립자는 일반적으로 다공성의 세라믹 필터 몸체의 간극에 미립자를 포착시키는 간단한 물리적 포착에 의해 디젤 배기가스로부터 제거되는데, 상기 필터 몸체는 포착된 디젤 배기가스개의 미립자가 연소되어 버리는 온도로 필터 몸체를 가열하므로써 재생된다. 대부분의 경우 필터 몸체는 단체형(單체monolithic)이지만, EP 0 010 384호에는 세라믹 비이드, 와이어 메쉬 또는 금속 스크린의 사용에 대해 언급하고 있다. 미국 특허 제 4,427,418 호에는 세라믹 코팅된 와아어나 세라믹파이버의 사용에 대해 기재되어 있다.
보다 넓게는, 정전기력에 의한 전하 입자의 석출(precipitation)이 공지되어 있다. 그러나 이경우에 석출은 대형의 평탄 전극이나 금속 스크린에 의해 발생하고 있다.
본 발명에 따르면 가스 유동 시스템의 일부를 구성하는 반응기 챔버를 포함한 가스 정화 장치가 제공되며, 상기 반응기 챔버는 정화될 가스의 통과를 제한하는 활성 요소를 포함하며, 상기 반응기 챔버는 고유전상수 재료로 구성되고 가스가 통과할 수 있는 팰릿 몸체와 상기 활성 요소내의 팰릿을 충전시키는 한쌍의 전극으로 구성되어 있다.
본 발명의 특징에 따르면, 내연기관으로부터의 배기 방출을 감소시키는 반응기가 제공되며, 상기 반응기는 내연기관 배기 시스템의 일부를 형성하는 반응기 챔버를 포함하는, 상기 반응 기챔버는 배기가스의 통과를 제한하는 활성 요소를 포함하며, 상기 반응기 챔버는 고유전 상수의 내열성 재료로 구성되고 가스가 통과할 수 있는 팰릿 몸체와 상기 활성 요소내의 팰릿을 충전시키는 한쌍의 전극으로 구성되어 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 고유전 상수의 내열성 재료로 이루어지고 가스가 통과할 수 있는 팰릿 몸체와 상기 활성 요소내의 팰릿을 충전시키는 한쌍의 전극으로 구성되고 배기가스의 통과를 제한하는 활성 요소를 구비한 반응기 챔버를 포함하는 내연기관용 배기가스 시스템이 제공된다.
상기 장치에는 하나 이상의 반응기 챔버가 포함되는 것이 적합하며, 또한 배기가스가 한쪽 반응기 챔버로부터 다른 반응기 챔버로 분기될 수 있게 하는 수단이 제공된다.
상기 전극은 팰릿을 활성 요소내의 제위치에 유지하는 금속 그리드 형태인 것이 양호하다.
팰릿은 규칙적인 형태나 또는 불규칙적인 형태를 가질 수 있으며, 고유전 상수를 가지며, 상기 팰릿을 구성하는 재료는 강유전성을 갖는다. 적절한 재료로서는 납 마그네슘 니오브산염, 납 티타늄염, 납 지르코늄염 또는 바륨 티타늄염을 들수 있다.
또한 사용시 배기가스가 반응기 챔버에 들어가기 전에 다른 전극을 통과하도록 가지 2전극 세트가 배치되므로써, 반응기 챔버내의 활성 요소를 통과하기 전에 배기가스에 함유된 미립자에 전하가 발생될 수 있게 한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 고유전 상수를 가지는 내열성 재료로 이루어지고 가스가 통과할 수 있는 팰릿 몸체로 구성된 활성 요소를 포함하는 반응기 챔버로 배기가스를 통과시키는 단계와, 활성 요소내의 팰릿에 전위를 가하는 단계를 포함하는 내연기관 배기 방출물 감소 방법이 제공된다.
팰릿은 그 침착된 탄소 함유 침착물을 충분히 태워버릴 수 있는 온도로 가열되며, 이를 계속적으로 실행하기 위한 적합한 방법은 팰릿에 수십킬로 볼트의 AC 전위를 가하는 것이다. 팰릿 사이의 공간에 생성된 마이크로플라즈마는 침작물이 자체 정화(self-cleaning)되게 한다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조로 하기의 실시예에 의해 상세히 기술된 것이다.
제1도에 있어서, 내연기관 배기가스 정화 장치는 한쪽 단부만 도시되어 있으며 다른 단부는 동일하게 설명된 반응기 챔버(101)로 구성되어 있다. 반응기 챔버(101)의 각각의 단부는 절연성 세라믹 재료로 이루어진 원통형 외피(103) 내부로 끼워지는 금속 단부부재(102)로 구성되어 있다. 단부부재(102)와 외피(103) 사이의 가스 밀봉은 단부부재(102)에 형성된 홈(105)에 안착되는 0링 시일(104)에 의해 이루어진다. 단부부재(102)는 내부(106)와 외부(107)로 구성되며, 이들은 세트스크류는 108)의 링에 의해 상호 유지된다. 스텐레스 스틸로 이루어진 이중 메시(첫째9)는 단부부재(102)의 내부 및 외부(106,107) 사이에 위치된다. 상기 메시(109)는 강유전성 팰릿(110) 몸체를 제위치에 유지하며, 또한 전극으로 작용하여 20킬로볼트의 전압을 세트스크류(108)와의 연결부(111)를 통하여 팰릿(110)에 가한다. 단부 부재(102)의 외부(107)는 도시되지 않은 내연기관의 배기가스가 반응기 챔버(101)로 들어갈 수 있게 하는 축방향의 중공 스터브(112)를 갖는다. 반응기 챔버(101)의 다른쪽 단부에 있는 대응의 단부부재(도시않음)상의 유사 스터브는 정화된 배기가스가 반응기 챔버(101)를 떠나가게 한다. 반응기 챔버(101)는 그 일부를 형성하는 배기 시스템의 잔여부와는 전기적으로 절연될 필요는 없다. 예를들어, 절연 커플링 슬리브는 스터브(112) 위에 끼워지며 반응기 챔버(101)의 다른 단부에는 그 대응부가 끼워지도록 사용된다. 선택적으로, 스터브는 그 각각의 단부부재의 잔여부와는 전기적으로 절연될 수 있다.
제2도에 있어서, 입자형 탄소 함유재료의 방출을 감소시키기 위하여 디젤엔진 배기 시스템에 사용하는 반응기 챔버(201)는 외부(202)와, 내부(203)와, 볼트(205)의 링에 의해 외부(202)의 일부를 형성하는 플랜지(206)에 부착되는 단부판(204)으로 구성된다. 난응기 챔버(201)의 외부(202)와 단부판(204) 사이의 가스 밀봉은 가스켓(207)에 의해 이루어진다. 반응기 챔버(201)의 내부(203)와 단부판(204) 2개의 금속 메시 실런더(210,211) 사이에 설치된 강유전성 팰릿(209)의 몸체(208)를 수용 및 유지한다. 실린더(210,211)는 팰릿(209)을 충전시키는 전극으로 작용한다. 또한 팰릿(029)의 몸체(208)를 둘러싸는 원통형 전극(212)도 포함된다. 전극(212)은 디젤 엔진(도시않음)의 배기가스(213)내의 입자형 탄소 함유 재료(검댕 : soot)가 팰릿(둘째9)의 몸체(208)를 관통하기 전에 충전되게 된다. 입구포트(214) 및 블리드 밸브(215)는 산화가스가 저장소(216)로부터 반응기 챔버(201)로 공급되게 하며, 필요할 경우에는 그 침착된 검댕을 태워버리므로써 팰릿(209)의 몸체(208)를 재생하는 것을 돕기도 한다. 선택적으로, 암모니아나 요소와 같은 환원가스는 반응기 챔버(201)로 유입되어 NOx를 N2로 환원시킬 수 있다.
사용할 때에는 수킬로볼트의 높은 DC 전압이 외부 전극에 가해져서 팰릿(209)을 강력하게 분극시키며 정전 필터로 작용한다. 팰릿(209)의 몸체(208)의 작용은 배기가스(213)내의 검댕 미립자를 충전시키기 위하여 전극(212)에 비슷한 전압을 가하므로서 강화된다.
만일 팰릿(209)의 몸체(208)가 검댕 입자로 충만되었다면, 여러 가지 기법에 의해 재생될 수 있다. 예를들어 팰릿(209)의 표면상에 검댕 입자를 산화시키는 마이크로플라즈마를 생성하기 위해 전극에 의해 팰릿(209)의 몸체(208)에 AC 또는 맥동파 DC 전압이 가해질 수 있다. 선택적으로, 내부 가열 소자를 사용하여 팰릿(209)의 저항 가열이 이용될 수 있다. 다른 가능성은 마이크로플라즈마를 생성하는 RF 방사선이나 마이크로파를 사용하는 것이다. 모든 경우에 있어서, 재생은 포트(214) 및 블리드 밸브(215)를 통하여 산소를 반응기 챔버(201)내로 제공하므로써 이루어진다. 그러나 팰릿(209)을 재생시키는 다른 방법은 엔진을 짧은 시간 동안 고온으로 작동시키므로써 배기가스의 온도를 증가시키는 것이다.
제3도는 2개의 반응기 챔버(301,302)가 사용된 경우를 도시하고 있다.
각각의 반응기 챔버(301,302)는 원통형 입구(303), 원추형 몸체부(304), 및 출구(305)로 구성되어 있다. 제3도에서 관통 그리드(306), 강유전성 팰릿의 몸체(307), 그리드(306)와 함께 팰릿(308)을 제위치에 유지하는 제2관통 그리드(309)와 보조 충전 전극(309)의 도시되어 있다. 고압 충전 전극으로 작용하기 위하여 그리드(304)는 접지되어 있으며, 그리드(308)는 절연되어 있다.
반응기 챔버(301,302)는 Y형태로 배치되어 있으며, 그 연결부에는 플랩 게이트 밸브(310)가 위치되어 있다. 사용시, 플랩 게이트 밸브(310)는 반응기 챔버(301,302)중 하나를 폐쇄하여 사용 후 재생 가능하게 되며 다른 반응기 챔버가 사용될 동안 차후 사용에 대한 준비를 하고 있으며, 그 반대인 경우도 마찬가지이다. 반응기 챔버(301,302)가 포함된 재기 시스템에서 엔진의 시동을 돕기 위해, 플랩게이트 밸브(310)는 양쪽 반응기 챔버(301,302)가 서로 회로 연결되도록 위치될 수 있다.
제4도에는 스모크가 통과되는 제1도의 배기가스 정화 장치의 실험 장치하부에 설치된 두 집단의 종이 필터가 도시되어 있다. 약 20KV 의 전위치가 강유전성 팰릿(109)에 가해졌을 때, 12분이 지난 후 스모크내의 거의 모든 미립자는 가스 정화 장치에 의해 제거되었으며, 강유전성 팰릿(109)에 전차위가 없을 경우 필터는 스모크내의 미립자에 의해 막혀버렸음을 알 수 있다.
제5도는 제1도를 참조로 기술된 정화 장치를 통과하는 테스트 가스에 톨루엔이 존재하는 유사한 실험의 결과를 도시한다. 도시된 바와같이 대부분의 톨루엔이 테스트 가스에서 제거되었다.
실제에 있어서, 가해진 전위가 DC 라기보다 AC이고 강유전성 팰릿이 자체정화(self-cleaning)의 능력을 갖고 있다면 가열에 의한 재생이 필요하기 전의 내구성은 상당히 증가된다는 것을 알 수 있다. 디젤 엔진의 정류 작동 범위내에서, 팰릿은 AC모드로 작동되었을 때 완전히 자체 정화된다.
자체 정화 효과는 팰릿이 불규칙적인 형상을 가질 때 강화되는데, 그 이유는 모서리가 탄소 함유 침착물의 산화에 도움을 주는 마이크로플라즈마의 생성을 강화시키기 때문이다. 상기 마이크로플라즈마는 환원 가스가 반응기 챔버내의 배기가스에 가해질 때 이산화 질소의 환원에 도움을 준다.
대부분의 세라믹/강유전성 재료의 유전 상수는 명확한 최대값을 갖는 온도 함수이다. 따라서 팰릿(110,209)을 위한 재료는 반응기가 위치된 배기 시스템의 위치에 따라 선택될 수 있다. 예를들어, 작동 온도가 5°내지 600℃인 배기 시스템의 배기 매니폴드 말단에 배치될 경우에는 마그네슘이 재료의 구성 요소로서 마그네슘을 갖거나 갖지 않는 납 니오브산염이나 납 티탄산염이 적합한 반면에, 만일 작동 온도가 약300℃인 배기 시스템의 테일 파이프(tail pipe) 말단에 반응기가 위치되었을 경우에는 납 지르콘산염이나 그 관련 성분이 적합하다. 중간 위치에서 사용하려면 다른 재료가 사용될 수도 있다.
특히 유용한 재료는 바륨 티탄산염인데, 그 이유는 이것이 탄소 함유 입자(검댕)를 CO/CO2/CO2/H2O로 산화시키면서 NOx의 N2로의 환원을 촉진시키는 촉매 특성을 갖는 것으로 여겨지기 때문이다.

Claims (13)

  1. 가스 유동 시스템의 일부를 형성하는 반응기 챔버를 포함하는 가스 정화장치에 있어서, 반응기 챔버(101)는 정화될 가스의 통과를 제한하는 활성 요소를 포함하며, 상기 반응기 챔버는 고유전 상수를 갖는 재료로 구성되고 가스가 통과할 수 있는 팰릿(110)의 몸체와, 상기 활성 요소내의 팰릿을 충전시킬 수 있는 적어도 한쌍의 전극으로 구성되어 활성요소와 가스간의 상호작용을 촉진하는 것을 특징으로 하는 가스 정화 장치.
  2. 내연기관 배기 시스템의 일부를 형성하는 반응기 챔버(201)를 포함하는 내연기관 배기 방출 감소용 반응기에 있어서, 반응기 챔버(201)는 배기가스의 통과를 제한하는 활성 요소를 포함하며, 상기 반응기 챔버는 고유전상수를 가지는 내열성 재료로 구성된 팰릿(209)의 몸체(208)와 상기 활성 요소내의 팰릿(209)을 충전시킬 수 있는 적어도 한쌍의 실린더(210,211)로 구성되어 질소산화물과 탄소함유 입자 생성물을 제거하도록 활성요소와 가스간의 상호 작용을 촉진하는 것를 특징으로 하는 내연기관 배기 방출 감소용 반응기.
  3. 제2항에 있어서, 팰릿(209)을 구성하는 재료는 강유전성인 것을 특징으로 하는 배기 방출 감소용 반응기.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 팰릿(208)을 구성하는 재료는 NOx의 질소 환원과 탄소 함유 재료의 일산화 탄소, 이산화탄소 및 물의 기체상 혼합물의 변환을 촉진시키는 것을 특징으로 하는 방출 감소용 반응기.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 팰릿(209)은 납 마그네슘 니오브산염, 납 티탄산염, 납 지르콘산염 또는 바륨 티탄산염으로 이루어지는 것을 특징으로 하는배기 방출 감소용 반응기.
  6. 제2항 또는 제3항에 있어서, 가스가 반응기 챔버내의 활성 요소에 유입되기 전에 상기 가스가 통과하도록 배치된 보조 전극 세트(212)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 방출 감소용 반응기.
  7. 제2항 또는 제3항에 있어서, 반응가스를 반응기 챔버에 유입시키는 수단(214)이 제공되는 것을 특징으로 하는 배기 방출 감소용 반응기.
  8. 내연기관의 배기가스 방출물을 감소시키는 방법에 있어서, 고유전상수를 가지는 내열성 재료로 이루어지고 가스가 통과할 수 있는 팰릿(209)의 몸체(208)로 구성된 활성 요소를 포함하는 반응기 챔버(201)를 통해 내연기관으로부터 배기가스를 통과시키는 단계와, 배기가스로부터 배기가스의 탄소 함유 성분을 제거하기 위해 활성 요소내의 팰릿(209)에 1KV의 전위를 가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관 배기가스 방출물 감소 방법.
  9. 제8항에 있어서, 팰릿(208)에 가해진 전위는 맥동파 DC 또는 AC 전위인 것을 특징으로 하는 내연기관 배기 가스 방출물 감소 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 팰릿상에 침착된 탄소 함유 침착물을 태워버릴 수 있는 온도로 팰릿(209)을 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관 배기 가스 방출물 감소 방법.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서, 반응 가스를 반응기 챔버(201)에 유입시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관 배기 가스 방출물 감소 방법.
  12. 제11항에 있어서, 반응 가스는 배기가스에 포함된 질소 함유 산화물을 환원시키는 것을 특징으로 하는 내연기관 배기 가스 방출물 감소 방법.
  13. 제8항 또는 제9항에 있어서, 배기가스가 반응기 챔버(201)내의 활성 요소로 유입되기 전에 내연기관의 배기가스에 전기장을 가하여 배기가스에 함유된 미립자를 충전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관 배기 가스 방출물 감소 방법.
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