KR20110125592A - 암모니아 공급 장치, 암모니아 공급 방법 및 배기 가스 정화 시스템 - Google Patents

암모니아 공급 장치, 암모니아 공급 방법 및 배기 가스 정화 시스템 Download PDF

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가부시키가이샤 도요다 지도숏키
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Abstract

암모니아 공급 장치는 암모니아 흡장재, 도전성 소자, 혼합물, 탱크 및 전극을 구비한다. 암모니아 흡장재는 분말 또는 입자 형상을 갖는다. 암모니아는 암모니아 흡장재에 저장되어 있으며 암모니아 흡장재로부터 방출된다. 페이스트 또는 액체 형상을 갖는 도전성 소자는 도전성을 가지며 암모니아와 비반응성을 갖는다. 혼합물은 암모니아 흡장재 및 도전성 소자를 혼합함으로써 형성된다. 탱크는 이 혼합물을 유지한다. 전극은 제1 및 제2 전극 소자 쌍을 포함하여 혼합물에 전극을 인가한다

Description

암모니아 공급 장치, 암모니아 공급 방법 및 배기 가스 정화 시스템{AMMONIA SUPPLY DEVICE, AMMONIA SUPPLY METHOD AND EXHAUST GAS PURIFICATION SYSTEM}
본 발명은, 암모니아 흡장재(absorber)로부터 암모니아를 공급하기 위한 암모니아 공급 장치, 암모니아 공급 방법 및 그것을 이용한 배기 가스 정화 시스템에 관한 것이다.
자동차에 설치된 연소 기관으로부터 방출되는 배기 가스에 함유된 질소 산화물(NOx)을 감소시키기 위하여 NOx 정화 시스템이 널리 사용되고 있다. 특히, 배기 시스템에 선택 환원 촉매(SCR 촉매)가 제공되는 디젤 엔진용 NOx 정화 시스템이 사용되고 있다. 디젤 엔진용 NOx 정화 시스템에 따르면, 환원제로서 사용되는 요소(urea)를 SCR 촉매에 공급하고 요소로부터 생성된 암모니아(NH3)를 SCR 촉매에서 흡수하고 저장하여, 배기 가스에서 NOx를 선택 환원하는데 사용된다.
NOx 정화 시스템에서 환원제로서 작용하는 암모니아를 저장하고 있는 암모니아 흡장재를 사용하여 SCR 촉매에 암모니아를 공급하는 종래 방법이 일본 특허공표공보(PCT 출원의 번역) 2008-528431호에 개시되어 있다. 이 NOx 정화 시스템은 그 안에 암모니아 흡장재를 갖고 있는 용기, 암모니아 흡장재를 가열하는 히터 및 가열에 의하여 생성된 암모니아 가스를 배기 가스 중으로 공급하는 암모니아 공급 장치를 구비한다. 이 암모니아 흡장재는, 고밀도 암모니아 저장 염화 마그네슘(MgCl2)으로 이루어진 물질과 같은, 예를 들어 금속 암민염(metal ammine salts)으로 이루어진다. 히터는 용기를 가열하여 NH3가 암모니아 흡장재로부터 방출되고 공급 밸브를 통하여 배기 가스로 공급되도록 한다.
상술된 공보에 따르면, 용기가 히터에 의하여 가열되고 용기의 열이 암모니아 흡장재로 전달되어 암모니아 흡장재가 가열된다. 암모니아 흡장재의 열 전도율은 실질적으로 낮아서, 용기 내에서 균일하게 암모니아 흡장재를 가열하는 것은 어렵다. 특히, 용기의 열은, 그 용기와 직접 접촉하고 있는 암모니아 흡장재의 바깥부로는 쉽게 전달되지만, 용기와 멀리 떨어진 암모니아 흡장재의 중심부로는 전달되기가 어렵다. 그러므로, 암모니아 흡장재의 바깥부에 저장된 NH3는 쉽게 방출되지만, 암모니아 흡장재의 중심부에 저장된 NH3는 방출되기가 어렵다. 그러므로, 용기 내의 암모니아 흡장재에 저장된 NH3는 불균일하게 비효율적으로 방출된다. 전술한 문제를 해결하기 위하여 용기로부터 떨어져 있는 암모니아 흡장재의 중심부로 열을 전달하기 위하여 히터에 더 큰 전력을 공급하는 것은 단지 소비 전력의 증가를 발생시킨다.
본 발명은 암모니아 흡장재로부터 암모니아를 효율적으로 공급하는 암모니아 공급 장치 및 암모니아 공급 방법, 그리고 그것을 사용한 배출 가스 정화 시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면, 암모니아 공급 장치는 암모니아 흡장재, 도전성 소자, 혼합물, 탱크 및 전극을 포함한다. 암모니아 흡장재는 분말 또는 입자 형상으로 되어 있다. 암모니아는 암모니아 흡장재에 저장되고 암모니아 흡장재로부터 방출된다. 페이스트 또는 액체 형상을 갖는 도전성 소자는 도전성을 가지며 암모니아와는 비반응성을 갖는다. 혼합물은 암모니아 흡장재와 도전성 소자를 혼합함으로써 만들어진다. 탱크는 혼합물을 유지한다. 전극은 제1 및 제2 전극 소자 쌍을 구비하여 전압을 혼합물에 인가한다.
암모니아를 공급하는 방법은 방출될 암모니아를 저장하고 있으며 분말 또는 입자 형상을 갖는 암모니아 흡장재와, 도전성을 가지며 암모니아와 비반응성을 갖는 페이스트 또는 액체 형상의 도전성 소자를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계와, 그 혼합물을 탱크 내에 놓는 단계와, 도전성 소자를 통하여 전류가 흐르도록 탱크 내에 배치된 전극 소자 쌍을 갖는 전극에 전압을 인가하는 단계를 구비하며, 도전성 소자는 열을 생성하고, 이 생성된 열이 암모니아 흡장재로 전달되어 암모니아 흡장재의 온도를 증가시켜서, 암모니아를 암모니아 흡장재로부터 방출시킨다.
본 발명의 다른 측면 및 장점들은, 첨부 도면과 함께 본 발명의 원리를 예를 들어 설명하고 있는 이하의 기재로부터 명확하게 될 것이다.
본 발명의 목적 및 장점은 첨부 도면과 함께 바람직한 실시예의 이하의 설명을 참조하여 가장 잘 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 배기 가스 정화 시스템을 보여주는 개략도이다.
도 2는 도 1의 배기 가스 정화 시스템의 제어를 보여주는 플로우 차트이다.
도 3은 도 1의 배기 가스 정화 시스템의 암모니아 공급 장치의 부분 확대도이다.
도 4a는 도 3의 암모니아 공급 장치의 작동을 설명하는 개략도이다.
도 4b는 도 3의 암모니아 공급 장치의 작동을 설명하는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따르는 배기 가스 정화 시스템의 암모니아 공급 장치의 부분 확대도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따르는 배기 가스 정화 시스템의 암모니아 공급 장치의 부분 확대도이다.
이하에서는 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따르는 배기 가스 정화 시스템을 설명할 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 숫자 10으로 지정되어 있으며 내연 기관으로서 디젤 엔진(도시되지 않음)으로부터 배출된 배기 가스에 포함된 질화 산화물(NOx)과 같은 유해 물질을 제거하기 위하여 사용되는 배기 가스 정화 시스템이 배기 가스가 지나가는 배기 가스 통로(11)에 설치되어 있다. 배기 가스 중에 포함된 NOx을 선택 환원시키는 선택 환원(SCR) 촉매(12)가 또한 배기 가스 통로(11)에 설치되어 있다. SCR 촉매(12)는, 비교적 저온에서 상대적으로 높은 NOx 촉매 변환 효율을 갖는 암모니아 흡착성의 Fe 제롤라이트 등의 물질로 만든다.
배기 가스에 함유된 NOx 양을 검출하기 위하여, 질화 산화물 센서(NOx 센서)(13)가 배기 가스 통로(11) 중에서 배기 가스가 흐르는 방향에 대하여 SCR 촉매(12)의 상류 측의 배기 가스 통로(11)에 설치된다. 배기 가스 통로(11)로 암모니아를 분사하기 위하여, 주입 노즐(14)이 SCR 촉매(12)의 상류측의 배기 가스 통로(11)에 설치되어 있으며, 공급관(15)을 통하여 암모니아 공급 장치(16)와 연결되어 있다.
암모니아 공급 장치(16)는 제1 메인 탱크(17), 제2 메인 탱크(18) 및 스타트업 탱크(19)를 갖고, 이들은 각각 공급관(15)에 연결되어 있으며, 탱크 선택 밸브(20)가 공급관(15)에 설치되어 있다. 암모니아 흡장재(P)와 암모니아 흡장재(P)에 첨가된 도전성 페이스트(Q)를 혼합함으로써 만들어진 혼합물(R)이 각각의 탱크(17,18 및 19)에 보유되어 있으며, 혼합물(R)에 전압을 공급하기 위하여, 제1 및 제2 전극판(21A 및 21B) 쌍을 갖는 전극(21)이 각각의 탱크(17,18 및 19)에 설치되어 있다. 제1 및 제2 전극판(21A 및 21B)은 본 발명의 제1 및 제2 전극 소자로서 작용한다. 제어 유닛(22)은 탱크(17, 18 및 19) 내의 각 전극(21)에 접속되어 전극(21)으로의 전압 인가 전환을 제어한다. 제어 유닛(22)은 본 발명의 제어 장치로서 작용한다. 온도계(23)는 각 탱크(17, 18 및 19) 내에 설치된다. 암모니아 공급 장치(16)는 이후에 상세하게 설명될 것이다.
압력 센서(24)가, 암모니아 공급 장치(16)로부터 공급된 암모니아의 압력을 검출하기 위하여 공급관(15)에 설치된다. 공급 밸브(25)가, 주입 노즐(14)로 공급되는 암모니아 양을 조정하기 위하여 암모니아의 흐름 방향에 대하여 주입 노즐(14)의 상류 측의 공급관(15)에 설치된다. 공급 밸브(25)는 주입 노즐(14)로 소정량의 암모니아를 공급하도록 제어하며, 주입 노즐(14)은 소정량의 암모니아를 배기 가스로 주입한다.
배기 가스 정화 시스템(10)의 작동을 제어하는 전기 제어 유닛(ECU; 26)이 NOx 센서(13), 온도계(23), 압력 센서(24), 제어 유닛(22), 탱크 선택 밸브(20) 및 공급 밸브(25)에 연결된다. ECU(26)는 본 발명의 제어 장치로서 작용한다.
이하에서는 도 2에 도시된 플로우 차트를 사용하여 ECU(26)에 의하여 실행되는 제어 플로우를 설명할 것이다. 자동차에 설치된 엔진이 단계 S101에서 시동되고, 플래그 N이 S102에서 입력된다. 플래그 N은 암모니아를 공급하기 위하여 사용되는 제N 메인 탱크를 나타낸다. 단계 S103에서, 스타트업 탱크(19) 및 제N 메인 탱크의 가열이 시작된다. 제N 메인 탱크가 타겟 탱크로서 작용한다. 스타트업 탱크(19)의 구조는 제1 및 제2 메인 탱크(17 및 18)의 구조와 실질적으로 동일하지만, 스타트업 탱크(19)의 용량은 제1 및 제2 메인 탱크(17 및 18) 각각의 용량보다 작아서 스타트업 탱크(19)로부터의 암모니아의 방출은 가열이 시작된 직후에 일어난다. 스타트업 탱크(19)는, 제1 및 제2 메인 탱크(17 및 18)가 암모니아를 공급하기 위한 준비가 될 때까지 암모니아를 공급하며, 따라서 예비 암모니아 공급체로서 작용한다.
단계 S104에서, 온도계(23)로 검출된 제N 메인 탱크의 온도가 소정 온도(T1)보다 높은지의 여부를 결정한다. 소정 온도(T1)는 암모니아 흡장재(P) 내의 암모니아를 공급하기 위하여 방출되기 시작하는 온도를 기초로하여 결정된다. 또한 소정 온도(T1)는 혼합물(R)의 분포와 형상, 온도계(23)의 위치 및 비열(specific heat)을 고려하여 결정된다. 단계 S104에서 YES이거나, 또는 제N 메인 탱크의 온도가 소정 온도(T1)보다 높게 올라갔다면, S105에서 탱크 선택 밸브(20)는 제N 메인 탱크를 개방하도록 작동한다. 동시에, 스타트업 탱크(19)의 가열이 정지된다. 단계 S104에서 NO이거나, 제N 메인 탱크의 온도가 올라는 갔지만 소정 온도(T1)보다 낮다면, 제어 플로우는 단계 S104로 되돌아가서, 제N 메인 탱크의 온도가 소정 온도(T1)에 도달할 때까지 단계 S104를 반복한다.
단계 S106에서, 배출 가스에 함유된 NOx를 산화시키는데 필요한 암모니아 양은 NOx 센서(13)로부터의 검출 신호에 의하여 산출되고, 공급 밸브(25)가 필요한 암모니아 양을 주입 노즐(14)로부터 주입하도록 작동한다. 암모니아 주입량은, 공급 밸브(25)가 개방되는 동안의 시간을 조절함으로써 제어된다. 주입 노즐(14)로부터 배기 가스로 주입된 암모니아는 SCR 촉매(12)에 흡착되고 배기 가스에 함유된 NOx의 선택 산화가 SCR 촉매(12)에 흡착된 암모니아에 의하여 실행된다.
단계 S107에서, 압력 센서(24)로 검출된 압력이 소정 압력(P1)보다 작게 감소되었는지 여부를 결정한다. 소정 압력(P1)은, 메인 탱크 내에 저장된 암모니아 전체 양이 방출되었는지를 결정하는, 본 발명의 타겟 값으로 작용한다. 단계 S107에서 YES이거나, 또는 압력 센서(24)로부터 검출된 압력이 소정 압력(P1)보다 낮다면, 제N 메인 탱크에 저장된 전체 암모니아 양이 방출되었다고 판단하고, 다음 단계 S108에서, N이 Nmax인지를 판단한다. Nmax는 배기 가스 정화 시스템(10)에서 사용된 메인 탱크의 개수를 나타낸다. 단계 S107에서 NO이거나 압력 센서(24)로 검출된 압력이 소정 압력(P1)보다 크다면, 제어 플로우는 단계 S106으로 되돌아간다.
단계 S108에서 YES이거나, N이 Nmax이면, 메인 탱크에 저장된 전체 암모니아 양이 방출되었다고 판단하고 경고 신호를 단계 S113에서 출력한다. 이어서, 제어 플로우는 단계 S114에서 종료되며, 자동차 엔진이 정지된다. 메인 탱크를 암모니아로 재충전시킬 때, 메인 탱크는 배기 가스 정화 시스템(10)에서 분리된다. 단계 S108에서 NO이거나, 또는 N이 Nmax가 아니면, 제(N+1) 메인 탱크의 가열을 단계 S109에서 시작한다.
이어서, 단계 S110에서, 온도계(23)로 검출된 제(N+1) 메인 탱크의 온도가 소정 온도(T1)보다 높은지 여부를 결정한다. 단계 S110에서 YES이거나 또는 제(N+1) 메인 탱크의 온도가 소정 온도(T1)보다 높다면, 탱크 선택 밸브(20)는 제N 메인 탱크에서 제(N+1) 메인 탱크로 탱크를 전환하도록 작동한다. 단계 S110에서 NO이거나, 또는 제(N+1) 메인 탱크의 온도가 소정 온도(T1)보다 낮으면, 제어 플로우는 단계 S109로 되돌아가서, 제(N+1) 메인 탱크의 온도가 소정 온도(T1)에 도달할 때까지 단계 S109를 반복한다. 이어서, N의 값은 단계 S112에서 (N+1)의 값으로 대체되며, 제어 플로우는 단계 S106으로 되돌아간다. 도 1은 두 개의 메인 탱크를 갖거나 또는 Nmax가 2개인 경우의 배기 가스 정화 시스템(10)을 보여준다. 메인 탱크의 개수는 엔진의 배기량에 따라서 결정되며, 메인 탱크의 개수는 엔진 배기량이 증가하면 증가된다.
도 3을 참조하면, 암모니아 공급 장치(16)는 분말 또는 입자 암모니아 흡장재(P)와 도전성을 가지며 암모니아와 비반응성을 갖는 도전성 페이스트를 혼합함으로써 만들어진 혼합물(R)을 유지하는 용기(27)를 갖는다. 암모니아 공급 장치(16)는 또한 제1 및 제2 전극판(21A 및 21B)을 포함하는 전극(21)을 갖는다. 도 1에 도시된 암모니아 공급 장치(16)는 서로 실질적으로 동일한 구조를 갖는 제1 메인 탱크(7), 제2 메인 탱크(18) 및 스타트업 탱크(19)를 갖는다.
암모니아 흡장재(P)는 예를 들어 MgCl2로 만들어진다. 분말 또는 입자 형상의 암모니아 흡장재(P)가 사용될 수 있다. 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따르면, 약 200 메시(약 75㎛)의 입자 직경을 갖는 분말 암모니아 흡장재(P)가 사용된다. MgCl2의 경우에, 3 내지 4 기압에서 암모니아 흡장재(P)의 온도가 150℃ 이상일 때 암모니아 흡장재(P)에 저장된 암모니아가 방출된다.
도전성 페이스트(Q)로서는, 도전성을 갖지만 높은 전기저항과 암모니아와 비반응성을 갖는 은 페이스트 또는 탄소 페이스트가 사용된다. 도전성 페이스트(Q)를 첨가하여 암모니아 흡장재(P)와 혼합하여 혼합물(R)을 형성한다. 혼합물(R)을 직사각형 몰드에 넣고 압력을 가하여 젤 형상의 성형품으로 만든다.
용기(27)는 직사각형의 횡단면을 가지며 본체(27A)와 용기 내의 암모니아가 방출되는 유출구가 형성된 덮개(27B)를 갖는다. 용기(27)는 절연재로 이루어져 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 전극(21)을 이루는 제1 및 제2 전극판(21A 및 21B) 쌍은 서로에 대하여 마주하면서 본체(27A)의 대향 측벽에 삽입되어 있다. 혼합물(R)의 성형품을, 성형품의 두 대향 측면이 각각 제1 및 제2 전극판(21A 및 21B)과 접촉하도록, 용기(27) 내에 놓는다.
제1 및 제2 전극판(21A 및 21B)은 제어 유닛(22)에 각각 연결되어 있으며 직류 전압(이후에는 "DC 전압" 이라함)이 제1 및 제2 전극판(21A 및 21B) 사이에 인가되어서 전류가 도전성 페이스트(Q)를 통하여 흐르며, 그런 후 도전성 페이스트는 열을 생성하는 전기저항 발열소자로서 작용한다. 생성된 열은 암모니아 흡장재(P)로 전달되어서, 암모니아 흡장재(P)가 가열되고 암모니아 흡장재(P)에 저장된 암모니아가 방출된다. 제1 및 제2 전극판(21A 및 21B) 사이에 인가하는 DC 전압은 교류전압으로 대체될 수도 있다. 배기 가스 정화 시스템(10)이, DC 전압을 공급하는 전지(battery)를 사용하는 자동차에 설치될 경우에, 배기 가스 정화 시스템(10)에 사용하는 전기 전력 제어 장치는 간소화될 수 있다.
이하에서는 암모니아 공급 장치(16)를 사용하여 실행되는 암모니아 공급 방법을 기재할 것이다. 도전성 페이스트(Q)는 암모니아 흡장재에 첨가되어서 균일하게 혼합된다. 도전성 페이스트(Q)는 암모니아 흡장재(P)의 입자들을 결합하는 바인더로서 작용한다. 암모니아 흡장재(P)의 입자 표면이 도전성 페이스트(Q)로 덮여서 적셔지는 정도의 적절한 양의 도전성 페이스트(Q)가 암모니아 흡장재에 첨가되고 혼합된다.
도전성 페이스트(Q)와 암모니아 흡장재(P)에 의하여 형성된 혼합물(R)을 직사각형 몰드에 놓고 압력을 가하여 성형물을 만든다. 소정의 형상을 갖는 성형물은 몰드의 형상을 바꿈으로써 만들어질 수 있다. 암모니아 흡장재(P)에 도전성 페이스트(Q)를 첨가함으로써 형성된 혼합물(R)은 임의의 소정의 형상으로 용이하게 형성되고 혼합물(R)에서 발생된 임의의 스트레스를 흡수하여, 그 혼합물에 가해진 쇼크에 의하여 혼합물이 균열되는 것을 방지한다. 혼합물(R)이 도전성 페이스트(Q)를 첨가하지 않고 암모니아 흡장재(P)로만 이루어져 있다면, 혼합물(R)의 최종 성형물은 충격 쇼크에 의하여 쉽게 균열 된다. 확대 단면의 혼합물(R)을 보여주는 도 4a 및 4b를 참조하면, 입자들 사이의 공간은 도전성 페이스트(Q)로 완전히 채워지지 않고 작은 공간(S)이 암모니아 흡장재(P) 입자 사이에 형성된다.
혼합물(R)의 성형품은 용기 덮개(27B)를 제거한 상태에서 위에서부터 용기 안으로 넣는다. 용기(27) 내에 놓여진 성형품은 용기 내에 설치된 제1 및 제2 전극판(21A 및 21B)과 접촉할 수 있는 크기로 형성된다.
제어 유닛(22)으로부터의 DC 전원은 제1 및 제2 전극판(21A 및 21B) 사이로 인가되어, 전류가 도전성 페이스트(Q)를 통하여, 전기저항 가열 소자인 도전성 페이스트(Q)가 열을 생성한다. 도전성 페이스트(Q)는 제1 및 제2 전극판(21A 및 21B) 사이를 도통하는 저항 부재로서 뿐만 아니라 암모니아 흡장재(P)의 입자들을 결합시키는 바인더로서도 기능한다. 도전성과 높은 전기저항을 갖는 도전성 페이스트(Q)는, 전류가 도전성 페이스트(Q)를 통과하여 흐를 때 전기저항 가열 소자로서 열을 생성한다.
따라서, 도전성 페이스트(Q)에서 생성된 열이 암모니아 흡장재(P)로 전달되고, 암모니아 흡장재(P)가 가열되어서 암모니아 흡장재(P)에 저장되어 있는 암모니아가 방출되도록 한다. 암모니아 흡장재(P)가 주로 MgCl2로 이루어져 있는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따르면, 암모니아 흡장재(P)에 저장된 암모니아는, 암모니아 흡장재(P)가 150℃ 보다 높은 온도로 가열될 때, 방출된다.
이하에서는 도 4를 참조하여, 전술한 바와 같이 구성된 암모니아 공급 장치(16)의 작동을 설명할 것이다. 도 4a 및 4b에서는 암모니아 흡장재(P)의 각 입자의 크기와 형태가 과장되어 도시되어 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 도전성 페이스트(Q)가 암모니아 흡장재(P)의 각 입자 표면의 전체 또는 일부를 덮고 있으며, 암모니아 흡장재(P)의 입자들은 도전성 페이스트(Q)에 의하여 서로 결합되어 있다. 암모니아 흡장재(P)의 입자에 부착되어 있는 도전성 페이스트(Q)의 부분은 서로 연결되어져 있어서 제1 및 제2 전극판(21A 및 21B) 사이에서 도통회로를 형성한다. 암모니아 흡장재(P)의 입자 표면이 도전성 페이스트(Q)로 덮혀서 적셔지는 정도의 도전성 페이스트(Q)의 양을 암모니아 흡장재(P)에 첨가함으로써, 작은 공간(S)이 암모니아 흡장재(P)의 입자 사이에 형성된다.
암모니아 흡장재(P)의 입자에 부착된 도전성 페이스트(Q)는 도 4a의 굵은 선으로 도시되어 있다. 각 암모니아 흡장재 입자 상의 도전성 페이스트(Q) 층은 서로 연결되어서 지그재그 형태의 도통 회로를 형성한다. 그 공간(S)은, 도 4a에 도시된 바와 같이, 입자들 사이에 형성된다. 따라서, DC 전압이 전극판(21A 및 21B) 사이에 인가될 경우, 전류가 도전성 페이스트(Q)에 의하여 형성된 도통 회로를 통하여 흐른다. 도전성과 고 전기저항을 갖는 도전성 페이스트(Q)는, 도전성 페이스트(Q)를 통하여 전류가 흐를 때, 전기저항 가열 소자로서 열을 생성한다.
도전성 페이스트(Q)에서 생성된 열은 암모니아 흡장재(P)의 입자로 전달되어, 가열된다. 도전성 페이스트(Q)가 암모니아 흡장재(P)의 입자들 사이에 분산되어 있기 때문에, 도전성 페이스트(Q)에서 생성된 열은 용기(27) 내의 암모니아 흡장재(P)의 입자로 직접 전달된다. 도전성 페이스트(Q)로부터 암모니아 흡장재(P)로 전달된 열은 도 4a의 화살표로 도시되어 있다.
암모니아 흡장재(P)의 입자가 150℃ 이상으로 가열될 경우, 암모니아 흡장재(P)에 저장된 암모니아가 방출된다. 암모니아 흡장재(P)의 입자의 표면에 부착된 도전성 페이스트(Q)는 입자들 사이에 작은 공간(S)이 형성되도록 입자들의 표면을 덮고 있어서, 암모니아 흡장재(P)로부터 방출된, 비교적 높은 온도와 높은 압력을 갖는 암모니아는 도전성 페이스트(Q)를 뚫으면서 도전성 페이스트(Q)를 통과한다. 방출된 암모니아는 작은 공간(S)을 통과하여 용기(27)의 상부를 향하여 흐른다. 암모니아 흡장재(P)로부터 방출된 암모니아는 도 4b의 화살표에 의하여 도시되어 있다.
암모니아 흡장재(P)의 입자에 저장되어 있는 암모니아는 각 입자들로부터 방출되기 때문에, 종래의 암모니아 공급 장치의 경우와 같이 암모니아의 방출의 불균일을 방지하고 암모니아 흡장재(P)에 저장된 암모니아는 균일하게 효과적으로 방출될 수 있다.
본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따르는 암모니아 공급 장치(16) 및 그것을 사용한 배기 가스 정화 시스템(10)은 이하의 유익한 효과를 갖는다.
(1) 암모니아 공급 장치(16)는 암모니아가 저장된 암모니아 흡장재(P)와 암모니아 흡장재(P)에 첨가되어 암모니아 흡장재(P)와 혼합되고 암모니아와 비반응성을 갖는 도전성 페이스트(Q)로 이루어진 혼합물(R)을 유지하는 용기(27)와, 또한 용기(27) 내의 혼합물(R)에 전압을 인가하는, 제1 및 제2 전극판(21A 및 21B) 쌍을 갖는 전극(21)을 갖는다. DC 전압은 전극(21)으로 인가되고 전류가 도전성 페이스트(Q)로 흐르고, 따라서 전기저항 가열 소자로서 도전성 페이스트(Q)가 열을 생성한다. 생성된 열은 암모니아 흡장재(P)로 전달되어서, 암모니아 흡장재(P) 내에 저장된 암모니아를 방출시킨다. 암모니아 흡장재(P)가 도전성 페이스트(Q)와 혼합되기 때문에, 도전성 페이스트(Q)에서 생성된 열은 용기(27)내의 암모니아 흡장재(P)로 직접 전달된다. 그러므로, 암모니아 흡장재(P)에 저장된 암모니아는 효과적으로 방출될 수 있다.
(2) 암모니아 흡장재(P)의 입자 표면에 부착된 도전성 페이스트(Q)가 입자의 표면을 덮고 또한 작은 공간(S)이 입자들 사이에 형성되는 정도의 도전성 페이스트(Q) 량을 암모니아 흡장재(P)에 첨가한다. 따라서, 암모니아 흡장재(P)의 입자들이 가열될 경우, 고온 및 고압의 암모니아가 암모니아 흡장재(P)로부터 방출되어서 입자들 사이에 형성된 작은 공간(S)을 통하여 용기(27)의 상부를 향하여 흐르게 된다.
(3) 바람직한 제1 실시예의 암모니아 공급 장치(16)에 따르면, DC 전압이 암모니아 흡장재(P)와 도전성 페이스트(Q)로 이루어져 있는 혼합물(R)로 인가되고, 전류가 도전성 페이스트(Q)로 흐르게 되어서, 도전성 페이스트(Q)가 열을 생성하고, 암모니아 흡장재(P)는 생성된 열에 의하여 직접적으로 가열된다. 그러므로, 암모니아 공급 장치(16)의 전력 소비는, 암모니아 흡장재를 가열하기 위한 히터를 사용하는 종래의 암모니아 공급 장치와 비교하여 감소될 수 있다.
(4) 바람직한 제1 실시예의 암모니아 공급 장치(16)에 따르면, 암모니아 흡장재(P)와 도전성 페이스트(Q)로 이루어진 혼합물(R)을 직사각형 몰드에 넣고, 압력하에서 성형물을 형성하고, 그 성형물을 용기 내에 넣고, 용기 내의 혼합물(R)에 전압을 인가한다. 그러므로, 혼합물(R)은 임의의 소정 형상으로 쉽게 만들어질 수 있으며 그 내부에 생성된 임의의 스트레스를 흡수할 수 있다. 그러므로, 혼합물(R)에 임의의 충격쇼크가 가해져도 균열이 발생되지 않는다.
(5) 배기 가스 정화 시스템(10)의 작동을 제어하는 ECU(26)는, 방출되어 압력 센서(24)로 검출된 암모니아 압력이 소정 압력(P1)보다 낮을 경우에, 제1 메인 탱크(17)에 저장된 암모니아가 완전히 방출되었다고 판단하여, 탱크 작동을 제1 메인 탱크(17)로부터 제2 메인 탱크(18)로 전환한다. 따라서, 탱크 전환 작동에 의한 배기 가스 정화 시스템(10)의 다운타임(downtime)을 상당히 감소시킬 수 있다.
(6) 또한, ECU(26)는, NOx 센서(13)의 검출 신호에 기초하여 배기 가스에 함유된 NOx의 환원에 필요한 암모니아 양을 산출하고 공급 밸브(25)의 작동을 제어하여 주입 노즐(14)로부터 암모니아의 산출량을 주입한다. 따라서, 바람직한 제1 실시예의 배기 가스 정화 시스템(10)에 따르면, 여분의 암모니아가 배기 가스로 주입되지 않으며, NOx 정화가 경제적으로 실행된다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따르는 암모니아 공급 장치(30)가 도 5를 참조하여 설명될 것이다. 바람직한 제2 실시예는 용기(27)의 구조가 바람직한 제1 실시예와 다르다. 암모니아 공급 장치(30)의 나머지 구조는 바람직한 제1 실시예의 구조와 실질적으로 동일하다. 그러므로, 공통 또는 유사 구성요소 또는 부품에 대하여는 바람직한 제1 실시예에서 사용된 것과 동일한 참조부호로 기재하고 그 설명은 생략할 것이며, 변형부분에 대해서만 설명될 것이다.
각각이 절연성을 갖는 복수의 차폐판(31)이 용기(27) 내에 설치되어 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 차폐판(31)은 제1 차폐판(31A) 및 제2 차폐판(31B)을 구비한다. 제1 차폐판(31A) 및 제2 차폐판(31B)은 제1 및 제2 전극판(21A 및 21B)에 평행하게 교대로 배치되어 있다. 각 제1 차폐판(31A)은 용기(27)의 바닥에 똑바로 세워 설치되어 있으며 각 제2 차폐판(31B)은 혼합물(R)의 상부면으로부터 상방으로 제2 차폐판의 상부가 돌출되도록 설치되어 있다. 제1 및 제2 차폐판(31A 및 31B)은 교대로 소정의 간격을 두고 설치된다. 도 5로부터 명확하게 볼 수 있는 바와 같이, 차폐판(31)은 제1 차폐판(31A)의 상부와 제2 차폐판(31B)의 하부가 서로 겹쳐지도록 배열되어 있다.
제1 및 제2 차폐판(31A 및 31B)이 용기(27) 내에 존재하지 않을 경우, DC 전압이 전극(21)에 인가될 때, 도전성 페이스트(Q)의 도통 회로의 전류 분포가 제1 및 제2 전극판(21A 및 21B) 사이에서 직선을 연장한 최단 경로를 따라서 집중되어 있다. 그러므로, 전류가 용기 내의 혼합물(R)에 균일하게 분포되어 있지 않을 수도 있다. 그러나, 제1 및 제2 차폐판(31A 및 31B)이 존재함으로써, 도 5에 도시된 바와 같이, 전류가 지그재그 또는 라비린스(labyrinth)형 경로를 따라서 제1 및 제2 차폐판(31A 및 31B) 주위를 흐르게 된다. 그러므로 전류는 용기(27) 내의 혼합물(R)의 전체를 흐르게 되고, 따라서 암모니아 흡장재(P)에 저장된 암모니아가 효과적으로 방출될 수 있다. 바람직한 제2 실시예는 바람직한 제1 실시예의 효과(1) 내지 (6)과 유사한 유익한 효과를 지닌다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 제3 실시예 따르는 암모니아 공급 장치(40)가 도 6을 참조하여 설명될 것이다. 바람직한 제3 실시예는 용기(27) 및 전극(21)의 형상이 바람직한 제1 실시예와 다르다. 암모니아 공급 장치(40)의 나머지 구조는 바람직한 제1 실시예의 구조와 실질적으로 동일하다. 그러므로, 공통 또는 유사한 구성요소 또는 부품은 바람직한 제1 실시예에서 사용된 것과 동일한 참조부호로 기재하며, 그 설명은 생략되고 변형부분에 대하여만 설명될 것이다.
용기(41)는 실린더 형상을 가지고 있으며, 본체(41A)와 암모니아가 방출되는 유출구가 형성되어 있는 덮개(41B)를 갖는다. 용기(41)는 절연재로 이루어져 있다. 제1 전극 소자로서 작용하는 주변 전극 소자(42)는 본체(41A)의 하방 내주변벽(inner peripheral wall)에 삽입되어 있다. 제2 전극 소자로서 작용하며 봉형 형상을 갖는 중심 전극 소자(43)는 본체(41A)의 바닥에 제2 전극 소자의 하단이 고정된 상태로 똑바로 세워져 배치되어 있다. 주변 전극 소자(42)와 중심 전극 소자(43)가 협력하여 전극을 형성한다.
혼합물(R)로 형성된 성형품을 용기(41) 내에 놓는다. 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따르면, 혼합물(R)의 성형품은, 중심 전극 소자(43)를 수용하기 위하여, 혼합물(R)을 통과하여 연장된 축 상의 구멍(axial hole)을 갖는 실린더 형상으로 형성된다. 성형품은, 중심 전극 소자(43)가 성형품의 축 상의 구멍을 통하여 삽입되고, 주변 전극 소자(42)는 성형품의 외주면과 접촉하도록 용기(41) 내에 놓인다.
DC 전압이 주변 전극 소자(42)와 중심 전극 소자(43) 사이에 인가될 때, 도전성 페이스트(Q)에 의하여 형성된 도통 회로는, 중심 전극 소자(43)로부터 주변 전극 소자(42)를 향하여 방사상으로 연장하여 형성된다. 따라서, 전류가 용기(27) 내에 있는 혼합물(R)의 전체에 균일하게 흐르게 되어서 암모니아 흡장재(P)에 저장된 암모니아가 효과적으로 방출된다. 바람직한 제3 실시예는 바람직한 제1 실시예의 효과와 동일한 유익한 효과를 갖는다.
본 발명은 전술한 실시예로 한정되지 않으며, 이하에서 예시된 바와 같이 또다른 실시예로 변경될 수 있다.
본 발명의 바람직한 제1 실시예 내지 바람직한 제3 실시예에 따르면, 암모니아 흡장재(P)는 MgCl2로 이루어져 있다. 다른 예로서, 암모니아 흡장재(P)는 염화 마그네슘(MgCl2)을 대신하여 염화 스트론튬(SrCl2) 또는 염화 칼슘(CaCl2)으로 이루어질 수도 있다. SrCl2의 경우에는, 암모니아 흡장재(P)의 온도가 3∼4기압 조건하에서 약 80℃ 보다 높을 때, 암모니아 흡장재(P)에 저장된 암모니아가 방출된다.
본 발명의 제1 내지 바람직한 제3 실시예에 따르면, 은 페이스트 또는 탄소 페이스트가, 암모니아 흡장재(P)에 첨가되는 첨가물로서 도전성 페이스트(Q)로 사용된다. 다른 예로서, 도전성 페이스트(Q)는 액체, 예를 들어 도전성을 가지며 암모니아와 비반응성을 갖는 이온성 액체일 수 있다. 본 발명의 제1 내지 바람직한 제3 실시예에 따르면, 혼합물(R)의 성형품이 사용된다. 다른 예로서, 그 혼합물은 성형하지 않고 용기에 삽입될 수 있다.
스타트업 직후에, 전극에 인가된 전압은 암모니아 흡장재(P)의 가열을 촉진하기 위하여 높은 레벨로 설정할 수도 있다. 이 경우에, 암모니아 흡장재(P)의 온도가 소정 온도, 예를 들어 150℃보다 높게 될 때, 전압을 낮게 할 수 있다. 이 작동에 따라서, 암모니아 흡장재(P)에 저장된 암모니아가 방출되기 시작하기 전까지의 시간을 단축할 수 있다.
본 발명의 바람직한 제1 실시예의 배기 가스 정화 시스템(10)에 따르면, 스타트업 탱크(19)는 항상 개방되어 있다. 다른 예로서 스위치 밸브가 스타트업 탱크(19)를 선택적으로 개방 또는 폐쇄할 수 있도록 설치될 수 있으며, 또는 스타트업 탱크(19) 그 자체를 생략할 수도 있다.
본 발명의 바람직한 제1 실시예의 배기 가스 정화 시스템(10)에 따르면, 온도계(23)를 작동시켜서 혼합물(R)의 온도를 측정했다. 다른 예로서, 온도계(23)가 탱크 내에 함유된 암모니아 가스 온도를 측정하도록 구성될 수 있으며 또는 압력 센서가 그의 압력을 측정하기 위하여 각각의 탱크(17, 18 및 19)에 설치될 수 있다. 그렇게 함으로써, 탱크(17, 18 및 19)에 배치된 암모니아 흡장재(P)로부터 방출된 암모니아 가스 양을, 탱크(17, 18 및 19)의 압력 또는 압력 및 온도 양자를 사용하여 결정한다.

Claims (8)

  1. 방출될 암모니아를 저장하는, 분말 또는 입자 형상의 암모니아 흡장재;
    도전성을 가지며 암모니아와 비반응성을 갖는, 페이스트 또는 액체 형상의 도전성 소자;
    상기 암모니아 흡장재와 상기 도전성 소자를 혼합하여 이루어진 혼합물;
    상기 혼합물을 유지하는 탱크; 및
    제1 전극 소자와 제2 전극 소자 쌍을 구비하며 상기 혼합물에 전압을 인가하는 전극을 구비하는 암모니아 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 암모니아 흡장재는 염화 마그네슘으로 이루어져 있으며, 상기 도전성 소자는 은 또는 탄소로 이루어져 있는 암모니아 공급 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 소자 및 제2 전극 소자는 각각 판형 형상을 가지며, 탱크의 대향 측벽에 서로 마주하도록 각각 삽입되어 있는 암모니아 공급 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탱크에는 제1 차폐판들 및 제2 차폐판들을 포함하는 복수의 차폐판이 배치되고, 각각의 상기 제1 차폐판은 탱크의 바닥에 똑바로 세워져서 설치되며, 각각의 상기 제2 차폐판은 상기 제2 차폐판의 상부가 혼합물의 상면으로부터 상방으로 돌출하여 설치되며, 상기 제1 차폐판과 상기 제2 차폐판은, 각각 판형 형상을 갖는 제1 및 제2 전극 소자에 평행하게, 소정의 간격을 두고 교대로 배열되고, 상기 제1 차폐판의 상부와 상기 제2 차폐판의 하부가 서로 겹치도록 배열되는 암모니아 공급 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 소자는 실린더 형상이며 상기 탱크의 내주변벽에 삽입되어 있으며, 상기 제2 전극 소자는 봉형 형상이며, 상기 탱크의 바닥에 상기 제2 전극 소자의 하단부가 고정되어 똑바로 세워지게 배치되어 있는 암모니아 공급 장치.
  6. 제1항에 기재된 암모니아 공급 장치를 포함하는 배기 가스 정화 시스템에 있어서,
    배기 가스가 통과하는 배기 가스 통로;
    상기 배기 가스 통로에 설치된 선택 환원 촉매(selective catalytic reduction catalyst);
    상기 선택 환원 촉매의 상류 측의 배기 가스 통로에 배치되어 있으며 상기 배기 가스에 함유된 질화 산화물의 양을 측정하는 질화 산화물 센서;
    상기 선택 환원 촉매의 상류측의 배기 가스 통로에 배치되며 상기 배기 가스 통로로 암모니아를 분사하는 주입 노즐;
    상기 암모니아 공급 장치로 상기 주입 노즐을 연결하는 공급관;
    상기 공급관에 배치되어 있으며 상기 암모니아 공급 장치로부터 공급된 암모니아의 압력을 측정하는 압력 센서;
    상기 공급관에 배치되어 있으며, 상기 주입 노즐로 공급된 암모니아의 양을 조절하는 공급 밸브; 및
    상기 압력 센서에 의하여 측정된 암모니아의 압력에 기초하여 상기 암모니아 공급 장치로부터 암모니아를 방출하기 위해 상기 전극에 전압을 인가하며, 질화 산화물을 환원시키기 위해 필요한 암모니아 양을 상기 질화 산화물 센서로부터의 검출 신호에 기초하고 산출하고, 공급 밸브가 작동하여 필요한 암모니아 양을 주입 노즐로부터 주입하도록 상기 배기 가스 정화 시스템의 작동을 제어하는 제어 장치
    를 구비하는 배기 가스 정화 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    복수의 탱크가 설치되며, 탱크 선택 밸브가 탱크 작동을 전환하기 위하여 공급관에 설치되고, 제어 장치는 상기 탱크 선택 밸브를 제어하여 탱크 작동을 타겟 탱크로 전환하고 암모니아 센서에 의하여 검출된 암모니아 압력이 소정값보다 낮을 때 한 탱크에서 또다른 탱크로 탱크 작동을 전환하는 배기 가스 정화 시스템.
  8. 방출될 암모니아를 저장하며 분말 또는 입자 형상을 갖는 암모니아 흡장재와, 도전성 및 암모니아와의 비반응성을 가지며 페이스트 또는 액체 형상인 도전성 소자를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계와;
    상기 혼합물을 탱크에 놓는 단계와;
    상기 탱크 내에 배치된 한 쌍의 전극 소자를 갖는 전극에 전압을 인가하여, 전류가 상기 도전성 소자를 흐르고, 상기 도전성 소자는 열을 생성하고, 상기 생성된 열은 암모니아 흡장재로 전달되어 암모니아 흡장재의 온도를 증가시키고, 상기 암모니아가 암모니아 흡장재로부터 방출되도록 하는 단계
    를 포함하는 암모니아 공급 방법.
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