KR0157853B1 - 디젤기관의 배기 미립자 과포집 방지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디젤기관의 배기미립자가 과포집되는 것을 방지하기 위한 장치에 관한 것으로, 종래에 DPF 시스템에서 불완전 재생 후 상태일때는 후단부에 남아있는 입자상 물질을 같은 사이클 동안에 재연소시키는 것이 불가능하다. 그래서, 다시 재포집을 하여 재생시키게 되는데, 제2도의 (d)의 상태에, 입자상물질이 더 포집되게 되면, 다음 재생시에, 필터 후단부의 온도가 1000℃ 이상 상승하게 되어 필터(5, 5')에 균열이 발새되는 심각한 문제가 있었으나, 본 발명에서는 불완전 재생된 상태에서는 필터 내에 잔류된 입자상 물질이 엔진의 배기가스에 의해 완전히 제거되도록 하여 다음 포집시에 필터 후단부에 과포집되지 않도록 함에 의해 필터의 열에 의한 균열을 방지하였다.

Description

디젤기관의 배기 미립자 과포집 방지장치

제1도는 본 발명의 제어 설명도.

제2도는 본 발명의 요부인 필터의 내부 상태도로서,

(a)는 입자상 물질 포집전의 상태도.

(b)는 입자상 물질 포집후의 상태도.

(c)는 재생 후 상태를 설명하는 상태도.

(d)는 불완전 재생 후의 상태도.

(e)는 배기가스에 의해 필터가 청소된 상태를 설명하는 상태도.

제3도는 종래 기술에 의한 장치의 제어설명도.

제4도는 본 발명의 작동상태를 도시한 제어 흐름도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : ECU(Electronic Controlled Unit) 2,2' : 제1트랩, 제2트랩

3,3' : 히터 4,4 : 열 반사체

5,5' : 필터 6 : 공기펌프

7,7' : 밸브 8,8' : 밸브

9,9' : 배기가스 압력센서 10,10' : 배기가스 온도센서

11 : 엔진 rpm 센서 12 : 배기브레이크용 밸브

13,13' : 밸브 14 : 배기브레이크용 레버

15 : 밧데리(24VDC) 16 : 디젤엔진

17 : 배기관 18 : 엔진 배기가스 출구

본 발명은 디젤기과의 배기미립자 과포집되는 것을 방지하기 위한 장치에 관한 것으로, 특히 재생(Regeneration)시에 어떤 이유로 인하여 필터가 불완전 재생이 이루어질 경우 다음에 이루어지는 입자상물질 포집시에, 필터 후단부에 입자상 물질이 과포집 되어 재생시 과도한 온도상승(1000℃ 이상)으로 필터에 열충격을 주게 되고, 균열을 발생시킬 우려가 있는데, 재생불량시 필터 후단부에 잔류한 입자상 물질을 제거해 줌으로써 필터의 열충격 방지에 적당하도록 한 디젤기관의 배기미립자 과포집 방지장치에 관한 것이다.

디젤 엔진에서는 휘발유 엔진에서와는 달리 연소시 입자상 물질이 많이 발생하게 되므로, 별도의 입자상 물질 제거장치를 필요로 하는데, 종래에 사용되던 입자상물질 제거장치는 제3도에 도시된 바와 같이, 머플러 대신 설치되는 제1트랩(5) 및 제2트랩(5')과, 엔진(16)으로부터 상기 트랩들(5,5')로 분기되어 연결되는 관로의 중간에 각각 설치된 밸브(7,7')와, 상기 밸브들(7,7')과 제1,2트랩(5,5') 사이에 설치되고 공기펌프(6)로부터 관로가 연결된 밸브(8,8')와, 재생상태를 판단하기 위해 상기 제1,2트랩(5,5')내에 설치되는 배기압력센서(9,9') 및 배기온도센서(10,10')와, 상기 센서들로부터 입력된 신호에 의해 상기 밸브(7,7')과 밸브(8,8')등을 제어하는 E.C.U(Electronic Controlled Unit)로 구성된다.

이와 같이 구성되는 종래의 장치는 다음과 같이 작동된다.

디젤 엔진이 운전중일 때 밸브(7')가 열려 있고, 밸브(7)은 닫혀 있어, 제2트랩(2')으로 배기가스가 통과하게 된다. 이 때, 디젤 배기가스중의 입자상물질은 필터(5')내에 포집된다. 일정시간 경과후 ECU에서는 재생상태임을 판정하고, 밸브(7')를 닫고, 밸브(7)을 열어주어 배기가스를 제2트랩(2)으로 흐르게 된다.

이와 동시에 제2트랩(2')은 재생상태이므로 전기히터(3')가 작동하고 밸브(8')가 열리고, 공기펌프(6)가 작동하여, 제2트랩(2')의 필터(5')내에 포집된 입자상 물질을 착화시켜, 연소시키게 된다.

이러한 과정(1 cycle)이 종료되면, 제1트랩(2)이 재생 상태일 때까지 제2트랩(2')은 대기하고 있으며, 제1트랩(2)이 재생상태가 되면, 제2트랩(2')으로 배기가스가 제어되므로 서로 교대로 작동하면서 반복 과정을 수행하게 된다.

그런데, 이상에서 설명한 종래의 장치에서는 ECU에서 재생 판단시점으로 인식되면, 밸브(7')가 닫힘과 동시에 (밸브(7)은 열림) 밸브(8')가 열리고, 공기펌프(6)가 작동하여, 재생공기를 제2트랩(2')로 공급하게 된다.

이 상태를 재생상태(Regeneration state)라고 하는데, 겨울철 냉간시동때나 여름철 비가 많이 올 때나 또는 공기펌프(6)나 밸브(8')가 고장나서 재생공기를 공급하지 못할 때는 필터(5')가 재생중에 전면에서 부터 후단부까지 연소가 제대로 이루어지지 않아 제2도의 (d)와 같은 형태로 포집된 입자상 물질이 완전 연소되지 못하고, 잔류하게 되는 경우가 발생할 수 있다.

따라서, 기존에는 ECU에서 재생상태가 불량일 경우, 전기히터(3,3')를 다시 동작시키고, 공기펌프(6)를 가동시켜, 재생을 반복시키도록 되어 있으나, 제3도의 (d)와 같은 상태일때는 앞부분이 쌓여 있던 입자상물질이 일부 연소되었기 때문에 재생을 재시도 하여도 착화 및 필터 후단부에 남아 있는 입자상 물질을 재연소시키는데 실제적으로 어렵다.

왜냐하면, 입자상물질이 필터내에 제2도의 (b)와 같이 전면부터 후면까지 연속하여 분포가 되어 있을 경우에는 전면에서 불꽃이 착화되어 후면까지 연속적으로 타들어갈 수 있지만, 제2도의 (d)와 같은 불완전 재생 후 상태일때는 후단부에 남아 있는 입자상 물질을 같은 사이클 동안에 재연소시키는 것이 불가능하다. 그래서, 다시 재포집을 하여 재생시키게 되는데, 제2도의 (d)의 상태에, 입자상물질이 더 포집되게 되면, 다음 재생시에, 필터 후단부의 온도가 1000℃ 이상 상승하게 되어 필터(5,5')에 균일이 발생되는 심각한 문제가 생기게 된다.

한편, 이러한 문제점을 해결하기 위해 일본 특허공개 평6-280545호에서는 엔진의 배기 가스 출구와 트랩들의 필터 출구측과의 사이에 배기관을 연결하여 필터에 과포집된 배기 미립자가 배기가스에 의해 제거되도록 하는 방법을 제시한 바 있다.

그러나, 이와 같은 종래의 방법에서는 상기 배기관이 항상 열려진 상태로 구성되어져 있으므로 열손실이 크고, 엔진으로부터 배출된 배기가스가 항상 트랩과 상기 배기관쪽에 분산공급되어지므로 배기관을 통해 틸터에 공급되는 배기가스의 압력이 과포집된 미립자를 제거하기에 충분하지 못한 문제점도 있었다.

본 발명은 이상과 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 불완전 재생된 상태에서는 필터 내에 잔류된 입자상 물질이 엔진의 배기가스에 의해 완전히 제거되도록 하여 다음 포집시에 필터 후단부에 과포집되지 않도록 함에 의해 필터의 열에 의한 균열이 방지되도록 하고, 배기가스의 공급이 필요한 트랩에 대해서만 배기가스가 선별적으로 공급되도록 함에 의해 효율적인 작동이 이루어지도록 하고 있는데, 그 해결방안으로는 엔진 배기가스 출구측과 연결되어 밸브에 의해 개폐조절되는 관로를 필터의 출구측에 각각 연결하고, 각종 센서들에 의해 제어되는 ECU를 상기 밸브에 연결하여, 불완전 재생시로 판단될 경우 엔진 배기가스에 의해 필터 출구측에 달라 붙은 입자상 물질을 제거되도록 하고 있다.

첨부도면에 의해 본 발명의 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도에서 보면, 머플러 대신 설치되는 제1트랩(2) 및 제2트랩(2')과, 엔진(16)으로부터 상기 트랩들(2,2')로 분기되어 연결되는 관로의 중간에 각각 설치된 밸브(7,7')와, 상기 밸브들(7,7')과 제1,2트랩(2,2') 사이에 설치되고 공기펌프(6)로부터 관로가 연결된 밸브(8,8')와, 재생상태를 판단하기 위해 상기 제1,2트랩(2,2')내에 설치되는 배기압력센서(9,9') 및 배기온도센서(10,10')와, 상기 센서들로 부터 입력된 신호에 의해 상기 밸브(7,7')과 밸브(8,8')등을 제어하는 E.C.U(Electronic Controlled Unit)고, 상기 배기 가스 출구(18)와 상기 트랩(2,2')의 필터(5,5')출구측과의 사이에는 배기관(17)이 연결되어진 디젤기관의 배기 미립자 과포집 방지장치에 있어서;

상기 엔진 배기가스출구(18)와 프리머플러(10)사이에는 배기가스의 흐름을 제어하기 위한 배기 브레이크 밸브(12)가 설치되고,

상기 트랩(2,2')의 필터(5,5')출구와 연결된 배기관(17)의 내부에는 각각 독립적으로 제어되는 밸브(13,13')들이 설치되며,

상기 ECU(1)에서는 배기압력센서(9,9')와 배기온도센서(10',10'')에서의 입력신호를 순차적으로 체크하고, 상기 배기압력센서(9)에서의 압력 또는 배기온도센서(10')에서의 온도가 설정치 보다 클 경우 밸브(13)는 개방되고 배기 브레이크 밸브(12)는 폐쇄되도록 하는 신호를 발생하고, 상기 배기 압력센서(9')에서의 압력 또는 배기 온도 센서(10'')에서의 온도가 설정치 보다 클 경우 밸브(13')는 개방되고 배기 브레이크 밸브(12)는 폐쇄되도록 하는 신호를 발생하며,

상기 배기압력센서(9.9')에서의 압력과 배기 온도센서(10',10'')에서의 온도가 모두 설정치 보다 작을 경우에는 밸브(13)(13')는 모두 폐쇄되고 배기 브레이크 밸브(12)는 개방되도록 하는 신호를 발생하도록 구성되어져 있다.

이와 같이 구성되는 본 발명 장치는 다음과 같이 작동한다.

엔진(16)이 운전중일 때 배기가스는 제2트랩(2')를 통하여, 대기중으로 방출되는데, 이때 밸브(7')은 열려 있고, 밸브(7)은 닫혀 있게 되어, 제2트랩(2')으로만 배기가스가 통과하면서, 입자상물질이 포집된다. 어느 정도 시간이 경과함에 따라 ECU(1)에서는 배기압력센서(9')와 배기온도센서(10')에 의해 재생시점을 판단하게 되는데, 재생시점으로 판단되면, 밸브(7')은 닫고, 밸브(7)은 열고, 동시에 전기히터(3')에 전원이 공급되어 필터(5') 전면에 열을 발생시켜, 포집된 입자상물질이 착화된다(착화온도 600℃ 이상). 이 때, 재생을 촉진시키기 위하여 공기펌프(6)가 작동하고, 밸브(8')이 열려서 제2트랩(2')에 공기를 공급한다.

이 상태를 재생상태라고 하며, 제1트랩(2)과 제2트랩(2')이 교대로 포집→재생, 과정을 반복 수행하게 된다.

그런데, 배기압력 센서(9,9')와 배기온도 센서(10,10')에 의해 재생불량 상태로 ECU(1)에서 판단되면 ECU(1)는 배기브레이크 밸브(12)에 신호를 주어, 배기브레이크 밸브(12)를 수초동안 닫히게 하고, 이때 배기가스는 배기관(17)을 통하여 제2트랩(2')의 후면에 연결된 밸브(13')가 열림과 동시에 필터(5') 후면으로 배기가스 압력이 작용하여 제2도 (d)와 같은 재생불량한 상태에서 제2도(e)와 같이 필터(5,5') 단부에 잔류하던 입자상 물질이 완전히 제거된다.

이와 같이 제2트랩(2')에서 재생불량이 판정되었을 경우, 이상과 같이 배기브레이크밸브(12)를 자동으로 작동시켜, 필터(5') 후단부의 재생불량으로 남아 있던, 입자상 물질을 역류시켜 배출시킴으로써, 제2트랩(2')에서의 다음 과정의 포집시에는 제2도 (b)와 같이 균일한 포집효과를 얻을 수 있어, 재생시에 과도한 온도상승을 방지하여 필터(5,5')의 열균열을 방지하고, 반복 사용하는 과정에서 DPF 시스템의 충분한 내구성을 갖추게 된다.

또한, 제1트랩(2)에서 재생불량이 발생했을 경우 배기가스의 역류 방향은 a→b→h→f→e→d→대기중으로 흐르게 되어 제2트랩(2')에서와 같은 효과를 낼 수 있다. 이 역시 ECU(1)에서 밸브를 제어하는데, 밸브(13)이 열리고 밸브(13')는 닫혀 있어, 배기 브레이크 밸브(12) 작동시, 배기가스 압력을 충분히 활용할 수 있는 것이다.

이와 같이 본 발명에서는 ECU(1)에서 재생전과 재생후의 압력 비교 및 재생시 필터(5,5') 후단부의 온도 증가량을 판단하여 불완전 재생으로 판단할 경우 배기브레이크 밸브(12)를 자동으로 수초동안 닫히도록 하고 동시에 불완전 재생상태인 트랩쪽의 밸브(13 또는 13')는 열리도록 하여, 제2도의 (d)와 같이 필터 뒷면에 잔류하고 있던 입자상물질을 제2도 (e)와 같은 상태로 만들어 주기 때문에 다음번 포집시에 필터(5,5') 후단부에 과포집되는 현상을 방지할 수 있다.

한편, 본원발명에서는 상기 배기관(17)이 재생불량인 상태에서만 열리도록 구성되고 평소에는 닫혀진 상태를 유지하도록 구성되어져 있으므로 열손실을 방지하고 매연을 저감시키는 효과가 있으며, 엔진(16)으로 부터 배출된 배기가스가 분산되지 않고 트랩(2,2')중 어느 하나에 대해서만 공급되도록 구성되어져 있으므로, 충분한 배기압력에 의해 효과적으로 배기 미립자를 제거할 수 있는 것이다.

이에 따라 재생시 발생될 수 있는 열충격(Thermal Shock)이 효과적으로 방지되므로 필터 균열이 방지되고 시스템에 대한 내구성이 크게 향상되는 것이다.

Claims (1)

1. 머플러 대신 설치되는 제1트랩(2) 및 제2트랩(2')과, 엔진(16)으로 부터 상기 트랩들(2.2')로 분기되어 연결되는 관로의 중간에 각각 설치된 밸브(7,7')와, 상기 밸브들(7,7')과 제1,2트랩(2,2') 사이에 설치되고 공기펌프(6)로 부터 관로가 연결된 밸브(8,8')와, 재생상태를 판단하기 위해 상기 제1,2트랩(2,2')내에 설치되는 배기압력센서(9,9') 및 배기온도센서(10,10')와, 상기 센서들로부터 입력된 신호에 의해 상기 밸브(7,7')과 밸브(8,8')등을 제어하는 E.C.U(Electrinic Controlled Unit)로 구성되고, 상기 배기가스출구(18)와 상기 트랩들(2,2')의 필터(5,5')출구측과의 사이에는 배기관(17)이 연결되어진 디젤기관의 배기 미립자 과포집 방지장치에 있어서, 상기 엔진 배기가스출구(18)와 프리머플러(10)사이에는 배기가스의 흐름을 제어하기 위한 배기 브레이크 밸브(12)가 설치되고, 상기 트랩(2,2')의 필터(5,5')출구와 연결된 배기관(17)의 내부에는 각각 독립적으로 제어되는 밸브(13,13')들이 설치되며, 상기 ECU(1)에서는 배기압력센서(9.9')와 배기온도센서(10',10'')에서의 입력신호를 순차적으로 체크하고, 상기 배기압력센서(9)에서의 압력 또는 배기온도센서(10')에서의 온도가 설정치 보다 클 경우 밸브(13)는 개방되고 배기 브레이크 밸브(12)는 폐쇄되도록 하는 신호를 발생하고, 상기 배기 압력센서(9')에서의 압력 또는 배기 온도 센서(10'')에서의 온도가 설정치 보다 클 경우 밸브(13')는 개방되고 배기 브레이크 밸브(12)는 폐쇄되도록 하는 신호를 발생하며, 상기 배기압력센서(9.9')에서의 압력과 배기 온도센서(10',10'')에서의 온도가 모두 설정치 보다 작을 경우에는 밸브(13)(13')는 모두 폐쇄되고 배기 브레이크 밸브(12)는 개방되도록 하는 신호를 발생하도록 구성된 것을 특징으로 하는 디젤기관의 배기 미립자 과포집 방지장치.