KR100188234B1

KR100188234B1 - 플라즈마 방전을 이용한 디젤 자동차의 배기가스 정화장치

Info

Publication number: KR100188234B1
Application number: KR1019970020243A
Authority: KR
Inventors: 지종기
Original assignee: 지종기
Priority date: 1997-05-21
Filing date: 1997-05-21
Publication date: 1999-06-01
Also published as: KR19980084444A

Abstract

본 발명은 디젤 자동차 배기 가스에 포함되는 NOx, SOx, CO, 미연소 탄화수소(HC), 매연, 분진 등을 효과적으로 제거하는 플라즈마 방전을 이용한 디젤자동차의 정화장치에 관한 것으로, 상세하게는 본 발명인(출원인과 동일)이 1997. 5. 17 특허 출원한 “디젤 자동차 배기가스 프라즈마 정화장치”에 설치하는 복수개의 플라즈마 방전칩을 내산성, 내마모성 및 도전성이 우수한 금속 또는 그 합금으로 길이가 길게 구성하여 배기가스의 정화효율을 크게 높이고 수명을 연장시켜 디젤 자동차의 수명과 거의 동일하도록 하고, 플라즈마 방전칩은 내열성과 절연성이 우수한 세라믹 링으로 고정하여서 된 것이다.

Description

플라즈마 방전을 이용한 디젤 자동차의 배기가스 정화장치

제1도는 본 발명의 일 실시예 단면도.

제2도는 본 발명의 다른 실시예 단면도.

제3도는 본 발명 제1도의 요부 분해 사시도.

제4도는 본 발명의 사용상태 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

2 : 양전극 4 : 음전극

6 : 플라즈마 방전칩 8 : 하우징

10, 14, 24 : 바닥판 12, 16 : 통공

18, 22, 28, 34 : 세라믹 절연링 20 : 음극판

30 : 통기공 32 : 양극판

36 : 덮개 38, 68 : 피스

40, 42 : 나사홈 44, 46 : 급전선

48, 50 : 나사구멍 52, 54 : 애자

56, 58 : 애자 구멍 60 : 방전공간

62 : 덮개 중심공 64 : 촉매 연소판

66 : 머플러 W1, W3 : 돌출부 폭

W2, W4 : 절연링의 폭 B : 전원

HV : 고전압 발생장치

현재 선진국의 대도시나 공장 밀집 지역에서는 질소 산화물인 NO와 NO₂와 같은 NOx의 발생량이 증가하고 있으므로 대기오염에 대한 규제가 점차 강화되고 있다. NOx의 주 발생원인은 날마다 증가하는 자동차, 쓰레기 소각로, 화력발전소, 디젤 기관차, 선박, 각종 보일러 및 난방용 버너 등을 들 수 있으며, 이 가운데 자동차의 매연이 대기오염에 차지하는 비중은 75%에 달하고 있다.

디젤 자동차는 가솔린 자동차에 비하여 열효율이 좋고 높은 출력을 낼 수 있으며, 비교적 공연비가 높은 영역에서 연소가 일어나고 있으므로 일산화탄소와 탄화수소의 배출량이 낮아 휘발유 자동차의 배출가스 규제가 엄격하지 않았을 때는 오염물질의 배출이 상대적으로 낮은 비교적 깨끗한 자동차로 알려 졌었다.

그러나 삼원 촉매가 부착된 저공해 휘발유 자동차가 공급됨으로써 인체에 유독한 NOx 및 입자상 물질들이 많이 배출되는 디젤 자동차가 큰 오염 배출원으로 등장하게 되었다. 따라서 디젤 자동차에서와 같이 배기가스 오염물질을 후처리하는 배기가스정화 기술을 개발하고 있으며, 현재 개발되었거나 개발중인 디젤 자동차 매연 후처리 장치는 다음 4가지로 분류할 수 있다.

1) 경유 버너식 : 매연을 포집한 후 별도의 경유 버너를 사용하여 재연소 시키는 장치.

2) 연료 첨가제식 : 연료에 암모니아, 우레아, 하이드라진 등의 첨가제를 주입하고 매연을 세라믹 필터로 포집한 후 전자장치로 재연소시키는 장치.

3) 트랩-머플러식 : 머플러에 부착된 필터에 매연을 포집한 후 머플러에서 재연소시키는 장치.

4) 촉매식 : 촉매트랩을 설치하여 매연을 정화시키는 장치.

이들 가운데 경유 버너식은 엔진에서 연결시켜 부착하여야 하므로 엔진실에 별도의 공간이 필요하고, 연료 첨가제식은 머플러 앞에 별도의 전자장치와 세라믹 필터를 부착해야 하므로 역시 별도의 공간이 필요한 단점을 지니고 있다.

트랩-머플러식은현재 사용하고 있는 기존의 머플러를 제거하고 트랩머플러로 교체해야 하는 단점을 지니고 있으며, 촉매식은 미반응 탄화수소나 SOx에 의한 촉매독의 제거가 용이하지 못하여 정화효율이 떨어지는 단점을 지니고 있다.

이와 같은 디젤 자동차 정화장치들은 앞에서 언급한 바와 같이 각각의 뚜렷한 단점 외에도 모두 400만원대 이상의 고가 장비라는 공통의 단점을 지니고 있을 뿐 아니라, 자동차 시동 초기에는 정화장치의 온도가 낮아서 배기가스 정화가 거의 이루어지지 않는다는 근본적인 단점을 지니고 있다.

한편, 본 출원인이 본 특허 출원에 앞서 출원한 바 있는 “디젤 자동차 배기가스 프라즈마 정화장치”(97. 5. 17)의 방전전극 구조는 도전성 원판에 원추 형상의 전극을 복수개 돌출시켜 양전극과 음전극을 구성하였으므로 매연가스의 배출저항을 줄일 수는 있으나 방전전극이 원판의 표면에만 짧은 길이로 돌출 형성되므로 방전전극의 수명이 짧고 배기 정화효율도 낮은 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 배기가스의 정화효율이 높은 플라즈마식 정화장치를 디젤 자동차의 배기가스 배출로에 설치하여 정화하도록 하되 플라즈마 방전칩은 내산성, 내마모성과 전기 도전성이 우수한 금속이나 금속합금으로 그 길이가 길게 구성하여 배기가스의 정화효율을 크게 높이고, 플라즈마 방전칩은 내열성과 절연성이 우수한 세라믹 링으로 고정하여 플라즈마 방전칩의 수명을 디젤 자동차의 수명과 거의 동일하도록 연장시킨 것이다.

본 발명의 플라즈마 정화장치는 12V나 24V의 자동차 배터리(또는 제네레이터) 전원을 고전압 발생장치(HV)로 3,000V~55,000V까지 승압한 다음 복수개로 설치되는 방전칩으로 공급하여 아크방전에 의한 플라즈마를 발생시켜 디젤 자동차의 배기가스를 분해 정화시키는 원리를 이용하고 있으며, 자동차 시동 초기부터 정화효율을 최대한으로 높일 수 있는 장점을 지니고 있다.

상기에서 승압시킨 전원이 3,000V~40,000V일 경우에는 플라즈마의 색깔이 붉은 색을 띄고 있으나, 40,000V~55,000V의 고전압에서는 푸른색의 플라즈마가 발생되고 배기가스의 정화효율은 더욱 높아진다. 배기가스는 길이가 길면서 플라즈마가 발생되는 복수개의 방전칩을 통해서만 배출되므로 배기가스 및 매연의 정화효율이 매우 우수하다.

이런 방전칩을 2개 이상의 복수개로 설치하여 배기가스의 정화효율을 극대화시킬 수 있으며, 길이가 긴 방전칩은 복수개로 설치하여 엔진에서 배출되는 매연가스의 배출저항을 최대한으로 줄여 주므로 배출압력에 의한 엔진의 부하 상승 및 행정 불량요인이 없도록 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도는 본 발명 일실시예의 단면 구성도로, 양전극(2)과 음전극(4)으로 결합된 복수개의 플라즈마 방전칩(6)으로 배기가스를 분해 제거하는 디젤 자동차의 배기가스 정화장치에 있어서, 스텐레스와 같이 내열성과 내산성 및 도전성이 우수한 금속 하우징(8)의 바닥판(10)에 비교적 큰 직경의 통공(12)을 형성하여 또 다른 바닥판(14)과 통공(16)이 형성된 세라믹 절연링(18)을 끼워 설치하고, 상기 절연링(18)의 바닥판(14)에 복수개의음전극(4)이 체결된 음극판(20)을 끼우고, 그 위에 절연링(18)의 돌출부 폭(W2)보다 큰 폭(W2)을 갖는 도너츠형의 절연링(22)을 얹어 음극판(20)이 절연링(18)과 절연링(22) 사이에 고정되게 한다.

절연링(22)의 상부에 성기의 절연링(18)과 같이 바닥판(24)과 통공(26)이 형성된 또 다른 세라믹 절연링(28)을 얹고, 절연링(28)의 바닥판(24)에 복수개의 통기공(30)이 형성되고 또한 복수개의 양전극(2)이 체결된 양극판(32)을 얹고, 절연링(28)의 돌출부와 음극판(32)의 가장자리 부분에 절연링(28)의 돌출부 폭(W3)보다 큰 폭(W4)을 갖는 도너츠형의 절연링(34)을 얹어 양극판(32)이 절연링(28)(34) 사이에 고정되게 하고, 그 상부에 더욱 큰 폭을 갖는 하우징(8)과 같은 재질의 금속 또는 세라믹 재질로 된 도너츠형의 덮개(36)를 얹은 다음 피스(38)로 고정하여 양극판(32)과 음극판(20)이 하우징(8) 내에서 간격과 절연이 유지되면서 고정되게 한다.

또한, 양극판(32)과 음극판(20)의 측면 또는 상·하부면에는 나사홈(42)(44)을 형성하여 급전선(44)(46)을 체결할 수 있게 하고, 하우징(8)의 측면 상·하부에 나사구멍(48)(5)을 형성한 다음 세라믹 재질로 된 애자(52)(54)를 체결하여 급전선(44)(46)이 애자(52)(54)에 형성된 구멍(56)(58) 사이로 돌출되게 한다.

한편, 제2도는 본 발명의 다른 실시예 단면도로, 도전성 하우징(8)의 바닥판(10)에 음극판(20)을 직접 넣어 전기적으로 접촉시키고, 절연링(18)(28)은 하우징(8)내에 대칭되게 삽입하여 양극판(32)과 음극판(20)의 간격이 유지되게 하고, 하우징(8)에 결합되는 덮개(38)는 도너츠형의 절연 세라믹 재질로 구성하여 제1도와 마찬가지로 양극판(32)과 음극판(20)이 하우징(8) 내에 간격과 절연이 유지되면서 고정되게 함으로써 도너츠형의 절연링(22)(34)을 삭제하여 제조원가를 줄일 수 있으며, 음극 급전선(46)은 하우징(8) 또는 머플러(66)에 접속하면 될 것이다.

본 발명에서 음전극(4)에는 길이방향 중앙으로 통공이 형성되어 봉형상의 양전극(2)이 삽입되며, 따라서 양전극(2)과 음전극(4) 사이에 플라즈마 방전공간(60)이 형성되어 플라즈마 방전칩(6)이 구성된다.

한편, 제4도는 본 발명의 사용상태 단면도로, 머플러(66)의 내부 또는 배기가스 배기로(도시안됨)에 선단에 덮개(36)가 위치하도록 설치한 다음 피스(68)로 고정하여 사용하는 것으로 세라믹 절연링(18)(22)(28)(34)과 애자(52)(54)에 의해 고전압이 발생되는 전극(2)(4)과 머플러(66) 또는 배기로 사이에 절연이 유지되며, 급전선(44)(46)은 머플러(66)의 바깥으로 인출시킨 다음 자동차 배터리(B)로부터 공급되는 전원에 의해 고전압이 발생되는 고전압 발생장치(HV)에 접속하면 될 것이다.

본 발명에서 양전극(2)과 음전극(4)의 재료는 몰리브덴, 텅스텐, 니켈, 백금 또는 니켈, 몰리브덴, 구리 등과 같이 내열성과 내산성 및 도전성이 우수한 합금을 이용하여 구성하도록 하며, 양전극(2)과 음전극(4)이 고정되는 양극판(32)과 음극판(20) 또한 상기 방전전극(2)(4)과 같은 재질로 형성하여 내열성, 내산성 및 도전성(導電性)이 우수하면서 열팽창 계수가 같도록 한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용효과는 다음과 같다.

먼저 자동차를 운행하기 위하여 시동을 걸면 12V나 24V 정도인 자동차 배터리의 전원(B)이 고전압 발생장치(HV)에 의해 3,000V~55,000V까지 승압되어 급전선(44)(46)과 양극판(30) 및 음극판(20)을 경유하여 양전극(2)과 음전극(4)으로 각각 공급되면 전극(2)(4)의 끝부분에서 아크방전이 발생되면서 방전공간(60)내에 파란불꽃의 플라즈마가 발생되고, 따라서 머플러(66) 또는 배기로를 통과하는 배기가스가 깨끗이 분해·정화되어 외부로 배출된다.

이때 플라즈마 불꽃에 의해 배기가스가 분해 정화되는 화학 반응들을 요약하면 다음과 같다.

일산화탄소(CO)의 산화(연소) 반응은 다음 식(1)로 주어진다.

미 반응 탄화수소(HC : CnH₂n+₂)의 연소는 다음 식(2)와 같이 일어난다.

여기서 m은 미 반응 탄화수소의 몰수(mole number)이다.

배기가스에 포함되는 NOx는 다음 식(3)과 식(4)와 같이 동식물에 무해한 질소(N₂)와 산소로 환원된다.

그리고 배기가스 내에 분산된 탄소분진(cs)은 다음 식(5)와같이 산화되어 탄산가스(CO₂)로 변한다.

여기서 괄호 속의 s와 g는 고체(solid)와 기체(gas)상태를 표시한다.

이상의 반응식 가운데 특히 본 출원인(발명자)이 본 발명에 앞서 출원한바 있는 특허출원 제97-15145호의 금속 하니컴으로 된 “촉매연소판”을 본 발명 플라즈마 방전판의 선단에 설치한 경우 식 (3), (4)에 나타낸 바와 같이 NOx 제거효율을 더욱 크게 높일 수 있다.

상기 정화 장치를 구성함에 있어서, 자동차의 시동초기부터 정화가 되므로 정화 효율을 극대화 할 수 있으며, 본 발명의 전단에 금속 하니컴을 설치한 경우 정화효율이 더욱 향상된다. 뿐만 아니라 정화 장치가 머플러(66) 또는 배기로 내에 설치되어 있어 배출되는 배기가스가 반드시 통과하게 되므로 정화효율이 매우 높다.

또한, 본 발명을 실시함에 있어서 반드시 디젤 자동차용 배기가스 정화장치에만 사용되는 것이 아니라 석유버너, 가스버너, 디젤기관, 소각로, 화력발전소 등의 매연가스, 분진, 배기가스 정화 및 제거용으로 사용할 수도 있으며 그 작용효과는 동일하다.

따라서, 본 발명은 디젤 자동차의 머플러내에 프라즈마 정화장치를 설치하는 간단한 구성으로 배출되는 배기가스를 획기적으로 줄일 수 있게 되므로 배기가스로 야기되는 각종 환경오염을 현격히 줄일 수 있는 효과가 있다.

본 발명에서 전극(2)(4)은 전극판(20)(32)에 나사식으로 체결되고, 하우징(8) 또한 분해 결합할 수 있으므로 전극(2)(4)의 교체가 쉬운 잇점이 있다.

Claims

양전극(2)과 음전극(4)으로 결합된 복수개의 플라즈마 방전칩(6)으로 배기가스를 분해 제거하는 디젤 자동차의 배기가스 정화장치에 있어서, 통공(12)이 형성된 하우징(8)의 바닥판(10)과 통공(16)과 바닥판(14)이 형성된 세라믹 절연링(18)을 얹고, 절연링(18)의 바닥판(14)에 복수개의 음전극(4)이 체결된 음극판(20)과 도너츠형의 세라믹 절연링(22)을 얹고, 세라믹 절연링(18)의 바닥판(24)에 복수개의 통기공(30)이 형성되고 또한 복수개의 양전극(2)이 체결된 양극판(32) 및 도너츠형의 세라믹 절연링(34)을 얹은 다음 덮개(36)를 피스(38)로 하우징(8)에 체결한 다음 디젤 자동차의 머플러(66)에 한 개 이상으로 삽입 설치하여 양전극(2)과 음전극(4)으로 고전압을 인가함으로써 방전공간(60)으로 플라즈마가 발생하여 배기가스가 분해·제거되게 한 플라즈마 방전을 이용한 디젤 자동차의 배기가스 정화장치.
제1항에 있어서, 12V나 24V의 자동차 배터리(또는 제네레이터) 전원(B)을 고전압 발생장치(HV)로 3,000V~55,000V까지 승압한 다음 방전전극(2)(4)으로 공급하여 아크방전에 의한 플라즈마가 방전공간(60)에 발생되게 한 플라즈마 방전을 이용한 디젤 자동차의 배기가스 정화장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 도전성 하우징(8)의 바닥판(10)에 음극판(20)을 넣어 전기적으로 접촉시키고, 절연링(18)(28)은 하우징(8)내에 대칭으로 삽입하고, 절연링(28)의 바닥판(24)을 넣은 다음 절연 덮개(36)를 하우징(8)에 체결하여서 된 플라즈마 방전을 이용한 디젤 자동차의 배기가스 정화장치.