KR100291045B1 - 디젤기관의배기가스필터링용세라믹필터재생방법 - Google Patents

Abstract

1. 기술분야

디젤기관의 연소시 배출되는 배기가스의 미연소 미립자를 흡착하는 필터를 효과적으로 재생하기 위한 방법을 제공하는데 있음.

2. 해결하고자 하는 기술적과제

종래의 재생방법은 교축작용 즉, 압축 및 팽창시 온도가 상승하고, 특정 운전조건이 필요한 강제재생방법을 이용하고 있으며 출력 감소폭이 최대 100%에서 최소 25%에 이르고, 온도상승의 폭이 최대 119℃에 이를 뿐만 아니라 저출력시 온도 제어가 불가능한 등의 단점이 있었다.

3. 해결방법의 요지

본 발명에서는 세라믹필터에 영향을 주지않는 범위가 되도록 공급공기량 조절에 의해 배출가는 온도를 300-600℃로 조절하므로써, 배기가스 필터에 흡착된 첨가제와 미연소 미립자를 효과적으로 연소하여 미세입자물을 소각시키는 반복적작용에 의해 세라믹필터를 반복적으로 재생하여 세라믹필터가 가지는 본래의 기능을 항상 유지할 수 있었다.

4. 발명의 중요한 용도

디젤기관의 배기가스 필터 재생

Description

디젤기관의 배기가스 필터링용 세라믹필터 재생방법

도 1(가)는 본발명이 적용되는 디젤 공기표준사이클의 T-S선도.

도 1(나)는 본발명이 적용되는 디젤 공기표준사이클의 P-V선도.

도 2는 본발명에 의한 필터 재생 개략도.

도 3은 본발명에 의해 제어되는 공기연료비에 따라 배기가스온도를 조절하여 필터의 재생범위를 나타낸 모식도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

DE : 디젤엔진 SF : 세라믹필터

TS : 온도검지센서 E.C.U. : 전자제어유니트

TV : 트로틀밸브 FI : 연료주입인젝숀

PS : 압력감지센서

[발명의 목적]

[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]

본 발명은 디젤기관의 배기가스 필터링용 세라믹필터 재생방법에 관한것으로써, 보다 상세하게는 디젤기관에 흡입되는 공기량 조절에 배출가스 온도를 조절하여 배기가스 필터에 흡착된 첨가제외 미연소 미립자를 연소켜 배기가스 필터를 재생하기 위한 디젤기관의 배기가스 필터링용 세라믹필터 재생방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차에서 배출되는 배출가스에는 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx)및 입자상물질과 독성화합물이 포함되어 있다.

이러한 유해물질을 감소시키기 위하여 가솔린 자동차에서는 촉매장치를 부착하여 엔진으로부터 배출되는 오염물질인 일산화탄소, 탄화수소는 물과 탄산가스로, 질소산화물은 질소와 산소로 여과처리 하고 있다.

또한 디젤 자동차에서는 배출되는 유해성분을 감소시키기 위하여 흡기 다기관의 모양변경 및 흡기구멍의 개량, 밸브 개폐시기의 변경등으로 흡기저항을 감소시켜 연소에 필요한 공기를 충분히 확보되도록 하고, 실린더내로 흡입되는 공기에 와류를 주어 연료롸의 혼합을 촉진하여 양호한 연소조건을 제공하게 하고, 이에 더하여 연료분사장치의 분사시기, 분사량, 분사압력, 무화의 정도, 연료입자의 분포상태 등을 적절히 조절하여 유해물질을 감소시키고 있다.

그러나 각 기관들 마다 배기량, 압축비, 연소실의 모양, 밸브개폐 시기, 연료 분사시기, 연료 분사량 등이 다르기 때문에 배출가스의 발생 경황이 다를뿐만 아니라 작기 착화로 점화되는 디젤기관의 특성상 연소상태를 제어 하기 어렵기 때문에 질소산화물가 입자상 물질을 동시에 감소시키기가 상당히 어려운 점이 있다.

이러한 문제점을 감안하여, 배기관과 소음기 사이에 세라믹으로된 미세다공여과판을 끼움설치하여 배기가스중에 함유된 아황산가스와 매연가스를 여과판의 미세다공을 통과시키는 과정에서 통과벽면이 여과하는 형식을 이를 포집하였다.

이때 포집되는 각종 미세입자물은 미세통공 주벽에 쉽게 부착되어 미세통공을 폐쇄시키기 때문에 여과기능을 저하시킥, 이러한 미세입자물의 축적현상으로 인해 배압이 크게 상승하게 되는 문제점을 발생시키게 된다.

이러한문제점을 해결하기 위하여, 촉매/전기히터에 의해 미세입자물을 소각하여 필터의 제 기능을 회복 하도록 경유버너에 의해 소각을 행하는 방법 등이 이용되고 있다.

이때 촉매의 사용에 의한 경우에는 배기가스에 촉매가 활성하되지 않아 질소산화물이 증가 하는 단점이 있고, 전기히터 사용에 의한 경우에는 자동차 전기 시스템에 부하를 주는 단점이 있고, 경유버너 사용에 의한 경우에는 버너 가열온도의 제어가 특히 어렵고, 가격이 고가인 점이 커다란 단점으로 작용하고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 대한민국 특허출원 91-15982(공개번호:93-5660)에서 디젤엔진의 작동중에 디젤필터의 배기가스에 함유되는 미세입자물을 연소하는 방법과 장치를 제공하고 있는바, 이를 구체적으로 살펴보면, 디젤필터의 배기가스 상하류에서 실제 온도가 검출되는 것과, 재생작동이 제1 설정값 배기온도가 디젤엔진의 작동중에 디젤 필터의 상류에 도달될 때 자동적으로 시작된다는 것과, 재생작동이 디젤필터의 제2 설정값 배기온도의 상류가 초과될 때 자동적으로 오프(OFF)된다는것 그리고 디젤필터의 소정의 배기온도 하류가 초과 될때 디젤필터의 재생이 공기비를 1이상으로 설정하거나 디젤필터를 바이패스(BY PASS)하는 바이패스 통로를 통하여 배기를 통과시 배기류로부터 디젤필터를 일시적으로 단절시킴을써 상기 하는 목적을 달성하고 있다.

그러나 이러한 방법과 장치는 교축작용 즉, 압축 및 팽창시 온도가 상승하고, 특정 운전조건이 필요한 강제재생방법을 이용하고 있으며 출력 감소폭이 최대 100%에서 최소 25%에 이르고, 온도상승의 폭이 최대 119℃에 이를 뿐만 아니라 저출력시 온도 제어가 불가능한 등의 단점이 있었다.

[발명이 이루고자하는 기술적과제]

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창출된 것으로서, 공기 연료혼합 비율에 따라 배기가스 온도 변화에 따른 온도상승법을 제공하여 필터의 재생을 임의 운전조건을 제시하는 강제 및 자연 재생 방법을 채택하고 이에따라 최소 5%미만의 출력 감소 및 온도상승폭 최소 60%이하로 낮출 수 있고, 특히 저출력시 온도 제어를 가능케 할수 있었다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 공기흡입량 조절에 의해 공기연료비를 변화시켜 배기가스온도를 제어하고, 그 배출디는 배출온도에 의해 미세입자물을 소각시키되 필터가 손실되는 등의 영향이 발생되지 않도록 할 수 있었다.

[발명의 구성및 작용]

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 1(가)는 본발명이 적용되는 디젤 공기표준사이클의 T-S선이고, 도 1(나)는 본발명이 적용되는 디젤 공기표준사이클의 P-V선도 이다.

도 2는 본 발명의 방법을 구체적으로 설며하기 위해 도시한 개략도이고,

도 3은 본 발명의 방법에 의해 제어되는 공기연료비에 따라 배기가스온도를 조절하여 필터의 재생범위를 나타낸 모식도이다.

본 발명은 기본적으로 배기가스 온도를 제어하여 세라믹필터에 흡착된느 첨가제와 미연소 입자물을 효과적으로 연소시켜 필터의 효율을 항시 유지 하도록 하는데 있다.

이러한 기본적 목적을 달성하기 위해,

디젤연료에 첨가되는 메탈첨가제, 세레늄등의 첨가물질과 함께 미세입자물이 통상이 세라믹필터에 흡착되는 정도에 의해 상승되는 배압과 엔진 구동시 발생되는 배기온도데이타를 전자제어유니트(E.C.U.)에 입력되어지도록 하고, 이렇게 입력된 데이타를 전자제어유니트가 이를 연산제어하여 제어데이타를 출력하도록 하고, 이러한 출력 제어데이타에 의해서 트로틀밸브와 연료주입인젝숀을 연동되도록 함으로써 공급공기량과 연료공급량을 조절하고, 이러한 공기공급량과 연료공급량의 제어에 의하여 필터에 악영향을 주지 않는 범위의 배기가스온도를 유지시켜서 흡착된 상기의 첨가제와 함께 미세입자물을 소각시키는 반복적작용에 의해 필터를 반복적을 재생하여 필터가 가지는 본래의 기능을 항상 유지할 수 있도록 하였다.

이렇게 본발명에서 구하고 있는 바와 같이, 공기 공급량의 제어정도에 따라 공급되는 연료의 정도와 함께 연동제어하여 배출가스의 온도를 조절하고, 이에 의해 배출되는 배기가스에 함유되어 배출되면서 필터에 흡착되는 첨가제등과 미세입자물을 소각하여 항시 필터가 가지는 고유의 목적에 따라 사용될 수 있도록 재생회복하는 본발명의 이론적 배경은 다음의 설명에 의하여 이해 될수 있다.

디젤기관의 열역학적 사이클은 도1에서 도시하고 있는 바와같은 공기표준디젤사이클(Air Standard Diesel Cycle)의T-S선도와 P-V선도롤 보여주고 있다. 이는 단열압축, 정적가열, 정압가열, 단열팽창 및 정적배열의 열역학적 과정으로 구성된다.

이를 첨부한 도면 도1(가)및(나)를 참고하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 도시하고 있는 바와같이, (1)-(2)간의 과정은 단열압축과정을 나타내고, (2)-(3)간의 과정은 정적가열(급열)과정을 나타내며, (3)-(4)간의 과정은 정압가열과정을 나타내며, (4)-(5)간의 과정은 단열팽창과정을 나타내며, (5)-(1)간의 과정은 정적배열과정을 나타낸다.

본과정에서 (4)-(5)과정의 온도 T5는 배기가스온도로써 다음과 같이 정의할 수 있다.

여기에서 T1은 대기온도로써 변수로 취급될 수 없고,

ε은 압축비로써, 기관설계에 따라 변수이므로 이 역시 일정하고, CP, CV 및 k는 본 공기표준디젤사이클의 상태에서 동일 조건이므로 일정한 것임을 알 수 있다.

따라서 본 공기표준디젤사이클에서는 배기가스온도가 공급열량만과 일정한 함수관계를 유지하는 것 임을 알수 있다.

이때 디젤기관에 있어서 작동유체에 공급되는 열량은,

Q=QV + QF = 연료로 부터 공급된 열량/열을 받는 공기량의 관계이므로

Q=MF HL/MA 로 정의 되어진다.

이러한 본과정에 있어, 연료에 따라 저위 발열량 HL은 상수로써 일정하기 때문에 작동유체에 공급된 열량(Q)은 연료유량(Mf)에 비례하고, 공기유량(MA)에 반비례함을 알수 있다.

결국 디젤기관의 흡기구 또는 배긱구를 통해 흡입되는 흡입공기량을 조절하므로써 연소가스 또는 배기가스의 온도조절을 취할 수 있음을 알 수 있다.

이러한 이론적 배경에 의하여 본발명을 도2를 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

디젤엔진(DE)의 구동시 발생되는 배기가스에 함유되어 배출되는 디젤연료에 첨가된 메탈첨가제, 세레늄등의 첨가물질과 함께 미세입자물이 통상의 세라믹필터(SF)에 흡착되는 정도에 따라 디젤엔진(DE)의 배압을 측정할 수 있도록 압력감지센서(PS)를 통상의 세라믹필터(SF)와 디젤엔진(DE)사이에 설치하여 상승되는 배압을 측정함과 동시에 디젤엔진(DE) 구동시 발생되는 배기온도를 측정할 수 있도록 온도 검지센서(TS)를 상기 세라믹필터(SF)의 전방에 설치하고, 상기에서 측정된 배압데이타와 배기온도데이타를 전자제어유니트(E.C.U.)에 입력하여 입력된 데이타를 전자제어유니트(E.C.U.)가 연산제어하고, 상기에서 연산제어된 출력제어데이타로 트로틀밸브(TV)와 연료주입젝숀(FI)이 연동되도록 제어하여 트로틀밸브(TV)가 공급공기량을 조절하되 연료주입젝숀(FI)이 연료공급량을 조절하고, 상기에서 조절된 공기공급량과 연료공급량은 세라믹필터(SF)에 악영향을 주지 않는 범위에서 배기가스온도를 유지시켜 세라믹필터(SF)에 흡착된 상기의 첨가제와 함께 미세입자물을 소각시키는 반복적작용에 의해 세라믹필터(SF)를 반복적으로 재생하여 세라믹필터(SF)가 가지는 본래의 기능을 향상 유지할 수 있도록 하였다.

이때 배기가스의 배기온도가 300℃-600℃의 범위가 가장 적당 하였는데 300℃이하에서는 세라믹필터(SF)에 흡착된 상기 첨가물과 미세입자물의 소각이 발생하지 않아 세라믹필터(SF)의 재생효율이 지극히 낮은 반면, 600℃이상인 경우에는 세라믹필터(SF)가 소각 또는 파소되는 단점이 있었다.

이러한 배기가스의 온도범위를 유지하기 위하여 연료량과 공기량의 제어정도 즉, 공기연료비가 20-60 의 범위가 되도록 조절함으로써, 상기한 바와 같이 배기가스의 배기온도가 300℃-600℃의 범위를 유지하여 본발명에서 구하고자 하는 본래의 목적하는 바를 달성할 수 있었다(도3참조).

이러한 본발명은 결국 트로틀밸브(TV)와 연료주입젝숀(FI)을 조절하여 상기한 공기연료비로 디젤엔진(DE)에 공급되도록 조절하므로써 연소가스 또는 배기가스의 온도조절을 상기와 같이 달성하여 세라믹필터(SF)에 흡착된 첨가제와 미세입자물을 연소기켜 세라믹필터(SF)의 재생을 도모할 수 있었다.

이러한 본 발명에 있어서, 세라믹필터(SF)의 후방에 산소량검출센서(OS)를 설치하여 세라믹필터(SF)를 통과하여 배출되는 배기가스에 함유된 산소량을 검출할 수 있도록 설치한다.

이러한 산소량검출센서(OS)의해 검출된 산소량데이타와 함께 상기에서와 같이 압력감지센서(PS)와 온도검지센서(TS)에 의해 측정된 배압데이타와 배기온도데이타를 전자제어유니트(E.C.U.)에 입력하여 입력된 데이타를 전자제어유니트가 연산제어하도록 한다.

이렇게 상기 전자제어유니트(E.C.U.)에서 연산제어된 출력제어데이타로 트로틀밸브(TV)와 연료주입젝숀(FI)이 연동되도록 제어하여 트로틀밸브(TV)가 공급공기량을 조절하고 연료주입젝숀(FI)이 연료공급량을 조절하게 함으로써, 상기와 같이 세라믹필터(SF)에 악영향을 주지 않는 범위에서 배기가스온도를 유지시 세라믹필터(SF)에 흡착된 상기의 첨가제와 함께 미세입자물을 소각시키는 반복적 작용에 의해 세라믹필터(SF)를 재생하여 세라믹필터(SF)가 가지는 본래의 기능을 항상 유지하게 할 수도 있었다.

이러한 본발명의 방법은, 디젤기관에 있어서 작동유체에 공급되는 열량이 연료유량(Mf)에 비례하고, 공깅량(MA)에 반비례하는 이론적 사실에 근거하여 배기가스온도가 세라믹필터에 흡착된 첨가제와 미세입자물을 연소시 세라믹필터를 재생하도록 하된 세라믹필터에 영향을 주지않는 300-600℃의 범위가 되도록 공기연료비를 20-60으로 정함으로써 가능하였다.

[발명의 효과]

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 디젤기관의 배기가스 필터 재생방ㅂ버은 세라믹필터에 영향을 주지않는 300-600℃의 범위가 되도록 공기연료비를 정하여 세라믹필터에 흡착된 첨가제와 미연소 미세입자물을 효과적으로 연소하여 미세입자물을 소각시키는 반복적작용에 의해 세라믹필터(SF)를 반복적으로 재생하여 세라믹필터(SF)가 가지는 본래의 기능을 항상 유지할 수 있도록 하였다.

Claims (1)

1. 디젤엔진(DE)의 구동시 발생되는 배기가스에 함유되어 배출되면서 세라믹필터(SF)에 흡착되는 디젤연료에 첨가된 첨가물질 및 미세입자물을 연소시 세라믹필터(SF)를 반복적으로 재생하는 디젤기관의 배기가스 필터링용 세라믹필터 재생방법에 있어서:

   디젤엔진(DE)의 배압을 측정할 수 있도록 세라믹필터(SF)와 디젤엔진(DE) 사이에 압력감지센서(PS)를 설치하여 세라믹필터(SF)에 흡착되는 디젤연료에 첨가된 첨가물질 및 미세입자물의 축적에 의해 상승되는 배압을 측정하며,

   세라믹필터(SF)의 전방에 온도검지센서(TS)를 설치하여 디젤엔진(DE) 구동시 발생되는 배기온도를 측정하며,

   세라믹필터(SF)의 후방에 산소량검출센서(OS)를 설치하여 세라믹필터(SF)를 통과하는 배기가스에 함유된 산소량을 검출하며,

   상기에서 측정된 산소량검데이터, 배압데이타 및 배기온도데이트를 전자제어유니트(E.C.U.)에서 연산제어하며,

   상기에서 연산제어된 출력제어데이터로 트로틀밸브(TV)와 연료주입젝숀(FI)이 연동되록 제어하여 트로틀밸브(TV)가 공기공급량을 조절하고, 연료주입젝숀(FI)이 연료공급량을 조절하며,

   상기 출력제어데이터에 으해 20∼60비율로 조절된 공기연료비에 의해 세라믹필터(SF)에 악영향을 주지않는 범위에서 배기가스온도를 유지시 세라믹필터(SF)에 흡착된 첨가제와 미세입자물을 반복적으로 소각시 세라믹필터(SF)를 반복적으로 재생하는 것을 특징으로 하는 디젤기관의 배기가스 필터링용 세라믹필터 재생방법.

Images