KR100361844B1 - 디젤엔진의 매연감소장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마를 이용한 디젤엔진의 매연 절감장치에 관한 것으로, 배기가스의 온도를 떨어뜨려 열팽창으로 인한 배기가스의 유속을 느리게 해주고 배기가스중 탄소입자를 미세하게 분해시켜주는 역할을 하는 방열판(2)이 부착되고, 배기가스를 분산,분배하여 안정된 기체흐름 및 유속, 압력으로 공급하여 반응기 내부에서 프라즈마 반응이 효과적으로 일어나면서 소음을 감소할 수 있는 스테이터 유속분배판(3)이 장치되며, 열변형을 고려하여 스틸, 스테인레스로 되면서 간단한 구조로 된 플라즈마 반응전극(5,5') 및 세라믹전극(4,4')이 채용되고, 플라즈마 반응장치(P)를 통과한 미연소된 매연이 극성을 띠므로 주행하는 차 주변의 철제물에 매연이 달라 붙는 것을 방지하기위해 흑설 제거용 고압플라즈마 장치(9)가 장치된다.

따라서, 상기 플라즈마 반응장치(P)에 고압 고주파가 인가되면, 고압기체 전리현상에 의해 플라즈마 반응전극(5,5')에 투입된 배기가스가 이온화 및 여기상태로 되어 배기가스 중 매연, 질소화합물, 탄화수소와 같은 유해물질이 감소되되, 배기가스가 안정된 유속, 온도와 압력으로 유입됨에 따라, 플라즈마 반응장치의 효율 및 내구성이 향상되는 효과가 있다.

Description

디젤엔진의 매연감소장치{Soots reducing apparatus of diesel engine}

본 발명은 매연 감소장치에 관한 것으로, 특히 플라즈마 화학반응을 이용하여 에너지를 절약할 수 있으면서 효율을 높일 수 있음은 물론, 비교적 간단한 구조이면서 안정적으로 배기가스를 연소시키도록 된 디젤엔진의 매연 감소장치에 관한 것이다.

일반적으로, 엔진에서 연소된 후 발생되는 배기가스의 종류는 이산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소화합물(NOX), 황산화물(SOX), 오존(O3), 입자상물질, 탄산가스와 카아본 등이 있다.

이들 배기가스가 인체에 치명적인 영향을 미치면서 이 배기가스가 광화학 스모그를 발생시키고, 오존층을 파괴시킴과 더불어 산성비를 내리게 하는 등 심각한 피해를 준다.

한편, 산업의 발달과 경제성장으로 인한 대기오염, 지구의 온난화 현상, 오존층의 파괴, 산성비, 스모그현상 등 심각한 환경오염 문제가 국내뿐만 아니라 세계적인 관심사로 대두되었다. 자동차가 1890년 독일의 벤츠에 의해 탄생한 이후 자동차는 우리생할에 편리성, 안락성 등을 충족시키주는 발명품중 하나로 그 수요가 날로 증가하고 있다.

그 중에서도 디젤자동차에서 배출되는 오염물에 의한 대기오염은 심각한 상황에 있다. 즉, 디젤엔진에서 주로 배출되는 질소산화물이나 매연(Soot)등의 입자상 물질(PM)이 대도시 대기 오염의 주범으로 인식되고 있다. 이들 입자상 물질들은도심에서 발생되는 다른 어떤 입자들보다 빛을 많이 흡수하고 따라서 시정을 감소시킨다.

특히, 질소화합물은 광화학 스모그의 원인이 되고 산성비를 내리게 하는 주요원인이며 입자상 물질은 그 입자가 미세하고 많은 화학물질을 포함하고 있어 호흡기 질환이나 페암 발생 등과 같은 건강상의 피해 그리고 재산상의 피해 등을 유발하여 건강과 환경의 주요 관심사항으로 부각되고 있으며, 이러한 우려에도 불구하고 디젤엔진의 사용이 계속 증가하면서 많은 선진국에서 디젤엔진의 배출 허용기준을 강화하고 있으며 디젤엔진에서 배출되는 오염물질을 줄이도록 강요하고 있다.

정부의 발표에 따르면 96년도 전체 대기오염 중 자동차 배출가스 비중이 40% 이고, 이중에 디젤차량이 70%를 차지하고 있다. 이같이 디젤엔진의 보유비율이 높고 일일 주행거리가 길어 디젤엔진에서 배출되는 오염물질 중 매연등의 입자상 물질에 의한 대도시 대기오염 피해가 급증하고 있는 우리나라로서는 최근 깨끗한 환경에 대한 국민의 욕구충족을 위해 디젤엔진 배출가스 방지기술 개발이 매우 절실한 과제였다.

배출가스를 정화하는 기술은 크게 대체 연료전환, 경유의 고품질화, 엔진성능 개선, 후처리장치 장착 등으로 구분되며, 이들은 상호 보완적인 관계를 갖고 있다.

향후 이산화탄소 규제에 대해 디젤 자동차의 증가는 거의 확실시되나 매연과 같은 입자상 물질의 문제해결 없이는 디젤엔진의 지속적인 발전을 보장하기가 어렵다. 따라서, 후처리장치 기술개발은 미국이나 유럽, 일본 등에서 매우 활발하며 경유 자동차의 장래와 직결되는 매우 중요한 위치에 있어 멀지 않아 이 기술은 완성될 수 있을 것으로 전문가들은 예상하고 있다.

성능이 우수한 후처리 기술이 국내에서 개발될 경우 대도시 매연 공해문제 해결은 물론이며 경유 자동차 저배기 기술을 확립함으로써 가솔린 자동차와 함께 균형있는 자동차 산업의 육성과 수출전략을 구사할 수 있게 될 것이다. 또한, 후처리기술이 상용화되면, 가솔린 자동차의 삼원촉매처럼 모든 경유자동차에 보급될 것으로 예상된다.

여기서, 지금까지 개발된 후처리 시스템들이 하기와 같은 문제점들을 갖고 있기에 2000년 이후의 계속 엄격해지는 배기규제에 대비하기 위한 디젤자동차 후처리시스템의 기술정립과 개발이 필요하다.

이하, 종래에 사용된 후처리 시스템의 문제점에 대해 첨부한 도면을 참조로 하여 설명하기로 한다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 배기가스를 전기히터(200)로 연소시키는 전기히터 방식(100)은 전력소모가 과다하여 컨트롤 시스템에 무리가 있으며 순간적인 온도상승이 불가능하므로 재생기능이 단축되는 경우가 있고 전원의 전력변화에 따라 재생에 필요한 충분한 에너지를 공급하지 못할 수도 있으며 시스템의 내구성이 문제가 된다.

또한, 도 2에 도시된 것과 같이, 배기가스를 버너(201)로 연소시키는 경유버너 방식(101)은 버너의 높은 열에 의해 여과장치가 손상을 입고 노즐막힘, 재생초기 불완전 연소에 의한 다량의 매연방출 등 전반적으로 복잡하여 다른장치에 비해 제작비용이 많이 소모되는 문제점이 발생하게 된다.

또, 도 3에 도시된 것과 같이, 관통형 산화촉매(202)에 의해 배기가스를 처리하는 촉매연소방식(102)은 비교적 구조는 간단하나 배기가스에 포함된 이산화황이 산화되어 삼산화황으로 전환되어 매연량이 오히려 증가하는 문제와 장시간 사용시 촉매활동이 저하되는 단점이 있다.

여기서, 상기의 문제점들을 조금이나 해소하고자 제안된 것이 도 4에 도시된 바과 같이, 플라즈마 반응기(203)를 이용한 플라즈마 후처리 장치(103)인데, 이 장치가 디젤 자동차에서 사용될 때, 배출가스온도가 약 700 ℃로 고온이고, 배출가스압력 또한 높으며, 매연농도가 농후하고 유속 또한 일정하지 않아 플라즈마 장치의 반응을 방해하는 이유로 인해 고압을 사용하는 부분과 접지와의 절연이 불안전해지고 이에 절연파괴로 인한 플라즈마 효율이 저하됨과 더불어, 플라즈마 장치가 내구성이 약화되면서 효율성 및 내구성이 낮아지는 문제점이 발생하였다.

이에 본 발명은 상기와 같은 제반 문제점들을 해결하기 위해 발명된 것으로, 장치로 유입되는 가스의 매연온도를 떨어뜨리는 방열판을 부착하여 열로 인한 장치의 변형과 플라즈마 반응방해 고압고주파 입력부분의 누설을 방지할 수 있으며, 장치 입출구쪽에 유속과 배압을 고르게 장치내에서 배출가스가 흐를수 있도록 분배판을 설계하되, 자동변속기, 스테이터원리를 이용 매연농도가 균일하면서 유속이 장치원통에 치우침이 없이 흐르도록 설계하였으며, 전기장치의 고압고주파 입력쪽 세라믹에 고압고주파 누전을 막기 위해 유입되는 매연을 이온화시켜 전리된 매연을 만들어서 도전성이 없는 매연입자로 만들어 이 부분에 절연을 확보하였으며, 고압고주파 발생장치로 안정적인 24V DC 전압을 공급받기 위해 레규레이더와 DC 정류휠터를 거쳐 회로를 IC화 하여 안정적이고 효율적인 고압장치가 장착된 디젤엔진의 매연 절감장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 기술로서 촉매식 매연여과장치의 개략도,

도 2는 종래의 기술로서 버너식 매연여과장치의 개략도,

도 3은 종래의 기술로서 연료첨가식 매연여과장치의 개략도,

도 4는 종래의 기술로서 플라즈마식 매연여과장치의 개략도,

도 5는 본 발명에 따른 매연 감소장치의 구성도,

도 6은 본 발명에 따른 매연 감소장치에서 세라믹전극부의 상세도,

도 6a는 본 발명에 따른 매연 감소장치에서 분배판의 사시도,

도 7은 본 발명에 따른 매연 감소장치에 인가되는 전원공급도,

도 8은 본 발명에 따른 고압발생장치의 회로도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

P --- 플라즈마 반응기, C --- 케이싱,

1 --- 배기가스 유입구, 2 --- 방열판,

3,3' ---- 유속분배판, 4,4' --- 세라믹전극,

5,5' --- 반응전극, 6 --- 입력선,

7 --- 케이블, 8 --- 고압플라즈마.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명은 배기가스의 온도를 떨어뜨려 반응기 변형을 막아주며 열팽창으로 인한 배기가스의 유속을 느리게 해주고 배기가스중의 탄소입자를 미세하게 분해시켜주는 역할을 하는 방열판이 부착되고, 매연을 분산, 분배하면서 기체흐름, 유속, 압력 등을 고려하여 고르게 공급하여 반응기 내부에서 프라즈마 반응이 효과적으로 증대시키며 소음을 감소할 수 있는 스테이터 유속분배판이 장치되며, 열변형을 고려하여 스틸이나 스테인레스로 이루어진 간단한 구조로 된 플라즈마 반응전극을 채용하였으며, 플라즈마 반응장치를 통과한 미연소된 매연이 극성을 띠고 주행하는 차 주변의 철제물에 매연이 달라 붙는 것을 방지하기위해 흑설 제거용 고압플라즈마 장치가 장치된다.

따라서, 상기 플라즈마 반응기에 고압 고주파가 인가되면, 고압기체 전리현상에 의해 플라즈마 반응전극에서 전자사태가 발생되며 이온과 전자충돌 현상에 의해 청백색 불꽃이 야기되어 투입된 배출가스를 이온화 및 여기상태로 만들게 된다.

이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참조로 하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명에 따른 매연 감소장치의 구성도이고, 도 6은 본 발명에 따른 매연 감소장치에서 세라믹전극부의 상세도인데, 도시된 바와 같이, 본 발명은 배기가스유입구(1)에 연결된 주름관 형상의 방열판(2)을 갖추고서, 이 방열관(2)에 연결되는 플라즈마 반응기(P)가 장치되고, 이 플라즈마 반응기(P)와 연결되는 흑설제거용 고압 플라즈마(9)가 장치된다.

여기서, 상기 플라즈마 반응기(P)가 서로 이격되어 배치되는 세라믹전극(4,4')과, 이 세라믹전극(4,4')을 연결하는 케이블(7)과, 반응을 촉진하는 형상인 나사산(5a)이 내외측 표면에 형성된 반응전극(5,5') 및, 상기 세라믹전극(4,4')을 덮고 있는 유속분배판(3)으로 구성되고, 이들 구성품들이 원통관 형상인 케이싱(C)내부에 장치되되, 상기 반응전극(5,5')과 케이싱(C) 사이에서 플라즈마 반응이 일어날 수 있는 거리로 이격되어 있다.

한편, 도 6a에 도시된 것과 같이 원통관 형상으로 된 유속분배판(3)이 세라믹전극(4)을 감싸고 있어 도전성이 없는 매연가스를 공급하게 되고, 이 도전성 없는 매연가스가 유속분배판(3)의 날개(3a)를 통과하면서 분산,분배되어 반응전극(5,5)에 도착됨으로, 안정된 기체흐름과 유속, 압력으로 고르게 공급함에 의해 내부에서 플라즈마 반응이 효과적으로 증대되어 소음이 감소된다.

여기서, 상기 반응전극(5,5')이 원통관 형상이고, 고정너트(5b,5b')를 매개로 케이블(7)에 간단히 고정됨에 따라, 플라즈마 반응기(P)의 구조가 간단해 질 수가 있다.

또한, 상기 세라믹 전극(4)에 입력선(6)이 연결되어 이 입력선을 통해 본 발명에서는 -20kv의 전압이 인가된다. 이와 더불어 케이싱(C)의 일측 외부에 보조입력선(8)이 연결되어, 안정적인 전압이 공급되게 된다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 작동을 설명하기로 한다.

먼저, 배기가스 유입구(1)에 배기가스가 유입되면, 상기 방열판(2)을 거치면서 배기가스의 온도가 떨어지게 되고, 이어 플라즈마 반응기(P)속으로 유입되게 된다. 이 플라즈마 반응기(P)에 유입된 배기가스가 유속분배판(3)에 도달하게 되며, 다시 배기가스가 유속분배판(3)의 날개(3a)를 통과하면서 유유히 반응전극(5)으로 흘러들게 되며, 이렇게 유입된 배기가스가 반응전극(5)에서 방출되는 전자에 의해 충돌하여 분해, 제거된다. 즉, 매연입자(Carbon)와 탄화수소가 플라즈마 불꽃에 의해 직접 연소되고, 질소산화물이 플라즈마 에너지에 의해 분해시키면서 무해하게 된다.

이렇게 반응된 배기가스가 플라즈마 반응기(P)에서 배출되어 흑설제거용 고압플라즈마장치(2)를 지나면서, 극성을 띤 배기가스가 무극성으로 된다. 더욱더 상세하게, 상기 플라즈마 반응기(P)에서 배기가스가 완전히 연소되지 않으므로, 미연소된 극성의 매연이 차량 외부의 철제물에 달라붙게 되는데, 따라서 흑설제거용 고압플라즈마장치(2)가 미연소된 극성의 매연을 무극성의 매연으로 변화시킨다. 상기 고압플라즈마장치(2)에 통전되는 전압과 플라즈마 반응기(P)에 통전되는 전압이 서로다른 극성을 띠게 된다. 본 발명에서는 플라즈마 반응기(P)에 인가되는 전압이 -20kv이고, 고압플라즈마장치(2)에 인가되는 전압은 +20kv이다.

이어, 상기 흑설제거용 고압플라즈마장치(2)를 통과한 배기가스가 배기가스유출구(2)에서 차량 외부로 방출된다.

여기서, 본원 발명은 고압을 얻기 위해 차량용 24V 밧테리 전원으로 소형 염가의 고효율 타력식 발전방식을 채택하여 주파수 특성이 좋고 대출력에 전압변동이 적으며 아웃풋(OUT PUT) 파형의 왜곡(Distortion)이 적어 고효율 고출력의 AC전압을 얻을 수 있도록 되어 있다. 동작원리는 도 8에 도시된 것과 같이, 특성이 같은 두 트랜지스터(TR)를 대칭으로 접속하여 IC(Intergraded Circuit)를 사용하면서, DC 24V를 인가하여 IC에 의한 설정주파수의 타력발진을 시켜 트랜스퍼머로부터 AC 전압을 얻는 방식인데, 여기서 수천 볼트의 AC 전압에 DC 배압회로를 구성하여 수만 볼트의 DC 고전압을 발생시켜 두 전극간에 스트리머 코로나를 인가하면 플라즈마 에너지가 생성되도록 된 고압발생장치로 구성되어 있다.

도 7은 본 발명에 따른 매연 절감장치에 인가되는 전원공급도인데, 도시된 바와 같이, 본 발명은 DC 24V의 전압이 -15 ∼-20kv로 증폭되도록 레규레이터가 정류기 앞쪽에 설치함에 따라, 레규레이터가 낮은 회전속도(rpm)에서 고 회전속도 대역별 전력량을 조절하여 항상 일정한 전압이 흐르도록 하였다. 즉, 마이크로 컴퓨터화하여 출력 변화를 센서로 감지하여 전력량을 조절하게 된다. 또한, 차량 사고시 단선이나 과부하가 걸렸을 때, 운행중 절연파괴 물질인 수분이 유입되어 저항이나 누설이 있을 때 마이크로 컴퓨터에 의해 전원이 차단되어 고압누전에 따른 사고를 미연에 방지할 수가 있다.

이상과 같이 설명한 본 발명에 의하면, 방열판을 부착하여 열로 인한 장치의 변형과 플라즈마 반응방해 고압고주파 입력부분의 누설을 방지할 수 있으며, 고압기체 전리현상에 의해 플라즈마 반응전극에서 전자사태가 발생되며 이온과 전자충돌 현상에 의해 청백색 불꽃이 야기되어 투입된 배출가스를 이온화 및 여기상태로 만들게 된다. 즉, 매연입자(Carbon)와 탄화수소가 플라즈마 불꽃에 의해 직접 연소되고, 질소산화물이 플라즈마 에너지를 분해시키면서 무해화되어, 배출가스 중, 매연이 80%로 감소되고, 질소산화물이 20%로 감소되며, 기타 일산화탄소 및 탄화수소가 20%로 감소된다.

또한, 상기 흑설 제거용 고압플라즈마 장치에 의해 미연소된 배기가스가 차량외부의 철제물에 달라 붙는 현상을 제거할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 플라즈마 반응을 이용한 매연감소 장치에 있어서, 배기가스 유입구(1)와 연결된 주름관 형상의 방열판(2), 이 방열관(2)에 연결된 케이싱(C)내에 장착된 플라즈마 반응기(P), 이 플라즈마 반응기(P)와 연결된 흑설제거용 고압 플라즈마(9)를 갖춘 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 매연 감소장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 플라즈마 반응기(P)가 서로 이격되어 배치되며 입력선(6)이 연결된 세라믹전극(4,4')과, 이 세라믹전극(4,4')을 연결하는 케이블(7)과, 반응을 촉진하도록 나사산(5a) 형상이 내외측 표면에 형성된 반응전극(5,5') 및, 상기 세라믹전극(4,4')을 덮으면서 날개(3a)를 갖춘 유속분배판(3)으로 구성된 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 매연 감소장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 세라믹전극(4)에 인가되는 -15 ∼ -20kv 전압을 DC 24V의 전압으로부터 증폭키셔 얻도록 레규레이터가 정류기 앞쪽에 설치된 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 매연 감소장치.