KR100375423B1

KR100375423B1 - Plasma device for removing exhaust gas from diesel engine

Info

Publication number: KR100375423B1
Application number: KR10-2000-0056853A
Authority: KR
Inventors: 홍용철; 엄환섭
Original assignee: 홍용철
Priority date: 2000-09-27
Filing date: 2000-09-27
Publication date: 2003-03-15
Also published as: KR20010000416A

Abstract

본 발명은 마이크로웨이브 플라즈마 토치를 이용하여 디젤 엔진으로부터 배출되는 매연 제거 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게 기술하면, 대기중에 존재하는 전체 매연의 98% 이상이 디젤엔진을 이용하는 경유차에서 배출되는 것으로, 매연을 완전 제거하거나 또는 허용기준치(25%)까지 감소시키기 위하여 배기가스를 대기압 마이크로웨이브 플라즈마 토치로 통과시킴으로서 고온의 플라즈마 불꽃에 의한 연소와 플라즈마 활성종인 산소 원자, 분자, 라디칼들로 매연을 처리하는 플라즈마 장치를 제공함에 그 목적이 있다.The present invention relates to an apparatus for removing smoke from a diesel engine using a microwave plasma torch. More specifically, more than 98% of the total soot present in the atmosphere comes from diesel engines using diesel engines, and exhaust gases are removed from atmospheric microwave plasma to completely remove soot or reduce it to an acceptable threshold (25%). It is an object of the present invention to provide a plasma apparatus for treating soot with oxygen atoms, molecules, and radicals that are plasma active species by combustion with a high temperature plasma flame by passing through a torch.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 마이크로웨이브를 발진하는 마그네트론(22)과; 마그네트론(22)에 전파전압을 공급하는 파워공급시스템(24)과; 마그네트론(22)으로부터 발진되는 마이크로웨이브를 효율적으로 전송하는 도파관(18)과; 도파관(18)의 특성임피던스와 부하 임피던스를 정합시키는 3-스터브정합시스템(20); 및 디젤 엔진 배기통(16)으로부터 공급되는 매연을 점화장치(14)와 상기 도파관으로부터 전송된 마이크로웨이브 에너지의 결합으로 플라즈마를 발생시켜 처리하는 방전관(12), 처리된 매연이 배출되는 출구(28)로 구성되는 것과 마이크로웨이브의 유도에 의한 무전극 플라즈마 토치를 특징으로 한다.The present invention to achieve the above object is a magnetron (22) for oscillating microwave; A power supply system 24 for supplying a radio wave voltage to the magnetron 22; A waveguide 18 for efficiently transmitting microwaves oscillated from the magnetron 22; A 3-stub matching system 20 for matching the characteristic impedance of the waveguide 18 with the load impedance; And a discharge tube 12 for generating and processing plasma by combining the ignition device 14 and the microwave energy transmitted from the waveguide, and the outlet 28 through which the treated smoke is discharged. And an electrodeless plasma torch by induction of microwaves.

Description

Smoke removal plasma device from diesel engine {PLASMA DEVICE FOR REMOVING EXHAUST GAS FROM DIESEL ENGINE}

본 발명은 디젤 엔진에서 배출되는 매연을 제거하는 플라즈마 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배기가스를 대기압 마이크로웨이브 플라즈마 토치로 통과시킴으로서 고온의 플라즈마 불꽃에 의한 연소와 플라즈마 활성종인 산소 원자, 분자, 라디칼들로 매연을 처리하는 플라즈마 장치에 관한 것으로 저렴한 비용으로 손쉽고도 경제적으로 플라즈마를 발생시킬 수 있다.The present invention relates to a plasma apparatus for removing soot emitted from a diesel engine, and more particularly, by passing the exhaust gas through an atmospheric microwave plasma torch, combustion by a hot plasma flame and oxygen atoms, molecules, and radicals that are plasma active species. The present invention relates to a plasma apparatus for treating soot, which can generate plasma easily and economically at low cost.

기존의 디젤엔진의 배기가스를 정화시키는 방법은 여러 종류의 연료를 섞어 사용하거나, 또는 배기가스의 일부를 다시 연 소실로 유입시켜 오염물질을 감소하는 것들이 있다. 특히 코로나 방전을 이용한 정화 방법은 코로나 방전에서 나오는 저온 플라즈마를 이용하는 것으로 매연, 산화질소, 아황산가스를 제거하는 효율이 다른 기술보다 월등히 좋다. 그러나 현재 사용되고 있는 코로나 방전연구에 의하면, 높은 전압을 필요로 하는 펄스 전력 시스템을 쓰기 때문에 플라즈마 발생효율이 아주 낮을 뿐만 아니라, 엄청난 크기의 전력 시스템 때문에 경제성과 실용성이 없다는 것이다.Existing diesel engine exhaust gas purification methods use a mixture of fuels or reduce some of the pollutants by introducing a portion of the exhaust gas back into the combustion chamber. In particular, the purification method using corona discharge uses low-temperature plasma from the corona discharge, and the efficiency of removing soot, nitrogen oxides, and sulfur dioxide is much better than other technologies. However, current corona discharge studies show that the use of pulsed power systems that require high voltages results in very low plasma generation efficiency and inefficiency due to the huge size of power systems.

따라서 본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 디젤 엔진의 배기가스를 대기압 마이크로웨이브 플라즈마 토치로 통과시킴으로서 고온의 플라즈마 불꽃과 플라즈마 활성종인 산소 원자, 분자, 라디칼들에 의해 매연이 제거되는 장치를 제공하는데 있다.Therefore, the present invention has been made to solve the above problems, the purpose is to pass the exhaust gas of the diesel engine to the atmospheric microwave plasma torch soot by high temperature plasma flame and plasma active species oxygen atoms, molecules, radicals This is to provide a device to be removed.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 통상의 마그네트론을 이용하여 마이크로웨이브를 발생시켜 효율적으로 마이크로웨이브를 전송하는 도파관의 특정 위치에 설치되어 있는 방전관으로 유입되는 마이크로웨이브 에너지와 점화장치의 결합으로 플라즈마를 발생시켜 배기가스 중에 매연을 제거하는 특징으로 한다.바람직하게는 방전관으로 유입된 마이크로웨이브의 공명현상과 점화장치로부터 발생한 스파크의 결합으로 쉽게 플라즈마를 생산할 수 있도록 상기 도파관의 한 쪽 끝으로부터 도파관내 파장의 4분의 1 위치에 방전관이 위치되어 있는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention uses a conventional magnetron to generate a microwave by combining a microwave energy and an ignition device introduced into a discharge tube installed at a specific position of a waveguide for efficiently transmitting microwaves. It is characterized in that it generates a soot in the exhaust gas. Preferably, the wavelength in the waveguide from one end of the waveguide to easily produce a plasma by combining the resonance of the microwaves introduced into the discharge tube and the spark generated from the ignition device Characterized in that the discharge tube is located at a quarter of the position.

다음에 상세히 기술할 설명은 나열된 도식들을 참조하므로서 본 발명을 더욱 쉽게 이해할 수 있다.DETAILED DESCRIPTION The following detailed description makes the invention easier to understand by reference to the listed schemes.

도 1은 본 발명의 구성을 예시한 구성블럭도,1 is a block diagram illustrating a configuration of the present invention,

도 2는 본 발명을 예시한 단면도,2 is a cross-sectional view illustrating the present invention,

도 3은 대기압 마이크로웨이브 플라즈마 장치의 플라즈마 불꽃의 사진이다.3 is a photograph of a plasma flame of an atmospheric microwave plasma apparatus.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

12: 방전관 14: 점화장치 18: 도파관 20: 3-스터브정합시스템 22: 마그네트론 24: 파워공급시스템, 26: 냉각장치DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 Discharge tube 14 Ignition apparatus 18 Waveguide 20 3-stub matching system 22 Magnetron 24 Power supply system 26 Cooling apparatus

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 통상의 마이크로웨이브를 발진하는 마그네트론과; 반파전압배율기에 고압콘덴서와 고압다이오드를 부가하여 상기 마그네트론에 전파전압을 공급하도록 설치되는 파워공급시스템과; 상기 마그네트론으로부터 공급되는 마이크로웨이브를 효율적으로 전송하는 도파관과; 도파관의 특성임피던스와 부하임피던스를 정합시키는 3-스터브정합시스템; 및 상기 도파관의 한 쪽 끝으로부터 도파관내 파장의 4분의 1 위치에 설치되어 디젤 엔진의 배기가스가 주입되는 방전관과 방전관으로 유입되는 마이크로웨이브 에너지가 플라즈마를 쉽게 발생하도록 도와주는 점화장치;로 이루어진 것을 특징으로 하는 대기압 마이크로웨이브 플라즈마 토치를 이용한 매연 제거 장치를 제공하게 된다.이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.The present invention to achieve the above object is a magnetron for oscillating a conventional microwave; A power supply system installed to supply a radio wave voltage to the magnetron by adding a high voltage capacitor and a high voltage diode to the half wave voltage multiplier; A waveguide for efficiently transmitting microwaves supplied from the magnetron; A three-stub matching system for matching the characteristic impedance and the load impedance of the waveguide; And an ignition device installed at one-fourth of the wavelength in the waveguide from one end of the waveguide, and an ignition device for easily generating plasma by microwave energy flowing into the discharge tube and the discharge tube into which the exhaust gas of the diesel engine is injected. The present invention provides an apparatus for removing smoke using an atmospheric pressure microwave plasma torch. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 구성을 예시한 구성 블록도이고, 도 2는 본 발명을 예시한 단면도이며, 도 3은 대기압 마이크로웨이브 플라즈마 장치의 플라즈마 불꽃의 사진이다.본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 1의 참조 숫자 (10)로 표기된 것은 방전시스템과 배기가스 공급부분이다. 방전관(12)는 마그네트론으로부터 발진된 마이크로웨이브의 전기장이 최대가 되는 위치에 설치되어 있다. 참조 숫자 26은 마그네트론(12)의 과열을 방지하기 위한 냉각 팬이다. 18-a, 18-b, 18-c는 도파관이며 마그네트론(12)에서 발진된 마이크로웨이브를 효율적으로 방전관(12)으로 전송시켜준다. 자동차 배기통(16)과 방전관(12)을 연결하여 배기가스가 플라즈마 불꽃 속을 통과하여 처리되도록 하였다. 플라즈마에 의해 처리된 배기가스는 자동차 배기통(28)을 통해 대기 중으로 배출된다. 점화장치(14)는 방전관(12)으로 유입된 마이크로웨이브가 플라즈마를 낮은 파워에서 용이하게 발생시키도록 방전관(12)에 스파크를 발생한다. 이 스파크는 방전관(12) 내에 초기 전자를 공급하여 대기 중에서도 손쉽게 플라즈마를 발생시킨다. 상기 설명한 마이크로웨이브의 유도로 발생한 플라즈마 불꽃은 섭씨 5,000도에서 6,000도 이르며, 이 플라즈마는 화학적으로 매우 활성적인 산소 원자, 분자, 라디칼들을 다량으로 생산하므로 배기가스의 매연을 제거할 수 있다.또한 고전압을 이용하여 전극과 전극 사이에서 발생시키는 플라즈마 장치와는 달리, 마이크로웨이브의 유도에 의해 발생되는 플라즈마이므로 무전극 플라즈마이다. 따라서 장시간의 운전에 의해 전극에 매연 입자들이 적층되어 플라즈마가 사라지는 경우가 없다.1 is a block diagram illustrating a configuration of the present invention, Figure 2 is a cross-sectional view illustrating the present invention, Figure 3 is a photograph of the plasma flame of the atmospheric microwave plasma apparatus. According to an embodiment of the present invention, Denoted by reference numeral 10 in FIG. 1 is the discharge system and the exhaust gas supply portion. The discharge tube 12 is provided at a position where the electric field of the microwave generated from the magnetron is maximized. Reference numeral 26 is a cooling fan for preventing overheating of the magnetron 12. 18-a, 18-b, and 18-c are waveguides and efficiently transmit the microwaves generated by the magnetron 12 to the discharge tube 12. The vehicle exhaust cylinder 16 and the discharge tube 12 were connected to allow the exhaust gas to pass through the plasma flame. The exhaust gas treated by the plasma is discharged to the atmosphere through the vehicle exhaust cylinder 28. The ignition device 14 generates sparks in the discharge tube 12 so that microwaves introduced into the discharge tube 12 easily generate plasma at low power. The spark supplies initial electrons into the discharge tube 12 to easily generate plasma even in the air. Plasma flames generated by the induction of the above-mentioned microwaves range from 5,000 to 6,000 degrees Celsius, and the plasma produces a large amount of chemically active oxygen atoms, molecules, and radicals, thereby eliminating exhaust fumes. Unlike the plasma device that generates between the electrodes using the electrode, since the plasma is generated by the induction of microwaves, it is an electrodeless plasma. Therefore, the soot particles are stacked on the electrode by the long time operation so that the plasma does not disappear.

도 2에서 도파관(18)은 차차 가늘어지는 테이퍼(Taper)된 도파관이다. 이는 테이퍼된 부분에서 연속적인 임피던스의 변화를 발생시켜 정합을 유도하고 있다. 방전관(12)의 위치는 도 1의 도파관(18-a)의 종단에서부터 관내 파장의 4분의 1 지점에 위치한다. 도 2에서 λ _g 는 도파관의 관내파장을 나타내는 부호이다. 3-스터브 시스템(20)은 관내 파장의 4분의 1 간격으로 3개의 스터브가 도파관에 삽입되어있다. 이는 입력 임피던스와 부하의 임피던스를 정합시켜 최대의 파워가 전달되도록 해준다. 그리고 마그네트론(22)의 부착 위치는 도파관(18-c) 종단부분부터 관내 파장 4분의 1 지점에 부착되어진다. 파워 공급 시스템(24)은 마그네트론에 파워를 안정하게 공급해주는 전파 전압 배율기이다.그리고 도 3은 본 발명의 마이크로웨이브 플라즈마 불꽃을 보여주는 사진이다. 공기를 방전 가스로 사용하여 대기 중에서 플라즈마를 발생시킨 것으로 22 cm의 긴 플라즈마 불꽃이다.In FIG. 2, the waveguide 18 is a tapered waveguide that is gradually tapered. This induces a change in the impedance in the tapered portion to induce matching. The discharge tube 12 is positioned at a quarter of the wavelength in the tube from the end of the waveguide 18-a in FIG. 1. In FIG. 2, λ _g is a sign indicating an intra-wavelength of the waveguide. In the three-stub system 20, three stubs are inserted into the waveguide at one quarter intervals of the wavelength in the tube. This ensures maximum power delivery by matching the input impedance with the load impedance. And the attachment position of the magnetron 22 is attached to the quarter wave length from the end of the waveguide 18-c. The power supply system 24 is a propagation voltage multiplier for stably supplying power to the magnetron. FIG. 3 is a photograph showing a microwave plasma flame of the present invention. Plasma is generated in the atmosphere using air as the discharge gas. It is a 22 cm long plasma flame.

상기한 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 고안의 적용 범위는 이와 같은 것에 한정되는 것은 아니며 동일 사상의 범주내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.[실험 예]2.45㎓ 마그네트론을 이용하여 진공 속에서 방전을 만들어 플라즈마를 발생시켜 산업 응용 분야에 이용하고자하는 많은 실험이 있었다. 그러나 기존의 방법과 진공 장치를 이용하여 플라즈마를 만들면 너무 많은 비용이 들게 되므로 실용화하기에는 경제성이 미흡하다. 본 발명이 이루고자 하는 환경개선에 이용될 플라즈마는 결코 까다로운 조건들을 만족할 필요는 없다. 대기압에서 손쉽고 저렴하게 대량으로 플라즈마를 만들면 된다. 따라서 본 발명의 마이크로웨이브 플라즈마 발생 장치는 이 조건을 만족하고 있다. 본 발명의 실험에서는 900W의 마그네트론을 이용하여 대기압에서 플라즈마를 발생시켜 디젤엔진에서 배출되는 매연제거 실험을 수행하였다. 이 엔진의 용량은 2,200 cc이며 실험시 디젤엔진의 공회전수는 1,800 ∼ 2,000 rpm, 이때 방전관으로 유입되는 배기가스의 유속은 매초당 30∼40 미터 이였다. 배기가스의 매연을 거름종이에 흡착하여 본 발명 장치로 처리하여 전 ·후를 비교하였다. 그 결과는 70% 이상 처리가 되었으며 많게는 90% 가까이 처리가 되었다. 그리고 배기가스의 온도를 측정해본 결과, 처리전과 처리후의 배기가스의 온도가 거의 50℃ 밖에 차이가 나지 않았다. 이는 플라즈마 불꽃의 중심 온도가 5,000 ∼ 6,000 ℃ 임에도 불구하고 플라즈마로 처리되는 동안배기 가스의 온도가 거의 상승되지 않았다는 것이다. 이런 실험을 수행하는 동안에, 배기가스의 유속이 빨라짐에 따라 마그네트론에 들어가는 전류치가 마그네트론의 정상 작동치 보다 많이 올라간다는 것을 관찰하였다. 이는 방전관 속을 빠르게 통과하는 배기가스를 방전하여 플라즈마를 발생시키는 데에 많은 부하가 걸린다는 것이고, 이에 도파관 내에 반사파가 발생하여 마그네트론에 손상이 가게 된다는 것이다. 또 배기가스의 빠른 유속에 의해 플라즈마 불꽃이 방전관의 중심에 모이게 되어 가장자리로 지나가게 되는 배기가스는 효과적으로 처리되지 않는 다는 것을 알 수 있었다.The above embodiment is merely a description of the preferred embodiment of the present invention, the scope of application of the present invention is not limited to this, and can be changed as appropriate within the scope of the same idea. There have been many experiments to make discharge in vacuum and generate plasma to use in industrial applications. However, making plasma using existing methods and vacuum devices is too costly to be practical. The plasma to be used to improve the environment to be achieved by the present invention does not have to satisfy the demanding conditions at all. Plasma can be produced in large quantities easily and inexpensively at atmospheric pressure. Therefore, the microwave plasma generating device of the present invention satisfies this condition. In the experiment of the present invention using a 900W magnetron to generate a plasma at atmospheric pressure to perform the smoke removal experiment discharged from the diesel engine. The engine had a capacity of 2,200 cc and the engine's idling speed was 1,800 to 2,000 rpm, and the flow rate of the exhaust gas flowing into the discharge tube was 30 to 40 meters per second. The soot of the exhaust gas was adsorbed onto the filter paper and treated with the present invention device to compare before and after. The result was more than 70% treated and as much as 90% treated. As a result of measuring the temperature of the exhaust gas, the temperature of the exhaust gas before and after the treatment was almost only 50 ° C. This means that even though the center temperature of the plasma flame was 5,000 to 6,000 ° C., the temperature of the exhaust gas hardly increased during the treatment with the plasma. During these experiments, we observed that as the flow rate of the exhaust gas increases, the current entering the magnetron rises more than the normal operation of the magnetron. This means that a large load is required to discharge the exhaust gas passing quickly through the discharge tube to generate a plasma, which causes reflection waves in the waveguide and damages the magnetron. In addition, it was found that due to the high flow rate of the exhaust gas, the plasma flame was collected at the center of the discharge tube, and the exhaust gas passed to the edge was not effectively treated.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 디젤 엔진의 매연 제거 플라즈마장치는 손쉽고도 경제적으로 플라즈마를 생산할 수 있는 대기압 마이크로 웨이브 플라즈마 장치를 이용하여 매연을 고온의 플라즈마 불꽃으로 연소 또는 플라즈마 활성종들로 제거시키는 효과를 제공하게 된다.As described above, the soot removal plasma apparatus of the diesel engine of the present invention removes soot into combustion or plasma active species with a high temperature plasma flame using an atmospheric microwave plasma apparatus capable of producing plasma easily and economically. Will provide an effect.

Claims

In the apparatus for removing the smoke by the inflow of microwaves into the electric field to which the exhaust gas is exposed to treat the smoke of the diesel engine,

Microwaves generated by the microwave oscillator 22 are introduced into the discharge tube 12 installed perpendicularly at a quarter wavelength distance from the end of the tapered rectangular waveguide 18-a and injected into the discharge tube 12. The spark ignition device 14 is provided at the lower end of the discharge tube 12 provided through the tapered waveguide 18-a, and the exhaust gas is discharged in the axial direction at the distal end of the discharge tube 12. Smoke exhaust plasma using an atmospheric microwave plasma, characterized in that the vehicle exhaust cylinder 16 is installed to be supplied to generate a plasma.

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