KR100398098B1

KR100398098B1 - Plasma reaction unit having a variable type electrode

Info

Publication number: KR100398098B1
Application number: KR10-2000-0079304A
Authority: KR
Inventors: 조형제
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2000-12-20
Filing date: 2000-12-20
Publication date: 2003-09-19
Also published as: KR20020049975A

Abstract

본 발명은 전극의 길이를 변화시켜 배기가스의 유동 및 농도에 따라 전력소모를 최소화하고 배기가스 저감효율을 극대화할 수 있는 가변 전극을 구비한 플라즈마 반응기에 관한 것으로, 이 플라즈마 반응기는 진공이 작용하는 유입공(12)을 지닌 부압실(10)과, 원주둘레는 상기 부압실(10)의 내벽상에 고정되어 있고 중앙부는 스프링(14)에 의해서 소정의 범위 내에서 이동 가능하게 배치되는 다이어프램(16)과, 상기 부압실(10)과 인접하게 배치되는 반응실(20)과, 일단은 가압판(18)을 개재하여 상기 부압실(10)내의 다이어프램(16)에 고정되어 있고 타단은 상기 반응실(20)내에 길이방향으로 배치되어 상기 다이어프램(16)의 이동에 따라서 길이방향으로 이동하는 전극(24)과, 배기가스의 농도 및 유동률을 바탕으로 개폐밸브(30)를 온·오프시켜 상기 부압실(10)에 작용하는 엔진의 부압을 제어하는 제어유닛(32)으로 구성된다.The present invention relates to a plasma reactor having a variable electrode that can change the length of the electrode to minimize the power consumption and maximize the exhaust gas reduction efficiency according to the flow and concentration of the exhaust gas, the plasma reactor is vacuum The negative pressure chamber 10 having the inlet hole 12 and the circumference of the diaphragm are fixed on the inner wall of the negative pressure chamber 10 and the central portion is movable by a spring 14 within a predetermined range. 16, a reaction chamber 20 disposed adjacent to the negative pressure chamber 10, and one end is fixed to the diaphragm 16 in the negative pressure chamber 10 via a pressure plate 18, and the other end is the reaction. The on-off valve 30 is turned on and off based on the electrode 24 disposed in the chamber 20 in the longitudinal direction and moving in the longitudinal direction according to the movement of the diaphragm 16 and the concentration and flow rate of the exhaust gas. In the negative pressure chamber 10 And a control unit 32 for controlling the negative pressure of the engine for.

Description

Plasma reactor with variable electrode {PLASMA REACTION UNIT HAVING A VARIABLE TYPE ELECTRODE}

본 발명은 가변 전극을 구비한 플라즈마 반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 전극의 길이를 변화시켜 배기가스의 유동 및 농도에 따라 전력소모를 최소화하고 배기가스 저감효율을 극대화할 수 있는 가변 전극을 구비한 플라즈마 반응기에 관한 것이다.The present invention relates to a plasma reactor having a variable electrode, and more particularly, a variable electrode capable of minimizing power consumption and maximizing exhaust gas reduction efficiency according to the flow and concentration of the exhaust gas by changing the length of the electrode. It is related with the plasma reactor provided.

가솔린 엔진의 한계점인 열효율성과 연비 저감이라는 과제를 충족시킬 수 있는 대안으로 디젤엔진이 강력히 추천되고 있으며, 사용자의 기호 또한 이에 맞추어 그 수요량이 급격히 증가하고 있다. 그러나, 디젤엔진의 사용이 계속 증가하면서 세계 각국에서는 디젤엔진의 배출허용 기준을 강화하고 있는 실정이며, 특히 서방 선진국에서는 디젤엔진에서 배출되는 오염물질을 줄일 것을 강력히 요구하고 있다.Diesel engines are highly recommended as an alternative to meet the challenges of gasoline engines, such as thermal efficiency and fuel economy reduction, and the demands of users are rapidly increasing. However, as the use of diesel engines continues to increase, many countries around the world are tightening emission standards for diesel engines. In particular, in western developed countries, there is a strong demand for reducing pollutants emitted from diesel engines.

이러한 규제는 특히, 유럽과 미국을 중심으로 점차 강화됨에 다라서 기존 방식의 후처리 장치에서 벗어난 새로운 개념의 배기 정화장치를 절실히 필요로 하고 있으며, 환경보호 및 제품의 경쟁력을 위해서도 강화되는 배출가스 규제를 반드시 만족해야 한다.As these regulations are strengthened, especially in Europe and the United States, there is an urgent need for a new concept of exhaust purification system, which is free from the conventional aftertreatment system. Must be satisfied.

기존의 디젤엔진의 후처리 장치인 디젤 산화촉매(DOC)는 그 효율면에서 새로운 배기가스 규제를 만족하기에는 무리가 있으며, 촉매 활성화 온도에 도달하기 전까지는 제거효율이 매우 미약하다. 또한 디젤필터(DPF)는 재생이 힘들어 환경오염을 유발하며, 배압이 커서 출력이 저하되는 문제가 있다.The diesel oxidation catalyst (DOC), which is a post-treatment device of an existing diesel engine, is too difficult to satisfy the new emission regulations in terms of efficiency, and the removal efficiency is very weak until the catalyst activation temperature is reached. In addition, diesel filter (DPF) is difficult to regenerate, causing environmental pollution, the back pressure is large, there is a problem that the output is reduced.

이러한 문제점을 해결하기 위해서 각국에서는 현재 여러 가지 대응방안을 강구하고 있으며, 그 중에서도 NOx와 PM을 동시에 저감할 수 있는 플라즈마를 이용한 배기 정화시스템이 많은 관심을 끌고 있다. 이러한 배경을 바탕으로 플라즈마 장치에 관한 연구가 지속적으로 이루어지고 있으며, 플라즈마 장치에서 전극의 형상은 매우 중요한 기술로 인정받고 있다.In order to solve these problems, various countermeasures are currently being taken by countries, and among them, an exhaust purification system using plasma that can simultaneously reduce NOx and PM has attracted much attention. On the basis of this background, the research on the plasma apparatus is continuously made, and the shape of the electrode in the plasma apparatus is recognized as a very important technology.

그러나, 플라즈마 장치 또한 그 제거효율이 낮아 상용화에 문제가 되고 있는 실정이다. 또한, 가스의 공간속도에 의해 촉매나 플라즈마 반응기 내에서의 NOx제거효율이 영향을 받지만 이를 단순히 전압에 의해서 제어하려는 시도는 그다지 성공적이지 못하다. 이는 기존의 플라즈마 반응기가 고정된 형상으로 공간속도의 인자인 반응기 체적을 변화시킬 수 없는 단점을 지니고 있는데서 기인한다.However, the plasma apparatus also has a low removal efficiency, which is a problem for commercialization. In addition, the NOx removal efficiency in the catalyst or plasma reactor is affected by the space velocity of the gas, but an attempt to simply control it by voltage is not very successful. This is due to the disadvantage that the conventional plasma reactor can not change the reactor volume which is a factor of the space velocity to a fixed shape.

또 다른 방법으로서, 전극의 길이를 증가시키는 방안도 고려할 수 있다. 전극의 길이에 의한 NOx제거효율은 시험결과 도 1의 그래프에 나타낸 바와 같은 경향을 지니고 있다. 그래프에서 가로축은 전극길이를 나타내고 세로축은 NOx 제거율로서, 시험조건으로서 회전수를 1200rpm, 하중을 7㎏·m, 유량을 20ℓ/min으로 하였으며, 그래프에서 실선은 오일이 있는 경우이고 점선은 오일이 없는 경우의 결과를 나타낸다.As another method, a method of increasing the length of the electrode may be considered. NOx removal efficiency by the length of the electrode tends to be as shown in the graph of FIG. In the graph, the horizontal axis represents the electrode length, and the vertical axis represents the NOx removal rate. As the test conditions, the number of revolutions was 1200 rpm, the load was 7 kg · m, and the flow rate was 20 l / min. The result when there is no is shown.

이 그래프에서 보면, 단순히 전극의 길이가 길어질수록 NOx의 제거효율이 선형적으로 상승하지 않는 점을 알 수 있다. 이것은 NOx 제거효율을 극대화할 수 있는 최소 전극길이가 존재하는 것을 의미한다. 또, 전극의 길이가 길어질수록 전력소모도 비례해서 커지므로 NOx 및 입자상 물질의 제거효율의 증가가 급격하지 않으면 전력만 낭비하는 결과를 초래하게 된다.In this graph, it can be seen that as the length of the electrode is simply increased, the NOx removal efficiency does not increase linearly. This means that there is a minimum electrode length to maximize the NOx removal efficiency. In addition, as the length of the electrode increases, the power consumption increases in proportion, resulting in a waste of power only when the increase in removal efficiency of NOx and particulate matter is not rapid.

이와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 플라즈마 반응기에서의 전력손실을 막으면서도 배기가스의 저감효율을 극대화시킬 수 있는 가변 전극을 구비한플라즈마 반응기를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention for solving the above problems is to provide a plasma reactor having a variable electrode capable of maximizing the exhaust gas reduction efficiency while preventing power loss in the plasma reactor.

도 1은 전극길이와 NOx의 변화량을 보인 그래프,1 is a graph showing the change in electrode length and NOx,

도 2a와 도 2b는 각각, 본 발명의 가변전극의 팽창 및 압축시에 반응체적의 변화를 나타낸 단면도.2A and 2B are cross-sectional views showing changes in reaction volume during expansion and compression of the variable electrode of the present invention, respectively.

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명][Explanation of symbols on the main parts of the drawings]

10:부압실 12:유입공10: negative pressure chamber 12: inlet hole

14:스프링 16:다이어프램14: Spring 16: Diaphragm

18:가압판 20:반응실18: pressure plate 20: reaction chamber

22:가이드 24:전극22: guide 24: electrode

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가변 전극을 구비한 플라즈마 반응기는 진공이 작용하는 유입공을 지닌 부압실과, 원주둘레는 상기 부압실의 내벽상에 고정되어 있고 중앙부는 스프링에 의해서 소정의 범위 내에서 이동 가능하게 배치되는 다이어프램과, 상기 부압실과 인접하게 배치되는 반응실과, 일단은 가압판을 개재하여 상기 부압실내의 다이어프램에 고정되어 있고 타단은 상기 반응실내에 길이방향으로 배치되어 상기 다이어프램의 이동에 따라서 길이방향으로 이동하는 전극과, 배기가스의 농도 및 유동률을 바탕으로 개폐밸브를 온·오프시켜 상기 부압실에 작용하는 엔진의 부압을 제어하는 제어유닛으로 이루어진 것을 특징으로 한다.Plasma reactor equipped with a variable electrode of the present invention for achieving the above object is a negative pressure chamber having a vacuum inlet hole, the circumference is fixed on the inner wall of the negative pressure chamber, the central portion is a predetermined range by a spring A diaphragm arranged to be movable in the chamber, a reaction chamber disposed adjacent to the negative pressure chamber, and one end of which is fixed to the diaphragm in the negative pressure chamber via a pressure plate, and the other end is disposed in the reaction chamber in a longitudinal direction to move the diaphragm. And a control unit which controls the negative pressure of the engine acting on the negative pressure chamber by turning on / off the valve based on the electrode moving in the longitudinal direction and the concentration and flow rate of the exhaust gas.

이하, 첨부한 도 2a 및 2b를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가변 전극을 구비한 플라즈마 반응기에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a plasma reactor having a variable electrode according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 2A and 2B.

도 2a와 도 2b는 각각, 본 발명의 가변전극의 팽창 및 압축시에 반응체적의 변화를 나타낸 단면도이다.2A and 2B are cross-sectional views showing changes in reaction volume during expansion and compression of the variable electrode of the present invention, respectively.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 배기가스의 유동 및 농도에 따라서 전력소모를 최소화하고 배기가스를 저감하기 위한 방안으로 본 발명의 바람직한 실시예에서는 엔진 부압을 이용하여 반응실(20)내에 배치된 전극의 길이를 가변시키는 구조를 채용하였다.As shown in these figures, in order to minimize the power consumption and reduce the exhaust gas in accordance with the flow and concentration of the exhaust gas in the preferred embodiment of the present invention by using the engine negative pressure electrode disposed in the reaction chamber 20 The structure which varies the length of is employ | adopted.

이를 위해서, 유입공(12)을 통해 엔진 부압이 작용하는 부압실(10)을 반응실(20)과 인접하게 배치하였다.부압실(10) 내에는 유입공(12)을 통해 작용하는 엔진 부압에 의해서 좌우로 이동하는 다이어프램(16)이 설치되어 있다.이 다이어프램(16)의 원주둘레는 부압실(10)의 내벽상에 고정되어 있고 중앙부는 스프링(14)에 의해서 소정의 범위 내에서 이동 가능하게 배치되어 있다.부압실(10)과 대향인 반응실(20)의 전면에는 전극(24)의 길이방향 이동을 안내하는 가이드(22)가 부착되어 있다.To this end, the negative pressure chamber 10 in which the engine negative pressure acts through the inlet 12 is disposed adjacent to the reaction chamber 20. In the negative pressure chamber 10, the engine negative pressure acting through the inlet 12 is applied. The diaphragm 16 which moves to the left and right by this is provided. The circumference | surroundings of this diaphragm 16 are fixed on the inner wall of the negative pressure chamber 10, and the center part is moved by the spring 14 within the predetermined range. A guide 22 for guiding the longitudinal movement of the electrode 24 is attached to the front surface of the reaction chamber 20 opposite to the negative pressure chamber 10.

스프링(14)이 장착된 쪽과 반대측 다이어프램(16)의 중앙부에는 가압판(18)에 의해서 전극(24)의 일단이 고정되어 있다. 그리고, 전극(24)의 타단은 반응실(20)내에 길이방향으로 이동이 자유롭게 배치되어 있어, 다이어프램(16)의 작용에 따라서 반응실(20)내에서 길이방향으로 이동하게 된다.One end of the electrode 24 is fixed to the central portion of the diaphragm 16 opposite to the side on which the spring 14 is mounted by the pressure plate 18. And the other end of the electrode 24 is arrange | positioned freely in the longitudinal direction in the reaction chamber 20, and moves to the longitudinal direction in the reaction chamber 20 according to the action of the diaphragm 16. As shown in FIG.

한편, 제어유닛(32)은 센서부에서 입력되는 배기가스의 농도 및 유동률(34)을 바탕으로 개폐밸브(30)를 온ㆍ오프시켜 상기 부압실(10)에 작용하는 엔진의 부압을 제어함으로써, 반응실(20)내에서의 전극(24)의 길이를 변화시키는 역할을 한다.예를 들면, 상기 개폐밸브(30)는 서지탱크나 흡기 매니폴드 등과 같은 흡기계통에서 연장되어 부압실(10)까지 연결되는 라인(호스나 파이프)상에 장착되는 통상의 온ㆍ오프 방식의 솔레노이드 밸브로서, 제어유닛(32)의 제어신호, 즉 전원공급 신호를 받게 되면 온되면서 흡기계통과 부압실(10) 사이의 라인을 개방시켜 엔진 부압이 부압실(10)에 작용되도록 하고, 또 전원차단 신호를 받게 되면 오프되면서 흡기계통과 부압실(10) 사이의 라인을 폐쇄시켜 부압실(10)에 작용되는 엔진 부압을 차단한다.On the other hand, the control unit 32 controls the negative pressure of the engine acting on the negative pressure chamber 10 by turning on / off the valve 30 based on the concentration and flow rate 34 of the exhaust gas input from the sensor unit. And the length of the electrode 24 in the reaction chamber 20. For example, the opening / closing valve 30 extends from an intake pipe such as a surge tank or an intake manifold to expand the negative pressure chamber 10. A solenoid valve of a normal on / off type mounted on a line (hose or pipe) connected to the main body, which is turned on when receiving a control signal of the control unit 32, that is, a power supply signal. Open the line between the) so that the engine negative pressure acts on the negative pressure chamber 10, and when the power cutoff signal is received, the engine negative pressure is turned off while closing the line between the intake pipe and the negative pressure chamber 10 to act on the negative pressure chamber 10. Shut off engine negative pressure.

이러한 구성을 지닌 가변전극을 구비한 플라즈마 반응기에 있어서, 제어유닛(32)은 배기가스의 농도 및 유동률(34)을 바탕으로 최대 반응실 체적을 필요로 한다고 판단하면, 즉 센서부에 의해 입력되는 배기가스의 농도가 높고 유동률이 많아 전력인가를 많이 해주어야 하는 상황으로 판단하면, 제어유닛(32)은 개폐밸브(30)를 오프시켜 부압실(10)로 향하는 라인을 폐쇄하여 엔진 부압을 차단한다.그로 인해 다이어프램(16)은 스프링(14)에 의해 도 2a에 도시한 바와 같이 우측으로 가압되며 그 결과, 전극(24)은 오른쪽으로 최대한 이동하면서 반응실(20)내의 전극(24)의 길이는 최대가 되고, 이렇게 전극의 길이가 늘어남에 따라 제공되는 전력량이 증가하면서 그 만큼 NOx 처리효율을 높일 수 있다.In the plasma reactor having a variable electrode having such a configuration, when the control unit 32 determines that the maximum reaction chamber volume is required based on the concentration and the flow rate 34 of the exhaust gas, that is, inputted by the sensor unit. When it is determined that the concentration of the exhaust gas is high and the flow rate is high, the electric power should be applied a lot, and the control unit 32 turns off the shutoff valve 30 to close the line toward the negative pressure chamber 10 to block the engine negative pressure. The diaphragm 16 is thereby pressurized by the spring 14 to the right as shown in FIG. 2A, as a result of which the electrode 24 moves to the right as far as possible and the length of the electrode 24 in the reaction chamber 20. Becomes the maximum, and as the length of the electrode increases, the amount of power provided increases, thereby increasing the NOx treatment efficiency.

한편, 제어유닛(32)은 배기가스의 농도 및 유동률(34)을 바탕으로 최소 반응실 체적을 필요로 한다고 판단하면, 즉 센서부에 의해 입력되는 배기가스의 농도가 낮고 유동률이 적어 전력인가를 어느 정도 줄여도 충분하다고 판단하면, 개폐밸브(30)를 온시켜 부압실(10)로 향하는 라인을 개방하여 엔진 부압을 부압실(10)에 작용시킨다.그로 인해 다이어프램(16)은 엔진 부압에 의해서 스프링(14)의 힘을 극복하고 도 2b에 도시한 바와 같이 좌측으로 가압되며 그 결과, 전극(24)은 왼쪽으로 이동하면서 반응실(20)내의 전극(24)의 길이는 최소가 되고, 이렇게 전극의 길이가 줄어듬에 따라 전력 소모를 줄일 수 있다.On the other hand, when the control unit 32 determines that the minimum reaction chamber volume is required based on the concentration of the exhaust gas and the flow rate 34, that is, the concentration of the exhaust gas input by the sensor unit is low and the flow rate is low, indicating that the power is applied. If it is determined that the reduction is enough, the on / off valve 30 is turned on to open the line directed to the negative pressure chamber 10 to actuate the engine negative pressure to the negative pressure chamber 10. Therefore, the diaphragm 16 is driven by the engine negative pressure. Overcoming the force of the spring 14 and pressurized to the left as shown in FIG. 2B, as a result, the electrode 24 moves to the left while the length of the electrode 24 in the reaction chamber 20 is minimal, so As the length of the electrode is reduced, power consumption can be reduced.

이상으로 설명한 본 발명에 의하면, 부압의 작용으로 반응실 내에 배치되어 있는 전극의 길이를 가변시킴으로써 배기가스의 유동 및 농도에 따른 전력소모를 최소화하고 배기가스 저감효율을 극대화할 수 있는 이점이 있다.According to the present invention described above, by varying the length of the electrode disposed in the reaction chamber by the action of the negative pressure there is an advantage that can minimize the power consumption according to the flow and concentration of the exhaust gas and maximize the exhaust gas reduction efficiency.

Claims

A negative pressure chamber 10 having an inlet hole 12 in which negative pressure of the engine is applied;

The circumference of the diaphragm 16 is fixed on the inner wall of the negative pressure chamber 10, the central portion is arranged to be movable within a predetermined range by the spring 14,

A reaction chamber 20 disposed adjacent to the negative pressure chamber 10,

One end is fixed to the diaphragm 16 in the negative pressure chamber 10 via the pressure plate 18, and the other end is disposed in the longitudinal direction in the reaction chamber 20 in the longitudinal direction as the diaphragm 16 moves. A moving electrode 24,

And a control unit 32 configured to control the negative pressure of the engine acting on the negative pressure chamber 10 by turning on / off the valve 30 based on the concentration and flow rate of the exhaust gas. Plasma reactor.

The method of claim 1,

Plasma reactor with a variable electrode, characterized in that the guide 22 for guiding the longitudinal movement of the electrode 24 is installed on the front of the reaction chamber 20 facing the negative pressure chamber (10).