KR100638639B1 - 액상 연료의 기화 및 혼합을 위한 플라즈마 반응기 - Google Patents

액상 연료의 기화 및 혼합을 위한 플라즈마 반응기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차 매연가스를 여과시키기 위하여 설치되는 매연여과장치(DPF - Diesel Particulate Filter Trap)의 성능을 높이기 위한 액상 연료의 기화 및 혼합을 위한 플라즈마 반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배기가스가 유입되는 매연여과장치(DPF)의 전방에 설치되어 액체상태로 공급되는 연료를 순간적이고 계속적으로 기화시켜 기체상태로 매연여과장치(DPF)에 공급하기 위한 것이다.
이러한 본 발명의 플라즈마 반응기는 액상 연료를 순간적이고 계속적으로 기화시켜 기체연료를 공급할 수 있도록 상측으로 노즐이 형성된 몸체와,
상기 몸체의 일측으로 가스가 몸체내부로 공급되도록 형성된 가스 공급관과,
상기 몸체에 형성된 노즐에 연료가 공급되도록 형성된 연료공급관과,
상기 몸체의 내측으로 형성된 고압전극을 포함하여 이루어지며,
상기 플라즈마 반응기의 가스 공급관을 통하여 공기 또는 배기가스를 유입시키고, 고압전극에 고압의 전원을 인가시키면, 상기 고압전극과 노즐 사이에 플라즈마가 발생하여 노즐에 형성되어 있는 연료공급관으로 유입되는 액체연료를 기체연료로 기화시켜 매연여과장치에 공급한다.
플라즈마 반응기, 매연여과장치(DPF), 디젤엔진

Description

액상 연료의 기화 및 혼합을 위한 플라즈마 반응기{A plasma reactor for vaporization and mixing of liquid fuel}
도 1 은 본 발명의 실시예를 나타낸 액상 연료의 기화 및 혼합을 위한 플라즈마 반응기의 설치상태도
도 2 는 본 발명의 실시예를 나타낸 액상 연료의 기화 및 혼합을 위한 플라즈마 반응기의 단면도
도 3 은 본 발명의 실시예를 나타낸 액상 연료의 기화 및 혼합을 위한 플라즈마 반응기의 평면도
도 4 는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 액상 연료의 기화 및 혼합을 위한 플라즈마 반응기의 설치상태도
도 5 는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸 액상 연료의 기화 및 혼합을 위한 플라즈마 반응기의 설치상태도
[도면의 주요부호에 대한 설명]
10 : 플라즈마 반응기 11 : 몸체
12 : 고압전극 13 : 가스공급관
14 : 연료공급관 15 : 노즐
20 : 매연여과장치 21 : 산화촉매물질
30 : 배기가스관
본 발명은 자동차 매연가스를 여과시키기 위하여 설치되는 매연여과장치(DPF - Diesel Particulate Filter Trap)의 성능을 높이기 위한 액상 연료의 기화 및 혼합을 위한 플라즈마 반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배기가스가 유입되는 매연여과장치(DPF)의 전방에 설치되어 액체상태로 공급되는 액체연료를 순간적이고 계속적으로 기화시켜 기체상태로 매연여과장치(DPF)에 공급하기 위한 것이다.
액체연료 특히 Heavy hydrocarbon(HHC)의 경우 미립화 및 기화 특성이 좋지 않으며, 이런 HHC을 연료로 하는 엔진 및 발전기의 경우 연소실 공급 혹은 배가스 후처리를 위한 액상 연료의 기상연료로의 전환 혹은 합성 가스의 제조에 있어 난점이 되는 것이 바로 연료의 무화, 기화 및 산화제와의 혼합 특성이다. 상기 문제점을 플라즈마 반응기를 이용하여 액체연료의 무화, 기화 및 산화제와의 혼합 특성을 개선하였다.
자동차 배기 가스 중의 입자상 물질을 통칭하는 입자상 물질(PM)은 통상 공기와 연료의 혼합비로써 출력을 조정하는 디젤 엔진에서 주로 배출된다. 즉, 디젤 엔진은 순간적으로 고출력을 하고자 할 경우 일정한 공기에 연료의 공급을 증가시켜 연료를 연소시키는 것으로 이때 연료는 공기량의 부족으로 불완전 연소를 하면서 다량의 매연이 발생하게 되며, 또한, 디젤엔진의 연소시에는 연료가 연소실에 고압으로 분사되는 기간이 매우 짧기 때문에 국부적인 농후영역이 발생하고 다량의 매연이 발생하게 된다. 입자상 물질의 크기는 대부분 미세한 직경을 가지며 탄소입자 외에 용해성 유기물도 다량 포함되어 있다. 최근 폐암의 원인이 된다는 보고에 의해 인체 유해성에 대한 연구가 진행 중이다.
매연여과장치(DPF)는 디젤엔진에서 배출되는 입자상 물질을 포집하여 태우는 기술로서 입자상 물질을 80% 이상 저감할 수 있는 좋은 기술이지만, 높은 가격과 내구성에 대한 검증이 불확실한 단점 있다.
매연여과장치(DPF)의 기술은 크게 입자상 물질(PM)의 포집, 재생 및 제어 기술로 구분이 된다.
매연여과장치(DPF)의 재생 과정에서 포집된 입자상 물질(PM)을 태우는 방식에 따라 강제재생방식과 자연재생방식이 있다.
강제재생방식은 재생을 위해 전기히터, 버너, 스로틀링 등을 사용해서 강제 가열을 하는 방식이며 자연재생방식은 배기가스의 열을 이용해 첨가제나 산화 촉매에 의해 재생시키는 방법이다. 도심을 주로 운행하는 차량의 경우 엔진 배출가스 온도가 낮아 자연재생방식만으로는 원하는 성능을 얻을 수가 없기 때문에 최근에는 강제재생(active)방식과 자연재생(passive)방식이 복합된 방식을 주로 채택하고 있다.
상기 자연재생방식의 DPF 기술은 입자상 물질(PM)의 자연재생온도가 650℃인데 촉매나 첨가제를 사용하여 자연재생온도를 300℃정도로 낮추어 사용하는 기술이다. 그러나 우리나라의 시내버스의 경우 주행 속도가 낮고 정차가 잦아 배출가스 온도가 250℃수준으로 낮기 때문에 직접 적용하기 어려운 단점이 있으며, 또한, 배출가스 온도가 150℃~200℃로 낮은 중소형 디젤차량에도 적용하기가 어려운 단점이 있다.
상기 강제재생방식은 전기히터에 소요되는 전력의 값이 너무 커지고 작동시 시간 지연이 발생하는 단점이 있으며, 버너를 사용하는 기술은 장치 구조가 간단하나 배기 가스 중의 산소를 이용하게 되므로 운전 상태에 따라 달라지는 배기 가스 중의 산소 조건에 따라 운전의 제어가 어려워지는 단점이 있다. 또한, 스로틀링을 하거나 연료 첨가제를 주입하는 방식은 촉매에서의 PM 산화 온도를 저하시켜 주지만 흡기/배기 관에 강제 스로틀링을 위한 장치를 부착해야 하고 첨가제에 의한 2차 오염의 발생 가능성이 있게 된다.
이러한 단점을 해결하고자 본 발명은 매연여과장치(DPF)에 플라즈마 반응기를 적용한 것으로 상기 플라즈마 반응기를 통하여 공급되는 액체연료를 순간적이며 계속적으로 기화시켜 기체연료로 매연여과장치(DPF)에 공급함으로써 매연여과장치(DPF)의 산화촉매에 의하여 기체연료가 산화, 발열하면서 입자상 물질(PM)이 재생될 수 있는 환경을 조성시키는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하고자 본 발명의 프라즈마 반응기는,
상측으로 노즐이 형성된 몸체와,
상기 몸체의 일측으로 가스가 몸체내부로 공급되도록 형성된 가스 공급관과,
상기 몸체에 형성된 노즐에 연료가 공급되도록 형성된 연료공급관과,
상기 몸체의 내측으로 형성된 고압전극을 포함하는 구성을 가진다.
이하 본 발명의 실시예를 나타낸 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
첨부된 도 1은 액상 연료의 기화 및 혼합을 위한 플라즈마 반응기의 설치상태도를 나타낸 것으로, 프라즈마 반응기(10)는 배기가스가 공급되는 배기가스관(30)과, 상기 배기가스관(30)과 연설된 매연여과장치(DPF)(20)의 전방에 설치되어 상기 매연여과장치(DPF)(20)에 기체연료(17)를 공급한다.
첨부된 도 2는 액상 연료의 기화 및 혼합을 위한 플라즈마 반응기의 단면도를 나타낸 것이고,도 3은 액상 연료의 기화 및 혼합을 위한 플라즈마 반응기의 평면도를 나타낸 것으로, 프라즈마 반응기(10)의 몸체(11)는 콘 모양으로 내부에 소정의 공간이 형성되어 있으며, 상측으로는 노즐(15)이 형성되어 있다.
상기 몸체(11)의 일측으로는 가스가 몸체(11) 내부로 공급되도록 가스 공급관(13)이 형성되며, 상기 가스 공급관(13)은 첨부된 도면과 같이 몸체(11)의 측면 하측에 형성될 수 있으며, 또는 밑면에 형성되는 것도 가능하다.
상기 가스 공급관(13)을 통하여 보통 공기(Air)가 공급된다.
상기 몸체(11)의 내측으로 고압전극(12)이 형성되어 있으며, 상기 고압전극(12)은 첨부된 도면과 같이 몸체(11)의 내측 중앙부분에 설치되어, 상기 몸체(11)에 형성된 노즐(15)과 고압전극(12) 끝단에서 플라즈마(16)가 발생한다.
상기 몸체(11)에 형성된 노즐(15)에는 액체연료(Heavy hydrocarbon)가 공급 될 수 있도록 연료공급관(14)이 형성된다.
상기 노즐(15)에 액체연료를 공급하게 되면 상기 노즐(15)과 고압전극(12) 끝단에서 발생하는 플라즈마(16)와 노즐(15)에서 발생하는 분사력에 의하여 공급되는 액체연료는 순간적이고 계속적으로 기화하여 기체연료(17)로 전환이 가능하다.
이와 같이 액체에서 기체로 변환된 연료를 매연여과장치(20)에 공급하게 되면 낮은온도(약150℃~200℃)에서도 산화가 가능한 기체연료(17)는 상기 매연여과장치(20)에 장착된 산화촉매물질(21)에 의하여 산화하여 배기가스관(30)을 통하여 공급되는 입자상 물질(PM)의 배기가스(EG)를 재생하게 된다.
만일, 매연여과장치(20)에 기체연료(17)가 아닌 액체연료를 공급하게 되면 낮은온도(약300℃이하)에서는 매연여과장치(20)에 형성된 산화촉매물질(21)에 의하여 액체연료는 산화하지 못하고 공급된 액체연료가 산화촉매물질(21)에 달라붙는 현상이 발생한다.
상기와 같이 구성된 매연여과장치용 프라즈마 반응기(10)는 가스 공급관(13)을 통하여 몸체(11) 내측으로 공기가 공급되고, 고압전극(12)에 고압의 전류가 인가되면 몸체(11)의 노즐(15)과 고압전극(12)의 끝단 사이에서 플라즈마(16)가 발생한다. 상기 플라즈마(16)에 의하여 몸체(11)의 내측은 순간적으로 고온이 조성되고 팽창된 기체의 유동으로 인하여 노즐(15) 부분에서는 분사력이 발생한다. 이때 노즐(15)에 형성되어 있는 연료공급관(14)을 통하여 액체연료를 공급하게 되면 액체연료는 고온과 분사력에 의하여 기화되어 액체에서 기체로 상변화가 이루어져 매연여과장치(20)에 기체연료(17)를 공급하게 된다. 이 때 액상 연료는 플라즈마 끝단 에 공급되어 연료 자체의 반응은 방지된 상태로 기화만 할 수 있는 환경을 조성할 수 있게 된다.
첨부된 도 4는 다른 실시예를 나타낸 액상 연료의 기화 및 혼합을 위한 플라즈마 반응기의 설치상태도로, 몸체(11)의 내측으로 공급되는 가스를 배기가스가 사용되도록 하는 것으로 몸체의 일측으로 형성된 가스 공급관(13)을 배기가스관(30)와 연결되도록 설치하여 몸체(11)의 내측으로 배기가스(EG)가 유입되도록 한 것이다.
첨부된 도 5는 또 다른 실시예를 나타낸 액상 연료의 기화 및 혼합을 위한 플라즈마 반응기의 설치상태도로, 몸체(11)의 내측으로 공급되는 가스를 공기(Air)와 배기가스(EG)를 사용하는 것으로 공기공급관(13a)과 배기가스관(30)과 연설되어 있는 배기가스 공급관(13b)이 몸체의 일측에 형성되어 있는 것이다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 프라즈마 반응기(10)는 매연여과장치(DPF)(20)에 액체연료를 기체연료(17)로 기화시켜 공급할 수 있도록 배기가스관(30)과 연설된 매연여과장치(DPF)(20)의 전방에 설치되어 있는 것으로 작동상태를 설명하면, 프라즈마 반응기(10)의 몸체(11) 내측에 가스 공급관(13)을 통하여 공기 또는 배기가스 또는 공기와 배기가스를 혼합한 혼합가스를 유입하고, 몸체(11) 내측에 형성되어 있는 고압전극(12)에 고압의 전원이 인가시키면, 상기 고 압전극(12)과 노즐(15) 사이에 플라즈마(16)가 발생한다.
상기 고압전극(12)과 노즐(15) 사이에 발생한 화염(16)에 의하여 노즐(15)에 형성된 연료공급관(14)으로 유입되는 액체연료를 순간, 계속적으로 기체연료(17)로 기화시켜 매연여과장치(20)에 공급하는 것이 가능한 것이다.
이러한 구성으로 이루어진 본 발명은 운전 조건에 따라 배기 가스의 조성 및 온도 변화가 있어도 플라즈마에 의해 산화 반응이 안정적으로 유지될 수 있게 되어 부하에 따른 성능 변화가 없게 됨으로써 부하 추종성이 급격히 좋아지고 장치의 장착 및 운전 조건이 간편해진다.
또한, 플라즈마 반응기의 경우 기체와 연료의 조성 조건에 무관하게 안정적으로 기화 성능을 유지시켜 주는 역할을 수행하므로 기존의 버너 방식이 가진 한계를 극복해 주는 기술로서의 가치를 가진다.
또한, 본 발명에서 제안하는 플라즈마 반응기는 특히 액상연료의 미립화, 기화 및 산화제와의 혼합 특성이 뛰어난 액상연료 연소기이므로 매연여과장치(PDF) 기술을 한 단계 진보시킬 수 있는 것이다.

Claims (7)

  1. 상측으로 노즐(15)이 형성된 몸체(11)와,
    상기 몸체(11)의 일측으로 가스가 몸체 내부로 공급되도록 형성된 가스 공급관(13)과,
    상기 몸체(11)에 형성된 노즐(11)에 연료가 공급되도록 형성된 연료공급관(14)과,
    상기 몸체(11)의 내측으로 형성된 고압전극(12)을 포함하도록 형성된 액상 연료의 기화 및 혼합을 위한 플라즈마 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    고압전극(12)의 끝단이 몸체의 형성된 노즐(15) 하측에 설치되어 상기 고압전극(12)의 끝단과 노즐(15) 사이에서 플라즈마(16)가 형성되고, 상기 플라즈마(16)에 의하여 노즐(15)에 형성되어 있는 연료공급관(14)으로 공급되는 액체연료가 순간적이고 계속적으로 기체연료로 기화됨을 특징으로 하는 액상 연료의 기화 및 혼합을 위한 플라즈마 반응기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    가스 공급관(13)을 통하여 몸체(11) 내측으로 공기가 공급되는 것을 특징으로 하는 액상 연료의 기화 및 혼합을 위한 플라즈마 반응기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    가스 공급관(13)을 통하여 몸체 내측으로 배기가스가 공급되도록 배기 가스관(30)과 연결되는 것을 특징으로 하는 액상 연료의 기화 및 혼합을 위한 플라즈마 반응기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    가스 공급관(13)은 배기가스와 공기가 공급될 수 있도록 공기공급관(13a)과 배기가스 공급관(13b)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 액상 연료의 기화 및 혼합을 위한 플라즈마 반응기.
  6. 상측으로 노즐(15)이 형성된 몸체(11)와,
    상기 몸체(11)의 일측으로 가스가 몸체 내부로 공급되도록 형성된 가스 공급관(13)과,
    상기 몸체(11)에 형성된 노즐(11)에 연료가 공급되도록 형성된 연료공급 관(14)과,
    상기 몸체(11)의 내측으로 형성된 고압전극(12)으로 구성된 프라즈마 반응기(10)와,
    상기 프라즈마 반응기(10)의 가스 공급관(13)을 통하여 공기를 유입하고, 고압전극(12)에 고압의 전원이 인가시키면, 상기 고압전극(12)과 노즐(15) 사이에 플라즈마(16)가 발생하여 노즐(15)에 형성되어 있는 연료공급관(14)으로 유입되는 액체연료를 기체연료(17)로 기화시켜 매연여과장치(20)에 공급하도록 하는 것을 특징으로 하는 액상 연료의 기화 및 혼합을 위한 플라즈마 반응기.
  7. 상측으로 노즐(15)이 형성된 몸체(11)와,
    상기 몸체(11)의 일측으로 가스가 몸체 내부로 공급되도록 형성된 가스 공급관(13)과,
    상기 몸체(11)에 형성된 노즐(11)에 연료가 공급되도록 형성된 연료공급관(14)과,
    상기 몸체(11)의 내측으로 형성된 고압전극(12)으로 구성된 프라즈마 반응기(10)와,
    상기 프라즈마 반응기(10)의 가스 공급관(13)을 통하여 배기가스관(30)의 배기가스를 유입하고, 고압전극(12)에 고압의 전원을 인가시키면, 상기 고압전극(12)과 노즐(15) 사이에 플라즈마(16)가 발생하여 노즐(15)에 형성되어 있는 연료공급 관(14)으로 유입되는 액체연료를 기체연료(17)로 기화시켜 매연여과장치(20)에 공급하도록 하는 것을 특징으로 하는 액상 연료의 기화 및 혼합을 위한 플라즈마 반응기.
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