KR100732050B1 - 배기 가스내의 유해 물질 저감을 위한 액체 시료 분사 장치 - Google Patents

배기 가스내의 유해 물질 저감을 위한 액체 시료 분사 장치 Download PDF

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박문수
강경태
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한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명은 배기 가스에 시료를 분사시켜 배기가스 내의 유해 물질을 저감시키는 배기 가스내의 유해 물질 저감을 위한 액체 시료 분사 장치에 있어서,
공기를 공급하는 공기 공급부, 시료를 공급하는 시료 공급부 및 전원을 공급하는 전원 공급부를 구비하고, 상기 전원 공급부와 연결되는 상,하부 전극; 상기 상부 전극과 하부 전극 사이에 위치하여 상,하부 전극에 전원이 공급됨에 따라 변형되는 압전소자; 및 상기 압전소자의 변형에 따른 체적이 변화되어 상기 시료공급부에서 공급받은 시료를 노즐을 통해 배출시키는 챔버를 포함하는 액적 발생 장치를 포함하고, 상기 공기 공급부에서 공급된 공기와 상기 노즐을 통해 배출되는 시료 액적이 출구유도관에서 혼합, 배기관 내에 분사되도록 함을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서는 상기 공기공급부에서 공급되는 공기를 회전시키는 수단을 더 구비시킴을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서는 상기 출구 유도관의 끝 부분이 배기가스가 흐르는 방향(배기관 형태)으로 휘어진 형태를 가지는 것을 특징으로 한다.
따라서 본 발명에 따른 배기 가스내의 유해 물질 저감 장치는 종래의 펌프와 유량제어 밸브를 포함하는 배기 가스내의 유해 물질 저감 장치보다 그 구조가 간단하며, 또한 전력 소모가 적다.
뿐만 아니라 본 발명에 따른 배기 가스내의 유해 물질 저감 장치는 압전방식을 이용한 액체 시료분사장치를 구비하여 유량 제어 분해능이 1㎕/sec 이하로 고정 밀 제어가 가능할 뿐만 아니라 시응답 특성 1msec 이하 신속응답 제어가 가능하다.
또한, 본 발명에서는 액체 시료에, 회전이 이루어진 공기를 혼합시킴으로써 액체 시료와 배기가스의 혼합 성능을 높일 수 있으며, 출구 유도관의 끝 부분아 배기가스가 흐르는 방향(배기관 형태)으로 휘어진 형태를 가지도록 함으로써 배기가스와 시료간의 혼합 및 분사 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 공기 공급관, 출구 유도관, 시료 유입관 등에 가열장치를 설치함으로써 시료의 분사 특성 및 혼합 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.
배기가스, 액체 시료, 질소 산화물, 압전 구동 방식

Description

배기 가스내의 유해 물질 저감을 위한 액체 시료 분사 장치{Apparatus for introducing a liquid agent to reduce harmful object in exhaust gas}
도 1은 종래 기술에 따른 배기 가스내의 유해 물질 저감을 위한 액체 시료 분사 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 배기 가스내의 유해 물질 저감을 위한 액체 시료 분사 장치를 간략히 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 액적 발생 장치를 나타낸 것으로, 도 2의 'A' 부분을 확대한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 액적 발생 장치를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 액적 발생 장치를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 액체 시료 분사 장치의 작동관계를 나타내는 순서도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 공기 공급부 110 : 압축기
120 : 공기 탱크 130 : 밸브
140 : 오리피스 150 : 공기 공급관
200 : 시료 공급부 210 : 시료 유입관
300 : 전원 공급부 310 : 전원 공급 라인
311 : 상부전극 312 : 하부전극
400 : 배기관 500 : 액적 발생 장치
510 : 압전판 520 : 챔버
530 : 나선형 스페이서 540 : 노즐
550 : 출구 유도관 560 : 혼합관
570 : 시료 액적
본 발명은 배기 가스내의 유해 물질 저감을 위한 액체 시료 분사 장치에 관한 것으로, 특히 압전구동방식의 액적 발생 장치를 이용하여 디젤엔진 자동차에서 발생되는 배기 가스내의 유해 물질 저감을 위한 액체 시료 분사 장치에 관한 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 배기 가스내의 유해 물질 저감을 위한 액체 시료 분사 장치를 나타내는 도면으로, 미국특허출원번호가 6,273,120 B1(발명의 명칭 : 배기가스 정화 시스템에 사용되는 액체시료분사장치)인 특허에 도시된 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 배기 가스내의 유해 물질 저감을 위한 액체 시료 분사 장치는 크게, 공기를 공급하는 공기 공급부, 액체 시료를 공급하는 액체 시료 공급부, 상기 공기와 시료를 혼합시키는 혼합부 및 상기 혼합된 공기-시료를 배기가스에 분사시키는 분사부를 포함하여 이루어진다.
상기 공기 공급부는 공기 저장소인 공기탱크(22), 압력 스위치(26), 차단밸브(28) 및 릴리프밸프(30)를 포함하여 이루어지고, 상기 액체 시료 공급부는 시료 저수조(10), 필터(12), 펌프(14), 압력조절밸브(50) 및 유량조절밸브(16)를 포함하여 이루어진다.
그 동작을 간략히 설명하면, 공기탱크에서 압력 스위치(26), 다수개의 밸브(28)(30)를 통해 공급되는 공기(20)와, 시료 공급부(10)에서 필터(12), 펌프(14), 밸브(50)(16) 등을 통해 공급되는 시료(8)가 혼합 챔버(4)에서 혼합이 이루어지며, 상기 혼합된 공기-시료(8,20)는 노즐(36)을 통해 분사되는데, 상기 분사는 덕트(38)내를 통과한 배기가스(40)에 이루어진다.
그러나, 상기와 같은 종래의 배기 가스내의 유해 물질 저감을 위한 액체 시료 분사 장치는 엔진이 소형화되고 청정화될수록 요구되는 미세 유량의 고정밀 제어 분사 구현이 어렵다.
또한, 종래의 배기 가스내의 유해 물질 저감을 위한 액체 시료 분사 장치는 그 크기가 크고 복잡하여 장착성에 한계가 있을 뿐만 아니라 매우 고가이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 압전 방식을 이용한 액적 발생 장치를 구비하여 소량의 액체 시료 공급을 정밀 하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라 종래기술보다 그 구성을 현저히 간소화시킨 배기 가스내의 유해 물질 저감을 위한 액체 시료 분사 장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 이루기 위해 본 발명은 배기가스에 시료를 분사시켜 배기가스 내의 유해 물질을 저감시키는 배기 가스내의 유해 물질 저감을 위한 액체 시료 분사 장치에 있어서,
공기를 공급하는 공기 공급부, 시료를 공급하는 시료 공급부 및 전원을 공급하는 전원 공급부를 구비하고, 상기 전원 공급부와 연결되는 상,하부 전극; 상기 상부 전극과 하부 전극 사이에 위치하여 상,하부 전극에 전원이 공급됨에 따라 변형되는 압전소자; 및 상기 압전소자의 변형에 따른 체적이 변화되어 상기 시료공급부에서 공급받은 시료를 노즐을 통해 배출시키는 챔버를 포함하는 액적 발생 장치를 포함하고, 상기 공기 공급부에서 공급된 공기와 상기 노즐을 통해 배출되는 시료 액적이 출구유도관에서 혼합, 배기관 내에 분사되도록 함을 특징으로 한다.
상기 압전소자에는 압전판, 압전 파이프 등이 있다. 상기 압전소자는 챔버의 체적이 감소하도록 변형되며, 이에 따라 액적의 분사가 이루어진다.
또한, 본 발명에서는 상기 공기공급부에서 공급되는 공기를 회전시키는 수단 을 더 구비시킴을 특징으로 한다.
상기 공기를 회전시키기 위한 첫 번째 수단으로는, 시료와 공기의 혼합을 위한 관(혼합관) 내에 상기 액적 발생 장치를 위치시키고, 상기 혼합관의 입구는 공기 공급관과 연결시키며, 상기 혼합관의 출구(출구 유도관)는 배기가스 배출관(배기관)과 연결시키고, 상기 혼합관과 액적 발생 장치 사이에 나선형 스페이서를 설치하여 공기의 회전을 유도함으로써 구현할 수 있다.
또한, 상기 공기 회전의 두 번째 수단으로는, 노즐을 통해 시료가 분사되는 통로인 출구 유도관의 측방으로 공기 공급관을 연결시킴으로써 공기 공급관의 공기를 상기 출구 유도관으로 유도하여 공기의 회전을 발생시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 출구 유도관의 끝 부분이 배기가스가 흐르는 방향(배기관 형태)으로 휘어진 형태를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 사용되는 액체 시료는 요소(Urea) 또는 암모니아 수용액인 것이 바람직하다. 이로써 배기가스내의 질소산화물과 상기 배기가스의 유로 후류에 별도로 설치된 촉매와의 환원 반응을 선택적 또는 비선택적으로 활성화하여 상기 배기가스 중의 질소산화물을 제거(또는 저감)시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서는 공기 탱크에서 공급된 공기를 시료와 혼합시키기 위한 통로인 공기 공급관 또는 챔버로의 시료 공급통로인 시료 유입관 또는 노즐을 통해 시료가 분사되어 시료와 공기가 혼합되는 통로인 출구 유도관 중 적어도 한 곳에 가열장치를 설치시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 공기 공급부는 공기탱크, 상기 공기탱크 내의 공기를 압축시 켜 공기의 압력을 높이는 압축기, 상기 공기의 공급을 단속하는 밸브 및 상기 공기의 양을 조절하는 오리피스를 포함함을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명에 따른 배기 가스내의 유해 물질 저감을 위한 액체 시료 분사 장치를 간략히 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배기 가스내의 유해 물질 저감을 위한 액체 시료 분사 장치는 크게 공기 공급부(100), 시료 공급부(200), 전원 공급부(300) 및 액적 발생 장치(500)를 포함하여 구성된다.
공기 공급부(100)는 압축기(110), 공기탱크(120), 밸브(130) 및 오리피스(140)를 포함하여 이루어지며, 상기 압축기(110)는 공기탱크(120) 내의 공기를 압축시켜 공기 압력을 높이는 장치이며, 상기 밸브(130)는 공기의 공급을 단속하는 온/오프(On/Off) 밸브에 해당하며, 상기 오리피스(140)는 상기 밸브(130)를 통과한 공기의 양을 조절한다.
상기 공급 공급부(100)에서 공급되는 공기는 공기 공급관(150)을 통해 액적 발생 장치(500) 내에 공급된다.(도 3 참조)
시료 공급부(200)에는 배기 가스내의 유해물질을 제거(정화) 또는 저감시키기 위한 액체시료가 저장된다.
상기 시료는 시료 유입관(210)을 통해 액적 발생 장치(500) 내의 챔버에 공 급된다.(도 3 참조)
시료 유입관에 저장된 액체시료로는, 요소(urea) 또는 암모니아 수용액 등을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 시료들은 배기가스 유로 후류에 별도로 설치된 촉매의 환원 반응을 선택적 또는 비선택적으로 활성화하여 상기 배기가스내의 질소 산화물을 제거(또는 저감)시키는 기능을 한다.
액적 발생 장치(500)는 공기탱크(120) 및 시료 공급부(200)로부터 공기 및 시료를 공급받고, 일측에는 상기 공기를 회전시키는 수단이 구비되어 공기를 회전시키며, 상기 회전된 공기와 시료를 혼합시켜 출구 유도관을 통해 배출시키는 구조를 가진다.
상기 출구 유도관(550)은 배기가스가 지나가는 배기가스 배출관(배기관)(400)과 연결된다. 상기 액적 발생 장치(500)에 대한 상세한 설명은 도 3 설명부분에서 보다 상세히 이루어지므로 여기서는 생략하기로 한다.
미 설명 부호 310은 전원 공급 라인이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 액적 발생 장치를 나타낸 것으로, 도 2의 'A' 부분을 확대한 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 액적 발생 장치(500)는 전원 공급부(300)와 연결되는 상,하부 전극(311)(312); 상부 전극(311)과 하부 전극(312) 사이에 위치하여 상,하부 전극(311)(312)에 전원이 공급됨에 따라 하방으로 변형되는 압전판(510); 및 시료 공급부에서 시료를 공급받아 압전판의 변형시 상기 시료를 노즐을 통해 배출시키는 챔버(520)를 포함한다.
또한, 본 발명에서는 공기 탱크(120)에서 공급된 공기를 회전시키는 수단이 구비된다. 이에, 상기 회전력을 가진 공기와 상기 노즐을 통해 배출되는 시료가 출구유도관(550)에서 혼합, 배기관 내에 분사되도록 한다.
상기에도 언급한 바와 같이, 본 발명에서는 압전판 대신 압전소자 중의 하나, 예를 들면 압전 파이프 등으로 대치할 수 있다.
본 발명에서는 압전판(510)의 작동 주파수 및/또는 작동 전압을 제어하여 공급량을 조절할 수 있다.
상기 압전판(510)의 작동 주파수는 100kHz 이하로 유지시키는 것이 바람직하다.
본 명세서에서는 상기 공기 회전 수단의 일례로서 두 가지를 들기로 한다.
첫 번째로는, 도 3에 도시된 바와 같이, 시료와 공기의 혼합을 위한 관(혼합관)(560) 내에 상기 액적 발생 장치(500)를 위치시키고, 상기 혼합관(560)의 입구는 공기 공급관(150)과 연결시키며, 상기 혼합관의 출구(출구 유도관)(550)는 배기가스 배출관(배기관)(400)과 연결시키고, 상기 혼합관(560)과 액적 발생 장치(500) 사이에 나선형 스페이서(530)를 설치한다. 그러면 공기 탱크(120)에서 공급된 공기는 혼합관(560) 내로 유입되고, 나선형 스페이서(530)에 의해 공기의 회전(점선으로 표기됨)이 이루어지며, 상기 회전된 공기는 출구 유도관에서 노즐(540)을 통해 배출된 시료 액적(570)에 혼합되어 배기관(400)에 분사된다.
또한, 상기 공기 회전 수단의 두 번째로는, 노즐을 통해 시료가 분사되는 통로인 출구 유도관(550)의 측방으로 공기 공급관(150)을 연결시킨다. 그러면 공기 공급관(150)의 공기가 상기 출구 유도관(550)으로 유도되어 공기의 회전이 이루어진다.
상기 공기 공급관(150)은 도 4에 도시된 것처럼 출구 유도관(550)에 대해 수직하게 형성되어도 무방하지만, 약간 경사지게 형성시켜도 무방하다. 상기와 같이 출구 유도관에 대해 공기 공급관을 약간 경사지게 형성시키면 공기의 회전이 보다 원활하게 이루어지도록 할 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 공기 유동의 회전 수단을 구비함으로써 공기와 시료 액적(570)의 혼합 효율 및 분사효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서는 공기탱크에서 공급된 공기를 시료와 혼합시키기 위한 통로인 공기 공급관(150) 또는 챔버(520)로의 시료 공급통로인 시료 유입관(210) 또는 노즐(540)을 통해 시료가 분사되어 시료와 공기가 혼합되는 통로인 출구 유도관(550) 중 적어도 한 곳에 가열장치(미도시됨)를 설치시키는 것이 바람직하다.
상기와 같이 가열장치를 설치함으로써 본 발명의 기체 장치에 습기로 인해 발생할 수 있는 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기와 같이, 압전 구동 방식을 사용할 뿐만 아니라 드롭 온 디맨드 (Drop on Demand) 방식을 함께 사용하여 정밀제어가 가능하도록 하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성시킴으로써 본 발명에서는 배기관에 분사되는 시료의 단위 액적 크기를 10-12ℓ ~ 10-7ℓ로 정밀 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 액적 발생 장치를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에서는 출구 유도관(550)의 끝 부분이 배기가스가 흐르는 방향, 즉 배기관(400) 형성 방향으로 휘어지도록 하는 것이 바람직하다.
그러면 본 발명에서는 급변하는 배기가스 유동이 상기 출구 유도관 내의 공기 유동에 교란을 주는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기와 같은 형태의 출구 유도관(550)을 형성시킴으로써 도 3 및 도 4에 도시된 액적 발생 장치(500)보다 분사 효율을 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 액체 시료 분사 장치의 작동관계를 나타내는 순서도이다.
도 2 내지 도 6을 참조하면, 먼저 본 발명의 액적 발생 장치의 챔버(520) 내에 시료가 채워져 있다고 가정하자.
그런 후, 본 발명에서는 전원 공급부(300)에서 전원을 액적 발생 장치의 상, 하부 전극(311)(312)에 공급시킨다.(S101)
그러면 압전판(510)은 하방으로 변형되며(S102), 챔버(520) 내의 시료가 노 즐(540)을 통해 배출된다.(S103)
그러면 도 3 및 도 4에서 설명된 공기회전 수단에 의해 회전된 공기와 상기 노즐(540)을 통해 배출된 시료 액적(570)이 혼합된다.(S104)
그러면 상기 혼합된 공기-시료 유동은 출구 유도관을 통해 배기관 내의 배기가스에 분사된다.(S105) 이로 인해 상기 배기가스 내의 유해 물질과 상기 시료가 혼합 작용하여 상기 유해물질이 제거(또는 감소)된다.(S106)
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서 본 발명에 따른 배기 가스내의 유해 물질 저감 장치는 종래의 펌프와 유량제어 밸브를 포함하는 배기 가스내의 유해 물질 저감 장치보다 그 구조가 간단하며, 또한 전력 소모가 적다.
뿐만 아니라 본 발명에 따른 배기 가스내의 유해 물질 저감 장치는 압전방식을 이용한 액체 시료분사장치를 구비하여 유량 제어 분해능이 1㎕/sec 이하로 고정밀 제어가 가능할 뿐만 아니라 시응답 특성 1msec 이하 신속응답 제어가 가능하다.
또한, 본 발명에서는 액체 시료에, 회전이 이루어진 공기를 혼합시킴으로써 액체 시료와 배기가스의 혼합 성능을 높일 수 있으며, 출구 유도관의 끝 부분아 배기가스가 흐르는 방향(배기관 형태)으로 휘어진 형태를 가지도록 함으로써 배기가스와 시료간의 혼합 및 분사 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 공기 공급관, 출구 유도관, 시료 유입관 등에 가열장치를 설치함으로써 시료의 분사 특성 및 혼합 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.

Claims (8)

  1. 배기가스에 시료를 분사시켜 배기가스 내의 유해 물질을 저감시키는 배기 가스내의 유해 물질 저감을 위한 액체 시료 분사 장치에 있어서,
    공기를 공급하는 공기 공급부, 시료를 공급하는 시료 공급부 및 전원을 공급하는 전원 공급부를 구비하고,
    상기 전원 공급부와 연결되는 상,하부 전극; 상기 상부 전극과 하부 전극 사이에 위치하여 상,하부 전극에 전원이 공급됨에 따라 변형되는 압전소자; 및 상기 압전소자의 변형에 따른 체적이 변화되어 상기 시료공급부에서 공급받은 시료를 노즐을 통해 배출시키는 챔버를 포함하는 액적 발생 장치를 포함하고,
    상기 공기공급부에서 공급되는 공기를 회전시키는 수단을 더 구비하며,
    상기 공기 회전 수단은 시료와 공기의 혼합을 위한 관(혼합관) 내에 상기 액적 발생 장치를 위치시키고, 상기 혼합관의 입구는 공기 공급관과 연결시키며, 상기 혼합관의 출구(출구 유도관)는 배기가스 배출관(배기관)과 연결시키고, 상기 혼합관과 액적 발생 장치 사이에 나선형 스페이서를 설치하여 공기의 회전을 유도하며,
    상기 공기 공급부에서 공급된 공기와 상기 노즐을 통해 배출되는 시료 액적이 출구유도관에서 혼합, 배기관 내에 분사되도록 함을 특징으로 하는 배기 가스내의 유해 물질 저감을 위한 액체 시료 분사 장치.
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  4. 제 1항에 있어서, 상기 공기 회전 수단은 노즐을 통해 시료가 분사되는 통로인 출구 유도관의 측방으로 공기 공급관을 연결시킴으로써 공기 공급관의 공기가 상기 출구 유도관으로 유도되어 회전을 발생시키도록 하는 것을 특징으로 하는 배기 가스내의 유해 물질 저감을 위한 액체 시료 분사 장치.
  5. 제 1항 또는 4항에 있어서, 출구 유도관은 그 끝부분이 배기가스가 흐르는 방향으로 휘어진 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 배기 가스내의 유해 물질 저감을 위한 액체 시료 분사 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 액체 시료는 요소 또는 암모니아 수용액인 것을 특징으로 하는 배기 가스내의 유해 물질 저감을 위한 액체 시료 분사 장치.
  7. 제 1항에 있어서, 공기 탱크에서 공급된 공기를 시료와 혼합시키기 위한 통로인 공기 공급관 또는 챔버로의 시료 공급통로인 시료 유입관 또는 노즐을 통해 시료가 분사되는 통로인 출구 유도관 중 적어도 한 곳에 가열장치를 설치하는 것을 특징으로 하는 배기 가스내의 유해 물질 저감을 위한 액체 시료 분사 장치.
  8. 제 1항 또는 7항에 있어서, 공기 공급부는 공기탱크, 상기 공기탱크 내의 공기를 압축시켜 공기의 압력을 높이는 압축기, 상기 공기의 공급을 단속하는 밸브 및 상기 공기의 양을 조절하는 오리피스를 포함함을 특징으로 하는 배기 가스내의 유해 물질 저감을 위한 액체 시료 분사 장치.
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