KR100747884B1 - 미립자 필터의 재생 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연기관용 입자 필터를 재생하기 위한 장치에 관한 것이다. 상기 필터 내에 있는 입자들은 적어도 하이드록실기들을 함유하는 적어도 저분자중량의 분자가 존재하는 상태에서 연소된다. 또한, 본 발명은 상기 필터 재생방법을 실행하는 장치에 관한 것이다.

내연기관, 입자 필터, 연소, 첨가물

Description

미립자 필터의 재생 방법 및 그 장치{Method for regenerating a particle filter and devie therefor}

본 발명은 내연기관에 사용되는 미립자 필터의 재생 방법에 대한 것이다.

자동차용 내연 기관이 생성하는 배기가스는 환경에 해로운 영향을 미치는 미립자를 함유한다.

이 미립자들은 연료 자체의 잔류물로부터 기인하지만, 해당 연료에 첨가된 화학적인 첨가제가 완전 연소되지 못한 경우에도 형성된다.

공기 오염에서 비롯되는 호흡기 질환의 증가추세를 고려하여 공중보건 및 환경적 측면에서 생각할 때, 엔진의 연소작용에서 발생되는 미립자를 제거하는 일은 하나의 중대한 목표로 자리매김 하고 있다.

수년 전부터, 연소하는 엔진으로부터 주변 공기 중으로 방출되는 미립자가 초래하는 문제를 해결하기 위한 방안들이 제시되고 있다. 예를들면, 연소 엔진에 뒤따르는 배기 파이프에 미립자 필터를 추가함으로써 미립자를 차단하여 주변 대기 중으로 방출되는 것을 방지하였다.

그러나, 상기 기술은 필터가 급속히 오염되어 기능의 저하를 일으키는 불편함이 있다. 필터를 사용함에 있어서, 필터상에 남은 미립자의 미세한 부분은 필터 를 통과하는 뜨거운 배기가스 덕분에 연소에 의해 필터 상에서 즉각적으로 제거된다. 그러나, 상기 미립자들의 가장 큰 부분은 제거되지 않고 축적되어 결국은 필터를 막고 연소 가스의 방출을 막는 결과를 초래한다.

미립자 필터를 재생시키는 방안이 검토되었다. 상기 방안들은 본질적으로 두 가지의 상이한 접근방식을 통해 해당 필터 상에서 미립자 연소의 효율성을 향샹시킨다.

첫 번째 접근 방식에 따르면, 필터 둘레에 전기저항이나 화구 등의 가열장치를 작동시킴으로써 필터의 온도를 높여서 해당 필터 상에 남아있는 미립자의 연소율을 향상시킨다. 상기 접근법은 다수의 불편함을 나타내는데, 우선 연소를 위해 열의 형식으로 추가적으로 공급되는 부가 에너지가 비용을 초래하며, 다른 한편으로는 지속적으로 고열의 상태를 유지함으로써 필터의 손상이 촉진되어 수명이 짧아진다.

두 번째 접근 방식은 미립자의 제거가 가능한 온도 자체를 낮추어 주는 방식을 개발하는 것이다. 연료 내에 유기금속화합물 등의 다른 첨가물을 삽입하면 필터 상의 미립자 연소 온도를 낮출 수 있다.

이 유기금속화합물은 필터 위에 남겨진 미립자의 연소를 촉진하는 촉매의 역할을 한다. 그러나 상기 화합물은 종종 필터 상 미립자의 맹렬한 인화를 일으키기 때문에 필터에 막대한 충격을 줄 수 있다. 게다가 상기 유기금속화합물이 연소할 때 필터 위에 추가적인 금속성 미립자 침전물을 생성함으로써 작업비용을 상당히 증가시킨다는 문제점이 있다.

미국 특허제5,055,112호에는 연료에 첨가되는 첨가제로서, 유기금속유도체 사용과 관련된 제반 불편사항이 없이도 디젤 엔진 연소에서 발생하는 미립자의 비율을 감소시켜주는 독특한 타입의 화학 화합물을 개시하고 있다. 상기 첨가제는 6 내지 24개의 탄소 원자를 갖는 1, 2 지방족 디올 화합물을 포함한다. 오직 탄소와 수소, 그리고 산소만으로 구성된 상기 화합물은 연소할 때 부가적 잔류물을 생성하지 않는다는 이점을 갖는다.

그러나, 상기 지방족 고리(chain)가 6개의 탄소 원자보다 많은 상기 1, 2 지방족 디올 화합물은 발암 가능성 이외에도 조작에 신중함이 요구되며, 주변 온도에서 실상 고체상태인 그 물리적 특성으로 인하여 그 배합이 어렵고 명확성이 결여되어 있는 등 다수의 불편함을 나타낸다. 또한 약 500 내지 5000ppm의 미세한 분량으로 그 사용이 제한되어 있어서 미립자 율을 감소시키는데도 제한이 있다.

현재, 미립자 필터 재생 부문의 연구는 조작상의 위험 없이 배합이 쉽고 비용이 저렴한 분자들을 함유하는 혼합물을 사용하여 필터의 재생을 도모하는 하나의 방법을 찾아냈다.

본 발명에 따르면, 필터에 남겨진 미립자들이 적어도 두 개의 수산기 결합을 포함하는 적어도 하나의 저분자량 분자와 결합하여 연소되는 것을 특징으로 하며, 미립자 필터가 내연 엔진이 방출하는 가스의 배기 파이프 상에 위치하는 미립자 필터 재생 방법에 의해 상기 목표가 달성된다.

본 발명의 방식은 깨끗한 필터의 사용을 위하여 연소시 발생하는 미립자의 거의 전량을 제거할 수 있다는 점을 특징으로 한다. 본 발명은 삽입된 첨가물이 필터 상의 미립자 연소 온도를 상당히 감소시킨다는 것을 증명하였다.

본 발명은 적어도 두 개의 수산기 결합을 포함하는 저분자량 분자들이 주변 온도에서 액체상태를 나타내면서, 필터 상 미립자의 연소 온도를 더욱 효율적으로 낮추어 준다는 사실을 관찰하였다. 바람직하게는, 상기 분자들의 분자량은 100 미만이다.

두 개의 수산기 결합을 포함하는 저분자량의 분자들 가운데, 본 발명은 특히 유기 화합물, 바람직하게는 글리세롤 및 글리세롤을 포함한 화합물을 고찰한다.

본 발명의 방법에 사용된 화학 분자들은 또한 열적 효과에 의해 분해될 때 재를 생성하지 않으며, 연소 시에 찌꺼기를 생성하지 않는 장점을 가진다.

게다가 상기 화학 분자들은 암을 유발하지 않으며, 주변 온도에서 액체상태이기 때문에 쉽게 조작 및 배합할 수 있다. 더우기 글리세롤은 평지 씨에서 메틸 에스테르를 생산하는 과정에서 나오는 부산물로서, 공업적으로 대량생산이 가능하다.

본 발명에서는 첨가되는 상기 분자들을 한편으로는 배기 가스 배관 내에서 직접, 미립자 필터의 상류부분에 바로 공급되거나 엔진 흡기 내부의 연소실 상류 부근에 공급된다. 본 발명에 따른 방식은 따라서 다음과 같은 적어도 두 가지의 구현방식을 허용한다.

본 발명의 첫번째 구현방식은 배기 가스 배관 내의 미립자 필터 상류에, 적 어도 두 개의 수산기 결합을 포함하는 저분자량의 분자들을 연속성과 상관없이 공급하는 방식이다. 상기 구현 방식에서 적어도 두 개의 수산기 결합을 포함하는 저분자량 분자의 공급은, 적어도 두 개의 수산기 결합을 포함하는 저분자량 분자가 30% 내지 100%, 바람직하게는 45% 내지 55%의 농도로 포함된 어떤 용액의 형태로서 이루어진다.

배기 튜브 내의 미립자 필터 상류에서 적어도 두 개의 수산기 결합을 포함하는 저분자량 분자들의 농도는 바람직하게는 배기 가스 360.000리터에 대해 0.05 내지 0.5리터이며, 바람직하게는 0.1 내지 0.2리터 사이에서 채택된다.

이와 같은 첫 번째 구현 방식에서, 적어도 두 개의 수산기 결합을 포함하는 저분자량 분자들을 함유한 그 용액의 유량은 0.1 내지 1 ℓ/h이며, 바람직하게는 0.3 ℓ/h이다.

본 발명의 방식을 구현하는 두 번째 방법은 연소실의 상류에, 바람직하게는 연료 속에 적어도 두 개의 수산기 결합을 포함하는 저분자량 분자를 공급하는 것이다. 상기 구현 방식에서, 적어도 두 개의 수산기 결합을 포함하는 저분자량 분자는 연료 용량의 1% 내지 4%의 농도로, 바람직하게는 연료 용량의 1.5% 내지 2%의 농도로 공급된다.

본 발명은 또한 1% 내지 4%, 바람직하게는 1.5% 내지 2%의 농도를 나타내며 적어도 두 개의 수산기 결합을 포함하는 저분자량 분자들을 함유한 연료에 대한 것이다.

본 발명은 또한 출발/정치 제어와 같은 가변적이며 정확한 투입량 산출을 가 능케 하는, 적어도 두 개의 수산기 결합을 포함하는 저량 분자들을 연속 또는 단속적으로 분사하는 장치에 대한 것이다. 상기 장치는 물로서 냉각되는 전자기적 주입기를 제어하는 중앙제어장치를 포함한다. 본 발명에 따른 이러한 장치는 또한 조정되거나 엔진에 종속된 압력을 제어하는 수단들을 가짐으로써, 배기의 역방향 압력 변화 등 엔진 기능의 조건이 변화함에 따라 첨가물의 투입압력을 미립자 필터의 적하에 맞게끔 조절한다.

본 발명은 또한 상기 묘사한 투입장치를 갖춘 배기 가스 배관에 관한 것이다.

본 발명의 다른 장점 및 특성은 다음의 예에서 잘 나타나는데, 미립자 필터의 입구에서 측정된 온도에서 또 미립자 필터를 통과한 유출에서 본 발명의 방법에 따라 사용된 분자들 중 하나인 글리세롤의 영향을 보여준다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 장착을 나타내는 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 필터에 대해서 글리세롤을 주입하거나 또는 첨가제를 주입하지 않은 경우에 시간의 경과에 따라 필터 상에서 바(bar)로 묘사된 적하의 유실을 비교하여 나타낸 그래프이다.

도 3은 본 발명에 따라 필터 상류에서 첨가물의 첨가여부에 따라서 필터 입구의 온도를 나타낸 그래프이다.

1)실험 보고서

본 실험 보고서는 미립자 필터를 사용하여 집적적인 전자 주입식 터보 디젤 타입의 엔진에 대해서 작성된 것이다.

실험에서 사용된 용액은 광물질이 탈실된 물 속에서 희석시킨 50% 글리세롤을 포함하는 용액을 얻기위해 순수 글리세롤에서 90%까지 공식화 되었다.

도 1은 상기 장치의 장착을 보여주는 도면이다.

2)결과

도 2는 필터에 대해서 글리세롤을 주입하거나 또는 첨가제를 주입하지 않은 경우에 시간이 감에 따라 필터 상에서 바(bar)로 묘사된 적하의 유실을 비교하고 있다. 이때 필터를 통과하는 첨가제의 유량은 300 ㎖/hour이다.

도 3은 필터 상류에서 첨가물을 첨가하거나 안하는 데에 따라서 필터 입구의 온도를 나타낸 것이다. 글리세롤을 첨가한 이후의 최고 온도는 400℃ 미만이다.

본 발명은 미립자 필터의 재생에 대해 행해진 그 연구에서 수산기의 결합을 포함하는 작은 크기의 어떤 분자들의 효율성을 관찰했다. 상기 분자들의 운동 매카니즘은 아마도 그 화학적 구조와 관련이 있는 듯 하다. 기본 법칙은 수산기가 열을 가하지 않은 상태에서 방출되어 필터 상에 남겨진 그을음들을 자연발생적으로 연소시키는데 필수적인 온도의 하강을 초래한다는 것이다. 상기 동일한 수산기가 전통적인 탄화수소의 불꽃 속에서는 1000℃ 이상에서만 만들어지는데, 이와 같은 찬 상태에서의 방출은 300℃ 내지 400℃부터 이루어지며, 오직 폴리올 타입이며 각 탄소 원자에 OH 결합을 포함하는 분자에 대해서만 가능할 것이다. 이런 현상을 만드는 온도는 한편으로는 배기 파이프 내에 존재하는 산소의 부분적 압력 조건에 따라 달라지고, 다른 한편으로는 그을음의 유량에 좌우된다. 상기 두 가지 매개변수들은 엔진의 기능성, 특히 그 회전속도와 부하에 따라 가변적이다.

Claims (15)

1. 엔진 내부에서 연료의 연소시 방출되어 필터 내에 남아있는 미립자들을 첨가물과 접촉시켜 연소시키며, 상기 첨가물은 두 개 이상의 수산기 결합을 포함하는 하나 이상의 저분자량 분자를 포함하고, 상기 수산기 결합은 400℃ 이하의 온도에서 방출되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 가스 배기관 내부에 위치하는 필터의 재생 방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 두 개 이상의 수산기 결합을 포함하는 저분자량 분자는 세 개 이상의 탄소 원자를 가지며, 치환되거나 치환되지 않은 지방족 사슬로 이루어진 유기 분자인 것을 특징으로 하는 내연기관의 가스 배기관 내부에 위치하는 필터의 재생 방법.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 두 개 이상의 수산기 결합을 포함하는 저분자량 분자의 분자량은 100 미만인 것을 특징으로 하는 내연기관의 가스 배기관 내부에 위치하는 필터의 재생 방법.
5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 두 개 이상의 수산기 결합을 포함하는 저분자량 분자는 글리세롤인 것을 특징으로 하는 내연기관의 가스 배기관 내부에 위치하는 필터의 재생 방법.
6. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 두 개 이상의 수산기 결합을 포함하는 저분자량 분자는 연료가 연소실에 도달하기 전에 연료 내에 첨가되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 가스 배기관 내부에 위치하는 필터의 재생 방법.
7. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 두 개 이상의 수산기결합을 포함하는 저분자량 분자는 가스 배기관 내부의 미립자 필터 상류에 첨가되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 가스 배기관 내부에 위치하는 필터의 재생 방법.
8. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 두 개 이상의 수산기 결합을 포함하는 저분자량 분자의 첨가량은 30% 내지 100%, 바람직하게는 45% 내지 55%인 것을 특징으로 하는 내연기관의 가스 배기관 내부에 위치하는 필터의 재생 방법.
9. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 두 개 이상의 수산기 결합을 포함하는 저분자량 분자의 공급은 지속적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내연기관의 가스 배기관 내부에 위치하는 필터의 재생 방법.
10. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 두 개 이상의 수산기 결합을 포함하는 저분자량 분자의 공급은 제한된 기간 동안 단속적인 방식으로 구현되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 가스 배기관 내부에 위치하는 필터의 재생 방법.
11. 두 개 이상의 수산기 결합을 포함하는 하나 이상의 저분자량 분자를 함유하고, 상기 수산기 결합은 400℃ 이하의 온도에서 방출되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 가스 배기관에 설치된 미립자 필터의 재생 방법에 사용되는 연료.
12. 주입된 첨가물의 용액 양이 가변적이며 정확한 배합을 가능케 하는 수단, 출발/정지를 제어하는 수단, 전자기적 주입을 제어하는 수단, 조정 압력 및 엔진에 종속된 압력을 제어하는 수단을 포함하고, 400℃ 이하의 온도에서 가열하지 않은 상태로 방출되는 두 개 이상의 수산기 결합을 포함하는 하나 이상의 저분자량 분자를 포함하는 첨가물 용액의 저장고를 포함하며, 엔진 내에서 연료의 연소시 방출되어 상기 필터 내에 남은 미립자들을 첨가물과 접촉시켜 연소시켜 재생시키는 것을 특징으로 하는 내연기관의 가스 배기관에 설치된 미립자 필터의 재생 장치.
13. 제12항에 있어서, 상기 조정 압력 및 엔진에 종속된 압력을 제어하는 수단은 배기의 역 방향 압력의 변화에 따라 첨가물의 주입 압력을 미립자 필터의 부하에 맞추어 조절하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 가스 배기관에 설치된 미립자 필터의 재생 장치.
14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 두 개 이상의 수산기 결합을 포함하는 저분자량 분자의 주입은 지속적인 방식으로 구현되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 가스 배기관에 설치된 미립자 필터의 재생 장치.
15. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 두 개 이상의 수산기 결합을 포함하는 저분자량 분자의 주입은 제한된 기간 동안 단속적으로 구현되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 가스 배기관에 설치된 미립자 필터의 재생 장치.

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