KR100773268B1 - 디젤 배출가스 정화 장치 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 디젤 배출가스 정화 장치 및 그 제어방법은, 배기 관로 상에 설치되고 다공성 필터가 구비되어 배출가스의 오염물질을 저감하는 배출가스 정화수단과; 상기 배출가스 정화수단의 앞쪽 배기 관로 상에 구비되어 상기 필터의 재생 과정 중에 열에너지를 저장하였다가 배출가스를 가열하는 열에너지 저장수단과; 상기 열에너지 저장수단의 전단과 후단에 연결되는 바이패스 관로와; 상기 열에너지 저장수단으로 통하는 관로와 상기 바이패스 관로를 개폐하여 배출가스의 흐름 방향을 조절하는 배출가스 방향조절수단과; 상기 열에너지 저장수단이 작동되도록 에너지를 공급하는 에너지 공급수단을 포함하여 구성됨으로써, 짧은 시간 동안 적은 소비전력으로 매연이 포집된 다공성 필터를 효과적으로 재생할 수 있는 효과가 있다.
디젤, 배출가스, 다공성 필터, 다공성 발열체, 밸브, 마이크로파, 전기 에너지

Description

디젤 배출가스 정화 장치 및 그 제어방법{Exhaust gas purifier for diesel engine and its control method}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 디젤 배출가스 정화 장치가 개략적으로 도시된 블록도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 디젤 배출가스 정화 장치가 개략적으로 도시된 블록도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 디젤 배출가스 정화 장치가 도시된 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 디젤 배출가스 정화 장치가 도시된 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 디젤 배출가스 정화 장치가 개략적으로 도시된 블록도이다.
도 6은 본 발명의 제6 실시예에 따른 디젤 배출가스 정화 장치가 개략적으로 도시된 블록도이다.
도 7은 종래 기술에서의 전력 공급량 및 BPT와 배출가스 온도 관계를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명에서의 전력 공급량 및 BPT와 열에너지 저장체, 배출가스 온 도 관계를 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 배기 관로 15 : 바이패스 관로
18 : 배출가스 방향조절수단 20, 20A : 배출가스 정화수단
30 : 열에너지 저장수단 35 : 제2 배출가스 정화수단
40 : 에너지 공급수단 40A : 마이크로파 발생수단
40B : 에너지 공급수단 50 : 검출수단
60 : 전자제어수단
본 발명은 디젤 엔진에서 발생하는 배출가스의 오염물질을 저감하는 디젤 배출가스 정화 장치에 관한 것으로서, 특히 필터에 누적된 매연을 감시 및 연소함으로써 적절한 시기에 필터를 재생할 수 있도록 한 디젤 배출가스 정화 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
디젤 배출가스 정화 장치는 디젤엔진이 배출하는 가스 내에 함유된 유해 성분을 연소시켜 제거하는 장치이다.
'매연'이라는 용어는 연료의 연소에 의해 발생되는 미세 입자를 지칭하는 것으로서, 이것은 당업계에서 입자상 물질(particulate material, PM), 수우트(soot) 또는 미세 먼지로도 불린다.
디젤 매연 필터(diesel particulate filter, DPF) 장치는 디젤 차량 등의 배기 관로에 장착하여 디젤 엔진에서 발생하는 배출가스 중 매연을 포집 및 연소한 뒤 대기 중으로 방출하는 장치를 말한다.
균형 재생 온도(balance point temperature, BPT)는 상기 디젤 매연 필터에 포집되는 매연의 양과 연소되어 제거되는 양이 같아지는 배출가스 온도를 말한다.
이러한 장치의 일례로 미국특허 제6,709,489호를 들 수 있다. 상기 특허의 장치는 필터로서 코디어라이트(2MgO-2Al2O3-5SiO2) 재질의 하니콤형 필터를 사용하고 있다. 상기 필터는 배출가스의 진행 방향에 평행한 복수의 채널로 구성되어 있는데, 배출가스의 유입측에 대해 개방된 채널 및 폐쇄된 채널이 평면적으로 교번 형성된 구조를 갖고 있다. 상기 필터의 개방 채널로 유입된 배출가스는 개방 채널의 끝단 부근 또는 채널 벽에 매연을 축적하며, 나머지 배출가스는 채널 벽을 통한 소위 벽유동(wall-flow)을 통해 필터 외부로 배출된다.
이와 관련한 특허로는, 한국특허 제1994-0000808호, 미국특허 제6,809489 B2호, 미국특허 제6,328,779 B1호, 미국특허 제5,195,317호, 미국특허 제5,087,272호, 미국특허 제4,934,141호 등이 공지되어 있다.
이와 같은 디젤 매연 필터 장치에서는 필터에 축적된 매연에 의해 채널 벽이 막히게 되므로, 이를 제거하여 필터를 재생하는 과정이 필요하다. 이때 필터의 재생을 위한 에너지원으로 마이크로파를 이용하고 있다. 마이크로파 발생 수단에서 발생된 마이크로파는 상기 필터로 전송되어 상기 필터와 매연을 유전 가열하며, 필터와 매연의 가열에 의해 필터에 축적된 매연은 연소되어 제거된다.
디젤 매연 필터의 재생 과정에서 가장 중요한 사항 중의 하나는 재생에 필요한 소비에너지(소비전력 ㅧ 재생시간)이다. 특히 차량의 제한된 전력 범위 안에서 적은 소비전력으로 짧은 시간에 필터의 재생이 완료되는 것이 무엇보다도 중요하다. 필터의 재생에 사용되는 전력이 차량의 발전기와 축전지에서 공급할 수 있는 전력보다 과도하게 크거나 필터의 재생시간이 과도하게 길 경우에는 차량의 발전기와 축전지 등의 수명이 단축될 뿐만 아니라 연비도 악화된다. 이 문제는 차량 주행 중 전조등, 오디오, 전기히터 등의 전기 장치를 함께 사용하는 조건에서는 더욱 더 중요해진다.
차량의 전기에너지를 이용하여 필터를 재생할 경우에 소비에너지는 차량의 엔진 조건(배기량, 부하량, 엔진 회전수 등)에 따라 큰 영향을 받는다. 엔진 조건에 따라 필터에 유입되는 배출가스의 상태가 크게 영향을 받는데, 일반적으로 시내 주행에서는 배출가스의 온도가 필터의 재생온도보다 낮아서 전기에너지는 필터를 가열하는데 반해 배출가스는 필터를 냉각한다.
따라서 배출가스의 냉각 효과를 극복하면서 필터를 재생온도까지 높이기 위해서는 상당한 '전력'이 필요하다. 결과적으로 필터 재생에 필요한 '소비전력'이 상당히 커진다. 일례로, 배기량 2000cc인 디젤 엔진이 1500rpm으로 동작하고 배기온도가 100℃일 때, 필터의 온도를 약 300℃의 재생온도까지 높이는데 10분이 걸린다면(투입한 전기에너지가 모두 필터를 가열하는데 사용되었다고 가정할 때), 필터 의 재생에 필요한 소비전력은 약 5.5kW 이상이다. 이것은 배기량 2000cc의 디젤 차량의 발전기와 배터리에서 공급할 수 없는 '전력'인 것이다.
전술한 바와 같이, 종래의 전기에너지를 사용하는 디젤 매연 저감 장치들은 필터 재생에 필요한 전력이 과도하여 차량 발전기와 축전기의 수명 단축 또는 고장과 연비 악화의 문제점을 가지고 있어, 이러한 문제점을 해결하지 않는 한 매우 제한된 전력을 공급하는 디젤 차량에 적용하기는 곤란하다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 열에너지 저장수단과 배출가스 방향조절수단을 이용하여 짧은 시간 동안 적은 소비전력으로 디젤 매연이 포집된 다공성 필터를 재생할 수 있도록 하는 디젤 배출가스 정화 장치 및 그 제어방법을 제공하는 데 목적이 있다.
또한 본 발명은 디젤 차량에 적용할 때 차량의 발전기(alternator)와 축전지(배터리)가 공급하는 제한된 전력 범위 안에서 필터를 재생할 수 있는 디젤 배출가스 정화 장치 및 그 제어방법을 제공하는 데 다른 목적이 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 디젤 배출가스 정화 장치는, 배기 관로 상에 설치되고 다공성 필터가 구비되어 배출가스의 오염물질을 저감하는 배출가스 정화수단과; 상기 배출가스 정화수단의 앞쪽 배기 관로 상에 구비되어 상 기 필터의 재생 과정 중에 열에너지를 저장하였다가 배출가스를 가열하는 열에너지 저장수단과; 상기 열에너지 저장수단의 전단과 후단에 연결되는 바이패스 관로와; 상기 열에너지 저장수단으로 통하는 관로와 상기 바이패스 관로를 개폐하여 배출가스의 흐름 방향을 조절하는 배출가스 방향조절수단과; 상기 열에너지 저장수단이 작동되도록 에너지를 공급하는 에너지 공급수단을 포함한 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 배출가스 정화수단은 다공성 필터와 이를 수용하는 전도성 하우징으로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 열에너지 저장수단은 다공성 발열체와 이를 수용하는 전도성 하우징으로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 배출가스 정화수단은 다공성 필터를 포함하고, 상기 열에너지 저장수단은 다공성 발열체를 포함하며, 상기 다공성 발열체는 상대적으로 여과율이 낮은 것을 사용하고, 상기 다공성 필터는 상대적으로 여과율이 높은 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 열에너지 저장수단은 발열체 기능과 정화 필터 기능을 동시에 수행할 수 있도록 구성될 수 있다.
상기 배출가스 정화수단의 다공성 필터와 열에너지 저장수단의 다공성 발열체 중 적어도 하나는 촉매 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 배출가스 방향조절수단은 상기 열에너지 저장수단으로 통하는 관로와 상기 바이패스 관로를 각각 개폐하는 전자제어식 밸브로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 에너지 공급수단은 디젤 엔진의 발전기(alternator)나 축전지(배터리)의 전기 에너지를 공급받아 상기 열에너지 저장수단에 공급할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.
상기 에너지 공급수단은 상기 열에너지 저장수단에 마이크로파 에너지를 제공할 수 있도록 구성될 수 있다. 여기서, 상기 에너지 저장수단은 유전체 재질의 다공성 발열체로 구성되는 것이 바람직하다.
이와는 다르게 상기 에너지 공급수단은 상기 열에너지 저장수단에 전기 에너지를 제공할 수 있도록 구성되고, 상기 열에너지 저장수단은 전기 에너지에 의해 발열하는 전도성 발열체로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 배기 관로 상에 구비되어 배출가스 상태를 검출하는 검출 수단과, 이 검출 수단의 검출 신호를 기초로 상기 에너지 공급수단과 상기 배출가스 방향조절수단의 동작을 제어하는 전자제어수단을 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 전자제어수단은 상기 검출 수단의 신호를 입력받는 동시에 디젤 엔진 운전 상태의 검출 신호에 근거하여 상기 에너지 공급수단 및 상기 배출가스 방향조절수단의 동작을 제어하도록 구성되는 것이 바람직하다.
상기 전자제어수단은 필터의 매연 포집량 대신 상기 장치가 탑재된 차량의 주행 거리 정보를 기초로 소정 주행 거리마다 상기 열에너지 공급수단과 전자제어식 밸브의 동작을 제어하도록 구성되는 것이 바람직하다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 디젤 배출가스 정화 장치는, 배기 관로 상에 설치되고, 다공성 필터와 이를 수용하는 전도성 하우징으로 구 성되어 배출가스의 오염물질을 저감하는 제1 배출가스 정화수단과; 상기 배출가스 정화수단의 앞쪽 배기 관로 상에 구비되고, 다공성 발열체와 이를 수용하는 전도성 하우징으로 구성되어 상기 필터의 재생 과정 중에 열에너지를 저장하였다가 배출가스로 전달할 수 있는 열에너지 저장수단과; 상기 열에너지 저장수단과 제1 배출가스 정화수단 사이의 배기 관로 상에 위치되고, 다공성 필터와 이를 수용하는 전도성 하우징으로 구성되어 배출가스의 오염물질을 저감하는 제2 배출가스 정화수단과; 상기 열에너지 저장수단의 전단에서 상기 제2 배출가스 정화수단의 후단에 연결되는 바이패스 관로와; 상기 열에너지 저장수단 및 제2 배출가스 정화수단으로 통하는 관로와 상기 바이패스 관로를 개폐하여 배출가스의 흐름 방향을 조절하는 배출가스 방향조절수단과; 상기 열에너지 저장수단이 작동되도록 에너지를 공급하는 에너지 공급수단을 포함한 것을 특징으로 한다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 디젤 배출가스 정화 장치 제어방법은, 상기한 디젤 배출가스 정화 장치를 이용한 제어방법으로, 상기 배출가스 정화수단과 상기 열에너지 저장수단 중 적어도 어느 하나의 다공성 필터에 포집된 매연의 양이 소정의 값 이상인 경우에, 열에너지 저장수단으로 통하는 관로를 차단함과 동시에 상기 바이패스 관로를 개방하도록 제어하고, 상기 열에너지 저장수단의 발열체가 가열되도록 제어하고; 상기 배출가스 정화수단과 상기 열에너지 저장수단 중 적어도 어느 하나의 다공성 필터에 포집된 매연의 양이 소정의 값 이하인 경우에, 상기 열에너지 저장수단으로 통하는 관로를 개방함과 동시에 상기 바이패스 관로는 차단하도록 제어하고, 상기 열에너지 저장수단의 작동은 정지되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
참고로, 본 발명의 여러 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고 반복 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 디젤 배출가스 정화 장치가 개략적으로 도시된 블록도이다.
이에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤 배출가스 정화 장치는, 배기 관로(10) 상에 설치되고 다공성 필터가 구비되어 배출가스의 오염물질을 저감하는 배출가스 정화수단(20)과, 상기 배출가스 정화수단(20)의 앞쪽 배기 관로(10) 상에 구비되어 필터 재생 과정 중에 열에너지를 저장하였다가 배출가스를 가열하는 열에너지 저장수단(30)과, 상기 열에너지 저장수단(30)의 전단과 후단에 연결되는 바이패스 관로(15)와, 상기 열에너지 저장수단(30)으로 통하는 관로와 상기 바이패스 관로(15)를 개폐하여 배출가스의 흐름 방향을 조절하는 배출가스 방향조절수단(18)과, 디젤 엔진의 발전기나 축전지의 전기에너지를 상기 열에너지 저장수단(30)에 공급하는 에너지 공급수단(40)으로 구성된다.
여기서 상기 배출가스 정화수단(20)은 다공성 필터와 이를 수용하는 전도성 하우징으로 구성될 수 있고, 상기 열에너지 저장수단(30)은 다공성 발열체와 이를 수용하는 전도성 하우징으로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 배출가스 정화수단(20)의 다공성 필터와 열에너지 저장수단(30)의 다공 성 발열체 중 적어도 어느 하나는 촉매를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
상기 배출가스 방향조절수단(18)은 상기 열에너지 저장수단(30)으로 통하는 관로와 상기 바이패스 관로(15)를 각각 개폐하는 전자제어식 밸브로 구성될 수 있다.
상기 에너지 공급수단(40)은 디젤 엔진의 발전기(alternator)나 축전지(배터리)의 전기에너지를 공급받아 상기 열에너지 저장수단(30)에 공급할 수 있도록 구성된다.
이와 같은 각각의 구성요소에 대해서는 아래에 기술할 제 3 실시예에서 한 자세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 디젤 배출가스 정화 장치가 개략적으로 도시된 블록도이다.
이에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 디젤 배출가스 정화 장치는, 전술한 일 실시예의 배출가스 정화수단(20)이 제1 배출가스 정화수단(20A)을 구성하고, 열에너지 저장수단(30A)과 바이패스 관로(15)의 종단부 사이에 배출가스의 오염물질을 저감하는 제2 배출가스 정화수단(35)이 구비된다.
여기서 상기 제2 배출가스 정화수단(35)은 제1 배출가스 정화수단(20A)과 유사하게 다공성 필터와 이를 수용하는 전도성 하우징으로 구성될 수 있다.
상기 제1 배출가스 정화수단(20A)의 다공성 필터, 제2 배출가스 정화수단(35)의 다공성 필터, 열에너지 저장수단(30A)의 다공성 발열체 중 적어도 어느 하나는 촉매를 더 포함하는 구성으로 이루어지는 것이 바람직하다.
이외의 구성은 전술한 일 실시예의 구성과 동일하므로 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
다음은 도 3과 도 4를 참조하여 상기한 본 발명의 제1 및 제2 실시예를 구체화한 실시예의 구성을 설명한다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 디젤 배출가스 정화 장치가 도시된 구성도이다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 디젤 배출가스 정화 장치는, 상기한 실시예의 에너지 공급수단(40)으로 마이크로파를 이용하고, 배출가스 상태를 검출하여 에너지 공급수단(40)과 상기 배출가스 방향조절수단(18) 등을 제어할 수 있도록 구성된다.
이와 같은 디젤 배출가스 정화 장치의 각각의 구성에 대하여 자세히 설명한다.
먼저, 상기 배출가스 정화수단(20)은 배기 관로(10) 상에 구비되는 전도성 하우징(21)과, 이 전도성 하우징(21)의 내부에 구비되어 배출 가스의 오염 물질을 저감하는 다공성 필터 구조를 가진 배출가스 정화필터(22)와, 상기 전도성 하우징(21)의 내부에 구비되어 배출가스의 유동을 막고 상기 필터(22)를 단열하고 충격으로부터 보호하는 매트(23)로 이루어진다.
다음, 상기 열에너지 저장수단(30)은 상기 배출가스 정화수단(20)의 앞쪽의 배기 관로(10) 상에 구비되는 전도성 하우징(31)과, 상기 전도성 하우징(31)의 내부에 구비되어 필터 재생 작동시에 열에너지를 저장하였다가 배출가스로 전달하는 다공성 발열체 구조를 가진 열에너지 저장필터(32)와, 상기 전도성 하우징(21)의 내부에서 배출가스의 유동을 막고 상기 필터(32)를 단열하고 충격으로부터 보호하는 매트(33)로 이루어진다.
여기서 상기 열에너지 저장필터(32)는 촉매를 코팅 또는 담지한 유전체 필터를 이용할 수 있으며, 재생 과정 전에는 배출가스 정화필터로서 역할을 하고, 재생 과정 중에는 필터에 포집된 매연도 연소되어 제거하는 열에너지 저장필터로 역할을 한다.
배출가스의 여과율을 고려할 때, 상기 열에너지 저장필터(32)는 상대적으로 여과율이 낮은 것을 사용하고, 상기 배출가스 정화필터(22)는 상대적으로 여과율이 높은 것을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 다공성 필터 구조를 가진 배출가스 정화필터(22)와 다공성 발열체 구조를 가진 열에너지 저장필터(32)에 대하여 자세히 설명한다.
상기 두 필터(22)(32) 중 적어도 하나는 촉매 물질을 더 포함할 수 있으며, 바람직하게는 Pt, Pd, Rh, Ir, Os, Ni, Co, Au, Ag 등의 귀금속 촉매 또는 전이 금속 촉매를 포함한다. 상기 두 필터(22)(32) 중 적어도 하나에 담지 또는 코팅된 촉매에 따라 매연의 연소(산화) 온도 즉, 필터의 재생온도를 낮출 수 있을 뿐만 아니라 CO, HC, NOx 등의 오염물질을 저감할 수 있도록 구성된다.
여기서 상기 촉매는 약 250∼400℃의 온도에서 활성화되어 상기 매연의 연소 를 촉진한다. 또한, 본 발명에서 상기 촉매로는 나열된 금속 촉매와 다른 산화물 촉매가 조합된 형태, 예컨대 Pt/BaO와 같은 형태의 촉매가 사용될 수도 있다. 상기 촉매는 딥핑(dipping)과 같은 통상의 도포 수단에 의해 필터 표면에 도포되거나 필터 내부에 도핑될 수 있다. 상기 촉매 입자는 나노 스케일, 즉 수십∼수백 nm의 입자 크기로 상기 필터에 분산되는 것이 바람직하다.
또한 상기 두 필터(22)(32)는 코디어라이트, 알루미나(Al2O3), 탄화규소(SiC), 지르코니아(ZrO2), 타이타니아(TiO2), 제올라이트, 활성탄, 실리카와 같은 세라믹 물질을 재질로 하여 형성될 수 있다.
본 발명에서 상기 두 필터(22)(32)의 구조로는 하니콤 모놀리쓰형(honeycomb monolith), 주름 섬유형(pleated fiber), 발포형(foam), 펠릿형(pallet) 필터를 불문한다. 또한 배출가스의 유동 형태, 즉 벽유동형(wall-flow type) 또는 채널 유동형(channel-flow type)을 불문하고 여하한 구조의 필터도 본 발명의 배출가스 정화필터(22)와 열에너지 저장필터(32)로 사용될 수 있다.
또한 두 필터(22)(32)는 금속 또는 금속 합금을 재질로 형성될 수 있다. 상기 두 필터(22)(32)는 금속 섬유형(fiber), 금속 기판형(substrate), 금속 발포형(foam) 필터를 불문한다.
한편, 상기 매트(23)는 상기 두 필터(22)(32)와 각 전도성 하우징(21) 사이에서 상기 각 필터를 단열하고 충격으로부터 보호하는 지지물을 구성하게 된다.
또한 미설명 부호 35는 제2 실시예에서 기술한 바와 같이 상기 배출가스 정 화수단(20)이 제1 배출가스 정화수단으로 역할을 할 때, 상기 열에너지 저장수단(30)이 열에너지 저장체 역할과 함께 제2 배출가스 정화수단(35)으로서의 역할을 할 수 있음을 표시한 것이다.
또한 미설명 부호 34는 마이크로파가 외부로 누출되는 것을 방지하는 전도성 망을 나타낸다.
다음, 상기 배출가스 방향조절수단(18)은 상기한 바와 같이 각각의 관로(10(15)에 구비된 전자제어식 밸브로 구성되는 것이 바람직하며, 이 전자제어식 밸브는 후술할 전자제어수단(60)에 의해 개폐가 제어된다.
다음, 상기 에너지 공급수단(40)은 본 실시예에서, 마이크로파 발생수단(40A)과, 이 마이크로파를 상기 열에너지 저장수단(30)에 전달하는 마이크로파 전송수단(45)으로 이루어진다.
여기서 상기 마이크로파 발생수단(40A)은 통상의 마이크로파 발생기를 이용한 것으로서, 디젤 엔진의 발전기나 축전지의 전기 에너지를 이용하여 마이크로파를 발생시키도록 구성되는 것이 바람직하고, 상기 마이크로파 전송수단(45)은 마이크로파를 전달하는 일반적인 도파관의 구성으로 이루어진다.
다음, 본 발명의 제3 실시예에서는 상기한 바와 같은 기본 구성요소에, 추가로 배출가스 상태를 검출하는 검출 수단과, 이 검출 수단의 검출 신호를 기초로 상기 에너지 공급수단(40)인 마이크로파 발생수단(40A)과 상기 배출가스 방향조절수단(18)인 전자제어식 밸브의 동작을 제어하는 전자제어수단(60)을 더 포함한다.
상기 검출 수단은 배출가스의 압력 및/또는 온도 상태를 검출하는 제1 검출 수단(50) 및/또는 다공성 필터에 포집된 매연의 양을 검출하는 제2 검출수단(미도시)으로 구성될 수 있다.
상기 제1 검출수단(50)은 상기 열에너지 저장수단(30)의 앞쪽 배기 관로(10) 상에 설치되는 것이 바람직하며, 배출가스의 압력 및/또는 온도를 검출할 수 있도록 압력센서(51) 및/또는 온도센서(51)로 구성될 수 있다.
상기 제2 검출수단은 별도의 센서 등을 추가하지 않고, 상기 제1 검출수단(50)의 배기가스 압력 정보와 ECU 등으로부터 입력되는 엔진 회전수 정보를 통해 상기 다공성 필터에 포집된 매연의 양을 검출할 수 있도록 구성할 수 있고, 이 검출 신호를 기초로 상기 열에너지 공급수단(40) 및 전자제어식 밸브의 동작을 제어하도록 구성할 수 있다.
이와는 달리 상기 제2 검출수단은 상기 배출가스 정화수단(20) 또는 상기 열에너지 저장수단(30) 중 어느 하나 이상에 별도로 설치되어 각 수단의 필터(22)(32)에 포집된 매연의 양을 검출할 수 있도록 구성할 수도 있다. 이와 같은 제2 검출수단도 배출 가스 상태를 검출하는 공지의 다양한 센서 등을 이용하여 사용할 수 있으므로, 이에 대한 구체적인 센서의 설치 구성은 생략한다.
상기 전자제어수단(60)은 상기한 제1 검출수단(50) 및/또는 제2 검출수단의 신호를 입력받는 동시에 디젤 엔진 상태(RPM 등)의 검출 신호에 근거하여 상기 에너지 공급수단(40) 및 전자제어식 밸브의 동작을 제어하도록 구성할 수 있다.
이와 같은 상기 전자제어수단(60)은 상기 필터(22)(32)에 포집된 매연의 양―필터의 배압과 엔진 회전수 등에 의해 결정됨―이 소정의 값 이상인 경우에 필 터(32)의 재생을 위해 열에너지 공급수단(40)으로 통과하는 관로는 차단하고 바이패스 관로(15)를 개방시키도록 상기 열에너지 공급수단(40)과 배출가스 방향조절수단(18)을 동작시키며, 상기 매연의 양이 소정의 값 이하인 경우에 반대로 바이패스 관로(15)는 차단하고 열에너지 공급수단(40)으로 통과하는 관로를 개방하도록 상기 열에너지 공급수단(40)과 배출가스 방향조절수단(18)의 밸브 동작을 중지시키는 기능을 수행할 수 있다.
한편, 상기 검출 수단(50)은 1개의 압력차 센서 또는 2개의 압력 센서를 포함할 수 있으며, 매연 포집량은 상기 필터(22)(32)로 유입되는 배출가스의 압력과 상기 필터에서 유출되는 배출가스의 압력의 차이와 엔진회전수에 의해 결정될 수 있다.
또한 상기 전자제어수단(60)은 필터(22)(32)의 매연 포집량 대신 상기 장치가 탑재된 차량의 주행 거리 정보를 기초로 소정 주행 거리마다 상기 열에너지 공급수단(40)과 배출가스 방향조절수단(18)의 동작을 제어하도록 구성할 수 있다.
즉, 상기 전자제어수단(60)의 제어는 배출가스와 엔진의 상태 정보뿐만 아니라 주행 거리 정보에 따라 수행될 수도 있다. 예컨대, 상기 전자제어수단(60)은 차량의 주행 거리 센서(도시하지 않음)의 출력 또는 ECU의 주행 거리 정보를 기초로 일정 주행 거리(예컨대, 100 km)마다 주기적으로 열에너지 공급수단(40)과 배출가스 방향조절수단(18)을 동작시켜 필터(32)에 포집된 매연을 연소시킬 수도 있다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 디젤 배출가스 정화 장치가 도시된 구 성도이다.
본 발명의 제4 실시예에 따른 디젤 배출가스 정화 장치는, 전술한 제3 실시예의 기본적인 구성은 동일하나, 에너지 공급수단(40B)이 디젤 엔진의 발전기 및/또는 축전지로부터 전기에너지를 공급받도록 구성되고, 열에너지 저장수단(30)은 상기 전기에너지를 공급받아 열에너지를 발생시키는 전도성 재질의 다공성 발열체로 이루어진 구성만이 다르게 구성된다.
상기 에너지 공급수단(40B)은 발전기 및/또는 축전지에 바로 연결되어 구성되는 것도 가능하나, 전자제어수단(60)의 제어 신호에 따라 상기 열에너지 저장수단(30)에 공급되는 전기에너지의 양을 조절하는 기능이 포함되어 구성되는 것이 바람직하다.
상기 열에너지 저장수단(30)은 하우징(31)과 다공성 발열필터(32)로 구성되며, 상기 다공성 발열필터(32)는 전기 히터 또는 전기 발열 필터 등으로 구성될 수 있으며, 상기한 제2 실시예에서 설명한 바와 같이 열에너지 저장수단(30)과 제2 배출가스 정화수단(35)의 기능을 동시에 갖도록 다공성 필터 구조를 가지면서 전기 발열체 기능도 함께 가질 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다. 이때에는 상기 다공성 발열필터(32)가 재생 과정 전에는 배출가스 정화필터로 역할을 하고, 재생 과정 중에는 열에너지 저장필터로서 역할을 하게 된다.
이외의 구성 및 동작은 전술한 제3 실시예의 구성과 동일 유사하므로, 그에 대한 설명은 생략한다.
도 5와 도 6은 본 발명의 제5 실시예 및 제6 실시예에 따른 디젤 배출가스 정화 장치가 개략적으로 도시된 블록도들로서, 전술한 제1 및 제2 실시예의 구성에 역류방지수단(70)(70A)이 추가된 구성으로 이루어진다.
즉, 열에너지 저장수단(30)(30A)의 필터 재생 과정에서 바이패스 관로(15)를 통해 배출가스가 유동할 때, 열에너지 저장수단(30)(30A)의 앞쪽 관로가 차단된 상태에서 뒤쪽 관로를 통해 열에너지 저장수단(30)(30A) 내로 배출가스가 유입될 수 있으므로, 필터 재생과정에서 열에너지 저장수단(30)(30A)의 내부로 배출가스가 역류하는 것을 방지하기 위한 것이다.
상기 역류방지수단(70)(70A)은 일방향 밸브 구조를 가진 체크 밸브로서, 열에너지 저장수단(30)(30A)을 통과한 배출가스의 순 방향 유동은 가능하지만, 바이패스 관로(15)를 통과한 배출가스의 역방향 유동은 방지할 수 있도록 구성된 밸브로 이루어진다.
이와 같은 역류방지수단(70)(70A)은 공지의 체크 밸브 중 배출가스 열 및 매연에 견딜 수 있는 충분한 내열성 및 내구성을 가진 것이면 어떤 종류의 체크밸브를 사용하여도 무방하다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 디젤 배출가스 정화 장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.
도 7은 종래 기술에서의 전력 공급량 및 BPT와 배출가스 온도 관계를 나타낸 그래프로서, 디젤 차량에서 일정 전력(예: 500W)을 일정 시간(예: 10분) 동안 필터 에 공급할 때, 필터로 지나가는 배출가스에 의한 냉각으로 인해 배출가스의 온도는 약간 상승하는데 그치고, 필터의 BPT에는 훨씬 미치지 못하기 때문에 필터 재생이 정상적으로 이루어지지 못하게 된다.
반면, 도 8은 본 발명에서의 전력 공급량 및 BPT와 열에너지 저장체, 배출가스 온도 관계를 나타낸 그래프로서, 도 7의 조건과 동일하게 디젤 차량에서 일정 전력(예: 500W)을 일정 시간(예: 10분) 공급할 때, 배출가스 방향조절수단(18)에 의해 배출가스가 바이패스 관로(15)를 통과하게 하여, 열에너지 저장수단(30)을 지나가지 않게 되므로, 열에너지 저장수단(30)이 배출가스에 의해 냉각이 되지 않기 때문에 도 8의 (b)에서와 같이 열에너지 저장수단(30)의 온도는 필터의 BPT 보다 훨씬 높은 온도까지 상승할 수 있게 된다.
이후, 배출가스 방향조절수단(18)의 밸브를 변경하여, 바이패스 관로(15)는 차단하고 배출가스가 열에너지 저장수단(30)을 통과하게 하면, 도 8의 (c)에서와 같이 열에너지 저장수단(30)에 의해 배출가스가 가열되어 배출가스의 온도가 필터의 BPT 보다 높은 온도에 신속하게 도달하게 됨으로써 배출가스 정화수단(20)의 필터를 재생할 수 있게 된다.
상기한 바와 같이 본원 발명은 필터 재생시에 디젤 엔진의 배출가스를 바이패스 관로(18)를 통해 열에너지 저장수단(30)의 전단에서 후단으로 흘러가도록 한 상태에서 에너지 공급수단(40)으로 열에너지 저장수단(30)을 일정 시간 가열한 후에, 배출가스를 가열된 열에너지 저장수단(30)으로 흘려주어 배출가스를 BPT보다 상당히 높은 온도로 상승시킴으로써 배출가스 정화수단(20)(20A)(35)의 다공성 필 터에 포집된 매연을 효과적으로 연소하여 제거할 수 있게 된다.
전술한 본 발명의 실시예는 본 발명의 구현 형태를 예시한 것에 불과하다. 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 앞서 설명한 실시예들에 다양한 변형 및 수정을 가할 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 정도의 변형 및 수정은 본 발명의 권리범위에 속한다 할 것이다.
상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명에 따른 디젤 배출가스 정화 장치는 열에너지 저장수단과 배출가스 방향조절수단을 이용하여 짧은 시간 동안 적은 소비전력으로 매연이 포집된 다공성 필터를 효과적으로 재생할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 디젤 차량에 적용할 때 차량의 발전기(alternator)와 축전지(배터리)가 공급하는 제한된 전력 범위 안에서 디젤 배출가스 정화수단의 다공성 필터를 재생할 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명은 에너지 저장수단 및/또는 배출가스 정화수단에 구비된 다공성 필터에 촉매 물질을 담지 또는 코팅함으로써 필터의 재생온도를 낮출 수 있을 뿐만 아니라 배출가스 중 CO, HC, NOx 등의 오염물질을 함께 저감할 수 있는 이점도 있다.

Claims (16)

  1. 배기 관로 상에 설치되고 다공성 필터가 구비되어 배출가스의 오염물질을 저감하는 배출가스 정화수단과;
    상기 배출가스 정화수단의 앞쪽 배기 관로 상에 구비되어 상기 필터의 재생 과정 중에 열에너지를 저장하였다가 배출가스를 가열하는 열에너지 저장수단과;
    상기 열에너지 저장수단의 전단과 후단에 연결되는 바이패스 관로와;
    상기 열에너지 저장수단으로 통하는 관로와 상기 바이패스 관로를 개폐하여 배출가스의 흐름 방향을 조절하는 배출가스 방향조절수단과;
    상기 열에너지 저장수단이 작동되도록 에너지를 공급하는 에너지 공급수단을 포함한 것을 특징으로 하는 디젤 배출가스 정화 장치.
  2. 배기 관로 상에 설치되고, 다공성 필터와 이를 수용하는 전도성 하우징으로 구성되어 배출가스의 오염물질을 저감하는 제1 배출가스 정화수단과;
    상기 배출가스 정화수단의 앞쪽 배기 관로 상에 구비되고, 다공성 발열체와 이를 수용하는 전도성 하우징으로 구성되어 상기 필터의 재생 과정 중에 열에너지를 저장하였다가 배출가스로 전달할 수 있는 열에너지 저장수단과;
    상기 열에너지 저장수단과 제1 배출가스 정화수단 사이의 배기 관로 상에 위치되고, 다공성 필터와 이를 수용하는 전도성 하우징으로 구성되어 배출가스의 오 염물질을 저감하는 제2 배출가스 정화수단과,
    상기 열에너지 저장수단의 전단에서 상기 제2 배출가스 정화수단의 후단에 연결되는 바이패스 관로와;
    상기 열에너지 저장수단 및 제2 배출가스 정화수단으로 통하는 관로와 상기 바이패스 관로를 개폐하여 배출가스의 흐름 방향을 조절하는 배출가스 방향조절수단과;
    상기 열에너지 저장수단이 작동되도록 에너지를 공급하는 에너지 공급수단을 포함한 것을 특징으로 하는 디젤 배출가스 정화 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 배출가스 정화수단은 다공성 필터와 이를 수용하는 전도성 하우징으로 구성된 것을 특징으로 하는 디젤 배출가스 정화 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 열에너지 저장수단은 다공성 발열체와 이를 수용하는 전도성 하우징으로 구성된 것을 특징으로 하는 디젤 배출가스 정화 장치.
  5. 청구항 1 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 배출가스 정화수단은 다공성 필터를 포함하고, 상기 열에너지 저장수단은 다공성 발열체를 포함하며, 상기 다공성 발열체는 상대적으로 여과율이 낮은 것을 사용하고, 상기 다공성 필터는 상대적으로 여과율이 높은 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 디젤 배출가스 정화 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 열에너지 저장수단은 발열체 기능과 정화 필터 기능을 동시에 수행할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 디젤 배출가스 정화 장치.
  7. 청구항 1 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 배출가스 정화수단의 다공성 필터와 열에너지 저장수단의 다공성 발열체 중 적어도 하나는 촉매 물질을 포함한 것을 특징으로 하는 디젤 배출가스 정화 장치.
  8. 청구항 1 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 배출가스 방향조절수단은 상기 열에너지 저장수단으로 통하는 관로와 상기 바이패스 관로를 각각 개폐하는 전자제어식 밸브로 구성된 것을 특징으로 하는 디젤 배출가스 정화 장치.
  9. 청구항 1 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 에너지 공급수단은 디젤 엔진의 발전기(alternator)나 축전지(배터리)의 전기 에너지를 공급받아 상기 열에너지 저장수단에 공급할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 디젤 배출가스 정화 장치.
  10. 청구항 1 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 에너지 공급수단은 상기 열에너지 저장수단에 마이크로파 에너지를 제공할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 디젤 배출가스 정화 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 에너지 저장수단은 유전체 재질의 다공성 발열체인 것을 특징으로 하는 디젤 배출가스 정화 장치.
  12. 청구항 1 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 에너지 공급수단은 상기 열에너지 저장수단에 전기 에너지를 제공할 수 있도록 구성되고,
    상기 열에너지 저장수단은 전기 에너지에 의해 발열하는 전도성 발열체인 것을 특징으로 하는 디젤 배출가스 정화 장치.
  13. 청구항 1 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 배기 관로 상에 구비되어 배출가스 상태를 검출하는 검출 수단과, 이 검출 수단의 검출 신호를 기초로 상기 에너지 공급수단과 상기 배출가스 방향조절수단의 동작을 제어하는 전자제어수단을 더 포함한 것을 특징으로 하는 디젤 배출가스 정화 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 전자제어수단은 상기 검출 수단의 신호를 입력받는 동시에 디젤 엔진 운전 상태의 검출 신호에 근거하여 상기 에너지 공급수단 및 상기 배출가스 방향조절수단의 동작을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 디젤 배출가스 정화 장치.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 전자제어수단은 필터의 매연 포집량 대신 상기 장치가 탑재된 차량의 주행 거리 정보를 기초로 소정 주행 거리마다 상기 열에너지 공급수단과 전자제어식 밸브의 동작을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 디젤 배출가스 정화 장치.
  16. 청구항 1의 디젤 배출가스 정화 장치를 이용한 제어방법으로, 상기 배출가스 정화수단과 상기 열에너지 저장수단 중 적어도 어느 하나의 다공성 필터에 포집된 매연의 양이 소정의 값 이상인 경우에, 열에너지 저장수단으로 통하는 관로를 차단함과 동시에 상기 바이패스 관로를 개방하도록 제어하고, 상기 열에너지 저장수단의 발열체가 가열되도록 제어하고,
    상기 배출가스 정화수단과 상기 열에너지 저장수단 중 적어도 어느 하나의 다공성 필터에 포집된 매연의 양이 소정의 값 이하인 경우에, 상기 열에너지 저장수단으로 통하는 관로를 개방함과 동시에 상기 바이패스 관로는 차단하도록 제어하고, 상기 열에너지 저장수단의 작동은 정지되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 디젤 배출가스 정화 장치의 제어방법.
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