KR100793892B1

KR100793892B1 - 매연여과장치용 입자상 물질 여과 시스템

Info

Publication number: KR100793892B1
Application number: KR1020060093700A
Authority: KR
Inventors: 이강수
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2008-01-15
Also published as: CN101153553B; US20080072756A1; US7435288B2; CN101153553A

Abstract

본 발명은 배기가스에 포함되어 있는 입자상 물질을 여과하여 강화된 배출가스규제의 요구에 부응할 수 있는 매연여과장치용 입자상 물질 여과 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 매연여과장치의 입구부 내주면에 설치된 우회 채널; 상기 우회 채널의 전면에 설치되어 있으며, 전압을 인가 받아 입자상 물질을 대전시키는 전극; 상기 전극의 작동을 제어하는 컨트롤 유닛;을 포함할 수 있다.

매연여과장치(diesel particulate filter, DPF), 입자상 물질(particulate material, PM)

Description

매연여과장치용 입자상 물질 여과 시스템{SYSTEM FOR FILTERING PARTICULATE MATERIAL OF DIESEL PARTICULATE FILTER}

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 매연여과장치용 입자상 물질 여과 시스템이 설치된 구조를 보인 개략도이다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 매연여과장치용 입자상 물질 여과 시스템의 구조를 보인 단면도이다.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 매연여과장치용 입자상 물질 여과 시스템의 구조를 보인 단면도이다.

도 4는 본 발명의 제2실시예에서 입자 응집기의 구조를 보인 개략도이다.

도 5는 배기가스에 포함되어 있는 입자들의 크기에 따른 농도 분포 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 엔진 20: 프론트 배기 파이프

30: 매연여과장치 40: 컨트롤 유닛

50: 리어 배기 파이프 100: 우회 채널

110: 전극 140: 가열유닛

150: 입자상 물질 검출기 180: 입자 응집기

본 발명은 매연여과장치용 입자상 물질 여과 시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 배기가스에 포함되어 있는 입자상 물질을 여과하여 강화된 배출가스규제의 요구에 부응할 수 있는 매연여과장치용 입자상 물질 여과 시스템에 관한 것이다.

유럽의 배기가스강화규제인 EURO-5에 따르면, 질소산화물(oxides of nitrogen), 탄화수소(HC) 등의 농도 기준이 강화되었을 뿐만 아니라 입자상 물질(particulate material, PM)에 대한 규제가 강화되었다. 즉, 입자상 물질에 대한 규제 기준이 입자상 물질의 무게, 발생되는 수량, 그리고 크기 등으로 확대될 예정이다. 따라서, 입자상 물질의 배출을 줄일 수 있는 여과 장치의 개발이 차량 설계자들의 큰 관심거리이다.

하지만, 현재 사용되고 있는 매연여과장치(diesel particulate filter, DEF)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 입자상 물질의 지름이 10㎛ 이상인 것만을 여과할 수 있는 것이 대부분이다.

그러나, 실제 디젤 엔진을 갖춘 차량에서 배출되는 입자상 물질은 그 지름이 2.5㎛ 미만인 것이 대부분이며, 이러한 크기의 입자상 물질은 여과되지 못하고 대기 중으로 배출되고 있는 실정이다.

특히, 건강에 해를 끼치는 입자상 물질은 직경이 가늘수록 공중에 오래 머물 며, 호흡기관에서 걸러지지 않고 폐 깊숙히 침투하여 피해를 끼친다.

이러한 입자상 물질들을 여과하기 위하여 세밀한 기공을 가진 물질을 사용하여 필터를 제작하는 방법이 있다. 그러나, 이러한 방법은 필터에 인가되는 배출압이 높아지게 되고, 촉매의 코팅이 어려운 문제점이 있었다.

또한, 엔진과 매연여과장치를 연결하는 프론트 배기 파이프에 입자 응집 장치(agglomerator for particulate material)를 설치하여 입자상 물질을 응집시킨 후 매연여과장치로 여과하는 방법이 있다.

그러나, 이러한 방법은 배기가스에 포함된 다양한 사이즈의 물질들을 일괄적으로 응집하기 때문에 필터에 인가되는 배출압이 높아지고 프론트 배기 파이프가 막히게 된다.

또한, 구형이 아닌 응집체가 지나치게 크게 형성되면 배기의 유동에 장애가 생길 수도 있다.

또한, 접촉식 응축기를 사용하는 경우 프론트 배기 파이프의 산화를 촉진해 내구성이 떨어지게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 작은 전기력을 이용하여 배기가스에 포함되어 있는 입자상 물질을 여과할 수 있는 매연여과장치용 입자상 물질 여과 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 여과된 입자상 물질만을 응집하여 필터에 인가되는 배출압이 높아지지 않도록 하는데 다른 목적이 있다.

또한, 기존의 여과장치를 사용할 수 있도록 하여 원가를 절감하는데 또 다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예들에 따른 매연여과장치용 입자상 물질 여과 시스템은, 매연여과장치의 입구부 내주면에 설치된 우회 채널; 상기 우회 채널의 전면에 설치되어 있으며, 전압을 인가 받아 입자상 물질을 대전시키는 전극; 상기 전극의 작동을 제어하는 컨트롤 유닛;을 포함할 수 있다.

본 발명의 제1실시예에 따른 매연여과장치용 입자상 물질 여과시스템에서, 상기 우회 채널의 후단부는 전도성이 큰 금속판으로 되어 있으며, 그 끝이 막혀 있을 수 있다.

상기 우회 채널의 후단부에는 상기 컨트롤 유닛의 제어에 의해 응집된 입자상 물질을 태우는 가열유닛과 상기 응집된 입자상 물질의 상태를 검출하여 그 신호를 상기 컨트롤 유닛에 전달하는 입자상 물질 검출부가 구비되어 있을 수 있다.

본 발명의 제2실시예에 따른 매연여과장치용 입자상 물질 여과 시스템에서,상기 우회 채널의 후단부는 뚫려 있으며, 컨트롤 유닛의 제어에 의해 입자상 물질을 응집시키는 입자 응집기가 상기 우회 채널에 설치되어 있을 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 매연여과장치용 입자상 물질 여과 시스템은 매연여과장치(30)와 컨트롤 유닛(40)을 포함한다.

매연여과장치(30)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 매연여과장치(30)의 전단부에 설치된 디퓨저(diffuser)(160)와 상기 매연여과장치(30)의 중간부에 설치된 필터(170)를 포함한다. 이러한 매연여과장치(30)의 구성 및 작동에 대하여는 당업자에게 자명하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

매연여과장치(30)는 프론트 배기 파이프(20)와 리어 배기 파이프(50) 사이에 설치되어 있다. 따라서, 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스는 프론트 배기 파이프(20)를 통해 매연여과장치(30)로 들어가고, 상기 매연여과장치(30)는 배기가스를 여과한다. 그 후, 여과된 배기가스는 상기 리어 배기 파이프(50)를 통하여 대기중으로 배출된다.

컨트롤 유닛(40)은 본 발명의 실시예들에 따른 매연여과장치용 입자상 물질 여과 시스템의 작동을 제어한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 매연여과장치용 입자상 물질 여과 시스템에서, 상기 매연여과장치(30)의 입구부 내주면에는 우회 채널(100)이 설치되어 있다.

상기 우회 채널(100)의 후단부는 전도성이 큰 금속판으로 되어 있으며, 그 끝이 막혀 있다.

또한, 상기 우회 채널(100)의 전면에는 전극(110)이 설치되어 있으며, 상기 우회 채널(100)의 후단부에는 가열유닛(140)과 입자상 물질 검출부(150)가 설치되어 있다.

상기 전극(110)은 상기 컨트롤 유닛(40)으로부터 전압을 인가 받아 입자상 물질을 대전시킨다.

상기 가열유닛(140)은 상기 컨트롤 유닛(40)의 제어에 의해 응집된 입자상 물질을 태운다.

상기 가열유닛(140)은 상기 우회 채널(100)을 둘러싸는 저항이 큰 코일로 할 수 있다. 또한, 상기 가열유닛(140)은 고전압을 인가받아 스파크를 일으키는 전극으로 할 수 있다.

상기 입자상 물질 검출부(150)는 상기 우회 채널(100)의 후단부(130)에 쌓여 있는 입자상 물질의 상태, 즉 응집된 입자상 물질의 크기 및 입자상 물질의 질량을 검출하여 그 신호를 상기 컨트롤 유닛(40)에 전달한다.

상기 컨트롤 유닛(40)은 상기 전극(160), 상기 가열유닛(140), 그리고 상기 입자상 물질 검출부(150)에 전기적으로 연결되어 있다.

상기 컨트롤 유닛(40)은 상기 전극(110)에 전압을 가하여 입자상 물질을 대전시키도록 제어한다.

또한, 상기 컨트롤 유닛(40)은 상기 입자상 물질의 상태 신호를 상기 입자상 물질 검출부(150)로부터 전달받고, 상기 입자상 물질을 태울 적절한 시기를 판단하 며, 상기 가열유닛(140)의 작동을 제어한다.

이하, 본 발명의 제1실시예의 작용을 상세히 설명한다.

엔진(10)으로부터 배출된 배기가스는 프론트 배기 파이프(20)를 통해 매연여과장치(30)에 들어간다. 이 경우, 상기 우회 채널(100)의 전면에 설치된 전극(110)은 배기가스를 구성하는 입자들을 대전시킨다.

이 경우, 대전된 입자들은 전기적 인력과 점성에 의한 저항력을 받아 입자들의 유동방향에 대하여 수직으로 이동한다. 입자들의 유동방향에 대하여 수직으로 이동한 거리()는 상기 전기적 인력과 상기 점성에 의한 저항력으로부터 다음과 같은 식으로 나타난다.

[수학식 1]

(여기서,

는 입자당 하전수,

는 기본 전하량,

는 커닝햄 미끄럼 보정 계수,

는 점성도,

는 입자의 지름을 나타낸다.)

위의 식으로부터 입자들이 유동방향에 대하여 수직으로 이동한 거리(

)는 입자의 지름(

)에 반비례함을 알 수 있다. 즉, 입자의 지름(

)이 작을수록 입자들은 매연여과장치(30)의 중심으로부터 멀리까지 이동한다. 따라서, 입자의 지름(

)이 작은 입자상 물질들은 매연여과장치(30)의 입구부 내주면에 설치된 우 회 채널(100)로 이동한다.

또한, 상기 배기가스를 구성하는 입자들에 작용하는 관성력은

에 비례한다. (여기서,

는 배기가스의 밀도,

는 배기가스의 속력을 나타낸다.)

따라서, 입자의 지름(

)이 작을수록 입자들은 관성력을 적게 받아 우회 채널(100)로 이동한다.

그 후, 상기 입자상 물질들은 상기 우회 채널(100)의 후단부로 이동하게 된다. 상기 우회 채널(100)의 후단부는 전도성이 큰 금속판으로 되어 있으므로, 입자상 물질들은 서로 충돌하며 상기 우회 채널(100)의 후단부에 응집된다.

또한, 상기 우회 채널(100)의 후단부에 설치된 입자상 물질 검출부(150)는 상기 응집된 입자상 물질의 상태를 검출하여 그 신호를 상기 컨트롤 유닛(40)에 전달한다. 이 경우, 상기 컨트롤 유닛(40)은 응집된 입자상 물질의 상태를 기초로 입자상 물질을 태울 시기를 결정하고, 결정된 시기에 기초하여 상기 가열유닛(140)을 작동시킨다.

이하, 도 3을 참조하여, 본 발명의 제2실시예의 구성 및 작용을 본 발명의 제1실시예와의 차이점을 위주로 설명한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 매연여과장치용 입자상 물질 여과 시스템에서, 상기 우회 채널(100)에는 입자 응집기(180)가 설치되어 있다. 상기 입자 응집기(180)는 상기 컨트롤 유닛(40)의 제어에 따라 우회 채널(100)로 들어온 입자상 물질을 응집한다.

이러한 입자 응집기(180)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 스파크를 방전하여 입자상 물질을 대전시키는 제1전극(190)과 대전된 입자상 물질들을 전기적 인력으로 끌어당겨 응집시키는 제2전극(200)을 포함한다. 이러한 입자 응집기(180)는 당업자에게 자명하므로 여기에서는 상세한 설명을 생략한다.

또한, 상기 우회 채널(100)의 후단부는 뚫려 있다. 따라서, 상기 입자 응집기(180)를 통해 응집된 입자들은 상기 우회 채널(100)을 통해 매연여과장치 내부로 들어간다. 그 후, 입자상 물질들은 다른 배기가스 물질과 마찬가지로 필터(170)에 의해 여과된 후 대기중으로 배출된다.

이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

본 발명에 의하면 작은 전기력을 이용하여 배기가스에 포함되어 있는 입자상 물질을 여과할 수 있으므로 대기오염을 줄일 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 배기가스에 포함된 입자상 물질만을 따로 모아 응집한 후 매연여과장치의 필터를 이용하여 여과하므로 필터에 인가되는 배출압을 일 정 수준으로 유지할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 기존의 매연여과장치를 이용하여 간단히 설치할 수 있으므로 원가가 절감되고 구조가 간단하다.

Claims

매연여과장치의 입구부 내주면에 설치된 우회 채널;

상기 우회 채널의 전면에 설치되어 있으며, 전압을 인가 받아 입자상 물질을 대전시키는 전극;

상기 전극의 작동을 제어하는 컨트롤 유닛;

을 포함하는 매연여과장치용 입자상 물질 여과 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 우회 채널의 후단부는 전도성이 큰 금속판으로 되어 있으며, 그 끝이 막혀 있는 것을 특징으로 하는 매연여과장치용 입자상 물질 여과 시스템.
제 2항에 있어서,

상기 우회 채널의 후단부에는 상기 컨트롤 유닛의 제어에 의해 응집된 입자상 물질을 태우는 가열유닛과 상기 응집된 입자상 물질의 상태를 검출하여 그 신호를 상기 컨트롤 유닛에 전달하는 입자상 물질 검출부가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 매연여과장치용 입자상 물질 여과 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 우회 채널의 후단부는 뚫려 있으며, 컨트롤 유닛의 제어에 의해 입자상 물질을 응집시키는 입자 응집기가 상기 우회 채널에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 매연여과장치용 입자상 물질 여과 시스템.