KR100899967B1 - 배기 가스 정화 장치 - Google Patents

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Abstract

배기 가스 정화 장치는, 디젤 엔진의 주 배기 라인에 설치된 주 디젤 미립자 필터와, 상기 주 디젤 미립자 필터의 상류 측의 분기점에서 상기 배기 라인으로부터 분기한 부 배기 라인과, 상기 부 배기 라인에 설치된, 상기 주 디젤 미립자 필터의 매연 적재 용량보다 작은 적재 용량을 가지는 부 디젤 미립자 필터와, 상기 부 배기 라인 중, 상기 부 디젤 미립자 필터의 하류 측에 설치되어 상기 분기점에서의 압력보다 낮은 압력을 제공하는 저압부와, 상기 부 디젤 미립자 필터의 입구 측과 출구 측의 차압을 측정하는 차압 측정부를 구비한다.

Description

배기 가스 정화 장치{EXHAUST GAS PURIFYING APPARATUS}
본 발명은 내연 기관의 배기 가스 정화 장치에 관한 것이며, 특히 디젤 미립자 필터 (DPF; diesel particulate filter) 를 구비하여 디젤 엔진의 배기 가스에 포함되는 미립자 (PM; particulate matter) 를 제거하는데 사용되는 배기 가스 정화 장치에 관한 것이다.
종래에는, 디젤 엔진으로부터 배출되는 C (탄소) 를 주로 하는 미립자 (PM) 를 포착하는데, 다공질 세라믹으로 구성되는 디젤 미립자 필터 (DPF) 가 사용되어 왔다. 이러한 디젤 미립자 필터에서는, 계속적인 사용에 따라 포착한 미립자가 서서히 퇴적하기 때문에, 디젤 미립자 필터를 사용한 배기 가스 정화 장치에서는, 퇴적한 미립자를 디젤 미립자 필터 안에서 정기적으로 연소시켜 제거하여, 디젤 미립자 필터를 재생하는 것이 행해지고 있다. 디젤 미립자 필터 안에서의 미립자의 퇴적을 방치하면, 디젤 미립자 필터 안에서 배기 가스에 의해 발생하는 압력이 과대하게 되어, 연비의 악화나 엔진의 손상을 초래하고 있다.
이러한 디젤 미립자 필터의 재생은, 필터를 교환하거나 떼어내거나 하는 일 없이, 디젤 엔진의 운전중에 실시하는 것이 바람직하고, 이 때문에, 폭발 연소 후, 실린더 안을 피스톤이 하강하고 있는 상태에서 더 연료 분사를 실시하는 (포스트 인젝션) 하고 있다. 이에 의해, 퇴적하고 있는 미립자가, 발생한 고온의 가스에 의해 연소된다.
도 1 은, 본 발명의 관련 기술에 의한, 종래의 디젤 미립자 필터를 구비한 디젤 엔진의 배기 가스 정화 시스템의 전체 구성을 나타낸다.
도 1 을 참조하면, 디젤 엔진 (11) 의 배기 라인 (12) 에는 디젤 미립자 필터 (12B) 가 설치되어, 상기 디젤 엔진 (11) 으로부터 배출되는 배기 가스 중의 미립자를 포착하고 있다.
도 2a 는 상기 디젤 미립자 필터 (12B) 의 개요를 나타내며, 도 2b 는 상기 디젤 미립자 필터의 구성 부품을 나타낸다.
상기 디젤 미립자 필터 (12B) 는 전형적으로는 SiC 등의 다공질 세라믹으로 이루어지는 필터 유닛 (12A) 으로 구성되며, 상기 필터 유닛 (12A) 안에는, 일단으로부터 타단으로 연장하는, 예를 들어 1 mm×1 mm 의 단면을 갖는 다수의 가스 통로 (12a) 가 형성되어 있다.
따라서, 상기 디젤 미립자 필터 (12B) 는 복수의 필터 유닛 (필터 구성 부품) (12A) 을 시일제 (접착층) 로 결속하여, 외주부를 절삭 가공하여 전체적으로 원주 형상으로 형성되어 있다. 또한, 필터 (12B) 의 외주면이 시일제 (코팅층) 에 의해 덮여 있다. 상기 디젤 미립자 필터 (12B) 는 하나의 유닛 (12A) 으로 형성되어 있는 경우도 있다.
도 2c 는 디젤 미립자 필터 (12B) 의 원리를 나타낸다.
도 2c 에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 상기 복수의 가스 통로 (12a) 는, 엔진으로부터 유입하는 배기 가스 유동 방향에 대해서 상류측 또는 하류측의 단부가 교대로 닫혀져 있어, 하나의 가스 통로 (12a) 에 도입된 배기 가스는 필터 (12B) 의 상기 다공질 부재 (12b) 를 관통하여 가스 통로를 통과한다. 따라서, 이와 같이 배기 가스가 다공질 부재 (12b) 안을 투과할 때에, 상기 배기 가스 중에 포함되는 미립자가 상기 다공질 부재 (12b) 에 의해 포착되며, 도 2d 에 나타내는 바와 같이 상기 미립자 (12c) 의 퇴적이, 상기 다공질 부재 (12b) 상에 층상으로 발생한다.
디젤 미립자 필터 (12B) 에는 내부에 배기 가스 중의 미립자가 퇴적되기 때문에, 앞서 진술한 바와 같이, 적절한 시점에서 클리닝 프로세스 (퇴적한 미립자의 연소) 를 실시하여 필터를 재생할 필요가 있다.
도 1 에서 설명한 종래의 배기 가스 정화 시스템에서는, 이와 관련된 필터의 재생은 차량이 소정의 주행거리, 예컨대 500 km 를 주행할 때마다, 예컨대 10분 넘게 행해지고 있다.
그러나, 이와 같이 포스트 인젝션에 의한 필터 재생을 일률적으로 행한 경우에는, 재생은 필터 내에서의 미립자의 실제의 포착량에 무관하게 실행되게 된다.
이러한 경우, 필터 안으로의 미립자의 과잉 퇴적이 발생하지 않도록, 필터 재생의 간격을 안전을 위하여 실제로 필요한 경우보다 짧게 설정해 두지 않으면 안 된다.
그러나, 이와 같이 포스트 인젝션에 의한 필터 재생을 과도하게 실시하면, 연료 소비가 증대해, 차량의 연비가 악화되어 버린다.
다른 한편으로는, 도 3 에 나타낸 바와 같이, 상기 디젤 미립자 필터 (12B) 의 상류측 및 하류측의 사이의 차압 (△P) 을 측정해, 상기 차압 (△P) 이 소정치에 도달하면 상기 디젤 미립자 필터 (12B) 의 재생을 포스트 인젝션에 의해 실행하는 구성이 알려져 있다. 미국 특허 문헌 6,952,920 을 참조한다.
도 3 의 구성에 의하면, 상기 디젤 미립자 필터 (12B) 의 재생이, 그 상류측과 하류측의 차압이 소정치에 도달한 경우에만 실행되기 때문에, 불필요한 포스트인젝션 공정이 행해지지 않는다. 이 때문에, 디젤 엔진을 탑재한 차량의 연비를 향상시킬 수 있다.
그런데 , 상기 디젤 미립자 필터 (12B) 내에서의 미립자의 포착은 일정하게 발생되지 않는다. 도 4 에 나타낸 바와 같이, 필터 (12B) 내의 위치 (A, 1), (B, 1), (C, 1), (A, 2), (B, 2), (C, 2), (A, 3), (B, 3), (C, 3) 에 의해, 포착된 미립자의 밀도나 두께가 상이하다 것을 알 수 있다. 또한, 퇴적한 미립자의 층 내에, 국소적인 배기 가스의 통로가 되는 공동이 발생하여 있는 것을 알 수 있다. 이러한 공동이 존재하는 것은, 포착된 미립자의 연소가 제어되어 있지 않다는 것을 나타내며, 또한 포착된 미립자의 국소적인 연소가 일어난 다는 것을 나타내고 있다.
또한, 도 5 에 나타낸 바와 같이, 미립자의 퇴적량이 동일해도, 포착된 미립자의 밀도가 상이할 수 있다. 도 5 는 퇴적량이 동일하여도 두께의 변화에 의해 차압이 크게 변화한다는 것을 나타내고 있다. 도 5 의 예에서 미립자의 퇴적량은 모두 8 g/L 이다. 그럼에도 불구하고, 도 5 로부터, 포착된 미립자의 두께가 109μm 에서 255μm 로 변화했을 경우, 차압은 15.3 kPa 에서 8.8 kPa 으로 변화하는 것을 알 수 있다. 이 경우에는, 약 2 배에 달하는 차압의 변화가 발생한다.
종래의 도 3 의 구성에서, 포착된 미립자 (12c) 내에 이와 같은 불균일하며 국소적인 공동이 발생하면, 실제로 퇴적한 미립자량과 차압 (△P) 은, 이론적인 계산치에 대해서,±50% 에 달하는 오차를 일으킨다. 이러한 오차의 결과, 실제로 퇴적한 미립자의 양과 재생 동작을 실행하는 타이밍의 관계가 크게 어긋나 버리게 된다. 게다가 배기 가스 압력 및 배기 가스 유량은 엔진의 부하나 회전수에 의해 변화하는 것을 감안하면, 종래의 도 3 의 구성에서, 디젤 미립자 필터 (12B) 내에서의 미립자의 퇴적량을 정확하게 검출하는 것은 매우 곤란하다고 할 수 있다.
또한 미국 특허 문헌 5,651,248 에는, 디젤 미립자 필터 외에 미립자 검출용 필터를 설치하여 디젤 미립자 필터에 포착된 미립자의 양을, 전기 저항 측정에 의해 구하는 구성이 기재되어 있다. 이 기술에서는, 디젤 미립자 필터에 포착된 미립자와 미립자 검출용 필터에 의해 포착된 미립자는, 검출된 저항값이 소정치 이하로 된 경우, 히터를 사용해 연소된다. 이로써, 디젤 미립자 필터의 재생이 이루어진다.
다른 한편으로, 이러한 종래 기술의 구성에서는, 디젤 미립자 필터에 히터를 설치할 필요가 있어, 구성이 복잡하게 되는 문제가 있으며, 또한 디젤 미립자 필터의 재생에 전력이 소비된다는 문제가 있다. 또한, 미국 특허 문헌 5,651,248 의 기술에서는, 필터 재생 시의 전력 소비를 절감하기 위해서, 디젤 미립자 필터로의 미립자의 퇴적이 한계에 이르는 즉시 재생을 실시하는 것이 불가결한 특정의 경 우를 제외하고, 재생동작을 미립자 검출용 필터의 온도가 소정 치보다 높은 상태를 선택하여 실행되고 있다. 그 결과, 이 기술에서는 재생 동작의 타이밍이 제약되고 또한 미립자 검출용 필터의 재생 동작에서의 자유도가 제약되게 된다.
또한 상기 미국 특허 문헌 5,651,248 의 기술에서, 히터에 의한 디젤 미립자 필터의 재생 작업 중에는, 그 디젤 미립자 필터를 사용하지 못하며, 이 때문에 예비의 디젤 미립자 필터를 마련해 두어 상기 재생 작업중에는 이 예비의 디젤 미립자 필터로 전환하고 있다. 그러나, 이러한 구성에서는, 동등의 디젤 미립자 필터를 2개 설치할 필요가 있어, 추가로 전환 밸브가 필요하고, 배기 가스 정화 장치의 구성이 대규모로 된다는 문제가 있다. 이러한 배기 가스 정화 장치를 소형의 차량에 탑재하는 것은 곤란하다.
또한, 상기 미국 특허 문헌 5,651,248 의 기술에서는, 상기 미립자 검출용 필터를 디젤 미립자 필터와 동시에, 혹은 디젤 미립자 필터의 재생에 연속하여 재생하고 있지만, 미립자 검출용 필터의 재생 타이밍을 임의로 선택할 수 없기 때문에, 미립자 검출용 필터 상태 여하에 따라서는, 디젤 미립자 필터의 재생 타이밍에 오차가 발생하기 쉽다는 문제가 있다.
만일 디젤 미립자 필터의 재생과 미립자 검출용 필터의 재생을 독립적으로 실시하면, 미립자 검출용 필터의 재생을 실시한 시점에서, 미립자 검출용 필터의 통기 저항이 감소하여, 배기 가스는 주로 미립자 검출용 필터를 통하여 유동하게 된다. 그 결과, 디젤 미립자 필터의 재생 타이밍 검출에 오차가 발생한다. 이러한 이유로 인하여, 상기 미국 특허 문헌 5,651,248 의 기술에서는, 앞서 진술 한 바와 같이, 미립자 검출용 필터의 재생과 디젤 미립자 필터의 재생을 동기 시켜 행한다.
또한, 상기 미국 특허 문헌 5,651,248 의 기술은, (a) 매연 퇴적, (b) 열화에 의한 큰 예상 오차의 문제점을 가지고 있다.
또한, 상기 미국 특허 문헌 5,651,248 의 기술에서는, 포착된 미립자의 퇴적량을 예상하는데 전극의 전기 저항을 측정한다고 하는, 그 원리 그 자체에 기인하는 문제점이 있다.
도 5 에 나타낸 바와 같이, 퇴적량이 같더라도 포착된 미립자의 두께는 변할 수 있다. 거기서, 포착된 미립자의 두께가 상이하다면 전기 저항을 정확하게 측정하는 것이 곤란해져, 퇴적량의 예상치에 오차가 발생하게 된다.
게다가 디젤 미립자 필터나 미립자 검출용 필터에, 미립자의 연소 후에 매연의 퇴적이 발생한 경우에는, 이미 정확한 전기 저항의 측정은 이루어질 수 없어, 퇴적량의 예상에 큰 오차가 발생하게 된다.
또한 미립자 검출용 필터의 사용에 따라, 시간 경과 및 배기 가스 환경 내에서의 사용에 의한, 필터나 전극에 열화가 생긴다. 특히 전극 (도전성 금속으로 이루어지는 단자) 은, Cu, Cr, Ni 등의 금속이 함침된 것이므로, 산화, 불순물 부착, 갈라짐, 부식 등의 물리적 열화나 산화 열화, 열 열화가 발생하기 쉽다.
필터나 전극이 열화 했을 경우에는, 이미 전기 저항을 정확하게 측정하지 못하여, 퇴적량의 산출 결과에 오차가 발생하게 된다.
본 발명은 디젤 엔진의 주 배기 라인에 설치된 주 디젤 미립자 필터와; 상기 주 디젤 미립자 필터의 상류 측에 위치된 분기점에서 상기 주 배기 라인으로부터 분기한 부 배기 라인과; 상기 부 배기 라인에 설치된, 상기 주 디젤 미립자 필터의 매연 저장 용량보다 작은 매연 저장 용량을 갖는 부 디젤 미립자 필터와; 상기 부 배기 라인 중, 상기 부 디젤 미립자 필터의 하류 측에 설치되어 상기 분기점에서의 압력보다 낮은 압력이 형성되는 저압부와; 상기 부 디젤 미립자 필터의 입구측과 출구측의 차압을 측정하는 차압 측정부를 구비한 배기 가스 정화 장치에 의해 상기의 과제를 해결한다.
본 발명에 의하면, 주 디젤 미립자 필터의 미립자 퇴적 용량보다 퇴적 용량이 작고, 따라서 불균일한 미립자 퇴적이 발생하기 어려운 부 디젤 미립자 필터를 사용해, 부 디젤 미립자 필터에 발생하는 차압을 측정함으로써, 주 디젤 미립자 필터에서의 미립자의 퇴적량을 간단하고 용이하게 측정하는 것이 가능하게 된다. 이 때문에, 포스트 인젝션에 의한 연비의 악화를 억제하는 것이 가능하게 된다. 또한 본 발명에 의하면, 부 디젤 미립자 필터의 재생을 주 디젤 미립자 필터와 독립적으로 실행하는 것이 가능해져, 주 디젤 미립자 필터 내에서의 미립자의 퇴적량을 부 디젤 미립자 필터를 사용하여 항상, 정확하게 측정하는 것이 가능하게 된다. 또한, 매연 퇴적이나 필터나 전극의 열화를 받기 어렵고, 정확한 측정을 실행하는 것이 가능해진다.
본 발명에서는 상기 부 디젤 미립자 필터의 하류측 단부를 디젤 엔진의 저압 부에 접속함으로써, 배기 가스를 상기 부 디젤 미립자 필터에 확실하게 공급시킬 수 있다. 상기 저압부는 디젤 엔진의 흡기계 혹은 배기계의 어디에 위치되어도 좋다.
또한, 본 발명에 의하면, 배기 가스 라인 (21) 내의 배기 가스가 부 디젤 미립자 필터의 재생에 따라, 상기 부 배기 라인 (21A) 의 통기 저항이 상기 부 디젤 미립자 필터의 재생에 의해 감소함으로써, 상기 부 배기 라인에 밸브를 마련해 그 유량을 일정하게 제어함으로써 상기 부 배기 라인 (21A) 에 집중하는 문제를 회피하는 것이 가능하다. 따라서, 주 디젤 미립자 필터에서의 미립자의 포착은, 부 디젤 미립자 필터와 동일하게 행해져, 그 결과, 상기 부 디젤 미립자 필터의 차압 측정에 의해 구해진 주 디젤 미립자 필터로의 미립자 퇴적량의 추정치가, 실제로 주 디젤 미립자 필터에서의 미립자 량으로부터 벗어나게 되는 문제가 회피된다.
본 발명의 일 실시 형태에 있어서, 디젤 엔진의 주 배기 라인에 설치된 주 디젤 미립자 필터와, 상기 주 디젤 미립자 필터의 상류 측에 위치된 분기점에서 상기 주 배기 라인으로부터 분기된 부 배기 라인과, 상기 부 배기 라인에 설치된, 상기 주 디젤 미립자 필터의 매연 저장 용량보다 적은 매연 저장 용량을 갖는 부 디젤 미립자 필터와, 상기 부 배기 라인 중, 상기 부 디젤 미립자 필터의 하류 측에 설치되어 상기 분기점에서의 압력보다 낮은 압력을 제공하는 저압부와, 상기 부 디젤 미립자 필터의 입구 측과 출구 측의 차압을 측정하는 차압 측정부를 포함한 배기 가스 정화 장치를 제공한다.
상기 배기 가스 정화 장치의 실시 형태에 있어서, 상기 부 디젤 미립자 필터의 하류 측에서의 상기 부 배기 라인 하류 측 단부가 상기 디젤 엔진의 공기 흡입부에 접속되도록, 상기 부 배기 라인은 부 디젤 미립자 필터의 하류 측에서 하류 측 단부를 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 하류 측 단부는, 에어 필터의 상류 측에 접속되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 하류 단부가 주 디젤 미립자 필터의 하류 측에서 주 배기 라인에 연결되도록 상기 부 배기 라인은 부 디젤 미립자 필터의 하류 측에서 상기 하류 단부를 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 하류 단부가 디젤 엔진의 배기 가스 재순환 라인에 연결되도록 부 배기 라인은 부 디젤 미립자 필터의 하류 측에서 상기 하류 단부를 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 부 배기 라인에는 유량계 혹은 당량계 (equivalent meter) (예컨대, 가스 유속계) 가 설치되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 부 배기 라인에는 온도 측정부가 설치되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 부 미립자 필터에는 히터가 설치되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 부 배기 라인에는 상기 부 배기 라인 내에서의 상기 배기 가스의 유량을 소정치로 유지하는 밸브가 설치되어 있는 것이 바람직하다.
상기 배기 가스 정화 장치는 홀더를 더 포함하며, 상기 차압 측정부, 온도 측정부, 부 디젤 미립자 필터, 및 유량계 혹은 당량계 (예컨대, 가스 유속계) 의 적어도 하나가, 홀더에 수용되어 있는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해, 도면을 참조하여 설명한다.
[제 1 실시 형태]
도 6 은, 본 발명의 제 1 실시 형태에 의한 배기 가스 정화 장치 (20) 의 구성을 나타낸다.
도 6 을 참조하면, 도시되지 않는 디젤 엔진으로부터의 배기 가스는 배기 라인 (21) 을 경유하여, 도 2a 에서 설명한 것과 동일한 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 에 유입되며, 상기 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 는 도 2c 및 2d 에서 설명한 것처럼 상기 배기 가스 중의 미립자를 포착한다.
또한, 도 6 의 구성에서는, 상기 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 로부터 상류 측에서, 부 배기 라인 (21A) 이 상기 주 배기 라인 (21) 으로 부터 분기하며, 상기 부 배기 라인 (21A) 에는 부 디젤 미립자 필터 (22A) 가 상기 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 의 체적 용량보다 작은 체적 용량으로 제공되어 있다. 또한, 상기 부 디젤 미립자 필터 (22A) 의 입구와 출구의 사이의 차압 (△P) 을 측정하는 차압계 (22B) 가 설치되어 있다. 또한, 도 6 의 구성에서는 상기 부 디젤 미립자 필터 (22A) 의 하류 측에서 유량계 (24) 와 제어 밸브 (23) 가 상기 부 배기 라인 (21A) 에 설치되며, 상기 제어 밸브 (23) 는 상기 유량계 (24) 에 의한 측정에 기초하여 상기 부 배기 라인 (21A) 에서의 배기 가스 유량을 일정하게 유지하는데 사용된다. 이 제어 밸브 (23) 와 유량계 (24) 는 상기 부 배기 라인 (21A) 의 어디에 설치해도 좋다. 여기서 상기 부 디젤 미립자 필터 (22A) 와, 상기 차압계 (22B) 와, 유량계 (24) 는, 배기 가스 중에 포함되는 미립자의 양을 측정하는 미립자 (PM) 센서를 구성한다. 상기 미립자 (PM) 센서는 온도 측정부 (T1) 를 포함하도록 구성되어도 좋다. 또한, 상기 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 에 온도 측정부 (T2) 를 설치하는 것도 가능하다.
이 배기 라인 중의 온도 측정부는, 다음의 어느 하나에 설치해도 좋다.
(1) 주 디젤 미립자 필터의 내부, (2) 부 디젤 미립자 필터의 내부, (3) 이에 접속된 배관 (파이프) 내, (4) 주 디젤 미립자 필터의 외부, 혹은 (5) 부 디젤 미립자 필터의 외부. 배기 가스 온도의 정확한 측정이 가능하게 되는 관점으로부터는, 구성 (1) 혹은 (2) 이 바람직하며, 특히 구성 (2) 이 보다 바람직하다.
도 6 의 예에서는, 상기 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 는, 35 ~ 65 % 의 기공율을 갖는 SiC 등의 다공질 세라믹으로 이루어지며, 벌집 구조를 형성하지만, 상기 가스 흐름 방향에 수직인 단면에서, 한 변이 1.1mm 의 직사각형의 가스 통로가, 도 2b 의 가스 통로 (12a) 에 대응해 형성되고 있는 것을 알 수 있으며, 가스 통로는 서로 약 0.3 mm의 거리만큼 떨어져 형성되어 있고, 전체적으로 격자형의 패턴을 형성하고 있다.
도 7a 는 상기 부 디젤 미립자 필터 (22A) 를 포함한 전체 구성을 나타내며, 도 7b 는 상기 부 디젤 미립자 필터 (22A) 의 원리를 나타낸다.
상기 부 디젤 미립자 필터 (22A) 는 상기 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 와 같은 다공질 세라믹에 의해 구성될 수 있다. 상기 부 디젤 미립자 필터를 다공질 세라믹에 의해 구성하는 경우에는, 상기 부 디젤 미립자 필터가 직사각형 형상의 셀 (22b) 을 포함하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 주 디젤 미립자 필터 (22) (DPF) 내에서의 배기 가스 통로 (도 3 의 통로 (12a) 에 대응) 의 전체 체적의 5% 이하, 예를 들어 0.05 ~ 5%, 혹은 65ml 이하, 예를 들어 0.05 ~ 65ml 의 체적을 갖는 단일 가스 통로 (22a) 가 형성된다. 다른 안으로서, 상기 가스 통로 (22a) 는 O.1 ~ 1OOO㎠ (바람직하게는 1 ~ 10㎠) 의 여과 면적을 갖을 수 있다. 상기 가스 통로 (22a) 는 예를 들어 직사각형 단면 형상을 가지며, 그 일단이 닫혀져 있다 (하나의 셀의 경우에는 후단이 닫혀있다). 여기서, 상기 가스 통로 (22a) 의 외형 형상 혹은 상기 부 디젤 미립자 필터 (22A) (셀 (22b)) 의 외형 형상은, 상기 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 의 가스 통로의 단면 형상과 동일한 필요는 없고, 원형, 정방형, 팔각형, 타원형 등, 임의의 형상이어도 좋다. 또한, 상기 디젤 미립자 필터 (22A) (셀 (22b)) 를 구성하는 다공질 세라믹은, 상기 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 를 구성하는 다공질 세라믹과 동일한 필요는 없다. 또한, 상기 부 디젤 미립자 필터 (22A) (셀 (22b)) 는 세라믹 이외의 재료로 형성되어도 좋다.
상기 가스 통로 (22a) 를, 상기 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 내의 배기 가스 통로 (도 3 의 통로 (12a) 에 대응) 의 5% 이하의 체적으로 형성함으로써, 혹은 65ml 이하의 체적으로 형성함으로써, 혹은 O.1 ~ 1OO0㎠ (바람직하게는 1 ~ 1O㎠) 의 여과 면적으로 형성함으로써, 상기 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 내의 미립자 퇴적량의 측정을 간단한 순서로 실시할 수 있게 된다.
상기 셀 (22b) 에는 배기 가스 온도 (T) 를 측정하는 온도 측정부가 설치되며, 상기 온도 측정부에는 열전대 (22d) 가 설치되어 있다. 또한, 상기 셀 (22b) 의 주위에는 상기 내벽 표면에 퇴적한 매연 층 (22c) 을 연소시켜 상기 부 디젤 미립자 필터 (22A) 를 재생하기 위해서, 히터 (22h) 가 감겨져 있다. 또한, 셀 (22b) 과 열전대 (22d) 와 히터 (22h) 는, Al2O3 등의 절연물 (인슐레이터) (22i) 을 통하여 SiO2-Al2O3 등으로 이루어진 원통형의 홀더 (22e) 에 수용되어 있고, 또한, 상기 홀더 (22e) 에는 상기 부 배기 라인 (21A) 내의 배기 가스가 상기 압력계 (22B) 에 공급되도록, 상기 차압 (△P) 을 측정하는 다이어프레임 압력계 (22B) 가 설치되어 있다. 상기 홀더 (22e) 는 금속 하우징에 수용되어 있고, 미립자 (PM) 센서로서 상기 부 배기 라인에 설치된다. 상기 홀더 (22e) 는, 또한 상기 부 배기 라인의 배관 내에 설치해도 좋고, 상기 부 배기 라인 내에서 금속 하우징에 수용된 상태로 설치해도 좋다.
그래서, 상기 부 배기 라인 (21A) 의 배기 가스가 상기 셀 (22b) 의 배기 가스 통로 (22a) 에 도입되면, 상기 배기 가스는 상기 셀 (22b) 의 벽면을 통과하여 셀 외측으로 흘러 상기 배기 가스 내의 미립자가 도 2c 의 경우와 동일하게 포착된다. 그 때, 미립자는 상기 셀 (22b) 의 내벽면에 퇴적하여, 미립자층 (22c) 을 형성한다.
본 실시형태에서는, 이와 같이 포착되어 상기 디젤 미립자 필터 (22) 의 내벽면에 퇴적한 미립자 (22c) 의 퇴적량이, 이와 같이 하여 얻어진 상기 차압 (△P) 과 배기 가스 온도 (T) 와 배기 가스 유량 (Q) 으로부터, 식 (1) 을 사용해, 이하와 같이 산출된다.
도 8 은 상기 도 6 의 부 디젤 미립자 필터 (22A) 의 보다 상세한 구성을 나타낸다.
도 8 을 참조하면, 상기 부 배기 라인 (21A) 내의 배기 가스는, 화살표로 나타낸 바와 같이, 상기 셀 (22b) 내의 가스 통로 (22a) 에 공급되어 상기 셀을 통과 후, 측방 혹은 후방에 배출된다. 따라서, 상기 셀 (22b) 상의 히터 (22h) 는 구동 라인 (22b1) 을 통하여 공급되는 전력에 의해 구동되어, 상기 셀 (22b) 에 의해 포착된 미립자 (22c) 의 연소가 발생한다. 또한, 상기 다이어프레임 압력계 (22B) 의 출력 신호가, 신호 라인 (22p) 을 통하여 제어 회로로 공급된다.
상기 도 7a 및 7b 의 부 디젤 미립자 필터 (22A) 에서는, 상기 부 디젤 미립자 필터에 포착된 미립자의 매연 적재량이 이하의 식에 의해 산출된다.
△P=function (유량, 온도, 매연 적재량, 형상)
이하에 바람직한 실시 예를 나타내지만 (다른 표현을 사용하는 것도 가능하다), 이 실시 예에서는, 상기 부 디젤 미립자 필터에 포착된 미립자층의 두께 W[m] 가 이하의 식에 의해 계산된다.
Figure 112007074042446-pat00001
여기서 △P는 차압 [Pa] 을 나타내며, μ 는 동점성 계수를 나타내며, Q 는 [㎥/h] 로 나타낸 배기 가스 유량을 나타내며, α 는 셀의 일 변의 길이를 나타내며, ρ 는 배기 가스의 비중을 나타내며, Vtrap 는 필터 체적을 나타내며, Ws 는 벽두께를 나타내며, Kw 는 벽의 가스 투과율을 나타내며, Ksoot 는 포착된 미립자층의 가스 투과율을 나타내며, W 는 포착된 미립자층의 두께를 나타내며, F 는 계수 (=28.454) 를 나타내며, L 는 유효 필터 길이를 나타내며, β 는 다공질벽의 포르히하이머 (Forchheimer) 계수를 나타내며, ζ 는 배기 가스의 유입 및 유출의 내부 손실 계수를 나타낸다.
다음으로, 상기 셀 (21b) 에 의해 포착된 미립자의 질량 msoot 가 이하의 식에 의해 구해진다.
Figure 112007074042446-pat00002
여기서, msoot 는 포착된 미립자의 질량 [g] 을 나타내며, Ncel1s 는 입구측의 셀의 개구 수를 나타내며,ρsoot 는 포착된 미립자의 밀도를 나타낸다.
거기서, msoot 를, 상기 부 디젤 미립자 필터 (22A) 의 전회의 재생 시점으로부터 측정한 시간 (경과시간) [h] 으로 나눔으로서, 단위시간 당의 포착량 PM[g/h] 이 구해진다.
이와 같이 단위시간에 퇴적한 미립자의 질량 PM[g/h] 이 구해지면, 배기 가 스내의 미립자 농도 PMconc[g/㎥] 가, 상기 부 디젤 미립자 필터 (22A) 를 통과하는 배기 가스의 유량 Q2[㎥/h] 을 사용하여 구해진다.
Figure 112007074042446-pat00003
상기 배기 가스중의 미립자의 농도 PMconc 는, 상기 부 배기 라인 (21A) 에서도, 주 배기 라인 (21) 에서도 동일한 값을 취하기 때문에, 상기 디젤 미립자 필터 (22) 에 유입한 미립자의 양 PMenter fu1l filter [g/h] 는 상기 단위시간 당의 미립자의 질량 PM [g/h] 를 사용하여, 이하와 같이 구해진다.
Figure 112007074042446-pat00004
또한, 지금부터, 상기 필터 내에 퇴적한 미립자의 양을, 필터의 포착 효율을 감안해 구한다. 이상의 설명에서, Q1 는, 상기 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 를 통과하는 배기 가스의 유량을 나타낸다. Q1 는 실제의 측정에 의해, 혹은 엔진의 운전 상황으로부터 추정된다.
도 9 는, 도 6 의 배기 가스 정화 장치의 상기 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 의 전후에서 발생하는 차압과, 상기 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 에서의 미립자의 퇴적량과의 관계를 나타내며, 여기서 실선은, 상기 부 디젤 미립자 필터 (22A) 및 식 (1) ~ (4) 를 사용하여 구해지는, 상기 주 디젤 미립자 필터 (22) 에서의 미립자 퇴적량을 나타낸다. 한편, 파선은 상기 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 의 전후에서의 차압으로부터 직접 구한 경우의, 상기 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 에서의 미립자의 퇴적량을 나타낸다.
도 9 를 참조하면, 동일한 미립자 퇴적량으로 비교할 때, 상기 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 의 전후 차압의 ±50% 에 이르는 오차가 발생하는 것을 알 수 있다.
이에 대해, 상기 부 디젤 미립자 필터의 전후에서의 차압 (△P) 을 구하여, 식 (1) ~ (4) 을 사용함으로써, 상기 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 에 포착된 미립자의 퇴적량을, ±10% 의 오차로 구할 수 있다.
거기서, 본 발명에 의하면, 도 6 의 배기 가스 정화 장치에서, 작은 체적의 상기 부 디젤 미립자 필터 (22A) 에서 형성되는 차압 (△P) 을 측정함으로써, 상기 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 내에서의 미립자의 퇴적량을 정확하게 예상하는 것이 가능하게 되며, 그 결과에 기초하여 포스트 인젝션을 실시함으로써, 상기 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 의 재생을, 최적 타이밍으로 실행하는 것이 가능하게 된다. 이로써, 불필요한 포스트 인젝션이 회피되어 차량의 연비가 향상된다.
도 6 의 구성에서, 유량계 (24) 는, 공지의 벤츄리 유량계, 열선 유량계 등을 사용하는 것이 가능하고, 그 때, 상기 유량계 (24) 는 제어 밸브 (23) 를 이용하여, 예를 들어 50 ~ 6000 m1/분의 범위에서, 상기 부 배기 라인 (21A) 내에서의 배기 가스 유량을 대략 일정하게 제어하는 것이 가능하다. 이로써, 배기 가스가 상기 부 배기 라인 (21A) 에 치우쳐 흐르는 것이 회피되어 상기 부 디젤 미립자 필터 (22A) 에 의해 얻어진 퇴적량으로부터 상기 주 미립자 포착 필 터 (DPF) (22) 내의 미립자 퇴적량을 보다 고정밀도로 구하는 것이 가능하게 될 수 있다.
여기서, 「상기 부 디젤 미립자 필터의 입구와 출구의 사이의 차압을 측정하는 차압 측정부」란, 상기 부 디젤 미립자 필터의 입구 (22A) 와 출구의 차압을 측정하는 차압계를 포함할 뿐만 아니라, 디젤 미립자 필터 (22A) 의 출구 측에만, 압력계를 사용하는 구성도 포함하는 것이다. 이러한 구성에서는, 초기 상태 (재생 직후 상태) 의 압력치가 기억되어 있으며, 상기 차압은 상기 부 디젤 미립자 필터 (22A) 에 미립자의 퇴적이 발생하는 상태의 압력을 측정하여, 이와 같이 하여 얻어진 압력치를 상기 기억된 초기 압력값으로부터 뺌으로써 구해진다.
또한, 상기 차압을 측정하는데 있어서, 상기 유량계 혹은 유속계를, 상기 부 디젤 미립자 필터의 입구 측 및 출구 측에, 혹은 출구 측에만 설치할 수도 있다. 이러한 구성에 의하면, 상기 차압은 상기 부 디젤 미립자 필터의 입구 측 및 출구 측에 설치된 유량계, 유속계, 등의 판독치로부터 구해진다. 혹은, 상기 차압은, 상기 부 디젤 미립자 필터의 출구 측의 상기 유량계나 유속계의 판독치로부터, 초기 상태 (재생 직후 상태) 의 판독치와 상기 부 디젤 미립자 필터에 미립자의 퇴적이 발생한 상태의 판독치를 비교함으로써, 구해질 수 있다.
본 발명은, 상기 부 디젤 미립자 필터 (22A) 에 대하여 구해진 차압으로부터, 식 (1) 을 사용함으로써 상기 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 에 포착된 미립자의 양을 구하는 것을 특징으로 하며, 상기 부 디젤 미립자 필터의 차압을 측정하기 위해서는, 종래 차압을 측정하는데 사용되고 있는 것을 포함하여 여타의 다른 계측기를 사용해도 좋다.
[제 2 실시 형태]
도 10 은, 도 6 의 배기 가스 정화 장치를 사용한 본 발명의 제 2 실시 형태에 의한 배기 가스 정화 방법을 나타내는 순서도이다.
도 10 을 참조하면, 단계 1 에서, 상기 부 배기 라인 (21A) 내의 유량은 상기 유량계 (24) 를 사용함으로써, 또한 경우에 따라서는 밸브 (23) 을 사용함으로써, 50 ~ 6000 m1/분의 범위로 설정되어 상기 부 디젤 미립자 필터 (22A) 전후의 차압 (△P) 이, 상기 차압계 (22B) 에 의해 검출된다. 또한, 상기 온도 측정부 (T1) 를 사용하여, 상기 배기 가스의 온도가 측정된다.
다음으로, 단계 2 에서, 상기 부 디젤 미립자 필터 (22A) 에 포착된 미립자의 층 두께 (W) 가, 식 (1) 에 따라, 상기 단계 1 에서 구해진 차압 (△P) 으로부터 구해 질 수 있다. 여기서, 상기 배기 가스의 온도 (T) 는, 상기 부 디젤 미립자 필터 (22A) 의 온도 측정부 (T1) 를 사용하는 대신에, 상기 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 의 온도 측정부 (T2) 를 사용하여 구해도 좋다. 또한, 상기 온도 (T) 는, 상기 온도 측정부 (Tl, T2) 의 온도로부터 산출 (예를 들어 평균치, 최대치, 최소치 등) 할 수도 있다. 상기 미립자의 양을 정확하게 산출하는 것이 가능하게 되는 관점에서는, 상기 부 미립자 필터 (22A) 의 온도 측정부 (T1) 를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 온도 측정부로서는 열전대를 사용할 수 있지만, 온도를 측정할 수 있는 것이라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있다. 또한, 배기관 내의 배기 가스 온도를 측정하는 것이 바람직하지만, 필터 혹은 셀의 온도를 측정해도 좋다.
또한, 단계 2 에서는, 셀 (21b) 에 의해 포착된 미립자의 질량 msoot 이, 단계 1 에서 검출된 층두께 (W) 로부터, 상기 식 (2) 에 의해 구해진다.
또한, 단계 3 에서, 상기 부 디젤 미립자 필터 (22A) 의 셀 (22b) 에 퇴적한 미립자층의 질량 msoot 이 소정의 영역 값 Th0 의 초과 여부가 판정되어, 결과가 N0 (Th0 를 넘지 않은 경우) 이면, 프로세스는 단계 1 로 되돌려진다.
한편, 상기 단계 3 에서 상기 부 디젤 미립자 필터 (22A) 의 셀 (22b) 에 퇴적한 미립자층의 질량 msoot 이 상기 소정 영역치 Th0 를 넘었을 경우에는, 단계 4 에서 상기 히터 (22h) 가 구동되어 미립자 (22c) 가 연소에 의해 제거된다.
한편, 도 10 의 프로세스에서는, 단계 11 에서, 상기 단계 2 에서 구해진 상기 셀 (22b) 내에 포착된 미립자의 질량 msoot 를 사용하여, 상기 배기 가스 내에 미립자의 농도 PM 가 상기 식 (3) 에 의해 구해져, 상기 식 (4) 및 상기 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 의 포착 효율로부터 상기 주 디젤 미립자 필터 (22) 에 퇴적한 미립자의 양 PMenter full filter 이 구해진다.
따라서, 단계 12 에서는, 상기 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 내에서의 미립자 퇴적량 PMenter fu1l filter 이 소정의 영역치 Th1 를 초과했는지 여부가 판정되어 판정 결과가 NO (Th1 를 넘지 않은 경우) 이면, 프로세스는 단계 S11 로 되돌려진다.
한편, 상기 단계 12 에서, 상기 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 내에서의 미립자의 퇴적량 PMenter full filter 가 상기 영역치 Th1 를 넘었다고 판정된 경우에는, 단계 13 에서 엔진 제어 유닛 (ECU) 을 컨트롤하여 포스트 인젝션이 실행되며, 상기 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 내에 퇴적한 미립자가, 연소에 의해 제거된다. 이로써, 필터의 재생이 이루어진다.
도 10 의 프로세스에서는, 상기 부 디젤 미립자 필터 (22A) 의 재생과 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 의 재생을 독립적으로 실행할 수 있어 상기 부 디젤 미립자 필터 (22A) 를 구성하는 셀 (22b) 내에 퇴적한 미립자 (22c) 의 양, 즉 매연층의 양을, 예를 들어 0.5g/l 이하의 작은 값으로 상시 유지할 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 부 디젤 미립자 필터 (22A) 를 사용한 미립자 센서의 감도를 향상시킬 수가 있다.
도 6 의 구성에서는, 밸브 (23) 가 상기 부 배기 라인 (21A) 에 설치되어 있지만, 상기 부 디젤 미립자 필터 (22A) 의 재생을 상기 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 와 독립적으로 실행해도, 배기 가스가 주로 상기 부 디젤 미립자 필터를 유동하는 것과 같은 상황은 발생하지 않고, 상기 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 내의 미립자 퇴적량의 예상에 오차가 발생하지 않는다.
따라서, 상기 밸브 (23) 는 상기 부 배기 라인 (21A) 내의 가스 유량을 엄밀하게 일정하게 유지할 필요는 없고, 상기 부 배기 라인 (21A) 으로의 극단적인 배기 가스의 편향을 회피할 수 있으면 충분하다.
이와 같이, 본 발명의 제 2 실시 형태에서는, 상기 차압 (△P) 과 상기 배기 가스의 온도 (T) 와 상기 배기 가스 유량 (Q) 이 측정되며 (단계 1), 상기 식 (1) 및 (2) 을 사용하여 상기 제 2 디젤 미립자 필터에 의해 포착된 미립자의 질량을, 상기 측정 결과로부터 구할 수 있으며 (단계 2), 상기 식 (3), (4), 및, 또한 상기 주 디젤 미립자 필터의 포착 효율을 사용하여 상기 주 디젤 미립자 필터에 포착된 미립자의 양을 구할 수 있다 (단계 11).
도 10 에서, 또 이하에 설명하는 도 11 에서도, 상기 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 는 DPF 로서 표기되며, 한편 상기 부 디젤 미립자 필터 (22A) 는 부 DPF 로서 표기되어 있다. 또한, 상기 미립자의 퇴적은, 「DPM depo」로 나타나 있다.
한편, 상기 주 디젤 미립자 필터 내에 포착된 미립자를 구하는 프로세스는, 도 11 에 나타낸 바와 같이 변형될 수도 있다.
즉, 도 11 에서, 상기 주 디젤 미립자 필터에 포착된 미립자의 양을 구하는 프로세스 (단계 11) 는, 상기 단계 1 에서 얻어진 측정 결과를 사용하여, 상기 부 디젤 미립자 필터 내에 포착된 미립자의 양을 구하는 프로세스 (단계 2) 와 병행하여 행해진다.
도 12 는, 도 6 의 배기 가스 정화 장치를 장착한 디젤 엔진 시스템의 전체 구성을 나타낸다. 도 12 에서, 앞서 설명한 부분에는 동일한 참조 부호를 부여하였으며, 설명을 생략한다.
도 12 의 본 발명의 일 실시형태에서, 디젤 엔진의 주 배기 라인 (21) 에 설치된 주 디젤 미립자 필터 (22) 와, 상기 주 디젤 미립자 필터 (22) 의 상류측의 분기점에 위치된 상기 주 배기 라인 (21) 으로부터 분기된 부 배기 라인 (21A) 과, 상기 부 배기 라인 (21A) 에 설치된, 상기 주 디젤 미립자 필터 (22) 의 매연 저장 용량보다 적은 매연 저장 용량을 갖는 부 디젤 미립자 필터 (22A) 와, 상기 부 배기 라인 (21A) 중, 상기 부 디젤 미립자 필터 (22A) 의 하류 측에 설치되어 상기 분기점에서의 압력보다 낮은 압력을 제공하는 저압부 ①, ②, ③ 와, 상기 부 디젤 미립자 필터 (22A) 의 입구 측과 출구 측의 차압을 측정하는 차압 측정부 (22B) (도 6 참조) 를 포함한 배기 가스 정화 장치를 제공한다.
하류 측 단부가 디젤 엔진의 공기 흡입부 ② 로 연결되도록, 상기 부 배기 라인 (21A) 은 부 디젤 미립자 필터 (22A) 의 하류 측에서 상기 하류 측 단부를 가지는 것이 바람직하다.
상기 하류 측 단부는 에어 필터 (11AF) 의 상류 측 ② 에 접속되어 있는 것이 바람직하다.
하류 측 단부가 주 디젤 미립자 필터 (22) 의 하류 측 ① 에서 주 배기 라인 (21) 으로 연결되도록, 부 배기 라인 (21A) 은 부 디젤 미립자 필터 (22A) 의 하류 측에서 하류 측 단부를 가지는 것이 바람직하다.
하류 측 단부가 디젤 엔진 (11) 의 배기 가스 재순환 라인 ③ 에 연결되도록, 부 배기 라인 (21A) 은 부 디젤 미립자 필터 (22A) 의 하류 측에서 하류 측 단부를 가지는 것이 바람직하다.
도 12 를 참조하면, 디젤 엔진 (11) 은 흡입 라인 (11in) 을 포함한 흡기계 및 주 배기 라인 (21) 을 포함한 배기계를 구비하고 있으며, 상기 흡입 라인 (11in) 에는 에어 필터 (11AF) 가 설치되어 있다. 또한, 에어 필터 (11AF) 의 하류 측에서 상기 흡입 라인 (11in) 의 일부에는 배기 가스로 구동되어 흡입한 에어를 압축하는 터보 챠지 (11T) 의 임펠러 (C) 가 설치되어 있다. 상기 터보 챠지 (11T) 에서 압축된 에어는, 에어 쿨러 (11AC) 에서 냉각된 후, 밸브 (11AV) 로 유량 제어되면서, 상기 디젤 엔진 (11) 으로 도입된다.
상기 디젤 엔진 (11) 의 배기 가스는 상기 배기 라인 (21) 에 배출되어 상기 터보 챠지 (11T) 의 터빈 (T) 을 구동한 후, 산화물 촉매 (DOC) 22Ox 및 도 6 의 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 를 통하여 배출된다. 따라서, 상기 엔진 배기 가스의 일부는 밸브 (21V) 를 포함한 EGR 시스템에 의해 상기 주 배기 라인 (21) 으로부터 엔진의 상류 측, 흡입 라인에, NOx 저감을 위해서 되돌려진다.
또한, 상기 에어 필터 (11AF) 에는, 상기 흡입 라인 (11in) 내의 공기 온도 및 유량을 측정하는 센서 (S1) 가 설치되고 있으며, 상기 밸브 (11AV) 와 엔진 (11) 의 사이에는, 흡기 에어 온도 및 압력을 측정하는 센서 (S2, S3) 가 설치되어 있다. 또한, 상기 주 배기 라인 (21) 에는, 상기 산소 촉매 22Ox 로부터 배출된 배기 가스의 온도를 측정하는 센서 (S4) 가 설치되며, 또한 도 6 의 구성에 대응하여, 상기 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 전후의 차압을 측정하는 차압계 (도시 생략) 가 설치되어 있다.
도 12 의 구성에서는, 도 6 에서 설명한 부 배기 라인 (21A) 이 상기 주 배기 라인 (21) 으로부터 분기되어 있으며, 상기 부 배기 라인 (21A) 에는 부 디젤 미립자 필터 (22A) 가 설치되어 있다. 따라서, 상기 부 디젤 미립자 필터 (22A) 의 배기 출구는, ① 상기 주 디젤 미립자 필터 (DPF) (22) 의 하류 측 단부, ② 상기 에어 필터의 상류 측에서의 에어 흡입 라인 (11in), ③ 상기 EGR 시스템의 일부, 특히 엔진의 배기측과 밸브 (21V) 의 사이 등, 상기 부 디젤 미립자 필터 (21A) 의 입구보다 압력의 낮은 부분에 접속되며, 상기 주 배기 라인 (21) 내의 배기 가스가 상기 부 디젤 미립자 필터 (22A) 로 흡인된다. 이는, 상기 도 6 의 구성에서, 부 디젤 미립자 필터 (22A) 의 하류 측에 흡인 펌프를 연결한 것과 동일하고, 상기 부 디젤 미립자 필터 (22A) 에 배기 가스를 확실하게 공급하는 것이 가능하게 된다.
또한, 이상에서는, 상기 주 미립자 필터 (DPF) (22) 및 부 디젤 미립자 필터 (22A) 로서 SiC 로 이루어진 벌집 부재를 사용하는 경우에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이러한 특정의 필터 부품으로 한정되는 것이 아니고, Si-SiC, 질화 알루미늄이나 질화 규소, 질화붕소, 질화 텅스텐 등의 질화물, 탄화 지르코늄, 탄화 티탄, 탄화 탄탈, 탄화 텅스텐 등의 탄화물, 알루미나, 산화 지르코늄, 코제라이트, 뮬라이트, 실리카, 티탄산 알루미늄 등의 산화물, 혹은 스테인레스 등의 금속의 다공질체를 사용하는 것도 가능하다. 또한, 벌집 구조 외에도, 콜 게이트 (corrugate) 나 엘리먼트 판 (element plate) 등의 구조체를 사용하는 것도 가능하다.
본 발명의 실시 형태의 배기 가스 정화 장치는 소형이며, 트럭이나 산업 기계 등의 대형 차량뿐만 아니라, 승용차에도 적용 가능하다.
도 1 은 종래의 배기 가스 정화 장치를 사용한 엔진의 전체도.
도 2a 는 디젤 미립자 필터의 개략적 구성을 나타내는 도면.
도 2b 는 디젤 미립자 필터의 구성요소를 나타내는 도면.
도 2c 는 디젤 미립자 필터의 동작 원리를 나타내는 도면.
도 2d 는 디젤 미립자 필터에 의해 포착된 미립자 상태를 나타내는 도면.
도 3 은 본 발명의 관련 기술에 의한 배기 가스 정화 장치를 사용한 엔진 시스템의 전체 구성을 나타내는 도면.
도 4 는 도 3 의 배기 가스 정화 장치의 문제점을 설명하는 도면.
도 5 는 도 3 의 배기 가스 정화 장치의 문제점을 설명하는 다른 도면.
도 6 은 본 발명의 제 1 실시 형태에 의한 배기 가스 정화 장치의 구성을 나타내는 도면.
도 7a 는 도 6 에서 사용되는 부 디젤 미립자 필터의 구성을 나타내는 도면.
도 7b 는 도 7a 의 부 디젤 미립자 필터의 원리를 설명하는 도면.
도 8 는 도 6 의 부 디젤 미립자 필터를 사용한 미립자 (PM) 센서의 구성을 나타내는 도면.
도 9 는 본 발명의 효과를 설명하는 도면.
도 10 은 본 발명의 제 2 실시 형태에 의한 배기 가스 정화 장치에서의 디젤 미립자 필터의 재생동작을 설명하는 순서도.
도 11 은 본 발명의 제 2 실시 형태에 의한 배기 가스 정화 장치에서의 디젤 미립자 필터의 다른 재생동작을 설명하는 순서도.
도 12 은 도 6 의 배기 가스 정화 장치를 포함한 디젤 엔진의 전체 구성을 나타내는 도면.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
11: 디젤 엔진
12: 배기 라인
12A: 필터 유닛
12B: 디젤 미립자 필터
12a: 가스 통로
12b: 다공질 부재
20: 배기 가스 정화 장치
21: 주 배기 라인
21A: 부 배기 라인
22: 주 디젤 미립자 필터
22A: 부 디젤 미립자 필터
22a: 배기 가스 통로
22b: 셀
22b1: 구동 라인
22c: 미립자 층
22d: 열전대
22e: 홀더
22h: 히터
22p: 신호 라인
23: 제어 밸브
24: 유량계

Claims (10)

  1. 디젤 엔진의 주 배기 라인에 설치된 주 디젤 미립자 필터,
    상기 주 디젤 미립자 필터 상류측의 분기점에서 상기 주 배기 라인으로부터 분기된 부 배기 라인,
    상기 부 배기 라인에 설치된 부 디젤 미립자 필터로서, 상기 주 디젤 미립자 필터의 매연 저장 용량보다 작은 매연 저장 용량을 가지는 상기 부 디젤 미립자 필터,
    상기 부 배기 라인에서, 상기 부 디젤 미립자 필터의 하류 측에 설치되어 상기 분기점의 압력보다 낮은 압력을 제공하는 저압부 및,
    상기 부 디젤 미립자 필터의 입구와 출구 사이에 발생하는 차압을 측정하는 차압 측정부를 포함하고,
    상기 부 배기 라인은 상기 부 디젤 미립자 필터의 하류 측에 하류 측 단부를 가지며, 상기 하류 측 단부는 상기 디젤 엔진의 공기 흡입부에 연결되어 있는 배기 가스 정화 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하류 측 단부는 에어 필터의 상류 측에 연결되어 있는 배기 가스 정화 장치.
  4. 디젤 엔진의 주 배기 라인에 설치된 주 디젤 미립자 필터,
    상기 주 디젤 미립자 필터 상류측의 분기점에서 상기 주 배기 라인으로부터 분기된 부 배기 라인,
    상기 부 배기 라인에 설치된 부 디젤 미립자 필터로서, 상기 주 디젤 미립자 필터의 매연 저장 용량보다 작은 매연 저장 용량을 가지는 상기 부 디젤 미립자 필터,
    상기 부 배기 라인에서, 상기 부 디젤 미립자 필터의 하류 측에 설치되어 상기 분기점의 압력보다 낮은 압력을 제공하는 저압부 및,
    상기 부 디젤 미립자 필터의 입구와 출구 사이에 발생하는 차압을 측정하는 차압 측정부를 포함하고,
    상기 부 배기 라인은 상기 부 디젤 미립자 필터의 하류 측에 하류측 단부를 가지며, 상기 하류측 단부는 상기 주 디젤 미립자 필터의 하류 측에서 상기 주 배기 라인에 연결되어 있는 배기 가스 정화 장치.
  5. 디젤 엔진의 주 배기 라인에 설치된 주 디젤 미립자 필터,
    상기 주 디젤 미립자 필터 상류측의 분기점에서 상기 주 배기 라인으로부터 분기된 부 배기 라인,
    상기 부 배기 라인에 설치된 부 디젤 미립자 필터로서, 상기 주 디젤 미립자 필터의 매연 저장 용량보다 작은 매연 저장 용량을 가지는 상기 부 디젤 미립자 필터,
    상기 부 배기 라인에서, 상기 부 디젤 미립자 필터의 하류 측에 설치되어 상기 분기점의 압력보다 낮은 압력을 제공하는 저압부 및,
    상기 부 디젤 미립자 필터의 입구와 출구 사이에 발생하는 차압을 측정하는 차압 측정부를 포함하고,
    상기 부 배기 라인은 상기 부 디젤 미립자 필터의 하류 측에서 하류 측 단부를 가지며, 상기 하류측 단부는 상기 디젤 엔진의 배기 가스 재순환 라인에 연결되어 있는 배기 가스 정화 장치.
  6. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부 배기 라인은 유량계 또는 당량계 (equivalent meter) 를 더 포함하는 배기 가스 정화 장치.
  7. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부 배기 라인은 온도 측정부를 더 포함하는 배기 가스 정화 장치.
  8. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부 디젤 미립자 필터는 히터를 포함하는 배기 가스 정화 장치.
  9. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부 배기 라인은 상기 부 배기 라인 내에서 상기 배기 가스의 유량을 조절하는 밸브를 포함하는 배기 가스 정화 장치.
  10. 디젤 엔진의 주 배기 라인에 설치된 주 디젤 미립자 필터,
    상기 주 디젤 미립자 필터 상류측의 분기점에서 상기 주 배기 라인으로부터 분기된 부 배기 라인,
    상기 부 배기 라인에 설치된 부 디젤 미립자 필터로서, 상기 주 디젤 미립자 필터의 매연 저장 용량보다 작은 매연 저장 용량을 가지는 상기 부 디젤 미립자 필터,
    상기 부 배기 라인에서, 상기 부 디젤 미립자 필터의 하류 측에 설치되어 상기 분기점의 압력보다 낮은 압력을 제공하는 저압부 및,
    상기 부 디젤 미립자 필터의 입구와 출구 사이에 발생하는 차압을 측정하는 차압 측정부를 포함하는 배기 가스 정화 장치로서,
    상기 배기 가스 정화 장치는 홀더를 더 포함하며,
    상기 차압 측정부, 상기 온도 측정부, 상기 부 디젤 미립자 필터 및 상기 유량계 또는 당량계의 적어도 하나가, 상기 홀더에 수용되어 있는 배기 가스 정화 장치.
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