KR101043103B1 - 배기가스 재연소장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기가스 재연소장치, 특히 기존의 배기파이프 단부에 간단하게 장착하여 재연소를 위한 가열 또는 연료주입 및 점화 등의 부가적인 수단이 배제된 간단한 구조로서 배기가스의 연소효율을 향상시키기 위한 것인 바, 본 발명은 내연기관의 엔진부(E)로부터 연소된 배기가스가 배출되는 배기파이프(P1)의 단부에 장착되어 불연소된 배기가스를 재연소시키기 위한 배기가스 재연소장치에 있어서, 상기 배기파이프(P1)의 일단부에 장착되어 이 배기파이프(P1)로부터 배출되는 배기가스를 포집하여 재연소후 외부로 연소된 가스를 배출하는 상기 하우징부(100)와; 상기 하우징부(100)의 일측을 관통하여 하우징부(100)의 내측과 연통되는 공급파이프(200)로 연결되어 하우징부(100)의 내측에 에어를 공급하는 에어콤프레샤(300)와; 상기 하우징부(100)의 내측에 포집되는 배기가스가 상기 에어콤프레샤(300)로부터 공급된 에어와 충분히 섞여 연소될 수 있도록 상기 하우징부(100) 내측의 일정부분을 구획하는 칸막이(400)가 포함되어 이루어진다.
엔진부, 배기가스, 재연소, 배기파이프, 모터, 에어콤프레샤

Description

배기가스 재연소장치 {REHEATING TREATMENT APPARATUS OF WASTE GAS}
본 발명은 배기가스 재연소장치에 관한 것으로, 본 발명은 기존의 배기파이프 단부에 간단하게 장착하여 재연소를 위한 가열 또는 연료주입 및 점화 등의 부가적인 수단이 배제된 간단한 구조이며, 또한 기존의 연소실에서 불연소되어 배출되는 배기가스에 신선한 공기를 공급하여 완전연소시키는 방식으로 기존의 촉매방식보다 연료의 소모가 현저히 절약되는 배기가스 재연소장치를 제공하는 데 있다.
일반적으로 내연기관의 배출가스는 일반적으로 이산화탄소, 일산화탄소, 탄화수수, 황상화물, 질소산화물, 암모니아, 오존, 옥시던트 등이 있다. 이산화탄소와 같은 기체는 지구온난화 문제를 발생시키며, 그 외의 일산화탄소, 탄화수소, 질소 산화물, 황산화물 등과 같은 배출가스는 인체에 해로운 환경 오염 물질이다. 따라서 자동차와 같은 내연기관의 배출가스는 환경오염의 주범이어서 세계는 내연기관의 배출가수 질을 개선하기 위하여 각종 규제와 연구 개발을 진행시키고 있다.
커먼레일 디젤엔진은 재연소 시설, 분진 필터 등의 장착으로 발달로 클린디 젤이라고 불리울 정도로 배출가스가 개선되고 있으며 총량 배출가스에서도 가솔린엔진에 비하여 50％ 정도록 작다. 이는 가솔린 엔진이 배출하는 배기 가스의의 경우 산화 탄소 및 탄화 수소등이 디젤에 비하여 매우 많기 때문이다. 반면, 디젤엔진의 배기가스는 90％ 이상은 질소와 산소이며 규제 대상의 질소산화물(NOx)과 입자상물질(PM)등의 비율이 가솔린 엔진에 비하여 일반적으로 현저하게 높으나 새로 개발된 디젤엔진 이러한 물질이 전체 배기 가스의 0.09％에 지나지 않는다. 그러나 유럽연합(EU)은 더욱 엄격한 규제치를 실현하기 위해서 2005년에 실시되는 유로4에서는 주행 1km 당 PM과 NOx배출량은 규제도입 전의 10％ 이하로 할 것을 요구하고 있다. 따라서 이산화탄소, 질소산화물 및 입자상물질의 엄격한 규제치 실현하기 위하여 CO2배출량이 적은 소형차를 많이 만드는 것과 질소산화물 및 입상물질이 적은 디젤차의 개량이 당면한 과제이다.
내연 기관의 배출 가스에 포함된 환경오염 물질을 감소시키는 방법은 크게 연소내 처리 방식(internal process system), 재연소 방식 그리고 연소후 처리방식(External process system)이 있다. 연소내 처리 방식은 완전 연소를 위한 연료의 양과 공기와의 혼합 비율 그리고 폭발 등에 대한 전자제어에 의하여 완벽하게 제하는데 어려움이 있어 완전 연소를 성취하기가 매우 어렵다. 일 예로, 커민스 인 - 실린더 연소(Cummins In-Cylinder Solution) 방식의 경우, 커민스 엔진의 배기가스 저감 대책의 가장 근간이 되는 연소기술로, 연료가 인젝터에서 분사되어 발화되기까지 엔진 연소실 내부의 화학적 작용과 변화의 전 과정을 정밀 분석하여 배기가 스 반응의 최적화를 설계한다. 이 설계 주도 분석기법(Design Lead Anlysis)의 적용으로 연소 현상의 최적상태를 분석하여 여러 가지 모델링 중 가장 높은 효율을 선정한 후 소음/진동/냉각/연비효율/출력 등의 고성능을 제공하는 내구 부품을 개발하여야 차세대 환경 규제를 만족시킬 수 있는 기본 기술력을 확보할 수 있다. 따라서 최적화 설계, 분석 기법의 개발 및 적용, 고성능 내구 부품의 개발등의 과제가 있다. 또한, 기존의 자동차나 공장에 설치되어 있는 내연 기관에 적용하지 못한다는 단점도 있다.
연소후 처리방식은 연소내 처리 방식에 비하여 기존의 장착된 내연 기관에 적용하기가 용이하고, 제어가 쉽고 제작 비용도 저렴하여 많은 연구 개발이 행하여지고 있다. 연소후 처리 방식은 크게 필터 및 촉매를 이용한 방식과 재연소 방식이 있으며 구체적으로는 플라즈마 방식, 전기히터 방식, E-beam 방식, 디젤입자필터(Diesel Particulate Filter: DPF) 방식, 디젤 산화촉매 방식(Diesle Oxidation Catalyst: DOC), 4-way 촉매 방식 등이 있다. 필터 촉매를 이용한 방식의 경우, 배기온도를 충분히 높게 유지하면 일산화탄소 CO와 탄화수소 HC에 대해서는 질소산화물 NOx가 산화제로서 작용하고, 한편 CO와 HC는 NOx의 환원제로서 작용하여 3성분을 동시에 절감할 수 있다. 일 예로, 디젤 경유 차량의 경우, 산화촉매장치(Diesel Oxidation Catalyst, DOC)는 경유차량 배출가수 중의 유해한 CO 및 HC와 입자상물질 중 용해성유기물질(Soluble Organic Fraction, SOF)를 세라믹담체에 코팅된 백금계 촉매와 반응시켜 무해한 CO2, H2O로 각각 정화 및 저감시킨다. 또한, 필터 방 식의 매연여과장치(Diesel Particulate Filter trap, DPF)는 자동차 배출가스 중 입자상물질(PM)을 필터로 여과하며, 추가로 입자상물질을 엔진의 배출가스 열 또는 전기히터 등을 이용하여 감소시키기도 한다. 연소후 처리 방식은 이미 1990년대부터 세계적으로 많은 연구가 수행되었으며 제품으로 판매되어 장착되고 있다. 그러나 이러한 촉매나 필터를 이용한 방식은 시간이 경과하면서 부식되거나 성능이 떨어진다는 단점으로 인하여 수명에 한계가 있어 요구 성능을 유지하기 위해서는 교체가 요구된다. 또한, 장비의 복잡성 및 원가대비 저효율성 등의 해결해야할 단점이 있다.
재연소 방식은 배기가스를 다시 연소실로 공급하는 방식(Exhaust Gas Recirculation)과 외부의 연소실을 이용하여 연소시키는 방식(Exhaust Gas recombustion)이 있다. 전자의 경우, 배기가스 재연소 장치는 연료의 연소 과정에서 발생되는 NOx를 저감하기 위해 배기가스 일부를 냉각시킨 후 흡입공기와 함께 연소실로 재공급시키는 장치이다. 이 장치는 낮은 공기 : 연료비(A : F ratio)를 적용해 환경규제를 만족하는 동시에 기존의 엔진 성능과 출력, 그리고 연비 효율을 향상시킬 수 있는 장치로 현재 고출력 상용차용 엔진, 산업용 고마력 엔진 등에 일부 적용된다. 다만, 이 방식을 적용하기 위해서는 연료의 황 함유량이 적어도 50ppm이하의 저유황 경유를 사용해야 장치내의 황산염의 퇴적을 막아 내구성을 보장받을 수 있으며, 배기가스 냉각 장치의 추가 적용으로 차량에 강력한 냉각장치의 보강이 요구되는 단점이 있다.
종래의 재연소 방식의 경우 재연소를 위하여 고전압/고전류가 필요하거나, 재연소를 위한 연료의 주입 및 점화 등의 부가적인 장치가 필요하다. 그러한 후자인 부가 장치는 주 엔진과 비슷한 것으로써 궁극적으로는 보조연소실을 추가한 것이다. 따라서 고전압/고전류를 이용한 재연소 방식 및 연료의 주입 및 점화를 통하 재연소 모두 설계 및 제작 비용이 추가적으로 소요되며 제어와 운용이 복잡하다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여 기존의 배기파이프 단부에 간단하게 장착하여 재연소를 위한 가열 또는 연료주입 및 점화 등의 부가적인 수단이 배제된 간단한 구조의 배기가스 재연소장치의 구현이 요구되고 있다.
본 발명은 상기한 점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 기존의 배기파이프 단부에 간단하게 장착하여 재연소를 위한 가열 또는 연료주입 및 점화 등의 부가적인 수단이 배제된 간단한 구조의 배기가스 재연소장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 기존의 연소실에서 불연소되어 배출되는 배기가스에 신선한 공기를 공급하여 완전연소시키는 방식으로 기존의 촉매방식보다 연료의 소모가 현저히 절약되는 배기가스 재연소장치를 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 배기가스 재연소장치는 내연기관의 엔진부로부터 연소된 배기가스가 배출되는 배기파이프의 단부에 장착되어 불연소된 배기가스를 재연소시키기 위한 배기가스 재연소장치에 있어서, 상기 배기파이프의 일단부에 장착되어 이 배기파이프로부터 배출되는 배기가스를 포집하여 재연소후 외부로 연소된 가스를 배출하는 상기 하우징부와; 상기 하우징부의 일측을 관통하여 하우징부의 내측과 연통되는 공급파이프로 연결되어 하우징부의 내측에 에어를 공급하는 에어콤프레샤와; 상기 하우징부의 내측에 포집되는 배기가스가 상기 에어콤프레샤로부터 공급된 에어와 충분히 섞여 연소될 수 있도록 상기 하우징부 내측의 일정부분을 구획하는 칸막이가 포함되어 이루어진다.
상기 엔진부로부터 배출되는 배기가스가 상기 하우징부의 내측에서 에어와 섞이는 동시에 배기가스의 온도를 상승시켜 연소효율을 높일 수 있도록 하우징부로 배기가스가 유입되는 방향의 칸막이 일면에는 백금이 도포되며, 상기 하우징부는 평단면이 장방형으로 이루어지되 하우징부의 내측에서 순환되는 배기가스 및 에어의 섞임 효율을 높일 수 있도록 하우징부의 모서리는 라운딩된다.
상기 에어콤프레샤의 공급파이프는, 상기 하우징부의 일측에 연통되어 상기 엔진부에 연결되는 배기파이프에 직각방향으로 상기 하우징부의 일측을 관통하는 제1공급파이프와, 상기 제1공급파이프의 일단부에 연통되게 직각으로 연결되어 상기 배기파이프와 일정거리 이격된 상태로 상기 배기파이프에 평행하게 상기 하우징부의 내측에 위치되는 제2공급파이프로 이루어진다.
상기 제1공급파이프 및 제2공급파이프는 그 주벽에 내외부를 관통하는 복수의 통공이 형성되며, 상기 각각의 통공으로부터 배출되는 에어의 압력이 균일하도록 상기 제1공급파이프 주벽의 단위면적당 통공의 갯수보다 상기 제2공급파이프 주벽의 단위면적당 통공의 갯수가 더 다수개로 이루어진다.
본 발명에 따른 배기가스 재연소장치는
첫째, 기존의 배기파이프 단부에 간단하게 장착하여 엔진부의 배기가스를 재연소시켜 대기 환경오염을 대폭 절감시킬 수 있는 유용한 효과가 있다.
둘째, 기존의 연소실에서 불연소되어 배출되는 배기가스에 신선한 공기를 공 급하여 완전연소시키는 방식으로 기존의 촉매방식보다 연료의 소모가 현저히 절약됨으로써 경제적으로 매우 유리한 효과가 있으며, 또한 이로 인해 대도시의 대기오염으로부터 질병을 예방하는 등 국가적으로 파급되는 시너지 효과는 매우 탁월하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명은 한정하지 않는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 배기가스 재연소장치의 전체구성을 도시한 개략도이고, 도 2는 도 2는 본 발명의 하우징부 상부가 절개된 상태의 사시도이며, 도 3은 도 2의 일부를 발췌한 요부확대도로서, 본 발명은 내연기관의 엔진부(E)로부터 연소된 배기가스가 배출되는 배기파이프(P1)의 단부에 장착되어 불연소된 배기가스를 재연소시키기 위한 배기가스 재연소장치에 있어서, 상기 배기파이프(P1)의 일단부에 장착되어 이 배기파이프(P1)로부터 배출되는 배기가스를 포집하여 재연소후 외부로 연소된 가스를 배출하는 상기 하우징부(100)와; 상기 하우징부(100)의 일측을 관통하여 하우징부(100)의 내측과 연통되는 공급파이프(200)로 연결되어 하우징부(100)의 내측에 에어를 공급하는 에어콤프레샤(300)와; 상기 하우징부(100)의 내측에 포집되는 배기가스가 상기 에어콤프레샤(300)로부터 공급된 에어와 충분히 섞여 연소될 수 있도록 상기 하우징부(100) 내측의 일정부분을 구획하는 칸막이(400) 가 포함되어 이루어진다(도 1의 도면부호 M은 에어콤프레샤를 구동하기 위해 에어콤프레샤와 일체형으로 부착된 구동모터를 나타내며, 도 1,2,4,5의 도면부호 P2는 하우징부에서 재연소된 가스가 배출되는 배기파이프를 나타낸다).
상세하게 상기 칸막이(400)는 상부와 하부가 각각 상기 하우징부(100)의 상면과 하면에 밀착되며, 양측으로 구획된 부분이 상호 일정부분 연통되도록 상기 칸막이(400)의 일측단부는 상기 하우징부(100)의 측벽과 밀착고정되고, 타측단부는 하우징부(100)의 측벽과 일정거리 이격된 개구부(N)가 형성된다.
상기 칸막이(400) 및 개구부(N)의 구비로 인하여 상기 배기파이프(P1)를 통해 유입된 배기가스가 상기 칸막이(400)의 일면에 부딪치면서 상기 에어콤프레샤(300)로부터 유입된 공기와 원활하게 섞이면서 연소될 수 있으며, 이렇게 연소된 공기는 상기 칸막이(400)의 개구부(N)를 통해 하우징부(100)의 일측에 연통되는 또 다른 배기파이프(P2)를 통해 외부로 배출된다.
상기 도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이, 상기 엔진부(E)로부터 배출되는 배기가스가 상기 하우징부(100)의 내측에서 에어와 섞이는 동시에 배기가스의 온도를 상승시켜 연소효율을 높일 수 있도록 하우징부(100)로 배기가스가 유입되는 방향의 칸막이(400) 일면에는 백금이 도포된다. 즉, 상기 하우징부(100)로 유입된 고온(약 550℃)의 배기가스와 상기 에어콤프레샤(300)로부터 유입된 에어가 섞이는 동시에 이렇게 섞인 공기가 칸막이(400) 일면에 백금이 도포된 백금도포부(410)에 부딪치면서 공기의 온도가 상승하여 연소의 효율을 높이게 된다. 한편, 백금과 고온의 공 기가 접촉되면서 공기의 열이 상승되는 화학적인 원리는 그 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 공지된 기술로서 이하 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
상기 도 1에서 보는 바와 같이, 상기 하우징부(100)는 평단면이 장방형으로 이루어지되 하우징부(100)의 내측에서 순환되는 배기가스 및 에어의 섞임 효율을 높일 수 있도록 하우징부(100)의 모서리는 라운딩된다. 즉, 상기 엔진부(E)로부터 배기되는 가스가 1차적으로 연소된 후 엔진부(E)와 상기 하우징부(100)를 잇는 배기파이프(P1)로부터 하우징부(100)의 내측으로 유입된 다음 하우징부(100)의 내측에서 상기 에어콤프레샤(300)를 통해 유입된 공기와 섞이는 과정에 하우징부(100)의 내측에서 원활하게 순환이 이루어지도록 상기 하우징부(100)의 모서리부에는 외향볼록부(110)가 형성된다.
상기 도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이, 상기 에어콤프레샤(300)의 공급파이프(200)는, 상기 하우징부(100)의 일측에 연통되어 상기 엔진부(E)에 연결되는 배기파이프(P1)에 직각방향으로 상기 하우징부(100)의 일측을 관통하는 제1공급파이프(210)와, 상기 제1공급파이프(210)의 일단부에 연통되게 직각으로 연결되어 상기 배기파이프(P1)와 일정거리 이격된 상태로 상기 배기파이프(P1)에 평행하게 상기 하우징부(100)의 내측에 위치되는 제2공급파이프(220)로 이루어진다.
상기 도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이, 상기 제1공급파이프(210) 및 제2공 급파이프(220)는 그 주벽에 내외부를 관통하는 복수의 통공(211,221)이 형성되며, 상기 각각의 통공(211,221)으로부터 배출되는 에어의 압력이 균일하도록 상기 제1공급파이프(210) 주벽의 단위면적당 통공(211)의 갯수보다 상기 제2공급파이프(220) 주벽의 단위면적당 통공(221)의 갯수가 더 다수개로 형성된다.
도 4는 본 발명에 따른 배기가스 재연소장치의 사용상태도이고, 도 5는 본 발명에 따른 배기가스 재연소장치의 또 다른 사용상태도로서, 상기 구동모터(M)의 구동에 의해 에어콤프레샤(300)에 연결된 상기 제1공급파이프(210)와 이 제1공급파이프(210)의 단부에 직각으로 연통되게 연결되는 제2공급파이프(220)의 각 통공(211,221)을 통해 유입된 에어가 상기 배기파이프(P1)로부터 하우징부(100)의 내측으로 유입된 고온의 배기가스와 섞이면서 연소되는 과정을 나타내며, 이렇게 연소된 공기가 상기 하우징부(100)의 일측벽에 연통되게 연결된 또 다른 배기파이프(P2)를 통해 외부로 배출되는 과정을 나타낸다(도 1 참조).
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 배기가스 재연소장치는 기존의 배기파이프 단부에 간단하게 장착하여 재연소를 위한 가열 또는 연료주입 및 점화 등의 부가적인 수단이 배제된 간단한 구조의 배기가스 재연소장치를 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 배기가스 재연소장치의 전체구성을 도시한 개략도,
도 2는 본 발명의 하우징부 상부가 절개된 상태의 사시도,
도 3은 도 2의 일부를 발췌한 요부확대도,
도 4는 본 발명에 따른 배기가스 재연소장치의 사용상태도,
도 5는 본 발명에 따른 배기가스 재연소장치의 또 다른 사용상태도이다.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100 : 하우징부 110 : 외향볼록부
200 : 공급파이프 210 : 제1공급파이프
220 : 제2공급파이프 300 : 에어콤프레샤
400 : 칸막이 410 : 백금도포부
P1,P2 : 배기파이프 E : 엔진부
M : 구동모터 N : 개구부

Claims (5)

  1. 내연기관의 엔진부(E)로부터 연소된 배기가스가 배출되는 배기파이프(P1)의 단부에 장착되어 불연소된 배기가스를 재연소시키기 위한 배기가스 재연소장치에 있어서,
    상기 배기파이프(P1)의 일단부에 장착되어 이 배기파이프(P1)로부터 배출되는 배기가스를 포집하여 재연소후 외부로 연소된 가스를 배출하는 상기 하우징부(100)와;
    상기 하우징부(100)의 일측을 관통하여 하우징부(100)의 내측과 연통되는 공급파이프(200)로 연결되어 하우징부(100)의 내측에 에어를 공급하는 에어콤프레샤(300)와;
    상기 하우징부(100)의 내측에 포집되는 배기가스가 상기 에어콤프레샤(300)로부터 공급된 에어와 충분히 섞여 연소될 수 있도록 상기 하우징부(100) 내측의 일정부분을 구획하는 칸막이(400)가 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스 재연소장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔진부(E)로부터 배출되는 배기가스가 상기 하우징부(100)의 내측에서 에어와 섞이는 동시에 배기가스의 온도를 상승시켜 연소효율을 높일 수 있도록 하우징부(100)로 배기가스가 유입되는 방향의 칸막이(400) 일면에는 백금이 도포되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재연소장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 하우징부(100)는 평단면이 장방형으로 이루어지되 하우징부(100)의 내측에서 순환되는 배기가스 및 에어의 섞임 효율을 높일 수 있도록 하우징부(100)의 모서리는 라운딩된 것을 특징으로 하는 배기가스 재연소장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 에어콤프레샤(300)의 공급파이프(200)는,
    상기 하우징부(100)의 일측에 연통되어 상기 엔진부(E)에 연결되는 배기파이프(P1)에 직각방향으로 상기 하우징부(100)의 일측을 관통하는 제1공급파이프(210)와, 상기 제1공급파이프(210)의 일단부에 연통되게 직각으로 연결되어 상기 배기파이프(P1)와 일정거리 이격된 상태로 상기 배기파이프(P1)에 평행하게 상기 하우징부(100)의 내측에 위치되는 제2공급파이프(220)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스 재연소장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1공급파이프(210) 및 제2공급파이프(220)는 그 주벽에 내외부를 관통하는 복수의 통공(211,221)이 형성되며, 상기 각각의 통공(211,221)으로부터 배출되는 에어의 압력이 균일하도록 상기 제1공급파이프(210) 주벽의 단위면적당 통 공(211)의 갯수보다 상기 제2공급파이프(220) 주벽의 단위면적당 통공(221)의 갯수가 더 다수개인 것을 특징으로 하는 배기가스 재연소장치.
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