KR101290525B1

KR101290525B1 - 연료함유촉매가 적용된 디젤 차량용 배기정화 시스템 및방법

Info

Publication number: KR101290525B1
Application number: KR1020070045466A
Authority: KR
Inventors: 조연근; 김성환; 정홍석; 이우진; 이상민
Original assignee: 주식회사 에코닉스
Priority date: 2007-05-10
Filing date: 2007-05-10
Publication date: 2013-07-30
Also published as: EP2142769A2; KR20080099650A; EP2142769A4; CN101680334A; WO2008140204A3; CN101680334B; WO2008140204A2; JP2010526959A

Abstract

본 발명은 디젤 차량용 배기정화 시스템에 연료함유촉매(Fuel Borne Catalyst, 이하 FBC)를 사용하되, 최적의 FBC 농도를 유지하도록 함으로써 배기의 정화 효율을 높이는 연료함유촉매가 적용된 디젤 차량용 배기정화 시스템 및 방법에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 어떤 주행 상황에서도 연료함유촉매의 농도를 일정하게 유지시킴으로써 재생 시 배출가스의 온도를 단시간 내에 쉽게 상승시킬 수 있도록 하는 연료함유촉매가 적용된 디젤 차량용 배기정화 시스템 및 방법을 제공함에 있다.

매연 저감 장치, 배기 정화 장치, 연료 함유 촉매, Fuel Borne Catalyst, FBC, 농도 유지

Description

연료함유촉매가 적용된 디젤 차량용 배기정화 시스템 및 방법 {A System and Method for Purifying Exhaust Gas for a Diesel Vehicle using Fuel Borne Catalyst}

도 1은 본 발명에 의한 배기정화 시스템의 개략도.

도 2는 본 발명에 의한 배기정화 방법의 단계도.

도 3은 각 변수의 설명도.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

100: 엔진

110: 배기구 120: RPM센서

200: 연료탱크 210: 레벨게이지

221: 연료공급관 222: 연료복귀관

300: 매연저감장치 310: 배기관

321: 압력센서 322, 323: 온도센서

400: 주입수단

410: 주입펌프 420: 주입기

431: 주입관 432: 순환관

500: 제어부

600: 촉매주입수단 610: 촉매탱크

620: 촉매주입기 630: 촉매주입관

본 발명은 디젤 차량용 배기정화 시스템에 연료함유촉매(Fuel Borne Catalyst, 이하 FBC)를 사용하되, 최적의 FBC 농도를 유지하도록 함으로써 배기의 정화 효율을 높이는 연료함유촉매가 적용된 디젤 차량용 배기정화 시스템 및 방법에 관한 것이다.

디젤 자동차는 가솔린 자동차에 비하여 엔진의 내구성이 높고 효율이 20~30% 가량이나 높아 연비 및 출력 면에서 성능이 우수하여 주로 트럭 및 버스 등 대형차량에 적용되어 왔다. 또한 디젤 자동차는 CO₂, CO, THC 및 증발탄화수소의 양이 적어 지구온난화를 덜 유발시킨다는 장점 또한 갖추고 있기 때문에, 점차로 중소형차량용 엔진에도 디젤 엔진을 사용하는 기술이 적용되면서, 선진 각국에서는 이러한 중소형 디젤 자동차의 수요가 계속 증가하고 있다. 그러나 디젤 자동차의 배기가스에 다량 포함되어 있는 질소산화물(NO_x)과 입자상물질(PM, Particulate Matter)은 총 대기오염의 40%를 차지 할 정도로 대기오염의 주범으로 인식되며, 그 때문에 디젤 자동차의 생산 시에는 환경적 규제가 엄격하게 적용되고 있다. 질소산화물과 입자상물질의 배출량 기준에는 각국 상호간에 타협관계(trade-off)가 있으며, 더불어 각국은 정책적 요구에 따라 그 발생 정도를 조절하고 있다. 그러나 고유가 시대에 있어서 종래의 가솔린 자동차에 비해 보다 효율이 좋은 디젤 자동차가 각광받아 가고 있으며, 이에 따라 디젤 자동차의 생산에 비례하여 발생하는 대기오염물질의 배출량을 줄이기 위하여 선진 각국에서는 디젤 엔진의 배기가스 오염물질 포함량에 대한 규제를 점점 강화시켜 가고 있는 추세이다.

디젤 엔진의 배기가스 규제를 만족시키기 위한 대응기술로는 연료의 개선ㆍ연소 방법의 개선ㆍ엔진의 개량 등 오염물질이 원천적으로 적게 발생하도록 하는 데 목적이 있는 전처리 기술과, 배기가스 배출구에 장착하여 발생된 배기가스를 정화하는 후처리 기술로 나뉜다. 각 분야에서 꾸준한 연구와 개발이 이루어지고 있으나 현재로서는 후처리 기술이 상용화에 보다 유리하다고 평가되고 있고, 따라서 후처리 기술에 대하여 보다 많은 연구ㆍ개발이 이루어지고 있는 실정이다. 이러한 후처리 기술로는, (1) 입자상물질(PM)중 미연소 탄화수소를 정화하기 위한 산화촉매, (2) 입자상물질(PM)을 필터로 걸러주는 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate Filter; 이하 'DPF'라 함), (3) 환원 분위기 하에서 질소산화물(NO_x)을 분해 또는 환원하는 DeNO_x 촉매 시스템 등이 있는데, 현재에는 상술한 여러 가지 기술들을 효과적으로 조합한 시스템, 즉 예를 들면 촉매 필터를 구비하는 DPF 시스템 등과 같은 하이브리드형 후처리 장치들이 널리 사용되고 있다.

종래의 배기정화 시스템에서, 매연저감장치로 유입되는 배출가스에 포함되는 매연 중 입자상물질(PM)은 상기 매연저감장치에 의해 포집(trapping)됨으로써 90% 이상 제거가 가능하다. 입자상물질이 포화되면 매연저감장치의 포집 능력이 상실될 뿐만 아니라 엔진에 역압이 걸려 엔진의 구동을 방해하게 될 가능성이 있으므로, 상기 입자상물질을 제거하는 과정이 필요하며, 이렇게 매연저감장치에 포화되어 있는 입자상물질을 제거하는 과정을 재생(regeneration)이라고 한다. 이러한 재생 방법으로는 일반적으로, 디젤 연료를 매연저감장치로 유입되는 배출가스에 분사하여 자연 발화시킴으로써 배출가스의 온도를 상승시키고, 고온의 배출가스를 매연저감장치에 유입시킴으로써 매연저감장치에 포집되어 있는 입자상물질을 연소시켜 제거하는 방법이 널리 사용된다.

이와 같은 방식의 배기정화 시스템에 있어서 몇 가지 문제점이 지적되고 있다. 무엇보다도, 적절한 매연저감장치의 재생에 걸리는 시간 및 재생될 수 있을 만큼 배출가스의 온도를 높이는 데 걸리는 시간이 길다는 문제점이 가장 크게 대두되고 있다. 차량의 운행이 연속적일 경우, 즉 실제의 예를 들면 고속도로를 장시간 주행하는 차량과 같은 경우에는 엔진에서 나오는 배출가스의 온도가 이미 고온이기 때문에 디젤 연료의 분사량이 적어도 쉽게 배출가스의 온도를 높일 수 있다. 그러나 차량의 운행이 불연속적일 경우, 즉 실제의 예로서 시내버스와 같이 잦은 주행/정차를 반복하는 차량과 같은 경우에는 빠른 시간 내에 충분한 정도로 배출가스의 온도를 높이기가 어렵다. 일반적으로 재생을 위해서는 400℃ 이상까지 온도를 상승 시켜야 하는데, 종래에 사용되는 배기정화 시스템에 의하면 자주 정차를 반복하는 차량의 경우 상기 온도까지 배출가스의 온도를 상승시키는데 10분 정도의 시간이 필요하다는 사실이 잘 알려져 있다. 물론 빠른 온도 상승이 이루어지도록 하기 위하여 연료함유촉매(연료첨가제)를 디젤 연료에 첨가하는 기술이 종래에 제시되었으나, 디젤 연료의 소비에 따른 주유가 이루어지는 과정에서 연료함유촉매의 농도가 계속해서 변화하게 되고, 따라서 시간이 지남에 따라 연료함유촉매에 의한 빠른 온도 상승의 효과가 급격히 감소하게 되는 문제점이 있어 근본적인 해결책이 되지 못했다. 따라서 이러한 문제를 해결하고자 하는 당업자 사이의 요구가 꾸준히 있어 왔다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 어떤 주행 상황에서도 연료함유촉매의 농도를 일정하게 유지시킴으로써 재생 시 배출가스의 온도를 단시간 내에 쉽게 상승시킬 수 있도록 하는 연료함유촉매가 적용된 디젤 차량용 배기정화 시스템 및 방법을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료함유촉매가 적용된 디젤 차량용 배기정화 시스템은, 엔진(100); 상기 엔진(100)과 연료공급관(221) 및 연료복귀관(222)으로 연결되어 디젤 연료를 공급 및 복귀하는 연료탱크(200); 상기 엔진(100)의 배기구(110)와 연결되어 상기 엔진(100)으로부터 배출되는 가스의 매 연 및 공해물질을 정화하여 외부로 배출하는 매연저감장치(300); 상기 연료탱크(200)와 연결되며 주입관(431), 주입펌프(410), 주입기(420) 및 순환관(432)을 순차적으로 포함하여 이루어져 상기 매연저감장치(300)의 전단에 구비되는 주입수단(400); 및 상기 매연저감장치(300)의 포화 상태를 감지하여 판단하고 상기 주입수단(400)의 작동을 제어하는 제어부(500);를 포함하여 이루어지는 배기정화 시스템에 있어서, 연료함유촉매(Fuel Borne Catalyst, FBC)를 수용하는 촉매탱크(610)와, 일측이 상기 촉매탱크(610)와 연결되며 타측이 상기 배기정화 시스템과 연결되어 연료함유촉매를 유통시키는 촉매주입관(630)과, 상기 촉매주입관(630) 상에 구비되어 연료함유촉매를 디젤 연료에 주입 및 혼합하여 디젤 연료 내의 연료함유촉매의 농도를 일정하게 유지시키는 촉매주입기(620)를 포함하여 이루어지며, 상기 제어부(500)에 의하여 작동이 제어되는 촉매주입수단(600);을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 제어부(500)는 상기 연료탱크(200)에 구비되는 레벨게이지(210)에 의하여 측정되는 상기 연료탱크(200) 내부의 잔존 디젤 연료의 양을 사용하여 상기 촉매주입수단(600)을 통해 주입되는 연료함유촉매 주입 필요량을 산출하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 제어부(500)는 상기 레벨게이지(210)에 의해 측정되는 디젤 연료의 레벨(h)이 변화량이 양(+)이 됨을 감지하면 연료가 공급되는 상태라고 판단하며, 상기 레벨(h)의 변화량이 양(+)인 직후 0 또는 음(-)이 됨을 감지하면 연료의 공급이 완료된 상태라고 판단하고, 공급 시작 시점과 공급 완료 시점의 레벨차(Δh)를 산출하며, 상기 레벨차(Δh)를 사용하여 상기 촉매주입수단(600) 을 통해 주입되는 연료함유촉매의 주입 필요량을 산출하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 촉매주입관(630)의 타측은 상기 순환관(432) 상에 연결되거나, 또는 상기 촉매주입관(630)의 타측은 상기 연료복귀관(222) 상에 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 연료함유촉매가 적용된 디젤 차량용 배기정화 방법은, 상술한 바와 같은 배기정화 시스템을 채용하는 장치에 적용되는 배기정화 방법에 있어서, a) 제어부가 레벨 게이지에 의해 측정되는 연료탱크 내의 디젤 연료 레벨 변화량을 감지하는 단계; b) 상기 제어부가 상기 연료 레벨 변화량이 양(+)이 되었는지 판단하는 단계; c) 상기 b) 단계에서 상기 연료 레벨 변화량이 양(+)이 되었음이 판단되면, 상기 제어부가 상기 시점을 급유 시작 시점으로 판단하고 상기 시점의 연료 레벨(h_o)을 기록하는 단계; d) 상기 제어부가 다시 레벨 게이지에 의해 측정되는 연료탱크 내의 디젤 연료 레벨 변화량을 감지하는 단계; e) 상기 제어부가 상기 연료 레벨 변화량이 0 또는 음(-)이 되었는지 판단하는 단계; f) 상기 e) 단계에서 상기 연료 레벨 변화량이 0 또는 음(-)이 되었음이 판단되면, 상기 제어부가 상기 시점을 급유 완료 시점으로 판단하고 상기 시점의 연료 레벨(h_f)을 기록하는 단계; g) 상기 제어부가 상기 급유 시작 시점의 연료 레벨(h_o) 및 급유 완료 시점의 연료 레벨(h_f) 사이의 레벨차(Δh=h_f-h_o)를 계산하는 단계; h) 상기 제어부가 상기 레벨차(Δh)를 사용하여 연료함유촉매의 농도 요건을 만족하는 주입 필요량(q)을 산출 하는 단계; i) 상기 제어부가 촉매주입수단을 작동시켜 상기 산출된 주입 필요량(q)만큼의 연료함유촉매를 주입하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 연료함유촉매의 농도 요건은 170ppm 내지 230ppm 범위 내의 값을 갖는 것이 바람직하다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 연료함유촉매가 적용된 디젤 차량용 배기정화 시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 배기정화 시스템의 개략적인 시스템도이다. 본 발명에 의한 배기정화 시스템은, 디젤 연료로 구동되는 엔진(100); 상기 엔진(100)과 연결되며 연료공급관(221)을 통해 디젤 연료를 공급하고 연료복귀관(222)을 통해 상기 엔진(100) 내의 잔여 디젤 연료를 복귀시키는 연료탱크(200); 상기 엔진(100)의 배기구(110)와 연결되어 상기 엔진(100)으로부터 배출되는 가스의 매연 및 공해물질을 정화하여 외부로 배출하는 매연저감장치(300); 일측이 상기 연료탱크(200)와 연결되며 타측이 하기의 주입기(420)와 연결되는 주입관(431)과, 상기 주입관(431) 상에 구비되어 디젤 연료를 유통시키는 주입펌프(410)와, 상기 매연저감장치(300) 전단에 구비되어 상기 매연저감장치(300)가 포화 상태인 경우 디젤 연료를 분사하여 자연 발화시킴으로써 상기 매연저감장치(300)로 유입되는 배출가스의 온도를 상승시켜 상기 매연저감장치(300)를 재생시키고 상기 매연저감장치(300)가 포 화 상태가 아닌 경우 폐쇄되는 주입기(420)와, 일측이 상기 주입기(420)와 연결되며 타측이 상기 연료탱크(200)와 연결되어 상기 주입기(420)가 폐쇄 시 상기 주입관(431)을 통해 흘러온 디젤 연료를 다시 상기 연료탱크(200)로 돌려보내는 순환관(432)을 포함하여 이루어지는 주입수단(400); 및 상기 매연저감장치(300)의 포화 상태를 감지하여 판단하고 상기 주입수단(400)의 작동을 제어하는 제어부(500);를 포함하여 이루어지는 배기정화 시스템에 있어서, 연료함유촉매(Fuel Borne Catalyst, FBC)를 수용하는 촉매탱크(610)와, 일측이 상기 촉매탱크(610)와 연결되며 타측이 상기 배기정화 시스템과 연결되어 연료함유촉매를 유통시키는 촉매주입관(630)과, 상기 촉매주입관(630) 상에 구비되어 연료함유촉매를 디젤 연료에 주입 및 혼합하여 디젤 연료 내의 연료함유촉매의 농도를 일정하게 유지시키는 촉매주입기(620)를 포함하여 이루어지며, 상기 제어부(500)에 의하여 작동이 제어되는 촉매주입수단(600);을 더 포함하여 이루어진다. 하기에 본 발명의 시스템 전반에 대해 보다 상세히 설명한다.

엔진(100)은 연료탱크(200)와 연료공급관(221)을 통해 연결되어 디젤 연료를 공급받아 일을 하게 된다. 일반적으로 디젤 연료를 사용하는 엔진(100)의 경우에는, 디젤 연료를 완전히 소비하지 않고 잔존하는 디젤 연료가 발생하는 경우가 있다. 이러한 경우를 위해, 엔진(100) 내의 잔여 디젤 연료를 다시 연료탱크(200)로 복귀시키는 연료복귀관(222)이 상기 엔진(100)과 상기 연료탱크(200) 사이에 더 구비된다. 상기 엔진(100)에서 발생된 매연을 포함하는 배출가스는 배기구(110)와 연결된 매연저감장치(300)를 통과하면서 정화되어 배기관(310)을 통해 배출된다. 상 기 매연저감장치(300)는 상술한 바와 같은 여러 가지 후처리 기술들을 사용하는 장치로서, 일반적으로는 촉매를 입힌 필터를 구비하는 DPF 시스템이 널리 사용되고 있으며, 입자상물질을 포함하는 공해물질을 제거하는 장치라면 어떤 형태의 장치가 구비되어도 무방하다.

매연저감장치(300)에 입자상물질이 포화되거나 포화에 가까워지면, 입자상물질의 포집 능력이 감소되게 되며 또한 역압력이 걸려 엔진의 구동에 심각한 문제를 발생시킬 수 있으므로, 이를 방지하기 위한 대책이 필요하다. 디젤 연료의 경우, 매연저감장치(300)의 입구 측에 상기 연료탱크(200)와 연결된 주입기(420)를 구비하고, 배출가스에 디젤 연료를 분사하여 자연발화가 일어나도록 함으로써 상기 매연저감장치(300)에 유입되는 배출가스의 온도를 강제적으로 상승시키게 되면, 매연저감장치(300)의 내부에 포화되어 있는 입자상물질들이 상기 고온의 배출가스에 의해 연소에 의하여 제거될 수 있게 된다.

이 때, 상술한 바와 같이 매연저감장치(300)를 재생하기 위해서는 적절하게 상기 주입기(420)에서 디젤 연료를 분사해 주어야 하기 때문에, 상기 매연저감장치(300)의 포화 정도를 측정하기 위하여 여러 가지 방법이 사용된다. 현재 일반적으로는 엔진(100)에 RPM센서(120), 매연저감장치(300)에 압력센서(321) 및 온도센서(322, 323)를 구비함으로써 엔진(100)의 회전수(rpm 값) 및 매연저감장치(300) 전ㆍ후단의 압력 및 온도 또는 압력차 및 온도차와 같은 변수들을 사용하여 제어부(500)가 포화 정도를 산출하고, 이에 따라 적절하게 주입수단(400)의 작동을 제어하여 분사될 디젤 연료의 양을 조절하게 된다. 물론 상기 제어부(500)가 사용하는 변수는 설계에 따라 다양하게 변경될 수 있고, 이에 따라 상기 센서들이 구비되는 위치나 개수 등도 다양하게 달라질 수 있다.

상기 주입수단(400)은 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같이 주입펌프(410), 주입기(420), 주입관(431) 및 순환관(432)로 이루어진다. 주입기(420)는 상술한 바와 같이 매연저감장치(300)가 포화 상태가 되었을 때 또는 포화 상태에 가까워졌을 때 상기 주입펌프(410)가 주입관(431)을 통해 공급하는 디젤 연료를 분사하게 된다. 그러나 매연저감장치(300)가 포화 상태가 아니어서 분사가 필요하지 않을 경우에는, 상기 주입기(420)는 폐쇄되며 주입관(431)을 통해 공급되었던 디젤 연료는 순환관(432)을 통해 다시 연료탱크(200)로 순환하여 돌아온다.

본 발명은 이와 같은 일반적인 배기정화 시스템에, 연료함유촉매(Fuel Borne Catalyst, FBC)를 수용하는 촉매탱크(610)와, 상기 촉매탱크(610)와 상기 배기정화 시스템을 연결하는 촉매주입관(630)과, 상기 촉매주입관(630) 상에 구비되는 촉매주입기(620)을 포함하여 이루어지는 촉매주입수단(600)을 더 포함하게 하고 있다. 상기 촉매주입기(620)는 디젤 연료에 포함되는 연료함유촉매의 농도를 일정하게 유지하도록 하기 위해, 상기 제어부(500)의 제어를 받아 디젤 연료의 양이 변화에 따라 연료함유촉매를 적절하게 주입하게 된다.

연료함유촉매가 디젤 연료에 적절한 농도로 혼합되어 있는 경우에는, 상기 매연저감장치(300)에 유입되는 배출가스에 디젤 연료를 분사하였을 때 배출가스의 온도를 매우 빠르게 상승시킬 수 있게 된다. 따라서 잦은 정차/주행을 반복하는 시 내버스나 엔진 출력이 작아 배출가스의 온도가 상대적으로 저온인 디젤 승용차 등과 같은 경우에서도 매연저감장치(300)를 효과적으로 재생시킬 수 있다. 그러나 주행 중 디젤 연료를 소비하여 새로 급유하게 될 경우, 급유되는 디젤 연료에는 연료함유촉매가 포함되어 있지 않기 때문에, 급유 후 상기 연료탱크(200)에 수용된 디젤 연료의 연료함유촉매 농도는 급격히 떨어지게 된다. 물론 디젤 연료를 완전히 사용한 후 급유하는 경우라면 연료함유촉매 농도는 0에 접근하게 된다. 이와 같은 경우 배출가스 온도의 상승 효과 역시 급격히 떨어지게 되며, 이에 따라 급유를 반복할수록 매연저감장치(300)의 재생 능력은 점점 불량해진다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해소하기 위하여 도 1에 도시된 바와 같이 촉매탱크(610)를 차량에 구비하여 적절히 디젤 연료에 연료함유촉매를 주입함으로써 디젤 연료 내의 연료함유촉매 농도를 일정하게 유지하게 하고 있다. 즉, 디젤 연료의 소비 후 급유가 이루어지더라도 적절한 양의 연료함유촉매가 더 주입되어 연료함유촉매의 농도가 유지됨으로써, 차량의 종류나 운행 상태 등과 무관하게 매연저감장치(300)의 재생 시 언제나 충분한 만큼 배출가스의 온도를 빠르게 상승시킬 수 있게 된다. 디젤 연료의 급유량과 연료함유촉매 주입 필요량은 서로 비례 관계에 있다. 따라서 상기 제어부(500)는 상기 연료탱크(200) 내에 구비된 레벨게이지(210)를 이용하여 디젤 연료의 양을 계산하고, 이에 따라 연료함유촉매 주입 필요량을 산출하여 상기 촉매주입수단(600)을 작동시킨다.

도 1(A)에는 상기 촉매주입관(630)이 상기 순환관(432)에 연결되는 실시예가 도시되어 있다. 이와 같이 상기 순환관(432)에 연료함유촉매가 주입되게 되면, 상 기 연료탱크(200) 내의 디젤 연료에 효과적으로 연료함유촉매가 혼합될 수 있기 때문에 상술한 바와 같은 연료함유촉매에 의한 온도 상승 효과를 보다 잘 얻을 수 있게 되는 장점이 있다. 또한, 상기 촉매주입관(630)은 도 1B)에 도시된 바와 같이 연료복귀관(222)에 연결되도록 할 수도 있다. 연료탱크(200)에 직접 연료함유촉매를 주입하게 되면 전체적으로 잘 퍼지지 않아서 혼합이 어려워지며 부위에 따라 연료함유촉매의 농도가 달라지게 될 수 있으나, 도 1(A) 또는 도 1(B)에서 순환관(432) 또는 연료복귀관(222)과 같이 디젤 연료에 활발한 유동이 일어나는 위치에 상기 촉매주입관(630)을 연결시키도록 함으로써 이러한 문제점을 피할 수 있게 된다.

도 2는 본 발명에 의한 연료함유촉매 주입 단계의 일실시예를 도시하고 있으며, 도 3은 각 변수를 설명하는 도면이다. 도 3에 도시된 각 변수에 대해 간단히 먼저 설명하면, S는 연료탱크의 밑면 면적이며, h는 디젤 연료의 레벨이다. h_o는 디젤 연료 공급 시작 시점의 디젤 연료 레벨을 나타내고, h_f는 디젤 연료 공급 완료 시점의 디젤 연료 레벨을 나타낸다. 또한, q는 연료함유촉매의 유량을 나타내고 있다.

도 2를 통해 본 발명에 의한 연료함유촉매 주입 단계를 설명한다. 먼저, 제어부는 연료탱크에 구비된 레벨게이지에 의하여 측정되는 디젤 연료의 레벨 변화량을 지속적으로 감지한다(S101). 주행 중에는 디젤 연료의 양은 계속해서 감소하게 되는 반면, 디젤 연료의 레벨 변화량이 양(+)이 되는 경우 즉 디젤 연료의 레벨이 상승하는 경우는 급유할 때밖에 없다. 따라서, 제어부에 의해 레벨 변화량이 양(+)으로 변화하였음이 감지되면(S102), 제어부는 상기 시점을 급유 시작 시점으로 판단하고 급유 시작 시점의 레벨 h_o를 기록한다(S103). 이후, 레벨 게이지로 다시 계속해서 디젤 연료의 레벨 변화량을 감지하다가(S104) 레벨 변화량이 0 또는 음(-)으로 변화하였음이 감지되면(S105), 제어부는 상기 시점을 급유 완료 시점으로 판단하고 급유 완료 시점의 레벨 h_f를 기록한다(S106). 제어부는 상기 급유 시작 시점의 레벨 h_o와 급유 완료 시점의 레벨 h_f의 차이인 Δh를 계산한다(S107) 상기 레벨차 Δh를 사용하여 새로 급유된 디젤 연료의 양을 산출하며, 이에 따라 제어부는 연료함유촉매의 농도를 유지하기 위하여 더 주입이 필요한 연료함유촉매의 양을 산출하게 된다(S108). 이 때 제어부가 사용하는 식은 간단하게 다음과 같이 나타낼 수 있다. 하기의 식에서의 각 변수는 도 3에 나와 있는 변수들과 같은 것이며, c는 비례상수를 나타낸다. 일반적으로 연료함유촉매의 적정 농도는 170ppm 내지 230ppm 사이의 값인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 200ppm 정도이다. 따라서 c는 사용자의 설계에 따른 적정 농도가 산출되도록 결정한다.

제어부는 촉매주입수단을 작동시켜 상기 산출된 연료함유촉매의 필요 주입량만큼을 연료탱크에 주입(S109)하며, 이로써 연료탱크에 연료함유촉매가 함유되지 않은 순수한 디젤 연료가 급유로 인해 새로 채워진다 해도 자동으로 연료함유촉매의 농도가 유지될 수 있게 된다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 불연속적이며 변화가 빠른 주행 상황, 또는 승용차와 같이 출력이 작은 차량에서의 주행 상황에서 엔진에서 배출되는 가스의 온도가 충분히 높지 않은 상황에서도, 디젤 연료에 포함되는 연료함유촉매의 농도를 일정하게 유지시킴으로써 매연저감 장치의 재생 시 배출가스의 온도를 단시간 내에 쉽게 상승시킬 수 있도록 하는 효과가 있으며, 이에 따라 매연저감장치의 재생이 보다 효과적으로 이루어지도록 하는 효과가 있다. 더불어 매연저감장치가 충분히 재생될 수 있을 만큼 배출가스의 온도를 상승시키는 데 소비되는 디젤 연료의 양을 크게 줄일 수 있게 되는 효과가 있으며, 이에 따라 차량 전체적인 연비의 개선에도 큰 효과가 있다. 본 발명에 의하면 특히 상술한 바와 같은 작용을 하게 하는 연료함유촉매의 디젤 연료 함유 농도를 언제나 일정하게 자동으로 유지하게 해 주는 효과가 있으며, 따라서 상술한 바와 같은 작용이 시간에 따라 또는 연료의 소비 및 급유에 따라 다르게 발생되거나 하는 문제점을 완전히 제거하여, 어떤 경우에라도 상술한 바와 같은 효과를 언제나 안정적으로 얻을 수 있도록 해 주는 커다란 효과가 있다.

Claims

엔진(100); 상기 엔진(100)과 연료공급관(221) 및 연료복귀관(222)으로 연결되어 디젤 연료를 공급 및 복귀하는 연료탱크(200); 상기 엔진(100)의 배기구(110)와 연결되어 상기 엔진(100)으로부터 배출되는 가스의 매연 및 공해물질을 정화하여 외부로 배출하는 매연저감장치(300); 상기 연료탱크(200)와 연결되며 주입관(431), 주입펌프(410), 주입기(420) 및 순환관(432)을 순차적으로 포함하여 이루어져 상기 매연저감장치(300)의 전단에 구비되는 주입수단(400); 및 상기 매연저감장치(300)의 포화 상태를 감지하여 판단하고 상기 주입수단(400)의 작동을 제어하는 제어부(500);를 포함하여 이루어지는 배기정화 시스템에 있어서,

연료함유촉매(Fuel Borne Catalyst, FBC)를 수용하는 촉매탱크(610)와, 일측이 상기 촉매탱크(610)와 연결되며 타측이 상기 배기정화 시스템과 연결되어 연료함유촉매를 유통시키는 촉매주입관(630)과, 상기 촉매주입관(630) 상에 구비되어 연료함유촉매를 디젤 연료에 주입 및 혼합하여 디젤 연료 내의 연료함유촉매의 농도를 일정하게 유지시키는 촉매주입기(620)를 포함하여 이루어지며, 상기 제어부(500)에 의하여 작동이 제어되는 촉매주입수단(600);을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료함유촉매가 적용된 디젤 차량용 배기정화 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 제어부(500)는

상기 연료탱크(200)에 구비되는 레벨게이지(210)에 의하여 측정되는 상기 연료탱크(200) 내부의 잔존 디젤 연료의 양을 사용하여 상기 촉매주입수단(600)을 통해 주입되는 연료함유촉매 주입 필요량을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료함유촉매가 적용된 디젤 차량용 배기정화 시스템.
제 2항에 있어서, 상기 제어부(500)는

상기 레벨게이지(210)에 의해 측정되는 디젤 연료의 레벨(h)이 변화량이 양(+)이 됨을 감지하면 연료가 공급되는 상태라고 판단하며, 상기 레벨(h)의 변화량이 양(+)인 직후 0 또는 음(-)이 됨을 감지하면 연료의 공급이 완료된 상태라고 판단하고, 공급 시작 시점과 공급 완료 시점의 레벨차(Δh)를 산출하며,

상기 레벨차(Δh)를 사용하여 상기 촉매주입수단(600)을 통해 주입되는 연료함유촉매의 주입 필요량을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료함유촉매가 적용된 디젤 차량용 배기정화 시스템.
제 1항 내지 제3항 중에서 선택되는 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매주입관(630)의 타측은

상기 순환관(432) 상에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료함유촉매가 적용된 디젤 차량용 배기정화 시스템.
제 1항 내지 제3항 중에서 선택되는 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매주입관(630)의 타측은

상기 연료복귀관(222) 상에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료함유촉매가 적용된 디젤 차량용 배기정화 시스템.
제 1항의 배기정화 시스템을 채용하는 장치에 적용되는 배기정화 방법에 있어서,

a) 제어부가 레벨 게이지에 의해 측정되는 연료탱크 내의 디젤 연료 레벨 변화량을 감지하는 단계;

b) 상기 제어부가 상기 연료 레벨 변화량이 양(+)이 되었는지 판단하는 단계;

c) 상기 b) 단계에서 상기 연료 레벨 변화량이 양(+)이 되었음이 판단되면, 상기 제어부가 상기 시점을 급유 시작 시점으로 판단하고 상기 시점의 연료 레벨(h_o)을 기록하는 단계;

d) 상기 제어부가 다시 레벨 게이지에 의해 측정되는 연료탱크 내의 디젤 연료 레벨 변화량을 감지하는 단계;

e) 상기 제어부가 상기 연료 레벨 변화량이 0 또는 음(-)이 되었는지 판단하는 단계;

f) 상기 e) 단계에서 상기 연료 레벨 변화량이 0 또는 음(-)이 되었음이 판단되면, 상기 제어부가 상기 시점을 급유 완료 시점으로 판단하고 상기 시점의 연료 레벨(h_f)을 기록하는 단계;

g) 상기 제어부가 상기 급유 시작 시점의 연료 레벨(h_o) 및 급유 완료 시점의 연료 레벨(h_f) 사이의 레벨차(Δh=h_f-h_o)를 계산하는 단계;

h) 상기 제어부가 상기 레벨차(Δh)를 사용하여 연료함유촉매의 농도 요건을 만족하는 주입 필요량(q)을 산출하는 단계;

i) 상기 제어부가 촉매주입수단을 작동시켜 상기 산출된 주입 필요량(q)만큼의 연료함유촉매를 주입하는 단계;

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료함유촉매가 적용된 디젤 차량용 배기정화 방법.
제 6항에 있어서, 상기 연료함유촉매의 농도 요건은

170ppm 내지 230ppm 범위 내의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 연료함유촉매가 적용된 디젤 차량용 배기정화 방법.