KR101456291B1

KR101456291B1 - 클린 디젤 시스템

Info

Publication number: KR101456291B1
Application number: KR1020130120779A
Authority: KR
Inventors: 성백섭
Original assignee: 조선대학교산학협력단
Priority date: 2013-10-10
Filing date: 2013-10-10
Publication date: 2014-11-03

Abstract

본 발명은 디젤 엔진에서 엔진 내에서의 연소율을 높여 배기가스 중 유해성분의 배출을 최소화하고, 배기가스가 배출되는 과정에서 배기가스에 포함된 분진을 포집함으로써 친환경적 기능을 갖는 클린 디젤 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 클린 디젤 시스템은 내부에 복수개의 연소실이 마련되어 있으며, 상기 연소실 내로 연료 및 공기를 공급하는 연료공급라인 및 흡기 매니폴드와 연결되는 엔진본체를 포함하는 내연기관의 연소시스템에 있어서, 워터가스 또는 브라운가스의 형성을 위해 가열되는 가열대상 물을 공급하는 물 공급부와, 상기 엔진본체에서 배기되는 배기가스가 통과하는 배기 매니폴드에 설치되며 워터가스를 생성하기 위하여 상기 배기가스의 폐열을 이용해 상기 물 공급부에서 공급되는 물을 가열하는 제1 가열부를 포함하는 가열유닛과, 상기 제1 가열부에서 생성된 워터가스를 상기 엔진본체 또는 상기 흡기 매니폴드로 공급하도록 상기 가열유닛과 상기 엔진본체 또는 흡기 매니폴드에 연결되는 가스공급부와, 상기 물 공급부에서 연장되는 공급라인 또는 상기 가열유닛으로부터 분기되어 상기 엔진본체에서 형성된 배기가스가 배출되는 배기머플러에 분진을 포집하기 위해 수증기를 공급하는 포집수 공급유닛을 구비한다.

Description

클린 디젤 시스템 {Clean diesel system}

본 발명은 클린 디젤 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 디젤 엔진에서 엔진 내에서의 연소율을 높여 배기가스 중 유해성분의 배출을 최소화하고, 배기가스가 배출되는 과정에서 배기가스에 포함된 분진을 포집함으로써 친환경적 기능을 갖는 클린 디젤 시스템에 관한 것이다.

자동차의 유해 배기가스에 대한 규제가 점점 강화됨에 따라 배기가스에 포함된 유해가스를 제거하거나 저감하기 위한 기술이 활발하게 연구 및 개발되고 있다.

특히, 디젤엔진의 배기가스에는 CO(일산화탄소), HC(탄화수소), NOx(질소산화물), SOx(황산화물) 등의 유해가스가 포함되어 있는데, 이러한 배기가스로부터 유해물질을 제거하기 위해 통상 디젤엔진 배기가스 관에는 DOC(Disel Oxidation Catalyst, 이하 'DOC'라 한다)와 DPF(Diesel particulate filter, 이하 'DPF'라 한다)를 설치한다.

DOC는 배기가스의 유해물질(PM)을 다른 물질로 변화시키는 화학반응을 돕는 역할도 수행하는데, 배기가스 내의 HC와 CO를 H2O와 CO2로 산화되는 것을 돕는다.

DPF는 디젤엔진의 배기가스 중에서 유해물질(PM)을 포집하는 필터를 총칭하는 것인데, 이 DPF는 디젤 차량에서 발생된 배기가스에서 입자상의 물질을 포집하는 장치로서, DPF의 내부 구조가 서로 엇갈리는 모양으로 되어있어 분진 같은 입자상의 고체물질이 상기 구조에 포집되도록 이루어져 있다.

그러나 이러한 종래 기술의 배기가스 저감장치만으로는 배기가스의 효율적인 정화에 한계가 있어서, 강화되고 있는 디젤 엔진의 배기가스 규제 기준을 충족시키기 어려운 문제가 있다.

등록특허 제10-1023438호 : 디젤엔진의 배기가스 저감장치 등록특허 제10-1060370호 : EGR 장치 및 이를 포함하는 엔진시스템

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 엔진의 연소효율을 높여 엔진에서 배출되는 배기가스에 포함되는 유해물질을 저감하고, 배기유닛에 배기가스에 포함된 분진 등의 유해물질을 포집할 수 있도록 하여 오염물의 제거가 효과적으로 이루어질 수 있는 클린 디젤 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 클린 디젤 시스템은 내부에 복수개의 연소실이 마련되어 있으며, 상기 연소실 내로 연료 및 공기를 공급하는 연료공급라인 및 흡기 매니폴드와 연결되는 엔진본체를 포함하는 내연기관의 연소시스템에 있어서, 워터가스 또는 브라운가스의 형성을 위해 가열되는 가열대상 물을 공급하는 물 공급부와, 상기 엔진본체에서 배기되는 배기가스가 통과하는 배기 매니폴드에 설치되며 워터가스를 생성하기 위하여 상기 배기가스의 폐열을 이용해 상기 물 공급부에서 공급되는 물을 가열하는 제1 가열부를 포함하는 가열유닛과, 상기 제1 가열부에서 생성된 워터가스를 상기 엔진본체 또는 상기 흡기 매니폴드로 공급하도록 상기 가열유닛과 상기 엔진본체 또는 흡기 매니폴드에 연결되는 가스공급부와, 상기 물 공급부에서 연장되는 공급라인 또는 상기 가열유닛으로부터 분기되어 상기 엔진본체에서 형성된 배기가스가 배출되는 배기머플러에 분진을 포집하기 위해 수증기를 공급하는 포집수 공급유닛을 구비한다.

상기 물 공급부는 상기 저수탱크로부터 연장되며 상기 엔진본체를 냉각시키기 위한 냉각수 순환유닛 중 상기 엔진본체를 냉각시킨 후 배출되는 냉각수 배출라인을 통과하면서 상기 냉각수에 의해 예열되는 예열부를 더 구비하며, 상기 가열유닛은 상기 제1 가열부가 상기 예열부와 연결되어 상기 예열부에서 예열된 물이 상기 제1 가열부를 통과하고, 상기 제1 가열부와 중간라인을 통해 연결되며, 상기 제1 가열부에서 1차 가열된 물 또는 수증기가 공급되는 하우징과, 상기 하우징에 설치되어 상기 하우징으로 공급되는 물 또는 수증기를 가열하기 위한 전열히터를 포함하는 제2 가열부를 더 구비하는 것이 바람직하다.

상기 포집수 공급유닛은 상기 중간라인으로부터 분기되어 상기 배기머플러의 입구측과 연결되는 분기라인과, 상기 분기라인에 연결되어 상기 배기머플러의 내부로 물 또는 수증기를 분사하는 분사노즐과, 상기 배기머플러의 하부에 설치되어 상기 배기머플러의 내부에서 상기 분사노즐로부터 분사된 물 입자 또는 수증기와 배기가스의 유해물질이 응집되어 형성된 포집수를 저장하는 포집수 저장부를 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 클린 디젤 시스템은 디젤 엔진에서 연료의 연소효율을 높여 연료의 불완전연소에 따른 유해물질의 배출을 최소화하고, 배기가스가 배출되는 과정에서 분진 등의 유해물질이 포집됨으로써 배기가스의 정화가 효율적으로 이루어질 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 클린 디젤 시스템의 구성을 도시한 구성도,
도 2는 워터가스 생성부를 도시한 부분발췌 사시도,
도 3은 분진이 포집되는 배기유닛을 도시한 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 클린 디젤 시스템을 더욱 상세하게 설명한다.

도 1 내지 도 3에는 본 발명에 따른 클린 디젤 시스템(10)의 바람직한 일 실시예가 도시되어 있다.

도면을 참조하면 클린 디젤 시스템(10)은 통상적인 내연기관에 설치되는 것으로서, 엔진본체(100)는 흡기 매니폴드(110)를 통해 유입되는 외부공기와 연료가 엔진본체(100)의 연소실에서 폭발하여 연소된 후 배기 매니폴드(120)를 통해 외부로 배출되는 구조를 갖는다.

상기 엔진본체(100)는 냉각을 위해 냉각수가 순환하는 냉각수 순환유닛(200)이 연결되어 있는데, 냉각수 순환유닛(200)은 상기 엔진본체(100)와 냉각라인(210)을 통해 연결되는 라디에이터(220)가 폐회로를 이루도록 연결되어 형성된다.

냉각수는 라디에이터(220)를 통과하면서 방열된 후 제1 냉각라인(211)을 통해 엔진본체(100)로 유입되어 엔진본체(100) 내에서 엔진 구동 과정에서 발생하는 열을 흡수한 후 제2 냉가라인을 통해 배출되어 다시 라디에이터(220)를 통과하게 된다.

엔진본체(100)는 흡기 매니폴드(110)를 통해 외부 공기가 유입되며, 연료와 함께 흡기 매니폴드(110)를 통해 유입된 공기가 연소실 내에서 연소하면서 동력을 얻게 된다. 연소실에서 발생하는 배기가스는 배기 매니폴드(120)를 통해 엔진본체(100)의 외부로 배출되는데, 배기 매니폴드(120)의 단부에는 배기머플러(130)가 장착되어 있어서 배기가스가 상기 배기머플러(130)를 통과하면서 소음이 제거되고, 후술하는 포집수 공급유닛(500)에 의해 배기가스 중의 분진 또는 유해물질이 포집된다.

물 공급부(300)는 상기 엔진본체(100)에 공급되는 워터가스를 형성하거나 상기 배기머플러(130)에 공급되는 포집수를 공급하기 위한 것이다.

차량의 일측에 물을 저장할 수 있는 저수탱크(310)가 설치되어 있고, 이 저수탱크(310)로부터 공급라인(320)이 연장된다.

아울러 상기 물 공급부(300)는 상기 공급라인(320)의 경로 상에 설치되는 예열부(330)를 포함하는데, 상기 예열부(330)는 상기 공급라인(320)의 일부 구간이 상기 제2 냉각라인(212)의 내부를 통과하여 연장되게 함으로써 상기 공급라인(320)을 통과하는 물이 제2 냉각라인(212)을 통과하는 냉각수에 의해 예열이 이루어질 수 있게 되어 있다.

이렇게 물 공급부(300)에서는 저수탱크(310)의 물이 가열유닛(400)으로 공급되기 전에 엔진본체(100)를 통과한 냉각수를 통해 예열되도록 함으로써 물의 가열효율을 높이고 냉각수의 온도를 낮춰 라디에이터(220)에서의 부하를 줄일 수 있게 된다.

상기 가열유닛(400)은 상기 공급라인(320)과 연결되는 제1 가열부(410)와, 상기 제1 가열부(410)에서 1차 가열된 물을 2차 가열하는 제2 가열부(420)를 포함한다.

제1 가열부(410)는 공급라인(320)과 연결되어 물이 이송되며, 상기 배기 매니폴드(120)의 내부에 코일형상으로 소정구간 연장되도록 형성되어 상기 배기 매니폴드(120)를 통과하는 배기가스에 의해 가열이 이루어지도록 형성되어 있다.

배기가스는 엔진본체(100)의 연소실에서 배출될 때 고온의 상태로 배출이 이루어지므로 이러한 배기가스의 폐열을 이용해 물 공급부(300)에서 공급되는 물을 가열하면 물 공급부(300)에서 공급되는 물은 제1 가열부(410)를 통과하는 과정에서 수증기로 기화하거나 끓는점에 가까운 온도로 가열이 이루어지게 된다.

제1 가열부(410)는 중간라인(411)을 통해 제2 가열부(420)와 연결된다.

제2 가열부(420)는 하우징(421)과, 상기 하우징(421)의 내부에 설치되는 전열히터(422)를 포함한다. 제1 가열부(410)를 통과하면서 기화되거나 끓는점에 가깝도록 승온된 물은 상기 하우징(421)의 내부에서 전열히터(422)에 의해 가열됨으로써 워터가스가 된다.

통상적으로 발전기나 내연기관의 연소효율을 높이기 위해 워터가스를 투입하는 기술이 많이 개발되었으나, 종래 기술의 경우 전기분해장치를 별도로 설치하여 워터가스를 생성하고 이를 연소실로 주입하도록 되어 있으나, 본 발명의 경우 상기 배기 매니폴드(120)에서 배기가스를 통해 1차 가열된 물을 2차로 가열하여 워터가스를 형성하게 되는데, 제1 가열부(410)에서 높은 온도로 승온이 이루어지기 때문에 적은 전기에너지를 투입하고도 워터가스를 생성할 수 있다.

제2 가열부(420)에서 형성된 워터가스는 투입라인(423)을 통해 흡기 매니폴드(110)와 연결되고, 흡기 매니폴드(110)를 통해 엔진본체(100)로 유입된다. 엔진본체(100)에서 연료와 함께 워터가스가 유입되면서 연소효율이 증가하게 되므로 상기 엔진본체(100)에 공급되는 연료량을 절감할 수 있고, 완전연소에 가깝게 연소효율이 좋아지기 때문에 연소과정에서 유해물질과 불완전연소에 의한 분진 발생률을 낮출 수 있다.

상기 포집수 공급유닛(500)은 중간라인(411)으로부터 분기되는 분기라인(510)과, 분기라인(510)의 단부에 연결되어 상기 배기머플러(130)의 입구측으로 포집수를 분사하는 분사노즐(520)과, 배기머플러(130)의 하부에 성치되는 포집수 저장부(530)를 구비한다.

상기 제1 가열부(410)를 통과한 물이 중간라인(411)을 통해 제2 가열부(420)로 이동하는 과정에서 분기라인(510)을 통해 일부가 배기머플러(130)측으로 이동하게 되며, 상술한 것처럼 분사노즐(520)을 통해 배기머플러(130)의 내부로 분사된다.

배기머플러(130)에 유입되는 배기가스는 배기머플러(130) 내부에 설치되는 다수의 소음판(131)을 통과하면서 소음이 감소된 후 배출되는데, 이 때, 배기머플러(130)의 내부로 공급된 물 또는 수증기 입자와 배기가스 중에 포함되어 있는 분진 또는 입자상의 유해물질이 응집되면서 물방울 형태로 변하게 되고, 배기머플러(130)의 내벽 또는 상기 소음판(131)을 따라 하방으로 이동하면서 배기머플러(130)에 형성된 관통홀(132)을 통해 포집수 저장부(530)로 이동하게 된다.

상기 포집수 저장부(530)는 배기머플러(130)에 탈착 가능하게 결합되어 있으며, 내부에 상기 포집수가 흡수될 수 있게 흡수충진재(531)가 내장된다. 포집수 저장부(530)는 다른 소모품과 같이 주행거리에 따라 일정 주기로 교체할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 클린 디젤 시스템(10)은 엔진본체(100)에서의 연소효율을 높여 연료의 사용량을 줄이고, 배기가스의 생성을 최소화하며, 배기가스 중에 포함되어 있는 분진을 비롯한 유해물질을 포집수를 통해 응집 제거함으로써 배출가스에 포함된 오염물질의 양의 획기적으로 줄이게 된다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 사람이라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록 청구 범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10; 클린 디젤 시스템
100; 엔진본체
110; 흡기 매니폴드 120; 배기 매니폴드
130; 배기머플러 131; 소음판
132; 관통홀
200; 냉각수 순환유닛
210; 냉각라인 211; 제1 냉각라인
212; 제2 냉각라인 220; 라디에이터
300; 물 공급부
310; 저수탱크 320; 공급라인
330; 예열부
400; 가열유닛
410; 제1 가열부 411; 중간라인
420; 제2 가열부 421; 하우징
422; 전열히터 423; 투입라인
500; 포집수 공급유닛
510; 분기라인 520; 분사노즐
530; 포집수 저장부 531; 흡수충진재

Claims

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내부에 복수개의 연소실이 마련되어 있으며, 상기 연소실 내로 연료 및 공기를 공급하는 연료공급라인 및 흡기 매니폴드와 연결되는 엔진본체를 포함하는 내연기관의 연소시스템에 있어서,
워터가스 또는 브라운가스의 형성을 위해 가열되는 가열대상 물을 공급하는 물 공급부와;
상기 엔진본체에서 배기되는 배기가스가 통과하는 배기 매니폴드에 설치되며 워터가스를 생성하기 위하여 상기 배기가스의 폐열을 이용해 상기 물 공급부에서 공급되는 물을 가열하는 제1 가열부를 포함하는 가열유닛과;
상기 제1 가열부에서 생성된 워터가스를 상기 엔진본체 또는 상기 흡기 매니폴드로 공급하도록 상기 가열유닛과 상기 엔진본체 또는 흡기 매니폴드에 연결되는 가스공급부와;
상기 물 공급부에서 연장되는 공급라인 또는 상기 가열유닛으로부터 분기되어 상기 엔진본체에서 형성된 배기가스가 배출되는 배기머플러에 분진을 포집하기 위해 수증기를 공급하는 포집수 공급유닛;을 구비하고,
상기 물 공급부는 상기 공급라인의 경로상에 설치되며 상기 엔진본체를 냉각시키기 위한 냉각수 순환유닛 중 상기 엔진본체를 냉각시킨 후 배출되는 냉각수 배출라인을 통과하면서 상기 냉각수에 의해 예열되는 예열부를 더 구비하며,
상기 가열유닛은 상기 제1 가열부가 상기 예열부와 연결되어 상기 예열부에서 예열된 물이 상기 제1 가열부를 통과하고, 상기 제1 가열부와 중간라인을 통해 연결되며, 상기 제1 가열부에서 1차 가열된 물 또는 수증기가 공급되는 하우징과, 상기 하우징에 설치되어 상기 하우징으로 공급되는 물 또는 수증기를 가열하기 위한 전열히터를 포함하는 제2 가열부를 더 구비하고,
상기 포집수 공급유닛은 상기 중간라인으로부터 분기되어 상기 배기머플러의 입구측과 연결되는 분기라인과, 상기 분기라인에 연결되어 상기 배기머플러의 내부로 물 또는 수증기를 분사하는 분사노즐과, 상기 배기머플러의 하부에 설치되어 상기 배기머플러의 내부에서 상기 분사노즐로부터 분사된 물 입자 또는 수증기와 배기가스의 유해물질이 응집되어 형성된 포집수를 저장하는 포집수 저장부를 구비하는 것을 특징으로 하는 클린 디젤 시스템.