KR19980085657A - 순차 플라즈마 방전을 이용한 디젤자동차 배기가스 정화장치 - Google Patents

순차 플라즈마 방전을 이용한 디젤자동차 배기가스 정화장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디젤 자동차 배기가스에 포함되는 NOx, SOx, CO, 미반응 탄화수소(HC), 매연과 분진 등을 효과적으로 제거하는 플라즈마 방전을 이용한 디젤 자동차 배기가스 정화장치에 관한 것으로, 1997년 5월 21일 특허출원한 플라즈마 방전을 이용한 디젤자동차의 배기가스 정화장치에 양극과 음극으로 구성된 다수개의 플라즈마 방전칩을 내산성, 내마모성 및 전기 전도성이 우수한 금속 또는 그 합금으로 전극의 길이를 길게 구성하여 정화효율과 수명을 연장하여 디젤자동차의 수명과 거의 동일하게 하고 자동차의 배기가스가 다수개의 플라즈마 방전칩을 통해서만 배출되게 하므로 정화효율을 최대한으로 제고시켰다. 그리고 디젤 자동차의 바테리의 용량이 24V로 제한되어 있으므로 접점을 이용하여 기계적으로 단속하는 기계식 배전기, 트랜지스터(TR)를 이용한 무접점 배전기, 광다이오드를 이용하여 TR을 작동하는 광다이오드식 배전기 축전기를 이용하는 축전기식 배전기를 이용하여 플라즈마 방전칩을 개별 또는 군별 단위를 순차적으로 방전시키는 방법을 이용하여 12~24V 자동차 바테리를 무리없이 플라즈마 칩 방전에 활용하여 디젤 자동차의 배기가스를 정화할 수 있게 한 것이다.

Description

순차 플라즈마 방전을 이용한 디젤자동차 배기가스 정화장치
제 1 도 : 본 발명의 분해사시도.
제 2 도 : 본 발명 단면구성도.
제 3 도 : 본 발명의 일실시예로 제시한 회로도.
제 4 도 : 본 발명 절연판의 다른 실시예 평면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
(2)-- 하우징(4)-- 바닥판
(6)-- 나사공(8)-- 전극판
(10)-- 방전공간(12)-- 음전극
(14)-- 나사부(16)-- 음극 급전선
(18)(44)-- 통공(20)-- 돌출부
(22)--단턱부(24)-- 절연링
(26)-- 양전극(28)-- 양전극 삽입공
(30)--통기공(32)-- 절연판
(34)-- 양극 급전선(36)-- 링단자
(38)-- 너트(40)-- 방전칩
(42)-- 판 스프링(46)-- 덮개
(47)-- 피스(48)-- 머플러
(50)(52)-- 절연 방지구(54)-- 제어기
(B)-- 전베터리 전원(D)-- 배전기
(T)-- 승압코일
(R)-- 전류제한저항 및 서지흡수 저항
(SW)-- 시동 또는 운전 스위치
(Q)-- 스위칭 트랜지스트(OT)-- 트리거회로 또는 발진기
(HV)-- 고전압 발생장치
본 발명은 디젤 자동차 배기가스에 포함되는 NOx, SOx, CO, 미반응 탄화수소(HC), 매연과 분진 등을 효과적으로 제거하는 플라즈마 방전을 이용한 디젤 자동차 배기가스 정화장치에 관한 것으로, 상세하게는 본 발명인(출원인과 동일)이 1997년 5월 21일 특허출원한 플라즈마 방전을 이용한 디젤자동차의 배기가스 정화장치에서는 양극과 음극으로 구성된 복수개의 플라즈마 방전칩을 설치하여 디젤자동차의 배기가스가 이 칩을 통해서만 배기되면서 플라즈마 방전에 의하여 산화 환원되어 정화되도록 한 것이다. 그러나 디젤 자동차의 배터리는 24V로 제한되어 있으므로 1차 전류가 15A가 될 경우 360W의 전력만 사용할 수 있으므로 점화코일을 이용하여 3,000~25,000V로 승압시킬 경우 전류는 12mA~1.04mA밖에 이용할 수 없게 된다. 그러므로 다수개의 플라스마 방전칩을 동시에 방전시킬 수 없는 결과가 초래된다.
따라서, 본 발명에서는 접점을 이용하여 기계적으로 단속하는 기계식 배전기, 트랜지스터(TR)를 이용해 접점이 쉽게 손상되는 것을 방지하는 무접점식 배전기, 광다이오드를 이용하여 TR를 작동시키는 광다이오드식 배전기나 또는 400V의 직류전기를 축전기에 저장하였다가 점화코일의 1차 코일에 방전시키는 축전기식 배전기를 이용하여 플라즈마 방전칩을 개별 또는 복수개로 이루어진 군별 단위를 순차적으로 방전시켜서 12V 또는 24V의 배터리 전원을 무리없이 활용하여 디젤자동차의 배기가스를 정화시키는 것에 관한 것이다.
현재 선진국의 대도시나 공장 밀집 지역에서는 질소 산화물인 NO와 NO2와 같은 NOx의 발생량이 증가하고 있으므로 대기오염에 대한 규제가 점차 강화되고 있다. NOx의 주 발생원인은 날마다 증가하는 자동차, 쓰레기 소각로, 화력발전소, 디젤 기관차, 선박, 각종 보일러 및 난방용 버너 등을 들 수 있으며, 이 가운데 자동차의 매연이 대기오염에 차지하는 비중은 무려 75%에 달하고 있다.
디젤 자동차는 가솔린 자동차에 비하여 열효율이 좋고 높은 출력을 낼 수 있으며, 비교적 공연비가 높은 영역에서 연소가 일어나고 있으므로 일산화탄소와 탄화수소의 배출량이 낮아 휘발유 자동차의 배출가스 규제가 엄격하지 않았을 때는 오염물질의 배출이 상대적으로 낮은 비교적 깨끗한 자동차로 알려 졌었다.
그러나 삼원 촉매가 부착된 저공해 휘발유 자동차가 공급됨으로써 인체에 유독한 NOx 및 입자상 물질들이 많이 배출되는 디젤 자동차가 큰 오염 배출원으로 등장하게 되었다. 따라서 디젤 자동차에서와 같이 배기가스 오염물질을 후처리하는 배기가스 정화기술을 개발하고 있으며, 현재 개발되었거나 개발중인 디젤 자동차 매연 후처리 장치는 다음 4가지로 분류할 수 있다.
1) 경유 버너식 : 매연을 포집한 후 별도의 경유 버너를 사용하여 재연소 시키는 장치.
2) 연료 첨가제식 : 연료에 암모니아, 우레아, 하이드라진 등의 첨가제를 주입하고 매연을 세라믹 필터로 포집한 후 전자장치로 재연소시키는 장치.
3) 트랩-머플러식 : 머플러에 부착된 필터에 매연을 포집한 후 머플러에서 재연소시키는 장치.
4) 촉매식 : 촉매트립을 설치하여 매연을 정화시키는 장치.
이들 가운데 경유 버너식은 엔진에서 연결 부착하여야 하므로 엔진실에 별도의 공간이 필요하고, 연료 첨가제식은 머플러 앞에 별도의 전자장치와 세라믹 필터를 부착해야 하므로 역시 별도의 공간을 필요로 하는 단점을 지니고 있다.
트랩-머플러식은 현재 사용하고 있는 기존의 머플러를 제거하고 트랩머플러로 교체해야 하는 단점을 지니고 있으며, 촉매식은 미반응 탄화수소나 SOx에 의한 촉매독의 제거가 용이하지 못하여 정화효율이 떨어지는 단점을 지니고 있다.
이와 같은 디젤 자동차 정화장치들은 앞에서 언급한 바와 같이 각각의 뚜렷한 단점외에도 모두 400만원대 이상의 고가 장비라는 공통의 단점을 지니고 있을 뿐 아니라, 자동차 시동 초기에는 정화장치의 온도가 낮아서 배기가스 정화가 거의 이루어지지 않는다는 근본적인 단점을 지니고 있다.
본 발명의 플라즈마 정화장치는 12V나 24V 자동차 바테리(또는 제네레이터) 전원을 고전압 발생장치(HV)로 3,000V~25,000V까지 승압한 다음 복수개로 설치되는 방전칩으로 공급하여 아크 방전에 의한 플라즈마를 발생시켜 디젤 자동차 배기가스를 분해 정화시키는 원리를 이용하고 있으며, 자동차의 시동초기부터 정화효율을 최대한으로 높일 수 있는 장점을 지니고 있다.
배기가스는 길이가 길면서 플라즈마가 발생되는 복수개의 방전칩을 통해서만 배출할 때 배기가스 및 매연의 정화효율이 매우 우수하며, 이런 방전칩을 2개 이상의 복수개로 설치하여 배기가스의 정화효율을 극대화시킬 수 있으며, 길이가 긴 방전칩은 복수개로 설치하여 엔진에서 배출되는 매연가스의 배출저항을 최대한 줄여 주므로 배출압력에 의한 엔진의 부하 상승 및 행정 불량요인이 없도록 한다.
제 1 도는 본 발명의 분해사시도이고, 제 2 도는 본 발명의 단면구성도로서 스텐레스와 같이 내열성과 내산성 및 도전성이 우수한 금속 절연재 또는 비절연 재질로 되고 상부가 개방된 하우징(2)의 바닥판(4)에 다수개의 나사공(6)을 적당한 간격으로 형성하고, 몰리브덴, 텅스텐, 니켈, 구리 등과 같이 내열성과 내산성 및 도전성이 우수한 금속합금으로 두께가 얇은 원형의 전극판(8)을 구성한 다음 상기의 나사공(6)과 같은 크기와 간격의 통공을 형성한다.
상기 전극판(8)을 하우징(2)의 바닥판(4) 저면에 접촉시켜 방전공간(10)이 형성된 음전극(12)의 나사부(14)를 나사결합하여 음전극(12)의 전극봉이 하향하도록 하고, 전극판(8)의 일단에 음극 급전선(16)을 나사체결 등의 방법으로 고정하여 음전위를 공급할 수 있게 한다.
하우징(8)의 바닥판(4)에는 통공(18)과 돌출부(20) 및 단턱부(22)를 갖는 도너츠 형상의 세라믹으로 된 절연링(24)을 끼워 설치하고, 절연링(24)의 단턱부(22)에 양전극(26) 삽입공(28)과 배기가스 통기공(30)이 적당간격으로 형성된 세라믹과 같은 절연재로 된 절연판(32)을 끼워 설치하고, 삽입공(28)의 상부에 양극 급전선(34)이 고정되어 1개 또는 2개 또는 3개 또는 그 이상의 적정갯수로 구성된 도전성링단자(36)를 끼워 링단자(36)의 상부로 돌출시킨 후 너트(38)로 체결고정시켜 개별양전극(26) 또는 군별 양전극으로 양전위를 공급할 수 있게 하는 양전극봉은 음전극(12)의 방전공간(10)으로 삽입되게 하여 플라즈마 방전칩(40)을 구성한다.
절연링(24)과 절연판(32)의 가장자리부에 도너츠 형상의 판스프링(42)을 얹은 다음 중앙에 통공(44)이 형성된 도너츠 형의 덮개(46)를 덮어 하우징(2)에 피스(47)로 고정함으로서 음전극(12)과 양전극(26)이 방전거리를 유지하면서 고정되게 한 것이다.
한편 제 3 도는 본 발명 일실시예의 전원공급회로로 자동차에 설치된 저전위(24V)의 배터리(B)를 고전압으로 승압시킨 다음 배전기를 통하여 음전극(12)과 양전극(26)으로 구성된 복수개의 개별 또는 군별 단위로 빠른 속도로 순차 방전되게 구성함으로서 효율적인 아크방전이 이루어지며 이때 발생되는 플라즈마에 의해 배기가스가 정화되게 한 것이다.
상기 제 3 도는 트리거 회로 또는 발진기(OT)에 의해 스위칭 되는 스위칭 트랜지스터(Q)에 의해 저전위(24V)의 배터리(B) 전원이 승압코일(T)을 통하여 3,000~25,000V로 승압되며, 승압된 전류는 12mA~1.04mA 정도로 미약하여 복수개로 설치되는 방전칩(40) 전체를 동시에 방전시킬 수 없으므로 배전기(D)를 통하여 방전칩(40)을 개별적이거나 단위 군별로 방전시켜 배기가스를 정화하도록 한다.
상기 고전압 발생장치(H2)는 시동스위치 또는 운전스위치(SW)에 의해 연동되며 저항(R)으로 전류제한 및 충격전압이나 서지전압을 흡수하도록 한다.
상기에서 양전극(26)과 음전극(12)과 링단자(36)는 전극판(8)처럼 몰리브덴, 텡스텐, 니켈, 구리 등과 같은 내열성과 내산성 및 도전성이 우수한 금속합금으로 구성하고, 복수개의 급전선(16)(34)은 실리콘 고무와 같이 내열성과 절연성 및 내압이 우수한 고압 케이블을 이용하도록 하고, 급전선(16)(34)이 통과하는 머플러(48)에는 불필요한 방전을 방지하기 위하여 급전선(16)(34)과 머플러(48) 사이에 급전선(16)(34)과 같은 재질은 실리콘 고무재로 된 절연 방지구(50)(52)를 끼워 불요성 방전을 방지한다.
본 발명에서 배기가스는 통공(44)과 통기공(30) 및 방전공간(10)을 통하여서만 배출되게 함으로서 배기가스가 정화되게 다른 연결부에는 내연성 페인트나 내열성 세라믹 접착제로 기밀이 유지되게 한다.
본 발명에서 스위칭 트랜지스터(Q)의 스위칭 주파수는 수백 Hz에서 수만 Hz로 가변할 수 있게 하고, 배전기(D)의 1싸이클 달성에 소요되는 시간은 수nS~수초까지 선택할 수 있다.
또한, 고전압을 분배하는 배전기(D)와 1차전류를 단속하여 2차코일에 고전압을 유도하는 승압코일(T)은 가솔린 자동차에 사용하는 배전기(D)와 점화코일을 그대로 사용하거나 또는 본 발명에 부합하도록 개량하여 사용할 수도 있으며, 배전기(D)는 기계식 접점식이나 무접점식을 사용할 수도 있으나 기계접점식은 접점의 잦은 손상 및 서지전압(전류)의 발생이 우려되므로 무접점식을 사용함이 바람직하다.
이상에서와 같이 본 발명은 3,000~25,000V로 승압된 고전압을 배전기(D)로 개별 또는 군별 단위칩으로 순차적으로 빨리 공급하여 1싸이클을 구성하여 방전을 달성하므로 플라즈마가 효과적으로 발생하여 배기가스가 깨끗이 정화되며, 1싸이클 속도를 빨리하면 마치 전체 방전칩이 거의 동시에 방전하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에서 플라즈마 방전칩의 숫자나 머플러의 크기 정화능력 등에 따라서 방전속도를 달리 가변할 수 있으며 이러한 경우 스위칭 트랜지스터(Q)의 스위칭속도(Hz) 및 분배기(D)의 분배속도를 산정부를 갖는 제어기(54)를 통하여 가변하면 될 것이다.
또한 본 발명에서 급전선(16)(34)의 길이를 짧게 하여 고전압 발생장치(HV)와 분배기(D) 등이 본 발명의 방전칩(40) 부근에 위치하도록 함으로서 전력손실을 줄이도록 한다.
본 발명에서 전극판(8)을 삭제하여, 하우징(2)과 머플러케이스를 통하여 접지되게 함으로서 음전위가 공급되게 할 수도 있다.
제 4 도는 본 발명 절연판(32)의 다른 실시예의 평면도로서 세라믹 절연판(32)의 중심을 기준으로 양측에 각각 3개씩 양전극 삽입홈을 방사상으로 형성하고, 양전극 삽입홈의 상부면에 3련 연결단자(56)를 얹어서 3개의 양전극(26) 군을 끼운 후 너트(38)로 체결하여서 된 것으로 연결단자(56)는 분배기(D)의 출력에 각각 접속하면 될 것이다.
또한, 본 발명을 실시함에 있어서 제 4 도에 의한 플라즈마 방전장치를 머플러(48) 내에 2개 또는 그 이상으로 직렬 설치한 다음 전극군끼리 연결선으로 직렬 연결하여 동시방전되게 하거나 또는 병렬 연결하여 순차 방전되게 할 수 있으며, 경우에 따라서는 연결선에 고내압 실리콘 다이오드를 직렬 접속하고 본 발명의 플라즈마 방전장치와 머플러(48) 사이에 절연을 유지한 다음 양전극(26)과 음전극(12)으로 인가하는 방전전원의 극성을 빠른 속도로 계속 바꾸어주면 순차적인 방전이 달성된다.
이때 플라즈마 불꽃에 의해 배기가스가 분해 정화되는 화학 반응들을 요약하면 다음과 같다.
일산화탄소(CO)의 산화(연소) 반응은 다음 식(1)로 주어진다.
2CO + O2→ 2CO2-----------------------식 (1)
미 반응 탄화수소(HC : CnH2n+2의 연소는 다음 식(2)와 같이 일어난다.
m.CnH2n+2+ m/2(3n+1)O2→ mn.CO2+ m(n+1)H2O -- 식 (2)
여기서 m은 미 반응 탄화수소의 몰수(mole number)이다.
배기가스에 포함되는 NOx는 다음 식(3)과 식(4)와 같이 동식물에 무해한 질소(N2)와 산소로 환원된다.
2NO → N2+ O2------------------------식 (3)
2NO2→ N2+ 2O2-----------------------식 (4)
그리고 배기가스 내에 분산된 탄소분진((cs))은 다음 식(5)와 같이 산화되어 탄산가스(CO2)로 변한다.
C(s) + O2(g) → CO2(g) ------------------- 식 (5)
여기서 괄호속의 s와 g는 고체(solid)와 기체(gas)상태를 표시한다.
이상의 반응식 가운데 특히 본 출원인(발명자)이 본 발명에 앞서 출원한 바 있는 특허출원 제 97-15145호의 금속 하니컴으로 된 촉매 연소판을 본 발명 플라즈마 방전판의 선단에 설치한 경우 식(3), (4)에 나타낸 바와 같이 NOx 제거효율을 더욱 크게 높일 수 있다.
상기 정화 장치를 구성함에 있어서, 자동차의 시동초기부터 정화가 되므로 정화 효율을 극대화할 수 있으며, 본 발명의 전단에 금속하니컴을 설치한 경우 정화효율이 더욱 향상된다. 뿐만 아니라 정화 장치가 머플러(48) 또는 배기로 내에 설치되어 있어 배출되는 배기가스가 반드시 통과하게 되므로 정화효율이 매우 높다.
또한, 본 발명을 실시함에 있어서 반드시 디젤 자동차용 배기가스 정화장치에만 사용되는 것이 아니라 석유버너, 가스버너, 디젤기관, 소각로, 화력발전소 등의 매연가스, 분진, 배기가스 정화 및 제거용으로 사용할 수도 있으며 그 작용효과는 물론 동일시 된다.
따라서, 본 발명은 디젤 자동차의 머플러내에 프라즈마 정화장치를 설치하는 간단한 구성으로 배출되는 배기가스를 획기적으로 줄일 수 있게 되므로 배기가스로 야기되는 각종 환경오염을 현격히 줄일 수 있는 효과가 있다.
본 발명에서 전극(26)(12)은 전극판(8)과 절연판(32)에 나사식으로 체결되고, 하우징(2) 또한 분해 결합할 수 있으므로 전극(26)(12)의 교체가 쉬운 이점이 있다.

Claims (3)

  1. 양전극과 음전극으로 결합된 복수개의 플라즈마 방전칩으로 배기가스를 분해, 제거, 정화하는 디젤자동차의 배기가스 정화장치에 있어서, 플라즈마 방전칩(40)에 개별 또는 단위 군별적으로 순차 방전토록 함을 특징으로 하는 순차 플라즈마 방전을 이용한 디젤자동차 배기가스 정화장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상부로 개방된 하우징(2)의 바닥판(4)에 복수개의 나사공(6)을 적당한 간격으로 형성하고, 하우징(2)의 바닥판(4) 저면에 나사공(6)과 같은 크기와 간격의 통공이 형성된 전극판(8)을 접촉시킨 다음 음전극(12)을 체결하고, 하우징(2)의 바닥판(4)에 절연링(24)을 끼워 설치하고, 절연링(24)의 단턱부(22)에 복수개의 배기가스 통기공(30)에 형성되고 삽입공(28)에 링단자(36) 양전극(26)을 체결하고, 절연링(24)과 절연판(32)의 가장자리부에 판스프링(42)과 통공(24)을 갖는 덮개(46)를 얹은 다음 피스(47)로 체결하고 양전극(26)의 링단자(36)에 분배기(D)의 각 단자를 접속하여서 된 순차 플라즈마 방전을 이용한 디젤자동차 배기가스 정화장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 스위칭 트랜지스터(Q)로 승압코일(T)의 1차전류를 단속하여 2차 코일에 고전압을 유도한 다음 배전기(D)로 복수개의 플라즈마 방전칩(40)으로 개별 또는 단위 군별로 순차적으로 공급토록 한 순차 플라즈마 방전을 이용한 배기가스 정화장치.
KR1019970021796A 1997-05-27 1997-05-27 순차 플라즈마 방전을 이용한 디젤자동차 배기가스 정화장치 KR100220081B1 (ko)

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