KR20010000416A - 디젤 엔진에서 배출되는 매연 제거 플라즈마 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대기 오염 물질 중 디젤 엔진에서 배출되는 매연을 제거하는 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게 기술하면, 대기 중에 존재하는 전체 매연의 98% 이상이 디젤엔진을 이용하는 경유차에서 배출되는데, 대기압의 공기 중에서 발생시킨 전자파 플라즈마를 이용하여 매연을 완전 제거하거나 또는 허용기준치 (25%)까지 감소시키기 위한 것이다.

본 발명은, 가장 손쉽게 시중에서 구입할 수 있는 전자파 발진 장치, 즉 가정용 전자 레인지에 들어 있는 마그네트론을 이용하였다. 모든 전자레인지 속에는 주파수 2.45GHz의 마그네트론이라는 전자파 발진 장치가 들어 있는데 산업체에서 대량 생산하기 때문에 값이 싸며 쉽게 구입할 수 있고, 용량은 0.6∼1.4kW까지 다양하다. 전자 레인지에 사용되는 마그네트론에 파워를 공급하는 반파 전압 배율기를 전파 전압 배율기로 개조시킴으로써 안정한 파워를 공급할 수 있다. 시중에서 손쉽게 구할 수 있는 마그네트론에서 발진되는 주파수 2.45GHz의 전자파는 도파관을 통해 여기(Excited)되어 진다.

여기된 전자파의 강한 전기장을 이용하여 배출가스를 절연파괴(Breakdown) 시킴으로써 대기압에서 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 바로 이 대기압 전자파 플라즈마를 이용하여 본 발명의 목적인 디젤 엔진에서 배출되는 매연을 완전 제거 또는 허용기준치인 25%까지 감소시키는 것이다. 따라서 본 발명의 특징은 플라즈마를 발생시킬 수 있는 값싼 마그네트론과 대기압에서 손쉽게 경제적으로 플라즈마를 발생시킬 수 있다는 장점이 있다.

Description

디젤 엔진에서 배출되는 매연 제거 플라즈마 장치{Plasma Device Removing Exhaust Gas of Diesel Engine}

본 발명은 대기 오염 물질 중 디젤 엔진에서 배출되는 매연을 제거하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게 기술하면, 대기 중에 존재하는 전체 매연의 98% 이상이 디젤엔진을 이용하는 경유차에서 배출되는데, 대기압의 공기 중에서 발생시킨 전자파 플라즈마를 이용하여 매연을 완전 제거하거나 또는 허용기준치 (25%)까지 감소시키기 위한 것이다. 더불어 산화질소와 아황산가스를 제거하는 데에 사용될 수도 있다.

본 발명은 주위에서 쉽게 구할 수 있는 가정용 전자 레인지의 전자파 발진 장치인 마그네트론을 이용하여 저렴한 비용으로 쉽게 플라즈마를 발생시킴으로써 디젤 엔진의 매연을 제거 또는 감소시킬 수 있는 것이다. 이 장치에 의해 생성된 플라즈마 불꽃의 중심 온도는 5000∼6000℃정도이다. 디젤엔진이 배출한 매연이 이 고온의 플라즈마 불꽃 속을 지나가게 함으로써 매연을 태우고 들뜬 산소 분자나 전자들에 의해 분해할 수 있다.

참조 숫자 22의 마그네트론의 파워를 공급하는 파워 공급 시스템(24)은 전파 전압 배율기 회로를 이용하고 있다. 이 회로에 관한 자세한 내용은 특허출원(출원번호:10-2000-0001594) 중인 문서에 실려 있다. 인버터를 이용하여 자동차의 전원을 교류로 바꾸어 이를 다시 전파 전압 배율기를 이용하여 마그네트론(22)에 파워를 공급할 수 있다. 이 마그네트론(22)에서 발진된 전자파는 도파관을 통해 여기 되어진다. 참조 숫자 26은 마그네트론(22)을 냉각시켜주는 냉각 장치이다. 도파관에 의해 여기된 전자파는 방전관(12)을 지나게 된다. 이 방전관의 위치는 도파관(18-a)에서 관내 파장 4분의 1인 지점에 위치해 있다. 이 위치에서 가스를 절연 파괴할 수 있는 강한 전기장이 생성된다. 참조 숫자 20은 3-스터브 정합 시스템이다. 이 것은 입력 측의 임피던스와 부하의 임피던스를 정합시켜 부하에 최대 파워를 전달할 수 있게 해주는 임피던스 정합 시스템이다. 스터브는 간단히 스크류를 도파관(18)에 삽입하므로써 임피던스를 정합시킬 수 있다. 참조 숫자 14는 점화장치이다. 플라즈마의 발생을 용이하게 하기 위해서 방전관(12) 내에 스파크를 발생시켜준다. 자동차 배기통(16)은 매연이 전자파 플라즈마 불꽃 속을 통과하도록 방전관(12)과 연결되어 있다. 전자파 플라즈마에 의해 정화된 배출가스는 자동차 배기통(28)과 연결되어 대기 중으로 배출되어진다. 이렇게 함으로써 매연을 제거할 수 있다.

기존의 디젤엔진의 배기가스를 정화시키는 방법은 여러 종류의 연료를 섞어 사용하거나, 또는 배기가스의 일부를 다시 연 소실로 유입시켜 오염물질을 감소하는 것들이 있다. 특히 코로나 방전을 이용한 정화 방법은 코로나 방전에서 나오는 저온 플라즈마를 이용하는 것으로 매연, 산화질소, 아황산가스를 제거하는 효율이 다른 기술보다 월등히 좋다. 그러나, 현재 사용되고 있는 코로나 방전연구에 의하면, 높은 전압을 필요로 하는 펄스 전력 시스템을 쓰기 때문에 플라즈마 발생효율이 아주 낮을 뿐만 아니라 엄청난 크기의 전력 시스템 때문에 경제성과 실용성이 없게된다.

본 발명의 디젤엔진 매연 제거 플라즈마 발생 장치는 저렴한 비용으로 손쉽게 플라즈마를 발생시켜 매연을 제거할 수 있는 특성이 있다.

2.45GHz 마그네트론을 이용하여 진공 속에서 방전을 만들어 플라즈마를 발생시켜 산업 응용 분야에 이용하고자하는 많은 실험이 있었다. 그러나 기존의 방법과 진공 장치를 이용하여 플라즈마를 만들면 너무 많은 비용이 들게되므로 실용화하기에는 경제성이 미흡하다. 본 발명이 이루고자 하는 환경개선에 이용될 플라즈마는 결코 까다로운 조건들을 만족할 필요는 없다. 대기압에서 손쉽고 저렴하게 대량으로 플라즈마를 만들면 된다. 따라서 본 발명의 전자파 플라즈마 발생 장치는 이 조건을 만족하고 있다. 본 발명의 실험에서는 900W의 마그네트론을 이용하여 대기압에서 플라즈마를 발생시켜 디젤엔진에서 배출되는 매연제거 실험을 수행하였다. 이 엔진의 용량은 2200cc이며 실험시 디젤엔진의 공회전수는 1800∼2000rpm, 이 때 방전관으로 유입되는 배기가스의 유속은 매초당 30∼40 미터 이였다. 배기가스의 매연을 거름종이에 흡착하여 본 발명 장치로 처리하여 전·후를 비교하였다. 그 결과는 70% 이상 처리가 되었으며 많게는 90% 가까이 처리가 되었다. 그리고 배기가스의 온도를 측정해본 결과, 처리전과 처리후의 배기가스의 온도가 거의 50℃ 밖에 차이가 나지 않았다. 이는 플라즈마 불꽃의 중심온도가 5000∼6000℃ 임에도 불구하고 플라즈마로 처리되는 동안, 배기 가스의 온도가 거의 상승되지 않았다는 것이다. 이런 실험을 수행하는 동안에, 배기가스의 유속이 빨라짐에 따라 마그네트론에 들어가는 전류치가 마그네트론의 정상 작동치 보다 많이 올라간다는 것을 관찰하였다. 이는 방전관속을 빠르게 통과하는 배기가스를 방전하여 플라즈마를 발생시키는 데에 많은 부하가 걸린다는 것이고, 이에 도파관 내에 반사파가 발생하여 마그네트론에 손상이 가게된다. 또 배기가스의 빠른 유속에 의해 플라즈마 불꽃이 방전관의 중심에 모이게되어 가장자리로 지나가게 되는 배기가스는 효과적으로 처리되지 않는 다는 것을 관찰하였다.

상기 설명한 실험 관찰을 토대로 배기가스의 빠른 유속에서도 마그네트론이 안정하게 작동될 수 있는 기술과 플라즈마 불꽃이 방전관 내부 전체를 채울 수 있는 기술이 필요하다. 그리고 매연뿐만 아니라 산화질소나 아황산가스의 처리유무를 입증하여야 한다. 운행차에 본 발명 장치를 부착하여 실질적으로 응용될 수 있음을 입증하고 실질적인 데이터들을 도출하고 장치를 개선하여 실용화하는 과제가 남아 있다.

다음에 상세히 기술할 설명은 나열된 도식들을 참조하므로 써 본 발명을 더욱 쉽게 이해할 수 있다.

도 1은 이 발명품에 관한 시스템을 설명하는 블록 다이아 그램이다.

도 2는 시스템 전체를 구체화한 도식의 옆 단면도이다.

도 3은 방전 시스템과 배기 가스 공급 장치를 구체화한 도식의 옆 단면도이다.

도 4는 방전관 구조의 단면도이다.

도 5는 대기압 전자파 플라즈마 장치에서 발생된 플라즈마 불꽃의 사진이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

22 - 마그네트론(전자파 발진장치) 18 - 도파관

20 - 3-스터브 정합 시스템 12 - 방전관

아래 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1의 참조 숫자 10으로 표기된 것은 방전시스템과 배기가스 공급부분이다. 방전관(12)는 마그네트론으로부터 나온 전자파의 전기장이 최대가 되는 위치에 설치되어 있다. 참조 숫자 26은 마그네트론(12)의 과열을 방지하기 위한 냉각 팬이다. 18-a, 18-b, 18-c는 도파관이며 마그네트론(12)에서 발진된 전자파를 여기시켜 준다. 자동차 배기통(16)과 방전관(12)를 연결하여 배기가스가 플라즈마 불꽃 속을 지나가도록 하였다. 플라즈마에 의해 처리된 배기가스는 자동차 배기통(28)을 통해 대기 중으로 배출된다. 점화장치(14)는 방전을 용이하게 하기 위해서 방전관(12)에 스파크를 발생시킨다. 대기 중에서 간단히 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

도 2에서 도파관(18)은 차차 가늘어지는 테이퍼(Taper)된 도파관이다. 이는 테이퍼된 부분에서 연속적인 임피던스의 변화를 발생시켜 정합을 유도하고 있다. 방전관(12)의 위치는 도 1의 도파관(18-a)의 종단에서부터 관내파장의 4분의 1 지점에 위치한다. 도 2에서 λ_g는 관내파장을 나타내는 부호이다. 3-스터브 시스템(20)은 관내 파장의 4분의 1 간격으로 3개의 스터브가 도파관에 삽입되어있다. 이는 입력 임피던스와 부하의 임피던스를 정합시켜 최대의 파워가 전달되도록 해준다. 그리고 마그네트론(22)의 부착 위치는 도파관(18-c) 종단부분부터 관내 파장 4분의 1 지점에 부착되어진다. 파워 공급 시스템(24)는 마그네트론에 파워를 안정하게 공급해주는 전파 전압 배율기이다. 도 3은 방전 시스템(12) 부분을 구체화한 도식이다. 도 4는 방전관 구조의 단면도이다. 본 발명의 전자파 누출 테스트에서 전자파는 거의 새어나오지 않았다. 안전성을 더욱 도모하여 방전관 내부에 철망을 삽입하여 전자파의 외부 누출을 완전 차단하였다. 플라즈마의 불꽃이 고온임을 고려하여 30과 34는 세라믹으로 처리하였으며 그 사이에 철망(32)을 삽입하였다. 36은 배기가스의 입자들이다. 도 5는 본 발명의 전자파 플라즈마 불꽃을 보여주는 그림이다. 공기를 방전 가스로 사용하여 대기 중에서 플라즈마를 발생시켰다.

상기한 과학적 기술을 바탕으로 본 발명을 새롭게 개조하거나 변화시킬 수도 있다.

주위에서 손쉽게 구할 수 있는 가정용 전자레인지의 전자파 발진 장치를 이용하여 플라즈마를 발생시켜 값싸게 대량생산하여 디젤 엔진 뿐만 아니라, 각종 연소장치에서 나오는 배기가스의 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있다.

Claims (4)

1. 본 발명의 과학적 설명에서 고찰한 것처럼, 대기 중에서 가정용 전자 레인지의 전자파 발진 장치를 구축하고 플라즈마를 발생시켜 대량생산하고 이를 통하여 배기 가스 속에 포함된 각종 오염물질을 제거하는 장치.
2. 본 발명의 플라즈마 발생장치를 이용하여, 산업체와 공장에서 배출하는 프레온(CFC)가스와 같은 산업 폐기가스를 제거하는 장치.
3. 본 발명을 이용하여 플라즈마를 발생시켜 플라즈마를 이용한 화학 반응연구와 기타 기체 반응 연구에 이용하려는 장치.
4. 가솔린이나 디젤 엔진에서 나오는 배기가스 오염 물질을 제거하기 위하여, 본 발명의 장치를 응용하여 가솔린이나 디젤엔진에 부착하여 플라즈마를 발생시켜 배기가스를 제거하려는 장치.