KR20030012282A

KR20030012282A - 마이크로웨이브를 이용한 디젤엔진 ｐｍ필터의 착탈형재생장치

Info

Publication number: KR20030012282A
Application number: KR1020010046254A
Authority: KR
Inventors: 채재우; 시안 가오; 문승일; 우데유
Original assignee: 채재우; 시안 가오
Priority date: 2001-07-31
Filing date: 2001-07-31
Publication date: 2003-02-12

Abstract

디젤엔진으로 부터 배출되는 배기가스에 포함되는 입자상 미립자물질을 포집하는 PM필터를 마이크로웨이브의 열원으로 산화시켜 재생하는 것으로, 디젤엔진의 배기관(1)에 장착된 필터(10)에 마이크로웨이브를 방사하기 위한 마이크로웨이브 공급원(20)과, 마이크로웨이브 공급원(20)에서 발생한 마이크로웨이브를 필터(10)로 공급하기 위한 웨이브가이드(21)와, 배기관(1)의 단부와 웨이브가이드(21)를 분리가능하게 결합하는 컨넥터(22)와, 필터(10)의 전방 배기관(1)에 재생시의 연소물질을 배출토록 형성된 바이패스 관(3)을 제공한다.

이로 인해, 필터에 흡착되는 미립자물질 등을 제거시 필터의 연속적인 재생이 가능하여 재생효율을 높이며, 필터 재생시 그 내부에 국부적으로 포집, 분포된미립자만을 연소시킴에 따라 필터내의 온도구배를 줄이고 열응력이 낮아져 재생시 세라믹폼의 파손되는 것을 방지하며, 차량의 필터와 착탈가능한 하나의 마이크로웨이브 방사장치를 여러대 차량의 필터와 연결할 수 있음에 따라 장치의 이용효율을 높이며, 필터를 재생하는 마이크로웨이브를 방사시 일반적인 교류전원을 이용하여 고출력의 전력공급이 가능하여 재생시간을 대폭적으로 줄일 수 있다.

Description

마이크로웨이브를 이용한 디젤엔진 ＰＭ필터의 착탈형 재생장치{disel engine PM filter regeneration device of using microwave}

본 발명은 디젤엔진으로 부터 배출되는 배기가스에 포함되는 입자상 미립자물질(particulate material)을 포집하는 PM필터(이하, "필터" 라고함)를 마이크로웨이브의 열원으로 산화시켜 재생할 수 있도록 한 마이크로웨이브를 이용한 디젤엔진 PM필터의 착탈형 재생장치에 관한 것이다.

더욱 상세하게는, 배기가스의 입자상 미립자를 포집하는 세라믹 필터의 재생시기가 도래되었을때, 지상에 설치된 마이크로웨이브 공급원을 필터에 착탈가능하게 연결하여 필터에 방사되는 마이크로웨이브에 의해 탄소를 산화시켜 필터를 재생할 수 있도록 한 마이크로웨이브를 이용한 디젤엔진 PM필터의 착탈형 재생장치에 관한 것이다.

일반적으로, 디젤엔진은 신뢰성, 연료효율, 내구성 및 저려함 운전비용으로 인해 그 사용폭이 증대되고 있는 반면에, 디젤엔진으로 부터 배출되는 배기가스중에는 PM, NOx, HC, CO, PAH, SO₂등의 인체에 극히 유해한 입자상 미립자물질이 포함되어 있고, 이러한 미립자물질은 약 0.1∼0.3μm정도의 아주 작고 가벼워 대기중으로 방출시 인체의 호흡기계통에 흡입되어 여러가지의 질병을 초래하는 요인으로 지적되고 있는 실정 이다.

전술한 미립자물질은 엔진의 과부하 운전시에는 배기가스 온도가 500℃이상이 되어 자체발화하여 연소되지만, 엔진의 정상 작동시에는 배기가스의 온도가 500℃이하여서 연소되지않은 상태로 그대로 대기중으로 방출되는 것이다.

따라서, 배기가스 통로에 카본 미립자를 포집할 수 있도록 필터를 설치하여 미립자를 물리적으로 걸러주도록 하고 있으나, 필터에 입자상 미립자물질이 누적되어 증가되는 경우 배압(back pressure)이 증대되어 엔진의 성능을 떨어트리는 요인으로 작용하게되며 포집효율도 저하되므로 필터를 정기적으로 재생시켜 미립자를 연소시키도록 하고 있는 것이다.

한편, 미립자물질(PM)의 배출을 줄이기 위하여 연료분사기술의 개선, 엔진의 전자제어기술 적용, 연소실 형상의 변형, 흡기방식의 개선, 윤활유 소모의 저감, 배기가스의 후처리 등의 여러방식이 연구되고 있으나, 특히 배기가스 후처리방식이 미립자물질 제거에 가장 효과적인 것으로 알려져 있다.

미립자물질을 포함하는 배기가스를 다공성 매질로 걸러내는 전술한 필터로서 세라믹 필터, 섬유직조 필터, 규소섬유직조코일, 세라믹폼, 금속망, 금속분말소결필터 등의 다수의 필터 재료가 시험되고 있으며, 이러한 필터의 미립자 포집효율은 50∼90%를 나타내고 있다.

미립자물질을 포집하는 필터를 재생시키는 방법으로서 촉매코팅방식을 사용하는 경우, 필터 표면에 탄소성분과 산화반응이 용이한 촉매를 코팅하여 필터 표면에 흡착된 미립자물질 및 매연(soot)들을 배기가스의 온도가 약 300∼400℃정도 증가할 경우 산화반응을 유도하여 미립자물질을 제거하는 것이다.

이러한 촉매코팅방식은 촉매독에 의한 효율저하가 문제점으로 지적되며, 촉매반응에 의한 재생효율이 낮게되므로 사용시간이 짧아 필터의 완벽한 재생 효과를 얻을 수 없게 된다.

필터 표면에 흡착된 미립자물질들을 산화,제거하기 위하여 부가적으로 주입되는 연료를 연소시켜 필터를 재생시키는 연료첨가방식은, 연료를 부가적으로 주입시켜야되므로 에너지를 부수적으로 소비하는 문제점과, 부분열화에 의한 촉매 수명단축, 제3의 유해물질이 발생하는 문제점을 갖게 된다.

전기가열방식에 의해 필터를 재생시키는 경우, 세라믹 필터를 직접 가열하거나 전단에 유입공기의 온도를 높임에 따라 필터 자체까지 가열되므로 열화에 의한필터의 파괴, 파손될 수 있으며, 전기 가열원에 의해 에너지가 많이 소비되는 문제점을 갖게 된다.

공기주입방식에 의해 필터를 재생시키는 경우, 고압의 공기를 짧은 순간에 필터에 유입시킴에 따라 필터에 흡착된 미립자물질 등을 물리적으로 탈리시킴에 따라, 미립자물질을 필터로 부터 단지 탈리시킨후 대기중으로 방출시키므로 별도의 후처리장치가 요구되는 문제점을 갖게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은, 필터에 흡착되는 미립자물질 등을 제거시 마이크로웨이브를 필터에 방사하여 재생시킴에 따라 연속적인 재생이 가능하고, 재생효율이 높은 마이크로웨이브를 이용한 디젤엔진 PM필터의 착탈형 재생장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 마이크로웨이브를 필터에 방사시 그 내부에 국부적으로 포집, 분포된 미립자만을 연소시킴에 따라, 필터 전체를 균일하게 가열하여 필터내의 온도구배를 줄이고 열응력이 낮아져 필터를 재생시 세라믹폼의 파손되는것을 방지할 수 있도록 한 마이크로웨이브를 이용한 디젤엔진 PM필터의 착탈형 재생장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 차량의 필터와 착탈가능한 하나의 마이크로웨이브 방사장치를 재생시에 여러대 차량의 필터와 연결할 수 있음에 따라 장치의 이용효율을 높이며, 차량의 주행시 발생하는 진동으로 인해 간섭받는 것을 방지하며, 장치의 사용수명이 연장되며, 유지보수가 용이한 마이크로웨이브를 이용한 디젤엔진 PM필터의 착탈형 재생장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 필터를 재생하는 마이크로웨이브를 방사시 일반적인 교류전원을 이용하여 사용자에게 편리성을 제공하며, 고출력의 전력공급이 가능하여 재생시간을 대폭적으로 줄일 수 있도록 한 마이크로웨이브를 이용한 디젤엔진 PM필터의 착탈형 재생장치를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 마이크로웨이브를 이용한 디젤엔진 PM필터의 착탈형 재생장치의 개략도,

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 마이크로웨이브를 이용한 디젤엔진 PM필터의 착탈형 재생장치의 PM필터의 요부발췌확대도 이다

*도면중 주요 부분에 사용된 부호의 설명

1; 배기관

2; 바이패스 밸브

3; 바이패스 관

10; 필터

11; 입구부

13; 압력 검출센서

20; 마이크로웨이브 공급원

21; 가이드

22; 컨넥터

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 디젤엔진의 배기관(1)에 장착된 필터(10)에 마이크로웨이브를 방사하기 위한 마이크로웨이브 공급원(20)과, 마이크로웨이브 공급원(20)에서 발생한 마이크로웨이브를 필터(10)로 공급하기 위한 웨이브가이드(21)와, 배기관(1)의 단부와 웨이브가이드(21)를 분리가능하게 결합하는 컨넥터(22)와, 필터(10)의 전방 배기관(1)에 재생시의 연소물질을 배출토록 형성된 바이패스 관(3)을 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 디젤엔진 PM필터의 착탈형 재생장치를 제공한다.

바람직한 실시예에 의하면, 전술한 마이크로웨이브 공급원(20)에 필터(10)의재생시 웨이브가이드(21)를 통하여 필터(10)로 송풍을 하기위한 송풍기(4)가 내장된다.

바람직한 실시예에 의하면, 전술한 필터(10)의 재생시기를 판단하기 위하여 필터(10)의 입구부(11)에 압력 검출센서(13)가 설치된다.

바람직한 실시예에 의하면, 전술한 바이패스 관(3)에 필터(10)의 재생모드이외의 경우 배기가스 배출을 차단하도록 바이패스 밸브(2)가 개폐가능하게 설치된다.

바람직한 실시예에 의하면, 전술한 필터(10)로서 폼(foam) 세라믹 필터가 사용된다.

이때, 전술한 필터(10)의 재생시 마이크로웨이브 공급원(20)에 설치된 송풍기(4)에 의해 신선한 외부공기를 필터(10)에 공급하여 재생효율을 높여주고, 필터(10)의 재생온도를 조절할 수 있게 된다.

바람직한 실시예에 의하면, 전술한 필터(10)의 재생시기는 매 주행거리가 200∼300㎞, 필터(10)의 입구부(11)에 설치된 압력 검출센서(13)에 의해 검출된 배기가스의 압력값이 2bar이상인 경우, 차량 교대시간에 실시할 수 있다.

바람직한 실시예에 의하면, 전술한 필터(10)의 재생온도는 600∼700℃범위이고, 필터(10)의 매 재생시간은 2∼3.5분이내에서 실시할 수 있다.

바람직한 실시예에 의하면, 전술한 마이크로웨이브 공급원(20)으로 부터 필터(10)에 방사되는 마이크로웨이브 주파수는 300∼3000㎒이며, 전원은 AC 220V이며, 필터(10)의 재생시 전원의 소모전력은 2.0∼5.0㎾가 사용될 수 있다.

이하, 본 발명에 의한 마이크로웨이브를 이용한 디젤엔진 PM필터의 착탈형 재생장치의 사용방법을 첨부도면을 참조하여 설명하면 아래와 같다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 디젤엔진으로 부터 배출되는 배기가스가 배기관(1)을 통하여 필터(10)를 통과하는 과정에서 배기가스에 포함된 입자상 미립자물질(PM) 및 매연(soot) 등이 다공성 벽(wall)에 포집되며, 여과된 배기가스는 대기중으로 배출되는 것이다.

전술한 폼세라믹 필터(10)의 필터링 작용에 의해 배기가스중에 포함되는 미립자물질이 다공성 벽에 누적되어 점진적으로 증가되므로 필터(10)를 통과하는 배기가스의 압력이 설정된 압력값을 초과하는 경우, 즉 필터(10)의 입구부(11)에 설치된 압력 검출센서(13)에 의해 검출되는 배기가스의 압력값을 차량의 운전 계기판에 램프를 통하여 운전자에게 재생시기를 알려준다.

따라서, 전술한 압력 검출센서(13)에 의해 검출된 압력값이 2bar를 초과하게되어 차량에 장착된 필터(10)의 재생시기가 확인된 경우, 필터(10)의 후방부에 형성된 컨넥터에 대해 마이크로웨이브 공급원(20)의 웨이브가이드(21)에 형성된 컨넥터(22)를 착탈가능하게 접속시킴에 따라, 웨이브가이드(21)와 컨넥터(22)를 통해 마이크로웨이브 공급원(20)을 필터(10)에 연결할 수 있는 것이다.

즉, 필터(10)의 재생시에 엔진을 정지모드로 하고, 필터(10)의 후방부에 형성된 컨넥터와 마이크로웨이브 공급원(20)의 웨이브가이드(21)단부에 형성된 컨넥터(22)를 분리가능하게 상호 연결함에 따라, 지상에 설치된 하나의 마이크로웨이브 공급원(20)을 이용하여 차량마다 장착된 필터(10)에 선택적으로 연결하여 필터(10)를 재생시킬 수 있는 것이다.

이때, 엔진의 밸브들은 폐쇄된 상태이고 전술한 바이패스 관(3)에 설치된 바이패스 밸브(2)는 개방된 상태이므로, 전술한 마이크로웨이브 공급원(20)에 설치된 송풍기(4)로 부터 공급되는 외부공기는 필터(10)를 경유하여 엔진측으로 유입되지않고, 전술한 필터(10) 재생시의 연소물질을 바이패스 밸브(2)를 통해 외부로 배출시키는 것이다.

한편, 전술한 필터(10)의 재생시기는 필터(10)의 입구부에 형성되는 배기가스의 압력값이 2bar 또는 차량의 매 주행거리가 300㎞인 경우에 재생시기임을 판단하는 것이다. 이는 필터(10)의 입구측에 발생하는 배기가스의 압력값이 2bar를 초과하는 경우 필터(10) 내부에 배압(back pressure)이 발생하여 디젤엔진의 작동에 무하가 발생되어 출력감소 요인이 되는 것이다. 또한 배기가스의 압력값이 2bar인 경우 통상적으로 차량의 매 주행거리가 300㎞임을 반복적인 시험결과로 부터 확인할 수 있었다.

이때, 필터(10)를 재생하기 위하여 마이크로웨이브 공급원(20)의 작동시 전원은 일반적인 교류전원으로 AC 220V로 부터 공급받고, 마이크로웨이브 공급원(20)으로 부터 마이크로웨이브를 방사시 마이크로웨이브 주파수는 300∼3000㎒인 2.0∼5.0㎾의 열원을 공급받아 세라믹 필터(10)를 히팅시킬 수 있는 것이다.

한편, 전술한 필터(10)의 재생온도 및 시간은 600∼700℃, 2∼3.5분정도가 바람직하며, 이는 필터(10)에 흡착되는 대부분의 입자상 미립자물질은 카본으로 이루어져 있어 보통 500∼600℃정도의 열을 가하면 연소되는 것이다. 따라서600∼700℃의 열을 필터(10)에 가하는 경우 대부분의 카본만이 연소되는 것이다.

반면에, 세라믹폼 필터(10)에 가해지는 온도가 600∼700℃를 초과하는 경우에는 고온으로 인하여 필터(10) 자체가 열화되어 부분열화로 인하여 세라믹 필터(10) 재질의 훼손 및 파괴되는 부작용을 초래하게 된다.

한편, 전술한 마이크로웨이브 공급원(20)으로 부터 방사되어 필터(10)를 재생하는 마이크로웨이브는 양극성 분자(polarity molecule)로 구성된 유전체에 방사되는 동안에 양극성 분자의 전자쌍극자(electric couple polarity)는 고주자 전기장으로 부터 포텐셜 에너지를 얻는다.

전자쌍극자의 방향은 고주파 전기장의 방향이 변함에 따라 매우 빠르게 변화하며, 주변의 분자들도 상호 충돌하고 전자쌍극자도 전기장으로 부터 받은 포텐셜 에너지가 열 에너지로 변환된다. 이와 같은 반응으로 인해 유전체(입자상 미립자물질인 카본을 말함)의 온도를 높이게 된다.

마이크로웨이브에 의한 가열은 표면에서 내부로 전도 또는 복사에 의한 유사한 상용화된 외부 가열방법과 상이한 것이다. 즉 마이크로웨이브를 이용한 가열은 전기장에서 유전 방출에 의한 공간 가열으로서 마이크로웨이브 가열의 에너지 효율은 마이크로웨이브가 유전체로의 침투능력을 갖게되므로 유사한 다른 가열방법에 비하여 상대적으로 높게 된다.

마이크로웨이브는 선택적인 가열 능력을 갖게 된다. 즉 마이크로웨이브 흡수는 각각의 물질에 따라 큰 차이를 나타내며, 물질에 따른 열 흡수능력은 마이크로웨이브 주파수와 전기장의 세기 뿐만 아니라 가열되는 물질의 특성에 따른 것이다.

미립자물질의 마이크로웨이브 흡수 능력은 세라믹에 의한 미립자물질의 흡수 능력보다 상대적으로 높게됨에 따라 필터내의 미립자물질은 높은 온도로 가열되어 빨리 연소되는 것이다.

따라서, 필터를 재생하기 위하여 마이크로웨이브를 사용시 마이크로웨이브가 세라믹 필터를 통과하여 그 내부에 국부적으로 분포됨에 따라 높은 고주파 흡수 특성을 가지는 미립자물질만이 연소되므로, 마이크로웨이브를 이용하여 미립자물질이 흡착된 필터를 재생할 수 있는 것이다.

한편, 마이크로웨이브를 이용한 필터의 재생은 차량 장착방식과 분리방식으로 구분된다.

즉, 마이크로웨이브 공급원을 차량에 장착한 방식은, 차량에서 이용하는 전압 DC 12∼24V의 전원으로서 마이크로웨이브를 방사하기 위한 4㎾의 전력을 공급해주어야 되므로 고급의 승압장치가 요구되어 장치의 크기가 대형화되어 차량의 한정된 공간에 탑재시 어려움이 발생하며, 고가의 마이크로웨이브 공급원은 차량 주행시 발생하는 기계적 진동에 취약한 문제점과, 마이크로웨이브 공급원과 미립자물질 필터를 차량 내부의 한정된 공간에 탑재 및 분리시 어려움이 발생하는 문제점을 갖게 된다.

반면에, 필터를 재생하는 마이크로웨이브 착탈방식은, 전술한 마이크로웨이브 공급원(20)을 지상의 지정된 장소(일예로, 차고지 등을 말함)에 설치하여, 재생이 필요한 차량의 필터(10) 후방부에 형성된 컨넥터에 대해 마이크로웨이브 공급원(20)에 연결되는 웨이브가이드(21)에 형성된 컨넥터(22)를 착탈가능하게 연결함에 따라, 마이크로웨이브공급원(20)으로 부터 방사되는 마이크로웨이브를 웨이브가이드(21)와 컨넥터(22)를 통하여 필터(10)에 방사하여 필터(10)를 재생할 수 있는 것이다.

이상에서와 같이, 바람직한 실시예에 의하면 아래와 같은 이점을 갖는다.

필터(폼세라믹 필터의 집진율은 70%이상을 유지함)에 흡착되는 미립자물질 등을 제거시 마이크로웨이브의 고에너지를 필터에 방사하여 재생시킴에 따라 연속적인 재생이 가능하고, 재생효율(99%이상을 유지함)이 높게 된다.

또한, 마이크로웨이브를 필터에 방사시 그 내부에 국부적으로 포집, 분포된 미립자만을 연소시킴에 따라, 필터 전체를 균일하게 가열하여 필터내의 온도구배를 줄이고 열응력이 낮아져 필터를 재생시 세라믹폼의 파손되는 것을 방지할 수 있다(세라믹 필터의 사용수명을 주행거리 약 200,000㎞까지 유지하는 것을 반복적인 시험결과로 부터 확인할 수 있었다).

또한, 차량의 필터와 착탈가능한 하나의 마이크로웨이브 방사장치를 재생시에 여러대 차량의 필터와 연결할 수 있음에 따라 장치의 이용효율을 높이며, 차량의 주행시 발생하는 진동에 의한 간섭받는 것을 방지하며, 재생장치의 사용수명이 연장되며(마이크로웨이브 재생장치의 사용수명이 2,000시간 이상확보됨) 유지보수가 용이하게 된다.

또한, 필터를 재생하는 마이크로웨이브를 방사시 일반적인 교류전원을 이용하여 사용자에게 편리성을 제공하며, 고출력의 전력공급이 가능하여 재생시간을 대폭적으로 줄일 수 있다.

전술한 바와 같은 본 발명의 분리형 마이크로웨이브를 이용한 디젤엔진 PM필터의 재생장치는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이며, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주를 벗어나지않는 범위내에서 변형실시할 수 있음은 물론 이다.

Claims

디젤엔진의 배기관(1)에 장착된 필터(10)에 마이크로웨이브를 방사하기 위한 마이크로웨이브 공급원(20);

상기 마이크로웨이브 공급원(20)에서 발생한 마이크로웨이브를 상기 필터(10)로 공급하기 위한 웨이브가이드(21);

상기 배기관(1)의 단부와 웨이브가이드(21)를 분리가능하게 결합하는 컨넥터(22); 및

상기 필터(10)의 전방 배기관(1)에 재생시의 연소물질을 배출토록 형성된 바이패스 관(3)을 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 디젤엔진 PM필터의 착탈형 재생장치.
제1항에 있어서, 상기 마이크로웨이브 공급원(20)에 상기 필터(10)의 재생시상기 웨이브가이드(21)를 통하여 상기 필터(10)로 송풍을 하기위한 송풍기(4)가 내장된 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 디젤엔진 PM필터의 착탈형 재생장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 필터(10)의 재생시기를 판단하기 위하여 상기 필터(10)의 입구부(11)에 압력 검출센서(13)가 설치된 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 디젤엔진 PM필터의 착탈형 재생장치.
제1항에 있어서, 상기 바이패스 관(3)에 상기 필터(10)의 재생모드이외의 경우 배기가스 배출을 차단하도록 바이패스 밸브(2)가 개폐가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 디젤엔진 PM필터의 착탈형 재생장치.