KR20030018976A - 마이크로웨이브를 이용한 디젤 자동차의 배기가스정화장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로웨이브를 이용한 디젤 자동차의 배기가스 정화장치 및 그 방법에 관한 것으로, 양단이 개방되고 연결플랜지에 의해 디젤엔진과 소음머플러 사이에 개재되는 내부가 중공된 반응기와; 상기 반응기의 내부에 삽입되는 파이렉스관과; 상기 파이렉스관의 내주면에 삽설된 필터와; 상기 파이렉스관의 외주면에 권취된 코일과; 상기 코일이 연결되고 고밀도 마이크로웨이브를 발진시키는 적어도 하나의 마그네트론과; 상기 마그네트론과 전기적으로 연결되어 고전압을 인가하는 파워서플라이와; 기초전압인 저전압을 인가하여 상기 파워서플라이를 통해 고전압으로 승압할 수 있도록 이와 연결된 배터리를 포함하여 구성된 정화장치 내부로 배기가스를 유입시킨 후 발진되는 고주파 마이크로웨이브의 공진현상과 유전가열현상을 이용하여 반응기 내부의 배기가스는 그 화학적 분자결합을 끊어 무해가스로 만들고, 탄소결합된 입자상 물질들은 분해하여 물, 이산화탄소, 질소와 같은 무해성분으로 변화시켜 배출토록 한 것이다.

본 발명에 따르면, 정화효율을 높고, 대기오염을 예방할 수 있으며, 필터에 흡착된 입자상 물질들을 신속히 분해 처리함으로써 역압발생을 억제하여 엔진성능의 저하를 막고, 연료소비효율도 향상시킨 장점이 있다.

Description

마이크로웨이브를 이용한 디젤 자동차의 배기가스 정화장치 및 그 방법{APPARATUS FOR PURIFYING EXHAUST GAS OF DIESEL ENGINE BY USING MICRO WAVE AND THEREOF METHOD}

본 발명은 대기오염을 유발하는 디젤자동차 및 디젤기관에서 발생하는 질소산화물, 일산화탄소, 탄화수소, 황산화물 및 매연 등의 입자상 물질들을 저감하고 정화시켜 대기오염을 방지할 수 있도록 한 마이크로웨이브를 이용한 디젤 자동차의 배기가스 정화장치 및 그 방법에 관한 것이다.

근자에 이르러 자동차의 급격한 증가는 대도시에 있어 대기오염을 크게 악화시키고 있으며, 특히 디젤자동차에서 많이 배출되고 있는 매연, 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물 및 황산화물 등은 도시 대기오염에 지대한 영향을 끼치고 있다.

이러한, 매연, 그을음 등의 입자상 물질들은 시각적으로 불쾌할 뿐만 아니라 다핵방향족화합물(PAH:POLYCYCLIC AROMATIC HYDROCARBON)같은 발암성 물질을 포함하고 있어 인체에 미치는 피해가 심각하고 질소화합물, 탄화수소, 오존 등은 햇빛의 존재하에 광화학 반응을 일으켜 대기중의 광화학 산화물 등을 증대시켜 일상생활에 큰 불쾌감을 주고 있다.

이렇게, 대기오염이 심각해지는 상황속에서 자동차에 의한 대도시 대기오염의 저감대책은 배출가스 허용기준을 대폭 강화하는 수준으로 디젤자동차의 질소산화물의 허용기준을 강화하였을 뿐 매연이나 입자상 물질에 대해서는 별다른 기준이 없는 실정이다.

종래에는 이러한 디젤자동차의 배기가스를 직접불꽃방법, 삼원촉매방법, 연료첨가방법, 트랩-머플러방법, 중화 및 여과필터방법 등을 이용하여 정화처리 하였다.

직접불꽃방법은 공기펌프에 의한 2차공기공급과 배출가스의 일부를 연소실로 유도한 후 다시 연소하여 HC와CO를 제거하는 방법으로 높은 온도에서 이루어지므로 열교환기와 보조연료의 공급으로 연소를 지속시키는 방법이며, 삼원촉매방법은 촉매를 사용하여 배출가스중의 불완전 연소분을 제거하는 방법으로 배출가스와 2차 공기의 혼합가스를 촉매층에 통과시켜 각각 산화, 환원, 삼원 촉매반응을 일으켜 HC, CO, NOx 등을 제거하는 방법이다.

연료첨가방법은 연료에 동화합물, 납화합물, 세리움화합물, 망간화합물 등의 첨가제를 주입하고 매연을 세라믹 필터로 포집한 후 전자장치로 재연소시키는 방법이며, 트랩-머플러방법은 머플러에 부착된 필터에 매연을 포집한 후 머플러에서 재연소에 관한 방법이고, 중화 및 여과필터방법은 유입되는 배기가스 또는 매연을 중화시키기 위한 중화제와 중화제에 의해 중화된 배기가스 또는 매연을 여과필터로 정화시키는 방법이다.

그러나, 이들 기존의 방법들은 다음과 같은 문제를 안고 있다.

직접불꽃방법의 경우에는 각 부분에서 높은 온도가 발생하므로 양질의 내열재를 써야하고 보조연료를 사용하므로 연료의 경제적인 면에서 바람직하지 않으며 장치가 커지는 문제점이 있고, 삼원촉매방법의 경우에는 HC, CO, NOx 등의 오염물질에 대한 촉매를 각각 선택하여야 하고 촉매의 대부분이 고가이며 처리시 압력손실이 발생하는 단점이 있고 미반응 탄화수소나 SOx에 의한 촉매오염의 제거가 용이하지 못하여 정화효율이 떨어지는 문제점이 있다.

연료첨가방법의 경우에는 연료첨가제로 쓰이는 동화합물이나 납화합물은 매연에 좋은 산화제로서 작용하지만 기관에 침전물이 생겨 배출가스 및 성능저하를 가져오며 대기중에 배출된 납화합물이나 구리산화물은 독성의 물질이라는 문제가 있고, 트랩-머플러방법은 기존의 머플러를 제거하고 트랩머플러로 교체해야 하는 단점을 지니고 있으며, 중화 및 여과필터방법은 배출가스중의 그을음, 매연 등 입자상 물질이 필터에 쌓이면 역압(BACK PRESSURE)이 증가하여 엔진의 성능을 떨어뜨리고 연료소비효율이 감소하기 때문에 이를 주기적으로 교체해야 하는 문제점을 가지고 있다.

최근에는 상술한 공지의 방법들이 갖는 단점들을 보완하면서 보다 향상된 정화처리능력을 가진 기술들이 다수 공개된 바 있다.

예컨대, 국내특허출원 제1997-19887호, 제1997-80802호, 제1998-47417호, 제1999-31169호 및 국내실용신안등록출원 제1998-18252호 등이 그것이다.

이들 예시된 기술들은 플라즈마를 이용하거나 광촉매 혹은 중화제와 여과필터 및 히트파이프를 응용한 것들로서 상술한 공지의 정화방법을 단순히 개량 혹은 개선한 정도에 불과하여 여과 및 정화처리 성능면에 있어서 진일보한 것은 사실이나 그을음이나 매연 등의 입자상 물질들을 완전하게 분해 제거하지는 못하였다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술이 갖는 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출한 것으로, 시내버스를 포함한 디젤자동차 및 디젤기관에서 발생하는 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물 및 황산화물 등의 유해대기가스는 마이크로웨이브의 공진작용에 의해 무해한 가스로 분해하고 또한 디젤기관내에서 불완전연소로 인해 생성된 탄화물로 되어있는 먼지, 그을음, 매연 등의 입자상 물질들은 필터에 흡착한 후 마이크로웨이브의 유전가열원리를 이용하여 완전연소를시켜 제거함으로써 최종적으로 물과 이산화탄소 혹은 질소와 같이 완전히 무해한 성분만이 대기중으로 배출될 수 있도록 한 마이크로웨이브를 이용한 디젤 자동차의 배기가스 정화장치 및 그 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 도 1은 본 발명에 따른 배기가스 정화장치의 일 실시예를 보인 개략적인 구성 블럭도,

도 2는 본 발명에 따른 배기가스 정화장치의 다른 가능한 실시예를 보인 개략적인 구성 블럭도,

도 3은 본 발명에 따른 정화장치를 구성하는 파워서플라이의 승압과정을 보인 회로도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1,1' : 반응기 2 : 파이렉스관

3 : 코일 4,4' : 마그네트론

5,5' : 파워서플라이 6,6' : 배터리

7,7' : 필터 8 : 완충부재

9,9' : 연결플랜지 12 : 도파관

13 : 도파로

본 발명은 양단이 개방되고 연결플랜지에 의해 디젤엔진과 소음머플러 사이에 개재되는 내부가 중공된 반응기와; 상기 반응기의 내부에 삽입되는 파이렉스관과; 상기 파이렉스관의 내주면에 삽설된 필터와; 상기 파이렉스관의 외주면에 권취된 코일과; 상기 코일이 연결되고 고밀도 마이크로웨이브를 발진시키는 적어도 하나의 마그네트론과; 상기 마그네트론과 전기적으로 연결되어 고전압을 인가하는 파워서플라이와; 기초전압인 저전압을 인가하여 상기 파워서플라이를 통해 고전압으로 승압할 수 있도록 이와 연결된 배터리를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 디젤 자동차의 배기가스 정화장치를 제공한다.

또한, 본 발명은디젤엔진의 연소과정에서 발생된 유해 배기가스를 반응기 내부로 유입시키는 단계와; 파워서플라이를 통해 마그네트론에 고전압을 인가시켜 고밀도 고주파의 마이크로웨이브를 발진시키는 단계와; 발진된 마이크로웨이브를 반응기 내부로 유도하여 마이크로웨이브의 공진현상과 유전가열현상을 이용하여 반응기 내부로 유입된 배기가스의 화학전 분자결합을 끊음과 동시에 필터에 흡착된 탄화물형태의 입자상물질을 분해하는 단계와; 정화처리된 배기가스를 배출구를 통해 대기중으로 배출하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 디젤 자동차의 배기가스 정화방법을 제공한다.

이하에서는, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 배기가스 정화장치의 일 실시예를 보인 개략적인 설치상태도이다.

도 1에 따르면, 흡입구(10)와 배출구(11)가 형성된 양단이 좁고 내부가 중공된 원통형상의 반응기(1)가 구비되고, 상기 반응기(1)의 내부에는 상기 흡,배출구(10,11)에 접하는 원통형상의 파이렉스관(2)이 내장된다.

상기 파이렉스관(2)의 양단에는 상기 반응기(1)와의 접촉마찰 및 작동시 충격을 최소화하기 위한 완충부재(8)가 설치되며, 그 내주면에는 필터(7)가 설치된다.

또한, 파이렉스관(2)의 외주면에는 코일(3)이 권취되고, 상기 코일(3)의 양단은 한쌍의 마그네트론(4)과 연결된다.

상기 마그네트론(4)은 파워서플라이(5)와 연결되며, 상기 파워서플라이(5)는 배터리(6)와 연결된다.

흡,배출구(10,11)의 외주면에는 연결플랜지(9)가 구비되어 상기 반응기(1)의 양단을 디젤엔진과 소음머플러 사이에 고정시킬 수 있게 된다.

반응기(1)는 전자파의 영향을 받지 않도록 하기 위해 알루미늄 소재로 제조됨이 바람직하다.

파이렉스관(2)은 마그네트론(4)으로부터 발진되고 코일(3)을 통해 유도된 전자기파를 필터(7)측으로 원활하게 안내하기 위한 수단이다.

이러한 파이렉스관(2)은 길이 250mm, 직경 50mm, 관두께 10mm 정도가 바람직하다.

상기 마그네트론(4)은 파워서플라이(5)로부터 인가된 고전압을 통해 1cm ~ 1m의 파장과 300MHz ~ 30GHz의 주파수를 가진 고주파를 발진시키는 수단이다.

상기 필터(7)는 활성탄소섬유필터(active carbon filter), 세라믹 필터, 하니컴필터(honeycomb filter), 유리섬유필터 중에서 선택된 어느 하나이다.

활성탄소섬유필터는 비표면적 1300∼1600 m²/g ; 세공반경 10∼40Å 이며; 다결정구조 섬유로서 섬유상태의 고분자 화합물로 조직된 섬유상태로 소결활성화되며, 비표면적이 넓고 안정된 고효율적이며 흡착용량도 크고 강도도 높아 많이 사용되는 필터중의 하나이다.

유리섬유필터는 온도변화에 따른 수축이나 팽창률이 낮고 화학부식에 대한 저항성이 높으며, 고온에 대한 내구성이 우수한 필터이며, 하니컴필터는 벌집모양의 구조를 갖는 안정화되고 우수한 흡착성능을 갖는 필터이고, 세라믹필터는 비표면적을 극대화시켜 소형이 가능하며 내열성, 내부식성과 높은 여과효율을 구유한 필터이다.

파워서플라이(5)는 도 3과 같은 회로도를 통해 배터리(6)로부터 인가되는12V의 전압을 2000V로 승압하기 위해 요구된다.

도 3을 참고하면, DC 12 V 혹은 24 V 입력을 AC 220 V로 변환가능한 구조를 보인 것으로, 단상 PWM FULL BRIDGE INVERTER 방식을 채택하여 구성된다.

즉, PWM 인버터 방식은 IGBT나 MOS-FET 등의 스위칭 소자를 이용하여 전압의 크기와 주파수를 제어할 수 있으므로 정현파 교류출력을 발생시키는데 용이하며, 이러한 인버터방식을 이용하여 펄스폭이 변조된 정/부의 구형파형태를 갖는 교류를 발생시킬 수 있다.

이러한 인버터방식을 통해 원하는 출력과 주파수를 갖는 정현파를 생성할 수 있으며, 인버터의 출력단에 트랜스포머를 설치하여 원하는 크기를 갖는 교류의 승압된 정현파를 획득할 수 있는 것이며; 이와 같은 승압과정은 전자기분야에서 공지된 사실이다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명은 다음과 같은 작동관계를 갖는다.

먼저, 본 발명에 따른 정화장치는 디젤엔진과 소음머플러 사이에 연결 설치된다.

디젤엔진의 연소과정에서 유발된 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물, 황산화물 등을 포함한 배기가스는 반응기(1)의 흡입구(10)를 통해 내부로 유입되게 된다.

이때, 파워서플라이(5)를 통해 승압된 고전압을 인가받은 마그네트론(4)은 1cm ~ 1m의 파장과 300MHz ~ 30GHz의 주파수를 가진 고주파 고밀도의 마이크로웨이브를 발진시키게 된다.

발진된 고주파 마이크로웨이브는 그 공진현상에 의해 반응기(1)로 유입된 유해 배기가스의 화학적인 분자고리를 끊게 되고, 이러한 과정이 반복적으로 일어나면서 무해가스로 변화되게 된다.

또한, 배기가스내에 함유된 먼지, 매연, 그을음 등과 같은 0.3~0.1㎛ 정도 크기를 갖는 입자상 물질들은 파이렉스관(2)의 내주면에 설치된 필터(7)에 흡착되고, 발진된 고주파의 유전가열원리에 의해 온도 400℃ 내외에서 완전 산화, 환원되면서 물, 이산화탄소 혹은 질소가스로 변화되게 된다.

예컨대 이산화질소의 경우;

NO₂--------> N⁺+ 2O^-+ e(여기전자)

와 같은 반응이 일어나게 되고,

이온과 라디칼의 재반응들이 발생하여 최종적으로 인체에 무해한 가스로 정화되게 된다.

즉,

N⁺+ N⁺-------------> N₂

O^-+ H⁺+ H⁺--------> H₂O

C⁺+ O^-+ O^-+ E ----> CO₂

CO^-+ E -----------> CO₂

이와 같은 과정을 거쳐 입자상 물질들이 분해된 무해가스와 반응 생성물들은 배출구(11)를 통해 대기중으로 방출되게 된다.

여기에서, 고주파는 2.45GHz의 마이크로웨이브가 바람직하다.

이는 2.45GHz가 물진동수와 같아서 효과적인 처리결과를 얻는데 용이하게 사용되는 파장대역이기 때문이다.

도 2는 본 발명에 따른 다른 가능한 실시예를 보인 개략적인 구성 블럭도이다.

도 2에 따르면, 반응기(1')가 구비되고, 상기 반응기(1')의 양단에는 흡입구(10')와 배출구(11')가 형성되며, 이들 흡,배출구(10',11')의 외주면에는 고정을 위해 연결플랜지(9')가 형성된다.

특히, 흡입구(10')는 분기되어 도파관(12)을 형성하고, 상기 도파관(12)의 선단에는 마그네트론(4')이 고정된다.

상기 마그네트론(4')에는 도파로(13)가 연결되며, 상기 도파로(13)는 상기 도파관(12)의 길이방향으로 배설된 후 그 단부가 반응기(1') 내부에 위치되도록 배치된다.

반응기(1')의 내부에는 필터(7')가 구비되며, 그 양단의 흡,배출구(10',11')는 디젤엔진과 소음머플러 사이에 연결 설치된다.

상기 필터(7')는 도 1에서 사용한 필터와 동일한 것을 사용함이 바람직하다.

마그네트론(4')에는 파워서플라이(5')가 연결되며, 상기 파워서플라이(5')는 배터리(5')로부터 발생된 저전압을 고전압으로 승압시키는 기능을 수행하는 바, 그승압과정은 상술한 바와 같다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명의 다른 가능한 실시예도 도 1에서 설명한 바와 같은 작동관계를 갖는 바, 예컨대 디젤엔진의 연소과정에서 유발된 유해 배기가스가 반응기(1') 내부로 유입된 후 마그네트론(4')으로부터 발진된 고주파의 공진현상에 의해 배기가스의 화학적 분자고리가 끊어짐으로써 무해가스로 변화되게 되고, 필터(7')에 흡착된 탄화물형태의 입자상 물질들은 유전가열현상에 의해 분해되어 무해한 성분인 물, 질소, 이산화탄소로 변화되어 대기중으로 배출되게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 공진현상과 유전가열현상을 통해 배기가스를 정화시킴으로써 정화효율을 높일 수 있다.

둘째, 탄화물형태의 입자상 물질들도 신속히 분해하여 무해한 성분인 물, 이산화탄소, 질소 등으로 변화시킨 후 대기중으로 방출하므로 대기오염을 예방할 수 있다.

세째, 필터에 흡착된 입자상 물질들을 신속히 분해 처리함으로써 역압발생을 억제하여 엔진성능의 저하를 막고, 연료소비효율도 향상시킨 장점이 있다.

Claims (5)

1. 양단이 개방되고 연결플랜지(9)에 의해 디젤엔진과 소음머플러 사이에 개재되는 내부가 중공된 반응기(1)와;

   상기 반응기(1)의 내부에 삽입되는 파이렉스관(2)과;

   상기 파이렉스관(2)의 내주면에 삽설된 필터(7)와;

   상기 파이렉스관(2)의 외주면에 권취된 코일(3)과;

   상기 코일(3)이 연결되고 고밀도 마이크로웨이브를 발진시키는 적어도 하나의 마그네트론(4)과;

   상기 마그네트론(4)과 전기적으로 연결되어 고전압을 인가하는 파워서플라이(5)와;

   기초전압인 저전압을 인가하여 상기 파워서플라이(5)를 통해 고전압으로 승압할 수 있도록 이와 연결된 배터리(6)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 디젤 자동차의 배기가스 정화장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 필터(7)는 활성카본필터, 세라믹필터, 하니컴필터, 유리섬유필터 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 디젤 자동차의 배기가스 정화장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 마그네트론(4)을 통해 발진되는 고밀도 마이크로웨이브는 1cm ~ 1m의 파장과 300MHz ~ 30GHz의 주파수대역을 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 디젤 자동차의 배기가스 정화장치.
4. 양단이 개방되고 연결플랜지(9')에 의해 디젤엔진과 소음머플러 사이에 개재되는 내부가 중공된 반응기(1')와;

   상기 반응기(1')의 내부에 삽입되는 필터(7')와;

   상기 반응기(1')의 흡입구(10')측이 분기되어 형성된 도파관(12)과;

   상기 도파관(12)의 입구에 고정된 고밀도 마이크로웨이브를 발진시키는 적어도 하나의 마그네트론(4')과;

   상기 마그네트론(4')과 연결되고 상기 도파관(12)을 통해 반응기(1') 내부로 그 단부가 노출되게 배설된 도파로(13)와;

   상기 마그네트론(4)과 전기적으로 연결되어 고전압을 인가하는 파워서플라이(5')와;

   기초전압인 저전압을 인가하여 상기 파워서플라이(5')를 통해 고전압으로 승압할 수 있도록 이와 연결된 배터리(6')를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 디젤 자동차의 배기가스 정화장치.
5. 디젤엔진의 연소과정에서 발생된 유해 배기가스를 반응기(1,1') 내부로 유입시키는 단계와;

   파워서플라이(5,5')를 통해 마그네트론(4,4')에 고전압을 인가시켜 고밀도고주파의 마이크로웨이브를 발진시키는 단계와;

   발진된 마이크로웨이브를 반응기(1,1') 내부로 유도하여 마이크로웨이브의 공진현상과 유전가열현상을 이용하여 반응기(1,1') 내부로 유입된 배기가스의 화학전 분자결합을 끊음과 동시에 필터(7,7')에 흡착된 탄화물형태의 입자상물질을 분해하는 단계와;

   정화처리된 배기가스를 배출구(11,11')를 통해 대기중으로 배출하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 디젤 자동차의 배기가스 정화방법.