KR20060006448A

KR20060006448A - 배기가스 정화장치용 전력 변환 시스템

Info

Publication number: KR20060006448A
Application number: KR1020040055496A
Authority: KR
Inventors: 김연승; 조형제; 지태한
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2004-07-16
Filing date: 2004-07-16
Publication date: 2006-01-19

Abstract

본 발명은 차량 엔진의 배기 매니폴드를 통과한 배기가스를 차량의 후방측으로 유도하기 위한 배기 파이프상에 장착된 이온 활성화기, 필터 및 촉매를 포함하는 배기가스의 정화장치로서, 그 구성은

전력 공급을 위한 전원부;

상기 전원부로부터 전원을 인가받아 이온 활성화기로 전력 공급을 위한 전력변환부; 및

상기 전력변환부에서 이온 활성화기로 인가되는 전력량을 차량상태에 따라 제어하기 위해 이온 활성화기로의 공급 전력 제어신호를 전력 변환부로 출력하는 제어부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

배기가스, 정화, 전력, 변환기, 콘트롤러

Description

배기가스 정화장치용 전력 변환 시스템 {An electric power converter system for purification apparatus of exhaust gas}

도 1은 본 발명에 따른 시스템의 전체적인 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 시스템의 블록 구성도.

도 3은 본 발명에 따른 시스템의 이온활성화기에서의 동작설명을 위한 도면.

<도면부호의 설명>

2 엔진 4 배기매니폴드

6 인젝터 8 배기파이프

10 이온활성화기 20 필터

30 촉매 40 전원부

50 전력변환부 60 제어부(콘트롤러)

본 발명은 배기가스 정화장치용 전력 변환 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 차량 배기계의 필터에 포집된 검댕이 성분의 재생과 냉시동 및 배기가스 저온 운전구간에서의 촉매 활성화를 향상시키기 위해 이온 활성화기로의 공급 전력을 조절한 배기가스 정화장치용 전력 변환 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 차량의 배기계에 장착된 필터장치에 포집된 검댕이(soot) 성분을 재생시키지 않을 경우에는 검댕이가 필터 내부에 축적되므로, 차량 및 엔진에는 배압의 상승, 연비의 악화 및 엔진 부조 등과 같은 악영향이 미치게 되고, 그로 인해 엔진의 운전 자체가 불가능해지는 상황이 발생될 수 있다. 따라서 배기계에 쌓이는 검댕이에 의한 악영향을 방지하기 위한 검댕이 성분의 재생은 차량에 있어서 필수적이다.

상기 검댕이 성분의 재생을 위한 종래 시스템은 배기가스 유동온도를 상승시켜 필터에 포집된 검댕이 성분을 태우는 방식을 이용하였으며, 이를 위해 배기가스의 온도를 상승시켜 주는 승온장치의 장착이 필수적이었다. 이러한 배기가스 승온장치로는 산환촉매(산화,환원 촉매)를 발열반응 시키는 방식, 커먼 레일 엔진에서의 후분사를 통한 탄화수소의 함량을 증대시키는 방식, 연료내에 첨가제를 함유시켜 강제로 온도를 상승시키는 방식 및 전기 히터를 이용하는 방식 등이 있다.

그러나, 상기와 같은 장치들은 단지 재생만을 위한 장치에 불과할 뿐 배기가스의 유해물질을 저감시켜 주는 기능을 수행하지 못한다는 문제점이 있다. 또한, 배기가스 규제 대상인 CO, HC, NOx 등의 기체상 물질들을 저감시켜 주기 위한 촉매장치는 황피독에 의한 촉매 성능 저하, 냉시동, 저속, 저부하 등의 배기가스 저온 운전 조건에서의 활성 저하, NOx 저감성능의 미비 등의 문제점을 갖고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 서, 본 발명의 목적은 차량 배기계의 필터에 포집된 검댕이 성분의 재생과 냉시동 및 배기가스 저온 운전구간에서의 촉매 활성화를 향상시키기 위해 배기가스 정화장치의 이온 활성화기로의 공급 전력량을 제어함으로써 배기가스 정화능력이 향상되도록 한 배기가스 정화장치용 전력 변환 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 이루기 위한, 본 발명에 따른 전력 변환 시스템은

전력 공급을 위한 전원부;

본 발명은 배기가스 정화장치의 이온 활성화기로의 공급 전력량을 제어함으로써 이온 활성화기를 최적의 조건으로 가동시켜 배기가스 정화율이 향상될 수 있도록 한 배기가스 정화장치용 전력 변환 시스템이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다.

실시예

본 실시예에 따른 시스템의 전체적인 구성을 도 1을 참조하여 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 차량 엔진(2)의 배기 매니폴드(4)를 통과한 배기가스를 차량의 후방측으로 유도하기 위한 배기 파이프(8)상에 장착된 이온 활성화기(10), 필터(일명, 입자상물질 필터)(20) 및 촉매(30)를 포함하는 배기가스의 정화장치에서,

전력 공급을 위한 전원부(40);

상기 전원부(40)로부터 전원을 인가받아 이온 활성화기(10)로 전력 공급을 위한 전력변환부(50); 및

상기 전력변환부(50)에서 이온 활성화기(10)로 인가되는 전력량을 차량상태에 따라 제어하기 위해 이온 활성화기로의 공급 전력 제어신호를 전력 변환부로 출력하는 제어부(60)를 포함하는 구성인 것을 특징으로 한다.

상기의 구성에서, 본 실시예에 따른 전원부(40)로는 차량의 배터리 또는 발전기(alternator) 또는 외부의 전원공급 장치를 통해 실시가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 실시예에서는 이온 활성화기(10)의 성능 향상을 위해 연료 또는 탄화수소를 이온 활성화기로 분사시키기 위한 인젝터(6)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 실시예에 따른 전력변환부 및 제어부는 다음과 같은 구성을 갖는다.

이는 도 2에 도시된 바와 같이, 먼저, 상기 전력변환부(50)는,

전원부(40)로부터 전원을 인가 받는 제1 전력변환 입력부(51);

상기 제1 전력변환 입력부(51)를 통해 전원을 인가받은 후 이온 활성화기 (10)로의 전력 공급을 위해 제어부(60)로부터 공급 전력 데이터 신호를 입력 받는 제2 전력변환 입력부(52);

상기 제2 전력변환 입력부(52)를 통해 전송 받은 제어신호에 해당하는 DC전압으로 상승시키기 위한 DC-DC 승압기(53);

상기 DC-DC 승압기(53)를 통해 승압된 DC전압을 이온 활성화기(10)로 인가될 수 있도록 AC전압으로 변한하기 위한 DC-AC 변환기(54);

상기 DC-AC 변환기(54)를 통해 변환된 AC전압을 상승시키기 위한 AC-AC 승압기(55); 및

상기 AC-AC 승압기(55)를 통해 승압된 AC전압을 이온 활성화기(10)로 출력하는 제1 전력변환 출력부(56)를 포함하여 구성된다.

상기의 구성에서, 본 실시예에 따른 전력변환부(50)는 제1 전력변환 출력부(56)를 통해 출력되는 전력의 전압(V)과 전류(I)를 측정하기 위한 측정부(57)와, 상기 측정부(57)를 통해 측정된 데이터를 제어부(60)로 전송하기 위한 제2 전력변환 출력부(58)를 추가로 포함한다.

한편, 상기 제어부(60)는,

차량의 현 동작상태를 ECU(100)로부터 입력 받는 제1 제어 입력부(61);

이온 활성화기(10)의 동작상태를 진단하기 위해 전력변환부(50)로부터 이온 활성화기(10)로 공급되는 전력 데이터를 전송 받는 제2 제어 입력부(62);

상기 제1 제어 입력부(61)를 통해 입력 받은 차량의 동작상태를 판단하여 이온 활성화기(10)로의 공급 전력 산출 및 제2 제어 입력부(62)를 통해 입력 받은 전 력 데이터를 판단하여 이온 활성화기(10)의 동작상태를 진단하기 위한 연산부(63);

상기 연산부(63)를 통해 산출된 이온 활성화기(10)로의 공급 전력 데이터를 전력변환부(50)로 전송하는 제1 제어 출력부(64); 및

상기 연산부(63)를 통해 진단한 이온 활성화기(10)의 동작상태를 ECU(100)로 전송하기 위한 제2 제어 출력부(65)를 포함하여 구성된다.

상기의 구성에서, 본 실시예에 따른 연산부(63)에서는 전력변환부의 제2 전력변환출력부(58)로부터 제2 제어 입력부(62)를 통해 전력 데이터 즉, 측정부(57)를 통한 공급 전력의 전압값과 전류값을 입력 받는데, 이를 이용하여 연산부(63)에서는 이온 활성화기(10)의 동작상태를 진단하게 된다. 즉, 연산부(63)에서는 전압값과 전류값을 이용하여 전력변환부(50)와 이온활성화기(10) 또는 이온활성화기(10) 내에서의 동작상태를 판단한다. 이는, 전압(V)은 높으나 전류(I)가 0에 가까운 값일 경우에는 단선상태(open circuit)로 판단하고, 전류(I)는 높으나 전압(V)이 0에 가까운 값일 경우에는 단락상태(short circuit)로 판단한다.

이하, 본 실시예에 따른 시스템의 동작을 블록도인 도 2를 중심으로 도 1을 참조하여 설명한다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진(2)이 가동되면 연소실에서 연료가 연소되면서 발생된 배기가스는 배기매니폴드(4)를 통해 배기파이프(8)로 방출되어 이온 활성화기(10)로 유입되게 된다.

이는, 도 2에 도시된 바와 같이, 전원부(40)로부터 제1 전력변환 입력부(51) 로 전원이 인가되면, 젼력변환부에서는 제2 전력변환 입력부(52)를 통해 입력 받은 이온 활성화기(10)로의 공급 전력량 제어신호에 해당하는 DC전압으로 DC-DC 승압기(53)를 통해 승압시킨다(약 12~10,000V의 DC전압으로 승압시킴). 상기 제2 전력변환 입력부(52)로 입력되는 제어신호는 제어부의 제1 제어 입력부(61)에서 차량의 ECU(100)로부터 차량 동작상태를 입력받은 후 그에 해당하는 이온 활성화기(10)로의 전력 공급량을 연산부(63)에서 산출하여 제1 제어 출력부(64)를 통해 출력하게 된다.

그리고, 상기 DC-DC 승압기(53)를 통해 승압된 DC전압은 DC-AC 변환기(54)를 통해 AC전압으로 변환된 후 AC-AC 승압기(55)를 통해 AC전압의 승압이 이루어진다. 이렇게, 승압된 AC전압은 제1 전력변환 출력부(56)를 통해 케이블 등에 의해 이온 활성화기(10)로 공급되어, 이온 활성화기(10)의 동작이 이루어지는 것이다. 상기 이온 활성화기 내에서의 전력 공급에 따른 동작은 후술하는 바와 같다.

한편, 앞서 언급한 바와 같이, 본 실시예에서는 제1 전력변환 출력부(56)를 통해 이온 활성화기(10)로 공급되는 전력의 전압 및 전류를 측정부(57)를 통해 검출하여 제2 전력변환 출력부(58)로부터 제2 제어 입력부(62)로 전송 받아 연산부(63)에서 이온 활성화기(10)의 동작상태(정상작동 여부)를 진단한다. 이렇게, 진단된 결과는 제2 제어 출력부(65)를 통해 ECU(100)로 전송되어 이온 활성화기(10)의 구동 여부를 포함한 차량의 현 동작상태를 판단하게 된다.

상기와 같이 동작되는, 본 실시예에 따른 이온 활성화기 내에서의 전력 공급에 따른 동작을 도 3을 참조하여 설명한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 전력변환부(50)를 통한 전력(고전력 또는 저전력)의 공급이 이루어지면, 이온 활성화기(10) 케이스의 일측에는 전극(A)이 형성되고 다른 일측에는 접지극(A')이 형성된다. 이러한, 전극(A)과 접지극(A') 사이에는 유전체가 형성되어 있다.

즉, 상기 이온 활성화기(10) 내에 형성된 전극(A)과 접지극(A') 사이에 형성되는 강력한 전기장으로 배기가스가 통과하는 과정에서 배기가스 내 미량 존재하는 자유전자(a)들의 운동에너지를 상승시키게 되고, 이에 따라 전자의 운동이 활발해짐으로 인해 배기가스 내 분자(b)들과 충돌하여 전자를 탈착시키게 되므로 자유전자와 라디컬(radical)로 분리되게 된다. 이러한 과정에서, 탈착된 전자는 다른 분자와 충돌하게 되고, 상기와 같은 일련의 과정이 반복되면서 전자사태과정을 통해 이온 활성화기(10) 내의 배기가스는 보다 많은 라디컬과 자유전자가 혼재하는 플라즈마 상태로 변화되는 것이다. 이러한 플라즈마 상태로 변화됨에 따라 생성된 라디컬은 강력한 산화력을 지니게 되고, 배기가스와 함께 유입되어 필터(도 1의 20)에 포집된 탄소계열의 검댕이 성분과 반응하여 일산화탄소 또는 이산화탄소로 변환되어 빠져 나간다. 또한, 운동에너지가 상승되어 있는 자유전자가 검댕이 성분과 충돌하여 검댕이 성분의 크기가 감소하게 되고 재생시 성능향상을 이룰 수 있는 것이다.

특히, 상기에서 운동에너지를 갖는 라디컬이나 자유전자에 의해 NOx 계열이 N₂와 O₂로 직접 분해되거나, 산소 라디컬에 의한 NO + O -> NO₂ 반응을 촉진시켜 필 터의 입자상물질 재생시 N₂와 O₂로 분리시켜 NOx 총량을 줄일 수 있게 된다. 또한, CO나 THC, 잔여 NOx 등을 온도 대신 높은 에너지의 라디컬과 자유전자에 의해 촉매(도 1의 30)를 활성화시켜 나머지 유해가스 성분들을 제거할 수 있는 것이다.

상기에서 설명한 바와 같이, 전력변환부(50)를 통한 공급 전력의 조절을 통해 이온 활성화기(10)에서는 발생되는 높은 운동 에너지를 지닌 자유전자가 검댕이 성분과 충돌하면서 체인 형태로 구성된 검댕이 성분을 물리적으로 깨뜨림으로써 검댕이 성분의 크기를 감소시키게 된다. 이는 필터(도 1의 20)에서 포집된 검댕이 성분과 산소 라디컬과의 반응시 반응 표면적을 증대시켜 재생이 원활히 될 수 있도록 한다. 이와 더불어, 본 실시예의 이온 활성화기에서 전기에너지를 전자의 운동에너지로 바꾸어 주므로 배기가스 유동온도의 영향을 받지 않아 저온 구간에서도 높은 성능을 보일 수 있으며, 높은 운동에너지를 가지고 있는 전자들은 촉매의 활성에너지로 변환되어 저온구간에서도 높은 촉매 성능을 유지할 수 있는 것이다.

본 발명의 기술적 범위를 해석함에 있어서는, 상기에서 설명된 실시예에 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 범위는 특허청구범위에 기재된 사항의 합리적 해석에 의해 결정되어져야 한다.

본 발명의 배기가스 정화장치용 전력 변환 시스템에 따르면, 이온 활성화기를 최적의 조건으로 가동시킴으로서 배기매니폴드로 방출되는 배기가스가 이온 활성화기를 통과하면서 높은 운동에너지를 가진 라디컬과 자유전자를 생성시켜 검댕 이 성분의 크기를 감소시키고, 또한 이온 활성화기를 통과한 배기가스는 필터에 포집된 검댕이 성분과 반응하여 일산화탄소, 이산화탄소로 변환되어 필터 재생을 이룰 수 있는 효과가 있다.

또한, 배기가스 내 NOx를 NO + O -> NO₂ 로 변환시켜 필터 내 재생 시 N₂와 O₂로 변환시켜 주거나 NOx와 자유전자의 충돌로 인해 N₂와 O₂로 직접 분해시켜 NOx 총량을 줄이며, 기타 유해 가스들을 높은 에너지의 라디컬이 촉매의 활성을 도와 냉시동 또는 저온 운전구간에서 촉매의 활성을 도모하여 배기가스 저감율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

차량 엔진의 배기 매니폴드를 통과한 배기가스를 차량의 후방측으로 유도하기 위한 배기 파이프상에 장착된 이온 활성화기, 필터 및 촉매를 포함하는 배기가스의 정화장치에 있어서,

전력 공급을 위한 전원부;

상기 전원부로부터 전원을 인가받아 이온 활성화기로 전력 공급을 위한 전력변환부; 및

상기 전력변환부에서 이온 활성화기로 인가되는 전력량을 차량상태에 따라 제어하기 위해 이온 활성화기로의 공급 전력 제어신호를 전력 변환부로 출력하는 제어부로 구성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치용 전력 변환 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 전원부는 차량의 배터리 또는 발전기(alternator) 또는 외부의 전원공급 장치인 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치용 전력 변환 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 전력변환부는

전원부로부터 전원을 인가 받는 제1 전력변환 입력부;

상기 제1 전력변환 입력부를 통해 전원을 인가받은 후 이온 활성화기로의 전력 공급을 위해 제어부로부터 공급 전력 데이터 신호를 입력 받는 제2 전력변환 입 력부;

상기 제2 전력변환 입력부를 통해 입력받은 전력 공급 제어신호에 따라 제1 전력변환 입력부를 통해 인가된 DC전압을 이온 활성화기로 인가될 수 있도록 AC전압으로 변환하기 위한 DC-AC 변환기;

상기 DC-AC 변환기를 통해 변환된 AC전압을 상승시키기 위한 AC-AC 승압기; 및

상기 AC-AC 승압기를 통해 승압된 AC전압을 이온 활성화기로 출력하는 제1 전력변환 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치용 전력 변환 시스템.
제 3항에 있어서,

상기 제1 전력변환 입력부를 통해 인가된 DC전압을 제2 전력변환 입력부를 통해 전송 받은 제어신호에 해당하는 DC전압으로 상승시키기 위한 DC-DC 승압기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치용 전력 변환 시스템.
제 3항에 있어서,

상기 제1 전력변환 출력부를 통해 출력되는 전력의 전압(V)과 전류(I)를 측정하기 위한 측정부; 및

상기 측정부를 통해 측정된 데이터를 제어부로 전송하기 위한 제2 전력변환 출력부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치용 전력 변환 시 스템.
제 1항에 있어서, 상기 제어부는

차량의 현 동작상태를 ECU로부터 입력 받는 제1 제어 입력부;

이온 활성화기의 동작상태를 진단하기 위해 전력변환부로부터 이온 활성화기로 공급되는 전력 데이터를 전송 받는 제2 제어 입력부;

상기 제1 제어 입력부를 통해 입력 받은 차량의 동작상태를 판단하여 이온 활성화기로의 공급 전력 산출 및 제2 제어 입력부를 통해 입력 받은 전력 데이터를 판단하여 이온 활성화기의 동작상태를 진단하기 위한 연산부;

상기 연산부를 통해 산출된 이온 활성화기로의 공급 전력 데이터를 전력변환부로 전송하는 제1 제어 출력부; 및

상기 연산부를 통해 진단한 이온 활성화기의 동작상태를 ECU로 전송하기 위한 제2 제어 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치용 전력 변환 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 이온 활성화기의 성능 향상을 위해 연료 또는 탄화수소를 이온 활성화기로 분사시키기 위한 인젝터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치용 전력 변환 시스템.