KR20060118746A - 중공형 필터를 이용한 경유버너방식의 디젤매연저감장치 - Google Patents

중공형 필터를 이용한 경유버너방식의 디젤매연저감장치 Download PDF

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KR20060118746A
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이대엽
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Abstract

본 발명은 중공형 필터를 이용한 경유버너방식의 디젤매연저감장치에 관한 것으로서, 배기가스 중에 포함되는 입자상 물질과 매연을 여과하는 필터트랩(40)이 중공부(42)를 가지고 디젤엔진(10)의 배기관(12)에 설치되며, 필터트랩(40)의 중공부(42)에 버너(50)와 연결되는 버너연결관(52)이 설치되어, 중공부(42)로부터 균일하게 가열이 이루어진 필터트랩(40)에서 포집된 입자상 물질과 매연이 연소되는 것을 특징으로 한다. 따라서 디젤엔진에서 발생되는 유해물질이 중공부를 가지는 필터트랩을 통하여 저감되며, 필터트랩의 중공부에 설치되는 버너는, 필터트랩의 전체를 직, 간접으로 균일하게 가열함에 따라 온도구배를 최소화하여 연소열로 인해 필터트랩의 파손을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

중공형 필터를 이용한 경유버너방식의 디젤매연저감장치{DEVICE FOR DIESEL SMOKE DECREASING OF LIGHT OIL BURNER STYLE BY USING HOLLOW FILTER}
도 1은 본 발명에 따른 디젤매연저감장치의 개략적인 구성도이고,
도 2는 본 발명에 따른 매연 저감장치의 단면도이고,
도 3은 도 2에서 필터트랩의 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 디젤엔진 12 : 배기관
20 : 케이스 30 : 다공판
31 : 홀 40 : 필터트랩
42 : 중공부 44 : 유로
46 : 여과홀 50 : 버너
52 : 버너연결관 60 : 연료탱크
62 : 연료관 70 : 배기가스순환관
80, 82 : 압력검출센서 90, 92 : 온도검출센서
100 : 제어부
본 발명은 경유버너방식의 디젤매연저감장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내연기관 특히 디젤엔진의 작동에서 배기가스 중에 인체 및 환경에 유해한 입자상 미립자물질(PM)과 매연의 배출을 줄일 수 있도록 중공형 필터를 이용한 경유버너방식의 디젤매연저감장치에 관한 것이다.
일반적으로, 디젤엔진은 신뢰성, 내구성 및 저렴한 운전비용으로 인해 그 사용 폭이 증가되고 있다. 그러나 디젤엔진으로부터 배출되는 배기가스 중에는 PM, NOx, HC, CO, PAH, SO₂등의 인체에 극히 유해한 입자상 미립자물질이 포함되어 있고, 이러한 미립자물질은 약 0.1∼0.3㎛정도의 아주 작고 가벼워 대기 중으로 방출시 인체의 호흡기 계통에 흡입되어 여러 가지의 질병을 초래하는 요인으로 지적되고 있다.
최근 들어, 이러한 대기오염에 대한 심각성이 사회 전반에 시급한 해결 과제로 대두되고 있으며, 이러한 문제는 곧 세계 각국의 환경규제 조치와 맞물리게 되면서 차량의 배기가스에 대한 규제도 점점 엄격해지고 있는 것이 사실이다.
따라서, 디젤엔진으로부터 배기가스의 배출량을 저감시킬 수 있도록 엔진 및 연료를 개량하여 유해물질의 생성을 최소화시키는 배기가스 전처리 기술과, 연료분사기술의 개선, 엔진의 전자제어기술 적용, 연소실 형상의 변형, 흡기방식의 개선, 윤활유 소모를 저감시키는 배기가스 후처리 기술으로 구분되며, 배기가스 후처리기술이 입자상 미립자물질 제거에 가장 효과적인 것으로 알려져 있다.
전술한 배기가스 전처리 기술은 커먼레일(common rail) 및 유닛 인젝터(UI) 를 사용하는 연료 고압분사방식, 전자식 연료제어유닛(ECU), 터보챠저 및 인터쿨러(TC/IC) 등의 적용한 통한 연료분사의 정밀화, 고성능화, 엔진개량방법의 일환으로서 요각(reentrant)연소실 및 실린더당 4밸브화 등의 기술적용으로 연소말기의 연소효율 개선 등을 통한 유해물질을 저감시키는 것이다.
배기가스 후처리 기술중 신뢰성/내구성 및 가격적인 측면에서 실용가능성이 입증되어 세계적으로 보급 중에 있는 후처리기술은 크게 4가지로 나눌 수 있다.
배기가스중 입자상 미립자물질을 필터에 포집하여 버너 또는 전기히터 등의 방법으로 제거하는 방식과, 필터에 촉매를 코팅하여 배기가스 온도가 일정한 조건에서 필터에 포집된 매연이 연속산화가 가능하도록 하는 방식과, 휘발유 자동차의 삼원 촉매처럼 배출가스내의 가스상 물질과 입자상 미립자물질내의 SOF 등을 촉매를 이용하여 산화시키는 방식, 마지막으로 전술한 전처리 기술과 후처리기술 및 연료 첨가제 기술 등을 통합적으로 제어하여 입자상 미립자 물질를 산화하는 방식이 사용되어 지고 있다.
위의 전기히터 및 경유버너 방식은 입자상물질을 저감시키는 이점을 갖는 반면에, 필터에 포집된 입자상 미립자 물질의 연소시 연소제어에 어려움으로 필터에 직접 가해지는 열화로 인해 필터가 파손, 파괴 될 수 있고, 또한 엔진의 배출량 대비 필터의 크기가 제한적이어서 연속적인 사용에 어려움이 있다.
촉매 및 첨가제 방식은 입자상물질 및 질소산화물을 저감시킬 수 있는 이점을 갖는 반면, 황산염 생성에 의한 촉매 피독, 2차 오염물질 발생, 필터 재생효율의 저하, 저유황 연료의 사용 등의 사용상 선택조건 및 내구성이 떨어지는 문제점 을 갖게 된다.
전처리와 후처리를 복합적으로 이용하는 방식은 기존 운행차량에 적용이 어려우며, 연료 첨가제로 인한 2차 오염물질 발생 등의 어려움이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 결점을 해소시키기 위하여 안출된 것으로, 디젤엔진에서 배출되는 배기가스중 입자상 미립자 물질 및 매연을 여과하도록 중공부를 가지는 필터트랩과, 필터트랩의 중공부에 버너와 연결되는 버너연결관이 설치됨으로써, 버너로하여 필터트랩의 중공부로부터 가해지는 복사열은 포집된 유해물질을 효과적으로 연소시킬 수 있음은 물론, 열로부터 필터트랩의 파손이 최소화되도록 중공형 필터를 이용한 경유버너방식의 디젤매연저감장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 차량의 주행 중에도 버너의 점화 및 화염안정성이 이루어져서 배기가스의 유속 및 유량에 구애받지 않고 버너의 작동이 원활할 수 있는 중공형 필터를 이용한 경유버너방식의 디젤매연저감장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 버너를 이용한 연속적인 연소가 가능하여 하나의 필터트랩을 사용하여도 배압에 의한 엔진출력에 영향을 미치지 않으며, 면적 대비 보다 넓은 범위의 엔진 배기량에 적용할 수 있는 중공형 필터를 이용한 경유버너방식의 디젤매연저감장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 필터트랩을 통과한 배기가스의 열 및 버너로 하여 가열된 배기가스를 직접 대기중에 방출하지 않고 재순환으로 필터트랩을 단열시 켜 열손실을 최소화할 수 있는 중공형 필터를 이용한 경유버너방식의 디젤매연저감장치를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 배기가스 중에 포함되는 입자상 물질과 매연을 여과하는 필터트랩이 중공부를 가지고 디젤엔진의 배기관에 설치되며, 필터트랩의 중공부에 버너와 연결되는 버너연결관이 설치되어, 중공부로부터 균일하게 가열이 이루어진 필터트랩에서 포집된 입자상 물질과 매연이 연소되는 것을 특징으로 하는 중공형 필터를 이용한 경유버너방식의 디젤매연저감장치를 제공한다.
본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 아래에 기술되는 발명의 바람직한 실시 예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 디젤매연저감장치의 개략적인 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 매연 저감장치의 단면도이고, 도 3은 도 2에서 필터트랩의 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 디젤엔진의 배기가스 처리 시스템은, 디젤엔진(10)과, 디젤엔진(10)에 연결되는 배기관(12)과, 배기관(12)의 출구 단부에 설치되어 유해가스의 배출을 저감하는 매연저감장치로 크게 구성된다.
여기서 본 발명의 특징에 따른 매연저감장치는 도 2에서와 같이, 케이스(20)와 케이스(20)의 내부에 다공판(30)과, 필터트랩(40), 배기가스순환관(70)이 설치된다.
외부의 충격으로부터 내부 장치를 보호하며, 단열효과를 증대하기 위하여 배기가스순환관(70)과 같이 관로를 구성하는 케이스(20)는, 내부에 공간을 형성하는 원통형상으로 출구에는 배기가스의 배출이 빠른 속도로 이루어지도록 병목부가 형성된다.
이 케이스(20)의 전단 상부 상에는 배기관(12)이 연결되며, 연결된 배기관(12)의 후측과 후술하는 필터트랩(40)의 사이에 다공판(30)이 수직하게 설치된다.
다공판(30)은 배기가스의 유입이 필터트랩(40)에 균일하게 이루어지도록 일정 두께의 판상에 다수개의 홀(31)이 형성된 것이다.
그리고 다공판(30)의 후측에 디젤엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스 중에 포함되는 입자상 미립자물질과 매연 등을 여과하는 필터트랩(40)이 설치된다.
원통 형상이 길이 방향으로 설치되는 필터트랩(40)은 도 3에서와 같다.
중앙에 소정 크기의 중공부(42)가 관통 형성되며, 중공부(42)를 중심으로 하여 원주 방향으로 입구측이 막혀있거나 출구측이 막혀있는 유로(44)가 연속하여 형성되고, 이 유로(44)상에는 배기가스의 유해물질 여과를 위한 여과홀(46)이 다수개 형성된다. 재질은 내화성이 있는 세라믹으로 이루어지는 것이 바람직하다.
한편, 필터트랩(40)의 중공부(42)에 버너연결관(52)이 삽입 설치되며, 버너연결관(52)의 후단에는 버너(50)가 설치된다.
매연을 연소시키는 버너(50)는 연료로 경유를 사용하며, 연료관(62)을 통하여 연료탱크(60)와 연결을 이루고, 연료관(62) 상에는 연료속에 포함된 수분을 제거할 수 있는 수취기(64)가 더 마련된다.
특히, 버너(50)의 화염을 유도하는 버너연결관(52)은 필터트랩(40)의 중공부 (42)전단 내부에 일부 설치되어 버너(50)의 화염이 배기가스와 격리되는 것이다.
그리고 필터트랩(40)의 출구측에 설치되어 배출되기 전의 배기가스 순환을 유도하여 필터트랩(40)을 단열하게 되는 배기가스순환관(70)이 포함된다.
배기가스순환관(70)은 케이스(20)에 수직하게 고정되는 지지판(72)에 의하여지지 고정되며, 단면상으로 보았을 때에 "⊃" 형상으로 그 내부에 필터트랩(40)을 포함하도록 설치된다.
또한, 케이스(20)와 연결되는 전단 배기관(12)에 압력 검출센서(80)와 온도 검출센서(90)가 설치되고, 케이스(20)의 배출단에는 여과 및 저감된 배기가스가 대기중으로 배출되는 압력과 온도를 측정하게 되는 압력 검출센서(82)와 온도검출센서(92)가 설치된다. 그리고 위의 압력검출센서(80)(90)와 온도검출센서(82)(92)로부터 입력되는 검출된 값에 따라 버너(50)를 제어하는 제어부(100)가 더 포함되는 구성을 가진다.
미설명부호(54)는 기존 차량의 밧데리로 제어부(100) 및 버너(50)에 전원을 공급하기 위한 것이다.
이하, 이와 같이 구성된 중공형 필터를 이용한 경유버너방식의 디젤매연저감장치의 일예의 작용을 설명하면 다음과 같다.
다시 도 2를 참고하여 설명하면, 디젤엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스가 배기관(12)을 통과하여 케이스(20)의 내부로 유입되고, 유입된 배기가스는 다공판(30)의 홀(31)을 통과하면서 흐름이 균일화되어 필터트랩(40)을 통과하게 된다.
필터트랩(40)을 통과하는 과정에서 배기가스 중에 포함된 입자상 미립자물질과 매연 등의 유해물질이 필터트랩(40)의 유로(44)를 따라 이동하다가 여과홀(46)에 포집된다.
이처럼 필터트랩(40)의 여과작용에 의해 배기가스 중에 포함되는 입자상 미립자 물질 및 매연 등이 여과홀(46)에 누적되어 포집량이 점진적으로 증가하게 되면, 필터트랩(40)을 통과하는 배기가스의 압력과 대기 중으로 배출되는 압력의 차이에 따른 값이 기 설정된 값을 초과하게 된다. 이때, 배기관(12)의 압력검출센서(80)와 케이스(20)의 압력검출센서(90)에 의해 검출되는 배기가스의 압력값 차이에 따른 검출신호가 제어부(100)에 입력된다.
또한, 배기관(12)의 온도검출센서(82)와 케이스(20)의 온도검출센서(92)에 의해 검출되는 배기가스의 온도 신호가 제어부(100)에 입력된다.
이에, 전술한 제어부(100)에서는 이들 검출센서들로 부터 입력되는 검출신호를 기 설정된 값과 비교하여 필터트랩(40)에 포집되는 유해물질의 량을 간접적으로 확인할 수 있으며, 버너(50)의 제어를 판단하게 된다.
즉, 필터트랩(40)을 통과한 전단 및 후단의 배기가스의 압력값 차이가 기 설정된 값을 초과하는 경우, 제어부(100)로부터의 전기적 신호가 버너(50)의 밧데리(54)에 인가됨에 따라 전원을 공급받고 연료탱크(60)로부터 연료를 공급받아 버너 (50)가 가동을 하게 된다.
가동된 버너(50)의 화염을 버너연결관(52)을 따라 필터트랩(40)의 중공부(42)에서 화염이 형성되어 기 설정된 온도로서 가열하게 되므로써, 필터트랩(40)에 열을 직접가하는 것이 아니라 중공부(42)에서 화염이 형성되어 전체를 균일하게 가열함에 따라 포집된 유해물질이 균일하고 빠르게 연소 및 제거가 이루어질 수 있다.
또한, 필터트랩(40) 및 버너(50)는 디젤엔진(10)의 가동과 동시에 작동을 하여 필터트랩(40)에 입자상 미립자의 누적은 거의 없는 상태로 디젤엔진의 가동시간과 동일하게 사용할 수 있어 연속재생이 가능하다. 즉 디젤엔진(10)에서 배출되는 입자상 미립자 물질이 필터트랩(40)에 여과됨과 동시에 버너(50)가 작동하여 여과된 입자상 미립자 물질을 연소시켜 입자상 미립자 물질의 누적에 따른 배가스 압력 상승을 최소화 할 수 있다. 더욱이 동일한 크기의 필터트랩(40) 적용시 엔진 배기량이 보다 큰 차량에 적용할 수 있다.
이때, 바람직하기로는, 전술한 필터트랩(40)에 포집 및 여과된 입자상 미립자 물질의 연소온도는 1,000℃미만 일 경우 필터트랩(40)을 안정적으로 다시 사용 할 수 있는 것이고, 이는 필터트랩(40)에 포집된 대부분의 유해물질이 500∼700℃범위 내에서 연소되며, 연소시 필터트랩(40) 내부의 온도가 1,000℃이상으로 승온되는 경우 필터트랩(40) 자체가 고온의 열에 의해 부분 열화 되어 파손, 파괴되는 부작용을 초래하는 것을 방지하기 위한 것이다.
한편, 필터트랩(40)의 전단에 설치된 버너(50)의 화염부는 배기가스에 노출 되어 배기가스 유량 및 유속에 의해 버너(50)의 작동에 지장을 주지 않도록 필터트랩(40)의 중공부(42)와 버너연결관(52)과의 사이에는 세라믹 본드 등으로 적절히 막아줘야 한다.
그리고 미립자물질과 매연이 여과된 온도를 갖고 필터트랩(40)을 통과한 배기가스는 배기가스순환관(70)을 따라 순환하여 필터트랩(40)의 외벽을 단열시킨 후 대기 중으로 배출되는 것이다.
이는 일정 온도가 유지되는 배기가스를 재활용하여 단열된 필터트랩(40)은 유해물질의 연소 효율을 높이게 된다.
따라서 본 발명은 유해물질의 효과적인 연소는 물론, 장치가 단순하여 저렴한 가격으로 제작이 가능합니다.
이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일실시 예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 중공형 필터를 이용한 경유버너방식의 디젤매연저감장치는, 디젤엔진에서 발생되는 유해물질이 중공부를 가지는 필터트랩을 통하여 저감되며, 필터트랩의 중공부에 설치되는 버너와 버너연결관은, 필터트랩의 전체를 직, 간접으로 균일하게 가열함에 따라 온도구배를 최소화하여 연소열로 인해 필터트랩의 파손을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 차량의 주행 중에도 버너의 점화 및 화염안정성이 이루어져서 배기가 스의 유속 및 유량에 구애받지 않고 버너의 작동이 원활히 이루어지며, 버너를 이용한 연속적인 연소가 가능하여 하나의 필터트랩을 사용하여도 배압에 의한 엔진출력에 영향을 미치지 않고, 면적 대비 보다 넓은 범위의 엔진 배기량에 적용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 필터트랩을 통과한 배기가스의 열 및 버너로 하여 가열된 배기가스를 직접 대기 중에 방출하지 않고 재순환으로 필터트랩을 단열시켜 열손실을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 종래의 버너방식과 달리 버너연소용 공기를 공급하기 위한 고압 송풍기 등이 필요하지 않아 장치의 가격이 저렴하다.

Claims (5)

  1. 배기가스 중에 포함되는 입자상 물질과 매연을 여과하는 필터트랩이 중공부를 가지고 디젤엔진의 배기관에 설치되며,
    상기 필터트랩의 중공부에 버너와 연결되는 버너연결관이 설치되어,
    상기 중공부로부터 균일하게 가열이 이루어진 상기 필터트랩에서 포집된 상기 입자상 물질과 매연이 연소되는 것을 특징으로 하는 중공형 필터를 이용한 경유버너방식의 디젤매연저감장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 버너연결관은, 상기 필터트랩의 중공부 전단 내부에 일부 설치되어 상기 버너의 화염이 배기가스와 격리되는 것을 특징으로 하는 중공형 필터를 이용한 경유버너방식의 디젤매연저감장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기관과 상기 필터트랩의 사이에 설치되어 배기가스의 유입이 상기 필터트랩에 균일하게 이루어지도록 다수개의 홀이 형성된 다공판이 포함되는 중공형 필터를 이용한 경유버너방식의 디젤매연저감장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터트랩의 출구측에 설치되어 배출되기 전의 배기가스를 순환 유도하여 상기 필터트랩을 단열하는 배기가스순환관이 더 포함되는 중공형 필터를 이용한 경유버너방식의 디젤매연저감장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터트랩의 입구측과 출구측에 각각 설치되는 압력검출센서 및 온도검출센서와,
    상기 압력검출센서와 온도섬출센서와 연결되어 검출되는 값이 기 설정값을 초과하는 경우 상기 버너의 가동을 제어하는 제어부가,
    더 포함되는 중공형 필터를 이용한 경유버너방식의 디젤매연저감장치.
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