KR20080046357A - 플라즈마를 이용해 ｄｐｆ를 재생하는 차량용 배기가스처리장치 - Google Patents

플라즈마를 이용해 ｄｐｆ를 재생하는 차량용 배기가스처리장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마를 이용해 DPF를 재생하는 차량용 배기가스 처리장치에 관한 것으로, 차량에 장착되는 차량용 배기가스 처리장치에 있어서, 차량의 엔진으로부터 배출되는 배기가스에 포함된 유해 물질을 포집하여 배기가스를 정화시키는 DPF; 차량에서 상기 엔진과 DPF의 사이에 설치되며, 해당 엔진에서 배출되는 배기가스에 포함된 산화질소(NO)와 산소(O2)를 흡입하고, 인입되는 전력을 이용해 저온 플라즈마를 발생시켜 부분산화 반응을 일으켜 반응성이 뛰어난 이산화질소(NO2)와 오존(O3)으로 개질시켜 상기 DPF로 배출함으로써 상기 DPF에 포집된 탄소가루를 제거해 해당 DPF를 재생시키는 플라즈마 반응기;를 포함하여, 차량내에서 DPF를 통한 배기 가스의 정화처리와 플라즈마 반응기를 통한 DPF 재생이 연속적으로 이루어지게 되는 것을 특징으로 한다.
배기가스, DPF, 플라즈마, 반응기, 배기가스 처리장치

Description

플라즈마를 이용해 ＤＰＦ를 재생하는 차량용 배기가스 처리장치{EXHAUST GAS TREATMENT DEVICE FOR REGENERATING A DIESEL PARTICULATE FILTER}
도 1은 일반적인 DPF의 구조를 나타내는 도면.
도 2는 종래 기술의 저온 플라즈마 반응기를 나타내는 도면.
도 3은 종래 기술의 저온 플라즈마 반응기에 사용되는 단위 평판 전극의 분해 사시도.
도 4는 종래 기술의 차량용 배기가스 처리장치를 나타내는 블럭도.
도 5는 본 발명이 적용되는 차량용 배기가스 처리장치를 나타내는 블럭도.
도 6은 본 발명이 적용되는 플라즈마 반응기를 나타내는 사시도.
도 7은 본 발명이 적용되는 플라즈마 반응기의 단위 플라즈마 생성판을 나타내는 단면도.
도 8은 본 발명이 적용되는 플라즈마 반응기의 단위 플라즈마 생성판을 나타내는 평면도.
도 9는 본 발명이 적용되는 플라즈마 반응기의 단위 플라즈마 생성판을 나타내는 부분 투시도.
도 10은 본 발명이 적용되는 플라즈마 반응기의 단위 플라즈마 생성판의 다른 실시예를 나타내는 부분 투시도.
도 11은 본 발명이 적용되는 펄스전원 발생기 및 제공 펄스파를 설명하기 위한 도면.
도 12는 입력가스의 유량 변화에 따른 플라즈마 반응기의 오존 발생량을 비교한 도면.
도 13은 입력가스의 온도 변화에 따른 플라즈마 반응기의 오존 발생량을 비교한 도면.
도 14는 주파수 변화에 따른 플라즈마 반응기의 오존 발생량을 비교한 도면.
도 15는 입력 전력 및 입력 주파수에 따른 질소 발생량을 비교한 도면.
도 16은 본 발명이 적용되는 적용되는 차량용 배기가스 처리장치의 이상 방전 진단 구성을 나타내는 블럭도.
본 발명은 플라즈마를 이용해 DPF를 재생하는 차량용 배기가스 처리장치에 관한 것으로, 차량 배기가스를 저감시킬 수 있는 배기가스 처리장치에서 플라즈마 발생을 통해 DPF를 재생시킬 수 있는 플라즈마를 이용해 DPF를 재생하는 차량용 배기가스 처리장치에 관한 것이다.
최근, 차량의 배기가스를 처리하기 위하여 디젤 엔진 배기가스에서 SPM(Suspended Particulate Matter)을 제거할 수 있도록 세라믹을 이용해 설계되는 DPF(Diesel Particulate Filter)가 가장 많이 사용되고 있다.
이러한 DPF는 엔진과 머플러 사이에 장착되어 디젤 엔진으로부터 나오는 배기가스 중 포함된 SPM을 제거하며, DPF는 일반 자가용부터 산업용 엔진까지 모든 디젤 엔진에 적용 가능하다. DPF는 주로 배기가스에 혼재되어 있는 탄소 가루를 포집하는데, 이 탄소 가루는 크기가 매우 미세하여 사람이 흡입할 경우 인체의 폐 속에 누적되어 발암의 주요인이 될 수 있다.
도 1을 참조하여 이러한 DPF의 구조를 살펴본다.
도 1에 도시된 바와 같이 DPF는 주로 벌집모양의 구조로 설계되어 있으며, 한 쪽이 막혀있는 공기구멍들로 이루어져 있게 된다. 여기에서 열려 있는 공기구멍으로는 배기가스가 들어오게 되지만 그 끝이 닫혀 있기 때문에 인입된 배기가스는 세라믹의 작은 구멍들을 통해 옆 칸의 공기통로로 빠져나가 반대 방향으로 뚫려 있는 구멍으로 빠져나가게 된다. 이 과정에서 DPF 벽은 필터역할을 하게 되는 것이다. 따라서 해당 필터에는 포집된 Soot와 기타 미세 먼지들 그리고 탄소가루 등이 필터의 구멍 안에 누적되어 있게 된다.
이러한 필터의 오염에 따라 장시간 사용하게 되면 여과 효율이 떨어짐은 물론이거니와 역압력(Back Pressure)이 엔진에 작용하게 되어 엔진 실린더 내 연소를 방해하게 된다.
이러한 DPF의 문제를 해소하고 DPF를 지속적으로 사용하기 위한 방법은 DPF 재생이다.
DPF 재생방법은 여러 각도로 연구되고 있으나, 최근 주요 관심 대상은 저온 플라즈마 기술을 이용한 DPF 재생이다. 저온 플라즈마를 이용할 경우 Soot를 산화 시킬 수 있는 활성 요소들이 많다.
도 2에는 종래 기술의 저온 플라즈마 반응기가 도시되어 있고, 도 3에는 종래 기술의 저온 플라즈마 반응기에 사용되는 단위 평판 전극의 분해 사시도가 도시되어 있다.
해당 종래 기술의 저온 플라즈마 반응기는 널리 알려진 전극 형상으로 반응기내의 전극이 다층 평판으로 구성되게 된다.
즉, 도면을 참조하면, 다층 평판 전극(30)은 복수개의 세라믹 평판 전극(31)들이 다층을 형성하고 각 세라믹 평판 전극(31) 사이에 통공이 형성되도록 위치하는 복수개의 세라믹 스페이서(31a, 32b)로 구성된다. 세라믹 평판 전극(31)은 내측에 전극판 삽입영역(31e)을 갖는 비도전성의 한 쌍의 세라믹 평판(31a, 31b)과, 전극판 삽입영역(31e)에 삽입되는 도전성의 전극판(31c)으로 구성된다.
복수개의 세라믹 평판 전극(31)은 대략 사각 평판의 형상을 갖고 그 일측에 전극판 삽입구(31f)가 마련되며, 복수개의 평판 전극(31)은 전극판 삽입구가 이웃하는 평판 전극의 전극판 삽입구와 서로 반대 방향으로 엇갈리게 배열된다. 동일 방향으로 배열된 각 전극판(31c)의 전극 돌출부(31d)는 고주파 발생기(40)의 일 단자에 동일하게 병렬 접속된다. 이와 같이 구성된 다층 평판 전극(30)의 통공으로 오염된 공기가 통과되면서 저온 플라즈마 방전에 의해 정화된다.
즉, 하나의 평판 전극(31)에는 하나의 전극판(31c)이 마련되며, 이러한 평판 전극(31)들이 다층을 이루어 각 전극의 사이에서 코로나(Corona) 방전이 발생되어 각 전극의 사이에서 플라즈마가 발생되게 되는 구조를 갖게 되는 것이다.
하지만, 이러한 반응기 구조는 다층으로 적층된 평판 전극들이 콘덴서와 같은 원리로 병렬 연결되기 때문에 콘덴서 구조를 이루는 평판 전극들에서 캐패시턴스가 커지게 된다는 구조적 문제점을 가지고 있다.
즉, 종래 기술의 적층형 다층 평판 전극 구조는 비록 각 층이 넓은 전극을 가지게 되기는 하지만, 전극 사이의 캐패시턴스가 커지게 되기 때문에 플라즈마 생성의 주요소인 전기 방전량을 높일 수 밖에 없는 구조적 문제점을 가지고 있어 실제 플라즈마 방전을 위해서는 대단히 높은 입력 전력이 필요하게 되는 문제점을 가지고 있다.
한편, 도 4에는 종래 기술이 적용된 배기가스 처리장치가 도시되어 있다.
도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 기존의 배기가스 처리장치는 DPF(3)를 재생시키기 위하여 엔진(1)과 DPF(3)의 사이에 애프터 버너(2a)를 장착시키게 된다. 따라서 애프터 버너(2a)를 통해 600℃ 이상의 고온이 발생하여 고온 상태에서 산소(O2)와 DPF에 쌓여 있는 탄소가루의 재결합이 이루어져 해당 DPF(3)를 재생시키는 방식이다. 여기에 추가적으로 DPF(3)의 후단에 촉매부(4)를 부설하여 개질율을 높이도록 하고 있다.
하지만, 이러한 종래 기술의 배기가스 처리장치에서는 전기 등을 이용하여 주기적으로 600℃ 이상으로 애프터 버너(2a)를 가열해야 하므로 전력소비가 심하고 또한 고온으로 인해 DPF(3)에 크랙이 발생하는 등의 물리적 손상이 일어나 결과적으로 DPF(3)의 수명을 단축시키게 된다.
이러한 애프터 버너 방식과 달리 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 산화촉매부(2b)를 엔진(1)과 DPF(3)의 사이에 장착시키는 방식도 있었다. 즉 엔진(1)에서 배출되는 일산화질소(NO)를 산화촉매부(2b)를 통해 산화시켜 이산화질소(NO2)로 변환시키고 이를 DPF(3)에 투입하여 DPF(3)에 쌓여 있던 탄소가루와 재결합을 촉진하여 DPF(3)를 재생시키는 방식이다.
하지만 이러한 방식 역시 배기가스 유황성분에 의한 촉매독이 발생되어 바람직한 대안이 될 수 없었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 종래와 같이 고전력을 사용하지 않고 낮은 전력으로도 충분한 플라즈마 방전이 가능하도록 구성하여 시스템의 전체 소비전력을 줄일 수 있게 되는 플라즈마를 이용해 DPF를 재생하는 차량용 배기가스 처리장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 플라즈마 반응기를 차량내에서 배기가스의 필터링을 위한 DPF와 함께 연속적으로 배치시켜, 해당 플라즈마 반응기를 통해 유해가스의 제거는 물론 플라즈마 발생을 통해 유해물질이 포집된 DPF를 동시에 재생시킬 수 있도록 하여 별도의 절차를 통해 굳이 차량 밖에서 DPF를 재생시킬 필요없이 배기가스의 처리와 DPF의 재생을 동시에 이루며 배기가스 정화를 위한 차량내 설비의 간소화를 이룰 수 있게 되는 플라즈마를 이용해 DPF를 재생하는 차량용 배기가스 처리장치를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마를 이용해 DPF를 재생하는 차량용 배기가스 처리장치는, 차량에 장착되는 차량용 배기가스 처리장치에 있어서, 차량의 엔진으로부터 배출되는 배기가스에 포함된 유해 물질을 포집하여 배기가스를 정화시키는 DPF; 차량에서 상기 엔진과 DPF의 사이에 설치되며, 해당 엔진에서 배출되는 배기가스에 포함된 산화질소(NO)와 산소(O2)를 흡입하고, 인입되는 전력을 이용해 저온 플라즈마를 발생시켜 부분산화 반응을 일으켜 반응성이 뛰어난 이산화질소(NO2)와 오존(O3)으로 개질시켜 상기 DPF로 배출함으로써 상기 DPF에 포집된 탄소가루를 제거해 해당 DPF를 재생시키는 플라즈마 반응기;를 포함하여, 차량내에서 DPF를 통한 배기 가스의 정화처리와 플라즈마 반응기를 통한 DPF 재생이 연속적으로 이루어지게 되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 플라즈마 반응기는 적어도 하나 이상의 플라즈마 생성판들이 통공 스페이서에 의해 서로 소정 간격 이격되어 적층되는 구조로 형성되되, 상기 플라즈마 생성판이, 표면 방전을 위한 비도전성의 중간 평판; 상기 중간 평판의 일측면에 밀착형성되며, n 개의 돌출된 손가락형 돌출부를 가진 면상의 제 1 핑거형 전극; 및 상기 중간 평판의 타측면에 밀착형성되며, n+1 또는 n-1 개의 돌출된 손가락형 돌출부를 가진 면상의 제 2 핑거형 전극; 을 포함하며, 상기 제 1 핑거형 전극 및 제 2 핑거형 전극의 손가락형 돌출부들은 상기 중간 평판을 사이에 두고 양면상의 각 돌출부 전극면이 중첩되지 않고 서로 엇갈리게 배열되는 것을 특 징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 제 1 핑거형 전극 및 제 2 핑거형 전극의 끝단에는 각각 제 1 전극 단자 및 제 2 전극 단자가 형성되며, 해당 제 1 및 제 2 전극 단자에는 펄스전원 발생기를 통해 교류형태의 펄스인 고전압 AC 펄스가 플라즈마 생성을 위해 입력되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 중간 평판은 알루미나(aluminum oxide)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 통공 스페이서는 차량 진동을 흡수할 수 있도록 소정 탄성을 가진 비도전성 물질로 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 통공 스페이서는 소정의 탄성을 가지는 테프론(Teflon)으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 제 1 핑거형 전극 및 제 2 핑거형 전극의 손가락형 돌출부에는 방사상으로 뻗은 복수개의 돌출부를 갖는 이음부가 적어도 하나 이상 구비되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 제 1 핑거형 전극 및 제 2 핑거형 전극은 몰리브덴(Mo)이나 텅스텐(W) 재질로 이루어지며 니켈(Ni)로 도금 처리되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 제 1 핑거형 전극이 부착된 중간 평판의 일측면에는 보호용의 코팅막이 부착되며, 해당 코팅막은 실리콘-옥사이드(SiO2), 티타늄-옥 사이드(TiO2) 및 알루미나(aluminum oxide) 중 어느 하나의 재질로 형성되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 DPF의 후단에 촉매부를 더 부설하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 플라즈마 반응기에서 이상 방전 상태를 전극의 전압 또는 전류 체크를 통해 센싱하여 이상 방전시 장치의 전원차단을 차단하거나 사용자에게 알리는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명이 적용되는 차량용 배기가스 처리장치에 관한 전체적인 블럭도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 엔진(100)에서 배출되는 배기가스는 일차적으로 플라즈마 반응기(200)를 통과하여 DPF(300)로 인입된다.
이러한 DPF(300)는 디젤 엔진의 배기가스에서 SPM(Suspended Particulate Matter)를 제거할 수 있도록 세라믹을 이용해 설계된 필터로, 주로 배기가스에 혼재되어 있는 탄소 가루(C)나 Soot, 미세먼지를 포집하게 된다.
그리고, 상기 플라즈마 반응기(200)는 해당 디젤 엔진의 배기가스에 대한 필터링 역할을 하는 상기 DPF(300)가 탄소(C)와 Soot와 기타 미세 먼지들을 포집하여 포화된 상태에 이르기 전에, 인입되는 전력을 이용해 저온 플라즈마를 발생시키고 이를 통해 반응성이 뛰어난 오존(O3)과 이산화질소(NO2)로 개질시켜 해당 DPF(300)를 직접 재생시키게 된다. 따라서, 해당 DPF(300)는 굳이 별도의 절차를 통해 차량에서 분리된 상태로 재생시킬 필요없이 차량의 운행 중에도 해당 플라즈마 반응기(200)를 통한 연속적인 재생 절차에 의해 비교적 낮은 온도에서 필터링과 재생이 동시에 가능하게 된다.
즉, 상기 엔진(100)에서 배출되는 배기가스에는 산화질소(NO)와 완전연소되지 않은 산소(O2)가 포함되어 배출되게 되며, 이러한 산화질소(NO)와 산소(O2)는 상기 플라즈마 반응기(200)으로 들어가게 된다.
이에 따라, 상기 배기가스의 산화질소(NO)와 산소(O2)를 인입받은 상기 플라즈마 반응기(200)는 인입되는 전력을 이용해 저온 플라즈마를 발생시켜 부분산화반응을 일으키게 되고, 이산화질소(NO2)와 오존(O3)을 발생시켜 상기 DPF(300)으로 투입시키게 된다.
따라서 탄소(C)를 포집한 상태의 상기 DPF(300)에 이산화질소(NO2)와 오존(O3)이 투입됨으로써 화학반응에 의해 해당 DPF(300)에 포집된 탄소(C)가 제거되게 되는데, 이러한 화학반응을 정리하면 다음과 같다.
우선, 플라즈마 반응기(200)에서 생성된 이산화질소(NO2)는 해당 DPF(300)에 포집된 탄소(C)와 만나 일산화질소(NO)와 이산화탄소(CO2) 그리고 일산화질소(NO)와 일산화탄소(CO)를 생성하게 되어 해당 DPF(300)를 재생시키게 된다.
다음으로, 플라즈마 반응기(200)에서 생성된 오존(O3)은 해당 DPF(300)에 포집된 탄소(C)와 만나 이산화탄소(CO2)와 일산화탄소(CO)를 생성하게 되어 해당 DPF(300)를 재생시키게 된다.
따라서, 해당 DPF(300)를 별도의 절차를 통해 차량에서 분리시켜 재생시킬 필요없이 차량의 운행 중에도 해당 플라즈마 반응기(200)를 통한 연속적인 재생 절차에 의해 배기가스의 필터링과 DPF의 재생이 동시에 가능하게 되는 것이다.
또한 종래 기술과 같이 600℃ 이상의 고온을 제공하는 버너를 DPF의 전단에 장착할 필요없이 상대적으로 낮은 300℃ 이하의 온도에서 DPF를 재생시키게 됨으로써 전력소비가 적고 DPF의 물리적 손상이 없어 수명이 연장된다.
한편 도면에는 도시되어 있지 않지만 이러한 DPF(300)의 후단에 개질율을 높이기 위한 촉매부를 추가적으로 부설할 수도 있다.
이제 이러한 DPF(300) 전단에 설치되는 플라즈마 반응기(200)에 대하여 상세히 살펴본다.
도 6은 본 발명이 적용되는 플라즈마 반응기를 나타내는 사시도이다.
도 6에 도시된 바와 같이 해당 플라즈마 반응기(200)는 다수의 플라즈마 생성판(210)들이 적층되는 구조를 갖는다.
각각의 플라즈마 생성판(210)들은 그 양측에 마련되는 통공 스페이서(220)를 통해 서로 소정 간격 이격된 상태를 유지하게 되며, 이렇게 이격된 공간은 배기가스의 이동통로로서 제공된다.
이때, 각각의 플라즈마 생성판(210)들을 서로 이격시키는 통공 스페이서(220)는 소정 탄성을 가진 비도전성 물질로 이루어지게 되는데, 이는 해당 플라즈마 반응기(200)가 차량에 장착되기 때문에 필연적으로 차량의 진동을 견딜 수 있는 구조를 가져야만 하기 때문이다.
즉, 다수의 플라즈마 생성판(210)들이 적층되는 플라즈마 반응기(200)에서 플라즈마 생성판(210)들은 소정 탄성을 가지는 통공 스페이서(220)에 의해 지지되기 때문에 차량의 운행 중 발생하는 진동을 흡수하여 해당 플라즈마 생성판(210)으로 전달되는 충격을 완화시킬 수 있게 되는 것이다.
이때, 상기 통공 스페이서(220)는 소정의 탄성을 가지는 불소수지 합성 물질인 테프론(Teflon)으로 형성되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 플라즈마 생성판(210)은 종래 기술과는 달리 하나의 플라즈마 생성판(210)이 모두 자체적으로 플라즈마 발생이 가능하게 되는 구조를 갖게 된다.
즉, 플라즈마 반응기(200)를 구성하는 단위 플라즈마 생성판(210)은 도 7에 도시된 바와 같이, 중간 평판(213)의 상하면에 각각 제 1 핑거형 전극(211)과 제 2 핑거형 전극(212)이 각각 별개로 형성되는 구조를 가지게 된다.
여기에서, 상기 제 1 핑거형 전극(211)은 중간 평판(213)의 상측면에 형성되는 도전성 물질로서, 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이 3개의 손가락형 돌출부를 가진 핑거형 전극으로 구성된다.
그리고, 상기 제 2 핑거형 전극(212)은 중간 평판(213)의 하측면에 형성되는 도전성 물질로서, 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이 2개의 손가락형 돌출부를 가진 핑거형 전극으로 구성된다.
이때, 상기 제 1 핑거형 전극(211)과 제 2 핑거형 전극(212)은 도 9에 도시된 바와 같이 상하부에 각각 위치하는 양측(211, 212)의 손가락형 돌출부가 서로 엇갈린 구조를 가지도록 구성된다.
실제, 플라즈마 방전을 위한 전극(211, 212)은 콘덴서와 가변저항의 병렬연결과 같은 등가회로를 가지게 된다. 따라서 실제적인 플라즈마 생성의 주요소는 전기 방전량이므로 이를 증가시키기 위해서는 반응기의 등가회로에서 캐패시턴스를 줄여야 하며, 결과적으로 낮은 캐패시턴스를 가지는 반응기 전극은 비교적 작은 고전압에서도 쉽게 방전이 가능하게 된다.
따라서, 이와 같이 각각의 플라즈마 생성판(210)이 하나의 중간 평판(213)을 사이에 두고 양측의 제 1 및 제 2 핑거형 전극(211, 212)이 도 9에 도시된 바와 같이 서로 엇갈린 배열을 가지게 되면 해당 플라즈마 생성판(210)에서의 캐패시턴스가 현저히 감소되게 되고, 이에 비교적 작은 고전압 인입시에도 쉽게 방전이 일어날 수 있게 되어, 방전을 위한 소모 전력을 낮출 수 있게 되는 것이다.
즉, 구조적으로 각 전극(211, 212)는 다수의 손가락형 돌출부를 구비해 플라즈마 생성을 위한 방전시의 점유면적을 높일 수 있게 되는 동시에, 양측면의 전극(211, 212)이 서로 엇갈린 구조를 이루게 됨으로써 캐패시턴스를 줄일 수 있게 되어, 방전량의 증가와 함께 소모 전력을 낮추게 되는 것이다.
여기에서, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 제 1 핑거형 전극(211)은 3개의 손가락형 돌출부를 가지고 그와 엇갈리는 제 2 핑거형 전극(212)은 2개의 손가 락형 돌출부를 가지는 구조(일명, 3-2 전극 구조)는, 본 발명의 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 원리는 이에 제한되지 않고 양측의 핑거형 전극(211, 212)이 서로 엇갈린 상태에서 다수의 손가락형 돌출부를 가지는 구조(예컨데, 4-3 전극 구조, 5-4 전극 구조 등)도 가능하다.
이때, 상기 제 1 핑거형 전극(211)과 제 2 핑거형 전극(212)이 각각 형성되는 중간 평판(213)은 표면 방전(Surface Discharge)이 일어나는 실제적인 공간이기 때문에 플라즈마 발생시 발생되는 열을 견딜 수 있도록 알루미나(aluminum oxide) 재질로 제작되는 것이 바람직하다.
즉, 해당 플라즈마 생성판(210)에서의 캐패시턴스(C)는 다음의 수학식 1을 통해 확인할 수 있다.
Figure 112006085573615-PAT00001
여기에서, 상기 C 는 플라즈마 생성판(210)의 전체적인 캐패시턴스를 나타내고, 상기 ε는 중간 평판(213)의 유전율을 나타내고, 상기 S는 전극 양단에서 겹치는 부분의 면적을 나타내며(그 면적은 3차원적으로 고려되어야 함), 상기 d는 전극간의 거리를 나타낸다.
따라서, 해당 플라즈마 생성판(210)에서 원활한 플라즈마 생성을 얻고 저전력으로 동작시키기 위해서는 전체적인 전극의 캐패시턴스(C)를 낮출 필요가 있으며, 이러한 캐패시턴스(C)는 상하면의 전극(211, 212) 양단이 겹치는 부분의 면적 이 적고 전극간의 거리가 짧을수록 캐패시턴스(C)가 낮아지므로, 상술한 본 발명의 플라즈마 생성판(210)의 전극 엇갈림 구조는 소모전력량과 소모전력 대비 플라즈마 생성량에 있어서 대단히 유리하다.
그리고, 상기 제 1 및 제 2 핑거형 전극(211, 212)은 해당 중간 평판(213)에서 도전성 물질을 프린팅시켜 이루어지게 되는데, 보다 원활한 방전과 전극의 변질을 막기 위하여 전극을 이루는 도전성 물질로 몰리브덴(Mo) 또는 텅스텐(W)이 사용된다.
또한, 해당 전극을 보호하기 위하여 추가적으로 니켈(Ni) 도금 처리를 하거나, 실리콘-옥사이드(SiO2), 티타늄-옥사이드(TiO2) 또는 알루미나(aluminum oxide)로 표면코팅을 할 수도 있다.
그리고, 상기 중간 평판(213)은 우수한 전기적 특성과 낮은 절연 손실을 갖는 알루미나(aluminum oxide)로 이루어지게 된다.
그리고 상기 중간 평판(213)의 상측면 즉 상기 제 1 핑거형 전극(211)이 부착된 면에는 코팅막이 부착되게 되어, 해당 제 1 핑거형 전극(211)과 상기 중간 평판(213)의 노출된 면을 보호하게 된다.
이러한 코팅막은 실리콘-옥사이드(SiO2)나 티타늄-옥사이드(TiO2) 재질을 이용하거나 알루미나(aluminum oxide) 재질을 이용하여 형성되며, 이러한 코팅막은 방전시에 발생하는 고열로 인해 해당 전극 부분이나 유전판이 손상되는 것을 막게 된다.
여기에서 도 10에는 이러한 제 1 및 제 2 핑거형 전극(211, 212)의 다른 실시예가 도시되어 있다.
도 10에 도시된 바와 같이 이러한 실시예에서는 해당 제 1 및 제 2 핑거형 전극(211, 212)에 방사상으로 뻗은 복수개의 돌출부를 갖는 이음부(215)가 다수 마련되어 플라즈마 방전을 더욱 원활하게 한다.
이때, 해당 도면에서는 상기 이음부(215)가 4개의 돌출부를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아닌 바, 2개, 3개, 5개 등 복수의 돌출부가 구비되게 형성될 수 있다.
한편, 이와 같은 구성을 갖는 각각의 플라즈마 생성판(210)에는 제 1 핑거형 전극(211)에서 연장된 제 1 전극 단자(211a)와 제 2 핑거형 전극(212)에서 연장된 제 2 전극 단자(212a)가 존재하게 되는데, 해당 제 1 전극 단자(211a)와 제 2 전극 단자(212a)에는 상기 펄스전원 발생기(230)를 통해 교류형태의 펄스인 고전압 AC 펄스가 플라즈마 생성을 위해 입력되게 된다.
해당 펄스전원 발생기(230)의 일예가 도 11의 (a)에 도시되어 있고, 해당 펄스전원 발생기(230)에서 제공되는 교류형태의 펄스파가 도 11의 (b)에 도시되어 있다.
즉, 이미 상술한 바와 같이 본 발명의 플라즈마 생성판(210)은 기존의 플라즈마 반응기들에 비하여 비교적 작은 고전압으로도 방전이 가능하게 되므로, 도 9에 도시된 바와 같이 교류형태의 펄스인 고전압 AC 펄스파로도 동작이 가능하게 된다. 따라서 본 발명의 반응기는 고전압의 AC나 AC 펄스파를 이용하여 전기장의 방 향을 일정 간격으로 180도 위상을 변위시켜 플라즈마를 통해 형성된 음이온과 양이온이 외부로 쉽게 방출되면서 적은 전류를 이용해 시스템 전체 소비전력을 줄이도록 설계된다.
따라서, 해당 단위 플라즈마 생성판(210)에서 방전(표면 방전)은 양측의 제 1 및 제 2 핑거형 전극(211, 212)의 사이에서 형성되지만, 실제 플라즈마는 각 전극(211, 212)의 외향면에서 발생된다.
해당 펄스전원 발생기(230)는 내부 타이머를 통해 일정 주파수의 펄스파를 생성하게 되며 출력신호를 내부 코일의 지연 특성을 이용해 교류 형태의 펄스인 고전압 AC 펄스파를 출력하게 된다. 해당 펄스전원 발생기(230)는 고압부와 저압부가 동일 회로에 존재하지만 중앙의 포토커플러를 통해 두 회로를 분리시켜 고전류로 인한 회로 손상을 막게 된다.
이제, 상술한 구성을 가지는 플라즈마 반응기(200)의 동작에 대해서 살펴보면, 해당 플라즈마 반응기(200)로부터 발생되는 저온 플라즈마는 Soot를 산화시킬 수 있는 활성요소들을 많이 가지고 있다. 이러한 저온 플라즈마는 비평형 플라즈마로도 불리는데 자유전자가 분자보다 높은 운동에너지를 가지고 있다.
기본적으로 본 발명의 배기가스 처리장치의 역할을 살펴보면, 엔진(100)의 배기가스에서 배출된 산화질소(NO) 및 산소(O2)는 플라즈마 반응기(200)에서 부분산화 반응에 의해 반응성이 뛰어난 이산화질소(NO2)와 오존(O3)으로 개질되게 된다.
그리고, 플라즈마 반응기(200)에서 생성된 이산화질소(NO2)는 해당 DPF(300) 에 포집된 탄소(C)와 만나 일산화질소(NO)와 이산화탄소(CO2) 그리고 일산화질소(NO)와 일산화탄소(CO)를 생성하게 되어 해당 DPF(300)를 재생시키게 된다.
또한, 플라즈마 반응기(200)에서 생성된 오존(O3)은 해당 DPF(300)에 포집된 탄소(C)와 만나 이산화탄소(CO2)와 일산화탄소(CO)를 생성하게 되어 해당 DPF(300)를 재생시키게 된다.
이를 보다 상세히 설명하면, 해당 DPF(300)를 재생하기 위하여 상기 플라즈마 반응기(200)는 오존(O3)을 발생시키게 된다. 즉, 해당 DPF(300)는 저온에서 오존(O3)을 이용하여 재생될 수 있으며 이러한 오존(O3)은 플라즈마 반응기(200)의 절연 평면 방전(DBD)과 같은 저온 플라즈마를 이용해 생성할 수 있다. 여기에서 해당 절연 평면 방전은 대기압과 상온에서 순수 산소가스를 이용해 발생시킬 수 있다.
또한, 해당 DPF(300)는 이산화질소(NO2)에 의해서 재생 가능하다. 특히 이산화질소(NO2)는 일반 디젤 배기가스에 포함된 일산화질소(NO)를 절연 평면 방전에 통과시켜 얻어낼 수 있으며 이는 일산화질소(NO)를 상기 플라즈마 반응기(200)의 절연 평면 방전을 통해 산화시켜 이산화질소(NO2)를 얻어내는 방법이다.
이러한 2가지(오존, 이산화질소)의 DPF 재생 방법에 대하여 본 발명의 플라즈마 반응기(200)에 대한 실험결과를 도 12 내지 도 14를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 12는 입력가스의 유량 변화에 따른 플라즈마 반응기의 오존 발생량을 비 교한 도면이고, 도 13은 입력가스의 온도 변화에 따른 플라즈마 반응기의 오존 발생량을 비교한 도면이고, 도 14는 주파수 변화에 따른 플라즈마 반응기의 오존 발생량을 비교한 도면이다.
실제적으로, 플라즈마 반응기(300)의 오존(O3) 발생량을 결정짓는 4가지 작동 변수는 해당 플라즈마 반응기(300)에 대한 입력 가스의 유량, 동작 온도, 입력 전력 및 입력 주파수이다.
우선, 입력 가스의 유량의 변화에 따른 오존 발생량을 비교한 도 12을 참조하면, 동일한 플라즈마 반응기(300)의 동작 온도 조건(T = 288K) 하에서 입력 가스(O2)의 유량이 증가할수록 오존 발생량(O3의 농도)이 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
다음으로, 입력가스의 온도 변화에 따른 오존 발생량을 비교한 도 13을 참조하면, 동일한 입력 가스의 유량 조건(O2 = 5L/min) 하에서 입력가스의 온도가 높아질수록 오존 발생량(O3의 농도)이 증가하는 경향을 확인할 수 있다.
끝으로, 동작 주파수의 변화에 따른 오존 발생량을 비교한 도 14를 참조하면, 동일한 입력 가스의 유량 조건(O2 = 5L/min) 및 동일한 입력 가스의 온도 조건하에 입력 전원의 주파수가 낮아질수록 오존 발생량(O3의 농도)이 증가하는 경향을 확인할 수 있다.
또한, 도 12 내지 도 14에서도 확인할 수 있는 바와 같이, 입력 전력의 경우 6.5W 이전까지는 특별히 오존 발생량에 기여도가 없음이 확인된다. 이는 6.5W 이전까지는 플라즈마 반응기(300)가 동작하지 않음을 의미하며, 이러한 이유로 인해 6.5W를 점화 레벨이라고 부른다. 부분적으로 전기장이 점화 레벨에 이르면 여러 지점에서 절연 붕괴가 일어나며 이는 상당량의 미세 방전을 만들어낸다. 이런 미세 방전들은 고 에너지의 자유전자를 만들어내 오존 발생량을 급격히 증가시킨다.
한편, 도 15는 입력 전력 및 입력 주파수에 따른 질소 발생량을 비교한 도면이다.
상술한 바와 같이, DPF를 오존(O3)를 통해 재생하는 방식이 아닌, 두번째 방법인 DPF를 이산화질소(NO2)에 의해서 재생하는 방식에 대하여 설명하면(동작온도 280K, 일산화질소 3.5L/min, O2 1L/M), 도 15에 도시된 바와 같이, 입력 주파수에 따라 동작을 시작하는 점화 레벨 전력이 변화함을 알 수 있으며, 각 주파수마다 일정 전력 이상의 전력이 입력되면 이산화질소 및 오존의 발생량이 서서히 증가하면서 일산화질소(NO)의 발생량은 줄어드는 양상을 확인할 수 있다. 이는 일산화질소(NO)가 이산화질소(NO2)로 변환되고 있음을 의미하는 것이다.
이제 이러한 구성을 가지는 배기가스 처리장치가 DPF를 재생시키는 배기가스 처리방법을 설명하면 다음과 같다.
우선, 엔진(100)에서 배출되는 배기가스가 플라즈마 반응기(200)로 인입됨으로써 해당 배기가스에 포함된 일산화질소(NO)와 산소(O2)가 해당 플라즈마 반응 기(200)에서의 플라즈마 방전에 의해 부분산화 반응을 일으켜 이산화질소(NO2)와 오존(O3)을 발생시키게 된다.
다음으로, 상기 플라즈마 반응기(200)에서 생성된 이산화질소(NO2)는 해당 DPF(300)에 포집된 탄소(C)와 만나 질소(N2)와 이산화탄소(CO2) 그리고 질소(N2)와 일산화탄소(CO)를 생성하게 되어 해당 DPF(300)의 탄소가루를 제거해 해당 DPF를 재생시키게 된다.
또한, 상기 플라즈마 반응기(200)에서 생성된 오존(O3)은 해당 DPF(300)에 포집된 탄소(C)와 만나 이산화탄소(CO2)와 일산화탄소(CO)로 개질되게 되어 해당 DPF(300)의 탄소가루를 제거해 해당 DPF를 재생시키게 된다.
한편, 상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 배기가스 처리장치를 구성함에 있어, 엔진(100)에서 배출되는 고온의 배기가스로 인한 해당 플라즈마 반응기(200)의 열적 파손을 방지하고 장기적인 내구성을 향상시키기 위하여, 해당 엔진(100)의 배기구와 플라즈마 반응기(200)의 사이에 해당 배기구에서 배출되는 배기가스를 냉각시키기 위한 별도의 냉각장치를 더 구비할 수도 있다.
그리고, 도 16에는 이러한 차량용 배기가스 처리장치의 이상 방전 진단 구성이 나타나 있다.
즉, 해당 플라즈마 반응기(200)에 교류형태의 펄스인 고전압 AC 펄스를 입력하기 위한 펄스전원 발생기(230)을 살펴보면, 해당 제어부(233)의 제어에 따라 PWM 신호가 스위칭 회로(232)에 입력되면 해당 스위칭 회로(232)는 고전압 공급부(231)를 통해 펄스 형태의 전압을 해당 플라즈마 반응기(200)에 공급하게 된다.
이때, 해당 플라즈마 반응기(200)의 전극에서 전압 또는 전류를 진단부(234)를 통해 센싱하게 된다. 따라서, 해당 플라즈마 반응기(200)에서 이상 방전 예컨데, 스파크나 아크가 발생하는 경우 상기 진단부(200)에서는 해당 반응기내의 이상 방전 상황을 감지하고 이를 제어부(233)에 전달하게 된다. 이에 따라 해당 제어부(233)는 즉각적으로 해당 장치에 인입되는 전원을 차단시키거나 또는 경보기나 디스플레이를 통해 해당 이상 방전 상황을 사용자에게 알리게 되는 것이다.
여기에서, 상기 진단부(200)는 전극에 흐르는 전압 또는 전류를 강하시킨 상태에서 그 값을 측정하는 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 나타난 플라즈마를 이용해 DPF를 재생하는 차량용 배기가스 처리장치는, 종래와 같이 고전력을 사용하지 않고 낮은 전력으로도 충분한 플라즈마 방전이 가능하도록 구성하여 시스템의 전체 소비전력을 줄일 수 있게 되는 효과가 있다.
또한, 플라즈마 반응기를 차량내에서 배기가스의 필터링을 위한 DPF와 함께 연속적으로 배치시켜, 해당 플라즈마 반응기를 통해 유해가스의 제거는 물론 플라즈마 발생을 통해 유해물질이 포집된 DPF를 동시에 재생시킬 수 있도록 하여 별도의 절차를 통해 굳이 차량 밖에서 DPF를 재생시킬 필요없이 배기가스의 처리와 DPF의 재생을 동시에 이루며 배기가스 정화를 위한 차량내 설비의 간소화를 이룰 수 있게 되는 효과도 있다.
또한, 다수의 플라즈마 생성판들이 적층되는 플라즈마 반응기에서 플라즈마 생성판들은 소정 탄성을 가지는 통공 스페이서에 의해 지지되기 때문에 차량의 운행 중 발생하는 진동을 흡수하여 해당 플라즈마 생성판으로 전달되는 충격을 완화시킬 수 있어 차량 장착시에도 그 내구성을 유지할 수 있게 되는 효과도 있다.
또한 종래 기술과 같이 600℃ 이상의 고온을 제공하는 버너를 DPF의 전단에 장착할 필요없이 상대적으로 낮은 300℃ 이하의 온도에서 DPF를 재생시키게 됨으로써 전력소비가 적고 DPF의 물리적 손상이 없어 수명이 연장되는 효과도 있다.

Claims (12)

  1. 차량에 장착되는 차량용 배기가스 처리장치에 있어서,
    차량의 엔진으로부터 배출되는 배기가스에 포함된 유해 물질을 포집하여 배기가스를 정화시키는 DPF;
    차량에서 상기 엔진과 DPF의 사이에 설치되며, 해당 엔진에서 배출되는 배기가스에 포함된 산화질소(NO)와 산소(O2)를 흡입하고, 인입되는 전력을 이용해 저온 플라즈마를 발생시켜 부분산화 반응을 일으켜 반응성이 뛰어난 이산화질소(NO2)와 오존(O3)으로 개질시켜 상기 DPF로 배출함으로써 상기 DPF에 포집된 탄소가루를 제거해 해당 DPF를 재생시키는 플라즈마 반응기;를 포함하여,
    차량내에서 DPF를 통한 배기 가스의 정화처리와 플라즈마 반응기를 통한 DPF 재생이 연속적으로 이루어지게 되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용해 DPF를 재생하는 차량용 배기가스 처리장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응기는 적어도 하나 이상의 플라즈마 생성판들이 통공 스페이서에 의해 서로 소정 간격 이격되어 적층되는 구조로 형성되되,
    상기 플라즈마 생성판이,
    표면 방전을 위한 비도전성의 중간 평판;
    상기 중간 평판의 일측면에 밀착형성되며, n 개의 돌출된 손가락형 돌출부를 가진 면상의 제 1 핑거형 전극; 및
    상기 중간 평판의 타측면에 밀착형성되며, n+1 또는 n-1 개의 돌출된 손가락형 돌출부를 가진 면상의 제 2 핑거형 전극; 을 포함하며,
    상기 제 1 핑거형 전극 및 제 2 핑거형 전극의 손가락형 돌출부들은 상기 중간 평판을 사이에 두고 양면상의 각 돌출부 전극면이 중첩되지 않고 서로 엇갈리게 배열되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용해 DPF를 재생하는 차량용 배기가스 처리장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 핑거형 전극 및 제 2 핑거형 전극의 끝단에는 각각 제 1 전극 단자 및 제 2 전극 단자가 형성되며,
    해당 제 1 및 제 2 전극 단자에는 펄스전원 발생기를 통해 교류형태의 펄스인 고전압 AC 펄스가 플라즈마 생성을 위해 입력되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용해 DPF를 재생하는 차량용 배기가스 처리장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 중간 평판은 알루미나(aluminum oxide)로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용해 DPF를 재생하는 차량용 배기가스 처리장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 통공 스페이서는 차량 진동을 흡수할 수 있도록 소정 탄성을 가진 비도전성 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용해 DPF를 재생하는 차량용 배기가스 처리장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 통공 스페이서는 소정의 탄성을 가지는 테프론(Teflon)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용해 DPF를 재생하는 차량용 배기가스 처리장치.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 핑거형 전극 및 제 2 핑거형 전극의 손가락형 돌출부에는 방사상으로 뻗은 복수개의 돌출부를 갖는 이음부가 적어도 하나 이상 구비되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용해 DPF를 재생하는 차량용 배기가스 처리장치.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 핑거형 전극 및 제 2 핑거형 전극은 몰리브덴(Mo)이나 텅스텐(W) 재질로 이루어지며 니켈(Ni)로 도금 처리되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용해 DPF를 재생하는 차량용 배기가스 처리장치.
  9. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 핑거형 전극이 부착된 중간 평판의 일측면에는 보호용의 코팅막이 부착되며,
    해당 코팅막은 실리콘-옥사이드(SiO2), 티타늄-옥사이드(TiO2) 및 알루미나(aluminum oxide) 중 어느 하나의 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용해 DPF를 재생하는 차량용 배기가스 처리장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 DPF의 후단에 촉매부를 더 부설하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용해 DPF를 재생하는 차량용 배기가스 처리장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 엔진과 플라즈마 반응기의 사이에 냉각장치를 더 부설하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용해 DPF를 재생하는 차량용 배기가스 처리장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응기에서 이상 방전 상태를 전극의 전압 또는 전류 체크를 통해 센싱하여 이상 방전시 장치의 전원을 차단하거나 사용자에게 알리는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용해 DPF를 재생하는 차량용 배기가스 처리장치.
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