KR20110012287A - 배기가스 유해물질 저감장치 및 이에 구비되는 버너의 연료분사량 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기가스 유해물질 저감장치 및 이에 구비되는 버너의 연료분사량 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 촉매필터에 의한 발열 효과를 감안하여 버너의 작동을 제어함으로써 안정적으로 배기가스 유해물질을 저감할 수 있는 배기가스 유해물질 저감장치 및 이에 구비되는 버너의 연료분사량 제어 방법에 관한 것이다.
촉매필터, 배기가스, 입자상물질, 버너, 연료 분사

Description

배기가스 유해물질 저감장치 및 이에 구비되는 버너의 연료분사량 제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING INJECTION AMOUNT OF FUEL OF BURNER AND AFTERTREATING DEVICE OF EXHAUST GAS}
본 발명은 배기가스 유해물질 저감장치 및 이에 구비되는 버너의 연료분사량 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 촉매필터에 의한 발열 효과를 감안하여 버너의 작동을 제어함으로써 안정적으로 배기가스 유해물질을 저감할 수 있는 배기가스 유해물질 저감장치 및 이에 구비되는 버너의 연료분사량 제어 방법에 관한 것이다.
디젤엔진은 가솔린 엔진보다 큰 힘을 얻을 수 있는 특징과 저렴한 연료비 등의 장점을 가져 승용차, 건설장비, 선박 등에 널리 사용되고 있다.
그러나 상기 디젤엔진은 엔진 내부에 연료를 분사하고 압축착화방식으로 연소하는 4-행정기관으로, 상기 연료의 자기 착화 과정에서 연료와 공기의 불균일화로 인해 불완전연소가 일어남에 따라 유해 미립자(배기가스)가 발생된다.
특히, 상기 유해 미립자는 주로 질소산화물(NOx)과 입자상 물질(PM, Particulate Matter), 및 일산화탄소(CO)로, 상기 디젤자동차에 의한 유해 미립자가 총 대기오염의 40%를 차지한다는 보고가 있으며, 이에 따라, 여러 나라들은 매연의 배출을 규제하고 있으며 이를 만족하기 위해 배기관에 삽입되어 매연을 저감시키는 배기가스 유해물질 저감장치가 개시된 바 있다.
이러한 배기가스 유해물질 저감장치의 대부분은 디젤엔진에서 발생되는 배기가스가 촉매를 가지는 필터로 유입되어 배기가스가 필터에서 연소되도록 함으로써 공기 중으로 배출되는 배기가스를 저감시킬 수 있도록 된 것이다.
그런데 단순히 배기가스가 필터로 유입되도록 할 경우 연소율이 낮기 때문에 필터로 유입되기 전 배기가스의 온도를 상승시켜 연소율이 향상되도록 하는 기술이 안출되었다.
상기 배기가스의 온도를 상승시키기 위한 방법으로서, 첫 번째로 연료분사식 매연 저감장치, 두 번째로 버너식 매연 저감장치가 제안된 바 있다.
첫 번째로, 연료분사식 매연 저감장치는 분사된 연료가 촉매필터를 거치면서 산화되고, 이런 반응에 따라 수트가 포집된 필터의 온도를 상승시키는 장치이다.
그러나 상기 연료분사식 매연 저감장치는 연료의 촉매산화에 의한 발열 반응을 이용하여 배기가스의 온도를 상승시키므로, 목표 온도값으로 상승하는데 오랜 시간이 소요되며, 상기 연료분사량이 과한 경우에, 미반응 연료들이 배출되어 오히려 환경 오염원이 되는 문제점이 있다. 또한 촉매산화가 효과적으로 되기 위해서는 통상 180도 이상이어야 하나, 그 보다도 적은 온도의 배기가스로 운행되는 차량의 경우에는 촉매산화가 원활하게 이루어지지 않을뿐더러, 특히, 상기 미반응 연료가 배출되는 경우에는 유백색 연기가 배출되어 운행 도중 안전 문제를 유발할 수 있으며, 시각적으로도 좋지 않은 문제점이 있다.
두 번째로, 상기 버너식 매연 저감장치는 엔진과 촉매필터 사이에 버너가 위치되어 배기가스를 직접 가열하는 수단으로써, 아이들링(Idling) 또는 시동이 꺼져있는 상태에서 또는 원동기의 운행 중에 버너를 가동하는 두 가지 방식이 적용되고 있다.
상기 아이들링 또는 시동이 꺼져있는 상태에서 버너를 가동하여 수트를 제거하는 방식은 동일한 상태에서 버너가 가동되어 안정적인 구동이 가능한 장점이 있으나, 촉매필터에 포집된 수트의 양이 포화상태에 도달해야만 버너를 가동하게 되므로, 운전 중에 버너의 작동을 위하여 일부러 운행을 중단해야 하는 사용상 불편함이 존재한다.
상기 운행 중에 버너를 가동하여 수트를 제거하는 방식은 버너 후단의 온도 및 버너로 인입되는 온도를 측정하여 버너 내부로 공급되는 연료분사량을 결정하며, 상기 촉매필터 전단에 별도의 전촉매가 존재하는 경우에는 상기 전촉매에 인입되는 온도를 측정하여 버너 내부로 공급되는 연료분사량을 결정한다.
그런데, 원동기가 차량인 경우에, 차량의 운행 중에는 배기가스의 양 및 온도가 매우 급격히 변화되어 상기 버너식 매연 저감장치에 분사되어 연료량이 실제 필요량보다 많거나 적게 산정될 수 있다.
특히, 연료분사량을 촉매필터만 사용될 경우에는 촉매필터 전단에서 혹은 전 촉매와 필터로 구성된 경우에 전촉매의 전단에서 측정된 온도를 이용하여 버너 내부로 공급되는 연료분사량을 결정하는 경우에는, 버너로 공급된 연료가 상기 촉매필터를 거치면서 산화되어 발생되는 열에 의한 배기가스 승온 효과를 반영하지 못하게 된다.
다시 말해, 상기 버너식 매연 저감장치의 설정 온도값이 500℃ 인 경우에, 버너 후단(촉매 필터 전단)에서 설정 온도 500℃가 일정 오차 범위 내에서 유지되고 있으나, 배기가스가 촉매 필터 또는 전촉매를 통과하고 난 후의 온도는 미연소된 과량의 탄화수소화합물이 촉매를 거치면서 촉매연소되어 발열반응하므로써 전촉매와 필터 사이에서는 혹은 촉매필터 후단에서는 900℃가 될 수도 있다.
상술한 바와 같이, 내부 온도가 적정 수준을 초과하여 증가될 경우에, 필터 의 내구성이 저하될 뿐만 아니라 심한 경우 파손될 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 버너에서 분사된 연료가 촉매필터 또는 전촉매를 통과함에 따른 발열 효과를 반영하여 버너의 작동을 제어함으로써 안정적으로 배기가스를 승온하며, 효율적으로 배기가스 유해물질을 저감할 수 있는 배기가스 유해물질 저감장치를 제공하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 장치 내부의 온도를 적절하게 유지가능하여 열피로에 의한 내구성 저하의 문제점을 최소화할 수 있으며, 차량 조건, 및 운행 상태에 따라 적합하게 버너를 작동할 수 있는 배기가스 유해물질 저감장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 배기가스 유해물질 저감 장치(100)는 디젤엔진(10)으로부터 발생되는 배기가스가 유동되는 배기관(20)에 형성되며, 연료분사부(31)와 점화수단(32)을 포함하여 배기가스를 승온시키는 버너(30); 배기가스 유동방향으로 상기 버너(30) 후측에 형성되어 배기가스 내의 유기물 또는 입자상 물질(PM, Particulate Matters)을 연소시키는 촉매필터(40)(DPF, Disel Particulate Filter); 상기 배기가스의 온도를 측정하는 온도센서(70); 및 상기 온도센서(70)로부터 측정된 온도를 통해 추정된 배기량으로써 상기 연료분사부(31)의 연료분사량을 제어하는 제어 부(50);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부(50)는 상기 디젤엔진(10)의 알피엠(RPM) 정보를 더 이용하여 배기량을 추정하는 것을 특징으로 하고, 이 때, 상기 온도센서(70)는 배기가스 유동방향으로 상기 촉매필터(40) 후측에 형성되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 배기가스 유해물질 저감 장치(100)는 상기 버너(30)와 촉매필터(40) 사이에 전촉매(60)가 더 형성되고, 상기 온도센서(70)가 배기가스 유동방향으로 상기 전촉매(60)와 필터(40) 사이 또는 상기 촉매필터(40) 후측에 형성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 배기가스 유해물질 저감 장치(100)의 연료분사량 제어 방법은 상술한 바와 같은 배기가스 유해물질 저감 장치(100)를 이용하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 제어부(50)는 배기가스 유동방향으로 상기 버너(30) 후측의 탄화수소 화합물의 양이 1 내지 3,000 ppm 이 되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부(50)는 하기 [수학식1]에 의해 계산환 배기가스 배기가스 배출량 1l 당 1분 동안 0.001 내지 0.02 g의 연료를 분사하는 것을 특징으로 한다.
[수학식1]
배기가스 배출량(E) = a · 배기량(V) · 엔진알피엠(RPM)
(a = 엔진부하율에 따른 상수)
이에 따라, 본 발명의 배기가스 유해물질 저감장치 및 이에 구비되는 버너의 연료분사량 제어 방법은 버너에서 분사된 연료가 촉매필터 또는 전촉매를 통과함에 따른 발열 효과를 반영하도록 센서가 구비되며, 버너의 연료분사량을 제어함으로써 내구성의 저하없이 효율적으로 배기가스 유해물질을 저감할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 다양한 차량 조건 및 운행 상태에 따라 적합하게 버너를 작동할 수 있으며, 버너에서 분사된 미반응 연료에 의한 문제점을 방지할 수 있는 장점이 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 배기가스 유해물질 저감 장치(100) 및 이에 구비되는 버너(30)의 연료분사량 제어 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2는 각각 본 발명에 따른 배기가스 유해물질 저감 장치(100)를 나타낸 개략도이다.
본 발명의 배기가스 유해물질 저감 장치(100)는 배기관(20)에 형성되는 버너(30), 촉매필터(40), 온도센서(70) 및 제어부(50)를 포함하여 형성된다.
상기 배기관(20)은 디젤엔진(10)으로부터 발생되는 배기가스가 유동되는 관으로서, 본 발명의 배기가스 유해물질 저감 장치(100)가 구비된다.
상기 버너(30)는 연료분사부(31)와 점화수단(32)을 포함하여 배기가스를 승온하는 수단으로서, 도면에서 상기 버너(30)가 상기 배기관(20)에 수직으로 형성된 예를 도시하였으나, 상기 버너(30)는 상기 배기가스의 흐름과 평행한 방향으로 형성될 수도 있으며, 이 외에도 다양하게 변형실시될 수 있다.
상기 촉매필터(40)는 배기가스 유동방향으로 상기 버너(30) 후측에 형성되어 배기가스 내의 유기물 또는 입자상물질을 연소시키는 수단으로, 상기 버너(30)에 의해 승온된 배기가스를 연소하여 배기가스 유해물질을 저감한다.
상기 제어부(50)는 상기 온도센서(70)로부터 측정된 온도를 통해 추정된 배기량으로써 상기 연료분사부(31)의 연료분사량을 제어하는 수단으로서, 본 발명의 배기가스 유해물질 저감 장치(100)의 전체 작동을 제어한다.
본 발명의 배기가스 유해물질 저감 장치(100)는 상기 제어부(50)의 연료분사량을 제어하는 기준이 되는 요소로서, 상기 온도센서(70)로부터 측정된 온도를 이용하며, 추가적으로 상기 디젤엔진(10)의 알피엠(RPM) 정보를 더 이용하여 배기량을 추정할 수도 있다.
이 때, 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 배기가스 유해물질 저감 장치(100)는 배기관(20)의 배기가스 유동방향으로 버너(30), 촉매필터(40)가 순차적으로 구비되는 경우에, 상기 온도센서(70)는 상기 촉매필터(40)의 후측에 형성되고, 상기 제어부(50)는 상기 온도센서(70)로부터 측정된 온도 정보를 분석함으로써 상기 촉매필터(40)의 연소에 의한 온도 상승 정도를 감안하여 상기 버너(30)의 연료분사량을 제어할 수 있다.
한편, 본 발명의 배기가스 유해물질 저감 장치(100)는 상기 버너(30)와 촉매필터(40) 사이에 전촉매(60)가 더 형성될 수 있는데, 상기 전촉매(60)는 배기가스 내에 유기물을 연소시켜 배기가스를 승온시키는 수단이 이용될 수 있으며, 그 예로 산화촉매(DOC, Diesel Oxidation Catalyst)를 들 수 있다.
상기 도 2에 도시한 바와 같이, 이 때, 상기 온도센서(70)는 배기가스 유동 방향으로 상기 버너(30)의 상기 전촉매(60)와 필터(40) 사이에 형성되거나, 상기 도 1에 도시한 바와 같이, 상기 촉매필터(40) 후측에 형성될 수 있고, 상기 전촉매(60)와 필터(40) 사이 및 상기 촉매필터(40) 후측 모두에 형성될 수도 있다.
이를 통해, 본 발명의 배기가스 유해물질 저감 장치(100)는 상기 버너(30)에서 분사되는 연료량을 제어함으로써 특정 위치에서 필요 이상으로 온도가 상승되는 것을 방지하고, 안정적으로 유해물질을 저감할 수 있으며, 내구성을 보다 증대할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 배기가스 유해물질 저감 장치(100)는 상기 버너(30)의 연료분사량이 적절히 제어됨으로써 연료의 과잉공급을 방지할 수 있으며, 이에 따라 미연소 연료에 따른 문제점을 해결할 수 있는 장점이 있다.
상기 제어부(50)의 연료분사량 제어는 온도센서(70)를 통해 측정된 온도를 비교하여 목표 온도로 배기가스를 승온하기 위하여 연료가 분사되며, 이 때, 분사되는 연료의 양은 배기가스 유동방향으로 상기 버너(30) 후측의 탄화수소 화합물의 양이 1 내지 3,000ppm 이 되도록 제어한다.
즉, 상기 제어부(50)는 상기 온도센서(70)를 통해 측정된 온도를 비교하여 연료 분사 여부를 결정하며, 상기 측정된 온도 및 목표 설정 온도를 감안하여 상세한 연료분사량을 결정하게 된다.
또한, 상기 제어부(50)는 추가적으로 차량의 운행 상태, 차량 조건 등을 판단하는 조건으로서 디젤엔진(10)의 알피엠(RPM) 정보를 더 이용하여 배기량을 추정함으로써 연료 분사 여부 및 연료분사량을 결정할 수도 있다.
더욱 상세하게, 상기 제어부(50)는 배기가스 배출량을 산정하여 1분 및 배기가스 배출량 1l 당 0.001 내지 0.02 g의 연료를 분사하는 것이 바람직하다.
상기 배기가스 배출량은 하기 수학식1에 의해 계산되는 데, 차량에 결정된 배기량과, 엔진알피엠(RPM)에 비례하며, 엔진부하율에 따른 상수(a)는 차량 상태에 따라 변화될 수 있으며, 반복적인 연료 수행에 의해 산정될 수 있다.
[수학식1]
배기가스 배출량(E) = a · 배기량(V) · 엔진알피엠(RPM)
(a = 엔진부하율에 따른 상수)
상기 배기가스 배출량은 배기량과 엔진알피엠에 의해 산정되어 연료분사량을 결정하게 되는 주요 요소로 이용되며, 상기 온도센서(70)를 통해 측정된 온도와 목표 설정 온도를 비교하여 그 차이가 없는 상황에는 상기 버너(30)가 작동되지 않으며, 그 차이가 큰 경우에는 상기 [수학식1]에 의해 산정된 연료분사 범위 내에서 많은 양의 연료가 분사되고, 그 차이가 작은 경우에는 상기 [수학식1]에 의해 산정된 연료분사 범위 내에서 적은 양의 연료가 분사된다.
즉, 본 발명의 배기가스 유해물질 저감 장치(100)의 연료분사량 제어 방법은 차량 상태를 감안하여 연료분사량의 범위를 결정할 수 있으며, 온도센서(70)를 통해 연료분사 시작/정지, 및 정확한 연료분사량을 결정할 수 있어 효율적으로 배기가스 유해물질을 저감할 수 있는 장점이 있다.
도 3은 본 발명에 따른 배기가스 유해물질 저감 장치(100)의 연료분사량 제어에 따른 온도 그래프이고, 도 4는 비교예에 따른 온도 그래프로, 배기량 6800 cc의 트럭에 도 2에 도시한 바와 같이, 버너(30)와, 백금이 코팅된 전촉매(60)와, 코디어라이트 촉매필터(40)가 형성되고, 목표 온도 설정값이 480 ℃ 인 상태의 전촉매(60) 전단, 전촉매(60) 후단 및 필터 후단의 온도를 나타낸 그래프이다.
이 때, 도 3과 도 4는 상술한 바와 같이, 모든 조건은 동일하되, 도 3은 상기 제어부(50)가 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 전촉매(60)와 촉매필터(40) 사이에 위치한 온도센서(70)로부터 측정된 온도를 이용하여 상기 버너(30)의 연료분사량을 제어하고, 상기 도 4는 상기 제어부(50)가 상기 전촉매(60) 전단에 위치한 온도센서로부터 측정된 온도를 비교하여 연료분사량을 제어할 때를 나타내었다.
상기 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 배기가스 유해물질 저감 장치(100) 및 이에 구비되는 버너(30)의 연료분사량 제어 방법은 최대 온도가 530 ℃ 미만이며, 상기 도 4와 비교하여 비교적 고른 온도 분포를 가진다.
이에 반해, 도 4에 도시한 비교예는 최대 온도가 720 ℃ 까지 상승되어 고열 로 인한 내구성 저하가 우려된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 배기가스 유해물질 저감 장치(100) 및 이에 구비되는 버너(30)의 연료분사량 제어 방법은 전촉매(60) 또는 촉매필터(40)에 의한 배기가스 승온 정도를 고려하여 버너(30)의 연료분사량을 제어함으로써, 보다 안정적인 장치 구동이 가능하며, 배기가스 유해물질을 효율적으로 저감할 수 있는 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1 및 도 2는 각각 본 발명에 따른 배기가스 유해물질 저감장치를 나타낸 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 배기가스 유해물질 저감장치의 연료분사량 제어에 따른 온도 그래프.
도 4는 비교예에 따른 온도 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 엔진 20 : 배기관
30 : 버너 31 : 연료분사부
32 : 점화수단
40 : 촉매필터
50 : 제어부
60 : 전촉매
100 : 배기가스 유해물질 저감 장치

Claims (7)

  1. 디젤엔진(10)으로부터 발생되는 배기가스가 유동되는 배기관(20)에 형성되며, 연료분사부(31)와 점화수단(32)을 포함하여 배기가스를 승온시키는 버너(30); 배기가스 유동방향으로 상기 버너(30) 후측에 형성되어 배기가스 내의 유기물 또는 입자상 물질(PM, Particulate Matters)을 연소시키는 촉매필터(40)(DPF, Disel Particulate Filter); 상기 배기가스의 온도를 측정하는 온도센서(70); 및 상기 온도센서(70)로부터 측정된 온도를 통해 추정된 배기량으로써 상기 연료분사부(31)의 연료분사량을 제어하는 제어부(50);를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 유해물질 저감 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 디젤엔진(10)의 알피엠(RPM) 정보를 더 이용하여 배기량을 추정하는 것을 특징으로 하는 배기가스 유해물질 저감 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 온도센서(70)는 배기가스 유동방향으로 상기 촉매필터(40) 후측에 형성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 유해물질 저감 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배기가스 유해물질 저감 장치(100)는
    상기 버너(30)와 촉매필터(40) 사이에 전촉매(60)가 더 형성되고, 상기 온도센서(70)가 배기가스 유동방향으로 상기 전촉매(60)와 필터(40) 사이 또는 상기 촉매필터(40) 후측에 형성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 유해물질 저감 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 한 항에 의한 배기가스 유해물질 저감 장치(100)의 연료분사량 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부(50)는 배기가스 유동방향으로 상기 버너(30) 후측의 탄화수소 화합물의 양이 1 내지 3,000 ppm 이 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배기가스 유해물질 저감 장치(100)의 연료분사량 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부(50)는 하기 [수학식1]에 의해 계산환 배기가스 배기가스 배출량 1l 당 1분 동안 0.001 내지 0.02 g의 연료를 분사하는 것을 특징으로 하는 배기가스 유해물질 저감 장치(100)의 연료분사량 제어 방법.
    [수학식1]
    배기가스 배출량(E) = a · 배기량(V) · 엔진알피엠(RPM)
    (a = 엔진부하율에 따른 상수)
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