KR20150131866A - CONCURRENTLY DECREASING SYSTEM FOR NOx AND PM OF DIESEL ENGINE USING PLASMA - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 디젤엔진의 배출가스에 포함된 미세입자와 질소산화물을 저감시키는 플라즈마를 이용한 디젤엔진의 질소산화물과 피엠 동시 저감 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a system for reducing NOx and PM in a diesel engine using plasma for reducing fine particles and nitrogen oxides contained in exhaust gas from a diesel engine.
디젤엔진의 후처리 시스템은 디젤엔진의 배기관에 설치되는 매연여과필터(DPF; Diesel Particulate Filter trap)와 선택적환원촉매(SCR; selective catalytic reduction)를 포함한다.The post-treatment system of the diesel engine includes a diesel particulate filter trap (DPF) and a selective catalytic reduction (SCR) installed in the exhaust pipe of the diesel engine.
매연여과필터(DPF)는 디젤엔진에서 배출되는 배출가스에 포함된 입자상 물질이나 미세 먼지(PM; Particulate Matter)를 포집한다. 매연여과필터(DPF)의 지속적인 작용을 위하여, 매연여과필터는 포집된 입자상 물질이나 미세 먼지를 연소시키는 방법으로 재생되어야 한다.The soot filter (DPF) collects particulate matter (PM) and particulate matter (PM) contained in the exhaust gas discharged from the diesel engine. For continued operation of the Diesel Particulate Filter (DPF), the particulate filter must be regenerated by burning particulate matter or fine dust.
선택적환원촉매(SCR)는 디젤엔진의 배출가스에 포함된 질소산화물(Nox)을 제거한다. 대형 디젤엔진에서 배출되는 질소산화물을 저감하기 위하여, 요소수 첨가 선택적촉매환원 시스템(Urea-SCR: Urea-selective catalytic reduction)이 적용된다.The selective reduction catalyst (SCR) removes the nitrogen oxides (NOx) contained in the exhaust gas of the diesel engine. Urea-selective catalytic reduction (Urea-SCR) is applied to reduce NOx emissions from large diesel engines.
즉, 요소수 첨가 선택적촉매환원 시스템은 SCR(selective catalytic reduction) 촉매의 전방에 요소수를 투입하도록 요소수 공급부와 투입부를 구비하고, 질소산화물 센서와 요소수 분사 제어장치를 더 구비하여, 배기관의 내부에 요소수를 분사한다.That is, the urea water addition selective catalytic reduction system includes a urea water supply unit and a charging unit for injecting urea water in front of a selective catalytic reduction (SCR) catalyst, and further includes a nitrogen oxide sensor and a urea water injection control device, Injects urea water into the inside.
분사된 요소수는 배기관 내에서 디젤엔진의 배출가스 열에 의하여 암모니아로 열분해 된다. 이렇게 생성된 암모니아는 배기관의 후단에 장착된 SCR 촉매에서 배출가스에 포함된 질소산화물과 반응하여, 물과 질소를 생성한다.The injected urea water is pyrolyzed into ammonia by the exhaust gas heat of the diesel engine in the exhaust pipe. The ammonia thus produced reacts with the nitrogen oxides contained in the exhaust gas in the SCR catalyst mounted at the rear end of the exhaust pipe to produce water and nitrogen.
이와 같이 질소산화물을 효과적으로 저감하기 위해서, 암모니아(NH3)와 질소산화물(NOx)은 고온에서 설정된 비율(예를 들면, 1:1)로 반응하여 질소(N2)로 환원되어야 한다. 즉 암모니아와 배출가스가 신속하게 혼합될 필요성이 있다.In order to effectively reduce the nitrogen oxide, ammonia (NH 3 ) and nitrogen oxide (NO x) must be reduced to nitrogen (N 2 ) at a predetermined rate (for example, 1: 1) at a high temperature. That is, the ammonia and the exhaust gas need to be quickly mixed.
본 발명의 목적은 디젤엔진에서 배출되는 배출가스에 포함된 입자상 물질이나 미세 먼지(PM) 및 질소산화물을 효과적으로 제거하는 플라즈마를 이용한 디젤엔진의 질소산화물과 피엠 동시 저감 시스템을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a system for simultaneously reducing NO x and NO x in a diesel engine using plasma that effectively removes particulate matter, particulate matter (PM), and nitrogen oxides contained in exhaust gas discharged from a diesel engine.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 디젤엔진의 질소산화물과 피엠 동시 저감 시스템은, 디젤엔진의 배출가스를 유통시키는 배기관, 상기 배기관에 설치되어 배출가스에 포함된 입자상 물질이나 미세 먼지를 포집하는 매연여과필터(DPF 필터), 상기 DPF 필터의 유입측에서 상기 배기관의 내부에 설치되어, 플라즈마 화염으로 배출가스를 가열하여 상기 DPF 필터에 포집된 입자상 물질이나 미세 먼지를 연소시키는 플라즈마 버너, 상기 배기관의 상기 DPF 필터의 토출측에 설치되는 선택적환원촉매(SCR 촉매), 및 상기 SCR 촉매의 유입측에서 상기 배기관의 내부에 설치되어, 플라즈마 아크로 요소수를 무화하고 열분해 하여 생성되는 암모니아를 상기 SCR 촉매의 유입측에 분사하여 배출가스와 혼합하는 플라즈마 노즐을 포함한다.The nitrogen oxides and the PM simultaneous abatement system of a diesel engine using plasma according to an embodiment of the present invention includes an exhaust pipe through which exhaust gas of a diesel engine is circulated and a particulate matter or fine dust trapped in the exhaust gas, A plasma burner installed inside the exhaust pipe at the inflow side of the DPF filter for heating the exhaust gas with a plasma flame to burn particulate matter and fine dust collected in the DPF filter; A selective reduction catalyst (SCR catalyst) provided on the discharge side of the DPF filter of the exhaust pipe, and ammonia generated inside the exhaust pipe on the inflow side of the SCR catalyst by atomizing and pyrolyzing the plasma arc urea water, And a plasma nozzle which mixes the gas with the exhaust gas.
상기 플라즈마 노즐은, 공급되는 압축 공기를 좁아진 토출구로 토출하고 전기적으로 접지되는 제1하우징, 상기 제1하우징의 토출구 주위에 구비되어 분사홀을 통하여 공급되는 상기 요소수를 상기 토출구 안으로 분사하는 제2하우징, 상기 제1하우징에 내장되어 그 단부와 상기 토출구 사이에 방전갭을 형성하며 구동 전압이 인가되는 구동 전극, 및 상기 토출구의 반대측에서 상기 제1하우징의 일측을 밀폐하며 상기 구동 전극을 절연 지지하고 상기 공기를 공급하는 공기 공급구를 구비하는 벽체를 포함할 수 있다.The plasma nozzle includes a first housing that discharges compressed air to be supplied to a discharge port that is narrowed and is electrically grounded, a second housing which is provided around the discharge port of the first housing and discharges the urea water supplied through the spray hole into the discharge hole, A driving electrode which is housed in the first housing and forms a discharge gap between the end of the housing and the discharge port and which is applied with a driving voltage and which seals one side of the first housing on the opposite side of the discharge port, And a wall having an air supply port for supplying the air.
상기 제1하우징에 공기를 공급하는 컴프레서는, 상기 플라즈마 버너에 공기를 공급하도록 공기 공급라인으로 연결될 수 있다.A compressor for supplying air to the first housing may be connected to the air supply line to supply air to the plasma burner.
상기 구동 전극에 구동 전압을 인가하는 고전압 파워는, 상기 플라즈마 버너에 구동 전압을 공급하도록 연결될 수 있다.The high voltage power for applying a driving voltage to the driving electrode may be connected to supply a driving voltage to the plasma burner.
상기 제1하우징은, 공기가 공급되는 측에 형성되고 상기 벽체로 밀폐되는 원통부, 및 상기 원통부의 단부에 연장되어 상기 토출구에 연결되는 연장 통로부를 포함할 수 있다.The first housing may include a cylindrical portion formed on a side to which air is supplied and sealed by the wall, and an extended passage portion extending from the end of the cylindrical portion and connected to the discharge port.
상기 원통부는 상기 원통부의 중심 방향으로 연결되고 중심에서 상기 구동 전극을 지지하는 허브를 더 포함하며, 상기 허브는 절연부재를 개재하여 상기 구동 전극을 지지할 수 있다.The cylindrical portion may further include a hub connected to a center of the cylindrical portion and supporting the driving electrode at a center, and the hub may support the driving electrode via an insulating member.
상기 토출구는 상기 제2하우징의 단부를 향하여 설정된 길이를 가지고, 상기 분사홀은 상기 토출구의 길이 방향을 따라 복수로 구비될 수 있다.The discharge port may have a length set toward the end of the second housing, and the discharge holes may be provided in plural along the longitudinal direction of the discharge port.
상기 연장 통로부는 상기 원통부에서 점진적으로 축소하여 형성되어 상기 토출구에 경사지게 연결되고, 상기 제2하우징과의 사이에 설정되는 경사 통로는 상기 토출구에 경사지게 향할 수 있다.The extension passage may be gradually reduced in the cylindrical portion to be inclined to the discharge port, and the inclined passage defined between the extension and the second housing may be inclined toward the discharge port.
상기 경사 통로는 상기 토출구의 직경 방향에서 설정된 제1각도(θ1)로 경사지게 형성될 수 있다.The inclined passage may be inclined at a first angle (? 1) set in the radial direction of the discharge port.
상기 분사홀은 상기 토출구의 직경 방향에서 설정된 제2각도(θ2)로 경사지게 형성될 수 있다. 상기 분사홀은 상기 토출구의 원주 방향을 따라 복수로 구비될 수 있다.The injection hole may be inclined at a second angle? 2 set in the radial direction of the discharge port. The plurality of ejection holes may be provided along the circumferential direction of the ejection orifice.
상기 연장 통로부는 상기 원통부에서 동일한 직경으로 형성되어 상기 토출구에 직경 방향으로 연결되고, 상기 제2하우징과의 사이에 설정되는 통로는, 상기 토출구에 직경 방향으로 향할 수 있다.The extended passage portion is formed in the cylindrical portion to have the same diameter and is connected to the discharge port in the radial direction, and the passage set between the extended portion and the second housing can be directed to the discharge port in the radial direction.
상기 제2하우징의 공급구에 요소수 공급라인이 연결되고, 상기 요소수 공급라인에는 요소수의 공급을 단속 및 조절하는 유량 제어부재가 설치될 수 있다.A urea water supply line is connected to a supply port of the second housing, and a flow control member for interrupting and regulating supply of urea water may be installed in the urea water supply line.
이와 같이 본 발명의 일 실시예는 플라즈마 버너로 매연여과필터(DPF)를 재생하여 입자상 물질이나 미세 먼지(PM)를 제거하고, 플라즈마 노즐에서 분사되는 요소수에서 열분해된 암모니아를 SCR 촉매에 공급하여 질소화물을 제거할 수 있다.As described above, according to an embodiment of the present invention, the particulate matter or the fine dust (PM) is removed by regenerating the soot filter (DPF) with the plasma burner, ammonia pyrolyzed in the urea water injected from the plasma nozzle is supplied to the SCR catalyst Nitrogen can be removed.
따라서 일 실시예는 플라즈마 버너와 플라즈마 노즐을 사용하므로 디젤엔진의 배출가스 후처리 시스템을 소형화 할 수 있고, DPF 필터로 공급되는 배출가스의 온도를 상승시키는 플라즈마 버너에서 소비되는 연료를 절감할 수 있다.Thus, one embodiment uses a plasma burner and a plasma nozzle to miniaturize the exhaust gas aftertreatment system of a diesel engine and can save fuel consumed in a plasma burner that raises the temperature of the exhaust gas supplied to the DPF filter .
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 디젤엔진의 질소산화물과 피엠 동시 저감 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에 적용되는 플라즈마 노즐의 사시도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 자른 단면도이다.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 선을 따라 자른 단면도이다.
도 5는 도 1에 적용되는 다른 플라즈마 노즐의 단면도이다.FIG. 1 is a configuration diagram of a system for simultaneously reducing NO x and NO x in a diesel engine using plasma according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
Fig. 2 is a perspective view of the plasma nozzle applied to Fig. 1. Fig.
3 is a sectional view taken along line III-III in Fig.
4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV in FIG.
5 is a cross-sectional view of another plasma nozzle applied to FIG.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 디젤엔진의 질소산화물과 피엠 동시 저감 시스템의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 디젤엔진의 질소산화물과 피엠 동시 저감 시스템은 디젤엔진(미도시)에 연결되어 배출가스를 유통시키는 배기관(1), 배기관(1)에 설치되는 매연여과필터(이하, "DPF 필터"라 한다)(2), 플라즈마 버너(3), 선택적환원촉매(이하, "SCR 촉매"라 한다)(4) 및 플라즈마 노즐(5)을 포함한다.FIG. 1 is a configuration diagram of a system for simultaneously reducing NO x and NO x in a diesel engine using plasma according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. Referring to FIG. 1, a system for reducing NOx and PM in a diesel engine using plasma according to an embodiment of the present invention includes an exhaust pipe 1 connected to a diesel engine (not shown) (Hereinafter referred to as "DPF filter") 2, a
디젤엔진은 디젤을 연료로 하여 동력을 발생시키고 입자상 물질이나 미세 먼지(PM, 편의상, 명세서 전체에서 입자상 물질과 미세 먼지 중 적어도 어느 하나를 PM이라 한다) 및 질소산화물(NOx)이 포함된 배출가스를 발생시킨다. 배기관(1)을 경유하는 배출가스에 포함된 입자상 물질이나 미세 먼지(PM)는 DPF 필터(2)에서 포집되어 연소 및 제거되고, 배출가스에 포함된 질소산화물은 SCR 촉매(4)에서 물과 질소로 분해된다.A diesel engine generates power by using diesel as a fuel, and exhaust gas containing particulate matter or fine dust (PM, at least one of particulate matter and fine dust in the entire specification is referred to as PM) and nitrogen oxide (NOx) . Particulate matter or particulate matter PM contained in the exhaust gas passing through the exhaust pipe 1 is collected and burned and removed in the
DPF 필터(2)는 배출가스를 유통시키면서 배출가스에 포함된 입자상 물질이나 미세 먼지(PM)를 포집하며, 배출가스의 온도에 의하여 입자상 물질이나 미세 먼지를 연소하여 제거하도록 구성된다. SCR 촉매(4)는 DPF 필터(2)를 경유한 배출가스를 유통시키면서 배출가스에 포함된 질소산화물을 질소와 물로 변화시켜 제거하도록 구성된다.The
플라즈마 버너(3)는 DPF 필터(2)의 유입측에서 배기관(1)의 내부에 설치되어, 배기관(1)을 경유하는 배출가스를 가열하도록 구성된다. 가열된 배출가스가 DPF 필터(2)를 경유하므로 DPF 필터(2)에 포집된 입자상 물질이나 미세 먼지(PM)가 연소 및 제거된다.The
예를 들면, 플라즈마 버너(3)는 공급되는 공기와 연료를 이용하여 플라즈마 화염을 형성하고, 플라즈마 화염으로 배출가스를 가열하여 DPF 필터(2)에 포집된 입자상 물질이나 미세 먼지(PM)를 연소시킨다. 이때, 플라즈마 버너는 플라즈마 화염을 이용하므로 DPF 필터(2)로 공급되는 배출가스의 온도를 상승시키는데 소비되는 연료를 절감할 수 있다.For example, the
즉 플라즈마 버너(3)는 DPF 필터(2)에 포집된 입자상 물질이나 미세 먼지(PM)를 연소시켜 DPF 필터(2)를 재생시키므로 배출가스를 통하여 배기관(1)으로 배출되는 최종 입자상 물질이나 미세 먼지(PM)를 감소시킬 수 있다.That is, the
플라즈마 노즐(5)은 DPF 필터(2)의 토출측과 SCR 촉매(4)의 유입측 사이에서 배기관(1)의 내부에 설치되어 배출가스에 포함된 질소산화물을 효과적으로 분해하도록 구성된다.The
즉 DPF 필터(2)에서 입자상 물질이나 미세 먼지(PM)가 제거된 배출가스가 플라즈마 노즐(5) 및 SCR 촉매(4)로 유입된다. 따라서 SCR 촉매(4)에서 입자상 물질이나 미세 먼지(PM)의 방해 없이, 질소산화물이 분해될 수 있다.Namely, the exhaust gas from which the particulate matter and the fine dust PM are removed from the
예를 들면, 플라즈마 노즐(5)은 공기를 방전기체로 하여 플라즈마 아크를 생성하고, 플라즈마 아크로 요소수를 열분해 하여, SCR 촉매(4)의 유입측에 무화 및 열분해 된 암모니아를 분사하여 배출가스와 혼합하도록 구성된다.For example, the
플라즈마 노즐(5)은 요소수에서 열분해된 암모니아를 SCR 촉매(4)에 공급하여 질소산화물을 제거하므로 배출가스를 통하여 배기관(1)으로 배출되는 최종 질소산화물을 효과적으로 감소시킬 수 있다.The
도 2는 도 1에 적용되는 플라즈마 노즐의 사시도이고, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 자른 단면도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 플라즈마 노즐(5)은 제1하우징(10), 제2하우징(20), 구동 전극(30) 및 벽체(40)를 포함한다.FIG. 2 is a perspective view of a plasma nozzle applied to FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III of FIG. Referring to FIGS. 2 and 3, the
제1하우징(10)은 일측으로 공급되는 압축 공기를 빠른 속도로 토출하도록 일측에 좁아진 토출구(H1)를 구비한다. 또한, 제1하우징(10)은 토출구(H1)의 반대측에서 압축 공기를 공급 받아서, 토출구(H1)로 빠르게 토출할 수 있도록 구성된다. 제1하우징(10) 및 토출구(H1)는 전기적으로 접지된다.The
제2하우징(20)은 제1하우징(10)의 토출구(H1) 주위에 구비되어 토출구(H1)의 벽을 관통하여 연결되는 분사홀(H2)을 통하여 공급되는 요소수를 토출구(H1) 안으로 분사하도록 형성된다. 예를 들면, 제2하우징(20)은 토출구(H1)의 분사 방향을 향하여 제1하우징(10)과 닮은 꼴의 일체 구조로 형성될 수 있다.The
구동 전극(30)은 제1하우징(10)의 중심에 설치되어 그 단부와 토출구(H1) 사이에 방전갭(G)을 형성하여, 구동 전극(30)과 토출구(H1)의 일측 사이에서 공기를 방전기체로 작용시켜 플라즈마 방전을 일으킬 수 있게 한다. 이를 위하여, 구동 전극(30)에는 구동 전압(HV)이 인가된다. 구동 전극(30)은 제1하우징(10)의 중심을 따라 배치된다.The
벽체(40)는 토출구(H1)의 반대측에서 제1하우징(10)의 일측을 밀폐하며, 구동 전극(30)을 절연 지지한다. 벽체(40)는 배출가스의 고온에 견딜 수 있는 내열성을 가지는 전기 절연재로 형성될 수 있다. 그리고 벽체(40)는 공기를 공급하는 공기 공급구(41)를 구비한다. 공기 공급구(41)는 압축 공기를 공급하는 컴프레서(42)에 공기 공급라인(43)으로 연결된다.The
이하에서는 플라즈마 노즐(5)에 대하여 보다 구체적으로 설명한다. 제1하우징(10)은 압축 공기가 공급되는 방향을 따라 순차적으로 형성되는 원통부(12) 및 연장 통로부(13)를 포함한다.Hereinafter, the
원통부(12)는 공기를 공급하는 공기 공급라인(43) 측에서 균일한 직경의 원형 통로를 형성하며, 토출구(H1)의 반대측에서 벽체(40)로 밀폐된다. 따라서 공기 공급라인(43)으로 공급되는 압축 공기는 토출구(H1)로 토출된다.The
연장 통로부(13)는 원통부(12)의 단부에 연장되어 토출구(H1)에 연결된다. 일례를 들면, 연장 통로부(13)는 원통부(12)에 연결되어 원통부(12)의 단부에서 점진적으로 축소되어 토출구(H1)에 경사지게 연결될 수 있다.The
연장 통로부(13)에서 최소 통로의 단부는 토출구(H1)에 연결된다. 즉 연장 통로부(13)의 끝 지점은 토출구(H1)의 시작 지점이 된다. 연장 통로부(13)와 제2하우징(20) 사이에 설정되는 경사 통로(P)는 토출구(H1)에 경사지게 향한다.The end of the minimum passage in the
또한, 원통부(12)는 원통부(12)의 내측에서 중심 방향으로 연결되고 중심에서 구동 전극(30)을 지지하는 허브(14)를 더 포함한다. 허브(14)는 제1하우징(10)의 공기 공급구(41)로 공급되는 공기를 원통부(12)와 연장 통로부(13)로 유통시키면서, 중심에 절연부재(15)를 개재하여 구동 전극(30)을 지지한다. 따라서 구동 전극(30)은 구동 전압(HV)에 전기적으로 연결되고, 절연부재(15)와 벽체(40)에 의하여 지지되어 제1하우징(10)과 전기적으로 절연된다.The
구동 전극(30)은 제1하우징(10)의 외부로부터 고전압 파워(44)(도 1 참조)에 연결되어 구동 전압(HV)을 인가 받고, 토출구(H1)의 시작 부분, 즉 연장 통로부(13)의 단부와 구동 전극(30)의 단부 사이에 방전갭(G)을 형성한다. 즉 방전갭(G)은 공기의 유동 방향으로 설정된다.The driving
실질적으로, 토출구(H1)는 제1하우징(10)의 연장 통로부(13)의 끝에서 더 연장 형성되며, 연장 통로부(13)의 최소 통로와 동일한 크기의 직경을 가진다. 즉 토출구(H1)는 제1하우징(10)의 끝에서 설정된 직경(D)과 제2하우징(20)의 단부를 향하여 설정된 길이(L)를 가진다.The discharge port H1 extends further from the end of the
제2하우징(20)을 통하여 공급되는 요소수는 분사홀(H2)을 통하여 토출구(H1)의 내부로 분사된다. 분사홀(H2)은 토출구(H1)의 길이 방향을 따라 복수로 구비될 수 있다. 또한 분사홀(H2)은 토출구(H1)의 원주 방향을 따라 복수로 구비될 수 있다.The urea water supplied through the
즉 분사홀(H2)은 토출구(H1)를 중심으로 하여, 한 층 또는 복수 층으로 형성되고 각 층에서 복수로 형성되어 요소수를 분사하는 미세한 구조를 이루고 있다. 예를 들면, 토출구(H1)는 0.1~3mm의 직경으로 설정되고, 분사홀(H2)은 0.0~0.5mm의 직경으로 설정될 수 있다.That is, the ejection holes H2 are formed in one layer or a plurality of layers with the ejection opening H1 as a center, and are formed in a plurality of layers in each layer to form a fine structure that ejects urea water. For example, the ejection opening H1 may be set to a diameter of 0.1 to 3 mm, and the ejection hole H2 may be set to a diameter of 0.0 to 0.5 mm.
따라서 공급되는 요소수는 토출구(H1) 내에서 공기의 유동 방향을 따라 배치되는 복수의 분사홀(H2)을 통하여 분사되고, 동시에 토출구(H1)의 원주 방향에서 토출구(H1)의 중심으로 분사될 수 있다. 이때 제1하우징(10)으로 공급되는 공기는 토출구(H1)를 따라 유동된다.Accordingly, the number of urea to be supplied is injected through the plurality of injection holes H2 arranged along the air flow direction in the discharge port H1 and at the same time, the center of the discharge port H1 in the circumferential direction of the discharge port H1 . At this time, the air supplied to the
분사홀(H2)의 크기 및 개수는 분사되는 요소수의 유량을 설정한다. 그리고 토출구(H1)의 길이(L)는 공기를 사용한 플라즈마 아크에 의하여 발생되는 열과 유동 여기 화학종들에 의하여 요소수를 무화 및 열분해 하는 속도와 범위를 설정한다. 플라즈마 아크를 발생시키고 분사홀(H2)을 통하여 요소수를 분사하므로 요소수를 무화하고 열분해 하는 데 소요되는 토출구(H1)의 길이(L)를 단축시킬 수 있다.The size and number of the injection holes H2 set the flow rate of the number of injected elements. The length L of the discharge hole H1 sets the speed and range of atomizing and pyrolyzing the urea water by the heat generated by the plasma arc using air and the flow excitation species. Since the plasma arc is generated and the urea water is sprayed through the spray hole H2, the length L of the discharge hole H1 for spraying and pyrolyzing the urea water can be shortened.
한편, 제2하우징(20)의 일측 공급구(23)에 요소수 공급라인(21)이 연결된다. 요소수 공급라인(21)에는 유량 제어부재(22)가 설치되어, 요소수 공급라인(21)을 통한 요소수의 공급을 단속하고 아울러 공급되는 요소수의 유량을 조절할 수 있다.On the other hand, the urea
유량 제어부재(22)는 제2하우징(20)으로 공급되는 요소수의 양을 제어하며, 요소수량을 정밀하게 제어할 수 있다. 이로 인하하여, 유량 제어부재(22)를 경유하여 제2하우징(20)으로 유입되어 내부에 존재하는 요소수의 양이 최소화 될 수 있다.The
유량 제어부재(22)는 요소수 공급라인(21)에서 통로의 개방을 조절하여 요소수의 공급량을 제어하기 위하여, 솔레노이드 밸브 또는 인젝터로 구성될 수 있다. 또한, 제1하우징(10)과 제2하우징(20) 사이에 설정되는 챔버의 크기 및 분사홀(H2)의 크기는 다양하게 설정될 수 있다.The
한편, 제1하우징(10)의 연장 통로부(13)와 이에 마주하는 제2하우징(20)의 내면은 토출구(H1)의 토출 방향을 따라 좁아지는 구조의 경사 통로(P)를 형성한다. 예를 들면, 연장 통로부(13)와 제2하우징(20) 사이에 형성되는 경사 통로(P)는 제1하우징(10)의 직경 방향에 대하여 설정된 제1각도(θ1)로 경사지게 형성된다.On the other hand, the inner passage of the
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 선을 따라 자른 단면도이다.
도 4를 참조하면, 분사홀(H2)은 토출구(H1)의 중심을 향하며, 제1하우징(10)의 직경 방향에 대하여 설정된 제2각도(θ2)로 경사지게 형성되고, 복수의 분사홀들(H2)은 토출구(H1)의 외곽에서 하나의 경사 통로(P)로 연결되어 있다. 제1각도(θ1)와 제2각도(θ2)는 동일하게 형성될 수도 있고, 서로 무관하게 형성될 수도 있다.4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV in FIG.
4, the injection hole H2 is formed to be inclined at a second angle? 2 set with respect to the radial direction of the
즉 분사홀(H2)은 연장 통로부(13)와 제2하우징(20) 사이의 경사 통로(P)에서 제2각도(θ2)로 경사지게 형성되어, 토출구(H1)의 토출 방향에 대하여 경사지게 요소수를 분사한다. 따라서 토출구(H1)로 유동되는 공기는 분사홀(H2)로 분사되는 요소수와 혼합되고, 아울러 분사홀(H2)을 통하여 설정된 제2각도(θ2)로 분사되는 요소수에 의하여, 추진력을 가지고 토출구(H1)로 토출될 수 있다.That is, the injection hole H2 is inclined at the second angle? 2 in the inclined passage P between the
예를 들면, 분사홀(H2)의 제2각도(θ2)는 0~90도(90도 포함하지 않음) 사이의 값으로 설정될 수 있다. 따라서 분사홀(H2)로 토출되는 요소수는 설정된 제2각도(θ2)로 토출구(H1)의 내부로 분사될 수 있다.For example, the
즉 플라즈마 노즐(5)에서, 요소수가 분사홀(H2)을 통과하면서 1유체 노즐의 효과에 의하여 요소수가 무화되고, 공기가 토출구(H1)를 통과하면서 생기는 2유체의 유동 효과에 의하여, 요소수가 공기에 신속하고 균일하게 무화될 수 있다.That is, in the
또한, 플라즈마 노즐(5)에서, 플라즈마 방전에 따라 여기된 상태의 공기 분자의 화학적 효과, 및 플라즈마 방전의 플라즈마 아크에 의한 열 효과 및 플라즈마 아크 제트에 의한 물리적 효과에 의하여, 요소수와 공기는 균일하게 혼합되어 분사될 수 있다.Further, in the
즉, 일 실시예의 플라즈마를 이용한 디젤엔진의 질소산화물과 피엠 동시 저감 시스템은 플라즈마 버너(3)의 플라즈마 화염으로 DPF 필터(2)를 재생하고, 플라즈마 노즐(5)의 요소수에서 무화 및 열분해된 암모니를 배출가스와 신속하게 혼합시킬 수 있다.In other words, the nitrogen oxide and monomolecular simultaneous reduction system of the diesel engine using the plasma of the embodiment regenerates the
따라서 가열된 배출가스가 공급되어 DPF 필터(2)에서 입자상 물질이나 미세 먼지(PM)가 연소되고, SCR 촉매(4)에서 질소산화물(NOx)이 효과적으로 제거될 수 있다.Therefore, the heated exhaust gas is supplied to burn particulate matter or particulate matter (PM) in the
즉 단시간 및 디젤엔진과 SCR 촉매(4) 사이의 단거리에서 배출가스가 암모니아와 균일하게 혼합된 상태로 SCR 촉매(4)에 유입될 수 있다. 따라서 질소산화물의 배출량 감소를 위한 배기관(1)의 크기 및 길이가 획기적으로 감소될 수 있고, 플라즈마 노즐(5)의 설치 공간이 효율적으로 확보될 수 있으며, 요소수가 절감될 수 있다. That is, in a short time, and at a short distance between the diesel engine and the
제1하우징(10)으로 공기가 공급되고, 요소수 공급라인(21)을 통하여 제2하우징(20)의 공급구(23)로 요소수가 공급되며, 토출구(H1) 및 제1하우징(10)을 접지한 상태에서 구동 전극(30)에 구동 전압(HV)이 인가되면, 토출구(H1)를 통하여 무화 및 열분해 된 암모니아가 토출된다.Air is supplied to the
구동 전극(30)과 토출구(H1) 사이에서 발생되어 토출구(H1) 내부로 토출되는 플라즈마 아크 제트는 교류 또는 직류의 구동 전압으로 가능하다. 직류(DC) 전원을 사용하여 플라즈마 아크 제트를 발생시키는 경우, 미립화된 요소수 액적의 하전 현상에 의하여, 요소수의 응집(coagulation)이 방지되고 요소수가 더 미세하고 빠르게 무화될 수 있다.The plasma arc jet generated between the driving
또한, 교류(AC) 전원을 사용하여 플라즈마 아크 제트를 발생시키는 경우, 직류 전원에 비하여, 구동 전극(30)의 수명이 상대적으로 길어지고, 더 큰 부피(volumetric)의 플라즈마 아크 제트가 발생될 수 있다.In addition, in the case of generating a plasma arc jet by using an alternating current (AC) power source, the lifetime of the driving
플라즈마 아크 제트가 토출되는 토출구(H1)의 지름(D)은 수 mm (예를 들면, 0.1~3mm)이며, 요소수 분사가 필요한 대형 선박용 디젤 엔진부터 중대형 승용차에 이르기까지 다양한 크기로 적용되어, 요소수의 다양한 분사량에 적용될 수 있다.The discharge port H1 through which the plasma arc jet is discharged has a diameter D of several millimeters (for example, 0.1 to 3 mm) and is applied in various sizes ranging from a large marine diesel engine requiring injection of urea water to mid- It can be applied to various injection quantity of urea number.
다시 도 1을 참조하면, 제1하우징(10)에 공기를 공급하는 컴프레서(42)는 플라즈마 버너(3)에 공기를 공급하도록 공기 공급라인(43)으로 연결된다. 또한 구동 전극(30)에 구동 전압(HV)을 인가하는 고전압 파워(44)는 플라즈마 버너(3)에 구동 전압(HV)을 공급하도록 연결된다.Referring again to Fig. 1, a
즉 일 실시예의 플라즈마를 이용한 디젤엔진의 질소산화물과 피엠 동시 저감 시스템은 DPF 필터(2)를 재생하는 플라즈마 버너(3)와 요소수를 분사하는 플라즈마 노즐(5)에 공기를 공급하는 컴프레서(42)를 공유하고, 구동 전압(HV)을 공급하는 고전압 파워(44)를 공유하므로 배출가스 후처리를 위한 구성을 단순하게 하며, 전력 소비를 최소화할 수 있다.That is, in the nitrogen oxide and the simultaneous reduction system of the diesel engine using the plasma of the embodiment, the
도 5는 도 1에 적용되는 다른 플라즈마 노즐의 단면도이다. 도 5를 참조하면, 다른 플라즈마 노즐(205)에서 제1하우징(210)의 연장 통로부(213)와 이에 마주하는 제2하우징(220)의 내면은 토출구(H21)의 토출 방향에 직교하는 구조로 형성된다. 5 is a cross-sectional view of another plasma nozzle applied to FIG. 5, the inner wall of the
예를 들면, 연장 통로부(213)와 제2하우징(220) 사이에 형성되는 통로(P2)는 제1하우징(210)의 직경 방향으로 형성된다. 즉 도 5는 도 3의 제1각도(θ1)에 대응하는 값이 영이다.For example, the passage P2 formed between the
따라서 토출구(H21)로 토출되는 공기는 도3의 경사진 연장 통로부(13)에 비하여, 직각으로 형성되는 연장 통로부(213)에서 저항을 더 크게 받을 수 있다. 그러나 구동 전극(30)과 토출구(H21) 사이에서 분사홀(H22)은 토출구(H21)의 중심을 향하며, 제1하우징(210)의 직경 방향에 대하여 설정된 제2각도(θ22)로 경사지게 형성되고, 복수의 분사홀들(H22)은 토출구(H21)의 외곽에서 하나의 통로(P2)로 연결되어 있다.Therefore, the air discharged to the discharge port H21 can receive a larger resistance in the
즉 분사홀(H22)은 연장 통로부(213)와 제2하우징(220) 사이의 통로(P2)에서 제2각도(θ22)로 경사지게 형성되어, 토출구(H21)의 토출 방향에 대하여 경사지게 요소수를 분사한다.That is, the injection hole H22 is inclined at the second angle? 22 in the path P2 between the
따라서 토출구(H21)로 유동되는 공기는 분사홀(H22)로 분사되는 요소수와 혼합되고, 아울러 분사홀(H22)을 통하여 설정된 제2각도(θ22)로 분사되는 요소수에 의하여, 추진력을 가지고 토출구(H21)로 토출된다.Therefore, the air flowing into the discharge port H21 is mixed with the urea water injected into the injection hole H22, and the air is injected at the second angle 慮 22 set through the injection hole H22, And is discharged to the discharge port H21.
구동 전극(30)은 그 단부와 토출구(H21) 사이에 방전갭(G2)을 형성하여, 토출구(H21)의 일측과의 사이에서 일측으로 공급되는 공기를 방전기체로 작용시켜 플라즈마 방전을 일으킬 수 있게 한다.The driving
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, And it goes without saying that the invention belongs to the scope of the invention.
1: 배기관
2: 매연여과필터(DPF 필터)
3: 플라즈마 버너
4: 선택적환원촉매(SCR 촉매)
5, 205: 플라즈마 노즐
10, 210: 제1하우징
12: 원통부
13, 213: 연장 통로부
14: 허브
15: 절연부재
20, 220: 제2하우징
21: 요소수 공급라인
22: 유량 제어부재
23: 공급구
30: 구동 전극
40: 벽체
41: 공기 공급구
42: 컴프레서
43: 공기 공급라인
44: 고전압 파워
213: 연장 통로부
D: 직경
G, G2: 방전갭
H1, H21: 토출구
H2, H22: 분사홀
HV: 구동 전압
L: 길이
P: 경사 통로
P2: 통로
θ1: 제1각도
θ12, θ22: 제2각도1: exhaust pipe 2: exhaust filter (DPF filter)
3: Plasma burner 4: Selective reduction catalyst (SCR catalyst)
5, 205:
12:
14: hub 15: insulating member
20, 220: second housing 21: urea water supply line
22: flow rate control member 23:
30: driving electrode 40: wall
41: air supply port 42: compressor
43: air supply line 44: high voltage power
213: extension passage portion D: diameter
G, G2: discharge gap H1, H21: discharge port
H2, H22: injection hole HV: driving voltage
L: length P: slope passage
P2: passage? 1: first angle
? 12,? 22: second angle
Claims (13)
상기 배기관에 설치되어 배출가스에 포함된 입자상 물질이나 미세 먼지를 포집하는 매연여과필터(DPF 필터);
상기 DPF 필터의 유입측에서 상기 배기관의 내부에 설치되어, 플라즈마 화염으로 배출가스를 가열하여 상기 DPF 필터에 포집된 입자상 물질이나 미세 먼지를 연소시키는 플라즈마 버너;
상기 배기관의 상기 DPF 필터의 토출측에 설치되는 선택적환원촉매(SCR 촉매); 및
상기 SCR 촉매의 유입측에서 상기 배기관의 내부에 설치되어, 플라즈마 아크로 요소수를 무화하고 열분해 하여 생성되는 암모니아를 상기 SCR 촉매의 유입측에 분사하여 배출가스와 혼합하는 플라즈마 노즐
을 포함하는 플라즈마를 이용한 디젤엔진의 질소산화물과 피엠 동시 저감 시스템.
An exhaust pipe for distributing the exhaust gas of the diesel engine;
A particulate filter (DPF filter) installed in the exhaust pipe and collecting particulate matter or fine dust contained in the exhaust gas;
A plasma burner installed in the exhaust pipe on an inlet side of the DPF filter for heating the exhaust gas with a plasma flame to burn particulate matter or fine dust collected in the DPF filter;
A selective reduction catalyst (SCR catalyst) installed on a discharge side of the DPF filter of the exhaust pipe; And
A plasma nozzle disposed inside the exhaust pipe at an inlet side of the SCR catalyst for injecting ammonia produced by atomizing and pyrolyzing the plasma arc urea water into the inlet side of the SCR catalyst and mixing the ammonia with the exhaust gas;
NOx and PM Simultaneous Reduction System of Diesel Engines Using Plasma.
상기 플라즈마 노즐은,
공급되는 압축 공기를 좁아진 토출구로 토출하고 전기적으로 접지되는 제1하우징,
상기 제1하우징의 토출구 주위에 구비되어 분사홀을 통하여 공급되는 상기 요소수를 상기 토출구 안으로 분사하는 제2하우징,
상기 제1하우징에 내장되어 그 단부와 상기 토출구 사이에 방전갭을 형성하며 구동 전압이 인가되는 구동 전극, 및
상기 토출구의 반대측에서 상기 제1하우징의 일측을 밀폐하며 상기 구동 전극을 절연 지지하고 상기 공기를 공급하는 공기 공급구를 구비하는 벽체
를 포함하는 플라즈마를 이용한 디젤엔진의 질소산화물과 피엠 동시 저감 시스템.
The method according to claim 1,
In the plasma nozzle,
A first housing which discharges the supplied compressed air to a discharge port that is narrowed and is electrically grounded,
A second housing provided around the discharge port of the first housing for spraying the urea water supplied through the spray hole into the discharge port,
A drive electrode embedded in the first housing and forming a discharge gap between the end portion and the discharge port, to which a drive voltage is applied;
And an air supply port for sealing one side of the first housing on the opposite side of the discharge port and insulatingly supporting the drive electrode and supplying the air,
NOx and PM Simultaneous Reduction System of Diesel Engines Using Plasma.
상기 제1하우징에 공기를 공급하는 컴프레서는
상기 플라즈마 버너에 공기를 공급하도록 공기 공급라인으로 연결되는 플라즈마를 이용한 디젤엔진의 질소산화물과 피엠 동시 저감 시스템.
3. The method of claim 2,
The compressor for supplying air to the first housing
Wherein the plasma is connected to an air supply line to supply air to the plasma burner.
상기 구동 전극에 구동 전압을 인가하는 고전압 파워는
상기 플라즈마 버너에 구동 전압을 공급하도록 연결되는 플라즈마를 이용한 디젤엔진의 질소산화물과 피엠 동시 저감 시스템.
The method of claim 3,
The high voltage power for applying a driving voltage to the driving electrode
And a system connected to supply a driving voltage to the plasma burner.
상기 제1하우징은,
공기가 공급되는 측에 형성되고 상기 벽체로 밀폐되는 원통부, 및
상기 원통부의 단부에 연장되어 상기 토출구에 연결되는 연장 통로부
를 포함하는 플라즈마를 이용한 디젤엔진의 질소산화물과 피엠 동시 저감 시스템.
3. The method of claim 2,
The first housing includes:
A cylindrical portion formed on the air-supplied side and sealed by the wall, and
An extension passage portion extending from an end of the cylindrical portion and connected to the discharge port,
NOx and PM Simultaneous Reduction System of Diesel Engines Using Plasma.
상기 원통부는
상기 원통부의 중심 방향으로 연결되고 중심에서 상기 구동 전극을 지지하는 허브를 더 포함하며,
상기 허브는
절연부재를 개재하여 상기 구동 전극을 지지하는
플라즈마를 이용한 디젤엔진의 질소산화물과 피엠 동시 저감 시스템.
6. The method of claim 5,
The cylindrical portion
And a hub connected to the center of the cylindrical portion and supporting the driving electrode at a center thereof,
The hub
And the driving electrode is supported via the insulating member
Nitrogen Oxides and P - M Simultaneous Reduction System of Diesel Engines Using Plasma.
상기 토출구는,
상기 제2하우징의 단부를 향하여 설정된 길이를 가지고,
상기 분사홀은,
상기 토출구의 길이 방향을 따라 복수로 구비되는
플라즈마를 이용한 디젤엔진의 질소산화물과 피엠 동시 저감 시스템.
6. The method of claim 5,
The discharge port
A second housing having a length set toward an end of the second housing,
The injection hole
And a plurality of discharge ports
Nitrogen Oxides and P - M Simultaneous Reduction System of Diesel Engines Using Plasma.
상기 연장 통로부는,
상기 원통부에서 점진적으로 축소하여 형성되어 상기 토출구에 경사지게 연결되고
상기 제2하우징과의 사이에 설정되는 경사 통로는
상기 토출구에 경사지게 향하는
플라즈마를 이용한 디젤엔진의 질소산화물과 피엠 동시 저감 시스템.
6. The method of claim 5,
The extension passage
And is gradually reduced in the cylindrical portion and is slantly connected to the discharge port
The inclined passage, which is set between the first housing and the second housing,
The discharge port
Nitrogen Oxides and P - M Simultaneous Reduction System of Diesel Engines Using Plasma.
상기 경사 통로는
상기 토출구의 직경 방향에서 설정된 제1각도(θ1)로 경사지게 형성되는 플라즈마를 이용한 디젤엔진의 질소산화물과 피엠 동시 저감 시스템.
9. The method of claim 8,
The inclined passage
Wherein the plasma is generated at a first angle (? 1) set in a radial direction of the discharge port.
상기 분사홀은
상기 토출구의 직경 방향에서 설정된 제2각도(θ2)로 경사지게 형성되는 플라즈마를 이용한 디젤엔진의 질소산화물과 피엠 동시 저감 시스템.
8. The method of claim 7,
The injection hole
And a second angle (? 2) set in a radial direction of the discharge port.
상기 분사홀은
상기 토출구의 원주 방향을 따라 복수로 구비되는 플라즈마를 이용한 디젤엔진의 질소산화물과 피엠 동시 저감 시스템.
11. The method of claim 10,
The injection hole
Wherein the plurality of plasma oxides are provided along the circumferential direction of the discharge port.
상기 연장 통로부는,
상기 원통부에서 동일한 직경으로 형성되어 상기 토출구에 직경 방향으로 연결되고,
상기 제2하우징과의 사이에 설정되는 통로는,
상기 토출구에 직경 방향으로 향하는 플라즈마를 이용한 디젤엔진의 질소산화물과 피엠 동시 저감 시스템.
6. The method of claim 5,
The extension passage
The cylindrical portion being formed to have the same diameter and being connected to the discharge port in the radial direction,
The passage, which is set between the first housing and the second housing,
A system for reducing nitrogen oxide and ammonia in a diesel engine using plasma directed to the discharge port in the radial direction.
상기 제2하우징의 공급구에 요소수 공급라인이 연결되고,
상기 요소수 공급라인에는 요소수의 공급을 단속 및 조절하는 유량 제어부재가 설치되는 플라즈마를 이용한 디젤엔진의 질소산화물과 피엠 동시 저감 시스템.3. The method of claim 2,
A urea water supply line is connected to a supply port of the second housing,
Wherein the urea water supply line is provided with a flow rate control member for interrupting and controlling the supply of urea water to the nitrogen oxide and ammonia reduction system of the diesel engine.
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