KR20170067338A - 배기가스 정화장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 배기가스 정화장치는, 복수의 채널과, 채널들의 입구 및 출구에 교대로 설치된 복수의 플러그를 가진 제1DPF; 및 상기 제1DPD의 상류 측에 배치된 제2DPF;를 가질 수 있다. 상기 제2DPF는 복수의 채널과, 채널들의 입구 및/또는 출구에 선택적으로 설치된 복수의 플러그를 가지며, 상기 복수의 플러그는 채널의 입구 측에 설치되는 입구측 플러그와, 채널의 출구 측에 설치되는 출구측 플러그를 가진다.

Description

배기가스 정화장치{DIESEL PARTICULATE FILTER APPARATUS}
본 발명은 배기가스 정화장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배기계 내에서 2 이상의 DPF를 분리하여 장착함으로써 레이아웃의 한계를 극복함과 더불어 실질적으로 부피를 증대시켜 재생주기를 연장할 수 있는 배기가스 정화장치에 관한 것이다.
차량의 배기가스는 주로 일산화탄소(C0), 질소산화물(NOx), 미연소탄화수소(HC) 등의 유해물질을 포함하고 있다.
이와 같은 디젤엔진의 사용량 증가 경향은 디젤엔진으로부터 배출되는 배출 가스에 포함된 매연(Soot) 또는 입자상 물질(Particulate Matter ; PM)의 배출량을 증가시키고 있으며, 이러한 배출물들은 환경오염, 특히 대기오염의 주원인이 되어 점차 규제가 강화되고 있다.
이러한 디젤차량 배출가스로 인한 환경오염의 문제를 해결하기 위하여, 디젤차량 등에서 발생되는 매연이 대기 중으로 방출되는 것을 방지하도록 매연을 포집하고 처리하는 DPF(Diesel Particulate Filter)에 대한 다양한 방안이 연구되고 있다.
DPF는 내부에 복수의 채널(channel)을 가지고, 채널들의 입구 및 출구에 플러그(plug)가 교대로 배치되는 구조로 이루어져 매연(soot)을 포집하도록 구성된다.
DPF는 매연을 확실하게 포집함으로써 배기가스의 배출량을 줄일 수 있다는 장점이 있지만, 시간의 경과에 따른 DPF에 포집된 매연의 증가로 인해 배출가스의 배압이 증가하여 엔진에 부담을 줄 수 있고, 이에 DPF 내에 포집된 매연을 연소시켜 재생하는 방식이 DPF의 성능을 좌우하는 중요한 요인이 된다. 이러한 DPF의 재생방식에는 자연재생, 강제재생, 복합재생 등과 같이 다양한 방식이 있었다.
하지만, 종래의 DPF는 차량 내의 특정위치에 설치하기 때문에 DPF의 부피에 제약이 있었고, 이에 DPF의 부피 제약으로 인해 재생주기가 짧아져 연비가 저하되는 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 여러단점을 극복하기 위하여 연구개발된 것으로, 배기계 내에서 2 이상의 DPF를 분리하여 장착함으로써 레이아웃의 한계를 극복함과 더불어 실질적으로 부피를 증대시켜 재생주기를 연장할 수 있고, 이를 통해 DPF의 성능 및 품질 등을 향상시켜 연비를 상승시킬 수 있는 배기가스 정화장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은 복수의 채널 및 채널들의 입구 및 출구에 설치된 플러그를 가진 DPF를 이용한 배기가스 정화장치로서,
배기계의 흐름방향을 따라 분리되게 배치된 2 이상의 DPF를 포함하고,
상기 2 이상의 DPF 중에서 최상류 측에 위치한 DPF는 채널들의 입구 및/또는 출구 측에 플러그가 선택적으로 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 2 이상의 DPF의 각 상류측에는 열전대가 개별적으로 설치되고, 상기 열전대에 의해 각 DPF에 대한 연소가 제어되는 것을 특징으로 한다.
상기 2 이상의 DPF의 각 상류 및 하류 측에는 차압을 측정하기 위한 차압센서가 설치되고, 상기 차압센서에 의해 각 DPF에 대한 재생이 제어되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배기가스 정화장치는,
복수의 채널과, 채널들의 입구 및 출구에 교대로 설치된 복수의 플러그를 가진 제1DPF; 및
상기 제1DPD의 상류 측에 배치된 제2DPF;를 포함하고,
상기 제2DPF는 복수의 채널과, 채널들의 입구 및/또는 출구에 선택적으로 설치된 복수의 플러그를 가지며,
상기 복수의 플러그는 채널의 입구 측에 설치되는 입구측 플러그와, 채널의 출구 측에 설치되는 출구측 플러그를 가지는 것을 특징으로 한다.
제2DPF는 채널들 중에서 일부 채널들의 입구에 입구측 플러그가 선택적으로 설치되는 것을 특징으로 한다.
제2DPF는 채널들 중에서 일부 채널들의 출구에 출구측 플러그가 선택적으로 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1DPF 및 상기 제2DPF는 차량의 배기계 상에서 서로 분리되게 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1DPF의 매연 포집율과 상기 제2DPF의 매연 포집율을 동일하게 구성하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2DPF의 플러그 적용비율을 조절함으로써 상기 제1DPF의 매연 포집율과 상기 제2DPF의 매연 포집율을 동일하게 구성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 배기계 내에서 2 이상의 DPF를 분리하여 장착함으로써 레이아웃의 한계를 극복함과 더불어 실질적으로 부피를 증대시켜 재생주기를 연장할 수 있고, 이를 통해 DPF의 성능 및 품질 등을 향상시켜 연비를 상승시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배기가스 정화장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 배기가스 정화장치에 의해 매연이 포집되는 원리를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 의한 배기가스 정화장치에 열전대가 적용된 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 배기가스 정화장치에 차압센서가 적용된 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 의한 배기가스 정화장치의 제1DPF의 일 실시형태를 예시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 의한 배기가스 정화장치의 제1DPF의 다른 실시형태를 예시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 의한 배기가스 정화장치의 제1DPF의 또 다른 실시형태를 예시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 발명을 설명하는 데 참조하는 도면에 도시된 구성요소의 크기, 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다. 또, 본 발명의 설명에 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 이 용어에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내리는 것이 마땅하겠다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배기가스 정화장치(100)는 배기가스의 흐름방향을 따라 배기계 상에서 직렬로 배치된 2 이상의 DPF(110, 120)를 포함할 수 있다.
2 이상의 DPF(110, 120)는 배기가스의 흐름방향(도 1의 화살표 EX 방향 참조)에서 직렬로 배치되고, 각 DPF(110, 120)는 그 각각의 플러그 갯수가 서로 다르게 구비됨에 따라 매연의 포집율을 서로 동일하게 유지함이 바람직하다.
일 실시예에 따르면, 2 이상의 DPF(110, 120)는 제1DPF(110)와, 제1DPF(110)의 상류 측에 배치된 제2DPF(120)를 포함할 수 있다.
제1DPF(110)는 도 1 및 도 2를 참조하면, 그 내부에 복수의 격벽(117)에 의해 형성된 복수의 채널(118)과, 채널(118)들의 입구 및 출구에 설치된 복수의 플러그(111, 112)를 포함할 수 있다.
복수의 플러그(111, 112)는 제1DPF(110)의 각 채널(118)의 입구 측에 설치된 하나 이상의 입구측 플러그(111) 및 제1DPF(110)의 각 채널(118)의 출구 측에 설치된 하나 이상의 출구측 플러그(112)를 가질 수 있다. 그리고, 입구측 플러그(111)들과 출구측 플러그(112)는 복수의 채널(118) 상에서 서로 교대로 배치됨으로써 배기가스가 제1DPF(110)의 채널(118)들을 교차하면서 통과함에 따라 매연들이 각 격벽(117)에 포집되어 제거될 수 있다.
제2DPF(120)는 도 1 및 도 2를 참조하면, 그 내부에 복수의 격벽(127)에 의해 형성된 복수의 채널(128)과, 채널(128)들의 입구 및/또는 출구에 설치된 복수의 플러그(121, 122)를 포함할 수 있다.
복수의 플러그(121, 122)는 제2DPF(120)의 채널(128)들 중에서 적어도 일부의 입구 측에 설치된 하나 이상의 입구측 플러그(121) 및 제2DPF(120)의 채널(128)들 중에서 적어도 일부 채널(128)의 출구 측에 설치된 하나 이상의 출구측 플러그(122)를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 도 1에 예시된 바와 같이 제2DPF(120)의 입구측 플러그(121)는 채널(128)들 중에서 일부 채널(128)들의 입구에 선택적으로 설치될 수 있다.
이와 달리, 제2DPF(120)의 출구측 플러그(121)는 채널(128)들 중에서 일부 채널(128)들의 출구에 선택적으로 설치될 수 있다.
이를 통해, 제2DPF(120)는 일부 채널(128)의 입구 및/또는 출구 측에 입구측 플러그 또는 출구측 플러그가 선택적으로 설치됨에 따라 부분적인 플러그(partially plugged) 구조를 구성할 수 있다.
도 2를 참조하면, 제2DPF(120)의 채널(128)들 중에서 일부의 채널(128)의 입구에만 입구측 플러그(121)가 설치되고, 이에 배기가스가 입구측 플러그(121)가 설치되지 않은(도 2의 점선 UP참조) 채널(128)을 그대로 통과(도 2의 화살표 K 참조)한 후에 제1DPF(110)로 유입됨으로써 제1DPF(110)에 포집되어 제거될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 2 이상의 DPF(110, 120)가 분리되어 직렬로 연결됨으로써 DPF의 부피를 증대함으로써 재생주기를 연장할 수 있고, 이를 통해 DPF의 성능 및 품질 등을 향상시켜 연비를 상승시킬 수 있다.
특히, 본 발명은 2 이상의 DPF(110, 120) 중에서 어느 하나의 DPF(110)를 차량의 엔진룸 내에 설치하고, 나머지 DPF(120)를 차량의 언더플로어(underfloor)에 배치함으로써 레이아웃의 한계를 매우 효과적으로 극복할 수 있다.
한편, DPF의 설계 및 제어 시에 가장 중요한 요소는 SML(Soot Mass Limit)이고, 이러한 SML 범위 이내에서 DPF에 포집된 매연(soot)를 연소 내지 제거하여야 한다. 이에 DPF의 재생시에, DPF의 온도가 가장 높이 올라가는 조건(DTI : Drop to Idle 또는 DTO : Drop to Overrun)이 발생하더라도 SML 범위 이내에서는 DPF는 멜팅, 크랙, 파손 등이 없이 내구성을 확보 할 수 있다. 이에, 본 발명은 2 이상의 DPF(110, 120) 각각이 설정된 SML의 범위 이내에서 매연(Soot)을 포집하고, 이러한 SML의 범위를 벗어나기 전에 DPF의 재생을 수행함이 바람직할 것이다.
예컨대, DPF의 SML이 8g/L로 설정될 경우, 제1DPF(110) 및 제2DPF(120) 모두 8g/L 이내로 매연(soot)을 포집하여야 하고, 각 DPF(110, 120)의 포집량이 8g/L에 가까이 도달하면, 매연을 연소시켜 제거하여야 한다.
이와 같이, 2 이상의 DPF(110, 120)는 그 매연 포집율이 SML에 도달하면 각 DPF(110, 120)에 대해 온도 및 차압 등을 이용한 재생 제어가 진행될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이, 각 DPF(110, 120)의 상류 측에 열전대(131, 132)가 설치될 수 있고, 각 열전대(131, 132)에 의해 측정된 배기가스의 온도를 통해 각 DPF(110, 120)의 재생을 제어하도록 구성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 제1DPF(110)의 상류 측에 제1열전대(131)가 설치되고, 제2DPF(120)의 상류 측에 제2열전대(132)가 설치될 수 있다. 이에, 제2열전대(132)에 의해 제2DPF(120)로 유입되는 배기가스의 온도를 측정하고, 그 측정된 온도를 기준으로 제2DPF(120)의 연소온도(예컨대, 600~650℃)를 제어한 후에 제2DPF(120)를 연소시켜 재생할 수 있다. 그 이후에, 제1열전대(131)에 의해 제1DPF(110)로 유입되는 배기가스의 온도를 측정하며, 그 측정된 온도를 기준으로 제1DPF(110)의 연소온도(예컨대, 600~650℃)를 제어한 후에 제1DPF(110)를 연소시켜 재생할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이, 각 DPF(110, 120)의 상류단 및 하류단의 차압을 측정하기 위한 차압센서(140)가 설치될 수 있다. 차압센서(140)에는 복수의 검출부(141, 142, 143)가 연결되고, 복수의 검출부(141, 142, 143)가 제1DPF(110)의 상류단 및 하류단과 제2DPF(120)의 상류단 및 하류단에 배치될 수 있고, 이를 통해 각 DPF(110, 120)의 상류단 및 하류단 사이의 차압을 검출하고, 그 검출된 차압이 설정치를 벗어나면 각 DPF(110, 120)를 강제적으로 재생시킬 수 있다.
또한, 2 이상의 DPF(110, 120)들은 그 단위 부피당 매연 포집량(즉, 매연 포집율)이 서로 동일하게 이루어짐이 바람직하다. 이는 각 DPF(110, 120)의 매연 포집율이 서로 다를 경우에 어느 하나의 DPF가 먼저 SML에 도달하게 되고, 이에 해당 DPF에 대한 재생이 진행되어야 하므로 전체적으로 그 재생주기가 짧아지기 때문이다. 예컨대, 제2DPF(120)의 매연 포집율이 제1DPF(110)의 매연 포집율 보다 낮으면, 제2DPF(120)가 먼저 SML에 도달하게 되고, 이에 제1DPF(110)는 매연을 포집할 수 있지만 제2DPF(120)는 더 이상 매연을 포집할 수 없게 되므로 제2DPF(120)에 대한 재생이 진행되어야 한다. 그리고, 제1DPF(110)의 매연 포집율이 제2DPF(120)의 매연 포집율 보다 낮으면, 제1DPF(110)가 먼저 SML에 도달하게 되고, 이에 제2DPF(120)는 매연을 포집할 수 있지만 제1DPF(110)는 더 이상 매연을 포집할 수 없으므로 제1DPF(110)에 대한 재생이 진행되어야 한다.
이러한 DPF(110, 120)의 각 매연 포집율을 동일하게 설정하기 위해, 본 발명은 제2DPF(120)의 플러그 설치갯수를 조절함으로써 제2DPF(120)의 매연 포집율과 제1DPF(110)의 매연 포집율을 서로 동일하게 할 수도 있다.
예컨대, 제2DPF(120)의 부피가 제1DPF(110)의 부피 보다 클 경우에는 도 5에 도시된 바와 같이, 제2DPF(120)의 채널(128)들 중에서 대략 66% 이상의 채널(128)의 입구에 입구측 플러그(121)가 설치될 수 있다. 즉, 제2DPF(120)의 부피가 제1DPF(110)의 부피 보다 클 경우에는 배기가스와 먼저 접촉하는 제2DPF(120)가 상대적으로 더 많은 매연을 포집할 필요가 있으므로 입구측 플러그(121)의 적용비율이 높아질 수 있다. 이를 통해, 제1DPF(110)의 매연포집율과 제2DPF(120)의 매연포집율이 동일하게 이루어질 수 있다.
제2DPF(120)의 부피가 제1DPF(110)의 부피 보다 작을 경우에는 도 6에 도시된 바와 같이, 제2DPF(120)의 채널(128)들 중에서 대략 33% 이하의 채널(128)의 입구에만 입구측 플러그(121)가 설치될 수 있으며, 또한 제2DPF(120)의 부피가 제1DPF(110)의 부피 보다 상대적으로 매우 작을 경우에는 도 7과 같이 제2DPF(120)의 모든 채널(128)들에 입구측 플러그(121)가 설치되지 않을 수도 있다. 즉, 제2DPF(120)의 부피가 제1DPF(110)의 부피 보다 작을 경우에는 배기가스와 먼저 접촉하는 제2DPF(120)가 상대적으로 적은 양의 매연을 포집할 수 있으므로 입구측 플러그(121)의 적용비율이 낮아질 수 있다. 이를 통해, 제1DPF(110)의 매연포집율과 제2DPF(120)의 매연포집율이 동일하게 이루어질 수 있다.
그리고, 제1DPF(110)의 부피와 제2DPF(120)의 부피가 서로 동일할 경우에는 제2DPF(120)의 채널(128)들 중에서 입구측 플러그(121)의 갯수를 적절히 조절함으로써 제1DPF(110)의 매연 포집율과 제2DPF(120)의 매연 포집율이 서로 동일하게 이루어질 수 있다.
이상, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 이 명세서에 개시된 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되지 않으며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 이내에서 당업자에 의하여 다양하게 변형될 수 있다.
110: 제1DPF 111: 입구측 플러그
112: 출구측 플러그 117: 격벽
118: 채널 120: 제2DPF
121: 입구측 플러그 122: 출구측 플러그
127: 격벽 128: 채널

Claims (9)

  1. 복수의 채널 및 채널들의 입구 및 출구에 설치된 플러그를 가진 DPF를 이용한 배기가스 정화장치로서,
    배기계의 흐름방향을 따라 분리되게 배치된 2 이상의 DPF를 포함하고,
    상기 2 이상의 DPF 중에서 최상류 측에 위치한 DPF는 채널들의 입구 및/또는 출구 측에 플러그가 선택적으로 설치되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 2 이상의 DPF의 각 상류측에는 열전대가 개별적으로 설치되고, 상기 열전대에 의해 각 DPF에 대한 연소가 제어되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 2 이상의 DPF의 각 상류 및 하류 측에는 차압을 측정하기 위한 차압센서가 설치되고, 상기 차압센서에 의해 각 DPF에 대한 재생이 제어되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  4. 복수의 채널과, 채널들의 입구 및 출구에 교대로 설치된 복수의 플러그를 가진 제1DPF; 및
    상기 제1DPD의 상류 측에 배치된 제2DPF;를 포함하고,
    상기 제2DPF는 복수의 채널과, 채널들의 입구 및/또는 출구에 선택적으로 설치된 복수의 플러그를 가지며,
    상기 복수의 플러그는 채널의 입구 측에 설치되는 입구측 플러그와, 채널의 출구 측에 설치되는 출구측 플러그를 가지는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    제2DPF는 채널들 중에서 일부 채널들의 입구에 입구측 플러그가 선택적으로 설치되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    제2DPF는 채널들 중에서 일부 채널들의 출구에 출구측 플러그가 선택적으로 설치되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1DPF 및 상기 제2DPF는 차량의 배기계 상에서 서로 분리되게 배치되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1DPF의 매연 포집율과 상기 제2DPF의 매연 포집율을 동일하게 구성하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2DPF의 플러그 적용비율을 조절함으로써 상기 제1DPF의 매연 포집율과 상기 제2DPF의 매연 포집율을 동일하게 구성하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
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