KR20180053011A - 플라즈마 매연저감장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 버너에 의해 가열되어 매연여과필터로 유입되는 배기가스를 강하게 와류시켜 착화성과 산화력을 높이고, 배기가스의 배압을 낮추어 출력의 손실을 최소화하고 연소효율을 향상시킬 수 있는 플라즈마 매연저감장치를 제공하기 위한 것이다.
이를 위해 본 발명에서는 디젤엔진의 배기가스를 배출하는 배기관상에 설치되어 배기가스에 포함된 입자상물질(PM)이나 미세먼지를 포집하는 매연여과필터(DPF)와, 상기 매연여과필터로 유입되는 배기가스를 플라즈마 화염으로 가열하여 상기 매연여과필터에 포집되는 입자상물질(PM)이나 미세먼지를 연소시키는 플라즈마 버너 및 상기 플라즈마 버너에 의해 가열된 배기가스를 와류시켜 상기 매연여과필터로 공급하는 와류생성기를 포함하는 플라즈마 매연저감장치를 개시한다.

Description

플라즈마 매연저감장치{Diesel Particulate Filter}

본 발명은 디젤엔진의 배기가스 중 입자상 물질(PM)을 물리적으로 포집하고 연소시켜 제거하고 질소산화물을 정화하는 플라즈마 연소 방식의 매연저감장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플라즈마 버너가 배기가스의 온도를 높여 매연여과필터(DPF: Diesel Particulate Filter)에 쌓인 입자상물질(PM) 속 그을음(soot)을 산화시켜 DPF를 효과적으로 재생시키는 배기가스 후처리장치에 관한 것이다.

최근 디젤엔진의 배기가스 중 입자상물질이나 미세먼지(PM: 편의상 명세서 전반에서 입자상물질과 미세먼지 중 적어도 어느 하나를 "PM"이라 통칭한다) 저감을 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

예컨대, 필터로 PM을 포집한 후 PM의 대부분을 차지하는 soot의 산화 온도인 550~600℃까지 가열하여 지속적으로 필터를 재생하는 방식이 있다.

즉, 배출가스에 섞여 있는 PM을 흐르는 유동 상에서 산화시키기에는 여러 가지 어려움이 있으므로 DPF(Diesel Particulate Filter)라는 매연여과필터를 이용하여 필터에 PM을 포집하고, 필터에 포집된 PM을 지속적으로 모니터링하여 일정량의 PM이 포집되었을 때 전기히터, 버너, 트로틀링 등을 이용하여 soot을 태워서 다시 PM을 포집할 수 있도록 하는 방식이며, 이를 필터 재생이라고 한다.

이러한 방식은 적절한 온도 조절을 위한 산소의 공급이나 온도 상승으로 인해 필터가 쉽게 파손되는 문제점이 있어 재생에 의해 필터가 과열되어 파손되지 않도록 제어하는 것이 중요하고, 또 재생과정은 촉매 light-off 온도, 공급되는 산소농도, 산소유량, PM의 포집량에 따라 적절하게 조절하여야 한다.

필터 재생 방법은 크게 전기히터, 버너, 스로틀링(throttling) 등을 사용하여 soot를 연소할 수 있는 온도인 600℃까지 가열하는 강제재생(active regeneration) 방법과 필터에 촉매를 코팅하거나 연료 첨가제를 사용하여 soot 연소 온도를 원래보다 250℃ 정도 낮추어 엔진 배출가스 열로 재생하는 자연재생(passive regeneration) 방법, 위의 두 방식을 동시에 적용하는 복합재생(combined regeneration) 방법으로 나누어진다.

배기가스 후처리 장치에서의 DPF 재생은 엔진의 회전수를 높여 연소 후 배출되는 배기가스의 온도를 높이거나 별도의 재생장치를 작동시켜 장치 내에 흡착/포집된 PM을 연소시킴으로써 제거하는 방식으로 이루어진다. 재생이 진행되는 시기는 흡착/축적량이 증가하거나 일정 주기가 경과한 경우 압류센서를 통한 축적량 검출, 연료량 계산에 따른 축적량 예측 또는 ECU에 기 입력된 설정주기에 따라 결정된다.

배기가스의 온도를 높여 연소시키는 방식으로 DPF를 재생시킴에 있어 제대로 작동하려면 배기가스의 최소온도가 약 300℃ 이상으로 유지되어야 하지만 차량이 내뿜는 배기가스의 온도는 이보다 매우 낮아 재생이 시작되는 초기에는 최소온도가 될 때까지 DPF의 전단 온도를 상승시키기 위한 승온(heat up) 과정이 필요하다.

일반적으로 최소온도까지 DPF의 온도를 끌어올리기 위해 각 실린더 별로 폭발행정 직후의 고온 연소열에 연료를 추가 분사하는 후분사 제어방법 및 스로틀 밸브를 이용하여 흡기 매니폴드에 공급되는 공기의 양을 줄임으로써 배기가스 온도를 높이는 방식이 적용되고 있다.

그런데 연료 후분사를 통해 배기가스의 온도를 높이더라도 배기가스 후처리 장치까지 도달하는 과정에서 배기가스의 온도가 급격히 떨어지는 겨울철에는 DPF 재생에 필요한 최소온도까지 온도를 끌어올리는데 오랜 시간이 요구되고, 또 경우에 따라서는 연료 후분사가 계속되어도 최소온도까지 도달하지 못하여 연료 소모량이 크게 늘어 연료효율이 떨어지는 문제점이 있다.

한편, DPF 강제 재생을 위해 사용되는 버너는 엔진의 부하변동에 의해 화염이 꺼져서는 안 되며, 가능한 완전 연소되어 미연탄화수소 등을 배출하지 않아야 한다.

특히 양호한 연소를 위해 충분한 양의 공기를 공급하는 것이 바람직하나 에어 컴프레서(air compressor)의 전기소모량 및 가격 등의 문제로 대용량의 에어 컴프레서를 사용하지 못하는 한계가 있다.

또한, 점화원으로 단일 점 스파크플러그나 글로우 플러그를 사용하는 경우에는 착화 신뢰성(ignition reliability)이 낮고, 배기유량이 많은 조건에서 실화 되는 단점이 있다.

이에 따라 근래에는 플라즈마 상태의 rotating arc를 이용하여 혼합기를 연소시키며, DPF에서 요구하는 온도로 승온 후 포집된 PM을 연소시킴으로써 착화 안정성 및 점화 신뢰성이 높고, 배기유량이 많은 조건에서도 실화 되지 않고 화염이 유지되는 장점이 있으며, 아울러 연료효율을 높이고 최종 배출가스 속의 입자상 물질(PM)을 감소시키는 DPF 강제 재생 기술이 개발된 바 있다.

하지만, 이는 DPF에 PM이 포집될 때 엔진에 배압(역압)이 걸리며, 이로 인해 출력의 손실이 발생하고 연소효율이 떨어지므로 이를 보완하여 다양한 조건에서도 충분한 DPF 재생 성능을 발휘할 수 있는 기술이 요구되고 있다.

여기서 상술한 기술들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 기술을 의미하는 것은 아님을 밝힌다.

KR10-1582625 B1(2015.12.29) KR10-0679869 B1(2007.02.01) KR10-1583540 B1(2016.01.04) KR10-1599838 B1(2016.02.06)

이에 본 발명자는 상술한 제반 사항을 종합적으로 고려하여 기존의 플라즈마 매연저감장치가 지닌 한계 및 문제점의 해결에 역점을 두어 플라즈마 버너에 의해 가열되어 매연여과필터로 유입되는 배기가스를 강하게 와류시켜 착화성과 산화력을 높이고, 배기가스의 배압을 낮추어 출력의 손실을 최소화하고 연소효율을 향상시키는 효과를 도모할 수 있는 새로운 구조의 매연저감장치를 개발하고자 각고의 노력을 기울여 부단히 연구하던 중 그 결과로써 본 발명을 창안하게 되었다.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 배압을 낮추어 배기가스를 배출할 수 있도록 하는 을 제공하는 데 있는 것이다.

여기서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 이상에서 언급한 기술적 과제 및 목적으로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제 및 목적들은 아래의 기재로부터 당업자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

상술한 바와 같은 목적을 달성 및 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 태양에 따른 구체적 수단은, 디젤엔진의 배기가스를 배출하는 배기관상에 연결 설치되고, 한쪽에 배기가스가 유입되는 유입구가 형성되고, 다른 한쪽에 여과처리된 배기가스가 배출되는 배출구가 형성된 케이싱과, 상기 케이싱에 내장되어 배기가스에 포함된 입자상물질(PM)이나 미세먼지를 포집하는 매연여과필터(DPF)와, 상기 케이싱의 유입구 쪽에 설치되어 상기 매연여과필터로 유입되는 배기가스를 플라즈마 화염으로 가열하여 상기 매연여과필터에 포집되는 입자상물질(PM)이나 미세먼지를 연소시키는 플라즈마 버너 및 상기 케이싱에 내장되어 상기 플라즈마 버너에 의해 가열된 배기가스를 와류시켜 상기 매연여과필터로 공급하는 와류생성기를 포함하여 채용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 매연저감장치를 제시한다.

이로써 본 발명은 배기가스를 강하게 와류시켜 착화성과 산화력을 높이고, 배기가스의 배압을 낮추어 출력의 손실을 최소화하고, 배기가스의 온도를 높여 매연여과필터(DPF: Diesel Particulate Filter)에 쌓인 입자상물질(PM) 속 그을음(soot)을 더욱 효과적으로 산화시킬 수 있다.

그리고 본 발명의 바람직한 실시 태양으로, 상기 케이싱 내의 상기 매연여과필터와 상기 와류생성기 사이에 디젤산화촉매기(DOC: Diesel Oxidation Catalyst)가 추가로 설치됨으로써 불완전 연소된 미연탄화수소를 산화시킬 수 있다.

상기와 같은 목적의 달성과 기술적 과제를 해결하기 위한 수단 및 구성을 갖춘 본 발명의 실시 태양은, 플라즈마 버너에 의해 가열된 배기가스를 강하게 와류시켜 매연여과필터로 공급함으로써 착화성과 산화력을 높이고, 배압을 낮추어 출력의 손실을 최소화할 뿐만 아니라 배기가스의 온도를 높여 매연여과필터에 쌓인 입자상물질 속 그을음(soot)이나 미세먼지를 더욱 효과적으로 산화시켜 재생 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

여기서 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 플라즈마 매연저감장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시 예에 따른 플라즈마 매연저감장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.

이하, 본 발명에 따른 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.

이에 앞서, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 개념과 당해 기술분야에서 통용 또는 통상적으로 인식되는 의미로 해석하여야 함을 명시한다.

또한, 본 발명과 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

여기서 첨부된 도면들은 기술의 구성 및 작용에 대한 설명과 이해의 편의 및 명확성을 위해 일부분을 과장하거나 간략화하여 도시한 것으로, 각 구성요소가 실제의 크기와 정확하게 일치하는 것은 아님을 밝힌다.

아울러 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1실시 예에 따른 플라즈마 매연저감장치는 크게 케이싱(10), 매연여과필터(20), 플라즈마 버너(30) 및 와류생성기(40)를 포함하여 구성된다.

케이싱(10)은 매연여과필터(20), 플라즈마 버너(30) 및 와류생성기(40)를 내장하도록 마치 하우징 형태로 이루어져 있고, 그 길이 방향의 한쪽에는 배기가스가 유입되는 유입구(11)가 형성되어 있고, 다른 한쪽에는 여과처리된 배기가스가 배출되는 배출구(12)가 형성되어 있다.

즉, 케이싱의 유입구(11)와 배출구(12)는 디젤엔진의 배기가스를 배출하는 배기관상에 연결 설치되어 있다.

여기서 케이싱(10)의 한쪽은 매연여과필터(20), 플라즈마 버너(30) 및 와류생성기(40)를 용이하게 탈부착할 수 있도록 개폐 가능한 형태로 형성하는 것이 바람직하다.

매연여과필터(20)는 배기가스에 포함된 입자상물질(PM)이나 미세먼지를 포집하기 위해 케이싱(10)에 내장되어 있다.

즉, 매연여과필터(20)는 배기가스를 통과시키면서 배기가스에 포함된 입자상물이나 미세먼지(PM)를 포집하며, 배기가스의 온도에 의하여 PM을 연소하여 제거하도록 구성되어 있다.

플라즈마 버너(30)는 매연여과필터(20)로 유입되는 배기가스를 플라즈마 화염으로 가열하여 매연여과필터(20)에 포집되는 입자상물질(PM)이나 미세먼지를 연소시키기 위해 케이싱(10) 내 매연여과필터(10)의 유입단 앞쪽에 구비되어 있다.

즉, 플라즈마 버너(30)는 플라즈마 화염을 이용하여 매연여과필터(20)에 포집되는 입자상물질이나 미세먼지를 연소시켜 매연여과필터(20)를 재생시키므로 외부로 배출되는 배기가스의 최종 입자상물질이나 미세먼지(PM)를 감소시키고, 아울러 매연여과필터(20)로 공급되는 배기가스의 온도를 상승시켜서 연료소모량을 줄 수 있다.

여기서 플라즈마 버너(30)는 연료를 공급하는 연료펌프와 압축공기를 공급하는 에어 컴프레서, 플라즈마 파워(생성기), 제어기와 각종 센서들로 구성된 통상의 구조를 채용할 수 있다.

와류생성기(40)는 플라즈마 버너(30)에 의해 가열된 배기가스를 와류시켜 매연여과필터(20)로 공급하기 위해 케이싱(10) 내 매연여과필터(20)와 플라즈마 버너(30) 사이에 구비되어 있다.

여기서 와류생성기(40)는 배기가스가 안쪽 둘레를 타고 선회 운동하면서 와류를 일으키도록 하기 위해 유선형으로 비틀린 날개를 다수 갖는 내열성 와류용 팬을 채택하여 적용할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 제1실시 예에 따른 플라즈마 매연저감장치는 플라즈마 버너(30)에 의해 가열된 배기가스를 와류생성기(40)를 통해 강하게 와류시켜 매연여과필터(20)로 공급함으로써 착화성과 산화력을 높이고, 배압을 낮추어 출력의 손실을 최소화할 뿐만 아니라 배기가스의 온도를 높여 매연여과필터(20)에 쌓인 입자상물질(PM) 속 그을음(soot)을 더욱 효과적으로 산화시켜 재생 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 제2실시 예에 따른 플라즈마 매연저감장치는 크게 본체(10), 매연여과필터(20), 플라즈마 버너(30), 와류생성기(40) 및 디젤산화촉매기(50)를 포함하여 구성된다.

즉, 본 발명의 바람직한 실시 형태인 제2실시 예는 상술한 제1실시 예의 구성요소에다가 디젤산화촉매기(50)를 더 포함하여 구성되어 있다.

여기서 본 발명의 제2실시 예에 따른 플라즈마 매연저감장치와 관련한 구성요소 중 상술한 제1실시 예와 동일 또는 유사한 작용효과를 갖는 구성요소는 그와 동일한 참조부호를 사용하며, 그에 대한 반복적이고 구체적인 설명은 생략한다.

디젤산화촉매기(50)는 불완전 연소된 미연탄화수소를 산화시키는 기능 및 역할을 하도록 매연여과필터(10)와 와류생성기(30) 사이에 추가로 설치되어 있다.

여기서 디젤산화촉매기(50)는 경제적 측면과 내구성 측면에서 백금에 팔라듐을 첨가한 촉매를 사용하는 것이 바람직하다. 또 디젤산화촉매기(50)는 길이가 길수록 성능 면에서 유리하지만 비용과 설치 공간의 문제를 고려하여 적용하는 것이 바람직하다.

이처럼 본 발명의 제2실시 예에 따른 플라즈마 매연저감장치는 디젤산화촉매기(50)가 추가로 설치됨으로써 불완전 연소된 미연탄화수소를 산화시킬 수 있어 매연여과필터의 재생 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

한편, 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 안에서 예시되지 않은 여러 가지 변형과 응용이 가능함은 물론 구성요소의 치환 및 균등한 타 실시 예로 변경하여 폭넓게 적용할 수도 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백하다.

그러므로 본 발명의 특징에 대한 변형과 응용에 관계된 내용은 본 발명의 기술사상 및 범위 내에 포함되는 것으로 해석하여야 할 것이다.

10: 본체 11: 유입구
12: 배출구 20: 매연여과필터
30: 플라즈마 버너 40: 와류생성기
50: 디젤산화촉매기

Claims (2)

1. 디젤엔진의 배기가스를 배출하는 배기관상에 연결 설치되고, 한쪽에 배기가스가 유입되는 유입구가 형성되고, 다른 한쪽에 여과처리된 배기가스가 배출되는 배출구가 형성된 케이싱;
   상기 케이싱에 내장되어 배기가스에 포함된 입자상물질(PM)이나 미세먼지를 포집하는 매연여과필터(DPF);
   상기 케이싱의 유입구 쪽에 설치되어 상기 매연여과필터로 유입되는 배기가스를 플라즈마 화염으로 가열하여 상기 매연여과필터에 포집되는 입자상물질(PM)이나 미세먼지를 연소시키는 플라즈마 버너; 및
   상기 케이싱에 내장되어 상기 플라즈마 버너에 의해 가열된 배기가스를 와류시켜 상기 매연여과필터로 공급하는 와류생성기;
   를 포함하는 플라즈마 매연저감장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 케이싱 내의 상기 매연여과필터와 상기 와류생성기 사이에 디젤산화촉매기(DOC)가 추가로 설치된 플라즈마 매연저감장치.
   

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