KR20230078854A - 배기가스 냉각 장치 및 배기가스 냉각 방법 - Google Patents

배기가스 냉각 장치 및 배기가스 냉각 방법 Download PDF

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Abstract

고압의 에어가 저장되는 에어 탱크와, 상기 에어 탱크에 연결되는 에어 공급관에 설치되는 밸브와, 상기 에어 공급관에 연결되며 테일 파이프에 설치되어 에어를 상기 테일 파이프 내로 분사하는 분사 노즐 및 상기 테일 파이프에 설치되어 배기 가스 온도를 감지하는 온도 센서를 포함하며, 상기 분사 노즐은 상기 테일 파이프의 내주면의 접선방향으로 에어를 분사하는 배기 가스 냉각 장치가 개시된다.

Description

배기가스 냉각 장치 및 배기가스 냉각 방법{Apparatus for cooling exhaust gas and method for cooling exhaust gas}
본 발명은 배기가스 냉각 장치 및 배기가스 냉각 방법에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 배기가스는 엔진으로부터 연소된 혼합기가 배기관을 통하여 대기 중으로 방출되는 가스를 말하며, 이러한 배기가스에는 주로 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 미연소탄화수소(HC) 등의 유해물질이 포함되어 있다.
특히, 디젤엔진 차량은 연비 및 출력 면에서 우수함에도 불구하고 가솔린 엔진과는 달리 배기가스 내에 질소산화물과 입자상 물질이 상당히 많이 함유되어 있다.
이에 엔진의 배기시스템은 배기가스 중에 함유된 유해물질인 디젤 입자상 물질(PM) 및 질소산화물(NOx) 등을 저감하기 위하여, 배기가스를 정화시키는 DOC(Diesel Oxidation Catalyst), DPF(Diesel Particulate matterFilter), 및 SCR(Selective Catalyst Reduction) 등과 같은 배기가스 정화장치를 구비하고 있다.
이 중에서 DPF는 입자상 물질을 줄이기 위해 가장 일반적으로 사용하는 기술로서 배기가스 성분 중 입자상 물질을 포집하고 포집된 입자상 물질을 가열하여 제거하는 기능을 수행하며, 여기서 입자상 물질을 제거하는 과정을 재생(regeneration)이라고 한다.
상기 DPF는 수동 재생시에는 운전자에 의해 재생 기능을 수행하여 배기가스 내 입자상 물질(PM)인 슈트(soot)를 저감하게 되고, 자동 재생시에는 주행중 기설정된 온도 조건을 만족할 때 자동적으로 재생 기능을 수행하여 배기가스 내 슈트(soot)를 저감하게 된다.
그런데, 상기와 같은 DPF의 재생 기능이 수행되면 후처리장치의 내부 온도가 600℃ 수준까지 과열 상승하여 대형버스와 같은 상용차량의 시스템 구조상 주변 부품의 열해 문제가 발생하게 된다.
또한, 정차상태에서 DPF의 재생 기능이 수행되면 고온의 배기 가스의 배출로 인하여 인화성 물질에 착화가 일어나는 문제가 있다.
국내 등록특허공보 제1664687호
본 발명의 실시예는 테일 파이프를 통해 외부로 배출되는 고온의 배기 가스를 냉각하여 배기 가스에 의한 열해 발생을 저감시킬 수 있는 배기가스 냉각 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 냉각 장치는 고압의 에어가 저장되는 에어 탱크와, 상기 에어 탱크에 연결되는 에어 공급관에 설치되는 밸브와, 상기 에어 공급관에 연결되며 테일 파이프에 설치되어 에어를 상기 테일 파이프 내로 분사하는 분사 노즐 및 상기 테일 파이프에 설치되어 배기 가스 온도를 감지하는 온도 센서를 포함하며, 상기 분사 노즐은 상기 테일 파이프의 내주면의 접선방향으로 에어를 분사할 수 있다.
상기 분사 노즐은 상기 테일 파이프에 적어도 2개가 설치될 수 있다.
상기 온도 센서는 배기 가스의 유동 경로 상 상기 분사 노즐의 전단에 배치될 수 있다.
상기 분사 노즐로부터 분사되는 에어는 상기 테일 파이프의 내주면을 따라 흐른 후 와류를 형성하면서 상기 배기 가스와 혼합될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 냉각 장치는 상기 테일 파이프에 연결되며 배기 가스로부터 입자상 물질을 제거하는 DPF를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 냉각 장치는 상기 DPF와 상기 밸브 및 상기 온도센서에 연결되어 상기 DPF의 재생 구동 여부 또는 배기 가스 온도 및 정차 여부에 따라 상기 밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 냉각 방법은 DPF 구동 여부 또는 배기 가스의 온도가 기 설정된 온도 이상인지 판단하는 단계와, 차속이 0km/h 인지를 판단하는 단계 및 테일 파이프에 연결되는 에어 공급관에 설치되는 밸브를 개방하여 상기 테일 파이프에 설치된 분사 노즐을 통해 에어를 분사하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 냉각 방법은 상기 밸브를 개방하는 단계 후 상기 DPF 구동 정지 여부 또는 배기 가스의 온도가 기 설정된 온도 미만인지 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 분사 노즐은 상기 테일 파이프의 내주면 접선방향으로 에어를 분사하도록 배치될 수 있다.
상기 분사 노즐은 상기 테일 파이프의 내주면을 따라 에어가 유동하도록 에어를 상기 테일 파이프에 분사할 수 있다.
상기 배기 가스의 온도는 상기 테일 파이프에 설치되는 온도 센서에 의해 감지될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 테일 파이프를 통해 외부로 배출되는 고온의 배기 가스를 냉각하여 배기 가스에 의한 열해 발생을 저감시킬 수 있는 효과가 있다. 이에 따라, 정차 중 DPF의 재생 구동 시 발생되는 화재 위험을 저감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 냉각 장치를 구비하는 상용 차량을 나타내는 설명도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 냉각 장치를 나타내는 구성도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 냉각 장치의 작동을 설명하기 위한 설명도이다.
도 5는 배기 가스 냉각 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 냉각 장치를 구비하는 상용 차량을 나타내는 설명도이다.
도 1을 참조하면, 상용 차량(10)에는 배기 가스 후처리장치(20)가 탑재되며, 배기 가스 후처리장치(20)는 DOC(Diesel Oxidation Catalyst), DPF(Diesel Particulate matter Filter), 및 SCR(Selective Catalyst Reduction) 등을 포함하여 구성될 수 있으며, 이중에서 DPF는 엔진에서 발생하는 배기가스 성분 중 입자상 물질을 포집하고 포집된 입자상 물질을 가열하여 제거하는 기능을 하며, 여기서 입자상 물질을 제거하는 과정을 재생(regeneration)이라고 한다.
그리고, DPF의 재생 시 온도는 600℃ 까지 상승하기 때문에 머플러 룸내 온도가 과다하게 상승하게 된다. DPF의 재생 과정 중, 머플러 룸(DPF 및 SCR 등이 탑재된 룸) 내의 온도가 상승하면, 그 전도열에 의하여 주변 열해품(버스의 경우, 타이어 등) 온도가 상승하게 되고, 열해로 인하여 열해품이 녹거나 터질 수 있으며, 이는 곧 화재사고로 이어질 수 있다.
또한, 정차상태에서 DPF의 재생 기능이 수행되면 고온의 배기 가스의 배출로 인하여 인화성 물질에 착화가 일어나 화재사고로 이어질 수 있다.
이를 방지하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 냉각 장치(100)는 배기 가스 후처리장치(20)로부터 배출되는 배기 가스를 냉각시키는 기능을 수행한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 냉각 장치를 나타내는 구성도이다.
도 2를 참조하면, 배기 가스 냉각 장치(100)는 일예로서, 에어 탱크(110), 에어 공급관(120), 밸브(130), 분사 노즐(140), 온도 센서(150) 및 제어부(160)을 포함하여 구성될 수 있다.
에어 탱크(110)에는 고압의 에어가 저장된다. 일예로서, 에어 탱크(110)는 공압식 브레이크를 사용하는 상용 차량(10, 도 1 참조)에 설치되는 구성일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 고압의 에어를 저장하기 위한 별도의 구성일 수 있다. 한편 에어 탱크(110)는 도 1에 도시된 바와 같이, 배기 가스 후처리장치(20)에 인접하게 배치될 수 있다. 그리고, 에어 탱크(110)에 저장되는 에어의 압력은 대략 9 Bar의 압력을 가질 수 있다. 한편, 에어 탱크(110)에 저장되는 에어는 저온 상태의 에어일 수 있다. 이에 따라, 에어 탱크(110)에 저장된 에어를 통해 배기 가스 후처리장치(20. 도 1 참조)에 연결된 테일 파이프(102)로 배출되는 배기 가스의 온도를 낮출 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술하기로 한다.
에어 공급관(120)은 에어 탱크(110)에 저장된 에어를 분사 노즐(130)로 제공하는 역할을 수행한다. 이를 위해 에어 공급관(120)의 일단은 에어 탱크(110)에 연결되며 타단은 분사 노즐(130)에 연결된다. 한편, 본 실시예에서는 분사 노즐(130)이 복수개가 구비되므로 에어 공급관(120)의 타단은 복수개의 관으로 분기될 수 있다.
밸브(130)는 에어 공급관(120)에 설치되며, 에어 공급관(120)을 개폐하여 에어 탱크(110)로부터 분사 노즐(130)로의 에어 공급을 제어한다. 일예로서, 밸브(130)는 솔레노이드 밸브일 수 있다. 한편, 밸브(130)는 제어부(160)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 제어부(160)에 의해 밸브(130)가 에어 공급관(120)을 개폐하여 분사 노즐(130)로의 에어 공급 여부가 결정되는 것이다.
분사 노즐(140)은 배기 가스 후처리장치(20. 도 1 참조)로부터 연장 형성되는 테일 파이프(102)에 설치되어 에어 탱크(110)로부터 공급되는 에어를 테일 파이프(102) 내로 분사하는 역할을 수행한다. 일예로서, 분사 노즐(140)는 복수개가 테일 파이프(102)에 설치될 수 있다. 본 실시예에서는 2개의 분사 노즐(140)이 테일 파이프(102)의 상단부와 하단부에 각각 배치될 수 있다. 한편, 분사 노즐(140)은 도 3에 도시된 바와 같이 테일 파이프(102)의 내주면을 따라 에어가 유동하도록 에어를 분사한다. 이에 따라, 분사 노즐(140)로부터 분사된 에어는 도 4에 도시된 바와 같이, 테일 파이프(102) 내에서 와류를 형성한다. 이에 대하여 보다 자세하게 살펴보면, 분사 노즐(140)는 끝단이 테일 파이프(102)의 내주면의 접선 방향으로 배치된다. 이에 따라, 분사 노즐(140)로부터 분사되는 에어가 테일 파이프(102) 내주면을 따라 회전되는 방향으로 유동될 수 있다. 그리고, 분사 노즐(140)로부터 분사되는 에어는 초기에는 분사 압력에 의하여 테일 파이프(102)의 내주면을 따라 유동되나, 이후 분사 노즐(140)로부터 분사된 에어와 테일 파이프(102)의 내부를 따라 유동하는 배기 가스와 간섭을 일으킨다. 이에 따라, 분사 노즐(140)로부터 분사되는 에어가 순차적으로 테일 파이프(102)의 중앙부 측으로 회전되면서 유동하면서 와류를 형성한다. 이와 같이, 분사 노즐(140)로부터 분사되는 에어와 테일 파이프(102)로 배출되는 고온의 배기 가스가 혼합되면서 배기 가스의 온도를 하강시킨다.
이와 같이, 분사 노즐(140)이 테일 파이프(102)의 내주면의 접선 방향으로 에어를 분사함으로써 고온의 배기 가스와 보다 활발하게 뒤섞이면서 냉각 효율을 증대시킬 수 있다.
온도 센서(150)는 테일 파이프(102)에 설치되어 배기 가스의 온도를 감지한다. 일예로서, 온도 센서(150)는 배기 가스의 유동 경로 상 분사 노즐(140)의 전단에 배치되도록 테일 파이프(102)에 설치될 수 있다. 이와 같이, 온도 센서(150)는 배기 가스의 유동 경로 상 분사 노즐(140)의 전단에 배치됨으로써 배기 가스의 온도 측정의 정확도가 향상될 수 있다. 다시 말해, 공급되는 저온의 에어와 혼합된 배기 가스의 온도에 의한 영향을 저감시킬 수 있다. 한편, 온도 센서(150)는 제어부(160)에 연결되며, 감지된 배기 가스 온도에 대한 정보를 제어부(160)로 송출한다. 이에 따라, 제어부(160)는 온도 센서(150)의 신호에 따라 밸브(130)의 개폐 여부를 제어할 수 있다.
제어부(160)는 온도 센서(150) 및 밸브(130)에 연결될 수 있다. 일예로서, 제어부(160)는 엔진 제어부(ECU)일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 제어부(160)는 엔진 제어부(ECU)와는 별도의 제어기로 구성될 수 있다. 한편, 제어부(160)는 일예로서, 배기가스 후처리장치(20, 도 1 참조) 중 DPF의 재생 구동 여부, 온도 센서(150)에서 감지된 배기 가스 온도 및 차속 여부를 토대로 밸브(130)의 개폐 여부를 판단한다. 즉, 제어부(160)는 배기가스 후처리장치(20, 도 1 참조) 중 DPF의 재생 구동 시 또는 배기 가스 온도가 기설정된 온도, 예를 들어 300℃ 이상인 경우에 상용 차량이 정지상태라고 판단되는 경우 밸브(130)를 개방하여 에어 탱크(110)로부터 분사 노즐(140)로 저온 상태의 고압의 에어가 공급되도록 한다. 이에 따라, 배기 가스의 온도를 하강시켜 테일 파이프(102)로부터 배기되도록 한다. 이에 대한 자세한 설명은 후술하기로 한다.
상기한 바와 같이, 분사 노즐(140)를 통해 테일 파이프(102) 내에 저온 상태의 고압의 에어를 공급함으로써 테일 파이프(102)로부터 배출되는 배기 가스의 온도를 하강시킬 수 있다.
이에 따라, 배기 가스에 의한 열해 발생을 저감시킬 수 있다. 나아가, 정차 중 배출되는 배기 가스에 의한 화재 발생을 방지할 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 배기 가스 냉각 방법에 대하여 설명하기로 한다. 다만, 상기에서 설명한 구성요소는 상기에서 설명한 도면부호를 사용하여 설명하기로 한다.
도 5는 배기 가스 냉각 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 제어부(160)는 배기가스 후처리장치(20, 도 1 참조) 중 DPF의 재생 구동 여부, 온도 센서(150)에서 감지된 배기 가스 온도가 300℃ 이상인지를 판단한다. 이때, 배기가스 후처리장치(20, 도 1 참조) 중 DPF가 재생 구동되거나 온도 센서(150)에서 감지된 배기 가스 온도가 300℃ 이상인 경우 제어부(160)는 상용 차량(10)이 정지상태인지 여부를 판단한다.
이후, 상용 차량(10)이 정지상태라고 판단되면, 제어부(160)는 밸브(130)를 개방하여 에어 탱크(110)로부터 분사 노즐(140)로 에어가 공급되도록 한다. 이에 따라, 저온 상태인 고압의 에어가 분사 노즐(140)을 통해 테일 파이프(102)의 내주면을 따라 유동하도록 분사된다.
이에 따라, 상대적으로 저온의 에어와 배기 가스가 혼합되면서 테일 파이프(102)를 통해 배출되는 배기 가스의 온도가 낮아진다.
이후, 제어부(160)는 배기가스 후처리장치(20, 도 1 참조) 중 DPF의 재생 구동의 정지 여부와 온도 센서(150)에서 감지된 배기 가스 온도가 300℃ 미만인지를 판단한다.
이후, 배기가스 후처리장치(20, 도 1 참조) 중 DPF의 재생 구동의 정지되고 온도 센서(150)에서 감지된 배기 가스 온도가 300℃ 미만인 경우 제어부(160)는 밸브(130)를 폐쇄하여 에어 탱크(110)로부터 분사 노즐(140)로 에어 공급을 차단시킨다.
이와 같이, 정차 중 테일 파이프(102)로부터 배출되는 배기 가스의 온도를 하강시켜 테일 파이프(102)로부터 배출되도록 함으로써 배기 가스에 의한 타부품의 열해 및 화염 발생을 방지할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
100 : 배기 가스 냉각 장치
110 : 에어 탱크
120 : 에어 공급관
130 : 밸브
140 : 분사 노즐
150 : 온도 센서
160 : 제어부

Claims (11)

  1. 고압의 에어가 저장되는 에어 탱크;
    상기 에어 탱크에 연결되는 에어 공급관에 설치되는 밸브;
    상기 에어 공급관에 연결되며 테일 파이프에 설치되어 에어를 상기 테일 파이프 내로 분사하는 분사 노즐; 및
    상기 테일 파이프에 설치되어 배기 가스 온도를 감지하는 온도 센서;
    를 포함하며,
    상기 분사 노즐은 상기 테일 파이프의 내주면의 접선방향으로 에어를 분사하는 배기 가스 냉각 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분사 노즐은 상기 테일 파이프에 적어도 2개가 설치되는 배기 가스 냉각 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 온도 센서는 배기 가스의 유동 경로 상 상기 분사 노즐의 전단에 배치되는 배기 가스 냉각 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분사 노즐로부터 분사되는 에어는 상기 테일 파이프의 내주면을 따라 흐른 후 와류를 형성하면서 상기 배기 가스와 혼합되는 배기 가스 냉각 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 테일 파이프에 연결되며 배기 가스로부터 입자상 물질을 제거하는 DPF를 더 포함하는 배기 가스 냉각 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 DPF와 상기 밸브 및 상기 온도센서에 연결되어 상기 DPF의 재생 구동 여부 또는 배기 가스 온도 및 정차 여부에 따라 상기 밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 더 포함하는 배기 가스 냉각 장치.
  7. DPF 구동 여부 또는 배기 가스의 온도가 기 설정된 온도 이상인지 판단하는 단계;
    차속이 0km/h 인지를 판단하는 단계; 및
    테일 파이프에 연결되는 에어 공급관에 설치되는 밸브를 개방하여 상기 테일 파이프에 설치된 분사 노즐을 통해 에어를 분사하는 단계;
    를 포함하는 배기 가스 냉각 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 밸브를 개방하는 단계 후
    상기 DPF 구동 정지 여부 또는 배기 가스의 온도가 기 설정된 온도 미만인지 판단하는 단계를 더 포함하는 배기 가스 냉각 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 분사 노즐은 상기 테일 파이프의 내주면 접선방향으로 에어를 분사하도록 배치되는 배기 가스 냉각 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 분사 노즐은 상기 테일 파이프의 내주면을 따라 에어가 유동하도록 에어를 상기 테일 파이프에 분사하는 배기 가스 냉각 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 배기 가스의 온도는 상기 테일 파이프에 설치되는 온도 센서에 의해 감지되는 배기 가스 냉각 방법.
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