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KR101401529B1 - 배기가스 저감장치 및 그 제어방법 - Google Patents

배기가스 저감장치 및 그 제어방법 Download PDF

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KR101401529B1
KR101401529B1 KR1020080037876A KR20080037876A KR101401529B1 KR 101401529 B1 KR101401529 B1 KR 101401529B1 KR 1020080037876 A KR1020080037876 A KR 1020080037876A KR 20080037876 A KR20080037876 A KR 20080037876A KR 101401529 B1 KR101401529 B1 KR 101401529B1
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abatement apparatus
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김영솔
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Abstract

본 발명은 배기가스 저감장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 버너와 메탈필터를 함께 이용함으로써 고온에서 짧은 시간 내에 필터 재생이 가능하며, 차량 공회전 중에 버너가 작동되도록 하고, 분산수단을 이용하여 안정적으로 화염을 형성함으로써 효율적인 재생이 가능하며, 내구성을 높인 배기가스 저감장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
본 발명의 배기가스 저감장치는 디젤엔진으로부터 발생되는 배기가스를 저감시키는 배기가스 저감장치에 있어서, 상기 배기가스 저감장치는 일측에 배기관과 연결되어 내부로 배기가스가 유입되도록 배기가스유입부 및 타측에 정화된 배기가스가 배출되도록 하는 배기가스배출부가 형성되는 본체; 상기 본체의 배기가스유입부에 인접하게 형성되고 단부에 노즐부가 형성되어 미립화된 연료를 분사하는 연료분사수단, 상기 분사된 연료를 점화하는 점화수단, 상기 연료분사수단을 통해 분사된 연료와 배기가스유입부를 통해 유입된 배기가스를 메탈필터로 안내하는 분산수단을 포함하는 버너; 상기 버너 후단에 형성되어 배기가스 내의 유기물 또는 입자상 물질(PM, Particulate Matters)을 연소시키는 메탈필터; 및 상기 버너의 작동을 제어하고 장치 상태를 판단하는 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 배기가스 저감장치 및 그 제어방법은 버너와 메탈필터를 함께 사용하고, 분산수단을 통해 연료와 배기가스를 효과적으로 혼합하여 화염을 안정적으로 형성함으로써 고온에서 매연을 연소하여 짧은 시간 내에 필터 재생 이 가능하며 상기 메탈필터의 열전도가 좋은 페칼로이 재질의 메탈필터를 이용함으로써 종래 세라믹 재질의 메탈필터에서 자주 발생하던 크랙 또는 멜팅에 의한 필터의 손상을 방지함으로써 내구성 및 신뢰성을 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 배기가스 저감장치 및 그 제어방법은 버너가 차량 공회전 상태에서 작동되도록 함으로써 재생이 필요한 때에 안정적으로 강제 재생함으로써 배기가스 저감 효율을 높일 수 있으며, 외부 위험 요소를 차단하여 안전도를 높일 수 있고, 엔진의 종류, 배기량, 주행 패턴 등의 조건에 관계없이 모든 차량에 적용될 수 있는 장점이 있다.
배기가스, 입자상 물질, 페칼로이, 메탈필터

Description

배기가스 저감장치 및 그 제어방법{AFTERTREATING DEVICE OF EXHAUST GAS AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 배기가스 저감장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 버너와 메탈필터를 이용함으로써 고온에서 짧은 시간 내에 필터 재생이 가능하며, 차량 공회전 중에 버너가 작동되도록 하고, 분산수단을 이용하여 안정적으로 화염을 형성함으로써 효율적인 재생이 가능하며, 내구성을 높인 배기가스 저감장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
디젤자동차는 종래의 가솔린자동차에 비하여 연비를 줄일 수 있으면서도 출력이 우수하여 대형차량에 많이 이용되고 있으며 점차 소형차량에도 적용되고 있는 실정이다.
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(매연)가 발생된다.
특히, 상기 유해 미립자는 주로 질소산화물(NOx)과 입자상 물질(PM, Particulate Matter), 및 수트(Soot, 재)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 매연 저감장치가 개시된 바 있다.
상기 매연 저감장치는 크게 매연을 촉매필터에 의해 포집하고 일정 온도 이상이 되면 포집된 매연을 촉매에 의해 산화시키는 자연 재생 방식과, 외부 열원을 이용하여 매연 온도를 강제적으로 높이는 강제 재생 방식으로 구분될 수 있다.
먼저, 상기 자연 재생 방식의 매연 저감장치는 교통체증이 심한 구간과 같이 저속운행구간이 많은 경우에는 매연의 온도가 낮아져 촉매에 의해 자연 재생이 어려운 문제점이 있다.
특히, 청소차 또는 교통 체증이 심한 도심의 저속 버스와 같이 잦은 공회전(Idle) 상태를 유지하는 차량에는 적용되기 어려우며, 연료로서 저유황 디젤(LSD, Low Sulfur Diesel) 또는 고유황 디젤(HSD, High Sulfur Diesel)을 사용하는 경우에는 인체에 매우 유해한 황화물(Sulfate)이 생성되어 초저유황 디젤(ULSD, Ultra Low Sulfur Diesel)만 사용해야하는 한계가 있다.
또한, 상기 촉매가 제 기능을 하지 못하게 되면 배기배압의 증가로 인해 출력이 저하되며 연료의 소비량이 증가되고, 이와 같은 현상이 지속되는 경우에는 상기 필터가 파손될 뿐만 아니라 엔진까지 손상되게 된다.
두 번째로, 강제 재생 방식의 매연 저감장치는 상기 촉매필터에 의한 자연 재생방식에 전기히터, 플라즈마, 버너 등을 사용한다.
상기 전기히터가 이용된 예로 우리나라 특허공개공보 2004-68792호에 디젤엔진 매연 저감장치가 개시된 바 있으며, 이를 도 1에 도시하였다.
상기 도 1에 도시한 디젤엔진 매연 저감장치는 매연을 저감하기 위해 촉매를 활용하여 매연을 재생하는 디젤엔진 매연저감장치에 있어서, 열용량을 공간적으로 차등하게 분배할 수 있는 전기히터(4)가 저온영역에서 촉매의 활성화 또는 NO/NO2의 전환효율 증대를 위해 촉매장치(8)와 적어도 하나 이상이 결합하는 것을 특징으로 한다.
상기 도 1에 도시된 디젤엔진 매연 저감장치는 전기히터가 구비되어 촉매의 반응을 활성화시키도록 하여 자연 재생이 원활히 일어나도록 하는 장점이 있으나, 매연을 승온시키기 위해서는 상당히 큰 용량의 배터리가 필요하게 되어 현실적으로 적용이 어렵고 별도의 장치가 구비되어야 하므로 대형화되고 복잡하여 경제성이 떨어지는 문제점이 있다.
상기 강제 재생 방식의 다른 예로서, 플라즈마를 이용한 플라즈마 반응기가 제안된 바 있으나, 상기 플라즈마 반응기의 가격이 높아 전체 생산비용을 증가시키는 요인이 되며, 상기 플라즈마를 발생하기 위해서는 100,000 Volt의 매우 높은 전압을 필요로 하여 12 , 또는 24 Volt로 작동되는 차량 내부에는 상기 플라즈마 발생 전압을 유도하기 위한 대용량의 복잡한 승압장치(Converter)가 필요하고, 점화부의 오염을 방지하기 위해 정기적인 청소가 필요하여 유지 보수가 어려우며, 상용 화가 어려운 문제점이 있다.
또한 상기 강제 재생 방식의 다른 예로서, 디젤 연료를 원료로 하여 화염을 발생하는 버너는 연료의 완전 연소를 통해 배기가스 저감효율을 높일 수 있는 방법이나, 차량의 주행 중에 직접적인 화염을 이용하게 되어 인화성 물질이 주변에 위치되는 경우에 폭발 등의 위험이 있으며, 운행 패턴에 따라 배기 유량 및 온도가 복잡하게 변화되어 균일하고 안정적인 화염을 형성하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 버너와 메탈필터를 이용함으로써 고온에서 짧은 시간 내에 필터 재생이 가능하며, 차량의 공회전 상태에서 버너가 작동되도록 하여 위험 요소 없이 안정적으로 강제 재생함으로써 배기가스 저감 효율 및 안전도를 높일 수 있으며 엔진의 종류, 배기량, 주행 패턴 등의 조건에 관계없이 모든 차량에 적용될 수 있는 배기가스 저감장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 분산수단을 통해 연료와 배기가스를 효과적으로 혼합하고 화염을 안정적으로 형성함으로써 재생 효율을 높이고, 열전도가 좋은 페칼로이 재질의 메탈필터를 이용함으로써 크랙 또는 멜팅에 의한 필터의 손상을 방지함으로써 내구성 및 신뢰성을 높일 수 있는 배기가스 저감장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 배기가스 저감장치는 디젤엔진으로부터 발생되는 배기가스를 저감시키는 배기가스 저감장치에 있어서, 상기 배기가스 저감장치는 일측에 배기관과 연결되어 내부로 배기가스가 유입되도록 배기가스유입부 및 타측에 정화된 배기가스가 배출되도록 하는 배기가스배출부가 형성되는 본체; 상기 본체의 배기가스유입부에 인접하게 형성되고 단부에 노즐부가 형성되어 미립화된 연료를 분사하는 연료 분사수단, 상기 분사된 연료를 점화하는 점화수단, 상기 연료분사수단을 통해 분사된 연료와 배기가스유입부를 통해 유입된 배기가스를 메탈필터로 안내하는 분산수단을 포함하는 버너; 상기 버너 후단에 형성되어 배기가스 내의 유기물 또는 입자상 물질(PM, Particulate Matters)을 연소시키는 메탈필터; 및 상기 버너의 작동을 제어하고 장치 상태를 판단하는 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메탈필터는 페칼로이(Fecalloy) 재질인 것을 특징으로 하고, 상기 메탈필터는 표면 열처리되는 것을 특징으로 하며, 상기 표면 열처리는 900 내지 1000℃의 공기(Air) 분위기에서 수행되어 표면에 알루미나 산화막이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 분산수단은 상기 연료분사수단으로부터 상기 메탈필터 방향으로 직경이 넓어지는 형태로 형성되고 복수개의 중공부가 형성되어 상기 배기가스유입부를 통해 유입된 배기가스가 상기 중공부를 통해 분산수단 내부로 이동됨으로써 내부의 분사된 연료와 효과적으로 혼합되고 안정적으로 화염이 형성되도록 하는 것을 특징으로 하고, 상기 중공부는 상기 분산수단의 접선방향에서 일정각도 경사지게 형성되어 상기 중공부를 통해 분산수단 내부로 이동된 배기가스가 일정 흐름을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 배기가스 저감장치는 상기 연료분사수단의 노즐부로 공기를 분사하는 공기분사수단이 더 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어수단은 상기 배기가스 저감장치 또는 메탈필터 전단에 위치한 압력센서, 메탈필터 전ㆍ후단의 온도를 측정하는 온도센서, 엔진 알피엠(RPM), 또는 GPS(Global Positioning System) 정보를 통해 장치 상태를 판단하는 것을 특징으로 하고, 상기 배기가스 저감수단은 상기 제어수단을 통해 수집된 장치 상태 및 위험 상황을 알리는 알림수단이 더 형성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 배기가스 저감장치 제어방법은 상술한 바와 같은 특징의 배기가스 저감장치를 이용하며, 상기 배기가스 저감장치 제어방법은 엔진이 작동된 후, 상기 버너 작동이 필요한지 판단하는 강제 재생 여부 판단 단계; 상기 강제 재생 여부 판단 단계에서 버너 작동이 필요하다고 판단되면, 상기 알림수단을 통해 차량 운전자에게 경고 신호를 전달하는 경고 신호 전달 단계; 상기 경고 신호 전달 단계 이후에, 차량이 공회전(Idle) 상태인지 판단하는 공회전 상태 판단 단계; 상기 공회전 상태 판단 단계에서 공회전 상태로 판단되고, 사용자의 재생 작동 지시가 입력되면 상기 버너를 작동시켜 강제 재생하는 강제 재생 단계; 및 상기 강제 재생 단계 수행 후, 버너를 정지하여 강제 재생을 종료하는 강제 재생 종료 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 강제 재생 여부 판단 단계에서, 압력센서의 측정 압력이 제1압력 이상 또는 압력센서의 일정 시간 동안 측정 평균 압력이 제2압력 이상인 경우 버너가 작동되어야 함을 판단하는 것을 특징으로 하고, 상기 제1압력은 150 내지 250 mbar이고, 상기 제2압력은 75 내지 150 mbar인 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 배기가스 저감장치의 제어방법은 엔진이 작동 이후에 장치의 상태를 점검하는 장치 상태 점검 단계; 가 더 포함되는 것을 특징으로 하고, 상기 강제 재생 종료 단계 이후에, 엔진이 작동되면 다시 상기 강제 재생 여부 판단 단계가 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기 강제 재생 단계에서, 상기 버너는 상기 메탈필터 전단의 온도가 600 내지 900 ℃ 가 되도록 연료분사량 제어되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 배기가스 저감장치 및 그 제어방법은 버너와 메탈필터를 함께 사용하고, 분산수단을 통해 연료와 배기가스를 효과적으로 혼합하여 화염을 안정적으로 형성함으로써 고온에서 매연을 연소하여 짧은 시간 내에 필터 재생이 가능하며 상기 메탈필터의 열전도가 좋은 페칼로이 재질의 메탈필터를 이용함으로써 종래 세라믹 재질의 메탈필터에서 자주 발생하던 크랙 또는 멜팅에 의한 필터의 손상을 방지함으로써 내구성 및 신뢰성을 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 배기가스 저감장치 및 그 제어방법은 버너가 차량 공회전 상태에서 작동되도록 함으로써 재생이 필요한 때에 안정적으로 강제 재생함으로써 배기가스 저감 효율을 높일 수 있으며, 외부 위험 요소를 차단하여 안전도를 높일 수 있고, 엔진의 종류, 배기량, 주행 패턴 등의 조건에 관계없이 모든 차량에 적용될 수 있는 장점이 있다.
이하, 상술한 바와 같은 특징을 가지는 본 발명의 배기가스 저감장치(100) 및 그 제어방법을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 배기가스 저감장치(100)를 나타낸 개략도이고, 도 3은 상기 도 2에 도시한 배기가스 저감장치(100)의 버너(120)를 나타낸 도면이며, 도 4는 상기 도 3의 AA' 단면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 배기가스 저감장치(100)의 다른 버너(120)를 나타낸 도면이며, 도 6은 본 발명에 따른 배기가스 저감장치(100)의 연료 및 배기가스 흐름 개략도이다.
본 발명의 배기가스 저감장치(100)는 디젤엔진(200)으로부터 발생되는 배기가스를 저감하는 장치로서, 크게 배기가스가 유입되는 배기가스유입부(111)와 배기가스가 배출되는 배기가스배출부(112)가 형성된 본체(110); 강제 재생하는 버너(120); 배기가스 내의 유기물 또는 입자상 물질을 연소시키는 메탈필터(130); 및 제어수단(140)을 포함하여 형성된다.
먼저 상기 본체(110)는 본 발명의 배기가스 저감장치(100)를 형성하는 기본 몸체로서, 일측에 디젤엔진(200)으로부터 발생되는 배기가스가 유동되는 배기관(210)과 연결되는 배기가스유입부(111)와, 타측에 정화된 배기가스가 배출되는 배기가스배출부(112)가 형성되며, 내부에 상기 버너(120) 및 메탈필터(130)가 배기가스의 유동방향으로 순차적으로 형성된다.
상기 도 2 및 도 3은 상기 배기가스유입부(111)와 배기가스배출부(112)가 상기 본체(110)의 전ㆍ후단에 각각 형성되어 상기 배기가스유입부(111), 버너(120), 메탈필터(130), 및 배기가스배출부(112)가 상기 배기가스의 진행방향에 순차적으로 형성된 예를 도시하였고, 상기 도 5는 상기 배기가스유입부(111)가 일측 상부에 형성되어 배기가스가 단차진 흐름을 갖는 예를 도시하였다.
상기 도 2, 도 3, 및 도 5는 본 발명의 배기가스 저감장치(100)를 나타낸 일실시예로서, 상기 본체(110)는 이 외에도 다양하게 형성가능하다.
상기 버너(120)는 강제 재생을 위한 구성품으로, 단부에 노즐부(122)가 형성되어 미립화된 연료를 분사하는 연료분사수단(121), 점화수단(123), 및 분산된 연료를 안내하는 분산수단(124)을 포함하여 형성된다.
상기 연료분사수단(121)은 상기 배기가스유입부(111)에 인접하여 형성되고 노즐부(122)가 형성되어 미립화된 연료를 분사하는 장치로서, 상기 제어수단(140)에 의해 연료분사량 제어되며, 상기 연료분사량은 상기 버너(120)에 의해 형성되는 화염에 영향을 주어 필터 전단 및 후단의 온도에 직접적인 영향을 주게 된다.
상기 노즐부(122)에 의한 연료 분사에서 연료 분사각도는 45 ~ 60 ° 정도로 조절되어 상기 본체(110) 내부에 전체적으로 화염이 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 제어수단(140)은 배기가스 저감장치(100) 또는 메탈필터(130) 전단에 위치한 압력센서(141)(도 2에서는 압력센서(141)가 배기가스 저감장치(100) 전단에 위치한 예를 도시하였다.), 메탈필터(130) 전ㆍ후단의 온도를 측정하는 온도센서(142, 143), 엔진(200) 알피엠(RPM), 또는 GPS(Global Positioning System) 정보를 통해(도 2에서 점선으로 표시) 장치 상태를 판단하고, 이에 따라 프로그래밍된 연료분사량이 분사되도록 상기 연료분사수단(121)에 제어 신호를 전달(도 2에서 실 선으로 표시)한다.
상기 도 2에서, 상기 제어수단(140)이 입력받는 정보원으로서 엔진 알피엠, 배기가스 저감장치(100) 전단에 위치한 압력센서(141), 및 메탈필터(130) 전ㆍ후단의 온도를 측정하는 온도센서(142, 143)가 이용된 예를 도시하였으나, 이는 일 예로서, 본 발명의 제어수단(140)은 상기 도 2에 도시한 요소 중 일부만을 이용할 수 있으며, 상기 GPS(Global Positioning System) 정보가 더 이용될 수도 있다.
상기 제어수단(140)에 의한 작동 제어는 아래에서 다시 상세히 설명한다.
이 때, 상기 제어수단(140)에 의한 연료분사량 제어는 도면에 도시하지는 않았으나, 연료저장부와 연결된 배관의 연료펌프 조작을 제어하여 상기 연료펌프에 걸리는 압력을 미세하게 제어할 수 있으며, 상기 연료분사량 제어는 설정된 온도 상승 패턴 또는 목표값과 비교하여 상기 온도센서(142, 143)들로부터 추가적인 정보가 피드백되어 제어될 수 있다.
또한, 본 발명의 배기가스 저감장치(100)는 상기 연료분사수단(121)의 노즐부(122)가 배기가스 내부의 입자들에 의해 막히는 현상을 방지하기 위해 상기 노즐부(122)로 공기를 분사하는 공기분사수단(126)이 더 형성될 수 있다.
도면에서 상기 공기분사수단(126)이 상기 연료분사수단(121) 주변에 형성되어 2중관 형태로 형성된 예를 도시하였으나, 상기 노즐부(122)의 막힘 현상을 방지할 수 있도록 공기를 분사할 수 있는 구성이라면 다양하게 형성될 수 있다.
상기 공기분사수단(126)은 일정시간마다 특정 압력의 공기압을 분사하며, 상기 특정 압력은 1 bar 내외인 것이 바람직하다.
본 발명의 배기가스 저감장치(100)는 상기 공기분사수단(126) 대신에, 동일한 기능을 담당하는 노즐부(122)를 개폐하는 개폐수단(미도시)이 형성될 수 있으며, 더욱 상세하게 상기 개폐수단은 상기 배기가스의 입자에 의해 노즐부(122)가 막히는 현상을 방지하기 위하여 상기 연료분사수단(121)의 연료 분사 시에 상기 노즐부(122)가 개방되도록 하고, 연료 분사 중지 시 폐쇄된다.
상기 점화수단(123)은 상기 분사된 연료를 점화하는 수단으로, 표면온도가 1200 ~ 1500 ℃ 범위로 발열되며, 상기 발열되는 부분이 상기 연료분사수단(121)에 의해 분사된 연료 범위에 닿도록 형성되고, 상기 메탈필터(130) 방향으로 화염이 형성되도록 위치되며, 상기 제어수단(140)에 의해 제어된다.
이 때, 배기가스 온도를 효과적으로 상승시키고 연소하기 위해서는 상기 화염을 안정적으로 유지되도록 하는 것이 중요한데, 상기 배기가스유입부(111)를 통해 많은 양의 배기가스가 유입되는 경우에 상기 화염이 약해질 수 있으므로, 본 발명의 배기가스 저감장치(100)는 상기 버너(120) 내부에 분산수단(124)이 형성된다.
상기 분산수단(124)은 상기 화염을 보호하고, 상기 연료분사수단(121)을 통해 분사된 연료와 배기가스유입부(111)를 통해 유입된 배기가스를 상기 메탈필터(130)로 안내하기 위한 구성으로, 더욱 상세하게 상기 연료분사수단(121)으로부터 상기 메탈필터(130) 방향으로 직경이 넓어지는 콘(Cone) 또는 이와 유사한 구조로 되어 있으며 복수개의 중공부(125)가 형성된다.
상기 중공부(125)는 상기 배기가스유입부(111)를 통해 유입된 배기가스가 상기 화염이 형성되는 분산수단(124) 내부로 이동되도록 형성되며, 상기 분산수 단(124)의 길이방향 및 가로방향으로 복수개 형성된다.
또한, 상기 중공부(125)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 분산수단(124)의 접선방향에서 일정각도 경사지게 형성되어 상기 중공부(125)를 통해 분산수단(124) 내부로 이동된 배기가스가 일정 흐름을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 중공부(125)가 경사지게 형성되는 경우에 배기가스의 흐름이 스월(Swirl) 형태로 형성(도 6 참조)되어 본 발명의 배기가스 저감장치(100)는 상기 연료와 배기가스가 원활히 혼합되고, 상기 메탈필터(130) 전체 영역에 고르게 분포되어 배기가스 저감 효율을 높일 수 있게 되는 장점이 있다.
즉, 본 발명의 배기가스 저감장치(100)는 상기 분산수단(124)이 형성되어 배기가스에 의해 화염이 방해되지 않도록 직접 접촉되는 것을 방지함으로써 화염이 안정적으로 형성되도록 하며, 배기가스와 연료의 혼합도를 높여 저감 효율을 높이게 된다.
다음으로, 상기 메탈필터(130)는 상기 버너(120) 후단에 형성되어 상기 버너(120)에 의해 승온된 배기가스 내의 유기물 또는 입자상 물질을 연소시키는 구성으로, 고온에 강한 페칼로이(Fecalloy) 재질로 형성되고, 표면이 열처리 되어 산화막층이 더 형성될 수 있다.
이 때, 상기 표면 열처리는 900 내지 1000℃의 공기(Air) 분위기에서 수행되어 알루미나 산화막이 형성되어 배기가스 저감효율을 높일 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 메탈필터(130)는 화염에 직접 닿아 고온에 노출되므로 고온에 견딜 수 있는 촉매를 코팅할 수 있다.
종래의 세라믹필터와 비교하여 본 발명의 메탈필터(130)는 녹는점이 낮지만 열전도성이 높고 열팽창이 낮은 재질로서, 본 발명의 배기가스 저감장치(100)는 상기 메탈필터(130)를 사용함으로써 종래의 세라믹필터가 가지는 부분 크랙(Crack) 또는 멜팅(Melting)에 의해 필터가 파손되는 문제점을 해결하여 내구성을 높일 수 있는 장점이 있다.
더욱 상세하게, 세라믹필터인 코디어라이트(Cordierite), 실리콘 카바이드(SiC) 재질의 필터는 녹는점이 높아 일반적인 열적 내구성은 가지고 있으나 열전도가 낮아 차량 운행 중의 배기가스량이 갑자기 많아지거나 유동이 불균일화되어 국부적으로 과다 포집되는 경우 특정 부분에서 과다 발열되고 상기 열이 적절히 전달되지 않아 상기 부분에서 필터 크랙 또는 멜팅이 발생된다.
특히, 상기 과다 발열은 2000℃ 이상의 온도가 되어 세라믹필터의 녹는점보다 높으므로 세라믹필터가 손상되며, 일단 필터가 국소 부위라도 손상되면 배기가스의 유량은 더욱 불균일하게 편향되고 이로 인한 내구성의 저하는 더욱 빠르게 진행된다.
따라서 본 발명의 배기가스 저감장치(100)는 열전도성이 높고 열용량이 낮으며 열팽창이 낮은 페칼로이 재질의 메탈필터(130)를 이용함으로써 배기가스 유량이 편향되어 특정 부분에서 과다 발열이 발생된다 하더라도 주변부로 빠르게 열을 전달하여 필터 손상을 방지할 수 있는 장점이 있다.
또, 본 발명의 배기가스 저감수단은 상기 제어수단(140)과 연결되어 상기 제 어수단(140)을 통해 수집된 장치 상태 및 위험 상태 등을 차량 운전자에게 알리는 알림수단이 더 형성될 수 있다.
상기 알림수단은 사용자에게 시각 또는 청각적으로 상태를 알리는 수단으로서, LED와 같은 시각 신호 또는 버저 또는 녹음된 소리를 이용한 청각 알림을 개별적으로 또는 동시에 이용될 수 있는 수단일 수 있으며, 상기 알림수단이 형성되어 차량 운전자가 배기가스 저감장치(100)의 상태를 직접 확인 할 수 있도록 하며, 문제 발생 시에도 보다 능동적으로 대처할 수 있도록 하는 장점이 있다.
도 7은 본 발명에 따른 배기가스 저감장치(100) 제어방법의 개략도이고, 도 8은 본 발명에 따른 매연저감장치의 배기가스 온도와 압력을 나타낸 도면이며, 도 9는 본 발명에 따른 배기가스 저감장치(100) 제어방법의 다른 개략도이고, 도 10은 본 발명에 따른 배기가스 저감장치(100) 제어방법의 또 다른 개략도이다.
본 발명의 배기가스 저감장치(100) 제어방법은 상술한 바와 같은 배기가스 저감장치(100)를 이용하며, 더욱 상세하게 엔진(200)이 작동 된 후, 강제 재생 여부 판단 단계(S100); 경고 신호 전달 단계(S200); 공회전 상태 판단 단계(S300); 재생 작동 지시 입력(S410); 강제 재생 단계(S420); 및 강제 재생 종료 단계(S500) 를 포함한다.
먼저, 상기 강제 재생 여부 판단 단계(S100)는 버너(120) 작동이 필요한지를 판단하는 단계로서, 상기 제어수단(140)은 압력수단에 의한 측정 압력이 제1압력 이상이거나 압력센서(141)의 일정 시간 동안 측정 평균 압력이 제2압력 이상인 경 우에 버너(120)가 작동되어야 함을 판단한다.
이 때, 상기 제1압력은 150 내지 250 mbar이고, 상기 제2압력은 75 내지 150 mbar 인 것이 바람직하다.
상기 도 8과 같이, 주행 중에는 배기압력과 온도에 큰 변화가 일어나게 되므로, 최대 압력과 평균 압력을 이용하여 매연 과다 축적 여부를 판단하여 강제 재생이 필요한지를 판단하도록 한다.
상기 도 8에서 T in은 상기 도 2의 메탈필터 전단에 위치한 온도센서(142), T out은 상기 메탈필터 후단에 위치한 온도센서(143), Back Pressure는 상기 압력센서(141)에 의해 측정된 값을 의미한다.
또한, 주행속도가 낮은 차량은 매연이 축적되더라도 배압의 증가폭이 크지 않을 수 있으므로, 본 발명의 배기가스 저감장치(100) 제어방법은 상기 강제 재생 여부 판단 단계(S100)에서, 상기 압력센서(141)뿐만 아니라 엔진(200) 작동 이후 일정 시간이 지난 후에는 다음 단계인 경고 신호가 전달되도록 하거나 엔진(200) 알피엠, 또는 GPS(Global Positioning System) 정보를 통해 차량의 주행상태를 판단하거나 상기 메탈필터(130)에 포집된 매연양을 계산하도록 할 수도 있다.
상기 경고 신호 전달 단계(S200)는 차량 운전자가 버너(120) 작동이 필요함을 인지할 수 있도록 알리는 단계로서, 종래의 운행 중에 차량 운전자가 주지하지 않은 상태에서 버너(120)가 작동되는 경우에 인화성물질 등에 의한 폭발 등의 위험으로부터 벗어날 수 있도록 하는 단계이다.
사용자가 상기 경고 신호를 전달 받은 후, 화재의 위험성이 없는 안전한 곳에 차량을 정차하여 상기 공회전 상태 판단 단계(S300)에서 차량이 공회전 상태로 판단되고, 사용자의 재생 작동 지시가 입력(S410)되면 버너(120)를 작동 시켜 상기 강제 재생 단계(S420)가 수행된다.
주행 중에 재생이 이루어지는 경우에는 공회전 상태에서 재생이 이루어지는 것보다 배기가스 내부의 산소 농도가 낮고 재생 효율이 낮으며, 차량 풍량에 의해 냉각되어 재생에 필요한 온도로 승온하기 위한 에너지가 더 소요되고, 시스템의 복잡함에 의한 신뢰성 저하의 문제가 발생될 수 있으므로 본 발명의 배기가스 저감장치 제어방법은 상기 공회전 상태 판단 단계(S300)에서 차량이 공회전 상태임을 확인 한 후, 강재 재생이 수행되도록 한다.
상기 강제 재생 단계(S420)는 제어수단(140)에 의해 상기 연료분사수단(121), 점화수단(123), 또는 공기분사수단(126) 등을 제어하여 버너(120)가 작동되며, 상기 연료분사량 제어에 의해 배기가스를 적절히 승온할 수 있고, 상기 필터 전단의 온도센서(142)에 의해 측정된 값을 실시간으로 분석하여 분사되는 연료량이 제어된다.
이 때, 상기 메탈필터(130)는 일반적으로 600℃ 이상이면 필터에 축적된 매연을 연소할 수 있으나, 짧은 시간 안에 연소가 가능하도록 상기 필터 전단의 온도가 더 높게 제어할 수 있으며, 전체적으로 600 ~ 900℃ 정도가 되도록 제어한다.
물론, 상기 제어수단(140)에 의한 연료분사량의 제어는 필터 후단의 온도센서(143)를 통해 측정되는 온도를 통해 필터가 손상되지 않는 범위 내에서 강제 재 생이 수행되어야 한다.
상기 강제 재생 단계(S420)가 수행되어 배기가스를 원활히 연소한 뒤엔 상기 버너(120)의 작동을 정지하여 강제 재생을 종료(S500)한다.
아울러, 본 발명의 배기가스 저감장치(100) 제어방법은 상기 도 9에 도시된 바와 같이, 엔진(200) 작동 이후에 장치의 상태를 점검하는 장치 상태 점검 단계(S600)가 더 추가될 수 있으며, 상기 장치 상태 점검 단계(S600)에서 점검된 상태 등은 상기 알림수단을 통해 사용자가 확인할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 배기가스 저감장치(100) 제어방법은 상기 도 10에 도시된 바와 같이, 강제 재생 종료 이후에 차량이 운행되어 배기가스가 발생됨에 따라 강제 재생이 또 필요할 수 있으므로, 상기 강제 재생 종료 단계(S500) 이후에, 엔진(200)이 작동되면 다시 상기 강제 재생 여부 판단 단계(S100)가 수행되도록 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 배기가스 저감장치(100) 제어방법은 차량 정보를 파악하여 강제 재생이 필요한지 판단하고, 차량의 공회전 중에만 버너(120)가 작동되도록 함으로써 보다 안전하고 빠르게 강제 재생이 이루어지도록 하는 장점이 있다.
특히, 배기가스 저감장치 제어방법에 있어서, 입력 받을 수 있는 정보는 알피엠, 배기압력, 온도 등과 같은 차량 상태에 대한 조건으로 차량이 위치되는 주변 환경에 대한 판단을 할 수 없어 화재의 위험성이 있으므로, 본 발명의 배기가스 저감장치 제어방법은 운전자가 주변 상황을 파악하고 기본 정보를 통해 재생 필요를 판단하여 재생 과정의 안정성을 확보한다.
또한, 사용자가 배기가스 저감장치(100)의 상태를 실시간으로 확인할 수 있으며, 사용자의 관리 하에 재생이 실시됨으로써 사고의 위험을 줄일 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
도 1은 종래의 배기가스 저감장치를 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 배기가스 저감장치를 나타낸 개략도.
도 3은 상기 도 2에 도시한 배기가스 저감장치의 버너를 나타낸 도면.
도 4는 상기 도 3의 AA' 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 배기가스 저감장치의 다른 버너를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 배기가스 저감장치의 연료 및 배기가스 흐름 개략도.
도 7은 본 발명에 따른 배기가스 저감장치 제어방법의 개략도.
도 8은 본 발명에 따른 배기가스 저감장치의 배기가스 온도와 압력을 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명에 따른 배기가스 저감장치 제어방법의 다른 개략도.
도 10은 본 발명에 따른 배기가스 저감장치 제어방법의 또 다른 개략도.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
100 : 배기가스 저감장치
110 : 본체 111 : 배기가스유입부
112 : 배기가스배출부
120 : 버너
121 : 연료분사수단 122 : 노즐부
123 : 점화수단 124 : 분산수단
125 : 중공부 126 : 공기분사수단
130 : 메탈필터
140 : 제어수단 141 : 압력센서
142, 143 : 온도센서
150 : 알림수단
200 : 엔진 210 : 배기관
S100 ~ S700 : 본 발명의 배기가스 저감장치 제어방법의 각 단계

Claims (15)

  1. 디젤엔진(200)으로부터 발생되는 배기가스를 저감시키는 배기가스 저감장치(100)에 있어서,
    상기 배기가스 저감장치(100)는 일측에 배기관(210)과 연결되어 내부로 배기가스가 유입되도록 배기가스유입부(111) 및 타측에 정화된 배기가스가 배출되도록 하는 배기가스배출부(112)가 형성되는 본체(110);
    상기 본체(110)의 배기가스유입부(111)에 인접하게 형성되고 단부에 노즐부(122)가 형성되어 미립화된 연료를 분사하는 연료분사수단(121), 상기 분사된 연료를 점화하는 점화수단(123), 상기 연료분사수단(121)을 통해 분사된 연료와 배기가스유입부(111)를 통해 유입된 배기가스를 메탈필터(130)로 안내하는 분산수단(124)을 포함하는 버너(120);
    상기 버너(120) 후단에 형성되어 배기가스 내의 유기물 또는 입자상 물질(PM, Particulate Matters)을 연소시키는 메탈필터(130);
    및 상기 버너(120)의 작동을 제어하고 장치 상태를 판단하는 제어수단(140)을 포함하며,
    상기 메탈필터(130)는 페칼로이(Fecalloy) 재질이며,
    상기 분산수단(124)은 상기 연료분사수단(121)으로부터 상기 메탈필터(130) 방향으로 직경이 넓어지는 형태로 형성되고 복수개의 중공부(125)가 형성되어 상기 배기가스유입부(111)를 통해 유입된 배기가스가 상기 중공부(125)를 통해 분산수단(124) 내부로 이동됨으로써 내부의 분사된 연료와 효과적으로 혼합되고 안정적으로 화염이 형성되도록 하며,
    상기 제어수단(140)을 통해 수집된 장치 상태 및 위험 상황을 시각 또는 청각적으로 상태를 알리며, 차량 운전자가 상기 배기가스 저감장치의 상태를 직접 확인할 수 있어 문제 발생 시에도 보다 능동적으로 대처할 수 있도록 하는 알림수단이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 저감장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 메탈필터(130)는 표면 열처리되는 것을 특징으로 하는 배기가스 저감장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 표면 열처리는 900 내지 1000℃의 공기(Air) 분위기에서 수행되어 표면에 알루미나 산화막이 형성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 저감장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 중공부(125)는 상기 분산수단(124)의 접선방향에서 일정각도 경사지게 형성되어 상기 중공부(125)를 통해 분산수단(124) 내부로 이동된 배기가스가 일정 흐름을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 저감장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배기가스 저감장치(100)는 상기 연료분사수단(121)의 노즐부(122)로 공기를 분사하는 공기분사수단(126)이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 저감장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어수단(140)은 상기 배기가스 저감장치(100) 또는 메탈필터(130) 전단에 위치한 압력센서(141), 메탈필터(130) 전ㆍ후단의 온도를 측정하는 온도센서(142, 143), 엔진(200) 알피엠(RPM), 또는 GPS(Global Positioning System) 정보를 통해 장치 상태를 판단하는 것을 특징으로 하는 배기가스 저감장치.
  9. 삭제
  10. 상기 제1항, 제3항, 제4항, 제6항, 제7항, 제8항 중 어느 한 항의 배기가스 저감장치의 제어방법에 있어서,
    상기 배기가스 저감장치(100) 제어방법은
    엔진(200)이 작동된 후, 상기 버너(120) 작동이 필요한지 판단하는 강제 재생 여부 판단 단계(S100);
    상기 강제 재생 여부 판단 단계(S100)에서 버너(120) 작동이 필요하다고 판단되면, 상기 알림수단을 통해 차량 운전자에게 경고 신호를 전달하는 경고 신호 전달 단계(S200);
    상기 경고 신호 전달 단계(S200) 이후에, 차량이 공회전(Idle) 상태인지 판단하는 공회전 상태 판단 단계(S300);
    상기 공회전 상태 판단 단계(S300)에서 공회전 상태로 판단되고, 사용자의 재생 작동 지시가 입력(S410)되면 상기 버너(120)를 작동시켜 강제 재생하는 강제 재생 단계(S420); 및
    상기 강제 재생 단계(S420) 수행 후, 버너(120)를 정지하여 강제 재생을 종료하는 강제 재생 종료 단계(S5000); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 저감장치의 제어방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 강제 재생 여부 판단 단계(S100)에서, 압력센서(141)의 측정 압력이 제1압력 이상 또는 압력센서(141)의 일정 시간 동안 측정 평균 압력이 제2압력 이상인 경우 버너(120)가 작동되어야 함을 판단하는 것을 특징으로 하는 배기가스 저감장치의 제어방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1압력은 150 내지 250 mbar이고, 상기 제2압력은 75 내지 150 mbar인 것을 특징으로 하는 배기가스 저감장치의 제어방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 배기가스 저감장치의 제어방법은 엔진(200)이 작동 이후에 장치의 상태를 점검하는 장치 상태 점검 단계(S600); 가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 배기가스 저감장치의 제어방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 강제 재생 종료 단계(S500) 이후에, 엔진(200)이 작동되면 다시 상기 강제 재생 여부 판단 단계(S100)가 수행되는 것을 특징으로 하는 배기가스 저감장치의 제어방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 강제 재생 단계에서, 상기 버너(120)는 상기 메탈필터(130) 전단의 온도가 600 내지 900 ℃ 가 되도록 연료분사량 제어되는 것을 특징으로 하는 배기가스 저감장치의 제어방법.
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