KR100398101B1

KR100398101B1 - 마이크로웨이브를 이용한 후처리장치

Info

Publication number: KR100398101B1
Application number: KR10-2000-0084859A
Authority: KR
Inventors: 김만영
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2000-12-29
Filing date: 2000-12-29
Publication date: 2003-09-19
Also published as: KR20020055660A

Abstract

본 발명은 마이크로웨이브를 이용하여 배기가스를 가열하고 재생시에 연소용 공기를 공급하여 급속재생이 일어나고, 재생이 진행되는 동안에 배기가스는 다른 트랩으로 방향 전환되어 필터링되므로 재생효율을 높일 수 있으며, 하나의 마이크로웨이브 관련장치를 이용하므로 장치의 효용성을 증대시킬 수 있는 마이크로웨이브를 이용한 후처리장치에 관한 것으로, 이 후처리장치는 배기 파이프(28)를 통해서 엔진(20)의 배기 매니폴드(26)로부터 선택적으로 배기가스가 유입되며 촉매담체(32a, 32a')가 내장된 2개의 재생필터(32, 32')와, 상기 배기 파이프(28)를 지나는 배기가스가 2개의 재생필터(32, 32')중 어느 하나로 공급되도록 유동방향을 절환하는 방향절환밸브(30)와, 도파관(40)을 통해서 상기 2개의 촉매담체(32a, 32a')로 공급될 마이크로웨이브를 발생시키는 적어도 하나의 마이크로웨이브 발생기(42, 44)와, 에어밸브(48)의 개방에 따라 어느 하나의 재생필터(32, 32')로 연소용 공기를 공급하여 촉매담체(32a, 32a')를 재생하는 송풍기(46)와, 상기 센서부 내의 각종 센서들로부터 입력되는 신호를 바탕으로 상기 방향절환밸브(30)와 상기 에어밸브(48)에 신호를 보내 배기가스의 흐름 및 촉매담체(32a, 32a')의 재생을 제어하는 제어유닛(ECU)(50)으로 구성된다.

Description

마이크로웨이브를 이용한 후처리장치{DEVICE FOR HEATING, REGENERATING AND FILTERING DIESEL PARTICULATE USING MICROWAVES}

본 발명은 마이크로웨이브를 이용한 후처리장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 마이크로웨이브를 이용하여 배기가스를 가열함과 동시에 연소용 공기를 공급하여 급속재생을 실행하며, 재생이 진행되는 동안에 배기가스를 다른 트랩으로 방향 전환하여 필터링함으로써 재생효율을 높일 수 있는 마이크로웨이브를 이용한 후처리장치에 관한 것이다.

경유를 연료로 사용하는 디젤차량에서는 연소시에 그을음(soot)이 발생한다. 이 디젤 그을음은 마이크로웨이브(microwave)를 흡수하는 성질을 갖고 있다. 그을음의 이러한 성질을 이용하여 매연 여과장치의 재생장치에서는 마이크로웨이브를 주사하여 그을음을 가열시킬 수 있다. 만일 이러한 방법이 마이크로웨이브를 투과시키는 매질로 구성된 필터담체와 함께 사용된다면 입자상 물질을 선택적으로 가열하는 것이 가능하다. 한편, 필터의 재질이 마이크로웨이브의 에너지를 흡수하지 않고 통과시키는 매질로 구성된 경우에는 그을음과 필터를 모두 가열시키는데 마이크로웨이브 주사를 사용할 수 있다.

도 1은 종래 후처리장치의 구성을 보인 개략도이다.전기에너지와 연결되어 있는 전자관(2)에서 생성된 마이크로웨이브는 도파관(4)을 거쳐 필터담체(8)로 유입된다.상기 도파관(4)은 단순한 덕트나 파이프 형태로서 열복사를 전달하는 기능을 갖는다.상기 도파관(4)은 마이크로웨이브를 반사시키고 극초단파 에너지의 누출을 방지하기 위하여 금속으로 만든다.이와 함께, 전자관(2)에는 고온 및 배기가스와의 직접적인 접촉을 방지하기 위한 특별한 장치들이 구비되어야 한다.엔진의 배기 매니폴드로부터 배출되는 배기가스는 배기 파이프(11)를 통해서 촉매기 내의 필터담체(8)를 지나면서 정화되며, 이때 정화효율을 높이기 위해 에어 공급라인(10)을 통해서 에어를 주입한다.

전자관 보호시스템(6)으로는 수냉식 열교환기를 비롯하여, 기계적인 밸브, 및 수정 유리창 등이 사용된다(Gautam et at., 1999. SAE 1999-01-3565; N ing and He, 1999, SAE 1999-01-1470). 한편, 시스템에서 마이크로웨이브의 누출을 방지하기 위하여 배기가스의 입구 및 출구에 패러데이 스크린(Faraday screen)을 설치한다.

이미 발표된 실험연구의 대부분은 2단계 재생 방법을 채택하고 있다. 즉, 마이크로웨이브를 이용하여 먼저 그을음을 가열시킨다. 이때, 배기가스는 필터를 통과하지 않도록 한다. 이러한 예열과정을 거친 후에, 그을음의 산화를 종결시키기 위해 미리 입력되어 있는 일정한 양의 공기가 필터를 통과하도록 한다. 이러한 재생방법을 적용하는 경우, 공기가 유입되는 순간 상대적으로 빠른 시간 내에 입자상 물질의 급속한 변화가 일어난다. 그에 대한 내용이 도 2에 도시되어 있다.

도 2는 마이크로웨이브의 재생과정 중의 농도변화에 대한 그래프로, 굵은 실선은 CO₂, 가는 실선은 CO의 시간에 따른 농도 변화를 나타낸다.점선으로 나타낸 수직선은 에어주입이 개시된 시점을 나타낸다.여기서, 에어주입이 개시된 후에 급속한 연소가 일어나서 아주 짧은 시간에 그을음 연소생성물의 피크(peak)가 발생하고 있음을 알 수 있다(Gautam et at., 1999. SAE 1999-01-3565).한편, 필터가 수용할 수 있는 그을음의 최대 부착량을 초과하여 그을음이 부착되면 필터담체(8)의 열적 손상이 발생할 우려가 있다.

또한, 상술한 바와 같이, 상기 시스템은 재생이 일어나는 동안 배기가스는 바이패스관을 거쳐서 곧바로 대기중으로 방출되므로, 정화효율이 저하된다. 또한, 하나의 촉매담체만을 사용하기 때문에 그을음 처리용량에 제한을 주는 문제가 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 2개의 촉매담체를 설치한 다음 필터에 부착된 그을음의 부착량이 설정량보다 많은지를 판단하여 부착량이 많은 필터로의 그을음의 공급을 차단하여 필터담체의 열적 손상을 막아 정화효율을 높일 수 있는 마이크로웨이브를 이용한 후처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 후처리장치의 구성을 보인 개략도,

도 2는 마이크로웨이브의 재생 과정중의 농도변화를 나타내는 그래프,

도 3은 본 발명에 따른 후처리장치의 구성을 보인 개략도,

도 4는 본 발명에 따른 후처리장치의 제어과정을 보인 흐름도.

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

20:엔진 26:배기 매니폴드

28:배기 파이프 30:방향절환밸브

32a, 32a':촉매담체 34:엔드 파이프

35, 36, 38, 38':센서 40:도파관

42, 44:마이크로웨이브 발생기 46:송풍기

48:에어밸브 50:제어유닛(ECU)

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 마이크로웨이브를 이용한 후처리장치는 배기 파이프를 통해서 엔진의 배기 매니폴드로부터 선택적으로 배기가스가 유입되며 촉매담체가 내장된 2개의 재생필터와, 상기 배기 파이프를 지나는 배기가스가 2개의 재생필터 중 어느 하나로 공급되도록 유동방향을 절환하는 방향절환밸브와, 도파관을 통해서 상기 2개의 촉매담체로 공급될 마이크로웨이브를 발생시키는 적어도 하나의 마이크로웨이브 발생기와, 엔진의 운전상태를 감지하는 엔진 감지센서를 비롯하여, 배기 파이프에 설치되어 배기가스의 유동을 감지하는 유동 감지센서 및 상기 재생필터에 각각 설치되어 디젤 입자상 물질의 부착량을 감지하는 부착량 감지센서로 이루어진 센서부와, 에어밸브의 개방에 따라 어느 하나의 재생필터로 연소용 공기를 공급하여 촉매담체를 재생하는 송풍기와, 상기 센서부 내의 각종 센서로부터 입력되는 신호를 바탕으로 상기 방향절환밸브와 상기 에어밸브에 신호를 보내 배기가스의 흐름 및 촉매담체의 재생을 제어하는 제어유닛(ECU)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도 3과 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로웨이브를 이용한 후처리장치에 대하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 후처리장치의 구성을 보인 개략도이고, 도 4는 본 발명에 따른 후처리장치의 제어과정을 보인 흐름도이다.

먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 후처리장치에서는 2개의 촉매담체(32a, 32a')를 사용하며, 마이크로웨이브 발생기(42, 44) 및 도파관(40), 그리고 연소용 공기 도입장치인 송풍기(46)와 각종 밸브(30, 48) 및 센서(36, 38, 38')로 구성되어 있다.

이것의 전체적인 구성을 보면, 엔진(20)의 배기 매니폴드(26)로부터 배출된 배기가스가 지나는 배기 파이프(28)와 엔드 파이프(34)사이에 배치된 2개의 재생필터(32, 32')내의 촉매담체(32a, 32a')와, 상기 배기 파이프(28)를 통해 배출되는 배기가스가 2개의 촉매담체(32a, 32a')중 어느 하나로 공급되도록 유동방향을 절환하는 방향절환밸브(30)와, 도파관(40)을 통해서 상기 2개의 촉매담체(32a, 32a')로 공급될 마이크로웨이브를 발생시키는 적어도 하나의 마이크로웨이브 발생기(42, 44)와, 엔진의 운전상태를 감지하는 엔진 감지센서(35)를 비롯하여, 배기 파이프(28)에 설치되어 배기가스의 유동을 감지하는 유동 감지센서(36) 및 상기 재생필터(32, 32')에 각각 설치되어 디젤 입자상 물질의 부착량을 감지하는 부착량 감지센서(38, 38')로 이루어진 센서부와, 에어밸브(48)의 개방에 따라 어느 하나의 재생필터(32, 32')로 연소용 공기를 공급하여 촉매담체(32a, 32a')를 재생하는 송풍기(46)와, 센서부 내의 각종 센서로부터 입력되는 신호를 바탕으로 상기 방향절환밸브(30)와 상기 에어밸브(48)에 신호를 보내 배기가스의 흐름 및 촉매담체(32a, 32a')의 재생을 제어하는 제어유닛(ECU)(50)을 포함하고 있다.

이와 같이, 2개의 촉매담체(32a, 32a')를 이용한 2원 트랩을 사용함으로써, 배기가스를 여과하여 포집된 입자상 물질을 마이크로웨이브 가열장치를 이용하여 주기적으로 처리할 수 있다.또한, 2개의 트랩의 사용으로, 하나의 필터에서 재생이 진행되는 동안에 배기가스의 흐름을 다른 필터 쪽으로 방향을 절환함으로써, 배기가스의 흐름에 영향을 받지 않고 재생을 진행시킬 수 있다.본 발명에 따른 후처리장치는 전자제어방식으로 모든 제어과정이 완전 자동화되어 있어 운전자의 어떠한 조작도 필요로 하지 않는다.한편, 본 실시예에서 중요한 장치는 배기가스를 여과시키는데 사용하는 벽유동형 필터이다.그리고, 트랩을 장착한 차량은 소음기를 장착하지 않아도 된다.

본 발명에 따른 후처리장치를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.흡기계통(22) 내의 공기는 흡기 매니폴드(24)를 통해서 엔진(20)의 실린더내로 공급된 다음 분사된 연료와 함께 연소된다.연소 후에 배기가스는 엔진(20)에 부착된 배기 매니폴드(26)를 통해서 배기 파이프(28)를 거쳐 2개의 촉매담체(32a, 32a') 중 하나로 유입되어 정화된 다음, 엔드 파이프(34)를 거쳐 대기로 방출된다.

한편, 마이크로웨이브 발생기(42, 44)에서 발생된 마이크로웨이브는 전자관의 보호시스템(도 1의 6)을 통과한 후에 도파관(40)을 거쳐 촉매담체(32a, 32a')로 유도되어 배기가스를 가열한다.이때, 엔진 감지센서(35)에서 검출한 엔진의 운전상태 및 유동 감지센서(36)에서 검출한 배기가스의 상태가 제어유닛(ECU)(50)으로 전달되면, 제어유닛(ECU)(50)은 이들 입력신호를 바탕으로 재생시기를 판단하여 방향절환밸브(30)에 제어신호를 보내 배기가스의 흐름을 제어함과 동시에, 부착량 감지센서(38, 38')에서 검출한 그을음 양을 바탕으로 재생이 필요한 곳에는 에어밸브(48)에 제어신호를 보내 송풍기(46)로부터의 연소용 공기를 촉매담체(32a, 32a')로 보내 급속한 재생이 일어나도록 한다.재생이 완료된 후에는 에어밸브(48)를 닫아 공기의 공급을 중단한다.

한편, 촉매담체(32a, 32a')의 필터에는 최적 부착량에 도달하기 전까지는 디젤 입자상 물질이 계속 부착된다.이후 재생을 실시하면 필터는 깨끗이 청소된다.재생필터(32, 32')에 설치된 부착량 감지센서(38, 38')는 재생을 제어하기 위하여 입자상물질의 부착량뿐만 아니라 하드웨어를 감시한다.입자상 물질의 부착량은 흡입공기의 유동, 필터의 압력강하 및 필터의 입구온도를 측정하여 종합적으로 판단한다.입자상 물질의 부착량이 일정수준에 도달하면, 제어유닛(ECU)(50)은 에어밸브(48)에 신호를 보내 송풍기(46)로부터의 공기를 촉매담체(32a, 32a')로 보내 재생을 수행한다.

이와 같이, 제어유닛(ECU)(50)은 후처리장치의 전체적인 작동상황를 감시할 뿐만아니라, 디젤 입자상 물질의 증가로 재생이 필요한 경우에는 각 재생요소들을 작동시키는 역할을 한다.즉, 초기에 제어유닛(ECU)(50)은 그을음이 보다 많이 부착된 트랩으로 배기가스의 유동방향을 바꾸고 그 트랩을 감시한다.이때, 부착량 감지센서(38, 38')로부터 입력된 신호를 바탕으로 그을음의 부착량이 증가하여 그 트랩에 재생이 필요하다고 판단하면, 제어유닛(ECU)(50)은 방향절환밸브(30)에 신호를 보내 배기가스의 흐름을 절환시켜 다른 쪽 재생필터(32, 32')로 공급되도록 한다.필요한 경우에 제어유닛(ECU)(50)은 시스템의 오작동에 대한 경고메시지를 운전자에게 전달하고 일부 진단기능을 수행한다.이러한 일련의 과정을 다음의 도 4에서 설명한다.

엔진이 시동되어 운전이 시작되면, 제어유닛(ECU)(50)은 에러가 체크되었는지를 판단하며, 방향절환밸브(30)에 신호를 보내 2개의 트랩 중 하나의 트랩(가령, 재생필터 32)으로 배기가스가 공급되도록 한다.이때, 에러가 검출된 경우(단계 S1에서 YES)에는 경보를 발생(단계 S2)하여 운전자에게 경보함과 동시에, 에러가 검출되지 않은 경우(단계 S1에서 NO)에는 부착량 감지센서(38)로부터의 입력신호를 바탕으로 디젤 입자상 물질의 부착량을 검출하여(단계 S3), 부착량이 많은 재생필터의 감시를 시작한다(단계 S4).

다음에, 제어유닛(ECU)(50)은 부착량 감지센서(38)로부터 입력된 신호를 바탕으로 에러 체크 여부를 판단하며(단계 S5), 마찬가지로 에러가 검출된 경우(단계 S5에서 YES)에는 경보를 발생(단계 S6)하여 운전자에게 경보함과 동시에, 에러가 검출되지 않은 경우(단계 S5에서 NO)에는 부착량 감지센서(38)로부터의 입력신호를 바탕으로 디젤 입자상 물질의 부착량을 검출한다(단계 S7).

다음에, 부착량 감지센서(38)로부터의 부착량이 설정량보다 큰지를 판단한다(단계 S8). 이때, 재생필터(32)에 설치된 부착량 감지센서(38)로부터의 부착량이 설정량보다 큰 경우(단계 S8에서 YES)에는 방향절환밸브(30)에 신호를 보내 재생필터(32)로 공급되던 배기가스가 다른쪽 재생필터(32')로 공급되도록 제어한 후에(단계 S9), 부착량 감지센서(38')로부터의 입력신호를 바탕으로 재생필터(32')에 대한 부착량 감시를 시작한다(단계 S10).

한편, 제어유닛(ECU)(50)은 에어밸브(48)에 제어신호를 보내 송풍기(46)로부터의 공기가 재생필터(32)로 공급되도록 하여 기존 사용하던 촉매담체(32a)에 대한 재생을 수행한다(단계 S12).이후, 설정시간 및 온도의 경과여부를 체크하고(단계 S13), 설정시간 및 온도가 경과한 후에는(단계 S13에서 YES)에는 단계 5로 리턴한다.

이상으로 설명한 본 발명에 의하면, 마이크로웨이브를 이용하여 배기가스를 가열함과 동시에 연소용 공기를 공급하여 급속재생을 실행하며, 재생이 진행되는 동안에 배기가스를 다른 트랩으로 방향 전환하여 필터링함으로써 재생효율을 높일 수 있으며, 하나의 마이크로웨이브 관련장치를 이용하므로 장치의 효용성을 증대시킬 수 있다.

Claims

배기 파이프(28)를 통해서 엔진(20)의 배기 매니폴드(26)로부터 선택적으로 배기가스가 유입되며 촉매담체(32a, 32a')가 내장된 2개의 재생필터(32, 32')와,

상기 배기 파이프(28)를 지나는 배기가스가 2개의 재생필터(32, 32')중 어느 하나로 공급되도록 유동방향을 절환하는 방향절환밸브(30)와,

도파관(40)을 통해서 상기 2개의 촉매담체(32a, 32a')로 공급될 마이크로웨이브를 발생시키는 적어도 하나의 마이크로웨이브 발생기(42, 44)와,

엔진의 운전상태를 감지하는 엔진 감지센서(35)를 비롯하여, 배기 파이프(28)에 설치되어 배기가스의 유동을 감지하는 유동 감지센서(36) 및 상기 재생필터(32, 32')에 각각 설치되어 디젤 입자상 물질의 부착량을 감지하는 부착량 감지센서(38, 38')로 이루어진 센서부와,

에어밸브(48)의 개방에 따라 어느 하나의 재생필터(32, 32')로 연소용 공기를 공급하여 촉매담체(32a, 32a')를 재생하는 송풍기(46)와,

상기 센서부 내의 각종 센서로부터 입력되는 신호를 바탕으로 상기 방향절환밸브(30)와 상기 에어밸브(48)에 신호를 보내 배기가스의 흐름 및 촉매담체(32a, 32a')의 재생을 제어하는 제어유닛(ECU)(50)을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 후처리장치.