KR100405437B1 - 디젤 엔진의 배기 가스 후처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디젤 엔진의 배기 가스 후처리 장치에 관한 것으로서, 배기 다기관의 일부에 배기가스의 배출물을 포집시킬 수 있는 벌집 필터가 내장 설치되는 촉매 변환기와, 상기 촉매 변환기의 벌집 필터가 재생되는 동안 배기가스를 우회하여 통과시키는 바이패스관과, 상기 바이패스관의 내부에 배기 가스를 연소시켜 연속 재생 가능하게 내장된 바이패스 변환수단과, 상기 촉매 변환기와 바이패스관의 분기점에 관로를 선택적으로 개폐시킬 수 있도록 설치되는 바이패스 전환밸브와, 상기 바이패스 전환밸브를 작동시킬 수 있는 액츄에이터와, 상기 배기 다기관 상에 배기 가스의 온도 및 압력을 측정할 수 있도록 장착되는 감지 수단과, 상기 감지 수단에 의하여 감지된 데이터 신호를 입력하여 미리 설정된 기준 값과 비교하여 재생이 필요하다고 판단되면 촉매 변환기로 통하는 관로를 막고 배기가스를 바이패스관으로 유도되도록 액츄에이터 쪽으로 바이패스 전환밸브의 전환 신호를 출력하는 전자 제어 유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명에 의하면 촉매 변환기가 재생되더라도 처리되지 않은 배기 가스를 그대로 바이패스 시키지 않고 연속적으로 재생시켜 배출케 함으로써 촉매 변환기의 효율을 증대시켜 매연과 미연 탄화수소의 전환율을 더욱 향상시킬 수 있음과 동시에 대기 오염도 막을 수 있다. 또한 장치의 구조도 간단해질 뿐만 아니라 장착 비용도 절감시킬 수 있다.

Description

디젤 엔진의 배기 가스 후처리 장치{EXHAUST GAS AFTER TREATMENT SYSTEM FOR DIESEL ENGINE}

본 발명은 디젤 엔진의 배기 가스 후처리 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 촉매 변환기에서 재생이 일어나는 동안 바이패스되는 배기 가스를 연속 재생시킴으로서 촉매 변환기의 효율을 증대시켜 매연과 미연 탄화수소의 전환율을 향상시킬 수 있는 디젤 엔진의 배기 가스 후처리 장치에 관한 것이다.

일반적으로 디젤 엔진의 배기 가스는 실린더 내에서 연료가 압축 착화 연소된 후 배기 다기관을 통하여 대기 중에 배출되는 가스이다. 이 배기 가스는 연료의불완전 연소로 인한 탄화수소(HC)와 같이 인체에 유해한 물질이나 탄소(C)의 미립자 형태인 그을음, 아황산(SO₂) 가스와 같은 매연 등이 있다. 이들은 대기 오염의 주 요인이 되므로 감소시키기 위한 많은 노력이 강구되고 있다.

종래에는, 도 1 에서 나타낸 바와 같이, 배기 다기관(1) 내에 촉매 변환기(2)를 장착하여 디젤 배출물, 즉 미연 탄화수소나 그을음 등을 걸러주고 있다. 이 촉매 변환기(2)는 벌집(하니컴; Honeycomb) 형의 필터(2a)구조로 이루어진, 예를 들어 세라믹 촉매 본체에 백금(Pt) 및 로듐(Rh)과 같은 촉매 코팅이 구비되어 배기 가스 방향으로 수많은 통로가 형성된 것이다. 이러한 촉매 변환기(2)는 배기가스 중에 포함된 유해 물질을 벌집 필터(2a)로 통과되게 하여 산화 및 환원 반응을 일으켜 해가 없는 물질로 전환케 한다.

그러나, 디젤 배출물이 벌집 필터(2a)에 많이 쌓이게 되면, 이 필터(2a)를 주기적으로 재생해야 한다.

이러한 경우에는, 도 2 에서 나타낸 바와 같이, 배기 다기관(1) 내에 촉매 변환기(2)를 우회하는 별도의 바이패스관(3)을 부가로 설치하고, 이 바이패스관(3)의 입구에 밸브(4) 및 센서(5)를 장착한다. 따라서 벌집 필터(2a)를 재생하는 동안에는 밸브(4)의 개폐 작동에 의하여 배기 가스가 바이패스관(3)을 통과시키도록 한다.

이와 같이 재생이 일어나는 동안에 배기 가스를 바이패스 시키게 되면, 처리되지 않은 배기 가스가 배기 다기관(1)을 통하여 그대로 대기 중에 방출되므로 촉매 변환기(2)의 전체적인 전환율을 감소시키는 문제가 있다.

한편, 이러한 문제점을 해결하기 위하여, ‘도널드선(Donaldson)사의 매연 여과 장치’에서 제시한 바와 같이, 배기 다기관에 촉매 변환기를 두 개 장착하여 한 쪽에서 재생이 일어나는 동안에는 다른 한 쪽만으로 배출물을 포집하는 형태를 취하기도 한다. 또한,‘특허 출원번호 제 1997 - 63730 호(발명자; 김문찬)’에 개시된 바와 같이, 촉매 변환기가 설치된 배기 다기관의 앞부분에 열선과 연소망이 설치된 두 개의 배기 관로를 더 부설하여 배출물을 포집하는 형태를 취하고 있다.

그러나, 이러한 선행 기술은 두 개의 촉매 변환기에 벌집형 필터를 모두 설치해야 하거나 필터를 각 각 갖는 여러 개의 관로를 연통되게 설치해야 하는 등 구조가 매우 복잡하고, 설치비용도 많이 드는 결점을 내포하고 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 촉매 변환기에 필터 재생이 일어나는 동안 처리되지 않은 배기가스를 그대로 바이패스시키지 않고 연속 재생케 함으로서 촉매 변환기의 효율을 증대시켜 매연과 미연 탄화수소의 전환율을 향상시킬 수 있는 디젤 배출물을 디젤 엔진의 배기 가스 후처리 장치를 제공하는 데 있다.

도 1 은 종래의 실시예에 따른 디젤 엔진의 배기 가스 후처리 장치를 나타낸 단면도.

도 2 는 종래의 다른 실시예에 따른 디젤 엔진의 배기 가스 후처리 장치를 나타낸 단면도.

도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 디젤 엔진의 배기 가스 후처리 장치를 나타낸 단면도.

도 4 는 도 3 에 도시된 바이패스 변환기의 상세도.

도 5 는 도 4 의 열선과 연소망의 설치 상태를 나타낸 상세도.

도 6 은 본 발명의 실시예에 따른 디젤 엔진의 배기 가스 후처리 장치의 제어 흐름도.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 배기 다기관 20 : 촉매 변환기

22 : 벌집 필터 30 : 바이패스관

40 : 바이패스 변환수단 42 : 전기 히터

44 : 열선 46 : 연소망

50 : 바이패스 전환밸브 60 : 액츄에이터

72, 74 : 감지 수단 80 : 전자 제어 유닛(ECU)

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 디젤 엔진의 배기 가스 후처리 장치는, 배기 다기관의 일부에 배기가스의 배출물을 포집시킬 수 있는 벌집 필터가 내장 설치되는 촉매 변환기와, 상기 촉매 변환기의 벌집 필터가 재생되는 동안 배기가스를 우회하여 통과시키는 바이패스관과, 상기 바이패스관의 내부에 배기 가스를 연소시켜 연속 재생 가능하게 내장된 바이패스 변환수단과, 상기 촉매 변환기와 바이패스관의 분기점에 관로를 선택적으로 개폐시킬 수 있도록 설치되는 바이패스 전환밸브와, 상기 바이패스 전환밸브를 작동시킬 수 있는 액츄에이터와, 상기 배기 다기관 상에 배기 가스의 온도 및 압력을 측정할 수 있도록 장착되는 감지 수단과, 상기 감지 수단에 의하여 감지된 데이터 신호를 입력하여 미리 설정된 기준 값과 비교하여 재생이 필요하다고 판단되면 촉매 변환기로 통하는 관로를 막고 배기가스를 바이패스관으로 유도되도록 액츄에이터 쪽으로 바이패스 전환밸브의 전환 신호를 출력하는 전자 제어 유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 바이패스 변환수단은 전기 히터에 의하여 가열되어 통과되는 배기 가스를 1 차로 연소시키는 복수의 열선과, 상기 열선들 사이에 번갈아 삽입되어 통과되는 배기 가스를 2 차로 연소시키는 복수의 연소망으로 이루어지는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 더욱 상세히 설명한다.

도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 디젤 엔진의 배기 가스 후처리 장치를 나타낸 단면도이다. 도 4 는 도 3 에 도시된 바이패스 변환기의 상세도이고, 도 5 는 도 4 의 열선과 연소망의 설치 상태를 나타낸 상세도이다.

도 3 에서, 상기 배기 다기관(10) 상에 촉매 변환기(20)가 배기 가스 중에 포함된 디젤 배출물, 즉 미연 탄화수소나 그을음 등을 포집할 수 있도록 설치된다. 이 촉매 변환기(20)는 벌집(하니컴; Honeycomb) 형의 필터(22) 구조로 이루어진다.

상기 배기 다기관(10) 상에서 촉매 변환기(20)가 설치된 부분에는 바이패스관(30)을 더 우회 설치되고, 이를 통하여 상기 촉매 변환기(20)의 벌집 필터(22)가 재생되는 동안 배기가스를 우회하여 통과시키게 한다.

특히 본 실시예의 바이패스관(30)의 내부에는 부호 40 으로 지시된 바이패스 변환수단이 내장 설치된다. 이 바이패스 변환수단(40)은 촉매 변환기(20)가 재생되는 동안 바이패스관(30)을 통과하는 배기 가스를 연소시켜 연속 재생 가능하게 하는 필터이다. 즉, 상기 바이패스 변환수단(40)은, 도 4 및 도 5 에서 나타낸 바와 같이, 전기 히터(42)에 의하여 가열되어 통과되는 배기 가스를 1 차로 연소시키는 복수의 열선(44)과, 상기 열선(44)들 사이에 번갈아 삽입되어 통과되는 배기 가스를 2 차로 연소시키는 복수의 연소망(46)으로 이루어진다.상기한 전기 히터(42)는 일반적으로 잘 알려진 구조, 즉, 입력 전원에 의해 발열하는 코일을 바이패스관(30) 내에 설치하여 구성하며, 이러한 전기히터(42)에서 발생되는 열에 의해 열선(44)이 가열되는 것이다.

상기 촉매 변환기(20)와 바이패스관(30)의 분기 지점에는 바이패스 전환밸브(50)가 장착되고, 이 밸브(50)는 촉매 변환기(20)로 통하는 관로와 바이패스관(30)으로 통하는 관로를 선택적으로 개폐시킬 수 있도록 작동된다.

상기 바이패스 전환밸브(50)는 액츄에이터(Actuator)(60)에 의하여 동작된다. 또한 상기 배기 다기관(10) 상에, 즉 촉매 변환기(20)를 통과하기 전, 후의 위치에, 예를 들어 산소(O₂) 센서와 같은 감지 수단(72)(74)이 각 각 장착되고, 이는 배기 가스의 온도 및 압력에 관한 데이터를 측정하는 것이다.

부호 80 은 전자 제어 유닛(ECU)으로서, 이는 상기 감지 수단(72)(74)에 의하여 감지된 데이터 신호를 입력하여 미리 설정된 기준 값과 비교하여 촉매 변환기(20)의 재생이 필요하다고 판단되면, 촉매 변환기(20)로 통하는 관로를 막고 배기가스를 바이패스관(30)으로 유도되도록 바이패스 전환 밸브(50)의 전환 신호를 액츄에이터(60) 쪽으로 출력하는 제어부이다.

이와 같이 구비된 본 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치의 작동 과정을 설명한다. 엔진이 연소할 때 발생되는 배기 가스는 배기 다기관(10)을 통하여 배출되는데, 이 배기가스는 촉매 변환기(20)를 통과하면서 벌집 필터(22) 상에 디젤 입자상의 물질이 최적 부착량에 도달하기 전까지 계속적으로 부착 포집된다. 이 때 바이패스 전환 밸브(50)는 배기가스의 흐름이 바이패스관(30)으로 유동되지 못하게설정된다.

이 후, 감지수단(72)(74)에서 배기가스의 압력 및 온도 등에 대한 데이터를 측정하여 전자 제어 유닛(80)으로 출력하고, 이 데이터 신호를 입력한 전자 제어 유닛(80)은 미리 입력되어 있던 일정한 양만큼 촉매 변환기(20)의 벌집 필터(22)에 디젤 배출물이 부착되었다고 판단되면, 액츄에이터(60)에 신호를 출력하여 배기가스가 바이패스관(30)으로 우회하도록 바이패스 전환밸브(50)를 작동시킨다. 이 후 촉매 변환기(20)의 재생이 시작된다.

이러한 재생이 진행되는 동안 바이패스관(30)을 통과하는 배기가스는 바이패스 전환수단(40)을 경유하면서 연속적인 재생이 이루어진다. 즉, 배기가스가 전기 히터(42)에 가열된 열선(44)을 통과하면서 1 차로 연소되고, 다시 연소망(46)을 통과하는 동안 2 차로 연소되는 것이다.

촉매 변환기(20)의 재생이 끝나게 되면, 액츄에이터(60)는 전자 제어 유닛(80)의 명령에 따라 바이패스 전환 밸브(50)를 조절하여 배기가스가 다시 촉매 변환기(20) 쪽으로 유입되도록 한다.

본 실시예에서는 연속적인 재생 작동을 제어하기 위하여 전자 제어 유닛(80)은 장치의 작동을 감시할 뿐만 아니라 재생이 필요한 경우 각 재생 요소들을 작동시키는 역할도 수행한다. 필요한 경우 장치의 오작동에 대한 경고 메시지를 운전자에게 전달하고 일부 진단 기능도 수행한다.

이러한 본 실시예 장치의 제어 방법을 도 6 의 제어 흐름도를 참조하여 설명한다. 전자 제어 유잇(100)에서 장치의 에러(Error)(오동작)를 체크하여(S1) 에러가 있다면 경보를 발생시키는 신호를 출력하고(S2), 반면에 에러가 없다면 감지 수단(72)(74)을 통하여 흡입 공기의 유동, 필터(22)의 압력 강하, 그리고 필터(22) 입구 온도 등을 측정하여 배기 가스에 포함된 입자상 물질의 부착량을 검출한다(S3). 이어서 촉매 변환기(20)에 내장된 필터(22)의 온도를 미리 설정된 온도와 비교하여 판단하는 단계(S5)를 거친다. 여기서, 필터(22)의 온도가 설정 온도보다 더 높다면, 액츄에이터(60)에 의하여 바이패스 전환밸브(50)를 조절시키는 신호를 출력하여 촉매 변환기(20)로 통하는 통로는 폐쇄하고 바이패스관(30)을 통하여 배기 가스를 우회하게 한다(S5). 그러나 필터(22)의 온도가 설정 온도보다 높지 않다면, 다시 필터(22)의 부착량을 검출하는 단계(S3)로 복귀시킨다. 이 후 촉매 변환기(20)의 재생이 이루어지는 단계(S6)를 수행하고, 설정 시간이나 온도를 기본 설정치와 비교 판단하는 단계(S7)를 거친다. 이 때, 설정 시간이나 온도가 적정 수준(설정치)에 도달되면, 바이패스 전환밸브(50)를 다시 작동시켜 바이패스관(30)을 닫고 촉매 변환기(20)를 통하는 통로를 개방하여 배기가스를 유동시킨다.(S8) 이후, 필터(22)의 부착량을 검출하는 단계(S3)로 다시 복귀하여 상술한 과정을 계속하여 반복 수행하게 된다.

상술한 본 발명에 의하면, 촉매 변환기가 재생되더라도 처리되지 않은 배기 가스를 그대로 바이패스 시키지 않고 연속적으로 재생시켜 배출케 함으로써 촉매 변환기의 효율을 증대시켜 매연과 미연 탄화수소의 전환율을 더욱 향상시킬 수 있음과 동시에 대기 오염도 막을 수 있다. 또한 장치의 구조도 간단해질 뿐만 아니라장착 비용도 절감시킬 수 있다.

Claims (2)

1. 배기 다기관의 일부에 배기가스의 배출물을 포집시킬 수 있는 벌집 필터가 내장 설치되는 촉매 변환기와,

   상기 촉매 변환기의 벌집 필터가 재생되는 동안 배기가스를 우회하여 통과시키는 바이패스관과,

   상기 바이패스관의 내부에 배기 가스를 연소시켜 연속 재생 가능하게 내장된 바이패스 변환수단과,

   상기 촉매 변환기와 바이패스관의 분기점에 관로를 선택적으로 개폐시킬 수 있도록 설치되는 바이패스 전환밸브와,

   상기 바이패스 전환밸브를 작동시킬 수 있는 액츄에이터와,

   상기 배기 다기관 상에 배기 가스의 온도 및 압력을 측정할 수 있도록 장착되는 감지 수단과,

   상기 감지 수단에 의하여 감지된 데이터 신호를 입력하여 미리 설정된 기준 값과 비교하여 재생이 필요하다고 판단되면 촉매 변환기로 통하는 관로를 막고 배기가스를 바이패스관으로 유도되도록 액츄에이터 쪽으로 바이패스 전환 밸브의 전환 신호를 출력하는 전자 제어 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 배기 가스 후처리 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 바이패스 변환수단은 전기 히터에 의하여 가열되어 통과되는 배기 가스를 1 차로 연소시키는 복수의 열선과,

   상기 열선들 사이에 번갈아 삽입되어 통과되는 배기 가스를 2 차로 연소시키는 복수의 연소망으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 배기 가스 후처리 장치.