KR100473419B1 - A Diesel Particulate Filter United with a Plasma Reactor - Google Patents

Abstract

본 발명은 디젤엔진 배출가스에서 입자상물질(PM)과 질소산화물(NOx)을 제거하기 위한 시스템에 관한 것으로서, 디젤필터와 탄화수소 공급장치를 구비하고 플라즈마 반응으로 디젤엔진 배출가스의 입자상물질을 제거하는 장치에 있어서: 적어도 일면이 개방되고 후면이 폐쇄되는 단위셀을 종횡으로 복수의 층으로 적층하여 배출가스의 벽유동을 유발하는 필터(20); 상기 필터(20)의 상면 및 하면에 각각 일정한 간격을 유지하도록 설치되어 배출가스를 후방으로 유도하는 세라믹판(30); 및 상기 필터(20)의 상측 및 하측의 세라믹판(30)내에 금속성분으로 형성되는 전극(40)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a system for removing particulate matter (PM) and nitrogen oxides (NOx) from the diesel engine exhaust gas, comprising a diesel filter and a hydrocarbon supply device for removing particulate matter from the diesel engine exhaust gas by plasma reaction. An apparatus comprising: a filter (20) for causing wall flow of exhaust gas by stacking unit cells having at least one surface open and a rear surface closed in a plurality of layers vertically and horizontally; A ceramic plate 30 installed on the upper and lower surfaces of the filter 20 to maintain a predetermined interval, respectively, to guide the exhaust gas to the rear; And an electrode 40 formed of a metal component in the upper and lower ceramic plates 30 of the filter 20.

이에 따라 디젤엔진 배출가스에서 유해 물질인 입자상물질과 질소산화물이 제거된다.Accordingly, particulate matter and nitrogen oxides, which are harmful substances, are removed from the diesel engine exhaust gas.

Description

플라즈마 반응기 일체형 디젤필터 {A Diesel Particulate Filter United with a Plasma Reactor} A Diesel Particulate Filter United with a Plasma Reactor

본 발명은 배출가스 처리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배기가스 후처리기술의 한 형태로서 승용 디젤차량은 물론 중·대형 및 화물수송차량으로부터 방출되는 디젤 배출가스의 질소산화물(NOx)과 입자상물질(PM)을 효과적으로 저감할 수 있는 플라즈마 반응기 일체형 디젤필터에 관한 것이다.The present invention relates to exhaust gas treatment, and more particularly, as a form of exhaust gas after-treatment technology, nitrogen oxides (NOx) and particulate matter of diesel exhaust gas discharged from passenger diesel vehicles as well as medium, large and freight transport vehicles. It relates to a plasma reactor integrated diesel filter that can effectively reduce (PM).

디젤엔진은 가솔린엔진에 비해 열효율과 내구성이 높고 가솔린엔진보다 CO, CO₂ 및 탄화수소의 배출량이 적어 지구 온난화를 덜 유발하는 등의 장점이 있다. 그러나 배출가스중의 NOx는 광화학 스모그, 산성비 및 오존(O₃)발생의 원인이 되고, 매연(soot)으로 대변되는 입자상물질은 도시에서 발생하는 다른 어떤 입자보다 많은 빛을 흡수하기 때문에 대기 및 시야를 탁하게 만들뿐만 아니라 흡입하면 호흡기에 흡착되어 호흡기 질환을 유발한다.Diesel engines have advantages such as higher thermal efficiency and durability than gasoline engines and less global warming due to lower emissions of CO, CO ₂ and hydrocarbons than gasoline engines. However, NOx in the exhaust gas causes photochemical smog, acid rain, and ozone (O ₃ ) generation, and particulate matter represented by soot absorbs more light than any other particles generated in the city. In addition to turbidity, inhalation can be adsorbed into the respiratory tract and cause respiratory illness.

디젤엔진 배기기술에서 가장 어려운 문제는 NOx와 PM의 "트레이드오프 (trade-off)"이다. 즉 일반적으로 NOx 저감 기술은 PM의 증가를 초래하며 반대로 PM 저감 기술은 NOx 증가를 유발하기 때문에 두 성분을 동시에 줄이는 것이 디젤엔진 설계에서 가장 핵심이 되는 기술이다.The most difficult problem in diesel engine exhaust technology is the "trade-off" of NOx and PM. In other words, NOx reduction technology generally leads to an increase in PM, whereas PM reduction technology causes an increase in NOx. Therefore, reducing both components at the same time is the most important technology in diesel engine design.

디젤엔진에서 배출되는 유해성분을 줄이기 위한 방법은 크게 전처리기술과 후처리기술로 나눌 수 있다. 전처리기술의 예로는 연소실형상 최적화, 연료공급시스템, 과급시스템 그리고 EGR(exhaust gas recirculation) 등이 있다. 후처리기술로는 디젤필터로 매연을 물리적으로 여과하는 방법, 플라즈마를 발생시켜 배출가스중의 NO를 NO₂로 산화시킨 후 매연과 반응시킴으로써 매연과 NOx를 동시에 제거하는 방법, 촉매를 사용하여 탄화수소를 산화시키거나 NOx를 환원시키는 방법 및 이들을 조합 또는 변형한 다양한 방법이 있다.The methods for reducing harmful components emitted from diesel engines can be divided into pre-treatment technology and post-treatment technology. Examples of pretreatment techniques include combustion chamber geometry optimization, fuel supply systems, supercharging systems and exhaust gas recirculation (EGR). As a post-treatment technique, a method of physically filtering soot with a diesel filter, a method of generating a plasma to oxidize NO in exhaust gas to NO ₂ and then reacting with soot to simultaneously remove soot and NOx, and a hydrocarbon using a catalyst There are various methods of oxidizing or reducing NOx and combinations or modifications thereof.

종래의 후처리기술 관련하여 해결해야 되는 문제점들은 다음과 같다.Problems to be solved in connection with the conventional post-processing techniques are as follows.

(1) 촉매를 사용하여 NOx를 제거하는 경우, 저온영역에서 활성이 높은 촉매의 개발이 시급할 뿐만 아니라 촉매의 경우 연료성분에 포함된 황성분에 의해 치명적인 영향을 받으므로 연료의 탈황작업이 선행되거나 내황성이 있는 촉매의 개발이 시급한 과제이다.(1) When NOx is removed using a catalyst, it is urgent to develop a catalyst having high activity in the low temperature region, and the catalyst is detrimentally affected by the sulfur component contained in the fuel component. The development of sulfur-resistant catalysts is an urgent task.

(2) 플라즈마를 이용하여 PM을 제거하는 경우, 250℃이상의 온도에서는 NO에서 NO₂로의 변환효율이 PM의 제거효율을 지배하므로 NO₂로의 변환효율이 좋은 플라즈마 반응기의 제작이 중요하며, 플라즈마 반응기를 soot으로부터 보호하는 기술 역시 해결되어야 한다. 뿐만 아니라 저온영역(250℃이하영역)에서의 soot 제거 기술 역시 실용화에 최대 과제이다. 또한 NO₂ 변환에 사용되는 탄화수소의 양이 연비에 미치는 영향도 고려되어야 하며, 플라즈마 발생시에 소모되는 전기 에너지의 최적화 역시 당면과제이다.(2) In the case of removing PM using plasma, the conversion efficiency from NO to NO ₂ dominates the removal efficiency at the temperature of 250 ℃ or higher. Therefore, it is important to manufacture a plasma reactor with good conversion efficiency to NO ₂ . Techniques to protect the soot from soot must also be addressed. In addition, soot removal technology in the low temperature region (below 250 ℃) is also the biggest problem in practical use. In addition, the effect of the amount of hydrocarbons used for the conversion of NO ₂ on the fuel economy must be considered, and the optimization of the electrical energy consumed during plasma generation is also a challenge.

본 출원인 (주)블루플래닛은 국내특허 제2000-0029869호, 제2001-0012180호, 제2001-0045798호 그리고 PCT 특허 PCT/KR01/00912에서 플라즈마와 촉매를 이용한 PM 및 NOx 저감기술을 제시한 바 있다. 2000-0029869은 디젤필터와 플라즈마/은촉매를 이용하여 디젤배출가스 중 NOx와 PM을 저감하는 시스템이 제안되고, 2001-0012180 및 PCT/KR01/00912에서는 디젤필터 내부에 전극을 삽입하여 발생된 플라즈마에 의해서 PM을 제거하고 은촉매에 의해서 NOx를 제거하는 시스템이 제안된다. 그리고 2001-0045798에서는 디젤 배출가스의 질소산화물 제거를 위한 플라즈마/금촉매 시스템이 제안된다.Applicant's Blue Planet has presented PM and NOx reduction technology using plasma and catalyst in Korean Patent Nos. 2000-0029869, 2001-0012180, 2001-0045798 and PCT Patent PCT / KR01 / 00912. have. 2000-0029869 proposes a system for reducing NOx and PM in diesel exhaust gas by using a diesel filter and a plasma / silver catalyst. In 2001-0012180 and PCT / KR01 / 00912, a plasma generated by inserting an electrode inside a diesel filter is proposed. A system for removing PM and removing NOx by silver catalyst is proposed. In 2001-0045798, a plasma / gold catalyst system for nitrogen oxide removal of diesel exhaust gas is proposed.

종래의 후처리기술은 상기한 본 출원인의 특허출원에서 상세하게 개시되지만, 이외의 특징적인 공지기술을 살펴보면 다음과 같다.Conventional post-treatment techniques are disclosed in detail in the applicant's patent application described above, but look at the other known known techniques as follows.

존슨 매티(Johnson Matthey)사의 미국 특허 제4,902,487호와 제5,943,857호 그리고, PCT 특허 WO 00/21646에는 촉매와 디젤필터로 이루어지는 배출가스 처리장치가 개시된다. 입자상물질은 필터에 포집되어 NO₂에 의해 산화되어 제거되는데 NO₂는 필터의 앞단에 설치된 촉매층에서 생성되는 것이 특징이다. 촉매 대신 플라즈마 반응기를 사용할 수 있으며 이 경우에는 오존(O₃)이 부가적으로 생성되어 역시 매연을 산화시킨다.U.S. Pat. Nos. 4,902,487 and 5,943,857 to Johnson Matthey, and PCT Patent WO 00/21646, disclose exhaust gas treatment systems consisting of catalysts and diesel filters. Particulate matter trapped in the filter are removed is oxidized by NO ₂ NO ₂ is characterized by being produced in the catalyst layer provided on the front end of the filter. Plasma reactors can be used instead of catalysts, in which case ozone (O ₃ ) is additionally produced which also oxidizes soot.

엥겔하드(Engelhard)사의 PCT 특허 WO 00/29727에는 플라즈마 반응기와 촉매를 사용한 NOx 제거 시스템이 개시된다. 이 시스템은 탄화수소의 농도가 높은 상태에서 플라즈마에 의해 생성된 NO₂를 촉매에 의해서 환원시키는 것이다. 배출가스의 탄소원자 대 NOx의 몰비가 5:1일 때, 약 50%의 NOx가 N₂로 전환되었다고 기재되어 있다.PCT patent WO 00/29727 from Engelhard discloses a NOx removal system using a plasma reactor and a catalyst. This system is to reduce the NO ₂ produced by the plasma by the catalyst in the state of high hydrocarbon concentration. When the molar ratio of carbon atoms to NOx in the exhaust gas is 5: 1, it is described that about 50% of NOx is converted to N ₂ .

본 발명은 배기가스 후처리기술의 한 형태로서 승용 디젤차량은 물론 중·대형 및 화물수송차량으로부터 방출되는 디젤 배출가스의 질소산화물(NOx)과 입자상물질(PM)을 효과적으로 저감할 수 있는 플라즈마 반응기 일체형 디젤필터를 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention is a type of exhaust gas aftertreatment technology that can effectively reduce nitrogen oxides (NOx) and particulate matter (PM) of diesel exhaust gas emitted from medium, large and freight transport vehicles as well as passenger diesel vehicles. It is an object to provide an integrated diesel filter.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 디젤필터와 탄화수소 공급장치를 구비하고 플라즈마 반응으로 디젤엔진 배출가스의 입자상물질을 제거하는 장치에 있어서: 적어도 일면이 개방되고 후면이 폐쇄되는 단위셀을 종횡으로 복수의 층으로 적층하여 배출가스의 벽유동을 유발하는 필터(20); 상기 필터(20)의 상면 및 하면에 각각 일정한 간격을 유지하도록 설치되어 배출가스를 후방으로 유도하는 세라믹판(30); 및 상기 필터(20)의 상측 및 하측의 세라믹판(30)내에 금속성분으로 형성되는 전극(40)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention includes a diesel filter and a hydrocarbon supply device and a device for removing particulate matter from diesel exhaust gas by a plasma reaction: a plurality of unit cells vertically and horizontally having at least one surface open and the rear surface closed A filter (20) inducing a wall flow of the exhaust gas by stacking the layers of the gas; A ceramic plate 30 installed on the upper and lower surfaces of the filter 20 to maintain a predetermined interval, respectively, to guide the exhaust gas to the rear; And an electrode 40 formed of a metal component in the upper and lower ceramic plates 30 of the filter 20.

이때, 상기 필터(20)는 단위셀의 전면이 모두 개방된 형태 또는 부분적으로 개방된 형태를 사용할 수 있다. 상기 세라믹판(30)은 내부에 금속성분인 전극(40)을 수용하기 위한 적층 구조를 채용한다.In this case, the filter 20 may use a form in which all the front surfaces of the unit cells are open or partially open. The ceramic plate 30 has a laminated structure for accommodating the electrode 40 which is a metal component therein.

본 고안의 다른 특징으로서, 상기 전극(40)은 필터(20) 상에서 이웃하는 상하의 층간에도 더 구비한다.As another feature of the present invention, the electrode 40 is further provided on the upper and lower layers adjacent to the filter 20.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.

도 1은 본 발명의 디젤필터를 엔진에 장착한 배기 시스템의 개념도이다. 본 발명의 목적을 달성하기 위한 플라즈마 반응기 일체형 디젤필터는 디젤엔진의 배기 시스템에서 배기다기관 및 금촉매(또는 은촉매) 사이, 즉 촉매장치의 상류측에 설치된다.1 is a conceptual diagram of an exhaust system equipped with a diesel filter of the present invention in an engine. A plasma reactor integrated diesel filter for achieving the object of the present invention is installed between the exhaust manifold and the gold catalyst (or silver catalyst) in the exhaust system of the diesel engine, i.e., upstream of the catalytic apparatus.

도 2는 본 발명에 따른 디젤필터의 요부 구성에 대한 단면도이고, 도 3은 도 2의 디젤필터를 절개하여 내부 구성을 나타낸 사시도이다.Figure 2 is a cross-sectional view of the main configuration of the diesel filter according to the present invention, Figure 3 is a perspective view showing the internal configuration by cutting the diesel filter of FIG.

도 2에서 제시된 디젤필터는 본 발명이 적용되는 시스템에서 특징적인 구성요소로서 기본 개념은 판형 플라즈마 반응기(plate type plasma reactor) 내부에 디젤필터(20)가 위치하는 구조이다. 상기 필터(20)는 적어도 일면이 개방되고 후면이 폐쇄되는 단위셀을 종횡으로 복수의 층으로 적층하여 배출가스의 벽유동을 유발한다. 종래의 필터와 구조면에 다소 차이를 보이나 필터 내부의 배출가스 유동은 종래의 필터와 유사한 벽유동(wall flow) 형태를 취한다. 상용 디젤필터의 경우 전면의 구조는 일측 단위셀에서 트여 있고 인접한 단위셀은 막혀 격자형으로 개방되는 구조로 배출가스가 유입되는 통로(P)를 화살표로 표시 형성하고 있다.본 발명의 필터(20)는 모든 단위셀들의 전면이 개방되고 후면이 막혀있어 배출가스가 단위셀 내부에서 윗면(또는 아랫면)과 옆면을 통해 벽유동을 유발하는 경로로 흐른다.The diesel filter shown in FIG. 2 is a characteristic component in the system to which the present invention is applied, and a basic concept is a structure in which the diesel filter 20 is located inside a plate type plasma reactor. The filter 20 stacks unit cells having at least one surface open and the rear surface closed in a plurality of layers vertically and horizontally to induce wall flow of the exhaust gas. Although there is a slight difference in structure from the conventional filter, the exhaust gas flow inside the filter takes the form of a wall flow similar to that of the conventional filter. In the case of a commercial diesel filter, the front structure is opened in one unit cell, and adjacent unit cells are blocked and open in a lattice form, and the passage P, through which the exhaust gas flows, is represented by an arrow. The front of all the unit cells is open and the back is blocked so that the exhaust gas flows through the top (or bottom) and side surfaces of the unit cell to induce wall flow.

또, 본 발명에 따르면 상기 필터(20)의 상면 및 하면에 각각 일정한 간격을 유지하도록 세라믹판(30)이 설치되어 배출가스를 후방으로 유도한다. 도시에서 단위셀이 2층으로 적층되고 그 상층 및 하층으로 세라믹판(30)이 적층 설치됨을 알 수 있다. 상기 필터(20)와 세라믹판(30) 사이의 공간은 필터(20)에서 토출되는 배출가스를 집결하여 후방의 머플러측으로 유동되도록 한다.In addition, according to the present invention, the ceramic plate 30 is installed on the upper and lower surfaces of the filter 20 so as to maintain a constant distance, respectively, to guide the exhaust gas to the rear. In the figure, it can be seen that the unit cells are stacked in two layers, and ceramic plates 30 are stacked and installed in the upper and lower layers thereof. The space between the filter 20 and the ceramic plate 30 collects the discharge gas discharged from the filter 20 to flow to the rear muffler side.

또, 전극(40)은 교류전원이 인가되며, 필터(20)의 상측 및 하측에 적층되는 세라믹판(30)내에 금속성분으로 형성되고 있다.도시한 바와 같이 필터(20)의 상,하측으로 하나씩의 전극(40)이 형성됨과 동시에 필터(20)간의 사이에도 하나의 전극(40)이 형성될 수 있음 도시하고 있다.상기한 디젤필터에 구비되는 전극(40)의 수는 필터(20)의 층수에 따라 달라지며, 이에 따라 교류전원의 배선도 약간씩 달라질 수도 있다.그리고 상기 필터(20)를 복수층으로 형성하면서 각각에 마련된 통로를 통해 배출가스가 유입되게 이루어지고 있다.In addition, the electrode 40 is applied with an alternating current power source and is formed of a metal component in the ceramic plate 30 stacked on the upper side and the lower side of the filter 20. As shown in the figure, the upper and lower sides of the filter 20 are shown. It is shown that one electrode 40 can be formed between the filters 20 and one electrode 40 is formed at the same time. The number of electrodes 40 included in the diesel filter is the filter 20. Depending on the number of floors of the, depending on the wiring of the AC power may also vary slightly. And while forming the filter 20 in a plurality of layers, the exhaust gas is introduced through the passage provided in each.

도 4는 본 발명의 변형예에 따른 디젤필터의 내부 구성을 나타낸 사시도가 도시된다.4 is a perspective view showing an internal configuration of a diesel filter according to a modification of the present invention.

상술한 상용의 필터(10´)를 사용하여 본 발명의 플라즈마 반응기 일체형 디젤필터를 구성하는 예를 나타낸다. 상기 필터(10´)의 두 층 상,하측에 배치되는 세라믹판(30)의 표면에 금속성분으로 플라즈마 반응을 유발시키기 위한 전극(40)을 형성함도 가능하다.또한 상기 필터(10´)의 상하에 일정한 간격을 두고 금속성분의 평판형 전극(40)을 형성한 플라즈마 반응기를 위치시키고 있으며, 상하 필터(10´)간의 사이에도 전극(40)을 개재시켜 플라즈마 반응이 유발되도록 한다.또, 필터(10')는 2단 적층구조에서 배출가스 유입이 1단과 2단간에 걸쳐 상호 대각선 방향에 형성된 화살표로 표시된 배출가스 통로(P)를 통해 유입되게 배치되고 있다.The example which comprises the plasma reactor integrated diesel filter of this invention using the above-mentioned commercial filter 10 'is shown. It is also possible to form an electrode 40 for inducing a plasma reaction with a metal component on the surface of the ceramic plate 30 disposed above and below the two layers of the filter 10 '. Plasma reactor in which the plate-shaped electrode 40 of the metal component is formed at regular intervals above and below is placed, and the plasma reaction is caused by interposing the electrode 40 between the upper and lower filters 10 '. In the two-stage stacking structure, the filter 10 'is arranged such that the exhaust gas inflow flows through the exhaust gas passage P indicated by arrows formed in diagonal directions between the first stage and the second stage.

도 2 내지 도 4에서 전술한 필터(10´)(20)의 상하면에 직접 전극물질을 부착하여 플라즈마를 유발시킬 수도 있다.Plasma may be induced by directly attaching an electrode material to the upper and lower surfaces of the filter 10 ′ 20 described above with reference to FIGS. 2 to 4.

이와 같은 구조를 사용하면 본 발명의 디젤필터에 발생되는 플라즈마는 탄화수소가 존재하는 배출가스 조건하에서 배출가스의 NO성분을 NO₂로 변환시켜 soot과의 반응을 유발시키거나, 직접적으로 soot의 산화를 도모하게 되며 디젤필터를 지나며 추가로 변환된 NO₂는 도 1의 촉매장치를 거치며 촉매 층에서 인체에 무해한 가스로 변환된다.Using such a structure, the plasma generated in the diesel filter of the present invention converts the NO component of the exhaust gas into NO ₂ under the exhaust gas conditions in which hydrocarbons exist, causing a reaction with the soot, or directly oxidizing the soot. In addition, NO ₂ converted through the diesel filter is converted into a gas harmless to the human body in the catalyst layer through the catalytic apparatus of FIG. 1.

도 5는 본 발명의 디젤필터에 대한 변형 가능한 다른 예를 나타낸 사시도가 도시된다. 도 4의 필터(10´)의 상하로 적층수를 증가하고 그 최상단과 최하단에 전극(40)을 설치한 구조이다. 물론 도 2 및 도 3처럼 세라믹판(30)을 개재하거나 필터(10´)의 층간에 전극(40)을 추가할 수 있다.Figure 5 is a perspective view showing another modified example of the diesel filter of the present invention. 4 is a structure in which the number of stacked layers is increased up and down of the filter 10 'of FIG. 4, and the electrode 40 is provided at the top and the bottom thereof. 2 and 3, the electrode 40 may be added through the ceramic plate 30 or between the layers of the filter 10 ′.

도 2 내지 도 4의 필터 전면을 통해서 유입된 배출가스에 포함된 soot가 제거되는 원리는 다음과 같다.The principle that the soot contained in the exhaust gas introduced through the filter front of Figures 2 to 4 is removed as follows.

(1) 두 전극 사이에 전압을 걸어준 상태에서 디젤엔진 배출가스가 계속 디젤분진필터를 통과하면 soot이 축적되는데 매연이 특히 많이 축적된 부위를 중심으로 절연파괴 전압이 낮아져 유전체 배리어 방전(dielectric barrier discharge, DBD)이 일어난다.(1) When the diesel engine exhaust gas continues to pass through the diesel dust filter while voltage is applied between the two electrodes, soot accumulates, and the dielectric breakdown voltage is lowered around the site where the soot is accumulated particularly. discharge, DBD).

(2) 방전에 의해서 매연이 축적된 곳에 한 번 발화가 되면 온도가 급격히 상승하여 매연은 자발적으로 연소되는데 축적된 매연이 모두 연소되면 그 부위의 절연파괴전압은 다시 상승하게 되고 방전은 더 이상 일어나지 않게 된다.(2) When once ignited in the place where soot is accumulated by discharge, the temperature rises rapidly and soot is spontaneously combusted. When all the soot is burned, the insulation breakdown voltage of the area rises again and discharge is no longer occurring. Will not.

(3) 그러나, 두 전극 사이에는 항상 일정한 전압이 걸려 있으므로 매연이 많이 축적되어 있어 절연파괴전압이 낮아진 다른 부위로 옮겨가 다시 방전이 일어나 축적된 매연이 발화하여 연소되며 그 후에 일어나는 현상은 위와 동일하다.(3) However, since there is always a constant voltage between the two electrodes, a lot of smoke accumulates and transfers to another part where the insulation breakdown voltage is lowered and discharges again, so that the accumulated smoke ignites and combusts. Do.

그런데, 축적된 매연에 발화되는 메커니즘은 아직 명확하게 규명되지 않으나 다음의 메커니즘에 의하여도 설명될 수 있다.By the way, the mechanism of igniting the accumulated soot is not yet clearly identified, but can be explained by the following mechanism.

(1) 매연이 축적된 곳의 절연파괴전압이 낮아져 방전이 일어난다.(1) The insulation breakdown voltage at the place where soot is accumulated becomes low and discharge occurs.

(2) 방전이 일어나게 되면 배출가스중의 산소분자가 2개의 산소 라디칼로 전환되고 이 중 일부분은 오존(O3)으로 전환되는 반응이 일어난다. 뿐만 아니라, soot의 산화에 영향을 미치는 다른 라디칼 등도 생성된다.(2) When discharge occurs, a reaction occurs in which oxygen molecules in the exhaust gas are converted into two oxygen radicals, and some of them are converted into ozone (O3). In addition, other radicals are produced that affect the oxidation of the soot.

(3) 오존에 의하여 매연이 발화되면 자발적으로 연소되어 제거되고, 절연파괴전압이 높아지므로 방전이 중단된다.(3) When the smoke is ignited by ozone, it is spontaneously burned and removed, and the discharge is stopped because the insulation breakdown voltage becomes high.

(4) 매연이 축적되어 절연파괴전압이 낮아지는 부위로 계속 옮겨가며 상기 (1), (2), (3)의 반응이 계속적으로 일어난다.(4) The reaction of the above (1), (2) and (3) occurs continuously while the smoke continues to move to the site where the insulation breakdown voltage is lowered.

또한 배출가스의 온도가 250℃ 이상인 영역에서는 상기의 반응 이외에, NO₂에 의한 soot의 산화반응이 추가된다. 그리고 플라즈마는 배출가스 중에 포함된 NOx의 주성분인 NO 가스를 NO₂ 가스로 변환시키는 역할을 하는데, NO₂ 가스는 soot과의 반응을 통해서 CO나 CO₂ 가스를 생성하고 자신은 NO나 N₂ 가스로 환원된다.In addition, in the region where the temperature of the exhaust gas is 250 ° C. or higher, the oxidation of soot by NO ₂ is added in addition to the above reaction. In addition, the plasma converts NO gas, which is a main component of NOx contained in the exhaust gas, into NO ₂ gas. The NO ₂ gas generates CO or CO ₂ gas through reaction with soot, and the NO or N ₂ gas itself. Reduced to.

상기 필터의 재생이 일어나고 있는 층을 통과한 배출가스는 인접된 필터층을 통과하면서 플라즈마에 의한 NO₂ 변환을 다시 한번 경험하게 된다. 상기 필터로 유입된 배출가스는 soot의 산화 및 필터에 의한 soot의 포집에 의해 soot을 포함하지 않은 상태가 되어 플라즈마 반응기로 유입되며 플라즈마 반응기는 soot에 의한 반응기의 오염으로부터 완전히 자유로울 수 있다. 이 과정에서 생성된 NO₂는 반응기의 후단에 설치된 NO₂에 선택적으로 반응하는 촉매와 반응하여 인체에 무해한 가스성분으로 바뀌게 되며 따라서 총 NOx양을 저감할 수 있다.Exhaust gas passing through the layer where the regeneration of the filter is taking place once again undergoes NO ₂ conversion by plasma while passing through adjacent filter layers. The exhaust gas introduced into the filter is introduced into the plasma reactor by not oxidizing the soot and collecting the soot by the filter, so that the exhaust gas is introduced into the plasma reactor, and the plasma reactor may be completely free from contamination of the reactor by the soot. The NO ₂ produced in this process reacts with a catalyst that selectively reacts with the NO ₂ installed in the rear of the reactor to be converted into a gas component that is harmless to the human body, thereby reducing the total amount of NO x.

본 발명의 플라즈마 반응기 일체형 디젤필터는 촉매장치와 구성되며, 배출가스에 포함된 soot은 반응기 내부에서 제거되고 질소산화물은 촉매층을 지나면서 인체에 무해한 가스로 변환된다. 따라서 본 발명이 적용된 시스템에 의하여 배출가스에 포함된 입자상물질과 질소산화물이 효과적으로 제거 될 수 있다.The plasma reactor integrated diesel filter of the present invention is configured with a catalyst device, soot contained in the exhaust gas is removed from the inside of the reactor and nitrogen oxide is converted into a gas harmless to the human body while passing through the catalyst bed. Therefore, the particulate matter and nitrogen oxide contained in the exhaust gas can be effectively removed by the system to which the present invention is applied.

한편, Penetrante 등의 미국 특허 제5,711,147호, 제6,038,853호 및 제6,038,854호에는 2단계 공정에 의한 입자상물질과 NOx의 제거 시스템이 개시되어 있다. 첫 번째 단계에서는 O₂와 탄화수소의 존재하에 플라즈마를 발생시키면 NO가 NO₂로 산화되는 반응과 생성된 NO₂가 매연(soot)과 반응하여 N₂나 CO₂로 변환되는 반응이 일어나고, 두 번째 단계에서는 탄화수소의 존재하에 잔여 NO₂가 촉매층을 통과하며 N₂로 환원되는 반응이 일어난다. 특히, 미국 특허 제6,038,854호에는 현재 구현가능한 플라즈마/디젤필터/촉매 시스템의 예가 기재되어 있는데 어느 것이나 플라즈마 반응기가 디젤필터 앞에 배치되며 플라즈마 반응기에서 생성되는 NO₂로 매연을 산화시켜 제거하는 것이 본 발명과의 차이점이다.Meanwhile, US Pat. Nos. 5,711,147, 6,038,853 and 6,038,854 to Penetrante et al. Disclose a system for removing particulate matter and NOx by a two-step process. It occurs first in the step when generating a plasma in the presence of O ₂ and hydrocarbon reaction that NO is converted into N ₂ or CO ₂ in the NO ₂ of the reaction and the resulting reaction with soot (soot) that is oxidized to NO _2, a second In the step, a reaction occurs in which residual NO ₂ passes through the catalyst bed and is reduced to N ₂ in the presence of a hydrocarbon. In particular, U.S. Patent No. 6,038,854 describes an example of a plasma / diesel filter / catalyst system that is currently feasible, in which either the plasma reactor is placed in front of the diesel filter and the oxidation of the soot with NO ₂ produced in the plasma reactor removes the present invention. This is the difference from.

본 발명의 작용 효과는 다음의 실시 예에 의하여 더욱 명확해질 것이다.Effects of the present invention will be more apparent by the following examples.

<실시예 1><Example 1>

본 발명의 실시예 중의 하나로써, 디젤엔진(2.9L, 카니발)의 배출가스의 일부를 by-pass시켜, 플라즈마를 이용한 디젤필터의 soot 제거 성능을 측정하였다. 실험은 1500 rpm, 75 % 부하조건에서 수행하였으며 결과를 도 6에 도시하였다. 초기 10분 동안은 플라즈마를 발생시키지 않고 soot를 포집하였고, 10분부터 35분까지 soot이 포집되고 있는 상태에서 필터를 재생시켰다. 그리고 35분부터 45분까지는 필터의 오작동 유무를 살피기 위해 플라즈마를 크고 다시 soot을 포집하였으며 45분부터 60분까지 반복 재생을 수행하였다.As one of the embodiments of the present invention, a part of the exhaust gas of the diesel engine (2.9L, Carnival) by-passed, soot removal performance of the diesel filter using a plasma was measured. The experiment was carried out at 1500 rpm, 75% load condition and the results are shown in FIG. During the initial 10 minutes, the soot was collected without generating plasma, and the filter was regenerated while the soot was collected from 10 to 35 minutes. From 35 to 45 minutes, the plasma was large and again soot was collected to check for malfunction of the filter and repeated regeneration was performed from 45 to 60 minutes.

도 6에서 보는바와 같이, 초기에 급격히 증가하던 배압이 플라즈마의 인가(8 kV, 6 mA)와 동시에 급격히 감소하여 8 kPa 근처에서 필터에 포집되는 soot의 양과 재생되는 soot의 양이 평형상태, 즉 재생속도와 loading 속도가 평형을 이루고 있음을 알 수 있다. 이후 플라즈마에 인가된 전원을 끄게 되면, 필터에 걸리는 배압은 다시 상승하게 된다. 배압이 운전 초기 최고값과 비슷한 수준에 도달한 후 다시 플라즈마를 인가(6 kV, 5 mA)하게 되면 배압은 다시 감소하다가 10 kPa 부근에서 다시 평형을 이룬다. 이때 배압이 감소하는 기울기는 공급되는 전력에 따라 변하게 된다. 두 번째 인가된 전력은 첫 번째 인가된 전력에 비해 작은 값을 갖는데, 이에 따라 배압감소의 정도가 다르게 나타난다. 또한 재생이 일어나는 동안에는 배출가스의 온도가 소폭 상승하게 되는데 이는 플라즈마 인가에 따른 열의 발생과 soot이 산화되면서 발생한 열로부터 기인한다.As shown in FIG. 6, the back pressure, which initially increased sharply, decreases simultaneously with the application of plasma (8 kV, 6 mA) so that the amount of soot collected in the filter and the amount of regenerated soot near 8 kPa are in equilibrium, that is, It can be seen that the regeneration speed and the loading speed are in equilibrium. Then, when the power applied to the plasma is turned off, the back pressure applied to the filter is raised again. When the back pressure reaches a level close to the initial peak of operation, when the plasma is applied again (6 kV, 5 mA), the back pressure decreases again and rebalances around 10 kPa. At this time, the slope at which the back pressure decreases is changed according to the power supplied. The second applied power has a smaller value than the first applied power, so that the degree of back pressure reduction is different. In addition, during the regeneration, the temperature of the exhaust gas rises slightly, which is caused by heat generated by plasma application and heat generated by oxidizing soot.

<실시예 2><Example 2>

본 발명의 또 다른 실시예로써, 실험실에서 엔진 배출가스를 모사할 수 있는 가스를 플라즈마 반응기 통해 흘려줌으로써, 플라즈마를 이용한 촉매의 질소산화물 제거 능력을 측정하였다.As another embodiment of the present invention, by flowing a gas capable of simulating an engine exhaust gas in a laboratory through a plasma reactor, the nitrogen oxide removal capability of the catalyst using plasma was measured.

도 7 및 도 8에는 100~400℃ 온도구간에서 플라즈마/금촉매 그리고 플라즈마/은촉매 시스템의 DeNOx 효율을 도시한다.7 and 8 show the DeNOx efficiencies of the plasma / gold catalyst and plasma / silver catalyst system at a temperature range of 100 to 400 ° C.

도 7은 플라즈마/금촉매 시스템의 결과인데 실선은 DeNOx 효율을, 점선은 제거된 질소산화물중에서 인체에 무해한 질소로의 변환효율을 나타낸다. 전 영역에 걸쳐서 고른 DeNOx 효율을 보이며 특히 저온영역(200℃ 이하)에서도 높은 활성(35~50%)을 보인다. 또한 NOx에서 N₂로의 전환효율도 전 구간에 걸쳐서 높게 나타남을 확인할 수 있다.7 shows the results of the plasma / gold catalyst system, the solid line shows the DeNOx efficiency, and the dotted line shows the conversion efficiency into nitrogen that is harmless to the human body from the removed nitrogen oxides. It shows uniform DeNOx efficiency over the whole area, especially high activity (35 ~ 50%) even in low temperature area (below 200 ℃). In addition, it can be seen that the conversion efficiency from NOx to N _{2 is} also high over the entire period.

도 8은 플라즈마/은촉매 시스템의 결과인데 실선은 DeNOx 효율을, 점선은 제거된 질소산화물중에서 인체에 무해한 질소로의 변환효율을 나타낸다. 은촉매의 경우, 특히 고온 영역(300℃ 이상)에서 탁월한 활성(80~100%) 및 N₂로의 높은 전환율을 보여준다. 반면 저온 영역에서는 금촉매에 비해 낮은 활성과 N₂ 전환율을 보인다.FIG. 8 shows the results of the plasma / silver catalyst system where the solid line shows the DeNOx efficiency and the dotted line shows the conversion efficiency to nitrogen which is harmless to the human body. Silver catalysts show excellent activity (80-100%) and high conversion to N ₂ , especially in the high temperature range (above 300 ° C). On the other hand, low activity shows lower activity and N ₂ conversion than gold catalyst.

따라서 플라즈마와 금/은촉매를 적절히 결합한다면 도 9와 같이 전 온도영역에서 높은 DeNOx 활성을 보이는 촉매 시스템의 적용이 가능하다.Therefore, if the plasma and gold / silver catalyst is properly combined, it is possible to apply a catalyst system showing high DeNOx activity in the entire temperature region as shown in FIG.

본 발명은 플라즈마 반응을 이용하여 디젤 입자상물질과 질소산화물을 제거하는 장치로서, 플라즈마 반응기가 디젤필터와 일체형으로 이루어져 있기 때문에 배출가스에 포함된 soot으로부터 반응기를 보호할 수 있으며 지속적으로 안정적인 플라즈마 반응을 도모할 수 있다.The present invention is a device for removing diesel particulate matter and nitrogen oxides using a plasma reaction, since the plasma reactor is integrally formed with the diesel filter to protect the reactor from the soot contained in the exhaust gas and continuously stable plasma reaction We can plan.

입자상물질 제거 측면에서 살펴보면, 전술한 바와 같이 고온영역(250℃이상)에서는 NO₂에 의한 soot의 산화가 주된 메카니즘이기 때문에, 반응기의 성능저하 없이 NO를 NO₂로 지속적으로 변환시킴으로써 soot과의 반응을 통해 디젤필터를 재생할 수 있다. 또한 저온영역(250℃이하)에서는 플라즈마에 의해 직접 soot을 산화시킴으로써 고온과 저온영역에서 모두 디젤필터의 재생이 가능하게 된다.In terms of particulate matter removal, as described above, since the oxidation of soot by NO ₂ is the main mechanism in the high temperature region (above 250 ° C), the reaction with soot by continuously converting NO into NO ₂ without degrading the reactor performance. Through diesel filter can be regenerated. In addition, in the low temperature region (below 250 ° C), by directly oxidizing the soot by the plasma, it is possible to regenerate the diesel filter in both high and low temperature region.

질소산화물 제거 측면에서 살펴보면, 본 발명에서는 질소산화물의 제거를 위하여 플라즈마에 의해서 변환된 NO₂가 촉매와 반응하여 총 NOx의 양을 줄이는 과정에 금 및 은촉매를 사용한다. 플라즈마 반응면적의 극대화를 통하여 배출가스가 플라즈마에 노출되는 시간을 증가시킴으로써 NO의 NO₂로의 변환 역시 극대화되며 결과적으로 질소산화물의 효과적인 제거가 가능하다.In terms of nitrogen oxide removal, in the present invention, gold and silver catalysts are used in the process of reducing the total amount of NOx by reacting the NO ₂ converted by the plasma with the catalyst to remove the nitrogen oxides. By maximizing the plasma reaction area, the conversion of NO to NO ₂ is also maximized by increasing the time the exhaust gas is exposed to the plasma, resulting in effective removal of nitrogen oxides.

따라서 본 발명에서 제시한 바와 같이 보다 안정적이고 우수한 효율의 플라즈마 시스템을 이용함으로써, 디젤엔진 배출가스에 포함된 입자상물질과 질소산화물을 효과적으로 저감할 수 있다.Therefore, by using a plasma system of more stable and excellent efficiency as proposed in the present invention, it is possible to effectively reduce particulate matter and nitrogen oxide contained in the diesel engine exhaust gas.

이상의 구성 및 작용에 따르면 본 발명은 디젤 배출가스의 질소산화물(NOx)과 입자상물질(PM)을 효과적으로 저감할 수 있는 효과가 있다.According to the above configuration and action, the present invention has the effect of effectively reducing the nitrogen oxides (NOx) and particulate matter (PM) of the diesel exhaust gas.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.It is apparent to those skilled in the art that the present invention is not limited to the described embodiments, and that various modifications and variations can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, such modifications or variations will have to belong to the claims of the present invention.

도 1은 본 발명의 디젤필터를 엔진에 장착한 배기 시스템의 개념도,1 is a conceptual diagram of an exhaust system equipped with an engine of the diesel filter of the present invention;

도 2는 본 발명에 따른 디젤필터의 요부 구성에 대한 단면도,Figure 2 is a cross-sectional view of the main configuration of the diesel filter according to the present invention,

도 3은 도 2의 디젤필터를 절개하여 내부 구성을 나타낸 사시도,3 is a perspective view showing the internal configuration by cutting the diesel filter of FIG.

도 4는 본 발명의 변형예에 따른 디젤필터의 내부 구성을 나타낸 사시도,4 is a perspective view showing an internal configuration of a diesel filter according to a modification of the present invention;

도 5는 본 발명의 디젤필터에 대한 변형 가능한 다른 예를 나타낸 사시도,5 is a perspective view showing another modified example of the diesel filter of the present invention,

도 6은 본 발명에 따른 디젤필터의 soot 재생특성 결과를 나타낸 그래프,6 is a graph showing the soot regeneration characteristics of the diesel filter according to the present invention,

도 7은 본 발명을 금촉매 시스템에 적용하여 NOx제거 결과를 나타낸 그래프,7 is a graph showing the result of NOx removal by applying the present invention to a gold catalyst system;

도 8은 본 발명을 은촉매 시스템에 적용하여 NOx제거 결과를 나타낸 그래프,8 is a graph showing the result of NOx removal by applying the present invention to a silver catalyst system;

도 9는 본 발명을 금/은 복합 촉매 시스템에 적용한 결과를 예측한 그래프,9 is a graph predicting the result of applying the present invention to a gold / silver composite catalyst system,

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **** Explanation of symbols for main parts of drawings **

10, 20: 필터 30: 세라믹판10, 20: filter 30: ceramic plate

40: 전극40: electrode

Claims (5)

디젤필터와 탄화수소 공급장치를 구비하고 플라즈마 반응으로 디젤엔진 배출가스의 입자상물질을 제거하기 위하여 적어도 일면이 단위셀을 종횡으로 복수의 층으로 적층하여 배출가스의 벽유동을 유발하는 필터와; 상기 필터에 전원이 인가되게 전극을 구비하여 이루어지는 플라즈마 반응기 일체형 디젤필터에 있어서,A filter having a diesel filter and a hydrocarbon supplying device and having at least one surface stacked in a plurality of layers vertically and horizontally with a unit cell in order to remove particulate matter of the diesel engine exhaust gas by a plasma reaction; In the plasma reactor integrated diesel filter comprising an electrode so that power is applied to the filter, 상기 필터를 층으로 형성함과 아울러 내부에 금속성분의 전극을 수용하게 형성하면서 상,하에 적층되는 세라믹판을 포함한 구성으로 이루어짐을 특징으로 하는 플라즈마 반응기 일체형 디젤필터.Plasma reactor integrated diesel filter, characterized in that the filter comprises a ceramic plate laminated on the top and bottom while forming the filter to form a layer and accommodate the electrode of the metal component therein. 제 1 항에 있어서, 상기 필터를 적층하고 그 사이에 전극을 개재하여 이루어짐을 특징으로 하는 플라즈마 반응기 일체형 디젤필터.The plasma reactor integrated diesel filter according to claim 1, wherein the filter is stacked and an electrode is interposed therebetween. 제 1 항에 있어서, 상기 필터는 2단 적층구조에서 배출가스 유입이 1단과 2단간에 걸쳐 상호 대각선 방향에 형성된 통로를 통해 유입되게 배치 형성됨을 특징으로 하는 플라즈마 반응기 일체형 디젤필터.According to claim 1, wherein the filter is a plasma reactor integrated diesel filter, characterized in that the exhaust gas inlet is formed in a two-stage stacked structure through the passage formed in a diagonal direction between the first and second stages. 삭제delete 삭제delete