KR100569966B1

KR100569966B1 - 배기계의 미세 입자상물질 제거장치 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR100569966B1
Application number: KR1020040071726A
Authority: KR
Inventors: 이정훈
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2004-09-08
Filing date: 2004-09-08
Publication date: 2006-04-10
Also published as: KR20060022930A

Abstract

본 발명은 배기가스의 후처리 과정에서 미처 제거되지 않은 미세 입자들의 연소에 온도구배를 주므로서 보다 효과적인 미세 입자의 연소가 이루어질 수 있도록 하기 위한 배기계의 미세 입자상물질 제거장치 및 그 제어방법에 관한 것으로,

배기가스에 포함된 입자상물질을 제거하기 위한 DPF 시스템에서 미처 연소되지 못한 미세입자의 연소를 위해 배기 파이프의 도중에 장치되는 미세 입자상물질 제거장치에 있어서,

상기한 배기 파이프의 소정구간에 위치되는 소정길이의 하우징과; 상기 하우징의 중앙부에 길이방향으로 형성되는 열선과; 상기한 열선이 위치된 구간의 하우징의 내측면에 형성되는 원통형상이며 그 표면은 하니컴 형상으로 형성된 콜드 플레이트와; 상기한 열선 측과 콜드 플레이트 측의 온도 측정을 위해 상기 양 부재에 각각 형성되는 제1온도 센서 및 제2온도 센서와; 상기한 제1온도 센서와 제2온도 센서에서 측정된 온도를 입력받아 상기 열선의 발열을 결정하는 제어부; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

미세 입자상물질, DPF, 열선, 콜드 플레이트, 열영동

Description

배기계의 미세 입자상물질 제거장치 및 그 제어방법{Apparatus to remove the particulate matters in exhaust pipes and controlling method thereof}

도 1은 본 발명에 의해 구성된 미세 입자상물질 제거장치의 구성도.

도 2는 본 발명에 의한 장치의 단면상태도.

도 3은 본 발명에 의한 장치가 차량의 배기계에 적용된 사용상태도.

도 4는 본 발명에 의한 입자상물질 제거장치의 제어를 위한 플로우차트.

도 5는 종래의 기술을 설명하기 위한 도면.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

20 : DPF 21 : 엔진

22 : 배기 파이프 30 : 미세 입자상물질 제거장치

32 : 하우징 40 : 열선

50 : 콜드 플레이트 60 : 제어부

62 : 제1온도 센서 64 : 제2온도 센서

본 발명은 배기계의 미세 입자상물질 제거장치 및 그 제어방법에 관한 것으 로, 보다 상세하게는 배기가스의 후처리 과정에서 미처 제거되지 않은 미세 입자들의 연소에 온도구배를 주므로서 보다 효과적인 미세 입자의 연소가 이루어질 수 있도록 하기 위한 배기계의 미세 입자상물질 제거장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.

디젤 엔진은 뛰어난 연비, 출력 등에도 불구하고 디젤 엔진의 특성상 배출가스 중에는 가솔린 엔진과는 달리 NOx, 입자상물질(PM, Paticulate Material)이 상당량 배출된다. 배기가스와 함께 배출되는 NOx와 PM은 서로 반비례 관계가 있기 때문에 NOx의 배출량이 감소되면 PM의 배출량이 증가되는 반면, PM의 배출량이 줄게 되면 상대적으로 NOx의 배출량이 증가되는 현상을 보이게 된다.

특히, 입사상물질(PM)은 대기를 오염시키는 주원인이 되는데, 이러한 입사상물질의 배출량을 줄이기 위해 디젤 차량 등에 장치되는 것이 바로 디젤 입자상물질 제거 시스템(DPF System)이다. 디젤 입자상물질 제거 시스템에서는 디젤 엔진으로부터 배출되는 PM을 필터 내에서 물리적으로 포집한 후, 일정온도 이상으로 승온하여 PM을 제거하게 된다.

상기와 같은 디젤 엔진에서 배출되는 입사상물질은 DPF 시스템을 통과하는 과정에서 대부분이 제거된다. 하지만 입사상물질의 중량 측면에서는 0.1 ~ 10㎛의 입자들을 차지하고 있으며, 0.01 ~ 0.1㎛의 미세 입자들은 그 수량은 많으나 제거되지 않는 실정이다. 이와 같이 중량비율로는 미미하지만 입자수량 측면에서는 대부분을 차지하고 있는 미세입자들은 호흡기 계통에 흡착되는 비율이 높아 인체에 유해하다고 알려져 있다. 한편, 2.5㎛이상의 입자는 코 및 기관지 등의 호흡기에서 걸러지지만 0.1㎛이하의 미세입자들은 폐 내부로 깊게 침투하고 비표면적이 넓어 폐를 손상시킬 수 있다고 알려져 있어, 앞으로 디젤 배기 PM과 관련해서 미세입자의 저감이 필수적이라고 할 수 있다.

도 5는 종래의 DPF 시스템과 같은 후처리 과정에서 미처 제거되지 못한 미세입자들을 제거하기 위한 종래의 장치(미국특허 5,199,257호)로, 배기 파이프(10)의 도중에 유체의 흐름방향과 수직방향이 되도록 원형 격자형태의 도체선(12)이 설치되고, 유체흐름방향과 평행이 되도록 전극봉(14)이 배열된 장치이다. 이 장치에 의하면, 배기 파이프(10)로 배기가스가 통과되는 과정에서 전극봉(14) 사이로 입사상물질이 지나면서 주변의 유전율이 낮아짐으로 인해 입사상물질로의 스파크 방전이 유도되므로서 입사상물질이 연소된다.

그러나 상기와 같은 장치에서도 입자의 크기가 0.1㎛ 이하의 미세입자는 연소 후에도 여전히 존재하게 되는 등 입자상물질의 충분한 연소효과를 얻지는 못하는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 배기가스의 후처리 과정에서 미처 제거되지 않은 미세 입자들의 연소에 온도구배를 주므로서 보다 효과적인 미세 입자의 연소가 이루어질 수 있도록 하기 위한 배기계의 미세 입자상물질 제거장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서,

배기가스에 포함된 입자상물질을 제거하기 위한 DPF 시스템에서 미처 연소되 지 못한 미세입자의 연소를 위해 배기 파이프의 도중에 장치되는 미세 입자상물질 제거장치에 있어서,

상기한 배기 파이프의 소정구간에 위치되는 소정길이의 하우징과;

상기 하우징의 중앙부에 길이방향으로 형성되는 열선과;

상기한 열선이 위치된 구간의 하우징의 내측면에 형성되는 원통형상이며 그 표면은 하니컴 형상으로 형성된 콜드 플레이트와;

상기한 열선 측과 콜드 플레이트 측의 온도 측정을 위해 상기 양 부재에 각각 형성되는 제1온도 센서 및 제2온도 센서와;

상기한 제1온도 센서와 제2온도 센서에서 측정된 온도를 입력받아 상기 열선의 발열을 결정하는 제어부; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 미세 입자상물질 제거장치의 구성 및 작동방법에 대한 바람직한 실시예를 첨부한 도면과 함께 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 의해 구성된 미세 입자상물질 제거장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 의한 장치의 단면상태도이며, 도 3은 본 발명에 의한 장치가 차량의 배기계에 적용된 사용상태도이고, 도 4는 본 발명에 의한 미세 입자상물질 제거장치의 제어를 위한 플로우차트이다.

도면 중에 표시되는 도면부호 30은 본 발명에 의한 미세 입자상물질 제거장치를 지시하는 것이고, 도면부호 20은 DPF를 지시하는 것이다.

상기한 DPF(20)는 엔진(21)에서 배출되는 배기가스를 차량의 후방측으로 안 내하기 위한 배기 파이프(22)의 도중에 원통형상으로 구성된 미세 입자상물질 제거장치(30)의 하우징(32)이 소정길이로 장착된다.

상기한 미세 입자상물질 제거장치(30)의 하우징(32) 내부에는 본 발명에서 주요구성요소가 되는 열선(40)과 콜드 플레이트(50)가 수용되는데, 상기 열선(40)과 콜드 플레이트(50)는 열영동(Thermophoresis)을 위한 온도구배의 환경이 조성될 수 있도록 하기 위한 것이다.

하우징(32) 내부에서 열영동 현상에 의한 온도구배가 이루어질 수 있도록 하기 위해서 열선(40)은 하우징(32)의 중앙부에 길이방향으로 배선되고, 상기 콜드 플레이트(50)는 하우징(32)의 내벽측에 수용된다.

콜드 플레이트(50)는 비교적 비열이 큰 재질인 알루미나, 실리카 등의 재질로 형성되는 일종의 담체이다. 특히, 원통 형상의 하우징(32)의 내경 측에 수용될 수 있도록 콜드 플레이트(50)도 원통형상으로 형성되고, 그 표면에는 하니컴 형상으로 다수의 기공이 형성되어 촉매담체의 역할을 수행하도록 구성된다.

한편, 상기한 열선(40) 측과 콜드 플레이트(50) 측의 온도차를 측정하기 위한 제1온도 센서(62)와 제2온도 센서(64)가 상기 열선(40)의 주변과 콜드 플레이트(50)의 도중에 각각 장착된다.

상기한 제1온도 센서(62)와 제2온도 센서(64)에서 측정되는 온도는 제어부(60)로 입력되고, 상기 제어부(60)에는 각각의 온도 센서에서 측정된 온도를 프로세싱하여 제어부(60)에 기설정된 설정온도차와 비교될 수 있도록 한다. 또한, 상기한 제어부(60)는 측정온도차가 설정온도차보다 낮을 경우에는 열선(40)에 전원부( 미도시)의 전원이 인가되도록 설정된다.

예를 들어, 상기한 제어부(60)에 설정된 설정온도차가 100℃로 설정되었을 경우에, 배기가스가 통과되는 하우징(32) 내의 열선부분의 온도가 300℃이고 콜드 플레이트(50) 주변을 지나는 온도가 250℃로 측정된다면, 상기한 제어부(60)에서는 열선(40)으로 전원이 공급되어 열선(40)이 발열되도록 구성되는 것이다.

이상과 같이 구성된 미세 입자상물질 제거장치는 도 5에 도시된 플로우차트의 단계에 의해서 작동되어진다.

우선, 상기한 제어부(60)에서는 DPF(20)의 작동신호를 입력받아 DPF(20)가 작동중에 있는지를 판단하게 된다.

그리고 DPF(20)가 작동중에 있는 것으로 판단되면, 제1온도 센서(62) 및 제2온도 센서(64)에서 열선 주변의 온도(T_coil)와 콜드 플레이트의 온도(T_wall)의 온도를 측정하게 된다.

상기한 단계에서 측정된 온도차(T_wall - T_coil)가 설정온도차(T)보다 낮은 상태인가를 비교 판단하게 된다. 이 온도차 비교단계에서 측정온도차(T_wall - T_coil)가 설정온도차(T)보다 낮은 상태인 것으로 판단되면, 제어부(60)에서는 열선(40)으로 전원부의 전원이 공급되도록 제어한다.

상기한 단계에서 열선(40)으로 전원이 인가되어 고열이 발열되면, 온도가 높은 측에서 낮을 측을 향하여 미세입자들이 이동하게 되는 열영동 현상에 의해서 DPF(20)에서 연소되지 못한 0.1㎛ 이하의 미세입자들이 콜드 플레이트(50)를 향하 면서 연소되거나 콜드 플레이트(50)에 달라붙게 된다.

한편, 상기한 온도차 비교단계에서 측정온도차(T_wall - T_coil)가 설정온도차(T)보다 높은 상태인 것으로 판단되면, 제어부(60)에서는 열선(40)으로 전원이 공급되지 않도록 제어하게 된다.

이상과 같이 구성된 본 발명은 DPF에서 완전히 연소처리되지 못한 0.1㎛ 이하의 미세 입자상물질들이 온도구배에 따른 열영동현상에 의해서 배기가스가 통과되는 파이프의 중앙부에서 벽면측에 마련된 콜드 플레이트를 향하여 이동되는 과정에서 열선에서 발열되는 고온에 의해서 연소되거나 콜드 플레이트에 달라붙게 되므로서 대기중으로 방출되는 입자상물질의 양을 보다 효과적으로 줄일 수 있는 커다란 장점이 있는 것이다.

Claims

배기가스에 포함된 입자상물질을 제거하기 위한 DPF 시스템에서 미처 연소되지 못한 미세입자의 연소를 위해 배기 파이프의 도중에 장치되는 미세 입자상물질 제거장치에 있어서,

상기한 배기 파이프(22)의 소정구간에 위치되는 소정길이의 하우징(32)과;

상기 하우징(32)의 중앙부에 길이방향으로 형성되는 열선(40)과;

상기한 열선(40)이 위치된 구간의 하우징(32)의 내측면에 형성되는 원통형상의 콜드 플레이트(50)와;

상기한 열선(40) 측과 콜드 플레이트(50) 측의 온도 측정을 위해 상기 양 부재에 각각 형성되는 제1온도 센서(62) 및 제2온도 센서(64)와;

상기한 제1온도 센서(62)와 제2온도 센서(64)에서 측정된 온도를 입력받아 상기 열선(40)의 발열을 제어하는 제어부(60); 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 배기계의 미세 입자상물질 제거장치.
제 1 항에 있어서,

상기한 콜드 플레이트(50)이 표면은 하니컴 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 배기계의 미세 입자상물질 제거장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기한 콜드 플레이트(50)의 재질은 알루미나, 실리카 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 배기계의 미세 입자상물질 제거장치.
제 1 항에 의해 구성된 장치의 제어방법에 있어서,

DPF의 작동신호를 입력받는 단계와;

상기 단계에서 입력된 신호에 의해 DPF가 작동중인지 판단하는 단계와;

상기 판단단계에서 DPF가 작동중인 것으로 판단되면, 제1온도 센서 및 제2온도 센서에서 온도를 측정하는 단계와;

상기 온도측정단계에서 측정된 열선 측과 콜드 플레이트 측의 온도차가 설정온도차 이하인지를 판단하는 단계와;

상기 온도차 비교단계에서 측정온도차가 설정온도차보다 낮을 경우 상기 열선이 발열되도록 열선에 전원이 인가되는 단계; 를 포함하여 작동이 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기계의 미세 입자상물질 제거장치의 제어방법.
제 4 항에 있어서,

상기한 온도차 비교단계에서 측정온도차가 설정온도차보다 클 경우에 열선의 발열이 멈추도록 열선에 전원이 차단되는 단계; 를 더 포함하여 작동이 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기계의 미세 입자상물질 제거장치의 제어방법.