KR101178182B1 - 배기가스의 유동을 제어하는 디젤엔진의 매연정화장치 - Google Patents

배기가스의 유동을 제어하는 디젤엔진의 매연정화장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디젤엔진의 매연정화장치에 관한 것으로, 필터를 통과하는 배기가스의 유동 제어를 통해 필터 재생이 단시간 내에 신속하게 이루어질 수 있도록 함으로써 필터 재생 과정에서의 연료 소모를 절감할 수 있도록 하고, 필터 재생 과정에서 산소 농도가 증가하거나 배기 유량이 감소하여 필터가 고온화 될 때 필터의 열적 손상을 방지할 수 있도록 하는 배기가스의 유동을 제어하는 디젤엔진의 매연정화장치에 관한 것이다.
본 발명에 의한 배기가스의 유동을 제어하는 디젤엔진의 매연정화장치(A)는,디젤엔진의 배기가스 배출관에 설치되는 하우징 내에 촉매 컨버터와 필터가 마련되어 디젤엔진으로부터 배출되는 배기가스에 포함된 매연을 필터로써 포집하는 것이되, 필터에 포집된 매연의 농도가 일정 정도 이상에서 디젤엔진의 연소실에 연료가 추가 분사됨에 따라 인위적으로 배출되는 고온의 배기가스를 통해 하우징 내의 필터에 포집된 매연을 산화 소진하는 디젤엔진의 매연정화장치에 있어서,
하우징(10) 내의 필터(30) 후방 중앙에 700-1000℃에서 열팽창 하는 것이되 열팽창 정도가 상대적으로 작은 전면체(41)와 열팽창 정도가 상대적으로 큰 후면체(42)가 접합되어 이루어진 곡면형의 차단판(40)이 마련되는 것을 특징으로 하는 것이다.
디젤엔진, 매연정화장치, 하우징, 배기가스 유입구, 배기가스 유출구, 촉매 컨버터, 필터, 차단판, 열팽창, 유동, 제어, 재생, 손상

Description

배기가스의 유동을 제어하는 디젤엔진의 매연정화장치{ exhaust smoke purification device of diesel engine }
본 발명은 디젤엔진의 매연정화장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 필터를 통과하는 배기가스의 유동 제어를 통해 필터 재생이 단시간 내에 신속하게 이루어질 수 있도록 함으로써 필터 재생 과정에서의 연료 소모를 절감할 수 있도록 하고, 필터 재생 과정에서 산소 농도가 증가하거나 배기 유량이 감소하여 필터가 고온화 될 때 필터의 열적 손상을 방지할 수 있도록 하는 배기가스의 유동을 제어하는 디젤엔진의 매연정화장치에 관한 것이다.
경유를 연료로 하는 디젤엔진은 가솔린엔진에 비해 상대적으로 연료 비용이 저렴한 반면 열효율이 우수하여 대형 차량 등에 널리 적용되고 있다.
그러나 디젤엔진은 작동중에 다량의 매연을 발생시켜 환경 오염을 유발하게 되는 문제가 있었던바, 디젤엔진 제조사에서는 디젤엔진에 각종의 매연정화장치를 장착하여 매연정화장치를 통해 디젤엔진으로부터의 매연 발생을 최소화하고 있다.
한편, 기존 디젤엔진의 매연 정화방법의 하나로 필터를 통한 매연 정화방법(DPF: diesel particulate filter)이 있다.
필터를 통한 매연 정화방법은 배기가스 배출 경로에 필터를 마련하여 필터로써 배기가스에 포함된 매연을 포집하는 것으로, 배기가스가 외부로 배출되기 이전에 필터로써 매연을 포집하게 되므로 디젤엔진으로부터 최종 배출되는 배기가스에 포함되는 매연의 배출 정도를 줄일 수 있도록 하는 것이었다.
이와 같은 필터를 통한 매연 정화방법은 최종 배출되는 배기가스에 포함되는 매연의 배출 정도를 줄일 수 있도록 하는 것이기는 하였으나 필터를 통한 매연 포집과정이 지속되는 경우 포집된 매연이 필터의 공극을 막게 되어 배압 증가에 의해 연비가 떨어지게 되므로 필터에서의 매연 포집 정도가 일정 정도에 이르게 되면 필터로부터 포집된 매연을 제거하여 필터를 반복 사용('재생' 이라함)할 수 있도록 해 주어야만 하는 문제가 있었던 바, 필터에 포집된 매연이 일정 정도에 이르렀을 때 디젤엔진 내부에 연료를 추가 공급하여 인위적으로 고온의 배기가스를 배출함으로써 고온의 배기가스를 통해 필터에 포집된 매연을 산화 소진시키는 방법으로 필터를 재생하여 왔다.
이때 필터의 매연을 산화 소진하는 고온의 배기가스는 필터 중앙부로 유동이 집중되어 필터 중앙부의 매연을 먼저 산화 소진한 이후에 열전달에 의해 점차로 필 터 가장자리의 매연을 산화 소진하는 것이었던 바, 필터 중앙부에 포집된 매연 및 필터 가장자리에 포집된 매연을 산화 소진하기까지에는 상당한 시간이 소요되었으므로 재생에 따르는 연료 소모가 상당하게 되고 자칫 고온의 배기가스의 유동이 필터 중앙부로 장시간 집중될 경우 필터에 열적인 손상이 발생하게 되는 문제가 있었다.
이러한 이유로 디젤엔진 제조사에서는 필터를 재생하는데 소요되는 시간을 단축할 수 있도록 하고 필터 재생 과정에서 산소 농도 증가 또는 배기 유량 감소에 따른 고온화로 인한 필터의 열적 손상을 방지할 수 있도록 하는 디젤엔진의 매연정화장치 개발을 시도하고 있으나 현재까지에는 만족할 만한 결과물을 제시하지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 실정을 감안하여 안출한 것으로, 필터를 통과하는 배기가스의 유동 제어를 통해 필터 재생이 단시간 내에 신속하게 이루어질 수 있도록 함으로써 필터 재생 과정에서의 연료 소모를 절감할 수 있도록 하고, 필터 재생 과정에서 산소 농도가 증가하거나 배기 유량이 감소하여 필터가 고온화 될 때 필터의 열적 손상을 방지할 수 있도록 하는 배기가스의 유동을 제어하는 디젤엔진의 매연정화장치를 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 배기가스 유동을 제어하는 디젤엔진의 매연정화장치는,
디젤엔진의 배기가스 배출관에 설치되는 하우징 내에 촉매 컨버터와 필터가 마련되어 디젤엔진으로부터 배출되는 배기가스에 포함된 매연을 필터로써 포집하는 것이되, 필터에 포집된 매연의 농도가 일정 정도 이상에서 디젤엔진의 연소실에 연료가 추가 분사됨에 따라 인위적으로 배출되는 고온의 배기가스를 통해 하우징 내의 필터에 포집된 매연을 산화 소진하는 디젤엔진의 매연정화장치에 있어서,
하우징 내의 필터 후방 중앙에 700-1000℃에서 열팽창 하는 것이되 열팽창 정도가 상대적으로 작은 전면체와 열팽창 정도가 상대적으로 큰 후면체가 접합되어 이루어진 곡면형의 차단판이 마련되는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 의한 배기가스 유동을 제어하는 디젤엔진의 매연정화장치는 필터 후방의 중앙에 곡면형으로 된 차단판이 마련된 것인 바, 디젤엔진의 연소실에 연료를 추가 분사하여 고온의 배기가스로써 필터에 포집된 매연을 산화 소진 시키는 필터 재생과정에서 고안의 배기가스에 의해 차단판이 열팽창하여 배기가스의 유동을 필터 중앙부로부터 가장자리로 유도하게 되므로 필터 중앙부에 포집된 매연은 물론 필터 가장자리에 포집된 매연까지도 단시간 내에 산화 소진시킬 수 있어 필터 재생에 소요되는 시간을 단축할 수 있게 될 뿐만 아니라 필터 재생 과정에서 산소 농도가 증가하거나 배기 유량이 감소하여 필터가 고온화되더라도 필터의 열적 손상을 방지할 수 있게 되는 것이다.
이하, 첨부 도면에 의거 본 발명에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 의한 배기가스 유동을 제어하는 디젤엔진의 매연정화장치가 디젤엔진에 적용 형태를 보인 개략도이고, 도 2는 본 발명에 의한 배기가스 유동을 제어하는 디젤엔진의 매연정화장치의 구조를 설명하기 위한 단면도이며, 도 3은 본 발명에 의한 배기가스 유동을 제어하는 디젤엔진의 매연정화장치에서 차단판의 열팽창을 통한 배기가스의 유동 제어를 설명하기 위한 작동상태도이고, 도 4는 본 발명에 의한 배기가스 유동을 제어하는 디젤엔진의 매연정화장치 적용 이전과 이후의 필터 내부 매연 잔존량과 필터 전단부 배기온도 변화를 보인 그래프이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 배기가스 유동을 제어하는 디젤엔진의 매연정화장치(A)는 하우징(10)과, 촉매(Catalytic) 컨버터(20)와, 필터(30)와, 곡면형 차단판(40)으로 이루어진다.
상기 하우징(10)은 디젤엔진(100)의 배기가스 배출관(110) 중간에 위치하는 것으로, 전방에 배기가스 유입구(11)가 마련된 것이고, 후방에 배기가스 유출구(12)가 마련된 것이다.
이와 같은 하우징(10)은 디젤엔진의 연소실에 연료가 추가 분사됨에 따라 인위적으로 배출되는 고온의 배기가스를 통해 하우징 내의 필터에 포집된 매연을 산화 소진하는 디젤엔진의 매연정화장치에 통상적으로 사용되는 것인 바, 상세한 설명은 생략하는 바이다.
그리고 상기 촉매 컨버터(20)는 하우징(10)의 배기가스 유입구(11) 후방에 내장되는 것이고 상기 필터(30)는 하우징(10)의 배기가스 유출구(12) 전방에 내장되는 것이다.
이와 같은 카틸리스틱 컨버터(20) 및 필터(30) 또한 디젤엔진의 연소실에 연 료가 추가 분사됨에 따라 인위적으로 배출되는 고온의 배기가스를 통해 하우징 내의 필터에 포집된 매연을 산화 소진하는 디젤엔진의 매연정화장치에 통상적으로 사용되는 것인 바, 상세한 설명은 생략하는 바이다.
상기 곡면형 차단판(40)은 하우징(10) 내의 필터(30) 후방 중앙에 설치되는 것으로 700-1000℃에서 열팽창 하는 것이되 열팽창 정도가 상대적으로 작은 전면체와 열팽창 정도가 상대적으로 큰 후면체가 접합되어 이루어진 것이다.
이와 같은 곡면형 차단판(40)에서 전면체(41)가 후면체(42)에 비해 열팽창 정도가 작은 것(예: 후면체가 특정 온도에서 1.0mm 팽창하는 것이라면 전면체는 동일한 특정 온도에서 0.8mm 팽창하는 것)임으로써 곡면형 차단판(40)이 열팽창 할 때 전면체(41)와 후면체(42)의 열팽창 정도 차이로 인해 우산이 펼쳐지듯이 점차로 펼쳐질 수 있게 되며 가열에 의해 차단판(40)의 팽창이 최고조에 도달하였을 때 우산이 뒤집힌 듯한 형태가 될 수 있게 되므로 곡면형 차단판(40)의 형태 변화에 따른 배기가스의 유동장애에 의해 필터(30)를 통과하는 배기가스의 유동을 필터(30) 중앙부로부터 필터(30) 가장자리로 유도할 수 있게 된다.
이때, 곡면형 차단판(40)에 적용 가능한 금속으로 열팽창 정도가 작은 전면체(41)는 니켈과 철의 합금이 될 수 있고 열팽창 정도가 큰 후면체(42)는 구리와 아연의 합금이 될 수 있다.
한편, 곡면형 차단판(40)은 단독으로 고정이 불가한바, 하우징(10)의 배기가스 유출구(12) 전방에 방사상의 지지편(51)을 갖는 지지대(50)를 마련하여 지지대(50) 선단을 내측으로 오목한 곡면형 차단판(40) 후면 중앙에 고정하여 볼록하게 돌출된 곡면형 차단판(40) 전면이 필터(40) 후방의 중앙에 인접할 수 있도록 함으로써 곡면형 차단판(40)이 필터(30) 후방 중앙에 위치할 수 있게 된다.
상기와 같은 본 발명에 의한 배기가스 유동을 제어하는 디젤엔진의 매연정화장치(A)는 도 1에 도시된 바와 같은 상태로 디젤엔진(100)에 적용되어 매연을 정화하게 된다.
디젤엔진(100)이 비재생 운전일 경우 배기가스 온도는 700℃ 이하이므로 700-1000℃에서 열팽창 하는 곡면형 차단판(40)은 열팽창 없이 애초의 곡면형 상태를 유지하게 된다.
그러나 필터(30)에 포집된 매연의 농도가 일정 정도 이상이 되었을 때 디젤엔진(100)의 연소실에는 연료가 추가 분사되어 필터(30)를 통과한 배기가스 온도가 700-900℃에 이르게 되는 재생 운전 상태에서는 차단판(40)이 고온 배기가스에 의해 가열되어 열팽창 하는바, 열팽창한 차단판(40)이 배기가스의 진행을 막아 필터 후방에서 배기가스 유동장애를 일으켜 하우징(10) 내에서 필터(30)를 거치는 배기 가스의 유동을 제어하게 된다.
재생 단계별 차단판(40)의 작동에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
재생 운전 초기 상태에서 고온의 배기가스가 필터(30)에 가해진다 할지라도 차단판(40)은 필터(30)에서의 열 차단에 의해 충분히 가열된 상태가 아니므로 열팽창이 없어 도 3a에 도시된 바와 같이 애초의 곡면형을 유지하게 된다.
따라서 재생 운전 초기 상태에서 필터(30) 후방에서 차단판(40) 팽창에 의한 유동장애는 발생하지 않게 되므로 배기가스의 필터(30) 후방으로의 배출이 원활하게 이루어지며 고온 배기가스 유동은 필터(30) 중앙부로 집중되는바, 재생 운전 초기 상태에서는 고온 배기가스가 필터(30) 중앙부로 유동이 집중되어 특히, 필터(30) 중앙부에 포집된 매연을 산화 소진시킬 수 있게 된다.
상기와 같은 재생 운전 초기 이후 재생 운전 중기에 이르게 되면 필터(30) 중앙부에 포집된 매연이 고온 배기가스에 의해 발화되므로 필터(30) 후방에 위치하는 차단판(40)에 미치는 온도가 700℃ 이상에 이르게 되므로 차단판(40)이 가열되어 열팽창 하게 된다.
이때, 차단판(40)은 열팽창 정도가 다른 전면체(41)와 후면체(42)가 접합되어 이루어진 것이어서 열팽창 과정에서 전면체(41)와 후면체(42)의 열팽창 정도 차 이로 인해 도 3b에 도시된 바와 같이 우산이 펼쳐지듯 점차로 펼쳐지며 900℃에서 일자 형태(단면 형태로 보아 일자 형태이고 실제로는 원판 형태가 되는 것임)로 되어 필터(30) 중앙에서의 유동장애를 일으키게 되는바, 차단판(40)의 열팽창에 의해 배기가스의 진로가 막히며 필터(30)를 통과하는 배기가스 유동은 이전의 필터(30) 중앙부로부터 필터(30) 가장자리로 유도되어 배기가스 유동 제어에 의해 필터(30) 중앙부에 포집된 매연을 산화 소진하면서 단시간 내에 필터(30) 가장자리의 매연까지도 산화 소진시키게 되므로 필터 재생시 연료 소모를 절감할 수 있게 되는 것이다.
한편, 상기와 같은 재생 과정에서 디젤엔진(100)이 아이들링 상태 또는 오버런 상태가 될 경우 산소 농도 증가 및 배기 유량 감소에 의해 필터(30)는 900℃ 이상으로 고온화되므로 열적 손상이 발생할 수 있다.
그러나 본 발명에서 차단판(40)은 디젤엔진(100)이 아이들링 상태 또는 오버런 상태로 되어 산소 농도 증가 및 배기 유량 감소에 의해 필터(30)가 900℃ 이상으로 고온화될 경우 재생 운전 중기 상태에서와 같은 일자 형태에서 더욱 팽창하여 도 3c에 도시된 바와 같이 우산이 뒤집혀 펼쳐진 형태가 되므로 재생 운전 중기에 비해 더 크게 필터(30) 중앙에서의 유동장애를 일으켜 필터(30)를 통과하는 배기가스의 유동은 더욱더 필터(30) 가장자리로 유도되는바, 재생 운전 과정에서 디젤엔진(100)이 아이들링 상태 또는 오버런 상태가 된다 할지라도 열 분산에 의해 필터 고열화로 인한 열적 손상을 방지할 수 있게 된다.
상기와 같은 차단판(40)을 통한 배기가스 유동 제어가 가능한 본 발명에 의한 배기가스의 유동을 제어하는 디젤엔진의 매연정화장치(A)는 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명이 적용되기 이전에 비해 보다 단시간 내에 필터(30)의 매연 잔존량을 줄일 수 있도록 하므로 재생에 소요되는 연료를 절감할 수 있게 될 뿐만 아니라 재생 과정에서 필터(30) 고열화로 인한 열적 손상을 방지할 수 있게 되는 것이다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하므로 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 변경 가능한 것이며, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.
도 1은 본 발명에 의한 배기가스 유동을 제어하는 디젤엔진의 매연정화장치가 디젤엔진에 적용 형태를 보인 개략도
도 2는 본 발명에 의한 배기가스 유동을 제어하는 디젤엔진의 매연정화장치의 구조를 설명하기 위한 단면도
도 3은 본 발명에 의한 배기가스 유동을 제어하는 디젤엔진의 매연정화장치에서 차단판의 열팽창을 통한 배기가스의 유동 제어를 설명하기 위한 작동상태도
도 4는 본 발명에 의한 배기가스 유동을 제어하는 디젤엔진의 매연정화장치 적용 이전과 이후의 필터내 매연 잔존량과 필터 전단부 배기온도 변화를 보인 그래프
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 하우징 11 : 배기가스 유입구
12 : 배기가스 유출구 20 : 촉매 컨버터
30 : 필터 40 : 차단판
41 : 전면체 42 : 후면체
50 : 지지대 51 : 지지편
100 : 디젤엔진 110 : 배기가스 배출관
A : 디젤엔진의 매연정화장치

Claims (1)

  1. 디젤엔진의 배기가스 배출관에 설치되는 하우징 내에 촉매 컨버터와 필터가 마련되어 디젤엔진으로부터 배출되는 배기가스에 포함된 매연을 필터로써 포집하는 것이되, 필터에 포집된 매연의 농도가 일정 정도 이상에서 디젤엔진의 연소실에 연료가 추가 분사됨에 따라 인위적으로 배출되는 고온의 배기가스를 통해 하우징 내의 필터에 포집된 매연을 산화 소진하는 디젤엔진의 매연정화장치에 있어서,
    하우징 내의 필터 후방 중앙에 700-1000℃에서 열팽창 하는 것이되 열팽창 정도가 상대적으로 작은 전면체와 열팽창 정도가 상대적으로 큰 후면체가 접합되어 이루어진 곡면형의 차단판이 마련되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 유동을 제어하는 디젤엔진의 매연정화장치.
KR1020090111936A 2009-11-19 2009-11-19 배기가스의 유동을 제어하는 디젤엔진의 매연정화장치 KR101178182B1 (ko)

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KR100312347B1 (ko) 1999-08-26 2001-11-03 정주호 자동차의 배기가스 정화용 촉매 컨버터 조절장치

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