KR101292338B1 - 액상 연료를 사용하는 디젤엔진의 배기가스 정화용 버너의 연소방법 및 이를 이용한 버너장치 - Google Patents

Abstract

본 장치는 액체연료를 사용하는 엔진에서 미연소로 인해 발생하는 입자상물질을 제거하기 위한 버너의 연소방법 및 장치에 관한 것으로 정화장치의 필터에 포집되어진 입자상물질을 보다 효율적으로 연소시키기 위하여 액체연료를 다공성 흡입기에 흡착시켜 가스에 의하여 버블링되어 착화되는 장치이다. 장치에서 발생되는 화염은 버블링하는 가스량과 다공성 흡입기에 공급되어지는 연료량을 조절하여 화염의 온도와 화염의 길이를 조절하여 디젤입자필터에 포집되어진 입자상물질을 직접 연소시키고필터에 코팅되거나 첨가되어진 촉매의 반응에 필요한 열에너지를 공급하는 연소방법 및 버너장치이다.

Description

액상 연료를 사용하는 디젤엔진의 배기가스 정화용 버너의 연소방법 및 이를 이용한 버너장치{Combustion Method of Burner Apparatus For Purifying Exhaust Emissions of Diesel Engine using Liquefied Fuel and Burner Apparatus using the Method}

발명은 액상 연료를 사용하는 디젤엔진의 배기가스 정화용 버너의 연소방법 및 이를 이용한 버너장치에 관한 것으로,

보다 상세하게는 배기관상에 구비되어 배출되는 배기가스 중에 함유된 미립자인 입자상물질을 필터링 하는 디젤입자필터(DPF : Diesel Particulate Filter)를 정화하기 위한 연소 방법 및 버너장치로서, 상기 디젤입자필터에 부착 누적된 상기 입자상물질을 가열하여 정화하는 장치에서 연료와 가스를 공급하는 공급기와 점화수단 사이에 연료를 흡습하는 다공성 흡입기를 구성하여 다공성 흡입기의 기공을 통하여 버블링되어지는 연료에 착화하여 화염을 형성함으로써 보다 효율적으로 디젤입자필터를 정화하는, 버너의 연소방법 및 이를 이용한 버너장치에 관한 것이다.

일반적으로 버스, 트럭, 승용차와 같은 차량에 사용되는 디젤엔진은 연비가 낮으면서도 고출력 및 고부하의 운전이 가능하여 그 수요가 계속적으로 증가되고 있다.

그러나, 디젤차량에서 화석연료의 연소과정에서 완전히 연소되지 못하여 배출되는 입자상물질(PM ; Particulate Matter), 하이드로카본(Hydrocarbon), 질소산화물(NOx), 황화합물, 이산화탄소, 일산화탄소 등의 미연소물질은 대기 중으로 배출되어 오존층 파괴, 호흡기질환등 심각한 대기오염의 주요원인으로 알려져 있다.

최근에 이러한 대기오염을 줄여 지구환경을 살리기 위하여 세계 각국에서 기술을 개발하고 환경규제를 강화하여 내연기관의 배출가스를 줄이기 위한 연구가 진행 중이다.

대기오염은 주로 그 배기가스 중에 함유된 질소산화물과 미립자인 입자상물질에 의하는 것으로, 그 중 입자상물질을 저감시키는 방법으로는 디젤입자필터를 이용하여 입자상물질을 포집하고 그 포집되어진 입자상물질은 일반적으로 배기가스의 온도와 필터에 코팅되어진 촉매작용에 의하여 연소시키고 있다.

여기서 촉매는 배기가스가 보다 낮은 온도에서 연소반응이 이루어지도록 도와주거나 연소반응을 보다 빨리 진행되도록 도와주는 역할을 한다. 그리고 배기가스는 내연기관에 사용되어지는 연료에 따라 그 성분과 성상의 차이가 발생한다.

특히, 디젤입자필터를 이용함에 있어 가장 문제되는 것은 해당 필터에 점차적으로 부착 누적되는 입자상물질에 의해 결국 해당 필터의 기공이 막히게 되어 더 이상 배기가스가 통과하지 못하게 되므로 정기적으로 누적된 입자상물질을 제거해 주는, 이른바 디젤입자필터의 정화에 관한 문제이다.

상기의 입자상물질은 촉매반응으로 연소하기에는 반응온도가 높은데 경유를 연료로 사용하는 디젤엔진은 출력을 증가하기 위하여 냉각, 압축되어진 공기를 연소실로 밀어 넣어 압축, 폭발력은 증가시키므로 출력은 증가하나 엔진으로 유입되어진 과량의 공기로 배기가스의 온도가 낮아져 내연기관의 배기가스의 열로 촉매반응에 적합한 반응온도에 도달하지 못하는 문제가 발생 할 수 있다.

이와 같은 문제를 해결하기 위하여 디젤입자필터 전단에 포집되어진 입자상물질을 주기적으로 산화시키면서 촉매 반응을 위한 적절한 온도에도 도달할 수 있는 배기가스 정화장치가 요구된다.

종래의 배기가스 정화용 장치의 구성을 도 1에 도시된 일례를 참조하여 설명하면,

열에너지의 공급을 보조하기 위한 연료는 엔진(10)으로부터 나온 배기가스와 혼합된 후 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC)(11)로 유입되고, 상기 디젤산화촉매(11)에서는 상기 배기가스와 연료가 산화되어 열에너지를 발생하여, 디젤입자필터(12)를 정화할 수 있는 열의 공급원을 제공한다.

상기 디젤산화촉매(11)는 배기가스 중에 포함된 일산화탄소, 탄화수소, 입자상물질 중 가용성 유기물질 및 디젤입자필터 가열용으로 공급하는 연료를 연소시킨다.

상기 디젤입자필터(12)는 상기 디젤산화촉매(11)의 후단에 직렬 배치되는 것으로 디젤엔진으로부터 나오는 입자상물질을 필터에 포집시킴으로써 최종 배출되는 배기가스의 입자상물질을 저감시키는 역할을 한다. 또한 입자상물질이 일정량 이상 디젤입자필터에 포집되면 별개의 열에너지 제공 장치로서 디젤산화촉매(11)에 의하여 입자상물질을 연소하여 정화시킨다.

하지만 이는 배기가스와의 혼합성이 약하여 디젤산화촉매에서의 산화과정이 원활하지 못하는 문제점이 있었다.

이에 상기의 문제점을 해결하기 위하여 종래의 다른 실시예로써 도 2에 도시된 바와 같이 소형의 촉매반응기를 배기관내에 위치시켜 연료의 일부를 부분적으로 산화반응을 진행하여 차량의 운행 조건에 독립적으로 디젤입자필터의 정화가 가능한 시스템 구성을 제안하여 배기가스에 연료를 기화상태로 공급하여 배기가스와의 혼합성을 향상시켜 디젤산화촉매에서의 산화과정이 원활하게 이루어지도록 하였다(출원번호 10-2005-0111482).

도 2에 도시된 종래의 배기가스 정화용 버너장치는 배기가스를 연소/개질시키도록 연소개질촉매가 충진된 버너 하우징(21); 상기 버너 하우징(21) 내에 장착되어 배기가스 흡입콘으로 유입되는 배기가스의 양을 조절하는 공기흡입량 조절기구(23); 상기 조절기구(23)의 후단에는 촉매반응기(25) 내부로 배기가스를 유입하는 배기가스 흡입콘(22);과 상기 흡입콘(22)의 후단 상부에는 화염을 발생시키는 점화기(24); 그리고 상기 점화기(24) 후단에 배기가스 및 연료를 연소개질촉매에 의하여 개질하는 촉매반응기(25);가 일체로 설치되며, 상기 촉매반응기(25) 후단에 설치되어 상기 촉매반응기(25)로부터 배출되는 연소개질가스와 상기 촉매반응기(25)와 상기 버너 하우징(21) 사이로 흐르는 배기가스의 일부 혼합된 가연성 물질을 연소하기 위한 연소촉매판(26); 상기 버너 하우징(21)의 외부로부터 연결되어 연료를 공급하는 연료예열라인(27); 및 상기 연료예열라인(27)의 후단에 설치되어 상기 연소촉매를 경유한 연소가스와 상기 촉매반응기(25)와 상기 버너 하우징(21) 사이로 흐르는 배기가스를 혼합하는 혼합기(28);를 포함하여 이루어져 있다.

상기 도 2에 예시된 배기가스 정화용 버너장치는 그 작동에 있어 디젤입자필터의 전단의 점화기(24)는 전기를 이용한 히터를 장착하여 디젤입자필터를 가열하는 구조로 되어있다. 상기 히터를 가동하기 위하여 차량 또는 내연기관의 배터리를 이용하게 되어 히터의 가동횟수에 따른 전력이 많이 소모됨으로 인하여 배터리 용량이 부족하거나 배터리의 수명이 줄어드는 단점이 있다.

또한 히터의 전단의 상기 연료예열라인(27)에서 분사노즐을 이용하게 되는 경우 노즐에서 분사되어지는 연료가 미립자로 되는 것이 중요하다. 하지만 내연기관에서 발생하는 입자상물질에 연소되지 않은 연료가 흡착되어그을음상태로 존재하게 됨으로 인하여 분사노즐의 분사구멍을 막거나 분사 후 연료가 노즐에서 흘러 경화되어 분사가 비정상적으로 이루어지는 경우가 발생하게 되어 미립화되지 못한 연료로 인해 착화가 이루어지지 못하거나 불완전 연소가 발생하여 2차 오염 물질이 발생하게 된다.

따라서 상기의 배기가스 정화용 버너장치는 전력소모와 노즐 막힘, 2차 오염 등의 문제를 가지고 있다.

본 발명은 상기 종래 기술의 제반 문제점을 해결하고자 발명한 것으로,

내연기관에서 발생한 입자상물질이 포집되어진 디젤입자필터를 정화시키기 위하여 열에너지를 공급하는 내구성이 우수하고 차량의 전력 및 연료의 절약, 노즐 막힘과 2차 오염을 최소화하도록 연료를 미립화하는 다공성흡입기를 포함한 버너의 연소방법 및 배기가스 정화용 버너장치를 제공하고자 함에 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명인 액상 연료를 사용하는 디젤엔진의 배기가스 정화용 버너의 연소방법은,

디젤입자필터와 배기가스에 고온의 열에너지를 공급하기 위하여 분사된 연료를 흡습한 후 가스에 의해 버블링되어 미립화된 연료를 이용하여 점화시키는 방법을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 배기가스 정화용 버너장치는,

버너 장치의 외형을 유지하는 버너 하우징(31); 상기 버너 하우징(31)의 도입부에는 외부로부터 연결된 점화에 필요한 연료와 가스를 각각 또는 일체로 공급하는 공급관(33, 34); 상기 공급관(33, 34) 후단에 연료를 흡습하여 기공을 통하여 버블링되어지는 연료에 착화하여 화염을 형성하기 위하여 흡수력을 가진 여러 형태와 소재의 다공성 흡입기(32)와; 상기 다공성 흡입기 전단에 설치되어 다공성 흡입기에 미립화된 연료에 점화하여 열에너지를 발생하는 점화기(35); 상기 버너 하우징 내에 점화기(35), 연료펌프 및 공기펌프에 전원을 공급하는 전원부(36);를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명은 화석연료를 사용하는 과정에서 발생하는 배기가스 중의 입자상물질을 포집한 장치가 포집량의 한계로 교체 및 파손되는 것을 방지하고 사용 중에도 디젤입자필터를 재생하여 연속적으로 사용이 가능하도록 함으로써 연료량을 최소화하여 필터의 수명을 연장하고 불필요한 교체나 수리비용을 최소화한다.

또한 다공성 흡입기를 통한 혼합연료의 버블링을 이용한 버너를 사용함으로써 내연기관에서 발생하는 배기가스의 유량변화에 화염이 안정적으로 유지하며 연소열을 효율적으로 배기가스와 디젤입자필터에 전달하여 디젤입자필터의 촉매 산화반응을 도와주고, 고온으로 포집되어진 입자상물질을 산화시킬 수 있어 입자 필터의 정화시킨다.

그리고 일반 분사형 노즐 대신 다공성 흡입기를 사용하므로 노즐막힘을 방지하는 효과가 있다.

도 1은 종래기술의 연료분사에 의한 디젤입자필터 가열 시스템 구성도,
도 2는 종래 배기가스 가열장치의 단면도
도 3는 본 발명의 실시예 1에 따른 배기가스 가열장치의 단면도,
도 4는 다공성 흡입기에서의 기공의 크기에 따른 화염의 형태.

이하, 예시도면을 참조하여 본 발명에 따른 액상 연료를 사용하는 버너의 연소방법 및 이를 이용한 배기가스 정화용 버너장치의 일실시예에 대한 구성 및 작용을 상세하게 설명한다.

본 발명의 핵심은 액상 연료를 사용하는 버너의 연소방법 및 이를 이용한 디젤엔진의 배기가스 정화용 버너장치를 구성함에 있어서 종래 배기가스 정화장치에서의 점화기에 공급되는 혼합연료를 보다 안정적으로 공급하여 필터의 재생 및 전력상의 효율 향상 및 노즐막힘을 방지하기 위하여 다공성 흡입기를 부착한 배기가스 정화용 버너의 연소방법 및 연소장치라는 점이다.

도 3은, 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 정화용 버너장치의 구성도를 나타낸 것으로, 배기관 내부의 버너 하우징(31), 다공성 흡입기(32), 연료공급관(33), 가스공급관(34), 점화기(35), 전원부(36)로 이루어진다.

상기 버너 하우징(31)은 점화기(35)에 의하여 발생한 열에너지가 배기가스와 디젤입자필터에 안정적으로 전달될 수 있도록 유도하며 배기가스 정화용 버너장치의 본체를 형성한다.

상기 연료공급관(33)은 버너 하우징(31)의 외부로부터 점화에 필요한 연료를 공급하며 상기 가스공급관(34)은 연료를 버블링 하기 위한 가스를 공급한다.

상기 연료공급관(33)과 가스공급관(34)은 각각 별개로 또는 일체로 버너 하우징(100)내에 설치되어 연료 및 가스를 다공성 흡입기(32)에 공급한다.

상기 연료공급관(33)과 가스공급관(34)이 별개로 존재하는 경우 연료공급관(33)은 가스공급관(34)의 상단에 위치하고 다공성 흡입기(32)에 가스공급관(34)보다 가까이 위치하여 도 4에 도시한 바와 같이 연료가 다공성 흡입기에 퍼져 흡착된 상태에서 가스를 분사하여 보다 향상된 버블링을 형성하도록 한다.

상기 점화기(35)는 상기 다공성 흡입기(32)의 후단에 위치하여 디젤입자필터의 재생을 위하여 열에너지를 발생시킨다. 전원부(36)로부터 연결된 두 전극 사이의 불꽃을 이용한 전기 히터 방식으로 연료공급관(33)에서 분사된 연료를 점화시킬 정도의 온도가 요구된다.

상기 다공성 흡입기(32)는 연료공급관(33)에서 분사된 연료가 흡착되고 가스에 의하여 연료를 버블링시켜 미립자로 만들어 안정적이고 향상된 화염이 형성되도록 한다.

상기 다공성 흡입기(32)의 형상은 판형, 벌집형, 다각형, 유선형 구조로 이루어질 수 있다. 그 중에서도 공간적 문제로 인하여 버너 하우징(31)의 형태에 따른 판형이 바람직하다.

이러한 다공성 흡입기(32)는 노즐로부터 분사되는 연료를 버블링하여 보다 미립자 형태로 바꾸어 주는 것으로써 미립자의 크기 및 연료의 번짐의 정도에 따라 점화시 열에너지의 양이 달라지고 그에 따라 본 발명의 목적인 필터의 재생 및 전력 소모상의 효율 향상, 노즐막힘의 방지의 정도가 변경된다.

따라서 이러한 다공성 흡입기(32)에서 연료가 번지고 버블링될 때 그 연료의 번짐의 정도 및 미립자의 크기는 연료의 표면장력과 가스량에 따라 다소의 차이가 있지만 연료의 표면장력은 그 연료의 종류에 따라 결정되며 가스량의 제어는 다공성 흡입기의 소재에 따른 차이가 있다.

경유가 점화되면 화염의 복사열과 전도열이 다공성 흡입기(32)에 영향을 주므로 고온에서 사용이 가능한 소재를 선택한 것으로 이외에 열에 대한 인성 및 다공성을 가지거나 연료의 표면장력, 모세관현상에 의하여 연료를 흡수, 흡착이 가능한 형태의 소재는 사용이 가능하다.

상기 전원부(36)는 차량의 밧데리로부터 점화기(35)의 전극에 전원을 공급한다.

도 4(a)는 기공의 크기가 1 ㎛일 때 연료가 다공성 흡입기에 흐르는 상태를 도시한 것이고, 도 4(b)는 기공의 크기가 10 ㎛일 때 연료가 다공성 흡입기에 흐르는 상태를 도시한 것이며, 도 4(c)는 기공의 크기가 100 ㎛일 때 연료가 다공성 흡입기에 흐르는 상태를 도시한 것이다.

도 4(a), (b), (c)에 도시된 바와 같이 다공성 흡입기(32)에서의 기공의 크기가 증가하면 연료가 다공성 흡입기(32)의 표면을 더 빨리 흘려 내려 각 기공별로 화염이 아래로 내려가 형성하고 면적이 줄어드는 현상이 발생하므로 동일량의 가스로 버블링한 경우 화염의 길이가 길어지며 전체적으로 화염의 면적이 좁아져 다공성 흡입기의 중앙에 화염이 형성되지 못하는 현상이 발생한다.

본 명세서에는 본 발명에 따른 다공성 흡입기(32)를 포함한 액상 연료를 사용하는 버너의 연소방법 및 이를 이용한 디젤엔진의 배기가스 정화용 버너장치의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 특허청구범위 및 첨부도면의 범위 내에서 다양하게 변형되어 실시될 수 있으며, 이것 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.

31 버너 하우징 32 다공성 흡입기
33 연료공급관 34 가스공급관
35 점화기 36 전원부

Claims (6)

1. 디젤입자필터를 재생하기 위한 배기관내의 열에너지를 공급하기 위하여 사용되는 버너장치에 있어서,
   버너 장치의 외형을 유지하는 버너 하우징(31);
   상기 버너 하우징(31)의 도입부에는 외부로부터 점화에 필요한 액상 연료를 공급하는 연료공급관(33);
   다공성 흡입기(32)에 흡착된 액상 연료를 버블링하기 위하여 외부로부터 상기 버너 하우징(31)의 도입부에 가스를 공급하는 가스공급관(34);
   내부에 다수의 기공을 포함하여 상기 연료공급관(33)에서 공급된 액상 연료가 흡착되도록 하고 상기 가스공급관(34)에서 공급된 가스가 상기 기공을 통과할 때 상기 액상 연료를 버블링시켜 미립자로 만들도록 하는 다공성 흡입기(32);
   상기 다공성 흡입기(32) 후단에 설치되어 다공성 흡입기(32)에 미립화된 액상 연료에 점화하여 열에너지를 발생하는 점화기(35);
   상기 버너 하우징(31) 내에 점화기(35), 연료펌프 및 공기펌프에 전원을 공급하는 전원부(36);를 포함하여 이루어진 배기가스 정화용 버너장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 연료공급관(33)과 가스공급관(34)이 일체로 결합되어 하나의 공급관을 통하여 액상 연료와 가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 버너장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 가스공급관(34)내의 공급되는 가스는 공기, 조연성 가스 또는 가연성 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 버너장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 다공성 흡입기(32)의 형상은 판형, 벌집형, 다각형 또는 유선형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 버너장치.
5. 제1항에 있어서
   상기 다공성 흡입기(32)의 소재는 세라믹, 유리 또는 금속재질인 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 버너장치.
6. 디젤입자필터를 재생하기 위한 배기관내의 열에너지를 공급하기 위하여 사용되는 배기가스 정화용 버너의 연소방법에 있어서,
   디젤입자필터와 배기가스에 고온의 열에너지를 공급하기 위하여 다공성 흡입기(32) 전단에 액상 연료를 공급하고 다공성 흡입기(32)에 액상 연료가 흡습된 후 공급된 가스 중 기공을 통과한 가스에 의해 다공성 흡입기(32) 후단에 액상 연료를 버블링시켜 미립화한 후 미립화된 액상 연료를 점화시켜 연소된 화염을 디젤입자필터와 배기가스에 방사하는 배기가스 정화용 버너의 연소방법.

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