KR102442011B1 - 선박 엔진의 매연 저감장치 - Google Patents

선박 엔진의 매연 저감장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선박 엔진의 매연 저감장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 선박 엔진의 매연 저감장치는 선박의 디젤 엔진 후단에 배치되는 매연 저감장치에 있어서, 하우징, 상기 하우징 내에 배치되어 입자상 물질을 여과시키는 DPF(Diesel Particulate Filter)가 장착된 매연 여과부 및 상기 매연 여과부 후방에 설치되어 전방의 상기 DPF를 향하여 고압의 기체를 분사시켜 필터에 포집된 입자를 이탈시켜 DPF를 재생시키는 기체 세정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

선박 엔진의 매연 저감장치{EXHAUST FUMES REDUCTION APPARATUS FOR DIESEL ENGINE OF VESSEL}
본 발명은 선박 엔진의 매연 저감장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 선박용 디젤 엔진에서 배출되는 매연을 DPF(Diesel Particulate Filter)로 여과시켜 배출시키는 배기가스 선박 엔진의 매연 저감장치에 관한 것이다.
디젤 엔진은 엔진의 내구성이 높고 효율이 높아 연비 및 출력 면에서 성능이 우수하다. 하지만, 디젤 엔진에서 배출되는 배기가스에는 유해가스 및 미세입자 등의 오염물질이 다량 포함되어 있어서 대기오염의 주범으로 인식되고 있다.
미세먼지 관리 종합대책, 항만 지역 대기질 개선에 관한 특별법, 환경 친화적 선박의 개발 및 보급 촉진에 관한 법의 적용에 따라, 항만 선박 분야에 대해서도 미세먼지 저감 강화 방안을 마련하고 이에 대한 과학기술적 대책을 마련하는 것이 필요하다. 특히, 현재 운행 중 선박 중 디젤 연료를 사용하는 내수 연안 선박에 대하여 미세먼지 저감 방안을 마련하는 것이 필요하다.
디젤 엔진의 배기가스를 저감시키기 위해 DPF(Diesel Particulate Filter)를 사용하는 기술이 널리 알려져 있다. DPF는 세라믹이나 금속재질의 미세관이 벌집모양으로 서로 교차하여 연동하도록 형성되는데, 엔진에서 배출되는 인체에 유해한 입자상 물질을 여과하여 배기관 외부로 배출시키도록 한다.
하지만, 장시간 사용으로 인해 DPF에 입자상 물질이나 그을음 또는 재 등이 축적되어 필터가 막히게 되는데, 이로 인해 배압이 증가하여 엔진의 성능 저하 및 연비 저하가 유발될 수 있으며 대기 오염 물질이 더 많이 발생하는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 주기적으로 DPF를 재생시키는 기술이 필요하다.
종래 자용차용 DPF를 재생시키기 위한 방법으로 자연재생, 강제재생 등의 방법이 알려져 있다. 하지만, 배기관이 해수에 접하고 구조가 복잡한 선박용 디젤 엔진의 DPF에 자용차용 방법을 적용하는 것은 쉽지 않다.
자연재생 방법은 DOC-DPF 방법으로 귀금속 촉매를 코팅시켜 화학적 반응으로 필터를 재생시키는 방법이다. 반응을 위해 300도 이상의 적정 온도가 요구된다. 하지만, 선박의 경우 배기 배관의 길이가 길어 배기 온도가 낮고, 특히 배기관 내에 냉각수를 분사해야 하는 조건 때문에 적정의 재생 온도를 유지하는 것이 어렵다는 문제가 있다. 또한, 고가의 귀금속을 코팅해야 하기 때문에 보급 기술 개발에 부담이 된다는 문제가 있다.
또한, 버너 또는 히터를 이용하는 강제재생 방법은 별도의 부대 시설이 필요하며, 선박안전 관리법상 저촉 사항 때문에 버너 또는 히터를 적용하는 것이 어렵다는 문제가 있다.
따라서, 선박이라는 특수한 환경을 고려하고 설치가 용이하며 친환경 설비의 보급 확산을 위하여 저렴한 매연 저감장치의 개발이 필요하다.
대한민국 등록특허 제10-1569885호
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 종래 자연재생, 강제재생에서 사용하는 화학적 반응의 세정 방식이 아닌 공기와 물을 이용한 물리적 분리 방법을 이용하여 DPF를 재생하므로, 구성이 간단하고 설치 비용이 저렴하며 장시간 안정적으로 운전이 가능한 선박 엔진의 매연 저감장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 목적은 DPF 전방에 하전부를 구비하여 전기적인 인력과 입자의 관성력을 함께 이용하여 매연 입자를 포집하도록 하여 매연 여과 성능이 뛰어난 선박 엔진의 정전 매연 저감장치를 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 선박의 디젤 엔진 후단에 배치되는 매연 저감장치에 있어서, 하우징; 상기 하우징 내에 배치되어 입자상 물질을 여과시키는 DPF(Diesel Particulate Filter)가 장착된 매연 여과부; 및 상기 매연 여과부 후방에 설치되어 전방의 상기 DPF를 향하여 고압의 기체를 분사시켜 상기 DPF에 포집된 입자를 이탈시켜 상기 DPF를 재생시키는 기체 세정부를 포함하는 선박 엔진의 매연 저감장치에 의해 달성될 수 있다.
여기서, 상기 매연 여과부 전방에 설치되어 후방의 상기 DPF를 향하여 물을 분사하는 수 세정부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 수 세정부는 미세 액적을 분사시키는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 수 세정부는 상기 기체 세정부의 동작 전 또는 동작 후에 동작하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 기체 세정부는 고압의 압축기체를 저장하는 기체 저장탱크; 및 상기 하우징을 관통하여 상기 하우징 내부에서 상기 DPF를 향하도록 배치되어 상기 기체 저장탱크에 저장된 고압의 압축기체를 공급받아 분사하는 기체 분사노즐을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 DPF는 상기 하우징 내에 원주 방향으로 병렬로 복수 개 배치되고, 상기 기체 분사 노즐은 각각의 DPF에 대응되도록 복수 개 배치될 수 있다.
여기서, 상기 DPF는 금속으로 형성되고, 상기 매연 여과부 전방에 입자상 물질을 하전시키는 하전부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 하전부는 매연이 유동하도록 관통하는 중공 형성된 원통형 전극이 병렬로 다발로 형성되는 관다발부; 및 상기 원통형 전극 각각에 대하여 내부에 삽입되어 고전압이 인가되는 전극부를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 선박 엔진의 매연 저감장치에 따르면 배기가스가 잘 통하는 개방형 구조로 인해 배관 내 배압 증가가 적어 운전 안정성이 뛰어나고, 기체(공기) 세정 또는 수 세정의 물리적 방법으로 DPF를 재생시켜 장시간 안정적으로 운전이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 재생을 위해 추가되는 장치의 크기가 작아 설치가 용이하고 귀금속 촉매를 사용하지 않아 저렴하다는 장점이 있다.
또한, 전기적인 인력과 입자의 관성력을 이용하여 매연 입자를 포집하기 때문에 매연 여과 성능이 뛰어나다는 장점도 있다.
또한, 기공율이 높은 DPF를 사용하여도 여과 성능이 보장됨에 따라서 전체 시스템의 배압을 줄일 수 있고, 설치 기구의 크기가 작아 설치가 용이하다는 장점도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 엔진의 매연 저감장치의 개념을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 엔진의 매연 저감의 사시도이다.
도 3은 도 2의 측면도이다.
도 4는 하전부의 내부를 도시하는 사시도이다.
도 5는 하전부의 내부를 도시하는 측면도이다.
도 6은 본 발명에서 사용되는 금속 소재의 DPF의 일 예를 도시한다.
도 7은 운전 시간에 따른 DPF의 차압 증가 추세를 도시하는 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따라 수 세정을 수행하는 경우 운전 시간에 따른 DPF의 차압 추세를 도시하는 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따라 공기 세정 및 수 세정을 수행하는 경우 운전 시간에 따른 DPF의 차압 추세를 도시하는 그래프이다.
실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 선박 엔진의 매연 저감장치를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 엔진의 매연 저감장치의 개념을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 엔진의 매연 저감의 사시도이고, 도 3은 도 2의 측면도이고, 도 4는 하전부의 내부를 도시하는 사시도이고, 도 5는 하전부의 내부를 도시하는 측면도이고, 도 6은 본 발명에서 사용되는 금속 소재의 DPF의 일 예를 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박 엔진의 매연 저감장치는 하우징(100), 매연 여과부(130) 및 기체 세정부(140)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 하전부(110) 또는 수 세정부(120)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 선박 엔진의 매연 저감장치는 선박의 디젤 엔진으로부터 발생한 배기가스가 배출되는 배기관에 설치되어 배기가스에 포함된 미세입자를 여과시켜 배출시키도록 하는 장치이다.
하우징(100)은 배기가스가 배출되는 경로를 형성하고, 배기가스가 유동하는 경로를 따라 하우징(100) 내부에 하전부(110), 수 세정부(120), 매연 여과부(130), 기체 세정부(140)가 순차적으로 형성될 수 있다.
하우징(100)은 일체로 형성될 수 있으나, 도시되어 있는 것과 같이 분리 결합되도록 하여 구성 요소의 설치 및 분리가 용이하도록 할 수 있다.
하전부(110)는 하우징(100) 내 전방에 설치되어 유입되는 배기가스 내 입자를 하전시킨다.
도 4 및 도 5에 도시되어 있는 것과 같이 하전부(110)는 원통형 전극(112) 및 전극부(114)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 실시예에서 매연이 유동하도록 관통하는 중공이 형성된 원통형 전극(112)이 병렬로 다발로 배치되어 관다발부를 형성한다. 이때, 원통형 전극(112) 각각에 대하여 내부로 길게 연장되는 전극부(114)가 원통형 전극(112)의 중심에 형성될 수 있다.
원통형 전극(112)은 접지되고 전극부(114)에 직류 고전압이 인가될 때 원통 내부에 반경 방향으로 전압 구배를 형성하여 원통형 전극(112) 내부를 유동하는 입자들을 하전시킬 수가 있다.
이때, 본 발명에서는 원통형 전극(112)을 복수 개 병렬로 배치하여 매연이 이동하는 영역을 구획하고 각 원통형 전극(112) 내부에 전극부(114)를 배치하여 이온을 발생시킴으로써 하전 효율을 향상시킬 수 있다.
하전부(110)의 후방에는 매연 여과부(130)가 형성되는데, 상기 매연 여과부(130)에는 입자상 물질을 여과시키는 DPF(132)가 배치된다. DPF(132)는 세라믹 담채로 형성되거나 도 6에 도시되어 있는 것과 같이 원통형의 필터면이 내부에 중첩 배치되도록 하여 입자를 포집시키는 면적을 넓힐 수 있도록 형성될 수 있다.
이때, 본 발명에서 DPF(132)는 금속 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
매연 여과부(130) 전방에 위치하는 하전부(110)에서는 전극부(114)에 인가되는 전압과 같은 극성으로 입자를 하전시킨다. 이때, 하전부(110)에서 하전된 입자는 금속 재질의 DPF(132)에 전기적 인력에 의해 포집될 수 있다. 또한, 하전부(110)의 원통형 전극(112)을 통과하는 입자 중 일부는 이온풍, 정전기적 인력 등에 의해 원통 벽면으로 이동하여 입자끼리 뭉쳐 입자의 조대화가 일어날 수 있다. 하전부(110)에서 크기가 커진 입자는 관성력이 커져 후단의 DPF(132)에 더욱 쉽게 포집될 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 전술한 정전기적 인력 및 증가된 관성력을 함께 이용하여 입자를 포집시킬 수 있으므로, 기공율이 높은 DPF(132)를 사용하여도 여과 성능을 유지할 수가 있다.
하전부(110) 없이 DPF(132)만 배치되는 경우 여과 성능이 70% 정도로 나타나나, 전술한 바와 같이 하전부(110)가 배치시키는 경우 여과 성능이 95% 정도로 높아져 여과 효율을 극대화시킬 수 있다.
하전부(110) 및 매연 여과부(130)에 의해 DPF(132)에 포집된 입자의 양이 증가함에 따라서 장치 내 배압이 증가하게 된다. 따라서, DPF(132)를 재생시켜 배압을 떨어뜨리는 것이 필요한데, 이하 DPF(132) 재생을 위한 기체 세정부(140) 및 수 세정부(120)에 관하여 설명하기로 한다.
기체 세정부(140)는 매연 여과부(130)의 후방에 설치되어 전방의 DPF(132)를 향하여 고압의 기체를 분사시킨다. 고압의 기체로 공기를 사용할 수가 있다.
DPF(132)의 후방에서 전방을 향하여 고압의 압축 공기를 분사함에 따라서 매연 배출 방향의 역방향으로 강한 공기 유동을 만들어 필터 표면에 포집된 입자를 분리시킬 수가 있다.
기체 세정부(140)는 기체 분사노즐(142), 기체 저장탱크(미도시) 및 솔레노이드 밸브(미도시)로 구성될 수 있다. 도시되어 있는 것과 같이 하우징(100) 벽면에는 기체 분사노즐(142)이 삽입되는 노즐공(143)이 형성되고, 상기 노즐공(143)을 통해 기체 분사노즐(142)이 하우징(100) 내부로 삽입되어 배치될 수 있다. 이때, 도시되지 않은 기체 저장탱크에는 고압의 기체(공기)가 압축된 상태로 저장되어 있고, 솔레노이드 밸브의 제어동작으로 기체 저장탱크에 저장된 고압의 기체를 기체 분사노즐(142)을 통해 전방의 DPF(132)를 향하여 분사시킬 수 있다.
이때, 본 실시예에서 DPF(132)는 하우징(100) 내부에 원주 방향으로 복수 개 배치될 수 있고, 이에 하우징(100) 벽면의 복수의 노즐공(143)을 통해 복수의 기체 분사노즐(142)이 각각의 DPF(132)를 향하여 고압의 압축공기를 분사시키도록 배치될 수가 있다.
수 세정부(120)는 매연 여과부(130) 전방에 배치되어 후방의 DPF(132)를 향하여 물을 분사한다. 수 세정부(120)는 하전부(110)와 매연 여과부(130) 사이에 배치될 수 있다.
하우징(100)을 관통하는 노즐공(123)을 통해 액체 분사노즐(122)이 하우징(100) 내부에서 후방의 DPF(132)를 향하여 액체를 분사하도록 배치될 수 있다. 또한, 상기 액체 분사노즐(122)은 하우징(100) 내에서 상하 또는 좌우로 이동하거나 회전하도록 구성될 수도 있다. 하우징(100) 내에서 직선 이동 또는 회전을 하면서 물을 분사시킴에 따라서 DPF(132)의 전면적에 대해 골고루 물을 분사시킬 수가 있다.
이때, 수 세정부(120)는 DPF(132)를 향하여 스프레이 형태로 미세 액적을 분사하는 것이 바람직하다.
또한, 수 세정부(120)는 기체 세정부(140)로부터 고압의 기체를 분사하기 전 또는 고압의 기체를 분사한 후에 DPF(132)를 향하여 미세 액적을 분사시키는 것이 바람직하다.
수 세정부(120)는 기체 세정부(140)가 동작하기 전에 DPF(132) 표면을 세정하여 고압의 압축공기에 의한 분리 효과를 극대화시킬 수 있다.
또한, 수 세정부(120)에서 분사되는 미세 액적은 기체 세정부(140)에 의해 필터 표면으로부터 분리된 입자가 DPF(132) 전방으로 비산되는 것을 막고, 분리된 입자를 수분을 통해 조대화시켜 다시 관성력에 의해 쉽게 포집될 수 있도록 한다. 수분에 의해 조대화된 입자는 수 세정부(120) 하부에 형성된 호퍼(미도시)에 쌓여 분리 배출될 수 있다.
기체 세정부(140) 또는 수 세정부(120)의 단일 동작으로도 DPF(132)의 재생 효과가 나타나나, 전술한 바와 같이 기체 세정부(140)와 수 세정부(120)를 함께 동작시키는 경우 DPF(132) 재생 효과를 극대화할 수 있다.
도 7은 운전 시간에 따른 DPF(132)의 차압 증가 추세를 도시하는 그래프이고, 도 8은 본 발명에 따라 수 세정을 수행하는 경우 운전 시간에 따른 DPF(132)의 차압 추세를 도시하는 그래프이다. 도 9는 본 발명에 따라 공기 세정 및 수 세정을 수행하는 경우 운전 시간에 따른 DPF(132)의 차압 추세를 도시하는 그래프이다.
도 7에 도시되어 있는 것과 같이 DPF(132)는 여과 시간이 증가할수록 필터 표면에 입자의 포집량이 증가하여 필터 차압이 지수 함수와 같이 증가함을 알 수 있다.
이때, 도 8에 도시되어 있는 것과 같이 본 발명의 수 세정을 사용하는 경우 필터 차압의 증가를 지수적 증가에서 선형적 증가로 바꿀 수가 있다.
도 9에 도시되어 있는 것과 같이 여과 시간이 증가할수록 필터 차압이 증가하는데, 필터 차압이 소정의 값에 도달하는 경우 수 세정부(120)를 통해 수 세정을 수행하면 필터 차압이 떨어지고, 이후 기체 세정부(140)를 통해 공기 세정을 수행하면 필터 차압이 급격하게 떨어짐을 확인할 수 있다.
도시되어 있지 않지만, 필터 차압을 측정하거나 배기관 내부의 배압을 측정하는 센서부를 더 포함할 수 있다. 센서부를 통해 측정된 압력이 소정의 값에 도달하면 수 세정부(120) 및 기체 세정부(140)를 순차적으로 동작시켜 DPF(132)를 재생시켜 압력을 떨어뜨리고, 다시 센서부로부터 측정된 압력이 소정의 값에 도달하면 수 세정부(120) 및 기체 세정부(140)를 다시 동작시키는 방법으로 DPF(132)를 재생시켜 디젤 엔진을 안정적으로 동작시킬 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100: 하우징
110: 하전부
112: 원통형 전극
114: 전극부
120: 수 세정부
122: 액체 분사노즐
123: 노즐공
130: 매연 여과부
132: DPF
140: 기체 세정부
142: 기체 분사노즐
143: 노즐공

Claims (8)

  1. 선박의 디젤 엔진 후단에 배치되는 매연 저감장치에 있어서,
    하우징;
    상기 하우징 내에 배치되어 입자상 물질을 여과시키는 DPF(Diesel Particulate Filter)가 장착된 매연 여과부;
    상기 매연 여과부 후방에 설치되어 전방의 상기 DPF를 향하여 고압의 기체를 분사시켜 상기 DPF에 포집된 입자를 이탈시켜 상기 DPF를 재생시키는 기체 세정부; 및
    상기 매연 여과부 전방에 설치되어 후방의 상기 DPF를 향하여 물을 분사하는 수 세정부를 포함하는데,
    상기 수 세정부는 상기 기체 세정부의 동작 전 또는 동작 후에 스프레이 형태로 미세 액적을 분사하는 선박 엔진의 매연 저감장치.
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  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체 세정부는
    고압의 압축기체를 저장하는 기체 저장탱크; 및
    상기 하우징을 관통하여 상기 하우징 내부에서 상기 DPF를 향하도록 배치되어 상기 기체 저장탱크에 저장된 고압의 압축기체를 공급받아 분사하는 기체 분사노즐을 포함하는 선박 엔진의 매연 저감장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 DPF는 상기 하우징 내에 원주 방향으로 병렬로 복수 개 배치되고,
    상기 기체 분사 노즐은 각각의 DPF에 대응되도록 복수 개 배치되는 선박 엔진의 매연 저감장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 DPF는 금속으로 형성되고,
    상기 매연 여과부 전방에 입자상 물질을 하전시키는 하전부를 더 포함하는 선박 엔진의 매연 저감장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 하전부는
    매연이 유동하도록 관통하는 중공 형성된 원통형 전극이 병렬로 다발로 형성되는 관다발부; 및
    상기 원통형 전극 각각에 대하여 내부에 삽입되어 고전압이 인가되는 전극부를 포함하는 선박 엔진의 매연 저감장치.
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