KR20030012150A - 적외선을 이용한 디젤엔진 피엠트랩의 자동 재생장치 - Google Patents

Abstract

디젤엔진으로 부터 배출되는 배기가스에 포함되는 입자상 미립자물질을 포집하는 피엠트랩에 흡착된 미립자물질의 증가시 ECU로부터의 제어신호에 따라 적외선을 피엠트랩에 대해 원격적으로 방사하여 자동으로 재생할 수 있도록 한 것으로, 디젤엔진의 배기관에 장착되어 배기가스 배출시 발생하는 입자상 미립자물질을 포집하는 세라믹 피엠트랩과, 피엠트랩의 입구부에 설치되어 피엠트랩에 유입되는 배기가스의 압력을 검출하는 압력 검출센서와, 적외선 공급원과, 압력 검출센서로 부터 입력되는 검출된 압력값에 따른 피엠트랩의 재생시기 판단시 적외선 공급원으로 부터 적외선을 피엠트랩에 대해 방사시켜 재생할 수 있도록 적외선 공급원을 제어하는 ECU를 제공한다.

이로 인해, 세라믹 피엠트랩에 흡착되는 미립자물질 등을 제거시 적외선을 피엠트랩에 원격적으로 방사하여 재생시킴에 따라 재생장치의 구조 간단화로 가격이 저렴하고, 재생시 트랩 전체를 균일하게 가열하여 트랩내의 온도구배를 줄여 세라믹의 훼손 및 파괴되는 것을 방지하며, 트랩을 통과하는 배기가스의 압력값에 따라 트랩을 최적시에 재생시킴에 따라 엔진출력을 향상시킬 수 있다.

Description

적외선을 이용한 디젤엔진 피엠트랩의 자동 재생장치{disel engine PM trap automatic regeneration device of using infrared}

본 발명은 디젤엔진으로 부터 배출되는 배기가스에 포함되는 입자상 미립자물질(particulate material;PM)을 포집하는 피엠트랩(PM trap)에 흡착된 미립자물질의 증가시 ECU로부터의 제어신호에 따라 적외선을 피엠트랩에 대해 원격적으로 방사하여 자동으로 재생할 수 있도록 한 원격 적외선을 이용한 디젤엔진 PM필터의 자동 재생장치에 관한 것이다.

더욱 상세하게는, 입자상 미립자물질이 세라믹 피엠트랩에 축적되어 피엠트랩을 통과하는 배기가스의 검출된 압력값이 설정된 값을 초과하는 경우 ECU로부터의 제어신호 인가에 따라 적외선을 피엠트랩에 대해 원격적으로 방사하여 필터를 자동으로 재생할 수 있도록 한 원격 적외선을 이용한 디젤엔진 PM필터의 자동 재생장치에 관한 것이다.

일반적으로, 디젤엔진은 신뢰성, 연료효율, 내구성 및 저렴한 운전비용으로 인해 그 사용폭이 증대되고 있는 반면에, 디젤엔진으로 부터 배출되는 배기가스중에는 PM, NOx, HC, CO, PAH, SO₂등의 인체에 극히 유해한 입자상 미립자물질이 포함되어 있고, 이러한 미립자물질은 약 0.1∼0.3μm정도의 아주 작고 가벼워 대기중으로 방출시 인체의 호흡기계통에 흡입되어 여러가지의 질병을 초래하는 요인으로 지적되고 있다.

전술한 미립자물질은 배기가스 온도가 500℃이상이 되는 차량의 고속고부하시에는 자체발화하여 연소되지만, 500℃이하를 유지하는 정상적인 주행시 또는 아이들 상태에서는 그대로 대기중으로 방출되는 것이다.

따라서, 배기가스 통로에 카본 미립자물질을 포집할 수 있도록 세라믹 필터를 설치하여 미립자를 물리적으로 걸러주도록 하고 있으나, 필터에 입자상 미립자물질이 누적되어 증가되는 경우 배압(back pressure)이 증대되어 엔진의 성능을 떨어트리는 요인으로 작용하게 되므로 필터를 정기적으로 재생시켜 미립자를 연소시키도록 하고 있다.

한편, 미립자물질(PM)의 배출을 줄이기 위하여 연료분사기술의 개선, 엔진의 전자제어기술 적용, 연소실 형상의 변형, 흡기방식의 개선, 윤활유 소모의 저감, 배기가스의 후처리 등의 여러방식이 연구되고 있으나, 특히 배기가스 후처리방식이 미립자물질 제거에 가장 효과적인 것으로 알려져 있다.

미립자물질을 포함하는 배기가스를 다공성 매질로 걸러내는 전술한 필터로서 세라믹 필터, 섬유직조 필터, 규소섬유직조코일, 세라믹폼, 금속망, 금속분말소결필터 등의 다수의 필터 재료가 시험되고 있으며, 이러한 필터의 미립자 포집효율은 50∼90%를 나타내고 있다.

미립자물질을 포집하는 필터를 재생시키는 방법으로서 촉매코팅방식을 사용하는 경우, 필터 표면에 탄소성분과 산화반응이 용이한 촉매를 코팅하여 필터 표면에 흡착된 미립자물질 및 매연(soot)들을 배기가스의 온도가 약 300∼400℃정도 증가할 경우 산화반응을 유도하여 미립자물질을 제거하는 것이다.

이러한 촉매코팅방식은 촉매독에 의한 효율저하가 문제점으로 지적되며, 촉매반응에 의한 재생효율이 낮게되므로 사용시간이 짧아 필터의 완벽한 재생 효과를얻을 수 없게 된다.

필터 표면에 흡착된 미립자물질들을 산화,제거하기 위하여 부가적으로 주입되는 연료(LNG, LPG, 경유 등을 말함)를 연소시켜 필터를 고온으로 재생시키는 연료첨가방식은, 연료를 부가적으로 주입시켜야 되므로 에너지를 부수적으로 소비하는 문제점과, 부분열화에 의한 촉매 수명단축, 제3의 유해물질이 발생하여 배출되는 새로운 문제점을 갖게 된다.

전기가열방식에 의해 필터를 재생시키는 경우, 세라믹 필터를 직접 가열하거나 전단에 유입공기의 온도를 높임에 따라 필터 자체까지 가열되므로 열화에 의한필터의 파괴, 파손될 수 있으며, 전기 가열원에 의해 에너지가 많이 소비되는 문제점을 갖게 된다.

공기주입방식에 의해 필터를 재생시키는 경우, 고압의 공기를 짧은 순간에 필터에 유입시킴에 따라 필터에 흡착된 미립자물질 등을 물리적으로 탈리시킴에 따라, 미립자물질을 필터로 부터 단지 탈리시킨후 대기중으로 방출시키므로 별도의 후처리장치가 요구되는 문제점을 갖게 된다.

플라즈마를 이용한 전기집진방식으로 미립자물질을 포집하고 동시에 산화,제거하는 경우, 미립자물질의 포집 및 산화,제거의 효율이 높지않고, 전원발생장치의 작동 및 전자파에 의한 차량의 오작동을 초래할 수 있는 문제점을 갖게 된다.

마이크로웨이브를 방사하여 세라믹필터에 포집된 미립자물질 및 매연 등을 산화,제거하는 경우, 전자파와 필터와의 최적 상관관계의 설정 및 재생장치의 가격이 고가여서 상용화되지못한 문제점을 갖게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은, 세라믹 피엠트랩에 흡착되는 미립자물질 등을 제거시 적외선을 피엠트랩에 원격적으로 방사하여 자동으로 재생시킴에 따라 재생장치의 구조 간단화로 가격이 저렴한 적외선을 이용한 디젤엔진 피엠트랩의 자동 재생장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 적외선을 세라믹 피엠트랩에 방사하여 재생시 트랩 전체를 균일하게 가열하여 트랩내의 온도구배를 줄이고 열응력이 낮아져 재생시 세라믹의 훼손 및 파괴되는 것을 방지할 수 있도록 한 적외선을 이용한 디젤엔진 피엠트랩의 자동 재생장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 피엠트랩을 통과하는 배기가스의 압력을 실시간검출하여 검출된 압력값에 따라 트랩을 최적시에 재생시킴에 따라 엔진출력을 향상시킬 수 있도록 한 적외선을 이용한 디젤엔진 피엠트랩의 자동 재생장치를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 적외선을 이용한 디젤엔진 피엠트랩의 자동 재생장치의 개략적인 블럭도,

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 원격 적외선을 이용한 디젤엔진 피엠트랩의 자동 재생장치의 피엠트랩의 요부발췌확대도 이다

*도면중 주요 부분에 사용된 부호의 설명

1; 배기관

10; 피엠트랩

10a; 세라믹 필터

10b; 세라믹 트랩

11; 압력 검출센서

20; 적외선 방사원

30; ECU

B; 전원 공급부

E; 엔진

전술한 본 발명의 목적은, 디젤엔진(E)의 배기관(1)에 장착되어 배기가스 배출시 발생하는 입자상 미립자물질을 포집하는 세라믹 피엠트랩(10)과, 피엠트랩(10)의 입구부에 설치되어 피엠트랩(10)에 유입되는 배기가스의 압력을 검출하는 압력 검출센서(11)와, 적외선 공급원(20)과, 압력 검출센서(11)로 부터 입력되는 검출된 압력값에 따른 피엠트랩(10)의 재생시기 판단시 적외선 공급원(20)으로 부터 적외선을 피엠트랩(10)에 대해 방사시켜 재생할 수 있도록 적외선 공급원(20)을 제어하는 ECU(30)를 구비하는 것을 특징으로 하는 적외선을 이용한 디젤엔진 피엠트랩의 자동 재생장치를 제공함에 의해 달성된다.

바람직한 실시예에 의하면, 전술한 피엠트랩(10)의 재생시기는 압력 검출센서(11)로 부터 입력되는 압력값이 2bar를 초과하는 경우, 또는 차량의 매 주행거리가 300㎞인 경우 재생할 수 있다.

바람직한 실시예에 의하면, 전술한 피엠트랩(10)의 재생온도는 600∼700℃범위이고, 상기 피엠트랩(10)의 매 재생시간은 5∼10분 이내에서 실행된다.

이하, 본 발명에 의한 적외선을 이용한 디젤엔진 피엠트랩의 자동 재생장치의 사용방법을 첨부도면을 참조하여 설명하면 아래와 같다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 디젤엔진(E)으로 부터 배출되는 배기가스가 배기관(1)을 통하여 피엠트랩(10)을 통과하는 과정에서 배기가스에 포함된 입자상 미립자물질 및 매연 등이 세라믹 필터(10a)를 경유한후, 세라믹 트랩(10b)의 다공성 벽(wall)에 포집되며, 여과된 배기가스는 대기중으로 배출되는 것이다.

전술한 세라믹 트랩(10b)의 필터링 작용에 의해 배기가스중에 포함되는 미립자물질이 다공성 벽(wall-flow honeycomb)에 누적되어 점진적으로 증가되므로 세라믹 트랩(10b)을 통과하는 배기가스의 압력이 설정된 압력값을 초과하는 경우, 즉 세라믹 트랩(10b)의 입구부에 설치된 압력 검출센서(11)에 의해 검출되는 배기가스의 압력값에 따른 전기신호가 전술한 ECU(30)에 입력된다.

따라서, 전술한 ECU(30)에서는 압력 검출센서(11)로 부터 입력되는 검출신호가 기설정되어 입력된 압력값과 비교하여 설정된 압력값을 초과하는 경우, 즉 압력검출센서(11)에 의해 검출된 압력값이 2bar를 초과하게되어 피엠트랩(10)의 자동 재생시기임을 확인하여 차량의 소정위치에 배치된 전술한 적외선 공급원(20)에 제어신호를 자동 입력한다.

즉, 전술한 피엠트랩(10)의 재생시기는 피엠트랩(10)의 입구부에 형성되는 배기가스의 압력값이 2bar 또는 차량의 매 주행거리가 300㎞인 경우에 ECU(30)에서 자동 재생시기임을 결정하는 것이다. 이는 피엠트랩(10)의 입구측에 발생하는 배기가스의 압력값이 2bar를 초과하는 경우 피엠트랩(10) 내부에 배압(back pressure)이 발생하여 디젤엔진(E)의 작동에 부하가 발생되어 출력감소 요인이 되는 것이다. 또한 배기가스의 압력값이 2bar인 경우 통상적으로 차량의 매 주행거리가 300㎞임을 반복적인 시험결과로 부터 확인할 수 있었다.

한편, 전술한 적외선 공급원(20)으로 부터 방사되는 적외선은 피엠트랩(10)의 세라믹 필터(10a)에 방사되어 소정온도로서 히팅시킴에 따라, 세라믹 필터(10a)의 열원에 의해 세라믹 트랩(10b)에 포집된 미립자물질(PM) 및 매연(soot)을 산화,제거시킬 수 있는 것이다.

이때, 전술한 피엠트랩(10)을 재생하기 위하여 적외선 공급원(20)으로 부터 세라믹 필터(10a)에 대해 적외선을 방사시키는 적외선 파장의 주파수는 일반적인 적외선 발생장치에서 사용하는 것과 동일하게 적용할 수 있는 것이다.

이때, 피엠트랩(10)을 재생하기 위하여 적외선 공급원(20)의 작동시 전원은 차량(50∼150㎾급 디젤엔진에 적용됨)의 배터리(B)(24V)로 부터 공급받고, 적외선 공급원(20)으로 부터 적외선 방사시 1∼2.5㎾의 열원을 공급받아 세라믹 필터(10a)를 히팅시킬 수 있는 것이다.

한편, 전술한 피엠트랩(10)의 재생온도 및 시간은 600∼700℃, 5∼10분정도가 바람직하며, 이는 세라믹 트랩(10b)에 흡착되는 대부분의 입자상 미립자물질은 카본으로 이루어져 있어 보통 500∼600℃정도의 열을 가하면 연소되는 것이다. 따라서 600∼700℃의 열을 세라믹 필터(10a)에 가하는 경우 대부분의 카본만이 연소되는 것이다.

반면에, 세라믹 필터(10a)에 가해지는 온도가 600∼700℃를 초과하는 경우에는 고온으로 인하여 세라믹 필터(10a) 자체가 열화되어 부분열화로 인하여 세라믹 필터(10a) 재질의 훼손 및 파괴되는 부작용을 초래하게 된다.

이상에서와 같이, 바람직한 실시예에 의하면 아래와 같은 이점을 갖는다.

세라믹 피엠트랩에 흡착되는 미립자물질 등을 제거시 적외선을 피엠트랩에 원격적으로 방사하여 자동으로 재생시킴에 따라 재생장치의 구조간단화로 가격이 저렴한 이점을 갖는다.

또한, 적외선을 세라믹 피엠트랩에 방사하여 재생시 트랩 전체를 균일하게 가열하여 트랩내의 온도구배를 줄이고 열응력이 낮아져 재생시 세라믹의 훼손 및 파괴되는 것을 방지할 수 있다(세라믹 필터와 세라믹 트랩의 사용수명이 200,000㎞ 를 주행할 수 있게 된다).

또한, 피엠트랩을 통과하는 배기가스의 압력을 실시간 검출하여 검출된 압력값에 따라 트랩을 최적시에 재생시킴에 따라 엔진출력을 향상시킬 수 있다(재생후피엠트랩의 포집효율이 98%이상으로 유지되는 것임을 확인할 수 있었다.).

전술한 바와 같은 원격 적외선을 이용한 디젤엔진 피엠트랩의 재생장치는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이며, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주를 벗어나지않는 범위내에서 변형실시할 수 있음은 물론 이다.

Claims (4)

1. 디젤엔진(E)의 배기관(1)에 장착되어 배기가스 배출시 발생하는 입자상 미립자물질을 포집하는 세라믹 피엠트랩(10);

   상기 피엠트랩(10)의 입구부에 설치되어 상기 피엠트랩(10)에 유입되는 배기가스의 압력을 검출하는 압력 검출센서(11);

   적외선 공급원(20); 및

   상기 압력 검출센서(11)로 부터 입력되는 검출된 압력값에 따른 상기 피엠트랩(10)의 재생시기 판단시 상기 적외선 공급원(20)으로 부터 적외선을 상기 피엠트랩(10)에 대해 원격적으로 방사시켜 재생할 수 있도록 상기 적외선 공급원(20)을 제어하는 ECU(30)를 구비하는 것을 특징으로 하는 적외선을 이용한 디젤엔진 피엠트랩의 자동 재생장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 피엠트랩(10)의 재생시기는 상기 압력 검출센서(11)로부터 입력되는 압력값이 2bar를 초과하는 경우 재생하는 것을 특징으로 하는 적외선을 이용한 디젤엔진 피엠트랩의 자동 재생장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 피엠트랩(10)의 재생온도는 600∼700℃범위이고, 상기 피엠트랩(10)의 매 재생시간은 5∼10분이내인 것을 특징으로 하는 적외선을 이용한 디젤엔진 피엠트랩의 자동 재생장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 피엠트랩(10)의 재생시기는 차량의 매 주행거리가 300㎞인 경우 재생하는 것을 특징으로 하는 적외선을 이용한 디젤엔진 피엠트랩의 자동 재생장치.