KR20040068792A - 디젤엔진 매연저감장치 - Google Patents

Abstract

디젤엔진용 매연 저감장치는 크게 매연을 필터에 의해 포집하고 포집된 매연을 반복적으로 산화시키는 방식이 적용되고 있는데 산화시키는 방법으로 배기가스 온도를 직접 매연이 산화되는 온도까지 올리는 방식(강제재생방식)과 매연의 산화온도를 낮추는 방식(자연재생방식)으로 나뉜다.

본 발명에서는 각 시스템에 적용되는 재생방식에서 강제적 혹은 자연적으로 재생 불가능한 영역에 본 발명에서 소개하는 전기히터를 사용하여 엔진의 전 영역에서 매연을 재생할 수 있게 하는 시스템과 그 시스템의 재생방식을 나타낸 것이다.

장치의 구성은 전기히터, 산화촉매, 촉매필터, 캐니스터, 제어유닛, 센서로 구성되어 있으며, 특히 전기히터를 배기가스 정화시스템에 적용함에 있어 전기히터에 의해 직접적으로 열을 가하는 기존의 방식이 아닌 촉매 등이 활성화 할 수 있도록 열을 공급하는데 있다. 또한 촉매 등의 활성을 위해 전기히터가 가동되는데 있어 기존의 제어방법과 상이한 방식으로 제어되어, 전기히터의 에너지 저감은 물론 촉매 등으로 매연을 산화할 수 없는 온도영역까지 매연을 재생하는 장치이다.

Description

디젤엔진 매연저감장치{Diesel exhaust gas aftertreatment device using electric heater}

본 발명은 전기히터를 이용한 디젤엔진 매연저감장치 및 그의 재생방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내연기관 특히 디젤엔진의 작동에서 배출되는 배기가스에 포함된 매연을 연소시켜 공기중으로 오염물질의 배출을 억제할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 차량의 동력을 발생시키는 내연기관에서는 연료의 연소시 많은 양의 유해 미립자가 배출되게 되는데, 특히 디젤기관(Diesel engine)의 내연기관에서는 분사된 연료가 피스톤의 압축으로 인한 온도상승으로 자기 착화를 일으켜 연소되는 과정에서 불완전 연소로 인하여 입자상 물질, 질소 산화물, 미연 탄화수소, 일산화탄소, 냄새물질 등과 같은 많은 양의 유해 미립자(이하, "매연"이라 함)가 배출된다.

상기의 디젤기관의 연소과정에서 완전 연소되지 못한 연료는 매연이 되어 차량의 배기가스와 함께 대기 중으로 배출되므로, 이러한 매연은 공기중으로 확산되어 결국 인체 폐포에까지 침투하여 기관지염은 물론 암을 유발시키는 등 엄청난 결과를 초래하고 있다.

최근 들어, 이러한 대기오염에 대한 심각성이 사회 전반에 시급한 해결과제로 대두되고 있으며, 이러한 문제는 곧 세계 각국의 환경규제 조치와 맞물리게 되면서 차량의 배기가스에 대한 규제도 점점 엄격해지고 있는 것이 사실이다.

상기와 같은 이유로 일반적으로 디젤연료를 사용하는 차량은 공해방지를 위해 배기가스를 배출하는 배기관 또는 기타 부분에 상기 배기가스가 외부로 배출되기 전에 엔진 자체에서 공해물질을 적게 배출하려는 전처리 장치가 적용되고 있으나, 배기가스 규제가 강화됨에 따라 배기가스 정화목적의 후처리 장치 장착이 불가피 하게 되었다.

상기의 후처리 장치는 주로 가솔린 엔진에서 적용되고 있는 세라믹 담체 (substrate)의 통로를 번갈아 가며 막음으로써 매연과 같은 고체상의 유해물질이세라믹 담체를 통과할 때 걸러주는 장치이다.

그러나, 상기의 세라믹 필터를 교체 없이 장기간 사용하게 되면 배기가스의 입자상 물질이 필터의 수용능력이상으로 포집되므로 결국에는 배기 계통의 배압이 상승하게 되어 필터가 파손, 손상 또는 엔진의 출력이 저하되는 등의 치명적인 문제점이 발생되므로 이를 위해 상기 필터의 전방에는 포집된 매연을 주기적으로 연소 및 제거시켜줄 수 있는 별도의 장치나 매연의 재생온도를 낮추어 줄 수 있는 촉매 등이 반드시 요구된다.

상기 언급한 매연을 연소 또는 산화시키는 방식은, 직접 배기가스의 온도를 매연이 산화되는 온도까지 올리는 방식, 촉매 등을 활용하여 매연의 산화온도를 낮추는 방식이 사용되고 있다.

상기에서 배기가스 온도를 직접 올리는 방식에는 전기히터와 경유버너 등으로 직접 가열하는 방식이 있으며, 매연산화온도를 낮추는 방식에는 촉매, 연료첨가제 등을 사용하는 방식이 있다.

첨부된 도 1을 참조하여 종래 디젤엔진의 배기가스 정화시스템에서 전기히터를 사용한 경우에 대해서 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

도 1은 기존에 전기히터 방식 배기가스 정화시스템의 구성을 보인 측면도로서, 상기한 도 1에서 나타난 바와 같이 종래 배기가스 정화시스템은 차량의 배기관(1) 중단에 구비되어 내부로 배기가스를 통과시키도록 입, 출구를 갖는 캐니스터(2)와, 상기 캐니스터 내에 장착되어 그 형상이 벌집형 채널 구조로 된 세라믹 필터(3)와, 상기 세라믹 필터의 전방에 구비되어 전원 공급에 따라 세라믹 필터를가열하는 전기히터(4)로 구성되어 있다.

또한 상기 세라믹 필터(3)의 주위에는 기체의 압력을 감지하기 위한 압력센서(도시는 생략)가 설치되고, 상기 압력센서는 전기히터(4)로 공급되는 전원을 제어하는 ECU(Electronic Control Unit)(5)와 전기적으로 연결되어 있다.

따라서, 상기한 구성의 종래 전기히터(4)는 차량의 배기관을 통해 외부로 배출되는 배기가스 중에 포함된 입자상 물질을 세라믹 필터(3)가 포집하고, 이를 일정온도 이상 가열함으로써 배기가스를 정화하는 역할을 수행하게 된다.

그러므로, 상기 세라믹 필터(3)에 입자상 물질이 일정량 이상 포집된 경우에는 정화시스템의 캐니스터(2) 내에 설치된 다수(압력, 온도 등)의 센서가 이를 감지하게 되고, 이에 따라 ECU(5)가 전기히터(4)를 동작시켜 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 고온(대략 500∼700℃)으로 발열시킴에 따라 필터(3) 내에 포집된 입자상 물질을 연소 및 제거하게 된다.

상기와 같이 전기히터(4)가 세라믹 필터(3)를 재생(Regeneration)하기 위해서는 상기 세라믹 필터(3)를 약 500∼700℃정도로 가열시켜야만 하고, 또한 이와 같은 동작이 차량의 운행시 반복적으로 수행되어야만 하므로 상기 전기히터(4)의 전력소모가 큰 것을 특징으로 한다.

상기에서 재생이라 함은 필터에 매연을 포집한후 매연을 탸우거나 재생하여 필터를 다시 포집할 수 있는 상태로 환원시켜주는 작용을 말한다.

따라서, 상기에서 설명한 바와 같이 종래 전기히터(4)는 매번 점화 및 발열될 때마다 전원 공급이 ECU(5)에 의해 일괄적으로 제어되는 바, 전기히터(4)에 의해 항상 세라믹 필터(3) 전체가 가열될 수밖에 없으므로 상기 전기히터가 매번 가동할 때마다 불필요한 에너지의 낭비가 많은 단점이 있다.

또한, 전기히터의 구성 자체가 일체식으로 되어 있으므로 상기 전기히터를 구성하는 일부분에만 고장이 발생하여도 결국에는 히터 전체를 교체해야만 하기 때문에 장치의 교체 또는 수리비용이 과중하게 들게 된다.

한편으로, 재생방식에 있어서도 엔진으로부터 혹은 필터 양단간의 배압 혹은 온도센서에 의해서 재생시기를 결정하고 한번 재생함에 있어 전기히터로부터 모든 전원이 인가됨으로써 전기히터의 내구성에 문제가 발생한다.

또한, 전기히터의 과열로 필터에서 재생시 열적 부하가 발생하여 필터의 파손 등이 일어나는 문제점이 있었다.

더욱이 전기히터 작동에 있어 배기가스의 압력이 특정값 이상인 경우에 가동되는 방식을 사용하였기 때문에 특수한 상황에 대하여 재생에 대한 예측이 불가능하고, 재생이 일어나는 경우에, 매연의 정확한 양을 제어하는 방식이 아니므로 재생 혹은 포집이 불균일하게 발생 하기 때문에 매연의 양이 많은 경우 재생될 때 포집된 많은 양의 매연이 일시에 산화되어 많은열이 발생하게 된다. 따라서 상기의 전기히터 방식은 필터에 가해지는 열적제어가 곤란한 단점이 있다.

기존의 방식은 재생하는데 있어서 히터의 에너지 소모를 최소화하는데 목적이 있는 것이 아니라, 매연을 완전 재생하는데에 더 치중되었기 때문에 상기와 같은 문제점이 발생하였다.

위 시스템의 적용예로 첫째, 촉매필터 방식에서는 배기가스 하단에 촉매 코팅이 된 필터에서 매연을 포집하고 촉매활성화 온도(약 350℃)에 이르면 매연은 재생 된다. 이 시스템의 단점은 장기간 저온에서 엔진이 운전되는 경우 매연이 재생되지 않고 지속적으로 매연이 포집되게 되어 결국 배압상승에 의해 필터가 막히거나 파손되는 결과를 초래한다.

또한, 매연이 과포집되어 일시적으로 특정온도 이상이 올라가게 되면 일시적으로 매연이 산화되어 많은양의 열이 발생되는데 이 열에 의해 필터가 파손되는 경우가 있었다. 즉 이 시스템은 저온에서 재생이 되지 않는 단점이 있으며, 매연의 재생시기를 제어할 수 없는 단점이 있다.

둘째, 산화촉매와 디젤필터의 조합을 사용하는 배기가스 정화장치는 구조적으로 산화촉매를 전단에 두고 후단에 디젤필터를 둔다.

후단에 위치한 필터에서는 매연을 지속적으로 포집하고 산화촉매에서는 배기가스 중의 NO를 NO₂로 산화시킨다.

상기의 산화된 NO₂가 포집된 매연을 산화시키는 원리를 이용한다.

이 시스템은 NO₂의 발생량에 따라 재생여부가 결정되는데 이 NO₂의 생성은 온도에 의해 크게 좌우된다.

도 2는 상기 시스템에서 생성된 NO₂가 산소에 비해 저온에서 매연과 반응하는 것을 나타낸다. 산화된 NO₂는 산화력이 매우 우수하여 매연입자를 저온에서도 산화시키는 물질이나, 배기가스의 온도, NO배출량에 의해 NO₂생성량이 제한되어 있다.

산화된 NO₂는 도 2와 같이 산소분위기에서 매연산화온도(약 650℃)를 약 250℃근처까지 낮추는 역할을 한다.

한편 NO/NO₂의 전환효율은 필터 전단에 위치한 산화촉매 온도에 의해 좌우되며, 도 3과 같이 촉매의 온도가 300℃근처에서 가장 좋은 효율을 보이고 있으며, 그보다 온도가 높거나 낮은 경우에는 NO₂전환효율이 저하된다.

따라서 그림과 같이 매연이 산화되는 온도 범위는 배기가스의 온도가 250-450℃정도에서 매연이 산화되고 450-650℃또는 250℃이하에서는 재생이 이루어지지 않는 단점이 있다.

또한, 세째로 최근에 상용화 되고 있는 디젤엔진중 커먼레일(Common-rail) 분사방식에서 사용될 수 있는 산화촉매+엔진제어(후분사)+연료첨가제 시스템은 먼저 산화촉매에 의해 배기가스 온도를 약 100℃상승시키고, 엔진분사 시스템에서 배기 행정 말기에 연료를 다시 분사시킴으로써 배기가스 온도를 약 150-200℃상승시키고 다시 연료첨가제를 사용하여 매연의 재생온도를 450℃까지 저하시켜 매연을 재생하는 방법이다.

상기에서 커먼레일 분사방식은 기존의 기계식 분사방식과는 달리 분사시기와 양을 전자적으로 제어하는 장치로써, 기존의 분사방식이 압축하고 팽창과정에서 단 한번을 분사하여 발생되는 압축열로 엔진이 가동되는데 비해, 커먼레일의 후분사는 주분사에 의해 연료가 연소되고 다시 연소후 후분사를 전자적으로 시킴으로서 그연료에 의해 배기말기에 배기온도를 상승시키는 방식이다.

상기의 산화촉매+엔진제어(후분사)+연료첨가제 시스템을 사용하는 경우에도 배기가스 온도가 250℃이하일 때 재생이 효과적으로 이루어지지 않는 단점이 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 전기히터를 주 열원으로 사용하지 않고 촉매필터나 산화촉매를 활성화하기 위한 보조열원으로 작용하여 열적 내구성 강화를 도모하였고, 엔진의 운전상태 및 필터의 상태를 지속적으로 모니터링 하면서 각 상태에 가장 적절한 재생방식을 적용할 수 있는 디젤엔진 매연저감장치 및 그의 재생방법을 제공함에 있다.

특히 전기히터 적용에 있어, 디젤엔진 매연저감장치에 적용된 예로, 좀 더 상세히 기술하면 기존의 매연포집 및 재생방식에서 재생에 부족한 열을 전기히터를 사용하여 재생함으로써 기존에 방식에서 재생할 수 없는 저온에서 까지 정화 가능할 수 있도록 된 것이다.

시스템적으로 보면 촉매필터, 산화촉매+필터 조합에 저온에서 전기히터를 NO₂의 전환효율 높이기 위해 사용할 수 있으며, 엔진 후분사에 의해 재생하는 방식에 전기히터를 도입하여 저온에서도 재생이 이루어지게 하는 장치를 구성할 수 있다.

구조적으로는 기존의 촉매(산화, 환원) 혹은 촉매필터 전단에 위치하여, 배기가스 열에 의한 재생이 이루어지는 온도범위 이하에서 전기히터가 작동된다.

상기의 전기히터는 필터에 포집된 매연을 직접적으로 연소시키는 방식이 아니라, 촉매가 활성화되는 에너지가 부족할 때에만 전기히터가 가동되게 함으로써 기존의 촉매가 활성화되는 온도에서는 촉매만으로 작동되게 하였다.

구조적으로 이 전기히터는 복수개의 세그먼트로 다중 분할하여 상기 각 세그먼트에 포집되는 매연량에 따라 전원이 효율적으로 공급되도록 함으로써 히터 작동시 불필요하게 낭비되는 에너지를 절감하고, 고장시에는 히터 전체를 교체할 필요 없이 해당 부품만을 별도로 교체할 수 있도록 하였다.

또한 상기한 히터를 작동함에 있어 배기가스 온도를 촉매활성화 온도까지 상승시킴으로 기존 전기히터 방식과는 다른 재생 방식을 가지고 있는 것이 특징이다.

재생을 위해서는 필터에서 취득되는 정보와 엔진에서 취득되는 정보를 종합적으로 판단하여 각각 다른 방식으로 포집된 매연을 재생한다.

제어유닛은 이를 전체적으로 모니터링 함은 물론이고 전기히터가 필터에 열적 부하가 없이 작동되도록 한다.

도 1은 전기히터를 구비한 일반적인 배기가스 정화시스템 구성을 보인 측면도

도 2는 산소 및 이산화질소(NO₂)분위기에서의 매연 재생율

도 3은 배기가스 온도에 따른 NO₂전환효율

도 4는 본 발명에서 사용되는 전기히터의 정면도 및 열선구조

도 4a, b는 상기 도4의 A부 확대도

도 5는 본 발명에서 사용되는 전기히터 모듈의 측면도

도 6은 각 전극에 전원이 연결된 상태를 나타낸 등가 회로도

도 7은 기존의 배기가스 정화용 장치중 전기히터 방식

도 8은 본 발명에서 사용되는 전기히터가 촉매필터에 적용된 측면도

도 9는 본 발명에서 사용되는 전기히터가 산화촉매 및 촉매필터에 적용된 측면도

도 10은 본 발명에서 사용되는 전기히터가 산화촉매 및 필터에 적용된 측면도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 배기관 2 : 캐니스터

3 : 세라믹 필터 4 : 전기히터

5 : ECU 6 : 금속담체

7 : 산화촉매 8 : 촉매필터

9 : 필터 10 : 복사열방지기

400: 중심 세그먼트 401: 둘레 세그먼트

408: 열선절연체 410: 열선지지체

P : 전극 R : 열선

S : 스위치

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 매연을 저감하기 위해 촉매를 활용하여 매연을 재생하는 디젤엔진 매연저감장치에 있어서, 전기히터의 열용량을 공간적으로 차등하게 분배할 수 있는 전기히터가 저온영역에서 촉매의 활성화 또는NO/NO₂의 전환효율 증대를 위해 촉매장치와 적어도 하나 이상이 결합하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명에서 전기히터는 차량 배기관의 촉매 혹은 촉매필터 전방에 장착되어, ECU의 제어에 따라 상기 필터에 포집된 배기가스의 입자상 물질을 촉매 등으로 재생시키는데 있어 촉매를 활성온도까지 활성화시킨다.

열용량을 공간적으로 차등하게 분배한다고 하는 것은, 배기관 내부의 단면의 중심부를 기준으로 하여, 임의의 위치마다 열용량을 달리 하여 열을 공급할 수 있다는 것이다.

또한, 촉매장치에는 산화촉매, 촉매필터 등이 포함된다.

상기 전기히터는 정단면에서 보았을 때 중심 세그먼트와 둘레 세그먼트로 이분할되고, 상기 둘레 세그먼트는 다시 복수개로 분할되어 중심 세그먼트의 둘레에 방사형으로 배치되며, 상기 각 세그먼트에는 포집된 매연이 연소될 수 있게 전원이 연속 또는 선택적으로 공급되도록 한 것을 특징으로 한다.

도 4에서 전기히터를 구조적으로 보면 주전원(P1)이 들어가는 가운데 부분의 히터에 전원이 가해지고 다시 중앙부분의 히터는 P2-P5중 하나의 전극으로 전류가 흘러 결론적으로 중앙부분의 히터와 외곽부분 히터 1개가 동시에 작동되게 되어 있다.

도 4a, b는 상기 도4의 A부분 확대도를 나타낸 것으로 전기적으로 발열하는 부분이 여러 개의 얇은 열선이 적층되어 있다.

도 5의 가운데 도면을 보면, 전기히터 모듈은 전기히터와 복사열 방지기 두 개로 나뉘어져 있으며. 이 두 개는 절연핀 등으로 단단히 고정되어 있다.

도 5의 왼쪽 도면을 보면, 상기에서 언급한 바와 같이 전기히터가 중앙부분과 외곽부분으로 나뉘어져 있어, 필요시 하나 혹은 여러 개가 동시에 작동할 수 있는 구조로 되어 있다.

도 5의 오른쪽 도면은, 금속담체로서 촉매코팅이 되지 않은 경우에는 히터 전단에 위치하여 히터에서 나오는 복사열을 방지하는 역할을 하는 복사열방지기로 사용되며, 촉매코팅이 되어 있는 경우에는 히터 후단에 위치하여 히터의 열로서 활성화하는 역할을 하는 산화촉매로써 사용된다.

전기히터의 전기적 구조를 도 6의 해부도면에서 살펴보면 주전원이 들어가는 전극(+)이 있고, 나머지는 음극(-)으로 통하는 복수개의 열선으로 이루어져 있다. 히터의 작동원리는 아래 그림과 같이 Vcc에서 S1, S2, S3, S4쪽으로 전류가 흐르게 되어 있어 한번작동시 R1+R2, R1+R3... 등으로 순차적으로 가열되게 되어 있다.

또한, 상황에 따라 R1+R2+R3 혹은 R1+R2+R3+R4, R1+R2+R3+R4+R5 등으로 사용할 수 있어, 히터 작동방법에는 엔진 혹은 필터의 상황에 따라 여러 가지 방식으로 사용될 수 있다.

상기 히터 작동방법은 어느 것이나, 전기히터의 중심부를 집중적으로 가열하는 방식을 채택한다. 이는 배기관내 매연의 유동이 뉴튼유체로 해석되어 중심부에 가장 집중되기 때문이다.

본 발명에서는 상기와 같은 전기히터를 사용하여 상기에서 언급한 재생이 이루어지지 않는 영역에서도 재생이 이루어질 수 있도록 하는 장치를 가지는 것을 특징으로 하며, 시스템의 구성은 전기히터+촉매필터를 기본으로 한다.

재생방식은 단순히 배기가스의 온도 및 배압만을 기준을 하는 것이 아니라 엔진의 상태까지 고려하여 재생하는 것을 특징으로 한다.

상기한 전기히터가 적용되는 시스템 구성은 표 1과 같으며, 재생온도 범위에 대해서 비교하였다.

[표 1] 시스템별 재생범위 비교

type	시스템구성	재생방식	재생온도(℃)	문제점
A	산화촉매+필터	NO2에 의한 재생	250~450	연료중 유황성분, 재생온도범위
B	촉매필터	촉매필터에 의한 재생	280이상	저온에서의 재생
C	연료첨가제+산화촉매+후분사	연료첨가제,산화촉매,후분사에 의한 재생	250이상	가격,저온에서의 재생,첨가재에 의한 재발생
실시예1	전기히터+B	히터에 의한 촉매활성도 증가	200이하	에너지소모,제어방법이 복잡
실시예2	전기히터+A	히터에 의한 NO2전환효율증가	200이하	에너지소모,제어방법이 복잡
실시예3	전기히터+C	히터에 의한 저온에서의 재생	200이하	에너지소모,제어방법이 복잡

먼저 시스템 A는 산화촉매와 필터를 기본으로 하는 방식으로 산화촉매에 의해 생성한 NO₂를 산화제로 사용하여 매연을 산화시키는 방식이다.

상기의 방식은 NO₂의 양에 따라 재생정도가 결정되므로, 산화촉매에 의한 NO₂전환효율은 상기한 바와 같이 배기가스 온도가 250-450℃정도가 되어야 최고치에 이르므로, 실제 매연이 산화되는 온도는 그 사이에서 이루어진다.

따라서, 저온에서 매연 산화를 하기 위해 NO₂전환효율을 높일 수 있도록 열량을 부여하는 보조열원이 필요하게 되고, 이에 따라 실시예1은 상기의 전기히터를 사용하여 저온에서 산화촉매를 활성시켜 NO₂의 전환효율을 상승시킴으로써, 저온에서도 매연을 산화시킬 수 있다.

시스템 B는 촉매필터 만을 사용하여 매연을 재생하는 방식으로서, 배기가스 온도가 350℃정도일 때 매연이 산화된다.

따라서, 실시예2는 시스템 B에 상기의 전기히터를 사용하게 되면 저온에서도 촉매를 활성 시킴으로써 매연을 저온에서도 산화시킬 수 있다.

시스템 C의 경우는 연료첨가제+산화촉매+필터로 배기가스 온도 250℃부터 매연을 저감 할 수 있다.

따라서, 실시예3은 상기의 전기히터를 사용하여 저온에서 매연을 산화시킬 수 있다.

상기의 실시예를 도면을 통하여 시스템의 적용예를 보면, 도 7은 기존의 전기히터 방식의 예를 나타낸 도면으로써, 전기히터(4)가 필터(9) 전단에 위치하여 필터에 포집된 매연을 오직 히터 열원에 의해서만 재생시키는 방식이다.

도 8은 본 발명에 사용되는 전기히터(4)가 촉매필터 시스템과 결합된 것을 보여주는 실시예1의 도면으로, 촉매필터(8) 전단에 본 발명에서 언급한 전기히터가 장착되고 다시 그 전단에 전기히터에서 나오는 복사열을 차폐하기 위해 설치된 복사열방지기(10)를 나타낸 것이다.

상기에도 언급한 바와 같이 전기히터(4)는 촉매필터(8)를 활성화하는데만 사용되고 전 엔진 운전범위에서 사용되는 것이 아니기 때문에 에너지 저감차원에서 매우 바람직하다.

도 9는 산화촉매 + 촉매필터에 본 발명에서 언급한 전기히터를 사용한 실시예2로써, 산화촉매(7)에서 기존 방식대로 NO를 NO₂로 산화시키고, 또한 상기 NO₂를 산화제로 하여 촉매필터(8)에 의해 매연을 재생시키는데 있어서, 전기히터(4)는 단지 촉매필터(8)를 활성화하는데 사용된다.

특히, 이 경우에 전기히터 전단에 위치한 복사열 차폐기로 사용되는 금속담체에 산화촉매를 코팅하여 사용함으로써 산화촉매 장치가 부가적으로 필요하지 않는 장점이 있다.

도 10은 실시예3을 도시한 것으로써, 산화촉매(7)와 필터(9)를 사용한 시스템에 본 발명에서 소개하는 전기히터(4) 장치를 두어 산화촉매(7)에서 하는 NO를 NO₂로 전환하는데 있어 촉매에 열원을 공급하는 장치로 사용된다.

이 경우 산화촉매는 금속담체 표면에 코팅이 되고 전기히터 후단에 위치하게 된다.

또한 재생방식에 있어 기존의 전기히터만을 사용하여 재생하는 방식에 비해 열원의 소비전력 및 가동방식이 차이가 나므로 엔진자체의 상태 및 필터의 상태에 따라 각기 따른 재생방식을 따른다.

본 발명에서의 매연재생방식은 크게 5개의 영역으로 나누어 재생한다.

재생방식은 표2에 나타내었다.

영역1은 저속/고부하 영역으로, 엔진토크가 아이들상태부터 1800rpm 이하이고, 엔진부하율이 70-100%인 영역으로, 엔진배기가스 온도가 높고 배압(배기가스 압력)이 낮은 상태이다.

영역1의 경우, 배기가스가 촉매활성온도 이상이므로, 기본적으로 전기히터가 작동되지 않으며, 후단에 장착되어 있는 촉매 등에 의해 매연이 재생된다.

영역2는 저속/저부하 영역으로, 엔진토크가 아이들상태부터 1800rpm 이하이고, 엔진부하율이 0-30%인 영역으로, 적어도 배압비(현재배압/최고배압*100)가 30이하인 경우이다.

영역2의 경우, 엔진배기가스 온도가 낮고 배압이 낮은 상태이므로. 필터에 직접적인 재생에 필요한 시점이 약간 여유가 있어서, 이 영역에서는 히터가 촉매 등의 보조열원으로 사용되며, 배기가스 유량이 적어 히터의 작동이 원활하게 된다.

히터는 기본적으로 직접적으로 매연을 재생하는 것이 아니라 촉매가 활성화되는 온도까지 상승시킨다.

영역3은 중속/고부하 영역으로, 엔진토크가 1800-3500rpm이고, 엔진부하율이 70-100%인 영역으로, 배기가스 온도가 높고 배압은 중간정도인 상태이다.

따라서, 이 영역에서는 전기히터가 기본적으로 작동되지 않으며, 후단에 장착되어 있는 촉매 등에 의해 재생한다.

기본적으로 배압이 중간정도이므로, 매연의 양이 많거나 배기가스 온도 등에 의해 재생이 원활히 이루어지지 않는 경우 히터를 보조적으로 사용 할 수 있다.

이 때, 배기가스 유량이 중속이므로 기존의 히터 작동방식인 R1+R2를 기본으로 하고 때에 따라 R1+R2+R3등으로 열원을 상승시킬 수 있다.

영역4는 중속/중부하 영역으로, 엔진토크가 1800-3500rpm이고, 엔진부하율이 30-70%인 영역으로, 배기가스 온도와 배압이 중간정도인 상태이다.

이 영역에서는 촉매가 활성화되지 않는 온도이기도 하며, 배기가스의 유량이 어느 정도 있기 때문에 히터를 보조적으로 사용한다.

이 때 배기가스 유량이 중속이므로 기존의 히터 작동방식인 R1+R2를 기본으로 하고 때에 따라 R1+R2+R3등으로 열원을 상승시킬 수 있다.

영역5는 고속/저부하 영역으로, 엔진토크가 3500rpm이상이고, 엔진부하율이 0-30%인 영역으로, 배기가스 온도가 중간정도이고 배압이 매우 높은 상태이다.

상기의 영역에서는 기존의 어떠한 촉매도 재생하기 어려운 영역이며, 배압이 기본적으로 매우 높아 바로 바로 재생하지 않으면 필터의 파손 등이 우려되는 영역이다.

본 발명에서 사용되는 히터 역시 유량이 매우 높기 때문에 히터 작동에도 매우 많은 에너지가 소비된다.

따라서, 이 영역에서는 전기히터를 상황에 따라 R1+R2+R3+R4+R5를 동시에 작동시켜 열량을 최대로 하여 매연을 재생시킬 수 있다.

[표 2] 각 영역에서 시스템 재생방식

	영역1	영역2	영역3	영역4	영역 5
엔진부하	고	저	고	중	저
엔진회전수	저	저	중	중	고
온도	고	저	고	중	중
압력	저	저	중	중	고
PM배출량	고	고	저	중	고
재생방식(본발명1)	촉매	보조적 전기히터	촉매	전기히터 보조	전기히터
본발명2	NO2	히터에 의해 NO2발생율 증가	NO2	NO2 또는 히터보조	전기히터
본발명3	연료첨가제	히터에 의해 보조재생	연료첨가제	후분사, 산화촉매 또는 히터보조	전기히터

각 영역에서의 재생에는 기본적으로 엔진의 조건 필터의 상태 등을 모니터링하고 모니터링 데이터를 바탕으로 히터의 작동시기를 결정하고 인가되는 전원의 크기를 결정한다.

일단 ECU에서 재생의 시기와 기간이 정해지면 필터 양단간의 온도와 배압을 모니터링 하여, 재생 유무를 판단하고 필요시 다시 히터를 작동하게 된다. 또한 엔진의 배압이 급격히 상승하게 되는 경우나 촉매에 의해 재생이 원활히 이루어지지 않는다고 판단되는 시기에는 히터가 재생시기가 아니더라도 작동이 되어 촉매의 활성을 가속화하여 매연을 재생하게 된다.

따라서, 본 발명은 항상 일정량의 매연을 포집.산화 하므로 과포집 상태에서의 재생을 피할수 있다.

본 발명은 기존의 매연여과 장치에 본 발명에서 언급한 전기히터를 적용하여 새로운 시스템을 구성하여 기존의 시스템으로 정화할 수 없는 저온영역까지 상기 언급한 전기히터를 적용하게 되면 재생 할 수 있는 장점이 있으며, 전기히터를 보조열원으로 사용함으로써 기존의 전기히터 방식에 비해 에너지 소모가 적다.

또한, 전기히터를 중앙부분과 외측부분 다수개로 분할하여 엔진의 조건 및 필터의 조건에 따라 하나 혹은 다수개의 전기히터를 가동하여 에너지 소모를 최소화 할 수 있다.

또한, 전기히터를 제어하는데 있어 엔진의 특성을 여러 영역으로 나누어 실제적으로 전기히터가 작동되는 부분을 나누었고, 이 또한 촉매 등의 보조열원으로 작동되기 때문에 에너지 소모를 최소화 할 수 있다.

한편 엔진의 조건이 촉매 등으로 재생하는데 있어 배기가스 온도가 매우 낮은 영역에서는 상기한 전기히터 전체를 가동하여 일시적으로 에너지 소모는 많을 수는 있으나, 재생을 원활히 할 수 있는 장점이 있다.

Claims (7)

1. 매연을 저감하기 위해 촉매를 활용하여 매연을 재생하는 디젤엔진 매연저감장치에 있어서,

   전기히터의 열용량을 공간적으로 차등하게 분배할 수 있는 전기히터가 저온영역에서 촉매의 활성화 또는 NO/NO₂의 전환효율 증대를 위해 촉매장치와 적어도 하나 이상이 결합하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진 매연저감장치.
2. 제 1항에 있어서, 전기히터는 정단면에서 보았을 때 열용량이 중앙부분에 집중되어 있는 것을 특징으로 하는 디젤엔진 매연저감장치.
3. 제 1항에 있어서, 전기히터는 촉매필터장치의 전단에 위치하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진 매연저감장치.
4. 제 1항에 있어서, 전기히터는 산화촉매와 촉매필터장치 사이에 장착되는 것을 특징으로 하는 디젤엔진 매연저감장치.
5. 제 1항에 있어서, 전기히터는 산화촉매 및 필터장치 전단에 장착되는 것을 특징으로 하는 디젤엔진 매연저감장치.
6. 제 1항에 있어서, 전기히터는 정단면에서 보았을 때 중심 세그먼트와 둘레 세그먼트로 이분할되고, 상기 둘레 세그먼트는 다시 복수개로 분할되어 중심 세그먼트의 둘레에 방사형으로 배치되며, 상기 각 세그먼트에는 포집된 매연이 연소될 수 있게 전원이 연속 또는 선택적으로 공급되도록 한 것을 특징으로 하는 디젤엔진 매연저감장치.
7. 제1항에 있어서, 전기히터는 영역 1 내지 영역 5의 엔진의 상태에 따라 열량을 달리하도록 하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진 매연저감장치.

   단, 영역1은 저속/고부하 영역으로, 엔진토크가 아이들상태부터 1800rpm 이하이고, 엔진부하율이 70-100%인 영역

   영역2는 저속/저부하 영역으로, 엔진토크가 아이들상태부터 1800rpm 이하이고, 엔진부하율이 0-30%인 영역

   영역3은 중속/고부하 영역으로, 엔진토크가 1800-3500rpm이고, 엔진부하율이 70-100%인 영역

   영역4는 중속/중부하 영역으로, 엔진토크가 1800-3500rpm이고, 엔진부하율이 30-70%인 영역

   영역5는 고속/저부하 영역으로, 엔진토크가 3500rpm이상이고, 엔진부하율이 0-30%인 영역