KR20230106853A - 금속섬유로 형성된 dpf를 갖는 선박용 디젤 엔진의 배기가스 여과 장치 - Google Patents

Abstract

선박의 디젤 엔진의 배기가스를 여과하기 위한 배기가스 여과 장치는 상기 배기가스에 함유된 입자성 물질을 하전시킬 수 있도록 구성되는 하전부, 그리고 상기 하전부를 통과하면서 하전된 입자성 물질을 전기적 인력에 의해 포집하는 금속 재질의 DPF를 포함하는 여과부를 포함한다.

Description

금속섬유로 형성된 DPF를 갖는 선박용 디젤 엔진의 배기가스 여과 장치{Apparatus for filtering exhaust gas of diesel engine for vessel having DPF formed of metal fiber}

본 발명은 선박용 디젤 엔진의 배기가스에 함유된 입자성 물질을 여과할 수 있는 배기가스 여과 장치에 관한 것이다.

디젤 엔진은 내구성이 높고 연료 효율이 높은 장점을 가지는 반면 배기가스가 디젤 입자성 물질과 같은 미세입자나 유해가스와 같은 오염물질을 다량 함유하여 대기오염을 야기한다는 문제를 가진다. 미세먼지 저감, 대기질 개선 등을 위해 디젤 엔진의 배기가스를 여과하는 장치가 널리 사용되고 있으며, 선박용 디젤 엔진에 대해서도 배기가스 정화를 통한 오염물질을 줄일 수 있는 방안이 요구되고 있다.

DPF(Diesel Particulate Filter)는 배기가스에 함유되어 있는 입자상 물질(PM, Particulate Matter)을 포집하고 연소시켜 제거하는 배기가스 후처리 장치이며, 디젤 차량에 이러한 DPF를 장착하는 것이 의무화되어 있다. DPF의 장시간 사용 시 매연 입자가 축적되어 차압이 증가하게 되며, 이는 DPF의 효율을 떨어뜨리는 요인 중 하나이다. DPF의 재생 효율을 높이기 위해 입자상 물질의 연소 온도를 낮추거나 배기가스 온도를 높이는 방안이 사용된다. 예를 들어, 디젤 차량의 DPF의 재생 효율을 높이기 위해, DPF의 전단에 DOC(Diesel Oxidation Catalyst)를 장착하는 방법, 입자상 물질의 연소 온도를 낮추기 위해 금속화합물 첨가제를 사용하는 방법, 필터에 백금과 같은 귀금속을 코팅하여 입자성 물질의 연소를 촉진하는 방법, 버너나 히터를 부착하여 배기가스의 온도를 상승시켜 강제 재생하는 방법 등이 사용되고 있다.

그러나 디젤 차량에 사용되는 DPF 재생 기술들은 선박의 엔진 구조 및 운용 환경의 특수성으로 인해 선박용 디젤 엔진에 적용되기 어렵다. 또한 강제재생 방법은 버너나 히터와 같은 별도의 부대 설비가 필요하나 선박안전에 관한 법규정의 준수를 위해 버너나 히터를 적용하는 것이 현실적으로 어렵다는 문제가 있다.

이러한 이유로 선박이라는 특수한 환경에 적용될 수 있고 설치가 용이하고 친환경적인 배기가스 여과 장치가 요구되고 있다.

유럽 등록특허공보 EP2640940B1 일본 등록특허공보 JP5894179B2 유럽 등록특허공보 EP2312133B1

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 여과 성능이 우수하고 친환경적인 선박의 디젤 엔진의 배기가스 여과 장치를 제공하는 것이다. 또한 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 하전부를 통해 정전기적 부착 성능 및 입자 조대화를 극대화하여 상대적으로 큰 공극률을 갖는 금속섬유로 이루어진 DPF를 사용할 수 있도록 구성된 선박의 디젤 엔진의 배기가스를 정화하는 배기가스 정화 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 선박의 디젤 엔진의 배기가스를 여과하기 위한 배기가스 여과 장치는 상기 배기가스에 함유된 입자성 물질을 하전시킬 수 있도록 구성되는 하전부, 그리고 상기 하전부를 통과하면서 하전된 입자성 물질을 전기적 인력에 의해 포집하는 금속 재질의 DPF를 포함하는 여과부를 포함한다.

상기 DPF는 복수의 금속섬유가 지그재그 형태로 압착되어 복수의 레이어를 형성하도록 구성될 수 있다.

상기 DPF는 68% 이상의 공극률을 가질 수 있다.

상기 DPF는 복수로 구비되고, 상기 복수의 DPF는 상기 배기가스가 흐르는 공간에 병렬로 배열될 수 있다.

본 발명에 의하면, 금속섬유로 형성되는 DPF를 포함하는 여과부의 상류측에 배치된 하전부를 통해 배기가스에 함유된 입자를 하전한 후 여과부로 유입시킴으로써, 기존 기술에 비해 상대적으로 큰 공극률을 가지는 금속섬유 필터를 DPF로 활용하더라도 원하는 여과 효율을 유지할 수 있고 차압 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 선박 엔진의 배기가스 여과 장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 선박 엔진의 배기가스 여과 장치의 측면도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 절개한 단면도이다.
도 4는 도 2의 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 절개한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 선박 엔진의 배기가스 여과 장치의 하전부의 배면 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 선박 엔진의 배기가스 여과 장치의 하우징이 제거된 상태의 내부 구조를 보여주는 사시도이다.

아래에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 설명된 실시예에 한정되지 않는다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 선박 엔진의 배기가스 여과 장치(1)는 하우징(10)을 포함하며, 하우징(10)의 길이방향의 양측 단에 인렛(11)과 아웃렛(12)이 구비된다. 하우징(10)은 전체적으로 관 형태를 가지며, 배기가스가 화살표 방향으로 인렛(11)을 통해 유입된 후 아웃렛(12)을 통해 배출된다.

하전부(13)와 여과부(15)가 하우징(10) 내에 배기가스의 유동 경로를 따라 배치된다. 하전부(13)는 하우징(10) 내에 상류측에 배치되며, 여과부(15)는 하전부(13)의 하류측에 배치된다. 하전부(13)는 배기가스에 함유된 입자를 전기적 극성을 갖도록 하전시키며, 여과부(15)는 하전부(13)를 통과한 배기가스 입자를 집진하여 여과한다. 여과부(15)는 배기가스에 함유된 입자상 물질을 여과하는 DPF(17)를 포함한다. DPF(17)의 재생을 위한 물 세정부(21)와 공기 세정부(23)가 여과부(15)의 상류측과 하류측에 각각 배치된다. 물 세정부(21)와 공기 세정부(23)는 각각 물과 공기를 DPF(17)로 분사하여 물리적 분리방법에 의해 DPF(17)를 재생하도록 구성된다. 물과 공기의 분사에 의한 물리적 분리 방법에 의한 DPF(17)의 재생이 이루어지기 때문에 간단한 구성과 저렴한 비용을 통해 재생 효율의 극대화가 달성될 수 있다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 하전부(13)는 배기가스 통로(132)를 각각 형성하는 복수의 관형(tubular) 전극 부재(131), 그리고 복수의 배기가스 통로(132)에 각각 배치되는 복수의 방전 전극(133)을 포함할 수 있다. 관형 전극 부재(131)는 분할된 배기가스가 각각 통과하는 복수의 배기가스 통로(132)를 형성하며, 복수의 관형 전극 부재(131)가 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이 배기가스의 흐름 방향에 대해 병렬로 다발을 이루도록 배치된다. 도 3 및 도 6을 참조하면, 복수의 관형 전극 부재(131)의 상류측 단부에 격벽(136)이 배치되며, 격벽(136)은 복수의 관형 부재(131)의 배기가스 통로(132)에 각각 대응하는 복수의 관통홀(137)을 구비할 수 있다. 복수의 관형 전극 부재(131)는 격벽(136)에 지지되어 하우징(10) 내에 배치될 수 있다.

방전 전극(133)은 핀(pin) 또는 와이어(wire) 형태를 가질 수 있다. 인렛(11)으로 유입된 배기가스는 분할되어 병렬로 배치된 복수의 배기가스 통로(132)를 통과하면서 하전된다. 관형 전극 부재(131)는 접지되고, 직류 고전압이 절연 애자(134)를 통해 방전 전극(133)에 인가된다. 관형 전극 부재(131)가 접지되고 방전 전극(133)에 직류 고전압이 인가되면 배기가스 통로(132)에 반경방향으로 전압 구배가 형성되고, 이에 의해 배기가스 통로(132)를 유동하는 배기가스의 입자들이 하전될 수 있다. 복수의 관형 전극 부재(131)가 병렬로 배치되어 다발을 이루는 상태로 하우징(10) 내에 배치된다. 이때, 절연 애자(134)는 관형 전극 부재(131) 주위의 공간에서 관형 전극 부재(131)를 따라 연장되며, 절연 애자(134)의 하류측 단부, 도 3에서 우측 단부에 전기 연결부(135)가 전기적으로 연결된다. 방전 전극(133)은 도전성 연결부(135)에 전기적으로 연결되며 관형 전극 부재(131)의 배기가스 통로(132)를 따라 연장된다. 도전성 연결부(135)는 방전 전극(133)과 절연 애자(134)를 전기적으로 연결함과 동시에 방전 전극(133)을 기구적으로 지지한다. 이를 위해 도전성 연결부(135)는 도 5에 도시된 바와 같이 격자 구조를 가질 수 있다. 도 4 내지 도 6을 참조하면, 한 쌍의 절연 애자(134)가 서로 마주하게 배치될 수 있으며, 각 절연 애자(134)는 관형 전극 부재(131)의 길이방향을 따라 연장된다.

본 발명의 실시예에서는 복수의 관형 전극 부재(131)를 병렬로 배치하여 배기가스가 이동하는 영역을 구획하고 각 관형 전극 부재(131) 내에 방전 전극(133)을 배치함으로써 하전 효율을 향상시킬 수 있다.

하전부(13)의 하류측에 배치되는 여과부(15)는 입자상 물질을 여과하는 DPF(17)를 구비한다. DPF(17)는 하전된 배기가스의 입자를 전기적 인력에 의해 포집할 수 있도록 금속 재질로 형성되는 것이 바람직하다. DPF(17)는 원통형의 필터 케이스(171) 내에 배치되는 금속 재질의 원통형 필터(173)를 포함하며, 이때 입자를 포집하는 면적을 넓힐 수 있도록 복수의 원통형 필터(173)가 중첩적으로 배치될 수 있다. 이에 의해 하전부(13)에 의해 하전된 입자는 금속 재질의 DPF(17)에 전기적 인력에 의해 포집될 수 있다. 또한 하전부(13)의 관형 전극 부재(131)를 통과하는 배기가스의 입자 중 일부는 이온풍, 정전기적 인력 등에 의해 관형 전극 부재(131)의 내주면으로 이동하여 입자끼리 뭉쳐 입자의 조대화가 일어날 수 있으며, 하전부(13)에서 크기가 커진 입자는 큰 관성력을 갖게 되어 하류측의 DPF(17)에 의해 더욱 쉽게 포집될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예에서는 전술한 정전기적 인력 및 증가된 관성력을 함께 이용하여 입자를 포집시킬 수 있으므로, 기공율이 높은 DPF(17)를 사용하여도 원하는 여과 성능을 유지할 수 있다.

도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이, DPF(17)는 금속섬유가 지그재그 형태로 압착되어 복수의 레이어를 형성하도록 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 배기가스에 함유된 입자성 물질이 여과부(15)의 상류측에 배치된 하전부(13)에 의해 하전된 상태로 여과부(15)로 유입되기 때문에, 배기가스에 함유된 입자의 조대화가 이루어져 효과적인 입자 포집이 가능할 뿐만 아니라 금속섬유로 형성된 DPF(17)가 정전기적 작용에 의해 하전된 배기가스의 입자를 효과적으로 포집할 수 있다. 이에 의해 본 발명의 실시예에 따른 DPF(17)는 통상의 DPF에 비해 낮은 공극률을 갖는 것으로도 원하는 정도의 입자 포집이 가능하다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 DPF(17)는 배기가스의 입자가 통과할 수 있는 공극률이 68% 이상이 되도록 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 DPF(17)가 병렬로 다발 형태를 갖도록 배열될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 여과 장치는 DPF(17)의 개수, 크기, 공극률을 조정을 통해 다양한 부하에 효과적으로 대응할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 배기가스 여과 장치(1)는 DPF(17)의 재생을 위한 물 세정부(21)와 공기 세정부(23)를 포함한다. 앞서 설명한 바와 같이, 물 세정부(21)과 공기 세정부(23)는 각각 물과 공기를 분사하여 물리적 분리 방식에 의해 DPF(17)에 침착된 입자상 물질을 제거하여 DPF(17)를 재생한다.

공기 세정부(23)는 여과부(15)의 하류측에 설치되어 상류측에 위치하는 DPF(17)에 고압의 공기를 분사할 수 있도록 구성된다. 공기 세정부(23)는 DPF(17)의 하류측에 형성되는 공기 분사 공간(231)을 형성하는 하우징(232)을 포함할 수 있으며, 하우징(232)에 형성되는 노즐공(232)에 연결되는 공기 공급 노즐(도시되지 않음)을 통해 압축 공기가 공기 분사 공간(231)을 통해 DPF(17)로 분사될 수 있다. 이때, 하우징(232)은 앞서 설명한 하우징(10)의 일부이다.

물 세정부(23)는 여과부(15)의 상류측에 설치되어 하류측에 위치하는 DPF(17)에 물을 분사할 수 있도록 구성된다. 물 세정부(21)는 하전부(13)와 여과부(15) 사이에 배치될 수 있다. 물 세정부(21)는 DPF(17)의 상류측에 형성되는 물 분사 공간(211)을 형성하는 하우징(212)을 포함할 수 있으며, 하우징(212)에 형성되는 노즐공(213)에 연결되는 물 공급 노즐(도시되지 않음)을 통해 물이 물 분사 공간(211)을 통해 DPF(17)로 분사될 수 있다, 물 세정부(21)는 DPF(17)를 향해 스프레이 형태로 미세 액적을 분사할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다. 이때, 하우징(212)은 앞서 설명한 하우징(10)의 일부이다.

도 3 및 도 6을 참조하면, 격벽(174, 175)이 DPF(17)의 상류측 단부와 하류측 단부에 각각 구비될 수 있으며, 각 DPF(17)의 상류측 단과 하류측 단이 격벽(174, 175)을 통해 물 분사 공간(211)과 공기 분사 공간(231)에 노출된다. 이에 의해 물 분사 공간(211)에 분사된 물과 공기 분사 공간(231)에 분사된 공기가 각 DPF(17)로 유입될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, DPF(17)의 재생을 위해, 물 세정부(21)를 이용하여 물 세정을 먼저 수행한 후 공기 세정부(23)를 이용하여 공기 세정을 수행할 수 있으며, 그에 의해 DPF(17)의 상류측과 하류측 사이의 차압을 떨어뜨릴 수 있다. 이때, 물 세정부(21)와 공기 세정부(23)의 작동은 솔레노이드 밸브를 통해 물 공급 노즐과 공기 공급 노즐의 개방을 조절함으로써 이루어질 수 있고, 솔레노이드 밸브의 작동을 제어하기 위한 컨트롤러가 구비될 수 있다. 컨트롤러는 프로세서, 메모리 및 관련 하드웨어와 소프트웨어를 포함할 수 있으며, 정해진 로직에 따라 솔레노이드 밸브의 작동을 제어하도록 구성될 수 있다.

위에서 본 발명의 실시예에 대해 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.

1: 배기가스 여과 장치
10, 212, 232: 하우징
11: 인렛
12: 아웃렛
13: 하전부
15: 여과부
17: DPF
21: 물 세정부
23: 공기 세정부
131: 관형 전극 부재
132: 배기가스 통로
133: 방전 전극
134: 절연 애자
135: 도전성 연결부
136: 격벽
174, 175: 격벽
171: 필터 케이스
173: 원통형 필터

Claims (4)

1. 선박의 디젤 엔진의 배기가스를 여과하기 위한 배기가스 여과 장치에 있어서,
   상기 배기가스에 함유된 입자성 물질을 하전시킬 수 있도록 구성되는 하전부, 그리고
   상기 하전부를 통과하면서 하전된 입자성 물질을 전기적 인력에 의해 포집하는 금속 재질의 DPF를 포함하는 여과부
   를 포함하는 배기가스 여과 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 DPF는 복수의 금속섬유가 지그재그 형태로 압착되어 복수의 레이어를 형성하도록 구성되는 배기가스 여과 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 DPF는 68% 이상의 공극률을 갖는 배기가스 여과 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 DPF는 복수로 구비되고, 상기 복수의 DPF는 상기 배기가스가 흐르는 공간에 병렬로 배열되는 배기가스 여과 장치.

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