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KR101180947B1 - 배기가스 후처리 시스템 - Google Patents

배기가스 후처리 시스템 Download PDF

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KR101180947B1
KR101180947B1 KR1020100055623A KR20100055623A KR101180947B1 KR 101180947 B1 KR101180947 B1 KR 101180947B1 KR 1020100055623 A KR1020100055623 A KR 1020100055623A KR 20100055623 A KR20100055623 A KR 20100055623A KR 101180947 B1 KR101180947 B1 KR 101180947B1
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KR
South Korea
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exhaust gas
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cooling water
gas cooler
exhaust
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최성무
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템은, 배기가스가 통과하는 배기라인, 상기 배기라인의 후단부에 배치되어 소음을 감소시키는 머플러, 상기 머플러의 전단에 배치되어 통과하는 배기가스를 냉각시키는 배기가스쿨러, 및 상기 배기가스쿨러로 냉각수를 순환시키는 냉각수공급부를 포함한다. 아울러, 상기 배기가스쿨러의 전단에 배치된 촉매유닛을 더 포함하고, 상기 촉매유닛은, 배기가스에 포함된 유해물질을 저감시키는 디젤산화촉매(DOC: diesel particulate filter), 및 배기가스에 포함된 입자상물질을 필터링하는 디젤여과필터(DPF: diesel particulate filter)이고, 상기 디젤여과필터를 재생하는 과정에서 상기 배기가스의 온도를 설정된 수치 미만으로 유지시키기 위해서 상기 냉각수공급부가 상기 배기가스쿨러로 냉각수를 순환시킨다.
따라서, 상기 배기가스쿨러를 이용하여 상기 배기가스의 온도를 섭씨 150도 미만으로 유지하여 백연의 발생을 줄인다. 상기 배기가스쿨러가 상기 머플러의 전단에 배치되어, 상기 머플러 내부에 고농도로 포집된 황산성분에 의해서, 상기 배기가스쿨러의 방열판이 부식되는 것이 방지되어 내구성이 향상된다. 상기 머플러 내부에서 증발되어 상기 배기가스쿨러의 방열판에 부착되는 것이 방지되어, 배기가스압력이 상승하거나 쿨링효율이 저감되는 것을 방지할 수 있다. 아울러, 상기 머플러의 전단에 상기 배기가스쿨러를 설치함으로써, 비교적 상기 배기가스쿨러를 설치할 공간이 충분하고, 상기 배기가스쿨러에 연결되는 상기 냉각수공급라인의 길이도 줄어든다.

Description

배기가스 후처리 시스템{EXHAUST GAS POST PROCESSING SYSTEM}
본 발명은 배기가스 후처리 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집하고 이를 제거하는 디젤여과필터(DPF)를 재생하는 배기가스 후처리 시스템에 관한 것이다.
유해한 배기가스의 배출이 상대적으로 많은 디젤차량의 경우, 유해물질 저감은 아주 중요한 문제이다. 특히, 연료의 불완전 연소에 주로 기인하는 입자상 물질(PM, particulate matters)의 저감이 요구되고 있다.
입자상 물질을 저감시키기 위한 다양한 기술이 도입되고 있는데, 배기가스 성분 중 입자상 물질을 포집하고 포집된 입자상 물질을 발화온도 이상으로 가열하여 입자상 물질을 제거하는 디젤여과필터(DPF, diesel particulate filter)가 있다.
상기 디젤여과필터에서, 고속 또는 고부하 상태에서와 같이 배기가스 온도가 높은 상태에서는 원활한 재생이 가능하지만, 부하가 낮은 운전조건인 상태에서 재생을 위해서는 배기가스의 온도를 강제적으로 상승시켜야 하는 문제가 있다.
배기가스 온도를 상승시키기 위해, 연소가 종료된 상태에서 다시 연료를 분사해 주는 포스트인젝션(post injection)이 수행되어 DPF의 상류측에 배치되는 디젤산화촉매(DOC, diesel oxidation catalyst)에서 배기가스의 온도를 상승시키는 것이 필요하다.
일반적으로 디젤연료에는 황성분이 함유되어 있고, 연소과정에서 황산(H2SO4)성분이 배기시스템에 부착되고, 여기에 다시 수분(H2O)을 흡수하게 된다.
한편, 상기 디젤여과필터가 재생될 때, 그 높은 온도에 의해서, 배기시스템에서 수분을 함유하고 있는 황산으로부터 수분이 증발되어 흰색 연기가 발생되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 디젤연료에 포함된 황성분이 배기시스템에 황산으로 부착되고, 디젤여과필터가 재생될 때 황산에서 수분이 증발하면서 흰색 연기(백연)가 발생되는 것을 방지하는 배기가스 후처리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 배기가스 후처리 시스템은, 배기가스가 통과하는 배기라인, 상기 배기라인의 후단부에 배치되어 소음을 감소시키는 머플러, 상기 머플러의 전단에 배치되어 통과하는 배기가스를 냉각시키는 배기가스쿨러, 및 상기 배기가스쿨러로 냉각수를 순환시키는 냉각수공급부를 포함한다.
상기 배기가스쿨러의 전단에 배치된 촉매유닛을 더 포함하고, 상기 촉매유닛은, 배기가스에 포함된 유해물질을 저감시키는 디젤산화촉매(DOC: diesel particulate filter), 및 배기가스에 포함된 입자상물질을 필터링하는 디젤여과필터(DPF: diesel particulate filter)일 수 있다.
상기 디젤여과필터를 재생하는 과정에서 상기 배기가스의 온도를 설정된 수치 미만으로 유지시키기 위해서 상기 냉각수공급부가 상기 배기가스쿨러로 냉각수를 순환시킨다.
상기 배기라인을 바이패스하는 배기가스바이패스라인에 설치될 수 있다.
상기 배기라인에 설치되어 상기 배기가스바이패스라인 또는 상기 배기라인으로 선택적으로 배기가스를 공급하는 전환밸브를 더 포함한다.
상기 냉각수공급부와 상기 배기가스쿨러를 순환하는 냉각수공급라인이 배치되고, 상기 냉각수공급라인에는 상기 배기가스쿨러를 바이패스하는 냉각수바이패스라인이 형성되고, 상기 냉각수바이패스라인에 바이패스밸브가 설치된다.
상기 냉각수공급라인에는 상기 냉각수바이패스라인으로 분기되기 전에 냉각수의 순환을 제어하는 온오프밸브가 더 설치된다.
상기 촉매유닛의 전단부에서 분기되어 연료를 이용하여 에너지를 생산하는 엔진의 흡기라인으로 합류되는 이지알라인, 및 상기 이지알라인에 설치되어 상기 이지알라인을 흐르는 이지알가스를 냉각하는 이지알쿨러를 더 포함하고, 상기 냉각수공급부와 상기 이지알쿨러를 순환하는 이지알냉각수라인이 구비된다.
앞에서 기재된 바와 같이 본 발명에 따른 배기가스 후처리 시스템에서, 상기 배기가스쿨러를 이용하여 상기 배기가스의 온도를 섭씨 150도 미만으로 유지하여 백연의 발생을 줄인다.
상기 배기가스쿨러가 상기 머플러의 전단에 배치되어, 상기 머플러 내부에 고농도로 포집된 황산성분에 의해서, 상기 배기가스쿨러의 방열판이 부식되는 것이 방지되어 내구성이 향상된다.
상기 머플러 내부에서 증발되어 상기 배기가스쿨러의 방열판에 부착되는 것이 방지되어, 배기가스압력이 상승하거나 쿨링효율이 저감되는 것을 방지할 수 있다.
아울러, 상기 머플러의 전단에 상기 배기가스쿨러를 설치함으로써, 비교적 상기 배기가스쿨러를 설치할 공간이 충분하고, 상기 배기가스쿨러에 연결되는 상기 냉각수공급라인의 길이도 줄어든다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템에서 배기가스를 냉각하지 않을 경우 배기가스의 온도를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 배기가스 후처리 시스템은 엔진(100), 배기라인(102), 디젤산화촉매(105), 디젤여과필터(110), 배기가스쿨러(115), 머플러(120), 냉각수공급부(130), 냉각수공급라인(145), 냉각수바이패스라인(150), 온오프밸브(135), 냉각수바이패스밸브(140), 이지알라인(155), 및 이지알쿨러(125)를 포함하여 구성된다.
상기 배기라인(102)에는 상기 디젤산화촉매(105), 상기 디젤여과필터(110), 상기 배기가스쿨러(115), 및 상기 머플러(120)가 순차적으로 설정된 간격을 두고 배치되고, 상기 디젤산화촉매(105)의 전단에서 흡기라인(160)으로 상기 배기라인(102)이 분기되어 상기 이지알라인(155)이 형성된다.
아울러, 상기 냉각수공급부(130)에서 각각 상기 배기가스쿨러(115)와 상기 이지알쿨러(125)로 냉각수가 순환된다. 본 발명의 실시예에서, 상기 이지알쿨러(125)와 상기 이지알라인(155)에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
상기 냉각수공급부(130)에서 상기 배기가스쿨러(115)로 냉각수가 순환되도록 상기 냉각수공급라인(145)이 배치되고, 상기 냉각수공급라인(145)에는 상기 배기가스쿨러(115)를 바이패스하는 냉각수바이패스라인(150)이 형성된다.
아울러, 상기 냉각수바이패스라인(150)에는 상기 냉각수바이패스밸브(140)가 설치되고, 상기 냉각수공급라인(145)에는 상기 냉각수바이패스라인(150)으로 분기되기 전에 상기 온오프밸브(135)가 설치된다.
한편, 연료안에는 소정의 황성분이 함유되어 있고, 연소과정에서 황산(H2SO4)이 형성되는데, 배기시스템에서 수분(H2O)를 흡수한 상태로 존재하게 된다.
그런데, 상기 디젤산화촉매(105) 또는 상기 디젤여과필터(110)를 재생하는 경우, 상기 머플러(120) 또는 상기 배기가스쿨러(115)를 통과하는 배기가스의 온도가 설정된 온도 이상으로 급격하게 상승하여, 배기가스에 포함된 황산에서 수분이 증발하면서 테일파이프(165)에서 흰색 연기가 배출되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서, 상기 디젤산화촉매(105) 또는 상기 디젤여과필터(110)를 재생할 때, 상기 배기라인(102)을 지나는 배기가스를 냉각시켜, 배기가스에 포함된 수분을 응축시켜 제거함으로써, 상기 테일파이프(165) 밖으로 흰색 연기(백연)가 배출되는 것을 방지한다.
아울러, 상기 배기가스의 온도가 섭씨 150도 미만이면 황산에서 증발한 수분이 응축되어 제거되는 동시에, 황산에서 수분이 증발되지 않아서 상기 테일파이프(165)에서 흰색 연기가 배출되지 않는다.
한편, 상기 배기가스쿨러(115)가 상기 머플러(120)의 후단에 배치되는 경우, 상기 머플러(120)에 고농도의 황산과 수분이 포집되고, 상기 디젤여과필터(110) 또는 상기 디젤산화촉매(105)가 재생될 때, 그 수분과 황산 성분이 상기 머플러(120)의 후단에 배치된 상기 배기가스쿨러(115)로 대량으로 이동하여, 상기 배기가스쿨러(115)의 방열판을 부식시켜 내구성을 급격하게 저감시킬 수 있다.
따라서, 상기 머플러(120)의 후단에 배치된 상기 배기가스쿨러(115)의 차가운 방열판(미도시)에 황산이 부착되면, 배기가스 통로를 차단하여 배기가스압력이 상승하고, 쿨링효율이 저감될 수 있다.
아울러, 상기 머플러(120)는 상기 배기라인(102)의 뒤쪽에 설치되는데, 상기 배기가스쿨러(115)를 상기 머플러(120) 후단에 설치하는 경우, 상기 배기가스쿨러(115)를 설치할 공간이 제약되고, 그만큼 상기 냉각수공급라인(145)의 길이도 증가하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 상기 배기가스쿨러(115)를 상기 머플러(120)의 전단에 설치하여, 상기와 같은 문제점을 용이하게 해결할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템의 개략적인 구성도이다. 도 2를 참조하여 도 1과 차이점이 있는 부분에 대해서는 설명한다.
도 2를 참조하면, 상기 배기라인(102)에는 상기 디젤산화촉매(105), 상기 디젤여과필터(110), 및 상기 머플러(120)가 순차적으로 배치되고, 상기 머플러(120)와 상기 디젤여과필터(110) 사이에는 상기 배기라인(102)을 바이패스하는 배기가스바이패스라인(205)이 배치된다.
상기 배기가스바이패스라인(205)에 상기 배기가스쿨러(115)가 배치되고, 상기 배기라인(102)에는 상기 배기가스바이패스라인(205)으로 분기되는 분기점에 전환밸브(200)가 배치된다.
상기 전환밸브(200)는 상기 배기라인(102)을 흐르는 배기가스를 상기 배기가스바이패스라인(205)으로 선택적으로 공급한다.
즉, 상기 배기라인(102)을 흐르는 배기가스의 냉각이 필요할 경우에 상기 전환밸브(200)를 제어하여 상기 배기라인(102)을 흐르는 배기가스를 상기 배기가스바이패스라인(205)으로 공급하고, 냉각이 필요하지 않으면, 상기 전환밸브(200)를 제어하여 상기 배기가스가 상기 배기라인(102)으로만 흐르도록 한다.
본 발명의 실시예에서는, 상기 배기가스쿨러(115)가 상기 머플러(120)의 전단에 배치되어, 상기 머플러(120) 내부에 고농도로 포집된 황산성분에 의해서, 상기 배기가스쿨러(115)의 방열판이 부식되는 것이 방지되어 내구성이 향상된다.
또한, 상기 머플러(120) 내부의 황산성분이 상기 배기가스쿨러(115)의 방열판에 부착되는 것이 방지되어, 배기가스압력이 상승하거나 쿨링효율이 저감되는 것을 방지할 수 있다.
아울러, 상기 머플러(120)의 전단에 상기 배기가스쿨러(115)를 설치함으로써, 비교적 상기 배기가스쿨러(115)를 설치할 공간이 충분하고, 상기 배기가스쿨러(115)에 연결되는 상기 냉각수공급라인(145)의 길이도 상대적으로 줄어든다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템에서 배기가스를 냉각하지 않을 경우 배기가스의 온도를 나타내는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 상기 배기가스쿨러(115)로 냉각수가 공급되지 않는 상태에서, 배기가스의 온도를 나타내는 것으로, 가로축은 시간을 나타내고 세로축은 상기 배기라인(102)을 흐르는 배기가스의 온도를 나타낸다.
상기 디젤산화촉매(105)의 입구(DOC in), 상기 디젤여과필터(110)의 입구(DPF in), 상기 디젤여과필터(110)의 출구(DPF out), 및 상기 배기라인(102)의 테일파이프(165)에서 감지된 배기가스의 온도를 나타낸다.
환원제로써 연료가 추가로 분사되어, 상기 배기라인(102)을 지나는 배기가스의 온도가 급격하게 상승하게 되고, 상기 디젤산화촉매(105) 또는 상기 디젤여과필터(110)의 재생이 수행된다.
재생이 수행되는 이후에 배기가스의 온도가 급격하게 상승하고, 황산에서 수분이 증발하면서, 백연이 발생하게 되는데,
본 발명의 실시예에서는 상기 배기가스쿨러(115)를 이용하여 상기 배기가스의 온도를 섭씨 150도 미만으로 유지하여 배기가스 내에 포함된 수증기가 상기 배기가스쿨러(115)의 냉각팬에 응축되어 액체의 물로 제거된다. 따라서, 배기가스 내의 수증기가 줄어들어 상기 테일파이프(165) 밖에서 발생되는 백연을 줄일 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
100: 엔진
102: 배기라인
105: 디젤산화촉매(DOC, diesel oxidation catalyst)
110: 디젤여과필터(DPF, diesel particulate filter)
115: 배기가스쿨러
120: 머플러
125: 이지알쿨러
130: 냉각수공급부
135: 온오프밸브
140: 바이패스밸브
145: 냉각수공급라인
150: 냉각수바이패스라인
155: 이지알라인
160: 흡기라인
165: 테일파이프
200: 전환밸브
205: 배기가스바이패스라인

Claims (8)

  1. 배기가스가 통과하는 배기라인;
    상기 배기라인의 후단부에 배치되어 소음을 감소시키는 머플러;
    상기 머플러의 전단에 배치되어 통과하는 배기가스를 냉각시키는 배기가스쿨러;
    상기 배기가스쿨러로 냉각수를 순환시키는 냉각수공급부;
    상기 배기가스쿨러의 전단에 배치된 촉매유닛;
    상기 촉매유닛의 전단부에서 분기되어 연료를 이용하여 에너지를 생산하는 엔진의 흡기라인으로 합류되는 이지알라인; 및
    상기 이지알라인에 설치되어 상기 이지알라인을 흐르는 이지알가스를 냉각하는 이지알쿨러; 를 포함하고,
    상기 촉매유닛은, 배기가스에 포함된 유해물질을 저감시키는 디젤산화촉매(DOC: diesel particulate filter), 및 배기가스에 포함된 입자상물질을 필터링하는 디젤여과필터(DPF: diesel particulate filter)이고,
    상기 디젤여과필터를 재생하는 과정에서 상기 배기가스의 온도를 설정된 수치 미만으로 유지시키기 위해서 상기 냉각수공급부가 상기 배기가스쿨러로 냉각수를 순환시키며, 상기 냉각수공급부와 상기 이지알쿨러를 순환하는 이지알냉각수라인이 구비되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에서,
    상기 배기가스쿨러는
    상기 배기라인을 바이패스하는 배기가스바이패스라인에 설치되고, 배기가스는 상기 배기가스바이패스라인과 상기 배기라인 중 하나로 선택적으로 공급되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  5. 제4항에서,
    상기 배기라인에 설치되어 상기 배기가스바이패스라인 또는 상기 배기라인으로 선택적으로 배기가스를 공급하는 전환밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  6. 제1항에서,
    상기 냉각수공급부와 상기 배기가스쿨러를 순환하는 냉각수공급라인이 배치되고,
    상기 냉각수공급라인에는 상기 배기가스쿨러를 바이패스하는 냉각수바이패스라인이 형성되고, 상기 냉각수바이패스라인에 바이패스밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  7. 제6항에서,
    상기 냉각수공급라인에는 상기 냉각수바이패스라인으로 분기되기 전에 냉각수의 순환을 제어하는 온오프밸브가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  8. 삭제
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