KR102217908B1 - Dpf를 통과한 배기가스를 버너부의 산소공급원으로 사용하는 매연저감장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 DPF를 통과한 배기가스를 산소공급원으로 사용하는 매연저감장치로서, 종래 엔진에서 배출되는 배기가스를 직접 가열하여 DPF의 강제재생 방법과는 달리, DPF를 통과한 배기가스를 가열하여 DPF의 강제재생에 사용하는 방법을 제시한다.

Description

DPF를 통과한 배기가스를 버너부의 산소공급원으로 사용하는 매연저감장치{Exhaust Gas Reduction Apparatus for Diesel Engine using exhaust gas after DPF as air source for burner}

본 발명은 DPF를 구비하는 매연저감장치에 관한 기술로서, 보다 구체적으로는 DPF를 통과한 배기가스를 버너부의 산소공급원으로 사용하는 매연저감장치에 관한 기술이다.

디젤 후처리장치에는 디젤산화촉매(DOC: Diesel Oxidation Catalyst), 매연여과장치(DPF: Diesel Particulate Filter), SCR(SeIective Catalytic Reduction)，LNT(Lean NOx Trap) 등이 있다. 그중 DPF는 매연입자를 여과시키는 필터와, 이 필터에 일정량 이상의 매연이 포집되었을 때, 포집된 매연을 산화시켜 필터를 재생하는 시스템이다. 이러한 DPF 시스템의 안정적 사용을 위한 재생방식으로는 자연 재생(Passive DPF) 방식과 강제재생(Active DPF, 또는 복합재생) 방식으로 구분할 수 있다.

자연재생 방식은 매연여과 필터 내에 첨가된 산화촉매에 의하여 배기가스의 온도를 높이고, 상기 배기가스 내의 산소 및 이산화질소를 이용하여 매연을 연속적으로 산화시키는 방식이다. 그러나 이러한 자연재생 방식은 배기가스의 온도가 자연재생에 필요한 촉매 활성화 가능 온도에 크게 미치지 못하는 경우, 원활한 매연여과 필터의 재생 효과를 기대하기 어려운 문제점이 있다.

이에 반하여, 강제재생 또는 복합재생 방식은 일정량의 매연이 필터에 포집되었을 때, 강제적인 가열수단을 이용하여 배기가스의 온도를 매연의 산화 가능한 온도까지 상승시켜, 적절한 시기마다 매연여과 필터를 재생시킴으로써 지속적으로 DPF 시스템의 성능 및 엔진의 성능을 유지시킬 수 있는 수단이다.

DPF 시스템의 필터를 강제재생하기 위해서는 버너부에서 화염이 발생해야 하는데, 이때 화염 발생을 위해 산소가 필요하며, 도 1의 종래 기술을 참고하면, 배기가스 유입구(1'), 배기가스 배출구(2'), (연료분사)노즐(4'), 점화플러그(3'), DPF(6')를 포함하는 매연저감장치에서, 버너부로 공급되는 산소공급원으로서 컴프레서(5')를 통해 외부 공기를 주입하였으나, 이러한 방법의 경우 별도로 컴프레서(5')를 설치해야 하는 단점이 있다.

위 문제를 해결하기 위하여, 도 2와 같이 배기가스의 유입구(1')를 분기하여 배기가스 중 일부가 화염을 일으키기 위한 산소공급원으로 사용되도록, 유입구(1')로부터 분기된 배기가스분기관(7')를 통해 배기가스의 일부를 버너부의 산소공급원으로 사용되는 기술이 제안되었다. 즉, 엔진에서 연소 후 배출되는 배기가스 내에도 10% 정도의 산소가 포함되어 있는바, 이러한 배기가스 내의 산소를 버너부의 산소공급원으로 사용하는 기술이다.

그러나 도 2와 같은 시스템에서는 배기가스를 산소공급원으로 사용함으로써 매연저감장치 내에 오염물질이 많이 쌓이는 문제점이 있다. 도 3a는 종래 배기가스의 일부를 버너부의 산소공급원으로 사용했을 때의 버너부에 형성된 오염물질의 사진이다. 도 2와 같이 배기가스의 일부를 버너부의 산소공급원으로 사용하는 경우, 배기가스에 포함된 PM 등의 오염물질로 인해 버너부 및 연소실 내벽에 검뎅이 등의 오염물질이 적층되는 문제점이 있다. 이러한 오염물질로 인하여 결국 DPF의 강제재생 시 필터의 영역별로 재생이 균일하게 이루어지지 못하게 된다. 도 3b는 종래 방식의 배기가스를 버너부의 산소공급원으로 사용하는 DPF 시스템에서 DPF의 재생 후의 사진으로서, 검은색과 흰색으로 나누어지는데 이는 필터 재생이 균일하게 이루어지지 않았음을 의미한다. 이러한 필터 재생 불균일의 원인 중 하나로 도 3a와 같은 검뎅이 등이 DPF에 쌓여 있기 때문이다.

특허등록 제10-1587217호 특허등록 제10-0925871호

본 발명은 DPF 강제재생을 위한 버너부의 산소공급원으로서 배기가스를 사용하는 매연저감장치에 있어서, 상기 버너부의 산소공급원으로 사용된 배기가스로 인한 매연저감장치 내부의 오염문제를 해결할 수 있는 신규한 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 내부에 공간이 구비되되, 엔진에서 연소된 배기가스가 유입되는 유입구와, DPF를 통과한 배기가스가 외부로 배출되는 배출구를 포함하는 하우징; 상기 하우징의 내부에 설치되되, 상기 하우징의 내벽과 일정 거리 이격 설치되는 연소실; 상기 연소실과 내통되되, 상기 연소실의 전방에 위치하는 버너부로서, 불꽃을 발생시키는 점화플러그 및 상기 점화플러그 인접 거리에 위치하되 화염 생성을 위해 공급되는 연료를 분사하는 노즐을 포함하는 버너부; 상기 하우징 내에 설치되되, 상기 연소실 후방에 위치되는 DPF; 및 상기 DPF를 통과한 배기가스 중 일부를 재순환하여 상기 버너부로 이송하는 배기가스재순환라인을 포함하는, DPF를 통과한 배기가스를 버너부의 산소공급원으로 사용하는 매연저감장치를 제공한다.

특히, 상기 버너부와 연소실의 외측 경계에서부터 하우징 내벽까지 차단부가 설치되어, 상기 연소실과 하우징 내벽 사이에는 제1공간부가 위치하며, 상기 버너부와 하우징 내벽 사이에는 제2공간부가 위치할 수 있다.

특히, 상기 유입구로부터 유입된 배기가스는 상기 제1공간부로 유입되며, 배기가스재순환라인을 통해 재순환되는 배기가스는 상기 제2공간부로 유입되도록 할 수 있다.

특히, 상기 버너부의 외측에는 다수의 통공이 설치되어, 상기 배기가스재순환라인을 통해 상기 제2공간부로 주입되는 배기가스가 상기 통공을 통해 상기 버너부 내부로 주입되는 것이 바람직하다.

특히, 상기 연소실 외주연에는 다수의 통공이 설치되어 상기 유입구를 통해 제1공간부로 유입된 배기가스의 일부가 연소실 내부로 유입될 수 있다.

특히, 상기 연소실의 외측으로부터 하우징 내벽까지 연장된 연소실격막이 한 개 이상 존재하며, 상기 연소실격막에는 한 개 이상의 통공을 구비하여 제1공간부로 유입된 배기가스가 상기 연소실격막의 통공을 통해 DPF 방향으로 이동하게 할 수 있다.

특히, 상기 배기가스재순환라인은 상기 버너부의 내부와 직접 내통되도록 연결될 수 있다.

본 발명의 DPF를 통과한 배기가스를 버너부의 산소공급원으로 사용하는 매연저감장치는, 종래 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 바로 버너부의 산소공급원으로 사용하는 매연저감장치와는 달리 DPF를 통과한 상대적으로 청정한 배기가스를 버너부의 산소공급원으로 사용함으로써, 매연저감장치의 내부에 검뎅이 등의 이물질이 쌓이지 않아 매연저감장치의 전체 효율을 향상시킬 뿐만 아니라, DPF의 재생도 원활히 이루어질 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래의 DPF를 포함하는 매연저감장치로서, 버너부의 산소공급원으로 컴프레서를 이용하여 대기 중의 공기를 사용하는 예이다.
도 2는 종래의 DPF를 포함하는 매연저감장치로서, 버너부의 산소공급원으로 엔진으로부터 발생하는 배기가스를 바로 사용하는 예이다.
도 3a는 종래 엔진으로부터 발생하는 배기가스의 일부를 버너부의 산소공급원으로 사용했을 때의 버너부에 형성된 오염물질의 사진이며, 도 3b는 도 3a의 매연저감장치의 DPF를 강제재생한 후의 DPF의 사진이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제1실시예로서, DPF를 통과한 배기가스를 버너부의 산소공급원으로 사용하는 매연저감장치의 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제2실시예로서, DPF를 통과한 배기가스를 버너부의 산소공급원으로 사용하는 매연저감장치의 개략적인 단면도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 제3실시예로서, DOC를 더 구비하는 DPF를 통과한 배기가스를 버너부의 산소공급원으로 사용하는 매연저감장치의 단면도이다.

본 발명은 DPF를 구비하는 매연 저감 장치에 관한 기술로서, 본 발명의 매연 저감 장치는 DPF를 필수적으로 포함하며, DPF 전단에 DOC를 더 구비할 수 있다. 본 발명은 DPF의 강제재생을 위한 화염 생성 시 배기가스를 이용하되, 종래에는 엔진에서 발생하는 배기가스를 산소공급원으로 바로 사용하였으나, 본 발명에서는 DPF를 통과하여 PM이 제거된 상대적으로 깨끗한 배기가스를 버너부의 산소공급원으로 사용함으로써 매연저감장치 내에 검댕이 등의 오염물질 생성을 줄일 수 있다.

이하에서는 도면을 참고하면서 본 발명에 대하여 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 제1실시예로서, DPF를 통과한 배기가스를 버너부의 산소공급원으로 사용하는 매연저감장치의 개략적인 단면도이다.

본 발명의 매연저감장치(100)는 외부의 몸체 역할을 하는 하우징(10)을 기준으로, 배기가스재순환라인(50)을 제외하고 나머지 구성요소인 버너부(40), 연소실(30), DPF(20)는 하우징(10)의 내부에 위치하는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정된 것은 아니다. 이하에서는 각 구성에 대해 설명하기로 한다.

하우징(10)은 매연저감장치(100)의 몸통 역할을 하는 구성으로서, 전체적으로 원통형이며, 원통형의 전방(이하 설명에서 도면을 기준으로 왼쪽을 전방, 오른쪽을 후방이라 칭한다)에는 후술하는 버너부(40)가 위치하며, 후방에는 DPF를 통과한 배기가스가 배출되는 배출구(12)가 위치한다. 하우징(10)은 전체적으로 원통형으로 양끝이 콘 형상으로 직경이 좁아드는 형상이 일반적이다. 특히 전방의 콘 형상 부분 내에는 버너부(40)가 위치한다. 엔진에서 연소한 배기가스가 유입되는 유입구(11)가 하우징(10)의 측면에 대해 수직으로 위치하는 것이 일반적이나, 사선 방향으로 유입구(11)가 하우징(10)의 측면에 설치될 수도 있다.

하우징(10)의 내부는 전체적으로 속이 빈 구조로서, 하우징(10)의 내측벽과 일정한 거리 이격하여 설치되는 연소실(30)이 위치한다. 연소실(30)은 버너부(40)에서 발생한 화염이 퍼져 나가면서 유입구(11)로 유입되는 배기가스를 가열해주는 역할을 한다. 연소실(30)을 이루는 원통형의 케이스에는 배기가스가 유입될 수 있는 다수의 통공(31)이 형성되어 있을 수 있다. 이 경우 배기가스는 통공(31)을 통해 일부 연소실(30)의 내부로 침투할 수 있다. 통공(31)이 있더라도 대부분의 유입되는 배기가스는 후술하는 연소실격막(14)을 통해 DPF(20)로 이동한다.

연소실격막(14)은 배출가스가 과도하게 빨리 연소실(30)을 빠져나감으로써, 연소실(30)에서 충분히 온도가 상승하지 않고 DPF(20)로 빠져나가는 것을 방지하기 위하여 배기가스의 체류시간을 늘려주는 역할을 할 뿐만 아니라, 배기가스 연소실을 빠져나가기 전에 균일하게 혼합되도록 하는 역할을 한다. 연소실격막(14)은 연소실(30)의 외주연에 원형 띠 형상으로 구성되며, 다수개의 통공(14a)이 형성되어 상기 통공(14a)을 통해 배기가스가 DPF(20) 방향으로 빠져나가도록 구성될 수 있다. 또한, 배기가스의 연소실 체류 시간을 늘리기 위하여 연소실격막(14)은 다단으로 구성될 수도 있다.

한편, 버너부(40)는 상기 연소실(30)과 내통되는 구조이며, 버너부(40)도 일반적으로 전체적으로는 원통형이다. 버너부(40)에는 점화플러그(42) 및 연료를 분사하는 노즐(41)이 구비된다. 노즐(41)을 통해 화염의 원료가 되는 연료를 공급하고, 점화플러그(42)의 불꽃에 의해 상기 연료가 점화된다. 버너부(40)는 후방의 연소실(30)과 내통하게 구성되어, 버너부(40)에서 발생한 화염이 연소실(30)로 이동하게 된다. 상기 버너부(30)로 인하여 연소실(30)의 전방공간에 화염이 형성될 때, 화염이 안정적인 상태를 유지하기 위하여, 산소가 버너부(40)에 공급되어야 한다.

또한, 상기 버너부(40)와 연소실(30)은 하나의 원통형 구조이며, 노즐(41) 및 점화플러그(42)가 위치하는 부근을 버너부(40)라 칭하고, 그 후단을 연소실(30)로 구분할 뿐, 물리적으로 정확히 버너부(40)와 연소실(30)을 구분할 수 없는 구조일 수도 있다.

유입구(11)를 통해 하우징(10) 내에 유입되는 배기가스는 버너부(40)로 들어오지 못하도록 버너부(40)와 연소실(30)의 경계에는 배기가스의 차단막(13)이 설치된다. 차단막(13)은 연소실(30)과 버너부(40)의 외벽에서 하우징(10)의 내벽으로 수직으로 원을 그리며 도넛 형상으로 형성됨으로써, 유입구(11)로 들어온 배기가스가 차단막(13)에 의해 연소실(30)을 지나 DPF(20) 방향으로 진행하게 된다. 도 4와 같이, 차단막(13)에 의해 나누어지는 공간 중 연소실(30) 쪽 공간을 제1공간부(15)라 칭하며, 버너부(40) 쪽 공간을 제2공간부(16)라 칭한다. 또한, DPF(20) 후방의 배기가스가 배출되는 공간을 제3공간부(17)라 칭하기로 한다.

연소실(30)의 외주연을 따라 형성된 하나 이상의 통공(31)을 가질 수 있으며, 이 경우 유입구(11)를 통해 유입된 배기가스 중의 일부는 상기 통공(31)을 통해 연소실(30)로 들어갈 수도 있으며, 화염의 일부도 통공(31)을 통해 연소실(30) 밖의 제1공간부(15)로 나올 수도 있다.

도 4와 같이, 본 발명에서는 종래 기술인 도 1 및 도 2와는 달리, 외부에서 별도로 컴프레서를 통해 산소를 공급하거나, 유입구(11)를 통해 들어오는 배출가스를 바로 버너부(40)의 산소공급원으로 사용하는 것이 아니라, DPF(20)를 통과하여 PM이 제거된 상대적으로 깨끗한 배출가스를 버너부(40)의 산소공급원으로 사용하기 위하여 DPF(20) 후방에서 배출되는 배기가스, 즉, 제3공간부(17)의 배기가스를 버너부(40)로 공급하는 배기가스재순환라인(50)을 구비한다.

배기가스재순환라인(50)은 도 4의 바람직한 제1실시예에서는 제2공간부(16)와 내통되도록 연결되며, 제2공간부(16)에 들어온 배기가스가 버너부(40)의 통공(43)을 통해 버너부(40) 내부로 들어오도록 한다. 상기 배기가스재순환라인(50)에는 배기가스의 이동을 온오프하기 위한 밸브가 더 구비될 수 있으나, 도면에는 미도시하였다. 또한, 필요에 따라 배기가스의 원활한 이동을 위해 배기가스재순환라인(50)은 하나 이상의 다수로 구비될 수도 있다.

한편, 도 5는 본 발명의 바람직한 제2실시예(200)로서, 도 4의 바람직한 제1실시예(100)와는 버너부(40)와 배기가스재순환라인(50)의 연결 지점이 다르며, 배기가스재순환라인(50)이 제2공간부(16)가 아닌 버너부(40) 내부로 직통 연결되도록 구성될 수도 있다. 즉, 제1실시예(100)에서는 DPF(20)를 통과한 배기가스가 제2공간부(16)로 유입된 후 다시 통공(43)을 통해 버너부(40)의 내부 공간으로 들어오는 것에 반하여, 제2실시예(200)에서는 DPF(20)를 통과한 배기가스가 바로 버너부(40)의 내부 공간으로 들어오게 할 수도 있다.

도 6은 본 발명의 바람직한 제3실시예에 의한 DPF 매연저감장치(300)로서, DPF(20)의 전단에 DOC(60)를 더 구비한 예이다. 도 6을 참고하면, DPF(20)의 전단에 DOC(60)를 더 구비하여 탄화수소나 일산화탄소 등을 먼저 제거한 후, 미립자를 DPF(20)에서 포집할 수 있다.

10 : 하우징 11 : 유입구
12 : 배출구 13 : 차단막
14 : 연소실격막 15 : 제1공간부
16 : 제2공간부 17 : 제3공간부
20 : DPF 30 : 연소실
31 : 통공 40 : 버너부
41 : 노즐 42 : 점화플러그
43 : 통공 50 : 배기가스재순환라인
60 : DOC

Claims (7)

1. 내부에 공간이 구비되되, 엔진에서 연소된 배기가스가 유입되는 유입구와, DPF를 통과한 배기가스가 외부로 배출되는 배출구를 포함하는 하우징;
   상기 하우징의 내부에 설치되되, 상기 하우징의 내벽과 일정 거리 이격 설치되는 연소실;
   상기 연소실과 내통되되, 상기 연소실의 전방에 위치하는 버너부로서, 불꽃을 발생시키는 점화플러그 및 화염 생성을 위해 연료를 분사하는 노즐을 포함하는 버너부;
   상기 하우징 내에 설치되되, 상기 연소실 후방에 위치되는 DPF; 및
   상기 DPF를 통과한 배기가스 중 일부를 재순환하여 상기 버너부로 이송하는 배기가스재순환라인을 포함하는 매연저감장치로서,
   상기 버너부와 연소실의 외벽 경계에서부터 하우징 내벽까지 차단막이 설치되어, 상기 연소실과 하우징 내벽 사이에는 제1공간부가 위치하며, 상기 버너부와 하우징 내벽 사이에는 제2공간부가 위치하며,
   상기 유입구로부터 유입된 배기가스는 상기 제1공간부로 유입되며, 배기가스재순환라인을 통해 버너부로 재순환되는 배기가스는 상기 제2공간부로 유입되며,
   상기 버너부의 외측에는 다수의 통공이 설치되어, 상기 배기가스재순환라인을 통해 상기 제2공간부로 주입되는 배기가스가 상기 통공을 통해 상기 버너부 내부로 주입되는 것을 특징으로 하는, DPF를 통과한 배기가스를 버너부의 산소공급원으로 사용하는 매연저감장치.
   
2. 내부에 공간이 구비되되, 엔진에서 연소된 배기가스가 유입되는 유입구와, DPF를 통과한 배기가스가 외부로 배출되는 배출구를 포함하는 하우징;
   상기 하우징의 내부에 설치되되, 상기 하우징의 내벽과 일정 거리 이격 설치되는 연소실;
   상기 연소실과 내통되되, 상기 연소실의 전방에 위치하는 버너부로서, 불꽃을 발생시키는 점화플러그 및 화염 생성을 위해 연료를 분사하는 노즐을 포함하는 버너부;
   상기 하우징 내에 설치되되, 상기 연소실 후방에 위치되는 DPF; 및
   상기 DPF를 통과한 배기가스 중 일부를 재순환하여 상기 버너부로 이송하는 배기가스재순환라인을 포함하는 매연저감장치로서,
   상기 버너부와 연소실의 외벽 경계에서부터 하우징 내벽까지 차단막이 설치되어, 상기 연소실과 하우징 내벽 사이에는 제1공간부가 위치하며, 상기 버너부와 하우징 내벽 사이에는 제2공간부가 위치하며,
   상기 연소실의 외측으로부터 하우징 내벽까지 연장된 연소실격막이 한 개 이상 존재하며, 상기 연소실격막에는 한 개 이상의 통공을 구비하여 제1공간부로 유입된 배기가스가 상기 연소실격막의 통공을 통해 DPF 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는, DPF를 통과한 배기가스를 버너부의 산소공급원으로 사용하는 매연저감장치.
   
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