KR100277616B1 - 배기가스정화용 필터 - Google Patents

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오카야마 노리오
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Abstract

배기가스정화용 필터는, 내열성금속으로 만든 발포구조다공체의 기공내에 섬유의 평균직경이 5~40㎛인 금속섬유 혹은 섬유의 평균직경이 1~40㎛인 내열성 세라믹섬유를 분산상태에서 충전, 고정화하여 그 결과, 충전밀도가 5~20%가 되는 금속다공체로 이루어져 있다. 필터는, 금속이나 세라믹섬유로 혹은 금속이나 세라믹섬유없이 충전된 상기 발포구조다공체와, 평균직경이 5~40㎛인 금속섬유 혹은 평균직경이 1~40㎛인 내열성 세라믹섬유를 분산상태에서 충전밀도가 5~25%가 되도록 고정화하여 얻은 섬유구조다공체를 적층한 적층구조일 것이다. 디젤엔진의 배기가스중에 포함된 PM(흑연, 미립자 및 SOF)을 포집하는 본 발명한 필터를 사용하면 포집효율은 높게 유지되는 반면, 배기가스의 압력손실은 최소화가 된다.

Description

배기가스정화용 필터
제1도는 본 발명의 실시예에 있어서의 실험장치의 설명도,
제2도는 퇴적검댕량과 압력손실의 관계를 도시한 그래프,
제3도는 퇴적검댕량과 흑연포집효율의 관계를 도시한 그래프,
제4도는 퇴적검댕량과 압력손실의 관계를 도시한 그래프,
제5도는 퇴적검댕량과 흑연포집효율의 관계를 도시한 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 디젤엔진차 2 : 섀시동력계
3 : 희석터널 4 : 제어장치
5 : 희석공기온도제어장치 6 : 배기가스온도계
7 : 필터포집장치 8 : 송풍기
9 : 디젤미립자필터
본 발명은 디젤엔진의 배기가스중에 포함된 [흑연, 미립자 및 SOF(Soluble Organic Fraction: 용해성유기파편)등]을 포집하는 필터에 관한 것이다. 이하, "Particulate matter"을 약하여 "PM"이라 한다.
자동차의 배기가스는 대기오염의 주요원인중 하나로서, 배기가스에 포함된 유해성분을 제거하는 기술은 극도로 중요하다. 특히, 디젤엔진차에 있어서 주성분인 탄소미립자를 포함하는 PM의 제거는 매우 중요하다. 이들 유해성분을 제거하기 위해 EGR(Exhaust Gas Recirculation: 배기가스 재순환)을 인가하고 연료분사계 및 연소실 형태를 개선함으로써 엔진의 개선을 시도해왔음에도 불구하고 아직까지 발본책은 설립되지 않았다. 그러므로 배기통로에 배기트랩을 설치하고 이 트랩에 의해 PM을 포집하여 후처리에 의해 포집한 PM을 제거하는 방법이 제안되어 왔다(일본국 특개소 58-51235호 공보참조). 현재까지 이 후처리법은 가장 실용적인 것으로 생각되어 왔으며 심화 연구가 계속이어지고 있다.
PM을 포함하는 미립자트랩은 트랩의 사용조건으로 요구되는 다음과 같은 성능을 만족해야만 한다.
첫째, 배기가스의 요구되는 청정도를 만족하기 위해 미립자트랩은 PM포집효율이 있어야 한다. PM배출량은 디젤엔진의 배기량과 부하에 따라 변화하지만, 미립자트랩은 디젤엔진으로부터 평균 PM배출량의 60%이상(흑연포집율85%이상)을 포집해야만 한다고 인식되고 있다.
둘째, 배기가스에 대한 압력손실이 작아야 한다. PM이 많고 포집될 수록 엔진배기 가스가 트랩을 통과할때의 압력손실이 커져서 엔진에 배압이 걸리고 악영향을 끼친다. 따라서, 통상, 포집후의 압력손실은 3kPa이하로 억제해야 한다고 생각되고 있다. 이러한 요구를 만족시키기 위해, 일정량의 PM이 포집될 때마다 필터소자를 정기적으로 청소하여 PM을 제거하고, 필터소자를 재생시킴으로써 초기의 압력손실상태로 회복시킬 필요가 있다. PM포집량에 대한 압력손실의 상승비율이 크면 이 재생/제거동작의 빈도가 많아지게 되어 실용적이지 못하다. 따라서, 미립자트랩은 초기의 압력손실이 작아야 하는 것은 물론, 배기가스중 PM이 포집된 후에도 압력손실의 상승이 쉽지 않아야 한다.
셋째, 미립자트랩은 반복실행되는 상술의 재생/제거동작에 반하여 충분한 내구성이 있어야 한다. 전열 또는 버너열에 의해 PM을 연소하여 제거하는 연소제거법은 가장 효과적인 재생법으로 알려져 있지만, 어느 방식에서든 PM이 점화되는 온도(약 600℃) 혹은 그 이상으로 가열된다. 재생은, 배압의 상승으로 인한 엔진성능의 저하 혹은 운용의 지장이 있기전에 실시되고, PM은 소작처리된다. 그후, PM은 다시 포집되고 트랩의 재생과 포집이 다시 실행되어, 압력손실은 항상 일정수준 이하로 유지될 수 있는 것이다. 이러한 이유로 필터소자재료는 반복되는 재생공정을 견딜 수 있는 내열성재료를 선택하며 또, 배기가스중에 포함된 대기가스에 대한 내부식성도 필요하다.
종래, 상기 요건을 만족하는 필터소자재료로서 코디에리트세라믹의 월 플로(Wall flow)식의 벌집형태의 다공체가 가장 실용적인 것으로 생각되고 있다. 그러나 상기 방식에 의하면, PM은 국소적으로 포집되기 쉽다. 게다가 코디에리트 세라믹은 열전도율이 낮기 때문에, 재생시에 열점이, 형성되기 쉽고 필터가 녹아서 손상(용손)되거나 열응력으로 인해 크랙이 생긴다. 이러한 이유때문에 신뢰성이 확보될 수 없다.
상기 문제점을 해결하기 위해, SiC세라믹을 사용한 벌집형태의 다공체를 필터소자에 이용한다. SiC의 높은 열전도율로 인해 재생시에 필터소자는 용손과 크랙을 방지할 수 있지만, 재생시에 보다 큰 열량이 필요하기 때문에 아직 실용화에 이르지는 않았다(일본국 특개평 5-23512호 공보참조).
발포금속을 이용하여 용손과 크랙의 발생없이 재생할 수 있는 디젤미립자필터 및 그의 시스템이 검토되고 있다. 하지만, 발포금속은 평균 골격크기가 80㎛Ø이상이고, 평균 기공의 직경이 200㎛Ø이상이다. 그러므로 발포금속을 압연하여 기공의 형태를 변형시킬 때에도 흑연 포집효율은 75%이상 얻어질 수 있다(일본국 특개평 4-86313호 공보참조). 또한 포집효율에 있어서도 엔진요건에 따라 크게 변동한다고 하는 또 하나의 문제가 풀어야 할 과제로 남아 있다.
본 발명의 상기 과제를 해결하기 위해 완성된 것으로, 그 특징은 발포금속(3차원 망상구조의 다공체)과 내열성 섬유를 서로 화합시키는 데에 있다.
본 발명에 의하면, 내열성금속으로 만든 발포구조다공체의 기공내에 섬유의 직경이 평균 5~40㎛인 금속섬유 혹은 섬유의 직경이 평균 1~40㎛인 내열성세라믹섬유를 분산상태에서 충전, 고정화하여 그 결과, 충전밀도가 5~20%가 되는 금속다공체로 이루어진 배기가스정화용 필터를 공급한다.
본 발명의 또다른 실시예에 있어서는 발포구조다공체에 금속섬유 혹은 세라믹섬유를 충전하여 얻은 상술의 금속다공체와, 직경이 평균 5~40㎛인 금속섬유를 고정화하여 얻은 섬유구조다공체 혹은 직경이 평균 1~40㎛인 내열성 세라믹섬유를 분산상태에서 충전밀도가 5~25%가 되도록 적층한다. 이 적층구조에 있어서, 발포구조다공체는 금속섬유나 세라믹 섬유로 충전하지 않은 채 사용한다.
상기에서 지적한 충전밀도는 딴 방법으로 상술하지 않는 한, 기공을 포함하는 금속다공체, 발포구조다공체 혹은 섬유구조다공체의 총 부피(Vi)에 관하여 구성재료(즉, 발포다공체의 골격구조와 발포구조다공체에 충전한 금속섬유 혹은 세라믹섬유를 구성하거나, 섬유구조다공체의 골격구조를 구성하는 내열성 금속)이 사실상 차지하는 부피(VB)의 부피백분율,로 나타낸다.
구성재료는 그 자체가 중공(中空)일때, 구성재료내부의 중공부의 부피는 VB에 포함되고, 중공부가 가벼운 필터를 제공하는데 있어 유리하다하더라도 필터의 포집효율에는 영향을 끼치지 않는다.
상술한 본 발명의 배기가스정화용 필터에 있어서, 섬유구조다공체는 금속섬유 혹은 세라믹섬유로 구성되며 충전밀도는 5~20%이다. 섬유구조다공체는 충전 밀도가 5%이하이면 골격구조는 배기가스의 유입압력에 의해 변형되어 깨지고 흑연포집율이 하강한다. 반대로, 충전밀도가 25%이상이면, 압력손실이 너무 커서 골격의 두께가 감소하여 필터는 만들어 질수 없다. 금속섬유 혹은 세라믹섬유의 적당한 분산상태에서 섬유의 평균직경은 금속섬유가 5~40㎛이고 세라믹 섬유는 1~40㎛이다.
상술한 섬유구조다공체는 적층구조의 내열성금속으로 만든 발포구조다공체와의 화합에 이용되고 발포구조다공체는 충전물없이 사용되더라도, 금속섬유 혹은 세라믹섬유로 충전될 것이다. 내열성섬유가 발포구조다공체의 기공에 충전되어 고정될때, 섬유의 직경이 금속섬유의 경우에는 5㎛이하이고 세라믹섬유의 경우에는 1㎛이하이면 집성체가 되어 섬유는 분산상태에서 충전될 수 없다. 반대로, 섬유의 직경이 40㎛이상일 때도 섬유는 발포금속의 기공내에 균일하게 충전될 수 없다. 또한, 금속섬유 혹은 세라믹섬유로 충전된 후의 발포구조다공체에 대해서 최고한계와 최저한계는 섬유구조다공체와의 동일한 현상때문에 각각 20%와 5%이다.
발포구조다공체의 충전밀도는 30~40%가 바람직하다. 이 충전밀도는 발포구조다공체를 압연하여 기공의 형태를 변형시킴으로써 변화될 수 있으나, 상기 범위는 포집효율과 압력손실의 상승사이의 균형면으로부터 설정된다. 즉, 충전밀도가 30%이하이면 포집효율은 너무 낮게되고 40%이상이면 압력손실의 상승이 너무 높게된다는 것이다.
본 발명의 필터는 섬유구조다공체와 화합하지 않고, 금속섬유 혹은 세라믹섬유로 충전한, 상술한 발포구조다공체로 만들어 질 것이다.
미국과 일본국에서의 배출규정값을 만족하는 포집효율을 얻기 위해 기공의 직경이 평균 100~500㎛가 되도록 설정한다. 100㎛이하이면, 포집효율은 높지만 가스의 내투과성이 커진다. 반대로, 500㎛이상일때는, 포집효율이 불충분하게 된다.
섬유구조다공체의 제법중에는, 심재로 이용되는 탄소섬유 혹은 수지섬유와 금속을 합금하는 방법이 있다. 수지섬유와 같이 심재의 내열온도가 낮은 경우, 심재는 도금후 열처리를 행함으로서 기화 혹은 연소에 의해 제거되지만 탄소와 같이 심재의 융점이 높은 경우는 그대로 잔존할 수 있다. 따라서, 전자의 경우는 중공의 섬유구조다공체가, 후자의 경우는 심재로 이종재질의 섬유구조다공체가 얻어질 수 있다. 본 발명의 필터에는, 모두 금속으로 구성된 중실(中實)의 섬유구조다공체는 물론, 상기의 섬유구조다공체중 어느것이라도 이용될 수 있다.
예를 들어, 기공의 직경이 작은 금속섬유부직포(섬유구조다공체)로만 트랩을 구성한다면, PM포집의 진행으로 필터표면은 점차로 막히게 된다. 이에 대해 기공의 직경이 큰 발포금속을 유입측에, 기공의 직경이 작은 금속섬유부직포를 유출측에 배치한 화합구조에 따라, 입자의 직경이 큰 PM은 필터전방층(유입측)에서 주로 포집되고, 입자의 직경이 작은 PM은 필터후방층(유출측)에서 포집된다. 따라서, 필터의 표면과 내부는 모두 막히는 일이 거의 발생하지 않는다.
필터에 막히는 일이 발생하는 경우, 압력손실은 급격히 증가하기 시작한다. 그러므로 상술한 미립자의 퇴적상태로부터, 동일한 PM량을 포집하는 경우, 발포금속과 금속섬유부직포의 화합구조가 압력손실을 보다더 작게한다고 생각되고 있다. 또한 이 구조에 따른 필터후방층의 작용에 의해 높은 흑연포집효율을 확보할 수 있다.
내열성금속으로 만든 발포구조다공체의 기공내에 금속섬유 혹은 세라믹섬유를 충전하고 발포구조다공체의 기공내에 상기 섬유를 고정화하는 구조도 양자의 상호 작용으로 인해 높은 흑연포집효율과 낮은 압력손실이 양립할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.
[제1실시예]
제1도는 실험장치를 도시한 것이다. 3,400cc, 4기통의 직분사식의 디젤엔진차(1)의 섀시동력계(2)와 희석터널(3)로 구성된 실험장치로 행하여 얻은 압력손실과 흑연포집효율의 평가결과를 나타내었다. 제1도에서 참조숫자 4는 제어장치를 나타내고, 5는 희석공기온도제어장치를, 6은 배기가스온도계를, 7은 필터포집장치를, 8은 송풍기를, 그리고 9는 디젤미립자필터(RDF)를 나타낸다
필터소자는, 스미도모전기공업(주)이 제작한 Ni기 3차원망상구조다공체(상품명 "CELMET")를 이용하여 만든 7기통을 트랩용기내에 장착했다. 배기가스는 통체의 외측의 공간으로 도입되고, 필터소자의 벽을 통과하여 통체내측으로 가스가 흐르도록 가스유입측과 반대측의 단면은 개스킷 및 철판으로 봉해져 있다.
표 1은 평가시료를 나타낸 것이다. 시료 A는 발포금속(CELMET)만으로 구성된 비교용 시료이고, 시료 B와 D는 발포금속과 금속부직포(금속섬유구조다공체)를 화합시킨 것으로, 발포금속을 배기가스의 유입측에 배치했다. 시료 C와 E는 발포금속의 기공에 금속섬유를 분산상태에서 충전하여 고정화시킴으로써 형성됐다. 사용된 발포금속의 기공의 평균직영은 400㎛이다. 부수적으로 표 1중의 보호 #는 단위면적당 쎌(cell)의 수(기공수)를, #7은 평방인치 당 50~70개의 쎌을 나타낸다.
[표 1]
제 2도 및 제 3도는 퇴적 PM(Particulate Matter: 검댕)량에 대한 압력손실과 포집효율의 변화를 도시한 것이다. B에서 E까지의 시료는 시료 A와 비교하여, 흑연 포집효율을 향상시키면서, 압력손실의 상승을 최소한으로 억제시키고 있음을 알 수 있다.
[제 2실시예]
제 1실시예와 동일한 실험장치로 행하여 얻은 평가결과를 나타내고 있다. 필터소자로는 스미도모전기공업(주)이 제작한 Ni-Cr합금 3차원망상구조다공체(상품명 "CELMET")와 Ni-Cr합금부직포(금속섬유구조다공체)를 화합하여 만든 7기통을 트랩용기에 장착했다. 배기가스는 통체의 외측의 공간으로 도입되고, 필터소자의 벽을 통과하여 통체내측으로 가스가 흐르도록 가스유입측과 반대측의 단면은 개스킷 및 철판으로 봉해져 있다.
표 2는 평가시료를 나타낸 것이다. 시료 F는 발포금속(CELMET)만으로 구성된 비교용시료이고, 시료 G는 발포금속과 금속부직포를 화합한 것으로 구성됐다. 사용된 발포금속의 평균직경은 400㎛이고 부호 #7는 제 1실시예에서와 같다.
[표 2]
제 4도 및 제 5도는 퇴적 PM(Particulate Matter: 검댕)량에 대한 압력손실과 포집효율의 변화를 도시한 것이다. 시료 G는 시료 F와 비교하여, 흑연포집효율을 향상시키면서, 압력손실의 상승을 최소한으로 억제시키고 있음을 알 수 있다.
본 실시예에서는 내부식성이 높은 합금으로서 Ni-Cr을 사용했으나, Ni-Cr-Al을 사용하면 같은 흑연포집효율 및 같은 압력손실로 800℃에서의 수명을 10배이상으로 향상시킬 수 있었다.
상기와 같은 본 발명의 구조에 의하면, PM이 포집될 때에도 압력손실이 상승하기 어렵고, 재생시 가열과 냉각에 의한 열충격에도 견딜 수 있는 필터를 제공할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 필터는 디젤엔진 배기가스중의 PM을 포집, 제거하는 미립자트랩으로 이용하면 효과적이다.

Claims (7)

  1. 내열성금속으로 만든 발포구조다공체의 기공내에 섬유의 평균직경이 5~40㎛인 금속섬유를 충전밀도가 5~20%가 되도록 분사상태에서 충진, 고정화하여 얻은 금속다공체로 이루어진 것을 특징으로 하는 배기가스정화용 필터.
  2. 내열성금속으로 만든 발포구조다공체와, 섬유의 평균직경이 5~40㎛인 금속섬유를 충전밀도가 5~25%가 되도록 분산상태에서 고정화하여 얻은 섬유구조다공체가 적층되어 이루어진 것을 특징으로 하는 배기가스정화용 필터.
  3. 내열성금속으로 만든 발포구조다공체의 기공내에 섬유의 평균직경이 5~40㎛인 금속섬유를 충전밀도가 5~20%가 되도록 분산상태에서 충전, 고정화하여 얻은 금속다공체와, 섬유의 평균직경이 5~40㎛인 금속섬유를 충전밀도가 5~25%가 되도록 분산상태에서 고정화하여 얻은 섬유구조다공체가 적층되어 이루어진 것을 특징으로 하는 배기가스정화용 필터.
  4. 내열성금속으로 만든 발포구조다공체의 기공내에 섬유의 평균직경이 1~40㎛인 세라믹섬유를 충전밀도가 5~20%가 되도록 분산상태에서 충전, 고정화하여 얻은 금속다공체로 이루어진 것을 특징으로 하는 배기가스정화용 필터.
  5. 내열성금속으로 만든 발포구조다공체와, 섬유의 평균직경이 1~40㎛인 세라믹섬유를 충전밀도가 5~25%가 되도록 분산상태에서 고정화하여 얻은 섬유구조다공체가 적층되어 이루어진 것을 특징으로 하는 배기가스정화용 필터.
  6. 내열성금속으로 만든 발포구조다공체의 기공내에 섬유의 평균직경이 1~40㎛인 세라믹섬유를 충전밀도가 5~20%가 되도록 분산상태에서 충전, 고정화하여 얻은 금속다공체와, 섬유의 평균직경이 1~40㎛인 세라믹섬유를 충전밀도가 5~25%가 되도록 분산상태에서 고정화하여 얻은 섬유구조다공체가 적층되어 이루어진 것을 특징으로 하는 배기가스정화용 필터.
  7. 제 1항 내지 제 6항중 어느 한항에 있어서,
    상기 발포구조다공체의 기공의 평균직경은 100~500㎛인 것을 특징으로 하는 배기가스정화용 필터.
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