KR100472548B1

KR100472548B1 - 디젤차량의 배기가스 정화용 전기히터

Info

Publication number: KR100472548B1
Application number: KR10-2001-0065129A
Authority: KR
Inventors: 황재원; 손형철; 김석
Original assignee: 일진전기 주식회사
Priority date: 2001-10-22
Filing date: 2001-10-22
Publication date: 2005-03-07
Also published as: KR20030033382A

Abstract

본 발명은 디젤차량의 배기가스 정화용 전기히터에 관한 것으로서, 필터에 포집된 배기가스를 연소시키기 위한 전기히터를 복수개의 세그먼트로 다중 분할하여 상기 각 세그먼트에 포집되는 매연량에 따라 전원이 효율적으로 공급되도록 하는 동시에 각 세그먼트들을 둘러싸는 하우징 단위편들에 의해 각각의 세그먼트로부터 발생된 복사열의 외부유출을 차단함으로써 히터 구동시 불필요하게 낭비되는 에너지를 절감하고, 고장시에는 히터 전체를 교체할 필요없이 해당 부품만을 별도로 교체할 수 있도록 된 것이다.

이를 위해 본 발명은, 중심 세그먼트(400)와 둘레 세그먼트(401)로 이분할되고, 상기 둘레 세그먼트는 다시 복수개로 분할되어 중심 세그먼트(400)의 둘레에 방사형으로 배치된 전기히터에 있어서, 상기 중심 세그먼트 및 둘레 세그먼트는 원호 형상의 하우징에 의해 감싸여진 상태로 보호하되, 상기 중심 세그먼트는 두 개로 분할된 제1하우징 단위편(402a) 및 제2하우징 단위편(402b)으로 이루어지고, 둘레 세그먼트는 각각 독립된 별도의 제3하우징 단위편(402c)으로 이루어진 구성된다.

Description

디젤차량의 배기가스 정화용 전기히터{electric heater for exhaust gas of diesel vehicle}

본 발명은 디젤차량의 배기가스 정화용 전기히터에 관한 것으로서, 좀 더 상세히 기술하면 디젤기관의 배기관 내에 구비된 배기가스 정화용 필터의 전방에 장착되어 중심 세그먼트와 둘레 세그먼트로 다중 분할된 전기히터가 상기 필터의 각 부분에 포집되는 입자상 물질의 양에 따라 분할 제어됨으로써 적은 전력으로도 많은 양의 배기가스를 효과적으로 정화하도록 된 것이다.

일반적으로 차량의 동력을 발생시키는 내연기관에서는 연료의 연소시 많은 양의 유해 미립자가 배출되게 되는데, 특히 디젤기관(Diesel engine)의 내연기관에서는 분사된 연료가 공기의 압축열로 자기 착화를 일으켜 연소되는 과정에서 열 에너지가 기계적 에너지로 바뀌면서 입자상 물질, 질소 산화물, 미연 탄화수소, 일산화탄소, 냄새물질 등과 같은 많은 양의 유해 미립자(이하, "매연"이라 함)가 배출된다.

이러한 디젤기관의 연소과정에서 완전 연소되지 못한 연료는 매연이 되어 차량의 배기가스와 함께 대기 중으로 배출되므로 이러한 매연은 오존층 파괴와 같은 엄청난 결과를 초래할 뿐만 아니라, 각종 질환을 유발하는 대기오염의 주범으로 널리 알려져 있다.

최근 들어, 이러한 대기오염에 대한 심각성이 사회 전반의 시급한 해결과제로 대두됨에 따라 이러한 문제는 곧 세계 각국의 환경규제 조치와 맞물리게 되면서 상기한 차량의 배기가스에 대한 규제도 점점 엄격해지고 있는 것이 사실이다.

이를 위해 일반적으로 디젤연료를 사용하는 차량은 공해방지를 위해 배기가스를 배출하는 배기관 또는 기타 부분에 상기 배기가스가 외부로 배출되기 전에 배기가스 상에 포함된 유해한 입자상 물질을 걸러주기 위해 세라믹 필터가 설치되어 있다.

그러나, 이러한 세라믹 필터를 교체없이 장기간 사용하게 되면 배기가스의 입자상 물질이 필터의 수용능력이상으로 포집되므로 결국에는 배기계통의 배압이 상승하게 되어 필터가 파손 또는 손상되는 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 촉매등이 반드시 요구된다.

상기한 역할을 수행하기 위해 필터의 전방에 전기히터를 설치하여 필터에 포집된 매연을 주기적으로 연소 혹은 산화시켜 제거하는 방식에 관한 것이다.

그럼 여기서, 첨부된 도 1을 참조하여 종래 차량의 배기가스 정화시스템에 서 전기히터를 사용한 경우에 대해서 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

도 1은 일반적인 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 케이싱(2)과, 상기 케이싱 내에 장착되어 그 형상이 벌집형 채널 구조로 된 세라믹 필터(3)와, 상기 세라믹 필터의 전방에 구비되어 전원 공급에 따라 세라믹 필터를 가열하는 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.

또한 첨부된 도 2는 도 1의 구성요소인 전기히터를 확대하여 보인 정면도로서, 상기한 종래의 전기히터(4)의 구성은 정면에서 보았을 때, 복수개의 열선(R)이 가로 또는 세로로 교차하여 벌집형 채널구조를 형성함에 따라 그 전면에는 배기가스를 통과시킬 수 있도록 수많은 통공(4a)이 형성되어 있고, 상기 전기히터(4)의 상단에는 전원을 공급할 수 있도록 전극(P)이 연결되어 있다.

그러므로, 상기 세라믹 필터(3)에 입자상 물질이 일정량 이상 포집된 경우에는 정화시스템의 케이싱(2) 내에 설치된 다수(압력, 온도, 엔진회전수 및 부하)의 센서가 이를 감지하게 되고, 이에 따라 ECU(5)가 차량의 엔진(도시는 생략)에 연결된 주배기관의 밸브(도시는 생략)를 동작시켜 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 바이패스관(도시는 생략)을 통하여 배출되도록 한다.

계속해서 이 때, 상기 세라믹 필터(3)에는 배기가스가 유입되지 않는 상태이므로 그 즉시 전기히터(4)가 세라믹 필터(3)를 고온(500∼700℃)으로 발열시킴에 따라 필터(3) 내에 포집된 입자상 물질을 연소 및 제거하게 된다.

이와 같이 전기히터(4)가 세라믹 필터(3)를 재생(Regeneration)하기 위해서는 상기 세라믹 필터(3)를 약 700∼800℃로 가열시켜야만 하고, 또한 이와 같은 동작이 차량의 운행시 계속적으로 수행되어야만 하므로 상기 전기히터(4)의 전력소모가 큰 것을 특징으로 한다.

따라서, 기 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 있었다.

또한 상기 전기히터의 구성 자체가 일체식으로 되어 있으므로 상기 전기히터를 구성하는 일부분에만 고장이 발생하여도 결국에는 히터 전체를 교체해야만 하기 때문에 장치의 교체 또는 수리비용이 과중하게 들게 되는 또 다른 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하고자 안출한 것으로, 필터에 포집된 배기가스를 연소시키기 위한 전기히터를 복수개의 세그먼트로 다중 분할하여 상기 각 세그먼트에 포집되는 매연량에 따라 전원이 효율적으로 공급되도록 함으로써 히터 구동시 불필요하게 낭비되는 에너지를 절감하고, 고장시에는 히터 전체를 교체할 필요없이 해당 부품만을 별도로 교체할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 차량 배기관의 세라믹 필터 전방에 장착되어 ECU의 제어에 따라 공급된 전원으로 상기 필터에 포집된 배기가스의 입자상 물질을 연소하되, 정면에서 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 전기히터에 있어서, 상기 중심 세그먼트 및 둘레 세그먼트는 원호 형상의 하우징에 의해 감싸여진 상태로 보호하되, 상기 중심 세그먼트는 두 개로 분할된 제1하우징 단위편 및 제2하우징 단위편으로 이루어지고, 둘레 세그먼트는 각각 독립된 별도의 제3하우징 단위편으로 이루어짐으로써 각각의 세그먼트로부터 발생된 복사열의 외부유출을 차단하는 것을 특징으로 하는 디젤차량의 배기가스 정화용 전기히터가 제공된다.

이하 본 발명을 도 3 내지 도 12를 참고로 하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도 3a는 본 발명 디젤차량의 배기가스 정화용 전기히터 구성을 보인 정면도이고, 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따라 전극이 연결된 구성을 보인 정면도로서, 이하 종래 구성에서 이미 부여된 부호는 본 발명에서도 그대로 부여하기로 한다.

상기한 도 3a 또는 3b를 참조할 때, 본 발명 전기히터(4)는 정면에서 보았을 때 전체 면적이 중심 세그먼트(400)와 둘레 세그먼트(401)으로 이분할되고, 상기 둘레 세그먼트(401)는 중심 세그먼트(400)의 주위에 방사형으로 배치되도록 다시 복수개로 분할된 구조를 갖는다.

이는 세라믹 필터(3)의 각 부분에 포집되는 매연량에 비례하여 상기 각 세그먼트(400)(401)에 전원을 달리 공급함에 따라 먼저 중심 세그먼트(400)가 집중적으로 가열됨과 함께 각 둘레 세그먼트(401)는 중심 세그먼트(400)의 둘레방향을 따라 순차적으로 가열되도록 작동된다.

이하 도 4는 필터 전단에서의 배기가스 속도 분포를 보인 그래프로서, 상기한 그래프를 참조할 때 배기가스의 전반적인 속도 분포가 포물선의 형상을 나타내고, 세라믹 필터(3)의 중앙 부분이 유속이 가장 빠르며 반경방향으로 갈수록 유속이 점차 낮아짐을 확인할 수 있다.

즉, 이 그래프를 통해 세라믹 필터(3)의 중앙 부분에 매연이 집중적으로 포집되며, 반경방향으로 갈수록 매연의 포집량이 점차 감소하게 됨을 알 수 있다.

상기 도 4의 그래프를 참고하여 구체적인 수치데이터를 도출하면 하기 <표 1>과 같다.

<표 1>

반지름(전체 반지름=1)	중앙부분 필요 전력량	개당 전력량(직렬시→R1:R2)	개당 전력량(병렬시→R1:R2)
0.29	≒ 40%	R1 = 1.5R2	R1 = 0.67R2
0.43	≒ 60%	R1 = 0.67R2	R1 = 1.5R2
0.57	≒ 78%	R1 = 0.282R2	R1 = 3.55R2
0.71	≒ 90%	R1 = 0.11R2	R1 = 9R2
0.86	≒ 97%	R1 = 0.032R2	R1 = 32.33R2

따라서, 상기 도 3에서 이분할된 중심 세그먼트와 복수개의 둘레 세그먼트에 공급되는 전원 공급비는 상기 <표 1>의 전력량만큼 공급될 때, 가장 합리적인 값을 얻게 됨은 이해 가능하다.

이를 다시 수치적으로 설명하면, 예를 들어 필터의 반경이 75㎜인 경우라면 반경 40㎜이내에서는 전체 매연 포집량의 약 80%가 집중되고, 나머지 20%는 그 둘레의 주위에 포집될 것이므로 그에 따른 전력량도 대등한 비율로 증가되어야만 함을 의미하게 된다.

따라서, 본 발명은 세라믹 필터(3)에 포집된 매연을 효과적으로 연소 및 제거하는 것을 목적으로 하므로 전기히터(4)에 공급되는 전력을 중앙 부분에 집중시킴이 최적설계의 관건이라 하겠다.

이에 따른 바람직한 실시예로 전기히터(4)의 중심을 기준으로 전체 반경을 1로 할 때, 중심 세그먼트(400)의 반경이 0.43일 경우 상기 중심 세그먼트에 공급되는 전력량을 60%로 하고, 그 주위에 배치된 둘레 세그먼트(401)에는 나머지 40%의 전원이 공급되도록 함이 바람직하다.한편, 상기의 실시예는 중앙에 집중적으로 전력의 공급이 이루어져야 하는 고속의 엔진의 경우이며, 반대로 저속의 엔진인 경우는 외부에 집중적으로 전력의 공급이 이루어져야 함은 당연하다.이때, 각 세그먼트(401)(402)들의 반경비나 전력비는 엔진조건에 따라 얼마든지 차등적용이 가능하며, 이 경우 본 발명에서는 열선(R)의 폭을 변경하기만 하면 전력비를 자유롭게 조절할 수 있기 때문에 한 설비로 여러가지의 전력을 가진 히터를 구현할 수 있다는 이점이 있다.

또한 도 5a, 5b는 각각 도 3a 및 도 3b의 각 전극에 전원이 연결된 상태를 나타낸 등가 회로도로서, 상기 도 3a, 3b에서 도시된 바와 같이 각 세그먼트(400)(401)의 전극(P1~P6)에 각각 병렬 및 직렬 회로를 연결 구성한 회로 구성을 보인다.

먼저, 도 5a에서는 도 3a에서 보인 일 실시예에 따라 각 전극(P1~P5)에 전원을 연결하되, 중심 세그먼트(400)의 전극(P1)에 ＋극을 인가하고, 나머지 둘레 세그먼트(401)의 전극(P2~P5)에 －극을 인가할 때에는 전기히터(4)로 전원이 공급됨에 따라 중심 세그먼트(400)의 R1에서부터 전원이 인가된 후, 둘레 세그먼트(401)를 따라 순차적으로 R1+R2, R1+R3, R1+R4, R1+R5 순으로 전원이 인가되면서 각 열선(R1~R5)이 발열하게 된다.

또한 도 5b에서는 도 3b에서 보인 다른 실시예에 따라 중심 세그먼트(400)의 하단으로부터 연결된 다른 하나의 전극(P6)에는 ＋극을 인가하고, 중심 세그먼트(400)의 전극(P1)과 둘레 세그먼트(401)를 따른 각 전극(P1~P5)에는 각각 －극을 인가할 때에는 전기히터(4)로 전원이 공급됨에 따라 각 세그먼트(400)(401)에는 전원의 양극(+)이 공통적으로 인가된 상태에서 원주방향을 따라 차례로 R1+R2, R1+R3, R1+R4, R1+R5 순으로 열선(R1~R5)이 발열하게 되는 것이다.

이 때에도 역시 중심 세그먼트(400)에는 전원이 계속적으로 공급되는 상태임은 일 실시예의 경우와 동일하다.

도 6은 도 3a의 A부분 요부 확대도로서, 상기 전기히터(4)의 각 세그먼트(400)(401)는 전체 형상이 원형을 이루고, 그 내부에는 평행한 상태로 배치된 복수개의 열선(R)에 의해 채워지게 되며, 상기 각 열선은 세그먼트(400)(401)의 내부에서 스트립(Strip)구조로 말아진 형태를 갖는다.

이 때, 상기 각 열선(R)은 성형성 및 작동조건을 고려하여 FeCrAl계를 채용함과 함께 배기가스와 접촉되는 마찰면(비표면적)이 보다 확장되도록 지그재그형태로 절곡된 형상을 갖도록 하고, 상기 각 열선(R)은 서로 최소한의 면적이 접촉된 상태로 조합되도록 함이 바람직하다.

이는 첨부된 도 6에서 볼 때, 이러한 열선의 형태가 Type A 또는 Type B로서 더욱 자세하게 표현되어 있으며, 상기 두가지 타입이 본 발명의 목적 달성을 위해 모두 채용가능하나, 특히 Type B의 경우에는 배기가스와 접촉되는 비표면적(공기마찰 면적)의 확장이 Type A보다 용이한 장점이 있으므로 열선의 구조로서 더욱 유리하다.

이를 첨부된 도 7a 및 도 7b를 참고하여 보다 자세하게 설명하기로 한다.

도 7a, 7b는 도 6의 Type B형태를 이루기 위해 각 열선이 서로 조합되는 과정을 보인 예시도로서, 도 7a와 같이 Type B를 구성하는 각 열선(R)이 서로 평행하게 대치된 상태에서 표기된 화살표 방향을 따라 서로 조합되었을 경우에는 도 7b와 같이 여러층으로 겹쳐진 형상(빗살무늬 형상)을 갖게 된다.

여기서, 상기와 같은 열선(R)을 더 많은 수가 겹쳐지도록 조합할 때에는 동일한 체적 내에 전기히터(4)의 열선(R)과 배기가스가 마찰하는 비표면적이 향상될 것이고, 반대로 열선과 열선 사이의 통공(4a) 크기는 작아지게 된다.

따라서, 상기 열선(R)의 조합형상에 따라 전기히터(4)의 발열효율을 향상시키기가 용이하며, 이로 인해 상기 전기히터(4)에 의한 입자상 물질의 연소량을 더욱 증대시킬 수가 있다.

다시 말해서, 이는 결국 전기히터(4)의 동일한 공간부 내에 각 세그먼트(400)(401)에 각각 취부되는 각 열선(R)의 비표면적을 향상시킬 수 있음을 의미하고, 이로 인해 상기한 Type A보다 Type B가 동일한 세그먼트(400)(401)의 공간 내에 더 많은 열선을 포함할 수 있게 되므로 결국 바람직하게는 Type B를 채용할 때 전기히터(4)의 발열효율이 더욱 증대되어질 수 있다.

또한 도 8은 본 발명의 하우징과 전극 배치형상을 보인 요부 상태도로서, 상기 각 세그먼트(400)(401)의 바깥쪽면에는 원호 형태의 하우징(402)이 각각 구비되고, 이에 따라 상기 각 하우징의 안쪽에는 열선(R)이 연결 및 지지되도록 함으로써 전원이 상기 각 하우징(402)을 통해 열선으로 인가될 수 있도록 구성됨을 보인다.

이 때, 상기 각 하우징(402)은 도 8을 참고할 때 중심부 상단에 구비된 제1하우징 단위편(402a)과, 상기 제1하우징 단위편과 분리된 상태로 그 하단에서 완전한 원형상을 이루도록 구비된 제2하우징 단위편(402b)과, 상기 제1하우징 단위편(402a) 및 제2하우징 단위편(402b)의 외곽에 둘레방향을 따라 4분할된 상태로 구비된 제3하우징 단위편(402c)으로 구성된다.상기와 같이 각 세그먼트(4000)(401)들이 단위편들에 의해 둘러 쌓이면, 세그먼트(4000)(401) 내에서 발생되는 복사열이 각 하우징 단위편(402a)(402b)(402c)들에 의해 외부로 유출되는 것이 억제됨은 충분히 예측가능하다. 따라서, 히팅효율이 증대되고 배기가스의 산화가 촉진됨으로 인해 배기가스 정화효율이 향상되고 소비에너지를 절감시킬 수 있다.

여기서, 상기 각 하우징 단위편(402a)(402b)(402c)을 중심으로 전체 전원 공급회로의 구성을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 상기 제1하우징 단위편(402a)에 설치된 전극(P1)을 통해 ＋극이 인가되고, 제3하우징 단위편(402c)에 설치된 전극(P2~P5)에는 각각 －극이 인가되도록 함으로써 전기히터(4)의 전체 전원 공급회로가 직렬 연결된다.

또한 상기 제2하우징 단위편(402b)의 전극에 ＋극이 인가되고, 제1하우징 단위편(402a)의 전극(P1) 및 제3하우징 단위편(402c)의 전극(P2~P5)에는 각각 음극이 인가되도록 함으로써 전기히터(4)의 전체 전원 공급회로가 병렬 연결됨은 이해 가능하다.

이 때, 상기 하우징(402)의 각 상면에는 도 6에서 도시된 바와 같이 전극(P)이 수직하게 결합됨으로써 전원이 각 하우징(402)을 통해 열선(R)으로 공급되도록 한다.

여기서, 상기 하우징과 전극의 연결구성을 첨부된 도 9를 참고하여 더욱 자세하게 설명하면 다음과 같다.

도 9는 도 8의 B부분을 확대하여 보인 종단면도로서, 상기 각 하우징 단위편(402a)(402b)(402c)의 상면에는 일끝단이 뾰족한 형태의 도전핀(403)이 직상방을 향해 수직하게 고정되고, 상기 각 도전핀(403)에는 둘레가 세라믹 절연체(405)로 감싸지고 내부에 도체(406)를 포함한 도전선(404)이 상기 도전핀(403)의 뾰족한 일끝단으로부터 억지로 끼움되어 결합됨으로써 상기 도전선(404)이 도전핀(403)으로부터 상시에 탈부착이 용이하다.

여기서, 상기 도전선(404)의 둘레에 감싸진 세라믹 절연체(405)는 Al₂O₃, MgO 등으로 이루어져 도전선(404)의 내부에 있는 도체(406)가 외부로부터 절연되도록 하며, 상기 세라믹 절연체(405)의 둘레면에는 외장튜브(407)가 접합되어 있으므로 세라믹 절연체(405)를 보호하게 된다.

또한 도 10은 본 발명의 열선절연체를 확대하여 보인 요부 종단면도이다.

여기서, 상기 각 세그먼트(400)(401)의 하우징(402)과 열선(R), 열선과 열선 사이에는 각각 봉상의 열선절연체(408)가 삽입됨으로써 전기히터(4) 내의 절연을 확보하게 되는데, 상기 열선절연체(408)는 절연을 위해 중심부에 구비된 봉상의 세라믹 절연체(408a)와, 상기 세라믹 절연체의 외주면에 감싸진 반원 형상의 SUS튜브(408b)로 구성된다.

이 때, 상기 SUS튜브(408b)는 각각 마주보는 열선(R)에 용접(brazing)됨과 함께 그 반대편에서 외부로 노출되어진 세라믹 절연체(408a)는 열선에 접촉됨으로써 상기 열선절연체(408)를 통해서는 전류가 흐르지 못하는 상태가 되므로 절연을 확보하게 된다. 아울러, 상기 봉상의 열선전열체(408)는 열선간의 절연 확보 뿐 만 아니라, 각 세그먼트 내의 열선(R)의 형상 유지하도록 함과 동시에 차량의 떨림과 같은 외부의 충격에 견딜 수 있게 내구력을 향상시키고, 열선간의 과열을 방지하는 역할을 수행함을 충분히 예측할 수 있다.

또한 본 발명은 전기히터(4)의 전방에 일정거리 이격된 상태로 별도의 복사방지막(409)을 더 부가함으로써 열선(R)을 견고하게 지지하는 역할 이외에 배기가스의 산화를 촉진하는 촉매의 담체 역할을 겸하게 된다.

첨부된 도 11은 본 발명의 복사방지막이 전기히터에 결합된 상태를 보인 측면도 및 정면도로서, 상기 도면을 참조할 때 전기히터(4)의 전방에는 이와 대등한 반경을 갖는 복사방지막(409)이 전기히터(4)로부터 일정거리 이격된 상태로 수평하게 설치되는데, 이를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 8에서, 상기 각 하우징(402)의 바깥쪽면 적소에는 전후방향으로 통하여진 결합관(410)이 각각 복수개 형성되고, 이와 대향하는 복사방지막(409)의 각 부분에는 일정 길이를 갖는 결합핀(411)이 구비되어 상기 결합핀이 결합관의 내에 서로 끼워져 결합됨과 함께 상기 결합핀(411)과 결합관(410)의 사이에는 절연을 위해 세라믹 절연체(412)가 더 구비된다.

따라서, 상기 복사방지막(409)은 하우징(402)과 열선이(R) 배기가스 중의 수분과 탄화 분위기에서 혹은 반복적인 전기히터(4)의 가동에 의해 발생된 열피로 현상으로 인해 상기 열선(R)이 팽창되어 절연 파괴되는 것을 방지하는 역할과 더불어, 엔진의 기계적인 진동에 견디게 하는 역할을 한다.

또한 상기 복사방지막(409)은 케이싱(2) 내에서 가장 고온을 유지해야만 하는 세라믹 필터(3)의 전방에 위치하여 전기히터(4)의 발열시 사방으로 복사되는 복사에너지를 축열하는 역할도 겸하므로 배기가스 온도를 상승 및 유지하는데 도움이 된다.

특히, 상기한 복사방지막의 가장 중요한 역할은 열선에서 방사되는 복사열을 필터쪽으로만 방사하게 유도함으로써 복사에 의한 열손실을 최소화하는데 있다.

여기서, 상기 복사방지막(409)에 촉매를 코팅할 때에는 상기 케이싱(2) 내에서 전기히터(4) 전방의 복사방지막(409)이 위치하는 부분이 가장 배기가스 온도가 높은 부위가 되므로 환원촉매의 사용에 적합한 장점을 갖게 된다.

따라서, 상기한 이유로 환원촉매를 제조할 때에는 상기 복사방지막을 기본적인 금속산화물, 특히, 히토류 금속에 먼저 담지한 뒤, 주촉매의 성분으로 페롭스카이트 구조를 갖는 것이 유리하다.

또한 상기 환원촉매는 원래 배기가스 중의 환원제를 이용하는 것이 바람직하며, 이를 위해 이용되는 물질은 CO, HC, Soot 등이 이용될 수 있는데, 이는 모두 배기가스 정화시 반드시 산화시켜야 할 물질이다.

하기 <표 2>는 본 발명에 사용되는 환원촉매 제조를 위해 사용된 히토류 금속의 종류와 양을 나타낸 표로서, 본 발명에 사용된 환원촉매의 주촉매 부분의 분자식은 일반적으로 이며, 각각의 종류와 비율은 아래와 같다.

<표 2>

형식	1차 담지					형식	2차 담지
	(TiO₂)	(SiO₂)	(Al₂O₃)	(CeO₂)	(WO₃)		A	A′	B	B′
							LaY	Sr, Nb, Mo, Ba, Cs	Cr, Mn, Fe	Cu, Co, Ni
Wash coati-ng	0.4	0.5	-	-	balance	주촉매	1	0	0	1
	0.25	0.3	0.1	0.25	balance		0.95	0.05	0.2	0.8
							0.9	0.1	0.3	0.7
	0.65	-	-	0.25	balance
							0.85	0.15	0.5	0.5

도 12는 본 발명의 복사방지막을 촉매화하기 위한 공정도로서, 이하 상기 도 12를 참조하여 복사방지막(금속 또는 세라믹 담체)에 촉매를 코팅하는 공정을 간단히 설명하면 다음과 같다.

상기 촉매제조공정은 크게 워시코팅(washcoating)의 공정과 이온교환(ion exchange)공정으로 나뉜다.

먼저, 워시코팅의 공정에서는 희토류 금속분말을 원하는 크기로 볼밀링한 다음에 물과 혼합하여 적절한 비율의 글리콜 등의 바인더와 잘 교반시켜 슬러리(slurry)를 만든다.

이렇게 만든 슬러리는 건조된 복사방지막에 코팅한 후, 500℃에서 약 3시간 동안 소결하고,(1차 담지) 상기 소결된 복사방지막은 다시 페롭스카이트 형태의 주촉매를 코팅하기 위하여 상기 <표 2>와 같이 금속성분이 녹아있는 수용액에 담지한다.(2차 담지)

상기 담지한 복사방지막은 이온교환을 위하여 충분히 교반시킨 다음, 120℃에서 잘 건조하고, 이 후 350℃에서 6시간, 850℃에서 10시간 정도 다시 소결함으로써 공정을 완료한다.

다시 말해서, 상기 <표 2>로부터 촉매는 TiO₂, SiO₂, Al₂O₃, CeO₂, WO₃로된 히토류 금속성분을 적정비율로서 혼합하여 복사방지막을 1차 담지한 후, 분자식이 의 형태를 갖고, 상기 A가 La, Y로된 군으로부터 선택되며, A′이 Sr, Nb, Mo, Ba, Cs로된 군으로부터 선택되고, B가 Cr, Mn, Fe로된 군으로부터 선택되고, B′이 Cu, Co, Ni로된 군으로부터 선택되며, 상기 선택된 각 히토류 금속성분을 적정비율로서 2차 담지하여서 촉매화된 복사방지막을 제조한다.

이 때, 상기 2차 담지에 이용되는 히토류 금속의 성분비 A : A′: B : B′는 전체를 1이라 할 때, 각각 0.85≤A ≤1, 0≤A′≤0.15, 0≤B ≤0.5, 0.5≤B′≤1의 범위 내에 해당됨을 알 수 있다.

본 발명 디젤차량의 배기가스 정화용 전기히터는 히터의 전단부가 중심 세그먼트와 복수개의 둘레 세그먼트로 분할되어 매연의 포집량에 따라 상기 각 세그먼트에 전원이 적절하게 공급되므로 매연을 산화시키기 위한 소비에너지를 대폭 절감할 수가 있을 뿐만 아니라, 고장시에는 고장이 발생된 부분만을 교체해 주면 되므로 불필요한 교체 및 수리비용이 절감된다.

또한 히터에 공급되는 전원을 직렬 또는 병렬식으로 모두 채택이 가능하므로 열선용량의 변화가 용이하다.또한, 단위편을 통해 세그먼트 내에서 발생되는 복사열의 손실을 최대한 억제시킴으로써 히팅효율 증대 및 배기가스의 산화 촉진으로 인한 배기가스 정화효율향상 및 소비에너지 절감 효과를 기대할 수 있다.아울러, 상기 히터의 전방에 부가된 복사방지막에 의해서도 복사열 손실의 저감 및 배기가스의 산화를 월등히 촉진할 수가 있으므로 매우 효과적이다.

도 1은 일반적인 디젤차량의 배기가스 정화시스템 구성을 보인 측면도

도 2는 도 1의 구성요소인 전기히터를 확대하여 보인 정면도

도 3a는 본 발명 디젤차량의 배기가스 정화용 전기히터 구성을 보인 정면도

도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따라 전극이 연결된 구성을 보인 정면도

도 4는 필터 전단에서의 배기가스 속도 분포를 보인 그래프

도 5a, 5b는 각각 도 3a 및 도 3b의 각 전극에 전원이 연결된 상태를 나타낸 등가 회로도

도 6은 도 3a의 A부분 요부 확대도

도 7a, 7b는 도 6의 Type B형태를 이루기 위해 각 열선이 서로 조합되는 과정을 보인 예시도

도 8은 본 발명의 하우징과 전극 배치형상을 보인 요부 상태도

도 9는 도 8의 B부분을 확대하여 보인 종단면도

도 10은 본 발명의 열선절연체를 확대하여 보인 요부 종단면도

도 11은 본 발명의 복사방지막이 전기히터에 결합된 상태를 보인 측면도 및 정면도

도 12는 본 발명의 복사방지막을 촉매화하기 위한 공정도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 배기관 2 : 케이싱

3 : 세라믹 필터 4 : 전기히터

P : 전극 5 : ECU

R : 열선 400: 중심 세그먼트

401: 둘레 세그먼트 408: 열선절연체

409: 복사방지막

Claims

차량 배기관의 세라믹 필터 전방에 장착되어 ECU의 제어에 따라 공급된 전원으로 상기 필터에 포집된 배기가스의 입자상 물질을 연소하되, 정면에서 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 전기히터에 있어서,

상기 중심 세그먼트 및 둘레 세그먼트는 원호 형상의 하우징에 의해 감싸여진 상태로 보호하되, 상기 중심 세그먼트는 두 개로 분할된 제1하우징 단위편 및 제2하우징 단위편으로 이루어지고, 둘레 세그먼트는 각각 독립된 별도의 제3하우징 단위편으로 이루어짐으로써 각각의 세그먼트로부터 발생된 복사열의 외부유출을 차단하는 것을 특징으로 하는 디젤차량의 배기가스 정화용 전기히터.
삭제
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 각 세그먼트를 이루는 열선은 서로 조합된 상태에서 빗살무늬 형태를 이루도록 하고, 각 하우징과 열선, 열선과 열선 사이에서 서로 접촉되는 부분에는 봉상의 열선절연체가 끼워져 절연이 확보되도록 함과 동시에, 열선간의 구조적 지지 및 과열이 방지되도록 한 것을 특징으로 하는 디젤차량의 배기가스 정화용 전기히터.
제 1 항에 있어서,

상기 중심 세그먼트와 둘레 세그먼트는 히터의 중심을 기준으로 전체 반경을 1이라 할 때, 그 반경비가 0.6:0.4가 되도록 이분할되고, 상기 각 세그먼트에 공급되는 전원 공급비는 0.8:0.2가 되도록 함을 특징으로 하는 디젤차량의 배기가스 정화용 전기히터.
제 1 항에 있어서,

상기 제1하우징 단위편에 양극이 인가되고, 제3하우징 단위편에는 각각 음극이 인가됨에 따라 전체 전원 공급회로가 직렬 연결됨을 특징으로 하는 디젤차량의 배기가스 정화용 전기히터.
제 1 항에 있어서,

상기 제2하우징 단위편에 양극이 인가되고, 제1하우징 단위편 및 제3하우징 단위편에는 각각 음극이 인가됨에 따라 전체 전원 공급회로가 병렬 연결된 것을 특징으로 하는 디젤차량의 배기가스 정화용 전기히터.
제 1 항에 있어서,

상기 각 하우징 단위편의 소정위치에는 전극을 연결하기 위한 도전핀이 수직한 상태로 구비되고, 상기 각 도전핀에는 둘레가 세라믹 절연체로 감싸여지고 내부에 도체를 포함한 도전선이 도전핀의 상방으로부터 억지로 끼워 넣어져 상시에 탈착이 용이하도록 된 것을 특징으로 하는 디젤차량의 배기가스 정화용 전기히터.
제 5 항에 있어서,

상기 열선절연체는 절연을 위해 중심에 삽입되는 봉상의 세라믹 절연체와, 상기 세라믹 절연체의 외주면을 감싼 반원 형상의 SUS튜브로 구성되며, 상기 SUS튜브가 마주보는 열선에 용접됨과 함께 그 반대편에서 상기 SUS튜브가 감싸지지 않은 세라믹 절연체는 반대쪽 열선과 접촉됨으로써 각 열선이 서로 절연되도록 한 것을 특징으로 하는 디젤차량의 배기가스 정화용 전기히터.
제 1 항에 있어서,

상기 전기히터의 전방에는 전기히터와 동일한 반경을 갖는 복사방지막이 전기히터와 평행한 상태로 일정거리만큼 이격되어 설치된 것을 특징으로 하는 디젤차량의 배기가스 정화용 전기히터.
제 11 항에 있어서,

상기 복사방지막은 전기히터의 각 열선에 통전됨으로써 열선과 함께 발열되는 것을 특징으로 하는 디젤차량의 배기가스 정화용 전기히터.
제 1 항 또는 제 11 항에 있어서,

상기 각 하우징 단위편의 바깥쪽면 적소에는 전후방향으로 통하여진 끼움공이 각각 복수개로 설치되고, 이와 대향하는 복사방지막의 각 부분에는 일정 길이를 갖는 끼움편이 구비되어 상기 끼움편이 끼움공에 서로 끼워 맞춤됨과 함께 상기 끼움편과 끼움공의 사이에는 절연을 위해 세라믹 절연체가 더 구비된 것을 특징으로 하는 디젤차량의 배기가스 정화용 전기히터.
제 11 항에 있어서,

상기 복사방지막에는 히토류 금속성분을 담지한 촉매가 코팅된 것을 특징으로 하는 디젤차량의 배기가스 정화용 전기히터.
제 14 항에 있어서,

상기 촉매는 TiO₂, SiO₂, Al₂O₃, CeO₂, WO₃로된 히토류 금속성분을 포함하고, 분자식이의 형태에서 상기 A가 La, Y로된 군으로부터 선택되고, A′이 Sr, Nb, Mo, Ba, Cs로된 군으로부터 선택되며, B가 Cr, Mn, Fe로된 군으로부터 선택되고, B′이 Cu, Co, Ni로된 군으로부터 선택된 각 히토류 금속성분을 적정비율로서 더 포함하여서 된 것을 특징으로 하는 디젤차량의 배기가스 정화용 전기히터.
제 15 항에 있어서,

상기 촉매의 히토류 금속의 성분비 A : A′: B : B′는 각각 0.85≤A ≤1, 0≤A′≤0.15, 0≤B ≤0.5, 0.5≤B′≤1의 범위 내에 해당됨을 특징으로 하는 디젤차량의 배기가스 정화용 전기히터.