KR100620525B1 - 디젤 엔진용 매연 여과장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속 필터의 내부에 전기 히터를 설치하거나 히터 재질의 금속 필터를 사용함으로써, 전기 에너지를 적게 사용하면서도 포집된 입자상 물질의 재생 성능을 향상시킨 디젤 엔진용 매연 여과장치에 관한 것으로, 본 발명의 매연 여과장치는, 굴곡진 동심원상의 금속 필터; 상기 금속 필터의 필터 면 사이에 설치되는 전기 히터; 및 상기 전기 히터가 배출 가스에 의해 냉각되는 것을 방지하도록 상기 전기 히터를 보호하는 히터 보호판;을 포함한다.
금속 필터, 히터, 포집, 매연, 여과

Description

디젤 엔진용 매연 여과장치{PARTICULATE FILTER TRAP SYSTEM FOR DIESEL ENGINE}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 금속 필터의 배면도 및 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기 히터의 평면도이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 설치 상태를 나타내는 개략적인 구성도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 매연 여과장치의 설치 상태를 나타내는 개략적인 구성도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속 필터의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 금속 필터의 사시도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10,10',10" : 금속 필터 12 : 굴곡부
14 : 필터 면 20 : 전기 히터
22,22',22" : 히터 연결선 30 : 보호판
본 발명은 디젤 엔진용 매연 여과장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속 필터의 내부에 전기 히터를 설치하거나 히터 재질의 금속 필터를 사용함으로써, 전기 에너지를 적게 사용하면서도 포집된 입자상 물질의 재생 성능을 향상시킨 디젤 엔진용 매연 여과장치에 관한 것이다.
현대 사회의 발달에 따라 사람들의 활동량이 증가하면서, 자동차를 비롯한 교통 수단의 활용도가 폭발적으로 증가하고 있다. 이러한 교통량의 증가에 따라 여러 가지 문제점이 대두되고 있는데, 이중에서도 특히 화석 연료의 사용으로 인해 발생되는 이산화탄소, 황화물, 질화물(NOx, 녹스) 등은 환경 오염의 주범이 되고 있으며, PM(particulate matter, 입자상 물질)이 폐암의 원인으로 밝혀지고 있어 자동차 배출가스가 인체에 미치는 영향에 대한 관심이 증폭되고 있다. 따라서 이를 저감하기 위한 연구 및 개발이 행해지고 있다.
이러한 화석 연료의 연소로 인한 유해 배출물을 저감시키기 위하여 엔진 내부에서 자체적으로 오염 물질을 저감시키기 위한 기술 즉, 엔진 기술 및 전처리 기술이 개발되고 있으나 배기 규제가 강화됨에 따라 엔진 내부에서의 유해가스 저감기술만으로는 규제를 만족하기에는 한계가 있어 엔진에서 이미 연소된 배출가스를 처리하는 후처리 기술(aftertreatment technology) 적용이 불가피해졌다.
경유 자동차의 후처리 기술로서는 산화촉매, NOx 촉매 및 매연 여과장치를 예로 들 수 있는데, 이 중에서 현재 가장 효율적이며 실용화에 접근되어 있는 기술로서는 매연 여과장치(DPF, diesel particulate filter trap)가 있다. 이 장치는 디젤 엔진에서 배출되는 입자상 물질과 매연을 필터에 포집한 후 이를 태워서 재생 하고 다시 입자상 물질을 포집하여 계속 사용하는 기술로서, 매연을 80% 이상 저감할 수 있어 성능면에서는 아주 우수하나 내구성과 경제성이 실용화의 장애 요인으로 작용하고 있다.
매연 여과장치는 기본적으로 필터, 재생장치, 제어장치의 3부분으로 이루어진다. 제어 장치는 별도로 하고, 이하에서는 필터 및 재생장치에 대해서 보다 상세하게 설명한다.
우선, 매연여과장치를 이루는 요소 중 하나인 재생장치에 대해 설명하면, 상기 재생장치는 필터에 포집된 입자상 물질과 매연을 제거하고 필터를 계속 사용하기 위하여 필요하다. 재생장치의 재생 방법은 포집 물질을 태워서 재생하고 다시 입자상 물질을 포집하여 계속 사용하는 기술로서, 강제로 화학적 또는 전기적으로 열원을 공급하여 입자상 물질을 연소시키는 강제 재생 방식(active regeneration type)과, 별도의 열원 공급 없이 배출가스 만으로 재생이 이루어지는 자연 재생 방식(passive regeneration type)의 2가지로 나눌 수 있다.
강제 재생 방식은 포집 필터를 통해 입자상 물질을 포집한 다음 상기 포집된 입자상 물질의 점화 온도인 550℃∼600℃까지 버너나 전기 히터 등의 보조 열원을 이용하여 가열하는 방법이다.
그리고, 자연 재생 방식은 촉매나 첨가제를 이용하여 입자상 물질의 점화 온도를 낮추어 엔진 배출 가스로 연속 연소시키는 방법으로, 철(Fe), 세륨(Ce), 구리(Cu), 백금(Pt) 등의 금속 물질을 연료에 혼합함으로서 입자상 물질의 재생 온도를 낮추는 첨가제 방식(Fuel additive), 백금 등의 귀금속을 필터 표면에 코팅하 여 입자상 물질을 연소시키는 산화 촉매 필터 방식(Oxidation catalyst filter trap), 및 촉매를 전단에 설치하고 포집 필터를 후단에 설치하는 촉매-트랩 복합방식(Catalyst-Trap combinations)이 있다.
상기 자연 재생 방식은 구조가 간단하고 고장이 적기 때문에 현재 주로 개발이 진행되고 있으나, 낮은 온도로 장시간 운전할 경우 자동차 배출 가스중 입자상 물질이 연소되지 않고 필터 내부에 누적되어 있다가 일시에 재생될 경우 필터를 손상시키거나 차량 운행을 불가능하게 할 수 있다.
따라서 자연 재생 방식에 강제 재생장치를 보조적으로 사용하는 반자연 재생방식(semi-passive type)이 개발되고 있다. 이 경우 배출 가스를 촉매나 첨가제의 재생 온도로 가열하기 위한 보조 열원으로 전기 히터가 많이 사용되고 있다.
그러나, 상기 전기 히터는 대부분이 필터 외부에 설치되어 배출 가스를 직접 가열하도록 구성되어 있으며, 또한 배터리나 알터네이터에서 전류를 공급받도록 구성되어 있으므로, 전기 히터를 이용하여 배출 가스를 가열하는 경우에는 연비 저하 및 운전성이 저하되는 등의 문제점이 있으며, 또한 전기 히터를 이용하여 배출가스의 온도를 재생 온도까지 상승시키는 것이 거의 불가능한 문제점이 있다.
그리고, 필터에 있어서는 세라믹 코디어라이트 필터(ceramic cordierite filter)가 가장 일반적으로 사용되며, 이외에 실리콘 카바이드 필터(SiC), 세라믹 일체형 필터, 금속 필터(금속 분말 필터 또는 금속 파이버 필터 등)도 사용되고 있다. 세라믹 필터나 실리콘 카바이드 필터의 구조는 단면이 원형이나 타원형의 원통이며 축 방향으로 직경 수mm 이내의 작은 삼각형이나 사각형 모양의 배출가스 통 로(channel)가 하니컴 형태로 형성되어 있다.
이러한 하니컴 형태의 다공성 세라믹 필터는 압출 형태로 필터를 제조하여 한 쪽 입구를 플러깅(plugging)해서 막고, 다공성 벽체를 통하여 배기 가스를 통과시켜 여과하는 방식을 취한다. 따라서 각 구멍을 막는 플러깅 공정이 어려워 자동화가 쉽지 않을 뿐만 아니라 소결도 여러번 행해져야 하기 때문에 그 제조 공정이 복잡해지고, 제조 원가가 상승하는 문제점이 있다. 또한 일반적으로 하니컴 형태의 고형상의 다공질 세라믹 필터를 이용하는 경우, 성형 비용이 높아지고 균일한 가열이 어려워 고온에 의한 균열이 발생기기 쉬운 단점이 있다. 그리고 이러한 세라믹 하니컴의 경우, 그 구멍이 너무 작아 히터 등의 보조 열원을 설치할 수 없는 한계가 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 첨가제나 촉매를 사용하는 매연 여과장치의 필터로서, 전기 히터 등의 재생 보조장치를 용이하게 적용할 수 있으며 전기 사용량을 최소화 하면서도 전기 히터의 효율을 최대화 할 수 있는 금속 필터 및 이를 활용한 매연 여과장치를 제공함을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 필터 면의 표면적을 증가시킴과 아울러 필터 면 전후의 압력차에 의해 발생되는 힘을 견딜수 있도록 하고, 보조 열원으로 사용하는 전기 히터와 필터 면과의 거리를 가깝게 할 수 있도록 하기 위해 다중의 동심원상으로 굴곡 형성된 금속 필터를 사용한다.
그리고, 각 필터 면의 사이 공간에 동심원상의 전기 히터를 각각 배치하고, 각각의 전기 히터를 일정 시간동안 선택적으로 작동시킨다. 이때, 각 전기 히터의 작동 시기, 작동 주기 및 작동 시간 등은 차량의 운전 조건이나 필터 면 전후의 차압에 의해 결정하며, 전기 히터의 굵기, 반경, 배치 및 용량은 금속 필터의 구조 및 장착 차량의 배기량에 의해 결정한다.
상기 전기 히터의 표면 온도를 최대로 유지하기 위해 금속 필터와 배출가스 유입구를 수직으로 배치하여 배출 가스가 히터와 직접적으로 접촉되지 않도록 하고, 히터를 히터 보호판으로 보호한다.
한편, 상기 금속 필터는 배출 가스 유입구로부터 유출구 사이의 공간에 여러 층으로 배열될 수 있다.
그리고, 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 전기를 통전시킬 경우 발열하는 특성을 갖는 히터 소재를 사용하여 굴곡진 다중 판형상 또는 다중 동심원통상으로 형성한 히터 재질의 금속 필터를 사용하며, 여러개의 양극 단자와 음극 단자를 조합하여 전류가 흐르는 통로를 다양하게 변화시킴으로써 엔진이나 차량에 무리를 주지 않는 범위 내에서 재생을 실시한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 매연 여과장치에 사용되는 금속 필터의 배면도 및 단면도를 각각 도시한 것이고, 도 2는 도 1의 금속 필터에 설치되는 전기 히터의 평면도를 도시한 것이며, 도 3은 도 2의 전기 히터가 도 1의 금속 필터에 설치된 상태를 나타내는 개략적인 구성도를 도시한 것이다.
도시한 바와 같이, 본 실시예의 매연 여과장치는 금속 필터(10)와, 전기 히터(20) 및 히터 보호판(30)을 포함하여 이루어진다.
본 실시예의 금속 필터(10)는 시트형상의 금속 판재를 굴곡부(12)에서 굴곡함과 아울러, 평면 또는 배면에서 보았을 때 전체적으로 여러개의 굴곡부(12)가 동심원상으로 배치되는 다중 동심원상으로 형성된다.
이러한 형상의 금속 필터(10)는 최소의 설치 면적에서 필터 면(14)의 표면적을 최대한 증가시킬 수 있으며, 또한 필터 면(14) 전후의 압력차에 의해 발생되는 힘을 견딜수 있는 특징이 있다.
또한, 재생을 위한 보조 열원으로 사용하는 전기 히터(20)와 필터 면(14)과의 거리를 가깝게 설정할 수 있다.
그리고, 상기한 금속 필터(10)에는 필요에 따라 산화 촉매제 등이 코팅될 수 있으며, 굴곡 깊이(D) 및 피치(P)는 필요한 필터 면적, 필터의 매수, 캐닝장치의 외부 구조 등에 따라 결정한다.
이러한 구성의 금속 필터(10)에 있어서, 각 필터 면(14)의 사이 공간에는 동심원상으로 형성된 여러개의 전기 히터(20)가 각각 배치되는데, 이때, 온도가 상대적으로 낮은 배출 가스에 의해 전기 히터(20)가 냉각되는 것을 방지하기 위해 상기 금속 필터(10)는 도 3에 도시한 바와 같이 하우징(40)의 배출가스 유입부(42)와 수직으로 배치하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 전기 히터(20)에는 이 히터들에 전기를 공급하기 위한 연결선(22)들이 각각 연결되어 있으며, 전기 히터(20)는 배출 가스에 의해 히터가 냉각되는 것을 방지하도록 히터 보호판(30)에 의해 보호된다. 따라서, 상기와 같이 배치된 전기 히터는 최고의 온도를 유지할 수 있다.
이때, 각각의 전기 히터(20)는 연속적으로 전체 히터를 작동시키기 보다는 일정 시간동안 선택적으로 작동시키는 것이 바람직하다. 이때, 각 전기 히터(20)의 작동 시기, 작동 주기 및 작동 시간 등은 차량의 운전 조건이나 필터 면(14) 전후의 차압에 의해 결정하며, 전기 히터(20)의 굵기, 반경, 배치 및 용량은 금속 필터(10)의 구조 및 장착 차량의 배기량에 의해 결정한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 매연 여과장치의 개략적인 구성도를 도시한 것으로, 본 실시예의 매연 여과장치는 배출 가스 유입구(42)로부터 유출구(44) 사이의 공간에 전술한 실시예의 다중 동심원상 금속 필터(10)를 여러개 배열하여 구성한 것이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 매연 여과장치에 사용되는 금속 필터의 개략적인 구성을 도시한 것으로, 특히 전기를 통전시킬 경우 발열하는 특성을 갖는 소재를 이용하여 금속 필터를 구성한 것이다.
이러한 구성의 금속 필터는 별도의 전기 히터를 사용하지 않아도 되므로, 장치 구성을 단순화 할 수 있는 장점이 있다.
상기 도 5는 굴곡진 다중 판형상의 금속 필터(10')를 도시한 것이고, 도 6은 다중 동심원통상의 금속 필터(10")를 도시한 것이다. 상기 도 5 및 도 6의 금속 필터(10',10")는 히터 소재를 사용하여 형성한 것이다.
이러한 구성의 금속 필터는 엔진이나 차량에 무리를 주지 않는 범위내에서 재생시키기 위해서는 부분적으로 나눠서 재생하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 굴곡진 판형상 및 동심원통상의 금속 필터에 있어서 여러개의 양극 단자(+)와 음극 단자(-)를 조합함으로써, 전류가 흐르는 통로를 다양하게 변화시킬 수 있다. 상기 도 5 및 도 6에서, 미설명 도면부호 22',22"는 상기한 양극 단자 및 음극 단자가 연결되는 연결선을 나타낸다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
본 발명에 따른 매연 여과장치는 입자상 물질을 직접 가열할 수 있도록 전기 히터의 배치 위치를 최적화 할 수 있어 필터와 그 주변 장치들이 차지하는 부피를 줄임으로써, 공간 효율을 증가시키고 부품을 단순화하여 잔고장의 원인을 획기적으로 감소시킬 수 있으며, 장치를 저렴한 비용으로 제조할 수 있다.
또한, 전기 히터 또는 열선 코일의 전원을 독립적으로 연결하여 재생시 요구되는 전기 에너지의 부담을 줄이고, 히터 또는 열선을 필터에 내장하여 필터를 직접 가열할 수 있어서 전기 에너지의 이용 효율을 높일 수 있다.

Claims (5)

  1. 굴곡진 동심원상의 금속 필터;
    상기 금속 필터의 필터 면 사이에 설치되는 전기 히터; 및
    상기 전기 히터가 배출 가스에 의해 냉각되는 것을 방지하는 히터 보호판
    을 포함하며,
    상기 히터 보호판은 상기 배출 가스의 유동 경로상에서 상기 전기 히터의 전방에 설치되는 디젤 엔진용 매연 여과장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전기 히터는 동심원상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진용 매연 여과장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 필터가 배출가스 유입구와 수직으로 배치되는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진용 매연 여과장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 필터는 배출 가스 유입구로부터 유출구 사이의 공간에 여러 층으로 배열되는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진용 매연 여과장치.
  5. 전기를 통전시킬 경우 발열하는 특성을 갖는 히터 소재로 이루어지는 굴곡진 다중 판형상 또는 다중 원통형상의 금속 필터; 및
    상기 금속 필터에 연결되어 음극 단자 또는 양극 단자에 각각 연결되는 연결선들
    을 포함하며,
    상기 연결선들은 상기 금속 필터에 흐르는 전류 흐름 통로를 다양하게 변화시키도록 상기 금속 필터에 연결되는 디젤 엔진용 매연 여과장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH08243333A (ja) * 1994-10-13 1996-09-24 Sumitomo Electric Ind Ltd ディーゼルエンジン用パティキュレートトラップ
KR100371409B1 (ko) * 2000-06-16 2003-02-06 한국기계연구원 열선 내장형 금속분말필터를 이용한 매연여과장치

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