KR100747088B1 - 열내구성이 개선된 디젤엔진 매연여과장치용 촉매식 ｄｐｆ - Google Patents

열내구성이 개선된 디젤엔진 매연여과장치용 촉매식 ｄｐｆ Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수개의 관통셀(12', 12")이 다공질 셀벽(13)으로 구분되어 형성되며, 유입측(9a) 및 유출측(9b)에 상호 지그재그(in a stagged way) 방식으로 양단이 플러깅(15)된 디젤엔진 매연여과장치용 촉매식 DPF에 있어서, 유입측 개구 셀(12') 내부 셀벽 표면에 산화촉매코팅층(30)이 형성되며, 유출측 개구 셀(12") 내부 셀벽 후반부(60) 표면에 산화촉매코팅층(30')이 형성되는 것을 특징으로 하는, 디젤엔진 매연여과장치용 촉매식 DPF를 제공하는 것이다.
DPF, 후반부, 산화촉매코팅

Description

열내구성이 개선된 디젤엔진 매연여과장치용 촉매식 ＤＰＦ{DPF with improving heat durability}
도 1은 종래 코디어라이트계 촉매식 DPF 필터 개략사시도 및 부분 확대단면도이며,
도 2는 본 발명에 의한 코디어라이트계 촉매식 DPF 필터 개략사시도 및 부분 확대단면도이다.
도 3A 내지 3C는 비교 구성의 Uniform, FH 모델 및 본 발명에 의한 FL 모델에서의 PM 축적 정도를 도시한 것이고,
도 4A 내지 4C는 비교 구성의 Uniform, FH 모델 및 본 발명에 의한 FL 모델에서의 후반부에 장착된 T3 센서에서 측정된 온도변화를 측정한 것이다.
*도면의 간단한 설명*
10 : DPF 필터 12', 12" : 관통셀
13 : 셀벽 15 : 플러깅
9a : 유입측 9b : 유출측
30, 30' : 촉매코팅층
50 : 전반부 60 : 후반부
본 발명은 디젤엔진 매연여과장치용 필터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 디젤엔진 매연여과장치용 촉매식 필터 (Diesel Particulate Filter, 이하 DPF)에 있어서, 셀 길이방향에 코팅되는 촉매량을 제어하여, 물리적으로 배기가스의 흐름을 변동시켜 소정 위치에 미립자를 다량 침적시킴으로써 강제재생에 따른 온도상승 및 온도불균일의 문제점을 해소하여 열내구성을 개선하는, 디젤엔진 매연여과장치용 촉매식 필터에 관한 것이다.
디젤엔진의 배출 배기가스 중에 함유된 각종의 물질은, 오염을 일으키는 원인으로서, 현재 환경에 매우 심각한 영향을 미치고 있다. 더욱이 배기가스 중의 미립자(디젤 파티큘레이터)가 알레르기 장해나 정자수의 감소를 일으키는 원인이 될 수 있다는 연구보고도 있었다. 따라서, 배기가스 중의 미립자를 제거하는 과제가 시급한 연구과제로 대두되고 있다. 상기 미립자라 함은, 탄소함유 미립자, 설페이트와 같은 황함유 미립자, 및 고분자량 탄화수소 미립자와 같은 미립자 물질(이하 집합적으로 'PM'이라고 함)를 총칭하는 것이다.
DPF(Diesel particulate filter)는 디젤엔진에서 배출되는 미립자를 필터에 포집한 후, 이를 태워서 재생하고 다시 미립자 물질을 포집하여 계속 사용하는 기술로서 매연을 80% 이상 저감할 수 있어 성능면에서 우수하며, 최근에는 DPF에 산화촉매를 코팅하는 CSF(Catalyzed soot filter) 방식이 채용되는 경우도 증가되고 있다. 필터의 형성재료로서는 금속, 합금 또는 세라믹이 될 수 있으며, 세라믹으로 이루어진 필터의 대표적인 예로서 코디어라이트계의 하니콤 필터가 알려져 있다. 최근에는 내열성, 기계적 강도 및 포집효율이 높고, 화학적으로 안정되어 있고, 압력손실이 적은 등의 장점을 가진 다공질 탄화규소 소결체가 필터 형성재료로서 이용되는 경우가 많다. 여기서 '압력손실'이란, 필터 유입측의 압력치로부터 유출측의 압력치를 뺀 것을 말하며, 배기가스가 필터를 통과할 때 저항을 받는 것이, 압력손실을 가져오는 최대의 요인이다.
종래 코디어라이트계 하니콤 필터는 자신의 축선 방향을 따라서 뻗어있는 다수의 셀을 가지고 있다. 배기가스가 필터를 통과할 때, 그 셀벽에 의해 미립자가 트랩(침적)되며, 그 결과 배기가스의 가스성분으로부터 미립자가 제거된다. 그러나, 허니콤 필터는 사용시간의 증가에 따라 PM 증착으로 인한 압력손실이 증가한다. 따라서 DPF의 경우, 증착된 PM을 정기적으로 제거하여야 할 필요가 있다. 따라서, 압력손실이 증가할 경우, 버너 또는 전열기로 증착 PM을 연소시킴으로 PM을 제거하여 왔다. 그러나, PM의 증착량이 많을수록, 강제재생 작업시 PM의 연소 온도가 상승하며, 결과적으로 온도상승으로 인한 열응력에 의해 DPF가 파손되는 경우 가 발생할 수 있다.
이하 종래 촉매식 하니콤 필터의 구조를 도 1을 참조하여 설명하면서, 종래 문제점을 지적하고자 한다. 도 1은 통상의 원기둥 형상의 촉매식 코디어라이트계 필터(DPF)의 사시도 및 부분 확대단면도를 도시한 것이다. 상기 하니콤 DPF(10) 구조체는, 단면이 대략 정방형상을 이루는 복수의 관통셀(12', 12")이 축선방향을 따라서 규칙적으로 형성되어 있으며, 각 관통셀(12', 12")은 얇은 셀벽(13)에 의해 서로 칸막이되어 있다. 다수개의 셀중에, 약 반수는 유입단면(9a)에 있어서 개구되고, 나머지 셀은 유출단면(9b)에 있어서 개구된다. 유입단면(9a)에 개구된 셀(12')들 내부의 셀벽(13)의 표면 또는 세공 표면에는 백금족 원소나 그외 금속원소 및 그 산화물 등으로 이루어진 산화촉매(30)가 담지되어 있다. 각 관통셀(12', 12")의 개구부는, 어느 한쪽의 단면(9a, 9b)측에 있어서, 플러깅(15)에 의해 밀봉되어 있다. 따라서 종래 필터 구조체 단면 전체는 바둑판모양을 나타낸다. 셀의 밀도는 200개/inch2 전후로 설정되고, 셀벽(13)의 두께는 0.3mm전후로 설정된다. 유입단면(9a)에서 개구된 셀(12') 내부로 진입된 배기가스는 셀벽을 통과하면서 미립자는 걸러지고(트랩, 침적) 나머지 가스 성분만 셀벽 기공(세공)을 통해 유출단면(9b)에서 개구된 셀(12")을 통하여 외부로 배출된다. 이때, 가스 성분은 셀벽(13)에 코팅된 산화촉매에 의해 산화반응이 촉진되어 무해한 성분으로 전환되어 유출단면(9b) 방향으로 외부 방출된다.
그러나, 셀벽 기공을 통과하지 못하는 미립자는 유입단면에서 개구된 셀(12') 내부 셀벽(13) 표면 또는 세공에 트랩되며, 침적량은 배기가스 유동 방향으로 갈수록 증가된다. 즉, 유입측 개구 셀(12') 입구보다 셀 길이방향 마지막 위치인 플러깅(15)된 지점으로 갈수록 미립자 누적량이 증가된다. 따라서, 셀 내부 압력손실이 증가할 경우, 버너 또는 전열기를 이용하여 증착된 PM을 연소시켜 PM을 제거하였으나, PM의 증착량이 많을수록, 증착된 PM의 연소 온도가 상승하며, 결과적으로 온도상승 및 국부적 발열에 인한 온도 불균일로 인한 크랙 발생 등 촉매식 DPF가 파손되는 문제점이 있었다.
본 발명자는 온도상승 및 온도 불균일에 의한 DPF 파손의 문제점 즉, PM 연소 온도 상승 및 국부적 발열의 문제점은 유입측 개구 셀(12') 내부 길이방향 (배기가스 유동방향)으로 갈수록 PM량이 과다하게 누적되는 현상에 있음을 확인하고, 이를 해소하기 위한 연구를 거듭한 결과 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명은 이를 해결하기 위하여, 유출측에 개구된 셀(12") 내부 후반부에 산화촉매 코팅층이 형성된 산화필터촉매를 개발한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 복수개의 관통셀(12', 12")이 다공질 셀벽(13)으로 구분되어 형성되며, 유입측(9a) 및 유출측(9b)에 상호 지그재그(in a stagged way) 방식으로 양단이 플러깅(15)된 디젤엔진 매연여과장치용 촉매식 DPF에 있어서, 유입측 개구 셀(12') 내부 셀벽 표면에 산화촉매코팅층(30)이 형성되며, 유출측 개구 셀(12") 내부 셀벽 후반부(60) 표면에 산화촉매코팅층(30')이 형성되는 것을 특징으로 하는, 디젤엔진 매연여과장치용 촉매식 DPF를 제공하는 것이다.
본 발명은 배기가스의 유동을 변화시켜, 셀 길이방향 전반부(배기가스 유입측, 50)에서 가스성분의 원활한 셀벽 유통이 가능하게 함과 동시에, 가스성분과 동반하는 미립자를 전반부(50) 셀벽에 다량 침적시켜 후반부(60) 대비 누적 PM량을 증가시킴으로써, 미립자 연소에 의한 재생작업에 있어서 후반부 셀벽에서의 급격한 온도상승을 방지하고, 셀 길이방향 온도 불균일을 해소하여 열응력에 의한 크랙발생 우려를 미연에 방지하여 열내구성이 개선된 촉매식 DPF를 제공하는 것이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 의한 산화촉매식 필터를 설명하지만, 본 발명은 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 설명에서 ‘단면’이란, 달리 특정하지 않는 한 배기가스 유동방향에 대한 수직의 단면으로 정의된다. 한편, '후반부'라 함은 배기가스가 필터를 통과하여 외부로 배출되는 측으로 이해될 수 있으며, '전반부'라 함은 엔진으로부터 배출된 배기가스가 인입되는 측으로 정의된 다. 또한, '전반부' 및 '후반부'는 반드시 필터를 길이방향으로 양분하는 용어는 아니며, 배출가스 및 엔진 조건에 따라 전반부 중 일부 및 후반부 중 일부분으로 이해될 수 있다. 도 2는 본 발명에 의한 산화촉매필터 개략사시도 및 부분 확대단면도를 도시한 것이다.
본 발명에 의한 촉매식 DPF는, 코디어라이이트 등의 내열성 세라믹스로 제조될 수 있다. 예를 들면, 코디어라이트 분말을 주성분으로 하는 점토상의 슬러리를 조제하고, 그것을 압출 성형하여 소성한다. 코디어라이트 분말 대신에, 알루미나, 마그네시아 및 실리카의 각 분말을 코디어라이트(cordierite) 조성이 되도록 배합할 수도 있다. 또한, 내열성 및 열전도성이 우수한 탄화규소 또는 질화규소, 사이알론(SIALON), 뮬라이트(mullite) 등의 소결체를 선택할 수도 있다. 본 발명에 의한 촉매식 DPF 구조체는, 단면이 대략 정방형상을 이루는 복수의 관통셀(12', 12")이 축선방향을 따라서 규칙적으로 형성되어 있으며, 각 관통셀(12', 12")은 얇은 셀벽(13)에 의해 서로 칸막이되어 있다. 각 관통셀(12', 12")의 개구부는, 어느 한쪽의 단면(9a, 9b)측에 있어서, 플러깅(15)에 의해 밀봉되어 있다. 다수개의 셀중에, 약 반수의 셀(12')는 유입단면(9a)에 있어서 개구되고, 나머지 셀(12")은 유출단면(9b)에 있어서 개구된다. 본 발명에 의한 DPF 구조체는, 유입측 개구 셀(12') 내부 셀벽(13)의 표면에는 백금족 원소나 그외의 금속원소 및 그 산화물 등으로 이루어진 산화촉매(30)가 전(全) 셀벽 표면 및 세공표면에 거쳐 코팅되어 있으며, 유출측 개구 셀(12") 내부 셀벽의 후반부(60) 표면 및 세공표면에는 상기 산화촉매와 동일한 또는 상이한 조성의 산화촉매(30')가 코팅되나, 유출측 개구 셀(12") 내부 셀벽의 전반부(50) 표면에는 어떠한 산화촉매코팅층도 형성되지 아니한다. 상기 구성의 구조체는, 셀 길이방향 전반부(50)에 비하여 후반부(60)에 결과적으로 셀벽 양측을 통하여 두꺼운 층의 산화촉매코팅층(30, 30')이 형성되는 것이며, 더욱 상세하게는 셀 길이방향 전반부(50)에는 유입측 개구 셀(12') 내부 셀벽에 코팅층(30)이 형성되며, 셀 길이방향 후반부(60)에는 유입측 개구 셀(12') 내부 셀벽 뿐 아니라 유출측 개구 셀(12") 내부 셀벽에 코팅층(30')이 형성된다. 상기 구성의 구조체는 DPF 관통셀로 유입되는 배기가스 유동방향을 변동시킬 수 있다. 유입측 개구 셀(12') 내부로 진입된 배기가스는 결과적으로 두껍게 형성된 후반부(60) 코팅층 보다는 상대적으로 얇게 형성된 전반부(50) 코팅층의 셀벽 기공(기공율 30-70%)을 통하여 인접 셀들로 유동된다. 배기가스 중 가스성분과 동행되는 미립자는 따라서 후반부에 비하여 상대적으로 얇게 코팅층이 형성된 길이방향 전반부 셀벽에 다량 침적(트랩)되며, 시간 경과에 따라 전반부에는 누적 PM량이 후반부 누적 PM량과 비하여 다량 존재한다. 이러한 결과는 PM 제거에 의한 촉매식 DPF 재생 작업에 있어서, 온도 상승 및 온도 불균일을 해소할 수 있는 기반을 제공한다. 즉, 전반부 PM 연소량이 후반부 PM 연소량보다 다량이므로, 셀 길이방향으로 급격한 온도상승이 발생하지 않으므로, 완만한 온도상승율을 기대할 수 있고, 온도상승 및 온도불균일로 인한 크랙의 문제점이 해소될 수 있다.
본 발명에 의한 구조체에 있어서 유입측 개구 셀(12') 내부 셀벽 표면 및 세 공 표면 및 유출측 개구 셀(12") 내부 후반부 셀벽 표면 및 세공 표면에 코팅되는 산화촉매조성물은 공지된 것이다. 예를 들면, 산화촉매층은 다음과 같은 방식으로 형성될 수 있다. 산화물 분말 또는 복합산화물 분말을 알루미나 졸과 같은 바인더성분 및 물과 함께 슬러리로 만든다. 그 슬러리에 유입측 방향으로 디핑(dipping)하여 상기 촉매식 필터 구조체 유입측 개구 셀(12') 내부 셀벽에 촉매를 코팅시킨 후에 건조, 소성한다. 슬러리를 셀 벽에 담지시키는 경우, 기타 통상의 코팅법을 사용할 수 있다. 연속하여 유출측 방향으로 구조체를 디핑하되, 이번에는 상기 촉매식 필터 구조체 유출측 개구 셀(12") 내부 후반부 셀벽에만 촉매를 담지시킨 후 건조, 소성한다. 촉매층에 담지되는 촉매성분으로는, 촉매반응에 의해 NOx를 환원할 수 있고, 또한 PM의 산화를 촉진할 수 있는 촉매성분을 사용할 수 있다. 바람직하게는, 촉매층상에 Pt, Rh, Pd와 같은 백금족의 귀금속으로 구성된 그룹으로부터 선택된 1종이상의 종을 담지하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 의한 촉매식 DPF의 촉매작용 및 미립자 트랩작용에 관하여 간단하게 설명한다. 차량에 장착되는 케이싱내에 수용되는 촉매식 필터(10)에, 유입측(9a) 단면으로 배기가스가 공급되며, 단면에 개구된 셀(12')에 진입된다. 유동성 배기가스는 전반부(50) 셀벽(13)을 통과하여 인접 셀(12") 내부로 진입되거나, 길이방향 마지막 지점인 플러깅(15)과 충돌되어 셀벽 후반부(60)에 도달된다. 그러나, 셀벽 후반부에는 전반부와는 달리 상대적으로 두꺼운 코팅층(30,30')이 형성되어 있으므로, 배기가스 중 가스성분은 후반부 셀벽 기공을 통과하기가 용이하지 않 으므로, 셀 내부에 진입된 배기가스 유동방향은 전반부(50)로 이동되어 배기가스 중 다수의 가스성분은 전반부 셀벽을 통과하여 인접 셀(12") 내부로 진입됨과 동시에 가스성분과 동반되는 미립자 성분은 가스성분이 통과한 위치에서 침적된다. 따라서, 전반부에는 다수의 PM 누적량이 관찰된다. 한편, 셀벽(13)을 통과하면서, 가스에 포함된 HC 및 CO 및/또는 NOx 같은 성분은 촉매층(30, 30')에 의해 산화, 환원되고 정화되며, 트랩된 미립자는, 필터 내부온도가 소정의 온도에 도달되면, Pt 등의 귀금속 촉매의 작용에 의해 착화되어 연소된다. PM 누적량이 소정치에 도달되면, 강제 재생되며, 이때 전반부(50)에 있는 PM 연소가 개시되나, 길이방향으로 연속하여 연소될 수 있는 PM량이 누적되어 있지 아니하므로, DPF에 크랙을 발생시킬 수 있는 온도까지의 상승은 억제된다. 아울러, 이에 따라 길이방향으로 발열에 의한 온도분포가 완만하여 열응력이 제어되어 필터의 내구성이 보장될 수 있다.
본 발명 구성에 의한 효과를 측정하기 위하여, 본 발명에 의한 구성(이하, FL 모델), 유입측 개구 셀(12') 내부 셀벽 전 표면에 산화촉매코팅층(30)만이 형성된 비교 구성(이하, Uniform 모델), 및 유입측 개구 셀(12') 내부 셀벽 전 표면에 산화촉매코팅층(30)이 형성되며, 상기 유입측 산화촉매코팅층(30) 전면부 표면에 산화촉매코팅층(30')이 더욱 형성된 비교 구성(이하, FH 모델)에 대하여, PM 축적도 및 DPF 후반 중심부에서의 온도를 관찰하였다.
도 3은 상기 Uniform, FL(본 발명) 및 FH 모델에서의 PM 축적 정도를 도시한 것이다. Uniform 및 FH 모델은 전반부에서 후반부로 갈수록 PM 누적량이 증가하며 증가 기울기는 FH 모델 경우가 급격하다 (도 3A, 3B 참조). 이러한 현상은 셀 내부에 진입된 배기가스의 대부분은 플러깅 부위에서 유출측 개구부를 통하여 외부로 방출되었다는 것을 의미한다. 이와 대비되게, 본 발명에 의한 FL 모델은 전반부에서 후반부로 갈수록 PM축적량이 감소하며(도 3C), 이러한 결과는 상기한 바와 같이 셀벽 후반부에는 상대적으로 두꺼운 코팅층(30')이 형성되어 있으므로 배기가스 중 가스성분은 후반부 셀벽 기공을 통과하기가 용이하지 않으므로 전반부로 이동되어 배기가스 중 다수의 가스성분은 전반부 셀벽을 통과하여 인접 셀(12") 내부로 진입됨과 동시에 가스성분과 동반되는 미립자 성분은 가스성분이 통과한 위치에서 침적되었음을 확인할 수 있다.
한편, 도 4는 상기 3가지 모델에 대하여 강제 재생의 경우, 온도 변화를 도시한 것이다. 도 4에서의 T3은 DPF 내부에 장착된 T3 온도센서를 의미하는 것이고, T3 온도센서는 DPF 후반부 중심부에 장착된다. 이에 의하면, Uniform T3은 1050℃, FH T3은 1500℃ 이상이나 (도 4A, 4B 참조), 본 발명에 의한 FL 구성에서 T3 온도는 850℃임을 확인할 수 있으며(도 4C), 이에 따라 Uniform 및 FH 구성과 대비하여 FL 모델은 길이방향으로 발열에 의한 온도분포가 원만하여 열응력이 제어되어 필터 내구성이 보장되는 구성임을 확인할 수 있다.
하기 표 1은 상기 3가지 모델에 대한 물성 측정 결과를 정리한 것이다.
Figure 112006043168732-pat00001
상기에 의한 디젤엔진 매연여과장치용 촉매식 DPF 구조체는 배기가스의 유동을 변화시켜, 셀 길이방향 전반부에서 가스성분의 원활한 셀벽 유통이 가능하게 함과 동시에, 가스성분과 동반하는 미립자를 전반부에 다량 침적시켜 후반부 대비 누적 PM량을 증가시킴으로써, 미립자 재생작업에 있어서 후반부에서의 급격한 온도상승을 방지하고, 길이방향 온도불균일을 해소하여 열응력에 의한 크랙발생 우려를 미연에 방지하여 열내구성이 개선된 촉매식 DPF이다.
본 발명을 구체적인 실시양태를 들어 상세히 설명하였으나, 이러한 실시양태는 단지 예시를 위한 것이며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구의 범위에 기초된다.

Claims (2)

  1. 복수개의 관통셀(12', 12")이 다공질 셀벽(13)으로 구분되어 형성되며, 유입측(9a) 및 유출측(9b)에 상호 지그재그(in a stagged way)방식으로 양단이 플러깅(15)된 디젤엔진 매연여과장치용 촉매식 DPF에 있어서, 유입측 개구 셀(12') 내부 셀벽 전 표면에 산화촉매코팅층(30)이 형성되며, 유출측 개구 셀(12") 내부 셀벽 후반부 표면에 산화촉매코팅층(30')이 형성되는 것을 특징으로 하는, 디젤엔진 매연여과장치용 촉매식 DPF.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산화촉매코팅층(30, 30')은 Pt, Rh, Pd와 같은 백금족의 귀금속으로 구성된 그룹으로부터 선택된 1종이상의 종을 담지하고 있는 것을 특징으로 하는, 디젤엔진 매연여과장치용 촉매식 DPF.
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