KR101036050B1

KR101036050B1 - 기하 구조적으로 유사한 채널을 갖는 필터 요소 및 그을음필터

Info

Publication number: KR101036050B1
Application number: KR1020087006667A
Authority: KR
Inventors: 베른트 라인쉬; 테루오 코모리; 라르스 튀너
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2005-09-20
Filing date: 2006-09-12
Publication date: 2011-05-19
Also published as: US20100037573A1; KR20080059162A; ATE550086T1; JP4909352B2; DE102006035053A1; JP2009508683A; EP1928577A1; EP1928577B1; WO2007033921A1; US8257460B2

Abstract

본 발명은 필터 요소 및 그을음 필터에 관한 것이며, 상기 필터 요소 및 그을음 필터의 경우 채널의 본 발명에 따른 구조에 의해 열 충격에 대한 안정성이 개선된다.

필터 요소, 그을음 필터, 채널, 열 충격, 안정성

Description

기하 구조적으로 유사한 채널을 갖는 필터 요소 및 그을음 필터{Filter Element and Soot Filter having geometrically similar Channels}

본 발명은 특허청구범위 제1항의 전제부에 따른, 엔진 배기 가스의 정화를 위한 필터 요소 및 독립항 제15항에 따른, 필터 요소를 구비한 그을음 필터에 관한 것이다. 이러한 유형의 필터 요소는 예컨대 디젤 엔진용 그을음 필터로서 사용된다.

필터 요소는 주로 세라믹 재료로 구성되고 서로 병렬로 진행하는 복수의 유입 채널 및 유출 채널을 포함한다.

필터 요소는 세라믹 재료로부터 압출 성형에 의해 제조된다. 이는, 필터 요소의 원재료가 서로 병렬로 진행하는 복수의 채널을 갖는 프리즘형 몸체임을 뜻한다. 원재료의 채널들은 처음에는 양 단부가 개방되어 있다.

정화될 배기 가스는 필터의 벽부를 통해 유동하도록, 일 그룹의 채널들은 필터 요소의 후방 단부에서 폐쇄되는 반면, 다른 채널 그룹은 필터 요소의 전방 단부에서 폐쇄된다. 이에 의해 두 그룹의 채널, 즉 후방 단부에서 폐쇄되는 이른바 유입 채널과, 필터 요소의 초입부에서 폐쇄되는 이른바 유출 채널이 형성된다.

유입 채널과 유출 채널 사이에 단지 필터 요소의 다공성 벽부를 통해 유동 연결이 이루어짐으로써, 배기 가스는 단지 유입 채널로부터 필터 요소의 벽부를 통해 유출 채널로 유동하는 것으로만 필터 요소를 관류할 수 있을 뿐이다.

필터 요소의 가능한 한 효과적인 작동을 보장하기 위해, 엔진 작동 중 필터 요소의 단면에 걸쳐 가능한 한 균일한 온도 분포가 요구된다.

본 발명의 목적은, 그을음 필터용 필터 요소 및 그을음 필터를 제공하는 데 있어, 필터 요소의 단면에 걸쳐 온도 분포가 개선되고 그 결과 본 발명에 따른 필터 요소가 구비된 그을음 필터의 작동 거동 및 필터의 수명이 연장되는, 그을음 필터용 필터 요소 및 그을음 필터를 제공하는 것이다.

상기 목적은, 본 발명에 따라 그을음의 필터링, 특히 디젤 엔진 배기 가스의 필터링을 위한 필터 요소가 배기 가스의 주 유동 방향에 대해 병렬로 진행하는 종축과, 종축에 대해 병렬로 진행하는 복수의 유입 채널과, 종축에 대해 병렬로 진행하는 복수의 유출 채널을 구비하며, 유입 채널은 필터 요소의 유입 표면에서 시작되어 필터 요소의 유출 표면에서 폐쇄되며, 유출 채널은 유입 표면에서 폐쇄되고 유출 표면에서 종료되며, 필터 요소에서 외측에 배치된 채널은 중앙에 배치된 채널보다 더 큰 단면적을 가짐으로써 해결된다.

큰 단면적을 구비하고 필터 요소에서 외부에 위치한 채널은 유동하는 배기 가스에 보다 작은 유동 저항을 제공함으로써, 동일한 크기의 채널 단면을 갖는 종래의 필터 요소에 비해 필터링될 배기 가스의 더 많은 양이 필터 요소의 주변에서 필터링된다. 이에 의해 필터 요소 주변의 온도는 배기 가스 유동량의 증가에 의해 상승되어 필터 요소의 전체 단면에 걸쳐 전체적으로 온도의 균일성이 이루어진다. 같은 정도로, 필터 요소의 중앙을 통해 유동하는 배기 가스 유동량이 감소하는데, 이는 필터 요소의 내부 온도의 상응하는 하강을 유도한다.

필터 요소의 최외측에 위치한 채널이 양 측면에서 폐쇄됨으로써 본 발명에 따른 필터 요소 내의 온도 분포는 더 개선된다. 이는 바로 상기 채널에 배기 가스가 관류되는 것이 아니라, 상기 채널의 내부에 열 절연체로서 사용되는 공기가 있음을 뜻한다. 이에 의해 필터 요소 부분의 열이 주변으로 공급되어 그 결과 필터 요소 주변에서의 온도 하강이 크게 줄어든다. 이에 의해 더 개선된 온도 분포 및 본 발명에 따른 필터 요소의 단축된 가열 시간이 제공된다.

본 발명의 더 바람직한 실시예에서, 반경 방향 벽부는 인접한 두 채널 사이에 서로 오프셋되게 배치되도록 제공된다. 이에 의해 본 발명에 따른 필터 요소는 반경 방향으로 더 유연하거나 반경 방향으로 열 응력이 감소된다. 이는 균열 및 그에 따른 필터 요소의 고장을 유발할 수도 있는 급격한 온도 변화에 대한, 본 발명에 따른 필터 요소의 안정성을 개선한다.

본 발명의 한 바람직한 실시예에서는, 채널로부터 필터 요소의 종축까지의 거리가 증가함에 따라 채널의 단면적이 일정하게 증가한다. 이는 필터 요소의 중점으로부터 채널까지의 간격과 채널 단면적 간의 함수적 관계에 의해 필터 요소 내의 온도 분포가 광범위하게 영향을 받을 수 있음을 뜻한다.

그러나 제조 기술적 관점에서, 채널로부터 필터 요소의 종축까지의 거리가 증가함에 따라 채널의 단면적은 하나 이상의 단계로 증가하는 것도 바람직할 수 있다.

유입 채널의 단면적이 인접하게 배치된 유출 채널의 단면적보다 더 클 때, 그을음의 침전에 대한 필터 요소의 성능은 배기 가스 배압이 크게 증가하지 않는 방식으로 상승된다. 예컨대, 유입 채널의 단면적은 종축에 대해 동일한 간격을 갖는 유출 채널의 단면적보다 1.1 내지 2.0 사이의 배수만큼 더 크다.

필터 요소가 그의 종축을 기준으로 회전 대칭적 또는 중심 대칭적일 때 더 바람직한 것으로 입증되었다.

상류에 위치한 (유입) 채널의 표면은 평평하지 않게 구성됨으로써, 채널 표면이 국부적으로, 벽부 전체가 그 내부에 위치한 평면과 상이한 기울기를 갖는 것이 더 바람직한 것으로 입증되었다. 이에 의해 상류에 위치한 표면이 통상적인 필터 장치에 비해 더 크다. 그 결과 필터 벽부의 관류시 과도한 압력 하강이 발생하지 않으면서 더 큰 입자량이 축적될 수 있다. 그 결과로서 다시 본 발명에 따른 필터 요소는 종래의 필터 장치에 비해 덜 빈번하게 재생되어야 하는데, 이로써 전체적으로 재생을 위해 요구되는 연료 사용이 감소된다. 이러한 경우, 필터 장치의 전체 크기를 확대시키지 않고도 연료 소비가 감소될 수 있다. 입자의 침전에 활용되는 표면의 확대는, 오직 또는 적어도 실질적으로 평평하지 않은 표면의 구현을 통해 이루어진다. 따라서 평평하지 않은 표면은 제조시 전혀 추가 비용이 들지 않거나 적어도 큰 추가 비용이 들지 않게 된다.

또한 도입부에서 언급된 장점은 필터 요소와, 하우징과, 공급 라인과, 배출 라인과, 공급 라인을 하우징과 연결하는 확산기와, 하우징을 배출 라인과 연결하는 원추부를 구비한 그을음 필터에서, 본 발명에 따른 필터 요소가 사용됨으로써 구현된다.

본 발명의 다른 장점 및 바람직한 실시예는 후속하는 도면과, 도면의 설명 및 특허청구범위로부터 제시될 수 있다. 도면과, 도면의 설명 및 특허 청구 범위에 언급된 모든 장점은 개별적으로뿐만 아니라 서로 임의의 조합도 중요하다.

도1은 본 발명에 따른 필터 요소를 갖는 그을음 필터의 측면도이다.

도2 및 도3은 본 발명에 따른 필터 요소의 평면도이다.

도4 및 도5는 반경의 함수로서 채널의 단면을 도시한 그래프이다.

도6은 본 발명에 따른 필터 요소의 제3 실시예를 도시한 도면이다.

도7은 본 발명에 따른 필터 요소의 제4 실시예를 도시한 도면이다.

도1은 공급 라인(3)과, 확산기(5)와, 하우징(7)과, 본 발명에 따른 필터 요소(9)를 구비한 그을음 필터(1)를 부분적으로 절단된 측면도로 도시한다.

그을음 필터(1)는 화살표(11) 방향으로 관류된다. 하우징(7)에 원추부(13) 및 배출 라인(15)이 연결된다. 필터 요소(9)는 하우징과 기밀 방식으로 연결됨으로써, 공급 라인(3)을 통해 유동하는 (도시되지 않은) 배기 가스가 필터 요소(9)를 통해 관류해야만 한다.

필터 요소(9)는 유입 표면(17) 및 유출 표면(19)을 포함한다. 필터 요소(9)는 유입 표면(17)으로부터 유출 표면(19)까지 연장되는 복수의 채널에 의해 관통된다.

배기 가스는 필터 요소(9)의 (도면 부호가 없는) 벽부를 통해 유동해야만 하므로, 유입 채널(21)은 유입 표면측(17)에서 개방되고 유출 표면측(19)에서 폐쇄된다. 이른바 유출 채널(23)은 유입 표면측(17)에서 폐쇄되고 유출 표면측(19)에서 개방된다. 유입 채널(21) 및 유출 채널(23)의 폐쇄는 도1에 도면 부호 없이 검은색 면으로 도시된다.

도1에 부분도로 도시된, 유출 채널(23)과 교대로 배치되는 각각의 유입 채널(21)의 패턴은 필터 요소의 전체 단면적에 걸쳐 공지된 방식으로 계속된다.

도2는 본 발명에 따른 필터 요소(9)의 일 실시예의 단면을 도시한다.

도2에 도시된 실시예는 원형 단면을 갖고 종축(25)에 대해 중심 대칭적이다. 필터 요소(9)가 종축(25)에 대해 중심 대칭적으로 배치된 복수의 채널을 포함하기 때문에, 간소화의 이유로 단면 내 모든 채널을 도시하는 것은 생략되었다. 유입 채널(21)은 흰 면으로 도시되는 반면, 유출 채널(23)은 검은 면으로 도시된다.

그러나 물론 필터 요소(9)의 전체 단면이 채널(21, 23)에 의해 관통되는 것은 자명하다. 유입 채널(21) 및 유출 채널(23)의 기능 설명은 이미 도1과 관련하여 제공되었고 다시 한 번 명시적으로 참조된다.

도2로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 필터 요소(9)의 제1 실시예의 전체 단면에 걸쳐 각각의 유입 채널(21)이 유출 채널(23)에 대해 인접하게 배치된다. 이는 다른 유입 채널(21) 및 유출 채널(23)에 비해 명백하게 확대된 단면적을 갖는, 필터 요소(9)의 외측 영역 내 유입 채널(21) 및 유출 채널(23)에 대해서도 적용된다. 종축(25) 영역 내 유입 채널(21)은 필터 요소(9)의 외측 직경에서의 유입 채널(21)과 기하 구조적으로 유사하다.

상기 외측 유입 채널(21) 및 외측 유출 채널(23)은 더 큰 단면적 때문에 더 내측에 배치된 유입 채널(21) 및 유출 채널(23)보다 작은 유동 저항을 가지므로, 외측 유입 채널(21) 및 외측 유출 채널(23)에서 더 높은 배기 가스 유동률이 세팅된다. 그 결과 필터 요소(9)의 가장자리 영역도 유입되는 배기 가스에 의해 더 높게 가열됨으로써, 필터 요소(9)의 외측 영역 내 온도는 확대된 단면을 갖는 채널(21, 23)에 의해 상승된다. 이는 유동하는 배기 가스에 의해 공급된 가열 성능이 동일할 경우, 필터 요소의 내측에서, 즉 종축(25) 바로 근처에서 온도가 감소하고 따라서 필터 요소(9)의 내측에서 국부적인 과열의 위험이 줄어든다.

도3에 본 발명에 따른 필터 요소(9)의 제2 실시예가 도시되는데, 상기 실시예의 경우 반경 방향으로 연장되는 (도면 부호가 없는) 필터 벽부들이 서로 오프셋되게 배치된다. 이에 의해 필터 요소(9)는 반경 방경으로 더 유연해짐에 따라, 국부적 온도 차이로부터 야기되는 열 응력이 감소된다.

도4에는 채널(21, 23)의 단면적(A)이 반지름(R)에 걸쳐 제1 라인(29)의 형태로 도시된다. 상기 제1 라인(29)은 1개 층의 계단형으로 진행하고, 따라서 단면적(A)과 채널들(21, 23)의 간격 간의 관계가 도2에 도시된 실시예에 따라 도시된다.

대안적으로 도5에 도시된 바와 같이, 단면적(A)과 반경(R) 사이의 제2 라인(31)에 따른 선형적 관계 또는 제3 라인(33)에 따른 비선형적 관계를 제공하는 것도 가능할 수 있다. 도4 및 도5에 도시된 단면적(A)과 반지름(R) 간의 상기 정성적 관계 중 어느 것이 각각의 경우에 우선시 되는지는, 각각의 경우의 상황에 따 른다.

도6에 따른 실시예의 경우 필터 요소(9)의 외측 직경에 모두 도시되지는 않은 다양한 이른바 블라인드 채널(27)이 제공된다. 블라인드 채널(27)은 유입 표면(17) 뿐만 아니라 유출 표면(19)에서도 폐쇄됨으로써, 정화될 배기 가스에 의해 관류될 수 없다. 오히려 어느 정도 깨끗한 공기가 상기 블라인드 채널(27) 내에 존재한다. 간소화의 이유로 여기서는 몇몇 블라인드 채널(27)만 예시적으로, 자세히 말하면 제1 사분면에서 약 90°의 원주각에 걸쳐 도시된다. 그러나 물론 자명하게 그 외 사분면에서도 마찬가지로 블라인드 채널(27)이 제공된다. 예컨대, 양 측면이 폐쇄된 블라인드 채널(27)의 5개 이하의 층(27.1 내지 27.5)이 제공된다.

공기는 약한 열 전도체이기 때문에, 필터 요소(9)의 주변에 존재하는 블라인드 채널(27)로 이루어진 재킷이 열 절연체로서 작용함으로써, 외부로의 열 유출은 블라인드 채널(27)에 의해 감소된다. 이에 의해서도 필터 요소(9)의 외측 영역 내 온도 상승이 야기됨으로써, 필터 요소의 전체 단면에 걸쳐 온도의 바람직한 균일화가 더욱 개선된다.

물론, 다양한 유입 채널(21), 유출 채널(23) 및/또는 블라인드 채널(27)의, 필터 요소(9)의 주변에서의 본 발명에 따른 배치가 원통형 필터 요소(9)로 제한되는 것이 아니라, 예컨대 정사각형 또는 직사각형 단면을 갖는 필터 요소(9)에도 적용될 수도 있음은 자명하다.

또한 도시된 실시예에서 첫 번째 접근법으로서 직사각형에 상응하는 유입 채널(21), 유출 채널 및 블라인드 채널(27)의 단면적의 형태는 본 발명에 따른 필터 요소를 위한 전제 조건은 아니다. 예컨대 육각형, 원형 또는 다른 형태의 단면 형상도 가능하다.

본 발명의 다른 실시예에서 필터 벽부, 즉 필터 채널의 벽부는 구조적으로 형성될 수 있다. 특히 상류에 위치한 유입 채널의 표면은, 예컨대 적어도 구역별로 물결 유형의 융기부를 갖는다. 또는 상기 표면은 적어도 구역별로 구릉 모양의 융기부를 포함한다. 물결 유형의 융기부는 삼각형 단면 또는 사인파 형태의 단면 또는 상기 두 형태의 단면을 모두 갖는다. 다시 말해, 표면의 기울기는 한 방향으로만 벽부 전체가 위치하는 평면의 기울기와 상이한 반면, 상기 평면에 대해 직각 방향으로는 평평하지 않은 영역 내에서도 벽부 전체가 위치하는 평면의 기울기에 상응한다. 물결형의 설계에 의해, 필터의 유효 표면이 증가함에 따라서 필터 특성을 개선할 수 있고, 특히 차량 작동 시 야기되는 배기 가스 배압을 감소시키는 것이 가능하다. 이러한 경우 필터 기판은 제조 공정 시, 예컨대 압출 성형 시 반경 방향 및/또는 동심으로 배치된 채널 벽부가 물결 구조를 포함하는 형태로 제조된다. 도7은 대안적인 필터 요소(49)를 개략적인 부분도에서 (4분의 1 단면) 단면으로 도시하는데, 상기 요소의 경우 상류에 위치한 필터 벽부의 표면(51)은 물결 모양의 구조(53)를 포함한다. 여기서 물결 라인을 갖는 구조(53)는 실질적으로, 즉 도시된 단면에서 동심의 원형 링들에 이어지는 평평한 채널 벽부까지 적어도 상류에 위치한 표면이 물결 모양 구조를 포함하는 채널 벽부로 대체됨을 상징적으로 나타낸다. 따라서 도시된 원형 링들은 필터 요소의 종축에 대한 각각의 채널 벽부의 평균 간격을 표시한다. 상기 물결 모양 구조는 도7에서 동심의 채널 벽부에 대해 도시되고, 반경 방향으로 배치된 채널 벽부들에 대해서도 선택적으로 또는 복합적으로 제공될 수 있다. 물결형은 (최외측 벽부까지) 바람직하게 사인파 형태로, 대안적으로는 가상의 반경 방향 또는 동심의 이상적인 라인 주변의 다른 규칙적인 물결 형태로 이루어진다. 상기 물결의 진폭(A) (이상적 라인까지의 파고점 또는 파곡의 간격)은 0.1 내지 0.5mm의 영역 내, 바람직하게 0.1 내지 0.3mm의 영역 내에 놓인다. 상기 물결의 주기(P)는 0.1 내지 0.5mm의 영역 내에 놓인다. 진폭 대 주기의 비율(A/P)은 바람직하게 0.2 내지 3.0의 영역 내에 놓인다. 그러한 치수의 물결형 표면 구조를 갖는 필터 채널, 특히 유입 채널은, 직사각형 또는 거의 직사각형인 단면의 비 물결형 필터 채널에 비해 그리고 동일한 단면적을 갖는 필터 채널에 비해 더 큰 주연을 갖고 따라서 더 큰 여과 표면을 갖는다.

Claims

배기 가스의 유동 방향에 대해 병렬로 진행하는 종축(25)과, 종축(25)에 대해 병렬로 진행하는 복수의 유입 채널(21)과, 종축(25)에 대해 병렬로 진행하는 복수의 유출 채널(23)을 구비하며, 유입 채널(21)은 필터 요소(9)의 유입 표면(17)에서 시작되어 필터 요소(9)의 유출 표면(19)에서 폐쇄되고, 유출 채널(23)은 유입 표면(17)에서 폐쇄되고 유출 표면(19)에서 끝나는, 그을음 필터링용 필터 요소에 있어서,

필터 요소(9)에서 외측에 배치된 채널(21, 23)은 중앙에 배치된 채널(21, 23)보다 더 큰, 종축(25)에 대해 수직인 단면적을 갖고,

유입 채널(21)의, 종축(25)에 대해 수직인 단면적은 필터 요소(9)의 종축(25)에 대해 동일한 간격(R)을 갖는 유출 채널(23)의, 종축(25)에 대해 수직인 단면적보다 크고,

필터 요소(9)는 그의 종축(25)을 기준으로 회전 대칭적 또는 중심 대칭적인 것을 특징으로 하는 필터 요소.
제1항에 있어서, 필터 요소(9)에서 외측에 배치된 블라인드 채널(27)은 양 단부에서 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 필터 요소.
제2항에 있어서, 필터 요소(9)의 외부 직경에는 양 측면이 폐쇄된 블라인드 채널(27)의 5개 이하의 층이 제공되는 것을 특징으로 하는 필터 요소.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 인접한 두 채널(21, 23, 27) 사이에서 반경 방향으로 연장되는 벽부들이 서로 오프셋되게 배치되는 것을 특징으로 하는 필터 요소.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 채널(21, 23, 27)의, 종축(25)에 대해 수직인 단면적은 필터 요소(9)의 종축(25)에 대한 간격(R)이 증가함에 따라 일정하게 증가하는 것을 특징으로 하는 필터 요소.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 채널(21, 23, 27)의, 종축(25)에 대해 수직인 단면적은 필터 요소(9)의 종축(25)에 대한 간격(R)이 증가함에 따라 계단식으로 증가하는 것을 특징으로 하는 필터 요소.
삭제
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 유입 채널(21)의, 종축(25)에 대해 수직인 단면적은 종축에 대해 동일한 간격(R)을 갖는 유출 채널(23)의, 종축(25)에 수직인 단면적보다 1.1 내지 2.0 사이의 배수만큼 더 큰 것을 특징으로 하는 필터 요소.
삭제
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상류에 위치한 적어도 하나의 필터 벽부의 표면은 적어도 구역별로 평평하지 않은 것을 특징으로 하는 필터 요소.
제10항에 있어서, 상기 표면은 적어도 구역별로 물결 유형의 융기부를 포함하는 것을 특징으로 하는 필터 요소.
제11항에 있어서, 물결 유형의 융기부는 삼각형 단면 또는 사인파 형태의 단면 또는 상기 두 형태의 단면을 모두 갖는 것을 특징으로 하는 필터 요소.
제11항에 있어서, 융기부의 진폭(A)과 주기(P) 사이의 비율(A/P)은 0.2 내지 3 사이인 것을 특징으로 하는 필터 요소.
삭제
필터 요소(9)와, 하우징(7)과, 공급 라인(3)과, 배출 라인(15)을 구비한 그을음 필터에 있어서, 필터 요소가 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 필터 요소(9)인 것을 특징으로 하는 그을음 필터.