KR101052169B1 - 입자상물질 저감장치의 형상 설계방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 입자상물질 저감장치의 형상 설계방법에 관한 것으로서, 특히 더욱 상세하게는 차량의 배기량과 필터의 체적 비에 따라 배기가스의 배출을 감소시킬 수 있는 구조를 제한하고, 배기량과 필터의 체적 비는 물론 필터의 두께와 배기가스 출구(또는 입구)의 허용두께에 따른 변화를 더 고려하여 배기가스의 저감효율을 향상시킬 수 있는 입자상물질 저감장치의 형상 설계방법에 관한 것이다.
상기 본 발명인 입자상물질 저감장치의 형상 설계방법은 엔진으로부터 연소된 배기가스가 유입구로 유입되어 필터를 경유한 후 배출구를 통해 배출되는 입자상물질 저감장치에 있어서, 입자상물질 저감장치의 저감효율이 차량의 배기량과 필터의 체적 비와, 필터의 두께와, 배기가스 출구(또는 입구)의 허용두께에 의해서 결정되는 것을 포함함을 특징으로 한다.
입자상물질 저감장치, 저감효율, 차량의 배기량과 필터의 체적 비, 필터의 두께, 배기가스 출구(또는 입구)의 허용두께.

Description

입자상물질 저감장치의 형상 설계방법{Design method of form for reduction apparatus of particulate matter}
본 발명은 차량의 배기량과 필터의 체적 비에 따라 배기가스의 배출을 감소시킬 수 있는 구조를 제한하고, 배기량과 필터의 체적 비는 물론 필터의 두께와 배기가스 출구(또는 입구)의 허용두께에 따른 변화를 더 고려하여 배기가스의 저감효율을 향상시킬 수 있는 입자상물질 저감장치의 형상 설계방법에 관한 기술이다.
통상, 차량의 배기가스는 엔진으로부터 연소된 혼합기가 배기관을 통하여 대기 중으로 방출되는 가스를 말하며, 이러한 배기가스에는 주로 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 미연소탄화수소(HC) 등의 유해물질이 포함되어 있다. 이러한 배기가스의 규제는 필연적으로 강화되고 있는 바, 그에 따라 배출가스 재순환 장치, 3원촉매, MPI장치 등을 포함하는 배기가스 제어장치와, 캐니스터, 퍼지 컨트롤 솔레노이드 밸브 등을 포함하는 증발가스 제어장치 등이 차량에 적용되고 있다.
한편, 디젤엔진 차량은 연비, 출력면에서 우수함에도 불구하고 가솔린 엔진과는 달리 배기가스 내에 질소산화물과 입자상물질(PM: Particulate Matter)이 상당히 많이 함유되어 있다. 디젤 차량에 있어서는 공기가 대부분의 운전조건에서 충분한 상태로 연소되기 때문에 CO와 HC는 가솔린 차량에 비하여 아주 적게 배출되나, NOx와 입자상물질(매연)이 많이 배출된다.
따라서 디젤자동차 배기 규제의 주요한 대상물질은 질소산화물(NOx)과 입자상물질(PM)인 바, 이의 대응기술로는 연료 분사시기 지연과, 배기가스 재순환 장치(Exhaust Gas Recirculation)에 의한 질소산화물의 농도저감과, 입자상물질을 저감하기 위한 엔진의 연소성능 개선 및 개량기술로서, 그 기술에 중점을 두고 개발하고 있는 추세이다.
한편 종래의 디젤 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate Filter : DPF)의 소재는 코디어라이트(Codierite)나 탄화규소(SiC)인 세라믹인데, 상기 세라믹은 취성이 강해서 약한 충격에도 쉽게 파손되어 생산 공정 설계 및 양산설계 시에 각별한 주의가 필요하고 조립성도 좋지 않아 생산성이 낮다. 또한 세라믹은 열전도성이 매우 나쁨으로 입자상물질이 재생 시에 발생되는 열을 외부로 신속히 방출하지 못하여 국부적으로 온도가 급격히 증가하고 이로 인해 세라믹 필터가 자체가 녹거나 열이 집중되어 주변과의 열팽창계수의 차이로 파손되기도 한다. 하지만 금속 필터의 경우는 세라믹보다 우수한 연성 특성으로 인해 충격에 따른 파손이 적고 조립성 및 생산성이 높은 장점이 있고 열전도성이 세라믹보다 우수하기 때문에 재생 시에 국부적으로 발생되는 열을 외부로 신속히 전달하여 국부 열 집중 현상이 나 열팽창계수의 차이로 인한 파손이 적으나 금속 폼의 포어 사이즈가 200 내지 1000㎛으로 평균 30㎛의 포아사이즈를 갖는 세라믹 필터보다 조대하여 포집 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
상술한 바와 같이, 종래의 경우 배기가스의 농도저감과, 입자상물질을 저감하기 위한 엔진의 연소성능 개선에 대한 기술과, 내구성을 향상을 위한 기술에만 주안점을 두어 개발되고 있으므로, 차량의 배기량과 필터의 체적 비는 물론 필터의 두께와 배기가스 출구(또는 입구)의 허용두께에 따른 변화를 더 고려하여 배기가스의 저감효율을 향상시킬 수 있는 입자상물질 저감장치의 형상 설계방법의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
이에 본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여 착상된 것으로서, 차량의 배기량과 필터의 체적 비에 따라 배기가스의 배출을 감소시킬 수 있는 구조를 제한하는 입자상물질 저감장치의 형상 설계방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또 본 발명의 다른 목적은 배기량과 필터의 체적 비는 물론 필터의 두께와 배기가스 출구(또는 입구)의 허용두께에 따른 변화를 더 고려하여 배기가스의 저감효율을 향상시킬 수 있는 입자상물질 저감장치의 형상 설계방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 엔진으로부터 연소된 배기가스가 유입구로 유입되어 필터를 경유한 후 배출구를 통해 배출되는 입자상물질 저감장치의 형상 설계방법에 있어서, 입자상물질 저감장치의 저감효율이 차량의 배기량과 필터의 체적 비와, 필터의 두께와, 배기가스 출구(또는 입구)의 허용두께에 의해서 결정되는 것을 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 필터는 레이디얼(radial)형 금속 폼 필터로서, 다공성 튜브를 적층형태 또는 마는 형태로 둘러싸는 것을 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 자동차의 배기량 대 필터의 체적 비가 1 : 1± 0.2인 경우 50% 이하의 저감효율을 만족하고, 자동차의 배기량 대 필터의 체적 비가 1 : 1.5± 0.2인 경우 50% 내지 80% 이하의 저감효율을 만족하며, 자동차의 배기량 대 필터의 체적 비가 1 : 2± 0.2인 경우 80% 내지 99% 이하의 저감효율을 만족하는 것을 포함함을 특징으로 한다
상기 본 발명에 있어서, 상기 필터의 두께(tF)는 저감효율을 80% 내지 99% 이하를 만족하게 하기 위해서 40 내지 50 mm 인 것을 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 배기가스 출구 (or 입구)의 허용 두께인 반경에서 필터의 반경을 제외한 두께(ti)는 5 mm 이상인 것을 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 다공성 튜브의 반경(Rpo)은 50mm < Rpo<R-(ti+tF)[mm] 로 정의되는 것을 더 포함함을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 입자상물질 저감장치의 형상 설계방법은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 본 발명은 차량의 배기량과 필터의 체적 비에 따라 배기가스의 배출을 감소시킬 수 있는 구조를 제한한다.
둘째, 본 발명은 배기량과 필터의 체적 비는 물론 필터의 두께와 배기가스 출구(또는 입구)의 허용두께에 따른 변화를 더 고려하여 배기가스의 저감효율을 향상시킬 수 있다.
이하 첨부된 도면과 함께 본 발명의 바람직한 실시 예를 살펴보면 다음과 같은데, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명인 입자상물질 저감장치의 형상 설계방법을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 입자상물질 저감장치의 형상 설계방법을 설명하기 위해 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 입자상물질 저감장치 내에 장착되는 적층형 방식의 금속 폼 필터의 형상을 나타낸 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 입자상물질 저감장치 내에 장착되는 마는 방식의 금속 폼 필터의 형상을 나타낸 사시도이다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 입자상물질 저감장치의 형상 설계방법은 엔진으로부터 연소된 배기가스가 유입구(11)로 유입되어 필터(20)를 경유한 후 배출구(12)를 통해 배출되는 입자상물질 저감장치의 형상 설계방법에 있어서, 입자상물질 저감장치의 저감효율이 차량의 배기량과 필터의 체적 비와, 필터의 두께와, 배기가스 출구(또는 입구)의 허용두께에 의해서 결정되는 것을 포함한다.
도 1에서 R은 차종의 따라 요구되는 장치의 직경(단위 mm)이고, Rpo는 기존디자인에서 다공성 튜브의 반경 또는 필터의 내부직경(단위 mm)이며, tF는 필터의 두께(단위 mm)이고, ti는 장치의 반경에서 필터의 반경을 제외한 두께 또는 배기가스출구(또는 입구)의 허용 두께(단위 mm)이며, rv는 필터의 볼륨과 배기량의 비(=Vf/V)이다. 또한 Vf는 필터의 볼륨(단위 L)이고, V는 자동차의 배기량(단위 L)이며, Rpo는 다공성 튜브(porous tube)의 반경(단위 mm)이다.
도 1에 도시한 모양의 레이디얼 타입 필터의 형상은 아래의 표1에 제한을 받는 것이다.
포집효율 Rv=Vf/V tF,mm ti
50% 이하 1± 0.2 20± 20 5mm 이상
50% 이상, 80% 이하 1.5± 0.2 30± 10 5mm 이상
80% 이상, 99% 이하 2± 0.2 50± 10 5mm 이상
Rpo크기,mm 50mm < Rpo<R-(ti+tF)[mm]
상술한 표에서도 알 수 있는 바와 같이, 자동차의 배기량 대 필터의 체적 비가 1 : 1± 0.2인 경우 50% 이하의 저감효율을 만족하고, 자동차의 배기량 대 필터의 체적 비가 1 : 1.5± 0.2인 경우 50% 내지 80% 이하의 저감효율을 만족하며, 자동차의 배기량 대 필터의 체적 비가 1 : 2± 0.2인 경우 80% 내지 99% 이하의 저감효율을 만족하는 것이다.
또한 상기 필터의 두께(tF)는 저감효율을 80% 내지 99% 이하를 만족하게 하기 위해서 40 내지 50 mm 이고, 상기 배기가스 출구(또는 입구)의 허용 두께인 반경에서 필터의 반경을 제외한 두께(ti)는 5 mm 이상이며, 상기 다공성 튜브(14)의 반경(Rpo)은 50mm < Rpo<R-(ti+tF)[mm]으로 정의되는 것이다.
도 2와 도 3에 도시한 바와 같이, 필터는 레이디얼(radial)형 금속 폼 필터인데, 상기 금속 폼 필터(13)는 상기 다공성 튜브(14)로 유입된 배기가스가 통과되며, 다공성 튜브를 적층형태 또는 마는 형태로 둘러쌀 수 있다. 상기 금속 폼 필터(13)는 유효 접촉 면적을 크게 하고 주어진 공간에 배기가스가 통과하는 길이를 길게 하기 위해 수직으로 복수개가 적층되는 형태로 장착되거나 또는 마는 형태로 장착될 수 있다. 통상적인 금속합금 표면과 측면에서의 기공율은 거의 비슷하나, 측면의 기공 크기가 표면의 기공에 비해 50% 수준으로 하여 기공은 작고 기공율이 하도록 하여 포집 효율을 증대시킬 수 있는 것이다. 상기 금속합금의 표면기공은 400 내지 700㎛이고, 측면기공은 100 내지 300㎛이며, 기공율은 86%± 5%이다. 또한 상기 금속 폼 필터(13)는 Ni base에 크롬과 철이 첨가되어 합금화된 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 입자상물질 저감장치의 형상 크기의 제한구조를 설명하기 위해 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 입자상물질 저감장치 내에 장착되는 적층형 방식의 금속 폼 필터의 형상을 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 입자상물질 저감장치 내에 장착되는 마는 방식의 금속 폼 필터의 형상을 나타낸 사시도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11...유입구 12...배출구
13...금속 폼 필터 14...다공성 튜브

Claims (6)

  1. 엔진으로부터 연소된 배기가스가 유입구로 유입되어 필터를 경유한 후 배출구를 통해 배출되는 입자상물질 저감장치의 형상 설계방법에 있어서, 입자상물질 저감장치의 저감효율이 차량의 배기량과 필터의 체적 비와, 필터의 두께와, 배기가스 출구(또는 입구)의 허용두께에 의해서 결정되는 것을 포함함을 특징으로 하는 입자상물질 저감장치의 형상 설계방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 필터는 레이디얼(radial)형 금속 폼 필터로서, 다공성 튜브를 적층형태 또는 마는 형태로 둘러싸는 것을 포함함을 특징으로 하는 입자상물질 저감장치의 형상 설계방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 자동차의 배기량 대 필터의 체적 비가 1 : 1± 0.2인 경우 50% 이하의 저감효율을 만족하고, 자동차의 배기량 대 필터의 체적 비가 1 : 1.5± 0.2인 경우 50% 내지 80% 이하의 저감효율을 만족하며, 자동차의 배기량 대 필터의 체적 비가 1 : 2± 0.2인 경우 80% 내지 99% 이하의 저감효율을 만족하는 것을 포함함을 특징으로 하는 입자상물질 저감장치의 형상 설계방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 필터의 두께(tF)는 저감효율을 80% 내지 99% 이하를 만족하게 하기 위해서 40 내지 50 mm 인 것을 포함함을 특징으로 하는 입자상물질 저감장치의 형상 설계방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 배기가스 출구(또는 입구)의 허용 두께인 반경에서 필터의 반경을 제외한 두께(ti)는 5 mm 이상인 것을 포함함을 특징으로 하는 입자상물질 저감장치의 형상 설계방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    다공성 튜브의 반경(Rpo)은 50mm < Rpo< R-(ti+tF)[mm]으로 정의되는데, 여기서, R은 차종의 따라 요구되는 장치의 직경이고, ti는 배기가스 출구(또는 입구)의 허용 두께인 반경에서 필터의 반경을 제외한 두께이며, tF는 필터의 두께인 것을 더 포함함을 특징으로 하는 입자상물질 저감장치의 형상 설계방법.
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