KR101180944B1

KR101180944B1 - 배기가스 정화용 디젤 입자상 물질 필터

Info

Publication number: KR101180944B1
Application number: KR1020100044392A
Authority: KR
Inventors: 최성무
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2010-05-12
Filing date: 2010-05-12
Publication date: 2012-09-07
Also published as: KR20110124923A

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 배기가스 정화용 디젤 입자상 물질 필터는, 엔진으로부터 배출되는 배기가스 중의 입자상 물질을 제거하기 위한 것으로서, 전후단에 따른 길이 방향을 기준으로 할 때, 중심부 길이가 그 중심부를 제외한 나머지의 가장자리부 길이 보다 상대적으로 짧게 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

배기가스 정화용 디젤 입자상 물질 필터 {DIESEL PARTICULATE MATTER FILTER FOR PURIFYING EXHAUST GAS}

본 발명의 예시적인 실시예는 배기가스 정화용 디젤 입자상 물질 필터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 필터 재생 시 중앙부에서의 최고 온도 및 최대 열구배가 발생하는 것을 방지할 수 있도록 한 배기가스 정화용 디젤 입자상 물질 필터에 관한 것이다.

일반적으로, 배기가스는 엔진으로부터 연소된 혼합기가 배기관을 통하여 대기 중으로 방출되는 가스를 말하며, 이러한 배기가스에는 주로 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 미연소탄화수소(HC) 등의 유해물질이 포함되어 있다.

한편, 디젤 엔진 차량은 연비, 출력면에서 우수함에도 불구하고 가솔린 엔진과는 달리 배기가스 내에 질소산화물과 입자상 물질이 상당히 많이 함유되어 있다.

이러한 배기가스 중에 포함된 입자상 물질을 저감시키는 방법으로는 디젤 입자상 물질 필터(Diesel Particulate matter Filter: DPF)(이하에서는 편의상 "DPF" 라고 한다) 기술을 채택하고 있다.

상기 DPF는 배기라인에 설치되어, 엔진으로부터 배출된 불연소의 디젤 입자상 물질을 트랩(trap)을 이용하여 포집하고, 입자상 물질의 발화온도 이상으로 승온시켜 입자상 물질을 태우고(재생)하는 기능을 반복 수행하게 된다.

즉, 상기 DPF는 내부를 구성하는 담체의 입구부와 출구부에 채널 플러그를 엇갈리게 설치하여, 배기가스의 입자상 물질이 담체 내부의 다공홀을 통과함에 따라 시간 경과 후, 담체 내에 포집된 검댕이 그을림인 수트(Soot) 포집량이 일정 수준 이상이 되면, 온도를 발화 온도 이상으로 상승시켜 수트 성분을 제거하게 된다.

그러나, 종래 기술에서는 DPF의 전후단면에 따른 중앙부 및 가장자리부의 길이가 동일한 경우, DPF의 재생 시, 최악의 조건인 DTI(Drop To Idle) 조건에 DPF의 열적한계온도 이상으로 온도가 상승하거나 온도 구배가 상승해서 DPF에 열적 손상이나 멜팅(melting) 및 크랙(crack) 등의 파손이 일어나는 경우가 있다.

특히, DPF의 멜팅은 후단 중앙부에서 대부분 발생하게 되는데, 이는 배기가스 유량이 중앙부로 편중되어 있기 때문이며, 이로 인해 수트 포집량이 중앙부가 가장자리부 보다 높게 된다.

이 경우에는 DPF 재생 시, 많은 수트량의 연소로 인해 배기온이 높게 상승하고, 수트 연소(재생)가 후단부로 가면서 용이한 조건(온도 상승)으로 되어 그 후단부 및 중앙부에서의 온도가 가장 높게 되고, 위치상 외기와 가장 거리가 먼 위치이기 때문에 수트 재생열이 쉽게 방출되지 않아 온도 구배도 증가하게 된다.

따라서, 종래 기술에서 DPF의 전후단면에 따른 중앙부 및 가장자리부의 길이가 동일한 경우에는 수트 재생 시, 고온에 의한 문제가 후단부 및 중앙부에 집중되어 DPF의 재생 효율 및 내구 품질을 저하시키게 된다.

도 1a는 10g/L의 수트 포집 조건에서, DTI 조건의 각 부위별 온도를 측정한 그래프로서, 시간에 따라 DPF의 최후단부 온도가 최고 온도를 나타내고 있음을 알 수 있다.

그리고, 도 1b의 그래프를 통해서는 수트 로딩량에 따른 DPF 후단부의 최고 온도(DTI 조건)에서 수트의 로딩량이 증가할수록 DPF 후단부의 중앙 온도가 증가하게 됨을 알 수 있다.

도 1c는 DPF의 길이에 따른 중앙부의 위치별 온도를 나타내는 그래프로서, 수트 포집량은 6g/L로, 길이는 6, 8, 10, 12인치이며, DPF의 길이가 증가함에 따라 DPF 후단부 및 중앙부의 온도가 증가함을 알 수 있는데, DPF의 길이가 6인치 대비 10, 12인치에서의 최고 온도는 약 200도 정도 증가하게 된다.

도 1d는 DPF의 길이에 따른 후단부의 위치별 온도를 나타내는 그래프로서, 수트 포집량은 6g/L로, 길이는 6, 8, 10, 12인치이며, 그 길이가 증가함에 따라 DPF의 후단부 중앙과 가장자리의 온도차가 증가함을 알 수 있다. 이는 중앙부에 수트 포집량이 많고, 수트가 연소될 때 산화열이 주로 중앙에 발생하여 외부로 방출되지 못하기 때문에 중앙부의 온도가 가장자리부에 비해 급격하게 증가하게 되는 것이다. 이로 인해 DPF의 SML(Soot Mass Limit) 값을 낮게 설정하고, 잦은 주기의 DPF 재생을 실시하게 되므로, 연비를 악화시키는 결과를 초래하게 된다.

본 발명의 예시적인 실시예는 상기에서와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 중심부의 길이를 짧게 하고 가장자리부의 길이를 길게 구성하여 중심부에서의 열 집중 현상을 방지할 수 있도록 한 배기가스 정화용 디젤 입자상 물질 필터를 제공한다.

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 배기가스 정화용 디젤 입자상 물질 필터는, 엔진으로부터 배출되는 배기가스 중의 입자상 물질을 제거하기 위한 것으로서, 전후단에 따른 길이 방향을 기준으로 할 때, 중심부 길이가 그 중심부를 제외한 나머지의 가장자리부 길이 보다 상대적으로 짧게 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 배기가스 정화용 디젤 입자상 물질 필터는, 상기 중심부와 가장자리부의 길이 차이가 필터의 후단면에서 이루어질 수 있다.

상기 배기가스 정화용 디젤 입자상 물질 필터는, 상기 중심부와 가장자리부의 길이 차이가 필터의 전단면에서 이루어질 수도 있다.

상기 배기가스 정화용 디젤 입자상 물질 필터는, 상기 중심부와 가장자리부의 길이 차이가 필터의 전후단면에서 이루어질 수도 있다.

상기 배기가스 정화용 디젤 입자상 물질 필터는, 상기 가장자리부의 길이를 L1, 상기 중심부의 길이를 L2, 상기 가장자리부의 단면 길이를 D1, 상기 중심부의 단면 길이를 D2 라고 할 때, 상기 L2는 0.6L1~O.8L1을 만족하고, 상기 D2는 0.4D1~0.7D1을 만족하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 배기가스 정화용 디젤 입자상 물질 필터에 의하면, 필터의 후단면, 전단면 또는 양단면에서 중심부의 길이가 가장자리부의 길이 보다 상대적으로 짧게 이루어지므로, 중심부에서의 수트 포집량을 줄이고, 가장자리부에서의 수트 포집량을 증가시키며, 중심부가 고온에 노출될 수 있는 조건을 만들지 않고, 수트 로딩 패턴을 위치에 관계없이 균일하게 할 수 있다.

따라서, 본 실시예에서는 SML(Soot Mass Limit)을 증가시킬 수 있으므로 재생 주기의 증가로 인해 연비를 개선할 수 있고, 온도 분포가 전체적으로 균일하게 되므로 전체 온도를 높여 재생 효율을 향상시킬 수 있다.

그리고, 본 실시예에서는 필터 재생 시, 중심부에서 최고 온도와 최대 열구배가 발생하는 것을 방지하고, 이로 인해 필터의 고온 노출에 의한 열적 손상이나 멜팅(melting) 및 크랙(crack) 등의 파손을 방지함으로써 필터의 내구 품질 향상시킬 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1a 내지 도 1d는 종래 기술에 따른 배기가스 정화용 디젤 입자상 물질 필터의 문제점을 설명하기 위한 그래프이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 배기가스 정화용 디젤 입자상 물질 필터를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 배기가스 정화용 디젤 입자상 물질 필터의 변형예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 배기가스 정화용 디젤 입자상 물질 필터의 효과를 설명하기 위한 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 배기가스 정화용 디젤 입자상 물질 필터를 개략적으로 도시한 도면이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 배기가스 정화용 디젤 입자상 물질 필터(100)는 엔진에서 배출되는 배기가스에 포함된 질소산화물과 매연을 포함한 입자상 물질 등을 저감시키기 위한 디젤 차량의 배출가스 저감장치에 적용된다.

여기서, 상기 배기가스 정화용 디젤 입자상 물질 필터(100)는 차량의 배기라인에 구성되고, 담체의 입구부와 출구부의 막힘 부위가 반전되는 구조로 이루어지며, 배기가스 중에 포함된 입자상 물질을 트랩을 이용하여 포집하는 것이다.

본 실시예에 의한 상기 배기가스 정화용 디젤 입자상 물질 필터(100)는 필터 재생 시, 중심부에서의 최고 온도 및 최대 열구배가 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 이로 인해 필터의 열적 손상을 줄일 수 있고, 수트 포집량을 늘리며, 재생 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 배기가스 정화용 디젤 입자상 물질 필터(100)는 필터의 전후단에 따른 길이 방향을 기준으로 할 때, 중심부(11) 길이가 그 중심부(11)를 제외한 나머지의 가장자리부(13) 길이 보다 상대적으로 짧게 이루어진다.

즉, 본 실시예에서는 도 2a에서와 같이, 상기 중심부(11)와 가장자리부(13)의 길이 차이가 필터의 후단면에서 이루어진다.

여기서, 상기 디젤 입자상 물질 필터(100)는 도 2b에서와 같이 여러 개의 세그먼트를 구성하고, 이들을 세그먼트 성분으로 접착하여 원하는 크기로서 제조되는데, 필터의 후단면에서 중심부(11)의 길이를 짧게 형성하고, 가장자리부(13)의 길이를 중심부(11) 보다 길게 형성한다. 이 때, 상기 중심부(11)의 단면 형상은 사각형으로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 디젤 입자상 물질 필터(100)는 도 2c에서와 같이, 중심부(11)를 압출하고, 그 중심부(11) 보다 길이가 긴 가장자리부(13)를 압출한 다음, 중심부(11)와 가장자리부(13)의 길이 차이가 필터의 후단면에서 이루어지도록 이들을 접착함으로써 제조된다. 이 경우, 상기 중심부(11)의 단면 형상은 원형으로 이루어질 수 있다.

상기에서와 같은 디젤 입자상 물질 필터(100)는 본 실시예에서, 상기 가장자리부(13)의 길이를 L1, 중심부(11)의 길이를 L2, 그 가장자리부(13)의 단면 길이를 D1, 중심부(11)의 단면 길이를 D2 라고 할 때, 상기한 L2는 0.6L1~O.8L1을 만족하고, D2는 0.4D1~0.7D1을 만족하는 것이 바람직하다.

한편, 본 실시예에 의한 상기 디젤 입자상 물질 필터(100)는 제1 변형예로서, 도 3a에서와 같이 상기 중심부(11)와 가장자리부(13)의 길이 차이가 필터의 전단면에서 이루어질 수도 있다.

또한, 본 실시예에서는 디젤 입자상 물질 필터(100)의 제2 변형예로서, 도 3b에서와 같이 상기 중심부(11)와 가장자리부(13)의 길이 차이가 필터의 전후단면(양단면)에서 이루어질 수도 있다.

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 디젤 입자상 물질 필터(100)에 의하면, 필터의 후단면, 전단면 또는 양단면에서 중심부(11)의 길이가 가장자리부(13)의 길이 보다 상대적으로 짧게 이루어지므로, 중심부(11)에서의 수트 포집량을 줄이고, 가장자리부(13)에서의 수트 포집량을 증가시키며, 중심부(11)가 고온에 노출될 수 있는 조건을 만들지 않고, 수트 로딩 패턴을 위치에 관계없이 균일하게 할 수 있다.

이로써, 본 실시예에서는 SML(Soot Mass Limit)을 증가시킬 수 있으므로 재생 주기의 증가로 인해 연비를 개선할 수 있고, 온도 분포가 전체적으로 균일하게 되므로 전체 온도를 높여 재생 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 필터 재생 시 중심부(11)에서 최고 온도와 최대 열구배가 발생하는 것을 방지하고, 이로 인해 필터의 고온 노출에 의한 열적 손상이나 멜팅(melting) 및 크랙(crack) 등의 파손을 방지함으로써 필터의 내구 품질 향상시킬 수 있다.

즉, 본 실시예는 중심부(11)와 가장자리부(13)의 길이가 동일한 비교예로서의 기존 필터와 비교할 때, 동일 수트 로딩량을 기준으로 비교예 보다 최고 온도가 50~100℃ 낮고, 온도 분포도 개선됨을 알 수 있다.

도 4는 필터의 수트 로딩량, 전단 온도, 및 재생 시간의 재생 조건 변화에 따른 본 실시예와 비교예의 최고 온도 및 최대 열구배를 나타낸 것으로 최고 온도는 100℃, 최대 열구배는 최고 온도를 기준할 때 약 10℃ 정도 개선됨을 알 수 있다.

이를 근거로 하여 본 실시예에서는 SML(Soot Mass Limit)이 약 1~2g/L 증가될 수 있고, 연비로 환산하면 500km 재생 주기에 8g/L 재생 조건이면 재생 주기가 563~626km로 증가하고, SML은 13~26% 증가하는 수준이다.

따라서, 본 실시예에서는 동일 조건에서 최고 온도 100℃, 최대 열구배 10℃를 마진으로 확보하여 전체 필터의 품질 문제를 개선할 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

11... 중심부 13... 가장자리부

Claims

엔진으로부터 배출되는 배기가스 중의 입자상 물질을 제거하기 위한 배기가스 정화용 디젤 입자상 물질 필터에 있어서,
전후단에 따른 길이 방향을 기준으로 할 때, 중심부 길이가 그 중심부를 제외한 나머지의 가장자리부 길이 보다 상대적으로 짧게 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 디젤 입자상 물질 필터.
제1 항에 있어서,
상기 중심부와 가장자리부의 길이 차이가 필터의 후단면에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 디젤 입자상 물질 필터.
제1 항에 있어서,
상기 중심부와 가장자리부의 길이 차이가 필터의 전단면에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 디젤 입자상 물질 필터.
제1 항에 있어서,
상기 중심부와 가장자리부의 길이 차이가 필터의 전후단면에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 디젤 입자상 물질 필터.
제1 항 내지 제4 항 중에서 선택되는 어느 한 항에 있어서,
상기 가장자리부의 길이를 L1, 상기 중심부의 길이를 L2, 상기 가장자리부의 단면 길이를 D1, 상기 중심부의 단면 길이를 D2 라고 할 때,
상기 L2는 0.6L1~O.8L1을 만족하고, 상기 D2는 0.4D1~0.7D1을 만족하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 디젤 입자상 물질 필터.