KR101776746B1 - 촉매가 코팅된 매연 필터 - Google Patents

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Abstract

촉매가 코팅된 매연 필터가 개시된다. 상기 촉매가 코팅된 매연 필터는 유체가 유입되는 일단과, 막혀 있는 타단을 포함하며, 길이 방향으로 연장된 적어도 하나 이상의 유입 채널; 막혀 있는 일단과, 유체가 유출되는 타단을 포함하며, 상기 길이 방향으로 연장된 적어도 하나 이상의 유출 채널; 이웃하는 유입 채널과 유출 채널 사이의 경계를 정의하며, 상기 길이 방향으로 연장된 적어도 하나 이상의 다공성 월; 그리고 그 위에 촉매가 코팅되는 지지체;를 포함할 수 있다.

Description

촉매가 코팅된 매연 필터{CATALYZED PARTICULATE FILTER}
본 발명은 촉매가 코팅된 매연 필터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배압의 증가를 최소화하면서도 촉매와 유체의 접촉 시간(면적)을 늘릴 수 촉매가 코팅된 매연 필터에 관한 것이다.
디젤 엔진과 같은 내연 기관이나 각종 연소 장치 등으로부터 배출되는 가스에는 입자상 물질(Particulate Matter; PM)이 포함되어 있다. 이러한 PM이 그대로 대기 중에 방출되면 환경 오염을 일으키기 때문에 배출 가스의 배기계에는 PM을 포집하기 위한 매연 필터(particulate filter)가 탑재되어 있다.
상기 매연 필터는 유체의 흐름에 따라 플로우 쓰루 타입(flow-through type)의 매연 필터와 월 플로우 타입(wall flow type)의 매연 필터로 구분될 수 있다.
플로우 쓰루 타입의 매연 필터에 따르면, 하나의 채널로 유입된 유체는 다른 채널로 이동하지 않고 상기 하나의 채널 내에서만 흐른다. 이에 따라, 배압의 증가는 최소화되나, 유체에 포함된 입자상 물질을 포집하기 위한 수단이 필요하며 필터 성능이 떨어질 수 있다.
월 플로우 타입의 매연 필터는 하나의 채널로 유입된 유체가 이웃하는 다른 채널로 이동한 후 상기 다른 채널을 통하여 매연 필터로부터 배출된다. 즉, 유입 채널로 유입된 유체가 다공성 벽을 통하여 유출 채널로 이동하고, 다시 유출 채널을 통하여 매연 필터로부터 배출된다. 유체가 다공성 벽을 통과할 때, 유체에 포함된 입자상 물질은 다공성 벽을 통과하지 못하고 포집되게 된다. 월 플로우 타입의 매연 필터는 배압을 다소 증가시킬 수 있으나, 입자상 물질을 거르는데 효과적이다. 이에 따라, 월 플로우 타입의 매연 필터가 주로 사용된다.
차량에는 매연 필터와 함께 적어도 하나 이상의 촉매 컨버터가 탑재된다. 상기 촉매 컨버터는 배기 가스에 포함된 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx)을 정화하도록 되어 있다.
상기 촉매 컨버터는 매연 필터와 물리적으로 분리되어 장착될 수도 있고, 매연 필터에 촉매를 코팅함으로써 매연 필터에 병합될 수도 있다. 촉매가 코팅된 매연 필터를 촉매가 코팅된 매연 필터(Catalyzed Particulate Filter; CPF)라고 부르기도 한다.
CPF에서 촉매는 유입 채널과 유출 채널을 구분하는 다공성 월에 코팅되며, 유체는 상기 다공성 월을 지나가며 코팅된 촉매와 접촉하게 된다. 다공성 월에 의하여 구분되는 유입 채널과 유출 채널 사이에는 압력 차이가 존재하게 되고, 이로 인하여 유체는 다공성 월을 빠르게 지나가게 된다. 따라서, 촉매와 유체의 접촉 시간이 짧아 촉매 반응이 충분하게 일어나지 못한다.
또한, 다공성 월에 코팅된 촉매가 두꺼우면, 촉매가 월에 형성된 세공(micropore)을 막아 유입 채널로부터 유출 채널로의 유체의 흐름을 방해할 수 있다. 이에 따라, 배압이 증가하게 된다. 배압의 증가를 최소화하기 위하여 CPF에서는 월에 촉매가 얇게 코팅되게 된다. 이에 따라, CPF에 코팅된 촉매의 양이 부족해 촉매 반응이 충분하게 일어나지 못할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 유입 채널과 유출 채널(이하, 통칭하여 '셀'이라고 한다.)의 개수(밀도)를 증가시켜, 촉매가 코팅될 수 있는 월의 표면적을 증가시킬 수 있다. 그러나, 한정된 공간에서 셀의 밀도가 증가하면, 월의 두께가 줄어들게 된다. 월의 두께 감소는 필터 성능을 악화시킬 수 있다. 따라서, 셀의 밀도도 한계 밀도 이상으로 증가시키지 못한다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 배압의 증가를 최소화하면서도 촉매 로딩량을 늘릴 수 있는 촉매가 코팅된 매연 필터를 제공하는 것이다.
또한, 배압의 증가를 최소화하면서도 촉매와 유체의 접촉 시간을 늘릴 수 있는 코팅된 매연 필터를 제공하는 것이 본 발명의 다른 목적이다.
본 발명의 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터는 유체가 유입되는 일단과, 막혀 있는 타단을 포함하며, 길이 방향으로 연장된 적어도 하나 이상의 유입 채널; 막혀 있는 일단과, 유체가 유출되는 타단을 포함하며, 상기 길이 방향으로 연장된 적어도 하나 이상의 유출 채널; 이웃하는 유입 채널과 유출 채널 사이의 경계를 정의하며, 상기 길이 방향으로 연장된 적어도 하나 이상의 다공성 월; 그리고 그 위에 촉매가 코팅되는 지지체;를 포함할 수 있다.
유입 채널을 통하여 유입된 유체는 상기 다공성 월을 통과하여 유출 채널로 흘러가도록 되어 있다.
상기 지지체는 상기 적어도 하나 이상의 유입 채널과 상기 적어도 하나 이상의 유출 채널 중 적어도 하나 이상의 내부에 위치할 수 있다.
상기 지지체는 상기 길이 방향으로 연장될 수 있다.
상기 촉매는 상기 지지체의 표면에 코팅될 수 있다.
상기 촉매는 다공성 월에 추가적으로 코팅될 수 있다.
하나의 양상에서, 상기 지지체는 상기 다공성 월과 동일한 재질로 제작될 수있다.
다른 양상에서, 상기 지지체는 상기 다공성 월과 다른 재질로 제작될 수 있다.
상기 지지체는 상기 적어도 하나 이상의 유입 채널 중 적어도 하나 이상의 내부와, 상기 적어도 하나 이상의 유출 채널 중 적어도 하나 이상의 내부에 위치할 수 있다.
상기 지지체는 상기 적어도 하나 이상의 유입 채널 중 적어도 하나 이상의 내부에만 위치하거나, 상기 적어도 하나 이상의 유출 채널 중 적어도 하나 이상의 내부에만 위치할 수 있다.
상기 지지체는 상기 촉매가 코팅된 매연 필터의 일단으로부터 설정된 길이만큼 연장되어 있을 수 있다.
상기 설정된 길이는 촉매가 코팅된 매연 필터의 전체 길이의 50~70%일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터는 유체가 유입되도록 개구된 일단과, 유체가 흘러가지 못하도록 막힌 타단을 포함하는 적어도 하나 이상의 유입 채널; 유체가 흘러가지 못하도록 막힌 일단과, 유체가 유출되도록 개구된 타단을 포함하며, 상기 적어도 하나 이상의 유입 채널과 교번하여 배치되는 적어도 하나 이상의 유출 채널; 상기 이웃하는 유입 채널과 유출 채널 사이에 배치되며, 유입 채널의 유체가 유출 채널로 흘러가도록 하는 다공성 월; 그리고 상기 적어도 하나 이상의 유입 채널과 상기 적어도 하나 이상의 유출 채널 중 적어도 하나 이상의 내부에 위치하며, 그 위에 촉매가 있는 지지체;를 포함할 수 있다.
상기 유입 채널과 상기 유출 채널은 서로 평행하게 연장되며, 상기 지지체는 상기 유입 채널과 유출 채널이 연장된 방향에 평행, 수직 또는 비스듬하게 연장될 수 있다.
상기 촉매는 상기 다공성 월에 추가적으로 코팅될 수 있다. 이 경우, 상기 지지체에 코팅되는 촉매의 양은 상기 다공성 월에 코팅되는 촉매의 양보다 많을 수 있다.
하나의 양상에서, 상기 지지체는 상기 다공성 월과 동일한 재질로 제작될 수 있다.
다른 양상에서, 상기 지지체는 상기 다공성 월과 다른 재질로 제작될 수 있다.
상기 지지체는 상기 유입 채널과 유출 채널이 연장된 방향에 평행하게 연장되며, 상기 지지체는 상기 촉매가 코팅된 매연 필터의 일단으로부터 설정된 길이만큼 연장되어 있을 수 있다.
상기 설정된 길이는 매연 필터의 온도 분포에 따라 설정될 수 있다.
상기 지지체의 두께는 상기 다공성 월의 두께보다 얇을 수 있다.
상술한 바와 같이, 적어도 하나 이상의 유입 채널과 적어도 하나 이상의 유출 채널 중 적어도 하나 이상의 내부에 지지체를 형성하고, 상기 지지체에 촉매를 코팅함으로써 배압 증가를 최소화하며 촉매 로딩량을 증가시킬 수 있다.
또한, 지지체에 의하여 구분된 채널의 제1, 2부분들 사이 및 동일한 제1부분 또는 동일한 제2부분에서 지지체의 길이 방향을 따라 일단부와 타단부 사이에서 압력 차이가 작으므로 배기 가스와 촉매의 접촉 시간이 늘어날 수 있다.
또한, 월의 두께를 유지하면서 촉매 로딩량, 유체와 촉매와의 접촉 면적(시간)을 늘릴 수 있으므로, 충분한 필터 성능과 촉매 성능을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터의 일부 유입 채널과 유출 채널을 도시한 정면도이다.
도 4는 월 플로우 타입의 매연 필터에서 촉매 코팅량에 따른 질소산화물의 정화율을 도시한 그래프이다.
도 5는 플로우 쓰루 타입의 담체에서 촉매 코팅량에 따른 질소산화물의 정화율을 도시한 그래프이다.
도 6은 월 플로우 타입의 매연 필터에서 촉매 코팅량에 따른 배압을 도시한 그래프이다.
도 7은 플로우 쓰루 타입의 담체에서 촉매 코팅량에 따른 배압을 도시한 그래프이다.
도 8은 플로우 쓰루 타입의 담체에서 셀 밀도에 따른 배압을 도시한 그래프이다.
도 9는 월 플로우 타입의 매연 필터에서 셀 밀도에 따른 배압을 도시한 그래프이다.
도 10은 매연 필터의 재생 시 매연 필터의 위치에 따른 온도를 도시한 그래프 및 지지체의 길이의 설정을 설명하기 위한 개략도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터는 차량뿐만 아니라 화석 연료를 태워 에너지를 얻고 그 과정에서 발생되는 가스를 대기 중으로 배출하는 다양한 장치에 적용될 수 있다. 본 명세서에서는 상기 촉매가 코팅된 매연 필터가 차량에 적용되는 것을 예시하나, 차량에만 적용되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
차량에는 동력을 발생시키기 위한 엔진이 탑재되어 있다. 상기 엔진은 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 연소시켜 화학적 에너지를 기계적 에너지로 변환한다. 엔진은 흡기 매니폴드에 연결되어 연소실 내부로 공기를 유입받으며, 배기 매니폴드에 연결되어 연소 과정에서 발생된 배기 가스는 배기 매니폴드에 모인 후 차량의 외부로 배출되게 된다. 상기 연소실 또는 흡기 매니폴드에는 인젝터가 장착되어 연료를 연소실 또는 흡기 매니폴드 내부로 분사한다.
상기 엔진에서 발생된 배기 가스는 배기 가스를 통하여 차량 외부로 배출된다. 상기 배기 장치는 배기 파이프와 배기 가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation; EGR) 장치를 포함할 수 있다.
상기 배기 파이프는 상기 배기 매니폴드에 연결되어 배기 가스를 차량의 외부로 배출시킨다.
배기 가스 재순환 장치는 배기 파이프 상에 장착되어 엔진에서 배출되는 배기 가스는 상기 배기 가스 재순환 장치를 통과한다. 또한, 상기 배기 가스 재순환 장치는 상기 흡기 매니폴드에 연결되어 배기 가스의 일부를 공기에 섞어 연소 온도를 제어한다. 이러한 연소 온도는 상기 배기 가스 재순환 장치에 구비된 EGR 밸브(도시하지 않음)를 ON/OFF 제어함으로써 조절될 수 있다. 즉, EGR 밸브를 ON/OFF 제어함으로써 흡기 매니폴드에 공급되는 배기 가스의 양을 조절한다.
상기 배기 장치에는 배기 파이프에 장착되어 배기 가스에 포함된 입자상 물질을 포집하는 매연 필터를 더 포함할 수 있다. 상기 매연 필터는 배기 가스에 포함된 입자상 물질 외의 유해한 물질을 정화하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조로, 본 발명의 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터의 단면도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터의 일부 유입 채널과 유출 채널을 도시한 정면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터(1)는 하우징 내에 적어도 하나 이상의 유입 채널(10)과, 적어도 하나 이상의 유출 채널(20)을 포함한다. 상기 복수개의 유입 채널(10)과 유출 채널(20)은 월(30)에 의하여 구획되어 있다. 또한, 상기 적어도 하나 이상의 유입 채널(10)과 적어도 하나 이상의 유출 채널(20) 중 적어도 하나 이상의 내부에는 지지체(40)가 배치될 수 있다.
본 명세서에서 유입 채널(10)과 유출 채널(20)은 모두 '셀'로 통칭될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 하우징의 형상은 원통 형상이고 셀의 형상은 사각형인 것을 예시하였으나, 하우징의 형상과 셀의 형상은 예시된 형상들에 한정되지 아니한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 유입 채널(10)은 배기 가스의 흐름을 따라서 연장되어 있다. 상기 유입 채널(10)의 전단은 개구되어 배기 가스가 상기 유입 채널(10)을 통하여 매연 필터(1)의 내부로 유입된다. 상기 유입 채널(10)의 후단은 제1플러그(12)에 의하여 막혀 있다. 따라서, 매연 필터(1) 내부의 배기 가스는 유입 채널(10)을 통하여 매연 필터(1) 외부로 유출될 수 없다.
상기 유출 채널(20)은 배기 가스의 흐름을 따라서 연장되어 있으며, 상기 유입 채널(10)과 평행하게 배치될 수 있다. 상기 유출 채널(20)의 주위에는 적어도 하나 이상의 유입 채널(10)이 위치하고 있다.
예를 들어, 셀의 형상이 사각형이면, 유출 채널(20)을 둘러싸는 월(30)은 4개의 면을 가지고 있다. 상기 4개의 면 중 적어도 하나 이상의 면은 유출 채널(20)과, 이에 이웃하는 유입 채널(10) 사이에 위치하게 된다. 셀의 형상이 사각형이면, 유출 채널(20)은 4개의 이웃하는 유입 채널(10)에 의하여 둘러싸이고 유입 채널(10)은 4개의 이웃하는 유출 채널(20)의하여 둘러싸일 수 있으나, 이에 한정되지는 아니한다.
상기 유출 채널(20)의 전단은 제2플러그(22)에 의하여 막혀 있어 배기 가스가 유출 채널(20)을 통하여 매연 필터(1)의 내부로 유입될 수 없다. 상기 유출 채널(20)의 후단은 개구되어 매연 필터(1) 내부의 배기 가스는 상기 유출 채널(20)을 통하여 매연 필터(1)의 외부로 유출되게 된다.
월(30)은 이웃하는 유입 채널(10)과 유출 채널(20) 사이에 배치되어 경계를 정의한다. 상기 월(30)을 그 내부에 적어도 하나 이상의 세공(micropore)이 형성된 다공성 월(30)일 수 있다. 상기 다공성 월(30)은 이웃하는 유입 채널(10)과 유출 채널(20)을 유체적으로 연통한다. 따라서, 유입 채널(10)로 유입된 배기 가스는 상기 다공성 월(30)을 통하여 유출 채널(20)로 이동할 수 있다. 또한, 상기 다공성 월(30)은 배기 가스에 포함된 입자상 물질은 통과시키지 않는다. 배기 가스가 다공성 월(30)을 통하여 유입 채널(10)에서 유출 채널(20)로 이동할 때, 상기 배기 가스에 포함된 입자상 물질은 다공성 월(30)에 의하여 걸러진다. 상기 다공성 월(30)은 알루미늄 티타네이트(aluminum titanate), 코디어라이트(codierite), 실리콘 카바이드(silicon carbide) 등에 의하여 제작될 수 있다.
상기 다공성 월(30)에는 촉매(50)가 코팅될 수 있다. 상기 다공성 월(30)에 코팅되는 촉매(50)는 제한되지 않는다. 즉, 설계 의도에 따라, 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT) 촉매, 삼원 촉매, 산화 촉매, 탄화수소 트랩 촉매, 선택적 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매 등 다양한 촉매(50)가 월(30)에 코팅될 수 있다. 또한, 두 종류 이상의 촉매(50)가 상기 월(30)에 코팅될 수 있다. 예를 들어, 입구 채널(10)의 내벽에는 LNT 촉매가 코팅되고, 출구 채널(20)의 내벽에는 SCR 촉매가 코팅될 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다.
상기 지지체(40)는 상기 유입 채널(10)과 유출 채널(20) 중 적어도 하나 이상의 내부에 배치될 수 있다. 상기 지지체(40)는 유입 채널(10)에만 배치될 수도 있고 유출 채널(20)에만 배치될 수도 있다. 도 1 내지 도 3에서는, 상기 지지체(40)가 유입 채널(10) 및/또는 유출 채널(20)이 연장되는 방향에 평행하게 연장되어 있는 것을 도시하였으나, 이에 한정되지 아니한다. 즉, 상기 지지체(40)는 유입 채널(10) 및/또는 유출 채널(20)이 연장되는 방향에 수직 또는 비스듬하게 연장될 수 있다. 상기 지지체(40)는 유입 채널(10) 및/또는 유출 채널(20)이 연장되는 방향에 수직 또는 비스듬하게 연장되는 경우, 상기 지지체(40)의 양단 중 적어도 하나는 상기 셀을 구획하는 다공성 월(30)에 접촉하지 않을 수 있다. 또한, 상기 지지체(40)가 유입 채널(10) 및/또는 유출 채널(20)이 연장되는 방향에 평행하게 연장되는 경우, 상기 지지체(40)는 채널(10 또는 20)의 전체 길이만큼 연장될 수도 있고, 채널(10 또는 20)의 일부 길이만큼 연장될 수도 있다(도 10 참조).
상기 지지체(40)에는 촉매(50)가 코팅된다. 상기 지지체(40)에 코팅되는 촉매(50)는 제한되지 않는다. 즉, 설계 의도에 따라, 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT) 촉매, 삼원 촉매, 산화 촉매, 탄화수소 트랩 촉매, 선택적 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매 등 다양한 촉매(50)가 지지체(40)에 코팅될 수 있다. 또한, 두 종류 이상의 촉매(50)가 상기 지지체(40)에 코팅될 수 있다. 예를 들어, 지지체(40)에 LNT 촉매와 SCR 촉매를 순차적으로 코팅할 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다. 더 나아가, 지지체(40)의 일면과 타면에 다른 종류의 촉매(50)를 코팅할 수도 있다. 또한, 지지체(40)에 코팅되는 촉매(50)의 종류는 월(30)에 코팅되는 촉매(50)의 종류와 동일하거나 다를 수 있다.
한편, 지지체(40)는 필터의 역할을 수행하기 위하여 구비되는 것이 아니라 촉매(50)를 잡아 두기 위하여 구비되는 것이므로, 반드시 다공성 재질로 제작될 필요가 없다. 즉, 지지체(40)는 상기 다공성 월(30)과 동일한 재질로 제작되거나 다른 재질로 제작될 수 있다. 지지체(40)가 다공성 재질로 제작된다고 하더라도, 지지체(40)에 의하여 구획되는 채널(10 또는 20)의 두 부분 사이에는 압력 차이가 거의 없으므로, 배기 가스는 거의 지지체를 통과하지 않고 지지체(40)와 월(30)을 따라 이동하게 된다. 또한, 지지체(40)는 필터의 역할을 수행할 필요가 없으므로, 지지체(40)를 두껍게 형성할 필요가 없다. 즉, 지지체(40)의 두께는 월(30)의 두께보다 얇게 형성할 수 있으며, 이는 배압의 증가를 최소화하게 된다. 지지체(40)가 다공성 재질로 제작되면, 상기 촉매(50)는 지지체(40)의 표면과 지지체(40) 내부의 세공(micropore)에 코팅되게 된다. 이와는 달리, 지지체(40)가 비다공성(non-porous) 재질로 제작되면, 상기 촉매(50)는 지지체(40)의 표면에 코팅되게 된다.
앞에서 언급한 바와 같이, 상기 촉매(50)는 상기 지지체(40)와 다공성 월(30)에 모두 코팅될 수 있다. 이 경우, 상기 지지체(40)에 코팅되는 촉매(50)의 양은 다공성 월(30)에 코팅되는 촉매(50)의 양보다 많을 수 있다. 다공성 월(30)은 필터의 역할을 수행하므로 다공성 월(30)에는 촉매(50)를 얇게 코팅할 수 있다. 그러나, 지지체(40)는 필터의 역할을 수행할 필요가 없으므로, 지지체(40)에는 촉매(50)를 두껍게 코팅할 수 있다. 이에 따라, 매연 필터(1)에 코팅되는 촉매의 양을 증가시킬 수 있다. 여기서, 촉매(50)의 양은 단위 길이 또는 단위 면적 당 코팅되는 촉매의 양을 의미한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터의 작동을 설명하기로 한다.
도 4는 월 플로우 타입의 매연 필터에서 촉매 코팅량에 따른 질소산화물의 정화율을 도시한 그래프이고, 도 5는 플로우 쓰루 타입의 담체에서 촉매 코팅량에 따른 질소산화물의 정화율을 도시한 그래프이다.
도 4와 도 5는 동일한 엔진을 동일한 모드에서 운전하며 측정한 데이터를 도시하고 있다. 실험에 사용된 매연 필터의 단면적, 부피 및 촉매 코팅량은 실험에 사용된 담체의 단면적, 부피 및 촉매 코팅량과 동일하나, 매연 필터의 셀의 개수는 담체의 셀의 개수와 다르다. 매연 필터의 월은 필터의 기능을 수행해야 하므로 월의 두께를 얇게 하지 못하고 이에 따라 셀의 개수가 적다. 그러나, 담체의 월은 필터의 기능을 수행할 필요가 없으므로 월의 두께를 얇게 하고 이에 따라 셀의 개수는 많다. 실험에 사용된 매연 필터의 셀 밀도는 300cpsi(cell per square inch)이고, 월의 두께는 12mil(1/1,000 inch)이며, 담체의 셀 밀도는 400cpsi이고 월의 두께는 3mil이다.
도 4 및 도 5를 참고하면, 동일한 양의 촉매가 코팅된 조건에서 매연 필터의 질소산화물의 정화율은 담체의 질소산화물의 정화율보다 5% ~ 15%만큼 작다. 또한, 매연 필터 또는 담체에 코팅되는 촉매의 양이 증가할수록 정화율의 차이도 커지게 된다. 동일한 체적에 형성되는 셀의 개수가 증가하면, 월과 배기 가스의 접촉 면적(접촉 시간)이 증가하게 된다. 따라서, 동일한 양의 촉매가 코팅된다고 하더라도 플로우 쓰루 타입의 담체는, 월 플로우 타입의 매연 필터에 비해, 촉매와 배기 가스의 접촉 면적(접촉 시간)을 증가시키므로 정화율이 향상되게 된다. 앞에서 언급한 바와 같이, 본 실시예에서 지지체(40)는 플로우 쓰루 타입의 담체와 동일한 역할을 하게 된다. 따라서, 촉매(50)를 월(30)에 코팅하는 것보다 지지체(40)에 코팅하는 것이 질소산화물의 정화율을 향상시킬 수 있다.
도 6은 월 플로우 타입의 매연 필터에서 촉매 코팅량에 따른 배압을 도시한 그래프이고, 도 7은 플로우 쓰루 타입의 담체에서 촉매 코팅량에 따른 배압을 도시한 그래프이다.
도 6과 도 7은 동일한 엔진을 동일한 모드에서 운전하며 측정한 데이터를 도시하고 있다. 실험에 사용된 매연 필터의 단면적, 부피는 실험에 사용된 담체의 단면적, 부피와 동일하고, 실험에 사용된 매연 필터의 셀 밀도는 300cpsi(cell per square inch)이고, 월의 두께는 12mil(1/1,000 inch)이며, 담체의 셀 밀도는 400cpsi이고 월의 두께는 3mil이다.
도 6 및 도 7을 참고하면, 동일한 양의 촉매가 코팅된 조건에서 매연 필터에 걸리는 배압은 담체에 걸리는 배압의 5배 이상임을 알 수 있다. 또한, 매연 필터에 코팅되는 촉매의 양이 늘어날수록 매연 필터에 걸리는 배압은 크게 증가하나, 담체에 코팅되는 촉매의 양이 늘어나더라도 담체에 걸리는 배압은 조금 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서, 배압 측면에서 코팅되는 촉매의 양이 늘어날수록 월 플로우 타입의 매연 필터보다 플로우 쓰루 타입의 담체가 유리한 것을 알 수 있다. 앞에서 언급한 바와 같이, 본 실시예에서 지지체(40)는 플로우 쓰루 타입의 담체와 동일한 역할을 하게 된다. 따라서, 촉매(50)를 월(30)에 코팅하는 것보다 지지체(40)에 코팅하는 것이 배압 증가를 최소화하게 된다.
도 8은 플로우 쓰루 타입의 담체에서 셀 밀도에 따른 배압을 도시한 그래프이고, 도 9는 월 플로우 타입의 매연 필터에서 셀 밀도에 따른 배압을 도시한 그래프이다.
도 8에서 x축은 셀 밀도와 월의 두께를 함께 기재하고 있다. 예를 들어, 300cpsi/4mil은 셀 밀도가 300cpsi이고 월의 두께가 4mil임을 의미한다. 도 8은 동일한 단면적의 담체에서 셀의 개수만을 변화시키며 측정한 데이터이다. 도 8을 참고하면, 플로우 쓰루 타입의 담체에서 셀의 개수가 증가하여도 배압의 증가가 작은 것을 알 수 있다. 앞에서 언급한 바와 같이, 본 실시예에서 지지체(40)는 플로우 쓰루 타입의 담체와 동일한 역할을 하게 된다. 따라서, 지지체(40)의 개수를 증가시키더라도 배압의 증가가 작을 것이 예상된다.
도 9에서 점선은 월의 두께가 8mil인 경우를 나타내고, 일점쇄선은 월의 두께가 12mil인 경우를 나타내며, 실선은 월의 두께가 13mil인 경우를 나타낸다. 도 9에서는 셀의 밀도에 따른 배압의 변화가 크기 때문에 셀의 밀도에 따른 배압을 기준 배압에 대한 비로 나타내었다. 도 9는 동일한 단면적의 매연 필터에서 셀의 개수만을 변화시키며 측정한 데이터이다. 도 9를 참고하면, 월 플로우 타입의 매연 필터에서 셀의 개수가 증가하면 배압도 이에 따라 증가함을 알 수 있다. 특히, 월의 두께가 두꺼울수록 배압의 증가도 큼을 알 수 있다. 매연 필터는 필터의 기능을 수행하므로 월의 두께가 두꺼울수록 필터의 성능이 좋아지게 된다. 그러나, 월의 두께가 두꺼우면 형성될 수 있는 셀의 개수도 한정되고 배압의 증가도 크게 된다.
도 4 내지 도 9를 종합적으로 참고하면, 매연 필터(1)에 코팅되는 촉매의 양이 증가하면, 질소산화물의 정화율도 상승한다. 그러나, 매연 필터(1)에 코팅되는 촉매의 양이 증가하면 배압도 함께 상승한다. 또한, 월 플로우 타입의 매연 필터(1)에서는 배압 및 (필터 성능을 확보하기 위한) 월(30)의 두께 때문에 셀의 개수가 한정되게 된다.
그러나, 플로우 쓰루 타입의 담체에는 코팅되는 촉매의 양이 증가하여도 배압의 증가가 작고, 필터 성능을 확보할 필요가 없기 때문에 월의 두께를 충분히 얇게 형성하여 셀의 개수도 대폭 증가시킬 수 있다. 본 실시예에 따른 지지체(40)는, 앞에서 언급한 바와 같이, 필터로서 기능할 필요가 없고, 단지 촉매(50)를 담아두기 위한 담체로 작용한다. 따라서, 플로우 쓰루 타입의 담체와 동일한 기능을 수행하게 된다. 결국, 지지체(40)의 개수가 증가하여도 배압의 증가는 최소화되게 된다. 또한, 얇은 두께의 지지체(40)를 사용할 수 있으므로, 매연 필터(1)에 장착되는 지지체(40)의 개수도 충분히 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 지지체(40)는 지지하는 촉매(50)의 양도 증가시킬 수 있고, 촉매(50)와 배기 가스의 접촉 시간(접촉 면적)을 늘릴 수 있어 질소산화물 정화 성능을 향상시킬 수 있다.
도 10은 매연 필터의 재생 시 매연 필터의 위치에 따른 온도를 도시한 그래프 및 지지체의 길이의 설정을 설명하기 위한 개략도이다.
도 10에서 실선은 매연 필터가 정상적으로 재생되는 경우 매연 필터의 위치에 따른 온도를 나타내고 있고, 일점쇄선은 매연 필터가 비정상적으로 재생되는 경우(예를 들어, 재생 중 시동이 꺼져서 갑자기 다량의 산소가 매연 필터에 공급되는 경우) 매연 필터의 위치에 따른 온도를 나타내고 있다.
도 10을 참고하면, 재생 시 매연 필터의 온도는 배기 가스의 흐름을 따라 증가하는 것을 알 수 있다. 특히, 매연 필터가 비정상적으로 재생되는 경우, 매연 필터의 온도는 배기 가스의 흐름을 따라 급격히 증가하게 된다. 지지체(40)에 코팅되는 촉매(50)는 고온에서 손상될 수 있으므로, 촉매(50)의 손상을 일으킬 수 있는 한계 온도(예를 들어, 도 10에서는 800℃)보다 높이 온도가 상승될 수 있는 매연 필터(1)의 위치에는 지지체(40)를 배치하지 않거나 지지체(40)에 촉매(50)를 코팅하지 않을 수 있다. 따라서, 지지체(40)는 매연 필터(1)의 일단(유입 채널(10)의 개구단)으로부터 설정된 길이(L1)만큼 연장될 수 있다. 상기 설정된 길이(L1)는 매연 필터(1)의 온도 분포(특히, 비정상 재생 시 매연 필터(1)의 온도 분포)에 따라 설정될 수 있다. 예를 들어, 도 10에 도시된 실시예에서, 상기 설정 길이(L1)는 유입 채널(10)의 전체 길이(L)의 50% ~ 70%일 수 있다. 또한, 상기 설정된 길이(L1)는 지지체(40)에 코팅된 촉매(50)의 종류에 따라 설정될 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

Claims (19)

  1. 유체가 유입되는 일단과, 막혀 있는 타단을 포함하며, 길이 방향으로 연장된 적어도 하나 이상의 유입 채널;
    막혀 있는 일단과, 유체가 유출되는 타단을 포함하며, 상기 길이 방향으로 연장된 적어도 하나 이상의 유출 채널;
    이웃하는 유입 채널과 유출 채널 사이의 경계를 정의하며, 상기 길이 방향으로 연장된 적어도 하나 이상의 다공성 월; 그리고
    그 위에 촉매가 코팅되는 지지체;
    를 포함하며,
    유입 채널을 통하여 유입된 유체는 상기 다공성 월을 통과하여 유출 채널로 흘러가도록 되어 있고,
    상기 지지체는 상기 적어도 하나 이상의 유입 채널과 상기 적어도 하나 이상의 유출 채널 중 적어도 하나 이상의 내부에 위치하며,
    상기 촉매는 다공성 월에 추가적으로 코팅되고,
    상기 지지체에 코팅되는 촉매의 양은 상기 다공성 월에 코팅되는 촉매의 양보다 많으며,
    상기 지지체는 상기 길이 방향으로 연장되고,
    상기 지지체는 상기 촉매가 코팅된 매연 필터의 일단으로부터 설정된 길이만큼 연장되어 있으며,
    상기 설정된 길이는 상기 지지체가 배치된 채널의 전체 길이의 50~70%인 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 촉매는 상기 지지체의 표면에 코팅되는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 지지체는 상기 다공성 월과 동일한 재질로 제작되는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 지지체는 상기 다공성 월과 다른 재질로 제작되는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 지지체는 상기 적어도 하나 이상의 유입 채널 중 적어도 하나 이상의 내부와, 상기 적어도 하나 이상의 유출 채널 중 적어도 하나 이상의 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 지지체는 상기 적어도 하나 이상의 유입 채널 중 적어도 하나 이상의 내부에만 위치하거나, 상기 적어도 하나 이상의 유출 채널 중 적어도 하나 이상의 내부에만 위치하는 촉매가 코팅된 매연 필터.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 유체가 유입되도록 개구된 일단과, 유체가 흘러가지 못하도록 막힌 타단을 포함하는 적어도 하나 이상의 유입 채널;
    유체가 흘러가지 못하도록 막힌 일단과, 유체가 유출되도록 개구된 타단을 포함하며, 상기 적어도 하나 이상의 유입 채널과 교번하여 배치되는 적어도 하나 이상의 유출 채널;
    상기 이웃하는 유입 채널과 유출 채널 사이에 배치되며, 유입 채널의 유체가 유출 채널로 흘러가도록 하는 다공성 월; 그리고
    상기 적어도 하나 이상의 유입 채널과 상기 적어도 하나 이상의 유출 채널 중 적어도 하나 이상의 내부에 위치하며, 그 위에 촉매가 있는 지지체;
    를 포함하고,
    상기 촉매는 상기 다공성 월에 추가적으로 코팅되며,
    상기 지지체에 코팅되는 촉매의 양은 상기 다공성 월에 코팅되는 촉매의 양보다 많고,
    상기 유입 채널과 상기 유출 채널은 서로 평행하게 연장되며,
    상기 지지체는 상기 유입 채널과 유출 채널이 연장된 방향에 평행하게 연장되고,
    상기 지지체는 상기 촉매가 코팅된 매연 필터의 일단으로부터 설정된 길이만큼 연장되며,
    상기 설정된 길이는 매연 필터의 온도 분포에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제11항에 있어서,
    상기 지지체는 상기 다공성 월과 동일한 재질로 제작되는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 지지체는 상기 다공성 월과 다른 재질로 제작되는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제11항, 제14항 및 제15항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 지지체의 두께는 상기 다공성 월의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터.
  19. 삭제
KR1020150172450A 2015-12-04 2015-12-04 촉매가 코팅된 매연 필터 KR101776746B1 (ko)

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