KR102597708B1 - SCR system with superhydrophobic surface treatment characteristics - Google Patents
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Abstract
본 발명은 디젤엔진에서 배출되는 배기가스의 유동을 안내하는 배기관; 상기 배기관의 일측에 구비되고, 선택적으로 요소수용액을 분사하는 요소수 인젝션; 및 상기 배기관 중 요소수용액이 분사되는 지점에 형성되어, 분사된 요소수용액이 충돌하여 분산되도록 하는 초소수성 패턴부를 포함하여, 요소수 인젝션에서 분사된 요소수용액이 배기관의 내측면에 붙지 않고, 분사된 요소수 입자 크기보다 더 작은 크기의 요소수 입자로 분산시켜, 분사된 요소수용액의 증발률 및 포화도를 높혀, 암모니아 생성에 대해 상당한 개선을 얻을 수 있는 초소수성 표면 처리 특성을 갖춘 에스씨알 시스템을 제공한다.The present invention provides an exhaust pipe that guides the flow of exhaust gas discharged from a diesel engine; A urea solution injection, which is provided on one side of the exhaust pipe and selectively injects a urea solution; And a superhydrophobic pattern part formed at the point where the urea aqueous solution is injected in the exhaust pipe, so that the injected urea aqueous solution collides and disperses, so that the urea aqueous solution injected from the urea solution injection does not stick to the inner surface of the exhaust pipe, and is sprayed. Provides an SCR system with superhydrophobic surface treatment properties that can achieve significant improvement in ammonia production by dispersing urea water particles smaller than the urea water particle size and increasing the evaporation rate and saturation of the sprayed urea solution. do.
Description
본 발명은 초소수성 표면 처리 특성을 갖춘 에스씨알(SCR) 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 디젤엔진의 배기관 중 요소수용액이 분사되는 지점에 초소수성 패턴부를 형성하여, 요소수 인젝션에서 분사된 요소수용액이 배기관의 내측면에 붙지 않고, 분사된 요소수 입자 크기보다 더 작은 크기의 요소수 입자로 분산시켜, 분사된 요소수용액의 증발률 및 포화도를 높혀, 암모니아 생성에 대해 상당한 개선을 얻을 수 있는 초소수성 표면 처리 특성을 갖춘 에스씨알 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a SCR system with superhydrophobic surface treatment characteristics, and more specifically, to form a superhydrophobic pattern part at the point where the urea solution is injected in the exhaust pipe of a diesel engine, so that the urea solution is sprayed from the urea solution injection. The aqueous solution does not stick to the inner surface of the exhaust pipe and disperses into urea particles smaller than the size of the sprayed urea solution, thereby increasing the evaporation rate and saturation of the sprayed urea solution, resulting in significant improvement in ammonia production. This relates to a SCR system with superhydrophobic surface treatment properties.
일반적으로 에스씨알(SCR) 시스템은 선택적 촉매 감소기술(Selective Catalyst Reduction: SCR)의 약자로, 요소 40%와 물 60%로 구성된 요소수용액(UWS)이라고 부르는 암모니아(NH₃) 수용액 또는 우레아(NH₂(2CO)) 수용액을 배출가스에 분사시켜 촉매 반응을 통해 물(H₂O)과 질소(N₂)로 변환시키는 장치이다. In general, the SCR system is an abbreviation for Selective Catalyst Reduction (SCR), which is an ammonia (NH₃) aqueous solution or urea (NH₂) called urea solution (UWS) consisting of 40% urea and 60% water. This is a device that sprays 2CO)) aqueous solution into the exhaust gas and converts it into water (H₂O) and nitrogen (N₂) through a catalytic reaction.
이는 질소산화물(NOx)은 물론, 엔진에서 다량 발생하는 일산화탄소를 줄이는데, 수치로 약 65~85%의 저감효과가 있는 것으로 알려져 있다. This reduces not only nitrogen oxides (NOx) but also carbon monoxide, which is generated in large quantities from the engine, and is known to have a numerical reduction effect of about 65-85%.
에스씨알(SCR) 시스템은 연료를 추가로 분사하거나, 배기가스 재순환을 통한 축적물을 만들지 않는다는 점에서 연비 개선은 물론 엔진 내부를 오랫동안 깨끗하게 유지할 수 있다는 장점이 있다. The SCR system has the advantage of improving fuel efficiency and keeping the inside of the engine clean for a long time in that it does not inject additional fuel or create accumulations through exhaust gas recirculation.
하지만, 요소수용액은 배기관 내벽에 쉽게 부착되며, 온도의 영향을 받아 배기관 내벽에 달라붙은 요소수용액이 수분 증발로 고체 잔여물이 쉽게 경화될 수 있다.However, the urea solution easily adheres to the inner wall of the exhaust pipe, and under the influence of temperature, the solid residue of the urea solution attached to the inner wall of the exhaust pipe can easily harden due to moisture evaporation.
따라서 디젤엔진용 에스씨알(SCR) 시스템에서 요소수 증발 및 포화도는 에스씨알(SCR) 시스템의 품질을 확인하기 위한 주요 프로세스이다. Therefore, in the SCR system for diesel engines, urea water evaporation and saturation are the main processes to check the quality of the SCR system.
많은 연구자들이 요소수 인젝션의 분사압력과 분사각도를 변경했지만 여전히 상당한 개선을 찾지 못하였고, 요소수용액은 온도에 영향을 받을 때 쉽게 고체화되는데, 이것이 요소수용액 처리가 모든 디젤 엔진, 특히 질량 흐름과 온도가 높은 엔진에 적용하기 쉽지 않은 주된 이유이다.Many researchers changed the injection pressure and injection angle of urea injection, but still did not find significant improvement. The urea solution easily solidifies when affected by temperature, which is why the urea solution treatment is effective in all diesel engines, especially mass flow and temperature. This is the main reason why it is not easy to apply to engines with high .
그리고 요소수 인젝션은 디젤엔진의 질소산화물(NOx) 질량 유량에 따라 요소수용액를 분사하는데, 상기 요소수 인젝션에서 분사된 요소수 입자(방울)는 배기관 내벽에 직접 충돌하여 배기관 내부에 분산되나, 이 과정에서 이론만큼 요소수의 분산이 이루어지지 않고, 배기관의 내벽에 충돌한 후, 부착되어, 부착된 요소는 증발하기 어렵고 고체가 되는 문제점이 발생한다. In addition, urea water injection injects urea solution according to the nitrogen oxide (NOx) mass flow rate of the diesel engine. The urea water particles (droplets) injected from the urea water injection directly collide with the inner wall of the exhaust pipe and are dispersed inside the exhaust pipe, but this process In this case, the urea water is not dispersed as well as theoretically, and after colliding with the inner wall of the exhaust pipe, it adheres, causing the problem that the attached elements are difficult to evaporate and become solid.
종래기술로는 공개특허 제10-2017-0016067호(2017.02.13)를 참조할 수 있다.For prior art, refer to Patent Publication No. 10-2017-0016067 (2017.02.13).
본 발명은 디젤엔진의 배기관 중 요소수용액이 분사되는 지점에 격자홈과 용융잔해인 버를 연속반복 형성하거나 또는 원추형의 돌기가 일정한 간격으로 연속반복 돌출 형성하여 미세패턴을 이루고, 그 미세패턴이 소수성을 갖도록 에탄올을 이용한 어닐링으로 초소수성 패턴부를 형성하여, 요소수 인젝션에서 분사된 요소수용액이 배기관의 내측면에 붙지 않고, 분사된 요소수 입자 크기보다 더 작은 크기의 요소수 입자로 분산시켜, 분사된 요소수용액의 증발률 및 포화도를 높혀, 암모니아 생성에 대해 상당한 개선을 얻을 수 있는 초소수성 표면 처리 특성을 갖춘 에스씨알 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention forms a fine pattern by forming lattice grooves and burrs, which are molten remains, continuously and repeatedly at the point where the urea solution is sprayed in the exhaust pipe of a diesel engine, or by forming conical protrusions repeatedly and repeatedly at regular intervals, and the fine pattern is hydrophobic. By forming a superhydrophobic pattern part through annealing using ethanol, the urea solution sprayed from urea water injection does not stick to the inner surface of the exhaust pipe, but is dispersed into urea water particles of a size smaller than the size of the sprayed urea water particle size. The purpose is to provide an SCR system with superhydrophobic surface treatment characteristics that can significantly improve ammonia production by increasing the evaporation rate and saturation of the aqueous urea solution.
본 발명에 따른 초소수성 표면 처리 특성을 갖춘 에스씨알 시스템은 디젤엔진에서 배출되는 배기가스의 유동을 안내하는 배기관; 상기 배기관의 일측에 구비되고, 선택적으로 요소수용액을 상기 배기관의 내측으로 분사하는 요소수 인젝션; 및 상기 배기관 중 요소수용액이 분사되는 지점에 형성되어, 분사된 요소수용액이 충돌하여 분산되도록 하는 초소수성 패턴부를 포함하고, 상기 초소수성 패턴부의 미세패턴은 표면에 깊이가 25~100㎛이고, 너비가 15~25㎛인 격자홈을 형성하며, 상기 격자홈 주변에서 높이 15~23㎛로 돌출된 용융잔해인 버가 연속반복 형성되어 미세패턴을 이루도록 한 것과, 상기 미세패턴에 에탄올을 이용한 어닐링으로 소수성을 갖도록 한 것을 포함한다.The SCR system with superhydrophobic surface treatment characteristics according to the present invention includes an exhaust pipe that guides the flow of exhaust gas discharged from a diesel engine; A urea solution injection provided on one side of the exhaust pipe and selectively injecting a urea solution into the inside of the exhaust pipe; And a superhydrophobic pattern portion formed at a point in the exhaust pipe where the urea aqueous solution is sprayed, allowing the sprayed urea aqueous solution to collide and disperse, wherein the micropattern of the superhydrophobic pattern portion has a depth of 25 to 100 ㎛ on the surface and a width of A lattice groove of 15 to 25 ㎛ is formed, and burrs, which are molten remains protruding to a height of 15 to 23 ㎛ around the lattice groove, are formed continuously and repeatedly to form a fine pattern, and the fine pattern is annealed using ethanol. Including those made to have hydrophobicity.
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그리고 본 발명에 따른 초소수성 표면 처리 특성을 갖춘 에스씨알 시스템은 디젤엔진에서 배출되는 배기가스의 유동을 안내하는 배기관; 상기 배기관의 일측에 구비되고, 선택적으로 요소수용액을 상기 배기관의 내측으로 분사하는 요소수 인젝션; 및 상기 배기관 중 요소수용액이 분사되는 지점에 형성되어, 분사된 요소수용액이 충돌하여 분산되도록 하는 초소수성 패턴부를 포함하고, 상기 초소수성 패턴부는 표면에 높이가 15~23㎛이고, 하단지름이 40~80㎛이며, 상단지름이 10~20㎛인 원추형의 돌기가 일정한 간격으로 연속반복 돌출 형성되어 미세패턴을 이루도록 한 것과, 상기 미세패턴에 에탄올을 이용한 어닐링으로 소수성을 갖도록 한 것을 포함한다. In addition, the SCR system with superhydrophobic surface treatment characteristics according to the present invention includes an exhaust pipe that guides the flow of exhaust gas discharged from a diesel engine; A urea solution injection provided on one side of the exhaust pipe and selectively injecting a urea solution into the inside of the exhaust pipe; And a superhydrophobic pattern portion formed at a point in the exhaust pipe where the urea aqueous solution is sprayed, allowing the sprayed urea aqueous solution to collide and disperse, wherein the superhydrophobic pattern portion has a height of 15 to 23 ㎛ on the surface and a bottom diameter of 40 ㎛. It includes cone-shaped protrusions measuring ~80㎛ and having an upper diameter of 10-20㎛ repeatedly protruding at regular intervals to form a micropattern, and the micropattern was made hydrophobic by annealing using ethanol.
또한, 본 발명에 따른 상기 초소수성 패턴부는 상기 배기관 중 요소수 인젝션의 전방에 위치하는 것이 바람직하다.In addition, the superhydrophobic pattern part according to the present invention is preferably located in front of the urea water injection in the exhaust pipe.
더불어 본 발명에 따른 상기 요소수 인젝션은 상기 배기관을 따라 유동하는 배기가스의 유동방향을 기준으로 90°의 분사각을 이루는 것이 바람직하다.In addition, the urea solution injection according to the present invention preferably achieves an injection angle of 90° based on the flow direction of the exhaust gas flowing along the exhaust pipe.
본 발명에 따른 초소수성 표면 처리 특성을 갖춘 에스씨알 시스템은 다음과 같은 효과를 가진다.The SCR system with superhydrophobic surface treatment characteristics according to the present invention has the following effects.
디젤엔진의 배기관 중 요소수용액이 분사되는 지점에 격자홈과 용융잔해인 버를 연속반복 형성하거나 또는 원추형의 돌기가 일정한 간격으로 연속반복 돌출 형성하여 미세패턴을 이루고, 그 미세패턴이 소수성을 갖도록 에탄올을 이용한 어닐링으로 초소수성 패턴부를 형성하여, 요소수 인젝션에서 분사된 요소수용액이 배기관의 내측면에 붙지 않고, 분사된 요소수 입자 크기보다 더 작은 크기의 요소수 입자로 분산시켜, 분사된 요소수용액의 증발률 및 포화도를 높혀, 암모니아 생성에 대해 상당한 개선을 얻을 수 있는 효과를 가진다.At the point where the urea solution is sprayed in the exhaust pipe of a diesel engine, lattice grooves and burrs, which are molten remains, are formed continuously or cone-shaped protrusions are formed repeatedly at regular intervals to form a fine pattern, and the fine pattern is made hydrophobic. By forming a superhydrophobic pattern part through annealing using urea water injection, the urea solution sprayed from the urea water injection does not stick to the inner surface of the exhaust pipe, but is dispersed into urea water particles smaller than the size of the sprayed urea water particle size, and the sprayed urea water solution By increasing the evaporation rate and saturation, it has the effect of achieving significant improvement in ammonia production.
또한, 요소수의 증발률이 높아져 배기관 내측벽에 요소 고체 잔류물의 생성을 최소화하여, 에스씨알 시스템의 내구성을 향상시키는 효과를 가진다.In addition, the evaporation rate of urea water increases, minimizing the creation of urea solid residue on the inner wall of the exhaust pipe, which has the effect of improving the durability of the SCR system.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초소수성 표면 처리 특성을 갖춘 에스씨알 시스템을 보인 예시도이다.
도 2는 초소수성 물질의 기본 이론을 보인 참고도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초소수성 패턴 표면 메커니즘을 보인 참고도이다.
도 4는 레이저 장치를 이용하여 플레이트에 초소수성 패턴을 가공하는 상태를 보인 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초소수성 표면 처리된 플레이트를 보인 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 격자의 미세홈과 버로 초소수성 패턴을 형성한 것을 보인 참고도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원추형 돌기로 초소수성 패턴을 형성한 것을 보인 참고도이다.
도 8은 초소수성 패턴이 없는 플레이트에 생성된 요소 고체 잔류물을 보인 사진이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초소수성 패턴을 형성한 플레이트에 생성된 요소 고체 잔류물을 보인 사진이다.Figure 1 is an exemplary diagram showing an SCR system with superhydrophobic surface treatment characteristics according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a reference diagram showing the basic theory of superhydrophobic materials.
Figure 3 is a reference diagram showing the superhydrophobic pattern surface mechanism according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is an example diagram showing a state of processing a superhydrophobic pattern on a plate using a laser device.
Figure 5 is a photograph showing a plate treated with a superhydrophobic surface according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a reference diagram showing the formation of a superhydrophobic pattern with microgrooves and burrs of a lattice according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 is a reference diagram showing the formation of a superhydrophobic pattern with conical protrusions according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 is a photograph showing urea solid residue produced on a plate without a superhydrophobic pattern.
Figure 9 is a photograph showing urea solid residue generated on a plate forming a superhydrophobic pattern according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. Prior to this, the terms or words used in this specification and claims should not be construed as limited to their usual or dictionary meanings, and the inventor should appropriately define the concept of terms in order to explain his or her invention in the best way. Based on the principle of definability, it must be interpreted with meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are only the most preferred embodiments of the present invention, and do not represent the entire technical idea of the present invention, so at the time of filing this application, they can be replaced by equivalent equivalents. It should be understood that variations may exist.
본 발명은 디젤엔진의 배기관 중 요소수용액이 분사되는 지점에 초소수성부를 구비하여, 요소수 인젝션에서 분사된 요소수용액이 배기관의 내측면에 붙지 않고, 분사된 요소수 방울 사이즈보다 더 작은 사이즈의 요소수 방울로 분산되어, 요소수용액이 증발률 및 포화도를 높혀 암모니아 생성에 대해 상당한 개선을 얻을 수 있는 초소수성 표면 처리 특성을 갖춘 에스씨알 시스템에 관한 것으로, 도면을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.The present invention provides a superhydrophobic portion at the point where the urea solution is injected from the exhaust pipe of a diesel engine, so that the urea solution sprayed from the urea solution injection does not stick to the inner surface of the exhaust pipe, and the urea solution has a smaller size than the injected urea solution droplet size. This relates to an SCR system with superhydrophobic surface treatment properties that can be dispersed in a few drops and increase the evaporation rate and saturation of the urea aqueous solution to obtain significant improvement in ammonia production. Referring to the drawings, it is as follows.
도 1을 참조한 본 발명의 일 실시 예에 따른 초소수성 표면 처리 특성을 갖춘 에스씨알 시스템은 배기관(100)과, 요소수 인젝션(200), 초소수성 패턴부(300)를 포함하는데, 먼저 상기 배기관(100)은 디젤엔진에서 배출되는 배기가스의 유동을 안내한다.The SCR system with superhydrophobic surface treatment characteristics according to an embodiment of the present invention with reference to FIG. 1 includes an
이때 상기 배기관(100)은 통상적인 배기관과 같이 중공을 갖는 관으로 디젤엔진의 배기구에 연결되어, 상기 디젤엔진에서 연소된 후 배출되는 배기가스가 외부로 배출되도록 유동을 안내한다.At this time, the
상기 배기관(100)의 일측에는 요소수 인젝션(200)가 구비되는데, 상기 요소수 인젝션(200)은 배기가스의 유동에 대응하여 선택적으로 요소수용액을 분사한다.A
이때 상기 요소수 인젝션(200)은 요소수용액을 소비량에 대응하여 선택적으로 3 ~ 5bar 압력으로 분사하는 것이 바람직하다.At this time, it is preferable that the
상기 배기관(100) 중 요소수용액이 분사되는 지점에는 초소수성 패턴부(300)가 형성되는데, 상기 초소수성 패턴부(300)는 상기 요소수 인젝션(200)에서 분사된 요소수용액이 충돌하여 상기 배기관(100)의 내부로 분산되도록 한다.A
이때 상기 초소수성 패턴부(300)는 마이크로 사이즈의 격자 미세홈 또는 원추형의 돌기가 연속반복 형성되어 초소수성의 미세패턴을 표면에 형성한 것이다.At this time, the
상기 초소수성 패턴부(300)는 상기 배기관(100) 중 상기 요소수 인젝션(200)의 전방 또는 요소수용액이 직접 부딪히는 위치상에 위치하고, 이 위치는 초소수성 패턴부(300)의 성능을 최적화하는데 매우 유용하다.The
여기서 상기 초소수성 패턴부(300)는 배기관(100) 내에 분사된 요소수용액의 입자가 분산되는 것을 돕는데, 상기 요소수 인젝션(200)에서 분사된 요소수 입자 크기보다 더 작은 크기의 요소수 입자로 분산된다. Here, the
요소수의 작은 입자는 고온을 유지하는 상기 배기관(100) 내부에서 증발하고 디젤엔진에서 나오는 뜨거운 배기가스로 가열된 후 암모니아가 됩니다.Small particles of urea water evaporate inside the
종래에는 많은 요소수가 상기 배기관(100)의 내측벽에 충돌하여도 분산되지 않고, 내측벽에 액적으로 잔류하고, 요소수 액적에서 수분만이 증발하여 상기 배기관(100)의 내측벽에 고체 잔류물이 생성되었다.Conventionally, even if a large amount of urea water collides with the inner wall of the
이것은 질소산화물(NOx)을 저감하는 암모니아가 그만큼 생성되지 못하기에 에스씨알 시스템 성능을 저해하는 문제로 대두 되었다.This has emerged as a problem that impairs the performance of the SCR system because ammonia, which reduces nitrogen oxides (NOx), cannot be produced as much.
하지만, 본 발명의 일 실시 예에 따른 요소수용액이 분사되는 지점에 상기 초소수성 패턴부(300)는 구비되어, 상기 요소수 인젝션(200)에서 분사된 요소수 입자 크기보다 더 작은 크기의 요소수 입자로 분산되도록 한다.However, the
이때 상대적으로 작은 크기의 요소수 입자는 상기 배기관(100)의 내부 온도에 쉽게 영향을 받아 상기 배기관(100) 내부에서 요소수용액의 증발률을 증가시켜, 상기 배기관 내부에서 요소수의 포화도를 증가시킨다.At this time, the relatively small size of the urea water particles is easily affected by the internal temperature of the
따라서 상기한 초소수성 패턴부(300)를 에스씨알 시스템에 적용하면 암모니아 발생공정의 품질을 크게 향상시키고 에스씨알 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.Therefore, applying the above-described
본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 초소수성 패턴부(300)를 보다 상세하게 살펴보면 다음과 같다. Looking at the
먼저 도 2는 초소수성 물질의 기본 이론을 나타낸 것으로, 영의 방정식 모델(young’s model equation) 이론에 기초한 아래의 [수학식 1]에서는 장력 과, 은 입자(물방울)를 수축시키려고, 장력 는 입자(물방울)가 표면에 퍼지도록 한다. First, Figure 2 shows the basic theory of superhydrophobic materials, and in [Equation 1] below based on Young's model equation theory, the tension class, To shrink the silver particles (water droplets), tension causes particles (water droplets) to spread over the surface.
표면의 입자(물방울)가 평형에 도달하면, 고체/액체 계면과, 액체/증기 계면 사이의 각도를 접촉각(θ)으로 명명하면, 영의 방정식 모델을 기반으로 초소수성부를 에스씨알 시스템에 적용할 수 있다.When the particles (water droplets) on the surface reach equilibrium, the angle between the solid/liquid interface and the liquid/vapor interface is called the contact angle (θ), and the superhydrophobic part can be applied to the SCR system based on Young's equation model. You can.
도 3은 초소수성 표면 메커니즘의 개략적 이미지로, 레이저 빔으로 구리판의 표면을 가공하면, 상기 구리판에는 미세홈과 함께 용융잔해인 버가 형성된다.Figure 3 is a schematic image of the superhydrophobic surface mechanism. When the surface of a copper plate is processed with a laser beam, burrs, which are molten residues, are formed in the copper plate along with microgrooves.
상기 버는 구리(CU)가 용융되어 산화한 산화구리(Ⅱ)(CuO)인데, 산화구리(Ⅱ)(CuO)는 친수성이므로, 레이저에 의해 가공된 레이저 텍스처 표면의 초기 WDCA는 친수성을 나타낸다. The burr is copper (II) oxide (CuO) made by melting and oxidizing copper (CU). Since copper (II) oxide (CuO) is hydrophilic, the initial WDCA of the laser textured surface processed by the laser exhibits hydrophilicity.
표면이 거친 친수성 물질의 완전 젖음 상태는 Wenzel 방정식인 아래의 [수학식 2]로 설명할 수 있다. The fully wet state of a hydrophilic material with a rough surface can be explained by [Equation 2] below, which is the Wenzel equation.
여기서, 는 평평한 표면에서 물방울의 평형 접촉각이고, 은 거친 표면에서 완전히 젖은 상태의 물방울 접촉각이며, r은 기하학적 표면으로 나눈 실제 표면과 동일한 거칠기 계수이다.here, is the equilibrium contact angle of a water droplet on a flat surface, is the contact angle of a fully wet water droplet on a rough surface, and r is the roughness coefficient equal to the actual surface divided by the geometric surface.
친수성 물질의 평평한 표면에서 평형 접촉각은 90°보다 작다. On a flat surface of a hydrophilic material, the equilibrium contact angle is less than 90°.
그리고 공초점 현미경으로 측정한 거칠기 계수는 각각 100, 300, 500㎛ 스텝 크기에서 3.36, 1.78, 1.53이었다. And the roughness coefficients measured by confocal microscopy were 3.36, 1.78, and 1.53 at step sizes of 100, 300, and 500 μm, respectively.
초기 WDCA는 버 면적이 증가함에 따라 거칠기 계수가 증가하여 스텝 크기가 감소했다.In the initial WDCA, the roughness coefficient increased with increasing burr area, resulting in a decrease in step size.
그리고 상기한 산화구리(Ⅱ)(CuO)의 표면을 에탄올을 이용하여 저온 어닐링하면 산화구리(Ⅰ)(Cu₂O)가 되는데, 이때 에탄올은 젖음성 전이를 가속화할 수 있다. And when the surface of the above-mentioned copper(II) oxide (CuO) is annealed at low temperature using ethanol, it becomes copper(I) oxide (Cu₂O). In this case, ethanol can accelerate the wettability transition.
산화구리(Ⅰ)(Cu₂O)은 소수성 물질이며 평형 접촉각은 90 °보다 크다. Copper(I) oxide (Cu₂O) is a hydrophobic material and its equilibrium contact angle is greater than 90°.
이렇게 제작된 표면의 측정된 거칠기 계수의 큰 차이로 인해 측정된 WDCA의 작은 차이는 Wenzel 방정식으로 설명할 수 없고, 이 상태는 Cassie-Baxter 방정식인 [수학식 3]으로 설명할 수 있다. Due to the large difference in the measured roughness coefficient of the surface manufactured in this way, the small difference in the measured WDCA cannot be explained by the Wenzel equation, and this state can be explained by the Cassie-Baxter equation [Equation 3].
여기서, 는 거친 표면에서 부분적으로 젖은 상태의 물방울 접촉각, w1은 물-고체 표면의 면적 비율, w2는 물-공기 표면의 면적 비율이다.here, is the water droplet contact angle in a partially wet state on a rough surface, w1 is the area ratio of the water-solid surface, and w2 is the area ratio of the water-air surface.
따라서 격자의 미세홈 패턴의 소수성 버는 부분적으로 젖어있는 상태로 물방울을 지지하면서 평평한 표면과 물방울 사이의 접촉을 방지할 수 있다.Therefore, the hydrophobic burrs in the microgroove pattern of the lattice can support the water droplets in a partially wet state and prevent contact between the water droplets and the flat surface.
초소수성 표면을 위해 후처리가 적용된 격자 패턴의 소수성 버가 있는 부분적으로 습윤된 상태가 필요하다. For a superhydrophobic surface, a partially wet state with a lattice pattern of hydrophobic burs applied post-processing is required.
저온 어닐링은 산화구리(Ⅱ)(CuO) 필름에 이러한 습윤성 전이를 가속화할 수 있다고 보고되고 있다. It has been reported that low-temperature annealing can accelerate this wettability transition in copper(II) oxide (CuO) films.
또한, 에탄올은 산화구리(Ⅱ)(CuO)로부터 산화구리(Ⅰ)(Cu₂O)의 형성을 가속화하고 더 높은 온도는 더 빠른 전이를 보여 주었다고 보고되고 있다.Additionally, it has been reported that ethanol accelerates the formation of copper(Ⅰ) oxide (Cu₂O) from copper(Ⅱ) oxide (CuO) and that higher temperatures showed faster transition.
그러나 에탄올에 장기간 노출되면 산화구리(Ⅰ)(Cu₂O) 화학적 구조가 Cu로 바뀔 수 있다. However, long-term exposure to ethanol can change the chemical structure of copper(I) oxide (Cu₂O) to Cu.
따라서 적절한 초소수성 표면을 생성하려면 후처리(에탄올) 시간이 중요한데, 후처리 시간이 너무 짧으면 초소수성 표면을 얻을 수 없지만, 후처리 시간이 너무 길면 산화구리(Ⅰ)(Cu2O)에서 Cu가 형성되어 WDCA가 감소할 수 있다. Therefore, the post-treatment (ethanol) time is important to create an appropriate superhydrophobic surface. If the post-treatment time is too short, a superhydrophobic surface cannot be obtained, but if the post-treatment time is too long, Cu is formed from copper(Ⅰ) oxide (CuO). WDCA may decrease.
에탄올을 사용한 저온 어닐링의 적절한 시간은 UV 나노초 레이저빔가공(UV nanosecond laser beam machining)의 공정 매개 변수로 2 ~ 4시간이 적당하다.The appropriate time for low-temperature annealing using ethanol is 2 to 4 hours, which is the process parameter for UV nanosecond laser beam machining.
도 4는 레이저 장치를 이용하여 플레이트에 초소수성 패턴을 가공하는 상태를 보인 것으로, Q-switched Nd:YAG 355nm UV 나노초 펄스 레이저는 레이저 빔 가공에 사용된다.Figure 4 shows the state of processing a superhydrophobic pattern on a plate using a laser device, and a Q-switched Nd:YAG 355nm UV nanosecond pulse laser is used for laser beam processing.
이때 레이저 장치의 스펙은 아래의 [표 1]과 같다.At this time, the specifications of the laser device are as shown in [Table 1] below.
상기 스펙의 레이저장치는 산업에서 널리 사용되며, 물방울을 지지하면서 접촉을 최소화할 수 있는 기둥 구조물인 상대적으로 큰 버를 형성하는 것이 가능하다.Laser devices with the above specifications are widely used in industry and are capable of forming relatively large burrs, which are pillar structures that can minimize contact while supporting water droplets.
추가 요소가 없을 때의 현상을 이해하기 위해 2mm 두께의 재료를 기판으로 사용했다. To understand the phenomenon in the absence of additional elements, a 2 mm thick material was used as a substrate.
도 5는 초소수성의 표면 패턴을 갖는 초소수성 패턴부(300)를 보인 것으로, 초소수성 재료는 재질이 알루미늄 6061이고, 두께는 2mm, 스텝 크기의 100㎛이다. Figure 5 shows a
초소수성 패턴을 형성하기 위해 Q-switched Nd:YAG 355-nm UV 나노초 펄스 레이저는 10w 레이저 출력, 100mm/s 레이저 속도와 함께 사용되었으며 제작 시간은 12분이 필요했다.To form the superhydrophobic pattern, a Q-switched Nd:YAG 355-nm UV nanosecond pulsed laser was used with 10w laser power and 100mm/s laser speed, and a fabrication time of 12 minutes was required.
따라서 상기 초소수성 패턴부(300)는 레이저 빔에 의해 초수성 패턴을 가공할 수 있고, 격자 패턴은 포집된 공기로 모든 방향에서 등방성 초소수성을 나타낸다. Therefore, the
도 6은 격자의 미세홈 패턴으로 초소수성 표면을 형성한 초소수성 패턴부(300)를 보인 것으로, 2mm 두께의 정사각형 크기의 플레이트를 기준으로 초소수성 표면을 얻기 위한 격자의 미세홈 크기는 아래의 [표 2]로 나타내었다.Figure 6 shows the
도 7은 원추형 돌기 패턴으로 초소수성 표면을 형성한 초소수성 패턴부(300)를 보인 것으로, 2mm 두께의 정사각형 크기의 플레이트를 기준으로 초소수성 표면을 얻기 위한 원추형 돌기의 크기는 아래의 [표 3]으로 나타내었다. Figure 7 shows the
본 발명의 일 실시 예에 따른 초소수성 패턴부(300)의 성능을 확인하기 위해 다음과 같이 실험을 실시하였다.To confirm the performance of the
도 8은 초소수성 패턴이 없는 플레이트의 요소 고체 잔류물을 보인 것으로, 초소수성 패턴이 없는 알루미늄 플레이트로 실험을 실시하였고, 그 플레이트는 요소수 인젝션(200)의 하부에 위치하였다.Figure 8 shows the urea solid residue on a plate without a superhydrophobic pattern. The experiment was conducted with an aluminum plate without a superhydrophobic pattern, and the plate was placed at the bottom of the
상기 요소수 인젝션(200)의 주입각은 90°이고, 상기 요소수 인젝션(200)의 노즐과 플레이트 사이의 높이는 40mm이다.The injection angle of the
요소수용액은 플레이트에 5 bar의 주입 압력과 4.824kg/h의 주입속도로 주입하고 기타 분사정보는 아래의 [표 4]로 나타내었다. The urea solution was injected into the plate at an injection pressure of 5 bar and an injection speed of 4.824 kg/h, and other injection information is shown in [Table 4] below.
실험에서 온도의 변화를 얻기 위해 플레이트를 세라믹 히터로 가열하였는데, 이 경우 요소의 고체 잔류물 형성을 식별하기 위해 저온 및 고온 수치를 사용했다.In the experiment, the plate was heated with a ceramic heater to obtain changes in temperature, and in this case, low and high temperature readings were used to identify the formation of solid residues of the elements.
실험결과 초소수성 패턴이 없는 플레이트에서 고체 잔류물이 쉽게 발생함을 발견했다. As a result of the experiment, it was found that solid residues were easily generated on plates without superhydrophobic patterns.
그 반응은 요소가 플레이트에 충돌하였을 때 분해가 어렵고 쉽게 부착되기 때문에 발생한다.The reaction occurs because the elements are difficult to disintegrate and easily adhere when they hit the plate.
부착된 요소는 세라믹 히터에 의해 가열된 후 고체가 되었고, 요소수용액은 요소 40%와 물 60%로 구성되어 있으며, 요소수용액이 가열되면, 물이 증발하면서 요소가 플레이트에 달라붙었다.The attached element became solid after being heated by a ceramic heater. The urea solution consists of 40% urea and 60% water. When the urea solution was heated, the water evaporated and the urea stuck to the plate.
이 반응은 저온 또는 고온에서 모두 발생하였고, 도 8(a)는 저온에서의 고체 잔류물을 보인 것이고, 도 8(b)는 고온에서의 고체 잔류물을 보인 것이다. This reaction occurred at both low and high temperatures, and Figure 8(a) shows the solid residue at low temperature, and Figure 8(b) shows the solid residue at high temperature.
도 9는 초소수성 패턴이 형성된 플레이트의 요소 고체 잔류물을 보인 것으로, 초소수성 패턴의 알루미늄 플레이트로 실험을 실시하였고, 그 플레이트는 요소수 인젝션(200)의 하부에 위치하였다.Figure 9 shows the urea solid residue on the plate on which the superhydrophobic pattern was formed. The experiment was conducted with an aluminum plate with a superhydrophobic pattern, and the plate was located at the bottom of the
상기 요소수 인젝션(200)의 주입각은 90°이고, 상기 요소수 인젝션(200)의 노즐과 플레이트 사이의 높이는 40mm이다.The injection angle of the
요소수용액은 플레이트에 5 bar의 주입 압력과 4.824kg/h의 주입속도로 주입하였다.The urea solution was injected into the plate at an injection pressure of 5 bar and an injection rate of 4.824 kg/h.
실험에서 온도의 변화를 얻기 위해 플레이트를 세라믹 히터로 가열하였는데, 이 경우 요소의 고체 잔류물 형성을 식별하기 위해 저온 및 고온 수치를 사용했다.In the experiment, the plate was heated with a ceramic heater to obtain changes in temperature, and in this case, low and high temperature readings were used to identify the formation of solid residues of the elements.
실험결과, 초소수성 패턴이 없는 플레이트와 비교할 때 고체 잔류물이 현저하게 감소한 것을 알 수 있다.The experimental results showed that solid residue was significantly reduced compared to the plate without the superhydrophobic pattern.
이러한 현상은 요소수가 플레이트에 부딪힌 후 초소수성 패턴에 의해 쉽게 분산되어, 플레이트에 부착하기 어렵기 때문으로, 요소수 분산은 더 작은 크기의 요소 입자를 생성하며, 그 입자는 쉽게 증발하고 에스씨알(SCR) 시스템에서 고품질의 암모니아를 생성한다.This phenomenon is because the urea water is easily dispersed by the superhydrophobic pattern after hitting the plate, making it difficult to adhere to the plate. The dispersion of urea water creates smaller sized urea particles, and the particles easily evaporate and SCR ( SCR) system produces high quality ammonia.
도 8(a)는 저온에서의 고체 잔류물을 보인 것이고, 도 8(b)는 고온에서의 고체 잔류물을 보인 것이다. Figure 8(a) shows the solid residue at low temperature, and Figure 8(b) shows the solid residue at high temperature.
상기한 결과를 바탕으로 초소수성 패턴부(300)로 암모니아 생성이 크게 향상되고, 요소 고형 잔류물의 생성양도 크게 감소하므로, 에스씨알(SCR) 시스템의 성능이 향상되므로 다양한 디젤 엔진에 적용할 수 있다. Based on the above results, ammonia production is greatly improved by the
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but these are merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true scope of technical protection of the present invention should be determined by the technical spirit of the attached patent claims.
100: 배기관
200: 요소수 인젝션
300: 초소수성 패턴부100: exhaust pipe
200: element number injection
300: Superhydrophobic pattern part
Claims (5)
상기 배기관의 일측에 구비되고, 선택적으로 요소수용액을 상기 배기관의 내측으로 분사하는 요소수 인젝션; 및
상기 배기관 중 요소수용액이 분사되는 지점에 형성되어, 분사된 요소수용액이 충돌하여 분산되도록 하는 초소수성 패턴부를 포함하고,
상기 초소수성 패턴부의 미세패턴은
표면에 깊이가 25~100㎛이고, 너비가 15~25㎛인 격자홈을 형성하며, 상기 격자홈 주변에서 높이 15~23㎛로 돌출된 용융잔해인 버가 연속반복 형성되어 미세패턴을 이루도록 한 것과,
상기 미세패턴에 에탄올을 이용한 어닐링으로 소수성을 갖도록 한 것을 특징으로 하는 초소수성 표면 처리 특성을 갖춘 에스씨알 시스템.
An exhaust pipe that guides the flow of exhaust gas discharged from a diesel engine;
A urea solution injection provided on one side of the exhaust pipe and selectively injecting a urea solution into the inside of the exhaust pipe; and
A superhydrophobic pattern portion formed at a point in the exhaust pipe where the urea aqueous solution is sprayed and allowing the injected urea aqueous solution to collide and disperse,
The fine pattern of the superhydrophobic pattern part is
Grid grooves with a depth of 25 to 100 ㎛ and a width of 15 to 25 ㎛ are formed on the surface, and burrs, which are molten remains that protrude to a height of 15 to 23 ㎛, are formed continuously and repeatedly around the lattice grooves to form a fine pattern. And,
SCR system with superhydrophobic surface treatment properties, characterized in that the micropattern was made hydrophobic by annealing using ethanol.
상기 배기관의 일측에 구비되고, 선택적으로 요소수용액을 상기 배기관의 내측으로 분사하는 요소수 인젝션; 및
상기 배기관 중 요소수용액이 분사되는 지점에 형성되어, 분사된 요소수용액이 충돌하여 분산되도록 하는 초소수성 패턴부를 포함하고,
상기 초소수성 패턴부의 미세패턴은
표면에 높이가 15~23㎛이고, 하단지름이 40~80㎛이며, 상단지름이 10~20㎛인 원추형의 돌기가 일정한 간격으로 연속반복 돌출 형성되어 미세패턴을 이루도록 한 것과,
상기 미세패턴에 에탄올을 이용한 어닐링으로 소수성을 갖도록 한 것을 특징으로 하는 초소수성 표면 처리 특성을 갖춘 에스씨알 시스템.
An exhaust pipe that guides the flow of exhaust gas discharged from a diesel engine;
A urea solution injection provided on one side of the exhaust pipe and selectively injecting a urea solution into the inside of the exhaust pipe; and
A superhydrophobic pattern portion formed at a point in the exhaust pipe where the urea aqueous solution is sprayed and allowing the injected urea aqueous solution to collide and disperse,
The fine pattern of the superhydrophobic pattern part is
Cone-shaped protrusions with a height of 15 to 23㎛, a bottom diameter of 40 to 80㎛, and an upper diameter of 10 to 20㎛ are formed on the surface by continuously repeating protrusions at regular intervals to form a fine pattern,
SCR system with superhydrophobic surface treatment properties, characterized in that the micropattern was made hydrophobic by annealing using ethanol.
상기 초소수성 패턴부는
상기 배기관 중 요소수 인젝션의 전방에 위치하는 초소수성 표면 처리 특성을 갖춘 에스씨알 시스템.
The method of claim 1 or claim 3,
The superhydrophobic pattern part
SCR system with superhydrophobic surface treatment characteristics located in front of the urea water injection in the exhaust pipe.
상기 요소수 인젝션은
상기 배기관을 따라 유동하는 배기가스의 유동방향을 기준으로 90°의 분사각을 이루는 초소수성 표면 처리 특성을 갖춘 에스씨알 시스템.According to any one of claim 1 or claim 3,
The element number injection is
SCR system with superhydrophobic surface treatment characteristics that achieves a spray angle of 90° based on the flow direction of the exhaust gas flowing along the exhaust pipe.
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JP2007032472A (en) * | 2005-07-28 | 2007-02-08 | Hitachi Ltd | Exhaust gas treatment device using urea water |
US20160177801A1 (en) * | 2014-12-17 | 2016-06-23 | Audi Ag | Exhaust system of an internal combustion engine with mixer for a liquid reductant |
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2021
- 2021-12-01 KR KR1020210170151A patent/KR102597708B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007032472A (en) * | 2005-07-28 | 2007-02-08 | Hitachi Ltd | Exhaust gas treatment device using urea water |
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Publication number | Publication date |
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