KR19980702098A - 내연기관용 배출가스 정화장치 - Google Patents

내연기관용 배출가스 정화장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내연기관(2)의 배출가스 시스템으로부터 배출된 유연입자의 양을 감소시키기 위한 장치에 관한 것이다. 첨가물을 연료에 첨가하기 때문에 후연소 도중의 유연입자의 점화온도는 약 300-350℃로 감소되어 각 장치(3)의 정상 동작온도에 훨씬 못미치는 수준에까지 저하된다. 결과적으로 장치(3)내 필터 재생공정은 비교적 일찍 시작한다. 본 발명의 근간을 이루는 부품은 이른바 딥-베드(deep-bed) 필터로서, 내열 탄성 강철배선(13)과 특수 세라믹섬유(12)으로 이루어진 복수개의 롤-업 튜브(22)로 구성된다. 본 발명에 따른 상기 세라믹 패킷(9)의 특수 제조방법과 특수 구조는 진동과 기계적 인장력에 내구성을 갖는 유연필터의 수명을 만족할만큼 유용한 수준으로 유지한다.

Description

내연기관용 배출가스 정화장치
세라믹필터를 사용하여 배출가스를 처리함으로써 유연입자를 감소시키는 상기한 타입의 장치 및 방법들은 종래 기술로서 널리 공지되어 있다. 또한 유연입자를 후연소시킴으로써 필터물질을 재생하기 위한 방법 역시 개재된 바 있는데, 여기에서는 사용된 연료에 특정한 촉매 첨가물을 소량 첨가해서 사용하게 되어 있다. 이러한 첨가물은 상기 유연입자와 더불어 발열 화학반응을 일으킨다. 이로써 사실상 상기 유연입자의 점화온도를 낮추는 작용을 한다.
모노리식(monolithic) 세라믹필터는 잠시후에 갑작스런 과열로 인해 열적인 인장력이 파괴되는 결과를 낳았기 때문에 과거에는 필터의 작동시간상 그리 유용하게 사용된 것은 아니었다.
또한 이른바 재생필터, 즉 원칙적으로는 다수의 집합 세라믹섬유로 이루어진 재생필터는 값이 저렴하다. 이러한 필터종류는 전체적으로 탄성을 지니고 있으며 이로 인해 발생된 열적 인장력을 향상된 수준으로 유지한다. 모터에서 형성되는 유연입자는 세라믹브레이딩에 의해 수집되며, 점화온도의 저하로 인해 공급된 첨가물질을 통해 약 320℃에서 필터의 재생공정에 이용되는데, 모터가 가동된 직후에 도달하게 되는 필터의 온도이다. 이로써 필터의 재생시에는 점화온도를 초기화하기 위한 다른 방법 또는 장치가 필요하지 않다. 부가적인 필서재생-장치들은 비교적 고가이며, 그 밖에도 전체 설비를 비경제적으로 만드는 요인이 되는 에너지 공급에 많은 비용을 필요로 한다.
종래에 공지된 세라믹연사로 짜여진 또는 이루어진 세라믹필터는 무엇보다도 다음과 같은 단점을 갖는다. 즉 상기와 같은 필터는 물질이 필터 내에서 서로 미끄러져 떨어지기 때문에 초기에 셋팅조절되었던 물질의 밀도가 필터의 공동보디내에서 작동될 경우 장시간에 걸쳐 유지되지 못한다. 필터에 주어진 정지시간이 연속운전용으로는 충분하지 않기 때문에, 필터섬유내에 강철망을 심음으로써 확실한 안정성을 얻고자 하는 시도 역시 일정수준에서만 성공을 거둘 따름이었다.
본 발명은 청구범위 1항의 전제부에 따른 내연기관용 배출가스 정화장치에 관한 것으로서, 특히 자동차의 디젤모터, 응급 동력장치, 엔진 및 디젤기관용으로 이용되는 장치로서, 후연소시에 유연입자가 배출될 경우에 이 배출되는 유연입자의 양을 현저히 감소시키는 장치에 관한 것이다.
도 1은 연소엔진(2)의 가스배출라인으로부터 유연배출을 감소시키기 위한 전체 장치의 블록 다이어그램.
도 2는 내부에 형성된 본 발명에 따른 공동보디(4)와 본 발명에 따른 세라믹-패킷(9)을 포함하는 용기(3)의 기본 구조를 도시한 도면.
도 3는 본 발명에 따른 압축/비압축 세라믹 패킷(9,10)을 포함한 공동보디(4)의 일부를 개략적으로 도시한 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 금속-배선(13)과 더불어 본 발명에 따른 세라믹-섬유(12)로 이루어진 편물의 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 금속-배선(13)과 더불어 본 발명에 따른 세라믹-섬유(12)의 일부를 사시적으로 도시한 단면도.
도 6는 상기 세라믹 패킷(9)의 제조를 위한 기기의 개략적 도면.
도 7는 세라믹 패킷(9)을 안내하기 위한 본 발명에 따른 장치(17,18)을 포함하는 공동보디(4)의 개략적 도면.
따라서 상술한 종래기술의 상태에서 나아가, 본 발명의 목적은 기계적 응력이 클 경우에 내장기계의 안정성을 보장하는 연소 엔진용 유연필터를 제공하려는 것이다.
상기한 목적은 본 발명에 따라 청구범위 독립항에 특징지워진 요지에 의해 성취된다.
본 발명에 따른 연소엔진, 특히 디젤-연소 엔진에서 발생하는 유연입자의 양을 감소시키기 위한 장치는 가스유입대 및 가스배출대를 구비한 용기와, 부분적으로는 필터물질 편물이 충진되어 있는 공동보디를 포함하는데, 상기 필터물질은 다수의 직조된 세라믹-패킷을 구비하며, 여기서 상기 세라믹-패킷은 매우섬세한 세라믹섬유로 이루어져 일측단부로부터 롤-업 직조된 내열 배선이 엮어진 튜브이며, 상기 튜브의 성긴 코는 소정폭을 갖고 있으며 상기 내열 배선은 상기 편물의 각 개별 코를 관통한다.
유용한 본 발명의 실시예에 있어서 상기 유입대 및 배출대가 형성된 용기 내부에는 공동보디가 있다. 이 공동보디는 직조된 세라믹-패킷을 수납하는 역할을 한다. 상기 공동보디는 벽에 가스를 관통시키기 위한 다수의 개구가 형성된 원통형이다. 이 때 본발명에서는 가스가 외부에서 내부로, 아니면 내측에서 외측로 필터를 통해 관통할 것인가는 문제가 되지 않는다. 본 발명에 따른 세라믹-패킷은 유용한 방식에 따라 직조된 튜브로 제조된다. 이 튜브는 일측으로부터 불룩한 링쪽으로 감긴다.
본 발명에 따른 직조에 필요한 세라믹-연사는 직경이 약 6㎛인 아주 섬세한 세라믹-필라멘트로 이루어져 있으며, 여기서 상기 연사는 약 1㎜의 직경을 갖고 있으며 직조되며 연사가공된다.
본 발명에 있어 결정적인 점은 상기 연사에 평행하게 내열 배선이 짜여져 있다는 것이다. 이 배선은 유용하게 VA-강철로 제조되어야 한다. 이 강철배선의 직경은 약 0.2㎜에 달한다. 특별히 본 발명의 장점은 상기 VA-강철배선이 편물의 각각 개별적인 코를 이루고 있다는 점이다. 다시 말하자면 직조편물을 관통하고 있다. 이를 통해 전체 세라믹 패킷에는 상기 편물 즉 세라믹-패킷에 단점으로 작용하는 압축을 방지하는 내부 탄성이 적용된다.
나아가 본 발명에 따른 필터에 있어서, 좌우 결합(씨실, 날실)시에 코폭(a)이 약 4.5㎜이며 분편은 약 5㎜에 달하도록 선택가능하다.
특히 유용한 상기 필터물질의 화학적 혼합비율은 93.5% ≤ SiO2,4% = Al2O3,0.8% ≥ Na2O 이다.
이러한 하고텀-1200으로서 알려진 제품은 이 때 디젤모터가 설치된 승용차의 경우에 100,000㎞ 주행 연비를 갖는다. 사용된 세라믹물질은 내열온도가 1200℃이다.
유용한 방식에 따라 전자 제어 계측장치를 사용하여 철함유 첨가제를 엔진연소 전에 연료에 첨가한다. 철이 함유되지 않은 타종류의 첨가제 역시 다른 예외 없이 본 발명에서는 자연적으로 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 세라믹-패킷을 제조하기 위한 유용한 방법에 있어서, 직조튜브의 일측단부 외주에 다수의 갈고리가 형성된 약 4㎜ 두께의 배선이 짜여져 있는데, 이 갈고리는 배선이 길이축 둘레를 회전할 때 편물에 꿰어져 기성 직조튜브가 타측 단부에까지 완전히 감기도록 한다.
본 발명의 다른 요지들은 종속항에 개제되어 있다.
상기한 본 발명은 도면과 관련하여 아래에서 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 연소엔진(2)으로부터 배출되는 유연을 감소시키기 위한 장치의 전체구성을 도시한 블록다이어그램이다. 상기 장치는 유연입자의 배출량이 비교적 큰 디젤-연소 엔진에서 특히 유용하며 효과적이다. 연소-엔진(2) 내에서 형성된 유연입자는 라인(2b)을 따라 매우 일반적인 소음장치 대신에 배출시스템에 장착되는 본발명에 따른 용기(3)내로 유입된다. 상기 용기(3) 내에는 발생된 유연입자가 연소온도에 도달할 때 까지 아주 짧은 시간동안 체류하게 된다.
가장 단순한 경우에는 상기 유연 입자의 점화 온도를 감소기키기 위하여 촉매 첨가제를 구동물질탱크(11)에 저장된 구동물질에 첨가시킨다. 이러한 첨가제로서는 구리, 니켈 또는 코발트와 같은 중금속들이 거론되고 있는데, 이들은 점화온도를 현격하게 저하시키는 역할을 한다. 또한 이러한 금속들은 환경침해적인 이유로 인해 처음부터 배제되어 왔다. 또한 촉매로서 작용하는 금속으로서의 희소토양들이 공지된 바 있는데, 그러나 이들의 환경문제에 대해서는 아직까지 완벽하게 연구된 바가 없다. 이에 반해 유연입자의 점화온도를 약 320-350℃까지 낮추는 철은 환경문제에 영향을 미치지 않는 것으로 파악되어 해당 첨가제로서 적절한 재료로서 여겨져 왔다. 연소 엔진에서 특수한 디젤 연료의 가공을 중단하기 위하여 종래에는 유사디젤 용매로 유기철 결합물을 개발해왔고, 첨가제로서의 시도도 거의 성공적인 실험결과를 얻었다. 첨가제 농도는 거의 적은 것으로 보여지며, 중형차의 경우에 100,000㎞당 약 3-4 l정도 소요된다. 이는 곧 입자필터의 재생에 필요한 첨가제량이 극히 적다는 것을 의미한다.
상기 첨가제는 계측장치(14)를 사용하여 첨가제 탱크(16)에서부터 배출되어 구동연료탱크(11) 안으로 유입된다. 디젤-연소엔진의 경우에 필요한 주입펌프(19)에 의해서 디젤과 첨가제로 이루어진 구동연료혼합물은 모터(2)의 연소챔버 안으로 유입된다.
원칙적으로 상기 첨가제는 상기 구동연료공급라인의 주입펌프(19) 앞의 바이패스(14b)를 거쳐 직접 안내된다. 상기 분사장치(14)는 특수한, 여기서는 도시안된 전기적으로 구동되는 계측파이프가 장착되어 있다.
구동연료의 연소시에 비교적 많은 양의 유연입자들, 즉 살아있는 유기체에 강한 갑각원으로 작용하기 때문에 어떤 상황에서도 감소시켜야만 하는 유연입자들이 내연기관 내에 형성된다.
이미 전술한 바와 같이 유연입자는 내연기관(2)으로부터 배출라인(2a)를 거쳐 본 발명에 따르는 유연입자필터가 내측에 형성되어 있는 용기(3)내로 유입된다.
도 2에는 내측에 형성되어 있는 본 발명에 따르는 공동보디(hollow body, 4)를 구비한 상기 용기(3)의 구조가 개략적으로 도시되어 있다. 내연기관(2)으로부터 나온 유연입자는 가스유입대(5)에 있는 가스와 결합하여 용기(3)로 유입된다. 상기 가스유입대(5)는 상기 용기(3)가 원통형으로 구현될 경우에는 유용한 방식에 따라 용기(3)에 집중되도록 배치된다. 전면(16,16')은 통상적으로는 평평하게 구현된다. 이 전면들은 원추형태로 줄어드는 전이부형태를 취하고 있다.
상기 용기(3)는 아주 일반적인 소음흡수장치 대신에 내연기관(2)의 가스배출시스템에 이용된다. 여기서 전술한 실시예에 있어서 상기 공동보디(4)는 용기(3)와 가스유입대(5)에 집중되도록 형성되어 있다. 상기 공동보디(4)는 그 외장면(7)에 다수의 개구(8)들이 형성되어 있는 실린더 형태이다. 상기 공동보디(8)의 덮개면은 단부에 평평한 덮개(20,21)들이 덮혀있고, 덮개(21)는 가스유입대(5)를 위하여 하나의 개구부를 구비하고 있다.
유연입자함유 배출가스는 가스유입대(5)를 통해 상기 공동보디(4)의 내부로 유입되며, 내부에 형성된 압력으로 인해 필터물질에 의해 눌린다. 여기서 상기 배출가스내에 있는 유연입자는 거의 90% 이상이 여과된다.
상기 공동보디(4) 내부의 압력차가 비교적 크게 증가되지 않도록 필터물질의 상태를 적합하게 선택하는 과정이 필요하다. 이 과정은 어려운 과정이며 상술한 본 발명의 목적, 즉 상기 유연입자의 비교적 낮은 압력차 뿐만 아니라 합리적인 여과작용을 보장하는 필터물질을 제공하고자 하는 목적이 성립된다.
상기 공동보디(4)의 좌측단에는 본 발명에 따른 세라믹-패킷(9)이 상징적으로 도시되어 있다. 본 발명에 따른 금속배선(13)은 언제나 동일하게 전체적으로 엮어진 편물로써 상징적으로 도시되어 있다. 본 발명에 따르는 세라믹-패킷(9)의 구조는 아래에서 자세히 설명할 것이다. 상기 공동보디(4)는 다수의 본 발명에 따르는 세라믹-패킷(9)이 들어 있는데, 이 패킷은 기계적인 압력을 이용한 일정 밀도로서 압축되어 있다.
상기 세라믹-패킷(9)의 세라믹-섬유(12)의 표면에 여과된 유연입자들은 도달하여 내연기관(2)을 잠시동안 구동한 후에 약 320-350℃에 해당하는 요구 점화온도에 도달하게 된다. 이로써 낮은 온도에서도 상기 유연입자들이 급격하게 연소되기 시작하므로 필수적인 딥-업 필터 재생이 이루어진다.
도 3은 단면적으로 상기 공동보디(4)의 일부분을 재도시한 단면도이다. 이 도면은 본 발명에 따른 세라믹-패킷(9)이 구성된 상태에서 공동보디(4)내에 어떻게 설치되어 있고 유지되는가를 명확히 나타낸다. 이 도면을 보면 개별 세라믹-패킷(9,10)이 일단에서부터 감어올려진 특수세라믹섬유 튜브(22)로 제조되었음을 알 수 있다. 상기 세라믹-패킷(10)은 비압축, 비성형이므로 따라서 원상태의 비압축된 필터물질로 도시되어 있다.
본 발명에 따른 세라믹-패킷(9,10)은 소정 편물기술에 따라 원통형으로 직조된 롤-업된 긴 튜브(22)로 이루어져 있다. 상기 약 4.5-7.5㎜인 코폭(a)과 도 4에 도시된 바에 따르면 약 5 정도인 일부분과의 좌우-결합부로 이루어진다. 이러한 결합과 코폭의 기술은 장시간 실험에서는 저렴한 기술로 상기 편물을 제조해 낼 수 있다. 왜냐하면 상기 기술은 해당 압축시에 가스배출 시스템내에 요구되는 필요한 압력차를 보장하기 때문이다. 여기에 결정적으로 각각의 한 코마다 금속배선(13)이 짜여져 있다. 이 금속배선은 한편으로는 전체 세라믹-패킷(9)에 필요한 탄성을 가능케하고 다른 한편으로는 편물이 점차적으로 압축되는 것을 방지함으로써 유연필터의 장시간 유지를 보장한다.
상기 튜브의 직조에 사용되는 특수 연사(12)는 직경이 약 6㎛인 고도로 섬세한 세라믹-필라멘트(12')로 이루어지는데, 이 직경은 상표 하코텀-1200으로써 시중에서 유통되고 있다. 이 세라믹 필라멘트의 화학 혼합 비율은 다음과 같다.
93.5% ≤ SiO2
4% = Al2O3
0.8% ≥ Na2O
이러한 세라믹물질은 1,000℃이상의 특히 높은 온도로 지속된다. 나아가 이 물질은 불화수소산 및 인산 및 강알칼리만 제외하고는 대부분의 화학약품에 저항성을 갖는다. 이러한 세라믹-필라멘트는 피부에도 친화성이 있으며 건강상으로도 문제가 없다.
상기 연사(12)는 직조되고 연사가공된 다수의 섬세한 세라믹-필라멘트(12')로 이루어져 있다.
상기 연사(12) 옆에는 또는 횡단면상으로는 본 발명에 따르는 상기 튜브의 편물의 각 코에 엮어진 금속배선(13)이 짜여져 있다. 상기한 실시예에서는 상기 금속배선이 일면에서는 내열성이 있고, 한편으로는 스프링작용을 충분히 하는 V4A-강철로 이루어져 있다.
도 6에는 본 발명에 따른 긴 직조 튜브(22)로 이루어진 세라믹-패킷(9)의 제조용 장치가 도시되어 있다. 상기 장치는 마지막 부분에 (10-15㎝)에 약 4㎜ 두께의배선(15)이 고정되어 있는 이른바 유연링크를 구비하고 있는 갈고리(19)가 형성된 배선(15)으로 이루어진다. 상기 갈고리를 구비한 배선의 단부는 세라믹-편물-튜브의 일단에 튜브(22)의 전체 외주가 꿰어져 있어서 자세히 설명되지 않은 구동부(24)가 회전시에 옵셋된다. 단지 일측단부에서만 유연링크(25)가 배선(15)과 연결되어 있는 상기 갈고리의 원심력으로 인해 상기 갈고리는 편물을 꿰어 이로써 튜브(22)가 이른바 세라믹-패킷(9)에 완전히 불룩하게 감긴다.
완성된 패킷(9,10)은 특수 장치를 사용하여 상기 공동보디(4)내에 도 7에 도시된 바와 같이 장착된다. 상기 공동보디(4)의 외측 테두리의 열려 있는 부분에는 종단면상 깔대기 형태인 그에 알맞는 링(17)이 끼워진다. 상기 공동보디(4)의 중앙에는 상술한 세라믹-패킷(9,10)의 내직경을 갖는 가시돌기(18)가 형성되어 있다. 기성 세라믹-패킷(10)은 수동으로 또는 기계적으로 공동보디(4)내에 장착된다. 소정수의 세라믹 패킷(10)은 도장(23)을 사용하여 위에서 이미 설명한 바대로 필터물질을 각각의 용도에 적합한 정도로 압축한다. 이 때의 기계적 압력은 외직경이 38㎜인 필터당 약 2㎏/㎠이다. 순수 세라믹중량은 500㎜당 약 850g이다.

Claims (19)

  1. 가스유입대 및 가스배출대(5,6)를 구비한 용기(3)와, 부분적으로는 필터물질 편물이 충진되어 있는 공동보디(4)를 포함함으로써 내연기관(2) 연소 전에 첨가제가 연료에 첨가되도록 구성된 내연기관(2) 특히 디젤-연소엔진에서 형성된 유연입자의 양을 감소시키기 위한 장치에 있어서, 상기 필터물질은 다수의 직조된 세라믹-패킷(9)을 구비하는데, 여기서 상기 세라믹-패킷(9)은 매우 섬세한 세라믹섬유(12')로 이루어져 일측단부로부터 롤-업 직조된 내열 배선이 엮어진 튜브(22)이며, 상기 튜브(22)의 성긴 코는 소정폭을 갖고 있으며 상기 내열 배선(13)은 상기 편물의 각 개별 코를 관통하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 용기(3) 및 상기 공동보디(4)는 세라믹 패킷(9)을 수납할 수 있도록 각각 원하는 형태를 취할 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 가스유입대(5)는 상기 용기(3) 쪽으로 집중되도록 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 감아진 세라믹-패킷(9)은 소정길이당 소정압력으로 죄어지는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 직조시에 이용되는 세라믹연사(12')는 아주 섬세한 (6㎛) 세라믹-필라멘트(12')로 이루어져 있으며, 여기서 상기 연사(12)는 약 1㎜의 직경을 갖고 있으며 직조되며 연사가공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 1 항 및 2항에 있어서, 상기 공동보디(4)의 벽(7)에는 다수의 개구(8)들이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 1 항 및 2항에 있어서, 상기 공동보디(4)의 벽(7)에는 다수의 개구(8)들이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 1 항 내지 5항중 어느 한항에 있어서, 상기 필터물질의 화학적 혼합비율은 93.5% ≤ SiO2,4% = Al2O3,0.8% ≥ Na2O인 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 내열 배선은 V2A-강철인 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 내열성의 세라믹편물은 내열온도가 1200℃에 달하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 1 항 및 2항중 어느 한항에 있어서, 상기 이중벽 공동보디(4)는 그 일측단부(20)가 막혀 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 1 항 내지 4항중 어느 한항에 있어서, 세라믹 섬유패킷(9)의 패킷밀도는 시간당 가스배출량에 따라 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 첨가제는 철이 함유되어 있고, 유연입자의 점화온도는 300-350℃인 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 첨가제는 펌프장치(12)를 사용하여 연료(디젤)에 첨가되는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 펌프장치(12)는 전기적으로 구동되는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 1 항에 있어서, 딥-베드 필터는 소켓필터인 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 1 항에 따른 장치를 제조하기 위한 방법에 있어서, 직조튜브(22)의 일측단부를 통하여 직조물을 꿰기 위한 다수의 갈고리가 형성된 약 4㎜ 두께의 배선(15)이 꿰어지고, 상기 배선(15)은 구동부(24)에 의해 상기 직조튜브(22)가 감길때까지 길이축 둘레로 회전하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 18 항에 있어서, 상기 감긴 직조튜브(22)는 세라믹-패킷(9)으로서 특수 장치(17,18)에 의해서 공동보디(4)내에 설치되며, 도장(23)을 사용하여 ㎠당 2㎏의 하중으로 압축됨으로써 상기 세라믹-패킷(9)의 공동보디(4) 내부직경이 38㎜일 경우에 세라믹 중량은 500㎜길이당 850g인 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 갈고리(19)는 일측단부에 각각 힌지(25)를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
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