KR20020040560A - 디젤 미립자 제거 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 2통형 3층 포집 구조의 디젤 미립자 제거 장치는 두개의 주몸체를 가진다. 각각의 주몸체는 디젤 배출 가스를 위한 유입구와 배출구가 구비된 원통형 용기를 가진다. 원통형 용기내에는 권취된 촉매 장착 히터, 내열 필터, 촉매 장착 구형 필터가 디젤 배출 가스 유입구에 상기 순서로 배열되어 있다. 이들의 촉매 장착 히터는 교대로 온 및 오프된다.

Description

디젤 미립자 제거 장치{Diesel Particulate Removing Apparatus}
본 발명은 디젤 미립자 제거 장치에 관한 것으로서, 특히 히터와 필터에 의해 디젤 엔진과 같은 내연기관으로부터 배출 가스내에 포함되어 있는 미립자를 포집하고, 포집된 미립자를 연소시키고, 필터를 재생 또는 재사용하기 위하여 필터로부터 미립자를 제거할 수 있는 디젤 미립자 제거 장치에 관한 것이다.
본 발명은 2000년 11월 22일자 일본특허출원 제2000-355793호와, 2000년 11월 30일 출원된 일본특허출원 제2000-366412호를 우선권 주장한 것으로서, 이들을 본원에 참조로서 인용한다.
오늘날, 자동차 배출가스 규제의 목적은 발암 물질이라 말하는 주로 탄소 및 질소를 포함하는 질소산화물(NOx)을 규제하기 위한 것이다.
디젤 차량으로부터 배출되는 배출가스는 다수의 탄소 미립자(소위 매연 또는 검은 연기)를 포함한다. 탄소 미립자가 배출 덕트를 통하여 공기로 배출될 때, 이들은 공기중에 오래동안 부유하게 되고, 최종적으로 집의 마루, 도로에 내려 않거나 검댕이로 의복에 부착된다. 최근의 의학 보고서에 따르면, 탄소 물질은 상당한 양의 다양한 물질을 흡수하며, 따라서, 발암에 관여하는 화학 물질은 부유하는 탄소 미립자에 달라 붙는다. 탄소 미립자는 인간에 의해 그 들의 몸으로 흡입되고 암을 유발하며 호흡계의 질병을 야기한다.
상기한 바와 같이, 디젤 차량으로부터 배출되는 질소 산화물(NOx)뿐만 아니라 미립자 입자(PM)를 방지하기 위한 연구는 매우 중요하다. 매연으로부터 환경이 오염되는 것을 방지하기 위하여, 매연을 포집하는 장치가 금속 섬유와 하니컴 요소로 구성된 매연 제거 필터가 마련되어 있는데, 이는 디젤 엔진 차량의 배출 덕트내에 설치한 것이다(일본 공개실용공보 소61-55114호 및 소61-84851호 참조). 그러나, 이러한 종류의 매연 제거 필터가 장시간 사용되었을 때, 상기 필터는 포집된매연의 미립자로 용이하게 막히게 되고, 이에 의해 압력 손실을 증가시키는 단점이 있다.
매연의 막힘을 해결하기 위한 수단으로서, 디젤 차량 미립자 제거 장치가 일본국특허공개공보 평2-173310호, 평6-212954호 및 평8-193509호에 제안되어 있다.
도 16에 도시된 바와 같이, 상기한 바와 같은 디젤 엔진 미립자 제거 장치는 배출 가스를 위한 유입구(1)와 배출구(2)를 가진 원통형 용기(3)을 가지며, 세라믹 히터(4)는 원통형 용기(3)내의 유입구측에 구비되고, 다공성 필터(5)는 세라믹 필터(4)의 후방에 인접하게 위치하며, 촉매 장착 필터(6)는 다공성 필터(5)의 후방에 인접하게 배열되어 있다.
상기한 바와 같은 디젤 엔진 미립자 제거 장치의 통상적인 구조에 따르면, 유입구(1)를 통하여 원통형 용기(3)내로 유입되는 배출 가스는 세라믹 히터(4)와 접촉되고 연소된다. 미연소 입자들은 포집된 미립자를 제거하기 위하여 다공성 필터(5)와 촉매 장착 필터(6)에 의해 포집된다. 이때, 세라믹 히터(4)와 배출 가스의 열에너지 또는 열은 다공성 필터(5)로 하여금 다공성 필터(5)내에 포집된 미연소 미립자의 연소를 행한다. 세라믹 히터(4)의 하류에 위치한 촉매 장착 필터(6)는 세라믹 히터(4)와 배출 가스로부터의 복사열을 덜 받으며, 이는 촉매 장착 필터(6)의 온도를 낮춘다. 촉매 장착 필터(6)내에 장착된 촉매는 포집된 미립자의 연소를 촉진하고, 이 때문에, 포집된 많은 미립자는 비교적 낮은 온도에서 연소되고 돌발적으로 연소되지 않으면서 제거되기 때문에 결과적으로 촉매 장착 필터(6)의 필터 시능을 회복하게 된다.
그러나, 디젤 엔진의 종래의 미립자 제거 장치에 따르면, 촉매 장착 필터(6)가 세라믹 히터(4)의 하류에 위치하기 때문에 촉매 장착 필터(6)의 온도는 상류측에는 높게 되고 하류측에는 낮게 되는 경향이 있다. 그 결과로, 약간의 미립자(미세한 미립자)가 미연소 상태로 남아 있게 되고, 촉매 장착 필터(6)는 미연소된 미립자에 의해 막히게 되며, 이에 의해 압력 손실이 증가하게 된다. 이러한 몇몇 경우에 있어서, 촉매 장착 필터(6)내에 포집된 다량의 미연소 미립자는 연소되고 촉매 장착 필터(6)를 손상시킨다.
촉매 장착 필터(6)내에 미연소 미립자가 남지 않도록 하기 위해서는, 미립자가 연소되도록 촉매 장착 필터(6)의 후방 단부 부분의 온도를 올리기 위하여 세라믹 히터(4)의 열 에너지 또는 열을 높이기 위한 수단이 제공된다. 그러나, 이러한 수단에서는 세라믹 히터(4)의 상류측의 온도는 규정 온도보다 휠씬 높은 온도로 상승한다. 이는 와이어의 파손을 초래하고 세라믹 필터(4)의 내구성을 열화시킨다. 상기한 바와 같은 종래의 장치에 의하면, 세라믹 필터(4)는 열발생을 제어하면서 사용하여야만 한다. 따라서, 촉매 장착 필터(6)의 하류에 위치한 단부 부분은 충분히 활성화되지 못하며, 미연소 미립자는 상기 부분내에 남게되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기에서 본 바와 같이, 저전력으로 촉매를 활성화시켜 미립자의 포집율 및 제거율을 증가시키고, 이에 의해 포집된 미립자를 연소제거하여 필터를 재사용할 수 있게 하는 디젤 미립자 제거 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 제 1 양태에 따라서, 디젤 미립자 제거 장치는:
디젤 배출 가스를 위한 유입구 및 배출구를 가진 원통형 용기와;
원통형 용기의 유입구에 배열된 절첩식 또는 롤 타입의 금속 발열체와;
디젤 배출 가스내에서 미립자를 포집, 연소 및 제거하기 위하여 금속 발열체의 후속단에 배열된 내열 필터를 구비하고,
금속 발열체는 포집된 미립자의 연소를 촉진하는 촉매로 둘러 싸여 있다.
상기 바람직한 실시예에서, 금속 발열체는 벨트형 금속을 적층하여 절첩 또는 소용돌이 형상으로 종축을 따라 벨트형 금속을 롤하여 구성되며, 상기 벨트형 금속은 거기에 형성된 다수의 관통 구멍을 가진다.
또 하나의 바람직한 실시예에서, 금속 발열체는 벨트형 금속을 적층하여 절첩 또는 소용돌이 형상으로 종축을 따라 벨트형 금속을 롤하여 구성되며, 상기 벨트형 금속은 종방향의 파형 형상과 거기에 형성된 다수의 관통 구멍을 가진다.
또 하나의 바람직한 실시예에서, 금속 발열체는 벨트형 금속을 적층하여 절첩 또는 소용돌이 형상으로 종축을 따라 벨트형 금속을 롤하여 구성되며, 상기 벨트형 금속은 고르지 않은 표면, 고르지 않은 후방 표면과 거기에 형성된 다수의 관통 구멍을 가진다.
또 하나의 바람직한 실시예에서, 금속 발열체는 벨트형 금속의 표면으로부터 외측으로 돌출된 단일 또는 복수의 제 1 돌기를 가진 다수의 관통 구멍과 벨트형 금속의 후방면으로부터 외측으로 돌출된 단일 또는 복수의 제 2 돌기를 가진 다수의 관통 구멍을 가진다.
또 하나의 바람직한 실시예에서, 금속 발열체는 제 1 관통 구멍의 외주의 일부분 또는 제 1 관통 구멍의 전체 외주에 벨트형 금속의 표면으로부터 외측으로 돌출된 단일 또는 복수의 측벽을 가진 다수의 제 1 관통 구멍과, 제 2 관통 구멍의 외주의 일부분 또는 제 2 관통 구멍의 전체 외주에 벨트형 금속의 표면으로부터 외측으로 돌출된 단일 또는 복수의 측벽을 가진 다수의 제 2 관통 구멍을 가진다.
또 하나의 바람직한 실시예에서,, 제 1 또는 제 2 돌기 또는 제 1 또는 제 2 측벽의 전체 또는 일 부분은 관통 구멍으로부터 외측으로 연장된 돌출 형상으로 형성되어 있다.
또 하나의 바람직한 실시예에서, 하나 이상의 관통 구멍과 관련된 여러 종류의 돌기와 측벽은 원통형 용기의 유입구를 통하여 금속 발열체내로 직접 들어오는 각각의 미립자를 방지하기 위한 구조를 가진다.
또 하나의 바람직한 실시예에서, 제 1 또는 제 2 관통 구멍은 천정부 또는 처마부를 가진다.
또 하나의 바람직한 실시예에서, 촉매는 α-알루미나, β-알루미나 및 г-알루미나 그룹중에서 선택된 하나 이상의 조성물로 주로 구성된다.
또 하나의 바람직한 실시예에서, 촉매는 α-알루미나, β-알루미나 및 г-알루미나 그룹중에서 선택된 68% 내지 78%의 하나 이상의 조성물로 구성된다.
또 하나의 바람직한 실시예에서, 촉매는 α-알루미나, β-알루미나 및 г-알루미나 그룹중에서 선택된 하나 이상의 조성물로 주로 구성되며, 또한 팔라듐, 로듐, 루데늄, 티타늄, 니켈, 철 및 코발트 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 구성된다.
또 하나의 바람직한 실시예에서, 촉매는 α-알루미나, β-알루미나 및 г-알루미나 그룹중에서 선택된 하나 이상의 조성물로 주로 구성되며, 루데늄을 포함하며, 또한 리튬 지르코네이트, 산화 티타늄 및 탄산 칼륨 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함한다.
또 하나의 바람직한 실시예에서, 내열 필터는 촉매를 가지지 않는 열 필터내에 구비된 금속 발열체와 동일한 구조를 가진다.
또 하나의 바람직한 실시예에서, 내열 필터는 내열 필터의 후속단에 배열된 촉매 장착 필터를 가진다.
또 하나의 바람직한 실시예에서, 촉매 장착 필터는 포집된 미립자의 연소를 촉진하도록 그곳에 장착된 촉매를 가지는 구형 필터를 가진다.
또 하나의 바람직한 실시예에서, 촉매 장착 필터는 세라믹 또는 알루미나를 포함하는 구형 필터이며 포집된 미립자의 연소를 촉진하도록 장착된 촉매를 가진다.
또 하나의 바람직한 실시예에서, 촉매 장착 필터는 촉매 장착 필터의 후속단에 배열된 금속 섬유를 가진다.
또 하나의 바람직한 실시예에서, 디젤 배출 가스를 위한 배출구는 유입구보다 큰 개구 면적을 가지도록 설정된다.
본 발명의 제 2 양태에 따라서, 디젤 미립자 제거 장치는 청구항 1 내지 18항중의 하나에 따른 디젤 미립자 제거 장치의 구조와 동일한 구조의 복수의 미립자 제거 장치 주 몸체를 포함하며, 주 몸체는 병렬로 배열된다.
상기 바람직한 실시예에 있어서, 디젤 배출 가스를 위한 N개(N은 2를 초과하는 자연수)의 배출구와 하나의 배출구를 가진 중공형 분기부와, 디젤 배출 가스를 위한 하나의 배출구와 유입구의 N개의 중공형 접합부와, 서로 연통되도록 중공형 접합부의 유입구와 중공형 분기부의 배출구 사이에 샌드위치된 N개의 미립자 제거 장치 주몸체를 포함한다.
하나의 바람직한 실시예에서, 중공형 분기부는 유입구로부터 유입되는 디젤 배출 가스가 확산 및 감속되도록 상기 부분내에 충돌판을 가진다.
하나의 바람직한 실시예에서, 중공형 접합부의 배출구는 중공형 분기부의 유입구보다 큰 개구 면적을 가지도록 설정된다.
또 하나의 바람직한 실시예에서, 본 장치는 서로 동일한 구조를 가지는 두개 또는 세개의 미립자 제거 장치 주몸체를 포함한다.
또 하나의 바람직한 실시예에서, 미립자 제거 장치의 N개의 각각의 금속 발열체는 온/오프 상태가 선택적으로 제어되도록 구성된다.
또 하나의 바람직한 실시예에서, 미립자 제거 장치의 N개가 차레로 각각 설치된 N개의 금속 발열체의 각각은 소정의 시간 간격으로 교대로 또는 연속적으로 온/오프 상태로 변경되도록 구성된다.
또 하나의 바람직한 실시예에서, 미립자 제거 장치의 N개의 주몸체는 각각 유입구와 배출구에 인접하게 상류측에 열 센서와 하류측에 열센서를 가지며, 대응하는 금속 발열체의 온/오프 상태는 상류측 열센서에 의해 감지된 상류측 온도와 하류측 열센서에 의해 감지된 하류측 온도 사이의 온도차에 기초하여 제어된다.
또 하나의 바람직한 실시예에서, 상류측 온도는 하류측 온도보다 높고 상류측 온도와 하류측 온도와의 온도차는 제 1 기준치에 기초하여 우선적으로 설정되고, 금속 발열체는 하류측 온도가 상류측 온도보다 높을 때 온되며, 상류측 온도와 하류측 온도와의 온도차는 제 2 기준치에 기초하여 우선적으로 설정되고, 금속 발열체는 연속적으로 오프된다.
또 하나의 바람직한 실시예에서, 본 장치가 서로 동일한 구조를 가진 개의 미립자 제거 장치의 주몸체를 포함한다.
미립자 제거 장치의 제 1 주몸체의 금속 발열체가 온상태 일 때, 미립자 제거 장치의 제 1 주몸체와 결합된 하류측 온도는 하류측 온도보다 높게 되고, 이들 두 온도사이의 온도차가 미리 설정된 제 2 기준치를 초과할 때, 금속 발열체는 오프되고, 미립자 제거 장치의 제 2 주몸체와 결합된 하류측 온도가 하류측 온도보다 높게 되고, 이들 두 온도사이의 온도차가 미리 설정된 제 1 기준치를 초과할 때, 금속 발열체는 오프되고,
여기에서 오프된 결과에 따라, 미립자 제거 장치의 제 2 주몸체와 결합된 하류측 온도가 상류측 온도보다 높아지고, 이들 두 온도와의 온도차가 미리 설정된 제 2 기준치를 초과할 때, 금속 발열체는 오프되며, 그 이후에, 온/오프 동작이 연속적으로 반복된다.
또 하나의 바람직한 실시예에서, 제 1 및/또는 제 2 기준치는 5℃ 내지 15℃ 범위이다.
또 하나의 바람직한 실시예에서, 각각의 미립자 제거 장치의 주몸체는 소정의 위치에 압력 센서를 가지며, 금속 발열체에 대응하는 온상태는 압력 센서의 감지 결과에 기초하여 제어된다.
또 하나의 바람직한 실시예에서, 각각의 미립자 제거 장치의 주몸체의 유입구는 그 곳에 설치된 절환 밸브를 가지며, 상기 밸브는 금속 발열체가 오프 상태에 있을 때 폐쇄되도록 제어된다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 2통형 디젤 미립자 제거 장치의 외관을 도시한 모식적인 단면도.
도 2는 2통형 디젤 미립자 제거 장치의 정면도.
도 3은 2통형 디젤 미립자 제거 장치의 촉매 장착 히터의 평면도.
도 4는 촉매 장착 히터를 구성하는 금속 히터의 확대도.
도 5는 본 발명의 수정예에 따른 촉매 장착 히터의 일부분을 도시한 부분적으로 확대된 도면.
도 6은 본 발명의 다른 수정예에 따른 촉매 장착 히터의 일부분을 도시한 부분적으로 확대된 도면.
도 7은 본 발명의 또 다른 수정예에 따른 촉매 장착 히터의 일부분을 도시한 부분적으로 확대된 도면.
도 8은 본 발명의 또 다른 수정예의 동작을 도시한 도면.
도 9는 제 1 실시예에 따른 동작 처리 단계를 도시한 흐름도.
도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 2통형 장치 구조의 외곽을 도시한 단면도.
도 11은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 3통형 디젤 미립자 제거 장치를 도시한 단면도.
도 12는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 3통형 디젤 미립자 제거 장치를 도시한 정면도.
도 13은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 3통형 디젤 미립자 제거 장치를 도시한 사시도.
도 14는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 3통형 디젤 미립자 제거 장치의 동작을 설명하는 흐름도.
도 15는 본 발명의 수정예를 도시한 도면.
도 16은 종래 기술을 설명하는 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
7 : 종공형 분기부7a, b : 배출구
8a, b: 유입구8 : 중공형 접합부
14a, b : 촉매 장착 히터15a, b: 내열 피터
18a : 금속 섬유 필터21a, b, c : 절환 밸브
본 발명을 실시하는 최량의 모드를 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
제 1 실시예
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 2용기형 디젤 미립자 제거 장치(이하에서 2용기형 장치라 한다)의 외형을 도시한 단면도이고; 도 2는 2용기형 장치의 정면도이고; 도 3은 2용기형 장치를 구성하는 촉매 장착 히터의 개략적인 정면도이며; 도 4는 촉매 장착 히터를 구성하는 금속 히터의 확대도이며; 도 6은 다른 실시예에 따른 촉매 장착 히터를 도시한 부분확대도이며; 도 7은 또 다른 하나의 실시예에 따른 촉매 장착 히터를 도시한 도면이며, 도 8은 본 실시예의 동작을 설명하는 도면이며; 도 9는 본 실시예의 동작 진행 단계를 도시한 설명도이다.
2용기형 장치는 디젤 차량에 장착 사용된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 2용기형 장치는 디젤 배출 가스를 위한 두개의 배출구(7a, 7b)와 하나의 유입구(7c)를 가지는 중공형 분기부(7)와, 디젤 배출 가스를 위한 하나의 배출구(8c)와 두개의 유입구(8a, 8b)를 가지는 중공형 접합부와, 중공형 접합부(8)의 유입구(8a, 8b)와중공형 분기부(7)의 배출구(7a, 7b)와 연통하는 동일한 구조의 장치의 두개의 주몸체(9a, 9b)를 구비한다. 충돌판(S)은 유입구(7c)로부터 고속으로 유입되는 디젤 배출 가스의 유속을 감소시키고 가스를 배출구(7a, 7b)내에서 균일하게 확산시키도록 중공 분기부(7)의 내부에 위치된다.
장치의 주몸체(9a)는 하기 순서로 배열된 롤형태의 3중층 포집 구조를 가지는 촉매 장착 히터(14a, 14b)와, 내열 필터(15a, 15b)와, 촉매 장착 구형 필터(16a, 16b)를 각각 구비한다.
이들 촉매 장착 히터(14a, 14b)와, 내열 필터(15a, 15b)와, 촉매 장착 구형 필터(16a, 16b)는 유입구(11a, 11b)와 디젤 배출 가스를 위한 배출구(12a, 12b)가 구비되어 있는 원통형 용기(13a, 13b)내에 내장된다.
촉매 장착 히터(14a, 14b)는 도 4에 도시된 바와 같이, 다수의 관통 구멍(h)을 가지는 벨트형 금속판(17)(종방향의 파형 형상)을 얻기 위하여 벨트형 금속판에 예를 들면, 가압기, 로울러 가압기를 적용하여 제조한다. 그런 다음에, 벨트형 금속판(17)은 도 3에 도시된 바와 같이, 소용돌이 형상으로 롤링되고 촉매는 예를 들면, 스프레이법 또는 디핑법에 의해 롤링된 판상에 코팅된다. 도 4에 확대 도시된 바와 같이, 벨트형 금속판(17)의 전체 주연 에지는 외주 에지의 표면으로부터 표면측의 외측으로 돌출된 제 1 외측벽(Wa)을 가지는 다수의 제 1 관통 구멍(ha)과 외주 에지의 후방 표면으로부터 후방측의 외측으로 돌출된 제 2 원형 측벽(Wb)을 가지는 제 2 관통 구멍(hb)을 가진다. 관통 구멍(h)을 구비한 이유는 벨트형 판(17)의 전기 저항을 증가시키기 위한 것과 전기 히터로 사용하기 위한 것이며 디젤 배출 미립자를 촉매 장착 히터(14a, 14b)의 방사 방향을 따라 이동가능하게 하고, 촉매 장착 히터(14a, 14b)와 미립자들의 충돌비율을 높이고 촉매 장착 히터(14a, 14b)내에서 미립자가 머무르는 시간을 연장하기 위한 것이다. 제 1 순환측벽(Wa)과 제 2 순환측벽(Wb)은 관통 구멍(h)의 접촉 면적이 감소하는 것을 보충하고, 촉매 장착 히터(14a, 14b)와 미립자가 충돌하는 비율을 높이고, 디젤 배출 미립자들은 미립자들이 머무르는 시간을 연장하기 위하여 직진하는 것을 방지하고, 그안으로 유입되는 배출 가스에 의해 촉매가 분리되는 것을 방지하도록 구비된다. 더욱이, 본 실시예에 있어서, 디젤 배출 미립자의 히터 충돌률을 증가시키기 위하여, 원통형 용기(13a, 13b)의 유입구(11a, 11b)로부터 촉매 장착 히터(14a, 14b)의 틈새로 유입되는 각각의 미립자는 하나 또는 복수의 관통 구멍(h)을 가진 측벽(Wa, Wb)에 의해 직진하는 것을 확실히 방해할 수 있다.
전체 외주상에 각각의 관통 구멍(h)을 가진 측벽(Wa, Wb)을 구비할 필요는 없다는 것을 알아야 한다. 단일 또는 복수의 측벽은 외주의 일부분에 각각의 관통 구멍을 구비할 수도 있다. 측벽이 촉매의 분리 방지 기능을 개선하기 위하여 주연으로부터 외측으로 연장된 돌출형으로 형성된다. 측벽(Wa, Wb) 위치에 있어서, 염주형 또는 껄쭈기 형상의 돌출부를 포함하는 돌기가 사용된다. 필요하다면, 이들 측벽(Wa, Wb)은 생략할 수도 있다. 이들 관통 구멍은 도 5에 도시된 바와 같이, 처마형 천정을 가진 관통 구멍(ha)으로 제조되고, 도 6에 도시된 바와 같이, 측면 개방형 천정(Ya, Yb)을 가진 관통 구멍(hb)으로 제조되고, 도 7에 도시된 바와 같이, 경사 천정(Sa, Sb)을 가진 관통 구멍(hc)으로 제조된다. 처마형 천정(Ca, Cb)과,측면 개방 천정(Ya, Yb)과 경사진 천정의 방향은 여러가지의 경우로 선택되고 결정되는 것이 바람직하다. 관통 구멍(h, ha, hb 및 hc)은 금속 판(17)상에 혼재하는 것이 바람직하다. 관통 구멍의 밀도는 임의로 선택된다.
벨트형 금속판(17)의 재료로는 스텐레스강과 알루미늄, 구리 및 니켈과 같은 다른 재료를 포함하는 것이 바람직하다. 촉매 기능의 안정성과 내구성의 견지에서, 바람직한 재료는 포집된 미립자를 연소시키고 촉매 기능을 촉진하는 재료가 바람직하고, 그 조성은 α-알루미나, β-알루미나 및 г-알루미나 그룹중에서 선택된 하나 이상의 조성물로 주로 구성된다. 더욱 바람직하게는 조성물의 68% 내지 78%를 포함하는 것이다. 상세하게는, α-알루미나, β-알루미나 및 г-알루미나 그룹중에서 선택된 하나 이상의 조성물을 포함하는 재료와, 팔라듐, 료듐, 루데늄, 티타늄, 니켈, 철 및 코발트 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 재료가 촉매의 반응도가 우수하고 반응열 발생치가 높기 때문에 적절하다. 더욱이, 벨트형 금속판(17)의 다른 하나의 양호한 재료는 α-알루미나, β-알루미나 및 г-알루미나 그룹중에서 선택된 하나 이상의 조성물을 포함하는 재료와, 많은 양의 반응열을 발생하기 때문에 적어도 하나의 리튬 지르코네이트, 산화 탄탈 또는 탄산 칼륨을 더 포함한다. 본 실시예에 있어서, α-알루미나 : 73%, 루데늄 : 18.0%, 리튬 지르코네이트 : 7.0%, 산화 티타늄 : 1.7%, 탄산 칼륨 : 0.3% 촉매가 사용된다.
내열 필터(15a, 15b)는 필터가 촉매를 가지지 않은 것을 제외하고 금속 발열체와 동일한 구조를 가진다. 이들 내열 필터(15a, 15b)는 절연체(도시 안됨)를 통하여 촉매 장착 히터(14a, 14b)의 후방에 위치하며, 이에 의해 디젤 배출 가스내의미립자를 포집하고, 그 들을 제거하기 위하여 연소된다.
촉매 장착 구형 필터(16a, 16b)는 포집된 미립자의 연소를 촉진하기 위한 촉매와 세라믹 또는 알루미나로 제조된 구형 필터를 가진다. 촉매 장착 구형 필터(16a, 16b)는 내열 필터(15a, 15b)의 후방에 위치하며 내열 필터(15a,15b)와 접촉한다.
다음으로, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 2용기형 장치의 전기적 구조를 간단히 설명한다.
촉매 장착 히터(14a, 14b)는 디젤 차량의 배터리에 의해 전기를 공급하도록 채용되어 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상류측 열센서(Ua, Ub)와 하류측 열센서(Da, Db)는 각 장치의 주몸체(9a, 9b)의 유입구(11a, 11b)와 배출구(12a, 12b)에 인접하게 설치된다. 하기에 설명된 바와 같이, 대응하는 촉매 장착 히터(14a 또는 14b)의 온/오프 상태는 상류측 열센서(Ua, Ub)에 의해 감지된 상류측 온도(Tu)와 하류측 열센서(Da, Db)에 의해 감지된 하류측 온도(Td) 사이의 온도차에 기초하여 결정된다. 즉, 상류측 온도(Tu)가 하류측 온도(Td)보다 높고, 온도차(Tu-Td)가 제 1 기준치(바람직하게는, 5 내지 15℃의 범위이며, 본 경우에는 5℃)를 초과할 때, 촉매 장착 히터(14a 또는 14b)는 오프 상태에서 온상태로 변경된다. 한편, 하류측의 온도(Td)가 상류측의 온도(Tu)보다 높고 온도차(Td-Tu)가 제 2 기준치(바람직하게는 5 내지 15℃의 범위이며, 본 경우에는 5℃이다)를 초과할 때, 촉매 장착 히터(14a, 14b)는 온상태에서 오프 상태로 변경된다. 본 실시예에 따라서, 원리적으로, 촉매장착 히터(14a 또는 14b)는 배터리 전력이기 때문에 온된다. 이 방법에 있어서, 히터는 교대로 온된다. 히터는 동시에 오프되도록 허용된다.
촉매 장착 히터(14a 또는 14b)가 오프 상태에 있을 때, 온도차(Tu-Td)는 제 1 기준치에 도달하고, 그 다음에 촉매 장착 히터(14a 또는 14b)는 온상태에서 오프 상태로 변경된다. 이러한 변경의 이유는 다음과 같다.
촉매 장착 히터(14a 또는 14b)가 오프 상태에 있을 때, 촉매 반응도는 낮고 열악하며, 이 때문에 많은 미연소 미립자가 발생된다. 그 결과, 하류측의 촉매 장착 구형 필터(16a 또는 16b)가 막히며, 이는 역압이 증가되게 하며, 이에 의해 엔진과 배출과 관련되는 시스템이 파손될 위험이 있다. 이러한 상황에서, 디젤 배출 가스 열을 우선적으로 받게 되는 상류에서의 온도는 하류측의 것보다 높게 된다. 온도차(Tu-Td)는 시간이 경과함에 따라 증가된다. 이러한 관점에서, 상류측 열센서(Ua, Ub)와 하류측 열센서(Da, Db)를 사용하여 감지된 온도차(Tu-Td)가 제 1 기준치를 초과할 때, 막힘이 하류측 촉매 장착 구형 필터(16a 또는 16b)내에서 전개된다는 것이 결정된다. 촉매 장착 히터(14a 또는 14b)는 촉매 장착 구형 필터(16a 또는 16b)내에 포집된 미연소 미립자를 연소시키고 제거 하기 위하여 오프 상태에서 온상태로 된다.
촉매 장착 히터(14a 또는 14b)가 온상태에 있을 경우에 있어서, 온도차(Td-Tu)는 제 2 기준치에 도달하고, 촉매 장착 히터(14a 또는 14b)는 온 상태로부터 오프상태로 전환된다. 이러한 전환의 이유에 대하여 다음에 설명한다.
촉매 장착 히터(14a 또는 14b)가 온상태에 있을 때, 히터는 촉매 반응열에의해 야기된 고온을 갖는 디젤 배출 가스를 받고 또한 촉매 장착 히터(14a)의 고온으로부터 복사열을 받는다. 이는 하류측이 상류측보다 높은 온도를 가지게 한다. 온도차(Td-Tu)는 시간의 경과에 따라 증가하는 경향을 가진다. 이러한 문제를 풀기 위하여, 상류측 열센서(Da, Db)와 하류측 열센서(Ua, Ub)를 사용하여 감지된 온도차(td-Tu)가 제 2 기준치를 초과할 때, 촉매가 너무 많이 활성화되었다고 결정한다.
그런 다음에, 촉매 장착 히터(14a 또는 14b)는 촉매 장착 히터(14a 또는 14b)가 열적으로 손상되는 것을 방지하기 위하여 온상태로부터 오프 상태로 전환된다.
상기 구조를 가지는 2용기형 장치를 갖는 디젤 차량에 따라서, 차가운 상태로 시동할 때, 제어부(도시안됨)는 하나의 장치의 주몸체, 예를 들면 장치의 주몸체(9a)내에 내장된 촉매 장착 히터(14a)만을 온시킨다. 이 때문에, 다른 촉매 장착 히터, 히터(14b), 내장되어 있는 다른 하나의 장치의 주몸체는 오프 상태(도 9의 단계(S1)를 참조)로 유지된다.
그 결과, 촉매 장착 히터(14a)는 가열되고 촉매는 활성화된다. 이러한 상태에 있어서, 디젤 배출 가스내에 포함되어 있는 미립자가 촉매 장착 히터(14a)와 접촉하고 히터내에 포집될 때, 미세한 미립자는 촉매의 반응에 의해 발생되는 열의 조력에 의해 연소되고 제거된다. 미립자가 제 1 및 제 2 측벽(Wa, Wb)과 촉매가 장착되어 있는 천정(Ca, Cb, Ya, Yb, Sa 및 Sb)과 충돌 할 때, 미립자는 연소되고 제거된다. 측벽(Wa, Wb)에 의해 접촉되나 포집되지 않은 미립자와 제 1 및 제 2천정(Ca, Cb, Ya, Yb, Sa 및 Sb)은 반사되고 관통 구멍을 통하여 틈새로부터 틈새로 이동된다. 이러한 이동은 미세한 미립자가 촉매 장착 히터(14a)와 접촉할 가능성 또는 변경 가능성을 증가 시켜 준다. 그 결과로서, 미립자의 접촉율은 종래의 장치에 비해 현저하게 증가되고 연소 가능성도 또한 증가된다. 다량의 미연소 미립자는 중단없이 촉매 장착 히터(14a)를 통하여 통과하고 이에 의해 감소된다. 그러나, 촉매 장착 히터(14a)를 통하여 통과하는 연소되어야 할 미연소 미립자는 일단 내열 필터(15a)에 의해 포집되고, 연소되고 제거된다. 이는 내열 필터(15a)가 고온의 촉매 장착 히터(14a)로부터의 복사열과 촉매 반응열에 의한 고온을 가지는 디젤 배출 가스를 받기 때문에 필터 장착 히터(14a)보다 고온을 가지게 한다. 아직, 내열 필터(15a)를 통하여 통과 또는 새는 미연소 미립자가 존재한다. 이러한 미연소 미립자가 뜨거운 디젤 배출 가스에 의해 활성화되는 촉매 장착 구형 필터(16a)와 접촉할 때, 이들은 연소되고 제거된다. 실시된 미립자 제거 성능은 80%의 미립자가 제거되는 것으로 나타났다.
온상태로 있는 촉매 장착 히터(14a)를 구비하는 장치의 주몸체(9a)에 관하여, 뜨거운 디젤 배출 가스에 노출되는 하류측은 상류측보다 높은 온도를 가지며, 온도차(Td-Tu)는 시간 경과에 따라 증가한다.
하류측 열센서(Da)와 상류측 열센서(Ua)에 의해 측정된 온도차(Td-Tu)가 5℃를 초과할 때, 제 2 기준치가 미리 설정되고(단계 S2), 제어부는 촉매 장착 히터(14a)를 오프하게 한다. 결과적으로, 촉매의 과도한 활성화가 방지되고 촉매 장착 히터(14a)의 구조적 부품과 다른 부품의 열적인 손상이 방지된다.
한편, 장치의 다른 하나의 주몸체(9b)내의 촉매 장착 히터(14a)는 오프 상태로 유지되고(단계 S1), 촉매는 그 활성화 온도에 이르는데 실패한다. 이러한 이유 때문에, 다량의 미연소 미립자는 하류측으로 유동되고 내열 필터(15b)와 촉매 장착 구형 필터(16b)내에 포집되도록 접촉된다. 이 때, 내열 필터(15b)와 촉매 장착 구형 필터(16b)의 온도는 미연소 미립자의 연소 연소보다 낮고, 이에 의해 포집된 미립자는 연소되지 않으며 제거되지 않는다. 그 결과, 내열 필터(15b)와 촉매 장착 구형 필터(16b)의 막힘 상태가 진전 또는 발전한다. 열적 관계를 설명하면, 디젤 배출 가스의 열을 처음으로 받는 상류측의 온도는 상기한 바와 같이 하류측보다 높으며, 온도차(Tu-Td)는 시간의 경과에 따라 증가한다. 상류측 열센서(Ub)와 하류측 열센서(Db)에 의해 측정되고 결정된 온도차가 제 1 기준치(단계 S4)를 초과할 때, 제어부는 하류측에서 촉매 장착 구형 필터(16b)내에서의 막힘이 진전되고 촉매 장착 히터(14b)의 오프 상태가 온상태(단계 S5)로 전환되는 것을 판단한다. 따라서, 촉매 장착 히터(14b)내의 촉매의 온도는 활성화쪽으로 도달되고, 이에 의해 촉매와 접촉하고 있는 미립자가 연소되고 디젤 배출 가스의 온도를 순간적으로 올리게 된다.
하류측은 뜨거운 디젤 배출 가스에 노출되고 가열되며, 촉매 장착 구형 필터(16b)내에 포집된 다수의 미연소 미립자들은 연소되고 제거된다. 그 결과, 엔진의 효율을 낮추는 역압이 상승하게 되고 배출 시스템에 야기되는 손상을 방지한다.
제어부는 단계 S6에서 장치의 주 몸체(9b)내의 상류측과 하류측의온도차(Td-Tu)를 모니터한다. 온 상태로 있는 촉매 장착 히터(14b)를 가진 장치의 주몸체내에서, 하류측은 상류측보다 높은 온도의 디젤 배출 가스에 더욱 노출되고, 이 때문에 온도차(Td-Tu)는 시간이 경과함에 따라 증가한다.
하류측 열센서(Db)와 상류측 열센서(Ub)에 의해 측정되고 결정된 온도차(Td-Tu)가 미리 설정된(단계 S6) 제 2 기준치(5 ℃)를 초과할 때, 촉매 장착 히터(14b)는 오프 상태(단계 S7)로 된다. 그러므로, 촉매의 과활성화와 촉매 장착 히터(14b)의 구조적 부품에 대한 열적 손상이 발생되는 것이 방지된다.
다음으로, 제어부는 단계 S8로 진행하고 장치의 주몸체(9a)내의 상류측 및 하류측 사이의 온도차(Tu-Td)를 다시 체크한다. 장치의 주몸체(9a)에 있어서, 촉매 장착 히터(14a)는 오프 상태(단계 S3)로 변경되며 촉매는 활성화 온도 이하보다 낮은 레벨로 냉각된다. 따라서, 다량의 미연소 미립자는 하류측으로 유동하고 내열 필터(15a)와 촉매 장착 구형 필터(16a)내에 포집되기 위하여 접촉된다. 그러나, 이러한 상태에 있어서, 이들 내열 필터(15a)와 촉매 장착 구형 필터(16a)는 디젤 배출 미립자의 연소 연소보다 낮으며, 이 때문에 포집되고 미연소된 미립자는 연소되지 않으며 제거되지 않고, 그 결과로 내열 필터(15a)와 촉매 장착 구형 필터(16a)의 막힘이 진전된다. 또한 상기한 바와 같이, 디젤 배출 가스에 처음부터 노출되는 상류측은 하류측보다 뜨겁게 되고, 이 때문에 온도차(Tu-Td)는 시간이 경과함에 따라 진전된다.
상류측 열센서(Ua)와 하류측 열센서(Da)에 의해 측정된 온도차(Tu-Td)가 제 1 기준치(단계 S8)를 초과할 때, 제어부는 하류측 촉매 장착 구형 필터(16a)와 다른 부분의 막힘의 진전을 판단하고, 촉매 장착 히터(14a)가 오프 상태로부터 온상태(단계 S9)로 변경되는 것을 판단한다. 그 결과로, 촉매 장착 히터(14a)내의 촉매의 온도는 다시 활성화에 이르고, 이에 의해 접촉 미립자가 연소되고 디젤 배출 가스의 온도가 순간적으로 상승한다. 하류측은 뜨거운 디젤 배출 가스에 노출되기 때문에 가열되며, 이 때문에 촉매 장착 구형 필터(16a)와 다른 부분에 포집된 다량의 미연소 미립자는 연소되고 제거된다. 그러므로, 엔진의 성능을 저하시키는 역압이 상승하며 배출 시스템에 대하여 야기되는 손상이 방지된다. 이하에서, 단계 S2로 되돌아 가서 상기 동작이 반복된다.
본 발명의 제 1 실시예에 따라서, 적절한 촉매가 사용되고 복잡한 형상의 표면 구멍을 구비한 촉매 장착 히터(14a, 14b)가 사용되며, 이는 미립자의 포집 또는 수집 비를 상승시키는 것을 가능하게 한다. 또한, 촉매 및 히터는 일체형 구조이며, 이 때문에 촉매의 온도를 변경시키는데 관하여 고속의 추종이 가능하고 장치에 필요한 전력을 낮춰서 배터리에 가해지는 부하를 낮출 수 있다. 환언하면, 저전력으로 촉매를 활성화시킬 수 있으며, 따라서 포집된 미립자를 확실하게 연소시킬 수 있으며 제거할 수 있다. 2용기 구조와 이들 촉매 장착 히터(14a, 14b)를 교대로 사용할 수 있기 때문에, 하나의 히터에 부과되는 부하를 가볍게 할 수 있으며 장치의 내구성을 상당히 개선 할 수 있다.
제 2 실시예
도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 2용기 장치의 구조의 윤곽을 도시한 단면도이다. 제 2 실시예의 2용기형 장치의 구조는 하기한 바와 같이 제 1 실시에의 것과 크게 다르다. 금속 섬유 필터(18a, 18b) 4단 포집 구조를 가진 장치를 구성하는 촉매 장착 구형 필터(16a, 16b)의 후방에 설치된다. 이러한 4단 구조를 가진 장치의 구조는 미세한 미립자를 제거하는 비율이 증가 또는 상당히 개선될 것으로 기대된다.
제 3 실시예
도 11은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 3용기형 디젤 미립자 제거 장치(이하에서 3용기형 장치라 한다)의 구조의 윤곽을 도시한 단면도이며; 도 12는 3용기형 장치의 정면도이며; 도 13은 3용기형 장치의 사시도이며; 도 14는 제 3 실시예의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
제 3 실시예와 제 2 실시예의 구조적 차이점은 하나의 용기, 장치의 주몸체(9c)가 3용기를 구성하기 위하여 장치의 주몸체(9a, 9b)에 부가된 것이다.
상기한 구조의 3용기 구조를 구비한 디젤 차량이 차가운 상태에서 시동될 때, 제어부는 장치의 주몸체(9a)내에 설치된 예를 들면, 촉매 장착 히터(14a)를 온상태로 전환한다. 장치의 주몸체(9a, 9c)내의 다른 촉매 장착 히터(14a, 14c)는 오프 상태(도 14의 단계 P1)를 유지한다. 그런 다음에, 촉매 장착 히터(14a)는 촉매를 활성화시키기 위하여 가열된다. 디젤 배출 가스내의 미립자는 촉매 장착 히터(14a)와 접촉하고 포집될 때, 그 들은 촉매의 반응에 의해 발생된 열의 조력으로 점화되고 연소되며, 제거된다. 미립자가 연소됨에 따라, 디젤 배출 가스는 적절히 가열되고, 이는 하류측에서 내열 필터(15a), 촉매 장착 구형 필터(16a)와 금속 섬유 필터(18a)를 각각 가열한다. 미립자가 촉매 장착 필터(14a), 내열 필터(15a),촉매 장착 구형 필터(16a), 금속 섬유 필터(18a)중의 하나와 접촉될 때, 미세한 미립자는 연소되고 제거된다. 그 결과, 미립자의 80%가 제거된다.
이와는 반대로, 온상태로 있는 촉매 장착 히터(14a)를 구비한 장치의 주몸체(9a)에 관하여, 고온의 디젤 배출 가스에 노출되어 있는 하류측은 상류측보다 더 고온으로 되며 온도차는 시간의 경과에 따라 더 크게 된다. 하류측 열센서(Da)와 상류측 열센서(Ua)에 의해 측정된 높은 온도차(Td-Tu)를 방지하기 위하여 미리 설정된(단계 P2) 5℃의 제 2 기준치보다 증가된다. 제어부는 촉매 장착 히터(14a)(단계 P3)를 온시킨다. 그러므로, 촉매의 과도한 활성화와 촉매 장착 히터(14a)와 다른 부품들의 구조적 손상의 발생이 방지된다.
다음으로, 제어부의 제어는 단계 P4로 진전되고 장치의 주몸체(9b)의 상류측과 하류측 사이의 온도차(Tu-Td)를 다시 모니터한다. 이 때, 장치의 주몸체((b)내의 촉매 장착 히터(14b)는 오프 상태(단계 P1)로 유지되고, 이 때문에 촉매의 온도는 활성화 온도보다 낮게 유지된다. 따라서, 다량의 미연소 미립자는 하류측으로 유동하고 내열 필터(15b), 촉매 장착 구형 필터(16b), 금속 섬유 필터(18b)내에 수집 또는 포집되도록 접촉된다. 그러나, 내열 필터(15b), 촉매 장착 구형 필터(16b), 금속 섬유 필터(18b)의 온도가 디젤 미립자를 연소시키는 온도보다 낮기 때문에 포집된 미연소 미립자는 연소되지 않으며 제거되지 않는다. 그 결과, 내열 필터(15b)와 촉매 장착 구형 필터(16b)내의 막힘이 진행된다. 열관계를 설명하면, 상기한 바와 같이, 상류측은 하류측보다 높은 수준으로 가열되도록 디젤 배출 가스의 열에너지를 처음으로 받으며, 온도차(Tu-Td)는 시간이 경과함에 따라 증가한다.
상류측 열센서(Ub)와 하류측 열센서(Db)에 의해 측정되고 결정된 온도차(Tu-Td)가 제 1 기준치(단계 P4)를 초과할 때, 제어부는 막힘 상태가 촉매 장착 구형 필터(16b)와 다른 부분에 진전되는 것을 결정하고 촉매 장착 히터(14ㅠ)의 오프 상태를 온상태(단계 P5)로 전환한다. 그러므로, 촉매 장착 히터(14b)내의 촉매는 미립자와 접촉하여 연소되는 활성화 온도에 이르고 디젤 배출 가스의 온도를 급격히 증가기킨다. 하류측은 뜨거운 디젤 배출 가스에 노출되고 그 온도가 상승하며, 그 결과로 촉매 장착 필터(16b)와 다른 부분내에 포집된 다량의 미연소 미립자를 연소 제거한다. 그 결과로, 엔진의 성능을 저하시키는 역압이 상승하는 것을 방지하며 배출 시스템이 손상되는 것을 방지한다.
단계 P6의 다음 단계에 있어서, 제어부는 장치의 주몸체(9b)내의 상류측 및 하류측 사이의 온도차(Td-Tu)의 감시를 유지한다. 상기한 바와 같이, 온상태로 있는 촉매 장착 히터(14b)를 가진 장치의 주몸체(9b)의 하류측은 하류측의 온도보다 더 뜨거운 온도의 디젤 배출 가스에 노출되며 이 때문에 온도차(Tu-Td)는 시간의 경과에 따라 진전된다. 하류측 열센서(Db)와 상류측 열센서(Ub)에 의해 측정되고 결정된 온도차(Tu-Td)가 미리 설정된 제 2 기준치 5℃를 초과할 때, 제어부는 촉매 장착 히터(14b)(단계 P7)를 오프한다. 그러므로, 촉매의 과도한 활성화 및 촉매 장착 히터(14b)와 다른 부분의 구조적 부품의 열적 손상이 발생되는 것이 방지된다.
다음 단계 P8에 있어서, 제어부는 장치의 주몸체(9c)내의 상류측과 하류측 사이의 온도차(Tu-Td)를 감사한다. 이 때, 장치의 주몸체(9c)내의 촉매 장착히터(14c)는 오프 상태(단계 P1)에 있으며, 그 때문에 촉매는 활성화 온도보다 낮은 온도로 유지된다. 그 결과, 다량의 미연소 미립자는 하류측으로 유동하며 그들과 접촉하며 디젤 미립자를 연소시키는 온도보다 낮은 온도를 가진 이러한 상태에서 내열 필터(15c), 촉매 장착 구형 필터(16c), 금속 섬유 필터(15c)에 의해 포집되고, 이 때문에 포집된 미연소 미립자는 연소되지 않으며 제거되지 않는다. 그 결과, 내열 필터(15c)와 촉매 장착 구형 필터(16c)의 막힘 상태가 진전된다. 열적 관게를 설명하면, 상기한 바와 같이, 뜨거운 디젤 배출 가스에 처음부터 노출되는 상류측의 온도는 하류측보다 높게 상승하고, 온도차(Tu-Td)는 시간의 경과에 따라 증가한다. 상류측 열센서(Uc)와 하류측 열센서(Dc)에 의해 측정되고 결정된 온도차(Tu-Td)가 제 1 기준치(단계 P8)를 초과할 때, 제어부는 하류측에서 촉매 장착 구형 필터(16ㅊ)와 다른 부분의 막힘 상태를 판단하고 촉매 장착 히터(14c)가 오프상태에서 온상태(단계 P9)로 전환한다. 결과적으로, 촉매 장착 히터(14c)내의 촉매의 온도는 활성화 상태에 도달하고, 접촉되는 미립자를 연소시키고 급격히 디젤 배출 가스의 온도가 상승한다. 하류측은 뜨거운 디젤 배출 가스에 노출되고 그 온도가 상승하며, 이 때문에 촉매 장착 구형 필터(16c)와 다른 부분에 수집된 다량의 미연소 미립자는 연소되고 제거된다. 이는 엔진 성능을 저하시키고 배출 시스템을 손상시키는 역압이 상승하기 전에 방지하는 것이 가능하다.
다음 단계 P10에 있어서, 제어부는 장치의 주몸체(9c)내의 상류측과 하류측 사이의 온도차(Td-Tu)의 감시를 계속한다. 그러면, 온상태로 있는 촉매 장착 히터(14c)를 구비한 장치의 주몸체내의 하류측은 상류측의 온도보다 높은 온도를가진 디젤 배출 가스에 노출되고, 온도차(Td-Tu)는 시간의 경과에 따라 증가한다. 하류측 열센서(Dc)와 상류측 열센서(Uc)에 의해 측정되고 결정된 온도차(Td-Tu)가 미리 설정된(단계 P10) 5℃의 제 2 기준치를 초과할 때, 제어부는 촉매 장착 히터(14c)는 오프 상태(단계 P11)로 전환된다. 그 결과, 촉매는 과도하게 활성화되지 않으며 촉매 장착 히터(14c)와 다른 부분의 열적 손상이 회피된다.
다음으로, 단계 P12로 진행하면, 제어부는 장치의 주요몸체(9a)내의 상류측과 하류측 사이에서의 온도차(Tu-Td)를 다시 감시한다. 장치의 주몸체(9a)내의 촉매 장착 히터(14a)는 오프상태(단계 P3)로 변경되고, 촉매는 활성화 온도 이하로 냉각된다. 그 결과로, 다량의 미연소 미립자는 하류측으로 유동하고, 내열 필터(15a)와 촉매 장착 구형 필터(16a)내에 포집된다. 그러나, 이 상황에서, 내열 필터(15a)와 촉매 장착 구형 필터(16a)는 디젤 미립자의 연소 온도보다 낮은 온도를 가지며, 이에 의해 포집된 미연소 미립자는 연소되지 않고 제거되지 않으며, 그 결과로 내열 필터(15a)와 촉매 장착 구형 필터(16a)의 막힘이 진전되게 된다. 또한, 이러한 상황에 있어서, 상기한 바와 같이, 디젤 배출 가스의 열에너지에 처음으로 노출되는 상류측은 하류측보다 높은 수준의 온도로 가열되고 온도차(Tu-Td)는 시간의 경과에 따라 증가된다.
상류측 열센서(Ua)와 하류측 열센서(Da)에 의해 측정되고 결정된 온도차(Tu-Td)가 제 1 기준치(단계 P12)를 초과할 때, 제어부는 하류측에서의 촉매 장착 구형 필터(16a)에서 막힘 상태가 진전되나를 판단하고 촉매 장착 히터(14a)의 오프상태를 온상태(단계 P13)로 변경하는 것을 판단한다. 그러므로, 촉매 장착 히터(14a)내의 촉매는 다시 그 활성화 온도에 이르고, 접촉된 미립자를 연소시키고 이에 의해 디젤 배출 가스의 온도를 급격히 올라가게 한다. 그런 다음에 하류측은 뜨거운 디젤 배출 가스에 노출되고, 이 때문에 촉매 장착 구형 필터(16a)와 다른 부분에 포집된 다량의 미연소 미립자가 연소되고 제거된다. 그 결과, 엔진의 성능을 저하시키는 역압의 상승을 방지하고 배출 시스템에 대한 손상의 야기를 방지한다. 그 후에, 단계 P2로 돌아가고 상기한 여러 단계를 반복한다.
상기한 바와 같이, 제 3 실시예에 따라서, 적절한 촉매가 사용되고 복잡한 구조의 촉매 장착 히터(14a, 14b, 14c)의 표면 구멍 형상이 사용되고, 이는 미립자의 포집비율을 향상시킨다. 촉매와 히터가 일체형 구조이기 때문에, 이는 촉매의 온도에 관한한 고속의 추종 속도를 달성할 수 있으며, 그러므로 사용될 전력과 배터리의 부하를 감소시키는 것이 가능하다. 즉, 촉매는 저전력으로 활성화되고, 이 때문에 필터가 재생되도록 포집된 미립자가 확실하게 연소되고 제거할 수 있다. 또한, 제 3 실시예의 장치는 촉매 장착 히터(14a, 14b, 14c)를 구성하는 3용기 구조를 가지며, 이들 히터들은 교대로 사용된다. 그 결과로, 하나의 용기에 대한 부담은 더욱 감소되고, 이에 의해 장치의 내구성이 상당히 개선된다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 영역과 기술사상을 벗어나지 않고 수정 및 변경을 할 수도 있다. 예를 들면, 금속 발열체는 가능한한 정확하게 원통형 용기에 포함되고, 압력의 부족이 엔진에 적용되는 역압에 영향을 미치지 않게 한다. 열발생 몸체의 형상은 롤형(도 3 참조)에 한정되지 않는다. 예를 들면, 절첩형을 사용할 수 있다. 더욱이, 상기 실시예에 있어서, 단일의 금속 발열체가 사용되나, 직렬 또는 병렬로 배열된 복수의 금속 발열체를 사용하는 것이 가능하다. 장치의 주몸체의 갯수는 2나 3에 한정되지 않는다. 4용기 이상의 것과, 단일 용기형이 사용될 수 있다.
상기한 실시예에 따라서, 배터리 용량에 관하여, 2용기형의 2개의 촉매 장착 히터가 교대로 온된다. 3용기형의 경우에 있어서, 3촉매 장착 히터는 차례로 연속적으로 온된다. 배터리가 충분한 전력을 가지고 있을 때, 촉매 장착 히터의 복수의 용기를 동시에 온할 수도 있다. 도 15에 도시된 바와 같이, 각 용기의 유입구의 절환 밸브(21a, 21b, 21c)를 구비함으로서, 유입구는 절환밸브로 폐쇄되고, 용기의 막힘 문제없이 높은 레벨로 해결 할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 디젤 미립자 제거 장치는 미립자의 포집율을 높은 수준으로 증가시킬 수 있으며, 촉매와 히터가 일체형 구조를 가지기 때문에 촉매의 온도를 신속히 높일 수 있고 촉매를 고속으로 제어할 수 있다. 또한, 배터리에 대한 부하를 감소시킬 수 있으며, 이 때문에 필요한 전력을 낮출 수 있다. 즉, 저전력으로 촉매를 활성화시킬 수 있으며, 따라서 포집된 미립자는 필터를 확실하게 재생되도록 높은 수준으로 연소시키고 제거할 수 있으며 장치의 수명을 상당히 연장시킬 수 있다.

Claims (32)

  1. 디젤 미립자 제거 장치에 있어서,
    디젤 배출 가스를 위한 유입구 및 배출구를 가지는 원통형 용기와;
    상기 원통형 용기내의 상기 유입구에 배열된 절첩형 또는 롤형의 금속 발열체와;
    상기 디젤 배출 가스내의 미립자를 포집하고, 연소 및 제거시키기 위하여 상기 금속 발열체의 후속단에 배열된 내열 필터를 구비하고,
    상기 금속 발열체는 상기 포집 미립자의 연소를 촉진하는 촉매로 덮혀 있는 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 제거 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 발열체는 벨트형 금속을 적층하여 절첩 또는 소용돌이 형상으로 종축을 따라 벨트형 롤 금속에 의해 구성하고, 상기 벨트형 금속은 거기에 형성된 다수의 관통 구멍을 가지는 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 제거 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 발열체는 벨트형 금속을 적층하여 절첩 또는 소용돌이 형상으로 종축을 따라 벨트형 롤 금속에 의해 구성되고, 상기 벨트형 금속은 거기에 형성된 다수의 종방향의 파형 형상의 관통 구멍을 가지는 것을 특징으로 하는 디젤 미립자제거 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 발열체는 벨트형 금속을 적층하여 절첩 또는 소용돌이 형상으로 종축을 따라 벨트형 롤 금속에 의해 구성되고, 상기 벨트형 금속은 고르지 않은 표면과, 고르지 않은 후방면과, 거기에 형성된 다수의 관통 구멍을 가지는 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 제거 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 발열체는 상기 벨트형 금속의 표면으로부터 외측으로 돌출한 단일 또는 복수의 제 1 돌기를 가진 다수의 관통 구멍과 상기 벨트형 금속의 후방면으로부터 외측으로 돌출하는 단일 또는 복수의 제 2 돌기를 가진 다수의 제 2 관통 구멍을 가지는 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 제거 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 발열체는 상기 제 1 관통 구멍의 외주의 일부분 또는 상기 제 1 관통 구멍의 전체 외주에서 상기 벨트형 금속 표면으로부터 외측으로 돌출되도록 배열된 단일 또는 복수의 제 1 측벽을 가진 다수의 제 1 관통 구멍과, 상기 제 2 관통 구멍의 외주의 일부분 또는 상기 제 2 관통 구멍의 전체 외주에서 상기 벨트형 금속 표면으로부터 외측으로 돌출되도록 배열된 단일 또는 복수의 제 2 측벽을가진 다수의 제 2 관통 구멍을 가지는 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 제거 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 또는 제 2 측벽의 일부분 또는 전체 또는 상기 제 1 또는 제 2 돌기는 사이의 관통 구멍으로부터 외측으로 연장된 돌출형으로 형성된 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 제거 장치.
  8. 제 2 항에 있어서,
    하나 이상의 상기 관통 구멍과 관련된 여러가지 종류의 상기 돌기 및 상기 측벽은 상기 원통형 용기의 상기 유입구를 통하여 상기 금속 발열체내로 각각의 상기 미립자가 바로 들어오는 것을 방지하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 제거 장치.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 또는 제 2 관통 구멍은 천정부 또는 처마부를 가지는 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 제거 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매는 α-알루미나, β-알루미나 및 г-알루미나 그룹중에서 선택된 하나 이상의 조성물로 주로 구성된 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 제거 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 촉매는 α-알루미나, β-알루미나 및 г-알루미나 그룹중에서 선택된 하나 이상의 조성물을 68% 내지 78% 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 제거 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 촉매는 α-알루미나, β-알루미나 및 г-알루미나 그룹중에서 선택된 하나 이상의 조성물로 주로 구성되고, 팔라듐, 로듐, 루데늄, 티타늄, 니켈, 철, 및 코발트로 구성된 그룹중에서 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 제거 장치.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 촉매는 α-알루미나, β-알루미나 및 г-알루미나 그룹중에서 선택된 하나 이상의 조성물로 주로 구성되고, 리튬 지르코네이트, 산화 티타늄, 탄산 칼륨으로 구성된 그룹중에서 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 제거 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 내열 필터는 촉매가 떨어지지 않도록 상기 내열 필터를 구비한 상기 금속 발열체와 동일한 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 제거 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 내열 필터는 내열 필터의 후속단에 배열된 촉매 장착 필터를 가지는 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 제거 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 촉매 장착 필터는 상기 포집된 미립자의 연소를 촉진하기 위하여 장착된 촉매를 가지는 구형 필터인 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 제거 장치.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 촉매 장착 필터는 상기 포집된 미립자의 연소를 촉진하기 위하여 장착된 촉매를 가지며 세라믹 또는 알루미나를 구비한 구형 필터인 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 제거 장치.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 촉매 장착 필터는 상기 촉매 장착 필터의 후속단에 배열된 금속 섬유를 가지는 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 제거 장치.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 디젤 배출 가스를 위한 상기 배출구는 상기 유입구보다 큰 면적의 개구를 가지도록 설정되는 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 제거 장치.
  20. 제 1 항에 따른 상기 디젤 미립자 제거 장치와 동일한 구조의 복수의 미립자 제거 장치 주몸체를 구비한 디젤 미립자 제거 장치에 있어서,
    상기 주몸체가 병렬로 배열된 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 제거 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    디젤 배출 가스를 위한 N개(N은 2이상의 자연수)의 배출구와 하나의 유입구를 가진 중공형 분기부와, 디젤 배출 가스를 위한 하나의 배출구와 N개의 유입구를 가지는 중공형 접합부를 더 구비하며, N개의 상기 미립자 제거 장치의 주몸체는 서로 연통하도록 상기 중공형 접합부의 유입구와 상기 중공형 분기부의 배출구 사이에 샌드위치되어 있는 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 제거 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 중공형 분기부는 상기 유입구로부터 도입되는 상기 디젤 배출 가스의 속도를 감속시키고 분산시키는데 도움이 되도록 상기 부분내에 충돌판을 가지는 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 제거 장치.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 중공형 접합부의 배출구는 상기 중공형 분기부의 상기 유입구보다 큰 개구 면적을 가지도록 설정되는 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 제거 장치.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 장치는 서로 동일한 구조를 가지는 2 또는 3개의 상기 미립자 제거 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 제거 장치.
  25. 제 20 항에 있어서,
    N개의 상기 미립자 제거 장치 주몸체내의 상기 각각의 금속 열발생 장치는 온상태/오프 상태를 선택적으로 제어할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 제거 장치.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 N개의 미립자 제거 장치의 주몸체에 차례로 설치되는 각각 상기 N개의 금속 발열체는 소정의 시간 간격으로 교번적으로 온상태/오프상태로 절환되도록 구성된 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 제거 장치.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 N개의 각각의 미립자 제거 장치의 주몸체는 각각 상기 유입구와 상기 배출구에 인접하게 배열된 상류측 열센서와 하류측 열센서를 가지며, 온상태/오프상태의 대응하는 상기 금속의 열발생 몸체는 상기 상류측 열센서에 의해 측정된 상류측 온도와 하류측 열센서에 의해 측정된 하류측 온도와의 온도차에 기초하여 제어되는 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 제거 장치.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 상류측 온도가 상기 하류측 온도보다 높고 상기 상류측 온도와 상기 하류측 온도와의 사이에서 온도차가 미리 설정된 제 1 기준치보다 높을 때 상기 금속 발열체가 온되고, 상기 하류측 온도가 상기 상류측 온도보다 높고 상기 하류측 온도와 상기 상류측 온도와의 사이에서 온도차가 미리 설정된 제 2 기준치보다 높을 때 상기 금속 발열체가 오프되는 것을 반복하는 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 제거 장치.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 장치는 N개의 서로 동일한 구조를 가진 상기 미립자 제거 장치를 포함하고,
    상기 미립자 제거 장치의 제 1 주몸체의 상기 금속 발열체가 온상태로 있을 때, 상기 미립자 제거 장치의 제 1 주몸체와 관련된 상기 하류측의 온도가 상기 상류측 온도보다 높아지고, 이들 두 온도사이의 온도차가 미리 설정된 제 2 기준치를 초과할 때, 상기 금속 발열체는 오프되고, 상기 미립자 제거 장치의 상기 제 2 주몸체와 관련된 상기 상류측 온도가 상기 하류측 온도보다 높게 될 때와, 이들 두온도사이의 온도차가 미리 설정된 상기 제 1 기준치를 초과할 때, 상기 금속 발열체가 온되고,
    온된 상태의 결과로서, 미립자 제거 장치의 상기 제 2 주몸체와 결합된 상기 하류측 온도가 상기 상류측 온도보다 높게 될 때와, 이들 두 온도사이의 온도차가 미리 설정된 제 2 기준치를 초과할 때, 상기 금속 발열체가 오프되고, 그 후에 상기 온/오프 동작이 연속적으로 반복되는 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 제거 장치.
  30. 제 28 항에 있어서,
    상기 제 1 및/또는 제 2 기준치는 5 내지 15 ℃ 범위인 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 제거 장치.
  31. 제 25 항에 있어서,
    상기 각각의 미립자 제거 장치의 주몸체는 소정의 위치에 압력 센서를 가지며, 상기 금속 발열체의 온상태에 대응하여 상기 압력 센서의 감지 결과에 기초하여 제어되는 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 제거 장치.
  32. 제 25 항에 있어서,
    상기 각각의 미립자 제거 장치의 주몸체의 상기 유입구내에는 그곳에 설치된 절환 밸브를 가지며, 상기 밸브는 상기 금속 발열체가 오프 상태에 있을 때 폐쇄되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 제거 장치.
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