KR20040032900A - 배기가스 정화장치 - Google Patents

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KR20040032900A
KR20040032900A KR10-2004-7001977A KR20047001977A KR20040032900A KR 20040032900 A KR20040032900 A KR 20040032900A KR 20047001977 A KR20047001977 A KR 20047001977A KR 20040032900 A KR20040032900 A KR 20040032900A
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도요타지도샤가부시키가이샤
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Abstract

배기가스내의 미립자를 포획하기 위한 미립자 필터(22)가 제공된다. 미립자 필터(22)는 통로(50, 51)를 형성하는 분할 벽(54)을 포함한다. 분할 벽(54)은 다공재로 제조된다. 인접한 분할 벽(54)의 단부들은 서로 가까이 접근하여 분할 벽(54)에 의해 형성된 각각의 통로를 좁아지게 하며, 통로 단부영역에서의 유로의 단면적이 통로의 나머지 영역에서의 유로의 단면적 보다 작게 되도록 제조된다. 미립자 필터(22)는 이 미립자 필터(22)의 단부면에서부터 분할 벽(54)의 상단부들을 지나 연장하는 연장부(55)를 가진다.

Description

배기가스 정화장치{Exhaust gas purifying apparatus}
내연기관에서 배출되는 배기가스내의 미립자들을 포획하기 위한 미립자 필터는 국제 출원 JP-T-8-508199호의 공개된 일본어 번역문에 기재되어 있다. 이 미립자 필터에서, 벌집형 구조체는 다공재(porous material)로 제조된다. 상기 벌집형 구조체내의 다수의 통로(이하 '필터 통로'라고 함) 중에서, 몇개의 필터 통로들은 그 상류단이 플러그로 폐쇄되며, 한편 나머지 필터 통로들은 그 하류단에서 플러그로 폐쇄되므로, 미립자 필터내로 흐르는 배기가스가 항상, 필터 통로들을 형성하는 벽(이하 '필터 분할 벽(filter partitioning wall)"이라 함)들을 실수없이 통과한 다음에 미립자 필터로부터 유출된다.
이 미립자 필터에서, 배기가스가 항상 필터 분할 벽들을 실수없이 통과한 다음에 미립자 필터로부터 유출되기 때문에, 그 미립자 포획율(particulate collection rate)이, 배기가스가 미립자 필터의 분할 벽들을 통과하지 않고 필터통로들만을 통과하는 미립자 필터에서의 미립자 포획율 보다 더 크다.
상술한 특허 공보에 기재된 미립자 필터에서, 필터 통로들은 필터 분할 벽들의 단부들을 함께 조합한 다음에 이들 단부들을 서로 연결함으로써 폐쇄된다. 이러한 구조의 결과, 필터 통로들의 배기가스 유입구들은 깔때기 모양으로 형성된다. 필터 통로들의 배기가스 유입구들이 상술한 방법에 따라 깔때기 모양으로 형성되어 있는 구조에 따라, 배기가스는 난류를 일으키지 않고 필터 통로들내로 원활하게 유입된다. 다시 말하면, 배기가스가 필터 통로들내로 유입될 때, 배기가스는 결코 난류를 일으키지 않는다. 이 때문에, 상기 특허공보에 기재된 미립자 필터에서의 압력손실이 낮다.
한편, 상술한 미립자 필터에서, 조합된 분할 벽들의 상단부는 매우 뾰족하게 되어 있다. 따라서, 예를 들어, 내연기관의 배기통로에 미립자 필터를 설치하도록 미립자 필터를 취급할 때, 조합된 분할 벽들이 내연기관의 부품 등과 접촉하게 되면 조합된 분할 벽들의 상단부는 파손된다.
본 발명은 배기가스 정화장치-다음의 배기가스 정화장치-에 관한 것으로서, 특히 배기가스 정화장치의 구성품으로서 미립자 필터의 구조에 관한 것이다.
본 발명의 상기 관점 및 다른 관점들과, 특징 및 장점들은 첨부도면을 참고하여 양호한 실시예의 아래 설명에서 명백히 나타날 것이다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 미립자 필터를 도시하는 도면.
도 2a 및 2b는 본 발명의 미립자 필터의 일부를 도시하는 도면.
도 3a 및 3b는 본 발명의 관련 기술인 미립자 필터를 도시하는 도면.
도 4a 및 4b는 벌집형 구조체를 도시하는 도면.
도 5a 및 5b는 금형을 도시하는 도면.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 미립자 필터를 도시하는 도면.
도 7a 및 7b는 미립자의 산화 작용을 도시하는 도면.
도 8a, 8b 및 8c는 미립자의 퇴적 작용을 도시하는 도면.
도 9는 산화 및 제거 가능한 미립자량과 미립자 필터의 온도와의 관계를 도시하는 도면.
본 발명의 목적은 미립자 필터를 취급하는 동안에 서로 밀접하게 접근한 분할 벽들의 상단부들과 미립자 필터가 손상되는 것을 방지할 수 있는 구조를 제공하는데 있다.
본 발명의 제1 관점에 의한 배기가스 정화장치는 배기가스내의 미립자를 포획하는 미립자 필터를 구비하고, 상기 미립자 필터가 통로를 형성하는 분할 벽들을포함한다. 분할 벽들은 다공재로 제조되며, 분할 벽들의 단부들은, 분할 벽들의 단부에 의해 형성된 유로(flow path)의 단면적이, 분할 벽들의 나머지 부분에 의해 형성된 유로의 단면적 보다 작게 되도록 서로 조합된다. 또한, 미립자 필터는 미립자 필터의 단부면으로부터 분할 벽들의 상단부들을 지나 연장하는 연장부(extended portion)를 가진다. 상기 연장부는 여러 장소, 예를 들어 외주벽들(outer peripheral walls) 뿐만 아니라 선택된 분할 벽들에 설치될 수 있다.
미립자 필터의 단부면으로부터 분할 벽들의 상단부들을 지나 연장하는 연장부가 본 발명의 제1 관점에 의한 미립자 필터에 제공되어 있는 제1 관점에 따라, 함께 조합된 분할 벽들의 상단부들은 미립자 필터가 취급되는 동안에 손상되지 않는다.
또한, 상술한 제1 관점에서, 연장부는 분할 벽들의 상단부들을 지나 연장하는 미립자 필터의 외주벽의 일부분이 될 수 있다.
더구나, 분할 벽들의 상단부들을 지나 연장하는 외주벽의 일부분은 분할 벽들의 상단부들을 둘러싸는 방법으로 연장하도록 구성될 수 있다.
또한, 분할 벽들의 상단부들을 지나 연장하는 외주벽의 부분은 예를 들어 두께를 증가시킴으로써 강화된 강도를 가질 수 있다.
상술한 제1 관점에서, 미립자들을 산화시킬 수 있는 산화물질은 분할 벽들에 지지되어 있을 수 있다.
상술한 제1 관점에서, 분할 벽들의 단부들은 함께 조합될 수 있고, 분할 벽들의 상단부들은 통로의 단부면을 폐쇄하도록 서로 연결될 수 있다.
이하에서 본 발명의 실시예들을 도면을 참고하여 설명하기로 한다. 도 1a는 미립자 필터의 단부 도면이고, 도 1b는 도 1a의 미립자 필터의 선 ⅠB - ⅠB를 취한 단면을 도시하는 도면이다. 도 1a 및 1b에 도시한 바와 같이, 미립자 필터(22)는 벌집형 구조를 가지며, 서로 평행하게 연장하는 다수의 배기 유로(50, 51)를 구비한다. 이 배기 유로들은 테이퍼진 벽(이하, '하류 테이퍼진 벽(downstreamtapered wall)'이라 함)(52)으로 폐쇄된 하류측 단부를 각각 갖는 배기가스 유입로(50)와, 테이퍼진 벽(이하, '상류 테이퍼진 벽(upstream tapered wall)'이라 함)(53)으로 폐쇄된 상류측 단부를 각각 갖는 배기가스 유출로(51)로서 구성된다. 즉, 몇개의 배기 유로들인 배기 유로(50)들은 그 하류측 단부에서 하류 테이퍼진 벽(52)에 의해 폐쇄되며, 반면에 나머지 배기 유로(51)들은 그 상류측 단부에서 상류 테이퍼진 벽(53)들에 의해 폐쇄된다.
아래에서 상세히 설명하겠지만, 하류 테이퍼진 벽(52)은 미립자 필터(22)의 배기가스 유입로(50)를 형성하는 분할 벽들의 하류측 단부 분할 벽들을 조합하여 서로 연결함으로써 형성된다. 한편, 상류 테이퍼진 벽(53)은 미립자 필터(22)의 배기가스 유출로(51)를 형성하는 분할 벽들의 상류측 단부 분할 벽들을 조합하여 서로 연결함으로써 형성된다.
이 실시예에서, 배기가스 유입로(50) 및 배기가스 유출로(51)는 얇은 분할 벽(54)을 거쳐 교대로 배치된다. 다시 말하면, 배기가스 유입로(50) 및 배기가스 유출로(51)는, 배기가스 유입로(50) 각각이 4개의 배기가스 유출로(51)로 둘러싸이며 배기가스 유출로(51) 각각이 4개의 배기가스 유입로(50)로 둘러싸이도록 하는 방법으로 배치된다. 즉, 인접한 두개의 배기 유로중에서 하나의 배기 유로(50)가 그 하류측 단부에서 하류 테이퍼진 벽(52)에 의해 완전히 폐쇄되는 반면에, 다른 배기 유로(51)가 그 상류측 단부에서 상류 테이퍼진 벽(53)에 의해 완전히 폐쇄된다.
미립자 필터(22)는 코디어라이트(cordierite)와 같은 다공재로 제조된다. 따라서, 배기가스 유입로(50)내로 흘러 들어간 배기가스는 도 1b에 화살표로 도시된 바와 같이 둘러싼 분할 벽(54)들을 통과한 다음에 인접한 배기가스 유출로(51)내로 흐른다. 당연히, 테이퍼진 벽(52, 53)이 분할 벽(54)과 동일한 종류의 재료로 제조되기 때문에, 배기가스는 도 2a에 화살표로 도시된 바와 같이 상류 테이퍼진 벽(53)을 통과하여 흐른 다음에 배기가스 유출로(51)내로 흐르며, 또한 도 2b에 화살표로 도시된 바와 같이 하류 테이퍼진 벽(52)을 통해 유출된다.
한편, 상류 테이퍼진 벽(53)은, 배기가스 유출로(51)의 유로 단면적이 점차로 감소되도록 상류측을 향해 좁아지는 스퀘어콘(square cone) 모양으로 형성된다. 따라서, 4개의 상류 테이퍼진 벽(53)에 의해 둘러싸임으로써 형성되는 배기가스 유입로(50)의 상류측 단부는, 배기가스 유입로(50)의 유로 단면적이 점차로 증가되도록 상류측을 향하여 넓어지는 스퀘어콘 모양으로 형성된다. 이러한 구조에 따라, 배기가스는 배기가스 유입로의 유입구멍이 도 3a에 도시된 바와 같이 구성되는 경우에 비하여 더욱 용이하게 미립자 필터내로 흐른다.
즉, 도 3a에 도시된 미립자 필터에서, 배기가스 유출로의 상류측 단부는 플러그(72)로서 폐쇄되어 있다. 이 경우에, 배기가스의 일부가 도면부호 73으로 도시된 바와 같이 플러그(72)에 충돌하기 때문에, 배기가스가 배기가스 유입로내로 흐르기가 어렵다. 이러한 이유 때문에, 미립자 필터의 압력 손실이 커지게 된다. 또한, 플러그(72) 근방에서부터 배기가스 유입로내로 흐르는 배기가스는 도면부호 74로 도시된 바와 같이 입구 근방에서 난류로 변한다. 이것은 배기가스가 배기가스 유입로내로 흐르는 것을 어렵게 만든다. 그 결과, 미립자 필터의 압력 손실이 커지게 된다.
다른 한편, 본 발명의 미립자 필터(22)에서는 도 2a에 도시된 바와 같이, 배기가스가 난류로 변하지 않고 배기가스 유입로(50)내로 흘러갈 수 있다. 이러한 구조 때문에, 본 발명에 의해 배기가스가 미립자 필터(22)내로 용이하게 흐른다. 따라서, 미립자 필터(22)의 압력 손실이 낮다.
더구나, 도 3에 도시된 미립자 필터에서, 배기가스내의 다량의 미립자량은 플러그(72)의 상류측 단부면과 그 근방의 분할 벽들의 표면에 퇴적되는 경향이 있다. 이것은 배기가스가 플러그(72)에 충돌하여 그 플러그(72) 근방에서 난류로 변하기 때문이다. 대조적으로, 본 발명의 미립자 필터(22)에서는 상류 테이퍼진 벽(53)이 스퀘어콘 모양으로 형성되어 있기 때문에, 배기가스가 강하게 충돌하는 상류측 단부면이 없으며 또한 배기가스가 상류측 단부면의 근방에서 난류로 변하지 않는다. 따라서, 본 발명에 의하여, 다량의 미립자가 미립자 필터(22)의 상류측 단부 영역에 퇴적되지 않으며, 그 결과 미립자 필터(22)의 압력 손실의 증가를 억제하게 된다.
다른 한편, 하류 테이퍼진 벽(52)은, 배기가스 유입로(50)의 유로 단면적이 점차로 감소하도록 하류측을 향해 좁아지는 스퀘어콘 모양으로 형성된다. 따라서, 4개의 하류 테이퍼진 벽(52)으로 둘러싸임으로써 형성되는 배기가스 유출로(51)의 하류측 단부는, 배기가스 유출로(51)의 유로 단면적이 점차로 증가되도록 하류측을 향해 넓어지는 스퀘어콘 모양으로 형성된다. 이러한 구조에 의해, 배기가스는 배기가스 유출로의 유출구멍이 도 3b에 도시된 바와 같이 구성되어 있는 경우에 비하여더욱 용이하게 미립자 필터에서부터 흘러나간다.
즉, 도 3b에 도시된 미립자 필터에서, 배기가스 유입로의 하류측 단부는 플러그(70)로 폐쇄되며, 배기가스 유출로는 그 유출구멍까지 일직선으로 연장한다. 이 경우에, 배기가스 유출로의 유출구멍에서 배출되는 배기가스의 일부는 플러그(70)의 하류측 단부면을 따라 흐르며, 그 결과 난류(71)가 배기가스 유출로의 유출구멍 근방에서 발생된다. 난류가 전술한 바와 같이 발생되면 배기가스가 배기가스 유출로에서 배출되기가 어렵다.
한편, 본 발명의 미립자 필터에서는 도 2b에 도시된 바와 같이, 배기가스가 난류로 변하지 않고 배기가스 유출로(51)의 단부의 유출구멍을 통해 배출될 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하여, 배기가스는 비교적 용이하게 미립자 필터에서 유출된다. 이에 따라, 이러한 구조 때문에 미립자 필터(22)의 압력 손실이 낮아진다.
테이퍼진 벽(52, 53)은 미립자 필터(22)의 외면을 향해 점차로 좁아지는 형상이면 스퀘어콘 대신에, 어떤 다른 형상으로도 될 수 있는데, 예를 들어 둥근 콘으로 될 수 있다.
그런데, 테이퍼진 벽(52, 53)은 전술한 바와 같이 스퀘어콘으로 형성되어 있기 때문에, 그 벽들의 상단부는 매우 뾰족하다. 이러한 구조에서, 상기 상단부들은, 예를 들어 미립자 필터(22)를 내연기관에 설치하기 위해 미립자 필터(22)를 취급하는 도중에 다른 물체와 접촉할 때 파손되기가 쉽다.
따라서, 본 발명의 미립자 필터(22)에서, 그 외주벽(56)은 미립자 필터(22)의 축방향 즉, 미립자 필터내에서의 배기가스의 흐름 방향에서 테이퍼진 벽(52,53)의 상단부들에 의해 형성된 단부면을 지나 연장하도록 형성된다. 다시 말하면, 본 발명의 미립자 필터(22)는 테이퍼진 벽(52, 53)의 상단부들에 의해 형성된 단부면 즉, 미립자 필터(22)의 단부면을 지나 연장하는 외주벽(56)의 부분들(55)(이하 '연장부'라고 함)을 구비한다. 외주벽(56)의 연장부(55)는 테이퍼진 벽(52, 53)의 상단부들을 둘러싸도록 연장된다.
이 구조에 의하여, 미립자 필터(22)를 취급할 때 어떤 물체와 접촉하는 것은 외주벽(56)의 연장부(55)이다. 따라서, 테이퍼진 벽(52, 53)의 상단부들은 어떤 물체와도 접촉하지 않으며, 따라서 손상으로부터 보호된다.
또한, 본 발명의 미립자 필터(22)는 강도가 적어도 외주벽(56)의 연장부(55)에서 크도록 구성된다. 이 실시예에서, 예를 들어 강도는 연장부(55)의 두께, 양호하게는 전체적으로 외주벽(56)의 두께를 분할 벽(54)의 두께 보다 크도록 제조함으로써 강화된다. 이러한 구조 때문에, 미립자 필터(22)를 취급하는 중에 다른 물체와 접촉하더라도, 외주벽(56)의 연장부(55)는 손상으로부터 보호된다. 또한, 본 발명에서, 외주벽의 일부는 테이퍼진 벽(52, 53)의 상단부가 손상되는 것을 방지하는 수단으로서 사용된다. 따라서, 상기 손상 방지수단은, 그러한 손상 방지수단이 미립자 필터에 추가로 장착되는 경우에 비하여 용이하게 제조될 수 있고, 또 그 구조가 단순하게 된다.
이 실시예에서, 미립자 필터(22)의 단부면을 지나 연장하는 외주벽(56)의 부분들(55)은 미립자 필터(22)의 전체 주변을 거쳐 연장된다. 그러나, 본 발명의 목적은 미립자 필터(22)이 각각의 외주벽(56) 중 몇개가 미립자 필터(22)의 단부면을지나 연장한다면 달성될 수 있다. 더구나, 본 발명의 목적을 달성하기 위해서는 미립자 필터가 적어도 그 단부면을 지나 연장하는 부분을 가지는 것으로 충분하다.
한편, 미립자 필터(22)는 그 성능면에서, 압력 손실이 잠재적으로 낮아지며 미립자 필터(22)가 사용되는 동안에 잠재적인 성취값(potentially achievable value)에서 벗어나지 않도록 구성되는 것이 중요하다.
환언하면, 내연기관이 예를 들어 미립자 필터를 구비할 때, 내연기관의 조작 제어는 미립자 필터의 잠재적 압력 손실을 고려하여 설계된다. 이 때문에, 미립자 필터가 압력 손실이 낮아지도록 구성되더라도, 압력 손실이 미립자 필터를 사용하는 도중에 잠재적 성취 값에서 벗어날 때, 내연기관의 성능은 대체로 낮아진다.
따라서, 본 발명에 의하여, 전술한 바와 같이 미립자 필터(22)내의 배기 유로의 상류측 단부 영역을 형성하는 분할 벽들은 테이퍼진 벽으로 제조된다. 이러한 구조는 배기가스가 배기 유로내로 흐를 때 난류로 변하는 것을 방지하며, 따라서 미립자 필터(22)의 압력 손실을 잠재적으로 낮춘다.
또한, 전술한 바와 같이, 미립자 필터(22)의 배기 유로의 상류측 단부 영역을 형성하는 분할 벽들은 테이퍼진 벽으로 제조되며, 이것은 미립자가 테이퍼진 벽의 표면에 퇴적되지 않게 한다. 환언하면, 이것은 배기 유로로 흐르는 배기가스가 미립자 필터(22)의 사용중에 테이퍼진 벽들의 표면에 미립자의 퇴적으로 인하여 초래되는 난류로 변하는 것을 방지한다. 이러한 구조 때문에, 본 발명에 의하여 미립자 필터를 사용하는 동안 높은 압력 손실을 초래하였던 잠재적 성취값에서의 압력 손실의 이탈이 억제된다.
그런데, 전술한 바와 같이, 미립자는 미립자 필터(22)가 사용하는 동안에 상류 테이퍼진 벽(53)에 용이하게 퇴적되지 않는다. 그러나, 미립자가 상류 테이퍼진 벽(53)에 퇴적될 가능성이 있는 경우가 있다. 그런 경우에는, 미립자 필터가 사용되는 동안에 미립자 필터(22)의 압력 손실이 커지게 된다.
따라서, 본 발명에서, 미립자를 산화 및 제거 가능한 산화물질이 상류 테이퍼진 벽(53)에 유지되므로, 상류 테이퍼진 벽(53)에 퇴적된 미립자가 산화 및 제거된다. 이러한 구조에 따라, 상류 테이퍼진 벽(53)에 의해 포획된 미립자가 연속적으로 산화 및 제거되므로, 다량의 미립자가 상류 테이퍼진 벽(53)에 결코 퇴적되지 않는다. 따라서, 미립자 필터(22)의 압력 손실은 미립자 필터가 사용되는 동안에 낮은 값으로 유지된다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 의하여, 미립자 필터(22)의 압력 손실을 잠재적으로 낮추기 위하여 다공재로 제조된 상류 테이퍼진 벽(53)으로 배기가스 유출로(51)가 폐쇄되어 있는 구조에서 발생하는 특별한 문제, 즉 미립자 필터가 사용되고 있는 동안에 미립자 필터의 압력 손실이 성취 값에서 벗어나는 문제가 회피될 수 있다.
이 실시예에서, 산화물질은 전체적으로 미립자 필터(22)상에, 즉 상류 테이퍼진 벽(53) 뿐만아니라 분할 벽(54) 및 하류 테이퍼진 벽(52)상에 유지된다. 게다가, 산화물질은 상류 테이퍼진 벽(53), 하류 테이퍼진 벽(52) 및 분할 벽(54)의 각각의 벽면 뿐만 아니라 그들 내부의 미공성(microporous) 벽들에 유지된다. 덧붙여, 이 실시예에서, 상류 테이퍼진 벽(53)에 유지되어야 할 단위체적당 산화물질의양은 분할 벽(54) 및 하류 테이퍼진 벽(52)에 유지되어야 할 단위체적당 산화물질의 양 보다 크다.
다음에, 미립자 필터의 제조방법을 간략히 설명하기로 한다. 도 4a는 원통형 벌집형 구조체를 도시하고, 도 4b는 선 ⅣB - ⅣB를 취한 벌집형 구조체의 단면을 도시한다. 먼저, 도 4에 도시된 바와 같은 원통형 벌집형 구조체(80)는 코디어라이트 등과 같은 다공재로부터 압출성형된다. 벌집형 구조체(80)는 각각 정사각형 단면을 갖는 다수의 배기 유로를 구비한다. 이 벌집형 구조체중 몇개는 미립자 필터(22)의 배기가스 유입로(50)로서 사용되는 반면에, 나머지 배기 유로는 미립자 필터(22)의 배기가스 유출로(51)로서 사용된다. 또한, 벌집형 구조체(80)의 외주벽들은 연장부(55)를 제공하도록 그 양단부에서 벌집형 구조체(80)의 단부면을 지나 연장한다.
다음에, 도 5에 도시된 금형(90)이 벌집형 구조체(80)이 단부면에 가압된다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 금형(90)은 각각 스퀘어콘의 형상을 갖는 다수의 돌출부(91)를 구비한다. 금형(90)은 돌출부(91)가 각각 예정된 배기 유로내에 삽입되도록 벌집형 구조체(80)의 각 단부면에 가압된다. 이 때, 예정된 배기 유로들을 형성하는 분할 벽들 즉, 분할 벽(54)들은 함께 조합되어 테이퍼진 벽들을 형성하게 된다. 예정된 배기 유로들은 테이퍼진 벽들에 의해 완전히 폐쇄된다.
다음에, 벌집형 구조체가 건조되며, 이어서 구워진다(baked). 그 후에 산화물질이 벌집형 구조체에 유지된다. 이러한 단계들의 결과로서 미립자 필터가 형성된다.
전술한 바와 같이, 미립자 필터(22)는 그 단부에서, 미립자 필터(22)의 분할 벽(54)과 동일한 다공재로 제조된 테이퍼진 벽들(52, 53)에 의해 폐쇄된다. 따라서, 금형(90)을 벌집형 구조체의 단부면에 가압하는 전술한 바와 같은 가장 간단한 방법으로서 미립자 필터(22)의 배기 유로들(50, 51)이 분할 벽(54)과 동일한 재료에 의해 폐쇄될 수 있다.
여기서, 금형(90)을 벌집형 구조체(80)의 단부면에 가압하는 단계는 벌집형 구조체가 건조된 후에 실시될 수 있다. 대안으로서, 벌집형 구조체(80)를 구운 후에, 벌집형 구조체(80)의 단부들이 연화되며, 다음에 금형(90)을 연화된 단부들에 가압할 수 있다. 그 후에 이 경우에는 벌집형 구조체(80)의 단부들이 다시 구워진다.
상기 실시예에서는 테이퍼진 벽들(52, 53)의 상단부들이 완전 폐쇄되어 있는 미립자 필터에 본 발명이 적용되는 경우를 설명하였다. 하지만, 또한 본 발명은, 테이퍼진 벽들(52, 53)중 몇개의 상단부들이 예를 들어 전술한 실시예에서 달성한 것과 동일한 효과를 달성하기 위해 도 6에 도시된 바와 같은 작은 구멍(57, 58)들을 구비하고 있는 미립자 필터에도 적용될 수 있다. 특히, 본 발명은, 미립자 필터가 각각의 배기 유로의 단면적이 단부를 향해 점차로 감소되도록 하는 방법으로 배기 유로의 단부에 테이퍼진 벽들을 구비하며 이에 의해 전술한 실시예에 대하여 설명된 것과 동일한 효과를 달성하는 한 어떤 미립자 필터에도 적용될 수 있다. 여기서, 각각의 구멍(57, 58)의 크기는 테이퍼진 벽들(52, 53)을 구성하는 다공재의 각각의 미세구멍의 직경 보다 크다.
다음에, 미립자 필터(22)에 유지된 산화물질을 상세히 설명한다. 이 실시예에서, 예를 들어 알루미나로 제조된 캐리어층이 각각의 배기가스 유입로(50) 및 각각의 배기가스 유출로(51)의 주변 벽면들에 즉, 각각의 분할 벽(54)들의 양측면과 테이퍼진 벽들(52, 53)의 양측면들에 전체적으로 형성된다. 이 캐리어상에 귀금속 촉매 및 활성산소 방출제가 유지되어 있으며, 상기 활성산소 방출제는 주위환경에 과다 산소가 존재할 때 산소를 포획하여 보유하며 주위환경의 산소 농도가 낮을 때에 보유한 산소를 활성산소의 형태로 방출한다. 이 실시예의 산화물질은 활성산소 방출제이다.
이 실시예에서, 백금(Pt)이 귀금속 촉매로서 사용된다. 활성산소 방출제로서는, 칼륨(K), 나트륨(Na), 리튬(Li), 세슘(Cs), 루비듐(Rb) 등과 같은 알칼리 금속; 바륨(Ba), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr) 등과 같은 알칼리 토류 금속; 란탄(La), 이트륨(Y), 세륨(Ce) 등과 같은 희토류 원소; 철(Fe)과 같은 천이금속; 및 주석(Sn)과 같은 탄소족 원소 중에서 선택된 적어도 하나가 사용된다.
활성산소 방출제로서, 칼슘(Ca)에 비하여 이온화 경향이 더 높은 알칼리 금속 또는 알칼리 토류 금속, 즉 칼륨(K), 리튬(Li), 세슘(Cs), 루비듐(Rb), 바륨(Ba), 및 스트론튬(Sr)을 사용하는 것이 바람직하다.
다음에, 미립자 필터(22)에 의해 배기가스내의 미립자들을 제거하는 작용을 백금(Pt) 및 칼륨(K)이 캐리어에 유지되어 있는 경우를 예로 들어 설명한다. 하지만, 다른 귀금속, 알칼리 금속, 알칼리 토류 금속, 희토류 원소 또는 천이금속이 사용되어도 동일한 미립자 제거작용이 달성될 수 있다.
예를 들어, 미립자 필터(22)내로 흐르는 배기가스가 과다한 공기 상태하에서 연료가 연소되는 압축점화식 내연기관으로부터 방출된 가스라고 가정하여 설명하기로 한다. 이 가정에서, 미립자 필터(22)내로 흐르는 배기가스는 과다 공기를 다량으로 포함한다. 특히, 흡기통로와 연소실(5)로 공급되는 공기와 연료의 비를 배기가스의 공연비로서 정의하면, 배기가스의 공연비는 압축점화식 내연기관에서는 희박(lean)하다. 또한, 압축점화식 내연기관의 연소실에서는 질산화물 NO이 발생되기 때문에, 배기가스에 질산화물 NO이 포함된다. 더구나, 연료는 황 성분(S)을 포함하고, 이 황 성분(S)은 산소와 반응하여 연소실에서 이산화황(SO2)을 생성한다. 따라서, 배기가스는 이산화황(SO2)을 포함한다. 이 때문에, 과다 산소, 질산화물 NO 및 이산화황 SO2을 함유하는 배기가스가 미립자 필터(22)의 배기가스 유입로(50)내로 흐르게 된다.
도 7a 및 7b는 각각의 배기가스 유입로(50)의 내주면에 형성된 캐리어층의 표면의 확대도를 개략적으로 도시한다. 도 7a 및 7b에서, 도면부호 60은 백금(Pt)의 입자들을 나타내고, 부호 61은 칼륨(K)을 함유하는 활성산소 방출제를 나타낸다.
배기가스는 전술한 바와 같이 다량의 과다 산소를 함유한다. 따라서, 배기가스가 미립자 필터(22)의 배기가스 유입로(50)내로 흐를 때, 산소(O2)가 도 7a에 도시된 바와 같이, O2 -또는 O2-의 형태로 백금의 표면에 부착된다. 한편, 배기가스내의 질산화물(NO)은 백금의 표면에 있는 O2 -또는 O2-와 반응하여 이산화질소 NO2를 생성한다(2NO + O2-> 2NO2). 다음에, 이렇게 생성된 이산화질소의 일부가 백금에서 산화되는 동안 활성산소 방출제(61)에 의해 흡장되며, 도 7a에 도시된 바와 같이 질산이온(NO3 -)의 형태로 활성산소 방출제(61)내에 분산되며 칼륨(K)과 결합하여 질산칼륨(KNO3)을 생성하게 된다.
다른 한편, 배기가스가 또한 전술한 바와 같이 이산화황(SO2)을 함유한다. 상기 이산화황(SO2)도 역시 질산화물(NO)을 흡장하는 것과 동일한 메카니즘에 의해 활성산소 방출제(61)에 의해 흡장된다. 특히, 산소(O2)가 전술한 바와 같이, O2 -또는 O2-의 형태로 백금의 표면에 부착되며, 배기가스내의 이산화황(SO2)이 백금의 표면에 있는 O2 -또는 O2-와 반응하여 삼산화물(SO3)을 생성하게 된다. 다음에, 이렇게 생성된 삼산화물(SO3)의 일부가 활성산소 방출제(61)에 의해 흡장되며 백금 표면에서 더욱 산화되고, 황산이온(SO4 2-)의 형태로 활성산소 방출제(61)내에서 분산되며 칼륨(K)과 결합하여 황산칼륨(K2SO4)을 생성한다. 이러한 방법으로, 질산칼륨(KNO3) 및 황산칼륨(K2SO4)이 활성산소 방출제(61)에서 생성된다.
한편, 주로 탄소(C)로 구성된 미립자들이 연소실(5)에서 생성된다. 따라서, 배기가스는 이러한 미립자들을 함유한다. 도 7b에서 도면부호 72로 도시된 바와 같이 배기가스내에 함유된 상기 미립자들은, 배기가스가 미립자 필터(22)의 배기가스 유입로(50)내로 흐를 때 또는 배기가스가 배기가스 유입로(50)에서 나와 배기가스 유출로(51)로 흐를 때, 캐리어층의 표면, 예를 들어 활성산소 방출제(61)의 표면에 접촉하여 부착된다.
미립자(62)가 전술한 바와 같이 활성산소 방출제(61)의 표면에 부착될 때, 산소 농도는 미립자(62)와 활성산소 방출제(61) 사이의 접촉면에서 낮아진다. 산소 농도가 낮아질 때, 산소 농도가 높은 활성산소 방출제(61)의 내측면과 상기 접촉면 사이에 농도차가 발생된다. 따라서, 활성산소 방출제(61)내의 산소는 미립자(62)와 활성산소 방출제(61) 사이의 접촉면을 향하여 이동하려고 한다. 그 결과, 활성산소 방출제(61)에서 형성된 질산칼륨(KNO3)은 칼륨(K), 산소(O), 및 질산화물(NO)로 분해되며, 산소(O)가 미립자(62)와 활성산소 방출제(61) 사이의 접촉면을 향해 이동하며, 반면에 질산화물(NO)은 활성산소 방출제(61)에서 외부로 방출된다. 외부로 방출된 질산화물(NO)은 하류측의 백금에서 산화되며, 다음에 활성산소 방출제(61)에 의해 다시 흡장된다.
또한, 이때, 활성산소 방출제(61)에서 형성된 황산칼륨(K2SO4)도 역시 칼륨(K), 산소(O), 및 이산화황(SO2)으로 분해되며, 산소(O)가 미립자(62)와 활성산소 방출제(61) 사이의 접촉면을 향해 이동하며, 반면에 이산화황(SO2)은 활성산소방출제(61)에서 외부로 방출된다. 외부로 방출된 이산화황(SO2)은 하류측의 백금에서 산화되며, 다음에 활성산소 방출제(61)에 의해 다시 흡장된다. 하지만, 황산칼륨(K2SO4)이 안정적이어서 용이하게 분해될 수 없기 때문에, 황산칼륨(K2SO4)이 질산칼륨(KNO3)에 비하여 활성산소를 방출하기가 어렵다.
전술한 바와 같이, 활성산소 방출제(61)가 질산이온(NO3 -)의 형태로 NOx을 흡장할 때에도 산소와의 반응과정에서 활성산소를 생성하여 방출한다. 유사하게, 전술한 바와 같이, 활성산소 방출제(61)가 황산이온(SO4 2-)의 형태로 이산화황(SO2)을 흡장할 때에도 산소와의 반응과정에서 활성산소를 생성하여 방출한다.
한편, 미립자(62)와 활성산소 방출제(61) 사이의 접촉면을 향해 이동하는 산소(O)는 질산칼륨(KNO3) 및 황산칼륨(K2SO4)과 같은 화합물로부터 분해된 산소이다. 화합물로부터 분해된 산소는 높은 에너지를 가지며 매우 높은 활성 상태를 가진다 따라서, 미립자(62)와 활성산소 방출제(61) 사이의 접촉면을 향해 이동하는 산소는 활성산소(O)의 상태에 있다. 유사하게, NOx와 활성산소 방출제(61)의 산소 사이의 반응과정, 또는 이산화황(SO2)과 산소 사이의 반응과정에서 생성된 산소도 역시 활성산소의 상태에 있다. 활성산소(O)가 미립자(62)와 접촉할 때, 미립자(62)는 밝은 화염을 발생하지 않고 단기간에(수 초 내지 수십 분 사이에) 산화되어 미립자(62)가 완전히 사라진다. 따라서, 미립자(62)가 거의 미립자 필터(22)에 퇴적되지 않는다.
종래 경우에서는, 미립자 필터(22)상에 다층 상태(multilayered state)로 퇴적된 미립자들이 연소될 때, 미립자 필터(22)는 적열(red heat)을 일으키고 미립자가 화염에 의해 연소된다. 화염을 동반한 그러한 연소는 고온에서만 계속될 수 있다. 따라서, 전술한 바와 같이 화염을 동반한 연소를 계속하기 위해서 미립자 필터(22)는 고온으로 유지되어야 한다.
이와 대조적으로 본 발명에서는, 미립자(62)가 전술한 밝은 화염을 일으키지 않고 산화되며, 이때 미립자 필터(22)가 그 표면에서 적열을 일으키지 않는다. 환언하면, 본 발명에서는 미립자(62)가 종래 경우에 비하여 상당히 낮은 온도에서 산화 및 제거된다. 따라서, 본 발명에 의하여 밝은 화염을 발생하지 않고 미립자(62)를 산화시킴으로써 미립자를 제거하는 작용은 종래의 화염을 동반한 미립자 제거작용과는 전혀 다르다.
한편, 백금(Pt) 및 활성산소 방출제(61)는 미립자 필터(22)의 온도가 상승함에 따라 활성화된다. 따라서, 밝은 화염을 발생시키지 않고 미립자 필터(22)에서 단위시간당 산화 및 제거될 수 있는 산화 및 제거 가능한 미립자의 양은 미립자 필터(22)의 온도가 상승함에 따라 증가된다.
도 9의 실선은 밝은 화염을 발생시키지 않고 단위시간당 산화 및 제거될 수 있는 산화 및 제거 가능한 미립자의 양 G를 도시한다. 도 9에서, 수평축은 미립자 필터(22)의 온도 TF를 가리킨다. 미립자 필터(22)내로 흐르는 단위시간당 미립자량을 유입 미립자량 M으로 정의하면, 이 유입 미립자량 M이 산화 및 제거가능한 미립자량 G 보다 작은 경우에 즉, 유입 미립자량 M이 도 9에서 영역 Ⅰ이내로 떨어지는 경우, 미립자 필터(22)내로 흘러들어간 모든 미립자가 미립자 필터(22)에 접촉할 때, 상기 미립자들은 밝은 화염을 발생시키지 않고 미립자 필터(22)에서 단기간에(수 초 내지 수십 분내에) 산화 및 제거된다.
이와 대조적으로, 유입 미립자량 M이 산화 및 제거가능한 미립자량 G 보다 큰 경우에 즉, 유입 미립자량 M이 도 9에서 영역 Ⅱ이내로 떨어지는 경우, 활성산소량은 모든 미립자들을 산화시키기에는 충분하지 않다. 그런 경우의 미립자의 산화 상태가 도 8a, 8b, 및 8c에 도시되어 있다. 활성산소량이 모든 미립자들을 산화시키기에 충분하지 않은 경우에, 미립자(62)가 도 8a에 도시된 바와 같이 활성산소 방출제(61)에 부착될 때, 미립자(62)의 일부만이 산화되며, 충분히 산화되지 않은 나머지 미립자들은 캐리어층에 남아있다. 활성산소량이 불충분한 상태로 계속되면, 산화되지 않은 미립자들은 캐리어층에 차례로 퇴적된다. 그 결과, 캐리어층의 표면은 도 8b에 도시된 바와 같이 나머지 미립자(63)들로 덮인다.
캐리어층의 표면이 나머지 미립자(63)들로 덮이면, 백금(Pt)에 의한 질산화물(NO) 및 이산화황(SO2)의 산화작용 및 활성산소 방출제(61)에 의한 활성산소 방출작용이 실행되지 않는다. 따라서, 나머지 미립자(63)들이 산화되지 않은 채로 남아있게 된다. 따라서, 다른 미립자(64)가 도 8c에 도시된 바와 같이 나머지 미립자(63)에 차례대로 퇴적된다. 즉, 미립자가 다층 상태로 퇴적된다.
미립자가 전술한 바와 같이 다층 상태로 퇴적될 때, 미립자(64)가 더이상 활성산소(O)에 의해 산화되지 않는다. 따라서, 다른 미립자들이 미립자(64)가 차례로 퇴적된다. 즉, 유입 미립자량 M이 산화 및 제거가능한 미립자량 G 보다 큰 상태가 계속되면, 미립자가 미립자 필터(22)에 다층상태로 퇴적된다. 따라서, 퇴적된 미립자는 배기가스의 온도 또는 미립자 필터(22)의 온도가 고온으로 증가하지 않는 한 발화되어 연소될 수 없다.
전술한 바와 같이, 미립자는 도 9의 영역 Ⅰ에서 미립자 필터(22)에 밝은 화염을 발생시키지 않고 단기간에 산화되는 반면에, 미립자가 도 9의 영역 Ⅱ에서 미립자 필터(22)에 다층상태로 퇴적된다. 따라서, 미립자가 미립자 필터(22)에 다층상태로 퇴적되는 것을 회피하기 위해서, 유입 미립자량 M이 산화 및 제거가능한 미립자량 G 보다 계속 작게 되어야 한다.
도 9에서 이해되듯이, 본 발명의 이 실시예에 사용된 미립자 필터(22)에 의하면, 미립자는 미립자 필터(22)의 온도 TF가 현저히 낮을지라도 산화될 수 없다. 따라서, 유입 미립자량 M 및 미립자 필터(22)의 온도 TF는 유입 미립자량 M이 산화 및 제거가능한 미립자량 G 보다 계속 작게 되도록 유지된다.
만일 전술한 바와 같이 유입 미립자량 M이 산화 및 제거가능한 미립자량 G 보다 계속 작게 되면, 미립자는 미립자 필터(22)에 거의 퇴적되지 않으며, 따라서 배압 증가가 거의 없다.
한편, 미립자가 전술한 바와 같이 미립자 필터(22)에 다층상태로 퇴적되면, 유입 미립자량 M이 산화 및 제거가능한 미립자량 G 보다 작게 되어도 미립자를 활성산소(O)에 의해 산화시키기가 어렵다. 그러나, 산화되지 않은 미립자가 남아있기시작하는 상태에서 즉 퇴적된 미립자량이 일정 한계내에 있는 상태에서 유입 미립자량 M이 산화 및 제거가능한 미립자량 G 보다 작게 되면, 남아있는 미립자는 밝은 화염을 발생시키지 않고 활성산소(O)에 의해 산화 및 제거된다.
여하튼, 미립자 필터(22)가 내연기관의 배기통로에 배치되어 사용되는 경우를 고려하여, 연료 또는 윤활유는 칼슘(Ca)을 함유하며, 따라서 배기가스는 칼슘(Ca)을 함유한다. 이 칼슘(Ca)은 삼산화물(SO3)이 있으면 황산칼슘(CaSO4)을 생성한다. 이렇게 생성된 황산칼슘(CaSO4)은 그룹의 형태로 있으며 고온에서도 열적 분해되지 않는다. 따라서, 황산칼슘(CaSO4)이 생성되면 이 황산칼슘(CaSO4)이 미립자 필터(22)의 미세구멍을 막는다. 그 결과, 배기가스가 미립자 필터(22)를 통해 흘러가기가 어렵다.
이 경우, 칼슘(Ca)에 비해 이온화 경향이 큰 칼륨(K)과 같은 알칼리 금속 또는 알칼리 토류 금속이 활성산소 방출제(61)로서 사용되면, 활성산소 방출제(61)내에 분산되어 있는 삼산화물(SO3)이 칼륨(K)과 결합하여 황산칼륨(KaSO4)을 형성하게 된다. 따라서, 칼슘(Ca)이 삼산화물(SO3)과 결합하지 않고 미립자 필터(22)의 분할 벽(54)을 통과하여 배기가스 유출로(51)로 흐른다. 따라서, 미립자 필터(22)의 미세구멍이 막히지 않는다. 결과적으로, 전술한 바와 같이, 활성산소 방출제(61)로서, 칼슘(Ca)에 비해 이온화 경향이 큰 알칼리 금속 또는 알칼리 토류 금속 즉, 칼륨(K), 리튬(Li), 세슘(Cs), 루비듐(Rb), 바륨(Ba), 및 스트론튬(Sr)을 사용하는것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 백금(Pt)과 같은 귀금속만이 미립자 필터(22)의 양측면에 형성된 캐리어층에 유지되어 있는 경우에도 적용될 수 있다. 그러나, 이 경우에 산화 및 제거가능한 미립자량 G를 가리키는 도 9의 실선이 현재의 실선 보다 약간 오른쪽으로 이동한다. 이 경우에 활성산소가 백금(Pt)의 표면에 유지된 이산화질소(NO2) 또는 삼산화물(SO3)에서 해리된다.
덧붙여, 활성산소 방출제(61)로서, 이산화질소(NO2) 또는 삼산화물(SO3)을 흡수하여 유지할 수 있는 촉매를 사용할 수도 있으며, 이 흡수된 이산화질소(NO2) 또는 삼산화물(SO3)이 활성산소를 방출할 수 있다.

Claims (14)

  1. 배기가스내의 미립자를 포획하기 위한 미립자 필터(22)를 구비하며, 이 미립자 필터는 통로(50, 51)를 형성하는 분할 벽(54)들을 포함하고, 이 분할 벽(54)들은 다공재로 제조되고, 인접한 분할 벽(54)들의 단부들(52, 53)은, 인접한 분할 벽(54)들의 단부들(52, 53)에 의해 형성된 유로의 단면적이 인접한 분할 벽(54)들의 나머지 부분들에 의해 형성된 유로의 단면적 보다 작게 되도록, 서로 가까이 접근하여 분할 벽(54)들에 의해 형성된 각각의 통로를 좁아지게 하는 배기가스 정화장치에 있어서,
    상기 미립자 필터(22)는 미립자 필터가 취급되고 있는 동안에 분할 벽(54)의 상단부에 손상을 주지 않도록 미립자 필터의 단부면에서부터 분할 벽(54)의 상단부들을 지나 연장하는 연장부(55)를 가지는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연장부는 미립자 필터의 축방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연장부는 미립자 필터의 외주벽의 부분인 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  4. 제3항에 있어서, 분할 벽들의 상단부들을 지나 연장하는 외주벽의 부분은 분할 벽의 상단부를 둘러싸도록 연장하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 분할 벽들의 상단부들을 지나 연장하는 외주벽의 부분의 강도는 분할 벽의 강도 보다 큰 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  6. 제5항에 있어서, 분할 벽들의 상단부들을 지나 연장하는 외주벽의 부분의 두께는 분할 벽의 두께 보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분할 벽들의 단부들은 함께 조합되며, 분할 벽들의 상단부들이 통로의 한 단부면을 폐쇄하도록 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  8. 제7항에 있어서, 다수의 통로(52, 53)를 형성하는 다수의 분할 벽(54)을 구비하고,
    몇개의 통로에서는 분할 벽들의 하류측 단부들이 함께 조합되어 서로 연결되며 제1 연결부를 형성하고, 반면에 나머지 통로에서는 분할 벽(54)의 상류측 단부들이 함께 조합되어 서로 연결되며 제2 연결부를 형성하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 연장부(55)에는 다수의 분할 벽(54)들중 적어도 하나의 분할 벽이 나머지 분할 벽들 보다 긴 길이로 축방향으로 미립자 필터 외측을 향해 연장하도록 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 연장부에는, 다수의 제1 연결부들중 적어도 하나의 제1 연결부를 형성하는 분할 벽들이 나머지 제1 연결부를 형성하는 분할 벽들 보다 긴 길이로 축방향으로 미립자 필터의 외측을 향해 연장하도록 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  11. 제8항 내지 제10항중 어느 한 항에 있어서, 상기 연장부에는, 다수의 제2 연결부들중 적어도 하나의 제2 연결부를 형성하는 분할 벽들이 나머지 제2 연결부를 형성하는 분할 벽들 보다 긴 길이로 축방향으로 미립자 필터의 외측을 향해 연장하도록 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  12. 제9항 내지 제11항중 어느 한 항에 있어서, 상기 연장부는 미립자 필터의 외주벽을 구성하는 분할 벽에 형성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  13. 제1항 내지 제12항중 어느 한 항에 있어서, 미립자들을 산화시킬 수 있는 산화물질이 분할 벽들에 유지되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  14. 제1항 내지 제13항중 어느 한 항에 있어서, 분할 벽(54)들의 상단부들은 매우 뾰족하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
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