KR20040105279A

KR20040105279A - 자동차용 디젤엔진의 입자상물질 제거용 필터

Info

Publication number: KR20040105279A
Application number: KR1020030035978A
Authority: KR
Inventors: 이진하
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2004-12-16
Also published as: KR100521577B1

Abstract

본 발명은 자동차용 디젤엔진의 입자상물질 제거용 필터에 관한 것으로서, 디젤엔진에서 배출되는 배출가스가 중앙에 집중 포집되어 재생 지연 및 배출가스의 배압 상승 등을 유발하므로 이를 개선하기 위해, 기존의 디젤 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate Filter : DPF)의 셀밀도를 중앙으로부터 방사형으로 단계적으로 작게 하는 불균일한 셀밀도를 갖도록 하여 상기 DPF로 흡입되는 배기가스가 그 DPF의 중앙에 밀집되는 것을 해소하여 상기 DPF 전체를 골고루 이용하도록 함으로써, 배출가스의 압력상승을 억제하고, 입자상물질(PM)이 전 영역에 걸쳐 활발한 재생이 이루어지도록 하는 자동차용 디젤엔진의 입자상물질 제거용 필터에 관한 것이다.

Description

자동차용 디젤엔진의 입자상물질 제거용 필터{Diesel Particulate Filter for automobile}

본 발명은 자동차용 디젤엔진의 입자상물질 제거용 필터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 디젤 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate Filter : DPF)의 셀밀도를 중앙으로부터 방사형으로 단계적으로 작게 하는 불균일한 셀밀도를 갖도록 하여 상기 DPF로 흡입되는 배기가스가 그 DPF의 중앙에 밀집되는 것을 해소하여 상기 DPF 전체를 골고루 이용하도록 함으로써, 배출가스의 압력상승을 억제하고, 입자상물질(PM)이 전 영역에 걸쳐 활발한 재생이 이루어지도록 하는 자동차용 디젤엔진의 입자상물질 제거용 필터에 관한 것이다.

일반적으로, 디젤엔진은 저연비이면서 우수한 신뢰성을 바탕으로 자동차, 선박, 일반 산업용 등 산업 전반에서 사용 용도가 다양하고, 고출력 및 고부하 운전이 가능하여 수요가 계속 증가하고 있다.

또한, 저연비 차량을 목표로 추진되고 있는 3L 자동차 프로그램(3L Car Program) 또는 슈퍼카 프로젝트(Super Car Project)에서 디젤엔진 채용이 기정 사실화되고 있는 등 디젤엔진 차량의 증가가 예상되고 있다.

그러나, 선진 각국에서는 이러한 디젤자동차가 총 대기오염의 40%를 차지 할 정도로 대기오염의 주범으로 인식되고 있기도 하다.

이에 대응하기 위하여 각국에서는 디젤엔진의 배기가스 규제를 강화시키고 있는데, 이러한 디젤자동차의 대기오염은 주로 질소산화물(NOx)과 입자상물질(PM)에 의해 발생한다.

따라서, 디젤자동차 배기 규제의 주요한 대상물질은 질소산화물(NOx)과 입자상물질(PM)인 바, 이의 대응기술로는 연료 분사시기 지연과, 배기가스 재순환 장치(Exhaust Gas Recirculation)에 의한 질소산화물의 농도저감과, 입자상물질을 저감하기 위한 엔진의 연소성능 개선 및 개량기술로서, 그 기술에 중점을 두고 개발하고 있는 추세이다.

즉, 디젤 자동차 배기 규제의 구체적인 대응책으로 엔진의 개량과 후처리 기술로 구분되고 있는데, 우선 디젤자동차의 엔진 개량기술로는 연료실 개량, 흡기계 개량(터보차져+인터 쿨러), 연료 분사계 개량(전자 조절 고압 연료분사 장치), 배기가스 재순환장치 등이 적용되고 있거나 개발 중에 있다.

또한, 후처리 기술로는;

(1) 입자상물질(PM) 중 고비점 탄화수소를 정화하기 위한 산화촉매,

(2) 과잉 산소 분위기 하에서 질소산화물(NOx)을 분해 또는 환원하는 DeNOx 촉매,

(3) 입자상물질(PM)을 필터로 걸러주는 디젤 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate Filter:DPF, 이하 DPF라 약칭함) 시스템 등이 있다

이러한 후처리 기술 중 입자상물질(PM) 제거용 필터시스템은 매연을 확실히 포집하여 배출량을 줄일수 있다는 장점은 있지만 시간 경과에 따른 DPF에 포집된입자상물질의 증가로 인해 배출가스의 배압이 증가하여 엔진에 부담이 커지는 문제점을 갖고 있다.

이로인해, 상기 DPF 자체의 배압의 저감과 함께 포집된 입자상물질을 연소시켜 제거시키는 재생 방법이 DPF의 성능을 좌우하는 중요한 요인이 된다.

현재, 상기 DPF의 재료로는 포집된 입자상물질의 연소에 의한 재생 시의 열팽창, 내구성 등의 문제로 탄화규소(SiC)가 주목받고 있는 바, 도 4에 도시된 바와 같이, 이 탄화규소를 이용하여 단위셀(110)을 만들고, 이 단위셀(110)을 탄화규소와 비슷한 성분의 접착제로 접착해 원하는 크기의 DPF(100)를 제조하고 있다.

현재, 이러한 DPF(100)는 단위셀(110)의 셀밀도(Cell dinsity)와 기공율(Porosity)이 동일한 단위셀(110)로 구성하여 원하는 크기의 DPF(100)를 제조하게 되는데, 이렇게 동일한 셀밀도와 기공율을 갖고 있는 DPF(100)는 엔진에서 배출되는 입자상물질을 포집하기 위해 입자상물질 배출량을 기준으로 DPF(100)의 크기가 정하여지는 관계로 배출가스 배기관의 직경보다 큰 면적의 DPF(100)를 설치하거나, 배기관과 같은 직경의 DPF(100)를 설치할 경우, 매우 긴 길이의 DPF(100)가 설치되어 배출가스의 배압이 매우 높아져 엔진의 운전이 불가능해지는 문제점이 있다.

따라서, 디젤엔진의 배출가스에 대한 배출압력의 상승을 억제하면서 입자상물질을 제거하기 위해서는 배기관의 직경보다 큰 DPF(100)의 설치를 피할 수 없다.

이로인해, 배기가스의 흐름이 DPF(100) 중앙부에만 집중하는 현상이 발생하며, 그 가장자리에 포집된 입자상물질은 배출가스 온도 상승에 의한 재생 모드 시기에 배출가스의 흐름이 원활하지 않게 되어 결국, 어느 시점에서 기능을 상실하여 DPF(100)의 배출가스 통과 면적이 축소되고, 이로인해 엔진의 배출가스 압력이 상승하여 엔진 고장의 원인을 제공하게 된다.

또한, 과도한 입자상물질의 포집상태에서 재생이 일어날 경우에 급격한 온도 상승으로 DPF(100)의 파손을 초래하는 문제점이 있다.

한편, 도 5는 동일한 셀밀도를 갖는 DPF(100)에 유입되는 배기가스의 온도분포를 측정한 결과를 나타내는 그래프로서, 상기 DPF(100) 중앙에 가까울수록 상대적으로 온도가 높게 형성되는 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 단위면적 당, 셀밀도가 크고 기공율이 적은 단위셀을 DPF 중앙에 위치시키고, 방사형으로 갈수록 셀밀도가 작고 기공율이 큰 단위셀을 단계적으로 배치시킴으로써, 엔진의 배출가스 유입 속도 분포를 균일하게 하여 DPF에 포집된 입자상물질이 전 영역에 걸쳐 활발한 재생이 이루어지도록 하는 자동차용 디젤엔진의 입자상물질 제거용 필터를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 디젤엔진의 입자상물질 제거용 필터를 나타내는 단면도,

도 2는 일반적인 디젤엔진의 입자상물질 제거용 필터 시스템을 나타내는 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 DPF의 유입 배출가스 유속분포를 나타내는 그래프,

도 4는 종래의 디젤엔진의 입자상물질 제거용 필터를 나타내는 단면도,

도 5는 종래의 디젤엔진의 입자상물질 제거용 필터에 유입되는 배기가스의 온도분포의 측정 결과를 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 디젤엔진의 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate Filter:DPF)

11 : 단위셀 12 : 관통부

13 : 셀통로격벽 20 : DPF시스템

21 : 디젤 산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst:DOC)

22 : 온도센서 23 : 차압 검출용 파이프

이하, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 다수의 격자형 셀구조를 포함하는 자동차용 디젤엔진의 입자상물질 제거용 필터에 있어서,

상기 입자상물질 제거용 필터(10)에 구획된 셀구조의 셀밀도는 중앙으로부터 방사형으로 단계적으로 작게 형성되고, 기공율은 단계적으로 크게 형성되는 구조인 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 입자상물질 제거용 필터(10)의 중앙에 형성된 1개의 셀구조 A영역의 셀밀도와 기공율은 각각 300, 52%이고, 적어도 8개로 이루어진 셀구조 B영역의 셀밀도와 기공율은 각각 200, 52%이며, 상기 셀구조 B영역의 방사형 방향에 형성된 셀구조 C영역의 셀밀도와 기공율은 100,60%인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 디젤엔진의 입자상물질 제거용 필터를 나타내는 단면도이다.

본 발명은 디젤 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate Filter:DPF)(10)의 셀밀도를 중앙으로부터 방사형으로 단계적으로 작게 하는 불균일한 셀밀도를 갖도록 하여 상기 DPF(10)로 흡입되는 배기가스가 그 DPF(10)의 중앙에 밀집되는 것을 해소하여 상기 DPF(10) 전체를 골고루 이용 가능하도록 그 구조를 개선한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 디젤 입자상물질 제거용 필터 즉, DPF(10)는 배기가스와의 접촉면적을 최대한 확보할 수 있도록 그 단면형상이 허니컴(honeycomb)형상으로 되어 있으며, 상기 허니컴 형상으로 이루어진 관통부(12)를 이용하여 배기가스를 통과시킴으로써, 상기 DPF(10)의 접촉에 의한 산화 및 환원작용을 일으킬 수 있게 되어 배기정화 성능을 향상시키도록 구성되어 있다.

여기서, 상기와 같은 DPF(10)를 장착하여 입자상물질(PM)을 걸러주는 일반적인 DPF시스템(20)은 도 2에 도시된 바와 같이, 배기가스의 유해성분이 산화 및 환원반응을 일으키도록 디젤 산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst:DOC)(21)가 그 전방에 장착되어 있는 한편, 필터의 온도를 측정하는 온도센서(22) 및 DPF(10)의 상류측 배기가스의 압력과 하류측 배기가스의 압력 사이의 차압을 검출하는 차압 검출용 파이프(23)가 장착되어 있다.

한편, 셀통로격벽(13)에 의해 구분되어 있는 단위셀 구조는 사각형, 원형, 육각형 등으로 형성 가능하며, 본 발명의 바람직한 구현예에서는 육각형 구조로 분포되어 있다.

이와 같은 구조로 이루어진 본 발명에 따른 DPF(10)는 배출가스의 압력상승을 억제하고, 입자상물질이 전 영역에 걸쳐 활발한 재생이 이루어지도록 그 중앙의 셀구조에 형성된 단위셀(11)은 셀밀도가 크면서 기공율이 적은 단위셀(11)의 셀구조가 배치되고, 방사형으로 단계적으로 셀밀도가 작은 동시에, 기공율이 큰 단위셀(11)의 셀구조가 배치되는 바, 이는 상기 DPF(10)로 흡입되는 배기가스가 그 DPF(10)의 중앙에 밀집되는 것을 해소하여 상기 DPF(10) 전체를 골고루 이용하도록 하기 위함이다.

이를 더욱 상세하게 설명하면, 상기 DPF(10)는 일정한 면적을 갖는 격자구조로 구획되는 바, 상기 DPF(10) 중앙의 격자형 셀구조를 이루는 단위셀(11)의 셀밀도와 기공율 즉, 첨부도면에 도시된 바와 같이, A영역에서의 단위셀(11)의 셀밀도와 기공율이 각각 300, 52%로 형성되고, 상기 중앙의 셀구조 둘레에 배치된 셀구조를 이루는 단위셀(11)의 셀밀도와 기공율, 즉 B영역에서의 단위셀(11)의 셀밀도와 기공율이 각각 200, 52%로 형성되며, 그 단위셀(11) 외측에 형성되어 가장자리를 이루는 셀구조를 이루는 단위셀(11)의 셀밀도와 기공율 즉, C영역에서의 단위셀(11)의 셀밀도와 기공율이 각각 100,60%로 형성되어 있다.

한편, 도 3은 본 발명에 따른 DPF의 유입 배출가스 유속분포의 측정결과를 나타내는 그래프로서, 종래의 배출가스 유속분포는 DPF(10)의 단위셀(11) 중심의 유속이 가장자리의 유속에 비하여 0.25m/sec의 차이를 나타내며, 본 발명의 배출가스 유속분포는 DPF(10) 중심의 유속이 가장자리의 유속에 비하여 약 0.1m/sec의 차이를 보이는 바, 이는 입자상물질이 상기 DPF(10)에 고르게 포집되는 것을 나타내므로 DPF(10) 전 영역에 걸쳐서 재생이 활발히 일어날 수 있게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 자동차용 디젤엔진의 입자상물질 제거용 필터는 DPF(10)와 배기가스 간의 접촉 반응조건을 충분하게 확보하여 DPF시스템(20)의 전체적인 배기가스 정화효율을 향상시킬 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차용 디젤엔진의 입자상물질 제거용 필터에 의하면, 불균일한 셀밀도를 갖는 DPF는 종래의 DPF에 비하여, 배출가스 유입속도 분포가 균일화되는 효과가 있다.

Claims

다수의 격자형 셀구조를 포함하는 자동차용 디젤엔진의 입자상물질 제거용 필터에 있어서,

상기 입자상물질 제거용 필터(10)에 구획된 셀구조의 셀밀도는 중앙으로부터 방사형으로 단계적으로 작게 형성되고, 기공율은 단계적으로 크게 형성되는 구조인 것을 특징으로 하는 자동차용 디젤엔진의 입자상물질 제거용 필터.
제1항에 있어서, 상기 입자상물질 제거용 필터(10)의 중앙에 형성된 1개의 셀구조 A영역의 셀밀도와 기공율은 각각 300, 52%이고, 적어도 8개로 이루어진 셀구조 B영역의 셀밀도와 기공율은 각각 200, 52%이며, 상기 셀구조 B영역의 방사형 방향에 형성된 셀구조 C영역의 셀밀도와 기공율은 100,60%인 것을 특징으로 하는 자동차용 디젤엔진의 입자상물질 제거용 필터.