KR20050105603A - 디젤엔진용 미립자포집 필터구조체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수의 관통셀이 축선방향을 따라서 규칙적으로 관통되어 형성되어 있으며, 각 관통셀은 얇은 셀벽에 의해 서로 칸막이되며, 약 반수의 관통셀은 유출측에서 밀봉재로 밀봉되며, 다른 약 반수의 셀은 유출측에 개구되어 구성된, 디젤엔진용 미립자포집 필터구조체에 관한 것으로서, 디젤엔진에 부착되어 압력손실로 인한 종래의 문제점을 해결할 수 있어, 기계식 컨트론 디젤엔진에 무리를 주어 운전조건을 방해하거나 연비를 악화시키커나 운전필링이 악화되거나 심한 경우에는 엔진 작동이 멈추는 등의 문제를 해결할 수 있다.

Description

디젤엔진용 미립자포집 필터구조체{Diesel Particulate Filter}
본 발명은 디젤엔진용 미립자포집 필터구조체에 관한 것으로, 상세하게는 세라믹 소결체로 이루어지고 압력강하가 최소화된 디젤엔진용 미립자 포집 필터구조체에 관한 것이다.
최근들어 자동차의 대수가 급격히 증가하고 있고, 그것에 비례하여 자동차의 내연기관으로부터 배출되는 배기가스의 양도 급격히 증가하고 있다. 특히 디젤엔진의 배출 배기가스 중에 함유된 각종의 물질은, 오염을 일으키는 원인으로서, 현재 세계환경에 매우 심각한 영향을 미치고 있다. 더욱이 배기가스 중의 미립자(디젤 파티큘레이터)가 알레르기 장해나 정자수의 감소를 일으키는 원인이 될 수 있다는 연구보고도 있었다. 따라서, 배기가스 중의 미립자를 제거하는 과제가 급한 연구과제로 대두되고 있다. 상기 미립자라 함은, 탄소함유 미립자, 설페이트와 같은 황함유 미립자, 및 고분자량 탄화수소 미립자와 같은 미립자 물질(이하 집합적으로 'PM'이라고 함)를 총칭하는 것이다.
종래 다양한 배기가스 정화장치가 제안되었다. 일반적인 배기가스 정화장치는, 엔진의 배기 매니폴드에 연결된 배기관의 중간에 설치된 케이싱과, 케이싱 내부에 장착된 미세한 셀을 가지는 필터를 구비하고 있다. 필터의 형성재료로서는 금속, 합금 또는 세라믹이 될 수 있으며, 세라믹으로 이루어진 필터의 대표적인 예로서 코디어라이트제의 하니콤 필터가 알려져 있다. 최근에는 내열성, 기계적 강도 및 포집효율이 높고, 화학적으로 안정되어 있고, 압력손실이 적은 등의 장점을 가진 다공질 탄화규소 소결체가 필터 형성재료로서 이용되는 경우가 많다. 여기서 '압력손실'이란, 필터 유입측의 압력치로부터 유출측의 압력치를 뺀 것을 말하며,배기가스가 필터를 통과할 때 저항을 받는 것이, 압력손실을 가져오는 최대의 요인이다.
디젤엔진용 배기가스 정화장치의 필터는 트랩형(또는 월플로우) 및 개방형(또는 스트레이트 플로우)으로 대분되며, 이중에서 허니콤구조(디젤 PM 필터, DPF)는 트랩형 배기가스 필터중 하나이다.
종래 하니콤 필터는 자신의 축선 방향을 따라서 뻗어있는 다수의 셀을 가지고 있다. 배기가스가 필터를 통과할 때, 그 셀 벽에 의해 미립자가 트랩되며, 그 결과 배기가스에서 미립자가 제거된다. 그러나, 허니콤 필터에서는 그위에 PM이 증착되기 때문에 압력손실이 증가한다. 따라서 DPF의 경우, 증착된 PM을 정기적으로 제거하여야 할 필요가 있다. 따라서, 압력손실이 증가할 경우, 버너 또는 전열기로 증착된 PM을 연소시켜 PM을 회수하여 왔다. 그러나, PM의 증착량이 많을수록, 증착된 PM의 연소 온도가 상승하며, 결과적으로 온도상승으로 인한 열응력에 의해 DPF가 파손되는 경우가 발생할 수 있다.
이하 디젤엔진용 배기가스 정화장치(1) 및 종래 하니콤 필터의 구조를 상세하게 설명한다.
도1에 도시된 바와 같이, 배기가스 정화장치(1)는 내연기관으로서의 디젤엔진(2)으로부터 배출되는 배기가스를 정화하기 위한 장치이다. 디젤엔진(2)은 다수의 기통을 구비하고 있으며, 각 기통에는 금속재료로 이루어진 매니폴드(3)의 분기부(4)가 각각 연결되어 있다. 각 분기부(4)는 1개의 매니폴드 본체(5)에 각각 접속되어, 각 기통으로부터 배출된 배기가스는 한군데로 집중된다. 배기 매니폴드(3)의 하류측에는, 금속재료로 이루어진 제1배기관(6) 및 제2배기관(7)이 배열설치되어 있다. 제1배기관(6)의 상류끝은, 매니폴드 본체(5)에 연결되어 있다. 제1배기관(6)과 제2배기관(7)의 사이에는, 금속재료로 이루어진 통형상의 케이싱(8)이 배열설치되어 있다. 케이싱(8)의 상류끝은 제1배기관(6)의 하류관과 연결되고, 케이싱(8)의 하류끝은 제2배기관(7)의 상류끝에 연통된다. 따라서, 배기관(6,7)의 중간부에 케이싱(8)이 배열설치되어 있는 것이다. 그리고, 제1배기관(6), 케이싱(8) 및 제2배기관(7)이 연통되어, 그 가운데를 배기가스가 흐른다.
도1에 도시된 바와 같이, 케이싱(8)의 중앙부는 배기관(6,7)보다도 큰 직경을 가진다. 따라서, 케이싱(8)의 내부영역은, 배기관(6,7)의 내부영역에 비하여 넓고, 케이싱(8)내에는 세락믹 필터 구조체(9)가 수용된다. 구조체(9)의 외주면과 케이싱(8)의 내주면과의 사이에는 단열재(10)가 통상 삽입 설치된다. 단열재(10)는 세라믹 파이버를 포함하는 매트형상 물체로서, 필터구조체(9)의 최외주부로부터 열이 방출되는 것을 방지하여 재생시 에너지 손실을 최소화하기 위한 부재이다.
도2는 통상의 원기둥 형상의 세라믹필터 구조체가 케이싱에 장착된 하니콤 필터의 확대단면도이다. 세라믹 필터 구조체는, 디젤 파티큘레이트를 제거하는 것이기 때문에 일반적으로 디젤파티큘레이트필터(DPF,DSF)라고 불리운다. 상기 세라믹필터 구조체는 세라믹 소결체의 일종인 다공질 탄화규소 소결체로 형성된다. 탄화규소 소결체를 채용한 이유는, 다른 세라믹과 비교하여 내열성 및 열전도성이 우수하다는 것이고, 탄화규소이외의 소결체로서, 질화규소, 사이알론(SIALON), 알루미나, 코디어라이트, 뮬라이트(mullite) 등의 소결체를 선택할 수도 있다. 상기 하니콤 구조체는, 단면이 대략 정방형상을 이루는 복수의 관통셀(12)이 축선방향을 따라서 규칙적으로 형성되어 있으며, 각 관통셀(12)은 얇은 셀벽(13)에 의해 서로 칸막이되어 있다. 셀벽(13)의 외부표면에는 백금족 원소나 그외의 금속원소 및 그 산화물 등으로 이루어진 산화촉매가 담지되어 있다. 각 관통셀(12)의 개구부는, 어느 한쪽의 단면(9a, 9b)측에 있어서, 밀봉재(14)에 의해 밀봉되어 있다. 따라서 종래 필터구조체 단면전체는 바둑판모양을 나타낸다. 셀의 밀도는 200개/인치 전후로 설정되고, 셀벽의 두께는 0.3mm전후로 설정된다. 다수개의 셀중에, 약 반수는 유입단면(9a)에 있어서 개구되고, 나머지 셀은 유출단면(9b)에 있어서 개구된다.
그런데, 종래 하니콤 필터구조체는 배기가스가 하니콤 필터를 원할하게 통과하기 쉽지 않아 압력손실이 크다는 단점이 있었다. 즉, 유입측의 압력수치 및 유출측의 압력수치의 차가 커서, 내연기관 특히, 기계식 컨트롤 디젤엔진에 무리를 주어 운전조건을 방해하거나 연비를 악화시키커나 운전필링이 악화되거나 심한 경우에는 엔진 작동이 멈추는 등의 문제가 있었다. 본 발명자는 상기 압력손실의 과다함이 종래 하니콤 필터구조체의 일부 밀봉구조로부터 기인한다고 판단하여, 종래 하니콤 필터구조체로부터 개량된 필터구조체를 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 압력손실을 최소화하는 필터구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 기계식 컨트롤 디젤엔진의 운전조건을 향상시키기 위한 필터구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 종래 월플로우 허니콤 구조체 및 스트레이트 허니콤 구조체를 일체화하여, PM 퇴적을 억제함과 동시에 정화활성을 더욱 향상시키기 위한 것이다.
본 발명에 따른 미립자 포집 필터구조체는 상술된 목적을 달성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 개량된 디젤엔진용 미립자포집 필터구조체는, 복수의 관통셀(12)이 축선방향을 따라서 규칙적으로 형성되어 있으며, 각 관통셀은 얇은 셀벽에 의해 서로 칸막이되며, 약 반수의 관통셀은 유출측에서 밀봉재로 밀봉되며, 다른 약 반수의 관통셀은 개방된 디젤엔진용 미립자포집 필터구조체이다.
상기 필터구조체는 유입측 단면에서의 관통셀은 모두 개구되며, 유출측 단면에서의 관통셀의 약 반수만이 밀봉된 구조이며, 밀봉재로 밀봉된 밀봉관통셀은 유출측 단면에서 개방관통셀와 상호 이웃한 바둑판 형상일 수 있거나, 구조체 유출측단면 중심점을 대칭으로 동심원상에 배열될 수 있거나, 또는 구조체 유출측 단면 지름을 중심으로 일측에 배열될 수 있다. 또한, 상기 관통셀 단면은 통상 정방형상이나 육각형상일 수 있다. 또한, 셀 벽의 외부표면에는 백금족 원소나 그외의 금속원소 및 그 산화물 등으로 이루어진 산화촉매가 담지될 수 있다. 본 발명에 의한, 개량된 디젤엔진용 미립자포집 필터구조체는, 평균 기공직경은 1㎛ ~ 50㎛ 가 바람직하며, 평균기공직경이 1㎛ 미만이면, 미립자의 누적에 의한 필터 막힘이 현저해지며, 평균기공직경이 50㎛를 넘으면, 작은 미립자를 포집할 수가 없게 되므로, 포집효율이 저하된다. 본 발명에 의한, 개량된 디젤엔진용 미립자포집 필터구조체는, 기공률이 30-70%인 것이 바람직하다. 기공률이 30%미만이면, 필터가 지나치게 치밀해져 버려, 내부에 배기가스를 유통시키는 것이 불가능하게 되며, 기공률이 70%를 넘으면 공극이 지나치게 많아져 버리므로 강도적으로 약해지고 또한 미립자의 포집효율이 저하되어 버리는 문제가 있다.
도3은 본 발명인 필터구조체가 케이싱에 장착된 확대단면도이다.
원통형상의 필터구조체는 배기가스 유입측 셀단면은 모두 개구되며, 이에 상응하는 유출측 셀단면은 부분적으로 밀봉된다. 복수의 유입측 관통셀(12)는 모두 개구되며, 동일한 단면의 상응 유출측 셀단면은 약 반수가 밀봉재(14)로 밀봉된 밀봉셀(15)이며, 다른 약 반수는 개구된 개방셀(16)로 구성된다. 상기 개방셀(16)은 밀봉셀(15)과 거의 동일한 수로 배치되며, 유출측 단면에서 개방셀은 밀봉셀과 서로 이웃한 구조, 즉 바둑판형상으로 배열될 수도 있고, 개방셀이 유출측 단면 중심점으로부터 대칭되도록 동심원상으로 배열될 수도 있으나, 유출측 단면 일측에 배열될 수도 있다. 따라서, 필터구조체가 원통형상인 경우 개방셀 및 밀봉셀은 각각 반원상에 배치될 수 있다. 또한, 셀 단면은 통상 정방형상이나, 육각단면일 수 있다. 본 발명에 의한 필터구조체는 탄화규소 소결체, 질화규소, 사이알론(SIALON), 알루미나, 코디어라이트, 뮬라이트(mullite) 등의 소결체를 선택할 수도 있다. 셀 벽층에는 산화촉매층이 형성되어 있는 것이 더욱 바람직하다. 상기 산화촉매층에 의하여, 배기가스내에 포함된 HC, CO를 산화하고 정화할 수 있으며, 산화촉매층이 산화 및 정화시에 열을 발생하므로, 본 발명에 의한 필터구조체의 승온이 더욱 용이하다. 도3은 단일 필터구조체가 장찬된 예시도이나, 본 발명에 의한 미립자 포집필터 구조체는 통상 5㎜ 간격으로 배기가스 흐름방향으로 다수 장착될 수 있음은 물론이다.
다음으로 미립자 포집필터구조체의 제조공정을 탄화규소 소결체의 경우를 들어 설명한다.
우선, 압출성형공정에서 사용하는 세라믹 원료슬러리, 밀봉셀 형성을 위하여 단면 밀봉공정에서 사용하는 밀봉용페이스트를 사전에 준비한다.
세라믹 원료슬러리는, 탄화규소 분말에 유기바인더 및 물을 소정분량씩 배합하고, 또한 혼련하는 것에 의해 제작된다. 밀봉용 페이스트는, 탄화규소 분말에 유기바인더, 윤활제, 가소제 및 물을 배합하고, 또한 혼련하는 것에 의해 제작된다.
일차적으로, 세라믹 원료슬러리를 압출성형기에 투입하고, 또한 금형을 통하여 그것을 연속적으로 압출하여 소정 단면형상을 가지며 유입측 및 유출측 단면에 개구된 다수의 셀을 가지는 1차 압출성형체를 제작한다. 압출성형된 1차 필터성형체의 유출측 약 반수 셀 개구부에 밀봉용 페이스트를 충전하여 단면을 밀봉한다. 이때, 밀봉되는 밀봉셀은 밀봉되지 아니하는 개방셀과 함께 바둑판형상으로 선택될 수 있거나, 밀봉셀을 동심원에 배치하고 개방셀은 원주부에 배치하거나, 밀봉셀 및 개방셀은 각각 반원상에 배열할 수 있다. 계속하여, 온도 및 시간 등을 소정의 조건으로 설정하고 소성하여 다공질 탄화규소 소결체 제의 미립자 포집필터 구조체를 완성한다. 촉매층은 다음과 같은 방식으로 형성될 수 있다. 산화물 분말 또는 복합산화물 분말을 알루미나 졸과 같은 바인더성분 및 물과 함께 슬러리로 만든다. 그 슬러리를 필터 셀벽에 퇴적시킨 후에 소성한다. 슬러리를 셀 벽에 퇴적시키는 경우, 통상의 침지법을 사용할 수 있다. 촉매층에 담지되는 촉매성분으로는, 촉매반응에 의해 NOx를 환원할 수 있고, 또한 PM의 산화를 촉진할 수 있는 촉매성분을 사용할 수 있다. 바람직하게는, 촉매층상에 Pt, Rh, Pd와 같은 백금족의 귀금속으로 구성된 그룹으로부터 선택된 1종이상의 종을 담지하는 것이 바람직하다.
이하, 미립자 트랩작용에 관하여 간단하게 설명한다.
케이싱(8)내에 수용된 필터구조체(9)에는, 상류 단면측으로 배기가스가 공급된다. 제1배기관(6)을 거쳐 공급되어 오는 배기가스는, 단면에 개구된 모든 셀에 유입된다. 다음에, 이 배기가스는 셀 벽(13)을 통과하여, 유출단면에 밀봉된 밀봉셀(15) 내부에 다다르거나 개방셀(16)을 통과하여 외부로 유출된다. 배기가스중에 포함된 미립자는 상기 밀봉셀(15)에 트랩되고, 그 결과 정화된 배기가스는 제2배기관(7)을 통과한 후, 최종적으로 대기중으로 방출된다. 또, 트랩된 미립자는, 필터 내부온도가 소정의 온도에 도달되면, 촉매의 작용에 의해 착화되어 연소된다. 한편, 밀봉셀과 동일 단면적을 차지하는 개방셀에 유입된 배기가스는 압력손실을 발생시키지 아니하고 필터를 통과하여 디젤엔진에 무리함을 주지 아니한다.
본 발명에 의한 디젤엔진용 미립자 포집 필터구조체는, 디젤엔진에 부착되어 압력손실로 인한 종래의 문제점을 해결할 수 있어, 기계식 컨트론 디젤엔진에 무리를 주어 운전조건을 방해하거나 연비를 악화시키커나 운전필링이 악화되거나 심한 경우에는 엔진 작동이 멈추는 등의 문제를 해결할 수 있다.
도 1은, 배기가스 정화장치의 개략도이다.
도 2는, 도1의 배기가스 정화장치의 요부 확대단면도이다.
도 3은, 본 발명에 의한 필터구조체가 장착된 정화장치의 요부확대단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 배기가스 정화장치 2 : 디젤엔진
3 : 매니폴드 4 : 분기부
5 : 매니폴드 본체 6, 7 : 배기관
8 : 케이싱 9 : 필터구조체
9a : 유입단면 9b : 유출단면
10 : 단열재 12 : 관통셀
13 : 셀벽 14 : 밀봉재
15 : 밀봉셀 16 : 개방셀

Claims (5)

  1. 복수의 관통셀이 축선방향을 따라서 규칙적으로 관통되어 형성되어 있으며, 각 관통셀은 얇은 셀 벽에 의해 서로 칸막이되며, 약 반수의 관통셀은 유출측에서 밀봉재로 밀봉되며, 다른 약 반수의 셀은 유출측에 개구되어 구성된, 디젤엔진용 미립자포집 필터구조체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유출측에 개구된 개방셀들 및 유출측에 밀봉된 밀봉셀들이 유출측 단면에 바둑판형상으로 서로 엇갈려 구성된 것을 특징으로 하는, 디젤
    엔진용 미립자포집 필터구조체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유출측에 밀봉된 밀봉셀들이 유출측 단면에 동심원형상으로 배열되어 구성된 것을 특징으로 하는, 디젤엔진용 미립자포집 필터구조체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유출측에 밀봉된 셀들이 유출측 단면 중심선 일측에 배열되어 구성된 것을 특징으로 하는, 디젤엔진용 미립자포집 필터구조체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 관통셀의 단면이 정방형 또는 육각형인 것을 특징으로 하는, 디젤엔진용 미립자포집 필터구조체.
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