KR20060098774A - 디젤 자동차용 매연여과장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디젤 자동차용 매연여과장치에 관한 것으로서, 배기매니폴드와 머플러 사이에 설치되는 중앙케이싱과, 상기 중앙케이싱의 전·후방으로 연통되는 각각의 흡·배기관과, 상기 중앙케이싱의 내부에 장착되어 배기가스 중에 포함된 입자상 물질을 포집하는 여과필터를 포함하는 디젤 자동차용 매연여과장치에 있어서, 상기 여과필터는, 전면이 개방되고 다수의 격자형으로 이루어진 각각의 필터 유입구와; 상기 각 필터 유입구의 상부면에서 소정각도로 경사지게 후방으로 연장되고, 그 끝단이 필터 유입구의 중앙부와 대향되는 위치에서 필터 유입구의 하부면으로 경사지게 전방으로 연장되는 것으로서, 단계적으로 수직하게 배치되어 연결되며 채널을 형성하는 각각의 필터 벽면 및 후면이 개방되고 다수의 격자형으로 이루어진 각각의 필터 배출구를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 디젤 자동차용 매연여과장치에 의하면, 배기가스가 유입되는 여과필터의 전면을 개방하여 유동저항을 감소시키고 면적을 증대함으로써, 다량의 입자상 물질을 포집하여 여과시 유동저항을 면적의 증대분 만큼 저감 시킴은 물론, 엔진의 배압 감소 및 출력과 연비를 효율적으로 상승시킬 수 있다. 또한, 각 필터 벽면의 끝단부위에 마개부를 구비함으로써, 유입되는 입자성 물질을 용이하게 제거하고 재사용할 수 있어 내구성을 향상시킬 뿐만 아니라 원가를 절감할 수 있는 효과가 있다.

여과필터, 필터 유입구, 필터 배출구, 필터 벽면, 채널, 마개부.

Description

디젤 자동차용 매연여과장치{Disel Particulate Filter Apparatus for Exhaust Gas Invehicle using Diesel Fuel}

도 1은 종래기술에 따른 매연여과장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면,

도 2는 종래기술에 따른 여과필터를 나타내는 정면도,

도 3은 종래기술에 따른 여과필터를 나타내는 개략적인 측단면도,

도 4는 본 발명에 따른 매연여과장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면,

도 5는 본 발명에 따른 여과필터를 나타내는 개략적인 절개 사시도,

도 6은 본 발명에 따른 여과필터를 나타내는 정면도,

도 7은 본 발명에 따른 여과필터를 나타내는 개략적인 측단면도,

도 8은 도 7에 따른 'A'부에 마개부가 구비된 상태를 나타내는 개략적인 확대 부분단면도.

**** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ****

20: 중앙케이싱,

20a, 20b: 흡·배기관,

30: 여과필터,

31: 필터 유입구,

33: 필터 벽면,

34: 채널(Channel),

36: 필터 배출구,

37: 마개부.

본 발명은 디젤 자동차용 매연여과장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배기가스가 유입되는 여과필터의 전면을 개방하여 유동저항을 감소시키고, 면적을 증대함으로써 다량의 입자상 물질을 포집하여 여과 시 유동저항을 면적의 증대분 만큼 저감 시킴은 물론 엔진의 배압 감소 및 출력과 연비를 효율적으로 상승시킬 수 있으며, 또한 각 필터 벽면의 끝단부위에 마개부를 구비함으로써 유입되는 입자성 물질을 용이하게 제거한 후 재사용할 수 있어 내구성을 향상시킬 뿐만 아니라, 원가를 절감할 수 있도록 하는 디젤 자동차용 매연여과장치에 관한 것이다.

일반적으로, 경유를 원료로 사용하는 디젤 엔진(Diesel engine)은 열효율이 좋고 연료비용이 적게 드는 장점이 있어 트럭과 같이 큰 힘이 필요한 차량이나 장치 등에 주로 사용되고 있다.

그러나, 디젤 엔진은 열효율이 좋은 반면에 매연 등 입자상 오염물질을 다량 배출하기 때문에 최근 대기오염에 대한 규제로부터 자유롭지 못한 문제점이 있었 다.

이러한 디젤 자동차의 배기가스 중에는 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물(NOx), 황산화물 및 입자상 물질(Particulate Matter, PM)이 포함되어 있는데, 특히 상기 입자상 물질은 부유분진의 발생을 가중시키게 되어 대기오염의 주요 원인이 되고 있다.

이에 따라, 최근에는 인간의 쾌적한 환경에 대한 요구와 각국의 환경규제가 맞물려 배기가스에 포함된 대기 오염물질에 대한 규제가 점점 심해지고 있어 이에 대한 대책으로 다양한 배기가스 여과 방법이 연구되고 있다.

즉, 엔진 내부에서 자체적으로 오염물질을 저감시키기 위한 기술로서 엔진기술 및 전처리 기술등이 개발되고 있으나 배기규제가 강화됨에 따라 엔진 내부에서의 유해가스 저감기술만으로는 규제를 만족하기에 한계가 있어 엔진에서 이미 연소된 배기가스를 처리하는 후처리 기술(Aftertreatment Technology)의 적용이 불가피해졌다.

디젤 자동차의 후처리 기술로서는 산화촉매, 질소산화물 촉매 및 매연여과장치를 예를 들수 있는데, 이 중에서 가장 효율적이고 실용화에 접근되어 있는 입자성 물질 저감 기술이 매연여과장치(Diesel Particulate Filter Trap, DPF)이다.

이러한 매연여과장치는 디젤엔진에서 배출되는 입자성물질을 필터로 포집한 후 이것을 태우고(이하, 재생이라함) 다시 입자성 물질을 포집하여 계속 사용하는 기술로서 매연을 80% 이상 저감할 수 있어 성능면에서는 아주 우수하나, 내구성과 경제성이 실용화의 장애요인으로 작용하고 있다.

여기서, 디젤 자동차의 입자상 물질을 재생하는 방식은 별도의 열원 공급없이 배출가스 만으로 재생이 이루어지는 자연재생방식(Passive type)과 강제로 화학적 또는 전기적으로 열원을 공급하여 입자상 물질을 연소시키는 강제재생방식(Active type)이 있다.

이러한 자연재생방식은 철(Fe), 세륨(Ce), 구리(Cu), 백금(Pt) 등의 금속물질을 연료에 혼합함으로서 입자상 물질의 재생온도를 낮추는 첨가제 방식(Fuel additive), 백금 등의 귀금속을 여과필터 표면에 코팅하여 입자상 물질을 연소시키는 촉매 필터방식(Catalyst filter trap), 그리고 촉매를 전단에 여과필터는 후단에 설치하는 촉매-트랩 복합방식(Catalyst-Trap combinations)이 있다.

또한, 강제재생방식은 여과필터를 통해 입자상 물질을 포집한 다음 버너(Buner)나 전기 히터(Electric heater)를 통해 입자상 물질을 직접 연소시키거나 연소가 가능한 온도까지 가열하는 방식으로 구조가 복잡하여 고장이 심하고 가격이 고가여서 실용화가 지연되고 있다.

따라서, 자연재생방식은 필터에 포집된 입자상 물질을 외부열원의 도움없이 엔진배출가스 온도로만 연속적으로 태우는 방식으로 구조가 간단하고, 엔진배압이 상대적으로 적으며, 가격도 저렴하여 매연여과장치의 개발 방향이 되고 있다.

본 명세서에서 후술하는 디젤 자동차용 매연여과장치에 있어서, 자연재생방식 대한 여과필터의 일 예를 설명하고자 하지만, 강제재생방식에 대한 여과필터의 구성에도 적용될 수 있음을 첨언한다.

도 1은 종래기술에 따른 매연여과장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이 고, 도 2는 종래기술에 따른 여과필터를 나타내는 정면도이며, 도 3은 종래기술에 따른 여과필터를 나타내는 개략적인 측단면도이다.

종래기술에 따른 디젤 자동차용 매연여과장치는 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 배기매니폴드와 머플러 사이에 설치되는 중앙케이싱(120)과 상기 중앙케이싱(120)의 전·후방으로 연통되는 각각의 흡·배기관(120a, 120b)과 상기 중앙케이싱(120)의 내부에 장착되어 배기가스 중에 포함된 입자상 물질을 포집하는 여과필터(130) 등으로 구성되어 있다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 상기 여과필터(130)는 대략 직육면체 형상으로서, 전면과 후면에 다수의 격자형으로 이루어진 필터 유입구(131) 및 필터 배출구(136)가 형성되고, 각각의 사이마다 필터마개(132)가 교대로 막혀있다.

그리고, 상기 필터 유입구(131)와 필터 배출구(136) 사이에는 수평하게 연장되어 소정간격으로 수직하게 배치되는 필터 벽면(133)이 층을 이루게 되며, 상기 필터 벽면(133)의 내부공간에는 채널(Channel, 134)이 형성되어 유입되는 배기가스가 이동하게 된다.

즉, 상기 흡기관(120a)을 통해 유입되는 배기가스는 개방된 필터 유입구(131)를 통해 채널(134)의 각 필터 벽면(133)을 통과시에 입자상 물질이 포집되고, 여과된 배기가스가 이웃하는 채널(134)로 이동함으로써 필터마개(132)가 미삽입된 필터 배출구(136)를 통해 배기관(120b)쪽으로 빠져나가게 된다.

그러나, 전면의 필터 유입구(131)에는 필터마개(132)가 교대로 막혀있게 됨 에 따라 유입되는 배기가스가 채널(134)로 유입될 때 발생하는 유동저항의 상당부분은 상기 필터마개(132)의 전면부와 충돌되어 발생된다.

즉, 배기가스 흐름의 수직면적의 절반이 막혀있기 때문에 유동저항으로 인한 디젤 엔진의 배압이 증가되고 출력 및 연비 저하되는 문제점이 발생하게 되었다.

또한, 상기 여과필터(130)는 직육면체 형상의 채널(134) 구조로 인하여 필터 벽면(133)에 포집되는 입자성 물질이 여과되는 단면적이 감소되어 제품의 전체크기가 증대되어 원가가 상승됨은 물론, 필터 벽면(133)에 의해 여과되는 입자성 물질의 유동저항이 증가되어 내구성이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 배기가스가 유입되는 여과필터의 전면을 개방하여 유동저항을 감소시키고, 필터 벽면을 경사지도록 일정하게 반복 배치하여 면적을 증대함으로써 다량의 입자상 물질을 포집하여 여과시 유동저항을 면적의 증대분 만큼 저감시킴은 물론, 엔진의 배압 감소 및 출력과 연비를 효율적으로 상승시킬 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 각 필터 벽면의 끝단부위에 마개부를 구비함으로써 유입되는 입자성 물질을 용이하게 제거한 후 재사용할 수 있어 내구성을 향상시킬 뿐만 아니라 원가를 절감할 수 있도록 하는데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 배기매니폴드와 머플러 사이에 설치되는 중앙케이싱과, 상기 중앙케이싱의 전·후방으로 연통되는 각각의 흡·배기관과, 상기 중앙케이싱의 내부에 장착되어 배기가스 중에 포함된 입자상 물질을 포집하는 여과필터를 포함하는 디젤 자동차용 매연여과장치에 있어서, 상기 여과필터는 전면이 개방되고 다수의 격자형으로 이루어진 각각의 필터 유입구와; 상기 각 필터 유입구의 상부면에서 소정각도로 경사지게 후방으로 연장되고, 그 끝단이 필터 유입구의 중앙부와 대향되는 위치에서 필터 유입구의 하부면으로 경사지게 전방으로 연장되는 것으로서, 단계적으로 수직하게 배치되어 연결되며 채널을 형성하는 각각의 필터 벽면; 및 후면이 개방되고 다수의 격자형으로 이루어진 각각의 필터 배출구를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 필터 벽면은 다공성을 갖는 세라믹 재질로 형성된다.

그리고, 상기 각각의 필터 유입구 및 필터 배출구는 동일한 폭(W)과 높이(H)를 갖도록 형성된다.

더불어, 상기 각 필터 배출구(36)의 상·하부면에는, 배기가스가 유입시 적층되는 입자상 물질을 용이하게 제거하기 위한 마개부(37)를 더 포함한다.

바람직하게는, 상기 채널에서 상기 각 필터 유입구의 상부면이 길이방향으로 수평되게 연장되고, 상기 필터 유입구의 하부면이 상부를 향하여 경사지게 연장형성되며, 단계적으로 수직하게 배치되어 연결된다.

더불어, 상기 채널에서 상기 각 필터 유입구의 하부면이 길이방향으로 수평되게 연장되고, 상기 필터 유입구의 상부면이 하부를 향하여 경사지게 연장형성되 며, 단계적으로 수직하게 배치되어 연결된다.

그리고, 상기 채널에서 상기 각 필터 유입구의 상부면의 경사각도 및 하부면의 경사각도가 가변가능하게 형성되고, 단계적으로 수직하게 배치되어 연결된다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 매연여과장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 여과필터를 나타내는 개략적인 절개 사시도이며, 도 6은 본 발명에 따른 여과필터를 나타내는 정면도이고, 도 7은 본 발명에 따른 여과필터를 나타내는 개략적인 측단면도이며, 도 8은 도 7에 따른 'A'부에 마개부가 구비된 상태를 나타내는 개략적인 확대 부분단면도이다.

본 발명에 따른 디젤 자동차용 매연여과장치에 있어서, 도 4에 도시된 바와 같이 배기매니폴드(10)와 머플러(40) 사이에 설치되는 중앙케이싱(20)과 상기 중앙케이싱(20)의 전·후방으로 연통되는 각각의 흡·배기관(20a, 20b) 등은 종래기술과 동일하므로 이하에서는 상기한 구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

다만, 상기 중앙케이싱(20)의 내부 공간에 장착되는 여과필터(30)의 구성에 차이가 있음을 나타내기로 한다.

본 발명에 따른 디젤 자동차용 매연여과장치는, 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 여과필터(30)는 다수의 사각뿔 형상체로서 각각의 필터 유입구(31)와 필터 벽면(33) 및 필터 배출구(36)를 포함하고 있다.

상기 각각의 필터 유입구(31) 및 필터 배출구(36)는 전면과 후면이 개방되게 형성된 다수의 격자형으로 이루어져 있다.

상기 필터 벽면(33)은 상기 각 필터 유입구(31)의 상부면에서 소정각도로 경사지게 후방으로 연장되고, 그 끝단이 필터 유입구(31)의 중앙부(C)와 대향되는 위치에서 필터 유입구(31)의 하부면으로 경사지게 전방으로 연장되는 것으로서, 단계적으로 수직하게 배치되어 층을 이루게 되며, 상기 필터 벽면(33) 사이의 공간마다 채널(Channel, 34)이 형성된다.

본 발명의 일 실시예에서는 상기 각 필터 유입구(31) 및 필터 배출구(36)의 각 상, 하부면이 소정각도로 경사지게 형성되는 쐐기형상으로 형성되어 있으나, 상기 각 필터 유입구(31) 및 필터 배출구(36)의 좌, 우 측면도 그 길이방향으로 소정각도 경사지게 형성되는 쐐기형상으로 형성되는 것도 가능하다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 각 필터 유입구(31) 및 필터 배출구(36)의 각 상, 하부면이 동일한 소정각도로 경사지게 형성되는 쐐기형상으로 형성되어 있으나, 상기 각 필터 유입구(31) 및 필터 배출구(36)의 상, 하부면의 경사각도가 상호 다르게 형성되는 등 가변가능하게 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 각 필터 유입구(31) 및 필터 유출구(36)의 상, 하부면 중 상부면이 그 길이방향과 동일한 방향을 이루고, 하부면이 소정각도로 경사지게 형성됨으로써 전체적으로 쐐기형상을 이루거나, 상기 각 필터 유입구(31) 및 필터 유출구(36)의 상, 하부면 중 하부면이 그 길이방향과 동일한 방향을 이루고, 상부면이 소정각도로 경사지게 형성됨으로써 전체적으로 쐐기형상을 이루는 것도 가능하다.

여기서, 상기 필터 벽면(33)은 포집되는 입자성 물질의 흡착을 위해 다공성을 갖는 세라믹(Ceramic) 재질로 형성되는 것이 바람직하며, 기타 다양한 흡착재질 로 형성될 수도 있다.

또한, 본 발명에 따른 상기 여과필터(30)는 상기 필터 벽면(33)의 구조에 의해 각각의 필터 유입구(31) 및 필터 배출구(36)가 동일한 폭(W)과 높이(H)를 갖도록 형성된다.

한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 각 필터 배출구(36)의 상·하부면 즉, 상기 각 필터 벽면(33)의 끝단에는 배기가스가 유입 시 적층되는 입자상 물질을 용이하게 제거하기 위하여 상기 필터 유입구(32) 및 필터 배출구(36)의 쐐기형상 단부와 대응되는 형상의 마개부(37)가 구비된다.

즉, 상기 각 마개부(37)를 필터 벽면(33)의 끝단과 대응되게 끼움으로서 추후에 여과필터(30)의 용이한 세척이 가능하게 된다.

본 발명의 일 실시예에서는 상기 마개부(37)의 형상이 상기 각 필터 벽면(33)의 끝단에 구비되기 위하여 필터 유입부(32) 및 필터 배출구(36)의 쐐기형상 단부와 대응되게 형성되어 있으나, 상기 필터 유입구(31) 및 필터 배출구(36)의 상, 하부면의 경사각도에 따라 그에 대응되는 형상으로 다양하게 변경가능하다.

이하, 본 발명에 따른 디젤 자동차용 매연여과장치에서 여과 필터의 여과작용을 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 각각의 필터 유입구(31)로 배기가스가 유입된다. 이렇게 유입되는 배기가스는 경사지게 배치되어 각 층을 이루는 필터 벽면(33)을 통과하면서 입자상 물질이 포집되고, 여과된 입자성 물질이 각 채널(34)로 이동된다.

이때, 필터 벽면(33)이 경사지게 형성됨에 따라, 실제로 포집 및 여과되는 면적이 증가되고 유동저항을 거의 소멸시키게 된다. 그 다음, 각 채널(34)로 이동되는 배기가스는 전면의 필터 유입구(31)와 동일한 치수의 후면 필터 배출구(36)를 통해 빠져나가게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위내에 기재된 범주내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 디젤 자동차용 매연여과장치에 의하면, 배기가스가 유입되는 여과필터의 전면을 개방하여 유동저항을 감소시키고, 필터 벽면을 경사지도록 일정하게 반복 배치하여 면적을 증대함으로써, 다량의 입자상 물질을 포집하여 여과시 유동저항을 면적의 증대분 만큼 저감 시킴은 물론, 엔진의 배압 감소 및 출력과 연비를 효율적으로 상승시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 각 필터 벽면의 끝단부위에 마개부를 구비함으로써, 유입되는 입자성 물질을 용이하게 제거하고 재사용할 수 있어 내구성을 향상시킬 뿐만 아니라 원가를 절감할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 배기매니폴드(10)와 머플러(40) 사이에 설치되는 중앙케이싱(20)과, 상기 중앙케이싱(20)의 전·후방으로 연통되는 각각의 흡·배기관(20a, 20b)과, 상기 중앙케이싱(20)의 내부에 장착되어 배기가스 중에 포함된 입자상 물질을 포집하는 여과필터(30)를 포함하는 디젤 자동차용 매연여과장치에 있어서,

   상기 여과필터(30)는, 전면이 개방되고 다수의 격자형으로 이루어진 각각의 필터 유입구(31)와;

   상기 각 필터 유입구(31)의 상부면에서 소정각도로 경사지게 후방으로 연장되고, 그 끝단이 필터 유입구(31)의 중앙부(C)와 대향되는 위치에서 필터 유입구(31)의 하부면으로 경사지게 전방으로 연장되는 것으로서, 단계적으로 수직하게 배치되어 연결되며 채널(Channel, 34)을 형성하는 각각의 필터 벽면(33); 및

   후면이 개방되고 다수의 격자형으로 이루어진 각각의 필터 배출구(36);

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 자동차용 매연여과장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 필터 벽면(33)은 다공성을 갖는 세라믹 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 디젤 자동차용 매연여과장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 각각의 필터 유입구(31) 및 필터 배출구(36)는 동일한 폭(W)과 높이(H)를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 디젤 자동차용 매연여과장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 각 필터 배출구(36)의 상·하부면에는, 배기가스가 유입시 적층되는 입자상 물질을 용이하게 제거하기 위한 마개부(37)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 자동차용 매연여과장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 채널(34)에서 상기 각 필터 유입구(31)의 상부면이 길이방향으로 수평되게 연장되고, 상기 필터 유입구(31)의 하부면이 상부를 향하여 경사지게 연장형성되며, 단계적으로 수직하게 배치되어 연결되는 것을 특징으로 하는 디젤 자동차용 매연여과장치.
6. 제4항에 있어서,

   상기 채널(34)에서 상기 각 필터 유입구(31)의 하부면이 길이방향으로 수평되게 연장되고, 상기 필터 유입구(31)의 상부면이 하부를 향하여 경사지게 연장형성되며, 단계적으로 수직하게 배치되어 연결되는 것을 특징으로 하는 디젤 자동차용 매연여과장치.
7. 제4항에 있어서,

   상기 채널(34)에서 상기 각 필터 유입구(31)의 상부면의 경사각도 및 하부면의 경사각도가 가변가능하게 형성되고, 단계적으로 수직하게 배치되어 연결되는 것을 특징으로 하는 디젤 자동차용 매연여과장치.

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