KR20060136014A - 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치에 관한 것으로서, 특히 더욱 상세하게는 종래의 세라믹으로 된 디젤 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate Filter : DPF)를 금속으로 대체할 경우, 금속 폼의 포어 사이즈가 200 내지 1000㎛으로 평균 30㎛의 포아사이즈를 갖는 세라믹 필터보다 조대하여 포집 효율이 떨어지는 문제점이 있어, 이를 개선하기 위해 배압이 적게 걸리면서도 포집 효율을 높일 수 있는 필터 형상 및 배치 설계를 갖는 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치에 관한 것이다.
상기 본 발명은 엔진으로부터 연소된 배기가스가 유입되는 유입구와, 상기 배기가스가 필터를 통과하여 배출되는 배출구가 형성되어 있는 캔과; 상기 캔 내부에 장착되어 있어 유입된 배기가스가 통과되는 적층형태 또는 마는 형태의 금속 폼 필터가 장착되어 있으며, 상기 유입구로 들어온 배기가스의 흐름을 좋게 해 주기 위해 상단부에 원뿔형의 뚜껑이 체결되어 있는 필터 어세이(ass'y)와; 상기 캔 내부에 형성되어 유입구로 유입된 배기가스가 금속필터를 통과하여 배출구로 배출되게 하는 배기가스의 유로; 를 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 금속 폼 필터는 배기가스가 흐르는 방향에 수직하게 적층하며, 상기 니켈 폼 필터의 중앙에 모두 관통 홀이 형성되거나 상기 니켈 폼 필터의 중앙에 모두 관통 홀이 없는 것을 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 금속 폼 필터는 배기가스가 흐르는 방향에 수 평으로 말아서 형성하며, 상기 니켈 폼 필터의 중앙에 홀더가 형성되어 관통 홀이 형성되거나 상기 니켈 폼 필터의 중앙에 홀더가 없는 것을 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 니켈 폼 필터의 중앙에 형성되어 있는 홀더의 중간에 배기가스가 유입되어 배출구로 배출되게 하는 다수개의 홈이 형성되어 잇는 것을 포함함을 특징으로 한다.
디젤엔진, 입자상물질, 캔, 홀더, 금속 폼 필터, 원뿔형의 뚜껑, 포집효율향상, 배압감소.
Description
도 1은 일반적인 디젤엔진의 입자상물질 제거용 필터시스템을 나타낸 사시도.
도 2는 종래의 디젤엔진의 입자상물질 제거용 필터를 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치의 내부 구성을 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치에서 캔 홀더를 갖는 내부구성을 나타낸 단면도.
도 5a와 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치에서 필터 ass'y를 구성하는 관통 홀이 있는 경우와 없는 경우의 적층형 방식의 금속 폼 필터의 형상을 나타낸 사시도.
도 6a와 도 6b는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치에서 필터 ass'y를 구성하는 관통 홀이 있는 경우와 없는 경우의 마는 방식의 금속 폼 필터의 형상을 나타낸 사시도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치의 내부 구성을 나타낸 단면도.
도 8은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치의 내부구성을 나타낸 단면도.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치에서 니켈 폼 필터의 표면을 주사전자현미경으로 관찰한 사진.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치에서 래디얼 타입 금속 폼 디젤 입자상물질 제거용 필터(DPF)에서의 배기가스의 흐름 패턴을 나타낸 사시도.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치에서 유동방식간의 시간에 따른 압력 강하의 차이를 나타낸 도면.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치에서 유동방식간의 포집과정이 진행됨에 따라 각각의 입자직경에 대한 필터의 포집효율의 변화를 나타낸 도면.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치에서 유동방식간의 입자밀도분포의 변화를 나타낸 도면.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치에서 유동방식간의 필터의 총 포집효율을 나타낸 도면.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치에서 유동방식간의 포집과정이 진행됨에 따른 필터 내부에 포집된 soot의 질량의 분포를 나타낸 도면.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장 치에서 필터 길이의 절반인 15cm 지점을 축 방향에 수직하게 자른 평면에서의 시간과 폼 두께에 따른 필터 내부의 질량분포 변화를 나타낸 도면.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치에서 유동방식간의 포집과정이 진행됨에 따라 배기가스 유입면 표면에서 성장하는 soot layer의 두께 변화를 나타낸 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10...캔 11...유입구
12...배출구 20...필터 ass'y
30...금속 폼 필터 31...관통 홀
32...홀더 33...원뿔형 뚜껑
34...홈 40...유로
50...필터장치
본 발명은 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치에 관한 것으로서, 특히 더욱 상세하게는 종래의 세라믹으로 된 디젤 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate Filter : DPF)를 금속으로 대체할 경우, 금속 폼의 포어 사이즈가 200 내지 1000㎛으로 평균 30㎛의 포아사이즈를 갖는 세라믹 필터보다 조대하여 포집 효율이 떨어지는 문제점이 있어, 이를 개선하기 위해 배압이 적게 걸리면서도 포집 효율을 높일 수 있는 필터 형상 및 배치 설계를 갖는 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치에 관한 것이다.
통상, 차량의 배기가스는 엔진으로부터 연소된 혼합기가 배기관을 통하여 대기 중으로 방출되는 가스를 말하며, 이러한 배기가스에는 주로 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 미연소탄화수소(HC) 등의 유해물질이 포함되어 있다. 이러한 배기가스의 규제는 필연적으로 강화되고 있는 바, 그에 따라 배출가스 재순환 장치, 3원촉매, MPI장치 등을 포함하는 배기가스 제어장치와, 캐니스터, 퍼지 컨트롤 솔레노이드 밸브 등을 포함하는 증발가스 제어장치 등이 차량에 적용되고 있다.
한편, 디젤엔진 차량은 연비, 출력면에서 우수함에도 불구하고 가솔린 엔진과는 달리 배기가스 내에 질소산화물과 입자상물질(PM: Particulate Matter)이 상당히 많이 함유되어 있다. 디젤차량에 있어서는 공기가 대부분의 운전조건에서 충분한 상태로 연소되기 때문에 CO와 HC는 가솔린 차량에 비하여 아주 적게 배출되나, NOx와 입자상물질(매연)이 많이 배출된다.
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+인터쿨러), 연료 분사계 개량(전자 조절 고압 연료분사 장치), 배기가스 재순환장치 등이 적용되고 있거나 개발 중에 있다. 또한, 후처리 기술로는 첫째, 입자상물질(PM) 중 고비점 탄화수소를 정화하기 위한 산화촉매, 둘째, 과잉 산소 분위기 하에서 질소산화물(NOx)을 분해 또는 환원하는 DeNOx 촉매, 셋째, 입자상물질(PM)을 필터로 걸러주는 디젤 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate Filter: 이하 DPF라 약칭함) 시스템 등이 있다. 그러나 이러한 후처리 기술 중 입자상물질(PM) 제거용 필터시스템은 매연을 확실히 포집하여 배출량을 줄일 수 있다는 장점은 있지만 시간 경과에 따른 DPF에 포집된 입자상물질의 증가로 인해 배출가스의 배압이 증가하여 엔진에 부담이 커지는 문제점을 갖고 있다.
이로 인해, 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 1과 도 2에 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 직경의DPF(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. 이로 인해, 배기가스의 흐름이 DPF(100) 중앙부에만 집중하는 현상이 발생하며, 그 가장자리에 포집된 입자상물질은 배출가스 온도 상승에 의한 재생모드 시기에 배출가스의 흐름이 원활하지 않게 되어 결국, 어느 시점에서 기능을 상실하여 DPF(100)의 배출가스 통과 면적이 축소되고, 이로 인해 엔진의 배출가스 압력이 상승하여 엔진 고장의 원인을 제공하게 되는 문제점이 있다.
한편 종래의 디젤 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate Filter : DPF)의 소재는 코디어라이트(Codierite)나 탄화규소(SiC)인 세라믹인데, 상기 세라믹은 취성이 강해서 약한 충격에도 쉽게 파손되어 생산 공정 설계 및 양산설계 시에 각별한 주의가 필요하고 조립성도 좋지 않아 생산성이 낮다. 또한 세라믹은 열전도성이 매우 나쁨으로 입자상물질이 재생 시에 발생되는 열을 외부로 신속히 방출하지 못하여 국부적으로 온도가 급격히 증가하고 이로 인해 세라믹 필터가 자체가 녹거나 열이 집중되어 주변과의 열팽창계수의 차이로 파손되기도 한다. 하지만 금속 필터의 경우는 세라믹보다 우수한 연성 특성으로 인해 충격에 따른 파손이 적고 조립성 및 생산성이 높은 장점이 있고 열전도성이 세라믹보다 우수하기 때문에 재생 시에 국부적으로 발생되는 열을 외부로 신속히 전달하여 국부 열 집중 현상이나 열팽창계수의 차이로 인한 파손이 적으나 금속 폼의 포어 사이즈가 200 내지 1000㎛으로 평균 30㎛의 포아사이즈를 갖는 세라믹 필터보다 조대하여 포집 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
이에 본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여 착상된 것으로서, 종래의 세라믹으로 된 디젤 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate Filter : DPF)를 금속으로 대체할 경우, 금속 폼의 포어 사이즈가 200 내지 1000㎛으로 평균 30㎛의 포아사이즈를 갖는 세라믹 필터보다 조대하여 포집 효율이 떨어지는 문제점이 있어, 이를 개선하기 위해 배압이 적게 걸리면서도 포집 효율을 높일 수 있는 필터 형상 및 배치 설계를 갖는 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또 본 발명의 다른 목적은 필터 ass'y의 상단부에 원뿔형의 뚜껑을 체결함으로써, 유입구로 들어온 배기가스의 흐름을 좋게 해 줄 수 있는 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치를 제공하는데 있다.
또 본 발명의 다른 목적은 필터 ass'y안에 수평방향 또는 수직방향으로 금속폼 필터를 장착함으로써, 배압을 낮추면서도 입자상물질(PM)의 포집 효율이 좋게 할 수 있는 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치를 제공하는데 있다.
또 본 발명의 다른 목적은 배기가스가 흐르는 방향에 수직하게 적층된 니켈 폼 필터 또는 배기가스가 흐르는 방향에 수평으로 말아서 형성된 니켈 폼 필터의 중앙에 모두 관통 홀이 형성되거나 상기 니켈 폼 필터의 중앙에 모두 관통 홀이 없거나 또한 니켈 폼 필터의 중앙에 형성되어 있는 홀더의 중간에 배기가스가 유입되 어 배출구로 배출되게 하는 다수개의 홈이 형성되어 있는 형태 모두가 가능하므로 장착 환경과 조건에 맞게 다양한 형태로의 적용이 용이한 젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치는 엔진으로부터 연소된 배기가스가 유입되는 유입구와, 상기 배기가스가 필터를 통과하여 배출되는 배출구가 형성되어 있는 캔과; 상기 캔 내부에 장착되어 있어 유입된 배기가스가 통과되는 적층형태 또는 마는 형태의 금속 폼 필터가 장착되어 있으며, 상기 유입구로 들어온 배기가스의 흐름을 좋게 해 주기 위해 상단부에 원뿔형의 뚜껑이 체결되어 있는 필터 어세이(ass'y)와; 상기 캔 내부에 형성되어 유입구로 유입된 배기가스가 금속필터를 통과하여 배출구로 배출되게 하는 배기가스의 유로; 를 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 금속 폼 필터는 배기가스가 흐르는 방향에 수직하게 적층하며, 상기 니켈 폼 필터의 중앙에 모두 관통 홀이 형성되거나 상기 니켈 폼 필터의 중앙에 모두 관통 홀이 없는 것을 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 금속 폼 필터는 배기가스가 흐르는 방향에 수평으로 말아서 형성하며, 상기 니켈 폼 필터의 중앙에 홀더가 형성되어 관통 홀이 형성되거나 상기 니켈 폼 필터의 중앙에 홀더가 없는 것을 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 니켈 폼 필터의 중앙에 형성되어 있는 홀더의 중간에 배기가스가 유입되어 배출구로 배출되게 하는 다수개의 홈이 형성되어 있는 것을 포함함을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치의 내부 구성을 나타낸 단면도이고, 도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치에서 캔 홀더를 갖는 내부구성을 나타낸 단면도이며, 도 5a와 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치에서 필터 ass'y를 구성하는 관통 홀이 있는 경우와 없는 경우의 적층형 방식의 금속 폼 필터의 형상을 나타낸 사시도이고, 도 6a와 도 6b는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치에서 필터 ass'y를 구성하는 관통 홀이 있는 경우와 없는 경우의 마는 방식의 금속 폼 필터의 형상을 나타낸 사시도이다. 또한 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치의 내부 구성을 나타낸 단면도이고, 도 8은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치의 내부구성을 나타낸 단면도이다.
도 3 내지 도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치(50)는 엔진으로부터 연소된 배기가스가 유입되는 유입구(11)와, 상기 배기가스가 필터를 통과하여 배출되는 배출구(12)가 형성되어 있는 캔(10)과; 상기 캔 내부에 장착되어 있어 유입된 배기가스가 통과되는 적층형태 또는 마는 형태의 금속 폼 필터(30)가 장착되어 있으며, 상기 유입구(11)로 들어온 배기가스의 흐름을 좋게 해 주기 위해 상단부에 원뿔형의 뚜껑(33)이 체결되어 있는 필터 어세이(ass'y)(20)와; 상기 캔 내부에 형성되어 유입구(11)로 유입된 배기가스가 금속 폼 필터(30)를 통과하여 배출구(12)로 배출되게 하는 배기가스의 유로(40); 를 구비한다.
상기 본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치의 주요 기술적인 수단들의 기능을 도 3 내지 도 8에 도시된 바를 참고하여 살펴보면 다음과 같다.
상기 캔(10)은 엔진으로부터 연소된 배기가스가 유입되는 유입구(11)와, 상기 배기가스가 필터를 통과하여 배출되는 배출구(12)가 형성되어 있다.
상기 금속필터 ass'y(20)는 상기 캔 내부에 장착되어 있어 유입된 배기가스가 통과되는 적층형태 또는 마는 형태의 금속 폼 필터(30)가 장착되어 있으며, 상기 유입구(11)로 들어온 배기가스의 흐름을 좋게 해 주기 위해 상단부에 원뿔형의 뚜껑(33)이 체결되어 있다. 상기 금속필터 ass'y(20)안에 구성되는 금속 폼 필터(30)는 도 5a와 도 5b에 도시한 바와 같이, 적층형 방식이 있는데, 상기 적층형 방식은 니켈 폼(foam) 중앙에 관통 홀(31)을 가공한 후 적매층을 가압방법으로 가압 캐닝한 구조와, 상기 니켈 폼 필터의 중앙에 모두 관통 홀이 없는 구조를 나타낸 것이고, 또한 상기 금속필터 ass'y(20)안에 구성되는 금속 폼 필터(30)는 도 6a와 도 6b에 도시한 바와 같이, 마는 방식이 있는데, 상기 마는 형태의 방식은 니켈 합금 폼을 홀더(32)에 둘둘 마는 구조와, 상기 홀더가 없이 둘둘 마는 구조를 나타낸 것이다. 통상적인 금속합금 표면과 측면에서의 기공율은 거의 비슷하나, 측면의 기공 크기가 표면의 기공에 비해 50% 수준으로 하여 기공은 작고 기공율이 하도록 하여 포집 효율을 증대시킬 수 있는 것이다. 상기 금속합금의 표면기공은 400 내지 700㎛이고, 측면기공은 100 내지 300㎛이며, 기공율은 86%±5%이다. 또한 상기 금속 폼 필터(30)는 Ni base에 크롬과 철이 첨가되어 합금화된 것이다. 또한 상기 금속필터 ass'y(20)의 상단부에 원뿔형의 뚜껑(33)을 체결하여 상기 유입구(11)로 들어온 배기가스의 흐름을 좋게 한다. 또한 상기 필터 ass'y(20)의 상단부에 배기가스의 흐름을 좋게 해 주는 원뿔형의 뚜껑(33)을 체결하고, 이를 외부 캔(10)의 하단부에 부착하는데 부착방법은 용접, cocking, 브레이징, 볼트를 이용한 체결과 필터ass'y 하단부 전체를 나사산으로 가공하여 체결할 수 있다. 제작 할 때, 원뿔형 뚜껑(33)과 필터 ass'y(20) 그리고 필터 ass'y(20)와 캔(10)의 하단부와의 결합 부위에서 리크가 발생하여서는 안된다. 이렇게 제작한 필터장치에 배기가스가 유입되었을 때, 원뿔형 뚜껑(33)에 의해 유입이 원활하게 되면서 고른 배분으로 배기가스가 한쪽으로 치우치는 것을 막고 배기가스가 필터 ass'y(20) 외부에서 내부로 유입되게 하여 초기 접촉 면적을 극대화하여 배압을 작게 하는 금속 폼 필터를 사용한 구조를 가진다.
상기 유로(40)는 상기 캔 내부에 형성되어 유입구(11)로 유입된 배기가스가 금속 폼 필터(30)를 통과하여 배출구(12)로 배출되게 한다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치에서 니켈 폼 필터의 표면을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이다.
도 9에 도시한 바와 같이, 니켈 폼 필터의 표면에 많은 홀들이 있어 배기가스가 상기 홀들을 거쳐 배출구를 통해 배출된다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치에서 래디얼 타입 금속 폼 디젤 입자상물질 제거용 필터(DPF)에서의 배기가스의 흐름 패턴을 나타낸 사시도이고, 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치에서 유동방식간의 시간에 따른 압력 강하의 차이를 나타낸 도면이며, 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치에서 유동방식간의 포집과정이 진행됨에 따라 각각의 입자직경에 대한 필터의 포집효율의 변화를 나타낸 도면이고, 도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치에서 유동방식간의 입자밀도분포의 변화를 나타낸 도면이다. 또한 도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치에서 유동방식간의 필터의 총 포집효율을 나타낸 도면이고, 도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치에서 유동방식간의 포집과정이 진행됨에 따른 필터 내부에 포집된 soot의 질량의 분포를 나타낸 도면이며, 도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치에서 필터 길이의 절반인 15cm 지점을 축 방향에 수직하게 자른 평면에서의 시간과 폼 두께에 따른 필터 내부의 질량분포 변화를 나타낸 도면이고, 도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치에서 유동방식간의 포집과정이 진행됨에 따라 배기가스 유입면 표면에서 성장하는 soot layer의 두께 변화를 나타낸 도면이다.
도 10 내지 도 17은 Radial type metallic foam DPF의 유동방향에 따른 유동 및 포집과정 해석을 한 것인데, axial type metallic foam DPF에 비하여 초기 배기가스 유입면적을 증가시킨 radial type metallic foam DPF의 유동 및 포집과정 예측 기술을 개발하였고, 이를 DPF 내 유동방향 변화에 따른 유동 및 포집과정 영향 예측에 적용하였다
도 10에 도시한 바와 같은, 해석 대상은 radial type metallic foam DPF이며, DPF 내 유동방식은 배기가스 유동이 DPF를 통과하는 방향에 따라 폼(Foam) 바깥 면에서 안쪽으로 흐르는 inward flow 방식과 안쪽 면에서 바깥쪽으로 흐르는 outward flow 방식으로 구분할 수 있다. inward flow 방식은outward flow 방식에 비하여 상대적으로 넓은 초기 배기가스 유입면적을 가지므로 면적당 통과하는 soot의 농도 및 유속이 작다.
도 11은 유동방식의 차이가 압력강하에 미치는 영향을 나타내고 있으며, 도면 내 작은 도표는 포집과정 초기의 압력강하를 확대하여 나타낸 것이다. 포집과정 초기에는 유체유동 관점에서 볼 때 압력강하가 클 것으로 예상되었던 inward flow 방식의 경우가 outward flow 방식에 비하여 다소 높게 계산되었지만 포집과정이 진행됨에 따라 이러한 경향은 역전되는 것으로 나타났다. 이는 유동면적이 좁아짐에 따른 압력강하가 포집과정이 진행됨에 따라 발생하는 압력강하에 비해 작은 것을 나타내는 것이다. 또한 outward flow 방식의 경우 inward flow 방식에 비하여 시간에 따른 압력강하의 변화 폭이 큰 것으로 나타났다.
도 12는 포집과정이 진행됨에 따라 각각의 입자직경에 대한 필터의 포집효율 의 변화를 나타낸 도면으로서, 포집과정 초기(1 hr)의 경우에는 포집효율이 두 방식 모두 유사한 것으로 나타났으며 포집과정이 진행됨에 따라 모든 입자크기에 대하여 outward flow 방식의 경우가 inward flow 방식에 비하여 다소 높은 포집효율을 갖는 것으로 나타났다. 그러나 포집과정이 진행됨에 따른 soot 입자의 감소를 나타낸 도 13에서 보면, 두 방식 이 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. Inward flow 방식이나 outward flow 방식 모두 입자의 직경이 0.1mm 이하의 경우 높은 입자 포집성능을 나타내고 있으며 직경이 0.1mm 이상인 입자의 경우 낮은 포집효율로 인하여 입자의 포집성능이 떨어지는 것으로 나타났다.
도 14는 필터의 총 포집효율을 나타내고 있는데, outward flow의 경우 inward flow의 경우에 비하여 높은 압력강하를 유발하였음에도 포집효율은 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 이러한 현상의 원인은 outward flow 방식의 경우 배기가스 유입면에서의 폼을 통과하는 유속이 inward flow 방식에 비하여 크기 때문이며 또한 좁은 유입면으로 인해 면적당 soot의 유입질량이 증가하여 soot의 침투 길이가 증가하였기 때문으로 생각된다. 유입면에서의 유속의 증가는 낮은 확산효율을 야기하게 되며 침투 길이의 증가는 입자의 필터 통과 확률의 증가를 가져온다.
도 15는 포집과정이 진행됨에 따른 필터 내부에 포집된 soot의 질량의 분포를 나타내고 있는 것으로서, Inward flow 방식의 경우 배기가스가 유입되는 위쪽 면으로부터 soot 입자가 포집되고 시간이 지남에 따라 점차 안쪽으로 soot가 침투하여 위쪽 면에는 높은 분포를 그리고 안쪽으로 갈수록 낮은 분포를 나타내고 있다. 또한 대부분의 soot 질량이 위쪽면에 집중되어 분포하는 것을 알 수 있다. 반 면에 outward flow 방식의 경우 배기가스 유동이 유입되는 아래쪽 면에서부터 soot 입자가 포집되며 시간이 지남에 따라 바깥쪽으로 soot가 침투하여 아래쪽 면에서 높은 soot 질량 분포를 나타내는 것을 알 수 있다. 이러한 양상은 필터 길이의 절반인 15cm 지점을 축방향에 수직하게 자른 평면에서의 시간에 따른 필터 내부의 질량분포 변화를 나타내는 도 16에서도 잘 나타나고 있다. 도면에서는 배기가스가 유입되는 면의 좌표를 x=0으로 하였다. Inward 방식의 경우 유입면으로부터 필터 내부를 배기가스가 통과하면서 유입면에서 soot의 상당부분이 포집되어 시간이 지남에 따라 포집된 soot 질량의 증가 폭이 큰 반면에 필터 내부로 유입되는 soot 량은 그에 비례하여 감소하므로 필터 내부의 포집된 soot 질량의 증가 폭은 유입면에서 멀어질수록 감소하는 것을 알 수 있다. Outward 방식의 경우 inward 방식과 유사한 soot 질량 분포를 나타내었으나 유입면에 포집된 soot 질량의 증가 폭이 inward 방식에 비하여 작고 배기가스가 필터를 떠나는 배출면 근처에서 포집된 soot 질량의 증가 폭은 inward 방식에 비하여 큰 것으로 나타났다. 이는 outward 방식의 경우 배기가스가 유입되는 면적이 inward 방식에 비하여 작기 때문에 유입된 soot의 상당량이 유입면 주위에서 포집되지 않고 필터 내부로 침투하기 때문인 것으로 생각된다. 배기가스 유입면에 포집된 질량은 outward flow 방식이 inward flow 방식에 비하여 적으나 유입면의 면적이 inward의 절반 정도에 불과하여 유입면을 이루는 slab의 다공도와 투과도의 감소가 더 커 상대적으로 높은 압력강하를 나타낸 것으로 생각된다.
도 17은 포집과정이 진행됨에 따라 배기가스 유입면 표면에서 성장하는 soot layer의 두께 변화를 나타낸 것으로 outward 방식의 경우 inward 방식에 비하여 빠른 성장속도를 나타냈다. 따라서soot layer의 성장속도가 빠른 outward 방식이 inward 방식에 비하여 상대적으로 두꺼운 soot layer를 가지므로 이에 따라 높은 압력강하를 유발하는 것으로 생각된다.
따라서 배압이 낮고, 입자상물질(PM)의 포집 효율이 좋은 것을 상기 3차원 유동해석의 결과로부터 알 수 있는 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치는 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 본 발명은 종래의 세라믹으로 된 디젤 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate Filter : DPF)를 금속으로 대체할 경우, 금속 폼의 포어 사이즈가 200 내지 1000㎛으로 평균 30㎛의 포아사이즈를 갖는 세라믹 필터보다 조대하여 포집 효율이 떨어지는 문제점이 있어, 이를 개선하기 위해 배압이 적게 걸리면서도 포집 효율을 높일 수 있는 필터 형상 및 배치 설계를 갖는다.
둘째, 본 발명은 필터 ass'y의 상단부에 원뿔형의 뚜껑을 체결함으로써, 유입구로 들어온 배기가스의 흐름을 좋게 해 줄 수 있다.
셋째, 본 발명은 필터 ass'y안에 수평방향 또는 수직방향으로 금속폼 필터를 장착함으로써, 배압을 낮추면서도 입자상물질(PM)의 포집 효율이 좋게 할 수 있다.
넷째, 본 발명은 배기가스가 흐르는 방향에 수직하게 적층된 니켈 폼 필터 또는 배기가스가 흐르는 방향에 수평으로 말아서 형성된 니켈 폼 필터의 중앙에 모두 관통 홀이 형성되거나 상기 니켈 폼 필터의 중앙에 모두 관통 홀이 없거나 또한 니켈 폼 필터의 중앙에 형성되어 있는 홀더의 중간에 배기가스가 유입되어 배출구로 배출되게 하는 다수개의 홈이 형성되어 있는 형태 모두가 가능하므로 장착 환경과 조건에 맞게 다양한 형태로의 적용이 용이하다.
Claims (4)
- 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치에 있어서,엔진으로부터 연소된 배기가스가 유입되는 유입구와, 상기 배기가스가 필터를 통과하여 배출되는 배출구가 형성되어 있는 캔과;상기 캔 내부에 장착되어 있어 유입된 배기가스가 통과되는 적층형태 또는 마는 형태의 금속 폼 필터가 장착되어 있으며, 상기 유입구로 들어온 배기가스의 흐름을 좋게 해 주기 위해 상단부에 원뿔형의 뚜껑이 체결되어 있는 필터 어세이(ass'y)와;상기 캔 내부에 형성되어 유입구로 유입된 배기가스가 금속필터를 통과하여 배출구로 배출되게 하는 배기가스의 유로; 를 포함함을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치.
- 제 1항에 있어서,상기 금속 폼 필터는 배기가스가 흐르는 방향에 수직하게 적층하며, 상기 니켈 폼 필터의 중앙에 모두 관통 홀이 형성되거나 상기 니켈 폼 필터의 중앙에 모두 관통 홀이 없는 것을 포함함을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치.
- 제 1항에 있어서,상기 금속 폼 필터는 배기가스가 흐르는 방향에 수평으로 말아서 형성하며, 상기 니켈 폼 필터의 중앙에 홀더가 형성되어 관통 홀이 형성되거나 상기 니켈 폼 필터의 중앙에 홀더가 없는 것을 포함함을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치.
- 제 1항에 있어서,상기 니켈 폼 필터의 중앙에 형성되어 있는 홀더의 중간에 배기가스가 유입되어 배출구로 배출되게 하는 다수개의 홈이 형성되어 있는 것을 포함함을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스 정화장치용 필터장치.
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