KR20170027645A - 버너를 구비한 ｄｐｆ장치의 화염안정기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 버너를 구비하는 DPF 장치에서의 배기 유동특성을 개선함으로써 매연 제거 성능이 보장될 수 있는 DPF 장치의 화염안정기 및 이를 포함하는 DPF 시스템에 관한 것으로서, 연소공간 및 연료분사부 및 점화장치를 포함하는 버너의 유입측에 배치되는 화염안정기에서, 배기관플랜지의 면에 밀착되고 배기가스가 관통하는 링부를 구비하는 제1고정부(1110), 버너측플랜지의 면에 밀착되고 배기가스가 관통하는 링부를 구비하는 제2고정부(1120), 상기 제1고정부와 제2고정부 사이에 배치되는 제1지지망(1131)과 제2지지망(1132) 및 상기 제1지지망과 제2지지망의 사이에 배치되는 배기가스의 유속의 변화를 완충하는 폼부(1140)를 포함하며, 상기 폼부는, 일측으로부터 배기가스의 유속이 높은 경우 분산하여 완충하고 연료분사부에서 분사되는 액체연료의 기화를 균등하게 하며 점화관 내부의 화염의 소화를 방지하는 DPF 장치의 화염안정기를 제공한다.

Description

버너를 구비한 ＤＰＦ장치의 화염안정기{FLAME STABILIZER OF DPF APPARATUS WITH BURNER}

본 발명은 DPF 장치에 관련된 것으로, 더욱 구체적으로는 버너를 구비하는 DPF 장치에서의 배기 유동특성을 개선하고 매연저감기능을 부가하여 매연 제거 성능이 보장될 수 있는 DPF 장치의 화염안정기 및 이를 포함하는 DPF 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 디젤차량 증가로 인해 디젤엔진으로부터 배출되는 배기가스 중에 포함된 매연(dry soot), SOF(soluble organic fraction) 등의 입자상 물질(PM; particulate matter)의 배출량이 증가되고 있다. 이러한 배출물들은 환경오염, 특히 대기오염의 주원인이 되므로 그 규제가 점차 강화되고 있는 실정이다.

현대사회에서 이러한 배기가스의 매연을 감소시키기 위한 매연저감장치는 필수적인 것으로 인식되고 있다. 매연저감장치의 일례로서 배기가스의 유로 상에 매연을 포집할 수 있는 배기가스 후처리장치(DPF; Diesel Particulate Filter)가 많이 적용되고 있으며 다양한 내연기관 장비에 이를 장착하도록 법규가 강화되고 있다.

초기의 매연저감장치의 경우 차량의 속도가 어느 정도 보장된 상태에서만 매연을 감소시킬 수 있는 자연재생방식이 주를 이루었다. 자연재생방식의 매연저감장치의 경우 차량의 속도가 증가되면 배기가스의 온도가 승온되고 촉매제가 가열되면서 배기가스와 반응하여 매연을 저감하도록 기능한다. 보통 대략 250도 이상의 온도에서 촉매가 반응하기 때문에 어느 정도 엔진회전수가 보장될 수 있는 속도 이상으로 차량이 운행하는 경우 정상적으로 매연저감의 성능이 발휘되었다.

그러나 이러한 자연재생방식의 경우 저속으로 주행시 배기가스의 온도가 낮기 때문에 매연저감의 성능이 제대로 발휘되지 않는 문제가 있어, 최근에는 배기가스의 온도를 강제로 승온시키고 산화시켜주는 버너(Burner)를 구비하는 강제복합식 DPF 장치의 적용이 증가하는 추세이다.

즉, 매연은 고온에서 산화될 수 있기 때문에, DPF 장치로 유입된 배기가스를 소정 가열수단을 이용하여 승온함으로써 매연이 열에 의하여 산화되도록 하여 DPF 장치 내부에서 매연을 제거할 수 있도록 하는 것이다. 이와 같은 가열수단은, 버너나 코일히터 등과 같은 다양한 열 발생 장치를 사용할 수 있다.

공개특허 제10-2010-0050773호는 이러한 종래기술의 디젤엔진 매연필터를 개시하고 있다.

디젤엔진으로부터 배출되는 배기가스 중에 포함되는 입자상 물질을 포집하는 세라믹과 같은 재질의 필터(1)가 내설되는 본체(2), 연료펌프(3) 및 에어펌프(4)에 의해 공급되는 혼합연료를 분사시키는 연소기(5), 연료를 점화시키는 점화플러그(6)를 구비하고 있다.

도시된 바와 같은 분사식 버너(7)는 점화시 필터(1)에 포집된 입자상 물질을 연소시켜 재생시키고, ECU는 압력센서의 검출신호에 따라 버너를 선택적으로 점화시킬 수 있다.

따라서, 엔진으로부터 배출되는 배기가스 중의 매연입자가 필터(1)에 포집되어 그 포집량이 일정값을 초과하는 경우, 압력센서(8)에 의해 압력 상승되는 것을 감지하여 검출신호를 제어기(9)에 출력함에 따라, 제어기(9)로부터의 신호에 의해 버너(7)를 점화시킨다. 연소기(5)를 통해 분사되는 혼합 연료를 점화봉(6)에 의해 점화시킴에 따라, 필터(1)에 포집된 매연입자가 대략 600℃ 이상의 화염에 의해 연소되어 제거된다.

종래에는 공개특허와 같이 저속에서의 매연의 저감을 어떠한 방식으로 수행하며 효율성을 어떻게 향상시킬 수 있는지에 대해서만 관심을 두고 있었다.

그런데, 배기가스의 유속이 느린 경우 버너 내부의 화염의 생성은 안정적이나, 배기가스의 유속이 급변하는 경우 버너 내부의 유동으로 인하여 화염이 안정적으로 생성되지 못하는 문제가 발생됨을 확인할 수 있다. 즉, 급가속이나 고속주행의 경우 배기가스의 유속이 급변하게 되어 화염이 제대로 생성되지 못하여 미연소된 연료들이 그대로 분출되어 대기오염을 유발하는 것이다. 이러한 경우 차량의 배기가스 배출구에서 다량의 흰 연기가 발생되어 시각적으로도 불쾌감을 초래하고 후방 차량의 운행에 큰 지장을 주게 된다.

실제 급가속과 같이 유속이 급변하는 상황에서 화염이 꺼지는 현상도 발생하는데, 이러한 현상은 불필요한 연료의 소모가 발생하고 메인 필터에 포집된 매연을 효과적으로 제거하지 못하므로 메인 필터 자체를 폐색하여 그 성능이 발휘되지 못하며 엔진의 출력에도 악영향을 미치는 결과로 이어진다.

이러한 화염의 약화 또는 생성 불능 상태는 개선되어야 하나 점화능력의 향상에 초점을 두는 경우 그 구조가 복잡하여 부피가 증가하거나 생산비용이 증가되는 문제를 발생시키게 되고, 한편 점화능력을 극대화하는 경우에는 화염이 DPF 장치 전체를 관통하여 형성하는 현상이 발생하여 필터 등을 손상시킬 수 있을 뿐만 아니라 과도한 연료소모를 일으키는 문제도 있다.

본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 배기가스의 흐름이 안정적이지 못한 상황에서 버너 내부의 화염의 생성 능력을 안정적으로 유지할 수 있도록 함으로써 다양한 주행환경에서 대기오염을 효과적으로 제거할 수 있는 버너를 구비하는 DPF 장치의 화염안정기 및 이를 포함하는 DPF 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 배기 이송로에서 버너의 전단에 구비되고 일측으로 유입유동이 입력되어 타측으로 유출유동이 배출되는 과정에서 급격한 유속의 변화를 완충하여 안정화된 유동을 버너로 제공하는 폼부 및 폼부를 내주측에 결합하고 배기 이송로가 연결되는 플랜지 측에 고정되는 하우징부를 포함하는 DPF 장치의 화염안정기를 제공한다.

상기 폼부는, 평판 형태의 와이어 메시로 짜여진 메시망의 길이방향의 중심축에서부터 권취되어 형성되고, 와이어 메시 사이의 공극에서 반경방향의 유동을 안내하는 사이드공극을 형성하며 마주보는 면 사이의 간극에서 배기가스의 길이방향으로의 유동을 안내하는 측면공극을 형성하는 것이 바람직하다.

상기 하우징부는, 폼부의 외주면을 감싸는 커버링부와, 커버링부의 단부측에서 외주방향으로 돌출되어 플랜지측에 고정되는 고정부를 구비할 수 있다.

상기 고정부는, 길이방향으로 탄성변형되고 플랜지부 사이의 체결과정에서 배기가스를 실링하는 가스켓으로 기능할 수 있다.

다른 실시예로서, 상기 고정부는, 폼부의 외면 전체를 감싸는 원기둥 형상으로 이루어지고 전단 및 후단측에 폼부의 길이방향으로의 이탈을 방지하기 위한 스토퍼부가 결합될 수 있다.

상기 폼부는, 와이어 메시에 형성되는 산화촉매코팅을 더 포함하며 배기가스에 의하여 가열되면 DPF 필터링 전단계에서 산화촉매에 의한 매연저감 기능을 먼저 수행할 수 있다.

한편, 본 발명은, 상기 화염안정기와, 엔진의 출력단에서 이어지는 배기 이송로를 구성하며 단부측에 플랜지를 구비하는 배기관과, 상기 배기관의 플랜지에 체결되는 버너측 플랜지를 구비하며 연소기 및 연료공급기를 포함하는 버너와 포집필터를 포함하는 버너를 포함하며, 상기 화염안정기의 폼부는 플랜지측으로부터 배기 이송로에 삽입되는 DPF 시스템을 제공한다.

차량이 저속으로 운행하는 경우, 상기 화염안정기는 유입유동을 메시망 사이의 간극을 통하여 분배하여 유출유동으로서 버너로 입력하고 포집필터에서 여과를 수행하고, 차량이 고속으로 운행하는 경우, 화염안정기의 폼부가 가열되어 산화촉매로서 기능하여 1차로 정화한 유출유동을 버너로 입력하고 포집필터는 2차로 여과를 수행하며 버너는 포집필터에서 포집된 매연을 연소하여 제공하고, 차량이 급가속되는 경우 폼부의 사이드공극 및 측면공극이 급변하는 유속을 완충하고 안정화하여 유출유동을 버너로 입력하여 연소기의 점화성능을 유지할 수 있다.

한편, 본 발명은 제4실시예로서, 연소공간 및 연료분사부 및 점화장치를 포함하는 버너의 유입측에 배치되는 화염안정기에서, 배기관플랜지의 면에 밀착되고 배기가스가 관통하는 링부를 구비하는 제1고정부(1110), 버너측플랜지의 면에 밀착되고 배기가스가 관통하는 링부를 구비하는 제2고정부(1120), 상기 제1고정부와 제2고정부 사이에 배치되는 제1지지망(1131)과 제2지지망(1132) 및 상기 제1지지망과 제2지지망의 사이에 배치되는 배기가스의 유속의 변화를 완충하는 폼부(1140)를 포함하며, 상기 폼부는, 일측으로부터 배기가스의 유속의 변화가 큰 경우나 유속이 높은 경우 분산하여 완충하고 연료분사부에서 분사되는 액체연료의 기화를 균등하게 하며 점화관 내부의 화염의 소화를 방지하는 DPF 장치의 화염안정기를 제공한다.

상기 제1지지망 및 제2지지망은 링부의 내주측에서 양측으로 돌출형성되고 배기관 및 버너의 관로 내부에 일부가 삽입될 수 있다.

상기 폼부는, 외측으로 볼록하고 상호 마주보는 측에서 평평한 형태의 제1폼(1141) 및 제2폼(1142)으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 제1고정부, 제2고정부, 제1지지망 및 제2지지망을 밀착하여 체결하는 체결부(1112) 및 배기관플랜지와 버너측플랜지의 체결홀과 연통되어 체결부재가 삽입되는 고정홀부(1150)를 포함할 수 있다.

상기 제1고정부 및 제2고정부는, 마주보는 측으로 돌출되어 제1지지망 및 제2지지망의 공극에 삽입되어 위치와 형태를 고정하는 복수의 고정돌부(1111)를 구비할 수 있다.

본 발명에 따른 DPF 장치의 화염안정기에 의하여 유속에 따른 버너의 화염발생조건의 불안정성이 개선되며 안정된 매연의 제거가 가능해지고, 구조적으로도 단순하여 생산성과 시공성이 향상될 수 있으면서도 차량의 성능에도 영향이 최소화될 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 화염안정기를 포함하는 DPF 시스템에 의하여, 각각의 유속의 조건에 따라 최적화된 매연 저감의 기능을 제공하므로 종래의 DPF 장치에 비하여 환경오염 문제는 현저히 저감될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술의 디젤엔진 매연필터에 대한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 DPF 장치의 화염안정기를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2의 DPF 장치의 화염안정기를 측면에서 바라본 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 DPF 장치의 화염안정기를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 DPF 장치의 화염안정기를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 DPF 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 DPF 시스템의 다른 실시예를 나타내는 개념도이다.
도 8은 본 발명의 DPF 장치의 화염안정기가 장착된 차량에서 배기가스 온도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 DPF 장치의 화염안정기가 장착되기 전후의 차량에서 배압의 변화를 확인한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 DPF 장치의 화염안정기가 장착되기 전후의 차량에서 각각의 위치별 온도를 측정한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 제4실시예에 따른 DPF 장치의 화염안정기의 평면도이다.
도 12는 본 발명의 제4실시예에 따른 DPF 장치의 화염안정기의 측단면도이다.
도 13은 본 발명의 제4실시예에 따른 DPF 장치의 화염안정기가 버너측에 배치된 상태를 나타내는 모식도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 버너를 구비하는 DPF 장치의 화염안정기 및 이를 포함하는 DPF 시스템을 상세히 설명한다.

이하 설명에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자나 장치를 사이에 두고 연결되어 있는 경우를 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명은 기본적으로, 배기 이송로의 버너의 전단에 구비되고 일측으로 유입유동이 입력되어 타측으로 유출유동이 배출되는 과정에서 급격한 유속의 변화를 완충함으로써 버너의 화염 형성을 안정화하는 폼부와, 폼부를 내주측에 결합하고 배기 이송로가 연결되는 플랜지 측에 고정되는 하우징부를 포함하는 DPF 장치의 화염안정기를 제공한다.

배기 이송로란 엔진의 배기 출력단으로부터 연장되는 하나 이상의 파이프로 구성되며, 도시되는 실시예들에서는 대략 직선형의 파이프로 구성되는 경우를 나타내고 있으나 각 장비들의 형상에 적절하게 벤딩된 형태를 포함한다.

본 발명의 개념에 따른 DPF 장치의 화염안정기는 장착의 편리성을 위하여 두 개의 파이프가 체결되는 플랜지 부위에 삽입될 수 있는데 이와 관련하여서는 후술하도록 한다.

다만, 본 발명은 반드시 자동차의 배기에 형성되는 것에 한정되는 것은 아니며, 공장이나 발전기와 같이 내연기관을 이용하고 파티클을 포함하는 배기를 배출하는 다양한 장비나 시설에 적용될 수 있는 것임에 유의하여야 한다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 DPF 장치의 화염안정기를 설명하기 위한 도면이다.

폼부(100)는 배기 이송로를 이루는 파이프의 내주측에 삽입되어 엔진의 출력단으로부터의 유입유동(a)을 일측에서 입력받아 타측으로 유출유동(b)으로서 배출한다. 상기 유출유동(b)은 버너에 입력되는 배기로서 기능하므로, 폼부(100)는 버너에 인접된 부위에 배치되는 것이 바람직하다.

상기 폼부(100)는 일측에서 타측으로 소정의 진행방향 유동과, 내주측에서 외주측으로의 소정의 반경방향 유동을 형성할 수 있도록 복수의 공극을 포함할 수 있으며, 생산성의 편의를 고려하여 축방향을 중심으로 권취된 형태의 메시망으로서 이루어지는 것이 바람직하다. 여기서, 진행방향 유동과 반경방향 유동의 방향성은 직선의 흐름이 아니라 전체적인 흐름의 방향을 의미하며, 와류를 포함하는 지그재그 형태의 유동으로서 이해될 수 있다.

상기 메시망은 와이어 메시(mesh)를 이송로의 길이방향에 대응되도록 말아 형성되며, 와이어 메시 사이에 형성되는 공극이 사이드공극(101)을 형성하며, 권취된 망의 사이의 간극이 후술될 바와 같이 측면공극(도 3의 102)을 형성하게 된다.

이러한 폼부(100)의 공극들은 상호간에 불규칙한 유로를 구성하며 비교적 유입유동(a)의 유속이 낮은 경우에는 큰 저항 없이 유출유동(b)으로 배출하되, 배기가스 유속의 급격한 변화가 일어나는 경우 어느 정도 이를 분산하여 완충하는 기능을 수행하게 된다.

상기 폼부(100)는 실질적으로 배기 이송로의 배치되는 부위의 내경에 대응되거나 이보다는 다소 작은 직경으로 형성될 수 있는데, 배기 이송로의 개방구 상에 복수의 공극을 배치함으로써 배압이 급변하거나 압력이 치우친 형태의 유입유동(a)을 분산하여 유출유동(b)으로 균일화하고, 큰 유속의 변화가 발생하는 경우 사이드공극(101)을 통하여 사이드유동(c)으로써 분산할 수 있다.

이와 같이 배기 이송로 상에서 배기 유속의 급격한 변화가 폼부(100)에 의하여 완충될 수 있으므로 버너측에 구비되는 연소기로부터 개시되는 화염이 안정화될 수 있는 것이다.

일반적으로 메시망이나 다수의 공극구조를 가진 필터들은 내주 및 외주를 관통하는 방향 즉, 반경방향으로 유동이 안내되면서 필터링 기능을 수행하기 때문에 중공의 형태로 이루어지나 본 발명의 폼부(100)는 실질적으로 배기 이송로의 내주측을 가로막는 형태로 채우고 있는 차이가 있음에 유의하여야 한다. 이는 상기한 바와 같이 진행방향의 유동은 권취된 메시망의 면 사이의 간극에 의하여 분산 및 안내되고 반경방향의 유동은 메시망 자체에 형성되는 공극에 의하여 분산 및 안내되는 차이점을 가진다.

상기 폼부(100)의 외주를 감싸는 형태로 하우징부(200)가 배치될 수 있으며, 이러한 하우징부(200)는 배기 이송로의 내면에 폼부(100)를 고정하도록 기능한다.

경우에 따라 하우징부(200)는 배기 이송로를 이루는 파이프 내주면의 선택된 부위에 볼팅이나 접착 또는 압입되는 방식으로 결합할 수도 있을 것이나, 장착의 편의성과 시공상의 경제성 및 유지관리의 필요성 등을 고려하면 바람직하지 않을 수 있다.

따라서, 상기 하우징부(200)는 파이프의 체결부위인 플랜지 부위에 삽입되어 고정되는 것이 바람직하다. 이를 위하여 하우징부(200)는 권취된 형태의 폼부(100)의 외주를 감싸는 커버링부(210)와, 플랜지측에 걸림되어 위치를 고정할 수 있도록 외주방향으로 돌출되는 고정부(220)를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 고정부(220)는 배기관의 내경보다는 더 큰 링 형태로 이루어질 수 있으며, 플랜지 부위에 걸림될 수 있도록 판상으로 형성될 수 있다.

또한, 고정부(220)는 어느 정도 탄력과 다양한 환경에 대응이 가능하도록 도시사항과 같이 외면이 테이퍼지거나 곡면 형태로 이루어질 수도 있다. 도 6 및 도 7을 참고하면, 플랜지가 형성되는 관로의 단부측 내주는 테이퍼지거나 직각 형태를 가질 수 있는데 반드시 도시된 예에 한정되는 것은 아니다.

이러한 고정부(220)는 후술될 바와 같이 체결부위에서 바람직하지 않은 가스의 유출을 방지할 수 있는 가스켓(gasket)을 대체할 수 있다.

상기 커버링부(210)는 실질적으로 배기관의 내면에 밀착될 수 있는 크기와 형태를 가지는 것이 바람직하며, 유입유동(a)이 대부분 폼부(100)의 내부를 통하여서만 유출유동(b)으로써 배출되도록 기능하게 된다.

상기 커버링부(210)는 진동이나 배압에 의하여 폼부(100)가 이탈되지 않도록 폼부(100)와 견고하게 결합될 수 있으며 상호간에 용접 방식으로 결합되는 경우를 고려해볼 수 있다. 다만, 길이방향으로의 폼부(100)의 움직임을 방지하기 위하여 하우징부(200)의 전방 및/또는 후방측에 소정의 스토퍼부가 하우징부(200)에 더 배치될 수 있음은 물론이다. 이와 관련된 실시예에 대하여서는 후술하도록 한다.

이러한 화염안정기(1000)에서 폼부(100)의 일측은 제1유출입부(110)로서, 타측은 제2유출입부(120)로서 정의될 수 있는데 도시된 바와 같이 일측의 유입유동(a)이 제1유출입부(110)를 통하여 유입되면 급속한 유속의 변화가 사이드공극(101) 및/또는 측면공극에 의하여 완충되어 제2유출입부(120)에서 유출유동(b)으로 배출될 수 있다. 상기 유출입부는 양측의 입구 및 출구를 의미하며 후술될 바와 같이 반전되어 배치될 수도 있다.

도 3은 도 2의 DPF 장치의 화염안정기를 측면에서 바라본 도면이다.

상술한 바와 같이 화염안정기(1000)는 폼부(100)와 하우징부(200)로 구성될 수 있으며, 유동의 안내 및 유속 안정의 기능은 폼부(100)의 공극에서 수행하게 된다.

폼부(100)가 메시망이 길이방향의 가상의 중심축을 중심으로 하여 권취된 형태로 구성되는 경우, 사이드공극(101)은 메시망을 구성하는 와이어들 사이의 공극에 의하여 형성되고 측면에 형성되는 유출입부로 이어지는 유로에서 보여지는 측면공극(102)은 망의 면 사이의 간극에 의하여 형성되는 차이가 있다.

이와 같이 구성되는 경우 배기가스의 전체적인 진행방향에서 유동의 저항이 반경방향의 저항보다 매우 작음을 예측할 수 있다. 즉, 배기가스의 부압이 비교적 작은 저속운행시에는 측면공극(102)을 통하여 대부분 유출유동(b)으로서 배출되어 저항이 작고, 유속이 급격하게 변하는 상태에서는 측면공극(102)과 함께 사이드공극(101)이 함께 기능하여 와류의 형성을 향상시킴으로써 유속에 대한 안정화의 기능을 수행하는 것이다. 이때, 급격한 유속에 대하여 폼부(100)의 내부에서는 일부 또는 전체구간 기체의 압축이 이루어질 수 있다.

배출측에서 바라볼 때 고정부(220)는 폼부(100)를 감싸는 링 형태로 나타나며, 배기관의 플랜지 부위에 장착될 수 있음은 상기한 바와 같다.

도시된 바와 같이, 측면상 중심축으로부터 메시망의 면과 면이 인접 또는 밀착될 수 있도록 권취되는 것이 바람직하며, 생산성과 제조의 편의성 및 치밀성을 고려하면 단일의 판 형태의 메시망의 일단이 중심축을 구성하고 타단이 외주측에 배치될 수 있다. 이러한 와이어 메시로 구성되는 메시망의 경우는 두께방향의 탄력을 가지기 때문에 메시망의 타단에 의한 외주에서 두께의 차이는 어느 정도 허용될 수 있을 것이다.

도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 DPF 장치의 화염안정기를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 제1실시예에서는 하우징부(200)가 폼부(100)의 일측 또는 타측의 일부만을 감싸도록 배치되는데 이러한 구성을 가지는 경우 배기가스의 진행방향 즉, 길이방향으로의 폼부(100)의 이탈 우려가 있다. 자동차의 배기가스의 배압과 그 온도가 높기 때문에 용접에 의하여서도 그 결합관계가 해제될 가능성이 존재하는 것이다. 이 경우 이탈된 폼부(100)가 버너나 DPF 장치의 내부를 막아 배기 효율을 떨어뜨리거나 필터로서의 기능을 상실하게 할 수 있다.

이를 고려하여 아래의 실시예들에서는 하우징부(200)가 전방 및/또는 후방측에 소정의 스토퍼를 구비하는 경우를 설명한다.

본 발명의 제2실시예에서는 커버링부(210)가 폼부(100)의 대부분을 감싸는 형태로 배치되어 일측에 제1스토퍼부(231)와 타측에 제2스토퍼부(232)를 구비할 수 있다.

이때, 커버링부(210)가 외면이 폐색된 원통 형태로 이루어지는 경우 배기관과의 밀착력과 결합력은 향상될 수 있으나 사이드유동(c)을 제한할 수 있다. 이를 고려하여 본 발명의 제2실시예에서는 커버링부(210)에는 복수의 사이드홀부(240)가 형성될 수 있다. 상기 사이드홀부(240)는 하나 이상의 사이드공극(101)과 연통될 수 있다. 이러한 커버링부(210)에 의하여 전체적인 폼부(100)의 고정의 기능이 향상되면서도 반경방향의 유동의 형성을 방해하지 않을 수 있어 제1실시예와 대비하여 배압에 차이를 주지 않게 된다.

도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 DPF 장치의 화염안정기를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 제3실시예의 경우 제2실시예에서 커버링부(210)의 사이드홀부(240)를 생략한 상태를 나타낸다.

이와 같은 경우 폼부(100)의 고정력을 향상하면서 배기관과의 밀착력도 향상될 수 있는 이점을 가진다. 이러한 제3실시예의 경우 제1 및 제2실시예의 경우보다 비교적 배압이 낮은 내연기관의 배기 이송로에 적용될 수 있을 것이다.

상기된 제2 및 제3실시예에 적용되는 스토퍼부의 경우 하우징부(200)의 커버링부(210)를 이루는 양단측에 결합될 수 있으며 하나 이상의 개구가 형성되는 링 형태로 이루어질 수 있다. 이러한 스토퍼부들은 폼부(100)와 하우징부(200)가 결합된 이후 또는 이전에 커버링부(210)의 양단 측에 용접되는 방식으로 결합될 수 있으나 반드시 이러한 결합형태에 한정되는 것은 아니다.

상기 제1스토퍼부(231) 또는 제2스토퍼부(232)는 선택적으로 적용될 수 있음은 물론이다.

상술된 실시예들의 DPF 장치의 화염안정기는 본 발명의 개념이 적용되는 경우라면 다양한 형태로서 구성될 수 있으며 반드시 도시된 예에 한정되지 않는다.

한편, 본 발명의 DPF 장치의 화염안정기는 우선적으로 버너에 입력되는 배기가스의 흐름을 안정화하는 기능을 수행하는데, 여기에 추가적으로 매연저감의 기능을 수행하도록 할 수 있다.

이때, 상술된 공극 즉, 메시망의 와이어 사이의 공극이나, 밀착되는 면과 면 사이에 형성되는 간극들은 선택적일 수 있으나 지나치게 좁은 경우 필터링 성능은 제공이 가능하나 역류방향으로 부압을 제공할 우려가 있다. 이러한 역방향 압력은 엔진의 효율성을 저하하는 부작용을 낳게 되므로 공극의 간격은 배기가스의 속도에 따라 지나치게 저항을 부가하지 않는 정도에서 선택되는 것이 바람직하다.

따라서, 매연저감의 기능을 수행하기 위하여 상기 폼부(100)가 촉매코팅필터로서 이루어지고 배기가스의 열에 의하여 가열되어 산화시킬 수 있다.

이는 본 발명의 DPF 장치의 화염안정기가 배기가스중 포함된 탄화수소와 일산화탄소의 성분을 각각 촉매에 의한 산화반응으로 물과 이산화탄소로 변환시켜 주는 디젤산화촉매(DOC; Diesel Oxidation Catalyst)로서도 기능할 수 있음을 의미한다.

이러한 추가적인 개념에 따라 DPF 필터링 전단계에서 촉매 여과의 기능을 수행하도록 함으로써 배기의 여과성능이 더욱 향상될 수 있는 것이다. 또한, 후단의 버너, 노즐, 이그나이터, 필터 앗세이가 오염되는 현상을 방지할 수 있다.

따라서, 폼부(100)를 구성하는 메시망에 백금과 같은 촉매코팅이 이루어질 수 있으나 코팅 재질은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 촉매코팅이 백금촉매로 이루어지는 경우 밸런스 포인트 온도(Balance Point Temperature)는 250℃ 이상으로 알려져 있다.

도 6은 본 발명의 DPF 시스템을 설명하기 위한 개념도이며, 도 7은 본 발명의 DPF 시스템의 다른 실시예를 나타내는 개념도이다.

본 발명의 화염안정기(1000)는 두 개의 배기 이송로가 상호 체결되는 플랜지(311, 321) 부위에 배치되는 것이 바람직함은 상기한 바와 같다.

버너(320)는 배기관(310)의 후단측에 배치되며, 여기서 배기관은 버너측으로의 인렛(inlet)파이프로서 기능하게 된다. 여기서 버너(320)는 연소기 및 연료공급부를 포함하는 버너와 포집필터를 포함할 수 있으며 다양한 형태의 공지된 버너와 포집필터가 적용될 수 있으므로 구체적인 도시는 생략하였으나 이는 당업자에게 자명하다.

도시된 바와 같이 플랜지(311, 321)부위는 볼팅과 같은 방식으로 상호 체결되는데, 본 발명의 화염안정기(1000)가 플랜지측에 삽입되는 경우 간단하게 볼팅을 해제하고 삽입하는 과정만으로도 버너에 입력되는 유속을 안정화할 수 있으므로 제조, 장착, 유지보수의 모든 과정이 단순화되는 이점을 가짐에 유의하여야 한다.

이러한 화염안정기(1000)는 플랜지 측에의 고정을 위하여 고정부(220)가 외주방향으로 돌출된 형태로 구성될 수 있으며 도시사항과 같이 경사면을 가지거나 도 2와 같이 곡면형태를 구성할 수 있다. 다만, 평면 형태의 고정부(220)를 배제하는 것은 아니며 선택된 다양한 형태가 고려될 수 있다.

플랜지(311)의 내주측에서 어느 정도 외주방향으로 노출되도록 배치되는 것이 바람직하며 상호간에 체결되는 길이방향으로도 고정부(220)가 돌출되는 것이 더욱 바람직할 수 있다.

플랜지(311)와 플랜지(321) 사이의 체결시 그 사이의 간극으로 배기가스의 바람직하지 않은 유출이 발생될 우려가 있고, 이는 환경오염과 소음의 문제로 이어진다. 이를 고려하여 플랜지 부위의 결합시에는 실링재로서의 가스켓이 개재되는데, 본 발명의 화염안정기(1000)의 고정부(220)에 의하여 가스켓이 대체될 수 있으므로 경제성에 있어서도 더욱 이점을 가진다.

상기 고정부(220)는 형태 또는 재질에 있어서 길이방향으로의 탄성을 가지는 것이 바람직하고 이에 따라 볼팅과 같은 체결과정에서 탄성복원력을 통하여 종래의 가스켓에 비하여 더욱 강한 실링성이 제공될 수 있는 것이다.

도 6과 도 7의 경우 서로 반대 방향에 화염안정기(1000)가 배치되는데 양측의 유출입부는 각각 유입부 또는 유출부로서 선택적으로 기능할 수 있다.

도시된 예에서 본 발명의 제1실시예에 의한 DPF 장치의 화염안정기가 적용되었으나 다른 실시예도 마찬가지로 적용될 수 있을 것이다.

상술된 배기관(310), 화염안정기(1000), 버너(320)의 결합된 구성은 하나의 DPF 시스템을 구성하게 된다.

상기 DPF 시스템은 버너의 연소작동의 결정을 위하여 소정의 센서 및 ECU(미도시)를 구비할 수 있는데, 연소작동을 위한 연소조건은 차량의 속도, 차량의 회전수, 배기압, 배기의 유속 등 선택적, 추가적으로 결정될 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 DPF 시스템에 의하여 차량이 저속으로 운행하는 경우 화염안정기(1000)가 유동의 저항이 작은 상태로서 그대로 유출유동(b)으로서 버너로 입력하며, 포집필터(미도시)에서 여과성능이 제공될 수 있다. 이때, 버너의 화염형성은 소정의 센싱값 또는 알고리즘에 따라 ECU에 의하여 제한될 수도 있고, 가동될 수도 있다.

또한, 고속으로 운행하는 경우에는 화염안정기(1000)가 유동의 저항을 최소한도로 유지하면서 가열되어 산화촉매로서 기능하여 버너로 1차 여과된 배기를 유입하고, 포집필터는 2차로 여과를 수행하며, 버너는 포집필터에서 포집된 매연을 연소하여 제거하는 기능을 수행하게 된다. 여기서 고속이란 차량의 종류와 엔진의 종류마다 차이가 있을 수 있으나 후술될 바와 같이 대략 20km/h의 속도 이상으로 이해될 수 있다.

또한, 유속이 급변하는 급가속의 경우에는 폼부(100)가 급격하게 변하는 유속을 완충하고 안정화하여 각 측면공극(102)으로 균등하게 분배하는 기능을 수행하고, 포집필터가 여과를 수행하게 된다. 이때, 화염안정기(1000)의 촉매필터 기능 및 버너의 연소기능은 속도에 따라 선택적일 수 있다.

도 8은 본 발명의 DPF 장치의 화염안정기가 장착된 차량에서 배기가스 온도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.

나타난 바와 같이, 정차시 화염안정기 부위에서 온도는 200℃이고, 20km/h의 속도에서 대략 250℃온도에 도달함이 확인되었다. 이는 BPT온도에 해당하며, 자연재생이 시작되는 고속영역으로 이해될 수 있다. 또한, 60km/h의 속도에서는 400℃를 상회하는 것으로 나타났다. 따라서, 차량의 속도에 대하여 화염안정기에서의 산화촉매로서의 기능이 제공될 수 있는 것으로 확인된다.

도 9는 본 발명의 DPF 장치의 화염안정기가 장착되기 전후의 차량에서 배압의 변화를 확인한 그래프이다.

본 발명의 DPF 장치의 화염안정기의 경우 유동저항으로서 작용할 수도 있기 때문에 배압의 상승은 민감한 문제로 이해될 수 있고, 배압에 영향을 미치지 않으면서도 본 발명이 목적한 유속의 급변 상황에서의 대응 능력이 있어야 할 것이다.

도면에서 점선으로 표시된 수직축이 화염안정기가 장착된 시점으로서, 장착 전후의 일일 최고 배압의 상승이 발견되지 않았으며, 장착 이후 시간이 지남에 따라 파티클의 축적에 따른 배압의 상승 또한 없는 것으로 확인되었다. 이는 전체적으로 메시망을 통한 메탈폼 구조로 이루어지기 때문에 PM의 축적이 적을 뿐만 아니라 축적되는 경우에도 자연재생이 가능해진다.

상기 데이터를 통하여 화염안정기의 배압에의 영향이 없음은 물론 내구성에 있어서도 신뢰성을 가짐을 확인할 수 있게 된다.

도 10은 본 발명의 DPF 장치의 화염안정기가 장착되기 전후의 차량에서 각각의 위치별 온도를 측정한 그래프이다.

여기서, T1은 버너 내부의 온도이고, T2는 필터 내부 온도이며, T3는 필터의 후단 온도를 나타낸다.

운행조건의 차이는 일부 있으나, 화염의 승온온도 범위가 500~600℃ 정도의 범위에서 변화가 없는 것으로 확인된다.

한편, 장착 이후 백연의 발생량은 평균 80% 가량이 감소되었음이 확인되었다.

도 11은 본 발명의 제4실시예에 따른 DPF 장치의 화염안정기의 평면도이며 도 12는 이에 대한 측단면도이다.

상기 실시예들에서는 배기관 또는 버너측의 관로 내부에 삽입되는 형태의 화염안정기가 제시되었다. 제4실시예에서는 보다 간편한 장착이 가능하면서도 실링과 화염안정성능이 더욱 향상될 수 있는 구조 및 배치관계를 제시하도록 한다.

본 발명의 제4실시예에 따른 DPF 장치의 화염안정기는 일측에 배치되는 제1고정부(1110)와 타측에 배치되는 제2고정부(1120)가 전체적인 형상을 지지하며 배기관 및 버너의 플랜지의 면에 밀착되어 실링성을 제공한다.

상기 고정부들은 대략 플랜지의 형상에 대응되며 일반적인 배기관(310)의 플랜지가 대략 타원 형태로 이루어지기 때문에 마찬가지로 타원형으로 이루어질 수 있다. 다만, 이러한 형상은 선택적이다.

상기 제1고정부(1110) 및 제2고정부(1120)는 양측을 관통하는 대략 원형의 개구인 링부(1113)를 구비하며, 상기 링부를 통하여 지지망과 폼부가 노출된다.

이러한 링부(1113)의 내경은 배기유동의 효율성을 고려하여 대략 배기관(310) 및 버너(320)의 관로의 내경에 대응되는 것이 바람직하다.

상기 고정부들의 마주보는 측에는 제1지지망(1131)과 제2지지망(1132)이 각각 배치되어 폼부(1140)의 이탈을 방지하면서 배기의 유동을 저해하지 않는 정도의 공극을 형성한다. 이러한 지지망은 금속 메쉬재질로 이루어질 수 있다.

제1지지망(1131)과 제2지지망(1132)은 제1고정부(1110)와 제2고정부(1120)의 사이에 고정배치되며 견고한 결함을 위하여 제1고정부(1110)와 제2고정부(1120)가 리벳과 같은 관통형식의 체결부(1112)를 통하여 함께 결합이 이루어진다.

따라서, 평면상 제1고정부(1110), 제2고정부(1120), 제1지지망(1131) 및 지제1지지망(1131)은 동일한 크기와 형태로서 겹쳐져서 배치되는 것이 바람직하다.

추가적으로, 상기 고정부들은 내주측으로 돌출되는 복수의 돌기인 고정돌부(1111)를 구비할 수 있으며, 상기 고정돌부(1111)들은 판 형태의 고정부들에 외측에서 마주보는 방향으로 압착하여 변형된 형태로 형성될 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는 이러한 고정돌부(1111)는 지그재그 형태로 배열되고 전체적인 배치관계에서 사선인 점선 형태를 구성할 수 있다. 상기 고정돌부(1111)는 고정부의 마주보는 측으로 돌출되어 지지망의 공극 사이에 삽입되는 방식으로 위치와 형태를 고정하도록 기능한다.

이러한 지지망의 사이에는 폼부(1140)가 배치되며, 이러한 폼부는 상술한 실시예들의 폼부와 동일한 기능을 수행할 수 있으며 유속의 안정화 기능 및 재질과 관련하여 중복되는 설명은 생략하도록 한다.

한편, 본 실시예에서는 상술한 실시예들과 달리 전체적인 부재들이 판 형상을 이루어 배치되기 때문에 유속의 안정화 기능의 저하 우려가 존재한다.

이를 위하여 최소한 폼부(1140)가 배치되는 부위에서는 어느 정도의 유동의 분산을 위한 기능을 제공할 수 있는 두께가 형성되는 것이 바람직한바, 도 12와 같이 링부(1113)의 내주측에서 지지망은 각각 양측으로 점차적으로 돌출 형성될 수 있다. 이에 따라 링부(1113)의 외주측에 배치되는 고정부의 부위는 양측 플랜지의 사이에 밀착되고 링부(1113)의 내주측에 배치되는 지지망 및 폼부는 일부분이 배기관 및 버너의 관로에 삽입배치될 수 있다.

더욱 바람직하게는, 상기 폼부(1140)는 일측의 제1폼(1141)과 타측의 제2폼(1142)으로 구성될 수 있으며, 제1폼(1141)에서 1차적인 유동의 분산 및 속도저감기능을 수행하면 제2폼(1142)에서 2차적으로 유동의 분산 및 속도저감기능을 수행하게 된다.

상기 제1폼(1141)과 제2폼(1142)은 소정의 메쉬재질이 중첩되어 형성되는 형태로 구성될 수 있으며, 전체적으로 양방향 외부로 볼록하고 마주보는 측에서는 평평한 형상으로 이루어지는 것이 구조적으로 안정적이다. 이에 의하여, 유량이 크고 유속이 비교적 빠른 링부(1113)의 중심측에서 두께가 가장 크게 형성되고 비교적 유량과 유속이 작은 외주측으로 갈 수록 양측으로의 두께가 작아지게 되어 효율적인 유동의 관리가 가능하다.

한편, 플랜지에는 일반적으로 체결홀(미도시)가 형성되기 때문에 이에 대응될 수 있도록 제1고정부(1110), 제2고정부(1120), 제1지지망(1131) 및 제2지지망(1132)에는 이에 대응되는 고정홀부(1150)가 양측으로 관통되는 형태로 형성될 수 있으며 대략 모서리에 인접하여 두 가개 배치될 수 있다.

이러한 고정홀부(1150)를 통하여 양측의 플랜지로부터 삽입되는 볼트와 같은 체결부재(미도시)에 의하여 체결 및 실링이 이루어질 수 있다. 상기 고정부와 지지망의 외주측은 플랜지에 체결되는 체결부재에 의하여 압착되어 4중의 실링구조를 가지게 된다.

도 13은 본 발명의 제4실시예에 따른 DPF 장치의 화염안정기가 버너측에 배치된 상태를 나타내는 모식도이다.

버너(320)는 배기관(310)의 후단측에 배치되며, 여기서 배기관은 버너측으로의 인렛파이프로서 기능하게 됨은 상기한 바와 같다.

버너(320)에 대하여 구체적으로 살펴보면, 인렛을 이루는 단부에 버너측플랜지(321)가 형성되고 내부에 연소공간을 형성한다. 상기 연소공간은 관로에 비하여 큰 직경을 가지는 중공의 통으로 이루어지며, 연소실 입구측에 배치되는 연료분사부(340)와, 연료분사부(340)로부터의 액체연료가 기화되어 유입되는 점화관(380)과, 점화관(380)의 내부에 점화를 발생하는 점화장치(260)로 구성될 수 있다.

연료분사부(340)로부터 기화된 연료와 배기가스 내지는 연소용공기가 혼합되어 점화관(380) 내로 유입되면 점화장치(260)에서 발생한 스파크로 인하여 배기가스의 분진이 제거되는 것이다.

본 발명의 화염안정기(1000)는 배기관(310)으로부터의 배기가스(a)를 통과하면서 유속을 저감하여 안정화하는 기능을 수행한 이후에 버너(320)의 인렛으로 유입시켜 연소공간으로 안정적인 배기가스를 공급하도록 기능하는데, 배기관플랜지(311)와 버너측플랜지(321)의 사이에 배치되기 때문에 구조적인 부담을 최소화할 수 있는 이점을 가진다.

이러한 화염안정기(1000)는 연료분사부(340) 및 점화관(380)의 유입측에 인접배치되기 때문에 버너(320)의 바로 전단에서 배기가스의 급격한 유동의 변화를 완충하는 기능을 수행하여 공급할 수 있고 연료분사부(340)에 유입되는 가스를 균등화함으로써 기화의 효율적이고 고른 발생 및 점화관(380) 내부에서 급격한 유량의 변화에 따른 화염의 소화를 방지하는 기능을 효율적으로 수행할 수 있음에 유의하여야 한다.

상기된 실시예들의 구성들은 상호 치환적 및 추가적으로 적용될 수 있다.

이상과 같은 본 발명의 DPF 장치의 화염안정기에 의하여 유속에 따른 버너의 화염발생조건의 불안정성이 개선되며 안정된 매연의 제거가 가능해진다.

또한, 구조적으로도 단순하여 생산성과 시공성이 향상될 수 있으면서도 차량의 성능에도 영향이 최소화될 수 있는 이점이 있다.

또한, 상기 화염안정기를 포함하는 DPF 시스템에 의하여, 각각의 유속의 조건에 따라 최적화된 매연 저감의 기능을 제공하므로 종래의 DPF 장치에 비하여 환경오염 문제는 현저히 저감될 수 있는 이점이 있다.

이상에서, 본 발명은 실시예 및 첨부도면에 기초하여 상세히 설명되었다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.

100...폼부 101...사이드공극
102...측면공극 110...제1유출입부
120...제2유출입부 200...하우징부
210...커버링부 220...고정부
231...제1스토퍼부 232...제2스토퍼부
240...사이드홀부 300...엔진
310...배기관 311, 321...플랜지
320...버너 340...연료분사부
360...점화장치 380...점화관
1000...화염안정기 1110...제1고정부
1111...고정돌부 1112...체결부
1113...링부 1120...제2고정부
1131...제1지지망 1132...제2지지망
1140...폼부 1141...제1폼
1142...제2폼 1150...고정홀부

Claims (6)

1. 연소공간 및 연료분사부 및 점화장치를 포함하는 버너의 유입측에 배치되는 화염안정기로서,
   배기관플랜지의 면에 밀착되고 배기가스가 관통하는 링부를 구비하는 제1고정부(1110);
   버너측플랜지의 면에 밀착되고 배기가스가 관통하는 링부를 구비하는 제2고정부(1120);
   상기 제1고정부와 제2고정부 사이에 배치되는 제1지지망(1131)과 제2지지망(1132); 및
   상기 제1지지망과 제2지지망의 사이에 배치되는 배기가스의 유속의 변화를 완충하는 폼부(1140);를 포함하며,
   상기 폼부는,
   배기가스의 유속의 변화가 큰 경우 배기가스를 분산하여 완충하고 연료분사부에서 분사되는 액체연료의 기화를 균등하게 하며 점화관 내부의 화염의 소화를 방지하는 DPF 장치의 화염안정기.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1지지망 및 제2지지망은 링부의 내주측에서 양측으로 돌출형성되고 배기관 및 버너의 관로 내부에 일부가 삽입되는 것을 특징으로 하는 DPF 장치의 화염안정기.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 폼부는,
   외측으로 볼록하고 상호 마주보는 측에서 평평한 형태의 제1폼(1141) 및 제2폼(1142)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 DPF 장치의 화염안정기.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1고정부, 제2고정부, 제1지지망 및 제2지지망을 밀착하여 체결하는 체결부(1112); 및
   배기관플랜지와 버너측플랜지의 체결홀과 연통되어 체결부재가 삽입되는 고정홀부(1150);를 구비하는 것을 특징으로 하는 DPF 장치의 화염안정기.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1고정부 및 제2고정부는,
   마주보는 측으로 돌출되어 제1지지망 및 제2지지망의 공극에 삽입되어 위치와 형태를 고정하는 복수의 고정돌부(1111)를 구비하는 것을 특징으로 하는 DPF 장치의 화염안정기.
   
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 폼부는,
   와이어 메시에 형성되는 산화촉매코팅을 더 포함하며 배기가스에 의하여 가열되면 DPF 필터링 전단계에서 산화촉매에 의한 매연저감 기능을 먼저 수행하는 것을 특징으로 하는 DPF 장치의 화염안정기.
   

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