KR20240051279A - 슬롯 형성된 금속 포일을 갖는 배기가스 후처리용 벌집형 몸체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연 기관의 배기가스 후처리용 벌집형 몸체(9)로서, 벌집형 몸체(9)는, 서로 적층되어 층 스택을 형성하고 적어도 하나의 회전 중심 둘레에 감겨진 복수의 금속 포일(1)로 형성되고, 층 스택은 평활한 금속 포일과 적어도 부분적으로 구조화된 금속 포일(1)이 교대로 형성되고, 금속 포일(1)은 포일 폭(5)과 포일 길이(3)를 갖고, 포일(1)의 폭(5)은 가스 입구측(11)으로부터 가스 출구측(12)으로 벌집형 몸체(9)의 주 관통 흐름 방향을 따라 이어지고, 포일 길이(3)는 이 방향에 대해 횡 방향으로 이어지고, 적어도 개별 금속 포일(1)은 각 금속 포일(1)을 복수의 세그먼트(8, 14, 17, 18, 20)로 분할하는 적어도 개별 슬롯(2, 13)을 갖는, 벌집형 몸체에 관한 것이다.

Description

슬롯 형성된 금속 포일을 갖는 배기가스 후처리용 벌집형 몸체

본 발명은 내연 기관의 배기가스 후처리용 벌집형 몸체로서, 벌집형 몸체는, 서로 적층되어 층 스택을 형성하고 적어도 하나의 중심 둘레에 감겨진 복수의 금속 포일로 형성되고, 층 스택은 평활한 금속 포일과 적어도 부분적으로 구조화된 금속 포일이 교대로 형성되고, 금속 포일은 포일 폭과 포일 길이를 갖고, 포일의 폭은 가스 입구측으로부터 가스 출구측으로 벌집형 몸체의 주 관통 흐름 방향을 따라 이어지고, 포일 길이는 이 방향에 대해 횡 방향으로 이어지는, 벌집형 몸체에 관한 것이다.

내연 기관에서 나오는 배기가스의 배기가스 후처리를 위해 특히 배기가스에 존재하는 오염 물질을 변환하기 위해 다양한 촉매 변환기가 배기가스 라인에 설치된다. 촉매 변환기는 일반적으로 벌집형 몸체를 갖고, 이 벌집형 몸체를 통해 흐름이 복수의 흐름 덕트를 따라 통과할 수 있고 오염 물질이 무해한 생성물로 전환하는 화학 반응이 일어나는 촉매 활성 표면을 갖는다.

서로 적층되어 층 스택을 형성하고 정해진 길이로 절단되는 복수의 금속 포일로 형성되는 벌집형 금속 몸체가 알려져 있다. 서로 적층된 금속 포일은 적어도 회전 중심을 중심으로 감겨져 벌집형 몸체가 형성된다. 벌집형 몸체의 경우, 평활한 구조화되지 않은 금속 포일과 적어도 일부 구획이 구조화된 금속 포일이 사용되며, 이러한 금속 포일은 서로 교대로 적층되는 것이 바람직하다. 금속 포일 사이에는 소위 셀이 형성되어 가스 입구측로부터 가스 출구측으로 주 관통 흐름 방향을 따라 흐름이 통과할 수 있는 벌집형 몸체의 흐름 덕트를 형성한다.

이러한 방식으로 생산된, 지지 매트릭스로도 알려져 있는 벌집형 몸체는 이후 지지 파이프로 알려진 하우징 내로 압착되고 나서 이 하우징에 납땜된다. 알려진 촉매 변환기 설계에서, 완전히 평활한 금속 포일과 적어도 일부 구획이 구조화된 금속 포일은 모두 벌집형 몸체의 전체 축 방향 길이에 걸쳐 연속적으로 연장된다.

종래 기술에 이전에 알려진 디자인은 특히 알려진 벌집형 몸체가 축 방향 범위를 따라 하나의 부재로 디자인되어 축 방향으로 제한된 유연성만을 갖는다는 점에서 불리하다. 급속 가열과 급속 냉각 동안, 금속 포일과 지지 파이프의 열용량에 의해 발생하는 온도 차이는 벌집형 몸체에서 반경 방향과 축 방향 모두에서 발생한다. 이러한 온도 구배는 축 방향으로 차가운 영역과 따뜻한 영역 사이에서 벌집형 몸체에 비틀림 하중을 초래하고, 이는 금속 포일을 통해 접선 방향 전단력의 형태로 전달된다.

열 하중이 높은 적용 분야에서는 금속 포일 재료의 특정 항복점이 초과될 때 접선 방향 전단력이 감소하면 금속 포일의 소성 변형이 발생한다. 이는 주로 벌집형 몸체의 반경 방향 에지 영역 또는 그 중심에서 발생하지만, 중심 영역과 반경 방향 에지 영역 사이의 중간 영역에서도 발생한다. 이러한 소성 변형의 결과 촉매 활성 코팅이 벗겨지기 때문에 촉매 변환기의 변환율이 감소할 수 있다. 더욱이, 벌집형 몸체의 역압이 증가하는 것으로 인해 엔진 출력이 부정적인 영향을 받을 수 있다. 또한, 흐름 방향으로 하류의 구성요소는 기능적으로 손상되고, 최악의 경우 파괴될 수 있는 데, 그 이유는 벗겨진 촉매 활성 코팅의 일부, 특히 그 안에 존재하는 귀금속이 하류 구성요소와 바람직하지 않은 화학적 상호작용을 유발할 수 있기 때문이다.

따라서 본 발명의 목적은 축 방향으로 유연성이 증가되어 열 부하가 높은 응용 분야에서 금속 포일의 소성 변형이 감소되는 벌집형 몸체를 생성하는 것이다.

벌집형 몸체와 관련된 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 벌집형 몸체에 의해 달성된다.

본 발명의 예시적인 실시예는 내연 기관의 배기가스 후처리용 벌집형 몸체로서, 벌집형 몸체는, 서로 적층되어 층 스택을 형성하고 적어도 하나의 회전 중심 둘레에 감겨진 복수의 금속 포일로 형성되고, 층 스택은 평활한 금속 포일과 적어도 부분적으로 구조화된 금속 포일이 교대로 형성되고, 금속 포일은 포일 폭과 포일 길이를 갖고, 포일의 폭은 가스 입구측으로부터 가스 출구측으로 벌집형 몸체의 주 관통 흐름 방향을 따라 이어지고, 포일 길이는 이 방향에 대해 횡 방향으로 이어지고, 적어도 일부 금속 포일은 각 금속 포일을 복수의 세그먼트로 분할하는 적어도 일부 슬롯을 갖는, 벌집형 몸체에 관한 것이다.

포일은 얇은 금속 시트로 형성되고, 이 금속 시트의 길이와 폭은 두께보다 상당히 길다. 본 발명에 따른 벌집형 몸체에서 금속 포일의 폭은 감겨진 벌집형 몸체의 축 방향 범위를 의미한다. 금속 포일의 길이는 폭에 직교하는 방향으로 이어지고, 감겨진 벌집형 몸체에서 벌집형 몸체의 원주 방향으로 이어진다. 금속 포일은 적어도 일부 구획에서 금속 포일을 통해 절단된 슬롯을 갖고, 이러한 방식으로 금속 포일 및 그에 따른 벌집형 몸체의 분할을 생성한다. 슬롯으로 인해 개별 세그먼트들이 서로 기계적으로 분리되고, 벌집형 몸체가 완전히 절단되지 않기 때문에 그 결과 벌집형 몸체의 유연성이 증가됨과 동시에 벌집형 몸체의 구조적 완전성이 보장된다.

특히 슬롯은 포일 길이의 방향으로 이어지는 것이 유리하다. 슬롯은 포일 길이를 따라 이어지고, 그 결과 축 방향으로 정렬된 복수의 세그먼트가 생성되도록 분할이 발생한다. 금속 포일을 말아 올리면 벌집형 몸체에서 슬롯이 벌집형 몸체의 원주 방향으로 이어진다. 축 방향 세그먼트는 특히 벌집형 몸체의 증가된 가요성을 생성하고, 벌집형 몸체에 열로 유도된 응력을 보상하고, 특히 금속 포일에 적용된 워시코트(washcoat), 즉 촉매 활성 코팅이 분리되어 벗겨지는 것을 방지하는 데 유리하다.

또한 슬롯은 포일 폭을 따라 서로 평행하게 배치되고, 포일 길이를 따라 서로 이격되는 것이 유리하다.

포일 길이를 따라 이어지는 복수의 슬롯은 슬롯 행을 형성한다. 슬롯 행의 슬롯은 서로 간격을 두고 배치되어 금속 포일이 완전히 절단되지 않는다.

복수의 슬롯 행은 서로 이격되어 포일 폭을 따라 서로 평행하게 배치되고, 그 결과 개별 축 방향 세그먼트가 말아 올린 벌집형 몸체에 형성된다.

바람직한 예시적인 실시예는 포일 길이를 따라 이어지는 행의 복수의 슬롯이 연결 부분에 의해 서로 이격되는 것을 특징으로 한다. 연결 부분은 슬롯이 길이를 따라 전체 금속 포일을 절단하지 않아서 금속 포일이 불안정해지거나 파괴되는 것을 방지하는 데 도움이 된다. 이 금속 포일의 강도는 연결 부분의 폭을 따라 영향을 받을 수 있다.

또한, 복수의 슬롯 행은 주 관통 흐름 방향을 따라 서로 이격되고, 바람직하게는 1개 내지 20개의 슬롯 행이 제공되고, 특히 바람직하게는 1개 내지 12개의 슬롯 행이 제공되는 것이 바람직하다.

자동차의 배기가스 후처리를 위한 벌집형 몸체는 일반적으로 30mm 내지 180mm의 축 방향 길이를 갖고, 이러한 이유로 광범위한 실험에서 한편으로는 촉매 활성 코팅이 분리되는 것을 방지할 만큼 충분한 유연성을 제공하고, 다른 한편으로는 권취 맨드릴(들) 주위로 말려 올라가는 기계적 과정이 금속 포일에 손상을 초래하지 않도록 층 스택에서 충분한 안정성을 갖게 하기 위해 1개 내지 20개의 슬롯 행, 바람직하게는 1개 내지 12개의 슬롯 행이 특히 유리한 것으로 밝혀졌다.

또한, 슬롯 행의 슬롯 사이의 연결 부분은 0.5mm 내지 20mm, 특히 바람직하게는 1mm 내지 10mm의 길이를 갖는 것이 유리하다. 이러한 조치는 벌집형 몸체가 유연성과 안정성 사이의 균형을 달성하기 위해 일반적으로 사용되는 크기와 관련하여 특히 유리한 것으로 밝혀졌다.

또한, 이 금속 포일의 중심 및/또는 에지 영역에 있는 연결 부분의 길이는 금속 포일의 중심과 에지 영역 사이의 연결 부분의 길이보다 긴 것이 유리하다.

또한 포일 폭 방향으로 슬롯 폭이 2mm 미만, 특히 바람직하게는 1mm 미만인 것이 편리하다. 슬롯의 목적은 주로 열 부하 하에서 발생하는 전단력을 차단하는 것이고, 슬롯은 임의의 배기가스 전도 효과를 갖도록 의도된 것이 아니므로 슬롯은 가능한 한 좁게 유지하는 것이 유리하다.

슬롯은 예를 들어 부분적으로 중단된 롤링 블레이드에 의해 유리하게 생성될 수 있다. 대안적으로, 롤링 블레이드는 포일 평면으로의 제어된 침투에 의해 영향을 받을 수도 있다. 슬롯은 레이저 용접으로도 생산될 수 있다.

더욱이, 슬롯 행은 포일 폭을 따라 불균일하게 분포되는 것이 유리하다. 특정 설치 상황은 특히 간단히 슬롯 행의 불균일한 분포를 통해 대응할 수 있다. 따라서 서로 다른 벌집형 몸체에 대해 서로 다른 온도 프로파일이 달성될 수 있어서 벌집형 몸체의 일부 영역에서 전단력의 차단은 다른 영역에서보다 더 큰 정도로 발생해야 한다. 이 경우, 슬롯 행의 목표 배치를 통해 사용 사례에 맞는 솔루션을 얻을 수 있다.

또한, 가스 입구측 영역에서 슬롯 행의 간격은 가스 출구측의 슬롯 행의 간격과 다른 것이 편리하다.

이는 가스 입구측과 가스 출구측에서 발생하는 온도가 서로 다를 수 있기 때문에 특히 유리하다. 동작 시간에 따라 온도가 동일해지더라도 초기에는 가스 출구측보다 가스 입구측에서 더 높은 온도가 더 빠르게 발생하므로 여기서 추가 온도 구배가 발생한다.

슬롯의 또 다른 장점은 벌집형 몸체를 통한 축 방향 열 전도의 감소이며, 그 결과 벌집형 몸체의 더 나은 가열 거동이 달성된다.

슬롯 형성 공정은 바람직하게는 종래의 벌집형 몸체를 제조하는 공정에 직접 통합되고, 크기에 맞게 절단된 개별 금속 포일에 수행되거나 또는 무한 금속 포일에 수행될 수 있다. 특히 바람직하게는, 평활한 금속 포일과 적어도 일부 구획이 구조화된 금속 포일 모두에 슬롯이 제공된다. 적어도 일부 구획이 구조화된 금속 포일의 경우, 구조화 공정 전에 슬롯 형성 공정이 수행된다. 특히, 적어도 일부 구획이 구조화된 금속 포일의 경우, 슬롯 부분과 연결 부분의 길이는 해당 구조, 예를 들어, 주름에 적용 가능한 단축 계수에 맞춰진다.

본 발명의 유리한 개선예는 종속 청구항과, 도면에 대한 이후의 상세한 설명에 제시되어 있다.

본 발명은 도면을 참조하여 예시적인 실시예를 통해 아래에서 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1은 금속 포일의 평면도로서, 포일 폭을 따라 이격된 슬롯 행과 포일 길이를 따라 슬롯 행에 배치된 슬롯이 제시된 것을 도시한다.
도 2는 지지 파이프 내에 있는 벌집형 몸체를 통한 단면도로서, 복수의 슬롯 행은 주 관통 흐름 방향을 따라 균일하게 이격되어 있는 것을 도시한다.
도 3은 지지 파이프 내에 있는 벌집형 몸체를 통한 단면도로서, 복수의 슬롯 행이 주 관통 흐름 방향을 따라 불균일하게 이격되어 있는 것을 도시한다.
도 4는 지지 파이프 내에 있는 벌집형 몸체를 통한 단면도로서, 복수의 슬롯 행이 주 관통 흐름 방향을 따라 불균일하게 이격되어 있고, 가스 입구측과 가스 출구측에 있는 슬롯 행의 간격이 다른 것을 도시한다.

도 1은 금속 포일(1)의 평면도를 도시한다. 도시된 금속 포일(1)은 어떠한 구조화도 없는 평활한 금속 포일이다. 이 평활한 금속 포일(1)에 대해 후술된 것은 적어도 일부 구획이 구조화된 금속 포일에도 동일하게 적용될 수 있다.

금속 포일(1)은 포일 길이(3)를 따라 이어지는 복수의 슬롯(2)을 갖는다. 개별 슬롯 행(4)은 서로 이격되어 있고, 포일 폭(5) 방향으로 서로 평행하게 배치되어 있다. 금속 포일(1)은 슬롯 행(4)에 의해 세그먼트(8)로 분할된다. 세그먼트(8)는 완성된 벌집형 몸체의 축 방향으로 서로 인접하게 배치된다.

연결 부분(6, 7)은 슬롯 행(4)의 개별 슬롯(2) 사이에 배치된다. 도 1의 예시적인 실시예에서, 금속 포일(1)의 중심과 외부 에지 영역에 있는 연결 부분(6)은 중간 영역에 있는 연결 부분(7)보다 넓다.

금속 포일(1)은 층 스택에서 단일 층을 형성하고, 이는 이후 감겨져 벌집형 몸체를 형성한다.

도 2는 케이싱 파이프(10) 내에 배치된 벌집형 몸체(9)의 단면도를 도시한다. 흐름은 금속 포일로 형성된 흐름 덕트(16)를 따라 가스 입구측(11)으로부터 가스 출구측(12)으로 벌집형 몸체(9)를 통과할 수 있다. 참조 부호 (13)은 벌집형 몸체(9)를 복수의 세그먼트(14)로 분할하는 슬롯을 나타낸다. 도 2의 예시적인 실시예에서, 슬롯 행(15)은 벌집형 몸체(9)의 축 방향 범위에 걸쳐 등거리로 배치된다.

도 3은 케이싱 파이프(10) 내에 있는 벌집형 몸체(9)를 도시한다. 벌집형 몸체(9)는 도 2에 도시된 벌집형 몸체(9)의 구조에 대응한다. 참조 부호는 동일한 요소에 대해 동일하다.

도 2와 대조적으로, 슬롯 행(15)은 불균일하게 분포되어 있고, 가스 입구측(11)의 영역에는 좁은 세그먼트(17)가 형성되고, 이 좁은 세그먼트는 동일하게 넓은 복수의 세그먼트(18)에 인접해 있다.

도 4는 벌집형 몸체(9)의 대안적인 구성을 도시한다. 슬롯 행(19)은 세그먼트(20)가 가스 입구측(11)으로부터 가스 출구측(12)으로 연속적으로 넓어지도록 배치된다.

개별적인 예시적인 실시예의 서로 다른 특징들은 서로 결합될 수도 있다. 슬롯 행은 여기에 도시된 예시적인 실시예와 다르게 배치될 수도 있다. 예를 들어, 세그먼트는 가스 출구측으로부터 가스 입구측으로 넓어지거나 좁아질 수도 있다.

도 1 내지 도 4의 예시적인 실시예는 특히 본 발명을 제한하는 성격을 갖는 것이 아니라 본 발명의 개념을 예시하는 역할을 한다.

1: 금속 포일 2: 슬롯
3: 포일 길이 4: 슬롯 행
5: 포일 폭 6: 연결 부분
7: 연결 부분 8: 세그먼트
9: 벌집형 몸체 10: 지지 파이프
11: 가스 입구측 12: 가스 출구측
13: 슬롯 14: 세그먼트
15: 슬롯 행 16: 흐름 덕트
17: 세그먼트 18: 세그먼트
19: 슬롯 행 20: 세그먼트

Claims (10)

1. 내연 기관의 배기가스 후처리용 벌집형 몸체(9)로서,
   상기 벌집형 몸체(9)는, 서로 적층되어 층 스택을 형성하고 적어도 하나의 회전 중심을 중심으로 감겨진 복수의 금속 포일(1)로 형성되고, 상기 층 스택은 평활한 금속 포일과 적어도 부분적으로 구조화된 금속 포일(1)이 교대로 형성되고, 상기 금속 포일(1)은 포일 폭(5)과 포일 길이(3)를 갖고, 상기 포일(1)의 상기 폭(5)은 가스 입구측(11)으로부터 가스 출구측(12)으로 상기 벌집형 몸체(9)의 주 관통 흐름 방향을 따라 이어지고, 상기 포일 길이(3)는 상기 방향에 대해 횡 방향으로 이어지고, 적어도 일부 금속 포일(1)은 각 금속 포일(1)을 복수의 세그먼트(8, 14, 17, 18, 20)로 분할하는 적어도 일부 슬롯(2, 13)을 갖는 것을 특징으로 하는 벌집형 몸체(9).
2. 제1항에 있어서, 상기 슬롯(2, 13)은 상기 포일 길이(3)의 방향으로 이어지는 것을 특징으로 하는 벌집형 몸체(9).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 슬롯(2, 13)은 상기 포일 폭(5)을 따라 서로 평행하게 배치되고, 상기 포일 길이(3)를 따라 서로 이격되는 것을 특징으로 하는 벌집형 몸체(9).
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 포일 길이(3)를 따라 이어지는 행의 복수의 슬롯(2, 13)은 연결 부분(6, 7)에 의해 서로 이격되는 것을 특징으로 하는 벌집형 몸체(9).
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 슬롯 행(4, 15, 19)은 주 관통 흐름 방향을 따라 서로 이격되고, 바람직하게는 1개 내지 20개의 슬롯 행(4, 15, 19)이 제공되고, 특히 바람직하게는 1개 내지 12개의 슬롯 행(4, 15, 19)이 제공되는 것을 특징으로 하는 벌집형 몸체(9).
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 슬롯 행(4, 15, 19)의 슬롯(2, 13) 사이의 연결 부분(6, 7)은 0.5mm 내지 20mm, 특히 바람직하게는 1mm 내지 10mm의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 벌집형 몸체(9).
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 포일(1)의 중심 및/또는 에지 영역에 있는 연결 부분(6)의 길이는 상기 금속 포일(1)의 중심과 에지 영역 사이의 연결 부분(7)의 길이보다 긴 것을 특징으로 하는 벌집형 몸체(9).
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 포일 폭(5) 방향으로 슬롯 폭은 2mm 미만, 특히 바람직하게는 1mm 미만인 것을 특징으로 하는 벌집형 몸체(9).
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬롯 행(15, 19)은 상기 포일 폭(5)을 따라 불균일하게 분포되는 것을 특징으로 하는 벌집형 몸체(9).
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 입구측(11) 영역에서 슬롯 행의 간격은 상기 가스 출구측(12)의 슬롯 행의 간격과 다른 것을 특징으로 하는 벌집형 몸체(9).