KR100587136B1 - 디젤엔진용 필터촉매구조체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다수의 상류측 개방셀 및 셀벽으로 이루어진 상류부, 상기 상류측 개방셀과 동축 배열된 다수의 중간측 개방셀 및 셀벽으로 이루어진 중간부, 상기 중간측 개방셀과 동축 배열된 다수의 하류측 개방셀 및 셀벽으로 이루어진 하류부가 일체의 원통으로 형성되며, 상기 상류부, 중간부 및 하류부 셀밀도가 상이하게 형성되는 디젤엔진용 필터촉매구조체에 관한 것이다.
디젤엔진, 필터, 촉매, 개방셀, 3단 스트레이트 허니콤
Description
도 1은, 배기가스 정화장치의 개략도이다.
도 2는, 도1의 배기가스 정화장치의 요부 확대단면도이다.
도 3은, 본 발명에 의한 필터촉매구조체가 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 : 필터촉매구조체
9a : 유입단면 9b : 유출단면
10 : 단열재 L1, L2, L3 : 상류부, 중간부, 하류부
20 : 상류부 개방셀 21 : 상류부 셀벽
30 : 중간부 개방셀 31 : 중간부 셀벽
40 : 하류부 개방셀 41 : 하류부 셀벽
본 발명은 디젤엔진용 필터촉매구조체에 관한 것으로, 상세하게는 세라믹 소결체로 성형되고, HC, CO 산화 정화 및 PM 포집이 동시에 가능하며, 압력손실을 최소화할 수 있는 디젤엔진용 필터촉매구조체에 관한 것이다.
최근들어 자동차의 대수가 급격히 증가하고 있고, 그것에 비례하여 자동차의 내연기관으로부터 배출되는 배기가스의 양도 급격히 증가하고 있다. 가솔린 엔진에 대해서는 배기가스의 엄격한 규제와 그에 대처할 수 있는 기술의 진보에 의하여 배기가스중의 유해성분은 확실하게 감소되고 있다. 그러나 디젤엔진에 대해서는, 규제도 기술의 진보도 가솔린 엔진에 비하여 지연되고 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 정화장치 는, 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 필터는 사용시간의 증가에 따라 PM 증착으로 인한 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.
한국공개특허 제2003-96062호는 배기가스를 정화하는 필터촉매를 공개하고 있다. 상기 공개자료에 의하면, 배기가스 상류측 스트레이트 플로우 허니콤 구조체는 월 플로우 허니콤 구조체에 대하여 배기가스의 상류측상에 놓여지며, 월 플로우 허니콤 구조체와 일체로 제공된다. 그러나, 상기 필터촉매는 월 플로우 허니콤 구조체에 퇴적되는 PM으로 인하여 압력손실을 증가되는 문제점이 있었다.
이하 디젤엔진용 배기가스 정화장치(1) 및 종래 하니콤 필터촉매의 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 흐른 다.
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 필터촉매 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, 필터촉매 구조체(9)의 최외주부로부터 열이 방출되는 것을 방지하여 재생시 에너지 손실을 최소화하기 위한 부재이다.
도2는 통상의 원기둥 형상의 세라믹 필터촉매 구조체가 케이싱에 장착된 하니콤 필터의 확대단면도이다. 상기 세라믹 필터촉매 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(cordierite), 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 필터구 조체 단면전체는 바둑판모양을 나타낸다. 셀의 밀도는 200개/inch2 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 필터촉매 구조체는 배기가스가 하니콤 필터를 원할하게 통과하기 쉽지 않아 압력손실이 크다는 단점이 있었다. 즉, 상류측의 압력수치 및 하류측의 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 필터촉매 구조체의 일부 밀봉구조로부터 기인한다고 판단하여, 종래 하니콤 구조체로부터 개량된 필터촉매 구조체를 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 압력손실을 최소화하는 필터촉매 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 기계식 컨트롤 디젤엔진의 운전조건을 향상시키기 위한 필터촉매 구조체를 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 필터촉매 구조체는 상술된 목적을 달성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 개량된 디젤엔진용 필터촉매 구조체는, 다수의 상류측 개방셀 및 셀벽으로 이루어진 상류부, 상기 상류측 개방셀과 동축 배열된 다수의 중간측 개방셀 및 셀벽으로 이루어진 중간부, 상기 중간부 개방셀과 동축 배열된 다수의 하류측 개방셀 및 셀벽으로 이루어진 하류부가 일체의 원통으로 형성되며, 상기 상류부, 중간부 및 하류부 셀밀도가 상이하게 형성되는 디젤엔진용 필터촉매구조체이다.
상기 필터촉매 구조체는 종래 스트레이트 플로우 허니콤 구조체에서 셀밀도가 상이한 각각의 스트레이트 플로우 허니콤 구조체를 동축방향으로 일체화한 구조체이다. 상류측 단면에서의 상류부 개방셀은 모두 개구되며, 상기 상류부와 일체로 결합된 중간부 개방셀도 모두 개구되며, 상기 중간부와 일체로 형성된 하류부 개방셀도 모두 개구된 구성이나, 상기 상류부, 중간부 및 하류부 셀밀도가 상이하여 상류측 단면에서 하류측을 향하여 셀 내부를 관찰하면 결국 상이한 셀밀도로 인하여 각 부간 결합부위에서 각 부의 개방셀간에 형성된 셀 벽에 의해 부분적으로 밀봉되며, 부분적으로는 개방된 셀 구성으로 이루어진다. 구체적으로는, 상류부 하단 및 중간부 상단면 연결부위에서 상류부 셀벽 하단면은 부분적으로 중간부 개방셀 유입단면상에 배치되어 중간부 개방셀 개구부를 일부 폐쇄하므로서 상기 개구부 일부가 밀봉되는 형상이 된다. 또한, 상기 상류부, 중간부 및 하류부 각각의 셀 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 필터촉매 구조체는, 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 필터촉매 구조체는, 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 필터촉매 구조체가 케이싱에 장착된 확대단면도이다.
일체화된 원통형상의 필터촉매 구조체의 배기가스 상류부 셀단면은 모두 개구되며, 상기 상류부 셀과 동축상에 배열되는 중간부 셀은 상기 상류부 셀밀도보다 조밀하게 형성되어 있어 상류부 개방셀 및 셀벽 하단은 중간부 개방셀 및 셀벽 상단과 접착되어, 부분 개통 또는 부분 패쇄된 구조를 이룬다. 한편, 중간부 개방셀 및 셀벽 하단은 하류부 개방셀 및 하류부 셀벽 상단과 결합되어, 부분 개통 또는 부분 밀봉를 형성하여 미립자 포집을 위한 트랩구조를 이룬다. 상기 상류부 및 중간부 간 또는 중간부 및 하류부 간 형성된 부분 개통 또는 밀봉의 셀 구조는 밀도가 상이한 3단 스트레이트 허니콤 필터의 동축 결합구조로부터 기인한 것이다. 또 한, 셀 단면은 통상 정방형상 또는 육각단면 또는 원형일 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다. 본 발명에 의한 필터촉매 구조체는 탄화규소 소결체, 질화규소, 사이알론(SIALON), 알루미나, 코디어라이트, 뮬라이트(mullite) 등의 소결체를 선택할 수도 있다. 상기 상류부, 중간부 및 하류부에서의 셀 벽층에는 산화촉매층이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 상기 산화촉매층에 의하여, 배기가스내에 포함된 HC, CO를 산화하고 정화할 수 있으며, 산화촉매층이 산화 및 정화시에 열을 발생하므로, 본 발명에 의한 필터촉매 구조체의 승온이 더욱 용이하다. 한편, 본 발명은 도3에 도시된 바 상류부, 중간부 및 하류부가 일체로 형성된 디젤엔진용 필터촉매구조체에 한정되는 것이 아니라, 각부가 통상 5㎜ 일정간격으로 분리되어 배치되는 디젤엔진용 필터촉매시스템에 동일하게 적용될 수 있음은 물론이다.
다음으로 필터촉매 구조체의 제조공정을 탄화규소 소결체의 경우를 들어 설명한다.
우선, 압출성형공정에서 사용하는 세라믹 원료슬러리를 사전에 준비한다.
세라믹 원료슬러리는, 탄화규소 분말에 유기바인더 및 물을 소정분량씩 배합하고, 또한 혼련하는 것에 의해 제작된다. 일차적으로, 세라믹 원료슬러리를 압출성형기에 투입하고, 또한 금형을 통하여 그것을 연속적으로 압출하여 소정 단면형상을 가지며 상하 단면에 개구된 200셀/inch2 셀밀도를 가지는 1차 상류부 압출성형체를 제작한다. 동일한 방법으로 300셀/inch2 셀밀도를 가지는 1차 중간부 압출 성형체를 제작하고, 동일한 방법을 반복하여 400셀/inch2 셀밀도를 가지는 1차 하류부 압출성형체를 제작한다. 상기 각각의 압출성형체는 동축방향으로 각각의 상하단 원주부분에 시일재를 도포하여 접착된다. 시일재는 적어도 무기섬유, 무기바인더, 유기바인더 및 무기입자로 이루어지고, 또한 삼차원적으로 교착하는 무기섬유와 무기입자와를, 무기바인더 및 유기바인더를 통하여 서로 결합하여 이루어지는 탄성질 소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 시일재에 포함되는 무기섬유로는, 실리카 알루미나 파이버, 뮬라이트 파이버, 알루미나 파이버 및 실리카 파이버로부터 선택된 적어도 1종 이상의 세라믹 파이버를 예시할 수 있다. 상기 일체로 접착된 상류부, 중간부 및 하류부 압출성형체는 50℃ 내지 100℃로 1시간의 조건에서 건조 경화하여 필터촉매 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 상기 필터촉매 구조체 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, 촉매작용 및 미립자 트랩작용에 관하여 간단하게 설명한다.
케이싱(8)내에 수용된 필터촉매 구조체(9)에는, 상류부 단면측으로 배기가스가 공급된다. 제1배기관(6)을 거쳐 공급되어 오는 배기가스는, 단면에 개구된 모든 상류부 개방셀(20)에 유입된다. 다음에, 이 배기가스는 상류부 셀 벽(21)을 통과하여, 접합된 중간부 개방셀(30) 내부에 다다르거나 상류부 셀 벽(21)하단 및 중간부 셀 벽(31) 상단에 의해 부분 폐쇄된 부분에서 일차 트랩된다. 중간부 개방셀(30)을 통과하여 하류부 개방셀(40)에 유입되거나, 중간부 및 하류부 간에 셀 벽 접합에 의해 형성된 밀봉부위에 의해 미립자 등이 재차 트랩된다. 하류부 개방셀을 통과한 배기가스는 외부로 유출된다. 한편, 이들 각각의 셀 벽을 통과하면서, 배기가스내에 포함된 HC 및 CO와 같은 가스성분은 촉매층에 의해 산화되고 정화되며, 트랩된 미립자는, 필터 내부온도가 소정의 온도에 도달되면, Pt 촉매의 작용에 의해 착화되어 연소된다. 그 결과 정화된 배기가스는 제2배기관(7)을 통과한 후, 최종적으로 대기중으로 방출된다. 따라서, 상이한 셀밀도를 가지는 3단 필터 촉매구조체에 의해 형성된 미립자 트랩구조에 의해 배기가스는 압력손실을 발생시키지 아니하고 필터촉매를 통과하여 디젤엔진에 무리함을 주지 아니하며 효율적인 배기가스의 정화가 가능하다.
본 발명에 의한 디젤엔진용 필터촉매구조체는, 디젤엔진에 부착되어 압력손실로 인한 종래의 문제점을 해결할 수 있고, 효율적인 배기가스 정화가 가능하며, 기계식 컨트론 디젤엔진에 무리를 주어 운전조건을 방해하거나 연비를 악화시키커나 운전 필링이 악화되거나 심한 경우에는 엔진 작동이 멈추는 등의 문제를 해결할 수 있다.
Claims (4)
- 다수의 상류측 개방셀 및 셀벽으로 이루어진 탄화규소 소결체 상류부,상기 상류측 개방셀과 동축 배열되며, 상기 상류부 유출측과 5mm 이격되어 배치되는, 다수의 중간측 개방셀 및 셀벽으로 이루어진 탄화규소 소결체 중간부,상기 중간측 개방셀과 동축 배열되며, 상기 중간부 유출측과 5mm 이격되어 배치되는, 다수의 하류측 개방셀 및 셀벽으로 이루어진 탄화규소 소결체 하류부로 형성되며;상기 상류부 개방셀 및 셀벽 하단은 중간부 개방셀 및 셀벽 상단과 동축 배열되되, 상기 상류부 개방셀 유출측을 부분 개통 또는 부분 패쇄 구조로 형성하고,상기 중간부 개방셀 및 셀벽 하단은 하류부 개방셀 및 셀벽 상단과 동축 배열되되, 상기 중간부 개방셀 유출측을 부분 개통 또는 부분 패쇄 구조로 형성하여;상기 상류부 및 중간부 간(間) ; 또는 중간부 및 하류부 간(間) 부분 개통 및 부분 패쇄 구조에 의하여 미립자를 포집하는, 디젤엔진용 필터구조체.
- 제1항에 있어서, 상기 상류부, 중간부 및 하류부 셀밀도가 점차적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진용 필터구조체.
- 제1항에 있어서, 상기 상류부, 중간부 및 하류부 셀벽상에 산화촉매층이 형성되는 것을 특징으로 하는 디젤엔진용 필터구조체.
- 삭제
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