KR100727182B1

KR100727182B1 - 초기배압 개선을 위한 채널볼륨 가변형디젤매연촉매여과필터

Info

Publication number: KR100727182B1
Application number: KR1020060066692A
Authority: KR
Inventors: 이상민
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-07-18
Filing date: 2006-07-18
Publication date: 2007-06-13

Abstract

본 발명은 초기배압 개선을 위한 채널볼륨 가변형 디젤매연촉매여과필터(CPF)에 관한 것으로서, 인렛 채널과 아울렛 채널의 볼륨이 대략 같아 일반 필터와 같은 아울렛 채널의 볼륨을 확보할 수 있으므로 종래의 ACT 필터가 가지고 있던 초기배압 증가의 문제점이 해결될 수 있고, 필터 재생 이후에는 열팽창성 부재의 팽창으로 인하여 인렛 채널이 아울렛 채널에 비해 넓어지게 되므로 일반 필터에 비해 많은 재를 포집할 수 있는 채널볼륨 가변형 디젤매연촉매여과필터에 관한 것이다.

이러한 본 발명은, 각 채널의 한쪽은 열려 있고 그 반대쪽은 막혀 있는 구조를 가지는 디젤매연촉매여과필터(CPF)에 있어서, 상기 각 채널을 구획하는 벽이 경사진 구조로 되어, 매연을 포함한 배기가스가 유입되는 인렛 채널은 후단으로 가면서 단면적이 점차 축소되는 구조로 되어 있고, 여과된 배기가스가 배출되는 아울렛 채널은 후단으로 가면서 단면적이 점차 넓어지는 구조로 되어 있으며, 상기 인렛 채널의 후단 끝 막힌 부분에 열에 의해 길이 팽창되는 열팽창성 부재를 설치하여 재생 후 인렛 채널이 아울렛 채널보다 넓어질 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.

초기배압, 채널볼륨 가변형, 디젤매연촉매여과필터, CPF, 열팽창성 부재

Description

초기배압 개선을 위한 채널볼륨 가변형 디젤매연촉매여과필터{Channel volume variable type diesel catalyzed particulate filter}

도 1은 일반적인 디젤매연촉매여과필터의 채널구조를 나타낸 도면,

도 2a와 도 2b는 일반적인 대칭 채널구조의 필터와 비대칭 채널구조의 ACT 필터를 비교하여 나타낸 도면,

도 3과 도 4는 본 발명에 따른 디젤매연촉매여과필터(CPF)의 구조를 도시한 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

30 : 디젤매연촉매여과필터(CPF) 31 : 인렛 채널

32 : 아울렛 채널 33 : 벽

34 : 열팽창성 부재 35 : 외측 부재

36 : 열팽창성 충전재

본 발명은 초기배압 개선을 위한 채널볼륨 가변형 디젤매연촉매여과필터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인렛 채널과 아울렛 채널의 볼륨이 대략 같아 일반 필터와 같은 아울렛 채널의 볼륨을 확보할 수 있으므로 종래의 ACT 필터가 가지고 있던 초기배압 증가의 문제점이 해결될 수 있고, 필터 재생 이후에는 열팽창성 부재의 팽창으로 인하여 인렛 채널이 아울렛 채널에 비해 넓어지게 되므로 일반 필터에 비해 많은 재를 포집할 수 있는 채널볼륨 가변형 디젤매연촉매여과필터에 관한 것이다.

일반적으로 자동차 배기가스는 엔진에서 혼합기 연소에 의해 생성되어 배기 파이프를 통해 대기 중으로 방출되는 가스를 말한다.

이러한 배기가스에는 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 미연소탄화수소(HC) 등 인체에 유해한 물질이 다량 포함되어 있다.

따라서, 자동차 배기가스로 인한 대기오염을 방지하는 것이 환경위생상 중요한 문제로 대두되고 있으며, 자동차에서는 배기가스를 배출하기 전에 반드시 정화처리를 하도록 규제하고 있다.

자동차에서 배기가스를 정화하기 위하여 주로 쓰이는 장치가 삼원촉매(three way catalyst)를 사용한 촉매컨버터인데, 이는 배기 파이프 도중에 장착되며, 차량에 따라 배기가스 배출량이 다르기 때문에 촉매의 사양은 다르다.

상기 삼원촉매는 배기가스의 유해성분인 일산화탄소, 질소산화물 및 탄화수소계 화합물과 동시에 반응하여 이들 화합물을 제거하는 촉매를 의미하며, 주로 Pt/Rh, Pd/Rh 또는 Pt/Pd/Rh계의 삼원촉매가 이용된다.

한편, 유해 배기가스의 배출이 상대적으로 많은 디젤차량의 경우, 연비, 출력면에서 우수함에도 불구하고 가솔린 차량과는 달리 배기가스 내에 질소산화물과 입자상물질(Particulate Matter,PM)이 상당히 많이 함유되어 있다.

이와 같이 디젤차량에 있어서는 공기가 대부분의 운전조건에서 충분한 상태로 연소되기 때문에 일산화탄소와 탄화수소는 가솔린 차량에 비해 아주 적게 배출되나, 질소산화물과 입자상물질이 많이 배출된다.

최근 입자상물질은 대기를 오염시키는 가장 주된 원인으로 규명되었고, 인체에도 많은 해를 입히는 것으로 판명되고 있다.

따라서, 디젤차량의 배기가스 저감기술은 질소산화물과 매연(soot)을 포함하는 입자상물질의 저감에 중점을 두어 연구되고 있다.

최근 디젤차량의 배출기준 강화에 대응하기 위하여 후처리기술로 디젤매연여과필터의 연구가 매우 활발히 진행되고 있으며, 이 디젤매연여과필터를 실제 차량에 적용하기 위해서는 아직 연구되어야 할 부분이 많다.

디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst,DOC)에 백금(Pt)을 사용하고 이와 별도로 디젤매연여과필터(Diesel Particulate Filter,DPF)를 사용하는 구조(DOC+DPF)가 최근 유럽의 자동차 메이커에서 개발되어 양산됨으로써, 많은 신뢰도 향상과 매출을 올리고 있는 상황에 있다.

그리고, 촉매를 코팅한 구조의 디젤매연여과필터, 즉 디젤매연촉매여과필터(Diesel Catalyzed Particulate Filter, 이하 CPF라 함)가 개발된 바 있다.

한편, CPF의 경우 기존의 코디어라이트 담체와는 다른 구조를 가지고 있다.

즉, 도 1에 나타낸 바와 같이, 매연(soot)을 여과시키기 위하여, 각 채널의 한쪽은 열려 있고 그 반대쪽은 막혀 있는 구조로 되어 있어, 매연은 벽에 걸려 여과되고 가스성분만 통과하는 구조를 가지고 있다.

그리고, 필터에 매연을 포집하였다가 시간이 지나 일정량의 매연이 쌓이게 되면, 650℃ 정도의 고온에서 재생이 이루어지면서 쌓여 있던 매연을 연소시키는 바, 이때 채널 내에는 매연이 타버리고 재(ash)가 쌓이게 된다.

이러한 CPF에서는 필터 내에 재를 많이 쌓을 수만 있다면 CPF 전체 볼륨을 줄일 수 있어 엔진룸 쪽으로 가까이 이동시킬 수 있는 장점이 있게 되고, 또한 레이아웃 측면 등 여러 가지 측면에서 매우 유리해지게 된다.

실제로 ACT 필터 및 몇 가지 필터들에서는 매연을 포함한 배기가스가 유입되는 인렛 채널의 볼륨(채널볼륨)을 키우고 여과된 배기가스가 흘러 배출되는 아울렛 채널의 볼륨을 상대적으로 줄이는 기술들이 적용되고 있다.

도 2a와 도 2b는 일반적인 대칭 채널구조의 필터와 비대칭 채널구조의 ACT(Asymmetric Cell Technology) 필터를 비교하여 나타낸 도면이다.

이에 도시한 바와 같이, 일반 대칭 채널구조의 필터(10)와 ACT 필터(20) 모두 각 채널(11,12,21,22)의 한쪽은 열려 있고 그 반대쪽은 막혀 있는 구조로 되어 있어, 매연은 벽에 걸려 여과되고 가스성분만 통과하는 구조를 가지고 있다.

그리고, 일반 필터(10)에서는 인렛 채널(11)과 아울렛 채널(12)이 대략 같은 수준의 볼륨을 가지며, ACT 필터(20)에서는 배기가스가 빠져나가는 아울렛 채널(22)의 볼륨이 인렛 채널(12)의 볼륨에 비해 상대적으로 작게 설계되어 있다.

그러나, ACT 필터(20)와 같이 아울렛 채널(22)의 볼륨이 인렛 채널(21)의 볼륨에 비해 작게 설계된 경우, 일반 필터(10)에 비해 인렛 채널(21)에서 재생 후 재를 많이 포집할 수 있다는 장점은 있으나, 초기배압이 많이 걸리는 문제점이 있게 된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 일반 필터와 같이 인렛 채널의 볼륨(채널볼륨)과 같은 수준의 아울렛 채널의 볼륨을 확보하여 종래의 ACT 필터가 가지고 있던 초기배압 증가의 문제점을 개선할 수 있고, 필터 재생 이후에는 열팽창성 부재의 팽창으로 인렛 채널이 아울렛 채널에 비해 넓어지게 되므로 일반 필터에 비해 많은 재를 포집할 수 있는 채널볼륨 가변형 디젤매연촉매여과필터를 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은, 각 채널의 한쪽은 열려 있고 그 반대쪽은 막혀 있는 구조를 가지는 디젤매연촉매여과필터(CPF)에 있어서,

상기 각 채널을 구획하는 벽이 경사진 구조로 되어, 매연을 포함한 배기가스가 유입되는 인렛 채널은 후단으로 가면서 단면적이 점차 축소되는 구조로 되어 있고, 여과된 배기가스가 배출되는 아울렛 채널은 후단으로 가면서 단면적이 점차 넓 어지는 구조로 되어 있으며, 상기 인렛 채널의 후단 끝 막힌 부분에 열에 의해 길이 팽창되는 열팽창성 부재를 설치하여 재생 후 인렛 채널이 아울렛 채널보다 넓어질 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 3과 도 4는 본 발명에 따른 디젤매연촉매여과필터(CPF)의 구조를 도시한 단면도로서, 전체 필터의 일부분만을 확대하여 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 3은 재생이 일어나기 전 상태를, 도 4는 재생이 일어난 이후 상태를 나타낸 것이다.

여기서, 도면부호 31은 매연을 포함한 배기가스가 유입되는 인렛 채널을 나타내며, 도면부호 32는 여과된 배기가스가 흘러 배출되는 아울렛 채널을 나타낸다.

본 발명에서는 형상의 변형이 가능한 메탈(metal) 재질로 필터(30)를 도 3에 나타낸 바와 같이 제조한다.

즉, 필터(30)의 채널구조에 있어서, 벽(33)에 경사를 주어, 인렛 채널(31)의 입구가 상대적으로 크게 확대되어 있는 동시에 아울렛 채널(32)의 출구가 상대적으로 축소된 구조로 되어 있다.

따라서, 인렛 채널(31)은 후단으로 가면서 단면적이 점차 축소되는 구조가 되고, 아울렛 채널(32)은 후단으로 가면서 단면적이 점차 넓어지는 구조가 된다.

이러한 경우, 인렛 채널(31)과 아울렛 채널(32)의 볼륨이 대략 같기 때문에 기존의 일반 CPF와 큰 차이가 없게 되는데, 특히 아울렛 채널(32)의 볼륨이 작지 않기 때문에 배압 측면에서 불리해지지 않으며, ACT 필터에서 초기배압이 크게 걸리던 문제점이 해결될 수 있게 된다.

그리고, 본 발명에서는 인렛 채널(31)에서 후단 끝의 막힌 부분에 열을 받으면 상하 길이가 증가하는 열팽창성 부재(34)를 설치한다.

상기 열팽창성 부재(34)는 상하 신축이 가능하도록 주름진 구조로 된 외측 부재(35)의 내부에 열을 받으면 부피가 증가하는 열팽창성 충전재(filler)(36)를 충전하여 구성한다.

이하, 본 발명에 따른 CPF에서 매연 여과 및 재생시의 상태를 설명하면 다음과 같다.

매연을 포함한 배기가스가 인렛 채널(31)의 입구를 통해 채널 내부로 들어오게 되면, 매연은 벽(33)에 걸려 여과되고 가스성분만 통과하여 아울렛 채널(32)로 들어가는 바, 결국 여과된 배기가스가 아울렛 채널(32)의 출구를 통해 배출되게 된다.

그리고, 필터(30)에 매연을 포집하였다가 시간이 지나 일정량의 매연이 쌓이게 되면, 650℃ 정도의 고온에서 재생이 이루어지면서 쌓여 있던 매연을 연소시키게 되는데, 이때 인렛 채널(31) 내에는 매연이 타버리고 재(ash)가 쌓이게 된다.

또한 재생시에는 급격한 온도 상승으로 인하여 열팽창성 부재(34)가 팽창함에 따라 인렛 채널(31)의 후단 끝 막힌 부분의 길이가 도 4에 나타낸 바와 같이 증가하게 되며, 결국 재생이 일어난 이후에는 필터(30)의 전체 채널구조가 ACT 필터처럼 인렛 채널(31)이 아울렛 채널(32)보다 넓어지게 되어 일반 필터보다 많은 재 를 포집할 수 있게 된다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따른 CPF에서는 인렛 채널과 아울렛 채널의 볼륨이 대략 같아 종래의 ACT 필터가 가지고 있던 초기배압 증가의 문제점이 해결될 수 있으면서, 필터 재생 이후에는 열팽창성 부재의 팽창으로 인렛 채널이 아울렛 채널에 비해 넓어지게 되므로 많은 재를 포집할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 채널볼륨 가변형 디젤매연촉매여과필터에 의하면, 인렛 채널과 아울렛 채널의 볼륨이 대략 같아 일반 필터와 같은 아울렛 채널의 볼륨을 확보할 수 있으므로 종래의 ACT 필터가 가지고 있던 초기배압 증가의 문제점이 해결될 수 있고, 필터 재생 이후에는 열팽창성 부재의 팽창으로 인렛 채널이 아울렛 채널에 비해 넓어지게 되므로 일반 필터에 비해 많은 재를 포집할 수 있는 장점이 있게 된다.

Claims

각 채널의 한쪽은 열려 있고 그 반대쪽은 막혀 있는 구조를 가지는 디젤매연촉매여과필터(CPF)에 있어서,

상기 각 채널을 구획하는 벽이 경사진 구조로 되어, 매연을 포함한 배기가스가 유입되는 인렛 채널은 후단으로 가면서 단면적이 점차 축소되는 구조로 되어 있고, 여과된 배기가스가 배출되는 아울렛 채널은 후단으로 가면서 단면적이 점차 넓어지는 구조로 되어 있으며, 상기 인렛 채널의 후단 끝 막힌 부분에 열에 의해 길이 팽창되는 열팽창성 부재를 설치하여 재생 후 인렛 채널이 아울렛 채널보다 넓어질 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 초기배압 개선을 위한 채널볼륨 가변형 디젤매연촉매여과필터.