KR100820284B1 - 산화촉매 막힘방지용 크리닝 볼을 갖는 경유자동차용매연저감장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산화촉매 막힘방지용 크리닝 볼을 갖는 경유자동차용 매연저감장치에 관한 것이다. 이러한 매연저감장치는, 산화촉매의 전방에 볼을 삽입하여 산화촉매의 표면이 배기가스에 포함된 입자상 물질에 의해 막히는 것을 방지한 것으로서, 산화촉매의 정상적인 기능을 유지할 수 있다.

자동차, 경유, 매연, 저감, 볼

Description

산화촉매 막힘방지용 크리닝 볼을 갖는 경유자동차용 매연저감장치{Diesel Particulate Filter for Diesel Vehicles having Cleaning Ball for preventing plugging of Diesel Oxidation Catalyst}

도 1은 종래의 매연저감장치를 개략적으로 도시한 도면,

도 2는 도 1에 도시한 매연저감장치의 산화촉매가 막힌 상태의 사진,

도 3은 도 2의 확대 사진,

도 4는 본 발명의 일실시예인 매연저감장치의 개략적인 도면,

도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예인 매연저감장치의 개략적인 도면,

도 7은 도 4에 도시한 볼의 사진,

도 8은 도 7의 확대 사진,

도 9는 도 4에 도시한 볼을 매연저감장치에 사용한 결과를 보여주는 사진이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

100: 하우징 102, 104, 106: 입구

108: 출구 110: 산화촉매

120: 필터 130: 볼

본 발명은 산화촉매 막힘방지용 크리닝 볼을 갖는 경유자동차용 매연저감장치에 관한 것으로, 특히 산화촉매가 배기가스에 포함된 입자상 물질에 의해 막히는 것을 방지함으로써, 산화촉매의 정상적인 기능을 유지하기 위한 것이다.

일반적으로 디젤 차량의 배기가스 중에 포함되어 대기로 배출되는 입자상 물질은 설페이트와 고비점 탄화수소와 같은 오염물질을 포함하는 평균 직경 0.3㎛ 정도의 미연소 탄소입자로서, 디젤 엔진 내에서의 연료의 불완전 연소에 기인한다. 이러한 배기가스에서 배출되는 입자상 물질은 시각적 불쾌감과 악취로 체감 대기오염도를 높일 뿐 아니라 천식 및 폐암의 발병원인으로 인체에 유해성이 큰 물질이다.

따라서, 디젤 차량에서 배출되는 입자상 물질에 대한 환경규제가 날로 강화되고 있는 추세이나, 아직 만족시킬 만한 경제성 있는 기술이 상용화되지 못하여 매연 저감과 처리에 관한 기술의 개발이 시급한 상황이다.

현재 입자상 물질에 관한 처리 기술은 다양한 형태로 개발 진행되고 있는 바, 크게 엔진의 연소성능 개선이 나 연료첨가제 사용에 의해 입자상 물질의 배출을 저감시키는 방법과, 배출되는 배기가스를 여과장치 등의 후처리 장치를 사용하여 배출가스 중의 입자상 물질을 제거하여 저감하는 방법으로 나누어 볼 수 있다.

전자에 기술한 연소성능 개선에 의한 입자상 물질 저감 방법은 현재의 엔진기술 수준으로는 환경규제 수준을 충족시킬 정도의 만족스러운 효과를 얻지 못하고 있으며, 연료첨가제의 사용은 경제성 측면과 연료첨가제 성분의 대기 배출에 의한 2차오염 유발 가능성 등의 문제점이 해결해야 할 과제로 남아 있다.

한편, 후처리 장치 기술은 배기가스 중의 입자상 물질을 여과하는 기술과, 여과된 입자상 물질을 연소시켜 여과재 고유의 여과성능을 회복시켜주는 재생기술로 구성되는데, 이와 같은 후처리 장치는 입자상 물질의 여과와 재생이 연속적으로 원활히 이루어지지 않으면 엔진의 배기가스 배출 저항의 증가로 의한 과도한 배압 상승으로 엔진의 성능저하를 초래하는 문제점이 있다.

따라서, 이러한 문제를 발생시키지 않고 입자상 물질의 여과와 재생이 연속적으로 원활히 이루어지는 다양한 방법이 시도되고 있으며, 일반적으로 강제재생방식과 촉매재생방식으로 크게 나눌 수 있다.

강제재생방식은 버너나 전기히터를 이용하여 입자상 물질을 강제 연소시켜 여과재를 재생하는 방법이며, 촉매재생방식은 연료에 유기금속 첨가제를 주입하여 여과재를 재생하는 방법으로서 재생성능이 우수하다.

이러한 촉매재생방식의 구조체를 개시하고 있는 특허로는 WO 01/12320, 영국 특허 제 9919013.4가 있다. 상기 특허에서는 기존의 CRT시스템 (미국 특허 제 4,902,487호, 일본 특허 제 3,012,249호)의 분리형 시스템을 일체형으로 개조한 기술로서, 배기가스가 유입되는 상류층 채널의 일정구간을 가스 불투과성 산화촉매로 코팅하고 산화촉매의 하부는 가스투과성의 여과필터 영역으로 이루어져 있다.

배기가스 중의 일산화질소(NO)가 산화촉매 층에서 이산화질소(NO₂)로 산화되 고, 연이어 여과필터 영역에서 배기가스가 통과하면서 디젤 입자상 물질을 포집하는 필터가 개시되어 있다. 이때 상류층의 코팅된 산화촉매에서 생성된 NO₂를 포집된 입자상 물질과 반응시켜 400℃ 이하의 온도에서 연소시킴으로써 디젤 배기가스의 입자상 물질을 제거하는 방법을 제안하고 있다.

그러나, 배기가스의 온도가 낮은 경우 또는 상기와 같은 별도의 강제재생장치가 없는 경우에는 셀벽면에 포집된 매연이 재생되지 않고 지속적으로 쌓이게 되어 필터 막힘 현상이 발생되고 있다.

도 1은 일반적으로 사용되고 있는 매연저감장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

경유차용 매연저감장치의 전단부를 형성하는 산화촉매(DOC, Diesel Oxidation Catalyst;10)는 촉매가 담지되는 세라믹 및 메탈 구조체의 제조기술이 발달함에 따라 효율 증대를 위해 그 셀밀도(cell density)를 높여 사용하는 추세에 있다. 셀밀도는 평방인치당 셀의 수로 나타내는데 최근에는 산화촉매(10)용으로 300~400cpsi(Cell per square inch)이상의 것을 많이 사용하고 있다.

산화촉매(10)의 셀밀도가 높아지면 촉매와 배기가스의 접촉면적이 증대되게 되므로 배기가스의 정화효율은 증대되게 되나, 단위 셀의 유로가 좁아지게 되므로 엔진에서 배출되는 매연 등 입자상물질(Particulate Matter, PM)에 의해 쉽게 막혀 배압을 상승시키고 장기간 사용시 장치 전체가 막혀 연료소모율을 증가시키고 후방에 위치한 필터(20)까지 파손시키는 사례가 많이 발생한다.

이 막힘현상은 도 2 및 도 3의 사진과 같이, 산화촉매(10)의 전단면에서부터 시작되어 전단면을 집중적으로 막게 되므로, 이 부분을 청소해주는 기술이 필요하다.

연료분사방식의 복합재생 매연저감장치의 경우 배기가스의 온도를 상승시키기 위해 인위적으로 경유를 산화촉매(10)의 전단에 분무하게 되는데, 이 때도 분무된 경유 중 반응이 되지 못한 성분이 산화촉매(100)의 전단에 미연탄소성분의 층을 형성하면서 산화촉매(10)의 셀의 입구를 심하게 막게 된다.

산화촉매(10)의 막힘을 방지하기 위해 설계자가 셀의 밀도를 낮추어 선정하는 방법 외에는 특별히 개발된 기술이 없다.

운행차에 부착되는 매연저감장치의 경우에도 필터(20)부가 막히면 사후에 필터(20)를 탈거하여 압축공기나 히터를 사용하여 축적된 매연을 청소 및 태워 주나, 산화촉매(10)의 막힘에 대해서는 그 심각성이 제대로 인식되지 못하고 그대로 방치하는 경우가 대부분이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 본 발명의 목적은 산화촉매가 배기가스에 포함된 입자상 물질에 의해 막히는 것을 방지함으로써, 산화촉매의 정상적인 기능을 유지하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 하우징의 내부에 산화촉매 및 필터가 설치된 경유자동차용 매연저감장치에 있어서,

상기 산화촉매의 전방 상기 하우징의 내부에는, 상기 산화촉매의 전면 셀에 막히는 입자상물질과 접촉하여 상기 입자상물질을 상기 셀의 입구로부터 분리시키기 위한 1이상의 볼을 삽입한 것을 특징으로 하는 산화촉매 막힘방지용 크리닝 볼을 갖는 경유자동차용 매연저감장치를 제공한다.

상기 볼은 다공성의 금속으로 이루어질 수 있다.

상기 볼은 직경의 크기를 달리하는 여러 개로 구성할 수 있다.

상기 하우징으로 배기가스가 유입되는 입구를 상기 산화촉매의 전방으로부터 측방향으로 형성하거나, 산화촉매의 전방으로부터 편심위치에 형성하여 상기 볼의 구름을 원활하게 할 수 있다.

상기 하우징으로 배기가스가 유입되는 입구에 바람개비 형상의 가이드를 설치하여 상기 배기가스의 회전운동을 촉진시킬 수 있다.

이하에서는 본 발명인 매연저감장치의 양호한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 일실시예인 매연저감장치의 개략적인 도면, 도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예인 매연저감장치의 개략적인 도면이다.

그리고 도 7은 도 4에 도시한 볼의 사진이고, 도 8은 도 7의 확대 사진이며, 도 9는 도 4에 도시한 볼을 매연저감장치에 사용한 결과를 보여주는 사진이다.

경유자동차용 매연저감장치는, 하우징(100)의 내부에 촉매가 담지된 산화촉매(110)와, 배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집하기 위한 필터(120)가 내장된 다.

하우징(100)의 전단에는 산화촉매(110)의 전방으로 배기가스가 유입되는 입구(102)가 형성되고, 하우징(100)의 후단에는 필터(120)를 통과한 배기가스를 배출시키기 위한 출구(108)가 형성된다.

산화촉매(110)의 전방 하우징(100)의 내부에는, 산화촉매(110)의 전면 셀에 막히는 입자상물질과 접촉하여 입자상물질을 셀의 입구로부터 분리시키기 위한 다수의 볼(130)을 삽입한다.

이러한 볼(130)은 금속제 또는 테프론 등 내열성이 있는 메쉬(Mesh)를 사용하여 구(Sphere)형태로 형성하거나, 링(Ring) 형태의 물질을 다양한 크기(10~50mm)로 만들어 2~10개를 하우징(100)의 전방에 넣어 둔다.

볼(130)은 엔진으로부터 나오는 배기가스의 강한 흐름에 따라 하우징(100)의 내부에서 자유롭게 굴러 다니거나 회전 또는 튕기면서 산화촉매(110)와 접촉하면서 축적된 매연을 제거하고 깨끗한 표면상태를 유지한다.

볼(130)의 직경에 따라 하우징(100) 내에서 운동하는 패턴이 다르므로 다양한 사이즈의 볼(130)을 섞어서 넣어 주는 것이 좋으며, 운동을 원활하게 하기 위해 볼(130)의 형상은 완전한 구형이 되게 하고 연결 및 용접부는 최대한 스무스(smooth)하게 제조하여야 한다.

또한 볼(130)의 굴림운동을 촉진시키고 배기가스의 혼합특성을 향상시키기 위해 하우징의 입구에 바람개비 형상의 가이드를 설치하여 배기가스의 회전운동을 촉진시켜 줌으로써 볼(130)의 운동성을 증대시킬 수 있다.

그리고 하우징(100)의 입구는 도 4와 같이 산화촉매(110)의 전방의 중심부에 형성한다.

한편 본 발명의 다른 실시예로서, 바람개비 형상 외에도 볼(130)의 회전운동이 잘 일어나게 하기 위하여 배기가스가 유입되는 하우징(100)의 입구(102)의 위치를 변경할 수 있다.

도 5와 같이 입구(104)를 산화촉매(110)의 전방으로부터 측방향으로 형성하거나, 도 6과 같이 산화촉매(110)의 전방으로부터 편심위치에 형성하여 배기가스의 유입에 의해 볼(130)의 원활하게 구르도록 한다.

도 4의 경우는 배기가스는 하우징(100) 및 필터(120)의 방향(흐름방향)에 평행하게 유입되고(I-Type), 도 5 및 도 6의 경우는 배기가스가 흐름방향에 직각으로 유입되는 형식(P-Type)이 된다.

도 5 및 도 6의 경우는 입구(104,106)의 위치를 편심시킴으로써 배기가스의 흐름에 와류를 형성하여 볼(130)의 활발한 회전유동을 얻을 수 있다.

도 7은 볼의 사진이고, 도 8은 볼의 확대 사진이다.

이러한 볼(130)은, 산화촉매(110)의 전방에서 배기가스의 유입에 의해 유동하여 산화촉매(110)의 전면 셀에 접촉하게 된다. 이에 따라 산화촉매(110)의 전면에 달라붙은 입자상 물질에 충돌하여 입자상물질을 셀의 입구로부터 분리시킨다.

도 9는 입자상 물질에 의해 산화촉매(110)의 전면이 막힌 버스용 매연저감장치에 볼(130)을 삽입한 후, 2일이 경과된 시점에서 산화촉매(110)의 상태를 관찰한 사진이다.

본 장치를 제작하여 실제 운행중인 버스의 매연저감장치에 적용한 결과 볼(130)을 넣은지 1일만에 보통 배압이 50% 정도 떨어지며, 표면의 막힘 부위도 70% 이상 청소가 되었다.

그리고 5일 후에는 산화촉매(110)의 표면이 깨끗하게 되어 초기 부착 상태와 동일한 조건이 되었다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 매연저감장치의 산화촉매의 전방에 볼을 삽입하여 산화촉매의 표면이 배기가스에 포함된 입자상 물질에 의해 막히는 것을 방지함으로써, 산화촉매의 정상적인 기능을 유지할 수 있는 효과가 있다.

이상에서는 본 발명을 특정한 실시예로써 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.

Claims (6)

1. 하우징의 내부에 산화촉매 및 필터가 설치된 경유자동차용 매연저감장치에 있어서,

   상기 산화촉매의 전방 상기 하우징의 내부에는, 상기 산화촉매의 전면 셀에 막히는 입자상물질과 접촉하여 상기 입자상물질을 상기 셀의 입구로부터 분리시키기 위한 1이상의 볼을 삽입하되,

   상기 하우징으로 배기가스가 유입되는 입구를 상기 산화촉매의 전방으로부터 측방향으로 형성하여 상기 볼의 구름을 원활하게 한 것을 특징으로 하는 산화촉매 막힘방지용 크리닝 볼을 갖는 경유자동차용 매연저감장치.
2. 하우징의 내부에 산화촉매 및 필터가 설치된 경유자동차용 매연저감장치에 있어서,

   상기 산화촉매의 전방 상기 하우징의 내부에는, 상기 산화촉매의 전면 셀에 막히는 입자상물질과 접촉하여 상기 입자상물질을 상기 셀의 입구로부터 분리시키기 위한 1이상의 볼을 삽입하되,

   상기 하우징으로 배기가스가 유입되는 입구를 상기 산화촉매의 전방으로부터 편심위치에 형성하여 상기 볼의 구름을 원활하게 한 것을 특징으로 하는 산화촉매 막힘방지용 크리닝 볼을 갖는 경유자동차용 매연저감장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 볼은 다공성의 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 산화촉매 막힘방지용 크리닝 볼을 갖는 경유자동차용 매연저감장치.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 볼은 직경의 크기를 달리하는 여러 개로 이루어진 것을 특징으로 하는 산화촉매 막힘방지용 크리닝 볼을 갖는 경유자동차용 매연저감장치.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 하우징으로 배기가스가 유입되는 입구에 바람개비 형상의 가이드를 설치하여 상기 배기가스의 회전운동을 촉진시키는 것을 특징으로 하는 산화촉매 막힘방지용 크리닝 볼을 갖는 경유자동차용 매연저감장치.
6. 삭제

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