KR100860327B1 - 배기가스정화장치 - Google Patents

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스스무 사라이
세이지 오카와라
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도요다 지도샤 가부시끼가이샤
에미텍 게젤샤프트 퓌어 에미시온스테크놀로기 엠베하
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Abstract

본 발명의 배기가스정화장치는 복수의 배기가스통로 및 상기 배기가스통로에 설치된 필터체(3)로 이루어진다. 상기 배기가스통로는 배기가스를 필터체(3)로 인도하는 필터도입부(100) 및 상기 필터도입부(100)로부터 인접한 배기가스통로로 분기시켜 상기 필터도입부(100)를 우회하는 필터우회부(200)를 포함한다. PM이 상기 필터도입부(100) 상에 침착되어, 배기압손실이 증가되는 경우, 상기 배기가스는 상기 필터우회부(200)로부터 분기되어 유동하게 된다.

Description

배기가스정화장치{EXHAUST GAS PURIFYING APPARATUS}
본 발명은 디젤 엔진 등으로부터 배출되는 배기가스 내에 함유된 입자상물질(이하, "PM"이라 함)을 수집하여 상기 배기가스를 정화하기 위한 배기정화장치에 관한 것이다.
디젤 엔진으로부터 배기되는 배기가스 내에는 카본 미립자, SOF(Soluble organic Fraction), 황산염 등으로 이루어진 입자상물질(PMs)이 함유되어 있기 때문에, 정화된 배기가스를 배출하기 위해서는 상기 PM이 배기가스로부터 제거되어야만 한다. PM은 통상의 산화촉매, 3원촉매 등에 의해 제거되는 것이 곤란할 수도 있기 때문에, 일반적으로는 PM이 필터(DPFs)에 의해 수집된 후에 산화되어 제거되게 된다.
이러한 DPF로서, 벽 유동(wall flow) 타입의 DPF가 폭넓게 사용되어 왔다. 하나의 벽 유동 타입 DPF에 있어서, 하류측 에지부에서 막힌(clogged) 유입측셀(inlet-side cell), 및 상류측 에지부에서 막히고 상기 유입측셀에 인접하여 위치한 유출측셀도 허니콤체(honeycomb body)로 형성되어 있다. 이러한 허니콤체는 수많은 셀들을 구비하고, 근청석(cordierite)과 같은 내열성 세라믹으로 만들어진다. 이러한 DPF에 있어서, 유입측셀로 들어간 배기가스는 셀벽을 통과한 다음, 유출측 셀로부터 배기된다. 배기가스가 셀벽을 통과하는 동안, PM은 상기 셀벽의 세공(pores)에 수집된다. 그 후, 소정량의 PM이 수집되면, 상기 수집된 PM은 히터로 상기 PM을 가열하여 연소되므로, DPF 기능이 재생될 수도 있다.
하지만, 이러한 DPF에 있어서, PM 수집량이 많은 경우에는 DPF 기능들이 재생될 때 연소에 의하여 발열량이 증가된다. 따라서, 이들 DPF가 열충격에 의해 손상을 입을 가능성도 존재한다. 또한, 이러한 DPF에 대해서는 제조비용도 높게 된다. 그 결과, 금속으로 만들어진 DPF에 관한 여러 아이디어들이 최근 제안되고 있다.
예를 들어, JP-A-9-262414호는 금속박판으로 만들어진 골판(corrugate plate) 및 금속부직포로 만들어진 평판(plain plate)이 서로 번갈아 적층되면서, 하류측 에지부에서 막힌 유입측셀과 상기 유입측셀에 인접하여 위치하고 상류측 에지부에서 막힌 유출측셀 양자 모두가 형성되어 있는 이러한 DPF를 개시하고 있다. 또한, JP-A-2002-113798호는 금속부직포로 만들어진 골판 및 평판이 서로 번갈아 적층되면서, 하류측 에지부에서 막힌 유입측셀과 상기 유입측셀에 인접하여 위치하고 상류측 에지부에서 막힌 유출측셀 양자 모두가 형성되어 있는 이러한 DPF를 개시하고 있다.
이들 DPF에 따르면, 배기가스 내에 함유된 PM은 금속부직포 내에 수집된다. 그러면, 가열방식으로 PM을 연소하기 위한 재생 처리 작업들이 수행되더라도, DPF가 금속으로 만들어져 있기 때문에, 열충격이 적고 손상들이 억제될 수 있다. 하지만, 이들 소정의 DPF는 벽 유동 타입 DPF에 대응하기 때문에, 배기압손실들이 PM의 수집과 연계되어 증가된다. 더욱이, PM은 유입측셀의 막힘부 부근에 침착(deposit)되는 것이 집중되기 때문에, 배기압손실들이 급격하게 증가된다는 이러한 문제점이 있다. 엔진효율, 연료소비 등이 주요 인자들을 구성하는 경우에는, 상기 재생 처리 작업들이 빈번하게 수행되어야만 한다.
다른 한편으로, 독일실용신안 제 20,117,873 U1호에는 금속포일로 만들어진 골판과 필터층이 서로 번갈아 적층되고; 네일형상의 높이를 갖는 복수의 네일형상 구멍들이 상기 골판에 형성되며; 상기 복수의 네일형상 구멍들은 내향의 네일형상 구멍 및 외향의 네일형상 구멍을 구비하는 통로를 형성하고; 상기 내향의 네일형상 구멍 및 외향의 네일형상 구멍은 이들 네일형상 구멍들이 각도를 한정하는 방식으로 배치되며; 상기 네일형상 구멍들의 높이는 구조적 높이의 100% 내지 60%와 같고; 적어도 20%의 유동자유도(flow free degree)가 보장되는 것을 특징으로 하는 필터가 개시되어 있다.
이러한 필터에 따르면, 네일형상 구멍들로부터 유도되는 배기가스는 필터층을 통과하므로, PM이 상기 필터층에 의해 수집된다. 또한, 이러한 필터는 주로 직선형 유동 구조로 형성되기 때문에, 배기압손실의 증가 또한 억제될 수도 있다. 그 후, 이러한 필터는 금속으로 만들어지므로, 열적 응력으로 인한 손상이 전혀 없다. 하지만, 상기 필터에서는, 네일형상 구멍들의 부분들과 필터층 양자 모두에서 PM의 침착들이 진행되는 경우에는, 배기가스의 통로가 폐색되어, 배기압손실이 급격하게 증가되게 된다. 그 결과, 수집가능한 PM의 양이 증가될 수 없게 되어, PM 수집효율이 저하되게 된다는 단점이 있다.
또한, 촉매 기능들이 적용된 필터촉매가 개발되어 왔다. 예를 들어, JP-A-9-262415호는 다음과 같은 필터 요소를 개시하고 있다. 즉, 평판필터 및 골판이 서로 번갈아 중첩된 다음, 상기 중첩된 필터/골판이 필라형상체(pillar-shaped body)를 구성하도록 감긴다. 그러면, 이러한 필라형상체의 양쪽 에지들이 교대로 충전되어 필터 요소를 구성하게 된다. 상기 평판필터는 세라믹 또는 금속이 3차원메시형상구조다공체 또는 이러한 다공체의 구멍들 내에 충전되어 상기 구멍들의 직경들을 본질적으로 감소시키도록 제조된다. 상기 3차원메시형상구조다공체는 내열성 금속으로 만들어지고 연속배기구멍을 구비한다. 이러한 필터 요소에 있어서, 촉매금속은 골판 또는 평판 요소 상에 구비된다.
이러한 필터 요소에 따르면, PM 트랩 및 촉매컨버터가 일체로 형성될 수 있어, 공간 절약의 장점이 있다. 또한, 캐리어부재가 금속으로 만들어지기 때문에, 열용량이 작고, 촉매금속의 온도증가속도가 높아지며, 이러한 촉매금속을 효과적으로 활성화하는데 필요한 온도가 용이하게 얻어질 수 있다. 나아가, 알칼리금속과 같은 이러한 NOx 흡장재가 촉매금속으로서 지지(carry)되는 경우에는, 후술하는 장점이 얻어질 수도 있다. 즉, 베이스가 근청석 등으로 만들어진다면, 상기 베이스가 NOx 흡장재와 반응할 수도 있다. 하지만, 베이스가 금속으로 만들어진다면, 상기 금속 베이스는 NOx 흡장재와 반응하지 않을 수 있다.
하지만, JP-A-9-262415호에 개시된 기술적 사상에 따르면, 내열성 금속으로 만들어지고 연속배기구멍을 구비한 3차원메시형상구조다공체가 채택되기 때문에, 상기 구멍들의 직경이 임의로 만들어진다. 촉매를 지지하기 위해서는, 촉매금속을 지지한 다공성산화물을 함유하고 있는 이러한 촉매층을 형성하는 것이 효과적이다. 하지만, 내열성 금속으로 만들어진 3차원메시형상구조다공체 상에 균일한 촉매층을 형성하는 것은 실제적으로 어렵고, 이들의 구멍 직경들은 임의로 만들어진다. 이것에 여러 문제점들이 있다. 즉, 배기압손실이 크게 증가하고, 촉매금속으로 인한 활성이 충분하게 얻어질 수 없으며, 촉매금속의 그레인들이 필터 요소가 사용될 때 생성되는 열로 인해 성장되어, 활성이 저하되게 된다.
예를 들어, JP-A-2001-241316호는 한 쌍의 DPF가 일렬로 배치되고, 양 단부가 막히지 않은 직선형 통로를 구비한 이러한 DPF가 상류측에 배치되는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치를 개시하고 있다. 이러한 배기가스정화장치에 따르면, 배기가스의 일부분이 직선형 통로로부터 하류측의 DPF로 직접 들어가기 때문에, 이러한 하류측의 DPF가 신속하게 가열되어, 상기 하류측의 DPF에 의해 수집되는 PM이 연소될 수 있게 된다. 그 결과, 상기 PM의 수집효율이 저하되지 않는 한편, 상기 PM의 연소효율이 개선될 수 있으며, 상기 PM의 연소가 단시간 내에 종료될 수 있다.
또한, 최근에는, 예컨대 JP-A-9-173866호에 개시된 바와 같이, 연속재생타입 DPF(필터촉매)가 개발되었는데, 이는 알루미나로 만들어진 코트층이 DPF의 셀벽의 표면 상에 형성되고, 백금(Pt)으로서 이러한 촉매금속이 상기 코트층에 지지된다. 이러한 연속재생타입 DPF에 따르면, 수집된 PM이 촉매금속과의 촉매반응들로 인해 산화/연소되기 때문에, PM이 수집되는 동시에 PM이 연소되거나, 또는 PM이 수집되는 동안 PM이 계속해서 연소되므로, DPF가 재생될 수 있게 된다. 그 후, 촉매반응이 비교적 저온에서 발생할 수도 있고, PM의 수집량이 적은 상태 하에 상기 PM이 연소될 수 있기 때문에, 상기 DPF에 인가되는 열적 응력이 작고 상기 DPF의 고장을 피할 수 있다는 장점들이 있다.
또한, JP-A-9-053442호는 직선유동구조를 갖는 산화촉매, 상술된 필터촉매, 및 상기 직선유동구조를 갖는 NOx 흡장환원촉매가 배기가스의 상류측으로부터 이러한 순서로 배치되는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치를 개시하고 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 산화촉매 또는 NOx 흡장환원촉매는 상기 필터촉매와 조합되기 때문에, PM 및 NOx에 대한 정화 성능이 개선될 수도 있다. 예를 들어, 이러한 어려움이 억제될 수도 있다. 즉, 필터촉매로 들어가는 PM이 상류측에서 산화촉매에 의해 산화되어, 상기 들어온 PM이 매우 미세한 입자들로 된다. 이러한 방식으로, 입자들이 필터촉매의 에지면 상에 침착되어 상기 필터촉매가 폐색되게 되는 문제를 피할 수 있다. 또한, 배기가스의 온도가 산화촉매에 의한 산화반응으로 인해 증가되거나, 또는 높은 산화 활성을 갖는 NO2 가 재생되기 때문에, PM의 산화가 두드러져 NOx에 관한 정화 성능이 개선될 수도 있다.
그 이외에, 요소NOx선택환원촉매가 채택되어 요소가 배기가스 안으로 첨가되는 동안, NOx가 환원되어 요소NOx선택환원촉매에 의해 생성된 암모니아 또는 요소로 정화되도록 하는 것을 특징으로 하는 또다른 배기가스정화장치가 공지되어 있다. 이러한 요소NOx선택환원촉매는 필터촉매와 조합되기 때문에, HC, CO 및 PM이 산화되어 정화되도록 할 수 있고, NOx가 환원되어 정화되도록 할 수 있다.
하지만, JP-A-2001-241316호에 개시된 기술적 사상에서는, 저온 범위에 있는 배기가스가 계속해서 들어오는 경우, PM이 필터촉매의 상류측 에지면 상에 침착된다는 사실을 피하는 것이 불가능하다. 따라서, 에지면이 폐색되어 배기압손실이 증가될 가능성들이 있다. 또한, 필터촉매에 있어서, 촉매층의 코트량이 제한되어 배기압손실의 증가를 피하게 된다. 필터촉매가 대략 600℃ 이상의 온도에 노출되는 온도 조건 하에서는, Pt의 입자들이 성장되어, 정화 성능이 저하될 가능성들이 존재한다.
또한, 디젤 차량의 경우, 경유와 같은 환원제가 간헐방식으로 배기가스에 첨가되어 NOx에 대한 환원 성능을 높이게 된다. 그 결과, JP-A-9-053442호에 개시된 기술적 사상이 이러한 시스템에 적용되는 경우에는, 환원제가 상류측의 산화촉매에 의해 부분적으로 산화되기 때문에, 이러한 환원제의 기화가 진행될 수도 있고, NOx에 대한 정화 성능이 개선될 수 있다는 것을 예상할 수도 있다. 하지만, 산화촉매에 의한 이러한 효과를 달성하기 위해서는, 산화촉매의 길이가 길게 만들어져야만 한다. 만일 상기 산화촉매의 길이가 길게 만들어진다면, PM에 관한 산화 성능이 저하된다는 문제점이 발생하는데, 그 이유는 필터촉매는 하류측에서 디젤 엔진으로부터 멀리 떨어진 위치에 배치되기 때문이다.
그 후, 요소NOx선택환원촉매를 이용하는 배기가스정화장치에서는, NOx가 요소NOx선택환원촉매의 상류부에서 환원되기 어려울 수 있기 때문에, 이러한 요소NOx선택환원촉매의 치수가 크게 만들어져야만 한다. 또한, 요소NOx선택환원촉매가 필터촉매와 조합되는 경우에는, 배기가스의 온도가 요소NOx선택환원촉매에서 증가될 수 없기 때문에, 상기 조합이 온도 증가에 관한 단점을 갖고 PM에 관한 산화 활성이 낮다는 문제점들이 있다.
본 발명은 상술된 문제점들을 해결하고자 고안되었으며, PM 수집효율의 개선이 배기압손실증가의 억제와 양립할 수 있는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명의 또다른 목적은 수집된 PM을 연속적으로 또한 효과적으로 산화/연소할 수 있는 콤팩트한 배기가스정화장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 상술된 문제점들을 해결할 수 있는 배기가스정화장치는, 복수의 배기가스통로, 및 상기 배기가스통로에 제공되는 필터체를 포함하여 이루어지는 반필터구조체(semi-filter-structured body)를 포함하여 이루어지고, 상기 배기가스통로는 배기가스를 상기 필터체로 인도하는 필터도입부, 및 상기 필터도입부에 인접한 배기가스통로로 분기하여 상기 필터도입부를 우회하는 필터우회부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이러한 배기가스정화장치를 추가로 구현하여 만들어지는 배기가스정화장치는, 상기 반필터구조체가 산부(hill portions)와 곡부(valley portions)가 배기가스유동방향에 대해 교차하는 방향으로 서로 번갈아 이웃하는 금속박판의 골판 및 상기 필터체로 이루어진 가스투과성 평판이 교대로 적층되는 구조로 되어 있고; 상기 산부는 그 산의 높이를 낮추어 형성되는 오목한 중간곡부를 구비하며; 상기 중간곡부는 상기 배기가스가 이웃하고 있는 곡부로부터 유동하도록 할 수 있는 분기부, 및 상기 배기가스가 하류의 산부 중 어느 하나에서 유동하도록 할 수 있는 개구부를 포함하여 이루어지는 상기 필터우회부를 구성하고; 상기 곡부는 그 곡의 깊이를 줄여 형성되는 볼록한 중간산부를 구비하며; 상기 필터도입부는 상기 중간산부, 상기 곡부에 인접한 양측의 상기 산부, 및 상기 산부에 접촉하는 상기 평판으로 구성되고; 상기 필터도입부 내의 압력이 증가되는 경우, 상기 곡부 상에 유동하는 배기가스의 적어도 일부는 상기 분기부를 통해 이웃하고 있는 산부로 유입되는 것을 특징으로 한다.
이 경우, 상기 산부는 상기 평판을 통해 상기 필터도입부에 대향하는 것이 바람직하다.
또한, 이러한 배기가스정화장치의 특징이 골판의 배면으로부터 표현된다면, 다음과 같은 구조가 정의된다. 즉, 반필터구조체는 산부와 곡부가 서로 배기가스유동방향의 교차방향으로 번갈아 이웃하는 금속박판의 골판 및 상기 필터체로 이루어진 가스투과성 평판이 교대로 적층되어 구성되고; 상기 곡부는 그 곡의 깊이를 낮추어 구성되는 볼록한 중간산부를 구비하며; 상기 중간산부는 상기 배기가스가 이웃하고 있는 산부로부터 유동하도록 할 수 있는 분기부, 및 상기 배기가스가 하류의 곡부에서 유동하도록 할 수 있는 개구부를 포함하여 이루어지는 상기 필터우회부를 구성하고; 상기 산부는 그 산의 높이를 낮추어 구성되는 오목한 중간곡부를 구비하며; 상기 필터도입부는 상기 중간곡부, 상기 산부에 인접한 양측의 상기 곡부, 및 상기 곡부에 접촉하는 상기 평판으로 구성되고; 상기 필터도입부 내의 압력이 증가되는 경우, 상기 산부 상에 유동하는 배기가스의 적어도 일부는 상기 분기부를 통해 이웃하고 있는 곡부에서 유동하는 것을 특징으로 한다.
이 경우, 상기 곡부는 상기 평판을 통해 상기 필터도입부에 대향하는 것이 바람직하다.
상기 중간곡부 및 상기 중간산부 양자 모두는 상기 산부 또는 상기 곡부를 변형시켜 형성되고, 상기 중간산부의 산의 높이 또는 상기 중간곡부의 깊이는 그 하류단을 향해 점진적으로 낮아지는 것이 바람직하다.
또한, 평면도에서 산정되는 상기 필터도입부에서의 상기 골판의 개구면적은 평면도에서 산정되는 상기 골판의 전체 개구면적의 30% 이상이다. 상기 필터도입부의 전체 용적은 상기 산부와 상기 골부의 전체 용적의 50% 이상이다.
나아가, 산화촉매 및 산화물지지체를 포함하여 이루어지는 촉매층은 적어도 배기가스통로 및 필터체 중 하나에 형성된 것이 바람직하다.
[본 발명의 효과]
본 발명의 배기가스정화장치에 따르면, PM이 반필터구조체의 필터도입부 상에 침착되어 배기압손실이 증가되는 경우, 배기가스는 필터도입부에 인접한 배기가스통로로 분기시켜 상기 필터도입부를 우회하는 필터우회부로부터 유동하며, 또한 이러한 배기가스가 필터우회부를 통과하여 상기 필터들을 순차적으로 우회하는 동안 유출측 에지부까지 배기가스가 분산된다. 그 결과, 배기압손실의 증가가 억제될 수 있다.
그러면, 필터도입부로부터 필터우회부로 한정된 필터체가 PM을 수집하도록 채택될 수 있고, 따라서 큰 면적의 필터체가 PM을 수집하기 위해 사용될 수 있으므로, 상기 PM이 효과적으로 수집될 수 있게 된다. 결과적으로, 수집된 PM을 연소하기 위한 재생 처리 작업까지의 작업시간이 연장될 수 있다.
도 1은 제1실시예의 배기가스정화장치 및 그 주요 부분을 도시한 사시도 및 확대사시도;
도 2는 제1실시예의 배기가스정화장치에 채택된 골판의 주요 부분을 나타내기 위한 사시도;
도 3은 제1실시예의 배기가스정화장치의 주요 부분을 도시하기 위한 확대사시도;
도 4는 제1실시예의 배기가스정화장치의 주요 부분을 도시하기 위한 확대사시도;
도 5는 제1실시예의 배기가스정화장치의 주요 부분을 도시하기 위한 확대사시도;
도 6은 제1실시예의 배기가스정화장치의 주요 부분을 도시하기 위한 확대사시도;
도 7은 제1실시예의 배기가스정화장치의 주요 부분을 도시하기 위한 확대사시도;
도 8은 제2실시예의 배기가스정화장치의 주요 부분을 도시하기 위한 확대사시도;
도 9는 제1실시예의 배기가스정화장치 및 제1비교예의 배기가스정화장치에 관한 PM 수집량에 대한 배기압손실 및 PM 수집효율간의 관계를 표시하기 위한 그래 프;
도 10은 제3실시예의 배기가스정화장치 및 그 주요 부분을 도시한 사시도 및 확대사시도;
도 11은 제3실시예의 배기가스정화장치에 채택된 골판의 주요 부분을 나타내기 위한 사시도;
도 12는 제4실시예의 배기가스정화장치에 채택된 골판의 주요 부분을 나타내기 위한 사시도;
도 13은 제5실시예의 배기가스정화장치의 주요 부분을 도시하기 위한 사시도;
도 14는 제6실시예의 배기가스정화장치의 주요 부분을 도시하기 위한 사시도;
도 15는 제7실시예의 배기가스정화장치의 주요 부분을 도시하기 위한 확대사시도;
도 16은 제7실시예의 배기가스정화장치에 채택된 골판의 주요 부분을 나타내기 위한 확대사시도;
도 17은 제10실시예의 배기가스정화장치에 채택된 골판의 주요 부분을 나타내기 위한 확대사시도;
도 18은 제10실시예의 배기가스정화장치의 주요 부분을 도시하기 위한 확대사시도;
도 19는 제10실시예의 배기가스정화장치의 주요 부분을 도시하기 위한 확대 사시도;
도 20은 제10실시예의 배기가스정화장치의 주요 부분을 도시하기 위한 확대사시도;
도 21은 제11실시예의 배기가스정화장치를 도시하기 위한 설명도;
도 22는 제11실시예의 배기가스정화장치에 채택된 반필터구조체의 주요 부분을 나타내기 위한 사시도;
도 23은 제11실시예의 반필터구조체에 채택된 골판의 주요 부분을 도시하기 위한 사시도;
도 24는 제11실시예의 배기가스정화장치에 채택된 반필터구조체의 주요 부분을 나타내기 위한 사시도;
도 25는 제11실시예의 배기가스정화장치에 채택된 반필터구조체의 주요 부분을 나타내기 위한 사시도;
도 26은 제11실시예의 배기가스정화장치에 채택된 반필터구조체의 주요 부분을 나타내기 위한 사시도;
도 27은 제11실시예의 배기가스정화장치에 채택된 반필터구조체의 주요 부분을 나타내기 위한 사시도;
도 28은 제11실시예의 배기가스정화장치에 채택된 반필터구조체의 주요 부분을 나타내기 위한 사시도;
도 29는 제12실시예의 배기가스정화장치를 도시하기 위한 설명도;
도 30은 제7비교예의 배기가스정화장치를 도시하기 위한 설명도;
도 31은 제8비교예의 배기가스정화장치를 도시하기 위한 설명도; 및
도 32는 제9비교예의 배기가스정화장치를 도시하기 위한 설명도이다.
본 발명의 배기가스정화장치는 복수의 배기가스통로, 및 상기 배기가스통로에 제공되는 필터체 양자 모두를 구비하는 반필터구조체로 구성되되, 상기 배기가스통로는 배기가스를 상기 필터체로 인도하는 필터도입부; 및 상기 필터도입부에 인접한 배기가스통로로 분기시켜 상기 필터도입부를 우회시키는 필터우회부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 필터체는 PM을 수집하여 가스 침투성(gas permeability)을 구비할 수 있는 한편, 상기 필터체로는 다공성 세라믹 및 섬유통합체(fiber integrated body)가 채택될 수도 있다. 이러한 필터체가 배기가스통로에 배치되기 때문에, 필터도입부가 형성될 수 있고, 인접하고 있는 배기가스통로와 연통되는 구멍이 상류측에 제공된 배기가스통로에 형성되기 때문에, 필터우회부가 형성될 수 있다. 구체적으로 바람직한 실시예 모드로서, 가스 침투성이 없는 골판 및 평판 형상의 필터체를 서로 번갈아 적층함으로써 허니콤 형상의 반필터구조체를 구성하는 것이 바람직하다.
보다 상세하게는, 이러한 반필터구조체로서, 바람직하게 청구항 3 또는 청구항 15에 인용된 반필터구조체가 채택될 수도 있다. 청구항 3에 인용된 배기가스정화장치(반필터구조체)에 있어서, 곡부 및 상부측 평판으로 형성되는 통로 안으로 들어가는 배기가스는 중간 산부와 충돌하고, 가스투과특성을 갖는 상부측 평판(필터체)을 통과한 다음, PM이 상기 평판에 의해 수집된다. 그 후, 상기 상부측 평판 의 PM 수집량이 증가되면, 필터도입부 내의 압력이 증가되므로, 상기 배기가스가 상기 필터도입부로부터 상류측 필터우회부의 분기부를 통해 유동하고, 상기 배기가스는 양측 산부의 중간 곡부들로부터 개구부를 거쳐 양측 산부로 들어가도록 분기된다.
그 후, 청구항 15에 인용된 바와 같이, 골판의 배면측에서는, 중간 곡부의 배면측이 볼록 형상이 되므로, 필터도입부가 산부와 하부측 평판 사이에 형성되고, 상기 필터우회부는 상기 상류측 곡부의 중간 산부에 형성된다. 그 결과, 산부와 하부측 평판으로 형성되는 통로 안으로 들어가는 배기가스가 중간 곡부와 충돌한다. 상기 필터도입부 내의 압력이 증가되는 경우, 배기가스는 필터도입부로부터 유동하여 상류측 필터우회부의 분기부를 통과한 다음, 양측 곡부들의 중간 산부들의 개구부들을 거쳐 상기 양측 곡부들 안으로 들어가도록 분기된다.
이러한 작업은 배기가스유입측에지(edge)면으로부터 유출측에지(edge)면까지 계속해서 반복된다.
다시 말해, 본 발명의 배기가스정화장치는 기본적으로 배기가스가 필터체를 통과하는 이러한 벽 유동 구조로 배치되기 때문에, PM의 수집효율이 높다. 그러면, 필터도입부 내의 평판의 PM 수집량이 증가되더라도, 배기가스는 상류측 필터우회부로부터 분기되어, 산부 또는 곡부 안으로 들어가는데, 이는 계속해서 발생할 수도 있다. 그 결과, PM의 침착으로 인한 배기압손실의 급격한 증가가 발생하지 않는다. 또한, 평판의 주요 부분이 PM을 수집하도록 활용될 수 있으므로, 배기압손실의 증가가 효과적으로 억제될 수 있다.
상기 골판은 금속박판으로 형성되었는데, 바람직하게는 골처리작업 등을 수행함으로써 제조될 수도 있다. 이러한 재료가 내열 특성을 가질 수도 있다면, 배기가스의 온도 및 재생 처리 작업 동안에 발생하는 열을 견딜 수 있는 이러한 골판의 재료에 관한 특정 제한이 전혀 없다. 바람직하게는 스테인리스강이 채택된다. 또한, 이러한 골판이 자동차에 사용되는 경우에는, 그 두께 범위가 20 ㎛ 내지 110 ㎛, 보다 구체적으로는 40 ㎛ 내지 80 ㎛ 로 적절하게 한정되는 것이 바람직하다.
필터체로서의 역할을 하고 있는 평판은 가스투과특성을 갖는 이러한 부재에 대응하지만, 이러한 부재들은 필터체, 즉 금속판의 유입/배면들을 유동할 수 있는 구멍들이 형성된 상기 금속판, 및 내열성 섬유가 통합된 평판으로서 채택될 수도 있다. 내열성 섬유가 통합된 평판에 관하여, 상기 내열성 섬유는 금속섬유, 세라믹섬유, 금속위스커, 및 세라믹위스커와 같은 부직포 및 직포로 형성될 수도 있다. PM 수집효율의 개선이 자동차용 배기가스정화장치로서의 배기압손실의 증가의 억제와 양립할 수 있도록 하기 위해, 섬유 직경들은 근사적으로 15 내지 60 ㎛ 로 선택되는 것이 바람직하고, 통합량(integrated amount)은 300 내지 1000 g/m2 로 선택되는 것이 바람직하다.
본 발명의 배기가스정화장치(반필터구조체)를 배치하기 위해서, 대안적으로는 소정의 외부 실린더 안으로 삽입되도록 골판 및 평판이 서로 번갈아 적층될 수도 있다. 대안적으로, 소정의 길이를 갖는 골판 및 평판은 롤러 형상으로 감기도록 서로 중첩될 수도 있고, 그 후에 롤러형상의 필터구조체가 소정의 외부 실린더 안 으로 삽입될 수도 있다. 골판들은 상기 골판들이 동일한 방향으로 지향될 수 있는 방식으로 평판들과 대안적으로 적층될 수도 있고, 모든 층들에서 동일한 위상이 될 수도 있거나 또는 이들 골판들이 180도만큼 상이한 방향들로 교대로 지향되는 방식으로 대안적으로 적층될 수도 있거나, 또는 그 위상들이 서로 상이할 수도 있다는 점에 유의해야 한다. 하지만, 필터도입부가 곡부 내에 형성된 경우에는, 인접한 골판의 산부는 평판을 거쳐 반대측에 존재하는 것이 바람직한 반면, 상기 필터도입부가 산부 내에 형성된 경우에는, 인접한 골판의 곡부가 상기 평판을 거쳐 반대측에 존재하는 것이 바람직하다. 그 결과, 평판을 관통한 배기가스의 유동이 방해받지 않으므로, PM 수집효율이 더욱 개선될 수 있고, 배기압손실의 증가도 억제될 수 있다.
중간 곡부 또는 중간 산부는 산부 또는 곡부를 변형시켜 형성되고, 바람직하게는 저부 또는 최상부를 향해 매끄럽게 계속될 수도 있다. 다시 말해, 중간 곡부 또는 중간 산부는 이러한 경사면을 가질 수도 있고, 그 높이는 하류측을 향해 점차 낮아지거나 또는 점차 높아지는 것이 바람직하다. 이러한 구성을 채택함으로써, 필터도입부를 분할(partitioning)하기 위해 평판으로 지향된 벡터가 상기 필터도입부 내에 존재하는 배기가스에 생성되기 때문에, PM 수집효율이 더욱 개선될 수도 있다.
바람직하게는, 필터도입부 내의 일 평면에서 본 골판의 개구면적이 상기 평면에서 본 골판의 전체 개구면적의 30 % 이상이다. 만일 필터도입부 내의 일 평면에서 본 골판의 개구면적이 전체 개구면적의 30 % 미만이면, 상기 평판의 활용면적 이 저하되어, PM 수집효율이 저하되게 된다. 또한, 필터도입부의 전체 용량은 산부 및 곡부 양자 모두에 관한 전체 용량의 50 % 이상인 것이 바람직하다. 만일 이러한 비율이 50 % 보다 작게 된다면, PM 수집효율이 저하된다.
또한, 필터도입부로부터 그 상류측 분기부까지의 거리가 길어질수록, PM 수집효율이 더 높아진다. 이와는 대조적으로, 배기압손실이 증가되는 것이 용이할 수도 있다. 그 결과, 상기 거리는 최적의 거리값으로 설정되어야만 한다.
하지만, 각종 실험들이 실제 활용을 위해 수행된 경우에는, 다음과 같은 사실이 밝혀질 수 있다. 상술된 배기가스정화장치에서는, PM을 고농도로 함유하고 있는 배기가스가 운전상태에 따라 장시간 그 안으로 들어간 경우, 대량의 PM이 유입측에지면 상에 침착될 가능성들이 일부 있다. 상술된 바와 같이, 대량의 PM이 유입측에지면 상에 침착되면, 배기압손실이 증가될 수 있을 뿐만 아니라, PM이 고온의 조건 하에 점화되는 경우에는, 이러한 PM 침착량이 허용가능한 한계량 이하이더라도, 온도가 급격하면서도 국부적으로 증가된다. 그러므로, 용융손실(melting loss)과 같은 오류가 발생할 수도 있는 위험이 있다.
그 결과, 최상류의 필터우회부는 최상류의 필터도입부에 대해 상류측에 제공되고, 배기가스유입측의 에지면에 개방되는 것이 바람직하다. 이러한 구조를 채택함으로써, 배기가스는 우선 최상류의 필터우회부를 통과하고, 상기 배기가스유입측에지면에 대한 PM의 침착들이 억제될 수 있으며, 상기 에지면의 폐색이 방지된다. 그 결과, 유입측에지면의 통로 개구부가 항상 크게 유지될 수 있고, 배기압손실의 증가가 억제될 수 있으며, 또한 과도하게 높아진 온도로 인한 용융손실들을 피할 수 있다. PM 수집효율이 현미경 시야에서 저하되지만, 모든 배기가스통로들은 항상 효과적인 방식으로 기능을 할 수 있어, 전체 수집효율이 보다 높은 효율성으로 유지될 수 있게 되며, 따라서 전체 PM 수집효율이 개선될 수도 있다.
최상류의 필터우회부는 상류측 개구부 및 하류측 개구부 양자 모두를 구비한 산부; 상기 하류측 개구부로 연속되는 곡부; 및 역중간곡부(turned intermediate valley portion)로 구성될 수도 있는데, 상기 역중간곡부의 깊이는 점진적으로 저하되어 상기 하류측의 산부로 연속되는 것을 특징으로 한다. 이 경우, 배기가스는 우선 상류측 에지면으로부터 산부로 들어가고, 상기 산부로부터 유동되는 배기가스는 곡부로부터 역중간곡부 안으로 들어간다. 상기 역중간곡부는 하류측 상의 산부로 연속되기 때문에, 선단부의 상부면은 평판에 의해 폐색된다. 하지만, PM이 상기 부분에 침착되는 경우에도, 역중간곡부와 평판 사이에서 상기 역중간곡부의 중간까지 공간이 있고, 따라서 배기가스가 상기 공간으로부터 양측 곡부들로 들어가도록 분기된다. 그 결과, 산부 및 역중간곡부 양자 모두는 필터우회부로서의 기능을 할 수도 있다.
대안적으로, 최상류 필터우회부는 그 상류측에서 개방되는 역중간산부를 구비한 곡부로 구성될 수도 있고, 상기 역중간산부의 산의 높이는 점차 하류방향으로 낮아지며, 상기 역중간산부는 하류측 곡부들 중 어느 하나로 연속된다. 이 경우, 배기가스는 우선 곡부로 들어가고, 후속해서 역중간산부로 들어간다. 천장부가 상기 역중간산부 내의 곡부로 연속되기 때문에, 선단부는 배면측 상의 평판에 의해 폐색되었다. 하지만, PM이 이러한 부분 상에 침착되더라도, 역중간산부와 평판 사 이에서 상기 역중간산부의 중간쯤까지 공간이 있고, 따라서, 배기가스가 분기되어 상기 공간으로부터 양측 산부들로 들어가게 된다. 그 결과, 곡부 및 역중간산부 양자 모두가 필터우회부로서의 기능을 할 수도 있다.
나아가, 최상류의 필터우회부는 배기가스 내의 입자상물질이 통과될 수 있는 구멍으로 구성될 수도 있고, 상기 구멍은 골판 아래쪽에 적층된 평판 상에 형성되어 상기 골판의 산부에 대향되어 있다. 대안적으로, 상기 최상류의 필터우회부는 노치부로서 만들어질 수도 있고, 이를 통해 배기가스 내에 함유된 입자상물질이 통과될 수 있으며, 이는 상기 골판의 하부측 상에 적층된 산부에 대향하는 위치에서 상기 평판 상에 형성되어 있다. 이 경우, 배기가스는 우선 산부 안으로 들어가고, PM이 필터도입부 상에 침착되더라도 하부측 상의 평판을 통해 적층된 골판의 배기가스통로로 상기 구멍 또는 노치부를 거쳐 들어간다. 이에 따라, 상기 구멍 및 노치부 양자 모두가 필터우회부로서의 기능을 할 수도 있다.
본 발명의 배기가스정화장치에서는, 촉매층이 형성되어 수집된 PM이 활발히 산화 및 연소되는 것이 바람직하다. 하지만, 촉매층이 필터체 상에 형성된다면, 상기 필터체의 공기통과저항력이 증가되어, 배기압손실이 증가되게 된다. 그 결과, 필터체는 일 측으로부터 타 측으로 관통하는 구멍, 및 촉매금속과 다공성 산화물을 포함하여 이루어지는 촉매층으로 구성는 것이 바람직하며, 상기 구멍은 그 크기가 촉매층에 의해 200 ㎛ 이하로 수축 또는 충전된다.
상기 구멍은 그 직경이 200 ㎛ 이하인 방식으로 촉매층에 의해 수축 또는 충전되기 때문에, 배기가스 내에 함유된 PM이 상기 구멍 상에 형성된 촉매층에 의해 수집될 수 있다. 그런 다음, 촉매층은 금속판 상에 형성되었으므로, 상기 촉매층은 균일하게 형성될 수 있으며, 또한 촉매층은 배기가스에 의해 균일하게 가열될 수 있어 상기 촉매금속 또한 균일하게 활성화될 수 있으므로, 수집된 PM이 효과적으로 산화/연소될 수 있다. 또한, 상기 촉매층이 균일하게 되기 때문에, 상기 촉매층의 두께가 얇게 만들어질 수도 있다. 그 결과, 배기압손실의 증가가 억제될 수도 있다.
상기 구멍의 줄어든 직경이 200 ㎛ 와 같은 경우에는, 초기 조건 하에 직경이 200 ㎛ 인 구멍들을 통과할 수도 있는 PM들이 일부 있다. 하지만, PM이 구멍에 부착되면, 구멍 직경이 근사적으로 10 내지 50 ㎛ 가 될 수도 있어, PM 수집능력이 개선될 수도 있다. 그 결과, 구멍 직경이 200 ㎛ 이하로 만들어졌다. 촉매층은 다공성 산화물 분말을 함유하므로, 근사적으로 10 ㎛ 의 직경을 갖는 세공들 또한 촉매층 자체에 존재하고, 매우 미세한 구멍들이 상기 다공성 산화물 분말에 유사하게 존재한다. 그 결과, 상기 구멍들이 촉매층에 의해 완전히 충전되는 경우에도, 가스확산특성이 유지될 수 있고, 상기 구멍들 내에 형성된 촉매층에 수집된 PM이 상기 촉매금속에 의해 효과적으로 산화/연소될 수 있다.
상기 필터체에는 그 유입/배면들을 통과하는 구멍들이 갖춰져 있다. 상기 구멍의 치수는 30 내지 500 ㎛ 로 선택될 수 있는 것이 바람직하다. 만일 구멍의 치수가 500 ㎛ 를 초과한다면, 상기 치수는 촉매층에 의해 200 ㎛ 이하로 만들어지기 어려울 수 있다. 만일 구멍의 치수가 30 ㎛ 미만이라면, 상기 구멍은 촉매층에 의해 폐색된다. 그 결과, 가스분산특성은 유지되지만, 배기압손실이 용이하게 증가될 수도 있다. 이들 구멍들의 전체 개수에 관해서는 특별한 제한이 없다. 이들 구멍들은 필터체의 강도가 유지될 수 있는 범위 이내에서 가능한 한 많이 제공되는 것이 바람직하다.
촉매층은 촉매금속이 지지된 다공성 산화물을 함유하고 있는 이러한 층에 대응한다. 이러한 촉매층은 적어도 필터체 상에 형성되고, 전체 반필터구조체 내에 형성되는 것이 바람직할 수도 있다. 이러한 촉매층은 반필터구조체의 1 리터당 30 내지 200 g 의 양으로 형성될 수도 있는 것이 바람직하다. 만일 상기 촉매층의 양이 30 g 미만이라면, 상기 촉매금속은 고밀도로 지지된다. 그 결과, 상기 촉매금속에서는 그레인 성장(grain growth)이 생성될 수도 있고, PM 수집효율이 저하된다. 다른 한편으로, 촉매층의 양이 200 g 보다 많아지게 된다면, 배기압손실은 증가되게 된다.
다공성 산화물로는, 1종 이상의 알루미나, 산화지르코늄, 티타니아, 및 세리아가 선택될 수도 있다. 대안적으로는, 복수 종의 상술된 산화물들로 만들어진 이러한 복합 산화물이 채택될 수도 있다. 촉매금속으로는, Pt, Rh, Pd, Ir, Ru 와 같은 백금족에 속하는 1종 또는 복수 종의 귀금속이 채택될 수도 있는 것이 바람직하다. 만일 촉매금속의 지지량이 반필터구조체의 1 L 의 0.1 내지 5 g 보다 작으면, 활성이 과도하게 낮아져 상기 지지량이 실제적으로 사용될 수 없게 된다. 이와는 대조적으로, 촉매금속의 지지량이 0.1 내지 5 g 보다 많은 경우에도, 활성이 포화되어 그 제조비용이 증가된다.
바람직하게는, 알칼리금속, 알칼리토금속, 및 희토류금속으로부터 선택되는 NOx 흡장재가 촉매층 내에 함유될 수도 있다. 만일 NOx 흡장재가 촉매층 내에 함유된다면, 촉매금속에 의한 산화로 생성되는 NO2 가 NOx 흡장재 내에 흡수될 수 있어, NOx가 추가로 정화될 수 있게 된다. 반필터구조체의 1 리터당 0.05 몰과 0.45 몰 사이의 범위 이내로 NOx 흡장재의 지지량을 설정하는 것이 좋다. 만일 NOx 흡장재의 지지량이 상기 범위보다 작다면, 활성이 과도하게 낮아지고, 상기 지지량은 실제적으로 사용될 수 없게 된다. 이와는 달리, NOx 흡장재의 지지량이 상기 범위보다 크다면, NOx 흡장재가 촉매금속을 커버하여 활성이 저하된다.
촉매층을 형성하기 위해서는, 슬러리를 얻도록 물과 알루미나 졸과 같은 바인더 성분(binder component)과 조합하여 산화물 분말 또는 복합 산화물 분말이 처리된다. 이러한 슬러리가 적어도 평판에 부착된 후, 결과물인 캐리어층이 소결될 수도 있고, 그 후에 촉매금속이 상기 소결된 캐리어층 내에 지지될 수도 있다. 대안적으로는, 슬러리가 이러한 촉매분말로부터 생성될 수도 있어, 촉매금속이 산화물 분말 또는 복합 산화물 분말 내에 사전에 미리 지지되도록 하였다. 슬러리를 부착하기 위하여, 통상의 디핑 공정(dipping process)이 채택될 수도 있다. 하지만, 슬러리는 공기 송풍 또는 공기 흡입에 의해 구멍들 안으로 강제적으로 충전되고, 상기 구멍들에 들어간 여분의 슬러리는 제거되는 것이 좋다.
또한, 반필터구조체가 대안적으로 형성될 수도 있다. 즉, 반필터구조체는 제1산부 및 제1곡부를 구비한 금속박판의 골판이 서로 번갈아 이웃하고 평판이 교대로 적층되는 구조로 되어 있고, 상기 제1산부 및 상기 골판 아래쪽의 평판으로 구 성된 제1통로; 하류방향을 따라 위쪽으로 기울어지고 상기 제1통로 상에 형성되는 제2곡부 및 상기 골판 위쪽의 평판으로 구성된 제1필터도입부; 제2곡부 및 상기 골판 아래쪽의 평판으로 구성된 제1필터우회부; 상기 제1통로에 이웃하는 제1곡부 및 상기 골판 위쪽의 평판으로 구성된 제2통로; 상기 제2통로 상에 형성되어 하류방향을 따라 아래쪽으로 기울어진 제2산부 및 상기 골판 아래쪽의 평판으로 구성된 제2필터도입부; 및 제2산부 및 상기 골판 위쪽의 평판으로 구성된 제2필터우회부를 포함하여 이루어지며; 상기 제2곡부의 저부의 깊이는 상기 제1산부의 최상부의 높이보다 작고; 상기 제2산부의 최상부의 높이는 상기 제1곡부의 저부의 깊이보다 작다. 또한, 이 경우, 상기 구멍은 적어도 상기 평판 내에 형성되어 있다.
이 경우, 상기 골판들은 대안적으로 서로 적층될 수도 있고, 이들 골판들은 모든 층에서 동일한 방향 및 동일한 위상으로 지향된다. 대안적으로는, 이들 골판들이 서로 대향하여 180도의 각도로 번갈아 지향되거나, 또는 그 위상들이 서로 상이한 방식으로, 상기 골판들이 서로 교대로 적층될 수도 있다. 다시 말해, 반필터구조체가 배기가스유동방향에 수직인 단면으로 절단되면, 제1통로 및 제2통로 양자 모두가 동일한 단면에 위치될 수도 있거나, 또는 상이한 단면에 위치될 수도 있다. 하지만, 인접하는 골판의 오목부는 상기 필터도입부의 평판을 거쳐 대향하는 위치에 존재하는 것이 바람직하다. 그 결과, 상기 평판을 관통한 배기가스의 유동이 분산되지 않고, PM 수집효율이 더욱 개선될 수도 있으며, 또한 배기압손실의 증가가 더욱 억제될 수도 있다.
인접하는 골판의 오목부는 상기 인접하는 골판이 위쪽으로 위치하는 경우에 제1산부 및 제2산부 중 여하한의 것을 내포하는 반면, 상기 인접하는 골판이 아래쪽으로 위치하는 경우에는 상기 인접하는 골판의 오목부가 제1곡부 및 제2곡부 중 여하한의 것을 내포한다는 것도 이해될 것이다.
골판은 제1산부 및 제1곡부가 배기가스유동방향에 실질적으로 수직인 방향을 따라 교대로 계속되는 산/곡부를 구비한다. 이러한 복수 세트의 산/곡부는 배기가스유동방향을 따라 제2곡부 또는 제2산부로부터 이격되어 형성되었다. 상기 제2곡부는 상기 제1산부의 하류측 상에 형성되고, 제1통로 및 제1필터도입부 양자 모두는 일렬로 계속된다. 또한, 제2산부는 상기 제2곡부로부터 하류측 상에 위치한 제1곡부 상에 형성되고, 제2통로 및 제2필터도입부 양자 모두는 일렬로 계속된다.
제1필터우회부는 상기 제1필터도입부로 병렬로 연속되고, 상기 제1통로까지 직렬로 되어 있다. 제2필터우회부는 상기 제2필터도입부로 병렬로 연속되고, 상기 제2통로로 직렬로 되어 있다.
제1필터도입부에 있어서, 그 상류측은 제1통로에 연통되어 있으며, 그 하류측 에지부는 좁게 된다. 이러한 좁힘 공정(narrowing process)은 대안적으로 막힘 공정(clogging process)으로 수행될 수도 있다. 상기 좁힘 공정은 제1산부를 변형시켜 실현될 수도 있어, 하류측 에지부가 상기 제1산부의 최상부까지 매끄럽게 계속되도록 하는 것이 바람직하다. 다시 말해, 하류측 에지부는 경사면 상에서 좁아지는 것이 바람직하고, 그 높이는 상기 하류측으로 점진적으로 증가된다. 이러한 구조를 채택함으로써, 상기 제1필터도입부에 존재하는 상류측 평판으로 지향되는 벡터가 상기 제1필터도입부를 통과하는 배기가스 내에 생성된다. 그 결과, PM 수집 효율이 더욱 개선될 수도 있다. 더욱이, 배기가스 내에 함유된 NO가 제1필터도입부의 상류측 촉매층에 의해 산화되고, 따라서 평판을 통과하는 산화 활성이 보다 높은 NO2 가 되므로, 상기 평판의 촉매층에 의해 수집되는 PM에 관한 산화/연소가 추가로 진행될 수도 있다.
제2산부 및 하류측 평판 양자 모두에 의해 형성되는 제2필터도입부에서는, 그 상류측이 제2통로에 연통되어 있고, 그 하류측 에지부가 좁게 된다. 이러한 좁힘 공정은 대안적으로 막힘 공정으로 수행될 수도 있다. 상기 좁힘 공정은 제1곡부를 변형시켜 실현될 수도 있어, 하류측 에지부가 상기 제1곡부의 저부까지 매끄럽게 계속되도록 하는 것이 바람직하다. 다시 말해, 하류측 에지부는 경사면 상에서 좁아지는 것이 바람직하고, 그 높이는 상기 하류측으로 점진적으로 감소된다. 이러한 구조를 채택함으로써, 상기 하류측 평판으로 지향되는 벡터가 상기 제2필터도입부를 통과하는 배기가스 내에 생성된다. 그 결과, PM 수집효율이 더욱 개선될 수도 있다. 더욱이, 배기가스 내에 함유된 NO가 제2필터도입부의 상류측 촉매층에 의해 산화되고, 따라서 평판을 통과하는 산화 활성이 보다 높은 NO2 가 되므로, 상기 평판의 촉매층에 의해 수집되는 PM에 관한 산화/연소가 추가로 진행될 수도 있다.
배기가스가 제1필터도입부로부터 제2통로로 분산될 수도 있는 개구부에 관해서는, 제2곡부의 주변벽에 구멍이 형성될 수도 있지만, 그 높이들이 제1산부의 높이보다 낮은 측벽들이 상기 제2곡부의 양측에 형성될 수도 있는 것이 바람직하다. 배기가스가 제2필터도입부로부터 제1통로로 분산될 수도 있는 개구부에 관해서는, 그 높이들이 제1곡부의 깊이보다 얕은 측벽들이 상기 제2산부의 양측에 형성될 수도 있는 것이 바람직하다. 이러한 구성을 채택함으로써, 상기 골판은 주름 공정(corrugating process)에 의해 일 시트의 금속박판으로부터 용이하게 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 배기가스정화장치에 있어서, 벽 유동 구조를 갖는 이러한 필터촉매는 상술된 반필터구조체의 배기가스 하류측 상에 배치될 수도 있는 것이 바람직하다. 즉, 이러한 필터촉매는 그 하류부 상에서 막힌 유입측셀; 상기 유입측셀과 이웃하여 그 상류부 상에서 막힌 유출측셀; 상기 유입측셀과 상기 유출측셀을 구분하여 수많은 세공들을 구비한 셀벽; 및 상기 셀벽의 표면 및 상기 세공들의 내측면 상에 형성되어 촉매금속 및 산화물지지체를 포함하여 이루어지는 촉매층으로 이루어진다.
만일 이러한 2단 구성이 형성된다면, PM의 일부분이 상류측 반필터구조체에 의해 수집될 수 있어, 상기 필터촉매 상의 PM의 침착들이 억제될 수 있게 되고, 또한 촉매층의 촉매금속에 관한 활성의 열화(deterioration)가 억제될 수 있다. 그 결과, PM 산화 활성이 열화된다는 이러한 문제점을 피하는 것이 가능하다. 또한, 반필터구조체는 필터우회부를 구비하기 때문에, PM이 침착되더라도, 배기압손실의 증가가 억제될 수 있다.
또한, 반필터구조체를 통과하는 배기가스가 분기되는 동안, 분기된 배기가스는 필터도입부 및 필터우회부를 통해 복잡한 방식으로 분산된다. 그 결과, 이러한 반필터구조체가 경유와 같은 유체환원제를 첨가하기 위한 시스템에 채택되는 경우 에는, 배기가스가 분산되는 동안 교반 효과(agitating effect)가 달성되어 상기 환원제가 충분히 배기가스와 혼합되므로, 상기 환원제 또한 추가로 기화될 수도 있고, NOx 에 관한 환원 활성이 개선될 수도 있으며, 또한 NOx 에 관한 정화 성능이 개선될 수도 있다. 또한, 이러한 반필터구조체가 요소를 배기가스 내에 첨가하기 위한 시스템에 채택되는 경우에는, 요소 유체에 대한 교반/분해 효과들이 상기 반필터구조체에 의해 증가될 수도 있다. 그 결과, 반필터구조체의 길이는 그 용량을 줄이기 위해 짧게 만들어질 수 있으므로, 상기 필터촉매는 엔진 주변에 위치할 수도 있으며, 따라서 PM 에 관한 산화 성능 또한 개선될 수 있다.
또한, 산화물 캐리어에 촉매금속을 지지하여 제조되는 산화촉매층이 반필터구조체 내에 형성된다면, 환원제의 기화가 촉매금속의 산화 활성에 의해 진행되고, NOx 에 관한 환원 활성은 상기 필터촉매에서 더욱 개선될 수 있다. 그 후, 상기 반필터구조체 내에 침착된 PM이 산화될 수 있고, 배기압손실의 증가가 억제될 수 있으며, 또한 PM 수집능력이 재생될 수 있다. 또한, 높은 산화 활성을 갖는 NO2 가 상기 반필터구조체 내의 NO로부터 생성된 다음, 상기 필터촉매로 들어가게 되어, 상기 필터촉매 상에 침착된 PM의 산화가 진행될 수도 있게 된다.
그 후, 필터촉매의 촉매층이 NOx 흡장환원촉매 또는 요소NOx선택환원촉매인 경우에는, NOx 에 관한 정화 성능이 더욱 개선될 수도 있다.
다시 말해, 상술된 배기가스정화장치에서는, 배기가스가 우선 반필터구조체로 들어가고, 그 후에 상기 필터촉매로 들어간다. 반필터구조체는 배기가스가 필터 체를 통해 분산되는 필터도입부 및 상기 필터도입부를 우회하는 필터우회부를 구비하고 있기 때문에, 배기가스 내에 함유된 PM의 일부가 상기 필터체에 의해 수집된다. 또한, 배기압손실의 증가가 필터우회부에 의해 억제될 수 있다. 그 후, 배기가스는 배기가스가 분기되는 동안에 복잡한 방식으로 유동하기 때문에, 반필터구조체가 유체환원제를 첨가하기 위한 시스템에 사용되는 경우에는, 상기 반필터구조체의 길이가 짧더라도, 상기 환원제가 교반 효과로 인해 배기가스와 충분히 혼합되고, 상기 환원제의 기화가 진행될 수도 있다. 또한, 반필터구조체가 요소를 첨가하기 위한 시스템에 사용되는 경우에는, 요소 유체가 효과적으로 교반/용해될 수도 있다.
이러한 배기가스가 하류측 필터촉매로 들어가면, 배기가스 내에 함유된 PM이 셀벽의 세공들에 수집되고, 상기 촉매층의 촉매금속에 의해 계속해서 산화/정화된다. 그 결과, 발열량이 작아 열적 응력 또한 작게 되므로, 필터촉매의 파손을 피할 수 있게 되어 우수한 내구성을 얻을 수 있게 된다. 또한, 배기압손실의 증가가 억제될 수 있다. 반필터구조체가 유체환원제를 첨가하기 위한 시스템에 채택되는 경우에는, 환원제가 충분히 기화되므로, 상기 유체환원제가 필터촉매의 상류측 에지면에 부착되고, PM이 상기 상류측 에지면 상에 부착 및 침착되는 문제점이 억제될 수 있고, 또한 환원제에 의해 NOx 에 관한 환원 활성이 개선될 수 있다. 또한, 반필터구조체가 요소를 첨가하기 위한 시스템에 채택되는 경우에는, 요소 유체의 교반/용해가 진행되므로, NOx 에 관한 환원 활성이 상기 필터촉매의 요소NOx선택환원촉매층에서 개선될 수도 있다.
상기 필터촉매는 허니콤 구조체, 및 셀벽의 표면 상에 그리고 세공들 내의 표면들 상에 형성되는 촉매층을 구비하고, 산화물 캐리어 상에 촉매금속을 지지하여 구성된다. 상기 허니콤 구조체는 배기가스의 하류측 상에서 막히는 유입측셀; 상기 유입측셀에 인접하여 위치하고 상기 배기가스의 상류측 상에서 막히는 유출측셀; 상기 유출측셀로부터 상기 유입측셀을 분할시키는 수많은 세공들을 구비한 다공성 셀벽으로 구성되어 있다.
상기 허니콤 구조체는 대안적으로 근청석 및 실리콘 카바이드와 같은 내열성 세라믹으로 제조될 수도 있다. 예를 들어, 주성분으로 근청석 분말을 함유하는 클레이 조건 하의 슬러리가 처리되고, 처리된 슬러리는 압출성형에 의해 몰딩된 후, 상기 몰딩된 허니콤체가 소결된다. 대안적으로는, 상기 근청석 분말 대신, 알루미나, 마그네티아 및 실리카의 각각의 분말이 혼합되어 근청석 조성을 구성하도록 할 수도 있다. 그런 다음, 일 에지면의 셀 개구부가 체크 패턴(check pattern)을 형성하도록 클레이 조건 하의 슬러리에 의해 밀봉되는 반면, 일 에지면 상에 밀봉된 셀에 인접하여 위치하는 이러한 셀의 셀 개구부는 타 에지면 상에 밀봉된다. 그 후, 밀봉재가 소결 공정에 의해 고정되어, 상기 허니콤 구조체가 제조될 수 있게 된다.
허니콤 구조체의 셀벽 내에 세공들을 형성하기 위해서는, 카본 분말, 우드 칩(wood chips), 스타치(starch), 및 수지 분말과 같은 가연성 분말이 상술된 슬러리에 혼합되는 동안, 가연성 분말이 소결 공정 시에 사라져, 상기 세공들이 형성될 수도 있게 된다. 또한, 그레인 직경 및 가연성 분말의 첨가량 양자 모두가 조정되기 때문에, 표면배기구멍의 분포 및 내부 세공들의 직경, 및 개구면적들도 제어될 수 있다.
종래의 DPF와 유사하게, 허니콤 구조체의 셀벽에서의 세공 분포에 관해서도, 그 다공성은 40 % 내지 80 % 의 범위 이내로 설정될 수도 있으며, 이들 세공들의 평균 직경은 10 ㎛ 내지 50 ㎛ 의 범위 이내로 설정될 수도 있다. 상기 세공들의 평균 직경 또는 다공성이 해당 범위로부터 벗어난 경우에는, PM 수집효율이 저하되고, 배기압손실이 증가되는 경우가 일부 있다.
산화물 캐리어 내에 촉매금속을 지지하여 만들어지는 촉매층들은 셀벽의 표면 및 세공들 내의 표면들 양자 모두에 형성되었다. 이러한 촉매층은 산화촉매, 3원촉매, 또는 NOx 흡장환원촉매(NOx Sorbing-and-reducing catalyst)로 제조될 수도 있다. 이 경우, 산화물 캐리어에 관해서는, 알루미나, 세리아, 지르코니아, 및 티타니아와 같은 산화물, 또는 상기 복수 종의 산화물로 만들어진 복합 산화물이 채택될 수도 있다. 촉매금속으로는, 일종의 또는 복수 종의 Pt, Rh, Pd, Ir 및 Ru 와 같은 백금족에 속하는 귀금속들이 채택될 수도 있는 것이 바람직하다. 만일 촉매금속의 지지량이 허니콤 구조체의 1 리터 부피의 0.1 g 보다 적다면, 활성이 과도하게 낮아지고, 상기 지지량이 실제로 사용될 수 없게 된다. 이와는 대조적으로, 촉매금속의 지지량이 5 g 보다 많더라도, 활성이 포화되어 그 제조비용이 증가된다.
바람직하게, 상기 촉매층은, 촉매층에 함유될 수도 있는 알칼리금속, 알칼리토금속, 및 희토류금속으로부터 선택되는 NOx 흡장재를 함유하는 NOx흡장환원촉매로 형성될 수도 있다. 만일 NOx 흡장재가 촉매층 내에 함유된다면, 촉매금속에 의 한 산화로 생성되는 NO2 가 NOx 흡장재 내에 흡장될 수 있어, NOx가 추가로 정화될 수 있게 된다. 허니콤 구조체의 1 리터 부피당 0.05 몰과 0.45 몰 사이의 범위 이내로 NOx 흡장재의 지지량을 설정하는 것이 좋다. 만일 NOx 흡장재의 지지량이 상기 범위보다 작다면, 활성이 과도하게 낮아지고, 상기 지지량은 실제적으로 사용될 수 없게 된다. 이와는 달리, NOx 흡장재의 지지량이 상기 범위보다 크다면, NOx 흡장재는 촉매금속을 커버하여 활성이 저하된다.
또한, 촉매층은 요소NOx선택환원촉매로 형성될 수도 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 산화물 캐리어로는, 제올라이트, 알루미나, 세리아, 지르코니아, 티타니아, 및 바나듐 산화물과 같은 산화물, 또는 복수 종의 상기 산화물들로 만들어진 복합 산화물이 채택될 수도 있다. 촉매금속으로는, Cu 가 통상적으로 예시화된다.
허니콤 구조체 내에 촉매층을 형성하기 위해서는, 슬러리를 얻도록 물과 알루미나 졸과 같은 바인더 성분과 조합하여 산화물 분말 또는 복합 산화물 분말이 처리된다. 이러한 슬러리가 셀벽에 부착된 후, 결과적인 캐리어층이 소결될 수도 있고, 그 후에 촉매금속이 상기 소결된 캐리어층 내에 지지될 수도 있다. 대안적으로는, 슬러리가 이러한 촉매분말로부터 생성될 수도 있어, 촉매금속이 산화물 분말 또는 복합 산화물 분말 내에 사전에 미리 지지되도록 할 수도 있다. 슬러리를 셀벽에 부착하기 위하여, 통상의 디핑공정이 채택될 수도 있다. 하지만, 슬러리는 공기 송풍 또는 공기 흡입에 의해 세공들 안으로 강제적으로 충전되고, 상기 세공들에 들어간 여분의 슬러리는 제거되는 것이 좋다.
상기 촉매층의 형성량은 허니콤 구조체의 1 리터 부피당 30 g 내지 200 g 이 되도록 선택될 수도 있는 것이 바람직하다. 촉매층이 30 g/L 보다 작으면, 촉매금속 또는 NOx 흡장재의 내구성이 저하된다는 사실을 피할 수가 없게 된다. 만일 촉매층이 200 g/L 를 초과한다면, 압력손실이 과도하게 높아지고, 이러한 촉매층이 실제적으로 사용될 수 없게 된다.
반필터구조체 및 필터촉매 양자 모두는 이 순서로 배기가스의 상류측으로부터 하류측으로 일렬로 배치된다. 반필터구조체 및 필터촉매는 소정의 간격으로 배치되지만, 이들 반필터구조체 및 필터촉매는 배기가스의 온도의 저하를 억제하기 위하여 서로 인접하여 배치될 수도 있는 것이 바람직하다. 또한, 필터촉매에 대한 반필터구조체의 구조적 비율은 다음과 같은 범위, 즉 부피비로서 반필터구조체 : 필터촉매 = 1 내지 5 : 5 내지 1 로 설정될 수도 있는 것이 바람직하다.
산화물 캐리어 내에 촉매금속을 지지하여 형성되는 산화 촉매층은 반필터구조체에 추가로 형성될 수도 있는 것이 바람직하다. 그 결과, 반필터구조체에 의해 수집되는 PM이 산화될 수 있다. 또한, 높은 산화 활성을 갖는 NO2 는 NO의 산화에 의해 생성되기 때문에, 필터촉매에 의해 수집되는 PM 에 관한 산화가 진행될 수도 있다. 그 후, 상기 반필터구조체가 유체환원제를 첨가하기 위한 시스템에 채택되는 경우에는, 유체환원제가 산화되기 때문에, 기화가 진행되어, 필터촉매 내의 NOx 에 관한 정화 성능이 개선될 수도 있게 된다. 또한, 이러한 반필터구조체가 요소를 첨가하기 위한 시스템에 채택되는 경우에는, 반필터구조체의 온도가 HC 및 CO 에 관 한 산화에 의해 생성되는 반응열로 인하여 증가되기 때문에, 요소 유체의 분해가 진행될 수도 있으므로, 필터촉매 내의 NOx 에 관한 정화 성능이 개선될 수도 있게 된다. 상기 반필터구조체의 촉매층은 적어도 백금족에 속하는 귀금속을 함유하고, 상기 필터촉매의 촉매층과 유사한 방식으로 형성될 수도 있다.
상술된 배기가스정화장치에서는, 산화촉매, 3원촉매, NOx 흡장환원촉매, 또는 DPF가 반필터구조체로부터 더욱 상류측에 대안적으로 배치될 수도 있다는 점을 이해하여야 한다. 또한, 상술된 배기가스정화장치에서는, 산화촉매, 3원촉매, NOx 흡장환원촉매, 또는 DPF가 필터촉매로부터 더욱 하류측에 대안적으로 배치될 수도 있다는 점도 이해하여야 한다.
다음으로, 본 발명을 실시예들과 비교예들을 토대로 상세하게 설명하기로 한다.
(제1실시예)
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스정화장치의 주요 부분을 도시하기 위한 사시도 및 확대도 모두를 보여준다. 도 2는 상기 배기가스정화장치의 골판의 주요 부분을 나타내기 위한 사시도이다. 도 3 내지 도 5는 반필터구조체의 주요 부분을 도시하기 위한 확대단면도들이다. 이러한 배기가스정화장치는 반필터구조체, 및 상기 반필터구조체가 강제되어 유지된 외부 실린더(4)로 구성되어 있다. 상기 반필터구조체는, 두께가 60 ㎛ 인 골판(1) 및 두께가 60 ㎛ 이고 통합량이 450 g/m2 인 평판(필터부재)(3)이 서로 번갈아 적층되어 있는 방식으로 제조된다. 상기 골판(1)은 스테인리스강으로 만들어져, 주름 방식으로 처리되었다. 상기 평판(3)은 스테인리스섬유로 만들어진 부직포로 제조된다.
도 2에 도시된 골판(1)에서는, 산부(10) 및 곡부(11)들이 배기가스의 유동방향에 수직인 방향을 따라 서로 번갈아 계속된다. 상기 산부(10)에는, 중간곡부(12)들이 서로 소정의 간격으로 배기가스의 유동방향과 평행하게 위치하여 상호 분리되는 방식으로 오목한 형상을 갖는 복수의 중간곡부(12)들이 형성되어 있다. 상기 중간곡부(12)의 높이들은 점차 낮아져, 배기가스의 상류측으로부터 배기가스의 하류측으로 지향되고, 상기 중간곡부(12)의 선단부들은 노칭되어 있으며, 그 후에 상기 산부(10)에 다시 연통되는 개구부(13)들이 형성되어 있다. 상기 중간곡부(12)의 저부의 깊이들은 상기 곡부(11)의 저부의 위치들과 일치하게 이루어져 있다.
또한, 상기 곡부(11)에는, 상기 중간산부(14)들이 서로 소정의 간격으로 배기가스의 유동방향과 평행하게 위치하여 상호 분리되는 방식으로 볼록한 형상을 갖는 복수의 중간산부(14)들이 형성되어 있다. 일 중간산부(14)는 배기가스유동방향을 따라 두 중간곡부(12)들 사이에 배치되고, 상기 산부(10)의 높이와 일치하게 이루어진 높이를 가진다.
또한 도 3에 도시된 바와 같이, 복수의 골판(1) 및 복수의 평판(3)은, 상기 중간곡부(12)의 위상들이 배기가스의 유동방향을 따라, 그리고 배기가스의 유동방향에 수직인 방향을 따라, 상기 중간산부(14)의 위상과 동일한 방식으로 서로 교대로 적층되어 있다. 상기 중간곡부(12) 및 상기 중간산부(14) 양자 모두는, 이들 중간곡부 및 중간산부(12/14)들이 반필터구조체의 배기가스유동방향에 대해 직각으로 절단되는 단면에서, 중간곡부 및 중간산부(12/14) 양자 모두가 각각 동일한 위치에 위치하는 방식으로 배치되어 있다. 또한, 상기 산부(10)는 상부측 평판(3)에 맞닿아 있는 반면, 상기 곡부(11)는 하부측 평판(3)에 맞닿아 있다.
도 4 내지 도 7에 표시된 바와 같이, 상기 배기가스정화장치에서는, 필터도입부(100)가 골판(1)의 유입면측 상에 형성되어 있는데, 상부측 평판(3)과 중간산부(14)에 인접하여 위치한 양측 산부(10) 사이의 통로가 폐색된다. 또한, 또다른 필터도입부(101)가 골판(1)의 배면측 상에 형성되어 있는데, 상부측 평판(3)과 중간곡부(12)에 인접하여 위치한 양측 곡부(11) 사이의 통로가 폐색된다. 그 후, 필터도입부(100)의 상류측에는, 중간곡부(12)의 위치에서의 산부(10)의 높이가 낮아지고, 개구부(13)가 형성되어, 상기 곡부(11)를 통과하는 배기가스가 양측 개구부(13)로부터 양측 산부(10)로 들어가도록 분기될 수 있고, 필터우회부(200)가 상기 부분에 형성되어 있다. 또한, 배면측에는, 곡부(11)의 깊이가 필터도입부(101)의 상류측 상의 중간산부(14)의 위치에서 얕아지고, 개구부(15)가 형성되어, 상기 산부(10)를 통과하는 배기가스가 양측 개구부(15)로부터 양측 곡부(11)로 들어가도록 분기될 수 있으며, 또다른 우회부(201)가 상기 부분에도 형성되어 있다.
그 결과, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1실시예의 배기가스정화장치에 따르면, 곡부(11)와 상부측 평판(3) 사이에 형성된 통로를 통과하는 배기가스가 중간산부(14)와 충돌한다. 이러한 상부측 평판(3)의 PM 수집량이 작은 조건 하에서는, 대부분의 배기가스가 상부측 평판(3)을 통과한 다음, 상기 평판(3)의 반대측에 존재하는 골판(1)으로 들어가며, 따라서 대부분의 PM이 상기 평판(3)에 의해 수집 된다.
PM 수집량이 증가되어 필터도입부(100) 내의 배기가스의 압력이 증가되는 경우에는, 도 5의 실선의 화살표로 표시된 바와 같이 반응력이 가해지게 되므로, 배기가스가 중간곡부(12)로부터 유동하여 개구부(13)를 통과한 다음, 점선의 화살표로 표시된 바와 같이, 상류측에 존재하는 필터우회부(200) 내의 인접하는 산부(10) 안으로 들어가도록 분기된다. 그 결과, 배기압손실의 증가가 억제될 수도 있다.
이와 유사하게, 도 6에 도시된 바와 같이, 산부(10)와 하부측 평판(3) 사이에 형성된 통로를 통과하는 배기가스는 필터도입부(101) 내의 중간곡부(12)와 충돌한다. 이러한 하부측 평판(3)의 PM 수집량이 작은 조건 하에서는, 대부분의 배기가스가 하부측 평판(3)을 통과한 다음, 상기 평판(3)의 반대측에 존재하는 골판(1)으로 들어가며, 따라서 대부분의 PM이 상기 평판(3)에 의해 수집된다.
PM 수집량이 증가되어 필터도입부(101) 내의 배기가스의 압력이 증가되는 경우에는, 도 7의 실선의 화살표로 표시된 바와 같이 반응력이 가해지게 되므로, 배기가스가 중간산부(14)로부터 유동하여 개구부(15)를 통과한 다음, 점선의 화살표로 표시된 바와 같이, 상류측에 존재하는 필터우회부(201) 내의 곡부(11) 안으로 들어가도록 분기된다. 그 결과, 배기압손실의 증가가 억제될 수도 있다.
상기 제1실시예의 배기가스정화장치에 따르면, 상술된 사이클이 배기가스유입측의 에지면으로부터 배기가스유출측의 에지면을 향해 계속 반복되기 때문에, PM이 필터도입부(100, 101) 내의 평판(3)에 의해 수집된다. 그 후, 수많은 상기 필터도입부(100, 101)들이 형성되기 때문에, PM이 전체 평판(3)에 걸쳐 균일하게 분산 되는 방식으로 상기 PM이 수집되어, 수집 효율이 개선될 수도 있고, PM이 수집되더라도, 배기압손실이 증가하지 않도록 할 수 있다. 다시 말해, PM 수집 효율의 개선이 배기압손실의 증가와 양립가능하다.
나아가, 상기 제1실시예의 배기가스정화장치에서는, 일 평면에서 볼 때, 필터도입부(100, 101)에서의 골판(1)의 개구면적이, 상기 평면에서 볼 때, 상기 골판(1)의 전체 개구면적의 40 % 정도를 차지하는 반면, 상기 필터도입부(100, 101)의 전체 용량은 상기 산부(10) 및 곡부(11) 양자 모두의 전체 용량의 50 % 정도를 차지한다. 그 결과, 평판(3)의 활용 면적이 넓고, PM 수집 효율이 높으며, 배기압손실의 증가가 억제된다.
(제2실시예)
상기 제2실시예의 배기가스정화장치는 골판(1)의 적층 상태를 제외하고는 제1실시예와 유사하다. 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 필터장치에서는, 제1실시예와 유사한 골판(1)들이 정방향 및 역방향들로 번갈아 적층된다. 다시 말해, 골판(1)들이 평판(3)들의 표면에 평행하게 위치하여 180도의 각도로 교대로 반전되는 방식으로 상기 골판(1)들이 적층되어 있다.
상기 제2실시예의 배기가스정화장치의 효과들은 제1실시예의 효과보다는 못하지만, PM 수집 효율의 개선 및 배기압손실의 증가 억제에 관한 효과들이 나타날 수도 있다.
(제1비교예)
독일실용신안 제 20,117,873 U1호의 제1실시예에 기재된 필터장치를 제1비교 예로서 생각해 보기로 한다.
부언하면, 제1비교예의 배기가스정화장치에서는, 제1실시예의 것과 유사한 골판(1)들이 채택되는 한편, 이들 골판(1)들은 제1실시예의 것과 유사한 평판(3)들과 함께 번갈아 적층되어 있다. 하지만, 상기 골판(1)들은 배기가스의 유입측이 제1실시예의 배기가스의 유출측에 위치하는 방식으로 180도의 각도로 반전되어 있으며, 상기 배기가스의 유출측은 상기 제1실시예의 배기가스의 유입측에 위치되어 있다.
<시험/평가>
제1실시예의 배기가스정화장치 및 제1비교예의 배기가스정화장치 양자 모두가 채택되는 한편, PM 수집율 및 배기압손실 양자 모두가 측정되었다. 각각의 반필터구조체들은 130 mm 의 직경과 75 mm 의 길이로 정의된 근사적으로 1 L 를 가진다. 또한, 1 inch2 의 단면적당 전체 셀 개수는 각각의 배기가스정화장치에서 200 개와 같다.
제1실시예 및 제1비교예의 배기가스정화장치는 각각 디젤엔진의 배기관 상에 장착되는 한편, PM 수집율 및 배기압손실 양자 모두가 정상주행(stationary driving) 시에 소정의 매 시간 주기로 측정되었다. 엔진으로부터 배출되는 PM 배기량은 이미 알려져 있기 때문에, 측정 시간에 응답하여 수집되는 PM 양들이 계산되고, 그 후에 상기 수집된 PM 양들에 대한 PM 수집율 및 배기압손실에 관한 측정값들이 도 9에 표시된다.
도 9로부터 알 수 있듯이, 제1실시예의 배기가스정화장치에서는, 제1비교예와 비교할 때, 그 PM 수집율이 높고, 배기압손실의 증가가 억제된다. 이들 차이점들은 골판(1)들의 방향으로의 차이들에 의해 야기된다는 것은 자명하다.
(제3실시예)
제3실시예의 배기가스정화장치의 구조는, 상기 제3실시예의 배기가스유입측의 에지부에서의 골판의 구조가 제1실시예의 것과 상이하다는 점을 제외하고는 상기 제1실시예의 구조와 유사하다. 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 제3실시예의 배기가스정화장치에서는, 하류측 상에 노칭되는 개구부를 구비한 산부(10)가 배기가스유입측의 에지면에 형성되어 있고, 상기 하류측 개구부에 계속되는 곡부(11')가 형성되어 있다. 그 깊이가 점진적으로 얕아지는 역중간곡부(16)는 상기 곡부(11')에 형성되어 있고, 상기 역중간곡부(16)는 하류측 상의 산부(10)에 계속되어 있으며, 그 후에 최상류의 필터우회부(202)가 이 부분에 형성되어 있다.
부언하면, 상기 제3실시예의 배기가스정화장치에서는, 도 11에 화살표로 표시된 바와 같이, 배기가스가 우선 상류측 에지면으로부터 산부(10)로 들어가고, 상기 산부(10)로부터 유동되는 배기가스는 상기 산부(10)의 하류측의 곡부(11')로부터 상기 역중간곡부(16) 안으로 들어간다. 상기 역중간곡부(16)는 하류측 상의 산부(10)에 계속되므로, 선단부의 상부면이 평판(3)에 의해 폐색된다. 하지만, PM이 이 부분 상에 침착되더라도, 역중간곡부(16)와 평판(3) 사이에서 상기 역중간곡부(16)의 중간까지 공간이 있고, 따라서 배기가스가 상기 공간으로부터 양측 곡부(11)로 들어가도록 분기된다.
그 결과, 필터우회부(202)는 최상류에 형성되었으므로, 배기가스의 유입측 에지면에 대한 PM의 침착들이 억제되고, 상기 에지면의 폐색이 방지되며, 또한 과도하게 증가되는 온도에 기인하는 용융손실들 또한 피할 수 있게 된다.
(제4실시예)
제4실시예의 배기가스정화장치의 구조는, 상기 제4실시예의 배기가스유입측의 에지부에서의 골판(1)의 구조가 제1실시예의 것과 상이하다는 점을 제외하고는 상기 제1실시예의 구조와 유사하다. 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 제4실시예의 배기가스정화장치에서는, 곡부(11) 및 역중간산부(17)가 배기가스유입측의 에지면에 형성되어 있다. 상기 역중간산부(17)는 상기 곡부(11)에 형성되어 있고, 상류측에서 개방되어 있다. 상기 역중간산부(17)의 높이는 하류측을 향해 점진적으로 낮아져 상기 역중간산부(17)는 상기 하류측 상의 곡부(11)에 계속된 다음, 최상류의 필터우회부(202)가 이 부분에 형성되어 있다.
부언하면, 상기 제4실시예의 배기가스정화장치에서는, 도 12에 화살표로 표시된 바와 같이, 배기가스가 우선 곡부(11)로 들어가고, 후속해서 상기 역중간산부(17)로 들어간다. 상기 역중간산부(17)의 높이는 상기 역중간산부(17)가 하류측 상의 곡부(11)에 계속됨에 따라 점진적으로 낮아지고, 선단부의 하부면은 배면측에서 평판(3)에 의해 폐색된다. 하지만, PM이 이 부분 상에 침착되더라도, 역중간산부(17)와 평판(3) 사이에서 상기 역중간산부(17)의 중간까지 공간이 있고, 따라서 배기가스가 상기 공간으로부터 양측 산부(10)로 들어가도록 분기된다.
그 결과, 필터우회부(202)는 최상류에 형성되어 있으므로, 배기가스의 유입 측 에지면에 대한 PM의 침착들이 억제되고, 상기 에지면의 폐색이 방지되며, 또한 과도하게 증가되는 온도에 기인하는 용융손실들 또한 피할 수 있게 된다.
(제5실시예)
제5실시예의 도 13에 도시된 배기가스정화장치의 구조는, 상기 실시예의 배기가스유입측의 에지부에서의 평판(3)의 구조가 제1실시예의 것과 상이하다는 점을 제외하고는 상기 제1실시예의 구조와 유사하다. 단지 평판(3)의 배기가스유입측의 에지부만이 금속판(30)으로 만들어진 한편, 이 금속판(30)에는 복수의 구멍(31)들이 형성되어 있다. 상기 구멍의 직경은 수 mm 이다.
다시 말해, 상기 제5실시예의 배기가스정화장치에서는, 구멍(31)들이 필터도입부(100)의 상류측 상에 형성되어 있으므로, 산부(10)로 들어가는 배기가스가 PM과 조합되어 구멍(31)들을 통과한 다음, 배면측에 적층된 다음 골판(1)으로 들어간다. 그 결과, 필터우회부(202)가 최상류에 형성되므로, 배기가스의 유입측 에지면에 대한 PM의 침착들이 억제되고, 상기 에지면의 폐색이 방지되며, 과도하게 증가되는 온도에 기인하는 용융손실들 또한 피할 수 있게 된다.
(제6실시예)
제6실시예의 도 14에 도시된 배기가스정화장치의 구조는, 상기 실시예의 배기가스유입측의 에지부에서의 평판(3)의 구조가 제1실시예의 것과 상이하다는 점을 제외하고는 상기 제1실시예의 구조와 유사하다. 배기가스유동방향을 따르는 평판(3)의 길이는 골판(1)의 길이보다 짧게 만들어지고, 상기 평판(3)은 상기 골판(1)의 배기가스유입측 에지부에서 산부(10)의 하부면 상에 존재하지 않게 된다.
다시 말해, 상기 제6실시예의 배기가스정화장치에서는, 평판(3)이 필터도입부(100)의 상류측 상에 존재하지 않으므로, 산부(10)로 들어가는 배기가스가 PM과 조합되어, 배면측에 적층되어 있는 다음 골판(1)으로 들어간다. 그 결과, 필터우회부(202)가 최상류에 형성되므로, 배기가스의 유입측 에지면에 대한 PM의 침착들이 억제되고, 상기 에지면의 폐색이 방지되며, 과도하게 증가되는 온도에 기인하는 용융손실들 또한 피할 수 있게 된다.
<시험/평가>
제1실시예, 제3실시예 내지 제6실시예 및 제1비교예의 배기가스정화장치가 채택된 한편, PM 수집율, 배기압손실, 및 유입에지면의 폐색율이 측정되었다. 각각의 필터요소들은 근사적으로 1 L 의 용량을 가지고, 130 mm 의 직경과 75 mm 의 길이를 가진다. 1 inch2 의 단면적당 전체 셀 개수는 200 개와 같다.
상기 실시예들과 비교예의 각각의 배기가스정화장치는 디젤엔진(2L)의 배기관 상에 장착되었고, 1.3 L 의 산화촉매가 상기 배기관의 상류측에 배치되었다. 그 후, 디젤엔진이 EGR 완전 개방 조건, 즉 PM이 고농도로 배출되는 이러한 조건에 대응하는 UDC 준모드 하에 10 시간 동안 운전되었고, 그 후에 PM에 의해 폐색된 반필터구조체의 유입에지면에서의 셀 개구부들의 비가 비주얼 방식으로 측정되었다. 또한, PM 수집율 및 배기압손실 양자 모두가 PM 침착량이 정상주행 시(2400 rpm, 50 Nm, 2 g/L 의 수트(soot)량) 1 g/L 가 될 때의 시점에서 측정되었다. 측정 결과들이 표 1에 표시되어 있다.
유입에지면의 폐색율(%) 압력손실 (KPa) PM 수집율 (%)
제3실시예 20 2.4 53
제4실시예 20 2.4 53
제5실시예 20 2.4 50
제6실시예 10 2.2 50
제1실시예 80 2.5 48
제1비교예 20 3.0 36
표 1로부터, 다음과 같은 사실이 분명히 밝혀질 수 있다. 즉, 제3실시예 내지 제6실시예의 배기가스정화장치에 관한 유입에지면의 폐색율은 제1실시예의 배기가스정화장치의 유입에지면의 폐색율보다 낮다. 그 이유는 필터우회부(202)가 최상류에 형성된 효과로부터 명백해진다. 또한, 제3실시예 내지 제6실시예의 배기가스정화장치에 관한 PM 수집율은 제1비교예에 비해 높다. 또한, 제1비교예에 비하여 배기압손실의 증가가 크게 억제된다. 이들 차이들은 골판(1)의 방향들의 차이에 기인함이 명백하다.
(제7실시예)
도 15에 도시된 제7실시예에 따른 배기가스정화장치의 반필터구조체는, 평판(3)들이 스테인리스 박판들로 제조되고, 구멍(20)들이 골판(1)들과 평판(3)들 내에 형성되며, 또한 촉매층들이 상기 골판(1)과 평판(3) 양자 모두의 유입면과 배면 상에 형성되어 있다는 점을 제외하고는 제1실시예의 반필터구조체와 유사하다. 도 16은 채택된 골판(1)의 주요 부분을 도시하기 위한 사시도이다. 반필터구조체는 부피가 2 L 이고 직경이 130 mm 이다. 상기 반필터구조체에 있어서, 전체 셀의 개수는 200 pieces/inch2 와 같고, 직경이 각각 0.2 mm 인 복수의 구멍(20)들이 각각 골판(1)과 평판(3) 양자 모두에서 0.2 mm 마다 뚫려 있다.
또한, 촉매층은 Pt가 지지된 알루미나 분말로 구성되고, 슬러리를 채택하여 워시-코팅된 다음 소결된다. 상기 촉매층은 매우 미세한 구멍들을 구비하고, 그 평균 직경은 10 ㎛ 이다. 상기 촉매층의 150 g 이 반필터구조체의 1 리터당 형성되며, 2 g 의 Pt가 베이스의 1 리터당 지지된다. 또한, 구멍(20)의 직경은 상기 촉매층에 의해 감소되어 근사적으로 100 ㎛ 가 된다.
이러한 배기가스정화장치는 제1실시예의 배기가스정화장치와 유사한 방식으로 작동된다. 나아가, 상기 제7실시예의 배기가스정화장치에서는, 구멍(20)들이 필터우회부로서의 역할을 할 수도 있으며, 또한 PM을 수집하여 상기 수집된 PM을 산화/연소시키기 위한 부분으로서의 역할을 할 수도 있다.
이러한 배기가스정화장치가 디젤엔진의 배기관 상에 장착된 한편, 11 Lap 모드의 PM 감소율 및 운전후 주기의 배기압손실이 측정되었다. 상기 PM 감소율은 앞서 공지된 디젤엔진으로부터 배출되는 전체 PM 양(P0)에서 후술하는 공식을 토대로 계산되는 한편, 배기가스정화장치를 통과한 배기가스에 함유되어 있는 PM 양(P1)이 측정된다.
PM 감소율(%) = 100 X (P0 - P1)/P0
배기압손실로서, 가스압손실의 압력간의 차이, 배기가스정화장치로 들어간 가스의 압력과 상기 배기가스정화장치로부터 유도된 가스의 압력간의 차이는 상기 디젤엔진이 11 Lap 모드에서 1000 km 이상 주행된 경우에 측정되었다. 측정 결과들은 표 2에 표시되어 있다.
(제8실시예)
제8실시예의 배기가스정화장치의 구조는, 구멍(20)들이 골판(1)에 형성되어 있지 않다는 점을 제외하고는 제7실시예의 구조와 유사하다. 제7실시예와 유사하게, PM 감소율과 배기압손실 양자 모두는 각각 상기 제8실시예의 배기가스정화장치에 관해서도 측정되었다. 측정 결과들은 표 2에 표시되어 있다.
(제2비교예)
제2비교예의 배기가스정화장치의 구조는, 구멍(20)들이 골판(1)에 형성되어 있지 않고, 두께가 0.3 mm 이면서 다공성이 80 % 인 금속섬유매트가 평판(3) 대신에 채택되었다는 점을 제외하고는 제7실시예의 구조와 유사하다. 상기 제7실시예와 유사하게, PM 감소율 및 배기압손실 양자 모두는 각각 상기 제2비교예의 배기가스정화장치를 이용하여 측정되었다. 측정 결과들은 표 2에 표시되어 있다.
(제3비교예)
제3비교예의 배기가스정화장치의 구조는, 구멍(20)들이 골판(1) 및 평판(3)에 형성되어 있지 않다는 점을 제외하고는 제7실시예의 구조와 유사하다. 제7실시예와 유사하게, PM 감소율 및 배기압손실 양자 모두는 각각 상기 제3비교예의 배기가스정화장치를 이용하여 측정되었다. 측정 결과들은 표 2에 표시되어 있다.
<평가>
PM 감소율(%) 배기압손실(Kpa)
제7실시예 55 10
제8실시예 50 8
제2비교예 40 15
제3비교예 5 12
상기 제7실시예의 배기가스정화장치는 제2비교예에 비해 우수한 PM 수집성능 및 보다 낮은 배기압손실도 가진다. 그 이유는 다음과 같은 효과들에 기인한다: 제7실시예에서는, 촉매층들이 금속박판으로 만들어진 골판(1) 및 평판(3) 상에 형성되어 있기 때문에, 상기 촉매층들이 제2비교예에 비해 균일하게 형성되고, 또한 Pt가 균일하게 분포되어 있다.
또한, 제7실시예 및 제8실시예의 배기가스정화장치는 제2비교예 및 제3비교예에 비해 우수한 PM 수집성능 및 보다 낮은 배기압손실도 가진다. 그 이유는 다음과 같은 효과들에 기인한다: 구멍(20)들을 형성함으로써 달성되는 효과가 나타날 수도 있다.
(제9실시예)
본 제9실시예의 배기가스정화장치의 구조는, 구멍(20)들이 골판(1)에 형성되어 있지 않고; 촉매층의 형성량이 베이스의 1 리터당 200 g 이도록 선택되며; Pt 이외에, 베이스의 1 리터당 0.2 몰의 Li, 0.1 몰의 Ba, 및 0.1 몰의 K 가 상기 촉매층에 의해 지지된다는 점을 제외하고는 상기 제7실시예의 구조와 유사하다.
제9실시예의 배기가스정화장치는 700℃의 온도로 50 시간 동안 유지되는 내구성 시험 하에 테스트되었다. 상기 내구성 시험 후, 배기가스정화장치는 디젤엔진의 배기시스템 상에 장착된 다음, NOx 정화율은 엔진회전이 2900 rpm 이고; 유입 가스의 온도가 300℃ 이며; 10 초마다 0.1 초 동안 분사된 경유가 지나가 A/F 가 14.2 가 되게 하는 이러한 운전제어조건 하에 측정되었다. 측정 결과들은 표 3에 표시되어 있다.
(제4비교예)
두께가 0.3 mm 이고 200 cells/inch2 인 근청석으로 만들어진 DPF가 준비된 한편, 상기 제9실시예와 유사한 촉매층이 상기 DPF 상에 형성되었다. 외주부의 전체 클로깅 콕(clogging cocks)들의 20 % 가 제거되어, 그 PM 수집계수가 상기 제9실시예와 같게 되도록 할 수 있다.
또한, 상기 배기가스정화장치에 관해서는, 상기 제9실시예와 유사한 방식으로 NOx 정화율이 측정되었다. 측정 결과들이 표 3에 표시되어 있다.
NOx 정화율(%)
제9실시예 90
제4비교예 70
표 3으로부터 명백한 바와 같이, 제9실시예의 배기가스정화장치는 제4비교예에 비해 보다 높은 NOx 정화성능을 나타낸다. 그 이유는 다음과 같은 효과들에 기인한다: 즉, 금속박판으로 만들어진 골판(1) 및 평판(3)이 채택되고, 또한 제9실시예의 배기가스정화장치가 수많은 필터도입부를 구비한다. 상기 제9실시예의 배기가스정화장치에서는 다음과 같은 사실들이 도출될 수도 있다. 즉, 배기가스 내에 함유된 NO가 산화될 수 있어, 필터도입부들에 형성된 촉매층에 의해 보다 높은 효율성을 갖는 NO2 가 되고, 그 후에 NO2 가 NOx 흡장재에 의해 보다 높은 효율로 용해될 수 있다. 나아가, NOx 흡장재는 배기가스정화장치와 반응하지 않기 때문에, 상기 NOx 흡장재가 나타나지 않고, 따라서 NOx 정화율이 이들 상호 효과들로 인하여 개선될 수 있다. 또한, 기계적 강도의 저하를 피할 수도 있다.
(제10실시예)
본 제10실시예의 배기가스정화장치의 구조는 상기 제7실시예의 배기가스정화장치의 구조와 유사한데, 여기서 제7실시예의 배기가스정화장치의 배기가스유입측은 배기가스유출측이 되도록 반전되고, 중간산부(14)의 높이가 낮아지며, 중간곡부(12)의 깊이가 얕아지게 된다. 촉매층은 도시되어 있지 않다.
도 17에 도시된 골판(5)에 관해서는, 제1산부(50) 및 제1곡부(51)가 교대로 계속되는 산/곡부(52); 상기 산/곡부(52)의 하류측에서 상기 제1산부(50)에 계속되는 제2곡부(53); 상기 제2곡부(53)에 계속되는 제2산/곡부(52); 상기 제2산/곡부(52)의 하류측에서 상기 제1곡부(51)에 계속되는 제2산부(54); 및 상기 제2산부(54)의 하류측에서 상기 제2산/곡부(52)의 제1산부(50)에 계속되는 제2곡부(53)가 이 순서대로 배기가스의 유동방향에 평행하게 교대로 형성되어 있다. 상기 제2산부(54)의 최상부의 높이는 상기 제1곡부(51)의 저부의 깊이보다 낮은 반면, 상기 제2곡부(53)의 저부의 깊이는 상기 제1산부(50)의 최상부의 높이보다 얕다.
상기 제2곡부(53)는 하류측에서 위쪽으로 기울어진 경사면(55)을 구비하며, 상기 경사면(55)은 다음 제1산부(50)의 최상부에 매끄럽게 계속된다. 또한, 도면의 상부방향을 따라 연장되어 그 높이가 낮은 측벽(56)들이 상기 제2곡부(53)의 양측에 형성되어 있다. 또한, 상기 제2산부(54)는 하류측에서 아래쪽으로 기울어진 경사면(57)을 가지며, 상기 경사면(57)은 다음 제1곡부(51)의 저부로 매끄럽게 계속된다. 상기 제2곡부(83)와 유사하게, 도면의 하부방향을 따라 연장되는 측벽(86)들은 상기 제2산부(84)의 양측에 형성되어 있다.
상술된 복수의 골판(5)은 상기 산/곡부(52)의 상(phases), 상기 제2곡부(53)의 그룹, 및 상기 제2산부(54)의 그룹이 배기가스유동방향과 상기 배기가스유동방향에 수직인 방향을 따라 서로 동일하게 만들어지는 방식으로 서로 적층되고, 또한 이들 복수의 골판(5)들은 상기 산/곡부(52), 상기 제2곡부(53)의 그룹, 및 상기 제2산부(54)의 그룹이 각각 배기가스유동방향에 대해 직각으로 절단되는 이러한 단면에서 동일한 위치들에 위치하는 방식으로 배치되어 있다. 또한, 상기 제1산부(50) 및 상기 제2산부(54) 양자 모두는 각각 상부측 평판(3)에 대해 맞닿아 있는 반면, 제1곡부(51) 및 제2곡부(53) 양자 모두는 각각 하부측 평판(3)에 대해 맞닿아 있다.
도 18 내지 도 20에 나타낸 바와 같이, 상기 배기가스정화장치에 따르면, 상기 제1산부(50)와 상기 하부측 평판(3) 사이에 형성된 제1통로(21)를 통과하는 대부분의 배기가스는 상기 제2곡부(53) 및 상기 상부측 평판(3) 사이에 형성된 제1필터도입부(103) 안으로 들어간다. 상기 제1필터도입부(103) 안으로 들어가는 배기가스는 하류측의 에지면이 상부방향을 향해 기울어진 경사면(55)에 의해 좁아지는 방식으로 상부측 평판(3)측으로 유도된 다음, PM이 상기 평판(3)에 의해 수집된다. 상기 수집된 PM은 촉매층에 지지된 촉매금속들에 의해 정화되도록 산화된다. PM 수집량이 증가되는 경우에도, 배기가스는 상기 제2곡부(53)와 하부측 평판(3) 사이에 형성된 제1필터우회부(203)를 통과할 수 있어, 상기 배기가스의 통로가 완전히 폐색되지는 않게 된다. 또한, 배기가스는 구멍(20)들을 통해 양측 통로로 통과할 수도 있다.
이와 유사하게, 제1곡부(51)와 상부측 평판(3) 사이에 형성된 제2통로(22)를 통과하는 대부분의 배기가스는 상기 제2산부(54)와 상기 하부측 평판(3) 사이에 형성된 제2필터도입부(104) 안으로 들어간다. 상기 제2필터도입부(104)로 들어간 배기가스는 하류측의 에지면이 하부방향을 향해 경사진 경사면(57)에 의해 좁아지는 방식으로 상기 하부측 평판(3)측으로 유도된 다음, PM이 상기 평판(3)에 의해 수집된다. 상기 수집된 PM은 촉매층에 지지된 촉매금속들에 의해 정화되도록 산화된다. PM 수집량이 증가되는 경우에도, 배기가스는 상기 제2산부(54)와 상부측 평판(3) 사이에 형성된 제2필터우회부(204)를 통과할 수 있어, 상기 배기가스의 통로가 완전히 폐색되지는 않게 된다.
그 후, 수많은 필터도입부들이 형성되어 있으므로, PM은 상기 평판(3)의 전체 면적들에 의해 수집되도록 균일하게 분포된다. 그 결과, 수집 효율이 개선될 수 있고, PM이 수집되더라도, 배기압손실이 증가하기 어렵다. 다시 말해, PM 수집 효율의 개선이 배기압손실의 증가 억제와 양립할 수 있다.
나아가, 배기가스는 경사면(55, 57)과 충돌하고, NO는 촉매층에 지지되는 Pt에 의해 보다 높은 산화 활성을 갖는 NO2 가 된 다음, 이러한 NO2 를 함유하는 배기가스가 상기 필터도입부들의 평판(9)을 통과한다. 그 결과, 상기 평판(3)에 의해 수집되는 PM의 산화가 두드러질 수도 있으며, 배기압손실이 더욱 낮아질 수도 있다.
이러한 가스정화장치에 있어서, 제7실시예에 설명된 바와 같이 폐색된 필터도입부(100, 101)는 형성되어 있지 않다. 하지만, 평판(3)을 통과하는 방향으로 지향된 벡터가 배기가스의 충돌에 의한 힘으로 생성되기 때문에, 대부분의 PM이 상기 평판(3)에 의해 수집될 수 있다. 그 결과, PM 수집 효율의 개선이 상기 제10실시예의 배기압손실의 증가 억제와 양립가능하지만, 이들 효과들은 제7실시예 등에 비해 그다지 높지 않다.
(제11실시예)
도 21은 본 제11실시예의 배기가스정화장치를 보여준다. 이 배기가스정화장치는, 촉매컨버터(8)에 저장되도록 하기 위해 반필터구조체(6) 및 필터촉매(7)가 이 순서대로 서로 인접하여 위치하는 한편, 상기 반필터구조체(6) 및 필터촉매(7)가 배기가스의 상류측으로부터 그 하류측으로 지향되는 방식으로 배치되어 있다. 상기 촉매컨버터(8)는 디젤엔진(80)의 배기매니폴드(81)에 결합되어 있다. 또한, 분사노즐(82)은 경유가 배기가스 안으로 간헐적으로 분사될 수도 있는 방식으로 상기 배기매니폴드(81) 내에 배치된다. 상기 배기매니폴드(81)로부터 배출되는 배기가스의 일부는 터보차저(turbocharger; 83)와 인터쿨러(intercooler; 84) 양자 모두를 거쳐 디젤엔진(80)의 흡기매니폴드(85)로 복귀한다는 것에 유의해야 한다.
상기 반필터구조체(6)의 구조는, 상기 반필터구조체(6)가 구멍(20) 및 산화촉매층을 구비하는 점을 제외하고는 제1실시예의 반필터구조체와 유사하다. 상기 반필터구조체(6)에서는, 도 22에 도시된 바와 같이, 두께가 각각 65 ㎛ 인 골판(6') 및 평판(3)이 서로 교대로 적층되고, 구멍(20)들이 상기 평판(3) 내에 형성되어 상기 평판(3)의 유입면과 배면을 통과하며, 산화촉매층(도시안됨)들이 상기 골판(6') 및 평판(3)들 상에 형성되어 있다. 또한, 상기 구멍(20)의 직경은 상기 산화촉매층에 의해 대략 200 ㎛ 가 된다. 상기 산화촉매층(도시안됨)은 Pt가 γ-Al2O3 에 지지되고, 허니콤 구조체의 1 L 당 코트량이 150 g 이며, Pt 의 지지량이 2 g 으로 제조되는 촉매분말로 형성된다.
도 23에 도시된 골판(6')에 있어서, 산부(60) 및 곡부(61)들은 배기가스의 유동방향에 수직인 방향을 따라 서로 번갈아 계속된다. 상기 산부(60)에는, 오목한 형상들을 갖는 복수의 중간곡부(62)들이 형성되어 있는데, 이들 중간곡부(62)들은 서로 소정의 간격으로 상호 분리되어 배기가스의 유동방향에 평행하게 위치하는 방식으로 형성된다. 상기 중간곡부(62)의 높이들은 점진적으로 낮아져, 배기가스의 상류측으로부터 배기가스의 하류측으로 지향되고, 상기 중간곡부(62)의 선단부들이 노칭되며, 그 후에 상기 산부(60)에 다시 연통되는 개구부(63)들이 형성되어 있다. 상기 중간곡부(62)의 저부들의 깊이는 상기 곡부(61)의 저부들의 위치와 일치하게 만들어진다.
또한, 상기 곡부(61)에는, 볼록한 형상들을 갖는 복수의 중간산부(64)들이 형성되어 있는데, 이들 중간산부(64)들은 서로 소정의 간격으로 상호 분리되어 배기가스의 유동방향에 평행하게 위치하는 방식으로 형성된다. 하나의 중간산부(64)는 배기가스의 유동방향을 따라 두 중간곡부(62) 사이에 배치되며, 그 높이는 상기 산부(60)의 높이와 일치하게 만들어진다.
도 24에도 도시된 바와 같이, 복수의 골판(6')은 서로 번갈아 적층되어 있는데, 상기 중간곡부(62)들의 상들이 배기가스의 유동방향을 따라, 그리고 상기 배기가스의 유동방향에 수직인 방향을 따라 상기 중간산부(64)들의 상과 동일한 방식으로 적층된다. 상기 중간곡부(62) 및 상기 중간산부(64) 양자 모두는 이들 중간곡부 및 중간산부(62/64)가 반필터구조체(6)의 배기가스유동방향에 대해 직각으로 절단되는 이러한 단면에서, 상기 중간곡부 및 중간산부(62/64) 양자 모두가 각각 동일한 위치에 위치하는 방식으로 배치되어 있다. 또한, 상기 산부(60)는 상부측 평판(3)에 대해 맞닿아 있는 반면, 상기 곡부(61)는 하부측 평판(3)에 대해 맞닿아 있다. 도 24는 개략도에 해당하므로, 평판(3), 중간곡부(62), 및 중간산부(64) 사이에 공간들이 존재한다는 점에 유의해야 한다. 하지만, 상류측 에지면에서는, 이러한 적층된 구조가 산부(60), 곡부(61), 및 평판(3)으로 이루어지므로, 공간이 만들어지지 않는다. 그 결과, 문제가 없다.
도 25 내지 도 28에 표시된 바와 같이, 상기 반필터구조체(6)에는, 필터도입부(100)가 골판(6')의 유입면측에 형성되어 있는데, 여기서 통로는 상부측 평판(3)과 상기 중간산부(64)에 인접하여 위치하는 양측 산부(60) 사이에서 폐색된다. 또한, 또다른 필터도입부(101)는 골판(6')의 배면측 상에 형성되어 있는데, 여기서는 통로가 하부측 평판(3)과 상기 중간곡부(62)에 인접하여 위치하는 양측 곡부(61) 사이에서 폐색된다. 그 후, 상기 필터도입부(100)의 상류측에서는, 중간곡부(62)의 위치에서의 산부(60)의 높이가 낮아지게 되고, 개구부(63)가 형성되어, 상기 곡부(61)를 통과하는 배기가스가 양측 개구부(63)로부터 양측 산부(60)로 들어갈 수 있게 되고, 필터우회부(200)가 이 부분에 형성되게 된다. 또한, 배면측에서는, 곡부(61)의 깊이가 상기 필터도입부(101)의 상류측 상의 중간산부(64)의 위치에서 얕아지게 되고, 개구부(65)들이 형성되어, 상부(60)를 통과하는 배기가스가 양측 개구부(65)로부터 양측 곡부(61)로 들어갈 수 있게 되고, 또다른 우회부(201)가 이 부분에도 형성된다.
그 결과, 도 25 내지 도 28에 도시된 바와 같이, 상기 제11실시예의 반필터구조체(6)에 따르면, 곡부(41)와 상부측 평판(3) 사이에 형성된 통로를 통과하는 배기가스가 상기 중간산부(64)와 충돌한다. 이러한 상부측 평판(3)의 PM 수집량이 적은 조건 하에서는, 대부분의 배기가스가 상부측 평판(3)을 통과한 다음, 상기 평판(3)의 반대측에 존재하는 골판(6')의 곡부(61)로 들어가고, 따라서 대부분의 PM이 상기 평판(3)에 의해 수집된다.
PM 수집량이 증가되어 필터우회부(100) 내의 배기가스의 압력이 증가되는 경우에는, 도 26의 점선으로 표시된 바와 같이, 상기 배기가스는 중간곡부(62)로부터 유동하여, 개구부(63)를 통과한 다음, 상류측에 존재하는 필터우회부(200)에서 인접하는 산부(60) 안으로 들어가도록 분기된다. 그 결과, 배기압손실의 증가가 억제될 수도 있다.
이와 유사하게, 도 27에 도시된 바와 같이, 산부(60)와 하부측 평판(3) 사이에 형성된 통로를 통과하는 배기가스가 상기 중간곡부(62)와 충돌한다. 이러한 하부측 평판(3)의 PM 수집량이 적은 조건 하에서는, 대부분의 배기가스가 하부측 평판(3)을 통과한 다음, 상기 평판(3)의 반대측에 존재하는 골판(6')의 곡부(61)로 들어가고, 따라서 대부분의 PM이 상기 평판(3)에 의해 수집된다.
PM 수집량이 증가되어 필터도입부(101) 내의 배기가스의 압력이 증가되는 경우에는, 도 28의 점선으로 표시된 바와 같이, 상기 배기가스가 중간산부(64)로부터 유동하여, 개구부(65)를 통과한 다음, 상류측에 존재하는 필터우회부(201)에서 곡부(61) 안으로 들어가도록 분기된다. 그 결과, 배기압손실의 증가가 억제될 수도 있다.
본 제11실시예의 반필터구조체(6)에 따르면, 상술된 사이클이 배기가스유입측의 에지면으로부터 배기가스유출측의 에지면을 향해 계속해서 반복되므로, PM이 필터도입부(100, 101)에서 평판(3)에 의해 수집된다. 그 후, 수많은 상기 필터도입부(100, 101)들이 형성되어 있으므로, PM이 전체 평판(3)에 걸쳐 균일하게 분산되어, 수집 효율이 개선될 수 있도록 하는 방식으로 PM이 수집되고, 상기 PM이 수집되더라도, 배기압손실이 거의 증가될 수 없다. 다시 말해, PM 수집 효율의 개선이 배기압손실의 증가와 양립가능하다.
나아가, 본 제11실시예의 배기가스정화장치의 반필터구조체(6)에서는, 필터도입부(100, 101) 내의 일 평면에서 볼 때 골판(6')의 개구면적이 상기 평면에서 볼 때 상기 골판(6')의 전체 개구면적의 대략 40 % 정도를 차지하는 반면, 상기 필터도입부(100, 101)의 전체 용량은 산부(60)와 곡부(61) 양자 모두의 전체 용량의 대략 50 % 정도를 차지한다. 그 결과, 평판(3)의 활용면적이 넓고, PM 수집 효율이 높으며, 배기압손실의 증가가 억제된다.
그 후, 반필터구조체(6)를 통과하는 배기가스간에는, 배기가스가 평판(3)의 구멍(20)들을 통과하고, 여타의 배기가스가 분기되어 복잡한 방식으로 유동하게 된다. 또한, 상기 구멍(20)들의 직경은 산화촉매층들에 의해 감소되므로, PM의 일부가 상기 감소된 구멍 부분들에 의해 수집될 수 있어, 필터도입부들이 상기 감소된 구멍 부분에도 형성되게 된다. 수집된 PM은 산화촉매층에 의해 산화/연소된다. 다시 말해, 배기가스가 복잡한 방식으로 분기되기 때문에, 교반 효과가 달성될 수도 있고, 따라서 배기가스에 첨가되는 경유가 상기 배기가스와 충분히 혼합된다. 또한, 경유의 산화가 상기 산화촉매층에 의해 진행될 수도 있다. 그 결과, 경유의 기화가 진행될 수도 있어, 상기 문제점이 억제될 수도 있고, 결과적으로 경유가 필터촉매(7)의 상류측 에지면 상에 부착되고, PM이 경유에 부착되어 그 위에 침착되는 문제가 억제될 수 있다. 또한, NOx 환원 반응이 필터촉매(7)에서 진행될 수도 있다.
다음으로, 상기 구조의 상세한 설명을 대체할 수도 있는 필터촉매(7)를 제조하기 위한 방법을 설명한다. 우선, 근청석으로 만들어진 벽 유동 구조를 갖는 허니콤 구조체가 준비되었다. 이 허니콤 구조체는 대략 2 리터의 부피를 가지고, 300 cells/inch2(즉, 46.5 cells/cm2)를 가지며, 또한 셀벽의 두께가 0.3 mm 이다. 셀벽의 다공성은 65 % 이고, 세공의 평균 직경은 25 ㎛ 이다. 이러한 허니콤 구조체에 있어서는, 그 상류측 에지면들이 클로깅되고 그 하류측 에지면들이 클로깅되지 않는 유출측 셀들 및 그 하류측 에지면들이 클로깅되고 그 상류측 에지면들이 클로깅되지 않는 유입측 셀들이 교대로 배치되어 있다. 상기 유출측 셀들 및 상기 유입측 셀들은 상기 셀벽에 의해 분할된다.
다음으로, 알루미나 분말, 티타니아 분말, 지르코니아 분말, 및 세리아 분말이 각각 물에 분포되어 있는 혼합된 슬러리가 준비된 한편, 150 g/L 의 코트층들이 셀벽의 표면과 워시 코트(wash coat) 방법에 의해 상술된 허니콤 구조체의 셀벽 내부에 형성된 세공들의 표면들 양자 모두에 형성되었다. 그 후, 2 g/L 의 Pt가 흡수지지방법(water absorption carrying method)에 의해 지지되어 소결되었다. 0.3 mol/L 의 Li, 0.05 mol/L 의 Ba, 및 0.025 mol/L 의 K 가 상기 흡수지지방법에 의해 지지된 후, 결과적인 허니콤 구조체는 필터촉매(7)를 제조하기 위해 500℃ 의 온도로 소결되었다.
<시험>
반필터구조체(6) 및 필터촉매(7) 양자 모두는 상기 반필터구조체(6) 및 상기 필터촉매(7)가 이러한 순서로 본 제11실시예의 배기가스정화장치를 구성하는 배기가스의 상류측으로부터 배기가스의 하류측으로 서로 인접하여 위치하는 방식으로 촉매컨버터(8) 내에 배치된다. 그 후, 촉매컨버터(8)는 2L 의 입방 용량(cubic capacity)을 갖는 디젤엔진(80)의 배기시스템 상에 장착되었고, 내구성 처리 작업은 650℃ 의 온도로 50 시간 동안 수행되었으며, 그런 다음 디젤엔진(80)이 2900 rpm 의 회전 및 300℃ 의 유입가스온도 하에 구동되었다. 그 후, 경유가 매 10초에 0.1초 동안 분사노즐(82)로부터 간헐적으로 첨가되었다. 경유가 첨가된 경우 A/F 가 14.2 가 되도록 조정이 이루어졌다.
이러한 조건 하에, NOx 정화율 및 PM 산화율 양자 모두가 측정되었다. 또한, PM 수집 성능의 재생 처리 작업으로서, 300℃ 의 배기가스가 공급되는 한편, A/F 가 2.5 가 될 수 있도록 경유가 분사노즐(82)로부터 계속해서 첨가된 다음, 필터촉매(7)의 도달최고온도가 측정되었다. 측정 결과들이 표 4에 표시되어 있다.
(제12실시예)
본 제12실시예의 배기가스정화장치의 구조는, 반필터구조체(6)의 촉매층이 제11실시예에서의 필터촉매(7)의 촉매층과 유사한 NOx 흡장환원촉매로 형성되어 있다는 점을 제외하고는 상기 제11실시예의 구조와 유사하다. 내구성 처리 작업이 제11실시예와 유사한 방식으로 수행된 후, NOx 정화율 및 PM 산화율 양자 모두가 유사한 방식으로 측정되었다. 또한, 필터촉매(7)의 도달최고온도는 재생 처리 작업이 수행된 때에 측정되었다. 측정 결과들은 표 4에 표시되어 있다.
(제13실시예)
본 제13실시예의 배기가스정화장치의 구조는, 반필터구조체(6)의 평판(3) 대신에 금속으로 만들어진 섬유매트가 채택되고, 촉매층이 제11실시예에서의 필터촉매(7)의 촉매층과 유사한 NOx 흡장환원촉매로 형성되어 있다는 점을 제외하고는 상기 제11실시예의 구조와 유사하다. 내구성 처리 작업이 제11실시예와 유사한 방식으로 수행된 후, NOx 정화율 및 PM 산화율 양자 모두가 유사한 방식으로 측정되었다. 또한, 필터촉매(7)의 도달최고온도는 재생 처리 작업이 수행된 때에 측정되었다. 측정 결과들은 표 4에 표시되어 있다.
(제5비교예)
본 제5비교예의 배기가스정화장치의 구조는 반필터구조체(6) 대신에, 통상의 평판 및 통상의 골판들이 유일하게(merely) 그리고 서로 번갈아 적층되는 직선형 유동 구조를 갖는 금속 허니콤체 상에 상기 제11실시예와 유사한 산화촉매층이 형성되어 있다는 점을 제외하고는 상기 제11실시예의 구조와 유사하다. 내구성 처리 작업이 제11실시예와 유사한 방식으로 수행된 후, NOx 정화율 및 PM 산화율 양자 모두가 유사한 방식으로 측정되었다. 또한, 필터촉매(7)의 도달최고온도는 재생 처리 작업이 수행된 때에 측정되었다. 측정 결과들은 표 4에 표시되어 있다.
(제6비교예)
본 제6비교예의 배기가스정화장치의 구조는 반필터구조체(6) 대신에, 통상의 평판 및 통상의 골판들이 유일하게 그리고 서로 번갈아 적층되는 직선형 유동 구조를 갖는 상기 금속 허니콤체가 채택되고, 상기 금속 허니콤체 상에 촉매층이 형성되는 한편, 상기 촉매층은 제11실시예에서의 필터촉매(7)의 촉매층과 유사한 NOx 흡장환원촉매로 형성되어 있다는 점을 제외하고는 상기 제11실시예의 구조와 유사하다. 내구성 처리 작업이 제11실시예와 유사한 방식으로 수행된 후, NOx 정화율 및 PM 산화율 양자 모두가 유사한 방식으로 측정되었다. 또한, 필터촉매(7)의 도달최고온도는 재생 처리 작업이 수행된 때에 측정되었다. 측정 결과들은 표 4에 표시되어 있다.
<평가>
NOx 정화율 (%) PM 산화율 (%) 도달최고온도 (℃)
제11실시예 60 70 680
제12실시예 80 70 680
제13실시예 80 90 680
제5비교예 45 60 580
제6비교예 50 60 580
표 4로부터 명백한 바와 같이, 각각의 실시예들의 배기가스정화장치에서는, 비교예들에 비해 NOx 정화율 및 PM 산화율 양자 모두가 높고, 또한 도달최고온도가 높다. 그 이유는 후술하는 효과들을 생각해볼 수 있다: 즉, 경유에 관한 교반 작업 및 분해 작업이 반필터구조체(6)에서 효과적으로 진행되었기 때문에, 상기 경유가 효과적으로 기화될 수 있고, 기화된 경유는 배기가스와 효과적으로 혼합될 수 있다.
(제14실시예)
도 29는 본 제14실시예의 배기가스정화장치를 보여준다. 이러한 배기가스정화장치는 직선형 유동 구조를 갖는 산화촉매(90), 반필터구조체(6), 및 필터촉매(7)들이 촉매컨버터(8)에 저장되도록 하기 위해 상기 순서대로 서로 인접하여 위치하는 한편, 상기 직선형 유동 구조를 갖는 산화촉매(90), 반필터구조체(6) 및 필터촉매(7)가 배기가스의 상류측으로부터 그 하류측으로 지향되는 방식으로 배치된다. 또한, 분사노즐이 배기매니폴드(81)에 제공되지 않는 한편, 요소 유체를 첨가하기 위한 요소 유체 인젝터(82)가 상기 산화촉매(90)와 상기 반필터구조체(6) 사이에 배치된다.
상기 산화촉매(90)는 주로 알루미나 및 제올라이트를 함유하는 150 g/L 의 코트층이 근청석으로 만들어지는 직선형 유동 구조를 갖는 허니콤 구조체(400 cells/inch2, 셀벽의 두께 = 0.1 mm, 직경 = 130 mm, 및 2L) 상에 형성된 다음, 2 g/L 의 Pt가 상기 코트층에 균일하게 지지되는 방식으로 제조된다.
반필터구조체(6)에 관해서는, 평판(61) 대신에, 금속으로 만들어지고 80 % 의 다공성을 가지며 두께가 0.3 mm 인 섬유매트가 채택되고; 2 g/L 의 Cu 가 균일하게 지지되는 제올라이트로 만들어진 150 g/L 의 요소NOx선택환원촉매층(urea-NOx-selective-reducing catalyst layer)이 형성된 것을 제외하고는, 상기 제11실시예와 유사한 이러한 반필터구조체가 채택되었다.
필터촉매(7)에 관해서는, 제올라이트로 만들어진 150 g/L 의 코트층이 상기 제11실시예와 유사한 근청석으로 만들어진 벽 유동 구조를 갖는 허니콤 구조체 상에 형성되고; 요소NOx선택환원촉매층은 2 g/L 의 Cu 가 균일하게 지지되는 상기 촉매층 상에 형성되어 있다.
<시험>
촉매컨버터(60)는 2 L 의 입방 용량을 갖는 디젤엔진(80)의 배기시스템 상에 장착되는 한편, NOx 정화율 및 PM 감소율 양자 모두는 다음과 같은 방식에 따라 측정되었다. 즉, 내구성 처리 작업이 650℃ 의 온도로 50 시간 동안 수행된 다음, 디젤엔진(80)이 2500 rpm 의 회전 및 250℃ 내지 400℃ 의 유입 가스의 온도 하에 각각의 정상 상태로 설정되었다. 첨가된 요소 유체가 유입 가스에 함유된 NOx 와 등가가 되도록 하는 방식으로, 배기가스가 각각의 조건 하에 분산되고 35 % 의 농도를 갖는 요소 유체가 요소 유체 인젝터(82)로부터 배기가스로 첨가되는 한편, 디젤엔진(80)이 NOx 정화율 및 PM 감소율을 측정하기 위해 3 시간 동안 구동되었다. 또한, 그 후에 산화촉매(90)의 유출가스온도가 300℃ 의 유입가스온도에서 650℃ 가 될 수 있도록 하는 방식으로 요소 유체의 후분사로서 요소 유체가 분사되고, 그런 다음 온도가 증가하기 시작한 3분 후의 PM 산화율이 측정되었다. 측정 결과들은 표 5에 표시되어 있다.
(제15실시예)
본 제15실시예의 배기가스정화장치의 구조는, 산화촉매(90)의 허니콤 구조체로서, 반필터구조체(6)의 섬유매트가 제11실시예의 평판(61) 대신에 채택되고, 부피가 1.5 L 로 만들어진 것을 제외하고는 상기 제14실시예의 구조와 유사하다. 그 후, NOx 정화율, PM 감소율, 및 PM 산화율이 유사한 방식으로 측정되었고, 측정 결과들이 표 5에 표시되어 있다.
(제7비교예)
도 30에 표시된 바와 같이, 본 제7비교예의 배기가스정화장치의 구조는, 반필터구조체(6) 대신, 근청석으로 만들어져 부피가 1 L 인 직선형 유동 구조를 갖는 허니콤베이스; 및 필터촉매(7) 대신에 상기 요소NOx선택환원촉매(91)가 채택되는 점을 제외하고는 상기 제14실시예의 구조와 유사하다. 이러한 요소NOx선택환원촉매(91)에서는, 제올라이트로 만들어진 150 g/L 의 코트층이 근청석으로 만들어져 부피가 2 L 인 직선형 유동 구조를 갖는 허니콤베이스 상에 형성되고, 그 후에 2 g/L 의 Cu 가 균일하게 지지된다. 그 후, NOx 정화율 및 PM 감소율이 유사한 방식으로 측정되었고, 측정 결과들이 표 5에 표시되어 있다.
(제8비교예)
도 31에 표시된 바와 같이, 본 제8비교예의 배기가스정화장치의 구조는, 산화촉매(90)의 부피가 1 L 이고; 100 g/L 의 알루미나가 근청석으로 만들어져 부피가 2 L 인 DPF 상에 코팅되는 필터촉매(92), 반필터구조체(6) 대신에 균일하게 지지되는 0.5/L 의 Pt 가 채택된다는 점을 제외하고는 상기 제14실시예의 구조와 유사하다. 그 후, NOx 정화율, PM 감소율, 및 PM 산화율이 유사한 방식으로 측정되었고, 측정 결과들이 표 5에 표시되어 있다.
(제9비교예)
도 32에 표시된 바와 같이, 본 제9비교예의 배기가스정화장치의 구조는, 요소NOx선택환원촉매(91)의 위치가 필터촉매(92)의 위치로 대체되고, 나아가 요소 유체 인젝터(82)가 상기 산화촉매(90)와 요소NOx선택환원촉매(91) 사이에 배치된다는 점을 제외하고는 상기 제8비교예의 구조와 유사하다. 그 후, NOx 정화율, PM 감소율, 및 PM 산화율이 유사한 방식으로 측정되었고, 측정 결과들이 표 5에 표시되어 있다.
NOx 정화율(%) PM 감소율(%) 온도 증가 후 3분 동안의 PM 산화율(%)
250℃ 300℃ 400℃ 400℃
제14실시예 82 92 94 98 90
제15실시예 80 94 96 98 95
제7비교예 52 72 75 15 -
제8비교예 43 65 72 90 70
제9비교예 38 58 66 90 40
표 5로부터 명백한 바와 같이, 각각의 실시예들의 배기가스정화장치에서는, 비교예들에 비해 NOx 정화율 및 PM 감소율 양자 모두가 높고, 또한 PM 산화율도 높다. 그 이유는 후술하는 효과들을 생각해볼 수 있다: 즉, PM이 반필터구조체(6)에 의해 수집되었고, 또한 요소 유체가 보다 높은 효율로 배기가스와 혼합되었으며, 암모니아에 의해 효과적으로 환원/정화될 수 있는 NOx가 생성되었다.

Claims (34)

  1. 배기가스정화장치에 있어서,
    복수의 배기가스통로, 및 상기 배기가스통로에 제공되는 필터체(3)를 포함하여 이루어지는 반필터구조체(semi-filter-structured body; 1, 3)를 포함하여 이루어지고,
    상기 배기가스통로는 배기가스를 상기 필터체(3)로 인도하는 필터도입부(100, 101), 및 상기 필터도입부(100, 101)에 인접한 배기가스통로(15)로 분기하여 상기 필터도입부(100, 101)를 우회하는 필터우회부(200)를 포함하여 이루어지며;
    최상류의 필터우회부(200)는 최상류의 필터도입부(100, 101)보다 더 상류에 제공되고, 상기 최상류 필터우회부(200)의 배기가스통로는 상기 반필터구조체(1, 3)의 배기가스유입측에서 개방되어 있고;
    상기 반필터구조체(1, 3)는, 산부(hill portions; 10)와 곡부(valley portions; 11)가 배기가스유동방향에 대해 교차하는 방향으로 서로 번갈아 이웃하는 금속박판의 골판(corrugate plate; 1) 및 상기 필터체로 이루어진 가스투과성 평판(3)이 교대로 적층되는 구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산부는 그 산의 높이를 낮추어 형성되는 오목한 중간곡부를 구비하며;
    상기 중간곡부는 상기 배기가스가 이웃하고 있는 곡부로부터 유동하도록 할 수 있는 분기부, 및 상기 배기가스가 하류의 산부 중 하나에서 유동하도록 할 수 있는 개구부를 포함하여 이루어지는 상기 필터우회부를 구성하고;
    상기 곡부는 그 곡의 깊이를 줄여 형성되는 볼록한 중간산부를 구비하며;
    상기 필터도입부는 상기 중간산부, 상기 곡부에 인접한 양측의 상기 산부, 및 상기 산부에 접촉하는 상기 평판으로 구성되고;
    상기 필터도입부 내의 압력이 증가되는 경우, 상기 곡부 상에서 유동하는 배기가스의 적어도 일부는 상기 분기부를 통해 이웃하고 있는 산부로 유입되는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 산부는 상기 평판을 통해 상기 필터도입부에 대향하는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 중간산부는 상기 곡부를 변형시켜 형성되고, 상기 중간산부의 산의 높이는 그 상류단을 향해 점진적으로 낮아지는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
  5. 제2항에 있어서,
    평면도에서 산정되는 상기 필터도입부에서의 상기 골판의 개구면적은 평면도에서 산정되는 상기 골판의 전체 개구면적의 30% 이상인 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 필터도입부의 전체 용적은 상기 산부와 상기 골부의 전체 용적의 50% 이상인 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 평판 및 상기 골판 가운데 적어도 상기 평판은 일측에서 타측으로 관통하는 구멍, 및 촉매금속과 다공성산화물을 포함하여 이루어지는 촉매층을 포함하여 이루어지고;
    상기 구멍은 그 크기가 상기 촉매층에 의해 200 ㎛ 이하로 수축 또는 폐색되는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 산부는 상기 평판을 통해 상기 필터도입부에 대향하는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 최상류 필터우회부는 그 상류측에서 개방되는 역중간산부를 구비한 곡부를 포함하여 이루어지고;
    상기 역중간산부의 산의 높이는 하류방향으로 점진적으로 낮아지며;
    상기 역중간산부는 하류의 곡부로 연속되는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 최상류 필터우회부는 상기 배기가스 내의 입자상물질이 통과할 수 있는 구멍으로 구성되고;
    상기 구멍은 상기 골판 아래쪽에 적층된 상기 평판 상에 형성되어, 상기 골판의 상기 산부에 대향하는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 최상류 필터우회부는 상기 배기가스 내의 입자상물질이 통과할 수 있는 노치로 구성되고;
    상기 노치는 상기 골판 아래쪽에 적층된 상기 평판 상에 형성되어, 상기 골판의 상기 산부에 대향하는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 반필터구조체는 산부와 곡부가 배기가스유동방향에 대해 교차하는 방향으로 서로 번갈아 이웃하는 금속박판의 골판 및 상기 필터체로 이루어진 가스투과성 평판이 교대로 적층되어 구성되고;
    상기 곡부는 그 곡의 깊이를 줄여 구성되는 볼록한 중간산부를 구비하며;
    상기 중간산부는 상기 배기가스가 이웃하고 있는 산부로부터 유동하도록 할 수 있는 분기부, 및 상기 배기가스가 하류의 곡부 중 하나에서 유동하도록 할 수 있는 개구부를 포함하여 이루어지는 상기 필터우회부를 구성하고;
    상기 산부는 그 산의 높이를 낮추어 구성되는 오목한 중간곡부를 구비하며;
    상기 필터도입부는 상기 중간곡부, 상기 산부에 인접한 양측의 상기 곡부, 및 상기 곡부에 접촉하는 상기 평판으로 구성되고;
    상기 필터도입부 내의 압력이 증가되는 경우, 상기 산부 상에서 유동하는 배기가스의 적어도 일부는 상기 분기부를 통해 이웃하고 있는 곡부로 유입되는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 곡부는 상기 평판을 통해 상기 필터도입부에 대향하는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 중간곡부는 상기 산부를 변형시켜 형성되고, 상기 중간곡부의 곡의 깊이는 그 하류단을 향해 점진적으로 줄어드는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
  15. 제12항에 있어서,
    평면도에서 산정되는 상기 필터도입부에서의 상기 골판의 개구면적은 평면도에서 산정되는 상기 골판의 전체 개구면적의 30% 이상인 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 필터도입부의 전체 용적은 상기 산부와 상기 골부의 전체 용적의 50% 이상인 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 평판 및 상기 골판 가운데 적어도 상기 평판은 일측에서 타측으로 관통하는 구멍, 및 촉매금속과 다공성산화물을 포함하여 이루어지는 촉매층을 포함하여 이루어지고;
    상기 구멍은 그 크기가 상기 촉매층에 의해 200 ㎛ 이하로 수축 또는 폐색되는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 곡부는 상기 평판을 통해 상기 필터도입부에 대향하는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 최상류 필터우회부는 그 상류측에서 개방되는 역중간산부를 구비한 곡부를 포함하여 이루어지고;
    상기 역중간산부의 산의 높이는 하류방향으로 점진적으로 낮아지며;
    상기 역중간산부는 하류의 곡부로 연속되는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 최상류 필터우회부는 상기 배기가스 내의 입자상물질이 통과할 수 있는 구멍으로 구성되고;
    상기 구멍은 상기 골판 아래쪽에 적층된 상기 평판 상에 형성되어, 상기 골판의 상기 산부에 대향하는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
  21. 제12항에 있어서,
    상기 최상류 필터우회부는 상기 배기가스 내의 입자상물질이 통과할 수 있는 노치로 구성되고;
    상기 노치는 상기 골판 아래쪽에 적층된 상기 평판 상에 형성되어, 상기 골판의 상기 산부에 대향하는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 필터체는 일측에서 타측으로 관통하는 구멍, 및 촉매금속과 다공성산화물을 포함하여 이루어지는 촉매층을 포함하여 이루어지고;
    상기 구멍은 그 크기가 상기 촉매층에 의해 200 ㎛ 이하로 수축 또는 폐색되는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 반필터구조체는 제1산부와 제1곡부가 서로 번갈아 이웃하는 금속박판의 골판 및 평판이 교대로 적층되어 구성되고,
    상기 골판 아래쪽의 상기 평판 및 상기 제1산부로 구성된 제1통로;
    상기 제1통로 상에 형성되어 하류방향을 따라 위쪽으로 기울어진 제2곡부 및 상기 골판 위쪽의 상기 평판으로 구성된 제1필터도입부;
    상기 골판 아래쪽의 상기 평판 및 상기 제2곡부로 구성된 제1필터우회부;
    상기 제1통로와 이웃하는 상기 제1곡부 및 상기 골판 위쪽의 상기 평판으로 구성된 제2통로;
    상기 제2통로 상에 형성되어 하류방향을 따라 아래쪽으로 기울어진 제2산부 및 상기 골판 아래쪽의 상기 평판으로 구성된 제2필터도입부;
    상기 골판 위쪽의 상기 평판 및 상기 제2산부로 구성된 제2필터우회부; 및
    상기 제2곡부의 저부의 깊이는 상기 제1산부의 최상부의 높이보다 작고; 상기 제2산부의 최상부의 높이는 상기 제1곡부의 저부의 깊이보다 작은 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 반필터구조체는 배기가스가 상기 제1필터도입부로부터 상기 제2통로로 유동하도록 할 수 있는 개구부; 및
    배기가스가 상기 제2필터도입부로부터 상기 제1통로로 유동하도록 할 수 있는 개구부 중 하나 이상을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
  25. 제1항에 있어서,
    하류측에서 막힌 유입측셀(inlet-side cell)을 포함하여 이루어지는 벽유동구조필터촉매(wall-flow-structured filter catalyst);
    상기 유입측셀과 이웃하며 상류측에서 막힌 유출측셀;
    상기 유입측셀과 상기 유출측셀을 구획하며 다수의 세공을 구비하는 셀벽; 및
    상기 셀벽의 표면과 상기 세공의 내측면 상에 형성되며, 촉매금속과 산화물지지체를 포함하여 이루어지는 촉매층을 더 포함하여 이루어지고,
    상기 벽유동구조필터촉매는 상기 반필터구조체보다 더 하류에 배치되는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 반필터구조체는 산화촉매 및 산화물지지체를 포함하여 이루어지는 산화촉매층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 반필터구조체보다 더 상류에 있는 배기가스 내에 환원제를 첨가하는 환원제첨가수단(reducing agent adding device)을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
  28. 제25항에 있어서,
    상기 필터촉매의 상기 촉매층은 NOx흡장환원촉매(NOx sorbing-and-reducing catalyst)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
  29. 제25항에 있어서,
    상기 필터촉매의 상기 촉매층은 요소NOx선택환원촉매(urea-NOx-selective-reducing catalyst), 및 상기 반필터구조체보다 더 상류에 있는 배기가스 내에 요소를 첨가하는 요소첨가수단(urea adding device)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
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