KR19980032928A - 배기 가스 정화 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 과제는 배기 가스 내의 미립자를 포집하는 트랩퍼의 재생이 필터부의 전 영역에서 행해지고, 또 미립자의 포집이 과도하게 이루어진 때도 재생이 확실히 행해지는 배기 가스 정화 장치를 제공하는 것이다. 이러한 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 트랩퍼(2)를 가열하여 그 트랩퍼(2)에 포집된 PM(입자형 재료)을 연소시키는 전기 히터(3)를 트랩퍼(2)의 하류측에 배치한다. 이렇게 하면, 전기 히터(3)와 트랩퍼(2) 사이에 PM이 퇴적하지 않고, 또 절연 고정자(6)의 표면에 대한 PM 부착도 줄고, PM을 거쳐서 히터와 트랩퍼의 단락이 발생하지 않는다.

Description

배기 가스 정화 장치

본 발명은 엔진의 배기 시스템의 도중에 설치하는 배기 가스 정화 장치에 관한 것이다. 상세하게는 트랩퍼(trapper)의 재생 효율을 향상시킨 배기 가스 정화 장치이다.

디젤 엔진으로부터 발생하는 배기 가스에는 탄소를 주체로 하는 미립자가 함유되어 있다. 이 미립자는 입자형 재료(particulate material)(이하 PM이라고 씀)라 불리워지고, 대기 오염의 원인이 되므로, PM을 제거하는 배기 가스 정화 기술이 여러 가지 개발되어 있다.

예를 들면, 일부에서 이미 실용화되어 있는 정화 장치로써, 세라믹 다공 부재 트랩퍼를 이용하여 그 트랩퍼로 포집한 PM을 전기 히터로 소각하여 배기 가스의 통과가 악화된 트랩퍼를 재생하는 것이 있다. 또, 최근에는 금속 다공 부재의 원통을 트랩퍼로서 이용하는 장치도 개발되고 있다.

이들 장치의 트랩퍼에 의한 포집 원리는 필터에 의한 여과이며, 주로 필터의 배기 가스 입구측의 표면에서 PM이 포집된다.

이와 같은 정화 장치 내에, 트랩퍼 재생용 전기 히터를 트랩퍼의 전방면에 배치하는 것이 있다(일본 특허 공개 평3-258911호). 또, 일본 특허 공개 평2-27107호는 트랩퍼 내에 깊게 들어가게 한 배기 가스의 유입 통로 내에 전극(도체)을 삽입하고, 이 전극과 트랩퍼 사이에 아크 방전을 발생시켜서 포집한 PM을 연소시키는 것을 제공하고 있다. 이들 장치는 포집한 PM이 트랩퍼 전방면에 집중하므로, PM을 효율 좋게 소각할 수 있다고 생각할 수 있지만, 실제로는 PM은 트랩퍼의 깊은 곳까지 침입하므로, 트랩퍼의 후방부에서 재생시에 잔재가 발생하기 쉽다.

일본 특허 공개 평2-27107호의 기술은 유입 통로의 아크 방전이 치우쳐 일어날 가능성이 있으며, 재생 불균일이 특히 발생하기 쉽다고 생각된다. 이와 같은 구조로 전극 대신에 전기 히터를 이용하는 것도 있지만, 이것도 PM을 거쳐서 히터가 국부적으로 단락할 우려가 있으므로, 재생 불균일 등이 생길 가능성이 높다.

그래서, 일본 특허 공개 평5-79317호는 필터 통과 후의 가스를 통과시키는 제3 배기 통로의 중심에 트랩퍼 재생시에 개방되는 제1 배기 통로를 설치하고, 이 제1 배기 통로가 개방된 때의 이젝트 효과로 화염 전파를 촉진하여 재생 효율을 높이는 것을 제안하고 있다.

또, 일본 실용신안 공개 평4-42214호는 트랩퍼의 상류측에 제1 전기 히터를 하류측에 제2 전기 히터를 각각 배치하고, 제1 히터에 의한 잔재를 제2 히터로 연소시키는 장치를 제안하고 있다.

일본 특허 공개 평5-79317호는 작은 히터 전력으로 트랩퍼의 재생을 효율 좋게 행하는 것을 목표로 하고 있지만, 이 구조는 배기 통로를 2중으로 하고, 또 내측의 제1 배기 통로를 개폐하는 교축 밸브를 설치할 필요가 있으며, 장치가 복잡해진다. 또한, 히터를 트랩퍼의 내벽에 근접하여 설치하고 있으므로, PM 연소시에 히터에 과대한 열이 가해지는 것도 우려된다.

또한, 일본 실용신안 공개 평4-42214호 장치는 히터를 2개 필요로 하고, 차량의 한정된 용량의 배터리를 전원으로 이용할 경우에는 바람직한 것이라고는 할 수 없다.

본 발명은 이들의 문제점을 발생시키지 않고 트랩퍼의 재생을 효율 좋게 행할 수 있도록 하는 것을 과제로 하고 있다.

도1은 본 발명의 배기 가스 정화 장치의 실시 형태를 도시한 개략 구성도.

도2는 본 발명의 다른 실시 형태의 개략 구성도.

도3은 본 발명의 또 다른 실시 형태의 개략 구성도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 케이스

2 : 트랩퍼

2a, 2b, 2c : 원통형 필터

2d : 평판형 필터

3 : 전기 히터

4, 5 : 오목부

6 : 절연 고정자

A : 필터 입구측 표면

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 있어서는 배기 가스 정화 자치의 트랩퍼 재생용 전기 히터를 트랩퍼의 하류측에 배치한 것이다.

또한, 트랩퍼는 필터부가 금속 다공 부재로 형성된 것이 바람직하다. 금속 다공 부재로 필터부를 형성하면, PM 포집이 삼차원적으로 행해져서(필터 두께 방향으로도 포집이 행해짐) 필터부의 막힘이 발생하기 어려워진다.

또한, 전기 히터는 면형 히터로서 트랩퍼의 필터부의 표면에 대향하도록 배치하는 것이 바람직하다.

또한, 트랩퍼에 상류측과 하류측으로부터 교대로 내부로 들어가는 복수의 오목부를 형성하여 하류측으로부터 상류측을 향해 들어간 오목부에 전기 히터를 삽입하는 것도 바람직하다. 이 구조에서 하류측의 오목부가 복수인 경우에는 그 중의 한곳의 오목부에만 전기 히터를 삽입해도 좋고, 특히 그 오목부가 동심적으로 배치된 환상의 오목부인 경우에는 가장 외주의 오목부에만 전기 히터를 삽입하면 바람직하다.

금속제의 트랩퍼는 히터로부터 열이 각 부분에 효율 좋게 전파되므로 포집한 PM이 착화하기 쉽다. 그러나, 한편으로, 양도전체이므로 필터의 표면부에 퇴적한 PM을 거쳐서 전기 히터와 단락하기 쉬운 결점을 갖는다. 절연 부재의 고정자의 표면에 부착한 PM을 타고 가서 전기가 흐르게 되므로, 단락의 가능성이 보다 높아진다. 그 단락이 발생하면 각 부분에서의 가열 또는 연소가 불균일해져 국부적인 잔재가 발생하고, 트랩퍼의 재생 효율이 악화된다.

본 발명의 장치는 이러한 결점을 없애기 위해 전기 히터를 트랩퍼의 하류에 배치했다. 전기 히터가 하류에 있으면, PM이 과도하게 포집되어도 히터 주변에는 PM은 막히지 않고, 히터와 트랩퍼 사이의 단락이 확실히 방지된다.

또한, 상술한 바와 같이, 금속제 트랩퍼는 열전파가 좋고, PM이 히터 열로 착화하면 화염이 하류측으로부터 상류를 향해 전파해 가므로, 히터가 없는 상류측에서도 PM 연소가 확실히 발생한다. 트랩퍼 필터부가 금속 다공 부재로 이루어진 경우에는 PM이 필터부에 삼차원적으로 포집되고, 필터의 두께 방향으로도 들어가므로, 하류측으로부터의 가열에 의한 착화가 특히 일어나기 쉽다.

또한, 전기 히터를 면형으로 해서 필터부의 표면에 대향시키면, 필터부를 넓고 균일하게 가열할 수 있고, 이것도 연소 불균일의 억제에 유효하게 작용한다.

또한, 트랩퍼에 하류측으로부터 상류를 향해 들어가는 오목부를 설치하여 그곳에 히터를 조립하면, 상류로부터 하류에 걸쳐서 재생이 확실히 진행한다.

또한, 화염을 전파시켜서 PM을 연소시키는 방식으로 하면, 착화점이 되는 부위에만 히터를 설치하면 되고, 히터수의 삭감 및 히터 조립의 간이화가 도모된다.

특히, 오목부를 환상으로 하여 가장 외주의 환상 오목부에 히터를 삽입하면, 발생한 열이 내측에 가득차므로, 각 오목부에 히터를 삽입한 때와 동등한 재생 성능이 발휘되고, 간소화를 도모함으로써 장치 성능이 희생되는 일이 없다.

도1에 본 발명의 배기 가스 정화 장치의 실시 형태를 간략화하여 도시한다. 도면의 도면 부호 1은 엔진의 배기 시스템(배기관)의 도중에 조립한 케이스이다. 도면의 장치는 이 케이스(1) 내에 트랩퍼(2)와 전기 히터(3)를 수납하여 구성되어 있다.

트랩퍼(2)는 Ni­Cl­Al 합금의 금속 다공 부재로 만들어진 상이한 직경의 원통형 필터(2a, 2b)를 동심적으로 배치하고, 상류측에서 양 필터 사이의 간극 입구를, 하류측에서 내측 필터(2a)의 단부 개구 및 필터(2b)와 케이스(1) 사이의 간극 출구를 각각 봉쇄하여 만들어져 있다. 이 트랩퍼(2)에는 필터(2b)의 외주와 필터(2a)의 내측에 각각 상류측으로부터 하류측을 향해 내부로 들어가는 오목부(4)가 생기고, 또 필터(2a, 2b) 사이에 하류측으로부터 상류측을 향해 내부로 들어가는 오목부(5)가 생기고 있다.

오목부(5)는 배기 가스의 도출로가 된다. 그래서, 이 오목부(5) 내에 필터(2a)의 외주면 및 필터(2b)의 내주면의 거의 전 영역에 대향하는 면형의 전기 히터(3)를 삽입하고 있다. 이 전기 히터(3)는 세라믹제의 절연 고정자(6)를 설치하여 그 고정자(6)로 트랩퍼 내에 고정하고 있으며, 이 히터(3)를 차량의 배터리에 연결하여 트랩퍼 재생시에 배터리로부터 전력을 공급하여 발열시킨다.

이와 같이 구성한 도1의 배기 가스 정화 장치는 케이스(1) 내에 도면의 좌측으로부터 배기 가스가 유입하고, 오목부(4), 트랩퍼의 필터부, 오목부(5)를 차례로 통과해 케이스의 출구에 이른다.

이 사이에 필터(2a, 2b)에 의해 배기 가스 내의 PM이 여과되어, 주로 필터의 입구측 표면에 퇴적한다. 따라서, 절연 고정자(6)의 표면에 대한 PM 부착, 필터와 전기 히터(3) 사이에서의 PM 퇴적은 거의 일어나지 않으며, 히터와 트랩퍼의 PM을 통한 단락이 없어져서 불균일이 없는 재생이 행해진다.

이 도1의 장치를 시험 제작하고, 압력 손실이 과도하게 상승하여 엔진이 정지하기까지 PM을 포집하고, 이 상태에서 재생을 행한 결과, 단락이나 부분 연소에 의한 국부적인 온도 상승은 전혀 볼 수 없으며, 트랩퍼의 전 영역을 불균일없이 확실히 재생할 수 있었다.

도2는 제2 실시 형태의 개략 구성도이다. 이 배기 가스 정화 장치는 도1의 것과 마찬가지인 재료로 이루어지는 3개(그 이상도 가능)의 상이한 직경의 원통형 필터(2a, 2b, 2c)를 동심적으로 배치하고, 필요 부위를 메꿔서 트랩퍼(3)를 구성한 것이며, 이 트랩퍼(2)에 배기 가스의 도출로가 되는 오목부(5)가 복수 발생하고 있다. 여기에서는, 그 오목부(5) 전체에 히터를 배치하는 것은 아니며, 가장 외주의 오목부(5)에만 전기 히터(3)를 삽입하고 있다. 이 구조에서는 발생한 열이 내측에 가득차므로 필터(2a)에 포집된 PM도 확실히 착화하고, 모든 오목부(5)에 히터를 삽입한 것과 동등한 재생 성능을 얻을 수 있었다.

도3은 제3 실시 형태의 개략 구성도이다. 이 배기 가스 정화 장치는 평판 필터(2d)를 지그재그 상태로 절곡하여 그 양측과 케이스 사이를 메꿔서 오목부(4, 5)를 교대로 갖는 트랩퍼(2)를 만들어 낸 것이며, 각 오목부(5) 내에 전기 히터(3)를 절연 고정자(3)로 유지하여 설치하고 있다. 이 장치도 다른 실시 형태와 손색이 없는 재생 성능을 얻을 수 있었다.

또한, 도1 및 도2의 장치는 원통형 필터를 이용하였으므로 필터 강도를 확보하기 쉽지만, 원통형 필터 대신에 각통형 필터를 이용하는 것도 제한되는 것은 아니다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 배기 가스 정화 장치는 트랩퍼 재생용 전기 히터를 트랩퍼의 하류에 배치하였으므로, 히터 수를 증가시키지 않고 포집한 PM을 불균일없이 연소시켜서 트랩퍼 전 영역을 재생할 수 있고, 또 과도하게 PM을 포집해도 PM을 거쳐서 전기 히터와 트랩퍼의 단락이 발생하지 않고, 재생이 확실히 행해진다. 따라서, 배터리 용량에 한계가 있으며, 또 재생 조건도 변화하기 쉬운(재생시 PM 퇴적량이 변동하기 쉬움) 자동차용 배기 가스 정화 장치 등으로서 이용하면 특히 효과적이다.

Claims (5)

1. 엔진 배기 시스템의 도중에 설치되는 배기 가스 정화 장치로서, 배기 가스 내의 미립자를 포집하는 금속제 트랩퍼와, 이 트랩퍼의 필터부에 포집된 미립자를 소각하는 전기 히터를 케이스 내에 수납하여 구성되고, 상기 전기 히터가 트랩퍼의 하류측에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 가스 정화 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 트랩퍼의 필터부를 금속 다공 부재로 형성한 것을 특징으로 하는 배기 가스 정화 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전기 히터를 면형 히터로 해서 트랩퍼 필터부의 출구측 표면에 대향시켜서 배치한 것을 특징으로 하는 배기 가스 정화 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 트랩퍼에 상류측과 하류측으로부터 교대로 내부로 들어가는 복수의 오목부를 형성하여 하류측으로부터 상류측을 향해 들어간 오목부의 한 곳에만 상기 전기 히터를 삽입한 것을 특징으로 하는 배기 가스 정화 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 오목부를 동심적으로 배치된 환상 오목부로 하고, 하류측으로부터 상류측을 향해 들어간 오목부 중 가장 외주의 오목부에 상기 전기 히터를 삽입한 것을 특징으로 하는 배기 가스 정화 장치.