KR20060103468A - 금속 파이버 층을 포함한 파티클 필터 - Google Patents

금속 파이버 층을 포함한 파티클 필터 Download PDF

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롤프 브뤼크
페터 히르쓰
토마스 하리그
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에미텍 게젤샤프트 퓌어 에미시온스테크놀로기 엠베하
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Abstract

본 발명은 파티클 필터(1)에 관한 것으로, 파티클 필터는 엔벌로프(2) 및 적어도 하나의 바디(3)로 이루어지며, 바디는 적어도 하나의 금속 파이버 층(4)을 포함하는데, 금속 파이버 층은 다수의 공간적으로 분리된 유동 경로(5)가 바디(3)를 통해 형성되는 방법으로 배열되고, 상기 유동 경로는 개별적으로 적어도 한 지점에서 유동 방해물(6)을 포함한다. 본 발명의 파티클 필터는 적어도 하나의 금속 파이버 층(4)이 400 내지 1200 줄/켈빈*제곱미터[J/Km2]의 표면 열 용량을 가지고, 본 발명은 특히 높은 파티클 저장 용량 및 재생 용량을 구비한 파티클 필터를 제공한다.

Description

금속 파이버 층을 포함한 파티클 필터 {PARTICLE FILTER COMPRISING A METALLIC FIBROUS LAYER}
본 발명은 케이싱 및 바디를 포함하는 파티클 필터에 관한 것으로, 바디는 적어도 하나의 금속 파이버 층으로 형성된다. 파이버 층은 유동 경로가 바디를 통해 형성되는 방식으로 바디에서 배열되고, 상기 유동 경로의 각각은 적어도 하나의 위치에서 유동 방해물을 갖는다.
기본적으로 예를 들어 자동차 내연 기관(스파크 점화 엔진, 디젤 엔진 등)의 배기 시스템에서 사용되는 파티클 필터의 경우에, "개방" 및 "폐쇄" 시스템 사이에서 구분이 만들어진다. "개방" 시스템은 일반적으로 유동 경로를 가지고, 이는 유용하게 만들어진 자유롭고 조용한 구역 및/또는 소용돌이 구역을 통해 유동될 수 있고, 이는 파티클이 벽을 향해 이동하도록 만들며 이 벽은 유동 경로와 인접한다. 동시에 이는 배기 가스에 위치한 파티클이 다른 파티클가 접촉하여 반응을 일으킬 가능성을 증가시키기 위한 의도이고, 이러한 반응은 유동 경로의 벽 또는 배기 가스 자체에 의해 이용가능하게 이루어지며, 이에 의해 파티클은 유해하지 않은 구성요소로 변환된다. 이러한 개방 시스템의 예는 독일 특허 제 201 17 873 U1 또는 국제 특허 제 03/038248 A1에 개시되어 있다.
"폐쇄" 시스템에 따른 파티클 필터는 일반적으로 교번적으로 폐쇄되는 유동 경로를 가지고, 이에 의해 배기 가스의 부분적인 유동이 적어도 한번 유동 경로의 벽을 통해 통과하게 된다. 이를 위해 유동 경로의 입구 또는 출구에 시일링(sealing) 요소 또는 유동 방해물이 위치한다고 공지되어 있고, 또한 유동 경로의 내부에 이러한 요소가 제공된다고 공지되어 있다. 예를 들면, 유동 경로의 벽은 다공성 물질로 형성되고, 이는 대부분 세라믹 종류이다.
"폐쇄" 시스템은 그 안에서 필터 재료가 금속 파이버 층을 형성한다고 또한 알려져 있다. 이러한 배열은 예를 들어 유럽 특허 제 0 764 455 B1에 개시되어 있다. 배기 가스로부터 그을음(soot) 파티클을 침전하기 위한 목적인 상기 언급된 문서에서 설명된 필터에는, 금속 파이버 층이 하우징에 장착되어 있고, 이는 배기 가스의 흐름이 오직 한번 후자를 통과하는 방법으로 장착되어 있다. 평면의 또는 웨이브-형태의 배열뿐만 아니라, 거기서 금속 파이버 층을 통한 유동은 거의 축방향의, 실린더의 또는 별-형태의 파이버 층의 배열이고, 거기서 유동 가스는 중심적으로 들어가고 대향하여 놓인 클로저 캡(closure cap)에 의해 금속 파이버 층을 통해 외부로 반경 방향으로 나가게 된다고 설명되어 있다.
특히 "폐쇄" 시스템에 따른 파티클 필터가 이용 가능하게 만들어졌을 때, 다공성 벽 또는 파이버 층으로 이루어진 벽이 파티클에 의해 막히게 될 위험이 있는데(특히 그을음 및 재와 같은 자동차의 배기 가스에서 다수의 고체에 대한 총괄적 개념으로서 일반적으로 항상 이해된다), 이는 화학적 변환에 대해 필요한 반응에서 파티(parties)가 충분한 정도로 이용 가능하게 만들어지지 않을 수 있다면 그러하 다. 이는 유동 경로의 벽이 증가하는 저항을 형성하는 결과를 낳는다. 이러한 결과로 램 압력(ram pressure)이 증가하고, 동시에 내연 기관의 파워가 감소한다. 이 때문에, 파티클 필터로부터 이 안에 위치한 파티클을 제거하는 것이 일반적으로 필요하고, 이는 보통 "재생(regeneration)"이란 용어로 언급된다.
다수의 열 처리는 재생을 수행한다고 알려져 있고, 온도의 증가는 배기 가스 또는 파티클 필터에서 선택적으로 일어나고, 예를 들어 섭씨 800도 이상의 온도가 되며 이 온도에서 파티클은 타거나 산화된다. 이러한 열 재생은 파티클 필터의 부분 그 자체이거나 또는 이에 연결된 특별한 가열 요소에 의해 시작될 수 있다. 그러나, 배기 가스 유동에서 유도된 가능한 촉매의 반응에 의한 사후-연소의 형태로 시작되는 것도 가능하다. 예를 들어 암모니아 또는 다른 일정량의 연료는 첨가제로서 첨가된다. 이러한 파티클 필터의 불연속적 열 재생뿐만 아니라, 연속적인 방법도 또한 공지되어 있다.
이러한 연속적인 방법은 소위 CRT(연속 재생 트랩) 시스템이라고 보통 언급된다. 이런 상황에서 배기 가스는 산화 촉매 컨버터를 통해 처음 주입되고, 이후 그을음 필터로 주입된다. 산화 촉매 컨버터는 배기 가스에 함유된 니트로젠 모노옥사이드(NO)를 니트로젠 다이옥사이드(NO2)로 변환시키는 기능을 가진다. 니트로젠 다이옥사이드의 비율을 증가시키면, 하류에 연결된 파티클 필터에서 산화 환원 반응이 일어나고, 카본(C)이 카본 다이옥사이드(CO2)로 산화되고, 니트로젠 다이옥사이드(NO2)는 순수 니트로젠(N2)를 형성하도록 환원된다는 장점을 얻을 수 있다. 결과적으로 파티클에 자주 함유된 특히 카본 모노옥사이드(CO) 및 롱-체인(long-chain) 하이드로카본(HC)은 섭씨 200도 및 섭씨 450도 사이의 온도 범위에서 거의 완전히 변환된다. 그러나 이러한 CRT 시스템에서 오직 사실상 황이 없는(surfur-free) 디젤 연료(황이 10ppm 미만인)가 사용되어야만 하고, 이에 의해 상기에서 설명된 산화 환원 시스템이 위험에 놓이는 것을 막을 수 있다. 배기 가스에 함유된 니트로젠 모노옥사이드 또는 거기로부터 형성된 니트로젠 다이옥사이드를 보충하기 위해, 산화 촉매 컨버터의 상류에 암모니아를 추가함으로써 추가적인 장점을 제공할 수 있다.
파티클 필터의 효력 또는 필터링 효과는, 필터 벽에 제공되는 표면 또는 포어(pore) 등에 의해 또한 설명된다. 이런 상황에서 파티클을 필터링하기 위해 가능한 큰 표면을 이용 가능할 수 있게 만드는 것이 항상 목적이다. 동시에, 파티클 ㅍ리터는 자동차 내연 기관의 배기 가스 시스템에서 높은 열적 및 동적 로드(load)를 견뎌야만 한다. 이 경우에서 특히 파티클 필터의 요소의 서로 다른 열 팽창 성질이 고려되어야만 한다. 또한, 파티클 필터를 재생하는 것이 가능해야만 하고, 이에 의해 오랫동안 이용하는 것이 보장된다.
이를 기초로 하여, 본 발명의 목적은 상기에서 언급된 목적을 충족시키는 파티클 필터를 상세히 설명하는 것이다. 또한, 상기 필터는 제일 큰 가능한 필터링 표면을 이용 가능하게 만들어야 하고, 상대적으로 자주 있는 재생을 견뎌야 한다. 또한, 설명된 파티클 필터는 파티클 필터의 내부의 온도에서 가능한 순간의, 구부적으로 제한된 그리고 크게 증가된 피크를 견딜 수 있어야 하고, 이는 반복된 재생에 대해 특히 긴 이용 수명을 보장한다.
이런 목적은 특허 청구범위 제1항의 특징에 따른 파티클 필터로 이루어진다. 추가적인 유리한 개량은 종속 청구항에서 명확하게 나타난다. 이러한 관점에서 설명된 특징은 서로 그리고 전체 묘사의 추가적인 설명과 함께 결합될 수 있으며, 이는 본 발명의 추가적인 유리한 개량을 이끌 수 있다.
본 발명에 따른 파티클 필터는 케이싱 및 적어도 하나의 바디로 이루어지고, 바디는 적어도 하나의 금속 파이버 층을 포함한다. 이러한 파이버 층은 다수의 공간적으로 분리된 유동 경로가 바디를 통해 형성되는 방식으로 배열되고, 상기 유동 경로의 각각은 적어도 한 위치에서 유동 방해물을 갖는다. 파티클 필터는 적어도 하나의 금속 파이버 층이 400 내지 1200 주울/켈빈*제곱미터[J/Km2]의 범위의 면적-관련(area-related) 열 용량을 갖는 것을 특징으로 한다.
금속 파이버 층은 여기서 내열성, 내식성 재료로 제조되는 것이 바람직하고, 특히 알루미늄 및 크롬을 일정량 포함하는 철 또는 강 기초의 파이버를 포함하는 것이 바람직하다. 일정량의 알루미늄 및 크롬뿐만 아니라 가능하다면 예를 들어 이트륨(yttrium)과 같은 회토류 원소(rare earths)의 일정량을 구비한 철 기초의 재료로 만들어진 파이버는 금속 파이버 층을 위한 재료이다. 알루미늄 함유량은 적어도 4.5퍼센트[%]인 것이 바람직하고, 특히 5.5% 이상이 바람직하다. 크롬 함유량은 18% 내지 21%의 범위가 바람직하다.
파이버는 패브릭(fabric), 짠 것이 아닌 것(nonwoven), 또는 탱글(tangle) 또는 다른 방법으로 형성되도록 정렬될 수 있다. 파이버 그 자체 사이의 연결은 내열성 또는 내식성 패션(fashion)으로 구체화되고, 특히 파이버는 서로 소결된다.
바디를 형성하기 위해, 적어도 하나 이상의 금속 파이버 층이 스테이플(stapled), 감기거나(wound), 덮여 씌어지거나(wrapped) 또는 다른 방법으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이 경우에서 오직 하나의 금속 파이버 층으로 바디를 형성하는 것이 가능하고, 또한 연결될 서로 간에 다르게 구체화되는 것이 가능한 금속 파이버 층의 다수가 일관성있는 파이버 스트립(strip)을 형성하는 것이 가능하고 및/또는 제공되는 이러한 파이버 층의 다수를 위해서 가능하다.
적어도 하나의 금속 파이버 층은 적어도 여기서 유동 경로를 인접하고, 이는 유동 경로의 적어도 하나의 벽 또는 하나의 벽 섹션을 구성한다. 유동 경로는 서로 거의 평행하게 배열되는 것이 바람직하고, 전체 길이에 걸쳐 특히 서로 분리되는 것이 바람직하다. 이 경우에서 분리는 반드시 가스가 인접한 유동 경로 사이에서 교환되는 것을 불가능하게 할 의도는 아니고, 유동 경로의 벌집 모양의 배열을 의도하기 위한 것이다.
이러한 유동 경로의 각각은 정확히 한 지점에 유동 방해물을 갖는 것이 바람직하다. 기본적으로 그 지점으로서 유동 경로의 입구 단면 또는 출구 단면을 선택하는 것이 제안된다. 대안적으로 이와 함께, 유동 경로의 내부에 유동 방해물을 제공하는 것이 유리하고, 이는 입구 단면 및 출구 단면 사이에 있다. 유동 방해물은 이것이 유동 경로 사이의 경계로서 파이버 층(필터 층을 형성한다)과 비교하여 유체의 흐름의 흐름에 대해 비교적 큰 저항을 제공하는 방법으로 배치되는 것이 바람직하다. 이는 도한 유동 방해물이 금속 파이버 층보다 더 큰 비부피 밀도(volume-specific density)로 구체화되는 것을 의미하고, 특히 가스에 불투과성인 방법으로 구체화되는 것을 의미한다.
다수의 셀이 이용 가능하게 만들어지는 적어도 하나의 금속 파이버 층으로부터 형성된 바디의 이러한 실시예와 함께, 파티클 필터의 재생은 일정한 환경 하에서 문제를 나타낸다. 시일 형성 방법은 그 방법으로 서로에 대해 놓여있는 파이버 층의 부분적인 영역 및 그 안에 가능하게 저장되어 있는 그을음의 양이 일정한 위치에 이르도록 하고, 그 위치에서 그을음이 재생 처리 동안 변환될 때 국부적으로 제한된 극단의 온도 피크가 일어날 수 있다. 이는 파이버 층의 구조가 파괴되도록 하고, 특히 파이버 층의 구성 요소가 녹고 및/또는 파이버 간의 연결이 파괴되도록 한다. 이러한 소위 핫 스팟(hot spots)에 의해 파이버 층의 구성요소가 분리되는 것을 막기 위해 그리고 파티클 필터의 다른 부분적 영역이 폐쇄되는 것을 가능한 막기 위해 또는 파티클 필터의 다운스트림에 배열된 배기 가스 처리 시스템의 구성요소가 파괴되는 것을 막기 위해, 본 발명에 따르면 적어도 하나의 금속 파이버 층이 약 400 내지 1200J/Km2 범위의 면적-관련 열 용량을 갖는 것이 제안된다. 적어도 하나의 금속 층은 750J/Km2 이상의 또는 1000J/Km2 이상의 면적-관련 열 용량을 갖는 것이 바람직하다. 다수의 셀 또는 유동 경로를 가진 이러한 파티클 필터에서 특히 전술한 면적 관련 열 용량의 공급이 제한되는 것은 명백하고, 금속 파이버 층(예를 들어 냉각시키기 어려운 파티클 필터의 내부 영역에서 또한)이 변동하고, 소위 핫 스팟이라고 불리며 자동차 내연 기관이 배기 시스템에서 일어나는 열 응력을 영구적으로 견디는 것은 명백하다.
파티클 필터의 추가적인 개량에 따르면, 파이버 층은 적어도 한 섹션에서 하기의 파라미터 중 적어도 하나를 갖는다:
a) 파이버 지름: 20μm 내지 90μm;
b) 파이버 공간: 5μm 내지 300μm;
c) 층 두께: 0.2mm 내지 1.5mm;
d) 단위 표면적 당 층 무게: 250g/m2 내지 2000g/m2;
e) 층 공극률(porosity): 30% 내지 90%;
f) 1m2의 층 표면 당 파이버 표면: 9m2 내지 15m2;
g) 개별적인 파이버 길이: 5μm 내지 100μm.
적어도 하나의 "섹션"과 관련하여, 이는 파이버 층의 전체 길이, 폭 또는 공간 익스텐트(spatial extent)를 형성하는 것이 바람직하나, 또한 후자가 예를 들어 파이버 층의 축 방향으로 및/또는 반경 방향으로 공간 익스텐트를 설명하는 것이 가능할 수도 있다. 일정한 환경하에서, 다수의 이러한 섹션을 포함하는 것은 파이버 층의 장점이고, 이 경우에 섹션은 각각의 경우에 동일한 방법으로 형성되어야만 하는 것은 아니고, 오히려 치수는 예를 들어 내연 기관의 배기 가스 시스템에서와 같은 조건에 따라 가변 가능한 방법으로 적용 가능하다.
"파이버 지름"은 파이버 층의 파이버의 평균적인 지름을 의미한다. 평균값은 개별적인 파이버의 모든 지름을 평균한 것으로부터 나오는 것이 아니라 파이버의 지름이 적어도 한 섹션에서 파이버 층의 모든 파이버에 대한 특징적인 값을 나타내는 것이 바람직하다. 파이버 지름은 40μm 내지 70μm(0.04 내지 0.07mm)의 범위인 것이 바람직하다.
"파이버 공간"은 파이버 층의 인접한 파이버 사이의 간격을 특히 의미하고, 이 경우에 서로로부터 가장 큰 간격이 여기서 현저하게 나타나는 것이다. 파이버 공간은 특히 파이버 층의 밀도 또는 가스에 대해 투과성을 나타내기 위한 파라미터를 구성한다. 이 파이버 공간은 20μm 내지 300μm(0.02 내지 0.3mm)의 범위에 있는 것이 바람직하다.
"층 두께"는 적어도 하나의 금속 파이버 층의 두께를 의미하는데, 특히 배기 가스의 통과 유동(throughflow) 방향의 두께를 의미한다. 층 두께는 0.3mm 내지 0.5mm가 바람직하다.
"단위 표면적 당 층 무게"는 단위 표면적 당 금속 파이버 층의 무게를 나타내고, 이는 750 내지 1500 그램/제곱 미터[g/m2]의 범위에 있는 것이 바람직하다.
층 공극률은 45% 내지 60%가 바람직하다.
"파이버 표면"은 이러한 관점에서 서로 개별적인 파이버에 의해 형성되는 표면을 구성한다. 이와 반대로, "층 표면"은 금속 파이버 층 그 자체의 표면(엔벌로프(envelope))를 의미한다.
"개별적인 파이버 길이"는 파이버의 길이로 이해되고, 이는 적어도 하나의 금속 파이버 층을 제조하는데 주로 사용된다. 개별적인 파이버 길이는 10μm 내지 30μm(0.01 내지 0.03mm)인 것이 바람직하다.
또한, 파티클 필터의 개량은 적어도 하나의 파이버 층이 하기의 파라미터 중 적어도 하나가 존재하는 방식으로 바디 내에 배열되는 것이 제안된다:
a) 층 비표면(specific layer surface): 0.15m2/l 내지 2.0m2/l;
b) 층 간격: 0.5mm 내지 10mm.
"층 비표면"은 일 리터[l]의 파티클 필터의 부피에 있는 층 표면으로서 이해될 수 있다. 이는 주어진 필터 부피에 대한 측정으로서 적당한 특징적 변수를 제공한다. 만일 매끄럽고 주름진 금속 파이버 층이 파티클 필터를 형성하는데 사용된다면, 서로 다른 영역이 바람직할 수 있다. 따라서, 예를 들어 만일 매끄러운 층이 금속 파이버 층으로 이루어진다면, 층 비표면은 0.15m2/l 내지 1.0m2/l이 바람직하다. 만일 주름진 층이 금속 파이버 층으로 구체화된다면, 층 비표면은 0.25m2/l 내지 1.0m2/l의 범위에 있다. 만일 주름진 층 및 매끄러운 층이 모두 금속 파이버 층으로 구체화된다면, 층 비표면은 0.4m2/l 내지 2.0m2/l 사이에 있는 것이 유리하다. 특히 디젤 엔진에서의 사용에 관해, 0.5m2/l 내지 0.9m2/l의 층 비표면을 갖는 파티클 필터가 제안된다.
"층 간격"은 서로에 대해 인접하여 배열된 파이버 층 또는 섹션 사이의 간격을 의미한다. 층 간격은 여기서 인접한 파이버 층 간의 가장 큰 간격의 영역에 존재하는 거리를 설명한다. 이 층 간격의 값은 이를 통해 가스 유동이 들어가거나 나가는 층 표면 사이에서 특히 측정될 수 있다. 또한, 이 값은 파티클 필터의 축 길이에 걸쳐 변할 수 있거나 또는 유동 경로의 길이데 걸쳐 변할 수 있다.
파티클 필터의 추가적인 개량에 따르면, 바디는 적어도 하나의 지지 구조물을 포함하고, 지지 구조물은 서로 다른 파이버 층 영역으로부터 공간적으로 떨어져 있으며, 파이버 층 영역은 서로에 대해 적어도 부분적으로 인접하여 배열된다. 따라서 지지 구조물은 적어도 부분적 영역에 걸쳐 서로에 대해 인접하여 배열된 파이버 층 영역이 다른 것 위에 직접 놓이는 것을 막는 기능을 충족한다. 특히, 이 지지 구조물은 셀 또는 유동 경로를 형성하는 것을 제공한다. 지지 구조물은 분리된 파이버 층 사이에 그리고 개별적인 파이버 층의 폴드(fold), 턴(turn), 또는 이와 유사한 것 사이에 배열될 수 있다. 지지 구조물은 메탈로부터 형성되는 것이 바람직하고, 형성된 유동 셀의 전체 길이에 걸쳐 확장한다. 차례로 지지 구조물을 위한 재료는 철/알루미늄/크롬을 포함하는 것이 바람직하고, 이는 파이버에 관해 상기에서 언급된 것과 같다.
이 경우에서, 적어도 하나의 지지 구조물이 하기의 구성요소를 개별적으로 또는 다수로 포함하는 것이 특히 바람직하다: 래티스(lattice), 시트 메탈(sheet metal), 와이어(wire), 확장된 메탈. 래티스는 와이어 패브릭, 와이어 메쉬(meshes), 탱글된 층 등의 다양한 배열을 의미하는 것으로 이해된다. 이는 개구, 통로 등을 구비하여 가스-투과성 방식으로 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 이러한 개구, 컷아웃(cutouts) 등에 추가의 필터 재료를 위치시키는 것이 가능하다. 특히 마지막으로 언급된 변수는 확장된 메탈로서 지지 구조물의 개량에 관계된다. 특히 시트 메탈 등의 구조적 피스(piece)가 필터 층 또는 파이버 층 사이에 위치하는 것이 가능하다. 시트 메탈의 피스는 가스 유동에 대해 침투성(impenetrable)인 것이 바람직하나, 필요하다면 또한 개구 또는 유동 방해면(baffle surface)을 포함할 수 있다. 특히 형상화된 와이어(shaped wire)가 특히 조직화되거나 또는 매끄러운 파이버 층 영역 사이에 배치되는 것이 가능하다. 이러한 와이어는 유동 경로의 입구 영역 또는 출구 영역에 위치하는 것이 바람직할 것이다. 또한 다수의 이러한 와이어는 와이어 묶음을 형성하기 위해 배열될 수 있고 파이버 층 영역 사이에 위치할 수 있다.
파티클 필터의 추가적인 개량에 따르면, 바디의 구성요소가 접합 기술에 의해 적어도 일정한 영역에서 서로 연결되거나 및/또는 케이싱에 연결된다. 특히 바디의 구성요소는 파이버 층 및 지지 구조물을 의미한다. 조인트-형태 연결은 하기의 영역에서 배열되는 것이 바람직하다: 두 파이버 층 사이의 파이버 층의 접촉 영역 및 지지 구조물에서 지지 구조물의 구조적 최대 지점 근처의 파티클 필터의 단부면(이 위에서 배기 가스가 채워넣어지고(impacted) 또는 이로부터 배기 가스가 떠난다). 이 경우에서 조인트-형태 연결은 확산 연결, 용접 연결 및/또는 납땜 연결로서 구체화되는 것이 바람직하다. 케이싱에 대한 구성요소의 연결에 관해 파이버 층의 모든 단부면 및/또는 지지 구조물은 상기의 관점에서 각각의 경우에 조인트-형태 연결을 형성한다.
또한, 적어도 하나의 유동 방해물은 적어도 하나의 지지 구조물의 부분으로 되는 것이 제안되고, 후자는 적어도 한 위치에서 적어도 하나의 유동 경로를 폐쇄한다. 이는 지지 구조물이 그 주위의 폴드를 갖고, 윙, 칼라(collar) 등을 형성하고, 따라서 적어도 하나의 인접한 금속 파이버 층에 대해 꼭 맞게 끼워진다. 유동 방해물은 이러한 목적을 위해 가스 밀봉(gas-tight) 방식으로 거의 구체화되는 것이 바람직하고, 이에 의해 가스 유동은 이를 통과할 수 없다(적어도 이런 상황 하에서 자동차의 배기 가스 시스템에서 일어나는 것과 같다). 이 경우에서, 지지 구조물은 시트 메탈의 피스로서 구체화되는 것이 바람직하고, 이는 인접한 금속 파이버 층의 에지 주위와 접촉한다.
추가적인 개량에 따르면, 적어도 하나의 유동 방해물이 적어도 하나의 파이버 층의 프로파일(profile)에 대해 적어도 부분적으로 꼭 맞게 끼워지는 형상을 가지고, 이 경우에 이것은 바디의 유입부 또는 유출부의 적어도 근처에서 유동 경로의 일부를 폐쇄한다. 이러한 경우에 유동 방해물은 분리된 구성요소로서 구체화되고 이것이 유동 경로의 적어도 일부를 폐쇄하는 방법으로 배열된다. 여기서 설명되는 파티클 필터의 실시예에서, 파이버 층은 층을 이루거나, 감싸지거나 또는 감겨진 방식으로 배열된다고 생각된다. 이는 이들의 단부면이 나선형, 선형, S-형상 또는 이와 유사한 프로파일이라는 것을 나타낸다. 파이버 층은 적어도 부분적으로 이들의 표면에 걸쳐 가까이 유동하는 유동 경로와 인접하기 때문에, 개별적인 파이버 층 근처에 위치한 유동 경로는 개별적인 유동 방해물로 폐쇄된다. 이런 목적을 위해 유동 방해물은 적어도 하나의 파이버 층의 프로파일을 실질적으로 따른다. "폐쇄" 시스템에 따른 파티클 필터가 여기서 설명되는 것이 바람직하기 때문에, 교번적인 부분 상에서 폐쇄되는 셀 또는 유동 경로는 다음과 같은 사실에 의해 일어나는데, 각각의 경우에 유동 방해물의 제 1 숫자가 유동 경로의 일정한 수를 차단하고, 유출부 상의 유동 방해물의 제 2 숫자는 남아있는 유동 경로를 폐쇄한다. 유동 방해물로서 와이어 또는 코드(cord)와 같은 거의 가스-밀봉인 배치가 바람직하다.
이 경우에서 적어도 하나의 유동 방해물이 파티클 필터를 재생하기 위한 장치를 포함하고 및/또는 하기의 파라미터 중 적어도 하나를 결정하는데 적절한 것이 특히 유리하다: 온도, 가스 유동의 구성요소. 여기서 설명된 파티클 필터의 실시예에서, 유동 방해물은 유동 경로를 폐쇄하는 기능 및 추가적인 기능을 갖는데, 특히 예를 들어 측정값의 결정 또는 파티클 필터의 재생의 개시가 있다. 파티클 필터의 재생과 관련하여, 유동 방해물은 예를 들어 히팅 와이어로서 구체화될 수 있고, 이 경우에 전류는 이를 통해 흐를 수 있고, 열 재생을 위해 필요한 열은 저항 히팅에 기초하여 파티클 필터에서 전달될 수 있다. 또한 유동 방해물 그 자체가 센서 또는 이와 유사한 것으로 형성될 수 있다. 이러한 경우에, 후자는 온도 측정 센서 또는 배기 가스 유동(예를 들어 산소, 니트로젠 옥사이드, 하이드로카본 등)의 가스 구성요소를 탐지하기 위한 센서로서 작용한다.
파티클 필터의 또 다른 실시예에 따르면, 바디는 대응하는 내연기관의 1.0리터[l] 큐빅 용량(cubic capacity) 당 0.5 내지 3.0리터[l] 범위에 있는 전체 부피를 갖는다. 이 상황에서 전체 부피는 금속 파이버 층, 지지 구조물, 유동 방해물 등과 유동 경로가 에워싸는 공간을 포함한 바디의 부피를 의미하는 것이다. 바디의 전체 부피는 바디의 유입부 및 유출부 그리고 케이싱의 내부면에 의해 경계가 이루어진다. 전체 부피의 바람직한 범위는 리터 큐빅 용량당 1.0 내지 1.5리터/1.5 이다. 큐빅 용량은 내연기관에서 이용 가능한 전체 연소 공간이고, 이는 내연 기관의 크기를 언급하는데 주로 사용된다.
또한, 바디는 다수의 셀을 갖고 있는 벌집 형태의 바디로서 구체화되고, 바디를 통한 단면적 당 셀 밀도는 100cpsi 내지 400cpsi의 범위로 제공되는 것이 제안된다. 이 지점에서 셀이 적어도 하나의 파이버 층의 표면에 의해 그리고 적당하다면 적어도 하나의 지지 구조물의 표면에 의해 경계지어 진다는 설명에 의해 한번 더 강조된다. 셀 밀도는 "cpsi"로 주어지고, 이는 "스퀘어 인치 당 셀(cell per square inch)"을 의미한다.
파티클 필터의 다른 개량에 따르면, 바디는 대향하는 유입부 및 유출부에서 서로 교번적으로 연결되는 다수의 파이버 층을 갖고, 이에 의해 유동 방해물 및 포켓(pocket)을 형성한다. 각각의 경우에 최소 높이 및 최대 높이를 구비한 지지 구조물은 파이버 층 사이에 제공되고, 후자는 인접한 포켓에서 교번 배향으로 배열된다. 이는 다시 표현하면 지지 구조물이 파이버 층 사이에서 확장되는 유동 경로를 형성하고, 이 경우에 최대 높이를 갖는 지지 구조물이 위치한 유동 경로는 최소 높이를 갖는 지지 구조물이 위치한 유동 경로에 인접하여 위치한다. 유동 방해물은 바디의 영역의 근처에 위치하는 것이 바람직하고, 이 경우에 지지 구조물은 최소 높이를 가지며, 따라서 인접한 파이버 층은 가능한 서로에 가까이 놓인다. 이러한 지지 구조물의 제공은 파티클 필터를 통한 가상의 단면을 골한다면, V-형상의 포켓의 형성을 이끌고, V-형상의 개구는 유입부 또는 유출부를 교번로 향한다. 파티클 필터의 이러한 구성은 여기서 발생되는 램 압력(ram pressure) 및 파이버 층과 지지 구조물의 간단한 조인트-형태 연결과 관련하여 특히 바람직하다. 개별적인 지지 구조물 뿐만 아니라 동일한 방법으로 배향되어 있는 (변화 가능한) 다수의 지지 구모물을 포함하는 그룹이 교번로 배열될 수 있다는 점 또한 주목된다.
또한, 바디가 한 축 방향으로 서로 다르거나 또는 결합된 기능을 구비한 세그먼트(segment)를 가질 것이 제안된다. 이러한 세그먼트는 파티클 필터의 부분적 영역을 구성하고, 이를 통해 배기 가스 유동이 연속적으로 유동될 수 있고, 각각의 경우에 배기 가스에 함유된 구성요소 상에 서로 다른 영향을 일으키기 위한 의도이다. 이러한 기능의 예는 재의 필터링, 그을음의 필터링, 산화, 히팅, 배기 가스 구성요소의 저장, 가스 유동의 탈수 등이다. 금속 파이버 층 및 지지 구조물 및/또는 유동 방해물은 이러한 세그먼트에서 이 기능에 맞춰질 수 있고, 특히 다른 세그먼트에서 이와 다른 파라미터를 이용할 수 있다. 예를 들어 유동 경로에 위치한 부분적인 가스 유동의 혼합이 일어나는 것이 바람직한 세그먼트가 이러한 파티클 필터에 제공되는 것이 가능하다. 이를 위해 가능하다면 부가적인 유동 방해물 및/또는 개구가 유동 경로의 벽에 제공될 수 있고, 이에 의해 부분적인 가스 유동의 혼합이 일어난다.
파티클 필터의 다른 개량에 따르면, 바디가 서로 정렬된 유동 방해물에 의해 한정된 적어도 하나의 내부 경계를 포함하는 것이 유리하다. 이와 대응하게, 각각의 경우에 전체 배기 가스 유동과의 접촉은 금속 파이버 층의 서로 다른 실시예에서 서로 다른 세그먼트에서 보장되는 것이 유리하다. 이를 위해 이러한 세그먼트가 단부에 놓여있는 다운스트림에서 유동 방해물에 의해 경계지어지도록 제공되는 것이 가능하고, 이는 이러한 세그먼트에서 파이버 필터를 통해 유동을 일으킨다. 유동 방해물은 지지 구조물의 부분 및/또는 금속 파이버 층의 부분인 것이 바람직하다. 특히 유동 방해물이 상기에서 언급된 세그먼트의 경계를 형성한다면, 이들이 한 평면에 실질적으로 배열되는 것이 유리하다.
파티클 필터의 다른 개량에 따르면, 바디는 적어도 하나의 칼라에 의해 이를 둘러싸는 케이싱에 연결된다. 다른 구성요소(재료의 관점에서, 재료의 두께 등)로 이루어진 파티클 필터의 경우에, 열 팽창 성질은 내연기관의 배기 가스 시스템에서 내구성과 관련하여 항상 중요한 역할을 한다. 또한, 파티클 필터는 재생 처리 동안 극도의 열 쇼크 로드(extreme thermal shock loading)를 받는다. 한편 상대적으로 얇은 벽을 구비한 채 이루어지는 것이 바람직한 지지 구조물이 존재하고, 약간 더 두꺼우나 밀도가 높지 않은 금속 파이버 층과 예를 들어 1mm 또는 그 이상의 두께를 가지고 이루어진 고체 케이싱이 있다. 모든 이런 구성요소는 서로 다른 열 용량을 형성하고, 이는 파티클 필터가 히팅되거나 냉각될 때 특히 서로 다른 팽창 성질을 나타낸다. 이럼에도 불구하고 구성요소의 조인트-형태 연결은 여기서 보장받기 때문에, 이는 조인트에서 상당한 열 응력을 이끌 수 있고, 이는 구성요소 사이에서 연결의 또는 구성요소의 파괴를 이끌 수 있다.
이를 피하기 위해 칼라가 바디 주위에 배열되는 것이 제안되고, 이는 일부에서 바디에 연결되고, 타부에서는 케이싱에 연결된다(매우 좁고, 벨트-형태의 영역). 이 칼라는 중심적으로 배열되는 것이 바람직하고 바디의 외부면의 오직 작은 영역에 걸쳐서 확장한다. 이는 바디가 그 주위의 면의 큰 부분에 걸쳐 케이싱에 영구적으로 연결되지 아니한다는 것을 의미하고 따라서 독립적으로 팽창하고 또는 수축할 수 있다. 결과적으로, 가장 큰 가능한 축방향 및 반경 방향 팽창의 자유가 바디에 보장된다. 칼라는 주변 방향으로 조직적인 설계를 가지고, 이에 의해 이런 방법으로 주변 방향으로 서로 다른 팽창을 또한 가능하게 한다. 이러한 칼라의 예는 국제 특허 제 03/008774 A1호에 특히 개시되어 있고, 이의 설명은 여기서 언급된 것을 보충하는데 사용될 수 있다. 이 경우에 칼라 또는 파티클 필터는 시일링 수단으로 유리하게 부가적으로 구체화되고, 이에 의해 배기 가스가 바디를 지나 유동하는 것을 막을 수 있다. 이러한 시일링 수단은 칼라의 부품일 수 있으나, 또한 다른 위치에 배열될 수 있는데 바디 및 케이싱 사이가 바람직하다.
또 다른 개량에 따르면, 바디는 적어도 부분적으로 코팅을 구비한 채 제공된다. 코팅은 기능에 따라 서로 다른 성질을 나타낼 수 있고, 파이버, 지지 구조물, 및/또는 파티클 필터의 추가 구성요소 상에 입혀질 수 있다. 이 경우에서, 예를 들어 플래티늄 옥사이드 코팅이 바람직하고, 40 내지 120 그램/리터[g/l] 워쉬코트(washcoat)가 제공되고, 귀금속 차지(charge)가 20 내지 100 그램/큐빅 피트(cubic foot)[g/Ft3]이다. 파티클 필터는 추가의 바람직한 코팅으로서 적어도 부분적인 영역에 니트로젠 옥사이드 흡수 코팅을 가지고, 이는 150 내지 300g/l 워쉬코트가 제공되며 20 내지 100g/Ft3의 귀금속 차지로 구체화된다.
파티클 필터의 또 다른 실시예에 따르면, 유동 방해물(limiter)이 바디의 유입부 및 유출부 근처에 배열되고, 각각의 경우에 지지 구조물이 다수의 파이버 층 사이에 제공되며, 적어도 하나의 파이버 층이 연결 섹션을 갖고 이에 의해 적어도 하나의 유동 방해물 및/또는 지지 구조물이 조인트-형태 연결을 형성하는 것이 제안된다. 이는 금속 파이버 층이 인접한 구성요소에 대한 용접 연결이 가능한 방법으로 배치되는 것을 특히 의미한다. 예를 들면 파이버 층의 공동(cavities)에 대한 충진재 및 금속 파이버 층에서 파이버의 특별한 압력은 이런 목적을 위해 적절하다. 이러한 연결 섹션의 압력은 예를 들어 부분적인 영역에서 파이버 층에 걸친 폴딩에 의해 그리고 이를 압축함에 의해 발생될 수 있다.
이 경우에서 연결 섹션은 서로 다른 영역과 서로 다른 파라미터를 갖는 파이버 층의 섹션이거나 또는 접합된 개별적인 구성요소인 것이 바람직하다. 이는 예를 들어 시작단계에서 언급했던 파라미터 중 하나(파이버 지름, 평균 파이버 공간, 층 두께, 단위 면적당 층 무게, 층 공극률, 개별적인 파이버 길이 등)가 파이버 재료가 납땜될 수 있게 만들어지는 방식으로 변경된다. 예를 들어 이러한 연결 영역은 추가적인 접합에 의해 형성되는 데, 예를 들어 시트 메탈 또는 이와 유사한 것의 섹션과 같은 특히 용접 가능한 개별적인 구성요소이다.
본 발명 및 기술 영역은 이제 더욱 자세히 도면과 함께 설명될 것이다.
도면들은 본 발명의 특별한 바람직한 실시예를 도시하는 것일 뿐 이에 의해 본 발명이 이들에 제한되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 파티클 필터의 실시예의 개략적인 사시도이다.
도 2는 지지 구조물 및 파이버 층의 상세한 사시도이다.
도 3은 추가적인 단면 상세도이고, 이 경우 지지 구조물 및 파이버 층 사이의 유동 경로는 투시적으로 도시된다.
도 4는 메탈 파이버 층의 추가적인 상세도이다.
도 5는 본 발명에 따른 파티클 필터의 추가적인 실시예를 통한 절반 단면도이다.
도 6은 유동 방해물의 실시예에서 지지 구조물 및 메탈 파이버 층의 배열의 추가적인 상세도이다.
도 7은 자동차 내연기관의 배기 가스 시스템의 개략도이다.
*참조 번호 리스트
1 파티클 필터 2 케이싱
3 바디 4 파이버 층
5 유동 경로 6 유동 방해물
7 섹션 8 파이버 지름(fiber diameter)
9 파이버 공간 10 층 두께
11 파이버 표면 12 층 표면
13 개별적인 파이버 길이 14 지지 구조물
15 그릴레(grille) 16 시트 메탈(sheet metal)
17 와이어 18 확장된 메탈
19 유입부 20 유출부
21 추가적 발전기 22 핫 와이어
23 측정 센서 24 전체 볼륨(overall volume)
25 피스톤-세트 볼륨 26 내연기관 엔진
27 벌집 모양의 바디 28 셀
29 단면적 30 포켓
31 최소 높이 32 최대 높이
33 축 34 세그먼트(segment)
35 경계 36 칼라(collar)
37 코팅 38 연결 섹션
39 개별적인 구성요소 40 평가 유닛
41 방해면 42 산화 촉매 컨버터
43 배기 가스 라인 44 3방향 촉매 컨버터
45 감는 지점 46 시일링 수단
47 메탈 시트의 단부 48 유동 방향
49 길이 50 폭
51 반경
도 1은 파티클 필터(1)의 제 1 실시예의 개략적인 사시도이고, 파티클 필터는 케이싱(2) 및 바디(3)를 포함한다. 바디(3)는 다수의 메탈 파이버 층(4)으로 형성되고 이는 두 개의 감는 지점(winding point, 45)을 주위로 S 형태로 감긴 채 배열된다. 바디(3)는 벌집 모양의 바디(27)로서 형성되고 다수의 셀(28)을 갖는다. 셀(28)은 바디(3)의 유입부(19)로부터 유출부(20)까지 거의 평행하게 연장된다. 여기서 유동 방향(48)은 화살표로 나타난다. 유입부(19)의 영역에서, 다수의 유동 방해물(6)이 도시되고 이는 메탈 파이버 층(4)의 S 형태 배열을 거의 따른다. 후자는 유입부(19) 상에서 셀(28)의 절반을 폐쇄하고 있고, 셀(28)의 다른 부분은 유동 방해물(6)에 의해 유출부(20) 상에서 또한 폐쇄되어 있다(미도시).
실린더 파이프로서 여기서 구체화되는 케이싱(2)은 양 측부(19, 20) 상에서 바디(3)를 넘어 돌출된다. 유입부(19) 근처에서 추가의 발전기(21)가 제공되고, 발전기는 예를 들어 암모니아 또는 하이드로카본(hydrocarbon) 함유 연료를 위해 스프레이 노즐로 구체화된다.
하우징 또는 케이싱(2)으로 벌집 모양의 바디(27)의 조인트-형태 연결은 바디(3)의 주변부 상에 제공된 칼라(collar, 36)에 의해 만들어진다. 칼라(36)는 주름진 스트립(strip)으로서 구체화되고 벌집 모양의 바디(27)의 길이(49)보다 더 작은 폭(50)을 갖는다. 칼라(36)는 일 단부에서 벌집 모양의 바디(27)의 시트 메탈으로 된 모든 단부(47)로 연결되고, 반대편 단부 상에서 케이싱(2)으로 연결된다. 이러한 방법으로 서로 다른 열 팽창 성질에 대한 보상 가능성이 반경(51) 방향으로 특히 제공된다.
도 2는 포켓(30)을 구비한 파티클 필터의 실시예의 배치를 도시하고, 포켓은 메탈 파이버 층(4) 사이의 지지 구조물(40)에 의해 형성된다. 반경(51) 방향으로 각각의 경우에 메탈 파이버 층(4) 및 지지 구조물(14)은 여기서 번갈아가면서(alternatively) 배열된다. 이 경우에 파이버 층(4)의 한 섹션(7) 및 지지 구조물(14)은 함께 주름진 시트 메탈의 피스(piece)로서 구체화되고 유동 경로(5)와 인접한다. 지지 구조물(14)은 일 단부의 측부에 상대적으로 큰 주름진 구조를 갖고, 반대편 단부의 측부에서는 이것이 매우 작은 크기를 갖는다. 지지 구조물(14)의 작은 크기의 주름 근처에 유동 경로(5)를 폐쇄하는 유동 방해물(6)이 또한 제공된다. 지지 구조물(14)은 서로 번갈아가면서 배열되고, 이에 의해 단면도에서 격층으로 된 메탈 파이버 층(4)은 서로 거의 평행하게 연장된다. 그러나, 이것은 반드시 이 경우가 되어야만 하는 것은 아니고, 이는 특히 인접 포켓(13)에 지지 구조물(14)이 동일한 방법으로 배치되지 아니한다면 그러하다. 예를 들면, 배기 가스 유동은 유동 경로(5) 또는 셀(28)을 통해 파티클 필터를 가진 내연 영역으로 안내되고, 유동 방해물(6) 또는 유동 방해물로 구체화된 와이어(17)에 의해 힘을 받으며, 이에 의해 반대편 단부의 측부 상에 나타나도록 적어도 한번 메탈 파이버 층(4)을 투과한다.
도 3은 메탈 파이버 층(4) 및 여기서 시트 메탈(16)의 피스로서 구체화되는 지지 구조물의 스택(stack)에 대한 추가적인 상세도를 도시한다. 도시된 파이버 층(4)은 약 1mm 미만의 층 두께를 가진다. 주름진 시트 메탈 층(16)은 차례로 파 이버 층(4) 사이에 배열되고 유동 경로(5)를 형성하며, 이는 배기 가스가 유동 방향(48)을 따라 흘러가도록 한다. 유동 방해물(6)은 부분적 가스 유동을 일으키고, 가스 유동은 유동 경로(5)로 들어가며 인접하여 배열된 파이버 층(4)을 통해 편향되고, 유동 방해물은 유동 경로(5)에 형성된다. 이러한 부분적 가스 유동은 인접 셀 또는 유동 경로(5)로 직접 흐르고 이러한 방법으로 유동 방향(48)으로 파티클 필터로부터 다시 방출될 수 있다. 유동 방해물(6)은 시트 메탈(16)의 피스의 돌기(protuberance) 또는 방해면(baffle face, 41)으로서 형성된다. 몇몇 셀을 폐쇄하기 위해, 파이버 층(4)은 연결 섹션(38)을 갖고, 연결 섹션은 위에서 도시된 변형에서는 압축된 파이버 층(4)으로서 구체화되고, 아래에서 구체화된 변형에서는 개별적인 구성요소(39)(예를 들어 시트-메탈 호일의 피스)로서 구체화된다. 차례로 여기서 분리 구성요소인 유동 방해물(6), 예를 들어 시일링 코오드(sealing cord)는 인접한 연결 섹션(38) 사이에 형성된다.
도 4는 도 3의 메탈 파이버 층(4)의 부분적 영역을 상세하게 도시한 것이다. 상기에서 언급된 한 쌍의 파라미터는 이로부터 식별될 수 있고, 이에 의해 파이버 층(4), 특히 파이버 지름(8), 파이버 공간(9), 파이버 표면(11), 층 표면(12) 및 개별적인 파이버 길이(13)를 묘사한다. 파이버 사이의 공간은 에어 및/또는 부분적으로 추가적인 물질로 채워질 수 있다. 이러한 추가적 물질은 예를 들어 코팅물을 포함한다.
도 5는 본 발명에 따른 파티클 필터(1)의 추가의 실시예를 반단면으로 도시한다. 바디(3)는 다수의 메탈 파이버 층(4)을 갖고, 이는 유동 방해물(6) 또는 히 팅 와이어(22) 및 와이어(17)에 의해 유출부(20) 및 대향하는 유입부(19) 상에서 번갈아가며 폐쇄된다. 이러한 경우에 시일링 와이어(17)는 히팅 와이어(22)로서 열 재생을 생성하기 위해 설계될 뿐만 아니라, 또한 재생을 시작하기 위한 추가적인 히팅 와이어(22)가 바디(3)의 주변 상에 케이싱(2) 및 바디(3) 사이에 위치한다. 파이버 층은 유동 방해물(6)과 함께 유동 경로를 형성하고, 이는 포켓(30)으로서 실질적으로 구체화된다. 각각의 경우에 지지 구조물(14)은 최소 높이(31) 및 최대 높이(32)를 갖고, 인접 포켓(30)에 번갈아 가는 방식으로 배열되어 이러한 포켓(30)에 제공된다. 지지 구조물은 여기서 그릴레(grille, 15) 또는 확장된 메탈(18)의 피스로서 구체화된다.
바디(3)는 축(33) 방향으로 세그먼트(segment, 34)를 갖고, 이는 위로 탑재되고 예를 들어 산화시키는 효과를 갖는 코팅(37)을 구비한 채 제공된다. 흐르는 배기 가스 유동이 적어도 한번 코팅된 파이버 층(4)을 투과하도록 하기 위해, 바디(3)는 내부 경계(35)를 갖고 이는 지지 구조물(14)에서 구성된 유동 방해물(6)에 의해 형성된다.
또한, 파티클 필터(1)는 파티클 필터(1)의 기능을 모니터하는 측정 센서(23)를 구비한 채 구체화된다. 측정 센서(34)에서 얻은 정보는 예를 들어 재생을 시작시킬 수 있는 평가 유닛(40)으로 전달될 수 있다.
도 6은 파티클 필터(1)의 유입부 또는 유출부 가까이의 유동 방해물(6)의 실시예를 자세히 도시한다. 이를 위해 메탈 파이버 층(4)은 지지 구조물(14)보다 길게 만들어지고, 이에 의해 이는 지지 구조물(14)을 넘어 돌출하고 서로 접촉한다. 이러한 연결 섹션(38)에서 파이버 층(4)은 이것이 서로 조인트 같은 연결을 보장하는 방식으로 배치된다. 서로에 인접하여 배열된 두 파이버 층(4)은 롤 시임 용접(roll seam welding) 방법에 의해 서로 연결되고 유동 방해물(6)을 형성하는 것이 스케치로 도시된다.
도 7은 내연 기관, 특히 승용차의 디젤 엔진의 배기 가스 시스템의 구조를 개략적으로 도시한다. 내연 기관 엔진(26)은 피스톤-세트 볼륨(25)에 의해 특징될 수 있다. 피스톤-세트 볼륨(25)에서 생성되는 배기 가스는 유동 방향(48)으로 배기 가스 라인(43)을 통해 주위로 흐른다. 배기 가스에 함유된 유해한 물질을 변경시키기 위해 배기 가스는 산화 촉매 컨버터(42)로 주입되고, 이후 피스톤-세트 볼륨(25)에 적합한 전체 볼륨(24)을 가진 본 발명에 따른 파티클 필터(1)로 주입되며, 마지막으로 3방향 촉매 컨버터(44)로 주입된다. 결과적으로 예를 들어 파티클 필터(1)의 연속적인 재생을 수행하는 것이 가능할 수 있다.
여기서 설명된 파티클 필터는 시작 단계에서 언급된 기술적 문제 및 요구에 대한 유리한 해결법이 될 수 있다. 메탈 파이버 층을 사용함에 의해 파티클 필터를 다음과 같은 방법으로 제조하는 것이 가능한데, 이는 사용 목적에 쉽게 적합하게 하고, 또한 매우 자주 재생이 소위 핫 스팟(hot spot)이 종종 만들어지는 동안 일어나더라도 메탈 파이버 층의 주어진 열 전도성 및 활용 가능하게 만들어진 특정한 열 용량이 자동차의 배기 가스 시스템에서 영구적인 사용을 가능하게 하는 방식이다.

Claims (18)

  1. 하나 이상의 금속 파이버 층(metallic fiber layer, 4)을 포함하는 하나 이상의 바디(3) 및 케이싱(casing, 2)으로 이루어진 파티클 필터(particle filter, 1)로서,
    상기 하나 이상의 금속 파이버 층은, 다수의 공간적으로 분리된 유동 경로(5)가 상기 바디(3)를 통해 형성되는 방식으로 배열되고, 상기 유동 경로(5)의 각각은 하나 이상의 위치 이상에서 유동 방해물(6)을 가지며, 상기 하나 이상의 금속 파이버 층(4)이 400 내지 1200 주울/켈빈*제곱미터[J/Km2]의 범위의 면적-관련(area-related) 열 용량을 갖는 것을 특징으로 하는,
    파티클 필터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 파이버 층(4)이 하나 이상의 섹션(7)에서 하기 파라미터 중 하나 이상을 갖는 것을 특징으로 하는,
    a) 파이버 지름(8): 20μm 내지 90μm;
    b) 파이버 공간(9): 5μm 내지 300μm;
    c) 층 두께(10): 0.2mm 내지 1.5mm;
    d) 단위 표면적 당 층 무게: 250g/m2 내지 2000g/m2;
    e) 층 공극률(porosity): 30% 내지 90%;
    f) 1m2의 층 표면(12) 당 파이버 표면(11): 9m2 내지 15m2;
    g) 개별적인 파이버 길이(13): 5μm 내지 100μm,
    파티클 필터.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 파이버 층(4)이 하기의 파라미터 중 하나 이상이 존재하는 방식으로 상기 바디(3) 내에 배열되는 것을 특징으로 하는,
    a) 층 비표면(specific layer surface, 12): 0.15m2/l 내지 2.0m2/l;
    b) 층 간격(39): 0.5mm 내지 10mm,
    파티클 필터.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바디(3)가 서로 파이버 층 영역으로부터 공간적으로 떨어져 있는 하나 이상의 지지 구조물(14)을 포함하고, 상기 파이버 층 영역이 서로에 대해 부분적으로 또는 전체적으로 인접하여 배열되는 것을 특징으로 하는,
    파티클 필터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 지지 구조물(14)이 하기의 구성 요소 중 하나 이상을 개별적으로 또는 다수로(multiply) 포함하는 것을 특징으로 하는,
    - 래티스(lattice, 15),
    - 시트 메탈(16),
    - 와이어(17),
    - 확장된 메탈(18),
    파티클 필터.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바디(3)의 구성요소가 접합 기술에 의해 일부 또는 전체 영역에서 서로 연결되거나 및/또는 상기 케이싱(2)에 연결되는 것을 특징으로 하는,
    파티클 필터.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 유동 방해물(6)이 상기 하나 이상의 지지 구조물(14)의 일부이고, 상기 하나 이상의 지지 구조물이 하나 이상의 위치에서 하나 이상의 유동 경로(5)를 폐쇄하는 것을 특징으로 하는,
    파티클 필터.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 유동 방해물(6)이 상기 하나 이상의 파이버 층(4)의 프로파일(profile)에 대해 부분적으로 또는 전체적으로 꼭 맞게(snugly) 끼워지고, 상기 바디(3)의 유입부(19) 또는 유출부(20)의 적어도 근처에서 상기 유동 경로(5)의 일부를 폐쇄하는 것을 특징으로 하는,
    파티클 필터.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 유동 방해물(6)이 상기 파티클 필터를 재생하기 위한 장치(21, 22; 23)를 포함하고 및/또는 상기 가스 유동의 구성요소, 온도 중 하나 이상을 결정하도록 이루어진 것을 특징으로 하는,
    파티클 필터.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바디(3)가, 대응하는 내연기관(26)의 1.0 리터의 큐빅 용량(cubic capacity, 25) 당 0.5 내지 3.0 리터의 범위에 있는 전체 부피(24)를 갖는 것을 특징으로 하는,
    파티클 필터.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바디(3)가 다수의 셀(28)을 갖는 벌집 모양의 바디(27)로 이루어지고, 상기 바디(3)를 통한 단면적(29) 당 셀 밀도가 100cpsi 내지 400cpsi의 범위인 것을 특징으로 하는,
    파티클 필터.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바디(3)가 대향하는 유입부(19) 및 유출부(20)에서 서로 교번적으로 연결되는 다수의 파이버 층(4)을 갖고, 이에 의해 유동 방해물(6) 및 포켓(30)을 형성하며, 각각의 경우에 최소 높이(31) 및 최대 높이(32)를 구비한 지지 구조물(14)이 상기 파이버 층(4) 사이에 제공되고, 상기 파이버 층은 인접한 포켓(30)에서 교번적인 배향으로(in an alternating orientation) 배열되는 것을 특징으로 하는,
    파티클 필터.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바디(3)가 한 축선(33) 방향으로 서로 다르거나 또는 결합된 기능을 구비한 세그먼트(34)를 갖는 것을 특징으로 하는,
    파티클 필터.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바디(3)가 하나 이상의 내부 경계(35)를 포함하고, 상기 내부 경계는 서로 정렬된 유동 방해물(6)에 의해 한정되는 것을 특징으로 하는,
    파티클 필터.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바디(3)가, 하나 이상의 칼라(collar, 36)에 의해 이를 둘러싸는 상기 케이싱(2)에 연결되는 것을 특징으로 하는,
    파티클 필터.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바디(3)가 부분적으로 또는 전체적으로 코팅(37)을 구비한 채 제공되는 것을 특징으로 하는,
    파티클 필터.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    유동 방해물(6)이 상기 바디(3)의 유입부(19) 또는 유출부(20) 근처에 배열되고 지지 구조물(14)이 다수의 파이버 층(4) 사이에 제공되며, 하나 이상의 파이버 층(4)이 연결 섹션(38)을 갖고 이에 의해 하나 이상의 유동 방해물(6) 및/또는 지지 구조물(14)에 조인트 형태의 연결을 형성하는 것을 특징으로 하는,
    파티클 필터.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 연결 섹션(38)이 다른 영역과 서로 다른 파라미터를 갖는 상기 파이버 층(4)의 섹션이거나 또는 접합된 개별적인 구성요소(39)인 것을 특징으로 하는,
    파티클 필터.
KR1020067016084A 2004-01-09 2004-12-23 금속 파이버 층을 포함한 파티클 필터 KR20060103468A (ko)

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