KR20180112293A - 디젤 매연 필터 - Google Patents

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KR20180112293A
KR20180112293A KR1020170042998A KR20170042998A KR20180112293A KR 20180112293 A KR20180112293 A KR 20180112293A KR 1020170042998 A KR1020170042998 A KR 1020170042998A KR 20170042998 A KR20170042998 A KR 20170042998A KR 20180112293 A KR20180112293 A KR 20180112293A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 디젤 매연 필터는, 배기가스의 유입구 및 유출구를 구비하는 쉘, 및 상기 쉘 내부에 구비되며, 배기가스에 포함된 입자상 물질을 여과하는 필터 본체를 포함하고, 상기 필터 본체는, 배기가스가 유입 또는 유출되는 적어도 하나의 채널과, 상기 채널 사이에 배치되며, 배기가스의 흐름을 따라 길이 방향으로 연장된 적어도 하나의 다공성 월, 및 상기 채널의 전단 또는 후단을 선택적으로 밀폐하여 상기 채널의 후단이 밀폐된 유입채널과 상기 채널의 전단이 밀폐된 유출채널로 구별되도록 하는 적어도 하나의 플러그를 포함하되, 상기 필터 본체의 가장자리 부위에 위치하는 채널은 유출채널이다.

Description

디젤 매연 필터{DIESEL PARTICUALTE MATTER FILTER}
본 발명은 디젤 매연 필터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 필터 외곽부의 플러그 형상이 변경된 구조를 갖는 디젤 매연 필터에 관한 것이다.
디젤 매연 필터(Diesel Particulate matter Filter, DPF)는 디젤 내연 기관의 배기가스에 포함된 입자상 물질(Particulate Matter; PM), 즉 매연을 필터링하여 태우는 장치로, 배기가스 흐름 방향으로 여러 개의 채널들이 형성되고, 채널들의 입구 또는 출구에 폐쇄된 부분이 적어도 하나 존재하거나 또는 교대로 배치되는 구조를 갖는다.
2006년 EURO-4 배기규제 발효 이후, 대부분의 디젤 차량에 디젤 매연 필터가 장착되기 시작했다. DPF는 입자상 물질이 포집되면 일정 주기로 이를 제거하는 과정을 거치는데, 이러한 과정을 재생(regeneration) 과정이라 하며, 이를 통해 반영구적으로 사용 가능하다.
필터의 재생 효율을 높이기 위해서는 재생 후 잔류 매연량을 최소화할 필요가 있다. 필터에 퇴적된 매연의 재생 과정은 매연의 주성분인 탄소(C)와 산소(O2)의 산화 반응에 의해서 진행되기 때문에 반응에 필요한 온도와 산소의 공급이 필요하다. 재생 시점에는 내연기관에서 엔진의 제어를 통해 재생에 필요한 분위기를 만들어준다.
도 6은 기존의 디젤 매연 필터를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 디젤 매연 필터는 매연 여과 필터를 감싸고 있는 금속 재질의 쉘(1)과, 필터 본체(2)와, 필터 본체(2)와 쉘(1)을 완충하고 잡아주기 위한 고정부재(3)와, 필터 본체(2)의 밀림을 방지하고 쉘(1)과의 직접 접촉에 의한 충격을 보완하기 위한 완충부재(4)와, 배기가스가 유입 또는 유출되는 채널들(5, 6, 7, 8)을 구비한다. 그런데, 재생을 위해 엔진의 배기가스 온도 승온시에 필터 내부의 온도를 확인해 보면, 도 7에 도시된 바와 같이, 필터 본체의 외곽 쪽으로 급격한 온도 저하가 나타나는 영역이 존재함을 확인할 수 있다. 또한, 도 8에 도시한 바와 같이, 필터 내부에 온도 센서를 설치하고, 그 위치의 온도 분포를 확인한 결과, 필터 외곽부에 온도가 낮게 나타나는 영역이 존재하며, 이러한 영역에 퇴적된 매연 입자로 인하여 필터의 재생 효율이 저하된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 필터의 형상을 변경하여 필터 재생에 필요한 온도가 확보된 영역으로 입자상 물질이 퇴적되도록 유도할 수 있는 구조를 갖는 디젤 매연 필터 구조를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 디젤 매연 필터는, 배기가스의 유입구 및 유출구를 구비하는 쉘, 및 상기 쉘 내부에 구비되며, 배기가스에 포함된 입자상 물질을 여과하는 필터 본체를 포함하고, 상기 필터 본체는, 배기가스가 유입 또는 유출되는 적어도 하나의 채널과, 상기 채널 사이에 배치되며, 배기가스의 흐름을 따라 길이 방향으로 연장된 적어도 하나의 다공성 월, 및 상기 채널의 전단 또는 후단을 선택적으로 밀폐하여 상기 채널의 후단이 밀폐된 유입채널과 상기 채널의 전단이 밀폐된 유출채널로 구별되도록 하는 적어도 하나의 플러그를 포함하되, 상기 필터 본체의 가장자리 부위에 위치하는 채널은 유출채널이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 디젤 매연 필터는, 상기 쉘 및 상기 필터 본체 사이에 구비되며, 상기 필터 본체를 상기 쉘에 탄성적으로 고정하는 고정부재를 더 포함할 수 있다.
상기 고정부재는 세라믹 파이버 매트를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 디젤 매연 필터는, 상기 쉘과 상기 필터 본체의 최외곽 채널의 후단 사이에 구비되며, 상기 필터 본체와 쉘의 밀림을 방지하도록 구비되는 완충부재를 더 포함할 수 있다.
상기 완충부재는 와이어 메쉬 재질로 형성될 수 있다.
상기 플러그는, 상기 필터 본체의 단면상 온도 분포를 고려하여 선택적으로 채널을 밀폐하도록 구비될 수 있다.
상기 플러그는, 상기 필터 본체의 단면상 온도 분포가 재생 가능 최소 온도보다 작은 영역의 채널 전단을 밀폐하도록 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 디젤 매연 필터는, 상기 플러그와 연결되고, 상기 채널의 내부에 구비되는 지지체를 더 포함할 수 있다.
상기 채널의 내벽 또는 상기 지지체에는 촉매가 코팅될 수 있다.
상기 채널의 내벽 또는 상기 지지체에는 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst, DOC), 질소산화물 흡장 촉매(Lean NOx Trap, LNT) 또는 선택적 환원 촉매(Selective Catalytic Reduction, SCR) 중 적어도 하나가 코팅될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 필터 재생에 필요한 온도가 확보된 영역으로 입자상 물질이 퇴적되도록 유도할 수 있는 채널 구조를 제공함으로써, 재생 효율이 증대될 수 있다.
또한, 전체 재생 시간 단축 효과로 인하여 연비가 개선되고 엔진 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 필터 외곽부에 지속적으로 퇴적되는 입자상 물질의 비정상 재생으로 인한 필터 파손 발생 가능성을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 재생전 디젤 매연 필터를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 재생후 디젤 매연 필터를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1의 'A' 부분의 디젤 매연 필터의 배기가스 흐름을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤 매연 필터의 일부 유입 채널과 유출 채널을 개략적으로 도시한 정면도이다.
도 5는 기존의 디젤 매연 필터 정면과 본 발명의 여러 실시예에 따른 디젤 매연 필터 정면을 도시한 도면이다.
도 6은 기존의 디젤 매연 필터를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 엔진의 배기가스 온도 승온시에 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤 매연 필터의 단면상 내부 온도 분포를 나타낸 도면이다.
도 8은 엔진의 배기가스 온도 승온시에 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤 매연 필터의 평면상 내부 온도 분포를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 일 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예들에서는 일 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며, 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고, 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다. 어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수도 있다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 한 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤 매연 필터에 관하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 재생전 디젤 매연 필터를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 재생후 디젤 매연 필터를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 3은 도 1의 'A' 부분의 디젤 매연 필터의 배기가스 흐름을 개략적으로 도시한 단면도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤 매연 필터의 일부 유입 채널과 유출 채널을 개략적으로 도시한 정면도이다.
이 때, 디젤 매연 필터는 본 발명의 일 실시예에 따른 설명을 위해 필요한 개략적인 구성만을 도시할 뿐 이러한 구성에 국한되는 것은 아니다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤 매연 필터(100)는, 쉘(10) 및 필터 본체(20)를 포함한다.
쉘(10)은 배기가스의 유입구 및 유출구를 구비한다. 엔진의 배기가스 후단에는 질소산화물 흡장촉매(LNT) 또는 디젤산화촉매(DOC)와 같은 촉매 장치가 구비될 수 있고, 촉매 장치 후단에 배기파이프를 통해 디젤 매연 필터(100)의 유입구가 연결된다.
엔진은 희박 연소를 제공하는 내연기관으로 디젤차량의 디젤엔진을 포함한다. 엔진은 공기와 연료의 일정한 혼합비로 연소시켜 동력을 발생시킬 수 있다.
쉘(10) 내부에는 유입구로부터 유입된 배기가스에 포함된 입자상 물질(PM)을 여과하는 필터 본체(20)가 구비된다. 필터 본체(20)는 배기가스가 유입 또는 유출되는 적어도 하나의 채널(22)과, 채널(22) 사이에 배치되는 적어도 하나의 다공성 월(24), 및 채널(22)의 전단 또는 후단을 밀폐하는 적어도 하나의 플러그(26)를 포함할 수 있다.
플러그(26)는 채널(22)의 전단 또는 후단을 선택적으로 밀폐하여 채널(22)의 후단이 밀폐된 유입채널과, 채널(22)의 전단이 밀폐된 유출채널로 구별한다. 다공성 월(24)은 유입채널과 유출채널 사이에 배치되어 경계를 정의한다.
다공성 월(24)은 월 내부에 적어도 하나 이상의 세공(micropore)이 형성되어 있다. 다공성 월(24)은 이웃하는 유입채널과 유출채널을 유체적으로 연통한다. 따라서, 유입채널로 유입된 배기가스는 다공성 월(24)을 통하여 유출채널로 이동할 수 있다. 또한, 다공성 월(24)은 배기가스에 포함된 입자상 물질(PM)은 통과시키지 않는다. 배기가스가 다공성 월(24)을 통하여 유입채널에서 유출채널로 이동할 때, 배기가스에 포함된 입자상 물질(PM)은 다공성 월(24)에 의하여 걸러진다. 도 1에 도시된 바와 같이, 디젤 매연 필터(100) 재생전 배기가스에 포함된 입자상 물질(PM)은 유입채널에 퇴적되게 되고, 도 2에 도시된 바와 같이, 퇴적된 입자상 물질(PM)은 재생 과정 동안 산화 반응에 의해 제거된다.
다공성 월(24)은 알루미늄 티타네이트(aluminum titanate), 코디어라이트(codierite), 실리콘 카바이드(silicon carbide) 등에 의하여 제작될 수 있다.
한편, 디젤 매연 필터(100)는 필터 본체(20)를 쉘(10)에 탄성적으로 고정하는 고정부재(30)를 더 포함할 수 있다. 고정부재(30)는 쉘(10) 및 필터 본체(20) 사이에 필터 본체(20)의 둘레를 따라 구비될 수 있으며, 세라믹 파이버 매트를 포함할 수 있다.
또한, 디젤 매연 필터(100)는 필터 본체(20)와 쉘(10)의 밀림을 방지하도록 구비된 완충부재(40)를 더 포함할 수 있다. 완충부재(40)는 쉘(10)과 필터 본체(20)의 최외곽 채널의 후단에 구비될 수 있고, 와이어 매쉬 재질로 형성될 수 있다.
한편, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 채널(22) 내부에는 플러그(26)와 연결되고 채널(22)이 연장되는 방향에 평행하게 구비되는 적어도 하나의 지지체(28)를 포함할 수 있다. 지지체(28)는 유입채널에만 배치될 수도 있고 유출채널에만 배치될 수도 있다. 또한, 지지체(28)는 유입채널 및/또는 유출채널이 연장되는 방향에 수직 또는 비스듬하게 연장될 수 있다. 지지체(28)는 유입채널 및/또는 유출채널이 연장되는 방향에 수직 또는 비스듬하게 연장되는 경우, 지지체(28)의 양단 중 적어도 하나는 다공성 월(24)에 접촉하지 않을 수 있다
한편, 지지체(28)는 필터의 역할을 수행하기 위하여 구비되는 것이 아니라 촉매를 잡아 두기 위하여 구비되는 것이므로, 반드시 다공성 재질로 제작될 필요가 없다. 즉, 지지체(28)는 다공성 월(24)과 동일한 재질로 제작되거나 다른 재질로 제작될 수 있다. 지지체(28)가 다공성 재질로 제작된다고 하더라도, 지지체(28)에 의하여 구획되는 채널(22)의 두 부분 사이에는 압력 차이가 거의 없으므로, 배기가스는 거의 지지체(28)를 통과하지 않고 지지체(28)와 월(24)을 따라 이동하게 된다. 또한, 지지체(28)는 필터의 역할을 수행할 필요가 없으므로, 지지체(28)를 두껍게 형성할 필요가 없다. 즉, 지지체(28)의 두께는 월(24)의 두께보다 얇게 형성할 수 있으며, 이는 배압의 증가를 최소화하게 된다.
한편, 채널(22)의 내벽 즉, 다공성 월(24) 및 지지체(28)에는 촉매가 코팅될 수 있다. 촉매는 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst, DOC), 질소산화물 흡장 촉매(Lean NOx Trap, LNT) 또는 선택적 환원 촉매(Selective Catalytic Reduction, SCR) 중 적어도 하나일 수 있다.
도 5는 기존의 디젤 매연 필터 정면과 본 발명의 여러 실시예에 따른 디젤 매연 필터 정면을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 플러그(26)는 필터 본체(20)의 단면상 온도 분포를 고려하여 선택적으로 채널(22)을 밀폐하도록 구비될 수 있다. 기존의 디젤 매연 필터의 가장자리는 유입채널로 형성되어 있으나, 본 발명의 실시예에 따른 디젤 매연 필터(100)의 가장자리는 3개의 채널(22)이 플러그(26)로 밀폐되도록 형성할 수 있고, 6개의 채널(22)이 플러그(26)로 밀폐되도록 형성할 수 있다. 도 7에 도시된 필터 내부 위치의 재생에 필요한 최소 온도보다 작은 영역의 채널(22) 전단을 밀폐하도록 플러그(26)가 구비될 수 있다.
이러한 구조에 의해, 재생에 필요한 최소 온도보다 작은 영역의 채널(22)을 유출채널로 형성함으로써, 채널(22)에 입자상 물질(PM)이 퇴적되지 않도록 할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 필터 재생에 필요한 온도가 확보된 영역으로 입자상 물질이 퇴적되도록 유도할 수 있는 채널 구조를 제공함으로써, 재생 효율이 증대될 수 있다.
또한, 전체 재생 시간 단축 효과로 인하여 연비가 개선되고 엔진 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 필터 외곽부에 지속적으로 퇴적되는 입자상 물질의 비정상 재생으로 인한 필터 파손 발생 가능성을 최소화할 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
100: 디젤 매연 필터 10: 쉘
20: 필터 본체 22: 채널
24: 다공성 월 26: 플러그
28: 지지체 30: 고정부재
40: 완충부재 PM: 입자상 물질

Claims (10)

  1. 배기가스의 유입구 및 유출구를 구비하는 쉘; 및
    상기 쉘 내부에 구비되며, 배기가스에 포함된 입자상 물질을 여과하는 필터 본체를 포함하고,
    상기 필터 본체는,
    배기가스가 유입 또는 유출되는 적어도 하나의 채널과,
    상기 채널 사이에 배치되며, 배기가스의 흐름을 따라 길이 방향으로 연장된 적어도 하나의 다공성 월, 및
    상기 채널의 전단 또는 후단을 선택적으로 밀폐하여 상기 채널의 후단이 밀폐된 유입채널과 상기 채널의 전단이 밀폐된 유출채널로 구별되도록 하는 적어도 하나의 플러그를 포함하되,
    상기 필터 본체의 가장자리 부위에 위치하는 채널은 유출채널인 디젤 매연 필터.
  2. 제 1 항에서,
    상기 쉘 및 상기 필터 본체 사이에 구비되며,
    상기 필터 본체를 상기 쉘에 탄성적으로 고정하는 고정부재를 더 포함하는 디젤 매연 필터.
  3. 제 2 항에서,
    상기 고정부재는 세라믹 파이버 매트를 포함하는 디젤 매연 필터.
  4. 제 1 항에서,
    상기 쉘과 상기 필터 본체의 최외곽 채널의 후단 사이에 구비되며,
    상기 필터 본체와 쉘의 밀림을 방지하도록 구비되는 완충부재를 더 포함하는 디젤 매연 필터.
  5. 제 4 항에서,
    상기 완충부재는 와이어 메쉬 재질로 형성되는 디젤 매연 필터.
  6. 제 1 항에서,
    상기 플러그는,
    상기 필터 본체의 단면상 온도 분포를 고려하여 선택적으로 채널을 밀폐하도록 구비되는 디젤 매연 필터.
  7. 제 6 항에서,
    상기 플러그는,
    상기 필터 본체의 단면상 온도 분포가 재생 가능 최소 온도보다 작은 영역의 채널 전단을 밀폐하도록 구비되는 디젤 매연 필터.
  8. 제 1 항에서,
    상기 플러그와 연결되고, 상기 채널의 내부에 구비되는 지지체를 더 포함하는 디젤 매연 필터.
  9. 제 8 항에서,
    상기 채널의 내벽 또는 상기 지지체에는 촉매가 코팅되는 디젤 매연 필터.
  10. 제 9 항에서,
    상기 채널의 내벽 또는 상기 지지체에는 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst, DOC), 질소산화물 흡장 촉매(Lean NOx Trap, LNT) 또는 선택적 환원 촉매(Selective Catalytic Reduction, SCR) 중 적어도 하나가 코팅되는 디젤 매연 필터.
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