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KR101099890B1 - 코팅된 섬유층을 구비한 입자 트랩 - Google Patents

코팅된 섬유층을 구비한 입자 트랩 Download PDF

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KR101099890B1
KR101099890B1 KR1020107000039A KR20107000039A KR101099890B1 KR 101099890 B1 KR101099890 B1 KR 101099890B1 KR 1020107000039 A KR1020107000039 A KR 1020107000039A KR 20107000039 A KR20107000039 A KR 20107000039A KR 101099890 B1 KR101099890 B1 KR 101099890B1
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catalyst
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롤프 브뤼크
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에미텍 게젤샤프트 퓌어 에미시온스테크놀로기 엠베하
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Abstract

차량의 내연 기관으로부터의 배기 가스를 정화하기 위한 개방된 입자 트랩(2)을 위한 금속 섬유를 포함하는 고-내열성 섬유층(1)은 특히 산화 촉매 및/또는 3원 촉매 SCR 촉매의 코팅과 같은 촉매 활성 및/또는 흡착성 코팅(4)을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

코팅된 섬유층을 구비한 입자 트랩{PARTICLE TRAP WITH COATED FIBRE LAYER}
본 발명은, 차량의 내연 기관들로부터의 배기 가스들을 정화하기 위한 입자 트랩용 고-내열성 섬유층과 이러한 형식의 입자 트랩 자체에 관한 것이다.
특히 디젤 엔진으로부터의 배기 가스의 정화를 고려할 경우, 배기 가스 내의 탄화수소(HC) 및 일산화탄소(CO)는, 예를 들면 촉매 활성 표면(catalytically active surface)을 가질 수 있는 구성 요소들에 이들이 접촉하게 함으로써 산화될 수 있다는 것이 공지되어 있다. 그러나 산소가 풍부한 조건에서는 산화질소(NOx)의 환원이 보다 어렵다. 예를 들면, 불꽃 점화 엔진(spark-ignition engine)에서 사용되는 3원 촉매 변환장치(three-way catalytic converter)는 디젤 엔진을 위한 바람직한 효과들을 스스로 달성하지 못한다. 이러한 이유로, 예를 들어, 선택적 촉매 환원(SCR: selected catalytic reduction) 과정이 개발되었다.
또한, 저장식 촉매 변환장치(storage catalytic converter)는 산화질소의 환원을 위해 사용되도록 시험되어 왔다. 저장식 촉매 변환장치 코팅은 표준적이고 값비싼 금속 구성 요소들에 추가하여 탄산 바륨 또는 산화 바륨을 포함한다. 이는 산소가 많은 경우 NOx를 저장하는 것을 가능하게 한다. 값비싼 금속 구성 요소에서 배기 가스로부터의 일산화질소(NO)는 산화되어 이산화질소(NO2)를 형성한다. 그 다음 질화 바륨을 형성함으로써 촉매 변환장치에 저장된다. 이러한 저장 동안, 추가로 저장될 NO2가 질화층을 관통해야 하기 때문에 저장을 감속시키는 이러한 질화층이 바륨 핵에서 형성된다. 그러므로 저장 용량이 제한되고, 따라서 촉매 변환장치는 정기적으로 재생(regenerate)되어야 한다. 예를 들면, 다량의 배기 가스를 단시간에 제공함으로써, 즉 짧은 시간 동안 서브-화학량적(substoichiometric) 조건에서 작동함으로써, 이는 효과를 받는다. 환원된 공기에서 질산염은 (예를 들어) 탄산염으로 다시 변환되며, 일산화질소가 다시 방출된다. 이는 질소를 형성하는 것을 즉각적으로 감소시킨다. 저장에 비해 재생이 보다 빨리 발생하기 때문에, 재생 기간은 저장 기간에 비해 매우 짧을 수 있다.
입자의 방출을 감소시키도록, 세라믹 담체(substrate)로부터 구조화된 입자 트랩을 사용하는 것은 공지되어 있다. 이들은, 통로들을 가지며, 그 결과 정화될 배기 가스들이 입자 트랩 내로 흐를 수 있다. 인접한 통로들은 닫혀 있으며, 그 결과 대안적으로 배기 가스가 내측 면에서 통로에 들어가고 세라믹 벽을 통해 통과하고 인접한 통로를 통해 외측 면에서 다시 빠져나간다. 이러한 형식의 필터들은 발생하는 입자 크기의 전 영역에 걸쳐서 약 95%의 효과를 달성한다.
첨가물 및 특별한 코팅과의 화학적 상호작용에 추가하여, 차량의 배기 시스템 내의 필터의 신뢰할만한 재생에는 여전히 문제가 있다. 배기 가스가 흐르는 통로 벽 내에서 입자의 축적이 증가하여 압력 손실이 일정하게 일어나도록 하며, 이는 기관 성능에 악영향을 주기 때문에, 입자 트랩을 재생하는 것이 필요하다. 재생 단계는 입자 트랩 및 상기 입자 트랩에 축적되어온 입자들의 단시간의 가열을 대체로 포함하며, 그 결과 탄소 입자들은 기체 성분으로 변환된다. 또한, 이는, 배기 가스가 입자 트랩에 붙은 입자들을 변환시키기에 충분한 온도에 단시간에 도달하는 것을 보장하도록, 예를 들면 상류의 발열 반응(예를 들면, 산화 촉매 변환장치(oxidation catalytic converter) 내의 배기 파이프로 추가적으로 인가되어 왔던 연료의 ("재연소(afterburning)") 산화)을 사용함으로써 달성될 수 있다. 그러나 입자 트랩에서의 이러한 고열 부하는 그 사용 기간에서 악영향을 갖는다.
열적인 면에서 마모될 높은 가능성을 이끄는 이러한 불연속적인 재생을 피하도록, 필터의 연속적인 재생을 위한 시스템(CRT : "연속 재생 트랩(continuous regeneration trap)")이 개발되어 왔다. 이러한 형식의 시스템에서는 NO2와의 산화에 의하여 200℃를 넘는 온도에서 입자들이 탄다. 이러한 목적을 위해 필요한 NO2는, 입자 트랩의 상류에서 배열되는 산화 촉매 변환장치에 의해서 종종 생성된다. 그러나 이러한 경우, 특히 디젤 연료를 사용하는 차량의 사용에 있어서, 배기 가스 내에서 요구되는 이산화질소로 변환될 수 있는 일산화질소가 오직 불충분한 수준으로만 존재한다는 문제가 발생한다. 결론적으로, 입자 트랩이 배기 시스템에서 연속적으로 재생될 수 있음을 보장하는 것이 지금까지 불가능했다.
변환될 수 없는 입자들에 추가하여, 오일, 또는 첨가제의 추가적인 찌꺼기들 또한, 입자 트랩 내에서 축적되고 용이하게 재생될 수 없다는 것 또한 발생하게 된다. 이러한 이유로, 공지된 필터들이 교체되거나 및/또는 정기적으로 세척되어야만 한다.
최소 반응 온도 및 특정 체류 시간에 추가하여, NO2를 사용하는 입자들의 연속적인 재생을 위해 충분한 산화질소를 제공하는 것 또한 필요하다. 일산화질소(NO) 및 입자들의 동적 방출에 관한 시험은, 특히 배기 가스 내에 어떠한 일산화질소도 없거나 또는 오직 작은 양의 일산화질소만이 있는 경우 입자들이 방출된다는 것을 명백히 보여주어 왔으며 그 역도 같다. 이는 실제로 연속적인 재생을 구비한 필터들이 보정기 또는 저장기로서 기능을 대체로 갖는 것을 의미하며, 그 결과 2개의 반응 상대들이 특정 시간에 필터 내에서 바람직한 양으로 동시에 존재함을 보장한다. 게다가, 냉간 기동 이후 즉각적으로 가능한 가장 높은 온도에 도달하는 것을 허용하도록 필터는 내연 기관에 가능한 가장 근접하게 배열된다. 바람직한 이산화질소를 제공하도록 산화 촉매 변환장치가 일산화탄소(CO) 및 탄화수소(HC)에 반응하고, 특히 일산화질소(NO)를 이산화질소(NO2)로 변환시키고, 필터의 상류에 연결된다. 이러한 산화 촉매 변환장치 및 필터를 포함하는 시스템이 기관에 근접하게 배열된다면, 디젤 모터 차량에서 연소실의 부스트 압력(boost pressure)을 늘이도록 종종 사용되는 터보차저(turbocharger)의 상류 위치가 특히 적합하다.
이러한 기본적인 고려 사항들을 보건대, 차량 구성에 실질적으로 사용되도록, 이러한 위치에서 그리고 극도로 높은 열적 및 동적 로드 앞에서 만족스러운 필터 효율을 갖는 이러한 형식의 필터가 어떻게 구성될 것인지에 대한 의문이 발생한다. 여기에서, 특히 새로운 필터 설계를 필요로 하는 공간적인 조건에서 고려할 필요가 있다. 필터 내에서 아직 변환되지 않은 입자들의 긴 체류 시간 및 이로 인한 고효율을 보장하도록, 차량의 저면에 배열되어 왔던 종래의 필터에서 주요 인자는 가능한 넓은 체적을 이루었기 때문에, 기관에 근접하여 배열된 필터에서 불충분한 공간 및 장소가 가용하였다.
이러한 관점에서, "개방 필터 시스템(open filter system)" 명칭으로 대체로 공지된 새로운 개념이 개발되어 왔다. 이러한 개방 필터 시스템은, 필터 통로의 고유한 교차적 폐쇄 없이 가능하다는 사실에 의해 구분된다. 이 경우, 통로 벽들은 적어도 부분적으로는 다공성 또는 높은 다공성 재료로 구성되며, 개방 필터의 유동 통로들은 전환 또는 안내 구조체를 갖는다. 이러한 내부의 맞춤은, 유동 또는 그 안에 포함된 입자들이 다공성 또는 보다 높은 다공성 물질로 생성된 범위를 향해 편향되도록 한다. 이 경우, 놀랍게도 입자들이 차단 및/또는 밀착의 결과로 인해 다공성 통로 벽의 위 및/또는 안에 연속적으로 부착된다는 것이 나타났었다. 유동하는 배기 가스의 유동 프로파일 내의 압력 차이는 이러한 효과의 조합과 관련하여 중요하다. 전환은 국부적인 대기보다 낮거나 또는 높은 압력 조건을 추가적으로 일으킬 수 있으며, 전술한 압력 차를 보상할 필요가 있기 때문에 이는 다공성 벽을 통한 여과 효과를 이끈다.
이 경우 공지되어 있는 폐쇄된 스크린 또는 필터 시스템과 달리, 입자 트랩은 막힌 유동을 제공하지 않기 때문에 개방된다. 그러므로 이러한 특성은 이러한 형식의 입자 필터들을 특정하도록 사용될 수 있으며, 그 결과 예를 들면 "유동 자유도" 파라미터가 이러한 입자 트랩을 개시하는데 적합하다. 20%의 "유동 자유도"는 단면으로 볼 때 약 20%의 표면 면적을 통해 줄곧 보는 것이 가능하다는 것을 의미한다. 유체 지름(hydraulic diameter)이 0.8mm이며 밀도가 약 600cpsi(셀 퍼 인치 제곱)인 통로를 구비한 입자 필터의 경우, 유동 자유도는 0.1mm2을 넘는 표면 면적에 상응할 것이다. 달리 표현하면, 이는, 실제로 여과되어 나가는 입자들보다 매우 큰 입자(특히 디젤 엔진 및/또는 가솔린의 특징인 입자 크기 범위를 갖는 입자)들을 특히 포함하면서, 입자들이 이를 통해 줄곧 통과할 수 있다면, 입자 트랩이 개방되는 것으로 언급될 수 있음을 의미한다. 그 결과, 이러한 형식의 필터는 작동 동안 입자들의 덩어리의 경우에서도 결국 차단될 수 있다. 입자 트랩의 개방 정도를 측정하기 위한 적합한 방법은, 예를 들면 이러한 형식의 필터를 통해 여전히 통과할 수 있는 구형 입자들의 지름이 어느 정도까지인지를 시험하는 것이다. 현재 실시예에서, 특히 만약 0.1mm보다 크거나 또는 같은 지름을 구비한 구, 바람직하게는 0.2 mm 이상의 지름을 구비한 구가 필터를 통해 여전히 통과할 수 있다면 입자 트랩이 "개방"된 것이다. 이러한 형식의 "개방"된 필터 부재는, 예를 들면 DE 201 17 873 U1, DE 201 17 659 U1, WO 02/00326, WO 01/92692, WO 01/80978로부터 공지되며, 여기에 개시된 내용이 본 발명의 전체적 요지로서 참조되었다.
예를 들어, 독일 실용신안 DE 89 08 738 U1은 내부에 유동-안내 표면들을 구비한 허니컴 바디(honeycomb body)의 일반적인 구성으로 지시된다. 상기 명세서에서는, 층상으로 배열되고, 적어도 부분적인 부위들에서 구성되고. 그리고 유체가 흐를 수 있는 다수의 통로들의 벽들을 형성하는 금속 시트로 구조화된 허니컴 바디 특히 차량용 허니컴 바디를 개시한다. 상기 명세서에서는 대부분의 실시예 및 이와 같은 형식의 주어진 표준 치수에서 통로 내의 유동은 대체로 얇은 층상형이라는 것을, 즉 매우 작은 통로 단면적이 사용된다는 것을 개시한다. 이러한 조건 하에서 비교적 두꺼운 경계층들은 통로 내의 중심 유동과 벽 사이의 접촉을 감소시키며 통로 벽들 위에서 건설된다. 통로 안쪽에서 배기 가스 흐름을 휘감기게 하고 이로 인해 총 배기 가스 흐름과 통로의 촉매 활성 표면 사이의 강조된 접촉을 보증하도록, 상기 명세서에서는 통로 내부에서 유동에 직면하는 표면을 형성하는 돌기들이 사용되는 것이 제안되며, 그 결과 배기 가스는 유동의 주 방향에 대해 가로지르도록 편향된다.
따라서, 특히 이러한 특성의 개방 입자 트랩의 구현 측면에서, 본 발명의 목적은 배기 가스 내에 포함된 오염물질의 변환에 관한 효과를 증진시키는 것이다. 특히 디젤 엔진을 구비한 차량을 위해 특히 작은 설계의 배기-가스 시스템을 제공할 가능성을 열려고 한다. 더군다나, 이러한 형식의 배기-가스 시스템의 제조, 조립 및 유지는 매우 간단하며 따라서 값이 보다 싸다.
이러한 목적들은, 청구항 1의 구성을 갖는, 차량의 내연 기관으로부터의 배기 가스를 정화하기 위한 입자 트랩에 의해, 또한 청구항 17의 구성을 갖는 배기 파이프를 포함하는 자동차의 내연기관의 배기 시스템에 의해 달성된다. 다른 바람직한 구성은 종속항으로 개시되며, 여기에서 개시된 형상들은 각각 채용될 수 있고 또는 다른 것들과의 바람직하고 적절한 조합으로 채용될 수 있다.
본 발명에 따른 고-내열성 섬유층은, 차량의 내연 기관으로부터의 배기 가스를 정화하기 위한 입자 트랩용 금속으로 이루어지며, 적어도 하나의 섹션에서 산화 촉매 및/또는 3원 촉매 및/또는 SCR 촉매의 코팅과 적어도 일부 상응하는 코팅이 있다는 사실에 의해 구분된다.
이러한 형식의 촉매 활성 코팅의 준비는 많은 이점을 가지며, 이하 간략히 강조될 것이다. 예를 들면, 배기 시스템에서 최초 제공된 배기 가스에 포함된 오염물질의 산화 및/또는 환원 및/또는 저장을 위한 구성 요소들은 적은 체적을 갖도록 구성될 수 있으며, 심지어 모두 없을 수도 있다. 이는, 본질적으로 배기 시스템이 매우 유선형일 수 있거나 또는 보다 작은 설계일 수 있음을 의미하여, 그 결과 배기 시스템의 간단한 구조, 간단한 유지 및 비싸지 않은 제조가 가능해진다. 더군다나, 놀랍게도, 상승 효과들 또한 달성된다. 예를 들어, 축적된 입자들의 변환 및 제거에 도움이 되는 배기-가스 구성 요소들이, 이러한 형식의 섬유층이 설치된 입자 트랩 내부에서 직접 생성될 수 있다. 그러므로 이러한 배기 가스 구성 요소들은, 입자들이 부착된 섬유층의 표면의 바로 주변에서 제조되고 제공된다. 그러므로 예를 들어 입자 트랩의 재생 온도를 예를 들면 900℃ 이상으로부터 600℃ 이하로 매우 감소시키는 것 또한 가능하다.
섬유층의 적어도 하나의 섹션(section)의 배열에 관해서, 이러한 부분도 섬유층의 총 면적에 걸려서 연장될 수 있다는 것을 주지하여야 한다. 그러나 다수의 섹션들을 제공하는 것 또한 가능하며, 상기 다수의 섹션들은 코팅되고 및/또는 어떤 경우에는 코팅되지 않으며, 적합하다면 다른 형태의 코팅, 다른 모양의 섹션 및 섹션 면적을 선택하는 것 또한 가능하다. 또한, 적어도 하나의 섹션이 오직 하나의 외부 표면에만 또는 고-내열성 섬유층의 외부 표면에만 배치되는 것도 가능하다.
산화 촉매의 코팅 특성에 관해서, 이러한 형식의 촉매들이 그 자체가 소비되지 않고 특정 반응률을 증가시키도록 사용된다는 것을 주지하여야 한다. 적정 촉매 물질은 배기 가스 내의 CO(일산화탄소) 및 HC(탄화수소)의 산화 반응이 보다 낮은 온도에서 발생하는 것을 허용한다. 이러한 형식의 코팅은 일반적으로 백금 그룹에 속한 촉매 물질을 포함하며, 기체 탄화수소 및 일산화탄소가 디젤 엔진 배기 가스 내에서 단지 250℃ 또는 그 이상의 배기 가스 온도에서 산화되도록 허용한다. 이러한 형식의 산화 코팅의 한가지 특징적인 형상은, 특정 조건 하에서 탄소 입자들에 여전히 부착된 탄화수소가 재연소를 겪으며 그 결과 입자 방출이 보다 감소될 수 있다는 점이다. 지금까지는, 촉매 활성 물질들이 입자들로 증가하는 커버리지(coverage)에 의해 악영향을 받는 것이 우려되어서, 산화-촉진 코팅 및 이러한 형식의 필터 부재의 조합이 하나의 유닛에서 제공되지 않아 왔다. 본 발명은 전문적인 분야에서 이러한 일반적인 선입견을 무시하여 특히 효과적인 입자 트랩을 제공하는 것을 가능하게 하는 고-내열성 섬유층을 개발하였다.
3개의 오염 성분인 CO, HC, 및 NOx(산화질소)의 수준이 다른 반응에 의해 낮아진다면, 이는 섬유층을 3원 촉매 코팅을 구비한 섬유층을 코팅함으로써 달성될 수 있다. 이 경우, 촉매 활성 물질은 넓은 표면 영역에 걸쳐 정밀하게 분배되는 백금 금속(Pt), 팔라듐 금속(Pd), 및/또는 로듐 금속(Rh)을 포함한다. 1의 람다 값에서 CO는 산화되어 이산화탄소(CO2)를 형성하고, CH는 산화되어 CO2 및 물(H2O)을 형성하고, 그리고 NOx는 환원되어 질소(N2)를 형성한다. 여기에서 이하의 코팅이 산화 촉매를 위해 추천된다.
Pt/Pd = 2/1
0.93 ~ 1.2그램 Pt/리터 촉매 지지부 체적
0.46 ~ 0.6그램 Pd/리터 촉매 지지부 체적
다기능 촉매 (환원)에 대해서는, 이하의 관계를 적용하는 것이 제안된다.
Pt/Rh = 5/1
1.16 ~ 1.5그램 Pt/리터 촉매 지지부 체적
1.23 ~ 0.3그램 Rh/리터 촉매 지지부 체적
촉매 지지부 바디 체적은, (허니컴 구조 등인) 지지부 및 지지부에 의해 형성된 캐비티(cavity), 통로 등의 물질의 체적 평균으로서 이해되어야 한다.
SCR 촉매의 코팅은, 적합한 경우 다층식(multilayer) 및/또는 다단식(multistage) 형태일 수 있다. 한가지 가능한 요소인 SCR 촉매 시스템은, 연속적으로 배열되고 섬유층에 적용된 코팅의 부분적 범위 다수를 포함한다. 이 경우, 배기 가스의 유동 방향에서 볼 때, 부분적 범위는 이하와 같이 배열될 수 있다.
- (선택적인) 산화 촉매 코팅
- 가수분해 촉매 코팅
- SCR 촉매 코팅, 및
- 적합한 경우, 하류의 산화 촉매
상류에서 선택적으로 제공되는 산화 촉매는, (특히 디젤 차량의 경우) 낮은 배기 가스 온도에서 SCR 활성을 증가시키도록 사용된다. NO의 부분적인 산화에 의한 배기 가스 내의 NO2 함유량(최적: 체적 50%)의 증가에 의해, 약 573K 이하의 온도 범위에서 SCR 반응의 반응률을 매우 증가시키는 것이 가능하다. 추가적으로 일산화탄소는 산화되어 이산화탄소를 형성하고, 불완전연소된 탄화수소는 반응하여 촉매 표면에서 이산화탄소 및 물을 형성한다. 만약 이러한 형식의 산화 코팅을 구비한 상류 범위가 사용되지 않는다면, 탄화수소의 산화가 SCR 촉매에서 부분적으로 발생하고 따라서 산화질소 변환율이 감소할 것이다.
가수분해 촉매 코팅은 수성 우레아 용액(aqueous urea solution)이 예를 들면 470K 근처의 낮은 온도에서 완벽히 분해되도록 허용한다. 불완전 분해로 인해 바람직하지 않은 부산물이 형성될 수 있기 때문에, 상기 우레아의 분해가 약 470K 이하에서는 어렵다는 것이 증명되어 왔다. SCR 촉매 코팅은 암모니아를 구비한 산화질소(NOx)의 선택적인 환원을 도와서 무해한 생산물인 질소 및 물을 형성한다.
고-내열성 섬유층의 다른 구성에 따르면, 코팅은 워시코팅(washcoat)을 포함한다. 워시코팅을 구비한 섬유층의 비교적 매끄러운 표면들을 코팅하는 것은 촉매 활성 표면 영역이 증가되도록 한다. 이러한 갈라진 표면은, 한편으로는 충분한 공간이 촉매(예를 들면, 백금, 로듐 등)를 고정시키는데 이용 가능함을 보증하고, 다른 한편으로는 이를 통해 흐르는 배기 가스가 휘감기도록 하여 특히 촉매와의 강한 접촉을 이루도록 돕는다.
촉매를 촉진시키는 넓은 표면 영역을 구비한 워시코팅층은, 액체 워시코팅 분산부(dispersion) 내에 담기거나 또는 그러한 분산부에 스프레이되는 섬유층에 의해 (또는 섬유층 및 금속박(foil)을 포함한 후속되는 총 입자 트랩에 의해) 공지된 방법으로 적용된다. 그 다음, 과도한 워시코팅 분산부가 제거되고, 섬유층 내의 워시코팅은 건조되고, 그리고 최종적으로 일반적으로 450℃ 넘는 온도에서 총 조립이 하소(calcine)된다. 하소 동안, 워시코팅 분산부의 휘발성 구성 요소들이 축출되고, 그 결과 높은 특정 표면 영역을 구비한 온도-저항, 촉매-촉진 층이 제조된다. 적합하다면, 바람직한 층 두께를 달성하도록 이러한 작용이 수회 반복된다. 평균 층 두께는 0.001 내지 0.02mm의 범위, 특히 0.005 내지 0.012mm의 범위 내에서가 바람직하다.
워시코팅은 보통 알루미늄 산화물과 예를 들면 회토 산화물, 지르코늄 산화물, 니켈 산화물, 철 산화물, 게르마늄 산화물, 및 바륨 산화물과 같은 적어도 하나의 프로모터(promoter) 산화물의 혼합으로 구성된다. 워시코팅 분산부는 허니컴 바디에 적용되는 동안 총 통로 길이에 걸쳐서 바람직하게 균일한 층 두께를 달성하도록 반드시 최적의 유동 특성을 가져야 한다.
이러한 성질의 유동 특성을 달성하도록 공지된 워시코팅 분산부는 특정 pH를 가지며, 제한된 고체 함유량만이 허용된다. 그러나 시험에 의해서 이러한 성질의 워시코팅 분산부는 시간 의존적인 점성을 갖는다는 것이 보여져 왔다. 이는 워시코팅 분산부가 매우 빠르게 겔(gel)을 형성하며 균일한 층 두께가 생성되는 것을 방해한다는 것을 의미한다. 이러한 겔화는 워시코팅 분산부가 움직이도록, 즉 분산부 또는 분산부가 적신 필터층을 이동시키도록, 특히 진동시키도록 유지함으로써 지연될 수 있다.
섬유층의 다른 구성에 따라서, 후자는 다공성으로 소결된 및/또는 섬유 재료(예를 들면 강)로 구조화된다. 여기에서, 특히 비교적 높은 크롬, 니켈, 알루미늄, 및/또는 몰리브덴 함유량을 구비한 고-내열성, 부식-저항 강이 추천된다. 여기에서 섬유층이 0.082mm 이하, 특히 0.01 내지 0.05mm의 범위에서 평균 지름을 갖는 섬유를 포함하는 것이 특히 바람직하다. 이러한 형식의 섬유층이 배기-가스 흐름에서 높은 동압력을 생성하는 것을 방지하도록, 섬유층은 적어도 50%, 특히 적어도 75%, 바람직하게 적어도 85%, 그리고 더욱 바람직하게 적어도 95%의 다공을 갖는 것이 제안된다. 여기에서, 0.4mm 내지 0.05mm의 평균 길이를 구비한 섬유를 사용하여 이러한 형식의 섬유층이 비교적 성공적으로 제조될 수 있음이 주지되어야 하며, 이 경우 보다 두꺼운 섬유를 위해 보다 짧은 섬유 길이를 선택하는 것이 바람직하다.
게다가, 섬유층이 가장 넓은 외부 표면에 대체로 평행한 종방향 단면에서 0.01mm 내지 0.5mm의 크기, 특히 0.05mm 내지 0.25mm의 크기를 평균적으로 갖는 개구부를 갖는 것이 제안된다. 이 점에서, 섬유층은 바람직한 임의의 실제 배열 내에서 근본적으로 섬유를 포함할 수 있어서, 특히 무작위 층들, 직물들, 또는 기타 유사한 구조체들을 포함하는 것으로 이해된다는 것이 주지되어야 한다. 이 경우, 규칙적인 구조체 또한 오직 일정 범위에서 존재할 수 있으며, 이로 인해 섬유의 보다 무질서한 배열이 남은 범위에 존재한다.
입자 및/또는 그 덩어리를 위한 충분히 넓은 캐비티가 제공되는 것을 보장하도록, 특히 디젤 엔진의 배기 시스템 내에서 사용되는 특정 공극 크기가 제공되는 것이 제안된다. 공극 또는 캐비티의 단면을 보여주는 물질을 통한 종방향 단면은 여기에서 개구로 언급되며 공극 크기를 결정하도록 사용된다. 평균적으로 모든 개구부는 전술한 범위에서 한계를 갖는다. 여기에서 의미하는 것은 종방향 단면에서 보일 수 있는 개구부들의 모든 최대 한계의 평균이다. 개구부의 치수가 이미 코팅된 섬유층에 관계 있기 때문에, 0.6mm 이하에서, 특히 0.05mm와 0.35mm 사이에서 바람직하게 선택되며 이에 상응하는 평균 섬유 공간을 사용하는 것 또한 가능하다.
게다가 섬유층이 3mm 이하, 특히 1.5mm 이하, 바람직하게 0.5mm 이하, 그리고 더욱 바람직하게 0.1mm 이하의 두께를 갖는 것이 제안된다. 여기에서 언급한 두께는 특히 차량의 내연 기관으로부터의 배기 가스를 정화하기 위한 입자 트랩용 섬유층의 사용 면에서 선택된다.
본 발명의 다른 양상은, 차량의 내연 기관으로부터의 배기가스 정화용 입자 트랩으로, 적어도 하나의 부분적으로 구조화된 금속박 및 전술한 형식의 적어도 하나의 고-내열성 섬유층을 가지며, 바람직하게는 구조화된 금속박 및 다수의 섬유층이 교번적으로 배열되며 특히 하우징 내에서 함께 감기는 것을 특징으로 하는 입자 트랩을 제안한다. 이는 특히 서설에서 개시한 "개방" 입자 트랩을 형성한다. 따라서, DE 201 17 873 U1, DE 201 17 659 U1, WO 02/00326, WO 01/92692, WO 01/80978에서 개시된 "개방" 필터 부재를 형성하는 것이 특히 바람직하다.
게다가, 상기 입자 트랩의 축에 대체로 평행하게 통로들이 형성되고, 안내 표면, 바람직하게는 상기 금속박의 안내 표면이 돌출되어, 상기 통로들을 향하여 흐르는 가스 흐름들이 전환시키는 것이 제안된다. 이러한 형식의 안내 표면들은 돌출부들, 돌기(boss)들, 미세-파동(micro-undulation)들, 베인(vane)들 또는 유사한 구조체들에 의해 형성될 수 있다. 또한, 이러한 안내 표면이 이러한 형식의 금속박의 홀 가장자리에 의해 형성되는 것이 가능하다. 마찬가지로 안내 표면 그 자체가 많은 홀을 가질 수 있다.
다른 구성에 따라서, 입자 트랩은 체적을 가지며, 이러한 체적에 기초한 입자 트랩의 코팅 양은 20 내지 300g/ℓ (그램 퍼 리터), 바람직하게는 50 내지 120g/ℓ의 범위 내에 있다. 여기에서 체적이라는 단어는 금속박, 섬유층 및 형성된 통로로 구조화된 체적을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 이러한 형식의 체적은 0.01ℓ 내지 1.5ℓ, 바람직하게는 0.3ℓ 내지 0.8ℓ의 범위 내에 보통 있다.
게다가, 적어도 하나의, 적어도 부분적으로 구조화된 금속박이 적어도 하나의 구조체 폭에 걸쳐, 바람직하게는 2개를 넘는, 특히 3개의 구조체 폭에 걸쳐 연장되는 구멍을 갖는 것이 제안된다. 이는, 예를 들어 이러한 형식의 구멍이 구조체에 의해 형성된 다수의 인접 통로들을 서로 연결하는 것을 의미한다. 이는, 입자 트랩의 상류에서 생성된 바람직하지 않은 높은 동압력 없이 부분적인 배기-가스 흐름 사이에서 특히 효과적으로 혼합되는 것을 보장한다. 또한, 여기에서 구멍이 금속박의 평면에서 대체로 연장되는 것이 주지되어야 한다.
본 발명은 이하의 도면을 참조로 보다 상세히 설명될 것이다. 도면들은 특히 바람직한 본 발명의 실시예를 도시하며, 이러한 실시예들에 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 입자 트랩의 세부의 개략적인 분해도.
도 2는 본 발명에 따른 입자 트랩의 구성의 다른 세부를 도시하는 도면.
도 3은 차량의 내연 기관의 배기 시스템의 구성을 개략적으로 묘사하는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 입자 트랩의 다른 구성의 개략적인 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 섬유층의 구성을 통한 종방향 단면을 개략적으로 묘사하는 도면.
도 6은 코팅된 상태에서 섬유층을 통한 다른 종방향 단면을 도시하는 도면.
도 1은, 예를 들면 차량의 내연 기관으로부터의 배기 가스를 다루도록 사용되는 입자 트랩의 세부의 개략적인 분해도를 도시한다. 도면은 본 발명에 따른 2개의 섬유층(1)을 도시하며 그 사이에 금속박(14)이 배열된다. 섬유층(1)은 각각 코팅(4)이 배열되는 것을 특징으로 하는 섹션(3)을 갖는다. 이러한 코팅(4)은 산화 촉매의, 3원 촉매의, 및/또는 SCR 촉매의 코팅일 수 있다. 금속박(14)이 (적어도 부분적인 범위에서) 촉매 활성 및/또는 저장 코팅을 갖는 것이 바람직하다. 인접한 층이 서로에 대해 누르는 것이 보통이며, 바람직하게 접합 기술에 의해 특히 납땜에 의해 서로 연결된다. 이러한 목적을 위해, 접합 기술에 의한 연결을 형성할 가능성이 이러한 부분적인 범위에서 보존되도록, 예를 들면 부분적인 범위들에서 특히 섬유층(1)의 가장자리가 코팅되지 않는 것이 필요하다.
금속박(14)의 구조는 배기 가스가 매끄러운 층(섬유층(1))과 주름 층(금속박(14))의 이러한 "샌드위치"를 통해 유동(21) 방향으로 흐르도록 허용한다. 안내 표면(18)들은 통로(17)에 배열되어, 부분적인 가스 흐름이 휘감기도록 하고, 그 결과 이들은 특히 코팅된 섬유층(1) 위에서 안내된다. 이 경우 금속박(14)의 구조는 미리 정해진 구조체 폭(36)을 구비한 주름진 구조체이다. 안내 표면(18) 및/또는 그 아래의 구멍(19)이 구조체 폭(36)보다 크도록 설계되는 것이 바람직하며, 그 결과 다수의 인접한 통로(17)들이 구멍(19)을 통해 서로 연결될 수 있다.
도 2는 금속박(14) 및 섬유층(1)의 배열을 상세히 도시한다. 다시 한번, 금속박(14) 및 섬유층(1)은 교번적으로 배열되고, 금속박(14)의 구조는 섬유층(1)과의 조합으로 통로(17)를 형성하며, 이를 통해 배기 가스가 유동 방향(21)으로 흐를 수 있다. 안내 표면(18)들은, 금속박(14)으로부터 그 자체를 스탬핑(stamping)하거나, 가압하거나, 또는 소정의 다른 방법에 의해 제조되고, 통로(17) 내부로 돌출된다. 이는 동시에 구멍(19)을 생성하고, 그 결과 부분적인 가장자리 유동이 통로(17)를 통한 가스의 흐름으로부터 "떨어져 나가고" 섬유층(1)을 향해 전환될 수 있다. 이러한 방법으로, 입자(22)들 또한 수반되어 섬유층(1) 방향으로 안내되며, 이들은 예를 들면 외부 표면(9)에 부착되거나 섬유층(1) 내의 캐비티, 다공, 또는 유사 개구부 내에서 축적되어 외부 표면(9)에 남는다. 여기에서 섬유층(12)은, 무질서하게 배열되며 코팅(4)을 제공받는 필터(6) 다수를 갖는다. 결국, 섬유층(1)은 3mm 이하의 두께(12)를 갖는다.
도 3은 차량 내연 기관(13)의 배기 시스템의 구조를 묘사한다. 내연 기관(13)에서 생성된 배기 가스는, 대기에 극단적으로 누출되기 전에 배기-가스를 취급하도록 배기 파이프(23)를 통해 다수의 구성 요소를 공급받는다. 도 3에서 도시된 배기 시스템은 유동 방향(21)으로 연속하여, 촉매 변환장치 시작부(24), 터보차저(25), 산화 촉매 변환장치(26), 환원제 공급부(27), 혼합기(28), 본 발명에 따른 입자 트랩(2), 및 메인 촉매 변환장치(29)의 구성 요소를 포함한다.
촉매 변환장치 시작부(24)는, (예를 들면 0.1리터 이하의) 특별히 작은 체적에 의해 구분되며, 저열 용량 및 기관에 바로 접근함으로 인해, 기관이 기동한 이후 단지 짧은 시간 만에 배기 가스 내에 포함된 오염물질을 촉매 변환하는 것이 가능하도록 (예를 들면, 몇 초 후 230℃를 넘는 온도까지) 충분히 가열된다. 재생을 위한 입자 트랩(2)의 상류의 산화 촉매 변환장치(26) 기능은 앞서 이미 널리 설명되었다. 환원제 공급부(27) 및 혼합기(28)는 예를 들면 고체 또는 액체 우레아(urea)를 공급하도록 사용되며, 그 결과 SCR 방법을 사용하여 오염물질을 변환하는 것 또한 가능하다. 혼합기(28)는 안내 표면, 격자(grate), 허니컴 바디 또는 소정의 유사한 형태로서 설계될 수 있다. 그러나 입자 트랩(2) 그 자체가 또한 배기-가스 흐름을 휘감기게 하고 및/또는 인가되었던 환원제를 세밀히 분배하도록 반응하기 때문에 입자 트랩(2)의 상류인 혼합기(28)를 생략하는 것 또한 가능하다. 하류의 메인 촉매 변환장치(29)는 특히 1.5리터보다 큰 비교적 넓은 체적을 보통 갖는다.
도 4는, 입자 트랩(2)의 구조의 사시도를 개략적으로 도시한다. 차량의 내연 기관으로부터의 배기 가스의 정화를 위한 입자 트랩(2)은, 구조화된 금속박(14) 및 고-내열성 섬유층(1)을 포함하며, 이들은 입자 트랩(2)의 축(16) 둘레로 나선형으로 배열된다. (금속박 및/또는 섬유층의 간단한 축적 배열체, S-형태의 루프 또는 기타 감긴 배열체 또한 대안으로서 가능하다.) 금속박(14) 및 섬유층(1)은 축(16)에 대체로 평행한 입자 트랩(2)을 통해 연장된 통로(17)를 형성한다. 금속박(14) 및 섬유층(1)을 포함하는 조립체는 하우징(15) 내에서 수용되며 접합 기술에 의해 이러한 하우징에 바람직하게 연결된다. 도시된 입자 트랩(2)의 실시예에서, 하우징(15)은 입자 트랩(2)의 단부 표면(34) 또는 금속박(14) 및 섬유층(1)을 넘어서 돌출된다. 주름진 금속박(14)의 재료 두께(30)는 바람직하게는 0.05mm 이하의 범위 내에서, 보다 바람직하게는 0.02mm 이하의 범위 내이다. 여기에서, 특히 재료 두께(30) 또는 (도시되지 않은) 코팅(4) 또는 입자 트랩(2)의 기타 파라미터들이 입자 트랩(2)의 전체 두께(31)에 걸쳐 일정하지 않은 것이 추천되며, 이는 예를 들어 제 1 길이 섹션(32)에서의 입자 트랩(2)이 제 2 길이 섹션(33)에서보다 낮은 열용량, 보다 높은 다공성, 촉매 활성 코팅에 관한 보다 높은 로딩, 보다 큰 구멍(19), 안내 표면(18), 또는 섬유의 개수/크기를 의미한다. 원칙적으로 입자 트랩(2)이 2개의 길이 섹션보다 많이 나뉘는 것 또한 가능하다.
도시된 입자 트랩(2)은, 섬유층(1) 및 금속박(14)에 의해 채워진 하우징(20)의 내부 체적으로 특징되는 체적(20)을 가지며, 이는 통로(17)의 체적 또한 포함한다. 코팅(4)에 관해서, 본 발명에 따른 입자 트랩은 20 내지 300g/ℓ의 범위에서 그 양을 제공받는다. 여기에서, 이러한 양이 총길이(31)에 걸쳐서 섬유층(1) 및/또는 금속박(14)의 외부 표면(9)에 균일하게 배열되는 것이 가능하지만, 오직 섬유층(1) 또는 금속박(14)의 부분적 범위만 촉매 활성 코팅(4)을 제공받는 것 또한 가능하다. 코팅(4)의 서로 다른 형식 또는 양이 서로 다른 길이 섹션에서 제공받는 것 또한 가능하다.
도 5는, 섬유층(1)을 통한 종방향 단면(8)을 개략적으로 묘사한다. 여기에서, 섬유층(1)이 섬유(6) 다수에 의해 형성되는 것을 볼 수 있으며, 이 경우 상기 섬유(6)는 부분적으로는 정렬되고 부분적으로는 무작위 방식으로 서로 연결된다. 섬유(6)는 0.012 내지 0.035mm의 범위에서 지름(7)을 갖는다. 종방향 단면(8)에서 개구부(10)가 섬유(6)의 배열에 의해 형성된다. 실제로 이러한 개구부는 섬유층(1)의 내부에서 형성된 캐비티를 통해 단면을 구성한다.
마찬가지로 도 6은, 섬유층(1)을 통한 종방향 단면(8)을 개략적으로 묘사하며, 여기에서 섬유(6)는 코팅(4)을 구비하도록 설계된다. 코팅(4)은 그 갈라진 표면으로서 촉매 활성 물질(35)의 축적을 위한 충분한 선택을 제공하는 워시코팅(5)을 포함한다. 코팅(4)에도 불구, 종방향 단면(8)은 여전히 범위(11)에서 개구부(10)를 갖는다. 모든 개구부(10)의 이러한 범위(11)는 평균 0.05 내지 0.4mm 사이이다. 동시에, 약 87%의 다공율을 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명은 차량 내연 기관의 배기 시스템에서 입자 트랩의 효율을 증진하기 위한 기술적이며 복합적인 많은 시도의 결과이다.
1 섬유층
2 입자 트랩
3 섹션
4 코팅
5 워시코팅
6 섬유
7 지름
8 종방향 단면
9 외부 표면
10 개구부
11 범위
12 두께
13 내연 기관
14 금속박
15 하우징
16 축
17 통로
18 안내 표면
19 구멍
20 체적
21 유동 방향
22 입자
23 배기 파이프
24 촉매 변환장치 시작부
25 터보차저
26 산화 촉매 변환장치
27 환원제 공급부
28 혼합기
29 메인 촉매 변환장치
30 재료 두께
31 총길이
32 제 1 길이 섹션
33 제 2 길이 섹션
34 단부 표면
35 물질
36 구조체 폭

Claims (17)

  1. 차량의 내연 기관으로부터의 배기 가스를 정화하기 위한 입자 트랩으로서,
    상기 입자 트랩은 다수의 주름 층을 형성하는 하나 이상의 금속박 및 하나 이상의 고-내열성 섬유층을 포함하며,
    상기 고-내열성 섬유층은 상기 차량의 내연 기관으로부터의 배기 가스를 정화하기 위한 개방형 입자 트랩용 금속 섬유를 포함하며,
    다수의 섹션들 내의 상기 고-내열성 섬유층은 촉매 활성 코팅을 가지며,
    상기 촉매 활성 코팅은 상이한 종류의 코팅을 포함하며, 상기 다수의 섹션들 중 하나 이상의 섹션에서 상기 코팅이 SCR 촉매인,
    입자 트랩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고-내열성 섬유층에 도포되어 연속으로 배치되는 상기 코팅의 다수의 부분적 영역으로, 상기 SCR 촉매가 제공되는 것을 특징으로 하는,
    입자 트랩.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 부분적 영역은, 상기 배기 가스의 유동 입구에서 볼 때, 가수분해 촉매의 코팅, SCR의 촉매의 코팅이 배열되는 것을 특징으로 하는,
    입자 트랩.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 배기 가스의 유동 입구에서 볼 때, 산화 촉매의 코팅이 적어도 상기 가수분해 촉매의 코팅의 상류부 또는 상기 SCR 촉매의 코팅의 하류부에 제공되는 것을 특징으로 하는,
    입자 트랩.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 주름 층을 형성하는 하나 이상의 금속박 및 상기 하나 이상의 고-내열성 섬유 층은 하우징 내에 서로 감겨서 교대로 배치되는 것을 특징으로 하는,
    입자 트랩.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 입자 트랩의 축선에 대해 평행하게 형성되는 통로가 형성되고, 상기 통로의 적어도 일부 내로 돌출되는 안내 표면이 상기 금속박에 형성되어, 상기 안내 표면에 의해 상기 통로를 통하여 유동하는 가스 스트림의 방향이 상기 섬유 층을 향하여 전환되는 것을 특징으로 하는,
    입자 트랩.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 입자 트랩은 체적을 가지며, 상기 체적에 대한 코팅의 양은 20 내지 300 g/l(리터 당 그램)의 범위에 있는 것을 특징으로 하는,
    입자 트랩.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 주름 층을 형성하는 하나 이상의 금속박은 하나 이상의 주름 층의 폭에 걸쳐 연장하는 구멍을 가지는 것을 특징으로 하는,
    입자 트랩.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅은 워시코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    입자 트랩.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 고-내열성 섬유 층은 다공성 소결 재료, 다공성 섬유 재료, 또는 다공성 소결 재료 및 다공성 섬유 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    입자 트랩.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 고-내열성 섬유 층은 0 mm 초과 내지 0.082 mm 미만의 평균 직경을 가진 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    입자 트랩.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 고-내열성 섬유 층은 50% 이상 내지 100% 미만의 다공성율을 가지는 것을 특징으로 하는,
    입자 트랩.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 고-내열성 섬유 층은 95% 이상 내지 100% 미만의 다공성율을 가지는 것을 특징으로 하는,
    입자 트랩.
  14. 제 1 항에 있어서,
    가장 큰 외부 표면에 대해 평행하게 취한 종방향 단면에서 상기 고-내열성 섬유 층은 평균 0.05 mm 내지 0.5 mm의 크기를 가지는 개구를 가지는 것을 특징으로 하는,
    입자 트랩.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 고-내열성 섬유 층은 0 mm 초과 내지 3 mm 미만의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는,
    입자 트랩.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 고-내열성 섬유 층은 0 mm 초과 내지 0.5 mm 미만의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는,
    입자 트랩.
  17. 배기 파이프를 포함하는 자동차의 내연기관의 배기 시스템으로서,
    상기 배기 시스템은 상기 배기 가스의 유동 입구에서 볼 때,
    상기 배기 파이프 내로 액체 우레아(urea)를 공급하기 위한 환원제 공급부, 및
    제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 입자 트랩
    을 연속하여 포함하는,
    배기 시스템.
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