KR101283308B1 - 불균일 촉매 분포 다층형 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 불균일 촉매 분포 다층형 필터에 관한 것으로서, 엔진에서 발생한 배기가스를 정화하기 위해 배기 시스템에 장착되는 다층형 필터에 있어서 내부하우징과 외부하우징으로 구성되는 필터부의 사이로 판상 다공성 금속메쉬에 촉매를 코팅하여 형성되는 다층형 필터가 장착되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 다층형 필터에 촉매 코팅된 다공성 세라믹 입자를 추가하여 촉매DOC 사용을 배제할 수 있는 효과가 있다.

다층형 필터, 판상 다공성 금속메쉬, 표면 돌기

Description

불균일 촉매 분포 다층형 필터{Uneven catalyst distribution multilayer elder brother filter}

도 1은 종래의 배기가스 정화시스템을 간략하게 나타낸 도면.

도 2는 종래의 다층형 필터를 나타낸 단면도.

도 3의 (a)(b)는 본 발명에 따른 다층형 필터의 장착상태를 나타낸 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 다층형 필터를 나타낸 사시도.

도 5는 본 발명에 따른 A부분 확대도.

도 6은 본 발명에 따른 B부분 확대도.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 필터부,

12 : 내부하우징,

14 : 외부하우징,

20 : 다층형 필터,

22 : 판상 다공성 금속메쉬,

24 : 표면 돌기

본 발명은 불균일 촉매 분포 다층형 필터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다층형 필터에 촉매 코팅된 다공성 세라믹 입자를 추가하여 촉매DOC 사용을 배제하는 기술의 단점을 보완하기 위하여 각기 다른 기공 크기를 갖는 판상 다공성 금속메쉬 재질에 촉매를 코팅하고 코팅된 촉매를 필터 내부의 온도분포 및 유동특성을 고려하여 내부의 지름방향으로 다른 기공의 크기를 갖도록 한 불균일 촉매 분포 다층형 필터에 관한 것이다.

일반적으로 버너 체결형 강제재생 방식의 다층형 필터는 기존의 매연저감장치와는 달리 엔진 컨트롤을 통한 후분사와 같은 공정을 거치지 않고 완전히 독립적으로 작동하는 후처리 장치의 개념으로 고안되었기 때문에, 이미 운행중인 차량에 적합한 시스템이라 할 수 있다.

상기 시스템에 대해서 도시된 도 1 및 2를 참조로 설명하면 상기 시스템은 버너부(100)와 필터부(200)로 크게 나누어지는데, 엔진을 통해서 발생된 배기가스가 상기 버너부(100)의 측면으로 들어가 필터부(200)에 전달되면 도시된 도 2에서 보는 바와 같이 상기 배기가스는 원통형 필터(300)의 중앙으로 들어가 벽면(320)을 통과하면서 입자상 물질이 여과되는 방식을 취하고 있다.

이러한 다층형 필터(300)의 여과층들은 서로 다른 크기의 탄화규소(SiC) 알갱이로 이루어져 있으며 이러한 알갱이 사이로 입자상 물질이 침착되고, 이후 일정한 재생 시기에 버너의 점화로 탄소가 주를 이루는 포집된 입자상 물질을 태우는 방식으로 재생된다.

이때 필터(300)에 PM 저감 성능을 증가시키고 THC 및 CO를 감소하기 위해서 촉매 성분을 추가하게 된다.

그리고 여과 물질의 경우 결정질 SiC를 여과제로 사용하며 이 재료에 대한 직접 코팅이 어렵기 때문에 추가적인 디젤산화촉매(이후 "DOC" 라 함)의 사용을 배제하기 위해 다공성 세라믹 재료에 촉매 물질을 담지하여 도시된 도 2에 보는 바와 같이 배기가스 저감 촉매로 사용하고 있다.

그러나 상기와 같은 경우 분포량에 맞는 분포를 조절하기가 쉽지 않으며 공정상에서의 일정량의 PM을 넣어주기 위한 추가 공정이 어려울 뿐만 아니라, 입자 물질이 독립된 한 층 이상을 차지하고 있지 않으면 원하는 저감률을 맞추기 위해서 많은 양을 추가로 넣어야 하는 문제점이 있었다.

그리고 여과재료로 사용되는 탄화규소 재료 자체의 경도가 크기 때문에 차량에서의 진동작용에 의해서 상대적으로 약한 다공성 세라믹의 분쇄 작용이 진행되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 다층형 필터에 촉매 코팅된 다공성 세라믹 입자를 추가하여 촉매DOC 사용을 배제하는 기술의 단점을 보완하기 위하여 각기 다른 기공 크기를 갖는 판상 다공성 금속메쉬 재질에 촉매를 코팅하고 코팅된 촉매를 필터 내부의 온도분포 및 유동특성을 고려하여 내부의 지름방향으로 다른 기공의 크기를 갖도록 한 불균일 촉매 분포 다층형 필터를 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 엔진에서 발생한 배기가스를 정화하기 위해 배기 시스템에 장착되는 다층형 필터에 있어서 내부하우징과 외부하우징으로 구성되는 필터부의 사이로 판상 다공성 금속메쉬에 촉매를 코팅하여 형성되는 다층형 필터가 장착되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 구성을 첨부된 도면을 참조로 설명하면, 도 3의 (a)(b)는 본 발명에 따른 다층형 필터의 장착상태를 나타낸 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 다층형 필터를 나타낸 사시도이며, 도 5는 본 발명에 따른 A부분 확대도이고, 도 6은 본 발명에 따른 B부분 확대도이다.

본 발명의 다층형 필터(20)는 도시된 도 3의 (a)와 같이 필터부(10)의 내부하우징(12)과 외부하우징(14)의 사이에 장착되어 여과 기능을 수행하게 된다.

그리고 본 발명의 가장 큰 특징은 종래의 필터층을 구성하고 있는 금속재질 메쉬를 도시된 도 4와 같이 판상 다공성 금속(Metal Foam Plate)메쉬의 재질로 대체하여 사용하는데 특징이 있다.

좀더 보충설명하면, 기존의 금속재질 메쉬의 경우 촉매가 코팅되지 않는 구조일 뿐만 아니라 기공 구조를 갖지 않기 때문에 코팅이 되더라도 촉매 반응이 일어날 만한 표면적을 갖고 있지 못하는 문제점을 본 발명에서는 도시된 도 4와 같이 판상 다공성 금속메쉬(22) 재료를 크기가 다른 기공을 가지도록 하고 이때, 표면에 도시된 도 5와 같이 표면 돌기(24)의 구조를 이루어 넓은 비 표면적을 구성할 뿐만 아니라 촉매 코팅이 용이하도록 한 것이다.

상기 판상 다공성 금속메쉬(22)는 기존의 단순한 금속메쉬와 같이 유연성을 띄기 때문에 기존의 제조 공정에서 그대로 응용하여 사용할 수 있을 뿐만 아니라 기존의 다공성 세라믹 (알루미나 Al2O3) 알갱이의 비표면적 (9m²/g)에 비해서 큰 비표면적 (22m²/g ; 450㎛의 경우)을 갖기 때문에 동일 효과를 내기 위한 귀금속 촉매(백금; Pt)의 양을 줄일 수 있어 귀금속의 양의 감소에 따른 제조 원가 절감할 수 있게 되는 것이다.

이때 필터의 PM 저감 성능 및 배기 가스의 유해 기체 전환율과 다층형 필터(20)에서 발생하는 배압을 최소화하기 위해서는 각 층별 판상 다공성 금속메쉬 재료의 배치가 중요하다.

즉, 촉매의 경우 고온에 노출되면 나노 크기로 분포된 귀금속 촉매들이 서로 뭉쳐서 커지는 이른바 소결(sintering) 현상에 의해서 그 촉매의 성능이 현저히 저하되므로 일반적으로 600℃에서 진행되며 온도가 높아질수록 그 현상은 더욱 크게 나타난다.

그리고 다층형 필터(20) 내부의 온도가 고온으로 노출되는 현상은 다층형 필터(20)에 탄소를 주성분으로 하는 입자상 물질들이 포집되어 있는 상태에서 버너를 점화하여 이를 제거하는 재생 과정에서 가장 크게 나타나는데 입자상 물질이 주로 포집되어 있는 부분에서는 이러한 물질이 타면서 열에 기인하는 촉매 소결에 가장 주요한 요인으로 작용하게 된다.

따라서 다층형 필터(20)의 가장 안쪽은 가장 높은 온도에 노출되는 부분이며 또한 열의 변화에 가장 크게 변화(100℃~900℃)하는 영역이기 때문에 열 충격에 의한 열피로 누적현상으로 금속과 촉매 물질 간의 박리 현상이 발생함으로 가장 안쪽은 촉매를 코팅하지 않은 기존의 금속메쉬를 사용하여 단지 지지층만을 형성한다.

그리고 상기 다층형 필터(20)의 전체 두께가 25%에서부터 70% 영역 사이에만 귀금속 물질이 코팅되어 있는 판형 다공성 금속 물질을 사용하여 다층형 필터(20)를 감게 된다.

이때 촉매가 작용하는 온도 범위가 존재하기 때문에 내/외부의 온도 차이를 고려하면 다층형 필터(20)의 중앙 부분이 가장 이상적인 촉매의 작동 범위가 되는 것이다.

따라서 각각 450, 580, 800㎛ 의 기공 크기를 갖는 다공성 금속을 3mm 두께로 도시된 도 3의 (b)와 같이 영역에 한하여 바깥쪽부터 3등분하여 적용해 나가는데, 이는 여과재료로 사용하는 탄화규소 알갱이의 크기에 의해 생성되는 입자간 기공 크기와 대응이 되어 금속 층에 의한 배압 저하가 발생하지 않도록 분포를 조절한다.

즉, 기공크기의 분포에 따라서 귀금속의 이 조절되는 것인데 800㎛의 기공을 갖는 다공성 금속메쉬와, 450㎛의 기공을 갖는 다공성 금속메쉬의 경우 단위 부피당 표면적이 450㎛ 기공을 갖는 다공성 금속이 두배 가량 크기 때문에 귀금속 담지량 증가하게는 되는 것이다.

따라서 귀금속 촉매의 분포 역시 불균일하게 분포하여 최소한의 양으로 최대의 효과를 나타낼 수 있게 되는 것이다.

본 발명에 따르면, 다층형 필터에 촉매 코팅된 다공성 세라믹 입자를 추가하여 촉매DOC 사용을 배제할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 엔진에서 발생한 배기가스를 정화하기 위해 배기 시스템에 장착되는 다층형 필터에 있어서,

   내부 하우징과 외부 하우징으로 구성되는 필터부의 사이로 판상 다공성 금속메쉬에 촉매를 코팅하여 형성되는 다층형 필터가 장착되고,

   상기 판상 다공성 금속메쉬는 상기 내부하우징으로 유입된 배기가스 온도에 노출되는 다공성 층의 기공크기와 서로 다른 기공크기를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 불균일 촉매 분포 다층형 필터.
2. 삭제
3. 제 1에 있어서, 상기 기공크기는 상기 다층형 필터(20)의 내부의 지름 방향으로 25%되는 영역부터 75% 영역까지 800, 580, 450㎛의 기공 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 불균일 촉매 분포 다층형 필터.

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