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KR101028548B1 - 배기가스 정화장치 - Google Patents

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KR101028548B1
KR101028548B1 KR1020080087821A KR20080087821A KR101028548B1 KR 101028548 B1 KR101028548 B1 KR 101028548B1 KR 1020080087821 A KR1020080087821 A KR 1020080087821A KR 20080087821 A KR20080087821 A KR 20080087821A KR 101028548 B1 KR101028548 B1 KR 101028548B1
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exhaust gas
channel
outlet
inlet
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김창대
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기아자동차주식회사
현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 정화장치는, 배기 가스 흐름 방향으로 여러 개의 채널들이 형성되고, 상기 채널들 중 적어도 하나는 입구가 패쇄되고 출구가 개방되며, 상기 채널들 중 적어도 하나는 입구가 개방되고, 출구가 폐쇄되되, 입구 또는 출구의 폐쇄된 부분이 교대로 배치되는 촉매 여과 필터를 포함하는 배기가스 정화장치에 있어서, 상기 입구에서 출구 방향으로 채널 내측면에서 설정된 제1길이만큼 촉매가 코팅되어 형성된 제1코팅층 및 상기 채널의 상기 출구에서 상기 입구 방향으로 설정된 제2길이만큼 상기 채널의 외측면에 촉매가 코팅되어 형성된 제2코팅층을 포함하되, 상기 채널의 후단부 내측에는 촉매가 코팅되지 않은 것을 특징으로 한다.
따라서, 촉매 여과필터의 채널 내부 후단부에 그으름(soot)이 축적되더라도 촉매가 코팅된 영역이 줄어들지 않아 이산화질소의 생성이 잘 저하되지 않고 NOx의 정화효율이 향상된다. 아울러, 채널의 후단부 내측에 코팅되지 않는 대신에 채널의 후단부 외측면과 후단부 단부면에 촉매를 코팅함으로써 이산화질소의 생성이 잘 저하되지 않고 NOx의 정화효율이 향상된다.
배기가스, 정화장치, DOC, CPF, SCR, 촉매여과필터, 산화촉매장치, 선택적촉매

Description

배기가스 정화장치{A DEVICE FOR PURIFYING EXHAUST GAS}
본 발명은 배기가스 정화장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배기가스 정화효율이 정상적으로 유지되도록 코팅 구조가 개선된 배기가스 정화장치에 관한 것이다.
일반적으로 엔진의 배기시스템은 배기 가스를 차량의 후방으로 배출하는 기능과 배기음을 저감시키는 기능을 한다.
최근들어 배기가스를 정화하기 위해서 촉매장치가 사용되고 있으며, 이들은 유해한 배기가스를 무해한 이산화탄소 및 물로 변환한다.
특히, 촉매장치는 탄화수소, 일산화탄소, 질소산화물(NOx)을 저감시킨다. 또한, 촉매장치는 입자상 물질을 필터링하거나 태운다.
일반적으로 배기 가스 정화장치에서 촉매 필터의 구조는, 배기 가스 흐름 방향으로 여러 개의 채널들이 형성된다.
아울러, 상기 채널들 중 적어도 하나는 입구가 패쇄되고 출구가 개방되며, 상기 채널들 중 적어도 하나는 입구가 개방되고, 출구가 폐쇄되되, 입구 또는 출구의 폐쇄된 부분이 교대로 배치되는 구조를 갖는다.
한편, 촉매장치 중에서 촉매 여과필터(CPF: Catalyst Particulate Filter)가 적용되는데, 입자상 물질들(PM: Particular Matters)이 타면서 그으름(soot)으로 변하게 된다.
이러한 그으름이 촉매 여과 필터(CPF) 내부에 축적되어 이산화질소(NO2)의 생성이 저하되고 촉매 환원장치(SCR)의 NOx의 정화효율이 저감되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 촉매 여과 필터 후단에 이산화질소의 생성이 저하되는 것을 방지하고 촉매 환원장치(SCR)의 NOx 정화효율을 향상시킨 배기가스 정화장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 배기가스 정화장치는, 배기 가스 흐름 방향으로 여러 개의 채널들이 형성되고, 상기 채널들 중 적어도 하나는 입구가 패쇄되고 출구가 개방되며, 상기 채널들 중 적어도 하나는 입구가 개방되고, 출구가 폐쇄되되, 입구 또는 출구의 폐쇄된 부분이 교대로 배치되는 촉매 여과 필터를 포함하는 배기가스 정화장치에 있어서, 상기 입구에서 출구 방향으로 채널 내측면에서 설정된 제1길이만큼 촉매가 코팅되어 형성된 제1코팅층 및 상기 채널의 상기 출구에서 상기 입구 방향으로 설정된 제2길이만큼 상기 채널의 외측면에 촉매가 코팅되어 형성된 제2코팅층을 포함하되, 상기 채널의 후단부 내측에는 촉매가 코팅되지 않은 것을 특징으로 한다.
상기 채널의 출구는 마개로 폐쇄돼고, 상기 마개의 외측면에는 촉매가 코팅된 제3코팅층이 형성되고, 상기 제3코팅층은 상기 제2코팅층과 연결되는 것이 바람직하다.
상기 촉매 여과 필터의 후단에 선택적 촉매 환원장치(SCR: Selective Catalytic Reduction)가 장착되고, 상기 촉매 여과 필터와 상기 선택적 촉매 환원 장치 사이에 공급장치(DM: Dosing Module)가 배치될 수 있다.
아울러, 상기 촉매 여과 필터 전단에 디젤 산화 촉매장치(DOC: Diesel Oxidation Catalyst)가 배치될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 배기가스 정화장치에 의하면, 촉매 여과필터의 채널 내부 후단부에 그으름(soot)이 축적되더라도 촉매가 코팅된 영역이 줄어들지 않아 이산화질소의 생성이 잘 저하되지 않고 NOx의 정화효율이 향상된다.
아울러, 채널의 후단부 내측에 코팅되지 않는 대신에 채널의 후단부 외측면과 후단부 단부면에 촉매를 코팅함으로써 이산화질소의 생성이 잘 저하되지 않고 NOx의 정화효율이 향상된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 정화장치의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 배기가스 정화 시스템은 디젤 산화 촉매장치(100), 촉매 여과 필터(105), 환원제 공급장치(110) 및 선택적 촉매 환원장치(115)를 포함하여 구성된다.
상기 디젤 산화 촉매장치(100)DOC: Diesel Oxidation Catalyst)는 유해가스(CO, THC, NOx, PM)를 무해가스(H2O, CO2)로 전환시키기 위해서 엔진의 후단에 장착된다.
아울러, 상기 촉매 여과필터(105)(CPF: Catalyst Particular Filter)는 배기가스에 포함된 매연(soot)을 포함하는 입자상 물질(PM: Particular Matter)과 질소산화물(NOx)을 중점적으로 제거하기 위해서 상기 디젤 산화 촉매장치(100) 후단에 장착된다.
그리고, 상기 촉매 여과필터(105)는 NO를 NO2로 산화시켜 상기 선택적 촉매 환원장치(115)(SCR: Selective Catalytic Reduction)의 성능을 향상시키는 기능도 한다.
또한, 상기 환원제 공급장치(110)(DM: Dosing Moduel)는 NOx를 환원시키기 위한 환원제(예를 들어, 우레아 수용액)를 인젝션하고, 상기 선택적 촉매 환원장치(115)(Selective Catalytic Reduction)는 상기 환원제를 사용하여 질소산화물(NOx)을 저감시킨다. 아울러, 상기 정화장치들(100, 105, 110, 115)에 대한 상세한 구조와 기능에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 촉매 여과 필터(105)의 촉매 코팅 구조를 개선하여 배기가스 중에 NO2의 함량을 증가시키고 상기 선택적 촉매 환원장치(115)의 기능을 향상시키며, 질소산화물(NOx)의 정화율을 향상시킨다.
아울러, 상기 촉매 여과 필터(105)의 코팅 구조를 개선하여 필터에 매연이 축적되더라도 정화효율이 저하되지 않고 유지된다. 이러한 상기 촉매 여과 필터(105)의 내부 구조에 대해서 도 2를 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 촉매 여과 필터(CPF)의 일부 단면 상세도이다.
도 2를 참조하면, 상기 촉매 여과 필터(105)는 순차적으로 상부에서 하부로 서로 마주하게 배치되는 제1셀플레이트(225), 제2셀플레이트(230) 및 제3셀플레이트(240)를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 촉매 여과 필터의 채널 단면 형상은 일반적으로 정사각형, 육각형, 원형 및 삼각형 등 여러 가지의 형태를 가질 수 있음은 당연하다.
따라서, 본 발명의 실시예에서, 상기 촉매 여과 필터의 채널이 제1,2셀플레이트(225, 230)로 형성된다는 것은 하나의 예에 불과하면, 전술한 바와 같이 여러 가지 형태로 변형 실시될 수 있다.
상기 제1,2셀플레이트(225, 230) 사이 전단부에는 배기가스가 유입되는 유입구(200)가 형성되고, 상기 제2,3셀플레이트(230, 240) 사이 전단부와 상기 제1,2셀플레이트(225, 230) 후단부에는 각각 마개(245, 235)가 배치된다.
상기 제1,2셀플레이트(225, 230)의 상기 유입구(200)로 들어온 배기가스는 도면 상에서 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하면서 상기 제1,2셀플레이트(225, 230)를 투과하여 상기 제1셀플레이트(225)의 외측 공간 또는 상기 제2셀플레이트(230) 외측 공간을 지나 배출구(205)로 배출된다.
상기 제1,2셀플레이트(225, 230)의 내측면에는 촉매가 코팅된 제1코팅층(210)이 형성되는데, 상기 제1코팅층(210)은 상기 유입구(200)에서 상기 마개(235) 방향으로 설정된 길이만큼 형성된다. 아울러, 상기 제1,2셀플레이트(225, 230)의 내측 후단부에는 코팅층이 형성되지 않는다.
상기 촉매 여과 필터(105)가 작동되면서 채널 내부 후단부에는 매 연(220)(soot: 그으름)이 축적되는데, 이렇게 상기 매연(220)이 축적되는 채널 내부 표면에 촉매가 코팅되지 않기 때문에 촉매 기능이 저하되지 않는다.
아울러, 본 발명의 실시예에서, 상기 제1셀플레이트(225)와 상기 제2셀플레이트(230)의 외측면 후단부에 촉매가 코팅된 제2코팅층(215)이 형성된다.
배기가스가 상기 제1,2셀플레이트(225, 230)의 전단부에서는 내측 통로를 통해서 이동하고, 후단부로 갈수록 상기 제1,2셀플레이트(225, 230)를 관통해서 외측으로 이동하는 구조를 갖고 있으며, 상기 제2코팅층(215)은 이러한 배기가스를 효율적으로 정화할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 마개(235)의 외측면에 촉매가 코팅된 제3코팅층(217)을 더 형성하여 촉매의 효율을 더욱 향상시켰다. 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 제2코팅층(215)과 상기 제3코팅층(217)은 서로 연결되도록 형성하는 것이 바람직하다.
도 2를 참조하면, 촉매 여과 필터(CPF: Catalyzed Particulate Filter)의 채널 일부는 한쪽 방향으로 개방되어 있고, 다른 일부는 반대 쪽 방향으로 개방되어 있다.
또한, 채널의 입출구는 교대로 플러그(마개)에 의해서 폐쇄되는 구조로 되어 있고, 전체 단면은 체크 패턴 형태를 갖고 있으며, 셀플레이트(셀웰: cell wall)는 배기가스가 투과하는 특징을 가지고 있다.
따라서, 입자상 물질(PM: Particular Matters)들이 채널 내부 셀웰에 포집되고, 배기가스는 코팅된 촉매에 의해서 산화되어 무해한 물질로 전환되며, 나머지 가스는 채널 후단으로 이동한다.
한편, 체널 내부에 포집된 입자상 물질(그으름: soot)이 증가하면 배기가스 저항이 증가한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 채널에 포집된 입자상 물질들은 버너 혹은 전기적으로 태워 제거된다.
촉매 여과 필터의 채널은 벌집형태(honey comb type)가 많고, 설계사양에 따라서 여러 가지로 변형될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 촉매 여과 필터 후단의 배기가스 상태를 도시한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 가로축은 운전시간을 나타내고, 세로축은 변환율을 나타내고, 상기 촉매 여과필터(105) 후단부의 NO2 생성량(305) 및 상기 선택적 촉매 환원장치(115)의 NOx 정화율(300)을 나타낸다.
도시한 바와 같이, 상기 선택적 촉매 환원장치(115)로 공급되는 NO2 생성량(305)이 일정하게 유지됨으로써 NOx 정화율(300)도 일정하게 유지될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 촉매 여과필터(105)에 사용되는 촉매의 양을 증가시키지 않고, 상기 그으름(220)이 채널 내부에 축적된 상태에서 상기 NO2 생성량(305)을 유지시킴으로써 그 효과가 입증되고 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 촉매 여과 필터를 이용한 배기가스의 상태를 도시한 표이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에서 상기 그으름(220)이 축적된 상태에서 NO2 생성율이 10% 증가하고, NOx 정화효율이 15%이상 증가했다는 실험 데이터를 나타낸다.
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.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 정화장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 촉매 여과 필터(CPF)의 일부 단면 상세도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 촉매 여과 필터 후단의 배기가스 상태를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 촉매 여과 필터를 이용한 배기가스의 상태를 도시한 표이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 디젤 산화 촉매장치
105: 촉매 여과필터
110: 환원제 공급장치
115: 선택적 촉매 환원장치
200: 유입구
205: 유출구
210: 제1촉매층
215: 제2촉매층
217: 제3촉매층
220: 그으름
225: 제1셀플레이트
230: 제2셀플레이트
235, 245: 마개
240: 제3셀플레이트
300: NO2 생성량
305: NOx 정화율

Claims (5)

  1. 배기 가스 흐름 방향으로 여러 개의 채널이 형성되고, 상기 채널들 중 적어도 하나는 입구가 폐쇄되고 출구가 개방되며,
    상기 채널들 중 적어도 하나는 입구가 개방되고, 출구가 폐쇄되되, 입구 또는 출구의 폐쇄된 부분이 교대로 배치되는 촉매 여과 필터를 포함하는 배기가스 정화장치에 있어서,
    상기 입구에서 출구 방향으로 채널 내측면에서 설정된 제1길이만큼 촉매가 코팅되어 형성된 제1코팅층; 및
    상기 채널의 상기 출구에서 상기 입구 방향으로 설정된 제2길이만큼 상기 채널 외측면에 촉매가 코팅되어 형성된 제2코팅층을 포함하되,
    상기 채널의 후단부 내측에는 촉매가 코팅되지 않고, 이 코팅되지 않는 부분에 그으름(soot)이 포집되며,
    상기 채널의 출구는 마개로 폐쇄되고, 상기 마개의 외측면에는 촉매가 코팅된 제3코팅층이 형성되고, 상기 제3코팅층은 상기 제2코팅층과 연결된 배기가스 정화장치.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 촉매 여과 필터의 후단에 선택적 촉매 환원장치(SCR: Selective Catalytic Reduction)가 장착된 배기가스 정화장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 촉매 여과 필터와 상기 선택적 촉매 환원장치 사이에 공급장치(DM: Dosing Module)가 배치되는 배기가스 정화장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 촉매 여과 필터 전단에 디젤 산화 촉매장치(DOC: Diesel Oxidation Catalyst)가 배치되는 배기가스 정화장치.
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