KR20110091736A

KR20110091736A - 개선된 배압 특성을 갖는 디젤 입자 필터

Info

Publication number: KR20110091736A
Application number: KR1020117012553A
Authority: KR
Inventors: 프란츠 도르나우스; 스테파니 프란츠; 게랄드 예스케
Original assignee: 우미코레 아게 운트 코 카게
Priority date: 2008-11-04
Filing date: 2009-09-11
Publication date: 2011-08-12
Anticipated expiration: 2029-09-11
Also published as: WO2010051877A1; JP2012507402A; ATE503549T1; EP2319606B1; BRPI0921618B1; DE502008003033D1; BRPI0921618A2; KR101643910B1; US20120014842A1; EP2181749B1; EP2319606A1; EP2181749B2; PL2319606T3; CN102196853B; EP2319606B2; RU2508154C2; RU2011122210A; EP2181749A1; CN102196853A; PL2319606T5

Abstract

세라믹 벽-유동 필터 기판과 유입 덕트들 내에 적용되는, 높은 융점을 갖는 재료로 구성되는 코팅을 포함하는 디젤 입자 필터가 제안되어 있다. 코팅부(6)는 수트 입자들(7)에 대한 유입 측부 상에서 벽(4) 내에서 유입 채널들(1)과 유출 채널들(2)을 연결하는 공극들(5)이 폐쇄되어 가스상 배기 가스 성분들의 통과를 방해하지 않도록 제공된다. 코팅은 높은 융점을 갖는 하나 이상의 산화물들로부터 또는 높은 융점을 갖는 섬유 재료로부터 제조될 수 있다. 양자의 경우들 모두에서, 코팅은 심부 여과가 현저히 감소되는 효과를 가지며, 따라서, 심부 여과 페이즈 동안 겪게되는 배압 증가가 크게 감소된다.

Description

개선된 배압 특성을 갖는 디젤 입자 필터{DIESEL PARTICLE FILTER HAVING IMPROVED BACK PRESSURE PROPERTIES}

본 발명은 개선된 배압 특성들을 가지며, 특히 차량들 내의 디젤 엔진들의 배기 가스로부터 디젤 수트(soot)를 제거하기에 적합한 디젤 입자 필터에 관한 것이다.

디젤 엔진에 의해 작동되는 자동차들의 배기 가스는 오염 가스들인 일산화탄소(CO) 및 질소 산화물들(NO_x) 뿐만 아니라 실린더의 연소 챔버 내의 연료의 불완전 연소로부터 발생하는 성분들도 포함한다. 마찬가지로 주로 가스 형태로 존재하는 잔류 탄화수소들 이외에, 이들은 "디젤 수트" 또는 "수트 입자들"이라고도 지칭되는 입자 배기물들을 포함한다. 이들은 주로 탄소 함유 고체 물질 입자들과 일반적으로 주로 비교적 장쇄(long-chain) 탄화수소 응축물들로 구성되는 점착성 액체 상의 복합 응집체들이다. 또한, 고체 성분들에 점착되는 액체 상은 "용해성 유기물(SOF)" 또는 "휘발성 유기물(VOF)"이라고도 지칭된다.

이들 입자 배기물들을 제거하기 위해, 입자 필터들이 사용된다. 현재의 미세 분진 문제의 배경에 맞서서, 작은 입자들에 관하여서도 높은 필터 효율을 특징으로 하는 세라믹 벽-유동 필터 기판들이 점증적으로 사용되고 있다. 상기 벽-유동 필터 기판들은 기밀적 형태로 교호적으로 폐쇄된 유입 및 유출 덕트들을 갖는 세라믹 허니콤 본체들이다. 도 1은 상기 유형의 벽-유동 필터 기판을 개략적으로 도시한다. 유입 덕트들(1) 내로 유동하는 입자 함유 배기 가스는 출구 측부에 배치된 기밀 폐쇄 플러그(3)에 의해 다공성 벽(4)을 통과하게 추진되고, 유입 측부 상에서 폐쇄되어 있는 유출 덕트들(2)의 외부로 벽-유동 필터 기판으로부터 다시 배출된다. 이 과정에서, 디젤 수트가 배기 가스로부터 여과된다.

벽을 통과할 때 벽-유동 필터 기판 내에서의 수트 여과는 2 단계 프로세스로 설명될 수 있다. 소위 "심부 여과 페이즈(depth filtration phase)"인 제 1 페이즈에서, 입자 함유 배기 가스가 벽을 통과할 때 수트 입자들이 벽의 공극들에 부착된다(도 2b). 이는 벽의 공극 직경의 감소를 초래하고, 결과적으로, 벽-유동 필터 기판을 가로지르는 배압의 급격한 증가를 초래한다. 공극 직경이 중간 크기 및 비교적 큰 수트 입자들이 공극들 내로 진입하게 하기에 너무 큰 정도로 감소되면, 전체 유입 덕트 내에 필터 케이크 형성(도 2c)이 발생한다. 필터 케이크가 누적됨에 따라, 이때 벽-유동 필터 기판을 가로지르는 배압은 단지 디젤 수트의 여과량에 따라 선형적으로 증가한다. 도 3은 수트-전무 필터를 시작 지점으로 하여, 수용된 수트 양의 함수로서 벽-유동 필터를 가로지르는 배압의 발전을 개략적으로 도시하고 있다. (1)은 수트-전무 필터의 배압을 도시하고, (2)는 심부 여과 페이즈 동안의 증가를 도시하고, (3)은 필터 케이크 형성 페이즈 동안의 배압의 선형적 상승을 도시한다.

벽-유동 필터 기판 내에서의 수트 여과의 상술한 2 단계 프로세스는 일반적으로 적용되며, 비-코팅 벽-유동 필터 기판들 뿐만 아니라 촉매 활성 코팅, 수트 점화 코팅 또는 여과 효율을 개선시키기 위한 특수 고정 구조체들을 갖는 코팅부들을 갖는 벽-유동 필터 기판들에서도 관찰된다. 벽-유동 필터의 초기 구성은 도 4에 도시된 바와 같이 수트-전무 상태의 구성 요소의 초기 배압에 주로 영향을 미친다. 촉매 코팅된 벽-유동 필터 기판들 또는 전형적 수트 점화 코팅을 갖는 벽-유동 필터 기판들(2)은 비코팅 벽-유동 필터 기판들(1)에 비해 수트-전무 상태에서 크게 더 높은 초기 배압을 가지지만, 수트 적재량 증가에 따른 배압 곡선의 프로파일은 비코팅 기판(1)의 배압 곡선의 프로파일과 유사하다. 여과 효율을 증가시키기 위한 코팅부를 갖는 기판(3)은 일반적으로 촉매 코팅 벽-유동 필터들의 초기 배압과 유사한 수트-전무 상태의 초기 배압을 갖는다. 그러나, 심부 여과 페이즈 동안의 배압의 증가는 매우 더 급격하며, 그 이유는 의도적으로 설치된 고정 구조체들로 인해 공극 반경이 매우 더 신속하게 좁아지기 때문이다.

자동차들에 사용되는 디젤 입자 필터들에서, 높은 배압 및 배압의 신속한 상승은 기본적으로 부적합하며, 그 이유는 이 때문에 동작 동안 배기 가스 정화 시스템을 통해 배기 가스를 추진하기 위해 엔진 출력이 증가되어야만하는 결과를 갖기 때문이다. 이때, 상기 엔진 출력은 차량 구동을 위해 사용될 수 없다. 그러나, 구동을 제공하기 위한 엔진 출력의 최적의 활용은 효율적 연료 사용의 증가와 같은 의미이며, 연료 소비적 장점들을 초래하고, 따라서, 또한, 차량의 CO₂ 배기물들의 감소를 초래한다.

본 발명의 목적은 여과 효율의 감소 또는 촉매 특성들의 손상 또는 수트 점화 특성들의 손상이 없는 개선된 배압을 특징으로 하는 디젤 입자 필터를 제공하는 것이다.

상기 목적은 세라믹 벽-유동 필터 기판과, 유입 덕트들에 적용된 코팅부를 포함하는 디젤 입자 필터에 의해 달성되며, 코팅부는 높은 융점을 갖는 재료로 구성되고, 상기 코팅부에 의해 유입 덕트들과 유출 덕트들을 연결하는 벽 내의 공극들이 유입 측부에서 수트 입자들에 대해 폐쇄되어 코팅부가 가스상 배기 가스 성분들의 통과를 방해하지 않도록 제공된다(도 5).

이는 산화물들의 입자 크기 분포의 d₅₀ 값이 벽-유동 필터 기판의 공극 크기 분포의 d₅ 값과 같거나 그보다 더 크고, 산화물들의 입자 크기 분포의 d₉₀ 값이 동시에 벽-유동 필터 기판의 공극 크기 분포의 d₉₅ 값과 같거나 그보다 더 커지는 방식으로 벽-유동 필터 기판의 벽 내의 공극 크기에 적응되는 입자 크기들과 높은 융점을 갖는 하나 이상의 산화물들을 주로 포함하는 코팅에 의해 달성된다. 여기서, 산화물들의 입자 크기 분포의 d₅₀ 값과 d₉₀ 값은 산화물들의 총 체적의 각각 50% 및 90%가 그 직경이 각각 d₅₀과 d₉₀으로 각각 특정된 값과 같거나 그보다 작은 입자들만을 포함한다는 의미로 이해되어야 한다. 벽-유동 필터 기판의 공극 크기 분포의 d₅ 값과 d₉₅ 값은 수은 다공도 측정에 의해 결정가능한 총 공극 체적의 각각 5%와 95%가 그 직경이 각각 d₅ 및 d₉₅로서 특정된 값과 같거나 그보다 작은 공극들에 의해 형성된다는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

유입 덕트들 내에 적용된 코팅부의 요구 기능성은 코팅부가 높은 융점을 가지고 가스 투과성 매트 형태로 공극 개구들 위에 배치되어 심지어 극도로 미세한 수트 입자들의 공극들 내로의 침투를 현저히 방해하거나 최상의 경우에는 실질적으로 방지하는 섬유성 재료를 주로 포함하는 경우에도 제공된다. 적절한 섬유성 재료는 섬유들의 평균 길이가 50과 250㎛ 사이이고, 섬유들의 평균 질량 기반 직경이 벽-유동 필터 기판의 공극 크기 분포의 d₅₀ 값과 같거나 그보다 작도록 선택되어야 하며, 벽-유동 필터 기판의 공극 크기 분포의 d₅₀ 값은 수은 다공도 측정에 의해 결정가능한 총 공극 체적의 50%가 그 직경이 d₅₀으로 특정된 값과 같거나 그보다 작은 공극들에 의해 형성되는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

양쪽 경우들에서, 코팅부는 심부 여과가 현저히 감소되고 따라서 심부 여과 페이즈 동안 발생하는 배압 증가가 크게 감소되는 효과를 갖는다. 도 6은 적용된 코팅에 의해 얻어지는 효과를 개략적으로 도시한다.

유입 덕트들 내에 심부 여과를 감소시키는 코팅을 적용함으로써 배압을 감소시키는 개념은 기본적으로 모든 벽-유동 필터 기판들에 적용될 수 있다. 본 발명에 따른 구성 요소들의 양호한 실시예들은 실리콘 카바이드, 코디어라이트 또는 알루미늄 티타네이트로 제조되면서 5와 50㎛ 사이, 바람직하게는 10과 25㎛ 사이의 평균 직경을 갖는 공극들을 구비하는 벽-유동 필터 기판들을 포함한다.

본 발명에 따른 가장 중요한 실시예들이 이하에 상세히 설명될 것이다. 그 기능이 심부 여과를 현저히 감소시키는 것인 본 발명에 따른 코팅은 이하에서 "오버코트(overcoat)"라 지칭된다.

청구항 2는 높은 융점을 갖는 하나 이상의 산화물들을 주로 포함하는 오버코트를 갖는 본 발명에 따른 입자 필터를 특정한다. 유입 덕트들과 유출 덕트들을 연결하는 벽 내의 공극들이 수트 입자들에 대해 폐쇄되어 오버코트가 가스상 배기 가스 성분들의 통과를 방해하지 않도록 상기 오버코트가 제공되도록, 오버코트를 위해 사용되는 재료들은 신중히 선택되어야 한다. 특히, 사용되는 산화물들은 기판의 벽 내의 공극 크기 분포에 적응된 입자 크기 분포를 가져야 한다. 오버코트의 정확한 기능은 산화물들의 입자 크기 분포의 d₅₀ 값이 벽-유동 필터 기판의 공극 크기 분포의 d₅ 값과 같거나 그보다 크고, 동시에, 산화물들의 입자 크기 분포의 d₉₀ 값이 벽-유동 필터 기판의 공극 크기 분포의 d₉₅ 값과 같거나 그보다 큰 경우에 얻어진다(첫 번째 입자 크기 분포 및 두 번째 공극 크기 분포의 대응 d_x 값들의 의미들은 이미 전술하였다). 그 입자 크기 분포가 5㎛ 이상의 d₅₀ 값을 가지면서, 20㎛ 이상의 d₉₀ 값을 갖는 산화물들을 사용하는 것이 바람직하다. 10과 15㎛ 사이의 d₅₀ 값을 가지고 d₉₀ 값이 25와 40㎛ 사이인 산화물들이 특히 바람직하다. 10 내지 15㎛의 d₅₀ 값을 가지며, 30 내지 35㎛의 d₉₀ 값을 갖는 산화물들이 바람직하게 사용된다. 후자는 심부 여과의 감소에 관하여 최적화된 기능을 가질 뿐만 아니라 벽-유동 필터 기판 상의 특히 양호한 부착을 또한 특징으로 한다.

일부 산화물들에서, 필요한 입자 크기 범위들은 벽-유동 필터 기판 내로 도입되기 이전의 산화물들의 목표 사전 분쇄에 의해 효율적 방식으로 달성될 수 있다. 이러한 장점의 포괄적 활용을 가능하게 하기 위해, 오버코트의 산화물들은 알루미늄 산화물, 희토류 금속 안정화 알루미늄 산화물, 희토류 금속 세스퀴옥사이드, 티타늄 디옥사이드, 지르코늄 산화물, 세륨-지르코늄 혼합 산화물, 바나듐 펜트옥사이드, 바나듐 트리옥사이드, 텅스텐 트리옥사이드, 몰리브덴 트리옥사이드 및 그 혼합물들로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것이 바람직하다. 산화물들은 알루미늄 옥사이드, 희토류 금속 안정화 알루미늄 옥사이드, 희토류 금속 세스퀴옥사이드, 지르코늄 옥사이드 및 그 혼합물들로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것이 특히 바람직하다.

제올라이트계 재료들은 일반적으로 산화성 오버코트에 부적절하며, 그 이유는 일반적으로 d₅₀ < 3㎛의 평균 입자 크기들을 갖는 합성 제올라이트들의 입자 크기들이 여기에 필요한 값들보다 매우 아래에 있기 때문이다.

산화성 오버코트의 최적의 기능을 보증하면서 동시에 심부 여과를 감소시키는 코팅이 초기 배압에 대한 가능한 미소한 영향을 갖는 것을 보증하기 위해, 오버코트는 바람직하게는 10 내지 150㎛, 특히 바람직하게는 20 내지 100㎛의 층 두께로 벽-유동 필터 기판의 유입 덕트들에 적용된다. 상술한 가능한 산화성 오버코트 재료들의 선택에 대하여, 벽-유동 필터 기판의 체적에 관하여 1 내지 50 g/L 고체 물질의 적재량으로 대응 층 두께들을 형성하는 것이 가능하다. 벽 유동 필터 기판의 체적에 관한 1 내지 20 g/L 고체 물질을 갖는 적재량들이 특히 바람직하며, 특히 벽-유동 필터 기판의 체적에 관하여 1 내지 10 g/L 고체 물질을 갖는 층 두께들이 매우 바람직하다.

산화성 오버코트를 갖는 본 발명에 따른 디젤 입자 필터를 제조하기 위해, 적절한 산화물이 선택되고 선택된 산화물의 공극 체적보다 적어도 두 배 큰 물의 양 내에 현탁된다. 필요시, 이렇게 얻어진 산화물의 수성 현탁액은 필요한 입자 크기 분포가 얻어질 때까지 다이노 밀(Dyno mill)에 의해 분쇄된다. 제조 프로세스의 이 단계에서 현탁액의 침전 안정성을 증가시키기 위한 첨가물들의 추가는 상기 첨가물들이 최종 준비 단계에서의 하소 동안 열적으로 완전히 제거될 수 있다면 제조되는 오버코트의 기능에 유해하지 않다. 규산 및 기타 무기 염수들(brines) 같은 접착제들의 혼합도 유해하지 않으며, 일부 실시예들에서는 유리할 수 있다. 필요시 수행될 수 있는 분쇄에 의한 입자 크기 분포의 설정 이후, 현탁액은 코팅 대상 벽-유동 필터 기판의 유입 덕트들 내로 펌핑된다. 유입 덕트들이 현탁액으로 완전히 충전된 이후, 잉여 현탁액은 다시 벽-유동 필터 기판 외부로 흡출된다. 여기서, 흡출 파워는 프로세스의 종료시 사전규정된 적재량의 고체 물질이 유입 덕트 내에 잔류하도록 선택되어야 한다. 이 방식으로 제조된 코팅된 벽-유동 필터 기판은 80 내지 180℃의 고온 공기 유동 내에서 건조되고, 이어서, 250 내지 600℃, 바람직하게는 300 내지 500℃에서 하소된다. 하소 이후, 상기 코팅된 벽-유동 필터 기판은 추가 처리 없이 사용 준비 상태가 된다.

청구항 6은 높은 융점을 갖는 섬유성 재료를 주로 포함하는 오버코트를 갖는 본 발명에 따른 입자 필터를 특정한다. 섬유성 재료는 벽 내의 공극들의 개구들 위에 가스 투과성 매트 형태로 유입 덕트들 내에 배치되어 심지어 극도로 미세한 수트 입자들의 공극들 내로의 침투를 현저히 방해하도록 또는 최상의 경우에는 실질적으로 방지하도록 제공되어야 한다. 이를 보증하기 위해, 섬유성 재료는 섬유들의 평균 길이가 50과 250㎛ 사이이고, 섬유들의 평균 질량 기반 직경이 벽-유동 필터 기판의 공극 크기 분포의 d₅₀ 값과 같거나 그보다 작도록 선택되어야 한다. 벽-유동 필터 기판의 공극 크기 분포의 d₅₀ 값은 수은 다공도 측정에 의해 결정될 수 있는 총 공극 체적의 50%가 그 직경이 d₅₀으로서 특정된 값과 같거나 그보다 작은 공극들에 의해 형성되는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 100 내지 150㎛의 평균 섬유 길이 및 5 내지 15㎛의 평균 질량 기반 직경을 갖는 섬유들을 사용하는 것이 바람직하다.

섬유성 재료는 100 내지 800℃의 범위의 디젤 입자 필터의 정상 동작 및 재생 온도들을 견딜 수 있는 정도로 내열성이어야만 하며, 다시 말하면, 섬유들의 용융 온도는 800℃를 초과하여야 한다. 예로서, 석면, 뮬라이트, 작은 섬유 직경들을 갖는 미네랄 울 및 알루미늄 산화물 섬유들 같은 이들 기술적 요구들을 충족시키는 다수의 섬유성 재료들은 발암성 섬유 분진들을 방출한다. 따라서, 본 발명에 따른 디젤 입자 필터에 사용되는 섬유 재료는 5㎛을 초과하는 섬유 직경들을 갖는 미네랄 울, 암면 및 자연석 섬유로 구성되는 건강에 유해하지 않은 재료들의 그룹으로부터 선택되는 것이 바람직하다. 자연석 섬유들을 사용하는 것이 특히 바람직하다. 이런 자연석 섬유들은 주로 실리콘 디옥사이드, 알루미늄 산화물, 칼슘 산화물 및 마그네슘 산화물로 구성된다. 또한, 상기 자연석 섬유들은 철 산화물 및 알칼리 산화물들, 특히, 포타슘 산화물 및 나트륨 산화물을 포함할 수 있다. 적절한 자연석 섬유들은 예로서, 용융 현무암으로부터 얻어진다. 상기 자연석 섬유들은 건축 재료 공급자들로부터의 단열 재료들로서 다양한 형태들로 입수할 수 있다.

오버코트를 제조하기 위해 높은 융점을 갖는 섬유 재료들을 사용함으로써, 본 발명에 따른 구성 요소의 오버코트 층 두께들을 1 내지 50㎛으로 감소시키는 것이 가능하다. 높은 융점을 갖는 섬유 재료로 구성된 오버코트는 바람직하게는 3 내지 30㎛의 층 두께를 갖는다. 이는 벽-유동 필터 기판의 체적에 관하여 1 내지 30 g/L 고체 물질의 오버코트 적재량으로 달성될 수 있다. 벽-유동 필터의 체적에 관한 2 내지 15g/L 고체 물질의 적재량들이 특히 바람직하며, 벽-유동 필터 기판의 체적에 관한 2 내지 5g/L 고체 물질의 적재량들이 매우 특히 바람직하다.

청구항 6에 따른 본 발명에 따른 디젤 입자 필터는 적절한 양의 물 내에 섬유 재료를 현탁하고 유입 측부로부터 벽-유동 필터를 통해 현탁액을 펌핑함으로써 제조된다. 여기서, 기판 내로 펌핑되는 현탁액의 양은 내부에 포함된 섬유 재료의 양이 적용될 고체 물질 적재량에 대응하도록 선택되어야 한다. 수성 현탁액 구성 요소를 벽을 통해 펌핑하기 위해, 대응적으로 높은 펌프 압력이 필요하다. 필요시, 그 입자 크기들이 섬유들 사이의 공간들 내에 이들이 잔류하고 유입 및 유출 덕트들 사이의 공극들 내로 침투하지 않기에 충분히 큰 경우 소량의 접착성 첨가물들이 코팅 현탁액에 추가될 수 있다. 필요시, 규산 및 기타 무기 염수들이 접착성 첨가물들로 고려된다. 코팅 현탁액이 그를 통해 펌핑된 이후, 벽-유동 필터 기판은 80 내지 180℃의 고온 공기의 유동 내에서 건조되고, 이어서, 250 내지 600℃, 바람직하게는 300 내지 500℃에서 하소된다. 하소 이후, 상기 벽-유동 필터 기판은 추가 처리 없이 사용 준비 상태가 된다.

청구항 2에 따른 본 발명에 따른 디젤 입자 필터의 제조와 대조적으로, 코팅 현탁액은 섬유 오버코트를 사용한 본 발명에 따른 디젤 입자 필터의 제조 동안 벽-유동 필터의 유입 덕트들 외부로 흡출될 수 없으며, 그 이유는 흡출 부하가 삽입된 섬유 매트를 떨어지게 하고 공극들이 노출되게 하기 때문이다. 이 방식으로 노출된 공극들에는 이어서 수트 입자들이 접근할 수 있으며, 결과적으로, 증가된 정도의 심부 여과를 받게 되고, 배압 감소의 잠재력이 전체적으로 활용될 수 없다.

유입 덕트들 내에 심부 여과를 감소시키는 코팅(오버코트)을 적용함으로써 배압을 감소시키는 개념은 기본적으로 모든 벽-유동 필터 기판들에 적용될 수 있다는 것을 이미 언급하였다. 또한, 이들은 촉매 코팅된 벽-유동 필터 기판들 또는 수트 점화 온도를 감소시키는 코팅부들을 갖는 벽-유동 필터 기판들을 포함한다.

예로서, 유입 및 유출 덕트들 사이의 벽의 공극들 내에 주로 제공되어 있는 촉매 활성 코팅 및/또는 수트 점화 온도를 감소시키는 코팅을 갖는 벽-유동 필터 기판들에 전술한 바와 같이 높은 융점을 갖는 섬유 재료로 구성된 또는 높은 융점을 갖는 산화성 재료로 구성된 오버코트들이 적용될 수 있다. 이런 이미 코팅된 벽-유동 필터 기판들에는 바람직하게는 청구항 6에 따른 섬유 재료로 구성된 오버코트가 제공되며, 그 이유는 심부 여과를 감소시키는 상기 유형의 코팅이 비교적 얇은 층 두께들에서도 특히 유효하기 때문이다. 상기 산화성 오버코트의 최적의 효과를 위해 바람직한 청구항 2에 따른 산화성 오버코트의 층 두께는 일부 상황들 하에서 심부 여과의 감소에 의해 얻어질 수 있는 배압 감소보다 큰 정도로 수트-전무 부품의 초기 배압의 증가를 초래할 수 있다.

차량 용례에 따라서, 본 발명에 따른 디젤 입자 필터에 대해 수트 점화 온도를 감소시키는 추가적 코팅 및/또는 추가적 촉매 활성 코팅을 추가하는 것이 바람직할 수도 있다. 그러나, 이런 실시예는 수트-전무 필터의 초기 배압이 유입 덕트들 내에서 서로의 위의 두 개의 층들의 배열의 결과로서 과도하게 증가한다는 기본적 단점을 갖는다. 따라서, 이런 실시예들은 연료 소비가 부차적 중요성을 가지며, 예로서, 건설 기계들 및 기타 소위 "비 로드(non road)" 용례들에 대해서, 예로서, 더 낮은 평균 동작 조건들 때문에 매우 낮은 온도들에서의 수트 점화가 필요하거나 및/또는 높은 레벨의 연속적 입자 트랩 재생(CRT^® 효과)이 필요한 특수 차량 용례들을 위해서만 사용된다.

다수의 차량 용례들에 특히 매우 적합한 실시예들은 산화성 오버코트를 갖는 본 발명에 따른 디젤 입자 필터에서, 심부 여과를 감소시키는 코팅이 촉매 활성화될 때 얻어진다.

상술한 바와 같이, 오버코트의 산화물들은 알루미늄 산화물, 희토류 금속 안정화 알루미늄 산화물, 희토류 금속 세스퀴옥사이드, 티타늄 디옥사이드, 지르코늄 산화물, 세륨-지르코늄 혼합 산화물, 바나듐 펜트옥사이드, 바나듐 트리옥사이드, 텅스텐 트리옥사이드, 몰리브덴 트리옥사이드 및 그 혼합물들로 구성되는 그룹으로부터 바람직하게 선택된다. 이들 산화물들은 종종 디젤 수트에 추가로 디젤 배기 가스 내에 존재하는 오염 가스들인 일산화탄소, 잔류 탄화수소들 및 질소 산화물들을 무해 성분들로 변환하기 위해 사용될 수 있는 수트 점화 온도를 감소시키는 코팅들 및/또는 산화 촉매성 또는 환원 촉매성 코팅들을 위한 기초를 형성한다. 따라서, 심부 여과를 감소시키는 코팅의 추가적 촉매 활성화는 수트 점화 온도를 감소시킬 수 있는 구성 요소들 및/또는 산화성 또는 환원성 촉매 구성 요소들을 혼합하거나 주입함으로써 달성될 수 있다.

일부 도면들 및 예시들에 기초하여 이하에서 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 벽-유동 필터 기판의 개략적 예시도이며, 도면 부분(1a)은 교호적으로 개방(백색으로 예시됨) 및 기밀 형태로 폐쇄(흑색으로 예시됨)된 덕트들을 갖는 단부 표면의 도면을 도시하고, 도면 부분(1b)은 그 기능을 도시하는 도식적 스케치의 형태로 벽-유동 필터 기판의 세부사항을 도시하고, 이하의 표시들이 사용되고 있다.
화살표들은 배기 가스의 유동 방향을 도시한다.
(1) 유입 덕트
(2) 유출 덕트
(3) 기밀 폐쇄 플러그
(4) 공극, 다시 말하면, 가스 투과성 벽.
도 2는 벽-유동 필터 기판 내에서의 수트 여과 프로세스의 개략적 예시도이며, 이하의 표시들이 사용되고 있다.
화살표들은 배기 가스의 유동 방향을 도시한다.
(1) 유입 덕트
(2) 유출 덕트
도면 부분(2a)은 공극들을 갖는 벽-유동 필터 기판의 벽의 확대 상세도를 도시하고,
도면 부분(2b)은 심부 여과의 프로세스를 개략적으로 도시하고,
도면 부분(2c)은 필터 케이크 형성의 프로세스를 개략적으로 도시한다.
도 3은 수용된 수트 양의 함수로서 벽-유동 필터 기판을 가로지르는 배압의 발전의 개략적 예시도이며, 이하의 표시들이 사용된다.
(1) 수트-전무 상태의 초기 배압
(2) 심부 여과 페이즈 동안의 배압 증가
(3) 필터 케이크 형성 페이즈 동안의 배압 증가.
도 4는 수용된 수트 양의 함수로서 다양한 벽-유동 필터들을 가로지르는 배압의 발전의 개략적 예시도이며, 이하의 표시들이 사용된다.
(1) 비코팅 벽-필터 기판을 가로지르는 배압의 발전
(2) 촉매 코팅 또는 수트 점화 코팅을 갖는 벽-유동 필터 기판을 가로지르는 배압의 발전
(3) 여과 효율을 개선시키기 위한 특수 구조체들을 갖는 코팅부를 구비한 벽-유동 필터 기판을 가로지르는 배압의 발전.
도 5는 세라믹 벽-유동 필터 기판을 포함하고, 유입 덕트들(1)에 제공된 코팅부(6)를 포함하는 본 발명에 따른 디젤 입자 필터의 세부를 예시하는 개략적 예시도이며, 코팅부는 높은 융점을 갖는 재료로 구성되고, 벽(4) 내의 유입 덕트들(1)과 유출 덕트들(2)을 연결하는 공극들(5)이 상기 유입 측부에서 수트 입자들(7)에 대해 폐쇄되어 상기 코팅부가 가스상 배기 가스 성분들의 통과를 방해하지 않도록 제공되어 있다.
도 6은
(1) 심부 여과를 감소시키는 코팅이 없는 종래 기술에 따른 벽-유동 필터 기판을 가로지르는 배압의 발전,
(2) 심부 여과를 감소시키는 코팅을 갖는 본 발명에 따른 벽-유동 필터 기판을 가로지르는 배압의 발전의 개략적 예시도이다.
도 7은 단일 대수 형태로 그려진 Ibiden 회사로부터의 세라믹 벽-유동 필터 기판 SD 031의 수은 다공도 측정에 의해 결정된 공극 분포를 도시한다.
도 8은 단일 대수 형태로 그려진 분쇄 이후 예시 2로부터 산화성 오버코트를 제조하기 위한 산화물의 입자 크기 분포를 도시한다.
도 9는 비교예로부터의 오버코트가 없는 디젤 입자 필터(#)와 예시 2로부터의 오버코트를 갖는 디젤 입자 필터(#ov)의 배압 비교 측정을 도시하며, 양자의 측정 곡선들은 오버코트가 없는 구성 요소(#)를 위한 곡선의, 1만큼 감소된, 축 인터셉트 값의 차감에 의해 교정되어 있다.

예시 1:

도 7에 특정된 공극 분포 및 10㎛의 d₅₀ 값을 갖는 Ibiden 회사로부터의 세라믹 벽-유동 필터 기판 SD 031에 높은 융점을 갖는 섬유 재료로 구성된 코팅부가 제공되었다.

이를 위해, 125㎛의 평균 섬유 길이 및 9㎛의 섬유들의 평균 질량 기반 직경을 갖는 자연석 섬유 재료가 물 내에 현탁되었다. 총 고체 물질 양에 관하여 Nissan Chemical로부터의 약 5wt.%의 실리카 졸 ST-OUP을 추가한 이후, 현탁액이 유입 덕트 측부에서 벽-유동 필터 기판을 통해 펌핑되었으며, 현탁액 양은 적용될 섬유 재료의 총량, 구체적으로, 구성 요소 체적에 관해 5 g/L을 정확하게 포함하였다. 섬유 매트가 이렇게 제공된 구성 요소는 가열 팬에 의해 120℃에서 건조되었고, 이어서, 마찬가지로 가열 팬에 의해 350℃에서 1시간 동안 하소되었다.

이 방식으로 제조된 필터는 수트 적재량의 함수로서 측정된, 비코팅 기판에 비해 심부 여과의 결과로서의 배압 상승의 현저히 감소를 나타내었다.

비교예 :

종래 기술에 따른 촉매 코팅된 디젤 입자 필터들을 제조하기 위해, Corning 회사로부터의 알루미늄 티타네이트로 구성된 두 개의 세라믹 벽-유동 필터 기판들에 촉매 활성 재료로 구성된 코팅부가 제공되었다.

이를 위해, 고 등급 금속을 포함하는 분말이 처음에 코팅의 촉매 활성 구성 요소로서 제조되었다. 상기 분말을 획득하기 위해, 3wt.% 란타늄 세스퀴옥사이드로 안정화된 γ 알루미늄 산화물에 백금 전구체 화합물의 수성 용액과 팔라듐 전구체 화합물의 수성 용액의 혼합물로 주입되었으며, γ 알루미늄 산화물로 처리된 수성 용액의 총 양은 분말의 유동성이 유지되도록 선택되었다. 주입으로부터 초래된 함습 분말이 120℃에서 10시간의 기간에 걸쳐 건조되었고, 이어서, 300℃에서 4시간 동안 하소되었다. 완성된 고 등급 금속을 포함하는 분말은 분말의 총량에 관하여 11wt.%의 고 등급 금속을 포함하였으며, 백금:팔라듐 비율은 2:1이다.

이렇게 얻어진 코팅의 촉매 활성 구성 요소는 대략 분말의 물 흡수 용량의 2와 1/2배에 대응하는 양의 물 내에서 교반과 함께 현탁되었다. 이렇게 얻어진 현탁액은 입자 크기 분포가 7㎛ 미만의 d₁₀₀ 값을 가질 때까지 다이노 밀에 의해 분쇄되었다.

20% 미만의 적절한 고체 물질 함량이 설정된 이후, 현탁액은 덕트들 내로의 펌핑에 의해 상술한 벽-유동 필터 기판의 벽들 내로 도입되고, 후속하여 흡출되었다. 필터들은 후속하여 120℃에서 가열 팬에 의해 건조되고, 정적 노 내에서 300℃로 4시간의 기간 동안 하소되었다. 최종 디젤 입자 필터들 내의 촉매 활성 코팅의 인가된 양은 구성 요소의 체적에 관하여 대략 28 g/L이었다.

예시 2:

본 발명에 따른 디젤 입자 필터를 제조하기 위해, 비교예에서 얻어진 촉매 코팅된 디젤 입자 필터들 중 하나에 산화성 오버코트가 제공되었다.

오버코트를 위한 적절한 코팅 현탁액을 제조하기 위해, 3wt.% 란타늄 세스퀴옥사이드로 안정화된 적절한 양의 알루미늄 산화물이 사용된 산화물의 물 흡수 용량의 대략 2와 1/2배에 대응하는 양의 물 내에 교반과 함께 현탁되었다. 이 방식으로 얻어진 현탁액은 입자 크기 분포가 대략 10㎛(정확하게: 10.35㎛)의 d₅₀ 값과 대략 30㎛(정확하게: 29.48㎛)의 d₉₀ 값을 가질 때까지 다이노 밀에 의해 분쇄되었다. 도 8은 Beckman Coulter로부터의 LS230 입자 크기 측정 유닛을 사용하여 측정된, 완전히 분쇄된 현탁된 산화물의 입자 크기 분포를 도시한다.

대략 18%의 적절한 고체 물질 함량이 설정된 이후, 현탁액은 코팅 현탁액을 유입 덕트들 내로 펌핑하고 이어서 흡출함으로써, 비교예로부터의 이미 촉매 코팅된 디젤 입자 필터들 중 하나에 적용되었다. 필터는 후속하여 120℃에서 가열 팬에 의해 건조되었고, 정적 노 내에서 350℃에서 4 시간의 기간 동안 하소되었다. 완성된 디젤 입자 필터 내의 오버코트에 기인하는 적재량은 구성 요소의 체적에 관하여 5g/L이었다.

수트 탑재 상태에서의 배압 특성들이 비교예에서 제조된 종래 기술에 따른 촉매 코팅된 디젤 입자 필터와 예시 2로부터의 본 발명에 따른 디젤 입자 필터에서의 비교에 의해 테스트되었다. 수트가 필터에 탑재되는 동안의 배압 곡선들의 기록은 유닛의 공급자에 의해 권장되는 표준 조건들 하에서 Cambustion 회사로부터의 "Diesel Particulate Generator(DPG)"에 의해 수행되었으며, 그 측정 원리들 및 방법은 본 기술의 숙련자들에게 친숙하다.

도 9는 수용된 수트 양의 함수로서 배압의 비교 테스트의 결과를 도시한다. #은 비교예로부터의 오버코트가 없는 디젤 입자 필터를 나타내고, #ov는 예시 2로부터의 오버코트를 갖는 디젤 입자 필터를 나타낸다. 도 9에서, 양자의 측정 곡선들은 오버코트의 직접적 영향을 나타내기 위해, 오버코트가 없는 구성 요소(#)를 위한 곡선의, 1만큼 감소된, 축 인터셉트 값의 차감에 의해 교정되었다.

동일한 초기 배압으로부터 진행하여, 오버코트를 갖는 필터(#ov)는 심부 여과에 기인할 수 있는 배압 곡선의 영역에서 현저히 작은 증가를 나타낸다는 것을 명시적으로 볼 수 있다. 오버코트를 갖는 디젤 입자 필터와 오버코트를 갖지 않는 디젤 입자 필터 사이의 관찰된 배압 편차는 대략 6mbar이다.

Claims

세라믹 벽-유동 필터 기판과, 유입 덕트들 내에 적용된 코팅부를 포함하고,
상기 코팅부는 높은 융점을 갖는 재료로 구성되며, 또한 상기 코팅부에 의해 벽 내에서 상기 유입 덕트들과 유출 덕트들을 연결하는 공극들이 유입 측부에서 수트 입자들에 대해 폐쇄되어, 상기 코팅부가 가스상 배기 가스 성분들의 통과를 방해하지 않도록 하는 디젤 입자 필터.
제 1 항에 있어서, 상기 코팅부는 높은 융점을 가지는 하나 이상의 산화물을 주로 포함하고,
상기 산화물들의 입자 크기는, 상기 산화물들의 입자 크기 분포의 d₅₀ 값이 벽-유동 필터 기판의 상기 공극 크기 분포의 d₅ 값과 같거나 그보다 크고, 상기 산화물들의 입자 크기 분포의 d₉₀ 값이 상기 벽-유동 필터 기판의 공극 크기 분포의 d₉₅ 값과 같거나 그보다 크도록, 상기 벽-유동 필터 기판의 상기 벽 내의 상기 공극 크기들에 적응되며,
상기 산화물들의 상기 입자 크기 분포의 상기 d₅₀ 값 및 상기 d₉₀ 값은 상기 산화물들의 총 체적의 각각 50% 및 90%가 그 직경이 각각 d₅₀ 및 d₉₀으로 특정된 값과 같거나 그보다 작은 입자들만을 포함하는 것을 의미하는 것으로 이해되고,
상기 벽-유동 필터 기판의 상기 공극 크기 분포의 d₅ 값 및 d₉₅ 값은 수은 다공도 측정에 의해 결정될 수 있는 총 공극 체적의 각각 5% 및 95%가 그 직경이 각각 d₅ 및 d₉₅로 특정된 값과 같거나 그보다 작은 공극들에 의해 형성되는 것을 의미하는 것으로 이해되는 것을 특징으로 하는 디젤 입자 필터.
제 2 항에 있어서, 상기 산화물들은 5㎛ 이상의 d₅₀ 값과, 20㎛ 이상의 d₉₀ 값을 갖는 입자 크기 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 디젤 입자 필터.
제 3 항에 있어서, 상기 산화물들은 알루미늄 산화물, 희토류 금속 안정화 알루미늄 산화물, 희토류 금속 세스퀴옥사이드, 티타늄 디옥사이드, 지르코늄 산화물, 세륨-지르코늄 혼합 산화물, 바나듐 펜트옥사이드, 바나듐 트리옥사이드, 텅스텐 트리옥사이드, 몰리브덴 트리 옥사이드 및 그 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 디젤 입자 필터.
제 4 항에 있어서, 상기 코팅부는 10 내지 150㎛의 층 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 디젤 입자 필터.
제 1 항에 있어서, 상기 코팅부는 높은 융점을 갖는 섬유 재료를 주로 포함하고, 상기 섬유들의 평균 길이는 50과 250㎛ 사이이고, 상기 섬유들의 평균 질량 기반 직경은 상기 벽-유동 필터 기판의 상기 공극 크기 분포의 d₅₀ 값 이하이며,
상기 벽-유동 필터 기판의 상기 공극 크기 분포의 d₅₀ 값은 수은 다공도 측정에 의해 결정될 수 있는 총 공극 체적의 50%가 그 직경이 d₅₀으로서 특정된 값과 같거나 그보다 작은 공극들에 의해 형성되는 것을 의미하는 것으로 이해되는 것을 특징으로 하는 디젤 입자 필터.
제 6 항에 있어서, 상기 섬유 재료는 5㎛보다 큰 섬유 직경들을 갖는 미네랄 울, 자연석 섬유 및 암면으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 디젤 입자 필터.
제 7 항에 있어서, 상기 코팅부는 1 내지 50㎛의 층 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 디젤 입자 필터.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 벽-유동 필터 기판은 실리콘 카바이드, 코디어라이트 또는 알루미늄 티타네이트로부터 제조되고, 상기 유입 및 유출 덕트들 사이의 상기 벽들 내에 존재하는 상기 공극들은 5와 50㎛ 사이의 평균 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 디젤 입자 필터.
제 9 항에 있어서, 상기 벽 유동 필터 기판은 촉매 활성 코팅 및/또는 수트 점화 온도를 감소시키는 코팅부를 포함하고, 이러한 코팅부는 주로 상기 유입 및 유출 덕트들 사이의 상기 벽의 상기 공극들 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 디젤 입자 필터.
제 9 항에 있어서, 상기 코팅부가 높은 융점을 갖는 재료로 구성되고, 또한 상기 코팅부에 의해 상기 벽 내의 상기 유입 덕트와 상기 유출 덕트를 연결하는 공극들이 상기 유입 측부에서 상기 수트 입자들에 대해 폐쇄되어 상기 코팅부가 상기 가스상 배기 가스 성분들의 통과를 방해하지 않도록 제공되는, 상기 유입 덕트들 내에 적용된 코팅부에는 추가적 촉매 활성 코팅부 및/또는 수트 점화 온도를 감소시키는 추가적 코팅부가 제공되는 것을 특징으로 하는 디젤 입자 필터.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 산화 촉매성 또는 환원 촉매성 구성 요소들 및/또는 수트 점화 온도를 감소시킬 수 있는 구성 요소들이 혼합 또는 주입에 의해 높은 융점을 갖는 하나 이상의 산화물을 주로 포함하는 상기 코팅부에 추가되는 것을 특징으로 하는 디젤 입자 필터.