WO2011102596A1 - 매연저감장치 및 매연저감방법 - Google Patents

매연저감장치 및 매연저감방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a smoke reduction device and a smoke reduction method, and more particularly, to a smoke reduction device and a smoke reduction method that can effectively reduce contaminants generated in a combustion device such as a diesel engine.
  • a soot collecting filter is installed in the exhaust passage to collect soot, which is solid particles to be discharged to the outside, from the filter and periodically or continuously regenerated. At the time of regeneration of the filter, the soot trapped in the filter is combusted and discharged as a gaseous substance to return the filter to its initial state.
  • soot collecting filter and collecting characteristics there is a method of filtering soot on a wide filter surface having pores smaller than the size of soot ("surface filtration").
  • surface filtration a method in which a filter has a predetermined volume by stacking a plurality of particles such as metal or ceramic beads, and collects soot in the entire volume (hereinafter referred to as "volume filtration").
  • volume filtration soot is deposited on the interface between particles and pores as exhaust gas containing soot passes through a filter, that is, a particle layer.
  • the surface filtration method has a uniform shape and structure, such as a honeycomb ceramic carrier filter, a metal mesh filter, a high temperature fiber or a filter made by weaving or sintering a ceramic fiber.
  • Branch filters (hereinafter referred to as "structured filters") are used.
  • This surface filtration method has excellent soot collection performance, but is weak in mechanical and thermal durability due to the characteristics of the ceramic and metal materials constituting the filter.
  • a structure having a large surface area is required. Many filters have a honeycomb shape and are expensive.
  • Cordierite filter (FIG. 1) and silicon carbide ceramic filter (FIG. 2) which are most frequently used as structure-type filters until recently.
  • the filters have high temperature durability problems and high temperature thermal expansion problems, respectively.
  • Cordierite ceramic structured filters have low tolerances to temperature gradients and durability at high temperatures.
  • many ceramic filters made of silicon carbide that withstand high temperatures are used.
  • the silicon carbide ceramic filter has a high thermal expansion rate and has a temperature gradient problem at high temperature. Therefore, the entire filter 2 is not integrated, and the small filter segments 20 are bonded to each other (see FIG. 3). Therefore, the problem that the filter is easily cracked and damaged due to the material problem of the joining material at high temperature.
  • US3937015, US4912076, US4759918, US5497620, US4535589, US4852349 and the like have been proposed. These are basically surface filtration.
  • a volume filtration method and a smoke reduction method are developed by stacking particles 210 such as a plurality of metal / ceramic beads so as to have a predetermined volume. Collect soot.
  • the particulate filter is soot is deposited on the interface between the particles and pores constituting the filter in the process of passing the gas containing the particulate through the particle layer, thereby implementing a volume filtering filtration mechanism.
  • Particle bed filter does not generate stress due to thermal gradient inside the filter. It also has excellent durability against high temperature environments and mechanical vibrations. In addition, it has a very low back pressure increase rate, it is characterized by very good economic aspects.
  • the initial back pressure is very high to overcome the filter volume.
  • the volume filtration method has a disadvantage in that the volume of the particle bed filter must be large in order to obtain a high level of soot collection efficiency. Therefore, there is a need for the development of a smoke reduction device and a smoke reduction method that can solve the disadvantages while maintaining the advantages of the structure-type filter and the particle layer filter described above.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an improved smoke reduction device and a smoke reduction method.
  • the present invention comprises a structure-type filter having a predetermined shape and structure and mainly collecting the smoke by the surface filtration method and particles of various shapes collecting the smoke by the volume filtration method. Complementing the concept of the particle layer filter to each other, to complement the disadvantages of each method, to maximize the advantages to provide a more efficient and durable smoke reduction device and smoke reduction method.
  • the present invention comprises a first filter which is provided on the exhaust flow path through which the exhaust gas generated in the diesel engine flows, the first filter having a predetermined volume and operating in a volume filtration method; It is provided at a predetermined position of the second filter, and provides a smoke reduction device comprising a second filter that operates in a surface filtration method.
  • the first filter is a particle layer filter
  • the second filter is a structure type filter.
  • the volume of the second filter is preferably smaller than the volume of the first filter.
  • the second filter is preferably provided in parallel with the flow direction of the exhaust gas, the second filter may be provided extending from the inlet to the filter outlet of the first filter, the second filter The first filter may be separated into one or more stages in the interior of the first filter.
  • the first filter and the second filter may be provided sequentially along the flow direction of the exhaust gas.
  • the support portion for supporting the first filter is further provided.
  • the second filter is more preferably supported by the particles constituting the first filter.
  • the second filter may be configured by combining filter segments having a small size.
  • the present invention comprises the step of filtering the exhaust gas generated in the diesel engine by a surface filtration method, a combination of a plurality of particles having a predetermined volume and volume filtration method. It provides a method of reducing smoke. Initially, the particles are preferably collected by the surface filtration method.
  • the structure type filter and the particle layer filter can be used in the same filter volume (or space), thereby solving the problems of the initial back pressure and the initial filtration efficiency of the particle layer filter.
  • the filter design considering the number of unit elements, that is, the number of segments of the structure type filter as a design factor, it is possible to optimize the back pressure conditions and filter efficiency for various diesel engine sizes and operating conditions, such as Through this, there is an advantage that the miniaturization and manufacturing economic efficiency of the filter that can be actually applied can be improved.
  • FIG 1 and 2 are photographs showing ceramic filters made of cordierite and silicon carbide, which are conventional structured filters.
  • 3 is a photograph showing conventional structured filter segments.
  • Figure 4 is a photograph showing a conventional particle layer filter
  • FIG. 5 is a view schematically showing the configuration of an embodiment of a smoke reduction device according to the present invention.
  • FIG. 6 is a photograph showing the filter inlet of FIG.
  • FIG. 7 is a view showing the configuration of another embodiment of the smoke reduction device according to the present invention.
  • FIGS. 8 and 9 are views showing the configuration of another embodiment of the smoke reduction device according to the present invention.
  • FIG. 10 is a view showing the configuration of another embodiment of the smoke reduction device according to the present invention.
  • FIG. 11 is a view showing the configuration of another embodiment of the smoke reduction device according to the present invention.
  • FIG. 12 is a graph illustrating a flow rate ratio and a back pressure according to the number of structured filters in a smoke reduction device according to the present invention.
  • Figure 13 is a graph showing the back pressure over time in the smoke reduction device according to the invention
  • the soot reduction device 1 uses a surface filtration method and a volume filtration method in combination.
  • a soot reduction apparatus 1 is provided on an exhaust flow path through which the exhaust gas generated by the diesel engine 10 flows.
  • the housing 100 constituting the exterior of the smoke reduction device 1 is provided with a first filter 210 and a second filter 220.
  • the support 110 having a low flow resistance characteristic is provided at a predetermined position. It is preferable that the inlet 120 is a reduced enlarged tube, and the outlet 130 is an enlarged reduced tube.
  • the structure type filter and the particle layer filter are used simultaneously in the same soot reduction device volume (or space).
  • a particle layer filter having an arbitrary volume is used in combination with a structure type filter having a small volume but having surface filtration characteristics.
  • the first filter 210 is a particle layer filter composed of a plurality of particles and has a predetermined volume
  • the second filter 220 is a structure type filter provided in the particle layer filter. It is preferable to use more than one structure-type filter.
  • the volume of the second filter 220 is preferably smaller than the volume of the first filter 210.
  • first filter 210 and the second filter 210 occupy a predetermined area when viewed in a plane perpendicular to the flow direction of the exhaust gas.
  • at least one second filter 220 is disposed in parallel with the flow direction.
  • the first filter 210 and the second filter 220 may be sequentially arranged along the flow direction.
  • the second filter 220 may use both surface filtration filters, and for example, ceramic filters made of cordierite and silicon carbide may be used. It is preferable to use a silicon carbide ceramic filter that withstands high temperatures. In view of the high thermal expansion rate and the temperature gradient problem at high temperature of the ceramic filter made of silicon carbide, it is preferable to use a small filter (hereinafter referred to as "segment"). That is, in the conventional structure type filter, due to the problem of high thermal expansion rate and temperature gradient at high temperature, the entire ceramic filter made of silicon carbide is not integrated and small filter segments should be joined to each other. In combination with 210, it can be used without joining small filter segments. That is, in the present embodiment, it is preferable that the second filter 220 uses a structure filter segment, but for convenience, the second filter 220 is referred to as a second filter or a structure filter.
  • the shape of the first filter 220 and the second filter 220 need not be circular, of course, it is possible to use a suitable shape.
  • the coarse metal mesh 221 may be surrounded by the second filter 220.
  • the support 110 has a low flow resistance while supporting the first filter 210 and the second filter 220 from the exhaust flow.
  • a perforated plate form, a woven mesh form, or a diaphragm having a plurality of holes may be used.
  • the support 110 is preferably made of a material that can withstand high temperatures.
  • the support 110 may support both the first filter 210 and the second filter 220, but the first filter 210 at the front and rear ends of the first filter 210 composed of a plurality of particles. It is preferable to install the support part 110 to support only the second filter 120 is supported by the particles of the first filter (210).
  • the length of the second filter 220 is shorter than the length of the first filter 210 so that the front and rear ends of the second filter 220 do not touch the support 110, and the second The filter 220 may be supported by the particles of the first filter 210.
  • FIG. 7 another embodiment of the smoke reduction device according to the present invention will be described.
  • This embodiment also has the same principle as the above-described embodiment.
  • a plurality of structured filter segments are combined to form one second filter 220 having a larger size.
  • the second filter 220 extends from the inlet to the outlet of the first filter 210 so that the inlet / outlet has the same shape. Instead, the second filter 220 is inside the first filter 210.
  • the shapes shown at the inlet / outlet are separated in one or more stages in different ways. 8 the second filter 220 is mainly installed at the inlet side of the first filter 210, and the second filter 220 is mainly installed at the outlet side of the first filter 210. 10 shows that the second filter 220 is installed at the inlet and outlet sides of the first filter 210, respectively.
  • the second filter 220 is provided with a predetermined slope and not substantially parallel to the flow direction of the exhaust gas.
  • FIG. 12 illustrates the ratio and the back pressure of the flow rate passing through the first filter 210 and the second filter part according to the number of use of the second filter (segment) 220.
  • F1 is a flow rate passing through the first filter 210
  • F2 is a flow rate passing through the second filter 220
  • BF means a back pressure.
  • the soot reduction device consists only of the first filter 210 (i.e., the number of segments of the second filter is "0"), naturally all flows occur in the first filter 210. It can be seen that the initial back pressure is kept high at about 60 mbar.
  • the flow F1 of the first filter 210 decreases and the flow F2 of the second filter 220 increases.
  • the decrease in the back pressure is remarkable. For example, if the number of the second filter 220 is 160 it can be seen that the back pressure is 15 mbar or less. This is considered to be due to the fact that as the number of the second filters 220 increases, a considerable amount of flow flows to the second filter 220 having a relatively low flow resistance.
  • Increasing the number of structured filter segments reduces the overall filter back pressure and further increases the filtration efficiency of the filter. If the number of the structured filter segments can be increased to infinity, it can be said to be the same as the structured filter having the same volume.
  • FIG. 13 is a graph illustrating a change in back pressure over time in the present invention using a combination of the first filter 210 and the second filter 220.
  • F2 is a flow rate flowing through the second filter 220.
  • BF2 is the back pressure over time in the smoke reduction device combining the first filter 210 and the second filter 220
  • BF1 is the pure volume filtration smoke when only the first filter 210 is used. Back pressure of the reduction device.
  • the exhaust gas flows into the smoke reduction device.
  • the flow of the entire exhaust gas may be classified into an exhaust flow rate passing through the first filter 210 and an exhaust flow rate passing through the second filter 220.
  • the back pressure on the smoke abatement device, especially the filter is largely determined by the speed (flow) and temperature of the exhaust flow through the filter part.
  • a flow rate of approximately 68% of the flow is through the second filter 220.
  • the flow resistance of the first filter 210 is much larger than the flow resistance of the second filter 220, a substantial portion of the exhaust flow passes through the second filter 220 and the first filter 210.
  • the flow rate and the flow rate through) decrease, so that the overall back pressure of the smoke reduction device is reduced and the filtration efficiency of the filter is increased.
  • the amount of soot collected in the second filter 220 increases and the flow resistance of the second filter 220 increases gradually, thus flowing through the second filter 220.
  • the flow is reduced.
  • the decrease in flow in the portion of the second filter 220 inversely means an increase in the flow through the first filter 210.
  • the first filter 210 is a particle layer filter, the back pressure increases very slowly due to its characteristics.
  • the initial back pressure is about 26 mbar.
  • the initial back pressure is about 62 mbar.
  • the smoke reduction device according to the present invention is a very good way to solve the initial back pressure problem of the first filter 210 and thus the initial efficiency problem.
  • the second filter 220 which is a structure type filter
  • the disadvantage of the second filter 220 can be solved.
  • the main problem of the structure-type filter is that in view of filtration characteristics and back pressure characteristics, the increase in back pressure increases as the soot is collected, and therefore, the area of the filter must be increased to lower the back pressure increase rate.
  • there is a part that restrains the filter from the outside it may expand at high temperatures and cracks may occur, thereby losing the filter function.
  • the second filter 220 of the structure type is used in the present invention, the above-described problem can be solved.
  • the reason for this is as follows. At the time of regeneration of the smoke reduction device, a high temperature flow passes through the smoke reduction device. In this case, the back pressure applied to the soot reduction device is further increased due to the increased flow temperature compared to just before the regeneration. And during regeneration, unlike soot collection, more of the flow passes through the first filter 210. This is because the first filter 210, that is, the particle layer filter, has a low back pressure increase rate even if a large amount of smoke is collected therein, and the second filter 220, that is, the structure type filter has a very high back pressure increase rate with a large amount of smoke collected therein. Because.
  • the high temperature flow through the first filter 210 means the temperature uniformity of the entire smoke reduction device. Therefore, the temperature of the second filter 220 can be reduced sharply. In addition, even though combustion of soot occurs in the second filter 220 and the temperature of the portion of the second filter 220 rises rapidly, the generated heat is also transferred to the first filter 210 so that the temperature gradient is very small. Therefore, according to the present invention, it is possible to prevent thermal shock and maintain a low temperature gradient inside the filter during regeneration of the smoke reduction device, and as a result, the second filter 220 is slowly and uniformly heated to damage the second filter 220. Can be prevented.
  • the particle layer filter when the structure-type filter is inserted and applied to the particle layer filter, the particle layer filter has a very great advantage that the filter durability is completely guaranteed even if the filter temperature is rapidly increased during regeneration, and the heat distribution characteristic is very good.
  • the structure-type filter segment having a relatively small volume and a small heat capacity into the particle-layer filter having such good temperature uniformity characteristics, the particle-layer filter can absorb the expansion and contraction of the structure-type filter segments, and thermal shock It is possible to prevent damage to the structured filter segment due to.
  • the second filter 220 may be supported by the particles constituting the first filter 210, that is, the second filter 220 may be supported without restraining from the outside. It is also possible to prevent 220 from expanding at high temperatures resulting in cracking and loss of filter function.
  • the unit elements of the structure-type filter in the design of the filter as a design factor, it is possible to optimize the back pressure conditions and filter efficiency for various diesel engine sizes and operating conditions.

Abstract

본 발명은 매연저감장치 및 매연저감방법에 관한 것이다. 본 발며은 디젤엔진에서 발생된 배기 가스가 흐르는 배기 유로 상에 구비되며, 다수의 입자들로 구성되어 소정의 체적을 가지며 체적여과 방식으로 작동하는 제1필터와, 상기 제2필터의 소정 위치에 구비되며, 표면여과 방식으로 작동하는 제2필터를 포함하는 매연저감장치를 제공한다.

Description

매연저감장치 및 매연저감방법
본 발명은 매연저감장치 및 매연저감방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 특히 디젤엔진과 같은 연소기기에서 발생되는 오염물질을 효과적으로 저감시킬 수 있는 매연저감장치 및 매연저감방법에 관한 것이다.
근래에는 디젤엔진의 사용이 점점 늘어가고 있으며, 디젤엔진에서 배출되는 오염물질이 여러 가지 환경 문제를 야기하고 있다. 디젤엔진에서 배출되는 배기가스에서는 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 뿐만 아니라 특히 미세입자(이하 편의상 "매연"이라함)가 문제가 되고 있다. 따라서 디젤엔진에서 발생된 매연이 대기 중으로 배출되는 것을 방지하기 위하여, 매연포집용 필터를 배기 유로에 설치하여 외부로 유출되려는 고체입자인 매연을 필터에서 포집하고, 주기적으로 또는 연속적으로 재생한다. 필터의 재생시에는 필터에 포집된 매연을 연소시켜, 가스상 물질로 배출하여 필터를 초기 상태로 되돌리게 된다.
현재 매연저감 방식으로 매연포집용 필터 형상 및 포집 특성 등이 서로 다른 두 가지 방식이 주로 사용된다. 즉 매연의 크기보다 작은 구멍들을 가지는 넓은 필터 표면에서 매연들을 여과하는 방식(이하 "표면여과 방식")이 있다. 또한 다수의 금속이나 세라믹 구슬과 같은 입자들을 적층하여 필터가 소정 체적을 가지도록 구성하고, 상기 체적 전체에서 매연을 포집하는 방식(이하 "체적여과 방식")이 있다. 체적여과 방식에서는 매연을 함유하고 있는 배기 가스가 필터 즉 입자층을 통과하는 과정에서 입자와 기공(pore)의 경계면에 매연이 침착되게 된다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 표면여과 방식에서는 벌집(허니컴) 형태의 세라믹 담체 필터, 금속 메쉬 필터, 고온용 섬유 또는 세라믹 파이버를 직조하거나 소결시켜 제조한 필터 등과 같이 일정한 형태 및 구조를 가지는 필터(이하 "구조체형 필터"라 함)이 사용된다. 이러한 표면여과 방식은 매연 포집 성능은 우수하나, 필터를 구성하는 세라믹 및 금속 재질의 특성 때문에 기계적 및 열적 내구성이 취약하다. 또한 초기 배압을 낮추기 위해서 넓은 표면적을 가지는 형태의 구조가 필요하여, 많은 필터가 벌집형태를 가지고 있고, 가격 또한 고가이다. 또한 매연 배출량이 많은 경우 및 포집된 매연의 양이 많은 경우, 유동이 흐를 수 있는 구멍 또한 점점 작아져서, 상기 구조체형 필터들은 급격한 배압 증가율 문제를 일으키며 엔진의 원활한 구동을 방해한다는 단점도 있다.
최근까지 구조체형 필터로 가장 많이 사용되고 있는 코디어라이트 재질의 필터(도 1) 및 실리콘카바이드 재질의 세라믹 필터(도 2)이다. 상기 필터들은 각각 고온 내구성 문제 및 고온 열팽창 문제를 가지고 있다. 코디어라이트 세라믹 구조체형 필터는 낮은 허용 온도 구배 및 고온에 녹는 내구성 문제를 가지고 있다. 이를 극복하기 위하여 고온에도 견디는 실리콘카바이드 재질의 세라믹 필터를 많이 사용하고 있다. 하지만, 상기 실리콘카바이드 재질의 세라믹 필터는 열팽창율이 높고, 고온에서의 온도 구배 문제가 있다. 따라서, 필터(2) 전체를 일체로 하지 못하고, 작은 필터 세그먼트(20)들을 접합하여 사용하고 있다.(도 3 참조) 따라서 고온에서의 접합재의 재질 문제로 쉽게 필터가 균열되고 손상되는 고질적인 문제를 가지고 있다. 표면여과 방식의 문제점을 개선하기 위하여, US3937015, US4912076, US4759918, US5497620, US4535589, US4852349 등이 제안되고 있다. 이들은 기본적으로 표면여과 방식이다.
상술한 표면여과 방식의 문제점을 해결하기 위하여, 본 출원인은 체적여과 방식의 매연저감장치 및 매연저감방법을 개발하여, 다수의 특허를 출원하였다(한국특허출원 10-2000-3814, 10-2001-39523, 10-2002-1902, 10-2002-33751, 10-2005-92078 등). 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 체적여과 방식에서는 다수의 금속/세라믹 구슬과 같은 입자(210)들을 적층하여 필터(이하 편의상 "입자층 필터")가 소정 체적을 가지도록 구성하여, 상기 체적 전체에서 매연을 포집한다. 즉, 상기 입자층 필터는 매연을 함유하고 있는 가스가 입자층을 통과하는 과정에서 필터를 구성하는 입자와 기공(pore)의 경계면에 매연이 침착되어, 체적 필터링 여과 메카니즘을 구현하게 된다. 입자층 필터는 필터 내부의 열구배에 따른 응력 발생이 없다. 또한 고온의 환경 및 기계적 진동에 대한 내구성이 우수하다. 또한, 매우 낮은 배압 증가율을 가지며, 경제적인 측면이 매우 우수하다는 특징이 있다. 다만, 동일하거나 거의 비슷한 체적을 가지는 구조체형 필터에 비하여, 초기 배압이 매우 높아서 이를 극복하기 위해서는 필터 체적이 커져야 한다는 단점이 있다. 또한 체적여과 방식에서는 높은 수준의 매연포집 효율을 얻기 위해서는 입자층 필터의 체적이 커져야 한다는 단점이 있다. 따라서 상술한 구조체형 필터와 입자층 필터의 각각의 우수한 장점들을 유지하면서 단점을 해결할 수 있는 매연저감장치 및 매연저감방법의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 개량된 매연저감장치 및 매연저감방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하며, 본 발명에서는 소정의 형태 및 구조를 가지고 주로 표면여과 방식에 의하여 매연을 포집하는 구조체형 필터 및 체적여과 방식에 의하여 매연을 포집하는 다양한 형상의 입자들로 구성되는 입자층 필터의 개념을 서로 보완하여, 각각의 방식이 가지고 있는 단점들을 보완하고, 장점들을 극대화하여 보다 효율적이고 내구성을 가지는 매연저감장치 및 매연저감방법을 제공한다.
이를 위하여, 본 발명은 디젤엔진에서 발생된 배기 가스가 흐르는 배기 유로 상에 구비되며, 다수의 입자들로 구성되어 소정의 체적을 가지며 체적여과 방식으로 작동하는 제1필터와; 상기 제2필터의 소정 위치에 구비되며, 표면여과 방식으로 작동하는 제2필터를 포함하는 매연저감장치를 제공한다. 상기 제1필터는 입자층 필터이며, 상기 제2필터는 구조체형 필터인 것이 바람직하다. 그리고 상기 제2필터의 체적은 상기 제1필터의 체적보다 상대적으로 작은 것이 바람직하다.
한편, 상기 제2필터는 상기 배기가스의 유동 방향과 평행하게 구비되는 것이 바람직하며, 상기 제2필터는 상기 제1필터의 입구부터 필터 출구까지 연장되어 구비될 수 있으며, 또한 상기 제2필터는 상기 제1필터의 내부에서 하나 이상의 다단으로 분리되어 구비될 수 있다. 물론 상기 제1필터 및 상기 제2필터는 상기 배기가스의 유동 방향을 따라 순차적으로 구비될 수도 있다.
한편, 상기 제1필터를 지지하는 지지부가 더욱 구비되는 것이 바람직하다. 그리고 상기 제2필터는 상기 제1필터를 구성하는 입자들에 의하여 지지되는 것이 더욱 바람직하다.
한편, 상기 제2필터는 크기가 작은 필터 세그먼트들을 결합하여 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 본 발명은 디젤엔진에서 발생된 배기가스의 매연을 표면여과 방식과, 다수의 입자들로 구성되어 소정의 체적을 가지며 체적여과 방식을 조합하여 여과하는 단계를 포함하는 매연저감방법을 제공한다. 초기에는 주로 상기 표면여과 방식에 의하여 상기 입자를 포집하는 것이 바람직하다.
상술한 본 발명에 따른 매연저감장치 및 매연저감방법의 효과를 설명하면 다음과 같다.
첫째, 본 발명에 따르면, 구조체형 필터 및 입자층 필터를 동일한 필터 체적(또는 공간) 내에서 사용하여, 상기 입자층 필터의 초기 배압 및 초기 여과 효율의 문제점을 해결할 수 있다는 장점이 있다.
둘째, 본 발명에 따르면, 구조체형 필터가 가지는 장점을 유지하면서, 상기 구조체형 필터가 가지고 있는 필터 기계적 및 열적 내구성 문제점을 해결할 수 있다는 장점이 있다.
셋째, 본 발명에 따르면, 필터 설계 시에 구조체형 필터의 단위 요소 즉 세그먼트의 개수를 설계 인자로 고려하면, 다양한 디젤엔진 사이즈 및 운전 조건에 대한 배압 조건 및 필터 효율 등을 최적화 시킬 수 있으며, 이를 통하여 실제 적용이 가능한 필터의 소형화 및 제작 경제성을 높일 수 있다는 장점이 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 구조체형 필터인 코디어라이트 및 실리콘카바이드 재질의 세라믹 필터를 보여주는 사진
도 3은 종래의 구조체형 필터 세그먼트들을 보여 주는 사진
도 4는 종래의 입자층 필터를 보여주는 사진
도 5는 본 발명에 따른 매연저감장치의 실시예의 구성을 개략적으로 도시한 도면
도 6은 도 5의 필터 입구를 보여주는 사진
도 7은 본 발명에 따른 매연저감장치의 다른 실시 예의 구성을 도시한 도면
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 매연저감장치의 또 다른 실시 예의 구성을 도시한 도면
도 10은 본 발명에 따른 매연저감장치의 또 다른 실시 예의 구성을 도시한 도면
도 11은 본 발명에 따른 매연저감장치의 또 다른 실시 예의 구성을 도시한 도면
도 12는 본 발명에 따른 매연저감장치에서, 구조체형 필터의 갯수에 따른 유량 비율, 배압을 도시한 그래프
도 13은 본 발명에 따른 매연저감장치에서, 시간 경과에 따른 배압을 도시한 그래프
첨부한 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 매연저감장치 및 매연저감방법의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 5 및 도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 매연저감장치의 일 실시예의 구성을 설명한다.
상술한 문제점을 해결하기 위하여, 종래에는 표면여과 방식 및 체적여과 방식가 서로 다른 여과 메커니즘을 가지므로, 각각 즉 표면여과 방식 및 체적여과 방식 그 자체에 대한 개량에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다. 그런데, 본 발명자의 연구에 의하면, 놀랍게도 본 발명은 표면여과 방식의 구조체형 필터와 체적여과 방식의 입자층 필터를 조합하여 사용하면, 각각의 두 개 필터링 방식이 가지고 있는 장점을 유지하면서도 단점들을 보완할 수 있었다.(상세한 원리는 후술함) 즉 본 발명에 따른 매연저감장치(1)는 표면여과 방식과 체적여과 방식을 조합하여 사용한다.
상세히 설명하면 다음과 같다. 디젤엔진(10)에서 발생된 배기가스가 흐르는 배기 유로 상에 매연저감장치(1)가 구비된다. 매연저감장치(1)의 외형을 구성하는 하우징(100)에는 제1필터(210) 및 제2필터(220)가 구비된다. 그리고 제1필터(210)와 제2필터(220)를 배기 유동 흐름으로부터 지지할 수 있도록 하기 위하여, 낮은 유동 저항 특성을 가지는 지지부(110)가 소정 위치에 구비되는 것이 바람직하다. 유입부(120)는 축소확대관인 것이 바람직하며, 유출부(130)는 확대축소관인 것이 바람직하다.
각각의 구성요소를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 실시예에서는 구조체형 필터 및 입자층 필터를 동일한 매연저감장치 체적(또는 공간) 내에서 동시에 사용한다. 예를 들면, 임의의 체적을 가지는 입자층 필터에, 체적은 작지만 표면여과 특성을 가지는 구조체형 필터를 조합하여 사용하다. 즉 제1필터(210)는 다수의 입자들로 구성되며 소정 체적을 가지는 입자층 필터이며, 제2필터(220)는 상기 입자층 필터에 구비되는 구조체형 필터이다. 상기 구조체형 필터는 한 개 이상을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 제2필터(220)의 체적은 상기 제1필터(210)의 체적보다 상대적으로 작은 것이 바람직하다.
도 5의 하단은 유입부(120)에서 바라본 형상이다. 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 유동 특성상 제1필터(210) 및 제2필터(210)는 배기 가스의 유동 방향의 직각인 면에서 보았을 때, 소정 면적을 각각 점유하는 것이 바람직하다. 제2필터(220)가 유동방향에 평행하게 최소한 한 개 이상 배치되는 것이 바람직하다. 물론 유동방향을 따라 제1필터(210) 및 제2필터(220)를 순차적으로 배열할 수도 있다.
제2필터(220)은 표면여과 방식의 필터는 모두 사용하는 것이 가능하며, 예를 들어 코디어라이트 및 실리콘카바이드 재질의 세라믹 필터를 사용할 수 있다. 고온에도 견디는 실리콘카바이드 재질의 세라믹 필터를 사용하는 것이 바람직하다. 실리콘카바이드 재질의 세라믹 필터의 높은 열팽창율 및 고온에서의 온도구배 문제를 감안하여, 크기가 작은 필터(이하 편의상 "세그먼트")를 사용하는 것이 바람직하다. 즉 종래의 구조체형 필터에서는, 높은 열팽창율 및 고온에서의 온도구배 문제로 인하여 실리콘카바이드 재질의 세라믹 필터 전체를 일체로 하지 못하고 작은 필터 세그먼트들을 접합하여 사용하여야 하지만, 본 실시예에서는 제1필터(210)와 조합하여 사용하므로 작은 필터 세그먼트를 접합하지 않고도 사용할 수 있다. 즉 본 실시예에서는 제2필터(220)은 구조체형 필터 세그먼트를 사용하는 것이 바람직하지만, 편의상 본 명세서에서는 제2필터 또는 구조체형 필터라 표현한다.
한편 제1필터(220) 및 제2필터(220)의 형상은 원형일 필요는 없으며, 적절한 형상을 사용하는 것이 물론 가능하다. 그리고 제2필터(220) 또는 필터 세그먼트를 보호하기 위하여 성긴 금속메쉬(221)을 상기 제2필터(220)에 둘러 쌓는 것이 바람직하다.
지지부(110)을 설명하면 다음과 같다. 지지부(110)는 제1필터(210)와 제2필터(220)를 배기 유동 흐름으로부터 지지하면서 낮은 유동 저항 특성을 가지는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 다수의 구멍을 가지는 타공판 형태, 직조된 메쉬 형태 또는 격막을 사용할 수 있다. 물론 지지부(110)은 고온에 견질 수 있는 재질을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 지지부(110)는 제1필터(210)와 제2필터(220)를 모두 지지할 수도 있지만, 다수의 입자들로 구성되는 제1필터(210)의 전후단에 상기 제1필터(210)만 지지하는 지지부(110)를 설치하고, 제2필터(120)는 제1필터(210)의 입자들에 의하여 지지되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 필터 재생시와 같이 고온 환경에서 제2필터(220)가 지지부(110)에 의하여 구속되면 열팽창에 의하여 파손의 우려가 있기 때문이다. 이러한 경우의 일예로서, 제2필터(220)의 길이를 제1필터(210)의 길이보다 짧게 하여, 상기 제2필터(220)의 전후단이 지지부(110)에 닿지 않도록 하고, 상기 제2필터(220)은 제1필터(210)의 입자들에 의하여 지지되도록 할 수 있을 것이다.
도 7을 참조하여, 본 발명에 따른 매연저감장치의 다른 실시예를 설명하면 다음과 같다. 본 실시예도 상술한 실시예와 원리는 동일하다. 다만, 본 실시예에서는 다수 개의 구조체형 필터 세그먼트들을 결합하여 크기가 더 큰 하나의 제2필터(220)를 구성한다.
도 8 및 도 9를 참조하여, 본 발명에 따른 매연저감장치의 또 다른 실시예를 설명하면 다음과 같다. 본 실시예도 상술한 실시예와 원리는 동일하다. 다만, 본 실시예에서는 제2필터(220)가 제1필터(210) 입구부터 출구까지 연장되어 입/출구의 형상이 동일한 방식 대신, 상기 제2필터(220)가 제1필터(210) 내부에서 하나 이상의 다단으로 분리되어 입/출구에서 보여지는 형상이 서로 다른 방식이다. 도 8은 제2필터(220)가 제1필터(210)의 입구 측에 주로 설치된 것이며, 도 9는 제2필터(220)가 제1필터(210)의 출구 측에 주로 설치된 것이다. 도 10은 제2필터(220)가 제1필터(210)의 입구 및 출구 측에 각각 설치된 것이다.
도 11를 참조하여, 본 발명에 따른 매연저감장치의 또 다른 실시예를 설명하면 다음과 같다. 본 실시예도 상술한 실시예와 원리는 동일하다. 다만, 본 실시예에서는 제2필터(220)가 배기 가스의 유동 방향에 대하여 실질적으로 평행하지 않고소정 경사를 가지고 설치된 것이다.
도 12를 참조하여, 본 발명에 따른 매연저감장치 및 매연저감방법의 원리를 설명하면 다음과 같다. 도 12는 제2필터(세그먼트)(220)의 사용 갯수에 따른 제1필터(210)와 제2필터 부분을 지나는 유량의 비율 및 배압을 도시한 것이다. F1은 제1필터(210)를 지나는 유량 비율이며, F2은 제2필터(220)를 지나는 유량 비율이며, BF는 배압을 의미한다. 도 12에서 알 수 있는 바와 같이, 매연저감장치가 제1필터(210)로만 구성되면(즉 제2필터의 세그먼트 갯수가 "0"인 경우), 당연히 모든 유동이 제1필터(210)에서 발생하며 초기 배압이 약 60mbar로 높게 유지되는 것을 알 수 있다. 그런데, 제2필터(220)의 개수가 증가하면, 제1필터(210)의 유동(F1)은 감소하고 제2필터(220)의 유동(F2)은 증가함을 알 수 있다. 또한 제2필터(220)의 개수가 증가하면 배압의 감소가 두드러지게 나타나는 것을 볼 수 있다. 예를 들어, 제2필터(220)의 개수가 160이면 배압은 15mbar이하 임을 알 수 있다. 이는 제2필터(220)의 개수가 증가할수록 유동의 상당량이 유동 저항이 비교적 적은 제2필터(220)로 흐르기 때문인 것으로 생각된다. 구조체형 필터 세그먼트의 개수를 증가시키면, 전체적인 필터 배압은 감소하고, 필터의 여과효율은 더욱 증가하게 된다. 만약 상기 구조체형 필터 세그먼트의 개수를 무한대로 증가시킬 수 있다면, 동일한 체적의 구조체형 필터와 같은 경우라고 할 수 있다.
본 발명은 이러한 원리를 이용한 것이다. 도 13을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 13은 제1필터(210)과 제2필터(220)를 조합하여 사용하는 본 발명에서 시간의 경과에 따른 배압의 변화를 도시한 그래프이다. F2는 제2필터(220)를 흐르는 유량 비율이다. 그리고 BF2는 제1필터(210)과 제2필터(220)를 조합된 매연저감장치 에서의 시간 경과에 따른 배압이며, BF1은 제1필터(210)만 사용하는 경우 즉 순수한 체적여과 방식의 매연저감장치의 배압이다.
디젤엔진이 배기가스를 배출하면, 상기 배기가스는 매연저감장치에 유입된다. 전체 배기 가스의 유동은 제1필터(210) 부분을 통과하는 배기유량과 제2필터(220)를 통과하는 배기유량으로 구분할 수 있다. 그리고 매연저감장치 특히 필터에서 걸리는 배압은 필터 부분을 통과하는 배기 유동의 속도(유량) 와 온도에 의하여 대부분 결정된다. 도 13에서 알 수 있는 바와 같이, 초기에는 유동의 상당 부분대략 68%의 유량이 제2필터(220)를 통하여 유동한다. 왜냐하면, 제1필터(210)의 유동 저항이 제2필터(220)의 유동 저항보다 매우 크기 때문에, 배기 유동의 상당부분은 상기 제2필터(220)를 통과하게 되고, 상기 제1필터(210)을 통과하는 유량 및 그 유속은 감소하여 매연저감장치의 전체적인 배압은 감소되고 필터의 여과 효율은 증대된다.
한편, 시간이 경과함에 따라 제2필터(220) 부분에서의 매연 포집량이 증가하게 되고 상기 제2필터(220) 부분의 유동 저항은 점점 커지게 되며, 따라서 상기 제2필터(220)를 통해 흐르는 유동은 감소하게 된다. 제2필터(220) 부분의 유동 감소는 역으로 제1필터(210)를 흐르는 유동의 증가를 의미하지만, 상기 제1필터(210)는 입자층 필터이므로 그 특성상 배압 증가는 매우 천천히 진행된다.
정리하면, 본 발명의 경우에는 초기 배압이 약 26 mbar이지만, 제1필터(210) 즉 체적여과 방식만 사용한다면 초기 배압이 약 62 mbar로 매우 크다. 시간이 흐름에 따라 배압은 제1필터(210)만 사용하는 경우과 거의 동일하다. 즉 본 발명에서는 체적여과 방식의 매연저감장치의 초기 배압 문제를 해결할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 매연저감장치에서는 제1필터(210)의 초기 배압 문제 및 이에 따른 초기 효율 문제를 해결할 수 있는 매우 좋은 방법이라는 것을 알 수 있다.
한편, 본 발명에 따르면, 비록 구조체형 필터인 제2필터(220)를 사용하지만, 상기 제2필터(220)의 단점도 해결할 수 있다. 상술한 바와 같이, 구조체형 필터의 주된 문제는 여과 특성 및 배압 특성 측면에서 보면, 매연이 포집됨에 따라 배압 증가율이 높아지며, 따라서 배압 증가율을 낮추려면 필터의 면적을 증가시켜야 한다. 또한 특히 필터의 재생시에는 열충격 방지와 필터 내부의 낮은 온도 구배 유지가 매우 중요한 요소이다. 따라서 필터의 재생시에 필터를 천천히 균일하게 가열하여 매연을 재생하여야만 필터 구조 및 성능을 유지할 수 있다. 또한, 필터를 외부에서 구속하는 부분이 있으면, 고온에서 팽창하여 균열이 발생하여 필터 기능을 상실하는 경우도 있다.
그런데, 본 발명에서는 구조체형의 제2필터(220)를 사용하지만, 상술한 문제점을 해결할 수 있다. 그 이유를 설명하면 다음과 같다. 매연저감장치의 재생 시에는 고온 유동이 상기 매연저감장치를 통과하게 된다. 이 경우, 재생 직전에 비하여 증가된 유동 온도 때문에 매연저감장치에서 걸리는 배압은 더욱 증가한다. 그리고 재생시에는 매연 포집시와는 달리, 오히려 유동의 더 많은 부분은 제1필터(210)을 통과하게 된다. 왜냐하면, 제1필터(210) 즉 입자층 필터는 내부에 매연을 많이 포집하여도 배압 증가율이 낮고, 제2필터(220) 즉 구조체형 필터는 내부에 매연을 많이 포집한 상태로 배압 증가율이 매우 높기 때문이다. 그런데 제1필터(210)는 상대적으로 큰 체적을 가지므로, 상기 제1필터(210)을 고온 유동이 통과한다는 의미는 매연저감장치 전체의 온도 균일화를 의미한다. 따라서 제2필터(220)의 온도가 급상승을 줄일 수 있다. 또한 제2필터(220)에서 매연의 연소가 일어나 상기 제2필터(220) 부분의 온도가 급상승하더라도, 발생된 열이 제1필터(210)에도 전달되어 빠르게 온도 구배가 매우 작게 나타난다. 따라서 본 발명에 따르면, 매연저감장치의 재생시에 열충격 방지와 필터 내부의 낮은 온도 구배 유지가 가능하므로, 결과적으로 제2필터(220)를 천천히 균일하게 가열하게 되어 상기 제2필터(220)의 손상을 방지할 수 있다.
즉 본 발명에서와 같이, 구조체형 필터를 입자층 필터에 삽입 적용시키면, 상기 입자층 필터는 재생시 필터 온도를 급격히 상승시켜도 필터 내구성이 완전하게 보장된다는 매우 큰 장점을 가지고 있고, 열의 분배 특성이 매우 좋다는 장점이 있다. 이러한 온도 균일 특성이 좋은 상기 입자층 필터에 상대적으로 작은 체적 및 작은 열용량을 가지는 상기 구조체형 필터(세그먼트)를 삽입하면, 상기 입자층 필터에서 상기 구조체형 필터 세그먼트들의 팽창 및 수축을 흡수할 수 있고, 열충격으로 인한 상기 구조체형 필터 세그먼트의 손상을 원천적으로 방지할 수 있다.
한편, 본 발명에서는 제2필터(220)를 제1필터(210)를 구성하는 입자들에 의하여 지지할 수 있으므로 즉 제2필터(220)를 외부에서 구속하지 않고도 지지할 수 있으므로 제2필터(220)가 고온에서 팽창하여 균열이 발생하여 필터 기능을 상실하는 것을 또한 방지할 수 있다.
한편 본 발명에 의하면, 필터 설계 시에 구조체형 필터의 단위 요소 즉 세그먼트의 개수를 설계 인자로 고려하면, 다양한 디젤엔진 사이즈 및 운전 조건에 대한 배압 조건 및 필터 효율 등을 최적화 시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 상술한 본 발명의 원리를 변형 적용하는 것도 물론 가능하다.

Claims (12)

  1. 디젤엔진에서 발생된 배기 가스가 흐르는 배기 유로 상에 구비되며, 다수의 입자들로 구성되어 소정의 체적을 가지며 체적여과 방식으로 작동하는 제1필터와;
    상기 제2필터의 소정 위치에 구비되며, 표면여과 방식으로 작동하는 제2필터를 포함하는 매연저감장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1필터는 입자층 필터이며, 상기 제2필터는 구조체형 필터인 것을 특징으로 하는 매연저감장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2필터의 체적은 상기 제1필터의 체적보다 상대적으로 작은 것을 특징으로 하는 매연저감장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2필터는 상기 배기가스의 유동 방향과 평행하게 구비되는 것을 특징으로 하는 매연저감장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제2필터는 상기 제1필터의 입구부터 필터 출구까지 연장되어 구비되는 것을 특징으로 하는 매연저감장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 제2필터는 상기 제1필터의 내부에서 하나 이상의 다단으로 분리되어 구비되는 것을 특징으로 하는 매연저감장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1필터 및 상기 제2필터는 상기 배기가스의 유동 방향을 따라 순차적으로 구비되는 것을 특징으로 하는 매연저감장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1필터를 지지하는 지지부가 더욱 구비되는 것을 특징으로 하는 매연저감장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제2필터는 상기 제1필터를 구성하는 입자들에 의하여 지지되는 것을 특징으로 하는 매연저감장치.
  10. 제1항과 제2항에 있어서, 상기 제2필터는 크기가 작은 필터 세그먼트들을 결합하여 구성되는 것을 특징으로 하는 매연저감장치.
  11. 디젤엔진에서 발생된 배기가스의 매연을 표면여과 방식과, 다수의 입자들로 구성되어 소정의 체적을 가지는 체적여과 방식을 조합하여 여과하는 단계를 포함하는 매연저감방법.
  12. 제11항에 있어서, 초기에는 주로 상기 표면여과 방식에 의하여 상기 입자를 포집하는 것을 특징으로 하는 매연저감방법.
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