KR0125890B1 - 캐털리스트 모니터링 시스템 - Google Patents

Abstract

자동차의 배기 파이프에 위치하는 촉매컨버터에 내장된 촉매성분의 열화정도를 나타내는 캐털리스트 모니터링 시스템에 있어서; 촉매컨버터 내의 촉매성분이 열화됨에 따라 발생되는 발열량에 따른 온도상승 차(△T)가 스레쉬홀드 포인트(△T')일때 밀(mil) 점등이 되도록 하여 촉매성분의 열화정도를 판정케 하기 위하여; 연소실에서 배출되는 배기가스를 정화할 촉매를 내장하며, 배기가스의 유입, 유출을 가능케 하는 입구와, 출구를 포함하는 촉매컨버터와, 이 촉매컨버터의 입구와, 촉매중앙부 또는 출구부에 열전대를 설치하여 2개의 열전대의 온도차를 이용한 촉매의 비활성을 판정하는 구조로 이루어짐을 특징으로 하는 캐털리스트 모니터링 시스템.

Description

캐털리스트 모니터링 시스템

제1도는 본 발명에 따른 캐털리스트 모니터링 시스템의 간략도.

제2도는 본 발명에 따른 캐털리스트 모니터링 시스템의 일정조건하에서, 온도상승 차(△T)와 정화후 미정화된 탄화수소 방출물(E/M)간의 상호관계를 도시한 그래프.

제3도는 종래기술에 따른 캐털리스트 모니터링 시스템의 일부 간략도.

제4도는 종래기술에 따른 캐털리스트 모니터링 시스템의 기본 개념도.

제5도는 종래기술에 따른 캐털리스트 모니터링 시스템의 공연비(A/F)와 탄화수소 정화율(n)간의 상호관계를 도시한 그래프이다.

[산업상의 이용분야]

본 발명은 자동차의 배기 파이프에 위치하는 촉매컨버터의 촉매성분의 열화정도를 나타내는 캐털리스트 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 촉매컨버터(Manifold Catalystic Converter) 내의 촉매 성분의 발열량을 이용하여 촉매성분의 열화정도를 판정하는 캐털리스트 모니터링 시스템(Catalyst Monitoring System)에 관한 것이다.

[종래기술]

촉매 컨버터는 자동차의 배기계에 이미 배출된 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx)의 유해한 성분을 일종의 촉매로써 동시에 무해화하려는 방법, 즉 일산화탄소, 탄화수소에 대하여 산화반응을 일으키게 하는 장치이다.

제3도는 종래기술에 따른 캐털리스트 모니터링 시스템의 일부 간략도로서, 촉매(49)를 포함하고 있는 매니폴드 내장형 촉매컨버터(MCC)(50)와, 이 촉매컨버터(50)의 입구(52)와 출구(54)에 배치된 한쌍의 산소센서(56,58)를 포함한다.

연소실에서 연소될 배기가스는 배기파이프에 설치된 촉매컨버터(50)의 입구(52)를 경유하여 촉매컨버터(50)에 내장된 촉매(49)를 열화시키면서, 정화되어 출구(54)를 경유하여 계속 배기파이프를 경유하면서 대기로 배출된다.

상술한 바와 같이 배기가스가 대기로 배출될때, 촉매컨버터(50)의 입, 출구(52,54)에 구비된 한 쌍의 산소센서(56,58)는 이 촉매컨버터(50)를 경유하는 배기가스의 공연비(A/F)의 진폭 및 주파수의 크기를 감지하게 된다.

제4도는 종래기술에 따른 캐털리스트 모니터링 시스템의 기본 개념도로서, 상술한 바와 같이 배기가스가 촉매(49)로 유입되는 공연비 진폭 및 주파수(60)와 촉매(49)를 경유한 출구(54)의 공연비 진폭 및 주파수(62)와의 크기를 비교하여 도시한다.

이와 같이 종래의 캐털리스트 모니터링 시스템은 이러한 각각의 공연비 진폭 및 주파수(60,62)의 크기 비율로 촉매(49)의 열화정도를 판정하므로, 촉매성능과 촉매(49)의 산소저장성능과의 연관성이 상당히 중요하다.

이 촉매(49)의 산소저장성능에 크게 영향을 미치는 원소는 이산화세륨(CeO₂)이다.

제5도는 종래기술에 따른 캐털리스트 모니터링 시스템의 공연비(A/F) 크기와 탄화수소(HC) 정화율(n)간의 상호관계를 도시한 그래프로서, 촉매(0.5NMHC)의 마일당의 질량(g/mile)에 대한 공연비(A/F)와 탄화수소의 정화율(n)의 상관성을 도시한다.

상술한 매니폴드 내장형 촉매컨버터(50)는 고온조건하에서 운전, 사용되므로 촉매(49)의 열화가 발생된다.

그러나 촉매성분의 열화보다 800℃ 이상의 온도에서 이산화세륨(CeO₂)의 표면적이 감소하여, 촉매성분과의 상호작용이 급격히 감소되어 산소저장성능이 크게 저하된다.

그리고 미국 EPA(Environmental Protection Agency)의 OBD-Ⅱ 규정에 의한 밀(mil; Malfunction Indication Lamp) 점등의 스레쉬홀드(threshold) 포인트를 0.5NMHC(g/mile)이라고 할때, SeO₂의 안정성이 보장된 경우 제5도의 a와 같은 곡선으로 공연비(A/f)와 일산화수소(HC)의 정화효율(n)간의 상관성을 이용할 수 있다.

그러나 고온에서 이산화세륨(CeO₂)이 쉽게 변화를 일으켜 급격한 기능저하로 인하여 제5도의 b와 같은 곡선의 공연비(A/F)와 탄화수소(HC)의 정화율(n)간의 상관성으로 변경된다.

상기에서 스레쉬홀드포인트는 Non-LEV(Low Emission Vehichle Progrom) 대상으로는 HC 규제치의 1.5배 초과시이고, LEV 대상으로는 촉매정화율이 50∼60% 시이다.

[본 발명이 해결하려는 문제점]

상술한 a와 같은 곡선으로 설정된 경우 b와 같은 곡선으로 변경될 수 있으므로 b와 같은 공연비(A/F)와 탄화수소(HC)의 정화율(n)로는 촉매컨버터 내의 촉매의 열화를 나타내는 밀(mil) 점등의 스레쉬홀드(Thres hold) 포인트를 선정하기 어려운 문제점이 있다.

[문제점을 해결하기 위한 수단]

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 공연비(A/F)와 탄화수소(HC) 정화율(n)의 스레쉬홀드 포인트 대신, 촉매컨버터 내의 촉매성분이 열화됨에 따라 발생하는 발열량에 따른 온도상승 차(△T)가 스레쉬홀드 포인트(△T')일때 밀(mil) 점등이 되도록 하여, 촉매성분의 열화정도를 판정케 하는 캐털리스트 모니터링 시스템을 제공한다.

이를 실현하기 위하여, 본 발명에 따른 캐털리스트 모니터링 시스템은 배기가스를 정화할 촉매를 내장하고, 배기가스의 유입, 유출을 가능케 하는 입구와, 출구를 포함하는 매니폴드 내장형 촉매컨버터(Manifold Catalystic Converter)와, 이 촉매컨버터의 입구와 촉매중앙부에 설치된 한쌍의 열전대와, 이 열전대의 온도상승 차에 따라 촉매의 열화정도를 나타내도록 연결되는 계기를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

상기 각각의 열전대의 한 선은 서로 연결하고, 다른 선은 계기와 연결됨을 특징으로 한다.

상기 열전대는 비교적 사용 온도의 범위가 넓고, 기전력의 직선성과, 내산성 및 금속증기에 강하며, 이력 변화가 있는 케이 타입(K type)으로 제공됨을 특징으로 한다.

[작용]

연소실에서 연소된 배기가스는 촉매컨버터의 입구로 유입되어 촉매를 경유하여 출구로 배출된다.

그러므로 촉매성분에 의하여 탄화수소와 일산화탄소가 산화되어 발열반응을 일으킨다.

그러나 촉매성분이 열화됨에 따라서 탄화수소와 일산화탄소의 산화능력이 저하되어 촉매내부의 온도상승 차가 감소하게 된다.

이때 입구와 촉매의 중앙에 배치된 각각의 열전대는 각각의 온도상승 차(△T)에 의하여 기전력이 발생된다.

이렇게 발생된 기전력은 계기에 온도상승 차(△T)를 나타내게 되며, 촉매가 더욱 열화되어 이 온도상승차(△T)가 스레쉬홀드 포인트(△T')로 감소되면 밀(mil) 점등이 되어 촉매의 열화정도를 쉽게 알 수 있게 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의하여 보다 상세히 설명한다.

[실시예]

제1도는 본 발명에 따른 캐털리스트 모니터링 시스템의 간략도로서, 배기파이프의 중간부분에 위치하며, 배기가스를 유입하는 입구(2)와 유입된 배기가스를 정화하는 촉매(4)와 촉매에 의하여 정화된 배기가스를 유출하는 출구(6)를 형성하는 촉매컨버터(8), 이 촉매컨버터(8)의 온도상승차(△T)를 검출하는 한쌍의 열전대(10,12), 이 열전대(10,12), 이 열전대(10,10)의 온도상승 차(△T)에 의하여 촉매의 열화정도를 나타내는 계기(14)를 포함한다.

상술한 촉매컨버터(8)는 매니폴드 내장형 촉매컨버터(Manifold Catalysic Converter)를 사용함이 바람직하다.

그리고 한쌍의 열전대(10,12)는 촉매컨버터(8)의 입구(2)와 촉매(4)의 중앙에 각각 배치되며, 이 열전대(10,12) 각각의 한 선은 서로 연접되어 있고, 각각의 다른 한 선은 계기(14)의 (+)(-)단자에 각각 연결되며, 케이 타입(K type)을 사용하는 것이 바람직하다.

왜냐하면, 이 케이 타입의 열전대(10,12)는 계기(14)의 (+)단자와 접속되는 크로멜과, (-)단자와 접속되는 알루멜로 구성되며, 사용온도범위는 -200℃ -1000℃이며, 과열사용한도는 1200℃로 비교적 사용온도점위가 넓으며, 기전력의 직선성의 양호하고, 내산성 및 금속증기에 강하고, 이력변화가 있다.

상술한 바와 같이 구성된 시스템에 연소실에서 연소된 배기가스를 배출시키면, 촉매컨버터(8)의 입구(2)로 배기가스를 유입, 촉매(4)의 정화작용 후, 출구(6)로 배기되어 계속 배기파이프의 소음기를 경유하여 대기로 배출된다.

배기가스가 촉매(4)를 경유할 때에는 아래식(1),(2)에서와 같이 촉매성분에 의하여 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO)가 산화되는 발열반응을 일으켜 촉매(4)의 내부 온도가 상승하게 된다.

HC+O₂→H₂O+CO₂+열……………………………………………………………(1)

CO+1/2O₂→CO₂+열………………………………………………………………(2)

와 같이 표현된다.

상술한 바와 마찬가지로, 배기가스의 정화는 촉매(4)의 산소저장성능과 연관성이 있는데, 고온에서 촉매성분의 열화보다, 촉매성분 중 산소저장성능과 밀접한 관련이 있는 이산화세륨(CeO₂)의 표면적이 급격히 감소되기 때문에, 촉매성분과의 상호작용이 감소되어 산소저장성능이 떨어진다.

그리고 촉매성분이 열화됨에 따라, 탄화수소(HC)와, 일산화탄소(CO)를 산화시키는 산화능력이 저하되어 촉매(4) 내부의 온도상승 차(△T)가 점진적으로 감소하게 된다.

상술한 계기(14)는 이러한 온도상승차(△T)만을 체크할 수 있도록 각각의 열전대(10,12)의 각 한선과만 연결, 설치되어 있다.

제2도는 본 발명에 따른 캐털리스트 모니터링 시스템의 일정조건하에서, 온도상승 차(△T)와 정화된 후 탄화수소의 방출물(E/M) 정화율(n) 간의 상호관계를 도시한 그래프로서, 엔진회전수(rpm), 공연비(A/F) 등을 고정시키면, 온도상승 차(△T)와 미정화된 탄화수소 방출물(E/M)를 상관성이 대략 반 비례 성향을 갖음을 알 수 있다.

신촉맨의 경우, 정화전 일정 HC 농도가 촉매를 통과하면 100% 정화시키는 약 70℃의 온도상승차(△T)가 발생되는데 촉매성능의 열화로 60% 정화시에는 약 40℃의 온도상승차(△T)가 발생된다.

제2도에서 보는 바와 같이 촉매의 산화능력이 저하되어 탄화수소 방출물(E/M)이 증대되면서, 온도상승차(△T)가 점점 감소된다. 이렇게 감소하는 온도상승차(△T)는 계기(14)에 나타나게 되고, 마침내 온도상승차가 스레쉬홀드 포인트(△T')에 도달하면 밀(mil) 점등이 된다.

[발명의 효과]

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 캐럴리스트 모니터링 시스템은 촉매컨버터에 내장된 촉매가 열화됨에 따라 발생하는 발열량에 의한 온도상승 차(△T)가 점진적으로 감소되어 마침내 스레쉬홀드 포인트(△T')에 이르렀을때, 밀(mil) 점등이 되어 촉매의 열화정도를 판정할 수 있다.

Claims (2)

1. 배기가스의 유입, 유출을 가능케 하며, 배기 가스를 정화하는 촉매를 내장하여 배기파이프상에 장착되는 한 촉매 컨버터, 상기 촉매 컨버터의 입구와 그 후방에 각각 설치되어 입구와 그 후방간의 온도상승차(△T)를 감지하는 한쌍의 열전대, 상기 열전대가 감지한 온도상승차(△T)로 촉매의 비활성을 판단하도록 열전대에 연결되는 계기를 포함하는 캐털리스트 모니터링 시스템.
2. 제1항에 있어서, 후방에 설치되는 열전대는 촉매 컨버터의 중앙부에 설치됨을 특징으로 하는 캐털리스트 모니터링 시스템.