KR0152512B1 - 2차공기 주입식 배기가스 정화 시스템의 2차공기 유량과 온도를 결정하기 위한 실험장치 - Google Patents

2차공기 주입식 배기가스 정화 시스템의 2차공기 유량과 온도를 결정하기 위한 실험장치

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KR0152512B1 KR1019950037306A KR19950037306A KR0152512B1 KR 0152512 B1 KR0152512 B1 KR 0152512B1 KR 1019950037306 A KR1019950037306 A KR 1019950037306A KR 19950037306 A KR19950037306 A KR 19950037306A KR 0152512 B1 KR0152512 B1 KR 0152512B1
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Abstract

본 발명은 2차공기 주입식 자동차의 배기가스 정화 시스템의 2차공기 유량과 온도를 결정하기 위한 실험장치에 관한 것이다. 본 발명은 엔진에서 연소되어 배출되는 배기가스의 각 성분들에 대응하는 비율로 테스트 가스를 제조하는 장치, 상기 테스트 가스 제조장치에 연결되어 테스트 가스내의 유해성분을 제거하는 산화촉매 장치, 상기 산화촉매 장치에 테스트 가스가 유입되기 전에 외부로부터 흡입된 2차공기를 예열하여 주입하는 2차공기 주입장치, 및 상기 산화촉매 장치에 테스트 가스가 유입되기 전과 산화촉매 장치를 통과한 후에서의 테스트 가스내의 유해성분의 농도를 측정하는 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

2차공기 주입식 배기가스 정화 시스템의 2차공기 유량과 온도를 결정하기 위한 실험장치
제1도는 일반적인 2차공기 주입식 배기가스 정화 시스템의 구성도.
제2도는 본 발명에 따른 실험 장치가 적용되는 2차공기 주입식 배기가스 정화 시스템의 구성도.
제3도는 본 발명에 따른 히터의 최적 용량 및 2차공기의 최적 주입유량을 결정하기 위한 실험장치의 구성도.
제4도는 실험 장치에서 검출된 데이터를 나타낸 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 엔진 2 : 배기 파이프
3 : 산화 촉매기 4 : 2차공기 주입용 파이프
5, 41 : 공기펌프 10, 42 : 2차공기 예열용 히터
20 : 테스트 가스 제조장치 21 : 가스 혼합기
22 : 주입구 23 : 유량계
24 : 제어 밸브 25 : 질소 예열용 히터
26 : 컨트롤러 27 : 유량조절용 컨트롤러
30 : 산화 촉매장치 40 : 2차공기 주입장치
50 : 유해가스 농도 측정기 60 : 열전쌍
본 발명은 자동차의 엔진에서 연료가 연소되어 배기 파이프를 통해 배출되는 배기가스내에 함유된 유해성분을 산화시켜 제거하는 산화 촉매기(oxidation catalyst converter)에 배기가스가 유입되기 전에 2차공기를 주입하여 산화 촉매기에서의 산화작용을 활성화시키는 2차공기 주입식 자동차의 배기가스 정화 시스템에서, 2차공기 유량과 온도를 결정하기 위한 실험장치에 관한 것이다.
최근 들어서 자동차의 배출가스로 인한 대기 오염을 방지하는 것이 환경 위생상 중요한 문제로 대두되어 이에 대한 대책이 시급히 요청되고 있는 실정이다.
자동차에서 배출되는 가스는 배기 파이프에서 배출되는 배기가스, 기관의 크랭크케이스에서 나오는 블로바이 가스, 및 연료탱크나 기화기등에서 증발하는 연료증발 가스가 있다. 이 중에서 배기가스는 연료가 실린더 안에서 연소한 다음, 배기 파이프를 통해 외부로 배출되는 가스를 말하며, 배기가스의 성분은 대부분이 인체에 무해한 수증기(H2O), 질소(N2), 탄산가스(CO2)등이나, 일산화탄소(CO), 탄산수소(HC), 질소 산화물(NOx) 등의 유해한 물질도 포함되어 있다.
상기와 같은 배기가스내의 유해성분을 제거하기 위한 방안으로는, 연소실을 비롯하여 연료, 점화, 흡배기 계통을 종합적으로 개량하거나 연소 상태를 제어하는 부가 장치를 설치하는 기관 개량 방식, 희박한 혼합기를 효율적으로 연소시키기 위해 일부 짙은 혼합기를 동시에 흡입시키는 성층 급기 연소 방식, 유해가스를 산화 또는 환원 촉매로 제거하는 촉매 컨버터 방식등이 있다.
이러한 방식중에서 산화 촉매 방식에는 산화 촉매기에서의 산화를 보다 활성화시키기 위해 산화 촉매기로 배기가스가 유입되기 전에 별도로 2차공기를 주입하는 방식이 상용화되고 있다.
제1도에 일반적인 2차 공기 주입식 산화 촉매 시스템의 개략적인 구성도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이, 엔진(1)에 연소된 배기가스가 이동하는 통로인 배기 파이프(2)가 연결되고, 상기 배기 파이프(2)에 배기가스내에 함유된 유해성분을 산화촉매로 제거하는 산화 촉매기(3)가 설치된다. 그리고 상기 산화 촉매기(3)전의 배기 파이프(2)에 2차공기 주입용 파이프(4)가 연결되고, 상기 2차공기 주입용 파이프(4)에는 외부의 공기를 흡입하기 위한 공기펌프(5)가 설치된다.
이와같이 구성되어서 엔진(1)에서 피스톤이 연료를 압축·폭발시켜서 발생된 배기가스는 배기 파이프(2)를 통해서 이동하다가, 산화 촉매기(3)로 유입되기 전에 공기펌프(5)에 의해 2차 공기 주입용 파이프(4)를 통해 주입된 2차 공기와 섞여서 일부의 유해성분이 산화된 후, 산화 촉매기(3)로 유입되어 나머지 유해성분이 산화촉매에 의해 산화되어 무해성분으로 전환된다.
그러나 이러한 종래의 2차공기 주입식 산화촉매 시스템에서, 산화 촉매기에서의 산화작용을 보다 활성화시키기 위해 주입되는 2차공기는 외부의 공기를 공기펌프로 흡입하여 주입하는 것이기 때문에 외부의 온도와 거의 동일한 온도를 가지게 되고, 특히 겨울철일 경우 2차공기의 온도는 매우 낮아서, 이러한 온도를 가지는 2차공기를 배기 파이프에 주입하여도 본래의 기능인 산화작용 및 활성화 작용이 활발히 일어나지 않게 되는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은, 산화 작용 및 활성화 작용이 활발히 일어나도록, 2차공기의 유량 및 온도를 최적으로 설정하기 위한 2차공기 주입식 자동차의 배기가스 정화 시스템의 2차공기 유량 및 온도를 결정하기 위한 실험장치를 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 히터의 최적 용량 및 2차공기의 최적 주입유량을 설정하기 위한 일산화탄소 농도 측정장치로서, 엔진에서 엔소되어 배출되는 배기가스의 각 성분들에 대응하는 비율로 테스트 가스를 제조하는 장치, 상기 테스트 가스 제조장치에 연결되어 테스트 가스내의 유해성분을 제거하는 산화촉매 장치, 상기 산화촉매 장치에 테스트 가스가 유입되기 전에 외부로부터 흡입된 2차공기를 예열하여 주입하는 2차공기 주입장치, 및 상기 산화촉매 장치에 테스트 가스가 유입되기 전과 산화촉매 장치를 통과한 후에서의 테스트 가스내의 유해성분의 농도를 측정하는 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 테스트 가스 제조장치는 성분이 산소, 일산화탄소, 탄화수소, 및 질소 산화물인 테스트 가스가 주입되는 주입구, 상기 주입구에 연결되고 상기 산화 촉매장치에 연결되어 테스트 가스내의 각각의 성분들을 균일하게 혼합시키는 가스 혼합기, 상기 가스 홈합기와 주입기 사이에 설치된 유량계, 상기 유량계 전후에 설치되어 테스트 가스의 유량을 제어하는 밸브, 상기 가스 혼합기에 연결되어 테스트 가스의 성분을 대기성분과 일치시키기 위해 질소를 공급하는 라인, 상기 질소 공급라인에 설치되어 가스 혼합기내의 각각의 가스와 질소가 균일하게 혼합되도록 질소를 예열시키는 히터, 상기 히터에 연결되어 히터의 동작을 제어하는 컨트롤러, 및 상기 컨트롤러 및 히터에 각각 연결되어 질소의 유량을 제어하는 유량조절용 컨트롤러를 구비한 것을 특징으로 한다.
상기 2차공기 주입장치는 상기 테스트 가스 제조장치와 산화촉매 장치 사이의 라인에 별도의 연결된 2차공기 주입라인, 상기 2차공기 주입라인에 설치되어 외부의 공기를 흡입하는 공기펌프, 및 상기 공기펌프에 의해 흡입된 2차공기를 예열시키는 히터로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 산화촉매 장치의 전후의 테스트 가스가 이동하는 라인에 테스트 가스의 온도를 측정하기 위한 열전쌍을 설치하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다.
제2도는 본 발명에 따른 실험 장치가 적용되는 2차공기 주입식 배기가스 정화 시스템의 구성도이고, 제3도는 본 발명에 따른 히터의 최적 용량 및 2차공기의 최적 주입유량을 결정하기 위한 실험 장치의 구성도이고, 제4도는 실험 장치에서 검출된 데이터를 나타낸 그래프이다.
제2도에 도시된 바와 같이, 엔진(1)에 연소된 배기가스가 이동하는 통로인 배기 파이프(2)가 연결되고, 상기 배기 파이프(2)에 배기가스내에 함유된 유해성분을 산화촉매로 제거하는 산화 촉매기(3)가 설치된다. 그리고 상기 산화 촉매기(3)전의 배기 파이프(2)에 2차공기 주입용 파이프(4)가 연결되고, 상기 2차공기 주입용 파이프(4)에는 외부의 공기를 흡입하기 위한 공기펌프(5)가 설치된다.
상기 2차공기 주입용 파이프(4)에 상기 공기펌프(5)에 의해 흡입된 2차공기를 소정의 온도로 상승시키는 히터(10)가 설치된다. 상기 히터(10)의 최적 용량은 1 내지 2kW인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1kW인 히터를 사용한다. 또한, 상기 2차공기 주입용 파이프(4)를 통해서 배기 파이프(2)로 주입되는 2차공기의 최적유량은 150 내지 250ℓ/min인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 200ℓ/min으로 2차공기를 주입한다.
또한, 상기 배기 파이프(2) 및 2차공기 주입용 파이프(4)이 길이를 설계 허용범위내에서 최대한 짧게 형성한다. 그 이유는 배기 파이프(2) 및 2차공기 주입용 파이프(4)의 길이가 길수록 파이프 벽면을 통해 전달되는 열전달량이 크기 때문에 열손실이 크게 되고, 따라서 산화 촉매기(3)에 유입되는 배기가스의 온도가 저하되어 촉매를 활성화시키는데 시간이 많이 소요되어 일산화탄소와 같은 유해물질이 산화촉매로 제거되지 못하고 그대로 산화 촉매기(3)에서 배출되기 때문이다.
즉, 엔진(1)에서 연소되어 배기 파이프(2)를 통해 배출되는 배기가스는 산화 촉매기(3)로 유입되기 전에 공기펌프(5)에 의해 2차공기 주입용 파이프(4)를 통해 배기 파이프(2)로 주입되는 2차공기와 혼합되는데, 그 전에 2차공기는 히터(10)에 의해 소정의 온도로 상승되어서 배기가스와 혼합된다. 이와 같이 온도가 상승된 2차공기는 그 운동량이 커져서 활성화된 상태이고, 따라서 배기가스가 이러한 상태의 2차공기와 혼합되므로써 배기가스내의 유해성분, 즉 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소 산화물(NOx)등이 산화 촉매기(3)로 유입되기 전에 많은 양이 거의 산화가 된 상태가 도달하게 된다. 그러므로 거의 사전 산화된 배기가스의 유해성분은 산화 촉매기(3)로 유입되어서 산화촉매에 의해 대부분이 완전산화되어 무해한 성분으로 전환된다.
또한, 상기와 같은 히터(10)의 최적 용량 및 2차공기의 최적 주입유량을 설정하기 위하여 본 발명은 다음과 같은 실험장치를 구성한다.
본 장치의 구성은 크게, 제3도에 도시된 바와 같이, 엔진에서 연소되어 배출되는 배기가스의 각 성분들에 대응하는 비율로 테스트 가스를 제조하는 장치(20), 상기 테스트 가스 제조장치(20)에 연결되어 테스트 가스내의 유해성분을 제거하는 산화촉매 장치(30), 상기 산화촉매 장치(30)에 테스트 가스가 유입되기 전에 외부로부터 흡입된 2차공기를 예열하여 주입하는 2차공기 주입장치(40), 및 상기 산화촉매 장치(30)에 테스트 가스가 유입되기 전과 산화촉매 장치(30)를 통과한 후에서의 테스트 가스내의 유해성분의 농도를 측정하는 장치(50)로 구성된다.
상기 테스트 가스 제조장치(20)는 다음과 같이 구성된다.
우선, 상기 산화촉매 장치(30)에 테스트 가스내의 각각의 성분들을 균일하게 혼합시키는 가스 혼합기(21)가 연결되고, 상기 가스 혼합기(21)에 산소, 일산화탄소, 탄화수소, 및 질소 산화물 등의 가스가 주입되는 입구인 주입기(22)가 연결된다. 또한, 상기 가스 혼합기(21)와 주입기(22) 사이에는 유량계(23)가 설치되고, 상기 유량계(23) 전후에는 테스트 가스의 유량을 제어하는 밸브(24)가 설치된다. 상기 가스 혼합기(21)에는 테스트 가스의 성분을 대기 성분과 일치시키기 위해 질소를 공급하는 라인이 연결되고, 상기 라인에 가스 혼합기(21)내의 각각의 가스와 질소가 균일하게 혼합되도록 질소의 온도를 상승시키는 히터(25)가 설치된다. 상기 히터(25)에는 히터(25)의 동작을 제어하는 컨트롤러(26)가 연결되고, 또한 질소의 유량을 제어하는 유량조절용 컨트롤러(27)가 상기 컨트롤러(26) 및 히터(25)에 연결된다.
상기 2차공기 공급장치(40)는 전술한 2차공기 주입식 산화촉매 시스템의 구성과 동일하게, 상기 가스 혼합기(21)와 산화촉매 장치(30) 사이의 라인에 별도의 연결된 2차공기 주입라인과, 상기 2차공기 주입라인에 설치되어 외부의 공기를 흡입하는 공기펌프(41), 및 상기 공기펌프(41)에 의해 흡입된 2차공기의 온도를 상승시키는 히터(42)로 구성된다.
또한, 상기 산화촉매 장치(30)의 전후의 테스트 가스가 이동하는 라인에 테스트 가스의 온도를 측정하기 위해 열전쌍(60)을 설치한다.
이와 같이 구성된 본 실험 장치의 동작은 다음과 같다.
산소, 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 및 질소 산화물(NOx) 등의 성분이 적정한 비율로 조성된 테스트 가스를 주입기(22)로 주입하면, 유량계(23) 및 제어 밸브(24)에 의해 그 흐름이 조절되어서 가스 혼합기(21)로 유입된다. 또한, 테스트 가스의 성분을 대기의 성분과 일치시키기 위해 질소공급 라인을 통해 질소를 공급하는데, 이 질소가 테스트 가스와 균일하게 혼합되도록 온도를 높이기 위해 히터(25)로 가열한다. 이렇게 테스트 가스는 가스 혼합기(21)에서 균일하게 혼합된 후, 산화 촉매기(30)로 공급되는데, 그 전에 공기펌프(41)가 가동되어 외부의 공기가 2차공기 주입라인을 통해서 흡입되어서 히터(42)에 의해 가열된다. 온도가 상승된 2차공기는 테스트 가스와 혼합되고 산화 촉매기(30)로 유입되어서 산화 촉매에 의해 테스트 가스내의 유해성분이 무해성분으로 산화되어 전환된 후, 산화 촉매기(30)에서 배출된다. 이때, 테스트 가스내의 유해성분의 농도를 측정하는 장치(50)가 산화 촉매기(30) 전의 테스트 가스내의 유해성분의 농도와 산화 촉매기(30)를 거친 테스트 가스내의 유해성분의 농도를 측정한다. 또한, 열전쌍(60)이 산화 촉매기(30) 전의 테스트 가스의 온도와 산화 촉매기(30)를 거친 테스트 가스의 온도를 측정한다.
이러한 실험을 히터(42)의 용량 및 2차공기의 유량을 변화시키면서 반복, 수행하여 얻어진 데이터를 그래프상에 도시한 것이 제4도이다.
제4도에서 가로축은 2차공기의 주입유량(ℓ/min)이고, 세로축은 산화촉매기(30)에서 배출된 테스트 가스내의 일산화탄소 배출비율(%)이다. 여기서 일산화탄소 배출비율은 2차공기를 주입하지 않는 상태에서의 일산화탄소의 배출질량을 2차공기를 주입한 상태에서의 일산화탄소의 배출질량으로 나눈 다음, 100을 곱하여 얻어진다.
도시된 바와 같이, I번 라인은 2차공기를 히터(42)로 가열하지 않은 상태에서의 일산화탄소의 배출비율을 나타낸 것으로서, 2차공기의 유량이 계속 증가되어도 일산화탄소의 배출비율이 60%를 상회한다. 반면에 히터(42)를 설치하였을 경우, 그 중에서도 히터(42)의 용량이 0.5kW인 경우의 일산화탄소의 배출비율을 나타낸 것이 II번 라인이다. II번 라인은 I번 라인보다는 일산화탄소의 배출비율이 많이 낮아졌지만 히터(42)의 용량이 작아서 2차공기의 유량이 증가되어도 일산화탄소의 배출비율이 50% 이상이 된다. 따라서 전술한 본 발명의 최적 히터용량인 1 내지 2 kW를 적용한 경우를 나타낸, 즉 히터(42)의 용량이 1.0kW인 III번 라인, 1.5kW인 IV번 라인, 2.0kW인 V번 라인이 나타낸 것과 같이 일산화탄소의 배출비율이 40% 이하가 된다. 그러나 히터(42)의 용량을 1 내지 2 kW인 것을 사용하여도 2차공기의 유량이 200ℓ/min이 넘어서면 일산화탄소의 배출비율은 더 이상 감소되지 않는다. 따라서 2차공기의 최적 유입량은 전술한 대로 150 내지 250ℓ/min으로 결정된다.
또한, 2차공기의 최적 유량은 별도로 제조한 테스트 가스가 아닌 실제의 엔진을 적용해서 하기 식으로 산출할 수가 있다.
Qa = (Ne × V ×μc) / (2×100)
여기서, Qa는 2차공기의 유량(ℓ/sec)이고, Ne는 엔진의 회전수이고, V는 변위된 체적(ℓ)이고, μc는 충진 효율(%), 즉 흡기량에 대한 배기량의 비율로서 하기 식으로 산출한다.
μc = (Pb/105) × (μcν/100)
여기서, Pb는 배기 파이프의 압력이고, μcν는 충진 효율의 계수(%)이다.
이러한 식으로 2차공기의 최적량을 계산해보아도 그 수치는 전술한 2차공기의 최적유량인 150 내지 250ℓ/min의 범위를 벗어나지 않는다.
이와 같이 본 발명은, 히터의 최적 용량과 2차공기의 최적 유량을 설정하기 위한 장치를 구성하여 실험을 통해 일산화탄소를 비롯한 각종 유행성분의 제거율이 최대가 될 수 있는 히터의 용량과 2차공기의 유량의 설정이 가능하게 된다.

Claims (4)

  1. 엔진에서 연소되는 배기가스의 각 성분들에 대응하는 비율로 테스트 가스를 제조하는 장치, 상기 테스트 가스 제조장치에 연결되어 테스트 가스내의 유해성분을 제거하는 산화촉매 장치, 상기 산화촉매 장치에 테스트 가스가 유입되기 전에 외부로부터 흡입된 2차공기를 예열하여 주입하는 2차공기 주입장치, 및 상기 산화촉매 장치에 테스트 가스가 유입되기 전과 산화촉매 장치를 통과한 후에서의 테스트 가스내의 유해성분의 농도를 측정하는 장치를 포함하는 2차공기 주입식 자동차의 배기가스 정화 시스템의 2차공기 유량 및 온도를 결정하기 위한 실험장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 테스트 가스 제조장치은 성분이 산소, 일산화탄소, 탄화수소, 및 질소 산화물인 테스트 가스가 주입되는 주입구, 상기 주입구에 연결되고 상기 산화 촉매장치에 연결되어 테스트 가스내의 각각의 성분들을 균일하게 혼합시키는 가스 혼합기, 상기 가스 혼합기와 주입기 사이에 설치된 유량계, 상기 유량계 전후에 설치되어 테스트 가스의 유량을 제어하는 밸브, 상기 가스 혼합기에 연결되어 테스트 가스의 성분을 대기성분과 일치시키기 위해 질소를 공급하는 라인, 상기 질소 공급라인에 설치되어 가스 혼합기내의 각각의 가스와 질소가 균일하게 혼합되도록 질소를 예열시키는 히터, 상기 히터에 연결되어 히터의 동작을 제어하는 유량조절용 컨트롤러를 구비한 것을 특징으로 하는 2차공기 주입식 자동차의 배기가스 정화 시스템의 2차공기 유량 및 온도를 결정하기 위한 실험장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 2차공기 주입장치는 상기 테스트 가스 제조장치와 산화촉매 장치 사이의 라인에 별도의 연결된 2차공기 주입라인, 상기 2차공기 주입라인에 설치되어 외부의 공기를 흡입하는 공기펌프, 및 상기 공기펌프에 의해 흡입된 2차공기를 예열시키는 히터로 구성된 것을 특징으로 하는 2차공기 주입식 자동차의 배기가스 정화 시스템의 2차공기 유량 및 온도를 결정하기 위한 실험장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 산화촉매 장치의 전후의 테스트 가스가 이동하는 라인에 테스트 가스의 온도를 측정하기 위한 열전쌍을 설치한 것을 특징으로 하는 2차공기 주입식 자동차의 배기가스 정화 시스템의 2차공기 유량 및 온도를 결정하기 위한 실험장치.
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KR1019950037306A KR0152512B1 (ko) 1995-10-26 1995-10-26 2차공기 주입식 배기가스 정화 시스템의 2차공기 유량과 온도를 결정하기 위한 실험장치

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