KR0170161B1

KR0170161B1 - 다단적층식 촉매변환장치

Info

Publication number: KR0170161B1
Application number: KR1019940011701A
Authority: KR
Inventors: 최병철; 임승욱; 손건석
Original assignee: 김준성; 사단법인고등기술연구원연구조합
Priority date: 1994-05-27
Filing date: 1994-05-27
Publication date: 1999-01-15
Also published as: KR950031229A

Abstract

자동차 배출가스의 정화효율을 높이고, 외부의 열적충격 및 열적노화형상에 대한 내구성을 증대시킨 촉매변환장치를 얻기위하여, 외형을 형성하는 하우징과, 상기 하우징내에 위치하여 유입된 유해가스를 촉매작용으로 정화하는 담체와, 상기 담체와 하우징사이에 삽입되어 담체의 열적충격 및 열화현상을 방지하는 완충재 및 단열재를 구비한 자동차용 촉매변환장치에 있어서, 상기 담체가 규칙적인 통로를 구비한 벌집형담체와, 불규칙적인 통로를 구비한 다공성 세라믹담체로 형성되며, 상기 벌집형담체와 다공성 세라믹담체는 교대로 설치되는 것을 특징으로 하는 다단적층식 촉매변환장치.

Description

다단적층식 촉매변환장치

제1도는 자동차용 배기장치의 구성을 도시한 개략도.

제2도 (a)는 종래 기술에 따른 촉매변환기의 종단면도.

(b)는 제2도 (a)의 A부분 확대도.

(c)는 제2도 (b)의 B부분 확대도.

제3도는 본 발명에 따를 다단적층식 촉매변환장치의 내부구조를 도시한 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

70,75 : 하우징 90,95 : 완충재

80,85 : 단열재 200 : 벌집형담체

210 : 다공성 세라믹담체

본 발명은 자동차용 촉매장치에 관한 것으로, 특히 엔진 배출가스의 촉매정화시 정화효율이 증대되고, 외부의 열적충격(THERMAL SHOCK) 및 열적노화현상(THERMAL AGING)에 대한 저항성을 향상시킨 다단적층식 촉매변환장치에 관한 것이다.

종래의 자동차용 촉매변화기(CATALYTIC CONVERTER)는, 그 자신은 변화하지 않으면서 다른 물질의 화학반응을 촉진시켜 주는 물질인 촉매(CATALYST)를 이용하여 자동차의 배기가스중에서 유해물질인 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx)등을 산화(OXIDATION) 또는 환원(REDUCTION)반응으로 정화시켜 무해한 물질로 변환시켜주는 장치로서, 제1도에 도시한 바와 같이 자동차의 배기장치에 사용된다. 자동차의 배기장치는 엔진의 배기매니폴드(EXHAUST MANIFOLD)(도시되지않은)에 연결된 앞 배기파이프(10)와, 촉매컨버터(20), 중간 배기파이프(30) 그리고 소음기(MUFFLER)(40) 및 뒷파이프(50), 디퓨져(60)로 이어지는 구조로 되어 있으며, 배출가스의 유해성분을 정화시키기 위해 사용되는 촉매컨버터(20)는 제2도 (a)에 도시한 바와 같은 구조로 되어 있다.

외부를 형성하며 배기파이프(10,30)와 연결되는 하우징(70)과, 하우징 내부에 삽입되어 정화작용을 수행하기 위해 표면에 촉매가 코팅되어 있는 벌집형담체(100)(HONEYCOMB CERAMIC SUBSTRATE)와, 진동 및 충격으로부터 벌칩형담체(100)를 보호하기 위해 하우징(70)과 담체(100)사이에 삽입되어있는 금속섬유(METALIC FIVER)재질의 완충재(90)와 , 고온의 배출가스에 의해 외부장치의 손상이 없도록 하우징(70)사이에 설치된 단열재(INSULATION)(80)로 구성되어 있으며, 직접적인 정화작용을 수행하는 담체(100)부분은 세라믹이나 금속재료로 이루어지며, 제2도 (a)의 A를 확대도시한 제2도의 (b)에 도시한 바와 같은 벌집형구조로 이루어진 세라믹담체(100)의 표면에 촉매가 도포되어 있는 촉매층(110)을 지니고 있으며, 더 상세하기로는 촉매층 B를 확대도시한 제2도의 (c)에 도시한 바와 같이 기본골격을 이루는 세라믹담체(100)와, 상기 세라믹담체(100)에 의해 형성된 직사격형의 통로인 홈(Cell)(115)과, 상기 홈(115) 주위에 여러개의 구멍이 뚫린 중간층(120)(WASH-COAT)을 구비한 다공성 세라믹담체(POROUS CERAMIC SUBSTRATE)(100)로 이루어져 촉매층(110)의 유효면적을 약 7,000배 정도 확대 하는 효과를 얻도록 되어있다. 또한 이 중간층(120)의 표면에 실제 촉매층(110)으로서 백금(Pt)과, 로듐(Rh) 또는 팔라듐(Pd)과 로디움(Rh)등을 혼합한 후 얇게 입혀 산화 및 환원반응을 수행하도록 되어있다.

따라서, 상기와 같은 구조로 이루어진 종래기술에 따른 촉매변환기는 현재 가장 많이 사용하고 있는 3원촉매방식(THREE-WAY CATALYST, TWC)을 사용함으로써 상기 언급한 배출가스의 3가지 유해성분 즉, 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx)을 동시에 정화시키는 방식을 사용하고, 유입된 가스의 재혼합을 위해 2단으로 나뉘어져 촉매가 활성화 되고 담체 및 촉매의 열적노화현상(이하 열화현상)이 발생하지 않는 400-800℃ 영역에서 정화성능이 활발하게 일어난다. 따라서, 엔진의 정상운전 상태에서 촉매의 온도를 상기 온도영역으로 유지할 수 있는 곳에 위치되어 배출가스중의 질소산화물, 탄화수소, 일산화탄소를 질소, 이산화탄소, 물등으로 변환시킨다. 이때 상기 반응 즉, 2CO + 0₂ = 2CO₂

CxHy + AO₂ = BCO₂+ DH₂O (A,B,D 는 상수)

2NO + 2CO = N₂+ 2CO₂의 반응과정을 통한 정화적용을 증대시키기 위하여 종래에는 벌집형담체의 홈수를 증가시켜 반응면적을 극대화 시키는 방식을 주로 채용하였다. 그러나 이러한 방식으로는 규정된 공간내에서 홈수를 무한대로 증가시킬 수 없기 때문에 현재 약 400-650 cells/in²정도에서 포화상태가 된 실정이며, 또한 홈수가 증가 될 수록 홈의 벽두께가 점차 얇아지는 단점으로 인해 촉매변환장치의 기계적강도가 저하되어 현재 자동차에 적용되는 100,000 마일 주행시의 내구성보장의 규제를 만족시키지 못하는 문제점이 발생하고 있다.

또한 촉매의 정상적인 작동을 위해 필요한 온도는 400℃이상 이나 현재 자동차의 배출가스중 대부분의 유해성분이 400℃ 도달전 즉, 시동직후에 대량으로 배출되므로 이러한 유해성분을 정화시켜 배출가스규제를 만족시키기 위해서는 촉매의 온도가 400℃에 도달하여 정상상태로 되는 시간(light off time)을 짧게하여야 하며, 이를 위해서는 담체의 용적이나 열적관성을 작게하여 적은 열량으로 정상상태에 도달하는 시간을 만족시킬수 있어야 한다.

그러나 종래의 2단 담체 촉매변환장치는 유입된 가스의 재혼합을 위해 담체사이에 틈을 주어 제 1단의 담체를 통과한 가스가 틈에서 와류현상으로 섞이도록 유도하고 있었으나, 실제로는 담체의 홈(cell)이 배기라인과 평향한 직선상으로 되어 있기 때문에 제 1단의 벌집형 담체를 통과한 배기가스들이 실제로 잘 섞이지 않고 제 2 단 벌집형담체로 평행하게 유입되어 제 2 단 담체에서도 시동초기에 중앙부만 가열되어 배기가스의 정화가 이루어지고 담체의 가장자리는 활성화가 지연되어 상대적으로 많은 양의 촉매담체를 필요로하는 문제점이 있었다. 또한 벌집형 담체의 중앙은 계속 많은 열을 받아 열적 충격으로 노화가 빨리되어 내구성이 떨어지는 문제점이 있었다.

그러므로, 본 발명은 전체담체의 용적은 그대로 유지하고 열적관성을 줄이는 방법으로 종래의 2단계 담체를 여러단으로 나누어 구성함으로써, 최선두 담체의 용적을 작게하여 정상작동 온도에 도달하는 시간을 줄일수 있도록 하고, 다공성 세라믹담체에 의해 와류현상을 증대시키므로 담체중심부와 외곽부의 온도차에 의해 발생되던 열적충격을 감소시킴과 동시에 정화된 가스와 비정화된 가스의 혼합을 증대시켜 전체적인 정화성이 향상되고, 외부의 열적충격 및 열적노화 현상에 의한 저항성이 향상되어 내구성이 뛰어난 다단적층식 촉매변환장치를 제공하는데에 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 외형을 형성하는 하우징과, 상기 하우징내에 위치하여 유입된 유해가스를 촉매작용으로 정화하는 담체와, 상기 담체와 하우징사이에 삽입되어 담체의 열적충격 및 열화현상을 방지하는 완충재 및 단열재를 구비한 자동차용 촉매변환장치에 있어서,

상기 담체는 규칙적인 통로를 구비한 벌집형담체와, 불규칙적인 통로를 구비한 다공성 세라믹담체로 형성되며;

상기 별집형담체와 다공성 세라믹담체는 교대로 설치되는 것을 특징으로 하는 다단적층식 촉매변환장치를 제공하는데 그 특징이 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제 3도는 본 발명에 따른 촉매변환장치의 내부단면을 도시한 것으로써, 본 촉매변환장치의 외형을 이루는 하우징(75),과 상기 하우징(75)의 내부에 소정간격을 두고 삽입되어 정화적용을 수행하는 벌집형담체(200)와, 상기 벌집형담체(200)의 사이에 교대로 삽입되어 배출가스의 흐름을 혼합하는 다공성 세라믹담체(210)와, 상기 벌집형담체(200) 및 다공성 세라믹담체(210)의 외부에 감싸여져 상기 담체들(200,210)의 열적충격 및 열적노화현상을 방지하는 완충재 및 단열재(85)로 이루어져 하우징(75)니로 유입된 배출가스는 교대로 설치되어 있는 벌집형담체(200) 와 다공성 세라믹담체(210를 통과하면서 정화되어 대기중으로 방출되는 구조로 되어 있다.

그리고 벌집형담체(200)와 그 사이에 설치되는 다공성 세라믹담체(210)와의 간격은 벌집형담체(200) 길이의 1/20 내지 1/2 범위로 유지하고, 다공성 세라믹담체(210)의 길이는 벌집형담체(200) 길이의 1/4 내지 1/1 범위로 유지시킨다.

이와같이 구성된 본 발명에 다단적층식 촉매변환장치는 다음과 같이 동작된다.

먼저, 하우징(75)의 입구를 통해 유입된 배출가스가 첫 번째 벌집형담체(200)를 통과하면서 벌칩형담체(200)의 각 표면에 도포되어 있는 촉매에 의해 기 설명한 산화 및 환원반응으로 배출가스의 유해성분을 정화시킨다.

이때 배출가스가 홈이 직선형으로 되어있는 벌집형담체(200)의 중앙부로 집중적으로 통과하게 되므로, 배출가스에 의해 벌집형담체(200)의 중앙부만이 집중적으로 가열되고 그 주변부는 상대적으로 느리게 가열되게 된다.

따라서 벌집형담체(200)의 중앙부는 정상적인 동작온도(약 400-800℃)로 빠르게 도달하게 되지만 주변부는 느리게 도달하게 되므로, 중앙부를 통과하는 배출가스는 정상적으로 정화되지만, 중앙부 이외의 부분 즉, 주변부를 통과하는 배출가스는 미정화된 상태로 벌집형담체(200)를 통과하게 된다.

그리고 벌집형담체(200)를 통과한 배출가스 즉, 중앙부를 통과한 정화된 가스와, 주변부를 통과한 미정화된 가스는 다공성 세라믹담체(210)로 유입되게 되는데, 이때 다공성 세라믹담체(210)는 통로가 불규칙적으로 형성되어 있으므로 제 3 도에 화살표로 도시한 바와같이 정화된 가스와 미정화된 가스가 다공성 세락믹담체(210)를 통과하는 과정에서 서로 혼합되게 된다.

즉,다공성 세라믹담체(특허출원 제 15574호 및 제 21213호)는 배출가스가 통과하는 폴이라는 통로를 구비하고 있으며, 폴의 형성이 불규칙하고, 직선형의 통로가 아니기 때문에 폴의 불규칙적인 형상으로 인하여 불규칙적인 가스의 흐름이 이루어져 중앙부를 통과한 가스와 주변부를 통과한 가스의 혼합이 자연스럽게 이루어지게 된다.

그리고 다공성 세라믹담체(210)를 통과하는 과정에서 서로 혼합된 가스 즉, 벌집형담체(200)의 중앙부를 통과한 상대적으로 온도가 높은 정화된 가스와 벌집형담체(200)의 주변부를 통과한 상대적으로 온도가 낮은 미정화된 가스가 혼합된 상태로 제 3 도에 도시된 바와같이 두번째 벌집형담체(200)의 전부분에 걸쳐 고르게 통과하면서 2차 정화되게 된다.

따라서 벌집형담체(200)의 중앙부와 주변부의 온도차이로 인한 열적충격 및 열적노화현상을 줄일 수 있게 되고, 배출가스의 정화효율을 향상시킬 수 있게된다.

그리고 본 발명은 벌집형담체(200)와 다공성 세라믹담체(210)가 교대로 배열된 다단구조로 이루어져 있으므로, 종래 2개의 벌집형담체가 소정간격을 두고 배열된 2단 담체 구조에 비하여 전체 담체의 질량이 감소되게 된다. 즉, 같은 하우징 공간내에서 본 발명의 담체는 여러개가 소정간격을 두고 다단으로 배열되어 있고, 다공성 세라믹담체의 질량이 종래의 벌집형담체에 비하여 작으므로, 종래 2개의 담체가 배열된 방식에 비하여 전체 담체의 질량이 감소하게 된다.

따라서 종래 2개의 담체가 배열된 방식에 비하여 촉매의 활성화 및 열적충격에 대한 내구성이 증대되게 된다.

또한 본 발명은 벌집형담체(200)와 다공성 세라믹담체(210)가 교대로 배열된 다단구조로 이루어져 있으므로, 종래 2개의 담체가 배열된 방식에 비하여 반응면적이 증대되기 때문에 촉매변환장치의 유효체적을 감소시킬 수 있게 된다.

또한 본 발명에서의 첫변째 벌집형담체(200)의 크기가 종래의 첫번째 벌집형 담체에 비하여 작기 때문에 담체의 질량감소로 인한 열적관성의 감소로 인해 첫번때 담체가 정상동작 온도에 도달하는 시간을 줄일 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와같이 본 발명 다단적층식 촉매변환장치에 의하면, 담체의 질량을 감소시켜 촉매의 활성화 및 열적충격에 대한 내구성이 증대되고, 다공성 세라믹담체의 설치로 인해 배추가스의 흐름이 불규칙한 방향성을 갖게되어 정화된 가스와 미정화된 가스의 혼합이 잘 이루어져 정화효율이 향상되고, 반응면적이 증대되어 촉매변환장치의 유효체적을 감소시킬 수 있는 이점이 있으며, 또한 담체의 적층 배열을 벌집형담체, 다공성 세라믹담체의 순서 및 주어진 조건에 알맞도록 그 반대의 순서로도 가능한 이점이 있다.

Claims

외형을 형성하는 하우징과, 상기 하우징내에 위치하여 유입된 유해가스를 촉매작용으로 정화하는 담체와, 상기 담체와 하우징사이에 삽입되어 담체의 열적충격 및 열화현상을 방지하는 완충재 및 단열재를 구비한 자동차용 촉매변환장치에 있어서, 상기 담체는 규칙적인 통로를 구비한 벌집형담체와,불규칙적인 통로를 구비한 다공성 세라믹담체로 형성되며; 상기 벌집형담체와 다공성 세라믹담체는 교대로 설치되는 것을 특징으로 하는 다단적층식 촉매변환장치.
제 1항에 있어서, 상기 벌집형담체와 상기 다공성 세라믹담체의 사이에 상기 벌집형담체 길이의 1/20 내지 1/2 범위의 간격을 주는 것을 특징으로 하는 다단적층식 촉매변환장치.
제 1항에 있어서, 상기 다공성 세라믹담체의 길이가 벌집형담체 길이의 1/4 내지 1/1로 하는 것을 특징으로하는 다단적층식 촉매변환장치.