KR0175719B1 - 차량 배기 시스템의 열 조정 - Google Patents

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KR0175719B1
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에프. 포터 토마스
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케이. 벤손 데이비드
에프. 포터 토마스
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Abstract

최적의 수준에서 촉매 컨버터(10, 140)의 작동온도를 유지하기 위해서, 촉매 커버터 온도가 소등온도까지 상승할 때 열손실을 억제하기 위해서, 소등온도까지의 도달을 유지하고 가속하도록 고도한 열을 저장하기 위해서, 그리고 소등온도에 도달한 후 촉매 컨버터(10, 140)로부터 멀리 과도한 열을 전도하기 위해서, 촉매 컨버터(10, 140)가 가변 전도성 단열부(30, 164)에 의해 둘러싸여 있다. 소등온도 도달후에 가변 전도성의 과도한 열은 촉매 컨버터(10, 140)로부터 멀리 전달된다. 가변 전도성 단열부(30)는 진공 가스 제어부와 금속 대 금속 열 분류기구(134)를 포함하고 있다. 방사상 및 축선방향(138) 차폐부는 열손실의 전달과 방출을 억제한다. 열 저장매체는 상 변화물질(150), 열 교환기 챔버(164) 그리고 촉매 컨버터로의 열을 이송하는 유체(166)를 포함하고 있다.

Description

[발명의 명칭]
차량 배기 시스템의 열 조정
[도명의 간단한 설명]
제1도는 본 발명에 따른 촉매 컨버터 열 조정에 따른 개략도.
제2도는 본 발명에 따른 열 조정을 제공하도록 구조된 촉매 컨버터 하우징의 단면도.
제3도는 종래의 촉매 컨버터 배기 시스템의 작동시간, 온도 및 방출 사이의 관계에 대한 그래프.
제4도는 종래의 촉매 컨버터 시스템의 발산과 비교가 되는, 본 발명에 따라 열 조정을 위해 구조된 촉매 컨버터 배기 시스템의 작동시간, 온도 및 방출 사이의 관계에 대한 그래프.
제5도는 본 발명을 따른 변경 실시예의 촉매 컨버터 열 조정 시스템에 대한 단면도.
제6도는 제2도 또는 제5도의 촉매 컨버터 실시예의 열 전도를 가변시키는데 사용되는 열 단락 스파이크에 대한 확대 단면도. 그리고
제7도는 촉매기질을 에워싸는 내부 하우징에 상변화물질이 위치되어 있는 변경 실시예의 단면도.
[발명의 상세한 설명]
[기술분야]
본 발명은 자동 배기 시스템에 관한 것이며, 보다 상세하게는 촉매 컨버터에 발생된 열을 조종하고 이용하는 시스템에 관한 것이다.
[배경기술]
대부분의 차량 배기 시스템, 특히 가솔린 내연기관에 의해 구동되는 차량의 배기 시스템은 배기가스에서 유해한 방출을 감소시키기 위해 촉매 컨버터로 구비되어 있다. 가장 효율적인 현행기술의 촉매 컨버터는 백금, 팔라듐, 또는 로듐과 같은 하나 또는 그 이상의 금속촉매로 코팅된 세라믹 기질으로 구성된다. 고온 탄화수소 환원을 위한 바람직한 금속은 팔라듐이고, 로듐은 일산화이질소와 일산화탄소의 방출을 개선시키는데 효과적이다. 소위 3-웨이 촉매 컨버터는 일산화탄소를 이산화탄소로 산화시키고 탄화수소를 이산화탄소와 물로 산화시키는 2개의 산화반응을 촉진하는 이들 금속의 결합체를 통상적으로 포함하고 있다. 동시에, 질소 산화물들은 질소와 산소로 환원된다. 이들 반응은 고온에서 매우 효과적이다. 하지만 촉매가 탄화수소의 50%를 산화시키는데 필요되는 온도로서 정의되는 소등(light-off) 온도까지 가온될 때까지, 촉매 컨버터의 효율은 매우 낮다. 예를 들면, Catalysts and Emission Technology, Society of Automotive Engineers Special Publication No. 968, Warrendale, PA, 1993에 실린 Use of Light-Off Catalysts to Meet the California LEV/ULEV Standards의 논문에서, 제이. 씨. 섬머는 배기관 탄화수소 방출물의 대략 60∼80%가 초기 냉온시동(Bag 1) 단계시 발생한다고 개시하였다.
소등 온도에 보다 신속하게 도달하기 위하여, 소등 온도가 적어도 약 600°∼800℉의 일상적인 범위에 도달될 때까지 촉매 컨버터내에 가능한한 많은 배기열을 유지시키는 것은 바람직하다. 촉매 컨버터 주위에 단열 자켓을 제공하는 것은 열을 유지하는데 도움을 줄 수가 있다. 하지만, 연장작동시 일단 소등 온도에 도달되면 촉매 컨버터의 온도는 배기가스와 촉매와의 반응에 대한 발열 열에 의해 매우 빠르게 승온될 수 있다. 촉매 컨버터에서 반응된 농후연료 가스로부터 또는 연장 작동시 발생된 열이 효과적으로 발산될 수 없으면, 촉매 노화를 가속시키는 지점까지 열이 승온되고, 또한 심지어 촉매 컨버터에 또는 인접한 구성요소나 물체에 영속적인 손상을 초래할 수 있다. 그러므로, 최대의 바람직한 작동범위는 보통 약 1,500℉ 이다. 이러한 문제는 디. 베인브리지의 촉매 컨버터 주위에 단열 자켓을 개시한 미합중국 특허 제 5,163,289호에 개시되어 있는데, 여기에서, 단열체는 저온에서 보다는 고온에서 보다 더 열을 전도하는 내화섬유이다. 이러한 접근이 유용한 방향으로 시작되지만, 촉매 컨버터의 보다 나은 제어와 보다 효과적인 열 조정은 배기가스 방출을 더 감소시키고 촉매 컨버터에 발생된 열을 이용하는데 여전히 요구된다.
[발명의 개시]
따라서, 본 발명의 목적은 연장작동상태동안 형성된 과잉열을 방지하면서 자동차 배기촉매 컨버터 시스템에서 소등 온도에 도달하는데 필요되는 시간을 줄이고 어떤 상황에서는 이 필요되는 시간을 전부 제거하는 보다 나은 촉매 컨버터 열 조정 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 고온작동의 연장기간동안 주위온도에 민감한 재료와 구성요소를 보호하기 위해 자동차 배기 시스템에 있는 촉매 컨버터 주위에 알맞은 열차폐물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 과잉열이 형성되는 조건하에서 그리고 촉매 컨버터의 연속 유효수명을 위협하는 온도하에서 자동차 배기 시스템에 있는 촉매 컨버터로부터 안전하게 열을 발산시키는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 촉매 컨버터에 발생된 열을 효과적으로 그리고 유용하게 다루는 구조물과 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 보다 상세한 목적은 연장시간동안 열을 유지하고 촉매온도를 소등 온도보다 높게 유지하여 소등 온도가 유지될 수 없는 상태에서 소등온도에 도달시키는 시간을 단축하고, 형성된 과잉열과 온도로부터 촉매 컨버터 재료와 주위 구성요소를 보호하고, 촉매 컨버터 및 다른 배기 시스템 구성요소의 작동온도를 안정화시키고, 그리고 촉매 컨버터에 발생된 열을 보다 이롭게 이용하는데 사용될 수 있는 촉매 컨버터용 제어가능한 단열체와 에너지 컨버터 자켓을 제공하는 것이다.
본 발명의 부가적인 목적, 장점 및 특징은 다음의 설명에서 부분적으로 설명될 것이고, 다음의 예시에 의해 당해분야에 종사하는 사람들에게 명백하게 될 것이며 또한 본 발명의 실행에 의해 알 수가 있다. 이 목적과 장점들은 첨부된 청구범위에 상세하게 지적된 결합체와 수단에 의해 실현되어 얻어질 수 있다.
본 발명의 목적에 따라 상기 및 다른 목적을 성취하기 위해서, 여기에 구체적으로 그리고 광범위하게 설명된 바와 같이, 배기 조정 시스템은 어떠한 배기가스도 촉매 컨버터내에서 반응되지 않거나 또는 촉매 컨버터의 온도가 최적 또는 소등온도 미만일때 촉매 컨버터에 열을 유지시키기 위하여 작동될 수 있지만, 촉매 컨버터의 온도가 최적 또는 소등온도 이상으로 올라가면 작동정지될 수 있는 촉매 컨버터 주위에 가변가능하고 제어가능한 단열체로 구성되는 것으로 제공된다. 이 단열체는 촉매 컨버터 조립체 내의 온도를 조절하기 위하여 on과 off 사이의 가변상태에서 또는 고정상태에서 바람직하게 또한 유지될 수 있다. 가변가능하고 제어가능한 단열체는 단열체를 선택적으로 가용 또는 무용으로 하는 가스 또는 고체 전도제어능력을 가진 진공 단열체가 될 수 있다. 열교환기는 촉매 컨버터로부터 열을 전도하도록 제공될 수 있고, 이 열교환기는 가변가능한 전도 단열체가 작동되는 동안 열을 유지하는데 도움을 주기 위하여 컴팩트한 진공 단열체에 의하여 덮혀질 수 있다.
[발명을 실시하기 위한 최량의 모드]
본 발명에 따른 열조정 시스템으로 구성된 촉매 컨버터(10)는 배기 파이프(P)에 장착된 것으로 제1도에 도시되어 있으며, 이 파이프는 자동차(도시되지 않음)의 내연기관(E)의 배기매니폴드(M)에 연결된다. 배기 파이프(P)는 기관(E)에서 촉매 컨버터(10)로 배기가스를 운반하는데, 이 컨버터는 배기가스에 있는 비연소연료를 반응시켜 배기가스에 있는 탄화수소, 일산화탄소 및 이산화질소의 방출을 줄이는 종래의 3-웨이 촉매를 포함할 수 있다. 반응된 배기가스는 자동차(도시되지 않음)의 뒤쪽에 있는 배기관(T)을 통하여 방출된다.
제2도를 참조하면, 본 발명에 따른 촉매 컨버터(10)는 가스가 침투할 수 없는 금속 또는 다른 재료로 제조되고 하나 또는 그 이상의 촉매기질(14, 16, 18)을 담고 있는 내부 촉매 하우징(12)으로 구성되며, 이 기질은 플라튬, 팔라듐 및/또는 로듐과 같은 3-웨이 촉매재료로 코팅된 세라믹 재료가 될 수 있다. 기관(E)으로부터의 배기가스(제1도 참조)는 제2도에서 화살표로 표시된 바와 같이 촉매 컨버터(10)를 통하여 흐르는데, 촉매의 노출면 주위를 증가시키기 위해 세라믹 기질(14, 16, 18)내에 형성된 다수의 작은 촉매코팅구멍 또는 채널(22)을 통과하는 것을 포함하고 있다.
내부 촉매 하우징(12)은 내부 촉매 하우징(12)으로부터 방사상 바깥방향으로 이격된 거리에서 위치된 외부 하우징(24)내에 넣어져 있다. 내부 하우징(12)과 유사한 외부 하우징(24)은 고온이고 정도가 높은 진공상태에서도 가스가 스며들지 않는 금속 또는 다른 재료로 바람직하게 제조된다. 내부 하우징(12)과 외부 하우징(24) 사이에 넣어진 환형챔버(30)는 진공상태이다. 챔버(30)의 단열성능은 보다 상세하게 아래에 설명되는 바와 같이 제어가능한 방식으로 바람직하게 가변가능하다. 현 시점에서 챔버(30)의 단열작용은 촉매기질(14, 16, 18)로부터의 열을 내부 하우징(12)으로부터 외부 하우징(24)으로 전달하는 것을 막아 열이 주위환경으로 발산되는 것을 방지할 수 있고, 만약 그렇지 않다면 이러한 열전달을 허용하여 배기가스의 촉매 반응으로부터의 열을 주위환경으로 내보내어 무용으로 될 수 있다. 이 챔버는 항상 요구되는 열전도 또는 단열능력에 따라 완전가용 또는 완전무용 사이에서 정도를 가변 시키도록 또한 바람직하게 가동 또는 비가동으로 될 수 있다. 그러므로, 단열챔버(30)는 예를 들면 엔진 시동시 소등 또는 최적작동온도에 촉매가 도달하는데 필요되는 시간을 단축시키기 위하여 촉매기질(14, 16, 18)에 있는 열을 유지시킬 수 있다. 그 다음 형성된 과잉열과 그리고 기질(14, 16, 18)상에 코팅된 촉매재료의 사용수명을 단축하거나 기질(14, 16, 18)을 파손시킬 수 있는 고온을 방지하도록 촉매가 최적작동온도에 도달 되면 이 챔버는 비가동으로 된다. 하지만 보다 중요한 것은 단열챔버(30)는 엔진이 정지하고 나면 다음에 엔진이 시동될 때까지 촉매의 소등온도 이상으로 온도를 유지하기 위하여 가능한한 오래동안 촉매기질(14, 16, 18)에 있는 열을 유지하도록, 또는 다음에 엔진이 시동될 때까지 촉매가 소등온도에 이르는데 걸리는 시간을 최소화하기 위해서 주위온도 이상으로 기질(14, 16, 18)을 적어도 유지하도록 가동될 수 있다.
열전달능력을 제어하는 가변가능한 전도단열방법 및 장치가 미국 특허 출원 제 07/960,885호에 상세하게 예시되어 설명되어 있다. 특히, 진공챔버(30)는 배기가스가 촉매기질(14, 16, 18)을 통하여 흐르게 되는 내부 하우징(12)의 내측으로부터 밀봉되어 있고, 외부 하우징(24) 밖의 주위환경으로부터 밀봉되어 있다. 이러한 밀봉을 정확하게 성취하는 방법은 어떤 특정기술에 필연적으로 제한받지 않는다. 하지만, 영속적인 밀봉을 위해서, 시일 금속대 금속용접에 의해 만들어지는 것은 바람직하다. 예를 들면, 제2도에 예시된 바와 같이, 내부 하우징(12)은 원통형 측벽(36)의 양끝에 용접된 내부 끝 플레이트(32, 34)로 구성될 수 있다. 외부 하우징(24)은 외부 원통형 측벽(42)의 양끝에 용접된 외부 끝 플레이트(38, 40)로 유사하게 구성되어 있다. 이 외부 원통형벽(42)은 내부 하우징(12)에서 외부 하우징(24)으로 열을 전도시키는 표면 접촉부를 최소화하는 열저항(node)절을 형성하는 만곡되거나 뾰족한 표면으로 형성된 세라믹과 같은 낮은 열전도재료로 바람직하게 만들어진 복수의 스페이서(50)에 의해 내부 원통형벽(36)으로부터 멀리 유지된다. 예를 들면, 제2도에 도시된 바와 같이, 스페이서(50)는 2개의 만곡된 세라믹 라이너(46, 48) 사이에 위치된 구형 세라믹비드(44)로 구성될 수 있어, 이에 의해 일련의 4개의 근점(near point), 즉 내부 하우징(12)과 외부 하우징(24)사이의 매우 작은 세라믹대 세라믹 표면접촉부위 또는 열저항절을 형성한다. 2개의 열저항절은 라이너(46, 48)의 만곡된 외부표면이 각각의 원통형 하우징 벽(36)과 외부 측벽(42)과 접촉하는 곳이다. 2개 이상의 열저항절은 구형비드(44)의 직경상의 양끝이 각각의 라이너(46, 48)의 내측표면과 접촉하는 것이다. 물론, 만곡 라이너(46, 48)가 필요되지 않지만 이들은 구형비드(44)를 통한 열흐름에 대한 저항을 증가시킨다. 또한 비드(44)는 내부 하우징(12) 주위에 쌓여진 길다란 스트랜드가 될 수 있지만, 그 구조는 보다 큰 접촉표면부위를 제공한다. 세라믹 스페이서(50)는 유리, 자기 등의 재료보다 우수한 쪽이 좋으며, 그 이유는 세라믹이 높은 용해온도를 가진 재료로 제조될 수 있기 때문이며, 촉매반응에 의해 발생된 고온상태에서 구조적 일체성을 보존하는데 필수적이기 때문이다.
내부 끝 플레이트(32, 34)와 외부 끝 플레이트(38, 40) 사이의 배기가스통로는 내부 하우징(12)과 외부 하우징(24) 사이의 단열챔버(30)의 진공기밀시일을 유지하도록 각각의 금속 끝 플레이트(32, 38 및 40)에 용접된 가스불투과성인 얇은 금속박편 덕트(52, 54)에 의해 바람직하게 둘러싸인다. 덕트(52, 54)는 또한 벨로우즈와 같이 바람직하게 접혀지거나 주름이 잡혀져 있어 열이 내부 하우징(12)에서 덕트(52, 54)를 통하여 외부 하우징(24)으로 전도이동하는 유효거리를 증가시킨다. 세라믹으로 바람직하게 만들어졌지만, 특출한 가스제거재료가 아닌 스페이스(58)에 의해 분리될 수 있는 얇고 반사성인 복수의 금속박편 방사보호물(56)은 내부 하우징(12)과 외부 하우징(24) 사이의 방사전달을 막도록 챔버(30)에 위치될 수 있다.
챔버(30)는 고효율의 진공단열작용을 위해 바람직하게 105내지 106토르의 범위에 있는 정도가 높은 진공도로 진공상태가 된다. 하지만, 제2도에 예시된 가스 제어 시스템(60)과 같은 진공단열 무용시스템은 진공챔버(30)의 단열작용을 선택적으로 가용 또는 무용이 되도록 포함될 수 있다. 미국 특허 출원 제 07/960,855호에 기재된 바와 같이, 가스 제어 시스템(60)은 금속수소화물(62)과 같은 수소가스원과 그리고 각각의 금속 용기(66, 68)에 넣어져 도관(70)을 경유하여 진공챔버(30)에 연결된 팔라듐(64)과 같은 수소 윈도우 또는 게이트로 구성될 수 있다. 금속수소화물(62)이 예를 들면 전기 가열요소(72)에 의해 가열되면, 챔버(30)내로 흐르고 열을 챔버(30)를 가로질러 전도하는 수소가스를 방출하여 챔버(30)의 단열작용을 효과적으로 무용이 되게 한다. 그 다음 금속수소화물(62)이 냉각되면, 수소가스를 재포획하고 그리고 수소가스를 챔버(30)에서 물러가게 하는 용기(66)에서 낮은 압력변화도를 야기하여, 이에 의해 챔버(30)의 단열 작용을 재작용시킨다. 팔라듐 게이트(64)는 수소가스가 가열요소(74)에 의해 가열될때 통과하도록 하지만 가열되지 않을 때에는 수소가스의 통행을 막는다. 그러므로, 금속수소화물(62)과 팔라듐 게이트(64) 양자를 가열함으로써 챔버(30)내로 일단 도입된 수소가스는 전기동력이 가열요소(72)에 대해 차단될 때에도 가열요소(74)로의 전기 동력을 또한 차단하여 팔라듐 게이트(64)가 냉각되도록 함으로써 챔버(30)에 유지될 수 있다. 사실, 파라듐 게이트(64)는 금속 수소화물(62)을 냉각하기 전에 1차 냉각을 허용하여 모든 수소가 가스 제어 시스템(60)에 의해 최대 단열 무력화를 위해 챔버(30)에 포획되도록 한다. 그 다음 단열체가 다시 작동되면 단지 팔류듐 게이트(64)만이 순간적으로 가열되어 수소가스가 챔버(30) 밖으로 해서 팔라듐 게이트(64)를 통하여 금속수소화물(62)내로 다시 들어가도록 한다. 물론, 금속수소화물(62)과 팔라듐게이트(64)의 각각의 가열 및 냉각은 소정된 정도로 챔버(30)를 가로지르는 가스열전도를 단지 부분적으로 가용 또는 무용으로 제어되어 조절되어 풀온과 풀오프 사이라면 어디든지 열 전달율을 가변 또는 제어할 것이다.
여기에 설명된 바와 같은 가스 제어 시스템(60)을 작동하는 전기동력은 배터리동력(88)으로부터 나오는 것이다. 하지만, 이것은 촉매 컨버터에 의해 발생된 열을 사용하는 열전기 또는 열전압 에너지원 장치의 이용을 위해 또한 적용된 것이다. 사실, 이러한 열전기 또는 열전압장치에서 역치레벨의 전기를 생산개시하도록 촉매 컨버터로부터 충분한 열을 출력하면 단열 챔버(30)의 열전도를 시작하여 유지할 수 있다.
가열요소(72, 74)는 일단 본 발명의 원리가 이해된다면, 전기제어회로를 설계하고 제조하는데 종사하는 사람들에게도 이해될 수 있는 마이크로프로세서 또는 다른 로직회로인 전자 제어 유니트(86)에 의해 제어되는 각각의 릴레이 스위치(82, 84)로 된 전기 제어 시스템에 의해 on 되거나 off 될 수 있다. 예를 들면, 제어 유니트(86)는 기관(E)(제1도 참조)이 시동되고 그 다음 촉매기층(14, 16, 18)을 최적 촉매 작동온도에 이르는 시간이 경과한 후 단열챔버(30)를 off 시키도록 릴레이 스위치(82, 84)를 기동시킬 때를 나타내는 자동차 점화 스위치(76) 또는 다른 회로에 연결된 타이밍 성능을 포함할 수 있다.
그 다음, 제어 유니트(86)는 주위온도를 빠르게 냉각하기 보다는 기관(E)이 작동되지 않는 시간동안 가능한한 길게 촉매기층(14, 16, 18)에 있는 열을 유지하도록 기관(E)이 off 될 때 단열챔버(30)를 다시 on으로 전환시키기 위해 프로그램될 수 있다. 이러한 방식으로 제어되면, 촉매기층(14, 16, 18)은 기관(E)이 다시 시동될 때까지 연장 시간동안 소등온도 이상의 온도에서 유지되어, 주위온도로부터 다시 소등온도에 이르는데 요구되는 지연을 받기 보다는 해로운 배기방출을 거의 즉시 줄이도록 배기가스와 촉매와의 반응을 용이하게 하는 장점을 갖는다.
이러한 장점은 제3도 및 제4도에 의해 예시되어 있다. 제3도를 먼저 참조하면, 커브(90)는 종래의 촉매 컨버터(도시되지 않음)에서 기관작동시간과 촉매온도 사이의 관계를 예시하는 한편, 커브(100)는 기관작동시간과 연관하여 그리고 시간 대 온도에 대한 곡선(90)과 연관하여 종래의 촉매 컨버터로부터의 배기방출을 예시하고 있다. 예를 들면, 기관이 시동되기 전의 종래의 촉매 컨버터 작동에서, 촉매온도(91)는 주위온도 T0에 있다. 물론 주위온도(T0)는 여름에는 100℉ 이상이고 겨울에는 0℉ 미만이지만, 여하튼 당해분야의 촉매의 통상적인 600°∼800℉ 소등온도(TL)보다 훨씬 낮다. 기관이 초기시간(t0)에서 시동되면, 배기온도는 초기에 상대적으로 낮고 배기가스는 비연소연료로 습하고 농후하다. 따라서, 102로서 예시된 바와 같이, 냉한 기관과 냉한 촉매 컨버터의 배기방출(EC)은 초기 워밍업기간(92)동안 매우 높다. 기관으로부터 나온 배기가스에 있는 열에 의해 초기 워밍업기간(92)(통상적으로 약 600°∼180초)이 진행된 후 소등온도(TL: 약 600∼800℉)가 시간(t2)에 마침내 도달되면, 촉매 컨버터에 있는 배기가스와 촉매와의 반응에 의한 발열열은 평형작동온도(TR)가 시간 t2에 도달될 때까지 94로 지시된 바와 같이 높은 가속율로 온도를 높인다. 상기된 바와 같이, 소등온도(TL)는 방출(EL)이 촉매에 의해 전환되는 탄화수소의 50%를 갖는 온도로서 정의된다. t1내지 t2(약 30∼60초)까지의 시간동안, 촉매반응은 보다 효율적으로 수행되고 방출은 기관이 작동되는 한 유지되어야 하는 작동레벨(ER)로 104로서 예시된 바와 같이 신속하게 감소한다. 물론, 특정작동온도(TR)는 배기가스에 있는 연료함유량, 엔진로드 및 배기체적 또는 유량, 촉매의 효율, 그리고 촉매 컨버터의 열 발산능력과 같은 여러 변수에 따르지만, 방출감소반응을 효과적으로 촉진시키기에 충분히 높고 촉매, 촉매기층, 또는 인접한 구성요소나 구조물을 손상시킬 정도로 높지 않도록 의도되어 있다. 기관이 시간(t3)에서와 같이 off 되면, 물론 방출은 106에서 나타내어진 바와 같이 갑자기 종결되고, 촉매를 포함하고 있는 촉매 컨버터는 다시 시간(t4)에서 주위온도(T0)로 96에서 나타내어진 바와 같이 매우 신속하게 냉각하며, 이 주위온도는 주위온도(T0)가 현재 받고 있는 주위날씨 또는 다른 상태와 같은 여러 변수에 따르게 되고 자동차에 있는 촉매 컨버터의 구조 및 위치에 따르게 된다. 하지만, 보통, 통상의 종래 촉매 컨버터가 약 30 내지 40분내에 소등온도(TC) 이하로 그리고 약 4 내지 6시간에 주위온도(T0)근처로 냉각되도록 의도되어 있다. 곡선(100) 밑의 빗금부분(108)은 기관작동시 전체 방출을 나타낸다.
이제 제4도를 참조하면, 본 발명에 따라 구조된 촉매 컨버터(10 : 제2도 참조)의 시간대 온도 사이의 관계(110)와 이에 상응하는 시간대 방출 사이의 관계(120)는 수정된 온도조정과 이에 따라 초래된 본 발명의 향상된 방출감소를 예시하고 있다. 본 발명에 따른 챔버(30)와 이것에 결합된 열 저장요소의 단열수행효율은 주위온도와 그리고 다른 주위날씨 조건에 따라, 5파운드 미만의 열저장 또는 열흡수재료를 가지고 40시간까지 또는 그 이상동안 촉매기층(14, 16, 18 : 제2도 참조)에 있는 열을 유지시키기에 충분하다. 그러므로, 자동차가 매우 오랜 시간동안 구동되지 않는 한, t0에서 시동되기 전의 촉매온도는 주위온도(T0) 이상으로 유지될 것이고 집과 작업장 사이를 통근하는데 사용되는 자동차의 기관(E)이 12시간내로 작동된다면 111에서 예시된 바와 같이 소등온도(TL)에 매우 근접하게 유지될 것이다. 자동차가 이후 10 내지 12시간내로 바로 더더욱 구동된다면, 단열챔버(30)와 이것과 결합한 열저장요소는 111'에서 예시된 바와 같이 소등온도(TL) 이상으로 촉매기층(13, 16, 18)을 유지시킬 것이다.
엔진(E)(제1도)이 시간(t0)에서 시동될때, 111 또는 111'에서(제4도) 이미 데워진 촉매는 배기 가스로 촉매되는 어떤 발열반응에서 효과적이다. 그러므로, 촉매가 소등온도(Tr)이상이 아니면, 112에서 예시한 바와 같이 약 60초 정도의 매우 짧은 시간기간(t0내지 t1)은 시동시간(t0)에서 이미 데워진 촉매를 갖춤으로서 뿐만 아니고 워밍업동안에 촉매 기질(14, 16, 18)에서 배기열과 발연반응을 하는 단열챔버(30)의 효과에 의해서 짧아진다. 그러므로 t0내지 t1의 기간동안에 122에서 예시된 높은 배출가스(EC)의 워밍업 기간은 매우 짧은데, 제4도에 제3도를 겹쳤을때 점선으로 되어 있는 곡선(100)으로 예시된 바와 같이 종래의 촉매 컨버터를 위한 높은 배출(EC)의 기간보다 확실히 더 짧다. 엔진 소등온도(TL)보다 높은 촉매온도로 시동될때 122'에 예시된 바와 같이 워밍업 배기가스는 더 적다. 물론, 소등온도(TL)가 한번 t1을 도달하면, 발연반응은 114로 도시된 바와 같이 최적 작동온도(TR)까지 매우 신속하게 촉매의 온도를 증가시킨다. 동시에, 배기가스는 124로 예시한 바와같이 낮은 작동레벨(ER)까지 감소한다. 최적의 작동온도(TR)에서 가스제어기(60)(제2도)는 배기가스는 발열촉매 반응에 의해 만들어진 과도한 열을 외부 하우징(24) 주위로 분산시키기 위해서 단열 챔버(30)를 차단시키도록 작동될 수 있다. 엔진이 시간(t3)에서 꺼질때, 물론 배기가스는 126에서 도시된 바와 같이 멈춘다. 하지만, 엔진(E)(제1도)이 시간(t3)(제4도)에서 꺼지자 마자 가스제어기(60)(제2도)는 작동하여 단열 챔버(30)를 복귀시켜 촉매가 주위온도(T0)로 신속히 냉각되는 것을 방지한다. 단열 챔버(30)를 작동시켜 더욱 더딘 냉각이 제4도의 116에서 예시되어 있고, 그리고 상기한 바와 같이 촉매는 40시간 이상 주위온도(T0)보다 높게 유지될 수 있다. 본 발명에 따른 열 조정 촉매 컨버터 시스템(10)으로 장치된 차량의 작동동안의 전반적인 배기가스는 제4도에서 곡선(120) 아래의 빗금부분(128)으로 예시되어 있다. 본 발명의 열조정 촉매 컨버터(10)에 의해 달성된 시동 배기가스의 종래 촉매 컨버터에 대한 상대적인 감소는 본 발명의 촉매 컨버터(10)의 배기가스를 나타내는 곡선(120) 아래의 빗금부분(128)을 종래의 촉매 컨버터의 배기가스를 나타내는, 곡선(100) 아래의 빗금 부분(108)과 비교하면 할 수 있다.
제2도를 다시 참조하면, 상기한 바와 같이 제어유니트(86)는 촉매가 소등온도(TL)에 도달하기에 충분한 시간인, 엔진시동후 예정시간에서 단열 챔버(30)를 차단시키도록 설정될 수 있는 한편, 다른 입력과 제어가 사용될 수 있는데, 이는 당해분야의 당업자라면 본 발명의 원리를 알면 할 수 있을 것이다. 예를 들면, 내부 하우징(12)과 접촉하는 온도 탐침(78)은 내부하우징(12)의 온도가 일정한 원하는 작동 온도에 도달할때 단열챔버(30)를 차단시키는 것과 같은 가스 제어기(60)를 작동시키는데 사용될 수 있다. 물론 이러한 온도 탐침(78)은 주위와 외부 하우징(24)으로부터 잘 단열 되어 단열 챔버(30)가 작동될 때 이들을 통해 열전달을 피한다. 또한 미국특허출원 07/960,885호에 개시된 것과 유사한 세라믹 시일링 커넥터와 같이 외부 하우징(24)을 통해 발생하는 누출에 대해 밀봉되어 있다.
촉매 컨버터(10)로부터 발생하는 배출가스의 온도를 측정하기 위해 배출구(130)의 하류에서, 정확히 동일하지는 않을지라도 대안의 또는 부가적인 온도탐침(79)이 촉매의 온도수준을 알 수 있고 그러므로 가스 제어기(60)를 작동시키기 위해 사용가능하다. 출구(130)에서 이러한 대안의 온도탐침(79)은 단열챔버(30)를 통해 뻗어 있는 탐침(76)에서 요구되는 바와같이 진공을 유지하도록 밀봉 또는 열 전달을 피하기 위해 단열되지 않는다.
외부 하우징(24) 근처에 위치한 온도센서(80)와 같은 다른 입력이 단열 챔버(30)를 켜고 끄는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 촉매 컨버터(10) 근처의 다른 부품 또는 구조(도시 생략)가 단지 높은 온도에 견딜 수 있으면, 외부 하우징(24)으로부터 발산되는 열(81)의 온도가 소정의 수준 이상이 되면 온도 센서(80)는 단열 챔버(30)를 키도록 가스 제어기(60)를 작동시키기 위해 제어 유니트(86)를 야기할 수 있다.
한편, 다른 용융에서, 꺼진 단열 챔버(30)가 처리될 수 있는 것보다 더 빨리 내부 하우징(12)과 촉매기질(14, 6,18)로부터의 열을 덤프하는 것이 중요할 수 있다. 그러므로 내부 하우징(12)과 외부 하우징(24) 사이에 열 분류기(thermal shunts)로서 기능 하도록 금속대 금속접촉이 구비될 수 있다. 예를 들면 제2도에 도시된 바와 같이, 미국 특허 출원 07/960,885호에 개시된 것과 유사한 하나 이상의 바이메탈 딤플 또는 엑츄에이터(132)가 내부 하우징 측벽(36)에 구비될 수 있고 내부벽(36)이 소정의 최대 온도에 도달할 때, 점선(132')으로 표시된 바와 같이 통상의 오목형상으로부터 대안의 볼록 형상까지 작동하도록 설계되어 있다. 바람직하게 양호한 열 전달 금속으로 만든 열 분류기 포스트(134)는 외부 하우징(24)의 외부벽(42)으로부터 각각의 바이메탈 액츄에이터(132)에 충분히 근접하게 뻗어 있어서 바이메탈 액츄에이터는 그들의 볼록 형상(132')에 스냅결합되고, 이들은 포스트(134)와 금속대 금속접촉을 하게 될 것이다. 이러한 금속대 금속접촉이 이루어질때, 포스트(134)는 내부 하우징(12)으로부터 외부 하우징(24)으로 매우 신속하게 열전도하는데 외부 하우징에서 주위로 열을 분산시킨다.
어떤 환경 또는 적용에서는 기질(14, 18)과 같은 촉매기질로부터 내부 하우징벽(36)까지 그리고 불량 열도체인 세라믹 재질로 만든 기질(14, 18)이 있는 단열 챔버(30) 내로의 열전도를 강화하는 것이 바람직할 수 있다. 이렇게 강화된 열전달은 하나 이상의 길다란 스파이크(136)로 구비될 수 있는데, 그 한끝을 기질(14, 18)내로 뻗어 있고 다른 높은 내부 하우징벽(36)을 통해서 그리고 단열 챔버(30)내로 뻗어 있다. 이들 스파이크가 외부벽(42)과 접촉하기에 충분히 길지 않아서 외부 하우징(24)으로의 이들을 통한 금속과 금속 열전달이 이루어지지 않으면, 상기한 바와 같이 단열 챔버(30)가 가스제어기(60)에 의해 꺼지면, 이들은 단열 챔버(30)에서 여전히 수소가스에 열 전달할 것이다.
대안으로서, 스파이크(136)는 저온에서 외부 하우징(24)과 접촉하지 않게 설계되고 위치될 수 있지만, 고온에서는 제6도의 136'로 표시된 바와같이 하우징(24)의 외부 측벽(42)과 접촉하도록 열 팽창에 의해 충분히 늘어나게 될 수도 있다. 136'으로 표시된 바와 같이 접촉이 이루어지면, 스파이크(136)는 내부 하우징(12)으로부터 외부 하우징(24)의 외부벽(42)까지 직접 열을 전달하도록 단락 또는 열 분류기가 된다. 이러한 방식으로 기능하도록, 스파이크(136)는 원통형벽(36)에 용접(135)에 의해 중간에 고정되어 있다. 그러므로, 가열되면서 스파이크(136)는 제6도의 가상선(136', 136)으로 표시된 바와 같이 양끝에서 축선방향으로 뻗어 있다. 스파이크(136)가 136'로 도시된 바와 이 외부 측벽(42)과 접촉하기에 충분히 팽창되는데 필요한 열이 스파이크(136)에 예정될 수 있는데 용접 부착부(135)로부터 원통형 벽(36)까지 바깥쪽으로 뻗어 있는 스파이크(136)의 길이, 스파이크(136)가 조립된 금속 또는 다른 재질의 타입 그리고 열 팽창 계수와 같은 변수들이 고려되어, 스파이크(136)의 끝과 외부 측벽(42) 사이의 갭 등이 설정된다. 촉매 컨버터(10)는 다른 열팽창 계수를 갖춘 다른 재질로 만들거나 다른 길이를 갖춘 복수의 이들 스파이크(136)로 조립될 수 있어서 열단락 회로의 수를 변화시키기 위해서 동일시간에 또는 동일 온도에서 이들이 다른 측벽(42)과 모두 접촉 하지 않고, 그러므로 챔버(30)를 가로질러 전체적인 열 전도성이 변한다. 제6도에 도시된 스파이크(137)는 원통형 벽(36)으로부터 방사상 바깥쪽으로만 뻗어 있는 수정된 것으로서 이는 단지 원통형 벽(36)으로부터의 열을 받는데, 이것은 열 단란 회로를 설정하기 위한 다른 변경된 설계가 될 수 있다.
배기가스 통로에서, 제2도에 도시된 바와 같이 열 흡수기 또는 억제제 물질(138)을 구비하므로서, 이 구역에서 뜨거운 배기가스의 흐름 전달을 방해하고 내부 하우징(12)으로부터의 기질(14, 16, 18)에서 직접적인 열의 축선방향 발산을 억제하도록 필수적이지는 않지만 부가적인 발산 및 전달열 제어기를 구비하는 것이 바람직하다.
열 흡수기 또는 억제제 물질(138)이 제2도에서 실선 미로 구조로 도시되어 있는 한편 적외선을 통과시키지 않는 세라믹 울 섬유와 같은 부피 있는 재질이 될 수 있어서, 섬유 사이에서 발산을 강제로 증대시키고 축선방향 발산에 의해 열 도피를 지연시킨다. 세라믹 울 섬유 또는 다른 재질은 또한 열 전달 셀의 크기를 줄이는 작용을 하여 전달에 의해 열도피를 지연시킨다. 억제제 물질(138)이 내부 하우징(12)의 하류 끝에만 도시되어 있지만, 물론 유사한 억제제가 제1기질(14)의 바로 상류측 공간에 위치될 수 있다.
본 발명에 따른 더욱 방대한 배출열 및 배기가스 관리를 위해, 열 저장소 및 열 교환기 특징을 갖춘 수정된 실시예의 촉매 컨버터(140)는 제5도에 예시되어 있다. 하지만, 촉매 컨버터(140)의 상세한 설명전에 먼저 제1도를 참고하자. 본 실시예에서, 배기가스로 발연 촉매 반응에 의해 발생된 열은 여러가지 이유로 저장되고 분산되어, 유리하게 이용한다. 예를 들면, 촉매 컨버터(140)는 열을 산출하고 그리고 시동후 차가운 엔진(E)보다 더 빨리 가열되고 차가운 엔진(E)은 더욱 엔진만큼 효율적으로 구동되지 않을 뿐만아니고 엔진부품의 더욱 극심한 마모와 함께 더욱 해로운 배출배기가스를 산출한다.
더우기, 대부분의 차량의 승객실은 뜨거운 엔진 냉각수로 가열되어 엔진(E)자체가 가열될 때까지 뿐만아니고 엔진(E)의 워터 자켓에서 냉각수를 역시 가열할 때까지 전면 유리 서리제거 또는 승객의 안락을 위한 가열이 없다.
그러므로 본 발명에 따라서, 대기로 분산되어 낭비되는 대신 촉매 컨버터(140)에 의해 발생된 열은 점선(144)으로 대략 표시한 바와 같이 엔진(E)의 워터자켓으로 향할 수 있고 그리고 매니폴드(142)에 모일 수 있어서, 엔진(E)의 워밍업을 더욱 신속하게 하는데 도움을 주며, 이것은 차례로 점선(146)으로 개략적으로 도시된 바와 같이 종래의 히터 호스를 통해서 더 신속하게 승객실 히터(H)로 더운 냉각수를 보낼 수 있다. 대안으로서 또는 추가하여, 촉매 컨버터(140)에 의해 발생된 열은 시트(S) 또는 전면유리, 조향 휠 그리고 스페이스 히터와 같은 다른 부품을 가열하기 위해 점선으로 개략적으로 도시된 바와 같이 승객실에 직접 이송될 수 있다. 작동 촉매 컨버터(140) 바로 주위의 온도가 표준엔진 냉각/부동액을 위해 너무 높게 되기 쉬우므로, 더 높은 비등점을 갖춘 그리고 이렇게 높은 온도에서 엔진 냉각/부동액 보다 더 안정된 저장유체(166)(제5도) 및 열 전달을 열 교환기 챔버(104)에서 사용하는 것이 바람직하다. 결과적으로 다른 열 교환기 인터페이스(153)(제1도)가 차량엔진(E)에 사용되는 엔진 냉각/부동액에 더욱 적절한 열 및 온도 수준을 전달하기 위해 구비되어 있다.
촉매 컨버터(140), 연결부(144)를 통한 엔진(E) 그리고 이미 정상적인 작동온도에 도달한 다른 부품으로 차량의 정상적인 작동동안, 부가적인 가열이 필요없을때, 촉매 컨버터(140)에서 발생한 열은 열 저장싱크(150), 열 분산기(152) 또는 연결부(144)를 통해서 엔진(E)으로 향할 수 있는데, 여기서부터 종래의 차량 라디에이터(R)에 의해 엔진(E)에서 대기로 열이 분산될 수 있다. 여러가지 열의 사용을 위한 실제적인 배관, 밸브, 제어기 등은 본 발명을 이해한 당업자라면 이해할 수 있으므로 상세히 도시하지 않았다. 열을 전달하는데 액체 엔진 냉각제 또는 다른 액체 매체가 사용된다면, 이러한 순환회로는 액체를 보내는 하나의 도관, 액체를 복구시키는 다른 도관, 펌프, 여러가지 밸브, 그리고 전기, 진공 또는 공기 압력에 의해 수동 또는 자동으로 작동될 수 있는 밸브제어기로 구성된다. 또한 열 저장 싱크(150)는 엔진시동 또는 차가운 승객실을 데우는데 나중에 사용하기 위해 열을 저장할 수 있으며, 또는 저장된 열은 더 연장된 시간 기간에서 촉매 컨버터 자체에서 상승된 온도를 유지하는데 도움을 줄 수 있다. 예를 들면, 1992년 2월에 발행된 Automotive Engineering Vot. 100, No. 2, pp. 58-61의 Latent Heat Storage 에서 개시된 바와 같은 열저장 장치가 될 수 있다. 도면에 특정적으로 도시되지는 않았지만 열 파이프는 촉매 컨버터로의 열을 전달하는데 열 전달 유체 대신에 사용될 수 있다.
제5도를 참조하면, 본 발명에 따른 촉매 컨버터(140)는 상기한 촉매 컨버터(10)와 기본적으로 동일한 구성품을 가지고 있는데, 내부 하우징 촉매(12)에 포함된 3개의 촉매기질(14, 16, 18), 단열 챔버(30)를 싸고 있는 외부 하우징(24), 가스제어시스템(60), 금속대 금속 열 분류기 포스트(134)와 일체의 바이메탈 액츄에이터(132), 그리고 축선방향 발산 억제제 물질(138)을 포함하고 있지만, 여기에 한정되는 것은 아니다.
촉매 컨버터(140)는 또한 외부 벽(36)으로부터의 열을 잡기 위해 외부 하우징(24)을 둘러싸는 적어도 하나의 주 열교환기(160)를 갖추고 있는데, 이것은 열을 상기한 매니폴드(142)(제1도) 또는 다른 구성품에 이송하여 사용된다. 주 열교환기(160)는 외부 하우징(24)의 외부 끝벽(38, 40)으로부터 방사상 바깥쪽으로 뻗어 있고, 외부 벽(36)을 둘러싸는 주 열교환기 챔버(164)를 감싸는 외부자켓(162)으로 구성되어 있다. 챔버(164)는 열 교환기 유체(166)를 담도록 장치되고 밀봉되어 있는데, 이 유체는 액체 또는 가스가 될 수 있고, 안정된 유체가 바람직하며, 액체라면 상기한 바와 같이 촉매 컨버터에서 통상 일어나는 고온에서 비등점에 도달하지 않는 것이다. 이러한 열 교환기 유체는 예를 들면 폴리에테르 또는 실리콘이 될 수 있다.
복수의 핀(168)이 외부벽(36)으로부터 열교환기 챔버(164)내로 방사상 바깥쪽으로 돌출하여 열교환 표면적을 증가시킨다. 결과적으로 단열 챔버(30)가 꺼질때, 촉매기질(14, 16, 18)과 내부 하우징(12)으로부터 챔버(30)를 가로질러 외부 하우징(24)으로의 열 전달을 핀(168)으로부터 유체(166)에 의해 효과적으로 이루어진다. 유체(166)는 열교환기 챔버(164)를 통해 입구(170)내로 그리고 출구 (172)밖으로 유동될 수 있어서 촉매 컨버터(140)로부터 멀리 열을 보낸다. 적절한 호스 또는 다른 배관(도시생략)이 제1도에 도시되고, 상기한 바와 같이 가열된 유체(166)를 매니폴드(142), 열 싱크(150), 열 분산기(152), 열 교환기(153) 등 다른 구성품으로 전달할 수 있다. 물론, 그 역도 가능한데, 즉 유체(166)는 엔진(E)을 시동하기 전에 촉매기질(14, 16, 18)의 예열과 같이 열 싱크(150)로부터 촉매 컨버터(140)내로 열을 복귀시킬 수 있다.
제5도에 도시된 바와 같이, 주 열 교환기(160)의 자켓(162)은 미국특허 5,175,975호에 개시된 콤팩트 버큠 인설레이션(CVI)과 같은 매우 효과적인 단열물질로 바람직하게 조립될 수 있다. 결과적으로 엔진(E)이 꺼지고 단열 챔버(30)가 켜질때 뜨거운 내부 하우징(12)과 상당히 효과적인 단열 챔버(30)에 의해 분리된 촉매기질(14, 16, 18)뿐만 아니고 외부 하우징(24)도 열교환기 챔버(164)에서 뜨거운 유체(166)에 의해 둘러싸인다. CVI 자켓(162)은 둘러싸는 유체(166)에서 열을 유지하는데 매우 효과적인데, 이 유체는 단열 챔버(30)를 가로질러 열 경사 또는 차이를 매우 낮게 유지하여 촉매기질(14, 16, 18)로부터의 열전달을 더 억제한다.
촉매 컨버터(140)의 여러가지 선택적인 특징은 배기가스 입구(129)와 출구(130)로부터 열을 회복하기 위해 제2열교환기(130)로부터 열을 회복하기 위해 제2열교환기(174, 184)를 포함하고 있다. 제5도에 도시된 바와 같이, 입구(129)상에 제2열교환기(174)는 입구(129)로부터 방사상 바깥으로 뻗은 핀(178)을 담고 있는 챔버를 둘러싼 자켓(176)을 포함하고 있다. 주 열교환기(160)에 사용된 동일 유체(166)와 같은 열교환 유체가 유체입구(180)로부터 유체 출구(182)로 챔버를 통해 흐를 수 있어서, 상기한 바와 같이 사용, 저장 또는 분산을 위해 핀(178)으로부터 다른 구성품에 열을 전달한다. 유사하게 배출구(130)상의 제2열교환기(184)는 열전달 유체(166)를 담고 있는 자켓(186)을 갖추고 있는데, 이 유체는 입구(190)를 통해 그리고 출구(192) 밖으로 순환하여, 상기한 바와 같이 사용, 저장 또는 분산을 위해 핀(188)으로부터 다른 구성품에 열을 전달한다. 제2열교환기(174, 184)상의 자켓(176, 186)은 CVI로 구성된 것으로 도시되어 있지 않는데, 이것은 이들이 열유지 기능을 돕도록 CVI로 만들어질 수 있지만, 또는 원한다면 주위의 대기로 열손실을 최소화 할 수 있을 지라도, 이들 제2열교환기는 촉매기질(14, 16, 18)에서 열을 유지하는 주요한 기능을 수행하지 않기 때문이다.
제5도에 예시된 촉매 컨버터(140)의 다른 선택적인 특징은 촉매기질(14, 16, 18)의 중앙을 통해 뻗어 있는 고체 열 싱크 코어(194)이다. 이러한 고체 열 싱크 코어(194)는 2가지 목적이 있다. 첫번째는 촉매기질(14, 16, 18)의 외부부분에서 배기가스의 촉매 반응이 일어나도록 하여 열이 단열 챔버(30)를 가로질러 전달될 때 세라믹 기질(14, 16, 18)을 통해 내부 하우징(12)으로 흐르는 열의 거리를 최소화 시킨다. 두번째는 열싱크 코어(194)는 큰 열 싱크 성능을 갖춘 알루미늄 실리콘 또는 마그네슘 아연과 같은 물질이 바람직하여, 촉매작용동안에 대량의 열을 수용하고 유지한다. 그리고 엔진(E)이 꺼지고, 단열 챔버(30)가 켜질때, 열 싱크 코어(194) 내에 담겨진 열은 긴 시간동안 촉매 기질(14, 16, 18)의 온도를 유지하는데 도움을 주어, 엔진(E)이 시동된 다음 이들이 소등 온도 근처 또는 그 이상이 되고, 적어도 주위 온도보다 높게 될 것이다.
상기한 촉매 컨버터 실시예(10)(제2도)에서와 같이, 제5도의 제어기(68)는 점화스위치(76), 온도센서(80, 89) 등과 같은 센서 또는 다양한 장치로부터 신호를 입력할 수 있어서 단열 챔버(30)를 켜고 끄기 위해 가스 제어기(60)의 작동을 개시하게 한다. 예를 들면, 자켓(162) 근처에 위치한 온도센서(80)는 촉매 컨버터(140) 주위가 너무 뜨거워진 때를 감지할 수 있어서 제어기가 단열 챔버(30)를 켜지게 하거나 또는 연결부(196)를 통해서 펌프제어부(도시생략) 또는 다른 적절한 시스템 제어 구성품에 유체(166)의 순환을 시작하게 한다. 예를 들면 엔진(E) 워터 자켓에 또는 차량 승객실에 위치한 더욱 원격의 온도 센서(89)는 제어기(68)에 신호를 입력할 수 있어서 단열 챔버(30), 유체(166)의 순환등을 작동 또는 작동정지 시킨다. 밸브 그리고 리드(198)로 나타낸 다른 구성품과 같은 선택적인 신호출력과 마찬가지로 리드(197)로 나타낸 여러가지 다른 선택적인 신호입력은 본 발명의 원리와 특징을 이해한 당업자라면 자명할 것이다.
촉매 컨버터의 열용량을 더 증가시키기 위해서, 특히 엔진(E)을 시동하기 전에 기질(14, 16, 18)을 소등 온도까지 가열하기 위해 적용가능한 장기간을 충분한 열을 저장하기 위해서, 미국 특허 4,572,864호와 4,702,853호에 개시된 금속, 금속 염 수화물 또는 트리메틸롤에탄 수소화물(TME)과 같은 다소의 상변화물질(PCM)이 기질(14, 16, 18)에 열 유동관계로 또는 그 주위에 포함될 수 있다. 예를 들면, 제5도의 실시예(140)에서, 상기한 바와 같이 주 열 교환기 챔버(164)를 통해서 열전달 유체(166)를 유동시키기 보다는, 챔버(164)가 입구 및 출구피팅(170, 172)을 갖추거나 또는 갖추지 않고 대신 PCM으로 채워질 수 있다. 열이 내부 하우징(12)내에서 촉매반응에 의해 발생되면서, 단열 챔버(30)의 열 전도성은 상기한 바와 같이 작동되어(단열효과를 무력하게 함), 열을 고체 PCM(166)내로 전달하여, 여기에서 PCM을 녹이는 용융열로서 작용하고 그리고 액체PCM에서 저장된다. 그리고 엔진(E)이 꺼지고 계속해서 기질(14, 16, 18)이 냉각될 때 상기한 수화물 또는 수소화물로서 PCM이 과냉되거나 또는 유인가능하다면, 액체PCM 에서 용융열은 PCM이 미국특허 4,860,729호에 개시된 바와 같이 용융온도 이하에서 과냉되면서 균일하게 유지된다. 나중에, 운전자가 엔진(E)을 시동하려고 할때, 점화스위치(76)로부터의 신호는 미국특허 4,860,729호에 개시된 것과 같은 상변화 트리거를 작동시킬 수 있다. 제1도에서 154로 표시된 바와 같이 이러한 상변화 트리거는 제5도에 도시된 피팅(170, 172)중 하나에 연결될 수 있다. 작동될 때, 상변화 트리거는 PCM의 결정은 핵형성을 시작하여 용융열을 넘겨주게 한다.
작동된 단열 챔버(30)의 전도성으로(단열효과를 무력하게 함), PCM으로부터의 용융열은 내부 하우징(12)내로 기질(14, 16, 18)로 복귀전도되어 이들이 소등온도에 도달하는 것을 돕는다.
물론, 이들 목적을 위해서 PCM을 사용하는데 여러가지 다른 방식이 있다. 예를 들면, 열 싱크(150) 또는 다른 유사한 장치가 PCM을 담을 수 있다. 열은 또한 액체 열 교환기 유체(166)로 외부 PCM용기로 전달될 수 있다. 더욱이, 다른 챔버(도시생략)가 챔버(64)로부터 방사상 바깥쪽으로 위치될 수 있어서, 내부 하우징(12)을 둘러싸는 PCM과 열 전달 유체(166) 양자의 사용을 가능하게 한다.
제7도에 도시된 다른 실시예에서, 환형챔버(157)를 갖춘 세라믹 용기(156)가 내부 하우징(12)내에 위치하고 촉매기질(14, 16, 18)을 둘러싸는 관계로 되어 있다. 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 상변화 물질(158)이 환형챔버(157)를 전부는 아니지만 대부분을 채우고 있다. 엔진(E)의 작동동안에 촉매 기질이 가열되면서, 용기(156)와 상 변화 물질(158) 역시 가열된다. 하지만, 세라믹이 열 전도성이 낮으므로, 이러한 용기 및 상변화 물질(158)은 기질(14, 16, 18)을 소등온도까지 가열하는데 필요한 시간을 증가시키기에 충분할 만큼 빨리 가열되지 않는다. 하지만, 엔진(E)의 작동동안, 과도한 시간으로 상기한 본 발명의 특징에 따라 제어된 바와 같이 챔버(157)에서의 물질(158)은 촉매 컨버터의 최적 작동 온도까지 실제로 가열되고 충분히 용융시키도록 가열될 것이다. 상기한 바와 같이 약간의 불충진은 챔버(157)에서 충분한 공간을 남기어 가열되면서 물질(158)의 팽창을 수용한다. 그리고 엔진(E)이 꺼질 때, 상변화물질(158)은 기질(14, 16, 18)상에 열을 유지하는 것을 도울 것이다.제5도에서 코어 열 싱크(194)로 언급한 바와 같이, 초기냉각은 현명한 방식으로 이루어진다. 하지만, 온도가 물질(158)의 빙점까지 냉각될때, 온도는 물질(158)이 용융열을 내면서 연장된 시간 기간동안 일정하게 유지될 것이다. 결과적으로 물질(158)의 성분은 촉매의 소등온도 이상의 결빙/용융 온도를 갖추고 있고, 물질(158)은 연장된 시간 기간동안 기질(14, 16, 18)을 소등온도 이상에서 유지되는 것을 돕는다.
본 발명의 설명 및 예시적인 응용이 내연기관을 갖춘 차량에 주로 적용되지만, 여기에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면 촉매 처리 반응의 온도로 제어하기 위한 화학 및 석유화학 산업에서도 적용할 수 있다.
상기 설명은 본 발명의 원리의 단지 예시적인 것이다. 더욱이, 당업자는 여러가지 변화를 용이하게 할 수 있으므로, 본 발명을 상기 설명한 과정과 구조에 한정하여서는 않된다. 따라서, 모든 적절한 수정과 등가물은 첨부된 청구의 범위내에 있는 것으로 간주될 수 있다.

Claims (46)

  1. 촉매와 배기가스에서의 오염물질과 촉매산화 또는 발열반응을 위해 지지구조와 표면을 구비한 기질로 구성된 촉매 컨버터 수단, 상기 촉매 컨버터 수단을 담기 위해 그리고 배기가스를 촉매 컨버터 수단으로 보내기 위한 촉매 하우징 수단; 그리고 제1신호에 응답하여 상기 하우징 수단으로부터 방사상으로 열의 전달을 억제하고 그리고 제2신호에 응답하여 열의 전달을 가능하게 하기 위해 상기 하우징 수단을 선택적으로 단열하도록 상기 촉매 하우징 수단을 둘러싸는 가변 전도성 단열 수단;으로 구성된 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 촉매 하우징 수단은 내부 금속 측벽을 포함하고 있고 상기 가변 전도성 단열수단은 상기 내부 금속 측벽과 금속 인클로저 사이에 주 단열 챔버를 감싸도록 상기 내부 금속 측벽으로부터 방사상 바깥쪽으로 이격되어 있고 상기 내부 금속 측벽을 둘러싸는 외부 금속 인클로저를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 주 단열 챔버는 매우 높은 등급의 진공으로 배출되고, 상기 가변 전도성 단열 수단은 열 전달이 상기 제2신호에 응답하여 상기 주 단열 챔버의 효과를 억제할 수 없게 하고 또는 열 전달이 상기 제1신호에 응답하여 상기 주 단열 챔버의 효과를 억제할 수 있게 선택적으로 상기 주 단열 챔버에 연결된 단열 무능 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 단열 무능 수단은 상기 제2신호에 응답하여 상기 주 단열 챔버내로 가스를 방출하기 위해 또는 제1신호에 응답하여 상기 주 단열 챔버로부터 가스를 회복시키기 위해 상기 주 단열 챔버에 연결된 가스 소오스 수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 가스 소오스 수단은 냉각될 때 수소 가스를 회복하고, 가열될 때 수소가스를 방출하는 금속 수소화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 가스 소오스 수단은 수소 가스의 흐름을 선택적으로 막거나 또는 통과시키기 위해 상기 주 단열 챔버와 상기 금속 수소화물 사이에 위치된 게이트 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 게이트 수단은 수소가 가열될 때 흐르고, 냉각될 때 수소의 흐름을 차단하도록 하는 팔라듐으로 구성된 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 가변 전도성 단열수단은 상기 배출가스가 상기 촉매 컨버터 수단을 통해 흐르기 시작할 때 상기 하우징 수단으로부터 열의 전달을 억제하도록 설정되어 있고, 상기 제2신호는 상기 가변 전도성 단열 수단을 작동시켜 상기 배출가스와 반응이 상기 소등온도 이상으로 상기 촉매 컨버터 수단의 온도를 상승시킨 후 상기 하우징 수단으로부터 열의 전달을 할 수 있게 한 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1신호는 상기 배출가스가 상기 촉매 컨버터 수단을 통해 흐름을 멈출 때 상기 하우징 수단으로부터 열의 전달을 억제하도록 상기 가변 전도성 단열수단을 작동시키는 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제2신호를 발하기 위한 타이머 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 제2신호를 발생하기 위한 온도감지수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  12. 제3항에 있어서, 내부 하우징이 소정의 최대온도에 도달할 때 상기 내부 하우징과 외부금속 인클로저 사이에 금속대 금속 접촉을 피하기 위해 상기 내부 하우징과 상기 외부금속 인클로저 사이에 위치된 열 작동가능한 열 분류기 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 열 분류기 수단은 바이메탈 요소의 온도가 상기 소정의 온도에 도달할 때 오목으로부터 볼록형상으로 전환되는 바이메탈 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  14. 제12항에 있어서, 상기 열 분류기 수단은 상기 외부 금속 인클로저와 열 팽창가능하게 접촉되도록 상기 외부 금속 인클로저에 충분히 근접한 위치에 방사상 바깥쪽으로 뻗어 있고 상기 내부 하우징에 고정된 열팽창가능한 스파이크를 포함한 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  15. 제3항에 있어서, 상기 가변 전도성 단열 수단은 상기 내부 측벽과 상기 외부 금속 인클로저 사이에 위치된 복수의 세라믹 스페이서를 포함한 것을 특징으로 하는 배기열 조정 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 스페이서는 스페이서 요소와 각각의 상기 내부측벽과 상기 외부 금속 인클로저 사이에 위치한 만곡된 외부표면을 갖춘 선형요소와 둥근 외부표면을 갖춘 스페이서 요소를 포함한 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 내부측벽과 상기 외부금속 인클로저 사이에서 상기 주 단열 챔버에 있는 적어도 하나의 차폐물을 포함한 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  18. 제3항에 있어서, 상기 내부측벽을 통해서 상기 촉매 컨버터 수단내로 그리고 상기 주 단열 챔버내로 뻗어 있는 열 전도성 스파이크를 포함한 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 스파이크는 상기 내부측벽에 고정되어 있고 온도의 함수로서 상기 외부금속 인클로저와 접촉 및 분리하도록 열 팽창 및 수축 가능한 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  20. 제3항에 있어서, 배기가스를 상기 내부 하우징 수단내로 전도하기 위해서 상기 내부 하우징 수단과 상기 외부 금속 인클로저를 분리하고 이들 사이에 뻗어 있는 배출가스 입구도관수단을 포함하고 있고, 상기 입구도관수단은 한끝에서 상기 외부금속 인클로저에 그리고 다른 끝에서 상기 내부 하우징에 용접된 얇은 박판금속으로 조립된 주름 튜브를 포함한 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  21. 제3항에 있어서, 배기가스를 상기 내부 하우징 수단으로부터 전도하기 위해서 상기 내부 하우징 수단과 상기 외부 금속 인클로저를 분리하고 이들 사이에 뻗어 있는 배출가스 출구 도관수단을 포함하고 있고, 상기 출구도관수단은 한끝에서 상기 내부 하우징에 그리고 다른끝에서 상기 외부금속 인클로저에 용접된 얇은 박판금속으로 조립된 주름 튜브를 포함한 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 촉매 컨버터로부터 상기 출구도관수단쪽으로 방출되는 열의 방사를 억제하기 위해서 상기 촉매 컨버터와 상기 출구도관수단 사이에 위치한 방출 억제제 수단을 포함한 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  23. 제21항에 있어서, 상기 촉매 컨버터로부터 상기 출구도관수단쪽으로의 열의 전도를 억제하기 위해서 상기 촉매 컨버터와 상기 출고도관수단 사이에 위치한 전도 억제제 수단을 포함한 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  24. 제23항에 있어서, 상기 전도 억제제 수단은 세라믹 울 섬유를 포함한 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  25. 제3항에 있어서, 상기 외부금속 인클로저로부터 멀리 또는 상기 외부금속 인클로저 쪽으로 열을 전도하기 위해 상기 외부금속 인클로저를 둘러싸는 열 교환기 수단을 포함한 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  26. 제25항에 있어서, 상기 열 교환기 수단은 상기 외부금속 인클로저로부터 바깥쪽으로 방사상 일정간격으로 위치한 외부자켓을 포함하고 있고, 이 자켓은 유체 열 교환기 매체를 담기 위해 상기 외부금속 인클로저를 둘러싸는 주 열 교환기를 싸고 있는 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  27. 제26항에 있어서, 상기 주 열 교환기 챔버로 상기 유체 열 교환기 매체를 전도하기 위한 유체입구와 유체출구를 포함한 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  28. 제27항에 있어서, 상기 외부자켓은 서로 밀접하게 이격된 관계로 위치된 그리고 이들 사이에 진공챔버를 형성하도록 금속 대 금속 용접에 의해 서로 그 가장자리 주위에 밀봉된 2개의 경성이지만 구부러지는 금속 박막 쉬트를 포함하는 콤팩트 진공 단열부로 구성되어 있고, 상기 진공챔버는 적어도 10-5토르 정도 낮은 압력으로 배출되고 상기 이격된 관계를 유지하기 위해 상기 쉬트 사이에 복수의 낮은 열전도성 스페이서가 있는 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  29. 제27항에 있어서, 상기 주 열 교환기 챔버에 유체흐름관계로 연결된 열 싱크 열 저장 장치를 포함한 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  30. 제27항에 있어서, 상기 외부금속 인클로저로부터 상기 유체매체로 전도된 열을 분산시키기 위해서 상기 주 열 교환기 챔버에 유체흐름관계로 연결된 열 분산수단을 포함한 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  31. 제27항에 있어서, 배기가스를 산출하는 내연기관에서 워터자켓에 열을 전달하기 위해 상기 주 열 교환기 챔버를 엔진 냉각제 열 교환기에 연결하는 유체도관수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  32. 제3항에 있어서, 상기 내부 하우징 수단에서 발생된 열을 저장하기 위해 상기 외부 금속 인클로저를 둘러싸는 열 저장수단을 포함한 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  33. 제32항에 있어서, 상기 열 저장수단은 상 변화물질로 구성된 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  34. 제32항에 있어서, 상기 상 변화물질의 핵형성을 선택적으로 시작하기 위한 선택적 작동가능한 트리거 수단을 포함한 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  35. 제1항에 있어서, 상기 촉매 하우징 수단에서 발생된 열을 저장하기 위해서 상기 기질과 접촉하는 상기 촉매 하우징 수단에 있는 열 저장수단을 포함한 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  36. 제35항에 있어서, 상기 열 저장수단은 상 변화물질로 구성된 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  37. 제20항에 있어서, 배기가스가 상기 기질에 도달하기 전에 배기가스로부터 열을 취하기 위해 상기 배기가스 입구도관수단에 연결된 제2열교환기를 포함한 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  38. 제21항에 있어서, 배기가스가 상기 기질을 통해 나간 후에 배기가스로부터 열을 취하기 위해 상기 배기가스 출구도관수단에 연결된 제2열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 열 조정 장치.
  39. 촉매 컨버터에서 열을 조정하는 방법에 있어서, 열 전달을 억제하는 on과 열 전달을 가능하게 하는 off 사이에서 변할 수 있는 가변 열 단열부로 촉매 컨버터를 둘러싸는 단계; 촉매 컨버터에서 열을 유지하기 위해서 배기가스가 촉매 컨버터에서 반응하지 않을때 가변 열 단열부를 켜는 단계; 촉매 컨버터의 온도가 촉매 컨버터의 소등온도보다 작을 때 가변 열 단열부를 켜지는 단계; 촉매 컨버터의 온도가 소등온도 이상일 때 가변 열 단열부를 끄는 단계;로 구성된 것을 특징으로 하는 촉매 컨버터에서 열을 조정하는 방법.
  40. 제39항에 있어서, 원하는 온도에서 상기 촉매 컨버터를 유지하기 위해서 풀 온과 풀 오프 사이에서 가변 열 단열부를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  41. 제40항에 있어서, 가변 열 단열부가 유체 매체에서 오프되고 열을 다른 구성품에 전달할 때 촉매 컨버터에 의해 발생된 열을 회복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  42. 제41항에 있어서, 배기가스를 산출하는 엔진에 유체매체의 열을 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  43. 제41항에 있어서, 열 저장장치에 유체매체의 열을 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  44. 제43항에 있어서, 촉매 컨버터 온도가 소등온도 보다 작을 때 배기가스를 산출하는 엔진을 시동하기 전에 열 저장장치로부터 촉매 컨버터로 열을 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  45. 제41항에 있어서, 배기가스를 산출하는 엔진에 의해 구동되는 차량의 승객실에 유체의 열을 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  46. 제41항에 있어서, 열을 대기로 분산하기 위해서 열 분산기에 유체의 열을 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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