KR100232005B1 - 배기가스 정화용 촉매기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차의 배기가스 정화용 촉매기에 관한 것으로, 상기 촉매기의 구조를 개선하여 배기가스의 확산시에 와류가 발생되는 것을 방지하므로써 하우징 내의 압력 손실을 저하시키는 것을 목적으로 하며, 이를 위해, 본 발명은, 외부의 하우징과, 내부의 촉매로 구성되고, 하우징의 내측부 사이에는 차체의 주행 충격으로부터 촉매를 보호하기 위한 완충재가 제공될 수도 있으며, 상기 하우징의 양쪽 측면부에는 일정한 발산 각도로 형성되어 깔때기 형상의 확산부를 갖는 배기가스 입구 및 출구가 형성되어 있는 배기가스 정화용 촉매기에 있어서, 상기 하우징의 내부에 장착되어 있는 촉매의 입구 및 출구 쪽의 모서리부는 테이퍼진 형상으로 절단 제거되고, 이 때, 각 모서리부의 절단각은 확산부의 발산 반각과 동일한 각도를 가지게 되며, 또한, 입구 및 출구에 마주하는 촉매의 정면부는 입구 및 출구의 직경과 같은 크기의 길이를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 촉매기를 제공한다.

Description

배기가스 정화용 촉매기

본 발명은 자동차용 촉매기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 엔진에서 배출된 배기가스의 정화 효율을 향상시키기 위해 촉매기의 내부에서의 압력 손실을 저감시키기 위한 배기가스 정화용 촉매기에 관한 것이다.

최근 들어서, 자동차의 배출가스로 인한 대기 오염을 방지하는 것이 환경 위생상 중요한 문제로 대두되고 있으며, 이에 대한 대책이 시급한 실정이다.

자동차의 배출가스는 배기 파이프로 배출되는 배기가스, 엔진의 크랭크케이스에서 배출되는 블로바이 가스, 및 연료탱크나 기화기 등에서 증발되는 연료증발가스가 있다.

이 중에서 배기가스 연료가 실린더 안에서 연소된 다음, 배기 파이프를 통해 외부로 배출된다. 배기가스의 성분은 대부분이 인체에 무해한 수증기(H₂O), 질소(N₂), 탄산가스(CO₂) 등이나, 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NO_x) 등의 유해한 물질도 포함되어 있다.

배기가스내의 유해성분을 제거하기 위한 방안으로, 종래 공지된 것으로는 엔진에서 배출된 배기가스가, 배기 매니폴드 후방의 배기 파이프에 장착된 산화 또는 환원 촉매로 통과되도록 하므로서, 유해성분이 감소 및 제거되도록 한 촉매기 방식이 있다.

이러한 촉매기 방식은 배기가스 속의 CO와 HC를 산화시켜 무해한 CO₂와 H₂O로 만드는 산화 촉매기와, 배기가스 속의 NO_x를 환원시켜 해가 없는 N₂와 CO₂로 만드는 환원 촉매기와, 배기가스 속의 CO, HC, NO_x를 동시에 하나의 촉매로 산화 또는 환원시키는 3원 촉매기가 있다.

이와 같이 촉매기는 금속제 하우징과 상기 금속제 하우징 내에 들어 있는 촉매로 구성되며, 상기 촉매는 골격부로서의 담체와, 그 담체 위에 도포된 세라믹의 중간층(혹은 wash-coat), 그리고 그 중간층 위에 도포된 촉매층으로 이루어진다. 또한, 담체에서 세라믹 일체형(ceramic monolith)과 금속 일체형(metal monolith)이 많이 사용된다.

여기서, 일반적인 촉매기의 종래 구조가 제1도에 잘 나타나 있으며, 도면의 중심부에 표시된 그래프는 촉매를 통과하는 배기 가스의 유속상태를 나타낸다.

상기 촉매기(1)는 상술된 바와 같이, 외부의 하우징(2)과, 내부의 촉매(3)로 구성되어 있으며, 상기 촉매(3)와 하우징(2)의 내측부 사이에는 차체의 주행 충격으로부터 촉매(3)를 보호하기 위한 완충재가 제공되는 경우도 있다. 또한 상기 하우징(2)의 양쪽 측면부에는 일정한 발산 각도로 형성되어 깔때기 형상의 확산부를 갖는 배기가스 입구(4) 및 출구(5)가 형성되어 있다.

한편, 종래의 촉매기 구조에 있어서, 엔진에서 배출되는 배기가스들이 관성력 및 계속되는 엔진의 배기 압력으로 인하여 일정한 방향으로 흐르려는 힘을 갖게 된다. 특히, 촉매기의 입구(4)에서는 제트 흐름(6 ; jet flow)이 형성되며, 이러한 제트흐름(6)가 촉매 (3)와 부딪치게 되므로써 제트 흐름(6)의 양측부에는 와류가 발생된다. 이렇게 발생된 와류는 배기가스의 메인 스트림의 흐름을 방해하고, 촉매(3) 양쪽의 흐름에서 발생되는 압력 강하로 인하여 촉매 내에서의 유속이 달라지게 된다. 즉, 제1도의 도면 중심부에 그래프로 도시된 바와 같이, 촉매(3) 중앙부에서는 제트흐름(6)의 영향으로 매우 바른 유속이 발생되고, 제트 흐름(6)의 양쪽에서는 와류의 생성으로 인한 압력 손실이 발생되어 유속의 량과 흐름이 상당히 둔화되는 문제점이 있었으며, 또한 이러한 압력 손실은 엔진의 출력을 저하시킬 뿐만 아니라 촉매기의 성능 발휘를 억제시키게 되는 이중적 제한이 수반되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 상기 배기가스 정화용 촉매기의 구조를 개선하여 촉매기 내부에서의 압력 손실 및 이에 따른 배기가스의 유속 편차를 감소시키므로써 촉매기의 성능을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

제1도는 일반적인 자동차용 촉매기의 구조를 보인 측단면도.

제2도는 확산 촉진 헤더를 갖는 촉매기의 입구를 나타내는 부분적인 측단면도.

제3도는 본 발명에 따라 확산 촉진 헤더의 원리를 이용한 촉매기의 일 실시예를 나타내는 측단면도.

제4도는 본 발명에 따라 확산 촉진 헤더의 원리를 이용한 촉매기의 다른 실시예를 나타내는 측단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 촉매기 2 : 하우징

3 : 촉매 4 : 입구

5 : 출구 6 : 제트 흐름

7 : 확산 촉진 헤더 8 : 촉매의 정면부

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 외부의 하우징과, 내부의 촉매로 구성되고, 하우징의 내측부 사이에는 차체의 주행 충격으로부터 촉매를 보호하기 위한 완충재가 제공될 수도 있으며, 상기 하우징의 양쪽 측면부에는 일정한 발산 각도로 형성되어 깔때기 형상의 확산부를 갖는 배기가스 입구 및 출구가 형성되어 있는 배기가스 정화용 촉매기에 있어서, 상기 하우징의 내부에 장착되어 있는 촉매의 입구 및 출구 쪽의 모서리부는 테이퍼진 형상으로 절단 제거되고, 이 때, 각 모서리부의 절단각은 확산부의 발산 반각과 동일한 각도를 가지게 되며, 또한, 입구 및 출구에 마주하는 촉매의 정면부는 입구 및 출구의 직경과 같은 크기의 길이를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 촉매기를 제공한다.

또한, 상기 촉매기의 정면부 상에는 촉매기 입구 및 출구의 직경과 같은 직경을 갖는 원판 형상의 보조 촉매가 촉매기의 정면부와 이격된 상태에서 입구 및 출구에 대응되도록 설치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 보조 촉매에는 엔진의 냉간 시동 등에서 우수한 귀금속이 제공되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은, 외부의 하우징과, 내부의 촉매로 구성되고, 하우징의 내측부 사이에는 차체의 주행 충격으로부터 촉매를 보호하기 위한 완충재가 제공될 수도 있으며, 상기 하우징의 양쪽 측면부에는 일정한 발산 각도로 형성되어 깔때기 형상의 확산부를 갖는 배기가스 입구 및 출구가 형성되어 있는 배기가스 정화용 촉매기에 있어서, 상기 촉매기의 정면부 상에 촉매기 입구 및 출구의 직경과 같은 직경을 갖는 원판 형상의 보조 촉매가 촉매기의 정면부와 이격된 상태에서 입구 및 출구에 대응되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 촉매기를 제공한다.

또한, 상기 보조 촉매에는 엔진의 냉간 시동 등에서 우수한 귀금속이 제공되어 있는 것이 바람직하다.

[실시예]

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 양호한 실시예를 보다 상세하게 설명하며, 본 실시예에서는 종래 기술에서 인용된 부분과 동일한 부분에 대해서는 동일 부호를 부여하고 있다.

여기서, 제2도는 확산 촉진 헤더를 갖는 촉매기의 입구를 나타내는 부분적인 측단면도이고, 제3도는 본 발명에 따라 확산 촉진 헤더의 원리를 이용한 촉매기의 일실시예를 나타내는 측단면도이며, 제4도는 본 발명에 따라 확산 촉진 헤더의 원리를 이용한 촉매기의 다른 실시예를 나타내는 측단면도이다.

먼저, 종래의 촉매기에서 발생되는 압력 손실의 원인을 살펴보면, 배기가스의 흐름이 촉매기 입구의 확산부를 통해 진행될 때, 속도 영역은 배기가스 유동 영역과 정압력의 변화에 대응하여 조절되며, 상기 속도의 축성분의 확산부의 내벽 근방에서 감소되어 마침내는 부(-)의 영역으로 변환된다. 만약 상기 확산부가 너무 길거나 확산부의 발산각도가 너무 크게 되면, 역류가 발생되어 배기가스의 흐름을 확산기의 입구에서 차단하므로써 일정한 직경을 갖는 제트 흐름이 형성되게 된다. 따라서, 이러한 경우에는 상술된 문제점에서도 지적한 바와 같이 배기가스의 흐름이 확산부의 형상에 영향을 받지 않게 되므로써 촉매기 내부에서의 공간 유속이 서로 다르게 된다.

이에 따라, 촉매기의 입구에서 안정적인 확산을 제공하기 위한 하나의 방법으로는, “Automotive Engineering”이라는 잡지는 1996년 6월호에 기제된 바와 같이, 급격한 확장부를 통하여 촉매에 연결되며, 짧으면서도 작은 발산 각도를 갖는 확산부를 제공하는 것이다. 이러한 확산부를 확산 촉진 헤더(Enhanced Diffusion Hesder ; 이하 EDH라 칭함)라 한다.

이러한 EDH 확산부(7)를 갖는 촉매기(1)의 입구(4)가 제2도에 도시되어 있다.

도시된 바와 같이, 상기 EDH 확산부(7)는 Φ의 발산 반각(divergence half angle)과 N의 길이를 가지며, 각각 D₁과 D₂의 직경을 갖는 원추대로서, 이러한 원추대의 각 매개변수는 다음과 같은 관계식을 갖는다.

N=(D₁- D₂)/(2tan Φ)

여기서, 이러한 EDH 확산부(7)의 유동 안전성을 발산 반각(Φ)과, 확산부의 길이와 입구 직경의 비(N/D₁)에 종속되며, 따라서, 이러한 EDH 확산부(7)는 결국 와류 형성에 의한 제트 흐름의 경계층 분할을 방지하고, 유체 흡입구로부터의 유체 흐름을 보다 큰 직경의 제트 흐름으로 확산시키므로써 유동의 불균등한 분배 및 압력 손실을 저하시키게 된다. 또한, 이러한 압력 손실의 저하는 촉매에 대한 유동의 불균등 분배에 관련된 확산부의 유도 손실을 저하시키게 되어 유체의 흐름을 이상적 흐름으로 바꾸어 주게 되는 것이다.

그러나, 현실적으로 이러한 EDH 확산부(7)의 실현에는 많은 문제점이 있으며, 따라서, 본 발명에서는 이러한 EDH 확산부(7)의 원리, 즉 유동의 와류 형성을 억제시키고, 촉매 내에 일정한 흐름을 유도시키므로써 기존의 압력 손실 등의 문제점을 해결하기 위하여 다음과 같은 실시예들을 제안한다.

[제1실시예]

제3도는 본 발명에 따라 확산 촉진 헤더의 원리를 이용한 촉매기(1)의 일 실시예를 나타내는 측단면도가 도시되어 있다.

상기 촉매기(1)는 외부의 하우징(2)과, 내부의 촉매(3)로 구성되어 있으며, 상기 하우징(2)의 양쪽 측면부에는 일정한 발산 각도로 형성되어 깔때기 형상의 확산부를 갖는 배기가스 입구(4) 및 출구(5)가 형성되어 있다.

또한, 본 실시예에 의하면, 상기 하우징(2)의 내부에 장착되어 있는 촉매(3)의 입구(4) 및 출구(5) 쪽의 모서리부는 테이퍼진 형상으로 절단 제거되고, 이 때, 각 모서리부의 절단각(θ)은 확산부의 발산 반각(θ)과 동일한 각도를 가지게 되며, 또한, 입구(4) 및 출구(5)에 마주하는 촉매(3)의 정면부(8)는 입구(4) 및 출구(5)의 직경Φ과 같은 크기의 길이를 갖도록 형성된다.

이러한 구성에 의하여, 촉매기(1)의 입구(4)를 통해 도입된 배기가스 촉매(3)의 정면부(8)와 부딪치면서 정면부(8)의 좌우에 형성된 촉매(3)의 경사면을 따라 공간부로 이동하게 되므로써 와류 현상이 억제되며, 촉매(3)의 전 부분에 대하여 고른 성능을 유도할 수 있게 된다.

[제2실시예]

다음은 본 발명에 따른 다른 실시예를 제4도를 참조하여 설명한다.

제4도에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 촉매기(3)는 기존의 촉매기(3)와 같이 외부의 하우징(2)과, 내부의 촉매(3)로 구성되어 있으며, 상기 하우징(2)의 양쪽 측면부에는 일정한 발산 각도로 형성되어 깔때기 형상의 확산부를 갖는 배기가스 입구(4) 및 출구(5)가 형성되어 있다.

또한, 본 실시예에서는 이러한 촉매기(3)의 정면부(8) 상에 촉매기(1) 입구(4) 및 출구(5)의 직격(Φ)과 같은 직경을 갖는 원판 형상의 보조 촉매(10)가 촉매기(3)의 정면부(8)와 이격된 상태에서 입구(4) 및 출구(5)에 대응되도록 설치된다.

이러한 구성에 의하여, 촉매(3)의 입구(4)를 통과한 배기가스의 제트 흐름이 먼저 보조 촉매(10)에 부딪치게 되며, 이에 따라, 촉매(3)의 중심부에서의 마찰력이 증대되어 배기가스의 흐름을 촉매(3)의 가장자리 쪽으로 유도시켜 배기가스의 속도를 촉매(3)의 전 부분에서 일정하게 유지시킬 수 있게 된다.

또한, 본 실시예에서는 보조 촉매(10)에 엔진의 냉간 시동 등에서 우수한 귀금속을 제공하므로써 초기 정화율을 향상시킬 수 있는 장점이 있으며, 이러한 보조 촉매(10)는 촉매로서의 기능 뿐만 아니라 기체의 분배기로서의 작용을 하게 된다.

한편, 본 발명에 의하면, 이상과 같이 제안된 각 실시예에의 조합에 의해서도 보다 향상된 실시예가 제공될 수 있다. 즉, 제1실시예에서 제안된 촉매(3)의 전방부에 제2실시예에서 제안된 보조 촉매(10)를 사용하여 촉매의 정화효율을 더욱 향상시킬 수도 있다.

이상에서 설명된 실시예를 통하여, 본 발명에 의한 배기가스 정화용 촉매기에 의하면, 하우징의 내부에 장착되는 촉매의 모서리부를 확산부의 발산 반각과 같은 각도로 전달시켜 제거하므로써 와류의 형성을 방지하여 촉매의 정화 효율을 향상시킬 수 있게 되는 효과가 있으며, 또한, 촉매의 정면부상에 보조 촉매를 제공하여 촉매 중심부의 마찰력을 증대시키므로써 배기가스의 분배를 보다 균등하게 이루어 정화 효율을 향상시킬 수도 있다.

한편, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되어 아니하며, 특허청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

Claims (3)

1. 외부의 하우징과, 내부의 촉매로 구성되고, 하우징의 내측부사이에는 차체의 주행 충격으로부터 촉매를 보호하기 위한 완충제가 제공될 수도 있으며, 상기 하우징의 양쪽 측면부에는 일정한 발산 각도로 형성되어 깔대기 형상의 확산부를 갖는 배기 가스 입구 및 출구가 형성되어 있는 배기 가스 정화용 촉매기에 있어서, 상기 하우징의 내부에 장착되어 있는 촉매의 입구 및 출구쪽의 모서리부는 테이퍼진 형상으로 절단 제거되고, 이때, 각 모서리부의 절단각은 확산부의 발산 반각과 동일한 각도를 가지게 되며, 이때, 각 모서리부의 절단각은 확산부의 발산 반입구 및 출구의 직경과 같은 크기의 길이를 갖도록 형성되며; 상기 촉매의 정면부상에는 촉매기 입구 및 출구의 직경과 같은 직경을 갖는 원판 형상의 보조 촉매가 촉매기의 정면부와 이격된 상태에서 입구 및 출구에 대응되도록 설치되며; 상기 보조 촉매에는 엔진의 냉간 시동등에서 우수한 귀금속이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 배가가스 정화용 촉매기.
2. 외부의 하우징과, 내부의 촉매로 구성되고, 하우징의 내측부사이에는 차체의 주행 충격으로부터 촉매를 보호하기 위한 완충제가 제공될 수도 있으며, 상기 하우징의 양쪽 측면부에는 일정한 발산 각도로 형성되어 깔대기 형상의 확산부를 갖는 배기 가스 정화용 촉매기에 있어서, 상기 촉매기의 정면부상에는 촉매기 입구 및 출구의 직경과 같은 직경을 갖는 원판 형상의 보조 촉매가 촉매기의 정면부와 이격된 상태에서 입구 및 출구에 대응되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 촉매기.
3. 제2항에 있어서, 상기 보조 촉매에는 엔진의 냉간 시동등에서 우수한 귀금속이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 촉매기.

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