KR100379307B1 - 가솔린 엔진의 배기 장치 - Google Patents

가솔린 엔진의 배기 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가솔린 엔진의 배기 장치에 관한 것으로서, 엔진의 배기 다기관에 연결되는 배기관 상에 복수의 촉매 수단이 직렬로 구비된 가솔린 엔진의 배기 장치에 있어서, 상기 배기 다기관에 가장 인접한 곳에 연결된 촉매 수단은, 배기관의 입구에 주 통로를 우회할 수 있도록 별도로 좁게 형성되는 바이패스 통로와, 상기 바이패스 통로 내부에 배기 가스의 유해 성분을 흡착 또는 정화시킬 수 있도록 설치되는 제 1 촉매와, 상기 배기관의 주 통로 내부에 엔진의 시동 및 공전시에 상기 바이패스 통로 쪽으로만 배기 가스를 유동시킬 수 있게 설치되는 유로 변환 밸브와, 상기 바이패스 통로 직후의 주 통로 내부에 설치되는 제 2 촉매를 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 의하면 엔진의 시동 초기에 집중되는 탄화수소를 효과적으로 정화시키는 것이 가능하므로 종래와 같이 고밀도 셀로 이루어진 촉매를 사용할 필요가 없고, 상대적으로 배압의 증가를 막아 엔진 출력의 감소를 저지할 수 있을 뿐만 아니라 배기가스 규제법을 충족시킬 수 있다. 또한 촉매의 귀금속 로딩량도 줄일 수 있어 원가를 절감시킬 수 있다.

Description

가솔린 엔진의 배기 장치{EXHAUSTING SYSTEM FOR GASOLINE ENGINE}
본 발명은 가솔린 엔진의 배기 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배기 다기관에 가장 인접한 위치에 장착되는 촉매 수단을 개선함으로써 초기 시동시에 집중되는 탄화수소(HC)의 배출량을 줄일 수 있게 함과 동시에 엔진 출력도 높일 수 있도록 하는 가솔린 엔진의 배기 장치에 관한 것이다.
일반적으로 가솔린 엔진의 배기 행정에서 발생되는 배기 가스는 불완전 연소 등으로 인하여 인체에 유해한 물질을 많이 포함하고 있고, 이들은 대기 오염의 주 요인이 되므로 감소시키기 위한 많은 노력이 강구되고 있다. 이에 따라 배기관에는 여러 형태의 배기 가스 정화 수단이 구비되는데, 여기에는 촉매 변환기(3 원 촉매장치)가 주로 사용되고 있다. 이러한 촉매 변환기는, 예를 들어 백금(Pt) 및 로듐(Rh)과 같은 촉매를 사용하여 배기 가스 중에 포함된 유해 물질, 즉 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소 산화물(NOX)을 산화 및 환원 작용에 의하여 이산화탄소(CO2), 물(H2O), 질소(N2), 산소(O2)와 같이 해가 없는 물질로 전환케 하는 것이다.
종래 가솔린 엔진의 배기 장치는, 도 1 에서 나타낸 바와 같이, 엔진(1)의 한 쪽 측면에 배기 가스를 모을 수 있는 배기 다기관(2)이 결합되고, 상기 배기 다기관(2)에는 배기관(3)이 길게 연결된다. 이러한 배기관(3) 상에는 여러 개의 촉매수단(4)(5)(6)이 직렬로 연결된다. 여기서, 배기 다기관(2)에서 가장 인접한 위치에 연결된 촉매 수단(4)은 CCC(Close Coupled Catalyst) 라고 한다. 그 후방 쪽 위치에 연결된 촉매 수단(5)(6)은 각 각 하이브리드 촉매(Hybrid Catalyst)(5), EHC(Electric Heater Catalyst)(6) 라고 한다. 이 촉매 수단(4)(5)(6)은 주로 벌집 형태의 고밀도 셀(Cell)로 이루어지고, 이 중 배기 다기관(2)에 가장 인접한 CCC(4)는 얇은 벽체로 씌워진다. 그리고 EHC(6)는 별도의 히터 가열 구조를 더 갖추고 있다. 이는 CCC(4) 보다 상대적으로 낮은 온도이므로 촉매의 활성화를 더 빨리 도달시키기 위한 것이다.
이와 같이 구비된 종래의 배기 장치는 엔진(1)의 실린더 내에서 연료가 연소된 후 발생되는 배기 가스가 배기 다기관(2) 및 배기관(3)을 통하여 대기 중에 배출될 때 각 촉매 수단(4)(5)(6)을 거치면서 유해한 물질이 산화 및 환원 작용에 의하여 흡착 또는 정화된다.
그러나, 예를 들면 (자동차의 수출 차원에서)미국의 강력한 배기 가스 규제 법안인 SULEV(Super Ultra Law Emission Vehicle) 기준을 충족시키기 위하여, 더욱이 거시적인 관점에서 배기가스의 폐해를 최대한 억제시킬 수 있는 일환으로 얇은 벽체나 고밀도 셀을 갖춘 촉매 수단(4)(5)(6)을 불가피하게 채용하고 있지만, 이렇게 셀 밀도를 높일 경우에는 상대적으로 배압도 높아짐에 따라 엔진 최고 출력이, 예를 들어 2000 cc 배기량을 가진 엔진에서 대략 7 %(약 10 마력) 정도 저하되는 문제점이 있다. 이는 엔진 출력의 측면에서는 규제 법안(SULEV)이나 배출가스의 억제책을 만족시키기 위하여 너무나 큰 희생이 아닐 수 없다.
또한, 점화시기 지연 방법을 사용할 경우, 도 2 에서 나타낸 바와 같이, 배기 가스 중에 포함된 총 탄화수소(THC)의 배출량 대부분은 초기 시동에 집중되고 있는데, 시동 후 약 2 초 정도가 지나면 THC 농도가 매우 낮은 수준으로 떨어짐을 알 수 있다. 이 역시 규제 법안(SULEV)이나 배출가스 억제를 만족시키기 위한 일환으로 시동 초기의 THC 배출량을 저감시키기 위하여 촉매의 로트(Lot) 단축, 즉 셀의 고밀도화, 얇은 벽체를 형성시키는 등과 같은 정화 구조는 엔진 출력을 너무 크게 희생하는 결과를 초래한다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 엔진의 초기 시동시에 집중되는 탄화수소의 배출량을 줄일 수 있게 함과 동시에 엔진 출력도 높일 수 있도록 하는 가솔린 엔진의 배기 장치를 제공하는 데 있다.
도 1 은 종래의 가솔린 엔진의 배기 장치의 외관을 나타낸 도면.
도 2 는 종래 가솔린 엔진의 배기 장치의 문제점을 설명하기 위한 도표로서, 엔진 시동시 총 탄화수소(THC)의 배출 특성을 나타낸 그래프.
도 3 은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가솔린 엔진의 배기 장치를 나타낸 도면으로서, 엔진 정상 운전시의 작동 상태를 포함한 단면도.
도 4 는 도 3 의 장치에서 엔진 초기 시동시의 작동 상태도.
도 5 는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가솔린 엔진의 배기 장치를 나타낸 요부 확대 단면도.
도 6 은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 가솔린 엔진의 배기 장치를 나타낸 요부 확대 단면도.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 엔진 12 : 배기 다기관
20 : 배기관 30, 40, 50 : 촉매 수단
22 : 주 통로 24 : 바이패스 통로
32 : 제 1 촉매 34 : 제 2 촉매
36 : 유로 변환 밸브
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가솔린 엔진의 배기 장치는, 엔진의 배기 다기관에 연결되는 배기관 상에 복수의 촉매 수단이 직렬로 구비된 가솔린 엔진의 배기 장치에 있어서, 상기 배기 다기관에 가장 인접한 곳에 연결된 촉매 수단은, 배기관의 입구에 주 통로를 우회할 수 있도록 별도로 좁게 형성되는 바이패스 통로와, 상기 바이패스 통로 내부에 배기 가스의 유해 성분을 흡착 또는 정화시킬 수 있도록 설치되는 제 1 촉매와, 상기 배기관의 주 통로 내부에 엔진의 시동 및 공전시에 상기 바이패스 통로 쪽으로만 배기 가스를 유동시킬 수 있게설치되는 유로 변환 밸브와, 상기 바이패스 통로 직후의 주 통로 내부에 설치되는 제 2 촉매를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 촉매는 배기관 입구의 주 통로 둘레를 따라 형성된 바이패스 통로 내부에 원주 방향으로 설치되는 것이 바람직하다.
상기 제 1 촉매 또는 제 2 촉매는 흡기 다기관과 최대한 인접하게 설치되는 것이 바람직하다.
상기 제 1 촉매는 배기관 입구의 주 통로 한 쪽면에 형성된 바이패스 통로 내부에 설치되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 더욱 상세히 설명한다.
도 3 은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가솔린 엔진의 배기 장치를 나타낸 도면으로서, 엔진 정상 운전시의 작동 상태를 포함한 단면도이고, 도 4 는 도 3 의 장치에서 엔진 초기 시동시의 작동 상태도이다.
상기 도면에서, 부호 30 은 엔진(10)의 배기 다기관(12)에 가장 인접한 위치, 즉 배기관(20)의 입구 쪽에 구비되는 촉매 수단이다. 상기 촉매 수단(30) 이외에도 배기관(20) 후방 쪽에 하이브리드 촉매(Hybrid Catalyst)(40), EHC(Electric Heater Catalyst)(50)와 같은 다른 촉매 수단이 직렬로 구비된다.
상기 촉매 수단(30)의 내부 구성을 살펴본다. 배기관(20)의 주 통로(22)를 우회할 수 있는 바이패스 통로(24)가 별도로 좁게 형성되고, 상기 바이패스 통로(24) 내부에 배기 가스의 유해 성분을 흡착 또는 정화시킬 수 있는 제 1촉매(32)가 설치된다. 여기서, 상기 바이패스 통로(24)는 배기관(20) 입구의 주 통로(22) 둘레를 따라 이중 관 형태로 형성되고, 여기에 제 1 촉매(32)가 원주 방향으로 통로(24)를 거의 메울 수 있게 고밀도로 설치된다.
상기 배기관(20)의 주 통로(22) 내부에는 유로 변환 밸브(36)가 설치되고, 이 밸브(36)는 엔진의 운전 조건에 따라 주 통로(22)를 개폐시킬 수 있는 것이다.
또한 상기 바이패스 통로(24) 직 후방의 주 통로(22) 내부에 제 2 촉매(34)가 배기 가스의 유해 성분을 흡착 또는 정화시킬 수 있게 설치된다.
한편, 도 5 에서 나타낸 본 발명의 제 2 실시예와 같이, 제 1 실시예와 동일한 구성 요소를 갖추고 있지만, 상기 제 1 촉매(32) 또는 제 2 촉매(34)가 흡기 다기관(12)과 최대한 인접하게 설치되는 구성도 바람직하다. 이는 배기 다기관(12)의 고열을 촉매(32)(34)의 활성화에 더욱 효율적으로 이용하기 위한 것이다.
또한 도 6 에서 나타낸 본 발명의 제 3 실시예와 같이, 바이패스 통로(24)가 배기관(20) 입구의 주 통로(22) 한 쪽 측면에 별개의 관 형태로 부착 형성되게 하고, 이 통로(24) 내부에 제 1 촉매(32)가 설치되는 구성도 가능하다.
이와 같이 구비된 본 발명의 여러 실시예에 따른 배기 장치의 작동 상태를 도 3 ~ 도 6 을 참조하여 설명한다. 제 1 촉매(32)가 제 1, 2 실시예와 같이 배기관(20)의 원주 주위로 감싸는 형태일 수 있고, 제 3 실시예와 같이 배기관(20)의 한 쪽면에 부착되는 형태일 수도 있다.
먼저, 엔진이 시동 초기이거나 공전할 경우, 도 4 ~ 도 6 에서 나타낸 바와 같이, 유로 전환 밸브(36)를 닫아 배기관(20) 입구 쪽의 주 통로(22)를 폐쇄시키므로 배기 가스는 바이패스 통로(24)로 유도되어 제 1 촉매(32)를 거쳐 제 2 촉매(34)를 통과하게 된다. 이 때 시동 초기에 배출되는 다량의 탄화수소(HC) 입자는 제 1 촉매(32) 쪽에 흡착되거나 정화되고, 배기가스의 열은 제 2 촉매(34)를 통과하며 가열시켜 이 촉매(34)의 활성화를 촉진시키게 된다. 따라서 시동 초기의 집중적인 탄화수소의 배출량을 줄일 수 있다.
반면에, 엔진의 일반 운전 중에는, 도 3 의 확대도에서와 같이, 유로 전환 밸브(36)를 완전히 개방하여 배기 가스가 바이패스 통로(24)를 거의 거치지 않고 주 통로(22)를 통하여 바로 제 2 촉매(34)를 통과하게 된다.
이 때, 유로 전환 밸브(36)의 개방시기가 언제인가는 총 탄화수소(THC)의 배출량과 상관 관계가 있으므로 매우 중요하다. 즉, 시동 후에도 계속적으로 유로 전환 밸브(36)를 닫고 제 1 촉매(32) 쪽으로만 배기가스가 빠져나가게 하면 제 1 촉매(32)에 흐르는 유동이 매우 강하게 되어 여기에서 제대로 활성화되기도 전에 흡착된 탄화수소를 다시 떼어내게 됨으로써 탄화수소의 배출량이 줄어들 수 없게 된다. 반면에 배기가스의 열이 체적이 작은 제 1 촉매(32)에 집중됨에 따라 로트(Lot)가 당겨져 떨어지지 않고 흡착된 탄화수소는 빨리 활성화될 수도 있다.
따라서 시동 초기에만 유로 전환 밸브(36)를 닫아 집중적으로 배출되는 탄화수소를 제 1 촉매(32)에 의하여 흡착케 한 후 다시 유로 전환 밸브(36)를 열면, 대부분의 배기 가스는 제 2 촉매(34)로 직접 가고 일부 약한 유동만이 제 1 촉매(32) 쪽으로 흐르게 된다. 이러한 유동은 미약하므로 제 1 촉매(32)에 흡착되어 있던 탄화수소 입자를 한꺼번에 떼어내지 못하고 제 1 촉매(32)에 흡착된 탄화수소는 제 2촉매(34)가 충분히 활성화된 이후에 서서히 방출되므로 대부분 정화될 수 있다. 이에 따라 탄화수소가 최소로 배출되는 유로 전환 밸브(36)의 열림 시기 설정이 필요하다. 참고로 제 1 촉매(32)로써 탄화수소 흡착재를 쓸 수도 있고, 배기 정화 촉매(Pd 나 Pt 또는 Pd/Rh)를 사용할 수 있는데, 이에 따라 유로 전환 밸브(36)의 개방시기의 제어 전략이 달라질 수 있다.
상술한 본 발명에 의하면, 엔진의 시동 초기에 집중되는 탄화수소를 효과적으로 정화시키는 것이 가능하므로 종래와 같이 고밀도 셀로 이루어진 촉매를 사용할 필요가 없고, 상대적으로 배압의 증가를 막아 엔진 출력의 감소를 저지할 수 있을 뿐만 아니라 배기가스 규제법을 충족시킬 수 있다. 또한 촉매의 귀금속 로딩량도 줄일 수 있어 원가를 절감시킬 수 있다.

Claims (4)

  1. 엔진의 배기 다기관에 연결되는 배기관 상에 복수의 촉매 수단이 직렬로 구비된 가솔린 엔진의 배기 장치에 있어서,
    상기 배기 다기관에 가장 인접한 곳에 연결된 촉매 수단은, 배기관의 입구에 주 통로를 우회할 수 있도록 별도로 좁게 형성되는 바이패스 통로와,
    상기 바이패스 통로 내부에 배기 가스의 유해 성분을 흡착 또는 정화시킬 수 있도록 설치되는 제 1 촉매와,
    상기 배기관의 주 통로 내부에 엔진의 시동 및 공전시에 상기 바이패스 통로 쪽으로만 배기 가스를 유동시킬 수 있게 설치되는 유로 변환 밸브와,
    상기 바이패스 통로 직후의 주 통로 내부에 설치되는 제 2 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진의 배기 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 촉매는 배기관 입구의 주 통로 둘레를 따라 형성된 바이패스 통로 내부에 원주 방향으로 설치되는 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진의 배기 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 촉매 또는 제 2 촉매는 흡기 다기관과 최대한 인접하게 설치되는 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진의 배기 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 촉매는 배기관 입구의 주 통로 한 쪽면에 형성된 바이패스 통로 내부에 설치되는 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진의 배기 장치.
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