KR100501376B1

KR100501376B1 - 배기가스 정화용 촉매장치

Info

Publication number: KR100501376B1
Application number: KR10-2002-0070344A
Authority: KR
Inventors: 이윤석
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2002-11-13
Filing date: 2002-11-13
Publication date: 2005-07-18
Also published as: KR20040042177A

Abstract

본 발명은 자동차의 엔진에서 연소되어 대기중으로 방출되는 배기가스에 함유된 유해성분을 제거하기 위하여 자동차의 배기장치에 설치되는 배기가스 정화용 촉매장치에 관한 것이다.

본 발명은, 케이스 내부 상,하류측에 각각 탄화수소를 흡착할 수 있는 탄화수소 포집기와 기타 유해성분을 감소시키기 위한 촉매를 구비한 배기가스 정화용 촉매장치에 있어서, 상기 탄화수소 포집기를 우회하는 우회 배기로를 형성하는 우회관과, 상기 우회 배기로의 개폐를 위하여 상기 우회 배기로 내에 설치되는 개폐 플레이트 및 배기가스 온도가 일정 온도 이상일 때 상기 개폐 플레이트를 개방하여 배기가스가 상기 우회배기로를 통해 배기되도록 하는 개폐장치로 구성되며,

이와 같은 구성에 따르면, 시동초기에 주로 발생하는 탄화수소 등의 유해성분의 대부분을 정화할 수 있으므로 자동차 배기가스로 인한 대기오염을 줄이는데 크게 기여할 수 있다.

Description

배기가스 정화용 촉매장치{Catalystic Converter}

본 발명은 자동차의 엔진에서 연소되어 대기중으로 방출되는 배기가스에 함유된 유해성분을 제거하기 위하여 자동차의 배기장치에 설치되는 배기가스 정화용 촉매장치에 관한 것으로, 특히 시동초기에 주로 발생하는 탄화수소 등의 유해성분을 효과적으로 정화할 수 있게 구성된 배기가스 정화용 촉매장치에 관한 것이다.

점점 강화되어 가는 자동차 배출가스 규제에 대응하기 위하여 자동차 배기장치에 설치되는 배기가스 정화용 촉매장치는, 정밀한 전자제어 및 여러 가지 배출가스 후처리를 통해 배기가스로부터 보다 많은 유해성분을 제거할 수 있도록 개량되고 있으며 그 결과 배출가스는 상당히 저감되었다.

이때, 배기가스 정화용 촉매장치에 내장되어 유해성분을 제거하는 촉매의 경우 원활한 정화작용을 하기 위해서는 일정수준( 활성화 온도 : 약 350 C 정도 Light-Off Temperature )에 도달하여야 하는데 즉, 촉매장치의 온도가 활성화 온도를 넘어서고 적절한 공연비 제어가 이루어지면 엔진에서 배출되는 거의 모든 유해물질이 정화된다. 그러나, 시동초기에 촉매의 온도는 대기의 온도와 같은 수준으로 활성화 온도에 도달하기 위해서는 배출가스로부터 열을 전달받아야 하므로, 시동 후부터 활성화 온도에 도달할 때까지(LA-4 mode 기준 시동 후 20~30 여초) 배출되는 유해가스들은 그대로 방출되는 실정이다. 이는 시간은 그리 길지 않지만 이 기간동안 배출되는 배출가스는 전체 배출가스의 80% 이상을 상회하는 실정으로서 이에, 냉시동시 배출가스를 줄이기 위하여 많은 연구가 진행되어 왔으며, 대표적인 기술로는 전기장치를 이용하여 촉매를 가열하는 EHC(Electrically Heated Catalyst) 방식과, 탄화수소 포집장치(HC-Adsorber)를 이용한 방법등이 있다.

전기가열식 촉매장치(EHC)의 경우 촉매장치 내에 전열선을 삽입하여 배터리 전원을 이용하여 촉매의 온도를 활성화 온도가지 가열시키는 기술로서, 냉시동 시의 배출가스 저감에는 상당한 효과를 보이나 소모되는 전력이 워낙 커서 기존 배터리 용량을 훨씬 상회 할 뿐 아니라 배터리의 내구성 감소 및 상당한 원가 상승요인으로 작용하므로 실차 적용이 불가능한 실정이다. 그리고, 탄화수소 포집장치(HC-Adsorber)를 이용한 방법의 경우에는, 냉시동 초기에 배출되는 탄화수소를 탄화수소 포집장치에서 포집한 후 촉매가 일정수준에 도달하면 포집된 탄화수소를 흘려보내어 뒤쪽의 촉매에서 정화시키는 기술로서, 이 방법의 경우에는 냉시동 초기의 탄화수소 포집에는 완벽한 기능을 하나 포집장치의 온도가 250℃ 이상이 되면 저장된 탄화수소를 방출하기 시작하게 되는데, 이때 후방에 있는 촉매의 온도는 포집장치의 온도보다 훨씬 낮은 온도를 유지하고 있으므로 포집장치에서 배출된 탄화수소를 정화하지 않은 채로 방출하는 문제점이 있었다. 따라서, 탄화수소 포집장치(HC-Adsorber)를 이용한 방법은 기존기술 대비 저감효율이 20% 정도로 원가 상승분에 비하여 그 효용가치가 크게 떨어졌었다. 이러한 단점을 개선하기 위하여 포집장치에서 배출되는 탄화수소를 분지관을 이용하여 상류의 촉매장치로 보내주어 정화를 시키는 방법이 제안되기도 하였다. 그러나, 이방법의 경우 배기시스템이 복잡해지며, 분지관내의 흐름을 제어하는 밸브로 인해 배출가스 누설 위험을 피할 수 없다는 문제점 등이 있어서 현재 양산차량에 적용되지는 못하였다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 배기가스 정화용 촉매장치의 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 시동초기에 주로 발생하는 탄화수소를 효과적으로 저감할 수 있게 구성된 배기가스 정화용 촉매장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명에 따른 배기가스 정화용 촉매장치는, 케이스 내부 상,하류측에 각각 탄화수소를 포집할 수 있는 탄화수소 포집기와 기타 유해성분을 감소시키기 위한 촉매를 구비한 배기가스 정화용 촉매장치에 있어서,상기 탄화수소 포집기를 우회하는 우회 배기로를 형성하는 우회관;상기 우회관의 후단에 결합되어 우회관에서 배출되는 배기가스를 하류측을 향하여 사방으로 분산 투과시키는 다공판;상기 우회 배기로의 개폐를 위하여 상기 우회 배기로 내에 설치되는 개폐 플레이트 및;열팽창실을 형성하여 배기가스 열에 의해 팽창되는 열팽창유체를 충전하는 실린더와, 상기 실린더의 열팽창실 압력에 의해 전진하여 그 선단에 연결된 상기 개폐 플레이트가 개방되도록 하는 피스톤, 상기 개폐플레이트의 회전축에 감겨진 상태에서 상기 열팽창실의 부압으로 피스톤이 후진되는 경우 그 피스톤에 의해 당겨지면서 상기 회전축을 회전시켜 상기 개폐플레이트를 폐쇄시키는 와이어 및 상기 개폐플레이트를 개방되는 방향으로 탄성 지지하는 비틀림스프링으로 이루어진 개폐장치;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

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이하, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 따른 배기가스 정화용 촉매장치의 구성과 작용을 보다 구체적으로 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 정화용 촉매장치의 시동초기 작동 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 정화용 촉매장치의 우회관과 그 개폐구조를 보인 확대 단면도이다. 그리고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 정화용 촉매장치의 정상 작동 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 정화용 촉매장치는 배기가스 통로를 형성하는 케이스(1), 상기 케이스(1) 내부 상류측에 배기가스에 함유된 탄화수소를 포집할 수 있게 설치되는 탄화수소 포집기(2), 상기 케이스(1)내 하류측에서 탄화수소 이외의 유해성분을 정화시키는 촉매, 상기 탄화수소 포집기(2) 내에서 탄화수소 포집기(2)를 거치지 않는 배기로를 형성하는 우회관(3), 상기 우회관(3) 후단에 결합되는 반구형의 다공판(5), 상기 우회관(3) 내에서 회전되면서 그 우회관(3) 내부의 배기로를 개폐하는 개폐플레이트(60)로 구성되어진다.그리고, 배기가스 온도가 일정 온도 이상일 때 상기 개폐플레이트(60)를 개방하기 위한 개폐장치(6)로서 도 1과 2에 나타난 바와 같이, 열팽창유체가 충전되는 열팽창실(61a)을 형성하는 실린더(61), 상기 열팽창실(61a) 압력 변화에 따라 전,후진하는 피스톤(62), 상기 피스톤(62)에 연결된 상태에서 상기 개폐플레이트 회전축(60a)에 감겨진 와이어(64) 및 양단이 개폐플레이트(60)의 걸림턱(60b)과 케이스(1)의 걸림턱(4a)에 각각 고정되어 상기 개폐플레이트(60)를 개방되는 방향으로 탄성 지지하는 비틀림스프링(63) 등으로 구성되어 있다.

이상의 구성에 있어서, 상기 우회관(3)을 개폐시키기 위한 개폐장치(6)는 배기가스의 온도가 아직 정상온도에 이르지 못한 시동초기에는, 도 1에 도시된 바와 같이 열팽창실(61a)에서 수축된 열팽창유체의 부압으로 후진된 피스톤(62)에 의해서 와이어(64)가 당겨지면서, 상기 개폐플레이트(60)의 회전축(60a)을 회전시킴에 따라 상기 개폐플레이트(60)가 회전되어 우회관(3)을 폐쇄시킨다. 그리고, 시동 후 일정시간이 경과하여 배기가스의 온도가 상승하면, 도 3에 나타난 바와 같이 열팽창실(61a)의 열팽창유체가 배기가스의 열에 의해 팽창하여 피스톤(62)을 밀어내고, 이에 와이어(64)가 느슨해지면서 피스톤(62)에 의해 당겨졌던 와이어(64)에 구속되었던 개폐플레이트(60)가 비틀림 스프링(63)의 탄성력에 의해 회전하여 우회관(3)을 개방한다. 또한, 엔진이 정지되어 배기가스의 온도가 떨어지면 촉매의 온도가 저하됨과 동시에 열팽창실(61a)의 열팽창유체가 수축되면서 생성하는 부압에 의해서 피스톤(62)과 와이어(64)가 당겨지면서 개폐 플레이트 회전축(60a)을 회전시킴에 따라 우회관(3)이 개폐플레이트(60)에 의해 폐쇄된다.

이와 같은 개폐장치(6)의 작용으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 정화용 촉매장치는, 배기가스의 온도가 정상온도에 이르지 못한 시동초기에는 수축된 열팽창유체가 피스톤(62)에 부압을 작용함에 따라 피스톤(62)이 후진하여 와이어(64)를 당기고 우회관(3)은 상기 와이어(64)에 의해 회전된 개폐플레이트(60)에 의해서 폐쇄된다. 이에 정상온도에 이르지 못한 배기가스는 탄화수소 포집기(2)를 통과하여 촉매를 거쳐 배출되며, 그 과정에서 배기가스에 함유된 탄화수소는 탄화수소 포집기(2)에서 포집되고 기타 유해성분은 촉매에 의해 정화된다. 따라서, 시동초기 배기가스는 탄화수소 포집기(2)와 촉매를 거치면서 대부분의 유해성분이 제거된 상태로 배출된다.

이어, 시동 후 일정 시간 경과하여 배기가스의 온도 상승으로 탄화수소 포집기(2)가 가열되어 탄화수소를 방출하는 일정 수준(약 250 ℃ )에 온도에 도달하면, 열팽창실(61a)의 열팽창유체가 배기가스의 열에 의해 팽창하여 피스톤(62)을 밀어냄으로써, 피스톤(62)에 의해 당겨진 와이어(64)에 의해 구속되었던 개폐플레이트(60)가 와이어(64)가 느슨해짐에 따라 비틀림 스프링(63)의 복원력에 의해 회전하여 우회관(3)을 개방한다. 이에, 대부분의 배기가스는 유동저항이 없는 우회관(3) 내 배기로를 통과하여 다공판(5)에서 분산된 후 촉매의 전표면을 거쳐 배출되며, 그 과정에서 배기가스는 사전에 이미 배기가스의 열에 의해 충분히 가열되어 활성화 온도 이상으로 높아진 촉매에 의해서 유해성분의 대부분과 온도 상승으로 탄화수소 포집기(2)에서 방출되는 탄화수소 성분 등이 정화된 상태로 배출된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 배기가스 정화용 촉매장치는, 시동초기에 집중적으로 배출되는 탄화수소 등의 유해성분을 탄화수소 포집기로 포집하였다가 일정시간 경과 후 활성화 온도에 도달한 촉매로 정화시켜 배출할 수 있으므로 자동차 배기가스로 인한 대기오염을 줄이는데 크게 기여할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 배기가스 정화용 촉매장치는 분지관이나 제어밸브 등의 별도 제어장치가 필요치 않고 정화성능 개선으로 촉매 등의 부피와 귀금속함량을 줄일 수 있으므로 제조원가가 저렴하다는 장점이 있으며, 촉매 등의 크기가 축소되어 배압을 감소시킬 수 있으므로 동력 성능도 개선하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 정화용 촉매장치의 시동초기 작동 단면도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 정화용 촉매장치의 우회관과 그 개폐구조를 보인 확대 단면도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 정화용 촉매장치의 정상 작동 단면도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 케이스 2 : 탄화수소 포집기

3 : 촉매 4 : 우회관

5 : 다공판 6 : 비틀림 스프링

60 : 개폐플레이트 60a : 회전축

61 : 실린더 62 : 피스톤

63 : 비틀림 스프링 64 : 와이어

Claims

케이스 내부 상,하류측에 각각 탄화수소를 포집할 수 있는 탄화수소 포집기와 기타 유해성분을 감소시키기 위한 촉매를 구비한 배기가스 정화용 촉매장치에 있어서,

상기 탄화수소 포집기를 우회하는 우회 배기로를 형성하는 우회관;

상기 우회관의 후단에 결합되어 우회관에서 배출되는 배기가스를 하류측을 향하여 사방으로 분산 투과시키는 다공판;

상기 우회 배기로의 개폐를 위하여 상기 우회 배기로 내에 설치되는 개폐 플레이트 및;

열팽창실을 형성하여 배기가스 열에 의해 팽창되는 열팽창유체를 충전하는 실린더와, 상기 실린더의 열팽창실 압력에 의해 전진하여 그 선단에 연결된 상기 개폐 플레이트가 개방되도록 하는 피스톤, 상기 개폐플레이트의 회전축에 감겨진 상태에서 상기 열팽창실의 부압으로 피스톤이 후진되는 경우 그 피스톤에 의해 당겨지면서 상기 회전축을 회전시켜 상기 개폐플레이트를 폐쇄시키는 와이어 및 상기 개폐플레이트를 개방되는 방향으로 탄성 지지하는 비틀림스프링으로 이루어진 개폐장치;

로 구성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 촉매장치.
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