KR100506711B1 - 유로 가변형 촉매컨버터를 이용한 배기가스 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유로 가변형 촉매컨버터와 이것을 이용한 배기가스 제어방법에 관한 것으로서, 촉매컨버터의 내부에 직진성향과 여과성향을 갖는 2개의 유로를 구비하고, 엔진의 운전상태에 따라 배기가스의 유로를 선택적으로 가변시켜 줌으로써, 냉시동시 촉매컨버터의 촉매를 엔진오일에 의한 피독으로부터 보호할 수 있고, 이에 따라 촉매컨버터의 효율이 저하되는 문제를 막을 수 있는 동시에 촉매 배기계가 장기적으로 우수한 내구특성을 갖도록 한 새로운 개념의 유로 가변형 촉매컨버터와 이것을 이용한 배기가스 제어방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

유로 가변형 촉매컨버터를 이용한 배기가스 제어방법{Exhaust gas control method using catalytic converter with variable flow path}

본 발명은 유로 가변형 촉매컨버터 및 이것을 이용한 배기가스 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 엔진의 운전상태에 따라 배기가스의 유로를 가변시켜 냉시동시 촉매컨버터의 촉매를 엔진오일에 의한 피독으로부터 보호할 수 있도록 함으로써, 촉매컨버터의 효율이 저하되는 문제를 막을 수 있는 새로운 개념의 유로 가변형 촉매 컨버터와 이것을 이용한 배기가스 제어방법에 관한 것이다.

최근 각국의 배기가스 규제가 강화되면서 이를 만족시키기 위한 배기 후처리와 관련한 기술도 발전하고 있다.

배기 후처리 기술에서 가장 어려운 문제점의 하나는 초기에 발생하는 배기가스의 처리에 관한 것이다.

냉시동 초기에는 배기계와 촉매가 모두 차갑기 때문에 촉매활성이 나타나지 않게 되고, 따라서 발생하는 배기가스가 정화되지 못한 상태에서 그대로 대기중으로 배출된다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 촉매컨버터를 엔진 배기포트 가까이에 근접 설치하여 냉시동 후 짧은 시간 내에 빠르게 활성화되게 하고, 따라서 초기 냉시동에 의한 배기가스 배출량을 극소화하려는 촉매 배기계 설계가 90년대 이후 많이 적용되고 있다.

이러한 설계 개념이 적용된 전형적인 배기계의 구성은 도 1에서 개략적으로 보여주고 있다.

즉, 매니폴드 근접형(또는 초기 냉시동형) 촉매컨버터(100)와 차바닥형 촉매컨버터(200)로 구성된다.

매니폴드 근접형 촉매컨버터는 작게 설계하면서도 촉매에 담지시키는 귀금속의 양을 높여 저온활성화를 극대화하고 고온에서의 내구성도 향상시켰다.

따라서, 일반적으로 매니폴드 근접형 촉매컨버터에 귀금속이 더 많이 담지된다.

그러나, 이러한 촉매컨버터를 채용하는 시스템에서는 촉매컨버터 내구상에 문제가 있는데, 그것은 엔진오일에 의한 촉매의 피독현상이다.

배기가스에 미량 포함된 엔진오일이 촉매층에서 연소되면 피독물질인 인이나 아연 등이 촉매에 쌓이는데, 이 피막이 촉매의 귀금속과 배기 오염물질의 접촉을 방해하여 활성이 급격하게 저하된다.

특히, 이러한 피독현상은 상류 촉매, 즉 매니폴드 근접형 촉매컨버터에서 심각하게 나타난다.

이러한 피독이 계속 진행되면 활성이 극대화되어야 할 최상류의 촉매 활성이 급격히 감소하여 곧 전체 촉매 배기계에서 저온활성이 저하되는 결과를 야기한다.

따라서, 엔진오일 등에 의한 피독으로 촉매 효율이 저하되는 문제점을 해결할 수 있는 방법의 개발이 절실히 요구되고 있으며, 궁극적으로 차량 배기가스용 촉매컨버터의 장기적인 내구성을 개선할 수 있는 새로운 배기계 구조 및 운영방식이 요구되고 있다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 촉매컨버터의 내부에 직진성향과 여과성향을 갖는 2개의 유로를 구비하고, 엔진의 운전상태에 따라 배기가스의 유로를 선택적으로 가변시켜 줌으로써, 냉시동시 촉매컨버터의 촉매를 엔진오일에 의한 피독으로부터 보호할 수 있고, 이에 따라 촉매컨버터의 효율이 저하되는 문제를 막을 수 있는 동시에 촉매 배기계가 장기적으로 우수한 내구특성을 갖도록 한 새로운 개념의 유로 가변형 촉매컨버터와 이것을 이용한 배기가스 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유로 가변형 촉매컨버터는 매니폴드 근접형 촉매컨버터에 있어서, 상기 촉매컨버터의 내부에는 촉매의 중심측으로 배기가스가 관통할 수 있는 직진유로를 형성하는 동시에 이곳을 개폐할 수 있는 밸브를 설치하고, 상기 밸브는 엔진의 흡기부압을 이용하는 액추에이터 및 솔레노이드에 의해 개폐되게 하며, 상기 솔레노이드는 엔진 냉각수 온도를 입력신호로 하는 전자제어장치의 출력제어를 받아 ON/OFF 동작되게 한 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 밸브의 개폐를 위해 전자제어장치의 출력제어를 받는 솔레노이드는 냉각수 온도 40∼60℃ 이하에서 ON 동작을 하여 80∼120sec 동안 지속하는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배기가스 제어방법은 매니폴드 근접형 촉매컨버터와 차바닥형 촉매컨버터를 이용하여 배기가스를 제어하는 방법에 있어서, 상기 매니폴드 근접형 촉매컨버터는 내부에 배기가스를 그대로 통과시키는 직진유로 및 이곳을 개폐하는 밸브와 촉매를 거쳐 배기가스를 여과시키면서 통과시키는 촉매층을 갖는 것으로 구성하고, 엔진의 운전상태에 따라 직진유로와 촉매층을 통하여 선택적으로 배기가스를 흐르게 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 2개의 유로를 통해 배기가스를 선택적으로 흐르게 하는 제어과정은 엔진의 시동을 ON시키는 단계, 냉각수 온도가 설정온도, 예를 들면 50℃ 이하인지 판단하는 단계, 냉각수 온도가 설정온도 이하이면 타이머를 가동하는 동시에 직진유로상의 밸브를 닫아주고 냉각수 온도가 설정온도 이상이면 냉시동모드를 종료하는 단계, 타이머 가동시간이 100sec 이상 경과하였는지의 여부를 판단하는 단계, 타이머 가동시간이 100sec 이상이면 직진유로상의 밸브를 열어주는 단계, 밸브의 열림과 동시에 냉시동모드를 종료하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 유로의 변경이 가능한 촉매컨버터의 구조와 이를 이용한 배기계의 제어방식을 특징으로 한다.

먼저, 본 발명의 핵심인 유로변경이 가능한 촉매컨버터의 구조는 도 2에서 상세히 보여주고 있다.

이러한 촉매컨버터의 구조는 매니폴드 근접형 촉매컨버터에 주로 적용되며, 유로의 조절이 가능하도록 설계되었다.

즉, 촉매컨버터가 갖는 촉매(10)의 중심축선을 따라 직진유로(11)를 관통 형성하여 매니폴드측에서 배출되는 배기가스가 그대로 흐를 수 있도록 하고, 직진유로(11)에는 밸브(12)를 설치한다.

이때의 밸브(12)는 엔진의 흡기부압을 동력으로 사용하는 액추에이터(13)와 흡기부압의 작용을 단속하는 솔레노이드(14)에 의해 개폐동작이 제어될 수 있도록 한다.

통상 밸브의 축과 액추에이터의 로드는 중간에 힌지수단 등을 포함하는 와이어 등의 전동수단을 적용할 수 있다.

이에 따라, 냉시동시에 밸브를 잠그면 배기가스는 촉매층을 거쳐 지나면서 정화되고, 촉매 배기계가 충분히 가열되고 난 후, 밸브를 열면 배기가스는 중앙의 직진유로를 통하여 바로 지나간다.

이러한 밸브의 작동에는 엔진의 흡기부압을 이용하게 되며, 이를 위하여 밸브의 개폐동작을 위한 구동 제어수단, 즉 액추에이터 및 솔레노이드는 엔진의 흡기부와 연결되어 있다.

평상시 솔레노이드의 OFF 상태에서는 도 3a에 도시한 바와 같이 밸브(12)는 열려있게 되고, 솔레노이드의 ON 상태에서는 도 3b에 도시한 바와 같이 부압에 의해 액추에이터가 작동되면서 밸브(12)는 90°회전되어 직진유로(11)를 막아주게 된다.

이러한 촉매컨버터의 구조로부터 얻을 수 있는 잇점은 크게 두가지이다.

첫째, 배기가스에 포함된 엔진오일의 성분에 의해 소중한 상류의 촉매가 배기가스에 장기간 노출되어 노화되는 것이 방지된다.

상류의 촉매는 초기 냉시동시에 배기가스 정화에 가장 핵심적인 역할을 수행하게 되는데, 이러한 촉매가 피독되면 냉시동시의 정화효율이 급격히 저하된다.

둘째, 일단 배기계가 충분히 가열되고 나면 배기가스가 배압이 걸리는 촉매층을 거치지 않고 바로 배출되므로, 배압이 줄고 따라서 엔진성능이 향상된다.

따라서, 본 발명에서 제공하는 매니폴드 근접형 촉매컨버터를 적용한 실제적인 배기계에서는 다음과 같은 작용이 이루어진다.

초기 냉시동시에는 전방의 매니폴드 근접형 촉매컨버터에 장착된 밸브를 잠가 배기가스가 촉매층을 거쳐 지나도록 한다.

이 경우 빠르게 활성화된 촉매컨버터에 의하여 냉시동시의 배기가스가 신속하게 정화된다.

배기계가 충분히 가열되고 난 후, 밸브를 열면 배기가스는 매니폴드 근접형 촉매컨버터 중앙의 직진유로를 통해 바로 지나가고, 후방의 차바닥형 촉매컨버터에 의해 정화된다.

도 4는 위와 같은 촉매컨버터를 이용하여 배기가스를 제어하는 과정을 보여주고 있다.

엔진 시동 후에는 먼저 냉각수의 온도를 검출하여 이때의 온도가 설정온도, 예를 들면 40∼60℃(바람직하기로는 50℃) 이하인지의 여부를 판단한다.

만일, 냉각수 온도가 50℃ 이하이면 솔레노이드를 ON시켜 밸브를 닫고, 그렇지 않으면 솔레노이드의 OFF 상태를 그대로 유지하여 밸브의 열린상태를 그대로 둔다.

밸브를 닫은 상태에서 촉매 배기계가 충분히 가열되는데 필요한 시간, 예를 들면 80∼120sec(바람직하기로는 100sec)이 경과되면 밸브를 열어 배기가스가 촉매층을 거치지 않고 그대로 빠져나가게 하고, 위의 설정시간 이내이면 밸브의 닫힌상태를 계속 유지한다.

한편, 냉각수 온도가 위의 설정온도 이상이면 밸브의 열려진 상태를 그대로 유지한다.

위와 같은 제어방식에서는 장시간적으로 볼 때, 오일에 의한 피독은 차바닥형 촉매컨버터의 입구부에 집중되는데, 이 영역이 피독에 의하여 활성이 저하되어도 높은 활성이 요구되는 초기 냉시동시의 활성화와는 무관하므로 전체 정화율에 미치는 영향은 적다.

이하, 실시예에 의하여 본 발명을 구체적으로 설명하겠는 바, 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

〈실시예〉

도 2의 구조를 갖는 본 발명의 매니폴드 근접형 촉매컨버터와 일반적인 차바닥형 촉매컨버터로 배기계를 구성하였다.

매니폴드 근접형 촉매컨버터는 0.5ℓ의 촉매 부피에 5g의 귀금속을 담지하고, 차바닥형 촉매컨버터는 1.4ℓ의 촉매 부피에 4.2g의 귀금속을 담지하였다.

각 촉매의 제원은 표 1에 요약하였다.

〈비교예 1〉

일반적인 매니폴드 근접형 촉매컨버터와 차바닥형 촉매컨버터로 배기계를 구성하였다.

매니폴드 근접형 촉매컨버터는 1.0ℓ의 촉매 부피에 7g의 귀금속을 담지하고, 차바닥형 촉매컨버터는 1.4ℓ의 촉매 부피에 4.2g의 귀금속을 담지하였다.

각 촉매의 제원은 표 1에 요약하였다.

〈비교예 2〉

일반적인 매니폴드 근접형 촉매컨버터와 차바닥형 촉매컨버터로 배기계를 구성하였다.

매니폴드 근접형 촉매컨버터는 0.5ℓ의 촉매 부피에 5g의 귀금속을 담지하고, 차바닥형 촉매컨버터는 1.4ℓ의 촉매 부피에 4.2g의 귀금속을 담지하였다.

각 촉매의 제원은 표 1에 요약하였다.

상기 실시예에서 설계된 본 발명의 촉매 배기계 시스템과 비교예 1과 2로 설계된 촉매 배기계 시스템을 차량에 장착하고, 실제로 160,000km를 주행한 후에 국내 공인 평가모드로 운전한 결과 배출되는 탄화수소의 농도를 측정하였다.

단, 이때 실시예의 배기계의 경우 매니폴드 근접형 촉매컨버터에 장착된 밸브 조작은 초기 1분 동안 닫고 그 이후에는 계속적으로 개방하였다.

또한, 각 배기계를 장착한 상태에서 차량의 최대 출력을 평가하였다.

다음 표 1에 그 결과를 나타내었다.

장기 주행 후 차량시험 평가시 단위 킬로미터당 배출되는 탄화수소의 농도를 비교한 결과, 본 발명에 따른 실시예에서의 배출량이 귀금속 사용량이 많은 비교예 1의 배출량과 동일하였으며, 동일량의 귀금속을 사용한 비교예 2의 배출량보다 적게 나타났다.

이는 본 발명의 기술을 적용하면 적은 귀금속 사용량으로도 효율적으로 공해물질을 저감할 수 있음을 의미하는 결과이다.

또한, 최대출력에서도 본 발명의 실시예가 가장 높게 나타났는데, 이는 본 발명의 배기계가 촉매에 의한 배압을 줄여주기 때문이다.

즉, 본 발명을 적용하면 배기가스의 정화성능과 엔진성능을 동시에 향상시킬 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 엔진의 운전상태에 따라 배기가스의 흐름을 선택적으로 가변시켜 촉매컨버터의 촉매를 엔진오일에 의한 피독으로부터 보호할 수 있는 수단과 방법을 제공함으로써, 촉매의 귀금속 사용량을 상대적으로 줄이면서도 촉매 배기계가 장기적으로 우수한 내구특성을 갖도록 하는 효과가 있으며, 또한 배기계에 걸리는 배압을 저감하여 엔진의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 삼원촉매 컨버터 시스템을 보여주는 개략도

도 2는 본 발명에 따른 유로 가변형 촉매컨버터의 구조를 보여주는 개략도

도 3a,3b는 도 2에서 밸브의 개폐상태를 보여주는 단면도

도 4는 본 발명에 따른 유로 가변형 촉매컨버터를 이용한 배기가스 제어방법을 보여주는 플로어챠트

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 촉매 11 : 직진유로

12 : 밸브 13 : 액추에이터

14 : 솔레노이드

Claims (4)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 매니폴드 근접형 촉매컨버터와 차바닥형 촉매컨버터를 이용하여 배기가스를 제어하되, 상기 매니폴드 근접형 촉매컨버터는 내부에 배기가스를 그대로 통과시키는 직진유로 및 이곳을 개폐하는 밸브와 촉매를 거쳐 배기가스를 여과시키면서 통과시키는 촉매층을 갖는 것으로 구성하고, 엔진의 운전상태에 따라 직진유로와 촉매층을 통하여 선택적으로 배기가스를 흐르게 하는 유로 가변형 촉매컨버터를 이용한 배기가스 제어방법에 있어서,

   상기 2개의 유로를 통해 배기가스를 선택적으로 흐르게 하는 제어과정은 엔진의 시동을 ON시키는 단계, 냉각수 온도가 설정온도 이하인지 판단하는 단계, 냉각수 온도가 설정온도 이하이면 타이머를 가동하는 동시에 직진유로상의 밸브를 닫아주고 냉각수 온도가 설정온도 이상이면 냉시동모드를 종료하는 단계, 타이머 가동시간이 100sec 이상 경과하였는지의 여부를 판단하는 단계, 타이머 가동시간이 100sec 이상이면 직진유로상의 밸브를 열어주는 단계, 밸브의 열림과 동시에 냉시동모드를 종료하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유로 가변형 촉매컨버터를 이용한 배기가스 제어방법.