KR100506717B1 - 자동차의 배압저감용 촉매계 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차의 배압저감용 촉매계 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 촉매계의 배기가스 도입부 및 배출부에 형성된 촉매 코팅층의 두께를 조절하여 급격한 유로 변경에 의한 항력의 발생을 줄여 배압을 저감시킬 수 있도록 촉매계를 제조하되, 배압의 증가를 줄이면서도 촉매 컨버터의 부피를 늘릴 수 있도록 함으로써, 자동차 배기가스에 대한 정화 성능을 향상시킴은 물론, 엔진 출력도 향상시킬 수 있는 자동차의 배압저감용 촉매계 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

자동차의 배압저감용 촉매계 및 이의 제조방법{Catalytic systems for reduction of pressure drop for automobile and method for manufacturing the same}

본 발명은 자동차의 배압저감용 촉매계 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 촉매계의 배기가스 도입부 및 배출부에 형성된 촉매 코팅층의 두께를 조절하여 급격한 유로 변경에 의한 항력의 발생을 줄여 배압을 저감시킬 수 있도록 촉매계를 제조하되, 배압의 증가를 줄이면서도 촉매 컨버터의 부피를 늘릴 수 있도록 함으로써, 자동차 배기가스에 대한 정화 성능을 향상시킴은 물론, 엔진 출력도 향상시킬 수 있는 자동차의 배압저감용 촉매계 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

20세기 초 미국의 포드사 등에서 대량으로 생산되기 시작한 자동차는 폭발적으로 증가하여 현재에는 없어서는 안될 중요한 운송수단이 되었다.

이러한 자동차의 이용도가 증가함에 따라 교통량의 증가로 도로의 혼잡, 각종 교통사고와 진동 등에 따른 피해 및 배기가스로 인한 대기오염 등이 심각하고 중요한 사회문제로 대두되고 있다.

자동차에서 배출되는 가스는 배기가스, 블로우바이가스(blow-by gas) 및 증발가스로 나누어진다.

이 중에서 배기가스는 연료가 실린더 내에서 고온 및 고압의 가스로 된 후 팽창함으로써, 역할을 다하고 배기 파이프로부터 대기중으로 방출되는 가스로서, 이 배기가스의 대부분을 차지하는 것은 수증기와 이산화탄소(CO₂)이며, 그 밖에 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 및 질소산화물(NOx) 등의 유해물질이 있다.

상기 배기가스 중의 성분 중, 특히 삼원가스로 불리우는 일산화탄소, 탄화수소 및 질소산화물 등은 매우 심각한 환경오염을 야기시켜 이러한 물질을 감소시키려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

즉, 전기자동차 등과 같이, 배기가스가 전혀 발생되지 않는 자동차를 개발하려는 연구 등이 진행되고 있으나, 효율면에서 아직도 개선할 점이 많기 때문에 상용화하는데 상당한 어려움이 있다.

한편, 종래의 자동차에서 각 기관의 형상, 작동조건 및 작동상태 등을 개선하여 유해한 배기가스의 발생을 줄이려는 연구가 계속되고 있다.

또한, 배기가스를 촉매로 분해하여 이러한 유해성분이 방출되는 것을 줄이려는 연구가 진행되고 이러한 노력이 상당히 효과가 있어 현재 각종 차량에 적용되고 있다.

촉매는 자동차 및 다른 가솔린 연료의 엔진과 같은 내연기관의 배기가스 처리를 포함하는 많은 분야에 유용하게 적용된다.

상기한 오염물질에 대한 방출기준이 정부에 의해 정해져 있으며, 신규 자동차는 이러한 기준을 충족시켜야 한다.

이와 같은 기준을 충족시키기 위해서 적당한 귀금속 촉매를 함유하는 소위 삼원 촉매 컨버터(three way catalytic converter)가 내연기관의 배기가스관에 설치되어 탄화수소와 일산화탄소의 산화 및 질소산화물의 환원을 촉진시키는 바, 배기가스 중의 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)를 산화시켜 이산화탄소(CO₂) 및 물(H₂O)로 변환하는 산화촉매의 기능과, 질소 산화물(NOx)을 질소(N₂)와 이산화탄소(CO₂)로 각각 환원시키는 환원촉매의 기능이 동시에 나타난다.

이러한 촉매 컨버터는 반응에 필요한 온도 및 배기가스의 체류시간 등과 같은 요건을 충족시키기 위해 그 유효면적을 크게 함과 아울러, 그 표면에 배기가스의 유해성분이 산화 및 환원반응을 일으키도록 하는 귀금속촉매 성분이 함유되어 있는 와시코트(washcoat) 슬러리가 코팅된 벌집구조의 촉매담체(擔體)가 하우징 내에 장착되어 있다.

이러한 촉매 컨버터의 촉매계 구조는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 촉매담체(110)에 와시코트 코팅층(120)으로 슬러리가 코팅되면서 그 두께가 더욱 두꺼워지면서 배출되는 배기가스의 압력인 배압이 더욱 커지게 된다.

상기 배압의 발생은 배기가스가 경유하는 유로의 급격한 변화를 일으키는 구조체에 의하여 더욱 크게 발생하는데, 이는 촉매계(100)의 입구부와 출구부에서 발생한다.

그런데, 이와 같은 배기가스의 배압의 상승은 출력의 저하를 유발하는 문제점이 있다.

따라서, 자동차 배기가스 정화에 있어서 상기한 배압의 상승에 따라 출력이 저하되는 문제점을 해결할 수 있는 촉매계의 제조방법의 개발이 절실하였다.

이에, 본 발명의 발명자는 자동차 배기가스 정화용 촉매 컨버터를 제조함에 있어서, 촉매계의 입구부와 출구부를 초음파세척기에 세척하는 공정을 통하여 그 부분의 와시코트 코팅층을 제거하면 배압을 저감시킬 수 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명은 자동차의 배기가스 정화용 삼원 촉매 컨버터를 구성함에 있어서, 촉매계의 촉매담체와 와시코트 코팅층으로 구성하되, 급격한 유로 변경에 의한 항력의 발생을 줄여 배압을 저감시킬 수 있도록 함으로써, 자동차 배기가스에 대한 정화 성능을 향상시킴은 물론, 엔진 출력도 향상시킬 수 있는 자동차의 배압저감용 촉매 컨버터 및 이의 제조방법를 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 촉매담체에 와시코트 코팅층이 코팅된 촉매계에 있어서,

상기 촉매계(10)는 초음파 세척공정을 통해 그 입구부와 출구부 양단 일부구간의 와시코트 코팅층(12)이 안쪽방향으로 경사진 형태로 제거된 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 와시코트 코팅층(12)이 제거된 촉매계(10)의 입구부와 출구부 양단의 길이는 0.5 ~ 20mm인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 배압저감용 촉매계를 제조함에 있어서,

알루미나 지지체와 함께 세리아를 첨가시킨 다공성 담지체에 귀금속 용액을 함침시키는 단계와; 상기 귀금속 용액이 함침된 다공성 담지체를 습식밀링하여 슬러리로 제조한 후 벌집구조의 촉매담체(11)에 코팅하는 단계와; 코팅이 완료된 촉매계(10)의 입구부를 초음파세척기(20)에 0.5 ~ 20mm의 길이만큼 담가 세척하는 단계와; 상기 촉매계(10) 입구부의 세척공정이 완료되면 촉매계(10)를 180도 회전시켜 촉매계(10)의 출구부를 초음파세척기(20)에 0.5 ~ 20mm의 길이만큼 담가 세척하는 단계와; 건조소성시켜 완성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 배압저감용 촉매계의 셀구조를 나타내는 단면도로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 배기가스의 도입부 및 배출부에 촉매 코팅층의 두께를 조절하여 급격한 유로 변경에 의한 항력의 발생을 줄여 배압을 저감시킬 수 있는 촉매계(10)를 구성하되, 배압의 증가를 줄이면서도 촉매의 부피를 늘릴 수 있도록 함으로써, 자동차 배기가스에 대한 정화 성능을 향상시킬 뿐만 아니라, 엔진 출력도 향상시킬 수 있는 새로운 자동차의 배압저감용 촉매계를 제조하기 위한 것이다.

본 발명에 의한 삼원 촉매 컨버터를 구성하는 촉매계(10)의 제조방법에 대하여 구체적으로 살펴보면 첨부된 도 2의 구성도와 같다.

먼저, 배기가스 정화용 삼원 촉매계(10)는 알루미나 지지체와 함께 세리아를 첨가시킨 다공성 담지체에 귀금속 용액이 함침되어 구성된다.

상기 귀금속 용액이 함침된 다공성 담지체를 습식밀링하여 슬러리로 제조한 후 벌집구조의 촉매담체(11)에 코팅한다.

이때, 상기 란탄족 원소인 세륨의 산화물인 세리아는 삼원촉매의 활성 향상을 도모하고자 이루어진 많은 연구중에서 알게된 한 결과로서, 기상중의 산소를 산화물의 결정중에 흡수하여 저장하거나, 결정중으로 방출할 수 있는 기능을 가진 물질이다.

또한, 상기 귀금속 용액은 백금 및 팔라듐 또는 로듐 등의 용액으로서, 그 농도를 조절하여 알루미나 지지체에 함침시키는 것이 바람직하고, 이러한 알루미나 지지체와 함께 세리아를 첨가시킨 다공성 담지체를 슬러리화한 것을 와시코트(washcoat) 슬러리라고 한다.

다음으로 상기와 같이 와시코트 슬러리로 코팅이 완료된 촉매계(10)를 도 3에 도시된 바와 같이, 초음파세척기(20)에 약 0.5 ~ 20mm 정도 담가 세척하는 바, 상기 세척공정에 의해 촉매계(10)의 와시코트 코팅층(12)이 제거된다. 예를 들면, 작동하고 있는 초음파 세척기에 촉매계를 연속적으로 담갔다가 빼내게 되는데, 이때 와시코트 코팅층이 제거되는 정도는 초음파 세척기에 담가진 시간과 비례한다. 따라서, 촉매계를 세척용액 속에 담갔다가 빼낼 때 끝부분부터 잠기면서 와시코트 코팅층이 제거되기 시작하는데, 세척용액에 먼저 잠기는 부위는 완전히 제거되며 나중에 잠기는 부위, 즉 세척용액의 수면 바로 아래쪽 부위는 완전히 제거되지 않고 남아있게 되므로, 촉매계(10) 입구부의 구조가 안쪽방향으로 완만하게 경사진 형태가 된다.

상기 촉매계(10)의 입구부의 세척공정이 완료되면 촉매계(10)를 180도 회전시켜 촉매계(10)의 출구부를 상기 입구부와 마찬가지로 동일하게 세척한 다음 건조소성시켜 완성한다.

이때, 상기 초음파세척기(20)에 촉매계(10)를 담그는 깊이가 0.5mm 미만일 경우에는 컨버터 구조의 완만한 변화에 따른 배압의 저감효과를 기대할 수 없으며, 20mm를 초과하게 될 경우, 활성 와시코트 코팅층(12)이 기준값보다 더 감소함에 따라 촉매 활성의 저하가 유발되는 문제점이 있다.

따라서, 이와같은 제조방법에 따르면, 급격한 유로 변경에 의한 항력의 발생을 줄여 배압을 저감시킬 수 있도록 촉매계(10)를 제조하되, 그 제조공정 중, 세척공정에서 배압이 완만하게 줄어드는 촉매계(10)의 입구부와, 상기 배압이 완만하게 늘어나는 출구부를 유도하는 구조를 마련할 수 있도록 와시코트 코팅층(12)을 완만하게 경사진 형태로 형성하여 제조함으로써, 배압의 증가를 줄일 수 있다.

따라서, 이러한 배압 저감 효과에 의하여 동일한 배압으로도 여러 개의 촉매를 장착하는 것이 가능하여 촉매계(10)의 부피를 늘릴 수 있다.

즉, 자동차 배기가스에 대한 정화 성능을 향상시킬 뿐만 아니라, 엔진 출력도 향상시킬 수 있는 촉매계(10)의 제조가 가능하게 된다.

이하, 다음의 실시예에 의거하여 본 발명을 상세히 설명하는 바, 본 발명이 다음의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예

알루미나 지지체와 함께 세리아를 첨가시킨 다공성 담지체에 귀금속 용액을 담지시킨 후, 그 다공성 담지체를 습식밀링하여 슬러리로 제조한 다음 벌집구조의 촉매담체에 코팅한다.

코팅이 완료된 촉매계의 입구부와 출구부를 번갈아 초음파세척기에 약 5mm정도 담가 세척한 다음 건조 소성시켜 제조하였다.

비교예

알루미나 지지체와 함께 세리아를 첨가시킨 다공성 담지체에 귀금속 용액을 담지시킨 후, 그 다공성 담지체를 습식밀링하여 슬러리로 제조한 다음 벌집구조의 촉매담체에 코팅하고 건조 소성시켜 제조하였다.

시험예

상기 실시예에서 제조된 본 발명의 촉매계와 비교예에서 제조된 촉매계를 배압측정장치에 장착한 후, 공기의 유량을 변화시키면서 배압을 측정한 결과를 도 4에 나타내었다.

상기 도 4에 나타낸 바와 같이, 유량이 1 ~ 4 m³/min으로 증가할 때, 본 발명의 실시예의 배압은 100 ~ 450mm/H2O로 거의 선형적으로 비례하여 증가하였다.

이는 유량이 1 ~ 4 m³/min으로 증가할 때, 비교예의 배압 100 ~ 800 mm/H2O로 유압의 변화에 따라 배압의 증가폭이 더욱 커지는 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예는 상기 비교예에 비하여 무려 약 50%정도의 배압저감 효과를 이룰 수 있다.

이는 결과적으로 자동차 배기가스에 대한 정화 성능을 향상시킴은 물론, 엔진 출력도 향상됨을 알 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차의 배압저감용 촉매계 및 이의 제조방법에 따르면, 촉매의 입구 및 출구부에 촉매 코팅층의 두께를 조절하여 급격한 유로 변경에 의한 항력의 발생을 줄여 배압을 저감시킬 수 있는 구조로 형성하여 배압의 증가를 줄이면서도 촉매의 부피를 늘릴 수 있음으로써, 자동차 배기가스에 대한 정화 성능을 향상시킴은 물론, 엔진 출력도 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 배압저감용 촉매계의 셀구조를 나타내는 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 배압저감용 촉매계의 제조공정을 나타내는 구성도,

도 3은 배압저감 구조를 갖는 촉매계의 세척공정을 나타내는 공정도,

도 4는 본 발명에 따른 촉매계의 공기유량 변화에 따른 배압변화를 나타내는 그래프,

도 5는 종래의 촉매계의 셀구조를 나타내는 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 촉매계 11 : 촉매담체

12 : 와시코트 코팅층 20 : 초음파세척기

Claims (3)

1. 촉매담체에 와시코트 코팅층이 코팅된 촉매계에 있어서,

   상기 촉매계(10)는 초음파 세척공정을 통해 그 입구부와 출구부 양단 일부구간의 와시코트 코팅층(12)이 안쪽방향으로 경사진 형태로 제거된 것을 특징으로 하는 자동차의 배압저감용 촉매계.
2. 제1항에 있어서, 상기 와시코트 코팅층(12)이 제거된 촉매계(10)의 입구부와 출구부 양단의 길이는 0.5 ~ 20mm인 것을 특징으로 하는 자동차의 배압저감용 촉매계.
3. 배압저감용 촉매계를 제조함에 있어서,

   알루미나 지지체와 함께 세리아를 첨가시킨 다공성 담지체에 귀금속 용액을 함침시키는 단계와; 상기 귀금속 용액이 함침된 다공성 담지체를 습식밀링하여 슬러리로 제조한 후 벌집구조의 촉매담체(11)에 코팅하는 단계와; 코팅이 완료된 촉매계(10)의 입구부를 초음파세척기(20)에 0.5 ~ 20mm의 길이만큼 담가 세척하는 단계와; 상기 촉매계(10) 입구부의 세척공정이 완료되면 촉매계를 180도 회전시켜 촉매계의 출구부를 초음파세척기(20)에 0.5 ~ 20mm의 길이만큼 담가 세척하는 단계와; 건조소성시켜 완성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차의 배압저감용 촉매계의 제조방법.