KR100513468B1 - 차량 배기계의 가변 촉매장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진의 운전상황이 저속저부하운전 중인지 혹은 고속고부하운전 중인가에 따라서 배기가스가 MCC 촉매 혹은 UCC 촉매를 통과하는 유로가 자동으로 결정되도록 구성되어 배기 가스의 배압을 줄여 엔진의 성능이 향상되도록 하는 차량 배기계의 가변 촉매장치에 관한 것으로,

배기가스에 포함된 유해성분이 산화 및 환원되도록 배기 매니폴드의 하측에 MCC 촉매가 장착되고, 배기 파이프의 도중에 UCC 촉매가 장착되는 구조에 있어서,

배기가스에 포함된 유해성분이 산화 및 환원되도록 배기 매니폴드의 하측에 MCC 촉매가 장착되고, 배기 파이프의 도중에 UCC 촉매가 장착되는 구조에 있어서,

경우에 따라서 배기 매니폴드로 배출되는 배기가스가 상기한 MCC 촉매를 거치지 않고 통과되도록 상기 MCC 촉매의 외측에 형성되는 바이패스 통로와;

상기한 MCC 촉매의 입구와 바이패스 통로의 입구를 분리하며, 그 도중에는 배기가스가 통과되기 위한 바이패스 홀이 형성된 격벽과;

상기 바이패스 홀을 개폐하되, 배기가스의 온도가 상승되면 개방작동되어 상기 바이패스 통로 측으로 배기가스가 흐르는 것이 허용되도록 하기 위한 가변온 밸브와;

상기 바이패스 홀을 개폐하되, 배기가스의 압력이 상승되면 개방작동되어 상기 바이패스 통로 측으로 배기가스가 흐르는 것이 허용되도록 하기 위한 가변압 밸브; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

차량 배기계의 가변 촉매장치{Variable exhaust apparatus}

본 발명은 차량 배기계의 가변 촉매장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 엔진의 운전상황이 저속저부하운전 중인지 혹은 고속고부하운전 중인가에 따라서 배기가스가 MCC 촉매 혹은 UCC 촉매를 통과하는 유로가 자동으로 결정되도록 구성되어 배기 가스의 배압을 줄여 엔진의 성능이 향상되도록 하는 차량 배기계의 가변 촉매장치에 관한 것이다.

자동차 엔진에서 배출되는 배기가스에는 인체에 유해한 CO, HC, NO_X 등이 포함되는데, 이와 같이 유해한 배출가스를 인체에 무해한 CO₂, H₂O, N₂ 등으로 산환, 환원시키기 위한 장치가 촉매컨버터이다.

자동차의 배기계에 적용되는 촉매 컨버터에는 배기 매니폴드의 하부에 설치되는 배기매니폴드형 촉매 컨버터(MCC)와 언더 플로우형 촉매 컨버터(UCC)가 사용되고 있다. 특히, MCC 촉매는 엔진의 시동시 및 냉간시에 촉매의 활성화를 가능하면 빠르게 하기 위해서 배기가스의 온도가 높은 쪽인 배기 매니폴드의 바로 하측에 설치되는 것이다.

그리고 최근의 차량에는 점점 강화되고 있는 배기규제법규에 만족시키기 위해서 상기한 MCC 촉매와 UCC 촉매 모두를 배기계 도중에 장착하고 있는 실정이다. 즉, 상기한 UCC 촉매만을 적용하는 차량의 경우에 배기가스의 정화효율이 떨어지게 되므로서 MCC 촉매를 추가로 형성하고 있는 추세이며, 배기가스 규제법규가 강화되면 상기한 MCC 촉매의 셀(Cell) 수나 귀금속의 로딩(Loading)량을 조정해주므로서 강화된 배기가스 규제법규에 적용될 수 있도록 하고 있다.

그런데 상기와 같이 MCC 촉매와 UCC 촉매를 함께 적용하는 경우나, MCC 촉매의 셀 수를 증가하게 되면, 배기가스의 정화효율은 상승되어지나 배기 가스의 배압이 증가되므로서 엔진의 성능은 오히려 저하되는 문제점이 있었다. 또한, 상기와 같이 MCC 촉매 및 UCC 촉매가 엔진의 운전영역에는 상관없이 동시에 적용되므로서 배압증가에 따른 엔진성능이 저하되는 데에는 별도의 대책이 없었다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 엔진의 운전상황이 저속저부하운전 중인지 혹은 고속고부하운전 중인가에 따라서 배기가스가 MCC 촉매 혹은 UCC 촉매를 통과하는 유로가 자동으로 결정되도록 구성되어 배기 가스의 배압을 줄여 엔진의 성능이 향상되도록 하는 차량 배기계의 가변 촉매장치를 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 수단으로서,

배기가스에 포함된 유해성분이 산화 및 환원되도록 배기 매니폴드의 하측에 MCC 촉매가 장착되고, 배기 파이프의 도중에 UCC 촉매가 장착되는 구조에 있어서,

배기가스에 포함된 유해성분이 산화 및 환원되도록 배기 매니폴드의 하측에 MCC 촉매가 장착되고, 배기 파이프의 도중에 UCC 촉매가 장착되는 구조에 있어서,

경우에 따라서 배기 매니폴드로 배출되는 배기가스가 상기한 MCC 촉매를 거치지 않고 통과되도록 상기 MCC 촉매의 외측에 형성되는 바이패스 통로와;

상기한 MCC 촉매의 입구와 바이패스 통로의 입구를 분리하며, 그 도중에는 배기가스가 통과되기 위한 바이패스 홀이 형성된 격벽과;

상기 바이패스 홀을 개폐하되, 배기가스의 온도가 상승되면 개방작동되어 상기 바이패스 통로 측으로 배기가스가 흐르는 것이 허용되도록 하기 위한 가변온 밸브와;

상기 바이패스 홀을 개폐하되, 배기가스의 압력이 상승되면 개방작동되어 상기 바이패스 통로 측으로 배기가스가 흐르는 것이 허용되도록 하기 위한 가변압 밸브; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 엔진 배기계 촉매장치의 구성 및 작동에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면과 함께 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 배기계 촉매 장치의 구성도이도, 도 2는 본 발명에 의한 장치의 요부를 확대도시한 도면이며, 도 3은 본 발명에 의한 가변온 밸브의 장착상태도이고, 도 4는 본 발명에 의한 가변압 밸브의 장착상태도이며, 도 5 내지 도 7은 본 발명에 의한 촉매장치의 작동상태를 도시한 도면이다.

도면 중에 표시되는 도면부호 40은 본 발명에 의해 형성된 가변 촉매장치를 지시하는 것이며, 도면부호 20은 배기 파이프를 지시하는 것이다.

상기한 배기 파이프(20)는 엔진에서 배출되는 배기가스를 차량의 후방으로 안내하기 위한 것으로, 그 도중에는 배기가스 중에 포함된 유해성분을 산화 및 환원시키기 위한 UCC 촉매(22) 및 소음기 등이 장착된다.

그리고 엔진(10)의 배기 매니폴드(12) 하측과 상기 배기 파이프(20)가 연결되는 사이에는 엔진의 초기 시동시 및 엔진 냉간 운전시에 배기가스에 포함된 유해물질을 효과적으로 산화 및 환원시키기 위한 MCC 촉매(30)가 장착된다.

특히, 상기한 MCC 촉매(30)의 외측에는 종래와는 달리, 배기 매니폴드 측에서 입력되는 배기가스의 온도가 설정온도 이상이거나 배기가스의 압력이 설정압력 이상일 경우에 배기 매니폴드(12) 측에서 유입되는 배기가스가 상기 MCC 촉매(30)의 외부로 바이패스될 수 있도록 하기 위한 바이패스 통로(42)가 형성된다. 바이패스 통로(42)가 마련되도록 하기 의해서 그 바디(41)는 상기 MCC 촉매(30)의 외주연을 감싸는 원통형상으로 형성되는 것이 바람직하지만, 차량 설계의 레이아웃에 따라서 바이패스 통로(42)의 형상 및 길이는 변경가능할 것이다. 그리고 상기 바디(41)의 입구와 MCC 촉매(30)의 입구 간에는 두 공간이 격리되도록 하기 위한 격벽(43)이 형성된다.

배이패스 통로(42)가 원통형으로 형성되고 그 내측에 MCC 촉매(30)가 위치되는 경우에, 상기 격벽(43)은 하부가 잘린 깔대기 형상으로 형성되어, 그 상부는 상기 바이패스 통로(42)의 내경에 접속되고, 그 하부는 MCC 촉매(30)의 외경에 접속되어 상기한 MCC 촉매(30)의 입구와 바이패스 통로(42)의 입구가 서로 격리될 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 격벽(43)의 도중에는 바이패스 홀(44,46)이 형성되고, 상기 바이패스 홀(44,46)에는 배기가스의 온도 및 압력의 변화에 따라서 배기가스가 선택적으로 통과될 수 있도록 하기 위한 가변온 밸브(50)와 가변압 밸브(60)가 형성된다.

가변온 밸브(50)는 배기가스의 온도가 본 발명에 의한 가변 촉매장치(40)의 작동온도로 설정된 온도보다 높거나 낮음에 따라서 개폐작동될 수 있도록 형성되는데, 바람직하게는 온도변화에 따라서 형상이 변경되는 바이메탈(52)이 상기 가변온 밸브(50)의 구동원으로 이용되도록 형성된다.그리고 가변압 밸브(60)는 배기가스의 압력이 본 발명에 의한 가변 촉매장치(40)의 작동압력으로 설정된 압력보다 높거나 낮음에 따라서 탄력적으로 개폐작동될 수 있도록 형성되는데, 바람직하게는 상기 격벽(43)에 일측이 힌지결합되는 가변압 밸브(60)의 힌지축(61)에 스프링(62)이 장착되어 구동원으로 이용되도록 형성된다. 상기한 가변온 밸브(50) 및 가변압 밸브(60)는 배기가스의 흐름방향에 순응하여 개방될 수 있도록 그 개방되는 방향은 바이패스 통로(42)의 내측을 향하도록 설정된다.

그리고 상기한 MCC 촉매(30)의 하부는 방사상의 방향으로 위치되는 지지대(32)에 의해서 지지되는데, 상기 지지대(32)는 배기가스가 통과되는데 저항으로 작용되지 않도록 상기 지지대(32) 간에는 충분한 공간이 확보된다.

이상과 같이 구성되는 본 발명의 작동상태를 설명하면 다음과 같다.

엔진(10)이 운전된 후 시동초기에는 엔진이 냉간 운전상태에 있게 되므로서, 배기 매니폴드(12)로 배출되는 배기가스의 온도 및 압력이 본 발명에 의한 가변 촉매장치(40)가 작동되기 위한 설정온도 및 설정압력과 비교할 때 낮은 상태에 있게 된다. 따라서 상기 가변온 밸브(50) 및 가변압 밸브(60)는 모두 닫힌 상태에 있게 되고, 배기 매니폴드를 통과한 배기가스의 전부는 상기 MCC 촉매(30)로 유입된다. MCC 촉매(30)에는 엔진(10)의 배기 매니폴드(12)의 열이 빨리 전달되므로서, 그 내부의 촉매가 반응하는 시간이 단축되어 엔진의 냉간 운전시 배출되는 배기가스 중의 유해성분이 산화 및 환원된다.

그리고 엔진(10)이 시동된 후 소정의 시간이 흘러 배기 매니폴드(12)로 배출되는 배기가스의 압력 및 온도는 본 발명에 의해 형성된 가변 촉매장치(40)가 작동되기 위한 설정온도 및 설정압력 이상으로 상승된다.즉, 상기 배기가스의 온도가 가변온 밸브(50)의 바이메탈(52)이 작동되는 설정온도 이상으로 상승되어 상기 가변온 밸브(50)가 개방작동된다. 따라서 상기 배기 매니폴드(12)를 통과한 일부의 배기가스가 상기한 바이패스 홀(44)을 통해서 바이패스 통로(42)로 유도된다.또한, 배기가스의 압력이 가변압 밸브(60)를 작동시키기 위한 압력 이상으로 상승되어 가변압 밸브(60)를 탄력지지하는 스프링(62)의 탄성계수보다 크게 작용하면, 상기한 가변압 밸브(60)가 개방되므로서 바이패스 홀(46)을 통해서 배기 매니폴드를 통과한 일부의 배기가스가 상기 바이패스 통로(42)를 통해서 흐르게 된다.

즉, 배기 매니폴드를 통과한 배기가스의 온도 혹은 압력이 본 발명에 의한 가변 촉매장치(40)의 작동온도 또는 작동압력 이상으로 상승될 경우에는 가변온 밸브(50) 또는 가변압 밸브(60)가 개방되어 상기한 바이패스 통로(42)를 통해 배기가스가 흐르게 되므로서 상기한 MCC 촉매(30)의 외측으로 배기가스가 흐르게 되는 것이다.

특히, 엔진(10)이 고속고부하 운전영역에서 운전되는 경우에는 UCC 촉매(20)의 온도가 충분히 상승되므로서, MCC 촉매(30)를 거치지 않는 배기가스에 포함된 유해성분의 산화 및 환원 작용이 상기 UCC 촉매(20)에서 충분히 이루어지게 된다.

따라서 배기가스가 배기계를 통과하는 전과정에서 배기가스의 배압이 줄게 되므로서 배기계의 배압증대로 인한 엔진의 성능저하가 방지된다.그리고 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에서는 별도로 표시되지 않았지만, 엔진의 운전이 멈추거나 배기계의 온도 및 압력이 설정온도 및 설정압력 이하로 내려가게 되면 상기한 가변온 밸브(50) 및 가변압 밸브(60)는 바이메탈(52) 및 스프링(62)에 의해서 초기상태로 닫히는 것이 당연할 것이다.

이상과 같이 구성되는 본 발명은 엔진의 운전상태에 따라서 엔진이 저속 저부하 영역의 시동초기시의 운전영역에서는 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기가스가 MCC 촉매와 UCC 촉매 모두를 통과하며 배기가스에 포함된 유해성분이 산화 및 환원되도록 하며, 엔진이 고속 고부하시로 운전되는 경우에는 상기한 MCC 촉매 외측에 마련된 바이패스 통로를 통해 UCC 촉매 측으로 흐르도록 하므로서 엔진의 배압 상승에 따른 엔진의 출력이 저하되는 현상이 방지되는 커다란 장점이 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 배기계 촉매 장치의 구성도.

도 2는 본 발명에 의한 장치의 요부를 확대도시한 도면;

도 3은 본 발명에 의한 가변온 밸브의 장착상태도.

도 4는 본 발명에 의한 가변압 밸브의 장착상태도.

도 5 내지 도 7은 본 발명에 의한 촉매장치의 작동상태를 도시한 도면.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 엔진 12 : 배기 매니폴드

20 : 배기 파이프 22 : UCC 촉매

30 : MCC 촉매 40 : 가변 촉매장치

41 : 바디 42 : 바이패스 통로

43 : 격벽 44,46 : 바이패스 홀

50 : 가변온 밸브 52 : 바이메탈

60 : 가변압 밸브 62 : 스프링

Claims (7)

1. 배기가스에 포함된 유해성분이 산화 및 환원되도록 배기 매니폴드의 하측에 MCC 촉매가 장착되고, MCC 촉매가 장착된 후방의 배기 파이프 도중에 UCC 촉매가 장착되는 차량 배기계의 구조에 있어서,

   상기한 MCC 촉매(30)의 외주연을 감싸는 원통형상의 바디(41)와;

   배기 매니폴드(12)에서 배출되는 배기가스의 온도가 설정온도 및 설정압력 이상일 경우에 배기가스가 상기한 MCC 촉매(30) 외측으로 바이패스되도록 상기 바디(41)의 내주연과 MCC 촉매(30)의 외측 사이에 형성되는 바이패스 통로(42)와;

   상기한 MCC 촉매(30)의 입구와 바이패스 통로(42)의 입구를 분리하며, 그 도중에는 배기가스가 통과되기 위한 바이패스 홀(44,46)이 형성된 격벽(43)과;

   상기 바이패스 홀(44)을 개폐하되, 배기가스의 온도가 설정온도 이상으로 상승되면 개방작동되어 상기 바이패스 통로(42) 측으로 배기가스가 흐르는 것이 허용되도록 하기 위한 가변온 밸브(50)와;

   상기 바이패스 홀(46)을 개폐하되, 배기가스의 압력이 설정압력 이상으로 상승되면 개방작동되어 상기 바이패스 통로(42) 측으로 배기가스가 흐르는 것이 허용되도록 하기 위한 가변압 밸브(60)와;

   상기한 MCC 촉매(30)의 하측을 지지하되 바이패스 통로(42)를 통과한 배기가스의 흐름에 지장이 없도록 바디(41) 내부 하측에 다수 형성되는 지지대(32); 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 차량 배기계의 가변 촉매장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기한 바이패스 통로(42)는 상기 MCC 촉매(30)의 외주연을 감싸는 원통형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 차량 배기계의 가변 촉매장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기한 격벽(43)은 하부가 잘린 깔대기 형상으로 형성되어, 그 상부는 상기 바이패스 통로(42)의 내경에 접속되고, 그 하단은 상기 MCC 촉매(30)의 외경에 접속되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 차량 배기계의 가변 촉매장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기한 가변온 밸브(50)는 온도변화에 따라서 형상이 가변되는 바이메탈(52)에 의해서 작동되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 차량 배기계의 가변 촉매장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기한 가변압 밸브(60)는 배기가스의 압력이 상승되면 압축되어 상기 가변압 밸브(60)가 개방되도록 그 힌지축(61)에 스프링(62)이 장착된 것을 특징으로 하는 차량 배기계의 가변 촉매장치.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

   상기한 가변온 밸브(50)와 가변압 밸브(60)의 개방방향은 상기 바이패스 통로(42)의 내측을 향하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 차량 배기계의 가변 촉매장치.
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