KR100576960B1 - 내연 기관에서 발생되는 배기 가스를 정화시키는 촉매 변환기 - Google Patents

내연 기관에서 발생되는 배기 가스를 정화시키는 촉매 변환기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내연 기관, 특히 디젤 엔진 또는 린번 엔진으로부터의 배기 가스를 정화하는 촉매 변환기에 관한 것이며, 상기 촉매 변환기는, 촉매 활성 물질로 코팅되며, 상기 배기 가스가 통하여 유동할 수 있는 통로(3)를 구비하고, 벽(4,5)에 의해 서로 구획되는 하나 이상의 벌집형상체를 포함하며, 유동 방향(S)을 따라 제 1 영역(1) 및 제 2 영역(2)을 연속하여 구비하고, 상기 제 1 영역(1)은 상기 벌집형상체(6)의 단위 체적당 열용량이 상기 제 2 영역(2)보다 하위이며, 상기 제 2 영역(2)은 적어도 800J/lK, 바람직하게는 적어도 900J/lK의 열용량을 가지는 것을 특징으로 한다. 상기 제 1 영역의 상기 시트 금속층(4,5)의 두께는 코팅이 없는 경우 평균적으로 0.06mm 미만, 바람직하게 0.04mm 미만이며, 상기 제 2 영역의 상기 시트 금속층(4,5)의 두께는 코팅이 없는 경우 평균적으로 0.06mm 초과, 바람직하게 0.08mm 초과, 특히 바람직하게는 0.11mm인 것이 바람직하다. 상술한 방식으로, 상기 제 1 영역(1)은 높은 배기 가스 온도에서 작동 온도로 신속하게 도달하는 한편, 상기 제 2 영역(2)은 낮은 배기 가스 온도를 수반하는 조건을 작동하는 열을 저장할 수 있다.

Description

내연 기관에서 발생되는 배기 가스를 정화시키는 촉매 변환기{CATALYTIC CONVERTER FOR CLEANING EXHAUST GAS FROM AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 기재된 바와 같은, 내연 기관에서 발생되는 배기 가스를 정화시키는 촉매 변환기에 관한 것이다. 각국의 환경법이 보다 강화되는 상황하에서, 배기 가스를 정화시키는 촉매 변환기는 자동차의 내연 기관 및 내연 기관의 작동 모드에 대해 보다 정밀해야 한다.
오토 사이클(Otto-cycle) 엔진 배기 가스 정화와 관련하여, 종래에 공지된 기술에 의하면, 냉간 시동 상태에서의 오염 물질의 방출 정도를 줄이기 위해, 가능한 최소한의 단위 체적당 열용량을 가지는 제 1 영역을 갖춘 촉매 변환기를 사용하였는데, 이러한 제 1 영역이 최소한의 단위 체적당 열용량을 가지므로, 제 1 영역은 신속하게 가열되어 촉매 반응을 촉발시키며, 그리고 이 상태에서 발생되는 열에너지로 인해 또 다른 하류에 배치되어 있는 촉매 변환기의 부분들을 가열시킨다. 이러한 촉매 변환기의 예가 WO92/02716에 개재되어 있다.
또한, 미국 특허출원 제 5 549 873호 공보 및 유럽 특허출원 제 0 705 962 A1 호 공보에는 전방 지역에서 감소되는 열용량을 가지는 벌집형상체가 개재되어 있다. 상술한 3개의 명세서 모두의 공통점은 제 1 영역이 제 2 영역보다 작은 표면적을 수반하여 대체로 열용량이 감소한다는 것이다.
이와 같이, 열용량이 감소되는 제 1 영역만을 구비하는 상술한 단일체형(monolithic) 벌집형상체 이외에도, 제 1 벌집형상체가 상대적으로 단면적 당 통로의 수가 적은, 즉 낮은 정도의 열용량을 가지는, 2개의 벌집형상체를 구비하는 구조가 다수의 배기 시스템에 제공된다.
최근의 발전에 있어 일반적인 경향은 모든 벌집형상체의 벽을 더 얇게 하고, 총 열용량을 가능한 적게 하는 것이다. 이러한 이유는, 무게를 줄이는 것 이외에, 단위 체적당 가장 크게 할 수 있는 표면적과 관련하여, 특히 배기 시스템에서 원하는, 가능한 최소 압력 강하를 달성하기 위해서이다.
오토 사이클 엔진에 관하여 필수적으로 발생되었으며 적용되었던 이러한 현실들은, 배기 가스와 연료의 혼합이 화학량론적으로 가능한 한 정확하게 조절되는 종래의 엔진 설계와 관련된다.
그러나 이러한 설계 개념은 디젤 엔진(diesel engines)이나, 또는 소위 린번 엔진(lean-burn engines), 즉 상당량 과잉의 공기에 의해 작동되는 엔진, 특히 가솔린 직접 분사식 가솔린 엔진에는 용이하게 적용될 수 없다. 이러한 경우에는, 배기 가스에 다량의 과잉 공기로 인해, 화학량론적 작동이 수반되는 경우에 비해서 실질적으로 낮은 작동 온도가 얻어진다. 내연 기관의 저온 시동 후에, 촉매 변환기에서 가능한 신속하게 달성하려고 하는 촉매 변환 효과를 위해 필요한 작동 온도에 대한 요구가 분명 존재하지만, 후속하는 작동에서, 특히 무부하 상태(idle phase)에서 이러한 배기 가스 온도는 임의의 환경에서 촉매 변환 효과를 위해 필요한 작동 온도 이하로 촉매 변환기를 냉각시켜서, 후속되는 부하 상태(load phase)에서 오염 물질이 초기에 주변 환경으로 배출된다.
따라서, 본 발명의 목적은, 엔진 시동 후 작동 온도에 신속하게 도달하지만, 보다 낮은 배기 가스 온도를 수반하는 연속하는 부하 상태에서 다시 작동 온도를 급속히 손실하지 않는, 특히 디젤 엔진 및 린번 엔진(lean-burn engine)에 적합한, 배기 가스를 정화하는 촉매 변환기를 제공하는 것이다.
청구항 1에서 기술하는 바와 같은 촉매 변환기에 의해 이러한 목적을 달성한다. 종속항에는 유리한 개선예가 기술되어 있다.
본 발명의 결정적인 개선점은, 촉매 변환기에 있어서, 본 경우에도 필요로 하는 낮은 열용량의 통상 영역의 하류에, 특히 높은 정도의 벌집형상체의 단위 체적 당 열용량을 가지는 제 2 영역을 제공하는 것이다. 이러한 경우, 발전 추세와 반대로 보다 높은 무게 및 다소 보다 높은 압력 강하를 감수해야 하지만, 상당히 향상된 배기 가스 정화 목표를 달성할 수 있음이 중요하게 평가된다.
본 발명에 따른 배기 가스를 정화하는 촉매 변환기는 하나 이상의 벌집형상체를 포함하며, 이러한 벌집형상체는 촉매 활성 물질로 코팅되며, 배기 가스가 통과하여 유동할 수 있는 통로를 구비하고, 벽에 의해 서로 구획되며, 또한 촉매 변환기에는 유동 방향으로 연속하여 제 1 영역 및 제 2 영역이 있고, 제 1 영역은 벌집형상체의 단위 체적당 열용량이 제 2 영역보다 낮다. 이러한 경우에, 제 2 영역은 적어도 800J/lK(Joules per liter and Kelvin), 바람직하게는 900J/lK의 특히 높은 열용량을 가진다. 낮은 배기 가스 온도가 수반되는 경우, 제 2 영역의 상기 높은 열용량의 효과는 일정 시간 동안 촉매 반응을 유지할 수 있는 열저장량에 좌우된다.
엔진의 저온 시동 후, 종래 기술의 상태에서 공지된 바와 같이 제 1 영역은 신속하게 가열되며, 유해한 배기 가스 성분, 특히 탄화수소, 일산화탄소의 촉매 변환으로 시작한다. 이러한 반응은 발열 반응이며, 이 후 열을 저장하기 시작하는 제 1 영역에 관해 신속한 가열 효과를 유지한다. 촉매 변환기 제 1 영역의 표면적은 상술한 시동의 변환 작용에 사실상 매우 충분하여, 제 2 영역의 온도가 점진적으로 증가함으로써 오염 물질 배출에 의한 어떠한 불이익도 수반하지 않는다. 대신에, 낮은 배기 가스 온도를 수반하는 작동이 연속하는 상태에서, 낮은 열용량에 의해 제 1 영역이 필요한 변환 온도 이하로 냉각되는 동안, 저장된 열에 의하여 제 2 영역이 촉매 반응을 계속해서 유지할 수 있다. 보다 높은 배기 가스 온도를 수반하는 상태에서, 이 후, 발열 반응이 매우 신속하게 제 1 영역 내측으로 이동되면, 이에 의해 제 2 영역이 다시 가열되어 새로운 열을 저장할 수 있다. 이러한 모든 과정으로 인해, 엔진이 진동하는 작동 모드를 수반하는 경우에도, 특히 시내 또는 도시 지역 내에서, 상응하는 시험 사이클로 운전하는 경우 발생하는 바와 같이, 배기 가스 정화 작용을 일정하게 효과적으로 실행할 수 있다.
원리상 특히 높은 열용량을 갖는 제 2 영역을 구비한 촉매 변환기를 제조하는 다수의 방법이 있다. 캐리어 구조(carrier structure)의 벽 두께 및/또는 코팅의 두께를 증가시킴으로써 이러한 열용량을 달성할 수 있다. 또한, 제 1 영역에 관하여 단면적당 셀(cell)의 수를 증가시킬 수 있음을 인지할 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 촉매 변환기는, 밀접하게 인접한 관계로 또는 공간적으로 어느 정도 분리되어 배열될 수 있는 2개의 개별 벌집형상체를 포함하며, 이 경우에 제 2 벌집형상체는 제 1 벌집형상체보다 두꺼운 벽을 가진다. 본 발명에 따라서, 시트 금속층으로부터 비틀림, 적층 또는 감기는 벌집형상체의 경우에, 코팅이 없는 경우에 제 1 영역은 0.06mm 미만, 바람직하게는 0.04mm 미만의 평균 벽두께를 수반하게 되는 한편, 코팅이 없는 경우에 제 2 영역은 평균적으로 0.06mm 초과, 바람직하게는 0.08mm 초과, 특히 바람직하게는 0.11mm의 벽두께를 수반한다. 제조 절차상 및/또는 기계적 이유에 관해, 상이한 시트 금속층, 특히 평탄한 시트 금속층과 파형 시트 금속층이 상이한 두께로 되는 것이 필요할 수도 있으며, 본 경우에 시트 금속층의 평균 두께를 상술했다. 그러나 영역에 있는 모든 시트 금속층은 동일 두께로 하는 것이 특히 바람직하다. 일반적으로 채택되는 스테인레스 강의 열용량의 레벨이 높기 때문에, 지금까지 금속 벌집형상체에 대해 고려되지 않았던 0.08mm의 시트 금속 두께로 인해, 배기 가스 온도가 급격하게 하강할지라도 일정 시간 동안 작동하는 온도에서 코팅의 형성으로 제공된 세라믹 와시코팅(ceramic washcoat)을 시트 금속층 상에 유지할 수 있는 상당한 양의 열을 저장할 수 있다.
선택적으로 또는 부가적으로, 촉매 변환기의 제 1 영역 및 제 2 영역의 코팅 두께가 상이할 수도 있어서, 제 1 영역의 코팅 벽의 총 두께가 0.08mm 미만인 한편, 제 2 영역의 총 두께는 0.1mm, 바람직하게는 0.12mm를 초과한다. 상술한 바는, 특히, 전체에 걸쳐 동일 두께의 캐리어 물질을 포함하는 단일체형 벌집형상체에 대해, 상이한 열용량의 두 개의 영역을 제공할 수 있는 방법이다.
제 2 영역이 천천히 가열됨에도 불구하고 저온 시동 상태에서 촉매 변환 효과를 위한 충분한 표면적을 가지기 위해, 제 1 영역의 축방향 길이는 10mm 내지 60mm, 바람직하게는 20mm 내지 50mm가 되어야만 한다. 그러나 전체로 제 2 영역은 제 1 영역의 축방향 길이의 2배 이상이 되어야만 한다. 적어도 360 cpsi(cell per square inch)의 수가 두 영역에 대해 바람직하다는 것이 증명되었다.
도 1은 본 발명에 따른 벌집형상체를 구비하는 촉매 변환기를 나타내는 사시도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 제 1 (축방향) 영역 2 : 제 2 (축방향) 영역
3 : 통로 4 : (평탄한) 시트 금속층
5 : (파형) 시트 금속층 6 : 벌집형상체
7 : 관형 케이싱 a : (제 1 영역의)축방향 길이
b : (제 2 영역의)축방향 길이 S : 유동 방향
본 발명의 도식적 실시예를 나타내는 도면을 참조하여 하기에 본 발명의 상세한 설명과 장점을 더 구체적으로 설명한다.
첨부한 도 1을 참조하면 벌집형상체(6)를 구비하는 촉매 변환기이다. 이러한 벌집형상체는 축방향 길이(a)의 제 1 (축방향) 영역(1) 및 축방향 길이(b)의 제 2 (축방향) 영역(2)을 포함한다. 내연 기관, 특히 디젤 엔진 또는 린번 엔진으로부터 발생되는 배기 가스는 벌집형상체(6)를 통하여 유동 방향(S)으로 유동한다. 벌집형상체(6)는 단일체형(monolithic) 벌집형상체이며, 제 1 및 제 2 영역(1, 2)은 상이한 열용량을 수반하지만 배열체는 공통 관형 케이싱(common tubular casing)(7)에 배치된 두 개의 영역(1, 2)에 대해 2개로 분리되는 벌집형상체를 포함하도록 되어 있다. 본 실시예에 따른 벌집형상체는 도면 부호 4 및 5로 나타낸 평탄한 시트 금속층과 파형 시트 금속층으로 각각 구성되며, 이들 시트 금속층 각각은 반대 방향으로 함께 비틀려 있고, 배기 가스가 통과하여 유동할 수 있는 통로(3)의 벽을 형성한다. 바람직한 실시예에서, 제 1 영역의 모든 금속 시트의 두께는 약 0.03mm인 반면, 제 2 영역의 모든 금속 시트의 두께는 약 0.11mm이다. 이로써, 제 2 영역은 900J/lK 이상의 코팅에 의한 열용량을 가진다.
본 발명은 디젤 엔진 또는 린번 엔진의 진동 작동 조건 하에서 배기 가스를 효과적으로 정화할 수 있는 한편, 본 발명에 따른 구성은 비용면에서 단순하고 유리하지만 무게 및 압력 강하의 측면에서만은 다소 단점을 가질 수 있다.
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Claims (12)

  1. 내연 기관에서 발생되는 배기 가스를 정화시키는 촉매 변환기로서,
    촉매 활성 물질로 코팅되며, 상기 배기 가스가 관류할 수 있는 다수의 통로(3)를 구비하고, 각각의 상기 통로(3)가 벽(4, 5)에 의해 서로 구획되는, 하나 이상의 벌집형상체(6)를 포함하며,
    유동 방향(S)을 따라 연속하는 제 1 영역(1) 및 제 2 영역(2)을 구비하고,
    상기 제 1 영역(1)에서 상기 벌집형상체(6)의 단위 체적당 열용량이 상기 제 2 영역(2)에서보다 낮은 촉매 변환기에 있어서,
    상기 제 2 영역(2)은 800J/lK 이상의 열용량을 가지는 것을 특징으로 하는,
    내연 기관에서 발생되는 배기 가스를 정화시키는 촉매 변환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 벌집형상체(6)는 상기 통로(3)의 벽을 형성하는 적어도 부분적으로 구조화된 시트 금속층(4, 5)의 와인딩, 적층 또는 비틀림에 의해 형성되며,
    상기 제 1 영역의 시트 금속층(4, 5)의 두께는 코팅을 제외하고 평균 0.06mm 미만이며, 상기 제 2 영역의 시트 금속층(4, 5)의 두께는 코팅을 제외하고 평균 0.06mm을 초과하는 것을 특징으로 하는,
    내연 기관에서 발생되는 배기 가스를 정화시키는 촉매 변환기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    코팅된 상기 제 1 영역(1)의 벽(4, 5)의 두께는 0.08mm 미만이며, 코팅된 상기 제 2 영역(2)의 벽(4, 5)의 두께는 0.1mm를 초과하는 것을 특징으로 하는,
    내연 기관에서 발생되는 배기 가스를 정화시키는 촉매 변환기.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 영역(1) 및 상기 제 2 영역(2)이 2개의 개별의 벌집형상체에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는,
    내연 기관에서 발생되는 배기 가스를 정화시키는 촉매 변환기.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 영역(1) 및 상기 제 2 영역(2)이 단일체형 벌집형상체(6)로 형성되는 것을 특징으로 하는,
    내연 기관에서 발생되는 배기 가스를 정화시키는 촉매 변환기.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 영역(1) 및 상기 제 2 영역(2)은 상이한 두께의 코팅으로 형성되는 것을 특징으로 하는,
    내연 기관에서 발생되는 배기 가스를 정화시키는 촉매 변환기.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 영역(2)의 축방향 길이(b)는 상기 제 1 영역(1)의 축방향 길이(a)보다 2배 이상 긴 것을 특징으로 하는,
    내연 기관에서 발생되는 배기 가스를 정화시키는 촉매 변환기.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 영역(1)의 축방향 길이(a)는 10mm 내지 60mm인 것을 특징으로 하는,
    내연 기관에서 발생되는 배기 가스를 정화시키는 촉매 변환기.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 촉매 변환기가 디젤 엔진의 배기 시스템에 설치되는 것을 특징으로 하는,
    내연 기관에서 발생되는 배기 가스를 정화시키는 촉매 변환기.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 촉매 변환기가 직접 분사형 가솔린 자동차의 린번 엔진의 배기 시스템에 설치되는 것을 특징으로 하는,
    내연 기관에서 발생되는 배기 가스를 정화시키는 촉매 변환기.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    단면적 당 상기 통로의 수는 상기 제 1 영역(1) 및 상기 제 2 영역(2)에서 동일한 것을 특징으로 하는,
    내연 기관에서 발생되는 배기 가스를 정화시키는 촉매 변환기.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    단위 체적당 비표면적이 상기 제 1 영역(1) 및 상기 제 2 영역(2)에서 동일한 것을 특징으로 하는,
    내연 기관에서 발생되는 배기 가스를 정화시키는 촉매 변환기.
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