KR100659398B1 - 머플러 및 촉매 변환 장치 - Google Patents

머플러 및 촉매 변환 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR100659398B1
KR100659398B1 KR1020057020136A KR20057020136A KR100659398B1 KR 100659398 B1 KR100659398 B1 KR 100659398B1 KR 1020057020136 A KR1020057020136 A KR 1020057020136A KR 20057020136 A KR20057020136 A KR 20057020136A KR 100659398 B1 KR100659398 B1 KR 100659398B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
muffler
catalytic converter
baffle
group
porous metal
Prior art date
Application number
KR1020057020136A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20060018824A (ko
Inventor
춘보 리
홍웨이 첸
추안푸 왕
준칭 동
Original Assignee
비와이디 컴퍼니 리미티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from CNA031143342A external-priority patent/CN1540142A/zh
Priority claimed from CNB031143997A external-priority patent/CN100338341C/zh
Priority claimed from CNU2003201253495U external-priority patent/CN2665367Y/zh
Application filed by 비와이디 컴퍼니 리미티드 filed Critical 비와이디 컴퍼니 리미티드
Priority claimed from PCT/CN2004/000380 external-priority patent/WO2004094793A1/en
Publication of KR20060018824A publication Critical patent/KR20060018824A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100659398B1 publication Critical patent/KR100659398B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/24—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by constructional aspects of converting apparatus
    • F01N3/28—Construction of catalytic reactors
    • F01N3/2803—Construction of catalytic reactors characterised by structure, by material or by manufacturing of catalyst support
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N1/00—Silencing apparatus characterised by method of silencing
    • F01N1/24—Silencing apparatus characterised by method of silencing by using sound-absorbing materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D39/00—Filtering material for liquid or gaseous fluids
    • B01D39/14—Other self-supporting filtering material ; Other filtering material
    • B01D39/20—Other self-supporting filtering material ; Other filtering material of inorganic material, e.g. asbestos paper, metallic filtering material of non-woven wires
    • B01D39/2027—Metallic material
    • B01D39/2051—Metallic foam
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • B01D53/94—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
    • B01D53/9445—Simultaneously removing carbon monoxide, hydrocarbons or nitrogen oxides making use of three-way catalysts [TWC] or four-way-catalysts [FWC]
    • B01D53/9454—Simultaneously removing carbon monoxide, hydrocarbons or nitrogen oxides making use of three-way catalysts [TWC] or four-way-catalysts [FWC] characterised by a specific device
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/24—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by constructional aspects of converting apparatus
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2239/00—Aspects relating to filtering material for liquid or gaseous fluids
    • B01D2239/12—Special parameters characterising the filtering material
    • B01D2239/1208—Porosity
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2239/00—Aspects relating to filtering material for liquid or gaseous fluids
    • B01D2239/12—Special parameters characterising the filtering material
    • B01D2239/1216—Pore size
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/10—Noble metals or compounds thereof
    • B01D2255/102—Platinum group metals
    • B01D2255/1025—Rhodium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/20—Metals or compounds thereof
    • B01D2255/206—Rare earth metals
    • B01D2255/2065—Cerium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/20—Metals or compounds thereof
    • B01D2255/207—Transition metals
    • B01D2255/20715—Zirconium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/20—Metals or compounds thereof
    • B01D2255/207—Transition metals
    • B01D2255/2073—Manganese
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2310/00—Selection of sound absorbing or insulating material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2330/00—Structure of catalyst support or particle filter
    • F01N2330/14—Sintered material
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Exhaust Silencers (AREA)
  • Exhaust Gas After Treatment (AREA)

Abstract

본 발명은 머플러 및 촉매 변환 장치, 그리고 머플러, 촉매 변환 장치를 개시한 것인데, 각 유형의 장치는 장치의 머플러 부위에서 흡음재로서, 그리고 장치의 촉매 부분에서 촉매 코팅의 담체로서 작용할 수 있는 다공성 금속을 사용하고 있다. 효율적인 담체와 양호한 흡음을 위해서 다공성 금속은 80% ~ 98%의 기공 밀도와 50μm ~ 1200μm의 기공 직경을 가진다. 다공성 금속은 구조적 강도와 함께 배기가스로부터의 부식, 열 및 충격에 대한 저항력을 가진다. 또한 제조가 용이하고 저렴하다. 머플러 및 촉매 변환 장치를 위해 통상의 두 장치를 하나로 결합한다면 장치의 설치 비용뿐만 아니라 제조 비용도 절감된다. 따라서 훌륭한 소음 흡수를 포함한 기능을 제공하는 다공성 금속을 각각 사용한 머플러 및 촉매 변환 장치, 머플러, 그리고 촉매 변환 장치는 배기가스에 의한 환경 오염의 제거에 효과적이고, 내구력이 좋으며, 대량 생산으로 제조하기에 용이하고 저렴하다.
머플러, 촉매 변환 장치, 배기가스, 소음 흡수, 정화.

Description

머플러 및 촉매 변환 장치 {MUFFLER AND CATALYTIC CONVERTER DEVICES}
본 발명은 엔진 배기가스 시스템의 머플러 장치, 촉매 변환 장치, 그리고 결합된 머플러 및 촉매 변환 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 흡음재 및 촉매 담체로 다공성 금속을 사용한 엔진 배기가스 시스템의 머플러 장치, 촉매 변환 장치, 그리고 결합된 머플러 및 촉매 변환 장치에 관한 것이다.
엔진 배기가스의 환경 오염물 제거와 엔진 소음의 소거는 모두 엔진 배기가스 시스템의 필수불가결한 기능이다. 자동차와 같이 엔진에 의해 구동하는 기계에는 현재 두개의 분리된 장치가 이러한 기능을 수행한다. 엔진 소음을 줄이기 위해서는 머플러가 사용되는 반면, 환경적으로 유해한 오염 물질을 제거하여 배기가스를 정화하기 위해서는 촉매 변환 장치가 사용된다. 이러한 두 가지 기능을 두개의 개별적인 장치가 수행하도록 하는 것은 엔진의 효율을 떨어뜨릴 뿐만 아니라, 두 장치의 생산비용과 설치비용을 상승시킴으로써 배기가스 시스템의 생산비용을 상승시킨다.
촉매 변환 장치는 종종 촉매의 담체로 세라믹이나 금속을 사용한다. 벌집모양의 세라믹 담체는 금속 담체와 비교할 때 많은 단점을 가지고 있다. 세라믹은 대략 1400℃에서 연화되기 때문에 통상 더 낮은 온도에서 사용된다. 그 벽은 더 두 껍다. 더 느리게 예열되고, 이러한 촉매 변환 장치를 가진 시스템은 배기가스 압력이 더 높다. 이러한 이유로, 많은 국가들은 금속 담체의 사용에 대한 연구를 수행하고 있다. 금속 담체의 두께는 세라믹 담체의 4분의 1에 불과하다. 결과적으로 배기가스 압력은 낮아지고, 촉매 담체는 더 작게 만들어질 수 있다. 금속 담체는 열용량이 작고 전기적으로 예열될 수 있기 때문에 효율적으로 가열될 수 있다. 더구나 금속 담체는 온도 변화에 잘 적응할 수 있다.
기존의 자동차 배기가스 촉매 변환 장치의 금속 담체는 주로 주름진 금속의 다양한 구조의 결합을 사용한다. 그런데, 그들은 열과 기계적 충격에 대한 저항력이 낮고, 고온에서는 내산화 능력이 부족하므로 장치의 수명에 영향을 준다. 게다가 이러한 주름진 금속 담체의 비표면적은 제한적이고, 촉매가 흡착되는 용량이 부적당하여 장치의 효율에 한계를 가져온다.
현재 자동차의 배기가스 머플러 시스템은 통상적으로 리액티브(reactive) 방식의 머플러를 사용하는데, 이러한 시스템은 배기가스 유동에 의한 고온, 부식, 그리고 충격을 견디며 내구성 있는 단순한 구조를 가지는 금속으로 제작될 수 있기 때문이다. 그러나 리액티브 방식의 머플러는 소음 흡수 범위가 좁으며 저주파수에서 더 좋고 고주파수에서 더 나쁘다. 고주파수 소음의 흡수에 있어서의 취약성을 보완하기 위해 다단계 머플러나 분산 리액티브 결합 머플러(dissipative and reactive combination mufflers)와 같은 다단계 결합 구조가 더 좋은 결과를 얻기 위해 사용된다. 이러한 장치들은 복잡하며, 머플러의 생산 비용을 증가시킨다.
흡음재로서 일반적으로 사용되는 것은 알루미나 펠트 또는 석면 펠트인데, 고온과 부식에 강하고 표면 보호 구조에 견고하게 고착될 수 있다. 그러나, 충격, 습기, 그리고 먼지에 대한 저항력이 낮기 때문에 내구적이지 못하고, 흡음 능력도 충분하지 않다. 따라서 현재 자동차 산업에서는 널리 사용되지 않는다.
종래 기술의 한계 때문에, 배기가스 정화뿐만 아니라 소음 흡수도 더 좋으며, 제조가 간단하고 조립이 용이하며, 배기가스 유동에 의한 고온, 부식, 및 충격에도 저항력이 있어서 내구성을 갖춘 새로운 장치가 요청되고 있다.
본 발명의 목적은 넓은 범위의 주파수에 걸쳐 소음 흡수에 효율적인 머플러를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 배기가스로부터 환경 오염 물질의 제거에 효율적인 촉매 변환 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 넓은 범위의 주파수에 걸쳐 소음 흡수에 효율적이고, 배기가스로부터 환경 오염 물질의 제거에 효율적인 머플러 및 촉매 변환 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 구성이 단순하고, 제조가 쉽고 저렴하며, 배기가스 유동에 의한 고온, 부식, 충격에 대한 저항력의 결과로 내구적이며 사용 연한이 긴 머플러, 촉매 변환 장치, 또는 머플러 및 촉매 변환 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 흡음재 및 촉매 변환 장치의 촉매 담체로서, 큰 비표면적을 가지는 다공성 금속 배플(baffle)을 이용하는 것과 관계된 것이다. 다공성 금속의 큰 비표면적은 효과적인 소음 흡수를 가능하게 하고, 촉매가 흡착될 수 있는 넓은 면적을 제공하여 결과적으로 효율적인 배기가스 정화를 제공한다. 소음 흡수와 배기가스 정화를 위해 동일한 형태의 재료를 사용함으로써, 개별적으로 분리된 머플러와 촉매 변환 장치를 만드는 것 뿐만 아니라 이 두 장치를 하나로 결합하는 것도 가능해진다.
본 발명의 이점은 넓은 범위의 주파수에 걸친 소음 흡수에 효율적이라는 것과, 배기가스로부터 환경 오염 물질의 제거에 효율적이라는 것, 산업 생산에 있어서의 구성과 제조가 단순하다는 것, 내구성이 있으며, 배기가스 유동에 의한 고온, 부식, 충격에 저항력이 있으므로 사용 연한이 길다는 것 등이다.
도 1은 본 발명의 머플러 및 촉매 변환 장치의 실시예의 단면도.
도 2는 다공성 금속으로 제조하여 촉매를 코팅한 금속담체를 사용한 본 발명의 다양한 실시예의 촉매 변환율을 기공 직경의 함수로 나타낸 그래프.
도 3은 흡음재 및 촉매 코팅의 담체로 다공성 금속을 사용한 본 발명의 한 실시예의 구조도.
도 4는 흡음재 및 촉매 코팅의 담체로 다공성 금속을 사용한 본 발명의 한 실시예의 구조도.
도 5는 도 4의 실시예를 도 4에서 표시한 A 방향에서 본 구조도.
도 6은 본 발명의 머플러 및 촉매 변환 장치의 한 실시예의 구조도.
도 7은 본 발명의 머플러 및 촉매 변환 장치의 한 실시예의 또 다른 구조 도.
도 8은 본 발명의 머플러 및 촉매 변환 장치의 한 실시예의 또 다른 구조도.
본 발명의 상기 및 여타 목적, 태양 및 이점들은 첨부된 도면과 결부시켜 이하에서 설명한 본 발명의 양호한 실시예에 대한 상세한 설명으로부터 잘 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 소음을 흡수, 소거, 또는 감소시키고 엔진 배기가스로부터 환경오염 물질을 제거하여 배기가스를 정화하는 머플러 및 촉매 변환 장치, 머플러, 그리고 촉매를 여러 가지의 실시예로 제공한다. 흡음 재료로 이루어진 배플이 사용되는데, 이는 촉매 코팅을 위한 담체로도 사용된다. 이러한 배플은 배기가스 오염 물질의 변환과 소음 흡수에 있어서 원하는 결과를 달성시키기 위해 사전 결정된 기공 직경과 기공 밀도를 가지는 다공성 금속으로 만들어진다.
도 1에 도시한 것처럼 본 발명의 실시예는 외부 금속 셸(2)을 포함하여 구성되는데, 양 단부에 두 개구부, 즉 흡입 개구부(intake opening) 및 배출 개구부(outtake opening)가 있고, 그 개구부 각각은 흡입 파이프(1) 및 배출 파이프(4)와 연결되어있다. 배플, 즉 재료 부분이 외부 셸의 내부에 놓여져 있다. 이러한 배플은 한두 가지 기능을 가진다. 즉, 흡음재로서도 작용할 수 있으며, 배기가스 정화를 위한 촉매 코팅의 침적을 위한 담체로서도 작용할 수 있다. 배플은 사전 결정된 기공 밀도와 기공 직경의 다중 기공을 가지는 다공성 금속으로 만들 수 있다. (한 가지 계산 방법에서, 기공 밀도는 재료의 총 부피에 대한 기공 부피의 분율 × 100 에 해당한다.) 이러한 배플은 소음 흡수와 배기가스 정화에 최적의 결과를 얻기 위해 서로 다른 물질로 만들 수 있다. 배플의 적어도 한 부분은 50㎛ ~ 1200㎛의 기공 직경과 80% ~ 98%의 기공 밀도를 가지는 다공성 금속으로 만들어진다. 바람직한 기공 밀도는 95% ~ 98%이고, 바람직한 기공 직경은 400㎛ ~ 800㎛이다. 촉매 코팅(6)이 다공성 금속 재료(3)의 표면에 부착될 수 있다. 완충층(5)이 다공성 금속(3)과 외부 셸의 몸체 사이에 삽입될 수도 있다. 머플러 촉매 변환 장치가 더 나은 성능을 가지기 위해서는 장치의 부피, 즉 배플을 포함하고 있는 외부 셸의 부피가 엔진 배기량의 0.3배 ~ 7배의 부피를 가지는 것이 바람직하다.
50㎛ ~ 1200㎛의 기공 직경과 80% ~ 98%의 기공 밀도를 가지는 다공성 금속을 제조하기 위해 전기 도금이 사용된다. 얇고 치밀한 산화층을 담체의 표면에 형성하기 위해 고온 산화, 전기화학적 양극 산화(anodic oxidation), 가열된 유기산에 의한 에칭, 또는 기타의 방법들이 사용된다. 이것은 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물, 세륨 산화물과 같은 산화물 층을 포함하는 촉매 코팅과 담체 사이의 응착을 증가시킬 뿐만 아니라, 담체의 고온 산화에 대한 저항력과 촉매의 정화 효율 및 수명도 함께 증가시킨다.
본 발명의 실시예들에서, 다공성 금속 배플들은 배기가스 유동 방향, 즉 흡입 개구부로부터 배출 개구부로의 방향과 가로질러 위치할 수 있으며, 배플들 사이에는 갭을 가진다. 배플은 일반적으로 배기가스 유동 방향에 가로질러 위치하는데, 그 표면(외부 셸의 내면과 접하지 않는)에 대한 면접선은 배기가스 유동 방향 과 π/4 ~ π/2 라디안의 각도를 형성한다. 도 3은 원통형 셸의 내부에 있는 디스크 형태의 배플을 도시하고 있다. 실제에는 배플의 형태뿐만 아니라 외부 셸의 형태도 바꿀 수 있다. 또한 배플과 이웃 배플 사이, 그리고 배플과 외부 셸의 내표면 사이에 각각 갭을 가진 채로 다중 배플이 외부 셸의 내부에 자리할 수 있다. 예를 들어, 3개 ~ 6개의 배플들이 4개 ~ 7개의 갭을 가지는 실시예의 구성이 가능하다. 도 7은 여섯 개의 배플과 일곱 개의 갭을 가지는 실시예를 보여주고 있다.
배플의 두께는 외부 셸의 표면과 맞닿지 않는 배플 표면에 접선인 면들간의 평균 거리로 측정될 수 있다. 이웃하는 두 배플 사이의 갭의 두께는 갭의 표면과 맞닿지 않는 이웃하는 배플 표면에 접선인 이웃하는 면들간의 평균 거리로 측정될 수 있다. 외부 셸의 내표면과 이웃하는 배플 사이의 갭의 두께는 외부 셸과 맞닿지 않는 배플의 표면에 접선인 면과 외부 셸 사이의 평균 거리로 측정될 수 있다. 다양한 형태의 배플들에 대해서, 배플이나 갭의 두께는 변할 수 있지만 모두 사전 결정된 두께 이내여야 한다. 도 3의 원통형 셸의 내부에 있는 디스크 형태의 배플의 경우에 대해서는, 디스크의 두께는 배플의 두께이고, 유사하게 놓여진 두 배플간의 갭의 두께는 이웃하는 두 배플 디스크 표면간의 거리가 된다. 배플과 외표면간의 갭의 두께는 외부 셸의 평평한 내표면과 이웃하는 평평한 디스크 표면간의 거리가 된다. 배플들이 배기가스 방향과 교차하게 놓여진 실시예에 대해서, 다공성 금속 배플의 바람직한 두께는 10mm ~ 100mm이고, 갭의 바람직한 두께는 10mm ~ 150mm이다. 본 발명의 실시예는 높은 기공 밀도(80% ~ 98%)와 큰 기공 직경(50㎛ ~ 1200㎛) 및 높은 기계적 강도를 가지는 다공성 금속을 사용하기 때문에 배기가스 는 부가적인 공기 채널의 추가 없이 이 장치를 통하여 원활하게 흐를 수 있다. 이것은 다공성 금속이 상기의 실시예로 의욕하는 결과를 달성할 수 있도록 한다.
두개의 배플이 배기가스 유동과 수직으로 놓여진 실시예에 있어서 세 갭들의 바람직한 비율은 1 : 1~10 : 1~2가 된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 다공성 금속 배플들은 다공성 금속층 사이, 그리고 외부 셸의 내부와 다공성 재료의 층 사이에 갭을 형성하며 단일층 또는 복합층으로 배기가스 유동방향을 따라 놓일 수 있다. 외부 셸의 내표면과 맞닿지 않는 표면에 접선인 면들이 배기가스 유동방향과 0 ~ π/4 라디안의 각도를 형성할 때 배플은 배기가스 유동 방향을 따라 놓이게 된다. 배플들은 도 4, 도 5에 도시된 바와 같이 다공성 금속(3) 배플들 사이, 그리고 외부 셸(2)과 다공성 금속(3) 사이에 갭을 가지고 기류의 방향을 따라 놓일 수 있다. 다공성 금속 배플들의 이러한 배열은 배기가스 압력을 더욱 낮추는 반면, 소음 흡수를 약간 줄인다. 상기의 최적 두께와 갭 크기를 이용하며 배플들 사이에 갭을 가지는, 흡음재(다공성 금속을 포함한)로 만들어진 하나 또는 다수의 배플이 이러한 배열에 사용될 수 있다. 상기의 다공성 금속 배플의 두께는 10mm ~ 100mm이고, 갭의 두께는 5mm ~ 20mm이다.
또 다른 실시예에서는 나선 형태의 다공성 금속 배플이 외부 셸의 내부에 놓여질 수 있다. 이 실시예의 예가 도 8에 나타나 있는데, 상기의 다공성 금속(3) 배플이 원통형 외부 셸(2)의 내부에 놓여져 있고, 완충층(5)은 배기가스 유동 방향에 평행하며, 다공성 금속 배플은 배기가스 유동에 수직인 배플 단면이 나선 형태 를 가지도록 회전할 수 있다. 이 실시예에서 다공성 재료의 두께는 1mm ~ 5mm이다.
머플러, 촉매 변환 장치, 또는 머플러 및 촉매 변환 장치에 관한 본 발명의 몇몇 실시예에서는 상기의 다공성 금속(금속 또는 합금)은 니켈(Ni), 철(Fe), 티타늄(Ti) 중에서 선택된 하나 또는 그 이상의 금속이다.
머플러, 촉매 변환 장치, 또는 머플러 및 촉매 변환 장치에 대한 본 발명의 또 다른 실시예에서는 상기 다공성 금속은 A와 B의 두가지 성분을 가지는 합금인데, 성분 A는 다공성 금속의 55중량% ~ 95중량%를 차지하며, 니켈(Ni), 철(Fe), 티타늄(Ti) 중 하나 또는 그 이상이다. 성분 B는 다공성 금속의 5중량% ~ 45중량%를 차지하며, 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 아연(Zn) 중 하나 또는 그 이상이다.
머플러에 대한 몇몇 실시예에서, 상기 다공성 금속은 두 성분 A, B를 포함하는 합금인데, 성분 A는 상기의 다공성 금속의 55중량% ~ 95중량%를 차지하며, 니켈(Ni), 철(Fe), 티타늄(Ti) 중에서 하나 또는 그 이상이다. 성분 B는 다공성 금속의 5중량% ~ 45중량%를 차지하며 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 세륨(Ce), 란탄(La), 네오디뮴(Nd) 중 하나 또는 그 이상이다.
촉매 변환 장치 또는 머플러 및 촉매 변환 장치에 대한 실시예에서는 촉매 코팅의 성분은 활성 성분, 보조 성분 및 안정제를 포함한다. 활성 성분은 세륨(Ce), 란탄(La), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd) 중에서 선택된 하나 또는 그 이상의 희토류 금속과, 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 로듐(Rh), 루테늄(Ru) 중에서 선택된 하나 또는 그 이상의 소량의 귀금속이다. 보조 성분은 망간(Mn), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 알루미늄(Al) 중에서 하나 또는 그 이상 선택된 것이다. 안정제는 지르코늄(Zr), 칼륨(K), 나트륨(Na), 리튬(Li) 중에서 하나 또는 그 이상 선택된 것이다.
실시예들의 소음 흡수 및 배기가스 정화의 유효성은 다공성 금속의 성질, 즉 기공 직경과 기공 밀도에 강하게 의존한다. 다양한 실시예들의 소음 흡수 및 배기가스 정화 결과에 대한 관찰은 이하와 같은 결론을 이끌어낸다.
배기가스 정화의 유효성은 다공성 금속의 기공 직경의 크기에 강하게 의존한다. 기공 직경이 50㎛ ~ 1200㎛ 일 때 정화 결과가 우수하다. 기공 직경이 400㎛ ~ 800㎛ 일 때 정화 결과가 가장 우수하다.
흡음능력 또한 기공 직경의 크기에 강하게 의존한다. 기공 직경의 바람직한 요소를 결정하기 위해 일곱 그룹의 실험이 행해졌다. 그 결과는 표 1에 나타내었다.
표 1
그룹 기공 직경 (㎛) 각 주파수에 대한 흡음계수
100 Hz 500 Hz 1500 Hz 2500 Hz 4000 Hz
1 50 0.14 0.24 0.32 0.28 0.26
2 100 0.22 0.37 0.45 0.42 0.36
3 200 0.28 0.54 0.68 0.72 0.73
4 400 0.35 0.62 0.75 0.72 0.74
5 800 0.35 0.68 0.71 0.72 0.75
6 1200 0.32 0.61 0.72 0.72 0.65
7 1600 0.26 0.41 0.52 0.62 0.55
표 1은 기공 직경이 증가함에 따라 장치의 흡음 계수가 증가하는 것을 나타내고 있는데, 처음에는 낮은 수치에서 높은 수치로 증가하고, 그 후에는 높은 수 치에서 낮은 수치로 감소하는 경향을 보여주고 있다. 200㎛ ~ 1200㎛에서 가장 우수한 흡음 결과가 나타난다. 또한, 저주파수 보다는 고주파수에서 더 우수한 흡음 결과가 나타난다.
더 우수한 흡음 특성을 얻기 위해(특히 저주파수에서), 흡음재 배플들 사이에 갭을 두거나, 재료의 두께를 알맞게 증가시키는 방법이 사용된다. 이론적으로 갭은 재료의 두께를 증가시키는 효과 또한 가질 수 있다. 이것은 모세관의 유효 길이를 증가시키는 것에 상당한다. 이 방법은 재료의 사용을 줄이고, 단가를 낮추고, 재료의 흡음 성질을 향상시킨다(특히 저주파수에서). 소음 흡수를 향상시키기 위해 흡음재(3)와 장치의 외부 셸(2) 사이에도 사전 결정된 갭간 비율로 갭을 둔다. 연구 결과는 다공성 물질의 두께가 10mm ~ 100mm 사이이고, 갭의 크기가 10mm ~ 150mm 일 때 소음 흡수가 향상되는 것을 보여주었다(특히 저주파수에서). 따라서 본 발명의 실시예들은 넓은 범위의 주파수에서 우수한 소음 흡수를 보이고 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서 두 이웃한 다공성 금속 배플간의 세 공기갭이 1 : 1~10 : 1~2의 비율을 가지고 있을 때 소음 흡수 효과가 최고였으며, 정화 결과는 영향을 받지 않았다.
다공성 금속재료의 기공 밀도는 촉매가 응착되는 담체의 비표면적, 정화 및 흡음 성질, 그리고 공기 저항을 뚜렷이 결정한다. 대체로, 큰 기공 밀도는 공기 저항을 줄이고 소음 흡수를 향상시키는 이점이 있다. 그러나, 재료의 기공 밀도가 98% 이상으로 증가하면, 다공성 금속의 제조 기술이 더욱 어렵고 비경제적이다. 지나치게 높은 기공 밀도는 또한 배기가스로부터의 충격에 대한 저항력을 낮추어서 다공성 금속의 기계적 강도에도 영향을 준다. 따라서 바람직한 설계는 다공성 재료의 기공 밀도를 80% ~ 90%로 제한하는 것이다.
흡음 재료로 이루어진 각기 다른 배플들의 기공 밀도를 바꿀 수 있다. 게다가 각 부분간의 갭의 크기도 바꿀 수 있다. 다양한 부분들의 기공도와 다양한 갭들의 두께를 조절함으로써 넓은 범위의 주파수에서 소음 흡수를 증가시킬 수 있다.
(실시예 1)
본 실시예의 머플러 및 촉매 변환 장치를 제조하기 위해 우선 다공성 니켈 크롬 합금 배플을 만드는데 전기 도금을 사용한다. 그 후 다공성 합금에 촉매 코팅을 한다. 그 후 최종 장치를 형성하기 위해, 완충층과 함께 촉매 코팅된 다공성 금속 배플을 금속 셸 속으로 삽입한다.
(1) 다공성 니켈 크롬 합금의 제조와 전처리
본 실시예에서는 다공성 니켈 크롬 합금을 1.5mm ~ 3.0mm의 두께, 95% ~ 98%의 기공 밀도, 그리고 400㎛의 기공 직경으로 만들기 위해 전기 도금이 사용된다. 이 다공성 합금은 우수한 기계적 강도와 유연성을 가진다. 폐쇄된 기공은 없으며, 기공 직경은 고르게 분포된다. 니켈 크롬 합금을 제조하기 위한 상세 사항과 금속 도금 방식을 표 2에 나타내었다.
표 2
상세사항 (g/L)
염화크롬, chromium chloride 50 ~ 80
염화니켈, nickel chloride 20 ~ 75
포름산, formic acid (mL/L) 10 ~ 95
붕산, boric acid 20 ~ 50
구연산나트륨, sodium citrate 25 ~ 100
염화암모니아, ammonia chloride 30 ~ 120
브롬화나트륨, sodium bromide 40 ~ 90
pH 레벨 1 ~ 4
온도 (℃) 20 ~ 60
전류밀도 (A/dm2) 2 ~ 10
도금 시간 (hr) 1 ~ 6
전해액을 형성하기 위해 표 2에 열거된 원료를 중성 물 속에서 완전히 용해되도록 저어준다. 그러면 pH는 약 3.5로 조절된다. 도금층의 품질을 향상시키기 위해 데도실 황산 나트륨(sodium dedocyl sulphonate) 또는 쿠머린과 같은 첨가제가 첨가된다.
양극으로는 불활성 흑연이 사용되며, 음극으로는 전도체로 코팅되고, 사전 결정된 기공 직경과 기공 밀도를 가지는, 상업적으로 입수 가능한 다공성 스펀지형 재료가 사용된다. 이 공정을 통하여 얻어지는 도금된 다공성 금속은 60% ~ 90% 니켈과 10% ~ 40% 크롬을 함유한다.
상기 다공성 니켈 크롬 합금을 전술한 바와 같이 제조한 다음에는, 머플러 및 촉매 변환 장치의 촉매 담체로 사용하기 전에, 1시간 ~ 5시간동안 유기산에서 가열과 함께 에칭함으로써 사전 처리한다. 유기산에서 가열과 함께 에칭하면 다공성 니켈 크롬 합금의 표면에 얇고 치밀한 산화물층이 형성된다. 고온 산화 또는 전기화학적 양극 산화와 같은 다른 방법도 이 산화층을 형성하기 위해 이용될 수 있다.
(2) 촉매 코팅의 제조
촉매 코팅의 성분은 활성 성분, 보조 성분 및 안정제를 포함한다. 활성 성분은 세륨(Ce), 란탄(La), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd) 중에서 선택된 적어도 하나의 희토류 금속과, 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 로듐(Rh), 루테늄(Ru) 중에서 선택된 적어도 하나의 소량의 귀금속이다. 보조 성분은 망간(Mn), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 알루미늄(Al) 중에서 적어도 하나 선택된 것이다. 안정제는 지르코늄(Zr), 칼륨(K), 나트륨(Na), 리튬(Li) 중에서 적어도 하나 선택된 것이다.
본 실시예의 촉매 코팅은 나노미터 감마(γ) 알루미나와 나노미터 지르코니아가 0:3 ~ 3:0으로 혼합된 혼합물을 포함한다. 촉매 코팅을 제조하기 위해, 사전 결정된 비율의 분말 알루미늄과 지르코늄의 슬러리 혼합물이 30℃ ~ 80℃의 세륨 염 포화용액에 대략 2시간 ~ 5시간 동안 슬러리를 형성하기 위해 침지된다. 유기산에서 가열과 함께 에칭되었던 다공성 금속 담체는 그 온도에서 상기 슬러리 속에 대략 2시간 ~ 4시간 동안 침지된다. 그 후 과잉 슬러리를 담체로부터 제거하기 위해 압축 공기 또는 원심 분리기가 사용된다. 다공성 금속 담체는 400℃ ~ 600℃에서 1시간 ~ 8시간 동안 가열되고, 그 후 상온으로 냉각된다.
냉각 후에, 하소(calcination)된 다공성 합금 담체는 유기산에서 열처리되고, 그 후 30℃ ~ 80℃에서 2시간 ~ 4시간동안 가용성 세륨염, 로듐염 및 작은 양의 망간염을 포함한 용액에 침지된다. 그 후 머플러 및 촉매 변환 장치를 위한 담체에 촉매 코팅을 하기 위해 전술한 하소 공정이 반복된다.
도 1에 도시된 것처럼, 촉매 코팅(6)된 다공성 합금 배플(3)을 원통형 스 테인레스 강 외부 셸(2) 및 완충층(5)의 내부에 설치함으로써 본 실시예의 머플러 및 촉매 변환 장치가 만들어진다.
(실시예 2)
다공성 니켈 크롬 합금의 제조와 다공성 합금의 사전 처리는 실시예 1과 동일하다.
산화층을 형성하기위해 유기산에서 사전 처리된 다공성 니켈 크롬 합금 담체는 촉매 코팅층을 제조하기 위해 사전 결정된 비율의 가용성 알루미늄염, 지르코늄염, 세륨염 및 로듐염 혼합물을 포함하는 용액에 침지된다. 침지 후에 과잉 용액이 제거되고, 상기 혼합물로 코팅된 담체는 열건조된다. 촉매 코팅된 다공성 합금은 400℃ ~ 600℃에서 2시간 ~ 6시간 동안 가열되고, 그 후 상온으로 냉각된다. 촉매 코팅된 다공성 합금이 사전 결정된 기술 사양에 도달될 때까지 담체 표면에 산화물 복합층을 형성하기위해 상기 공정, 즉 유기산에서의 에칭, 침지, 열건조 및 하소가 반복된다.
도 1에 도시된 것처럼, 촉매 코팅(6)된 다공성 합금(3)을 원통형 스테인레스 강 외부 셸(2) 및 완충층(5)의 내부에 설치함으로써 본 실시예의 머플러 및 촉매 변환 장치가 만들어진다.
(실시예 3)
본 실시예의 촉매 코팅 담체로는 1.5mm ~ 3.0mm의 두께, 95% ~ 98%의 기공 밀도 및 50㎛의 기공 직경을 가지는 니켈 크롬 합금이 사용된다. 이것 외에는 머플러 및 촉매 장치의 제조는 실시예 1과 동일하다.
(실시예 4)
본 실시예의 촉매 코팅 담체로는 1.5mm ~ 3.0mm의 두께, 95% ~ 98%의 기공 밀도 및 200㎛의 기공 직경을 가지는 니켈 크롬 합금이 사용된다. 이것 외에는 머플러 및 촉매 장치의 제조는 실시예 1과 동일하다.
(실시예 5)
본 실시예의 촉매 코팅 담체로는 1.5mm ~ 3.0mm의 두께, 95% ~ 98%의 기공 밀도 및 600㎛의 기공 직경을 가지는 니켈 크롬 합금이 사용된다. 이것 외에는 머플러 및 촉매 장치의 제조는 실시예 1과 동일하다.
(실시예 6)
본 실시예의 촉매 코팅 담체로는 1.5mm ~ 3.0mm의 두께, 95% ~ 98%의 기공 밀도 및 800㎛의 기공 직경을 가지는 니켈 크롬 합금이 사용된다. 이것 외에는 머플러 및 촉매 장치의 제조는 실시예 1과 동일하다.
(실시예 7)
본 실시예의 촉매 코팅 담체로는 1.5mm ~ 3.0mm의 두께, 95% ~ 98%의 기공 밀도 및 1000㎛의 기공 직경을 가지는 니켈 크롬 합금이 사용된다. 이것 외에는 머플러 및 촉매 장치의 제조는 실시예 1과 동일하다.
(실시예 8)
본 실시예의 촉매 코팅 담체로는 1.5mm ~ 3.0mm의 두께, 95% ~ 98%의 기공 밀도 및 1200㎛의 기공 직경을 가지는 니켈 크롬 합금이 사용된다. 이것 외에는 머플러 및 촉매 장치의 제조는 실시예 1과 동일하다.
상기의 실시예들을 자동차에 장착하여 배기가스 오염물의 변환율을 측정하였다. 30,000km 시험주행 후의 CO, HC, NOx의 변환율이 표 3에 나열되어있다.
표 3. 기공 직경과 변환율
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 실시예 6 실시예 7 실시예 8
기공 직경 (㎛) 400 400 50 200 600 800 1000 1200
CO 변환율 (%) 91 94 80 83 95 93 87 75
HC 변환율 (%) 94 93 75 76 93 90 83 70
NOx 변환율 (%) 72 70 50 55 74 73 71 60
도 2는 실시예 2, 3, 4, 5, 6, 7 및 8에 대한 기공 직경 대 변환율 그래프이다. 본 그래프는 다공성 니켈 크롬이 촉매의 담체로 사용되었을 때, 본 장치의 촉매변환 부분의 유효성이 기공 직경에 크게 의존한다는 것을 보여주고 있다. 기공 직경이 50㎛ ~ 1200㎛ 사이일 때 배기가스 오염물의 변환율이 우수하다. 기공 직경이 400㎛ ~ 800㎛ 사이일 때 CO와 HC의 변환율이 90%를 상회하고, NOx 변환율은 70%를 상회하여 배기가스 오염물의 변환율이 가장 우수하다.
(실시예 9)
본 실시예에서는 외부 금속 셸의 내부에 두 부분에서 고정되고 배기가스 유동방향에 수직으로 놓여진, 전기도금으로 제조된 다공성 니켈로 만들어진 흡음재질의 두개의 배플이 있다. 다공성 금속과 외부 셸 사이, 그리고 다공성 금속 배플의 다른 부분들 사이에는 갭을 둔다. 기공 밀도는 80% ~ 90%이다. 최적의 흡음 결과는 기공 밀도가 95% ~ 98%일 때 얻어진다. 다공성 금속의 기공 직경은 200㎛이다. 다공성 금속의 두께는 10mm ~ 100mm이고, 갭의 두께는 10mm ~ 150mm이다. 전기 도금으로 제조된 다공성 니켈은 고르게 분포된 기공을 가지고 있고, 폐쇄된 기공은 없다. 따라서 이 재료는 높은 구조 강도와 사전 결정된 유연성을 가지고 있다.
(실시예 10)
본 실시예에서는 다공성 니켈의 기공 직경은 400㎛이다. 그 외 다른 모든 상세 사항들은 실시예 9와 동일하다.
(실시예 11)
본 실시예에서는 다공성 니켈의 기공 직경은 800㎛이다. 그 외 다른 모든 상세 사항들은 실시예 9와 동일하다.
(실시예 12)
본 실시예에서는 다공성 니켈의 기공 직경은 1200㎛이다. 그 외 다른 모든 상세 사항들은 실시예 9와 동일하다.
(실시예 13)
본 실시예에서는 55중량%의 니켈과 45중량%의 크롬을 함유하고 있는 다공성 니켈크롬 합금이 200㎛의 기공 직경을 가지고 있다. 그 외 다른 모든 상세 사항들은 동일하다. 본 실시예는 다공성 니켈크롬이 산화 및 열부식에 대하여 높은 저항력을 가지며 강하기 때문에 더욱 내구성 있고, 더욱 긴 사용 수명을 가진다.
(실시예 14)
본 실시예에서는 75중량%의 니켈과 25중량%의 크롬을 함유하고 있는 다공성 니켈크롬 합금이 200㎛의 기공 직경을 가지고 있다. 그 외 다른 모든 상세 사항들은 동일하다.
(실시예 15)
본 실시예에서는 95중량%의 니켈과 5중량%의 크롬을 함유하고 있는 다공성 니켈크롬 합금이 200㎛의 기공 직경을 가지고 있다. 그 외 다른 모든 상세 사항들은 동일하다.
실시예 9 내지 실시예 15를 자동차에 장착하고 자동차 표준 소음 측정 방법(Automobile Standard Noise Measuring Method, GB/T 14365-93) 및 자동차 가속에 있어 외부 소음 제한 및 시험 방법(External Noise Limit and Testing Method for Automobile Acceleration, GB 1495-2002)을 사용하여 흡음 성질을 테스트하였으며, 소음 레벨은 모두 76dB 및 73dB 보다 낮아서 모두 국가 표준보다 낮았다. 게다가 다공성 금속 재료로서 다공성 합금을 사용한 본 발명의 실시예들은 단일 금속원소를 사용한 경우보다 사용 수명이 더 길었다.
(실시예 16)
도 3은 외부 금속 셸(2)을 포함하는 본 실시예를 도해하고 있다. 외부 셸(2)의 두 단부는 각각 흡입 파이프(1) 및 배출 파이프(4)와 연결되어있다. 흡입 및 배출 파이프는 플랜지로 고정될 수 있다. 외부 셸(2)은 80% ~ 98%의 기공 밀도와 50㎛ ~ 1200㎛의 기공 직경을 가지는 다공성 금속(3) 배플을 지지하고 있다. 촉매 코팅이 다공성 금속의 표면에 응착되어있다. 다공성 금속 배플은 흡음재(3)이기도 하며, 외부 셸(2) 내부에서 배기가스 유동 방향에 수직으로 놓여져 있다. (도 3은 두 개의 배플을 보여주고 있다. 실제에서는 다중 배플이 사용될 수 있다.) 흡음재 배플들의 사이에는 갭을 둔다. 배플의 두께는 10mm ~ 100mm이다. 갭의 두께는 10mm ~ 150mm이다. 두 개의 다공성 재료 배플을 가지는 실시예의 경우 세 갭들의 두께 비율은 1 : 5 : 2이다.
상기의 다공성 금속 재료, 금속 또는 합금은 니켈(Ni), 철(Fe), 티타늄(Ti) 중에서 선택된 적어도 하나의 금속이다. 또 다른 선택으로, 다공성 금속은 두 성분 A, B를 가지는 합금으로 구성될 수 있는데, A 성분은 다공성 금속의 55중량% ~ 95중량%이고, 니켈(Ni), 철(Fe), 티타늄(Ti) 중 적어도 하나이며, B성분은 다공성 금속의 5중량% ~ 45중량%이고, 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 아연(Zn) 중 적어도 하나이다.
촉매 코팅의 조성은 활성 성분, 보조 성분 및 안정제를 포함한다. 활성 성분은 세륨(Ce), 란탄(La), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd) 중에서 선택된 적어도 하나의 희토류 금속과, 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 로듐(Rh), 루테늄(Ru) 중에서 선택된 적어도 하나의 소량의 귀금속이다. 보조 성분은 망간(Mn), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 알루미늄(Al) 중에서 적어도 하나 선택된 것이다. 안정제는 지르코늄(Zr), 칼륨(K), 나트륨(Na), 리튬(Li) 중에서 적어도 하나 선택된 것이다.
(실시예 17)
도 4 및 도 5에서 언급하는 것처럼 본 실시예에서는 흡음 및 촉매 코팅의 담체를 형성하는 다공성 금속 배플이 배기가스 유동 방향과 평행하게 놓여진다. 그림에서는 하나의 배플만을 도시하였지만, 하나 이상의 배플이 도 3과 같은 단면도에서 동심링을 형성하도록 놓여질 수 있다. 이웃하는 배플들 사이, 그리고 배플과 외부 금속 셸(2)의 표면 사이에 갭이 형성되어 배기가스가 이 장치를 직접 통과할 수 있도록 채널을 형성한다. 이러한 구성은 배기가스 압력을 줄인다. 그러나, 실시예 16에서 보인 장치에 비해 소음 흡수도 함께 낮아진다. 다공성 금속 배플의 최적 두께는 10mm ~ 100mm이고, 갭의 최적 두께는 5mm ~ 20mm이다.
(실시예 18)
도 6에 나타낸 것처럼 외부 금속 셸(2) 내부의 전면(좌측) 배플은 다공성 금속(3)으로 만들어진 흡음재이고, 후면(우측) 배플(7)은 주름진 금속으로 만들어진 촉매 코팅을 위한 하우징이다. 기타 다른 모든 상세 사항은 실시예 16과 동일하다.
(실시예 19)
도 7에 도시한 것처럼 본 실시예는 촉매 코팅된 주름진 금속 배플들(7) 사이에 다공성 금속 배플(3)을 배치한다. 배플들 사이에는 갭이 있다. 기타 다른 모든 상세 사항들은 실시예 16과 동일하다.
(실시예 20)
도 3에 도시한 것처럼 본 실시예는 외부 셸에 두개의 다공성 금속 배플이 있다. 본 실시예의 촉매 변환 머플러 장치의 부피는 배기가스를 만드는 엔진의 배기량의 5배이다. 기타 다른 모든 상세 사항들은 실시예 16과 동일하다.
(실시예 21)
도 3에 도시된 것처럼 본 실시예는 외부 셸에 두개의 다공성 금속 배플이 있다. 본 실시예의 촉매 변환 머플러 장치의 부피는 배기가스를 만드는 엔진의 배 기량의 0.3배이다. 기타 다른 모든 상세 사항들은 실시예 16과 동일하다.
실시예 16 내지 실시예 21이 통상의 세단에 장착되었다. 자동차의 운행 중에 정부 기준(government standard, GB/T3845-93)에 따라 테스트하였을 때, HC, CO, 그리고 NOx에 대해서 정화 효율은 모두 95%를 상회하였다. 유럽 배기가스 시험 표준 Ⅱ(European Exhaust Testing Standards Ⅱ)에 따라 실시예 16 내지 실시예 21을 테스트하였을 때, CO 배기가스 부피는 1.9g/km 이하였고, HC와 NOx의 총배기가스 부피는 0.4g/km 이하였다.
본 발명의 실시예의 흡음 성질은 우수하며, 소음 흡수를 달성하기 위해 더 이상의 머플러는 필요하지 않다. 삽입 손실(insertion loss)이 20 ~ 30 dB에 이를 때, 엔진 효율의 손실은 5% 이하이며, 배기가스의 역압력은 15Kpa 이하이다.
본 발명이 몇가지 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 본 발명이 그러한 상세 실시예로 한정되는 것은 아니다. 본 발명자들의 의도는 오히려, 본 발명은 이하의 청구의 범위가 나타내는 가장 넓은 의미로 이해되고 해석되어야 한다는 것이다. 따라서 이러한 청구의 범위는 여기에서 설명된 바람직한 실시예들만이 아니라, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 기술자들에게 명백한 모든 다른 변경 및 수정을 구체화하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (21)

  1. 엔진으로부터 배기가스를 받아들이는 머플러 및 촉매 변환 장치에 있어서,
    외부 셸과, 상기 셸 내부에 자리하는 적어도 하나의 배플을 포함하여 구성되고, 상기의 적어도 하나의 배플은 다수의 기공을 가지며 기공 밀도가 80% ~ 98%인 다공성 금속으로 만들어지고, 상기 기공은 50㎛ ~ 1200㎛의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 머플러 및 촉매 변환 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기공은 400㎛ ~ 800㎛의 직경을 가지고, 상기 기공 밀도는 95% ~ 98%인 것을 특징으로 하는 머플러 및 촉매 변환 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 다공성 금속은 니켈(Ni), 철(Fe) 및 티타늄(Ti)으로 구성되는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속인 것을 특징으로 하는 머플러 및 촉매 변환 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 다공성 금속은 적어도 두 개의 성분 A 및 B를 포함하고,
    상기 A 성분은 상기 다공성 금속의 55중량% ~ 95중량%를 차지하며 니켈(Ni), 철(Fe) 및 티타늄(Ti)으로 구성되는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속이 고,
    상기 B 성분은 상기 다공성 금속의 5중량% ~ 45중량%를 차지하며 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo) 및 아연(Zn)으로 구성되는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소인 것을 특징으로 하는 머플러 및 촉매 변환 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 머플러 및 촉매 변환 장치의 부피는 상기 엔진의 출력의 0.3배 ~ 7배인 것을 특징으로 하는 머플러 및 촉매 변환 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 배플은 촉매 코팅층을 가지며,
    상기 촉매 코팅의 성분은 활성 성분, 보조 성분 및 안정제를 포함하고,
    상기 활성 성분은 세륨(Ce), 란탄(La), 프라세오디뮴(Pr) 및 네오디뮴(Nd)으로 구성되는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 희토류 금속과, 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 로듐(Rh) 및 루테늄(Ru)으로 구성되는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 소량의 귀금속이고,
    상기 보조 성분은 망간(Mn), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 아연(Zn) 및 알루미늄(Al)으로 구성되는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소이며,
    상기 안정제는 지르코늄(Zr), 칼륨(K), 나트륨(Na) 및 리튬(Li)으로 구성되는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소인 것을 특징으로 하는 머플러 및 촉매 변환 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    다수의 배플들을 구비하고 흡입 파이프로부터 배기가스를 받아들여 배출 파이프로 상기 배기가스를 방출하며,
    상기 외부 셸은 흡입 개구부와 배출 개구부를 가지며,
    상기 흡입 개구부는 흡입 파이프에 연결되고 상기 배출 개구부는 배출 파이프에 연결되며,
    배기가스는 상기 흡입 파이프를 통해 셸로 흘러들어가고 상기 배출 파이프를 통해 셸을 빠져나가며,
    배기가스 유동 방향은 상기 흡입 개구부로부터 상기 배출 개구부로의 방향이고,
    사전 결정된 두께를 가지는 적어도 하나의 배플이 배기가스 유동 방향에 가로질러 위치하며,
    적어도 두개의 상기 배플이 사전 결정된 두께의 제1 갭으로 분리되고,
    적어도 하나의 상기 배플이 상기 외부 셸의 내표면으로부터 사전 결정된 두께의 제2 갭으로 분리되는 것을 특징으로 하는 머플러 및 촉매 변환 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    두개의 배플을 가지며, 상기 제1 갭들의 수의 합과 상기 제2 갭들의 수의 합은 3이고, 상기 세 갭들의 두께 비율은 1 : 1~10 : 1~2 인 것을 특징으로 하는 머플러 및 촉매 변환 장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    3개 ~ 6개의 배플들을 가지며, 상기 제1 갭들의 수와 상기 제2 갭들의 수의 총합은 4 ~ 7 인 것을 특징으로 하는 머플러 및 촉매 변환 장치.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 배플들의 두께는 10mm ~ 100mm이고, 상기 제1 및 제2 갭들의 두께는 10mm ~ 150mm 인 것을 특징으로 하는 머플러 및 촉매 변환 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    다수의 배플들을 구비하고 흡입 파이프로부터 배기가스를 받아들여 배출 파이프로 배기가스를 방출하며,
    상기 외부 셸은 흡입 개구부와 배출 개구부를 가지며,
    상기 흡입 개구부는 흡입 파이프에 연결되고 상기 배출 개구부는 배출 파이프에 연결되며,
    배기가스는 상기 흡입 파이프를 통해 셸로 흘러들어가고 상기 배출 파이프를 통해 셸을 빠져나가며,
    배기가스 유동방향은 상기 흡입 개구부로부터 상기 배출 개구부로의 방향 이고,
    사전 결정된 두께를 가지는 적어도 하나의 배플이 배기가스 유동 방향을 따라 위치하며,
    적어도 두개의 상기 배플이 사전 결정된 두께의 제1 갭으로 분리되고,
    적어도 하나의 상기 배플이 상기 외부 셸의 표면으로부터 사전 결정된 두께의 제2 갭으로 분리되는 것을 특징으로 하는 머플러 및 촉매 변환 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 배플들의 두께는 10mm ~ 100mm 이고, 상기 제1 갭들과 상기 제2 갭들의 두께는 5mm ~ 20mm 인 것을 특징으로 하는 머플러 및 촉매 변환 장치.
  13. 제 1항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 배플이 나선 형태인 것을 특징으로 하는 머플러 및 촉매 변환 장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 배플들의 두께가 1mm ~ 5mm 인 것을 특징으로 하는 머플러 및 촉매 변환 장치.
  15. 외부 셸과, 상기 셸 내부에 자리하는 적어도 하나의 흡음재 배플을 포함하 여 구성되고, 상기 배플은 다수의 기공을 가지며 기공 밀도가 80% ~ 98%인 다공성 금속으로 만들어지고, 상기 기공은 50㎛ ~ 1200㎛의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 머플러.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 다공성 물질은 니켈(Ni), 철(Fe) 및 티타늄(Ti)로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속인 것을 특징으로 하는 머플러.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 다공성 금속은 적어도 두 개의 성분 A 및 B를 포함하고,
    상기 A 성분은 상기 다공성 금속의 55중량% ~ 95중량%를 차지하며 니켈(Ni), 철(Fe) 및 티타늄(Ti)으로 구성되는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속이고,
    상기 B 성분은 상기 다공성 금속의 5중량% ~ 45중량%를 차지하며 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo) 및 아연(Zn)으로 구성되는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소인 것을 특징으로 하는 머플러.
  18. 외부 셸과, 상기 셸 내부에 자리하는 적어도 하나의 배플을 포함하여 구성되고, 상기 배플은 적어도 한 층의 촉매 코팅층의 담체이며, 상기 배플은 다수의 기공을 가지며 기공 밀도가 80% ~ 98%인 다공성 금속으로 만들어지고, 상기 기공은 50㎛ ~ 1200㎛의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 촉매 변환 장치.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 다공성 물질은 니켈(Ni), 철(Fe) 및 티타늄(Ti)으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속인 것을 특징으로 하는 촉매 변환 장치.
  20. 제 18항에 있어서,
    상기 다공성 금속은 적어도 두 개의 성분 A 및 B를 포함하고,
    상기 A 성분은 상기 다공성 금속의 55중량% ~ 95중량%를 차지하며 니켈(Ni), 철(Fe) 및 티타늄(Ti)으로 구성되는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속이고,
    상기 B 성분은 상기 다공성 금속의 5중량% ~ 45중량%를 차지하며 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 란탄(La) 및 네오디뮴(Nd)으로 구성되는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소인 것을 특징으로 하는 촉매 변환 장치.
  21. 제 18항에 있어서,
    상기 촉매 코팅의 성분은 활성 성분, 보조 성분 및 안정제를 포함하고,
    상기 활성 성분은 세륨(Ce), 란탄(La), 프라세오디뮴(Pr) 및 네오디뮴(Nd)으로 구성되는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 희토류 금속과, 팔라듐(Pd), 백금 (Pt), 로듐(Rh) 및 루테늄(Ru)으로 구성되는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 소량의 귀금속이고,
    상기 보조 성분은 망간(Mn), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 아연(Zn) 및 알루미늄(Al)으로 구성되는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소이며,
    상기 안정제는 지르코늄(Zr), 칼륨(K), 나트륨(Na) 및 리튬(Li)으로 구성되는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소인 것을 특징으로 하는 촉매 변환 장치.
KR1020057020136A 2003-04-24 2004-04-21 머플러 및 촉매 변환 장치 KR100659398B1 (ko)

Applications Claiming Priority (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CNA031143342A CN1540142A (zh) 2003-04-24 2003-04-24 阻尼式汽车排气消声器
CN03114334.2 2003-04-24
CNB031143997A CN100338341C (zh) 2003-04-30 2003-04-30 汽车尾气催化转化器
CN03114399.7 2003-04-30
CNU2003201253495U CN2665367Y (zh) 2003-12-26 2003-12-26 汽车排气净化消声器
CN200320125349.5 2003-12-26
PCT/CN2004/000380 WO2004094793A1 (en) 2003-04-24 2004-04-21 Muffler and catalytic converter devices

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20060018824A KR20060018824A (ko) 2006-03-02
KR100659398B1 true KR100659398B1 (ko) 2006-12-19

Family

ID=35466176

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020057020136A KR100659398B1 (ko) 2003-04-24 2004-04-21 머플러 및 촉매 변환 장치

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP1616083B1 (ko)
JP (1) JP2006526726A (ko)
KR (1) KR100659398B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100788405B1 (ko) 2006-12-18 2008-01-02 코리아 니켈 주식회사 자동차용 금속 폼 필터의 성능 향상을 위한 유속 배분필터장치
KR100804142B1 (ko) 2006-12-18 2008-02-19 코리아 니켈 주식회사 자동차용 금속 폼 필터의 성능 향상을 위한 유속을배분하는 필터구조

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6893779B2 (ja) * 2016-12-14 2021-06-23 エヌ・イーケムキャット株式会社 無機酸化物粒子担持構造担体の製造方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69216101T2 (de) * 1992-05-13 1997-07-17 Sumitomo Electric Industries Partikelfilter zur reinigung von dieselmotorabgas
US6040266A (en) * 1994-02-22 2000-03-21 Ultramet Foam catalyst support for exhaust purification
US5937641A (en) * 1996-11-22 1999-08-17 Graham; Donald W. Catalytic converter for exhaust gases having a high surface area catalytic core element
DE19750980C2 (de) * 1997-11-18 2000-01-05 Daimler Chrysler Ag Abgas-Katalysator für eine Brennkraftmaschine
JP3462750B2 (ja) * 1998-05-14 2003-11-05 住友電気工業株式会社 ディーゼルエンジン用パティキュレートトラップ
JP2001073742A (ja) * 1999-06-29 2001-03-21 Sumitomo Electric Ind Ltd ディーゼルエンジン用パティキュレートトラップ

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100788405B1 (ko) 2006-12-18 2008-01-02 코리아 니켈 주식회사 자동차용 금속 폼 필터의 성능 향상을 위한 유속 배분필터장치
KR100804142B1 (ko) 2006-12-18 2008-02-19 코리아 니켈 주식회사 자동차용 금속 폼 필터의 성능 향상을 위한 유속을배분하는 필터구조

Also Published As

Publication number Publication date
EP1616083A4 (en) 2008-03-05
EP1616083A1 (en) 2006-01-18
JP2006526726A (ja) 2006-11-24
KR20060018824A (ko) 2006-03-02
EP1616083B1 (en) 2012-09-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2339135B1 (en) Substrate with surface-collection-layer and catalyst-carrying substrate with surface-collection-layer
US7781371B2 (en) Filter catalyst
EP1205602B1 (en) Nonwoven metal fabric and a method of making same
US7655195B1 (en) Undulated-wall honeycomb structure and manufacturing method thereof
US7455709B2 (en) Honeycomb structural body
EP1745848B1 (en) Honeycomb structured body and exhaust gas purifying device
EP2556876B1 (en) Exhaust gas purification filter
EP1920840A1 (en) Honeycomb structure and honeycomb catalytic structure
CN107228000A (zh) 蜂窝结构体
US20040211172A1 (en) Muffler and catalytic converter devices
EP1961482A1 (en) Catalyst carrier
KR100659398B1 (ko) 머플러 및 촉매 변환 장치
JP2006192365A (ja) 内燃機関用排ガス浄化触媒とその製造方法および排ガス浄化装置
JPH1047035A (ja) ディーゼルエンジン用パティキュレートトラップ
JP4218559B2 (ja) ディーゼル排ガス浄化装置
WO2011061838A1 (ja) ハニカム構造体およびハニカム構造体の製造方法
WO2004094793A1 (en) Muffler and catalytic converter devices
CN203796372U (zh) 一种三元催化器载体结构
CN2665367Y (zh) 汽车排气净化消声器
US7084091B2 (en) Production method of ceramic catalyst body
CN1542265A (zh) 汽车尾气催化转化器
EP3919153A1 (en) Exhaust gas purification filter
CN208885372U (zh) 一种便于安装的汽车尾气净化器
JPH02169007A (ja) パティキュレート捕集用フィルタ
CN106513012A (zh) 一种圆柱形陶瓷蜂窝载体

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20121123

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20131128

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20141125

Year of fee payment: 9

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20151125

Year of fee payment: 10

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161125

Year of fee payment: 11

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20171201

Year of fee payment: 12