KR100693497B1 - 자동차의 증발가스 흡착 파이프 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차의 증발가스 흡착 파이프 제조방법에 관한 것으로서, 증발가스 규제에 대한 대응을 모색하기 위하여 기존의 엔진에 연결되는 흡기 시스템에 적용된 플라스틱 파이프 부분을 배제하고, 대신에 코팅성 및 배압성이 유리한 알루미늄 계열의 파이프 연결 방식으로 적용하되, 특히 표면적을 넓히는 동시에 코팅성을 향상시킬 수 있도록 산 또는 염기로 에칭하고, 이를 통한 산화층의 생성에 의한 코팅성을 향상시킬 수 있도록 열처리를 하며, 그 위에 접착성을 향상시킨 제올라이트 슬러리를 코팅함으로써, 성능, 내구, 비용, 레이-아웃 측면에서 증발가스를 효과적으로 흡착할 수 있는 자동차의 증발가스 흡착 파이프 제조방법에 관한 것이다.

자동차, 증발가스, 흡착, 알루미늄 파이프, 제올라이트

Description

자동차의 증발가스 흡착 파이프 제조방법{Method for manufacturing of pipe for removing fuel evaporation gas}

도 1은 본 발명에 따른 자동차의 증발가스 흡착 파이프를 나타내는 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 자동차의 증발가스 흡착 파이프의 정화율을 나타내는 그래프,

도 3은 일반적인 배기 규제 및 흡기 공급시스템에서 방출되는 탄화수소(HC) 량을 나타내는 그래프,

도 4는 종래의 활성탄을 이용한 증발가스 흡착 시스템을 나타내는 개략적인 도면이다.

본 발명은 자동차의 증발가스 흡착 파이프 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 증발가스 규제에 대한 대응을 모색하기 위하여 엔진에 연결된 부분을 코팅성 및 배압성이 유리한 알루미늄 계열의 파이프 연결 방식으로 적용하되, 특히 표면적을 넓히는 동시에 코팅성을 향상시킬 수 있도록 산 또는 염기로 에칭하고, 이를 통한 산화층의 생성에 의한 코팅성을 향상시킬 수 있도록 열처리를 하며, 그 위에 접착성을 향상시킨 제올라이트 슬러리를 코팅한 자동차의 증발가스 흡착 파이프 제조방법에 관한 것이다.

기존의 배기가스 규제는 크게 두가지로 구분하는 바, 하나는 테일 파이프에서 나오는 배기가스와 나머지 하나는 자동차에서 발생되는 증발가스(VOC : volatile Organic Compound)이다.

통상, 배기가스는 엔진이나 후처리 기술로써 대응을 하고 있으나, 증발가스 대응 기술은 차량 전체적인 문제이므로 대응하기가 힘든 것이 현실이다.

이러한 증발가스는 일반적으로 오존이 주성분인 광학스모그를 형성하는 주범이 되며, 배기가스와 더불어 증발가스 규제도 크게 두가지로 구분하는 바, 그 중 하나는 비연료 규제이고, 나머지 하나는 연료 규제이다.

상기 비연료 규제는 연료공급 시스템 이외의 차량에서 나오는 증발가스를 규제하는 것이고, 상기 비연료 규제는 연료공급 시스템에서 발생되는 증발가스를 규제하는 것이다.

특히, 증발가스의 규제 중, 규제치를 만족시키기 어려운 규제가 바로 연료 규제 쪽이다.

상기 연료 규제에서 대부분의 증발가스가 발생하는 부분은 자동차의 시동이 꺼졌을 경우에, 연료 탱크에서 증발가스가 발생되어, 공기가 공급되었던 흡기 공급시스템으로 증발가스가 역류하여 자동차 밖으로 증발가스를 배출하는 것이다.

즉, 연료 탱크 →엔진 →흡기 공급시스템으로 흘러 나오게 된다.

또 다른 증발가스 배출경로는 엔진(injector) →흡기 공급시스템으로 증발가스가 흘러 나오게 된다.

이런 증발가스가 연료 증발가스의 50% 이상을 차지하므로, 흡기 공급시스템쪽으로 흘러나오는 증발가스를 포집하는 것이 증발가스 규제를 만족시키는 가장 손쉬운 방법이라고 할 수 있을 것이다.

도 3에 도시된 그래프에서와 같이, 차량의 크기가 증가함에 따라 흡기 공급시스템쪽에서 발생하는 탄화수소(HC)의 량이 증가하는 것을 알 수 있다.

따라서, 흡기 공급시스템에서 배출하는 HC량을 제거하는 것이 필수적이라 하겠다.

증발가스를 제거하는 방법은 크게 두가지로, 근본적으로 증발가스 발생을 억제하는 것과, 발생된 증발가스를 제거 또는 흡착하는 방법이 있을 것이다.

첫번째, 근본적 제거 방법은 연료계(연결부 및 연료탱크), 엔진계(injector) 등 시스템 전체를 고려하여 근본적으로 발생하는 증발가스를 제거하는 방법이나, 비용 및 방법면에서 전 시스템을 고려해야 하므로, 대응이 힘든 상태이다.

반면에, 둘째 방법인 후처리 방법은 엔진 배기량이 커질수록 흡기 공급시스템에서 발생하는 증발가스량이 증가하므로, 상기 흡기 공급시스템의 증발가스를 제거하거나, 흡착할 수 있는 부품을 장착하는 것이다.

이것은 전체 증발가스 배출량(대형차 기준)의 50% 정도를 차지하는 흡기 공급시스템의 증발가스를 효과적으로 제거 또는 흡착함으로써, 차량 일부분에서의 증 발가스 배출을 효과적으로 억제함으로써, 규제를 대응하는 방법이다.

따라서, 기존의 개발 방식은 흡기 공급시스템 쪽에 HC 흡착제를 장착하는 것으로 증발가스 규제에 대응하고 있다.

이때, 장착하는 증발가스 흡착시스템은 여러 가지가 있는 바, 먼저 활성탄을 압출하여 장착하는 방식(아래 도 4에 도시된 도면부호 1)이 있으나, 배압을 증가시킬 뿐만 아니라, 차량 운행시 진동에 의해서 활성탄이 깨져 나가 엔진에 영향을 줄 수 있는 문제가 있다.

또 다른 방법은 펄프와 활성탄을 섞어서 압축하여 만든 활성탄 시트(sheet)가 있다.

장착위치에 따라서 도 4에 도시된 바와 같이, 1, 2 모두에 해당된다.

그런데, 상기 활성탄 시트의 문제점은 장착 방법 및 위치에 따라 배압을 증가시킬 수 있고(2번 위치), 차량운행시 시트에 압착되어 있던 활성탄 알갱이가 바깥으로 빠져 나와 엔진에 악영향을 줄 수 있으며, 또한 시트 형태이므로, 에어 클리너 또는 파이프 내에 장착할 때, 일정한 힘을 가하여, 지지할 수 있도록 시트 고정수단이 필요한 문제점이 있다.

또한, 도 4에서 2는 배압이 증가되나, 장착이 용이한 말린 형태의 시트는 흡기 공급시스템 내에 직선 구간의 파이프가 필요하며, 장착시에도 일정한 힘을 가할 수 있는 구조물이 별도로 필요한 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 증발가스 규제에 대한 대응을 모색하기 위하여 엔진에 연결된 부분을 코팅성 및 배압성이 유리한 알루미늄 계열의 파이프 연결 방식으로 적용하되, 특히 표면적을 넓히는 동시에 코팅성을 향상시킬 수 있도록 산 또는 염기로 에칭하고, 이를 통한 산화층의 생성에 의한 코팅성을 향상시킬 수 있도록 열처리를 하며, 그 위에 접착성을 향상시킨 제올라이트 슬러리를 코팅함으로써, 성능, 내구, 비용, 레이-아웃 측면에서 증발가스를 효과적으로 흡착할 수 있는 자동차의 증발가스 흡착 파이프 제조방법을 제공하는데 그 발명의 목적이 있다.

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

본 발명은, 자동차의 증발가스 흡착 파이프를 제조함에 있어서, 엔진에 연결되는 부분을 알루미늄 재질을 적용하여, 파이프 형상으로 가공하는 단계와;

약산 또는 약 염기성 용액으로 파이프 표면을 부식시킨 후, 건조시키는 단계와;

산화 분위기에서 열처리하는 단계와;

콜로이달 실리카와, 제올라이트(800 > Si/Al > 500)와, 물을 슬러리 형태로 만든후, 상기 알루미늄 파이프에 코팅하는 단계와;

코팅 후, 300 ~ 500℃의 온도에서 2 ~ 4시간 동안 소성 및 건조시키는 단계 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 열처리 단계는, 알루미늄 산화물이 부식된 표면에 생기도록 200 ~ 400℃의 온도로 0.5 ~ 1.5시간 동안 노출시키는 단계인 것을 특징으로 한다.

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

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 자동차의 증발가스 흡착 파이프를 나타내는 단면도이며, 도 2는 본 발명에 따른 자동차의 증발가스 흡착 파이프의 정화율을 나타내는 그래프이다.

본발명은 증발가스 규제에 대한 대응을 모색하기 위하여 엔진과 연결된 파이프를 알루미늄 계열의 파이프로 적용하고, 산 또는 염기로 에칭한 후, 알루미늄 파이프에 열처리를 하여 그 위에 알루미나와 제올라이트 슬러리를 코팅하는 증발가스 흡착 파이프의 제조방법에 관한 것이다.

이때, 상기 알루미늄 파이프는 다른 유사 파이프(SUS 파이프)에 비하여 코팅 접착성이 유리하며, 코팅 물질인 제올라이트는 다른 유사 증발가스 흡착제(활성탄)에 비하여 증발가스 흡착성능은 거의 동일하나, 코팅성 및 내구성 측면에서 더욱 유리하므로 본 발명의 바람직한 구현예에 적용 가능하다.

한편, 상기 증발가스 흡착제인 제올라이트의 기본 성질을 살펴보면 다음과 같다.

제올라이트의 기본구조는 SiO₄와 AlO₄ 사면체로 이루어진 다공성 알루미노 실리케이트 결정인 바, 특히 정사면체의 기하학적 구조를 갖는 규소이온은 +4가의 양전하를 띠기 때문에 4개의 산소원자에 의해서 전기적으로 균형을 이루며 중성을 이루게 된다.

그러나, +3가의 알루미늄 이온들은 4개의 산소원자들에 의해 결합되어 정사면체의 구조를 형성하기 때문에 -1가의 음전하를 갖게 된다.

그러므로, 각 알루미늄 사면체는 전기적으로 중성을 유지하기 위해서 주위에 +1 또는 +2가의 전하를 갖는 금속 양이온이 존재하므로 구조적으로 안정하게 되고, 이들 양이온은 제올라이트의 고유한 특성인 이온 교환능을 가지고 있기 때문에 필요에 따라 적절한 양이온으로 용이하게 치환될 수 있다.

이때, 상기 제올라이트의 합성은 알루미늄 용액과 실리카 용액을 혼합시켜 겔(gel)상태를 만든 다음, 수열 반응을 통하여 합성하게 된다.

제올라이트의 구조 및 종류는 수백종에 이르나, 본 발명에서의 목적에 부합되는 구조로는 예를 들어, 엠에프아이(MFI), 모데나이트(MOR) 및 베타(BEA) 등을 사용할 수 있게 된다.

상기 제올라이트는 기공 입구를 이루는 산소원자의 수가 10 ~ 12개, 기공 입구 직경이 5 ~ 8Å 범위를 특징으로 하는데, 이러한 구조는 탄화수소 흡착제로 매우 적합하다.

이뿐만 아니라, 이들은 또한 합성 제올라이트이기 때문에 합성용 혼합물에 대한 조성의 조절을 통해 Si/Al의 비율을 제어하는데 비교적 자유롭지만, 제올라이트의 함량 비율을 800> Si/Al > 500로 한정하는 것이 좋으며, 그 이유는 500 이상으로 비율이 증가함에 따라 증발가스의 흡착성 및 접착성이 증가하게 되지만 800 이상이면 너무 경한 상태가 되어 기계적 충격에 약한 단점이 있기 때문이다.

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한편, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 있어서, 이와 같은 상태 및 성질을 갖는 제올라이트에, 콜로이달 실리카 및 물을 혼합한 후, 습식 밀링을 수행하여 슬러리 상태로 제조한 다음, 코팅하게 된다.

여기서, 사용되는 콜로이달 실리카는 산성으로, 알루미나 표면에 형성된 산화층에 코팅하여, 알루미늄 산화층과의 밀착성을 확보할 뿐만 아니라, 균열 또는 박리를 방지할 수 있게 된다.

이하, 본 발명에 따른 자동차의 증발가스 흡착 파이프를 제조하는 공정은 다음과 같다.

1. 기존의 엔진에 연결되는 플라스틱 파이프 부분을 배제하고, 대신에 알루미늄 재질을 적용하여, 파이프 형상으로 가공을 한다.

2. 약산 또는 약 염기성 용액으로 파이프 표면을 부식시킨 후(표면적을 넓게 함), 건조시킨다.

3. 산화 분위기에서 소정의 온도(200 ~ 400℃)로 0.5 ~ 1.5시간 정도 노출시켜, 알루미늄 산화물이 부식된 표면에 용이하게 생기도록 한다(코팅물질이 산화물이므로, 코팅의 용이성 및 접착성을 높이기 위하여 산화층을 입힌다.).

4. 콜로이달 실리카 + 제올라이트(800 > Si/Al > 500) + 물을 슬러리 형태로 만든후, 공정 3 까지 처리된 알루미늄 파이프에 코팅한다.

5. 코팅 후, 소성 및 건조(300 ~ 500℃의 온도에서 2 ~ 4시간)시킨다.

따라서, 이와 같은 본 발명에 따른 제조 공정에 있어서, 코팅성 및 내구성 향상을 위해 알루미늄 파이프를 사용하고, 촉매담체용 알루미늄-알루미늄 산화물 층상입자를 갖는 알루미늄 구조체를 활성촉매 전구체가 용해된 용액에 직접 담지하여 미리 제조된 워시코트(알루미나+제올라이트)를 코팅함으로써, 제올라이트가 견고하게 부착되어 강한 기계적 또는 열적 충격에도 워시코트가 떨어져 나감없이 사용할 수 있도록 하게 된다.

한편, 도 2는 0.3g의 연료를 주입한 상태에서, 알루미늄 파이프에 코팅된 제올라이트 방식과 압출된 활성탄 및 활성탄 시트 방식을 비교 평가한 결과로서, 각각의 막대 그래프는 정화율을 나타낸다.

이때의 증발가스 저감 효과는 가스가 접촉할 수 있는 표면적에 비례한 바, 알루미늄 파이프의 표면적이 압출된 활성탄보다는 상대적으로 작으므로, 낮은 정화율을 나타냈고, 활성탄 시트보다는 높은 정화율을 나타내므로 높은 비표면적을 가진 것으로 평가된다.

위와 같이, 정화율 측면에서는 결과가 대동 소이하지만, 배압측면, 내구성 측면, 레이-아웃(lay-out)측면 및 가격 측면에서, 알루미늄 파이프에 코팅된 제올라이트 방식이 가장 효율적인 것으로 평가된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차의 증발가스 흡착 파이프 제조방법에 의하면, 코팅성, 배압성 측면에 유리한 알루미늄 파이프에 에칭층 및 산화층을 생성시킨 후, 증발가스 흡착제를 코팅함으로써, 증발가스 규제에 대한 대응이 가능 함은 물론, 성능, 내구성, 비용, 레이 아웃 측면에서 유리한 효과가 있다.

Claims (2)

1. 엔진에 연결되는 부분을 알루미늄 재질을 적용하여, 파이프 형상으로 가공하는 단계와;

   약산 또는 약 염기성 용액으로 파이프 표면을 부식시킨 후, 건조시키는 단계와;

   산화 분위기에서 열처리하는 단계와;

   콜로이달 실리카와, 제올라이트(800 > Si/Al > 500)와, 물을 슬러리 형태로 만든후, 상기 알루미늄 파이프에 코팅하는 단계와;

   코팅 후, 300 ~ 500℃의 온도에서 2 ~ 4시간 동안 소성 및 건조시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차의 증발가스 흡착 파이프 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 열처리 단계는, 알루미늄 산화물이 부식된 표면에 생기도록 200 ~ 400℃의 온도로 0.5 ~ 1.5시간 동안 노출시키는 단계인 것을 특징으로 하는 자동차의 증발가스 흡착 파이프 제조방법.

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