KR100712309B1 - 촉매코팅된 전기히터를 사용한 차량용 배기가스 정화장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배기가스 중의 유해물질을 제거하기 위해 저온 운전차량이나 냉시동시 외부열원을 전기히터로 공급하는데 있어 분할된 전기히터 위에 직접 촉매코팅을 함으로써 촉매활성화를 하기 위해 최소한의 에너지로 배기가스를 정화할 수 있는 차량용 배기가스 정화장치에 사용되는 스트립을 이용한 촉매 코팅된 분할형 전기히터를 사용한 차량용 배기가스 정화장치에 관한 것이다.

매연저감장치, 전기히터, 재생

Description

촉매코팅된 전기히터를 사용한 차량용 배기가스 정화장치{Vehicle Exhaust aftertreatment using catalytic coated electric heater}

도 1은 전기히터의 구조도

도 2a 및 도 2b는 금속담체의 정면도 및 적층상태의 개념도

도 3은 본 발명의 실시예1에 따른 차량용 배기가스 정화장치의 구조도

도 4는 본 발명의 실시예2에 따른 차량용 배기가스 정화장치의 구조도

도 5는 본 발명의 실시예3에 따른 차량용 배기가스 정화장치의 구조도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

30,40,50: 관체 31,41,42,51,53: 전기히터

32,43,52,54: 금속담체 100: 금속담체

101: 파판 102: 평판

200: 전기히터 201: 스트립

본 발명은 스트립을 이용한 촉매 코팅된 분할형 전기히터를 사용한 차량용 배기가스 정화장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배기가스 중의 유해물질을 제거하기 위해 저온 운전차량이나 냉시동시 외부열원을 전기히터로 공급하는데 있어 분할된 전기히터 위에 직접 촉매코팅을 함으로써 촉매활성화를 하기 위해 최소한의 에너지로 배기가스를 정화할 수 있는 차량용 배기가스 정화장치에 사용되는 스트립을 이용한 촉매 코팅된 분할형 전기히터를 사용한 차량용 배기가스 정화장치에 관한 것이다.

일반적으로 차량의 동력을 발생시키는 내연기관에서는 연료의 연소시 많은 양의 유해 미립자가 배출되게 되는데, 특히 디젤기관(Diesel engine)의 내연기관에서는 분사된 연료가 피스톤의 압축으로 인한 온도상승으로 자기 착화를 일으켜 연소되는 과정에서 불완전 연소로 인하여 입자상 물질, 질소 산화물, 미연 탄화수소, 일산화탄소, 냄새물질 등과 같은 많은 양의 유해 미립자(이하, "매연"이라 함)가 배출된다.

상기의 디젤기관의 연소과정에서 완전 연소되지 못한 연료는 매연이 되어 차량의 배기가스와 함께 대기 중으로 배출되므로, 이러한 매연은 공기 중으로 확산되어 결국 인체 폐포에까지 침투하여 기관지염은 물론 암을 유발시키는 등 엄청난 결과를 초래하고 있다.

최근 들어, 이러한 대기오염에 대한 심각성이 사회 전반에 시급한 해결과제로 대두되고 있으며, 이러한 문제는 곧 세계 각국의 환경규제 조치와 맞물리게 되 면서 차량의 배기가스에 대한 규제도 점점 엄격해지고 있는 것이 사실이다.

상기와 같은 이유로 일반적으로 디젤연료를 사용하는 차량은 공해방지를 위해 배기가스를 배출하는 배기관 또는 기타 부분에 상기 배기가스가 외부로 배출되기 전에 엔진 자체에서 공해물질을 적게 배출하려는 전처리 장치가 적용되고 있으나, 배기가스 규제가 강화됨에 따라 배기가스 정화목적의 후처리 장치 장착이 불가피 하게 되었다.

차량에서 배출되는 유해가스에는 입자상물질(PM), 일산화탄소(CO), 미연탄화수소(HC) 등이 있다.

기존의 배기가스 정화방식은 PM의 경우에는 세라믹 필터를 이용하여 PM을 필터에 포집한 다음 배기가스 열이나, 외부열원으로 주기적으로 산화시키는 방식을 사용하며, 가스 상의 물질인 HC/CO등은 일반적으로 필터 혹은 담체에 촉매코팅을 하여 배기가스 온도에 의해 산화된다.

이 때 장기간 저온으로 차량이 운행되는 경우는 촉매의 활성화 온도에 이르지 못하므로 유해가스는 정화되지 않은 채로 대기 중에 방출된다.

이런 장기적 저온 운행차량이나 냉시동시의 배기성능 저하에 의해 전기히터 등과 같이 외부열원을 이용하여 배기가스를 촉매 활성화 온도까지 상승시키는 장치가 있는데 이는 순간적으로 많은 에너지가 필요한 단점이 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 배기가스 중의 유해물질을 제거하기 위해 저온 운전차량이나 냉시동시 외부열원을 전기히터로 주는데 있어 분할된 전기히터 위에 직접 촉매코팅을 함으로써 촉매활성화를 하기 위해 최소한의 에너지로 배기가스를 정화할 수 있는 스트립을 이용한 촉매 코팅된 분할형 전기히터를 사용한 차량용 배기가스 정화장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 엔진에서 배출되는 배기가스 열에 의해 촉매 활성화가 되지 않는 온도에서도 적은 에너지로 촉매 활성화를 통해 배기가스를 저감시키고, 배기가스 정화장치 전단에 위치하여 포집된 필터에 적은 에너지를 이용하여 매연을 산화시킬 수 있는 차량용 배기가스 정화장치를 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전기히터와 금속담체를 포함하여 구성되는 차량용 배기가스 정화장치에 있어서, 상기 전기히터 표면 위에 촉매를 코팅하여, 전기 발열로 촉매가 활성화 시간 및 전기히터의 가열온도를 낮출 수 있는 것을 특징으로 하는 차량용 배기가스 정화장치이다.

상기 전기히터와 상기 금속담체는 접합수단에 의해 기계적으로 연결이 되어 있으나 전기적으로 분리되어 있는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 전기히터는 일정한 진폭과 주기를 가지도록 형성된 얇은 파형스트립을 적층한 집합체를 굴곡하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 전기히터와 상기 금속담체는 열과 배기가스에 의한 오손을 방지하기 위하여 철-크롬-알루미늄의 합금으로 제작되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 전기히터는 하나 이상의 세그먼트로 분할되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 전기히터는 상기 금속담체 전단에 2개 이상이 직렬 또는 병렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 전기히터는 상기 금속담체를 한 조로 하여 수개의 조를 설치한 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 실시예 및 도면을 통하여 상세히 설명한다.

본 발명의 주요 특징은 촉매활성을 위해 배기가스를 데우는 구조와는 달리 촉매자체가 전기에너지에 의해 직접 열을 받는 구조로 되어 배기열에 의한 열손실에 매우 적으며, 히터 후단부에는 촉매 코팅된 금속담체가 있어 전단 히터 발열에 의한 촉매활성을 기대할 수 있으며, 복사방지를 막을 수 있는 구조로 되어있다.

또, 상기 전기히터와 상기 금속담체는 계속되는 열과 배기가스에 노출에 의한 오손을 방지하기 위하여 철-크롬-알루미늄의 합금으로 제작되는 것이 바람직하다.

본 발명에 사용되는 전기히터(200)는 촉매 코팅된 얇은 스트립(201)이 적층된 것이다.

따라서, 전기히터(200)에 적용된 촉매자체가 전기발열에 의한 열을 받아서 촉매활성이 될 수 있다.

상기 전기히터(200)는 도 2에 도시된 바와 같이 수개의 평형스트립과 수개의 파형스트립, 또는 수개의 파형스트립이 서로 접합제에 의해 서로 접착되고 적층되 고, 상기 적층된 수개의 파판이 이루는 집합체를 다시 굴곡한 구조로 되어 있어서, 원하는 저항값을 가질 수 있게 된다.

얇게 적층된 상기 스트립(201)은 공기와의 접촉량을 늘이기 위해 셀수가 높은 것으로 제작되었다.

또한, 상기 전기히터(200)는 하나 이상의 세그먼트로 분할되며, 도 2에 도시된 실시예에서는 중심부의 세그먼트와 그 주위를 감싸는 2개 이상의 외측의 세그먼트로 구성되어 있다.

따라서, 상기 전기히터(200)는 복수개의 세그먼트로 다중 분할하여 상기 각 세그먼트에 포집되는 매연량 혹은 가스상 물질 배출량에 따라 전원이 효율적으로 공급되도록 함으로써 PM의 재생을 위한 히터 작동시 불필요하게 낭비되는 에너지를 절감할 수 있다.

또한, 상기 전기히터(200)의 전체 지름은 금속담체의 열손실을 보완하기 위해 금속담체보다 큰 것이 바람직하다.

도 2a와 도 2b는 본 발명에 사용되는 금속담체(100)를 도시한 것으로, 파판(101)과 평판(102)을 교대로 적층한 금속담체(100)를 사용한다.

또한, 상기 금속담체(100)에 포집되는 PM의 양을 늘리기 위해 평판(102)과 파판(101)의 길이를 다르게 하여 구성할 수 있다.

도 3은 본 발명의 전기히터를 적용한 실시예1의 개념도로써, 촉매코팅된 전기히터(31)가 관체(30)의 전단부에 위치하고, 상기 관체(30)의 후단부에 촉매코팅된 금속담체(32)가 위치한다.

상기 전기히터(31)과 금속담체(32)는 기계적으로 결합되어 있으며, 전단부의 전기히터(31)가 작동할 때 전단부는 자체 열에 의해 전기히터(31)에 적용된 촉매가 활성화되며, 후단부에 위치한 금속담체(32)는 전단부 전기히터(31)의 발열반응에 의한 열을 이용하여 촉매가 활성화된다.

그러나, 배기가스 온도가 너무 낮아 히터부와 금속담체의 온도차가 과도하게 생기는 경우에는 금속담체 온도를 상승하기 위해 히터부 표면이 과도하게 상승하기 때문에 촉매의 열화를 가져올 수 있다.

따라서, 도 4에 도시한 실시예2와 같이, 관체(40)의 전단부에 전기히터(41,42) 두 개를 직렬 연결하여 히터부의 온도가 과도하게 상승하지 않게 하면서 금속담체(43)의 온도를 상승시킬 수 있다.

도 5에 도시한 실시예3과 같이, 전기히터(51,53)와 금속담체(52,54)의 시스템을 두 개 직렬 연결하는 경우에는 배기가스 처리온도를 다단계로 올릴 수 있기 때문에 저전압 고전류의 용도로 사용할 때 유리하다.

상기 전기히터와 금속담체는 접합수단(도시생략)으로 상호 결합된다.

상기 접합수단은 중심부에 세라믹 등과 같은 절연체에 상호 전기적으로 단락된 절연물질을 양측에 형성하고, 상기 절연물질 각각이 상기 전기히터와 금속담체에 용접 등의 방법으로 결합된다.

따라서, 전기히터와 금속담체는 기계적으로 연결되나, 전기적으로 절연된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통 상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

본 발명을 통하여 전기히터에 직접 촉매를 적용하여, 배기가스 정화용 촉매를 저에너지로 활성화시킬 수 있다.

또한, 상기 전기히터를 분할구조로 형성하여 국부적 가열이 가능하다.

그리고, 금속담체의 복사열 방지막에 촉매코팅이 되어 있어 복사에 의한 열과 대류에 의한 열 동시에 사용가능하며, 장기간 저온 영역에서도 안정적으로 촉매활성을 시킬 수 있다.

Claims (7)

1. 전기히터와 금속담체를 포함하여 구성되는 차량용 배기가스 정화장치에 있어서,

   상기 전기히터 표면 위에 촉매를 코팅하여, 전기발열로 촉매가 활성화 시간 의 감소 및 전기히터의 가열온도를 낮출 수 있으며,

   상기 전기히터와 상기 금속담체는 접합수단에 의해 기계적으로 연결이 되어 있으나 전기적으로 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 차량용 배기가스 정화장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 전기히터는 일정한 진폭과 주기를 가지도록 형성된 얇은 파형스트립을 적층한 집합체를 굴곡하여 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 배기가스 정화장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 전기히터와 상기 금속담체는 열과 배기가스에 의한 오손을 방지하기 위하여 철-크롬-알루미늄의 합금으로 제작되는 것을 특징으로 하는 차량용 배기가스 정화장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 전기히터는 하나 이상의 세그먼트로 분할되는 것을 특징으로 하는 차량용 배기가스 정화장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 전기히터는 상기 금속담체 전단에 2개 이상이 직렬 또는 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 차량용 배기가스 정화장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 전기히터는 상기 금속담체를 한 조로 하여 수개의 조를 설치한 것을 특징으로 하는 차량용 배기가스 정화장치.

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