KR100805439B1

KR100805439B1 - 통합형 ｃｃｃ 촉매 장치

Info

Publication number: KR100805439B1
Application number: KR1020060097328A
Authority: KR
Inventors: 김상범; 김성근
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-10-02
Filing date: 2006-10-02
Publication date: 2008-02-20
Also published as: CN101187328A; US20080078165A1

Abstract

본 발명은 통합형 CCC 촉매 장치에 대한 것으로, 귀금속 촉매가 코팅되고 상호 이격 설치되는 원통형의 프런트 촉매 및 리어 촉매; 및 상기 프런트 촉매 및 리어 촉매를 하부에서 감싸 지지하는 반 원통 형상의 로어 쉘과, 상기 프런트 촉매 및 리어 촉매를 상부에서 감싸 지지하는 반 원통 형상의 어퍼 쉘이 구비되며, 일측은 배기 매니폴드에 결합된 프런트 머플러 파이프에 연결되고 타측은 배기 가스가 배출되는 리어 머플러 파이프에 연결되는 촉매 커버를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 촉매 장치의 쉘(shell) 구조 및 산소 센서의 장착 구조가 간소화되어 장착이 용이해짐으로써 기존 촉매장치대비 동등이상의 정화성능을 유지하고 배압이 저감되어 엔진성능이 향상되며 제조 공정이 단축되고 원가가 절감되는 효과가 있다.

CCC 촉매 장치, 로어 쉘, 어퍼 쉘, 산소 센서 보스, 프런트 촉매, 코팅

Description

통합형 ＣＣＣ 촉매 장치{The integration type close-coupled catalytic converter}

도 1a는 종래의 CCC 촉매 장치의 일 예를 도시한 개략도.

도 1b는 도 1a에 따른 CCC 촉매 장치를 도시한 사시도.

도 2는 종래의 CCC 촉매 장치의 다른 예를 도시한 사진.

도 3은 본 발명에 따른 통합형 CCC 촉매 장치의 설치 상태를 도시한 개략도.

도 4는 도 3에 따른 통합형 CCC 촉매 장치의 사시도.

도 5는 도 3에 따른 통합형 CCC 촉매 장치의 내부 사시도.

도 6은 도 3에 따른 통합형 CCC 촉매 장치의 저면도.

도 7은 도 3에 따른 산소 센서 보스의 장착 상태를 도시한 부분 사시도.

도 8은 본 발명의 통합형 CCC 촉매 장치에 따른 프런트 촉매의 코팅 상태를 도시한 개략도.

도 9는 본 발명의 통합형 CCC 촉매 장치에 따른 촉매 커버와 프런트 머플러 파이프의 조립 방법을 도시한 사시도.

도 10은 종래의 CCC 촉매 장치와 본 발명의 CCC 촉매 장치의 촉매담체 단면상 유속분포 균일지수 확인을 위한 유동개선 해석도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100 : 통합형 CCC 촉매 장치 110 : 촉매 커버

112 : 로어 쉘 114 : 어퍼 쉘

120 : 산소 센서 보스 122 : 산소 센서

130 : 프런트 촉매 132 : 제1 코팅부

134 : 제2 코팅부 140 : 리어 촉매

200 : 배기 매니폴드 300 : 프런트 머플러 파이프

400 : 리어 머플러 파이프 500 : 조립 공구

본 발명은 통합형 CCC 촉매 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 쉘(shell)의 구조 및 산소 센서의 장착 구조를 간소화하고 프런트 촉매의 코팅 비율을 최적화시켜 촉매 장치의 효율 향상 및 제조 원가를 절감할 수 있는 통합형 CCC 촉매 장치에 관한 것이다.

자동차에서 사용되는 촉매 장치(혹은 촉매 변환기)는 배기 가스 중의 일산화탄소나 탄화수소, 질소 산화물 등과 같은 유해물질을 산화 또는 환원 반응을 통해 이산화탄소와 물 등의 무해한 물질로 변환하는 장치이다.

일반적으로 이러한 촉매 장치는 실제로 촉매 역할을 하는 귀금속이 코팅된 담체(substrate)를 매트가 감싸 지지하며 금속으로 만들어진 쉘(shell)의 내부에 수용된다. 담체를 코팅하는데는 백금(Pt)이나 로듐(Rh), 파라듐(Pd) 등이 사용된 다.

이러한 촉매 장치는 장착 위치에 따라 배기 매니폴드에 직결되도록 설치되는 매니폴드 일체형 촉매장치(Manifold Catalytic Converter, MCC 혹은 Warm-up Catalytic Converter, WCC), 배기 매니폴드에서 일정거리를 두고 머플러 파이프의 중간 차량바닥에 설치되는 일반형 촉매장치(Under-floor Catalytic Converter, UCC), 배기 매니폴드와 일정한 거리를 두고 설치되며 배기 매니폴드에 UCC대비 인접 장착식 촉매 장치(Close-coupled Catalytic Converter, 이하 CCC 촉매 장치) 등으로 구분된다. 필요에 따라 촉매 장치 안에 한 개 또는 두 개의 촉매가 들어가도록 구성된다.

첨부된 도 1a는 종래의 CCC 촉매 장치의 일 예를 도시한 개략도이고, 도 1b는 도 1a에 따른 CCC 촉매 장치를 도시한 사시도이며, 도 2는 종래의 CCC 촉매 장치의 다른 예를 도시한 사진이다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 종래의 CCC 촉매 장치(1)는 하나의 쉘(3) 안에 두 개의 서로 다른 촉매(5)가 거의 붙어 있는 상태로 삽입되서 배기 매니폴드(7)와 일정 거리를 두고 설치되어 배기 가스를 정화한다. 이러한 CCC 촉매 장치(1)의 전방 및 후방에 산소 센서(9)가 장착되어 이론 공연비로 CCC 촉매 장치(1)가 제어되도록 한다.

그런데 이러한 종래의 CCC 촉매 장치는 두 개의 촉매가 거의 붙어 있어 후방에 위치한 촉매의 경우 단면적 활용도가 떨어진다.

도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 또 다른 CCC 촉매 장치(10)는 프런트 촉 매(11) 및 리어 촉매(13)가 각각 프런트 쉘(15) 및 리어 쉘(17)에 수용되어 센터 콘(14)에 의해 연결되고, 프런트 촉매(11)의 전방에 연결되는 프런트 콘(12)에 의해 배기 매니폴드와 연결되며, 리어 촉매(13)의 후방에 연결되는 리어 콘(16)에 의해 머플러 파이프에 연결된다. 이 경우 산소 촉매는 프런트 콘(12) 및 센터 콘(14) 상에 설치된다.

그런데 이러한 종래의 촉매 장치는 여러 개의 쉘과 콘이 사용되므로 캐닝 제조 가격이 높고 용접 공정이 과다해져 공정이 복잡해진다.

또한, 종래의 CCC 촉매 장치들은 산소 센서를 장착할 때 쉘에 통상적인 원통형 보스를 용접 고정하는 구조로 되어 있어 센서 장착 각도의 변경에 있어 쉘의 형상에 크게 의존하므로 장착 각도 변경시 쉘까지 변경해야 하는 번거로움이 있다.

한편 프런트 쉘의 직경이 크기 때문에 촉매 조립 기구로 배기 매니폴드 또는 파이프 등과 쉘을 조립할 때 촉매 조립 기구와 쉘간에 간섭이 생겨 조립에 어려움이 있다. 촉매 장치가 Light-off temperature(촉매의 산화 정화 반응이 시작되는 온도)에 빨리 도달하기 위해서는 프런트 촉매를 촉매 장치의 앞쪽으로 엔진에 최대한 가깝게 설치해야 하지만, 이러한 간섭 때문에 프런트 촉매를 앞쪽에 설치하기가 어려워 촉매 장치의 Light-off 특성 개선이 어렵다.

본 발명의 목적은 쉘(shell)의 구조 및 산소 센서의 장착 구조를 간소화하여 제조 공정의 단축 및 제조 원가를 절감할 수 있는 통합형 CCC 촉매 장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 프런트 촉매의 장착 위치를 단축하여 Light-off 특성을 개선하고, 프런트 촉매의 코팅 비율을 최적화시키고, 촉매 담체의 단면활용도의 개선시켜 통합형 CCC 촉매 장치의 효율을 향상시키는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 귀금속 촉매가 코팅되고 상호 이격 설치되는 원통형의 프런트 촉매 및 리어 촉매; 및 상기 프런트 촉매 및 리어 촉매를 하부에서 감싸 지지하는 반 원통 형상의 로어 쉘과, 상기 프런트 촉매 및 리어 촉매를 상부에서 감싸 지지하는 반 원통 형상의 어퍼 쉘이 구비되며, 일측은 배기 매니폴드에 결합된 프런트 머플러 파이프에 연결되고 타측은 배기 가스가 배출되는 리어 머플러 파이프에 연결되는 촉매 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 통합형 CCC 촉매 장치를 제공한다.

상기 로어 쉘 또는 어퍼 쉘 중 어느 하나에는 상기 프런트 촉매 및 리어 촉매의 사이 위치에 산소 센서가 장착되며, 상기 산소 센서는 상기 로어 쉘 및 어퍼 쉘의 외주면 형상에 대응하여 한쪽의 직경이 작고 다른 쪽의 직경이 큰 비대칭 원통 형상의 산소 센서 보스에 삽입되는 것을 특징으로 한다.

상기 산소 센서 보스는 상기 산소 센서의 장착 각도에 맞추어 직선으로 가공되거나 경사지게 가공된 내주면을 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 프런트 촉매는 상기 로어 쉘과와 상기 프런트 머플러 파이프를 조립하는 조립 공구가 간섭되지 않을 정도의 폭을 갖고 촉매활성온도 도달시간을 단축하는 것을 특징으로 한다.

상기 프런트 촉매는 각기 다른 종류 및 함량의 귀금속 촉매가 배기가스의 흐름방향을 따라 전방 및 후방에 각각 일정 길이로 도포된 제1 코팅부 및 제2 코팅부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 통합형 CCC 촉매 장치에 대해 상세히 설명하기로 한다.

첨부된 도 3은 본 발명에 따른 통합형 CCC 촉매 장치의 설치 상태를 도시한 개략도이고, 도 4는 도 3에 따른 통합형 CCC 촉매 장치의 사시도이며, 도 5는 도 3에 따른 통합형 CCC 촉매 장치의 내부 사시도이다. 도 6은 도 3에 따른 통합형 CCC 촉매 장치의 저면도이고, 도 7은 도 3에 따른 산소 센서 보스의 장착 상태를 도시한 부분 사시도이며, 도 8은 본 발명의 통합형 CCC 촉매 장치에 따른 프런트 촉매의 코팅 상태를 도시한 개략도이다. 또한, 도 9는 본 발명의 통합형 CCC 촉매 장치에 따른 통합형 CCC 촉매장치와 프런트 머플러 파이프의 조립 방법을 도시한 사시도이고, 도 10은 종래의 CCC 촉매 장치와 본 발명의 CCC 촉매 장치의 촉매담체 단면상 유속분포 균일지수 확인을 위한 유동개선 해석도이다.

도 3 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 통합형 CCC 촉매 장치(100)는 로어 쉘(112)과 어퍼 쉘(114)로 구성된 촉매 커버(110)와, 로어 쉘(112) 상에 설치되는 산소 센서(122)와, 로어 쉘(112)과 어퍼 쉘(114)의 내부에 수납되어 배기 가스를 정화하기 위한 귀금속 촉매가 도포된 프런트 촉매(130) 및 리어 촉매(140)를 포함하여 구성된다.

통합형 CCC 촉매장치(100) 는 일단에 프런트 연결 플랜지(112a)가 형성되어 배기 매니폴드(200)에 연결된 프런트 머플러 파이프(300)에 결합되고, 타단에 리어 연결 플랜지(112b)가 형성되어 통합형 CCC 촉매 장치(100)를 통과한 배기 가스를 배출하는 리어 머플러 파이프(400)에 연결된다.

통합형 CCC 촉매장치(100)는 프런트 촉매(130) 및 리어 촉매(140)를 하부에서 감싸 지지하는 로어 쉘(112)과, 로어 쉘(112)의 상부에 결합되어 프런트 촉매(130) 및 리어 촉매(140)를 상부에서 감싸 지지하는 어퍼 쉘(114)로 구성된다.

통합형 CCC 촉매장치(100) 는 내부에 프런트 촉매(130) 및 리어 촉매(140)를 수용하므로 로어 쉘(112)과 어퍼 쉘(114)이 결합된 상태에서 프런트 촉매(130)가 있는 부분과 리어 촉매(140)가 있는 부분은 돌출되고, 프런트 촉매(130)의 앞부분과 프런트 촉매(130) 및 리어 촉매(140)의 사이 부분과, 리어 촉매(140)의 뒷부분은 내측으로 오목한 형상을 갖는다.

로어 쉘(112) 및 어퍼 쉘(114)은 돌기와 걸림 형상 등을 통해 결합될 수도 있고, 끼워 맞춤이나 용접 등의 방법으로 결합될 수도 있어 본 발명에 있어서는 콘,쉘의 구분없이 일체의 캐닝으로 구성되어 별도의 연결 콘 부품이나 과도한 용접 공정 없이 통합형 CCC 촉매장치(100)를 구성할 수 있다. 따라서 통합형 CCC 촉매장치(100) 의 제조 원가가 절감되고, 용접 공정을 최소화하여 작업 공수를 단축하는 효과가 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 로어 쉘(112) 상에는 산소 센서(122)를 장착하기 위한 산소 센서 보스(120)가 설치된다.

도 7에 도시된 바와 같이, 산소 센서 보스(120)는 평편하지 않고 굴곡이 져 있는 촉매 커버(110)에 결합되므로 한쪽의 길이가 짧고 다른 한쪽의 길이가 긴 쉘곡선에 따라 산소센서 보스의 두께 단차가 있는 비대칭의 원통 형상으로 만들어진다.

즉, 로어 쉘(112)의 상부 쪽에서 하부쪽으로 갈수록 경사지므로 산소 센서 보스(120)의 상부 쪽 원통 부분의 반은 길이가 짧고 하부 쪽 원통 부분의 반은 길이가 길게 형성된다.

또한, 산소 센서 보스(120)의 내주면은 산소 센서(122)의 장착 각도에 맞추어 직선으로 가공되거나 경사지게 가공된다. 따라서 종래의 보스와는 달리 산소 센서(122)의 각도가 변경되어도 금형 변경 등이 요구되는 쉘의 형상을 변경하거나 새로 만드는 일 없이 산소 센서 보스(120)의 내주면 만을 가공하여 산소 센서(122)의 설치 각에 대응할 수 있게 된다.

도 8에 도시된 바와 같이, 프런트 촉매(130)는 각기 다른 종류 및 함량을 갖는 귀금속 물질이 도포된 제1 코팅부(132) 및 제2 코팅부(134)를 포함한다.

제1 코팅부(132)는 팔라듐(Pd)만을 사용하여 코팅되고, 제2 코팅부(134)는 팔라듐과 로듐(Rh)을 혼합하여 코팅하는 것이 바람직하다. 도포되는 귀금속 촉매의 양이 많을수록 배기 가스의 정화 능력은 좋아지지만 가격이 비싸기 때문에 최적화를 이룰 수 있는 비율을 찾아야 한다.

본 발명에서는 제1 코팅부(132)를 프런트 촉매(130)의 전단부로부터 약 50mm(±10mm) 구간으로 설정하였으며, 이때 코팅되는 체적은 약 0.35ℓ(40mm일 때 0.27ℓ, 60mm일 때 0.41ℓ)가 사용된다. 이러한 코팅 비율 및 귀금속 촉매의 종류 는 차종이나 배기 가스의 배출량 등에 따라 변경될 수 있다.

도 10에 도시된 바와 같이, 프런트 촉매(130)와 리어 촉매(140)는 종래의 두 촉매가 거의 붙어 있는 타입에 비해 간격을 두고 설치된다. 리어 촉매(140)가 프런트 촉매(130)와 이격 설치되면 배기가스가 혼합되는 구간을 형성하여 리어 촉매(140) 담체의 단면적 활용도가 개선되어 통합형 CCC 촉매 장치(100)의 효율이 향상된다. 본 발명에서는 종래의 촉매 장치(1) 대비 유속 분포 균일지수가 0.88에서 0.97로 약 10%가 개선되도록 간격을 주었다.

또한 도 9에 도시된 바와 같이, 프런트 촉매(130)의 직경(도 4의 L6 참조)을 종래의 두 촉매가 서로 이격된 타입의 프런트 촉매(11) 직경(도 2의 L3 참조)보다 12.7mm 정도 축소함으로써 통합형 CCC 촉매장치(100)를 조립할 때 조립 공구(500)와의 갭(gap)이 확보된다. 통합형 CCC 촉매장치(100)와 조립 공구(500)와의 간섭이 방지되어 조립의 용이성이 확보되고, 통합형 CCC 촉매장치(100)가 배기 매니폴드 측으로 이동이 가능하여 촉매활성온도 도달시간을 단축하여 배기가스 정화성능효율을 향상시킨다.

그리고 프런트 촉매(130)의 직경(도 4의 L5 참조)도 종래의 촉매 장치(1) 전방에 설치된 촉매(5)의 직경(도 2의 L2 참조)보다 14.7mm를 단축하였는데, 이는 프런트 촉매(130)의 길이가 짧아져도 코팅 비율이 최적화되어 있어 가능한 것이다.

이에 따라 프런트 촉매(130)를 종래의 촉매 장치(1) 대비 좀 더 앞쪽으로 설치할 수 있어 본 발명의 통합형 CCC 촉매 장치(100)가 활성화 온도(Light-off temperature)에 좀 더 손쉽게 도달할 수 있는 효과가 있다. 본 발명에서는 종래의 촉매 장치(1)에서 쉘(3)과 촉매(5) 전단부 사이의 거리(도 2의 L1 참조)보다 29mm를 단축하여 프런트 촉매(130)를 설치하였다(도 4의 L4 참조).

이렇게 하면 통합형 CCC 촉매 장치(100)의 정화 성능이 개선됨은 물론 종래의 촉매 장치(1) 대비 약 3초 이상 Light-off temperature에 빨리 도달되는 효과가 있다.

이러한 프런트 촉매(130)의 직경 및 길이와 설치 위치 등은 차종이나 배기 가스의 배출량 등에 따라 변경될 수 있다.

전술한 바와 같은 본 발명의 통합형 CCC 촉매 장치는 종래의 촉매 장치(10) 대비 최소 3회 이상의 용접 공정이 생략되며, 쉘(15, 17)과 콘(12, 14, 16) 등의 부품을 사용하지 않으므로 부품수가 크게 저감된다. 부품 삭제에 따라 배기계 중량이 크게 감소하고 제조 원가가 절감되는 효과도 있다.

한편 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에서 청구된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변형 실시할 수 있는 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 통합형 CCC 촉매 장치는 촉매 장치의 쉘(shell) 구조 및 산소 센서의 장착 구조가 간소화되어 장착이 용이해짐으로써 제조 공정이 단축되고 원가가 절감되는 효과가 있다.

또한, 프런트 촉매의 코팅 비율을 최적화시키고 장착 위치를 좀 더 앞쪽으로 옮김으로써 통합형 CCC 촉매 장치의 효율이 향상되는 장점이 있다.

결과적으로 제조원가, 촉매장치 중량, 배기관내 배압 저감이 가능하고 엔진성능을 향상시킬 수 있다.

Claims

귀금속 촉매가 코팅되고 상호 이격 설치되는 원통형의 프런트 촉매(130) 및 리어 촉매(140); 및

상기 프런트 촉매(130) 및 리어 촉매(140)를 하부에서 감싸 지지하는 반 원통 형상의 로어 쉘(112)과, 상기 프런트 촉매(130) 및 리어 촉매(140)를 상부에서 감싸 지지하는 반 원통 형상의 어퍼 쉘(114)이 구비되며, 일측은 배기 매니폴드(200)에 결합된 프런트 머플러 파이프(300)에 연결되고 타측은 배기 가스가 배출되는 리어 머플러 파이프(400)에 연결되는 촉매 커버(110)를 포함하여 구성되며,

상기 프런트 촉매(130)는 각기 다른 종류 및 함량의 귀금속 촉매가 배기가스의 흐름 방향을 따라 전방 및 후방에 각각 일정 길이로 도포된 제1 코팅부(132) 및 제2 코팅부(134)를 포함하는 것을 특징으로 하는 통합형 CCC 촉매 장치.
제1항에 있어서,

상기 로어 쉘(112) 또는 어퍼 쉘(114) 중 어느 하나에는 상기 프런트 촉매(130) 및 리어 촉매(140)의 사이 위치에 산소 센서(122)가 장착되며, 상기 산소 센서(122)는 상기 로어 쉘(112) 및 어퍼 쉘(114)의 외주면 형상에 대응하여 한쪽의 직경이 작고 다른 쪽의 직경이 큰 비대칭 원통 형상의 산소 센서 보스(120)에 삽입되어 콘과 쉘이 일체형으로 되는 것을 특징으로 하는 통합형 CCC 촉매 장치.
제2항에 있어서,

상기 산소 센서 보스(120)는 상기 산소 센서(122)의 장착 각도에 맞추어 직 선으로 가공되거나 경사지게 가공된 내주면을 갖는 것을 특징으로 하는 통합형 CCC 촉매 장치.
삭제
삭제