KR100848716B1

KR100848716B1 - 자동차 매연감소용 세라믹체 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR100848716B1
Application number: KR1020060072104A
Authority: KR
Inventors: 윤석현
Original assignee: 주식회사 제주관광랜드
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2006-07-31
Publication date: 2008-07-28
Also published as: KR20080011741A

Abstract

본 발명은 매연 저감용 세라믹체에 관한 것이며, 보다 상세하게는 자동차의 순환식 라디에터 보조탱크와 에어크리너 장치내에 투입 또는 장착함으로서 자동차의 매연을 저감시킬 수 있는 매연저감용 세라믹체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명에 사용되는 세라믹체는 Ca, Si, Al,, Mg, K, Fe, 기타 미량원소를 포함하는 광물을 이용하여 제조된다. 제조된 세라믹체는 자동차의 연료 연소에 사용되는 공기를 활성화시키고, 냉각수의 성능을 개선시켜 연료의 완전 연소를 유도함으로써, 매연저감 뿐만아니라 연비효율의 증가 및 자동차의 수명연장, 엔진오일의 수명연장 등 다양한 분야에서 효율의 향상을 얻을 수 있게 한다.

매연감소, 촉매제, 완전연소, 세라믹체, 공해방지, 첨가제

Description

자동차 매연감소용 세라믹체 및 그 제조 방법{CERAMIC MATERIAL FOR REDUCING POLLUTANTS OF A AUTOMOBILE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

최근 국제 고유가시대에 각국가간 에너지 자원의 무기화가 심각한 상황에서 핵심에너지 절약기술의 개발 및 보유가 국가 경쟁력으로 대두되고 있다. 특히, 화석에너지 사용 증가에 따른 지구온난화로 지구환경보전에 관한 분위기가 고조되어 UN개발회의에서 체결된 “기후변화협약”, CO2에 의한 지구 온난화방지를 위한 “교토의정서”에 따라 에너지 다소비국인 우리나라도 대기오염 감축 부담이 전망된다.

2002년 KEI 보고에 의하면 대기 오염으로 인한 수도권지역 피해비용이 연간 약10조원인 상황 하에서 국내 환경문제와 에너지 절약 대책으로 대기 환경보전법, 수도권대기환경개선에 관한 특별법, 에너지 기본법, 에너지 이용 합리화법 등을 제정하여 공포 시행하고 있으며 특히, 자동차 매연저감과 연료절감 신기술을 통한 에 너지전문기업(ESCO), 저공해 자동차의 보급 및 구매의무화, 특정경유차 매연기준 강화 및 사후관리, 자동차 및 자동차연료의 정보공개 등 에너지 절감 및 심각한 대기오염문제를 해결하기 위해 국가적인 노력을 경주하고 있는 실정에서 본 특허는 이에 부합된 에너지 절감 신기술과 청정에너지 신기술을 동시에 만족하는 기술이다.

기존의 자동차 배출가스 저감장치인 산화촉매장치(DOC)와 매연여과장치(DPF)는 촉매에 배출가스를 접촉시키거나 매연 여과장치로 입자상물질(PM)을 포집하는 장치를 장착하는 것이다. 그러나 상기의 방법은 모두 큰 장치를 필요로 하고 이에 따른 비용도 막대하며 포집된 여과장치의 재처리와 기능의 지속성과 효율성이 문제 될 수 있다. 또한 이러한 방식은 연소 시 배출가스의 발생자체를 억제하는 것이 아니라, 발생된 배출가스를 저감시키는 것을 목적으로 한 것으로써, 근원적인 해결방안이 될 수 없다는 문제가 있어왔다.

이에 따라, 시장에서는 상기와 같은 배출가스 저감장치의 근원적인 문제점을 해결할 수 있도록, 완전연소를 유도함으로써 배출가스를 저감시킬 수 있는 장치와 방법에 대한 요구가 계속되고 있다.

본 발명의 목적은 연소의 효율을 높여 연료의 완전연소를 유도함으로써 매연발생을 저감시킬 수 있는 세라믹체를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 연소의 효율을 높여 연료의 완전연소를 유도함으로써 매연발생을 저감시킬 수 있는 세라믹체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 연소의 효율을 높여 연료의 완전연소를 유도함으로써 매연발생을 저감시킬 수 있는 세라믹체를 사용하는 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 세라믹체는

CaO 0.5-70 중량%, SiO₂ 0.5-70 중량%, Al₂O₃ 0.5-70 중량%, MgO 0.5-70 중량%, K₂O 0.5-70 중량%, Fe₂O₃ 0.5-70 중량%로 이루어진 세라믹 혼합물 100 중량부에 산화티탄, 질화티탄, 탄화티탄, 탄산칼슘, 지르코니아, 질화규소, 질화알루미늄, 탄화규소, 탄화붕소, 질화붕소, 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 성분을 0-10 중량부 포함하여 이루어진다.

본 발명에 있어서, 상기 CaO는 강용 원료, 마그네시아 제조원료, 중화제, 비극 탈황제, 건조제 세라믹스 공업에서 많이 쓰이는 성분으로서, 석회석(Limestone), 백운석(Dolomite), 규회석(Wollastonite), 인산석회(Caleium phosphate), 석고(Gypsum), 석회장석(Anorthite)등 여러가지 천연원료로부터 제조될 수 있으며, 상업적으로도 이용가능하다.

본 발명에 있어서, 상기 SiO₂는 지각 중에 가장 많이 존재하는 성분으로 거의 모든 토사. 암석속에 다른 성분과 결합된 규산염 광물로 존재하는 외에 순수한 상태에서는 규사, 규석으로 존재하며, 수정, 석영유리, 섬유, 미분의 형태로 이용되는 외에도 함수물은 실리카겔, 화이트 카본(White carbon)으로서 이용되고 있다. 또한 실리카는 수정 진동자, 필터, 공예재료, 광학용, IC 마스크 기판, 반도체 제 조용 도구, 로심관, 도가니, 적외선 히터관, 다공질체, 주형 등에 사용되고 있다.

본 발명에 있어서, 상기 Al₂O₃는 화성암 중의 평균 함유량이 15%나 되어서 지표상에서는 실리카 다음으로 많은 산화물이지만 대부분이 장석, 운모를 비롯한 규산염의 형태로 산출되고, 대단히 균형있는 다양한 성질을 갖는 재료로서 용도별 선택의 폭이 크다고 할 수 있다. 특히 알파화된 것은 상변화도 없고, 대기와의 반응성도 없기 때문에 가장 사용하기 쉬운 안전한 세라믹스 재료로써 오래 전부터 이용되어 왔으며, 비교적 거의 모든 조건에 상관없이 고온까지 열적으로 안정하고, 순도가 높아질 수록 내열성 또한 커지며, 곡강도, 경도, 파괴 강도, 탄성 등의 기계적 성질이 우수하고 전기 절연성이 크며, 유전 손실이 적기 때문에 전기 재료로서도 매우 광범위하게 사용된다. 본 발명에 있어서, 상기 SiO₂ 는 상업적으로도 구입하여 이용할 수 있으며, 그 제조 방식에 따른 제한은 없다.

본 발명에 있어서, 상기 MgO는 금속 마그네슘. 수산화물. 염기성, 탄산마그네슘을 가열하여 제조할 수 있으며, 백색 분말상으로써, 물에는 거의 녹고 수산화마그네슘을 생성할 뿐만 아니라 산과 반응하여 마그네슘염을 생성하고 공기 중에 방치하면 물과 이산화탄소를 흡수하여 탄산수산화마그네슘이 되며, 내화벽돌, 도가니, 시멘트, 식품 중화제, 탈이산화 탄소제, 의약품, 용매, 반도체, 비료 등에 사용된다.

본 발명에 있어서, 상기 K₂O는 금속칼륨을 진공 중에서 가열해서 소량의 건조공기와 반응시켜 제조하며, 백색 분말이지만 가열하면 황색이 되고 350‘C에서 분해하면 K₂O₂와 K로 되며, 조해성이 있고 물에 녹이면 심하게 반응하여 수산화칼륨을 생성한다.

본 발명에 있어서, 상기 Fe₂O₃ 는 통상의 상업적으로 이용가능한 제품을 사용할 수 있으며, 특별한 제한은 없다.

본 발명에 있어서, 상기 세라믹체를 구성하는 성분들은 각각 0.5-70 중량%가 사용될 수 있으며, 보다 바람직하게는 각각 5 - 70 중량%를 사용할 수 있다. 각각의 성분들의 사용량이 0.5% 미만일 경우에는 본 발명에서 얻고자하는 매연감소 효과를 얻을 수 없는 단점이 있고, 70%를 초과할 경우에는 상대적으로 다른 성분들의 사용량이 감소되어 제반 효과들을 모두 만족시킬 수 있는 효과를 얻을 수 없게 된다.

본 발명에 있어서, 상기 미량성분은 상기 세라믹혼합성분의 활성을 더욱 높일 수 있도록 사용될 수 있으며, 바람직하게는 사용량에 따른 효과증가가 가능한 범위내에서, 보다 바람직하게는 상기 세라믹 혼합물 100 중량부에 대해서 10 중량부 이하, 바람직하게는 8 중량부 이하로 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명에 있어서, 상기 미량원소는 세라믹체의 매연감소효과를 보조할 수 있는 다양한 미량원소를 사용할 수 있으나, 바람직하게는 산화티탄, 질화티탄, 탄화티탄, 탄산칼슘, 지르코니아, 질화규소, 질화알루미늄, 탄화규소, 탄화붕소, 질화붕소, 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다.

본 발명은 일 측면에서, 자동차의 냉각수 및 연소용 공기와 공기흡입구, 또 는 양자를 CaO, SiO₂, Al₂O₃, MgO, K₂O, Fe₂O₃ 및 미량원소로 제조된 세라믹체와 접촉시켜 자동자의 매연을 감소시키는 방법으로 이루어진다.

본 발명에 있어서, 상기 세라믹체는 CaO 0.5-70 중량%, SiO₂ 0.5-70 중량%, Al₂O₃ 0.5-70 중량%,, MgO 0.5-70 중량%, K₂O 0.5-70 중량%, Fe₂O₃ 0.5-70 중량%로 이루어진 세라믹 혼합물 100 중량부에 산화티탄, 질화티탄, 탄화티탄, 탄산칼슘, 지르코니아, 질화규소, 질화알루미늄, 탄화규소, 탄화붕소, 질화붕소, 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 성분을 0-10 중량부 포함하여 이루어진다.

자동차의 매연은 연료의 불완전 연소에서 유래하는바 이의 완전연소를 유도함으로써 자동차의 매연을 감소시킬 수 있으며, 특히 연소에 사용되는 공기를 세라믹체와 접촉시켜 활성화시키거나, 엔진의 냉각에 사용되는 물을 활성화시킴으로써 완전연소를 유도할 수 있게 된다. 이론적으로 한정되는 것은 아니지만, 본 발명에 세라믹체가 공기중에서 미세수분을 흡수하고 또한 본 발명의 세라믹체에서 방사되는 에너지가 공기 중의 산소를 더욱 활성화시켜 연소에 사용되는 공기를 활성화시킬 수 있게 된다. 또한 본 발명의 세라믹체가 물과 접촉하여 물 분자가 50, 60개가 합쳐진 연수 물분자 덩어리(클러스터:Cluster)를 약1/3 크기의 작은 클러스터로 만들어 냉각수를 활성화시킬 수 있게 된다. 활성화된 물은 연소 시 엔진 주위를 순환하면서 연소특성에 영향을 미쳐 완전연소를 유도, 매연발생의 감소를 유도하게 된다.

본 발명에 있어서, 상기 공기와 세라믹체의 접촉은 자동차의 에어크리너를 세라믹으로 제작하거나 에어크리너 내부에 세라믹 볼을 주입하여 이루어질 수 있으며, 본 발명의 실시에 있어서, 지름 13-15 mm 정도 크기의 세라믹 볼을 에어클리너 상부 또는 하부에 깔아 이루어질 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 냉각수와 세라믹체의 접촉은 상기 세라믹체를 자동차의 라디에이터 보조 탱크에 투입하여 이루어질 수 있으며, 발명의 바람직한 실시에 있어서, 상기 세라믹체를 그물망 또는 서스망에 담아 보조탱크에 투입함으로써 이루어질 수 있다.

본 발명은 일 측면에서, CaO 0.5-70 중량%, SiO₂ 0.5-70 중량%, Al₂O₃ 0.5-70 중량%, MgO 0.5-70 중량%, K²O 0.5-70 중량%, Fe₂O₃ 0.5-70 중량%로 이루어진 세라믹 혼합물 100 중량부에 산화티탄, 질화티탄, 탄화티탄, 탄산칼슘, 지르코니아, 질화규소, 질화알루미늄, 탄화규소, 탄화붕소, 질화붕소, 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 성분을 0-10 중량부로 이루어진 세라믹체 원료를 1,200 - 1,300℃의 온도에서 5시간 동안 소성하는 단계; 상기 소성 후 세라믹체를 분쇄한 다음 소정의 형상으로 성형하는 단계; 및 상기 성형된 제품을 950 - 1,000 ℃의 온도에서 3시간 동안 2차 소성하는 단계를 포함하는 자동차 매연감소용 세라믹체의 제조방법으로 이루어진다.

본 발명에 있어서, 상기 1 차 소성 단계는 혼합된 세라믹체를 활성화시키기 위한 단계로서 세라믹체 원료를 혼합하여 1,200 - 1,300 ℃, 보다 바람직하게는 1,230 - 1,290 ℃, 가장 바람직하게는 1,250 ℃의 온도로 로에서 5 시간이상 가열함으로써 이루어질 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 분쇄는 볼밀 등 통상의 분쇄기구를 통해서 이루어질 수 있으며, 상기 소정 형태의 가공은 프레스 등의 압착기계를 통해서 원하는 형상, 바람직하게는 볼 형상으로 이루어질 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 2 차 소성 단계는 소정의 형태로 성형된 세라믹체를 활성화시키기 위한 단계로서 성형된 세라믹체를 1,000 ℃이하, 바람직하게는 960 - 980 ℃, 가장 바람직하게는 970 ℃ 온도에서 노를 이용해 가열함으로써 이루어질 수 있다.

이하 본 발명을 하기 실시예를 통해서 상세하게 설명한다. 하기의 실시예는 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하는 것으로, 하기 실시예가 본 발명의 범주를 한정하는 것은 아니다.

실시예

세라믹체의 제조

CaO 9%, SiO₂ 61%, Al₂O₃ 17.7%, MgO 8.3%, K₂O 3.3%, Fe₂O₃ 0.7% 산화티탄 성분 7.5%의 분말들을 혼합한 후, 1,250℃의 온도에서 5시간 동안 소성하고 분쇄한 다음, 지름 1.5cm, 높이 0.7cm의 원통 형상으로 성형하여 970℃의 온도에서 3시간 동안 2차 소성하는 방법으로 세라믹체를 제조하였다.

매연감소 시험

제조된 세라믹체 80 g을 에어클리너에 깔고, 또한 세라믹체 80 g을 그물망에 넣어 라디에이터 보조탱크에 삽입하여 투입 전 후 CO와 HC 가스의 발생정도을 체크하였다. 투입전후 발생된 가스의 양은 자동차 배출가스 검사기를 이용하여 진행하였으며, 그 결과를 하기 표 1 에 기재하였다.

표1. 각 시험 대상 차종별 배기가스 개선효과 비교표

Model/Type	Year	Maker	Distance.km	Gas	Before	After	Remark
Sonata/1800cc	1993	Hyendae	176,100	CO	1.2%	0.1%
				HC	190ppm	26ppm
Optima/2000cc	2001	Kia	146,200	CO	1.2%	0.01%
				HC	220ppm	18ppm
Cresta/2000cc	1955	Toyota	161,100	CO	0.3%	0.15%
				HC	200ppm	22ppm
Nissan/UA-J31	2003	Nissan	23,378	CO	0.03%	0.01%
				HC	37ppm	4ppm
Toyota/GF-GX	2000	Toyota	63,554	CO	0.5%	0.02%
				HC	240ppm	27ppm

다양한 차종에서 본원 발명에 따른 세라믹체를 투입한 결과 매연가스인 CO 및 HC의 발생이 대폭 저하된 것으로 확인되었다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 고안의 사상을 해치지 않는 범위 내에서 당업자에 의한 변형이 가능함은 물론이다. 예컨대, 세라믹체의 형상이나 경유, 휘발유 또는 다른 내연기관으로 적용엔진의 확대 등에 대한 구성과 디자인 등은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 해당 분야에 종사하는 통상의 지식을 가진 자가 수정 및 변경하는 것이 가능한 것이다.

따라서, 본 발명에서 권리를 청구하는 범위는 상세한 설명의 범위 내로 정해지는 것이 아니라 후술되는 청구범위와 이의 기술적 사상에 의해 한정될 것이다.

본 발명에 의해서 연소의 효율을 높여 연료의 완전연소를 유도함으로써 매연 발생을 저감시킬 수 있는 세라믹체를 제공되었으며, 또한 이 세라믹체를 제조하는 방법이 구체적으로 제공되었다.

본 발명에 따른 세라믹체를 자동차의 공기와 냉각수에 사용할 경우, 완전연소의 유도로 인해 연비 향상, 매연저감, 엔진의 수명연장, 엔진오일의 수명연장, 엔진의 출력 증가, 및 소음감소 연쇄적인 효과가 발생되었다. 또한 본 제품은 내구성이 좋아 반영구적으로 사용할 수 있다는 효과가 있다.

Claims

자동차의 냉각수 및 연소용 공기와 공기흡입구, 또는 양자를 세라믹체와 접촉시켜 자동차의 매연을 감소시키는 방법에 있어서,

상기 세라믹체는 CaO 0.5-70 중량%, SiO₂ 0.5-70 중량%, Al₂O₃ 0.5-70 중량%, MgO 0.5-70 중량%, K₂O 0.5-70 중량%, Fe₂O₃ 0.5-70 중량%로 이루어진 세라믹 혼합물 100 중량부에 산화티탄, 질화티탄, 탄화티탄, 탄산칼슘, 지르코니아, 질화규소, 질화알루미늄, 탄화규소, 탄화붕소, 질화붕소, 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 성분을 10 중량부 이하로 포함하며,

상기 접촉은 자동차의 에어크리너를 세라믹으로 제작하거나 에어크리너 내부또는 라디에이터 보조탱크에 세라믹 볼을 주입하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차 매연감소 방법.
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CaO 0.5-70 중량%, SiO₂ 0.5-70 중량%, Al₂O₃ 0.5-70 중량%, MgO 0.5-70 중량%, K₂O 0.5-70 중량%, Fe₂O₃ 0.5-70 중량%로 이루어진 세라믹 혼합물 100 중량부에 산화티탄, 질화티탄, 탄화티탄, 탄산칼슘, 지르코니아, 질화규소, 질화알루미늄, 탄화규소, 탄화붕소, 질화붕소, 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 성분을 10 중량부 이하로 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 매연감소용 세라믹체.
제 5 항에 있어서, 상기 세라믹체는 볼 형태의 다공체인 것을 특징으로 하는 자동차 매연감소용 세라믹체.
CaO 0.5-70 중량%, SiO₂ 0.5-70 중량%, Al₂O₃ 0.5-70 중량%, MgO 0.5-70 중량%, K₂O 0.5-70 중량%, Fe₂O₃ 0.5-70 중량%로 이루어진 세라믹 혼합물 100 중량부에 산화티탄, 질화티탄, 탄화티탄, 탄산칼슘, 지르코니아, 질화규소, 질화알루미늄, 탄화규소, 탄화붕소, 질화붕소, 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 성분 10 중량부 이하로 이루어진 세라믹체 원료를 1,250℃의 온도에서 5시간 동안 소성하는 단계;

상기 소성 후 세라믹체를 분쇄한 다음 소정의 형상으로 성형하는 단계; 및

상기 성형된 제품을 970℃의 온도에서 3시간 동안 2차 소성하는 단계

를 포함하는 자동차 매연감소용 세라믹체의 제조방법.