KR100980925B1 - Catalyst and method of it for purifying exhaust gases considering flow pattern - Google Patents
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Abstract
본 발명은 코팅액 흡입량 조절장치를 이용하여 촉매 전단부에 고농도 코팅영역과 저농도 코팅영역을 구획하여 형성하되, 촉매전단부의 코팅량이 중심방향으로 갈수록 많아지게 함으로써, 촉매로 유입되는 반응가스의 유량과 촉매의 각 채널에서 물질이동의 효과를 최적화하여 조기에 촉매 활성화 및 촉매 성능을 향상시킬 수 있도록 한 배기가스 정화용 촉매 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is formed by partitioning the high concentration coating area and the low concentration coating area at the front end of the catalyst by using the coating liquid suction amount adjusting device, the coating amount of the catalyst front end portion increases toward the center direction, the flow rate of the reaction gas flowing into the catalyst and the catalyst It is an object of the present invention to provide a catalyst for purifying exhaust gas and a method for preparing the same, which can improve catalyst activation and catalyst performance at an early stage by optimizing the effect of mass transfer in each channel.
이를 위해, 본 발명은 촉매 전단부에 귀금속이 초기 시동시 촉매가 신속하게 활성화될 수 있을 정도의 고농도로 코팅된 제1코팅영역; 및To this end, the present invention comprises a first coating region coated with a high concentration such that the catalyst is activated at the initial start-up to the noble metal at the front end of the catalyst; And
상기 제1코팅영역의 후방향으로 형성되며, 상기 제1코팅영역보다 상대적으로 낮은 농도로 코팅된 제2코팅영역을 포함하고, 상기 제1 및 제2코팅영역은 각각 다른 농도의 코팅액이 촉매 내부의 각 채널에 흡입기를 통해 흡입되어 이루어지며, 제1코팅영역의 코팅길이는 촉매 중심부로 갈수록 길어지는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 촉매를 제공한다.A second coating region formed in a rearward direction of the first coating region and coated at a relatively lower concentration than the first coating region, wherein the first and second coating regions each have a different concentration of coating liquid inside the catalyst. The channel is sucked through the inhaler, and the coating length of the first coating region provides a catalyst for purifying exhaust gas, characterized in that the structure is made longer toward the center of the catalyst.
배기가스, 촉매, 물질이동(mass transfer), 코팅, 귀금속 Exhaust gases, catalysts, mass transfer, coatings, precious metals
Description
본 발명은 반응 가스의 물질이동(mass transfer)과 유동을 고려한 코팅법을 적용하여 촉매의 귀금속 사용량을 최소화하고, 촉매의 정화효율을 극대화시킬 수 있도록 한 배기가스 정화용 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst for purifying exhaust gases and a method for preparing the same, which minimizes the use of precious metals of the catalyst and maximizes the catalyst's purification efficiency by applying a coating method considering mass transfer and flow of the reaction gas. .
최근, 자동차의 이용이 증가하고 교통량이 증가함에 따라 배기가스로 인한 대기오염의 문제가 심각한 사회문제로 대두되고 있다.Recently, as the use of automobiles increases and the traffic volume increases, the problem of air pollution due to exhaust gas has emerged as a serious social problem.
따라서, 각 국의 정부는 배기가스 규제를 위하여 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx) 등의 배기가스 내 오염물질에 대한 배출기준을 정해놓고 있으며, 이러한 배기가스 규제는 점차 강화되고 있는 추세이다.Therefore, governments in each country have set emission standards for pollutants in exhaust gases such as carbon monoxide (CO), hydrocarbons (HC), and nitrogen oxides (NOx). It is becoming a trend.
특히, 최근에는 시동 초기에 배출되는 배기 가스에 대한 엄격한 규제의 요구가 증가되고 있다. 엔진 시동 초기에 배기가스의 60%가 배출되는 것으로 알려져 있다. In particular, in recent years, there is an increasing demand for strict regulations on exhaust gas emitted at the start of startup. It is known that 60% of the exhaust gas is emitted at the start of the engine.
통상적으로, 자동차의 배기 가스로부터 유해한 물질을 제거하기 위하여 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh)과 같은 귀금속이 코팅된 촉매를 사용하여 왔다. 이러한 촉매는 배기계에 장착되어 탄화수소를 분해, 일산화탄소의 산화 및 질소산화물의 환원을 촉진시킴으로써 배기가스로부터 유해한 성분을 제거하고 배기 가스를 정화시킨다.Conventionally, catalysts coated with precious metals such as platinum (Pt), palladium (Pd) and rhodium (Rh) have been used to remove harmful substances from the exhaust of automobiles. These catalysts are mounted in an exhaust system to decompose hydrocarbons, promote oxidation of carbon monoxide and reduction of nitrogen oxides, thereby removing harmful components from the exhaust gases and purifying the exhaust gases.
이를 위해 공지의 배기가스 정화 촉매로서 담체에 귀금속이 균일하게 코팅된 균일 코팅 촉매가 공지되어 있다.For this purpose, as a known exhaust gas purification catalyst, a homogeneous coating catalyst in which a noble metal is uniformly coated on a carrier is known.
그러나 공지의 균일 코팅 촉매의 경우에는 엔진이 충분히 웜업되지 않아 배기가스의 온도가 낮기 때문에 유해성분 제거온도(LOT;Light Off Temperature)에 도달하기까지 상대적으로 긴 시간이 소요되어 엔진시동 초기의 배기가스 정화에 효율적이지 않은 문제점이 있다. However, in the case of the known homogeneous coating catalyst, since the engine is not warmed up sufficiently and the temperature of the exhaust gas is low, it takes a relatively long time to reach the LOT (Light Off Temperature), so that the exhaust gas at the beginning of engine start-up There is a problem that is not efficient for purification.
따라서, 시동 초기에 신속히 웜업되어 활성화될 수 있는 촉매가 요구된다.Therefore, there is a need for a catalyst that can be warmed up and activated quickly at the start of startup.
한편, 도 14는 자동차에서 배기 매니폴드와 촉매 컨버터가 연결된 형태를 도시한 도면으로, 배기 매니폴드(100)는 엔진 각 기통에서 배출되는 배기 가스의 통로 역할을 하고, 일반적으로 4개의 기통이 한 개로 모여져 촉매가 설치된 촉매 컨버터를 지나게 된다. On the other hand, Figure 14 is a view showing a form in which the exhaust manifold and the catalytic converter is connected in the vehicle, the
여기서, 도 15의 (a) 내지 (d)는 각각 도 14의 a 내지 d 부분을 통과한 배기가스 유동량을 보인 것으로서, 배기 매니폴드의 형상에 따라 촉매컨버터를 지나는 배기가스의 유동량이 상이하고, 대체로 중심부에서 멀리 떨어질수록 배기가스 유동량이 적어진다는 것을 알 수 있다. 15 (a) to 15 (d) show the flow amount of the exhaust gas passing through parts a to d of FIG. 14, respectively, and the flow amount of the exhaust gas passing through the catalytic converter differs depending on the shape of the exhaust manifold. In general, the further away from the center, the lower the amount of exhaust gas flow.
그러나 공지의 균일 코팅 촉매는 이러한 배기가스 유동량을 고려하지 않고 귀금속이 균일하게 코팅되어 있으므로, 배기가스의 유동량이 작은 부분에서는 귀금속이 필요량보다 많이 사용되는 결과를 초래하게 된다. However, since the noble metal is uniformly coated without considering the exhaust gas flow amount, the known homogeneous coating catalyst may result in the noble metal being used more than necessary in the portion where the flow amount of the exhaust gas is small.
또한, 귀금속은 산출량이 매우 적은 고가의 물질이므로, 공지의 균일 코팅 촉매의 경우 귀금속의 사용량이 많아 비용을 상승시키는 문제점이 있다. In addition, since the precious metal is an expensive material having a very small output, the known homogeneous coating catalyst has a problem in that the use of the precious metal is high and the cost is increased.
따라서, 귀금속의 사용량을 억제하여 귀중한 자원을 유용하게 활용할 수 있도록 하는 한편, 배기정화촉매의 코스트(cost)를 저감시키는 방안이 요구된다.Accordingly, there is a need for a method of reducing the cost of the exhaust purification catalyst while reducing the use of precious metals so that valuable resources can be utilized effectively.
한편, 촉매 전단부에 고농도의 귀금속을 코팅하는 방법을 일명 '존코팅법'이라고 한다. 도 6은 존코팅법의 제조공정을 나타내는 공정도이다.On the other hand, the method of coating a high concentration of precious metals in the front end of the catalyst is referred to as 'zone coating method'. 6 is a process chart showing a manufacturing process of the zone coating method.
먼저, 저농도의 코팅 용액이 담겨진 코팅액 용기를 제공하여, 코팅되지 않은 촉매(담체(1))의 아래쪽 단부가 접촉될 수 있게 설치한다. 이어서 흡입기를 이용하여 흡인압을 제공하면 저농도의 코팅 용액이 촉매(14) 내부의 채널을 통해 상향이동하면서 코팅이 이루어진다.First, a coating liquid container containing a low concentration of coating solution is provided so that the lower end of the uncoated catalyst (carrier 1) can be contacted. Subsequently, the suction pressure is provided by using an inhaler, whereby a coating solution of low concentration moves up through the channel inside the
이때 촉매(14) 길이를 일정길이만큼 저농도 코팅용액으로 코팅하여 저농도 코팅영역을 형성한다.At this time, the
그 다음, 촉매(14)를 상하방향으로 회전시켜 고농도의 코팅 용액이 담겨진 코팅액 용기를 제공하여, 촉매(14)의 아래쪽 단부가 접촉될 수 있게 설치한다. 계속해서 흡입기를 이용하여 흡인압을 제공하면 고농도의 코팅 용액이 촉매(14) 내부의 채널을 통해 상향이동하면서 코팅이 이루어짐으로써, 배기가스 정화용 촉매(14)가 완성 된다.Then, the
이와 같은 존코팅법에 의해 제작된 촉매(14)의 전단부에 귀금속을 다량 코팅하는 경우 엔진 시동 초기 촉매(14)의 웜업(warm up or 승온(heat-up)) 시간을 줄이는 것이 가능하다. 배기가스가 촉매(14)를 향해 유동할 때, 배기가스 유동이 촉매(14)와 처음으로 만나는 전단부에 열이 전달되는데, 촉매(14) 전단부에는 귀금속이 고농도로 코팅되어 있으므로 상대적으로 촉매(14)에 의한 배기가스의 산화반응이 신속히 일어나게 된다. When a large amount of precious metal is coated on the front end portion of the
산화반응이 일어나면 발열반응이 일어나므로, 이러한 발열 반응에 의해 촉매(14)가 상대적으로 빨리 웜업되게 한다. 웜업된 촉매(14) 및 배기가스가 후방으로 위치한 저농도 코팅영역(11)에 역시 신속히 웜업시키게 되므로, 배가가스 정화용 촉매(14)는 신속하게 유해성분 제거 온도(LOT)에 도달하게 된다. Since an exothermic reaction occurs when an oxidation reaction occurs, this exothermic reaction causes the
촉매(14) 내의 열전달은 전도에 의한 열전달보다 대류에 의한 열전달이 더욱 신속하기 때문에, 촉매(14) 전단부를 고농도 코팅 영역(코팅액)으로 설정함으로 대류에 의한 열전달이 쉽게 일어나도록 한다.Since heat transfer in the
여기서, 촉매(14) 전단부에 귀금속의 코팅량을 증가시키는 것, 즉 고농도 귀금속을 코팅하는 것이 조기에 웜업을 통해 정화성능을 향상시키는 것 외에 다른 중요한 의미를 갖는다.Here, increasing the coating amount of the noble metal at the front end of the
그것은 배기가스(반응가스)의 물질 이동(mass transfer)을 증가시키는 것인데, 종래의 존코팅법은 촉매(14) 전단부에서 전체 직경단면이 고농도로 동일하고, 고농도 코팅액의 코팅길이가 일정하다.It is to increase the mass transfer of the exhaust gas (reaction gas). In the conventional zone coating method, the entire diameter cross section is the same at the front end of the
그러나, 배기가스가 고농도로 동일한 직경 단면 및 코팅길이를 갖는 촉매를 통과할 경우 촉매 중심부에서 물질이동이 빠른 반면, 중심부에서 멀리 떨어질수록 최외곽부의 저항으로 흐름이 점점 느려지게 되며, 촉매에 의해 반응하는 반응가스의 양도 최외곽부로 갈수록 더욱 적어지게 된다.However, when the exhaust gas passes through the catalyst having the same diameter cross-section and coating length at a high concentration, the mass transfer is faster at the center of the catalyst, while the farther it is from the center, the slower the flow becomes due to the resistance of the outermost part. The amount of reactant gas also decreases toward the outermost portion.
따라서, 촉매의 정화효율을 증가시키기 위해서는 촉매 중심부에 코팅량을 늘리고 코팅길이 또한 더 길게 할 필요가 있다.Therefore, in order to increase the purification efficiency of the catalyst, it is necessary to increase the coating amount at the center of the catalyst and to increase the coating length.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 코팅액 흡입량 조절장치를 이용하여 촉매 전단부에 고농도 코팅영역과 저농도 코팅영역을 구획하여 형성하되, 촉매전단부의 코팅량이 중심방향으로 갈수록 많아지게 함으로써, 촉매로 유입되는 반응가스의 유량과 촉매의 각 채널에서 물질이동의 효과를 최적화하여 조기에 촉매 활성화 및 촉매 성능을 향상시킬 수 있도록 한 배기가스 정화용 촉매 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above, by using a coating liquid suction amount control device formed by partitioning the high-concentration coating area and low-concentration coating area in the front end of the catalyst, by increasing the coating amount of the catalyst front end toward the center direction It is an object of the present invention to provide a catalyst for purifying exhaust gas and a method for producing the same, which can improve catalyst activation and catalyst performance early by optimizing the flow rate of reactant gas flowing into the catalyst and the effect of mass transfer in each channel of the catalyst. .
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 배기가스 정화용 촉매에 있어서,In the present invention for achieving the above object, in the catalyst for purifying exhaust gas,
촉매 전단부에 귀금속이 초기 시동시 촉매가 신속하게 활성화될 수 있을 정도의 고농도로 코팅된 제1코팅영역; 및A first coating region coated at a high concentration such that a noble metal is rapidly activated at initial start-up at the front end of the catalyst; And
상기 제1코팅영역의 후방향으로 형성되며, 상기 제1코팅영역보다 상대적으로 낮은 농도로 코팅된 제2코팅영역을 포함하고, 상기 제1 및 제2코팅영역은 각각 다른 농도의 코팅액이 촉매 내부의 각 채널에 흡입기를 통해 흡입되어 이루어지며, 제1코팅영역의 코팅길이는 촉매 중심부로 갈수록 길어지는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.A second coating region formed in a rearward direction of the first coating region and coated at a relatively lower concentration than the first coating region, wherein the first and second coating regions each have a different concentration of coating liquid inside the catalyst. It is made to be sucked through each channel of the inhaler, the coating length of the first coating region is characterized in that it is made of a structure that becomes longer toward the center of the catalyst.
바람직한 구현예로서, 상기 제1 및 제2코팅영역은 셀크기가 다른 흡입량 조절장치를 통해 각각 다른 농도의 코팅액이 흡입되어 촉매 내부의 각 채널에 코팅되 고, 상기 흡입량 조절장치는 고농도 코팅을 위해 셀의 크기가 중심부로 갈수록 커지는 구조의 제1코팅액 흡입량 조절장치와, 저농도 코팅을 위해 셀의 크기가 중심부로 갈수록 작아지는 구조의 제2코팅액 흡입량 조절장치로 구성되는 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, the first and second coating areas are coated with a different concentration of coating liquid through the intake volume control device having a different cell size and coated on each channel inside the catalyst, and the intake control device is used for high concentration coating. The first coating liquid suction amount adjusting device having a structure in which the size of the cell increases toward the center, and the second coating liquid suction amount adjusting device having the structure in which the size of the cell decreases in the center for the low concentration coating.
더욱 바람직한 구현예로서, 상기 제1코팅영역은 촉매 전체부피의 10~50% 인 것을 특징으로 한다.In a more preferred embodiment, the first coating region is characterized in that 10 to 50% of the total volume of the catalyst.
본 발명의 다른 측면은 배기가스 정화용 촉매의 제조방법에 있어서,Another aspect of the present invention is a method for producing a catalyst for purifying exhaust gas,
흡입기에 의해 제1코팅액 흡입량 조절장치를 통해 고농도 코팅액을 담체의 각 채널로 코팅하여 제1코팅영역을 형성하는 단계;Forming a first coating area by coating a high concentration coating liquid with each channel of the carrier through a first coating liquid suction amount adjusting device by an inhaler;
상기 고농도 코팅액이 코팅된 담체를 상하방향으로 회전시키는 단계; 및Rotating the carrier coated with the high concentration coating solution in a vertical direction; And
상기 흡입기에 의해 제2코팅액 흡입량 조절장치를 통해 저농도 코팅액을 담체의 각 채널로 코팅하여 제1코팅영역의 후방향으로 제2코팅영역을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제1코팅영역은 반응가스의 유동과 물질이동계수를 고려하여 코팅길이가 중심부로 갈수록 커지는 형상으로 이루어진 것을 특징으로 한다.Coating the low concentration coating liquid with each channel of the carrier through the second coating liquid suction amount adjusting device by the inhaler to form a second coating region in a rearward direction of the first coating region, wherein the first coating region is a reaction gas. In consideration of the flow and mass transfer coefficients of the coating length is characterized in that the shape made larger toward the center.
바람직한 구현예로서, 상기 제1코팅액 흡입량 조절장치는 공기흡입용 셀의 크기가 중심부로 갈수록 커지는 구조로 이루어지며, 상기 제2코팅액 흡입량 조절장치는 공기흡입용 셀의 크기가 중심부로 갈수록 작아지는 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.As a preferred embodiment, the first coating liquid suction amount control device is made of a structure in which the size of the air suction cell is larger toward the center, the second coating liquid suction amount control device is smaller in size toward the center of the air suction cell Characterized in that consisting of.
더욱 바람직한 구현예로서, 상기 제1 및 제2코팅액 흡입량 조절장치는 외표면이 완전히 밀봉될 수 있는 고무재질인 것을 특징으로 한다.In a more preferred embodiment, the first and second coating liquid suction amount control device is characterized in that the outer surface is a rubber material that can be completely sealed.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 배기가스 정화용 촉매 및 이의 제조방법에 의하면, 반응가스의 유동 및 물질이동계수를 고려한 존코팅법을 적용함으로써, 촉매 컨버터를 조기에 웜업시켜 촉매의 정화효율을 극대화 할 수 있다.As described above, according to the catalyst for purification of exhaust gas and the method for manufacturing the same according to the present invention, by applying the zone coating method considering the flow of the reaction gas and the mass transfer coefficient, the catalytic converter is warmed up early to improve the purification efficiency of the catalyst. Can be maximized.
또한, 촉매 전단부에서 반응가스의 유량 및 물질이동이 적은 고농도 코팅영역의 일부를 유량 및 물질이동이 큰 중심부의 저농도 코팅영역으로 전환함으로써, 촉매의 귀금속 사용량을 최소화할 수 있다.In addition, by converting a portion of the high concentration coating area having a low flow rate and mass transfer of the reaction gas at the front end portion of the catalyst into a low concentration coating area having a high flow rate and mass transfer, the amount of precious metal used in the catalyst can be minimized.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
첨부한 도 2는 본 발명의 유동고려 존코팅법에 의해 제작된 배기가스 정화용 촉매를 나타내는 개략도이다.2 is a schematic view showing a catalyst for purification of exhaust gas produced by the flow-considered zone coating method of the present invention.
본 발명은 물질이동과 유동을 동시에 고려한 코팅법을 고려함으로써, 촉매(15)의 귀금속 사용량을 최소화하고, 촉매(15)의 정화효율을 극대화 할 수 있다.The present invention can minimize the amount of precious metal used in the
이를 위해서는, 고농도 귀금속을 촉매(14) 전단부에 코팅하는 존코팅법의 패턴을 도 2에 도시한 바와 같이 바꾸어야 한다.For this purpose, the pattern of the zone coating method for coating the high concentration of precious metal on the front end of the
여기서, 도 3은 도 1 및 도2에서 나타낸 귀금속 함량을 비교하기 위한 도면이다.3 is a view for comparing the noble metal content shown in FIGS. 1 and 2.
즉, 도 1에서 전단 고농도 코팅영역(10)과 본 발명(도 2)에서 개선된 전단 고농도 코팅영역(10)에 코팅되는 귀금속 사용량은 동일하나, 반응가스의 유동패턴을 고려하여 중심부를 향하여 더 많은 코팅량을 갖도록 길이방향 단면에서 보았을 때, 전단에서 후방을 향한 포물선을 경계로 작은 쪽의 면적은 전단 고농도 코팅영역(12)이 되고, 큰 쪽의 면적은 후단 저농도 코팅영역(13)이 된다.That is, the amount of precious metal coated on the shear high
이때, 상기 고농도 코팅영역이 촉매(15) 전체부피의 10% 미만인 경우에는 고농도에 의한 정화 개선 효과가 없고, 50%를 초과하는 경우에는 귀금속 저감 효과가 떨어지므로, 촉매(15) 전체부피의 10~50%인 것이 바람직하다.At this time, if the high concentration coating area is less than 10% of the total volume of the
따라서, 본 발명에서 제안하는 촉매코팅방법은 반응가스의 유동패턴을 고려하여 중심부로 향할 수록 코팅면적이 더 커지게 하는 일명, '유동고려 존코팅법'이라 할 수 있다.Therefore, the catalyst coating method proposed in the present invention may be referred to as 'flow consideration zone coating method' in which the coating area becomes larger as it goes to the center in consideration of the flow pattern of the reaction gas.
이는 존코팅에 비해 귀금속량을 늘리는 것이 아니라, 존코팅법에서 반응가스의 유동량이 적은 부분에서 유동량이 많은 부분으로 귀금속량을 이동시키는 것으로서, 존코팅과는 고농도 코팅액이 코팅되는 고농도 코팅영역에 있어서 형상의 차이가 있다.This is not to increase the amount of precious metals compared to the zone coating, but to move the precious metal amount from the portion of the reaction gas flow to the portion of the flow volume in the zone coating method. There is a difference in shape.
또한, '존코팅법'에서 고농도 코팅영역(10)의 일부(D)가 '유동고려 존코팅법'에서 저농도 코팅영역(13)의 일부(E)로 바뀌고, '존코팅법'에서 저농도 코팅영역의 일부(코팅액)가 '유동고려 존코팅법'에서 고농도 코팅영역(코팅액)의 일부로 바뀌게 되는 것이다. 이와 같이 함에 따라, 코팅량은 영역 D와 영역 E가 같으므로 추가적인 귀금속량의 증감이 없다.In addition, a portion (D) of the high
한편, 촉매(15)에 의한 배기가스 저감은 온도에 따라 3가지 메커니즘에 의해 이루어진다. 온도가 400℃이상일 때는 물질이동이 정화성능을 결정하는 주요 인자인데, 실제 차량의 경우 시동초기 20초 정도를 제외하고는 500℃가 넘는 온도에서 촉매(15)에 의한 정화가 이루어진다.On the other hand, exhaust gas reduction by the
이점을 고려하여 촉매(15)를 제작하는 일이 매우 중요하다. 물질이동계수(Mass transfer coefficient)가 촉매(15) 전단에서 국부적으로 난류가 발생함에 따라 매우 크지만, 채널로 유동이 진행됨에 따라 급격하게 감소한다. In consideration of this, it is very important to manufacture the
따라서 본 발명에서는 필연적으로 발생하는 촉매(15)입구부의 배기가스 유량 불균일을 '존코팅(Zone Coating)'에서 '유동 고려 존코팅'으로 개선함으로써. 촉매(15)의 성능 최적화를 도모하고자 한다.Therefore, in the present invention, by improving the exhaust gas flow rate nonuniformity of the inlet portion of the catalyst (15) inevitably from 'Zone Coating' to 'flow consideration zone coating'. It is intended to optimize the performance of the
또한 촉매(15) 정화 메커니즘적인 접근에서 촉매(15) 영역별로 물질이동계수(K)와 유량(Q)을 함수식으로 표현하여 이 값이 최대가 될 수 있는 유동고려 존코팅의 개념을 제시하였으며, 추가적인 생산비용 증가 없는 유동 코팅 제작 방법을 제안한다. In addition, in the
이하, 함수식을 최적화하는 방법과 포물선형 존코팅 개념 및 제작 방법을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the method of optimizing the functional formula and the parabolic zone coating concept and manufacturing method will be described in detail.
본 발명에서는 조기 웜업을 위해 촉매(15) 전단에 고농도의 귀금속을 코팅하는 존코팅법에서 더 나아가, 유량과 물질이동계수를 최적화하여 촉매 정화성능을 극대화할 수 있는 유동고려 존코팅법을 제안한다. In the present invention, in addition to the zone coating method of coating a high concentration of precious metal on the front of the catalyst (15) for early warm-up, we propose a flow consideration zone coating method that can maximize the catalyst purification performance by optimizing the flow rate and mass transfer coefficient. .
도 4는 실제차량에서 온도에 따른 촉매정화성능을 나타내는 그래프이다. 이때, 그래프에서 화학 동역학(chemical kinetics), 세공 확산(Pore diffusion), 부 피 물질 이동(bulk mass transfer)는 온도구간에 따라 촉매효율(conversion;%)에 영향을 주는 인자들이다.4 is a graph showing catalytic purification performance according to temperature in an actual vehicle. In this case, chemical kinetics, pore diffusion, and bulk mass transfer in the graph are factors that affect the conversion efficiency (%) depending on the temperature range.
실제 차량의 경우 시동 초기 20초 정도를 제외하고는 대부분 500℃ 이상의 온도에서 촉매반응이 일어난다. 따라서 도 4의 그래프에 나타난 바와 같이 물질이동이 정화성능을 결정하는 중요한 인자가 된다는 것을 알 수 있다.In actual vehicles, most of the catalyst reaction occurs at temperatures above 500 ° C except for about 20 seconds at the start. Therefore, as shown in the graph of Figure 4 it can be seen that the mass transfer is an important factor in determining the purification performance.
도 5는 촉매 단면의 영역에 따른 유량(Q)과 물질이동계수(K)를 나타내는 개념도 및 그래프이다.5 is a conceptual diagram and a graph showing a flow rate Q and a mass transfer coefficient K according to an area of a catalyst cross section.
반응가스가 촉매(15)를 지남에 따라 포물선 형태의 층류 유동이 형성되고, 촉매(15)전단에서만 이러한 물질이동 효과를 얻기 위해 유동을 고려한 존코팅 촉매(15)가 필요하다.As the reaction gas passes through the
그리고, 초기 입구에서도 중심부에서의 유량(Q1) 및 물질이동(m/s) 값이 높고, 반응가스가 촉매(15)의 일정 길이를 지난 후에도 여전히 중심부에서 물질이동(계수)값(K1)이 높음을 알 수 있으므로, 물질이동값이 높은 지점에서 촉매(15) 정화 성능을 향상시키기 위해서는 고농도(일정값 이상의) 귀금속을 코팅하는 것이 바람직하다.Also, even at the initial inlet, the flow rate (Q1) and mass transfer (m / s) values at the center are high, and even after the reaction gas passes a certain length of the
촉매(15)의 정화능력은 체적유량(space velocity)과 각 채널에서의 물질이동에 의해 결정된다. 가령, 예를 들어 도 5에서 촉매(15)로 유입되는 유량이 촉매(15) 단면구간에 따라 Q1, Q2(<Q1), Q3(<Q2)이라고 가정한다. 그리고, 각 유량이 통과하는 채널의 물질이동계수를 K1, K2, K3라고 하자. 이때 촉매(15)의 구간에 따른 정화성능은 유량(Q)과 물질이동계수(K)의 함수(Fn)로 나타낼 수 있다.The purifying capacity of the
따라서, 각 구간에서의 유량과 물질이동계수를 최적화하여 이 함수값이 가장 큰 구간에 고농도의 귀금속을 코팅하는 존코팅법을 적용한다면 촉매(15) 정화성능을 극대화 할 수 있다.Therefore, if the zone coating method of coating a high concentration of precious metal in the section having the largest function value by optimizing the flow rate and mass transfer coefficient in each section can maximize the purification performance of the catalyst (15).
이렇게 해서 결정된 촉매(15)의 존코팅은 배기계 형상(배기매니폴더, 앞쪽 머플러)에 따라 조금씩은 차이가 있으나, 개략적으로 도 2와 같은 형태가 된다.The zone coating of the
상기와 같이, 촉매(15)로 유입되는 유량과 촉매(15) 각 채널에서 발생하는 물질이동의 효과를 최적화한 유동 고려 존코팅법을 설명하면 다음과 같다.As described above, the flow consideration zone coating method optimizing the flow rate flowing into the
도 7은 본 발명의 유동고려 존코팅법의 제조공정을 나타내는 공정도이고, 도 8는 본 발명의 일실시예에 따른 고농도 코팅액 흡입량 조절장치를 나타내는 평면도이고, 도 9는 도 7에서 고농도 코팅액 흡입량 조절장치 및 촉매의 분해도이고, 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 저농도 코팅액 흡입량 조절장치를 나타내는 평면도이고, 도 11은 도 7에서 일실시예에 따른 저농도 코팅액 흡입량 조절장치를 나타내는 분해도이다.7 is a process chart showing a manufacturing process of the flow consideration zone coating method of the present invention, Figure 8 is a plan view showing a high concentration coating liquid suction amount control apparatus according to an embodiment of the present invention, Figure 9 is a high concentration coating liquid suction amount control in Figure 7 Figure 10 is an exploded view of the device and the catalyst, Figure 10 is a plan view showing a low concentration coating liquid suction amount control apparatus according to an embodiment of the present invention, Figure 11 is an exploded view showing a low concentration coating liquid suction amount control apparatus according to an embodiment in FIG.
도 8에 도시한 바와 같이 촉매전단부용 코팅액 흡입량 조절장치(17)는 중심부로 갈수록 셀사이즈가 점점 커지고, 튜브의 외곽부는 흡입기에 의한 흡입공기가 외부로 누설되지 않도록 완전히 밀봉할 수 있는 고무재질로 이루어진다.As shown in FIG. 8, the coating liquid suction
또한, 도 10에 도시한 바와 같이 촉매후단부용 코팅액 흡입량 조절장치(18)는 중심부로 갈수록 셀사이즈가 점점 작아지고, 튜브의 외곽부는 흡입기에 의한 흡입공기가 외부로 누설되지 않도록 완전히 밀봉할 수 있는 고무재질로 이루어진다.In addition, as shown in FIG. 10, the coating liquid suction
상기와 구조를 같은 촉매전단부 및 촉매후단부용 코팅액 흡입량 조절장 치(17,18)가 준비되면, 다음과 같은 순서에 따라 도 7과 같이 유동고려 존코팅법에 의한 촉매(15)를 제작할 수 있다.When the coating liquid suction amount adjusting devices (17, 18) for the catalyst front end and the catalyst rear end having the same structure as described above are prepared, the
먼저, 고농도의 코팅 용액이 담겨진 코팅액 용기를 제공하여, 촉매(담체(1))의 아래쪽 단부가 접촉될 수 있게 설치한다. 이어서 흡입기(16) 및 촉매전단부 코팅용 코팅액 흡입량 조절장치(17)(제1조절튜브)를 이용하여 흡인압을 제공하면 고농도의 코팅 용액이 촉매(15) 내부의 채널을 통해 상향이동하면서 코팅이 이루어진다.First, a coating liquid container containing a high concentration of coating solution is provided so that the lower end of the catalyst (carrier 1) can be contacted. Subsequently, when the suction pressure is provided using the
이때 제1조절튜브의 경우 중심부로 갈수록 셀크기가 크므로, 흡입기(16)를 통해 코팅액 흡입시 중심부로 갈수록 각 채널의 흡입압력이 커져서 각 채널의 코팅길이가 길어지게 되는 반면에, 외곽부는 셀크기가 작아서 코팅길이가 짧게 된다.In this case, since the first control tube has a larger cell size toward the center, the suction pressure of each channel increases as the coating pressure is increased toward the center during suction of the coating liquid through the
따라서, 도 7에 도시한 바와 같이 촉매(15)의 아래쪽에서부터 각 채널의 코팅길이가 포물선 형태로 코팅되어 고농도 코팅영역(12)을 형성한다.Therefore, as shown in FIG. 7, the coating length of each channel is coated in a parabolic form from the bottom of the
그 다음, 촉매(15)를 상하방향으로 회전시켜 저농도의 코팅 용액이 담겨진 코팅액 용기를 제공하여, 촉매(15)의 아래쪽 단부가 접촉될 수 있게 설치한다. 이어서 흡입기(16) 및 촉매후단부 코팅용 코팅액 흡입량 조절장치(18)(제2조절튜브)를 이용하여 흡인압을 제공하면 저농도의 코팅 용액이 촉매(15) 내부의 채널을 통해 상향이동하면서 코팅이 이루어진다.Then, the
이때 제2조절튜브의 경우 중심부로 갈수록 셀크기가 작으므로, 흡입기(16)를 통해 코팅액 흡입시 중심부로 갈수록 각 채널의 흡입압력이 작아져서 각 채널의 코팅길이가 짧아지게 되는 반면에, 외곽부는 셀크기가 커서 코팅길이가 길게 된다.In this case, since the cell size decreases toward the center of the second control tube, the suction pressure of each channel decreases toward the center when the coating liquid is inhaled through the
따라서, 도 7에 도시한 바와 같이 촉매(15)의 아래쪽에서부터 각 채널의 코팅길이 끝단이 포물선 형태(위쪽으로 향함)로 코팅되어 저농도 코팅영역(13)을 형성한다.Thus, as shown in FIG. 7, the coating length end of each channel from the bottom of the
상기와 같은 유동고려 존코팅법에 의해 존코팅된 촉매(15)가 완성되게 된다.The zone coated
여기서, 유동 고려 존코팅 전단 및 후단의 길이를 조절하기 위해서는 코팅액 흡입량 조절장치(17,18)의 셀크기를 조절하거나, 코팅액 흡입량 조절장치가 장착된 상태에서 흡입 압력을 조절하여, 유동 고려 존코팅 촉매(15)를 제조할 수 있다.Here, in order to control the length of the front and rear ends of the flow-considered zone coating, the cell size of the coating liquid suction
시험예Test Example
유동고려 존코팅의 성능을 평가하기 위해, 전기로 에이징으로 1000도, 100시간 에이징 후 모의활성평가를 실시한 결과, 도 12 및 도 13에 도시한 바와 같이 LOT 성능은 20도, 정화율은 5%이상 향상되었음을 알 수 있었다.In order to evaluate the performance of the flow consideration zone coating, simulation activity evaluation was performed after aging 1000 degrees and 100 hours by electric furnace aging. As shown in FIGS. 12 and 13, the LOT performance was 20 degrees and the purification rate was 5%. It was found that the improvement.
이는 귀금속을 추가로 사용하지 않고, 간단한 흡입 조절 장치를 추가 장착함으로써, 제조비용의 큰 상승없이 촉매(15)의 성능을 향상시킬 수 있었다.This could improve the performance of the
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.While the invention has been shown and described with respect to certain preferred embodiments thereof, the invention is not limited to these embodiments, and has been claimed by those of ordinary skill in the art to which the invention pertains. It includes all the various forms of embodiments that can be carried out without departing from the spirit.
도 1은 존코팅법에 의해 제조된 배기가스 정화용 촉매를 나타내는 개략도이다.1 is a schematic view showing an exhaust gas purification catalyst prepared by the zone coating method.
도 2는 본 발명의 유동고려 존코팅법에 의해 제작된 배기가스 정화용 촉매를 나타내는 개략도이다.2 is a schematic view showing a catalyst for purification of exhaust gas produced by the flow consideration zone coating method of the present invention.
도 3은 존코팅법과 유동고려 존코팅법의 코팅영역을 비교하기 위한 개념도이다.3 is a conceptual diagram for comparing the coating area of the zone coating method and the flow consideration zone coating method.
도 4는 온도에 따라 촉매성능에 영향을 주는 인자를 나타내는 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the factors affecting the catalytic performance with temperature.
도 5는 반응가스의 유동 및 물질이동효과를 설명하기 위한 도면이다.5 is a view for explaining the flow and mass transfer effects of the reaction gas.
도 6은 존코팅법의 제조공정을 나타내는 공정도이다.6 is a process chart showing a manufacturing process of the zone coating method.
도 7은 본 발명의 유동고려 존코팅법의 제조공정을 나타내는 공정도이다.7 is a process chart showing the manufacturing process of the flow consideration zone coating method of the present invention.
도 8는 본 발명의 일실시예에 따른 고농도 코팅액 흡입량 조절장치를 나타내는 평면도이다.8 is a plan view showing a high concentration coating liquid suction amount control device according to an embodiment of the present invention.
도 9는 도 7에서 고농도 코팅액 흡입량 조절장치 및 촉매의 분해도이다.FIG. 9 is an exploded view of a high concentration coating liquid inhalation control device and catalyst in FIG. 7.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 저농도 코팅액 흡입량 조절장치를 나타내는 평면도이다.10 is a plan view showing a low concentration coating solution suction amount control device according to an embodiment of the present invention.
도 11은 도 7에서 일실시예에 따른 저농도 코팅액 흡입량 조절장치를 나타내는 평면도이다.FIG. 11 is a plan view illustrating a low concentration coating liquid suction amount adjusting apparatus according to an embodiment in FIG. 7.
도 12는 본 발명의 저온활성평가를 나타내는 그래프이다.12 is a graph showing the low temperature activity evaluation of the present invention.
도 13은 본 발명의 고온활성평가를 나타내는 그래프이다.Figure 13 is a graph showing the high temperature activity evaluation of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10,12 : 고농도 코팅영역 11,13 : 저농도 코팅영역10,12: high
14,15 : 촉매 16 : 흡입기14,15 catalyst 16: inhaler
17 : 고농도 코팅액 흡입량 조절장치17: high concentration coating liquid suction amount control device
18 : 저농도 코팅액 흡입량 조절장치18: low concentration coating liquid suction amount control device
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