KR101336050B1

KR101336050B1 - 차량의 배기시스템

Info

Publication number: KR101336050B1
Application number: KR1020130034567A
Authority: KR
Inventors: 김윤정
Original assignee: 주식회사 이드리븐
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2013-12-03

Abstract

본 발명은 차량의 배기시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 엔진으로부터 발생된 배기가스의 유해 성분에 대하여 정화 효율을 높이기 위해 매니폴드 촉매장치(MCC: Manifold Catalytic Converter)와 언더바디 촉매장치(UCC: Underbody Catalytic Converter) 사이에 보조촉매장치를 결합함으로써, 세 개의 촉매장치를 통하여 배기가스 물질을 저감시킬 수 있어 정화 효율을 향상시킬 수 있고, 배기관에 촉매의 성능을 활성화할 수 있는 보조촉매장치를 플랜지를 이용하여 결합함으로써, 배기관에 보조촉매장치를 장착하는데 편의를 제공할 수 있으며, 배기관의 내부에 보조촉매장치를 삽입한 후 플랜지를 이용하여 결합함으로써, 기존 차량의 배치구조의 커다란 변경 없이도 콤팩트한 배기시스템의 설계가 가능하고, 세라믹 촉매, 메탈폼 촉매, 메탈 섬유 촉매 중에서 선택하여 보조 촉매장치의 내부에 삽입하여 설치함으로써, 다양한 형태의 촉매를 차량의 종류에 맞게 적용할 수 있으며, 보조촉매장치의 내부에 들어가는 촉매를 백금(Pt)과 파라듐(Pd)의 산화촉매와, 로듐(Rh)의 환원촉매와 같은 삼원촉매를 사용하여 질소산화물(NOx), 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO)의 배기가스를 정화할 수 있는 효과가 있다.

Description

차량의 배기시스템{Exhaust system for vehicles}

본 발명은 엔진으로부터 발생된 배기가스의 유해 성분에 대하여 정화 효율을 높이기 위해 매니폴드 촉매장치(MCC: Manifold Catalytic Converter)와 언더바디 촉매장치(UCC: Underbody Catalytic Converter) 사이에 보조촉매장치를 결합함으로써, 세 개의 촉매장치를 통하여 배기가스 물질을 저감시킬 수 있어 정화 효율을 향상시킬 수 있고, 배기관에 촉매의 성능을 활성화할 수 있는 보조촉매장치를 플랜지를 이용하여 결합함으로써, 배기관에 보조촉매장치를 장착하는데 편의를 제공할 수 있으며, 배기관의 내부에 보조촉매장치를 삽입한 후 플랜지를 이용하여 결합함으로써, 기존 차량의 배치구조의 커다란 변경 없이도 콤팩트한 배기시스템의 설계가 가능하고, 세라믹 촉매, 메탈폼 촉매, 메탈 섬유 촉매 중에서 선택하여 보조 촉매장치의 내부에 삽입하여 설치함으로써, 다양한 형태의 촉매를 차량의 종류에 맞게 적용할 수 있으며, 보조촉매장치의 내부에 들어가는 촉매를 백금(Pt)과 파라듐(Pd)의 산화촉매와, 로듐(Rh)의 환원촉매와 같은 삼원촉매를 사용하여 질소산화물(NOx), 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO)의 배기가스를 정화할 수 있는 차량의 배기시스템에 관한 기술이다.

일반적으로, 자동차의 배기시스템은 배기가스를 정화하는 촉매장치와 배기가스의 배기음을 저감시키는 소음기(머플러)로 대분할 수 있다.

도 1 은 종래 자동차의 배기시스템을 도시한 것으로서, 엔진(E)의 작동시 배출되는 배기가스는 촉매 장치(10)를 통과하면서 일산화탄소나 질소화합물들과 같은 인체에 유해한 성분들이 정화된다.

이어서, 촉매 장치(10)의 후단에 부착된 보조소음기(20)에서 배기가스의 1 차 흡음 작용이 이루어져 고주파 대역의 거친 소리가 1차적으로 저감되고, 보조소음기(20)를 통과한 배기가스는 배기관(40)을 통하여 주 소음기(30)로 유입된다.

상기 주소음기(30)는 배기가스의 소음 저감을 좌우하는 주요 부분이다.

상기와 같은 종래의 배기시스템은 주로 통합형 CCC(The integration type close-coupled catalytic converter) 타입의 촉매장치를 사용하는 차량에 장착되는 배기시스템인데, 자동차 배기가스의 엄격한 규제기준에 보다 부합하기 위한 고정화효율 촉매장치인 WCC(Warming-Up Catalytic Converter) 타입의 촉매 장치와 UCC(Underbody Catalytic Converter) 타입의 촉매장치가 배기시스템에서 함께 사용되는 추세이며, 이러한 추세로 말미암아 촉매장치가 단일한 통합형 CCC만을 사용하던 환경과 비교하여, WCC 촉매장치와 UCC 촉매장치의 2 개의 촉매장치로부터 발생되는 배압(back pressure)을 개선하여야 할 필요성이 상존하고 있다.

또한 자동차에 있어서, 95%이상이 배기관을 통하여 배출되는 가스로서 연소된 가스상 물질이며, 오늘날 우리가 사용하는 화석연료의 대부분은 여러 종류의 HC로 이루어진 혼합물로, 완전연소가 이루어지기 위해서는 이 HC들이 산소와 결합하여 수증기와 탄산가스만을 생성시켜야 한다.

그러나 현재의 기술수준으로는 기관의 작동상태가 최적연소라 할지라도 혼합기를 완전 연소시킬 수 없기 때문에 배기가스 중에는 유해물질이 포함될 수밖에 없다.

이러한 유해물질 중 중부하 중속으로 휘발유엔진이 작동될 때 배기가스의 대부분은 질소(71%), 탄산가스(18.1%), 수증기(9.2%)이고 유해물질은 총배기가스의 약1% 정도가 되며, 여기에 포함되는 유해물질은 주로 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx)이다.

차량의 배기가스 저감을 위하여 CO와 HC를 산화반응으로 저감시키는 산화촉매(oxidation catalyst)가 초기에 사용되어 왔다.

그러므로, 엔진으로부터 발생된 배기가스의 유해 성분에 대하여 정화 효율을 높이기 위해 매니폴드 촉매장치(MCC: Manifold Catalytic Converter)와 언더바디 촉매장치(UCC: Underbody Catalytic Converter) 사이에 보조촉매장치를 결합하므로 세 개의 촉매장치를 통하여 배기가스 물질을 저감시킬 수 있어 정화 효율을 향상시킬 수 있고, 배기관에 촉매의 성능을 활성화할 수 있는 보조촉매장치를 플랜지를 이용하여 결합하므로 배기관에 보조촉매장치를 장착하는데 편의를 제공할 수 있으며, 세라믹 촉매, 메탈폼 촉매, 메탈 섬유 촉매 중에서 선택하여 보조 촉매장치의 내부에 삽입하여 설치하므로 다양한 형태의 촉매를 차량의 종류에 맞게 적용할 수 있는 차량의 배기시스템의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

KR 10-2009-0080360(2009. 8. 28)

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 착상된 것으로서, 엔진으로부터 발생된 배기가스의 유해 성분에 대하여 정화 효율을 높이기 위해 매니폴드 촉매장치(MCC)와 언더바디 촉매장치(UCC) 사이에 보조촉매장치를 결합함으로써, 세 개의 촉매장치를 통하여 배기가스 물질을 저감시킬 수 있어 정화 효율을 향상시킬 수 있는 차량의 배기시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 배기관에 촉매의 성능을 활성화할 수 있는 보조촉매장치를 플랜지를 이용하여 결합함으로써, 배기관에 보조촉매장치를 장착하는데 편의를 제공할 수 있는 차량의 배기시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 배기관의 내부에 보조촉매장치를 삽입한 후 플랜지를 이용하여 결합함으로써, 기존 차량의 배치구조의 커다란 변경 없이도 콤팩트한 배기시스템의 설계가 가능한 차량의 배기시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 세라믹 촉매, 메탈폼 촉매, 메탈 섬유 촉매 중에서 선택하여 보조촉매장치의 내부에 삽입하여 설치함으로써, 다양한 형태의 촉매를 차량의 종류에 맞게 적용할 수 있는 차량의 배기시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 보조촉매장치의 내부에 들어가는 촉매를 백금(Pt)과 파라듐(Pd)의 산화촉매와, 로듐(Rh)의 환원촉매와 같은 삼원촉매를 사용하여 질소산화물(NOx), 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO)의 배기가스를 정화할 수 있는 차량의 배기시스템을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 차량의 배기시스템은 엔진으로부터 발생한 배기가스의 유해성분을 1차 정화시키는 매니폴드 촉매장치(MCC)와; 언더바디 촉매장치(UCC)의 전단에 위치하고, 배기관에 플랜지를 이용하여 결합하거나 또는 배기관의 내부에 보조촉매장치를 삽입한 후 플랜지를 이용하여 결합하며, 상기 매니폴드 촉매장치에서 1차 정화된 배기가스의 유해성분을 정화시키기 위해 촉매의 성능을 활성화하는 보조촉매장치와; 상기 보조촉매장치를 통과한 배기가스의 유해성분을 2차 정화시키는 언더바디 촉매장치(UCC); 을 포함함을 특징으로 한다.

삭제

상기 본 발명에 있어서, 상기 보조촉매장치의 내부에 삽입하여 설치되는 촉매의 형태는 세라믹 촉매, 메탈폼 촉매, 메탈 섬유 촉매 중에서 어느 하나인 것을 포함함을 특징으로 한다.

상기 본 발명에 있어서, 상기 보조촉매장치의 내부에 들어가는 촉매는 삼원촉매로서, 백금(Pt)과 파라듐(Pd)의 산화촉매와, 로듐(Rh)의 환원촉매이며, 이를 사용하여 질소산화물(NOx), 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO)의 배기가스를 정화하는 것을 포함함을 특징으로 한다.

상기 본 발명에 있어서, 상기 보조촉매장치가 언더바디 촉매장치(UCC)와 결합되는 경우, 보조촉매장치의 한쪽 끝에만 플랜지를 구성하는 것과, 보조촉매장치의 양단에 플랜지를 구성하는 것과, 보조촉매장치의 중앙에 하나만 플랜지를 구성하는 것 중에서 어느 하나인 것을 포함함을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명인 차량의 배기시스템은 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 본 발명은 엔진으로부터 발생된 배기가스의 유해 성분에 대하여 정화 효율을 높이기 위해 매니폴드 촉매장치(MCC)와 언더바디 촉매장치(UCC) 사이에 보조촉매장치를 결합함으로써, 세 개의 촉매장치를 통하여 배기가스 물질을 저감시킬 수 있어 정화 효율을 향상시킬 수 있다.

둘째, 본 발명은 배기관에 촉매의 성능을 활성화할 수 있는 보조촉매장치를 플랜지를 이용하여 결합함으로써, 배기관에 보조촉매장치를 장착하는데 편의를 제공할 수 있다.

셋째, 본 발명은 배기관의 내부에 보조촉매장치를 삽입한 후 플랜지를 이용하여 결합함으로써, 기존 차량의 배치구조의 커다란 변경 없이도 콤팩트한 배기시스템의 설계가 가능하다.

넷째, 본 발명은 세라믹 촉매, 메탈폼 촉매, 메탈 섬유 촉매 중에서 선택하여 보조촉매장치의 내부에 삽입하여 설치함으로써, 다양한 형태의 촉매를 차량의 종류에 맞게 적용할 수 있다.

다섯째, 본 발명은 보조촉매장치의 내부에 들어가는 촉매를 백금(Pt)과 파라듐(Pd)의 산화촉매와, 로듐(Rh)의 환원촉매와 같은 삼원촉매를 사용하여 질소산화물(NOx), 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO)의 배기가스를 정화할 수 있다.

도 1은 종래의 배기시스템의 구성을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량의 배기시스템의 구성을 나타낸 도면.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 차량의 배기시스템에서 보조촉매장치가 플랜지를 이용하여 결합되는 형태를 나타낸 도면.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일실시예에 따른 차량의 배기시스템의 보조촉매장치의 내부에 세라믹 촉매, 메탈폼 촉매, 메탈 섬유 촉매가 삽입된 형상을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 차량의 배기시스템에서 보조촉매장치가 장착된 경우, CO와 HC의 가스가 온도에 대하여 감소한 비율을 나타낸 그래프 도면.

이하 첨부된 도면과 함께 본 발명의 바람직한 실시예를 살펴보면 다음과 같은데, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명인 차량의 배기시스템을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 차량의 배기시스템을 상세하게 설명한다.

도 1은 종래의 배기시스템의 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량의 배기시스템의 구성을 나타낸 도면이며, 도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 차량의 배기시스템에서 보조촉매장치가 플랜지를 이용하여 결합되는 형태를 나타낸 도면이고, 도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일실시예에 따른 차량의 배기시스템의 보조촉매장치의 내부에 세라믹 촉매, 메탈폼 촉매, 메탈 섬유 촉매가 삽입된 형상을 나타낸 도면이다.

도 1 내지 도 4c에 도시한 바와 같이, 본 발명인 차량의 배기시스템(100)은 엔진(Eng)으로부터 발생한 배기가스의 유해성분을 1차 정화시키는 매니폴드 촉매장치(MCC)(110)와; 언더바디 촉매장치(UCC)의 전단에 위치하며, 상기 매니폴드 촉매장치에서 1차 정화된 배기가스의 유해성분을 정화시키기 위해 촉매의 성능을 활성화하는 보조촉매장치(120)와; 상기 보조촉매장치를 통과한 배기가스의 유해성분을 2차 정화시키는 언더바디 촉매장치(UCC)(130); 을 구비한다.

상기 본 발명인 차량의 배기시스템(100)을 구성하는 각 기술적 수단들의 기능을 설명하면 다음과 같다.

상기 매니폴드 촉매장치(MCC: Manifold Catalytic Converter)(110)는 엔진(Eng)으로부터 발생한 배기가스의 유해성분을 1차 정화시키는 것이다.

상기 보조촉매장치(120)는 언더바디 촉매장치(UCC: Underbody Catalytic Converter)(130)의 전단에 위치하며, 상기 매니폴드 촉매장치(110)에서 1차 정화된 배기가스의 유해성분을 정화시키기 위해 촉매의 성능을 활성화하는 것이다.

여기서, 도 3a 내지 도 3c에 도시한 바와 같이, 상기 보조촉매장치(120)는 배기관(140)에 플랜지(121)를 이용하여 결합하거나(도 3a에 도시함) 또는 배기관(140)의 내부에 보조촉매장치(120)를 삽입한 후 플랜지(121)를 이용하여 결합하는(도 3b와 도 3c에 도시함) 것이다.

또한, 도 4a 내지 도 4c에 도시한 바와 같이, 상기 보조촉매장치(120)의 내부에 삽입하여 설치되는 촉매의 형태는 세라믹 촉매(122)(도 4a에 도시함), 메탈폼 촉매(123)(도 4b에 도시함), 메탈 섬유 촉매(124)(도 4c에 도시함) 중에서 어느 하나인 것이다.

또한, 보조촉매장치(120)의 내부에 들어가는 촉매는 삼원촉매로서, 백금(Pt)과 파라듐(Pd)의 산화촉매와, 로듐(Rh)의 환원촉매이며, 이를 사용하여 질소산화물(NOx), 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO)의 배기가스를 정화하는 것이다.

여기서, 배기가스 중의 유해물질들인, 상기 질소산화물(NOx), 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO) 등은 촉매를 사용하여 더욱 저감시킬 수 있으며, 이러한 촉매장치로는 산화촉매장치(oxiadtion catalytic converter), 환원촉매장치(reduction catalyitic converter), 또는 삼원 촉매장치(3-way catalytic converter)가 효과적이다. 특히, 삼원 촉매장치는 이론적으로 공기 과잉률(λ=1)부근의 좁은 영역(＜1%)에서 작동할 경우에는 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC) 및 질소산화물(NOx) 등의 유해물질을 90%이상 정화할 수 있는 것이다.

또한, 가솔린기관에서 배출되는 유해물질을 환원촉매장치를 통해 환원처리과정을 먼저 거치게 한 후, 산화촉매장치를 통해 산화처리과정을 거치게 하여 배기가스의 탄화성분을 극소화시킬 수 있으며 메탈폼 촉매(123), 메탈 섬유 촉매(124)의 기능과 수명을 연장시킬 수 있는 것이다. 또한 세라믹 촉매(122)의 경우, 기공을 갖고 있고, 표면적이 넓어 배기가스의 유동시간과 그 흡입량을 증대시킬 수 있는 것이다.

상기 언더바디 촉매장치(UCC)(130)는 상기 보조촉매장치(120)를 통과한 배기가스의 유해성분을 2차 정화시키는 것이다.

상기 보조촉매장치(120)가 언더바디 촉매장치(UCC)(130)와 결합되는 경우, 보조촉매장치(120)의 한쪽 끝에만 플랜지(121)를 구성하는 것과, 보조촉매장치(120)의 양단에 플랜지(121)를 구성하는 것과, 보조촉매장치(120)의 중앙에 하나만 플랜지(121)를 구성하는 것 중에서 어느 하나인 것이다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 차량의 배기시스템에서 보조촉매장치가 장착된 경우, CO와 HC의 가스가 온도에 대하여 감소한 비율을 나타낸 그래프 도면이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 차량의 배기시스템에서 보조촉매장치가 장착된 경우, 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO) 가스가 온도에 대하여 감소한 비율을 나타내었는데, 보조촉매장치를 장착한 경우가 보조촉매장치가 없는 것보다 촉매의 LOT를 낮추어 촉매성능의 향상을 유도하고 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO)와 같은 배기가스 물질을 저감시키는 것을 알 수 있는 것이다.

상술한 바와 같은, 차량의 배기시스템은 가솔린, 디젤 엔진을 갖는 차량에 적용할 수 있으므로 그 적용대상이 광범위하다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 이해할 수 있을 것이다.

100 : 차량의 배기시스템 110 : 매니폴드 촉매장치(MCC)
120 : 보조촉매장치 121 : 플랜지
122 : 세라믹 촉매 123 : 메탈폼 촉매
124 : 메탈 섬유 촉매 130 : 언더바디 촉매장치(UCC)
140 : 배기관

Claims

차량의 배기시스템에 있어서,
엔진으로부터 발생한 배기가스의 유해성분을 1차 정화시키는 매니폴드 촉매장치(MCC)와;
언더바디 촉매장치(UCC)의 전단에 위치하고, 배기관에 플랜지를 이용하여 결합하거나 또는 배기관의 내부에 보조촉매장치를 삽입한 후 플랜지를 이용하여 결합하며, 상기 매니폴드 촉매장치에서 1차 정화된 배기가스의 유해성분을 정화시키기 위해 촉매의 성능을 활성화하는 보조촉매장치와;
상기 보조촉매장치를 통과한 배기가스의 유해성분을 2차 정화시키는 언더바디 촉매장치(UCC); 을 포함함을 특징으로 하는 차량의 배기시스템.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 보조촉매장치의 내부에 삽입하여 설치되는 촉매의 형태는 세라믹 촉매, 메탈폼 촉매, 메탈 섬유 촉매 중에서 어느 하나인 것을 포함함을 특징으로 하는 차량의 배기시스템.
제 3항에 있어서,
상기 보조촉매장치의 내부에 들어가는 촉매는 삼원촉매로서, 백금(Pt)과 파라듐(Pd)의 산화촉매와, 로듐(Rh)의 환원촉매이며, 이를 사용하여 질소산화물(NOx), 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO)의 배기가스를 정화하는 것을 포함함을 특징으로 하는 차량의 배기시스템.
제 1항에 있어서,
상기 보조촉매장치가 언더바디 촉매장치(UCC)와 결합되는 경우, 보조촉매장치의 한쪽 끝에만 플랜지를 구성하는 것과, 보조촉매장치의 양단에 플랜지를 구성하는 것과, 보조촉매장치의 중앙에 하나만 플랜지를 구성하는 것 중에서 어느 하나인 것을 포함함을 특징으로 하는 차량의 배기시스템.