KR101360747B1 - 유동특성을 고려한 촉매 담체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진에서 발생하는 배기가스를 정화하는 촉매 담체에 관한 것으로서, 엔진에서 발생하는 배기가스를 정화하는 촉매 담체를 제조하는 방법에 있어서, 상기 촉매 담체는 배기 유동이 집중되는 곳에는 길이가 길도록 형성되고 배기 유동이 적은 곳에는 길이가 짧은 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 배기가스의 유동 흐름에 따라 유동이 집중되는 곳에는 길이가 길고, 유동이 적은 곳에는 길이가 짧은 구조를 갖는 촉매 담체를 장착하여 일부분으로 배기 가스가 정화되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 배기 가스의 정화율을 높일 수 있는 효과가 있다.

촉매 담체, 금속평판.

Description

유동특성을 고려한 촉매 담체의 제조방법{Manufacturing method of catalyst for purifying automotive exhaust gas}

본 발명은 엔진에서 발생하는 배기가스를 정화하는 촉매 담체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배기가스의 유동 흐름에 따라 유동이 집중되는 곳에는 길이가 길고, 유동이 적은 곳에는 길이가 짧은 구조를 갖는 촉매 담체를 장착하여 배기정화성능을 향상한 유동특성을 고려한 촉매 담체의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차 배기가스는 엔진에서 혼합기 연소에 의해 생성되어 배기 파이프를 통해 대기 중으로 방출되는 가스를 말하며, 이러한 배기가스에는 미연소탄화수소(THC), 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx) 등 인체에 유해한 물질이 다량포함되어 있다.

이에 자동차 배기가스로 인한 대기오염을 방지하는 것이 환경위생상 중요한 문제로 대두되고 있으며, 배기가스를 배출하기 전에 반드시 정화처리를 하도록 규제하고 있다.

자동차에서 배기가스를 정화하기 위하여 주로 쓰이는 장치가 삼원촉매(three way catalyst)를 사용한 촉매 컨버터인데, 이는 배기 파이프 도중에 장착되며, 차 량에 따라 배기가스 배출량이 다르기 때문에 촉매의 사양은 다르다.

도시된 도 1은 종래의 촉매 담체를 나타낸 것으로서, 상기 촉매 담체(100)는 원통형상으로 내부에는 귀금속이 균일하게 형성되는데 즉, 상기 촉매 담체(100)는 배기 흐름의 축 방향을 따라 동일하게 형성되는 것이다.

그리고 도시된 도 2는 상기 촉매 담체(200)는 중앙으로 농후한 귀금속(220)이 형성되고 외곽으로는 적은 양의 귀금속(240)이 형성되는 촉매 담체(200)를 나타낸 것이다.

그러나 상기와 같은 기존의 촉매 담체(100)는 배기가스의 유동에 상관없이 촉매 단면에 대하여 일정한 양의 귀금속을 균일하게 형성함으로써 일정 부분은 배기가스를 많이 정화하지만 다른 일부분은 배기가스가 거의 정화되지 않는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 동일한 양의 귀금속이 담겨져 있으므로 촉매 담체의 원가가 상승하는 문제점이 있었다.

또한, 기존의 촉매 담체는 배기가스가 촉매 담체를 거치는 과정에 있어 고 유동구간에서만 유속이 빨라 압력손실이 발생함으로써 배압이 올라가 출력이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 배기가스의 유동 흐름에 따라 유동이 집중되는 곳에는 길이가 길고, 유동이 적은 곳에는 길이가 짧은 구조를 갖는 촉매 담체를 장착하여 배기정화성능을 향상한 유동특성을 고려한 촉매 담체의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 엔진에서 발생하는 배기가스를 정화하는 촉매 담체를 제조하는 방법에 있어서, 상기 촉매 담체는 배기 유동이 집중되는 곳에는 길이가 길도록 형성되고 배기 유동이 적은 곳에는 길이가 짧은 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 배기가스의 유동 흐름에 따라 유동이 집중되는 곳에는 길이가 길고, 유동이 적은 곳에는 길이가 짧은 구조를 갖는 촉매 담체를 장착하여 일부분으로 배기 가스가 정화되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 배압을 줄이고 배기 가스의 정화율을 높일 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 구성을 첨부된 도면을 참조로 설명하면, 도 3은 본 발명에 따른 촉매 담체를 나타낸 정면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 촉매 담체의 축방향 길이 분포를 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명에 따른 촉매 담체의 다른 실시 예를 나타낸 평면도이다.

먼저, 촉매 배기계에서 생기는 배압은 채널에서 생기는 압력강하와 촉매의 전형적인 층류 유동에 의해서 발생하는데 이를 하겐-포아젤 방정식으로 정리하면,

△p=32*(μ*l*v)/(ρD²) >>>> 즉 △p ∝ l*v

와 같이 유속 또는 촉매 담체의 길이가 빠르면 배압도 올라간다는 사실을 알 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 사실을 기초로 하여 촉매 담체(10)를 설명하면, 도시된 도 3과 같이 상기 촉매 담체(10)는 배기 유동이 집중되는 중앙 부근은 길이가 길도록 형성되고 배기 유동이 적은 곳에는 길이가 짧은 구조로 형성하여 불균일한 배기 유동에 대응하도록 형성하는데 특징이 있다.

즉, 배기 유동 특성에 의하여 입구압력이 낮은 영역은 촉매 담체의 길이를 줄여 체류시간을 짧게 해주고, 입구 압력이 높은 영역은 길이를 길게 하여 빠르게 통과하더라도 충분한 체류시간을 갖게 하는 것이다.

이때, 상기 촉매 담체(10)는 배기 가스 체류에 대한 체류시간 분포가 일정하도록 가공하도록 다음과 같이 촉매 담체(10)의 설계를 얻을 수 있는데

정화율 또는 전화율(X)은 X = 1-exp(-kt) 와 같은 식을 얻을 수 있다.

( X:전환율(0 ~ 100%), k:속도상수, t:촉매 채널에서의 체류시간(sec) )

상기 전환율 X = 1-exp(-kt)를 반응공학적 관점에서 고찰하면

1차 반응의 경우 r=-dC_A/dt = kC_A 를 얻을 수 있다.

여기서, C_A: A 성분의 출구 농도. 예로서 HC, CO, NOx ,

C₀: A 성분의 초기 농도 촉매 입구 농도

k는 저온에서는 촉매 반응속도상수, 고온에서는 물질전달계수

그리고 상기 r=-dC_A/dt = kC_A 을 적분하면

ln (C_A/C₀) = -kt, C_A=C₀exp(-kt)에서

전환율 X의 정의 C_A=C₀(1-X)를 삽입하면 X = 1-exp(-kt)와 같은 식을 얻을 수 있게 되는 것이다.

이를 좀더 보충설명하면, 상기 속도상수는 저온에서는 촉매반응속도 상수로 고온에서는 물질전달계수로 사용하게 되는 것이고, 촉매 채널에서의 체류시간은 촉매 채널의 길이를 유속으로 나누어 구하는데, 길이가 길면 전환율이 높아지지만 배압이 늘고 촉매가 낭비되는 단점이 있다.

그리고 배기 유동분포로부터 독립적인 체류시간을 확보하기 위해서 촉매 담체(10)의 채널 길이는 l = α*sqrt(△p*t) 와 같은 식을 얻을 수 되는데,

이를 하겐-포이젤 식으로부터

배압식 △p ∝ l*v에 채널의 체류시간을 t로 일정하게 하면

상기 식에 v=l/t를 삽입하면 △p ∝ l²/t

균일한 체류시간 t 에 대하여 이에 따라 개별 채널 길이(l)는 계산하면

l = α*sqrt(△p*t)를 얻게 되는 것이다. 여기서, α는 비례 상수이며, 각 위치별 길이가 압력차와 시간의 곱의 루트에 비례한다는 것을 의미한다.

이와 같이 l = α*sqrt(△p*t) 식을 이용하면 엔진에서 나오는 배기가스 등과 같이 촉매 입구에서의 압력분포를 실측하거나 전산기 유동해석을 이용하여 계산하여 이로부터 촉매 담체의 축방향 길이 분포를 설계할 수 있다.

즉, 유동분포가 도시된 도 4와 같다면 압력이 높은 중앙부에는 담체의 길이 가 길고, 압력이 낮은 외곽부에는 길이가 짧은 촉매 담체를 설계할 수 있다.

이때 l = α*sqrt(△p*t) 식을 이용하여 담체의 축 길이를 계산해 낸다.

도시된 도 5(a),(b)는 본 발명에 따른 다른 실시 예를 나타낸 것으로서, 상기 촉매 담체(10)로 배기 유동에 따라 조절할 수 있도록 촉매 담체로 폭이 변하는 금속평판(20)과 주름잡은 금속박판(21)이 장착되는 예를 나타낸 것이다.

즉, 촉매 담체(10)의 내부에 감기는 담체를 금속평판으로 하되 일측을 향해 경사를 가지도록 함으로써 배기 유동에 따라 촉매 담체(10)를 조절할 수 있도록 한 것이다.

한 실시 예로서 l = α*sqrt(△p*t) 식을 이용하여 원하는 촉매 담체의 축방향 길이를 계산하고 그 후 이 담체를 전개하였을 때의 길이를 계산하여 금속 판재의 길이를 변화시켜 도5(a)(b)와 같이 재단할 수 있게 되는 것이다.

그리고 상기와 같은 계산에 의하여 재단된 금속 판재를 즉 금속평판(20)과 주름잡은 금속박판(21)을 도 6과 같이 감아 완성된 금속 촉매 담체를 제작할 수 있게 되는 것이다.

도 1 및 2는 종래의 촉매 담체를 나타낸 사시도.

도 3은 본 발명에 따른 촉매 담체를 나타낸 정면도.

도 4는 본 발명에 따른 촉매 담체의 축방향 길이 분포를 나타낸 도면.

도 5(a),(b)는 본 발명에 따른 촉매 담체의 다른 실시 예를 나타낸 평면도.

도 6은 본 발명에 따른 실시 예를 나타낸 도면.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 촉매 담체

20 : 금속평판.

Claims (3)

1. 엔진에서 발생하는 배기가스를 정화하는 촉매 담체를 제조하는 방법에 있어서,

   상기 촉매 담체는 배기 유동이 집중되는 곳에는 길이가 길도록 형성되고 배기 유동이 적은 곳에는 길이가 짧은 구조를 가지도록 하고,

   상기 촉매 담체는 배기가스가 촉매 담체를 지나는 과정에서 상기 촉매 담체를 지나는 배기가스의 체류시간이 상기 촉매 담체의 횡단면에 대하여 일정한 분포를 가지도록 하기의 식에 의해 계산되는 소정의 길이(l)를 가지도록 곡면지게 형성한 것을 특징으로 하는 유동특성을 고려한 촉매 담체의 제조방법.

   l=α*sqrt(Δp*t)

   (l은 채널길이이고, α는 비례상수이고, Δp는 채널에서 강하되는 압력이고, t는 채널에서 체류되는 시간)
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