KR19990027819A - 가솔린 엔진의 버너 가열식 삼원촉매 변환장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 삼원촉매 변환장치의 내부로 도입되는 배기가스와 버너의 연소가스가 원활히 혼합되도록하여 냉간 시동시에 배출되는 유해가스를 저감할 수 있는 가솔린 엔진의 버너 가열식 삼원촉매 변환장치에 관한 것으로, 이 변환장치는 연료 파이프(120)를 통해 연료탱크로부터 공급된 연료를 분사하는 노즐(130)이 설치되어 있는 버너(140)와; 공기 파이프(124)를 통해 외부의 공기를 상기 버너(140)에 압송하기 위한 공기펌프(122)를 포함하되, 상기 공기펌프(122)의 작동에 따라 압송된 공기는 공기 파이프(124)를 통해 상기 버너(140)의 내부로 공급된 다음, 이 버너(140)와 삼원촉매 변환장치(112)사이에 배치된 가스 혼합기(144)에 의해 엔진의 배기가스와 혼합되는 구성을 지닌다.

Description

가솔린 엔진의 버너 가열식 삼원촉매 변환장치

본 발명은 가솔린 엔진의 버너 가열식 삼원촉매 변환장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 가솔린 엔진이 장착된 차량에서 배출되는 유해가스를 저감하기 위해 장착한 삼원촉매 변환장치의 내부로 도입되는 배기가스와 버너의 연소가스가 원활히 혼합되도록하여 냉간 시동시에 배출되는 유해가스를 저감할 수 있는 가솔린 엔진의 버너 가열식 삼원촉매 변환장치에 관한 것이다.

휘발유를 연료로 사용하는 가솔린 엔진의 배출가스 중에는 인체에 유해한 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 미연탄화수소(Unburned Hydrocarbon)등이 포함되어 있으며, 이러한 물질들은 환경을 오염시키기 때문에, 세계 각국에서는 그 배출량을 법으로 엄격하게 규제되고 있다. 특히, 미국과 유럽뿐만 아니라 국내에서도 2000년부터는 배출가스에 대한 규제가 상당히 강화될 예정이므로, 유해가스의 배출을 줄일 수 있는 방안을 강구하여야 한다. 본 발명의 이해를 돕기 위해 첨부한 도 2와 3을 참고로 냉간 시동시에 배출되는 미연탄화수소의 농도 변화를 설명한다.

먼저, 도 2에는 차량의 엔진으로부터 배출되는 배기가스 중에 포함된 미연탄화수소 농도와 이 가스가 엔진 후방에 부착된 삼원촉매 변환장치를 통과한 후의 미연탄화수소 농도가 도시되어 있다. 이것은 미국 연방 및 캘리포니아주의 승용차 주행시험 절차인 LA-4 모드를 주행할 때 그 첫 번째 주행 사이클 중에 배출되는 미연탄화수소의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 2의 상부에 도시된 그래프에서 세로축은 미연탄화수소의 농도(ppm)를 나타내며, 가로축은 배출량을 나타내는 것으로, 빗금친 영역이 삼원촉매 변환장치를 통과한 배기가스 중에 포함된 배출량을 나타낸다.

이 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 냉간 시동 후 약 60초가 경과한 다음에, 엔진으로부터 배출되는 미연탄화수소가 삼원촉매 변환장치를 통과하면서 50%이상 변환된다. 다시 말해서, 엔진이 차갑게 냉각되어 있을 때 시동을 걸고 엔진을 작동시키면 엔진으로부터 배출되는 미연탄화수소는 삼원촉매 변환장치에서 변환되지 않고 유해한 성분 그대로 대기중으로 방출된다.

이러한 현상의 원인은 엔진의 문제가 아니라 삼원촉매가 냉각되어 있기 때문이다. 삼원촉매 변환장치가 효율을 발휘하기 위해서는 내부의 온도가 약 300℃ 이상 되어야 하지만, 냉간 시동시에는 엔진의 배기가스가 통과하면서 삼원촉매 변환장치를 약 300℃까지 가열하는데 60초 이상의 시간이 요구되는 것이다.

도 3은 미국 연방 및 캘리포니아주의 승용차 주행시험 절차인 LA-4모드(전체 23개 사이클로 구성되었음)를 주행하였을 때 배출되는 미연탄화수소의 변화량을 나타낸 것으로, 배출된 메탄을 제외한 미연탄화수소(Non Methane Hydrocarbon; 이하, NMHC라 칭함)의 총량을 100％로 하였을 때의 누적 비율이다. 도 3의 상부에 도시된 그래프에서 세로축은 NMHC 배출량 비율(％)을 나타내며, 가로축은 NMHC 배출량을 나타낸다. 가로축에 표시된 숫자들은 LA-4 모드 사이클 번호를 나타낸다.

이 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 전체 배출량의 약60%가 냉간 시동 후 첫번째 사이클에서 배출된다. 즉, 삼원촉매 변환장치의 효율이 유해가스의 배출량을 결정하며 그 변환효율은 삼원촉매 변환장치의 온도에 크게 좌우된다.

즉, 차량의 냉간 시동시에 삼원촉매 변환장치의 온도를 단시간 내에 상승시키는 것이 유해 배출물을 저감시키는 핵심 기술이 되는 것이다. 이러한 기술에는 전기히터를 이용하여 냉간 시동 초기에 삼원촉매를 가열하는 기술과 버너를 이용하여 가열하는 기술로 크게 대별된다. 그러나, 이중에서 어떠한 장치도 개발을 완료하여 상업적으로 활용할 수 있는 것은 아직 소개되지 않았으며, 세계 각국에서는 이러한 장치의 개발에 박차를 가하고 있다. 버너가열 시스템은 열량의 조정이 용이하며 원하는 시간(10∼20초)내에 삼원촉매 변환장치를 300℃까지 가열하는 것이 가능하며 엔진의 작동에 영향을 미치지 않는 장점이 있다. 본 발명의 이해를 돕기 위해 첨부한 도 1을 참고로 종래의 버너 가열식 삼원촉매 변환장치에 대하여 설명하기로 한다.

도 1은 1994년에 독일의 Mercedes-Benz사가 미국자동차학회(SAE:Society of Automotive Engineering)논문 940469호에 발표한 종래의 버너 가열식 삼원촉매 변환장치를 도시한 구성도이다. 이것은 엔진(2)으로부터 배출된 배기가스가 버너의 측면에서 도입되어 버너 연소가스와 혼합된 다음, 삼원촉매 변환장치(12)의 내부로 도입되는 구조를 갖는 것으로, 삼원촉매 변환장치(12)의 내부에는 촉매가 코팅된 담체가 설치되어 있다. 엔진(2)의 양측면에는 드로틀 밸브(6)의 개방시에 외기를 도입하는 흡기 다기관(4)과 연소 후에 배기가스가 배출되는 배기 다기관(8)이 부착되어 있으며, 배기 다기관(8)을 빠져 나온 가스는 프론트 배기 파이프(10)를 통해 삼원촉매 변환장치(12)를 통과한 다음, 소음기(14)를 거쳐 테일 파이프(16)를 통해 외부로 배출된다.

종래의 버너 가열식 삼원촉매 변환장치의 전체적인 구성을 보면, 삼원촉매 변환장치(12)의 전방에 배치되는 것으로, 연료 파이프(42)를 통해 연료탱크로부터 공급된 연료를 분사하는 노즐(30)과, 점화코일(36)로부터 전달되는 고압의 전기에 의해 노즐(30)로부터 분사된 연료와 공기의 혼합기를 점화시키는 점화플러그(32)가 설치되어 있는 버너(40)와, 공기 파이프(24)를 통해 외부의 공기를 버너(40)에 압송하기 위한 공기펌프(22)와, 공기 파이프(24)의 유로를 개폐하여 버너(40)에 공기를 공급하는 제 1공기 절환밸브(26)와, 바이패스관(18)을 통해 공기 파이프(24)로부터 배기 다기관(8)으로 공급되는 공기량을 조절하기 위한 제 2공기 절환밸브(20)와, 제 1 및 제 2공기 절환밸브(26, 28)를 제어하여 공기량을 조절하는 전자제어유닛(Electronic Control Unit; 이하, ECU라 칭함)(34)으로 이루어져 있다. 연료 파이프(42)를 통해 노즐(30)로 공급되는 연료의 압력은 연료압 조정기(38)에 의해 일정하게 유지된다.

이러한 구성을 지닌 종래의 버너 가열식 삼원촉매 변환장치는 도 1에 도시한 바와 같이, 엔진의 배기가스가 버너의 측면에서 비스듬하게 경사진 형태로 도입되므로 버너에서 가열되어 공급되는 고온(약900∼1000℃)의 연소가스와 배기 다기관에서 배출되는 엔진의 배기가스(약 200∼600℃)가 충분하게 혼합될 수 없기 때문에, 삼원촉매 변환장치 내부에 설치된 담체의 온도를 균일하게 가열시킬 수 없는 문제가 있다. 이와 같이, 버너 연소가스와 엔진의 배기가스가 충분히 혼합되지 않게 되면, 삼원촉매 변환장치 내부의 담체에 도입되는 가스가 균일한 성분과 속도장을 갖지 못하게 되어 유해가스의 배출이 증대되는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 극복하기 위하여 안출된 것으로서, 삼원촉매 변환장치 내부로 도입되는 버너 연소가스와 엔진의 배기가스가 원활히 혼합되도록하여 냉시동시에 유해가스의 배출을 최대한 억제함으로써, 환경오염을 막고 삼원촉매 변환장치의 효율을 향상시킬 수 있는 가솔린 엔진의 버너 가열식 삼원촉매 변환장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 가솔린 엔진의 버너 가열식 삼원촉매 변환장치를 도시한 구성도

도 2는 엔진으로부터 배출되는 미연탄화수소의 농도와, 엔진 배기가스가 삼원촉매 변환장치를 통과한 후의 미연탄화수소의 농도를 비교한 그래프

도 3은 가솔린 엔진을 장착한 차량이 주행시험 절차인 LA-4 모드를 주행하였을 때 배출되는 총 미연탄화수소 배출량의 측정결과를 나타내는 그래프

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가솔린 엔진의 버너 가열식 삼원촉매 변환장치를 도시한 구성도

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가솔린 엔진의 버너 가열식 삼원촉매 변환장치를 도시한 구성도

♣도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명♣

102:가솔린 엔진 104:크랭크축 풀리

105:공기펌프축 풀리 106:벨트

108:배기 다기관 112:삼원촉매 변환장치

114:소음기 118:공기압 조정기

122:공기펌프 124:공기 파이프

126, 128:공기량, 연료 절환밸브 130:노즐

132:점화플러그 134:버너 제어기

136:점화코일 138:연료압 조정기

140, 160:버너 142:스월러

144:가스 혼합기 146:케이스

상술한 본 발명의 목적은 연료 파이프를 통해 연료탱크로부터 공급된 연료를 분사하는 노즐이 설치되어 있는 버너와; 공기 파이프를 통해 외부의 공기를 버너에 압송하기 위한 공기펌프를 포함하는 가솔린 엔진의 버너 가열식 삼원촉매 변환장치에 있어서, 공기펌프의 작동에 따라 압송된 공기는 공기 파이프를 통해 버너의 내부로 공급된 다음, 이 버너와 삼원촉매 변환장치사이에 배치된 가스 혼합기에 의해 엔진의 배기가스와 혼합되도록 구성된 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진의 버너 가열식 삼원촉매 변환장치에 의해서 달성될 수 있다.

이하, 첨부된 도 4와 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 버너 가열식 삼원촉매 변환장치에 대하여 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가솔린 엔진의 버너 가열식 삼원촉매 변환장치를 도시한 구성도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가솔린 엔진의 버너 가열식 삼원촉매 변환장치를 도시한 구성도이다.

본 발명의 일 실시예에서는 버너에 의해 연소된 버너 연소가스와 엔진(102)의 배기 다기관(108)으로부터 배출된 엔진 배기가스의 원활한 혼합을 위해, 공기 파이프(124)를 통해 공급되는 공기를 버너(140)의 내부로 직접 공급하는 구조를 채용하였다.

이것의 전체적인 구성을 보면, 연료 파이프(120)를 통해 연료탱크로부터 공급된 연료를 분사하는 노즐(130)이 설치되어 있는 버너(140)와; 공기 파이프(124)를 통해 외부의 공기를 버너(140)에 압송하기 위한 공기펌프(122)와; 버너(140)와 삼원촉매 변환장치(112)사이에 배치되어 버너 연소가스와 엔진의 배기가스를 혼합시키는 가스 혼합기(144)와; ECU(134)에서 전달되는 신호에 따라 공기 파이프(124)의 유로를 개폐하여 버너(140)에 공기를 공급하는 공기 절환밸브(126) 및 연료 파이프(120)를 통해 연료탱크로부터 공급된 연료를 노즐(130)로 공급하는 연료 절환밸브(128)로 이루어져 있다. 공기 파이프(124)를 통해 도입된 공기와 노즐(130)로부터 분사된 연료의 혼합기는 케이스(146)에 감싸져 있는 가스 혼합기(144)에 설치된 점화플러그(132)에 의해 점화되어 연소된다.

여기에서, 버너(140)의 내부에는 스월러(142)가 장착되어 있어, 공기 파이프(124)로부터 도입된 공기에 스월(swirl)을 발생시켜 충진효율을 향상시켰다. 공기펌프(122)를 작동시키기 위해서 공기펌프축 풀리(105)를 설치한 다음, 벨트(106)를 개재하여 크랭크축 풀리(104)와 연결함으로써, 엔진의 작동시에 회전되는 크랭크축 풀리(104)에 의해 작동되면서 공기 파이프(124)를 통해 버너(140)에 공기를 압송하도록 하였다. 공기 파이프(124)에는 공기의 압력을 조절하기 위한 공기압 조정기(118)가 설치되어 있으며, 연료 파이프(120)에도 연료의 압력을 조절하기 위한 연료압 조정기(138)가 설치되어 있다.

다음에는 이러한 구성을 지닌 본 발명의 일 실시예에 따른 삼원촉매 변환장치의 작동과정을 설명한다.

냉간시에 엔진을 시동걸면 차량의 ECU(134)는 키스위치로부터 입력되는 신호를 바탕으로 연료 절환밸브(128)에 신호를 보내 개방시킴으로써, 연료 탱크로부터 전달된 연료를 연료 파이프(120)를 통해 버너(140)에 장착된 노즐(130)에 공급한다. 이와 동시에, 공기 절환밸브(126)를 개방하여 공기펌프(122)로부터 압송된 공기를 공기 파이프(124)를 통해 버너(140)의 내부로 공급한다. 이들 연료 절환밸브(128)와 공기 절환밸브(126)는 ECU(134)로부터 전달되는 신호에 따라 듀티제어되는 솔레노이드 방식의 밸브로서, 통전시간에 비례하여 개방된다.

공기 절환밸브(126)와 연료 절환밸브(128)의 개방에 따라 공기와 연료의 혼합기가 가스 혼합기(144)로 공급되기 시작하면, ECU(134)는 점화코일(136)에 신호를 보내 점화플러그(132)를 점화시킴으로써, 연료와 공기의 혼합기를 연소시킨다. 이때, 공기 파이프(124)를 통해 도입되는 공기는 스월러(142)를 통과하면서 노즐(130)에서 분사되는 연료와 적절히 혼합된다.

엔진(102)의 작동에 따라 배기 다기관(108)을 통해 배출된 배기가스는 가스 혼합기(144)의 외주부로부터 도입되는 한편, 버너 연소가스는 가스 혼합기(144)의 중심부분에서 도입된 다음, 혼합된 가스들은 삼원촉매 변환장치(112)를 통과하며 담체의 온도를 상승시키게 된다. 따라서, 대부분의 유해한 성분은 담체를 지나면서 연소된 다음 소음기(114)와 테일 게이트(116)를 통해 외부로 배출된다.

냉간 시동 후, 약 60∼90초 정도의 시간이 경과되면 ECU(134)는 연료 절환밸브(128)를 닫아 버너(140)로 공급되는 연료를 차단하여 연료의 공급을 중단함과 동시에 공기 절환밸브(126)에도 신호를 보내 공기의 공급을 차단됨으로써, 버너(140)가 소화된다.

다음에, 도 5에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가솔린 엔진의 버너 가열식 삼원촉매 변환장치가 도시되어 있다. 도시한 바와 같이, 본 실시예에서는 버너(160)를 배기 파이프(124)의 길이방향에 대해 직각으로 배치하였다. 즉, 내부에 노즐(130)이 장착된 버너(140)는 가스 혼합기(144)와 삼원촉매 변환장치(112)에 대하여 직각 방향으로 배치되며, 공기 파이프의 출구(124a)는 배기 파이프(110)의 길이 방향과 동축적으로 배치되어 있다. 따라서, 가스 혼합기(144)의 전방단(엔진에 가까운 쪽)으로부터 버너 연소가스가 동축적으로 유입되어 충진효율을 보다 향상시킬 수 있다. 그밖에 다른 구성품은 도 4에서 설명한 구조와 동일하므로, 그에 대한 설명은 생략한다.

이상으로 설명한 본 발명에 따른 버너 가열식 삼원촉매 변환장치에 의하면, 실차 상태에서 엔진의 배기가스와 버너 연소가스를 충분히 혼합하여 유해가스의 배출을 최대한 억제할 수 있으므로, 환경오염을 막을 수 있는 효과를 제공하는 것이 가능하다.

본 발명에 따른 버너 가열식 삼원촉매 변환장치는 비록 가솔린 엔진이 장착된 휘발유 차량에 대해서 예시하였으나, 본 기술분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 정신에 따라 다양한 변형이 가능하다는 것을 알 수 있으며, 이러한 변형은 본 발명의 정신을 벗어나는 것이 아님을 이해할 것이다.

Claims (5)

1. 연료 파이프(120)를 통해 연료탱크로부터 공급된 연료를 분사하는 노즐(130)이 설치되어 있는 버너(140)와; 공기 파이프(124)를 통해 외부의 공기를 상기 버너(140)에 압송하기 위한 공기펌프(122)를 포함하는 가솔린 엔진의 버너 가열식 삼원촉매 변환장치에 있어서,

   상기 공기펌프(122)의 작동에 따라 압송된 공기는 공기 파이프(124)를 통해 상기 버너(140)의 내부로 공급된 다음, 이 버너(140)와 삼원촉매 변환장치(112)사이에 배치된 가스 혼합기(144)에 의해 엔진의 배기가스와 혼합되도록 구성된 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진의 버너 가열식 삼원촉매 변화장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   내부에 노즐(130)이 장착된 버너(140)는 상기 가스 혼합기(144)와 상기 삼원촉매 변환장치(112)에 대하여 직각 방향으로 배치되며,

   상기 공기 파이프의 출구(124a)는 배기 파이프(110)의 길이 방향과 동축적으로 배치된 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진의 버너 가열식 삼원촉매 변환장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 버너(140)의 내부에는 상기 공기 파이프(124)로부터 도입된 공기에 스월을 발생시키는 스월러(142)가 장착된 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진의 버너 가열식 삼원촉매 변환장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   ECU(134)에서 전달되는 신호에 따라 상기 공기 파이프(124)의 유로를 개폐하여 상기 버너(140)에 공기를 공급하는 공기 절환밸브(126)와,

   연료 파이프(120)를 통해 연료탱크로부터 공급된 연료를 상기 노즐(130)로 공급하는 연료 절환밸브(128)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진의 버너 가열식 삼원촉매 변환장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 공기 파이프(124)를 통해 도입된 공기와 상기 노즐(130)로부터 분사된 연료의 혼합기를 점화시키는 점화플러그(132)는 상기 가스 혼합기(144)의 전방단에 근접하게 장착되는 것을 특징으로 하는 가솔린 엔진의 버너 가열식 삼원촉매 변환장치.