KR20000046777A - 희박연소자동차의 배기후처리장치 - Google Patents

희박연소자동차의 배기후처리장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 희박연소 자동차의 배기가스 중 질소산화물(NOx)을 흡착기에 저장된 질소산화물 환원제를 이용하여 효과적으로 저감시키도록 한 희박연소 자동차의 배기후처리장치에 관한 것으로서, 본 발명의 희박연소 자동차의 배기후처리장치는 희박연소 자동차의 연소조건에 따라 전자제어밸브와 열전대를 이용하여 배기가스의 통로를 변경시킴으로써 흡착기에 질소산화물 환원제를 흡착시키고, 압력센서와 유량조절기를 이용하여 질소산화물 환원제의 유입량을 조절함으로써 배기후처리장치를 가변적 및 연속적으로 작동되도록 하고, 흡착기에 퍼지관을 설치하여 흡착기로부터 질소산화물 환원제를 이탈시킬 때 온도가 낮은 공기를 이용하여 이탈시킴으로써 질소산화물 환원제가 한꺼번에 이탈되는 것을 방지할 수 있으며, 공급부족시 흡착기내의 열선을 가열시켜 공급을 증가시킬 수 있으며, 촉매변환장치로 질소산화물 환원제를 공급하는 적절한 시기 및 유량을 자동으로 조절할 수 있는데, 이러한 작동은 전자제어장치에 의해 수행된다.
또한, 본 발명의 희박연소 자동차의 배기후처리장치는 종래의 가솔린자동차, 대체연료인 천연가스·알코올·수소자동차 및 디젤자동차의 질소산화물 저감을 위해 설치할 수 있는 효과가 있다.

Description

희박연소자동차의 배기후처리장치
본 발명은 희박연소(lean-burn) 자동차에서 발생하는 배기가스 유해성분을 제거하는 배기후처리장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 희박연소 자동차의 배기가스 중 질소산화물(NOx)을 흡착기에 저장된 질소산화물 환원제를 이용하여 효과적으로 저감시키도록 한 희박연소 자동차의 배기후처리장치에 관한 것이다.
자동차의 연비향상 및 지구온난화방지 측면에서 자동차에서 배출되는 이산화탄소(CO2)를 저감시키기 위한 노력이 전 세계적으로 이루어지고 있으며, 특히 선진각국에서는 배기가스의 정화와 저연비를 동시에 실현하는 희박연소(lean-burn) 자동차를 개발 중에 있다.
희박연소 자동차는 종래의 가솔린 자동차가 약 14.7의 이론공연비(A/F)에서 연소되는 것과는 달리 공연비(A/F)가 18 이상인 매우 희박한 상태에서 운전된다. 이와 같은 이유로 인하여 희박연소 자동차의 배기가스에는 질소산화물(NOx)이 많이 포함되며, 희박연소 자동차 개발에 있어서 가장 큰 문제점이 되고 있다.
즉, 종래에 가솔린 자동차의 배기후처리장치로 이용되고 있는 삼원촉매장치로는 희박연소영역에서의 질소산화물(NOx)을 효과적으로 제거할 수 없기 때문에 새로운 개념의 희박연소 자동차 배기후처리시스템의 개발이 전 세계적인 주요 관심사가 되고 있다.
도 1은 종래의 가솔린 자동차 배기후처리장치를 개략적으로 도시한 구성도로서, 배기매니폴드(1)로부터 배출되는 배기가스를 촉매(11)에 의하여 정화시키도록 배기관(7)에 설치되는 촉매변환장치(2)와, 상기 배기관(7)의 배기매니폴드(1)측에 제1연결관(20)으로 연통되고 촉매변환장치(2)측에 제2연결관(21)으로 연통되어 배기가스중의 질소산화물 환원제를 흡착하는 흡착기(3)와, 상기 촉매변환장치(2)내에 설치된 열전대(9)에 의해 일정온도를 기준으로 상기 제1연결관(20)에 설치된 전자제어밸브(4)를 개폐하는 전자제어장치(5)를 구비하고 있다.
이와 같이 구성된 상기 배기후처리장치는 촉매변환장치(2)에 내장된 촉매(11)가 활성화온도인 약 300℃에 도달하기 전에는 상기 전자제어장치에 의해 제1연결관에 설치된 전자제어밸브가 폐쇄됨으로써 배기가스의 일부가 흡착기(3)로 유입되어 배기가스중에 포함되어 있는 질소산화물 환원제인 탄화수소(HC)가 흡착기(3)에 저장되고, 이후 촉매(11)가 활성화온도에 도달하면 제1연결관에 설치된 전자제어밸브가 개방되어 고온의 배기가스에 의해 흡착기(3)에 부착된 탄화수소(HC)를 방출하도록 되어 있다. 상기 방출된 탄화수소(HC)는 환원제로 작용하여 질소산화물(NOx)의 정화에 일부 기여를 하지만 그 정도는 매우 작다. 이는 가솔린 자동차 배기가스에는 일반적으로 질소산화물(NOx)의 환원제로서 충분한 정도인 다량의 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)가 포함되어 있기 때문이다.
이와는 달리, 희박연소 자동차의 배기가스에는 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)가 종래의 가솔린 자동차보다 적게 포함되어 있기 때문에 질소산화물(NOx)을 효과적으로 정화시키기 위해서는 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC) 또는 암모니아와 같은 질소산화물 환원제가 촉매에 지속적으로 공급되어야 한다.
그러나, 상기에서 언급한 가솔린 자동차에 사용되는 종래의 배기후처리장치는 차량의 냉간시동 및 이후의 수분 동안만 작동하며, 고온의 배기가스에 의해 수초이내에 흡착기내의 내부온도가 상승함으로 인하여 흡착된 질소산화물(NOx) 환원제가 모두 이탈되므로, 희박연소 영역에서 질소산화물의 환원에 필요한 질소산화물(NOx) 환원제를 지속적으로 공급할 수 없는 문제점이 있다. 또한 촉매변환장치에 내장된 촉매가 삼원촉매인 관계로 희박연소 자동차의 경우와 같이 희박한 공연비로 운전되는 경우에는 촉매의 정화성능이 급격히 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점들을 해결하기 위하여 이루어진 것으로써, 본 발명의 목적은 희박연소 자동차의 연소조건에 따라 배기후처리장치가 가변적이며 연속적으로 작동되는 희박연소자동차의 배기후처리장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 흡착기로부터 질소산화물 환원제를 이탈시킬 때 온도가 낮은 공기로 이탈시킴으로써 상기 환원제가 한꺼번에 이탈되는 것을 방지하는 희박연소자동차의 배기후처리장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 질소산화물 환원제의 공급이 부족할 경우 공급을 증가시킬 수 있는 희박연소자동차의 배기후처리장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 촉매변환장치로 질소산화물 환원제를 공급하는 시기 및 유량이 조절가능한 희박연소자동차의 배기후처리장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 배기가스로부터 질소산화물 환원제를 용이하게 흡착시킬 수 있는 흡착기와, 질소산화물을 환원시키는데 용이한 촉매변환장치를 제공하는데 있다.
도 1은 종래의 가솔린 자동차 배기후처리장치를 개략적으로 도시한 구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시예인 희박연소 자동차의 배기후처리장치를 개략적으로 도시한 구성도,
도 3은 본 발명의 일 실시예인 흡착기의 구성을 나타내는 단면도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1:배기매니폴드 2:촉매변환장치
3:흡착기 4:제1전자제어밸브
5:전자제어장치 6:머플러
7:배기관 8:압력센서
9,29:열전대 10:열선
11:촉매 12:유량조절기
13,24:매트 14:흡착제
15:퍼지관 16:흡착기 하우징
17:제2전자제어밸브 18:제3전자제어밸브
19:제4전자제어밸브 20:제1연결관
21:제2연결관 23:촉매변환장치 하우징
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 희박연소자동차의 배기후처리장치는 배기매니폴드로부터 배출되는 배기가스를 촉매에 의하여 정화시키도록 배기관에 설치되는 촉매변환장치와, 상기 배기관의 배기매니폴드측에 제1연결관으로 연통되고 촉매변환장치측에 제2연결관으로 연통되어 배기가스중의 질소산화물 환원제를 흡착하는 흡착기와, 상기 제1연결관에 설치된 제1전자제어밸브와, 상기 배기관의 제1연결관 접속부 아래에 설치된 제2전자제어밸브와, 상기 제2연결관의 배기관 접속부에 설치된 제4전자제어밸브와, 상기 촉매변환장치와 흡착기내에 설치된 열전대에 의해 일정온도를 기준으로 상기 제1, 제2, 제3 및 제4전자제어밸브를 상호 연계하여 개폐하는 전자제어장치를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배기후처리장치는 대기와 연통되도록 상기 흡착기의 일측에 연결된 퍼지관과, 상기 퍼지관에 설치된 제3전자제어밸브와, 질소산화물 환원제의 공급을 조절하기 위하여 상기 제2연결관내에 설치된 압력센서 및 유량조절기를 더 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 흡착기는 하우징과, 상기 하우징내부에 설치된 흡착제와, 상기 하우징과 흡착제사이에 충진된 매트와, 상기 매트내부에 설치되고 축전지 또는 발전기로부터 전원을 공급받는 열선으로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 일 실시예인 희박연소 자동차의 배기후처리장치에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예인 희박연소 자동차의 배기후처리장치를 개략적으로 도시한 구성도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예인 흡착기의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예인 희박연소 자동차의 배기후처리장치는 배기매니폴드(1)로부터 배출되는 배기가스를 촉매(11)에 의하여 정화시키도록 배기관(7)에 설치되는 촉매변환장치(2)와, 상기 배기관(7)의 배기매니폴드(1)측에 제1연결관(20)으로 연통되고 촉매변환장치(2)측에 제2연결관(21)으로 연통되어 배기가스중의 질소산화물 환원제를 흡착하는 흡착기(3)와, 상기 제1연결관(20)에 설치된 제1전자제어밸브(4)와, 상기 배기관(7)의 제1연결관(20) 접속부 아래에 설치된 제2전자제어밸브(17)와, 상기 제2연결관(21)의 배기관(7) 접속부에 설치된 제4전자제어밸브(19)와, 상기 촉매변환장치(2)와 흡착기(3)내에 설치된 열전대(9,29)에 의해 일정온도를 기준으로 상기 전자제어밸브들(4,17,19)를 상호 연계하여 개폐하는 전자제어장치(5)를 구비하고 있다.
상기 흡착기(3)는 일측에 대기와 연통되는 퍼지관(15)을 구비하고 있고, 상기 퍼지관(15)에는 제3전자제어밸브(18)가 설치되어 있다.
또한, 상기 제2연결관(21)내에는 질소산화물 환원제의 공급을 조절하기 위하여 설치된 압력센서(8) 및 유량조절기(12)를 구비하고 있다.
상기 촉매변환장치(2)는 하우징(23)과, 상기 하우징(23)내부에 설치된 촉매(11)와, 상기 하우징(23)과 촉매(11)사이에 충진된 매트(24)로 구성되어 있으며, 상기 촉매(11)는 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx)이 산화환원반응을 통해 동시에 정화되는 삼원촉매(three-way catalyst)이다.
또한, 상기 촉매(11)는 세라믹이나 금속을 재질로 하는 200 내지 500 cell/in²의 담체에 워시코트(washcoat)로 코팅한 후 백금(Pt), 팔라디움(Pd) 또는 로디움(Rh)계열의 귀금속을 담지시킨 것이다.
상기 촉매(11)의 워시코트(washcoat)는 알루미나(Al₂O₃)와 같은 지지체와, 세륨(Ce)이나 지르코늄(Zr)계열의 희토류 산화물의 개질제로 구성된다.
다음에, 상기 흡착기(3)는 하우징(16)과, 상기 하우징(16)내부에 설치된 흡착제(14)와, 상기 하우징(16)과 흡착제(14)사이에 충진된 매트(13)와, 상기 매트(13)내부에 설치되고 축전지 또는 발전기로부터 전원을 공급받는 열선(10)으로 구성되어 있으며, 흡착기(3)의 온도를 감지하여 전자제어장치(5)에 통지하도록 흡착제(14)의 표면에 접촉되어 설치된 열전대(29)를 구비하고 있다.
상기 흡착제(14)의 담체형상은 벌집형이나 입자상 또는 분말상으로 되어 있으며, 재질은 세라믹, 메탈, 활성탄 또는 제오라이트로 구성된다.
또한, 상기 흡착제(14)는 200 내지 500 cell/in²의 담체에 워시코트(washcoat)로 코팅한 후 백금(Pt), 팔라디움(Pd) 또는 로디움(Rh) 계열의 귀금속을 담지시킨 것이다.
상기 흡착제(14)의 워시코트(washcoat)는 알루미나(Al2O3)또는 제오라이트의 지지체와, 와 같은 지지체와, 세륨(Ce), 지르코늄(Zr) 또는 이리듐(Ir) 계열의 희토류 산화물의 개질제로 구성된다.
상기 전자제어장치(5)는 배기가스의 상태에 따라 배기가스의 통로를 변경시키도록 상기 제1, 제2, 제3 및 제4전자제어밸브(4,17,18,19)를 연계하여 개폐함과 함께, 제2연결관(21)내에 설치된 압력센서(8)로 감지된 압력에 따라 설정된 유량이 유입되도록 유량조절기(12)로 유입유량을 조절한다.
도면 중 미설명 부호 6은 자동차의 배기관에 설치되는 머플러를 가리킨다.
다음에, 이와 같이 구성되어 있는 본 발명의 일 실시예에 의한 희박연소 자동차의 배기후처리장치의 작용에 대하여 설명한다.
먼저, 시동직후 촉매변환장치(2)에 설치된 열전대(9)에 의해 측정된 촉매표면의 온도가 300℃이하이고 연료가 농후하거나 이론공연비 영역에서 운전되는 경우에 전자제어장치(5)는 제1전자제어밸브(4)와 제4전자제어밸브(19)를 열고 제3전자제어밸브(18)는 닫는다. 따라서, 배기매니폴드(1)로부터 배출된 가스는 제2전자제어밸브(17)가 닫힌 경우에는 전부, 열린 경우에는 일부가 제1연결관(20)과 흡착기(3)를 거쳐 제2연결관(21)을 통해 촉매변환장치(2)로 유입된다. 이 때, 상기 흡착기(3)에는 배기가스중의 질소산화물 환원제가 흡착된다.
상기에서 촉매표면의 온도가 300℃이하라고 했으나, 이는 임의로 설정한 값으로서 적용시의 상황에 따라 변경될 수 있다.
상기 흡착기(3)의 담체형상은 벌집형, 입자상 또는 분말상으로 되어 있고, 담체의 재질은 세라믹, 메탈, 활성탄 또는 제오라이트로 되어 있으며, 워시코트는 세륨, 지르코늄, 바륨 또는 이리늄을 포함한 희토류 금속계열의 개질제와 백금, 팔라디움 또는 로디움 계열의 귀금속으로 구성되어 있어서, 종래의 자동차용 촉매와는 달리 질소산화물의 흡착이 용이하다.
다음에, 촉매변환장치(2)에 설치된 열전대(9)의 온도측정에 의하여 정상적인 엔진작동영역으로 감지되는 희박연소영역에서의 운전인 경우, 제1전자제어밸브(4)는 닫히고 제2, 제3 및 제4전자제어밸브(17,18,19)는 열린다. 이에 따라, 배기매니폴드(1)에서 배출된 배기가스는 배기관(7)을 통하여 촉매변환장치(2)로 직접 유입되는데, 이 때 배기관(7)의 압력은 배기가스로 인하여 높고, 제2연결관(21) 및 흡착기(3)는 제3전자제어밸브(18)의 개방으로 인하여 대기압과 같아지게 되므로, 제2연결관(21)에 부압이 걸리게 된다. 따라서, 흡착기(3)에는 퍼지관(15)을 통하여 상온의 대기가 유입되어 흡착기(3)의 흡착제(14)에 부착되어 있던 질소산화물 환원제를 이탈시킨 후 제2연결관(21)을 통해 배기관(7)으로 유출시킨다.
상기와 같은 작용에 의하여 흡착기(3)에서의 질소산화물 환원제는 고온의 배기가스가 아닌 상온의 대기에 의해 이탈되므로, 배기가스에 의한 이탈시와 같이 고온으로 인하여 한꺼번에 이탈되는 일없이 촉매변환장치(2)에 질소산화물 환원제를 계속적으로 공급할 수 있다.
또한, 상기의 부압이 지나치게 클 경우에는 제2연결관(21)을 통하여 유입되는 대기의 유량이 많아지며 촉매변환장치(2)에 질소산화물 환원제가 과도하게 공급되므로, 전자제어장치(5)는 상기 제2연결관(21)에 설치된 압력센서(8)로 압력을 감지하여 유입되는 유량을 설정된 값으로 조절하도록 유량조절기(12)를 제어한다.
또한, 질소산화물의 공급량이 부족할 경우에는 흡착기(3)에 내장된 열선(10)을 가열시켜 흡착제(14)의 온도를 상승시킴으로써 환원제의 공급량을 증가시킨다.
상기 열선(10)은 자동차의 축전지 또는 발전기에 연결되어 전력을 공급받는다.
이러한 작용에 의하여 촉매변환장치로 유입된 질소산화물 환원제는 촉매(11)에서 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 무해한 가스인 물(H2O), 질소(N2), 산소(O2), 이산화탄소(CO2), 수소(H2) 등으로 환원시켜 대기중에 방출한다.
상기 촉매의 워시코트(washcoat)는 종래의 자동차용 촉매와 함께 세륨(Ce)이나 지르코늄(Zr) 계열의 희토류 산화물과 바륨(Ba) 또는 이리늄(Ir) 산화물이 포함되어 질소산화물의 환원을 촉진시킨다.
앞에서 설명한 바와 같이 본 발명의 희박연소 자동차의 배기후처리장치에 의하면, 희박연소 자동차의 연소조건에 따라 배기후처리장치가 가변적 및 연속적으로 작동되며, 흡착기로부터 질소산화물 환원제를 이탈시킬 때 온도가 낮은 공기를 이용하여 이탈시킴으로써 질소산화물 환원제가 한꺼번에 이탈되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 공급부족시 흡착기를 가열시켜 공급을 증가시킬 수 있다. 또한 촉매변환장치로 질소산화물 환원제를 공급하는 적절한 시기 및 유량을 자동으로 조절할 수 있다. 또한, 질소산화물 환원제를 흡착하는 흡착기의 워시코트(washcoat)는 세륨, 지르코늄, 바륨, 이리듐을 포함한 희토류금속 계열의 개질제와 백금, 팔라디움, 로디움계열의 귀금속으로 구성되어 질소산화물 환원제의 흡착을 용이하게 하고, 촉매의 워시코트(washcoat)는 종래의 자동차용 촉매와 함께 세륨(Ce)이나 지르코늄(Zr) 계열의 희토류 산화물과 바륨(Ba) 또는 이리늄(Ir) 산화물을 포함하여 질소산화물의 환원을 촉진시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 희박연소 자동차의 배기후처리장치는 종래의 가솔린자동차, 대체연료인 천연가스·알코올·수소자동차 및 디젤자동차의 질소산화물 저감을 위해 설치할 수 있는 뛰어난 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 배기매니폴드로부터 배출되는 배기가스를 촉매에 의하여 정화시키도록 배기관에 설치되는 촉매변환장치와, 상기 배기관의 배기매니폴드측에 제1연결관으로 연통되고 촉매변환장치측에 제2연결관으로 연통되어 배기가스중의 질소산화물 환원제를 흡착하는 흡착기와, 상기 제1연결관에 설치된 제1전자제어밸브와, 상기 배기관의 제1연결관 접속부 아래에 설치된 제2전자제어밸브와, 상기 제2연결관의 배기관 접속부에 설치된 제4전자제어밸브와, 상기 촉매변환장치와 흡착기내에 설치된 열전대에 의해 일정온도를 기준으로 상기 전자제어밸브들을 상호 연계하여 개폐하는 전자제어장치를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 희박연소자동차의 배기후처리장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 흡착기 일측에 대기와 연통되는 퍼지관을 가지는 것을 특징으로 하는 희박연소 자동차의 배기후처리장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 퍼지관에는 제3전자제어밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 희박연소 자동차의 배기후처리장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2연결관내에 질소산화물 공급용 압력센서 및 유량조절기를 가지는 것을 특징으로 하는 희박연소 자동차의 배기후처리장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡착기는 하우징과, 상기 하우징내부에 설치된 흡착제와, 상기 하우징과 흡착제사이에 충진된 매트와, 상기 매트내부에 설치되고 축전지 또는 발전기로부터 전원을 공급받는 열선으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 희박연소 자동차의 배기후처리장치.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡착기는 흡착기의 온도를 감지하여 전자제어장치에 통지하도록 흡착제의 표면에 접촉되어 설치된 열전대를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 희박연소 자동차의 배기후처리장치.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자제어장치는 배기가스의 상태에 따라 배기가스의 통로를 변경시키도록 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 전자제어밸브를 연계하여 개폐함과 함께, 제2연결관내에 설치된 압력센서로 감지된 압력에 따라 설정된 유량이 유입되도록 유량조절기로 유입유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 희박연소 자동차의 배기후처리장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20160083732A (ko) * 2015-01-02 2016-07-12 이태건 음식물 쓰레기 처리 시스템의 냄새제거장치

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