KR20000075396A

KR20000075396A - 내연기관의 배출가스 정화장치

Info

Publication number: KR20000075396A
Application number: KR1019990037176A
Authority: KR
Inventors: 손건석; 고성혁; 송영훈; 김석준
Original assignee: 김덕중; 사단법인 고등기술연구원 연구조합
Priority date: 1999-05-20
Filing date: 1999-09-02
Publication date: 2000-12-15
Also published as: KR100347593B1

Abstract

본 발명은 적은 에너지로 높은 정화효율을 거둘 수 있는 정화장치를 제공하는 것이 목적이며, 이를 위하여 본 발명의 정화장치는 내연기관의 배기관에 배출가스의 유해물질을 줄일 수 있는 반응로를 설치하여 배출가스를 정화하는 내연기관의 배출가스 정화장치에서, 반응로의 내부에 구비되어 배출가스 정화용 광촉매층이 다수의 담체셀 표면에 코팅된 허니콤담체와, 그 허니콤담체의 양단에 구비되어 플라즈마를 발생시키는 전극으로 구성되는 반응기를 포함하여 이루어진다.

이에 따라, 전극에서 공급된 전원으로 플라즈마를 발생시키고 그 플라즈마에 의해 광촉매 반응을 유도하며 광촉매 반응시 발생된 열과 배출가스의 열에 의해 삼원촉매 반응을 배가시킴에 따라 배출가스의 오염물질을 충분히 제거하여 정화효율성을 높인다.

또한, 허니콤담체에 코팅된 광촉매는 와이어 메시 또는 허니콤전극에서 제공된 광원으로 활성화되어 정화반응이 이루어지고, 와이어 메시 또는 허니콤전극이 허니콤담체의 양단에 각각 밀착·이격 설치됨으로서 적절한 소비전력으로 플라즈마 광원을 확보할 수 있어 에너지효율도 향상된다.

Description

내연기관의 배출가스 정화장치{EXHAUST GAS PURIFIER OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연기관의 배출가스 정화장치에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 플라즈마를 발생시키는 전극으로 산화와 환원반응이 동시에 이루어져 내연기관에서 배출되는 배출가스에 함유된 오염물질을 정화시키되 전극의 설치위치에 따라 효과적인 광촉매 광원으로써 플라즈마 광원의 발생강도와 소비전력을 적절히 유지토록 하는 정화장치에 관한 것이다.

일반적으로 내연기관은 실린더 내에서 공기와 혼합된 연료를 폭발적으로 연소시켜 피스톤에 왕복운동을 주는 열기관으로써, 연소할 때 발생되는 배출가스는 배기장치를 통해 외부로 배출된다.

이 때, 배출가스에는 인체에 유해한 오염물질인 미연 탄화수소, 일산화탄소, 질소산화물 및 황산화물 등이 포함되어 있기 때문에 실린더에서 배출된 배출가스를 모두 모은 다음 배기파이프의 중간에 설치된 정화장치에서 배출가스를 정화하여 외부로 배출시키게 된다.

정화장치로는 흔히 삼원촉매를 이용한 정화장치, 저온 플라즈마를 이용한 정화장치, 삼원촉매와 저온 플라즈마를 겸용으로 이용한 정화장치, 그리고 광촉매를 이용한 정화장치 등이 사용된다.

여기서, 삼원촉매를 이용한 정화장치는 촉매작용을 하는 귀금속, 즉 백금+로듐(Rh) 또는 백금+로듐+파라듐을 사용한 것으로 배출가스 중의 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물을 정화시키는 기능을 갖고 있으며, 고온에서는 98% 이상의 높은 정화효율성을 가진다.(참조문헌 SAE982606)

그리고, 저온 플라즈마를 이용한 정화장치는 주로 고정된 내연기관이나 대형엔진의 탈황, 탈질장치로 사용되며, 요소나 암모니아가스등과 같은 환원제를 이용하여 배출가스 내의 일산화탄소를 이산화질소로 정화한다.

이러한 저온 플라즈마를 이용한 정화장치는 배출가스가 흐르는 유도관에 전극을 설치하고, 전극으로 직류 혹은 교류와 같은 전원을 인가하여 플라즈마를 발생시키는 구성으로 되며, 배출가스가 유도관을 통과할 때 저온 플라즈마에 의해 배출가스 중에 존재하는 수분, 산소 및 질소 등을 이온화 또는 해리시킴으로써 생성된 프리 래디칼(free radical)에 의해 오염원을 정화시킨다.(참조문헌 SAE 982428)

최근에는 저온 플라즈마 정화장치와 삼원촉매 정화장치를 결합한 장치가 연구되고 있다. 즉, 플라즈마 반응로의 후방에 삼원촉매 정화장치를 설치하여 플라즈마 반응으로도 처리되지 않는 미연 탄화수소성분을 정화하는 방식이다.(참조문헌 SAE 982427, 982429, 982508)

한편, 광촉매를 이용한 정화방식은 특정한 파장을 가진 광원을 광촉매(예를 들면 TiO₂)에 조사하여 광촉매가 여기될 때 발생되는 프리 래디칼로 오염물질을 정화시키는 장치로서, 광촉매는 질소산화물 정화반응 뿐만 아니라 일산화탄소, 탄화수소의 산화반응에도 관여한다.

이러한 광촉매 정화방식은 에너지나 온도 조건에 관계없이 활성화가 가능하고, 광원으로써 자연광에 포함된 파장을 이용하기도 하며 효율을 높이기 위해 특정 파장을 갖도록 설계된 램프를 이용하기도 한다.(J. of Photochemistry and Photobiology AL Chemistry 111, pp199~203, 1997)

예를 들면, 일본국 특개평6-10652에는 코로나 방전과 삼원촉매를 이용한 배기정화장치가 알려져 있고, 일본국 특개평10-169431에는 플라즈마 발생장치와 NO_x촉매장치가 일체형으로 형성되어 있다.

그러나, 삼원촉매를 이용하여 정화할 경우에는 촉매가 활성화되기 위해서는 열이 필요하고 또한 일정 온도 이상에서만 촉매 반응이 가능하며, 산화와 환원 두 반응을 동시에 처리하기 위해서는 이론 공연비 근처로 배기 조건이 제한되는 단점이 있다.

또한, 저온 플라즈마 정화방식을 이용할 경우에는 고에너지를 공급하여야 하며 에너지 공급에 비례하여 공급장치 및 반응로의 크기가 배출가스량에 비해 상대적으로 비대해질 수밖에 없기 때문에 정화 대상이 정치식 질소산화물과 황산화물에 국한된다.

아울러, 저온 플라즈마와 삼원촉매를 동시에 적용한 방식은 저온 플라즈마 방식과 삼원촉매방식의 단점을 보완하고자 발명되었으나, 플라즈마를 발생하기 위한 고에너지의 소모는 해결하지 못했으며, 장치가 비대하기 때문에 이동식 내연기관에 사용하기에는 부적합한 단점이 있다.

그리고, 광촉매를 이용한 정화방식은 저온이나 고온의 온도조건에 무관하게 사용할 수 있으나, 광촉매를 활성화시키기 위한 특정한 파장을 갖는 광원이 필요하고, 특히 200~400 나노미터의 파장을 발생시키는 자외선 램프가 사용되고 있다. 그러나, 자외선 램프는 입력에너지의 20%만이 빛에너지로 전환되고 나머지는 모두 열에너지로 전환되어 에너지 효율이 극도로 낮고 수명도 짧아 유지비용이 높은 단점이 있다.

본 출원인은 전술한 정화방식들의 장단점을 취합하여 적은 에너지로 높은 정화효율을 거둘 수 있는 정화장치를 특허출원 제99-18202호, 실용신안출원 제99-10163호에 개시한 바 있다.

기 출원한 내용을 살펴보면 저온 활성촉매로 허니콤담체에 코팅된 광촉매를 이용하고 광촉매의 광원으로 저온 플라즈마를 이용하며, 고온 활성촉매로 삼원촉매인 귀금속을 이용하여 저온과 고온에서 산화와 환원 두 반응을 효과적으로 거두어 적은 에너지로 오염물질을 정화시킨 것이다. 또한 이러한 정화를 위한 장치가 1개의 장치내부에서 이루어지도록 하여 정화효율성을 더욱 극대화하였다.

본 발명은 기술적 사상의 특허망을 형성하기 위한 것으로 플라즈마를 발생시키는 전극으로 산화와 환원반응이 동시에 이루어져 내연기관에서 배출되는 배출가스에 함유된 오염물질을 정화시키되 전극의 설치위치에 따라 효과적인 광촉매 광원으로써 플라즈마 광원의 발생강도와 소비전력을 적절히 유지토록 하는 정화장치를 제공하는 것이 목적이다.

도 1은 일반적인 내연기관의 배기장치를 도시한 사시도,

도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 내연기관의 배출가스 정화장치의 반응로 내부를 도시한 측단면도,

도 3은 도 2의 A-A에서 본 정면도,

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관의 배출가스 정화장치의 반응로 내부를 도시한 측단면도,

도 5는 도 4의 B-B에서 본 정면도,

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 내연기관의 배출가스 정화장치인 반응로의 구조를 도시한 구성도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

10 : 배기장치 12 : 배출다기관

14 : 배기파이프 18 : 정화장치

20 : 반응로 22 : 절연매트

30 : 허니콤담체 32 : 담체셀의 벽

34 : 담체셀

40 : 전극 42a, 42b : 와이어 메시

44 : 전극의 단자 46 : 전극 절연체

48 : 와이어 메시의 교차점

50a, 50b : 허니콤전극 52a, 52b : 전극셀

54a, 54b : 전극의 단자 58 : 전극절연매트

62 : 전극셀의 모서리 64 : 삼원촉매층

이와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 정화장치는 내연기관의 배기관에 배출가스의 유해물질을 줄일 수 있는 반응로를 설치하여 배출가스를 정화하는 내연기관의 배출가스 정화장치에서, 반응로의 내부에 구비되어 배출가스 정화용 광촉매층이 다수의 담체셀 표면에 코팅된 허니콤담체와, 그 허니콤담체의 양단에 구비되어 플라즈마를 발생시키는 전극으로 구성되는 반응기를 포함하여 이루어진다.

여기서 전극은 횡단면이 허니콤 모양으로 형성되어 다수의 전극셀을 갖고 종방향으로 일정한 길이로 형성되는 것이다.

또한 전극은 와이어를 교차배열시켜 다수의 전극셀을 갖는 와이어 메시인 것을 사용할 수 있다.

이들 전극은 각각 허니콤담체에 밀착 또는 이격되게 설치되며, 허니콤담체와 전극 사이의 이격거리는 허니콤담체 길이의 1% 내지 40%정도인 것이 바람직하다.

이 전극에는 삼원촉매층이 코팅되며, 상술한 허니콤담체에는 배출가스 정화용 삼원촉매층이 더 코팅된다.

한편, 상술한 전극들은 각각의 전극셀 모서리가 상기 각각의 담체셀 중앙에 위치하도록 배열되는 것이 바람직하다.

이와 같은 반응기는 반응로의 내부에 복수로 연결 설치될 수도 있다.

담체셀의 크기와 개수 변화에 대응하여 전극셀의 크기와 개수가 동일하게 변화하되, 담체셀의 개수는 200개 내지 900개 정도인 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다. 참고로 본 발명의 원활한 설명을 위한 도면 설명부호의 일부를 반복하여 사용한다.

도 1은 일반적인 내연기관의 배기장치를 사시도로 나타내고 있다. 도면에서 알 수 있듯이, 배기장치(10)는 각 실린더의 배출가스를 모으는 배출다기관(12)과, 배출다기관(12)에 연결되는 배기파이프(14)와, 그 배기파이프(14)의 끝단에 연결되어 소음을 감소시키는 소음기(16) 및 배출가스중의 유해한 성분을 무해하게 산화, 환원시키는 정화장치(18)로 구성되어 있다.

여기서, 정화장치(18)는 본 발명에 따른 반응로(20)와, 그 내부에 설치되는 부속품으로 제안되는 바, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내연기관의 배출가스 정화장치인 반응로의 내부를 도시한 측단면도이고, 도 3은 도 2의 A-A에서 본 정면도이다.

반응로(20)는 원통모양으로 형성되며 반응로(20)의 양단에는 배기파이프(14)가 연결된다.

반응로(20)의 내면에는 절연매트(22)가 밀착되게 설치되고, 그 절연매트(22)의 내측면으로 반응기(24)가 설치되는바, 반응기(24)는 원통형 모양의 허니콤담체(30)와, 허니콤담체(30)의 양단에 배치되어 저온 플라즈마를 형성하기 위해 전원을 공급하는 전극(40)으로 구성된다.

허니콤담체(30)는 세라믹을 압출하여 종방향으로 40mm정도의 길이로 형성되며 다수의 담체셀(34)을 가진다. 각각의 담체셀(34)은 예를들어 육각형, 삼각형등 다양한 모양으로 형성될 수 있으나 본 발명에서는 사각형인 것을 예를 들어 설명한다.

이러한 담체셀(34)은 배출가스의 흐름과 동일한 방향으로 배치되기 때문에 배출가스가 원활하게 통과된다.

그리고, 담체셀(34)의 표면에는 광촉매층 또는 삼원촉매층이 형성되는바, 좀 더 바람직하게는 각 담체셀(34)의 벽(32) 표면에 삼원촉매층을 코팅한 다음, 코팅된 삼원촉매층의 위에 플라즈마 광원에 의해 활성화되는 광촉매층이 코팅된다.

광촉매층과 삼원촉매층은 세라믹 중에서 비표면적이 우수한 감마 알루미나(γ-Alumina)에 각각 광촉매와 삼원촉매를 흡수시킨 것으로, 광촉매는 산화분위기에서 배출가스내에 다량의 산소와 함께 배출되는 질소산화물 성분을 효율적으로 정화시키는 역할을 하며, 삼원촉매는 배출가스 중의 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물을 정화시키게 된다.

광촉매로는 여러가지가 사용될 수 있으나, 본 발명의 실시예에서는 이산화티타니움(TiO₂)을 사용한다. 광촉매는 특성 파장의 빛에 의해 여기(勵起)가 되는데, 이러한 과정은 TiO₂TiO₂(h+) + e- 과 같은 반응식으로 표현된다.

TiO₂(h+) + e-는 반응성이 매우 강한 이온체로서 H₂O나 O₂를 여기시켜 프리 래디칼 생성을 가속, 증배시킨다.(당업자에게 이미 공지된 기술임. 광촉매에 관한 문헌: J. of Adv Oxid. Technol Vol., No.1, 1996.p67~78p)

삼원촉매로는 백금과 로듐을 혼합한 혼합물이나 이 혼합물에 파라듐을 더 첨가한 것을 사용한다.

한편, 전극(40)은 전도성재질인 와이어를 교차배열시켜 다수의 전극셀을 갖는 와이어 메시(wire mesh;42a)(42b)이며, 이 와이어 메시(42a)(42b)들은 허니콤담체(30)의 양단에 이격거리를 두고 설치될 수 있으나, 바람직하게는 허니콤담체(30)의 일단에 설치되는 와이어 메시(42a)는 허니콤담체(30)와 일정한 이격거리를 두고 설치되고 타단에 설치되는 와이어 메시(42b)는 허니콤담체(30)에 밀착·설치된다. 예를 들면 허니콤담체(30)와 와이어 메시(42a) 사이의 이격거리는 허니콤담체 길이의 1% 내지 40%정도이며, 본 발명의 실험과정에서는 2mm, 4mm, 5.5mm로 달리하여 실시하였다.

특히 두 와이어 메시(42a)(42b)는 전도성재질이기 때문에 두 와이어 메시(42a)(42b)에 전원이 인가되면 허니콤담체(30)를 관통하여 서로 통전된다.

각 와이어 메시(42a)(42b)에는 단자(44)가 연결되어 반응로(20)의 바깥으로 연장되고, 단자(44)의 둘레에는 절연체(46)가 설치되어 반응로(20)와 절연이 유지된다. 단자(44)는 외부 전원과 연결되며 전원은 교류와 직류 중 어떤 전류를 사용하여도 무방하다. 본 발명의 실시예에서는 20KV와 20mA용량의 AC전원을 사용한다.

그리고 와이어 메시(42a)(42b)의 와이어가 교차되어 형성된 교차점(48)은 각 담체셀(34)의 정중앙에 위치하는 것이 바람직하나, 각 담체셀(34)의 모서리 근처에 위치할 수도 있다. 이것은 처리할 배출가스의 양 및 배출가스 내의 오염물질 농도에 따라 교차점(48)의 위치를 변경시키는 것이다.

이와 같은 구조로 된 반응로(20)에서 허니콤담체(30)와 전극(40) 사이의 거리가 멀수록 많은 전력이 소비되는 반면에 플라즈마의 광량은 향상된다. 이를 감안하여 본 발명에서는 에너지효율과 플라즈마의 광량을 동시에 만족시키는 구조로서 허니콤담체(30)의 일단에는 전극(40)을 밀착시키고 타단에는 이격거리를 두어 설치시킨다.

또한, 배출가스의 양 및 배출가스 내의 오염물질 농도에 따른 대처 방안으로 담체셀(34)과 전극셀의 크기와 개수를 변경할 수 있다. 즉, 담체셀(34)의 크기와 개수 변화에 대응하여 전극셀의 크기와 개수가 동일하게 변화하되, 담체셀(34)의 크기와 개수는 200개 내지 900개 정도인 것을 사용한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 내연기관의 배출가스 정화장치의 작용을 설명한다.

내연기관의 작동에 따라 반응로(20)의 내부로 배출가스가 유입됨과 동시에 단자(44)를 통해 전극(40)으로 전원이 들어옴에 따라, 전극(40)을 구성하는 와이어 메시(42a)(42b)의 교차점(48)에서 플라즈마가 발생된다.

이때 교차점(48)이 각 담체셀(34)의 중앙에 위치되고, 또한 허니콤담체(30)가 세라믹으로 되어 전류가 통하지 않기 때문에 허니콤담체(30)의 양단에 위치한 전극(40)끼리 통전되어 플라즈마는 각 담체셀(34)의 내부로 방전된다.

여기서 허니콤담체(30)와 이격된 와이어 메시(42a)에서 발생되는 플라즈마의 광량이 허니콤담체(30)에 밀착된 와이어 메시(42b)에서 발생된 플라즈마의 광량보다 많게 되며, 반면에 두 와이어 메시(42a)(42b)가 허니콤담체(30)에서 이격된 경우보다 적은 전력소모를 보이게 된다.

또한, 허니콤담체(30)에 두 와이어 메시(42a)(42b)가 밀착된 경우에는 전력소모량은 줄어들지만 플라즈마의 광량이 낮게 되어 목적한 정화효율이 미치지 못하게 된다.

이렇게 발산된 플라즈마는 담체셀(34)의 벽(32)에 코팅된 광촉매층의 광촉매를 활성화시켜 프리 래디칼을 생성시키고, 이 프리 래디칼은 미연 탄화수소와 질소산화물을 정화시킨다.

특히, 전극(40)의 교차점에서 각 담체셀(34)로 플라즈마를 발산하기 때문에 적은 에너지로도 광촉매 반응을 유도할 수 있다. 또한, 광촉매 반응은 거의 발열반응이어서 배출가스의 정화가 이루어짐과 동시에 배출가스 자체 내에 존재하는 열에 추가적으로 열을 공급하여 광촉매층 하부에 코팅된 삼원촉매층으로 더욱 빠르게 열을 전달한다.

전달된 열에 의해 삼원촉매가 활성화되면서 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물 등의 정화를 더욱 활성화시킨다.

이러한 삼원촉매는 종래의 배출가스의 열만을 이용한 정화반응보다 활성화에 도달하는 시간을 앞당기게 되고, 정화반응은 광촉매 반응과 삼원촉매 반응이 동시에 이루어지게 되어 효율이 극대화된다. 여기에 플라즈마에 의해 발생된 프리 래디칼도 정화반응을 배가시킴에 따라 더욱 향상된 효율을 기대할 수 있다.

더욱이 플라즈마를 발생시키는 전력소모량을 적절하게 유지하기 때문에 정화효율의 향상뿐만 아니라 에너지효율도 향상된다.

도 4에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관의 배출가스 정화장치의 반응로 내부를 도시한 측단면도이고, 도 5는 도 4의 B-B에서 본 정면도이다.

여기서 제시되는 다른 실시예는 앞서 기술한 실시예에서의 전극을 대체한 정화장치로서 그 전극을 중점적으로 설명한다.

허니콤전극(50a)(50b)은 허니콤담체의 양단에 설치되는 것으로 허니콤전극(50a)(50b)은 횡단면의 형상이 전술한 실시예에서 개시된 허니콤담체(30)와 동일한 모양으로 형성되고, 종방향을 향해 일정길이로 형성되어 다수의 전극셀(52a)(52b)을 갖는 허니콤형상으로 형성되어 외부의 충격에 대해 내구성을 지니며, 전극셀(52a)(52b)은 삼각형, 육각형 등 다양한 형태로 제조가 가능하나 본 고안에서는 앞서 기술한 허니콤담체(30)의 담체셀(34)의 형태에 대응하여 사각형 모양으로 형성된다.

이러한 허니콤전극(50a)(50b)은 허니콤담체(30)의 양단에 이격거리를 두고 설치될 수 있으나, 바람직하게는 허니콤담체(30)의 일단에 설치되는 허니콤전극(50a)은 허니콤담체(30)와 일정한 이격거리를 두고 설치되고 타단에 설치되는 허니콤전극(50b)은 허니콤담체(30)에 밀착·설치된다.

예를 들면 허니콤단체(30)의 길이가 40mm정도일 경우에 허니콤담체(30)와 허니콤전극(50a) 사이의 이격거리는 허니콤담체(30) 길이의 1% 내지 40%정도이며, 본 발명의 실험과정에서는 2mm, 4mm, 5.5mm로 달리하여 실시하였다.

허니콤전극(50a)(50b)은 전도성재질로서 메탈이 바람직하며, 이에 따라 두 허니콤전극(50a)(50b)사이에는 통전이 가능하다.

그리고, 허니콤전극(50a)(50b)은 허니콤담체(30)와 동일한 직경의 원반형으로 형성되는 것이 바람직하며, 각 허니콤전극(50a)(50b)의 외주에는 반응로(20)의 외부로 돌출되는 전극단자(54a)(54b)가 설치되어 전원(56)과 연결된다. 이때 전원(56)은 교류와 직류 중 어떤 전류를 사용하여도 무방하며, 본 발명의 다른 실시예에서는 20KV와 20mA용량의 AC전원을 사용한다.

만일, 반응로(20)가 금속으로 제조된 것일 경우에는 허니콤전극(50a)(50b)과 통전되는 것을 방지하기 위해서 허니콤전극(50a)(50b)의 외주와 반응로(20)의 사이에 전극절연매트(58)를 배치시킨다.

또한, 전극단자(54a)(54b)의 둘레에도 절연체(60a)(60b)를 설치하여 반응로(20)와 통전되지 않도록 한다.

이러한 허니콤전극(50a)(50b)은 허니콤담체(30)의 양단에 설치되어지되, 전극셀(52a)(52b)의 각 모서리(62)에서 허니콤담체(30)를 향해 플라즈마가 방전될 수 있도록 허니콤담체(30)의 양끝면에서 이격거리를 두고 설치될 수 있으나, 본 발명에서는 적절한 플라즈마 방전효과와 함께 에너지효율의 향상을 위해서 각각의 허니콤전극(50a)(50b)을 허니콤담체(30)의 양단에 밀착 또는 이격 설치시킨다.

한편, 전극셀(52a)(52b)의 표면에는 삼원촉매층(64)이 형성되는데, 삼원촉매층(64)은 전극셀(52a)(52b)의 표면에 와쉬코트를 코팅하고 그 와쉬코트에 삼원촉매를 담지하여 이루어진다.

삼원촉매로는 전술한 허니콤담체(30)에 코팅된 삼원촉매와 동일한 물질로 백금과 로듐을 혼합한 혼합물이나 이 혼합물에 파라듐을 더 첨가한 것을 사용한다.

따라서, 허니콤담체(30)에서 뿐만 아니라 허니콤전극(50a)(50b)에서도 정화반응이 이루어짐으로 정화효율을 향상시킬 수 있다.

이와 같은 허니콤전극(50a)(50b)은 전극셀(52a)(52b)의 각 모서리(62)가 각 담체셀(34)의 정중앙에 위치하는 것이 바람직하나, 각 담체셀(34)의 모서리 근처에 위치할 수도 있다. 이것은 처리할 배출가스의 양 및 배출가스 내의 오염물질 농도에 따라 모서리의 위치를 변경할 수 있음을 뜻한다.

또한, 배출가스의 양 및 배출가스 내의 오염물질 농도에 따른 대처 방안으로 담체셀(34)과 전극셀(52a)(52b)의 크기와 개수를 변경할 수 있다. 즉, 담체셀(34)의 크기와 개수 변화에 대응하여 전극셀(52a)(52b)의 크기와 개수가 동일하게 변화하되, 담체셀(34)의 크기와 개수는 200개 내지 900개 정도인 것을 사용한다.

이와 같이 구성된 본 고안의 일실시예에 따른 내연기관의 배출가스 정화장치의 작용을 설명한다.

내연기관이 작동되면, 반응로(20)의 내부로 배출가스가 유입됨과 동시에 전극단자(54a)(54b)로 전원(56)이 인가되어 허니콤담체(30)의 양단에 위치한 허니콤전극(50a)(50b)으로 전류가 통전된다.

이에 따라, 담체셀(34)의 일단에 위치한 전극셀(52a)의 모서리(62)에서부터 타단의 전극셀(52b) 모서리(62)를 향해 플라즈마가 방전된다. 이 때, 모서리(62)가 각 담체셀(34)의 중앙에 위치하고, 또한 허니콤담체(30)가 세라믹으로 되어 전류가 통하지 않기 때문에 허니콤담체(30)의 양단에 위치한 허니콤전극(50a)(50b)끼리 통전되어 플라즈마는 각 담체셀(34)의 내부로 방전된다.

이때 허니콤담체(30)에 이격되게 설치된 허니콤전극(50a)에서 발생된 플라즈마의 광량이 허니콤담체(30)에 밀착된 허니콤전극(50a)에서 보다 많이 발생된다. 만일 더 많은 플라즈마의 광량을 얻기 위해서 두 허니콤전극(50a)(50b) 모두를 이격되게 설치할 수도 있으나 본 발명에서 목적하고자 하는 바인 적절한 에너지효율을 위해서 두 허니콤전극(50a)(50b) 중 어느 하나는 허니콤담체(30)에 밀착시키고 나머지 허니콤전극(50b)은 밀착시키는 것이다.

이렇게 방전된 플라즈마는 담체셀(34)의 표면에 코팅된 광촉매층의 광촉매를 활성화시켜서 프리 래디칼이 생성되도록 하고, 이 프리 래디칼은 질소산화물 및 미연 탄화수소, 일산화탄소를 정화시킨다. 이러한 광촉매 반응은 내연기관의 이론공연비에 관계없이 전 공연비 영역에서 고른 정화성능을 보이므로 이론공연비 밖에서도 정화성능은 지속적으로 유지된다.

특히, 전극셀(50a)(50b)의 모서리(62)에서 각 담체셀(34)로 플라즈마가 방전되기 때문에 적은 에너지로도 광촉매 반응을 유도할 수 있고, 또한 허니콤전극(50a)(50b)이 밀착 및 이격 설치되기 때문에 적절한 플라즈마 광량으로 광촉매 반응을 유도하고 에너지효율을 향상시킨다.

광촉매 반응은 거의 발열반응이어서 배출가스의 정화가 이루어짐과 동시에 배출가스 자체 내에 존재하는 열에 추가적으로 열을 공급하여 광촉매층 하부에 코팅된 삼원촉매층으로 더욱 빠르게 열을 전달한다.

전달된 열에 의해 삼원촉매가 활성화되면서 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물을 정화한다. 즉, 내연기관의 이론공연비를 벗어나는 조건으로써 산소가 많은 희박조건의 연소에 의해 배출된 배출가스에서는 미연 탄화수소와 일산화탄소를 산화시키고, 산소가 부족한 조건의 연소에 의해 배출된 배출가스에서는 질소산화물을 환원시킨다.

허니콤담체(30) 뿐만 아니라 허니콤전극(50a)(50b)의 전극셀(52a)(52b) 표면에서도 플라즈마 발생시 생성된 열로 삼원촉매반응이 진행되어 배출가스를 정화하며, 나아가 플라즈마가 발생되지 않더라도 배출가스의 열로 정화반응이 지속적으로 유지되어 정화효율을 향상시킨다.

이렇게 허니콤담체(30)와 허니콤전극(50a)(50b)에서 동시에 진행되는 삼원촉매는 종래의 배출가스의 열만을 이용한 정화반응보다 활성화에 도달하는 시간을 앞당기게 되고, 정화반응은 광촉매 반응과 삼원촉매 반응이 동시에 이루어지게 되어 효율이 극대화된다. 여기에 플라즈마에 의해 발생된 프리 래디칼도 정화반응을 배가시킴에 따라 더욱 향상된 효율을 기대할 수 있으며, 플라즈마가 발생되지 않을 때에도 배출가스의 열에 의해 삼원촉매반응이 발생하여 정화효율을 향상시킨다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 내연기관의 배출가스 정화장치인 반응로의 구조를 도시한 구성도이다.

앞서 기술한 두 실시예에서 설명된 반응기(24)는 반응로(20)의 내부에 복수로 연결 설치될 수 있다. 이는 정화장치의 효율을 향상시키기 위한 것으로, 배출가스에 포함된 오염물질의 정도에 따라 적절하게 배치할 수 있다.

이때 허니콤담체(30a)와 허니콤담체(30b)의 사이에 배치되는 전극(70a)은 허니콤담체(30a)(30b)와 일정한 이격거리, 즉 허니콤담체(30a)(30b)의 길이가 40mm정도일 경우 허니콤담체 길이의 1% 내지 40%정도로 이격시킨다. 그리고 각각의 허니콤담체(30a)(30b)의 끝단에 배치되는 전극(70b)은 밀착 설치시킨다.

이와 같이 설치되는 전극들은 전술한 와이어 메시(42a)(42b) 또는 허니콤전극(52a)(52b)을 사용할 수 있으며 경우에 따라서는 와이어 메시 또는 허니콤전극을 혼용하여 사용해도 무방하다.

여기서 설명된 복수의 반응기에 사용되는 허니콤담체와 전극은 전술한 실시예에서 이미 설명하였음으로 생략하기로 한다.

이렇게 본 발명에 따른 내연기관의 배출가스 정화장치는 종래에 비해 더욱 향상된 정화효율성 및 소비전력을 줄여 에너지효율을 향상시킨다.

즉, 전극에서 공급된 전원으로 플라즈마를 발생시키고 그 플라즈마에 의해 광촉매 반응을 유도하며 광촉매 반응시 발생된 열과 배출가스의 열에 의해 삼원촉매 반응을 배가시킴에 따라 배출가스의 오염물질을 충분히 제거하여 정화효율성을 높인다.

또한, 허니콤담체에 코팅된 광촉매는 와이어 메시 또는 허니콤전극에서 제공된 광원으로 활성화되어 정화반응이 이루어지고, 와이어 메시 또는 허니콤전극이 허니콤담체의 양단에 각각 밀착·이격 설침됨으로서 적절한 소비전력으로 플라즈마 광원을 확보할 수 있어 에너지효율도 향상된다.

그리고, 허니콤전극의 경우에는 허니콤담체 뿐만 아니라 허니콤전극의 전극셀 표면에서 삼원촉매층을 형성하여 플라즈마의 발생시 생성되는 열로 배출가스의 오염물질을 정화하고 나아가 플라즈마가 발생되지 않더라도 배출가스의 열로 정화반응이 지속적으로 유지되어 정화효율을 향상시킨다.

또한, 허니콤전극과 허니콤담체의 형태가 동일하기 때문에 부수적인 장비나 설비를 이용하여 허니콤전극을 제조하는 것이 아니라 허니콤 담체를 제조하는 장비나 설비에 의해 전극을 제조하여 제조비용을 절감할 수 있다.

아울러, 허니콤 형태의 전극을 사용함으로써 외부로부터 가해지는 충격에도 쉽게 파손되지 않아 내구성이 향상된다.

Claims

내연기관의 배기관에 배출가스의 유해물질을 줄일 수 있는 반응로를 설치하여 배출가스를 정화하는 내연기관의 배출가스 정화장치에 있어서,

상기 반응로의 내부에 구비되어 배출가스 정화용 광촉매층이 다수의 담체셀 표면에 코팅된 허니콤담체; 및

상기 허니콤담체의 양단에 구비되어 플라즈마를 발생시키는 전극으로 구성되는 반응기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 내연기관의 배출가스 정화장치
제1항에 있어서, 상기 전극은 횡단면이 허니콤 모양으로 형성되어 다수의 전극셀을 갖고 종방향으로 일정한 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배출가스 정화장치.
제1항에 있어서, 상기 전극은 와이어를 교차배열시켜 다수의 전극셀을 갖는 와이어 메시인 것을 특징으로 하는 내연기관의 배출가스 정화장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극은 각각 허니콤담체에 밀착 또는 이격되게 설치되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배출가스 정화장치.
제4항에 있어서, 상기 전극의 이격거리는 상기 허니콤담체 길이의 1% 내지 40%정도인 것을 특징으로 하는 내연기관의 배출가스 정화장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극에는 삼원촉매층이 코팅되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배출가스 정화장치.
제5항에 있어서, 상기 전극에는 삼원촉매층이 코팅되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배출가스 정화장치.
제7항에 있어서, 상기 허니콤담체에 배출가스 정화용 삼원촉매층이 더 코팅되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배출가스 정화장치.
제1항 내지 제3항, 제5항, 제7항 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각각의 전극셀 모서리가 상기 각각의 담체셀 중앙에 위치되도록 배열시키는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배출가스 정화장치.
제9항에 있어서, 상기 반응기가 복수개 설치되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배출가스 정화장치.
제10항에 있어서, 상기 담체셀의 크기와 개수 변화에 대응하여 상기 전극셀의 크기와 개수가 동일하게 변화하되, 상기 담체셀의 개수는 200개 내지 900개 정도인 것을 특징으로 하는 내연기관의 배출가스 정화장치.