KR20010000353U

KR20010000353U - 내연기관의 배출가스 정화장치

Info

Publication number: KR20010000353U
Application number: KR2019990010163U
Authority: KR
Inventors: 손건석; 송영훈
Original assignee: 김덕중; 사단법인 고등기술연구원 연구조합
Priority date: 1999-06-09
Filing date: 1999-06-09
Publication date: 2001-01-05
Also published as: KR200284340Y1

Abstract

본 고안은 내연기관의 배출가스 정화장치에 관한 것으로, 배출가스 정화용 광촉매층이 다수의 담체셀 표면에 코팅된 허니콤담체와, 상기 허니콤담체를 향해 플라즈마를 방전하는 전극으로 구성된 반응기가 내연기관의 배기관에 연결된 반응로의 내부에 설치되는 내연기관의 배출가스 정화장치에서, 전극은 횡단면이 허니콤 모양으로 형성되어 다수의 전극셀을 가지고 종방향으로 일정길이로 형성되며 허니콤담체의 양단에 설치되는 구성이다.

이에 따라, 전극셀 표면에도 삼원촉매층을 형성하여 플라즈마의 발생시 생성되는 열로 배출가스의 오염물질을 정화하고 나아가 플라즈마가 발생되지 않더라도 배출가스의 열로 정화반응이 지속적으로 유지되어 정화효율을 향상시킨다.

그리고, 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.

Description

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

본 고안은 내연기관의 배출가스 정화장치에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 내연기관의 배출가스에 함유된 오염물질을 효과적으로 정화시킬 수 있고 제조비용을 절감할 수 있으며 플라즈마를 방전하는 전극의 내구성을 향상시킨 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 Society of Automotive Engineers(약자 SAE)982606)

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 질소산화물과 황산화물에 국한된다.

아울러, 저온 플라즈마와 삼원촉매를 동시에 적용한 방식은 저온 플라즈마 방식과 삼원촉매방식의 단점을 보완하고자 고안되었으나, 플라즈마를 발생하기 위한 고에너지의 소모는 해결되지 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 고안은 전술한 정화방식들의 장단점을 취합하여 적은 에너지로 높은 정화효율을 거둘 수 있는 정화장치를 제공한다. 즉, 온도조건, 설치조건 및 에너지소비조건등을 고려하여 배출가스 내에 함유된 다량의 오염물질을 효과적으로 정화시킬 수 있고, 제조비용을 절감하며, 내구성을 향상시킨 정화장치를 제공하는 것이 목적이다.

도 1은 일반적인 내연기관의 배기장치를 도시한 사시도,

도 2는 본 고안의 바람직한 일실시예에 따른 내연기관의 배출가스 정화장치를 도시한 측단면도,

도 3은 도 2의 A-A에서 본 정면도.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

18 : 정화장치

20 : 반응로 21 : 반응기

22, 48, 50 : 절연체

30 : 허니콤담체 32 : 허니콤담체의 벽

34 : 담체셀

40a, 40b : 허니콤전극 42a, 42b : 전극셀

44a, 44b : 전극단자 46 : 전원

52a, 52b : 모서리 54 : 삼원촉매층

이와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 고안은 배출가스 정화용 광촉매층이 다수의 담체셀 표면에 코팅된 허니콤담체와, 상기 허니콤담체를 향해 플라즈마를 방전하는 전극으로 구성된 반응기가 내연기관의 배기관에 연결된 반응로의 내부에 설치되는 내연기관의 배출가스 정화장치에서, 전극은 다수의 전극셀을 갖는 허니콤전극으로 이루어지며 허니콤담체의 양단에 설치된다.

여기서, 허니콤전극에는 삼원촉매층이 코팅되는 것이 바람직하다.

그리고, 허니콤담체에 배출가스 정화용 삼원촉매층이 더 코팅되어 정화효율을 더 향상시킬 수 있다.

특히, 각각의 전극셀 모서리는 각각의 담체셀 중앙에 위치하도록 배열하는 것이 바람직하다.

이렇게 구성되는 반응기는 반응로 내부에서 복수로 설치될 수 있다.

한편, 담체셀의 크기와 개수 변화에 대응하여 전극셀의 크기와 개수가 동일하게 변화하되, 담체셀의 크기와 개수는 600개 내지 900개 정도인 것을 사용할 수 있다.

이하 첨부된 도면에 의거하여 본 고안의 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다. 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 도 2에 도시한 바와 같이 본 고안에 따른 반응로(20)와, 그 내부에 설치되는 부속품으로 제안된다. 도 3은 도 2의 A-A에서 본 정면도로써 전극을 도시하고 있다.

도면에서 알 수 있듯이, 반응로(20)는 원통모양으로 형성되며 반응로(20)의 양단에는 배기파이프(14)가 연결된다.

반응로(20)의 내부에는 절연체(22)를 사이에 두고 반응기(21)가 설치되는바, 반응기(21)는 원통형 모양의 허니콤담체(30)와, 허니콤담체(30)의 양단에 배치되어 저온 플라즈마를 형성하기 위해 전원을 공급하는 허니콤전극(40a)(40b)으로 구성된다.

허니콤담체(30)는 세라믹을 압출하여 다수의 담체셀(34)을 갖는 원통형으로 형성된 것으로, 각 담체셀(34)은 예를들어 육각형, 삼각형등 다양한 모양으로 형성될 수 있으나 본 고안에서는 사각형인 것을 예를 들어 설명한다.

이러한 담체셀(34)은 배출가스의 흐름과 동일한 방향으로 배치되어 배출가스가 원활하게 통과할 수 있도록 한다.

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.

여기서, 삼원촉매층이 허니콤담체(30)에 밀착 코팅 가능하도록 매개물로써 와쉬코트(washcoat)를 코팅하고 그 와쉬코트에 삼원촉매를 담지하여 삼원촉매층이 형성되도록 한다.

마찬가지로 광촉매층도 삼원촉매층의 위에 와쉬코트를 코팅하고 그 와쉬코트에 광촉매를 담지하여 광촉매층이 형성되는 것이다.

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

광촉매로는 여러가지가 사용될 수 있으나, 본 고안의 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, 허니콤전극(40a)(40b)은 횡단면의 형상이 상술한 허니콤담체(30)와 동일한 모양으로 형성되고, 종방향을 향해 일정길이로 형성되어 다수의 전극셀(42a)(42b)을 갖는 허니콤형상으로 형성되어 외부의 충격에 대해 내구성을 지니며, 전극셀(42a)(42b)은 삼각형, 육각형 등 다양한 형태로 제조가 가능하나 본 고안에서는 앞서 기술한 허니콤담체(30)의 담체셀(34)의 형태에 대응하여 사각형 모양으로 형성된다. 특히, 허니콤전극(40a)(40b)은 전도성재질로서 메탈이 바람직하며, 이에 따라 두 허니콤전극(40a)(40b)사시에는 통전이 가능하다.

그리고, 허니콤전극(40a)(40b)은 허니콤담체(30)와 동일한 직경의 원반형으로 형성되는 것이 바람직하며, 각 허니콤전극(40a)(40b)의 외주에는 반응로(20)의 외부로 돌출되는 전극단자(44a)(44b)가 설치되어 전원과 연결된다. 이 때 전원(46)은 교류와 직류 중 어떤 전류를 사용하여도 무방하다.

만일, 반응로(20)가 금속으로 제조된 것일 경우에는 허니콤전극(40a)(40b)과 통전되는 것을 방지하기 위해서 허니콤전극(40a)(40b)의 외주와 반응로(20)의 사이에 절연체(48)를 배치한다. 또한, 전극단자(44a)(44b)의 둘레에도 세라믹절연체(50a)(50b)를 설치하여 반응로(20)와 통전되지 않도록 한다.

이러한 허니콤전극(40a)(40b)은 허니콤담체(30)의 양단에 설치되어지되, 전극셀(42a)(42b)의 각 모서리(52a)(52b)에서 허니콤담체(30)를 향해 플라즈마가 방전될 수 있도록 허니콤담체(30)의 양끝면에서 약간의 거리를 두고 설치된다.

한편, 전극셀(42a)(42b)의 표면에는 본 고안의 다른 특징에 따라 삼원촉매층(54)이 형성되는데, 삼원촉매층(54)은 전극셀(42a)(42b)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(40a)(40b)에서도 정화반응이 이루어짐으로 정화효율을 향상시킬 수 있다.

이와 같은 허니콤전극(40a)(40b)은 전극셀(42a)(42b)의 각 모서리(52a)(50b)가 도 2에 도시한 바와 같이 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(42a)(42b)의 크기와 개수를 변경할 수 있다. 즉, 담체셀(34)의 크기와 개수 변화에 대응하여 전극셀(42a)(42b)의 크기와 개수가 동일하게 변화하되, 담체셀(34)의 크기와 개수는 600개 내지 900개 정도인 것을 사용한다.

아울러, 반응로(20)의 내부에 반응기(21)를 복수로 연결 설치하여 정화효율을 향상시킬 수 있다.

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

내연기관이 작동되면, 반응로(20)의 내부로 배출가스가 유입됨과 동시에 전극단자(44a)로 전원(46)이 인가되어 허니콤담체(30)의 양단에 위치한 허니콤전극(40a)(40b)으로 전류가 통전된다.

이에 따라, 담체셀(34)의 일단에 위치한 전극셀(42a)의 모서리(52a)에서부터 타단의 전극셀(42b) 모서리(52b)를 향해 플라즈마가 방전된다. 이 때, 모서리(52a)(52b)가 각 담체셀(34)의 중앙에 위치하고, 또한 허니콤담체(30)가 세라믹으로 되어 전류가 통하지 않기 때문에 허니콤담체(30)의 양단에 위치한 허니콤전극(40a)(40b)끼리 통전되어 플라즈마는 각 담체셀(34)의 내부로 방전된다.

이렇게 방전된 플라즈마는 본 고안의 특징에 따라 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(40a)(40b)의 모서리(52a)(52b)에서 각 담체셀(34)로 플라즈마를 방전하기 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, 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.

아울러, 허니콤담체(30) 뿐만 아니라 허니콤전극(40a)(40b)의 전극셀(42a)(42b) 표면에서도 플라즈마 발생시 생성된 열로 삼원촉매반응이 진행되어 배출가스를 정화하며, 나아가 플라즈마가 발생되지 않더라도 배출가스의 열로 정화반응이 지속적으로 유지되어 정화효율을 향상시킨다.

이렇게 허니콤담체와 허니콤전극에서 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.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 고안에 따른 바람직한 일실시예는 종래의 문제점을 실질적으로 해소하고 있다.

즉, 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.

Claims

배출가스 정화용 광촉매층이 다수의 담체셀 표면에 코팅된 허니콤담체와, 상기 허니콤담체를 향해 플라즈마를 방전하는 전극으로 구성된 반응기가 내연기관의 배기관에 연결된 반응로의 내부에 설치되는 내연기관의 배출가스 정화장치에 있어서,

상기 전극은 횡단면이 허니콤 모양으로 형성되어 다수의 전극셀을 갖고 종방향으로 일정한 길이로 형성되며, 상기 허니콤담체의 양단에 설치되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배출가스 정화장치.
제1항에 있어서, 상기 전극에는 삼원촉매층이 코팅되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배출가스 정화장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 허니콤담체에 배출가스 정화용 삼원촉매층이 더 코팅되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배출가스 정화장치.
제3항에 있어서, 상기 각각의 전극셀 모서리가 상기 각각의 담체셀 중앙에 위치하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배출가스 정화장치.
제3항에 있어서, 상기 반응기가 복수개 설치되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배출가스 정화장치.
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 담체셀의 크기와 개수 변화에 대응하여 상기 전극셀의 크기와 개수가 동일하게 변화하되, 상기 담체셀의 크기와 개수는 600개 내지 900개 정도인 것을 특징으로 하는 내연기관의 배출가스 정화장치.