KR200218522Y1 - 자동차용 연료절감 및 매연저감장치 - Google Patents

Abstract

가. 청구범위에 기재된 고안이 속하는 기술분야.

본 고안은 연료를 공급하는 연료호스와 블로우-바이 가스(blow-by gas)호스에 장착하여 엔진의 크랭크 케이스로부터 배출되는 미 연소 상태의 연료인 탄화수소를 가열하여 배기가스 중의 유해성분 농도를 저감시키고, 엔진에 제공되는 연료를 적정온도로 가열하여 줌으로써 연료절감 및 매염저감에 완벽한 효과를 얻을 수 있게 하기 위한 것이다.

나. 고안이 해결하려는 기술적 과제.

종래에 자동차 배출가스의 농도를 저감토록 하기 위해서는 배기가스의 일부를 엔진으로 반송시켜 재 연소시키거나 촉매 컨버터 방식의 정화장치를 통과시켜 배기가스 유해성분의 농도를 낮추도록 하였으나, 전자에 있어서는 엔진으로 반송되지 않은 배기가스가 미 연소된 상태에서 그대로 방출되기 때문에 배출가스의 농도 저감 효과가 적고, 후자에 있어서는 엔진의 충분한 워밍업 이후에 정화율을 기대할 수 있을 뿐 아니라 반드시 무연 가솔린을 사용해야 하므로 디젤 기관 자동차에는 사용할 수 없는 단점이 있는 것이다.

다. 고안의 해결방법의 요지.

어느 일단은 폐쇄되고 내부는 개구된 상태로 이루어진 매연장치 본체(2), 상기 본체(2)의 폐쇄된 일단에 복수개의 커넥터(6)를 본체(2) 내부에서 U형관(10)으로 연결시켜 구성하고, 상기 본체(2)의 타단은 캡 상으로 이루어진 발열장치부(4)를 장착하여 미 연소 상태인 블로우-바이 가스와 연료를 가열하여 순환되도록 구성한 것을 특징으로 한다.

라. 고안의 중요한 용도

자동차 매연저감 장치.

Description

자동차용 연료절감 및 매연저감장치{Automobile exhaust fumes and raw materials reduction system}

본 고안은 자동차의 매연 절감과 동시에 연료를 절감할 수 있는 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료를 공급하는 연료호스와 블로우-바이 가스(blow-by gas)호스에 장착하여 엔진의 크랭크 케이스로부터 배출되는 미 연소 상태의 연료인 탄화수소를 가열하여 배기가스 중의 유해성분 농도를 저감시키고, 엔진에 제공되는 연료를 적정온도로 가열하여 줌으로써 연료절감 및 매염저감에 완벽한 효과를 얻을 수 있게 하기 위한 것이다.

종래의 자동차의 배기가스 성분에는 공해문제를 유발시키는 CO, HC, NOx이 포함되어있으며, 이러한 유해성분을 정화시키기 위한 노력들이 다각도로 이루어지고 있다.

종래 자동차에서 배출되는 배기가스 중에 포함된 유해성분인 매연을 제거하는데 가장 널리 사용하는 매연정화장치는 배기가스의 입자상 물질을 세라믹 필터에 의해 모은후 흡기밸브에 의해 세라믹 필터측의 유입공 막아 필터케이스 내의 압력 및 온도를 상승시킴으로써 필터의 입자상 물질을 연소시키도록 구성되어져 있다.

그러나 이렇게 단일체인 세라믹 필터를 사용하는 종래의 매연정화장치는 작은 구멍인 다수의 배기통로를 세라믹 필터에 가능하면 길게 형성하여야만 매연정화장치 내에서 배기가스가 재연소되어 정화될 수 있기 때문에 세라믹 필터의 배기통로를 T자 형태로 형성한 것이 널리 사용되고 있으나 배기통로를 T자 형태로 형성한 세라믹 필터는 제작이 어렵고 고가일 뿐만 아니라 작은 크기의 배기통로가 매연입자에 의해 막히게 되면 쉽게 파손되는 문제점이 있었다.

또한 종래의 매연정화장치는 필터케이스의 흡, 배기측을 여닫아주는 밸브 어셈블리가 필요하기 때문에 구성이 복잡한 등의 문제점이 있었다.

한편 디젤자동차의 배출가스를 줄이기 위한 후처리방법으로는 NOx 및 PM의 기술로 대별될 수 있으며, 배출가스의 농도를 저감토록 하기 위한 또 다른 방안으로는, 배기가스의 일부를 엔진으로 반송시켜 재 연소시키거나 벌집모양의 원통형 담체의 표면에 백금(Pt), 필라듐(Pd), 로듐(Rh)의 혼합물이 발라진 촉매 컨버터를 통과시킴으로서 배기가스에 포함된 유해성분(CO, HC, SOx, NOx)의 농도를 낮추도록 하였다.

그러나 엔진으로 반송시켜 재 연소시키는 방법은 배기가스의 일부만이 반송되어 재 연소토록 되기 때문에 반송되지 않고 배출토록 되는 배기가스의 미 연소성분은 그대로 방출되어 배출가스의 농도 저감 효과가 적은 단점이 있는 것이다.

현재 국내에서 개발되고 있는 기술인 커먼레일(common rail) 및 유닛인젝터(UI)를 사용한 연료고압분사방식, 전자식 연료제어유닛(ECU), 터보챠져/인터쿨러(TC/IC)등의 적용을 통한 연료분사의 정밀화 및 고성능화와 엔진개량방법의 일환으로서 Reentrant 연소실 및 실린더당 4밸브화 등의 기술 적용으로 연소말기의 연소효율 개선 등을 통한 오염물질 저감방안 등이 검토되고 있으나 아직 선진국 기술에는 못 미치는 실정이다.

한편 경유자동차에 있어서는 공기가 대부분의 운전조건에서 충분한 상태로 연소되기 때문에 CO와 HC는 휘발유 자동차에 비하여 아주 적게 배출되나 NOx와 매연이 많이 배출된다.

그러므로 경유자동차의 배출가스 저감기술은 NOx와 매연을 포함한 입자상물질의 저감에 중점적으로 이루어지고 있으며, 특히 국내에서 경유자동차 배출기준 강화에 대응하여 후처리기술로 매연 등 입자상 물질과 CO, HC등을 줄이기 위한 매연여과장치(DPF)가 이미 실용화된바 있으며, 디젤산화촉매장치(DOC)가 개발되었고, NOx만을 선택적으로 줄이기 위한 De-NOx 촉매 및 SCR등이 고려되고 있다.

현재 배기가스를 흡기로 재 순환시키는 EGR(exhaust gas recirculation) 시스템은 현재 개발되어 실차에 사용하고 있으며 이 EGR밸브는 유량의 제어방식에 따라 VM(Vacuum Modulated)EGR방식, BPM(Back Pressure Modulated)EGR방식, BPM＆VVM(Back Pressure & Venturi Vacuum Modulated)EGR방식 등이 있다.

EGR밸브는 지금까지는 기계식을 사용하여 왔으나 배기규제가 계속 엄격해지면서 보다 정밀한 제어와 신속한 작동이 요구되어 전자제어식 EGR(E-EGR)밸브로의 개발이 이루어지고 있으며 E-EGR시스템은 기관회전속도와 부하, 냉각수온도 등을 감지하여 기관작동 상태를 파악하여 전자식모터나 전자식밸브로서 EGR밸브를 구동하여 재순환가스량을 제어한다.

EGR율 적용은 초기에는 저부하영역에서 40%, 중부하에서 20%수준으로 제어하나 2000년 규제를 위해서는 고부하에서 50%, 중속중부하에서 25%, 고부하에서 10%까지 적용하여야 할 것으로 예상하고 있다.

또한 저부하에서는 Hot EGR을 사용하여 점화지연과 공연비를 감소함으로서 NOx뿐만 아니고 PM과 HC도 동시에 저감시키고 중부하에서는 Colded EGR 적용이 필요한 것으로 제안하고 있다.

상기 EGR 시스템은 기본적으로 질소산화물 저감을 위하여 EGR을 적용하면 연료 소비율 및 입자상 물질이 증가하는 경향이 있으므로 이의 해소를 위해 cooled EGR 즉 EGR용 배기가스온도를 저감하여 재 순환시키는 방법을 주로 쓴다.

하지만 이런 경우에도 입자상 물질을 원하는 수준까지 저하가 어려우므로 PM 저감용 후처리 장치와 병행하여 EGR 시스템을 장착하여야 하는 단점이 있다.

도 5 내지 도 9에 대표적인 매연여과장치의 기본구조와 장·단점을 요약한 것이며, 또 다른 대표적인 후처리장치인 산화촉매장치(DOC)에 대하여 기술하였다.

도 5는 경유버너식 후처리장치의 예로서 세라믹벽 유동형 여과재를 사용한 것으로 큰 엔진에 적용이 용이하고 재생이 용이하나 연료소비량의 증대와 설치장소에 문제점이 있다.

도 6는 첨가제식 매연여과장치로서 경유에 첨가제(Fe)를 처리하여 장치가 간단한 장점이 있으나 배기 매니폴드에 설치하므로 열적 충격과 기계적 진동에 약하고, 설치장소와 2차 오염의 문제점이 있다.

도 7은 촉매식 매연여과장치의 예로서 전기히터와 촉매식벽유동형 여과제로 구성되어 적은 전기가 소요되고 열적 충격에 의한 필터의 파손 등의 장점은 있으나 Sulfate가 생성되고 2차 오염등의 문제점이 있다.

도 8은 플라즈마식 여과장치의 예로서 배출가스가 플라즈마를 통과하여 처리하는 방식이므로 내부구조가 비교적 간단하고 Nox와 PM 동시 저감 가능성이 있으나 2차 공기와 전력추가소모로 밧데리와 발전기의 내구성에 많은 영향을 준다.

도 9은 가장 많이 사용되고 매연 절감장치인 산환촉매장치의 예로서 관통형 산화촉매장치로 배출가스가 배출되면서 CO, HC 가스상 물질의 처리효율이 우수하고 장치가 간단하고 가격이 저렴하다는 장점이 있으나, 항산염의 생성으로 인한 촉매 피독으로 내구성이 저하되는 단점과, 배기가스의 온도가 320℃ 이상일 경우에만 높은 정화 효율을 기대할 수 있고 엔진이 가열되지 않은 상태에서는 제 성능이 나타나지 않기 때문에 충분한 엔진의 워밍업이 이루어지지 않은 상태에서는 배기가스의 유해성분이 그대로 배출되어 정화 효율을 기대할 수 없을 뿐 아니라 반드시 무연 가솔린을 사용해야 하므로 배출가스의 농도가 더욱 강화되어야 하는 디젤 기관 자동차에는 사용할 수 없는 단점이 있는 것이다.

따라서 본 고안은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 본 고안의 목적은 엔진의 크랭크 케이스로부터 배출되는 미 연소 상태의 연료인 탄화수소를 가열하여 배기가스 중의 유해성분 농도를 저감시키고, 엔진에 제공되는 연료를 적정온도로 가열하여 줌으로써 연료절감 및 매염저감에 완벽한 효과를 얻을 수 있게 하기 위한 것이다.

도 1은 본 고안의 매연저감장치의 구성을 나타낸 분해사시도.

도 2는 본 고안의 매연저감장치의 구성을 나타낸 단면도.

도 3은 본 고안의 매연저감장치의 사시도.

도 4는 본 고안의 매연저감장치를 디젤자동차에 장착한 상태의 개략도.

도 5 내지 도 9는 종래의 매연여과장치의 개략도.

〈도면의주요부분에대한부호의설명>

2: 본체 4: 발열장치부

6: 커넥터 10: U형관

12: 전기히터

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 고안의 가장 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 하고, 명세서 및 도면에 기재되는 명칭 및 부호가 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 붙임과 동시에 서로 대칭되는 부분에 대하여는 부호 및 설명을 생략한다.

도 1에 도시된 바와 같은 본 고안의 자동차 매연 절감장치는 어느 일단은 폐쇄되고 내부는 개구된 상태로 이루어진 매연장치 본체(2), 상기 본체(2)의 폐쇄된 일단에는 복수개의 커넥터(6)를 본체(2) 내부에서 U형관(10)으로 연결시켜 유입구(20)(20a)와 유출구(22)(22a)를 각각 형성하도록 구성하고, 상기 본체(2)의 타단은 캡 상으로 이루어진 발열장치부(4)를 장착하여 블로우-바이 가스와 연료를 가열하여 순환되도록 구성한 것이다.

상기 발열장치부(4)는 코일을 권선한 전기히터(12)를 내장하여 소켓식으로 본체(2)에 장착하여 발열장치부(4)의 고장 시 그 수선이 용이하도록 한다.

이때 전기히터(12)는 + 전원과 - 전원을 외부로 노출되도록 하여야 하는 것이고 자동차의 배터리에서 전원을 인가하면 된다.

또한 상기한 본체(2) 유입구(20)(20a)의 지점에는 마그네틱(14)을 설치하여 커넥터(6)를 통하여 유입되는 연료 중 철분성분이 함량 된 것을 제거하면서 분자운동을 활성화시켜 공급토록 한다.

미 설명부호 30은 자동차의 엔진룸에 매연장치를 장착하기 위한 브라켓이다.

상기와 같이 구성된 본 고안의 매연절감장치는 블로-바이 가스호스와 연료호스를 적당한 위치에서 절단한 후 이 절단된 호스를 커넥터(6)에 장착하면 유입구(20)(20a)와 유출구(22)(22a)를 연결한 U형관(10)에 의하여 순환되는 것이다.

따라서 엔진의 크랭크 케이스로부터 배출되는 미 연소 상태의 연료인 탄화수소는 유입구(20)로 유입되어 고열로 가열되어진 발열장치부(4)의 전기히터(12)에 의하여 가열되어 배기가스 중의 유해성분 농도를 저감시켜 유출구(22)로 순환토록 되므로 탄화수소를 태워 순환시켜 주므로 매연을 저감할 수 있는 것이다.

또한 유입구(20a)를 통하여 엔진에 공급되는 연료는 유입구(20a)에 장착된 마그네틱(14)이 철분성분이 함량된 것을 제거하면서 분자운동을 활성화시키면서 가열하여 공급토록 하여 보다 양질의 연료를 엔진에 공급하여 연료를 절감할 수 있는 효과가 있는 것이다.

또한 본 고안의 블로우-바이 가스와 연료를 가열하는 발열장치부(4)는 소켓식으로 본체(2)에 장착되므로 기기의 고장시 그 수리가 용이하여 영구적으로 사용할 수 있는 것이다.

한편 본 고안은 디젤 자동차에 적용한 것으로 설명하였으나 일반 가솔린 자동차에 적용이 가능하고 적용시 블로우-바이 로스 장착 커넥터에 가솔린 자동차의 흡입 매니홀드를 연결하여 장착하면 가솔린 자동차의 매연을 저감함과 동시에 연료를 절감할 수있다.

상술한 바와 같은 본 고안의 매연저감 장치는 미 연소 상태의 연료인 탄화수소를 고열로 가열하여 태워 줌으로써 매연을 저감함과 동시에 엔진에 공급되는 연료의 분자운동을 활성화하면서 가열하므로 엔진에 공급하므로 연료를 절감할 수 있는 장점이 있는 것이다.

Claims (2)

1. 어느 일단은 폐쇄되고 내부는 개구된 상태로 이루어진 매연장치 본체(2), 상기 본체(2)의 폐쇄된 일단에 복수개의 커넥터(6)를 본체(2) 내부에서 U형관(10)으로 연결시켜 구성하고, 상기 본체(2)의 타단은 캡 상으로 이루어진 발열장치부(4)를 장착하여 미 연소 상태인 블로우-바이 가스와 연료를 가열하여 순환되도록 구성한 것을 특징으로 하는 자동차용 연료절감 및 매연저감장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 발열장치부(4)는 전기히터(12)를 내장하여 소켓식으로 본체(2)에 결합되도록 한 것을 특징으로 하는 자동차용 연료절감 및 매연저감장치.