KR200242909Y1 - 직렬흡착식배기후처리시스템구조 - Google Patents

Abstract

본 고안은 자동차 배기가스를 정화시키는 컨버터를 직렬로 연결시켜 배기가스중 유해성분을 정화시키는 직렬흡착식 배기정화시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 컨버터의 촉매가 활성화되지 않는 시동초기의 저온상태에서는 탄화수소를 흡착시키고 촉매활성화온도에 도달했을 때 탄화수소를 분리시켜 처리하는 후처리컨버터의 구조에 관한 것이다.

본 고안의 일실시예에 의한 직렬흡착식 배기후처리시스템 구조는 후처리컨버터의 원추형유입부가 절단된 원추형의 구조를 이루고 있어서 고온의 배기가스와 접촉하는 면적을 넓게 하여 열전달을 촉진시킴으로써 후처리컨버터의 온도가 촉매활성화온도까지 신속히 상승되어 후처리컨버터가 정상적으로 작동되기까지의 시간을 단축시켜줄 뿐만 아니라, 후처리컨버터에 유입되는 배기가스가 집중되는 중앙부분을 돌출되도록 하여 후처리컨버터의 내구성을 향상시켜주는 뛰어난 효과가 있다.

Description

직렬흡착식 배기후처리시스템 구조

본 고안은 자동차 배기가스를 정화시키는 컨버터를 직렬로 연결시켜 배기가스중 유해성분을 정화시키는 직렬흡착식 배기정화시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 컨버터의 촉매가 활성화되지 않는 시동초기의 저온상태에서는 탄화수소를 흡착시키고 촉매활성화온도에 도달했을 때 탄화수소를 분리시켜 처리하는 직렬흡착식 배기후처리시스템 구조에 관한 것이다.

가솔린을 연료로 사용하는 자동차의 배기가스에는 인체에 유해하고 대기를 오염시키는 주성분인 HC, CO, NOx 등의 성분이 다량 함유되어 있어서, 일반적으로 상기의 유해성분을 제거시키기 위한 삼원촉매변환기(3-way catalystic converter)를 자동차의 배기관에 장착하여 유해성분을 중화함과 함께, 물(H₂O)과 이산화탄소(CO₂)로 변환시켜 제거한다.

상기의 삼원촉매변환기는 자동차엔진의 시동초기인 촉매가 활성화되기 전의 일정온도이하에서는 유해성분의 제거가 원활히 이루어지지 않으며, 특히 탄화수소(HC)는 촉매가 특정의 활성화온도에 이르지 못할 경우 배기관을 통하여 그대로 배출된다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 도1에 도시된 바와 같이 전처리컨버터(pre- converter)(10)와 후처리컨버터(post-converter)(40)로 이루어진 직렬식 삼원촉매변환기를 이용하여, 저온에서는 탄화수소(HC)가 흡착되나 고온에서는 분리되는 흡착기(adsorber)(30)를 전처리컨버터(10)와 후처리컨버터(40)사이에 설치하고, 상기 흡착기(30)의 중앙홀(31) 전방에 유동분배기(20)를 설치하여, 엔진시동초기 약 120초동안은 전처리컨버터(10)를 거친 배기를 흡착기(30)의 중앙홀(31)을 제외한 외주부(32)로 통과시킴으로써, 흡착기(30)의 외주부(32)내의 허니컴구조체에 탄화수소를 흡착시켜 탄화수소성분을 제거한 후 후처리컨버터(40)로 보내며, 상기 일정시간이 지난 후 후처리컨버터(40)가 탄화수소를 제거시킬 수 있는 일정온도에 달하게 되면 배기가스를 흡착기(30)의 중앙홀(31)을 통하여 바로 후처리컨버터(40)로 유출시킬 뿐만 아니라, 흡착기(30)내에 부착되어 있던 탄화수소(HC)도 역류에 의하여 이탈되어 후처리컨버터(40)에서 무해한 물질로 변환되도록 하는 방법을 사용하여 왔다.

상기의 약 120초라는 시간은 시스템의 종류에 따라 다르며, 주로 전처리컨버터(10)의 온도가 일정치까지 상승하는데 걸리는 시간에 의존한다.

도2a는 삼원촉매변환기의 온도가 촉매를 활성화할 수 있는 일정온도에 도달하기 전에 후처리컨버터(40)로 유입되는 배기가스유동의 수직단면에 대한 속도분포이고, 도2b는 삼원촉매변환기의 온도가 촉매를 활성화할 수 있는 일정온도에 도달한 후에 배기가스가 흡착기(30)의 중앙홀(31)을 직접 통과하여 후처리컨버터(40)로 유입될 때 후처리컨버터(40)에 유입되는 배기가스의 수직단면에 대한 속도분포를 나타낸다.

상기 도2b에서 알 수 있는 바와 같이, 삼원촉매변환기가 일정온도에 도달한 후의 배기가스유동은 흡착기(30)의 중앙홀(31)과 대향하는 후처리컨버터(40)의 중앙부분에 집중된다.

따라서, 도1과 같은 종래의 후처리컨버터의 원통형구조에 의하면 중앙홀과 대향한 부분에만 배기가스가 집중되고 노화 및 마모시켜서 후처리컨버터의 내구성을 크게 감소시키는 문제점이 있었다.

본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 본 고안의 목적은 직렬흡착식 배기후처리시스템에 있어서 고온의 배기가스와 접촉하는 면적을 넓게 하여 열전달을 촉진시킴으로써 후처리컨버터의 온도가 촉매활성화온도까지 신속히 상승되어 후처리컨버터가 정상적으로 작동되기까지의 시간을 단축시켜주는 직렬흡착식 배기후처리시스템 구조를 제공하는데 있다.

본 고안의 다른 목적은 후처리컨버터에 유입되는 배기가스가 집중되는 중앙부분을 돌출되도록 하여 후처리컨버터의 내구성을 향상시키는 직렬흡착식 배기후처리시스템 구조를 제공하는데 있다.

도1은 종래의 직렬흡착식 배기정화시스템의 내부구조를 도시한 절개사시도,

도2는 배기가스가 직렬흡착식 배기정화시스템의 내부를 통과할 때 후처리컨버터의 전방면에 대한 배기가스 유동속도분포를 도시한 그래프로서,

도2a는 직렬흡착식 배기정화시스템이 예열되기전 유동분배기에 의해 흡착기의 외주부로 배기가스가 통과할 때의 그래프이고,

도2b는 직렬흡착식 배기정화시스템이 예열된 후 배기가스가 흡착기의 중앙홀을 통과할 때 후처리컨버터의 전방면에 대한 배기가스 유동속도분포를 도시한 그래프,

도3은 본 고안의 일실시예인 직렬흡착식 배기후처리시스템 구조를 도시한 절개사시도,

도4는 본 고안의 후처리컨버터만을 분리하여 도시한 요부정단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10:전처리컨버터 20:유동분배기

30:흡착기 31:중앙홀

32:외주부 50:후처리컨버터

51:원추형유입부 52:수직절단면

상기 목적을 달성하기 위한 본 고안의 직렬흡착식 배기후처리시스템 구조는 허니컴구조의 전처리컨버터와, 상기 전처리컨버터와 직렬로 설치된 허니컴구조의 후처리컨버터와, 상기 전·후처리컨버터사이에 설치되고 종방향으로 중앙홀이 형성된 허니컴구조의 흡착기와, 상기 중앙홀의 전방에 설치되어 배기가스의 유동방향을 안내하는 유동분배기로 구성된 직렬흡착식 배기정화시스템에 있어서, 상기 후처리컨버터는 흡착기로부터 배기가스가 유입되는 전방이 원추형이고 상기 흡착기의 중앙홀에 대향하는 부분이 수직절단되어 있으며 상기 흡착기의 중앙홀의 직경과 상기 수직절단면의 직경의 비가 0.7 내지 1.3 으로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 고안의 일실시예인 직렬흡착식 배기후처리시스템 구조에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도2는 배기가스가 직렬흡착식 배기정화시스템의 내부를 통과할 때 후처리컨버터의 전방면에 대한 배기가스 유동속도분포를 도시한 그래프로서, 도2a는 직렬흡착식 배기정화시스템이 예열되기전 유동분배기에 의해 흡착기의 외주부로 배기가스가 통과할 때의 그래프이고, 도2b는 직렬흡착식 배기정화시스템이 예열된 후 배기가스가 흡착기의 중앙홀을 통과할 때 후처리컨버터의 전방면에 대한 배기가스 유동속도분포를 도시한 그래프이고, 도3은 본 고안의 일실시예인 직렬흡착식 배기후처리시스템 구조를 도시한 단면도이고, 도4는 본 고안의 후처리컨버터만을 분리하여 도시한 요부정단면도이다.

도3과 도4에 도시한 바와 같이, 본 고안의 일실시예인 직렬흡착식 배기후처리시스템 구조는 허니컴구조의 전처리컨버터(10)와, 상기 전처리컨버터(10)와 직렬로 설치된 허니컴구조의 후처리컨버터(50)와, 상기 전·후처리컨버터(10,50)사이에 설치되고 종방향으로 중앙홀(31)이 형성된 허니컴구조의 흡착기(30)와, 상기 중앙홀(31)의 전방에 설치되어 배기가스의 유동방향을 안내하는 유동분배기(20)로 구성된 직렬흡착식 배기정화시스템에 있어서, 상기 후처리컨버터(50)는 흡착기(30)로부터 배기가스가 유입되는 전방이 원추형이고 상기 흡착기(30)의 중앙홀(31)에 대향하는 부분이 수직절단되어 있으며 상기 흡착기(30)의 중앙홀(31)의 직경과 상기 수직절단면(52)의 직경의 비가 0.7 내지 1.3 으로 형성되어 있다.

상기 유동분배기(20)는 전처리컨버터(10)의 온도가 일정치 이하이면 배기가스가 외주부(32)로 유입되도록 분산시키고, 상기 전처리컨버터(10)의 온도가 일정치 이상이면 배기가스를 분산시키지 않는다.

상기 전처리컨버터(10)와 후처리컨버터(50)는 세라믹 또는 금속의 기질에 삼원촉매(3-way catalyst)로 처리된 허니컴구조의 원통체이고, 상기 흡착기(30)는 종방향의 중앙홀(31)이 형성되어 있으며 세라믹 또는 금속의 기질에 제오라이트(zeolite)로 처리된 허니컴구조의 원통체이다.

상기 흡착기(30)는 제오라이트로 처리되어 있어서 저온일 때에는 탄화수소(HC)를 흡착시키고, 고온일 때에는 분리시키는 성질을 갖는다.

다음에, 이와 같이 구성되어 있는 본 고안의 일실시예에 의한 직렬흡착식 배기후처리시스템 구조에 따른 작용에 대하여 설명한다.

먼저, 자동차가 시동되어 배기관에서 유출된 배기가스가 저온상태의 배기정화시스템에 유입되면, 전처리컨버터(10)를 통과하면서 CO나 NOx 등의 유해물질이 일부제거된 상태에서 흡착기(30)로 유입된다. 이 때, 유동분배기(20)가 배기가스를 흡착기(30)의 외주부(32)로 안내하여 배기가스는 흡착기(30)의 허니컴구조체로 유입되는데, 상기 유동분배기(20)는 전처리컨버터(10)의 온도가 200℃이하일 경우에는 외부로부터 에어를 공급받아 에어를 분사함으로써 중앙홀(31)로의 초기 배기가스진입을 차단하고 흡착기(30)로 초기배기가스를 분배한다.

상기 허니컴구조체는 저온에서 탄화수소(HC)를 흡착시키는 성질이 있으므로 배기가스중의 탄화수소를 허니컴구조체 내부에 흡착시킨 후 후처리컨버터(50)로 유출시킨다.

따라서, 배기가스는 상기 후처리컨버터(50)의 전방에 형성된 원추형유입부(51)로 유입되는데, 상기 원추형유입부(51)의 표면적은 종래의 수직단면형의 표면적보다 훨씬 넓어서 고온의 배기가스가 닿는 면적이 커지므로, 후처리컨버터(50)가 촉매활성화를 위한 온도까지 가열되는 시간을 단축시키게 된다.

상기와 같은 작동은 배기정화시스템이 고온의 배기가스에 의해 촉매를 활성화할 수 있는 일정한 온도로 가열될 때까지 계속되며, 일정한 온도에 도달하게 되면 유동분배기(20)의 배기가스 분산작용이 정지하게 되어 배기가스는 주로 흡착기(30)의 중앙홀(31)을 통과하게 되고, 따라서 배기가스의 유동은 후처리컨버터(50)의 중앙에 형성된 수직절단면(52)으로 집중하여 유입된다. 이 때, 상기 중앙홀(31)을 통과한 배기가스중 일부가 역류에 의해 흡착기(30)로 유입됨과 함께, 고온인 배기가스로부터의 열전달에 의하여, 흡착기(30)의 허니컴구조체내에 부착되어 있던 탄화수소(HC)들은 고온에서 이탈되는 성질에 의하여 분리된 후, 배기가스의 유동을 따라 후처리컨버터(50)로 유입된다.

여기서, 상기 후처리컨버터(50)의 원추형유입부(51)는 절단된 원추형의 구조를 이루고 있어서 중앙부분인 원형의 수직절단면(52)이 돌출되어 있으므로 배기가스유입의 집중에도 충분히 견딜 수 있는 내구성을 갖추게 된다.

앞에서 설명한 바와 같이 본 고안의 일실시예에 의한 직렬흡착식 배기후처리시스템 구조에 의하면, 후처리컨버터의 원추형유입부가 절단된 원추형의 구조를 이루고 있어서 고온의 배기가스와 접촉하는 면적을 넓게 하여 열전달을 촉진시킴으로써 후처리컨버터의 온도가 촉매활성화온도까지 신속히 상승되어 후처리컨버터가 정상적으로 작동되기까지의 시간을 단축시켜줄 뿐만 아니라, 후처리컨버터에 유입되는 배기가스가 집중되는 중앙부분을 돌출되도록 하여 후처리컨버터의 내구성을 향상시켜주는 뛰어난 효과가 있다.

Claims (3)

1. 허니컴구조의 전처리컨버터(10)와, 상기 전처리컨버터(10)와 직렬로 설치된 허니컴구조의 후처리컨버터(50)와, 상기 전·후처리컨버터(10,50)사이에 설치되고 종방향으로 중앙홀(31)이 형성된 허니컴구조의 흡착기(30)와, 상기 중앙홀(31)의 전방에 설치되어 배기가스의 유동방향을 안내하는 유동분배기(20)로 구성된 직렬흡착식 배기정화시스템에 있어서, 상기 후처리컨버터(50)는 흡착기(30)로부터 시동초기에 고온의 배기가스와 접촉하는 면적을 넓게 하여 열전달을 촉진되어 상기 후처리컨버터(50)의 온도가 촉매활성화 온도까지 신속히 상승되어 후처리컨버터가 정상적으로 작동되기까지의 시간이 단축되도록 배기가스가 유입되는 전방이 원추형이고, 상기 흡착기(30)의 중앙홀(31)에 대향하는 부분이 수직 절단된 원통체인 것을 특징으로 하는 직렬흡착식 배기후처리시스템 구조.
2. 제1항에 있어서, 상기 흡착기(30)의 중앙홀(31)의 직경과 상기 수직절단면(52)의 직경의 비가 0.7 내지 1.3 인 것을 특징으로 하는 직렬흡착식 배기후처리시스템 구조.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 후처리컨버터(50)는 세라믹 또는 금속의 기질에 삼원촉매(3-way catalyst)로 처리된 허니컴구조인 것을 특징으로 하는 직렬흡착식 배기후처리시스템 구조.