KR20030047203A - 회전식 담체를 가지는 배기가스 정화장치 및 그 정화방법 - Google Patents

회전식 담체를 가지는 배기가스 정화장치 및 그 정화방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회전식 담체를 가지는 배기가스 정화장치 및 그 정화방법에 관한 것으로서, 배기 시스템에 연결되어서 내부로 유입되는 배기가스를 촉매가 설치된 담체에 통과시켜 정화하고 이 담체가 소정의 지지수단에 의해 지지됨과 동시에 회전 가능하게 설치되는 촉매 컨버터와, 상기 담체와 연결되는 기어수단을 가지며 시동후 배기가스의 촉매 활성화 온도영역 이하의 온도에서 상기 담체를 회전시켜줌으로써 담체의 입구측으로 유입되는 배기가스의 와류를 발생시키는 담체구동부와, 상기 촉매 컨버터를 통과하는 배기가스의 온도를 검출하여 전자제어유니트에 입력하는 온도센서를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 회전식 담체를 가지는 배기가스 정화장치 및 그 정화방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 배기가스의 촉매 활성화 온도영역 이하의 온도에서 담체가 회전되도록 함으로써, 배기가스가 촉매에 의한 화학반응이 촉진됨과 동시에 기존 대비 빠른 시간 내 촉매 활성화 온도로 상승될 수 있고, 시동 직후의 배기가스 정화율을 높임과 동시에 유해성분을 단축된 시간만큼 감소시킬 수 있게 된다.

Description

회전식 담체를 가지는 배기가스 정화장치 및 그 정화방법{Apparatus for purifying exhaust gas having rotary type substrate and purifying method of the same}
본 발명은 회전식 담체를 가지는 배기가스 정화장치 및 그 정화방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배기가스의 촉매 활성화 온도영역 이하의 온도에서 담체를 회전시켜주는 방식을 적용함으로써, 배기가스의 촉매에 의한 화학반응이 촉진됨과 동시에 기존 대비 빠른 시간 내 촉매 활성화 온도로 상승될 수 있고, 이에 따라 시동 직후의 배기가스 정화율을 높임과 동시에 유해성분을 단축된 시간만큼 감소시킬 수 있도록 한 회전식 담체를 가지는 배기가스 정화장치 및 그 정화방법에 관한 것이다.
일반적으로 엔진에서 연소된 배기가스는 배기 매니폴드(exhaust manifold)와 배기 파이프(exhaust pipe)를 거쳐 대기로 배출되는데, 이렇게 배출되는 배기가스는 인체에 유해하고 환경을 오염시킬 수 있는 성분들을 다량 함유하고 있기 때문에 각종 규제를 통하여 대기로 배출되기 전에 반드시 정화처리를 하도록 규제하고 있다.
이를 위하여 차량의 배기 시스템에서는 배기가스 정화장치로서 배기 매니폴드 또는 배기 파이프 도중에 촉매 컨버터(catalytic converter)를 설치하고 있다.
이러한 촉매 컨버터는 배기가스를 통과시켜 유해성분을 정화하는 장치로서, 그 자신은 변화하지 않으면서 다른 물질의 화학반응을 촉진시키는 백금(Pt), 로듐(Rh), 파라듐(Pd) 등의 촉매를 이용하여, 배기가스 중 유해한 일산화탄소(CO),탄화수소(HC), 질소산화물(NOx) 등을 무해한 이산화탄소(CO2), 물(H2O), 질소(N2) 등으로 산화 및 환원시키는 장치이다.
첨부한 도 3은 일반적인 차량용 배기가스 정화장치의 촉매 컨버터를 보여주고 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 촉매 컨버터(10)는 외곽을 이루고 배기가스를 통과시키도록 연결되는 케이스(13)와, 이 케이스(13) 내부에서 배기가스를 통과시켜 화학적 변환과정으로 정화하는 담체(substrate)(14) 등을 포함하여 이루어진다.
상기한 구성요소 중 담체(14)는 촉매가 설치되어 화학적 변환과정의 촉매작용을 제공하는 곳으로서, 벌집 모양의 틈새(미도시됨) 내부 각 표면에 촉매가 코팅되어 촉매층(미도시됨)을 형성하고 있고, 이 촉매층의 촉매작용에 의하여 틈새 내부를 통과하는 배기가스의 산화 및 환원이 이루어지도록 되어 있다.
결국, 각 실린더(미도시됨)로부터 배출된 배기가스는 배기 매니폴드(미도시됨)로 유도된 후 촉매 컨버터(10)의 입구부 콘(12)을 통해 담체(14)의 입구측으로 유입되고, 이후 담체(14)의 틈새를 통과하면서 배기가스의 유해성분이 무해성분으로 산화 및 환원된 후 출구부 콘(15)을 통해 배기 파이프(미도시됨)로 흐르게 되는 것이다.
상기와 같은 구조의 촉매 컨버터로는 현재 3원촉매(TWC:Three-Way Catalyst)방식이 가장 많이 이용되고 있고, 이는 상기 언급한 배기가스의 3가지 유해성분, 즉 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx)을 동시에 정화시키는 방식이다.
이러한 촉매 컨버터에서는 촉매가 활성화되고 담체 및 촉매의 열적노화현상이 발생하지 않는 400 ~ 800℃ 영역에서 정화작용이 활발하게 일어나게 된다.
즉, 촉매의 정상적인 작동을 위하여 필요한 온도는 400℃ 이상이나, 현재 차량의 배기가스 중 대부분의 유해성분이 400℃ 도달 전, 즉 시동 직후에 대량으로 배출되기 때문에, 이때 배출되는 유해성분의 양이 전체 배기량에 있어서 매우 큰 비중을 차지하고 있다.
따라서, 시동 직후 배출되는 유해성분의 양을 줄이고 배기가스규제를 만족시키기 위해서는 촉매의 온도가 400℃에 도달하여 정상상태로 되는 시간(light off time)을 짧게 하여야 한다.
그러나, 배기가스 저감에 대한 각국의 법규가 점차 강화되고 있는 가운데, 종래의 촉매 컨버터에서는 시동 직후와 실제 주행시가 동일한 정화 메커니즘을 가지므로, 이 정화 메커니즘만으로는 시동 직후 배기가스의 유해성분을 저감시키는데 한계가 있다.
또한, 종래의 촉매 컨버터에서는 입구부 콘을 통해 담체의 입구측으로 유입되는 배기가스의 배기라인이 직선형태로 되어 있는 바, 시동 초기에는 담체 중앙부만 가열되면서 정화가 이루어지고 담체의 가장자리는 활성화가 지연되면서 시동 초기 촉매 컨버터의 전체적인 정화율을 떨어뜨리는 결과를 초래하였다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 배기가스의 촉매 활성화 온도영역 이하의 온도에서 담체가 회전되도록 하여 담체의 입구측에서 배기가스의 와류를 발생시키고, 이로써 배기가스가 담체의 입구측 전면에서 균일하게 퍼지게 함은 물론 담체 내부 각 표면에 균일하게 퍼지게 함으로써, 촉매에 의한 배기가스의 화학반응이 촉진됨과 동시에 빠른 시간 내에 촉매 활성화 온도로 상승되도록 하고, 시동 직후 담체의 촉매에 의한 배기가스 정화율을 높임은 물론 배기가스의 유해성분을 단축된 시간만큼 감소시키게 되는 회전식 담체를 가지는 배기가스 정화장치 및 그 정화방법을 제공하고자 한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 배기가스 정화장치의 구성을 보여주는 단면도
도 2는 본 발명에 따른 배기가스 정화방법을 설명하기 위한 흐름도
도 3은 일반적인 차량용 배기가스 정화장치를 보여주는 단면도
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 촉매 컨버터13 : 케이스
14 : 담체17 : 지지수단
18 : 지지부재19 : 중심봉
20 : 담체구동부22 : 모터
23 : 구동축24 : 기어수단
25 : 구동기어26 : 종동기어
27 : 하우징30 : 온도센서
40 : 전자제어유니트
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 배기가스 정화장치는 배기 시스템에 연결되어서 내부로 유입되는 배기가스를 촉매가 설치된 담체(14)에 통과시켜 정화하고 이 담체(14)가 소정의 지지수단(17)에 의해 지지됨과 동시에 회전 가능하게 설치되는 촉매 컨버터(10)와, 상기 담체(14)와 연결되는 기어수단(24)을 가지며 시동후 배기가스의 촉매 활성화 온도영역 이하의 온도에서 상기 담체(14)를 회전시켜줌으로써 담체(14)의 입구측으로 유입되는 배기가스의 와류를 발생시키는 담체구동부(20)와, 상기 촉매 컨버터(10)를 통과하는 배기가스의 온도를 검출하여 전자제어유니트(40)에 입력하는 온도센서(30)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 담체구동부(20)는 모터(22)의 구동축(23)에 장착되는구동기어(25)와, 링형으로 되어 원주면상에 치형이 형성된 것으로서 상기 구동기어(25)와 치합됨과 동시에 담체(14)에 일체로 설치되어서 구동기어(25)의 회전시 담체(14)를 회전시키는 종동기어(26)로 구성되는 기어수단(24)을 통해 담체(14)와 연결되는 구동축(23)을 가지며 전자제어유니트(40)에 의해 시동후 상기 온도센서(30)로부터 검출된 배기가스의 온도상태에 따라 구동이 제어되는 모터(22)와; 이 모터(22)를 촉매 컨버터(10) 일측에 고정하기 위한 하우징(27)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 지지수단(17)은 촉매 컨버터(10) 내부 중심을 따라 나란하게 배치되면서 담체(14) 전방 및 후방에 설치되는 지지부재(18)와, 이 지지부재(18)에 의해 양 단부를 지지함과 동시에 담체(14) 중앙에서 적어도 3개의 지지부재(18)가 방사상으로 연장되어 콘(12,15) 내벽에 고정되고 담체(14)를 회전 가능하게 지지하는 중심봉(19)으로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 배기가스 정화방법은 시동스위치로부터 입력된 시동신호를 통해 시동걸림을 인지하는 제1단계와, 상기 제1단계의 상태에서 촉매 컨버터를 통과하는 배기가스의 온도를 검출하는 온도센서로부터 입력된 신호를 판단하여 그 온도가 촉매 활성화 온도영역 이하의 온도인가를 판단하는 제2단계와, 상기 제2단계의 조건이 만족되면 모터의 구동전원을 단속하는 스위치를 온 시키는 제3단계와, 상기 제3단계로 인하여 모터가 구동함으로써 기어수단을 통해 담체를 회전시키는 제4단계와, 상기 제4단계의 상태에서 배기가스의 온도가 800℃ 이상이면 모터의 구동을 정지시켜 담체의 회전을 중지시키는 제5단계로 행하여지는 것을 특징으로 한다.
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 배기가스 정화장치의 구성을 보여주는 단면도이다.
미설명부호 11과 16은 배기 시스템과의 연결을 위한 플랜지부를 나타낸다.
도 1에 도시한 바와 같이, 엔진(미도시됨)에서 연소된 배기가스는 배기 매니폴드(미도시됨)로 유도된 후 촉매 컨버터(10)의 입구부 콘(12)을 통해 담체(14)의 입구측으로 유입되고, 이후 담체(14)를 통과하면서 배기가스의 유해성분이 무해성분으로 산화 및 환원된 후 출구부 콘(15)을 통해 배기 파이프(미도시됨)로 흐르게 된다.
상기 담체(14)는 촉매가 설치되어 상기한 화학적 변환과정의 촉매작용을 제공하는 곳으로서, 이는 종래기술에서 설명한 바와 같다.
본 발명의 배기가스 정화장치에서는 상기 담체(14)가 케이스(13) 내부에서 소정의 지지수단(17)에 의해 지지됨과 동시에 회전 가능하게 설치된다.
상기 지지수단(17)은 그 일례로서, 촉매 컨버터(10) 내부 중심을 따라 나란하게 배치되면서 담체(14) 전방 및 후방에 설치되는 지지부재(18)와, 이 지지부재(18)에 의해 양 단부를 지지함과 동시에 담체(14) 중앙에서 적어도 3개의 지지부재(18)가 방사상으로 연장되어 콘(12,15) 내벽에 고정되고 담체(14)를 회전 가능하게 지지하는 중심봉(19)으로 구성된다.
여기서, 상기 지지부재(18)는, 도 1에서와 같이, 그 다수개가 입구부 콘(12) 및 출구부 콘(15)에 설치될 수 있다.
결국, 상기 담체(14)는 중심봉(19)을 중심으로 회전되는 것이며, 본 발명은 이 담체(14)에 회전력을 제공하는 담체구동부(20)를 포함한다.
상기 담체구동부(20)는 전자제어유니트(40)에 의해 그 구동이 제어되는 것으로서, 담체(14)에 연결되는 기어수단(24)을 가지며, 시동 직후 배기가스의 촉매 활성화 온도영역 이하의 온도에서 담체(14)를 회전시켜준다.
즉, 상기 담체구동부(20)는 전자제어유니트(40)에 의해 구동이 제어되는 모터(22)와, 이 모터(22)를 촉매 컨버터(10) 일측에 고정하기 위한 하우징(27)으로 구성되며, 상기 모터(22)는 기어수단(24)을 통해 담체(14)에 연결되는 구동축(23)을 가진다.
상기 기어수단(24)은 모터(22)의 구동축(23)과 담체(14)를 연결하는 일종의 동력전달수단으로서, 모터(22)의 구동력을 담체(14)에 전달하는 바, 모터(22) 구동시 담체(14)가 회전될 수 있는 것이다.
바람직한 실시예로서, 상기 기어수단(24)은 모터(22)의 구동축(23)에 장착되는 구동기어(25)와, 이 구동기어(25)와 치합됨과 동시에 담체(14)의 일측에 일체로 설치되는 종동기어(26)로 구성된다.
여기서, 상기 종동기어(26)는 담체(14)를 통과하는 배기가스의 유동에 방해되지 않도록 링형으로 되어 원주면상에 치형이 형성된 것으로서, 회전됨에 따라 담체(14)도 회전되도록 설치된 것이다.
상기 종동기어(26)은, 도 1에서와 같이, 담체(14)의 전단, 즉 담체(14)의 입구측에 설치될 수 있다.
상기 구동기어(25)는 촉매 컨버터(10)의 외부에 고정 설치된 모터(22)의 구동축(23)에 장착됨과 동시에 종동기어(26)와의 치합을 위하여, 그 일부가 촉매 컨버터(10) 내부로 삽입되어 있는 구조이다.
따라서, 촉매 컨버터(10)의 케이스(13)상에 형성시킨 구동기어(25)가 통과하는 홀에는 시일링부재(29)가 설치되어 배기가스의 누설을 최소화해야 할 것이다.
물론, 케이스(13)의 홀과 구동기어(25)간에 개재되는 시일링부재(29)는 누설은 최소화하지만 구동기어(25)의 회전에는 방해가 되지 않도록 설치되어야 한다.
또한, 본 발명의 배기가스 정화장치는 촉매 컨버터(10)를 통과하는 배기가스의 온도를 검출하여 검출값에 따른 신호를 출력하는 온도센서(30)를 포함한다.
상기 온도센서(30)는 출구부 콘(15)의 일측에 설치되는 것이 바람직하다.
상기 온도센서(30)로부터 출력된 신호는 모터(22)의 구동을 제어하는 전자제어유니트(40)로 입력되는 바, 이 전자제어유니트(40)는 시동스위치(50)와 온도센서(30)로부터 각각 입력되는 시동신호와 온도신호를 통해 모터(22)의 구동을 제어하게 된다.
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 배기가스 정화방법을 설명하기 위한 작동흐름도로서, 이를 참조하여 본 발명의 배기가스 정화방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 차량의 전자제어유니트(40)는 운전자가 시동을 걸게 됨과 동시에 시동스위치(50)로부터 시동신호를 입력받아 엔진의 시동이 걸렸음을 인지한다.
이 상태에서 전자제어유니트(40)는 온도센서(30)로부터 출력된 신호를 입력받아 촉매 컨버터(10)를 통과하는 배기가스의 온도(T)를 미리 설정 입력된 기준 온도(Tr)와 비교하여 판단한 후 모터(22)의 구동 여부를 결정하게 된다.
즉, 상기 전자제어유니트(40)는 촉매 컨버터(10)을 통과하는 배기가스의 온도(T)가 기준 온도(Tr) 이하일 때 모터(22)의 구동전원을 단속하는 스위치(42)를 온(on) 시켜 모터(22)에 구동전원을 인가한다.
물론, 상기 모터(22)는 구동전원을 공급받음과 동시에 담체를 회전시키게 된다.
또한, 상기 전자제어유니트(40)는 촉매 컨버터(10)를 통과하는 배기가스의 온도(T)가 기준 온도(Tr)를 넘어서게 될 때 스위치(42)를 오프시켜 모터(22)의 구동을 오프시키고, 이후 담체(14)의 회전이 정지된 상태에서 정화 메커니즘이 이루어지게 한다.
여기서, 상기 기준 온도(Tr)는 담체(14)의 촉매가 활성화되고 담체 및 촉매의 열적노화현상이 발생하지 않는 온도영역, 즉 촉매 활성화 온도영역을 고려하여 그 최대임계온도로 설정하는 것이 바람직하다.
즉, 상기 기준 온도(Tr)는 종래기술에서 언급한 400 ~ 800℃의 촉매 활성화 온도영역에서 그 최대임계온도인 800℃로 설정하는 게 바람직하다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 회전식 담체를 갖는 배기가스 정화장치 및 그 정화방법에서는 전자제어유니트가 시동의 걸림과 배기가스의 촉매 활성화 온도영역 이하의 온도(또는 기준 온도 이하의 온도)임을 판단하여 담체를 회전시켜주고, 촉매 활성화 온도영역을 넘어서게 되면(또는 기준 온도를 초과하는 온도로 상승하게 되면) 담체의 회전을 정지시키게 된다.
이상에서 상술한 바와 같이, 배기가스의 촉매 활성화 온도영역 이하의 온도에서 담체가 회전되도록 함으로써, 입구부 콘을 통하여 유입된 배기가스는 담체의 입구측에서 와류가 발생됨과 동시에 담체의 입구측 전면에 균일하게 퍼지게 되고, 담체의 입구측으로 유입되는 배기가스의 양도 증가시킬 수 있게 된다.
또한, 와류 발생으로 인하여 담체 틈새 내부로 유입된 배기가스도 촉매로 코팅된 각 표면에 균일하게 퍼질 수 있게 되며, 결국 전체적으로 배기가스와 담채 표면간의 접촉면적이 극대화될 수 있게 된다.
상기와 같이 배기가스와 담채 표면간의 접촉면적이 극대화되면 배기가스는 촉매에 의한 화학반응이 촉진됨과 동시에 그 온도가 상승하여 기존 대비 빠른 시간 내 촉매 활성화 온도로 상승하게 된다.
결국, 시동 직후 담체의 촉매에 의한 배기가스 정화율을 높일 수 있고, 배기가스의 유해성분을 단축된 시간만큼 감소시킬 수 있게 된다.

Claims (4)

  1. 배기 시스템에 연결되어서 내부로 유입되는 배기가스를 촉매가 설치된 담체(14)에 통과시켜 정화하고 이 담체(14)가 소정의 지지수단(17)에 의해 지지됨과 동시에 회전 가능하게 설치되는 촉매 컨버터(10)와, 상기 담체(14)와 연결되는 기어수단(24)을 가지며 시동후 배기가스의 촉매 활성화 온도영역 이하의 온도에서 상기 담체(14)를 회전시켜줌으로써 담체(14)의 입구측으로 유입되는 배기가스의 와류를 발생시키는 담체구동부(20)와, 상기 촉매 컨버터(10)를 통과하는 배기가스의 온도를 검출하여 전자제어유니트(40)에 입력하는 온도센서(30)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 회전식 담체를 가지는 배기가스 정화장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 담체구동부(20)는 모터(22)의 구동축(23)에 장착되는 구동기어(25)와, 링형으로 되어 원주면상에 치형이 형성된 것으로서 상기 구동기어(25)와 치합됨과 동시에 담체(14)에 일체로 설치되어서 구동기어(25)의 회전시 담체(14)를 회전시키는 종동기어(26)로 구성되는 기어수단(24)을 통해 담체(14)와 연결되는 구동축(23)을 가지며 전자제어유니트(40)에 의해 시동후 상기 온도센서(30)로부터 검출된 배기가스의 온도상태에 따라 구동이 제어되는 모터(22)와; 이 모터(22)를 촉매 컨버터(10) 일측에 고정하기 위한 하우징(27)을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식 담체를 가지는 배기가스 정화장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 지지수단(17)은 촉매 컨버터(10) 내부 중심을 따라 나란하게 배치되면서 담체(14) 전방 및 후방에 설치되는 지지부재(18)와, 이 지지부재(18)에 의해 양 단부를 지지함과 동시에 담체(14) 중앙에서 적어도 3개의 지지부재(18)가 방사상으로 연장되어 콘(12,15) 내벽에 고정되고 담체(14)를 회전 가능하게 지지하는 중심봉(19)으로 구성된 것을 특징으로 하는 회전식 담체를 가지는 배기가스 정화장치.
  4. 시동스위치로부터 입력된 시동신호를 통해 시동걸림을 인지하는 제1단계와, 상기 제1단계의 상태에서 촉매 컨버터를 통과하는 배기가스의 온도를 검출하는 온도센서로부터 입력된 신호를 판단하여 그 온도가 촉매 활성화 온도영역 이하의 온도인가를 판단하는 제2단계와, 상기 제2단계의 조건이 만족되면 모터의 구동전원을 단속하는 스위치를 온 시키는 제3단계와, 상기 제3단계로 인하여 모터가 구동함으로써 기어수단을 통해 담체를 회전시키는 제4단계와, 상기 제4단계의 상태에서 배기가스의 온도가 800℃ 를 초과하면 모터의 구동을 정지시켜 담체의 회전을 중지시키는 제5단계로 행하여지는 것을 특징으로 하는 회전식 담체를 가지는 배기가스 정화장치의 정화방법.
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