KR200301806Y1 - 배기가스내 황 성분 제거장치 - Google Patents

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Abstract

본 고안은 배기가스 내의 황 성분을 제거하는 탈황 장치에 관한 것으로서, 종래의 배기 계통에 설치되어 배기 다기관을 거친 배기가스가 산소 센서 및 촉매 컨버터로 운송되기 전에 황 성분을 중화 반응 등에 의해 염으로 바꾸어 줌으로써 탈황되게 하는 본 고안의 황 성분 제거장치는 산소 센서나 촉매 컨버터 내의 촉매의 열화를 방지하는 역할을 하는 역할을 할뿐만 아니라 환경문제를 야기시키는 황 성분의 대기 방출을 억제할 수 있는 유용한 장치이다.

Description

배기가스내 황 성분 제거장치
본 고안은 배기가스 내의 황 성분을 제거하는 탈황 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 배기 다기관을 거친 배기가스가 산소 센서 및 촉매 컨버터를 통과하기 전에 탈황되도록 함으로써 산소 센서나 촉매 컨버터 내의 촉매의 열화를 방지하는 역할 및 황 성분이 대기 중으로 방출되는 것을 억제하는 역할을 하는 탈황장치를 제공한다.
20세기 초 미국에서 대량으로 생산되기 시작한 자동차는 현재 그 수가 폭발적으로 증가하여 필수 불가결한 운송수단이 되었다. 자동차가 증가함에 따라 도로의 혼잡, 각종 교통사고와 진동 등에 따른 피해 및 배기가스로 인한 심각한 대기오염 등이 중요한 사회문제로 대두되고 있다.
자동차에서 배출되는 가스는 배기가스, 블로바이가스 (blow-by gas) 및 증발가스로 나누어진다. 이 중에서 배기가스는 연료가 실린더 내에서 연소하여 고온·고압의 가스로 된 후 팽창함으로써 동력을 발생시키는 일을 마치고 배기 파이프로부터 대기중으로 방출되는 가스로서 이 배기가스의 대부분을 차지하는 것은 수증기와 이산화탄소 (CO2)이며, 그밖에 일산화탄소 (CO), 미연 탄화수소 (HC), 질소산화물 (NOx) 및 황 산화물 (SOx) 등의 유해물질이 포함된다. 배기가스 성분 중 특히 질소산화물, 일산화탄소 및 미연 탄화수소 등은 매우 심각한 환경오염을 야기시켜 사회문제로 대두되고 있으며 이러한 물질을 감소시키려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 한편 배기가스 성분 중 황 산화물은 대기 오염의 문제를 야기할 뿐만 아니라 배기가스 중 산소를 검출하는 역할을 하는 산소 센서 (O2sensor)의 고장을 일으키거나 질소산화물, 일산화탄소 및 미연 탄화수소 등의 유해 가스를 촉매를 사용하여 감소시키는 역할을 하는 촉매 컨버터 (catalytic converter) 내의 촉매의 열화를 촉진시켜 결과적으로 대기 오염 문제를 해결하는데 방해 요소로 작용한다. 특히 북미에서 판매되는 연료 중, 캘리포니아를 제외한 나머지 연방 (Federal) 지역에서 판매되는 연료의 경우는 황 성분이 더 많이 포함되어 있어서, 이 지역에서 판매되는 연료를 사용할 경우 연소후 생성된 황 성분이 더욱 문제가 될 수 있다.
종래의 배기 계통은 대부분 도 1에 도시되는 바와 같이, 엔진의 각 연소실과 연결된 배기 다기관 (exhaust manifold; 101)과, 그 배기 다기관과 연결되어 배기가스를 대기중으로 방출하는 배기 파이프 (102)와, 그 배기 파이프 상에 설치되어 배기가스 중의 산소를 검출하는 전방 산소 센서 (front O2sensor; 103) 및 후방 산소 센서 (rear O2sensor; 104)와, 촉매를 이용하여 배기가스의 유해물질을 제거하도록 배기 파이프와 연통되게 설치되는 클로즈드-커플드 촉매 컨버터 [Closed- coupled catalytic converter (CCC); 105] 및 언더-플로어 촉매 컨버터 [Under floor catalytic converter (UCC); 106] 및, 소음기 (미도시) 등으로 구성되어 있다.
종래의 상기와 같은 배기 계통에 황 성분이 미치는 영향은 하기와 같다.
배기가스의 온도가 이슬점 (dew point; 60℃)에 도달하지 않은 경우 SO2또는 SO3기체는 응축되어 H2SO3또는 H2SO4로 존재하는데, 이들의 강한 산성으로 인하여 산소 센서 내부의 전극이 소손되어 고장이 일어날 수 있다. 또한 배기가스의 온도가 이슬점 (60℃) 이상일 경우, 황 성분은 기체 상태인 SO2또는 SO3로 존재하여 촉매 컨버터 내의 촉매 성분인 Pd 또는 Pt-Rh 등에 영향을 미쳐 촉매의 산소-보관 (oxygen-storage) 독성이나 변환 (conversion ) 능력을 저하시킨다.
이에 본 고안자는 종래의 배기 계통에 탈황장치를 첨가하여 배기가스 내의 황 성분을 제거함으로써 황 성분이 제거된 배기가스가 산소 센서 및 촉매 컨버터를 통과하도록 하면 산소 센서 및 촉매에 황 성분이 악영향을 미치는 것을 방지할 수 있음을 알아내어 본 고안을 완성하였다.
본 고안의 목적은 배기가스 내의 황 성분을 제거하는 탈황 장치를 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 배기 계통을 나타낸 것이고,
도 2는 본 고안의 황 성분 제거장치가 장착된 배기 계통을 나타낸 것이고,
도 3a 는 도 2에 나타낸 본 고안에 따른 제 1 탈황 유니트를 나타낸 상세도이고,
도 3b 는 도 2에 나타낸 본 고안에 따른 제 2 탈황 유니트를 나타낸 상세도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명*
1 : 배기 다기관 2 : 배기 파이프
3 : 전방 산소 센서(front O2sensor) 4 : 후방 산소 센서(rear O2sensor)
5 : 클로즈드-커플드 촉매 컨버터 (Closed-coupled catalytic converter)
6 : 언더-플로어 촉매 컨버터 (Under floor catalytic converter)
10 : 제 1 탈황 유니트 13 : CaO 분말이 접착된 부직포
20 : 제 2 탈황 유니트 23 : 액체 및 기체 상태의 암모니아
상기 목적을 달성하기 위하여 본 고안에서는 종래의 배기 계통에 설치됨으로써 배기 다기관을 거친 배기가스가 산소 센서 및 촉매 컨버터로 운송되기 전에 탈황되게 하여 산소 센서나 촉매 컨버터 내의 촉매의 열화를 방지하는 역할을 하는 탈황장치를 제공한다.
이하 본 고안을 상세히 설명하기로 한다.
본 고안에 따른 탈황장치는 도 2에 도시되는 바와 같이, 엔진으로부터 배기 파이프 (2)를 통해 배출되는 배기가스 중의 산소를 검출하는 전방 산소 센서 (3) 및 후방 산소 센서 (4), 촉매를 이용하여 배기가스의 유해물질을 제거하는 클로즈드-커플드 촉매 컨버터 (CCC; 5) 및 언더-플로어 촉매 컨버터 (UCC; 6)를 구비하고 있는 배기계통에 적용된 것이다.
즉, 엔진으로부터의 배기가스가 전후방 산소 센서 (3)(4)들 및 각 촉매 컨버터 (5)(6)에 도달되기 전의 위치인 배기 다기관 (1)과 근접한 위치에 제 1 탈황 유니트 (10)가 설치되어 있고, 그 제 1 탈황 유니트 (10)의 후방에 제 2 탈황 유니트 (20)가 설치되어 있다.
여기서, 상기 제 1 탈황 유니트 (10)는 도 3에 도시되는 바와 같이, 배기 파이프 (2)와 연통되는 공간부를 형성하는 케이스 (11) 내에 CaO 분말이 접착된 부직포 (13)가 내장되는 구성을 가지고 있다.
또한, 상기 제 2 탈황 유니트 (20)는 도 4에 도시되는 바와 같이, 역시 배기 파이프 (2)와 연통되는 공간부를 형성하는 케이스 (21) 내에 액체 또는 기체 상태의 암모니아 (23)가 충전되는 구성을 가지고 있다.
이와 같이 구성되는 본 고안의 작용을 설명하면 다음과 같다.
우선 엔진이 작동되는 상태에서, 배기 다기관 (1)을 통해 배기 파이프 (2)로 배출되는 배기가스는 내부에 CaO 분말이 접착된 부직포 (11)가 설치된 제 1 탈황 유니트 (10)의 케이스 (11)로 유입된다. 이 때 제 1 탈황 유니트 (10)의 케이스 (11) 내에서는 CaO 분말이 H2SO3속에 흡수되어 산·염기 중화반응이 일어나 CaSO3(s)·H2O (s) 염이 생성되는데, 이 때 중화반응은 하기 반응식 1과 같이 수행된다.
Ca2++ SO3 2-+ 1/2 H2O ↔ CaSO3(s)·1/2 H2O (s)
상기 반응식 1과 같은 중화반응의 중간 단계 반응은 하기 반응식 2와 같다.
CaO + H2SO3→ Ca(OH)2+ SO2
H2SO3↔ 2H++ SO3 2-/ Ca(OH)2↔ Ca2++ 2OH-
상기 제 1 탈황 유니트 (10)에서 CaSO3(s)·H2O (s) 염으로 되어 H2SO3및 H2SO4이 제거된 배기가스는 다시 배기 파이프 (2)를 통해 제 2 탈황 유니트 (20)의 케이스 (21)로 유입되면서, 제 2 탈황 유니트 (20)의 케이스 (21) 내에 기상 또는 액상으로 존재하는 암모니아 (23)와 반응해 염을 생성하는데 이 반응은 하기 반응식 3에 나타난 바와 같다.
2NH3+ H2O + SO2→(NH4)2SO3(s)
상기와 같이 제 2 탈황 유니트 (20) 까지 통과하면서 황 성분이 제거된 배기가스는 산소 센서들 (3)(4) 및 촉매 컨버터들 (5)(6)를 거쳐 대기중으로 방출된다.
본 고안의 황 성분 제거장치는 종래의 배기 계통에 설치되어 배기 다기관을 거친 배기가스가 산소 센서 및 촉매 컨버터로 운송되기 전에 응축 상태 (H2SO3, H2SO4)나 기체 상태 (SO2, SO3)의 황 성분을 중화 반응 등에 의해 염으로 바꾸어 제거함으로써 산소 센서나 촉매 컨버터 내의 촉매의 열화를 방지하는 역할을 할뿐만 아니라 환경문제를 야기시키는 황 성분의 대기 방출을 억제할 수 있는 유용한 장치이다.

Claims (1)

  1. 엔진으로부터 배기 파이프를 통해 배출되는 배기가스 중의 산소를 검출하는 산소센서 및 촉매를 이용하여 배기가스의 유해물질을 제거하는 촉매 컨버터를 구비하고 있는 배기계통에 있어서,
    상기 엔진으로부터의 배기가스가 상기 산소센서 및 촉매 컨버터에 도달되기 전의 상기 배기 파이프에 연통되게 설치되며 내부에 CaO 분말이 접착된 부직포가 내장되어 있는 제 1 탈황 유니트와;
    상기 제 1 탈황 유니트 후방부의 상기 배기 파이프와 연통되게 설치되며 내부에 액체 또는 기체 상태의 암모니아가 충전되어 있는 제 2 탈황 유니트를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스내 황 성분 제거장치.
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