KR200430953Y1 - 자동차 배기가스 처리장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 단일의 처리장치에 의해 엔진에서 배기관으로 배출되는 배기가스의 특성에 따라 배기가스를 순차적이고 효율적으로 완벽하게 처리함으로써 환경오염을 저감시킬 수 있는 자동차 배기가스 처리장치를 제공한다. 이와 같은 자동차 배기가스 처리장치는 엔진으로부터 배출되는 배기가스 중의 유해물질이 분해 처리되도록 배기관상에 설치되는 자동차의 배기가스 처리장치에 있어서, 분해케이스, 자외선분해처리부, 마이크로웨이브 조사부 및 고온분해처리부가 순차적으로 구성되는 것을 특징으로 한다. 분해케이스는 엔진으로부터 배출되는 배기가스가 유입된다. 자외선분해처리부는 분해케이스의 배기가스 유입측 내부에 설치되는 광촉매 메쉬와 광촉매 메쉬에 자외선을 조사시키도록 설치되는 자외선발광체가 구비된다. 마이크로웨이브 조사부는 자외선분해처리부와 접한 분해케이스의 내부에 설치되고 마이크로웨이브를 발진시켜 유해가스를 분해시킨다. 고온분해처리부는 마이크로웨이브 조사부와 접한 배출측에 설치되어 배기가스에 고열을 인가시켜 잔류되는 유해가스를 열분해시킨다.

Description

자동차 배기가스 처리장치{APPARATUS FOR PURIFICATION OF EXHAUST GASES }

도 1은 본 고안에 따른 자동차 배기가스 처리방법을 설명하기 위한 공정도,

도 2는 본 고안에 따른 자동차 배기가스 처리장치의 기술적 사상을 나타내는 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

20:배기관, 100:배기가스 처리장치,

110:분해케이스, 120:자외선분해처리부,

122:광촉매 메쉬, 124:자외선발광체,

130:마이크로웨이브 조사부, 132:마이크로웨이브 조사기,

134:전기승압장치, 140:고온분해처리부.

본 고안은 자동차 배기가스 처리장치에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 엔 진에서 배기관으로 배출되는 배기가스 중에 포함된 유해물질을 단일의 장치내에서 여러가지 방법으로 순차적으로 분해할 수 있는 자동차 배기가스 처리장치에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 배기가스에는 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx) 등의 인체에 유해한 물질이 다량 함유되어 대기환경을 오염시키는 주원인으로 작용되고 있다. 따라서 자동차의 배기관에는 배기가스중의 CO, HC 등을 산화시켜 CO₂와 H₂O로 만들며, NOx에 대해서는 환원시켜 N₂와 O₂로 변화시켜 배출시키도록 삼원촉매가 주로 사용되는 촉매컨버터를 채용되어 있다.

그러나 종래의 삼원촉매는 배기가스온도가 일정온도 이상인 조건하에서 그 정화효율을 유지할 수 있으므로 별도의 히터를 삼원촉매 입력측에 설치해야 하고, 또한 삼원촉매의 성분이 귀금속을 포함하고 있으므로 제품의 생산단가가 높아지게 되는 문제점이 있었다.

그리고 삼원촉매방법에 의해 배기가스를 처리하는 경우에는 HC, CO, NOx 등의 각 오염물질에 대한 촉매를 각각 선택하여야 하고 촉매의 대부분이 고가이며 처리시 압력손실이 발생되는 문제점이 있고, 미반응 탄화수소나 SOx에 의한 촉매오염의 제거가 용이하지 못하여 정화효율이 저하되는 문제점이 있다.

이에 따라 최근에는 배기가스의 처리를 위한 다양한 장치들이 개발되고 있는데, 그 예로서 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0451427호의 "마이크로웨이브를 이용한 디젤 자동차의 배기가스 정화장치"가 제안되고 있다. 이에 따르면 반응기의 내부에 파이렉스관, 필터가 내장되고 상기 파이렉스관에는 고밀도 마이크로웨이브를 발진시키는 마그네트론과 연결된 코일이 권취되어 파워서플라이로부터 공급되는 고전압에 의한 공진작용이 수행되도록 구성된 것으로, 마이크로웨이브의 공진작용에 의해 무해한 가스로 분해되고, 불완전연소로 인해 생성된 탄화물로 되어 있는 먼지, 매연 등의 입자상 물질들은 마이크로웨이브에 유전가열원리를 이용하여 완전연소를 제거함으로서 최종적으로 물과 이산화탄소, 질소와 같은 무해한 성분만 대기중으로 배출되도록 하였다.

그리고 대한민국 등록특허공보 공고번호 제10-0188233호에는 프라즈마 정화장치의 방전전극을 내산성, 내마모성 및 도전성이 우수한 금속 또는 그 합금으로 길이가 길게 구성하여 배기가스의 정화효율을 크게 높이고 수명을 연장시키도록 한 "플라즈마를 이용한 디젤자동차의 배기가스 정화장치"를 제안하고 있다. 또한 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0293565호의 "자동차 배기가스 재연소처리장치"에는 자동차 배기가스의 유해한 성분을 별도의 연소열의 부가없이 히트파이프(Heat pipe)를 써서 엔진에서 배출되는 배기가스의 온도를 열손실없이 이용하여 배기가스이 유해성분을 2차 연소시켜 완전연소에 가깝게 제거하고 잔존하는 마이크로 단위의 미세한 입도의 유해성분은 내부가 공간부로 된 관형 필터를 통과하게 하므로서 여과되게 하여 최종적으로 배출되는 배기가스는 인체에 무해한 청정공기만을 배출되게 한 기술을 제안하고 있다.

그러나 상술한 바와 같은 종래기술들은 자동차의 배기가스를 처리함에 있어서 삼원촉매, 마이크로웨이브 또는 방전전극 등을 이용하여 해당 장치의 특성과 작용에 따라 배기가스를 처리하게 되지만 각각 개별적으로 설치되는 장치이므로 한번에 다양한 종류의 유해가스나 미세한 입자 형태의 유해물질을 모두 다 처리할 수 없고 그 처리효율 또한 한정되어 있으므로 유해한 배기가스나 미세 입자들이 불완전 처리되어 방출되므로서 환경오염을 완벽하게 차단시킬 수 없는 문제점이 있엇다. 이에 따라 배기가스의 완벽한 처리를 위해서는 별도로 각각의 처리장치를 부가적으로 설치하여야 하나 자동차의 구조적인 문제점으로 그 설치가 어렵고 배기라인이 지나치게 길어져 엔진출력에 악영향을 초래하게 등 다양한 문제점이 유발될 뿐만 아니라 설치비용이 과다하게 증가되는 문제점이 있었다.

본 고안은 단일의 처리장치에 의해 엔진에서 배기관으로 배출되는 배기가스의 특성에 따라 배기가스를 순차적이고 효율적으로 완벽하게 처리할 수 있도록 구성됨으로써 설치가 용이하고 엔진출력에 악영향을 미치지 않으면서 환경오염을 현저히 저감시킬 수 있도록 한 자동차 배기가스 처리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 고안의 특징에 의하면, 본 고안은 엔진으로부터 배출되는 배기가스 중의 유해물질이 분해 처리되도록 배기관상에 설치되는 자동차의 배기가스 처리장치에 있어서, 상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스가 유입되는 분해케이스와; 상기 분해케이스의 배기가스 유입측 내부에 설치되는 광촉매 메쉬와 상기 광촉매 메쉬에 자외선을 조사시키도록 설치되는 자외선발광체가 구비된 자외선분해처리부와; 상기 자외선분해처리부와 접한 분해케이스의 내부에 설치되고 마이크로웨이브를 발진시켜 유해가스를 분해시키는 마이크로웨이브 조사부와; 상기 마이크로웨이브 조사부와 접한 배출측에 설치되어 배기가스에 고열을 인가시켜 잔류되는 유해가스를 열분해시키는 고온분해처리부가 순차적으로 구성된 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 고안에 따른 자동차 배기가스 처리장치에서 상기 자외선분해처리부는 광촉매 메쉬와 자외선발광체가 교번적으로 반복 설치되어 광화학반응이 반복 수행되도록 구성되고, 상기 광촉매 메쉬는 내열성 및 내부식성을 갖는 메쉬에 이산화티탄늄(TiO₂)이 코딩되어 구성될 수 있다.

이와 같은 본 고안에 따른 자동차 배기가스 처리장치에서 상기 자외선발광체는 상기 광촉매 메쉬와 대응되는 분해케이스의 내면상에 설치되는 다수 개의 UV 발광다이오드로 구성될 수 있다.

이하 본 고안의 바람직한 실시예를 첨부된 도면 도 1 내지 도 2에 의거하여 상세히 설명하고, 도 1 내지 도 2에 있어서 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조번호를 부여한다. 한편 각 도면에서 일반적인 기술로부터 이 분야의 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성과 그에 대한 작용 및 효과에 대한 도시 및 상세한 설명은 간략히 하거나 생략하고 본 고안과 관련된 부분들을 중심으로 도시하였다.

도 1은 본 고안에 따른 자동차 배기가스 처리방법을 설명하기 위한 공정도, 도 2는 본 고안에 따른 자동차 배기가스 처리장치의 기술적 사상을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 고안에 따른 자동차 배기가스 처리방법은 엔진으로부터 배출되어 배기가스 처리장치로 유입되는 배기가스 중의 유해물질을 자외선 분해처리단계(12)와, 마이크로웨이브 분해처리단계(14)와, 열분해처리단계(16)를 순차적으로 시행하여 처리한다.

상기 자외선 분해처리단계(12)는 광촉매 메쉬에 자외선을 조사시켜 상기 배기가스 처리장치로 유입되어 상기 광촉매 메쉬로 통과되는 배기가스의 유해물질을 광화학반응에 의해 산화시켜서 분해 처리하는 단계로서 상기 광촉매 메쉬에 코팅되 는 광촉매는 이산화티탄늄(TiO₂)이고 상기 광촉매 메쉬에 인가되는 자외선 254nm 정도의 파장을 갖는 UV-자외선으로 조사됨이 바람직하다.

그리고 상기 배기가스가 유동되는 이산화티탄늄(TiO₂)이 코팅된 광촉매 메쉬에 자외선 램프가 빛을 조사하게 되면 전자(electron)와 전공대(electron hole)가 형성되어 강한 산화력을 가진 하이드록실 라디칼(OH)과 슈퍼옥사이드(O₂-)를 생성하게 되고, 이와 같이 생성된 하이드록실 라디칼(OH)과 슈퍼옥사이드(O₂-)가 유기화합물을 산화 분해시켜서 무해한 물(H₂O)과 탄산가스(CO₂)로 변화시키게 된다. 즉 배기가스 중에 포함된 유해물질을 산화분해시켜서 무해한 물과 탄산가스로 변화시키고 유해물질인 유기화합물을 분해시키게 되는 것으로 그 화학식은 일반적이므로 상세한 도시를 생략한다.

또한 상기 하이드록실 라디칼(OH)의 산화력은 다른 산화제와 산화력을 비교하여 보면 월등히 높은 산화, 환원 전위를 가지기 때문에 NOx, 휘발성유기화합물, 각종 악취물질을 효과적으로 분해할 수 있고, 각종 폐수, 난분해성 오염물질, 환경호르몬 등을 완벽히 제거할 수 있을 뿐만 아니라 각종 병원균의 살균효과도 뛰어나다.

상기 마이크로웨이브 분해처리단계(14)는 상기 자외선 분해처리단계(12)가 수행된 배기가스에 잔류되는 유해물질을 마이크로웨이브를 조사시켜 산화 및 환원 작용에 의해 2차적으로 분해 처리시키는 단계로서, 이와 같은 단계(14)는 저전압을 승압시키는 전기승압장치로부터 인가되는 고전압에 의해 마이크로웨이브 조사기가 고밀도 마이크로웨이브를 발진 조사하게 되면 유해물질은 유전가열원리에 의해 온도 400℃ 전후의 온도에서 산화 및 환원되면서 물, 이산화탄소 또는 질소 가스로 변환하게 되는데 이와 같은 반응의 예로서 이산화질소(NO₂)의 분해과정을 살펴보면 하기와 같다. 그리고 상기 마이크로웨이브 조사기에 의해 발진되는 주파수는 엔진의 출력이나 차종, 사용연료에 따라 300MHz ~ 30GHz 정도의 범위에서 조정하여 조사하게 되고 이때 상기 마이크로웨이브 조사기에는 주파수 12V ~ 24V의 저전압으로 인가되는 기초전압이 전기승압장치에 의해 대략 2000V 정도로 승압되어 공급됨으로서 가능하게 된다.

NO₂ ------> N+ + 2O- + e(여기전자)

상기와 같은 화학식으로 반응되어 변화된 이온과 라디칼은 하기와 같은 재반응들이 발생하여 최종적으로 인체에 무해한 가스로 분해된다.

N+ + N+ ------------>N₂

O- + H+ + H+ ------>H₂O

C+ + O- + E ------>CO₂

CO- + E ------------->CO₂

상기와 같은 화학식에 따른 반응에 의해 잔류되는 유해물질은 2차로 분해 처리되어 무해가스로 변화된 상태에서 후술되는 열분해처리단계(16)가 시행되도록 배기가스 처리장치의 배출측으로 유동된다.

상기 열분해처리단계(16)는 상기 마이크로웨이브 분해처리단계(14)가 시행된 배기가스에 잔류되는 유해물질을 재가열하여 열분해 시키는 단계이고 이와 같은 단계에 의해 처리된 배기가스는 배기관을 타고 흘러 소음기를 통해 대기중으로 방출된다. 그리고 상기와 같은 열분해처리단계(16)는 예컨대 공급되는 전원에 의해 일정한 온도로 가열되는 히터에 의해 구성됨으로써 유해가스나 먼지, 그을음과 같은 유해물질을 고온의 열에 의해 분해시킬 수 있다.

한편 본 고안에 따른 자동차 배기가스 처리방법은 상술한 바와 같이 광촉매에 의한 자외선 분해처리단계(12)와, 마이크로웨이브 분해처리단계(14)와, 열분해처리단계(16)에 의한 다단의 처리과정에 의해 분해된 후 배출되므로 유해물질의 배출량이 현저히 감소되어 환경오염을 저감시킬 수 있는 것이다.

이하 본 고안에 따른 자동차 배기가스 처리장치를 상세히 설명한다.

본 고안에 따른 자동차 배기가스 처리장치(100)는, 도 2에 도시된 바와 같이 엔진으로부터 배출되는 배기가스가 대기중으로 방출되도록 구성되는 배기관(20)상에 설치되는 분해케이스(110)와, 상기 분해케이스(110)의 내부에 내장되는 광촉매 메쉬(122)와 상기 광촉매 메쉬(122)에 자외선을 조사시키도록 설치되는 자외선발광체(124)가 교번적으로 반복 설치되어 구성된 자외선분해처리부(120)와, 상기 자외선분해처리부(120)와 접한 분해케이스(110)의 내부에 설치되어 마이크로웨이브를 발진시켜 유해가스를 분해시키는 마이크로웨이브 조사부(130)와, 상기 마이크로웨이브 조사부(130)와 접한 배출측에 배기가스에 고열을 인가시켜 잔류되는 유해가스를 분해시키는 고온분해처리부(140)가 내장된다.

상기 분해케이스(110)는 상기 자외선분해처리부(120), 마이크로웨이브 조사부(130) 및 고온분해처리부(140)가 내장되도록 일정한 크기의 내부공간이 형성된 케이스본체(112)와, 상기 케이스본체(112)의 입구측에 형성되어 엔진측과 연결되는 배기관(20)과 접속되는 입구측 연결부(114)와, 상기 케이스본체(112)의 배출측에 형성되어 소음기측과 연결되는 배기관(20)과 접속되는 배출측 연결부(116)가 형성된다.

상기 자외선분해처리부(120)에서 광촉매 메쉬(122)는 알루미늄 등와 같은 내열성 내부식성을 갖는 재질로 형성된 여러 장의 메쉬에 광촉매로서 이산화티탄늄(TiO₂)이 코딩되어 형성되는데, 상기 메쉬에 코딩되는 광촉매는 상기한 이산화티탄늄(TiO₂)으로 제한되는 것은 아니며 CdS와 같은 금속황화물, CdSe와 같은 금 속 켈코게나이트 또는 Si, Ga, As 등으로도 형성될 수 있다.

상기 자외선발광체(124)는 자외선이 방출되는 다양한 형태의 자외선 램프(UV-LAMP)로 구성되어 상기 광촉매 메쉬(124)측에 자외선을 조사시킴으로서 광화학반응이 수행되면서 유해 배기가스를 분해시키는 작용을 수행하게 된다. 바람직하게 상기 자외선발광체(124)는 상기 광촉매 메쉬(122)측과 접한 분해케이스(110)의 내면상에 일정한 간격으로 설치되는 자외선 발광다이오드(LED)로 구성되는데, 상기 자외선 발광다이오드는 대략 200nm 에서 400nm의 파장범위를 갖는 것으로 구성될 수 있지만 본 실시예에서는 254nm의 파장을 갖는 것으로 구성된다.

그리고 상기 자외선분해처리부(120)의 바람직한 설치구조는 예컨대 상기 케이스본체(112)의 내부에 다수의 광촉매 메쉬(122)가 설치되고 상기 광촉매 메쉬(122)측으로 자외선이 조사되도록 상기 케이스본체(112)를 통해 삽입되어 그 내주면상으로 배치되는 다수의 자외선 발광다이오드(LED)가 설치된다.

상기 마이크로웨이브 조사부(130)는 고밀도 마이트로웨이브를 발진시키는 마이크로웨이브 조사기(132)와, 상기 마이크로웨이브 조사기(132)에 전기적으로 접속되어 고전압을 인가시키도록 12 ~ 24V의 저전압을 인가받아 고전압으로 승압시키는 전기승압장치(134)가 구성된다.

그리고 상기 마이크로웨이브 조사기(132)는 바람직하게 300MHz ~ 30GHz 주파수 범위의 고주파를 발진시키는 마그네트론으로 형성되고, 상기 전기승압장치(134)는 약 12V의 저전압을 1500~3000V 정도로 승압할 수 있도록 구성된 것이 바람직하다.

상기 고온분해처리부(140)는 바람직하게 일정한 신호에 따라 공급되는 전원에 의해 가열되는 히터로 구성되어 상기 자외선분해처리부(120) 및 마이크로웨이브 조사부(130)에 의해 1차 및 2차의 분해처리과정이 수행된 상태에서도 분해되지 않은 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx) 등과 같은 유해가스나 유해 고형물을 재가열하여 열분해 시키게 된다. 그리고 상기 히터는 예컨대 상기 분해케이스의 내부공간과 단면형상이 유사하도록 대략 타원형의 판상 부재에 다수의 배기가스 이동공이 타공된 구조로 형성되어 인가되는 전원에 의해 가열되도록 구성되거나 코일 형상을 갖는 히터로 구성될 수 있고, 또한 상기 히터상에는 온도감지센서(미도시)가 구성되어 상기 히터의 가열온도를 감지, 인가하여 제어부에 의한 온/오프 동작이 수행되도록 함으로써 항상 정해진 고온의 열이 유지되면서 최적의 열분해 상태가 유지되도록 구성될 수 있다.

상술한 바와 같은, 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 자동차 배기가스 처리장치를 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 고안의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경 이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

본 고안에 의한 자동차 배기가스 처리장치에 의하면, 배기가스를 다양한 처리방법에 의해 효율적으로 분해할 수 있는 처리장치가 단일의 처리장치 내에 순차적으로 구성되므로 배기가스의 처리효율을 향상시키기 위한 별도의 부가장치가 불필요하게 되고, 또한 배기가스 처리장치가 단순한 구조의 단일 장치이므로 자동차의 구조나 엔진출력에 악영향을 미치지 않으면서 간편하게 장착하여 사용할 수 있는 장점이 있다.

Claims (3)

1. 엔진으로부터 배출되는 배기가스 중의 유해물질이 분해 처리되도록 배기관상에 설치되는 자동차의 배기가스 처리장치에 있어서,

   상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스가 유입되는 분해케이스와;

   상기 분해케이스의 배기가스 유입측 내부에 설치되는 광촉매 메쉬와 상기 광촉매 메쉬에 자외선을 조사시키도록 설치되는 자외선발광체가 구비된 자외선분해처리부와;

   상기 자외선분해처리부와 접한 분해케이스의 내부에 설치되고 마이크로웨이브를 발진시켜 유해가스를 분해시키는 마이크로웨이브 조사부와;

   상기 마이크로웨이브 조사부와 접한 배출측에 설치되어 배기가스에 고열을 인가시켜 잔류되는 유해가스를 열분해시키는 고온분해처리부가 순차적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스 처리장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 자외선분해처리부는 광촉매 메쉬와 자외선발광체가 교번적으로 반복 설치되어 광화학반응이 반복 수행되도록 구성되고, 상기 광촉매 메쉬는 내열성 및 내부식성을 갖는 메쉬에 이산화티탄늄(TiO₂)이 코딩되어 구성되는 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스 처리장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 자외선발광체는 상기 광촉매 메쉬와 대응되는 분해케이스의 내면상에 설치되는 다수 개의 UV 발광다이오드로 구성되는 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스 처리장치.

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