KR20050003168A - 자동차용 촉매컨버터의 다공질성 매체형 촉매담체 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차용 촉매컨버터의 다공질성 매체형 촉매담체 구조에 관한 것으로서, 기존의 적층형으로 형성된 촉매담체 구조를 배제하고 대신에, 다공질성 매체(porous media)형으로 성형하여 배기가스의 분배성을 극대화함은 물론, 그 분배성의 향상으로 상기 촉매담체의 온도를 저감시킬 수 있는 자동차용 촉매컨버터의 다공질성 매체형 촉매담체 구조에 관한 것이다.

Description

자동차용 촉매컨버터의 다공질성 매체형 촉매담체 구조{Porous media type structure of catalyst media of catalyst-converter for automobile}

본 발명은 자동차용 촉매컨버터의 다공질성 매체형 촉매담체 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 촉매담체 구조를 다공질성 매체(porous media)형으로 성형하여 배기가스의 분배성을 극대화함은 물론, 그 분배성의 향상으로 상기 촉매담체의 온도를 저감시킬 수 있는 자동차용 촉매컨버터의 다공질성 매체형 촉매담체 구조에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차는 휘발류 및 가솔린 등의 화석연료를 이용하여 구동에 필요한 동력을 발생시키도록 되어 있다.

특히, 그 구조적 특성상 연료의 불완전 연소에 따른 일산화탄소와 질소산화물 등과 같은 인체에 유해한 배기가스가 발생되므로, 가솔린 등의 연료가 연소되는 연소실과, 공기와 연료가 혼합되는 흡기계통 및 배기가스가 방출되는 배기계통 등, 연료의 불완전 연소에 따른 유해성분이 발생되는 차체의 각부분에 다양한 장치들을 구비하여 상기 배기가스의 발생량을 최대한 억제하도록 되어있다.

따라서, 배기가스를 외부로 배출시키는 자동차의 배기관 사이에 촉매컨버터(100)를 부착하여 배기가스의 유해성분을 제거하도록 되어 있는 바, 상기 촉매컨버터(100)는 배기가스 중의 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)를 산화시켜 이산화탄소(CO₂) 및 물(H₂O)로 변환하는 산화촉매와, 질소 화합물(NO_x)을 질소(N₂)와 이산화탄소(CO₂)로 각각 환원시키는 환원촉매 등이 쓰이고 있으며, 반응에 필요한 온도 및 배기가스의 체류시간 등과 같은 요건을 충족시키기 위해 촉매컨버터(100)의 유효면적을 크게 함과 아울러, 그 표면에 촉매를 부착시킨 입자상의 촉매담체(擔體)(200)가 촉매컨버터(100)의 하우징(110) 내에 장착되어 있다.

한편, 상기 촉매담체(200)는 도 3에 도시된 바와 같이, 그 구조가 사각형 또는 육각형 셀 등으로 이루어진 허니컴(honey comb)층 구조로 되어 있으며, 배기가스의 유해성분이 산화 및 환원반응을 일으키도록 하는 촉매가 코팅되어 있다.

따라서, 상기 배기관을 경유하여 촉매컨버터(100)의 하우징(110) 내부로 유입되는 배기가스는 촉매담체(200)에 코팅된 촉매와 촉매반응을 하며 유출구로 진행되게 된다.

상기 촉매담체(200)의 경우, 엔진의 회전수와 부하가 증가함에 따라 배기가스의 온도가 증가하고, 규정이상의 온도이상이 되면 그 촉매담체(200)를 고온으로부터 보호하기 위하여 필요 이상의 과잉 연료를 더 분사하게 되고, 이때 이로인해 연비의 손실을 유발하게 된다.

또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 실린더로부터 배기가스가 모이는 통합부에서 배기가스가 촉매담체(200)에 골고루 분배되지 않기 때문에 주로, 상기 촉매담체(200)의 중앙부가 가장 고온이 되며, 이로 인한 촉매담체(200)의 파손이 발생하게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 촉매담체(200) 상단의 배기 매니폴드의 유동을 연구하고, 길이와 배기가스 진입각도 등을 조절하고 설계하여 분배성을 향상시키려는 노력을 하고 있다.

또한, 이때의 배기가스 온도를 낮추기 위하여 냉각수와 방열 핀 모양을 이용한 온도 저감 대책 등도 논의되고 있는 현실이다.

그런데, 상기 촉매담체(200) 등을 이용하여 배기가스의 온도와 배기가스의 유동 저항 등을 줄이려는 노력이 성과를 보이고 있으나 이러한 촉매담체(200)들도 층(laminated)을 구성하고 있기 때문에 결과적으로 배기관에서 들어오는 배기가스의 고른 유동 분포를 이루기 어려운 문제점이 있다.

다른 한편, 3원 촉매를 이상적인 효율(100%)로 활용할 수 없으므로, 필요이상의 값비싼 촉매를 사용하여 재료비를 낭비하고 있으며, 배기가스의 온도가 촉매의 최대온도까지 상승하게 되면, 배기가스의 온도를 낮추기 위하여 연료를 공연비보다 많이 분사하여 연비가 나빠지며, 엔진의 성능이 배기가스 온도에 제한을 받게 되므로 그 엔진의 최고 출력을 제대로 발휘하지 못하게 되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 다공질성 매체(porous media)형으로 성형하여 배기가스의 분배성을 극대화함은 물론, 그 분배성의 향상으로 상기 촉매담체의 온도를 저감시킴으로써, 연비 및 고부하 출력 향상 뿐만 아니라, 소음 및 원가 절감을 도모할 수 있는 자동차용 촉매컨버터의 다공질성 매체형 촉매담체 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 자동차용 촉매컨버터의 다공질성 매체형 촉매담체 구조를 나타내는 도면,

도 2a와 도 2b는 본 발명에 따른 자동차용 촉매컨버터의 다공질성 매체형 촉매담체 구조를 통과하는 배기가스의 열전달상태를 나타내는 도면,

도 3은 종래의 촉매담체 구조를 나타내는 도면,

도 4는 종래의 촉매담체 구조를 통과하는 배기가스의 열전달상태를 나타내는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 촉매컨버터 11 : 하우징

20 : 촉매담체

이하, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 자동차용 촉매컨버터의 촉매담체 구조에 있어서,

촉매담체(20)는 일체로 엉켜있는 사(絲)구조로서, 다수의 불균일한 기공이 형성된 발포알루미늄 형태로 이루어진 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 촉매담체(20)는 그 중앙부의 상부 표면이 가장자리층보다 볼록하게 라운딩 형성된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 자동차용 촉매컨버터의 다공질성 매체형 촉매담체 구조를 나타내는 도면이며, 도 2a와 도 2b는 본 발명에 따른 자동차용 촉매컨버터의 다공질성 매체형 촉매담체 구조를 통과하는 배기가스의 열전달상태를 나타내는 도면이다.

본 발명은 촉매담체(20)를 다공질성 매체(porous media)형으로 성형하여 배기가스의 분배성을 극대화하고, 그 분배성의 향상으로 인한 상기 촉매담체(20)의 온도저감을 향상시킬 수 있는 촉매컨버터(10)의 촉매담체(20) 구조이다.

상기 다공질성 매체형 촉매담체(20) 구조는 알루미늄(Al)을 용해한 후 촉매를 투입하여 특수발포(수세미 형상)시켜 만든 발포알루미늄으로 이루어진 초경량 금속으로서, 상기 발포알루미늄의 내부구조는 사(絲)구조로 형성된 동시에 일체로 엉켜있는 형태로 다수의 불균일한 기공이 형성되어 있는 금속소재이다.

이때, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 상기 발포알루미늄은 Fe(철)-Cr(크롬)-Al(알루미늄) 합금으로서, 고온의 배기가스에서도 어느정도의 표면보호 기능을가지고 있으며, 그 제조성을 만족시킬 수 있도록 되어 있다.

특히, 상기와 같이 형성된 다공질성 매체형 촉매담체(20) 구조는 통과하는 유체의 난류강도를 증가시키고, 유동입자들의 난동을 증가시켜 촉매담체(20) 내에서의 혼합특성을 극대화할 수 있도록 되어 있다.

이로인해, 배기가스의 난류유동과 난류확산을 극대화하여, 그 내부에 흐르는 유동장의 속도 분포를 균일하게 분포시키는데, 이러한 배기가스 난동의 증가는 배기가스의 불균질한 촉매담체(20)로의 충돌을 증가시키고, 이는 곧 상기 촉매담체(20)의 접촉면을 증가시키게 되어 접촉저항을 높이게 된다.

상기한 바는 기존의 촉매담체(20)의 중앙부로만 집중되던 배기가스의 유동을 촉매담체(20)의 전체로 확산되도록 하는 결과를 낳게 된다.

이를 통해, 배기가스로 인한 상기 촉매담체(20)의 고온화 현상을 방지하므로 결국은, 그 촉매담체(20)의 파손을 방지하며, 촉매담체(20)의 고온화에 따른 연료의 추가분사를 억제하므로 연비의 향상을 가져올 수 있다.

한편, 엔진설계에 있어서, 그 최고 출력을 제한하는 배기가스의 설계 상한온도를 높일 수 있게 되어 최고 출력의 향상을 가져올 수 있다.

즉, 이것은 상기 다공질성 매체형 촉매담체(20)를 통한 배기가스의 이상적인 유동에 가까운 분배성 향상으로 그 배기가스의 온도를 상향 조정함으로써, 엔진의 고부하에서의 최고출력을 높일 수 있게 된다는 것이다.

따라서, 상기와 같이, 배기가스의 분배성을 극대화함에 따라 촉매담체(20)의 실제 반응체적을 늘릴 수 있게 되어 그 결과로, 촉매담체(20)의 환원체적을 최적화하여 그 촉매담체(20)의 부피를 절감할 수 있게 된다.

또한, 도 2a와 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 구현예에서, 상기 촉매담체(20)의 중앙부로 집중되는 배기가스의 최대 유속을 방지하기 위하여 배기가스가 유입되는 유입부에 가장 근접하여 형성되어 있는 촉매담체(20) 중앙부의 상부 표면을 가장자리층보다 볼록하게 라운딩 형성하게 된다.

이는 이 부분의 유동저항을 증가시키고, 증가된 유동저항으로 인하여 유량의 일정량이 촉매담체(20)의 가장자리층으로 흐르게 유도하기 위함이다.

이러한 볼록형 촉매담체(20)의 설치는 배기가스의 촉매에 대한 분배성을 더욱 극대화할 수 있는 결과를 가져오게 된다.

또한, 상기 촉매담체(20)는 배기가스의 열을 촉매컨버터(10)의 외부 하우징(11)으로 전달하는 역할을 하게 되는데, 이것은 다공질성 매체형으로 이루어진 촉매담체(20)가 사(絲)구조로 형성됨은 물론, 일체형으로 연속적으로 연결되어 있기 때문에 기존의 접촉 또는 용접방식으로 이루어진 촉매담체에 비하여, 외부 하우징(11)으로 신속하게 열전달을 수행할 수 있게 된다.

한편, 상기 다공질성 매체형 촉매담체(20)의 구조는 배기가스 양에 따라 그 구조를 성긴(sparse)형태로 형성하거나 또는 밀집(dense)된 형태로 형성하는 것이 바람직하다.

따라서, 상기와 같은 자동차용 촉매컨버터(10)의 촉매담체(20) 구조는 배기가스의 분배성이 향상됨은 물론, 배기가스의 열이 다공질성 매체형 촉매담체(20)를 통하여 촉매컨버터(10)의 외부 하우징(11)으로 전달됨으로써, 촉매의 직접적인 고온 배기가스의 접촉을 막아 상기 촉매의 파손을 방지하게 되며, 엔진설계에서 그 최고 출력을 제한하는 배기가스의 설계 상한온도를 높일 수 있게 되어 최고 출력의 향상도 기대할 수 있을 뿐만 아니라, 그 반응면 만큼의 촉매의 반응체적을 줄여서, 전체 배압의 저감도 도모할 수 있는 새로운 촉매담체 구조이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차용 촉매컨버터의 다공질성 매체형 촉매담체 구조에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.

1) 다공질성 매체형 촉매담체로 인하여 배기가스의 열이 촉매컨버터의 외부 하우징(11)으로 잘 전달되도록 함으로써, 상기 촉매담체의 고온화 현상을 방지하여 촉매담체의 파손을 방지할 수 있다.

2) 촉매의 고온화를 방지하기 위하여 추가로 분사되는 연료를 절약할 수 있어 연비의 향상 효과를 기대할 수 있다.

3) 엔진설계에서 그 최고 출력을 제한하는 배기가스의 설계 상한온도를 높일 수 있어 최고 출력의 향상도 기대할 수 있다.

즉, 다공질성 매체형 촉매담체 전체로 전달되는 열이 촉매담체의 고온화를 막게되고, 상기 다공질성 매체형 촉매담체를 통한 배기가스의 이상적인 유동에 가까운 분배성 향상으로 엔진 설계의 제한 인자 중의 하나인 배기가스의 온도를 상향조정함으로써, 엔진의 고부하에서의 최고출력을 높일 수 있는 장점이 있다.

4) 다공질성 매체형으로 이루어진 촉매담체가 불균질한 형태로 형성되어 방음효과를 기대할 수 있다.

5) 배기가스의 분배성을 극대화함에 따라 촉매담체의 실제 반응체적을 늘릴 수 있게 되어 그 결과로, 촉매담체의 환원체적을 최적화하여 그 촉매담체의 부피를 줄일 수 있는 동시에, 촉매담체의 원가를 절감할 수 있다. 또한 분배성의 향상으로 인한 촉매담체의 수명연장을 도모할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 자동차용 촉매컨버터의 촉매담체 구조에 있어서,

   촉매담체(20)는 일체로 엉켜있는 사(絲)구조로서, 다수의 불균일한 기공이 형성된 발포알루미늄 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차용 촉매컨버터의 다공질성 매체형 촉매담체 구조.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 촉매담체(20)는 그 중앙부의 상부 표면이 가장자리층보다 볼록하게 라운딩 형성된 것을 특징으로 하는 자동차용 촉매컨버터의 다공질성 매체형 촉매담체 구조.