KR20050031526A - 차량용 배기정화장치 및 이를 이용한 연비향상방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량용 배기정화장치 및 이를 이용한 연비향상방법에 관한 것으로서, 멤브레인을 이용하여 배기가스로부터 산소를 분리시켜 산소가 적은 조건(연료과잉조건) 즉, 리치 공연비 운전을 가능하게 함으로써, 배기가스의 정화율을 향상 시키는 동시에 연비를 향상 시킬 수 있는 차량용 배기정화장치 및 이를 이용한 연비향상방법을 제공하고자 한다.

Description

차량용 배기정화장치 및 이를 이용한 연비향상방법{Device of purifying exhaust gas for vehicle and method for improving fuel ratio using it}

본 발명은 차량용 배기정화장치 및 이를 이용한 연비향상방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 멤브레인을 이용하여 배기가스로부터 산소를 분리시켜 산소가 적은 조건(연료과잉조건) 즉, 리치 공연비 운전을 가능하게 함으로써, 배기가스의 정화율을 향상 시키는 동시에 연비를 향상 시킬 수 있는 차량용 배기정화장치 및 이를 이용한 연비향상방법에 관한 것이다.

최근 내연기관을 린 공연비로 운전하여 연비의 향상을 꾀하도록 한 희박 연소 내연기관이 실용화되어 있다.

상기 희박 연소 내연기관에서는 린(lean) 공연비로 운전하면 3원 촉매가 그 정화 특성으로부터 배기가스 중의 NO_X(질소산화물)을 충분히 정화할 수 없다고 하는 문제가 있어, 최근에는 예를 들면 린 공연비로 운전 중에 배기가스 중의 NO_X를 흡장 또는 흡착(이하, 간단히 흡장이라고 칭한다)하고, 이론 공연비(stoichiometric) 또는 리치(rich) 공연비로 운전 중에 흡장된 NO_X를 방출 환원하는 흡장형 NO_X 촉매를 구비한 배기 정화 촉매 장치가 채용되고 있다.

상기 흡장형 NO_X촉매는, 내연 기관의 산소 과잉 상태로 배기 가스 중의 NO_X를 초산염(X-NO₃)으로서 부착시켜 흡장하고, 흡장한 NO_X를 주로 일산화탄소(CO)의 과잉 상태에서 방출하여 질소(N₂)로 환원시키는 특성(동시에 탄산염 X-CO₃가 생성된다)을 가진 촉매이다.

따라서, 실제로는 린 공연비 운전이 소정 시간 계속하면 연소실내의 공연비의 전환 또는 배기관으로의 환원제의 공급 등에 의해 배기 공연비를 이론 공연비 또는 리치 공연비로 제어하도록 리치 공연비 운전에 정기적으로 전환(이것을 리치 스파이크라고 함)하고, 이로써 산소 농도 저하 분위기에서 CO 및 HC가 많은 환원 분위기를 생성하고, 흡장한 NO_X를 방출하여 정화 환원(NO_X 퍼지) 함으로써 흡장형 NO_X촉매의 재생을 꾀할 수 있다.

즉, 상기와 같은 흡장형 NO_X 촉매는 추가적인 물질이나 시스템을 필요로 하지 않으나, 주기적으로 산소가 적은 조건(연료과잉조건으로 이하 리치조건이라 칭한다)으로 만들어 주어야 하는데, 가솔린 엔진의 경우에는 상기와 같은 리치조건을 쉽게 구현할 수 있으나, 디젤 엔진의 경우에는 상기와 같은 리치조건을 구현하는 것이 매우 어려웠다.

그러나, 최근 들어 저온연소(LTC ; Low Temperature Combustion)라는 신 연소방식과 배기관에 연료를 추가로 주입하는 방식 등의 여러 가지 방법을 사용하여 디젤 엔진에서 상기한 리치조건을 구현할 수 있도록 하고 있으나, 이러한 방식으로 모두 다량의 연료를 사용하게 되므로 결국 연비를 악화시키는 문제점이 있다.

즉, 현재 실정에서는 NO_X를 제거하는 방법으로 현실적인 대안이 없는 상황에서 리치조건을 효과적으로 구현하는 것이 가장 확실한 NO_X의 제거방법이 될 수 있으나, 아직까지는 디젤 엔진의 NO_X 제거 방법들이 연비에 관한 문제점을 지니고 있어 이에 대한 많은 연구가 필요한 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 발명한 것으로서, 멤브레인을 이용하여 배기가스로부터 산소를 분리시켜 산소가 적은 조건(연료과잉조건) 즉, 리치 공연비 운전을 가능하게 함으로써, 배기가스의 정화율을 향상 시키는 동시에 연비를 향상 시킬 수 있는 차량용 배기정화장치 및 이를 이용한 연비향상방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 흡장형 NO_X 촉매를 구비하여 구성되어 있는 배기정화장치에 있어서, 양측에 하류측 배기관과 연설된 분리관이 설치되고, 엔진과 배기정화장치 사이에 설치되어 배기가스에서 산소를 선택적으로 제거하는 기능을 갖는 산소분리장치를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 산소분리장치는 채널 형상의 멤브레인 다수개가 모노리스 방식으로 배치되어 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 차량용 배기정화장치를 이용한 연비향상방법은 상기 배기정화장치를 이용하여 배기가스에서 산소를 분리시켜 산소가 적은 조건인 리치 공연비 상태로 운전되도록 구현한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 차량용 배기정화장치의 구조를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 차량용 배기정화장치로서, 산소분리장치의 구조를 도시한 도면이다.

또한, 도 3은 본 발명에 따른 차량용 배기정화장치의 적용에 따른 공연비 변화 상태를 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 차량용 배기정화장치 및 이를 이용한 연비향상방법은 멤브레인(5)을 이용하여 배기가스로부터 산소를 분리시켜 산소가 적은 조건(연료과잉조건) 즉, 리치(rich) 공연비 운전을 가능하게 하여 연비를 향상 시킬 수 있게 한 것이다.

상기 멤브레인(5)은 이미 널리 공지되어 있는 기술로서, 이는 주로 물질들을 분리하는데 사용되고 있으며, 최근에는 멤브레인 자체가 촉매적 특성을 가지도록 함으로써 반응과 분리가 동시에 일어날 수 있게 하기도 한다.

도시한 바와 같이, 엔진(10)의 배기 매니폴드에는 배기가스를 배출시키기 위한 배기관(6a,6b)이 연설되어 있고, 이 배기관(6a,6b)에는 산소분리장치(2) 및 배기정화장치(3)가 개재되어 머플러(도시하지 않음)가 접속되어 있다.

상기 배기정화장치(3)는 배기 공연비가 린(lean) 공연비일 때에 배기가스 중에 NO_X를 흡장하는 NO_X 저감 기능과, 배기 공연비가 이론 공연비 근방일 때에 배기가스 중의 유해물질(HC, CO, NO_X)을 정화하는 산화 환원 기능을 가지게 하기 위해서 흡장형 NO_X 촉매를 구비하여 구성되어 있다.

상기 흡장형 NO_X촉매는 산화 분위기에서 NO_X를 일단 흡장(NO_X 저감 기능)시키고, 주로 CO 및 HC에 존재하는 환원 분위기 중에 있어서 NO_X를 방출하여 N₂ 등으로 환원시키는 환원 기능을 가지는 것이다.

상세하게는 흡장형NO_X 촉매는 귀금속으로 백금(Pt), 로듐(Rh) 등을 가진 촉매로서 구성되어 있고, 흡장재로는 바륨(Ba) 등 알칼리 금속, 알칼리 토류 금속이 채용되어 있다.

한편, 상기 산소분리장치(2)는 첨부한 도 2에 도시한 바와 같이, 채널 형상의 멤브레인(5) 다수개가 모노리스 방식으로 배치되어 구성된 것으로서, 각 멤브레인(5)을 통해 배기가스가 흐르게 되며, 이때 각 멤브레인(5)의 둘레면을 통해 배기가스에서 산소가 분리된다.

또한, 상기 멤브레인(5)은 배압을 고려하여 모노리스 형태로 배치되는 것이 바람직하나 이외에 다른 다양한 형태로도 적용이 가능하다.

한편, 상기와 같이 다수개의 멤브레인(5)을 포함하여 구성된 산소분리장치(2) 양 측면에는 하류측의 배기관(6b)과 연설되는 분리관(4)이 각각 설치되어 있는 바, 이 분리관(4)을 통해 각 멤브레인(5)에서 분리된 산소(산소 이외에 다른 가스도 포함 가능)는 하류측의 배기관(6b)으로 보내진다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 배기정화장치의 작용에 관해서 설명하고자 한다.

엔진(10)에서 배출되는 배기가스는 배기관(6a,6b)을 통해 이에 개재된 배기정화정치 및 머플러를 통해 외부로 배출되어 지는 바, 엔진(10)과 배기정화장치(3) 사이에 설치되는 산소분리장치는(2)는 상기와 같은 배기가스에서 산소를 선택적으로 제거하는 기능을 가진다.

즉, 상기 산소분리장치(2)의 멤브레인(5) 내부를 지나는 배기가스와 하류측 배기관(6b) 부위를 지나는 배기가스에는 일정 압력 차이가 존재하는 동시에 일정 산소농도 차이가 존재하게 되는 바, 이러한 압력 차이 및 농도 차이에 의해 멤브레인(5)을 지나가는 배기가스로부터 일정량의 산소를 분리할 수 있다.

이때, 상기와 같이 멤브레인(5) 내부를 지나는 배기가스와 하류측 배기관(6b) 부위를 지나는 배기가스의 산소농도 차이가 발생하는 이유는 하류측 배기관(6b) 부위의 배기가스의 경우 산화반응이 진행되는 배기정화장치(3)를 통과한 후이기 때문에 발생되는 것이다.

또한, 상기 멤브레인(5)을 산소 친화적인 물질로 구성할 경우 산소 분리능력을 더욱 향상 시킬 수 있다.

상기와 같이 멤브레인(5)을 통해 분리된 산소는 일측에 연설된 각 분리관(4)을 통해 하류측 배기관(6b)으로 보내지는 바, 이에 따라 멤브레인(5)과 배기정화장치(3) 사이의 공연비는 도 3에서 도시한 바와 같이 리치조건 쪽으로 이동하게 된다.

즉, 상기와 같이 멤브레인(5)을 통해 배기가스로부터 산소가 분리되면 추가적인 연료의 주입 없이도 배기가스로부터 일정량의 산소가 분리되어 산소가 적은 조건(연료과잉조건), 즉 리치조건이 구현된다.

이때, 연료의 소모량은 멤브레인(5)을 통해 분리되는 산소의 양과 비례하게 감소되는 것이지만, 멤브레인(5)을 통해 지나가는 배기가스에서 모든 산소를 분리할 필요는 없다.

즉, 산소의 분리 요구량은 배기가스의 린 한 정도에 따라 달라지는 바, 배기가스에 산소가 많이 포함되어 있는 경우에는 많은 양의 산소가 분리되어야 리치조건에 도달할 수 있고, 배기가스에 산소가 적게 포함되어 있는 경우에는 적은 양의 산소가 분리되어도 리치조건에 도달할 수 있다.

한편, 배기가스의 유속이 빨라 멤브레인(5)이 가지는 산소 분리능력이 낮을 때에는 엔진(10)을 이론 공연비 부근에서 운전되도록 하고, 그렇지 않을 때에는 엔진(10)을 통상적으로 린 한 조건에서 운전하여도 무방하다.

즉, 어떠한 경우라도 멤브레인(5)을 통해 일정량의 산소를 분리시키면 멤브레인(5)을 적용하기 전보다 리치조건을 구현하기 위해 소비되는 연료의 양을 감소시킬 수 있게 된다.

또한, 상기 배기정화장치(3)의 속도와 부하에 따라 멤브레인(5) 장치를 통하여 분리되는 산소의 양을 결정할 수 있는 바, 이러한 실험값을 통해 맵을 작성하여 통상적인 엔진 맵과 함께 엔진 운전조건을 결정하는데 사용할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 배기정화장치는 산소를 분리할 수 있는 멤브레인(5)을 추가로 설치하고, 이를 통해 흐르는 배기가스에서 산소를 분리함으로써, 리치 공연비 상태로 운전되도록 구현할 수 있는 바, 상기와 같은 리치조건을 구현하기 위해 소비되는 연료의 양을 감소시켜 결국 연비의 향상 효과를 얻을 수 있게 된다.

또한, 이를 통해 배기가스 중의 NO_X(질소산화물)을 충분히 정화할 수 있어 배기가스 정화율을 향상 시킬 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 차량용 배기정화장치 및 이를 이용한 연비향상방법에 의하면 멤브레인을 이용하여 배기가스로부터 산소를 분리시켜 산소가 적은 조건(연료과잉조건) 즉, 리치 공연비 운전을 가능하게 함으로써, 배기가스의 정화율을 향상 시키는 동시에 연비를 향상 시키는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 차량용 배기정화장치의 구조를 개략적으로 도시한 도면

도 2는 본 발명에 따른 차량용 배기정화장치로서, 산소분리장치의 구조를 도시한 도면

도 3은 본 발명에 따른 차량용 배기정화장치의 적용에 따른 공연비 변화 상태를 도시한 도면

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

2 : 산소분리장치 3 : 배기정화장치

4 : 분리관 5 : 멤브레인

6a,6b : 배기관 10 : 엔진

Claims (3)

1. 흡장형 NO_X촉매를 구비하여 구성되어 있는 배기정화장치에 있어서,

   양측에 하류측 배기관(6b)과 연설된 분리관(4)이 설치되고, 엔진(10)과 배기정화장치(3) 사이에 설치되어 배기가스에서 산소를 선택적으로 제거하는 기능을 갖는 산소분리장치(2)를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 차량용 배기정화장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 산소분리장치(2)는 채널 형상의 멤브레인(5) 다수개가 모노리스 방식으로 배치되어 구성된 것을 특징으로 하는 차량용 배기정화장치.
3. 청구항 1의 배기정화장치를 이용하여 배기가스에서 산소를 분리시켜 산소가 적은 조건인 리치 공연비 상태로 운전되도록 구현한 것을 특징으로 하는 차량용 배기정화장치를 이용한 연비향상방법.