KR20050046710A - 디젤 엔진 및 촉매 컨버터를 포함하는 기계동력 발전기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 디젤 엔진(12), 및 촉매 컨버터(18)를 구비한 배기관(16)을 포함하는 기계동력 발전기에 관한 것이다. 촉매 컨버터(18)는 인접하는 채널(22)들을 한정하는 담체(20)를 포함한다. 각각의 채널(22)은 6각형 단면을 갖는다. 각 채널(22)의 수리 직경(hydraulic diameter: HD)은 900㎛ 보다 크다.
Description
본 발명은 디젤 엔진, 및 촉매 컨버터(catalytic converter)를 구비한 배기관(exhaust tract)을 포함하는 유형의 기계동력 발전기에 관한 것으로서, 촉매 컨버터는 인접하는 채널들을 한정하는 담체(substrate)를 포함한다.
디젤 엔진, 특히 자동차 엔진으로부터 배출되는 배기 가스의 오염을 제거하기 위하여 촉매 컨버터를 구비한 배기관을 제공하는 것은 공지되어 있다. 상기 컨버터는 "워시코트(washcoat)"라고 하는 촉매제가 표면 상에 퇴적된 구조로 구성되는 담체를 포함한다. 이들 담체의 예는 EP-0.036.052, EP-0.360.591 및 EP-0.446.046에 개시되어 있다.
담체는 자신의 전체 길이에 결쳐 연장되는 채널 어셈블리를 포함한다. 이들 채널은 인접하며 서로 평행하게 연장된다.
채널의 단면은 디젤 엔진의 오염을 제거하기 위하여 사각형을 갖도록 선택된다.
연구 중인 담체의 전체 체적에 대한 촉매 컨버터의 효율성을 향상시키기 위하여, 담체의 단면에 따른 단위 표면적당 채널 밀도를 증가시키는 것이 공지되어 있다. 상기 채널 밀도를 당해 기술 분야에서는 "cpsi(cell per square inch)"라고 한다.
채널 밀도의 증가로 인하여 담체 단위 체적당 채널의 총 표면적이 증가될 수 있다. 상기 채널의 총 표면적을 "촉매 코팅 가능 면적(Geometric Surface Area: GSA)"이라고 한다.
그러나, 채널 밀도(cpsi)가 증가하면 각 채널 내의 가스 통로로 제공되는 단면이 감소된다. 따라서, 채널 밀도가 높은 상태에서는, 디젤 엔진에 의하여 발생된 배기 가스에 존재하는 매연으로 인하여 담체가 막히게 되어(clogging) 촉매 컨버터의 작용을 불가능하게 만든다.
도 1은 본 발명에 따른 기계동력 발전기의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 사용된 촉매 컨버터를 개략적으로 도시한 종단면도이다.
도 3은 본 발명에 사용된 촉매 컨버터의 단면도이다.
본 발명의 목적은 디젤 엔진, 및 상기 디젤 엔진의 배기 가스의 오염을 제거하기 위한 촉매 컨버터를 포함하는 기계동력 발전기를 제공하는 것으로서, 상기 촉매 컨버터는 클로깅의 염려가 없이 높은 효율성을 갖는다.
상기 목적을 위하여, 본 발명은 전술한 유형의 기계동력 발전기에 관한 것으로서, 각각의 채널은 6각형 단면을 가지며 각각의 채널의 수리 직경(hydraulic diameter: HD)은 900㎛ 보다 큰 것을 특징으로 한다.
특정의 실시예에 따르면, 기계동력 발전기는 다음 특징 중 한 가지 이상을 포함한다:
- 단위 표면적당 담체의 단면에 걸친 채널 밀도는 대략 400cpsi 내지 900cpsi 사이이다.
- 단위 표면적당 담체의 단면에 걸친 채널 밀도는 대략 500cpsi 내지 800cpsi 사이이다.
- 단위 표면적당 담체의 단면에 걸친 채널 밀도는 대략 600cpsi이다.
- 다공성 벽의 두께는 대략 0.002인치 내지 0.005인치 사이이다(50.8㎛ 내지 127㎛).
- 다공성 벽의 두께는 대략 0.003인치이다(76.2㎛).
- 각각의 채널은 정6각형의 단면을 갖는다.
- 담체는 표면이 촉매제 코팅으로 커버된 채널을 형성하는 균일한 연속 구조를 포함한다.
본 발명은 또한 디젤 엔진의 배기관 내에 배치된 촉매 컨버터의 용도에 관한 것으로서, 상기 컨버터는 인접하는 채널들을 한정하는 담체를 포함하고, 각각의 채널은 6각형 단면을 가지며 각각의 채널의 수리 직경은 900㎛ 보다 큰 것을 특징으로 한다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 단지 예를 들어 후술하는 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 기계동력 발전기의 도면이다.
발전기는, 예를 들면, 자동차를 추진시키는데 사용된다.
상기 발전기는 연료가 공급될 수 있도록 디젤 저장 탱크(14)에 연결된 엔진(12)을 포함한다. 엔진(12)의 배기구는 촉매 컨버터(18)를 구비한 배기관(16)에 연결된다. 촉매 컨버터의 상류 또는 하류에 미립자 필터(particulate filter)가 배치되는 것이 바람직하다.
엔진(12)은 디젤 엔진이다. 본 발명에 따르면, 디젤 엔진은 디젤 또는 중유 연료를 자기 점화시키는 고압축 내연기관을 지칭한다.
이러한 유형의 엔진은 점화 시스템이 없기 때문에 휘발유 엔진과는 상이하다.
디젤 엔진은 일반적으로 200℃ 이상의 온도로 동작하는 유형의 엔진이다. 상기 온도는 배기 매니폴드의 배출구, 즉 엔진의 배출구에서 측정된다. 상기 온도는 일반적으로 대략 200℃ 내지 900℃ 사이이다.
이와같이, 상기 엔진은 배출구에서 디젤 엔진의 연소로 인하여 발생된 매연을 포함한 비교적 다량의 탄소 입자를 배출한다. 이러한 매연량은 저온, 즉 200℃ 미만의 온도로 동작하는 엔진에서 배출되는 양보다 더 많다.
촉매 컨버터(18)는, 배기관에 연결된 케이싱(21)에 포함된 다공성 담체(20)를 포함한다. 담체(20)는, 도 2에 예시된 바와 같이, 담체의 전체 길이에 걸쳐 일단에서 타단으로 배기 가스 흐름의 일반적인 방향 F로 연장되는 평행으로 인접한 채널을 형성한다.
채널 모두는 동일한 단면을 갖는다. 도 3에 예시된 바와 같이 본 발명에 따르면, 채널의 단면은 정6각형이다.
채널은 6각형 측면을 각각 형성하는 평면형 길이방향 벽(24)에 의하여 서로 분리된다. 이들 벽은 모든 벽마다 동일한 총 두께(e)를 갖는다.
담체(20)는 "워시코트"라고 하는 촉매제 코팅(28)으로 커버된 구조체(26)에 의하여 형성된다. 구조체는 채널(22)이 형성되어 있는 균일한 연속 블록으로 구성된다. 구조체의 벽의 두께는 대략 50 내지 150㎛ 사이이다. 상기 두께를 다음의 설명에서 e1으로 표시한다. 구조체(26)는, 예를 들면, 세라믹 소재로 형성된 다공성 벌집 모양 구조체로 형성되는 것이 바람직하다.
각 채널의 표면은 워시코트를 형성하는 촉매제로 커버된다. 소정의 채널 단면에 걸쳐 워시코트의 두께가 상이함을 알 수 있다. 특히, 두께는 "모서리"가 더 크다. 촉매제 코팅(28)의 e2로 표시된 평균 두께는 대략 5㎛ 내지 200㎛ 사이이며, 대략 50㎛이 바람직하다. 촉매제의 예는 EP-0.601.314, EP-0.244.127 및 EP-1.044.058에 개시되어 있다.
따라서, 담체 벽의 총 두께 e는 e1 + 2 e2이다.
본 발명에 따르면, 담체, 즉 촉매제로 커버된 구조체 내에 형성된 채널(22)의 치수는 각 채널(22)의 수리 직경(HD)이 900㎛ 보다 크다. 채널의 수리 직경(HD)은 "워시코트"로 커버된 담체 내에 형성된 채널의 단면을 한정하는 6각형 내에 도시된 원형 직경으로서 형성된다.
촉매제(28)로 커버된 구조체(26) 및 담체는 2.54cm인 평방 인치당 채널 개수를 특징으로 한다. 담체(20)는 또한 25.4㎛인 0.001인치의 벽 두께를 특징으로 한다.
이와같이, 촉매 컨버터의 구조체는 X/Y에 의하여 형성될 수 있고, 여기서 X는 평방 인치로 나타낸 단면의 단위 표면적당 채널 개수이며 Y는 1000분의 1인치로 나타낸 구조체의 벽 두께 e1이다. 개수 X가 실제로 "cpsi"이다.
바람직하기로는, 채널 개수 X는 대략 400cpsi 내지 900cpsi 사이이며, 500cpsi 내지 800cpsi 사이가 바람직하고, 대략 600cpsi가 실질적으로 가장 바람직하다.
구조체의 각 벽의 두께 Y는 대략 0.002인치 내지 0.005인치(50.8㎛ 내지 127㎛) 사이가 바람직하다. 대략 0.003인치(76.2㎛)가 바람직하다.
예를 들면, 평방 인치당 채널 밀도(cpsi)가 대략 600이고, 벽두께가 대략 0.003인치(76.2㎛) 및 최소 워시코트 두께 50㎛를 갖는 600/3 촉매 컨버터는 각각의 채널마다 대략 940㎛의 수리 직경(HD)을 갖는다.
상기 촉매 컨버터에 있어서, 채널은 배기 가스에 의하여 이송되는 매연으로 인한 막힘(clogging)을 방지하기에 충분한 단면을 갖는다는 점을 알았다. 6각형 단면을 사용함으로써 촉매 컨버터는 배기 가스 내에 매연이 존재하더라도 양호하게 작용할 수 있다.
아래 표는 상이한 채널 밀도를 가진 6각형 또는 사각형 채널을 구비한 촉매 컨버터로 얻어진 결과를 나타낸다.
아래 결과는 20 마이크로미터의 촉매제 코팅(워시코트, 표에서는 WC라고 함)의 두께로 얻어졌다. 촉매 컨버터의 귀금속, 즉 백금의 담지량은 40g/foot3이다.
cpsi 400/6을 가진 담체와 비교하여, cpsi 600/3을 가진 담체를 사용하여 일산화탄소 배기 가스를 처리할 시 12% 내지 14% 증가되는 것으로 판명되었다. 그러나, cpsi 600/3을 가진 담체 중에서, 사각형 단면의 채널을 가진 담체는 신속하게 폐쇄되고 단지 20시간만 사용한 후에도 완전하게 차단된다. 한편, 6각형 단면의 채널을 가진 cpsi 600/3의 담체는 38시간 동안 사용한 후에도 여전히 동작가능하다.
따라서, 이들 담체의 효율성은 사각형 cpsi 600/3을 가진 담체의 효율성과 적어도 동일한 반면, 수명은 여전히 증가(사각형 cpsi 400/6을 가진 담체와 적어도 동일함)되는 것으로 판명되었다.
따라서, 본 발명에 따른 촉매 컨버터는 일산화탄소 및 이산화탄소의 배기 가스 배출을 감소(14%)시키고 막힘을 지연(38시간)시키는 효율을 가질 수 있다.
Claims (10)
- 디젤 엔진(12), 및 촉매 컨버터(18)를 구비한 배기관(16)을 포함하는 기계동력 발전기에 있어서,상기 촉매 컨버터는 인접하는 채널(22)들을 한정하는 담체(20)를 포함하고,상기 각각의 채널(22)은 6각형 단면을 가지며,상기 각각의 채널(22)의 수리 직경(HD)은 900㎛ 보다 크고,단위 표면적당 담체 단면의 채널 밀도는 400cpsi 내지 900cpsi 사이인기계동력 발전기.
- 제1항에 있어서,단위 표면적당 담체 단면의 채널 밀도는 500cpsi 내지 800cpsi 사이인 것을 특징으로 하는 기계동력 발전기.
- 제2항에 있어서,단위 표면적당 담체 단면의 채널 밀도는 실질적으로 600cpsi인 것을 특징으로 하는 기계동력 발전기.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,다공성 벽(24)의 두께는 0.002인치 내지 0.005인치(50.8㎛ 내지 127㎛) 사이인 것을 특징으로 하는 기계동력 발전기.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,다공성 벽(24)의 두께는 실질적으로 0.003인치(76.2㎛)인 것을 특징으로 하는 기계동력 발전기.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,상기 각각의 채널(20)은 정6각형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 기계동력 발전기.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,상기 담체(20)는, 표면이 촉매제 코팅으로 커버된 채널들을 한정하는 균일한 연속 구조체(26)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계동력 발전기.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,상기 담체(20)는 세라믹 소재로 형성된 구조체(26)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계동력 발전기.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,상기 디젤 엔진은 200℃ 이상의 작동 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 기계동력 발전기.
- 디젤 엔진(12)의 배기 가스 오염을 제거하기 위하여 촉매 컨버터(18)를 사용하는 방법에 있어서,상기 촉매 컨버터(18)는 배기관(16) 내에 배치되며,상기 촉매 컨버터(18)는 인접하는 채널(22)들을 한정하는 담체(20)를 포함하고,상기 각각의 채널(22)은 6각형 단면을 가지며,상기 각각의 채널(20)의 수리 직경(HD)은 900㎛ 보다 큰촉매 컨버터의 사용 방법.
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