KR20050098107A

KR20050098107A - 자동차 배기가스 정화시스템

Info

Publication number: KR20050098107A
Application number: KR1020040023423A
Authority: KR
Inventors: 최성무
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2004-04-06
Filing date: 2004-04-06
Publication date: 2005-10-11
Also published as: CN1680693A; KR100590960B1; US20050220679A1; JP2005299631A

Abstract

본 발명은 자동차 배기가스 정화시스템에 관한 것으로서, 특히 엔진 배기 매니폴드에 가깝게 설치되는 CCC와, 차체 플로어 하측에 설치되는 UCC를 설치하되, CCC 내에는 귀금속 담지량이 낮은 HC 흡착촉매와 NOx 흡착촉매를 설치하는 한편 바이패스 유로와 유로절환수단을 포함하는 가변유로 시스템을 구성하여, 초기시동시에는 CCC 내 상기 흡착촉매로 배기가스가 흐르게 하여 이들 흡착촉매가 배기가스를 정화하도록 하고, 이후 후방 UCC 촉매의 워엄-업 상태에서는 CCC 내 흡착촉매로의 유로는 차단하고 UCC 촉매로만 배기가스가 흐르게 하여 이 UCC 촉매가 정상적으로 배기가스를 정화하도록 한 자동차 배기가스 정화시스템에 관한 것이다. 이러한 본 발명에 의하면, 초기시동시에는 CCC에서, 이후에는 워엄-업 상태의 UCC에서 정화가 이루어지므로 정화성능의 향상은 물론, 귀금속을 거의 사용하지 않은 HC 흡착촉매 및 NOx 흡착촉매를 CCC 내에 사용하여 기존 CCC 촉매를 대체함으로써 제조원가의 절감이 가능하다. 또한, 가변유로를 이용하여 CCC 촉매를 시동초기 단시간 동안에만 사용하므로 CCC 촉매의 내열 및 내구성 문제가 발생하지 않게 된다.

Description

자동차 배기가스 정화시스템{System for purifying exhaust gas of automobile}

본 발명은 자동차 배기가스 정화시스템에 관한 것으로서, 엔진 배기 매니폴드에 가깝게 설치되는 CCC와, 차체 플로어 하측에 설치되는 UCC를 설치하되, CCC 내에는 귀금속 담지량이 낮은 HC 흡착촉매와 NOx 흡착촉매를 설치하는 한편 바이패스 유로와 유로절환수단을 포함하는 가변유로 시스템을 구성하여, 초기시동시에는 CCC 내 상기 흡착촉매로 배기가스가 흐르게 하여 이들 흡착촉매가 배기가스를 정화하도록 하고, 이후 후방 UCC 촉매의 워엄-업 상태에서는 CCC 내 흡착촉매로의 유로는 차단하고 UCC 촉매로만 배기가스가 흐르게 하여 이 UCC 촉매가 정상적으로 배기가스를 정화하도록 한 자동차 배기가스 정화시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차의 배기가스는 엔진에서 혼합기의 연소에 의해 생성되어 배기 파이프를 통해 대기 중으로 방출되는 가스를 말하며, 이러한 배기가스에는 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 미연소탄화수소(HC) 등 인체에 유해한 물질이 다량 포함되어 있다.

따라서, 자동차 배기가스로 인한 대기오염을 방지하는 것이 환경위생상 중요한 문제로 대두되고 있으며, 자동차에서는 배기가스를 배출하기 전에 반드시 정화처리를 하도록 규제하고 있다.

자동차에서 배기가스를 정화하기 위하여 주로 쓰이는 장치가 삼원촉매(three way catalyst)를 사용한 촉매컨버터인데, 이는 배기 파이프 도중에 장착되며, 차량에 따라 배기가스 배출량이 다르기 때문에 촉매의 사양은 다르다.

여기서, 삼원촉매는 배기가스의 유해성분인 일산화탄소, 질소산화물 및 탄화수소계 화합물과 동시에 반응하여 이들 화합물을 제거하는 촉매를 의미하며, 주로 Pt/Rh, Pd/Rh 또는 Pt/Pd/Rh계의 삼원촉매가 이용된다.

한편, 가솔린 승용차의 경우, 배기가스의 후처리장치로서 대부분 차체 플로어 하측에 설치되는 촉매컨버터, 즉 UCC(Underfloor Catalytic Converter)가 적용되고 있으며, 현재 정화율을 높이기 위하여 촉매의 체적을 키우는 추세이나, 차체의 지상고가 낮기 때문에 횡단면형상이 좌우 양 측방으로 길게 형성된 타원형(oval or racetrack 형태)의 촉매가 주로 사용되고 있다.

현재, 상기한 가솔린 차량 배기가스 정화시스템의 최대 목표는 초기시동시 유해성분의 배출을 최소화 하는데 있으며, 초기시동시에는 배기가스가 촉매를 통과하지만 촉매가 충분히 워엄-업(warm-up)되지 않은 상태이고, 촉매의 온도가 배기가스의 유해성분을 무해하게 변환할 수 있을 만큼 충분히 높지 않은 상태이기 때문에, 초기시동시 유해성분의 배출을 최소화 하기 위해서는 촉매의 온도를 최대한 빨리 올려주는 것이 관건이다.

특히, 전체적으로 HC 및 NOx의 2/3 이상이 초기시동시인 촉매가 충분히 워엄-업되지 않은 상태에서 배출되므로, 초기시동시 HC 및 NOx의 저감기술이 배기가스 저감기술의 최우선이 되고 있다.

이를 위하여, 촉매컨버터를 엔진의 배기 매니폴드에 최대한 가깝게 설치하거나(CCC:Close Catalytic Converter), 전기적으로 혹은 연소에 의해 촉매를 가열하여 강제적으로 워엄-업시키는 방법이 제안된 바 있다(EHC:Electrically Heated Catalyst, BHC:Burner Heated Catalyst).

또 다른 방법으로는, CCC의 촉매에 귀금속 담지량을 높여 촉매 자체의 워엄-업 시간이 단축되도록 하거나, 촉매의 열용량을 줄이기 위해 촉박벽 담체나 금속 담체를 사용하기도 하며, 열손실을 줄이기 위해 이중관 파이프 혹은 이중관 배기 매니폴드를 적용하기도 한다.

그러나, 이러한 종래의 배기가스 정화시스템에서는 다음과 같은 문제점이 있었다.

먼저, CCC와 같이 촉매를 엔진쪽에 가깝게 위치시키는 경우에서는 촉매의 내구성 및 내열성에 좋지 않은 영향을 주는 문제가 있다.

또한, EHC나 BHC의 경우에서는 과다한 전기용량(배터리나 알터네이터)을 요구하고 있고, 또한 촉매의 가열을 위해 별도의 연료 사용을 필요로 하고 있으며, 촉매에 심한 열을 가하여 촉매에 치명적인 열적 손상을 줄 수도 있다.

그리고, 촉매의 귀금속 담지량을 높일 경우에는 고가의 귀금속 사용량이 늘어나기 때문에 촉매의 제조원가를 높이는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, CCC와 UCC를 설치하되, CCC 내에는 귀금속 담지량이 낮은 HC 흡착촉매와 NOx 흡착촉매를 설치하는 한편 바이패스 유로와 유로절환수단을 포함하는 가변유로 시스템을 구성하여, 초기시동시에는 CCC 내 상기 흡착촉매로 배기가스가 흐르게 하여 이들 흡착촉매가 배기가스를 정화하도록 하고, 이후 후방 UCC 촉매의 워엄-업 상태에서는 CCC 내 흡착촉매로의 유로는 차단하고 UCC 촉매로만 배기가스가 흐르게 하여 이 UCC 촉매가 정상적으로 배기가스를 정화하도록 함으로써, 정화성능의 향상은 물론, 귀금속을 거의 사용하지 않은 HC 흡착촉매 및 NOx 흡착촉매를 CCC 내에 사용하여 제조원가의 절감이 가능하고, 가변유로를 이용하여 CCC 촉매를 시동초기 단시간 동안에만 사용하므로 CCC 촉매의 내열 및 내구성 문제가 발생하지 않게 되는 자동차 배기가스 정화시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

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

본 발명은, 자동차 배기가스 정화시스템에 있어서,

하우징 내부에 HC 흡착촉매와 NOx 흡착촉매가 직렬로 내장되어 배기경로상에서 엔진 배기 매니폴드쪽으로 가깝게 설치되고, 배기가스가 상기 두 흡착촉매를 거치지 않고 바로 배출될 수 있도록 하는 바이패스 유로를 가지는 CCC와;

이 CCC 후방으로 차체 플로어 하측의 배기 파이프 도중에 설치되는 UCC와;

상기 UCC 내 촉매의 온도를 검출하기 위한 온도감지센서와;

이 온도감지센서의 신호를 입력받아 기설정된 온도 이상일 경우 상기 UCC 내 촉매의 워엄-업 상태임을 판단하여 상기 CCC 내 배기경로를 상기 바이패스 유로로 절환시키기 위한 제어신호를 출력하는 ECU와;

이 ECU의 제어신호에 의해 상기 CCC 내 흡착촉매쪽 유로와 바이패스 유로간에 배기경로를 절환시켜주는 유로절환수단;

을 포함하는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 바이패스 유로로서, 상기 CCC 하우징 내에서 상기 두 흡착촉매의 중앙에 관통 형성된 중앙홀에 삽입 설치되어 그 입구와 출구가 CCC 하우징의 입구통로와 출구통로에 위치되는 중간파이프가 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 흡착촉매의 중앙홀 내면과 중간파이프의 외주면 사이에는 인슐레이터가 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유로절환수단은, 상기 CCC 입구통로 바깥쪽으로 CCC 하우징 또는 인근의 차체쪽 소정 위치에 장착되어 상기 ECU의 제어신호에 의해 구동이 제어되는 모터와, 이 모터의 구동에 의해 회전하여 상기 두 유로간 배기가스의 흐름을 절환시키는 밸브를 포함하여 이루어지는 것을 특징을 한다.

또한, 상기 밸브로서 상기 모터의 회전축 선단에 설치되어 상기 CCC 하우징 입구통로 내에서 상기 모터에 의해 0°또는 90°위치로 회전하도록 되어 있으면서 직경이 상기 입구통로 내경과 동일 직경으로 되어 상기 중간파이프 전단 입구에 위치되는 볼 밸브가 설치되되, 이 볼 밸브는 중앙을 관통하여 90°위치에서 상기 중간파이프의 전단 입구와 연결되는 가스유로를 가지는 한편, 이 가스유로의 양 단부쪽에는 0°위치에서 CCC 입구통로 내면과 배기가스 유로를 형성하는 움푹 들어간 형상의 오목부가 형성되어 있고, 상기 중간파이프의 전단 입구에는 상기 가스유로의 후단부쪽 오목부를 완전히 덮을 수 있는 날개부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 자동차 배기가스 정화시스템에 관한 것으로서, 특히 특히 엔진 배기 매니폴드에 가깝게 설치되는 CCC와, 차체 플로어 하측에 설치되는 UCC를 설치하되, CCC 내에는 귀금속 담지량이 낮은 HC 흡착촉매와 NOx 흡착촉매를 설치하는 한편 바이패스 유로와 유로절환수단을 포함하는 가변유로 시스템을 구성하여, 초기시동시에는 CCC 내 상기 흡착촉매로 배기가스가 흐르게 하여 이들 흡착촉매가 배기가스를 정화하도록 하고, 이후 후방 UCC 촉매의 워엄-업 상태에서는 CCC 내 흡착촉매로의 유로는 차단하고 UCC 촉매로만 배기가스가 흐르게 하여 이 UCC 촉매가 정상적으로 배기가스를 정화하도록 한 자동차 배기가스 정화시스템에 관한 것이다.

이러한 본 발명의 구성을 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 배기가스 정화시스템의 구성 및 작동상태를 도시한 단면도이고, 도 2a와 도 2b 그리고 도 3a와 도 3b는 본 발명에서 볼 밸브의 회전위치에 따른 CCC 입구통로의 유로 개폐상태를 보인 단면도이다.

또한, 첨부한 도 4a와 도 4b는 본 발명에서 볼 밸브의 회전위치에 따른 중간파이프 유로의 개폐상태를 보인 사시도이다.

이에 도시한 바와 같이, 엔진의 배기 매니폴드로부터 나온 배기가스가 대기로 방출되기 위하여 흐르게 되는 차체 후미까지의 배기경로상에 CCC(110)와 UCC(120)가 서로 직렬 배치되게 설치된다.

이때, 종래와 마찬가지로, 상기 CCC(110)는 배기경로상에서 배기 매니폴드에 가능한 가깝게 설치되고, UCC(120)는 차체 플로어 하측으로 위치되는 배기 파이프의 도중에 설치된다.

상기 CCC(110)는 하우징(111) 내부에 HC 흡착촉매(112)와 NOx 흡착촉매(113)가 전후 직렬로 배치되어 구성되며, 전방에 위치되는 HC 흡착촉매(112)로는 제올라이트계 촉매로서 Al/Si비가 매우 낮아 내열성이 큰 촉매를 사용하는 것이 바람직하고, 그 후방의 NOx 흡착촉매(113)로는 칼륨계 촉매가 사용 가능하다.

또한, 상기 각 흡착촉매(112,113)의 중앙에는, CCC 입구통로(111a)를 통해 들어온 배기가스가 두 흡착촉매(112,113)를 통과하지 않고 바로 CCC 출구통로(111b)를 통해 배출될 수 있도록 하는 일종의 바이패스 유로로서, 중간파이프(114)가 종방향으로 관통 설치된다.

상기 중간파이프(114)는 CCC(110) 내 상기 두 흡착촉매(112,113)의 중앙홀(112a,113a)을 통해 전후로 길게 삽입 설치되는 바, CCC 하우징(111) 내부를 통과하여 그 입구와 출구가 각각 CCC 흡착촉매(112,113)의 전방과 후방, 보다 명확히는 CCC 하우징(111)의 입구통로(111a)와 출구통로(111b)에 위치되는 유로를 형성하게 되며, 특히 이 중간파이프(114) 내부로 흐르게 되는 배기가스는 CCC 내 HC 흡착촉매(112)와 NOx 흡착촉매(113)를 통과하지 않고 바로 CCC(110) 후단으로 배출된 후 UCC(120)로 흐르게 된다.

또한, 상기 두 흡착촉매(112,113)의 중앙홀(112a,113a) 내면과 상기 중간파이프(114)의 외면 사이에는 인슐레이터(insulator;115)가 설치된다.

한편, 상기 UCC(120)는 하우징(121) 내부에 종래와 마찬가지로 두 개의 촉매, 즉 제1촉매(122)와 제2촉매(123)가 전후 직렬로 배치되어 구성될 수 있고, 제1촉매(122)에는 온도감지센서(130)가 설치된다.

상기 온도감지센서(130)는 제1촉매(122)의 온도를 검출하여 그에 따른 전기적 신호를 출력하도록 되어 있는 것으로서, 이는 UCC 촉매의 워엄-업 상태를 감지하기 위한 수단이 된다.

상기 온도감지센서(130)는 열전대(thermocouple)로 실시 가능하며, 이때 제1촉매(122)의 담체에 별도 삽입공간을 마련하고, 이 삽입공간에 열전대를 길게 삽입하여 설치한다.

또한, 본 발명에 따른 배기가스 정화시스템은 상기 CCC(110)의 하우징(111) 내부에서 중간파이프(114)에 의해 구분되는 두 개의 유로, 즉 중간파이프(114) 안쪽의 내부유로(114a)와 중간파이프(114) 바깥쪽의 외부유로(116) 사이에서 배기가스의 흐름을 절환시켜주는 유로절환수단(150)을 포함하며, 이 유로절환수단(150)은 상기 UCC(120) 내 온도감지센서(130)의 출력신호를 입력받아 UCC 촉매(122)의 워엄-업 상태를 판단하는 ECU(140)의 제어신호에 의해 구동이 제어된다.

상기 유로절환수단(150)은 ECU(140)의 제어신호에 의해 구동이 제어되는 모터(151)와, 이 모터(151)의 구동에 의해 상기 두 유로(114a,116)간 배기가스의 흐름을 절환시키는 밸브(152)를 포함하여 이루어진다.

바람직한 실시예로서, 상기 밸브(152)는 모터(151)의 회전축(151a) 선단에 고정 설치된 볼 밸브로 실시 가능하며, 이러한 볼 밸브(152)가 채용된 유로절환수단(150)에 대해 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 모터(151)는 CCC 입구통로(111a) 바깥쪽으로 CCC 하우징(111) 또는 인근 차체쪽 소정 위치에 장착되며, 상기 볼 밸브(152)는 CCC 입구통로(111a) 내부에 설치된다.

이때, CCC 입구통로(111a)의 내경과 동일한 직경의 볼 밸브(152)가 사용되는데, 이 볼 밸브(152)는 CCC 입구통로(111a)를 막고 있는 상태에서 상기 중간파이프(114) 전단 입구에 위치되도록 설치된다.

또한, 상기 모터(151)의 회전축(151a) 선단이 볼 밸브(152)의 상단 중심에 연결되며, 이에 모터(151)의 회전축(151a)이 회전되면서 볼 밸브(152)가 회전되도록 되어 있다.

상기 볼 밸브(152)는 중앙을 관통시켜 형성한 가스유로(153)를 가지며, 이 가스유로(153)의 양 단부쪽에는 안쪽으로 움푹 들어간 형상의 오목부(153a,153b)가 형성되어 있는 바, 후술하는 바와 같이, 가스유로(153)와 중간파이프(114)가 서로 횡방향으로 배치되는 볼 밸브의 위치에서는 이 오목부(153a,153b)가 볼 밸브(152) 양 측방에서 CCC 입구통로(111a) 내면과 배기가스 유로를 형성하도록 되어 있다(도 2a와 도 2b 참조).

이러한 유로절환수단(150)에서는 볼 밸브(152)의 회전위치에 따라 유로의 절환이 이루어지게 되는데, 상기 모터(151)는 ECU(140)로부터 출력되는 제어신호에 의해 구동하여 볼 밸브(152)를 회전축(151a)을 통해 0° 또는 90° 위치로 회전시켜 유로(114a,116)간 절환이 이루어지도록 한다.

여기서, 볼 밸브(152)가 0° 위치에 있게 될 경우(초기시동시임), 이는 중간파이프(114)의 내부유로(114a)가 볼 밸브(152)에 의해 차단되고 중간파이프(114) 외부의 유로(116)가 열리는 상태로, 도 2a 및 도 2b에 나타낸 바와 같이, 볼 밸브(152)의 가스유로(153)가 중간파이프(114)와는 횡방향으로 배치되면서 중간파이프(114)의 전단 입구가 볼 밸브(152)에 의해 막힌 상태가 되며, 또한 가스유로(153)의 양 단부쪽에서는 오목부(153a,153b)에 의해 CCC 입구통로(111a) 내면과 볼 밸브(152) 사이에 배기가스가 통과할 수 있는 유로가 생기게 된다.

이 공간을 통과한 배기가스는 중간파이프(114) 바깥쪽의 HC 흡착촉매(112)와 NOx 흡착촉매(113)를 차례로 통과한 후 CCC 출구통로(111b)를 통해 배출되어 배기 파이프를 통해 UCC(120)로 흐르게 된다.

반면, 볼 밸브(152)가 모터 구동에 의해 90° 위치로 회전된 상태(UCC 촉매의 워엄-업 상태)는 중간파이프(114) 외부의 유로(116)가 볼 밸브(152)에 의해 차단되고 중간파이프(114)의 내부유로(114a)가 열리는 상태로, 도 3a 및 도 3b에 나타낸 바와 같이, 볼 밸브(152)의 가스유로(153)가 중간파이프(114)와 동일한 방향으로 배치되고, 중간파이프(114)의 전단 입구가 볼 밸브(152)에 의해 열리면서 볼 밸브(152)의 가스유로(153)와 중간파이프(114)의 내부유로(114a)가 서로 연결된 상태가 된다.

이 상태에서는 CCC 입구통로(111a)를 통해 들어온 배기가스가 볼 밸브(152)의 가스유로(153) 및 중간파이프(114)의 내부유로(114a)를 차례로 통과한 후 CCC 출구통로(111b)를 통해 배기 파이프로 배출되어 UCC(120)로 흐르게 된다.

즉, 볼 밸브(152)가 90° 회전위치에 놓인 상태에서는 중간파이프(114) 외부의 유로(116)가 차단되면서 CCC 입구통로(111a)를 통해 들어온 배기가스가 HC 흡착촉매(112)와 NOx 흡착촉매(113)를 통과하지 않고 바로 UCC(120)로 흐르게 되는 것이다.

배기가스 유로의 절환상태를 도 4a와 도 4b의 사시도를 통해 설명하면, 볼 밸브(152)의 가스유로(153)가 중간파이프(114)와 횡방향 배치된 상태(볼 밸브의 0° 위치)에서는 가스유로(153)의 양 단부쪽 오목부(153a,153b)를 통해 중간파이프 바깥쪽 유로(116)로 배기가스가 흐르게 되고(도 4a), 이후 볼 밸브(152)가 90° 회전하여 가스유로(153)가 중간파이프(114)와 동일한 방향으로 배치되는 경우 가스유로(153)와 중간파이프 내부유로(114a)를 통해 배기가스가 흐르게 된다.

도 4a와 도 4b에서 도면부호 114b는 중간파이프(114) 전단 입구에서 양 측방으로 형성된 날개부이며, 이 날개부(114a)는 가스유로(153)의 후단부쪽 오목부(153b)를 완전히 덮을 수 있는 형상으로 구비된다.

즉, 상기 볼 밸브(152)에서 오목부(153a,153b)는 양 측방으로 넓게 형성되어 있는 바, 상기 날개부(114a)가 볼 밸브(152)의 후단부쪽 오목부(153b)를 완전히 덮어주어야만 가스유로(153)를 통과한 배기가스가 외부로 새지 않고 중간파이프(114) 내부로 모두 흐를 수 있는 것이다.

또한, 상기 볼 밸브(152)가 회전될 때 볼 밸브(152)의 표면이 중간파이프(114)의 날개부(114b) 전면과 서로 접촉한 상태에서 슬라이딩 되어야만 배기가스가 새지 않으며, 따라서 상기 날개부(114b)는 볼 밸브(152)의 표면 곡률과 동일한 곡률의 곡면으로 구비된다.

이하, 본 발명에 따른 배기가스 정화시스템의 전체적인 작동상태를 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 배기가스 정화시스템은 가변유로를 적용하여 초기시동시에는 CCC(110) 내 HC 흡착촉매(112) 및 NOx 흡착촉매(113)로 배기가스가 흐르도록 하여 이들을 통해 배기가스가 정화되도록 하고, 이후 후방의 UCC(120) 내 촉매(122,123)가 충분히 워엄-업 상태(예, 촉매 온도가 200℃ 이상)가 되었을 때는 상기 HC 흡착촉매(112) 및 NOx 흡착촉매(113)로의 유로(116)는 차단하고 상기 UCC(120) 내 촉매로만 배기가스가 흐르게 하여 이 UCC(120)가 정상적으로 배기가스를 정화하도록 한 시스템이다.

먼저, 시동이 걸리면 엔진에서 배기가스가 나오게 된다.

이때, 볼 밸브(152)의 상태는 도 2a, 도 2b 및 도 4a의 상태가 되어, 중앙의 배기가스 유로, 즉 중간파이프(114)의 내부유로(114a)가 전단 입구쪽에서 볼 밸브(152)에 의해 막히어 차단되고, 볼 밸브(152) 좌우측의 오목부(153a,153b) 유로만이 열리게 된다.

이 유로를 통해 배기가스는 CCC(110) 내에서 중간파이프 외부의 유로(116)로 흘러 HC 흡착촉매(112)와 NOx 흡착촉매(113)를 차례로 통과하게 되고, 이후 CCC 출구통로(111b)를 통해 배기 파이프로 배출되어 UCC(120)를 통과하게 된다(도 1a에서 화살표 P1의 경로임).

여기서, 배기가스는 상기 두 흡착촉매(112,113)를 통과하면서 배기가스 성분 중 HC와 NOx는 각 흡착촉매에 흡착되고, UCC(120)로는 HC와 NOx가 제거된 상태의 배기가스가 흐르게 된다.

이와 같이 배기가스가 UCC(120)를 통과함에 따라 UCC 내 제1촉매(122)와 제2촉매(123)의 온도는 올라가게 되고, 온도가 충분히 올라갈 때까지(촉매가 활성을 갖는 온도까지; 예, 활성화 온도 200℃) CCC(110) 내 HC 흡장촉매(112)와 NOx 흡장촉매(113)가 계속해서 HC 및 NOx를 흡착하는 바, 이들 유해성분이 테일 파이프쪽으로 흘러 대기 중으로 배출되지 않도록 한다.

한편, 이후 UCC(120) 내 촉매의 온도가 계속 상승하여 활성화 온도 이상으로 충분히 워엄-업 상태가 되면, ECU(140)는 볼 밸브(152)를 90° 회전위치로 회전시키기 위한 모터 제어신호를 출력하게 된다.

여기서, 상기 ECU(140)는 UCC(120) 내 제1촉매(122)에 설치한 온도감지센서(130)의 신호를 입력받아 촉매 온도가 기설정된 활성화 온도 이상이 됨을 판단하여 촉매가 워엄-업 상태임을 판단하고, 워엄-상태임을 판단하게 되면 중간파이프 외부의 유로(CCC 하우징 내 HC 흡착촉매 및 NOx 흡착촉매쪽으로의 유로;116)를 차단하는 동시에 중간파이프(114)의 내부유로(114a)를 열기 위한 제어신호, 즉 볼 밸브(152)를 90° 회전위치로 회전시키기 위한 모터 제어신호를 출력하게 된다.

상기와 같이 볼 밸브(152)가 90° 회전위치로 회전하게 되면, 볼 밸브의 상태는 도 3a 및 도 3b, 도 4b의 상태가 되어, 중간파이프(114) 외부의 유로(116)가 볼 밸브(152)에 의해 차단되는 동시에 중간파이프(114)의 내부유로(114a)는 볼 밸브(152)의 가스유로(153)와 연결되면서 열리게 된다.

이 위치에서 배기가스는 볼 밸브(152)의 가스유로(153)와 중간파이프(114)의 내부유로(114a)를 통과하게 되며, CCC(110) 내 두 흡착촉매(112,113)를 거치지 않고 배기 파이프를 통해 바로 UCC(120)로 흘러들어가게 된다(도 1b에서 화살표 P2의 경로임).

이렇게 되면 배기가스는 정상적으로 워엄-업된 UCC(120) 내 촉매(122,123)를 통과하면서 정화되기 시작한다.

또한, 초기시동시 HC 흡착촉매(112) 및 NOx 흡착촉매(113)에 흡착되어 있던 HC 및 NOx는 중간파이프(114)의 내부유로(114a)로 지나는 배기가스의 열에 의해 HC 흡착촉매(112) 및 NOx 흡착촉매(113)에서 자연 탈착되기 시작하고, 결국 뒤쪽으로 열려 있는 유로를 통해 UCC(120)로 흘러 활성화 된 제1촉매(122) 및 제2촉매(123)에 의해 정화된다.

이와 같은 본 발명의 정화시스템은 귀금속을 거의 사용하지 않은 HC 흡착촉매(112) 및 NOx 흡착촉매(113)를 CCC(110) 내에 사용하여, 워엄-업 시간 단축을 위해 귀금속 담지량을 높였던 기존 CCC 촉매를 대체함으로써, 제조원가 측면에서 유리한 장점이 있다.

또한, 본 발명의 정화시스템에서는 가변유로가 적용되어 고온에 다소 약한 HC 흡착촉매(112) 및 NOx 흡착촉매(113)를 CCC 촉매로 사용하더라도 시동 초기 단시간 동안에만 사용하므로 HC 흡착촉매 및 NOx 흡착촉매의 내구 및 내열성 문제는 발생하지 않게 된다.

또한, 본 발명의 정화시스템에서는 주 촉매인 UCC 촉매(122,123)가 뒤쪽으로 위치됨으로써, 내피독성 및 내열성이 확보되어 UCC(120)만으로 배기 규제를 만족시킬 수 있고, 원가 절감에도 기여할 수 있게 된다.

한편, 첨부한 도 5는 제올라이트계 HC 흡착촉매와 칼륨계 NOx 흡착촉매의 온도변화에 따른 탈착특성을 나타낸 것으로서, 이는 HC 흡착촉매와 NOx 흡착촉매에 일정 농도의 HC와 NOx를 흡착시킨 후 온도를 올려가면서 탈착되는 HC와 NOx의 농도를 측정한 것이다.

이를 보면, 각 흡착촉매는 HC 및 NOx를 흡착한 후(단, 흡착량은 각 흡착촉매의 부피에 의존함) 온도가 올라가면서 도 5의 그래프처럼 탈착하며, 적어도 300℃ 이상이 되어야만 HC 및 NOx가 서서히 탈착하기 시작한다.

본 발명에서는 UCC 촉매(122,123)가 워엄-업되고 난 후 중간파이프(114)의 내부유로(114a)가 열린 상태에서 UCC 촉매(122,123)가 그 이상의 충분한 온도까지 상승될 때까지 CCC(110) 내 각 흡착촉매(112,113)로부터 HC 및 NOx가 탈착되는 것을 지연시키는 것이 필요하다.

이를 위하여, 중간파이프(114)의 외주면과 각 흡착촉매(112,113)의 중앙홀(112a,113a) 내주면 사이에 인슐레이터(115)를 설치하는 것이며, 이 인슐레이터(115)는 중간파이프(114)의 내부유로(114a)와 흡착촉매(112,113)간 완전 단열을 구현하기 보다는 열전달을 방해하고자 하는 목적에서 설치하는 것으로, 특정의 단열부재를 설치하는 것 외에 중간파이프(114)와 흡착촉매(112,113) 사이에 에어 갭(air gap)을 두는 것도 실시가 가능하다.

요약컨대, UCC 촉매(122,123)가 워엄-업 상태에 도달한 후 초기에는 UCC 촉매가 보다 높은 온도상태가 될 때까지 CCC 흡착촉매(112,113)에서의 HC 및 NOx 탈착을 지연시킬 필요가 있는 바, 상기 인슐레이터(115) 또는 에어 갭은 중간파이프 내부유로(114a)의 배기가스 열이 HC 및 NOx 흡착촉매(112,113)로 전달되는 것을 어느 정도 방해하여 흡착되었던 HC 및 NOx가 열에 의해 자연 탈착되는 것을 시간적으로 지연하게 된다.

한편, 첨부한 도 6은 일반적인 UCC 촉매의 온도 증가에 따른 촉매의 활성(정화율)을 나타낸 것으로서, 200℃ 이전의 온도에서 모든 배기가스의 정화율이 100%에 가깝게 되며, ECU가 UCC 촉매의 워엄-업상태를 판단하게 되는 온도 기준으로 대략 200℃를 설정하면 본 발명의 구현이 가능하다.

또한, 첨부한 도 7a와 도 7b는 본 발명의 가변유로형 배기가스 정화시스템과 종래의 'CCC + UCC' 방식 배기가스 정화시스템에 대하여 250℃에서 정화성능을 평가한 결과를 나타낸 것으로서, 본 발명의 정화시스템에서는 초기시동 모드에서 정상운전 모드로 유로를 전환한 후(볼 밸브 90° 위치) 250℃에서 정화성능을 평가하였다.

본 발명의 시스템에서는 종래의 시스템에 비해 초기시동 모드(bag1)에서는 1/5 수준의 배기가스가 배출되었으며, 전체적인 평가결과로는 SULEV 기준치인 HC: 0.01g/mile, NOx: 0.02g/mile을 만족하였다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차 배기가스 정화시스템에 의하면, CCC와 UCC를 설치하되, CCC 내에는 귀금속 담지량이 낮은 HC 흡착촉매와 NOx 흡착촉매를 설치하는 한편 바이패스 유로와 유로절환수단을 포함하는 가변유로 시스템을 구성하여, 초기시동시에는 CCC 내 상기 흡착촉매로 배기가스가 흐르게 하여 이들 흡착촉매가 배기가스를 정화하도록 하고, 이후 후방 UCC 촉매의 워엄-업 상태에서는 CCC 내 흡착촉매로의 유로는 차단하고 UCC 촉매로만 배기가스가 흐르게 하여 이 UCC 촉매가 정상적으로 배기가스를 정화하도록 함으로써, 정화성능의 향상은 물론, 귀금속을 거의 사용하지 않은 HC 흡착촉매 및 NOx 흡착촉매를 CCC 내에 사용하여 제조원가의 절감이 가능하고, 가변유로를 이용하여 CCC 촉매를 시동초기 단시간 동안에만 사용하므로 CCC 촉매의 내열 및 내구성 문제가 발생하지 않게 되는 장점이 있게 된다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 배기가스 정화시스템의 구성 및 작동상태를 도시한 단면도,

도 2a와 도 2b 그리고 도 3a와 도 3b는 본 발명에서 볼 밸브의 회전위치에 따른 CCC 입구통로의 유로 개폐상태를 보인 단면도,

도 4a와 도 4b는 본 발명에서 볼 밸브의 회전위치에 따른 중간 파이프 유로의 개폐상태를 보인 사시도,

도 5는 제올라이트계 HC 흡착촉매와 칼륨계 NOx 흡착촉매의 온도변화에 따른 탈착특성을 나타낸 그래프,

도 6은 일반적인 UCC 촉매의 온도 증가에 따른 촉매의 활성(정화율)을 나타낸 그래프,

도 7a와 도 7b는 본 발명의 가변유로형 배기가스 정화시스템과 종래 'CCC + UCC' 방식의 배기가스 정화시스템에 대한 정화성능 평가결과를 나타낸 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110 : UCC 112 : HC 흡착촉매

113 : NOx 흡착촉매 114 : 중간파이프

114b : 날개부 115 : 인슐레이터

120 : UCC 130 : 온도감지센서

140 : ECU 150 : 유로절환수단

151 : 모터 152 : 볼 밸브

153 : 가스유로 153a, 153b : 오목부

Claims

자동차 배기가스 정화시스템에 있어서,

하우징 내부에 HC 흡착촉매와 NOx 흡착촉매가 직렬로 내장되어 배기경로상에서 엔진 배기 매니폴드쪽으로 가깝게 설치되고, 배기가스가 상기 두 흡착촉매를 거치지 않고 바로 배출될 수 있도록 하는 바이패스 유로를 가지는 CCC와;

이 CCC 후방으로 차체 플로어 하측의 배기 파이프 도중에 설치되는 UCC와;

상기 UCC 내 촉매의 온도를 검출하기 위한 온도감지센서와;

이 온도감지센서의 신호를 입력받아 기설정된 온도 이상일 경우 상기 UCC 내 촉매의 워엄-업 상태임을 판단하여 상기 CCC 내 배기경로를 상기 바이패스 유로로 절환시키기 위한 제어신호를 출력하는 ECU와;

이 ECU의 제어신호에 의해 상기 CCC 내 흡착촉매쪽 유로와 바이패스 유로간에 배기경로를 절환시켜주는 유로절환수단;

을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스 정화시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 바이패스 유로로서, 상기 CCC 하우징 내에서 상기 두 흡착촉매의 중앙에 관통 형성된 중앙홀에 삽입 설치되어 그 입구와 출구가 CCC 하우징의 입구통로와 출구통로에 위치되는 중간파이프가 설치되는 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스 정화시스템.
청구항 2에 있어서,

상기 흡착촉매의 중앙홀 내면과 중간파이프의 외주면 사이에는 인슐레이터가 설치되는 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스 정화시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 유로절환수단은, 상기 CCC 입구통로 바깥쪽으로 CCC 하우징 또는 인근의 차체쪽 소정 위치에 장착되어 상기 ECU의 제어신호에 의해 구동이 제어되는 모터와, 이 모터의 구동에 의해 회전하여 상기 두 유로간 배기가스의 흐름을 절환시키는 밸브를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스 정화시스템.
청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,

상기 밸브로서 상기 모터의 회전축 선단에 설치되어 상기 CCC 하우징 입구통로 내에서 상기 모터에 의해 0°또는 90°위치로 회전하도록 되어 있으면서 직경이 상기 입구통로 내경과 동일 직경으로 되어 상기 중간파이프 전단 입구에 위치되는 볼 밸브가 설치되되, 이 볼 밸브는 중앙을 관통하여 90°위치에서 상기 중간파이프의 전단 입구와 연결되는 가스유로를 가지는 한편, 이 가스유로의 양 단부쪽에는 0°위치에서 CCC 입구통로 내면과 배기가스 유로를 형성하는 움푹 들어간 형상의 오목부가 형성되어 있고, 상기 중간파이프의 전단 입구에는 상기 가스유로의 후단부쪽 오목부를 완전히 덮을 수 있 날개부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스 정화시스템.