KR20110021441A - 고주파 유도 가열식 삼원 촉매 장치의 라이트 오프 타임 단축방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량의 삼원 촉매가 활성화 되는 시간을 단축시켜 시동초기에 유해배출 가스의 저감 효율을 시킬수 있도록 한 고주파 유도가열 식 삼원촉매 장치의 Light off Time 단축방법에 관한 것으로 본 발명은 엔진으로 부터 방출되는 배기 매니홀드에서 배기관 후방에 설치하고 내측에 삼원촉매 하우징에 유도코일을 감아 유도가열 시켜 삼원 촉매 장치의 온도를 급상승하게 하여 삼원촉매 장치의 효율적정 온도에 이르는 라이트 오프 타임(Light off Time)을 단축함으로서 삼원촉매 장치를 통한 배출가스의 저감을 효율적으로 수행하는 효과가 있다.

삼원촉매

Description

고주파 유도 가열 식 삼원 촉매 장치의 라이트 오프 타임 단축방법{omitted}

본 발명은 차량의 배기관에 연결되는 삼원 촉매장치에 관한 설명이다.

자동차엔진에서는 연소과정에 의해 인체에 피해를 주는 각종 오염물질이 배출되는데 그중 대표적인 것이 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 산화질소(Nox)이다.

상기 오염물질이 대기오염을 시켜 햇빛과 반응하여 광화학 스모그를 형성하고 이로 인해 동식물의 피해는 물론 건축물이나 고무제품의 손상 이상고온 등의 환경오염을 유발시킨다. 특히 사람에게는 눈, 코, 폐 등의 고통과 일상생활의 불쾌감을 유발시킨다.

이런 이유로 전 세계적으로 연소되지 않은 탄화수소, 일산화탄소 및 질소화합물, 오염물질에 대한 배출량 기준이 정해져있고 신형차량 및 기존의 차량역시 이 기준을 충족시켜야한다. 차량의 배기가스에 합격, 불합격이 CO, HC, Nox이다.

미국에서는 모든 주에서 실시되는 저 배출량 차량(Low Emission Vehicle)기준은 차량배출량이 1마일(1.609km)당 비메탄 탄화수소 0.08g, 일산화탄소 3.4g, 질소화합물 0.2g을 초과하는 것을 금하고 있다. 더욱이 미국의 캘리포니아 대기자원국(California Air Resource Board)은 차량배출량 1마일당 비메탄 탄화수소 0.04g, 일산화탄소 1.7g, 질소화합물 0.2g이 초과하는 것을 금지한 새로운 초 저 배출량(Ultra-Low Emission Vehicle) 기준을 최근에 공표했다는 사실은 자동차 제조업체로서는 보다 큰 우려를 자아내고 있다.

더욱이 과거차량 배출량 기준을 충족시키는 효과적인 방법이 신속하게 개발되어 구현되지 않는다면 차량 제조업체들은 엔진/배기통 구조를 상당히 변경시키고 기계적 공해물질 제어장치를 도입하든지 고가 귀금속 촉매 시스템을 대량으로 사용하지 않고서는 이러한 기준을 달성하기 어렵다는 문제점에 직면하게 된다. 따라서 각 자동차 제조사들은 이 유해가스를 줄이기 위해 막대한 연구개발비를 투자하고 있다.

지금까지는 자동차 제조회사들은 배기가스를 줄이기 위해 삼원전환 촉매(Three Way Catalytic)를 사용하고 있다. 삼원전환 촉매는 자동차, 트럭, 오토바이 및 다른 가솔린 연료 엔진등과 같은 내연엔진으로부터 나오는 배기가스의 처리를 비롯한 수많은 분야에 쓰이고 있다. 특히 차량에서는 내연엔진에 의해 생성된 배기가스 스트림 중에 존재하는 탄화수소 및 일산화탄소의 산화와 질소산화물의 환원 모두를 실질적으로 동시에 촉매 하는 부품으로 자동차의 구성품중 전자제품을 제외한 단위부품으로서는 가장 고가부품이다.

촉매전환장치는 내연엔진의 배기가스 선에 위치한다. 엔진배기가스가 배기분기관의 배출구로부터 배기파이프를 통해 촉매전환장치로 이동하는 시간까지 이 배기가스는 분기관의 온도 또는 이와 유사한 온도에 비해 상당히 냉각되어 있으므로 배기가스가 촉매전환장치 내의 촉매를 300℃에서 400℃ 온도로 가열하기전의 상당 기간동안에는 배기가스 스트림 중의 공해물질 전환율이 낮다는 것은 공지되어 있다. 따라서 엔진운전의 저온시동기간에 비교적 많은 양의 공해물질을 함유하는 엔진배기가스가 상당히 배출된다. 실험에 의하면 저온시동 초기에 HC가 시동2분 이내에 80％이상 발생한다. 또한 기온이 낮은 겨울철 혹은 정체가 심한 대도시에서 차량운행 시 촉매온도가 정상이하로 떨어져 효율이 10％이하가 되어 일산화탄소 6.5배, 탄화수소 5배가 발생한다.

촉매를 부연설명하면 자동차에 사용하는 촉매는 배기다기관과 소음기 사이에 설치되어 있고 통로는 주로 벌집모양으로 되어있으며 이 사이로 배기가스가 통과될 때 CO와 HC를 산화시켜 Co2와 H2O로 변환시키며 동시에 Nox를 환원시켜 N2로 만들어준다. 삼원촉매 변환장치(Three Way Catalytic Converter)에는 산화를 시키기 위한 촉매재료로 백금(Platinum),팔라듐(Palladium) 등이 사용되며 환원을 위한 촉매재료는 루테늄(Ruthenium), 로듐(Rhodium), 이리듐(Iridium) 등이 사용된다.

유해물질에서 무해물질로 변환이 가장 효과적인 온도는 600℃부터다. 촉매는 250℃이하에서는 기능을 발휘하지 못한다. 촉매변환기는 내부온도가 800℃이상의 온도에서 장기간 있으면 촉매변환기가 열의 영향을 받아 침전물발생 및 결정구조의 변형이 일어나고 방수막 및 촉매고정의 영향을 받아 효율이 떨어진다.

대부분의 차량에서 앞서 말한바 탄화수소 배출물의 많은 부분(최대 80％)이 소정기간 동안에 걸친 저온시동, 워밍업(공회전) 가속운행 감속 및 유사한 엔진운전 방식의 모의실험을 요구하는 미국연방시험절차(C.F.T.P) 중 엔진운전의 저온시동기간을 포함하는 첫 단계에서 발생한바 저온시동 동안의 탄화수소 배출량을 감소 하기 위한 다양한 기술들이 개발 중이며 이 모든 개발주체는 다양한 촉매개발에 중점을 두고 있지만 촉매조성물을 350℃에서 300℃ 더욱 바람직하게 200℃라는 낮은 온도에서 작동하게 만든다 하더라도 100％충족은 불가능하다. 그래서 여러 기계적인 보완작업이 따른다. 삼원촉매 변환기는 300℃와 400℃ 사이에 Light Off 온도라 불리는 임계온도에 도달한 후 임무를 수행한다. 상온시동 중 촉매가 이 온도에 도달하도록 촉매가 소요되는 시간을 최소화 하는 것이 중요한데 가장 큰 이유는 앞서 설명한 바와 같이 상온시동중 이 온도에 도달하도록 촉매가 소모하는 시간을 최소화 하는 것이 중요하다. 각 국에 입안된 방출시험 구동 사이클이 상온시동을 포함하기 때문이다.

여러 해결책중 Light Off 시간을 줄이도록 제안되었다. 가장 간단한 해결책은 촉매를 기관에 매우 가깝게 놓아 배출체계에 의해 냉각되기 전에 배출기관에 의해 가열하는 것이다. 밀접결합(Close Coupling)이라 불리는 촉매장착방법은 기관이 고속과 고부하 조건에서 가동될 때 문제가 생긴다. 움직이는 차량의 배기가스 온도는 1000℃에 이룰 수 있어 이렇게 높아진 온도는 특히 수증기가 존재하는 경우에 열분해를 일으켜서 촉매의 노출되는 표면적이 손실되고 그에 상응하여 촉매 활성이 감소하게 된다.

그러므로 밀접결합 된 촉매를 갖추지 않고 Under-Body 촉매라 불리는 기관에서 약간 떨어져 장착된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 그러한 장착은 고속과 고부하 작동에서는 안전하지만 배출기체가 가동단계 동안 촉매에 도달하기 전에 냉각되므로 예열문제를 악화시킨다. 촉매변환기를 가열하는 것을 빠르게 하기위해 외부 열 공급이 제안되는데 전기히터와 마이크로웨이브, 혹은 버너를 사용하는 안도 있으나 이러한 제안은 배터리 12V에서 250Ampere의 전류가 소모되어 전력 요구량이 3kw가 되어 높은 부가적 가격과 복잡성이 야기된다. 한마디로 자동차용 배터리도 커지고 오토바이에서는 사용 불가능하다.

그 외 방법으로 배출파이프 안으로 연료를 주입하고 정화함으로서 Light Off 시간을 감소시키도록 화학에너지를 사용하는 것이 제안되나 이 경우 복잡성을 석유/공기 혼합물이 긴관으로부터 배출기체로 회석될 때 문제점이 야기된다. 또 다른 방법은 촉매변환기 상류에 배출된 후기 연소기를 갖고 탄화수소 연료를 태우는 기관을 사용하는 제안이 있으나 이 또한 다른 복잡성이 야기된다.

또한 엔진에 장착된 공기펌프를 사용하여 이러한 공해물질의 산화를 보조함으로서 배기가스 스트림 중의 공해물질 수준 특히 탄화수소 및 일산화탄소의 수준을 감소시키는 것도 당업계에서 공지되어 있다. 그러나 차량제조업체라면 엔진구조에 영향을 미치며 엔진의 최적성능에 불리한 영향을 미치지 않게 제어하기가 어려운 부속연관류 및 기계부품이 장착된 공기펌프 등과 같은 기계적인 제어장치를 사용하는 것을 피하기를 선호할 것이다. 따라서 차량제조업체들은 가능하다면 기계적 유형의 공해물질제어 장치를 사용하지 않고 대신에 촉매만을 사용하여 엔진을 최적의 성능으로 튜닝하고 전 세계적으로 엄격해지는 차량배출량 기준을 충족시키기를 선호할 것이다. 점차 엄격해지는 각 국의 배출량기준도 저온시동 배출량의 감소를 요구한다. 많은 차량제조업체들은 공기펌프 등과 같은 추가적인 기계적 장치들을 동시에 사용하지 않고 이용 가능한 촉매조성물만을 사용하여 이러한 현행기준을 충 족하기란 어려운 일이다. 지금 현재 기술로서는 새로운 엔진을 개발하지 않고서는 앞서 기술한 다양한 방법들을 활용할 수밖에 없다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기위해 안출된 것으로 삼원촉매 장치를 배터리 12V 전압을 이용하여 고주파 유도가열하여 삼원촉매 장치의 온도를 급 상승하게 하여 삼원촉매 장치의 효율적 적정온도에 이르는 라이트 오프 타임 (Light off Time) 의 단축 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

외측에 마련된 하우징과 상기 하우징 내부에 삼원 촉매를 삽입하고 하우징 외부에 유도코일이 감겨져 있는 것을 특징으로 한다.

위와 같이 본 발명은 삼원촉매 장치의 라이트 오프 타임 (Light off Time) 을 단축함으로서 삼원촉매 장치를 통한 배출 가스의 저감을 효율적으로 수행하는 효과가 있다.

상기 같은 목적을 달성하기위해 전원 공급부와 상기전류가 흘러서 교류 자속을 발생시키는 유도 코일과 상기 교류에 의해서 발열되는 발열체는 삼원촉매로 배기관에 장착되는 구조로 형성되어 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명품을 상세히 설명 하기로 한다.

도1에서 하우징 내부에 삼원 촉매를 삽입하고 하우징 외부에 코일을 감아 유도가열 시켜 순간적으로 온도를 250도 이상 올리는 것이다. 적정온도에 이르면 온도센서가 작동하여 온도상승을 제어하는 것이다.

앞서 설명한 삼원촉매 예열 방식중 히터 방식으로 배터리 12V를 이용하여 3Kw의 전력으로 삼원 촉매 예열 방식은 250 Ampere의 전류가 필요한바 실용성이 없다.

배터리 부피가 커지고 와이어 굵기도 Ø10 이상 되며 여러 가지 부대 비용이 발생하여 원가 상승이 되어 실용성이 없다.

고주파 유도 가열 기술을 이용한 Electric Heating System 은 배터리 12V를 이용하여 1Kw의 전력으로 삼원 촉매 예열방식은 80Ampere의 전류가 필요 한바 기존 배터리 사용이 가능하고 와이어 굵기도 가늘고 초소형 전자회로로 구현 할수 있어 공간 구애를 받지 않아 자동차 뿐 아니라 오토바이에도 적용이 가능 하다.

또한 고주파 유도 가열에서 주파수를 500Khz 까지 올릴수 있는 기술로 자동차 뿐 아니라 소각로 등. 다양한 산업 시설에서도 적용 가능 하다.

도1: 고주파 유도 가열식 삼원 촉매 장치 단면도

도2: 하우징에 유도코일이 감겨 있는 형상도

도3:고주파 유도 가열식 삼원 촉매 장치 정면도

도4: 배기관의 삼원촉매가 장착된 부분을 천공이 뚫어있어 유도가열시 코일을 식혀 주도록 한 구조도

[도면 주요 부분에 대한 부호의 설명]

10: 삼원 촉매

20: 유도코일

30: 하우징

40: 배기관

50: 천공

Claims (2)

1. 도1,도2 에서 하우징 내부에 삼원촉매를 삽입하고 하우징 외부에 유도코일을 감은 삼원 촉매 장치
2. 도4에서 배기관의 삼원 촉매가 장착된 부분 외부에 홀이 있어 유도 가열시 코일에 발생된 열을 식혀 주도록 되어 있는 구조도

Images