KR20120139419A

KR20120139419A - 촉매유닛 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20120139419A
Application number: KR1020110059211A
Authority: KR
Inventors: 최성무
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2012-12-27

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 촉매유닛은, 전면에서 후면으로 배기가스가 통과하는 채널들이 형성된 채널부, 상기 전면과 상기 후면을 제외하고, 그 둘레를 제1두께로 감싸도록 상기 채널부와 일체로 형성된 스킨부, 및 상기 스킨부의 외측면에 제2두께를 갖고 추가로 형성되는 스킨추가부를 포함하는 담체를 포함한다.
따라서, 배기가스의 흐름(유동)이 적은 데드존에 대응하는 부분에 스킨추가부를 형성함으로써, 촉매성분에 대한 비용을 줄일 수 있고, 배기가스유동이 적은 부분만 폐쇄함으로써 배기가스 정화율은 일정하게 유지할 수 있다.

Description

촉매유닛 및 이의 제조방법{CATALYTIC CONVERTER AND FABRICATION METHOD THREOF}

본 발명은 배기가스에 포함된 유해물질을 저감시키도록 배기가스 유동특성에 따라서 채널이 형성되고, 이 채널에 촉매를 코팅함으로써 배기가스에 포함된 유해물질을 효율적으로 저감시키는 촉매유닛 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

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.

상기 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, 유해 배기가스의 배출이 상대적으로 많은 디젤 차량의 경우, 연비, 출력면에서 우수함에도 불구하고 가솔린 차량과는 달리 배기가스 내에 질소산화물과 입자상물질(Particulate Matter, PM)이 상당히 많이 함유되어 있다.

이와 같이 디젤 차량에 있어서는 공기가 대부분의 운전조건에서 충분한 상태로 연소되기 때문에 일산화탄소와 탄화수소는 가솔린 차량에 비해 아주 적게 배출되나, 질소산화물과 입자상물질이 많이 배출된다.

최근 디젤 차량의 배출기준 강화에 대응하기 위하여 후처리기술로 디젤매연여과필터의 연구가 매우 활발히 진행되고 있으며, 이 디젤매연여과필터를 실제 차량에 적용하기 위해서는 아직 연구되어야 할 부분이 많다.

디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst, DOC)에 백금(Pt)을 사용하고 이와 별도로 디젤매연여과필터(Diesel Particulate Filter, DPF)를 사용하는 구조(DOC+DPF, CPF)가 최근 유럽의 자동차 메이커에서 개발되어 양산됨으로써, 많은 신뢰도 향상과 매출을 올리고 있는 상황에 있다.

그리고, 촉매를 코팅한 구조의 디젤매연여과필터, 즉 디젤매연촉매여과필터(Diesel Catalyzed Particulate Filter)가 개발된 바 있다. 한편, 기존 코디어라이트 담체에 이종 농도의 촉매를 코팅하는 방식으로는 여러 가지 방법들이 알려져 있으며, 이미 많은 선행기술들이 있다.

예를 들면, 코디어라이트 담체를 서로 다른 농도의 촉매용액에 담갔다가 빼는 방식(dipping)이 있고, 담체의 일측 단부를 촉매용액에 담가서 세운 뒤 반대쪽 타측 단부 위에서 흡입기를 이용해 진공압을 걸어 촉매용액을 흡입하고 이어 담체를 거꾸로 세워 타측 단부를 농도가 상이한 촉매용액에 담근 뒤 다시 그 반대쪽 일측 단부 위에서 진공압을 걸어 촉매용액을 흡입하는 방식이 있다.

한편, 촉매유닛을 제작할 때, 배기가스의 유동특성과 상관없이 담체 전체에 귀금속을 코팅하고 있는데, 이는 배기가스의 유동에 따라서 귀금속을 효율적으로 사용하지 못하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 배기가스의 유동이 적은 담체의 특정부위는 촉매성분을 코팅하지 않는 구조를 실현함으로써, 촉매 원가를 절감할 수 있도록 하는 촉매유닛 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 촉매유닛은, 전면에서 후면으로 배기가스가 통과하는 채널들이 형성된 채널부, 상기 전면과 상기 후면을 제외하고, 그 둘레를 제1두께로 감싸도록 상기 채널부와 일체로 형성된 스킨부, 및 상기 스킨부의 외측면에 제2두께를 갖고 추가로 형성되는 스킨추가부를 포함하는 담체를 포함한다.

상기 제1두께보다 상기 제2두께가 더 두꺼울 수 있다.

상기 스킨추가부는 상기 스킨부 및 상기 채널부와 동일한 재질로 형성될 수 있다.

상기 스킨추가부는 그 둘레방향으로 두께가 일정하게 형성되고, 전면에서 후면으로 채널이 형성되지 않는다.

본 발명의 실시예에 따른 촉매유닛의 제조방법은, 그 둘레에 스킨부가 일체로 형성된 담체를 다이에 투입하는 단계, 상기 다이의 내주면과 상기 담체의 외주면 사이 공간에 스킨부재를 투입하는 단계, 상기 담체에 상기 스킨부재가 부착되도록 상기 다이를 제거하는 단계, 및 상기 담체와 상기 스킨부재를 함께 소성하여 상기 담체에 스킨추가부를 형성하는 단계를 포함한다.

상기 담체의 둘레에 형성되는 스킨부는 제1두께를 갖고, 상기 스킨부의 외측면과 상기 다이의 내주면 사이에는 제2두께가 형성된다.

상기 스킨추가부는 상기 스킨부 및 상기 채널부와 동일한 재질로 형성된다.

상기 스킨추가부는 그 둘레방향으로 두께가 일정하게 형성된다.

상기 다이의 내주면과 상기 담체의 외주면 사이 공간에 스킨부재를 투입하고, 상기 스킨부재를 가압하여 상기 스킨부재를 단단하게 하는 단계를 포함한다.

앞에서 기재된 바와 같이 본 발명에 따른 촉매유닛 및 이의 제조방법에서, 배기가스의 흐름(유동)이 적은 데드존에 대응하는 부분에 스킨추가부를 형성함으로써, 촉매성분에 대한 비용을 줄일 수 있고, 배기가스유동이 적은 부분만 폐쇄함으로써 배기가스 정화율은 일정하게 유지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 촉매유닛의 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 촉매유닛에 스킨추가부를 형성하기 위해 담체는 다이에 넣은 상태를 보여주는 측 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 촉매유닛에 스킨추가부를 형성하기 위해 담체와 다이 사이에 스킨부재를 투입한 상태를 보여주는 측 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 촉매유닛에 스킨추가부가 형성된 상태를 보여주는 측 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 촉매유닛에 촉매코팅층을 형성하는 방법으을 보여주는 측 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 촉매유닛의 제조방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 촉매유닛이 장착된 상태를 보여주는 개략적인 단면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 촉매유닛의 개략적인 사시도이다.

도 1을 참조하면, 촉매유닛(100)은 담체(102)를 포함한다.

상기 담체(102)는 전면(앞면, frontal surface)에서 후면으로 배기가스가 통과하는 채널(112)들이 형성되는 채널부(110)가 형성된다. 아울러, 전면과 후면을 제외하고, 상기 담체(102)의 외측 둘레는 스킨부(120)와 스킨추가부(130)로 둘러 싸인다.

도시한 바와 같이, 상기 스킨부(120)는 상기 담체(102)의 외측 둘레를 감싸고, 상기 스킨추가부(130)는 상기 스킨부(120)의 외측 둘레를 감싸며, 상기 스킨부(120)의 두께는 얇고, 상기 스킨추가부(130)의 두께는 두꺼우며, 상기 스킨부(120)와 상기 스킨추가부(130)에는 전면에서 후면으로 채널은 형성되지 않는다.

여기서, 상기 스킨부(120)는 상기 채널부(110)를 형성하는 재질과 동일한 재질로 일체로 형성되고, 상기 스킨추가부(130)는 상기 스킨부(120)에 추가로 더 형성된 것이다.

상기 채널부(110)를 확대하면, 그 입구와 출구가 모두 개방되는 채널(112)이 형성되고, 상기 채널(112)의 내측면에는 촉매코팅층(114)이 형성된다. 배기가스는 상기 채널(112)의 입구로 유입되고, 상기 촉매코팅층(114)과 화학적으로 반응하여 유해물질이 저감되고, 그 출구로 배출되는 구조를 갖는다.

한편, 상기 채널부(110)와 상기 스킨부(120)를 압출, 건조, 소성 등을 통해서 제조하게 되는데, 상기 스킨부(120)는 그 두께가 약 1mm를 갖고 있으며, 상기 스킨부(120)의 두께를 2mm 이상으로 설정하는 경우, 소성과정에서 상기 채널부(110)와 상기 스킨부(120) 사이의 경계부에 크랙이 형성되기 쉽다.

따라서, 본 발명의 실시예에서, 상기 담체(102)를 압출하고 소성하는 과정에서, 상기 스킨부(120)의 두께를 두껍게 하지 못하기 때문에, 전체적인 내구성과 배기가스의 흐름특성을 고려하여, 상기 스킨추가부(130)를 더 형성한다.

아울러, 상기 스킨추가부(130)를 형성함으로써, 배기가스 유동이 적은 상기 담체(102)의 외곽에 불필요하게 촉매가 낭비되지 않고, 배기가스의 정화율은 일정하게 유지된다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 촉매유닛에 스킨추가부를 형성하기 위해 담체는 다이에 넣은 상태를 보여주는 측 단면도이다.

도 2를 참조하면, 상기 촉매유닛(100)은 상기 채널부(110)와 상기 스킨부(120)를 포함하는 담체(102)를 포함하고, 상기 담체(102)를 다이(200) 안으로 삽입하고, 상기 담체(102)는 상기 다이(200)의 하부 지지부(220)에 의해서 지지된다.

여기서, 상기 다이(200)의 내주면과 상기 담체(102)의 외주면 사이에는 설정된 갭에 의해서 공간(210)이 형성된다. 그리고, 상기 공간(210)에 상기 스킨추가부(130)를 형성하기 위한 스킨부재(300)를 투입한다. 상기 스킨부재(300)는 상기 담체(102)를 형성하는 동일한 재질로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 스킨부재(300)는 코디어라이트(cordierite)와 바이더용 수지를 포함할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 촉매유닛에 스킨추가부를 형성하기 위해 담체와 다이 사이에 스킨부재를 투입한 상태를 보여주는 측 단면도이다.

도 3을 참조하면, 상기 다이(200)의 내주면과 상기 스킨부(120)의 외측면 사이의 상기 공간(210)에 스킨부재를 투입하고, 이를 단단하게 가압한다.

도시한 바와 같이, 상기 스킨부(120)는 약 1mm인 제1두께(d1)를 갖고, 상기 다이와 상기 스킨부(120) 사이에 충진된 상기 스킨부재(300)는 상기 제1두께(d1)보다 두꺼운 제2두께(d2)를 갖는다.

본 발명의 실시예에서, 상기 스킨부재(300)는 코디어라이트 재질과 바인더를 포함하고, 그 내부에 기포가 일부 포함되어 있으나, 가압공정을 통해서 기포는 제거된다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 촉매유닛에 스킨추가부가 형성된 상태를 보여주는 측 단면도이다.

도 4를 참조하면, 상기 다이(200)를 제거하고, 상기 담체(102) 전체를 건조시키고 소성시키면, 상기 스킨추가부(130)가 상기 스킨부(120)에 형성된다.

도시한 바와 같이, 상기 스킨부(120)는 제1두께(d1)를 갖고, 상기 스킨추가부(130)는 제2두께(d2)를 갖는다. 본 발명의 실시예에서, 상기 스킨부(120)는 약 1mm이고, 상기 스킨추가부(130)는 4mm이며, 이는 2mm이상의 두께를 갖는 것이 바람직하다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 촉매유닛에 촉매코팅층을 형성하는 방법으을 보여주는 측 단면도이다.

상기 스킨부(120)와 상기 스킨추가부(130)가 형성된 상기 담체(102)의 전면부를 워시코트(500)에 담그고, 그 반대측 후면에서 흡입기(510)가 상기 채널부(110)를 통해서 워시코트(500)를 흡입한다. 따라서, 상기 채널부(110)의 각 채널(112) 내부에 촉매코팅층(114)이 형성된다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 촉매유닛의 제조방법을 나타내는 플로우차트이다.

도 6을 참조하면, S600에서 담체(102)가 준비된다. 상기 담체(102)는 기존의 코디어라이트 반죽을 압출, 건조 및 소성시키는 공정들을 통해서 상기 스킨부(120)와 일체로 제작된다.

S610에서, 상기 담체(102)를 상기 다이(200)에 투입하고, S620에서, 상기 스킨부재(300)를 투입하고 가압한다. 아울러, S630에서 상기 다이(200)를 제거하고, S640에서, 건조와 소성공정을 통해서 상기 스킨추가부(130)를 형성한다.

아울러, S650에서, 상기 채널부(110)를 통해서 워시코트(500)를 흡입하고, S660에서, 건조 소성을 통해서 촉매코팅층(114)을 형성한다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 촉매유닛이 장착된 상태를 보여주는 개략적인 단면도이다.

도 7을 참조하면, 배기라인에는 컨버터하우징(730)이 배치되고, 상기 컨버터하우징(730) 내부에 상기 촉매유닛(100)(담체)이 배치된다.

도시한 바와 같이, 상기 배기라인(700)과 인접하여 상기 컨버터하우징(730)에는 그 내부 직경이 커지는 컨버터콘부(720)가 형성되고, 상기 촉매유닛(100)의 가장자리부는 상기 컨버터콘부(720)에 의해서 일부 지지되는 구조를 갖는다.

따라서, 상기 촉매유닛(100)에서 상기 컨버터콘부(720)와 대응하는 부분에는 배기가스가 거의 흐르지 않는 데드존(710)(dead zone)이 형성된다.

본 발명의 실시예에서, 상기 데드존(710)에 대응하는 담체(100)의 가장자리에 형성된 채널의 입구 또는 출구를 상기 스킨추가부(130)로 형성함으로써, 그 내부에는 촉매성분을 형성하지 않는다. 따라서, 배기가스의 정화율을 저하시키지 않으면서, 촉매성분을 효율적으로 사용할 수 있다.

이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

100: 촉매유닛
102: 담체
110: 채널부
112: 채널
114: 촉매코팅층
120: 스킨부
130: 스킨추가부
200: 다이
210: 공간
220: 지지부
300: 스킨부재
500: 워시코트
510: 흡입기

Claims

전면에서 후면으로 배기가스가 통과하는 채널들이 형성된 채널부;
상기 전면과 상기 후면을 제외하고, 그 둘레를 제1두께로 감싸도록 상기 채널부와 일체로 형성된 스킨부; 및
상기 스킨부의 외측면에 제2두께를 갖고 추가로 형성되는 스킨추가부; 를 포함하는 담체를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매유닛.
제1항에서,
상기 제1두께보다 상기 제2두께가 더 두꺼운 것을 특징으로 하는 촉매유닛.
제1항에서,
상기 스킨추가부는 상기 스킨부 및 상기 채널부와 동일한 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 촉매유닛.
제1항에서,
상기 스킨추가부는 그 둘레방향으로 두께가 일정하게 형성되고, 전면에서 후면으로 채널이 형성되지 않은 것을 특징으로 하는 촉매유닛.
그 둘레에 스킨부가 일체로 형성된 담체를 다이에 투입하는 단계;
상기 다이의 내주면과 상기 담체의 외주면 사이 공간에 스킨부재를 투입하는 단계;
상기 담체에 상기 스킨부재가 부착되도록 상기 다이를 제거하는 단계; 및
상기 담체와 상기 스킨부재를 함께 소성하여 상기 담체에 스킨추가부를 형성하는 단계; 를 포함하는 촉매유닛의 제조방법.
제5항에서,
상기 담체의 둘레에 형성되는 스킨부는 제1두께를 갖고, 상기 스킨부의 외측면과 상기 다이의 내주면 사이에는 제2두께가 형성되도록 하는 촉매유닛의 제조방법.
제5항에서,
상기 스킨추가부는 상기 스킨부 및 상기 채널부와 동일한 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 촉매유닛의 제조방법.
제5항에서,
상기 스킨추가부는 그 둘레방향으로 두께가 일정하게 형성되는 것을 특징으로 하는 촉매유닛의 제조방법.
제5항에서,
상기 다이의 내주면과 상기 담체의 외주면 사이 공간에 스킨부재를 투입하고, 상기 스킨부재를 가압하여 상기 스킨부재를 단단하게 하는 단계; 를 포함하는 촉매유닛의 제조방법.