KR20200043629A - 2행정 엔진용 배기가스 정화장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2행정 엔진용 배기가스 정화장치에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 연료와 윤활유가 섞인 상태로 연소되는 2행정 엔진으로부터 배기되는 배기가스를 정화할 수 있는 2행정 엔진용 배기가스 정화장치에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은, 2행정 엔진의 배기계통에 장착되어 2행정 엔진으로부터 배기되는 배기가스를 정화하는 배기가스 정화장치에 있어서, 상기 2행정 엔진으로부터 배기되는 배기가스의 배기 방향을 기준으로, 상류측 단부에 형성되어 있는 배기가스 유입구 및 하류측 단부에 형성되어 있는 배기가스 배출구를 포함하고, 내부에 상기 배기가스 유입구 및 상기 배기가스 배출구와 연통되는 중공이 형성되어 있는 몸체부; 상기 중공에서, 상기 배기가스 유입구 측에 배치되고, 배기가스에 포함되어 있는 각종 피독물질을 제거하는 제1 촉매부; 및 상기 중공에서, 상기 배기가스 배출구 측에 배치되고, 상기 제1 촉매부를 통해 상기 각종 피독물질이 제거된 배기가스를 산화, 환원 반응을 통해 정화하는 제2 촉매부를 포함하는 2행정 엔진용 배기가스 정화장치를 제공한다.

Description

2행정 엔진용 배기가스 정화장치{APPARATUS OF PURIFYING EXHAUST GAS FOR 2-STROKE ENGINE}
본 발명은 2행정 엔진용 배기가스 정화장치에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 연료와 윤활유가 섞인 상태로 연소되는 2행정 엔진으로부터 배기되는 배기가스를 정화할 수 있는 2행정 엔진용 배기가스 정화장치에 관한 것이다.
일반적으로 4행정 이상으로 제조되는 엔진의 배기가스 정화장치는 산화촉매를 사용하거나 삼원촉매라고 불리는 백금, 팔라듐, 로듐과 같은 귀금속을 촉매로 사용하여 배기가스 내에 포함되어 있는 일산화탄소, 탄화수소 및 질소산화물을 이산화탄소, 물, 질소 등으로 변환시키는 방식으로 유해한 배기가스를 무해한 가스로 정화시키고 있다.
하지만, 상기와 같이 촉매제로 사용되는 백금, 팔라듐, 로듐과 같은 귀금속은 인(P), 황(S), 납(Pb) 등과 같은 다양한 피독물질에 의해 그 표면이 도포되어 버리면 배기가스 정화를 위한 촉매로서의 기능을 발휘할 수 없게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 일반적인 차량용 4행정 엔진은 납(Pb)이 포함되어 있지 않은 무연 휘발유를 사용하여 촉매제 역할을 하는 상기의 귀금속이 피독되는 것을 최소화하고 있다.
하지만, 연료와 윤활유가 섞인 상태로 주입되어 연소되는 2행정 엔진의 경우, 설령 무연 휘발유를 사용하더라도 윤활유 속에 함유되어 있는 인(P), 황(S), 납(Pb) 등의 피독물질까지는 제거할 수 없기 때문에, 2행정 엔진의 배기가스 정화에는 많은 어려움이 있었다.
대한민국 공개특허공보 제10-1994-7001495호(1994.05.28.)
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연료와 윤활유가 섞인 상태로 연소되는 2행정 엔진으로부터 배기되는 배기가스를 정화할 수 있는 2행정 엔진용 배기가스 정화장치를 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은, 2행정 엔진의 배기계통에 장착되어 2행정 엔진으로부터 배기되는 배기가스를 정화하는 배기가스 정화장치에 있어서, 상기 2행정 엔진으로부터 배기되는 배기가스의 배기 방향을 기준으로, 상류측 단부에 형성되어 있는 배기가스 유입구 및 하류측 단부에 형성되어 있는 배기가스 배출구를 포함하고, 내부에 상기 배기가스 유입구 및 상기 배기가스 배출구와 연통되는 중공이 형성되어 있는 몸체부; 상기 중공에서, 상기 배기가스 유입구 측에 배치되고, 배기가스에 포함되어 있는 각종 피독물질을 제거하는 제1 촉매부; 및 상기 중공에서, 상기 배기가스 배출구 측에 배치되고, 상기 제1 촉매부를 통해 상기 각종 피독물질이 제거된 배기가스를 산화, 환원 반응을 통해 정화하는 제2 촉매부를 포함하는 2행정 엔진용 배기가스 정화장치를 제공한다.
여기서, 상기 제1 촉매부는 표면에 흡착되는 상기 각종 피독물질에 의해 오염되는 형태로 배기가스 내의 상기 각종 피독물질을 배기가스로부터 제거할 수 있다.
이때, 상기 제1 촉매부는 월 플로 타입 필터(wall flow type filter)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 각종 피독물질은 인(P), 황(S) 및 납(Pb)을 포함할 수 있다.
그리고 상기 제2 촉매부는 플로 스로우 타입 필터(flow through type filter)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 촉매부는 촉매제로 삼원촉매를 포함할 수 있다.
그리고 상기 제2 촉매부는 상기 산화, 환원 반응을 통해 배기가스 내에 포함되어 있는 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC) 및 질소산화물(NOx)을 이산화탄소(CO2), 물(H2O) 및 질소(N)로 변환시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 배기가스 내에 포함되어 있는 각종 피독물질의 흡착에 의해 오염되는 형태로 배기가스 내의 각종 피독물질을 배기가스로부터 제거하는 제1 촉매부 및 각종 피독물질이 제거된 상태로 유입되는 배기가스를 산화, 환원 반응을 통해 정화하는 제2 촉매부를 배기가스가 배기되는 방향을 따라 차례로 구비함으로써, 지금까지 완전한 정화가 불가능하였던, 연료와 윤활유가 섞인 상태로 주입 및 연소되는 2행정 엔진으로부터 배기되는 배기가스를 정화할 수 있다.
즉, 본 발명에 따르면, 2행정 엔진으로부터 배기되는 유해한 배기가스를 무해한 가스로 정화하여 배출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 2행정 엔진용 배기가스 정화장치가 2행정 엔진에 연결되는 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 2행정 엔진용 배기가스 정화장치를 나타낸 부분 절개 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 2행정 엔진용 배기가스 정화장치의 제1 촉매부 및 제2 촉매부를 비교하여 나타낸 제1 모식도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 2행정 엔진용 배기가스 정화장치의 제1 촉매부 및 제2 촉매부를 비교하여 나타낸 제2 모식도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 2행정 엔진용 배기가스 정화장치의 제1 촉매부를 통과하는 배기가스의 이동 경로를 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 2행정 엔진용 배기가스 정화장치의 제2 촉매부를 통과하는 배기가스의 이동 경로를 나타낸 모식도이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 2행정 엔진용 배기가스 정화장치에 대해 상세히 설명한다.
아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 2행정 엔진용 배기가스 정화장치(100)는 2행정 엔진(10)의 배기계통, 보다 상세하게는 머플러에 장착되어 2행정 엔진(10)으로부터 배기되는 배기가스를 정화하는 장치이다.
여기서, 2행정 엔진(10)에 대해 간략히 설명하면, 2행정 엔진(10)에서는 실린더(12) 내부에 상, 하로 승강 동작 가능하게 설치된 피스톤(11)이 1회 상승하면서 흡입과 압축이 이루어지고, 1회 하강하면서 폭발과 배기가 이루어지면서 총 2행정으로 1사이클이 완료된다. 즉, 2행정 엔진(10)에서는 흡입 및 압축 행정 동안 피스톤(11)이 하사점에서 상사점으로 올라가면서 사이클이 시작되고, 실린더(12) 내부의 연소실(12a)에 먼저 유입되어 있는 혼합기를 압축시킨다. 동시에 다음 사이클을 위해 크랭크 케이스(15)에는 흡기 포트(13)를 통해 외기가 유입된다.
피스톤(11)이 상사점 최대치까지 상승된 후에는 연소실(12a) 측에 설치되어 있는 점화 플러그(12b)의 전기 스파크에 의해, 압축된 혼합기가 연소된다. 이때의 폭발 압력으로 피스톤(11)이 상사점에서 하사점으로 내려가면서 폭발 및 배기 행정이 진행된다. 이때, 먼저 배기 포트(14)가 열리면서 배기가스가 빠져나가고, 이후, 트랜스퍼 포트(16)가 열리면서 크랭크 케이스(15) 내에 대기되어 있던 공기가 트랜스퍼 포트(16)를 통과하는 과정에서 연료와 혼합된 상태로 실린더(12)의 연소실(12a)에 유입되면서 한 사이클이 완료된다.
이때, 도 1의 미설명 부호 12c, 15a, 15b는 각각, 냉각핀, 커넥팅 로드 및 크랭크 샤프트이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 이러한 2행정 엔진(10)의 폭발 및 배기 행정 시 배기포트(14)로부터 배기되는 배기가스를 정화하기 위해, 본 발명의 실시 예에 따른 2행정 엔진용 배기가스 정화장치(100)는 몸체부(110), 제1 촉매부(120) 및 제2 촉매부(130)를 포함하여 형성된다.
몸체부(110)는 2행정 엔진용 배기가스 정화장치(100)의 외관을 이룬다. 몸체부(110)는 2행정 엔진(10)으로부터 배기되는 배기가스의 배기계통, 예컨대, 머플러에 설치된다.
이러한 몸체부(110)는 배기가스의 통과 및 제1 촉매부(120) 및 제2 촉매부(130)의 장착 공간을 제공하기 위해 내부에는 배기가스의 통과 방향을 따라 관 형태의 중공이 형성되어 있다. 또한, 몸체부(110)는 배기가스 유입구(111) 및 배기가스 배출구(112)를 포함하여 형성된다. 2행정 엔진(10)으로부터 배기되는 배기가스의 배기 방향을 기준으로, 배기가스 유입구(111)는 몸체부(110)의 상류측 단부에 형성되고 중공과 연통된다. 또한, 배기가스 배출구(112)는 몸체부(110)의 하류측 단부에 형성되고 중공과 연통된다.
제1 촉매부(120)는 몸체부(110)의 내부 중공에 배치된다. 보다 상세하게, 제1 촉매부(120)는 몸체부(110) 내부의 배기가스 유입구(111) 측에 배치된다. 본 발명의 실시 예에서, 이러한 제1 촉매부(120)는 2행정 엔진(10)으로부터 배기되는 배기가스에 포함되어 있는 각종 피독물질, 예컨대, 인(P), 황(S) 및 납(Pb)을 표면에 흡착시켜 몸체부(110) 내부를 통과하는 배기가스에서 이들 물질을 제거하는 1차 정화장치 역할을 한다.
도 3 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 제1 촉매부(120)는 2행정 엔진(10)으로부터 배기되는 배기가스에 포함되어 있는 인(P), 황(S) 및 납(Pb)과 같은 피독물질을 표면에 흡착시켜 몸체부(110) 내부를 통과하는 배기가스에서 이들 물질을 제거하기 위해, 월 플로 타입 필터(wall flow type filter)로 이루어질 수 있다. 이와 같이, 월 플로 타입 필터로 이루어지는 제1 촉매부(120)는 표면에 흡착되는 각종 피독물질에 의해 오염되고, 이에 따라, 배기가스 내의 각종 피독물질이 배기가스로부터 제거된다.
제2 촉매부(130)는 몸체부(110)의 내부 중공에 배치된다. 보다 상세하게, 제2 촉매부(130)는 몸체부(110) 내부의 배기가스 배출구(112) 측에 배치된다. 즉, 본 발명의 실시 예에서, 제1 촉매부(120)와 제2 촉매부(130)는 배기가스의 이동 경로를 따라 순차적으로 배치된다.
이와 같이, 각종 피독물질을 제거하는 제1 촉매부(120)를 제2 촉매부(130)보다 상류측에 배치한 이유는 일반적인 촉매에서 초기 피독물질이 촉매 전단의 1/3 지점에 집중적으로 쌓이는 경향을 보이기 때문이다. 그래서, 본 발명의 실시 예에서는 배기가스가 통과하는 과정에서 제1 촉매부(120)에 각종 피독물질이 자연적으로 적층되도록 하고, 이를 통해, 제1 촉매부(120)를 오염시키는 형태로 배기가스로부터 각종 피독물질을 제거한다.
본 발명의 실시 예에서, 제2 촉매부(130)는 제1 촉매부(120)를 통해 상기와 같은 각종 피독물질이 제거된 배기가스를 산화, 환원 반응을 통해 정화하는 2차 정화장치 역할을 한다.
도 3, 도 4 및 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 제2 촉매부(130)는 제1 촉매부(120)를 통해 각종 피독물질이 제거된 배기가스를 배기가스가 통과하는 과정에서 정화하기 위해, 플로 스로우 타입 필터(flow through type filter)로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 제2 촉매부(130)는 촉매제로 삼원촉매, 즉, 백금, 팔라듐 및 로듐을 포함할 수 있다. 제2 촉매부(130)는 이러한 삼원촉매를 통해, 제1 촉매부(120)를 통해 각종 피독물질이 제거된 배기가스에 포함되어 있는 일산화탄소, 탄화수소 및 질소산화물을 이산화탄소, 물, 질소로 변환시킨다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 2행정 엔진용 배기가스 정화장치의 작용에 대하여 설명하기로 한다.
먼저, 일반적인 흡입, 압축, 폭발, 배기 4행정 엔진의 경우, 엔진을 작동시키기 위하여 연료, 윤활유, 냉각수 등을 엔진의 각 구조 내로 따로 분리하여 주입시킨다. 이때, 4행정 엔진의 경우, 연료와 윤활유가 각각 분리되어 투입되기 때문에 엔진은 단순히 연료 속에 포함되어 있는 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물 등을 배기 파이프로 배출시키고, 배출되는 배기가스는 배기 파이프에 장착되어 있는 배기가스 정화용 촉매를 통해 인체에 무해한 가스로 변환되어 배출된다.
그러나 대부분의 2행정 엔진(10)의 경우, 엔진의 윤활을 원만하게 하기 위해 필수적으로 공급해야 하는 윤활유를 연료에 섞어 동시에 엔진에 투입하여 엔진을 작동시키게 된다. 이 경우, 윤활유는, 연료가 연소실(12a) 내에서 연소될 때 함께 연소되어 배기관을 통해 배출된다. 이때, 종래의 경우, 이와 같이 배출되는 배기가스는 머플러에 장착되어 있는 촉매 컨버트로 유입된다. 이렇게 촉매 컨버트 내로 유입된 배기가스는 필터에 코팅되어 촉매작용을 하는 귀금속의 표면을 피독시킨다. 그 결과, 귀금속 촉매는 제 역할을 하지 못하게 된다.
본 발명의 실시 예에 따른 2행정 엔진용 배기가스 정화장치(100)는 이러한 2행정 엔진(10)의 배기가스 정화 문제를 해결하기 위해, 윤활유에 함유되어 있는 각종 피독물질을 제거하는 제1 촉매부(120) 및 제1 촉매부(120)에 의해 피독물질이 제거된 상태의 배기가스를 정화하는 제2 촉매부(130)를 배기가스가 배기되는 방향을 따라 순차적으로 구비한다.
즉, 2행정 엔진(10)으로부터 배기되는 배기가스에 포함되어 있는 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx), 인(P), 황(S), 납(Pb) 중 윤활유에 함유되어 있던 인(P), 황(S), 납(Pb)은 월 플로 타입 필터로 이루어진 제1 촉매부(120)의 표면에 흡착되어 제1 촉매부(120)를 오염시킨다. 그 결과, 제1 촉매부(120)를 통과한 배기가스에는 인(P), 황(S), 납(Pb)이 존재하지 않게 된다.
그 다음, 제1 촉매부(120)에 의해 인(P), 황(S), 납(Pb)이 제거된 상태로 제2 촉매부(130)에 진입하는 배기가스에 함유되어 있는 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx)은 플로 스로우 타입 필터로 이루어져 있고 그 표면에 삼원촉매가 코팅되어 있는 제2 촉매부(130)를 통과하는 과정에서 아래와 같은 산화, 환원 반응에 의해 이산화탄소(CO2), 물(H2O) 및 질소(N)로 변환된다.
< CO 및 HC의 산화반응 >
2CO + O2 → 2CO2
CxHy + (x + y/4)O2 → xCO2 + (y/2)H2O
< NOx의 환원반응 >
2NO + 2CO → 2CO2 + N2
CxHy + (2x + y/2)NO → xCO2 + (y/2)H2O + (x + y/4)
그 결과, 본 발명의 실시 예에 따른 2행정 엔진용 배기가스 정화장치(100)를 통과한 2행정 엔진(10)으로부터 배기되는 배기가스는 유해한 가스에서 무해한 가스로 변환되어 배출된다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 2행정 엔진용 배기가스 정화장치(100)는 최초 윤활유에 함유되어서 배기가스에 포함되는 각종 피독물질을 제거하는 제1 촉매부(120) 및 제1 촉매부(120)에 의해 피독물질이 제거된 상태의 배기가스를 정화하는 제2 촉매부(130)를 배기가스가 배기되는 방향을 따라 순차적으로 배치한다. 이를 통해, 본 발명의 실시 예에 따른 2행정 엔진용 배기가스 정화장치(100)는 지금까지 완전한 정화가 불가능하였던, 연료와 윤활유가 섞인 상태로 연소되는 2행정 엔진(10)으로부터 배기되는 배기가스를 정화할 수 있게 한다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 2행정 엔진용 배기가스 정화장치(100)는 2행정 엔진(10)으로부터 배기되는 유해한 배기가스를 무해한 가스로 정화하여 배출할 수 있게 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100; 2행정 엔진용 배기가스 정화장치 110; 몸체부
111; 배기가스 유입구 112; 배기가스 배출구
120; 제1 촉매부 130; 제2 촉매부

Claims (7)

  1. 2행정 엔진의 배기계통에 장착되어 2행정 엔진으로부터 배기되는 배기가스를 정화하는 배기가스 정화장치에 있어서,
    상기 2행정 엔진으로부터 배기되는 배기가스의 배기 방향을 기준으로, 상류측 단부에 형성되어 있는 배기가스 유입구 및 하류측 단부에 형성되어 있는 배기가스 배출구를 포함하고, 내부에 상기 배기가스 유입구 및 상기 배기가스 배출구와 연통되는 중공이 형성되어 있는 몸체부;
    상기 중공에서, 상기 배기가스 유입구 측에 배치되고, 배기가스에 포함되어 있는 각종 피독물질을 제거하는 제1 촉매부; 및
    상기 중공에서, 상기 배기가스 배출구 측에 배치되고, 상기 제1 촉매부를 통해 상기 각종 피독물질이 제거된 배기가스를 산화, 환원 반응을 통해 정화하는 제2 촉매부;
    를 포함하는 2행정 엔진용 배기가스 정화장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 촉매부는 표면에 흡착되는 상기 각종 피독물질에 의해 오염되는 형태로 배기가스 내의 상기 각종 피독물질을 배기가스로부터 제거하는 2행정 엔진용 배기가스 정화장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 촉매부는 월 플로 타입 필터(wall flow type filter)를 포함하는 2행정 엔진용 배기가스 정화장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 각종 피독물질은 인(P), 황(S) 및 납(Pb)을 포함하는 2행정 엔진용 배기가스 정화장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 촉매부는 플로 스로우 타입 필터(flow through type filter)를 포함하는 2행정 엔진용 배기가스 정화장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 촉매부는 촉매제로 삼원촉매를 포함하는 2행정 엔진용 배기가스 정화장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 촉매부는 상기 산화, 환원 반응을 통해 배기가스 내에 포함되어 있는 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC) 및 질소산화물(NOx)을 이산화탄소(CO2), 물(H2O) 및 질소(N)로 변환시키는 2행정 엔진용 배기가스 정화장치.
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