KR960015456B1

KR960015456B1 - Device for reducing harmful constituents of the waste gases in internal combustion engines of automobiles

Info

Publication number: KR960015456B1
Application number: KR1019940011702A
Authority: KR
Inventors: 최병철; 손건석; 유재경
Original assignee: 사단법인 고등기술연구원 연구조합; 김준성
Priority date: 1994-05-27
Filing date: 1994-05-27
Publication date: 1996-11-14
Also published as: KR950032988A

Abstract

The device is designed to purify secondary hazardous gas among an exhaust gas of an automobile such as formaldehyde using low temp. reactivity. The device includes: a front exhaust pipe connected to an exhaust pipe of an engine; a catalyzer converter for purifying hazardous component of the exhaust gas; a silencer for reducing the shock sound of the exhaust gas; an intermediate exhaust pipe; for connecting the catalyzer converter with the silencer; and a rear exhaust pipe for discharging the exhaust gas from the silencer to the atmosphere air.

Description

Automobile Exhaust Gas Treatment System

제1도는 자동차용 배기장치의 구성을 도시한 개략도.1 is a schematic diagram showing the configuration of a vehicle exhaust system.

제2도 (가)는 종래 기술에 따른 촉매변환기의 종단면도.2 (a) is a longitudinal sectional view of a catalytic converter according to the prior art.

(나)는 제2도 (가)의 "A"부분 확대도.(B) is an enlarged view of the portion "A" of Figure 2 (a).

(다)는 제2도 (나)의 "B"부분 화대도.(C) is the "B" partial flower in Fig. 2 (b).

제3도는 본 발명에 따른 실시예를 도시한 일부절결도.3 is a partial cutaway view showing an embodiment according to the present invention.

제4도 (가)는 본 발명에 따른 다른 실시예를 도시한 일부절결도.Figure 4 (a) is a partially cutaway view showing another embodiment according to the present invention.

(나)는 제4도 (가)의 "C"부분을 확대도시한 종단면도.(B) is a longitudinal sectional view showing an enlarged portion "C" of FIG.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

10 : 앞배기파이프 20 : 촉매컨버터10: front exhaust pipe 20: catalytic converter

30 : 중간배기파이프 40 : 소음기30: middle exhaust pipe 40: silencer

50 : 뒷배기파이프 200,205 : 담체50: back exhaust pipe 200,205: carrier

2l0,215 : 단열재2l0,215: Insulation

본 발명은 자동차용 배기가스 처리장치에 관한 것으로, 특히 엔진 배출가스의 촉매정화시 고온 영역에서 발생하는 포롬알데히드 등과 같은 2차 유해가스를 저온반응성을 이용하여 정화시킬 수 있는 자동차용 배기가스 처리장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an exhaust gas treating apparatus for automobiles, and more particularly, an exhaust gas treating apparatus for automobiles capable of purifying secondary harmful gases such as formaldehyde, which occurs in a high temperature region during catalytic purification of engine exhaust gases, using low temperature reactivity. It is about.

종래의 자동차용 촉매 변환기(CATALYTIC CONVERTER)는, 그 자신은 변화하지 않으면서 다른 물질의 화학반응을 촉진시켜 주는 물질인 촉메(CATALYST)를 이용하여 자동차의 배기가스 중에서 유해 물질인 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx) 등을 산화(OXIDATION) 또는 환원(REDUCTION) 반응으로 정화시켜 무해한 물질로 변환시켜주는 장치로서, 제1도에 도시한 바와 같이 자동차의 배기장치에 사용된다.Conventional automotive catalytic converter (CATALYTIC CONVERTER), carbon monoxide (CO), which is a harmful substance in the exhaust gas of the automobile by using the catalyst (CATALYST), which is a substance that promotes the chemical reaction of other substances without changing itself, Hydrocarbons (HC), nitrogen oxides (NOx) and the like are purified by an oxidation or reduction reaction and converted into harmless materials. As shown in FIG.

자동차의 배기장치는 엔진의 도시되지 않은 배기매니폴드(EXHAUST MANIFOLD)에 연결된 앞배기파이프(10)와, 촉매컨버터(20)와, 중간배기파이프(30) 그리고 소음기(MUFFLER ; 40) 및 뒷파이프(50), 디퓨저(60)로 이어지는 구조로 되어 있으며, 배출가스의 유해성분을 정화시키기 위해 사용되는 촉매컨버터(20)는 제2도(가)에 도시한 바와 같은 구조로 되어 있다.The exhaust system of the vehicle includes a front exhaust pipe 10, a catalytic converter 20, an intermediate exhaust pipe 30, and a silencer (MUFFLER; 40) and a rear pipe connected to an engine exhaust manifold (EXHAUST MANIFOLD). 50, the diffuser 60 has a structure, and the catalytic converter 20 used for purifying harmful components of the exhaust gas has a structure as shown in FIG.

즉, 외부를 형성하며 배기파이프(10, 30)와 연결되는 하우징(70)과, 하우징 내부에 삽입되어 정화작용을 수행하기 위해 표면에 촉매가 코팅되어 있는 벌집형 담체(HONEYCOMB CERAMIC SUB-STRATE ; 100)와, 진동 및 충격으로부터 벌집형 담체(100)를 보호하기 위해 하우징(70)과 담체(100) 사이에 삽입되어 있는 금속섬유(METALIC FIBER : 90)와, 고온의 배출가스에 의해 외부장치의 손상이 없도록 하우징(70)사이에 설치된 단열재(INSULATION : 80)로 구성된다.That is, a housing 70 which forms an exterior and is connected to the exhaust pipes 10 and 30, and a honeycomb carrier having a catalyst coated on a surface thereof to be inserted into the housing to perform a purifying action (HONEYCOMB CERAMIC SUB-STRATE; 100) and metal fibers (METALIC FIBER: 90) inserted between the housing 70 and the carrier 100 to protect the honeycomb carrier 100 from vibration and impact, and external devices by high temperature exhaust gas. The insulation is installed between the housing 70 so as not to damage (INSULATION: 80).

그리고 직접적인 정화작용을 수행하는 담체(100) 부분은 세라믹이나 금속재료로 이루어지며, 제2도 (가)의 "A"를 확대도시한 제2도의 (나)에 도시한 바와 같은 벌집형 구조로 이루어진 세라믹담체(100)의 표면에 촉매가 도포되어 있는 촉매층(110)을 지니고 있으며, 더 상세하기로는 촉매층 "B"를 확대 도시한 제2도의 (다)에 도시한 바와 같이 기본골격을 이루는 세라믹담체(100)통로에 여러개의 구멍이 뚫린 중간층(120)(WASH-COAT)을 구비한 다공성 세라믹담체(POROUS CERAMIC SUBSTRATE l00)로 이루어져 촉매층(110)의 유효면적을 약 7,000배 정도 확대하는 효과를 얻도록 되어 있다.The portion of the carrier 100 which performs the direct purifying action is made of ceramic or metal material, and has a honeycomb structure as shown in (b) of FIG. 2, which enlarges "A" of FIG. It has a catalyst layer 110 is coated with a catalyst on the surface of the ceramic carrier 100 made, and more specifically, the ceramic forming a basic skeleton as shown in (C) of FIG. It is composed of a porous ceramic carrier (POROUS CERAMIC SUBSTRATE l00) having an intermediate layer 120 (WASH-COAT) having a plurality of holes formed in the passage of the carrier 100 to increase the effective area of the catalyst layer 110 by about 7,000 times. It is supposed to get.

또한 이 중간층(120)의 표면에 실제 촉매층(110)으로서 백금(Pt)과, 로듐(Rh) 또는 팔라듐(Pd)과 로디움(Rh) 등을 혼합한 후 얇게 입혀 산화 및 환원반응을 수행하도록 되어 있다.In addition, platinum (Pt), rhodium (Rh) or palladium (Pd) and rhodium (Rh), etc. are mixed on the surface of the intermediate layer 120 as the actual catalyst layer 110 so as to perform oxidation and reduction reactions. It is.

따라서, 상기와 같은 구조로 이루어진 종래 기술에 따른 촉매변환기는 현재 가장 많이 사용하고 있는 3원 촉매 방식(THREE-WAYCATAYST, TWC)을 사용함으로써 상기 언급한 배출가스의 3가지 유해성분 즉, 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx)을 동시에 점화시키는 방식을 사용하고, 유입된 가스의 재혼합을 위해 2단으로 나뉘어져 촉매가 활성화 되고, 담체 및 촉매의 열적노화현상(이하 열화현상)이 발생하지 않는 400-800℃ 영역에서 정화성능이 활발하게 일어난다.Therefore, the catalytic converter according to the prior art having the structure as described above uses the three-way catalyst method (THREE-WAYCATAYST, TWC) which is currently used the most three harmful components of the above-mentioned exhaust gas, that is, carbon monoxide (CO ) And ignition of hydrocarbon (HC) and nitrogen oxide (NOx) at the same time.The catalyst is activated in two stages for remixing the introduced gas.The catalyst is activated and the thermal aging of the carrier and catalyst (hereinafter referred to as deterioration) Purification performance takes place actively in the region of 400-800 ° C. where this does not occur.

따라서, 엔진의 정상운전 상태에서 촉매의 온도를 상기 온도영역으로 유지할 수 있는 곳에 위치되어 배출 가스중의 질소산화물, 탄화수소, 일산화탄소를 질소, 이산화탄소, 물등으로 변환시킨다. 이때 상기 반응 즉, 2CO + O₂⇒ 2CO₂ Therefore, it is located in a place where the temperature of the catalyst can be maintained in the temperature range in the normal operation state of the engine to convert nitrogen oxides, hydrocarbons, carbon monoxide in the exhaust gas into nitrogen, carbon dioxide, water and the like. In this case, the reaction, that is, 2CO + O ₂ ⇒ 2CO ₂

CxHy+AO₂⇒BCO₂+DH₂O(A, B, D는 상수)CxHy + AO ₂ ⇒ BCO ₂ + DH ₂ O (A, B, D are constants)

2NO+2CO⇒N₂+2CO₂의 반응과정을 통하여 상기 3가지의 유해성분은 정화될 수 있으나 400-600℃ 촉매온도 영역에서 질소산화물, 탄화수소, 산소등의 혼합반응 즉,Through the reaction process of 2NO + 2CO⇒N ₂ + 2CO ₂ , the three harmful components can be purified, but mixed reaction of nitrogen oxide, hydrocarbon, oxygen, etc. in the catalyst temperature range of 400-600 ° C.

CHx+O₂+NOx+M⇒HCHO+M'으로 생성되는 포름알데이드는 인체에 매우 유해한 가스로서 약 200℃ 전후의 저온영역에서 정화되는 특성을 지니고 있다. 따라서 종래의 촉매변환기로는 촉매의 고온영역에서 생성된 유해가스 포름알데히드(HCHO)를 완전히 정화할 수 없으며, 미량이긴 하지만 프롬알데히드와 같이 발생되는 유독, 유해성 가스를 정화하기 위해 별도의 구비된 정화장치가 없어 그대로 대기중에 방출하는 문제점이 있다.Formaldehyde, which is formed from CHx + O ₂ + NOx + M → HCHO + M ', is a very harmful gas, and has a characteristic of being purified in a low temperature region of about 200 ° C. Therefore, the conventional catalytic converter cannot completely purify the toxic gas formaldehyde (HCHO) generated in the high temperature region of the catalyst, and has a small amount but a separate purification to purify the toxic and harmful gases generated such as chloroaldehyde. There is a problem that there is no device to be released into the atmosphere as it is.

따라서, 본 발명의 목적은 배출가스의 정화시에 발생하는 포롬알데히드와 같은 2차 유해가스를 저온반응성을 이용하여 효율적으로 정화시킬 수 있는 자동차용 배기가스 처리장치를 제공하는데 있다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide an exhaust gas treatment apparatus for automobiles which can efficiently purify secondary harmful gases such as formaldehyde generated during purification of exhaust gas using low temperature reactivity.

상기, 본 발명의 목적은 엔진의 배기관에 연결된 앞배기파이프와, 배기가스의 유해성분을 정화하는 촉매컨버터와, 상기 배기가스의 충격음을 감소하는 소음기와, 상기 촉매컨버터와 상기 소음기를 연결하는 중간배기파이프와, 상기 소음기를 통한 배출가스를 대기로 배출하는 뒷배기파이프를 구비한 자동차용 배기가스 처리장치에 있어서, 상기 엔진으로부터 배출되고 상기 촉매컨버터를 통해 1차 유해성분이 정화된 배기가스의 온도가 200℃ 전후로 낮아지는 영역에, 상기 촉매컨버더의 배출가스 정화시에 생성되는 2차 유해가스를 정화시키는 2차 유해가스 정화용 촉매장치가 마련된 것을 특징으로 하는 자동차용 배기가스 처리장치에 의해 달성될 수 있다.The object of the present invention is a front exhaust pipe connected to an exhaust pipe of an engine, a catalytic converter for purifying harmful components of exhaust gas, a silencer for reducing the impact sound of the exhaust gas, and an intermediate connecting the catalytic converter and the silencer. An exhaust gas treatment apparatus for an automobile having an exhaust pipe and a rear exhaust pipe for discharging the exhaust gas through the silencer, wherein the temperature of the exhaust gas discharged from the engine and purified of the first harmful component through the catalytic converter Is achieved by the exhaust gas treatment apparatus for automobiles, characterized in that the catalytic equipment for purifying secondary harmful gas generated in purifying exhaust gas of the catalytic converter is provided in a region where the temperature is lowered around 200 ° C. Can be.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings a preferred embodiment according to the present invention will be described in detail.

제3도는 본 발명에 따른 2차 유해가스 정화용 촉매장치의 바람직한 실시예를 도시한 일부절결 사시도로써, 소음기(40)의 내부에 위치하여 포름알데히드와 같은 2차 유해가스를 정화할 수 있도록 되어 있다.3 is a partially cutaway perspective view showing a preferred embodiment of the catalyst for purifying secondary harmful gas according to the present invention, and is located inside the silencer 40 to purify secondary harmful gas such as formaldehyde. .

본 장치의 구조는 제1도에 도시한 바와 같은 촉매변환기(20)의 설치 이외에 배기장치 말단부에 위치한 소음기(40)의 내부단부에 도시된 바와 같은 원형의 벌집형이나 다공성 세라믹, 또는 금속으로 이루어진 담체(200)를 구비하고, 상기 담체(200)에 미치는 외부의 열적 및 기계적 충격을 완화시키기 위한 단열재(200)에 미치는 외부의 열적 및 기계적 충격을 완화시키기 위한 단열재(210)을 상기 담체(200)의 외부를 감싸는 구조로 이루어져 소음기(40)의 외부를 형성하는 케이스(45)의 내부에 장착되므로 별도의 하우징 및 이음부가 필요없도록 되어있으며, 상기 담체(200)에 구비된 촉매는 포름알데히드와 같은 2차 유해가스를 정화하는데 효율적인 백금(Pt)계를 주촉매로 사용하고, 상기 백금계의 주촉매에 내구성 향상 및 정화성 향상을 위해 조촉매로써 란탄계(lanthanoid) 촉매와 세슘(Ce), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 지르코늄(Zr) 등을 0.3-30g/L(전체 촉매 용적당 조촉매의 사용량) 정도 사용하여 정화작용을 수행토록 한다.The structure of the device consists of a circular honeycomb, porous ceramic, or metal as shown in the inner end of the silencer 40 located at the distal end of the exhaust device, in addition to the installation of the catalytic converter 20 as shown in FIG. The carrier 200 includes a carrier 200 and a heat insulator 210 for alleviating external thermal and mechanical shocks on the heat insulator 200 to mitigate external thermal and mechanical shocks on the carrier 200. It is made of a structure surrounding the outside of the) is mounted inside the case 45 to form the outside of the silencer 40 so that a separate housing and the joint is not necessary, the catalyst provided in the carrier 200 and the formaldehyde Platinum (Pt) -based catalyst is used as the main catalyst, which is effective for purifying secondary harmful gases. Thanoid catalyst, cesium (Ce), barium (Ba), magnesium (Mg), zirconium (Zr), etc. using 0.3-30g / L (the amount of promoter per total catalyst volume) to perform the purification.

그리고 정화작용 수행시 촉매의 온도는 200℃ 전후로 유지될 수 있도록 소음기(40)에 위치되므로 포름알데히드(HCHO)가 갖는 산화반응성 즉, 정화성능을 최대한 효율적으로 활용할 수 있다.In addition, since the temperature of the catalyst is performed in the muffler 40 so that the temperature of the catalyst may be maintained at about 200 ° C., the oxidation reactivity of formaldehyde (HCHO), that is, the purification performance may be utilized as efficiently as possible.

따라서, 상기와 같은 구조로 이루어진 본 촉매장치는 엔진에서 배출되는 가스를 1차적으로 촉매변환기(종래 기술에 따른 촉매 변환기)에서 받아들여 배출가스의 3가지 유해성분 즉, 질소산화물, 탄화수소, 일산화탄소를 정화하고, 이때의 정화반응에서 생성된 포름알데히드와 같은 2차 유해가스를 포함한 배기가스는 중간배기파이프를 통과하면서 온도가 강하되어 약 200℃ 전후의 온도가 되어 소음기로 유입되므로 저온에서부터 높은 반응성을 지니는 프름알데히드와 같은 2차 유해가스는 본 발명에 따라 소음기 후미에 위치한 2차 유해가스 정화용 촉매장치를 통과하면서 정화되고, 이때의 낮은 촉매온도로 인하여 기타 다른 가스의 반응이 억제되어 더 이상의 유해가스 발생은 없게 된다.Therefore, the catalyst device having the above structure receives the gas discharged from the engine primarily in the catalytic converter (catalytic converter according to the prior art) and removes three harmful components of the exhaust gas, namely nitrogen oxide, hydrocarbon, and carbon monoxide. The exhaust gas containing the secondary harmful gas such as formaldehyde generated in the purification reaction at this time passes through the intermediate exhaust pipe, and the temperature drops to about 200 ° C and flows into the silencer, so it is highly reactive from low temperature. Secondary harmful gas such as frmaldehyde is purified while passing through the second apparatus for purifying harmful gas located in the rear of the silencer according to the present invention. Is missing.

본 발명에 따른 다른 실시예는 제4도 (가)에 도시한 바와 같이 소음기(40)의 내부에 장착되어 고온, 고압의 배출가스를 온도와 압력을 낮추어 가스배출시의 폭발음 및 화재발생을 방지하는 여러개의 소음파이프(55)와, 이를 거쳐 온도 및 압력 강하된 배출가스가 대기중에 방출되는 통로인 뒷배기파이프(TALL PIPE : 50)를 구비하여 뒷배기파이프(50)의 전단부에 제4도 (나)에 도시한 바와 같은 동일한 성질의 촉매를 구비한 소직경의 담체(205)를 삽입하고, 상기 담체(205)와 뒷배기파이프(50)의 외형판(240) 사이에 외부의 열적 및 기계적 충격을 방지하기 위한 단열재(215)를 삽입하여 전후로 고정링(220)을 설치 고정한후 도시된 바와 같이 용접하여 부착고정한다.Another embodiment according to the present invention is installed in the silencer 40, as shown in Figure 4 (a) to reduce the temperature and pressure of the exhaust gas of high temperature, high pressure to prevent explosion sound and fire occurrence during gas discharge And a plurality of noise pipes 55 and a rear exhaust pipe (TALL PIPE) 50 which is a passage through which temperature and pressure drop exhaust gases are discharged into the atmosphere. A small diameter carrier 205 having a catalyst having the same properties as shown in FIG. 2B is inserted, and external thermal separation is performed between the carrier 205 and the outer plate 240 of the rear exhaust pipe 50. And inserting a heat insulating material 215 to prevent mechanical shock to fix the fixing ring 220 back and forth and then welding and fixing as shown.

상기와 같은 구조로 이루어진 본 발명에 따른 다른 실시예는 상기 바람직한 실시예와 마찬가지로 소음기 내로 유입된 배출가스의 2차 유해가스가 대기중으로 배출되기 직전에 뒷배기파이프 전단부에 설치된 촉매장치에 의하여 상기 바람직한 실시예와 동일한 정화작용을 수행한 후 배출되게 된다.Another embodiment according to the present invention having the structure as described above by the catalytic device installed in the front end of the rear exhaust pipe just before the secondary harmful gas of the exhaust gas introduced into the silencer is discharged into the atmosphere as in the preferred embodiment After performing the same purge as the preferred embodiment will be discharged.

이상에서 설명한 바와같이 본 발명 자동차용 배기가스 처리장치에 의하면, 사용연료에 관계없이 배출가스의 촉매정화시에 고온영역에서 발생하는 포름알데히드와 같은 2차 유해가스를 저온반응성을 이용하여 효율적으로 정화시켜줌으로써 배출가스의 규제를 만족시킬 수 있고, 별도의 설치장소가 필요없어 설계 및 장착이 용이함과 동시에 조촉매를 사용하여 내구성 및 정화성이 향상되는 이점이 있다.As described above, according to the exhaust gas treatment apparatus for automobiles of the present invention, regardless of the fuel used, secondary harmful gases such as formaldehyde, which are generated in the high temperature region at the time of catalytic purification of the exhaust gas, are efficiently purified using low temperature reactivity. By satisfying the regulation of the exhaust gas, there is no need for a separate installation place, and it is easy to design and install, and there is an advantage of improving durability and purification by using a promoter.

Claims

A front exhaust pipe connected to the exhaust pipe of the engine, a catalytic converter for purifying harmful components of exhaust gas, a silencer for reducing the impact sound of the exhaust gas, an intermediate exhaust pipe connecting the catalytic converter and the silencer, and the silencer An exhaust gas treatment apparatus for a vehicle having a rear exhaust pipe for discharging exhaust gas to the atmosphere, wherein the temperature of the exhaust gas discharged from the engine and purified of the first harmful component through the catalytic converter is lowered around 200 ° C. The exhaust gas treating apparatus for automobiles, characterized in that a catalyst for purifying secondary harmful gas is provided for purifying secondary harmful gas generated during exhaust gas purification of the catalytic converter.

According to claim 1, wherein the secondary harmful gas purification device is located in the rear end of the muffler, the carrier having a secondary harmful gas purification catalyst, and surrounding the carrier to mitigate external thermal and mechanical impact Automobile exhaust gas treatment apparatus comprising a heat insulating material.

The exhaust gas treating apparatus for automobiles according to claim 2, wherein the secondary noxious gas purification catalyst comprises 0.3-30 g / L of a lanthanum series catalyst as a cocatalyst to a lead series catalyst.

The exhaust gas treatment apparatus for automobile according to claim 1, wherein the catalyst for purifying the secondary noxious gas is located in the rear exhaust pipe.