KR970001458B1

KR970001458B1 - 린-버언(Lean-burn) 엔진을 가능케 하는 3-베드(bed) 촉매 컨버어터(catalytic-converter)

Info

Publication number: KR970001458B1
Application number: KR1019950007139A
Authority: KR
Inventors: 최은석
Original assignee: 대우자동차 주식회사; 김태구
Priority date: 1995-03-30
Filing date: 1995-03-30
Publication date: 1997-02-06
Also published as: KR960034672A

Abstract

내용 없음.

Description

린-버언(Lean-burn)엔진을 가능케 하는 3-베드(bed) 촉매 컨버이터(catalytic-converter)

제1도는 공연비와 유해가스 배출비율과의 관계를 도시한 그래프.

제2도는 공연비와 정화율과의 관계를 도시한 그래프.

제3도는 본 발명에 따른 촉매 컨버어터가 배기계통 중에 장치된 상태를 도시한 구성도.

제4도는 종래의 촉매 컨버어터가 배기계통 중에 장치된 상태를 도시한 구성도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 촉매 컨버어터 2 : 제1산화촉매 챔버

3 : 환원촉매 챔버 4 : 제2산화촉매 챔버

5 : 급기관 10: 산소센서

20 : 전자제어수단 30 : 연료분사장치

40 : 종래의 촉매 컨버어터 50 : 공기펌프

본 발명은 자동차의 배기가스 중 유해가스를 감소시켜 주기 위해 배기계통에 설치되는 촉매 컨버어터(catalytic converter)에 관한 것으로, 특히 혼합기의 공연비가 농후(rich)할 때 뿐만 아니라 희박(lean)할 때에도 배기가스 중의 유해가스를 효율적으로 감소시켜 주고, 이에 따라 린-버언(lean-burn)엔진을 가능케 해주는 촉매 컨버어터(catalytic cinveryer)에 관한 것이다.

최근 환경문제의 중요성이 부각됨에 따라 자동차에 배기가스를 정화하여 대기오염을 방지하고자 하는 여러대책들이 다방면으로 강구되어 왔는데, 그 대책의 중요한 하나가 촉매 컨버어터 방식에 의하는 것으로, 이러한 촉매 컨버어터는 자동차의 배기계통에 설치되어 배기가스 중의 유해성분을 무해가스로 바뀌어 주는 장치이다.

한편, 자동차의 배기가스에 함유되어 있는 중요한 유해가스로는 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NO, NO₂, N₂O, 등의 NO_x)등이 있는데, 이러한 배기가스중의 유해가스는 상기 촉매 컨버어터에 의해, 그 중 CO 및 HC는 산화되어 무해한 CO₂또는 N₂O로 변하고, NO_x는 환원되어 O₂및 N₂O로 변하게 됨으로써, 감소 또는 제거되게 되는 것이다. 따라서 촉매 컨버어터에는 상기 유해가스를 산화시켜 주기 위한 산화촉매, 환원시켜 주기 위한 환원촉매 또는 양 촉매를 조합한 3원촉매가 내장되어 있어야 하는데, 산화촉매로는 백금(platinum)과 파라듐(palladium)이, 환원촉매로는 로듐(rhodium)이 일반적으로 사용된다.

상기와 같은 촉매 컨버어터는 지금까지 사용되어 왔던 것으로 1베드 2원타입(1-bed 2-way), 1베드 3원타잎(1-bed 3-way), 2베드 3원 타잎(2-bed 3-way)등의 3가지 타잎이 있었는데, 여기서 베드(bed)는 촉매가 내장된 챔버(chamber)수에 따른 구분이고, 원(way)은 처리시켜 줄 수 있는 유해가스(CO,HC, NO_x)수에 따른 구분이다. 따라서 2베드 3원 타잎(2-bed 3-way)이란 산화제 챔버와 환원제 챔버의 2개 챔버로 되어 있어 처리하고자 하는 유해가스인 CO,HC,NO_x을 모두 산화 혹은 환원시켜 제거해 주도록 된 촉매 컨버어터를 말하는 것이다.

그런데, 자동차 배기가스중의 유해가스 발생량은 혼합기의 농도(공연비), 기관의 회전속도, 부하, 온도, 압축비, 점화시기 등 여러 가지 요인에 의해 변화하는데, 이중 기본적인 요인은 공연비로서, 그 관계는 제1도에 도시된 바와 같이, 환원시킬 유해가스(NO_x)와 산화시킬 유해가(CO,HC)의 발생량은 서로 상반관계에 있다. 즉, 공연비가 농후(rich)해지면 CO와 HC의 발생량은 증가하고, NO_x의 발생량은 감소하는 반면, 역으로 공연비가 희박(lean)해지면 NO_x의 발생량이 증가하고, CO와 HC의 발생량은 감소하게 되는 것이다.

또한, NO_x는 배기가스중 산소가 거의 없는 상태에서 질소와 산소로 분해되어 환원될 수 있으므로, 공연비가 농후한 조건에서 그 처리율이 높아지게 되고, CO와 HC는 배기가스중 산소가 존재하는 상태에서 산화되어 이산화탄소 및 물로 변할 수 있으므로, 공연비가 회박한 조건에서 그 처리율이 높아지게 된다. 이와 같은 관계를 나타낸 것이 제2도의 그래프이다.

따라서 상기의 1베드 2원 타잎(1-bed 2-way), 1베드 3원 타잎(1-bed 3-way), 2베드 3원 타잎(2-bed-3-way)등의 종래의 촉매컨버어터에 의해, CO와 HC 및 NO_x을 모두 효율적으로 처리하기 위해서는 공연비가 절충된 일정 범위내로 되어야 하고, 이에 따라 차량의 운전상태가 변하더라도 공연비를 제어하여 항상 일정한 범위내로 유지시켜 주는 장치, 즉 제4도에 도시된 바와 같이, 배기계통에 O₂센서(sensor, 10)를 설치하고 배기가스에서 구한 공연비를 전자제어수단(ECM,20)으로 피드 백(feed back) 제어하여 공연비를 일정하게 유지시켜 주는 연료분사장치(30)가 필요하게 되는 것이다.

즉, 종래의 촉매 컨버어터 중 상기 1베드 2원 타입(1-bed 2-way)은 HC와 CO만을 산화시켜 주는 것이므로 논의로 하고, 먼저 1베드 3원 타잎(1-bed 3-way) 촉매 컨버어터에 대해 살펴보면, 3원 촉매가 함께 들어있는 하나의 챔버를 배기가스가 통과함으로써 그 중 유해가스가 동시에 산화 또는 환원되어 제거되기 때문에, 제2도에 도시된 바와 같이, 공연비는 14.7:1에 거의 근접한 범위가 되어야 유해가스가 제대로 처리될 수 있으며, 이 공연비는 제4도에 도시된 바와 같은 연료분사장치에서 O₂센서(sensor)를 통해 전자제어수단으로 제어되게 되어 있다.

또한 종래의 촉매 컨버어터 중 2베드 3원 타잎(2-bed 3-way) 촉매 컨버어터(40)는, 제4도에 도시된 바와 같이, 환원촉매 챔버(41) 및 산화촉매 챔버(42)의 2개의 챔버로 되어 있고 그 중간에는 급기관(43)이 설치된 구조로 되어 있으면서, 배기가스가 먼저 환원촉매 챔버(41)를 통해 들어가도록 배기계통 중에 설치되어 있기 때문에, 상기 1베드 3원 타잎 촉매 컨버어터에 의해 공연비의 범위가 더욱 넓어질 수 있다. 즉, 1베드 3원 타잎 촉매 컨버어터에서는 공연비가 농후(rich)한 경우에는 배기가스중에 산소가 존재하지 않아 배기가스중의 NO_x만이 환원촉매에 의해 효율적으로 처리될 수 있지만, 2배드 3원 타잎 촉매 컨버어터(40)에서는 일차적으로 환원챔버(41)에 의해 NO_x가 처리된 후 급기관(43)을 통해 산소가 추가로 공급된 상태에서 산화챔버(42)에서 2차적으로 HC와 CO가 처리되도록 되어 있기 때문에, 공연비가 농후(rich)한 경우에도 3가지 유해가스가 모두 효율적으로 제거 될 수 있는 것이다. 그러나, 이러한 2베드 3원 타잎 촉매 컨버어터는 공연비가 희박한(lean)경우에는 HC화 CO는 산화시켜 주지만 NO_x는 환원시켜 줄 수 없어 유해가스를 여전히 제대로 처리해 주지 못하는 문제점이 있다. 따라서 1베드 3원 타잎에 비해서는 개선된 점이 있지만 여전히 공연비를 O₂센서(sensor,10)를 통해 연료분사장치(30)에서 정밀히 제어해 주어야 하는 비경제적인 문제가 있는 것이다.

이에 본 발명은 혼합기의 공연비가 농후(rich)한 경우 뿐 만 아니라 희박(lean)한 경우에도 배기가스 중의 유해가스를 효율적으로 제거해 줄 수 있고, 이에 따라 린-버언(lean-burn) 엔진을 가능케 하여 엔진의 경제성을 높여 줄 수 있게 해주는 촉매 컨버어터를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 촉매 컨버어터는 소위 3-베드 3-원 타잎으로 된 것으로서, 제1산화촉매 챔버, 환원촉매 챔버 및 제2산화촉매 챔버가 배기가스의 통과 순으로 배치되고, 상기 환원촉매 챔버와 제2산화촉매 챔버 사이에는 급기관이 설치된 구조로 되어 있다.

이하 본 발명을 첨부한 예시면을 참조하여 상세히 설명한다.

제3도는 본 발명에 따른 3-베드 3-원 타잎 촉매 컨버어터(1)가 배기계통증에 장치된 상태를 개략적으로 도시한 것으로서, 종래의 촉매 컨버어터가 장치된 상태를 도시한 제4도에서 종래의 촉매 컨버어터(40) 대신에 본 발명에 따른 촉매 컨버어터(1)로 대체되어 있는 것을 보여 주고 있다. 한편, 종래의 제4도에서는 필수적인 장치인 산소 센서(10), 전자제어수단(20) 및 이에 의해 제어되는 연료분사장치(30)가 제3도에서도 그대로 도시되어 있는데, 이는 이러한 장치들이 종래와는 달리 선택적으로 설치될 수도 있음을 보여 주기 위한 목적으로 도시된 것이다.

그리고 상기 제3도중의 촉매 컨버어터(1)는, 제1산화촉매 챔버(2), 환원촉매 챔버(3), 제2산화촉매 챔버(4)등의 3개의 챔버가 순서대로 배치되고, 상기 환원촉매 챔버(3)와 제2산화촉매 챔버(4) 사이에는 급기관(5)이 설치되어 이루어진 3-베드 3-원 타잎으로 되어 있는데, 상기 제1산화촉매 챔버(2)를 통해 배기가스가 흡입되어서 제2산화촉매 챔버(4)를 통해 배기가스가 배출되고, 상기 급기관(5)은) 종래와 동일하게 첵크밸브(45)와 공기 스위칭밸브(46)를 통해 공기펌프(50)에 의해 공급되는 공기통로와 통하도록 설치되어 잇다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 촉매 컨버어터(1)가 설치된 자동차에서 배기가스 중의 유해가스가 제거되는 정화과정을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 혼합기의 공연비가 농후한 경우를 살펴보면, 공연비가 농후하면 배기가스는 산소가 거의 없는 상태가 되므로, 유해가스중 NO_x가 환원되기 쉬운 조건이 된다. 따라서 촉매 컨버어터의 제1산화챔버(2), 환원챔버(3) 및 제2산화챔버(4)순으로 통과하는 배기가스는, 상기 제1산화챔버(2)에서는 정화효과가 거의 없이 HC와 CO가 극히 일부 제거 될 뿐이나, 상기 환원 챔버(3)에서 NO_x가 환원되어 제거되고, 상기 제2산화챔버(4)에서는 산소가 추가로 공급되어 산화하기 쉬운 조건이 되므로 대부분의 CO 및 HC가 산화되어 제거되게 된다. 즉, 공연비가 농후한 경우 배기가스중의 유해가스는 모두 제거되는 효과가 있는 것이다.

다음으로, 혼합기의 공연비가 희박한 경우를 살펴보면, 공연비가 희박하면 배기가스는 산소가 어느 정도 존재하는 상태가 되므로, 유해가스중 HC와 CO가 산화되기 쉬운 조건이 된다. 따라서 촉매 컨버어터(1)를 통과하는 배기가스는, 상기 제1산화챔버(2)에서 HC와 CO가 일부 산화되어 제거되고, 이에 따라 배기가스는 산소가 소모되어 환원되기 쉬운 조건이 되므로 상기 환원챔버(3)에서 NO_x가 환원되어 제거되며, 또한 상기 제2산화챔버(4)에서는 산소가 추가로 공급되어 다시 산화하기 쉬운 조건이 되므로 나머지의 CO 및 HC가 산화되어 제거되게 된다. 즉, 공연비가 희박한 경우에도 배기가스중의 유해가스가 모두 제거되는 효과가 있게 되는 것이다.

이상과 같이 본 고안의 촉매 컨버어터에서는 혼합기의 공연비 범위에 구애받지 않고 HC, CO 및 NO_x등의 유해가스가 모두 산화 혹은 환원되어 제거되게 되는 효과가 있는 것이다. 즉, 본 고안의 촉매 컨버어터는 공연비가 농후(rich)한 경우는 물론 희박(lean)한 경우에도 배기가스를 정화시켜 줄 수 있기 때문에, 소위 린-버언(lean-burn) 엔진을 가능케 하며, 또한 공연비를 일정한 비율로 항상 제어해 주는 연료분사장치가 필수적으로 장치되지 않아도 되므로 비용상 엔진의 경제성이 높아지게 된다. 또한, 본 고안의 촉매 컨버어터는 전체적으로 배기가스의 정화율도 높여 주게 됨은 물론이다.

Claims

제1산화촉매 챔버(2), 환원촉매 촉매(3) 및 제2산화촉매 챔버(4)가 배기가스의 통과 순으로 배치되고, 상기 환원촉매 챔버(3)와 제2산화촉매 챔버(4)사이에 급기관(5)이 설치된 3-베드 3-원 타잎의 촉매 컨버어터.