KR101020970B1

KR101020970B1 - 디젤 엔진용 촉매 컨버터의 구조

Info

Publication number: KR101020970B1
Application number: KR1020040073055A
Authority: KR
Inventors: 김상범
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2004-09-13
Filing date: 2004-09-13
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2024-09-13
Also published as: KR20060024171A

Abstract

본 발명은 매연 포집 필터에 발화 물질을 코팅하여 디젤 엔진의 초기 기동시 발화 물질의 연소에 따라 발생되는 열을 매개로 지지체의 버미큐라이트를 충분히 팽창시킬 수 있도록 함으로써, 금속재 쉘의 내부에서 세라믹재 촉매 담체가 견고하게 지지될 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 디젤 엔진의 배기 계통에 설치되어 내부에 배기 가스의 유동을 도모하는 중공형상의 금속재 쉘과, 상기 금속재 쉘의 내부에 설치되어, 배기 가스중 입자상 물질을 포집하여 정화하도록 다수의 미세한 통공을 격자상으로 갖춘 세라믹재 촉매 담체 및, 상기 세라믹재 촉매 담체를 상기 금속재 쉘의 내부에 고정 지지하는 세라믹재 화이버로 이루어진 원통 형상의 지지체를 구비하는 디젤 엔진용 촉매 컨버터에 있어서, 상기 세라믹재 촉매 담체에는 연료 성분의 발화 물질이 코팅된 것을 특징으로 한다.

Description

디젤 엔진용 촉매 컨버터의 구조{catalytic converter structure for diesel engine}

도 1은 일반적인 디젤 엔진에 적용되는 배기 가스의 정화 시스템을 도시한 도면.

도 2는 도 1에 도시된 매연 포집 필터의 구성을 도시한 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 디젤 엔진용 촉매 컨버터에서 매연 포집 필터의 구성을 도시한 단면도.

도 4는 도 3에 도시된 세라믹재 촉매 담체를 확대하여 도시한 도면.

도 5는 도 4에 도시된 세라믹재 촉매 담체에서 초기 발화 전/후의 상태를 도시한 단면도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10-촉매 컨버터 10a-산화 촉매

10b-매연 포집 필터 12-금속재 쉘

14-세라믹재 촉매 담체 14a-통공

14b-발화 물질 14c-격벽부

16-지지체

본 발명은 디젤 엔진용 촉매 컨버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배기 가스중 입자상 물질을 포집하여 제거하는 매연 포집 필터에 관한 것이다.

일반적으로 디젤 엔진에서는 연소후 대기중으로 배출되는 배기 가스중에 유해 물질의 일종인 탄화 수소(HC)와 일산화 탄소(CO), 질소 산화물(NOx) 및, 입자상 물질(PM; Particulate Material) 등의 유해 성분이 포함되어 있어, 이에 대한 대책의 일환으로 도 1에 도시된 바와 같이, 배기 관로(1)중에 촉매 컨버터(10)와 온도 센서(20) 및 압력 센서(30)를 구비한 정화 시스템이 제안되었다.

여기서, 상기 촉매 컨버터(10)는 배기 가스중 탄화 수소와 일산화 탄소의 성분을 정화하고 발열 반응을 통해 배기 가스의 온도를 상승시키는 산화 촉매(10a; Oxidation Catalyst)와, 배기 가스중 입자상 물질을 포집하고 상기 산화 촉매로부터 전열되는 고온의 열을 매개로 포집된 입자상 물질을 연소시키는 매연 포집 필터(10b; Catalyst Soot Filter)로 구성된다.

그리고, 상기 매연 포집 필터(10b)는 도 2에 도시된 바와 같이, 배기 관로(1) 중에 설치되어 내부로 배기 가스의 유동을 도모하는 중공형상의 금속재 쉘(12)과, 상기 금속재 쉘(12)의 내부에 설치되어, 배기 가스중 입자상 물질을 포집하여 정화하도록 다수의 미세한 통공을 격자상으로 갖춘 세라믹재 촉매 담체(14) 및, 상기 세라믹재 촉매 담체(14)를 상기 금속재 쉘(12)의 내부에 고정 지지하는 세라믹 재 화이버로 이루어진 원통 형상의 지지체(16)로 구성된다.

한편, 상기 금속재 쉘(12)의 내부에서 세라믹재 촉매 담체(14)를 지지하고 있는 지지체(16)는 세라믹 화이버의 일종인 버미큐라이트(vermiculite)를 함유하고 있어, 온도가 대략 400 ℃ 이상인 조건이 되어야만 버미큐라이트의 입자가 충분히 팽창하여 상기 세라믹재 촉매 담체(14)를 상기 금속재 쉘(12)의 내주면에 견고하게 지지할 수 있게 된다.

그런데, 통상 가솔린 엔진의 경우 촉매 컨버터(10)의 입구측 최고 온도가 500 ~ 600℃ 정도인 반면에, 디젤 엔진의 경우 촉매 컨버터(10)의 입구측 최고 온도가 200 ~ 400 ℃ 정도이므로, 디젤 엔진의 경우에는 배기 가스의 온도가 가솔린 엔진에 비해 충분히 높지 않기 때문에, 초기 디젤 엔진의 기동시 상기 지지체(16)의 버미큐라이트가 충분히 팽창하지 못하게 된다.

이 결과, 디젤 엔진의 초기 기동시 상기 매연 포집 필터(10b)에서는 상기 지지체(16)가 금속재 쉘(12)의 내부에서 세라믹재 촉매 담체(14)를 견고하게 지지할 수 없게 되고, 이로 인해 배기 가스의 유동에 따른 배압으로 상기 금속재 쉘(12)의 내부에서 상기 세라믹재 촉매 담체(14)가 후방으로 밀리게 되는 문제가 발생하게 된다.(도 2에서 은선으로 도시됨)

이에 따라, 종래에는 상기 금속재 쉘(12)의 내부에서 세라믹재 촉매 담체(14)를 별도의 리테이너(도시안됨)를 매개로 지지하여, 디젤 엔진의 초기 기동시 배압에 의해 상기 세라믹재 촉매 담체(14)가 후방으로 밀리지 않도록 하였는 데, 이 경우 리테이너의 지지력에는 한계가 있는 문제가 있었다.

또한, 상기와 같은 문제를 해소하고자 큰 지지력의 구현이 가능한 리테이너로 교체 적용시에는, 리테이너로부터 세라믹재 촉매 담체(14)에 전달되는 과도한 지지력에 의해 상기 세라믹재 촉매 담체(14)에서는 국부적인 크랙의 발생과 같은 문제가 발생되었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 매연 포집 필터에 발화 물질을 코팅하여 디젤 엔진의 초기 기동시 발화 물질의 연소에 따라 발생되는 열을 매개로 지지체의 버미큐라이트를 충분히 팽창시킬 수 있도록 함으로써, 금속재 쉘의 내부에서 세라믹재 촉매 담체가 별도의 보조물 없이도 견고하게 지지될 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 디젤 엔진의 배기 계통에 설치되어 내부에 배기 가스의 유동을 도모하는 중공형상의 금속재 쉘과; 상기 금속재 쉘의 내부에 설치되어, 배기 가스중 입자상 물질을 포집하여 정화하도록 다수의 미세한 통공을 격자상으로 갖춘 세라믹재 촉매 담체 및; 상기 세라믹재 촉매 담체를 상기 금속재 쉘의 내부에 고정 지지하면서 특정 온도 이상이면 부피가 팽창하는 세라믹재 화이버의 일종인 버미큐라이트 입자로 이루어진 원통 형상의 지지체를 갖추되; 상기 세라믹재 촉매 담체에는 발화 물질이 코팅된 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.

본 발명이 적용되는 디젤 엔진의 정화 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 배기 관로(1) 중에 설치된 촉매 컨버터(10)와 온도 센서(20) 및 압력 센서(30)를 구비하여 구성되고, 상기 촉매 컨버터(10)는 전술한 바와 같이, 배기 가스중 탄화 수소와 일산화 탄소의 성분을 정화하고 발열 반응을 통해 배기 가스의 온도를 상승시키는 산화 촉매(10a; Oxidation Catalyst)와, 배기 가스중 입자상 물질을 포집하고 상기 산화 촉매로부터 전열되는 고온의 열을 매개로 포집된 입자상 물질을 연소시키는 매연 포집 필터(10b; Catalyst Soot Filter)로 구성된다.

여기서, 상기 매연 포집 필터(10b)는 도 3에 도시된 바와 같이, 배기 관로(1;도 1에 도시됨) 중에 설치되어 내부로 배기 가스의 유동을 도모하는 중공형상의 금속재 쉘(12)과, 상기 금속재 쉘(12)의 내부에 설치되어, 배기 가스중 입자상 물질을 포집하여 정화하도록 다수의 미세한 통공을 격자상으로 갖춘 세라믹재 촉매 담체(14) 및, 상기 세라믹재 촉매 담체(14)를 상기 금속재 쉘(12)의 내부에 고정 지지하는 세라믹재 화이버로 이루어진 원통 형상의 지지체(16)로 구성되는 데, 상기 지지체(16)는 특정 온도(대략 400 ℃) 이상이면 부피가 팽창되는 세라믹 화이버의 일종인 버미큐라이트(vermiculite)를 함유한 것이다.

그리고, 상기 세라믹재 촉매 담체(14)에는 연료 성분의 발화 물질이 코팅되어 있는 바, 상기 발화 물질은 디젤 엔진의 초기 기동시 발생되는 배기 가스로부터 전열되는 열에 의해 쉽게 발화될 수 있는 물질로 이루어짐이 바람직한 데, 상기 발화 물질의 일례로는 가솔린이나 디젤 등을 채택할 수 있다.

즉, 상기 세라믹재 촉매 담체(14)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 금속재 쉘(12)의 길이 방향과 동일한 방향으로 내부에 부재의 길이 방향으로 관통된 다수의 미세한 통공(14a)을 형성하고 있고, 상기 통공(14a)에는 연료 성분과 같이 열에 의한 발화가 용이한 발화 물질(14b)이 코팅되어 있다.

상기 발화 물질(14b)은 디젤 엔진의 초기 기동전에는 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 통공(14a)을 형성하는 세라믹재 촉매 담체(14)의 격벽부(14c) 표면에 코팅되어 적층된 형태로 되어 있다가, 디젤 엔진의 초기 기동시에는 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 통공(14a)을 통해 유입되는 배기 가스에 의해 발화되어 상기 세라믹재 촉매 담체(14)의 온도를 대략 400℃ 이상으로 상승시키게 되고, 상기 세라믹재 촉매 담체(14)에서 발생한 고온의 열기는 상기 지지체(16)에 전열된다.

이 결과, 상기 지지체(16)에서는 상기 세라믹재 촉매 담체(14)의 격벽부(14c)에 코팅된 발화 물질(14b)의 연소로부터 전열되는 열에 의해 버미큐라이트(vermiculite) 입자가 팽창하게 되고, 버미큐라이트 입자의 팽창에 따라 상기 지지체(16)는 상기 세라믹재 촉매 담체(14)를 상기 금속재 쉘(12)의 내부에서 보다 견고하게 고정 지지할 수 있게 되며, 이로 인해, 상기 금속재 쉘(12)의 내부에서 상기 세라믹재 촉매 담체(14)는 디젤 엔진의 연소후 배출되는 배기 가스에 의한 배압에 의해 후방으로 밀리지 않게 된다.

한편, 상기와 같이 세라믹재 촉매 담체(14)의 격벽부(14c)에 코팅되어 디젤 엔진의 초기 기동시 배기 가스에 의해 연소되는 발화 물질(14b)로부터 전열되어 팽 창하는 버미큐라이트 입자를 함유하는 상기 지지체(16)는 상기 금속재 쉘(12)의 내부에서 상기 세라믹재 촉매 담체(14)에 지속적인 지지력을 부여하게 되므로, 향후 상기 세라믹재 촉매 담체(14)는 디젤 엔진의 연소후 배출되는 배기 가스에 의한 배압에도 상기 금속재 쉘(12)의 내부에서 상기 지지체(16)에 의해 리테이너와 같은 별도의 부품없이 견고하게 지지될 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 디젤 엔진용 촉매 컨버터의 구조에 의하면, 금속재 쉘(12)의 내부에서 지지체(16)를 매개로 고정 지지되는 세라믹재 촉매 담체(14)에 연료 성분의 발화 물질(14b)이 코팅되어 있음에 따라, 상기 지지체(16)의 버미큐라이트 입자는 디젤 엔진의 초기 기동시 발생되는 배기 가스에 의해 연소되는 발화 물질(14b)로부터 전열되어 열에 의해 충분히 팽창되어 상기 세라믹재 촉매 담체(14)를 별도의 부품이 없이도 보다 견고하게 지지할 수 있게 된다.

Claims

디젤 엔진의 배기 계통에 설치되어 내부에 배기 가스의 유동을 도모하는 중공형상의 금속재 쉘과; 상기 금속재 쉘의 내부에 설치되어, 배기 가스중 입자상 물질을 포집하여 정화하도록 다수의 미세한 통공을 격자상으로 갖춘 세라믹재 촉매 담체 및; 상기 세라믹재 촉매 담체를 상기 금속재 쉘의 내부에 고정 지지하면서 특정 온도 이상이면 부피가 팽창하는 세라믹재 화이버의 일종인 버미큐라이트 입자로 이루어진 원통 형상의 지지체를 갖추되; 상기 세라믹재 촉매 담체에는 발화 물질이 코팅된 것을 특징으로 하는 디젤 엔진용 촉매 컨버터의 구조.
제 1 항에 있어서,

상기 발화 물질은 세라믹재 촉매 담체의 격벽부 표면에 코팅된 것을 특징으로 하는 디젤 엔진용 촉매 컨버터의 구조.