KR101826545B1

KR101826545B1 - 차량용 배기 시스템

Info

Publication number: KR101826545B1
Application number: KR1020150108916A
Authority: KR
Inventors: 백홍길; 여인웅; 김보경; 이승우; 서지연
Original assignee: 현대자동차 주식회사
Priority date: 2015-07-31
Filing date: 2015-07-31
Publication date: 2018-02-07
Anticipated expiration: 2035-07-31
Also published as: CN106401724A; DE102015121082A1; US20170030246A1; US10156178B2; KR20170014896A; CN106401724B

Abstract

차량용 배기 시스템이 개시된다. 개시된 차량용 배기 시스템은 배기가스가 통과하는 배기가스 유동관로의 내 벽면에 형성되는 단열 코팅층을 포함하되, 단열 코팅층은, 2종 이상의 실리콘계 화합물을 포함하는 무기 바인더 및 상기 무기 바인더에 분산된 에어로겔을 포함할 수 있다.

Description

차량용 배기 시스템 {EXHAUST SYSTEM FOR VEHICLE}

본 발명의 실시예는 차량용 배기 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량의 엔진에서 배출되는 배기가스의 배출을 감소시킬 수 있는 차량용 배기 시스템에 관한 것이다.

근래 환경 문제가 전 세계적으로 이슈화 되어 자동차 배출 가스의 규제가 강화되고 있다.

자동차 업계에서는 배출 가스에 포함된 유해 성분을 제거하기 위한 배기계 개발에 많은 투자를 하고 있으며, 또한 유해 가스(harmful gas)를 줄이고 연비를 향상시키는 방안에 대하여도 많은 연구를 하고 있다.

유해 가스를 줄이는 방법 중 하나로, 배기 가스를 정화하는 후처리 장치, 예를 들어, 입자상물질(PM)과 질소산화물(NOx) 저감하기 위한 매연여과장치(DPF), 디젤산화촉매(DOC), DPF, SCR 가 배기 시스템에 사용되고 있다.

이러한 후처리 장치에는 촉매로서 백금, 팔라듐 등의 금속 물질 등이 사용되고 있으며, 이러한 촉매가 활성화 되기 위해서는 배기 가스가 공급되어 일정한 온도 이상을 유지할 필요가 있다.

그런데, 종래 기술에서는 엔진의 시동 후, 배기 가스를 이용하여 촉매의 온도를 높이는데 많은 시간이 필요 하거나, 후처리 장치에 연료를 분사하여 온도를 높이거나, 전기 히터를 사용하는 등의 방법이 요구되며, 이러한 방법들은 차량의 연비가 악화되는 문제가 있다.

특히, 종래 기술에서는 엔진에서 연소된 고온의 배기가스가 배기포트 및 배기 매니폴드 등을 통과하면서 열이 외부로 방출됨에 따라, 촉매의 활성화 시간 지연으로 유해 성분이 다량 포함된 배기가스를 과다하게 배출할 수 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 낮은 열전도도 및 낮은 체적 열용량을 가지면서도 높은 기계적 물성과 내열성을 확보할 수 있는 단열 코팅층을 배기가스의 유동관로에 적용함으로써 짧은 시간에 후처리 장치의 촉매를 활성화시킬 수 있도록 한 차량용 배기 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 차량용 배기 시스템은, 배기가스가 통과하는 배기가스 유동관로의 내 벽면에 형성되는 단열 코팅층을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 차량용 배기 시스템에 있어서, 상기 단열 코팅층은, 2종 이상의 실리콘계 화합물을 포함하는 무기 바인더 및 상기 무기 바인더에 분산된 에어로겔을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 차량용 배기 시스템에 있어서, 상기 단열 코팅층은 상기 무기 바인더 100중량부 대비 상기 에어로겔 5 내지 50중량부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 차량용 배기 시스템에 있어서, 상기단열 코팅층은 ASTM E1461에 의해 측정한 열전도도가 1.0 W/mK 이하인 것일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 차량용 배기 시스템에 있어서, 상기 단열 코팅층은 10㎛ 내지 2,000㎛의 두께를 갖는 것일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 차량용 배기 시스템에 있어서, 상기 단열 코팅층은 ISO 16276-2에 의해 측정한 금속에 대한 접착강도가 5 이하인 것일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 차량용 배기 시스템에 있어서, 상기 단열 코팅층은 ASTM D3418에 의해 측정한 녹는점이 100℃ 내지 500℃인 것일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 차량용 배기 시스템에 있어서, 상기 단열 코팅층은 실린더 헤드의 배기 포트, 상기 배기 포트와 연통하는 배기 매니폴드 및 상기 배기 매니폴드와 연통하는 프론트 머플러의 배기가스 유동관로에 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 차량용 배기 시스템에 있어서, 상기 2종 이상의 실리콘계 화합물은 실란, 실록산, 실리케이트, 실란올, 실라잔 및 실스퀴옥산으로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 차량용 배기 시스템에 있어서, 상기 2종 이상의 실리콘계 화합물은 실리케이트 및 실란올인 것일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 차량용 배기 시스템에 있어서, 상기 실리케이트 대비 실란올의 중량비가 2 내지 10인 것일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 차량용 배기 시스템에 있어서, 상기 무기 바인더는 상기 2종 이상의 실리콘계 화합물의 졸겔반응물을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 차량용 배기 시스템에 있어서, 상기 실리케이트는 금속 실리케이트염을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 차량용 배기 시스템에 있어서, 상기 에어로겔은 규소 산화물, 탄소, 고분자 및 금속 산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 차량용 배기 시스템에 있어서, 상기 에어로겔은 100 ㎠/g 내지 1,000 ㎠/g 의 비표면적을 갖는 것일 수 있다.

본 발명의 실시예들은 낮은 열전도도 및 낮은 체적 열용량을 가지면서도 높은 기계적 물성과 내열성을 확보할 수 있는 단열 코팅층을 배기가스의 유동관로에 적용함으로써 짧은 시간에 후처리 장치의 촉매를 활성화 시켜 추가적인 에너지소모 없이 유해 가스를 줄일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에서는 단열 코팅층을 배기가스의 유동관로에 적용함에 따라, 냉간 시동 시 단열에 의한 촉매 활성화 시간 단축으로 배기가스의 배출을 저감할 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시예들에서는 단열 코팅층을 배기가스의 유동관로에 적용함으로써 웜업 후 배기계 금속면의 온도를 저감할 수 있기 때문에 배기계의 재질을 저급화 할 수 있고, 이로 인해 원가 절감을 도모할 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배기 시스템을 개략적으로 도시한 일부 단면 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배기 시스템에 적용되는 단열 코팅층의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배기 시스템을 개략적으로 도시한 일부 단면 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배기 시스템(100)은 차량의 엔진에서 배출되는 배출 가스(이하에서는 "배기가스" 라고 한다) 중의 유해 성분을 제거하기 위한 것이다.

본 발명의 실시예에서는 배기 시스템(100)이 차량의 내연기관인 엔진의 배기계통에 적용되는 것을 예로 들어 설명하는데, 본 발명의 보호범위가 반드시 이에 한정되는 것으로 이해되어서는 아니되며, 다양한 내연기관의 배기 계통에 채용되는 구조라면 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 차량용 배기 시스템(100)은 실린더 헤드(1)의 배기포트(3)와 연통하는 배기 매니폴드(10), 배기 매니폴드(10)와 연통하는 프론트 머플러(20), 및 프론트 머플러(20)와 연통하는 후처리 장치(30)를 포함하고 있다.

여기서, 상기 후처리 장치(30)는 촉매를 포함하고, 상기 촉매는 예를 들어, 백금, 팔라듐 등의 금속 물질 등이 사용되고 있으며, 이러한 촉매가 활성화 되기 위해서는 배기가스가 공급되어 일정한 온도 이상을 유지할 필요가 있다.

상기에서와 같은 배기포트(3), 배기 매니폴드(10), 프론트 머플러(20) 및 후처리 장치(30)는 배기가스 유동관로(40)를 통해 상호 연결된다.

본 출원의 명세서 및 청구항에서, 배기가스 유동관로(40)는 배기포트(3)의 내부 관로, 배기 매니폴드(10)의 내부 관로, 및 배기 매니폴드(10)로부터 프론트 머플러(20)와 후처리 장치(30)를 연결하는 배기 파이프(31)의 내부 관로를 상호 연결한 것으로 정의된다.

본 발명의 실시예에 따른 상기 차량용 배기 시스템(100)은 낮은 열전도도 및 낮은 체적 열용량을 가지면서도 높은 기계적 물성과 내열성을 확보할 수 있는 단열 코팅층(50)을 배기가스 유동관로(40)에 형성함으로써 짧은 시간에 후처리 장치(30)의 촉매를 활성화시킬 수 있는 구조로 이루어진다.

본 발명의 실시예에서, 상기 단열 코팅층(50)은 배기포트(3)의 내부관로 벽면, 배기 매니폴드(10)의 내부관로 벽면, 및 배기 매니폴드(10)로부터 프론트 머플러(20)와 후처리 장치(30)를 연결하는 배기 파이프(31)의 내부관로 벽면에 코팅 형성될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배기 시스템(100)의 배기가스 유동관로(40)에 적용되는 단열 코팅층(50) 및 이의 단열 코팅 조성물에 관하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예에서는, 2종 이상의 실리콘계 화합물을 포함하는 무기 바인더; 및 상기 무기 바인더 100중량부 대비 에어로겔 5 내지 50중량부;를 포함하는 단열 코팅 조성물이 제공된다.

본 발명의 실시예에서는 또한, 2종 이상의 실리콘계 화합물을 포함하는 무기 바인더; 및 상기 무기 바인더에 분산된 에어로겔;을 포함하고, 상기 무기 바인더 100중량부 대비 상기 에어로겔 5 내지 50중량부를 포함하며, ASTM E1461에 의해 측정한 열전도도가 1.0 W/mK 이하인 단열 코팅층이 제공된다.

이하 본 발명의 구체적인 구현예에 따른 단열 코팅 조성물 및 단열 코팅층에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.

발명의 일 구현예에 따르면, 2종 이상의 실리콘계 화합물을 포함하는 무기 바인더; 및 상기 무기 바인더 100중량부 대비 에어로겔 5 내지 50중량부;를 포함하는 단열 코팅 조성물이 제공될 수 있다.

본 발명자들은 2종 이상의 실리콘계 화합물을 포함하는 무기 바인더 및 에어로겔을 혼합하여 얻어지는 코팅 조성물 및 이로부터 얻어지는 코팅층이 낮은 열전도도를 가지면서도 높은 기계적 물성과 내열성을 확보할 수 있고, 상기 코팅 조성물 및 코팅층을 고온 조건의 배기가스 유동관로 또는 내연기관에 적용할 경우, 장시간 동안 상술한 저열전도 특성 및 내열성 등이 유지될 수 있다는 점을 실험을 통하여 확인하고 발명을 완성하였다.

특히, 2종 이상의 실리콘계 화합물을 포함하는 무기 바인더를 사용함으로서, 상기 단열 코팅 조성물이 고온의 배기가스 유동관로 또는 내연기관의 고온 환경에서 장기간 사용되더라도, 낮은 열전도도를 유지하면서 표면형태의 변화가 거의 나타나지 않는 우수한 내구성을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 섬유 등의 지지제 없이도 에어로겔을 효과적으로 분산시킬 수 있어 형태의 제약이 없으며, 접착강도가 향상되어 상기 무기 바인더와 에어로겔을 혼합한 단열 코팅 조성물을 바로 배기가스 유동관로 또는 연소실 벽면에 적용할 수 있는 장점이 있다.

그러나, 이하에서는 구현예들에 따른 상기 코팅 조성물 및 코팅층이 내연기관의 연소실에 적용되는 것을 예로 하여 실시예 및 실험예들을 설명하기로 한다.

구체적으로, 상기 2종 이상의 실리콘계 화합물은 실란, 실록산, 실리케이트, 실란올, 실라잔 및 실스퀴옥산으로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 실리케이트 및 실란올을 사용할 수 있다.

상기 실리케이트 및 실란올은 후술하는 바와 같이, 상호간에 축합반응을 통해 가교될 수 있다. 상기 실리케이트를 포함함에 따라, 상기 단열 코팅 조성물이 우수한 내열도를 구현할 수 있다. 또한, 상기 실란올을 포함함에 따라, 상기 단열 코팅 조성물의 점도를 적정수준으로 조절할 수 있고, 가교반응을 통한 에어로겔 바인딩 효과가 우수할 뿐 아니라, 접착강도가 향상될 수 있다.

상기 실리케이트는 금속 실리케이트염을 포함할 수 있다. 상기 금속 실리케이트염의 예가 크게 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 알칼리 금속 이온, 알칼리 토금속 이온, 토금속 이온 또는 전이금속 양이온과, 실리케이트의 음이온을 포함하는 화합물을 사용할 수 있다.

구체적으로, 상기 금속 실리케이트염의 예로는 알칼리 금속 오르소실리케이트, 알칼리 금속 메타실리케이트, 알칼리 금속 테트라실리케이트, 알칼리 금속 다이실리케이트를 들 수 있다. 보다 구체적으로, 칼륨 메타실리케이트, 나트륨 오르소실리케이트, 칼륨 다이실리케이트, 리튬 오르소실리케이트, 리튬 메타실리케이트, 리튬 다이실리케이트, 루비듐 다이실리케이트, 루비듐 테트라실리케이트, 구아니딘 실리케이트 등을 들 수 있다.

또한, 상기 실란올 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.

[화학식1]

상기 화학식1에서, R1, R2 및 R3는 각각 서로 독립적으로 수소원자, 히드록시기 또는 탄소수 1 내지 10의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기이다. 상기 히드록시기(hydroxyl group)는 수소와 산소로 이루어진 작용기(-OH)를 의미하며, 상기 탄소수 1 내지 10의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기의 예가 크게 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 메틸, 에틸, 프로필 등을 들 수 있다.

상기 실리케이트 대비 실란올의 중량비가 2 내지 10, 또는 2.3 내지 7, 또는 2.5 내지 5일 수 있다. 상기 실리케이트 대비 실란올의 중량비가 2 미만이면, 실란올 화합물의 함량이 지나치게 감소함에 따라 상기 단열 코팅 조성물로부터 제조되는 단열 코팅층의 접착 강도가 감소할 수 있다. 반면 상기 실리케이트 대비 실란올의 중량비가 10 초과이면, 실리케이트 화합물의 함량이 지나치게 감소함에 따라 상기 단열 코팅 조성물의 내열성이 감소할 수 있다.

상기 무기 바인더는 상기 2종 이상의 실리콘계 화합물의 졸겔반응물을 포함할 수 있다. 상기 2종 이상의 실리콘계 화합물은 졸겔반응을 통해 축합되어 상호간에 가교가 진행될 수 있다. 이를 통해, 상기 2종 이상의 실리콘계 화합물간 복합체를 형성함으로써, 기계적 강도와 물리, 화학적 성질을 개선할 수 있다.

또한, 상기 무기 바인더의 함량은 상기 단열 코팅 조성물 중량을 기준으로 20 중량% 내지 60 중량%일 수 있다.

한편, 상기 일 구현예의 단열 코팅 조성물은 상술한 2종 이상의 실리콘계 화합물을 포함하는 무기 바인더; 및 에어로겔 0.1 중량% 내지 25 중량%을 혼합하여 형성될 수 있다.

상기 혼합의 방법이 크게 제한되는 것은 아니며 통상적으로 알려진 물리적 혼합 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 2종 이상의 실리콘계 화합물을 포함하는 무기 바인더 및 에어로겔을 혼합하고 여기에 지르코니아 비드를 첨가하고 상온의 온도 및 상압력 조건에서 100 내지 500rpm의 속도로 볼 밀링하여 코팅 조성물(코팅 용액)을 제조하는 방법을 들 수 있다.

상기 일 구현예의 단열 코팅 조성물은 반복적인 고온 및 고압의 조건 가해지는 내연 기관 내부에서 장시간 유지될 수 있는 단열 재료나 단열 구조 등을 제공할 수 있으며, 구체적으로 상기 일 구현예의 단열 코팅 조성물은 내연 기관의 내부면 또는 내연 기관의 부품의 코팅에 사용될 수 있다.

상기 에어로겔은 머리카락의 1만 분의 1 굵기 정도의 미세사가 얽혀 이루어지는 구조를 가지며 90%이상의 기공율을 갖는 것을 특징으로 하며 주된 재질은 규소 산화물, 탄소 또는 유기 고분자이다. 특히, 에어로겔은 상술한 구조적인 특징으로 인하여 높은 투광성 및 극저의 열전도도를 갖는 극저밀도 재료이다.

상기 에어로겔로는 이전에 알려진 통상적인 에어로겔을 사용할 수 있으며, 구체적으로 규소 산화물, 탄소, 고분자, 금속 산화물 또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 포함하는 성분의 에어로겔을 사용할 수 있다. 상기 고분자의 예가 크게 한정되는 것은 아니나 예를 들어, 폴리비닐알콜, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐피롤리돈, 폴리스틸렌 설포산 소듐염, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오르프로필렌, 폴리테트라 플루오로에틸렌, 폴리스틸렌 또는 폴리비닐클로라이드 등을 들 수 있다.

상기 에어로겔은 100㎤/g 내지 1,000 ㎤/g, 또는 300㎤/g 내지 900 ㎤/g 의 비표면적을 가질 수 있다.

상기 단열 코팅 조성물은 상기 무기 바인더 100중량부 대비 에어로겔 5 내지 50중량부, 또는 10 내지 45 중량부를 포함할 수 있다. 상기 에어로겔의 함량이 상기 무기 바인더 100중량부 대비 5중량부 미만이면, 상기 단열 코팅 조성물로부터 얻어지는 단열 코팅층의 열전도도를 낮추기 어려울 수 있으며, 충분한 단열성을 확보하기 어려울 수 있다.

또한, 상기 에어로겔의 함량이 상기 무기 바인더 100중량부 대비 50 중량부 초과이면, 상기 단열 코팅 조성물로부터 얻어지는 단열 코팅층의 내부에 상기 에어로겔이 지나치게 많아져 상기 단열 코팅층의 표면으로 상기 에어로겔의 표면 일부가 드러나는 등 상기 단열 코팅층의 표면에 요철이 발생함에 따라, 내연기관 내부벽에 대한 밀착특성이 감소할 수 있다.

상기 단열 코팅 조성물은 수계 용매 또는 유기 용매를 더 포함할 수 있다. 상기 수계 용매의 예가 크게 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 물, 메탄올, 에탄올, 에틸아세테이트 또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.

또한, 상기 유기 용매의 예가 크게 한정되는 것은 아니나, 아니솔, 톨루엔, 크실렌, 메틸 에틸 케톤, 메틸 이소부틸 케톤 및 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 에틸렌글리콜모노에틸에테르, 에틸렌글리콜모노부틸에테르, 초산부틸, 시클로헥사논, 에틸렌글리콜모노에틸에테르아세테이트(BCA), 벤젠, 헥산, DMSO, (N,N'-디메틸포름아미드, 메틸알코올, 에틸알코올, 프로필알코올, n-부틸알코올, iso-부틸알코올, tert-부틸알코올, 아세톤, 메틸렌클로라이드, 에틸렌 아세테이트, 이소프로필알코올 또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.

상기 수계 용매 또는 유기 용매의 함량은 상기 단열 코팅 조성물 중량을 기준으로 10 중량% 내지 80 중량%, 또는 20 중량% 내지 70중량%일 수 있다.

상기 단열 코팅 조성물은 계면활성제, 무기 첨가제, 가교제 또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 더 포함할 수 있다.

상기 무기첨가제의 예가 크게 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 알루미나, 실리카, 지르코니아, 산화철, 탄화규소, 무라이트, 산화티탄, 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화나트륨, 산화칼륨 또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 산화철 및 지르코니아를 사용할 수 있다.

상기 무기 첨가제의 함량은 상기 단열 코팅 조성물 중량을 기준으로 1 중량% 내지 10 중량%, 또는 4 중량% 내지 8중량%일 수 있다.

상기 가교제의 예가 크게 한정되는 것은 아니며, 실란 커플링제를 사용할 수 있고, 상기 실란 커플링제의 예로는 아미노에틸 아미노프로필 트리메톡시실란(Aminoethyl aminopropyl trimethoxysilane, AEAPTMS), 아미노프로필 트리메톡시실란(Aminopropyl trimethoxy silane, APTMS), 글리시드 옥시프로필 트리메톡시실란(Glycidoxypropyl trimethoxy silane, GPTMS), 메타크릴 옥시프로필 트리메톡시 실란(Metacryl oxypropyl trimethoxysilane, MPTMS) 또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.

상기 가교제의 함량은 상기 단열 코팅 조성물 중량을 기준으로 1 중량% 내지 10 중량%일 수 있다.

상기 계면활성제의 예가 크게 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 폴리올레핀옥사이드계 블록 공중합체를 들 수 있다. 상기 폴리올레핀옥사이드계 블록 공중합체는 폴리올레핀옥사이드계 반복단위를 포함할 수 있고, 상기 폴리올레핀옥사이드계 반복단위의 예로는 폴리올레핀옥사이드 반복단위 또는 폴리프로필렌옥사이드 반복단위를 들 수 있다. 보다 구체적으로 상기 폴리올레핀옥사이드계 블록공중합체의 예를 들면, 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드 또는 폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드- 폴리에틸렌옥사이드 등을 사용할 수 있다.

상기 계면활성제의 함량은 상기 단열 코팅 조성물 중량을 기준으로 1 중량% 내지 10 중량%일 수 있다.

한편, 발명의 다른 구현예에 따르면, 2종 이상의 실리콘계 화합물을 포함하는 무기 바인더; 및 상기 무기 바인더에 분산된 에어로겔;을 포함하고, 상기 무기 바인더 100중량부 대비 상기 에어로겔 5 내지 50중량부를 포함하며, ASTM E1461에 의해 측정한 열전도도가 1.0 W/mK 이하인 단열 코팅층이 제공될 수 있다.

상술한 단열 코팅층을 이용하면, 상기 무기 바인더 내부에 상기 에어로겔을 균일하게 분산시켜, 상기 단열 코팅층의 열전도도 및 체적열용량을 낮춰 내열성을 크게 향상시킬 수 있고, 높은 녹는점을 통해 고온의 연소실 환경에서 장시간 적용시에도 우수한 내구성을 구현할 수 있다.

구체적으로 상기 단열 코팅층의 ASTM E1461에 의해 측정한 열전도도가 1.0 W/mK 이하, 또는 0.1 W/mK 내지 0.9 W/mK, 또는 0.2 W/mK 내지 0.8 W/mK 일 수 있다. 상기 열전도도는 물질이 전도에 의해 열을 전달할 수 있는 능력을 나타내는 정도를 의미하며, 일반적으로 열전도도가 낮을수록 열 운동 에너지의 전달이 느려 단열성이 우수하다. 상기 단열 코팅층의 열전도도가 1.0 W/mK 초과이면, 열 운동 에너지의 전달이 지나치게 빨라 상기 단열 코팅층 외부로 방출되는 열에너지의 양이 많아져 단열성이 감소하고, 이에 따라 에너지 효율이 감소할 수 있다.

상기 단열 코팅층은 상기 무기 바인더 100중량부 대비 상기 에어로겔 5 내지 50중량부, 또는 10 내지 45 중량부를 포함할 수 있다. 상기 에어로겔의 함량이 상기 무기 바인더 100중량부 대비 5중량부 미만이면, 상기 단열 코팅층의 열전도도를 낮추기 어려울 수 있으며, 충분한 단열성을 확보하기 어려울 수 있다.

또한, 상기 에어로겔의 함량이 상기 무기 바인더 100중량부 대비 50 중량부 초과이면, 상기 단열 코팅층의 내부에 상기 에어로겔이 지나치게 많아져 상기 단열 코팅층의 표면으로 상기 에어로겔의 표면 일부가 드러나는 등 상기 단열 코팅층의 표면에 요철이 발생함에 따라, 내연기관 내부벽에 대한 밀착특성이 감소할 수 있다.

상기 단열 코팅층은 ASTM D3418에 의해 측정한 녹는점이 100℃ 내지 500℃, 또는 200℃ 내지 450℃, 또는 250℃ 내지 400℃일 수 있다.

상기 단열 코팅층의 두께는 10 ㎛ 내지 2,000 ㎛, 또는 20 ㎛ 내지 500 ㎛, 또는 30 ㎛ 내지 300 ㎛, 또는 50 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 단열 코팅층의 열전도도 및 체적열용량은 단위 부피에 대한 물성에 해당하므로, 상기 두께가 달라지게 되면 물성에 영향을 미칠 수 있다. 상기 단열 코팅층의 두께가 10 ㎛ 미만이면, 상기 단열 코팅층의 밀도를 충분히 낮추지 못해 열전도도를 적정수준 이하로 낮추기 어려울 뿐 아니라, 내부 부식방지 및 표면보호 기능이 떨어지게 될 수 있다. 반면, 상기 단열 코팅층의 두께가 2,000 ㎛ 초과이면, 상기 단열 코팅층에 균열이 발생할 우려가 있다.

상기 단열 코팅층은 ISO 16276-2에 의해 측정한 금속에 대한 접착강도가 5 이하, 또는 1 내지 4일 수 있다. 상기 접착강도를 측정하는 방법의 예를 들면, 상기 단열 코팅층에 스크래치를 내고 테이프를 붙였다 떼었을 때, 떨어져나오는 스크래치 개수를 측정하는 방법을 들 수 있다.

또한, 상기 단열 코팅층의 ASTM E1269 에 의해 측정한 체적열용량이 600 KJ/m³K 내지 2,500 KJ/m³K, 또는 600 KJ/m³K 내지 2,000 KJ/m³K, 또는 700 KJ/m³K 내지 1,900 KJ/m³K, 또는 800 KJ/m³K 내지 1,600 KJ/m³K 일 수 있다. 상기 체적열용량은 단위 부피의 물질을 1도 높이는데 필요한 열량을 의미하고, 구체적으로 하기 수학식 2를 통해 구할 수 있다.

[수학식2]

체적열용량(KJ/m³K) = 비열(KJ/gㅇK) x 밀도(g/m³)

따라서, 상기 단열 코팅층의 체적열용량이 2,500 KJ/m³K 초과이면, 체적열용량을 충분히 낮추지 못하여 상기 단열 코팅층의 밀도가 커지게 되고, 열전도도도 증가하여 목표하는 단열성을 획득하기 어려울 수 있다.

상기 구현예의 단열 코팅층은 반복적인 고온 및 고압의 조건이 가해지는 내연기관 내부에서 장시간 유지될 수 있는 단열 재료나 단열 구조 등을 제공할 수 있으며, 구체적으로 상기 구현예의 단열 코팅층은 내연 기관의 내부면 또는 내연 기관의 부품 상에 형성될 수 있다.

상기 무기 바인더 및 에어로겔에 관한 내용은 상기 일 구현예에 관하여 상술한 내용을 포함한다.

한편, 상기 단열 코팅층은 상기 일구현예의 단열 코팅 조성물을 내연기관의 내부면 또는 내연기관의 부품 상에 코팅 또는 증착하여 형성될 수 있다. 상기 코팅 또는 증착방법의 예가 크게 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 스프레이 코팅 방식 등을 사용할 수 있다.

예를 들어, 상기 일 구현예의 단열 코팅 조성물을 코팅 대상물, 예들 들어 내연 기관의 내부면이나 내연 기관의 부품의 외부면에 스프레이 코팅하고 50℃ 내지 100℃의 온도에서 반건조를 1회 이상 진행하고, 상기 반건조된 코팅 조성물은 110℃ 이상의 온도에서 완전히 건조하여 상기 단열 코팅층을 형성할 수 있다. 다만, 상기 구현예의 단열 코팅층의 구체적인 제조 방법이 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명을 하기의 실시예에서 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1 내지 3: 단열 코팅 조성물 및 단열 코팅층의 제조>

(1)단열 코팅 조성물의 제조

교반기가 구비된 5 리터 용기에 실리케이트로서 칼륨 메타실리케이트, 실란올, 계면활성제로는 Pluonic 및 가교제로서 아미노프로필 트리메톡시실란을 넣고 24시간 동안 졸겔반응시켰다.

이후, 다공성 실리카 에어로겔(비표면적 약 500㎤/g) 및 산화철 지르코니아를 첨가한 후 혼합하여 단열 코팅 조성물을 제조하였다. 상기 단열 코팅 조성물에 포함된 구성 성분의 함량을 하기 표 1에 기재하였다.

실시예 단열 코팅 조성물의 조성(단위 : 중량%)

구분	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4
실리카 에어로겔	3	5	10	15
실리케이트	10	10	10	10
실란올	40	37	32	27
산화철 지르코니아	6	6	6	6
계면활성제	2	2	2	2
가교제	2	2	2	2
물	38	38	38	38

(2) 단열 코팅층의 제조

상기 실시예 1 내지 4에서 얻어진 단열 코팅 조성물을 스프레이 코팅 방식으로 자동차 연소실 내부 벽면에 도포하였다. 그리고, 70 ℃에서 20분간 1차 건조를 진행한 이후에, 120 ℃에서 30분간 2차 건조를 진행하여 단열 코팅층을 형성하였다. 이 때, 상기 단열 코팅층의 두께는 75 ㎛였다.

<실험예 : 실시예에서 얻어진 단열 코팅층의 물성 측정>

상기 실시예에서 얻어진 단열 코팅층의 물성을 하기 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 표3 및 표4에 나타내었다.

1. 열전도도 (W/mK)

상기 실시예1 에서 얻어진 단열 코팅층에 대하여, ASTM E1461 에 의거하여 상온 및 상압 조건에서 레이저플레쉬법을 이용하여 열확산 측정 방법으로 열전도도를 측정하였다.

또한, 상기 실시예1 에서 얻어진 단열 코팅층이 형성된 연소실 내에서 6,300 rpm으로 스로틀을 와이드 오픈시킨 후 연소를 진행하면서, 연소진행시간에 따른 상기 단열 코팅층의 열전도도를 측정하였다.

2. 체적 열용량 (KJ/m ³ K)

상기 실시예1 에서 얻어진 단열 코팅층에 대하여, ASTM E1269 에 의거하여 상온 조건에서 DSC 장치를 이용하여 사파이어를 레퍼런스로 하여 비열을 측정하여 체적 열용량을 측정하였다.

또한, 상기 실시예1 에서 얻어진 단열 코팅층이 형성된 연소실 내에서 6,300 rpm으로 스로틀을 와이드 오픈시킨 후 연소를 진행하면서, 연소진행시간에 따른 상기 단열 코팅층의 체적 열용량을 측정하였다.

상기 실시예1 단열 코팅층의 열전도도 및 체적열용량에 관한 실험예의 결과를 하기 표3 에 기재하였다.

실시예1 단열 코팅층의 열전도도 및 체적열용량

연소시간(시간)	0	2.5	5	7.5	10	12.5	15	17.5	20
체적열용량(KJ/m³K)	1,218	1,495	1,252	1,222	1,487	1,153	1,060	934	1,082
열전도도(W/mK)	0.28	0.48	0.26	0.33	0.64	0.36	0.43	0.34	0.46

상기 표 3에 나타난 바와 같이, 상기 실시예1 단열 코팅층의 경우, 연소실 내부에서 연소가 진행되더라도, 열전도도가 0.64 W/mK이하로 낮게 유지되었다. 이에 따라, 상기 실시예1과 같이, 실리케이트 바인더와 실란올 바인더를 혼합할 경우, 고온의 연소실 환경에서 장기가 사용하더라도, 저열전도 특성을 유지하는 단열성 유지 효과가 구현됨을 확인할 수 있다.

3. 표면특성

(1) 상기 실시예1 에서 얻어진 단열 코팅층이 형성된 연소실 내에서 6,300 rpm으로 스로틀을 와이드 오픈시킨 후 20시간 동안 연소를 진행한 이후, 상기 단열 코팅층의 표면 상태를 SEM이미지를 통해 확인하였고, 이를 하기 도 2에 기재하였다.

(2) 하기 도2 에 나타난 바와 같이, 상기 실시예1 단열 코팅층의 경우, 연소실 내부에서 20시간 동안 연소가 진행되더라도, 단열 코팅층 표면이 그대로 유지되었다. 이에 따라, 상기 실시예1과 같이, 실리케이트 바인더와 실란올 바인더를 혼합할 경우, 고온의 연소실 환경에서 장기가 사용하더라도, 표면 특성을 유지하는 우수한 내구성이 구현됨을 확인할 수 있다.

4. 녹는점 (℃)

상기 실시예에서 얻어진 단열 코팅층에 대하여, ASTM D3418에 의거하여 DSC 장치를 이용하여, 녹는점(Tm)을 측정하였다.

5. 접착강도

상기 실시예에서 얻어진 단열 코팅층에 대하여, ISO 16276-2에 의거하여 크로스커터를 이용하여, 금속에 대한 접착강도를 측정하였다.

실시예 단열 코팅층의 녹는점 및 접착강도에 관한 실험예 결과

구분	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4
녹는점(℃)	273	295	319	377
접착강도	1	1	2	3

상기 표5에 나타난 바와 같이, 에어로겔 함량이 5중량% 내지 15중량%인 상기 실시예 1 내지 4 단열 코팅층의 경우, 에어로겔을 적정량으로 함유함에 따라, 300℃이상의 녹는점을 나타내어 충분한 내열성을 구현할 수 있을 뿐 아니라, 접착강도가 높게 측정되어, 코팅재로서의 적용성이 향상될 수 있다.

또한, 에어로겔의 함량을 높일수록 내열성이 향상되면서 접착강도는 감소하는 것을 확인할 수 있고, 실란올의 함량이 증가할수록 상기 단열 코팅층의 접착강도가 향상되는 것을 확인할 수 있다.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 엔진용 실린더 헤드(100)에 의하면, 낮은 열전도도 및 낮은 체적 열용량을 가지면서도 높은 기계적 물성과 내열성을 확보할 수 있는 단열 코팅층을 배기가스의 유동관로에 적용함으로써 짧은 시간에 후처리 장치의 촉매를 활성화 시켜 추가적인 에너지소모 없이 유해 가스를 줄일 수 있다.

즉, 본 발명의 실시예들에서는 냉간 시동 시 단열 코팅층에 의해 배기가스의 열이 외부로 방출되는 것을 감소시키며 배기가스의 온도를 상승시킬 수 있기 때문에, 촉매의 활성화 시간을 단축시키며 배기가스의 배출을 저감시킬 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시예들에서는 단열 코팅층을 배기가스의 유동관로에 적용함으로써 웜업 후 배기계 금속면의 온도를 저감할 수 있기 때문에, 배기계의 재질을 저급화를 도모하여 배기계의 제작 원가를 절감할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.

1... 실린더 헤드
3... 배기포트
10... 배기 매니폴드
20... 프론트 머플러
30... 후처리 장치
31... 배기 파이프
40... 배기가스 유동관로
50... 단열 코팅층
100... 배기 시스템

Claims

배기가스가 통과하는 배기가스 유동관로의 내 벽면에 형성되는 단열 코팅층을 포함하되,
상기 단열 코팅층은, 2종 이상의 실리콘계 화합물을 포함하는 무기 바인더 및 상기 무기 바인더에 분산된 에어로겔을 포함하고, 상기 무기 바인더 100중량부 대비 상기 에어로겔 5 내지 50중량부를 포함하며, ASTM E1461에 의해 측정한 열전도도가 1.0 W/mK 이하이고,
상기 2종 이상의 실리콘계 화합물이 실리케이트 및 실란올이며, 상기 실리케이트 대비 실란올의 중량비가 2 내지 10이고,
상기 무기 바인더는 상기 2종 이상의 실리콘계 화합물의 졸겔반응물을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배기 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 단열 코팅층은 10㎛ 내지 2,000㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 차량용 배기 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 단열 코팅층은 ISO 16276-2에 의해 측정한 금속에 대한 접착강도가 5 이하인 것을 특징으로 하는 차량용 배기 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 단열 코팅층은 ASTM D3418에 의해 측정한 녹는점이 100℃ 내지 500℃인 것을 특징으로 하는 차량용 배기 시스템.
제1항에 있어서,
상기 단열 코팅층은,
실린더 헤드의 배기 포트, 상기 배기 포트와 연통하는 배기 매니폴드 및 상기 배기 매니폴드와 연통하는 프론트 머플러의 배기가스 유동관로에 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 배기 시스템.
삭제
삭제
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 실리케이트는 금속 실리케이트염을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배기 시스템.
제1항에 있어서,
상기 에어로겔은 규소 산화물, 탄소, 고분자 및 금속 산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배기 시스템.
제1항에 있어서,
상기 에어로겔은 100 ㎠/g 내지 1,000 ㎠/g 의 비표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 차량용 배기 시스템.