KR19980051022A - 바이패스 보조 촉매 변환장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이패스 보조 촉매 변환장치에 관한 것으로, 종래에는 배기관의 직경과 동일한 크기의 바이패스 배기관이 별도로 추가되며, 각각의 배기관 및 바이패스 배기관에 설치되는 전자밸브 및 릴레이 등의 부피가 커 협소한 엔진룸 또는 언더바디 등에 장착하는 것이 현실적으로 매우 어려운 실정이다.

따라서 본 발명은, 배기 다기관에서 배출되는 가스의 일부를 주 촉매 변환장치로 바이패스할 수 있도록 보조촉매 변환장치의 입구측 및 출구측 배기관에 연결되며, 그 직경이 배기관의 직경보다 작은 바이패스 배기관과 상기 바이패스 배기관으로 흐르는 가스를 개폐할 수 있도록 상기 바이패스 배기관의 일단에 설치되는 바이패스 밸브와 상기 바이패스 밸브를 제어하고 전기를 공급하기 위해 상기 배이패스 밸브에 전기적으로 연결된 전기장치 를 포함하는 바이패스 보조촉매 변환장치를 제공함으로써, 장치의 부피를 줄여 양산적용에 유리하며, 질소산화물의 정화에 우수한 효과를 가져올 수 있다.

Description

바이패스 보조 촉매 변환장치

본 발명은 배기 후처리 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배기 다기관으로부터 배출되는 유해 가스를 무해 가스로 변환시키는 바이패스 보조촉매 변환장치에 관한 것이다.

근래에 들어와서 세계적으로 관심이 고조되고 있는 환경문제의 하나로 화석연료를 사용한 내연기관의 배출가스 유해성분이 대기를 오염시키는 문제가 대두되고 있으며, 최근에 들어와서는 이와같은 내연기관의 배출가스에 의한 공해를 줄이기 위하여 배기 규제가 해를 거듭할수록 강화되고 있다.

자동차의 배출가스중의 유해성분은 미연 탄화수소계, 일산화탄소계, 산화질소계가 주를 이루고 있으며, 현재 일반적으로 자동차에 부착하고 있는 삼원촉매장치로 상기 규제를 만족하기 어려운 성분은 미연 탄화수소와 일산화탄소이다.

이는 미연 탄화수소와 일산화탄소 전체 배출량의 약 90 % 이상이 시동초기(시동후 100초 이내)에 발생하는데 기인하는 것으로 시동초기에는 삼원촉매의 온도가 활성화 온도영역(300℃이상)에 도달하지 못하므로 유해가스의 정화반응이 일어나지 못하고 그대로 대기 중으로 배출되기 때문이다.

따라서 시동초기 배출가스의 정화율은 배출가스 규제를 만족하느냐 못하느냐하는 매우 중요한 문제이다.

시동초기의 배출가스 중 유해성분을 정화하기 위해서는 현재의 삼원촉매 외에 촉매의 활성화를 앞당기는 추가적인 장치가 필요하다.

이러한 장치중의 하나로 엔진의 배기 폐열을 이용하는 방법으로 소형의 보조 촉매 변환장치(CCC Close Coupled Catalyst)를 추가로 엔진에 근접시키는 방법이 있다.

즉, 엔진에서 배출되는 연소가스의 온도는 배기 다기관을 지나면서 900℃의 고온을 유지하나 삼원촉매 변환장치가 장착되어 있는 위치(엔진으로부터 약 120㎝)에 도달하게 되면 주위로의 열 손실에 의해 500∼600℃로 냉각되게 된다. 따라서, 소형의 보조촉매 변환장치를 엔진에 최대한 근접시켜 고온의 열을 최대한 이용하는 것이 중요하다. 엔진에서 배출되는 열량은 엔진의 배기량과 직접적인 관계가 있으며, 엔진의 운전조건이 정해지면 배출되는 열량은 일정해진다.

도 1에는 이와같은 보조 촉매 변환장치가 채용된 일반적인 배기 후처리 장치가 도시되어 있다.

이는, 배기 다기관(1)과 인접된 위치에는 배기관(2)을 통해 보조 촉매 변환장치(3)가 위치되며, 이 보조촉매 변환장치(3)와 인접된 위치에는 역시 배기관(2)을 통해 연결되며 보조촉매 변환장치(3)에 비하여 상대적으로 낮은 온도에서 작동하는 주 촉매 변환장치(UCC Underbody Catalytic Converter 4)가 위치된다. 그리고 이 주 촉매 변환장치(4)는 배기가스가 배출될 때 배출 소음을 방지하기 위해 마련된 머플러(5)와 배기관(2)을 통해 연결된다.

도 2에는 이와같은 배기 후처리 장치에 있어서, 특히 배기 다기관(1)과 인접되게 위치되어 배기가스 중의 유해 가스를 정화(淨化)시키는 보조 촉매 변환장치(3)가 도시되어 있으며, 이는 일반적인 촉매 변환장치와 크게 다르지 않다.

이는, 장치의 골격을 유지하고 있는 세라믹 또는 금속으로 제조된 담체(6)와 담체 위에 얇게 도포되어 배출가스 내의 유해성분 저감기능을 담당하는 워시코트(Washcoat)와 귀금속(Pt, Pd, Rh)(도면상 미도시됨) 담체(6)를 기계적인 충격과 열적 충격에서 보호하는 매트(mat 7) 이들을 둘러싸고 있는 하우징(8)으로 구성된다.

이와같은 구성을 갖는 보조촉매 변환장치는 배출가스 내에 존재하는 에너지만으로 촉매가 활성화 온도 영역에 도달하여야 하므로 주위로의 열 손실을 줄이고 가스 내 에너지를 최대한 이용하기 위하여 일반적으로 엔진에 최대한 근접하여 장착하여야 하나, 엔진에 너무 근접시킬 경우 800℃ 이상의 고온이 촉매 및 워시코트 등에 접하게 되어 내구성이 저하되는 문제를 야기한다.

또한, 보조촉매 변환장치가 활성화 된 경우에 보조촉매 변환장치에서 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC) 성분의 95% 이상이 정화되므로 주 촉매 변환장치에서 질소산화물(NO_X)을 질소가스(N₂) 및 산소가스(O₂)로 환원시키기 위한 환원제로서의 일산화탄소와 탄화수소의 양이 부족하여 결과적으로 질소산화물의 정화에 효과적이지 못한 경우가 발생된다.

종래에도 이와같은 문제를 보완하기 위해 배출가스를 바이패스(by-pass)시키는 방법이 제안되어 있다.

도 3은 종래의 바이패스 보조촉매 변환장치를 도시한 구성도로서, 촉매가 활성화되기 이전의 냉 시동 이후 초기 수분 동안은 배출가스가 보조촉매 변환장치로 흐르게하여 보조촉매 변환장치의 촉매를 빠르게 활성화 시켜 유해성분을 제거하고, 주 촉매 변환장치가 활성화된 이후에는 보조촉매 변환장치로 흐르는 배출가스를 바이패스시켜 보조촉매 변환장치를 통과하지 않고 주 촉매 변환장치로 흐르게 하므로써, 정화작용은 연속적으로 이루어지며 보조촉매 변환장치는 고온에 노출되는 시간이 줄어들어 내구성이 향상되는 방법이다.

도시된 바와 같이, 이와같은 종래의 바이패스 보조촉매 변환장치의 구성은 배기 다기관(1), 배기관(2), 주 촉매 변환장치(4), 보조촉매 변환장치(3)로 이루어지는 배기 후처리 장치에 있어서, 보조촉매 변환장치(3)의 입구측 및 출구측 배기관(2)에 배기 다기관(1)에서 배출되는 가스의 전량을 직접 주 촉매 변환장치(4)로 바이패스할 수 있는 바이패스 배기관(9)이 설치되고, 배기관으로 흐르는 배출가스 흐름을 흐름을 개폐하기 위해 보조촉매 변환장치(3)의 입구측 배기관(2) 및 바이패스 배기관(9)의 일단에 전자 밸브(10)가 설치되고, 이 전자 밸브(10)를 제어하고 전기를 공급하기 위한 전기장치(11)가 마련되어 구성된다.

그러나 이와같은 바이패스 보조촉매 변환장치를 구비한 배기 후처리 장치를 차량에 장착할 때에 다음과 같은 문제점이 발생된다.

통상적으로 배기관(2)의 지름은 60∼80㎜ 정도로 이와 동일한 직경의 바이패스 배기관(9)이 별도로 추가되며, 각각의 배기관(2) 및 바이패스 배기관(9)에 설치되는 전자밸브(10) 및 이의 작동을 위한 릴레이 등이 구비된 전기장치(11)의 부피가 커 협소한 엔진룸 또는 언더바디 등에 장착하는 것은 필연적으로 실내공간의 축소를 가져오므로 현실적으로 양산 적용은 매우 어려운 실정이다.

특히, 4 기통 엔진까지는 배기관이 1 개이나, 6 기통 이상이 되면 배기관이 통상 2 개를 설치하게 되는데 바이패스 보조촉매 변환장치를 장착할 경우 배기관의 수가 2 배로 늘어나게 되어 실내공간의 축소 및 비용상승 등으로 보조촉매 변환장치의 본래의 장점인 이중 조작 및 취급의 용이성과 생산단가의 저렴성 등이 사라지게 된다.

또한, 주촉매 변환장치가 활성화된 이 후에는 바이패스 배기관에 의하여 주촉매 변환장치만 작동할 경우 배기가스의 정화반응은 일산화탄소(CO)가 산소(O₂)와 먼저 반응하여 정화되고 질소산화물(NO_X)은 2 차적으로 나머지 일산화탄소(CO)와 반응하여 점화되기 때문에 대부분의 일산화탄소(CO)가 먼저 정화된 뒤에는 질소산화물(NO_X)의 정화율이 떨어지는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 이와같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 바이패스 보조촉매 변환장치를 구비한 배기 후처리 장치를 차량에 장착하는데 있어서 장치가 간단하고 소형으로 이루어져 실내공간을 축소시키지 않으면서도 엔진룸 또는 언더바디에 장착할 수 있으며, 사용 부품수의 최소화로 비용의 절감 및 질소산화물의 정화기능이 우수한 바이패스 보조촉매 변환장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이와같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 배기 다기관, 배기관, 주 촉매 변환장치 및 보조촉매 변환장치를 포함하는 배기 후처리 장치에 있어서, 탄화수소와 일산화탄소의 정화에 유리한 산화 촉매를 위주로 하는 보조촉매 변환장치와 질소산화물의 정화에 유리한 환원 촉매를 위주로 하는 주 촉매 변환장치와 배기 다기관에서 배출되는 가스의 일부를 주 촉매 변환장치로 바이패스할 수 있도록 보조촉매 변환장치의 입구측 및 출구측 배기관에 연결되며, 그 직경이 배기관의 직경보다 작은 바이패스 배기관과 상기 바이패스 배기관으로 흐르는 가스를 개폐할 수 있도록 상기 바이패스 배기관의 일단에 설치되는 바이패스 밸브와 상기 바이패스 밸브를 제어하고 전기를 공급하기 위해 상기 배이패스 밸브에 전기적으로 연결된 전기장치가 마련된 바이패스 보조촉매 변환장치를 제공한다.

도 1은 종래의 배기 후처리 장치를 개념적으로 도시한 구성도.

도 2는 종래의 보조촉매 변환장치의 내부를 보인 일부 절제 사시도,

도 3은 종래의 바이패스 보조촉매 변환장치가 구비된 배기 후처리 장치의 구성도.

도 4는 본 발명에 따른 바이패스 보조촉매 변환장치가 구비된 배기 후처리 장치의 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명

1 : 배기 다기관 2 : 배기관

3 : 보조촉매 변환장치 4 : 주 촉매 변환장치

20 : 바이패스 배기관 22 : 전자밸브

24 : 릴레이

이하 본 발명에 따른 배기 후처리 장치의 보조 촉매 변환장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 바이패스 보조촉매 변환장치가 구비된 배기 후처리 장치의 구성도이다.

도시된 바와 같이 본 발명에 따른 바이패스 보조촉매 변환장치가 구비된 배기 후처리 장치는 자동차의 엔진의 일부품인 배기 다기관(1)과 인접된 위치에 배기관(2)을 통해 보조 촉매 변환장치(3)가 설치되며, 이 보조촉매 변환장치(3)와 인접된 위치에 역시 배기관(2)을 통해 연결되며 보조 촉매 변환장치(3)에 비하여 상대적으로 낮은 온도에서 작동하는 주 촉매 변환장치(UCC Underbody Catalytic Converter 4)가 설치된다.

그리고 이 주 촉매 변환장치(4)의 출구측에는 배기가스가 배출될 때 배출 소음을 방지하기 위한 머플러(5)가 배기관(2)을 통해 연결된다.

여기서, 주 촉매 변환장치(4) 및 보조촉매 변환장치(3)의 내부구성은 도면상 미도시되어 있으나, 도 3에 도시된 보조촉매 변환장치의 일예와 크게 다르지 않다.

즉, 장치의 골격을 유지하고 있는 세라믹 또는 금속으로 제조된 담체(6)와 담체 위에 얇게 도포되어 배출가스 내의 유해성분 저감기능을 담당하는 워시코트(Washcoat)와 귀금속(Pt, Pd, Rh)(도면상 미도시됨) 담체(6)를 기계적인 충격과 열적 충격에서 보호하는 매트(mat 7) 이들을 둘러싸고 있는 하우징(8)으로 각각 구성된다.

여기서 보조촉매 변환장치(3)에 사용하는 촉매는 탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO)의 정화에 유리한 산화촉매, 예를들면 Pt, Rh 성분을 주성분으로 하는 촉매를 사용하는 것이 바람직하며, 주 촉매 변환장치(4)에는 질소산화물(NO_X)의 정화에 유리한 환원촉매, 예를 들면 Pd 성분을 주성분으로 하는 촉매를 사용한다.

한편, 배기 다기관(1)에서 배출되는 가스의 일부를 주 촉매 변환장치(4)로 바이패스할 수 있도록 보조촉매 변환장치(3)의 입구측 및 출구측 배기관(2)에 연결되며, 그 직경이 배기관(2)의 직경보다 작은 바이패스 배기관(20)과 상기 바이패스 배기관(20)으로 흐르는 가스를 개폐할 수 있도록 상기 바이패스 배기관(20)의 일단에 설치되는 바이패스 밸브와 상기 바이패스 밸브를 제어하고 전기를 공급하기 위해 상기 배이패스 밸브에 전기적으로 연결된 전기장치가 설치된다.

이때, 바이패스 밸브로는 전기적 신호에 따라 개폐되는 전자밸브(22)가 적당하며, 전기장치로는 상기 전자밸브(22)를 제어할 수 있는 릴레이(24)가 바람직하다.

한편, 바이패스 배기관(20)의 직경을 통상의 배기관(2)의 직경의 10∼50%가 바람직하다.

이와같이 구성된 본 발명의 보조촉매 변환장치가 구비된 배기 후처리 장치의 작동 예를 설명하면 다음과 같다.

자동차의 배출가스중의 유해 성분은 미연 탄화수소계, 일산화탄소계, 산화질소계가 주를 이루고 있으며, 특히 미연 탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO)는 전체 배출량의 90% 이상이 시동후 100초 이내의 시동초기에 발생된다.

한편, 삼원촉매 방식을 이용하는 촉매는 통상적으로 300℃ 이상에서 반응이 활성화되는데 이러한 촉매가 활성화되기 이전의 시동초기 등과 같은 냉 시동의 경우에는 바이패스 배기관(20)의 전자밸브(22)를 닫아 모든 배출가스가 배기관(2)을 통해 보조촉매 변환장치(3)를 거쳐 주 촉매 변환장치(4)로 흐를 수 있도록하여 배기가스의 폐열에 의해 보조촉매 변환장치(3)의 촉매 활성화 도달 시간을 단축시킴으로써 보조촉매 변환장치(3)의 촉매를 빠르게 활성화시켜 미연 탄화수소(HC) 및 일산화탄소(CO)를 최대한 정화한다.

한편, 질소산화물(NO_X)의 환원작용은 주 촉매 변환장치(4)에서 이루어지며, 하기의 주된 반응식으로 표현할 수 있다.

상기 식에서 알 수 있는 바와 같이, 질소산화물(NO_X)의 환원반응에는 일산화탄소(CO)와 미연 탄화수소(HC) 및 이들의 산화과정에서 생성된 수소(H₂)가 반응물이며, 생성물은 질소가스(N₂), 이산화탄소(CO₂) 및 수분(H₂O)이다.

즉, 질소산화물(NO_X)이 질소기체(N₂) 및 산소기체(O₂) 등으로 환원되기 위해서는 환원제로서 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)가 필요한 반면에, 보조촉매 변환장치(3)의 촉매가 활성화되면 보조촉매 변환장치(3)를 통과하는 배출가스의 일산화탄소(CO) 및 탄화수소(HC)는 95 % 이상 정화되므로 주 촉매 변환장치(4)에서 질소산화물(N0_X)과 반응할 양이 부족하게 됨을 알 수 있다.

따라서, 일정시간 경과 후, 주 촉매 변환장치(4)가 활성화되면 릴레이(24)에 의해 전자밸브(22)가 열려 보조촉매 변환장치(3)를 거치지 않은 상태의 유해가스의 일부를 바이패스 배기관(20)을 통해 바이패스시켜 주 촉매 변환장치(4)로 흐르게 하면, 주 촉매 변환장치(4)에서 질소산화물을 정화하는데 필요한 탄화수소(HC) 및 일산화탄소(CO)가 존재한 배기가스가 공급되므로 질소산화물(NO_X)의 환원반응은 원활하게 진행된다.

이와같은 본 발명은 종래의 바이패스 보조 촉매 변환장치와 대비해 볼 때 바이패스 배기관(20)의 직경이 훨씬 작아 부피를 차지하지 않으며, 전자밸브(22) 및 릴레이(24) 부품수를 각각 반으로 줄일 수 있어 차량의 실내공간을 확보하면서도 엔진룸이나 언더바디에 장착할 수 있어 양산적용에 유리함을 알 수 있다.

한편, 전술한 본 고안은 보조 촉매 변환장치에 적용된 것을 예시하여 설명하였지만 이에 한정되는 것은 아니며, 유해가스의 정화를 위하여 담체를 갖는 각종 장치 등에도 용이하게 적용할 수 있는 것은 당업자라면 충분히 주지(周知)할 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 바이패스 보조 촉매 변환장치가 구비된 배기 후처리 장치에 따르면 배기관보다 직경이 작은 바이패스 배기관에 의해 유해가스의 일부를 바이패스시켜 주 촉매 변환장치에 유입될 수 있도록 함으로써 장치의 부피를 줄여 양산적용에 유리하며, 질소산화물의 정화에 우수한 효과를 가져올 수 있다.

Claims (6)

1. 배기 다기관, 배기관, 주 촉매 변환장치 및 보조촉매 변환장치를 포함하는 배기 후처리 장치에 있어서, 배기 다기관에서 배출되는 가스의 일부를 주 촉매 변환장치로 바이패스할 수 있도록 보조촉매 변환장치의 입구측 및 출구측 배기관에 연결되며, 그 직경이 배기관의 직경보다 작은 바이패스 배기관과 상기 바이패스 배기관으로 흐르는 가스를 개폐할 수 있도록 상기 바이패스 배기관의 일단에 설치되는 바이패스 밸브와 상기 바이패스 밸브를 제어하고 전기를 공급하기 위해 상기 배이패스 밸브에 전기적으로 연결된 전기장치 를 포함하여 마련된 바이패스 보조촉매 변환장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 보조촉매 변환장치는 탄화수소와 일산화탄소의 정화에 유리한 산화 촉매를 위주로 하는 것을 특징으로 하는 바이패스 보조촉매 변환장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 주 촉매 변환장치는 질소산화물의 정화에 유리한 환원 촉매를 위주로 하는 것을 특징으로 하는 바이패스 보조촉매 변환장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 바이패스 밸브가 전자밸브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이패스 보조촉매 변환장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 전기장치가 릴레이로 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이패스 보조촉매 변환장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 바이패스 배기관(20)의 직경을 통상의 배기관(2)의 직경의 10∼50%임을 특징으로 하는 바이패스 보조촉매 변환장치.