KR100309839B1 - 차량용 배기가스의 후처리 장치 - Google Patents

차량용 배기가스의 후처리 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량용 배기가스의 후처리 장치에 관한 것으로, 저렴하게 제작하여 사용할 수 있으면서 단계적으로 배기정화 효율을 높여 가솔린 극초저공해(SULEV) 배기 규제치를 만족시킬 수 있는 미연소가스의 저감을 위한 제어 및 차량용 배기가스의 후처리 장치를 제공하는데 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 연료의 무화특성을 향상시켜 주는 인젝터와, 실린더 헤드와 실린더 블럭으로 유입되는 순환냉각수를 조기에 차단시켜 연료의 기화 및 성능을 향상시키기 위한 냉각수 차단용 제어밸브와, 배기가스의 유동성을 향상시키고 열용량 손실을 줄인 배기 매니홀드와, 촉매의 하이 로딩으로 저온에서 활성화를 극대화시켜 주는 CCC촉매와, HC를 제거하기 위한 HC-흡착기와 TWC촉매 성분이 조합된 HC-흡착기 촉매장치와, 고온에서 탈착된 HC를 제거하기 위한 EHC 및 라이트-온 촉매와, 시동 초기에 배출되는 배기의 촉매 흡착율을 높이고 엔진의 내부 배압 효과를 위한 배압제어용 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

차량용 배기가스의 후처리 장치{After-treatment apparauts of exhaust gas for automobile}
본 발명은 차량용 배기가스의 후처리 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무화특성을 향상시킬 수 있는 인젝터로 연료를 분사하여 냉각 차단으로 기화와 연소성을 향상시키고, 연소로 생성된 배기가스를 유동성이 향상되고 열손실을 줄인 배기 매니홀드를 통과시키면서 CCC촉매와 하이브리드 촉매 장치를 거치게 함으로써, 촉매정화 효율을 극대화할 수 있는 차량용 배기가스의 후처리 장치에 관한 것이다.
과학기술과 산업이 고도로 발달하면서 인간의 건강과 생활환경을 침해하는 요소중의 하나인 공해는 그 종류와 원인이 많고 복잡하다.
그 중에서도 3대 공해라고 할 수 있는 대기오염, 수질오염, 소음은 사회문제로 대두되고 있으며, 이들의 발생원인중 하나인 자동차의 배출가스에 의한 대기오염은 기침, 두통, 현기증 등 건강장애를 일으키기도 한다.
이러한 배출가스는 주로 자동차의 배기파이프를 통해 나오는 배기가스와 엔진의 크랭크 케이스에서 나오는 블로우바이 가스, 그리고 연료탱크나 기화기 등에서 증발되는 연료의 증발가스 등이 있다.
특히, 배기가스는 실린더 내에서 연료와 공기를 혼합하여 연소한 다음 엔진 외부로 배출되는 가스로, 그 성분에는 대부분 인체에 무해한 수증기와 질소, 그리고 탄산가스가 함유되어 있으나, 인체에 유해한 일산화탄소와 탄화수소, 질소산화물, 그 외에 납산화물과 탄소입자 등이 함유되어 있다.
이와 같이 함유된 유해물질을 인체에 무해한 성분으로 정화시켜 배출하기 위해 오래전부터 배기가스 처리장치에 대한 연구가 진행되어 왔다.
첨부도면 1에는 일본의 HONDA의 극초저공해(SULEV)의 배기가스 후처리장치를 나타내는 도면으로, 저열전도율성 프레스 스틸로 배기 매니홀드(30)를 제작하고, 여기에 Pd계 촉매(32)를 연결한 다음, 하이브리드 촉매(61)와 EHC(60:Electrically Heated Catalyst)를 연속으로 설치하여 배기가스를 정화시켜 주도록 구성되어 있다.
첨부도면 2에 도시한 배기가스 후처리 장치는 NISSAN의 극초저공해의 배기가스 후처리장치로, 배기가스가 EHC(60)를 통과한 다음 언더 플로어 TWC(62)를 통과하여 머플러(90)를 거치면서 정화되어 대기로 배출되도록 구성되어 있으며, 언더 플로어 TWC(62)의 후부에는 엔진 초기 시동시 HC를 정화시켜 주기 위한 HC-흡착기(50)가 바이패스(51)로 연결되어 있다.
그러나, H0NDA의 후처리 장치는 1200셀(cell)의 고밀도 촉매를 사용하고 있음에도 그 정도의 정화효율이 나오지 않아 비실용적인 면이 있으며, NISSAN의 경우 후처리 장치에는 대용량의 언드 플로어 TWC와 HC-흡착기를 제어하기 위해 별도로 2개의 밸브를 설치해야 하는데, 오작동 등으로 배기 소기 불량이 발생하는 문제점이 있었다.
도 1은 종래의 배기가스 처리장치를 나타내는 개략도,
도 2는 종래의 다른 배기가스 처리장치를 나타내는 개략도,
도 3은 본 발명에 따른 배기가스의 후처리 장치를 나타내는 개략도,
[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]
10 : 인젝터 20 : 냉각수 차단용 제어밸브
30 : 배기메니홀드 31 : 산소센서
32 : Pd계 촉매 40 : CC촉매(Close-Coupled Catalyst)
50 : HC흡착기 촉매장치 51 : 바이패스
60 : EHC(Electrically Heated Catalyst)
61 : 하이브리드 촉매 62 : 언더 플로어 TWC
70 : 라이트 오프 촉매(Light-Off Catalyst)
80 : 배압제어용 밸브 90 : 머플러
100 : 실린더 헤드 110 : 실린더 블럭
본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출한 것으로, 일차적으로 엔진 로 가스(engine raw gas)를 저감시키기 위해 연료의 무화특성을 향상시켜 주는 인젝터(10)와, 실린더 헤드(100)와 실린더 블럭(110)으로 유입되는 냉각수를 차단시켜 연료의 기화 및 성능을 향상시키기 위한 냉각수 차단밸브(20)와, 배기가스의 유동성을 향상시켜 주는 배기 매니홀드(30)와, 촉매의 하이 로딩으로 저온에서 활성화를 극대화시켜 주는 CC촉매(40:Close-Coupled Catalyst)와, HC를 제거하기 위한 HC-흡착기와 TWC촉매 성분이 조합된 HC-흡착기 촉매장치(50)와, 고온에서 탈착된 HC를 제거하기 위한 EHC(60:Electrically Heated Catalyst) 및 라이트-오프 촉매(70)를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이를 첨부도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
첨부도면 3은 본 발명에 따른 배기가스의 후처리 장치를 나타내는 개략도로, 도면부호 100은 실린더 헤드를, 110은 실린더 블럭을 각각 나타낸다.
본 발명은 무화 특성이 좋은 인젝터(10)를 사용하여 연료의 무화 정도를 향상시키면서 실린더 헤드(100)와 실린더 블럭(110)의 워터 자켓에 공급되는 냉각수를 차단하여 실린더 내에서의 무화된 연료의 연소효율을 향상시키고, 연소로 생성된 배기가스는 배기 매니홀드(30)를 지나면서 촉매의 한쪽으로 치우치지 않고 정화될 수 있도록 각 실린더와 연결되는 러너의 타단부를 반구 형상으로 성형하여 유동성을 향상시킬 수 있게 된 배기 매니홀드(30)의 상부에 연결하여 이루어져 있다.
또한, 상기 실린더 헤드(100)와 실린더 블럭(110) 의 내부에 형성된 냉각수자켓에 공급되어 순환되는 냉각수를 차단하기 위하여 냉각수 차단밸브(20)를 사용하고 있는데, 이 냉각수 차단밸브(20)는 서모스텟 하우징과 워터 펌프의 중간에 설치하여서 냉각수 온도센서의 출력을 받아 냉시동 및 엔진의 워밍 업 전에 엔진 헤드와 블럭간의 냉각수 순환을 차단하여, 엔진 헤드 및 연소실 주위의 냉각수 자켓 온도를 급상승 시켜서 연소실 내의 퀀칭 면적(quenching area)의 미연혼합기가 응축되는 것을 방지하게 된다.
또한, 상기 개선된 배기 매니홀드(30)의 하단부와 CC촉매(40)의 후단부에는 배기가스에 있는 불연소된 산소량을 측정하기 위한 산세선서(31)가 구비되어 있으며, 이러한 산소센서(31)로는 패스트 라이트 오프(fast light-off) 센서를 사용하고 있다.
이와 같이 상기 배기 매니홀드(30)를 통과한 배기가스는 HC를 제거시켜 주기 위해 CC촉매(40)를 통과하게 되는데, 이 CC촉매(40)로는 D50, D100인 Pd계 촉매를 사용하고 있다.
특히, 상기 Pd계 CC촉매(40)는 하이 로딩(high loading)으로 저온에서도 활성화가 잘 이루어지며, 저온에서 활성화가 이루어지지 않아 배출되는 HC는 언더 플로어 위치에 구비된 HC-흡착기 촉매장치(50)에서 제거하게 된다.
상기 HC-흡착기 촉매장치(50)는 HC의 제거를 효율적으로 흡착할 수 있는 HC-흡착기와, HC와 NOx의 정화효율을 높여 주기 위해 TWC촉매를 조합하여 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 HC-흡착기 촉매장치(50)의 뒷쪽으로는 배기가스의 온도가 높아지면 흡착기로부터 HC가 탈착되어 배출되게 되는데, 이 HC와 NOx를 효과적으로 제거하기 위한 EHC(60)와 패스트 라이트 오프 촉매(70)가 장착되어 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에서, 상기 HC-흡착기는 장시간 사용으로 온도가 상승하게 되면 그만큼 HC가 쉽게 탈착되기 때문에 이를 방지하기 위하여 상대적으로 온도가 낮은 위치에 설치하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 EHC(60)의 뒷쪽으로는 엔진의 초기 시동이나 혹한기에 시동시 배기가스에 대한 촉매의 흡착율을 높이기 위하여 배압 제어용 밸브(80)가 설치되어 있다.
이 배압 제어용 밸브(80)는 냉시동 및 냉각 초기에 CCC와 UCC 그리고 EHC 전단의 촉매 담체 내의 배기가스의 흡착율을 높여 촉매 정화효율을 향상시켜 주게 되고, 또한 냉시동 초기에 엔진 밸브의 오버 랩 구간 등 배기 행성지 엔진 내부 EGR 작용으로 연소 온도 제어에 따른 NOx 저감 효과를 얻게 된다.
이와 같이 이루어진 본 발명에서 사용한 촉매의 재원과 그 시험결과는 다음 표 1과 표 2에서 보여주고 있다.
여기서, 본 발명에서는 RV LEV를 기지로 하여 시험하였으며 이때의 NMHC는 0.0041g/mill로, 이 값은 가솔린에서의 SULV의 NMOG 규제값 0.010NMOG의 41에 해당하는 값으로 배출량에서 기준 규제값을 만족하고 있으며, 이에 대한 TWC의 배출특성은 표 3과 같이 나타난다.
여기서, A는 LEV만을 사용한 경우이고, B는 LEV에 배기 매니홀드 그리고 HC-흡착기를 장착하여 시험한 결과이며, C는 배기가스의 유동 흐름을 개선한 배기 매니홀드와 ULEV 시스템, 그리고 HC-흡착기와 함께 EHC를 부가하여 시험한 결과를 보여주고 있다.
한편, P1(FTP-75)에서 LEV와 개선된 본 발명의 배기 매니홀드의 배기시간과 CC촉매의 표면온도를 측정해 보면 표 4와 표 5와 같이 나타나게 된다.
표 5에서 나타낸 시간은 배기가스 및 CCC-베드의 온도가 촉매 활성화 온도(L.O.T.)에 도달할 때까지 시간을 나타내고 있는데, 개선된 본 발명의 SUS 사양인 경우 LEV보다 약 50∼100℃ 정도의 배기가스 및 CCC촉매의 중심 위치에서의 온도 상승을 보여주고 있고, L.O.T.의 까지 FCD-H는 5초 가량 단축되고 SUS의 경우 6초가 단축되었으며, CC촉매의 양측면에서의 L.O.T.는 FCD-H가 2초 그리고 SUS가 7초 정도 단축되었다.
이와 같이 활성화 온도까지의 도달시간을 단출시킬 수 있는 요인은:
첫째, 배기 매니홀드의 접합부 및 담체 전면으로 향하는 배기가스의 유동흐름의 개선;
둘째, 각 배기 매니홀드의 러너 길이를 5∼15축소;
셋째, 배기 매니홀드의 재질변경에 따른 중량 감소로 서멀 인너티어 감소;
등 3가지로 요약할 수 있다.
표 6은 P1(FTP-75)에서의 HC-흡착기의 체적 변화에 따른 차량의 배기량 변화를 보여주고 있다.
표 6에서 보는 바와 같이 HC-흡착기는 체적이 증가함에 따라 THC와 CO량이 감소하고 있음을 보여 주고 있는데, 이는 트래핑(trapping) 효율의 향상에 따른 것으로, 이때의 NOx의 증가는 TWC의 체적 감소에 의한 것으로 보인다.
여기서, HC-흡착기는 제오라이트(zeolite) 구조로 구성하여 사용하고 있는데, 냉각시인 약 200℃ 이하인 온도에서는 HC 성분을 흡착하였다가 온도가 상승하게 되면 HC를 서서히 배출하게 되는 HC-트랩 현상이 일어나게 되는데, 이 HC-XMFOQ에서의 HC제거를 극대화시켜 주기 위해 삼원촉매 성분과 조합된 HC-흡착기 촉매를 사용하고 있다.
표 7은 본 발명에 따른 HCS(Hybrid Catalyst System)의 작동원리를 나타내는 것으로, 시험에 사용된 HC-흡착기에 TWC 기능을 추가한 촉매장치이다.
이를 좀더 상세하게 설명하면 시동 초기에 촉매가 활성화 온도에 도달하기 전에 배출되는 HC는 흡착기에 의하여 흡착된 후에 촉매가 활성화 온도(L.O.T.)에 도달하게 되면, 흡착기에 흡착된 HC가 탈착되어 배출되게 되는데, 이 HC는 흡착기의 후단에 설치된 EHC와 같은 후처리 방법에 의해 제거되게 되는 것이다.
본 발명에 사용된 산소센서(31)의 사양별 차량의 배기량을 비교해 보면 다음의 표 8과 같은 결과를 얻게 되며, 표 9는 프론트 산소센서의 '히트 온'일 때의 출력신호를 나타내는 것이다.
전반적으로 오프 루프 타임이 7초인 LSF 4.7를 적용했을 때 오픈 루프 타임이 27초인 LSH 25와 비교하여 약 1의 THC와, 18의 CO, 그리고 9의 NOx량이 감소되었음을 보여 주고 있다.
이상에서 본 바와 같이 본 발명은 저렴하게 제작하여 사용할 수 있으면서 단계적으로 배기정화 효율을 높여 가솔린 극초저공해(SULEV) 배기 규정을 만족시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 연료의 무화특성을 향상시켜 주는 인젝터(10)와, 실린더 헤드(100)와 실린더 블럭(110)으로 유입되는 냉각수를 차단시켜 연료의 기화 및 성능을 향상시키기 위한 냉각수 차단밸브(20)와, 배기가스의 유동성을 향상시킨 배기 매니홀드(30)와, 촉매의 하이 로딩으로 저온에서 활성화를 극대화시켜 주는 CC촉매(40)와, CC촉매가 저온에서 제거하지 못한 HC를 제거하기 위한 HC-흡착기와 TWC촉매 성분이 조합된 HC-흡착기 촉매장치(50)와, 고온에서 탈착된 HC를 제거하기 위한 EHC(60) 및 라이트 오프 촉매(70)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배기가스의 후처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 배기 매니홀드는 배기가스가 CC촉매의 전면에 대하여 골고루 접촉가능하도록 입구부가 반구형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 차량용 배기가스의 후처리장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 CC촉매는 400셀(cell)인 것을 특징으로 하는 차량용 배기가스의 후처리장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 EHC의 후부에는 시동 초기에 배출되는 배기의 촉매 흡착율을 높이기 위한 배압제어용 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배기가스의 후처리장치.
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