KR20010011562A - 자동차 배기가스 정화장치 - Google Patents

자동차 배기가스 정화장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차 배기가스 정화장치에 관한 것으로서, 배기가스를 정화하여 독성 배기가스를 줄이기 위해 전자 및 기계장치의 집합체가 일체로 동작하는 촉매 변환장치, 상기 촉매 변환장치 앞에 부착되어 촉매가 일정 시간 이하에 동작을 개시하도록 상기 배기가스를 예열하는 급속 가열 시스템을 포함하여 구성함으로써, 화학반응 중에 반응의 일부가 되지 않으면서 공정 또는 화학반응을 돕거나 가속하는 물질인 촉매제를 사용한 변환장치를 이용해 자동차 첫 시동시 낮은 온도에서도 배기가스의 효과적인 촉매 성능을 확보할 수 있어 배기가스를 완전 정화할 수 있는 효과를 갖는다.

Description

자동차 배기가스 정화장치{Quick Heating Catalytic Converter}
본 발명은 내연 기관으로부터의 배출가스를 감소하기 위한 촉매작용의 분야에 관한 것으로서, 특히, 엔진 시동 직후에 발생되는 배출가스를 촉매가 최적으로 기능하기에 충분한 온도로 수초 내에 가열할 수 있게 하는 자동차 배기가스 정화장치에 관한 것이다.
승용차, 트럭 등과 같은 자동차가 출력을 발생하기 위해 석유화학 제품을 연소하는 한 배기가스는 발생되고, 이는 일반적으로 내연 기관의 연소 결과로서 오염물질을 포함하게 된다. 그러나 최근의 배기가스 제어장치의 발전에 힘입어, 이 배기가스에 있는 유해한 연소 부산물의 대부분은 자동차의 배기관을 벗어나기 이전에 무해한 물질, 주로 CO2및 수증기로 변환될 수 있다.
배기 가스를 제어하는 장치는 배기가스를 정화하여 독성 배기가스를 줄이기 위해 일체로 동작하는 기계부품과 전자부품의 복잡한 집합체에 해당하는데, 아마, 이러한 시스템 중에서 가장 친숙한 장치로는 화학반응 중에 반응의 일부가 변경되지 않으면서 화학반응의 공정을 돕거나 가속하는 물질인 촉매를 사용한 촉매 변환장치가 있다.
내연 기관에 의해 발생하는 허용할 수 없는 배출물 또는 오염물질의 대부분은 냉각 시동(cold start operation)하는 동안에 생성된다. 이러한 오명물질들은 냉각시동 후 5분 안에 방출된다.
한편, 미국의 자동차 배기가스 규제 규정이 점점 까다로워짐에 따라 자동차 회사들은 여러 가지 연료를 생각하고 연구를 계속해 왔다.
그 결과로서, 전기 자동차가 개발되었고, 수소, 천연가스, 에탄올, 개질가스(reformulated gas), 메탄올 등을 연료로 사용하거나 또는 고려하고 있다. 그러나, 하나 같이 문제점들을 가지고 있다. 예를 들어, 상기 전기 자동차는 자동차 자체로서는 완전 무공해 차이지만 현재 운행되고 있는 차 전체가 충전을 한다면 발전소가 현재의 배로 늘어야 하므로, 결과는 공해가 현재의 배로 증가한다는 결과가 발생된다. 또 다른 문제점은 충전시간을 줄일 수가 없다는 것인데, 이는 1시간 내지 2시간 동안 운전을 하다가 충전을 하는데 기다리는 시간이 매우 곤혹스럽다는 것이다. GM 등의 유수의 자동차 회사는 이러한 결점들을 해결하고자 막대한 개발비를 투자하였지만, 지금까지 개발된 자동차는 상기 문제점들을 완전하게 극복하지 못하였다.
상기와 같은 문제점들을 생각할 때, 경제성을 보면 현재 우리가 백년 이상 사용해온 휘발유 사용 자동차는 많이 발전해 있고, 우리가 누구나 다 손에 익어 있으므로, 공해만 수정할 수 있다면 더 이상 경제적이고 편리한 자동차가 없을 것으로 생각한다.
하지만 휘발유 사용 자동차의 공해문제를 보면 자동차의 처음 시동시가 현재로서는 제일 문제인데 엔진을 시동해서 약 5분간은 배기가스 제어가 이루어지지 않는다. 반면에, 자동차 주행시는 엔진 내부의 온도가 약 1,000℃정도로 되어 연소후의 배기가스가 배출되는 머플러 끝의 배기관(tail pipe)의 온도는 약 650∼800℃가 된다.
일산화탄소(CO)가 공기 중에서 이산화탄소(CO2)로 변환되려면 약 1,000℃ 이상이 되어야 하므로 촉매재를 써서 온도를 낮추자는 결과가 결국 오늘날 자동차의 촉매 변환장치의 기술이다. 실제로는, 구리 기반의 촉매(때때로 크롬을 함유한다)를 사용하면 190℃ 정도의 낮은 온도에서 중화된다.
현재 자동차 업계에서는 배기가스 제어 기술로 2원(2-way) 촉매 변환장치를 사용해 오다가 현재는, 질화물 (NOx)을 중화하기 위해서 3원 촉매 변환장치를 사용한다.
3원 촉매 변환장치를 장착한 자동차는 거의 무공해 차라고 말할 수 있으나, 2002년부터는 완전 무공해 자동차를 운행해야 한다는 공해방지법이 규정됨에 따라 해당 업계는 여러 가지 방안을 암중 모색하고 있는 실정이다.
오늘날, 자동차의 배기가스 제어는 GM사 코닝(Corning)이 개발한 촉매 변환장치로 정화하고 있는데, 상기 코닝에 따르면 촉매 변환장치는 자동차 배기가스 중의 오염물질을 96％ 이상 제거할 수 있다고 한다.
그러나, 공해물질을 완전히 제거하지 못하고 있는 이유는 자동차의 엔진을 시동한 즉시 배기가스 온도가 52℃(126℉) 이하이므로 촉매 변환장치가 화학작용을 하지 못한다는 문제점을 가지고 있다.
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 엔진의 시동과 동시에 전자장치로 온도를 일정 온도로 올려 촉매 변환장치가 즉시 촉매작용을 수행하여 배기가스를 완전하게 정화할 수 있도록 하는 자동차 배기가스 정화장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 내연 기관의 작동에 의해 발생된 배기가스가 촉매 존재 하에 산화되거나 무해한 배출물로 환원되는 촉매 변환장치; 및 상기 촉매 변환장치 앞에 부착되고 상기 배기가스를 예열하는 시스템으로서, (1) 직류를 교류로 전환시키는 전력 변환기용 회로와, (2) 상기 촉매 변환 시스템의 온도를 조절하는 온도 조절 회로와, (3) 수초 내에 촉매 변환기의 온도를 급속히 상승시켜 촉매가 신속하게 상기 배기 가스를 정화하는 기능을 갖게 하는 급속 마이크로파 가열 회로를 포함하는 전자 가열 촉매 변환 시스템을 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 배기가스 정화장치를 나타내기 위한 자동차의 저면 구조도,
도 2는 본 발명에 따른 배기가스 정화장치를 구비한 자동차 매니폴드의 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 전자 가열 촉매 변환장치와 관련된 공기 정화기로 바이패스된 공기를 나타내는 블록 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 자동차 배기가스 제어의 전자장치를 나타낸 블록 구성도,
도 5는 본 발명에 따라 자동차 배터리에 얼마나 많은 양의 전하가 남아 있는지를 나타내는 표시기의 개략적 구성도,
도 6은 본 발명의 전자 가열 촉매 변환장치 조립체의 사시도,
도 7은 본 발명에 따른 전자 가열 촉매 변환장치 조립체 상에 안전 덮개를 씌운 사시도,
도 8은 본 발명에 따른 기존의 자동차 촉매 변환장치 앞에 전자 가열 촉매 변환장치 조립체를 부착한 사시도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
101 : 고효율 산화 촉매(3원 촉매 변환장치)
102 : 전자 가열 촉매 변환장치 103 : 급속 가열 촉매 변환장치
104 : 산소 센서 105 : 엔진 PRM 센서
106 : 냉각수 센서 107 : 주 촉매 변환장치
108 : 전자가열 촉매 변환장치 110 : 산소(O2) 센서
111 : ECM 112 : 폐쇄 루프 연료 제어부
113 : 공기 전환 밸브 114 : 공기 제어 밸브
115 : 공기 펌프
116 : 공기 정화기로 바이패스된 공기
117 : 전력 변환기용 전자회로 118 : 온도 제어용 전자회로
119 : 급속 열 마이크로파 개략도 120 : 자동차 배터리
121 : 고효율 산화 촉매 122 : 배기 파이프
123 : 마그네트론 124 : 배기 가스
125 : 오염물질이 제거된 배기가스
129 : 배터리 게이지(회로) 130 : 안전 커버
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 배기가스 정화장치를 나타내기 위한 자동차의 저면 구조도이다. 이 장치는 반응의 일부가 변경되지 않으면서 화학반응의 공정을 돕거나 가속하는 물질인 촉매를 사용하여 배기가스를 정화하여 독성 배기가스를 줄이기 위한 촉매 변환장치(101)와, 산소와 연료가 혼합되어 연소된 배기가스에 열을 공급하는 배터리 및 전자회로에 의해 발생된 열에 의하여 촉매제를 가열시키는 상기 촉매 변환장치 앞단에 부착된 전자 가열 시스템(102)으로 구성되어 있다.
도 2는 본 발명에 따른 배기가스 정화장치를 구비한 자동차 매니폴드의 사시도로서, 급속 가열 촉매 변환장치(103)는 한 개로 새로 생산되는 자동차에 부착될 수 수 있다. 반면에, 시중에 나와 있는 자동차에는 상기 도 1에서와 같이 촉매 변환장치(101)와 전자 가열 시스템(102)을 두 개로 별도로 부착하고 있다.
상기 급속 가열 촉매 변환 장치는, 엔진이 워밍업되기 전에 효과적인 촉매활동에 적합한 산화 분위기를 제공하기 위해 배기가스의 산소 함량을 검출하는 산소 센서로부터 제공되는 신호, 상기 산소 센서의 전기적 신호의 영향 아래에서 도입되는 공기 그리고 전류의 흐름을 검출하는 엔진 PRM 센서로부터 제공되는 신호, 및 엔진 시동 전에 냉각수의 함량을 검출하는 냉각수 센서로부터의 제공되는 신호의 제어에 따라서 기능한다.
도 3은 본 발명에 따른 전자 가열 촉매 변환장치와 관련된 공기 정화기로 바이패스된 공기를 나타내는 블록 구성도로서, 공기 분사 시스템은 엔진으로부터 배기가스 장치를 통해 방출되는 탄화수소 및 일산화탄소의 양을 줄이기 위해 사용된다.
뜨거운 배기가스에 첨가된 공기는 배기가스 시스템을 벗어나기 전에 가스의 산화를 증진시키며, 더구나 본 시스템은 촉매 변환장치 내부에 공기를 주입하도록 설계된다.
냉각 동작 중에 펌프(115)로부터의 공기 유동은 배기구(122)를 향해 진행하여, 배기가스 내부의 탄화수소 및 일산화탄소를 줄일 뿐만 아니라 배기가스(124)의 전체 양을 줄이는 것을 돕는다. 엔진이 가열된 후, 더욱 효율적인 촉매 동작을 위한 산화 분위기를 제공하기 위해 촉매 변환장치(101)로 공기가 주입될 수 있다.
본 발명에서는 엔진이 가열되기 전에 더욱 효율적인 촉매 동작을 위한 산화 분위기를 제공하기 위해 촉매 변환장치(101)로 공기가 주입될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 자동차 배기가스 제어의 전자장치를 나타낸 회로도이다. 도면에서 나타난 바와 같이, 상기 회로는 직류를 교류로 변환하는 인버터 장치인 전력 변환기용 회로(117), 상기 회로에 연결되어 전자 가열 촉매 변환장치 내부의 촉매 변환장치 온도를 제어하는 온도 제어용 회로(118) 및 촉매 변환장치가 즉시 촉매 작용하여 배기가스를 완전하게 정화할 수 있도록 상기 온도 제어용 회로의 온도를 순간적으로 올리는 급속 마이크로 가열 회로(119)로 이루어진다.
그 신호 처리 과정을 보면, 상기 전력 변환기용 전자회로(117)에 대응하는 인버터를 통해서 담배 라이터 소켓 어댑터나 배터리로부터 나온 DC는 AC로 전환되어, 온도 조절 회로(118)로 흐르게 된다. 이 회로(118)는 촉매 변환 장치의 온도가 52℃ 이하일 때, 온(ON) 상태에서 그 온도가 190℃ 또는 필요시 소정의 온도가 되면 자동으로 오프(OFF) 상태로 변환되며, 그 반대로도 가능한 자동조절회로이다.
상기 온도 제어용 전자회로(118)의 목적은 전자 가열 촉매 변환장치 내부의 촉매 변환장치 온도를 제어하기 위한 것으로, 어떠한 통상적인 형태라도 사용 가능한 OP 앰프가 비교기로서 사용되며, 제 2 서미스터(TH2))와 제 4 저항(R4)의 값은 저온이 56℃일 때 서미스터와 저항기의 저항이 동일하도록 선택되어야 한다. 또한 제 3 저항(R3) 및 제 1 서미스터(TH1)는 상기 OP 앰프의 비반전 입력에 전압을 공급하는 분압기를 형성한다. 이때 상기 저항기 및 제 1 서미스터(TH1)는 촉매의 내부에 놓이며, 제 1 서미스터 및 제 3 저항의 값은 촉매의 온도가 195℃일 때 그들의 저항값이 동일하도록 선택되어야 한다.
상기 OP 앰프의 출력은 트랜지스터 스위치로서 구성된 제 1 트랜지스터(TR1)를 제어하며, 상기 OP 앰프의 논리 출력이 하이 상태일 때 제 1 트랜지스터(TR1)가 온 상태로 되어 제 1 릴레이(RY1)에 에너지를 공급한다.
상기 릴레이의 접점은 릴레이에 에너지가 공급되지 않아 오프 상태가 될 때 촉매의 가열 공급장치가 온 상태가 되도록 배선되어야 한다. 릴레이에 에너지가 공급되면, 상기 트랜지스터가 도전될 때, 즉 상기 제 1 트랜지스터(TR1)가 온 상태가 될 때, 제 1 표시기(LED1)는 점등되어 촉매의 가열 공급장치가 오프 상태가 되었다는 것 즉, 릴레이에 에너지가 공급되었다는 것을 알린다.
그 동작을 보면, 저온측의 온도가 증가함에 따라 제 2 서미스터(TH2)의 저항이 증가하며, 제 2 서미스터의 저항이 더 크면 클수록 상기 OP 앰프의 반전 입력에 인가되는 전압이 더 높아진다. 그러나, 고온측의 온도가 증가함에 따라 상기 제 1 서미스터(TH1)의 저항이 커짐으로 인해 OP 앰프의 비반전 입력에 인가된 전압이 감소한다.
이러한 회로가 동작하는 원리를 알 수 있는 가장 좋은 예는, 고온측의 온도가 160℃이고 저온측의 온도가 25℃일 때, OP 앰프의 비반전 입력과 반전 입력의 전압이 동일한 경우이다.
그리고, 고온측이 가열됨에 따라 비반전 입력의 전압이 반전 입력의 전압보다 커진다. 물론 이것은 OP 앰프의 논리 출력을 하이 상태로 하여 릴레이에 에너지를 공급하게 된다. 상기 릴레이에 에너지가 공급되면, 고온측의 가열 공급장치가 오프 상태로 되며, 고온측이 냉각되어 온도가 160℃ 아래로 떨어짐에 따라 OP 앰프의 논리 출력은 로우 상태가 되어 릴레이에 에너지를 공급하지 않음에 따라 고온측의 가열 공급장치를 온 상태로 만든다.
고온측의 온/오프 점은 상기 OP 앰프의 반전 입력의 전압에 의해 결정되며, 한편으로 OP 앰프의 반전 입력의 전압은 외부 온도에 의해 결정된다.
상기 급속 마이크로 가열 회로(119)에 해당하는 전자 가열 장치는 마이크로파를 이용하여 수초 내에 촉매의 온도를 올리도록 설계되어 있다. 상기 회로도에서 보여지듯이, 스위치와 다른 부품에 에너지가 공급된 후에 마그네트론 튜브(Mg)에 전력이 인가된다.
상기 마그네트론 튜브(Mg)는 촉매 변환장치(T2) 내부로 파고 들어가며 수 초 내지 수분 내에 가열될 수 있는 무선 주파수(radio frequency, 이하 rf라 칭함)를 방사한다.
마이크로파는 빛, 무선파 및 열 파동과 유사하고, 광파와 동일한 특성을 많이 가지고 있으며, 직진, 발생, 전달, 반사 및 흡수될 수 있고, 마그네트론 튜브(Mg)는 이러한 마이크로파를 발생한다.
이러한 마이크로파는 촉매 변환장치(T2)로 전달되어 내부 영역에 의해 반사된 후 배기가스 내부에 흡수된다.
상기 마이크로파의 파장은 빛에 비해 비교적 짧으며, 그 주파수는 2,450x106사이클로서 5인치 이하의 파장을 갖는다. 연방 등신 위원회(Federal communication commission)에 의해 마이크로파 조작을 위해 할당된 3가지 주파수 대역이 존재하는데, 이것들은 915 ㎒, 2,450 ㎒ 및 가장 높은 주파수인 5,500 ㎒이며, 상기한 장치는 2,450 ㎒에서 동작한다.
상기 마그네트론 튜브(Mg)는 마이크로파 형태로 열 에너지를 발생하고, 수분 함량을 갖는 물질은 마이크로파 에너지를 흡수하며, 반 사이클마다 극성을 변화시키면서 앞뒤로 발진함으로써 마찰을 생성한다.
그리고 분자들 사이의 마찰은 에너지를 열로 변환하고, 상기 마그네트론 튜브(Mg)는 마이크로파 열의 심장부에 해당하며, 무선 주파수(radio frequency: RF)를 발생한다.
상기 마이크로파는 빛과 동일한 방식으로 반사될 수 있으며, 이러한 RF를 갖는 전자기파는 유리, 도자기, 종이와 대부분의 플라스틱과 같은 재료를 통과한다. 알루미늄 호일 및 스테인레스 스틸과 같은 재료는 마이크로파를 방사하는 경향이 있는 반면에, 통상적인 강철은 일부의 마이크로파 에너지를 흡수할 수 있고, 수분은 마이크로파를 흡수하여, 빛이 수분을 통과하는 동안 끓기 시작한다.
상기 회로(119)에서, 음극은 마그네트론의 중심에 놓이며, 이러한 음극은 가열되었을 때 전자를 방출하는 필라멘트에 해당한다. 상기 음극은 전원장치의 양극측에 접속된 양극에 대해 대략 4,000 볼트의 전위를 갖는 전원공급장치의 음극측에 접속된다. 그리고 상기 4,000 볼트의 전위는 고전압 변압기와 캐패시터 및 다이오드의 증배작용(doubler action)에 의해 생성된다.
주지된 바와 같이, 전자는 음 전하로서, 이러한 전자는 음극성을 갖는 음극에 의해 강하게 반발되며 양극성을 갖는 양극에 끌린다. 4,000 볼트의 전위가 마그네트론 내부에 작용하는 유일한 힘인 경우에는, 전자가 음극으로부터 양극으로 직선 운동을 할 것이다. 실제로, 상기 마그네트론은 2개의 영구자석을 사용하여 음극과 양극 사이의 공간에 축방향으로 인가된 자장을 갖는 다이오드의 형태를 갖는다. 충분한 강도를 갖는 자기장이 음극과 양극 사이에 인가되면, 전자는 이전의 방향에 대해 거의 직각의 경로로 이동하며, 양극에 대해 원형의 이동을 일으키는데, 결국 전자는 양극에 도달한다.
전자에 의한 이러한 원형 운동은 양극의 공극 내부에 교류를 유도하며, 전자가 2개의 공극 사이에 있는 복수의 세그먼트 중 하나의 세그먼트에 접근할 때 그 세그먼트 내부에 양 전하를 유도한다.
전자가 통과하여 밖으로 인출됨 따라 양 전하가 줄어드는 한편, 전자가 다음 세그먼트로 양 전하를 유도한다. 양극 공극 내부의 이와 같은 교류의 유도과정은, 공진회로와 함께 럼핑(lumping)으로서 생각될 수 있다.
상기 마그네트론의 실제 동작시에 전자가 주위를 돌아감에 따라 함께 모여들게 되고, 고전압의 힘과 강력한 자기장에 의해 영향을 받아 차 바퀴(spoke wheel) 형태의 패턴을 형성한다.
단일의 전자에 비해 훨씬 강력한 에너지를 갖는 이와 같은 전자의 군집은 양극 주위를 회전하고, 결국 공극에 도달하여 연속적인 공진회로를 발생하며, 그 후 상기한 공진회로 내부에 생성된 고주파 에너지는 안테나에 의해 추출되어 도파관을 통해 촉매 변환장치 내부로 공급된다.
본 발명의 마이크로파 가열회로는 4개의 기본적인 별개의 회로가 존재하는데, 저전압 회로는 전원선으로부터 동작하는 것으로 보이는 모든 부품으로 구성되며, 고전압(high-voltage: hv) 성분은 hv 변압기(T2)로부터 마그네트론 회로에 놓이게 된다.
상기 저전압 회로는 전원선 코드로부터 hv 변압기의 일차 권선에 이르는 모든 부품이 저전압 회로에 포함될 수 있는데, 각각의 부품은 변압기에 전원선 전압(117 내지 120 vac)을 공급하도록 동작해야 한다.
도 5 는 본 발명에 따라 자동차 배터리에 얼마나 많은 양의 전하가 남아있는지를 나타내는 표시기의 개략적 구성도로서, 자동차의 에너지 충전량이 배터리에 얼마나 남아있는가를 측정할 수 있는 전자장치 회로, 즉 배터리 게이지(129)이다.
배터리 내부의 전하가 다 사용되면, 단자 전압이 감소하는데, 이것은 니켈-카드뮴(NiCd), 납-산, 니켈-금속-수소화물과 심지어 재충전 불가능한 알칼린 또는 아연-탄소 셀을 포함하는 모든 형태의 배터리에 대해 성립한다.
각 형태의 배터리는 단자 전압에 근거하여 남아있는 충전량의 백분율을 파악하기 위해 사용될 수 있는 그 자신의 특성 곡선을 가지고 있다.
전체 배터리 전압에 비해 전압의 변화가 작기 때문에 정밀도와 높은 감도가 매우 중요한데, 완전히 방전된 배터리의 전압 판독값은 배터리가 충전될 때의 전압과 거의 같다.
이와 같은 이유로, 배터리 게이지(129)의 회로는 계량기(M1)를 구동하기 위해 제로 억제법(suppressed-zero method)을 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 계량기(M1)는 완전히 충전된 배터리에 대해 전체 스케일을 판독하는 반면에, 배터리가 완전히 방전된 경우에 제로값으로 떨어진다.
이와 같은 특성에 따라, 상기 계량기는 우측에 100％, 중앙에 50％ 및 좌측에 0％를 갖는 선형 스케일 상에서 백분율을 판독할 수 있다.
상기한 회로에 대한 두 번째 요구조건은 낮은 전력소모로, 회로가 큰 전력소모를 갖는 경우에 배터리 팩에 대해 충전량을 모니터하는 것은 별 의미가 없으며, 배터리 게이지(129)는 계량기 바늘 자체를 이동하는데 필요한 전류보다 약간 큰 전류를 인입(draw)하도록 설계된다.
전체 충전량을 측정하는 경우에 배터리 게이지를 동작시키는데 필요한 전체 소모량은 2㎃ 보다 작다.
상기 배터리 게이지의 기반이 되는 회로인 도 5를 보면, 제 1 제너 다이오드(D3)는 배터리 전압을 비교하는데 필요한 기준 전압을 발생한다.
이 다이오드는 5.1 볼트의 파괴 전압을 갖는데, 이러한 값은 대부분의 6- 또는 7-셀 NiCd 배터리 팩 뿐만 아니라, 12 볼트의 납-산 배터리에도 잘 적용된다.
이와 같은 회로는 측정하고자 하는 배터리 팩의 완전히 방전된 전압의 약 1 볼트 아래의 전압 값을 갖는 소자인 제 1 제너 다이오드(D3)를 선택함으로써, 특정한 배터리에 맞추어 변형될 수 있다.
에미터-팔로우 증폭기(emitter-follower amplifier)로서 배선된 트랜지스터(Q1)는 저항(R7)이 직접 저항(R6)의 와이퍼에 접속되었을 경우에 비해 회로의 감도를 크게 향상시킨다.
이와 같은 배치의 또 다른 이점은 저항 R7 R8 및 R10을 통해 흐르는 전류의 소모를 줄일 수 있다는 점에 있다.
저항기를 통해 흐르는 전류를 증폭시킴으로써, 저항값을 매우 높은 값으로 증가시켜, 회로의 전체 전류 인입을 낮출 수 있다.
상기 저항 R10은 배터리가 완전히 방전되었을 때 0㎃를 판독하도록 계량기를 조정하며, 상기 R11은 배터리가 완전히 충전되었을 때 1㎃를 판독하도록 계량기를 조정한다.
우연히 배터리 게이지가 배터리의 뒤쪽에 접속되었을 때, 전류가 상기 제 3 다이오드(D3) 및 계량기(M1)를 통해 흐르게 된다.
트랜지스터가 역 바이어스된 경우에는, 배터리로 되돌아가는 완전한 경로를 만들 수 있는데, 이와 같은 상태는 과도한 전류가 상기 제 3 다이오드(D3) 계량기(M1) 및 제 4 트랜지스터(Q4)를 통해 흐르도록 하여 검사과정 중에 이들 부품을 파괴할 수 있다.
배터리 게이지와 배터리에는 배터리가 반대로 되었을 경우에 전류가 흐르는 것을 방지하기 위해 제 4 다이오드(D4), 저항(R7) 및 저항(R8)이 포함된다.
도 6 은 본 발명의 전자 가열 촉매 변환장치 조립체의 사시도로서, 본 발명의 핵심 개념이다.
상기 도면을 보면, 촉매 변환장치(121)가 90％ 이상 자동차 배기가스 정화작용을 하지만, 자동차 엔진이 처음 시동시에는 배기가스의 온도가 52℃(126℉)정도이므로 변환장치(121)가 정화작용을 하지 못한다.
다시 말하면, 배기가스(124)가 촉매반응이 일어날 정도로 충분히 뜨거워지기 전에 대부분의 잔류 오염물질은 자동차가 주행하는 최초 5∼10 분 사이에 방출된다.
따라서 본 발명은 상기 변환장치(121)가 5초 이하에 동작을 개시하도록 배기가스(124)를 예열하는 전자적으로 가열된 마그네트론(123)을 도입한다.
상기 촉매는 화학반응 중에 반응의 일부가 변경되지 않으면서 공정 또는 화학반응을 돕거나 가속하는 물질로서, 현대식 자동차의 배기가스 제어 시스템에서는 소위 3원 촉매가 3가지 주요한 배기가스 오염성분인 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO) 및 질소 산화물(NOx)이 산소와 반응하도록 돕는다. 상기 촉매는 제올라이트 하이드러스(zeolite hydrous) 알미늄 지지체 상에 백금, 팔라듐 및 로듐을 촉매 유효 성분으로서 사용된다.
상기 촉매의 도움으로 상기 HC 및 CO는 이산화탄소(CO2)와 수증기로 변하는 한편, 상기 질소 산화물(NOx)은 CO2, 질소 및 수증기로 변환된다.
대부분의 촉매 변환장치는 희금속인 백금, 팔라듐 및 로듐의 혼합물을 사용하며, 상기 백금 및 팔라듐은 HC 및 CO에 작용하는 한편, 로듐은 NOx에 영향을 미친다.
이러한 희금속 혼합물은 모노리스(monolith)라 불리는 매우 미세한 금속 메쉬 또는 세라믹 하니컴에 코팅된다.
이러한 모노리스는 평평한 머플러와 유사한 형태를 갖는 스테인레스 스틸제의 하우징으로 케이스가 덮혀 있고, 자동차의 배기관 내부에 견고하게 용접된다.
그것의 위치는 자동차의 통상적인 머플러의 상류측에 놓이고 자동차 아래에 배치되며, 배기가스 촉매로 들어가기 전에 너무 냉각되는 것을 방지하기 위해 배기 매니폴트로부터 멀리 배치하지 않는다.
배기가스가 배기관으로 가는 도중에 변환장치를 통해 흐르면, 메쉬를 통과하여 촉매 위로 지나간다.
상기한 바와 같이, 대부분의 촉매 변환장치는 희금속인 백금, 팔라듐 및 로듐의 혼합물을 사용한다.
도 7은 본 발명에 따른 전자 가열 촉매 변환장치 조립체 상에 안전 덮개를 씌운 사시도이다.
이 도면에서는, 안전을 위하여 상기 덮개로 내열과 절연재를 사용하였다.
도 8 은 본 발명에 따른 기존의 자동차 촉매 변환장치 앞에 전자 가열 촉매 변환장치 조립체를 부착한 사시도로서, 기존의 촉매 변환장치 조립체 앞에 신발명품인 가열 촉매 변환장치를 부착하여 매연을 없앨 수 있도록 하였다.
상술한 바와 같이 본 발명은, 엔진의 시동과 동시에 전자장치를 통해 배기가스 온도를 일정 온도 이상 올려 촉매 변환장치가 즉시 촉매 작용할 수 있도록 함으로써, 배기가스를 완전하게 정화할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (8)

  1. 내연 기관의 작동에 의해 발생된 배기가스가 촉매 존재 하에 산화되거나 무해한 배출물로 환원되는 촉매 변환장치; 및
    상기 촉매 변환장치 앞에 부착되고 상기 배기가스를 예열하는 시스템으로서,
    직류를 교류로 전환시키는 전력 변환기용 회로와,
    상기 촉매 변환 시스템의 온도를 조절하는 온도조절회로와,
    수초 내에 촉매 변환기의 온도를 급속히 상승시켜 촉매가 신속하게 상기 배기 가스를 정화하는 기능을 갖게 하는 급속 마이크로파 가열회로를 포함하는 전자 가열 촉매 변환 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스 정화장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매는 3원 촉매인 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스 정화장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    엔진이 가열되기 전 효율적인 촉매 동작을 위한 산화 분위기 제공을 위해 배기가스 중의 산소함량을 감지하는 산소센서와,
    상기 산소 센서에 의한 전기신호에 의해 유입되는 공기와 전류량을 감지하는 엔진 PRM 센서와,
    배기가스를 정화하기 위해 엔진을 시동시키기 전에 전기신호에 의해 엔진 내부의 온도를 냉각시키는 냉각수의 함량을 감지하는 냉각수 센서로부터 제공되는 신호의 조절 하에 상기 급속 가열 촉매 변환장치가 기능하는 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스 정화장치.
  4. 제 1 또는 2 항에 있어서,
    상기 촉매는 제올라이트 하이드러스 알미늄 지지체 상에 백금, 팔라듐 및 로듐을 촉매 유효 성분으로서 사용되는 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스 정화장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 직류는 담배 라이터 소켓 어댑터 또는 자동차 배터리로부터 상기 전력 변환회로로 유입되고, 상기 온도 조절장치는 촉매의 온도에 따라서 "온" 상태와 "오프" 상태를 자동으로 전환하는 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스 정화장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 급속 마이크로파 가열 시스템은 수초 내에 상기 배기가스에 무선 주파수를 방사하는 마그네트론 튜브에 해당하는 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스 정화장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매 변환장치 및 상기 전자 가열 촉매 변환시스템은 한 단위체로 일체화되어 있고, 내열과 절연재로 이루어진 안전 덮개 내에 쌓여 있는 것을 특징으로 하는 자동차 배기가스 정화장치.
  8. 3원 촉매 변환장치를 장착한 차에 적용하는 제 1 항의 전자 가열 촉매 변환 시스템의 용도.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05222924A (ja) * 1991-10-17 1993-08-31 Toyota Motor Corp 触媒コンバータ
JPH06123222A (ja) * 1992-10-08 1994-05-06 Matsushita Electric Ind Co Ltd 内燃機関用排気ガス浄化装置
JPH07217425A (ja) * 1994-02-04 1995-08-15 Zexel Corp 車両用排ガス浄化装置
JPH09151724A (ja) * 1995-11-28 1997-06-10 Zexel Corp 排気ガス浄化装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05222924A (ja) * 1991-10-17 1993-08-31 Toyota Motor Corp 触媒コンバータ
JPH06123222A (ja) * 1992-10-08 1994-05-06 Matsushita Electric Ind Co Ltd 内燃機関用排気ガス浄化装置
JPH07217425A (ja) * 1994-02-04 1995-08-15 Zexel Corp 車両用排ガス浄化装置
JPH09151724A (ja) * 1995-11-28 1997-06-10 Zexel Corp 排気ガス浄化装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11834975B2 (en) 2019-11-20 2023-12-05 Vitesco Technologies GmbH Method for purifying exhaust gas and electronic device therefor

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