KR100343403B1 - 자동차의 배출가스 재연소장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차의 배출가스 재연소 장치에 관한 것으로서, 내연기관으로부터 배출되는 고온의 배출가스를 보온하기 위하여 외통체(11) 내부에 석면단열재 (12)를 장착시켜서 외통체(11)내부를 고온으로 유지시키고, 배출가스가 외통체(11) 입구(1)로 인입할 때 이를 이온화시키기 위해서 방열판(14)이 부착된 영구자석(3)은 퀴리온도가 120℃ 이상인 것으로서 인입측은 4,000∼4,500가우스, 토출측은 4,500∼5,500가우스가 되게 이중배열된 이온화장치에서 배출가스를 이온화시키며, S자 형태로 된 5∼6개가 1개조로하여 구성된 와류관(20)을 이중으로 설치하여 배출가스를 와류시킴으로써 연소조건이 가일층 향상된다.

이와 같이 연소조건이 향상된 불완전 연소된 배출가스가 전열히터(10)가 설치된 절연단열격판(7)의 배출공(17)을 통과할 때 배출가스온도가 약 50℃에서 전원이 자동으로 인가되는 온도센서스위치(9)에 의거 전열히터(10)가 작동되어 격실 (13) 내부 온도를 약 800℃까지 상승하면서 배출가스가 재연소장치(23)에서 연소되어 매연과 기타 유해성분이 획기적으로 저감된다.

또한, 외통체(11)의 입구(1)내부와 안내통로(5) 내부에 설치된 와류장치(4)는 배출가스를 와류시켜 연소조건을 개선하는 역할 이외에도 와류관(20)이 이중으로 설치되어 있으므로 엔진 배출가스의 배출속도를 가속시킴으로써 엔진의 역압력을 저감시켜서 엔진출력이 증가된다. 이와같이 엔진출력이 증가되므로 연료소비를 획기적으로 줄일 수 있다. 또한, 소음이 저감되는 것은 와류관(20)을 통과한 배출가스가 급격히 확대된 안내통로(5)로 급격히 확산됨으로서 배출에너지 저감과 배출가스가 재연소장치(23)의 1차 격판(6), 절연단열격판(7) 및 스테인레스강격판(8)을 통과할 때 배출 에너지 저감으로 소음이 현저하게 저감된다.

이와 같이 본 발명은 자동차의 배출가스를 보온하고 이온화시켜 연소조건을 향상시키고, 연소조건이 향상된 배출가스를 와류장치(4)에서 가속시켜 배출가스의 배기를 원활하게 한 다음, 각 격판(6, 7, 8)과 전열히터(10)으로 구성된 재연소장치(23)에서 격실(13)의 온도를 상승시켜 배출가스를 재연소시킴으로써 배출가스 중의 매연과 유해성분을 감소시킴과 동시에 배출가스의 배출 속도를 증가시켜 엔진출력을 향상시키고 아울러 배기소음을 저감시키는 것을 특징으로 하는 자동차 배출가스 재연소 장치이다.

Description

자동차의 배출가스 재연소장치{Re-combustion apparatus of exhaust gas emissions in automobile}

본 발명은 자동차의 배출가스 재연소 장치(23)에 관한 것으로서, 더 상세하게 설명하면 자동차의 배출가스를 이온화시켜 연소조건을 향상시키고, 연소조건이 향상된 배출가스를 와류장치(4)에서 가속시켜 배출가스의 배기를 원활하게 한 다음, 각 격판(6, 7, 8)과 전열히터(10)로 구성된 재연소 장치(23)에서 배출가스를 재연소 시킴으로써 배출가스 중의 매연과 유해성분을 저감시킴과 동시에 배출가스의 배출속도를 증가시켜 엔진의 출력을 증가시키고 아울러 배기소음기의 구조를 변경시켜 배기소음을 저감시키도록 한 자동차의 배출가스 재연소 장치에 관한 것이다.

자동차의 엔진은 디젤엔진과 가솔린엔진으로 크게 구분하며, 디젤엔진은 실린더 내부에 공기만을 흡입, 압축하여 압축공기온도가 500℃∼700℃로 상승하였을 때 연료를 무화 분사시켜 압축열에 의하여 자기착화 시킴으로써 동력을 얻으며, 가솔린엔진은 실린더 내부에 연료와 공기가 일정비율로 혼합된 공기를 흡입하게 한 다음 압축하고, 압축된 혼합공기를 점화 플러그로 점화시켜 폭발이 일어나도록 함으로써 동력을 얻고 있다. 이 때 가솔린 엔진의 경우 폭발 후 엔진으로부터 배출되는 배출가스(CO, HC, NOx)는 배기관의 일부에 장착되어 있는 촉매 컨버터의 촉매에 의하여 산화, 환원된 다음 배기관의 끝단에 있는 소음기를 통과하여 배출되도록 되어 있다. 그러나 디젤엔진의 경우는 이러한 장치가 전혀 없어 완전 연소되지 못한 매연을 포함한 배출가스가 배기관을 통하여 배출되므로 대기환경 오염에 커다란 영향을 미치고 있다. 특히 디젤엔진의 연소특성상 저부하의 경우는 물론 고부하시에 다량의 매연이 발생되는 것이 특징이며, 이 문제를 해결하기 위한 다각적인 연구가 진행되고 있으며 현재 해결해야 할 최우선적인 과제이다.

일반적으로 내연기관은 엔진이 시동 후 약 30분이 경과된 후에 엔진이 정상적인 온도에 도달되며, 이 이전에는 불완전 연소 등에 의하여 배출가스 중의 매연 등이 다량 함유되게 되며 또한, 가솔린엔진의 배출가스를 산화 및 환원시키는 촉매는 일정온도 (약 300℃) 이상 도달해야 비로소 촉매가 정상적으로 작동함으로써 그 기능을 수행하는데, 이들 조건이 만족되기 전까지는 매연을 포함한 유해가스가 다량 배출되며 또한 엔진의 노후화와 정비불량에 의하여서도 매연을 포함한 배출가스가 다량 배출된다. 엔진의 불완전 연소등에 의한 배출가스의 상태를 개선하기 위하여 배기관에 산소 센서 등을 설치하여 연료 및 공기의 혼합비율을 자동적으로 조절하여 이상적인 연소가 일어나도록 하고 있으나, 여전히 불완전 연소가 일어나고, 이로 인하여 배출가스 중의 유해가스 등이 다량 존재하고 있으며 노후화된 엔진은 이러한 연료 혼합비의 조절 효과가 미미하여 유해가스의 배출이 더욱 심각하다.

촉매 컨버터는 가솔린 엔진의 배출가스 중의 유해성분을 산화, 환원시키는 것을 목적으로 할 뿐, 배출가스를 원활하게 배출되게 함으로써 출력을 증가시키지는 못할 뿐 만 아니라 재연소 장치가 없어서 매연을 포함한 배출가스 중의 유해성분의 제거에 한계가 있었다. 한편 배기관 끝단에 설치되어 있는 종래의 소음기는 도1에서와 같이 입구(1)와 연결된 배기관을 외통체(11) 내부로 70%까지 삽입되도록 설치하여 배기관에 형성된 다수의 배출가스 배출공(6)으로부터 배출가스가 배출, 분산되도록 함으로써 소음을 저감시키며, 입구(1)는 출구(2) 보다 상대적으로 높게 되어 있고 외통체(11)의 내부를 이중으로 구성되게 하고 있다. 그러나 이렇게 입구(1)와 출구(2)의 설치 높이를 다르게 함으로써 배출가스의 속도를 지연시키고 배기관을 외통체(11) 내부로 삽입하고 외통체(11)를 단순히 이중으로 구성하여 단순히 소음 저감장치로 사용함으로써 배출가스중의 분진 등을 다소 여과할 뿐 배출가스 중의 유해성분을 실질적으로 제거하지 못하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 자동차의 배기관(15) 끝단에 설치되어 있는 소음기의 배출가스통 전단 및 내부에 이온화 장치(22), 와류장치 (4) 및 재연소 장치(23)를 설치하여 자동차의 배출가스가 이러한 장치를 통과하도록 함으로써 배출가스 중의 매연과 유해성분을 저감시키며, 배출가스의 배출속도를 증가시켜 엔진의 출력을 증가시키고 기존 소음기의 내부구조를 변경시켜 소음을 저감시키는 것을 목적으로 하였다.

도 1은 종래기술의 배출가스통 구조도

도 2는 자동차의 배출가스 재연소장치의 내부구조도

도 3은 격판 및 배출공 구조도

도 4는 와류관을 펼친 상태의 와류판의 형태도

4-1 와류관을 펼친 상태의 평면도

4-2 와류관을 펼친 상태의 정면도

4-3 와류관을 펼친 상태의 우측면도

도 5은 공기흐름 방향에서 본 와류관의 사시도

도 6는 배출가스 재연소 흐름도

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

1. 입구 2. 출구 3. 영구자석

4. 와류장치 5. 안내통로 6. 1차격판

7. 절연단열격판 8. 스테인레스강격판 9. 온도센서스위치

10. 전열히터 11. 외통체 12. 석면단열재

13. 격실 14. 방열판 15. 배기관

16. 배출구 17. 배출공 18. N극

19. S극 20. 와류관 21. 와류판

22. 이온화 장치 23. 재연소 장치 24. 소음 저감 장치

이하, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 구성을 설명하면 다음과 같다.

도1은 종래기술의 소음기 구조도를, 도2는 본 발명인 소음 감소를 겸한 자동차의 배출가스 재연소장치(23)의 내부 구조를 보여주는 단면도이고, 도3은 도2의 일부인 각 격판(6, 7, 8) 및 배출공(17)의 구조도이며, 도4는 도2의 일부인 와류관 (20)을 펼친상태의 와류판(21)의 형태도를, 도5는 공기흐름 방향에서 본 와류관 (20)의 사시도를, 도6은 배출가스 재연소 흐름도를 각각 나타낸 것이다.

도2에서 배기관 소음기 앞단에 연결된 영구자석(3)을 N극(18)과 S극(19)을 이중으로 배열, 설치하여 자장을 통하여 흐르게 함으로써 배출가스를 이온화시켜서 배출가스의 재연소 조건을 제고시킨다. 이때, 내연기관으로부터 배출되는 고온의 배출가스가 통과되는 외통체(11)의 내부에 석면 등으로 된 단열재(12)를 부착하여 배출가스의 온도를 유지하도록 하는 것이 바람직하다. 그리고 배출가스에 자장을 생성시켜 이온화를 촉진하는 장치에 들어가는 영구자석(3)은 배기관(15)의 크기에 따라서 조정할 수 있도록 하며 이중으로 설치하되 인입측의 자속밀도 약 4000∼4500 가우스가 토출측의 자속밀도4500∼5500 가우스보다 낮도록 구성하고, 또한 온도의 상승을 방지하기 위한 장치를 마련하는 것이 필요하며, 이는 영구자석 (3)의 외부에 방열판(14) 등을 설치함으로써 가능하다. 또한 영구자석(3)은 고온에서도 그 자장을 일정하게 유지하여 배출가스의 이온화가 온도에 따라서 변하지 않도록 퀴리온도(Curie Temp.)를 120℃ 이상으로 하며 N극(18)과 S극(19)은 반발력을 없애기 위하여 서로 대향하여 설치하는 것이 바람직하다.

이렇게 영구자석(3)에 의하여 이온화된 배출가스는 와류장치(4)에 의하여 가속되어 안내통로(5)로 안내된다. 외통체(11) 입구(1) 배기관(15)에 설치된 와류관 (20)은 이중으로 설치되고 각각의 와류관(20) 내에는 S자형으로 된 와류판(21)을 5∼6개씩을 일개조로 하여 설치하며, 와류판(21)의 수는 배기관(15)의 크기에 따라서 적절히 조정하는 것이 효과적이다. 와류판(21)은 제4도 및 제5도에 표시한바와 같이 양끝단의 높이가 중간 부분의 높이 보다 높도록 하며 중간부분은 포물선 형상으로 만들어 이를 배출가스 흐름방향보다 경사지게 하여 와류관(20) 내에 방사상으로 동일 간격으로 배치함과 동시에 와류관(20)을 따라서 S자형으로 배치하는 것이 가장 효과적이다. 배출가스가 와류장치(4)의 와류판(21)에 의하여 가속되므로 가스의 배출이 지체되지 않고 배출되기 때문에 배출가스의 지체에 의한 역압력이 저감되어 엔진출력이 증가된다.

와류장치(4)를 통과한 배출가스는 안내통로(5)를 거쳐서 각 격판(6, 7, 8)에 의하여 구획되어진 격실(13)로 유입되어 전열히터(10)에 의하여 배출가스가 재연소되는 재연소 장치(23)에 들어간다. 이러한 각 격판(6, 7, 8)에는 배출공(17)이 형성되어 있으며 이는 외통체(11) 내부의 온도를 효율적으로 증가시키고 배출가스의 배출을 지체하지 않도록 하기 위함이다. 배출공(17)의 직경, 개수 및 위치는 엔진의 배기량에 따라서 가변시킬 수 있다. 절연단열격판(7)에 설치된 전열히터(10)로 온도를 상승시켜 배출가스가 배출공(17)을 통과할 때 재연소되고 분해되는데 전열히터(10)에 연결된 온도센서 스위치(9)는 50℃에서 자동으로 전원이 인가되어 격실(13)의 온도를 800℃까지 상승시키게 되며, 외통체(11) 내부의 온도에 맞게 온도센서스위치(9)가 자동으로 작동할 수 있도록 하여 불필요한 축전지의 소모를 방지한다. 그리고 온도센서 스위치(9)에 연결시킨 전열히터(10)를 도2의 출구(2) 쪽에 스테인레스 강격판(8)과 가까운 곳에 설치하여 배기관(15)에서 배출되는 배출가스가 1차격판(6)의 배출공(17)을 통과한 후 직접 전열히터(10) 쪽으로 배출되지 않게 함으로써 배출가스에 포함된 수증기 입자 등에 의한 전열히터(10)의 부식을 방지하도록 하는 것이 바람직하다.

종래의 소음기는 도1에서와 같이 배기관의 소음기 속으로 약 70%까지 삽입되었고 소음기 속으로 삽입된 배기관에 작은 구멍(6)을 무수히 두어서 배출가스가 그 구멍을 통과할 때 저항 및 공명에 의해서 소음효과를 얻도록하고 있으나, 본 발명의 장치는 와류장치(4)를 통과하면서 가속된 배출가스는 외통체(11) 내부에 급격히 확대된 안내통로(15)를 만들어 그곳으로 직접 배출되도록하여 1차적으로 소음효과를 얻었고, 그후 배출가스는 1차격판(6), 2차격판인 절연단열격판(7) 및 3차격판인 스테인레스강격판(8)에 설치된 각각의 배출공(17)을 통과할 때 그 속도가 저감되므로 배출 소음이 급격히 저감되도록 하여 소음저감장치(24)의 기능을 확보하여 본래의 소음기 기능보다 소음효과가 탁월하도록 하였다.

각 격판(6, 7, 8)은 부식에 강한 재질로 하는 것이 좋으며, 이는 알류미늄 등에 크롬도금을 하거나 스테인레스강 등을 사용하므로써 가능하며, 표면을 매끄럽게 하여 반사율을 최대로 높이는 것이 재연소 기능에 효과적이다. 2차격판인 절연 단열격판(7)은 전열히터(10)가 설치되므로 전열성이 탁월하고, 격실(13)에서 매연을 포함한 배기가스의 재연소를 위하여 열보온성이 양호한 재질이어야 하며 세라믹 등과 같은 재질이면 효과적이다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은 엔진에서 혼합기가 불완전하게 연소되거나 촉매 컨버터가 미쳐 제거시키지 못한 배출가스중의 유해성분을 와류장치(4)에 의하여 가속한 다음 전열히터(10)에 의하여 재연소 시킴으로써 엔진의 출력을 증가시킴과 동시에 대기중에 배출되는 매연을 포함한 유해가스를 획기적으로 저감시키며, 아울러 소음도 대폭 저감시킬 수 있다.

상기에 설명된 바와 같이 구성된 본 발명을 여러 가지의 경우에 따라서 실시해 본 결과는 다음과 같다.

디젤, 가솔린, LPG 차량은 신차나 노후 차량 공히, 종래의 차량과 종래의 차량에 본 발명품을 장착하고 동일한 운행조건에서 시험한 결과, 본 발명품을 장착한 경우가 약 10 km/h 이상의 속도 증가가 있었고, 10 % 정도의 출력이 향상되었으며 소음과 매연은 약 50 % 정도 저감되었다.

표 1 본 발명의 효과 분석표

※ 종래의 차량과 동일한 운행조건에서 본 발명품 장착시 증감 비교표

한편, 표 1의 본 발명의 효과 분석표와 같이 연료절감은 종래의 차량보다 본 발명품을 장착한 경우가 디젤차량은 7∼10 % 정도, LPG 차량은 10% 정도 저감되었으며, 가솔린 차량은 10∼15 % 정도 저감될 뿐만 아니라 가속 페달을 밟는 감각이가벼워 졌으며, 정차시에는 연료 저감효과가 없었다. 엔진시동 후 15분 정도 경과된 후에야 배출가스 냄새가 없어지던 가솔린 차량은 약 5분 정도 후에 냄새가 소멸되었고, 엔진과 기화기의 이상으로 배출가스에서 LPG 냄새가 나던 차량도 약 5분 정도 경과 후에 냄새가 없어졌다. 디젤차량은 약 10분 정도 지나서 디젤 특유의 매콤한 냄새가 없어 졌으며, 디젤엔진을 저속과 고속 구동시 배출가스의 색깔이 무색 또는 담청색으로 변화됨을 관찰 할 수 있었다.

표 2 매연 및 배출가스 시험 성적표

표 2의 매연 및 배출가스 시험성적표에서와 같이 60만 ㎞ 이상 주행한 종래의 디젤차량의 대형트럭에서 44∼53% 정도가 배출되던 매연이 본 장치 장착 후 약 20분 정도 경과되면 20∼23%로 저감되어 약 50% 감소율을 나타내고 있으며, 14만 km 정도 주행한 종래의 가솔린 차량은 부착전 CO 가스가 0.64 %, HC가 87 ppm이었던 것이 CO 가스가 0.09 %, HC가 15 ppm으로 나타나서 각각 86%와 83%의 감소율을 나타내고 있다. 이에 따라서 엔진출력이 증가되어 연료를 절감시킴과 동시에 매연이 감소되어 대기 환경오염을 현저하게 저감시킬 수 있다.

Claims (10)

1. 자동차에서 배출되는 배출가스를 재연소시키는 자동차 배출가스 재연소 장치(23)에 있어서, 배기관(15)의 끝단에 부착된 소음기의 외통체(11)의 전단에 2개조의 영구자석(3)을 N극(18)과 S극(19)을 대향하여 설치하여 배출가스를 이온화시키고;

   소음기 부근의 배기관(15)에 와류관(20) 1개 이상과 그 내부에는 각각 와류판(21)이 2개이상 부착되어 이온화된 배출가스를 가속시키고;

   가속된 배출가스를 배출공(17)을 통하여 각 격판(6, 7, 8)에 의하여 형성된 격실(13) 내로 유입시켜;

   전열히터(10)에 의하여 유입된 매연을 포함한 배출가스를 분해 및 재연소시킴과 동시에 소음저감장치(24)에서 소음을 저감시키는 것을 특징으로 하는 자동차 배출가스 재연소 장치.
2. 청구항 제1항에 있어서 영구자석(3)은 인입측의 자속밀도가 토출측의 자속밀도보다 낮은 것을 특징으로 하는 자동차 배출가스 재연소 장치.
3. 청구항 제2항에 있어서 영구자석(3)은 퀴리온도가 120℃ 이상인 것을 특징으로 하는 자동차 배출가스 재연소 장치.
4. 청구항 제1항에 있어서 와류관(20)은 각각 그 내부에 와류판(21) 2개 이상을 1개조로 하여 배출가스 흐름방향보다 경사지게하여 와류관(20)내에 방사상의 등간격으로 배침함과 동시에 와류관(20) 내부를 따라서 S자 형태로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차 배출가스 재연소 장치.
5. 청구항 제1항에 있어서 격실(13)을 형성하는 격판은 전열히터(10)를 중심으로 한 개 이상씩 설치된 격판과 전열히터(10)가 설치된 절연단열격판(7)으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차 배출가스 재연소 장치
6. 제 5항에 있어서 격실(13)을 구성하는 각 격판의 재질은 알류미늄에 크롬을 도금하거나, 스테인레스강 등 부식성이 강한 재질을 사용하며, 절연단열격판(7)은 전열성이 탁월하고 열보온성이 양호한 세라믹 등과 같은 재질을 사용하는 것을 특징으로 하는 자동차의 배출가스 재연소장치.
7. 청구항 제5항에 있어서 전열히터(10)는 절연단열격판(7)의 출구측에 설치된 것을 특징으로 하는 자동차 배출가스 재연소 장치
8. 제 1항에 있어서 재연소장치(23)은 온도센서 스위치(9)에 의해 배출가스 온도가 약 50℃에서 자동으로 인가되어 매연을 포함한 배출가스를 재연소기키는 것은 특징으로 하는 자동차의 배출가스 재연소장치.
9. 제 1항에 있어서 와류관(20)을 통과하여 가속된 배출가스가 급격히 확대된 안내통로(5)를 만들어 직접 배출되도록 함으로써 1차소음효과와 외통체(11)의 내부에 설치된 각 격판의 배출공(17)을 통과할 때 배출가스의 속도가 지연되어 2차적으로 소음이 저감되는 것을 특징으로 하는 자동차의 배출가스 재연소장치.
10. 제 1항에 있어서 재연소장치(23)는 절연단열격판(7)에 설치된 전열히터(10)와 스테인레스강격판(8) 등의 거리를 가깝게 설치하고, 스테인레스강격판(8) 등의 표면을 매끄럽게 하여 전열히터(10)에서 발생한 열의 반사율을 높여 내부온도를 상승시키는 것을 특징으로하는 자동차의 배출가스 재연소장치