KR100801675B1 - 희박-연소 엔진의 저온 시동도중의 질산화물 제거방법 - Google Patents

희박-연소 엔진의 저온 시동도중의 질산화물 제거방법 Download PDF

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Abstract

엔진의 저온 시동 도중에 희박 연소 엔진의 배기 흐름으로부터 NOx를 제거하기 위한 장치와 방법이 제공된다. 상기 장치는 주 LNT에 중공형 도관에 의해서 결합된 근접 결합형 LNT를 포함한다. 저온 배기로부터의 NOx는 초기에는 상기 근접 결합형 LNT 상에 저장된다. 엔진의 배기가 가온되면, 상기 근접 결합형 LNT는 그 작동 온도에 도달하고, 저장된 NOx를 N2 로 환원시킨다. 상기 근접 결합형 LNT의 온도가 대략 350℃에 도달하면, NOx는 상기 근접 결합형 LNT로부터 배출되고, 주 LNT 상에 흡수되며, 연료-풍부 조건 도중에 N2 로 변환된다. 상기 근접 결합형 LNT는 엔진이 꺼진 후에 열을 제공함으로써 재생될 수 있다. 상기 근접 결합형 LNT의 재생도중에 배출된 NOx는 주 LNT에 의해서 흡수된다. 상기 주 LNT상에 저장된 NOx는 다음의 차량 작동 도중에 N2 로 환원될 수 있다.
차량 엔진, 저온 시동, 희박 연소, NOx, 촉매

Description

희박-연소 엔진의 저온 시동도중의 질산화물 제거방법{Removing Nitrogen Oxides During A Lean-Burn Engine Cold Start}
본 발명은 엔진 배기 내에 포함된 질산화물의 촉매 환원에 관한 것으로, 보다 상세히는 희박-연소 엔진의 저온 시동도중에 배기 흐름으로부터 질산화물의 배출을 감소시키는 것에 관한 것이다.
연소 공정의 배기 흐름에서 임의의 화합물, 예를 들면 내연 엔진으로부터의 배기 흐름에 포함된 화합물은 바람직하지 않은 데, 이는 주변 환경으로의 배출이 공기의 질을 저하시키기 때문이다. 그 결과, 그것들은 환경 보호를 위하여 그리고 정부의 배출 규정을 충족하거나 초과하는 것을 막도록 제어되어야만 한다. 그러한 바람직하지 않은 화합물중에서도 NOx로 불리우는 질산화물이 있다. NOx를 생산하는 다양한 연소 공정들이 있으며, 예를 들면 석탄 또는 오일 연소로(furnaces), 왕복 내연 엔진(가솔린 및 디젤 엔진) 및 가스 터빈 등이 있다. 각각의 이러한 연소 공정에서, NOx의 대기 배출을 방지하거나 또는 감소시키기 위한 제어 수단이 필요하며 이는 공기 질을 향상시키고 정부의 규제에 따르기 위함이다.
오염물질(예를 들면, NOx, CO 및 탄화수소)들을 엔진 배기 흐름으로부터 제거하기 위하여, 3방향의 촉매들을 갖는 촉매 변환기들이 차량에 장착되어 있다. 미국의 대부분의 경-부하(light-duty) 차량 들에 대하여, 차량 엔진들은 화학양론적 모드(stoichiometric mode) 에서 작동하고; 즉 연료와 공기의 화학양론적 량이 엔진으로 공급되며, 연소 후에 배기 흐름은 잔류 산소와 환원제(reductants)(예를 들면 탄화 수소, CO 및 H2)의 대략 동등한 량을 갖는다. 이러한 배기 흐름에서, 상기 3 방향 촉매들은 NOx 와 N2 들을 감소시키고, CO, H2, 및 탄화 수소들을 CO2, H2O들로 산화시킨다. 그러나, 연료-풍부(fuel-rich) 배기에서, CO와 탄화수소들은 배기내에 포함된 부족한 산소량으로 인하여 CO2, H2O 로 완전하게 산화될 수 없다. 한편, 연료-희박(fuel-lean) 배기에서는, NOx 가 완전하게 N2 로 환원될 수 없으며, 그 이유는 불충분한 환원제와 배기중의 과도한 산소에 기인한다.
희박-연소 엔진들은 전형적으로 연료-희박 모드에서 작동하며; 즉 공기의 화학량론적 양보다 많은 양이 연료와 함께 엔진 실린더의 내부로 공급된다. 화학량론적인 엔진과 비교하여 보면, 희박-연소 엔진들은 월등한 연료 절감능력을 제공한다. 희박-연소 엔진의 전형적인 일례는 디젤 엔진이다. 그러나, 상기 희박-연소 엔진으로부터의 연료-희박 배기 흐름은 상기 3방향 촉매 변환기가 상기와 같은 이유에서 NOx를 N2로 변환시키고, 배기관(tailpipe)의 NOx 배출을 감소시키는 데에 부적절한 것이다. 희박 NOx 트랩, 때로는 LNT 들로 불리우는 것이 희박 연소 엔진의 배기 흐름으로부터 NOx를 제거시키는 선도 기술의 하나로 간주되고 있다. 그것들은 NOx를 N2 로 환원시키는 촉매들과, 질산염으로서 NOx를 저장할 수 있는 화합물(예로서 금속 질산염 등)을 포함한다. 그러나, LNT's는 대략 250-550℃의 온도 범위에서 가장 효과적으로 작동하고, 대기로의 바람직하지 않은 NOx의 배출은 상기 범위를 벗어난 온도에서 일어나는 것이다. 대략 250℃이하의 온도에서, 엔진의 저온 시동상태인 경우, 상기 LNT는 연료-희박 모드에서 NOx를 질산염(저장용)으로 효과적으로 변환하지 않고, 또는 연료-풍부 모드에서 배출된 NOx를 N2 로 변환하지 않는다. 상기 LNT 온도가 대략 550℃를 넘게 되면, 금속 질산염은 NOx를 저장하기에 충분할 정도로 안정되지 않다.
따라서, 희박-연소 엔진(예로서 디젤 엔진 등)에서 NOx를 질소로 환원시키는 장치 또는 시스템을 개발하여는 노력에도 불구하고, 적절한 변환 유효성에 대한 욕구는 충족되지 못한 채 남아 있는 것이다. 더욱이, 모든 연소 공정으로부터, 특히 엔진 저온 시동도중에 NOx 배출을 효과적으로 처리하려는 개선된 유효성에 대한 지속적인 요구가 있다.
엔진의 저온 시동 도중에 희박-연소 엔진의 배기 흐름으로부터 NOx를 선택적으로 제거하는 장치가 제공된다. 상기 장치는 주 LNT에 연결된 근접-결합형 LNT를 포함한다. 상기 근접-결합형 LNT는 주 LNT보다 크기에서 작은 것일 수 있다. 그리고, 상기 근접-결합형 LNT는 자동차의 후드 아래에 배치될 수 있으며, 상기 주 LNT는 바닥(under-floor) 위치(예를 들면, 승객석 바닥 아래)에 배치될 수 있다. 그리고 상기 장치는 전기 히터를 추가 포함하여 상기 근접-결합형 LNT를 가열하고, 그 온도는 상기 근접-결합형 LNT가 모든 저장된 NOx를 배출하는, 예를 들면 600℃로 되도록 가열할 수 있다. 공기 펌프가 제공되어 공기를 상기 근접-결합형 LNT로 공급할 수 있다.
엔진의 저온 시동 도중에 희박-연소 엔진의 배기 흐름으로부터 NOx를 선택적으로 제거하는 방법은 제1(근접-결합) LNT 와 제2(주) LNT를 통하여 연속적으로 배기를 통과시키는 것을 포함한다. 상기 근접-결합형 LNT 와 주 LNT들은 NOx를 N2 로의 촉매환원시키는 촉매와 NOx를 질산염으로 저장할 수 있는 화합물들을 포함한다. 저온 시동 도중에, 엔진으로부터 배출되는 배기내의 NOx는 상기 근접-결합형 LNT 에 최초로 저장된다. 엔진 배기가 가온되면, 그것은 근접-결합형 LNT와 주 LNT를 가열한다. 상기 근접-결합형 LNT가 고온의 배기에 의해서 대기 이상으로 가열되면, 그것은 그 촉매활동 온도(전형적으로 250℃)에 도달하고, 과도한 환원제(예를 들면, 탄화 수소, CO, 또는 H2)들이 유용한 경우, NOx를 N2로 변환하도록 촉매활동이 이루어진다.
상기 근접-결합형 LNT의 온도가 대략 350℃ 보다 높을 때, 상기 저장된 NOx는 풍부한 모드 및 희박한 모드의 양 모드에서 배출될 수 있다. 연료-풍부 모드하에서, 상기 배출된 NOx는 상기 근접-결합형 LNT 상의 촉매에 의해서 N2 로 변환된다. 연료-희박 모드 하에서, 상기 근접-결합형 LNT는 또한 저장된 NOx를 배출할 것이다. 그러나, 상기 배출된 NOx는 상기 근접-결합형 LNT상에서 유용한 환원제가 부족하기 때문에 N2로 변환될 수 없다. 상기 주 LNT가 엔진의 배기 메니폴드로부터 상기 근접-결합형 LNT보다 멀리 위치되기 때문에, 상기 주 LNT의 온도는 상기 근접-결합형 LNT의 온도보다 일반적으로 낮다. 상기 근접-결합형 LNT로부터 배출된 NOx는 연료-풍부 모드 도중에 N2 로 환원될 수 있는 주 LNT 상에 저장될 것이다.
그리고 희박-연소 엔진을 갖는 차량의 작동 도중에 대기로 배출되는 총 NOx를 감소시키기 위한 방법이 제공된다. 저온 시동 및 엔진 작동은 상기와 같이 이루어진다. 상기 엔진이 정지된 후, 상기 근접-결합형 LNT가 히터와 공기 흐름 부재에 의해서 각각 제공되는 열 및 공기에 의해서 각각 재생될 수 있다. 상기 근접-결합형 LNT상의 히터와 공기 흐름 부재, 예를 들면 공기 펌프등이 단기간(예를 들면 30초) 작동되어 상기 근접-결합형 LNT를 가열하고, 상기 근접-결합형 LNT가 그것의 흡수된 NOx를 배출하는 온도(예를 들면 대략 600℃)에 도달하도록 할 수 있다. 상기 근접-결합형 LNT의 이러한 재생 도중에 배출된 NOx는 주 LNT에 의해서 흡수될 수 있으며, 그에 따라서 대기 중에 NOx를 매우 적게 배출하거나 또는 배출하지 않게 된다. 상기 근접-결합형 LNT는 그 다음 대기 중에서 냉각될 수 있다.
본 발명의 유익한 효과들은 첨부 도면을 참조하는 본원 발명의 상세한 설명으로부터 이하에서 명확하게 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따라서 NOx를 제거하는 장치를 도시한 구조도;
도 2는 주 희박 NOx 트랩(주 LNT)의 배출구에서 150℃의 NOx 저장능력 측정 도중에 NO 250ppm을 함유하는 희박 배기 공급에 관련된 NOx 농도를 도시한 그래프도;
도 3은 저온 시동 FTP(미국 연방 시험 과정)의 싸이클 1 도중에 엔진의 배출량과 온도 데이터를 도시한 그래프도; 그리고
도 4는 주 희박 NOx 트랩(주 LNT)의 배출구에서 150℃의 NOx 저장능력 측정 도중에 NO 250ppm을 함유하는 희박 배기 공급에 관련된 NOx 농도, 대략 600℃ 까지 상승하고 150℃ 까지 냉각되는 온도 곡선(ramp)을 도시한 그래프도.
내연 엔진은 연료-풍부, 화학량론적, 또는 연료-희박 모드에서 산소 대 연료 비의 항목으로 작동할 수 있음은 잘 알려져 있다. 예를 들면, 엔진이 연료-풍부 모드에서 작동한다면, 배기 흐름은 엔진 실린더의 연소 후에 과도한 환원제(예를 들면, 연료, CO 및 H2 )와 적은 산소를 포함한다. 한편, 엔진이 연료-희박 모드에서 작동한다면, 배기 흐름은 과도한 산소와 적은 환원제를 포함한다. 엔진이 가솔린 엔진에 대한 종래의 작동 모드인 화학량론적 모드에서 작동하는 경우, 배기 흐름은 잔류 산소 및 환원제의 대략 동등한 량을 포함한다. 희박-연소 엔진에 대해, 3 방 향의 촉매 변환기들은 연료-희박 배기로부터 효과적으로 NOx 배출물을 제거할 수 없다. 따라서, 희박 NOx 트랩과 같은 새로운 촉매 기술들이 이러한 과제를 해결하기 위하여 개발되고 있다. NOx 배출 물들을 효과적으로 제거하기 위한 LNT에 대하여, 엔진은 연료-풍부 모드에서 작동하는 것과는 예외적으로 연료-희박 모드에서 대부분 작동한다. 이러한 연료-희박 모드의 도중에, 배기 흐름 내의 NOx는 LNT에 의해서 흡수되어 금속 질산염으로 된다. 연료-풍부 모드 도중에, 상기 질산염은 분해되어 NOx를 배출한다. 상기 배출된 NOx는 상기 과도한 환원제에 의해서 상기 풍부한 배기 내에서 N2로 환원된다. 따라서 연료-희박 및 연료-풍부 모드의 양 모드 도중에 매우 적은 NOx만이 LNT를 통과하고 배기관을 통한 배출물로 된다. LNT에 대한 작동 온도 범위는 전형적으로 250-550℃이다.
엔진이 시동되기 전에, 상기 LNT 촉매는 대기 온도로 유지된다. 일단 엔진이 시동되면, 촉매는 엔진으로부터의 고온의 배가스에 의해서 서서히 가열된다. 처음 수분 내에, 상기 촉매 온도는 실제로 250℃ 이하, 예를 들면 50-150℃ 이다. 이러한 구간은, 엔진이 시동되지만 촉매는 그 작동 온도 이하의 온도로 유지되는 경우이며, "저온 시동"으로 불리운다.
도 1에 관련하여, 본 발명에 따라서 엔진의 저온 시동 도중에 NOx를 제거하기 위한 장치가 도시되어 있다. 특히, 상기 장치는 근접-결합형 저온 시동 LNT(희박 NOx 트랩) 11과 주 LNT(희박 NOx 트랩) 12을 조합하고 있다. 상기 근접-결합형 LNT 11는 주 LNT 12 보다 크기가 작을 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 근접-결합형 LNT 11는 자동차의 후드 아래에 배치될 수 있으며, 상기 주 LNT 12는 자 동차의 바닥 아래, 예를 들면 승객석의 바닥 아래에 배치될 수 있다.
따라서, 상기 주 LNT 12는 엔진의 배기 메니폴드로부터 상기 근접-결합형 LNT 11보다 먼 위치에 배치될 수 있다. 상기 근접-결합형 LNT 11는 배기 흐름의 통과를 허용하는 중공형 도관 16에 의해서 주 LNT 12에 연결될 수 있다. 엔진의 저온 시동 도중에, 예를 들면 촉매 온도가 250℃ 이하인 경우, 엔진 13으로부터의 배기는 저온 시동의 LNT 11로 향하게 된다. 상기 저온 배기로부터의 NOx는 상기 근접-결합형 LNT 11 와 주 LNT 12가 그 각각의 작동 온도, 대략 250-450℃ 와 대략 250-500℃에 각각 도달하기 전에 상기 근접-결합형 LNT 11 내에 저장된다. 상기 저장된 NOx는 상기 근접-결합형 LNT 11가 대략 350℃에 도달할 때까지 연료-희박 모드에서는 상기 근접-결합형 LNT 11로부터 배출되지 않을 것이다. 따라서, 상기 근접-결합형 LNT 11의 온도가 250 내지 350℃ 사이인 경우, 상기 저장된 NOx는 과도한 환원제(예를 들면 탄화 수소, CO 또는 H2)가 유용한 연료-풍부 모드 하에서만 단지 배출될 것이다. 상기 근접-결합형 LNT 11는 이러한 온도들에서 촉매 작용을 하기 때문에, 근접-결합형 LNT 11는 배출된 NOx를 N2로 환원시킨다.
상기 근접-결합형 LNT 의 온도가 350℃ 보다 높은 경우, 상기 저장된 NOx는 연료-풍부 및 연료-희박 모드 모두에서 배출될 수 있다. 연료-풍부 모드 하에서, 상기 배출된 NOx는 상기 근접-결합형 LNT 상의 촉매에 의해서 N2로 변환된다. 연료-희박 모드 하에서, 상기 근접-결합형 LNT 는 저장된 NOx를 배출할 것이다. 그러나, 상기 배출된 NOx는 유용한 환원제의 부족으로 인하여 상기 근접-결합형 LNT 상에서 N2로 변환되지 않을 것이다. 상기 주 LNT가 상기 근접-결합형 LNT 보다는 엔 진의 배기 메니폴드로부터 멀리 위치되기 때문에, 상기 주 LNT의 온도는 상기 근접-결합형 LNT 보다 낮으며, 그 결과 상기 배출된 NOx는 상기 주 LNT에 저장될 것이며 연료-풍부 모드 도중에 N2로 환원될 것이다.
일단 상기 근접-결합형 LNT 11가 유효 촉매 온도(예를 들면 대략 250-450℃)에 해당하는 작동 온도에 도달하면, 엔진 13은 연료-풍부 모드의 주기적인 작동과 함께 연료-희박 모드에서 상기 근접-결합형 LNT 11에 저장된 NOx를 N2로 변환하도록 작동할 것이다. 예를 들면, 엔진 13은 희박-풍부 싸이클 작동 모드에서 예를 들면, 그렇지만 이에 제한되지 않는 30초 희박/2초 풍부의 모드로 작동할 수 있다. 연료-풍부 모드 도중에, 엔진 13으로부터의 배기는 낮은 산소함량과 환원제 예를 들면 CO 및 H2의 높은 함량을 갖는다. 이러한 환원제들은 상기 근접-결합형 LNT 11 상에 저장된 NOx를 질소(N2)로 환원시킬 수 있다. 연료-풍부 조건하에서, 상기 근접-결합형 LNT 11로부터 배출된 그리고 환원제에 의해서 변환되지 않은 모든 NOx는 주 LNT에 흡수되며, 그 이유는 주 LNT 12가 상기 근접-결합형 LNT 11보다 낮은 온도이기 때문이다. 그 결과, 주 LNT 12로부터 배출되어 배기부 17를 통하여 대기로 배출되는 NOx는 거의 없게 된다.
엔진의 저온 시동 전에, 상기 근접-결합형 LNT 11는 큰 NOx 저장 능력을 갖는다. 그러나, 엔진 13이 시동되고 상기 근접-결합형 LNT 11가 NOx를 저장하고, 상기 저장된 NOx를 N2로 변환한 후, 상기 근접-결합형 LNT 11는 NOx에 대한 감소된 저장 능력을 갖게 된다. 따라서 상기 근접-결합형 LNT 11는 매 사용 후 재생될 수 있다. 일 실시예에서, 도 1에 도시된 바와 같은 상기 근접-결합형 LNT 는 상기 LNT 내의 화합물이 NOx를 배출하는 온도이상으로 가열됨으로써 재생될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 예를 들면 상기 근접-결합형 LNT 11를 재생하기 위하여, 엔진이 정지되고, 상기 근접-결합형 LNT 11 와 공기 흐름 부재 14(예를 들면 공기 펌프) 상의 히터 15(예를 들면 전기 히터)가 단 기간동안, 예를 들면 30초 동안 작동된다. 상기 LNT 11 및 12상에 NOx가 질산염으로서 저장되기 때문에, 그것들은 상승된 온도에서 분해하여 NOx를 배출한다. 따라서, 상기 근접-결합형 LNT 11가 히터 15에 의해서 가열되면, 상기 근접-결합형 LNT 11는 그것에 저장된 NOx를 배출한다. 그 다음 상기 배출된 NOx는 주 LNT 12에 의해서 흡수된다. 상기 흡수된 NOx는 후속적으로 다음의 차량 작동 도중에 N2로 환원된다. 상기 근접-결합형 LNT 11로부터 배출된 NOx 가 주 LNT 12에 의해서 흡수되기 때문에, 상기 근접-결합형 LNT 11에 대한 NOx 저장 능력의 이러한 재생도중에 주 LNT 12를 통한 NOx의 배출은 최소로 이루어지는 것이다. 그리고, 상기 근접-결합형 LNT 11는 다음 엔진의 저온 시동을 위한 충분한 저장 성능을 갖게 될 것이다.
각각의 LNT 촉매는 정해진 NOx 저장 능력을 가지며, 이는 촉매 내의 NOx 저장 화합물(예를 들면, 알카리 금속, 알카리 토류 금속 및/또는 희토류 금속)의 량에 해당한다. 상기 촉매가 포화되면, 예를 들면 모든 상기 NOx 저장 화합물들이 NOx에 의해서 질산염으로 변환된 때, 상기 LNT는 더 이상 NOx를 저장할 수 없다. 이상적으로는, 이러한 완전 저장 성능에 도달하기 전에, 상기 LNT를 빠져나가는 배기는 아무런 NOx도 포함하지 않아야 하며, 즉 NOx 제로(zero)인 것이다. 그러나, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 근접-결합형 LNT 촉매가 50% 저장 능력을 가진 것 일지라도, 배출 NOx 농도, 즉 상기 NOx 배출은 150℃에서 유입 NOx 농도의 60%에 도달한다. 이러한 NOx 배출은 상기 LNT가 대략 50%의 NOx 저장 능력을 가진 경우일지라도, 유입 NOx의 대략 40% 만을 저장할 수 있다는 것을 나타낸다.
결과적으로, 근접-결합형 LNT 가 엔진의 저온 시동 도중에 낮은 NOx 배출을 갖고, 효과적으로 NOx 배출을 낮추도록 하기 위하여, 상기 근접-결합형 LNT는 그것의 NOx 저장 성능 대부분을 유지하여야 한다. 그 결과, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 근접-결합형 LNT 11는 각각의 엔진 저온 시동 전에 재생된다. 상기 재생 공정은 상기 저장된 금속 질산염을 금속 산화물, 탄산염, 또는 수산화물로 변환시키며, 연료-풍부 및 연료-희박 배기 모두에서 실행될 수 있다. 연료-풍부 배기에서의 재생은 저온에서 실행될 수 있다. 그러나 150℃에서, 상기 근접-결합형 LNT 11는 연료-풍부 배기에서 1분 동안의 재생 후, 그 성능의 대략 50% 만 회복하였다(도 4 참조). 연료-희박 모드에서, 상기 근접-결합형 LNT 는 600℃에서 30초의 재생 후 그것의 완전 저장 성능을 회복하였다(도 4 참조). 상기 재생된 근접-결합형 LNT가 그것의 완전 저장 성능을 보유하는 것을 보장하기 위하여, 그것은 NOx 없는 배기내에서 냉각되어야만 한다.
상기 근접-결합형 LNT 11과 주 LNT 12들 모두는 내벽들이 적어도 하나의 촉매들로 피복된 허니 컴(honeycomb-like) 형 기판으로 이루어질 수 있다. 상기 촉매들은 전형적으로 귀금속(예를 들면 Pt,Pd 및/또는 Rh) 와 NOx 저장 재료들, 그렇지만 이들에 제한되는 것은 아닌, 산화물, 수산화물, 및/또는 알카리 금속의 탄산염(예를 들면 Li, Na 또는 K), 알카리 토류 금속(예를 들면 Ca,Sr, 또는 Ba), 또는 란 탄(lanthanum) 그룹 금속(예를 들면 La,Ce 등), 안정된 질산염(예를 들면, 알카리 메탈, 알카리 토류 금속 및/또는 희토류 금속)을 형성하는 요소들, 또는 그러한 요소들의 조합을 포함하는 화합물을 포함한다.
연료-희박 모드에서, 배기중의 NOx는 산화되고, LNT 촉매 상에 질산염으로서 저장된다. 상기 저장된 NOx는 촉매 온도 및 촉매 형성에 따라서 연료- 풍부 및 연료-희박 조건들 모두에서 배출될 수 있다. 예를 들면, 바륨은 NOx 저장 촉매 내에서 통상적으로 사용되는 성분이다. 바륨 질산염은 연료-희박 배기 내에서 대략 600℃ 까지의 온도에서는 안정하다. 그러나, 바륨 질산염은 연료-풍부 배기 내에서 250℃ 의 낮은 온도에서는 분해하여 NOx를 배출할 것이다. 따라서, 희박 연소 엔진에 대한 통상적인 작동 조건하에서, LNT는 희박 모드 도중에 NOx를 배출하지 않을 것이며, 그 이유는 배기 온도가 전형적으로 600℃ 이하이기 때문이다. 상기 배출된 NOx는 상기 LNT가 그것의 작동 온도 범위 예를 들면 250-550℃에 도달하기 전에, 연료-희박 배기 또는 연료-풍부 배기 내에 NOx를 남길 것이다. 그리고, 상기 배출된 NOx는 상기 LNT가 그 작동 온도에 도달하면, 풍부한 배기 내에서 LNT에 의하여 N2로 변환될 것이다.
상기에서는 본 발명을 일반적으로 설명하였지만, 이하에서는 특정 예들을 들어서 보다 명확하게 이해되도록 설명될 것이며, 이러한 예들은 단지 예시를 위한 것으로서 특별하게 명시되지 않는 한, 본 발명이 이들에 모두 포함되고 이들로 한정되려고 하는 의도는 아닌 것이다.
이하에서 도표 1은 예시적인 예들의 실험 조건들을 도시하고 있다. 전체 유 량은 6리터/분이었다.
도표 1
공급 성분
희 박 풍 부
O2 10% 0
CO 0 3.6%
NO 250 ppm 0 또는 60 ppm
H2 0 1.2%
HC 0 200 ppm
H2O 5% 5%
CO2 5% 5%
예 1
도 2에는, 150℃에서의 저장성능 측정 도중에 NO의 250ppm을 함유하는 연료-희박 공기 공급 상태의 주 LNT의 출구에서의 NOx 농도 곡선이 도시되어 있다. 시간 0에서, 가스 흐름은 NO를 포함하지 않는 연료-풍부 공급으로부터 대략 250 ppm의 NO를 함유하는 연료-희박 공기 공급으로 절환되었다. 상기 출구 NOx 농도와 상기 입구 NOx 농도(250 ppm) 사이의 차이는 화학 발광 NOx 분석기로 측정되었으며, 촉매에 의해서 흡수된 NOx 량에 해당한다. 브랭크 근청석(blank cordierite) 샘플이 사용되어 흐름 동역학(flow dynamics)에 대한 교정이 이루어졌다. 상기 브랭크 근청석 이후의 출구 NOx 농도와 촉매 사이의 차이를 시간으로 통합하여(integrating) 촉매에 의해서 흡수된 총 NO 량, 즉 저장 성능을 산출한다.
대략 200 초 후에, 상기 출구 NOx 농도는 유입 NOx 농도에 근접하였지만, 도달하지는 못하였고, 상기 출구 NOx는 거의 250ppm에 도달하였다. 이러한 결과는 비록 대부분의 NOx 저장이 첫번째의 200초의 측정 내에 완료되었지만, 상기 200 초가 지나간 후 비록 보다 늦은 NOx의 저장 공정이 지속적으로 일어나더라도, 부가적으로 이루어졌다는 것을 제안한다. 비록 이론적으로 속박되기를 원하지 않을지라도, 이러한 부가적인 저장 공정은 알루미나 지지대상의 NOx 흡수에 기인하여 이루어질 수 있다. 그러나, 이것은 보다 늦은 공정이기 때문에, LNT의 능력에 있어서 엔진의 저온 시동 도중에 엔진 배기 흐름으로부터 NOx를 제거하는 데에 상대적으로 미미한 역할을 한다.
흡수된 NOx의 추정량을 사용하여, 보다 늦은 NOx 흡수로부터의 기여분은 배제하고, 상기 저장 성능이 대략 0.6 그램 NO/L 촉매로 계산되었다. 한편, FTP(미국 연방 시험 공정) 구동 싸이클 도중에, 4.9L 엔진에 대한 저온 시동(예를 들면 대략 200℃ 이하) 도중의 축적 NOx 엔진 배출량은 대략 0.1-0.2 그램으로 결정되었다(도 3 참조). 도 3에 도시된 바와 같이, 현저한 NOx 배출이 상기 LNT의 저장 성능의 대략 50% 가 소모된 때인, 단지 첫번째 50초의 측정 후에야 개시되었다. 이는 상당한 크기의 LNT(예를 들면 1 리터보다 큰 것)는 저온 시동 도중에 엔진 배기로부터 NOx 배출을 제거하기 위한 충분한 저장 성능을 가질 수 있다는 것을 나타낸다. 그러나, 상기 LNT는 많은 량의 NOx 배출을 회피하기 위하여 최초의 저장 성능의 50% 보다 크게 유지하는 것이 바람직하다.
예 2
도 4에는, 연료-희박 공급상태에서 150℃에서의 저장성능 측정과 후속적인 600℃까지의 온도 상승 도중의 배출 NOx 농도가 도시되어 있다. 상기 연료-희박 배기 공급의 성분이 상기 도표 1에 기재되어 있다. 상기 근접-결합형 LNT 가 150℃에 서 NOx로 포화된 후, 그 온도가 점차 600℃로 증가되었다. 이러한 가열 도중에, 부가적인 NOx 저장이 대략 250℃에서의 작은 흡수 피크와 함께 일어났으며, 후속적으로 대략 330℃에서 보다 큰 흡수 피크가 이루어졌다. 비록 이론적으로 속박되기를 원치 않지만, 250℃에서의 상기 작은 흡수 피크는 촉매에서의 미세한 저장 성분에 기인하는 것이고, 330℃에서의 보다 큰 흡수 피크는 바륨 질산염의 형성에 기인한 것일 수 있다. 350℃에서, 상기 LNT가 저장된 NOx를 배출하기 시작하였다. 도 4에 도시된 바와 같이, NOx의 피크 배출은 대략 420℃에서 일어났다. 대략 600℃에서, 상기 배출 NOx 농도는 유입 NOx 농도의 수준으로 복귀하였고, 상기 LNT는 더 이상 600℃에서 NOx를 저장하거나 배출하지 않는 것을 나타냈다. 600℃에서의 동등한 유입/배출 NOx 농도는 상기 LNT의 NOx 저장 성능이 연료-희박 배기 중에서 열적으로 재생될 수 있다는 것을 나타낸다.
LNT들이 고온 재생 후 그들의 저장 성능을 회복한다는 것을 증명하기 위하여, 상기 LNT가 대략 250 ppm의 NO를 포함하는 연료-희박 배기 내에서 150℃로 냉각되었고 뒤이어 600℃에서 재생되었다(도 4 참조). 비록 상기 LNT가 완전히 재생되었더라도, 그것의 저장 성능은 대략 350-500℃의 온도 범위 내에서 냉각 공정 도중에 완전히 소모되었다는 것이 판명되었다. 따라서, 저장 성능은 150℃에서 거의 남아 있지 않았다. LNT의 NOx 저장 성능을 유지하기 위하여, 상기 LNT들은 연료-희박 가스 흐름 내에서의 고온의 열 재생 후에 NOx 없는 가스 흐름 내에서 바람직하게 냉각되었다.
상기에서 본 발명은 특정 실시 예에 관련하여 설명되었다. 본 발명은 상기에 서 바람직한 실시 예에 관련하여 설명되었지만, 당업자들에게 알려진 다양한 많은 변형물들이 상기의 기재내용으로부터 선택될 수 있다. 본 발명은 첨부된 특허청구범위에 기재된 내용들과 그 균등물들을 모두 포함하는 것이고, 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니다.

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  13. 제 1 희박 NOx 트랩을 저장된 질산염(nitrates)이 분해되어 방출되는 온도로 가열하는 단계;
    상기 제 1 희박 NOx 트랩을 NOx를 포함하지 않는 환경에서 냉각하는 단계;
    기상 흐름(gaseous stream)을 상기 제 1 희박 NOx 트랩에 통과시키는 단계; 및
    상기 가스 흐름을 제 2 희박 NOx 트랩을 통하여 통과시키고, 상기 제 2 희박 NOx 트랩이 상기 제1 희박 NOx 트랩으로부터 배출된 NOx를 저장하도록 하는 단계;를 포함하는 NOx의 N2로의 환원을 촉매작용 시킬 수 있는 촉매 및 NOx를 질산염으로 저장하는 화합물을 포함하는 희박 NOx 트랩들을 사용한 가스 흐름부터 NOx의 선택적 제거 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 기상 흐름을 250℃ 미만의 온도에서 상기 제 1 희박 NOx 트랩에 통과시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 기상 흐름을 50-150℃의 온도에서 상기 제 1 희박 NOx 트랩에 통과시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 가열단계에서 온도는 대략 600℃ 임을 특징으로 하는 방법.
  17. 제13항에 있어서, 상기 기상 흐름을 200℃ 미만의 온도에서 상기 제 1 희박 NOx 트랩에 통과시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
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  21. 제1 희박 NOx 트랩(LNT)과 제2 희박 NOx 트랩(LNT)을 통하여 연속적으로 배기 흐름을 통과시키는 단계를 포함하며, 여기서, 상기 희박 NOx 트랩들은 N2 로의 NOx 환원을 촉매작용시킬 수 있는 촉매와 NOx를 질산염으로서 저장할 수 있는 화합물들을 포함하며; 그리고,
    추가로 상기 제1 LNT에서의 촉매가 N2 로의 NOx의 환원을 촉매작용시키는 촉매 온도 이하의 온도에서 상기 제1 LNT 내에서 NOx를 질산염으로서 저장하는 단계;를 포함하는 엔진의 저온 시동도중에 내연 엔진의 배기 흐름으로부터 NOx의 선택적 제거 방법.
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  23. 제21항에 있어서, 상기 제 1 LNT의 온도가 상기 촉매 온도에 도달한 때, 화학량론적(stoichiometric) 또는 연료-풍부 엔진의 작동 조건하에 상기 제1 LNT 내에서 N2 로의 저장된 NOx의 환원을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제21항에 있어서, 상기 제1 LNT가 상기 저장된 NOx를 배출하는 온도에 도달한 때 연료-희박 조건하에 상기 제2 LNT에서 NOx를 질산염으로서 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. NOx를 포함하는 배기 흐름을 형성하도록 엔진을 작동하는 단계;
    엔진으로부터 제1 LNT와 제2 LNT를 통하여 연속적으로 NOx를 포함하는 상기 배기 흐름을 통과시키는 단계;
    상기 엔진을 정지(shut-off)하는 단계; 및
    상기 엔진을 정지한 후에, 저장된 NOx가 배출되는 온도로 가열하여 상기 제1 LNT를 재생시키는 단계;를 포함하며,
    상기 LNT들은 N2 로의 NOx 환원을 촉매작용시킬 수 있는 촉매와, NOx를 질산염으로서 저장할 수 있는 화합물들을 포함하는 내연 엔진을 갖는 차량의 저온 시동으로부터 정지까지의 작동 도중에 대기로 배출된 총 NOx의 감소방법.
  26. 제25항에 있어서, 풍부 및 희박 연료의 교호 싸이클(alternating cycle) 로서 상기 내연 엔진을 작동시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  27. 제25항에 있어서, 상기 제1 LNT를 재생시키는 단계는 600℃로 가열함을 특징으로 하는 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 가열은 대략 30초동안 행함을 특징으로 하는 방법.
  29. 제25항에 있어서, 상기 LNT를 NOx를 포함하지 않는 환경에서 냉각하는 단계를 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법.
  30. 제25항에 있어서, 상기 엔진은 디젤 엔진임을 특징으로 하는 방법.
  31. 제25항에 있어서, 상기 엔진은 가솔린 엔진임을 특징으로 하는 방법.
  32. 엔진으로부터 제1 LNT와 제2 LNT를 통하여 연속적으로 NOx를 포함하는 배기 흐름을 통과시키는 단계를 포함하며, 여기서, 상기 LNT들은 N2로의 NOx 환원을 촉매작용시킬 수 있는 촉매와 NOx를 질산염으로서 저장할 수 있는 화합물들을 포함하며; 그리고,
    연료 희박 배기 존재하에 상기 화합물이 NOx를 배출하는 온도 보다 높은 온도로 상기 화합물을 가열하여 저장된 NOx가 배출되도록하여 상기 제1 LNT를 재생시키는 단계;를 포함하는 내연 엔진을 갖는 차량의 저온 시동으로부터 정지까지의 작동 도중에 대기로 배출된 총 NOx의 감소방법.
  33. 제32항에 있어서, 풍부 및 희박 연료의 교호 싸이클(alternating cycle)로 상기 내연 엔진을 작동시키는 단계를 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법.
  34. 제32항에 있어서, 상기 가열은 상기 엔진을 정지한 후에 행함을 특징으로 하는 방법.
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