KR100857511B1 - 바이패스관을 이용한 질소산화물 저감장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기관에 바이패스관을 설치하고 상기 바이패스관 내에 환원제의 투입 및 전기히터의 설치를 통하여, 배기가스의 온도와 무관하게 질소산화물을 저감할 수 있는 질소산화물 저감장치에 관한 것으로, 배기관 일측에 설치되어 배기가스 중의 일부를 바이패스시키는 바이패스관; 상기 바이패스관 내에 설치되는 전기히터; 상기 전기히터의 전방에 설치되어 환원제를 공급하는 환원제 투입기; 상기 배기관 내에서 상기 바이패스관보다 후방에 설치되는 환원촉매담체; 및 상기 환원촉매담체의 후단에 설치되어 상기 환원촉매담체를 통과한 미반응상태의 환원제를 제거하는 슬립담체를 포함한다.
질소산화물, 담체, 환원, 환원제

Description

바이패스관을 이용한 질소산화물 저감장치{NOx reducing device using bypass tube}
도 1은 본 발명의 실시예1에 따른 질소산화물 저감장치의 개략도이다.
도 2는 도 1의 질소산화물 저감장치에 사용된 전기히터의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예2에 따른 질소산화물 저감장치의 개략도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 배기관 20: 바이패스관
40: 환원제 투입기 50: 전기히터
51: 파형박판 52: 평박판
53: 전단부 54: 후단부
60: 환원촉매담체 70:슬립담체
81: 온도센서 82: 전단압력센서
83: 후단압력센서
본 발명은 전기히터를 이용한 질소산화물 저감장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배기관에 바이패스관을 설치하고 상기 바이패스관 내에 환원제의 투입 및 전기히터의 설치를 통하여, 배기가스의 온도와 무관하게 질소산화물을 저감할 수 있는 질소산화물 저감장치에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 동력을 발생시키는 내연기관에서는 연료의 연소시 많은 양의 유해배기가스가 배출되어 이를 저감하는 목적으로 촉매 등이 사용되고 있다.
촉매는 주로 세라믹 계통의 담체 위에 코팅되어 유해 배기가스를 무해한 이산화탄소 등으로 전환하는 역할을 하고 있다.
그러나, 세라믹 계열은 차량의 진동이나 충격, 또는 화학반응 중에 촉매활성화 및 산화반응 과정 중에 동반되는 발열반응 등에 의해 열충격 등에 의해 파손되는 경우가 빈번하였다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 세라믹(주로 코디어라이트)담체에 귀금속촉매를 코팅하여 사용하는 촉매 대신 금속담체에 코팅하여 사용하는 방법이 등장하게 되었다.
금속담체는 기존의 세라믹과 같이 허니컴 구조로 되어 있으며, 세라믹과 마찬가지로 촉매코팅하여 사용한다.
금속담체는 기본적으로 세라믹 담체와 구조적으로 유사하나 기존의 단점이었던 열적 기계적 충격에 매우 강한 면을 지니고 있다. 특히, 이러한 장점으로 배기 가스의 온도와 유량이 매우 높은 이륜차 등에 상용화되어 사용되고 있다.
이러한 금속담체에 환원촉매를 코팅하여 자동차의 배기관에 설치하고, 상기 환원촉매의 전단에 환원제를 공급하는 환원제 공급수단을 설치하여 배기가스 중 질소산화물을 저감시키는 장치로 활용되고 있다.
이 때, 상기 환원제 공급수단은 우레아를 공급하는 장치와, 저온에서 우레아를 배기가스 내의 수증기와 접촉시켜 암모니아로 개질시키는 반응을 도와주는 가수촉매장치를 포함하는 것이 일반적이다.
따라서, 종래의 기술은 배기가스의 온도에 의해 우레아를 암모니아로 개질시키므로 배기가스의 온도가 낮은 경우 환원제의 공급량이 적게 되어 질소산화물의 환원시키는 효율이 낮아지게 된다.
상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 배기관에 바이패스관을 설치하고 상기 바이패스관 내에 환원제의 투입 및 전기히터의 설치를 통하여, 배기가스의 온도와 무관하게 질소산화물을 저감할 수 있는 질소산화물 저감장치를 제공하는 데에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 배기관 일측에 설치되어 배기가스 중의 일부를 바이패스시키는 바이패스관; 상기 바이패스관 내에 설치되는 전기히 터; 상기 전기히터의 전방에 설치되어 환원제를 공급하는 환원제 투입기; 상기 배기관 내에서 상기 바이패스관보다 후방에 설치되는 환원촉매담체; 및 상기 환원촉매담체의 후단에 설치되어 상기 환원촉매담체를 통과한 미반응상태의 환원제를 제거하는 슬립담체를 포함하는 질소산화물 저감장치이다.
상기 환원제 투입기는 상기 전기히터 전단면에 환원제를 분사하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 전기히터는 파형판과 평박판이 교대로 적층되어 형성된 것을 특징으로 한다.
또, 상기 전기히터는 환원촉매가 도포된 것을 특징으로 한다.
또, 상기 전기히터의 전반부는 배기가스를 산화시키는 산화촉매가 도포되고, 상기 전기히터의 후반부는 환원촉매가 도포된 것을 특징으로 한다.
또, 상기 전기히터의 전반부의 셀수는 상기 전기히터의 후반부의 셀수보다 큰 것을 특징으로 한다.
또, 상기 환원촉매는 제올라이트 계열 또는 바다니아 계열의 촉매인 것을 특징으로 한다.
또, 상기 환원제는 우레아인 것을 특징으로한다.
또, 상기 슬립담체에 도포되는 촉매 및 상기 산화촉매는 주원료가 백금인 것을 특징으로 한다.
또, 상기 배기관에 상기 바이패스관보다 전단으로 온도센서 및 전단압력센서가 설치되고, 상기 배기관에 상기 슬립담체보다 후단으로 후단압력센서가 설치되 며, 상기 온도센서와 상기 전단압력센서와 상기 후단압력센서와 전기적으로 연결되는 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 온도센서에 의해 검출된 온도와 상기 전단압력센서와 상기 후단압력센서에 의해 검출된 압력차에 의해 배기가스의 유량을 계산하여 상기 전기히터의 열량을 제어하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예1에 따른 배기관(10) 내에 설치되는 질소산화물 저감장치의 개략도이다.
상기 질소산화물 저감장치는 전기히터(50)와 환원제 투입기(40)를 가지며 배기관(10)에 연결되는 바이패스관(20)과, 상기 배기관(10) 내에서 상기 바이패스관(20)의 후단에 설치되는 환원촉매담체(60)와, 상기 배기관(10) 내에서 상기 환원촉매담체(60)의 후단에 설치되는 슬림담체(70)를 포함하여 구성된다.
상기 바이패스관(20)은 상기 배기관(10) 내에 흐르는 배기가스 중 일부만을 바이패스시켜서, 상기 배기가스 내에 환원제를 활성화시킨 상태로 공급하는 역할을 한다.
상기 바이패스관(20) 내에 설치되는 전기히터(50)는 금속박판을 적층하여 다 수의 셀을 가지도록 한 구조이며, 예를 들어 허니컴 구조를 가질 수 있다.
특히, 상기 전기히터(50)는 도 2에 도시된 바와 같이, 파형박판(51)과 평박판(52)을 교대로 적층하여 형성될 수 있다. 따라서, 상기 전기히터(50)는 배기가스와의 접촉면적을 크게 늘릴 수 있다.
상기 파형박판(51)과 상기 평박판(52)의 접합은 땝납제(filler)를 도포한 상태에서 진공로 등에서 브레이징(brazing)하여 이루어진다.
그리고, 상기 전기히터(50)의 직경을 상기 배기관(10)의 직경 이하로 하는 경우에, 질소산화물과의 접촉면적의 손실을 줄이기 위해 상기 전기히터(50)의 길이를 길게 형성할 수 있다.
또한, 상기 전기히터(50)의 직경을 상기 배기관(10)의 직경 이하로 하여, 기존의 차량에 질소산화물 저감장치를 설치할 경우 설치공간의 확보를 용이하게 할 수 있으며, 새로운 차량의 제작시에는 질소산화물 저감장치를 포함시키는 데 있어 장소적 제약이 적어서 설계에 유연성을 부여할 수 있다.
상기 전기히터(50)는 공급되는 환원제를 가열하여, 상기 환원제가 질소화합물과 쉽게 반응할 수 있는 활성화에너지를 제공하는 역할을 한다.
또한, 상기 전기히터(50)에는 환원촉매가 코팅되어 상기 환원제와 상기 배기관(10)으로부터 공급되는 배기가스 중에 포함된 질소산화물을 일부 환원시켜 제거하는 역할을 할 수 있다.
상기 환원촉매로는 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 티타니아(TiO2), 세리 아(CeO2), 지르코니아(ZrO2) 또는 제올라이트를 사용할 수 있으며, 2종 이상을 혼합하여 사용하여도 된다.
상기 환원제 투입기(20)는 상기 전기히터(50)의 전단면을 향하여 환원제를 공급하여야 하므로, 상기 환원제 투입기(20)의 단부의 방향은 상기 배기관(10)의 길이방향과 평행하게 하는 것이 바람직하다.
또, 상기 환원제 투입기(20)는 상기 전기히터(50)의 전단면에 환원제를 고르게 분사시키는 것이 바람직하며, 따라서, 상기 환원제 투입기(20)의 단부에는 공지의 노즐을 설치할 수 있다.
상기 환원제 투입기(20)에 공급되는 환원제로는 우레아(요소수용액)를 사용할 수 있다.
상기 환원촉매담체(60)에는 상기 환원촉매가 도포되어, 배기가스 중의 질소산화물과 상기 바이패스관(20)을 통해 공급되는 환원제를 반응시켜 상기 질소산화물을 제거하는 역할을 한다.
상기 환원촉매로는 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 티타니아(TiO2), 세리아(CeO2), 지르코니아(ZrO2) 또는 제올라이트를 사용할 수 있으며, 2종 이상을 혼합하여 사용하여도 된다.
상기 환원촉매담체(60)의 후단에 위치한 슬립담체(70)는 상기 환원촉매담체(60)를 통과한 후에도 질소산화물과 반응하지 않은 환원제를 제거하는 역할을 한다.
상기 슬립담체(70)는 금속박판을 여러 층 적층한 구조로, 허니컴 구조 등이 사용될 수 있으며, 상기 슬립담체에 도포되는 촉매는 Pt, Pd, Ir, 및 Rh로 이루어진 군에서 1종이상이 선택되나 Pt 또는 Pd가 보다 바람직하다.
다음으로, 상기 전기히터(50)의 열량을 제어하기 위해 상기 전기히터(50)에 공급되는 전기에너지를 도시되지 않은 제어부에 의해 제어한다.
또, 상기 바이패스관(10)의 전단부의 배기관(10)에 배기가스의 온도 및 압력을 측정할 수 있는 온도센서(81)와 전단압력센서(82)를 설치하고, 상기 슬립담체(80)의 후단부에 압력을 측정할 수 있는 후단압력센서(83)를 설치한다.
따라서, 상기 제어부는 상기 온도센서(81)에 의해 검출된 온도와 상기 전단압력센서(82)와 상기 후단압력센서(83)에 의해 검출된 본 발명의 질소산화물 저감장치의 전후단의 압력차에 의해 배기가스의 유량을 계산하여 상기 전기히터(50)에 공급되는 전류량을 제어한다.
즉, 상기 배기가스의 유량이 증가하면, 상기 배기가스 내에 포함되는 질소산화물의 양도 증가하게 되므로, 상기 제어부는 이러한 배기가스의 유량을 체크하여 상기 전기히터(50)에 공급되는 전류량을 증가시킨다.
도 3은 본 발명의 실시예2에 따른 배기관(10) 내에 설치되는 질소산화물 저감장치의 개략도이다.
실시예2는 실시예1과 달리 전기히터가 전단부(53)와 후단부(54)로 구분된다.
상기 전단부(53)에는 산화촉매가 도포되고, 후단부(54)에는 환원촉매가 도포 된다. 상기 산화촉매로는 백금이 사용될 수 있으며, 상기 환원촉매는 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 티타니아(TiO2), 세리아(CeO2), 지르코니아(ZrO2) 또는 제올라이트를 사용할 수 있으며, 2종 이상을 혼합하여 사용하여도 된다.
따라서, 실시예2에서는 미연소된 배기가스를 완전연소시켜 CO 등의 오염물질을 줄이고, 상기 연소에 의한 연소열의 발생으로 인하여 전기히터(50)에 공급되는 전기에너지를 절감할 수 있다.
또한, 이 경우 상기 환원촉매담체(60)이 설치되어 있으므로, 상기 후단부(54)의 질소산화물의 환원용량은 상기 환원촉매담체(60)보다 적으며, 따라서 상기 후단부(54)의 셀 수는 상기 전단부(53)의 셀수보다 작을 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 배기가스 일부를 바이패스하여 그 전단에 환원제를 분사하는 방식을 사용하게 되면, 높은 배기 유량에서 전기히터 발열을 위한 에너지를 최소화할 수 있다.
또한, 전기히터 전단에 환원제 분사를 통하여 전기히터로 가열된 환원제를 환원촉매 주담체에 공급할 수 있어 담체의 환원제 선택성을 극대화하여 저온에서 질소산화물의 저감성능이 유지된다.

Claims (11)

  1. 배기관 일측에 설치되어 배기가스 중의 일부를 바이패스시키는 바이패스관;
    상기 바이패스관 내에 설치되는 전기히터;
    상기 전기히터의 전방에 설치되어 환원제를 공급하는 환원제 투입기;
    상기 배기관 내에서 상기 바이패스관보다 후방에 설치되는 환원촉매담체; 및
    상기 환원촉매담체의 후단에 설치되어 상기 환원촉매담체를 통과한 미반응상태의 환원제를 제거하는 슬립담체를 포함하고,
    상기 전기히터는 환원촉매가 도포된 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 환원제 투입기는 상기 전기히터 전단면에 환원제를 분사하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전기히터는 파형판과 평박판이 교대로 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 전기히터의 전반부는 배기가스를 산화시키는 산화촉매가 도포되고, 상기 전기히터의 후반부는 환원촉매가 도포된 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전기히터의 전반부의 셀수는 상기 전기히터의 후반부의 셀수보다 큰 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감장치.
  7. 제1항 또는 제5항에 있어서, 환원촉매는 제올라이트 계열 또는 바나디아 계열의 촉매인 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 환원제는 우레아인 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 슬립담체에 도포되는 촉매는 주원료가 백금인 것을 특 징으로 하는 질소산화물 저감장치.
  10. 제5항에 있어서, 상기 산화촉매는 주원료가 백금인 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 배기관에 상기 바이패스관보다 전단으로 온도센서 및 전단압력센서가 설치되고, 상기 배기관에 상기 슬립담체보다 후단으로 후단압력센서가 설치되며, 상기 온도센서와 상기 전단압력센서와 상기 후단압력센서와 전기적으로 연결되는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 온도센서에 의해 검출된 온도와 상기 전단압력센서와 상기 후단압력센서에 의해 검출된 압력차에 의해 배기가스의 유량을 계산하여 상기 전기히터의 열량을 제어하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 저감장치.
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