KR100959318B1 - 배기가스 공급류 내의 ＮＯｘ를 선택적으로 환원시키는방법 및 장치 - Google Patents

배기가스 공급류 내의 ＮＯｘ를 선택적으로 환원시키는방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

내부 연소 엔진의 NOx 배출물을 선택적으로 환원시키기 위한 방법 및 장치가 기재되어 있다. 배기가스 후처리 시스템에는 은-알루미나 촉매 반응 장치의 상류에 탄화수소 환원제를 투입하도록 작동되는 주입 장치가 포함된다. 조절 시스템은 배기 가스 공급류의 선택된 파라미터를 기초로 하여 NOx 농도 및 탄화수소/NOx 비율을 결정하고, 희박 엔진 작동 중에 탄화수소 환원제를 투입한다. 희박 작동 중의 공급류의 성분을 조절하는 방법이 포함된다. 상기 탄화수소 환원제는 엔진 연료를 포함할 수 있다.
Figure R1020070095622
내부 연소 엔진, NOx환원, 탄화수소 환원제

Description

배기가스 공급류 내의 ＮＯｘ를 선택적으로 환원시키는 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS TO SELEXTIVELY REDUCE NOx IN AN EXHAUST GAS FEEDSTREAM}
미국 정부는 이 발명에 대해 지불된 라이센스(paid-up license) 및 일정한 상황에서 미국 에너지청에 의해 재정된 DE-FC26-02NT41218의 조항에 의해 규정된 바와 같은 타당한 조건으로 특허권자에게 다른 사람에게 라이센스할 것을 요구할 수 있는 권리를 갖는다.
이 발명은 일반적으로, 내부 연소 엔진용 배기가스 후처리 시스템에 관한 것이다.
내부 연소 엔진의 제작자들은 소비자의 요구를 만족시키고, 배기 가스 및 연비에 대한 다양한 규정에 대처하는 엔진 조절 방법(engine control strategy)을 개발한다. 이러한 엔진 조절 방법은 연비를 향상시키고, 온실 가스 배출을 감소시키기 위해 화학양론보다 희박한 공연비(air/fuel ratio)에서 엔진을 작동시키는 것을 포함하여 이루어진다. 이러한 작동은 압축 점화(디젤) 및 고 연비의 불꽃 점화 엔진을 사용하여 할 수 있다. 희박한 공연비(과량의 산소)에서 엔진을 작동시키면, 반응물 연소 온도가 낮아져, 엔진 아웃(engine-out) NOx 배출물의 환원을 가져온다; 그러나 희박 배기 조건(lean exhaust condition) 하에서 NOx를 제거하는 효율적인 방법이 없어 희박-작동 엔진(lean-operating engines)의 상업적 적용이 제한되고 있다. 따라서, 디젤 및 희박 연소 가솔린 배기 가스로부터 질소 산화물(NOx = NO + NO2)을 효율적으로 환원시키는 것은 장래의 배출 기준들에 대처하고, 자동차 연비를 향상시키는데 있어서 중요하다.
자동자 제조업자들에게 과량의 산소를 함유한 배기 가스 공급류(exhaust feedstream)로부터 NOx 배출물을 환원시키는 것은 도전 과제이다. 예로써, 미국에서 빈(Bin) 5 규정에 부합하기 위해서는 지속적으로 예견되는 엔진-아웃 NOx 수준을 기준으로 FTP(Federal Test Procedure) 사이클에서 70-90%의 NOx 전환율을 갖는 후처리 시스템이 요구된다고 여겨진다. 실질적인 적용에 있어서는 상기한 FTP 사이클 동안 발생하는 저온 작동 범위(예를 들어 200-350℃) 및 고속 시험 사이클(예를 들면, US06 연방 시험 절차)동안 발생하는 고온 작동 범위(예를 들어 450-550℃)에서 상기 전환율이 얻어져야만 한다.
자동차 산업 분야에서 몇몇의 잠재적인 후처리 시스템이 제안되어 왔다. 하나의 접근법은 NOx 환원제, 예를 들면 우레아를 우레아-SCR 촉매의 업스트림에 주입하여 NOx를 N2로 환원시키는 것을 포함하는 후처리 시스템을 포함하여 이루어진다. 환원제로서의 우레아의 사용은 우레아 분배 구조 및 이러한 제2 유체를 위한 자동차 모니터링 시스템을 필요로 하며, 우레아 용액의 상대적으로 높은 어는 점(- 12℃)으로 인해 추운 기후에서는 잠재적인 문제점을 가지고 있을 수 있다. NOx 저장 촉매들은 일반적으로 효율적인 저장 작용을 위해, 큰 촉매 부피, 다량의 플라티늄-계열 금속 및 저황 연료를 필요로 한다. 이러한 시스템에는 높은 배기가스 온도를 발생시키는 연료 주입 및 촉매의 저장 물질을 재생하는 환원제의 주입과 관련된 주기적인 촉매 재생이 요구된다.
탄화수소(HC-SCR)을 사용하는 NOx의 선택적 촉매 재생이 산소-농축 조건(oxygen-rich condition) 하에서 NOx의 제거를 위한 잠재적인 대안 방법으로써, 폭넓게 연구되어 왔다. 이온-교환된 염기 금속 제올라이트 촉매(Ion-exchanged base metal zeolite catalysts)(예를 들면, Cu-ZSM5)는 일반적인 자동차 작동 조건 하에서 일반적으로 충분한 활성이 없으며, 이산화황 및 물에 대한 노출에 의해 분해되기 쉽다. 플라티늄-계열 금속을 채용한 촉매들(예를 들면, Pt/Al2O3)은 좁은 온도 윈도우(window)에서 효과적으로 작용하며, N2O 생성에 대해 높은 선택성이 있다.
알루미나-담지 은(Ag/Al2O3)을 사용하는 촉매 장치는 희박 배기 조건 하에서, 매우 다양한 탄화수소 종과 함께 NOx를 선택적으로 환원시킬 수 있기 때문에, 주목을 받고 있다. Ag/Al2O3 상에서 부분적으로 산화된 탄화수소(예를 들면, 알코올)을 사용하면 낮은 온도에서 NOx을 환원할 수 있다. 그러나, 이러한 환원제들은 자동자용(On-board the vehicle)으로는 사용할 수 없다. 종래의 HS-SCR은 Ag/Al2O3 상에서 환원제로 가벼운 탄화수소(예를 들면, 프로펜, 프로판) 및 더 무거운 연료 성분 탄화 수소(예를 들면, 옥탄, 데칸)을 사용해 왔다. 엔진 배기 가스 내에 연소 생성물로 존재하는 더 가벼운 탄화수소를 사용하는 NOx 환원은 고온에서 전환을 얻지만, 실제 사용에 있어서는 Ag/Al2O3 촉매가 지원자(candidates)로 여겨지므로, 상기 NO 환원은 더 낮은 온도 영역으로 이동되어야만 하고, 상기 자동차용 연료가 환원제로 사용되어야만 한다.
따라서, 자동차 및 희박-연소 내부 연소 엔진의 다른 적용처에 있어서, 배기 가스 공급류 내의 NOx를 선택적으로 환원시키는 효율적인 방법 및 장치가 요구되고 있다.
본 발명의 구현예에 따르면, 은-알루미나 촉매 반응 장치 및 상기 은-알루미나 촉매 반응 장치의 가스 공급류(FEEDSTREAM) 상류(UPSTREAM) 내로 탄화수소 환원제를 투여하도록 작동하는 장치를 포함하는 가스 후처리 시스템을 포함하는 내부 연소 엔진의 NOx 배출물을 선택적으로 환원시키는 방법 및 장치가 제공된다.
조절 시스템은 배기가스 공급류 내의 NOx 가스의 파라미터 측정을 결정하는데 적합하고; 그리고, 상기 NOx 가스들의 파라미터 측정에 기초하여, 은-알루미나 촉매 반응 장치의 가스 공급류 상류 내로 탄화 수소 환원제를 투여한다. 이는 바람직한 탄화수소/NOx 비율을 결정하는 단계; 및 바람직하게는 상기 내부 연소 엔진의 희박 작동 동안에 바람직한 탄화수소/NOx 비율에 기초하여 탄환수소 환원제를 은-알루미나 반응 장치의 배기 가스 공급류 상류에 투여하는 단계를 포함한다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 상기 배기 가스 공급류의 선택된 파라미터에 기초하여 바람직한 탄화 수소/NOx 비율을 결정하는 단계를 포함하는, 희박 작동 동안, 내부 연소 엔진의 배기 가스 공급류의 성분들을 선택적으로 조절하는 방법을 포함한다. 탄화수소 환원제는 은-알루미나 촉매 반응 장치의 배기 가스 공급류 상류 내로 투여된다. 바람직한 탄화수소/NOx 비율에는 선택된 파라미터에 기초하여 은-알루미나 촉매 반응 장치를 통과하는 배기 가스 공급류의 NOx의 농도를 낮추도록 최적화된 HC1/NOx 농도가 포함된다. 상기 배기가스 공급류의 선택된 파라미터들에는 은-알루미나 촉매 반응 장치의 입구 온도, 물질 전달 속도, NOx 농도 및 산소 농도가 포함된다. 상기 방법은 외부 장치 또는 엔진 조절 방법으로부터 발생되는 은-알루미나 촉매 반응 장치의 배기 가스 공급류 상류 내로 다량의 수소를 투여하는 단계를 선택적으로 포함한다. 상기 탄화수소 환원제는 엔진 연료를 더 포함한다.
본 발명의 상기 측면 및 다른 측면은 하기한 구현예의 상세한 설명을 읽고 이해함으로써, 당해 발명의 숙련자들에게 명확해지리라고 여겨진다.
상기 도면과 관련하여, 도시된 것들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 도시된 것과 동일한 것으로 제한하려는 목적은 없고, 희박 작동 동안 내부 연소 엔진의 배기 가스 공급류 내의 NOx 농도를 선택적으로 환원시키기 위하여, 바람직하게는 자동차 조절 모듈 내의 조절 알고리즘으로 작용하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 배기 가스 공급류 내의 NOx 가스의 파라미터 값을 측정하는 단계 및 상기 배기 가스 공급류의 파라미터들을 기초로 하여 바람직한 탄화수소 /NOx 비율을 결정하는 단계를 포함한다. 그를 통해 탄화수소의 슬립(slip)을 제한하는 한편, 탄화수소-계열 환원제, 예를 들면 연료를 선택적으로 은-알루미나 촉매 반응 장치의 배기 가스 공급류 상류 내로 선택적으로 투입하여, 거기서 NOx를 환원을 일으킨다. 바람직한 탄화수소/NOx 비율에는 상기 언급한 선택된 파라미터에 기초하여 은-알루미나 촉매 반응 장치의 배기 가스 공급류 내의 NOx 농도의 감소를 가져오기 위해 최적화된 HC1/NOx 비율이 포함된다. 배기 가스 공급류의 파라미터들에는 바람직하게는 촉매의 온도, 배기 가스 공급류의 물질 전달 속도 및 배기 가스 공급류 내의 NOx 및 산소의 농도가 포함된다. 본 발명의 추가적인 구현예는 은-알루미나 촉매 반응 장치의 배기 가스 공급류 상류 내로 다량의 수소를 투입하는 단계를 포함할 수 있다. 본 발명의 추가적인 구현예는 은-알루미나 촉매 반응 장치의 배기 가스 공급류 상류 내의 산소를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
예시적인 은-알루미나('Ag-Al') 촉매 반응 장치는 촉매 물질로 은 알루미나를 사용하고, 알루미나에 담지된 2 중량%의 Ag2O를 포함하는 촉매 장치를 포함하며, 그 결과는 도 1 -15에 도시되어 있다. 상기 촉매 물질은 코디어리트 모노리스 기판(cordierite monoilth substrate) 스퀘어 인치(squre inch) 당 400 셀씩 담지된다. 상기 촉매 장치는 시험 전에 공기와 10% 물을 채용하여, 650℃에서 16시간 동안 열수 작용으로 숙성된다. 상기 촉매 장치에 대한 상세한 설명은 본 명세서에 기재된 조절 방법을 설명하기 위한 예시를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 특정한 적용처의 세부 사항에 따라 다른 은-함유 촉매 장치가 사용될 수 있다. 후술할 바와 같이, 다른 워시코트(washcoat) 로딩(loading) 및 은 로딩이 검토되었으며, 조절 방법의 세부 사항에 영향을 미쳤다. 은('Ag') 로딩은 증가된 분산력에서 기인하는 것처럼, NOx 전환율을 더 높게 향상시키는 은 로딩의 범위(일반적으로 1-3 중량% 부근, 최적값은 2 중량% 부근)와 함께 NOx 환원 및 촉매 성능에 영향을 미치는 중요한 파라미터로 나타났다.
도 1-19와 관련하여, 상기 예시적인 Ag-Al 촉매의 상류(upstream)에 HC 연료를 선택적으로 주입함으로써 상기 방법의 측면들을 수행함으로써 얻어지는 결과들을 포함하는, 도시된 데이타 그래프들이 나타나 있다. 상기 데이타 그래프에 도시된 결과들은 시험용 디젤 엔진을 사용하는 실험실 반응기와 함께, 시험용 배기 가스 공급류를 코디어라이트 모노리스 기판 스퀘어 인치 당 400셀이 적용된 Ag-Al 촉매 시료 위로 흘려보내는 실험실 반응기(laboratory reactor)를 사용하여 측정되었다. 후처리 시스템에는 배기가스 내에 산소 농도를 측정하는 마그네트-뉴매틱 배기 가스 분석기(magneto-pnematic exhaust gas analyzer), 상기 예시적인 촉매로 유입 및 유출되는 NOx 농도 수준을 측정하는 푸리에 변환 적외선 분광기 및 촉매 공간 속도(space velocity, SV)로 변환 가능한 배기 가스 흐름 속도를 측정하는 유량계(flow meter)를 포함하는 적당한 센서를 장착한다. 공간 속도는 배기 가스의 공급 속도를 촉매의 단위 부피당 부피로 나타낸 것이며, 시간의 역수(inverse time) 단위를 갖는다.
기준 실험실 조건(baseline laboratory condition)에는 상기 시험용 배기가스 공급류 내의 다음 표준 기체들이 포함된다 : 10%의 O2, 5%의 CO2, 5%의 H2O, 750 백만분율(이하 'ppm')의 CO 및 250ppm의 H2. 모든 실험실 반응기 작업에서 NOx 반응물로 사용되는 상기 시험용 디젤 엔진 혼합물은 n-도데칸(67 부피%, 긴 사슬 알칸)과 m-자일렌(33 부피%, 방향족)의 부피 혼합물로 이루어진다. 공간 속도의 효과, NO 또는 NO2와 같은 NOx 및 O2, NOx, H2 및 HC의 농도 효과가 촉매 입구 온도의 함수로 평가된다.
도 1은 Ag-Al 촉매 시료를 통과한 NOx 전환율을 촉매 입구 온도(C)의 함수로 도시하여 보여주는 시험 결과를 보여주는 그래프를 포함한다. 이때, SV는 10% 산소, 5% H2O, 5% CO2, 750ppm CO, 250ppm H2 , 250ppm NO 및 HC1 : NOx 비율이 약 8:1이 되도록 하는 187ppm의 시험용 디젤 연료를 포함하는 배기 가스 공급류에 대하여 12,500h-1 내지 75,000h-1의 범위이다.
도 2는 Ag-Al 촉매 시료를 통과한 NOx 전환율을 촉매 입구 온도(C)의 함수로 도시하여 보여주는 시험 결과를 보여주는 그래프를 포함한다. 이때 SV는 10% 산소, 5% H2O, 5% CO2, 750ppm CO, 250ppm H2 , 250ppm NO 및 HC1 : NOx 비율이 약 2:1 내지 12:1이 되도록 다양한 양의 시험용 디젤 연료를 포함하는 배기 가스 공급류에 대하여 5,000h-1이다.
도 3은 Ag-Al 촉매 시료를 통과한 NOx 전환율을 촉매 입구 온도(C)의 함수로 도시하여 보여주는 시험 결과를 보여주는 그래프를 포함한다. 이때 SV는 2% 내지 20% 범위의 산소, 5%의 H2O, 5% CO2, 750ppm CO, 250ppm H2 , 250ppm NO 및 HC1 : NOx 비율이 약 8:1이 되도록 하는 187ppm의 시험용 디젤 연료를 포함하는 배기 가스 공급류에 대하여 50,000h-1이다.
도 4는 Ag-Al 촉매 시료를 통과한 NOx 전환율을 촉매 입구 온도(C)의 함수로 도시하여 보여주는 시험 결과를 보여주는 그래프를 포함한다. 또한, 10% 산소, 5%의 H2O, 5% CO2, 750ppm CO, 250ppm H2 , 100ppm NO 및 HC1 : NOx 비율이 약 15:1이 되도록 하는 158ppm의 시험용 디젤 연료를 포함하는 배기 가스 공급류도 나타나있다. 이때 SV는 2% 내지 10% 범위의 산소, 5%의 H2O, 5% CO2, 750ppm CO, 250ppm H2 , 100ppm NO 및 HC1 : NOx 비율이 약 8:1이 되도록 하는 79ppm의 시험용 디젤 연료를 포함하는 배기 가스 공급류에 대하여 12,500h-1이다.
도 5는 Ag-Al 촉매 시료를 통과한 NOx 전환율을 촉매 입구 온도(C)의 함수로 도시하여 보여주는 시험 결과를 보여주는 그래프를 포함한다. 이때 SV는 2% 내지 10% 범위의 산소, 5%의 H2O, 5% CO2, 750ppm CO, 250ppm NOx(NO 또는 NO2) 및 HC1 : NOx 비율이 약 8:1이 되도록 하는 187ppm의 시험용 디젤 연료를 포함하는 배기 가스 공급류에 대하여 50,000h-1이다.
도 6은 Ag-Al 촉매 시료를 통과한 NOx 전환율을 촉매 입구 온도(C)의 함수로 도시하여 보여주는 시험 결과를 보여주는 그래프를 포함한다. 이때 SV는 60% 범위의 산소, 5%의 H2O, 5% CO2, 750ppm CO, 250 또는 400ppm의 H2, 250ppm NOx(NO 또는 NO2) 및 HC1 : NOx 비율이 약 8:1이 되도록 하는 187ppm의 시험용 디젤 연료를 포함하는 배기 가스 공급류에 대하여 50,000h-1이다.
도 7은 Ag-Al 촉매 시료를 통과한 NOx 전환율을 촉매 입구 온도(C)의 함수로 도시하여 보여주는 시험 결과를 보여주는 그래프를 포함한다. 이때 SV는 10% 산소, 5% H2O, 5% CO2, 750ppm CO, 250 또는 1000ppm의 H2, 100ppm NO 및 HC1 : NOx 비율이 약 15:1이 되도록 하는 151ppm의 시험용 디젤 연료를 포함하는 배기 가스 공급류 또는 SV가 50,000h-1이고, 10% 산소, 5% H2O, 5% CO2, 750ppm CO, 250 또는 2000ppm의 H2, 250ppm NO 및 HC1 : NOx 비율이 약 8:1이 되도록 하는 187ppm의 시험용 디젤 연료를 포함하는 배기 가스 공급류에 대하여, 25,000h-1이다.
도 8은 Ag-Al 촉매 시료에 걸친 NOx 전환율을 보여주는 시험 결과를 H2 농도의 함수로 나타낸 그래프 도면을 포함한다. 이때 SV는 10% 산소, 5% H2O, 5% CO2, 750ppm CO, 100 또는 250ppm의 NO 및 HC1 : NOx 비율을 약 8:1부터 15:1까지 변화시키는 다양한 ppm의 시험용 디젤 연료를 포함하는 배기 가스 공급류에 대하여, 12,5000 내지 50,000h-1의 범위이고, 배기 가스 온도가 250 또는 350℃이다.
도 9는 Ag-Al 촉매를 통과한 NOx 전환율을 보여주는 시험 결과를 촉매 입구 온도(C)의 함수로 나타낸 그래프 도면을 포함한다. 이때 SV는 10% 산소, 5% H2O, 5% CO2, 750ppm CO 및 250 내지 8000ppm 범위의 H2, 250ppm NO 및 HC1 : NOx의 비율이 약 8:1이 되도록 하는 187ppm의 시험용 디젤 연료를 포함하는 배기가스 공급류에 대하여, 50,000h-1이다.
도 10은 Ag-Al 촉매를 통과한 NOx 전환율을 보여주는 시험 결과를 촉매 입구 온도(C)의 함수로 나타낸 그래프 도면을 포함한다. 이때 SV는 10% 산소, 5% H2O, 5% CO2, 750ppm CO, 250ppm NO 및 HC1 : NOx의 비율이 약 8:1이 되도록 하는 187ppm의 시험용 디젤 연료를 포함하는 배기가스 공급류에 대하여, 50,000h-1이다.
도 11은 Ag-Al 촉매를 통과한 NOx 전환율을 보여주는 시험 결과를 HC1 : NOx 비율에 대한 함수로 나타낸 그래프 도면을 포함한다. 결과는 최적의 HC1 : NOx 작용 비율을 알려준다. 이때 SV는 10% 산소, 5% H2O, 5% CO2, 750ppm CO, 250 또는 0ppm H2, 25, 100 또는 250ppm NO 및 약 0 내지 25:1 범위에 있는 HC1 : NOx의 비율을 갖는 다양한 ppm의 시험용 디젤 연료를 포함하는 배기가스 공급류에 대하여, 12,500 내지 50,000h-1의 범위이고, 배기 가스 온도가 250 또는 350℃이다.
도 12는 Ag-Al 촉매를 통과한 NOx 전환율을 보여주는 시험 결과를 ppmC1으로 측정되는 시험용 디젤 연료를 포함하는 환원제 농도에 대한 함수로 나타낸 그래프 도면을 포함한다. 이때 SV는 10% 산소, 5% H2O, 5% CO2, 750ppm CO, 250 또는 0ppm H2, 25, 100 또는 250ppm NO 및 약 0 내지 25:1 범위에 있는 HC1 : NOx의 비율을 갖는 다양한 ppm의 시험용 디젤 연료를 포함하는 배기가스 공급류에 대하여, 12,500 내지 50,000h-1의 범위이고, 배기 가스 온도가 250 또는 350℃이다. 결과는 최적의 HC1 작용량을 (ppm으로 C1) 알려준다.
도 13은 Ag-Al 촉매를 통과한 NOx 전환율을 보여주는 시험 결과를 촉매 입구 온도(C)의 함수로 나타낸 그래프 도면을 포함한다. 이때 SV는 10% 산소, 5% H2O, 5% CO2, 750ppm CO, 250 내지 2000ppm 범위의 H2, 100 또는 250ppm NO 및 HC1 : NOx의 비율이 약 8:1 내지 15:1의 범위가 되도록 하는 다양한 ppm의 시험용 디젤 연료를 포함하는 배기가스 공급류에 대하여, 12,500h-1이다.
도 14는 Ag-Al 촉매를 통과한 NOx 전환율을 보여주는 시험 결과를 촉매 입구 온도(C)의 함수로 나타낸 그래프 도면을 포함한다. 이때 SV는 10% 산소, 5% H2O, 5% CO2, 750ppm CO, 250ppm H2, 25, 100 또는 250ppm NO 및 HC1 : NOx의 비율이 약 8:1 내지 28:1의 범위가 되도록 하는 다양한 ppm의 시험용 디젤 연료를 포함하는 배기가스 공급류에 대하여, 12,500h-1이다.
도 15는 Ag-Al 촉매를 통과한 NOx 전환율을 보여주는 시험 결과를 촉매 입구 온도(C)의 함수로 나타낸 그래프 도면을 포함한다. 이때 SV는 10% 산소, 5% H2O, 5% CO2, 750ppm CO, 250ppm H2, 250ppm NO 및 약 8:1의 HC1 : NOx의 비율을 포함하는 배기 가스 공급류에 대하여 50,000h-1이고, n-C8H18(n-옥탄) 및 n-C12H26(n-도데칸)을 포함하는 다른 연료 조성물이 사용된다.
도 16은 Ag-Al 촉매를 통과한 NOx 전환율을 보여주는 시험 결과를 촉매 입구 온도(C)의 함수로 나타낸 그래프 도면을 포함한다.
이 때, SV는 50,000h-1이고, 10% 산소, 5% H2O, 5% CO2, 750ppm CO, 250ppm NO를 포함하는 배기 가스 공급류를 가지며, 약 10:1의 HC1 : NOx 비율을 제공하기 위한 환원제로 250ppm n-옥탄을 사용하며, 다양한 시료에 대하여 워시코트 로딩은 1.07g/cu. in.부터 2.93g/cu. in.까지 다양하다.
도 17은 Ag-Al 촉매 시료에 대한 NOx 전환율을 보여주는 시험 결과를 산소 농도(%)의 함수로 나타낸 그래프 도면을 포함한다. 여기서, SV는 25,000h-1이고, 배기 가스 온도는 350℃이며, 2% 내지 15% 범위의 산소, 5%의 H2O, 5%의 CO2, 750ppm의 CO, 250ppm의 H2, 250ppm의 NO 및 약 8:1 내지 15:1 범위 내의 HC1 : NOx 비율을 제공하는 다양한 ppm의 시험용 디젤 연료를 포함하는 배기 가스 공급류와 함께, 상기 촉매 시료는 2 중량% Ag2O의 워시코트(washcoat) 로딩(loading)을 갖는다.
도 18은 Ag-Al 촉매 시료에 대한 NOx 전환율을 보여주는 시험 결과를 산소 농도(%)의 함수로 나타낸 그래프 도면을 포함한다. 여기서, SV는 25,000h-1이고, 배기 가스 온도는 350℃이며, 2% 내지 15% 범위의 산소, 5%의 H2O, 5%의 CO2, 750ppm의 CO, 250ppm의 H2, 250ppm의 NO 및 약 8:1 내지 18:1 범위 내의 HC1 : NOx 비율을 제공하는 다양한 ppm의 시험용 디젤 연료를 포함하는 배기 가스 공급류와 함께, 상기 촉매 시료는 3 중량% Ag2O의 워시코트(washcoat) 로딩(loading)을 갖는다.
도 19는 두 개의 Ag-Al 촉매 시료에 대한 NOx 전환율을 보여주는 시험 결과를 ppmC1으로 측정되고, 시험용 디젤 연료를 포함하는 환원제 농도의 함수로 나타낸 그래프 도면을 포함한다. 여기서, SV는 50,000h-1이고, 배기 가스 온도는 350℃이며, 10%의 산소, 5%의 H2O, 5%의 CO2, 750ppm의 CO, 250ppm의 H2, 100ppm의 NO 및 약 0 내지 25:1 범위 내의 HC1 : NOx 비율을 제공하는 다양한 ppm의 시험용 디젤 연료를 포함하는 환원제를 포함하는 배기 가스 공급류와 함께, 상기 촉매 시료는 2 중량% Ag2O 또는 6 중량% Ag2O의 Ag 로딩(loading)을 갖는다. 결과는 최적의 HC1 작용량을 (ppm, C1으로) 보여준다.
도 1-15와 관련하여 나타난 데이타의 결과들은 2% 은 담지 촉매들에 있어서; NOx 전환율은 SV에 의해 영향을 받는다는 점을 지적해준다(도 1). 높은 SV에서, 활성화 온도(light-off temperature)(T50 %, 50% NOx 전환이 발생하는 온도) 및 피크 온도(NOx 전환률이 최대인 온도)는 상응하는 NOx 전환률 피크의 감소와 함께 더 높은 온도로 옮겨간다. 또한, 높은 배기 가스 유속(즉, 높은 SV) 하에서, HC1:NOx("C:N") 농도에서 보여주는 바와 같이(도 2), 주입된 HC 농도및 O2 농도의 크기(도 3)는 주입된 HC 농도의 증가 및 O2 농도의 증가와 함께 증가하는 NOx 효율과 더불어, 전체 촉매 NOx 효율에 영향을 미친다. O2 농도가 감소함에 따라, NOx 전환의 최대값은 감소하고, 피크 온도는 더 높은 온도로 이동하게 된다(도 3); 그러나, 더 낮은 SV와 더 낮은 NO 농도(도 4)에서는 이것이 문제되지 않는다. 높은 SV에서 연료 주입량의 증가는 NOx 전환율의 최대값을 증가시키지만, 이는 단지 350℃ 이상의 온도에 한한다(도 2), 따라서, 배기 가스 공급류 내의 산소 량을 조절하기 위한 배기 가스 재순환(이하 'EGR')을 사용하고, 배기 가스 공급류에 적당량의 연료를 공급함으로써 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 전환율 수준을 향상시킬 수 있다. 특히 높은 SV와 낮은 O2에서 전체 성능을 향상시키는 또 다른 방법으로 낮은 O2 농도에서 성능을 향상시키기 위해 NO 즉, 1차 엔진 아웃 NOx 종을 NO2로 전환시키는 HC-SCR 촉매의 상류(upstream)에 디젤 산화 촉매 또는 플라즈마 오존-발생 장치를 사용하는 것이 고려된다(도 5). 다만, 이러한 이득은 주로 (NO2가 아닌) NO로서의 NOx를 선호하는 열 평형과 NO가 NO2로 산화되는 것을 제한하는 낮은 O2 농도로 인해 일반적인 작용 조건에서 수행될 수 없는 350 ℃ 이상의 온도에서 얻어진다. 선택적으로, 소량의 H2(1000-4000ppm)를 첨가하는 것은 NOx 성능 피크를 향상시키 고, NO 또는 NO2와 같은 배기가스 NOx 종들에 대한 촉매의 작용 온도 윈도우를 확장시킨다(도 6). 도 5와 도 6의 비교는 NO를 NO2로 산화하는 것과 관련하여 H2의 첨가에 의해 얻어지는 보다 명확한 이점을 알려준다. H2 첨가의 효과는 높은 SV에서(도 7) 촉매 온도에 의존하는 최적량의 H2와 함께일 때(도 9-10) 가장 좋다. 250 ℃ 이하의 온도 또는 500℃이상의 온도에서 H2를 첨가하는 것은 일반적으로 유용하지 않다. 500℃이상의 온도에서의 H2의 첨가는 NOx 환원 반응과 관계되어 있는 HC의 산화 반응을 가속함으로써 촉매 작용을 방해한다. 도 8의 결과는 배기 가스 공급류 내에 약 2000ppm의 H2이 있을 때 광범위한 공간 속도(12,5000 ~ 50,000) 및 NOx 농도(100-250ppm)에 걸쳐 저온 전환율(250 ~ 350℃)의 향상을 얻을 수 있음을 보여준다. 저온(250-350℃)에서 최대의 NOx 전환을 얻기 위해 필요한 HC1 : NOx 비율(도 11)은 매우 다양하며(HC1:NOx 비율은 약 4:1부터 20:1 이상의 범위임), SV 및 입구 NOx 농도에 따라 결정된다. 그러나, 주입되는 HC 연료의 절대량(도 12)는 C1 기준으로 측정되는 약 1200ppm에서, 상대적으로 일정하게 남는다. 도 11 및 12와 관련하여 도시된 결과는 350℃ 및 25,000h-1에서 H2가 없을 때, 높은 HC 수준에서조차도 매우 낮은 전환율을 가짐으로써, 전체 NOx 전환 효율에 있어서의 H2의 중요성을 보여준다. 높은 촉매 온도(>350℃)에서는 HC 산화와 관련하여 NOx 환원반응의 선택성 을 향상시키기 위해서는 더 많은 HC가 요구된다(도 4, 13). 또한, 도 13에서 낮은 SV(12,500h-1)의 경우, 저온에서 다량의 H2는 주입되는 HC에 대한 요구를 감소시키지만, 고온에서 다량의 H2는 전체 전환율(즉, HC 및 H2의 교환)을 낮춘다는 것을 주목하라. 따라서, 일반적으로, 낮은 촉매 온도(<350℃)에서는 많은 양의 H2(1000-4000ppm)와 적은 양의 HC(<1200ppmC1)가 요구되지만, 높은 촉매 온도(>350℃)에서는 많은 양의 HC(>1200ppm C1)과 적은 양의 H2(<1000ppm)가 필요하다. 도 14는 상당히 향상된 저온 성능을 가지는, 낮은 SV에서 250부터 25ppm으로 감소하는 입구 NOx 농도를 보여준다. NOx 전환율 피크뿐 아니라 저온 성능도 연료 방향족 및 폴리 방향족의 양(제1시험용 디젤 연료, 'sim-diesel 1' 내에는 33 부피% m-자일렌, 제 2 시험용 디젤 연료, 'sim-diesel2' 내에는 23 부피% m-자일렌/10 부피% 나프탈렌)이 변함에 따라 달라진다(도 15).
더 나아가, 높은 SV(50,000h-1)에서 n-옥탄(도 16) 또는 시물레이티드 디젤 연료(도 17-19)를 반응물로 사용하는 다양한 워시 코트 로딩 및 Ag 로딩이 또한 검토되었다. 2 중량% AgO2 촉매에 대한 최적 워시코트 로딩은 2.93g/cu. in.으로 나타났다(도 16). NOx 전환율의 최대값과 활성화 온도는 모두 워시코트 양 및 활성 금속 로딩에 의해 영향을 받는다. 도 17 및 도 18에 나타난 결과들을 비교하면, 350℃ 및 25,000h-1에서 2중량% Ag2O 촉매(HC1 : NOx 비율은 약 8)와 비교하여, 3 중량% Ag2O 촉매(HC1 : NOx 비율은 약 12)에서 NOx 전환율의 최대값에 도달하기 위해 더 많은 양의 HC가 요구됨을 알 수 있다. 또한, 높은 Ag 로딩에서, 산소 농도에 대한 의존도가 덜하다. 도 19에 나타난 결과는 촉매 내의 Ag 양이 증가할수록, 350℃ 및 50,000h-1에서 요구되는 HC의 양이 증가함을 보여준다. 도 16-19에 설명된 바와 같이, 다른 작용 조건 하에서 배기 가스 내에서 각기 다른 양의 O2 및 HC, 그 결과 생성되는 H2가 요구될 것이다. 배기 가스 내에서 요구되는 O2 및 HC, 그 결과 생성되는 H2의 양은 워시코트 로딩, Ag 로딩 및 다른 촉매 활성 성분의 첨가를 포함하는 촉매 조성의 요소들에 의존하며, 그에 의해 표 1과 관련하여 도시된 특정 조절 파라미터들의 크기에 영향을 미친다.
상기에 기재된 바와 같이, NOx 환원은 상기 예시적인 Ag/Al2O3 촉매 및 연료 조성 및 시험용 연료 혼합물에 의해 증명되는 것과 같은 자동차에 존재하는 탄화 수소를 사용함으로써, 이루어질 수 있다. 일반적인 디젤 엔진 배기 가스 온도에서 NOx 환원 활성에 대한 공간 속도의 효과, NO 또는 NO2로써의 NOx 및 O2, NOx, H2 및 HC의 농도 효과가 제시되었다.
도 1-19와 관련하여 기재된 데이타에 기초하여, 다양한 작용 조건에서, 예시적인 HC-SCR 후처리 시스템 내에서 NOx 환원의 최대값을 효율적으로 유지하는 조절 방법이 전개될 수 있다.표 1에는 8개의 엔진 작동 조건에서 2 중량% 담지된 은 촉매를 사용하는 바람직한 조절 방법이 상술되어 있다. 이하, 여기에서는 O2 농도, HC1:NOx 비율 및 H2 농도가 배기 가스 공급류의 작동 조건에 기초하여 선택적으로 조절된다. 특정 배기 가스 공급류 작동 조건이 다음과 같이 기술되고, 한정된다 : 촉매 온도 : 높음 > 350℃ 및 낮음 < 350℃ ; 공간 속도로 환산된 배기가스 유속 : 높음 ≥ 50,000h-1 및 낮음 < 50,000h-1 ; 및 입구 NOx 농도 : 높음 > 200ppm 및 낮음 ≤ 100 ppm.
[표 1A]
작동 조건 #1 #2 #3 #4
촉매 온도
배기 가스 유속
NOx 농도
조절 방법 :
O2 농도
HC1:NOx 농도
H2 농도
(약)		 높음
높음
높음

>10%
10 내지 15
2000ppm
 높음
높음
낮음

>10%
15 내지 20
1000ppm		 낮음
높음
높음

>10%
4 내지 8
2000ppm		 높음
낮음
높음

<10%
10-15
250ppm
[표 1B]
작동 조건 #5 #6 #7 #8
촉매 온도
배기 가스 유속
NOx 농도
조절 방법 :
O2 농도
HC1:NOx 농도
H2 농도
(약)		 낮음
낮음
높음

10%
10 내지 15
1000ppm		 낮음
낮음
낮음

10%
15 내지 20
1000ppm		 낮음
높음
낮음

>10%
10 내지 15
4000ppm		 높음
낮음
낮음

<10%
15 내지 20
250ppm
이제 도 20과 관련하여, 도면은 내부 연소 엔진, 배기 가스 후처리 시스템 및 본 발명에 따라 제조된 조절 시스템의 구현예를 도시하고 있다.예시적인 엔진 및 조절 시스템은 종래의 4-사이클 내부 연소 엔진 10 및 전기 엔진 조절 모듈 ('ECM')5을 포함한다. 상기 엔진은 주로 화학양론적으로 희박(LEAN)한 방식을 갖는 공지의 압축 점화 엔진을 포함한다. 선택적으로, 상기 엔진 10은 화학양론적으로 희박 상태에서 작동되는 엔진 조절 방법, 예를 들면, 균일 전하 압축 점화 엔진(homogeneous-charge compression-ignition engines) 및 희박 불꽃 점화 엔진(lean-burn spark-ignition engines) 중 어느 하나를 채용한 엔진을 포함할 수 있다. 상기 엔진 10은 동력 전달 장치에 견인 토크(tractive torque)를 전달하도록 자동차 동력 장치에 실시 가능하게 부착된 크랭크 축에 부착된 다수의 왕복 피스톤(reciprocating piston)을 포함한다. 상기 엔진 10은 일반적으로 특히 탄화수소('HC'), 일산화탄소('CO'), 산소의 질화물('NOx') 및 미립자 물질('PM')을 포함하는 후처리 시스템에 의해 전환되는 조절된 구성 성분을 함유하는 배기 가스 공급류를 발생시킨다.
배기 가스 후처리 시스템은 배기 가스 공급류의 구성 성분을 무해한 기체로 전환하도록 설계된 통합 시스템을 포함한다. 배기 가스 다기관은 배기 가스류(exhaust gas flow)를 배기 가스 후처리 시스템으로 들어가도록 한다. 예시적인 후처리 시스템은 산화 촉매('DOC') 14, 선택적 촉매 환원('SCR') 촉매 20 및 제2 촉매 24를 포함한다. 제 2 촉매 24는 디젤 미립자 필터('CDPF')와 혼합된 제2 산화 촉매('DOC')로 나타난다. 제 2 촉매 24는 촉매화된 또는 촉매화되지 않은 디젤 미립자 필터들, 공기 펌프, 외부 열기관, 황 트랩(sulfur traps), 인 트랩(phosphorous traps), 선택적 환원 장치 및 다른 것들을 포함하는 다른 알려진 배기 가스 후처리 장치를 단독 또는 혼합하여 포함할 수 있다.
각각의 배기 가스 후처리 장치는 산화, 선택적 촉매 환원, HC 투여 및 미립자 필터링을 포함하는 배기 가스 공급류의 구성 성분 처리를 위한 다양한 성능을 가지는 기술을 채용한 장치를 포함할 수 있다. 상기 장치들은 공지의 파이프 및 연결관을 사용하여 연속하여 유동적으로 연결될 수 있다.
예시적인 SCR 장치 20은 금속 조립체(metallic assembly)에 수납되고, 배기 가스 시스템의 일부로서 조립되는 은-알루미늄 촉매 담지 기판을 포함한다. 일반적으로 상기 은-알루미늄 촉매는 1 내지 4 중량%의 범위로 포함된다. 일반적으로, 상기 기판은 다수의 유체 통로 가지며, 상기 통로의 벽 위에 촉매가 코팅되어 있는 금속 또는 세라믹 모노 리스 장치를 포함한다. 상기한 바와 같이, 여기에 기재된 결과들을 위해 사용된 예시적인 SCR 장치는 코디어리트 모노리스 기판 스퀘어 인치 당 400셀로 담지된 촉매 물질을 함께, 2중량% Ag2O 담지 알루미나를 갖는 촉매 물질을 포함한다. 상기 예시적인 SCR 장치는 설명을 위한 것이며 제한적인 것은 아니다.
상기 후처리 시스템은 감지 장치 및 바람직하게는 ECM 5에 신호적으로 접촉되는 시스템을 포함한다. 상기 감지 장치는 엔진 10에서 유출되는 배기 가스 게이트를 감지하도록 작동되는 NOx 센서 12, SCR 촉매 20의 작용 온도를 결정하는 산화 촉매 14에서 유출되는 배기 가스 및 SCR 촉매 20의 상류(upstream)의 온도를 측정하도록 작동되는 온도 센서 26 및 피드백 및 분석을 위해 SCR 촉매 20 다음으로 배기 가스의 구성 성분을 모니터하도록 작동되는 배기 가스 감지 장치 22를 포함한다. 상기 NOx 센서 12는 바람직하게는 배기 가스 공급류 내의 NOx 농도에 대한 파라미터 값과 연관된 전기 신호를 발생하도록 작동되며, 배기 가스 공급류의 공연비에 대한 파라미터 값에 연관된 제2 전자 신호를 발생하도록 작동되는 센서를 포함하며, 이로부터 산소 함량을 결정할 수 있다. 배기 가스 감지 장치 22는 바람직하게는 배기 가스 공급류 내의 NOx 농도에 대한 파라미터 값과 연관된 전기적 신호를 발생시키는 제 2 NOx 센서 22를 포함한다. 선택적으로, NOx 센서 2는 실질적인 감지 장치를 포함하며, 이때 배기 가스 공급류 내의 NOx 농도는 엔진 작동 조건에 기초하여 결정되고, 이는 공지 기술이다.
배기 가스 후처리 시스템은 조절된 양의 HC를 SCR 촉매 20 상류(upstream)에 주입하기 위한 탄화수소('HC') 투여 장치 16를 포함한다. 예시적인 HC 투여 장치는 참조로 편입된 함께 계속 중인 미국 특허 출원인 "배기 가스 공급류에 반응물을 주입하는 장치 및 방법"에 기재되어 있다. 상기 HC 투여 장치는 ECM 5에 실시 가능하게 연결되며, 일반적인 자동차 연료의 형태로 배기 가스 공급류에 HC의 주입 시간 및 양을 조절할 수 있도록 적용된다. 선택적으로 상기 엔진으로부터 탄화수소는 후-주입 조절 방법을 사용함으로써, SCR 촉매 내에서 NOx를 환원시키는 환원제 물질로서 사용될 수 있다. 이러한 구현예에서, 상기 산화 촉매 14는 후처리 시스템에 포함되지 않을 수 있다.
상기 조절 시스템은 본 발명에 기재된 전동 기구를 포함하는 다양한 자동차 시스템의 통합된 조절을 제공하도록 적용된 다수의 조절 모듈을 포함하는 분산 조절 모듈 구조를 포함한다. 상기 조절 시스템은 감지 장치로부터 온 입력을 모니터하고, 적절한 정보를 조합하여, 작업자의 요구에 맞고, 연비, 배출, 성능, 작동가능성 및 하드웨어의 보호와 같은 파라미터들을 포함하는 조절 목적을 얻을 수 있도록 다양한 작동기를 조절하는 알고리즘을 수행한다. 상기 분산된 조절기 구조는 ECM 5를 포함하고, 다른 장치들과 작동가능하게 연결되어 있으며, 이를 통해 작동자들이 일반적으로 자동차 및 전동 장치의 작동을 조절 도는 지시할 수 있는 사용자 인터페이스('UI') 13을 포함한다. 자동차 작동자가 UI 13에 입력을 제공하는 장치들에는 가속 페달, 브레이크 페달, 기어 변속기 및 자동차 속도 크루즈 조절기가 포함된다. 상기 언급한 조절 모듈 및 장치들은 일반적으로 항목 6으로 나타나는 고속 지역 네트워트('LAN') 버스를 통해 각각 다른 조절 모듈, 장치, 센서 및 엑츄에이터와 통신한다. 상기 LAN 버스 6은 조절 파라미터들의 통신 체계 및 다양한 과정, 조절 모듈 및 장치들 사이의 지휘 체계를 제공한다. 상기 특정한 사용되는 통신 프로토콜은 적용-특정이다. 상기 LAN 버스 및 적당한 프로토콜은 확실한 통신 및 앞서 언급한 조절 모듈과 잠금 방지 브레이크, 견인력 조절 및 자동차 안정성과 같은 기능성을 제공해주는 다른 조절 모듈 사이에 멀티-조절 모듈 인터페이스를 제공한다.
상기 ECM 5는 데이타 버스를 통해 신호적, 전기적으로 휘발성 및 비휘발성 메모리 장치와 연결된 중앙 처리 유닛을 포함한다. 상기 ECM 5는 도시된 바와 같이, 계속해서 엔진 10 및 배기 가스 후처리 장치의 작동을 모니터하고 조절하는 감 지 장치 및 다른 출력 장치에 실시가능하도록 부착된다. 상기 출력 장치는 엔진의 적당한 조절과 작동을 위해 필요한 서브시스템을 포함하는 것이 바람직하며, 예로써 공기 흡입 시스템, 연료 주입 시스템, 불꽃 점화 시스템(예를 들면, 균일-대전 압축 점화 엔진과 같은 불꽃 점화 엔진이 사용될 때), 배기 가스 재순환('EGR') 시스템 및 증발 조절 시스템 등이 포함된다. 상기 엔진 감지 장치는 엔진 작동, 외부 조건 및 자동자 요구를 모니터할 수 있는 장치를 포함하며, 일반적으로 와이어링 하네스(wiring harness)를 통해 ECM 5에 신호적으로 부착되어 있다.
비-휘발성 메모리 장치에 저장된 알고리즘은 중앙 처리 유닛에 의해 수행되고, 감지 장치로부터 온 입력을 모니터하도록 작동될 수 있으며, 프리셋 캘리브레이션(preset calibration)을 사용하여 엔진 조절 및 엔진 작동 조절을 위한 진단 경로를 수행한다. 알고리즘은 일반적으로 프리셋 루프 사이클(preset loop cycle) 동안에, 각 루프 사이클당 적어도 한번씩 수행되는 각 조절 알고리즘과 함께 수행된다. 루프 사이클은 일반적으로 엔진 작동 중에, 각각 3.125, 6.25, 12.5, 25 및 100 밀리세컨드(milliscond) 수행된다. 선택적으로 조절 알고리즘은 사건의 발생에 반응하여 수행될 수 있다. 주기적인 사건들, 예를 들면 엔진 연료 계산과 같은 주기적인 사건은 각 엔진 주기(engine cycle)에서 수행될 수 있다. 진단 알고리즘은 엔진 키-온 사이클(engine key-on cycle)당 한번씩 수행된다. 진단 알고리즘은 실행 전에 특정한 가능성 기준을 얻기 위한 요구를 포함하는 추가적인 제한들을 가질 수 있다. 내부 연소 엔진 10의 다양한 면들을 조절하고 진단하기 위한 ECM 5의 사용은 당해 기술 분야의 숙련자들에게 잘 알려져 있다.
150 내지 550℃ 범위의 촉매 온도들이 상기 예시적인 적용들과 관련이 있을 뿐 아니라, 상기 촉매들이 잠재적으로 노출될 수 있는 다음 범위의 기상 농도들 역시 관련이 있다: POx 연료 개질제(fuel reformer) 또는 후-주입과 같은 실린더 내 연소 조절(in-cylinder combustion control)에 의해 제공되는 O2(2-20%), NOx(25-250ppm) 및 H2 (8000ppm 까지). 또한, 사용되지 않을 때 초당 10L부터 가속 조건 하에서 초당 75L까지의 범위인 배기 가스 유속은 5L의 부피를 갖는 촉매 반응 장치에 있어서, 약 7,000h-1부터 54,000h-1의 범위에 있는 공간 속도를 가져온다.
디젤 연료에 존재하는 중탄화수소(heavier hydrocarbon)(예를 들면 n-도데칸)는 저온 범위에서 NOx 전환을 제공하며, 배기 가스 내로 2차 연료 주입의 투입을 용이하게 해준다. 공급류에 수소를 첨가하는 것은 가벼운 탄화수소(프로펜, 프로판) 및 무서운 탄화수소(n-도데칸) 모두에 있어서, Ag/Al2O3 촉매 상의 NOx 전환율에 대한 활성화 온도를 또한 낮춘다. 배기 가스 공급류 내로의 일산화탄소의 첨가는 Ag/Al2O3 상의 NOx 환원을 나타내지 않는다.
채택된 특정한 조절 방법, 즉, 본 발명에 기재된 HC 주입량 대 H2 주입량 대 NO2 증류는 결국 입구 NOx 농도뿐 아니라, SV 및 HC-SCR 촉매의 온도에 의존한다. 코크 형성 및 SCR 촉매의 가능한 비활성화를 최소화하기 위해서 과량의 HC를 주입하지 않도록 케어(care)는 공급류 내에 과량의 H2 첨가 없이(즉, ≤250ppm H2) 낮은 O2 농도(<10%) 및/또는 낮은 온도(<350℃)에서 수행되어야 한다.
엔진 작동 진행 중에 조절될 수 있는 배기 가스 조건에는 SCR 촉매에 대한 NOx의 환원을 위해 사용되는 디젤 연료, 즉 탄화수소('HC')의 주입량, POx 연료 개질제 또는 실린더 내 후-주입 조절 방법으로부터 온 H2 주입량이 포함된다. 또한, EGR의 크기(%) 및 PCCI('premixed charge compression ignition') 연소가 낮은 엔진-아웃 NOx 농도에 사용될 수 있으며, 배기 가스 공급류에서 O2 농도를 다양화할 수 있다.
본 발명은 희박 화학양론 작동 동안의 예시적인 내부 연소 엔진의 작동 조건 조절을 통해 가스 공급류 내의 엔진-아웃 NOx 농도를 N2로 선택적으로 환원시키는 방법을 포함한다. 이것은 배기 가스 공급류의 선택된 파라미터를 기초로 배기 가스 공급류 내의 NOx 가스 및 바람직한 탄화수소/NOx 비율의 측정을 결정하는 단계; 및 Ag-Al 촉매반응 장치 20의 상류 배기 가스 공급류 내에 탄화수소 환원제를 선택적으로 넣는 단계를 포함하여 이루어진다. 연료는 은-알루미늄 촉매 반응 장치 20 내에서 NOx를 감소시키는데 바람직한 환원제이다. 엔진 작동 조건 및 배기 가스 온도범위는 최적의 NOx 전환율을 얻기 위해 한정된다. 관심있는 배기 가스 파라미터에는 촉매 작용 온도, 배기 가스 유속, NOx 농도 및 산소 농도가 포함된다. 상기 파라미터들은 바람직하게는 특정한 작동 조건에서 NOx 환원에 있어서 최적인 HC1/NOx 비율을 계산하기 위한 조절 시스템으로 사용된다. 상기 HC1/NOx 비율은 C1 기초에서 입구 NOx 농도에 의해 나누어진 주입되는 연료의 양으로 정의된다(예를 들면, 1ppm 증류된 디젤 연료는 약 14 탄소 원자를 가지며; 따라서, HC1 : NOx 비율이 10이고, 배기 가스 공급류 내의 100ppm 입구 NOx가 존재하면, 10 ×100/14 = 71ppm 디젤 연료의 주입이 요구된다). 상기 HC1/NOx 비율은 촉매에 대한 NOx 환원에 있어서, 정확한 연료의 양을 계산하고 주입하는데 사용된다. 상기 엔진 작동 파라미터는 또한, NOx 환원에 있어서 최적 수소 농도를 계산하는데 사용되며, 상기 수소 농도는 부분 산화 연료 개질제 또는 실린더 내 후-주입 시스템과 같이 사용가능한 방법을 통해 배기 가스 공급류 내에 주입될 수 있다. 주어진 엔진에 대하여 최적의 촉매 부피를 찾는 기준은 배기 가스 부피 유속/촉매 부피 = 공간 속도 (h-1) 를 포함하여 정의된다. 더 나아가 본 발명에 기재된 발명은 2% 만큼 낮은 엔진 아웃 O2에서 높은 NOx 전환율을 얻는데 효과적이다. 촉매에 대한 최적의 NOx 전환율을 얻기 위해 엔진 아웃 NOx 및 O2 농도를 변화시키는 EGR과 PCCI와 같은 이러한 엔진 조절 설계 및 다른 저온 연소 방법들이 채택된다. 최적 NOx 전환율을 얻기 위한 엔진 아웃 NOx 수준과 엔진 아웃 O2 수준 사이의 교환이 설명된다. 낮은 온도에서 NOx 전환율의 최적값을 얻기 위해서 NO(1차 엔진 아웃 NOx 종)를 NO2로 산화시키는 NOx 환원 촉매의 상류에 공지의 디젤 산화 촉매 또는 공지의 플라즈마 오존 발생 장치가 사용될 수 있다. 낮은 온도에서는 적은 양의 연료 환원제와 많은 양의 H2가 주입되는 것이 바람직하다. 반대로, 높은 온도에서는 많은 양의 연료 환원제와 적은 양의 H2가 주입된다. 높은 배기 가스 흐름 조건에서는 더 많은 양의 H2가 주입된다. 상기 한 작동 파라미터들은 촉매 형성, 예를 들면, 은-금속 로딩, 워시코트 로딩 및 다른 비-은 성분 첨가에 기초하는 NOx 환원에 있어서, HC1/NOx 비율의 최적값을 계산하는데 사용된다. 이러한 조절 방법의 사용은 EGR, PCCI(저온) 연소, 주입된 연료의 양 및 주입된 H2의 양의 조합을 통해 촉매에 대한 NOx 환원의 최대값을 얻는 동시에 자동차 연료 효율을 최적화할 수 있도록 해준다. 더 나아가 높은 공간 속도, 낮은 O2 농도 및 낮은 온도 하에서 주입되는 반응물의 사용을 위한 작동 한계는 잠재적인 코크(coke) 형성(탄소 침전물) 및 가능한 촉매 비활성화를 배기 가스 공급류 내에 과량의 수소를 첨가하지 않고 최소화하는 것으로 정의될 수 있다. 최적 NOx 전환율을 얻을 수 있는 연료 조성을 확인할 수 있다.
본 발명은 바람직한 구현예 및 그에 대한 변형을 특히 참조하여 기술되었다. 나아가, 본 명세서를 읽고 이해함으로써, 다른 사람들이 이를 수정 및 변경할 수 있을 것이다. 이러한 모든 수정 및 변경은 본 발명의 범주 내에 있는 한, 모두 포함된다고 여겨진다.
본 발명은 특정 부분 및 부분들의 배치, 본 명세서의 일부인 부합되는 도면에 의해 자세히 묘사되고, 설명되는 구현예에 있어서, 물리적인 형태를 취할 수 있다. 그리고, 여기에서:
도 1 ~ 19는 본 발명에 의한 데이타 그래프이며,
도 20은 본 발명에 의한 전동기 시스템의 개략적인 도면이다.

Claims (42)

  1. 배기 가스 공급류 내의 NOx 농도, 물질 전달 속도 및 은-알루미나 촉매반응 장치의 입구 온도를 측정하는 단계;
    상기 은-알루미나 촉매반응 장치 전역에 걸쳐 최대의 NOx 배기 가스 환원을 달성하는 탄화수소/NOx 비율을 선택하는 단계로서, 상기 탄화수소/NOx 비율은 NOx 농도, 배기가스 공급류의 물질 전달 속도 및 은-알루미나 촉매 반응 장치의 입구 온도에 기초하여 선택되는 단계;
    은-알루미나 촉매 반응 장치의 배기가스 공급류 상류 내의 NOx 농도에 대하여 상기 선택된 탄화수소/NOx 비율을 달성하는 탄화수소 환원제의 함량을 결정하는 단계; 및
    상기 은-알루미나 촉매 반응 장치의 배기 가스 공급류 상류 내로 상기 함량의 탄화수소 환원제를 투입하는 단계;
    를 포함하는 내부 연소 엔진의 배기 가스 공급류 내에서 NOx 배기 가스를 선택적으로 환원시키는 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 은-알루미나 촉매 반응 장치의 입구 온도를 측정하는 단계 및 상기 배기가스 공급류의 물질 전달 속도에 대응하는 상기 은-알루미나 촉매반응장치에 대한 공간 속도를 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 탄화수소/NOx 비율은 입구 온도가 350℃보다 높고, 공간 속도가 50,000h-1보다 크고, NOx 농도가 200ppm보다 높을 때, 10:1 내지 15:1 사이의 범위에 있는 HC1/NOx 질량비율을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 탄화수소/NOx 비율은 입구 온도가 350℃보다 높고, 공간 속도가 50,000h-1보다 크고, NOx 농도가 100ppm보다 낮을 때, 15:1 내지 20:1 사이의 범위에 있는 HC1/NOx 질량비율을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 탄화수소/NOx 비율은 입구 온도가 350℃보다 낮고, 공간 속도가 50,000h-1보다 크고, NOx 농도가 200ppm보다 높을 때, 4:1 내지 8:1 사이의 범위에 있는 HC1/NOx 질량비율을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 탄화수소/NOx 비율은 입구 온도가 350℃보다 높고, 공간 속도가 15,000h-1보다 작고, NOx 농도가 200ppm보다 높을 때, 10:1 내지 15:1 사이의 범위에 있는 HC1/NOx 질량비율을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 탄화수소/NOx 비율은 입구 온도가 350℃보다 낮고, 공간 속도가 15,000h-1보다 작고, 그리고 NOx 농도가 200ppm보다 높을 때, 10:1 내지 15:1 사이의 범위에 있는 HC1/NOx 질량비율을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 탄화수소/NOx 비율은 입구 온도가 350℃보다 낮고, 공간 속도가 15,000h-1보다 작고, 그리고 NOx 농도가 100ppm보다 낮을 때, 15:1 내지 20:1 사이의 범위에 있는 HC1/NOx 질량비율을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 탄화수소/NOx 비율은 입구 온도가 350℃보다 낮고, 공간 속도가 50,000h-1보다 크고, 그리고 NOx 농도가 100ppm보다 낮을 때, 10:1 내지 15:1 사이의 범위에 있는 HC1/NOx 질량비율을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 탄화수소/NOx 비율은 입구 온도가 350℃보다 높고, 공간 속도가 15,000h-1보다 작고, 그리고 NOx 농도가 100ppm보다 낮을 때, 15:1 내지 20:1 사이의 범위에 있는 HC1/NOx 질량비율을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제4항에 있어서,
    배기 가스 공급류 내로 투입된 탄화수소 환원제의 배기 가스 공급류 상류에서 엔진 아웃 NOx를 NO로 산화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제4항에 있어서,
    은-알루미나 촉매 반응 장치의 배기 가스 공급류 상류에서 수소의 물질 전달 속도를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    배기 가스 공급류 내에서 수소의 물질 전달 속도를 증가시키는 단계 및 입구 온도의 감소와 함께 투입된 탄화수소 환원제의 물질 전달 속도를 감소시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    배기 가스 공급류 내의 수소의 물질 전달 속도를 감소시키는 단계 및 입구 온도의 증가와 함께 투입된 탄화수소 환원제의 물질 전달 속도를 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    배기 가스 유속의 증가와 함께, 배기 가스 공급류 내로의 수소의 물질 전달 속도를 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    배기가스 공급류 내의 산소농도를 측정하는 단계 및 상기 은-알루미나 촉매 반응 장치의 배기 가스 공급류 상류 내의 상기 산소 농도를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제14항에 있어서,
    입구 온도가 350℃보다 높고, 공간 속도가 50,000h-1보다 크고, 그리고 NOx 농도가 200ppm보다 높을 때, 산소 농도를 10질량%보다 크게, 수소 농도를 약 2000ppm으로 조절하는 단계를 더 포함하는 방법.
  20. 제14항에 있어서,
    입구 온도가 350℃보다 높고, 공간 속도가 50,000h-1보다 크고, 그리고 NOx 농도가 100ppm보다 낮을 때, 산소 농도를 10질량%보다 크게, 수소 농도를 약 1000ppm으로 조절하는 단계를 더 포함하는 방법.
  21. 제14항에 있어서,
    입구 온도가 350℃보다 낮고, 공간 속도가 50,000h-1보다 크고, 그리고 NOx 농도가 200ppm보다 높을 때, 산소 농도를 10질량%보다 크게, 수소 농도를 약 4000ppm으로 조절하는 단계를 더 포함하는 방법.
  22. 제14항에 있어서,
    입구 온도가 350℃보다 높고, 공간 속도가 15,000h-1보다 작고, 그리고 NOx 농도가 200ppm보다 높을 때, 산소 농도를 10질량%보다 작게, 수소 농도를 약 250ppm으로 조절하는 단계를 더 포함하는 방법.
  23. 제14항에 있어서,
    입구 온도가 350℃보다 낮고, 공간 속도가 15,000h-1보다 작고, 그리고 NOx 농도가 200ppm보다 높을 때, 산소 농도를 약 10질량%로, 수소 농도를 약 1000ppm으로 조절하는 단계를 더 포함하는 방법.
  24. 제14항에 있어서,
    입구 온도가 350℃보다 낮고, 공간 속도가 15,000h-1보다 작고, 그리고 NOx 농도가 100ppm보다 낮을 때, 산소 농도를 약 10질량%로, 수소 농도를 약 1000ppm으로 조절하는 단계를 더 포함하는 방법.
  25. 제14항에 있어서,
    입구 온도가 350℃보다 낮고, 공간 속도가 50,000h-1보다 크고, 그리고 NOx 농도가 100ppm보다 낮을 때, 산소 농도를 10질량%보다 크게, 수소 농도를 약 4000ppm으로 조절하는 단계를 더 포함하는 방법.
  26. 제14항에 있어서,
    입구 온도가 350℃보다 높고, 공간 속도가 15,000h-1보다 작고, 그리고 NOx 농도가 100ppm보다 낮을 때, 산소 농도를 10질량%보다 작게, 수소 농도를 250ppm으로 조절하는 단계를 더 포함하는 방법.
  27. 제1항에 있어서,
    상기 탄화수소 환원제는 엔진 연료를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 은-알루미나 촉매 반응 장치의 배기 가스 공급류 상류 내로 탄화수소 환원제를 투여하는 단계는 엔진 연료 주입기가 엔진 연료를 후-주입(post-injection)하도록 작동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제1항에 있어서,
    상기 은-알루미나 촉매 반응 장치의 배기 가스 공급류 상류 내로 탄화수소 환원제를 투여하는 단계는 엔진의 희박 작동(lean operation) 도중에 배기 시스템 내에서의 탄화 수소 환원제의 양을 계측하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 은-알루미나 촉매 반응 장치 전역에 걸쳐 최대의 NOx 배기 가스 환원을 달성하는 탄화수소/NOx 비율을 선택하는 단계로서, 상기 탄화수소/NOx 비율은 NOx 농도, 배기 가스 공급류의 물질 전달 속도 및 은-알루미나 촉매 반응 장치의 입구 온도에 기초하여 선택되는 단계;
    엔진-아웃 NOx의 농도를 조절하는 단계;
    엔진-아웃 산소의 농도를 조절하는 단계;
    은-알루미나 촉매 반응 장치의 배기가스 공급류 상류 내의 NOx 농도에 대하여 상기 탄화수소/NOx 비율을 달성하는 탄화수소 환원제의 함량을 결정하는 단계;
    상기 은-알루미나 촉매 반응 장치의 배기 가스 공급류 상류 내로 상기 함량의 탄화 수소 환원제를 투여하는 단계; 및
    상기 은-알루미나 촉매 반응 장치의 배기 가스 공급류 상류 내로의 수소의 물질 전달 속도를 조절하는 단계;
    를 포함하는 내부 연소 엔진의 희박 작동 중에 은-알루미나 촉매 반응 장치를 포함하는 배기 가스 후처리 시스템으로부터 유출되는 NOx의 농도를 조절하는 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 엔진 아웃 NOx의 농도를 조절하는 단계는 내부 연소 엔진 내에서 배기 가스의 재순환을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제30항에 있어서,
    상기 엔진 아웃 산소의 농도를 조절하는 단계는 내부 연소 엔진의 선-혼합된 전하 압축-점화 연소(pre-mixed charge compression-ignition combustion)의 농도를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 제30항에 있어서,
    상기 엔진 아웃 산소의 농도를 조절하는 단계는 내부 연소 엔진의 공연비를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 제30항에 있어서,
    상기 탄화수소 환원제는 엔진 연료를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 은을 포함하는 촉매 반응 장치;
    탄화수소 환원제를 촉매 반응 장치의 배기 가스 공급류 상류에 투입하도록 작동되는 주입 장치; 및
    배기 가스 공급류의 NOx 농도, 물질 전달 속도 및 상기 촉매 반응 장치의 입구 온도를 측정하고;
    상기 촉매 반응 장치 전역에 걸쳐 최대의 NOx 배기 가스 환원을 달성하는 탄화수소/NOx 비율을 선택하되, 상기 탄화수소/NOx 비율은 NOx 농도, 상기 배기 가스 공급류의 물질 전달 속도 및 상기 촉매 반응 장치의 입구 온도에 기초하여 선택되며;
    상기 촉매 반응 장치의 배기 가스 공급류 상류 내의 NOx 농도에 대하여 상기 탄화수소/NOx 비율을 달성하는 탄화수소 환원제의 함량을 결정하고; 그리고
    상기 내부 연소 엔진의 희박 작동 중에 상기 배기 가스 공급류 내로 소정 량의 상기 탄화수소 환원제를 투입하도록 주입 장치를 조절하기에 적합한 조절 시스템;
    을 포함하는 내부 연소 엔진용 배기 가스 후처리 시스템.
  36. 제35항에 있어서,
    상기 촉매 장치의 은은 은-알루미나를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  37. 제35항에 있어서,
    상기 탄화수소 환원제는 엔진 연료를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  38. 제35항에 있어서,
    엔진 운전 조건을 기초로 상기 배기 가스 공급류 내의 NOx 농도를 측정하도록 설정된 조절 시스템을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  39. 제35항에 있어서,
    상기 배기가스 공급류를 모니터하도록 작동되는 NOx 센서로부터 입력된 신호에 대응하여 배기가스 공급류 내의 NOx 농도를 측정하도록 설정된 조절 시스템을 더욱 포함하는 배기 가스 후처리 시스템.
  40. 제35항에 있어서,
    주입 장치 및 촉매 반응 장치의 상류에 산화 촉매를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  41. 제35항에 있어서,
    주입 장치 및 촉매 반응 장치의 상류에 플라즈마 오존 발생 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
  42. 제35항에 있어서,
    산화 촉매, 디젤 미립자 필터, 공기 펌프 입구, 외부 가열 장치, 황 트랩, 인 트랩 및 선택적 환원 장치 중 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 시스템.
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