KR100999635B1 - 디젤 산화 촉매 및 이를 구비한 배기 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저온에서 포집한 탄화 수소(HC)를 이용하여 고온에서 산화 촉매에 흡착된 황을 탈착시키는 디젤 산화 촉매 및 이를 구비한 배기 장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 디젤 산화 촉매는 엔진에서 발생된 배기 가스를 외부로 배출하는 배기 파이프 상에 장착되어 있으며, 설정된 조건의 만족 여부에 따라 탄화 수소를 흡착 또는 탈착하는 탄화 수소 트랩(HC trap)이 코팅된 제1부분; 그리고 배기 가스 내에 탄화 수소(HC)와 일산화 탄소(CO)를 산화하는 산화 촉매가 코팅된 제2부분;을 포함하되, 상기 제2부분은 상기 제1부분에서 탈착된 HC와 산화반응을 하고, 상기 산화반응에서 발생되는 산화열을 이용하여 상기 산화 촉매에 흡착된 황을 탈착시킬 수 있다.
디젤 산화 촉매, 베타 제올라이트, 워쉬코트

Description

디젤 산화 촉매 및 이를 구비한 배기 장치{DIESEL OXIDATION CATALYST AND EXHAUST SYSTEM PROVIDED WITH THE SAME}
본 발명은 디젤 산화 촉매 및 이를 구비한 배기 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저온에서 포집한 탄화 수소(HC)를 이용하여 고온에서 산화 촉매에 흡착된 황을 탈착시키는 디젤 산화 촉매 및 이를 구비한 배기 장치에 관한 것이다.
일반적으로 엔진에서 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기 가스는 배기 파이프의 도중에 형성된 촉매 컨버터(Catalytic converter)로 유도되어 정화되고, 머플러를 통과하면서 소음이 감쇄된 후 테일 파이프를 통해 대기 중으로 방출된다. 상기한 촉매 컨버터는 매연여과장치(DPF, Diesel Particulate Filter)의 일종으로 배기 가스에 포함되어 있는 오염물질을 처리한다. 그리고 상기한 촉매컨버터 내부에는 배기 가스에 포함된 입자상 물질(PM)을 포집하기 위한 촉매 담체가 형성되어 엔진에서 배출되는 각종 배기 가스를 화학적 변환과정을 통하여 정화시키게 되는 것이다.
상기와 같은 역할을 하는 촉매 컨버터에 적용되는 촉매형식 중의 하나로 디젤 산화 촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC)가 있다. DOC는 배기 가스 내에 포 함된 HC와 CO를 산화시킨다.
한편, 연료에 포함된 황 성분은 산화 촉매의 성능을 저하시키므로, 현재 DOC에는 내황성이 강한 백금(Pt)을 포함하는 귀금속이 주로 사용된다. 그러나, 백금은 비싸므로 제조 원가가 비싸지는 문제점이 있었으며, 이에 따라 백금과 팔라듐(Pd)을 포함하는 산화 촉매를 사용하는 추세이다. 이 경우, 황에 의한 산화 촉매의 활성 저하를 막는 것이 주요 관심사이다.
특히, 황에 의한 산화 촉매의 활성은 배기 가스의 온도가 낮을 때 크게 저하된다.
도 6은 황 피독 후 산화 촉매의 활성을 회복하는 온도 및 시간의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 배기 가스의 온도가 400℃인 경우에는 산화 촉매의 활성을 회복하는데 5분이 소요되고, 배기 가스의 온도가 450℃인 경우에는 산화 촉매의 활성을 회복하는데 1분이 소요되며, 배기 가스의 온도가 500℃인 경우에는 산화 촉매의 활성을 회복하는데 10초가 소요된다. 따라서, 백금과 팔라듐을 포함하는 산화 촉매를 사용하기 위해서는 배기 가스의 온도를 450℃ 이상으로 유지하여야 하나, 이는 현실적으로 어렵다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 배기 가스 중에 포함된 탄화 수소의 산화열을 이용하여 산화 촉매에 흡착된 황을 탈착시킴으로써 산화 촉매의 활성을 회복시키는 디젤 산화 촉매 및 이를 구비한 배기 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 디젤 산화 촉매는 엔진에서 발생된 배기 가스를 외부로 배출하는 배기 파이프 상에 장착되어 있으며, 설정된 조건의 만족 여부에 따라 탄화 수소를 흡착 또는 탈착하는 탄화 수소 트랩(HC trap)이 코팅된 제1부분; 그리고 배기 가스 내에 탄화 수소(HC)와 일산화 탄소(CO)를 산화하는 산화 촉매가 코팅된 제2부분;을 포함하되, 상기 제2부분은 상기 제1부분에서 탈착된 HC와 산화반응을 하고, 상기 산화반응에서 발생되는 산화열을 이용하여 상기 산화 촉매에 흡착된 황을 탈착시킬 수 있다.
상기 제1부분은 담체 위에 코팅되어 있으며, 상기 제2부분은 상기 제1부분 위에 코팅되어 있을 수 있다.
상기 제1부분은 상기 디젤 산화 촉매의 전단부의 담체 위에 코팅되어 있고, 상기 제2부분은 상기 디젤 산화 촉매의 후단부의 담체 위에 코팅되어 있을 수 있다.
상기 설정된 조건은 배기 가스의 온도가 설정된 온도보다 큰 경우 만족될 수있다.
상기 탄화 수소 트랩은 베타 제올라이트(beta zeolite)일 수 있다.
상기 베타 제올라이트는 12링 구조로 산화 알루미늄(Al2O3)에 대한 실리카(SiO2)의 비율이 24~38일 수 있다.
상기 탄화 수소 트랩은 상기 제1부분의 전체 워쉬코트(washcoat) 량의 30~50%일 수 있다.
상기 산화 촉매는 백금(Pt)과 팔라듐(Pd)을 포함하는 귀금속일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배기 장치는 엔진에서 발생된 배기 가스가 지나가는 배기 파이프 상에 설치되어 있으며, 배기 가스 내에 포함된 유해 물질을 정화하되, 상기 배기 장치는 HC와 CO를 산화하는 디젤 산화 촉매를 포함하며, 상기 디젤 산화 촉매는 본 발명의 실시예에 따른 디젤 산화 촉매일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 배기 가스에 포함된 탄화 수소를 저온에서는 포집하고 고온에서는 포집된 탄화 수소의 산화열을 이용하여 산화 촉매의 활성을 회복함으로써 안정적인 탄화 수소의 정화 성능을 가질 수 있다.
또한, 백금과 팔라듐을 포함하는 산화 촉매를 사용함으로써 제조 원가를 낮출 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 디젤 산화 촉매가 적용될 수 있는 배기 장치의 구성도이다. 여기에서는, 본 발명의 실시예에 따른 디젤 산화 촉매가 적용될 수 있는 다양한 배기 장치 중 하나를 예시하였으며, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 될 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 엔진(10)에서 발생된 배기 가스는 터보 챠져(20), 매연 저감 필터(CPF; 30), 디젤 산화 촉매(DOC; 40), 분사 노즐(50), 그리고 선택적 환원 촉매(SCR; 60)를 순차적으로 지나가며 배기 가스 내에 유해한 성분이 제거된다. 상기 터보 챠져(20), CPF(30), DOC(40), 분사 노즐(50), 그리고 SCR(60)는 배기 파이프(70)에 설치되어 있다.
엔진(10)은 혼합기를 연소하기 위한 복수개의 실린더(도시하지 않음)를 포함하고 있다. 상기 실린더는 흡기 매니폴드(도시하지 않음)에 연결되어 혼합기를 공급 받으며, 상기 흡기 매니폴드는 흡입 파이프(도시하지 않음)에 연결되어 외부의 공기를 공급받는다.
또한, 상기 실린더는 배기 매니폴드(도시하지 않음)에 연결되어 연소 과정에서 발생한 배기 가스는 상기 배기 매니폴드에 모이게 된다. 상기 배기 매니폴드는 배기 파이프(70)에 연결되어 있다.
상기 터보 챠져(20)는 배기 가스의 에너지를 이용하여 터빈(도시하지 않음)을 회전시켜 공기의 흡입량을 증가시킨다.
CPF(30)는 상기 터보 챠져(20)의 후단에 설치되어 있으며, 배기 가스 내의 PM을 포집하고 포집된 PM(즉, 수트)을 재생한다. 수트의 재생은, 통상적으로, CPF의 입구와 출구의 압력 차이가 설정된 압력(약, 20~30kpa) 이상인 경우 진행된다.
DOC(40)는 상기 CPF(30)의 후단에 설치되어 CPF(30)로부터 PM이 제거된 배기 가스를 전달받는다. 상기 DOC(40)는 배기 가스 내의 탄화 수소(HC)와 일산화 탄소(CO)를 이산화 탄소(CO2)로 산화시킨다.
분사 노즐(50)은 상기 DOC(40)와 SCR(60) 사이에 설치되어 있으며 상기 DOC 장치(40)에서 HC와 CO가 제거된 배기 가스에 환원제를 분사한다. 상기 환원제는 암모니아일 수 있다. 일반적으로, 상기 분사 노즐(50)에서는 요소(Urea)를 분사하며 분사된 요소는 암모니아로 분해된다.
상기 환원제와 섞인 배기 가스는 SCR(60)에 공급된다.
SCR(60)은 상기 분사 노즐(50)의 후단에 설치되어 있으며, 전이금속이 이온 교환된 제올라이트(zeolite) 촉매를 포함한다. NOx를 효과적으로 환원시키기 위하여 상기 전이금속은 구리 또는 철일 수 있다. 상기 SCR(60)은 상기 환원제를 이용하여 배기 가스 내의 NOx를 질소 기체(N2)로 환원시켜 배기 가스 내의 NOx를 저감한다.
이하, 본 발명의 실시예들에 따른 디젤 산화 촉매를 더욱 상세히 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 DOC(40)는 담체(42), 제1부분(44), 그리고 제2부분(46)을 포함한다.
상기 제1부분(44)은 탄화 수소 트랩(HC trap)을 포함하는 워쉬코트로서, 상기 담체(42) 위에 코팅되어 있다. 효과적으로 탄화 수소를 흡착하기 위하여, 상기 HC trap으로 베타 제올라이트(beta zeolite)가 사용된다. 특히, 상기 베타 제올라이트는 12링 구조로 산화 알루미늄(Al2O3)에 대한 실리카(SiO2)의 비율이 24~38인 것이 바람직하다. 또한, 상기 베타 제올라이트는 상기 제1부분(44)의 전체 워쉬코트 량의 30~50%인 것이 바람직하다.
일반적으로, 베타 제올라이트는 배기 가스의 온도가 250℃ 이하에서 HC를 흡착하고 배기 가스의 온도가 250℃보다 크면 흡착된 HC를 탈착한다. 따라서, 상기 제1부분(44)은 배기 가스의 온도가 설정된 온도 이하이면 HC를 흡착하고 배기 가스의 온도가 설정된 온도보다 크면 HC를 탈착한다.
상기 제2부분(46)은 백금과 팔라듐의 산화 촉매를 포함하는 워쉬코트로서, 상기 제1부분(44) 위에 코팅되어 있다. 상기 제2부분(44)은 배기 가스 내에 포함된 HC와 CO를 산화시킨다. 또한, 상기 제2부분(46)은 상기 제1부분(44)에서 탈착된 HC를 산화시킨다. 이 경우, HC의 산화열에 의하여 DOC(40)의 온도가 500℃ 이상으로 급격히 상승하게 되고, 이에 따라 DOC(40)에 흡착된 황이 탈착되게 된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 DOC(40)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 DOC(40)와 코팅 구조를 제외하고는 동일하다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 DOC(40)는 담체(42), 제1부분(44), 그리고 제2부분(46)을 포함한다.
상기 제1부분(44)은 상기 DOC(40)의 전단부의 담체(42) 위에 코팅되어 있고, 상기 제2부분(46)은 상기 DOC(40)의 후단부의 담체(42) 위에 코팅되어 있다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 배기 장치가 장착된 엔진을 아이들 조건에서 일정 시간 운행한 후 배기 가스의 온도를 설정 온도까지 상승시켰을 경우 발생되는 황의 농도 및 디젤 산화 촉매의 후단부 온도를 도시한 그래프이다.
엔진(10)을 50ppm의 황을 포함하는 연료를 이용하여 10분간 아이들 상태로 운행한 경우에는, 배기 가스의 온도를 설정된 온도(약 350℃)까지 올려도 제1부분(44)에 흡착된 HC의 양이 적어 산화열이 적게 발생하고 이에 따라 탈착되는 황도 약 5ppm에 불과하다.
이와는 달리, 엔진(10)을 동일한 조건에서 120분간 아이들 상태로 운행한 경우에는, 제1부분(44)에 흡착된 HC의 양이 많아 산화열이 많이 발생하고 이에 따라 탈착되는 황도 약 32ppm이 된다.
따라서, 제1부분(44)에 흡착된 HC가 제2부분(46)에 흡착된 황을 탈착시키는데 효과적임을 알 수 있다.
도 5는 종래 기술 및 본 발명의 실시예들에 따른 배기 장치가 장착된 엔진을 운행한 경우 HC 및 CO의 농도를 도시한 그래프이다. 여기에서, 30%와 50%는 각각 HC trap이 제1부분(44)의 워쉬코트 량의 30% 및 50%인 것을 의미한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 종래의 배기 장치는 20분간 아이들 상태로 운행한 경우, HC와 CO의 산화 능력이 떨어졌으며, 이를 회복하기 위해 약 500℃에서 디젤 산화 촉매를 재생하였다.
그러나, 본 발명의 실시예들에 따른 배기 장치는 디젤 산화 촉매를 재생하지 않고도 충분한 HC와 CO의 산화 능력을 얻을 수 있다. 특히, HC trap이 제1부분(44)의 워쉬코트 량의 50%인 경우에는, 본 발명의 실시에들에 따른 배기 장치는 산화 촉매가 재생된 종래의 배기 장치와 비슷한 HC와 CO의 산화 능력을 갖게 된다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 디젤 산화 촉매가 적용될 수 있는 배기 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 디젤 산화 촉매의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 디젤 산화 촉매의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 배기 장치가 장착된 엔진을 아이들 조건에서 일정 시간 운행한 후 배기 가스의 온도를 설정 온도까지 상승시켰을 경우 발생되는 황의 농도 및 디젤 산화 촉매의 후단부 온도를 도시한 그래프이다.
도 5는 종래 기술 및 본 발명의 실시예들에 따른 배기 장치가 장착된 엔진을 운행한 경우 HC 및 CO의 농도를 도시한 그래프이다.
도 6은 황 피독 후 산화 촉매의 활성을 회복하는 온도 및 시간의 관계를 나타낸 그래프이다.

Claims (9)

  1. 엔진에서 발생된 배기 가스를 외부로 배출하는 배기 파이프 상에 장착되어 있는 디젤 산화 촉매에 있어서,
    설정된 조건의 만족 여부에 따라 탄화 수소를 흡착 또는 탈착하는 탄화 수소 트랩(HC trap)이 코팅된 제1부분; 그리고
    배기 가스 내에 탄화 수소(HC)와 일산화 탄소(CO)를 산화하는 산화 촉매가 코팅된 제2부분;
    을 포함하되,
    상기 제2부분은 상기 제1부분에서 탈착된 HC와 산화반응을 하고, 상기 산화반응에서 발생되는 산화열을 이용하여 상기 산화 촉매에 흡착된 황을 탈착시키는 것을 특징으로 하는 디젤 산화 촉매.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1부분은 담체 위에 코팅되어 있으며, 상기 제2부분은 상기 제1부분 위에 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 디젤 산화 촉매.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1부분은 상기 디젤 산화 촉매의 전단부의 담체 위에 코팅되어 있고, 상기 제2부분은 상기 디젤 산화 촉매의 후단부의 담체 위에 코팅되어 있는 것을 특 징으로 하는 디젤 산화 촉매.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 설정된 조건은 배기 가스의 온도가 설정된 온도보다 큰 경우 만족되는 것을 특징으로 하는 디젤 산화 촉매.
  5. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 탄화 수소 트랩은 베타 제올라이트(beta zeolite)인 것을 특징으로 하는 디젤 산화 촉매.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 베타 제올라이트는 12링 구조로 산화 알루미늄(Al2O3)에 대한 실리카(SiO2)의 비율이 24~38인 것을 특징으로 하는 디젤 산화 촉매.
  7. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 탄화 수소 트랩은 상기 제1부분의 전체 워쉬코트(washcoat) 량의 30~50%인 것을 특징으로 하는 디젤 산화 촉매.
  8. 제 2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 산화 촉매는 백금(Pt)과 팔라듐(Pd)을 포함하는 귀금속인 것을 특징으로 하는 디젤 산화 촉매.
  9. 엔진에서 발생된 배기 가스가 지나가는 배기 파이프 상에 설치되어 있으며, 배기 가스 내에 포함된 유해 물질을 정화하는 배기 장치에 있어서,
    상기 배기 장치는 HC와 CO를 산화하는 디젤 산화 촉매를 포함하며,
    상기 디젤 산화 촉매는 제1항에 따른 디젤 산화 촉매인 것을 특징으로 하는 디젤 산화 촉매를 구비한 배기 장치.
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