KR101091633B1 - 질소 산화물 저감 촉매 및 이를 이용한 배기 장치 - Google Patents

질소 산화물 저감 촉매 및 이를 이용한 배기 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 질소 산화물 저감 촉매는 배기 가스가 흘러가는 배기 파이프 상에 장착되어 있으며, 상기 질소 산화물 저감 촉매는 담체에 코팅된 제1,2 촉매층을 포함하고, 상기 제1 촉매층은 배기 가스에 근접하여 배치되며, 상기 제2 촉매층은 상기 담체에 근접하여 배치되고, 상기 제1 촉매층은 배기 가스에 포함된 질소 산화물의 일부를 타지 않은 연료 또는 배기 가스에 포함된 탄화 수소와의 산화-환원 반응에 의하여 환원시키며, 상기 질소 산화물의 다른 일부는 제2 촉매층으로 확산시키고, 상기 제2 촉매층은 상기 확산된 질소 산화물을 저장하고, 설정된 주기에 따라 추가 분사되는 연료에 의하여 상기 저장된 질소 산화물을 탈착하여 상기 제1 촉매층에서 환원되도록 하되, 상기 제2 촉매층은 황산화물에 대한 내성을 가지면서 일산화 질소를 이산화 질소로 산화시키는 전이금속과, 상기 제1 촉매층에서 확산된 질소 산화물과 상기 전이금속에서 산화된 질소 산화물을 일시적으로 저장하는 흡착물질을 포함한다.
LNT 촉매, DE-NOx 촉매, DPF, DFC

Description

질소 산화물 저감 촉매 및 이를 이용한 배기 장치{DENITRIFICATION CATALYST AND EXHAUST SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 질소 산화물 저감 촉매 및 이를 이용한 배기 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배기 가스에 포함된 질소 산화물을 저장하고, 저장된 질소 산화물을 질소 산화물의 환원 반응이 활성화될 때 탈착함으로써 질소 산화물의 정화 효율이 향상된 질소 산화물 저감 촉매 및 이를 이용한 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 배기 가스에 포함되어 있는 오염물질을 처리한다. 그리고 배기 파이프 상에는 배기 가스에 포함된 입자상 물질(PM)을 포집하기 위한 매연 필터가 장착된다.
선택적 촉매 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 장치는 배기가스에 포함된 질소 산화물을 정화시키는 촉매 컨버터의 한 형식이다. 우레아(Urea), 암모니아(Ammonia), 일산화탄소 및 탄화수소(Hydrocarbon; HC) 등과 같은 환원제를 배 기 가스에 제공하면 질소 산화물 저감 촉매에서는 배기 가스에 포함된 질소 산화물이 상기 환원제와의 산화-환원 반응을 통해 환원되게 된다.
이러한 선택적 촉매 환원 장치가 장착된 내연기관의 경우, 배기 가스에 포함된 질소 산화물의 양에 따라 연료를 연속적으로 추가 분사하여 배기가스의 분위기를 연속적으로 제어하였다. 이 경우, 질소 산화물을 환원시키는데 필요한 탄화수소의 양 이상의 탄화수소가 배기장치에 공급되게 되고, 이에 따라 탄화 수소의 슬립이 발생되고 연비가 악화되었다.
또한, 연속적으로 환원제를 공급하는 경우, 산화-환원 반응 또한 연속적으로 일어나게 되었다. 따라서, 산화-환원 반응 시 발생되는 산화열에 의하여 촉매의 내구성이 악화되었다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 배기 가스에 포함된 질소 산화물을 저장하고, 설정된 주기에 따라 연료를 추가 분사하여 상기 저장된 질소 산화물을 탈착함으로써 질소 산화물의 정화 효율이 향상된 질소 산화물 저감 촉매 및 이를 이용한 배기 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 질소 산화물 저감 촉 매는 배기 가스가 흘러가는 배기 파이프 상에 장착되어 있으며, 상기 질소 산화물 저감 촉매는 담체에 코팅된 제1,2 촉매층을 포함하고, 상기 제1 촉매층은 배기 가스에 근접하여 배치되며, 상기 제2 촉매층은 상기 담체에 근접하여 배치되고, 상기 제1 촉매층은 배기 가스에 포함된 질소 산화물의 일부를 타지 않은 연료 또는 배기 가스에 포함된 탄화 수소와의 산화-환원 반응에 의하여 환원시키며, 상기 질소 산화물의 다른 일부는 제2 촉매층으로 확산시키고, 상기 제2 촉매층은 상기 확산된 질소 산화물을 저장하고, 설정된 주기에 따라 추가 분사되는 연료에 의하여 상기 저장된 질소 산화물을 탈착하여 상기 제1 촉매층에서 환원되도록 하되, 상기 제2 촉매층은 황산화물에 대한 내성을 가지면서 일산화 질소를 이산화 질소로 산화시키는 전이금속과, 상기 제1 촉매층에서 확산된 질소 산화물과 상기 전이금속에서 산화된 질소 산화물을 일시적으로 저장하는 흡착물질을 포함한다.
상기 제1 촉매층은 HC SCR 촉매를 포함한다.
상기 HC SCR 촉매는 구리, 백금, 망간, 철, 코발트, 니켈, 아연, 은, 세륨, 갈륨 중 적어도 하나 이상의 원소가 이온 교환된 제올라이트 촉매를 포함한다.
상기 제올라이트 촉매는 규소와 알루미늄을 그 구성원소로 포함하되, 상기 알루미늄에 대한 상기 규소의 몰비율은 20 이상일 수 있다.
상기 제올라이트는 모데나이트, Y 제올라이트, ZSM-5, 베타 제올라이트 중 적어도 하나가 사용될 수 있다.
상기 전이금속은 코발트, 망간, 바나듐, 구리, 철, 크롬, 니켈, 루데늄 중 적어도 하나 이상의 금속을 포함한다.
상기 흡착물질은 약염기성 산화물이다.
상기 설정된 주기는 상기 제1 촉매층에서 질소 산화물의 환원 반응이 활성화되도록 상기 제2 촉매층에 저장된 질소 산화물이 설정된 값 이상인 경우 도래할 수 있다.
상기 추가 분사는 엔진에 장착된 인젝터에서 후분사 또는 상기 배기 파이프에 장착된 인젝터에서의 2차 분사에 의하여 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배기 장치는 배기 가스가 흘러가는 배기 파이프 상에 장착되어 있는 질소 산화물 저감 촉매를 포함하며, 상기 질소 산화물 저감 촉매는 담체에 코팅된 제1,2 촉매층을 포함하고, 상기 제1 촉매층은 배기 가스에 근접하여 배치되며, 상기 제2 촉매층은 상기 담체에 근접하여 배치되고, 상기 배기 가스에 포함된 질소 산화물의 일부는 제1 촉매층을 통과하며 산화되고, 산화된 질소 산화물은 상기 제2 촉매층에 저장되며, 상기 제2 촉매층에 저장된 질소 산화물은 추가 분사된 연료와의 치환 반응에 의하여 탈착되고, 탈착된 질소 산화물은 제1 촉매층에서 상기 추가 분사된 연료에 의하여 환원되며, 상기 제2 촉매층은 황산화물에 대한 내성을 가지면서 일산화 질소를 이산화 질소로 산화시키는 전이금속과, 상기 제1 촉매층에서 확산된 질소 산화물과 상기 전이금속에서 산화된 질소 산화물을 일시적으로 저장하는 흡착물질을 포함한다. 상기 제2 촉매층은 산화 성능이 약한 전이금속과 산성 기체의 흡착능력이 약한 흡착물질을 가져 황의 피독에 대하여 내성을 가지는 것이 특징이다.
상기 추가 분사에 의한 연료의 공급은 상기 제1 촉매층에서 질소 산화물의 환원 반응이 활성화 되도록 질소 산화물에 대한 탄화 수소의 비율이 설정된 비율 이상이 되도록 제어될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 배기 가스에 포함된 질소 산화물을 일시적으로 저장하고, 상기 질소 산화물을 연료의 추가 분사에 의하여 주기적으로 탈착시킨다. 따라서, 종래 기술에 비하여 연료 분사 횟수를 줄임으로써 질소 산화물의 정화 성능과 연비가 모두 향상될 수 있다.
또한, 황 피독에 대한 내성을 갖는 흡착층을 사용하여 염기성 흡착 물질에의하여 요구되는 탈황 과정을 삭제 또는 최소화함으로써 산화열에 의한 촉매의 내구성 악화를 방지한다.
더 나아가, 질소산화물 저장 물질과 함께 사용되는 귀금속 대신에 전이금속을 사용함으로써 촉매 제조 비용을 낮출 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기 장치를 보인 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 배기 장치는 엔진(10), 배기 파이프(20), 배기 가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation; EGR) 장치(80), 디젤 연료 분해 촉매(32), 매연 필터(Particulate Filter)(30), 질소 산화물 저감 촉매(40), 그리고 제어부(50)를 포함한다.
엔진(10)은 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 연소시켜 화학적 에너지를 기계적 에너지로 변환한다. 엔진(10)은 흡기 매니폴드(18)에 연결되어 연소실(12) 내부로 공기를 유입받으며, 배기 매니폴드(16)에 연결되어 연소 과정에서 발생된 배기 가스는 배기 매니폴드(16)에 모인 후 차량의 외부로 배출되게 된다. 상기 연소실(12)에는 제1인젝터(14)가 장착되어 연료를 연소실(12) 내부로 분사한다.
여기에서는 디젤 엔진을 예시하였으나 가솔린 엔진을 사용할 수도 있다. 가솔린 엔진을 사용하는 경우, 흡기 매니폴드(18)를 통하여 혼합기가 연소실(12) 내부로 유입되며, 연소실(12) 상부에는 점화를 위한 점화플러그(도시하지 않음)가 장착된다.
또한, 다양한 압축비, 바람직하게는 16.5 이하의 압축비를 가지는 엔진이 사용될 수 있다.
배기 파이프(20)는 상기 배기 매니폴드(16)에 연결되어 배기 가스를 차량의 외부로 배출시킨다. 상기 배기 파이프(20) 상에는 매연 필터(30)와 질소 산화물 저감 촉매(40)가 장착되어 배기 가스 내에 포함된 탄화 수소, 일산화 탄소, 그리고 질소 산화물 등을 제거한다.
배기 가스 재순환 장치(80)는 배기 파이프(20) 상에 장착되어 엔진(10)에서 배출되는 배기 가스는 상기 배기 가스 재순환 장치(80)를 통과한다. 또한, 상기 배기 가스 재순환 장치(80)는 상기 흡기 매니폴드(18)에 연결되어 배기 가스의 일부 를 공기에 섞어 연소 온도를 제어한다. 이러한 연소 온도의 제어는 제어부(50)의 제어에 의하여 흡기 매니폴드(18)에 공급되는 배기 가스의 양을 조절함으로써 수행된다.
상기 배기 가스 재순환 장치(80)의 후방의 배기 파이프(20)에는 제1산소 센서(25)가 장착되어 배기 가스 재순환 장치(80)를 통과한 배기 가스 내의 산소량을 검출한다.
제2인젝터(90)는 상기 배기 가스 재순환 장치(80)의 후방의 배기 파이프(20)에 장착되어 있으며, 상기 제어부(50)에 전기적으로 연결되어 제어부(50)의 제어에 따라 배기 파이프(20) 내에 연료의 추가 분사를 수행한다.
매연 필터(30)는 상기 제2인젝터(90)의 후방의 배기 파이프(20)에 장착되어 있다. 상기 매연 필터(30)의 전단부에는 디젤 연료 분해 촉매(Diesel Fuel Cracking Catalyst)가 구비되어 있다. 이 경우, 디젤 연료 분해 촉매(32)는 제2인젝터(90)와 질소 산화물 저감 촉매(40) 사이에 배치되게 된다. 여기에서는, 매연 필터(30)와는 별도로 디젤 연료 분해 촉매(32)가 구비된 것을 예시하였으나, 디젤 연료 분해 촉매(32)를 매연 필터(30)의 전단부에 코팅할 수도 있다.
상기 디젤 연료 분해 촉매(32)는 촉매 반응을 통해 연료 내에 포함된 탄소화합물의 체인 고리를 끊어 분해시킨다. 즉, 디젤 연료 분해 촉매(32)는 열분해(Thermal Cracking) 기능을 통해 탄화 수소를 구성하는 연결 고리를 끊어 분해하게 된다. 이에 의하여, 추가 분사된 연료의 유효 반응 표면적이 증가되며 반응성이 큰 산소가 포함된 탄화수소(oxygenated HC), CO, H2 등을 생성한다.
Thermal Cracking은 하기와 같은 절차를 거쳐 진행되게 된다.
C16H34 → 2n-C8H17* → n-C6H13* → n-C4H9* → C2H5* → C2H4
C16H34 → 8C2H4 + H2
여기서, *는 라디칼을 의미한다.
여기에서, 탄화수소는 배기 가스와 연료에 포함된 탄소와 수소로 구성된 화합물을 모두 지칭하는 것으로 한다.
상기 디젤 연료 분해 촉매(32)의 후방에는 상기 매연 필터(30)의 한 종류인 매연 여과 장치(Diesel Particulate Filter; DPF)(30)가 장착되어 배기 파이프(20)를 통하여 배출되는 배기 가스에 포함된 입자상 물질(Particulate Matters; PM)을 포집한다. 여기에서는, 매연 필터(30)는 매연 여과 장치(30)와 동일한 의미로 사용된다. 그러나, 매연 여과 장치(30) 대신에 다른 종류의 매연 필터(30)(예를 들어, 촉매 매연 필터(catalyzed particulate filter; CPF))가 사용될 수도 있다.
또한, 상기 매연 여과 장치(30)에는 산화 촉매(Oxidation Catalyst)가 코팅될 수 있다. 이러한 산화 촉매는 배기 가스에 포함된 탄화 수소와 일산화 탄소를 이산화 탄소로 산화시키며, 배기 가스에 포함된 일산화 질소를 이산화 질소로 산화시킨다. 상기 산화 촉매는 매연 필터(30)의 일정 부분에 많이 코팅되어 있을 수도 있고 매연 필터(30)의 전 영역에 고르게 코팅되어 있을 수도 있다.
상기 디젤 연료 분해 촉매(32)의 전방의 배기 파이프에는 제1온도 센서(35)가 장착되어 디젤 연료 분해 촉매(32)의 입구 온도를 측정하고, 디젤 연료 분해 촉 매(32)의 후방에는 제2온도 센서(36)가 장착되어 디젤 연료 분해 촉매(32)의 출구 온도 또는 매연 필터(30)의 입구 온도를 측정한다.
한편, 상기 배기 파이프(20)에는 차압센서(55)가 장착되어 있다. 차압센서(55)는 상기 매연 필터(30)의 전단부와 후단부의 압력 차이를 측정하고 이에 대한 신호를 상기 제어부(50)에 전달한다. 상기 제어부(50)는 상기 차압센서(55)에서 측정된 압력 차이가 설정값 이상인 경우 상기 매연 필터(30)를 재생하도록 제어할 수 있다. 이 경우, 상기 제1인젝터(14)에서 연료를 후분사함으로써 매연 필터(30) 내부에 포집된 수트(soot)를 연소시킬 수 있다.
질소 산화물 저감 촉매(40)는 상기 매연 필터(30)의 후방으로 상기 배기 파이프(20) 상에 장착되어 배기 가스에 포함된 질소 산화물을 저장하고, 연료의 추가 분사에 따라 저장된 질소 산화물을 탈착하여 환원 반응을 진행함으로써 배기 가스에 포함된 질소 산화물을 정화한다.
상기 질소 산화물 저감 촉매(40)의 전방과 또는 후방에는 제3온도 센서(60)와 제4온도 센서(65)가 각각 장착되어 질소 산화물 저감 촉매(40)의 입구부 온도와 출구부 온도를 측정한다. 여기에서는, 질소 산화물 저감 촉매(40)가 2개의 부분으로 나뉘어 있는 것을 도시하였다. 이는 담체에 코팅된 금속의 비율을 달리 함으로써 특정 기능을 수행하도록 하기 위한 것이다. 예를 들어, 엔진(10)에 가까운 제1부분(40)에는 팔라듐(Pd)의 비율을 높임으로써 내열 기능을 강화하고, 테일 파이프에 가까운 제2부분(40)에는 백금(Pt)의 비율을 높임으로써 탄화 수소의 슬립을 방지할 수 있다. 이와는 달리, 담체에 코팅된 금속의 비율이 전 영역에서 동일한 질 소 산화물 저감 촉매(40)가 사용될 수도 있다.
또한, 상기 질소 산화물 저감 촉매(40)의 후방의 배기 파이프(20)에는 제2산소 센서(70)가 장착되어 있다. 상기 제2산소 센서(70)는 본 발명의 실시예에 따른 배기 장치가 배기 가스에 포함된 유해 물질을 정상적으로 제거하고 있는지 모니터링 하기 위한 것이다.
제어부(50)는 각 센서들(25, 35, 36, 55, 60, 65, 70)에서 검출된 신호들을 기초로 엔진의 운전 조건을 판단하고, 상기 엔진의 운전 조건을 기초로 연료의 추가 분사량 및 추가 분사 시기를 제어함으로써 질소 산화물 저감 촉매(40)에 저장된 질소 산화물을 탈착한다. 일 예로, 제어부(50)는 상기 질소 산화물 저감 촉매(40)에 저장된 질소 산화물의 양이 설정된 값 이상인 경우에는 연료를 추가 분사하도록 제어 한다.
또한, 상기 제어부(50)는 질소 산화물 저감 촉매(40)에서 질소 산화물의 환원 반응이 활성화되도록 배기 가스 내에서 질소 산화물에 대한 탄화 수소의 비율이 설정된 비율 이상이 되도록 제어한다. 상기 설정된 비율은 8일 수 있다.
한편, 상기 제어부(50)는 엔진의 운전 조건을 기초로 질소 산화물 저감 촉매(40)에 저장된 질소 산화물의 양, 질소 산화물 저감 촉매 후단에서 질소 산화물의 슬립양, 그리고 질소 산화물에 대한 탄화 수소의 비율을 계산한다. 이러한 계산은 수많은 실험에 의하여 정해진 맵을 기초로 수행된다.
또한, 제어부(50)는 엔진의 운전 조건, 엔진의 상태 또는 질소 산화물 저감 촉매의 상태에 따라 제2인젝터(90)의 연료 분사 패턴을 변화시킨다. 여기서, 엔진 의 상태는 엔진의 작동 기간을 고려하여 추정되고, 질소 산화물 저감 촉매의 상태는 질소 산화물 저감 촉매의 열화를 고려하여 추정된다.
한편, 제어부(50)는 제2인젝터(90)에서의 추가 분사를 제어하는 대신, 제1인젝터(14)에서의 후분사를 제어함으로써 질소 산화물 저감 촉매(40)에서 질소 산화물의 환원 반응을 활성화시킬 수 있다. 이 경우, 후분사된 연료는 디젤 연료 분해 촉매(32)에서 고반응성의 환원제로 변화되어 질소 산화물 저감 촉매(40)에서 질소 산화물의 환원 반응을 촉진시킨다. 따라서, 이 명세서에서 및 특허청구범위에서의 추가 분사는 후분사를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
이하, 도 2 내지 도 3을 참조로, 질소 산화물 저감 촉매(40)를 보다 자세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질소 산화물 저감 촉매에 질소 산화물이 저장되는 경우를 도시한 개략도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 질소 산화물 저감 촉매에서 질소 산화물이 탈착되는 경우를 도시한 개략도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 질소 산화물 저감 촉매(40)는 담체에 코팅된 제1,2 촉매층(42, 44)을 포함한다. 상기 제1 촉매층(42)은 배기 가스에 근접하여 배치되며, 상기 제2 촉매층(44)은 담체에 근접하여 배치된다.
상기 제1 촉매층(42)은 배기 가스에 포함된 질소 산화물을 산화시키고, 산화된 질소 산화물의 일부를 타지 않은 연료 또는 배기 가스에 포함된 탄화 수소와의 산화-환원 반응에 의하여 환원시킨다. 또한, 산화된 질소 산화물의 다른 일부는 제2 촉매층(44)으로 확산된다. 상기 상기 제1 촉매층(42)은 HC SCR (Selective Catalytic Reduction) 촉매(102)로 구성된다.
상기 HC SCR 촉매(102)로는 HC의 저장이 가능한 제올라이트 촉매가 기본적으로 사용된다. 제올라이트 촉매에서 Si/Al의 몰비율이 낮을 경우 HC 저장이나 산화반응에 유리하나, 내열성이 취약하다. 제1 촉매층(42)은 배기 가스에 근접하여 배치되므로 Si/Al의 몰비율이 20 이상인 제올라이트 촉매를 사용하여 내열성을 확보한다. 상기 제올라이트 촉매는 구리, 백금, 망간, 철, 코발트, 니켈, 아연, 은, 세륨, 갈륨 중 적어도 하나 이상의 원소가 제올라이트와 이온 교환된 촉매이다. 또한, 상기 제올라이트로는 모데나이트(mordenite), Y 제올라이트, ZSM-5, 베타 제올라이트 등이 사용될 수 있다.
한편, 제올라이트의 기공 크기도 질소 산화물의 정화 성능에 영향을 준다. 기공 크기가 작은 경우에는 HC의 산화속도가 감소하면서 HC/NOx 비율이 증가한다. 따라서, 기공 크기가 작은 경우에는 제올라이트 촉매의 활성 온도 영역이 증가하게 된다. 또한, 제올라이트 촉매의 활성 온도 영역은 이온교환하는 금속의 종류에 따라서도 영향을 받게 된다. 이온교환하는 금속의 산화 성능이 약한 경우, NOx의 정화 성능이 향상된다. 일반적으로, HC SCR 촉매(102)는 활성 온도 영역이 좁으므로 제올라이트의 기공 크기와 이온 교환하는 금속의 종류를 변화시킴으로써 NOx의 정화 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 제올라이트 촉매와 함께 다공성 알루미나에 담지된 귀금속 촉매(예를 들어, 팔라듐 또는 백금이 다공성 알루미나에 담지된 촉매)를 사용함으로써 NOx의 정화 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 HC SCR 촉매(102)에서 일어나는 화학 반응은 하기와 같다.
Z-Cu2+O- + NO → Z-Cu2+(NO2 -)ads → Z-Cu2+ + NO2
Z+O- + NO → Z+(NO2 -)ads → Z+ + NO2
Z-Cu2+(NO2 -)ads + NO → Z-Cu2+(N2O3)- ads → Z-Cu2+O- +N2 +O2
Z-H+ + CnH2n → Z-CnH2n+1 + → n(Z-H) + CnH2n +
mNO2 + CnH2n+ → CnH2nNmO2m → N2 + CO2 + H2O
여기에서, Z는 제올라이트를 의미하고, 아래첨자 ads는 흡착을 의미한다.
또한, 상기 다공성 알루미나에 담지된 금속 촉매로는 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄, 텅스텐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 구리, 아연, 은 중 적어도 하나 이상의 금속이 사용될 수 있다. 상기 다공성 알루미나에 담지된 금속 촉매에서 일어나는 화학 반응은 아래와 같다.
NO + O2 → (NOx)ads
THC + (NOx)ads → THC-ONO or THC-NO2
THC-NO2 → THC-NCO
THC-NCO + NO + O2 → N2 + CO2 + H2O
여기에서, THC는 탄화 수소를 의미한다. 앞에서 언급한 바와 같이, 탄화 수소는 배기 가스와 연료에 포함된 탄소와 수소로 구성된 화합물을 모두 나타내는 것으로 한다.
상기 제2 촉매층(44)은 제1 촉매층(42)에서 확산된 질소 산화물을 저장하고, 추가 분사되는 연료에 의하여 상기 저장된 질소 산화물을 탈착하여 상기 제1 촉매층(42)에서 환원되도록 한다.
상기 제2 촉매층(44)은 전이금속(106)과 흡착물질(104)을 포함한다. 상기 전이금속(106)으로는 코발트, 망간, 바나듐, 구리, 철, 크롬, 니켈, 루데늄 중 적어도 하나 이상의 금속이 사용된다. 상기 흡착물질(104)로는 약염기성 산화물(예를 들어, ZrO2, Al2O3, 그리고 TiO2, ZrO2, Al2O3 중 적어도 두 개가 섞인 복합산화물 등)이 사용된다.
일반적으로, NOx, SOx는 산화 가스이기 때문에, 염기성 물질에 흡착이 잘 된다. 그러나, NOx 흡착을 위하여 강염기성 물질을 사용하면 SOx 피독에 취약할 수 있다. 배기가스 중의 NOx와 SOx는 일반적으로 NO와 SO2의 형태로 존재하며, 이러한 NOx와 SOx는 산화-환원 반응을 거쳐 촉매에 흡착되는 것이 보통이다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 제2 촉매층(44)은 SOx의 피독에 대한 내성을 가지면서 산화 능력도 가지고 있는 전이금속(106)과 약염기성의 흡착물질(104)을 포함하여 NOx의 흡착과 SOx의 피독 문제를 동시에 해결할 수 있도록 하였다. 또한, 약염기성의 흡 착물질(104)을 사용하므로 연비를 크게 저하시키지 않고도 NOx를 탈착할 수 있다. 더 나아가, SOx가 약간 흡착되더라도 SOx도 NOx의 탈착 온도와 비슷한 온도에서 탈착이 진행되므로 별도의 탈황과정이 필요 없는 장점이 있다.
이하, 질소 산화물 저감 촉매의 작동 원리를 상세히 설명한다.
질소 산화물 저장 모드
제2인젝터(90)에서 연료가 추가 분사되지 않은 경우에는, 배기 가스에 포함된 질소 산화물은 제1 촉매층(42)에서 산화된다. 산화된 질소 산화물의 일부는 배기 가스에 포함된 탄화 수소와 산화-환원 반응을 하여 질소 기체로 환원된다. 이 과정에서, 배기 가스에 포함된 탄화 수소는 이산화 탄소로 산화된다. 제1 촉매층(42)에서 일어나는 반응은 하기의 식과 같이 간략하게 표현된다.
NO + 1/2O2 → NO2
NO + HC → 1/2N2 + CO2 + H2O
또한, 산화된 질소 산화물의 다른 일부와 배기 가스에 포함된 질소 산화물은 제2 촉매층(44)으로 확산되어 저장된다. 이 때, 제2 촉매층(44)의 전이금속(106)은 일산화 질소를 이산화 질소로 산화시켜 흡착물질(104)에 질소 산화물이 저장되는 것을 촉진시킨다. 또한, 제1 촉매층(42)에서 확산된 이산화 질소와 전이금속(106)에서 산화된 이산화 질소는 제2 촉매층(44)의 흡착물질(104)에 저장된다.
질소 산화물 재생 모드
제2인젝터(90)에서 연료가 추가 분사되는 경우에는, 추가 분사된 연료가 디젤 연료 분해 촉매(32)을 통과하고, 이 과정에서 연료가 저분자의 탄화 수소로 변환된다. 또한, 저분자의 탄화 수소의 일부는 산소와 결합된 탄화 수소로 변환되어 질소 산화물 저감 촉매(40)를 통과한다.
이 때, 제2 촉매층(44)에서는 질소 산화물이 상기 탄화 수소와 치환 반응을 통하여 탈착된다.
또한, 제1 촉매층(42)에서는 상기 탈착된 질소 산화물과 탄화 수소/산소와 결합한 탄화 수소 사이의 산화-환원 반응에 의하여 질소 산화물은 질소 기체로 환원되고 탄화 수소/산소와 결합한 탄화 수소는 이산화 탄소로 산화된다. 이는 하기의 식과 같이 간략하게 표현된다.
NOx + HC/Oxygenated HC → 1/2N2 + CO2 + H2O
따라서, 배기 가스에 포함된 질소 산화물과 탄화 수소가 정화된다.
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 실시예에 따른 배기 장치를 보인 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질소 산화물 저감 촉매에 질소 산화물이 저장되는 경우를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 질소 산화물 저감 촉매에서 질소 산화물이 탈착되는 경우를 도시한 개략도이다.

Claims (11)

  1. 배기 가스가 흘러가는 배기 파이프 상에 장착되어 있는 질소 산화물 저감 촉매에 있어서,
    상기 질소 산화물 저감 촉매는 담체에 코팅된 제1,2 촉매층을 포함하고, 상기 제1 촉매층은 배기 가스에 근접하여 배치되며, 상기 제2 촉매층은 상기 담체에 근접하여 배치되고,
    상기 제1 촉매층은 배기 가스에 포함된 질소 산화물의 일부를 타지 않은 연료 또는 배기 가스에 포함된 탄화 수소와의 산화-환원 반응에 의하여 환원시키며, 상기 질소 산화물의 다른 일부는 제2 촉매층으로 확산시키고,
    상기 제2 촉매층은 상기 확산된 질소 산화물을 저장하고, 설정된 주기에 따라 추가 분사되는 연료에 의하여 상기 저장된 질소 산화물을 탈착하여 상기 제1 촉매층에서 환원되도록 하되,
    상기 제2 촉매층은 황산화물에 대한 내성을 가지면서 일산화 질소를 이산화 질소로 산화시키는 전이금속과, 상기 제1 촉매층에서 확산된 질소 산화물과 상기 전이금속에서 산화된 질소 산화물을 일시적으로 저장하는 흡착물질을 포함하는 질소 산화물 저감 촉매.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 촉매층은 HC SCR 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 질소 산화물 저감 촉매.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 HC SCR 촉매는 구리, 백금, 망간, 철, 코발트, 니켈, 아연, 은, 세륨, 갈륨 중 적어도 하나 이상의 원소가 제올라이트와 이온 교환된 제올라이트 촉매를 포함하는 질소 산화물 저감 촉매.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제올라이트 촉매는 규소와 알루미늄을 그 구성원소로 포함하되, 상기 알루미늄에 대한 상기 규소의 몰비율은 20 이상인 것을 특징으로 하는 질소 산화물 저감 촉매.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 제올라이트는 모데나이트, Y 제올라이트, ZSM-5, 베타 제올라이트 중 적어도 하나가 사용되는 것을 특징으로 하는 질소 산화물 저감 촉매.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 전이금속은 코발트, 망간, 바나듐, 구리, 철, 크롬, 니켈, 루데늄 중 적어도 하나 이상의 금속을 포함하는 질소 산화물 저감 촉매.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 흡착물질은 ZrO2, Al2O3, 또는 TiO2, ZrO2, Al2O3 중 적어도 두 개가 섞인 복합산화물인 것을 특징으로 하는 질소 산화물 저감 촉매.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 설정된 주기는 상기 제1 촉매층에서 질소 산화물의 환원 반응이 활성화되도록 상기 제2 촉매층에 저장된 질소 산화물이 설정된 값 이상인 경우 도래하는 것을 특징으로 하는 질소 산화물 저감 촉매.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 추가 분사는 엔진에 장착된 인젝터에서 후분사 또는 상기 배기 파이프에 장착된 인젝터에서의 2차 분사에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 질소 산화물 저감 촉매.
  10. 배기 가스가 흘러가는 배기 파이프 상에 장착되어 있는 질소 산화물 저감 촉매를 포함하며,
    상기 질소 산화물 저감 촉매는 담체에 코팅된 제1,2 촉매층을 포함하고, 상기 제1 촉매층은 배기 가스에 근접하여 배치되며, 상기 제2 촉매층은 상기 담체에 근접하여 배치되고,
    상기 배기 가스에 포함된 질소 산화물의 일부는 제1 촉매층을 통과하며 산화되고, 산화된 질소 산화물은 상기 제2 촉매층에 저장되며,
    상기 제2 촉매층에 저장된 질소 산화물은 추가 분사된 연료와의 치환 반응에 의하여 탈착되고, 탈착된 질소 산화물은 제1 촉매층에서 상기 추가 분사된 연료에 의하여 환원되며,
    상기 제2 촉매층은 황산화물에 대한 내성을 가지면서 일산화 질소를 이산화 질소로 산화시키는 전이금속과, 상기 제1 촉매층에서 확산된 질소 산화물과 상기 전이금속에서 산화된 질소 산화물을 일시적으로 저장하는 흡착물질을 포함하는 배기 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 추가 분사에 의한 연료의 공급은 상기 제1 촉매층에서 질소 산화물의 환원 반응이 활성화 되도록 질소 산화물에 대한 탄화 수소의 비율이 설정된 비율 이상이 되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 배기 장치.
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