KR101091671B1 - 저온 활성 개선을 위한 가솔린 차량용 촉매 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저온 활성 개선을 위한 가솔린 차량용 촉매에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저온에서도 작동하는 CO 산화반응을 이용하여 기존 삼원촉매에서 구현하기 어려운 저온 정화 성능 개선시킬 수 있도록 한 저온 활성 개선을 위한 가솔린 차량용 촉매에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 담체와, 이 담체 벽에 하부 코팅층으로 코팅된 HC 흡착층과, HC 흡착층상에 배치되는 삼원촉매층를 포함하는 저온 활성 개선을 위한 가솔린 차량용 촉매에 있어서, 상기 HC 흡착층과 삼원촉매층 사이에 CO 저온산화층이 배치되도록 삼원촉매층에 CO 저온산화층을 일체로 코팅하여, 100℃의 저온에서도 CO 저온산화층의 활성이 이루어져 HC 흡착층에 저장된 HC를 정화시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 저온 활성 개선을 위한 가솔린 차량용 촉매를 제공한다.

가솔린 차량용, 촉매, CO 저온산화층, 삼원촉매, HC 흡착층

Description

저온 활성 개선을 위한 가솔린 차량용 촉매{Catalyst for cold NMHC of exhaust gas}

본 발명은 저온 활성 개선을 위한 가솔린 차량용 촉매에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저온에서도 작동하는 CO 산화반응을 이용하여 기존 삼원촉매에서 구현하기 어려운 저온 정화 성능 개선시킬 수 있도록 한 저온 활성 개선을 위한 가솔린 차량용 촉매에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 가솔린 배기가스(EM: Emission) 대응을 위해서는 삼원촉매를 기본으로 한 기술을 적용하고 있다.

가솔린 배기가스의 대부분은 냉시동시에 발생하므로, 삼원촉매의 저온 활성기술은 배기가스 저감에 있어서 대단히 중요한 항목이라 하겠다.

기존의 저온 활성 기술로서는 초박벽 담체 적용을 통하여 삼원촉매의 저온활성을 개선하는 방법이 있고, 엔진 제어 측면에서 린 스타트(LEAN START) 및 촉매 히팅 기능(HEATING FUNCTION) 적용 기술 등이 있지만, 이러한 기존의 저온 활성 기 술들을 채택한다 하더라도, 정화율 50%에 도달하는 온도는 대개 350℃ 수준이므로, 촉매의 저온 활성을 위한 온도를 보다 낮추기 위한 촉매 조성 성분을 조절하는 방법, 또는 엔진 제어적 기술들이 지속적으로 제안되고 있다.

그러나, 북미 지역의 저온 비메탄계 탄화수소(COLD NMHC) 배출 규제는 영하 7도에서 시동이 걸리는 조건으로서, 현재의 촉매 기술로는 그 대응에 원할하게 대처하는데 어려움이 있다.

이를 위한, 하나의 대안으로 제시되는 기술은 탄화수소 트랩(HC TRAP) 기술에 있는 바, 이 역시 탄화수소 트랩(HC TRAP) 기능은 작동하지만, 촉매의 저온 활성을 획기적으로 낮추지 않으면 저장된 HC가 그대로 방출되어, 규제 대응에 어려움이 있다.

이렇게 가솔린 차량의 저온 비메탄계 탄화수소(COLD NMHC) 배출 규제에 대응하고자, 탄화수소 트랩(HC TRAP) 기술이 제안되었는 바, 탄화수소 트랩은 도 1의 모식도에서 보는 바와 같이 담체벽에 제올라이트 재료를 주로 사용하여 하부 코팅층인 HC 흡착층이 형성되어 있고, 이 HC 흡착층 위에는 통상의 삼원촉매(TWC : Three Way Catalyst)가 배치되어 있다.

이러한 탄화수소 트랩의 작동 개념은 아래에 순서대로 설명된 바와 같다.

1) 냉시동 초기에 엔진에서 배출되는 HC가 삼원촉매가 활성화되는 온도 이전에 배기계의 테일 파이프(TAIL PIPE)를 통해 외부로 배출될 수 밖에 없으나, 삼원촉매의 아래층에 위치한 탄화수소 트랩층인 HC 흡착층에 의해 흡착 저장된다.

2) HC가 HC 흡착층에 흡착되는 동안 배기가스 온도는 상승하고, 삼원촉 매(TWC)는 저온활성 도달 온도인 200℃ 이상에 도달하게 된다.

3) 삼원촉매의 활성화 이후, 탄화수소 트랩층인 HC 흡착층에 흡착되어 있던 HC가 탈락되고, 활성화 온도에 도달한 삼원촉매층에서 HC의 정화가 이루어진다.

그러나, 이러한 탄화수소 트랩 방법은 삼원촉매가 활성화되기 전에 HC 흡착층에서 HC가 탈락되는 문제점이 있고, 이는 HC 흡착층에 저장된 HC가 탈락되는 온도에서 삼원촉매의 활성화가 이루어지지 않기 때문이다.

즉, 삼원촉매의 정화율 50% 도달 온도는 대개 350℃ 수준인 바, HC 흡착층에서 HC가 탈락되는 시작 온도는 150℃ 부터 시작되므로, 결국 HC 흡착층에 저장되었던 HC가 삼원촉매에서 정화되지 못하고 배기계의 테일 파이프(TAIL PIPE)를 통해 외부로 배출되므로 저온 비메탄계 탄화수소(COLD NMHC) 배출 규제에 대응하지 못하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 100℃ 이하의 저온에서도 CO를 정화하는 금촉매를 제공함과 더불어 이를 탄화수소 트랩(HC TRAP) 기술과 결부함으로써, 배기가스 중에 존재하는 다량의 CO를 저온에서 산화시켜서 발생되는 반응열을 통하여, 탄화수소 트랩(HC TRAP)의 촉매층 온도를 빠르게 높여주는 동시에 촉매의 저온활성을 개선할 수 있고, 트랩된 탄화수소의 배출을 억제시킬 수 있도록 한 저온 활성 개선을 위한 가솔린 차량용 촉매를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 담체와, 이 담체 벽에 하부 코팅층으로 코팅된 HC 흡착층과, HC 흡착층상에 배치되는 삼원촉매층를 포함하는 저온 활성 개선을 위한 가솔린 차량용 촉매에 있어서, 상기 HC 흡착층과 삼원촉매층 사이에 CO 저온산화층이 배치되도록 삼원촉매층에 CO 저온산화층을 일체로 코팅하여, 100℃의 저온에서도 CO 저온산화층의 활성이 이루어져 HC 흡착층에 저장된 HC를 정화시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 저온 활성 개선을 위한 가솔린 차량용 촉매를 제공한다.

바람직한 구현예로서, 상기 CO 저온산화층을 갖는 삼원촉매층은 세리아 5~15 중량부, 지르코니아 10~20 중량부, 팔라듐 0.1~2 중량부, 로듐 0.01~0.5중량부, 제올라이트 10~20중량부, 알루미나 나머지 중량부로 이루어지되, 전체 100중량부에 대하여 CO 저온산화층을 형성하는 금 0.1~1중량부, 타이타니아 10~30중량부, 망간 0.1~1중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, CO 저온활성층인 금촉매 삼원촉매층에 일체로 결합시키고, 탄화수소 트랩(HC TRAP) 기술과 결부함으로써, 배기가스 중에 존재하는 다량의 CO를 100℃ 이하의 저온에서 산화시키는 CO 저온활성층의 반응열을 통하여, 삼원촉매층의 온도를 빠르게 높여주어 활성화시킴에 따라, 150℃ 정도에서 HC 흡착층에서 탈착되기 시작하는 탄화수소를 활성화가 이루어진 삼원촉매에서 용이하게 정화시킬 수 있다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

기존의 촉매는 담체와, 이 담체 벽에 하부 코팅층으로 코팅된 HC 트랩을 위한 HC 흡착층과, HC 흡착층상에 배치되는 삼원촉매층으로 구성되어 있는 바, HC 흡착층에 트랩된 탄화수소의 배출을 억제시킬 수 있는 방법은 HC 흡착층에서 HC가 탈착되는 온도를 삼원촉매(TWC)가 활성화되는 온도까지 상승시키는 방법, 반대로 삼원촉매의 활성화 온도를 HC 흡착층에서 HC가 탈착되는 온도 영역 부근까지 떨어뜨리는 방법을 채택하면 된다.

이러한 점을 감안하여, 본 발명은 삼원촉매의 저온 활성을 위한 활성화 온도를 낮추어주는 가솔린 차량용 촉매를 제공하고자 한 것으로서, 저온 혹은 상온에서도 CO를 정화하는 산화 반응열을 통해 삼원촉매의 활성화를 가속화시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

이를 위해, 상기 삼원촉매층에 CO 저온산화층을 일체로 코팅하여, CO 저온산화층이 HC 흡착층과 삼원촉매층 사이에 배치되도록 한다.

상기 CO 저온산화층을 갖는 삼원촉매층의 조성비를 보면, 세리아 5~15 중량 부, 지르코니아 10~20 중량부, 팔라듐 0.1~2 중량부, 로듐 0.01~0.5중량부, 제올라이트 10~20중량부, 알루미나 나머지 중량부로 이루어지되, 이 삼원촉매층의 전체 100중량부에 대하여 CO 저온산화층을 위한 금 0.1~1중량부, 타이타니아 10~30중량부, 망간 0.1~1중량부가 더 함유된다.

상기 삼원촉매층의 각 성분중 세리아, 지르코니아, 팔라듐, 로듐, 제올라이트, 알루미나는 기존 삼원촉매층의 동작 개념과 동일하게 채택된 성분이므로, 그 성분 첨가 이유 및 중량부 범위 한정 이유에 대한 설명은 생략하기로 한다.

이때, CO 저온산화층을 위한 금 0.1~1중량부에 대한 첨가 이유 및 범위 한정 이유를 보면, CO 정화를 위한 금촉매로서 첨가되며, 0.1중량부 미만이면 금촉매 활성 담지량이 너무 적고, 1중량부보다 크면 활성 포화가 일어나므로, 금을 0.1~1중량부 범위로 한정하는 것이 좋다.

또한, CO 저온산화층을 위한 타이타니아 10~30중량부에 대한 첨가 이유 및 범위 한정 이유를 보면, 금촉매 담지물질로서 첨가되며, 10중량부 미만이면 금촉매 담지 면적이 너무 최소화되고, 30중량부를 넘어서면 코팅층 두께가 너무 두꺼워지므로, 타이타니아는 10~30중량부로 한정하는 것이 좋다.

한편, 상기 망간 0.1~1중량부는 금촉매 산화성능 보조 촉매로 첨가하게 된다.

이렇게 삼원촉매층에 CO 저온산화층을 일체로 코팅하여, CO 저온산화층이 HC 흡착층과 삼원촉매층 사이에 배치되도록 함으로써, 100℃의 저온에서도 CO 저온산화층의 활성이 이루어져 HC 흡착층에 저장된 HC를 용이하게 정화시킬 수 있다.

즉, CO는 배기가스 성분 중에 0.5~1.5% 이상을 차지하며, 그 발열량이 크므로, 100℃ 이하의 온도에서 CO의 산화 반응이 CO 저온산화층에서 시작되면, 삼원촉매층을 빨리 웜업시킬 수 있고, HC 흡착층에서 탈착되는 HC를 저온에서도 효과적으로 정화할 수 있다.

본 발명의 시험예로서, CO 저온산화층이 없는 삼원촉매를 포함하는 기존의 가솔린 촉매와, CO 산화층을 갖는 삼원촉매를 포함하는 본 발명의 가솔린 촉매의 CO 저온 활성에 따른 정화 효율을 측정하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 의 그래프에 나타낸 바와 같다.

CO 저온활성층 즉, 금촉매의 CO 저온활성은 50℃에서 이미 50% 정화율에 도달함을 알 수 있었고, 이는 기존 삼원촉매의 150℃ 수준보다 100℃ 이상 낮은 수준이며, 이를 통해서 CO 저온활성층이 HC 흡착층과 조합하여, HC 흡착층에 흡착되었던 HC가 탈착되는 온도인 100℃ 부근에서 이미 금촉매층과 삼원촉매층의 롯트(LOT)가 도달되어 북미지역의 저온 비메탄계 탄화수소(COLD NMHC) 배출 규제에 대응할 수 있다.

즉, CO를 정화하는 CO 저온활성층의 금촉매를 제공함과 더불어 이를 탄화수소 트랩(HC TRAP) 기술과 결부함으로써, 100℃ 이하의 저온에서도 배기가스 중에 존재하는 다량의 CO를 저온에서 산화시키는 CO 저온활성층의 반응열을 통하여, 삼원촉매층의 온도를 빠르게 높여줌에 따라, HC 흡착층에서 탈착된 탄화수소를 용이하게 정화시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 저온 활성 개선을 위한 가솔린 차량용 촉매를 나타내는 개념도,

도 2는 기존 삼원촉매와 본 발명의 촉매에 대한 CO 산화 특성을 비교한 그래프,

도 3은 종래의 가솔린 차량용 촉매를 나타낸 개략도.

Claims (2)

1. 담체와, 이 담체 벽에 하부 코팅층으로 코팅된 HC 흡착층과, HC 흡착층상에 배치되는 삼원촉매층를 포함하는 저온 활성 개선을 위한 가솔린 차량용 촉매에 있어서,

   상기 HC 흡착층과 삼원촉매층 사이에 CO 저온산화층이 배치되도록 삼원촉매층에 CO 저온산화층을 일체로 코팅하여, 100℃의 저온에서도 CO 저온산화층의 활성이 이루어져 HC 흡착층에 저장된 HC를 정화시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 저온 활성 개선을 위한 가솔린 차량용 촉매.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 삼원촉매층은 세리아 5~15 중량부, 지르코니아 10~20 중량부, 팔라듐 0.1~2 중량부, 로듐 0.01~0.5중량부, 제올라이트 10~20중량부, 알루미나 나머지 중량부로 이루어지고, 상기 CO 저온산화층은 산화촉매층 100중량부에 대하여 금 0.1~1중량부, 타이타니아 10~30중량부, 망간 0.1~1중량부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 저온 활성 개선을 위한 가솔린 차량용 촉매.

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