KR101220366B1 - 엔진의 배기시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 엔진의 배기시스템은, 엔진에서 배출되는 배기가스가 통과하는 배기라인, 상기 배기라인에 배치되어 배기가스에 포함된 입자상물질을 포집하되, 포집된 입자상물질을 제거하고, 앞부분에서 뒷부분으로 귀금속이 형성되는 디피에프(DPF: diesel particulate filter), 상기 배기라인에서 상기 디피에프의 후단부에 배치되어 환원제를 분사하는 환원제분사장치, 및 상기 환원제분사장치에서 분사된 상기 환원제와 상기 디피에프의 귀금속에 의해서 생성된 이산화질소를 이용하여 질소산화물을 제거하는 선택적촉매환원장치를 포함하되, 상기 디피에프의 상기 앞부분의 단위 부피당 귀금속 함량(g/ft3)보다 상기 뒷부분의 단위 부피당 귀금속 함량이 더 크다.
따라서, 디피에프에 귀금속성분이 앞부분과 뒷부분에 각각 형성되고, 상기 앞부분에 형성된 귀금속성분의 양보다 상기 뒷부분에 형성된 귀금속성분의 양을 더 많이 적용하여, 상기 디피에프의 후단부로 이산화질소를 더 발생시켜, 선택적촉매환원장치의 질소산화물 정화효율을 향상시킬 수 있다.

Description

엔진의 배기시스템{INTAKE SYSTEM OF ENGINE}
본 발명은 엔진의 배기시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배기가스에 포함된 탄화수소와 일산화탄소를 제거하고 질소산화물을 제거하는 정화장치를 구비한 엔진의 배기시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 엔진에서 발생되는 일산화탄소, 탄화수소, 입자상물질, 및 질소산화물을 제거하기 위해서 내연기관용 후처리 시스템이 장착되고 있다.
상기 후처리 시스템은 디젤산화촉매(DOC: diesel oxidation catalyst), 디피에프(DPF: diesel particulate filter), 환원제분사장치, 및 선택적촉매환원(SCR: selective catalytic reduction)장치를 포함할 수 있다.
상기 디젤산화촉매는 주로 배기가스에 포함된 일산화탄소나 탄화수소를 산화시키고, 그 산화열로 입자상물질의 일부를 태워 줄이는 기능을 수행한다.
상기 디피에프는 주로 배기가스에 포함된 입자상물질을 여과하고, 설정된 온도에서 그 포집된 입자상물질을 태워 제거하는 기능을 수행한다.
상기 환원제분사장치는 배기가스 내로 환원제를 분사하고, 상기 선택적환원촉매장치는 상기 배기가스에 포함된 환원제를 이용하여 질소산화물을 산화/환원시켜 질소와 물로 제거하는 기능을 수행한다.
한편, 디젤산화촉매나 디피에프에 적용되는 귀금속성분을 이용하여 일산화탄소나 탄화수로를 산화시켜 제거하고, 일산화질소를 산화시켜 그 후단으로 이산화질소를 발생시켜 상기 선택적촉매환원장치의 질소산화물 흡장성능을 향상시킬 수 있으며, 그 효율을 향상시키기 위한 방법들이 연구되고 있다.
따라서, 본 발명은 디젤산화촉매나 디피에프에 적용되는 귀금속성분을 이용하여 일산화탄소나 탄화수소를 제거하고 그 후단으로 이산화질소를 효과적으로 발생시켜 선택적촉매환원장치의 정화효율을 향상시킨 엔진의 배기시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 엔진의 배기시스템은, 엔진에서 배출되는 배기가스가 통과하는 배기라인, 상기 배기라인에 배치되어 배기가스에 포함된 입자상물질을 포집하되, 앞부분에서 뒷부분으로 귀금속이 형성되는 디피에프(DPF: diesel particulate filter), 상기 배기라인에서 상기 디피에프의 후단부에 배치되어 환원제를 분사하는 환원제분사장치, 및 상기 환원제분사장치에서 분사된 상기 환원제와 상기 디피에프의 귀금속에 의해서 생성된 이산화질소를 이용하여 질소산화물을 제거하는 선택적촉매환원장치를 포함하되, 상기 디피에프의 상기 앞부분의 단위 부피당 귀금속 함량(g/ft3)보다 상기 뒷부분의 단위 부피당 귀금속 함량이 더 크다.
상기 디피에프의 상기 앞부분의 촉매의 단위 부피당 귀금속 함량은 50gpcf(gram per cubic feet) 이고, 상기 뒷부분의 촉매의 단위 부피당 귀금속 함량은 85gpcf이며, 상기 디피에프의 귀금속성분은 백금(Pt) 및 팔라듐(Pd)을 설정된 중량비율로 포함할 수 있다.
상기 디피에프의 상류측 상기 배기라인에 설치되어, 배기가스에 포함된 유해물질을 산화시키는 디젤산화촉매(DOC: diesel oxidation catalyst)를 더 포함할 수 있다.
상기 선택적환원촉매장치는 상기 디피에프에서 형성된 이산화질소와 자체 귀금속성분을 이용하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 흡착하고, 설정된 조건에서 저장된 질소산화물을 환원시켜 제거할 수 있다.
앞에서 기재된 바와 같이 본 발명에 따른 엔진의 배기시스템에서, 디피에프에 귀금속성분이 앞부분과 뒷부분에 각각 형성되고, 상기 앞부분에 형성된 귀금속성분의 양보다 상기 뒷부분에 형성된 귀금속성분의 양을 더 많이 적용하여, 상기 디피에프의 후단부로 이산화질소를 더 발생시켜, 선택적촉매환원장치의 질소산화물 정화효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 배기시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 배기시스템에 구비되는 디피에프의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 배기시스템의 온도에 따른 정화특성을 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 배기시스템에서 촉매의 코팅비율에 따른 유해가스 변환율을 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 배기시스템에서 촉매의 코팅양에 따른 유해가스 변환율을 보여주는 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 배기시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 엔진의 배기시스템은 엔진(100), 배기라인(105), 디젤산화촉매(110), 디피에프(120), 환원제분사장치(130), 및 선택적촉매환원장치(140)를 포함하여 구성된다.
상기 엔진(100)에서 배기가스가 배출되면, 상기 배기라인(105)을 통해서 배출되고, 상기 디젤산화촉매(110)와 상기 디피에프(120)를 순차적으로 통과하고, 상기 환원제분사장치(130)에서 환원제가 분사되고, 배기가스는 환원제와 혼합된 후 상기 선택적촉매환원장치(140)를 통과한다.
상기 디젤산화촉매(110)에서 일산화탄소와 탄화수소의 일부가 정화되고, 상기 디피에프(120)에서 입자상물질이 포집되어 제거되며, 상기 선택적촉매환원장치(140)에서 질소산화물이 환원되어 제거된다.
상기 디피에프(120)는 입자상물질을 필터링하는 구조로, 배기가스가 통과하는 배기통로를 따라서 귀금속성분이 형성되며, 그 귀금속성분을 이용해서 배기가스에 포함된 일산화탄소와 탄화수소를 제거하는 동시에 일부 질소산화물을 이산화질소로 변환시키는 기능을 수행한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 배기시스템에 구비되는 디피에프의 개략적인 구성도이다.
도 2를 참조하면, 상기 디피에프(120)에는 배기가스가 유입되는 앞부분(120a)과 배출되는 뒷부분(120b)으로 나뉘며, 상기 앞부분(120a)과 상기 뒷부분(120b)에 귀금속성분의 양이 다르게 분포된다. 그 귀금속성분의 양이나 비율은 도 4 및 도 5를 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 배기시스템의 온도에 따른 정화특성을 보여주는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 가로축은 촉매의 배기가스의 온도 또는 촉매장치의 온도를 나타내고, 세로축은 일산화탄소(CO) 및 탄화수소(HC)의 정화율 또는 이산화질소(NO2)의 생성율을 나타낸다.
제1라인(300)은 일산화탄소의 정화율(conversion rate %)을 보여주는 것으로, 약 섭씨160도 부근에서 급격하게 상승하여 섭씨 200도 전후에 거의 최대치에 접근한다.
제2라인(310)은 탄화수소의 정화율을 보여주는 것으로, 약 섭씨170도 부근에서 급격하게 상승하여 섭씨 200도 전후에 거의 최대치에 접근한다.
또한, 제3라인(320)은 이산화질소의 형성율을 보여주는 것으로, 약 섭씨200도 부근에서 상승하기 시작해서, 약 섭씨 300도 부근에서 최대치에 접근한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 배기가스의 온도가 상승함에 따라서, 상기 일산화탄소 및 상기 탄화수소의 정화율이 상승한 후에 상기 이산화질소의 형성율이 순차적으로 상승하게 된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 배기시스템에서 촉매의 코팅비율에 따른 유해가스 변환율을 보여주는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 가로축은 상기 디피에프(120)의 종류를 나타내고, 세로축은 설정된 실험조건(FPT75)에 따른 NOx의 NO2 변환율(%)을 나타내는 것이다.
디피에프들 중에서, ① 및 ②는 사용하지 않은 새 제품이고, ⑤, ⑥, ⑦, ⑧, 및 ⑨는 설정된 조건에서 사용된 것들로, 필터볼륨 1L 당 5g의 매연이 포집된 상태들이다.
디피에프 ①은 상기 앞부분(120a) 3인치 길이에 85(g/ft3)의 귀금속성분이 코팅되고 상기 뒷부분(120b) 5인치 길이에 50(g/ft3)의 귀금속성분이 코팅된다. ②는 전체적으로 63(g/ft3)의 귀금속성분이 코팅된다.
⑤는 상기 앞부분(120a) 3인치 길이에 85(g/ft3)의 귀금속성분이 코팅되고 상기 뒷부분(120b) 5인치 길이에 50(g/ft3)의 귀금속성분이 코팅된다. ⑥은 전체적으로 63(g/ft3)의 귀금속성분이 코팅된다. ⑦은 상기 앞부분(120a) 5인치 길이에 50(g/ft3)의 귀금속성분이 코팅되고 상기 뒷부분(120b) 3인치 길이에 85(g/ft3)의 귀금속성분이 코팅된다. ⑧은 상기 앞부분(120a) 3인치 길이에 118.3(g/ft3)의 귀금속성분이 코팅되고 상기 뒷부분(120b) 5인치 길이에 30(g/ft3)의 귀금속성분이 코팅된다. ⑨는 상기 앞부분(120a) 4인치 길이에 85(g/ft3)의 귀금속성분이 코팅되고 상기 뒷부분(120b) 4인치 길이에 41.3(g/ft3)의 귀금속성분이 코팅된다.
상기 디피에프들 ⑤, ⑥, ⑦, ⑧, 및 ⑨의 에이징(사용)조건은 약 섭씨 800도에서 50시간을 기준으로 한다.
사용된 상기 디피에프들 ⑤, ⑥, ⑦, ⑧, 및 ⑨ 중에서 ⑦이 NOx를 NO2로 변환시키는 변환율이 가장 좋은 것을 알 수 있다.
상기 디피에프들 ⑤, ⑧, 및 ⑨ 같이 상기 앞부분(120a)의 귀금속성분이 많은 경우, 도 4에 도시한 바와 같이, 이산화질소의 전환율이 낮은 것을 알 수 있다.
상기 디피에프(120)에서 상기 앞부분(120a)의 귀금속성분은 탄화수소와 일산화탄소의 산화에 사용되고, 상기 뒷부분(120b)의 귀금속성분은 질소산화물을 이산화질소로 변환시키는 기능을 수행하는 것으로 상기 뒷부분(120b)의 귀금속성분을 상대적으로 늘림으로써, 이산화질소의 생성량을 효율적으로 상승시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 배기시스템에서 촉매의 코팅양에 따른 유해가스 변환율을 보여주는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 가로축은 상기 디피에프(120)의 다른 종류를 보여주고, 세로축은 설정된 실험조건(FTP)에서 NOx의 NO2 변환율(%)을 나타내는 것이다.
디피에프 ①, ②, 및 ③은 사용하지 않은 새 제품의 성능을 나타내고, ⑤, ⑥, 및 ⑦은 1L의 단위부피당 포집된 입자상물질이 0.5g인 상태에서 필터의 성능을 나타내고, ⑨, ⑩, 및 ⑪은 1L의 단위부피당 포집된 입자상물질이 5g인 상태에서 필터의 성능을 나타낸다.
아울러, ①, ⑤, 및 ⑨은 필터 전체적으로 63g/ft3 의 귀금속성분이 적용되었고, ②, ⑥, 및 ⑩은 필터 전체적으로 75 g/ft3 의 귀금속성분이 적용되었고, ③, ⑦, 및 ⑪은 필터 전체적으로 85 g/ft3 의 귀금속성분이 적용되었다.
전술한 바와 같이, 전체적인 귀금속성분이 85 g/ft3일 때 질소산화물이 이산화질소로 변화되는 변환율이 높다는 것을 알 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 디피에프(120)의 상기 앞부분(120a)과 상기 뒷부분(120b)에 형성되는 귀금속성분은 백금(Pt)과 팔라듐(Pd)으로 형성된다. 상기 디젤산화촉매(110)는 160g/ft3 의 귀금속성분을 포함하고, 백금과 팔라듐은 질량비로 4대1의 비율을 가지며, 상기 디피에프(120)에 적용되는 귀금속성분으로써 백금과 팔라듐은 질량비로 6대1 내지 2대1의 비율을 갖는다.
또한, 상기 선택적촉매환원장치(140)는 촉매로써 철 또는 구리가 이온교환된 제올라이트를 적용하여 입자상물질(PM: particulate materials)과 질소산화물(NOx)을 저감시키며, 제올라이트에 포함된 전이금속은 중량비2%(1내지4%)를 갖는다.
아울러, 본 발명의 실시예에서, 상기 선택적촉매환원장치가 환원제와 이산화질소를 이용하여 질소산화물을 흡착하고 환원시키는 물리/화학적인 원리는 공지기술이므로 상세한 설명을 생략한다.
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.
100: 엔진
105: 배기라인
110: 디젤산화촉매
120: 디피에프
120a: 앞부분
120b: 뒷부분
130: 환원제분사장치
140: 선택적촉매환원장치
300: 제1라인
310: 제2라인
320: 제3라인

Claims (4)

  1. 엔진에서 배출되는 배기가스가 통과하는 배기라인;
    상기 배기라인에 배치되어 배기가스에 포함된 입자상물질을 포집하되, 포집된 입자상물질을 제거하고, 앞부분에서 뒷부분으로 귀금속이 형성되는 디피에프(DPF: diesel particulate filter);
    상기 배기라인에서 상기 디피에프의 후단부에 배치되어 환원제를 분사하는 환원제분사장치; 및
    상기 환원제분사장치에서 분사된 상기 환원제와 상기 디피에프의 귀금속에 의해서 생성된 이산화질소를 이용하여 질소산화물을 제거하는 선택적촉매환원장치;
    상기 디피에프의 상류측 상기 배기라인에 설치되어, 배기가스에 포함된 유해물질을 산화시키는 디젤산화촉매(DOC: diesel oxidation catalyst); 를 포함하되,
    질소산화물을 이산화질소(NO2)로 변환시키는 효율을 향상시키도록, 상기 디피에프의 상기 앞부분의 단위 부피당 귀금속 함량(g/ft3)보다 상기 뒷부분의 단위 부피당 귀금속 함량이 더 크고,
    상기 선택적환원촉매장치는 상기 디피에프에서 형성된 이산화질소와 자체 귀금속성분을 이용하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 흡착하고, 설정된 조건에서 저장된 질소산화물을 환원시켜 제거하는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 디피에프의 상기 앞부분의 단위 부피당 귀금속 함량은 제1수치이고, 상기 뒷부분의 단위 부피당 귀금속 함량은 상기 제1수치보다 설정치 만큼 더 큰 제2수치이며, 상기 디피에프의 귀금속성분은 백금(Pt) 및 팔라듐(Pd)을 설정된 중량비율로 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
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