KR101226896B1 - 질소 산화물 저장 촉매의 재생방법 - Google Patents

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Abstract

린-번 엔진으로부터의 배기 가스로부터 질소 산화물을 제거하기 위해 린-번 엔진에 질소 산화물 저장 촉매가 장착되는데, 이러한 질소 산화물 저장 촉매는 엔진을 리치-번 모드로 스위칭함으로써 빈번하게 재생되어야 한다. 재생은 통상적으로, 촉매의 다운스트림에서의 질소 산화물 농도가 허용치 이상으로 증가하는 경우에 개시된다. 그러나, 재생 동안 및 재생 후에, 배기 가스의 환원 구성분과 질소 산화물의 반응에 의해 방출되는 열이 촉매의 상 온도를 질소 산화물의 열 탈착이 시작되는 범위로 이동시킬 위험이 있다. 이로 인해 재생 동안 및 엔진이 린-번 모드로 다시 스위칭된 후 질소 산화물 방출을 증가시킬 수 있다. 이러한 문제를 피하기 위해, 리치-번 모드를 두 가지 리치 펄스로 분할하며, 이때 제1 리치 펄스가 제2 리치 펄스보다 지속 시간이 더 짧다.
질소 산화물 저장 촉매, 리치-번 모드, 린-번 모드, 리치 펄스, 촉매의 상 온도.

Description

질소 산화물 저장 촉매의 재생방법 {Method for the regeneration of a nitrogen oxide storage catalyst}
본 발명은 린-번 엔진 배기 가스로부터 질소 산화물을 제거하는 데 사용되는 질소 산화물 저장 촉매의 재생방법에 관한 것이다.
휘발유 엔진의 연료 소모를 줄이기 위해, 부분 하중 범위에서 린(lean) 공기/연료 혼합물에 의해 작동되는 린-번 엔진으로서 공지된 것이 개발되었다. 린 공기/연료 혼합물은 연료의 완전 연소에 필요한 것보다 높은 산소 농도를 함유한다. 이 경우, 상응하는 배기 가스는 환원 배기-가스 성분인 일산화탄소(CO), 수소(H2) 및 탄화수소(HC)에 비해 과량으로 산화 성분인 산소(O2), 질소 산화물(NOx)을 함유한다. 린 배기 가스는 통상적으로 산소를 3 내지 15용적% 함유한다. 그러나, 완전 하중시, 린-번 엔진은 화학양론적 또는 화학양론이하, 즉 리치(rich) 공기/연료 혼합물에 의해 작동된다.
반대로, 디젤 엔진은 일반적으로 고도의 초화학양론적 공기/연료 혼합물을 사용한 조건하에서 작동한다. 최근, 단시간 동안 리치 공기/연료 혼합물로 작동할 수도 있는 디젤 엔진이 개발되었다. 디젤 엔진, 특히 리치 작동 단계의 옵션을 갖는 디젤 엔진이 또한 본 발명과 관련하여 린-번 엔진이라는 용어에 포함된다.
공기/연료 비 람다(λ)로서 공지된 것을 사용하여 공기/연료 혼합물을 특성화한다. 이는 화학양론적 조건으로 표준화된 공기/연료 비를 나타낸다. 화학양론적 조성을 갖는 공기/연료 혼합물의 공기/연료 비는 1이다. 1보다 큰 공기/연료 비는 린 공기/연료 혼합물을 나타내는 반면, 1보다 작은 공기/연료 비는 리치 공기/연료 혼합물을 나타낸다. 엔진으로부터 배출되는 배기 가스는 엔진을 작동시키는 데 사용되는 공기/연료 혼합물과 동일한 공기/연료 비를 갖는다.
린-번 엔진으로부터의 배기 가스의 높은 산소 함량으로 인해, 화학양론적 조건하에서 작동하는 스파크-점화 엔진에서 사용되는 바와 같은 삼원 촉매(three-way catalyst)를 사용해서도, 배기 가스에 함유된 질소 산화물이 질소를 형성하도록 연속적으로 환원되지 못하는 동시에 탄화수소와 일산화탄소가 산화한다. 따라서, 이러한 엔진으로부터의 배기가스로부터 질소 산화물을 제거할 목적으로, 질산염 형태로 린 배기 가스에 함유된 질소 산화물을 저장하는 질소 산화물 저장 촉매로서 공지된 것이 개발되었다.
질소 산화물 저장 촉매의 작동에 대해서는 SAE 문헌 SAE 950809에 광범위하게 기재되어 있다. 이에 따르면, 질소 산화물 저장 촉매는 캐리어라고 하는 세라믹 또는 금속으로부터 제조된 불활성 벌집형 캐리어에 피막 형태로 일반적으로 적용되는 촉매 물질로 이루어진다. 촉매 물질은 질소 산화물 저장 물질과 촉매 활성 성분을 함유한다. 질소 산화물 저장 물질은 실제 질소 산화물 저장 성분으로 이루어지는데, 이는 지지체 물질 위에 고도로 분산된 형태로 부착되어 있다. 사용되는 저장 성분은 주로 알칼리 금속, 알칼리 토금속 및 희토류 금속의 염기성 산화물, 특히 산화바륨이며, 이는 이산화질소와 반응하여 상응하는 질산염을 형성한다.
사용되는 촉매 활성 성분은 통상적으로 백금족 귀금속이며, 이는 일반적으로 지지체 물질 위에 저장 성분과 함께 부착되어 있다. 사용되는 지지체 물질은 주로 표면적이 큰 활성 알루미나이다. 그러나, 촉매 활성 성분을 마찬가지로 활성 알루미나로 이루어질 수 있는 별도의 지지체 물질에 적용할 수도 있다.
촉매 활성 성분의 역할은 린 배기 가스 중의 일산화탄소와 탄화수소를 이산화탄소와 물로 전환시키는 것이다. 더욱이, 이들은 배기 가스 중에 존재하는 일산화질소를 산화시켜 이산화질소를 형성함으로써, 염기성 저장 물질과 질산염을 형성하는데(저장 단계 또는 린-번 모드), 그 이유는 엔진의 작동 조건에 따라 린-번 엔진으로부터의 배기 가스 중에 존재하는 질소 산화물이 일산화질소 65 내지 95용적%로 이루어지고 이것이 저장 성분과 반응하지 않아 질산염을 형성하기 때문이다.
저장 물질 중의 질소 산화물의 축적이 증가함에 따라, 물질의 순간 저장 용량이 감소한다. 저장 물질은 수시로 재생되어야 한다. 이러한 목적으로, 엔진은 화학양론적 또는 리치 조성을 갖는 공기/연료 혼합물에 의해 간단히 작동된다(이것은 재생 단계 또는 리치-번 모드라고 공지되어 있다). 리치 배기 가스에서의 환원 조건하에, 저장된 질산염이 분해되어 질소 산화물 NOx를 형성하고 환원되어, 물 및 이산화탄소와 함께, 질소를 형성한다. 배기 가스 중에 존재하는 일산화탄소, 수소 및 탄화수소는 여기서 환원제로서 작용한다. 환원은 발열성이며, 촉매에 도입되기 전의 배기 가스 온도에 비해 대략 30 내지 50℃까지 촉매의 상 온도를 증가시킨다.
저장 단계 또는 린-번 모드 동안, 공기/연료 비는 엔진의 유형에 따라 약 1.3 내지 5이다. 간단한 재생 단계 또는 리치-번 모드 동안, 공기/연료 비는 0.7 내지 0.95로 낮아진다.
질소 산화물 저장 촉매가 작동중인 경우, 저장 단계 및 재생 단계가 일정한 간격으로 교대한다. 저장 단계와 재생 단계의 연속을 이하에서는 정화 사이클이라고도 한다. 저장 단계의 지속 시간은 엔진의 질소 산화물 방출 정도 및 촉매의 순간 저장 용량에 따라 좌우된다. 높은 순간 저장 용량을 갖는 촉매의 경우, 저장 단계는 300초 이상일 수 있다. 그러나, 통상적으로는 60 내지 120초이다. 한편, 재생 단계의 지속 시간은 상당히 짧다. 이는 20초 미만이다.
엔진을 저장 단계에서 재생 단계로 스위칭하기 위한 최적 순간을 측정하기 위해 저장 촉매 다운스트림에 질소 산화물 센서를 배치하는 것이 통상적이다. 이러한 센서로 측정한 배기 가스 중의 질소 산화물 농도가 예비설정된 역치값 이상으로 증가하면, 촉매의 재생이 개시된다.
최신 질소 산화물 저장 촉매는, 촉매의 업스트림에서의 배기 가스 온도를 기초로 하여, 약 150 내지 500℃의 작용 범위를 갖는다. 이러한 범위를 이하에서는 활성 윈도우(activity window)라고도 한다. 활성 윈도우 미만에서는, 저장 촉매가 배기 가스에 함유된 질소 산화물을 질산염 형태로 저장할 수 없는데, 그 이유는 이의 촉매 활성 성분이 이산화질소를 형성하도록 질소 산화물을 산화시킬 수 없기 때문이다. 활성 윈도우 이상에서는, 저장된 질산염이 열분해되고 질소 산화물로서 배기 가스로 방출된다. 그러나, 이러한 "열 탈착(thermal desorption)"은 활성 윈도우 이상에서 갑자기 발생하지는 않으며, 오히려 활성 윈도우 내에서도 저장 공정 과 경쟁하면서 일어나기 시작한다.
따라서, 질소 산화물 저장 촉매로 달성될 수 있는 질소 산화물 전환은 촉매의 상 온도가 증가함에 따라 연속적으로 증가하며, 활성 윈도우 내에서는 중간 온도에서 최대치를 통과한 다음 높은 상 온도에서 다시 하락한다. 활성 윈도우의 위치 및 특히 최대 질소 산화물 전환을 위한 상 온도는 촉매의 제형, 특히 사용되는 저장 성분의 성질에 따라 좌우된다. 알칼리 토금속 산화물, 예를 들면, 산화바륨 및 산화스트론튬이 저장 성분으로서 사용되는 경우, 최대 질소 산화물 전환을 위한 상 온도는 대략 350 내지 400℃이다.
저장 촉매의 재생 동안에는, 재생 동안 및 재생 후의 촉매의 상 온도가, 배기 가스의 환원 구성분에 의한 질소 산화물의 전환 동안 방출된 열로 인해 초기 열 탈착이 촉매의 순간 저장 용량을 상당히 감소시키는 범위로 변할 위험이 있다. 본 발명자들은, 비교적 높은 온도로 인해, 전환되지 않은 질소 산화물의 방출이 촉진될 수 있음을 발견하였다. 또한, 본 발명자들은 엔진의 특정 작동 파라미터의 경우, 질소 산화물 저장 촉매의 가열이 재생 전반에 걸쳐 그리고 다음의 린-번 단계로 확대될 수 있음을 발견하였다. 그 결과, 촉매를 통해 질소 산화물이 간단히 저하되며, 이것은 엔진 제어기가 즉시 재생을 다시 개시할 수 있을 정도로 강할 수 있다.
본 발명의 목적은 150 내지 500℃의 배기 가스 온도에서의 재생 동안 저장 촉매의 과도한 가열을 피하는 재생방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 1 내지 6에 따르는 방법에 의해 달성된다. 당해 방법은 질소 산화물 저장용 활성 윈도우가 150 내지 500℃인 질소 산화물 저장 촉매를 함유하는 배기 가스 정화 시스템이 장착된 린-번 엔진을 기초로 한다. 저장 촉매는 엔진의 린-번 모드를 리치-번 모드로 간단히 스위칭함으로써 규칙적으로 재생된다.
당해 방법은, 질소 산화물 저장 촉매의 재생을 위해 리치-번 모드가 두 개의 리치 펄스로부터 형성되고, 이들 두 개의 리치 펄스는 시간 간격을 두고 서로 교대하며, 이때 제1 리치 펄스가 항상 제2 리치 펄스보다 짧고 두 개의 펄스 사이의 시간 간격이 2 내지 20초임을 특징으로 한다.
린-번 단계를 두 개의 펄스 사이에서 20초까지 지속하면서, 리치 펄스를 상이한 길이의 두 개의 리치 펄스로 분할하는 목적은 탈착된 질소 산화물과 리치 배기 가스의 환원 구성분과의 발열성 반응에 의해 야기되는 촉매의 상 온도의 증가를 상쇄하기 위한 것이다. 이를 달성하기 위해, 제1 리치 펄스는 제2 리치 펄스보다 상당히 짧아야 한다. 두 개의 펄스 사이의 짧은 린-번 단계는, 제1 리치 펄스 동안의 발열성 열이 적어도 부분적으로 배기 가스로 다시 분산될 수 있도록 보장한다. 이것은 촉매의 발열 반응으로 인해 이의 상 온도가 배기 가스 온도보다 높기 때문에 가능하다.
저장 촉매를 재생하기 위해 리치 펄스를 사용하는 것은 각종 특허문헌에 이미 기재되어 있다. 예를 들면, 유럽 공개특허공보 제1 386 656 A1호에는 배기 가스 온도가 170 내지 250℃인 경우 2 내지 10개의 연속 리치 펄스를 사용하여 저장 촉매를 재생시키는 것이 기재되어 있다. 이들 사이에 린-번 단계를 갖는 연속 리치 펄스는 촉매의 상 온도를 재생에 유리한 범위로 증가시키기 위해 촉매를 가열하 기 위한 것이다.
독일 공개특허공보 제100 26 762 A1호에는 리치 및 린 배기 가스를 교대함으로써 질소 산화물 저장 촉매를 탈황시키는 방법이 기재되어 있다. 질소 산화물 저장 촉매의 탈황은 600℃의 상 온도 이상에서만 가능하다. 이 온도는 본 발명의 방법에 따른 질소 산화물 저장용 활성 윈도우 150 내지 500℃보다 높다.
독일 공개특허공보 제198 01 815 A1호에는 리치와 린 사이에서 변동하는 배기 가스를 사용하여 질소 산화물 저장 촉매를 재생하는 방법이 기재되어 있는데, 여기서 배기 가스 조성은 평균적으로 화학양론적 또는 약간 린 조성이다. 상기 특허문헌에는 재생 동안 촉매의 온도에 대해서는 상세하게 제공되어 있지 않다.
보다 나은 이해를 제공하기 위해, 본 발명은 도 1 내지 도 4를 참조하여 보다 상세하게 설명된다.
도 1은 촉매의 업스트림에서의 배기 가스 온도의 함수로서의 질소 산화물 저장 촉매의 질소 산화물 저장 효율을 보여준다.
도 2는 선행 기술에 따라 재생하는 동안의 촉매의 다운스트림에서의 온도와 촉매의 업스트림에서의 공기/연료 비의 곡선을 보여준다.
도 3은 시간 간격을 갖는 두 개의 리치 펄스를 사용한 본 발명에 따르는 재생 동안의 촉매의 다운스트림에서의 온도와 촉매의 업스트림에서의 공기/연료 비의 곡선을 보여준다.
도 4는 질소 산화물 저장 촉매를 갖는 차량에서의 NOx 전환도 및 HC 전환도를 보여준다.
도 1은 안정 상태의 작동 동안 촉매의 업스트림에서의 배기 가스 온도의 함수로서의 질소 산화물 저장 촉매의 저장 효율에 대한 전형적인 곡선을 보여준다. 질소 산화물을 저장하기 위한 촉매의 활성 윈도우는 대략 150 내지 500℃의 촉매의 업스트림에서의 배기 가스 온도 사이이다. 이러한 범위는 보다 좁거나 넓을 수 있으며, 즉 촉매의 제형 및 노화 상태에 따라 위치가 변한다. 촉매의 최적 작용 온도는 전형적으로 300 내지 350℃이다. 저장 곡선의 고온 부분에서는 저장 효율이 감소하는데, 그 이유는 질산염 형태로 저장된 질소 산화물이 이러한 온도에서 열에 의해 점점 더 분해되기 때문이다.
재생의 발열성에 의해 야기되는 온도 상승으로 인한 초기 열 탈착은 두 개의 연속 리치 펄스를 사용하는 본 발명에 따르는 재생에 의해 상쇄된다. 그러나, 재생에 의해 야기되는 촉매의 예상 온도 상승을 포함한 저장 촉매의 업스트림에서의 배기 가스 온도가 활성 윈도우의 중간 온도 범위내에서의 최대 순간 저장 용량을 위한 온도보다 높을 경우에는 발열성에 의해 야기되는 온도 증가가 문제가 된다. 리치 펄스의 분할은 이러한 온도 미만의 모든 배기 가스 온도에서는 필요치 않으며, 즉 재생에 의해 야기되는 촉매에서의 예상 온도 증가를 포함한 저장 촉매의 업스트림에서의 배기 가스 온도가 최대 순간 저장 용량을 위한 온도보다 높은 경우에만 리치 단계가 두 개의 펄스로 분할된다.
도 2는 저장 촉매를 재생하기 전, 재생하는 동안 및 재생한 후의 촉매의 상 온도 및 공기/연료 비의 곡선을 보여준다. 린-번 모드 동안, 공기/연료 비는 1.5이다. 촉매의 업스트림에서의 배기 가스 온도는 350℃이다. 재생을 개시하기 위해, 혼합물을 농축시켜 배기 가스의 공기/연료 비를 0.88로 낮추고 약 20초 동안 당해 값으로 유지시킨다. 리치-번 모드 동안, 저장된 질산염이 다시 분해되어 질소 산화물을 형성하고 배기 가스 중에 함유된 탄화수소 및 일산화탄소와 반응하여 질소, 이산화탄소 및 물을 형성한다. 이러한 반응은 발열성이며, 촉매의 상 온도의 상당한 증가를 야기한다. 온도는 질소 산화물 저장 촉매의 작용 범위 이상으로 증가할 수 있으므로, 재생 직후에는 고온으로 인해 더 이상 질소 산화물을 저장할 수 없다. 이로 인해 질소 산화물의 바람직하지 않은 저하가 야기되며, 이것이 추가의 재생에 대한 요구를 자극할 수 있다.
반대로, 도 3은 제안된 방법에 따른 촉매의 상 온도와 공기/연료 비의 곡선을 보여준다. 예를 들면, 도 3에서는, 20초의 재생 시간이 5초 및 15초의 두 개의 리치 펄스로 분할된다. 도 3에서 두 개의 리치 펄스간의 간격은 5초이다. 이러한 짧은 시간 동안, 엔진은 린 배기 가스에 의해 다시 작동한다. 마찬가지로 예시되어 있는 촉매의 다운스트림에서의 온도 곡선은, 도 2에서와 정확히 동일한 방식으로, 제1 리치 펄스 동안 발열성 재생의 결과로서 온도가 상당히 상승함을 입증한다. 그러나, 두 개의 리치 펄스 사이의 간단한 린-번 모드는 제1 리치 펄스 이후의 촉매의 온도를 나머지 재생 동안의 온도 상승이 촉매의 작용 범위를 능가하여 벗어나지 않도록 하는 데 충분한 정도로 낮추기에 충분하다. 따라서, 촉매는 재생이 완료된 직후 바로 질소 산화물을 다시 저장할 수 있다.
본 발명에 따르면, 제1 리치 펄스의 지속 시간은 항상 제2 리치 펄스의 지속 시간보다 짧도록 선택된다. 제1 리치 펄스의 지속 시간 대 제2 리치 펄스의 지속 시간의 비가 0.01 내지 0.9, 바람직하게는 0.01 내지 0.5, 특히 0.1 내지 0.5이고 두 개의 리치 펄스의 총 지속 시간이 5 내지 30초인 것이 바람직하다. 두 개의 리치 펄스 사이의 촉매의 충분한 냉각을 보장하기 위해, 두 개의 리치 펄스 사이의 시간 간격은 2 내지 20초여야 한다.
당해 방법은 차량의 하부 영역에 하나의 질소 산화물 저장 촉매만을 갖는 동력차의 배기 가스 정화 시스템 및 출발 촉매로서의 질소 산화물 저장 촉매와 차량의 하부 영역에 추가의 질소 산화물 저장 촉매를 갖는 배기 가스 정화 시스템 둘 다에 사용될 수 있다. 이 경우, 제1 리치 펄스의 지속 시간 대 제2 리치 펄스의 지속 시간의 비는 두 개의 촉매의 순간 저장 용량의 비에 일치하며, 두 개의 촉매의 순간 저장 용량의 비는 0.01 내지 0.9이고, 두 개의 리치 펄스의 총 지속 시간은 5 내지 30초이고, 두 개의 리치 펄스 사이의 시간 간격은 5 내지 30초이다.
실시예 :
하기 실시예는 휘발유를 직접 분사하는 린-번 스파크-점화 엔진에서의 HC 및 NOx 전환도를 측정한다. 시험은 엔진 시험 벤치에서 실시하였다. 배기 가스 정화 시스템은 엔진 가까이에 배치된 출발 촉매 및 질소 산화물 저장 촉매를 포함한다. 출발 촉매와 저장 촉매 사이의 배기 파이프의 길이는 1m였다. 저장 촉매의 NOx 저장 효율은 도 1에 도시된 바와 같이 촉매로 도입되기 전의 배기 가스 온도에 따라 좌우된다.
측정을 개시하기 전에, 엔진과 배기 가스 정화 시스템을 약 1시간 동안 컨디셔닝시켰다. 이러한 컨디셔닝은 다수의 정화 사이클을 포함하며, 이의 각각의 총 지속 시간은 330초였다. 각각의 정화 사이클은 300초의 린-번 단계(저장 단계)와 30초 동안 지속되는 리치-번 단계(재생 단계)를 포함하였다. 리치-번 단계는 각각의 경우 단지 1개의 연속 리치 펄스로부터 형성되었다. 배기 가스의 공기/연료 비 λ는 출발 촉매에 도입하기 전에 광폭 람다 센서를 사용하여 측정하였다. 공기/연료 비는 린-번 단계 동안에는 약 2.2이고 리치-번 단계 동안에는 0.87이었다. 저장 촉매의 업스트림에서의 배기 가스 온도는 각각의 리치-번 단계를 개시하기 전에 약 305 내지 310℃였다.
엔진과 배기 가스 정화 시스템으로 이루어진 시스템의 컨디셔닝을 완료한 후, NOx 전환도, HC 전환도 및 공기/연료 비를 1/10초마다 측정하였다. 도 4는 200 내지 1900초 사이의 측정치를 발췌하여 나타내었다. 이러한 발췌분은 5회의 정화 사이클을 포함한다. 도 4에서의 제1 완전 정화 사이클은 린-번 단계를 시작으로 하여 리치 펄스 분할없이 종래의 리치-번 단계가 뒤따른다. 다음의 4회 정화 사이클에서, 리치-번 단계의 리치 펄스는, 본 발명에 따르면, 각각의 경우에 리치-번 단계의 총 지속 시간의 변화없이 하나의 짧은 리치 펄스와 하나의 긴 리치 펄스로 분할되었다. 따라서, 모든 리치-번 단계에 대해, 두 개의 리치 펄스의 총 지속 시간은 각각의 경우 30초였다. 두 개의 리치 펄스 사이의 시간 간격은 각각의 경우 5초였다. 제1 리치 펄스의 지속 시간은 1 내지 5초 사이로 다양하였다. 보다 나은 이해를 위해, 도 4에 열거된 5회 정화 사이클의 시간 곡선을 아래에 요약된 형식으로 제시한다:
제1 정화 사이클(한 개의 연속 리치 펄스를 사용한 재생)
재생 개시 전의 린 러닝 타임 : 300초
리치 펄스의 지속 시간 : 30초
제2 정화 사이클(두 개의 리치 펄스를 사용한 본 발명에 따르는 재생)
재생 개시 전의 린 러닝 타임 : 295초
제1 리치 펄스의 지속 시간 : 1초
펄스들 간의 린-번 단계의 지속 시간 : 5초
제2 리치 펄스의 지속 시간 : 29초
제3 정화 사이클(두 개의 리치 펄스를 사용한 본 발명에 따르는 재생)
재생 개시 전의 린 러닝 타임 : 295초
제1 리치 펄스의 지속 시간 : 3초
펄스들 간의 린-번 단계의 지속 시간 : 5초
제2 리치 펄스의 지속 시간 : 27초
제4 정화 사이클(두 개의 리치 펄스를 사용한 본 발명에 따르는 재생)
재생 개시 전의 린 러닝 타임 : 295초
제1 리치 펄스의 지속 시간 : 5초
펄스들 간의 린-번 단계의 지속 시간 : 5초
제2 리치 펄스의 지속 시간 : 25초
제5 정화 사이클(두 개의 리치 펄스를 사용한 본 발명에 따르는 재생)
재생 개시 전의 린 러닝 타임 : 295초
제1 리치 펄스의 지속 시간 : 5초
펄스들 간의 린-번 단계의 지속 시간 : 5초
제2 리치 펄스의 지속 시간 : 25초
제1 정화 사이클의 연속 리치 펄스 동안, 약 1/2의 리치-번 단계 이후에 강력하고 갑작스런 NOx 방출이 일어난다. NOx 전환도가 100% 근처에서 -150%로 떨어진다. 약 10초 후, 이러한 갑작스런 NOx 방출이 다시 중단된다. NOx 펄스 동안의 마이너스 전환도는 배기 가스의 결과로서 보다 많은 질소 산화물이 저장 촉매로 유동되기 보다는 저장 촉매로부터 발생함을 의미한다. 그 이유는 아마도 재생 동안 발열 반응에 의해 야기된 저장 촉매의 추가의 가열에 있을 것이다. 그 결과, 촉매의 온도가, 리치 배기 가스의 결과로서의 질소 산화물의 탈착 이외에 질소 산화물의 열 탈착이 일어나는 범위로 이동한다.
그 결과 방출되는 다량의 질소 산화물은 더 이상 촉매에 의해 배기 가스의 환원 구성원과 반응할 수 없다. 마찬가지로 NOx 펄스가 중단된 후 HC 전환도의 갑작스런 감소가 관찰된다. 그 이유는 갑작스런 NOx 펄스 이후에 저장 촉매가 거의 완전히 재생되어, 이에 따라 질소 산화물이 리치 펄스 동안 배기 가스의 환원 구성원을 반응시키는 데 더 이상 이용되지 못하기 때문이다.
본 발명에 따르는 분할 리치 펄스를 사용한 다음의 네 가지 정화 사이클은 이러한 분할이 NOx의 갑작스런 방출을 감소시킬 수 있음을 보여준다. 두 개의 리치 펄스 사이에서 5초 동안 지속되는 린-번 단계는 촉매의 온도 상승을 제한하기에 충분하다는 것이 명백하다. 이러한 예에서, 5초 동안 지속되는 제1 리치 펄스를 사용한 마지막 두 개의 정화 사이클에서 최적의 결과가 달성된다. 도 4에서의 개선된 HC 전환으로부터 알 수 있는 바와 같이, 갑작스런 NOx 펄스 동안의 NOx 방출 감소와 동시에, 배기 가스의 환원 성분의 전환이 또한 향상된다.
또한, 도 4는 저장 촉매를 재생시키기 위해 본 발명에 따르는 방법을 사용함으로써 배기 가스 정화 시스템의 전반적인 정화 효과를 개선시킬 수 있음을 보여준다. 제1 및 제2 리치 펄스의 지속 시간 및 두 개의 리치 펄스 사이의 린-번 단계의 지속 시간을 적절하게 선택함으로써 배기 가스 정화를 더욱 더 개선시킬 수 있다.

Claims (6)

  1. 질소 산화물 저장 촉매가 150 내지 500℃의 질소 산화물 저장용 활성 윈도우(activity window)를 갖고, 린-번 모드에서 리치-번 모드로 간단히 스위칭시킴으로써 활성 윈도우 내에서 재생되는, 린-번 엔진을 갖는 차량의 배기 가스 정화 시스템에서의 질소 산화물 저장 촉매의 재생방법으로서,
    질소 산화물 저장 촉매를 재생하기 위해, 리치-번 모드가 두 개의 리치 펄스로부터 형성되고, 이들 두 개의 리치 펄스가 시간 간격을 두고 서로 교대하며, 이때 제1 리치 펄스가 항상 제2 리치 펄스보다 짧고, 두 개의 펄스 사이의 시간 간격이 2 내지 20초임을 특징으로 하는, 질소 산화물 저장 촉매의 재생방법.
  2. 제1항에 있어서, 저장 촉매의 질소 산화물 순간 저장 용량이 활성 윈도우 내의 중간 온도에서 최고치를 통과하며, 리치-번 작동이, 재생에 의해 야기된 촉매에서의 예상 온도 상승을 포함한 저장 촉매의 업스트림에서의 배기 가스 온도가 최대 순간 저장 용량을 위한 온도보다 높은 경우에만 두 개의 펄스로 분할됨을 특징으로 하는, 질소 산화물 저장 촉매의 재생방법.
  3. 제1항에 있어서, 제1 리치 펄스의 지속 시간 대 제2 리치 펄스의 지속 시간의 비가 0.01 내지 0.9이고, 두 개의 리치 펄스의 총 지속 시간이 5 내지 30초임을 특징으로 하는, 질소 산화물 저장 촉매의 재생방법.
  4. 제1항에 있어서, 배기 가스 정화 시스템이 차량의 하부 영역에 질소 산화물 저장 촉매를 포함함을 특징으로 하는, 질소 산화물 저장 촉매의 재생방법.
  5. 제4항에 있어서, 배기 가스 정화 시스템이 출발 촉매로서의 질소 산화물 저장 촉매와 차량의 하부 영역에 추가의 질소 산화물 저장 촉매를 포함하고, 각각의 촉매가 고유의 최대 순간 저장 용량을 가짐을 특징으로 하는, 질소 산화물 저장 촉매의 재생방법.
  6. 제4항에 있어서, 제1 리치 펄스의 지속 시간 대 제2 리치 펄스의 지속 시간의 비가 두 개의 촉매의 순간 저장 용량의 비에 일치하며, 두 개의 촉매의 순간 저장 용량의 비는 0.01 내지 0.9이고, 두 개의 리치 펄스의 총 지속 시간이 5 내지 30초이며, 두 개의 리치 펄스 사이의 시간 간격이 5 내지 20초임을 특징으로 하는, 질소 산화물 저장 촉매의 재생방법.
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