KR101403367B1 - 발열 생성 촉매를 포함하는 배기 시스템 - Google Patents

발열 생성 촉매를 포함하는 배기 시스템 Download PDF

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폴 리차드 필립스
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Abstract

본 발명은, 압축 점화 엔진 및 압축 점화 엔진용 배기 시스템을 포함하는 장치에 있어서, 배기 시스템이: 배기 가스를 처리하기 위한 적어도 하나의 배기 시스템 구성요소; 및 적어도 하나의 배기 시스템 구성요소를 가열하기 위한 발열을 생성하는 수단;을 포함하고, 발열 생성 수단은 촉매; 및 촉매 상에서의 연소를 위하여 배기 가스로 탄화수소를 분사하는 수단;으로 구성되어 있고, 촉매는, 기판 모노리스 상에 배치되어 있는, 팔라듐(Pd) 성분 및 백금(Pt) 성분 양자 모두 및 선택적 지지 물질로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 장치에 관한 것이다.
Figure 112007037513594-pct00002
배기 시스템, 압축 점화 엔진, 발열 생성 촉매, 발열 생성 수단, 팔라듐 촉매, 백금 촉매

Description

발열 생성 촉매를 포함하는 배기 시스템{EXHAUST SYSTEM COMPRISING EXOTHERM-GENERATING CATALYST}
본 발명은 디젤 엔진과 같은 압축 점화 엔진용 배기 시스템에 관한 것으로서, 특히 촉매가 필수적으로 포함되는 발열 발생 수단 및 촉매 상에서의 연소를 위하여 배기 가스로 탄화수소를 분사하기 위한 수단을 포함하고 있는 배기 시스템에 관한 발명이다.
디젤 산화 촉매(DOC)는 입자상물질(PM)의 용해성유기물질(soluble organic fraction, SOF) 및 탄화수소(HC) 및 일산화탄소(CO)의 화학적 산화를 활성화시키기 위해 계획된다. 다른 장점에는, 알데히드 또는 다환방향족탄화수소(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs)와 같은 다양한 비규제(non-regulated) 일산화탄소 유발 배출물의 산화, 및 디젤 배기가스의 냄새의 제거 또는 감소가 포함된다. HC는 산화되어 이산화탄소(CO2)와 수증기가 되고, CO는 CO2로 산화된다. 일반적으로, DOC는 활성의 백금족금속(PGM), 전형적으로 백금을 포함한다.
크로미아(chromia), 팔라듐(Pd) 및 백금을 포함하는 DOC는 미국공개공보 제4,303,552호에 기재되어 있다.
DOC 상에서 발생할 수 있는 산화 반응의 일부는 바람직하지 않은 생성물을 생성할 수 있고, 실제로 촉매의 효과에 역효과를 가져온다. 이산화황(SO2)은 삼산화황(SO3)으로 산화되고, 삼산화황(SO3)은 수증기와 결합하여 기체상태의 황산(H2SO4)을 형성할 수 있다. 황산 증기는 다른 수증기와 결합하여, 엔진으로부터의 총 PM 배출을 평가할 때 미립자로서 검출되는 황산 입자를 발생시킨다. 황은 또한 DOC의 산화 활동을 줄일 수 있으며, 이것은 팔라듐 촉매가 시장에서 광범위하게 사용되지 않는 중요한 이유로 여겨진다.
압축 점화 엔진, 특히 소형(light-duty) 디젤 차량(관련 규정에 의해 정의됨)용 디젤 엔진에 대한 배기 가스 온도는 예컨대 약 300℃ 정도로서 상대적으로 낮고, 따라서 촉매 개발자들의 임무 중 하나는 낮은 라이트 오프 온도(light off temperature)를 갖춘 지속성 있는 촉매 공식을 개발하는 것이다. 연료로부터 생성된 황이 유럽연합 국가에서는 감소되어야 함에도 불구하고(2005년 1월 1일자로, Euro 4(형식 승인) 디젤 연료에서 최대 황 함유량이 350ppm에서부터 감소되어 50ppm이 되어야 하고, 이러한 수치는 2010년까지 10ppm으로 감소되어야 할 것이다), 미국에서의 수치는 2007년까지 현재의 350ppm인 수치에서 감소되어야 하는 것은 아니다.
입자상물질에 대한 현재 및 미래의 차량 배출 기준을 만족시키기 위하여, 압축 점화 엔진으로 구동되는 차량의 배기 시스템에서 입자상 필터를 설치하는 것이 제안되어 왔다. 적절한 필터 기판은 세라믹 벽유동 필터(ceramic wall-flow filters) 및 소결 금속 필터(sintered metal filters)를 포함할 수 있다. 또한, 입자상물질의 연소 온도를 낮추어서 그 온도가 정상 구동 상태에서 발생되는 배기 가스의 온도 내 또는 그 가까이에 있도록 하기 위하여 필터에 촉매작용을 가하는 것이 알려져 있다. 그러나, 소형 압축 점화 엔진에 대한 배기 가스 온도는 일반적으로 너무 낮아서 촉매화된 필터(catalysed filter)가 수동적으로 재생할 수는 없고, 따라서, 촉매화된 필터, 또는 필터의 상류에 있는 별도의 촉매 상에서 탄화수소 연료를 연소시킴으로써 발생되는 발열에서 필터를 능동적으로 재생하는 것이 제안되어 왔다. 이러한 구성은 예컨대 GB-A-2064983에 기재되어 있다.
US-A-4,686,827에는, 하류에 있는 필터의 능동적인 재생을 위하여 배기 가스로 분사된 탄화수소 연료로부터 발열을 발생시키기 위해 전기적으로 가열되는 촉매가 사용되는 디젤 엔진용 배기 시스템이 기재되어 있다.
본 출원인의 WO 2004/025093에는, 정상 구동 모드인 제 1 모드 및 제 1 모드에 비하여 증가된 CO 레벨을 포함하는 배기 가스를 발생시키는 제 2 모드에서 작동가능한 압축 점화 엔진, 및 사용 중에 엔진 작동을 상기 두 모드 사이에서 스위칭하는 수단이 기재되어 있다. 상기 엔진은, 적어도 하나의 비금속 촉진제(base metal promoter)과 관련된 지지된 Pd 촉매; 및 상기 촉매의 하류 및/또는 상기 촉매와 관련된 선택적으로 지지된 Pt 촉매;를 포함하는 배기 시스템을 포함하고 있다. CO는 제 2 모드의 작동 중에 지지 Pd 촉매에 의해 산화된다. 상기 기재된 바에 따라, 부분적인 산화 촉매 상에서 배기 시스템 내부로 HC를 분사함으로써; 적어도 하나의 엔진 실린더의 점화 타이밍을 조절함으로써; 및/또는 적어도 하나의 엔 진 실린더의 엔진 공연비를 조절함으로써; 증가된 CO가 발생될 수 있다. 일 실시예에서, Pd 촉매 및 관련된 비금속 및 선택적인 Pt 촉매 성분은 디젤 산화 촉매를 포함한다.
US 2002/0053202에는, 배기 가스의 공기/연료 비의 주기적인 농축(enrichment) 및 하류의 NOX 흡수 촉매와 함께 사용하기 위하여, Pt, Pd 및/또는 로듐(Rh)과 세륨(Ce) 중 적어도 하나를 포함하는 결합된 H2 공급 및 SOF 흡착-산화 촉매가 개시되어 있다. 상기 예로서, Pt/CeO2 및 Pt/La.SiO2로 구성되어 있는 H2 공급 및 SOF 흡착-산화 촉매가 기재되어 있다.
매우 놀랍게도, 백금(Pt)과 팔라듐(Pd)의 조합이 그와 동일한 양의 Pt 또는 Pd가 단독으로 사용될 때보다 발열을 생성하기 위해 더 활성화된다는 것을 발견하였다. 즉, 탄화수소 연료로부터 발열을 생성하는데 대해 백금과 팔라듐 사이에서 시너지(synergy)가 존재한다는 것이며, 이와 같은 사실은 이전에 확인되지 않았었다. 이러한 발견에 의해 백금-팔라듐 촉매를 전기적인 가열 없이 사용할 수 있게 되고, 따라서, 배기 시스템이 덜 복잡하고, 촉매를 전기적으로 가열함에 따른 연료 손실(fuel penalty)이 절약된다. 또한, 황 오염에 저항성이 더 강하고, 탄화수소 연료의 연소에 의해 생성되는 발열을 사용하여 더 손쉽게 탈황산염화 될 수 있는 실시예를 발견하였다.
일 양태에 따르면, 본 발명은 압축 점화 엔진 및 이에 사용되는 배기 시스템을 포함하는 장치를 제공한다. 상기 배기 시스템은 배기 가스를 처리하기 위한 적어도 하나의 배기 시스템 구성요소; 및 적어도 하나의 배기 시스템 구성요소를 가열하기 위한 발열을 생성하기 위한 수단;을 포함하고 있다. 발열 생성 수단은 촉매; 및 촉매 상에서의 연소를 위하여 배기 가스 안으로 탄화수소를 분사하기 위한 수단;으로 구성되어 있다. 촉매는, 기판 모노리스 상에 배치되어 있는, 팔라듐(Pd) 성분과 백금(Pt) 성분 양자 모두 및 선택적 지지 물질로 구성되어 있다.
Pt 성분 및 Pd 성분은 다수의 구성 중 하나에 따라 조직될 수 있다. 제 1 구성에서, Pt 및 Pd 성분은 단일 워시코트(washcoat) 층에 있다. 제 1 구성의 제 1 실시예에서, Pd 성분 및 Pt 성분 모두는 동일한 지지 물질 상에 지지되어 있다. 제 2 실시예에서, Pd 성분은 제 1 지지 물질 상에 지지되어 있고, Pt 성분은 제 2 지지 물질 상에 지지되어 있다. 제 3 실시예에서, Pt 성분은 기판 모노리스의 상류 단의 영역에 배치되어 있고, Pd 성분은 기판 모노리스의 하류 단에 배치되어 있다.
제 2 구성에서, 제 1 지지 물질 상에 지지되어 있는 Pd 성분은 제 1 워시코트 층에 있고, 제 2 지지 물질 상에 지지되어 있는 Pt 성분은 제 2 워시코트 층에 있다. 이러한 후자의 구성에서, 제 1 워시코트 층은 제 2 워시코트 층의 아래에 배치될 수 있고, 또는 그 반대의 경우도 가능하다.
Pd 및 Pt 성분이 동일한 지지 물질 상에 있는 제 1 구성의 실시예에서와 같이 Pt 성분 및 Pd 성분이 밀접하게 관련되어 있는 구성에서, Pt 및 Pd 성분은 합금으로 형성될 수 있다. 대체로 이에 따라, 양쪽의 성분의 특성을 취하는 활성화된 성분이 생긴다. 예를 들면, 합금은 Pt 그 자체보다 금속성이 덜하다. 이러한 성분은, 합금이 Pt 그 자체보다 소결에 대한 저항성이 더 크기 때문에, 촉매가 고온에 노출되는 적용영역에서 유용할 수 있다. 게다가, Pd는 Pt와 비교하여 볼 때 상대적으로 불충분한 NO 산화 촉매이어서, 합금에 의하여 Pd 단독일 때보다 더 효율적으로 NO 산화를 촉진될 수 있다. 따라서, 합금은 소결된 Pt보다 HC 및 CO 산화 활동을 더 잘 유지할 수 있다.
Pt 성분이 제 1 지지 물질 상에 지지되고 Pd 성분이 제 2 지지 물질 상에 지지되어 있는 실시예에서, 제 1 지지 물질은 제 2 지지 물질과 서로 다를 수 있다.
대안적으로, 다른 구성에서, Pt 성분 및 Pd 성분 중 적어도 하나는 기판 모노리스 그 자체에 의해 지지되어 있다.
산화 촉매에서 Pt:Pd에 대한 적절한 중량비는 6:1에서 1:6일 수 있고, 선택적으로 4:1에서 1:2일 수 있다. 산화 촉매에서 Pt 및 Pd의 전형적인 총 첨가량은 10에서 200 g/ft3, 선택적으로는 40에서 100 g/ft3일 수 있다.
Pd를 함유하는 산화 촉매에 대한 문제점은 이들 촉매가 황에 의해 상대적으로 빠르게 피독(被毒; poisoning)될 수 있다는 것이며, 이는 연료에 황이 많이 포함되어 있는 나라에서 문제가 될 수 있다. 이러한 문제를 줄이거나 피하기 위한 방법을 찾는 과정에서, 한가지 방법으로서, Pt 및 Pd를 포함하고 있는 발열 생성 촉매 영역의 상류에서의 기판 모노리스의 단부 영역에 Pd가 실질적으로 함유되어 있지 않은 Pt 촉매를 배치하는 것을 발견하였다. 실질적으로 비-팔라듐 백금(Pd-free Pt)을 포함하고 있는 영역은 기판 모노리스 또는 "줄(stripe)" 형식의 길이의 절반까지 일 수 있다.
Pt 성분 영역이 기판 모노리스의 상류 단에 배치되어 있고 Pd 성분 영역이 하류 단에 배치되어 있는 전술한 제 1 구성의 실시예에서, 실질적으로 비-팔라듐 백금을 포함하고 있는 영역은 Pt 성분 영역을 포함할 수 있고, 또는 선택적으로 Pt 성분 영역에 부가될 수도 있다. 후자의 구성에서, 실질적으로 비-팔라듐 백금을 포함하고 있는 영역에서의 Pt 함유량은, Pt 성분 영역에서의 Pt 함유량과 동일할 수도 있고 다를 수도 있다.
일반적으로, 상류 단 촉매에서의 Pt 함유량은 10에서 200 g/ft3, 선택적으로 30에서 150 g/ft3일 수 있다.
일 실시예에서, 상류 단 촉매에서 Pt는 지지 물질 상에 지지되어 있다.
전형적으로, 상기 지지 물질은, 알루미나, 실리카, 산화세륨(ceria), 지르코니아, 티타니아 및 이들 중 2 이상의 혼합물 또는 혼합 산화물로 구성된 군으로부터 선택된다. 그러나, 특정 실시예에서, 기판 모노리스의 전면 후방에서의 발열 생성 촉매의 Pd 및 Pt 성분을 위하여 황에 더 큰 저항성이 있는 지지 물질; 및 기판 모노리스의 배면 전방에서의 Pt 및 Pd 성분을 위하여 더 큰 내열성이 있는 지지 물질을 사용하는 것이 유리하다는 것이 발견되었다. 이러한 실시예는, 기판 모노리스의 전면으로부터 후방으로 대략 1/3에서의 온도가, HC가 발열 생성 촉매의 상류에 있는 배기 가스로 분사될 때, 상대적으로 낮게 유지된다는 것을 발견함으로써 유도된다. 따라서, 이러한 영역에 황에 더욱 저항성이 있는 촉매를 위치시키는 것이 유리한데, 이는 관련된 촉매를 탈황산화하기 위하여 이러한 영역에서 온도를 증가시키는 것이 더 어렵기 때문이다.
대조적으로, 기판 모노리스의 후방을 향하는 온도는 HC 분사 중에 1000℃까지 다다를 수 있으며, 이 온도에서 탈황산화가 별다른 어려움 없이 일어날 것이다. 그러나, 이 위치에서 촉매의 열적 내구성(thermal durability)은 더욱 문제이고, 따라서 촉매는 열적 내구성에 유리하도록 조제될 수 있다.
상류의 황 저항성 촉매 영역을 위한 적절한 지지 물질은, 티타니아, 지르코니아, 실리카 및 이들 중 2 이상의 혼합물 및 혼합 산화물로 구성된 군, 또는 티타니아, 지르코니아 및 실리카 중에 적어도 하나 및 알루미나를 포함하는 혼합 산화물 또는 복합 산화물(composite oxides)로부터 선택될 수 있다. 알루미나는 기판 모노리스의 하류 단에서 촉매 제제에 있어서 열적 내구성을 증가시키기 위한 더욱 적절한 지지 물질이다.
본 명세서에서 정의된 "복합 산화물"은, 적어도 두 가지 성분으로 구성되어 있는 진성(true) 혼합 산화물이 아닌 적어도 두 가지의 성분인 산화물을 포함하고 있는 대부분이 비결정질(amorphous)인 산화물 물질을 의미한다.
산화 촉매가 Pd 및 Pt 함유 발열 생성 촉매 영역의 상류에서 실질적으로 비-팔라듐 백금을 포함하고 있는 영역을 포함하는 경우에, 황 저항성 지지 물질을 위한 영역은 실질적으로 비-팔라듐 백금을 포함하고 있는 영역과 일치할 필요가 없고, 이것은 Pd 및 Pt 함유 영역 및 열 저항성 지지 물질의 영역에 대한 경우에서도 동일하다.
상기 적어도 하나의 배기 시스템 구성요소는 선택적으로 촉매화된 입자상 필터, NOX 흡수제, 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매 또는 희박 NOX 촉매를 포함할 수 있다. NOX 흡수제, 일반적으로 알칼리 토금속(예컨대 Ba, Ca 또는 Sr) 또는 알칼리 금속(예컨대 K 또는 Cs)의 산화물은 NOX-트랩의 일부를 형성할 수 있으며, 전형적으로 유동 통과 모노리스 기판 상에 코팅되어 있는 로듐 환원 촉매 및 Pt 산화 촉매를 포함한다. 대안적으로, 전술한 NOX 흡수제가 입자상 필터 상에 장착될 수 있다. 필터가 NOX 흡수제, NOX-트랩의 환원 촉매 및 산화 촉매를 포함하는 경우에, 그러한 구성은 일반적으로 '사방 촉매(four-way catalyst)' 또는 FWC라고 불린다.
실제로, 배기 시스템이 NOX 흡수제를 포함하는 경우에, 배기 가스에서 산소의 농축을 간헐적으로 줄여서 NOX 흡수제를 재생하고 NOX 환원 촉매 상에 방출된 NOX를 환원하기 위하여 적절한 제어 수단이 포함된다. 이러한 제어 수단은 당업자에게 알려져 있으며, 하나 이상의 엔진 실린더 또는 적절한 환원제(예컨대 HC)의 분사를 위한 분사장치로의 연료 분사 타이밍을 NOX 흡수제 상류의 배기 가스로 직접 변경하는 것을 포함한다. 본 발명에 따른 발열 생성을 위한 연료 분사장치는, 후술하는 바와 같이 NOX 흡수제와 발열 생성 촉매가 동일한 기판 모노리스 상에 있는 실시예에서 상기와 같은 목적을 위해 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 기판 모노리스는 적어도 하나의 배기 시스템 구성요소의 상류에 위치되어 있는, 세라믹 또는 금속의 유동 통과 모노리스이다. 이러한 구성에서, 발열 생성 과정 사이에서 CO 및 HC를 처리하기 위한 DOC로서 조제될 수 있다. 그러나, 촉매는 발열 생성 촉매로서 주된 기능을 수행하도록 하기 위하여 낮은 HC 라이트 오프(light-off) 활동을 위하여 조정된다는 것은 당연할 것이다. 일 실시예에서, 상기 적어도 하나의 배기 시스템 구성요소는 필터이고, 발열 생성 수단은 소정의 규칙적인 간격 또는 센서 입력(예컨대 필터를 가로질러 형성되는 배압)에 응답하여 필터 재생을 촉진한다.
다른 실시예에 따라, 상기 적어도 하나의 배기 시스템 구성요소는 NOX-트랩이며, NOX 흡수 및 NOX 흡수제의 재생을 위하여 또한 NOX 환원을 위하여 적절한 온도 영역(window)이 존재한다는 것은 당연하다. 발열 생성 수단은 검출된 NOX-트랩 온도에 응답하여 소정의 온도 영역 내부에서 NOX-트랩 온도를 유지하도록 작동할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 상기 적어도 하나의 배기 시스템 구성요소는 기판 모노리스를 포함한다. 상기 적어도 하나의 배기 시스템 구성요소의 특성에 따라, 기판 모노리스는 유동 통과 모노리스 또는 입자상 필터일 수 있다.
기판 모노리스가 입자상 필터인 특정 실시예에서, 발열 생성 촉매는 "줄" 또는 기판 모노리스의 전방 단부 상의 영역 배치에 배치되고, 실질적으로 비-팔라듐 백금 촉매는 그 하류에 코팅된다. 여기서 Pt 지지 물질은 알루미나일 수 있다. 이러한 구성은, 소결 Pt/알루미나가 Pt:Pd 합금 효과 때문에 소결 발열 생성 촉매보다 더욱 효율적으로 NO 산화를 촉진할 수 있다는 점에서, 고온의 적용영역에서 유용하다.
HC를 배기 가스로 분사하는 수단은, 발열 생성 촉매의 바로 상류의 배기 가스로 HC를 분사하기 위한 분사장치, 선택적으로는 엔진의 하나 이상의 실린더에서의 분사장치를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 압축 점화 엔진은 디젤 엔진, 선택적으로는 소형(light-duty) 디젤 엔진일 수 있다.
제 2 양태에 따라, 본 발명은 압축 점화 엔진의 배기 시스템에서 적어도 하나의 구성요소를 가열하는 방법을 제공한다. 상기 방법은, 정상 구동 상태 동안에 배기 가스에 존재하는 탄화수소의 농축에 비하여 증가된 탄화수소의 농축을 포함하는 배기 가스와 함께 기판 모노리스 상에 배치되어 있는, 팔라듐(Pd) 성분 및 백금(Pt) 성분 양자 모두 및 선택적 지지 물질로 구성되어 있는 촉매와 접촉함으로써 상기 적어도 하나의 배기 시스템 구성요소를 가열하기 위하여, 발열을 생성하는 단계를 포함하고 있다.
도 1은, 입구 온도가 275℃인 정상 상태 조건 동안에 7,000ppm(C3)으로 촉매의 상류에서 HC를 분사하기 전, 분사하는 동안 및 분사한 후에, 산화 촉매가 Pt 단독의 경우, Pd 단독인 경우, 및 Pt:Pd가 1:1인 경우에 대하여, 시간에 대한 HC의 슬립(slip)을 ppm으로 나타내는 그래프이다.
도 2는, 입구 온도가 275℃인 정상 상태 조건 동안에 7,000ppm(C3)으로 촉매 의 상류에서 HC를 분사하기 전, 분사하는 동안 및 분사한 후에, Pt:Pd를 다르게 한 세 가지의 산화 촉매에 대하여, 시간에 대한 HC의 슬립을 ppm으로 나타내는 그래프이다.
도 3A, 3B, 3C 및 3D는 배기 시스템 구성요소로부터 상류에 배치되어 있는 별도의 발열 생성 촉매에 특징이 있는 본 발명에 따른 실시예에 관한 일련의 개요도를 나타낸다.
도 4A 및 4B는 배기 시스템 구성요소가 발열 생성 촉매를 포함하는 본 발명에 따른 실시예에 관한 개요도이다.
본 발명을 더욱 명확하게 이해하도록 하기 위하여, 첨부된 도면을 참조하여 다음의 실시예를 설명한다. 다음의 실시예는 단지 설명을 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
도 3을 참조하면, 도면부호 10은 전체적으로 본 발명에 따른 압축 점화 엔진용 배기 시스템을 가리키고, 도면부호 12는, 엔진으로부터 배기 가스 후처리용 배기 시스템의 다양한 구성요소로 배기 가스를 수송하고, 및/또는 배가 가스가 대기로 통과되기 전에 엔진 소음을 없애기 위한 파이프를 나타낸다. 화살표는 시스템에서 배기 가스 흐름의 방향을 나타내며, "상류" 및 "하류"는 상기 화살표에 따라 해석된다.
도 3A에서, 도면부호 13은, Pt 성분과 Pd 성분을 모두 지지하는 입자상 지지 물질의 단일 워시코트(washcoat) 층에 특색이 있는 촉매 코팅(14)을 포함하는 유동 통과 모노리스 기판(flow-through monolith substrate)을 나타낸다. 대안적으로, 촉매 코팅(14)은 Pt 성분 및 Pd 성분을 포함할 수 있고, 이들 중 하나는, 단일 워시코트 층에서, 별도의 그리고 선택적으로 다른 하나와는 다른 지지 물질 상에 지지되어 있다. 또한, 촉매 코팅(14)의 구성은, 지지된 Pd 성분의 제 2 워시코트 층이 코팅되어 있는 제 1 워시코팅 층에서 지지된 Pt 성분을 포함할 수 있거나, Pd 성분이 Pt 성분 층의 아래에 있는 층에 있을 수도 있다. 도면부호 15로 지칭되는 구성은 가연성의 HC를 모노리스 기판(13)의 상류에 있는 배기 가스로 수송하기 위한 분사장치를 나타내며, 상기 분사장치는 적절하게 프로그램된 제어 수단, 선택적으로는 엔진 제어 유닛(ECU)의 일부에 의해 제어된다. 도면부호 16의 구성은 적어도 하나의 배기 시스템 구성요소로서, 예컨대 선택적으로 촉매화된 입자상 필터, SCR 촉매, NOX-트랩, 사방(four-way) 촉매 또는 희박(lean) NOX 촉매 등이 있다.
도 3B, 3C 및 3D는 유동 통과 모노리스 기판(13)의 다른 실시예를 도시하고 있다. 도 3B에서, 도면부호 18은 발열 생성 촉매의 Pt 성분을 나타내고, 도면부호 20은 Pd 성분을 나타낸다. 도 3C는 상대적으로 많은 양의 황을 포함하는 연료와 함께 사용하기 위한 다른 구성을 나타낸다. 여기서, Pt 성분(18) 및 Pd 성분(20)에 덧붙여, Pt 성분(18)보다 더 많은 Pt가 첨가되어 있는 실질적으로 무-팔라듐의 백금(Pd-free Pt) 촉매(22)의 줄(stripe)이 유동 통과 모노리스 기판(13)의 상류단에 위치되어 있다. 물론, 도 3B는 또한, 발열 생성 촉매의 Pt 성분과 실질적으로 동일한 Pt가 첨가되어 있는 실질적으로 무-팔라듐의 백금 촉매, 즉 Pt 성분(18)의 상류 측에 있는 실질적으로 무-팔라듐의 백금 촉매(22)의 줄이 Pt 성분(18)에 연속하여 있는(한편, 22에서의 Pt 첨가량이 18에서보다 같거나 많다(22 ≥ 18)) 것에 특징이 있는 합성된 실시예를 나타낼 수도 있다. 도 3D는 실질적으로 무-팔라듐의 백금 촉매(22)가 전술한 촉매 코팅(14)의 모든 실시예에서의 상류 측에 위치되어 있는 실시예를 나타낸다.
도 4A를 참조하면, 도 3A 내지 3D에서 사용된 도면부호와 동일한 도면부호가 사용되는 구성은 전술한 것과 동일한 구성을 나타낸다. 도면부호 23은 입자상 필터 기판 모노리스를 나타내고, 단일 층 또는 이중 층으로 코팅된 워시코트 구성(24)은 도 3A 내지 3D에서 구성(14)를 참조하여 설명한 것과 유사하다. 도 4B는 도 4A의 실시예를 나타내고 있는데, 발열 생성 촉매(24) 보다 Pt가 더 많이 첨가되어 있는 실질적으로 무-팔라듐 백금 촉매(22)의 줄이 필터 기판(23)의 상류 단에 위치되어 있다. 필터 기판(23)이 발열 생성 촉매(즉 산화바륨 및 로듐 환원 촉매 등의 NOX 흡수제)의 Pt 및 Pd 성분을 포함하는 화합물로 코팅되어 있는 경우, 촉매 화합물은 사방 촉매(26)로서 지칭된다.
[실시예 1]
한 세트의 촉매 샘플이 준비되고, 각각의 촉매는 다음과 같은 치수의 세라믹 유동 통과 기판 모노리스 상에 지지된다: 직경 267 mm(10.5 in), 길이 152mm(6 in), 부피 8.5리터(519 in3), 셀 밀도 62 cells/cm2(400 cells/in2), 벽 두께 0.15 mm(0.06 in)이다. 촉매 샘플의 제제는 다음과 같다: (i) Pt 단독의 경우; (ii) Pd 단독의 경우; (iii) Pt:Pd가 2:1인 경우; (iv) Pt:Pd가 1:1인 경우; (v) Pt:Pd가 1:2인 경우이다. 각각의 경우에서 Pt 및/또는 Pd는 알루미나 기반의 지지 물질 상에 지지되어 있고, 총 PGM 첨가량은 촉매 샘플 (i) 내지 (v) 모두에 걸쳐 동일하다. 시험에 앞서, 촉매 샘플은 700℃에서 200시간 동안 공기 중에서 숙성된 후 다시 공기에서 750℃로 200시간 동안 더 숙성되었다. 시험을 위하여, 촉매 샘플은, 열전대가 입구 면의 전방으로 25mm 및 출구 면의 후방으로 25mm에 고정되어 있는 상태로, 테스트 베드(test bed) 상에 10 리터의 터보차지(turbocharged) 엔진의 배기 라인에 위치되었다. 엔진은 일정한 속도로 구동되며, 하중은 시간당 기체 공간 속도(GHSV)가 45,000hr-1에서 촉매로 275℃의 입구 온도를 생성하기 위하여 조절되었다. 독립된 디젤 연료 분사장치는, 촉매 샘플의 전방 면 상에 연료의 분무가 균일하게 분포되도록 하는 위치에서, 촉매의 상류에서의 배기 라인에 배치되었다.
안정된 상태가 얻어진 경우에, 약 7,000ppm의 탄화수소(HC)(C3)가 약 700초 동안에 촉매로 연속적으로 분사되었고, 이에 따라 촉매 출구 온도가 약 600℃로 상승되었다. 촉매 출구에서의 HC의 양(ppm으로)은 분사 시간에 걸쳐 측정되었다.
도 1은 촉매 샘플 (i), (ii) 및 (iv)에 대한 HC 슬립(slip)을 나타낸다. 도 1에서는, Pd 단독 촉매가, Pt 단독 촉매에 비해서, 분사가 시작되었을 때 높은 레벨의 HC 슬립을 야기하지만, 이것은 촉매의 온도가 상승함에 따라 비교적 빨리 감소된다는 것을 알 수 있다. Pt 단독 촉매는, 초기에 HC의 슬립이 적지만, 시간이 지남에 따라 HC의 통과가 더 많아지고, HC 슬립의 양이 Pd 단독 촉매의 경우보다 높은 레벨에서 일정하게 된다. 또한, Pt 단독 촉매의 출구 온도(도면에 미 도시)는 본 시험에서의 시험된 Pt가 포함된 촉매 샘플 중 어느 것보다도 더 낮았는데, 이는 촉매 표면의 코킹(coking) 때문인 것으로 생각된다. Pt:Pd가 1:1인 촉매는 분사 시간에 걸쳐 거의 일정한 낮은 HC 슬립을 나타내며, 따라서 단일 금속을 포함하는 상기 샘플 모두에 비하여 상당히 향상된 것이다.
도 2는 Pt:Pd 촉매 샘플 (ii), (iv) 및 (v)의 비교 결과를 나타낸다. Pt:Pd의 비가 1:2인 촉매 샘플이, 적어도 동일한 Pt 첨가량을 포함하는 샘플에 비하여, HC가 처음 분사되었을 때의 반응이 다소 느리고 안정화되는데 더 오랜 시간이 걸렸다는 점 이외에는, (ii), (iv) 및 (v)가 모두 유사한 결과를 나타낸다.
[실시예 2]
다음 치수를 가진 유동 통과 모노리스 상에 코팅되어 있는 다른 세트의 촉매 샘플로 시험이 수행되었다: 직경 152mm(6in), 길이 152mm(6in), 부피 2.8리터(170in3), 62cells/cm2(400cells/in2), 벽 두께 0.15mm(0.06in)이다. 촉매 제제는 (vi) Pt 단독; 및 (vii) 1:1의 Pt:Pd로 구성된 경우로서, 양쪽 모두 동일한 알루미나 지지 상에 있고 총 PGM 첨가량이 동일하다. 시험 전에, 촉매는 실시예 1과 유사한 방법으로 400시간 동안 숙성되었다. 그 후, 촉매는, 독립된 디젤 연료 분사장치가 실시예 1에서와 같이 촉매의 상류에 위치되어 있는 상태로, 테스트 베드 상에 6.0리터의 터보차지 엔진에 고정되었다. 입구 온도는 열전대를 사용하여 촉매 기판의 전방으로 25mm(1in)에서 측정되었다. 엔진은, 엔진 하중을 조절함으로 써 225℃, 250℃, 275℃ 및 300℃의 온도를 생성하기 위하여, 4가지의 정상 상태 속도로 10분 동안 구동되었다. 공간 속도의 범위는 하중의 함수로써 25-35,000 GHSV에 걸쳐 변하였다. 각각의 온도 조건에서, 미리 계산된 7,000ppm의 HC (C3) 농축으로, 10분 동안 촉매로 일정하게 연료가 분사되었다. 연료 분사가 완성된 후에, 다음의 입구 온도 설정 점이 획득되기 전까지, 배기 온도가 10분 동안 더 유지되었다. 각각의 온도 설정 점에 대하여, 온도 상승 및 HC 슬립(ppm)이 기록되었다.
표 1은 촉매를 가로질러 발생한 안정화된 온도 상승 및 분사 시간 동안에 HC의 대략적인 제거율을 요약한 것이다. 이러한 데이터는 Pt:Pd 촉매가 Pt 단독의 시스템의 경우보다 적은 HC 슬립으로 낮은 입구 온도에서 더 높은 온도 상승을 발생시킨다는 것을 확인시켜주며, 입자상 필터의 재생에 관한 훌륭한 연료 연소 특성을 나타낸다.
Figure 112007037513594-pct00001

Claims (27)

  1. 압축 점화 엔진 및 압축 점화 엔진용 배기 시스템(10)을 구비하는 장치에 있어서,
    상기 배기 시스템(10)은 배기 가스를 처리하기 위한 적어도 하나의 배기 시스템 구성요소(16)와, 상기 적어도 하나의 배기 시스템 구성요소를 가열하기 위한 발열 생성 수단을 구비하고,
    상기 발열 생성 수단은 촉매(14)와, 상기 촉매 상에서의 연소를 위하여 배기 가스로 탄화수소를 분사하는 수단(15)를 구비하며,
    상기 촉매는 지지 물질과, 기판 모노리스 상에 배치되는 팔라듐(Pd) 성분 및 백금(Pt) 성분을 구비하며,
    제1의 백금(Pt) 성분과 팔라듐(Pd) 성분은 상기 기판 모노리스의 하류 단에 배치되고, 상기 기판 모노리스의 상류 단(22)은 제2의 백금(Pt) 성분을 구비하며, 상기 상류 단(22)에는 팔라듐(Pd)이 없는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매는 지지 물질들을 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 팔라듐(Pd) 성분과 상기 백금(Pt) 성분은 모두 동일한 지지 물질 상에 지지되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매 중의 Pt:Pd의 중량비는 5:1 내지 1:5인 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 촉매 중의 Pt:Pd의 중량비는 2:1 내지 1:2인 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매 중의 Pt 및 Pd의 총 첨가량은 10 ~ 200 g ft-3 인 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 촉매 중의 Pt 및 Pd의 총 첨가량은 40 ~ 100 g ft-3 인 특징으로 하는 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 상류 단 촉매 중의 상기 Pt의 첨가량은 10 ~ 200 g ft-3 인 특징으로 하는 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 상류 단 촉매 중의 상기 Pt의 첨가량은 30 ~ 150 g ft-3 인 특징으로 하는 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 기판 모노리스의 상류 단(22)의 상기 백금(Pt) 촉매는 지지 물질 상에 지지되는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 9 항 및 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 물질은, 알루미나, 실리카, 세리아, 지르코니아, 티타니아 및 이들 중 2 이상의 혼합물 또는 혼합 산화물로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 9 항 및 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판 모노리스는 상류 영역 및 하류 영역을 구비하고,
    상기 상류 영역에서의 지지 물질은 티타니아; 지르코니아; 실리카; 이들 중 2 이상의 혼합물 또는 혼합 산화물; 및 티타니아, 지르코니아 또는 실리카 중 적어도 하나 및 알루미나의 혼합 산화물 또는 합성 산화물;로 구성된 군으로부터 선택되고,
    상기 하류 영역에서의 지지 물질은 알루미나를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 9 항 및 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 배기 시스템 구성요소는 입자상 필터를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 9 항 및 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 배기 시스템 구성요소는 NOX 흡수제를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 배기 시스템 구성요소는 NOX 흡수제를 구비하고, 상기 NOX 흡수제는 상기 입자상 필터 상에 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 9 항 및 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 배기 시스템 구성요소는 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 9 항 및 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 배기 시스템 구성요소는 희박 NOX 촉매를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 9 항 및 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판 모노리스는 상기 적어도 하나의 배기 시스템 구성요소의 상류에 위치되어 있는 유동 통과 모노리스인 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제 15 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 배기 시스템 구성요소는 상기 기판 모노리스를 구비하고,
    상기 기판 모노리스는 상기 적어도 하나의 배기 시스템 구성요소의 상류에 위치되어 있는 유동 통과 모노리스인 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 제 14 항에 있어서, 상기 기판 모노리스는 상기 입자상 필터인 것을 특징으로 하는 장치.
  22. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 9 항 및 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 탄화수소를 상기 배기 가스로 분사하는 수단은, 상기 탄화수소를 상기 기판 모노리스에 근접한 상류에서 배기 가스로 분사하는 분사장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  23. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 9 항 및 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 탄화수소를 상기 배기 가스로 분사하는 수단은, 상기 엔진의 하나 이상의 실린더에 있는 분사장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  24. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 9 항 및 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축 점화 엔진은 디젤 엔진인 것을 특징으로 하는 장치.
  25. 제 3 항에 있어서, 상기 팔라듐(Pd) 성분과 상기 백금(Pt) 성분은 합금의 형태인 것을 특징으로 하는 장치.
  26. 압축 점화 엔진의 배기 시스템 중의 적어도 하나의 구성요소를 가열하기 위한 방법으로서,
    촉매를, 정상 구동 상태 동안에 배기 가스 중에 존재하는 탄화수소의 농도와 비교하여 증가된 농도의 탄화수소를 구비하는 배기 가스와 접촉시킴으로써 상기 적어도 하나의 배기 시스템 구성요소를 가열하기 위하여 발열을 생성하는 단계를 구비하고,
    상기 촉매는 지지 물질과, 기판 모노리스 상에 배치되는 팔라듐(Pd) 성분 및 백금(Pt) 성분을 구비하며,
    제1의 백금(Pt) 성분과 팔라듐(Pd) 성분은 상기 기판 모노리스의 하류 단에 배치되고, 상기 기판 모노리스의 상류 단(22)은 제2의 백금(Pt) 성분을 구비하며, 상기 상류 단(22)에는 팔라듐(Pd)이 없는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 삭제
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