KR101628098B1 - 자동차의 배기가스 정화장치 - Google Patents

자동차의 배기가스 정화장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 생산원가를 절감시키면서도 질소산화물을 효율적으로 정화시킬 수 있는 자동차의 배기가스 정화장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치는, 엔진의 배기가스를 배출시키도록 형성된 배기 파이프에 장착되고, 배기가스 중 일부 성분을 산화시키는 디젤 산화 촉매부; 및 상기 디젤 산화 촉매부의 후단과 연결되며, 상기 배기 파이프에 장착되고, 배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집하여 정화시키는 매연여과필터에 산화 촉매와 선택적 환원 촉매를 형성한 복합 촉매부;를 포함할 수 있다.
상기 디젤 산화 촉매부와 상기 복합 촉매부의 사이에서 환원제가 주입될수 있다.

Description

자동차의 배기가스 정화장치{EXHAUST GAS PURIFICATION SYSTEM FOR VEHICLE}
본 발명은 자동차의 배기가스 정화장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배기가스 중의 공해 물질을 저감시킬 수 있는 자동차의 배기가스 정화장치에 관한 것이다.
일반적으로, 엔진의 배기 시스템은 배기가스 중에 함유된 공해 물질인 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 입자상 물질(Particulate Matter), 질소산화물(NOx) 등을 감소시키기 위해 DOC(Diesel Oxidation Catalyst), DPF((Diesel Particulate matter Filter), 및 SCR(Selective Catalyst Reduction), LNT(Lean NOx Trap) 등과 같은 배기가스 후처리 장치를 구비하고 있다.
DOC는 배기가스 중의 총 탄화수소와 일산화탄소를 산화시키고, 일산화질소를 이산화질소로 산화시킨다.
DPF는 배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집하고 그 입자상 물질을 화학적 변환 과정을 통하여 정화시킨다.
SCR은 인젝터를 통해 배기가스의 스트림 방향으로 분사되는 환원제(요소)가 배기가스의 열에 의해 암모니아(NH3)로 전환되고, SCR 촉매에 의한 배기가스 중의 질소산화물과 암모니아의 촉매 반응으로서 질소산화물을 질소 가스(N2)와 물(H2O)로 환원시킨다.
LNT는 배기가스에 포함된 질소산화물을 흡장하고, 이를 설정된 조건에서 환원제와 반응시켜 제거하는 기능을 수행한다.
한편, 배기가스가 DOC 또는 LNT를 경유하여 DPF를 통과하도록 DOC 또는 LNT 및 DPF가 배치되고, DOC 또는 LNT와 DPF의 사이에서 인젝터에 의해 환원제(요소)가 분사되는 경우, 요소(Urea) 또는 암모니아가 전단 촉매인 DOC 또는 LNT에 접촉되어 NOx가 추가적으로 발생될 수 있다. 이러한 NOx의 추가적인 발생을 방지하기 위하여 분사각이 작은 인젝터가 사용될 수 있다.
하지만, 분사각이 작은 인젝터를 사용하게 되면, 요소 또는 암모니아의 유동 균일도(flow uniformity)가 저하됨과 동시에 촉매 반응을 일으키도록 하는 질소산화물과 암모니아의 혼합 효율이 저하될 수 있다. 따라서, 추가적인 혼합기(Mixer)가 요구될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 생산원가를 절감시키면서도 질소산화물을 효율적으로 정화시킬 수 있는 자동차의 배기가스 정화장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치는, 엔진의 배기가스를 배출시키도록 형성된 배기 파이프에 장착되고, 배기가스 중 일부 성분을 산화시키는 디젤 산화 촉매부; 및 상기 디젤 산화 촉매부의 후단과 연결되며, 상기 배기 파이프에 장착되고, 배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집하여 정화시키는 매연여과필터에 산화 촉매와 선택적 환원 촉매를 형성한 복합 촉매부;를 포함할 수 있다.
상기 디젤 산화 촉매부와 상기 복합 촉매부의 사이에서 환원제가 주입될수 있다.
상기 자동차의 배기가스 정화장치는, 상기 디젤 산화 촉매부의 후단에 구비되고, 배기가스 중 일부 성분을 환원시키는 환원 촉매부를 더 포함할 수 있다.
상기 디젤 산화 촉매부와 상기 복합 촉매부의 사이에서 환원제는 인젝터에 의해 분사될 수 있다.
상기 자동차의 배기가스 정화장치는, 상기 배기 파이프의 일부분으로서, 상기 디젤 산화 촉매부와 상기 복합 촉매부를 연결하며, 상기 인젝터에 의해 환원제가 분사되는 공간을 형성하는 분사 챔버를 더 포함할 수 있다.
상기 환원 촉매부 및 상기 복합 촉매부는 상기 분사 챔버에 분사된 환원제를 이용하여 배기가스 중 일부 성분을 환원시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치는, 엔진의 배기가스를 배출시키도록 형성된 배기 파이프에 장착되고, 배기가스 중 질소산화물을 흡장하여 환원시키는 질소산화물 정화장치; 및 상기 배기 파이프를 통하여 상기 디젤 산화 촉매부의 후단과 연결되며, 배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집하여 정화시키는 매연여과필터에 산화 촉매와 선택적 환원 촉매를 형성한 복합 촉매부;를 포함할 수 있다.
상기 디젤 산화 촉매부와 상기 복합 촉매부의 사이에서 환원제가 주입될수 있다.
상기 자동차의 배기가스 정화장치는, 상기 질소산화물 정화장치의 후단에 구비되고, 배기가스 중 일부 성분을 환원시키는 환원 촉매부를 더 포함할 수 있다.
상기 질소산화물 정화장치와 상기 복합 촉매부의 사이에서 환원제는 인젝터에 의해 분사될 수 있다.
상기 자동차의 배기가스 정화장치는, 상기 배기 파이프의 일부분으로서, 상기 질소산화물 정화장치와 상기 복합 촉매부를 연결하며, 상기 인젝터에 의해 환원제가 분사되는 공간을 형성하는 분사 챔버를 더 포함할 수 있다.
상기 환원 촉매부 및 상기 복합 촉매부는 상기 분사 챔버에 분사된 환원제를 이용하여 배기가스 중 일부 성분을 환원시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 디젤산화촉매의 후단에 환원 촉매가 구비됨에 따라 인젝터에서 분사되는 환원제와 디젤산화촉매의 접촉이 방지될 수 있다. 따라서, 분사각이 큰 인젝터의 사용이 가능하고, 혼합기와 같은 추가적인 구성요소가 삭제될 수 있으며, 생산원가가 절감될 수 있다.
또한, 디젤산화촉매의 후단에 환원 촉매가 구비됨에 따라 환원 촉매가 엔진에 가까워짐으로써, 고온의 배기가스에 의한 환원 촉매의 가열이 용이해지고 질소산화물의 정화 성능이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치의 개략적인 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치의 개략적인 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 자동차의 배기가스 정화장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 자동차의 배기가스 정화장치의 효과를 보여주는 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치의 개략적인 블럭도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치는 엔진(10)의 배기가스를 정화시키도록 엔진(10)과 연결되며, 디젤 산화 촉매부(DOC: diesel oxidation catalyst, 20), 환원 촉매부(SCR: selective catalytic reduction, 30), 및 복합 촉매부(SDPF: SCR on DPF, 40)를 포함한다.
상기 디젤 산화 촉매부(20)는 자동차의 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스를 외부로 배출시키도록 형성된 배기 파이프(12)에 장착된다. 즉, 상기 디젤 산화 촉매부(20)의 전단은 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스를 받아들이도록 엔진(10)과 연결된다. 여기서, 구성요소의 전단 및 후단은 배기가스의 흐름을 기준으로 하며, 배기가스가 구성요소의 전단에서 후단으로 흐르는 것으로 정의된다.
상기 디젤 산화 촉매부(20)는 소정 케이스의 내부에 담체가 구비되고, 그 담체에 디젤 산화 촉매가 코팅된 장치이다. 나아가, 상기 디젤 산화 촉매부(20)는 배기가스 중의 탄화수소와 일산화탄소를 디젤 산화 촉매를 통해 산화시키도록 기능한다. 특히, 일산화질소를 이산화질소로 산화시키도록 기능한다. 이러한 디젤 산화 촉매부(20)는 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하, 당업자)에게 자명하므로 이에 대한 더 이상의 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 환원 촉매부(30)는 상기 디젤 산화 촉매부(20)의 후단에 구비된다. 또한, 상기 환원 촉매부(30)는 환원제(요소, urea)가 배기가스의 열에 의해 암모니아(NH3)로 전환되고, 선택적 환원 촉매(SCR 촉매)에 의한 배기가스 중의 질소산화물과 암모니아의 촉매 반응으로서 질소산화물을 질소 가스(N2)와 물(H2O)로 환원시키도록 기능한다. 이러한 상기 환원 촉매부(30)의 기능은 당업자에게 자명하므로 이에 대한 더 이상의 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 복합 촉매부(40)는 상기 배기 파이프(12)에 장착되며, 상기 복합 촉매부(40)의 전단은 상기 배기 파이프(12)에 의해 상기 디젤 산화 촉매부(20)의 후단에 구비된 상기 환원 촉매부(30)와 연결된다. 또한, 상기 복합 촉매부(40)는 매연여과필터(DPF: Diesel Particulate Filter)를 기반으로 하며, 상기 매연여과필터에 SCR 촉매 및 산화 촉매를 형성한다. 여기서, 상기 매연여과필터는 배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집하고 그 입자상 물질을 화학적 변환 과정을 통하여 정화시키는 장치로서, 당업자에게 자명하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 복합 촉매부(40)는 배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집하고 그 입자상 물질을 화학적 변환 과정을 통하여 정화시키도록 기능한다. 또한, 상기 복합 촉매부(40)는 배기가스 중의 질소산화물을 요소(urea) 수용액과 같은 환원제를 이용하여 질소 기체로 환원시키도록 기능한다. 나아가, 반응하지 않는 환원제의 슬립을 제거하고, 수트(soot)의 연소로 발생되는 CO, HC 등을 산화시켜 정화시키도록 기능한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치의 개략적인 블럭도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치는 도 1을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치에서 상기 디젤 산화 촉매부(20) 대신에 질소산화물 정화장치(LNT; lean NOx trap, 25)가 배치된다.
다시 말해, 질소산화물 정화장치(25)의 후단에 상기 환원 촉매부(30)가 구비된다. 한편, 도 1을 참조한 본 발명의 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치의 설명과 동일한 구성요소의 반복적인 설명은 생략하기로 한다.
상기 질소산화물 정화장치(25)는 배기가스에 포함된 질소산화물을 흡장하고, 이를 설정된 조건에서 환원제와 반응시켜 제거하도록 기능한다. 이러한 질소산화물 정화장치(25)는 당업자에게 자명하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
즉, 본 발명의 실시예들에 따른 자동차의 배기가스 정화장치는 상기 디젤 산화 촉매부(20)를 기반으로 하는 배기가스 정화장치 또는 상기 질소산화물 정화장치(25)를 기반으로 하는 배기가스 정화장치에 모두 적용될 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 환원 촉매부(30)와 상기 복합 촉매부(40)의 사이에서 환원제가 주입(dosing)된다.
이하, 도 3을 참조로 환원제의 주입을 자세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 자동차의 배기가스 정화장치의 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 자동차의 배기가스 정화장치는 인젝터(50) 및 분사 챔버(55)를 더 포함한다.
상기 인젝터(50)는 상기 환원 촉매부(30)와 상기 복합 촉매부(40)의 사이에서 환원제를 분사한다.
상기 분사 챔버(55)는 상기 환원 촉매부(30)와 상기 복합 촉매부(40)의 사이에 구비되며, 상기 환원 촉매부(30)의 후단과 상기 복합 촉매부(40)의 전단을 연결한다. 또한, 상기 분사 챔버(55)는 환원제가 분사되는 공간을 형성한다. 즉, 상기 환원 촉매부(30)와 상기 복합 촉매부(40)의 사이에서 환원제는 상기 인젝터(50)에 의해 상기 분사 챔버(55)에 분사된다. 또한, 상기 분사 챔버(55)는 상기 배기 파이프(12)의 일부분일 수 있다.
상기 환원 촉매부(30) 및 상기 복합 촉매부(40)는 상기 분사 챔버(55)에분사된 환원제를 이용하여 질소산화물을 환원시킨다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 자동차의 배기가스 정화장치의 효과를 보여주는 그래프이다.
상기 그래프의 가로축은 초(sec)를 단위로 한 시간을 나타내고, 세로축은 섭씨를 단위로 한 온도를 나타낸다. 또한, 상기 그래프의 실선으로 표현된 곡선은 상기 디젤 산화 촉매부(20) 또는 상기 질소산화물 정화장치(25) 및 상기 환원 촉매부(30)의 시간에 따른 온도변화를 나타내고, 점선으로 표현된 곡선은 상기 복합 촉매부(40)의 시간에 따른 온도변화를 나타낸다. 여기서, 상기 디젤 산화 촉매부(20), 상기 질소산화물 정화장치(25), 상기 환원 촉매부(30), 및 상기 복합 촉매부(40)의 온도는 엔진(10)의 배기가스의 온도에 따라 변화되며, 0초는 엔진(10)의 시동 시점을 기준으로 할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 디젤 산화 촉매부(20) 또는 상기 질소산화물 정화장치(25) 및 상기 환원 촉매부(30)의 온도는 약 200초 정도에 섭씨 200도에 도달 가능하며, 상기 복합 촉매부(40)의 온도는 약 800초 정도에 섭씨 200도에 도달 가능하다. 이것은 상기 디젤 산화 촉매부(20) 또는 상기 질소산화물 정화장치(25) 및 상기 환원 촉매부(30)가 상기 복합 촉매부(40)보다 엔진(10)에 가깝게 배치되기 때문이다(도 1 내지 도 3 참조.). 여기서, 섭씨 200도는 환원제의 분사 및 그에 따른 환원효율이 정상화되는 온도일 수 있다. 따라서, 상기 디젤 산화 촉매부(20) 또는 상기 질소산화물 정화장치(25)에 상기 환원 촉매부(30)가 구비되는 구성은 상기 복합 촉매부(40)의 구성에 비하여 질소산화물을 효율적으로 정화시키는 것이 유리하다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 디젤산화촉매(20)의 후단에 환원 촉매(30)가 구비됨에 따라 인젝터(50)에서 분사되는 환원제와 디젤산화촉매(20)의 접촉이 방지될 수 있다. 따라서, 분사각이 큰 인젝터의 사용이 가능하고, 혼합기(Mixer)와 같은 추가적인 구성요소가 삭제될 수 있으며, 생산원가가 절감될 수 있다. 또한, 디젤산화촉매(20)의 후단에 환원 촉매(30)가 구비됨에 따라 환원 촉매(30)가 엔진(10)에 가까워짐으로써, 고온의 배기가스에 의한 환원 촉매(30)의 가열이 용이해지고 질소산화물의 정화 성능이 향상될 수 있다.
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.
10: 엔진
12: 배기 파이프
20: 디젤 산화 촉매부
25: 질소산화물 정화장치
30: 환원 촉매부
40: 복합 촉매부
50: 인젝터
55: 분사 챔버

Claims (10)

  1. 엔진의 배기가스를 배출시키도록 형성된 배기 파이프에 장착되고, 배기가스 중 일부 성분을 산화시키는 디젤 산화 촉매부;
    상기 디젤 산화 촉매부의 후단과 연결되며, 상기 배기 파이프에 장착되고, 배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집하여 정화시키는 매연여과필터에 산화 촉매와 선택적 환원 촉매를 형성한 복합 촉매부; 및
    상기 디젤 산화 촉매부의 후단에 구비되고, 배기가스 중 일부 성분을 환원시키는 환원 촉매부;
    를 포함하고,
    상기 디젤 산화 촉매부와 상기 복합 촉매부의 사이에서 환원제가 인젝터에 의해 분사되되,
    상기 배기 파이프의 일부분으로서, 상기 인젝터에 의해 환원제가 분사되는 공간을 형성하는 분사 챔버가 상기 디젤 산화 촉매부와 상기 복합 촉매부를 연결하며,
    상기 디젤 산화 촉매부 및 상기 환원 촉매부를 흐르는 배기가스의 방향과 상기 복합 촉매부를 흐르는 배기가스의 방향은 반대가 되도록 상기 디젤 산화 촉매부, 상기 환원 촉매부, 및 상기 복합 촉매부가 배치되는 것을 특징으로 하는 자동차의 배기가스 정화장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 환원 촉매부 및 상기 복합 촉매부는 상기 분사 챔버에 분사된 환원제를 이용하여 배기가스 중 일부 성분을 환원시키는 것을 특징으로 하는 자동차의 배기가스 정화장치.
  6. 엔진의 배기가스를 배출시키도록 형성된 배기 파이프에 장착되고, 배기가스 중 질소산화물을 흡장하여 환원시키는 질소산화물 정화장치;
    상기 배기 파이프를 통하여 상기 질소산화물 정화장치의 후단과 연결되며, 배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집하여 정화시키는 매연여과필터에 산화 촉매와 선택적 환원 촉매를 형성한 복합 촉매부; 및
    상기 질소산화물 정화장치의 후단에 구비되고, 배기가스 중 일부 성분을 환원시키는 환원 촉매부;
    를 포함하고,
    상기 질소산화물 정화장치와 상기 복합 촉매부의 사이에서 환원제가 인젝터에 의해 분사되되,
    상기 배기 파이프의 일부분으로서, 상기 인젝터에 의해 환원제가 분사되는 공간을 형성하는 분사 챔버가 상기 질소산화물 정화장치와 상기 복합 촉매부를 연결하며,
    상기 질소산화물 정화장치 및 상기 환원 촉매부를 흐르는 배기가스의 방향과 상기 복합 촉매부를 흐르는 배기가스의 방향은 반대가 되도록 상기 질소산화물 정화장치, 상기 환원 촉매부, 및 상기 복합 촉매부가 배치되는 것을 특징으로 하는 자동차의 배기가스 정화장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제6항에 있어서,
    상기 환원 촉매부 및 상기 복합 촉매부는 상기 분사 챔버에 분사된 환원제를 이용하여 배기가스 중 일부 성분을 환원시키는 것을 특징으로 하는 자동차의 배기가스 정화장치.
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