KR101836260B1 - 자동차의 배기가스 정화장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기가스 후처리에 소요되는 비용을 절감하면서도, 정화성능을이 향상시키는 배기가스 정화장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치는, 상기 엔진의 저온 구간에서 배기가스에 함유된 질소산화물을 흡장하는 흡장 촉매; 상기 흡장 촉매에 흡장된 질소산화물을 상기 엔진의 고온 구간에서 수소와 반응시켜 암모니아를 생성하는 산화 촉매; 및 상기 산화 촉매에서 생성된 암모니아를 흡장하고, 흡장된 암모니아를 상기 엔진의 저온 구간에서 배기가스에 함유된 질소산화물과 반응시켜 배기가스에 함유된 질소산화물을 제거하는 산화 촉매;를 포함할 수 있다.

Description

자동차의 배기가스 정화장치{EXHAUST GAS PURIFICATION SYSTEM FOR VEHICLE}
본 발명은 자동차의 배기가스 정화장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배기가스에 함유된 질소산화물의 정화를 극대화시키는 자동차의 배기가스 정화장치에 관한 것이다.
일반적으로, 배기가스 후처리 장치는 배기가스 중에 포함된 오염물질을 제거하거나 줄이도록 기능하는 장치이다.
디젤 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.
디젤 엔진에 적용되는 상기 장치들의 기능을 설명하면, DOC는 배기가스 중의 총 탄화수소와 일산화탄소를 산화시키고, 일산화질소를 이산화질소로 산화시키고, DPF는 배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집하고 그 입자상 물질을 화학적 변환 과정을 통하여 정화시키며, SCR은 인젝터를 통해 배기가스의 스트림 방향으로 분사되는 환원제(요소, urea)가 배기가스의 열에 의해 암모니아(NH3)로 전환된 후에 SCR 촉매에 의한 배기가스 중의 질소산화물과 암모니아의 촉매 반응으로서 질소산화물을 질소 가스(N2)와 물(H2O)로 환원시키고, LNT는 배기가스에 포함된 질소산화물을 흡장하고, 이를 설정된 조건에서 환원제와 반응시켜 제거하는 기능을 수행한다.
최근에는 자동차의 친환경성에 규제가 강화되고 관심이 높아지면서, 가솔린 엔진의 배기가스 후처리에 관한 기술이 개발되고 있다.
하지만, 상기 장치들을 가솔린 엔진에 적용하는 것은 상당한 원가 상승을 야기하고, 요소의 충전 등 차량의 유지 및 보수의 불편함을 동반한다. 또한, 가솔린 엔진의 고부하 영역에서는 암모니아(NH3)의 생성량 부족으로 인해 질소산화물(NOx) 정화 성능이 저하될 수 있다. 특히, 린번(lean burn) 가솔린 엔진의 고부하 영역에서는 질소산화물(NOx) 정화 성능이 지나치게 저하될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 가솔린 엔진의 배기가스 후처리에 소요되는 비용을 절감하면서도, 환원제의 충전없이 정화성능이 향상된 배기가스 정화장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치는, 엔진의 배기가스를 정화시키도록 구비되는 자동차의 배기가스 정화장치일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치는, 상기 엔진의 저온 구간에서 배기가스에 함유된 질소산화물을 흡장하는 흡장 촉매; 상기 흡장 촉매에 흡장된 질소산화물을 상기 엔진의 고온 구간에서 수소와 반응시켜 암모니아를 생성하는 산화 촉매; 및 상기 산화 촉매에서 생성된 암모니아를 흡장하고, 흡장된 암모니아를 상기 엔진의 저온 구간에서 배기가스에 함유된 질소산화물과 반응시켜 배기가스에 함유된 질소산화물을 제거하는 환원 촉매;를 포함할 수 있다.
상기 배기가스 정화장치는, 언더 플로우에서 배기 파이프에 장착될 수 있다.
상기 엔진의 저온 구간은 희박연소 구간일 수 있다.
상기 흡장 촉매의 용적에 따라 생성되는 암모니아의 양이 증가할 수 있다.
상기 산화 촉매는 탄화수소로 구성된 촉매일 수 있다.
상기 산화 촉매는 일산화탄소로 구성된 촉매일 수 있다.
상기 엔진의 고온 구간은 산화 촉매의 암모니아 생성효율이 높은 구간일 수 있다.
상기 엔진의 고온 구간에서 엔진의 온도는 250℃ 이상 350℃ 이하일 수 있다.
상기 산화 촉매에서 반응하는 수소는 연료 개질 반응 및 수성 가스 반응에서 생성될 수 있다.
상기 환원 촉매에서 암모니아와 반응되는 질소산화물은 상기 엔진의 저온 시에 상기 흡장 촉매를 경유한 배기가스의 잔여 질소산화물일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 후처리 과정 및 장치가 단순해짐에 따라 생산원가가 절감될 수 있다.
또한, 요소의 충전이 요구되지 않음에 따라 사용자의 불편함이 방지될 수 있다.
나아가, 엔진의 고부하 영역에서도 암모니아의 생성을 극대화시킴으로써, 질소산화물 정화성능이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치의 개략적인 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치의 구성도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치의 개략적인 블럭도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치의 구성도이다. 한편, 도 2에는 본 발명의 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치(20)의 내부 구성을 보여주기 위해 상기 배기가스 정화장치(20) 하우징(21)의 일부분이 커팅된 것이 도시되었다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 자동차의 배기가스 정화장치(20)는 엔진(10)의 배기가스를 정화시키도록 배기 파이프(12) 상에 구비되며, 상기 하우징(21)의 내부에 흡장 촉매(occlusion catalyst, 23), 산화 촉매(oxidation catalyst, 25), 및 환원 촉매(SCR: selective catalytic reduction, 27)를 포함한다.
상기 배기 파이프(12)는 엔진(10)의 배기측과 연결되고, 차량의 후방으로 배기가스를 배출시키도록 차량의 언더 플로우(under floor)를 따라 후방으로 연장된다. 즉, 상기 배기가스 정화장치(20)는 차량의 언더 플로우에 장착된다. 또한, 엔진(10)으로부터 배출된 배기가스는 상기 배기 파이프(12)를 통과하면서 상기 배기가스 정화장치(20)를 경유한다. 또한, 상기 배기가스 정화장치(20)를 경유하는 배기가스는 상기 흡장 촉매(23), 산화 촉매(25), 및 환원 촉매(27)를 순차적으로 경유한다.
상기 흡장 촉매(23)는 냉시동, 아이들(idle), 퓨얼 컷(fuel cut), 희박연소(lean burn) 등의 엔진(10) 저온 구간에서, 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 흡장한다. 여기서, 냉시동, 아이들, 퓨얼 컷, 및 희박연소 구간에서 엔진(10)의 온도는 250℃ 미만일 수 있으며, 이러한 엔진(10) 상태에서는 질소산화물(NOx)이 다량으로 생성된다. 한편, 희박연소 구간은 가솔린 엔진 중에서 실린더로 들어가는 혼합기에서 공기가 차지하는 비율을 높이고, 연료의 비율을 낮추어 연비를 향상시키는 린번엔진(lean burn engine)의 연료 희박 상태에서 연소가 수행되는 구간이다. 즉, 상기 배기가스 정화장치(20)는 린번엔진에 적용될 수 있다. 이하에서는 엔진(10)의 저온 구간과 희박연소 구간을 구별 없이 동일한 의미로 사용하기로 한다.
상기 산화 촉매(25)는 상기 흡장 촉매(23)에 흡장된 질소산화물(NOx)과 수소(H2)를 반응시켜 암모니아(NH3)가 생성되도록 한다. 또한, 상기 흡장 촉매(23)의 용적에 따라 생성되는 암모니아(NH3)의 양이 증가한다. 한편, 상기 산화 촉매(25)는 탄화수소(HC) 또는 일산화탄소(CO)로 구성된 촉매일 수 있다. 나아가, 상기 산화 촉매(25)는 암모니아(NH3)의 생성효율이 가장 우수한 엔진(10)의 구동 구간에서 질소산화물(NOx)과 수소(H2)를 반응시킨다.
여기서, 암모니아(NH3)의 생성효율이 가장 우수한 엔진(10)의 구동 구간은 엔진(10)의 온도가 250℃ 이상 350℃ 이하인 구간일 수 있으며, 이러한 농후연소(rich burn) 구간에서는 연료 개질 반응 및 수성 가스의 이동에 따른 반응에서 수소(H2)가 생성되고, 생성된 수소(H2)가 상기 흡장 촉매(23)에 흡장된 질소산화물(NOx)과 반응하는 것이다. 이하에서는 엔진(10)의 고온 구간과 농후연소 구간을 구별 없이 동일한 의미로 사용하기로 한다.
상기 수소(H2) 생성의 반응식은 다음과 같다.
개질 반응: CxHy + xH2O → xCO + (y/2 + x)H2
수성 가스 반응: CO + H2O → CO2 + H2
또한, 상기 산화 촉매(25)에 의해 반응하는 질소산화물(NOx)과 수소(H2)의 반응식은 예는 다음과 같다.
2NO + 2CO + 3H2 → 2NH3 + 2CO2
상기 환원 촉매(27)는 상술한 바와 같이 생성된 암모니아(NH3)를 이용하기 때문에 배기가스의 열에 의해 암모니아(NH3)로 전화되는 요소(urea)의 공급을 필요로 하지 않는다. 이러한 요소를 필요로 하지 않는 SCR을 passive NH3-SCR이라 한다.
상기 환원 촉매(27)는 상기 희박연소 구간에서 질소산화물(NOx)을 정화시키도록 작동된다. 또한, 엔진(10)의 농후연소 시에 상기 산화 촉매(25)에서 생성된 암모니아(NH3)는 상기 환원 촉매(27)에 흡장되고, 엔진(10)의 희박연소 시에 질소산화물(NOx)을 흡장된 암모니아(NH3)와 반응시킨다. 여기서, 상기 환원 촉매(27)에서 암모니아(NH3)와 반응되는 질소산화물(NOx)은 엔진(10)의 희박연소 시에 상기 흡장 촉매(23)에 흡장되지 않고 배기가스와 함께 흐르는 잔여 질소산화물(NOx)이다.
다시 말해, 엔진(10)의 희박연소 시에 발생되는 다량의 질소산화물(NOx)은 상기 흡장 촉매(23)에 흡장되는 것에 의해 1차적으로 여과되고, 상기 환원 촉매(27)에서 암모니아(NH3)와 반응하는 것에 의해 2차적으로 여과됨으로써 엔진(10)의 희박연소 구간에서의 질소산화물(NOx) 정화력이 극대화될 수 있다. 또한, 배기가스의 함유물질을 이용하여 질소산화물(NOx)의 정화에 필요한 암모니아(NH3)를 충분히 생성함으로써 질소산화물(NOx) 정화력의 극대화가 보장될 수 있다. 한편, 상기 환원 촉매(27)는 암모니아(NH3)의 저장량이 온도에 반비례하는 성질을 이용하여 비교적 저온인 희박연소 구간에서 정화성능을 확보할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 후처리 과정 및 장치가 단순해짐에 따라 생산원가가 절감될 수 있다. 또한, 요소의 충전이 요구되지 않음에 따라 사용자의 불편함이 방지될 수 있다. 나아가, 엔진의 고부하 영역에서도 암모니아의 생성을 극대화시킴으로써, 질소산화물 정화성능이 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: 배기가스 정화장치
21: 하우징
23: 흡장 촉매
25: 산화 촉매
27: 환원 촉매

Claims (10)

  1. 엔진의 배기가스를 정화시키도록 구비되는 자동차의 배기가스 정화장치에 있어서,
    상기 엔진의 저온 구간에서 배기가스에 함유된 질소산화물을 흡장하는 흡장 촉매;
    상기 흡장 촉매에 흡장된 질소산화물을 상기 엔진의 고온 구간에서 수소와 반응시켜 암모니아를 생성하는 산화 촉매; 및
    상기 산화 촉매에서 생성된 암모니아를 흡장하고, 흡장된 암모니아를 상기 엔진의 저온 구간에서 배기가스에 함유된 질소산화물과 반응시켜 배기가스에 함유된 질소산화물을 제거하는 환원 촉매;
    를 포함하는 자동차의 배기가스 정화장치.
  2. 제1항에 있어서,
    언더 플로우에서 배기 파이프에 장착되는 것을 특징으로 하는 자동차의 배기가스 정화장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 엔진의 저온 구간은 희박연소 구간인 것을 특징으로 하는 자동차의 배기가스 정화장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 흡장 촉매의 용적에 따라 생성되는 암모니아의 양이 증가하는 것을 특징으로 하는 자동차의 배기가스 정화장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 산화 촉매는 탄화수소로 구성된 촉매인 것을 특징으로 하는 자동차의 배기가스 정화장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 산화 촉매는 일산화탄소로 구성된 촉매인 것을 특징으로 하는 자동차의 배기가스 정화장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 엔진의 고온 구간은 산화 촉매의 암모니아 생성효율이 높은 구간인 것을 특징으로 하는 자동차의 배기가스 정화장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 엔진의 고온 구간에서 엔진의 온도는 250℃ 이상 350℃ 이하인 것을 특징으로 하는 자동차의 배기가스 정화장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 산화 촉매에서 반응하는 수소는 연료 개질 반응 및 수성 가스 반응에서 생성되는 것을 특징으로 하는 자동차의 배기가스 정화장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 환원 촉매에서 암모니아와 반응되는 질소산화물은 상기 엔진의 저온 시에 상기 흡장 촉매를 경유한 배기가스의 잔여 질소산화물인 것을 특징으로 하는 자동차의 배기가스 정화장치.
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