KR19990004987A - 디젤 기관용 4원 촉매 변환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디젤 기관의 배기 계통에 설치되는 촉매 변환기에 관한 것이며, 배기 파이프에 연결되는 단일 하우징(3) 내에 교대로 막혀 있는 월 플로우 타입의 모노리스(7)가 충전되어 있고, 상기 모노리스(7)의 상류 쪽으로 열린 홀(9) 내면에는 Pt 또는 Pd를 포함하는 백금족 금속이 함침된 Al₂O₃, TiO₂또는 SiO₂의 단독 또는 혼합물이 코팅되어 있고, 상기 모노리스(7)의 하류 쪽으로 열린 홀(11) 내면에는 제올라이트에 Pt 또는 Pd를 포함하는 백금족 금속이 이온 교환된 물질이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 디젤 기관용 4원 촉매 변환기가 제공되고, 이로써 모노리스에 포집된 입자성 물질을 가열 장치 없이 연소할 수 있을 뿐만 아니라, CO, HC, 및 NO_X를 H₂O, CO₂, N₂, O₂로 산화 및 환원시켜 제거할 수 있는 효과가 있다.

Description

디젤 기관용 4원 촉매 변환기

(기술 분야)

본 발명은 배기 계통에 설치되는 촉매 변환기(catalyst convertor)에 관한 것이며, 보다 상세하게는 배기 파이프에 설치되어 배기 가스 중에 포함된 유해 가스를 무해 가스로 변환시키는 촉매 변환기로서, 산화촉매, 매연 여과 장치, 및 질소 산화물 환원촉매를 복합적으로 구비한 디젤 기관용 4원 촉매 변환기에 관한 것이다.

(종래 기술)

탄화수소를 주성분으로 하고 있는 차량의 연료는 엔진에서 연소되어 배기 파이프를 통해 대기 중으로 배출되는 바, 배기 가스의 성분은 그 대부분이 인체에 해가 없는 수증기(H₂O), 질소(N₂), 탄산가스(CO₂)로 이루어지지만, 각종 불완전한 요인에 의해 연료가 완전 연소되지 못하여 배기 가스에는 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NO_X; NO, NO₂,N₂O) 등의 유해 성분을 포함하고 있다. 따라서, 차량의 배기 가스로 인한 대기 오염을 방지하기 위해, 가능한 한 유해 가스의 배출을 억제하기 위한 여러 가지 대책이 마련되고 있다.

차량의 배기 가스에서 유해 가스를 감소시키기 위한 대책의 하나로서, 배기 계통의 배기 파이프에 상기한 유해 가스를 산화 환원 반응에 의해 무해 가스로 변환시키는 촉매 변환기를 장착하는 방식이 널리 사용되고 있다. 즉, 산화촉매를 사용하여 일산화탄소와 탄화수소를 이산화탄소와 물로 산화시키고, 환원촉매를 사용하여 질소산화물을 질소와 이산화탄소로 환원시키므로써, 유해 가스를 무해 가스로 변환하고 있다.

특히, 디젤 기관에 있어서는 가솔린 기관과는 달리 일산화탄소와 탄화수소보다는, 입자상 물질(particulate matter: PM)과 질소화합물이 문제로 되고 있으며, 입자상 물질로는 매연(soot)과 가용성 유기 화합물(SOF)을 들 수 있다.

일반적으로 종래의 디젤 기관용 촉매 변환기는, 산화촉매, 질소 산화물 환원촉매 및 매연 여과 장치를 독립적으로 분리하여 포함하고 있다.

산화촉매는 Al₂O₃을 주성분으로 TiO₂와 SiO₂등을 포함하는 담체에 백금(Pt), 팔라늄(Pd) 등의 백금족 원소를 0.01-5g/ℓ로 담지시킨 물질을 벌집 형상의 모노리드 위에 코팅한 구성으로 되어 있으며, 디젤 기관의 배기 가스 중에 HC, CO 등의 가스성 성분과, 고상과 액상이 혼합된 입자상 물질(PM) 중 가용성 유기화합물(SOF)을 산화하는 작용을 한다.

질소산화물 환원촉매는 디젤이나 가솔린 희박연소 등의 산화성 배기 가스 분위기 하에서 NO_X를 선택적으로 흡착하여 HC 등과의 반응에 N₂와 O₂로 환원시키는 촉매로, NO_X를 선택적으로 흡착할 수 있는 제올라이트 물질에 백금(Pt), 팔라늄(Pd) 등의 금속이나, 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co) 등의 천이금속 등이 이온 교환된 물질을 모노리스에 코팅한 구조를 사용한다.

매연 여과 장치는 디젤기관에서 배출되는 입자상 물질을 다공질의 월 플로우(벽류: wall flow) 타입 모노리스 벽에 포집하고, 일정량의 입자상 물질이 포집되면 이를 압력차나 온도 등으로 감지하여 가열 장치로 약 700℃로 가열하여 연소시켜 제거한다.

도2는 종래의 디젤 엔진에 사용되는 매연 여과 장치의 구성을 보여주는 도면이다. 도시된 바와 같이, 종래의 매연 여과 장치(31)는 배기 파이프에 연결되는 하우징(33) 내에 월 플로우(벽류: wall flow) 타입 모노리스(35)가 장착되어 있고, 모노리스(35)에 인접하여 전기 히터(37)와 같은 가열 장치가 장착되어 있다. 매연 여과 성능을 높이기 위해 하우징(33)을 분기하여 모노리스(35)와 전기히터(37)를 병렬로 장착하고 있다. 이런 구성에 따라 모노리스(35)에 포집된 입자상 물질이 일정량 이상에 이르면 전기 히터(37)에 통전되어 포집된 입자상 물질을 연소시킨다.

그러나 상기와 같은 종래의 매연 여과 장치(31)는, 포집된 입자상 물질을 연소시키기 위해 700℃ 이상의 고열이 필요하기 때문에 반듯이 가열 수단을 구비하여야 하고, 단지 입자상 물질만을 처리할 뿐, 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NO_X) 등의 유해 성분은 정화하지 못하고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 디젤 엔진에 사용되는 매연 여과 장치가 지니는 문제점을 해소하여, 가열 장치가 필요하지 않고 CO, HC, 및 NO_X를 H₂O, CO₂, N₂, O₂로 산화 및 환원시켜 제거할 수 있는 디젤 기관용 4원 촉매 변환기를 제공하는 것이다.

도1은 본 발명에 따른 디젤 기관용 4원 촉매 변환기의 개략도.

도2는 종래의 디젤 엔진에 사용되는 매연 여과 장치의 구성을 보여주는 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 디젤 기관용 4원 촉매 변환기 3 : 하우징

5 : 플랜지 7 : 모노리스

9 : 상류 쪽에서 열린 홀 11 : 상류 쪽에서 열린 홀

상기한 본 발명의 목적은, 월 플로우 타입의 모노리스 전면에 산화촉매를 코팅시키고, 후면에 환원촉매를 코팅한 디젤 기관용 4원 촉매 변환기에 의해 달성된다.

본 발명의 목적은, 배기 파이프에 연결되는 단일 하우징 내에 교대로 막혀 있는 월 플로우 타입의 모노리스가 충전되어 있고, 상기 모노리스의 상류 쪽으로 열린 홀 내면에는 Pt 또는 Pd를 포함하는 백금족 금속이 함침된 Al₂O₃, TiO₂또는 SiO₂의 단독 또는 혼합물이 코팅되어 있고, 상기 모노리스 하류 쪽으로 열린 홀 내면에는 제올라이트에 Pt 또는 Pd를 포함하는 백금족 금속이 이온 교환된 물질이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 디젤 기관용 4원 촉매 변환기에 의해 달성된다.

구체적으로 본 발명의 목적은, 배기 파이프에 연결되는 단일 하우징 내에 교대로 막혀 있는 월 플로우 타입의 50-200cpsi(cells per square inch)의 모노리스가 충전되어 있고, 상기 모노리스 상류 쪽으로 열린 홀 내면에는 0.01-10g/ℓ의 Pt 또는 Pd를 포함하는 백금족 금속이 함침된 10-300g/ℓ의 Al₂O₃, TiO₂또는 SiO₂의 단독 또는 혼합물이 코팅되어 있고, 상기 모노리스 하류 쪽으로 열린 홀 내면에는 제올라이트에 0.01-1g/ℓ의 Pt 또는 Pd를 포함하는 백금족 금속이 이온 교환된 물질이 10-1000g/ℓ코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 디젤 기관용 4원 촉매 변환기에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 디젤 촉매 변환기는 NO_X가 NO₂로 산화되어 매연(soot)과 반응할 경우 매연의 연소 온도가 600℃이상에서 300℃이하로 낮아지는 특성을 이용하는 것이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 디젤 기관용 4원 촉매 변환기를 상세히 설명한다. 이하의 구체예는 본 발명에 따른 디젤 기관용 4원 촉매 변환기를 예시적으로 설명하는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니다.

도1은 본 발명에 따른 디젤 기관용 4원 촉매 변환기의 개략도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 디젤 기관용 4원 촉매 변환기(1)는, 배기 파이프에 플랜지 연결되는 플랜지(5)가 전후에 구비된 원통형 단일 하우징(3)에 교대로 막혀 있는 월 플로우 타입의 모노리스(7)가 충전되어 있는 구성으로 이루어져 있다.

상기 모노리스(7)의 상류 쪽으로 열린 홀(9) 내면에는 Pt 또는 Pd를 포함하는 백금족 금속이 함침된 Al₂O₃, TiO₂또는 SiO₂의 단독 또는 혼합물이 코팅되어 있다. 그리고, 상기 모노리스(7)의 하류 쪽으로 열린 홀(11) 내면에는 제올라이트에 Pt 또는 Pd를 포함하는 백금족 금속이 이온 교환된 물질이 코팅되어 있다.

상기 모노리스(7)로는 50-200cpsi의 입도 크기를 가지며 홀이 교대로 막혀 있는 모노리스가 사용된다.

상기 상류 쪽으로 열린 홀(9) 내면에는 Al₂O₃, TiO₂또는 SiO₂의 단독 또는 혼합물이 10-300g/ℓ로 코팅되어 있고, 이 코팅층에는 Pt 또는 Pd를 포함하는 백금족 금속이 0.01-10g/ℓ의 함침되어 있다. 본 코팅층의 촉매는 하우징(3)으로 유입된 배기 가스 중에서 유해한 HC와 CO를 각각 무해한 H₂O와 CO₂로 산화시키고, NO_X를 NO₂로 산화시키며, 아울러 모노리스에 포집된 매연(soot)과 같은 입자성 물질과 NO₂의 반응을 활성화시킨다. NO₂와 반응한 매연은 그 연소 온도가 600℃이상에서 300℃이하로 낮아지게 되므로 가열 장치 없이 배기 가스의 자체 열에 의해 입자성 물질이 연소될 수 있다. 따라서 본 발명의 디젤 기관용 4원 촉매 변환기는 매연 성분을 연소시키기 위해 가열 장치를 설치할 필요가 없다. 본 코팅층에는 V₂O₃, ZrO₂, Fe₂O₃, SnO₂, CeO₂등의 단독 또는 혼합물을 0.001-1g/ℓ량으로 혼합하여, 촉매의 유해 가스 정화 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

상기 하류 쪽으로 열린 홀(11) 내면에는 제올라이트에 Pt 또는 Pd를 포함하는 백금족 금속 0.01-1g/ℓ을 이온 교환한 물질이 10-1000g/ℓ코팅되어 있다. 여기에서는 상류에서 완전히 산화되지 못한 NO와 NO₂를 N₂와 O₂로 분해한다.

이와 같이 본 발명에 따른 디젤 기관용 4원 촉매 변환기(1)는, 모노리스(7)의 상류에 코팅된 산화촉매에 의해 HC, CO, NO_X를 H₂O, CO₂, NO₂로 전환하고 상기 NO₂와 입자성 물질의 반응을 촉진하여 가열 장치 없이 입자성 물질을 연소하며, 또한 하류에 코팅된 환원촉매에 의해 NO와 NO₂를 N₂와 O₂로 변환시키게 된다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 디젤 기관용 4원 촉매 변환기에 의하면, 월 플로우 타입의 모노리스에 포집된 입자성 물질이 NO₂의 반응하여 입자성 물질의 연소 온도가 600℃이상에서 300℃이하로 낮아지게 되므로 가열 장치 없이 입자성 물질을 연소할 수 있을 뿐만 아니라, CO, HC, 및 NO_X를 H₂O, CO₂, N₂, O₂로 산화 및 환원시켜 제거할 수 있으므로, 디젤 엔진에서 배출되는 매연과 유해 가스들의 정화 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 배기 파이프에 연결되는 단일 하우징(3) 내에 교대로 막혀 있는 월 플로우 타입의 모노리스(7)가 충전되어 있고, 상기 모노리스(7)의 상류 쪽으로 열린 홀(9) 내면에는 Pt 또는 Pd를 포함하는 백금족 금속이 함침된 Al₂O₃, TiO₂또는 SiO₂의 단독 또는 혼합물이 코팅되어 있고, 상기 모노리스(7)의 하류 쪽으로 열린 홀(11) 내면에는 제올라이트에 Pt 또는 Pd를 포함하는 백금족 금속이 이온 교환된 물질이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 디젤 기관용 4원 촉매 변환기.
2. 제1항에 있어서, 상기 모노리스(7)는 50-200cpsi의 모노리스이고, 상기 상류의 코팅층에는 0.01-10g/ℓ의 Pt 또는 Pd를 포함하는 백금족 금속이 함침된 10-300g/ℓ의 Al₂O₃, TiO₂또는 SiO₂의 단독 또는 혼합물이 코팅되어 있고, 상기 하류의 코팅층에는 제올라이트에 0.01-1g/ℓ의 Pt 또는 Pd를 포함하는 백금족 금속이 이온 교환된 물질이 10-1000g/ℓ코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 디젤 기관용 4원 촉매 변환기.
3. 제2항에 있어서, 상기 상류의 코팅층에는 V₂O₃, ZrO₂, Fe₂O₃, SnO₂, 또는 CeO₂의 단독 또는 혼합물이 0.001-1g/ℓ량으로 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 디젤 기관용 4원 촉매 변환기.