KR20010048431A

KR20010048431A - 디젤 차량용 질화산화물 정화 시스템

Info

Publication number: KR20010048431A
Application number: KR1019990053113A
Authority: KR
Inventors: 최성무
Original assignee: 이계안; 현대자동차 주식회사
Priority date: 1999-11-26
Filing date: 1999-11-26
Publication date: 2001-06-15
Also published as: KR100349739B1

Abstract

본 발명은 디젤 차량용 질화산화물 정화 시스템에 관한 것으로서, 특히 NOx 흡장 촉매 변환기와 유리어(Urea) 촉매 변환기를 설치하고, 상기 유리어 촉매 변환기 앞단의 일측에 유리어 주입을 위한 장치를 장착하여 온도가 200℃ 이하에서 NOx를 흡장하였다가 온도가 200℃ 이상이 되어 NOx가 탈착할 때유리어를 주입시켜 환원 분위기로 조절하여 NOx를 N₂로 분해시켜줌으로써, 배기가스의 정화효율을 향상시키기 위한 디젤 차량용 질화산화물 정화 시스템에 관한 것이다.

Description

디젤 차량용 질화산화물 정화 시스템{Purification system of NOx for Diesel vehicle}

본 발명은 디젤 차량용 질화산화물 정화 시스템에 관한 것으로서, 특히 NOx 흡장 촉매 변환기와 유리어(Urea) 촉매 변환기를 설치하고, 상기 유리어 촉매 변환기 앞단의 일측에 유리어 주입을 위한 장치를 장착함으로써, 배기가스의 정화효율을 향상시키기 위한 디젤 차량용 질화산화물 정화 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 차량용 촉매 컨버터(catalytic converter)는 배기파이프의 도중 또는 배기 매니폴드에 설치되는 것으로, 상기 촉매 컨버터의 내부로 배기가스가 통과하면, 배기가스 중에 유해한 CO, HC, NOx를 무해한 CO₂, H₂O, N₂로 산화, 환원시키는 것이다.

특히, NOx는 질소산화물이라고 하는 데 이는 NO, NO₂, N₂O 등의 여러가지 화합물의 총징으로, 질소는 공기중의 약 77%를 차지하며, 안정된 연소로는 간단히 산화하지 않으나 연소실 안의 고온 고압에서 공기와 접촉, 산화하여 질소산화물이 된다. 상기 질소는 눈에 자극을 주고 폐의 기능에 장해를 일으킴과 동시에 광화학 스모그의 원인이 된다. 따라서, 질소산화물(NOx)를 줄이는 것이 절실히 요구된다.

상기 질소산화물을 줄이는 종래의 방법은 배기가스 재순환장치, 점화시기 지연 및 수동적 NOx 촉매 등이 사용되어 오고 있지만, 이러한 방법들은 수%의 정화율이 나타나지만 엔진의 출력 저하 및 PM량의 증가 등의 단점이 있다.

특히, 디젤 엔진 차량을 많이 사용하고 있는 유럽의 안전성 규제를 충족시키기 위해서는 NOx의 정화율이 수십% 정도로 높여야 하고, 따라서 상기 언급한 방법 외의 새로운 기술이 요구되고 있다.

또한, 많이 사용되고 있는 것 중에는 일반적인 SCR(Selective Catalytic Reduction) 촉매와 NOx 흡장 촉매 등이 있다.

일반적인 SCR 촉매는 Pt/Al₂O₃촉매를 사용한다.

일례로, 유럽 안정성 규제의 자료를 참조하여 온도별 단위거리당 배출되는 NOx량을 살펴보면 아래의 표 1과 같다.

대상 차량 : 2000cc급

온도(℃)	총 NOx량/총거리(g/km)	백분율(%)
300 이상	0.50	22.16
250 ∼ 300	0.33	14.67
200 ∼ 250	0.28	12.18
150 ∼ 200	0.29	12.66
150 이하	0.87	38.33

표 1에서 보다시피, 온도의 50% 정도가 200℃ 이하를 보이고 있다. 따라서, 일반적인 SCR 촉매 (예 : Pt/Al₂O₃)는 활성온도가 200℃ 이상이므로 유럽 안전성 규제에 적용할 경우에는 50% 이상의 활성을 얻기가 어렵다.

다른 기술인 NOx 흡장 촉매는 린번 엔진(Lean-burn engine)에 사용되는 촉매로 산소과잉 분위기가 계속되는 디젤 차량에는 적용하기어 어려운 단점이 있다.

상기 NOx 흡장 촉매는 상온에서 대략 200℃까지 NOx를 흡장한후 그 이상에서는 전자제어장치의 제어에 의해 이론 공연비를 14.7로 조절하여 NOx 촉매를 활성화시켜 NOx를 제거하게 된다.

그러나, 디젤의 경우는 전자제어장치의 제어에 의해 이론 공연비를 14.7로 조절하기가 어렵다.

결국, 유럽 수출용 디젤 차량이 유럽 안전성 규제를 충족시켜 주기 위해서는 최소한 50% 이상의 NOx 저감기술이 필수적이라 하겠다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, NOx 흡장 촉매 변환기와 유리어(Urea) 촉매 변환기를 설치하고, 상기 유리어 촉매 변환기 앞단의 일측에 유리어 주입을 위한 장치를 장착하여 온도가 200℃ 이하에서 NOx를 흡장하였다가 온도가 200℃ 이상이 되어 NOx가 탈착할 때유리어를 주입시켜 환원 분위기로 조절하여 NOx를 N₂로 분해시켜줌으로써, 배기가스의 정화효율을 향상시키는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 디젤 차량용 질화산화물 정화 시스템의 시스템 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 실험 그래프.

도 3은 도 1에서 'A'의 확대 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 엔진 20 : 배기관

30 : NOx 흡장촉매 변환기 40 : 유리어(Urea) 촉매 변환기

44 : 베이스 촉매 48 : Pt 촉매

50 : 온도센서 60 : 제어부

70 : 탱크 80 : 피드펌프

90 : 노즐

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 엔진(10)의 배기관(20)에 NOx 흡장촉매 변환기(30)를 설치하고, 상기 NOx 흡장촉매 변환기(30)의 하단에 유리어 촉매 변환기(40)를 설치하고, 상기 유리어 촉매 변환기(40)의 앞단의 일측에 유리어 공급수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 유리어 공급수단은 유리어가 담긴 탱크(70)와, 상기 탱크(70)의 유리어를 공급하기 위한 피드펌프(80)와, 상기 피드펌프(80)에 의해 공급된 유리어가 공기와 혼합되어 배출시키는 노즐(90)과, 상기 배기관(20)의 온도를 검출하는 온도센서(50)와, 상기 온도센서(50)에서 검출된 신호를 입력하여 소정의 온도이상이 되면 피드펌프(80)를 구동시켜주는 제어부(60)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유리어 촉매 변환기(40)는 앞단에 베이스 촉매(44)가 설치되고, 상기 베이스 촉매(44)와 직렬로 Pt 촉매(48)가 설치되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 도 1은 본 발명에 따른 디젤 차량용 질화산화물 정화 시스템의 시스템 구성도를 나타낸다.

본 발명은 엔진(10)의 배기관(20)에 NOx 흡장촉매 변환기(30)를 설치하고, 상기 NOx 흡장촉매 변환기(30)의 앞단의 배기관(20)의 일측에는 온도센서(50)를 부착한다.

도 2는 상기 NOx 흡장촉매 변환기(30)에서 산소 8.5%의 산소분위기에서 500ppm의 NO를 흘려 보낸후 온도를 변화시킴에 따라 NO량의 변화를 실험한 것이다.

촉매로는 BaO(NOx 흡장물질)을 사용하며, 산소 과잉분위기에서 200℃이하에서는 산소를 흡장하고, 200℃이상에서는 NO를 탈착한다. 따라서, 유럽의 안전성 규제의 200℃이하(전체의 50%)의 NOx를 흡수할 수 있게 된다.

상기 NOx 흡장촉매 변환기(30)의 하단에는 이것과 직렬로 유리어 촉매 변환기(40)를 설치한다.

도 3은 도 1에서 'A'부 즉, 유리어 촉매 변환기의 확대 단면도를 보여준다.

상기 도면에 도시된 바와 같이, 유리어 촉매 변환기(40)는 앞단에 베이스 촉매(44)가 설치되고, 상기 베이스 촉매(44)와 병행하여 Pt 촉매(48)가 설치된다.

예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 일반적인 Pt/Al₂O₃촉매(1)는 활성 온도가 200℃ 정도이다. 그러나, 활성온도 창(window)가 제한적이라서 200∼250℃ 정도밖에 활성영역을 가지지 않는다. 비슷하게, 베이스 금속 촉매(2)는 300℃이상에서 활성을 갖는다. 따라서, 각각의 촉매만으로는 활성온도 창이 좁기 때문에 결국 유리어 촉매 변환기에 베이스 촉매와 Pt 촉매를 직렬로 설치하면 더욱 넓은 범위의 활성온도를 갖게 된다.

상기 유리어 촉매 변환기(40)의 앞단의 일측에는 유리어 공급수단을 장착한다.

상기 유리어 공급수단은 유리어가 담긴 탱크(70)와, 상기 탱크(70)의 유리어를 공급하기 위한 피드펌프(80)와, 상기 피드펌프(80)에 의해 공급된 유리어가 공기와 혼합되어 배출시키는 노즐(90)과, 상기 배기관(20)의 온도를 검출하는 온도센서(50)와, 상기 온도센서(50)에서 검출된 신호를 입력하여 소정의 온도이상이 되면 피드펌프(80)를 구동시켜주는 제어부(60)로 구성된다.

상기 온도센서(50)는 앞에서 언급하였듯이 엔진(10)과 NOx 흡장촉매 변환기(30)의 사이에 있는 배기관(20)의 일측에 부착하여서, 엔진(10)에서 연소하고 나온는 배기가스의 온도를 측정하여 제어부(60)로 보내준다.

상기 제어부(60)에서는 상기 온도센서(50)에서 검출된 온도를 근거로 출력신호를 보내주게 된다.

만일 배기관(20)의 온도가 200℃이하라면 상기 제어부(60)는 상기 유리어 공급수단을 작동시키지 않게 되지만, 만일 온도가 200℃이상이 된다면, 상기 제어부(60)가 피드펌프(80)를 구동하여주어 탱크(70)에 있는 유리어를 노즐(90)로 공급해주고, 상기 노즐(90)에서는 공기와 혼합되어 유리어 촉매 변환기(40)에 공급되게 된다. 이때 상기 노즐(90)의 온/오프 동작도 제어부(60)의 신호로 작동하게 된다.

따라서, 본 발명은 NOx 흡장촉매 변환기(30)에 의해 200℃까지는 BaO 촉매에 의해 NOx를 흡장하고, 이보다 온도가 더 올라가게 되면 NOx를 탈착한다. 그리고, 이렇게 탈착된 NOx는 200℃이상의 온도에서 유리어의 주입과 더불어 유리어 촉매 변환기(40)의 베이스 촉매와 Pt촉매에 의해 한꺼번에 NOx를 정화할 수 있는 것이다.

일반적인 유리어 촉매 변환기의 정화율이 65%인데 반해, 본원 발명의 NOx 흡장촉매, 유리어 주입 및 유리어 촉매 변환기를 이용했을 때는 최대 80%의 정화효율을 달성할 수 있다.

상기와 같이 구성된 디젤 차량용 질화산화물 정화 시스템은 NOx 흡장 촉매 변환기와 유리어(Urea) 촉매 변환기를 설치하고, 상기 유리어 촉매 변환기 앞단의 일측에 유리어 주입을 위한 장치를 장착함으로써, 배기가스의 정화효율을 향상시키는 효과가 있다.

Claims

엔진의 배기관에 NOx 흡장촉매 변환기를 설치하고, 상기 NOx 흡장촉매 변환기의 하단에 유리어 촉매 변환기를 설치하고, 상기 유리어 촉매 변환기의 앞단의 일측에 유리어 공급수단을 구비한 것을 특징으로 하는 디젤 차량용 질화산화물 정화 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 유리어 공급수단은 유리어가 담긴 탱크와, 상기 탱크의 유리어를 공급하기 위한 피드펌프와, 상기 피드펌프에 의해 공급된 유리어가 공기와 혼합되어 배출시키는 노즐과, 상기 배기관의 온도를 검출하는 온도센서와, 상기 온도센서에서 검출된 신호를 입력하여 소정의 온도이상이 되면 피드펌프를 구동시켜주는 제어부로 구성되는 것을 특징으로 하는 디젤 차량용 질화산화물 정화 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 유리어 촉매 변환기는 앞단에 베이스 촉매가 설치되고, 상기 베이스 촉매와 직렬로 Pt 촉매가 설치되는 것을 특징으로 하는 디젤 차량용 질화산화물 정화 시스템.