KR20050118762A - Exhaust gas purifying system using diesel reformer - Google Patents

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Abstract

본 발명은 디젤 개질기를 이용한 자동차 배기가스 정화 시스템에 관한 것으로서, 배기라인상에서 DOC와 CPF가 직렬로 순차 배치된 CPF 시스템을 전방에 설치하고, 그 후방으로는 NOx 흡장촉매와 DOC가 직렬로 순차 배치된 촉매 정화기를 설치하되, 디젤 연료와 공기를 공급받아 자열개질 반응시켜 수소 및 일산화탄소를 포함한 합성가스를 생성시키는 디젤 개질기와, 이 디젤 개질기로부터 생성된 합성가스를 제공받아 상기 NOx 흡장촉매 전단으로 분사시켜주는 인젝터를 설치하는 한편, 엔진 ECU가 리치 스파이크(Rich Spike) 제어모드에서 상기 인젝터의 분사작동을 위한 제어신호를 출력하도록 구비된 디젤 개질기를 이용한 자동차 배기가스 정화 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an automobile exhaust gas purification system using a diesel reformer, wherein a CPF system in which DOC and CPF are sequentially arranged in series on an exhaust line is installed in front, and NOx storage catalyst and DOC are disposed in series in the rear. And a diesel reformer for supplying diesel fuel and air to autothermal reforming reaction to generate a synthesis gas including hydrogen and carbon monoxide, and receiving the synthesis gas generated from the diesel reformer and spraying the NOx storage catalyst front end. The present invention relates to an automobile exhaust gas purification system using a diesel reformer provided with an engine injector and an engine ECU outputting a control signal for injection operation of the injector in a rich spike control mode.

이러한 본 발명에 따르면, 종래 액상의 디젤 연료를 직접 분사하던 방식과 비교하여 촉매의 비활성화나 촉매 내 비정상 연소로 인한 촉매 파손 등의 문제점들이 해소될 수 있고, NOx와 PM을 동시에 저감시킬 수 있으며, 후분사되는 연료량을 줄일 수 있어 연비 향상이 가능해지는 장점이 있다.According to the present invention, compared to the conventional method of directly injecting diesel fuel in liquid phase, problems such as catalyst deactivation or catalyst breakdown due to abnormal combustion in the catalyst can be solved, and NOx and PM can be simultaneously reduced. Since the amount of post-injected fuel can be reduced, fuel economy can be improved.

Description

디젤 개질기를 이용한 자동차 배기가스 정화 시스템{Exhaust gas purifying system using diesel reformer} Exhaust gas purifying system using diesel reformer

본 발명은 디젤 개질기를 이용한 자동차 배기가스 정화 시스템에 관한 것으로서, 배기라인상에서 DOC와 CPF가 직렬로 순차 배치된 CPF 시스템을 전방에 설치하고, 그 후방으로는 NOx 흡장촉매와 DOC가 직렬로 순차 배치된 촉매 정화기를 설치하되, 디젤 연료와 공기를 공급받아 자열개질 반응시켜 수소 및 일산화탄소를 포함한 합성가스를 생성시키는 디젤 개질기와, 이 디젤 개질기로부터 생성된 합성가스를 제공받아 상기 NOx 흡장촉매 전단으로 분사시켜주는 인젝터를 설치하는 한편, 엔진 ECU가 연료 후분사와 함께 상기 인젝터의 분사작동을 위한 제어신호를 출력하도록 구비된 디젤 개질기를 이용한 자동차 배기가스 정화 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an automobile exhaust gas purification system using a diesel reformer, wherein a CPF system in which DOC and CPF are sequentially arranged in series on an exhaust line is installed in front, and NOx storage catalyst and DOC are disposed in series in the rear. And a diesel reformer for supplying diesel fuel and air to autothermal reforming reaction to generate a synthesis gas including hydrogen and carbon monoxide, and receiving the synthesis gas generated from the diesel reformer and spraying the NOx storage catalyst front end. The present invention relates to an automobile exhaust gas purification system using a diesel reformer provided with an engine injector, and configured to output a control signal for injection operation of the injector along with fuel after injection.

일반적으로, 자동차는 형태에 따라 승용차나 버스, 트럭 등으로 분류되지만, 같은 형태의 차량이라도 사용하는 연료에 따라 가솔린을 사용하는 가솔린 차량, 디젤을 사용하는 디젤 차량, LPG를 사용하는 LPG 차량 등으로 분류될 수 있다.Generally, automobiles are classified into passenger cars, buses, and trucks according to their type, but even vehicles of the same type may be used as gasoline vehicles using gasoline, diesel vehicles using diesel, LPG vehicles using LPG, etc., depending on fuel used. Can be classified.

이중 디젤 엔진은 저연비이면서도 우수한 신뢰성을 바탕으로 자동차, 선박, 일반 산업용 등 산업 전반에서 용도가 다양하고, 고출력 및 고부하 운전이 가능하여, 그 수요가 계속 증가하고 있다. Due to its low fuel consumption and excellent reliability, dual diesel engines have various uses across industries such as automobiles, ships, and general industries, and are capable of high power and high load operation, and demand thereof continues to increase.

또한, 저연비 차량을 목표로 추진되고 있는 3L 자동차 프로그램 또는 슈퍼카 프로젝트에서 디젤 엔진의 채용이 기정 사실화되고 있어, 디젤 엔진 차량의 증가가 예상되고 있다. In addition, the adoption of diesel engines in the 3L automotive program or supercar project, which is being promoted for low fuel consumption vehicles, is being actualized, and an increase in diesel engine vehicles is expected.

그러나, 선진 각국에서 이러한 디젤 차량이 총 대기오염의 매우 높은 비율을 차지하여 대기오염의 주범으로 인식되고 있기도 하며, 이에 대응하기 위하여 각국에서는 디젤 엔진의 배기가스 규제를 점차 강화하고 있는 추세이다.However, in advanced countries, such diesel vehicles occupy a very high proportion of total air pollution and are recognized as a major cause of air pollution, and in order to cope with this, countries are gradually tightening emission regulations of diesel engines.

디젤 차량의 대기오염은 주로 질소산화물(NOx)과, 매연이라 불리는 입자상물질(PM:Particulate Matter)에 의해 발생한다. Air pollution in diesel vehicles is mainly caused by nitrogen oxides (NOx) and particulate matter (PM) called soot.

미국의 경우 현재 시행 중인 연방규제를 2004년 이후 대폭 강화할 예정이며, 유럽연합도 2000년 EURO Ⅲ, 2005년 EURO Ⅳ규제를 적용 또는 예정하고 있고, EURO Ⅴ는 EURO Ⅳ의 50% 수준으로 질소산화물과 입자상물질의 규제가 강화될 것으로 예상된다. In the United States, the federal regulations that are in force are expected to be strengthened since 2004. The European Union is also applying or planning to apply EURO III in 2000 and EURO IV in 2005. EURO V is 50% of EURO IV. Regulation of particulate matter is expected to be tightened.

따라서, 디젤 차량 배기규제의 주요한 대상물질은 질소산화물과 입자상물질이며, 이의 대응기술로는 연료분사시기 지연, 배기가스 재순환(EGR:Exhaust Gas Recirculation) 장치에 의한 질소산화물 농도 저감, 입자상물질을 저감하기 위한 엔진의 연소성능 개선 및 개량, 후처리 기술 등에 중점을 두어 연구가 이루어지고 있다. Therefore, the main targets of diesel vehicle exhaust regulation are nitrogen oxides and particulate matters. The countermeasures include the delay of fuel injection timing, the reduction of nitrogen oxide concentration by the exhaust gas recirculation (EGR) device, and the reduction of particulate matters. In order to improve and improve the combustion performance of the engine, the research has been focused on the after-treatment technology.

이와 같이 디젤 차량 배기규제의 구체적인 대응책은 엔진의 개량과 후처리 기술로 구분되고 있는데, 우선 디젤 차량의 엔진 개량 기술로는 연료실 개량, 흡기계 개량(터보 차저 + 인터쿨러), 연료분사계 개량(전자제어 고압연료분사 장치), 배기가스 재순환 장치 등이 적용되고 있거나 개발 중에 있다. The specific countermeasures of diesel vehicle exhaust regulation are classified into engine improvement and aftertreatment technology. First, engine improvement technology of diesel vehicle is improved fuel chamber, intake system (turbo charger + intercooler), and fuel injection system ( Electronically controlled high-pressure fuel injection device) and exhaust gas recirculation device are being applied or under development.

또한, 지금까지 개발된 후처리 기술로는 가스상의 HC, CO 및 입자상물질 성분 중 SOF를 산화시켜 정화하는 디젤산화촉매(DOC:Diesel Oxidation Catalyst), 입자상물질을 필터로 걸러주어 물리적으로 정화하는 디젤매연(여과)필터(DPF:Diesel Particulate Filter; 또는 촉매가 코팅된 디젤매연촉매(여과)필터(CPF)), 희박산소 분위기에서 질소산화물을 분해 또는 환원하는 DeNOx 촉매, 그 밖에 디젤산화촉매에 DeNOx 기능 등을 더한 4Way 촉매 등이 있다.In addition, post-treatment technologies developed so far include diesel oxidation catalyst (DOC) for oxidizing and purifying SOF among gaseous HC, CO, and particulate matter, and diesel for physically purifying particulate matter by filtration. Diesel Particulate Filter (DPF) or catalyst coated diesel particulate filter (CPF), DeNOx catalyst that decomposes or reduces nitrogen oxides in lean oxygen atmosphere, and other DeNOx in diesel oxidation catalyst. 4Way catalyst with added functions.

한편, EURO Ⅳ 배기규제에 대응하기 위해 전세계 유수의 자동차 회사들은 디젤산화촉매(DOC), 디젤매연촉매여과필터(CPF:Catalyzed Particulate Filter)를 이용하여 입자상물질을 줄이고, EGR을 이용하여 NOx를 줄이는 방법을 채택하고 있다.In order to cope with the EURO IV emission regulations, the world's leading automakers use diesel oxidation catalyst (DOC) and diesel particulate filter (CPF) to reduce particulate matter and EGR to reduce NOx. The method is adopted.

그러나, 입자상물질의 경우 EURO Ⅳ 배기규제에 대응하기 위해 디젤 승용차에 장착된 디젤매연촉매여과필터로도 충분히 EURO Ⅴ 배기규제에 충분히 대응할 수 있지만, 질소산화물의 경우 EGR을 이용하는 등의 승용 디젤 엔진 개선만으로는 EURO V 배기규제를 만족시킬 수 없다.However, in the case of particulate matter, the diesel particulate catalyst filtration filter installed in the diesel passenger car can sufficiently cope with the EURO V emission regulation to cope with the EURO IV emission regulation. It is not enough to meet EURO V emission regulations.

따라서, 별도의 NOx 후처리 장치가 부착되어야만 하며, EURO V 대응을 위해 연구 개발 중인 NOx 후처리 장치로는 희박 NOx 트랩(Lean NOx Trap), NOx 흡장촉매(NOx absorber), 유레아(Urea)를 이용한 SCR(Selective Catalytic Reduction) 시스템 등이 있다.Therefore, a separate NOx post-treatment device must be attached, and the NOx post-treatment device under research and development for EURO V response is based on lean NOx trap, NOx absorber, and urea. Selective Catalytic Reduction (SCR) systems.

이중 NOx 흡장촉매의 NOx 전환율은 약 70 ~ 90% 이상으로 매우 높으며, NOx 흡장촉매의 활성은 상대적으로 매우 넓은 범위의 촉매 활성 온도창(Catalyst Temperature Window)에 걸쳐 있는데, 그 범위는 약 200℃에서 500℃에 이른다.The NOx conversion rate of the NOx storage catalyst is very high, about 70-90% or more, and the activity of the NOx storage catalyst is over a relatively wide range of the catalyst active temperature window, which ranges from about 200 ° C. It reaches 500 degreeC.

NOx 흡장촉매의 활성 온도창은 대부분의 디젤 NOx가 생성되는 디젤 엔진의 부하와 배기온도 범위와의 상관관계가 매우 양호하여 NOx의 변환 효율이 매우 높다.The active temperature window of the NOx storage catalyst has a very good correlation between the load and the exhaust temperature range of the diesel engine in which most of the diesel NOx are generated, and thus the conversion efficiency of the NOx is very high.

따라서, 비용이나 효율성 면에서 NOx 흡장촉매 시스템을 채택하는 것이 주류가 되고 있다.Therefore, the adoption of the NOx storage catalyst system has become mainstream in terms of cost and efficiency.

NOx 흡장촉매는 차량의 희박 운전조건일 때 촉매의 담층(washcoat)에 NOx를 흡착하여 저장하였다가 농후한 운전영역일 때 이를 배출하는데, 촉매의 담층은 백금(Pt)과 같은 귀금속, 산화바륨(Barium Oxide, BaO)과 같은 흡착기 등으로 구성되어 있다.The NOx storage catalyst absorbs NOx in the catalyst's washcoat when the vehicle is in lean driving conditions and releases it when it is in a rich driving zone.The catalyst layer is composed of precious metals such as platinum (Pt) and barium oxide ( It consists of an adsorber such as Barium Oxide (BaO).

흡착(adsorption)의 반응은 엔진의 희박 운전영역에서 일어나며, 그 반응은 아래와 같다.The reaction of adsorption occurs in the lean operating zone of the engine, and the reaction is as follows.

NO + 1/2O2 = NO2 (1)NO + 1 / 2O 2 = NO 2 (1)

BaO + NO2 + 1/2O2 = Ba(NO2)2 (2)BaO + NO 2 + 1 / 2O 2 = Ba (NO 2 ) 2 (2)

또한, 엔진의 농후한 운전조건일 때는 다음과 같은 반응이 일어난다.In addition, when the engine is in a rich operating condition, the following reaction occurs.

Ba(NO3)2 = BaO + 2NO + 3/2O2 (3a)Ba (NO 3 ) 2 = BaO + 2NO + 3 / 2O 2 (3a)

Ba(NO3)2 = BaO + 2NO2 + 1/2O2 (3b)Ba (NO 3 ) 2 = BaO + 2NO 2 + 1 / 2O 2 (3b)

NO + CO = 1/2N2 + CO2 (4)NO + CO = 1 / 2N 2 + CO 2 (4)

그리고, NOx의 흡착용량이 점점 포화상태가 되어감에 따라 저장된 NOx는 배출되어 촉매에 의해 감소되어야 하는데, 이러한 과정을 재생(regeneration)이라고 한다. As the adsorption capacity of NOx becomes more saturated, the stored NOx must be discharged and reduced by the catalyst. This process is called regeneration.

디젤 엔진은 항상 희박 운전영역에서 운전되기 때문에 인위적으로 농후 혼합기를 형성시켜주어야 하며, 농후 혼합기를 형성시키는 방법(Rich Spike)으로, 엔진에서의 연료 후분사(Post Injection)와 함께, 도 3에 나타낸 바와 같이 배기계에 별도의 2차 분사 시스템을 설치해 2차 연료분사를 해주어야 한다.Since a diesel engine is always operated in a lean driving region, it is necessary to artificially form a rich mixer, and in a rich spike method, with fuel post injection in the engine, shown in FIG. 3. As such, a separate secondary injection system must be installed in the exhaust system to provide secondary fuel injection.

그러나, 이러한 시스템에서는 다음과 같은 문제점이 있으며, 이를 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.However, such a system has the following problems, which will be described with reference to FIG. 3.

도 3에서 도면부호 1은 연료분해촉매(Fuel Cracking)를, 도면부호 2는 NOx 흡장촉매를, 도면부호 3은 CPF(Catalyzed Particulate Filter)를 각각 나타낸다.In FIG. 3, reference numeral 1 denotes a fuel cracking catalyst, reference numeral 2 denotes a NOx storage catalyst, and reference numeral 3 denotes a catalyzed particulate filter (CPF).

먼저, 2차 분사노즐(4)로 디젤 연료를 분사해 농후 혼합기를 형성하는데, 이때 디젤 연료는 액상으로 분사되어 연료분해촉매(1)를 통해 분해된다.First, the diesel fuel is injected into the secondary injection nozzle 4 to form a rich mixer, wherein the diesel fuel is injected into the liquid phase and decomposed through the fuel decomposition catalyst 1.

하지만, 원하는 만큼의 분해는 일어나지 않으며, 분해되지 않은 연료성분 중 일부는 NOx 흡장촉매(2)에 부착되어 촉매의 활성을 떨어뜨리고, NOx 흡장촉매(2)의 재생이나 탈황과정시처럼 고온의 배기가스가 통과할 경우 비정상 연소를 일으켜 촉매의 파손을 일으킬 수 있다.However, as much decomposition as desired does not occur, and some of the undecomposed fuel components are attached to the NOx storage catalyst (2) to reduce the activity of the catalyst, and high temperature exhaust as in the regeneration or desulfurization process of the NOx storage catalyst (2). Passage of gas can cause abnormal combustion, which can lead to catalyst failure.

특히, 분사노즐(4)로부터 연료가 액상으로 분사되기 때문에, 이 액상의 연소가 촉매에 부착되어 비정상 연소를 일으키는 바, 촉매가 깨지거나 녹아버리는 문제가 발생하며, 다량의 탄화수소(HC)가 정화되지 않고 통과하는 문제가 발생한다.In particular, since fuel is injected from the injection nozzle 4 into the liquid phase, the combustion of the liquid phase adheres to the catalyst and causes abnormal combustion, which causes a problem that the catalyst is broken or melted, and a large amount of hydrocarbon (HC) is purified. Problem occurs.

NOx 흡장촉매(2)는 또한 일부 바람직하지 않은 반응물을 생성하는데, 디젤 연료에 함유되어 있는 유황성분으로 인해 다음과 같이 유황 화합물을 생성시킨다.The NOx storage catalyst 2 also produces some undesirable reactants, due to the sulfur content in the diesel fuel, which produces sulfur compounds as follows.

SO2 + 1/2O2 = SO3 (5)SO 2 + 1 / 2O 2 = SO 3 (5)

BaO + SO3 = BaSO4 (6)BaO + SO 3 = BaSO 4 (6)

상기와 같이 바륨황산염(Barium Sulfate, BaSO4)이 계속 생성됨에 따라 바륨 활성점은 점차적으로 유황에 의한 포화상태가 되어 질소산화물(NOx)에 대한 활성을 상실하게 된다.As the barium sulfate (Barium Sulfate, BaSO 4 ) continues to produce as described above, the barium active point is gradually saturated with sulfur, and loses activity for nitrogen oxides (NOx).

따라서, 황산염을 제거하기 위해 탈황(Desulfation)과정이 필요하며, 이 탈황과정은 600℃ 이상의 매우 높은 온도가 요구된다.Therefore, a desulfation process is required to remove the sulfate, which requires a very high temperature of 600 ° C. or higher.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, Therefore, the present invention is invented to solve the above problems,

배기라인상에서 DOC와 CPF가 직렬로 순차 배치된 CPF 시스템을 전방에 설치하고, 그 후방으로는 NOx 흡장촉매와 DOC가 직렬로 순차 배치된 촉매 정화기를 설치하되, 디젤 연료와 공기를 공급받아 자열개질 반응시켜 수소 및 일산화탄소를 포함한 합성가스를 생성시키는 디젤 개질기와, 이 디젤 개질기로부터 생성된 합성가스를 제공받아 상기 NOx 흡장촉매 전단으로 분사시켜주는 인젝터를 설치하는 한편, 엔진 ECU가 연료 후분사와 함께 상기 인젝터의 분사작동을 위한 제어신호를 출력하도록 구성함으로써, 종래 액상의 디젤 연료를 직접 분사하던 방식과 비교하여 촉매의 비활성화나 촉매 내 비정상 연소로 인한 촉매 파손 등의 문제점들이 해소될 수 있고, NOx와 PM을 동시에 저감시킬 수 있으며, 후분사되는 연료량을 줄일 수 있어 연비 향상이 가능해지는 디젤 개질기를 이용한 자동차 배기가스 정화 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다. On the exhaust line, install a CPF system in which DOC and CPF are arranged in series, and install a catalytic purifier in which NOx storage catalyst and DOC are arranged in series in the rear. A diesel reformer that reacts to generate a synthesis gas including hydrogen and carbon monoxide, and an injector that receives the synthesis gas generated from the diesel reformer and injects it into the front of the NOx storage catalyst, while the engine ECU is combined with the fuel post-injection. By outputting a control signal for the injection operation of the injector, problems such as catalyst inactivation or catalyst damage due to abnormal combustion in the catalyst can be solved as compared to the conventional method of directly injecting diesel fuel of liquid phase, and NOx And PM can be reduced at the same time, and the amount of post-injection fuel can be reduced to improve fuel economy. The object is to provide a vehicle exhaust purification system using a gel reformer.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은, 자동차 배기가스 정화 시스템에 있어서,The present invention, in the vehicle exhaust gas purification system,

NOx 흡장촉매를 가지는 촉매 정화기를 설치하되, 디젤 연료와 공기를 공급받아 자열개질 반응시켜 수소 및 일산화탄소를 포함한 합성가스를 생성시키는 디젤 개질기와, 이 디젤 개질기로부터 생성된 합성가스를 제공받아 상기 NOx 흡장촉매 전단으로 분사시켜주는 인젝터를 설치하고, 엔진 ECU가 리치 스파이크(Rich Spike) 제어 모드에서 상기 인젝터의 분사작동을 위한 제어신호를 출력하도록 구비되는 것을 특징으로 한다.A catalytic purifier having a NOx storage catalyst is installed, and a diesel reformer is provided with diesel fuel and air to generate a synthesis gas including hydrogen and carbon monoxide by autothermal reforming reaction, and receives the synthesis gas generated from the diesel reformer. It is characterized in that the injector is injected to the front end of the catalyst, the engine ECU is provided to output a control signal for the injection operation of the injector in the rich spike (Rich Spike) control mode.

특히, 배기라인상에서 디젤산화촉매(DOC)와 디젤매연촉매여과필터(CPF)가 직렬로 순차 배치된 CPF 시스템이 상기 NOx 흡장촉매가 내장된 촉매 정화기의 전방에 설치되는 것을 특징으로 한다.In particular, a CPF system in which a diesel oxidation catalyst (DOC) and a diesel particulate catalyst filtration filter (CPF) are arranged in series on an exhaust line is installed in front of the catalyst purifier in which the NOx storage catalyst is embedded.

또한, 상기 엔진 ECU는 주기적으로 연료 후분사와 함께 상기 인젝터의 분사작동을 위한 제어신호를 출력하도록 구비되는 것을 특징으로 한다.In addition, the engine ECU is characterized in that it is provided to periodically output a control signal for the injection operation of the injector with the fuel after injection.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 승용디젤 차량의 배기가스 정화 시스템에 관한 것으로서, 특히 디젤 개질기(Diesel Reformer)를 이용하여 질소산화물(NOx)과 입자상물질(PM)을 동시에 저감하는 승용디젤 배기 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an exhaust gas purification system for a passenger diesel vehicle, and more particularly, to a diesel exhaust system for reducing nitrogen oxides (NOx) and particulate matter (PM) using a diesel reformer.

이하, 이러한 본 발명의 구성을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the configuration of the present invention will be described.

첨부한 도 1은 본 발명의 정화 시스템을 도시한 구성도이고, 도 2는 디젤 개질기를 도시한 개략도이다.1 is a block diagram showing a purification system of the present invention, Figure 2 is a schematic diagram showing a diesel reformer.

먼저, 엔진(100)의 배기 매니폴드에 근접하게 설치되는 촉매장치, 즉 WCC(Warm-up Catalytic Converter)로서 디젤산화촉매(DOC)를 사용한 촉매장치(11)가 설치되고, 이후 배기라인상에서 전방으로는 CPF 여과장치(CPF 시스템;'디젤산화촉매(DOC) + 디젤매연촉매여과필터(CPF)' 시스템임)(12), 그 후방으로는 NOx 흡장촉매(NOx absorber)(15)와 디젤산화촉매(16)를 사용한 촉매장치가 설치된다.First, a catalytic apparatus 11 installed in close proximity to the exhaust manifold of the engine 100, that is, a catalytic apparatus 11 using a diesel oxidation catalyst (DOC) as a warm-up catalytic converter (WCC), is installed, and then forward on the exhaust line. CPF filtration system (CPF system; 'Diesel Oxidation Catalyst (DOC) + Diesel Soot Catalyst Filtration Filter (CPF)' system) (12), and NOx absorber (15) and diesel oxidation behind it. A catalyst device using the catalyst 16 is installed.

CPF 여과장치(12)는 촉매 정화기의 캔(can) 내부에 디젤산화촉매(DOC)(13)와 디젤매연촉매여과필터(CPF; 촉매로 코팅된 필터임)(14)가 직렬 배치된 구성으로 되어 있으며, 그 후방의 촉매장치의 경우 NOx 흡장촉매(15)와 디젤산화촉매(16)가 캔 내부에 직렬 배치된 구성으로 되어 있다.The CPF filtration device 12 has a configuration in which a diesel oxidation catalyst (DOC) 13 and a diesel particulate catalyst filtration filter (CPF) are arranged in series in a can of a catalyst purifier. In the case of the catalytic apparatus at the rear, the NOx storage catalyst 15 and the diesel oxidation catalyst 16 are arranged in series in the can.

특히, 본 발명에서는 NOx 흡장촉매(15) 전단으로 후술하는 디젤 개질기(18)의 생성가스가 분사될 수 있도록 인젝터(19)가 설치되는데, 이 인젝터(19)는 촉매 정화기의 캔(can)에서 NOx 흡장촉매(15)의 전단쪽으로 가스 분사가 이루어질 수 있는 위치에 삽입되어 설치된다.In particular, in the present invention, the injector 19 is installed so that the product gas of the diesel reformer 18, which will be described later, can be injected to the front of the NOx storage catalyst 15, and the injector 19 is provided in a can of the catalytic purifier. It is inserted and installed at a position where gas injection can be made toward the front end of the NOx storage catalyst 15.

한편, 이 인젝터(19)는 디젤 개질기(18)로부터 생성된 가스를 분사하기 위해 엔진 ECU(20)에 의해 분사제어되며, 엔진 ECU(20)는 주기적으로 인젝터(19)를 동작시키도록 구비된다.On the other hand, the injector 19 is injection controlled by the engine ECU 20 to inject the gas generated from the diesel reformer 18, the engine ECU 20 is provided to operate the injector 19 periodically. .

바람직하게는, 엔진 ECU(20)가 연료 후분사가 이루어지는 NOx 흡장촉매(15)의 재생 및 탈황시기 맞추어 인젝터(19)를 동작시키도록 구비된다. Preferably, the engine ECU 20 is provided to operate the injector 19 in time for regeneration and desulfurization of the NOx storage catalyst 15 in which fuel post injection is performed.

즉, 상기 인젝터(19)는 엔진 ECU(20)로부터 출력되는 제어신호에 의해 분사작동을 하게 되는 바, 엔진 ECU(20)가 연료 후분사 등 리치 스파이크 제어시 생성가스 분사를 위한 제어신호를 인젝터(19)로 출력하게 되는 것이다.That is, the injector 19 is injected by the control signal output from the engine ECU 20, the engine ECU 20 injects a control signal for injection of the generated gas during the rich spike control such as after-fuel injection Will print (19).

그리고, 디젤 개질기(18)는 연료탱크(17)로부터 디젤 연료를 공급받을 수 있게 연료라인으로 연결되어 있으며, 동시에 공기를 공급받을 수 있도록 되어 있는 바, 디젤 연료와 공기를 공급받아 촉매에 의한 개질반응으로 수소(H2), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 탄소(C)가 4개인 탄화수소(HC) 등을 생성시킨다.In addition, the diesel reformer 18 is connected to the fuel line to receive diesel fuel from the fuel tank 17, and at the same time, the air is supplied to the diesel reformer by receiving the diesel fuel and the air. The reaction generates hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ), and hydrocarbons (HC) having four carbons (C).

주요 성분들의 조성을 살펴보면, 수소가 21% 이상, 일산화탄소가 20% 이상, 이산화탄소와 탄화수소가 각각 5% 이하이며, 디젤 개질기(18)에서의 화학반응은 발열반응(자열반응)으로, 생성가스의 온도는 대략 600 ~ 800℃ 이다.Looking at the composition of the main components, hydrogen is at least 21%, carbon monoxide at least 20%, carbon dioxide and hydrocarbons at 5% or less, respectively, the chemical reaction in the diesel reformer 18 is exothermic (autothermal reaction), the temperature of the generated gas Is about 600 to 800 ° C.

상기와 같이 디젤 개질기(18)를 이용하는 경우, 종래 액상의 디젤 연료를 직접 분사하던 방식과 비교하면, 생성물 모두가 가스상이기 때문에 촉매에 부착될 염려가 없고, 또한 촉매에서의 반응속도 또한 매우 빠르다는 장점이 있다.In the case of using the diesel reformer 18 as described above, compared with the conventional method of directly injecting the diesel fuel in liquid phase, since all of the products are gaseous, there is no fear of attachment to the catalyst, and the reaction rate in the catalyst is also very fast. There is an advantage.

즉, 생성가스를 분사하기 때문에 연료분해촉매를 사용할 때 발생했던 촉매의 비활성화나 촉매 내 비정상 연소로 인한 촉매 파손 등의 문제점들이 발생하지 않는다. That is, the injection of the generated gas does not cause problems such as deactivation of the catalyst and catalyst breakdown due to abnormal combustion in the catalyst, which occurred when the fuel decomposition catalyst is used.

앞서 언급한 바와 같이, 디젤 개질기(18)의 생성가스 온도는 대략 600 ~ 800℃이며, 이를 인젝터(19)를 통해 투입하면 NOx 흡장촉매(15)와 그 후방 디젤산화촉매(DOC)(16)의 저온 활성을 높여준다.As mentioned above, the product gas temperature of the diesel reformer 18 is approximately 600 to 800 ° C., and when this is introduced through the injector 19, the NOx storage catalyst 15 and its rear diesel oxidation catalyst (DOC) 16 are introduced. Increases the low temperature activity of

일반적인 디젤 배기가스의 온도가 150 ~ 400℃ 정도이고, 시동 초기는 배기관 내 온도가 100℃ 이하이기 때문에, 개질 가스 자체의 열량과 촉매와의 산화반응을 통한 열 발생으로 배기계 내 온도를 빠른 시간 내에 높여줄 수 있게 된다.Since the temperature of a typical diesel exhaust gas is about 150 to 400 ° C. and the start-up temperature is 100 ° C. or lower, the temperature in the exhaust system can be quickly changed by generating heat through the heat of the reformed gas itself and oxidation of the catalyst. You can increase it.

일반적으로 NEDC 모드(유럽 연비 및 배기가스 기준 테스트 모드)로 차량 테스트를 해보면 시동 초기부터 촉매가 활성화 되는데 어느 정도 시간이 걸리며, 이때 상당량의 유해 배기가스가 그대로 방출된다.In general, vehicle testing in the NEDC mode (European fuel economy and emissions reference test mode) takes some time to activate the catalyst from the beginning of the startup, which releases a significant amount of harmful emissions.

따라서, 본 발명에서는 디젤 개질기를 이용함으로써 생성된 가스의 열로 촉매를 가열할 수 있기 때문에 시동 초기의 배기가스도 대부분 무해한 가스로 정화시킬 수가 있게 된다.Therefore, in the present invention, since the catalyst can be heated by the heat of the generated gas by using a diesel reformer, the exhaust gas at the start of the start can be mostly purified by a harmless gas.

그리고, NOx 흡장촉매를 최적으로 작동시키기 위해선 주기적으로 리치 스파이크(Rich Spike)를 생성시켜주어야 하며(연료 후분사 등으로 농후하게 제어), 탈황을 위해서는 650℃ 이상의 고온이 요구된다.In order to optimally operate the NOx storage catalyst, a rich spike must be periodically generated (richly controlled by fuel injection, etc.), and a high temperature of 650 ° C. or higher is required for desulfurization.

이를 위해서 종래에는 엔진에서의 연료 후분사와 함께 배기관 내에 2차 연료 분사를 해주어야 하므로 연비 손실이 당연히 발생하였다.To this end, in the prior art, since fuel injection in the engine requires secondary fuel injection into the exhaust pipe, fuel economy loss naturally occurred.

그러나, 디젤 개질기(18)를 이용하면 연비 손실을 줄일 수 있게 된다.However, the use of the diesel reformer 18 can reduce fuel consumption loss.

즉, NOx 흡장촉매(15)의 재생과정에서, 리치 스파이크를 주었을 때 NOx는 반응식 (3a), (3b), (4)의 반응을 통해 N2로 배출되는데, 이 반응을 도와주는 가장 좋은 환원제(reductant)로서 수소와 일산화탄소가 함께 존재할 때 가장 효과적이며, 따라서 디젤 개질기의 생성가스를 사용하여 재생할 경우 재생에 필요한 온도를 낮출 수 있는 바, NOx 전환 효율 또한 증가한다.That is, in the regeneration process of the NOx storage catalyst (15), when rich spikes are applied, NOx is discharged to N 2 through the reactions of the reaction formulas (3a), (3b) and (4). It is most effective when hydrogen and carbon monoxide are present together as a reductant, and thus the NOx conversion efficiency is also increased because the temperature required for regeneration can be reduced when regeneration using the product gas of the diesel reformer.

따라서, 후분사되는 연료량을 줄일 수 있고, 결국 연비 향상이 가능해진다.Therefore, the amount of fuel injected after injection can be reduced, and fuel economy can be improved eventually.

또한, NOx 흡장촉매(15)의 탈황과정에서도 수소와 일산화탄소가 함께 존재할 때 가장 효과적이며, 개질 가스의 환원제 역할로 인해 디젤 개질기(18)를 사용하지 않는 방법에 비해 후분사 연료량을 크게 줄일 수 있다.In addition, it is most effective in the desulfurization process of the NOx storage catalyst 15 when hydrogen and carbon monoxide are present together, and the amount of post-injection fuel can be greatly reduced compared to the method without using the diesel reformer 18 due to the reducing agent of the reforming gas. .

특히, 도 1에 도시한 바와 같이, 디젤매연촉매여과필터(CPF)(14)를 NOx 흡장촉매(15)의 전방에 위치시킴으로써 연비 손실을 최소로 할 수 있는데, CPF(14) 재생시 입자상물질(PM)이 연소되면서 CPF(14) 후단에서의 배기가스 온도가 약 700℃ 이상 올라가고, 산소 농도는 급격히 떨어지는 바(NOx 흡장촉매의 탈황시에 산소 농도가 낮을수록 유리), CPF(14)의 재생과 NOx 흡장촉매(15)의 탈황이 동시에 진행될 수 있고, 이를 이용하면 NOx 흡장촉매(15)의 탈황을 위한 별도 연료 후분사 등 추가적인 조치가 없어도 되며, 결국 연비의 손실을 최소화 할 수 있다.In particular, as shown in FIG. 1, by placing the diesel particulate catalyst filtration filter (CPF) 14 in front of the NOx storage catalyst 15, fuel efficiency loss can be minimized. As the PM burns, the exhaust gas temperature at the rear end of the CPF 14 rises by about 700 ° C. or more, and the oxygen concentration drops rapidly (the lower the oxygen concentration at the time of desulfurization of the NOx storage catalyst), the more the CPF 14 Regeneration and desulfurization of the NOx occlusion catalyst 15 may be simultaneously performed, and by using this, there is no need for additional measures such as post-injection of fuel for desulfurization of the NOx occlusion catalyst 15, and thus, fuel loss may be minimized.

물론, 이러한 경우 엔진 ECU(20)는 CPF 재생이 이루어지는 시점에서 인젝터(19) 분사작동을 위한 제어신호를 출력하도록 구비되어야 하며, 이때 디젤 개질기(18)에서 생성된 반응가스가 환원제 역할을 하여 후분사 연료량을 크게 줄일 수 있게 된다. Of course, in this case, the engine ECU 20 should be provided to output a control signal for the injection operation of the injector 19 at the time when CPF regeneration is performed, wherein the reaction gas generated in the diesel reformer 18 serves as a reducing agent. The amount of injected fuel can be greatly reduced.

또한, CPF(14)의 재생과 NOx 흡장촉매(15)의 탈황을 연계해줌으로써, CPF 시스템('DOC(13) + CPF(14)' 임)(12)의 볼륨을 줄일 수 있다.In addition, by linking the regeneration of the CPF 14 and the desulfurization of the NOx storage catalyst 15, the volume of the CPF system ('DOC 13 + CPF 14') 12 can be reduced.

또한, NOx 흡장촉매(15) 후단쪽으로는 디젤산화촉매(DOC)(16)를 위치시켜 NOx 흡장촉매(15)와 CPF(14)서 통과된 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)를 완전히 정화시켜준다.In addition, a diesel oxidation catalyst (DOC) 16 is positioned behind the NOx storage catalyst 15 to completely purify the carbon monoxide (CO) and the hydrocarbon (HC) passed through the NOx storage catalyst 15 and the CPF 14. give.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 디젤 개질기를 이용한 자동차 배기가스 정화 시스템에 의하면, 배기라인상에서 전방으로 DOC와 CPF가 직렬로 순차 배치된 CPF 시스템을 설치하고, 그 후방으로는 NOx 흡장촉매와 DOC가 직렬로 순차 배치된 촉매 정화기를 설치하되, 디젤 연료와 공기를 공급받아 이를 촉매에 의한 자열개질 반응시켜 수소 및 일산화탄소, 이산화탄소, 탄화수소의 합성가스를 생성시키는 디젤 개질기를 연료탱크와 연결하여 설치하고, 이 디젤 개질기로부터 생성된 합성가스를 제공받아 상기 NOx 흡장촉매 전단으로 분사시켜주는 인젝터를 설치하여 구성함으로써, 다음과 같은 효과가 있다.As described above, according to the automobile exhaust gas purification system using the diesel reformer according to the present invention, a CPF system in which DOC and CPF are arranged in series in front of the exhaust line is installed, and the NOx storage catalyst and DOC is installed in a series of catalyst purifiers in series, but the diesel reformer that receives the diesel fuel and air, and generates a synthesis gas of hydrogen and carbon monoxide, carbon dioxide, hydrocarbon by the autothermal reforming reaction by the catalyst is installed by connecting the fuel tank In addition, by providing an injector for receiving the synthesis gas generated from the diesel reformer and injecting the NOx storage catalyst in front, the following effects are obtained.

1) 종래 액상의 디젤 연료를 직접 분사하던 방식과 비교하면, 생성물 모두가 가스상이기 때문에, 촉매에 부착될 염려가 없고, 촉매에서의 반응속도 또한 매우 빠르다는 장점이 있는 바, 연료분해촉매를 사용할 때 발생했던 촉매의 비활성화나 촉매 내 비정상 연소로 인한 촉매 파손 등의 문제점들이 발생하지 않는다.1) Compared with the conventional method of directly injecting the diesel fuel of liquid phase, since all of the products are gaseous, there is no possibility of attaching to the catalyst, and the reaction speed in the catalyst is also very fast. Problems such as catalyst deactivation due to deactivation of catalyst or abnormal combustion in the catalyst do not occur.

2) 디젤 개질기의 생성가스 온도가 대략 600 ~ 800℃로 고온이기 때문에, 이를 인젝터를 통해 투입하면, NOx 흡장촉매와 그 후단쪽 DOC의 저온 활성을 높여배기가스 저감의 효과가 있게 된다.2) Since the product gas temperature of diesel reformer is about 600 ~ 800 ℃ high temperature, if injected through the injector, it will increase the low-temperature activity of the NOx storage catalyst and the DOC of the rear end there is an effect of reducing the exhaust gas.

3) NOx와 PM을 동시에 저감시킬 수 있고, 후분사되는 연료량을 줄일 수 있으며, 연비 향상이 가능해진다.3) NOx and PM can be reduced at the same time, the amount of post-injected fuel can be reduced, and fuel economy can be improved.

4) CPF를 NOx 흡장촉매의 전방에 위치시킴으로써, CPF의 재생과 NOx 흡장촉매의 탈황이 동시에 진행될 수 있고, 이에 따라 NOx 흡장촉매의 탈황을 위한 별도 연료 후분사 등 추가적인 조치가 없어도 되며, 결국 연비의 손실을 최소화 할 수 있다.4) By placing the CPF in front of the NOx storage catalyst, regeneration of the CPF and desulfurization of the NOx storage catalyst can proceed at the same time.Therefore, there is no need for additional measures such as post-injection of fuel for desulfurization of the NOx storage catalyst, and thus fuel efficiency. Can minimize the loss.

도 1은 본 발명의 정화 시스템을 도시한 구성도, 1 is a block diagram showing a purification system of the present invention,

도 2는 본 발명에서 디젤 개질기를 도시한 개략도,2 is a schematic view showing a diesel reformer in the present invention,

도 3은 종래 NOx 후처리 장치를 도시한 개략도.Figure 3 is a schematic diagram showing a conventional NOx aftertreatment device.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

12: CPF 여과장치 13 : 디젤산화촉매(DOC)12: CPF filtration device 13: diesel oxidation catalyst (DOC)

14 : 디젤매연촉매여과필터(CPF) 15 : NOx 흡장촉매14: Diesel particulate catalyst filtration filter (CPF) 15: NOx storage catalyst

16 : 디젤산화촉매(DOC) 17 : 연료탱크16: diesel oxidation catalyst (DOC) 17: fuel tank

18 : 디젤 개질기 19 : 인젝터18: diesel reformer 19: injector

20 : ECU20: ECU

Claims (3)

자동차 배기가스 정화 시스템에 있어서,In the automobile exhaust purification system, NOx 흡장촉매를 가지는 촉매 정화기를 설치하되, 디젤 연료와 공기를 공급받아 자열개질 반응시켜 수소 및 일산화탄소를 포함한 합성가스를 생성시키는 디젤 개질기와, 이 디젤 개질기로부터 생성된 합성가스를 제공받아 상기 NOx 흡장촉매 전단으로 분사시켜주는 인젝터를 설치하고, 엔진 ECU가 리치 스파이크(Rich Spike) 제어 모드에서 상기 인젝터의 분사작동을 위한 제어신호를 출력하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 디젤 개질기를 이용한 자동차 배기가스 정화 시스템.A catalytic purifier having a NOx storage catalyst is installed, and a diesel reformer is provided with diesel fuel and air to generate a synthesis gas including hydrogen and carbon monoxide by autothermal reforming reaction, and receives the synthesis gas generated from the diesel reformer. Injector for injecting to the front end of the catalyst, and the engine ECU is a vehicle exhaust gas purification system using a diesel reformer characterized in that it is provided to output a control signal for the injection operation of the injector in the rich spike (Rich Spike) control mode . 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1, 배기라인상에서 디젤산화촉매(DOC)와 디젤매연촉매여과필터(CPF)가 직렬로 순차 배치된 CPF 시스템이 상기 NOx 흡장촉매가 내장된 촉매 정화기의 전방에 설치되는 것을 특징으로 하는 디젤 개질기를 이용한 자동차 배기가스 정화 시스템.A diesel reformer using a diesel reformer characterized in that a CPF system in which a diesel oxidation catalyst (DOC) and a diesel particulate catalyst filtration filter (CPF) are arranged in series on an exhaust line is installed in front of the catalytic purifier with the NOx storage catalyst. Exhaust gas purification system. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 엔진 ECU는 주기적으로 연료 후분사와 함께 상기 인젝터의 분사작동을 위한 제어신호를 출력하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 디젤 개질기를 이용한 자동차 배기가스 정화 시스템. The engine ECU is a vehicle exhaust gas purification system using a diesel reformer characterized in that it is provided to periodically output a control signal for the injection operation of the injector with the fuel after injection.
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