KR20060002178A

KR20060002178A - 연료분해촉매를 이용한 질소산화물 및 입자상 물질 동시저감 시스템

Info

Publication number: KR20060002178A
Application number: KR1020040051115A
Authority: KR
Inventors: 이진하
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2004-07-01
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2006-01-09
Also published as: KR100610425B1

Abstract

본 발명은 질소산화물 및 입자상 물질 동시 저감 시스템에 관한 것으로서, 전방으로 CPF가 설치되고, 그 후방에는 NOx 흡장촉매와 DOC가 직렬 설치되며, 상기 CPF 전방의 배기 파이프에서 분기되어 NOx 흡장촉매의 전방에 출구를 가지는 배기가스 배관이 설치되되, 이 배기가스 배관에는 DFC와 이 DFC 전단으로 디젤 연료를 분사하는 2차 분사노즐이 설치되는 한편, 상기 DFC 전방의 배기가스 배관상에 위치되는 배기가스 분배밸브와 상기 DOC 후방(NOx 흡장촉매 후방)에 위치되는 NOx 센서가 설치되어, ECU가 NOx 센서의 신호로부터 재생시점을 판단하게 되면 상기 배기가스 분배밸브를 개방함과 아울러 상기 2차 분사노즐을 작동시켜 NOx 흡장촉매의 재생이 이루어지도록 한 질소산화물 및 입자상 물질 동시 저감 시스템에 관한 것이다. 이러한 본 발명에 의하면, CPF와 NOx 흡장촉매의 효율과 연비를 동시에 높일 수 있으며, NOx 흡장촉매의 재생시에 환원제로 작용하는 연료를 NOx 흡장촉매에 직접 분사하던 것에 비해 촉매의 열화가 방지되는 장점이 있게 된다. 또한, 엔진에서의 연료 후분사에 의해 전방의 CPF에서 산화반응이 일어나 온도가 상승하는 바, 탈황 과정에 필요한 온도가 쉽게 달성되는 장점이 있다.

질소산화물, 입자상 물질, NOx 흡장촉매, 연료분해촉매

Description

연료분해촉매를 이용한 질소산화물 및 입자상 물질 동시 저감 시스템{NOx-PM simultaneous reduction system using fuel cracking catalyzer}

도 1은 종래 NOx 후처리 장치의 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 저감 시스템의 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 저감 시스템의 효과를 보이기 위한 촉매 입구온도 300℃에서의 NOx 정화효율을 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 배기 파이프 2 : 배기가스 배관

2a : 출구 11 : 디젤매연촉매여과필터(CPF)

13 : 차압센서 21 : NOx 흡장촉매

22 : 디젤산화촉매(DOC) 23 : NOx 센서

31 : 연료분해촉매(DFC) 41 : 2차 분사노즐

42 ; 배기가스 분배밸브 50 : ECU

본 발명은 질소산화물 및 입자상 물질 동시 저감 시스템에 관한 것으로서, 전방으로 CPF가 설치되고, 그 후방에는 NOx 흡장촉매와 DOC가 직렬 설치되며, 상기 CPF 전방의 배기 파이프에서 분기되어 NOx 흡장촉매의 전방에 출구를 가지는 배기가스 배관이 설치되되, 이 배기가스 배관에는 DFC와 이 DFC 전단으로 디젤 연료를 분사하는 2차 분사노즐이 설치되는 한편, 상기 DFC 전방의 배기가스 배관상에 위치되는 배기가스 분배밸브와 상기 DOC 후방에 위치되는 NOx 센서가 설치되어, ECU가 NOx 센서의 신호로부터 재생시점을 판단하게 되면 상기 배기가스 분배밸브를 개방함과 아울러 상기 2차 분사노즐을 작동시켜 NOx 흡장촉매의 재생이 이루어지도록 한 질소산화물 및 입자상 물질 동시 저감 시스템에 관한 것이다.

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.

이중 디젤 엔진은 저연비이면서도 우수한 신뢰성을 바탕으로 자동차, 선박, 일반 산업용 등 산업 전반에서 그 용도가 다양하고, 고출력 및 고부하 운전이 가능하여, 그 수요가 계속 증가하고 있다.

또한, 저연비 차량을 목표로 추진되고 있는 3L 자동차 프로그램 또는 슈퍼카 프로젝트에서 디젤 엔진의 채용이 기정 사실화되고 있어, 디젤 엔진 차량의 증가가 예상되고 있다.

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.

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.

디젤 차량의 대기오염은 주로 질소산화물(NOx)과, 매연(Soot)이라 불리는 입자상물질(PM:Particulate Matter)에 의해 발생하며, 따라서 디젤 차량 배기규제의 주요한 대상물질은 NOx와 PM이다.

NOx의 생성은 연소가스 온도에 강하게 의존하고 있기 때문에 디젤 분무의 확산 연소부의 국소적으로 높은 화염온도영역에서 고농도의 NOx가 생성된다.

NOx를 저감하기 위해서는 EGR에 의한 화염온도의 저하가 유효한 방법이나, PM의 산화를 억제시켜 열효율을 악화시키는 원인이 되기도 한다.

이와 같은 이유로 디젤 엔진의 과제는 높은 열효율을 유지하면서 NOx 및 PM을 동시에 저감시키는 것에 있다.

이러한 과제의 해결을 위해 최근에는 고압분사 및 EGR의 병행, 디젤 후처리 장치 및 부분 예혼합 연소에 관한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

현재, EURO Ⅳ 배기규제를 달성하기 위하여, Cooled EGR을 이용하여 엔진 연소실 내 연소온도를 낮추어 NOx를 낮추고 있고, 디젤산화촉매(DOC:Diesel Oxidation Catalyst)와 디젤매연여과필터(DPF:Diesel Particulate Filter) 등에 의 해 CO, HC, PM 등을 낮추고 있다.

그러나, EURO Ⅴ 배기규제에 대응하기 위해서는 현재의 DOC 및 DPF에 의한 CO, HC, PM의 규제는 대응이 가능하나, Cooled EGR에 의한 NOx 저감 방식으로는 EURO Ⅴ 배기규제에 대응할 수 없다.

따라서, NOx를 저감시기키 위한 별도의 후처리 장치가 필수적이며, 현재 EURO Ⅴ 대응을 위해 연구 중이거나 개발된 후처리 장치로는 희박 NOx 트랩(Lean NOx Trap), NOx 흡장촉매(NOx Absorber), 유레아(Urea)를 이용한 SCR(Selective Catalytic Reduction) 시스템 등이 있다.

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 있는 바, 그 범위는 약 200℃에서 500℃에 이른다.

NOx 흡장촉매의 활성 온도창은 대부분의 디젤 NOx가 생성되는 디젤 엔진의 부하와 배기온도 범위와의 상관관계가 매우 양호하여 NOx의 변환효율이 매우 높다.

따라서, 비용이나 효율성 면에서 NOx 흡장촉매 시스템을 채택하는 것이 주류가 되고 있다.

NOx 흡장촉매는 차량의 희박운전 조건일 때 촉매의 담층(Washcoat)에 NOx를 흡착하여 저장하였다가 농후한 운전영역일 때 이를 배출하는데, 촉매의 담층은 백금(Pt)과 같은 산화촉매, 산화바륨(Barium Oxide, BaO)과 같은 흡착기 등으로 구성되어 있다.

흡착(Adsorption)의 반응은 엔진의 희박 운전영역에서 일어나며, 그 반응은 아래와 같다.

NO + 1/2O₂ = NO₂ (1)

BaO + NO₂ + 1/2O₂ = Ba(NO₂)₂ (2)

또한, 엔진의 농후한 운전조건일 때는 다음과 같은 반응이 일어난다.

Ba(NO₃)₂ = BaO + 2NO + 3/2O₂ (3a)

Ba(NO₃)₂ = BaO + 2NO₂ + 1/2O₂ (3b)

NO + CO = 1/2N₂ + CO₂ (4)

그리고, NOx의 흡착용량이 점점 포화상태가 되어감에 따라 저장되어 있던 NOx가 배출되어 촉매에 의해 감소되어야 하는데, 이러한 과정을 재생(Regeneration)이라고 한다.

디젤 엔진은 항상 희박 운전영역에서 운전되기 때문에 재생을 위해서는 인위적으로 농후 혼합기를 형성시켜 주어야 하며, 농후 혼합기를 형성시키는 방법으로 엔진에서의 연료 후분사(Post Injection)와 함께 도 1에 나타낸 바와 같이 배기계에 별도의 2차 분사 시스템을 설치해 2차 연료 분사(Rich Spike)를 해주어야 한다.

그러나, 이러한 시스템에서는 다음과 같은 문제점이 있으며, 이를 도 1을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1에서 도면부호 3은 NOx 흡장촉매(NOx Absorber)를, 도면부호 4는 CPF(Catalyzed Particulate Filter, 디젤매연촉매여과필터, 촉매가 코팅된 DPF임) 를, 도면부호 5는 디젤산화촉매(DOC:Diesel Oxidation Catalyst)를 각각 나타낸다.

먼저, ECU(7) 제어하에 연료 분사 동작하는 2차 분사노즐(6)로 디젤 연료를 분사해 농후 혼합기를 형성하는데, 이때 디젤 연료는 액상으로 분사되어 NOx 흡장촉매(3)로 유입된다.

하지만, 연료가 NOx 흡장촉매(3)에 부착되어 촉매의 활성을 떨어뜨리고, NOx 흡장촉매(3)의 재생이나 탈황 과정시처럼 고온의 배기가스가 통과할 경우 연료의 비정상 연소에 의해 촉매의 열화 및 파손이 일어날 수 있다.

즉, 2차 분사노즐(6)로부터 연료가 액상으로 분사되기 때문에, 이 액상의 연료가 NOx 흡장촉매(3)에 부착되어 비정상 연소를 일으키는 바, 촉매가 깨지거나 녹아버리는 문제가 발생하며, 다량의 탄화수소(HC)가 정화되지 않고 통과하는 문제가 발생한다.

또한, NOx 흡장촉매의 재생을 위한 2차 연료 분사(Rich Spike) 때문에 연비 악화가 심각한 수준이다.

NOx 흡장촉매는 또한 일부 바람직하지 않은 반응물을 생성하는데, 디젤 연료에 함유되어 있는 유황성분으로 인해 다음과 같이 유황 화합물을 생성시킨다.

SO₂ + 1/2O₂ = SO₃ (5)

BaO + SO₃ = BaSO₄ (6)

상기와 같이 바륨황산염(Barium Sulfate, BaSO₄)이 계속 생성됨에 따라 바륨 활성점은 점차적으로 유황에 의한 포화상태가 되어 이산화질소(NO2)에 대한 활성을 상실하게 된다.

따라서, 황산염을 제거하기 위해 탈황(Desulfation) 과정이 필요하고, 이 탈황 과정은 600℃ 이상의 매우 높은 온도가 요구되는 바, 탈황 과정에 필요한 온도를 조성하는데 다소 어려움이 있는 것이 현실이다. .

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 전방으로 CPF가 설치되고, 그 후방에는 NOx 흡장촉매와 DOC가 직렬 설치되며, 상기 CPF 전방의 배기 파이프에서 분기되어 NOx 흡장촉매의 전방에 출구를 가지는 배기가스 배관이 설치되되, 이 배기가스 배관에는 DFC와 이 DFC 전단으로 디젤 연료를 분사하는 2차 분사노즐이 설치되는 한편, 상기 DFC 전방의 배기가스 배관상에 위치되는 배기가스 분배밸브와 상기 DOC 후방에 위치되는 NOx 센서가 설치되어, ECU가 NOx 센서의 신호로부터 재생시점을 판단하게 되면 상기 배기가스 분배밸브를 개방함과 아울러 상기 2차 분사노즐을 작동시켜 NOx 흡장촉매의 재생이 이루어지도록 구성됨으로써, NOx 흡장촉매의 재생시에 촉매의 열화가 방지될 수 있고, 연료의 사용량을 줄일 수 있으며, 탈황 과정에 필요한 온도가 쉽게 달성될 수 있는 장점을 가지는 연료분해촉매를 이용한 질소산화물 및 입자상 물질 동시 저감 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 연료분해촉매를 이용한 질소산화물 및 입자상 물질 동시 저감 시스템은,

배기 파이프상에서 전방으로 설치되는 CPF가 내장된 촉매기와;

상기 CPF 촉매기 후방으로 설치되는 NOx 흡장촉매가 내장된 촉매기와;

상기 CPF 전방의 배기 파이프상에서 분기되어 상기 NOx 흡장촉매 전방에 출구를 가지는 별도 배기가스 배관상에 설치되는 DFC가 내장된 촉매기와;

상기 NOx 흡장촉매를 통과한 배기가스 내 NOx의 양을 검출하는 NOx 센서와;

하기 ECU의 제어신호에 의해 상기 DFC 전단으로 연료를 분사하도록 설치되는 2차 분사노즐과;

상기 배기가스 배관의 도입부에 설치되고 하기 ECU의 제어신호에 의해 개폐동작하는 배기가스 분배밸브와;

상기 NOx 센서의 신호를 인가 받아 배기가스 내 기준치 이상의 NOx가 검출되는 NOx 흡장촉매의 재생시점에서 상기 2차 분사노즐의 연료 분사 및 배기가스 분배밸브의 개방 동작을 위한 제어신호를 출력하도록 된 ECU;

를 포함한다.

그리고, 바람직한 실시예로서, 상기 NOx 흡장촉매의 후방으로 설치된 DOC를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 CPF의 전후방 압력차를 검출하는 차압센서를 더 포함하고, 상기 ECU가 이 차압센서의 신호를 인가 받아 상기 CPF 전후방 압력차가 기준치 이상이 되는 재생시점을 판단하여 연료 후분사를 통한 CPF의 재생을 수행하도록 된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 NOx 흡장촉매 전방에 위치되는 상기 배기가스 배관 출구가 확산관 구조로 된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 2는 본 발명에 따른 저감 시스템의 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 저감 시스템의 효과를 보여주는 도면으로 촉매 입구온도 300℃에서의 NOx 정화효율을 나타낸 도면이다.

먼저, 배기 파이프(1)상에서 전방으로 디젤매연촉매여과필터(CPF;11)가 내장된 촉매기(10)가 설치되고, 그 후방에는 NOx 흡장촉매(21)와 디젤산화촉매(DOC;22)가 직렬로 내장된 촉매기(20)가 설치된다.

상기 CPF(11)가 내장된 촉매기(10)는 엔진 출구쪽의 터보차저 후방으로 설치되는데, 내부에는 전단 소정 부분(11a)을 후방의 나머지 다른 부분에 비해 상대적으로 촉매 담지량을 크게 하여 코팅(Zoned Coated) 제조한 PM 포집용 CPF(11)가 설치되며, 이때 촉매 담지량을 크게 한 전단 부분(11a)이 DOC의 효과를 가지도록 되어 있다.

또한, NOx 흡장촉매(21)의 촉매성분으로는 이미 알려진 바와 같이 바륨, 칼륨 등 알칼리 금속류, 제올라이트를 함유한 일반적인 금속산화물과 활성화 성분으로서 백금이 담체의 전체 겉보기 부피에 대하여 2 ~ 10g/ℓ, 더욱 바람직하게는 4 ~ 7g/ℓ가 포함된다.

또한, NOx 흡장촉매의 재생에 따른 연비 악화와 NOx 흡장촉매의 2차 분사 연료에 의한 촉매의 활성 저하, 그리고 CPF 재생이나 탈황 과정에서 고온의 배기가스가 통과할 경우 연료의 비정상 연소에 의한 촉매의 파손이 일어날 수 있는 문제점을 해결하고자, 2차 분사계와 연료분해촉매(DFC:Diesel Fuel Cracking)를 별도의 배기가스 경로에 설치하여, NOx 흡장촉매의 재생시 상기 연료분해촉매에 의해 분해된 연료성분이 NOx 흡장촉매에 유입되도록 한다.

보다 상세히는, CPF(11) 전방의 배기 파이프(1)상에서 분기시킨 별도의 배기가스 배관(2)을 설치하되, 이 배기가스 배관(2)의 출구(2a)를 NOx 흡장촉매(21)가 내장된 촉매기(20) 내에 삽입시켜 연결 설치하는 바, 상기 배기가스 배관(2)의 출구(2a)는 확산관 구조로 구비하고, 이 확산관 구조의 출구(2a)은 NOx 흡장촉매(21)의 전방에 위치시킨다.

그리고, 별도 설치한 상기 배기가스 배관(2)에는 DFC(31)가 내장된 촉매기(30)를 설치하고, 또한 이 DFC 촉매기(30)에는 DFC(31) 전단으로 디젤 연료를 분사할 수 있는 NOx 흡장촉매 재생용 2차 분사노즐(41)을 설치하며, 상기 배기가스 배관(2)의 도입부에는 배기가스 분배밸브(42)를 설치한다.

결국, NOx 흡장촉매(21) 재생시에는 DFC(31) 전방에 설치된 배기가스 분배밸브(42)가 개방되어 배기가스가 DFC(31)로 분배되어 흐르게 되는 바, 이 배기가스는 DFC 반응에 필요한 열원으로서 작용하게 된다.

또한, 2차 분사노즐(41)에서 분사된 연료는 DFC(31)를 거치면서 NOx 흡장촉 매(21)에서 반응하기 쉽도록 분해(Cracking)되어 확산관 구조의 출구(2a)을 통해 NOx 흡장촉매(21)로 골고루 투입되게 된다.

종래에는 2차 분사노즐이 NOx 흡장촉매 바로 앞쪽에 설치되어 2차 분사노즐에서 분사된 디젤 연료가 NOx 흡장촉매에 직접 분사되도록 하였는 바, 2차 분사를 위한 연료 분사 각도, 분사 압력 등을 최적화 할 필요가 있었지만, 본 발명의 저감 시스템에서는 2차 분사 연료가 연료분해촉매(DFC;31)를 거치게 되므로 그러한 필요가 없어지게 된다.

또한, 본 발명의 저감 시스템에서는 DFC(31)를 사용하여 2차 분사 연료가 이 DFC(31)를 거치게 함으로써, 종래 연료를 NOx에 직접 분사하던 것에 비해 연료의 사용을 줄일 수 있어 NOx 흡장촉매 재생시 급격한 연비 악화를 방지할 수 있게 되고, NOx 흡장촉매에 부착된 연료의 이상 연소에 의한 NOx 흡장촉매의 열화 및 파손을 방지할 수 있게 된다.

2차 분사 연료를 DFC(31)와 활발히 접촉시키기 위해서는 연료가 충분한 미립화 과정을 거쳐 DFC에 접촉하여야 하기 때문에 상기 별도 배기가스 배관(2)을 설치한 후 이에 2차 분사노즐(41)과 DFC(31)를 설치하며, DFC(31)의 크기는 클 경우 국부만 사용되므로 작게 할 필요가 있는 바, 상기 별도 배기가스 배관(2)에 설치하는 것이 적합하다.

상기 DFC(31)는 배기가스의 온도 200 ~ 400℃ 및 낮은 유량에서도 활성이 유리하도록 알루미나를 주성분으로 하고 여기에 로듐이나 루세늄 또는 그 혼합성분을 담체의 전체 겉보기 부피에 대하여 1 ~ 10g/ℓ 담지시켜 제조한 것을 사용한다.

DFC에서 일어나는 화학반응은 다음과 같다.

C10 ~ C118 → C2 ~ C5인 탄화수소 (7)

CO + O₂ → CO₂ (8)

NO + O₂ → NO₂ (9)

HC(Gas) + O₂ → CO₂ + H₂O (10)

상기 NOx 흡장촉매(21)에서는 상기와 같이 분해된 연료(HC)에 의해 NO가 제거되는 바, 그 반응식은 다음의 식 (5)와 같다.

NO + C2 ~ C5 → N₂ + O₂ (11)

한편, 상기 CPF(11)의 전후방 압력차(ΔP = ┃P2-P1┃)를 검출하기 위한 차압센서(13)가 설치되고, ECU(50)는 이 차압센서(13)의 신호를 전송 받아 압력차(ΔP)를 모니터링 하여 CPF(11)의 재생시점을 판단하게 된다.

CPF(11)의 재생은 ECU(50)가 차압센서(13)에 의해 검출된 압력차(ΔP)로부터 재생시점임을 판단하게 되면 엔진의 연료 후분사를 수행하여 CPF 재생이 이루어지도록 하는 바, ECU(50)는 CPF(11)에 일정량 이상의 PM이 포집된 상태일 때 CPF의 재생시점인 것으로 판단하게 되며, 이때 ECU(50)는 차압센서(13)에 의해 검출된 압력차(ΔP)가 기설정치 이상일 경우 일정량 이상의 PM이 포집되어 재생이 수행되어야 할 시점인 것으로 판단하게 된다.

그리고, 본 발명의 저감 시스템은 NOx 흡장촉매(21)의 후방, 좀더 명확히는 DOC(22)의 후방으로 설치된 NOx 센서(23)를 포함하며, 이는 NOx 흡장촉매(21)의 재 생시점을 판단하는데 이용된다.

ECU(50)는 NOx 센서(23)의 신호를 전송 받아 배기가스 중 NOx의 양을 모니터링 하여 NOx 흡장촉매(21)의 재생시점을 판단하게 되는데, 기준치 이상의 NOx가 검출될 경우 재생시점인 것으로 판단하게 되며, 재생시점인 것으로 판단하게 되면 상기 별도 배기가스 배관(2)으로 배기가스를 분배하기 위한 제어신호를 출력하게 된다.

즉, ECU(50)가 NOx 센서(23)의 신호로부터 NOx 흡장촉매(21) 후방의 NOx 검출치가 기설정된 기준치 이상일 경우 NOx 흡장촉매(21)의 재생시점으로 판단하는 바, 이때 상기 배기가스 분배밸브(42)의 개방을 위한 제어신호를 출력하게 된다.

이와 함께 ECU(50)는 NOx 흡장촉매(21)의 재생시점에서 2차 분사노즐(41)의 작동을 위한 제어신호를 출력하는 바, 결국 배기가스 분배밸브(42)는 ECU(50)의 제어신호에 의해 개방동작하여 배기가스가 상기한 별도 배기가스 배관(2)으로 흐르도록 하고, 이와 같이 배기가스가 DFC(31)를 통과하는 상태에서 상기 2차 분사노즐(41)이 ECU(50)의 제어신호에 의해 작동하여 디젤 연료를 DFC(31)의 전단에 분사하게 된다.

상기와 같이 배기가스가 DFC(31)를 거치면서 열원으로 작용하게 되고, 또한 2차 분사노즐(41)에 의해 연료의 2차 분사가 이루어지면서 NOx 흡장촉매(21)의 재생이 수행된다.

물론, 재생이 완료되면, 상기 ECU(50)는 배기가스 분배밸브(42)를 폐작동시키기 위한 제어신호를 출력하고, 또한 2차 분사노즐(41)의 작동도 중지시킨다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따르면, NOx 흡장촉매를 이용한 NOx-PM 동시 저감 시스템에 있어서, 기존에 NOx 흡장촉매가 CPF의 전방에 위치하는 구조가 아닌, NOx 흡장촉매가 CPF 후방에 장착되고, 그 중간에 환원제 성분, 즉 연료의 분해성분이 주입되는 구조를 채택함으로써, NOx의 제거효율과 연비를 동시에 향상시킬 수 있으며, CPF와 NOx 흡장촉매의 효율을 높일 수 있다는 장점이 있게 된다.

특히, 연료분해촉매(DFC)를 사용함으로 해서 NOx 흡장촉매에 연료를 직접 분사하던 것에 비해 급격한 연비 악화 및 촉매 열화 방지가 가능해진다.

즉, 기존과 달리 환원제(연료) 공급장치를 별도의 배기가스 경로에 설치함으로써, 직접 NOx 흡장촉매에 환원제를 투입하는 것 보다 환원반응을 촉진시켜, NOx 흡장촉매의 재생시 환원제로 공급하는 연료의 양을 줄일 수 있고, 결국 연비 악화를 막을 수 있다.

이와 함께 NOx 흡장촉매에 부착된 연료성분의 비정상 연소에 의해 발생하던 촉매 열화를 방지할 수 있게 된다.

아울러, NOx 흡장촉매를 촉매식 디젤매연필터, 즉 CPF의 전방이 아닌 후방에 설치함으로써 촉매반응에 필요한 열에너지를 충분히 확보할 수 있다.

다시 말해, CPF의 탄화수소류 산화반응에서 발생하는 열을 사용하여 별도 엔진 조건의 변경 없이 300 ~ 400℃의 온도조건을 형성함으로써 NOx 흡장촉매에서의 NOx 제거반응 성능이 높아지게 된다.

또한, 엔진에서의 연료 후분사에 의해 전방의 CPF에서 산화반응이 일어나 온도가 상승하며, 결국 NOx 흡장촉매의 탈황 과정에 필요한 온도(600℃ 이상)가 쉽게 달성될 수 있는 장점이 있다.

그 밖에, NOx 흡장촉매를 후방에 장치시킴으로써 배압을 감소시킬 수 있고, 따라서 엔진 성능이 향상되는 이점이 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료분해촉매를 이용한 질소산화물 및 입자상 물질 동시 저감 시스템에 의하면, NOx 흡장촉매가 CPF 후방에 장착되고, 그 중간에 환원제 성분, 즉 연료의 분해성분이 주입되는 구조를 채택함으로써, NOx의 제거효율과 연비를 동시에 향상시킬 수 있으며, CPF와 NOx 흡장촉매의 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

특히, 연료분해촉매를 사용함으로 해서 NOx 흡장촉매에 연료를 직접 분사하던 것에 비해 급격한 연비 악화 및 촉매 열화 방지가 가능해진다.

아울러, CPF의 탄화수소류 산화반응에서 발생하는 열을 사용하여 NOx 흡장촉매에서의 필요한 온도 조성이 가능해지는 바, NOx 제거반응 성능이 높아지게 된다.

Claims

배기 파이프상에서 전방으로 설치되는 CPF가 내장된 촉매기와;

상기 CPF 촉매기 후방으로 설치되는 NOx 흡장촉매가 내장된 촉매기와;

상기 CPF 전방의 배기 파이프상에서 분기되어 상기 NOx 흡장촉매 전방에 출구를 가지는 별도 배기가스 배관상에 설치되는 DFC가 내장된 촉매기와;

상기 NOx 흡장촉매를 통과한 배기가스 내 NOx의 양을 검출하는 NOx 센서와;

하기 ECU의 제어신호에 의해 상기 DFC 전단으로 연료를 분사하도록 설치되는 2차 분사노즐과;

상기 배기가스 배관의 도입부에 설치되고 하기 ECU의 제어신호에 의해 개폐동작하는 배기가스 분배밸브와;

상기 NOx 센서의 신호를 인가 받아 배기가스 내 기준치 이상의 NOx가 검출되는 NOx 흡장촉매의 재생시점에서 상기 2차 분사노즐의 연료 분사 및 배기가스 분배밸브의 개방 동작을 위한 제어신호를 출력하도록 된 ECU;

를 포함하는 연료분해촉매를 이용한 질소산화물 및 입자상 물질 동시 저감 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 NOx 흡장촉매의 후방으로 설치된 DOC를 더 포함하는 것을 특징으로 하 는 연료분해촉매를 이용한 질소산화물 및 입자상 물질 동시 저감 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 CPF의 전후방 압력차를 검출하는 차압센서를 더 포함하고, 상기 ECU가 이 차압센서의 신호를 인가 받아 상기 CPF 전후방 압력차가 기준치 이상이 되는 재생시점을 판단하여 연료 후분사를 통한 CPF의 재생을 수행하도록 된 것을 특징으로 하는 연료분해촉매를 이용한 질소산화물 및 입자상 물질 동시 저감 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 NOx 흡장촉매 전방에 위치되는 상기 배기가스 배관 출구가 확산관 구조로 된 것을 특징으로 하는 연료분해촉매를 이용한 질소산화물 및 입자상 물질 동시 저감 시스템.