KR20060043351A - 배기 정화장치 - Google Patents

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KR20060043351A
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Abstract

본 발명은, 내연기관의 배기로에 설치된 산화 촉매장치에 의해, 비교적 저온의 배기 중에서도 산화 촉매장치에 보내진 연료가 효율 좋게 연소함으로써, 그 하류측에서 포집된 배기 중의 미립자를 확실하게 연소시키는 것을 목적으로 한다.
이를 위해, 디젤 엔진(10)의 배기로(11)에 상류측으로부터 순차 산화 촉매장치(12) 및 미립자 포집 필터(13)가 설치되고, 산화 촉매장치(12)에 담지된 Pt 및 Pd의 중량비율이 0.05≤Pd/(Pt+Pd)≤0.75이며, 미립자 포집 필터(13)의 온도상승이 필요해졌을 때 산화 촉매장치(12) 안으로 연료가 보내지게 한다.
배기 정화장치

Description

배기 정화장치{EXHAUST PURIFIER}
도 1은 본 발명의 실시예에 있어서의 개략 배치도,
도 2는 상기 실시예의 작용 설명도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 있어서의 요부의 개략 배치도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 있어서의 요부의 개략 배치도,
도 5는 종래 장치의 요부 배치도.
※ 부호의 설명
10 : 디젤 엔진 11 : 배기로
12 : 산화 촉매장치 13 : 미립자 포집 필터
14 : 인젝터 20 : 운반체
21 : Pd산화 촉매층 22 : Pt산화 촉매층
31 : Pd산화 촉매 32 : Pt산화 촉매
본 발명은 차량에 있어서의 디젤 엔진의 배기로 등에 배치되어서, 그 배기로 중을 흐르는 배기를 정화하기 위한 장치에 관한 것이다.
디젤 엔진의 배기로에 배치되어서, 그 배기로 중을 흐르는 배기에 포함된 그을음 등의 미립자를 제거하는 종래의 장치는, 도 5에 요부가 예시되어 있는 바와 같이, 상류측의 Pt산화 촉매장치(1)와, 하류측의 미립자 포집 필터(2)가 설치되고,
(A) 디젤 엔진의 가동 중에는 배기에 포함된 NO성분을 촉매장치(1)의 Pt산화 촉매에 의해 산화시켜서,
2NO ＋ O2 → 2NO2 (1)
과 같이 NO2를 생성시켜, 이 NO2성분이 필터(2)에서 포집 되어 있는 미립자 중의 C성분을 산화시켜서,
미립자중의 C ＋ NO2 → CO ＋ NO (2)
와 같이 미립자를 연소시킴으로써, 필터(2)를 연속적으로 재생시키도록 하고 있지만, 배기온도가 비교적 낮은 디젤 엔진의 중저부하시에서는 상기 미립자의 연소, 산화가 곤란하기 때문에,
(B) 디젤 엔진의 가동에 따른 필터(2)에 포집된 미립자의 양이 소정의 값에 도달했을 때, Pt산화 촉매장치(1)의 상류측으로부터 인젝터(injector)(3)에 의해 연료(HC)가 공급되어서, 배기열과 Pt산화 촉매로 연소함으로써
HC ＋ O2 → CO2 ＋ H2O ＋ 열 (3)
과 같이 발생한 상기 열로 배기온도를 또한 상승시켜서 필터(2)로 유입하도록 하고, 필터(2)에서 포집되어 있던 미립자를 배기가 가진 열로,
상기 미립자 중의 C ＋ O2 → COx (4)
와 같이 연소시켜서, 필터(2)로부터 상기 미립자를 제거함으로써, 필터(2)를 강제적으로 재생시키도록 하고 있다.
즉, Pt산화 촉매에는 배기 중의 NO성분으로부터 NO2를 생성시키는 성능과, 인젝터(3)로부터 공급된 연료를 효율 좋게 연소시키는 성능이 요구되고 있지만, Pt산화 촉매의 활성도가 높은 구간은 비교적 저온인 200∼300℃ 정도의 배기 중에서도 연료를 효율 좋게 연소시키는 것이 가능해도, Pt산화 촉매의 열화가 진행됨에 따라서 이 연소성능이 저하하고, 필터(2)의 강제적 재생에 필요한 고열이 확보될 수 없어지거나, 연료의 불연성분이 하류측으로 유출된다고 하는 불량을 초래하게 된다.
그러나, Pt산화 촉매에 의한 상기 연료의 연소성능을 충분히 확보하기 위해서, 디젤 엔진으로부터 배기 정화장치로 유입되는 배기의 온도를 항상 높이도록, 엔진측의 제어, 예를 들면, 연료 분사시기의 지각(遲角)이나 흡기억제 등을 행하면, 디젤 엔진의 연비 악화를 초래한다고 하는 문제가 생긴다.
[특허문헌1] 일본특허공개2002-35583호 공보
이 경우에는 연소 촉매장치의 내열금속제 미립자표면에 담지된 미립자상 촉매에 Pt 및 Pd가 사용되어 있지만, 그들의 성분비에 대해서는 전혀 알려진 것이 없고, 또한, 연료의 공급에 의한 촉매하류측 배기 처리장치의 승온을 고려한 것도 없다.
본 발명은 내연기관의 배기로에 설치된 산화 촉매장치에 의해 비교적 저온의 배기 중에서도, 산화 촉매장치로 보내진 연료가 효율 좋게 연소함으로써, 그 하류 측의 배기 처리장치를 용이하게 승온시키고자 하는 것이다.
이 때문에, 본 발명에 관한 배기 정화장치는, 내연기관의 배기로 중에 상류측에서 순차 산화 촉매장치 및 배기 처리장치가 설치되고, 상기 산화 촉매장치에 담지된 Pt 및 Pd의 중량비율이 0.05≤Pd/(Pt+Pd)≤0.75이며, 상기 배기처리의 승온이 필요해졌을 때 상기 산화 촉매장치 내에 연료가 보내지도록 구성되어 있다.
이하, 도면에 도시된 본 발명의 각 실시예에 대해서, 같은 부분에는 각각 동일부호를 붙여서 설명한다.
도 1에 있어서, 차량 탑재 디젤 엔진(10)의 배기로(11) 중에 상류측으로부터 순차 산화 촉매장치(12) 및 미립자 포집 필터(13)가 설치되고, 산화 촉매장치(12)는 코디어라이트(cordierite)로 이루어지는 허니콤(honey comb)상 운반체의 표면에 알루미나(alumina)를 바인더(binder)로서 미립자상의 Pt 및 Pd가 분담되어 있다.
또, 디젤 엔진(10)의 가동 중에 디젤 엔진(10)으로부터 배기로(11)에 유출된 배기는, 미립자 포집 필터(13)를 통과할 때 배기 중에 포함되어 있는 그을음 등의 미립자가 포집, 제거되어, 청정한 상태로 미립자 포집 필터(13)의 하류측으로 배출된다.
또한, 산화 촉매장치(12)의 상류측에 인젝터(14)가 배치되어 있고, 디젤 엔진(10)의 가동에 따른 미립자 포집 필터(13)에서 포집된 미립자량인 소정의 값에 도달했을 때, 산화 촉매장치(12) 및 미립자 포집 필터(13) 사이에 배치된 온도센서(17)가 검출한 배기온도가 산화 촉매의 활성온도에 도달했다고 판단된 후, 전자제 어장치(15)로부터의 지시에 근거해 연료펌프(16)로부터 공급된 경유 등의 연료가 인젝터(14)로부터 배기로(11) 안으로 공급된다.
한편, 온도센서(17)가 검출한 배기온도가 산화 촉매의 활성온도에 도달하지 않았다고 판단되었을 경우에는, 엔진측의 제어, 예를 들면, 팽창행정에 있어서의 연료의 후분사 등을 실시하고, 배기온도를 산화 촉매의 활성온도에 도달시킨 후, 인젝터(14)로부터 배기로(11) 안으로의 연료공급이 개시된다.
이 때, 온도센서(17)가 검출한 배기온도에 따라서 인젝터(14)로부터의 연료공급량이 제어되어, 인젝터(14)로부터 직접적으로 보내진 상기 연료를 산화 촉매장치(12)에서 연소시켜서, 미립자 포집 필터(13)에 유입되는 배기의 온도가 예를 들면 600℃ 근방이 되도록 조정되고 있다.
즉, 필터(l3)의 미립자 포집량이 소정값 미만으로 필터(13)의 강제 재생을 필요로 하지 않고, 산화 촉매장치(12) 안에 있어서의 배기온도가 소정값, 예를 들면, 250℃이상일 때, 산화 촉매장치(12) 안에서는 상기 종래 장치의 경우와 마찬가지로 해서, 상기 (1), (2)식과 같이 배기중의 NO성분으로부터 NO2을 생성시켜서, 필터(13)에서 포집 되어 있는 미립자를 산화, 연소시킴으로써 필터(13)로부터 미립자를 제거해서 필터(13)가 연속적으로 재생된다.
또, 인젝터(14)로부터 보내진 연료는, 디젤 엔진(10)으로부터 보내진 배기의 열로 산화 촉매장치(12) 안의 Pt산화 촉매 및 Pd산화 촉매에 의해 상기 (3)식과 같이 연소하고, 그 연소열로 또한 온도상승한 배기가 필터(13)로 유입되어서, 필터(13)에서 포집되어 있는 미립자를 상기 (4)식과 같이 연소시켜, 필터(13)로부터 상 기 미립자를 제거함으로써 필터(13)를 강제적으로 재생시키도록 하고 있다.
이 경우, 산화 촉매장치(12)에 담지되어 있는 Pt 및 Pd의 비율을 변화시키면, 상기 (1)식의 NO2 생성율과 상기 (3)식의 연료(경유) 연소율은 도 2에 각각 X1선, X2선, 및 Y1선∼Y3선으로서 일예가 나타내져 있는 바와 같이 변화된다.
한편, X1선 : 배기온도가 300℃의 경우
X2선 : 배기온도가 350℃의 경우
Y1선 : 배기온도가 250℃의 경우
Y2선 : 배기온도가 275℃의 경우
Y3선 : 배기온도가 300℃의 경우를 각각 나타내고 있다.
즉, 산화 촉매장치(12)에 있어서의 귀금속 담지량이 일정한 경우, Pd의 담지율을 증대시키면 Pt의 담지율이 감소하지만, 도 2와 같이, Pd의 담지율을 0으로부터 증대시켜 가면, 연료연소율은 배기온도의 고저에 관계 없이 Pd담지율의 증가에 따라 급상승하고, 그 후는 높은 값이 거의 유지되는 한편, NO2생성율은 배기온도의 고저에 관계 없이 Pd담지율의 증가, 즉, Pt의 감소에 따라 서서히 저하하고, Pt 및 Pd의 담지비율(중량비율)Pd/(Pt+Pd)이 0.75근방이상에서는 X1선, X2선의 선의 하향 경사가 비교적 커져서, NO2생성율이 갑자기 악화해 가게 된다.
따라서, 필터(13)에서 포집되어 있는 미립자를 상기 (4)식의 방법으로 배기열로 확실하게 연소시켜서 필터(13)를 강제적으로 재생할 수 있도록, 필터(13)에 유입되는 배기의 온도를 효율 좋게 상승시키고, 또한, 미연소분의 배출을 제한하기 위해서는, 상기 연료연소율이 높아지도록 Pt 및 Pd의 담지비율(중량비율) Pd/(Pt+Pd)을 적어도 0.05이상으로 할 필요가 있고, 바람직하게는 배기온도가 비교적 낮은 250℃부근에서도 상기 연료연소율이 높아지는 0.15이상으로 하는 것이 좋다.
또, Pt 및 Pd의 담지비율(중량비율) Pd/(Pt+Pd)이 증가해도 NO2생성율의 저하가 비교적 작다. 즉, NO2생성율이 악화하기 시작하는 일이 없도록, 상기 담지비율(중량비율)은 0.75이하인 것이 바람직하고, 이 경우에는 NO2생성율도 필터(13)의 연속재생에 효과적인 영역에 멈출 수 있다.
상기한 바와 같이, 산화 촉매장치(12)에 Pt 및 Pd가 상기 비율로 담지되어 있으면, 인젝터(l4)로부터 공급된 연료에 성분이 다른 다종류의 HC가 포함되어 있어도, Pd는 불포화 탄화수소나 메탄, Pt는 C3이상의 포화 탄화수소라고 하는 바와 같이 각각 다른 종류의 HC에 대하여 특히 양호한 연소성능을 갖고 있기 때문에, 산화 촉매의 열화가 다소 진행해도 결과적으로 산화 촉매장치(12)에 의한 연료의 연소성능을 종래의 Pt산화 촉매와 비교해서 전체적으로 향상시킬 수 있으므로, 비교적 저온의 배기 분위기중이어도 연료를 용이하게 효율 좋게 연소시키는 것이 가능해지고, 따라서, 디젤 엔진(10)의 배기온도를 항상 비교적 높게 유지하도록 하지 않아도, 인젝터(14)에서 공급된 연료를 배기에 의해 용이하게 연소시켜서 배기온도를 상승시켜서, 필터(13)에서 포집된 미립자를 효과적으로 연소시킴으로써, 필터(13)를 강제적으로, 또한, 효율 좋게 재생시키는 것이 가능해진다.
이 때문에, 엔진에 있어서의 연료분사 시기의 지각, 흡기억제, 배기억제 등의 엔진측에 있어서의 배기온도 제어가 불필요해져서, 디젤 엔진(10)의 연비악화를 억제할 수 있음과 아울러, 엔진 배기온도의 상승제어라고 하는 치밀한 제어를 각별히 필요로 하지 않으므로, 배기 정화작용이 확실하고 안정성이 높은 장치를 용이하게 실현시킬 수 있다고 하는 장점이 있다.
도 3에 나타내는 실시예에 있어서는, 산화 촉매장치(12)에 있어서의 운반체(20)의 표면 상에, 화살표로 나타내는 배기가스의 흐름을 향해서 Pd산화 촉매층(21)이 형성됨과 아울러, 운반체(20)측에 Pt산화 촉매층(22)이 형성되어 있어서, Pd산화 촉매층(21) 및 Pt산화 촉매층(22)이 2중이 된 상태로 운반체(20)에 의해 담지되어 있다.
이 경우에는, 2중의 산화 촉매층 중, Pd산화 촉매층(21)이 배기가스의 흐름을 향해서 형성되어, 배기가스에 대하여 연료연소 성능이 좋은 Pd산화 촉매농도가 높아지기 때문에, 필터의 강제 재생시에 인젝터로부터 공급된 연료의 연소가 비교적 효율 좋게 행해지는 이점이 있다.
또, 도 4에 나타내는 실시예에서는, 산화 촉매장치(12)의 Pd산화 촉매(31) 및 Pt산화 촉매(32)가 화살표로 나타내는 배기가스의 흐름에 대하여 상류측으로부터 순차 직렬로 배치되어 있고, 이 경우에는 산화 촉매장치(12)에 있어서의 배가스의 상류측에서 Pd산화 촉매(31)의 농도가 높아지기 때문에, 배기가스의 승온이 얻어지기 어려운 촉매 전단부분(배가스의 상류영역)에 있어서도 효과적인 연료의 연소에 의한 발열이 얻어지는 특색이 있고, 또한, 배기가스 온도가 비교적 낮을 때에도, Pt산화 촉매(32)보다 연소 성능의 좋은 Pd산화 촉매(31)가 촉매 전단부분에 배치되어 있으므로, 엔진으로부터 배출된 HC를 비교적 저온상태로부터 연소시킬 수 있고, 산화 촉매 상에 축적되는 HC양을 저감시킬 수 있다.
따라서, 산화 촉매 상에 축적된 HC가 차량가속시 등의 배기가스 온도상승에 따라 착화함으로써 야기되는 산화 촉매의 과승온을 방지하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 각 실시예에서는, 인젝터(14)에 의해 산화 촉매장치(12)에 연료를 직접적으로 보내도록 하고 있지만, 내연기관의 연소 실린더 내에 연료를 다단분사하는, 소위, 포스트(post) 분사에 의해 연료를 미연소의 상태로 연소 실린더 내로부터 배기로로 유출시키도록 하고, 이 미연소 연료를 산화 촉매장치(12)로 연소시키도록 변경해도, 상기 실시예의 경우와 같은 작용 효과를 가질 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
또, 상기 각 실시예에서는, 배기 처리장치로서 미립자 포집 장치가 채용되어 있지만, 배기처리시에 온도상승을 필요로 하는 장치, 예를 들면, NOx촉매나 산화 촉매를 사용하고 있는 장치 등으로 치환해도 좋은 것이다.
본 발명에 관한 배기 정화장치에 있어서는, 내연기관의 배기로 중의 산화 촉매장치에 담지된 Pt 및 Pd가 중량비율로 0.05≤Pd/(Pt+Pd)≤0.75의 범위 내에 선정되어 있으므로, Pt산화 촉매에 의한 배기 중 NO성분의 산화성능을 확보하면서, 비교적 저온의 배기 중에서도 산화 촉매장치내에 보내진 연료를 Pt산화 촉매 및 Pd산화 촉매의 작용에 의해 효율 좋게 연소시킬 수 있고, 따라서, 산화 촉매장치 하류측의 배기 처리장치를 용이하게 승온시키는 것이 가능해진다.

Claims (8)

  1. 내연기관의 배기로 중에 상류측으로부터 순차 산화 촉매장치 및 배기 처리장치가 설치되고, 상기 산화 촉매장치에 담지된 Pt 및 Pd의 중량비율이 0.05≤Pd/(Pt+Pd)≤0.75이며, 상기 배기 처리장치의 온도상승이 필요해졌을 때 상기 산화 촉매장치 내로 연료가 보내지도록 구성된 것을 특징으로 하는 배기 정화장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 중량비율이 0.15≤Pd/(Pt+Pd)≤0.75인 것을 특징으로 하는 배기 정화장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 산화 촉매장치 내에서 Pd산화 촉매층 및 Pt산화 촉매층이 2중으로 형성되고, 상기 Pd산화 촉매층이 배기 가스의 흐름을 향해서 형성되어 있음과 아울러, 상기 Pt산화 촉매층이 운반체측에 형성된 것을 특징으로 하는 배기 정화장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 산화 촉매장치 내에서 Pd산화 촉매 및 Pt산화 촉매가 배가스 상류측으로부터 순차 직렬로 배치된 것을 특징으로 하는 배기 정화장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 배기 처리장치가 미립자 포집 필터인 것을 특징으로 하는 배기 정화장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 배기 처리장치가 미립자 포집 필터인 것을 특징으로 하는 배기 정화장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 연료가 내연기관 내에서 공급되고, 또는 상기 산화 촉매장치 내에 직접적으로 공급된 것을 특징으로 하는 배기 정화장치.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 연료가 내연기관 내에서 공급되고, 또는 상기 산화 촉매장치 내에 직접적으로 공급된 것을 특징으로 하는 배기 정화장치.
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