KR20070118662A

KR20070118662A - 배기가스정화방법 및 배기가스정화장치

Info

Publication number: KR20070118662A
Application number: KR1020077024589A
Authority: KR
Inventors: 주지 스즈키; 기요시 야마자키; 유지 사카키바라
Original assignee: 도요다 지도샤 가부시끼가이샤
Priority date: 2005-04-26
Filing date: 2006-04-06
Publication date: 2007-12-17
Also published as: EP1877162B1; US20090308060A1; CN101166568A; CA2606145A1; DE602006016588D1; WO2006117993A3; JP2006307681A; EP1877162A2; JP4725177B2; WO2006117993A2

Abstract

본 발명에 따른 배기가스정화방법은, PM을 수집하는 단계, PM을 강제적으로 배출하는 단계, 및 PM을 정화하는 단계를 포함한다. PM을 정화하는 단계에서, 배기가스 내의 PM은 필터에 의해 수집된다. PM을 강제적으로 배출하는 단계에서는, 상기 필터 상에 수집되는 PM이 가압가스를 상기 필터 상으로 송풍시켜 배출됨으로써, PM함유가스를 형성하게 된다. PM을 정화하는 단계에서는, 상기 PM함유가스 내에 함유된 PM이 산화제를 상기 PM함유가스와 접촉시켜 정화되어, 산화에 의해 상기 PM함유가스로부터 PM을 제거하게 된다.

Description

배기가스정화방법 및 배기가스정화장치{PROCESS FOR PURIFYING EXHAUST GASES AND APPARATUS FOR PURIFYING EXHAUST GASES}

본 발명은 입자상물질(이하, 줄여서 "PM"이라고 함)을 포함하는 배기가스를 정화하기 위한 방법 및 상기 배기가스정화방법을 이용하는 배기가스정화장치에 관한 것이다.

가솔린 엔진에 있어서, 배기가스 내의 유해한 성분들은 배기가스에 대한 엄격한 규제 및 이러한 엄격한 규제들에 대처할 수 있는 기술 개발들에 의해 확실하게 감소되어 왔다. 다른 한편으로, 디젤 엔진에 있어서는, 가솔린 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 정화하는 것보다 배기가스를 정화하는 것이 더욱 어려운데, 그 이유는 디젤 엔진이 미립자(또는 PM, 예컨대 탄소미세입자, 황산염과 같은 황산미세입자 및 고분자량의 탄화수소미세입자(이하, "SOF"라고 함))를 배출하는 독특한 환경에 있기 때문이다.

지금까지 개발된 디젤 엔진용 배기가스정화장치로서, 다음과 같은 것이 알려져 있다. 예컨대, 배기가스정화장치들은 크게 포획형(또는 벽-유동형) 배기가스정화장치 및 개방형(또는 직선-유동형) 배기가스정화장치로 나뉘어질 수 있다. 이들 가운데, 포획형 배기가스정화장치 중 한 가지로서 세라믹으로 제조된 플러그 허니 콤 구조체(즉, 디젤 PM 필터, 이하 "DPF"라고 함)가 공지되어 있다. 상기 DPF에서, 허니콤 구조체는 셀들의 대향하는 개구들에서 예컨대 바둑판 방식으로 번갈아 플러깅된다. 상기 DPF는 배기가스의 유동의 하류측에 플러깅된 입구셀, 상기 입구셀에 이웃하여 배기가스의 유동의 상류측에 플러깅된 출구셀, 및 상기 입구셀과 출구셀을 구획하는 구획벽을 포함하여 이루어진다. 상기 DPF에서는, 배기가스가 구획벽의 세공들에 의해 필터링되어 PM을 수집하게 됨으로써, PM이 배출되는 것을 억제하게 된다.

하지만, DPF에서는, PM이 그 위에 침착됨에 따라 압력손실이 증가한다. 이에 따라, 소정의 수단에 의해 DPF를 복원하도록 침착된 PM을 규칙적으로 제거할 필요가 있다. 이에 따라, 종래에는 압력손실이 증가하면, DPF를 통해 고온의 배기가스를 유동시켜 침착된 PM이 연소됨으로써, 상기 DPF를 복원시켰다. 하지만, 이 경우에는, PM의 침착이 많을수록, 침착된 PM의 연소 시에 온도가 더욱 높게 증가하게 된다. 결과적으로, 이러한 연소로부터 초래되는 용접이나 열적 응력에 의해 DPF가 손상을 입게 되는 경우들이 발생할 수도 있게 된다.

이에 따라, 일본미심사특허공보(KOKAI) 제2002-129,936호는 산화에 의해 오존으로 PM을 제거하기 위하여 디젤 엔진의 배기매니폴드 안으로 오존이 첨가되는 방법을 제안하고 있다. 오존은 반응성이 매우 높으므로, 좋은 산화제이다. 하지만, 오존은 300℃ 이상의 온도에서는 열적으로 분해된다. 이에 따라, 오존은 고온의 배기가스에서는 그 장점이 현저하게 저하되게 된다. 더욱이, 저온의 배기가스에 오존이 사용되더라도, 배기가스 내에 함유된 NO, HC 및 CO를 산화하는 데 오존이 소비 된다. 결과적으로, PM을 산화하는 데 사용될 수 있는 오존의 양이 급격히 감소되게 된다.

또한, 일본심사특허공보(KOKOKU) 제7-106,290호에 개시된 바와 같이, 배기가스정화필터촉매가 최근에 개발되었다. 상기 배기가스정화필터촉매는 알루미나로 제조되어 DPF의 구획벽의 표면들에 형성된 코팅층 및 상기 코팅층 상에 로딩된 백금(Pt)과 같은 촉매요소를 포함하여 이루어진다. 상기 배기가스정화필터촉매는 로딩된 촉매요소의 촉매반응에 의해 수집된 PM을 산화 및 연소시키므로, PM 수집과 동시에 또는 PM을 수집한 후 계속해서 PM을 연소시켜 DPF를 회생시키는 것이 가능하다. 더욱이, 비교적 낮은 온도에서 촉매 반응들이 일어나기 때문에, 그리고 PM이 덜 수집된 때 PM이 연소될 수도 있기 때문에, 상기 배기가스정화필터촉매는 DPF 상에서 작용하는 열적 응력이 적게 되어, 상기 DPF가 손상을 입는 것이 억제된다는 장점을 가진다.

또한, 일본미심사특허공보(KOKIA) 제9-94,434호에는 촉매요소가 로딩된 코팅층이 DPF의 구획벽 뿐만 아니라 상기 구획벽의 세공에도 형성되는 배기가스정화필터촉매가 개시되어 있다. 촉매요소가 이렇게 구획벽의 세공에도 로딩되면, PM과 촉매요소간의 접촉 확률이 증대되어, 산화에 의해 세공 내에 수집되는 PM을 연소시킬 수 있게 된다. 또한, 상기 특허공보에는 알칼리금속 및 알칼리토금속으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 NOx-흡수(sorbing) 부재를 상기 코팅층 상에 추가로 로딩하는 것이 개시되어 있다. 상기 경우라면, 배기가스정화필터촉매가 증대된 NOx 정화 성능을 나타낼 뿐만 아니라, 나아가 NOx-흡수 부재에서 흡수되는 NOx에 의해 PM의 산화를 촉진시킬 수도 있다. 상기 NOx-흡수 부재는 질산염 또는 아질산염으로 변하여 NOx를 흡수하게 되고, 그 결과 NOx-흡수 부재의 질산염 또는 아질산염이 비교적 낮은 녹는점을 나타내어, 그들이 녹게 되고 배기가스 온도에서 PM을 캡처할 수 있게 된다는 점에 유의한다. 이에 따라, NOx-흡수 부재의 질산염 또는 아질산염에 의해 캡처되는 PM은 높은 확률을 가지고 그들과 매우 근접하게 존재하는 NO₂와 접촉하기 쉽게 된다. 결과적으로, 상기 배기가스정화필터촉매는 산화에 의해 효율적으로 PM을 정화한다는 또다른 이점을 가진다.

하지만, 저온의 배기가스가 상술된 종래의 필터촉매 안으로 유동하면, PM이 DPF 상으로 침착되어 배기가스의 압력 손실을 증가시키게 되는 경우를 발생시킬 수도 있다. 이를 피하기 위하여, 오존과 같은 산화제를 종래의 필터촉매에 공급하여, PM의 침착으로부터 기인하는 배기가스의 압력 손실이 증가하는 것을 억제하는 것을 생각해 볼 수 있다. 하지만, 촉매요소 또는 상기 촉매요소용 담체로서 사용되는 금속산화물은 오존을 분해시킬 수도 있다. 그러므로, 종래의 필터촉매에 있어서는, 오존에 의한 산화에 의해 PM을 제거하는 것이 어렵게 된다.

본 발명은 상술된 배경의 관점에서 고안되었다. 그러므로, 본 발명의 목적은 오존과 같은 산화제를 이용하여, 산화에 의해 효율적으로 PM을 제거하는 것이다.

본 발명에 따른 배기가스정화방법은 상술된 목적을 달성하며,

배기가스 내의 입자상물질(이하, 줄여서 "PM"이라고 함)을 필터를 이용하여 수집하는 단계;

가압가스를 상기 필터 상으로 송풍하여, 상기 필터 상에 수집되는 PM을 강제적으로 배출시킴으로써, PM함유가스를 생성하는 단계; 및

상기 PM함유가스와 산화제를 접촉시켜, 상기 PM함유가스 내에 함유된 PM을 정화시킴으로써, 산화에 의하여 상기 PM함유가스로부터 PM을 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 배기가스정화방법에서는, 배기가스가 소정의 온도를 가질 수 있는 것이 바람직하고, 가압가스가 배기가스의 소정의 온도보다 낮은 온도를 가질 수 있는 것이 바람직하며; 산화제는 오존을 포함하여 이루어질 수 있는 것이 바람직하다. 상기 가압가스의 온도는 실온 내지 300℃의 범위 내에 있는 온도를 가질 수 있는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 실온 내지 200℃의 범위이다. 또한, 상기 PM을 강제적으로 배출시키는 단계는, 상기 필터에 대한 배기가스유동의 하류측으로부터 배기가스유동의 상류측으로 가압공기를 공급하는 단계; 상기 생성된 PM함유가스를 서브필터로 공급하여, 상기 서브필터 상에 PM을 수집하는 단계; 및 상기 서브필터를 향해 산화제를 공급하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 배기가스정화장치는,

PM을 수집하기 위한 필터를 구비한 주유로(main flow passage);

PM함유가스로서, 상기 필터에 대한 배기가스유동의 하류측으로부터 배기가스유동의 상류측으로 가압가스를 공급하고, 상기 필터 상에 수집되는 PM을 상기 필터에 대한 배기가스유동의 상류측으로 송풍하기 위한 역류장치(back-flowing device);

상기 필터에 대한 배기가스유동의 상류측에 배치되고, 상기 주유로로부터 분기되어 연장되며, PM을 필터링하기 위한 서브필터를 구비하고, 상기 역류장치가 구동될 때 상기 PM함유가스를 유통시킬 수 있는 부유로(auxiliary flow passage);

상기 서브필터에 대한 배기가스유동의 상류측에 배치되어, 상기 부유로에 산화제를 공급하기 위한 산화제공급수단;

상기 필터에 대한 배기가스유동의 상류측에 배치되고, 상기 주유로로부터 분기되어 연장되며, 상기 역류장치가 구동될 때 배기가스를 유통시킬 수 있는 바이패스유로(bypass flow passage); 및

상기 배기가스의 유동을 상기 주유로로부터 상기 바이패스유로로, 또는 그 역으로 전환하기 위한 스위칭밸브를 포함하여 이루어지고,

상기 역류장치가 구동될 때, 상기 스위칭밸브는 상기 배기가스를 상기 주유로로부터 상기 바이패스유로로 추가로 유도하고; 상기 필터에 대한 상기 배기가스유동의 상류측으로 송풍된 상기 PM함유가스 내에 함유된 PM이 상기 부유로에서 유동하여 상기 서브필터 상으로 수집되며; 상기 산화제공급수단으로부터 공급되는 산화제는 산화에 의하여 상기 서브필터 상에 수집된 PM을 제거하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 배기가스정화장치는 상기 바이패스유로에 배치되어, 상기 필터 및 상기 역류장치와 동일한 방식으로 동작하는 제2필터 및 제2역류장치를 더 포함하여 이루어질 수 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 본 발명에 따른 장치는 상기 부유로에 대한 배기가스유동의 하류측에 배치되어, 상기 부유로를 개폐하기 위한 개폐밸브를 더 포함하여 이루어질 수 있되, 상기 배기가스는 상기 개폐밸브가 상기 부유로를 폐쇄할 때, 상기 주유로와 상기 바이패스유로 양자 모두에서 유동하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 장치에 있어서, 상기 필터는 촉매코팅층을 포함하여 이루어질 수 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 방법 및 본 발명의 장치에 따르면, 배기가스의 온도보다 낮은 PM함유가스의 온도를 쉽게 만드는 것이 가능하다. 이에 따라, 산화제가 열적으로 분해되는 것이 억제된다. 또한, 상기 PM함유가스는, PM을 제외하고는 산화를 겪게 되는 성분들을 거의 함유하지 않는다. 결과적으로, 상기 산화제는 산화에 의해 효율적으로 PM을 제거할 수 있다. 따라서, 열적 응력에 의한 손상을 주지 않으면서도 필터를 용이하게 복원하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 배기가스의 압력 손실이 증가하는 것을 억제하는 것도 가능하다.

또한, 필터가 촉매코팅층을 포함하여 이루어지면, 상기 촉매코팅층은 배기가스 내의 HC, CO 및 NOx를 효율적으로 정화시킬 수 있다. 또한, 촉매요소가 산화제를 분해한다는 단점이 전혀 발생하지 않는데, 그 이유는 상기 산화제가 촉매코팅층과 접촉하지 않기 때문이다. 그 결과, 산화에 의해 PM을 효율적으로 제거하기 위한 산화제를 소비하는 것이 가능하다.

본 발명과 그 여러 장점들의 보다 완벽한 이해는, 본 특허 문헌의 일부분을 형성하고 있는 후술하는 첨부 도면들과 상세한 명세서와 연계하여, 하기 상세한 설명을 참조함으로써 보다 잘 이해하게 될 것이다.

도 1은 PM을 수집하는 과정을 수행하고 있는 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스정화장치를 예시하기 위한 설명도;

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스정화장치에 사용되는 필터촉매를 예시하기 위한 단면도;

도 3은 강제적으로 PM을 배기하는 과정 및 PM을 정화하는 과정도 수행하고 있는 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스정화장치를 예시하기 위한 설명도;

도 4는 PM을 수집하는 과정을 수행하고 있는 본 발명의 제2실시예에 따른 배기가스정화장치를 예시하기 위한 설명도;

도 5는 강제적으로 PM을 배기하는 과정 및 PM을 정화하는 과정도 수행하고 있는 본 발명의 제2실시예에 따른 배기가스정화장치를 예시하기 위한 설명도;

도 6은 부가적으로 PM을 강제적으로 배기하는 과정 및 부가적으로 PM을 정화하는 과정도 수행하고 있는 본 발명의 제2실시예에 따른 배기가스정화장치를 예시하기 위한 설명도; 및

도 7은 제1비교예에 따른 배기가스정화장치를 예시하기 위한 설명도이다.

본 발명을 일반적으로 설명하여, 첨부된 청구범위를 제한하려는 것이 아니라 단지 예시의 목적을 위해 본 명세서에 제공되는 바람직한 특정 실시예들을 참조함 으로써 이해를 더욱 도울 수 있다.

본 발명의 배기가스정화방법에 따르면, 우선 PM이 PM 수집 단계에서 필터에 의해 수집된다. 배기가스에 관해서는, 디젤 엔진으로부터 배출되는 배기가스와 같은 PM을 포함하는 배기가스를 예로 드는 것이 가능하다.

상기 필터는 배기가스 내의 기체 성분만이 통과하도록 함으로써 여과 작용에 의해 PM을 수집한다. 예를 들어, 상기 필터는 금속성 폼 또는 내열성 부직포로 형성될 수 있다. 대안적으로, 상기 필터는 코디어라이트 및 실리콘 카바이드와 같은 내열성 세라믹으로 생성될 수도 있다. 이러한 필터 중 한가지로, 벽-유동형 구조의 DPF가 알려져 있다. 벽-유동형 구조의 DPF는, 배기가스의 유동의 하류측에 플러깅된 입구셀; 상기 입구셀에 이웃하여 배기가스의 유동의 상류측에 플러깅된 출구셀; 및 상기 입구셀과 출구셀을 구획하여 다수의 세공을 구비한 다공성 구획벽을 포함하여 이루어진다. 필터로서 이러한 벽-유동형 구조의 DPF를 이용하면, 입구셀 안으로 유동하는 배기가스가 다공성 구획벽을 통과하고, 출구셀을 통해 배출된다. 그러므로, 이 경우에는 PM이 다공성 구획벽의 세공 위에 수집된다.

상기 PM을 강제적으로 배기하는 단계에서는, 필터 상에 수집되는 PM이 강제적으로 배출되어, 가압가스를 필터 상으로 송풍함으로써 상기 필터를 복원시키는 동시에, PM함유가스를 형성하게 된다. 가압가스에 관해서는, 질소가스를 사용하는 것이 가능하다. 하지만, 가압공기를 사용하는 것이 바람직한데, 그 이유는 가압공기가 저렴하고, 쉽게 취급할 수 있기 때문이다. 상기 가압가스는 필터의 유입구-단면을 통해 공급될 수 있고, 또는 상기 필터의 유출구-단면을 통해 공급될 수 있다. DPF가 사용되어, 가압가스가 상기 DPF의 유입구-단면을 통해 공급되면, PM이 상기 DPF의 다공성 구획벽의 세공 안으로 추가로 푸시될 수도 있다. 그러므로, 수집된 PM의 배출 속도를 향상시키기 위해서는, 유출구-단면을 통해 DPF 안으로 유동하고, 그로부터 유입구-단면을 통해 밖으로 유동하도록 가압가스를 공급하는 것이 바람직하다. 상기 가압가스는 0.2 내지 15 MPa, 보다 바람직하게는 0.5 내지 15 MPa의 압력으로 압축될 수 있다는 점에 유의한다. 더욱이, 상기 가압가스는 1 내지 20분, 보다 바람직하게는 2 내지 10분의 시간 주기 동안 공급될 수 있는 것이 바람직하다.

상기 PM을 정화하는 단계에서는, 산화제를 PM함유가스와 접촉시켜 산화에 의해 PM이 제거된다. 산화제에 관해서는, NO₂ 또는 활성산소종들을 예로 들 수 있다. 상기 "활성산소종"은 산화 활성도를 나타내는 O^*라디칼, OH^*라디칼, O^* 이온 및 오존과 같은 케미칼종을 말한다. 그들 가운데, 특히 오존이 선호되는데, 이는 저온 영역에서 PM을 산화하는 능력이 좋다는 것을 보여주기 때문이다. 배기가스의 온도를 낮추기 위한 것보다 쉽게 보다 낮은 온도로 PM함유가스의 온도를 낮추는 것이 가능하다는 점에 유의한다. 따라서, 오존이 열적으로 분해되는 것을 억제하는 것이 가능하다. 상기 산화제는 1 내지 20분, 보다 바람직하게는 2 내지 20분의 시간 주기 동안, 1 내지 30 g/min, 더욱 바람직하게는 2 내지 30 g/min의 유량으로 공급될 수 있는 것이 바람직하다는 점에 유의한다.

산화제를 PM함유가스와 접촉시키면, 상기 산화제는 간단히 유동하는 PM함유 가스 안으로 공급될 수 있다. 하지만, 산화제와 PM간의 접촉능력을 증대시키기 위해서는, PM함유가스의 유로 내에 서브필터를 배치하는 것이 바람직하다. 서브필터에 관해서는, 상술된 것과 동일한 필터를 이용하는 것이 가능하다. 상기 산화제는 산화제가 압축되어 수용되는 실린더로부터 공급될 수 있다는 점에 유의한다. 더욱이, 오존은 주위 분위기를 배출함으로써 공급될 수 있다.

본 발명에 따른 배기가스정화방법을 실시할 수 있는 본 발명에 따른 배기가스정화장치는, 주유로, 역류장치, 부유로, 산화제공급수단, 바이패스유로 및 스위칭밸브를 포함하여 이루어진다. 상기 주유로에는 상술된 필터 중 한 가지가 갖춰져 있다. 상기 역류장치는 PM함유가스로서, 필터에 대한 배기가스유동의 하류측으로부터 필터에 대한 배기가스유동의 상류측으로 가압가스를 공급하고, 상기 필터 상에 수집된 PM을 상기 필터에 대한 배기가스유동의 상류측 상으로 송풍시킨다. 상기 부유로는 필터에 대한 배기가스유동의 상류측에 배치되고, 상기 주유로로부터 분기되어 연장되며, PM을 필터링하기 위한 서브필터를 구비하고, 상기 역류장치가 구동될 때 상기 PM함유가스를 유통시킬 수 있다. 상기 산화제공급수단은 상술된 산화제 중 하나를 부유로에 공급하고, 상기 서브필터에 대한 배기가스유동의 상류측에 배치된다. 상기 바이패스유로는 상기 필터에 대한 배기가스유동의 상류측에 배치되고, 상기 주유로로부터 분기되어 연장되며, 상기 역류장치가 구동될 때 배기가스를 유통시킬 수 있다. 상기 스위칭밸브는 상기 배기가스의 유동을 상기 주유로로부터 상기 바이패스유로로 전환시키거나 그 역으로 전환시킨다.

본 발명에 따른 배기가스정화장치에서는, 배기가스가 우선 주유로로 유동되 어 PM을 필터 상에 수집하게 된다. PM의 침착량이 필터 내에 증가하여 배기가스의 압력손실을 높이게 되면, 필터를 복원시킬 필요가 있게 된다. 상기 경우라면, 스위칭밸브는 배기가스유로를 주유로로부터 바이패스유로로 전환시킨다. 그러므로, 본 발명의 장치는 배기가스의 압력 손실이 증가하는 것을 억제할 수 있다.

또한, 배기가스가 바이패스유로에서 유동하면, 역류장치가 작동하여 가압가스를 필터에 대한 배기가스유동의 하류측으로부터 필터에 대한 배기가스유동의 상류측으로 공급하게 된다. 이에 따라, 필터 상에 수집되는 PM이 PM함유가스로서 상기 필터에 대한 배기가스유동의 상류측을 향해 송풍된다. 상기 PM함유가스가 부유로에서 유동하여, PM이 서브필터 상에 수집되도록 한다. 이 경우에는, 서브필터에 대한 배기가스유동의 상류측에 배치되는 산화제공급수단이 작동되어, 부유로에서 유동하는 PM함유가스로 산화제를 공급하게 된다는 점에 유의한다. 상기 산화제는 산화에 의해 PM함유가스에 함유된 PM을 제거한다. 또한, 상기 산화제는 서브필터를 통과할 때, 산화에 의해 서브필터 상에 수집된 PM을 제거한다.

상기 산화제공급수단은 서브필터에 대한 배기가스유동의 상류측 상의 부유로로 산화제를 공급한다. 예컨대, 상기 산화제는 다음과 같은 방식으로 부유로로 공급될 수 있다: 상기 산화제는 활성산소종들 가운데 하나가 충전되는 실린더로부터 PM함유가스 안으로 밸브에 의해 공급된다. 대안적으로, 상기 산화제는 전기 방전을 이용하는 오존 제너레이터를 이용하여 PM함유가스 안으로 공급될 수 있다. 더욱이, 상기 산화제는 펌프로서 상기 수단에 의해 공기나 배기가스에서의 전기 방전을 발생시켜 생성되는 오존을 부유로로 공급함으로써 PM함유가스 안으로 공급될 수 있 다.

배기가스가 바이패스유로에서 유동하는 경우에도, PM이 제거되고 있는 것이 바람직하다. 이에 따라, 제2필터가 바이패스유로에 추가로 배치될 수 있는 것이 바람직하다. 또한, PM이 제2필터 상에 침착될 때, 바이패스유로에 배치된 이러한 제2필터를 복원하는 것도 필요하다. 결과적으로, 상기 바이패스유로는 주유로와 동일한 방식으로 배치될 수 있는 것이 바람직하다. 즉, 상기 바이패스유로는 제2필터에 대한 배기가스유동의 하류측으로부터 상기 제2필터에 대한 배기가스유동의 상류측으로 가압가스를 공급하고, 상기 제2필터 상에 수집된 PM을 PM함유가스로서 상기 제2필터에 대한 배기가스유동의 상류측 상으로 송풍하기 위한 제2역류장치를 더 포함하여 이루어질 수 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 본 발명에 따른 배기가스정화장치는, 제2역류장치가 가압가스를 바이패스유로 내의 제2필터로 공급할 때, 상기 주유로에서 배기가스를 유동하도록 작동된다는 점에 유의한다.

본 발명에 따른 배기가스정화장치는 단일 바이패스유로 또는 복수의 바이패스유로를 포함하여 이루어질 수 있다는 점에 유의한다. 본 발명에 따른 배기가스정화장치가 복수의 바이패스유로를 포함하여 이루어질 수 있는 경우에는, 상기 바이패스유로에는 상기 주유로와 동일한 방식으로, PM을 수집할 수 있게 만드는 필터, 및 상기 필터를 복원시킬 수 있게 만드는 필터가 각각 갖춰질 수 있는 것이 바람직하다.

상기 필터는 촉매코팅층을 포함하여 이루어지는 필터촉매일 수 있는 것이 바람직하다. 상기 필터촉매가 촉매코팅층을 포함하여 이루어지는 경우에는, PM 이외 의 유해한 기체 성분들을 정화하는 것이 가능하다. 예를 들어, 필터촉매가 배기가스 내의 NO를 산화시키면, 높은 산화 활성도를 나타내는 NO₂ 및 아질산 이온 또는 질산 이온이 생성된다. 이에 따라, 본 발명에 따른 배기가스정화장치는 더욱 향상된 PM 정화 성능을 나타낸다. 더욱이, 산화제가 필터를 통과하지 않기 때문에, 상기 산화제가 촉매코팅층 상에 로딩된 촉매요소에 의해 분해되는 단점이 전혀 없게 된다. 이러한 사실을 고려하면, 서브필터는 그 내부에 형성된 촉매코팅층이 없는 것이 바람직할 수 있다.

상기 필터촉매의 촉매코팅층은 예컨대 담체 및 상기 담체 상에 로딩된 촉매요소를 포함하여 이루어진다. 상기 담체는 알루미나, 티타니아, 지르코니아, 세리아 및 실리카와 같은 다공질 산화물로 이루어질 수 있다. 대안적으로, 상기 담체는 복수의 다공질 산화물로 제조되는 복합 산화물로 이루어질 수도 있다. 또한, 상기 촉매요소는 산화 활성도를 나타내는 것일 수도 있다. 촉매요소에 관해서는, Pt, Rh, Pd 및 Ir과 같은 귀금속, 또는 귀금속이 아닌 Fe, Co, Ni 및 W와 같은 전이금속을 사용하는 것도 가능하다. 또한, 상기 촉매코팅층은 상기 담체 상에 로딩된 NOx-흡수 부재를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직할 수 있다. 상기 NOx-흡수 부재는 알칼리 금속과 알칼리토금속으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1이상의 부재로 이루어질 수 있다. 배기가스가 필터촉매를 통과하면, 상기 촉매코팅층의 담체 상에 추가로 로딩되는 NOx-흡수 부재가 NOx를 아질산 이온 또는 질산 이온의 형태로 그 내부에 흡수한다. 이렇게 흡수된 아질산 이온 또는 질산 이온은 강한 산화제 로 작용하기 때문에, 본 발명에 따른 배기가스정화장치가 더욱 향상된 PM 정화 성능을 나타낸다.

또한, 상기 촉매코팅층은 상기 필터의 1 L 부피에 대해 0.1 내지 20 g의 로딩량으로 촉매요소를 포함하여 이루어질 수 있는 것이 바람직하다. 촉매요소의 로딩량이 상기 범위의 하한보다 적으면, 로딩된 촉매요소의 활성도가 너무 낮아 실용적이지 않다. 촉매요소의 로딩량이 상기 범위 상한보다 많으면, 로딩된 촉매요소가 포화된 활성도를 보이는 동시에, 결과적으로 촉매코팅층의 비용이 증가하게 된다. 또한, 상기 촉매코팅층은 상기 필터의 1 L 부피에 대해 0.05 내지 1.5 mol의 로딩량으로 NOx-흡수 부재를 더 포함하여 이루어질 수 있는 것이 바람직하다. NOx-흡수 부재의 로딩량이 상기 범위의 하한보다 적으면, 로딩된 NOx-흡수 부재가 낮은 활성도를 보여 상기 로딩이 의미가 없게 된다. 상기 NOx-흡수 부재의 로딩량이 상기 범위 상한보다 많으면, 로딩된 NOx-흡수 부재가 로딩된 촉매요소를 커버하기 쉬워, 상기 로딩된 촉매요소의 활성도를 저하시키게 된다.

실시예들

이하, 본 발명을 실시예와 비교예를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

(제1실시예)

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스정화장치를 예시한다. 예를 들어, 상기 배기가스정화장치는 디젤 엔진의 배기머플러와 배기매니폴드 사이에 배치되어 사용된다.

도 1에 예시된 바와 같이, 제1실시예에 따른 배기가스정화장치는 배기관(1) 을 포함하여 이루어진다. 상기 배기관(1)은 상기 입구측 포크(10), 주유로(11), 부유로(12), 바이패스유로(13) 및 출구측 포크(14)를 포함하여 이루어진다. 상기 주유로(11), 부유로(12) 및 바이패스유로(13)는 상기 입구측 포크(10)에서 배기관(1)으로부터 멀리 분기되고, 서로 평행하게 배치되어 있다. 또한, 상기 주유로(11), 부유로(12) 및 바이패스유로(13)는 각각 상기 출구측 포크(14)에서 배기관(1)과 결합한다. 또한, 상기 주유로(11)는 그 내부에 배치된 필터촉매(2)를 포함하여 이루어진다. 상기 바이패스유로(13)는 그 내부에 배치된 제2필터촉매(2')를 포함하여 이루어진다. 한편, 상기 부유로(12)는 그 내부에 배치된 DPF를 포함하여 이루어진다.

도 2에 예시된 바와 같이, 상기 필터촉매(2) 및 제2필터촉매(2')는 각각 벽-유동형 구조의 DPF(20)로 형성된다. 상기 벽-유동형 구조의 DPF(20)는 입구셀(21), 출구셀(22) 및 다공성 구획벽(23)을 포함하여 이루어진다. 상기 입구셀(21)은 상기 DPF(20)의 배기가스유동 하류의 대향단에서 플러깅된다. 상기 출구셀(22)은 상기 입구셀(21)에 인접하여 배치되고, 상기 DPF(20)의 배기가스유동 상류의 대향단에서 플러깅된다. 상기 구획벽(23)은 입구셀(21)과 출구셀(22)을 구획하여, 다수의 세공을 구비한다. 상기 필터촉매(2) 및 상기 제2필터촉매(2')는 각각 촉매코팅층(24)을 더 포함하여 이루어진다. 상기 촉매코팅층(24)은 상기 구획벽(23)의 표면 뿐만 아니라 상기 구획벽(23) 내의 세공의 표면에도 형성된다. 이하, 상기 필터촉매(2) 및 상기 제2필터촉매(2')의 형태를 설명하는 대신 그 생성 과정을 상세히 설명하기로 한다.

우선, 코디어라이트로 제조되는 DPF가 준비되었다. 상기 DPF는 0.58 내지 0.65 mL/g의 세공 부피, 25 내지 35 ㎛의 세공 직경 및 1.5 L의 부피를 나타내었다. 한편, 슬러리가 준비되었다. 준비된 슬러리는 70 중량부 양의 γ-알루미나 분말, 70 중량부 양의 티타니아-지르코니아 고용 분말 및 12 중량부 양의 세리아 분말로 이루어졌다. 상기 γ-알루미나 분말, 티타니아-지르코니아 고용 분말 및 세리아 분말은 각각 220 m²/g, 100 m²/g 및 120 m²/g의 비표면적을 나타내었다는 점에 유의한다. 또한, 결과적인 슬러리의 점성은 100 cps 이하로 조절되었다. 슬러리를 DPF 상으로 워시 코팅한 후, 상기 DPF는 3 시간 동안 500℃로 캘사이닝되어 코팅층을 형성하였다. 상기 코팅층은 DPF의 1 L 부피에 대해 152 g의 양으로 형성되었다는 점에 유의한다. 더욱이, 상기 구획벽(23) 내의 세공들은 확실하게 25 ㎛ 이상의 평균 세공 직경을 가졌다. 그 후, 흡수로딩법(water absorption loading method)에 의해 결과적인 DPF의 코팅층 상에 Pt, Li, Ba 및 K가 각각 로딩되었다. 최종적으로, 상기 DPF는 3 시간 동안 300℃로 캘사이닝되어 촉매코팅층(24)을 완성하게 되었다. Pt, Li, Ba 및 K는 DPF의 1 L 부피에 대해 각각 1.5 g, 0.3 mol, 0.05 mol 및 0.025 mol의 양으로 로딩되었다는 점에 유의한다.

상기 DPF(3)에 대해서는, 본질적으로 상술된 DPF와 거의 동일한 DPF가 사용되었다. 즉, 사용된 DPF의 명세는 다음과 같다: 세공 부피는 0.58 내지 0.65 mL/g이고, 세공 직경은 25 내지 35 ㎛이지만, 부피는 1.0 L이다. 상기 사용된 DPF는 그 내부에 어떠한 코팅층이나 촉매코팅층도 형성되지 않았다는 점에 유의한다.

도 1에 예시된 바와 같이, 상기 배기관(1)은 입구측 포크(10)에 배치되는 스위칭밸브(4)를 더 포함하여 이루어진다. 상기 스위칭밸브(4)는 배기가스유로를 주유로(11)와 바이패스유로(13) 사이에서 선택적으로 전환시킨다. 도면에 도시된 바와 같이, 스위칭밸브(4)가 바이패스유로(13)를 폐쇄시키면, 배기가스가 주유로(11)에서 단독으로 분배되고, 부유로(12)는 입구측 포크(10)에서 바이패스유로(13)와 연통된다. 다른 한편으로, 도 3에 예시된 바와 같이, 스위칭밸브(4)가 주유로(11)를 폐쇄시키면, 배기가스가 바이패스유로(13)에서 단독으로 분배되고, 부유로(12)는 입구측 포크(10)에서 주유로(11)와 연통된다.

더욱이, 상기 배기관(1)은 주유로(11)에 배치되는 공기공급밸브(5)를 더 포함하여 이루어진다. 상기 공기공급밸브(5)는 필터촉매(2)에 대한 배기가스유동의 하류측에 배치된다. 상기 공기공급밸브(5)는 컴프레서(50)가 생성하는 가압공기를 상기 필터촉매(2)의 출구 대향-단면을 향해 송풍시킨다.

또한, 상기 배기관(1)은 부유로(12)에 배치되는 오존공급밸브(6)를 더 포함하여 이루어진다. 상기 오존공급밸브(6)는 상기 DPF(3)에 대한 배기가스유동의 상류측에 배치된다. 상기 오존공급밸브(6)는 오존 제너레이터(60)가 생성하는 오존을 상기 DPF(3)의 입구 대향-단면을 향해 송풍시킨다.

상술된 바와 같이 배치되는 제1실시예에 따른 배기가스정화장치는 우선 도 1에 도시된 바와 같이 스위칭밸브(4)에 의해 폐쇄되는 부유로(12) 및 바이패스유로(13)에 의해 우선 사용된다. 이에 따라, 배기가스가 주유로(11)에서 단독으로 분배된다. 결과적으로, 배기가스 내의 PM이 필터촉매(2) 상으로 수집되고, 산화에 의 해 촉매코팅층(24)에 로딩되는 Pt에 의하여 상기 필터촉매(2) 상으로 수집된 다음 정화된다. 다른 한편으로, 연료-린 분위기의 배기가스에 관해서는, HC 및 CO가 산화에 의한 Pt에 의해 정화되고, NOx는 Li, Ba 및 K 안으로 흡수되며, 상기 NOx-흡수 부재들은 상기 촉매코팅층(24) 상에 로딩된다. 연료-린 분위기 배기가스가 연료를 상기 연료-린 분위기 배기가스 안으로 간헐적으로 공급하여 연료-리치 분위기 배기가스로 변하면, NOx-흡수 부재 내에 흡수된 NOx는 상기 촉매코팅층(24)으로부터 배출된 다음, 환원에 의하여 연료-리치 분위기 배기가스에 풍부하게 존재하는 HC 및 CO에 의해 정화된다.

본 명세서에서는, 저온의 배기가스가 장시간 동안 배기관(1) 안으로 유동하는 것을 유지하는 경우, 또는 배기가스가 연장된 시간 동안 환원 분위기에 유지되는 경우, 촉매코팅층(24)에 의해 이루어지는 산화에 의한 PM의 정화가 배기가스의 유동을 유지하지 못할 수도 있다는 점에 유의한다. 이러한 경우라면, PM이 필터촉매(2)의 구획벽 상에 침착되어, 배기가스의 압력 손실이 증가된다는 단점이 발생할 수도 있게 된다. 이 경우에는, 스위칭밸브(4)가 작동되어, 도 3에 예시된 바와 같이 바이패스유로(3)에서 단독으로 유동하도록 배기가스를 제어하게 된다. 따라서, 배기가스의 압력 손실이 높아지는 것을 막을 수 있게 된다.

또한, 상기 공기공급밸브(5)는 필터촉매(2)의 배기가스유동의 하류-단면을 향해, 즉 그 출구 대향-단면을 향해 가압공기를 송풍하도록 작동된다. 상기 가압공기는 출구셀(22), 구획벽(23) 및 입구셀(21)을 이 순서로 통과한 다음, 상기 필터촉매(2)의 배기가스유동의 상류-단면을 통해, 즉 그 입구 대향-단면을 통해 송풍된 다. 이 경우, 필터촉매(2)의 구획벽(23) 상에 침착된 PM이 가압공기와 함께 송풍되어, PM함유가스를 형성하게 된다. 따라서, 상기 필터촉매(2)가 PM 수집 능력을 복원시킨다.

상기 필터촉매(2)의 입구 대향-단면을 통해 유동하는 PM함유가스는 도 3의 점선 화살표로 표시된 바와 같이 부유로(12) 안으로 유동한다. 그 후, 상기 PM함유가스는 DPF(3)를 통과한 다음, 출구 포크(14)에서 배기관(1) 안으로 배출된다. 상기 PM함유가스가 DPF(3)를 통과하면, PM함유가스 내의 PM이 상기 DPF(3) 상에 수집된다. 더욱이, 이 때에는 오존공급밸브(6)도 작동된다. 이에 따라, DPF(3) 상에 수집된 PM은 상기 DPF(3) 상에서의 수집 이전에 산화에 의해 바로 제거되거나, 수집과 동시에 제거되거나 또는 수집 이후에 제거된다. 또한, 오존과 반응하는 NO, HC 및 CO와 같은 여타의 성분들이 상기 PM함유가스에 함유되지 않기 때문에, 이들 성분들이 공급되는 오존을 소모해 버리는 단점이 전혀 없게 된다. 더욱이, 상기 PM함유가스는 배기관(1) 안으로 유동하는 배기가스의 온도보다 낮은 온도를 가지기 때문에, 온도 상승으로 인하여 오존이 열적으로 분해되는 단점을 억제하는 것이 가능하게 된다.

또한, 공급되는 오존은 현저하게 높은 PM 산화 활성도를 나타내므로, 저온에서도 PM을 용이하게 산화시킬 수 있다. 이에 따라, 오존을 공급하기 위한 시간 주기가 단축될 수 있다. 결과적으로, 바이패스유로(13)에서 배기가스를 분배하기 위한 시간 주기도 단축될 수 있다. 전체적으로, 바이패스유로(13)에 배치되는 제2필터촉매(2') 상에 PM이 침착되기 전에 상술된 리사이클링 과정을 여러 번 실시하는 것이 가능하다.

(제2실시예)

하지만, 제1실시예에 따른 배기가스정화장치는 바이패스유로(13)에 배치되는 제2필터촉매(2') 상에 PM이 침착된다는 문제점을 겪을 수도 있어, 궁극적으로는 DPF(3)의 리사이클링 시 배기가스의 압력손실이 증가하게 된다.

그러므로, 본 발명의 제2실시예에 따른 배기가스정화장치는, 도 4에 예시된 바와 같이 제2공기공급밸브(5')를 더 포함하여 이루어진다. 도면에 도시된 바와 같이, 상기 제2공기공급밸브(5')는 상기 바이패스유로(13)에 배치되는 제2필터촉매(2')에 대한 배기가스유동의 하류측에 배치된다. 이에 따라, 상기 제2실시예에 따른 배기가스정화장치는 제2컴프레서(50')가 생성하는 가압공기를 상기 제2필터촉매(2')의 출구 대향-단부를 향해 상기 제2공기공급밸브(5')가 송풍하도록 배치된다.

또한, 제2실시예에 따른 배기가스정화장치는 중립 위치를 취하도록 배치되는 스위칭밸브(4)를 더 포함하여 이루어진다. 즉, 상기 중립 위치에서, 상기 스위칭밸브(4)가 주유로(11) 및 바이패스유로(13) 양자 모두를 개방시킬 수 있다. 또한, 제2실시예에 따른 배기가스정화장치는 배기관(1)의 출구측 포크(14)에 배치되는 3웨이밸브(40)를 더 포함하여 이루어진다. 상기 3웨이밸브(40)는 주유로(11), 부유로(12) 및 바이패스유로(13)의 출구 개구들 중 하나를 선택적으로 폐쇄시킬 수 있다.

이렇게 배치된 제2실시예에 따른 배기가스정화장치는 3가지 상태, 즉 도 4에 예시된 바와 같이, 주유로(11)에서 필터촉매(2) 상에 그리고 바이패스유로(13)에서 제2필터촉매(2') 상에 PM을 수집하는 상태; 도 5에 예시된 바와 같이, 주유로(11)에서 필터촉매(2)를 복원시키는 상태; 및 도 6에 예시된 바와 같이, 바이패스유로(13)에서 제2필터촉매(2')를 복원시키는 상태가 되도록 제어된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 주유로(11)에서 필터촉매(2) 상에 그리고 바이패스유로(13)에서 제2필터촉매(2') 상에 PM을 수집하는 상태에서는, 상기 스위칭밸브(4)가 상기 주유로(11) 및 바이패스유로(13) 양자 모두를 개방시키는 중립 위치가 놓여지고; 상기 3웨이밸브(40)는 부유로(12)의 출구 개구를 폐쇄시킨다. 이에 따라, 배기가스가 주유로(11) 및 바이패스유로(13) 양자 모두로 유동한다. 결과적으로, 상기 필터촉매(2) 및 제2필터촉매(2')가 배기가스 내의 PM을 수집하여 배기가스를 정화하게 된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 주유로(11)에서 필터촉매(2)를 복원시키는 상태에서는, 상기 스위칭밸브(4)가 작동되어 상기 주유로(11) 및 부유로(12)를 폐쇄시키게 된다. 이에 따라, 배기가스는 바이패스유로(13)에서 단독으로 유동한다. 더욱이, 상기 3웨이밸브(40)는 상기 주유로(11)의 출구 개구를 폐쇄시킨다. 그 후, 상기 공기공급밸브(5) 및 오존공급밸브(6)가 작동된다. 결과적으로, 상기 필터촉매(2)가 PM 수집 능력을 복원시킨다. 이와 동시에, 공급되는 오존이 산화에 의해 부유로(12)에서 DPF(3) 상에 수집되는 PM을 제거한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 바이패스유로(13)에서 제2필터촉매(2')를 복원시키는 상태에서는, 상기 스위칭밸브(4)가 작동되어 상기 부유로(12) 및 바이패스유 로(13)를 폐쇄시키게 된다. 이에 따라, 배기가스는 주유로(11)에서 단독으로 유동한다. 더욱이, 상기 3웨이밸브(40)는 바이패스유로(13)의 출구 개구를 폐쇄시킨다. 그 후, 상기 제2공기공급밸브(5') 및 오존공급밸브(6)가 작동된다. 결과적으로, 상기 제2필터촉매(2')는 PM 수집 능력을 복원시킨다. 이와 동시에, 공급되는 오존은 산화에 의해 부유로(12)에서 DPF(3) 상에 수집되는 PM을 제거한다.

제2실시예에 따른 배기가스정화장치가 상술된 바와 같이 3가지 상이한 모드로 제어되면, 상기 필터촉매(2) 또는 제2필터촉매(2')의 전방에 그리고 그 후방에 배치되는 압력센서들이 상기 필터촉매(2) 또는 제2필터촉매(2')를 리사이클 모드가 되도록 하는 것을 가능하게 한다. 즉, 상기 필터촉매(2) 또는 제2필터촉매(2')에서의 배기가스의 압력손실이 상기 압력센서들에 의해 소정값보다 큰 상황들을 검출할 때, 제2실시예에 따른 배기가스정화장치가 상기 필터촉매(2) 또는 제2필터촉매(2')의 리사이클링 모드에서 작동된다. 더욱이, 상기 필터촉매(2) 또는 제2필터촉매(2')의 리사이클링 모드에서 제2실시예에 따른 배기가스정화장치를 작동시키기 위하여, 엔진의 회전속도 및 토크로부터 PM의 생성량을 예측하는 것이 가능하다. 즉, PM의 예측된 생성량이 소정의 임계값을 초과하는 상황들을 검출할 때, 상기 필터촉매(2) 또는 제2필터촉매(2')가 리사이클링된다. 대안적으로는, 차량의 이동 거리가 소정값보다 큰 상황들을 검출할 때, 상기 필터촉매(2) 또는 제2필터촉매(2')가 간단히 리사이클링될 수 있다.

제2실시예에 따른 배기가스정화장치에 의해 얻어지는 장점들을 조사하기 위하여 다음과 같은 실험이 실시되었다.

무엇보다도, 2 L 변위 직접분사식 디젤 엔진의 배기매니폴드가 제2실시예에 따른 배기가스정화장치의 배기관(1)의 배기가스유동의 상류단에 연결되었다. 그 후, 상기 디젤 엔진의 회전 속도와 출력 토크가 제어되어, 배기가스의 온도가 제2실시예에 따른 배기가스정화장치 내의 배기관(1)의 입구측 포크(10)에서 250℃ 또는 350℃가 되었다. 따라서, 제2실시예에 따른 배기가스정화장치는 상기 장점들을 평가하기 위하여 2가지 동작 조건들 하에 작동되었다. 이렇게 운전하고 있는 디젤 엔진로부터 배출된 PM의 생성량은 시간 평균으로 1.0 g/hr 또는 4.0 g/hr 이었다.

우선, 제2실시예에 따른 배기가스정화장치는 디젤 엔진을 100 km 운전하는 것과 등가인 시간 주기 동안 도 4에 도시된 PM을 수집하는 모드로 작동되었다. 후속해서, 제2실시예에 따른 배기가스정화장치는 5분 동안 도 5에 도시된 필터촉매(2)를 리사이클링하는 모드로 작동되었다. 이 경우, 상기 공기공급밸브(5)는 대략 5 m³ 정도의 양으로 공기를 공급하였으며, 상기 오존공급밸브(6)는 대략 6 g 정도의 양으로 오존을 공급하였다. 그런 다음, 제2실시예에 따른 배기가스정화장치는 디젤 엔진을 100 km 운전하는 것과 등가인 시간 주기 동안 도 4에 도시된 PM을 수집하는 모드에서 추가로 작동되었다. 그 후, 제2실시예에 따른 배기가스정화장치는 5분 동안 도 6에 도시된 제2필터촉매(2')를 리사이클링하는 모드에서 추가로 작동되었다. 이 경우에도, 상기 제2공기공급밸브(5')는 대략 5 m³ 정도의 양으로 공기를 공급하였으며, 상기 오존공급밸브(6)는 대략 6 g 정도의 양으로 오존을 공급하였다.

제2실시예에 따른 배기가스정화장치가 디젤 엔진을 3,000 km 운전하는 것과 등가인 시간 주기 동안 작동될 때까지, 일련의 상술된 동작들이 반복되었다. 이 때, 제2실시예에 따른 배기가스정화장치의 배기가스의 압력손실 및 PM 변환량이 측정되었다. 아래 표 1은 그 결과들을 나타낸다. 상기 PM 변환량은 필터촉매(2), 제2필터촉매(2') 및 DPF(3)의 중량 증분으로부터 잔류 PM 침착량을 구하고, 상기 디젤 엔진으로부터 배출되는 PM의 생성량에 대한 결과적인 잔류 PM 침착량의 비를 계산하여 결정되었다. 더욱이, 상기 배기가스의 압력손실은, 반복 작동 시 그 최대 배기가스의 압력손실을 측정하기 위하여, 제2실시예에 따른 배기가스정화장치 전체에서의 배기가스의 압력을 일정하게 모니터링하여 결정되었다.

(제1비교예)

도 7은 제1비교예에 따른 배기가스정화장치를 예시하고 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 제1비교예에 따른 배기가스정화장치는 배기관(1), 필터촉매(2) 및 오존공급밸브(6)를 포함하여 이루어진다. 상기 필터촉매(2)는 그것이 3 L의 부피를 가진다는 것을 제외하고는, 제1실시예에 따른 배기가스정화장치의 필터촉매(2)와 동일한 방식으로 배치된다. 상기 오존공급밸브(6)는 상기 필터촉매(2)에 대한 배기가스유동의 상류측의 상기 배기관(1)에 배치되고, 오존 제너레이터(60)에 연결되어 있다.

이렇게 구성된 제1비교예에 따른 배기가스정화장치는 제2실시예와 동일한 방식으로 2 L 변위 직접분사식 디젤 엔진의 배기시스템에 배치되었다. 제1비교예에 따른 배기가스정화장치를 이용하여, 상기 디젤 엔진으로부터 배출되는 배기가스가 정화되었다. 제1비교예에 따른 배기가스정화장치는, 오존공급밸브(6)가 디젤 엔진을 100 km 운전하는 것과 등가인 매 시간 주기로 대략 5분 동안 반복해서 6 g 정도의 양으로 오존을 공급하도록 작동되었다는 점에 유의한다. 그 후, 제1비교예에 따른 배기가스정화장치는 디젤 엔진을 3,000 km 운전하는 것과 등가인 시간 주기 동안 상기 방식으로 작동되었다. 이 때, 제1비교예에 따른 배기가스정화장치의 배기가스의 압력손실 및 PM 변화량이 측정되었다. 아래 표 1은 이 결과들을 보여주고 있다.

(제2비교예)

제2교예에 따른 배기가스정화장치는 그것이 오존 제너레이터(60)에 연결되는 오존공급밸브(6) 대신에 압축연료첨가장치에 연결되는 연료첨가밸브를 포함하여 이루어지는 것을 제외하고는, 제1비교예에 따른 배기가스정화장치와 동일한 방식으로 배치된다.

이렇게 구성된 제2비교예에 따른 배기가스정화장치는 제2실시예와 동일한 방식으로 2 L 변위 직접분사식 디젤 엔진의 배기시스템에 배치되었다. 제2비교예에 따른 배기가스정화장치를 이용하여, 상기 디젤 엔진으로부터 배출되는 배기가스가 정화되었다. 제2비교예에 따른 배기가스정화장치는, 연료첨가밸브가 디젤 엔진을 100 km 운전하는 것과 등가인 매 시간 주기로 대략 5분 동안 반복해서 대략 5% 정도의 마일리지 등급저하 비와 등가인 양으로 연료(예컨대, 경유)를 첨가하도록 작동되었다. 상기 연료첨가량은 대략 6 g 정도의 양으로 오존을 생성하는 데 필요한 에너지량과 등가였다는 점에 유의한다. 그 후, 제2비교예에 따른 배기가스정화장치 는 디젤 엔진을 3,000 km 운전하는 것과 등가인 시간 주기 동안 상기 방식으로 작동되었다. 이 때, 제2비교예에 따른 배기가스정화장치의 배기가스의 압력손실 및 PM 변화량이 측정되었다. 아래 표 1은 이 결과들을 보여주고 있다. 상기 연료첨가가 제2비교예에 따른 배기가스정화장치 내의 필터촉매(2)의 촉매층 온도를 증가시켜, PM의 산화가 촉진되었다는 점에 유의한다.

(평가)

	250℃ 입구 배기가스		300℃ 입구 배기가스
	PM 변환량(%)	배기가스의 압력손실(kPa)	PM 변환량(%)	배기가스의 압력손실(kPa)
제2실시예	77	7	92	5
제1비교예	68	15	49	20
제2비교예	25	32	59	18

표 1로부터, 입구 배기가스의 온도가 250℃ 또는 350℃로 설정된 두 동작 조건들 하에, 제2실시예에 따른 배기가스정화장치가 제1비교예 및 제2비교예에 따른 배기가스정화장치에 의해 나타낸 PM 변환량보다 높은 PM 변환량을 나타내고, 보다 낮은 배기가스의 압력손실을 보였다는 것이 명백하다.

다른 한편으로, 제1비교예에 따른 배기가스정화장치는, 입구 배기가스의 온도가 250℃일 때에는 비교적 높은 PM 변환량을 나타내지만, 입구 배기가스의 온도가 350℃일 때에는 저하된 PM 변환량을 보였다. 이러한 단점은 그 입구 온도가 350℃인 배기가스 내에 오존이 첨가될 때 열분해가 첨가된 오존을 소비하거나, 또는 첨가된 오존이 배기가스 내의 성분들과 반응하였다는 사실에 기인한다고 본다. 또한, 상기 입구 배기가스의 온도가 250℃이면, 제1비교예에 따른 배기가스정화장치는 제2실시예에 따른 배기가스정화장치에 의해 나타낸 것보다 낮은 PM 변환량을 나타내었다. 이러한 보다 낮은 PM 변환량은, 필터촉매(2)에 포함된 세리아에 의해 첨가된 오존의 분해에 기인하거나 또는 배기가스 내의 성분들과 첨가된 오존의 반응에 기인할 수 있다고 본다.

또한, 제2비교예에 따른 배기가스정화장치는, 연료 첨가에 의해 PM의 산화를 촉진시키도록 필터촉매(2)의 촉매층 온도를 증가시켰다. 하지만, 제2비교예에 따른 배기가스정화장치가 입구 배기가스의 온도가 350℃일 때 소정의 크기로 PM 변환량을 생성하였을지라도, 상기 입구 배기가스의 온도가 250℃일 때에는 급격하게 저하된 PM 변환량을 나타내었다는 점에 유의한다. 이는 연료가 점화되기 쉽지 않아, 연료 첨가가 입구 배기가스의 온도가 250℃일 때 상기 필터촉매(2)의 촉매층 온도를 높이는 데 기여하지 못한 것으로 본다. 또한, 이러한 단점의 결과로서, PM이 촉매요소가 효과적으로 작용하는 것을 방해할 정도의 많은 양으로 필터촉매(2) 상에 침착되었다.

상술된 바와 같이, 제2실시예에 따른 배기가스정화장치는 배기가스의 압력손실이 증가되는 것을 억제할 수 있다. 더욱이, PM의 침착에 기인하는 필터촉매(2)의 촉매 활성도의 저하를 억제할 수도 있다. 또한, PM의 산화를 최대로 얻는 첨가된 오존을 구비할 수도 있다.

본 발명에 따른 배기가스정화방법 및 상기 배기가스정화방법을 이용하는 본 발명에 따른 배기가스정화장치는, 디젤 엔진과 같은 내연기관으로부터 배출되는 배 기가스의 정화에 적용될 수 있으며, 특히 PM을 함유하는 배기가스의 정화에 적용될 수 있다. 더욱이, 본 발명에 따른 배기가스정화방법 및 본 발명에 따른 배기가스정화장치는 오존과 같은 산화제를 이용하여, 산화에 의해 매우 효율적으로 PM을 정화시킬 수도 있다.

Claims

배기가스정화방법에 있어서,

배기가스 내의 입자상물질(이하, 줄여서 "PM"이라고 함)을 필터를 이용하여 수집하는 단계;

가압가스를 상기 필터 상으로 송풍하여, 상기 필터 상에 수집되는 PM을 강제적으로 배출시킴으로써, PM함유가스를 생성하는 단계; 및

상기 PM함유가스와 산화제를 접촉시켜, 상기 PM함유가스 내에 함유된 PM을 정화시킴으로써, 산화에 의하여 상기 PM함유가스로부터 PM을 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스정화방법.
제1항에 있어서,

상기 배기가스는 소정의 온도를 가지고, 상기 가압가스는 상기 배기가스의 소정의 온도보다 낮은 온도를 가지며,

상기 산화제는 오존을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스정화방법.
제1항에 있어서,

상기 PM을 강제적으로 배출시키는 단계는,

상기 필터에 대한 배기가스유동의 하류측으로부터 배기가스유동의 상류측으 로 가압공기를 공급하는 단계;

상기 생성된 PM함유가스를 서브필터로 공급하여, 상기 서브필터 상에 PM을 수집하는 단계; 및

상기 서브필터를 향해 산화제를 공급하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스정화방법.
제2항에 있어서,

상기 가압가스는 실온 내지 300℃의 범위 내에 있는 온도를 가지는 것을 특징으로 하는 배기가스정화방법.
상기 가압가스는 0.2 내지 15 Pa의 압력으로 압축되는 것을 특징으로 하는 배기가스정화방법.
제1항에 있어서,

상기 가압가스는 1 내지 20분의 시간 주기 동안 공급되는 것을 특징으로 하는 배기가스정화방법.
제1항에 있어서,

상기 산화제는 1 내지 20분의 시간 주기 동안, 1 내지 30 g/min의 유량으로 공급되는 것을 특징으로 하는 배기가스정화방법.
배기가스정화장치에 있어서,

PM을 수집하기 위한 필터를 구비한 주유로;

PM함유가스로서, 상기 필터에 대한 배기가스유동의 하류측으로부터 배기가스유동의 상류측으로 가압가스를 공급하고, 상기 필터 상에 수집되는 PM을 상기 필터에 대한 배기가스유동의 상류측으로 송풍하기 위한 역류장치;

상기 필터에 대한 배기가스유동의 상류측에 배치되고, 상기 주유로로부터 분기되어 연장되며, PM을 필터링하기 위한 서브필터를 구비하고, 상기 역류장치가 구동될 때 상기 PM함유가스를 유통시킬 수 있는 부유로;

상기 서브필터에 대한 배기가스유동의 상류측에 배치되어, 상기 부유로에 산화제를 공급하기 위한 산화제공급수단;

상기 필터에 대한 배기가스유동의 상류측에 배치되고, 상기 주유로로부터 분기되어 연장되며, 상기 역류장치가 구동될 때 배기가스를 유통시킬 수 있는 바이패스유로; 및

상기 배기가스의 유동을 상기 주유로로부터 상기 바이패스유로로, 또는 그 역으로 전환하기 위한 스위칭밸브를 포함하여 이루어지고,

상기 역류장치가 구동될 때, 상기 스위칭밸브는 상기 배기가스를 상기 주유로로부터 상기 바이패스유로로 추가로 유도하고; 상기 필터에 대한 상기 배기가스유동의 상류측으로 송풍된 상기 PM함유가스 내에 함유된 PM이 상기 부유로에서 유동하여 상기 서브필터 상으로 수집되며; 상기 산화제공급수단으로부터 공급되는 산 화제는 산화에 의하여 상기 서브필터 상에 수집된 PM을 제거하는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
제8항에 있어서,

상기 바이패스유로에 배치되어, 상기 필터 및 상기 역류장치와 동일한 방식으로 동작하는 제2필터 및 제2역류장치를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
제9항에 있어서,

상기 부유로에 대한 배기가스유동의 하류측에 배치되어, 상기 부유로를 개폐하기 위한 개폐밸브를 더 포함하여 이루어지고,

상기 배기가스는, 상기 개폐밸브가 상기 부유로를 폐쇄할 때, 상기 주유로와 상기 바이패스유로 양자 모두에서 유동하는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
제8항에 있어서,

상기 필터는 촉매코팅층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
제8항에 있어서,

상기 역류장치는, 실온 내지 300℃의 범위 내에 있는 온도를 가지는 가압가 스를 공급하는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
상기 역류장치는, 상기 가압가스를 0.2 내지 15 MPa의 압력으로 압축하는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
제8항에 있어서,

상기 역류장치는, 상기 가압가스를 1 내지 20분의 시간 주기 동안 공급하는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.
제8항에 있어서,

상기 산화제공급수단은, 상기 산화제를 1 내지 20분의 시간 주기 동안, 1 내지 30 g/min의 유량으로 공급하는 것을 특징으로 하는 배기가스정화장치.