KR20080026175A - 산화 질소 저장 촉매 변환기 재생 방법 - Google Patents

산화 질소 저장 촉매 변환기 재생 방법 Download PDF

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Abstract

린-번 엔진의 배기 가스를 정화하기 위한 산화 질소 저장 촉매 변환기는 내연기관을 린-번 모드에서 리치-번 모드로 전환함으로써 간헐적으로 재생된다. 재생이 일어난 후에, 내연기관은 다시 린-번 모드로 전환된다. 이때, 풍부한 배기 가스는 내연기관으로부터 촉매 변환기로 여전히 배기 라인에서 유동하며, 풍부한 배기 가스는 촉매 변환기를 경유하여 다음의 희박한 배기 가스에 의해서 환경으로 배출된다. 이는 풍부한 배기 가스 성분의 짧은 방출 피크에 이르게 되고, 달성될 수 있는 배기 가스 세정의 레벨을 손상시킨다. 상기 문제점을 해결하기 위해, 저장 촉매 변환기의 배기 가스 상류에 여전히 유동하는 풍부한 배기 가스 성분이 유해하지 않은 생산물을 형성하도록 저장 촉매 변환기에서 전환될 수 있도록 저장 촉매 변환기의 공기 상류를 분사함으로써 산화 상태를 생성하는 것이 제안된다. 제안된 방법은 특히, 촉매 변환기가 노후화로 인해 그 저장 용량면에서 이미 손상되고 신규한 촉매 변환기보다 더욱더 자주 현저하게 재생되어야만 하는 경우에 배기 가스 정화에서 상당한 향상에 이를 수 있다.
배기 라인, 공기비, 보조 공기 펌프, 밸브, 압축 공기 스토어

Description

산화 질소 저장 촉매 변환기 재생 방법{METHOD FOR REGENERATING NITROGEN OXIDE STORAGE CATALYSTS}
본 발명은 다시 저장 모드로 전환할 때 재생 동안 일반적으로 발생하는 탄화수소와 일산화탄소의 짧은 방출 피크(peak)를 감소하는 산화 질소 저장 촉매 변환기(catalytic converter)의 재생 방법에 관한 것이다. 이 방법은 노후화로 인해 이미 손상되고 새로운 촉매 변환기보다 자주 재생되어야 하는 촉매 변환기의 경우에 특히 유리하다.
산화 질소 저장 촉매 변환기는 소위 린-번(lean-burn) 엔진의 희박한 배기 가스(lean exhaust gas)에 함유된 산화 질소를 제거하기 위해 사용된다. 여기서, 정화 효과는 내연기관의 린-번 작동 단계(저장 단계, 린-번 모드)에서, 산화 질소는 질산염 형태로 저장 촉매 변환기의 저장 재료에 의해서 저장되는 사실에 기초한다. 내연기관의 후속하는 리치-번(rich-burn) 작동 단계(재생 단계, 리치-번 모드)에서, 이미 형성된 질산염은 분해되고, 배출된 산화 질소는 리치-번 모드 동안 질소, 이산화탄소 및 물을 형성하는 저장 촉매 변환기에서 환원 작용을 갖는 배기 가스의 풍부한 성분으로 전환된다. 배기 가스의 풍부한 성분은 탄화수소, 일산화탄소 그리고 수소를 포함한다.
산화 질소 저장 촉매 변환기의 작동 모드는 SAE 950809에 자세하게 기술되어 있다. 산화 질소 저장 촉매 변환기의 조성물은 당업자에게 충분하게 공지되어 있다. 일반적으로 산화 질소 저장 재료는 예를 들어 산화물, 수산화물 또는 미세하게 분배된 형태로 적절한 지지 재료에 적용되는 바륨 및 스트론튬(strontium)의 탄산염과 같은 알칼리, 또는 알칼리토 금속의 알칼리성 화합물이다. 추가로, 또한 산화 질소 저장 촉매 변환기는 플래티넘 그룹의 촉매 활성 귀금속과 산소 저장 재료를 갖는다. 상기 조성물은 산화 질소 촉매 변환기에 화학량론적(stoichiometric) 작동 상태하에서 3방향 촉매 변환기의 기능을 부여한다.
저장 단계(린-번 모드)는 보통 100초 내지 200초 지속되고 촉매 변환기의 저장 용량과 배기 가스내 산화 질소의 농축에 의존한다. 감소된 저장 용량을 갖춘 노후된 촉매 변환기의 경우에, 그러나 또한 저장 단계의 지속 시간은 50초 이하로 떨어질 수 있다. 대조적으로, 재생 단계(리치-번 모드)는 항상 현저하게 보다 짧으며 단지 수 초간 지속된다. 재생 동안 산화 질소 저장 촉매 변환기로부터 나오는 배기 가스는 실질적으로 오염물질이 없으며, 화학량론적 조성물이다. 공기비(air ratio) λ는 상기 시간 동안 대략 1이다.
재생 단계의 종료에서, 배출된 산화 질소 및 촉매 변환기의 산소 저장 구성성분에 부착된 산소는 더 이상 모든 풍부한 가스 성분을 충분하게 산화시키지 못한다. 그러므로 촉매 변환기를 통한 상기 성분의 누출(breakthrough)이 존재하며, 공기비는 1 보다 작은 값으로 떨어진다. 상기 누출은 재생의 종료를 나타내고 저장 촉매 변환기 하류에 있는 소위 람다 프로브(lambda probe)에 의해 등록될 수 있 다.
그러므로 저장 촉매 변환기의 재생은, 내연기관과 저장 촉매 변환기 사이의 배기 라인이 보통 유한한 길이를 갖는 효과에 의해 더욱더 강화된 탄화수소 및 일산화탄소의 짧은 방출 피크와 필연적으로 연계된다. 리치-번 모드로부터 린-번 모드로의 전환 동안, 전체 배기 라인은 내연기관의 현재 희박한(now-lean) 배기 가스에 의한 전환 후에 촉매 변환기를 경유하여 환경내로 배출되는 풍부한 배기 가스로 여전히 채워진다. 사전에 저장된 산화 성분은 리치-번 모드 동안 이미 소모되었기 때문에, 촉매 변환기는 상기 풍부한 배기 가스의 잔류 부분을 더 이상 정화시킬 수 없다. 그러므로, 재생의 종료에서 결과적인 탄화수소 및 일산화탄소의 강화된 방출 피크가 존재한다.
본 발명의 목적은 방출 피크를 감소시킬 수 있는 방법을 구체화하고, 특히 이미 노후화된 저장 촉매 변환기의 경우 전체적으로 향상된 배기 가스 정화를 허용하는 것이다.
상기 목적은 희박한 배기 가스의 린-번 모드에서 풍부한 배기 가스의 리치-번 모드로 내연기관을 전환하고 재생이 일어난 후에 다시 린-번 모드로 전환함으로써, 린-번 엔진의 배기 라인에 배치된 산화 질소 저장 촉매 변환기의 재생 방법에 의하여 달성된다. 상기 방법은 다시 린-번 모드로의 전환 상태에서, 공기는 상기 저장 촉매 변환기의 상류에서 배기 가스 내로 직접 분사되어, 내연기관의 현재의 희박한 배기 가스가 상기 저장 촉매 변환기에 도달할 때까지, 임시적으로 여전히 풍부한 배기 가스 조성물이 화학량론적 조성물 또는 희박한 조성물로 변화되는 것을 특징으로 한다.
배기 라인내로 공기의 임시 분사는 예를 들어, 배기 라인의 상류에 배치된 산화 질소 저장 촉매 변환기와 SOX 저장 촉매 변환기로 구성된 린-번 엔진을 위한 배기 가스 정화 시스템을 기술하고 있는 DE 198 02 631 C1으로부터 이미 공지되어 있다. 상기 문서에서, 추가 공기가 SOX 촉매 변환기의 온도를 탈황처리의 목적으로 탈황 온도로 증가시키기 위해 이용된다. 상기 추가 공기의 산소는 환원 배기 가스 조성물을 유지하면서, 열에너지의 배출과 함께 SOX 촉매 변환기에서 배기 가스의 환원 성분의 일부로 변환된다. 상기 추가 공기의 분사는 린-번 모드에서 리치-번 모드로 내연기관을 전환하며 개시된다.
본 발명에 따라, 대조적으로, 리치-번 모드에서 린-번 모드로의 전환 후에 내연기관과 촉매 변환기 사이의 배기 라인에 여전히 유동중인 풍부한 배기 가스의 조성물은, 저장 촉매 변환기가 산소와 함께 배기 가스내 함유된 환원 성분을 변환할 수 있도록 분사 공기에 의해서 화학량론적 또는 초화학량론적(superstoichiometric)인 희박한 범위 내로 이동한다. 그러므로 리치-번 모드에서 린-번 모드로의 전환시에 불가피하게 발생하는 환원 배기 가스 성분의 방출 피크는 최소 요구 레벨로 감소된다.
공기 분사의 지속 시간은 내연기관과 촉매 변환기 사이의 배기 가스의 가동 시간(running time)에 의존하고, 배기 라인의 길이, 내연기관 각각의 작동 지점에서의 배기 가스의 유속에 기인한다. 배기 가스내로 분사된 공기의 양은 저장 촉매 변환기내로 유입되는 배기 가스 상류의 공기비를 화학량론적 또는 초화학량론적, 희박한 범위로 이동시켜야 한다. 공기 분사의 세기는, 결과적인 가스 혼합이 1과 같거나 1보다 큰, 특히 1과 1.3 사이, 특히 바람직하게는 1과 1.05 사이의 공기비 λ를 갖도록 치수설정되는 것이 바람직하다. 지나치게 강렬한 공기 분사는 차가운 공기에 의해 가능한 한 낮게 배기 가스의 냉각을 유지하기 위해 방지되어야 한다.
본 발명은 도 1과 도 2를 근거로 하여 보다 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 배기 가스 정화 시스템과 보조 공기 공급부를 갖는 내연기관을 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 배기 가스 정화 시스템과 다른 보조 공기 공급부를 갖는 내연기관을 도시한 도면.
도 1에서, 내연기관(1)은 산화 질소 저장 촉매 변화기를 갖춘 변환기 하우징(3)을 포함하는 배기 가스 정화 시스템(2)을 구비한다. 변환기 하우징은 배기 라인(4) 및 배기 매니폴드(manifold)에 의해서 내연기관의 실린더에 연결된다. 공기 분사를 위해, 산화 질소 저장 촉매 변환기 상류에서 짧은 거리(short distance)에 걸쳐, 보조 공기 펌프(5)가 제공된다. 공기 공급 라인(6)은 산화 질소 저장 촉매 변환기의 경간 상류를 배기 시스템내로 개방한다. 개방 지점(opening-out point)은 변환기 하우징 상류에서 짧은 거리에 위치할 수 있거나, 또는 변환기 하 우징내로 직접 일어날 수 있다. 계량 밸브(7)는 정시 및 정량의 공기 분사를 계량하도록 작용한다.
이미 논의된 바와 같이, 저장 촉매 변환기의 재생은 단지 수 초간 지속되고, 내연기관의 실린더와 저장 촉매 변환기 사이의 배기 라인에서 뒤따르는 희박한 배기 가스에 의한 풍부한 잔류 배기 가스의 배출은 1초의 몇 분의 1 이후에 종료된다. 공기의 신속한 공급을 보장하기 위해, 그러므로 보조 공기 펌프를 연속하여 작동하고 밸브에 의해서 정시에 공기의 계량을 수행하는 것이 적절하다. 그러나 재생 단계의 시점에서만 보조 공기 펌프를 항상 시동하고 그리고 마찬가지로 밸브에 의해 공기의 계량을 수행하는 것이 보다 에너지를 절약할 수 있다. 공기 분사의 차단 후에, 보조 공기 펌프 또한 다시 정지된다.
도 2에서, 내연기관은 대안의 보조 공기 공급부를 구비한다. 상기 장치에서, 공기 분사를 위한 공기가 밸브(6)를 경유하여 추출되는 압축 공기 스토어(store ; 8)가 제공된다. 압축 공기 스토어의 압축은 보조 공기 펌프에 의해 미리 정해진 압력 간격으로 유지된다. 보조 공기 펌프는 스토어의 압력이 하부 제한값 아래로 떨어질 때 항상 시동되고, 압력이 미리 정해진 상부 제한값을 초과할 때 차단된다. 이러한 방식으로, 보조 공기 펌프의 시동 공정은 재생 단계로부터 분리되고, 시동 공정의 수는 도 1의 장치에 대해 전체적으로 감소된다.

Claims (8)

  1. 희박한 배기 가스의 린-번 모드에서 풍부한 배기 가스의 리치-번 모드로 내연기관을 전환하고 재생이 일어난 후에 다시 린-번 모드로 전환함으로써, 린-번 엔진의 배기 라인에 배치된 산화 질소 저장 촉매 변환기의 재생 방법으로서,
    다시 린-번 모드로의 전환 상태에서, 공기는 상기 저장 촉매 변환기의 상류에서 배기 가스 내로 직접 분사되어, 내연기관의 현재의 희박한 배기 가스가 상기 저장 촉매 변환기에 도달할 때까지, 임시적으로 여전히 풍부한 배기 가스 조성물이 화학량론적 조성물 또는 희박한 조성물로 변화되는 것을 특징으로 하는 산화 질소 저장 촉매 변환기의 재생 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    배기 가스 내로 분사된 공기의 양은 결과물인 가스 혼합이 1이거나 또는 1보다 큰 공기비 λ를 갖도록 치수설정되는 것을 특징으로 하는 산화 질소 저장 촉매 변환기의 재생 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    배기 가스 내로 분사된 공기의 양은 결과물인 가스 혼합이 1과 1.05 사이의 공기비 λ를 갖도록 치수설정되는 것을 특징으로 하는 산화 질소 저장 촉매 변환기의 재생 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    필요한 공기는 보조 공기 펌프(5)에 의해서 공급되며, 밸브(7)에 의해서 정시 정량으로 배기 가스에 혼합되는 것을 특징으로 하는 산화 질소 저장 촉매 변환기의 재생 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 보조 공기 펌프는 연속적으로 작동되는 것을 특징으로 하는 산화 질소 저장 촉매 변환기의 재생 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 보조 공기 펌프는 리치-번 모드의 종료 전에 단지 짧게 시동되며, 공기의 배기 가스로의 공급이 종료 후에 다시 차단되는 것을 특징으로 하는 산화 질소 저장 촉매 변환기의 재생 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 보조 공기 펌프는 리치-번 모드의 개시 시점에 시동되는 것을 특징으로 하는 산화 질소 저장 촉매 변환기의 재생 방법.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 보조 공기 펌프는 공기를 압축 공기 스토어(8)로 공급하고, 공기는 상기 밸브(7)를 경유하여 공기 분사를 위해 상기 스토어로부터 추출되는 것을 특징으로 하는 산화 질소 저장 촉매 변환기의 재생 방법.
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