KR20080045912A

KR20080045912A - 디젤엔진의 입자상물질과 질소산화물 저감을 위한 정화장치

Info

Publication number: KR20080045912A
Application number: KR1020060115167A
Authority: KR
Inventors: 이진하
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-11-21
Filing date: 2006-11-21
Publication date: 2008-05-26
Also published as: KR100836367B1; CN101187326A; DE102006062085A1; US20080115485A1

Abstract

본 발명은 질소산화물 흡장촉매의 재생시 후분사되는 연료로부터 환원제를 생성하여 이를 통해 질소산화물 흡장촉매에 대한 재생을 실시함으로써, 질소산화물(NOx)의 보다 안정된 정화기능을 구현을 도모할 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 디젤엔진의 배기관로에 설치되어 입자상물질(PM)을 포집하는 디젤매연 촉매여과필터(CPF)와; 상기 디젤매연 촉매여과필터(CPF)에 포집된 입자상물질(PM)의 양을 검출하는 차압센서; 상기 배기관로에 설치되는 후분사용 인젝터; 상기 후분사용 인젝터에서 분사되는 연료를 분해하는 디젤연료분해촉매(DFC); 상기 디젤연료분해촉매(DFC)에서 생성된 환원제를 매개로 내부에 축적된 질소산화물(NOx)을 환원처리하여 제거하는 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst); 상기 배기관로중에 설치되어 질소산화물(NOx)의 양을 검출하는 감지센서 및; 상기 차압센서를 매개로 상기 디젤매연 촉매여과필터(CPF)의 재생시점을 판단하여 연료의 후분사량을 조절하고, 상기 감지센서를 매개로 상기 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)의 재생시점을 판단하여 연료의 후분사량을 조절하는 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

디젤엔진의 입자상물질과 질소산화물 저감을 위한 정화장치{purification device for diminishing PM and NOx of diesel engine}

도 1은 본 발명에 따른 디젤엔진의 입자상물질과 질소산화물 저감을 위한 정화장치의 구성을 도시한 도면.

도 2는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 도면.

본 발명은 디젤엔진의 배기가스중 포함된 입자상물질과 질소산화물을 저감시킬 수 있는 정화장치에 관한 것이다.

종래 디젤엔진의 배기가스중 포함된 입자상물질과 질소산화물을 동시에 저감하는 정화장치는 배기관로에 디젤매연 촉매여과필터(CPF)와 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst) 및 디젤산화촉매(DOC)를 순차적으로 설치하고, 상기 디젤매연 촉매여과필터(CPF)의 전방측 배기관로상에 배기관로로부터 분기된 보조배기관로를 설치하며, 상기 보조배기관로에 개폐밸브와 2차 분사계 및 디젤연료분해촉매(DFC) 를 설치하는 한편, 상기 보조배기관로의 출구는 상기 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)의 전방에 위치되는 구조로 이루어진다.

이 경우, 상기 디젤매연 촉매여과필터(CPF)의 전/후단에는 내부에 축적된 입자상물질(PM)의 양을 검출하기 위한 차압센서가 설치되고, 상기 디젤산화촉매(DOC)의 후단에는 배기가스중 질소산화물(NOx)의 농도를 검출하는 질소산화물 검출센서가 설치된다.

그런데, 상기와 같은 종래 정화장치에서는 디젤연료분해촉매(DFC)를 이용하여 연료를 분해하여 환원제를 생성하고, 생성된 환원제를 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)에 공급하였는 데, 상기 디젤연료분해촉매(DFC)는 배기가스의 조건에 따라 급격히 산화되어, 2차 분사계에서 분사된 연료를 분해하여 환원제를 생성하지 않고, 오히려 연료를 산화시켜 정화시키는 현상이 발생하는 문제가 있었다.

또한, 디젤매연 촉매여과필터(CPF)의 강제 재생시 재생열을 이용하여 후방에서 실시되는 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)의 탈황모드시 2차 분사계에서 분사된 연료가 디젤연료분해촉매(DFC)의 급격한 산화 반응을 유발하여 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)의 입구측 배출가스 온도를 급격하게 상승시켜 질소산화물 흡장촉매(LNT)의 이상 열화를 발생시키기도 한다.

아울러, 종래 정화장치는 디젤매연 촉매여과필터(CPF)의 전방에서 배기관로로부터 분기되어 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)의 전방에 출구를 가지는 별도의 바이패스 관로를 가지고, 이 바이패스관로상에 디젤연료분해촉매(DFC)가 내장되는 복잡한 구조를 가지는 문제가 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 제반 사안들을 해소하기 위해 안출된 것으로, 질소산화물 흡장촉매의 재생시 후분사되는 연료로부터 환원제를 생성하여 이를 통해 질소산화물 흡장촉매에 대한 재생을 실시함으로써, 질소산화물(NOx)의 보다 안정된 정화기능을 구현을 도모할 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 디젤엔진의 배기관로에 설치되어 입자상물질(PM)을 포집하는 디젤매연 촉매여과필터(CPF)와;

상기 디젤매연 촉매여과필터(CPF)에 포집된 입자상물질(PM)의 양을 검출하는 차압센서;

상기 배기관로에 설치되어 연료의 후분사를 실시하는 후분사용 인젝터;

상기 후분사용 인젝터에서 분사되는 연료를 분해하여 환원제를 생성하는 디젤연료분해촉매(DFC);

상기 디젤연료분해촉매(DFC)에서 생성된 환원제를 매개로 내부에 축적된 질소산화물(NOx)을 환원처리하여 제거하는 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst);

상기 배기관로중에 설치되어 배기가스중 포함된 질소산화물(NOx)의 양을 검출하는 감지센서 및;

상기 차압센서에서 검출된 신호로부터 상기 디젤매연 촉매여과필터(CPF)의 재생시점을 판단하여 상기 디젤엔진의 인젝터를 통해 이루어지는 연료의 후분사량을 조절하고, 상기 감지센서에서 검출된 신호로부터 상기 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)의 재생시점을 판단하여 상기 후분사용 인젝터를 통해 이루어지는 연료의 후분사량을 조절하는 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.

본 발명은 도면에 도시된 바와 같이, 디젤엔진(10)의 배기관로(12)상에 디젤매연 촉매여과필터(CPF; Catalyzed Particulate Filter)(14)와, 디젤연료분해촉매(DFC; Diesel Fuel Cracking catalyst)(16) 및, 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)(18)를 각각 설치하고, 상기 디젤매연 촉매여과필터(CPF)(14)의 내부에 포집되는 입자상물질(PM; Particulate Matter)의 양을 검출하기 위해 상기 디젤매연 촉매여과필터(CPF)(14)의 전/후단 사이를 연결하여 압력차이를 검출하는 차압센서(20)를 설치하며, 상기 배기관로(12)내에서 배기가스의 유동방향인 배기경로를 기준으로 상기 디젤연료분해촉매(DFC)(16)의 전단부에 연료의 후분사를 위한 후분사용 인젝터(22)와 상기 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)(18)에 축적되는 질소산화물(NOx)의 양을 검출하는 감지센서(24)를 각각 설치한다.

여기서, 상기 디젤매연 촉매여과필터(CPF)(14)는 상기 배기관로(12)를 통해 배출되는 배기가스중 포함된 입자상물질(PM)을 포집하고, 필터의 재생시 상기 디젤엔진(10)의 인젝터(10a)에 의해 이루어지는 연료 후분사를 매개로 포집된 입자상물질(PM)을 연소하여 제거한다.

그리고, 상기 디젤매연 촉매여과필터(CPF)(14)는 배기경로를 기준으로 전단 부에 디젤산화촉매(DOC)(14a)를 국부적으로 코팅한 상태에서 상기 디젤엔진(10)의 배기매니폴드(11)에 인접한 부위에 설치되어, 상기 배기매니폴드(11)로부터 배기열을 직접적으로 전열받을 수 있도록 되어 있는, 이른 바 CCC(Closed Catalyst Converter)형 촉매장치로 이루어진다.

또한, 상기 디젤연료분해촉매(DFC)(16)는 상기 후분사용 인젝터(22)에서 분사되는 연료를 분해하여 환원제를 생성하고, 상기 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)(18)는 상기 디젤연료분해촉매(DFC)(16)에서 생성된 환원제를 매개로 내부에 축적된 질소산화물(NOx)을 환원처리하여 제거한다.

이 경우, 상기 디젤연료분해촉매(DFC)(16)는 디젤엔진(10)의 연료인 경유를 촉매 반응을 통해 탄소원소의 체인고리를 끊어 분해시켜 반응성이 큰 일산화탄소(CO)와 숏체인의 하이드로카본(CH) 및 수소(H₂) 등의 환원제로 변환시키는 작용을 하게 된다.

즉, 상기 디젤연료분해촉매(DFC)(16)는 연료를 분해하는 Thermal Cracking 기능을 통해 하기의 화학식에 기술한 바와 같이, 연료의 주성분인 탄화수소 화합물을 구성하는 탄소의 연결 고리를 끊어 분해하게 된다.

연료를 분해하는 과정(Thermal Cracking);

C₁₆H₃₄→ 2n-C₈H₁₇* → n-C₆H₁₃* → n-C₄H₉* → C₂H₅* → C₂H₄

C₁₆H₃₄ → 8C₂H₄+H₂

이 경우, *는 라디칼을 의미함.

또한, 상기 디젤연료분해촉매(DFC)(16)는 분해된 연료로부터 환원제를 발생하는 Steam Reforming 기능과 Partial Oxidation 기능을 각각 하게 되는 바, 이는 하기의 화학식에 기술한 바와 같다.

분해된 연료로부터 환원제인 일산화탄소(CO)와 수소(H₂)를 만드는 과정(Steam Reforming);

C₁₆H₃₄+16H₂O ↔ 16CO+33H₂

분해된 연료로부터 환원제인 일산화탄소(CO)와 하이드로카본(CH) 및 수소(H₂)를 만드는 과정(Partial Oxidation);

C₁₆H₃₄+1/2O₂→ 8C₂H₄+H₂O

C₁₆H₃₄+8O₂↔ 16CO+17H₂

이에 따라, 상기 디젤연료분해촉매(DFC)(16)에 의해 생성된 환원제는 상기 후분사용 인젝터(22)로부터 분사된 연료가 직접 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)(18)와 반응하여 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)(18)에서 발생하는 급격한 산화 반응을 방지하여, 산화 반응에 의한 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)(18)의 열화를 방지할 수 있게 된다.

이 결과, 상기 디젤연료분해촉매(DFC)(16)는 흡착된 질소산화물(NOx)을 질소(N₂)로 환원시킬 수 있게 된다.

한편, 상기 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)(18)는 배기경로를 기준으 로 전단부에 상기 디젤연료분해촉매(DFC)(16)와 같이, 후분사용 인젝터(22)에서 분사된 연료를 분해하여 환원제를 발생시키는 환원제 발생용 촉매(18a)를 부분적으로 갖춘 촉매장치로 이루어진다.

부연하자면, 상기 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)(18)는 질소산화물(NOx)의 정화를 위한 촉매 코팅부를 기본적으로 구비하고, 이의 전단부에 상기 디젤연료분해촉매(DFC)(16)의 기능을 보완하는, 즉 연료를 분해하여 환원제를 발생하기 위한 환원제 발생용 촉매 코팅부를 부가적으로 구비하는 것이다.

이 결과, 상기 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)(18)는 상기 환원제 발생용 촉매(18a)를 부분적으로 갖추고 있어, 비교적 고가인 디젤연료분해촉매(DFC)(16)의 용량을 줄일 수 있게 된다.

한편, 제어부(26)는 상기 차압센서(20)에서 검출된 신호로부터 상기 디젤매연 촉매여과필터(CPF)(14)의 재생시점을 판단하고, 상기 감지센서(24)에서 검출된 신호로부터 상기 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)(18)의 재생시점을 판단하게 된다.

이 경우, 상기 제어부(26)는 상기 차압센서(20)를 통해 상기 디젤매연 촉매여과필터(CPF)(14)의 재생시점을 판단하게 되면, 상기 디젤엔진(10)의 인젝터(10a)의 구동을 제어하여 인젝터(10a)로부터 분사되는 연료의 후분사량을 조절하고, 상기 감지센서(24)를 통해 상기 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)(18)의 재생시점을 판단하게 되면, 상기 후분사용 인젝터(22)의 구동을 제어하여 후분사용 인젝터(22)로부터 분사되는 연료의 후분사량을 조절하게 된다.

아울러, 본 발명에 있어, 상기 디젤연료분해촉매(DFC)(16)는 배기경로를 기준으로 상기 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)(18) 보다 전단부에 위치하고, 상기 디젤매연 촉매여과필터(CPF)(14)는 상기 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)(18) 보다 전단부에 위치하는 데, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 상기 디젤매연 촉매여과필터(CPF)(14)는 배기경로를 기준으로 상기 디젤연료분해촉매(DFC)(16) 보다 전단부에 위치하도록 구성된다.

이 경우, 상기 디젤연료분해촉매(DFC)(16)는 상기 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)(18)와 동일한 하우징내에서 배기경로를 기준으로 순차적으로 설치된다.

또한, 본 발명의 제2 실시예에 따르면, 상기 디젤연료분해촉매(DFC)(16)는 배기경로를 기준으로 상기 디젤매연 촉매여과필터(CPF)(14) 보다 전단부에 위치하도록 구성된다.

이 경우, 상기 디젤연료분해촉매(DFC)(16)는 상기 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)(18)와 이격된 상태에서 서로 별개의 하우징내에서 배기경로를 기준으로 순차적으로 설치된다.

한편, 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 있어, 상기 후분사용 인젝터(22)는 상기 배기관로(12)상에서 상기 디젤연료분해촉매(DFC)(16) 보다 전단부에 위치하고, 상기 감지센서(24)는 상기 배기관로(12)상에서 상기 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)(18) 보다 전단부에 위치하도록 배치된다.

이 경우, 상기 감지센서(24)는 배기관로(12)를 통해 유동되는 배기가스중 포 함된 질소산화물(NOx)의 양을 실시간으로 검출하여 상기 제어부(26)에 출력하게 되고, 상기 제어부(26)는 상기 감지센서(24)로부터 입력되는 신호를 매개로 상기 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)(18)내에 축적되는 질소산화물(NOx)의 양을 추정하고, 상기 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)(18)의 용량 대비 축적되는 질소산화물(NOx)의 양을 비교하여 상기 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)(18)에 대한 재생시점을 산출하게 된다.

이 결과, 상기 제어부(26)는 상기 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)(18)에 대한 재생시점을 보다 정확하게 산출할 수 있게 되고, 이로부터 질소산화물(NOx)의 배기중 배출을 보다 적극적으로 방지할 수 있게 된다.

이하, 본 발명에 따른 디젤엔진의 입자상물질과 질소산화물 저감을 위한 정화장치의 작용을 설명한다.

먼저, 상기 디젤엔진(10)의 연소후 배기관로(12)를 통해 배기가스가 배출되면, 배기가스중 포함된 입자상물질(PM)은 상기 디젤매연 촉매여과필터(CPF)(14)에 포집되고, 질소산화물(NOx)은 상기 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)(18)에 축적된다.

이러한 과정을 거치는 과정에서 상기 제어부(26)는 상기 차압센서(20)를 통해 상기 디젤매연 촉매여과필터(CPF)(14)에 대한 재생시점을 판단하게 되고, 재생시점의 도래시 상기 디젤엔진(10)의 인젝터(10a)에 후분사 신호를 출력하여 후분사되는 연료를 매개로 포집된 입자상물질(PM)을 산화처리하여 제거하게 된다.

또한, 상기 제어부(26)는 상기 감지센서(24)를 통해 상기 질소산화물 흡장촉 매(de-NOx catalyst)(18)에 대한 재생시점을 판단하게 되고, 재생시점의 도래시 상기 후분사용 인젝터(22)에 후분사 신호를 출력하게 되며, 상기 후분사용 인젝터(22)로부터 후분사되는 연료는 상기 디젤연료분해촉매(DFC)(16)와 상기 환원제 발생용 촉매(18a)를 매개로 반응성이 큰 일산화탄소(CO)와 숏체인의 하이드로카본(CH) 및 수소(H₂) 등의 환원제로 변환되어 상기 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)(18)로 제공된다.

이때, 상기 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)(18)는 제공된 환원제를 매개로 축적된 질소산화물(NOx)을 질소(N₂)로 환원처리하여 배출하게 된다.

이 결과, 후분사되는 연료가 직접 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)(18)와 반응하여 수반되는 급격한 산화 반응을 방지할 수 있게 되고, 이로 인해 상기 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)(18)의 열화에 의한 손상을 방지할 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 디젤 연료에 함유된 유황 성분에 의한 상기 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)(18)의 황피독을 해소하기 위해 실행되는 배출가스의 고온 조건에서의 탈황 재생의 과정을 별도로 실시하지 않고, 상기 디젤엔진(10)의 배기매니폴드(11)로부터 전열되는 배기열을 이용한 디젤매연 촉매여과필터(CPF)(14)의 재생시 배출되는 열을 매개로 상기 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)(18)에 대한 탈황 재생을 구현할 수 있게 된다.

즉, 디젤엔진(10)의 인젝터(10a)에서 이루어지는 연료의 후분사에 의해 이루 어지는 상기 디젤매연 촉매여과필터(CPF)(14)의 재생과정에서 발생된 배기열을 이용하여 상기 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)(18)의 탈황 과정에 필요로 하는 열원을 얻을 수 있으므로, 후분사되는 연료의 양을 줄여 연비의 향상을 기대할 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 디젤엔진의 입자상물질과 질소산화물 저감을 위한 정화장치에 의하면, 질소산화물 흡장촉매의 재생시 후분사되는 연료를 디젤연료분해촉매를 매개로 분해하여 환원제를 생성하고, 생성된 환원제를 이용하여 질소산화물 흡장촉매에서 축적된 질소산화물의 재생시 촉매와의 산화 반응에 의한 과열 발생으로 인해 수반되는 질소산화물 흡장촉매의 열화에 따른 손상을 방지하고, 정상적인 질소산화물의 제거를 구현할 수 있게 된다.

Claims

디젤엔진의 배기관로에 설치되어 입자상물질(PM)을 포집하는 디젤매연 촉매여과필터(CPF)와;

상기 디젤매연 촉매여과필터(CPF)에 포집된 입자상물질(PM)의 양을 검출하는 차압센서;

상기 배기관로에 설치되어 연료의 후분사를 실시하는 후분사용 인젝터;

상기 후분사용 인젝터에서 분사되는 연료를 분해하여 환원제를 생성하는 디젤연료분해촉매(DFC);

상기 디젤연료분해촉매(DFC)에서 생성된 환원제를 매개로 내부에 축적된 질소산화물(NOx)을 환원처리하여 제거하는 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst);

상기 배기관로중에 설치되어 배기가스중 포함된 질소산화물(NOx)의 양을 검출하는 감지센서 및;

상기 차압센서에서 검출된 신호로부터 상기 디젤매연 촉매여과필터(CPF)의 재생시점을 판단하여 상기 디젤엔진의 인젝터를 통해 이루어지는 연료의 후분사량을 조절하고, 상기 감지센서에서 검출된 신호로부터 상기 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)의 재생시점을 판단하여 상기 후분사용 인젝터를 통해 이루어지는 연료의 후분사량을 조절하는 제어부를 포함하여 구성되는 디젤엔진의 입자상물질과 질소산화물 저감을 위한 정화장치.
청구항 1에 있어서,

상기 디젤매연 촉매여과필터(CPF)는 상기 디젤엔진의 배기매니폴드에 직결되고, 디젤산화촉매(DOC)를 부분적으로 갖춘 CCC형 촉매장치인 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 입자상물질과 질소산화물 저감을 위한 정화장치.
청구항 1에 있어서,

상기 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst)는 연료를 분해하여 환원제를 발생하는 환원제 발생용 촉매를 부분적으로 갖춘 촉매장치인 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 입자상물질과 질소산화물 저감을 위한 정화장치.
청구항 1에 있어서,

상기 디젤연료분해촉매(DFC)는 배기경로를 기준으로 상기 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst) 보다 전단부에 위치하고, 상기 디젤매연 촉매여과필터(CPF)는 배기경로를 기준으로 상기 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst) 보다 전단부에 위치한 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 입자상물질과 질소산화물 저감을 위한 정화장치.
청구항 4에 있어서,

상기 디젤매연 촉매여과필터(CPF)는 배기경로를 기준으로 상기 디젤연료분해촉매(DFC) 보다 전단부에 위치한 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 입자상물질과 질 소산화물 저감을 위한 정화장치.
청구항 4에 있어서,

상기 디젤연료분해촉매(DFC)는 배기경로를 기준으로 상기 디젤매연 촉매여과필터(CPF) 보다 전단부에 위치한 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 입자상물질과 질소산화물 저감을 위한 정화장치.
청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,

상기 후분사용 인젝터는 상기 배기관로상에서 상기 디젤연료분해촉매(DFC) 보다 전단부에 위치하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 입자상물질과 질소산화물 저감을 위한 정화장치.
청구항 7에 있어서,

상기 감지센서는 상기 배기관로상에서 상기 질소산화물 흡장촉매(de-NOx catalyst) 보다 전단부에 위치하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 입자상물질과 질소산화물 저감을 위한 정화장치.