KR20090029787A - 배기가스의 정화장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 배기가스의 정화장치는, 내연기관(10)에 연결된 배기가스로(15); 상기 배기가스로(15)에 배치되고, 배기가스 내의 입자상물질을 포획하는 입자상물질포획장치(30); 상기 배기가스로(15)에 그리고 상기 입자상물질포획장치(30)의 상류측에 연결되어, 상기 입자상물질포획장치(30)에 오존을 공급할 수 있는 오존공급수단(40); 및 상기 배기가스로(15)에 그리고 상기 오존공급수단(40)의 상류측에 배치되어, 상기 배기가스 내의 NO를 산화시키는 NO산화촉매(20)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배기가스의 정화장치{DEVICE FOR PURIFICATION OF EXHAUST GAS}

본 발명은 배기가스의 정화장치에 관한 것으로, 구체적으로는 배기가스 내의 입자상물질을 포획하기 위한 입자상물질포획장치를 이용하여 디젤엔진과 같은 내연기관으로부터 배출되는 배기가스의 정화장치에 관한 것이다.

일반적으로, 디젤엔진의 배기가스는 주성분으로 카본을 함유하는 입자상물질(이하, PM(Particulate Matter)이라고 함)을 함유하여 대기오염을 초래하는 것으로 알려져 있다. 이러한 이유로, 이들 입자상물질을 배기가스로부터 포획 및 제거하기 위한 각종 장치 및 방법들이 제안되어 있다. 예를 들면, (i) 연료를 강제적으로 분사-공급하여 디젤입자상필터(이하, "DPF"라고 함)의 온도를 증가시킴으로써, 포획된 PM이 산화 및 연소되는 방법, (ii) 배기가스 내의 NO로부터 NO₂가 생성되고, 상기 NO₂에 의하여 PM이 산화되는 방법(예컨대, 일본국제출원공보 제2002-531762호(특허문헌 1)), 및 (iii) 촉매화된 DPF를 이용하여 PM이 산화되는 방법(예컨대, 일본미심사특허출원공보 평6-272541호(특허문헌 2) 및 일본미심사특허출원공보 평9-125931호(특허문헌 3))이 제안되어 있다.

하지만, 방법 (i)에서는, 연료의 강제적인 분사-공급으로 인하여 연료비 성 능의 저감이 야기되었고, 또한 PM이 급속하게 연소되어, 상기 PM의 급속한 연소 시 발생되는 반응열로부터 유도되는 온도의 급변으로 인한 DPF의 파손을 초래하게 된다는 문제점이 있었다. 더욱이, 방법 (ii)에서는, NO₂에 의한 PM의 산화율이 불충분하여, 엔진으로부터 배출되는 PM을 완전히 산화 및 연소시키는 것이 어렵게 된다는 문제점이 있었다. 나아가, 방법 (iii)에서는, 촉매와 PM 양자 모두가 고체이므로, 촉매와 PM이 서로 충분히 접촉하지 못하게 되어, PM의 불충분한 산화 반응을 초래하게 된다는 문제점이 있었다.

최근, 한 기술이 개시되었다(예컨대, 일본국제출원공보 제2005-502823호(특허문헌 4)). 상기 기술은 NO₂에 비해 산화력이 강한 오존(O₃)을 이용하여 PM을 산화 및 처리하는 것이다. 디젤엔진의 배기가스가 후처리되는 특허문헌 4에 개시된 방법에서는, 저온에서는 오존 및 NO₂를 선택적으로 이용하고 상기 배기가스의 온도에 대응하는 온도에서는 NO₂를 이용하기 위하여 플라즈마를 이용하여 배기가스로부터 산화제로서의 역할을 하는 오존 또는 NO₂를 생성하는 장치를 입자상필터의 상류에 장착하여 상기 입자상필터에 포획된 PM이 산화 및 제거된다.

하지만, 특허문헌 4에 개시된 방법에서는, 오존이 플라즈마를 이용하여 배기가스의 성분인 산소로 형성되고, NOx 등을 함유하는 배기가스가 상기 형성된 오존과 함께 입자상필터 내로 도입된다. 이에 따라, 산화력이 강한 오존이 배기가스에서 NOx 등과 반응되고, 입자상필터로 들어가기 전에 소비된다. 그 결과, PM의 제거 및 산화에 사용될 오존량이 감소되어, 충분한 효율의 정화가 성취되지 못하게 된다. 이에 따라, PM의 산화율이 저감된다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술된 종래 기술의 문제점들을 고려하여 고안되었다. 본 발명의 목적은 배기가스 내의 PM을 포획하기 위한 입자상물질포획장치를 이용하여, 디젤엔진과 같은 내연기관으로부터 배출되는 배기가스의 정화용 장치를 제공하되, 오존을 이용하여 PM을 산화 및 제거할 때에 오존을 효율적으로 이용할 수 있도록 하고, NOx 등으로 야기되는 PM의 산화율의 저감을 충분히 억제함으로써, 고레벨의 PM 정화 효율이 성취되는 것을 특징으로 한다.

본 발명자들은 상기 목적을 성취하기 위한 연구에 전념한 결과, 오존이 배기가스 내의 NOx 및 HC, 특히 NO와 반응하는 경향이 있기 때문에, 오존공급수단의 상류측에 NO산화촉매를 배치하고, PM의 산화율의 저감을 충분히 억제하여, 고레벨의 PM 정화 효율을 성취함으로써, NOx와의 반응으로 인한 오존의 소비가 억제된다는 것을 밝혀냈다. 따라서, 본 발명자들은 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명에 따른 배기가스의 정화장치는,

내연기관에 연결된 배기가스로;

상기 배기가스로에 배치되고, 배기가스 내의 입자상물질을 포획하는 입자상물질포획장치;

상기 배기가스로에 그리고 상기 입자상물질포획장치의 상류측에 연결되어, 상기 입자상물질포획장치에 오존을 공급할 수 있는 오존공급수단; 및

상기 배기가스로에 그리고 상기 오존공급수단의 상류측에 배치되어, 상기 배기가스 내의 NO를 산화시키는 NO산화촉매를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명의 배기가스의 정화장치에 따르면, NO산화촉매가 오존공급수단의 상류측에 배치되어, 상기 배기가스 내의 NO의 적어도 일부가 상기 오존공급수단의 상류측에 있는 NO산화촉매에 의해 NO₂로 미리 산화되고, 특히 오존과 반응하는 경향이 있는 NO의 양이 저감되다. 그 결과, 배기가스 내의 NOx에 의한 오존의 소비가 억제되어, 훨씬 더 많은 양의 오존이 입자상물질포획장치에서 PM을 산화 및 제거하는 데 사용될 수 있다. 그러므로, PM의 산화율의 저감이 충분히 억제되어, 고레벨의 PM 정화 효율을 달성하게 된다.

본 발명의 배기가스의 정화장치는 상기 입자상물질포획장치를 통과하는 배기가스의 온도를 측정하거나 추정하기 위한 배기가스온도검출수단; 및 상기 배기가스온도검출수단에 의하여 검출되는 상기 배기가스의 온도를 토대로 상기 오존공급수단을 제어하기 위한 오존공급제어수단을 더 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 오존공급제어수단은 특히 상기 배기가스의 온도가 50℃ 이상의 사전설정된 제1온도와 300℃ 이하의 사전설정된 제2온도 사이의 범위 내에 있을 때 오존이 공급되도록 상기 오존공급수단을 제어하는 것이 바람직하다.

NO는 배기가스의 온도가 50℃ 이상일 때 NO산화촉매에 의해 NO₂로 더욱 효율적으로 산화되는 경향이 있다. NO와 오존간의 반응성은 배기가스의 온도가 300℃ 이하일 때 NO₂와 오존간의 반응성보다 높게 되는 경향이 있다. 그러므로, 이러한 본 발명의 배기가스의 정화를 위한 적합한 장치에 따르면, 배기가스 내의 NOx에 의한 오존의 소비가 더욱 확실하게 억제된다. 그 결과, PM의 산화율의 저감이 더욱 현저하게 억제되어, 고레벨의 PM 정화 효율이 성취된다.

더욱이, 본 발명에 있어서, 상기 오존공급제어수단은 상기 입자상물질포획장치에 포획된 입자상물질의 양이 사전설정된 값 이상일 때 오존이 공급되도록 상기 오존공급수단을 제어하는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명에 따른 오존공급수단은, 오존생성수단으로서의 역할을 하는 오존발생기(ozonizer); 상기 오존발생기에 연결된 오존공급로; 및 상기 오존공급로에 연결되고, 상기 배기가스로에 그리고 상기 입자상물질포획장치의 상류측에 배치되는 오존공급노즐을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 이러한 오존발생기는 원료로서의 역할을 하는 공기 또는 산소가 고전압이 인가가능한 방전관에서 유동되고 있는 동안 오존을 생성하는 것이 더욱 바람직하다. 원료로서의 역할을 하는 공기 또는 산소는 상기 배기가스로의 외부로부터 흡인되는 가스인 것이 특히 바람직하다.

본 발명에 따른 NO산화촉매는 다공질산화물담체 및 그것에 담지되는 귀금속을 포함하고, 배기가스 내의 NO를 NO₂로 산화시킬 수 있는 것이 바람직하다.

나아가, 본 발명에 있어서, 상기 입자상물질포획장치는 오존을 분해하는 촉매를 실질적으로 포함하지 않는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 배기가스 내의 PM을 포획하기 위한 입자상물질포획장치를 이용하여, 디젤엔진과 같은 내연기관으로부터 배출되는 배기가스의 정화용 장치를 제공하되, 오존을 이용하여 PM을 산화 및 제거할 때에 오존을 효율적으로 이용할 수 있도록 하고, NOx 등에 의해 PM의 산화율의 저감을 충분히 억제함으로써, 고레벨의 PM 정화 효율이 성취가능한 것을 특징으로 한다.

도 1은 내연기관에 연결되는 본 발명의 배기가스의 정화장치의 바람직한 실시예의 선도;

도 2는 NO 또는 NO₂와 반응하는 오존의 저감율과 온도들간의 관계를 도시한 그래프;

도 3은 실시예와 비교예에 사용되는 실험장치(배기가스의 정화장치)의 선도; 및

도 4는 실시예 1 및 비교예 1 내지 비교예 3 가운데 PM산화율의 비교를 도시한 그래프이다.

도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 하기 설명과 도면에서는, 동일하거나 등가인 요소들이 동일한 참조부호들로 표시되고, 겹치는 설명은 생략한다는 점에 유의한다.

도 1은 본 발명에 따른 내연기관에 연결된 배기가스의 정화장치의 바람직한 실시예의 선도를 보여준다. 도 1에서, 도면부호 10은 압축점화식 내연기관(즉, 디젤엔진)을 나타내고, 도면부호 11은 인덕션포트와 연통되는 인덕션매니폴드를 나타 내며, 도면부호 12는 배기구와 연통되는 배기매니폴드를 나타내고, 도면부호 13은 연소실을 나타낸다. 연료탱크(도시안됨)로부터 고압펌프(17)로 공급되는 연료는 상기 고압펌프(17)에 의하여 공통 레일(18)로 펌핑되고, 고압의 압력으로 축적된다. 그 후, 공통 레일(18)의 고압 연료가 연료분사밸브(14)로부터 연료실(13)로 직접 분사-공급된다. 상기 디젤엔진(10)으로부터의 배기가스는 배기매니폴드(12)와 터보차저(19)를 통과하게 된 다음, 그 하류에 위치한 배기로(15)로 유동하며, 최종적으로는 상세히 후술하는 정화처리를 겪은 후에 대기로 배출된다. 디젤엔진의 형태가 이러한 공통레일식 연료분사장치를 갖춘 것으로 제한되는 것은 아니다.

도 1에 도시된 배기가스로(15)에서는, 배기가스 내의 NO를 산화하기 위한 NO산화촉매(20)와, 상기 배기가스 내의 입자상물질(PM)을 포획하기 위한 입자상물질포획장치로서의 역할을 하는 디젤입자상필터(30)(이하, "DPF"라고 함)가 순서대로 상류에서 하류까지 직렬로 배치된다.

본 발명에 따른 NO산화촉매(20)로는, 다공질산화물담체와 그것에 담지되는 귀금속을 함유하고, 배기가스 내의 NO를 NO₂로 효율적으로 산화시킬 수 있는 것이 적절하게 사용된다. 이러한 다공질산화물담체를 구성하는 금속산화물이 특별히 제한되는 것은 아니지만, 예컨대 알루미나, 실리카, 티타니아, 지르코니아, 세리아, 세리아-알루미나고용체, 세리아-티타니아고용체, 세리아-지르코니아고용체, 지르코니아-티타니아고용체, 실리카-알루미나고용체, 제올라이트 등을 포함할 수 있다. 더욱이, 1종의 금속산화물을 단독으로, 2종 이상의 금속산화물을 조합하여, 또는 복합산화물이 다공질산화물담체로 사용될 수도 있다. 이러한 다공질산화물담체의 양 또한 특별히 제한되는 것은 아니지만, 후술하는 기재의 1리터당 30 내지 400g 사이의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.

귀금속은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rd), 이리듐(Ir) 및 루테늄(Ru)을 포함한다. 이들 가운데는, Pt가 NO에 대한 산화활성이 높다는 관점에서 특히 바람직하다. 이들 귀금속의 담지량 또한 특별히 제한되는 것은 아니지만, 후술하는 기재의 1리터당 0.1 내지 20g 사이의 범위에 있는 것이 바람직하다.

V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Ag, In 등을 포함하는 금속들이 다공질산화물담체 상에 담지될 수도 있다.

본 발명에 따른 NO산화촉매(20)의 형태 또한 특별히 제한되는 것은 아니지만, 허니콤 형태의 모놀리스 촉매, 펠릿 형태의 펠릿 촉매 등과 같이 형성될 수 있다. 여기서 사용되는 기재 또한 특별히 제한되는 것은 아니지만, 모놀리스형 기재, 펠릿형 기재, 플레이트형 기재 등이 적절하게 채택될 수 있다. 특히, 모놀리스 기재가 사용되는 경우, 본 발명의 효과가 더욱 확실하게 성취될 수 있게 된다. 또한, 이들 기재의 재료 또한 특별히 제한되는 것은 아니지만, 코디어라이트, 실리콘카바이드 및 멀라이트와 같은 세라믹으로 제조되는 기재와 크롬, 니켈 및 알루미늄을 포함하는 스테인리스강과 같은 금속으로 제조되는 기재들이 적절하게 채택되기도 한다.

본 발명에 따른 NO산화촉매(20)의 특정예는 예컨대 일본미심사특허출원공보 평8-103636호, 일본미심사특허출원공보 평8-243356호, 일본미심사특허출원공보 평 9-299795호, 일본미심사특허출원공보 제2001-115824호, 일본미심사특허출원공보 제2002-35587호, 일본미심사특허출원공보 제2002-89246호, 일본미심사특허출원공보 제2003-80033호, 일본미심사특허출원공보 제2003-205223호, 일본미심사특허출원공보 제2004-167354호 및 일본미심사특허출원공보 제2006-46286호에 개시된 NO산화촉매들을 포함한다.

본 발명에 따른 DPF(30)의 형태가 특별히 제한되는 것은 아니지만, 도 1에 도시된 월플로우(wall-flow)형 또는 폼(foam)형일 수도 있다. 상기 월플로우형 DPF는 하류측에 스토퍼가 제공되는 제1유로와, 상류측에 스토퍼가 제공되는 제2유로가 컴파트먼트에 교대로 형성되는 허니콤 구조를 가진다. 배기가스는 제1유로로부터 유로의 벽면을 통과한 다음, 제2유로로 유동하여 계속해서 하류로 유동하게 된다. 이 때, 배기가스 내의 PM이 유로의 벽면에 의해 포획된다. 이러한 DPF(30)의 재료 또한 특별히 제한되는 것은 아니지만, 코디어라이트, 실리콘카바이드, 실리카, 알루미나 및 멀라이트와 같은 세라믹으로 제조되는 기재와 크롬, 니켈 및 알루미늄을 포함하는 스테인리스강과 같은 금속으로 제조되는 기재들이 적절하게 채택되기도 한다. DPF(30)가 귀금속 등을 포함하는 촉매로 코팅되는 경우에는, PM의 산화 이전에 O₃가 분해되는 경향이 있다. 따라서, DPF(30)가 촉매로 코팅되지 않는 것이 바람직하다.

도 1에 도시된 본 발명에 따른 배기가스의 정화장치에서는, 오존(O₃)을 공급할 수 있는 오존공급수단(40)이 상술된 NO산화촉매(20)와 DPF(30) 사이, 즉 NO산화 촉매(20)의 하류와 DPF(30)의 상류 사이에서 DPF(30)에 연결된다. 이러한 오존공급수단(40)은 오존생성수단으로서의 역할을 하는 오존발생기(41) 및 오존공급로(42)를 통해 오존발생기(41)에 연결되는 오존공급노즐(43)을 포함한다.

본 발명에 따른 오존발생기(41)로는, 원료로서의 역할을 하는 공기 또는 산소를 고전압이 인가될 수 있는 방전관 안으로 유동시키면서 오존이 발생되도록 하는 형태를 갖거나 또는 여타의 유형을 갖는 것이 사용될 수 있다. 하지만, NOx는 오존발생기(41)로 공급되는 가스에 질소가 존재할 때 형성된다. 따라서, 산소만이 공급되는 것이 바람직하다.

여기서 원료로서의 역할을 하는 공기나 산소는 특허문헌 4의 경우와는 달리,배기가스로의 외부로부터 흡인되는 가스, 예컨대 대기에 함유된 가스인 점에 유의한다. 이는 특허문헌 4의 경우에서와 같이 배기가스로 내의 배기가스에 함유되는 가스가 아니다. 오존발생기(41)에서는, 저온에서의 원료 가스의 사용이 고온에서의 원료 가스의 사용보다 높은 오존발생효율을 제공한다. 그러므로, 상기 방식으로 배기가스로 외부에 존재하는 가스를 이용하여 오존을 생성함으로써 특허문헌 4의 경우에 비해 오존발생효율을 증대시킬 수 있게 된다.

본 발명에 따른 오존공급노즐(43)은 그로부터 분사-공급되는 오존이 배기가스 내의 NOx 등과 반응하여 소비되는 것이 억제되도록 DPF(30)의 바로 상류에 배치된 다음, 그로부터 오존을 DPF(30)를 향해 공급하는 것이 바람직하다. 또한, 오존공급노즐(43)은 DPF(30)의 전체 상류에지면에 걸쳐 오존이 고르게 공급될 수 있도록, 상기 DPF(30)의 상류에지면의 전체 직경에 걸쳐 퍼져 있는 복수의 오존공급 구(44)를 구비하는 것이 바람직하다. 오존공급수단(40)의 형태로는, 오존공급노즐(43)을 구비하는 것 이외에도 각종 형태들이 이용가능하다. 예를 들어, 하나의 오존공급구만이 제공되는 경우, 오존공급구와 DPF의 상류에지면은, 전체 상류에지면에 걸쳐 오존이 고르게 공급되도록 하는 거리로 서로 이격되는 것이 바람직하다.

나아가, 도 1에 도시된 본 발명의 배기가스의 정화장치에서는, 온도센서(50)가 DPF(30)를 통과하는 배기가스의 온도를 검출하기 위한 배기가스온도검출수단으로서 제공되고, 상기 온도센서(50)에 의하여 검출되는 배기가스의 온도를 토대로 상기 오존공급수단(40)을 제어하기 위한 오존공급제어수단으로서의 역할을 하는 ECU(100)에 전기적으로 연결된다. 본 발명에 따른 배기가스온도검출수단이 상기 온도센서(50)로 제한되는 것은 아니며, ECU(100)에 저장된 엔진특성맵데이터 등을 이용하여 엔진 등의 운전상태를 토대로 DPF(30)를 통과하는 배기가스의 온도를 추정하기 위한 수단일 수도 있다. 또한, 도시되지는 않았지만, 본 발명의 배기가스의 정화장치에서는, DPF(30)의 상류와 하류간의 차동압력으로부터 PM의 포획량과 클로깅을 검출하기 위한 배기가스압력센서 및 상기 DPF(30)에서 유동하는 배기가스의 공연비를 검출하기 위한 공연비센서 등이 제공될 수도 있다.

도 1에 도시된 상술된 본 발명의 배기가스의 정화장치에 따르면, 배기가스 내의 NO의 적어도 일부(바람직하게는 전부)가 상술된 NO산화촉매(20)에 의하여 NO₂로 산화된다. 그 후, 오존이 오존공급수단(40)으로부터 배기가스로 공급되면, NOx와 오존이, 오존을 소비시키는 하기 화학반응식에 따라 서로 반응한다.

NO + O₃ → NO₂ + O₂

NO₂ + O₃ → NO₃ + O₂

2NO₃ → 2NO₂ + NO₂

하지만, 오존과 NOx간의 반응성을 고려하여, NO₂는 NO보다 낮은 반응성을 가진다. 따라서, 화학식 1에서의 반응에 따라 소비되는 오존량이 상기 방식으로 배기가스 내의 NO를 NO₂로 사전에 미리 산화시켜 환원된다. 그 결과, 더 많은 양의 오존이 후속 DPF(30)에서 PM을 산화 및 제거하는 데 사용된다. 이에 따라, PM의 산화율의 저감이 충분히 억제되어, 고레벨의 PM 정화 효율을 성취하게 된다.

그 후, PM은 DPF(30)에서의 PM과 오존간의 하기 반응식을 통해 CO 및 CO₂의 형태로 제거된다.

C + O₃ → CO + O₂

C + 2O₃ → CO₂ + 2O₂

하기 지식은 본 발명의 발명자들에게서 얻어졌다는 점에 유의한다. 즉, O₃의 분해는 대략 200℃ 이상에서 개시된다. PM은 200℃ 이상에서 NO₂에 의해 산화되기 시작한다. 더욱이, 500 ppm의 오존이 공급되면, NO₂의 반응성은 오존과 NOx간의 반응성을 고려하여 도 2에 도시된 바와 같이 300℃ 이하(바람직하게는 250℃ 이하)에서 NO의 반응성보다 낮게 된다. 300℃ 이상에서는, 오존과 NOx간의 반응성이 NOx의 종류에 관계없이 더욱 높아지는 경향이 있다.

그러므로, 본 발명의 배기가스의 정화장치에서는, DPF(30)를 통과하는 배기가스의 온도가 사전설정된 50℃ 이상(더욱 바람직하게는 100℃ 이상)의 제1온도와 사전설정된 300℃ 이하(더욱 바람직하게는 250℃ 이하)의 제2온도 사이의 범위 내에 있을 때, 오존공급수단(40)으로부터 오존이 공급된다. 300℃를 초과(보다 바람직하게는 250℃ 초과)하는 온도 범위에서는, 오존을 공급하지 않고도, NO산화촉매에 의하여 형성되는 NO₂만을 이용하여 PM이 산화되는 것이 바람직하다. 오존공급수단(40)이 상기 방식으로 제어되는 경우, 배기가스 내의 NOx에 의한 오존의 소비가 더욱 확실하게 억제된다. 그 결과, PM의 산화율의 저감이 충분히 억제되어, 고레벨의 PM 정화 효율을 달성하게 된다.

상기 방식에서 오존을 공급하기 위한 타이밍은 PM의 포획량이 DPF(30)에서 사전설정된 값 이상일 때 포착되는 것이 바람직하다는 점에 유의한다.

또한, NO산화촉매(20)에 의하여 NO를 NO₂로 보다 확실하게 산화하기 위해서 는 50℃ 이상의 온도가 필요하다. 100℃ 이상이 더욱 바람직하므로, NO산화촉매(20)는 배기가스로(15)에서 가능한 한 상류에 탑재되는 것이 바람직하다.

나아가, 본 발명의 배기가스의 정화장치에서는, 배기가스 내의 NOx의 양이 EGR 장치 등을 포함하는 상이한 배기가스의 정화장치와 조합하여 이용함으로써 사전에 미리 저감되는 것이 바람직하다. 배기가스 내의 NOx의 양이 상기 방식으로 사전에 미리 감소되는 경우, 오존의 소비량이 더욱 감소되어, PM 산화 효율이 개선되는 경향이 있다.

지금까지 본 발명의 배기가스의 정화장치의 바람직한 실시예를 상술하였다. 본 발명에서는, 또다른 실시예가 채택될 수도 있다. 예컨대, 상기 실시예에 있어서는, 월플로우형의 DPF가 PM포획장치로 채택되어 있다. 이외에도, 각종 필터 구조들이 채택될 수도 있다. 기재의 형상과 구조에 있어서, 판형, 원통형, 펠릿형, 메시형(예컨대, 무기섬유의 직물 또는 부직물 및 금속망) 등이 상술된 허니콤형 이외에 채택될 수도 있다.

더욱이, 본 발명은 압축점화식 내연기관인 디젤엔진이 아닌, PM을 생성할 수도 있는 모든 내연기관에 사용될 수 있다. 예를 들어, 직접분사스파크점화식 내연기관, 보다 구체적으로는 직접분사린번가솔린엔진이 포함된다. 상기 엔진에서는, 연료가 직접 실린더연소실에 분사된다. 연료의 분사량이 많은 고부하영역에서는, 연료가 완전히 연소되지 못하여, PM이 발생할 가능성이 있게 된다. 본 발명이 이러한 엔진에 사용되는 경우에도, 상기와 완전히 동일한 효과가 예상될 수 있다.

[실시예들]

본 발명은 실시예와 비교예들을 토대로 더욱 구체적으로 기술될 것이다. 하지만, 본 발명이 후술하는 실시예로 국한되는 것은 아니다.

(1) 실험장치

도 3은 실시예와 비교예들에 사용되는 실험장치의 선도를 보여준다. 도 3에 도시된 실험장치(60)에서는, 후술하는 MG(mock gas)가 상류실리카관(61)에 배치된 NO산화촉매(62)를 지난 다음, 하류실리카관(63)에 배치된 DPF(64)를 통과하고, 그 후에 예시되지 않은 배기덕트로부터 외부로 배출된다. 예시되지 않은 오존발생기로부터 공급되는 산소와 오존(또는 산소만)이 상류실리카관(61)과 하류실리카관(63) 사이에 배치된 3웨이엘보우(three-way elbow; 65)로부터 주입가스로서 공급되고, MG와 혼합된 후, 상기 MG와 함께 DPF(64)로 공급된다. 상류실리카관(61)과 하류실리카관(63)의 외주부들에 전기히터(66, 67)가 각각 제공되어, NO산화촉매(62)와 DPF(64)의 온도를 제어하게 된다. 또한, 온도센서(68, 69)가 제공되어, NO산화촉매(62) 및 DPF(64)의 바로 상류 위치의 온도를 각각 측정하게 된다.

(2) 실험조건

온도센서(68, 69)에 의하여 검출되는 온도가 200℃가 되도록 전기히터(66, 67)가 제어되었다. MG는 부피 농도로 210 ppm의 NO, 5%의 O₂, 3%의 H₂O 및 N₂가 밸런스로서 구성되었다. 상기 MG의 유량은 9.5 L/min 이었다. 나아가, 주입된 가스는 10000 ppm의 오존(O₃)으로 이루어졌고, 밸런스는 오존발생기의 전력공급이 턴 온된 동안 오존이 공급될 때 O₂ 이었다. 다른 한편으로, 주입된 가스는 오존을 공급하지 못하도록 오존발생기의 전력공급이 턴 오프될 때 O₂로만 이루어졌고, 주입된 가스의 유량은 0.5 L/min 이었다.

(3) 실험 방법

온도센서(68, 69)에 의하여 검출되는 온도가 일정하게 될 때까지(200℃) N₂가 계속해서 유동되었다. 상술된 NO를 함유하고 있는 MG는 온도가 일정하게 된 이후에 유동되었다. 이와 동시에, O₂가 오존발생기 안으로 도입되었다. 그 후, 오존을 발생시키기 위하여, 오존발생기의 전력공급이 턴 온되었고, 이와 동시에 O₂가 도입되었다.

상기 DPF(64) 내의 PM의 산화량(산화율)은 예시되지 않은 배기가스분석기에 의하여, 검출되는 CO 및 CO₂의 농도로부터 연산되었다. 즉, 측정 시 몰수가 MG의 유량, 측정된 부피 농도 및 측정시간의 곱을 1 mol에 등가인 부피(예컨대, 22.4L)로 나눔으로써 얻어졌다. PM의 산화량(산화율)은 몰수를 토대로 연산된다.

(4) 실시예 및 비교예

(제1실시예)

하기 도시된 명세를 갖는 NO산화촉매(62) 및 DPF(64)가 배치된 다음, 오존발생기의 전력공급이 턴 온되었다. 이 상태에서, PM의 산화량(산화율)이 측정되었다.

<NO산화촉매>

직경이 30 mm, 길이가 50 mm, 셀벽두께가 4 mil(milli inch length, 1/1000 inch) 및 셀수가 400 cpsi(cells per square inch)인 코디어라이트로 이루어진 Z_rO₂의 허니콤 구조로 코팅되어 준비된 촉매가 사용되었다. Z_rO₂의 코팅량은 120 g/L 이었다. 분모 L(liter)은 촉매의 매 1 L를 의미한다(이하 동일하게 적용됨). 디아민 디니트로 플래티넘(diamine dinitro platinum)을 함유하는 수용액을 이용하여 Pt가 그 위에 담지되었다. 그런 다음, 촉매가 건조된 후, 1시간 동안 300℃로 소성되어, NO산화촉매를 얻게 되었다. Pt의 담지량은 10 g/L 이었다. 상기 방식으로 얻어진 NO산화촉매(62)가 상류실리카관(61)에 배치되어 실험이 수행되었다.

<DPF>

PM이 침착된 직경이 30 mm, 길이가 50 mm, 셀벽두께가 12 mil 및 셀수가 300 cpsi이고 코디어라이트로 이루어진 DPF(촉매로 코팅되지 않음)가 사용되었다. PM을 침착시키기 위하여, 30 mm의 직경과 50 mm의 길이를 갖고 코디어라이트로 이루어진 허니콤 구조의 12 피스가 병렬로 디젤엔진의 배기가스관(2 L의 배출량)에 장착될 수 있는 컨테이너를 배치시키고, 1시간 동안 30 Nm 및 2000 rpm의 운전 조건 하에 배기가스를 그 안에 분배시킴으로써 PM이 포획되었다. PM이 상기 방식으로 침착된 DPF(64)는 PM-침착면이 상류측을 향하는 동안 하류실리카관(63)에 배치되었다. 그 후, 실험이 수행되었다.

(제1비교예)

상류실리카관(61)에 NO산화촉매(62)를 배치시키지 않고, 제1실시예에 사용된 DPF와 동일한 PM-침착 DPF(64)만이 하류실리카관(63)에 배치되었다는 것을 제외하 고, 그리고 MG가 NO를 함유하도록 하지 않고도 MG가 유동되었다는 것을 제외하고는, 제1실시예에서 취한 것과 동일한 방식이 취해져(오존발생기의 전력공급이 턴 온됨), PM의 산화량(산화율)을 측정하였다.

(제2비교예)

상류실리카관(61)에 NO산화촉매(62)를 배치시키지 않고, 제1실시예에 사용된 DPF와 동일한 PM-침착 DPF(64)만이 하류실리카관(63)에 배치되었다는 것을 제외하고는, 제1실시예에서 취한 것과 동일한 방식이 취해져(MG가 NO 함유, 오존발생기의 전력공급이 턴 온됨), PM의 산화량(산화율)을 측정하였다.

(제3비교예)

오존을 공급하지 못하도록 오존발생기의 전력공급이 턴 오프되었다는 점을 제외하고는, 제1실시예에서 취한 것과 동일한 방식이 취해져(NO산화촉매가 사용되고, MG가 NO를 함유함), PM의 산화량(산화율)을 측정하였다.

(5) 실험결과

도 4는 제1실시예 및 제1비교예 내지 제3비교예에서 N₂가 MG로 스위칭된 이후(O₂를 오존발생기 안으로 도입한 후) 10분 동안 얻어진 PM 산화율을 보여준다. 도 4에서, 수직축에 할당된 g/h/L의 PM 산화율의 단위는 1시간 동안 DPF의 1리터당 산화된 PM의 그램수를 나타낸다.

제1비교예의 결과를 제2비교예의 결과와 비교하여, NO가 존재했을 때, PM이 오존에 의해 산화되는 비율이 크게 감소되었다는 것을 먼저 알아냈다. 이와는 대조 적으로, 제1실시예의 결과를 제2비교예의 결과와 비교하여, 85%의 NO가 제1실시예의 NO산화촉매에 의하여 NO₂로 산화되었을 때, 오존과 NOx간의 반응이 억제되어, PM이 오존에 의해 산화되는 속도의 저감이 충분히 억제되었다는 것을 알아냈다. 또한, 제1실시예의 결과를 제3비교예의 결과와 비교하여, 오존이 공급되지 않았을 때, PM 산화율이 눈에 띄게 저감되었다는 것도 알아냈다.

상술된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 배기가스 내의 PM을 포획하기 위한 입자상물질포획장치를 이용하여, 디젤엔진과 같은 내연기관으로부터 배출되는 배기가스의 정화용 장치를 제공하되, 오존을 이용하여 PM을 산화 및 제거할 때에 오존을 효율적으로 이용할 수 있도록 하고, NOx 등으로 야기되는 PM의 산화율의 저감을 충분히 억제함으로써, 고레벨의 PM 정화 효율을 성취할 수 있게 된다.

Claims (9)

1. 배기가스의 정화장치에 있어서,

   내연기관에 연결된 배기가스로;

   상기 배기가스로에 배치되고, 배기가스 내의 입자상물질을 포획하는 입자상물질포획장치;

   상기 배기가스로에 그리고 상기 입자상물질포획장치의 상류측에 연결되어, 상기 입자상물질포획장치에 오존을 공급할 수 있는 오존공급수단; 및

   상기 배기가스로에 그리고 상기 오존공급수단의 상류측에 배치되어, 상기 배기가스 내의 NO를 산화시키는 NO산화촉매를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스의 정화장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 입자상물질포획장치를 통과하는 배기가스의 온도에 대한 측정과 추정 중 한 가지를 수행하는 배기가스온도검출수단; 및

   상기 배기가스온도검출수단에 의하여 검출되는 상기 배기가스의 온도를 토대로 상기 오존공급수단을 제어하는 오존공급제어수단을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스의 정화장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 오존공급제어수단은, 상기 배기가스의 온도가 50℃ 이상의 사전설정된 제1온도와 300℃ 이하의 사전설정된 제2온도 사이의 범위 내에 있을 때 오존이 공급되도록 상기 오존공급수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 배기가스의 정화장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 오존공급제어수단은, 상기 입자상물질포획장치에 포획된 입자상물질의 양이 사전설정된 값 이상이 될 때 오존이 공급되도록 상기 오존공급수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 배기가스의 정화장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 오존공급수단은, 오존생성수단으로서의 역할을 하는 오존발생기; 상기 오존발생기에 연결된 오존공급로; 및 상기 오존공급로에 연결되고, 상기 배기가스로에 그리고 상기 입자상물질포획장치의 상류측에 배치되는 오존공급노즐을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기가스의 정화장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 오존발생기는, 원료로서의 역할을 하는 공기와 산소 중 한 가지가 고전압이 인가가능한 방전관에서 유동되고 있는 동안 오존을 생성하는 것을 특징으로 하는 배기가스의 정화장치.
7. 제6항에 있어서,

   원료로서의 역할을 하는 공기와 산소 중 한 가지는 상기 배기가스로의 외부로부터 흡인되는 가스인 것을 특징으로 하는 배기가스의 정화장치.
8. 제1항에 있어서,

   상기 NO산화촉매는 다공질산화물담체 및 그것에 담지되는 귀금속을 포함하여 이루어지고, 배기가스 내의 NO를 NO₂로 산화시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 배기가스의 정화장치.
9. 제1항에 있어서,

   상기 입자상물질포획장치는 오존을 분해하는 촉매를 실질적으로 포함하지 아니하는 것을 특징으로 하는 배기가스의 정화장치.

Images