KR20100059393A - 디젤 산화 촉매의 재생 방법 - Google Patents

디젤 산화 촉매의 재생 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 백금과 팔라듐이 코팅된 디젤 산화 촉매에서 황피독 제거 시점을 정확하게 판단하여 황피독 제거를 실시함으로써 배기가스의 정화 효율을 향상시키는 디젤 산호 촉매의 재생 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 디젤 산화 촉매의 재생 방법은 배기가스 중 탄화수소와 일산화탄소를 산화하며 담체에 백금과 팔라듐이 코팅된 디젤 산화 촉매의 황피독을 제거하는 것으로, a) 설정된 시점으로부터 적산 거리가 설정된 거리보다 큰지를 판단하는 단계; b) 설정된 시점으로부터 적산 거리가 설정된 거리보다 큰 경우, 디젤 산화 촉매 후단 온도를 설정된 온도 이상으로 상승시키는 단계; c) 디젤 산화 촉매의 효율이 설정된 효율보다 작은지를 판단하는 단계; 그리고 d) 디젤 산화 촉매의 효율이 설정된 효율보다 작은 경우, 디젤 산화 촉매를 재생하는 단계;를 포함할 수 있다.
디젤 산호 촉매, 황피독

Description

디젤 산화 촉매의 재생 방법{METHOD FOR REGENERATING DIESEL OXIDATION CATALYST}
본 발명은 디젤 산화 촉매의 재생 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 백금과 팔라듐이 코팅된 디젤 산화 촉매에서 황피독 제거 시점을 정확하게 판단하여 황피독 제거를 실시함으로써 배기가스의 정화 효율을 향상시키는 디젤 산호 촉매의 재생 방법에 관한 것이다.
일반적으로 엔진에서 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기 가스는 배기 파이프의 도중에 형성된 촉매 컨버터(Catalytic converter)로 유도되어 정화되고, 머플러를 통과하면서 소음이 감쇄된 후 테일 파이프를 통해 대기 중으로 방출된다. 상기한 촉매 컨버터는 매연여과장치(DPF, Diesel Particulate Filter)의 일종으로 배기 가스에 포함되어 있는 오염물질을 처리한다. 그리고 상기한 촉매컨버터 내부에는 배기 가스에 포함된 입자상 물질(PM)을 포집하기 위한 촉매 담체가 형성되어 엔진에서 배출되는 각종 배기 가스를 화학적 변환과정을 통하여 정화시키게 되는 것이다.
상기와 같은 역할을 하는 촉매 컨버터에 적용되는 촉매형식 중의 하나로 디젤 산화 촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC)가 있다. DOC는 배기 가스 내에 포 함된 HC와 CO를 산화시킨다.
한편, 연료에 포함된 황 성분은 산화 촉매의 성능을 저하시키므로, 현재 DOC에는 내황성이 강한 백금(Pt)이 담체에 코팅된 산화 촉매가 주로 사용된다. 그러나, 백금은 비싸므로 제조 원가가 비싸지는 문제점이 있었으며, 이에 따라 백금과 팔라듐(Pd)이 담체에 코팅된 산화 촉매를 사용하는 추세이다. 이 경우, 황에 의한 산화 촉매의 활성 저하를 막는 것이 주요 관심사이다.
특히, 황에 의한 산화 촉매의 활성은 배기 가스의 온도가 낮을 때 크게 저하된다.
도 5는 황 피독 후 산화 촉매의 활성을 회복하는 온도 및 시간의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 배기 가스의 온도가 400℃인 경우에는 산화 촉매의 활성을 회복하는데 5분이 소요되고, 배기 가스의 온도가 450℃인 경우에는 산화 촉매의 활성을 회복하는데 1분이 소요되며, 배기 가스의 온도가 500℃인 경우에는 산화 촉매의 활성을 회복하는데 10초가 소요된다. 따라서, 백금과 팔라듐을 포함하는 산화 촉매를 사용하기 위해서는 배기 가스의 온도를 450℃ 이상으로 유지하여야 하나, 이는 현실적으로 어렵다.
현재까지는 디젤 산화 촉매의 황피독을 제거하는 별도의 방법이 없었으며, 차량이 고속으로 주행 시 배기가스의 온도가 고온이 되어 디젤 산화 촉매의 황피독을 자연적으로 제거하도록 되어 있다. 그러나, 고속 주행보다 저속 주행을 많이 하게 되는 현재의 도로 사정으로 볼 때, 자연적인 황피독 제거 효과를 보기는 어려운 현실이다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 황피독 제거 시기를 정확하게 판단함으로써 배기가스의 정화효율을 높일 수 있는 디젤 산화 촉매의 재생 방법을 제공하는 것이다.
또한, 백금과 팔라듐이 담체에 코팅된 산화 촉매를 사용하더라도 배기가스의 정화 효율이 떨어지지 않고, 제작 원가가 낮은 디젤 산화 촉매의 재생 방법을 제공하는 것이 다른 목적이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 디젤 산화 촉매의 재생 방법은 배기가스 중 탄화수소와 일산화탄소를 산화하며 담체에 백금과 팔라듐이 코팅된 디젤 산화 촉매의 황피독을 제거하는 것으로, a) 설정된 시점으로부터 적산 거리가 설정된 거리보다 큰지를 판단하는 단계; b) 설정된 시점으로부터 적산 거리가 설정된 거리보다 큰 경우, 디젤 산화 촉매 후단 온도를 설정된 온도 이상으로 상승시키는 단계; c) 디젤 산화 촉매의 효율이 설정된 효율보다 작은지를 판단하는 단계; 그리고 d) 디젤 산화 촉매의 효율이 설정된 효율보다 작은 경우, 디젤 산화 촉매를 재생하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 디젤 산화 촉매 후단 온도를 설정된 온도 이상으로 상승시키는 단계는 제1설정 연료량을 후분사 또는 2차 분사함으로써 수행될 수 있다.
상기 디젤 산화 촉매의 효율은 배기가스에 의하여 디젤 산화 촉매에서 발생되는 산화 열량의 최초와 현재의 비로 정의될 수 있다.
디젤 산화 촉매를 재생하는 단계는 상기 제1설정 연료량보다 많은 제2설정 연료량을 설정된 시간 동안 후분사 또는 2차 분사함으로써 수행될 수 있다.
상기 디젤 산화 촉매의 재생 방법은 e) 디젤 산화 촉매를 재생한 후, 디젤 산화 촉매 후단 온도를 설정된 온도 이상으로 재상승시키는 단계; 그리고 f) 디젤 산화 촉매의 효율이 설정된 효율보다 작은지를 다시 판단하는 단계;를 더 포함하되, 산화 촉매의 효율이 설정된 효율보다 다시 작은 경우, 고장 코드를 저장할 수 있다.
상기 c)단계 및 f)단계에서 디젤 산화 촉매의 효율이 설정된 효율 이상인 경우, 설정된 시점을 리셋하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 황피독 제거 시기를 정확하게 판단함으로써 배기가스의 정화 효율 및 연비를 향상시킬 수 있다.
또한, 백금과 팔라듐이 담체에 코팅된 산화 촉매를 사용하여도 되므로, 제작 단가가 낮춰진다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 디젤 산화 촉매의 재생 방법이 적용될 수 있는 배기 장치의 일 예이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 내연기관은 엔진(10), 터보 챠져(20), 디젤 산화 촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC)(30), 배기 파이프(40), 그리고 제어부(50)를 포함한다.
엔진(10)은 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 연소시켜 화학적 에너지를 기계적 에너지로 변환한다. 엔진(10)은 흡기 매니폴드(18)에 연결되어 연소실(12) 내부로 공기를 유입 받으며, 배기 매니폴드(16)에 연결되어 연소 과정에서 발생된 배기가스는 배기 매니폴드(16)에 모이게 된다. 상기 연소실(12)에는 인젝터(14)가 장착되어 연료를 연소실(12) 내부로 분사한다.
여기에서는 디젤 엔진을 예시하였으나 가솔린 엔진을 사용할 수도 있다. 가솔린 엔진을 사용하는 경우, 흡기 매니폴드를 통하여 혼합기가 연소실(12) 내부로 유입되며, 연소실(12) 상부에는 점화를 위한 점화플러그가 장착된다.
또한, 상기 인젝터(14)는 배기 파이프(40)의 디젤 산화 촉매(30) 전단에 장착될 수도 있다. 편의상 엔진(10)에 장착된 인젝터(14)를 통하여 추가분사를 하는 경우를 후분사라고 하고, 배기 파이프(40)에 장착된 인젝터(14)를 통하여 추가분사를 하는 경우를 2차 분사라고 한다. 2차 분사의 경우에는, 디젤 산화 촉매(30)에서 일어나는 산화 과정에서 발생되는 산화열에 의하여 디젤 산화 촉매(30) 후단부의 온도가 올라간다.
배기 파이프(40)는 상기 배기 매니폴드(16)에 연결되어 여기에 모여 있는 배기가스를 차량 외부로 배출시킨다. 상기 배기 파이프(40) 상에는 디젤 산화 촉매(30)가 장착되어 배기가스에 포함된 일산화탄소와 탄화수소를 이산화탄소로 산화시킨다. 필요에 따라, 상기 배기 파이프(40) 상에는 디젤 매연 필터(Diesel Particulate Filter; DPF)와 질소산화물 흡장 촉매(Lean NOx Trap; LNT) 등이 장착되어 각각 배기가스에 포함된 입자상 물질(Particulate Materials; PM)과 질소산화물을 제거할 수도 있다.
터보 챠져(20)는 배기 가스의 에너지를 이용하여 터빈(도시하지 않음)을 회전시켜 공기의 흡입량을 증가시킨다.
디젤 산화 촉매(30)는 배기 파이프(40)를 통하여 배출되는 배기가스에 포함된 일산화탄소와 탄화수소를 이산화탄소로 산화한다. 이를 위하여, 디젤 산화 촉매(30)로는 백금(Pt)과 팔라듐(Pd)이 알루미나 담체에 코팅된 촉매를 사용한다.
한편, 상기 디젤 산화 촉매(30)의 전단부와 후단부에는 각각 제1,2온도 센서(52, 54)가 장착되어 디젤 산화 촉매(30)의 전단부 온도와 후단부 온도를 측정한다.
제어부(50)는 설정된 프로그램에 의해 동작하는 하나 이상의 프로세서로 구현될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 본 발명의 실시예에 따른 디젤 산화 촉매의 재생 방법의 각 단계를 수행하도록 프로그래밍된 것일 수 있다.
상기 제어부(50)는 상기 제1,2온도 센서(52, 54)에 각각 연결되어 디젤 산화 촉매(30)의 전단부 온도와 후단부 온도에 대한 신호를 전달받고, 상기 인젝터(14)에 연결되어 인젝터(14)의 작동을 제어한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 디젤 산화 촉매의 재생 방법을 수행하는 시 스템의 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 디젤 산화 촉매의 재생 방법을 수행하는 시스템은 제1,2온도 센서(52, 54), 적산 거리 센서(56), 제어부(50), 그리고 인젝터(14)를 포함한다. 상기 구성요소 중 제1,2온도 센서(52, 54), 제어부(50), 그리고 인젝터(14)에 대하여는 앞에서 설명되었으므로 여기에서는 상세한 설명을 생략한다.
적산거리 센서(56)는 설정된 시점으로부터 차량의 적산 거리를 측정하여 이에 대한 신호를 제어부(50)에 전달한다. 이러한 적산거리 센서(56)는 차량에 통상적으로 부착되어 있는 것으로 당업자에게 자명하다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 디젤 산화 촉매의 재생 방법의 흐름도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 디젤 산화 촉매의 재생 방법은 설정된 시점으로부터 적산 거리를 측정함으로써 시작된다(S110). 즉, 적산거리 센서(56)는 설정된 시점으로부터 적산 거리를 측정하여 이에 대한 신호를 제어부(50)에 인가한다. 상기 설정된 시점은 차량 구입 후 최초 운행 시점 또는 디젤 산화 촉매(30)의 이전 재생 시점일 수 있다.
여기서, 디젤 산화 촉매(30)의 재생이라 함은 디젤 산화 촉매에 피독된 황을 제거하는 것을 말한다.
그 후, 제어부(50)는 설정된 시점으로부터 적산 거리가 설정된 거리(예를 들어, 1500km)보다 큰 지를 판단한다(S120). 여기서, 설정된 거리는 당업자가 실험 등의 데이터를 통하여 디젤 산화 촉매(30)의 재생이 필요한지를 검토할 필요가 있 다고 생각되는 거리로 정할 수 있다.
상기 S120 단계에서 설정된 시점으로부터 적산 거리가 설정된 거리 이하이면, 적산거리 센서(56)는 계속하여 설정된 시점으로부터 적산 거리를 측정한다(S110).
상기 S120 단계에서 설정된 시점으로부터 적산 거리가 설정된 거리보다 크다면, 제어부(50)는 디젤 산화 촉매(30)의 후단 온도를 설정된 온도 이상으로 상승시킨다(S130). 상기 설정된 온도는 250℃일 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 디젤 산화 촉매(30)의 후단 온도가 250℃ 이상이면, 디젤 산화 촉매(30)의 후단 온도는 항상 디젤 산화 촉매(30)의 전단 온도보다 크다. 이 의미는 디젤 산화 촉매(30)가 충분히 웜업(warm-up)되어 디젤 산화 촉매(30)에서 탄화수소와 일산화탄소의 산화반응이 일어나기 시작하는 것을 의미한다. 따라서, 디젤 산화 촉매(30)의 후단 온도가 250℃ 이상인 영역에서는 디젤 산화 촉매(30)의 효율을 정확히 측정할 수 있다.
디젤 산화 촉매(30)의 후단 온도를 설정된 온도 이상으로 상승시키는 단계는 제어부(50)가 제1설정 연료량을 인젝터(14)가 후분사 또는 2차 분사하도록 제어함으로써 수행된다. 상기 제1설정 연료량은 실험 등을 통하여 정해진 값으로, 디젤 산화 촉매(30)의 후단 온도를 설정된 온도 이상으로 상승시키기에 충분한 연료량이다. 또한, 엔진(10)에 후분사용 인젝터를 별도로 설치하여 후분사를 제어할 수도 있다.
디젤 산화 촉매(30)의 후단 온도가 설정된 온도 이상으로 상승되면, 제어부(50)는 디젤 산화 촉매(30)의 효율이 설정된 효율보다 작은지를 판단한다(S140). 디젤 산화 촉매(30)의 효율은 배기가스에 의하여 디젤 산화 촉매(30)에서 발생되는 산화 열량의 최초와 현재의 비로 정의되고, 디젤 산화 촉매(30)에서 발생되는 산화 열량(Q)은 다음 식에 의하여 계산된다.
Figure 112008081591141-PAT00001
여기서, m은 배기가스의 질량, Cp는 배기가스의 비열, Tout은 DOC 후단의 온도, 그리고 Tin은 DOC 전단의 온도를 의미한다.
따라서, 디젤 산화 촉매(30)의 효율(DOCeff)은 다음의 식에 의하여 계산된다.
Figure 112008081591141-PAT00002
여기서, Qcur는 현재 디젤 산화 촉매에서 발생되는 산화 열량이고, Qfre는 최초 디젤 산화 촉매에서 발생되는 산화 열량을 의미한다. 예를 들어, 디젤 산화 촉매(30)의 효율(DOCeff)이 1이면 제작된 직후의 디젤 산화 촉매(30)를 의미하고, 디젤 산화 촉매(30)의 효율(DOCeff)이 0이면 촉매가 없거나 고장난 상태를 의미한다.
Qfre는 디젤 산화 촉매가 만들어졌을 때 실험을 통하여 저장된 값이고, Qcur는 디젤 산화 촉매(30)의 전,후단 온도 차이를 이용하여 제어부(50)가 계산한다.
한편, 설정된 효율은 배기가스 규제를 맞추기 위하여 필요한 디젤 산화 촉매(30)의 효율을 의미하는 것으로, 실험 등을 통하여 설계자가 미리 설정한다.
상기 S140 단계에서 디젤 산화 촉매(30)의 효율이 설정된 효율 이상이면, 디젤 산화 촉매(30)가 정상적으로 작동하는 것으로 판단하고, 현재의 시점을 설정된 시점으로 리셋(reset)하고(S190), 본 발명의 실시예에 따른 디젤 산화 촉매의 재생 방법을 종료한다.
상기 S140 단계에서 디젤 산화 촉매(30)의 효율이 설정된 효율보다 작으면, 디젤 산화 촉매(30)에 황이 한계 이상으로 피독된 것으로 판단하고, 제어부(50)는 디젤 산화 촉매(30)를 재생한다(S150). 이러한 디젤 산화 촉매를 재생하는 단계는 제1설정 연료량보다 많은 제2설정 연료량을 설정된 시간 동안 후분사 또는 2차분사함으로써 수행될 수 있다. 상기 제2설정 연료량은 디젤 산화 촉매(30)의 활성을 회복할 수 있는 온도(예를 들어, 450℃)까지 상승시킬 수 있는 연료량으로 실험에 의하여 정하여진다. 또한, 설정된 시간은 앞에서 말한 디젤 산화 촉매(30)의 활성을 회복할 수 있는 온도(예를 들어, 450℃)에 노출되었을 때 디젤 산화 촉매(30)가 재생되는데 충분한 시간(예를 들어, 1분)으로, 실험에 의하여 정하여진다(도 5 참조).
그 후, 제어부(50)는 디젤 산화 촉매(30)의 후단 온도를 설정된 온도 이상으로 다시 상승시킨다(S160). 상기 S160 단계는 상기 S130 단계와 마찬가지로 제1설정 연료량을 후분사 또는 2차분사함으로써 수행된다.
디젤 산화 촉매(30)의 후단 온도가 설정된 온도 이상으로 상승되면, 제어부는 디젤 산화 촉매(30)의 효율이 설정된 효율보다 작은지를 다시 판단한다(S170).
S170 단계에서 디젤 산화 촉매(30)의 후단 온도가 설정된 온도보다 높으면, 디젤 산화 촉매(30)가 정상적으로 작동되는 것이므로(즉, 재생이 제대로 된 경우이므로) 제어부(50)는 현재의 시점을 설정된 시점으로 리셋하고(S1990) 본 발명의 실시예에 따른 디젤 산화 촉매의 재생 방법을 종료한다.
S170 단계에서 디젤 산화 촉매(30)의 후단 온도가 설정된 온도 이하이면, 재상을 하였으나 재생이 제대로 되지 않은 경우이므로 제어부(50)는 고장난 것으로 판단하고 고장코드를 저장하고(S180), 본 발명의 실시예에 따른 디젤 산화 촉매의 재생 방법을 종료한다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 디젤 산화 촉매의 재생 방법이 적용될 수 있는 배기 장치의 일 예이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 디젤 산화 촉매의 재생 방법을 수행하는 시스템의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 디젤 산화 촉매의 재생 방법의 흐름도이다.
도 4는 시간에 따른 디젤 산화 촉매의 전후단 온도를 도시한 그래프이다.
도 5는 황 피독 후 산화 촉매의 활성을 회복하는 온도 및 시간의 관계를 나타낸 그래프이다.

Claims (6)

  1. 배기가스 중 탄화수소와 일산화탄소를 산화하는 디젤 산화 촉매의 황피독을 제거하는 디젤 산화 촉매의 재생 방법에 있어서,
    a) 설정된 시점으로부터 적산 거리가 설정된 거리보다 큰지를 판단하는 단계;
    b) 설정된 시점으로부터 적산 거리가 설정된 거리보다 큰 경우, 디젤 산화 촉매 후단 온도를 설정된 온도 이상으로 상승시키는 단계;
    c) 디젤 산화 촉매의 효율이 설정된 효율보다 작은지를 판단하는 단계; 그리고
    d) 디젤 산화 촉매의 효율이 설정된 효율보다 작은 경우, 디젤 산화 촉매를 재생하는 단계;
    를 포함하는 디젤 산화 촉매의 재생 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 디젤 산화 촉매 후단 온도를 설정된 온도 이상으로 상승시키는 단계는 제1설정 연료량을 후분사 또는 2차 분사함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 디젤 산화 촉매의 재생 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 디젤 산화 촉매의 효율은 배기가스에 의하여 디젤 산화 촉매에서 발생되는 산화 열량의 최초와 현재의 비로 정의되는 것을 특징으로 하는 디젤 산화 촉매의 재생 방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    디젤 산화 촉매를 재생하는 단계는 상기 제1설정 연료량보다 많은 제2설정 연료량을 설정된 시간 동안 후분사 또는 2차 분사함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 디젤 산화 촉매의 재생 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    e) 디젤 산화 촉매를 재생한 후, 디젤 산화 촉매 후단 온도를 설정된 온도 이상으로 재상승시키는 단계; 그리고
    f) 디젤 산화 촉매의 효율이 설정된 효율보다 작은지를 다시 판단하는 단계;
    를 더 포함하되,
    산화 촉매의 효율이 설정된 효율보다 다시 작은 경우, 고장 코드를 저장하는 것을 특징으로 하는 디젤 산화 촉매의 재생 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 c)단계 및 f)단계에서 디젤 산화 촉매의 효율이 설정된 효율 이상인 경우, 설정된 시점을 리셋하는 단계를 더 포함하는 디젤 산화 촉매의 재생 방법.
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