KR20100124211A - 배기가스 정화 시스템 - Google Patents
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Abstract
배기가스 정화 시스템은 배기 통로, 산화 촉매, 선택적 촉매 환원 촉매, 요소수 공급 장치, 제 1 가열 메커니즘 및 제어기를 포함한다. 내연기관으로부터 배출된 배기가스는 배기 통로를 통해 흐른다. 배기가스에 포함된 일산화질소를 이산화질소로 산화시키기 위한 산화 촉매는 배기 통로에 배치된다. 선택적 촉매 환원 촉매는 산화 촉매의 하류에 배치된다. 요소수 공급 장치는 선택적 촉매 환원 촉매의 상류에서 배기 통로에 요소수를 공급한다. 제 1 가열 메커니즘은 산화 촉매를 가열한다. 제어기는 산화 촉매의 온도를 조정하도록 제 1 가열 메커니즘을 제어하여, 선택적 촉매 환원 촉매에 유입하는 배기가스 내 일산화질소와 이산화질소 사이의 몰비가 1 : 1 이 된다.
Description
본 발명은, 배기가스 정화 시스템에 관한 것이며, 특히 디젤 엔진의 배기가스에 포함된 질소산화물 (NOx) 을 정화하기 위한 요소 (urea) 선택적 촉매 환원 (selective catalytic reduction, SCR) 시스템을 구비한 배기가스 정화 시스템에 관한 것이다.
디젤 엔진의 배기가스에 포함된 NOx 를 환원시키기 위한 요소 SCR 시스템이 개발되고 있다. 요소 SCR 시스템에서는, NOx 를, 요소수 (urea water) 의 가수분해에 의해 생성되는 암모니아와 반응시켜 질소 및 물을 형성함으로써 정화하기 위해, SCR 촉매로 불리는 촉매가 사용된다.
SCR 촉매의 정화 효율은, 일산화질소 (NO) 와 이산화질소 (NO2) 사이의 몰비가 1 : 1 일 때 최대로 된다. 그렇지만, 통상적인 배기가스 내 NO 의 함량은 일반적으로 NO2 의 함량보다 더 많다. NO 와 NO2 사이의 몰비를 1 : 1 에 근접하게 하기 위해, SCR 촉매의 상류에, NO 의 일부를 산화시켜 NO2 를 형성하기 위한 산화 촉매가 형성된다.
산화 촉매에 의한 NO 에서 NO2 로의 전환율은 산화 촉매의 온도에 의존한다. 산화 촉매의 온도가 비교적 낮은 경우에는, 환원력이 산화력보다 더 커서, 산화 촉매를 통과한 배기가스 중에 포함되는 NO 의 몰비가 증대된다.
전기 히터로 산화 촉매를 가열함으로써, 산화 촉매를 통과한 배기가스 중에 포함되는 NO2 의 몰비를 증대시키기 위한 배기가스 정화 시스템이 일본공개특허공보 제 08-338229 호에 개시되어 있다.
종래의 요소 SCR 시스템을 포함하는 배기가스 정화 시스템에서는, 산화 촉매의 온도가 비교적 낮은 때에, 예컨대 냉간 시동 (cold start) 시에, SCR 촉매에 유입하는 배기가스 중에 포함되는 NO 의 몰비가 증대된다. 따라서, NOx 에 대한 SCR 촉매의 정화 효율이 저하된다.
배기가스 내 NO 와 NO2 사이의 몰비는, 연료 분사량 및 엔진 속도와 같은 디젤 엔진의 작동 조건에 따라 변화한다. 그러므로, 종래의 요소 SCR 시스템에 대해 상기 공보에 개시된 배기가스 정화 시스템이 적용된다면, 전기 히터로 산화 촉매를 가열함으로써 NO2 의 몰비를 증대시키는 것만으로는, SCR 촉매에 유입하는 배기가스 중에 포함되는 NO 와 NO2 사이의 몰비가 1 : 1 이 되는 것과, SCR 촉매의 정화 효율이 최대로 되는 것이 보장되지 않는다.
본 발명은, 디젤 엔진의 작동 조건에 관계없이, SCR 촉매의 정화 효율이 최대로 되는 배기가스 정화 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따르면, 배기가스 정화 시스템은 배기 통로, 산화 촉매, 선택적 촉매 환원 촉매, 요소수 공급 장치, 제 1 가열 메커니즘 및 제어기를 포함한다. 내연기관으로부터 배출된 배기가스는 배기 통로를 통해 흐른다. 배기가스에 포함된 일산화질소를 이산화질소로 산화시키기 위한 산화 촉매는 배기 통로에 배치된다. 선택적 촉매 환원 촉매는 산화 촉매의 하류에 배치된다. 요소수 공급 장치는 선택적 촉매 환원 촉매의 상류에서 배기 통로에 요소수를 공급한다. 제 1 가열 메커니즘은 산화 촉매를 가열한다. 제어기는 산화 촉매의 온도를 조정하도록 제 1 가열 메커니즘을 제어하여, 선택적 촉매 환원 촉매에 유입하는 배기가스 내 일산화질소와 이산화질소 사이의 몰비가 1 : 1 이 된다.
본 발명의 예로써 나타낸 첨부도면을 참조한 하기 설명으로부터, 본 발명의 다른 측면 및 이점이 분명해질 것이다.
본 발명의 목적 및 이점과 함께 본 발명은, 첨부도면과 함께 현재 바람직한 실시형태에 대한 이하의 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 것이다.
도 1 은, 본 발명의 제 1 바람직한 실시형태에 따른 배기가스 정화 시스템의 개략도이다.
도 2 는, 도 1 의 배기가스 정화 시스템에서 산화 촉매에 의한 NO 에서 NO2 로의 전환율의 온도 의존성을 나타내는 도면이다.
도 3 은, 도 1 의 배기가스 정화 시스템의 전자 제어 유닛 (ECU) 에 저장된 데이터 맵이다.
도 4 는, 본 발명의 제 2 바람직한 실시형태에 따른 배기가스 정화 시스템의 개략도이다.
도 2 는, 도 1 의 배기가스 정화 시스템에서 산화 촉매에 의한 NO 에서 NO2 로의 전환율의 온도 의존성을 나타내는 도면이다.
도 3 은, 도 1 의 배기가스 정화 시스템의 전자 제어 유닛 (ECU) 에 저장된 데이터 맵이다.
도 4 는, 본 발명의 제 2 바람직한 실시형태에 따른 배기가스 정화 시스템의 개략도이다.
이하에서, 도 1 내지 도 3 을 참조하여, 본 발명의 제 1 바람직한 실시형태에 따른 배기가스 정화 시스템을 설명한다. 본 발명의 제 1 바람직한 실시형태에 따른 배기가스 정화 시스템을 보여주는 도 1 을 참조하여 보면, 내연기관인 디젤 엔진 (1) 으로부터 배출된 배기가스가 유통하는 배기 통로 (2) 에는, 배기가스에 포함된 NO 의 일부를 산화시켜 NO2 를 형성하기 위한 산화 촉매 (3) 가 배치되어 있다. 산화 촉매 (3) 의 하류에는, 배기가스에 포함된 입자상 물질 (particulate matter, PM) 을 제거하기 위한 디젤 파티큘레이트 필터 (diesel particulate filter, DPF) (4) 가 형성되어 있다. DPF (4) 의 하류에는, NOx 를, 요소수의 가수분해에 의해 생성된 암모니아와 반응시킴으로써, NOx 를 환원시켜 질소 및 물을 형성하기 위한 선택적 촉매 환원 (SCR) 촉매 (5) 가 배치되어 있다. SCR 촉매 (5) 의 하류에는, SCR 촉매 (5) 에서 반응 또는 소비되지 않고 남아 있는 암모니아를 산화시키기 위한 산화 촉매 (6) 가 배치되어 있다. SCR 촉매 (5) 의 상류에서 요소수를 공급하기 위한 요소수 탱크 (도시 안 됨) 에 연결되는 요소수 공급 장치인 요소수 공급 노즐 (7) 이 DPF (4) 와 SCR 촉매 (5) 사이에 배치되어 있다.
산화 촉매 (3) 의 상류측 단면 (end surface) 에는, 산화 촉매 (3) 를 가열하기 위해 온도를 제어하도록 작동될 수 있는 제 1 가열 메커니즘인 전기 히터 (8) 가 배치되어 있다. 산화 촉매 (3) 의 하류에는, 온도 센서 (9) 가 배치되어 있다. 제 1 바람직한 실시형태에 있어서, 온도 센서 (9) 에 의해 검출된 온도는 산화 촉매 (3) 의 온도로 간주된다. 전기 히터 (8) 및 온도 센서 (9) 는, 제어기인 전자 제어 유닛 (ECU) (10) 또는 엔진 제어 유닛에 전기적으로 접속되어 있다.
다음으로, 본 발명의 제 1 바람직한 실시형태에 따른 배기가스 정화 시스템의 작동에 대해 설명한다. 디젤 엔진 (1) 으로부터 배기 통로 (2) 내로 배출된 배기가스는, 먼저 산화 촉매 (3) 에 유입하여, 그곳에서 배기가스에 포함된 NO 의 일부가 산화되어 NO2 를 형성한다. 그 다음으로, 산화 촉매 (3) 를 통과한 배기가스는 DPF (4) 에 유입하여, 배기가스에 포함된 입자상 물질 (PM) 이 DPF (4) 에 포집되고, 포집된 PM 은 배기가스에 포함된 NO2 와 반응하게 되어, 연소 및 제거된다. 그리고, DPF (4) 를 통과한 배기가스는 SCR 촉매 (5) 에 유입된다.
이상에서 설명한 것처럼, NOx 에 대한 SCR 촉매 (5) 의 정화 효율은, NO 와 NO2 사이의 몰비가 1 : 1 일 때 최대로 된다. 디젤 엔진 (1) 으로부터 배출되는 배기가스에 포함된 NO 와 NO2 사이의 몰비는, 주로 디젤 엔진 (1) 의 연료 분사량 및 엔진 속도에 의존한다. 도 2 를 참조해 보면, 산화 촉매 (3) 에 의한 NO 에서 NO2 로의 전환율은 산화 촉매 (3) 의 온도에 의존한다. 그러므로, ECU (10) 는, 디젤 엔진 (1) 의 연료 분사량 및 엔진 속도에 기초하여, 전기 히터 (8) 를 제어함으로써, SCR 촉매 (5) 에 유입하는 배기가스에 포함된 NO 와 NO2 사이의 몰비가 1 : 1 이 되도록 산화 촉매 (3) 의 온도를 조정한다.
구체적으로, ECU (10) 는, 디젤 엔진 (1) 의 상이한 각각의 연료 분사량 및 엔진 속도에 있어서, 도 3 에 나타낸 것처럼 산화 촉매 (3) 및 DPF (4) 를 통과한 배기가스 내 NO 와 NO2 사이의 몰비가 1 : 1 이 되는, 실험적으로 획득한 산화 촉매 (3) 의 온도에 대한 데이터를 포함하는 데이터 맵을 구비하고 있다. 디젤 엔진 (1) 의 작동 동안, 소정의 시간 간격마다 디젤 엔진 (1) 의 연료 분사량 및 엔진 속도를 결정하고, NO 와 NO2 사이의 몰비가 1 : 1 이 되는 산화 촉매 (3) 의 온도를 도 3 의 데이터 맵으로부터 알아낸다. 따라서, ECU (10) 가 전기 히터 (8) 를 제어하여, 온도 센서 (9) 에 의해 검출되는 온도가 도 3 의 데이터 맵으로부터 획득되는 온도와 실질적으로 동일하게 되도록 산화 촉매 (3) 가 가열된다.
다시 도 1 을 참조하여 보면, NO 와 NO2 사이의 몰비가 1 : 1 이 되도록 조정된 배기가스가 SCR 촉매 (5) 에 유입할 때, SCR 촉매 (5) 의 상류에서 요소수 공급 노즐 (7) 로부터 배기 통로 (2) 에 공급된 요소수가 가수분해되어 암모니아 및 이산화질소를 형성한다. 그리고, 암모니아와 배기가스의 NOx 가 반응하여, 질소 및 물을 형성한다. SCR 촉매 (5) 에서 반응 또는 소비되지 않고 남아 있는 암모니아는 산화 촉매 (6) 에서 산화된다. 따라서, 배기가스가 정화되어 대기 중으로 배출된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 제 1 바람직한 실시형태에 따른 배기가스 정화 시스템은, 산화 촉매 (3) 에 제공된 전기 히터 (8) 를 제어함으로써, SCR 촉매 (5) 에 유입하는 배기가스에 포함된 NO 와 NO2 사이의 몰비가 1 : 1 이 되도록 산화 촉매 (3) 의 온도를 조정할 수 있고, 그 결과, 디젤 엔진 (1) 의 작동 조건에 관계없이, SCR 촉매 (5) 의 정화 효율이 최대로 된다. 산화 촉매 (3) 와 SCR 촉매 (5) 사이에 배치된 DPF (4) 에 의해, 배기가스 내 PM 이 제거된다.
다음으로, 본 발명의 제 2 바람직한 실시형태에 따른 배기가스 정화 시스템에 대해 설명한다. 동일한 도면부호는 도 1 의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소를 가리키고, 그에 대한 설명은 생략한다.
제 2 바람직한 실시형태에 따른 배기가스 정화 시스템은, SCR 촉매 (5) 를 가열하기 위해 SCR 촉매 (5) 의 상류측 단면에 배치된 제 2 가열 메커니즘인 부가적인 전기 히터 (211), 및 SCR 촉매 (6) 의 하류에 배치된 부가적인 온도 센서 (212) 를 갖는다. 제 2 바람직한 실시형태에 있어서, 온도 센서 (212) 에 의해 검출된 온도는 SCR 촉매 (5) 의 온도로 간주된다. 전기 히터 (211) 및 온도 센서 (212) 는 제어기인 ECU (210) 에 전기적으로 접속되어 있다.
일반적으로, SCR 촉매 (5) 가 가장 활성 (active) 으로 되는 온도 범위는 200 ∼ 500 ℃ 이다. 그러므로, ECU (10) 는, SCR 촉매 (5) 에 대해 온도 센서 (212) 에 의해 검출되는 온도가 200 ∼ 500 ℃ 가 되도록 전기 히터 (211) 를 제어한다. 따라서, 제 2 바람직한 실시형태에 따른 배기가스 정화 시스템은, 예컨대 SCR 촉매 (5) 의 온도가 여전히 낮은 냉간 시동시에, 전기 히터 (211) 에 의해 SCR 촉매 (5) 를 가열함으로써, 충분한 정화 효율이 얻어질 때까지의 시간을 단축할 수 있다는 점에서 유리하다.
제 1 및 제 2 바람직한 실시형태에 있어서, 전기 히터 (8) 의 표면을 산화 촉매 (3) 의 층으로 코팅하여, 산화 촉매 (3) 가 전기 히터 (8) 에 의해 담지되고, 따라서 전기적으로 가열되는 촉매 (EHC, Electrically Heated Catalyst) 가 제공될 수 있다. 이와 유사하게, 제 2 바람직한 실시형태에 있어서, 전기 히터 (211) 의 표면을 SCR 촉매 (5) 의 층으로 코팅하여, SCR 촉매 (5) 가 전기 히터 (211) 에 의해 담지될 수 있다. 이러한 배치로, 배기가스 정화 시스템을 소형화할 수 있다.
제 1 및 제 2 바람직한 실시형태에 있어서, DPF (4) 는 생략될 수 있다. 이 경우, 디젤 엔진 (1) 의 상이한 각각의 연료 분사량 및 엔진 속도에 있어서, 산화 촉매 (3) 를 통과한 배기가스 내 NO 와 NO2 사이의 몰비가 1 : 1 이 되는, 실험적으로 획득한 산화 촉매 (3) 의 온도에 대한 데이터를 포함하는 데이터 맵이 작성된다.
Claims (10)
- 내연기관으로부터 배출된 배기가스가 유통하는 배기 통로;
배기가스에 포함된 일산화질소를 이산화질소로 산화시키기 위한 산화 촉매 로서, 상기 배기 통로 내에 배치되는 산화 촉매;
상기 산화 촉매의 하류에 배치되는 선택적 촉매 환원 촉매;
상기 선택적 촉매 환원 촉매의 상류에서 배기 통로 내에 요소수를 공급하는 요소수 공급 장치;
상기 산화 촉매를 가열하는 제 1 가열 메커니즘; 및
상기 제 1 가열 메커니즘을 제어함으로써, 상기 선택적 촉매 환원 촉매에 유입하는 배기가스 내 일산화질소와 이산화질소 사이의 몰비가 1 : 1 이 되도록 상기 산화 촉매의 온도를 조정하는 제어기를 포함하는 배기가스 정화 시스템. - 제 1 항에 있어서, 상기 산화 촉매는 상기 배기 통로에서 제 1 가열 메커니즘에 의해 담지되는 배기가스 정화 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 가열 메커니즘이 상기 산화 촉매의 상류에 배치되고, 상기 산화 촉매의 하류에 온도 센서가 배치되며, 상기 제 1 가열 메커니즘 및 상기 온도 센서는 상기 제어기에 전기적으로 접속되는 배기가스 정화 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제어기는, 내연기관의 연료 분사량 및 엔진 속도에 기초하여, 상기 제 1 가열 메커니즘을 제어함으로써 산화 촉매의 온도를 조정하는 배기가스 정화 시스템.
- 제 4 항에 있어서, 상기 제어기는 내연기관의 각각의 연료 분사량 및 엔진 속도에 연관된 산화 촉매의 온도의 데이터를 포함하고, 상기 제어기는, 소정의 시간 간격마다 상기 데이터로부터 일산화질소와 이산화질소 사이의 몰비가 1 : 1 이 되는 산화 촉매의 온도를 알아내는 배기가스 정화 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 선택적 촉매 환원 촉매를 가열하는 제 2 가열 메커니즘을 더 구비하는 배기가스 정화 시스템.
- 제 6 항에 있어서, 상기 선택적 촉매 환원 촉매는 상기 배기 통로에서 상기 제 2 가열 메커니즘에 의해 담지되는 배기가스 정화 시스템.
- 제 6 항에 있어서, 상기 제어기는 선택적 촉매 환원 촉매의 온도가 소정의 범위 내에 있도록 상기 제 2 가열 메커니즘을 제어하는 배기가스 정화 시스템.
- 제 8 항에 있어서, 상기 소정의 범위는 200 ∼ 500 ℃ 인 배기가스 정화 시스템.
- 제 1 항에 잇어서, 상기 산화 촉매와 상기 선택적 촉매 환원 촉매 사이에 배치된 디젤 파티큘레이트 필터를 더 포함하는 배기가스 정화 시스템.
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