KR20110023158A - 배기 시스템 - Google Patents

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KR20110023158A
KR20110023158A KR1020090080791A KR20090080791A KR20110023158A KR 20110023158 A KR20110023158 A KR 20110023158A KR 1020090080791 A KR1020090080791 A KR 1020090080791A KR 20090080791 A KR20090080791 A KR 20090080791A KR 20110023158 A KR20110023158 A KR 20110023158A
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nitrogen oxide
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catalyst
injector
exhaust
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KR1020090080791A
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이효경
박지원
이진하
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현대자동차주식회사
기아자동차주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 배기 시스템은, 엔진에서 배출되는 배기가스가 통과하는 배기라인, 상기 배기라인에 설치되어 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시키는 질소산화물정화촉매, 상기 배기라인 또는 엔진의 실린더에 연료를 추가 분사하는 인젝터, 및 상기 인젝터에서 분사된 연료를 분해하여 고효율 환원제로 전환하고, 산화반응으로 후단의 온도를 상승시키도록, 상기 인젝터와 상기 질소산화물정화촉매 사이에 설치되는 연료분해촉매를 포함한다.
따라서, 질소산화물정화촉매의 전단부에 연료분해촉매를 배치하고, 상기 연료분해촉매에서 생성된 고반응성 환원제는 상기 질소산화물정화촉매의 정화효율을 향상시킨다.
인젝터, NOx, 연료분해촉매, DPF, DOC, 질소산화물, 정화촉매

Description

배기 시스템{EXHAUST SYSTEM}
본 발명은 배기 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 환원제를 이용하여 질소산화물을 정화하는 질소산화물정화촉매를 구비한 배기 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 엔진에서 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기가스는 배기 파이프의 도중에 형성된 촉매 컨버터(Catalytic converter)로 유도되어 정화되고, 머플러를 통과하면서 소음이 감쇄된 후 테일 파이프를 통해 대기 중으로 방출된다.
상기 촉매 컨버터는 배기가스에 포함되어 있는 오염물질을 처리한다. 그리고 배기 파이프 상에는 배기가스에 포함된 입자상 물질(PM)을 포집하기 위한 매연 필터가 장착된다.
선택적 촉매 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 장치는 이러한 촉매 컨버터의 한 형식이다. 선택적 촉매 환원(SCR) 장치는 우레아(Urea), 암모니아(Ammonia), 일산화탄소와 탄화수소(Hydrocarbon; HC) 등과 같은 환원제가 산소와 질소산화물 중에서 질소산화물과 더 잘 반응하도록 한다는 의미에서 선택적 촉매 환원이라고 명명된다.
이러한 선택적 촉매 환원 장치가 장착된 내연기관 중 일산화탄소와 탄화수소(HC: hydro carbon) 등을 환원제로 사용하는 경우, 배기가스에 포함된 질소산화물의 양에 따라 연료를 연속적으로 추가 분사하였다. 따라서, 탄화수소의 슬립이 발생되고 연비가 악화되었다.
또한, 연속적으로 환원제를 공급하는 경우, 산화-환원 반응 또한 연속적으로 일어나게 되었다. 따라서, 산화-환원 반응 시 발생되는 산화열에 의하여 촉매의 내구성이 악화되었다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 질소산화물의 정화효율이 향상된 배기 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 배기 시스템은, 엔진에서 배출되는 배기가스가 통과하는 배기라인, 상기 배기라인에 설치되어 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시키는 질소산화물정화촉매, 배기라인에 연료를 추가 분사하는 인젝터, 및 상기 인젝터에서 분사된 연료를 분해하여 고효율 환원제로 전환하고, 산화반응으로 후단의 온도를 상승시키도록, 상기 인젝터와 상기 질소산화물정화촉매 사이에 설치되는 연료분해촉매를 포함한다.
상기 연료분해촉매는, 알루미나, 지르코니아, 황산알루미나, 황산지르코니 아, 황산세리아-지르코니아 복합산화물, 텅스턴지르코니아, 텅스텐알루미나, 및 제올라이트 중 적어도 하나로 구성되는 담체를 포함하고, 상기 담체에는 Pt, Pd, Rh, Ir, Ag, Sn, 및 Ru 중 적어도 하나의 촉매성분이 부착된다.
상기 담체에 부착되는 상기 촉매성분은 전체 워시코트 질량의 0.05wt% 내지 10wt%의 범위에 포함된다.
상기 질소산화물정화촉매는, 배기가스에 포함된 질소산화물의 일부를 타지 않은 연료 또는 탄화수소를 이용하여 환원시키고, 질소산화물의 다른 일부는 내부로 확산시켜 저장하되, 상기 연료분해촉매에서 형성된 환원제를 이용하여 상기 질소산화물정화촉매에 저장된 질소산화물을 탈착시켜 환원시킨다.
상기 연료분해촉매는, 연료의 긴 탄소고리를 끊어 다수의 짧은 탄화수소를 만들어 상기 질소산화물정화촉매에서 질소산화물의 정화효율을 향상시킨다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 질소산화물정화촉매의 전단부에 연료분해촉매를 배치하고, 상기 연료분해촉매에서 생성된 고반응성 환원제는 상기 질소산화물정화촉매의 정화효율을 향상시킨다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 배기시스템은 엔진(100), 제어부(110), 인젝터(120), 연료 분해촉매(130), 촉매여과필터(140), 배기라인(150), 질소산화물정화촉매(160), 제1산소센서(170a), 제2산소센서(170b), 제1온도센서(180a), 제2온도센서(180b), 제3온도센서(180c), 제4온도센서(180d), 및 차압센서(190)를 포함한다.
상기 엔진(100) 내부에는 연료를 실린더 내로 연료를 분사하거나 흡기공기로 연료를 분사하는 별도의 인젝터(미도시)를 구비한다.
상기 엔진(100)에서 배출되는 연소가스는 상기 배기라인(150)을 통해서 배출되고, 상기 배기라인(150)에는 상기 인젝터(120), 상기 연료분해촉매(130), 상기 촉매여과필터(140), 상기 질소산화물정화촉매(160)가 순차적으로 배치된다.
상기 배기라인(150)에는 상기 엔진(100)과 상기 인젝터(120) 사이에 제1산소센서(170a)와 제1온도센서(180a)가 배치되고, 상기 연료분해촉매(130)와 상기 촉매여과필터(140) 사이에 상기 제2온도센서(180b)가 배치된다.
아울러, 상기 질소산화물정화촉매(160)의 입구측과 출구측에 각각 상기 제3온도센서(180c)와 상기 제4온도센서(180d)가 배치되고, 상기 제2산소센서(170b)는 상기 제4온도센서(180d)의 하류측에 배치된다.
상기 차압센서(190)는 상기 연료분해촉매(130)와 상기 촉매여과필터(140) 사이에 압력차이를 감지한다.
상기 제1,2산소센서(170a, 170b), 상기 제1,2,3,4온도센서(180a, 180b, 180c, 180d), 및 상기 차압센서(190)에서 감지된 신호는 상기 제어부(110)에 전달되어, 상기 인젝터(120) 및 상기 엔진(100)은 그 전달된 신호에 따라서 제어된다.
상기 질소산화물정화촉매(160)는 상기 엔진(100)에서 배출되는 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)를 흡장하고, 상기 인젝터(120)에서 추가로 분사된 연료에 의해서 상기 연료분해촉매(130)에서 생성된 환원제를 이용하여 탈착되어 환원된다.
즉, 상기 질소산화물정화촉매(160)에 흡장된 질소산화물을 탈착하여 환원시키기 위해서, 상기 배기라인(150)에 설치된 상기 인젝터(120)를 이용하여 연료를 추가분사하고, 상기 연료분해촉매(130)는 HC, CO, H2 등과 같은 환원제를 생성한다. 이 환원제를 이용하여 상기 질소산화물정화촉매(160)가 재생되는 것이다.
도 1을 참조하면, 상기 촉매여과필터(140)는 배기가스에 포함된 입자상 물질(Particulate Materials; PM)을 포집하고, 설정된 조건에서 제거한다.
상기 제어부(110)는 상기 차압센서(190)에서 측정된 압력 차이가 설정값 이상인 경우 상기 촉매여과필터(140)를 재생하도록 제어할 수 있다. 이 경우, 상기 인젝터(120)에서 연료를 후분사함으로써 상기 촉매여과필터(140) 내부에 포집된 수트(soot)를 연소시킬 수 있다.
상기 질소산화물정화촉매(160)에 저장된 질소산화물과 배기가스 내의 HC의 비율이 맵데이터에 설정되고, 상기 제어부(110)는 실제 운전조건에서 NOx 대비 HC의 비율과 맵데이터에서 설정된 값을 비교하여, 그 값이 설정된 값 이하인 경우 상기 인젝터(120)를 작동시켜 상기 배기가스 내로 연료를 추가로 분사한다.
상기 질소산화물정화촉매(160)의 후단부에는 질소산화물감지센서가 구비될 수 있고, 상기 질소산화물감지센서는 배기가스 내의 질소산화물의 양을 검출하고 이에 대한 신호를 상기 제어부에 전달 할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서, 상기 질소산화물감지센서를 사용하는 대신, 실 험값에 의하여 정해진 맵으로부터 그 저장량을 예측하는 것이 바람직하다.
상기 제어부(110)는 각 센서들에서 검출된 신호 및 맵자료들을 기초로 연료의 추가 분사량 및 추가 분사 시기를 제어함으로써 상기 질소산화물정화촉매(160)에 저장된 질소산화물을 탈착하여 제거한다.
일 예로, 상기 제어부(110)는 상기 질소산화물정화촉매(160)에 저장된 질소산화물이 설정된 값 이상인 경우에는 연료를 추가 분사하도록 제어 한다.
여기서, 상기 제어부(110)는 상기 질소산화물정화촉매(160)에 저장된 질소산화물이 이탈되어 용이하게 환원되도록 질소산화물(NOx)에 대한 탄화수소(HC)의 비율이 설정된 비율 이상이 되도록 제어한다. 상기 설정된 비율은 8일 수 있다.
상기 연료분해촉매(130)는 촉매 반응을 통해 연료 내에 포함된 탄소화합물의 체인 고리를 끊어 분해시킨다. 즉, 상기 연료분해촉매(130)는 연료를 분해하는 Thermal Cracking 기능을 통해 탄화수소를 구성하는 연결 고리를 끊어 분해하게 된다.
또한, 상기 연료분해촉매(130)는 탄화수소 중 일부를 산소와 결합된 탄화수소로 변환하여 상기 인젝터(120)에서 분사된 연료를 활성화시킨다.
아울러, 상기 연료분해촉매(130)는 액적 상태로 분사되어 증발된 연료를 고 반응성 환원제로 변환하는 동시에, 산화반응으로 산소의 농도를 감소시키고 배기가스의 온도를 상승시키는 기능도 한다.
상기 연료분해촉매에 포함되는 촉매성분은 Pt, Pd, Ir, Ag, Sn, Ru 등의 원소로 구성되고, 이중 최소한 하나의 물질이 첨가되며, 전체 코팅물질의 0.05w% 내 지 10w%의 범위로 구성된다.
아울러, 상기 연료분해촉매에서 상기 촉매성분이 부착되는 담체는 알루미나, 지르코니아, 황산알루미나, 황산지르코니아, 황산세리아-지르코니아 복합산화물, 텅스턴지르코니아, 텅스텐알루미나, 및 제올라이트 등의 물질로 구성된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배기 시스템에서 연료분해촉매의 효과를 보여준다.
도 4를 참조하면, 상기 연료분해촉매가 사용되는 경우, 질소산화물의 정화율이 약 12% 에서 30% 증가하게 된다.
아울러, 상기 연료분해촉매는 배기온도가 낮은 차량에서 그 효과가 크고, 질소산화물의 정화율과 탄화수소의 슬립이 방지되는 효과도 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배기 시스템에 구비된 연료분해촉매에서 형성되는 화학식을 보여주고, 도 5 및 6은 상기 질소산화물정화촉매에서 일어나는 화학반응을 상세하게 보여준다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배기 시스템에서 질소산화물정화촉매의 흡장모드를 도시하고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 배기 시스템에서 질소산화물정화촉매의 환원모드를 도시한다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 질소산화물정화촉매(160)는 담체에 코팅된 제1,2촉매층(444, 446)을 포함한다. 상기 제1촉매층(444)은 배기가스에 근접하여 배치되며, 상기 제2촉매층(446)은 담체에 근접하여 배치된다.
상기 제1촉매층(444)은 배기가스에 포함된 질소산화물을 산화시키고, 산화된 질소산화물의 일부를 타지 않은 연료 또는 배기가스에 포함된 탄화수소와의 산화-환원 반응에 의하여 환원시킨다.
또한, 산화된 질소산화물의 다른 일부는 상기 제2촉매층(446)으로 확산된다. 도 5, 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제1촉매층(444)은, 제올라이트촉매(412)와 다공성 알루미나에 담지된 금속촉매(414)중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제올라이트촉매(412)는 구리, 백금, 망간, 철, 코발트, 니켈, 아연, 은, 세륨, 갈륨 중 적어도 하나 이상의 원소가 이온 교환된 촉매이다. 상기 제올라이트촉매(412)에서 일어나는 화학 반응은 하기와 같다.
Z-Cu2+O- + NO → Z-Cu2+(NO2-)ads → Z-Cu2+ + NO2
Z+O- + NO → Z+(NO2-)ads → Z+ + NO2
Z-Cu2+(NO2-)ads + NO → Z-Cu2+(N2O3)-ads → Z-Cu2+O- +N2 +O2
Z-H+ + CnH2n → Z-CnH2n+1 + → n(Z-H) + CnH2n +
mNO2 + CnH2n+ → CnH2nNmO2m → N2 + CO2 + H2O
여기에서, Z는 제올라이트를 의미하고, 아래첨자 ads는 흡착을 의미한다.
또한, 상기 다공성 알루미나에 담지된 금속촉매(414)로는 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄, 텅스텐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 구리, 아연, 은 중 적어도 하나 이상의 금속이 사용될 수 있다. 상기 다공성 알루미나에 담지된 금속촉매(414)에서 일어나는 화학 반응은 아래와 같다.
NO + O2 → (NOx)ads
THC + (NOx)ads → THC-ONO or THC-NO2
THC-NO2 → THC-NCO
THC-NCO + NO + O2 → N2 + CO2 + H2O
여기에서, THC는 탄화수소를 의미한다. 앞에서 언급한 바와 같이, 탄화수소는 배기가스와 연료에 포함된 탄소와 수소로 구성된 화합물을 모두 나타내는 것으로 한다.
상기 제2촉매층(446)은 상기 제1촉매층(444)에서 산화된 질소산화물의 일부를 저장하고, 설정된 조건에 따라 추가 분사되는 연료에 의하여 상기 저장된 질소산화물을 탈착하여 상기 제1촉매층(444)에서 환원되도록 한다.
앞에서 언급한 바와 같이, 설정된 조건은 상기 제1촉매층(444)에서 질소산화물의 환원 반응이 활성화되도록 상기 제2촉매층(446)에 저장된 질소산화물이 맵데이타에서 설정된 값 이상인 경우로 한다.
상기 제2촉매층(446)은 귀금속(408)과 질소산화물저장물질(406)을 포함한다. 질소산화물저장물질(406)로는 산화 바륨(BaO)이 사용될 수 있다. 상기 귀금속(408)은 질소산화물저장물질(406)이 질소산화물을 저장하는 것을 촉진시킨다. 상기 귀금속(408)으로는 백금, 팔라듐 등 다양한 금속 물질이 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 작동 원리를 상세히 설명한다.
질소산화물 저장 모드
상기 제2촉매층(446)에 저장된 질소산화물이 설정된 수치보다 작은 경우에는, 배기가스에 포함된 질소산화물은 제1촉매층(444)에서 산화되고, 산화된 질소산화물의 일부는 배기가스에 포함된 탄화수소와 산화-환원 반응을 하여 질소 기체로 환원되고, 다른 일부는 상기 제2촉매층(446)에 저장된다. 이 과정에서, 배기가스에 포함된 탄화수소는 이산화 탄소로 산화된다. 상기 제1촉매층(444)에서 일어나는 반응은 하기의 식과 같이 간략하게 표현된다.
NO + 1/2O2 → NO2
NO + HC → 1/2N2 + CO2
또한, 산화된 질소산화물의 다른 일부와 배기가스에 포함된 질소산화물이 상기 제2촉매층(446)으로 확산되어 저장될 때, 상기 제2촉매층(446)의 귀금속(408)은 질소산화물저장물질(406)이 질소산화물을 저장하는 것을 촉진시킨다. 상기 제2촉매층(446)에서 일어나는 반응은 하기의 식과 같이 간략하게 표현된다.
BaO + 2NO2 + 1/2O2 → Ba(NO3)2
질소산화물 재생 모드
상기 제2촉매층(446)에 저장된 질소산화물이 설정된 값 이상인 경우, 상기 제어부(104)는 상기 제2인젝터(116)로 하여금 연료의 추가 분사를 수행한다. 추가 분사된 연료는 상기 연료분해촉매(130)(DFC)을 통과하고, 이 과정에서 연료가 저분자의 탄화수소로 쪼개져 변환된다. 또한, 저분자의 탄화수소의 일부는 산소와 결합된 탄화수소로 변환되어 상기 질소산화물정화촉매(160)를 통과한다.
이 때, 상기 제2촉매층(446)에서는 질소산화물이 상기 탄화수소와 치환 반응을 통하여 탈착되며 이는 하기의 식과 같이 간략하게 표현된다.
Ba(NO3)2 + 3CO → BaCO3 + 2NO + 2CO2
또한, 제1촉매층(444)에서는 상기 제2촉매층(446)에서 탈착된 질소산화물과 탄화수소/산소와 결합한 탄화수소 사이의 산화-환원 반응에 의하여 질소산화물은 질소 기체로 환원되고 탄화수소/산소와 결합한 탄화수소는 이산화 탄소로 산화된다. 이는 하기의 식과 같이 간략하게 표현된다.
NO + HC/Oxygenated HC = 1/2N2 + CO2
전술한 바와 같이, 배기가스에 포함된 질소산화물과 탄화수소가 정화된다.
본 발명의 실시예에서는 연료의 추가 분사가 연속적으로 수행되는 대신, 상기 제어부(104)는 배기가스 내의 HC/NOx의 비율이 미리 설정된 값 이하일 때 상기 제2인젝터(116)에서 연료의 추가 분사를 수행된다. 따라서, 운전조건에 따라서 최적화된 조건에서 연료가 추가 분사되기 때문에 탄화수소의 슬립이 방지되고 연비가 향상된다.
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 배기 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배기 시스템에 구비된 연료분해촉매에서 형성되는 화학식을 보여준다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배기 시스템의 전체적인 화학식을 보여준다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배기 시스템에서 연료분해촉매의 효과를 보여준다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배기 시스템에서 질소산화물정화촉매의 흡장모드를 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 배기 시스템에서 질소산화물정화촉매의 환원모드를 도시한다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 엔진
110: 제어부
120: 인젝터
130: 연료분해촉매(DFC: diesel fuel cracking)
140: 촉매여과필터(DPF: diesel particulate filter)
150: 배기라인
160: 질소산화물정화촉매(NOx trap)
170a, 170b: 제1,2산소센서
180a, 180b, 180c, 180d: 제1,2,3,4온도센서
190: 차압센서

Claims (6)

  1. 엔진에서 배출되는 배기가스가 통과하는 배기라인;
    상기 배기라인에 설치되어 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시키는 질소산화물정화촉매;
    상기 배기라인 또는 엔진의 실린더에 연료를 추가 분사하는 인젝터; 및
    상기 인젝터에서 분사된 연료를 분해하여 고효율 환원제로 전환하고, 산화반응으로 후단의 온도를 상승시키도록, 상기 인젝터와 상기 질소산화물정화촉매 사이에 설치되는 연료분해촉매; 를 포함하는 배기 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 연료분해촉매는,
    알루미나, 지르코니아, 황산알루미나, 황산지르코니아, 황산세리아-지르코니아 복합산화물, 텅스턴지르코니아, 텅스텐알루미나, 및 제올라이트 중 적어도 하나로 구성되는 담체를 포함하고,
    상기 담체에는 Pt, Pd, Rh, Ir, Ag, Sn, 및 Ru 중 적어도 하나의 촉매성분이 부착되는 것을 특징으로 하는 배기 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 담체에 부착되는 상기 촉매성분은 전체 워시코트 질량의 0.05wt% 내지 10wt%의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 배기 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 질소산화물정화촉매는,
    배기가스에 포함된 질소산화물의 일부를 타지 않은 연료 또는 탄화수소를 이용하여 환원시키고,
    질소산화물의 다른 일부는 내부로 확산시켜 저장하되, 상기 연료분해촉매에서 형성된 환원제를 이용하여 상기 질소산화물정화촉매에 저장된 질소산화물을 탈착시켜 환원시키는 배기 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 연료분해촉매는,
    연료의 긴 탄소고리를 끊어 다수의 짧은 탄화수소를 만들어 상기 질소산화물정화촉매에서 질소산화물의 정화효율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 배기 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 인젝터는,
    엔진의 연소실을 형성하는 실린더 내로 연료를 분사하는 제1인젝터; 및
    상기 질소산화물정화촉매의 전단부 상기 배기라인에 설치되는 제2인젝터;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 시스템.
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