KR20110024598A - 디젤 자동차의 질소산화물 저감 장치 - Google Patents

디젤 자동차의 질소산화물 저감 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 질소산화물을 제거하는 촉매인 질소산화물 흡장 촉매(LNT)와, 상기 질소산화물 흡장 촉매의 후방에 위치되는 입자상 물질을 제거하는 필터인 디젤 입자상 물질 제거용 필터(DPF) 및 상기 질소산화물 흡장 촉매에 위치되는 탄화수소 선택적 촉매 환원부(HC-SCR)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 디젤 자동차의 질소산화물 저감 장치를 제공한다.
본 발명에 의하면 탄화수소 선택적 촉매 환원부은 디젤 입자상 물질 제거용 필터 재생시에 질소산화물 제거 작용을 하지만, 탄화수소 선택적 촉매 환원부의 작용을 활발하게 유도하기 위해서 별도의 후분사장치가 마련되지 않아도 되는 효과가 있다.
디젤, 자동차, 질소산화물, 저감, 촉매

Description

디젤 자동차의 질소산화물 저감 장치{NOX Reduction Device For Diesel Vehicles}
본 발명은 디젤 자동차의 질소산화물 저감 장치에 관한 것이다.
도 1은 종래 디젤 자동차의 배기 장치의 일부를 나타내는 간략도이고, 도 2는 입자상 물질 제거용 필터 입구의 배기가스 온도와 시간 사이의 관계를 나타내는 그래프이고, 도 3은 질소산화물 제거 촉매의 온도에 따른 질소산화물 정화율을 나타내는 그래프이다.
디젤 자동차의 배기 장치는 질소산화물을 제거하는 기능과 일정한 부피 이상 퇴적된 매연을 제거하는 기능을 포함한다.
이러한 디젤 자동차의 배기 장치에는 질소산화물(NOX)를 제거하는 질소산화물 흡장 촉매(LNT: Lean NOx Trap)와 매연(Soot)인 입자상 물질(PM: Particulate Matter)을 제거하기 위한 재생에 사용되는 디젤 입자상 물질 제거용 필터(DPF: Diesel Particulate Filter)가 마련된다.
도 2와 같이 디젤 입자상 물질 제거용 필터 재생시에 디젤 입자상 물질 제거용 필터의 입구 온도는 재생에 필요한 온도인 대략 섭씨 600도 전후가 되어야 하 고, 이러한 온도가 되기 위해서는 엔진에 유입되는 연료의 일부가 배기 장치로 유입되어 상기 질소산화물 흡장 촉매에서 산화되면서 온도가 상승되는 과정을 거친다.
한편, 탄화수소 선택적 촉매 환원부(HC-SCR: Hydrocarbon-Selective Catalyst Reduction)는 상기 질소산화물를 제거하기 위해서 탄화수소를 이용하는 것으로 이를 위해서 탄화수소를 함유한 연료를 필요한 만큼 후분사하는 장치가 마련된다.
따라서 종래의 후분사 장치가 없는 배기 장치에는 탄화수소 선택적 촉매 환원부가 장착되지 않는다.
그런데, 도 2와 같이 디젤 연료 분해 촉매(DFC: Diesel Fuel Catalyst Creaking)의 재생 시에 디젤 연료 분해 촉매의 입구 온도는 대체적으로 섭씨 600도를 나타내며, 도 3과 같이 질소산화물 흡장 촉매 촉매는 섭씨 600도 이상 디젤 연료 분해 촉매의 재생에서는 질소산화물 정화율을 대체적으로 갖지 못하게 된다.
따라서, 도 1과 같은 구조를 갖는 종래의 디젤 자동차의 배기 장치에는 디젤 연료 분해 촉매 재생시에 질소산화물이 그대로 배출되는 문제점이 발생된다.
더욱이, 디젤 입자상 물질 제거용 필터 재생시의 경우, 매연의 안정된 정화를 위하여 배기가스재순환(EGR: Exhaust Gas Recirculation)을 오프(OFF) 시키는 경우가 일반적이므로, 이때는 질소산화물 배출량은 정상 주행시보다 5 내지 20배까지 증가하는데도 불구하고 질소산화물 흡장 촉매 촉매가 기능을 못하는 문제가 있다.
본 발명은 후분사 장치가 없는 질소산화물 흡장 촉매를 포함하는 디젤 자동차의 배기 장치에서도 디젤 입자상 물질 제거용 필터 재생 시에 질소산화물 배출량을 줄일 수 있는 구조를 가진 디젤 자동차의 질소산화물 저감 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 질소산화물을 제거하는 촉매인 질소산화물 흡장 촉매(LNT)와,
상기 질소산화물 흡장 촉매의 후방에 위치되는 입자상 물질을 제거하는 필터인 디젤 입자상 물질 제거용 필터(DPF) 및
상기 질소산화물 흡장 촉매에 위치되는 탄화수소 선택적 촉매 환원부(HC-SCR)
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 디젤 자동차의 질소산화물 저감 장치를 제공한다.
그리고 상기 질소산화물 흡장 촉매는 디젤산화촉매(DOC)를 포함할 수 있고, 상기 탄화수소 선택적 촉매 환원부은 구리/제올라이트(Cu/zeolite), 은/3산화2알루미늄(Ag/Al2O3) 또는 구리/제올라이트와 은/3산화2알루미늄의 합성물(Cu/zeolite + Ag/Al2O3) 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 의하면 탄화수소 선택적 촉매 환원부은 디젤 입자상 물질 제거용 필터 재생시에 질소산화물 제거 작용을 하지만, 탄화수소 선택적 촉매 환원부의 작용을 활발하게 유도하기 위해서 별도의 후분사장치가 마련되지 않아도 되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 질소산화물 흡장 촉매의 작용이 정지되는 디젤 입자상 물질 제거용 필터 재생시에도 질소산화물이 제거가 효과적으로 이루어지는 이점이 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 4는 탄화수소 선택적 촉매 환원부의 온도에 따른 질소산화물 정화율을 나타내는 그래프이고, 도 5는 섭씨 550도에서 질소산화물 정화율을 나타내는 그래프이며, 도 6은 디젤산화촉매와 디젤 입자상 물질 제거용 필터 재생시 온도분포를 나타내는 개략도이다.
본 발명의 중요 핵심은 후분사 밸브를 별도로 마련하지 않은 상태에서도 탄화수소 선택적 촉매 환원부을 배기 장치에 장착하여 디젤 입자상 물질 제거용 필터의 재생시에도 질소산화물를 효과적으로 제거할 수 있는 구조이다.
좀 더 자세히 설명하면, 본 발명은 질소산화물 제거 촉매인 질소산화물 흡장 촉매(LNT)와, 상기 질소산화물 흡장 촉매의 후방에 위치되는 디젤 입자상 물질 제거용 필터(DPF) 및 상기 질소산화물 흡장 촉매에 위치되는 탄화수소 선택적 촉매 환원부(HC-SCR)을 포함하여 구성된다.
그리고 상기 질소산화물 흡장 촉매는 디젤산화촉매(DOC)를 포함할 수 있고, 상기 탄화수소 선택적 촉매 환원부은 구리/제올라이트(Cu/zeolite), 은/3산화2알루미늄(Ag/Al2O3) 또는 구리/제올라이트와 은/3산화2알루미늄의 합성물(Cu/zeolite + Ag/Al2O3) 중 어느 하나일 수 있다.
우선, 탄화수소 선택적 촉매 환원부의 온도에 따른 질소산화물 정화율에 대해 살펴보면 다음과 같다.
도 4와 같이 탄화수소 선택적 촉매 환원부의 온도에 따른 질소산화물 정화율을 보면 디젤 입자상 물질 제거용 필터 재생시의 대략적인 온도 범위인 섭씨 600도 전후에서 30% 내지 50%의 정화율을 나타낸다.
또한, 도 5와 같이 디젤 입자상 물질 제거용 필터 재생시의 대략적인 온도 범위에서 HC/NOx비를 증가시켜가면서 NOx의 정화율을 측정한 결과 HC의 농도가 증가함에 따라 정화율이 30%에서 60%까지 증가하는 것을 알 수 있다.
그리고 질소산화물 흡장 촉매에는 다수의 귀금속 성분이 함유되어 있고, 이 를 통하여 디젤 산화 촉매(DOC: Diesel Oxidation Catalyst)의 기능도 수행하게 된다.
도 6과 같이 디젤 입자상 물질 제거용 필터 재생시에 질소산화물 흡장 촉매의 디젤산화촉매 및 디젤 입자상 물질 제거용 필터의 온도 분포는 배기 흐름 방향의 길이에 따라 변화되는데, 재생시에 디젤산화촉매 전단은 섭씨 350도이고, 50mm에서는 섭씨 600도를 나타내며, 디젤산화촉매 후단에서는 섭씨 650도까지 상승하였다가 디젤 입자상 물질 제거용 필터 입구에서는 섭씨 600도를 나타낸다.
도 7은 탄화수소 선택적 촉매 환원부의 장착 위치를 나타내는 개략도이며, 도 8는 탄화수소 선택적 촉매 환원부의 장착 위치는 나타내는 다른 개략도이다.
본 발명인 질소산화물 흡장 촉매와 디젤 입자상 물질 제거용 필터로 이루어진 배기 장치 중에 디젤산화촉매 기능을 가진 질소산화물 흡장 촉매의 부분에 도 7과 같이 탄화수소 선택적 촉매 환원부이 전방과 후방에 각각 위치되거나 도 8과 같이 탄화수소 선택적 촉매 환원부이 중간에 위치된다.
이 때 탄화수소 선택적 촉매 환원부은 구리/제올라이트(Cu/zeolite), 은/3산화2알루미늄(Ag/Al2O3) 또는 구리/제올라이트와 은/3산화2알루미늄의 합성물(Cu/zeolite + Ag/Al2O3)로 이루어진다.
도 7과 도 8에서와 같이 디젤산화촉매 기능을 하는 질소산화물 흡장 촉매의 일정부위에 위치된 탄화수소 선택적 촉매 환원부은 디젤 입자상 물질 제거용 필터의 전방에 위치되어 다음과 같은 기능을 하게 된다.
우선 디젤 입자상 물질 제거용 필터 재생이 시작되기 전에는 디젤 입자상 물 질 제거용 필터 재생시보다 낮은 온도이므로 질소산화물 흡장 촉매에서 질소산화물의 제거가 이루어지며, 탄화수소 선택적 촉매 환원부에서도 배기 장치에 유입되는 탄화수소에 의하여 질소산화물의 제거 작용이 수행된다.
그리고 디젤 입자상 물질 제거용 필터 입구에 매연이 누적되어 디젤 입자상 물질 제거용 필터 재생이 이루어지면 연료의 일부가 배기 장치로 유입되면서 연료에 함유된 탄화수소가 질소산화물 흡장 촉매에 포함된 디젤산화촉매에서 산소와 반응하여 디젤 입자상 물질 제거용 필터 입구 온도가 고온으로 형성된다.
이때, 질소산화물 흡장 촉매에서는 질소산화물 제거 작용이 이루어지지 않고, 디젤 입자상 물질 제거용 필터 재생 중에는 이지알의 작용도 정지되어 질소산화물의 배출량이 급격하게 증가되나, 연료에 함유된 많은 양의 탄화수소가 탄화수소 선택적 촉매 환원부의 작용을 촉진하여 탄화수소 선택적 촉매 환원부에서 질소산화물의 제거가 활발하게 이루어진다.
상기와 같이 본 발명에 의하면 탄화수소 선택적 촉매 환원부은 디젤 입자상 물질 제거용 필터 재생시에 질소산화물 제거 작용을 하지만, 탄화수소 선택적 촉매 환원부의 작용을 활발하게 유도하기 위해서 별도의 후분사장치가 마련되지 않아도 되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 질소산화물 흡장 촉매의 작용이 정지되는 디젤 입자상 물질 제거용 필터 재생시에도 질소산화물이 제거가 효과적으로 이루어지는 이점이 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 종래 디젤 자동차의 배기 장치의 일부를 나타내는 간략도.
도 2는 입자상 물질 제거용 필터 입구의 배기가스 온도와 시간 사이의 관계를 나타내는 그래프.
도 3은 질소산화물 제거 촉매의 온도에 따른 질소산화물 정화율을 나타내는 그래프.
도 4는 탄화수소 선택적 촉매 환원부의 온도에 따른 질소산화물 정화율을 나타내는 그래프.
도 5는 섭씨 550도에서 질소산화물 정화율을 나타내는 그래프.
도 6은 디젤산화촉매와 디젤 입자상 물질 제거용 필터 재생시 온도분포를 나타내는 개략도.
도 7은 탄화수소 선택적 촉매 환원부의 장착 위치를 나타내는 개략도.
도 8는 탄화수소 선택적 촉매 환원부의 장착 위치는 나타내는 다른 개략도.

Claims (3)

  1. 질소산화물을 제거하는 촉매인 질소산화물 흡장 촉매(LNT)와,
    상기 질소산화물 흡장 촉매의 후방에 위치되는 입자상 물질을 제거하는 필터인 디젤 입자상 물질 제거용 필터(DPF) 및
    상기 질소산화물 흡장 촉매에 위치되는 탄화수소 선택적 촉매 환원부(HC-SCR)
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 디젤 자동차의 질소산화물 저감 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 질소산화물 흡장 촉매는 디젤산화촉매(DOC)를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 자동차의 질소산화물 저감 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 탄화수소 선택적 촉매 환원부는 구리/제올라이트(Cu/zeolite), 은/3산화2알루미늄(Ag/Al2O3) 또는 구리/제올라이트와 은/3산화2알루미늄의 합성물(Cu/zeolite + Ag/Al2O3) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 디젤 자동차의 질소산화물 저감 장치.
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