KR20110025131A - 배기가스 정화 장치 - Google Patents

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가부시키가이샤 도요다 지도숏키
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Abstract

본 배기가스 정화 장치는 산화 촉매, 제 1 선택적 촉매 환원 촉매, 제 2 선택적 촉매 환원 촉매 및 요소수 공급 장치를 포함한다. 상기 산화 촉매는 배기 가스가 관류하는 통로안에 제공된다. 제 1 선택적 촉매 환원 촉매는 상기 산화 촉매의 하류측에서 상기 통로안에 위치한다. 제 2 선택적 촉매 환원 촉매는 상기 제 1 선택적 촉매 환원 촉매의 하류측에서 상기 통로안에 위치하며 제 1 선택적 촉매 환원 촉매 보다 더 많은 암모니아를 흡착할 수 있다. 요소수 공급 장치는 제 1 선택적 촉매 환원 촉매의 상류측에서 상기 통로에 요소수를 공급하기 위해 제공되는 것이다.

Description

배기가스 정화 장치{EXHAUST GAS PURIFICATION APPARATUS}
본 발명은 배기가스 정화 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 요소(urea) 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매의 도움을 받아서 디젤 엔진의 배기 가스에 포함되어 있는 질소 산화물(NOX)을 제거하여 배기 가스를 정화하는 배기가스 정화 장치에 관한 것이다.
디젤 엔진의 배기 가스에 포함되어 있는 NOX 를 제거하여 배기 가스를 정화시키기 위해 요소 SCR 시스템이 개발되었다. 이 요소 SCR 시스템은 선택적 환원 촉매로서 SCR 촉매를 사용해서, 요소수의 가수분해로 생성된 암모니아(NH3) 와 NOX 사이의 화학 반응으로 NOX 을 질소(N2)와 물(H2O)로 전환시킨다.
요소 SCR 시스템의 SCR 촉매는 엔진과 배기 가스의 흐름에 대해 그 엔진의 하류측에 위치된 머플러 사이에 형성된 배기 가스 통로에 제공된다. 배기 가스에 있는 탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO)의 물(H2O)과 이산화탄소(CO2)로의 산화를 촉진시키고 배기 가스에 있는 일산화질소(NO)의 이산화질소(NO2)로의 산화를 촉진시키는 산화 촉매가 배기 가스의 흐름에 대해 SCR 촉매의 상류측 위치에서 배기 가스 통로에 제공된다. 배기 가스에 요소수를 분사하기 위한 분사 밸브가 또한 SCR 촉매의 상류측에 제공된다. 추가적으로, 배기 가스에 포함되어 있는 탄소와 같은 미립자 물질(PM)을 줄이기 위한 디젤 미립자 필터(DPF)가 배기 가스 통로에 제공된다.
일본 특허 공개공보 2006-274986 호에는, 고온에서 활성화되는 NOX 저장 촉매, 배기 가스의 흐름에 대해 NOX 저장 촉매의 하류측에 위치되며 저온에서 활성화되는 요소 SCR 촉매가 담지되어 있는 DPF 및, NOX 저장 촉매와 DPF 사이에 위치하는 요소수 분사기를 포함하는 배기 가스 후처리 장치가 개시되어 있으며, 이들 모두는 배기 가스 후처리 장치의 한 케이스내에 들어 있다. 이 배기 가스 후처리 장치에서, NOX 저장 촉매가 400℃ 아래의 저온에 있으면, 요소수가 요소수 분사기에 의해 배기 가스내로 분사되고 가수분해되어 암모니아를 생성하게 되며, 이 암모니아는 요소 SCR 촉매의 도움을 받아서 배기 가스내에 포함되어 있는 NOX 를 환원시켜 제거하게 된다. NOX 저장 촉매가 400℃ 이상의 고온이면, 배기 가스내에 포함되어 있는 NOX 가 NOX 저장 촉매에 저장되며 따라서 배기 가스가 정화된다.
그러나, 상기 배기가스 후처리 장치에서, 요소수 분사기에 의해 분사된 요소수의 가수분해로 생성된 모든 암모니아가 요소 SCR 촉매의 도움을 받아 배기 가스에 포함되어 있는 NOX 를 환원시키는데 사용되는 것은 아니다. 예컨대, 요소수로부터 생성된 암모니아의 양이 요소수 분사기에 의해 분사되는 다량의 요소수로 인해 배기 가스에 포함되어 있는 NOX 에 비해 많으면, 잉여의 암모니아가 생성되어 요소 SCR 촉매에서 배출된다. 이러한 잉여의 암모니아는 요소수 사용량에 대한 배기가스 정화 효율을 악화시킨다. 따라서, 상기 배기가스 후처리 장치는 요소수 사용량에 대한 낮은 효율로만 NOX 의 제거로 배기 가스를 정화시킨다.
위와 같은 문제점들을 감안하여 창안된 본 발명의 목적은 요소수의 사용에 대한 배기 가스에 포함되어 있는 NOX 의 제거 효율을 개선하는 배기가스 정화 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따른 배기가스 정화 장치는 산화 촉매, 제 1 선택적 촉매 환원 촉매, 제 2 선택적 촉매 환원 촉매 및 요소수 공급 장치를 포함한다. 상기 산화 촉매는 배기 가스가 관류하는 통로안에 제공된다. 제 1 선택적 촉매 환원 촉매는 상기 산화 촉매의 하류측에서 상기 통로안에 위치한다. 제 2 선택적 촉매 환원 촉매는 상기 제 1 선택적 촉매 환원 촉매의 하류측에서 상기 통로안에 위치하며 제 1 선택적 촉매 환원 촉매 보다 더 많은 암모니아를 흡착할 수 있다. 요소수 공급 장치는 제 1 선택적 촉매 환원 촉매의 상류측에서 상기 통로에 요소수를 공급하기 위해 제공되는 것이다.
본 발명의 다른 양태 및 이점들은 본 발명의 원리를 예시는 첨부된 도면을 참조하는 이하의 설명으로부터 명백히 알 수 있을 것이다.
본 발명과 그 목적 및 이점들은 첨부된 도면과 함께 현재의 바람직한 실시 형태에 대한 이하의 설명에서 가장 잘 이해할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시 형태에 따른 배기가스 정화 장치와 그의 주변 장비를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2 는 도 1 의 배기가스 정화 장치를 나타내는 종단면도이다.
도 3 은 도 2 의 3A-3A 선을 따라 취한 배기가스 정화 장치의 단면도이다.
도 4 는 본 발명의 제 2 실시 형태에 따른 배기가스 정화 장치를 나타내는 종단면도이다.
도 5 는 본 발명의 제 3 실시 형태에 따른 배기가스 정화 장치를 나타내는 종단면도이다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 설명할 것이다. 본 발명의 제 1 실시 형태에 따른 배기가스 정화 장치 (101) 및 그의 주변 장비를 도 1, 2 를 참조하여 설명할 것이다. 이하의 실시 형태에서 배기가스 정화 장치는 차량용 디젤 엔진에 사용되는 것이다.
배기가스 정화 장치 (101) 와 그의 주변 장비를 개략적으로 보여주는 도 1 을 참조하면, 엔진 (1) 은 다수의 엔진 실린더 (1A) 를 가지며, 각각의 엔진 실린더는 복수의 흡기 포트 (1B) 와 복수의 배기 포트 (1C) 를 갖고 있다. 흡기를 각각의 엔진 실린더 (1A) 에 분배하는 흡기 매니폴드 (4) 가 엔진 실린더 (1A) 의 상기 흡기 포트 (1B) 에 연결되어 있다. 흡기 매니폴드 (4) 는 공기가 흡인될 때 통과하게 되는 입구 (4A) 를 갖고 있다. 엔진 흡기관 (3) 은 서로 반대쪽에 있는 두 단부를 가지며, 이중 한 단부는 흡기 매니폴드 (4) 의 입구 (4A) 에 연결되어 있고 다른 단부는 터보과급기 (8) 의 압축기 하우징 (8A) 에 연결되어 있다. 흡기관 (2) 이 상기 압축기 하우징 (8A) 에 연결되어 있는데, 이 흡기관을 통해 주변 공기가 흡입된다.
상기 엔진 실린더 (1A) 의 배기 포트 (1C) 에서 배출된 배기 가스를 집결시키기 위한 배기 매니폴드 (5) 가 그 배기 포트 (1C) 에 연결되어 있다. 상기 배기 매니폴드 (5) 는 배기 가스가 배출될 때 통과하는 출구 (5A) 를 갖고 있다. 터보과급기 (8) 의 터빈 하우징 (8B) 이 배기 매니폴드 (5) 의 출구 (5A) 에 연결되어 있다. 실질적으로 원통 형상으로 된 배기가스 정화 장치 (101) 는 터빈 하우징 (8B) 에 연결되어 있고 엔진 (1) 에 인접한 위치에서 그 엔진의 측방에 배치되어 있다. 배기관 (6) 이 배기가스 정화 장치 (101) 에 연결되어 있다. 머플러 (7) 가 배기관 (6) 의 하류측 단부에 연결되어 있다. 그래서, 흡기관 (2), 터보과급기 (8), 엔진 흡기관 (3) 및 흡기 매니폴드 (4) 는 함께 차량(미도시)에서 흡기계를 형성한다. 배기 매니폴드 (5), 터보과급기 (8), 배기가스 정화 장치 (101), 배기관 (6) 및 머플러 (7) 는 함께 차량(미도시)에서 배기계를 형성하게 된다. 엔진 (1), 엔진 흡기관 (3), 흡기 매니폴드 (4), 배기 매니폴드 (5) 및 터보과급기 (8) 는 함께 엔진 어셈블리 (10) 를 형성한다.
종단면도로 배기가스 정화 장치 (101) 를 보여주는 도 2 를 참조하면, 이 배기가스 정화 장치는 실질적으로 원통형인 케이싱 (11) 을 갖고 있다. 이 케이싱 (11) 은 상류측 단부 (11A), 하류측 단부 (11B) 및 상류측 단부 (11A) 와 하류측 단부 (11B) 사이에 형성된 원통형 중간부 (11C) 를 갖는다. 터보과급기 (8) 의 터빈 하우징 (8B) 은 케이싱 (11) 의 상류측 단부 (11A) 에 연결되는 출구 (8B2) 를 갖는다. 배기관 (6) 은 케이싱 (11) 의 하류측 단부 (11B) 에 연결되는 상류측 단부 (6A) 를 갖는다. 따라서, 케이싱 (11) 의 내부는 터빈 하우징 (8B) 의 내부 및 배기관 (6) 의 내부와 통한다.
상기 케이싱 (11) 안에는 산화 촉매층 (12), 디젤 미립자 필터 (DPF) 본체 (14) 및 제 2 SCR 촉매층 (16) 이 들어 있으며, 이들은 배기 가스의 흐름을 따라 이 순서 대로 위치해 있다. 상기 산화 촉매층 (12) 은 그 내부에서 본 발명의 산화 촉매를 담지하고 있다. 제 2 SCR 촉매층 (16) 은 그 내부에서 제 2 SCR 촉매 (16S) 를 담지한다. DPF 본체(14) 는 본 발명의 미립자 물질 포집 장치로서 역할한다. 산화 촉매층 (12), DPF 본체 (14) 및 제 2 SCR 촉매층 (16) 은, 도 2 에서 보는 바와 같이 케이싱 (11) 의 원통형부 (11C) 의 축선에 수직한 원통형으로 되어 있어 원통형부 (11C) 의 내부를 폐쇄하고 있다. 산화 촉매층 (12) 과 DPF 본체 (14) 는 서로 떨어져 있고 그들 사이에는 공간 (17A) 이 있다. DPF 본체 (14) 와 제 2 SCR 촉매층 (16) 또한 서로 떨어져 있고 그들 사이에는 공간 (17B) 이 있다.
산화 촉매층 (12) 은, 배기 가스에 포함되어 있는 탄화수소(HC) 와 일산화탄소(CO)의 물(H2O) 과 이산화탄소(CO2) 로의 산화를 촉진시키고 또한 배기 가스에 포함되어 있는 산화질소(NO) 의 이산화질소(NO2) 로의 산화를 촉진시키는 산화 촉매가 기재(미도시)에 담지되어 있는 층으로 형성되어 있다. 예컨대, 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 은(Ag), 철(Fe), 구리(Cu), 니켈(Ni), 금(Au), 이들 촉매 재료의 2종 이상의 합금 등이 산화 촉매층 (12) 의 산화 촉매로 바람직하게 사용된다.
상기 DPF 본체(14) 는 세라믹과 같은 다공성 재료로 만들어지며 배기가스에 포함되어 있는 미립자 물질 (PM) 을 포집하는데 사용된다.
선택적 환원 촉매인 제 1 SCR 촉매 (15S) 가 코팅과 같은 적절한 수단을 사용하여 DPF 본체(14) 전체에 담지되어 있다. DPF 본체(14) 와 제 1 SCR 촉매 (15S) 는 촉매 구비 DPF (13) 로 일체화되어 있다. 제 1 SCR 촉매 (15S) 는 DPF 본체 (14) 에 부분적으로 담지될 수도 있다. 상기 선택적 환원 촉매는 특정 물질 간에 화학 반응을 선택적으로 촉진시킨다. 선택적 환원 촉매의 요소 SCR 촉매(이하, 간단히 SCR 촉매라고 함)는 특히 질소산화물(NOX) 과 환원제인 암모니아(NH3) 간의 화학 반응을 촉진시키고 NOX 를 환원시켜서 N2(질소)와 물이 생성되게 한다.
암모니아 흡착성이 낮은 SCR 촉매가 제 1 SCR 촉매 (15S) 로 사용된다. 암모니아 흡착성은 촉매를 담지하는 기재의 단위 체적당 암모니아의 흡착 가능한 중량으로 표시될 수 있다. 구체적으로, 제 1 SCR 촉매 (15S) 의 낮은 암모니아 흡착성은 바람직하게는, 180 그램(g)의 제 1 SCR 촉매 (15S) 가 1 리터의 기재에 담지되어 있을 때, 제 1 SCR 촉매 (15S) 의 온도가 200℃ 인 경우 기재 1 리터당 100mg 이하의 암모니아가 흡착될 수 있는 것이어야 한다. 추가로, 제 1 SCR 촉매 (15S) 의 온도 증가와 더불어 감소하는 경향이 있는 제 1 SCR 촉매 (15S) 의 암모니아 흡착 용량은, 암모니아 흡착 용량의 저하율이 낮도록, 즉 온도에 대한 암모니아 흡착 용량의 의존성이 낮도록 되어야 한다. 제 1 SCR 촉매 (15S) 는 바람직하게는 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 규소(Si), 세륨(Ce) 또는 텅스텐(W) 과 같은 물질의 산화물, 이들 산화물의 복합체, 또는 650℃ 이상의 고온에서 열처리되는 철(Fe) 또는 구리(Cu) 와 같은 금속으로 부분적으로 치환된 ZSM-5 제올라이트로 만들어진다.
제 1 SCR 촉매 (15S) 는 그의 온도가 소정의 레벨 이상, 일반적으로 150℃ 이상일 때 환원을 활성화시키는 특성이 있다. "환원을 활성화시킨다" 라는 말은 암모니아에 의한 NOX 환원의 속도가 급속히 증가하는 것을 의미한다. 제 1 SCR 촉매 (15S) 는 그의 온도가 환원이 활성화되는 150℃ 이상일 때 바람직하게는 낮은 암모니아 흡착 용량을 가져야 한다. 상기 촉매 재료는 이러한 특성을 갖는 것이다.
제 2 SCR 촉매층 (16) 은 제 2 SCR 촉매 (16S) 가 코팅과 같은 적절한 수단으로 기재(미도시)에 담지되도록 형성된다. 제 2 SCR 촉매 (16S) 는 암모니아 흡착성이 제 1 SCR 촉매 (15S) 보다 높은 SCR 촉매를 사용한다.
구체적으로, 제 2 SCR 촉매 (16S) 의 암모니아 흡착성은, 기재 1 리터당 180 g 의 제 2 SCR 촉매 (16S) 가 담지되어 있을 때, 제 2 SCR 촉매 (16S) 의 온도가 200℃ 인 경우 기재 1 리터당(단위 체적당) 250mg 이상의 암모니아가 흡착될 수 있는 것이어야 한다. 650℃ 보다 낮은 온도에서 열처리되는 철(Fe) 또는 구리(Cu) 와 같은 금속으로 부분 치환된 ZSM-5 제올라이트가 제 2 SCR 촉매 (16S) 로 바람직하게 사용된다. 또한, 제 2 SCR 촉매 (16S) 의 암모니아 흡착 용량은 그 제 2 SCR 촉매 (16S) 의 온도 증가와 더불어 감소하는 경향이 있다. 제 1 SCR 촉매 (15S) 와 제 2 SCR 촉매 (16S) 를 가지며 또한 높은 암모니아 흡착 용량을 갖는 SCR 촉매는, 암모니아 흡착 용량의 저하율이 SCR 촉매의 온도의 증가와 더불어 더 높게 되는, 즉 온도에 대한 암모니아 흡착 용량의 의존성이 더 높아지는 특성을 갖는다. 그러므로, 제 2 SCR 촉매 (16S) 는 온도에 대한 암모니아 흡착 용량의 의존성이 제 1 SCR 촉매 (15S) 보더 높은 것이다.
상기한 촉매 재료를 사용하는 제 2 SCR 촉매 (16S) 는 그의 온도가 150℃ 이상일 때 환원을 활성화시키는 특성을 갖는다. 상기와 같이 형성되는 제 2 SCR 촉매층 (16) 전체의 암모니아 흡착 용량은 제 1 SCR 촉매 (15S) 를 갖는 DPF (13) 전체의 경우 보다 크다.
상기 케이싱 (11) 의 원통형부 (11C) 에는 분사 밸브 (19) 가 제공되어 있다. 이 분사 밸브 (19) 는 전자기 밸브로 되어 있고 본 발명의 요소수(urea water) 공급 장치로서 역할한다. 또한, 분사 밸브 (19) 는 차량(미도시)에 설치된 요소수 탱크 (20) 에서 공급되는 요소수를 제 1 SCR 촉매 (15S) 의 상류측에 있는 케이싱 (11) 내의 공간 (17A) 에 분사하기 위해 상기 요소수 탱크 (20) 에 연결되어 있다. 도 2 에서 보는 바와 같이, 상기 분사 밸브 (19) 는, 산화 촉매층 (12) 과 DPF (13) 사이에서 이 DPF (13) 보다 산화 촉매층 (12) 에 더 가까운 위치에 있다. 더우기, 상기 분사 밸브 (19) 는 분사 밸브 (19) 의 개폐 작동을 제어하는 투여 제어 유닛 (DCU)(30) 에 전기적으로 연결되어 있다. 요소수 탱크 (20) 에는 요소수 탱크 (20) 내의 요소수를 분사 밸브 (19) 에 공급하는 모터 펌프(미도시)가 제공되어 있다. 이 모터 펌프는 상기 DCU (30) 에 전기적으로 연결되어 있고, 이 DCU 는 또한 모터 펌프의 작동을 제어한다. DCU (30) 는 분사 밸브 (19) 와 요소수 탱크 (20) 의 모터 펌프 각각에 개별적으로 제공될 수도 있다. 대안적으로, DCU (30) 는 차량의 ECU(미도시)와 일체화될 수도 있다.
상기 DPF (13) 는 상류측 끝면 (13A) 을 갖는데, 이 끝면에는 배기 가스에 포함되어 있는 물질들을 상류측 끝면 (13A) 전체에 균등하게 분포시키는 원통형 믹서 (18) 가 제공되어 있다. 일본 특허 공개공보 제 6-509020T 호 또는 제 2006-9608 호와 같은 공보에 개시되어 있는 믹서가 본 실시 형태의 믹서 (18) 로 사용될 수 있다. 일본 특허 공개공보 제 6-509020T 호에 개시되어 있는 믹서는 가스 통로로서 다수의 셀을 갖는 격자의 형태로 만들어져 있으며, 상기 격자는 배기 가스가 셀 안에서 와류하게 하고 또한 인접한 셀쪽으로 흐르도록 하여, 배기 가스내에 포함되어 있는 물질들을 가스 통로 전체에 분포시킨다. 일본 특허 공개 공보 2006-9608 호에 개시되어 있는 믹서에는 가스 통로의 방향에 수직하게 배치되어 있는 다수의 분산판이 제공되어 있는데, 이 분산판은 배기 가스를 굽이쳐 흐르게 만들어 배기 가스내에 포함되어 있는 물질들을 가스 통로 전체에 분포시킨다.
배기 가스의 온도를 검출하는 배기 가스 온도 센서 (51) 가 케이싱 (11) 의 상류측 단부 (11A) 에 제공되어 있다. 이 배기가스 온도 센서 (51) 는 검출된 온도 정보를 DCU (30) 에 보내기 위해 그 DCU (30) 에 전기적으로 연결되어 있다. NOX 의 농도를 검출하는 NOX 센서 (52) 가 배기가스 온도 센서 (51) 의 하류측 위치에서 케이싱 (11) 의 상류측 단부 (11A) 에 제공되어 있다. 상기 NOX 센서 (52) 는 검출된 농도 정보를 DCU (30) 에 보내기 위해 그 DCU (30) 에 전기적으로 연결되어 있다. 전술한 바로부터 명백하듯이, 배기가스 정화 장치 (101) 는 도 1 에서 보는 바와 같이, SCR 촉매를 갖는 배기가스 정화 기구 및 DPF 를 갖는 배기가스 정화 기구를 가지며, 이들 두 배기가스 정화 기구는 함께 일체화되어 있고 엔진 (1) 에 인접하여 엔진 어셈블리 (10) 에 설치된다.
다음은 배기가스 정화 장치 (101) 와 그의 주변 장비의 작동에 대해 도 1∼3 를 참조하여 설명한다. 먼저 도 1 을 참조하면, 엔진 (1) 이 작동하면, 주변 공기가 흡기관 (2) 을 통해 터보과급기 (8) 의 압축기 하우징 (8A) 안으로 흡입된다. 그 주변 공기는 압축기 하우징 (8A) 의 압축기 휠(미도시) 에 의해 송출되어 엔진 흡기관 (3) 에 보내진다. 엔진 흡기관 (3) 내의 공기는 흡기 매니폴드 (4) 를 지나 엔진 (1) 의 엔진 실린더 (1A) 안으로 유입한다. 엔진 실린더 (1A) 내의 공기는 엔진 실린더 (1A) 안으로 분사된 연료(경유)와 혼합되고, 엔진 실린더 (1A) 내의 공기-연료 혼합물이 자발적으로 점화된다.
상기 공기-연료 혼합물의 연소로 발생된 배기 가스는 배기 포트 (1C) 를 통해 배기 매니폴드 (5) 로 방출되어 거기서 집결된다. 그런 다음 배기 가스는 터보과급기 (8) 의 터빈 하우징 (8B) 안으로 유입한다. 터빈 하우징 (8B) 내의 배기 가스는 터빈 하우징 (8B) 의 터빈휠(미도시) 과 이 터빈휠에 연결된 압축기 휠을 증속시키면서 배기가스 정화 장치 (101) 안으로 유입된다. 배기가스 정화 장치 (101) 를 관류한 후에 배기 가스는 배기관 (6) 과 머플러 (7) 를 지나 차량(미도시) 밖으로 배출된다.
도 2 를 참조하면, 배기가스 정화 장치 (101) 안으로 유입한 모든 배기 가스는 먼저 산화 촉매층 (12) 을 통과한다. 배기 가스가 산화 촉매층 (12) 을 관류할 때, 그 배기 가스내에 포함되어 있는 탄화수소와 일산화탄소는 산화되어 이산화탄소와 물로 되고, 배기 가스내에 포함되어 있는 일산화질소의 일부는 산화되어 이산화질소로 되는데, 이는 일산화질소 보다 더욱 쉽게 환원된다. 산화 촉매층 (12) 을 관류한 배기 가스는 공간 (17A) 과 믹서 (18) 를 통과해서 DPF (13) 안으로 유입하게 된다. DPF (13) 의 DPF 본체 (14) 는 DPF (13) 를 관류하는 배기 가스내의 PM 을 포집한다.
동시에, 상기 DCU (30) 는 요소수 탱크 (20) 의 모터 펌프를 작동시키고 또한 분사 밸브 (19) 를 열어, 요소수 탱크 (20) 에서 요소수가 분사 밸브 (19) 에 의해 상기 공간 (17A) 내로 분사된다. 분사된 요소수는 공간 (17A) 을 관류하는 배기 가스의 열의 영향하에서 가수분해되어 암모니아와 이산화탄소를 생성하게 된다. 산화 촉매층 (12) 에 인접한 위치에서 분사 밸브 (19) 를 상기 공간 (17A) 에 제공하면, 분사된 요소수가 DPF (13) 의 제 1 SCR 촉매 (15S) 에 도달하기 전에 DPF (13) 의 상류측에서 머무는 시간이 길어지게 된다. 따라서, 요소수를 암모니아로 가수분해시키는데 걸리는 반응 시간이 길어져서 요소수의 가수분해 효율이 개선된다. 이런 이유로, 분사 밸브 (19) 는 가능한 한 DPF (13) 에서 멀리 떨어지도록 이 DPF (13) 의 상류측에서 산화 촉매층 (12) 에 인접한 위치에 배치되어야 한다. 산화 촉매층 (12) 의 하류측에서 요소수가 분사되어 암모니아로 가수분해되는데, 따라서 산화 촉매층 (12) 의 영향하에서 산화되는 암모니아는 없게 된다.
상기 공간 (17A) 안에서 요소수의 가수분해로 생성된 암모니아는 배기 가스와 함께 믹서 (18) 를 통과하고 그 믹서 (18) 에 의해 분산된 다음에 DPF (13) 안으로 유입하게 된다. 배기 가스와 함께 DPF (13) 안으로 유입한 암모니아는 DPF (13) 의 제 1 SCR 촉매 (15S) 의 도움을 받아서 그 배기 가스에 포함되어 있는 NOX 를 N2 로 환원시켜 배기 가스를 정화시킨다.
배기 가스에 포함되어 믹서 (18) 를 통과하는 암모니아는 그 믹서 (18) 에 의해 분산되지만, 도 2 의 3A-3A 선을 따라 취한 DPF (13) 의 상류측 끝면 (13A) 에 대응하고 케이싱 (11) 의 원통형부 (11C) 의 중심 축선에 수직인 배기가스 정화 장치 (101) 의 면에서는 암모니아의 분포가 여전히 불균등하다. 특히, 분사 밸브 (19) 의 출구와 DPF (13) 사이의 거리 (L) 가 짧으면, 분사된 요소수가 DPF (13) 에 도달하기 전에 암모니아로 가수분해되는 속도가 감소하게 되는데, 그러면 도 2 의 3A-3A 선을 따라 취한 상기 단면에서 암모니아 분포의 불균등성이 증가하게 된다.
도 2 의 3A-3A 선을 따라 취한 배기가스 정화 장치 (101) 의 단면도를 나타내는 도 3 을 참조하면, 상기 단면은 제 1 영역 (P), 제 2 영역 (Q) 및 제 3 영역 (R) 을 갖는다. 세 영역중에서 분사 밸브 (19) 에 가장 가까운 제 1 영역 (P) 은 제 1 영역 (P) 과 분사 밸브 (19) 사이의 거리가 짧기 때문에 단지 적은 암모니아 분포량을 갖는다. 분사 밸브 (19) 로부터 가장 멀리 있는 제 3 영역 (R) 은 제 3 영역 (R) 과 분사 밸브 (19) 사이의 거리가 더 길기 때문에 더 많은 암모니아 분포량을 갖는다. 따라서, 제 1 영역 (P) 을 관류하는 배기 가스의 NOX 함량은 암모니아 함량 보다 높다. 제 3 영역 (R) 을 관류하는 배기 가스의 NOX 함량은 암모니아 함량 보다 낮다. 제 2 영역 (Q) 을 관류하는 배기 가스의 NOX 함량은 암모니아 함량과 실질적으로 같다.
다시 도 2 를 참조하면, 제 1 영역 (P)(도 3 참조) 의 하류측을 흐르는 배기 가스내의 암모니아는 모두 NOX 의 환원에 사용되며, 암모니아와 반응하지 않은 NOX 의 일부는 배기 가스내에 남게 된다. 따라서, 그러한 NOX 를 포함하지만 암모니아는 포함하지 않는 배기 가스는 DPF (13) 밖으로 나가 공간 (17B) 으로 유입한다. 다른 한편, 제 2 영역 (Q)(도 3 참조)의 하류측을 흐르는 배기 가스에 포함되어 있는 NOX 는 모두 암모니아에 의해 환원된다. 따라서, NOX 와 암모니아를 포함하지 않는 배기 가스가 DPF (13) 밖으로 나가 공간 (17B) 으로 유입하게 된다.
제 3 영역 (R)(도 3 참조)의 하류측을 흐르는 배기 가스에 포함되어 있는 NOX 는 모두 암모니아에 의해 환원되고, NOX 와 반응하지 않은 암모니아의 일부는 배기 가스내에 남게 된다. 따라서, 그러한 암모니아를 포함하지만 NOX 는 포함하지 않는 배기 가스는 DPF (13) 밖으로 나가 공간 (17B) 으로 유입한다. 남아있는 암모니아는 낮은 암모니아 흡착성을 갖는 제 1 SCR 촉매 (15S) 에 많이 흡착되지 않고 상기 공간 (17B) 으로 유입하게 된다. 그러므로, DPF (13) 밖으로 흐르는 배기 가스는 암모니아와 NOX 를 포함한다. DPF (13) 밖으로 흐르는 배기 가스는 또한 공간 (17A) 과 DPF (13) 를 관류할 때 가수분해되지 않은 요소수도 포함하게 된다.
DPF (13) 밖으로 흐른 배기 가스는 이어서 공간 (17B) 을 지나 제 2 SCR 촉매층 (16) 안으로 유입한다. 배기 가스가 공간 (17B) 을 관류할 때, 배기 가스에 남아 있는 요소수의 가수분해 작용은 배기 가스의 열의 도움으로 촉진되며 그리 하여 요소수는 암모니아로 가수분해된다. 따라서, 배기 가스에 남아 있는 거의 모든 요소수가 암모니아로 가수분해된다. 그러므로, 분사 밸브 (19) 에 의해 분사된 요소수는 제 2 SCR 촉매층 (16) 에 도달하기 전에 높은 효율로 암모니아로 가수분해된다.
DPF (13) 를 통과하는 배기 가스의 흐름은 그 DPF (13) 에 의해 조절된다. DPF (13) 의 하류측 끝면 (13B) 밖으로 흐르는 배기 가스는 그 하류측 끝면 (13B) 의 일부에 따라서 NOX 나 암모니아를 포함하게 된다. 그러나, 배기 가스에 포함되어 공간 (17B) 을 관류하는 NOX 와 암모니아는 배기 가스의 조절된 흐름으로 분산된다. 따라서, 제 2 SCR 촉매층 (16) 안으로 유입하는 배기 가스에 포함되어 있는 NOX 와 암모니아의 분포는 도 2 의 3B-3B 선을 따라 취한 배기가스 정화 장치 (101) 의 단면에 대응하는 상기 면에서 균일하게 된다. 도 2 의 3B-3B 선을 따른 배기가스 정화 장치 (101) 의 단면은 도 2 의 3A-3A 선을 따라 취한 단면과 평행한 것이다.
제 2 SCR 촉매층 (16) 안으로 유입하는 배기 가스에 포함되어 있는 암모니아는 그런 다음 제 2 SCR 촉매층 (16) 의 도움을 받아 그 배기 가스에 포함되어 있는 NOX 를 환원시킨다. 배기 가스에 포함되어 있는 NOX 와 암모니아는 균일하게 분포되어 있으므로, 높은 속도로 또는 높은 효율로 서로 반응하게 된다.
제 2 SCR 촉매층 (16) 에서 배기 가스에 포함되어 있는 암모니아의 양이 배기 가스에 포함되어 있는 NOX 의 환원에 필요한 암모니아의 양 보다 많을 때는, 잉여의 암모니아가 높은 암모니아 흡착성의 제 2 SCR 촉매 (16S) 에 흡착된다. 그러므로, 제 2 SCR 촉매층 (16) 에 유입하는 배기 가스에 포함되어 있는 암모니아는 NOX 의 환원에 사용되며 제 2 SCR 촉매 (16S) 에 흡착되며, 따라서 모든 암모니아가 배기 가스에서 제거된다.
제 2 SCR 촉매층 (16) 에서 배기 가스에 포함되어 있는 NOX 의 양이 배기 가스에 포함되어 있는 암모니아에 의해 환원될 수 있는 NOX 의 양 보다 많을 때는, 그러한 암모니아에 의해 환원되지 않은 잉여의 NOX 가 제 2 SCR 촉매 (16S) 에 흡착되어 있는 암모니아에 의해 환원된다. 그러므로, 제 2 SCR 촉매층 (16) 에 유입하는 배기 가스에 포함되어 있는 NOX 는 배기 가스에서 제거된다. 따라서, 배기 가스와 함께 제 2 SCR 촉매층 (16) 에 유입하는 암모니아는 제 2 SCR 촉매층 (16) 밖으로 유출하지 않고 높은 비율로 NOX 의 환원에 사용되며, 그러므로 암모니아 사용의 효율이 향상된다.
제 2 SCR 촉매층 (16) 에서 NOX 의 함량이 감소되어 있고 암모니아가 제거되어 있는 배기 가스는 케이싱 (11) 또는 배기가스 정화 장치 (101) 로부터 배기관 (6) 안으로 배출된 다음에 배기관 (6) 과 머플러 (7) 를 지나 차량(미도시) 밖으로 배출된다.
분사 밸브 (19) 에 의한 요소수의 분사는 제 1 SCR 촉매 (15S) 와 제 2 SCR 촉매 (16C) 가 활성화되는 온도 이상에서 수행된다. 예컨대, 그러한 활성화 온도는 전술한 바와 같이 150℃ 이상이다. 제 1 SCR 촉매 (15S) 와 제 2 SCR 촉매 (16C) 의 온도가 이들을 관류하는 배기 가스의 온도로 간주될 수 있으므로, 상기 배기 가스 온도 센서 (51) 가 검출한 온도가 150℃ 이상일 때는 상기 DCU (30) 는 분사 밸브 (19) 를 열게 된다. 상기 배기 가스 온도 센서 (51) 가 검출한 온도가 150℃ 보다 낮을 때는 상기 DCU (30) 는 분사 밸브 (19) 를 닫게 된다. 이렇게 해서 NOX 환원의 수행 여부가 제어되는 것이다 .
DCU (30) 는 NOX 센서 (52) 가 검출한 NOX농도의 값으로부터 소정의 시간 간격당의 NOX 유량을 계산하고 또한 계산된 NOX 유량으로부터 NOX 환원에 필요한 암모니아의 양을 계산하며 또한 계산된 암모니아의 양을 생성하는데 필요한 요소수의 양을 계산할 수 있다. DCU (30) 는 분사 밸브 (19) 로 하여금 소정의 시간 간격당 상기 계산된 양의 요소수를 분사하도록 한다. 따라서, 요소수로부터 생성되는 암모니아의 양은 케이싱 (11) 을 관류하는 배기 가스에 포함되어 있는 NOX 의 양에 대해 과잉으로 공급되지 않도록 제어된다.
제 2 SCR 촉매층 (16) 에 유입하는 배기 가스에 포함되어 있는 암모니아의 양이 일시적으로 변하면, 제 2 SCR 촉매 (16C) 는 남아 있는 암모니아를 흡착하거나 부족한 암모니아를 흡착된 암모니아로 보충하게 되며, 그리 하여 환원될 NOX 의 양에 대한 암모니아의 양의 변동을 억제한다. 따라서, 암모니아는 제 2 SCR 촉매층 (16) 에 의해 효율적으로 소비된다. 또한, 전술한 바와 같이, 제 2 SCR 촉매층 (16) 에 유입하는 배기 가스에 포함되어 있는 NOX 의 환원에 과잉이지 않고 배기 가스에 포함되어 있는 NOX 를 단지 환원시킬 수 있는 적절한 양의 요소수를 공급하면, 과잉 양의 암모니아가 소정의 시간 간격 마다 제 2 SCR 촉매 (16C) 에 흡착 및 저장되는 일은 없다. 그러므로, 제 2 SCR 촉매 (16C) 에 흡착된 암모니아는 그로 부터 방출되어 배기가스 정화 장치 (101) 밖으로 유출되지 않거나, 또는 배기 가스에 포함되어 있는 잉여량의 암모니아는 제 2 SCR 촉매 (16C) 에 흡착되지 않고 배기가스 정화 장치 (101) 밖으로 유출되지 않는다.
상기 제 1 SCR 촉매 (15S) 는 낮은 암모니아 흡착성을 가지므로, NOX 의 환원에만 필요하고 NOX 센서 (52) 에 의해 검출된 NOX 농도에 따라 상기 DCU (30) 에 의해 계산되는 NOX 와 암모니아의 함량비에 가까운 함량비를 갖는 NOX 와 암모니아를 포함하는 배기 가스가 제 2 SCR 촉매 (16S) 에 유입하게 된다. 그러므로, 제 2 SCR 촉매층 (16) 을 관류하는 배기 가스에 포함되어 있는 NOX 와 암모니아 사이의 환원 반응이 효율적으로 이루어지게 된다. 또한, 제 1 SCR 촉매 (15S) 는 낮은 암모니아 흡착성을 가지므로, 제 2 SCR 촉매층 (16) 을 관류하는 배기 가스에 포함되어 있는 암모니아의 양을 예측하기가 쉽고 또한 제 2 SCR 촉매층 (16) 에 흡착되는 암모니아의 양을 제어하는 것도 쉽다. 따라서, 상기 DCU (30) 는 제 2 SCR 촉매층 (16) 에 흡착되는 암모니아의 양을 제어하여, 차량(미도시)의 운전 조건의 변화로 인한 배기 가스내 NOX 양의 변화에 대응할 수 있다.
제 1 SCR 촉매 (15S) 가 제 2 SCR 촉매 (16S) 보다 높은 암모니아 흡착성을 갖거나 또는 제 1 SCR 촉매 (15S) 를 갖는 DPF (13) 가 제 2 SCR 촉매층 (16) 보다 높은 암모니아 흡착 용량을 갖는다면, 배기 가스에 포함되어 있는 많은 양의 암모니아가 DPF (13) 의 제 1 SCR 촉매 (15S) 에 흡착되며, 그리 하여 제 2 SCR 촉매층 (16) 에 유입하는 배기 가스에 포함되어 있는 암모니아의 양은 같은 배기 가스에 포함되어 있는 NOX 의 양에 대해 부족하게 된다. 결과적으로, 제 2 SCR 촉매층 (16) 은 그에 유입하는 배기 가스내의 암모니아가 부족하게 되는 경향이 있고, 그래서 제 2 SCR 촉매층 (16) 은 암모니아를 흡착하지 못한다. 그러므로, 제 2 SCR 촉매층 (16) 에 의한 NOX 의 제거에 의한 배기 가스 정화의 효율이 부족하게 되고, 그 결과 배기가스 정화 장치 (101) 에 의한 NOX 의 제거에 의한 배기 가스 정화의 효율이 악화된다.
제 1 SCR 촉매 (15S) 의 암모니아 흡착 용량이 온도에 대한 높은 의존성을 갖는다면, 배기 가스의 온도가 증가할 때, 즉 제 1 SCR 촉매 (15S) 의 온도가 증가할 때, 그 제 1 SCR 촉매 (15S) 에 흡착된 암모니아는 그에서 방출되는 경향이 있으며 그래서 제 1 SCR 촉매 (15S) 에서 방출되는 암모니아의 양은 그 온도의 증가에 따라 증가하게 된다. 그러므로, 제 2 SCR 촉매층 (16) 에 유입하는 배기 가스에 포함되어 있는 암모니아의 양은 그 배기 가스에 포함되어 있는 NOX 의 양에 대해 과잉으로 된다. 그래서, 제 2 SCR 촉매 (16S) 는 그러한 모든 과잉의 암모니아를 흡착으로 제거할 수 없게 되고, 따라서 암모니아가 배기가스 정화 장치 (101) 또는 결국에는 차량(미도시) 밖으로 배출될 우려가 있다.
그러므로, 제 1 SCR 촉매 (15S) 는 제 2 SCR 촉매 (16S) 보다 낮은 암모니아 흡착성을 가져야 하고, DPF (13) 전체의 암모니아 흡착 용량은 제 2 SCR 촉매층 (16) 의 경우 보다 낮고 또한 제 1 SCR 촉매 (15S) 의 암모니아 흡착 용량은 낮은 온도 의존성을 갖는 것이 바람직하다. 배기 가스에 포함되어 있는 NOX 를 제거하여 배기 가스를 정화시키기 위해 요소수는 특히 제 1 SCR 촉매 (15S) 와 제 2 SCR 촉매 (16S) 가 활성화되는 온도 이상에서 공급되며, 따라서 배기가스 정화 장치 (101) 는 그러한 활성화 온도에서 바로 위에서 언급한 특성을 갖는 것이 바람직하다.
제 2 SCR 촉매 (16S) 는 제 1 SCR 촉매 (15S) 에 의한 흡착과 사용으로 인해 암모니아가 부족할 때는 자체에 흡착된 암모니아를 사용한다. 또한, 제 1 SCR 촉매 (15S) 로부터의 방출로 인해 과잉의 암모니아가 제 2 SCR 촉매 (16S) 를 관류할 때 제 2 SCR 촉매 (16S) 는 그러한 과잉의 암모니아를 흡착하게 된다. 제 2 SCR 촉매층 (16) 을 관류하는 암모니아의 양의 변화를 억제하기 위해, 제 2 SCR 촉매 (16S) 는 바람직하게 높은 암모니아 흡착성을 가져야 한다. 또한, 제 2 SCR 촉매층 (16) 은 바람직하게 그 전체에 걸쳐 높은 암모니아 흡착 용량을 가져야 한다.
도 1 을 참조하면, 터보과급기 (8)(또는 엔진 (1))에서 직접 배출되고 온도 저하가 작은 배기 가스가 배기가스 정화 장치 (101) 내로 유입한다. 작동하는 엔진 (1) 의 열은 엔진 (1) 에 바로 인접하여 위치한 배기가스 정화 장치 (101) 의 케이싱 (11)(도 2 참조)의 외부로 전달되고 이어서 그 열은 케이싱 (11) 의 내부로 전달된다. 도 2 를 참조하면, 케이싱 (11) 의 내부는 터보과급기 (8) 에서 직접 배출된 배기 가스의 열과 엔진 (1) 에서 전달된 열로 가열되며, 따라서 케이싱 (11) 의 내부는 쉽게 가열되는 경향이 있다. 그리 하여, 엔진 (1) 의 냉간 시동 중에, 케이싱 (11) 내의 요소수가 그의 가수분해 온도에 도달하는 시간과 제 1 SCR 촉매 (15S) 와 제 2 SCR 촉매 (16S) 가 그의 활성화 온도에 도달하는 시간이 짧아진다. 그러므로, 배기가스 정화 장치 (101) 는 엔진 (1) 의 냉간 시동 후 짧은 시간내에 배기가스 정화 작동을 개시할 수 있다. 결과적으로, NOX 제거 효율이 개선된다.
전술한 바와 같이, 본 실시 형태의 배기가스 정화 장치 (101) 는 배기 가스가 관류하는 통로안에 제공되는 산화 촉매층 (12), 이 산화 촉매층 (12) 의 하류측에서 상기 통로안에 위치하는 제 1 SCR 촉매 (15S), 제 1 SCR 촉매 (15S) 의 하류측에서 상기 통로안에 위치하는 제 2 SCR 촉매 (16S), 그리고 제 1 SCR 촉매 (15S) 의 상류측에서 상기 통로에 요소수를 공급하는 분사 밸브 (19) 를 포함한다. 제 2 SCR 촉매 (16S) 는 제 1 SCR 촉매 (15S) 보다 높은 암모니아 흡착 용량을 갖는다.
제 2 SCR 촉매 (16S) 는 제 1 SCR 촉매 (15S) 보다 많은 양의 암모니아를 흡착하므로, 분사 밸브 (19) 에서 공급된 요소수의 가수분해로 생성된 암모니아 중에서 제 1 SCR 촉매 (15S) 에 흡착되지 않았거나 또는 배기 가스로부터 NOX 의 제거에 사용되지 않은 잉여의 암모니아는 제 2 SCR 촉매 (16S) 에 흡착된다. 따라서, 배기 가스에 포함되어 있는 NOX 는 제 1 SCR 촉매 (15S) 와 제 2 SCR 촉매 (16S) 에 의해 제거된다. 예컨대, 제 1 SCR 촉매 (15S) 밖으로 유출하여 제 2 SCR 촉매 (16S) 에 유입하는 배기 가스에 포함되어 있는 암모니아의 양이 그 배기 가스에 포함되어 있는 NOX 를 환원시키는데 필요한 암모니아의 양 보다 많을 때는, 결과적으로 생긴 잉여의 암모니아는 제 2 SCR 촉매 (16S) 에 흡착된다. 제 1 SCR 촉매 (15S) 밖으로 유출하여 제 2 SCR 촉매 (16S) 에 유입하는 배기 가스에 포함되어 있는 암모니아의 양이 그 배기 가스에 포함되어 있는 NOX 를 환원시키는데 필요한 암모니아의 양 보다 적으면, NOX 는 제 2 SCR 촉매층 (16) 에 흡착된 암모니아에 의해 환원된다. 따라서, 요소수에서 생성된 암모니아는 배기가스 정화 장치 (101) 밖으로 배출되지 않고 NOX 를 환원시키는데 높은 비율로 사용된다. 그러므로, 본 배기가스 정화 장치 (101) 에서는 배기가스 정화 효율, 또는 배기 가스에 포함되어 있는 NOX 의 제거에 사용되는 요소수의 요소수 사용량에 대한 비가 개선된다.
제 2 SCR 촉매 (16S) 의 단위 체적당 암모니아 흡착 용량이 제 1 SCR 촉매 (15S) 의 경우 보다 크기 때문에, 제 2 SCR 촉매 (16S) 는 제 1 SCR 촉매 (15S) 보다 많은 암모니아를 흡착하는 경향이 있다. 따라서, 제 1 SCR 촉매 (15S) 또는 DPF (13) 에 의해 흡착된 암모니아의 양과 흡착된 암모니아에서 방출되는 암모니아의 양은 작으며, 따라서 제 2 SCR 촉매층 (16) 에 공급되는 암모니아의 양의 변화에 대한 제 1 SCR 촉매 (15S) 의 영향 또한 작게 된다. 그러므로, 제 2 SCR 촉매 (16S) 에 의한 암모니아의 처리는 안정화되며 NOX 제거에 있어서 암모니아 사용의 효율이 향상된다.
제 1 SCR 촉매 (15S) 를 갖는 DPF (13) 와 제 2 SCR 촉매층 (16) 은 서로 떨어져 있고, 그래서 가수분해되지 않은 요소수는 DPF (13) 와 제 2 SCR 촉매층 (16) 사이에서 가수분해되어 암모니아를 생성하게 된다. 그러므로, 요소수를 암모니아로 전환시키는 효율이 개선되며 그리 하여 배기 가스에 포함되어 있는 NOX 의 제거에 의한 배기 가스 정화의 요소수 사용량에 대한 효율 또한 개선된다. DPF 본체 (14) 는 제 1 SCR 촉매 (15S) 와 일체화되어 있고, 따라서 본 배기가스 정화 장치 (101) 는 컴팩트하게 만들어질 수 있다. 또한, 산화 촉매층 (12), DPF 본체 (14) 와 일체화된 제 1 SCR 촉매 (15S), 제 2 SCR 촉매 (16S) 및 분사 밸브 (19) 는 하나의 케이싱 (11) 안에 제공되므로, 배기가스 정화 장치 (101) 는 더욱 컴팩트하게 만들어질 수 있다. 배기가스 정화 장치 (101) 가 엔진 어셈블리 (10) 에 설치되는 구성에서는, 엔진 어셈블리 (10) 에서 직접 배출되고 온도 저하가 작은 고온의 배기 가스가 배기가스 정화 장치 (101) 내로 유입한다. 또한, 작동하는 엔진 (1) 에 의해 발생된 열은 배기가스 정화 장치 (101) 의 케이싱 (11) 의 내부로 전달된다. 따라서, 엔진 (1) 의 냉간 시동 중에, 케이싱 (11) 내의 요소수가 그의 가수분해 온도에 도달하는 시간 및 제 1 SCR 촉매 (15S) 와 제 2 SCR 촉매 (16S) 가 그의 활성화 온도에 도달하는 시간이 짧아진다. 그러므로, 배기가스 정화 장치 (101) 는 엔진 (1) 의 냉간 시동 후 짧은 시간내에 배기가스 정화 작동을 시작하여 NOX 를 제거할 수 있다. 결과적으로, NOX 제거에 의한 배기 가스 정화 효율이 개선된다.
다음 설명은 도 4 를 참조하는 본 발명의 제 2 실시 형태에 관한 것이다. 본 발명의 제 2 실시 형태에 따른 배기가스 정화 장치 (102) 가 제 1 실시 형태의 배기가스 정화 장치 (101) 와 다른 점은, 제 1 실시 형태에 따른 배기가스 정화 장치 (101) 의 DPF 본체 (14) 와 제 1 SCR 촉매 (15S) 가 개별적으로 제공되어 있다는 것이다. 구체적으로 말하면, 도 4 에서 보는 바와 같이, 제 1 실시 형태의 배기가스 정화 장치 (101) 의 DPF 본체 (14) 에 상응하는 DPF 본체 (24) 는 제 1 실시 형태의 배기가스 정화 장치 (101) 의 제 1 SCR 촉매 (15S) 에 상응하는 제 1 SCR 촉매층 (25) 의 제 1 SCR 촉매 (25S) 의 상류측에 제공되어 있다. 설명의 편의를 위해, 유사하거나 동일한 부분이나 요소에는 제 1 실시 형태에서 사용된 것과 동일한 참조 번호를 부여했으며, 그에 대한 설명은 생략한다.
제 2 실시 형태에 따른 배기가스 정화 장치 (102) 의 종단면도를 나타내는 도 4 를 참조하면, 제 1 실시 형태의 경우 처럼, 배기가스 정화 장치 (102) 의 케이싱 (11) 은 그 내부에서 산화 촉매층 (12), DPF 본체 (24), 제 1 SCR 촉매층 (25) 및 제 2 SCR 촉매층 (16) 을 갖고 있으며, 이들은 배기 가스의 흐름의 방향을 따라 이 순서로 위치해 있다. 산화 촉매층 (12) 과 DPF 본체 (24) 는 서로 접해 있고, DPF 본체 (24) 와 제 1 SCR 촉매층 (25) 은 공간 (27A) 을 사이에 두고 서로 떨어져 있으며, 제 1 SCR 촉매층 (25) 과 제 2 SCR 촉매층 (16) 역시 공간 (27B) 을 사이에 두고 서로 떨어져 있다. 제 1 SCR 촉매층 (25) 은 제 1 실시 형태의 제 1 SCR 촉매 (15S) 에 상응하는 제 1 SCR 촉매 (25S) 로 형성되어 있고 제 1 실시 형태의 제 2 SCR 촉매층 (16) 의 경우처럼 코팅과 같은 적절한 수단으로 기재(미도시)에 담지되어 있다. 제 2 SCR 촉매층 (16) 전체의 암모니아 흡착 용량은 제 1 SCR 촉매층 (25) 전체의 경우 보다 높다.
제 1 SCR 촉매층 (25) 은 믹서 (18) 가 제공되어 있는 상류측 끝면 (25A) 을 갖는다. 요소수 탱크 (20) 에서 공급되는 요소수를 제 1 SCR 촉매 (25S) 의 상류측에 있는 케이싱 (11) 내의 상기 공간 (27A) 에 분사하기 위한 분사 밸브 (29) 가 DPF 본체 (24) 와 제 1 SCR 촉매층 (25) 의 사이에서 제 1 SCR 촉매층 (25) 보다 DPF 본체 (24) 에 더 가까운 위치에 제공되어 있다.
배기가스 정화 장치 (102) 의 케이싱 (11) 안으로 도입되는 배기 가스는 산화 촉매층 (12) 을 관류한 다음에 그대로 DPF 본체 (24) 에 유입하게 되며, 여기서 배기 가스에 포함되어 있는 PM 이 포집된다. DPF 본체 (24) 밖으로 유출한 후에 배기 가스는 요소수가 분사된 상기 공간 (27A), 제 1 SCR 촉매층 (25), 상기 공간 (27B) 및 제 2 SCR 촉매층 (16) 을 관류한 다음에 배기가스 정화 장치 (102) 밖으로 배출된다. 제 2 실시 형태에서 제 1 SCR 촉매층 (25), 상기 공간 (27B) 및 제 2 SCR 촉매층 (16) 을 관류하는 배기 가스내의 성분과 물질에 대해 일어나는 산화, 환원 및 가수분해와 같은 화학 반응은 제 1 실시 형태의 경우와 실질적으로 동일하다.
상기 DPF 본체 (24) 에 모인 PM 의 연소는 정기적으로 수행되지만, 제 1 SCR 촉매층 (25) 은 그러한 연소에 의한 열에 직접 영향을 받지 않는다. 제 2 실시 형태의 나머지 구성은 제 1 실시 형태와 실질적으로 동일하며, 그에 대한 설명은 생략한다.
제 2 실시 형태의 배기가스 정화 장치 (102) 는 제 1 실시 형태의 것과 실질적으로 동일한 효과를 준다. 배기가스 정화 장치 (102) 의 케이싱 (11) 은 그 안에 DPF 본체 (24) 를 가지며, 이 본체는 제 1 SCR 촉매층 (25) 의 상류측에 위치한다. DPF 본체 (24) 와 제 1 SCR 촉매층 (25) 은 개별적으로 제공되므로, 제 1 SCR 촉매 (25S) 는 DPF 본체 (24) 에 모인 PM 의 연소에 의한 열의 영향을 직접 받지 못한다. 그러므로, 제 1 SCR 촉매 (25S) 의 내구성이 개선된다. 제 2 실시 형태에서 분사 밸브 (29) 의 상류측에 위치되는 DPF 본체 (24) 는 분사 밸브 (29) 의 하류측에 위치될 수 있거나, 또는 분사 밸브 (29) 와 제 1 SCR 촉매층 (25) 사이에 위치될 수도 있다.
다음의 설명은 도 5 를 참조하는 본 발명의 제 3 실시 형태에 관한 것이다. 제 3 실시 형태에 따른 배기가스 정화 장치 (103) 가 제 1 실시 형태의 배기가스 정화 장치 (101) 와 다른 점은, 제 1 실시 형태의 배기가스 정화 장치 (101) 의 DPF (13) 와 제 2 SCR 촉매층 (16) 사이의 공간 (17B) 이 생략되어 있다는 것이다. 구체적으로 말하면, 제 1 SCR 촉매 (35S) 를 담지하는 DPF 본체 (34) 와 제 2 SCR 촉매층 (36) 은 도 5 에서 보는 바와 같이 서로 접하여 함께 일체화되어 있다.
제 3 실시 형태에 따른 배기가스 정화 장치 (103) 의 종단면도를 나타내는 도 5 를 참조하면, 제 1 실시 형태의 경우 처럼, 배기가스 정화 장치 (103) 의 케이싱 (11) 은 그 안에서 산화 촉매층 (12), DPF 본체 (34) 및 제 2 SCR 촉매층 (36) 을 갖고 있으며, 이들은 배기 가스 흐름의 방향을 따라 이 순서로 위치해 있다. 산화 촉매층 (12) 과 DPF 본체 (34) 는 공간 (37) 을 사이에 두고 서로 떨어져 있고, DPF 본체 (34) 와 제 2 SCR 촉매층 (36) 은 서로 접해 있다. 제 1 실시 형태의 제 1 SCR 촉매 (15S) 에 상응하는 제 1 SCR 촉매 (35S) 는 코팅과 같은 적절한 수단으로 DPF 본체 (34) 에 담지된다. 또한, 제 2 SCR 촉매층 (36) 은 제 1 실시 형태의 제 2 SCR 촉매층 (16) 의 경우처럼 코팅과 같은 적절한 수단으로 기재(미도시)에 담지된 제 2 SCR 촉매 (36S) 로 형성된다. 제 2 SCR 촉매층 (36) 전체의 암모니아 흡착 용량은 제 1 SCR 촉매 (35S) 를 담지하는 DPF 본체 (34) 전체의 경우 보다 높다.
제 1 SCR 촉매 (35S) 를 담지하는 DPF 본체 (34) 와 제 2 SCR 촉매층 (36) 은 함께 일체화되어 촉매 구비 DPF (33) 를 형성하게 된다. 이 DPF (33) 는 믹서 (18) 가 제공되어 있는 상류측 끝면 (33A) 을 갖는다. 요소수 탱크 (20) 에서 공급되는 요소수를 제 1 SCR 촉매 (35S) 의 상류측에 있는 케이싱 (11) 내의 상기 공간 (37) 에 분사하기 위한 분사 밸브 (39) 가 산화 촉매층 (12) 과 DPF (33) 사이에서 DPF (33) 보다 산화 촉매층 (12) 에 더 가까운 위치에 제공되어 있다.
배기가스 정화 장치 (103) 의 케이싱 (11) 안으로 도입되는 배기 가스는 산화 촉매층 (12) 을 관류하여 요소수가 추가되는 상기 공간 (37) 안으로 들어가며 이어서 DPF (33) 안으로 들어가게 된다. DPF 본체 (34) 를 통해 DPF (33) 안으로 유입한 배기 가스에 포함되어 있는 PM 은 DPF 본체 (34) 에 모인다. 또한, 배기 가스에 포함되어 있는 NOX 는 DPF 본체 (34) 에 담지되어 있는 제 1 SCR 촉매 (35S) 의 작용하에서 같은 배기 가스에 포함되어 있는 암모니아에 의해 제거된다. DPF 본체 (34) 밖으로 유출한 배기 가스는 그대로 제 2 SCR 촉매층 (36) 에 유입하게 되며, 여기서 배기 가스내의 NOX 는 제 2 SCR 촉매 (36S) 의 작용하에서 같은 배기 가스에 포함되어 있는 암모니아에 의해 제거된다. 제 2 SCR 촉매층 (36) 밖으로 유출한 배기 가스는 배기가스 정화 장치 (103) 밖으로 배출된다. 제 3 실시 형태에서 제 1 SCR 촉매 (35S) 를 담지하는 DPF 본체 (34) 와 제 2 SCR 촉매층 (36) 을 관류하는 배기 가스내의 성분과 물질을 위해 일어나는 산화, 환원 및 가수분해와 같은 화학 반응은 제 1 실시 형태의 경우와 실질적으로 동일하다.
DPF (33) 의 DPF 본체 (34) 를 관류하는 배기 가스에서 가수분해되지 않은 요소수는 그대로 제 2 SCR 촉매층 (36) 에 유입한다. 모든 요소수가 가수분해되는 것은 아니기 때문에, 제 2 SCR 촉매층 (36) 에 유입하는 배기 가스에 포함되어 있는 암모니아의 양은 그 배기 가스에 포함되어 있는 NOX 의 양에 대해 부족할 수도 있는 우려가 있다. 이러한 암모니아 부족을 방지하기 위해, 제 2 SCR 촉매 (36S) 의 암모니아 흡착성과 제 2 SCR 촉매층 (36) 의 암모니아 흡착 용량은 바람직하게 제 1 실시 형태의 제 2 SCR 촉매 (16S) 와 제 2 SCR 촉매층 (16) 의 경우 보다 높아야 한다. 제 3 실시 형태의 나머지 구성은 제 1 실시 형태와 실질적으로 동일하며, 그에 대한 설명은 생략한다.
따라서, 제 3 실시 형태의 배기가스 정화 장치 (103) 는 제 1 실시 형태와 실질적으로 동일한 효과를 준다. 배기가스 정화 장치 (103) 의 케이싱 (11) 은 그 안에서 DPF 본체 (34) 를 가지며, 이 본체는 제 1 SCR 촉매 (35S) 를 가지며 제 2 SCR 촉매 (36S) 와 인접해 일체화되어 있다. 그러므로, 상기 케이싱 (11) 은 컴팩트하게 만들어질 수 있으며, 따라서 배기가스 정화 장치 (103) 도 컴팩트하게 만들어질 수 있다.
제 1∼3 실시 형태에서 각각의 배기가스 정화 장치 (101∼103) 는 터보과급기 (8) 를 갖는 엔진 어셈블리 (10) 에 설치되지만, 본 발명은 그러한 구성에 한정되지 않는다. 엔진 어셈블리에 터보과급기 (8) 가 없을 때는, 각각의 배기가스 정화 장치 (101∼103) 는 배기 매니폴드 (5) 의 출구 (5A) 에 직접 연결될 수도 있다. 각각의 배기가스 정화 장치 (101∼103) 는 엔진 어셈블리 (10) 에서 떨어진 위치에 제공될 수도 있다.
제 1∼3 실시 형태에서 배기가스 정화 장치 (101∼103) 의 케이싱 (11) 은 원통형으로 형성되어 있지만, 사각주와 같은 다각주형, 구형 또는 타원형으로도 형성될 수 있다. 제 1∼3 실시 형태의 배기가스 정화 장치 (101∼103) 에서 믹서 (18) 는 없어도 된다. 제 1, 2 실시 형태에서 제 1 SCR 촉매 (15S, 25S) 및 제 2 SCR 촉매 (16S) 는 하나의 케이싱 (11) 안에 제공되지만, 본 발명은 이러한 구성에 한정되지 않는다. 제 1 SCR 촉매 (15S, 25S) 및 제 2 SCR 촉매 (16S) 중 어떤 것도 케이싱 (11) 밖에 제공될 수 있다. 제 1 SCR 촉매 (15S, 25S) 와 제 2 SCR 촉매 (16S) 사이의 거리는, 제 1 SCR 촉매 (15S, 25S) 와 제 2 SCR 촉매 (16S) 를 관류하는 배기 가스의 온도가 저하됨으로 인해 제 2 SCR 촉매 (16S) 의 활성화가 저하되지 않도록 설정되어야 한다. 제 1∼3 실시 형태에서 제 2 SCR 촉매 (16S, 36S) 는 제 1 SCR 촉매 (15S, 25S, 35S) 보다 높은 암모니아 흡착성을 갖지만, 이는 본 발명의 필수적인 요건은 아니다. 제 2 SCR 촉매 (16S, 36S) 를 담지하는 제 2 SCR 촉매층 전체의 암모니아 흡착 용량은 제 1 SCR 촉매 (15S, 25S, 35S) 를 담지하는 제 1 SCR 촉매층 전체 또는 DPF 본체 전체의 경우 보다 높도록 할 수도 있다.

Claims (10)

  1. 배기 가스가 관류하는 통로안에 제공되는 산화 촉매,
    상기 산화 촉매의 하류측에서 상기 통로안에 위치하는 제 1 선택적 촉매 환원 촉매,
    상기 제 1 선택적 촉매 환원 촉매의 하류측에서 상기 통로안에 위치하며, 제 1 선택적 촉매 환원 촉매 보다 더 많은 암모니아를 흡착할 수 있는 제 2 선택적 촉매 환원 촉매, 및
    상기 제 1 선택적 촉매 환원 촉매의 상류측에서 상기 통로에 요소수를 공급하는 요소수 공급 장치를 포함하는 배기가스 정화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 선택적 촉매 환원 촉매의 단위 체적당 암모니아 흡착 용량은 상기 제 1 선택적 촉매 환원 촉매의 단위 체적당 암모니아 흡착 용량 보다 높은 배기가스 정화 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 선택적 촉매 환원 촉매는 지르코늄, 티타늄, 규소, 세륨 또는 텅스텐의 산화물, 또는 열처리되는 철 또는 구리로 부분적으로 치환되는 ZSM-5 제올라이트로 만들어지며, 상기 제 2 선택적 촉매 환원 촉매는 열처리되는 철 또는 구리로 부분적으로 치환된 ZSM-5 제올라이트로 만들어지는 배기가스 정화 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 선택적 촉매 환원 촉매와 제 2 선택적 촉매 환원 촉매는 ZSM-5 제올라이트로 만들어지며, 제 2 선택적 촉매 환원 촉매의 ZSM-5 제올라이트를 부분적으로 치환하는 철 또는 구리의 열처리 온도는 제 1 선택적 촉매 환원 촉매의 ZSM-5 제올라이트를 부분적으로 치환하는 철 또는 구리의 열처리 온도 보다 낮은 배기가스 정화 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 선택적 촉매 환원 촉매는 제 2 선택적 촉매 환원 촉매에서 떨어져 있는 배기가스 정화 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 선택적 촉매 환원 촉매는 제 2 선택적 촉매 환원 촉매에 인접하는 배기가스 정화 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 미립자 물질을 포집하는 미립자 물질 포집 장치를 더 포함하며, 이 미립자 물질 포집 장치는 제 1 선택적 촉매 환원 촉매와 일체화되어 있는 배기가스 정화 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 미립자 물질을 포집하는 미립자 물질 포집 장치를 더 포함하며, 이 미립자 물질 포집 장치는 제 1 선택적 촉매 환원 촉매의 상류측에 위치하는 배기가스 정화 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 배기가스 정화 장치는 엔진 어셈블리에 설치되는 배기가스 정화 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 산화 촉매, 제 1 선택적 촉매 환원 촉매 및 제 2 선택적 촉매 환원 촉매가 안에 들어 있는 원통형 케이싱을 더 포함하며, 이 케이싱에는 상기 제 1 선택적 촉매 환원 촉매의 상류측에 있는 케이싱내의 공간에 요소수를 분사하는 요소수 공급 장치로서 역할하는 분사 밸브가 제공되어 있는 배기가스 정화 장치.
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