KR20110035353A - Apparatus for reducing nitrogen oxide of exhaust from lean-burn engine - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A device for reducing nitrogen oxide of exhaust gas from a lean-burn engine is provided to easily control the composition ratio of exhaust gas supplied to a nitrogen oxide reducing catalyst. CONSTITUTION: A device for reducing nitrogen oxide of exhaust gas from a lean-burn engine comprises an oxygen separation unit(20), a bypass exhaust passage(30), and a nitrogen oxide reducing catalyst(40). The oxygen separation unit is formed on an exhaust pipe foremd between an exhaust manifold of a lean-burn engine and a catalyst with a reduction function. The bypass exhaust passage is formed on the side surface of the exhaust pipe and bypasses oxygen passing through the oxygen separation unit.

Description

희박-연소 엔진 배기가스의 질소산화물 저감 장치{Apparatus for reducing nitrogen oxide of exhaust from lean-burn engine}Apparatus for reducing nitrogen oxide of exhaust from lean-burn engine

본 발명은 희박-연소 엔진 배기가스의 질소산화물 저감 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다공성 지지체, 및 다공성 지지체에 코팅되고 배기가스의 산소를 산소 이온으로 환원시키고 환원된 산소 이온만을 선택적으로 투과시키는 산소 이온 전도체 박막으로 구성되는 산소 분리부를 포함하는 희박-연소 엔진 배기가스의 질소산화물 저감 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a device for reducing nitrogen oxides of lean-burn engine exhaust gas, and more particularly, to a porous support and a porous support, which reduces oxygen in the exhaust gas to oxygen ions and selectively permeates only the reduced oxygen ions. An apparatus for reducing nitrogen oxides in lean-burn engine exhaust gas comprising an oxygen separation unit composed of an oxygen ion conductor thin film.

연소 공정의 배기 흐름에 포함된 화합 중에서 NOx로 불리우는 질소산화물은 주변 환경으로 배출시 공기의 질을 저하시키기 때문에 정부의 배출 규정을 충족하거나 초과하는 것을 막도록 제어되어야만 한다. NOx를 생산하는 다양한 연소 공정들로는 석탄 또는 오일 연소로(furnaces), 왕복 내연 엔진(가솔린 및 디젤 엔진) 및 가스 터빈 등이 있다.Nitrogen oxides called NOx, among the compounds included in the exhaust stream of the combustion process, must be controlled to avoid meeting or exceeding government emission regulations because they degrade the air quality when discharged to the surrounding environment. Various combustion processes that produce NOx include coal or oil furnaces, reciprocating internal combustion engines (gasoline and diesel engines) and gas turbines.

유해물질(예를 들면, 질소산화물, 일산화탄소 및 탄화수소 등)을 엔진 배기 흐름으로부터 제거하기 위하여, 삼원촉매 변환기(Three-way catalytic converter)들이 가솔린 엔진 차량에 장착되어 있는데, 이 경우 차량 엔진들은 주로 화학양론 적 모드(stoichiometric mode)에서 작동한다(즉, 연료와 공기의 화학양론적 량이 엔진으로 공급된다). 가솔린 엔진의 연소 후에 배출되는 배기가스 흐름 중 유해물질은 주로 탄화수소, 일산화탄소, 질소산화물이며, 삼원촉매(Three-way catalyst)는 질소산화물을 환원시켜 질소와 산소로 변환시키고, 상기 산소 및 배기가스 내 산소를 환원제로 사용하여 일산화탄소를 이산화탄소로, 탄화수소를 이산화탄소와 물로 산화시키는 반응에 의해 유해 물질의 약 95%이상을 제거한다. 그러나, 연료가 희박한 희박 연소(Lean-burn) 조건으로 작동하는 가솔린 엔진에서는 배기가스 내에 산소량이 너무 많아 질소산화물이 완전하게 질소로 환원될 수 없다. In order to remove harmful substances (e.g., nitrogen oxides, carbon monoxide and hydrocarbons) from the engine exhaust stream, three-way catalytic converters are mounted on gasoline engine vehicles, in which case engine engines are mainly chemical It operates in stoichiometric mode (ie stoichiometric quantities of fuel and air are fed to the engine). Hazardous substances in the exhaust gas stream after combustion of gasoline engines are mainly hydrocarbons, carbon monoxide and nitrogen oxides.Three-way catalyst converts nitrogen oxides into nitrogen and oxygen by converting them into nitrogen and oxygen. By using oxygen as a reducing agent, more than about 95% of the harmful substances are removed by oxidizing carbon monoxide to carbon dioxide and hydrocarbons to carbon dioxide and water. However, in gasoline engines operating under lean burn conditions where fuel is lean, the amount of oxygen in the exhaust gas is too high to completely reduce nitrogen oxides to nitrogen.

한편, 희박-연소 엔진들은 주로 연료-희박 모드에서 작동하므로(즉, 화학량론적 양보다 많은 양의 공기가 연료와 함께 엔진 실린더의 내부로 공급되므로), 화학량론적인 엔진과 비교하여 보면, 희박-연소 엔진들은 월등한 연료 절감능력을 제공한다. 희박-연소 엔진의 전형적인 일례는 디젤 엔진이다. 그러나, 연료가 희박한 희박 연소(Lean-burn) 조건으로 작동하는 희박-연소 엔진으로부터 배출되는 배기가스에는 산소량이 너무 많아 삼원촉매 변환기(Three-way catalytic converter)로는 질소산화물을 환원시켜 질소로 변환시키고 질소산화물 배출량을 적절한 수준으로 저감시킬수 없다. 따라서, 희박-연소 엔진으로부터 배출되는 배기가스 내의 질소산화물을 저감시키기 위해서는 화학양론적 모드(stoichiometric mode)에서 작동하는 엔진의 경우와 다른 배기가스 정화 시스템이 필요하다. 구체적으로 일 예의 희박-연소 디젤 엔진의 배기가스 정화 시스템은 일반적으로 엔진 배기 매니폴드에 연결된 배기 파이프 상에서 맨 상류 측에 배치되고 입자상 물질(Particulate Matters,PM)을 포집하는 디젤 입자상물질 필터(Diesel Particulate Filter, DPF); 디젤 입자상물질 필터(Diesel Particulate Filter, DPF)의 하류측에 배치되고 배기가스에 포함된 유해물질 중 탄화수소, 일산화탄소, 및 입자상 물질(Particulate Matters, PM) 중의 용해성 유기물질(SOF)을 산화시켜 이산화탄소와 물로 변환시키는 디젤 산화 촉매(Diesel Oxidation Catalyst, DOC); 디젤 산화 촉매(Diesel Oxidation Catalyst, DOC)의 하류 측에 배치되고 암모니아를 환원제로 사용하여 질소산화물을 질소로 환원시키는 선택적 환원(Selective catalyst Reduction, SCR) 촉매로 구성된다.On the other hand, lean-burn engines operate primarily in fuel-lean mode (ie, because more air than the stoichiometric amount of air is supplied into the engine cylinder with fuel), compared to stoichiometric engines. Combustion engines offer superior fuel savings. Typical examples of lean-burn engines are diesel engines. However, the exhaust gas from lean-burn engines operating under lean burn conditions with too much fuel has too much oxygen to reduce nitrogen oxides to nitrogen by a three-way catalytic converter. NOx emissions cannot be reduced to an appropriate level. Thus, reducing the nitrogen oxides in the exhaust gas emitted from lean-burn engines requires a different exhaust gas purification system than that of an engine operating in stoichiometric mode. Specifically, the exhaust gas purification system of an example lean-burn diesel engine is generally a diesel particulate filter (Diesel Particulate) disposed on the upstream side and collecting particulate matter (PM) on an exhaust pipe connected to the engine exhaust manifold. Filter, DPF); It is disposed downstream of the diesel particulate filter (DPF) and oxidizes soluble organic substances (SOF) in hydrocarbons, carbon monoxide, and particulate matters (PM) among the harmful substances contained in the exhaust gas. Diesel oxidation catalysts (DOC) which convert to water; It is disposed downstream of the Diesel Oxidation Catalyst (DOC) and consists of a Selective Catalyst Reduction (SCR) catalyst which reduces nitrogen oxides to nitrogen using ammonia as the reducing agent.

이상과 같이 희박-연소 엔진 또는 희박-연료 모드로 작동하는 엔진의 경우 이론 공연비로 작동하는 경우에 비해 연료의 양이 희박하고 공기의 양은 농후하여 엔진으로부터 배출되는 배기가스에는 상대적으로 많은 산소와 질소산화물을 포함하고, 질소산화물을 제거하기 위해서는 환원 반응이 필요한데 배기가스에 존재하는 많은 산소 때문에 가솔린 엔진의 경우 질소산화물의 제거가 용이하지 않고 디젤 엔진의 경우 별도의 SCR 촉매를 필요로 하는 문제가 있다. 이를 해결하기 위하여 일본공개특허공보 제2003-027926호에는 산소 부화막, 다공성 지지막 및 연속 발포체로 구성된 산소 부화(enrichment) 시스템이 개시되어 있다. 구체적으로 배기 통로를 통과하는 배기가스의 일부는 질소에 비해 산소 투과성이 높은 산소 부화막, 산소 부하막을 지지하는 다공성 지지막, 및 연소 발포체를 순서대로 통과하여 산소 농도가 비교적 높은 산소 부화 가스가 되고, 배기가스의 나머지는 산소 농도가 비교적 낮은 산소 감소 가스가 되는데, 산소 부화 가스를 우회시켜 차체 밖으로 배출 시키고, 산소 감소 가스를 질소 산화물 환원 촉매에 공급시켜 질소산화물 감소를 촉진시키는 기술이다. 그러나, 일본공개특허공보 제2003-027926호는 산소 부화막으로 실록산(Siloxane) 고리와 올리고 옥시 알킬렌(Oli해 Oxy Alkylene) 고리를 교대로 하는 실리콘계 고분자의 삼차원 가교 화합물을 사용하기 때문에 산소뿐만 아니라 질소, 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물의 투과를 배제할 수 없고, 산소 감소 가스의 조성비를 조절하기가 용이하지 않다는 문제가 있다. 또한, 산소 부화 가스에는 산소뿐만 아니라 다른 유해물질도 포함되어 있기 때문에 이를 재사용하기가 어렵고, 차체 밖으로 배출하는 경우에도 별도의 유해물질 검증 등이 필요할 수 있다.As described above, in the case of the lean-combustion engine or the engine operating in the lean-fuel mode, the amount of fuel is scarce and the amount of air is rich compared to the case of operating at the theoretical air-fuel ratio. In order to remove oxides of nitrogen and to remove nitrogen oxides, a reduction reaction is required. However, due to the large amount of oxygen present in the exhaust gas, gasoline engines do not easily remove nitrogen oxides, and diesel engines require a separate SCR catalyst. . In order to solve this problem, Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2003-027926 discloses an oxygen enrichment system composed of an oxygen enrichment membrane, a porous support membrane, and a continuous foam. Specifically, a part of the exhaust gas passing through the exhaust passage passes through the oxygen enrichment membrane having higher oxygen permeability than the nitrogen, the porous support membrane supporting the oxygen load membrane, and the combustion foam in order to become an oxygen enrichment gas having a relatively high oxygen concentration. In addition, the remainder of the exhaust gas becomes an oxygen reducing gas having a relatively low oxygen concentration, and bypasses the oxygen enrichment gas to be discharged out of the vehicle body, and promotes the reduction of nitrogen oxide by supplying the oxygen reducing gas to the nitrogen oxide reduction catalyst. However, Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2003-027926 uses a three-dimensional crosslinking compound of a silicone-based polymer that alternates a siloxane ring and an oligo oxyalkylene ring as an oxygen enrichment membrane, so that not only oxygen but also The permeation of nitrogen, carbon monoxide, hydrocarbons and nitrogen oxides cannot be excluded, and there is a problem that it is not easy to control the composition ratio of the oxygen reducing gas. In addition, the oxygen enriched gas contains oxygen as well as other harmful substances, it is difficult to reuse them, and even when discharged out of the vehicle body, additional hazardous substance verification may be required.

본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 희박-연소 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 산소만을 선택적으로 투과시켜 질소산화물 환원 촉매로 공급되는 배기가스의 조성비를 정확히 조절할 수 있고, 질소 산화물 환원 촉매로 산소 감소 가스를 공급하여 질소산화물을 효과적으로 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라, 배기가스로부터 분리된 산소를 재사용할 수 있는 희박-연소 엔진 배기가스의 질소산화물 저감 장치를 제공하는데에 있다.The present invention is to solve the conventional problems, an object of the present invention is to selectively control only the oxygen of the exhaust gas discharged from the lean-burn engine to accurately control the composition ratio of the exhaust gas supplied to the nitrogen oxide reduction catalyst, The present invention provides a device for reducing nitrogen oxides of lean-burn engine exhaust gas, which can supply oxygen reduction gas to the nitrogen oxide reduction catalyst to effectively reduce nitrogen oxides and reuse oxygen separated from exhaust gas.

본 발명의 목적은 희박-연소 엔진의 배기 매니폴드와 질소산화물 환원 기능을 가지는 촉매 사이의 배기 파이프 상에 형성되고, 희박-연소 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 산소만을 선택적으로 분리하기 위한 산소 분리부; 배기 파이프 상의 측면에 형성되고 산소 분리부와 연통되어 배기가스로부터 산소 분리부를 통과한 산소를 우회시키는 우회 배기 통로; 및 질소산화물 환원 촉매;를 포함하고, 산소 분리부는 다공성 지지체, 및 다공성 지지체에 코팅되고 배기가스의 산소를 산소 이온으로 환원시키고 환원된 산소 이온만을 선택적으로 투과시키는 산소 이온 전도체 박막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 희박-연소 엔진 배기가스의 질소산화물 저감 장치를 제공함으로써 달성될 수 있다.An object of the present invention is formed on an exhaust pipe between an exhaust manifold of a lean-burn engine and a catalyst having a nitrogen oxide reduction function, and an oxygen separation unit for selectively separating only oxygen of exhaust gas discharged from the lean-burn engine. ; A bypass exhaust passage formed on the side of the exhaust pipe and in communication with the oxygen separator to bypass the oxygen passing through the oxygen separator from the exhaust gas; And a nitrogen oxide reduction catalyst, wherein the oxygen separation unit is composed of a porous support and an oxygen ion conductor thin film coated on the porous support and reducing oxygen of exhaust gas to oxygen ions and selectively transmitting only the reduced oxygen ions. It can be achieved by providing a nitrogen oxide reduction device for lean-burn engine exhaust gas.

산소 분리부는 배기 파이프의 일부를 구성하여 형성되거나 배기 파이프 내부의 배기 통로에 형성될 수 있는데, 산소 분리부가 배기 파이프의 일부를 구성하여 형성되는 경우 시트 형태의 다공성 지지체를 가지고 다공성 지지체에 코팅된 산소 이온 전도체 박막이 배기 파이프의 내면이 되며, 산소 분리부가 배기 파이프 내부의 배기 통로에 형성되는 경우 산소 분리부는 배기가스 흐름 방향으로 다수의 배기가스 유로를 가지는 모노리스 형태의 다공성 지지체와, 배기가스 유로의 표면에 코팅된 산소 이온 전도체 박막으로 구성된다.The oxygen separation part may be formed by forming a part of the exhaust pipe or may be formed in an exhaust passage inside the exhaust pipe. When the oxygen separation part is formed by forming a part of the exhaust pipe, the oxygen is coated on the porous support with the porous support in the form of a sheet. When the ion conductor thin film becomes an inner surface of the exhaust pipe, and the oxygen separation portion is formed in the exhaust passage inside the exhaust pipe, the oxygen separation portion has a monolith type porous support having a plurality of exhaust gas flow paths in the exhaust gas flow direction, and It consists of a thin film of oxygen ion conductor coated on the surface.

또한, 본 발명의 희박-연소 엔진 배기가스의 질소산화물 저감 장치는 산소 이온 전도체의 온도를 조절하기 위한 발열체를 더 포함할 수 있는데, 발열체는 산소 이온 전도체 박막 주변에 설치된다. 또한 산소 이온 전도체의 온도는 산소 분리부 바로 하단에 질소산화물 환원 촉매인 UCC(Underfloor Catalytic Converter)를 설치하고 UCC에서 발생하는 열을 이용하여 조절될 수 있다.In addition, the nitrogen oxide reduction device of the lean-burn engine exhaust gas of the present invention may further include a heating element for controlling the temperature of the oxygen ion conductor, the heating element is installed around the oxygen ion conductor thin film. In addition, the temperature of the oxygen ion conductor may be controlled by using an underfloor catalytic converter (UCC), which is a nitrogen oxide reduction catalyst, directly below the oxygen separation unit and using heat generated from the UCC.

또한, 산소 분리부를 통과한 산소는 우회 배기 통로를 통해 UCC 하단에서 배기가스와 함께 차체 밖으로 배출될 수도 있으나, 바람직하게는 차체의 실내로 공급되어 실내 공기를 정화하는데 이용될 수 있다.In addition, the oxygen passing through the oxygen separation unit may be discharged out of the vehicle body together with the exhaust gas at the bottom of the UCC through the bypass exhaust passage, but may be preferably supplied to the interior of the vehicle body and used to purify the indoor air.

본 발명에 따른 희박-연소 엔진 배기가스의 질소산화물 저감 장치는 다공성 지지체, 및 다공성 지지체에 코팅되고 배기가스의 산소를 산소 이온으로 환원시키고 환원된 산소 이온만을 선택적으로 투과시키는 산소 이온 전도체 박막으로 구성되는 산소 분리부를 이용하여 배기가스의 산소만을 선택적으로 분리하기 때문에 질소산화물 환원 촉매에 공급되는 배기가스의 조성비를 쉽게 조절할 수 있고, 엔진이 연료-희박 모드에서 작동하는 경우에도 이론 공연비에서 작동하는 경우와 거의 동 등한 수준으로 질소산화물을 저감시킬 수 있다. 또한, 산소 분리부를 통과한 배기가스는 순수한 산소만으로 이루어져 있기 때문에 차체 밖으로 배출하는데 있어서 별도의 유해물질 검증을 필요로 하지 않으며, 특히 이를 차체의 실내로 공급하는 경우 실내 공기를 정화하는데 이용할 수 있다.The apparatus for reducing nitrogen oxides of lean-burn engine exhaust gas according to the present invention comprises a porous support and a thin film of oxygen ion conductor coated on the porous support and reducing oxygen of the exhaust gas to oxygen ions and selectively transmitting only the reduced oxygen ions. By selectively separating only the oxygen of the exhaust gas by using the oxygen separation unit, the composition ratio of the exhaust gas supplied to the nitrogen oxide reduction catalyst can be easily controlled, and even when the engine is operated in the fuel-lean mode, the theoretical air-fuel ratio is operated. Nitrogen oxides can be reduced to nearly equivalent levels. In addition, since the exhaust gas passing through the oxygen separation unit is composed of pure oxygen only, it does not need a separate hazardous substance verification to be discharged out of the vehicle body, and in particular, it can be used to purify the indoor air when supplying it to the interior of the vehicle body.

본 발명은 희박-연소 엔진 배기가스의 질소산화물 저감 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 희박-연소 엔진 배기가스의 질소산화물 저감 장치는 희박-연소 엔진의 배기 매니폴드와 질소산화물 환원 기능을 가지는 촉매 사이의 배기 파이프 상에 형성되고, 희박-연소 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 산소만을 선택적으로 분리하기 위한 산소 분리부; 배기 파이프 상의 측면에 형성되고 산소 분리부와 연통되어 배기가스로부터 산소 분리부를 통과한 산소를 우회시키는 우회 배기 통로; 및 질소산화물 환원 촉매;를 포함한다.The present invention relates to an apparatus for reducing nitrogen oxides of lean-burn engine exhaust gas, wherein the apparatus for reducing nitrogen oxides of lean-burn engine exhaust gas is provided between an exhaust manifold of a lean-burn engine and a catalyst having a nitrogen oxide reduction function. An oxygen separation unit formed on an exhaust pipe of the gas for selectively separating only oxygen of the exhaust gas discharged from the lean-burn engine; A bypass exhaust passage formed on the side of the exhaust pipe and in communication with the oxygen separator to bypass the oxygen passing through the oxygen separator from the exhaust gas; And a nitrogen oxide reduction catalyst.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 통하여 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 희박-연소 엔진 배기가스의 질소산화물 저감 장치를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 희박-연소 엔진 배기가스의 질소산화물 저감 장치를 개략적으로 나타낸 것이다. 도 1 및 도 2에서 동일한 구성요소는 동일한 도면 부호를 가진다.1 schematically shows a device for reducing nitrogen oxides of lean-burn engine exhaust gas according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows a device for reducing nitrogen oxides of lean-burn engine exhaust gas according to another embodiment of the present invention. It is shown schematically. 1 and 2 have the same reference numerals.

희박-연소 엔진이란 엔진이 주로 연료-희박 모드(연료가 희박한 희박 연소(Lean-burn) 조건)로 작동하는 것을 의미하나 본 발명에서 희박-연소 엔진은 엔진이 일시적으로 연료-희박 모드(연료가 희박한 희박 연소(Lean-burn) 조건)로 작 동하는 것을 포함한다. 주로 연료-희박 모드(연료가 희박한 희박 연소(Lean-burn) 조건)로 작동하는 엔진으로는 일반적인 디젤 엔진이 있고 일시적으로 연료-희박 모드(연료가 희박한 희박 연소(Lean-burn) 조건)로 작동하는 엔진으로는 일반적인 가솔린 엔진이 있으나, 가솔린 엔진도 주로 연료-희박 모드(연료가 희박한 희박 연소(Lean-burn) 조건)로 작동할 수 있도록 조정될 수 있으므로 본 발명의 희박-연소 엔진이 여기에 한정되는 것은 아니다.A lean-burn engine means that the engine operates primarily in a fuel-lean mode (Lean-burn condition where fuel is lean), but in the present invention, a lean-burn engine is a fuel-lean mode (fuel Operating under lean burn conditions. Engines that operate primarily in fuel-lean mode (lean-burn conditions) are typically diesel engines and are temporarily operated in fuel-lean mode (lean-burn conditions). There is a general gasoline engine, but the gasoline engine is also limited to the lean-combustion engine of the present invention, since the gasoline engine can be adjusted to operate mainly in a fuel-lean mode (lean-burn condition where fuel is lean). It doesn't happen.

연료-희박 모드(연료가 희박한 희박 연소(Lean-burn) 조건)로 작동하는 엔진으로부터 배출되는 배기가스는 배기 파이프(10)의 배기 통로를 통해 본 발명에 따른 질소산화물 저감 장치(100, 200)로 공급되는데, 이론 공연비로 작동하는 엔진으로부터 배출되는 배기가스에 비해 과량의 산소를 포함하고 이는 질소산화물 환원 촉매의 환원 능력을 감소시킨다.Exhaust gases emitted from an engine operating in a fuel-lean mode (lean-burn condition in which fuel is lean) are passed through the exhaust passage of the exhaust pipe 10 to reduce the nitrogen oxides according to the present invention (100, 200). It contains an excess of oxygen compared to the exhaust gas from the engine operating at a theoretical air-fuel ratio, which reduces the reducing capacity of the nitrogen oxide reduction catalyst.

이후, 배기가스는 희박-연소 엔진의 배기 매니폴드(도면에 도시하지 않음)와 질소산화물 환원 기능을 가지는 촉매(40) 사이의 배기 파이프 상에 형성된 산소 분리부(20, 120)를 통과하게 된다. 산소 분리부는 희박-연소 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 산소만을 선택적으로 분리하는 기능을 수행하는데, 다공성 지지체(21, 121), 및 다공성 지지체에 코팅되고 배기가스의 산소를 산소 이온으로 환원시키고 환원된 산소 이온만을 선택적으로 투과시키는 산소 이온 전도체 박막(22, 122)으로 구성된다.The exhaust gas then passes through oxygen separation sections 20 and 120 formed on the exhaust pipe between the exhaust manifold (not shown) of the lean-burn engine and the catalyst 40 having the nitrogen oxide reduction function. . The oxygen separation unit performs a function of selectively separating only oxygen of the exhaust gas discharged from the lean-burn engine, and is coated on the porous supports 21 and 121, and the oxygen of the exhaust gas is reduced to oxygen ions and reduced. It consists of the oxygen ion conductor thin films 22 and 122 which selectively permeate only oxygen ions.

산소 분리부가 배기 파이프 상에서의 구현되는 형태는 다양하게 존재할 수 있으며, 도 1에서 보이는 바와 같이 배기 파이프의 일부를 구성하여 형성될 수 있 고, 도 2에서 보이는 배기 파이프 내부의 배기 통로에 형성될 수 있다.The shape of the oxygen separation unit on the exhaust pipe may be various, and may be formed by forming a part of the exhaust pipe as shown in FIG. 1, and may be formed in the exhaust passage inside the exhaust pipe as shown in FIG. 2. have.

산소 분리부(20)가 배기 파이프의 일부를 구성하여 형성되는 경우 다공성 지지체는 시트 형태를 가지게 되는데, 구체적으로 배기 파이프의 단면이 원형인 경우 배기 파이프 모양과 동일한 원형의 시트 형태를 가진다. 또한, 시트 형태의 다공성 지지체 표면에는 산소 이온 전도체 박막이 코팅되는데, 코팅된 산소 이온 전도체 박막은 배기 파이프의 내면이 된다(또는 내면을 향하도록 형성된다.). 이 경우 배기가스의 산소는 산소 이온으로 환원되어 산소 이온 전도체 박막(22)을 통과한 후 산소로 변환되고 이후 다공성 지지체(21)을 통과하여 우회 배기 통로(30)에 도달한다. 한편 산소 분리부(120)가 배기 파이프 내부의 배기 통로에 형성되는 경우 다공성 지지체는 하나의 몸체로 이루어지고 배기가스 흐름 방향으로 다수의 배기가스 유로를 가지는 모노리스 형태를 가지게 되고, 산소 이온 전도체 박막은 다공성 지지체 내부에 형성된 배기가스 유로의 표면에 코팅된다. 이 경우 배기가스는 다공성 지지체 몸체의 전면에 공급되고, 도 3(도 3은 배기가스의 산소가 다수의 배기가스 유로를 가지는 모노리스 형태의 다공성 지지체 및 산소 이온 전도체 박막을 통과하는 경우의 단면을 나타낸 것이다.)에서 보이는 바와 같이 모노리스 형태의 다공성 지지체(122) 내부에 형성된 다수의 배기가스 유로(h1)를 통과하게 된다. 배기가스가 다공성 지지체(122) 내부에 형성된 다수의 배기가스 유로(h1)를 통과하는 동안 배기가스 내의 산소는 방사 방향(radial direction)으로 배기가스 유로의 표면에 코팅된 산소 이온 전도체 박막(121)을 통과하고, 산소 이온 전도체 박막을 통과한 산소는 다공성 지지체의 기공을 통하여 다공성 지지체 몸체의 측면에 도달한다. 다 공성 지지체 측면에 도달한 배기가스의 산소는 우회 배기 통로(30)를 통해 실내로 재순환 되거나 정화처리된 배기가스와 함께 배출된다. 이때 산소 분리부를 통과하는 배기가스 내의 산소량은 배기가스의 유량, 산소 이온 전도체 박막의 표면적, 산소 이온 전도체의 온도 등 다양한 인자에 의해 조절될 수 있다.When the oxygen separation unit 20 is formed by forming a part of the exhaust pipe, the porous support has a sheet shape. Specifically, when the exhaust pipe has a circular cross section, the porous support has a circular sheet shape that is the same as the exhaust pipe shape. In addition, the surface of the porous support in the form of a sheet is coated with an oxygen ion conductor thin film, which becomes the inner surface of the exhaust pipe (or is formed to face the inner surface). In this case, the oxygen of the exhaust gas is reduced to oxygen ions, passes through the oxygen ion conductor thin film 22, is converted into oxygen, and then passes through the porous support 21 to reach the bypass exhaust passage 30. On the other hand, when the oxygen separation unit 120 is formed in the exhaust passage inside the exhaust pipe, the porous support has a monolithic shape having a single body and a plurality of exhaust gas flow paths in the exhaust gas flow direction. It is coated on the surface of the exhaust gas flow path formed inside the porous support. In this case, the exhaust gas is supplied to the front surface of the porous support body, and FIG. 3 (FIG. 3 shows a cross section when the oxygen of the exhaust gas passes through the monolithic porous support and the oxygen ion conductor thin film having a plurality of exhaust gas flow paths. As shown in FIG. 2, the plurality of exhaust gas passages h1 are formed in the monolithic porous support 122. Oxygen in the exhaust gas is coated on the surface of the exhaust gas flow path in a radial direction while the exhaust gas passes through the plurality of exhaust gas flow paths h1 formed in the porous support 122. After passing through the oxygen ion conductor thin film, the oxygen reaches the side of the porous support body through the pores of the porous support. Oxygen of the exhaust gas reaching the porous support side is discharged together with the exhaust gas which is recycled or purified to the room through the bypass exhaust passage 30. In this case, the amount of oxygen in the exhaust gas passing through the oxygen separation unit may be controlled by various factors such as the flow rate of the exhaust gas, the surface area of the oxygen ion conductor thin film, and the temperature of the oxygen ion conductor.

본 발명에 따는 산소 이온 전도체는 배기가스의 산소만을 선택적으로 분리하는데, 도 4는 산소 이온 전도체가 산소만을 선택적으로 분리하는 과정을 개략적으로 나타낸 것이다. 도 4에서 보이는 바와 같이 산소 정공을 가지거나 유전 특성을 가지는 산소 이온 전도성 물질의 양단에 강제적으로 전압을 가하면 산소 분자는 산소 이온으로 환원하고 환원된 산소 이온 형태로 산소 이온 전도성 물질 내부를 통과한 후 다른 쪽 표면에서 전자를 잃고 산소 분자의 형태로 배출된다. 이러한 산소 이온 전도체로는 이트리아안정화지르코니아(yttria - stabilized zirconia, YSZ), 세리아(CeO2)계 산화물, 이트리아안정화비스무트산화물, 또는 산소 결핍형 페로프스카이트(Perovskite) 등이 있고, 산소 결핍형 페로프스카이트(Perovskite)의 구체적인 예로는 하기의 화학식 1로 표시되는 물질이 있다.Oxygen ion conductor according to the present invention selectively separates only the oxygen of the exhaust gas, Figure 4 schematically shows a process of the oxygen ion conductor selectively separates only oxygen. As shown in FIG. 4, when a force is applied to both ends of an oxygen ion conductive material having oxygen holes or dielectric properties, oxygen molecules are reduced to oxygen ions and passed through the inside of the oxygen ion conductive material in the form of reduced oxygen ions. On the other surface, electrons are lost and released in the form of oxygen molecules. Such oxygen ion conductors include yttria-stabilized zirconia (YSZ), ceria (CeO 2 ) -based oxides, yttria-stabilized bismuth oxides, or oxygen-deficient perovskite (Perovskite). Specific examples of the type perovskite (Perovskite) is a material represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

Ln1 - xAxCoyB1 - yO1 (여기서, Ln은 란탄 또는 가돌리듐이고, A는 스트론튬, 바륨, 칼슘, 나트륨, 및 코발트에서 선택되는 어느 하나이고, B는 철, 구리 및 니켈에서 선택되는 어느 하나이고, 0≤ x <1, ≤1, 0≤ y <1, 0≤δ≤1임)Ln 1 - x A x Co y B 1 - y O 1 (where Ln is lanthanum or gadolindium, A is any one selected from strontium, barium, calcium, sodium, and cobalt, B is iron, Any one selected from copper and nickel, wherein 0 ≦ x <1, ≦ 1, 0 ≦ y <1, and 0 ≦ δ ≦ 1)

일반적으로 산소 이온 전도체는 700 내지 900℃ 이상에서 높은 산소 이온 전도도(약 10-1~102 S/m)를 가지는므로, 본 발명의 희박-연소 엔진 배기가스의 질소산화물 저감 장치는 산소 이온 전도체의 온도를 조절하기 위한 발열체(도면에 도시하지 않음)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 발열체는 산소 이온 전도체 박막 주변에 설치되어 산소 이온 전도체를 700~1000℃의 온도로 유지하는 것이 바람직한데, 산소 이온 전도체 온도가 1000℃를 초과하는 경우 온도 초과에 따른 산소 이온 전도도의 증가가 크지 않고, 발열체에 의한 에너지 소비가 크기 때문이다. 또한 산소 이온 전도체의 온도는 후술하는 질소산화물 환원 촉매의 위치에 의해 조절될 수도 있는데, 구체적으로 질소산화물 환원 촉매인 UCC(Underfloor Catalytic Converter)를 산소 분리부 바로 하단에 설치하고 UCC에서 발생하는 열을 이용하여 산소 이온 전도체의 온도를 조절할 수 있다.In general, since the oxygen ion conductor has a high oxygen ion conductivity (about 10 −1 to 10 2 S / m) at 700 to 900 ° C. or higher, the nitrogen oxide reduction device of the lean-burn engine exhaust gas of the present invention is an oxygen ion conductor. It is preferable to further include a heating element (not shown) for controlling the temperature of the. The heating element is preferably installed around the oxygen ion conductor thin film to maintain the oxygen ion conductor at a temperature of 700 to 1000 ° C. When the oxygen ion conductor temperature exceeds 1000 ° C., the increase in oxygen ion conductivity due to the temperature is not large. This is because the energy consumption by the heating element is large. In addition, the temperature of the oxygen ion conductor may be controlled by the position of the nitrogen oxide reduction catalyst described below. Specifically, an underfloor catalytic converter (UCC), which is a nitrogen oxide reduction catalyst, is installed directly under the oxygen separation unit and heat generated from the UCC is removed. Can be used to control the temperature of the oxygen ion conductor.

배기가스의 산소는 산소 분리부를 통과하여 우회 배기 통로(30)에 이르는데, 우회 배기 통로는 배기 파이프 상의 측면에 형성되고 산소 분리부와 연통되어 배기가스로부터 산소 분리부를 통과한 산소를 우회시키는 역할을 한다. 우회 배기 통로는 UCC 하단의 배기 파이프 또는/및 차제의 실내와 연결될 수 있는데, UCC 하단의 배기 파이프와 연결되는 경우 산소 분리부를 통과한 산소는 UCC 하단의 배기가스와 함께 차체 밖으로 배출되고 차체의 실내와 연결되는 경우 산소 분리부를 통과한 산소는 차체의 실내로 공급되어 실내 공기를 정화하는데 이용될 수 있다.The oxygen of the exhaust gas passes through the oxygen separator to reach the bypass exhaust passage 30. The bypass exhaust passage is formed on the side of the exhaust pipe and communicates with the oxygen separator to bypass the oxygen passed through the oxygen separator from the exhaust gas. Do it. Bypass exhaust passages can be connected to the exhaust pipe at the bottom of the UCC and / or the interior of the vehicle. When connected to the exhaust pipe at the bottom of the UCC, the oxygen passing through the oxygen separator is discharged out of the body along with the exhaust gas at the bottom of the UCC and the interior of the body. When connected to the oxygen passing through the oxygen separation unit is supplied to the interior of the vehicle body can be used to purify the indoor air.

한편, 희박-연소 엔진으로부터 배출된 배기가스는 산소 분리부에 의해 일부 의 산소가 제거된 후 이론 공연비로 운전하는 엔진으로부터 배출된 배기가스와 동등한 수준의 배기가스 조성비를 가질 수 있는데, 이렇게 산소가 저감된 배기가스는 질소산화물 환원 촉매(40)에 공급되고 정화된 후 차체 밖으로 배출된다. 질소산화물 환원 촉매는 질소산화물을 환원시킬 수 있는 기능을 가지는 물질을 포함하는 촉매로서 그 종류나 형태는 크게 제한되지 않으며 일반적으로 희박-연소 엔진이 가솔린 엔진인 경우 삼원 촉매(Three-way catalyst)이고 희박-연소 엔진이 디젤 엔진인 경우 SCR(Selective Catalyst Reduction) 촉매이다. 이 중에서 디젤 엔진의 SCR 촉매는 별도의 환원제를 가지고 있으므로 본 발명에 따른 희박-연소 엔진 배기가스의 질소산화물 저감 장치는 가솔린 엔진의 삼원 촉매에 보다 유용할 것이다. 또한, 질소산화물 환원 촉매는 차제 플로어 하측에 설치되는 UCC(Underfloor Catalytic Converter)인 것이 바람직한데, 일반적인 배기가스는 최종적으로 질소산화물이 저감된 후 밖으로 배출되기 때문이다.On the other hand, the exhaust gas discharged from the lean-burn engine may have an exhaust gas composition ratio equivalent to that emitted from the engine operating at a theoretical air-fuel ratio after some oxygen is removed by the oxygen separation unit. The reduced exhaust gas is supplied to the nitrogen oxide reduction catalyst 40 and purified and then discharged out of the vehicle body. Nitrogen oxide reduction catalysts are catalysts containing a material capable of reducing nitrogen oxides. The type and form thereof are not particularly limited, and are generally three-way catalysts when the lean-burn engine is a gasoline engine. If the lean-burn engine is a diesel engine, it is a Selective Catalyst Reduction (SCR) catalyst. Among them, since the SCR catalyst of the diesel engine has a separate reducing agent, the nitrogen oxide reduction device of the lean-burn engine exhaust gas according to the present invention will be more useful for the three-way catalyst of the gasoline engine. In addition, the nitrogen oxide reduction catalyst is preferably an underfloor catalytic converter (UCC) installed below the vehicle floor, because the general exhaust gas is discharged after the nitrogen oxide is finally reduced.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 희박-연소 엔진 배기가스의 질소산화물 저감 장치를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 희박-연소 엔진 배기가스의 질소산화물 저감 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.1 schematically shows a device for reducing nitrogen oxides of lean-burn engine exhaust gas according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows a device for reducing nitrogen oxides of lean-burn engine exhaust gas according to another embodiment of the present invention. It is shown schematically.

도 3은 배기가스의 산소가 다수의 배기가스 유로를 가지는 모노리스 형태의 다공성 지지체 및 산소 이온 전도체 박막을 통과하는 경우의 단면을 나타낸 것이다.3 is a cross-sectional view when the oxygen of the exhaust gas passes through the monolithic porous support and the oxygen ion conductor thin film having a plurality of exhaust gas flow paths.

도 4는 산소 이온 전도체가 산소만을 선택적으로 분리하는 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.4 schematically illustrates a process in which the oxygen ion conductor selectively separates only oxygen.

Claims (11)

희박-연소 엔진의 배기 매니폴드와 질소산화물 환원 기능을 가지는 촉매 사이의 배기 파이프 상에 형성되고, 희박-연소 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 산소만을 선택적으로 분리하기 위한 산소 분리부;An oxygen separator formed on an exhaust pipe between an exhaust manifold of the lean-burn engine and a catalyst having a nitrogen oxide reduction function, and selectively separating only oxygen of exhaust gas discharged from the lean-burn engine; 배기 파이프 상의 측면에 형성되고 산소 분리부와 연통되어 배기가스로부터 산소 분리부를 통과한 산소를 우회시키는 우회 배기 통로; 및A bypass exhaust passage formed on the side of the exhaust pipe and in communication with the oxygen separator to bypass the oxygen passing through the oxygen separator from the exhaust gas; And 질소산화물 환원 촉매;를 포함하고,It includes; nitrogen oxide reduction catalyst, 산소 분리부는 다공성 지지체, 및 다공성 지지체에 코팅되고 배기가스의 산소를 산소 이온으로 환원시키고 환원된 산소 이온만을 선택적으로 투과시키는 산소 이온 전도체 박막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 희박-연소 엔진 배기가스의 질소산화물 저감 장치.The nitrogen separation unit of the lean-burn engine exhaust gas, characterized in that the oxygen separation unit is composed of a porous support and a thin film of oxygen ion conductor coated on the porous support to reduce oxygen of the exhaust gas to oxygen ions and selectively permeate only the reduced oxygen ions. Oxide reduction device. 제 1항에 있어서, 상기 산소 분리부는 배기 파이프의 일부를 구성하여 형성되거나 배기 파이프 내부의 배기 통로에 형성된 것을 특징으로 하는 희박-연소 엔진 배기가스의 질소산화물 저감 장치.The apparatus for reducing nitrogen oxides of lean-burn engine exhaust gas according to claim 1, wherein the oxygen separation part is formed by forming a part of the exhaust pipe or formed in an exhaust passage inside the exhaust pipe. 제 2항에 있어서, 상기 배기 파이프의 일부를 구성하여 형성된 산소 분리부 는 시트 형태의 다공성 지지체를 가지고 다공성 지지체에 코팅된 산소 이온 전도체 박막이 배기 파이프의 내면이 되는 것을 특징으로 하는 희박-연소 엔진의 질소산화물 저감 장치.3. The lean-burn engine according to claim 2, wherein the oxygen separator formed by forming a part of the exhaust pipe has a sheet-like porous support and a thin film of oxygen ion conductor coated on the porous support is an inner surface of the exhaust pipe. Nitrogen oxide reduction device. 제 2항에 있어서, 상기 배기 파이프 내부의 배기 통로에 형성된 산소 분리부는 배기가스 흐름 방향으로 다수의 배기가스 유로를 가지는 모노리스 형태의 다공성 지지체와, 배기가스 유로의 표면에 코팅된 산소 이온 전도체 박막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 희박-연소 엔진 배기가스의 질소산화물 저감 장치.The oxygen separation unit of claim 2, wherein the oxygen separation unit formed in the exhaust passage inside the exhaust pipe includes a monolith-type porous support having a plurality of exhaust gas flow paths in an exhaust gas flow direction, and a thin film of oxygen ion conductor coated on the surface of the exhaust gas flow path. An apparatus for reducing nitrogen oxides of lean-burn engine exhaust gas, which is configured. 제 2항에 있어서, 상기 산소 이온 전도체의 온도를 조절하기 위한 발열체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 희박-연소 엔진 배기가스의 질소산화물 저감 장치..3. The apparatus for reducing nitrogen oxides of lean-burn engine exhaust gas according to claim 2, further comprising a heating element for controlling the temperature of the oxygen ion conductor. 제 2항에 있어서, 상기 질소산화물 환원 촉매는 산소 분리부 바로 하단에 설치되는 UCC(Underfloor Catalytic Converter)인 것을 특징으로 희박-연소 엔진 배기가스의 질소산화물 저감 장치.The apparatus for reducing nitrogen oxides of lean-burn engine exhaust gas according to claim 2, wherein the nitrogen oxide reduction catalyst is an underfloor catalytic converter (UCC) installed directly under the oxygen separation unit. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산소 이온 전도체는 이트리아안정화지르코니아(yttria - stabilized zirconia, YSZ), 세리아(CeO2)계 산화물, 이트리아안정화비스무트산화물, 또는 산소 결핍형 페로프스카이트(Perovskite)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 희박-연소 엔진 배기가스의 질소산화물 저감 장치.The oxygen ion conductor according to any one of claims 1 to 6, wherein the oxygen ion conductor is yttria stabilized zirconia (YSZ), ceria (CeO 2 ) -based oxide, yttria stabilized bismuth oxide, or oxygen deficient type. Apparatus for reducing nitrogen oxides of lean-burn engine exhaust gases, characterized in that it is at least one material selected from the group consisting of Perovskite. 제 7항에 있어서, 상기 산소 결핍형 페로프스카이트(Perovskite)는 하기의 화학식 1로 표시되는 것을 특징으로 하는 희박-연소 엔진 배기가스의 질소산화물 저감 장치.The apparatus for reducing nitrogen oxides of lean-burn engine exhaust gas according to claim 7, wherein the oxygen deficient perovskite is represented by the following Chemical Formula 1. [화학식 1][Formula 1] Ln1 - xAxCoyB1 - yO1 (여기서, Ln은 란탄 또는 가돌리듐이고, A는 스트론튬, 바륨, 칼슘, 나트륨, 및 코발트에서 선택되는 어느 하나이고, B는 철, 구리 및 니켈에서 선택되는 어느 하나이고, 0≤ x <1, ≤1, 0≤ y <1, 0≤δ≤1임)Ln 1 - x A x Co y B 1 - y O 1 (where Ln is lanthanum or gadolindium, A is any one selected from strontium, barium, calcium, sodium, and cobalt, B is iron, Any one selected from copper and nickel, wherein 0 ≦ x <1, ≦ 1, 0 ≦ y <1, and 0 ≦ δ ≦ 1) 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산소 이온 전도체는 700~1000℃의 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 희박-연소 엔진 배기가스의 질 소산화물 저감 장치.The nitrogen oxide reduction device for lean-burn engine exhaust gas according to any one of claims 1 to 6, wherein the oxygen ion conductor is maintained at a temperature of 700 to 1000 ° C. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산소 분리부를 통과한 산소는 우회 배기 통로를 통해 차체의 실내로 공급되는 것을 특징으로 하는 희박-연소 엔진 배기가스의 질소산화물 저감 장치.The apparatus for reducing nitrogen oxides of lean-burn engine exhaust gas according to any one of claims 1 to 6, wherein the oxygen passing through the oxygen separation unit is supplied to the interior of the vehicle body through a bypass exhaust passage. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 질소산화물 환원 촉매는 삼원 촉매 또는 SCR 촉매인 것을 특징으로 하는 희박-연소 엔진 배기가스의 질소산화물 저감 장치.The apparatus for reducing nitrogen oxides of lean-burn engine exhaust gas according to any one of claims 1 to 6, wherein the nitrogen oxide reduction catalyst is a three-way catalyst or an SCR catalyst.
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