KR20140113407A - 정치 과농 연소 기관에서의 동시 방출 제어를 위한 후처리 시스템 - Google Patents

정치 과농 연소 기관에서의 동시 방출 제어를 위한 후처리 시스템 Download PDF

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마루티 나라신가 라오 데바라콘다
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

촉매 시스템은, 기관으로부터 배기 가스를 수용하여 상기 배기 가스를 제1의 전환된 배기 가스로 전환시키는 3-방 촉매를 포함한다. 암모니아 슬립 촉매가 상기 제1의 전환된 배기 가스를 수용하여 이를 제2의 전환된 배기 가스로 전환할 수 있다. 탄화수소 산화 촉매가 상기 제2의 전환된 배기 가스를 수용하여 이를 제3의 전환된 배기 가스로 전환할 수 있다.

Description

정치 과농 연소 기관에서의 동시 방출 제어를 위한 후처리 시스템 {AFTERTREATMENT SYSTEM FOR SIMULTANEOUS EMISSIONS CONTROL IN STATIONARY RICH BURN ENGINES}
본 발명은 일반적으로 내연 기관용 방출 제어, 특히 정치 과농 연소(stationary rich burn) 기관에서의 동시 방출 제어를 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
내연 기관은 이상적으로는 연소 혼합물이 화학량론적 연소 반응(즉, 연료가 완전히 연소됨)에 요구되는 정확한 상대적인 비율로 공기와 연료를 함유하는 방식으로 작동된다. 과농 연소 기관은 화학량론적 양의 연료 또는 약간 과량의 연료를 사용하여 작동될 수 있는 반면, 희박 연소 기관은 화학량론적 연소에 요구되는 양에 비해 과량의 산소(O2)를 사용하여 작동된다. 희박 방식에서의 내연 기관의 작동은 교축(throttling) 상실을 감소시킬 수 있고, 더 높은 압축 비의 이점을 취함으로써 성능 및 효율을 개선할 수 있다. 과농 연소 기관은 비교적 간단하고 신뢰성 있으며 안정하고 변화하는 부하에 잘 적합화되는 이점을 갖는다. 과농 연소 기관은 또한 더 낮은 질소 산화물 방출을 가질 수 있으나, 이는 다른 화합물의 방출을 증가시킨 결과이다.
방출 기준에 맞추기 위하여, 다수의 과농 연소 내연 기관은 비-선택적인 촉매적 환원(NSCR) 하위 시스템(subsystem)(통상 3-방 촉매(three-way catalyst)로 알려져 있음) 같은 촉매를 이용한다. 촉매는 질소 산화물 NO 및 NO2 (통칭하여 NOx), 일산화탄소(CO), 암모니아(NH3), 메탄(CH4), 다른 휘발성 유기 화합물(VOC), 및 다른 성분 및 방출 성분을 덜 독성인 물질로 전환시킴으로써, 이들 방출 성분의 방출을 감소시킬 수 있다. 이 전환은, 촉매 성분을 사용하는 촉매에 의한 화학 반응으로 수행된다. 촉매는 높은 환원 효율을 가질 수 있고, 방출 기준[종종 방출물 g/제동 마력-시간(g/bhp-hr)으로 표현됨]을 충족시키는 경제적인 수단을 제공할 수 있다. 다른 방출 성분으로 전환시키기 위해 과농 연소 기관의 배기 통로에 별도의 촉매 성분 또는 장치가 포함될 수도 있다. 예를 들면, 하나의 촉매 성분은 일산화탄소 및 NOx를 전환시키고 또다른 하나는 암모니아 및 메탄을 전환시킬 수도 있다.
산화 공정에서, 촉매 성분에 의해 생성된 물질은 후속 촉매에 의한 추가의 전환을 필요로 할 수도 있다. 예를 들면, 촉매 성분은 기관에 의해 생성된 일산화탄소 및 NOx를 암모니아로 전환시키고, 이어서 이는 또하나의 촉매 성분에 의해 전환될 수도 있다. 과농 연소 기관에서, 일산화탄소 및 NOx를 제어하는 것은 많은 도전 과제를 갖고 있으며, 이들 중 하나는 촉매 성분이 적정하게 수행되도록 하는 공기/연료 비율의 조작 범위 내에서 기관을 작동시켜 방출을 가능한한 최대로 감소시키는 것이다. 공기/연료 비율 범위는 비교적 좁으며, 따라서 NOx 방출을 감소시킬 더 과농 연소율로 기관을 작동시키는 능력을 방해한다.
예시적이고 비한정적인 실시양태에서, 촉매 시스템은, 기관으로부터 배기 가스를 수용하여 상기 배기 가스를 제1의 전환된 배기 가스로 전환시킬 수 있는 3-방 촉매를 포함할 수 있다. 암모니아 슬립(slip) 촉매가 상기 제1의 전환된 배기 가스를 수용하여 이를 제2의 전환된 배기 가스로 전환할 수 있다. 탄화수소 산화 촉매가 상기 제2의 전환된 배기 가스를 수용하여 이를 제3의 전환된 배기 가스로 전환할 수 있다.
다른 예시적이고 비한정적인 실시양태에서는, 3-방 촉매 하에 기관으로부터 배기 가스를 수용하여 상기 배기 가스를 제1의 전환된 배기 가스로 전환시키는 방법이 개시된다. 암모니아 슬립 촉매가 상기 제1의 전환된 배기 가스를 수용하여 이를 제2의 전환된 배기 가스로 전환할 수 있다. 탄화수소 산화 촉매가 상기 제2의 전환된 배기 가스를 수용하여 이를 제3의 전환된 배기 가스로 전환할 수 있다.
다른 예시적이고 비한정적인 실시양태에서는, 기관은, 배기 가스를 생성하는 내연 컴포넌트(component)를 포함할 수 있다. 3-방 촉매가 배기 가스를 수용하여 상기 배기 가스를 제1의 전환된 배기 가스로 전환시킬 수 있다. 암모니아 슬립 촉매가 상기 제1의 전환된 배기 가스를 수용하여 이를 제2의 전환된 배기 가스로 전환할 수 있다. 탄화수소 산화 촉매가 상기 제2의 전환된 배기 가스를 수용하여 이를 제3의 전환된 배기 가스로 전환할 수 있다.
상기 개요 및 하기 상세한 설명은 도면과 함께 읽을 때 더 잘 이해된다. 특허청구된 주제를 설명하기 위하여, 다양한 실시양태를 예시하는 도면 예가 도시되어 있으나, 본 발명은 개시된 구체적인 시스템 및 방법으로 한정되지 않는다.
본 발명의 청구 주제의 이들 및 다른 특징, 양태 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 하기 상세한 설명을 읽을 때 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 비한정적이고 예시적인 과농 연소 기관 및 촉매 시스템의 단계 다이어그램이다.
도 2는 다른 비한정적이고 예시적인 과농 연소 기관 및 촉매 시스템의 단계 다이어그램이다.
도 3은 또다른 비한정적이고 예시적인 과농 연소 기관 및 촉매 시스템의 단계 다이어그램이다.
도 4는 비한정적이고 예시적인 과농 연소 기관 및 촉매 시스템을 실행하는 방법의 흐름도이다.
도 1은 기관(110) 및 촉매 시스템(111)을 포함하고 한 실시양태에 따라 실행될 수 있는 예시적 시스템(100)을 보여준다. 전체 시스템(100)은 또한 "기관"으로 칭해질 수도 있다. 시스템(100)은, 본원에 개시된 개념을 설명하는데 사용될 단순화된 단계 다이어그램이며, 따라서 본원에 개시된 임의의 실시양태에 필요한 임의의 물리적 필요요건이나 특정 구조를 설명하는 것으로 간주되지 않는다. 본원에 기술된 모든 컴포넌트, 장치, 시스템 및 방법은 컴포넌트의 임의의 형상, 형태, 유형 또는 개수, 및 개시된 실시양태를 실행할 수 있는 임의의 그러한 컴포넌트들의 조합으로 실행될 수 있다. 그러한 모든 실시양태는 본 개시내용의 범위내에 드는 것으로 간주된다.
기관(110)은, 임의의 유형의 내연 기관 또는 배기 가스를 발생하는 내연 컴포넌트를 포함하는 임의의 장치, 컴포넌트, 시스템일 수 있다. 한 실시양태에서, 기관(110)은 산소 대비 화학량론적 양 또는 약간 과량(즉, 농후)의 연료로 작동되도록 구성된 천연 가스 연료의 내연 기관일 수 있다. 촉매 시스템(111)은 촉매 성분(120, 130 및 140)을 촉매 시스템 중간지점(midpoint)(171, 172 및 173) 및 배기 지점(174)과 함께 포함할 수 있다. 촉매 시스템 중간지점(171, 172 및 173)은 시스템(100)의 임의의 파이프, 연결부 또는 임의의 다른 컴포넌트, 또는 이들의 임의의 구역(section) 또는 그에 포함되는 구역(subsection)일 수 있으며, 이는 두 촉매 성분들(예를 들면, 촉매 성분 120, 130 및 140) 사이를 분리하거나 달리 구성된다. 기관(110)은, 배기 흐름(101)이 지시하는 방향으로, 즉 기관(110)으로부터 촉매 시스템 중간지점(171)을 통해 촉매 성분(120)으로, 촉매 성분(120)으로부터 촉매 시스템 중간지점(172)을 통해 촉매 성분(130)으로, 가스가 최종적으로 배기 지점(174)에서 배기될 때까지, 촉매 시스템(111)을 통해 가스를 배출할 수 있다. 각각의 촉매 성분(120, 130 및 140)은, 본원에 기술된 바와 같이, 수용된 배기 가스를 전환된 배기 가스로 전환시킬 수 있다.
한 실시양태에서 기관(110)은, 가스를 촉매 시스템 중간지점(171)을 통해 촉매 성분(120)으로 배기하는 과농 연소 기관이다. 이 실시양태에서, 촉매 성분(120)은 비-선택적 촉매적 환원(NSCR) 서브시스템(통상 3-방 촉매로서 지칭됨)일 수 있다. 촉매 성분(120)이 3-방 촉매인 경우, 촉매 성분(120)은 산화 공정을 사용하여 CO 및 탄화수소 방출을 감소시키면서 또한 환원 공정을 이용하여 NOx 방출을 감소시킬 수 있다.
기관(110)에 의해 촉매 성분(120)으로 배기된 가스는 NOx, 일산화탄소 및 암모니아를 포함할 수 있다. 촉매 성분(120)은 촉매 성분(120)으로 들어오는 NOx의 일부 또는 전부를 하나 이상의 다른 화합물, 예를 들면 메탄 및 암모니아로 전환시킬 수 있다. 이들 생성된 화합물은 본원에서 기술하는 바와 같이 추가적인 촉매 시스템 성분을 사용하여 다른 화합물로 전환될 수 있다. 촉매 성분(120)으로 들어가는 일부 배기 성분들(예를 들면 일산화 탄소 및 암모니아)은 촉매 성분(120)에 의해 다른 성분들로 전환될 수 있지만, 적어도 일부의 이들 화합물은 촉매 성분(120)에 의해 또다른 화합물로 전환되지 않고 촉매 성분(120)으로부터 촉매 시스템 중간지점(172)을 통해 촉매 성분(130)으로 배출될 수도 있다.
촉매 성분(130)은, 미반응된 채로 촉매 성분(120)으로부터 방출되는 암모니아를 처리할 수 있는 암모니아 슬립 촉매일 수 있다. 한 실시양태에서, 촉매 성분(130)은 낮은 귀금속 담지량 및/또는 제올라이트 코팅을 가진 이중층 촉매일 수 있다. 상기 실시양태에서, 이중층 촉매는, 동일한 기재 상에서 각각 다른 기능을 수행하는 두 가지의 촉매로 구성되고, 코팅되거나, 또는 달리 구성될 수 있다. 예를 들면, 하나의 실시양태에서, 촉매 성분(130)은, 동일 기재 상에 귀금속 담지 및 제올라이트 코팅을 가진 암모니아 슬립 촉매일 수 있다. 촉매 성분(130)에 사용된 귀금속 담지는, 전형적인 디젤 산화 촉매 및/또는 전형적인 3-방 촉매보다 더 적은 담지량일 수 있다. 촉매 성분(130)은 촉매 성분(120)으로부터 수용된 암모니아 및 일산화탄소를 2개의 질소(N2, 통상 간단히 "질소"로 지칭됨) 및 이산화 탄소(CO2)로 각각 산화시킬 수 있다. 하나의 실시양태에서, 배기 흐름이 촉매 성분(130)으로 들어가기 전에 배기 흐름내로 촉매 시스템 중간지점(172)에서, 중간-베드 공기 주입 컴포넌트(150)에 의해 상기 흐름내로 공기를 주입함으로써, 공기를 첨가할 수 있다. 이 부가된 공기는 촉매 성분(130) 및/또는 촉매 성분(140)에서 수행되는 산화 공정을 개선 및/또는 보조할 수 있다. 중간-베드 공기 주입 컴포넌트(150)는, 배기 스트림내로 부가적인 공기를 도입할 수 있는 임의의 수단, 컴포넌트, 장치 또는 이들의 조합일 수 있으며, 그러한 모든 실시양태는 본 개시내용의 범위내에 드는 것으로 간주된다.
촉매 성분(130)은 수용된 암모니아 및 일산화탄소를 덜 독성인 화합물로 성공적으로 전환시킬 수 있지만, 다른 화합물(이의 일부는 기관(110)으로부터 배기된 비연소된 탄화수소일 수 있음)은 촉매 성분(130)에 의해 또다른 화합물로 전환되지 않고 촉매 성분(130)로부터 촉매 시스템 중간지점(173)을 통해 촉매 성분(140)으로 배출될 수도 있다. 일부 실시양태에서, 기관(110)에 의해 연소되지 않은 탄화수소의 잔류물로서 촉매 성분(130)으로부터 촉매 성분(140)으로 배출되는 배기 흐름에는 메탄이 포함될 수도 있다.
촉매 성분(140)은, 촉매 성분(130)으로부터 방출되는 미연소된 탄화수소 및/또는 다른 미반응된 방출물을 처리할 수 있는 탄화수소 산화 촉매일 수 있다. 촉매 성분(140)은 귀금속, 예를 들면 백금(Pt) 및 팔라듐(Pd)를 함유할 수 있다. 일부 실시양태에서, Pt에 대한 Pd의 비율은 1 초과일 수 있다. 하나의 실시양태에서, 촉매 성분(140)은 메탄을 이산화탄소로 전환시킬 수 있을 뿐 아니라 다른 탄화수소를 덜 독성인 화합물로 전환시킬 수 있다. 전환된 배기물(이때 훨씬 덜 독성임)은 배기 지점(174)에서 시스템(100)으로부터 배기된다.
도 2는, 기관(210) 및 촉매 시스템(211)을 포함하고 한 실시양태에 따라 실행될 수 있는 예시적 시스템(200)을 보여준다. 전체 시스템(200)은 또한 "기관"으로 칭해질 수도 있다. 시스템(200)은, 본원에 개시된 개념을 설명하는데 사용될 단순화된 단계 다이어그램이며, 따라서 본원에 개시된 임의의 실시양태에 필요한 임의의 물리적 필요요건이나 특정 구조를 설명하는 것으로 간주되지 않는다. 본원에 기술된 모든 컴포넌트, 장치, 시스템 및 방법은 컴포넌트의 임의의 형상, 형태, 유형 또는 개수, 및 개시된 실시양태를 실행할 수 있는 임의의 그러한 컴포넌트들의 조합으로 실행될 수 있다. 그러한 모든 실시양태는 본 개시내용의 범위내에 드는 것으로 간주된다.
기관(210)은, 임의의 유형의 내연 기관, 또는 배기 가스를 발생하는 내연 컴포넌트를 포함하는 임의의 장치, 컴포넌트, 시스템일 수 있다. 한 실시양태에서, 기관(210)은 산소 대비 화학량론적 양 또는 약간 과량(즉, 농후)의 연료로 작동되도록 구성된 천연 가스 연료의 내연 기관일 수 있다. 촉매 시스템(211)은 촉매 성분(220, 230 및 240)을 촉매 시스템 중간지점(midpoint)(271, 272 및 273) 및 배기 지점(274)과 함께 포함할 수 있다. 촉매 시스템 중간지점(271, 272 및 273)은 시스템(200)의 임의의 파이프, 연결부 또는 임의의 다른 컴포넌트, 또는 이들의 임의의 구역 또는 그에 포함되는 구역일 수 있으며, 이는 두 촉매 성분들(예를 들면, 촉매 성분 220, 230 및 240) 사이를 분리하거나 달리 구성된다. 기관(210)은, 배기 흐름(201)이 지시하는 방향으로, 즉 기관(210)으로부터 촉매 시스템 중간지점(271)을 통해 촉매 성분(220)으로, 촉매 성분(220)으로부터 촉매 시스템 중간지점(272)을 통해 촉매 성분(230)으로, 가스가 최종적으로 배기 지점(274)에서 배출될 때까지, 촉매 시스템(211)을 통해 가스를 배출할 수 있다. 각각의 촉매 성분(220, 230 및 240)은, 본원에 기술된 바와 같이, 수용된 배기 가스를 전환된 배기 가스로 전환시킬 수 있다.
한 실시양태에서 기관(210)은, 가스를 촉매 시스템 중간지점(271)을 통해 촉매 성분(220)으로 배기하는 과농 연소 기관이다. 이 실시양태에서, 촉매 성분(220)은 본원에 기술된 3-방 촉매일 수 있다. 촉매 성분(220)이 3-방 촉매인 경우, 촉매 성분(220)은 산화 공정을 사용하여 CO 및 탄화수소 방출을 감소시키면서 또한 환원 공정을 이용하여 NOx 방출을 감소시킬 수 있다.
기관(210)에 의해 촉매 성분(220)으로 배기된 가스는 NOx, 일산화탄소 및 암모니아를 포함할 수 있다. 촉매 성분(220)은 촉매 성분(220)으로 들어오는 NOx의 일부 또는 전부를 하나 이상의 다른 화합물, 예를 들면 메탄 및 암모니아로 전환시킬 수 있다. 이들 생성된 화합물은 본원에서 기술하는 바와 같이 추가적인 촉매 시스템 성분을 사용하여 다른 화합물로 전환될 수 있다. 촉매 성분(220)으로 들어가는 일부 배기 성분들(예를 들면 일산화 탄소 및 암모니아)은 촉매 성분(220)에 의해 다른 성분들로 전환될 수 있지만, 적어도 일부의 이들 화합물은 촉매 성분(220)에 의해 또다른 화합물로 전환되지 않고 촉매 성분(220)으로부터 촉매 시스템 중간지점(272)을 통해 촉매 성분(230)으로 배출될 수도 있다.
촉매 성분(230)은, 미반응된 채로 촉매 성분(220)으로부터 방출되는 암모니아를 처리할 수 있는 암모니아 슬립 촉매일 수 있다. 한 실시양태에서, 촉매 성분(230)은 낮은 귀금속 담지량 및/또는 제올라이트 코팅을 가진 이중층 촉매일 수 있다. 상기 실시양태에서, 이중층 촉매는, 동일한 기재 상에서 각각 다른 기능을 수행하는 두 가지의 촉매로 구성되고, 코팅되거나, 또는 달리 구성될 수 있다. 예를 들면, 하나의 실시양태에서, 촉매 성분(230)은, 동일 기재 상에 귀금속 담지 및 제올라이트 코팅을 가진 암모니아 슬립 촉매일 수 있다. 촉매 성분(230)에 사용된 귀금속 담지는, 전형적인 디젤 산화 촉매 및/또는 전형적인 3-방 촉매보다 더 적은 담지량일 수 있다. 촉매 성분(230)은 촉매 성분(220)으로부터 수용된 암모니아 및 일산화탄소를 2개의 질소(N2, 통상 간단히 "질소"로 지칭됨) 및 이산화 탄소(CO2)로 각각 산화시킬 수 있다.
촉매 성분(230)은 수용된 암모니아 및 일산화탄소를 덜 독성인 화합물로 성공적으로 전환시킬 수 있지만, 다른 화합물(이의 일부는 기관(210)으로부터 배기된 비연소된 탄화수소일 수 있음)은 촉매 성분(230)에 의해 또다른 화합물로 전환되지 않고 촉매 성분(230)으로부터 촉매 시스템 중간지점(273)을 통해 촉매 성분(240)으로 배출될 수도 있다. 일부 실시양태에서, 기관(210)에 의해 연소되지 않은 탄화수소의 잔류물로서 촉매 성분(230)으로부터 촉매 성분(240)으로 배출되는 배기 흐름에는 메탄이 포함될 수도 있다. 하나의 실시양태에서, 배기 흐름이 촉매 성분(240)으로 들어가기 전에 배기 흐름내로 촉매 시스템 중간지점(273)에서, 중간-베드 공기 주입 컴포넌트(260)에 의해 상기 흐름내로 공기를 주입함으로써, 공기를 첨가할 수 있다. 이 부가된 공기는 촉매 성분(240)에서 수행되는 산화 공정을 개선 및/또는 보조할 수 있다. 중간-베드 공기 주입 컴포넌트(260)는, 배기 스트림내로 부가적인 공기를 도입할 수 있는 임의의 수단, 컴포넌트, 장치 또는 이들의 조합일 수 있으며, 그러한 모든 실시양태는 본 개시내용의 범위내에 드는 것으로 간주된다.
촉매 성분(240)은, 촉매 성분(230)으로부터 방출되는 미연소된 탄화수소 및/또는 다른 미반응된 방출물을 처리할 수 있는 탄화수소 산화 촉매일 수 있다. 촉매 성분(240)은 귀금속, 예를 들면 백금(Pt) 및 팔라듐(Pd)를 함유할 수 있다. 일부 실시양태에서, Pt에 대한 Pd의 비율은 1 초과일 수 있다. 하나의 실시양태에서, 촉매 성분(240)은 메탄을 이산화탄소로 전환시킬 수 있을 뿐 아니라 다른 탄화수소를 덜 독성인 화합물로 전환시킬 수 있다. 전환된 배기물(이때 훨씬 덜 독성임)은 배기 지점(274)에서 시스템(200)으로부터 배기된다.
도 3은, 기관(310) 및 촉매 시스템(311)을 포함하고 한 실시양태에 따라 실행될 수 있는 예시적 시스템(300)을 보여준다. 전체 시스템(300)은 또한 "기관"으로 칭해질 수도 있다. 시스템(300)은, 본원에 개시된 개념을 설명하는데 사용될 단순화된 단계 다이어그램이며, 따라서 본원에 개시된 임의의 실시양태에 필요한 임의의 물리적 필요요건이나 특정 구조를 설명하는 것으로 간주되지 않는다. 본원에 기술된 모든 컴포넌트, 장치, 시스템 및 방법은 컴포넌트의 임의의 형상, 형태, 유형 또는 개수, 및 개시된 실시양태를 실행할 수 있는 임의의 그러한 컴포넌트들의 조합으로 실행될 수 있다. 그러한 모든 실시양태는 본 개시내용의 범위내에 드는 것으로 간주된다.
기관(310)은, 임의의 유형의 내연 기관, 또는 배기 가스를 발생하는 내연 컴포넌트를 포함하는 임의의 장치, 컴포넌트, 시스템일 수 있다. 한 실시양태에서, 기관(310)은 산소 대비 화학량론적 양 또는 약간 과량(즉, 농후)의 연료로 작동되도록 구성된 천연 가스 연료의 내연 기관일 수 있다. 촉매 시스템(311)은 촉매 성분(320, 330 및 340)을 촉매 시스템 중간지점(midpoint)(371, 372 및 373) 및 배기 지점(374)과 함께 포함할 수 있다. 촉매 시스템 중간지점(371, 372 및 373)은 시스템(300)의 임의의 파이프, 연결부 또는 임의의 다른 컴포넌트, 또는 이들의 임의의 구역 또는 그에 포함되는 구역일 수 있으며, 이는 두 촉매 성분들(예를 들면, 촉매 성분 320, 330 및 340) 사이를 분리하거나 달리 구성된다. 기관(310)은, 배기 흐름(301)이 지시하는 방향으로, 즉 기관(310)으로부터 촉매 시스템 중간지점(371)을 통해 촉매 성분(320)으로, 촉매 성분(320)으로부터 촉매 시스템 중간지점(372)을 통해 촉매 성분(330)으로, 가스가 최종적으로 배기 지점(374)에서 배기될 때까지, 촉매 시스템(311)을 통해 가스를 배출할 수 있다. 각각의 촉매 성분(320, 330 및 340)은, 본원에 기술된 바와 같이, 수용된 배기 가스를 전환된 배기 가스로 전환시킬 수 있다.
한 실시양태에서 기관(310)은, 가스를 촉매 시스템 중간지점(371)을 통해 촉매 성분(320)으로 배기하는 과농 연소 기관이다. 이 실시양태에서, 촉매 성분(320)은 본원에 기술된 3-방 촉매일 수 있다. 촉매 성분(320)이 3-방 촉매인 경우, 촉매 성분(320)은 산화 공정을 사용하여 CO 및 탄화수소 방출을 감소시키면서 또한 환원 공정을 이용하여 NOx 방출을 감소시킬 수 있다.
기관(310)에 의해 촉매 성분(320)으로 배기된 가스는 NOx, 일산화탄소 및 암모니아를 포함할 수 있다. 촉매 성분(320)은 촉매 성분(320)으로 들어오는 NOx의 일부 또는 전부를 하나 이상의 다른 화합물, 예를 들면 메탄 및 암모니아로 전환시킬 수 있다. 이들 생성된 화합물은 본원에서 기술하는 바와 같이 추가적인 촉매 시스템 성분을 사용하여 다른 화합물로 전환될 수 있다. 촉매 성분(320)으로 들어가는 일부 배기 성분들(예를 들면 일산화 탄소 및 암모니아)은 촉매 성분(320)에 의해 다른 성분들로 전환될 수 있지만, 적어도 일부의 이들 화합물은 촉매 성분(320)에 의해 또다른 화합물로 전환되지 않고 촉매 성분(320)으로부터 촉매 시스템 중간지점(372)을 통해 촉매 성분(330)으로 배출될 수도 있다.
촉매 성분(330)은, 미반응된 채로 촉매 성분(320)으로부터 방출되는 암모니아를 처리할 수 있는 암모니아 슬립 촉매일 수 있다. 한 실시양태에서, 촉매 성분(330)은 낮은 귀금속 담지량 및/또는 제올라이트 코팅을 가진 이중층 촉매일 수 있다. 상기 실시양태에서, 이중층 촉매는, 동일한 기재 상에서 각각 다른 기능을 수행하는 두 가지의 촉매로 구성되고, 코팅되거나, 또는 달리 구성될 수 있다. 예를 들면, 하나의 실시양태에서, 촉매 성분(330)은, 동일 기재 상에 귀금속 담지 및 제올라이트 코팅을 가진 암모니아 슬립 촉매일 수 있다. 촉매 성분(330)에 사용된 귀금속 담지는, 전형적인 디젤 산화 촉매 및/또는 전형적인 3-방 촉매보다 더 적은 담지량일 수 있다. 촉매 성분(330)은 촉매 성분(320)으로부터 수용된 암모니아 및 일산화탄소를 2개의 질소(N2, 통상 간단히 "질소"로 지칭됨) 및 이산화 탄소(CO2)로 각각 산화시킬 수 있다. 이 실시양태에서, 배기 흐름이 촉매 성분(330)으로 들어가기 전에 배기 흐름내로 촉매 시스템 중간지점(372)에서, 중간-베드 공기 주입 컴포넌트(350)에 의해 상기 흐름내로 공기를 주입함으로써, 공기를 첨가할 수 있다. 이 부가된 공기는 촉매 성분(330) 및/또는 촉매 성분(340)에서 수행되는 산화 공정을 개선 및/또는 보조할 수 있다. 중간-베드 공기 주입 컴포넌트(350)는, 배기 스트림내로 부가적인 공기를 도입할 수 있는 임의의 수단, 컴포넌트, 장치 또는 이들의 조합일 수 있으며, 그러한 모든 실시양태는 본 개시내용의 범위내에 드는 것으로 간주된다.
촉매 성분(330)은 수용된 암모니아 및 일산화탄소를 덜 독성인 화합물로 성공적으로 전환시킬 수 있지만, 다른 화합물(이의 일부는 기관(310)으로부터 배기된 비연소된 탄화수소일 수 있음)은 촉매 성분(130)에 의해 또다른 화합물로 전환되지 않고 촉매 성분(330)로부터 촉매 시스템 중간지점(373)을 통해 촉매 성분(340)으로 배출될 수도 있다. 일부 실시양태에서, 기관(110)에 의해 연소되지 않은 탄화수소의 잔류물로서 촉매 성분(330)으로부터 촉매 성분(340)으로 배출되는 배기 흐름에는 메탄이 포함될 수도 있다. 이 실시양태에서, 배기 흐름이 촉매 성분(340)으로 들어가기 전에 배기 흐름내로 촉매 시스템 중간지점(373)에서, 한 실시양태에서는 중간-베드 공기 주입 컴포넌트(360)에 의해, 상기 흐름내로 제2의 지점에서 공기를 주입함으로써, 추가의 공기를 첨가할 수 있다. 이 부가된 공기는 촉매 성분(340)에서 수행되는 산화 공정을 개선 및/또는 보조할 수 있다. 중간-베드 공기 주입 컴포넌트(360)는, 배기 스트림내로 부가적인 공기를 도입할 수 있는 임의의 수단, 컴포넌트, 장치 또는 이들의 조합일 수 있으며, 그러한 모든 실시양태는 본 개시내용의 범위내에 드는 것으로 간주된다.
촉매 성분(340)은, 촉매 성분(330)으로부터 방출되는 미연소된 탄화수소 및/또는 다른 미반응된 방출물을 처리할 수 있는 탄화수소 산화 촉매일 수 있다. 촉매 성분(340)은 귀금속, 예를 들면 백금(Pt) 및 팔라듐(Pd)를 함유할 수 있다. 일부 실시양태에서, Pt에 대한 Pd의 비율은 1 초과일 수 있다. 하나의 실시양태에서, 촉매 성분(340)은 메탄을 이산화탄소로 전환시킬 수 있을 뿐 아니라 다른 탄화수소를 덜 독성인 화합물로 전환시킬 수 있다. 전환된 배기물(이때 훨씬 덜 독성임)은 배기 지점(374)에서 시스템(300)으로부터 배기된다.
도 4는, 본원에 개시된 실시양태를 실행하는 예시적이고 비한정적인 방법(400)을 도시한다. 도 1 내지 도 3에 도시되어 있는 시스템 같은 본원에 기재된 장치 또는 컴포넌트를 비롯한 임의의 하나 이상의 장치 또는 컴포넌트에 의해 방법(400) 및 방법(400)에 기재되어 있는 개별적인 작용 및 기능을 수행할 수 있다. 한 실시양태에서는, 임의의 다른 장치, 컴포넌트 또는 이들의 조합에 의해, 일부 실시양태에서는 다른 시스템, 장치 및/또는 컴포넌트와 함께 방법(400)을 수행할 수 있다. 방법(400)의 임의의 단계와 관련하여 기재되는 임의의 기능 및/또는 작용을, 임의의 순서대로, 분리하여, 방법(400) 및 본원에 기재된 임의의 다른 방법의 임의의 다른 단계와 관련하여 기재된 다른 기능 및/또는 작용의 부분 집합으로, 또한 본원에 기재된 것 및 본원에 기재되지 않은 것을 비롯한 다른 기능 및/또는 작용과 함께 수행할 수 있음에 주목한다. 이러한 실시양태 모두 본 발명의 범위 내에 드는 것으로 간주된다.
단계 410에서는, 촉매 시스템에서 배기 가스를 수용할 수 있다. 단계 420에서는, 수용된 배기 가스의 성분들이 3-방 촉매에 의해 덜 독성인 성분으로 전환될 수 있다. 예를 들면, NOx는 하나 이상의 다른 화합물, 예를 들면 메탄 및 암모니아로 전환될 수 있다. 일부의 배기 성분들은 단계 420에서 다른 화합물로 전환될 수도 있지만, 적어도 일부의 수용된 가스는 또다른 화합물로 전환되지 않고 배출되어 또다른 촉매 성분에 의해 전환되도록 할 수도 있다.
단계 430에서는, 단계 420에서 3-방 촉매에 의해 수행되는 전환에 의해 배기된 배기 스트림내로 공기가 주입될 수 있다. 이 부가된 공기는 단계 440에서 수행되는 산환공정을 개선 및/또는 보조할 수도 있다. 상기 중간-베드 공기 주입 컴포넌트는 배기 스트림내로 부가적인 공기를 도입할 수 있는 임의의 수단, 컴포넌트, 장치 또는 이들의 조합일 수도 있으며, 이러한 모든 실시양태는 본 개시내용의 범위내에 드는 것으로 간주된다. 일부 실시양태에서는 이 지점에서 공기가 주입되지 않을 수도 있으며 단계 430의 기능이 생략될 수도 있음을 주목한다.
단계 440에서는, 배기 가스가 암모니아 슬립 촉매에 수용되어 전환될 수 있다. 상기 암모니아 슬립 촉매는 낮은 귀금속 담지량 및/또는 제올라이트 코팅을 가진 이중층 촉매일 수도 있다. 상기 암모니아 슬립 촉매는 상기 3-방 촉매로부터 수용된 암모니아 및 일산화탄소를 2개의 질소(N2, 통상 간단히 "질소"로 지칭됨) 및 이산화 탄소(CO2)로 각각 산화시킬 수 있다.
단계 450에서는, 단계 440에서 암모니아 슬립 촉매에 의해 수행되는 전환에 의해 배기된 배기 스트림내로, 한 실시양태에서는 중간-베드 공기 주입 컴포넌트에 의해, 공기가 주입될 수 있다. 이 부가된 공기는 단계 460에서 수행되는 산환공정을 개선 및/또는 보조할 수도 있다. 상기 중간-베드 공기 주입 컴포넌트는 배기 스트림내로 부가적인 공기를 도입할 수 있는 임의의 수단, 컴포넌트, 장치 또는 이들의 조합일 수도 있으며, 이러한 모든 실시양태는 본 개시내용의 범위내에 드는 것으로 간주된다. 일부 실시양태에서는 이 지점에서 공기가 주입되지 않을 수도 있으며 단계 450의 기능이 생략될 수도 있음을 주목한다. 촉매 시스템 내의 임의의 위치에 위치되는 임의의 개수의 중간-베드 공기 주입 컴포넌트 또는 기능을 포함하는 실시양태 뿐아니라 임의의 중간-베드 공기 주입을 사용하지 않는 실시양태도 본 개시내용의 범위에 드는 것으로 간주된다.
단계 460에서는, 배기 가스가 탄화수소 산화 촉매에 수용되어 전환될 수 있다. 상기 탄화수소 촉매는 메탄을 이산화탄소로 전환시킬 수 있을 뿐 아니라 다른 탄화수소를 덜 독성인 화합물로 전환시킬 수 있다. 전환된 배기 가스(이때 훨씬 덜 독성임)은 단계 470에서 배기된다.
본원에 기재된 시스템 및 방법의 기술적인 효과는, 과농 연소 기관을 가진 단일 촉매 시스템을 사용하여 모든 방출 기준을 만족하는 능력이다. 당업자가 주지하고 있듯이, 개시된 방법 및 시스템의 사용은, 기관의 방출을 감소시키면서도 기관을 더 넓은 작동 윈도우에서 더 농후하게 운전되게하고 이로써 방출 기준으로 인해 이전에서 도달하지 못했던 과농-연소의 이점을 활용할 수 있다. 당업자는, 더욱 큰 방출 제어 및 기관 성능을 달성하기 위하여, 개시된 촉매 시스템 및 방법을 다른 시스템 및 기법과 조합할 수 있음을 알 것이다. 이러한 실시양태는 모두 본 발명의 범주 내에 속하는 것으로 간주된다.
이 기재된 설명은 본원에 함유된 주제(최적의 방식 포함)를 개시하기 위하여, 또한 당업자가 임의의 장치 또는 시스템을 제조 및 사용하고 임의의 포함된 방법을 수행함을 비롯하여 본 발명을 실행할 수 있도록 하기 위하여 예를 사용한다. 본 발명의 특허가능한 범위는 특허청구범위에 의해 한정되며, 당업자가 알 수 있는 다른 예를 포함할 수 있다. 이러한 다른 예들은, 이들이 특허청구범위의 문언적 용어와 상이하지 않은 구조 요소를 갖거나, 또는 이들이 특허청구범위의 문언적 용어와 실질적으로 차이가 없는 동등한 구조 요소를 포함한다면, 본 발명의 범주 내에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 기관으로부터 배기 가스를 수용하고 상기 배기 가스를 제1의 전환된 배기 가스로 전환시키는 3-방 촉매(three-way catayst);
    상기 제1의 전환된 배기 가스를 수용하고 상기 제1의 전환된 배기 가스를 제2의 전환된 배기 가스로 전환시키는 암모니아 슬립(slip) 촉매; 및
    상기 제2의 전환된 배기 가스를 수용하고 상기 제2의 전환된 배기 가스를 제3의 전환된 배기 가스로 전환시키는 탄화수소 산화 촉매
    를 포함하는 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1의 전환된 배기 가스 내로 공기를 주입하는 공기 주입 컴포넌트(component)를 추가로 포함하는 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2의 전환된 배기 가스 내로 공기를 주입하는 공기 주입 컴포넌트를 추가로 포함하는 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 암모니아 슬립 촉매가 귀금속 담지(loading) 및 제올라이트 코팅을 포함하는, 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 귀금속 담지가 백금 또는 팔라듐 중 하나 이상을 포함하는, 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 암모니아 슬립 촉매가 제1의 전환된 배기 가스 내의 일산화탄소를 이산화탄소로 전환시키는, 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 암모니아 슬립 촉매가 제1의 전환된 배기 가스 내의 암모니아를 질소로 전환시키는, 시스템.
  8. 기관으로부터 배기 가스를 3-방 촉매에 수용하는 단계;
    상기 3-방 촉매 하에 상기 배기 가스를 제1의 전환된 배기 가스로 전환시키는 단계;
    상기 제1의 전환된 배기 가스를 암모니아 슬립 촉매에 수용하는 단계'
    상기 암모니아 슬립 촉매 하에 상기 제1의 전환된 배기 가스를 제2의 전환된 배기 가스로 전환시키는 단계;
    상기 제2의 전환된 배기 가스를 탄화수소 산화 촉매에 수용하는 단계; 및
    상기 탄화수소 산화 촉매 하에 상기 제2의 전환된 배기 가스를를 제3의 전환된 배기 가스로 전환시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1의 전환된 배기 가스 내로 공기를 주입하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제2의 전환된 배기 가스 내로 공기를 주입하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 암모니아 슬립 촉매가 귀금속 담지 및 제올라이트 코팅을 포함하는, 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 귀금속 담지가 백금 또는 팔라듐 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 암모니아 슬립 촉매 하에 상기 제1의 전환된 배기 가스를 제2의 전환된 배기 가스로 전환시키는 단계가, 상기 제1의 전환된 배기 가스 내의 일산화탄소를 이산화탄소로 전환시키는 것을 포함하는, 방법.
  14. 제 8항에 있어서,
    상기 암모니아 슬립 촉매 하에 상기 제1의 전환된 배기 가스를 제2의 전환된 배기 가스로 전환시키는 단계가, 상기 제1의 전환된 배기 가스 내의 암모니아를 질소로 전환시키는 것을 포함하는, 방법.
  15. 배기 가스를 발생시키는 내연(internal combustion) 컴포넌트;
    상기 배기 가스를 수용하고 상기 배기 가스를 제1의 전환된 배기 가스로 전환시키는 3-방 촉매;
    상기 제1의 전환된 배기 가스를 수용하고 상기 제1의 전환된 배기 가스를 제2의 전환된 배기 가스로 전환시키는 암모니아 슬립 촉매; 및
    상기 제2의 전환된 배기 가스를 수용하고 상기 제2의 전환된 배기 가스를 제3의 전환된 배기 가스로 전환시키는 탄화수소 산화 촉매
    를 포함하는 기관(engine).
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1의 전환된 배기 가스 내로 공기를 주입하는 공기 주입 컴포넌트를 추가로 포함하는 기관.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 제2의 전환된 배기 가스 내로 공기를 주입하는 공기 주입 컴포넌트를 추가로 포함하는 기관.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 암모니아 슬립 촉매가 귀금속 담지 및 제올라이트 코팅을 포함하는, 기관.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 암모니아 슬립 촉매가 상기 제1의 전환된 배기 가스 내의 암모니아를 질소로 전환시키는, 기관.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 암모니아 슬립 촉매가 상기 제1의 전환된 배기 가스 내의 일산화탄소를 이산화탄소로 전환시키는, 기관.
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