KR20140115377A - 촉매 컨버터 시스템 사용 방법 - Google Patents

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토마스 르 탈렉
올리비에 테이셋
빌프리트 뮐러
게랄트 예스케
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Abstract

희박 연소 엔진의 배기 가스로부터 미립자들을 제거하기 위한 매연 필터(6)는 동작 시간의 증가와 함께 미립자들의 침착으로 차단되며, 정기적으로 재생되어야 한다. 매연 필터의 확실한 동작은 때때로, 매연 점화 온도로 배기 가스 온도를 증가시키는 것에 의한 복합 재생이 수행되는 때에만 가능하다. 이러한 목적을 위하여, 산화 촉매(2)는 통상적으로 매연 필터(6) 앞에 배치되고, 배기 가스 온도는 추가 주입된 연료의 촉매 연소에 의해 증가하였다. 그러므로, 산화 촉매(2)는 높은 열 부하를 받고, 그러므로 빠르게 노화한다. 산화 촉매(2)의 노화가 적어도 2개의 분리된 촉매들로 분할되고 그 사이의 거리가 2 내지 30mm일 때 지연될 수 있다.

Description

촉매 컨버터 시스템 사용 방법{USE OF CATALYST CONVERTER SYSTEM}
본 발명은 내연기관의 배기 가스의 정화를 위한 촉매 컨버터 시스템과 그 사용 방법에 관한 것이며, 촉매 컨버터 시스템은 공통의 컨버터 하우징에서, 배기 가스의 유동 방향으로 직렬로 서로로부터 일정 거리에 배열되고 희박 배기 가스 중의 탄화 수소와 일산화탄소를 촉매 반응으로 연소시킬 수 있는 적어도 2개의 촉매 컨버터들을 포함한다. 촉매 컨버터 시스템은 하류측에 위치된 매연 필터의 복합 재생(active regeneration)을 위하여 매연 발화 온도(soot ignition temperature)로 배기 가스를 가열하도록 디젤 엔진의 배기 시스템에서 사용된다.
디젤 엔진에 의해 발생된 매연은 공기 오염을 방지하기 위하여 매연 필터에 의해 배기 가스로부터 제거되어야만 한다. 필터에서 매연의 침착(deposition)이 증가하는 것에 의해, 필터에 의해 발생하는 배기 가스 배압이 증가하여, 엔진의 출력을 감소시킨다. 그러므로, 필터는 매연을 정기적으로 연소시키는 것에 의해 재생되어야 한다.
정상적인 동작에서 현대의 디젤 엔진의 배기 가스가 필터에서 매연의 연소를 발화시키기에는 너무 차갑기 때문에, 재생은 상기 엔진에서 특히 문제를 가진다. 500 내지 700℃의 배기 가스 온도가 이러한 목적을 위해 필요하게 된다.
매연 필터의 재생을 위하여 자연 재생(passive regeneration) 및 복합 재생(active regeneration)이 공지되어 있다. 자연 재생 방법에 있어서, 예를 들어 EP 0 341 832 A2에 따라서, 매연 필터는 산화제로서 질소 산화물에 의해 400℃ 아래의 배기 가스 온도에서 연속적으로 산화된다. 이러한 목적을 위해, 산화 촉매 컨버터는 매연 필터의 상류측에 배열되고, 산화 촉매 컨버터는 배기 가스에 존재하는 일산화질소를 이산화질소로 변환시킨다. 상기 방법은 배기 가스가 충분한 양의 일산화질소를 함유할 것을 요구한다. 배기 가스에서의 탄화 수소의 존재가 일산화질소가 이산화질소로의 산화를 방해하는 것은 결점이다. 이러한 결점은, US 6,877,313 B1에 따라서, 제 1 산화 촉매 컨버터가 배기 가스 중의 탄화 수소를 실질적으로 연소시키고, 제 2 산화 촉매 컨버터가 배기 가스 중의 나머지 질소산화물을 이산화질소로 산화시키는, 매연 필터의 상류측에 배열된 2개의 산화 촉매 컨버터들에 의해 치유될 수 있다.
자연 재생 방법은 매연 필터의 신뢰할 수 있는 동작을 보장할 수 없다. 필터는 적어도 때때로 복합적으로 재생되어야만 한다. 이러한 목적을 위하여, 연료는 산화 촉매 컨버터의 상류측의 배기 가스 유동 내로 주입되고, 산화 촉매 컨버터 상에서 연소되거나, 또는 배기 가스 중의 미연소된 탄화 수소의 농도는 엔진 내부 조치에 의해 증가된다. 엔진의 현재의 동작 상태에 따라서, 산화 촉매 컨버터에서의 촉매 연소는 매연 발화 온도에 도달하도록 200 내지 400℃까지 배기 가스를 가열하여야 한다. 여기에서, 고온 피크가 산화 촉매 컨버터의 내부에서 발생하고, 이러한 온도 피크는 촉매 컨버터의 미성숙 노화(premature ageing)를 초래할 수 있다. 그 결과, 누진 동작 기간에 의해, 산화 촉매 컨버터에서의 탄화 수소 및 일산화탄소의 변환이 저하된다.
DE 10 2005 017 378 A1은 배기 가스의 유동 방향으로 직렬로 배열된 다수의 촉매 컨버터 디스크들로 구성된 촉매 컨버터 본체를 가지는 배기 가스 정화 장치를 개시한다. 촉매 컨버터 디스크들은 이산화탄소, 물 및 질소를 형성하도록 배기 가스에 함유된 탄화 수소, 일산화탄소 및 질소산화물의 변환을 위해 소결 금속 분말로 구성된다. 촉매 컨버터 디스크들 사이의 거리는 대략 3㎜이다.
US 2003/0099583 A1은 화학량적인 배기 가스 중의 탄화 수소, 일산화탄소 및 질소 산화물을 변환시키기 위한 삼원 촉매 컨버터(three-way catalytic converter) A, 및 하류측에 배열되고 탄화 수소를 흡수하기 위한 제올라이트를 가지는 촉매 컨버터 B를 포함하는 배기 가스 정화 장치를 개시한다.
본 발명의 목적은 탄화 수소의 촉매 연소 동안 노화가 감소되고, 그러므로 매연 필터의 복합 재생을 위해 유익하게 사용될 수 있는 촉매 컨버터 시스템을 명시하는데 있다.
상기 목적은, 공통의 컨버터 하우징에서, 배기 가스의 유동 방향으로 직렬로 서로로부터 일정 거리에 배열되고 희박 배기 가스 중의 탄화 수소와 일산화탄소를 촉매 반응으로 연소시킬 수 있는 적어도 2개의 촉매 컨버터들을 포함하는 촉매 컨버터 시스템에 의해 달성된다. 촉매 컨버터 시스템은 2개의 인접한 촉매 컨버터들 사이의 거리가 2 내지 30㎜인 것을 특징으로 한다.
상기 촉매 컨버터가 적어도 2개의 개별적인 촉매 컨버터들로 분할되고 상기 개별적인 촉매 컨버터들이 서로로부터 단지 수밀리미터의 짧은 거리에 배열되면, 촉매 연소 동안 촉매 컨버터의 노화가 느리게 될 수 있다는 것을 알았다. 이러한 결과는 연속하는 촉매 컨버터들 사이의 단지 수밀리미터의 짧은 거리가 배기 가스를 냉각시킬 수 없기 때문에 놀라운 것이다. 이는 명백히 촉매 컨버터들의 분리가 촉매 컨버터에서의 온도 분포에 긍정적인 영향을 가지는 경우이다. 그 결과, 촉매 컨버터의 빠른 노화를 초래하는 온도 피크가 회피된다.
촉매 연소에 필요한 탄화 수소는 제 1 촉매 컨버터의 상류측에 배열된 투여 장치(dosing device)에 의해 배기 가스 유동 내로 주입될 수 있거나, 또는 엔진의 배기 가스 중의 미연소된 탄화 수소의 부분은 내연기관 조치들에 의해, 예를 들어 엔진의 실린더 내로 연료의 후주입(post-injection)에 의해 증가될 수 있다.
촉매 컨버터 시스템을 위하여, 희박 배기 가스 중의 탄화 수소를 산화시킬 수 있는 임의의 촉매 컨버터가 적절하며; 이러한 것들은 또한 연소에 사용될 수 있는 특히 산화 촉매 컨버터 및 삼원 촉매 컨버터를 포함할 수 있다.
촉매 컨버터는 바람직하게 세라믹 또는 금속 허니컴 본체(metallic honeycomb body)에 도포된 산화 활성 촉매 코팅을 포함하며, 촉매 코팅은 활성 산화 알루미늄, 산화 규소, 산화 티타늄, 산화 지르코니움, 산화 세륨 및 그 혼합물 또는 혼합된 산화물을 포함하는 그룹으로부터 기재(substrate material) 상의 백금, 팔라듐 및 로듐을 포함하는 그룹으로부터의 적어도 하나의 귀금속을 포함한다. 탄화 수소를 흡장하기 위하여, 촉매 컨버터 코팅은 부가적으로 제올라이트를 가질 수 있다. 2개의 촉매 컨버터들은 동일하거나 또는 다른 조성을 가질 수 있다.
촉매 컨버터 시스템은 촉매 컨버터에서 연료의 연소에 의해 최종 촉매 컨버터의 하류측에서 500 내지 700℃의 온도로 희박 배기 가스를 가열하도록 디젤 엔진의 배기 영역에서 바람직하게 사용된다. 이러한 목적을 위해 요구되는 연료는 투여 장치에 의해 제 1 촉매 컨버터의 상류측에서 배기 가스 내로 주입될 수 있으며, 순수 배기 가스 조성이 계속 산화 특성을 가지도록 보장되어야 한다. 대안적으로, 배기 가스에서 미연소된 탄화 수소의 비율은 예를 들어 디젤 엔진의 실런더 내로 연료의 후주입에 의해 엔진 내부 조치들에 의해 증가될 수 있으며, 순수 배기 가스 조성이 계속 산화 특성을 가지도록 다시 보장되어야 한다. 촉매 컨버터 시스템의 하류측에 배열된 매연 필터는 이러한 방식으로 가열되는 배기 가스에 의해 복합적으로 재생될 수 있다.
제안된 촉매 컨버터 시스템의 목적은 배기 가스에 함유되거나 또는 별도로 공급되는 배기 가스의 연소 가능한 성분들의 연소에 의해 500℃ 이상, 700℃까지의 온도로 바람직하게 배기 가스를 가열하는 것이다. 배기 가스에 함유된 연소 가능한 성분은 예를 들어 디젤 연료로부터 미연소되거나 불완전 연소된 탄화 수소 및 일산화탄소이다.
2개의 촉매 컨버터들 사이의 거리는 놀랍게도 촉매 컨버터 시스템의 보다 느린 노화를 유발하고, 이러한 것 자체는 노화가 발생한 후에 일산화탄소와 탄화 수소의 개선된 변환에서 분명하게 나타난다. 그러므로, 본 발명에 따른 촉매 컨버터 시스템은 대응하는 단편(single-piece) 촉매 컨버터보다 또는 공간없이 직렬로 배열된 2개의 촉매 컨버터들보다 노화가 발생한 후에 보다 낮은 일산화탄소와 탄화 수소의 방출율을 가진다.
한편, 촉매 컨버터들 사이의 거리는 관측된 효과를 보장하도록 너무 작지 않을 수 있으며; 다른 한편으로, 과잉으로 큰 거리는 공간적 및 열적 이유 때문에 피해야 되고, 거리가 증가하기 때문에, 배기 가스가 촉매 컨버터들 사이에서 냉각된다. 10 내지 20㎝의 지름을 가진 모터 차량 배기 가스 촉매 컨버터의 공통의 단면 치수에 대하여, 2 내지 30㎜의 2개의 촉매 컨버터들 사이의 거리가 적절한 것으로 판명되었다. 5 내지 20㎜의 거리가 바람직하게 선택된다.
그러나, 2개의 촉매 컨버터들 사이의 거리는 단지 배기 가스 유동에서 하류측에 위치된 촉매 컨버터의 노화에서만 영향을 미친다. 상류측의 촉매 컨버터의 노화 안정성을 개선하도록, 가능한 온도 안정한 촉매 컨버터 시스템이 선택되어야 한다. 경험으로부터, 팔라듐과 조합하는 백금을 포함하는 촉매 컨버터는 순수 백금 촉매 컨버터보다 높은 온도에 더 내성이 있다. 제 1 또는 상류측 촉매 컨버터의 백금/팔라듐 비율은 4:1 내지 1:1의 범위에 놓인다. 제 2 촉매 컨버터는 제 1 촉매 컨버터에 의해 전체적으로 변환되지 않은 일산화탄소와 탄화 수소를 가능한 완전히 연소시키는 임무를 가진다. 제 1 촉매 컨버터에서보다 낮은 팔라듐 함유량을 가진 백금/팔라듐 촉매 컨버터, 또는 순수 백금 촉매 컨버터가 이러한 목적을 위하여 적합하다.
그러므로, 2개의 촉매 컨버터들의 촉매 컨버터 코팅은 촉매 컨버터 시스템에서의 그 각각의 기능을 최적으로 수행하기 위해 서로로부터 상이한 조성을 가질 수 있다. 그러나, 2개의 촉매 컨버터 코팅이 동일하게 되는 것이 바람직하다.
냉간 시동 위상 동안 디젤 엔진의 미처리된 방출은 실질적으로 미연소된 탄화 수소로 구성된다. 냉간 시동 위상 동안, 상기 성분들은 촉매 컨버터에 의해 여전히 변환될 수 없고, 여전히 차갑다. 상기의 방출을 방지하도록, 본 발명에 따른 촉매 컨버터 시스템의 상류측/하류측 촉매 컨버터들은 일시적으로 탄화 수소를 흡장하는 제올라이트를 함유할 수 있다. 배기 가스의 온도를 증가시키는 것으로, 흡장된 탄화 수소는 다시 탈착되고(desorbed), 그런 다음 보다 높은 온도에서 활성화하는 촉매 컨버터들에 의해 변환될 수 있다.
본 발명은 예와 2개의 도면을 기본으로 아래에 보다 상세하게 설명된다.
본 발명에 따라 촉매 컨버터가 적어도 2개의 개별적인 촉매 컨버터들로 분할되고 상기 개별적인 촉매 컨버터들이 서로로부터 단지 수밀리미터의 짧은 거리에 배열되므로, 촉매 연소 동안 촉매 컨버터의 노화가 느리게 될 수 있다. 그 결과, 촉매 컨버터의 빠른 노화를 초래하는 온도 피크가 회피된다.
본 발명에 따른 촉매 컨버터 시스템은 대응하는 단편(single-piece) 촉매 컨버터보다 또는 공간없이 직렬로 배열된 2개의 촉매 컨버터들보다 노화가 발생한 후에 보다 낮은 일산화탄소와 탄화 수소의 방출율을 가진다.
도 1은 매연 필터와, 매연 필터의 복합 재생을 위하여 본 발명에 따른 촉매 컨버터 시스템을 가지는 배기 시스템의 디자인을 도시하는 도면.
도 2는 3개의 상이한 촉매 컨버터 시스템의 방출율을 비교한 도면.
도면은 디젤 엔진의 배기 시스템(1)은 도시한다. 배기 시스템은 서로로부터 이격된 2개의 산화 촉매 컨버터(3, 4)들이 안치되는 제1 컨버터 하우징(2)을 포함한다. 2개의 촉매 컨버터들 사이의 거리(d)는 2 내지 30㎜ 범위에 있다. 2개의 촉매 컨버터는 동일하거나 또는 상이한 길이의 것일 수 있다. 매연 필터(6)를 구비한 제2 컨버터 하우징(5)은 촉매 컨버터 시스템의 하류측에 위치된다. 하류측 매연 필터는 촉매 컨버터 시스템에서의 추가 연료의 연소에 의해 복합적으로 재생될 수 있다.
2.2리터 소제 용적(2.2 litre swept volume)을 가진 디젤 차량에서의 새로운 유럽 구동 사이클(New European Driving Cycle, NEDC)에서의 그 잔류 방출에 관하여, 3개의 촉매 컨버터들이 서로 비교되었다. 촉매 컨버터 기재로서, 각각의 경우에, 62㎝-2의 셀 밀도(cell density) 및 0.17㎜의 덕트 벽 두께를 가진 근청석(cordierite)으로 구성된 허니컴 본체가 사용되었으며, 허니컴 본체들은 허니컴 본체 용적의 리터당 3.18g의 백금을 구비한 종래의 디젤 산화 촉매로 코팅되었다.
시스템 1 : 단편 허니컴 본체,
지름 14.4㎝; 길이 8.9㎝
시스템 2 : 2개의 허니컴 본체
지름 14.4㎝; 각각의 허니컴 본체의 길이 4.45㎝; 허니컴 본체 들 사이의 거리(d): 0.00㎝
시스템 3 : 본 발명에 따른 2개의 허니컴 본체
지름 14.4㎝; 각각의 허니컴 본체의 길이 4.45㎝; 허니컴 본체 들 사이의 거리(d): 1㎝
촉매 컨버터 시스템들은 실제에 가까운 조건 하에서 후주입에 의해 21 시간 동안 노화되었다. 그 후, 상기 촉매 컨버터 시스템들의 잔류 방출은 NEDC로 디젤 차량에서 측정되었다. 결과는 도 2에 도시되어 있다.
본 발명에 따른 촉매 컨버터 시스템 3은 종래의 단편 시스템 1과 허니컴 본체들 사이에 공간없이 2개의 허니컴 본체들을 가지는 시스템 2보다 테스트 동안 상당히 감소된 CO 및 HC 방출을 보인다.
1: 배기 시스템
2: 제1 컨버터 하우징
3, 4: 산화 촉매 컨버터
5: 제2 컨버터 하우징
6: 매연 필터

Claims (3)

  1. 내연기관의 배기 가스를 정화하기 위한 촉매 컨버터 시스템을 사용하는 방법으로서, 상기 촉매 컨버터 시스템은, 공통의 컨버터 하우징(2)에서 배기 가스의 유동 방향으로 직렬로 서로로부터 일정 거리(d)에 배열되고 희박 배기 가스 중의 탄화 수소와 일산화탄소를 촉매 반응으로 연소시킬 수 있는 적어도 2개의 촉매 컨버터(3, 4)들, 및 상기 컨버터 하우징(2)의 하류측에 있는 매연 필터(6)를 구비한 제2 컨버터 하우징(5)을 포함하는, 촉매 컨버터 시스템 사용 방법에 있어서,
    2개의 인접한 촉매 컨버터들 사이의 거리(d)가 2 내지 30㎜이고, 상기 촉매 컨버터(3, 4)들은 산화 촉매 컨버터들이거나, 또는 산화 촉매 컨버터들과 삼원 촉매 컨버터들(three-way catalytic converters)의 조합이고,
    상기 촉매 컨버터 시스템의 하류측에 배열된 상기 매연 필터(6)를 상기 촉매 컨버터 시스템에 의해 발생된 고온 배기 가스 유동으로 재생시키기 위하여, 상기 촉매 컨버터 시스템이 디젤 엔진의 배기 영역(1)에서, 상기 촉매 컨버터들 상에서 상기 디젤 엔진으로부터의 연료 또는 미연소된 연료 성분의 연소에 의해 최종의 상기 제2 촉매 컨버터(4)의 하류측에서 500 내지 700℃의 온도로 희박 배기 가스를 가열하는데 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는, 촉매 컨버터 시스템 사용 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연료는 투여 장치에 의해 제1 촉매 컨버터(3)의 상류측에서 배기 가스 유동으로 주입되는 것을 특징으로 하는 촉매 컨버터 시스템 사용 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 배기 가스 중의 미연소된 연료 성분은 상기 디젤 엔진의 실린더들 내로 연료의 후주입에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 촉매 컨버터 시스템 사용 방법.
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