KR20170070751A - 촉매가 코팅된 매연 필터 - Google Patents

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Abstract

촉매가 코팅된 매연 필터가 개시된다. 상기 촉매가 코팅된 매연 필터는 유체가 유입되는 일단과, 막혀 있는 타단을 포함하며, 길이 방향으로 연장된 적어도 하나 이상의 유입 채널; 막혀 있는 일단과, 유체가 유출되는 타단을 포함하며, 상기 길이 방향으로 연장된 적어도 하나 이상의 유출 채널; 이웃하는 유입 채널과 유출 채널 사이의 경계를 정의하며, 상기 길이 방향으로 연장된 적어도 하나 이상의 월; 그리고 상기 적어도 하나 이상의 유입 채널과 상기 적어도 하나 이상의 유출 채널 중 적어도 하나 이상의 내부에 위치하는 적어도 하나 이상의 지지체;를 포함하며, 적어도 두 종류 이상의 촉매가 상기 유입 채널의 적어도 하나의 내벽, 유출 채널의 적어도 하나의 내벽 또는 지지체의 양면에 코팅되되, 상기 유입 채널의 적어도 하나의 내벽에 코팅되는 촉매의 종류는 동일하고, 상기 유출 채널의 적어도 하나의 내벽에 코팅되는 촉매의 종류도 동일하며, 상기 지지체의 양면 중 적어도 일면에 코팅되는 촉매의 종류도 동일할 수 있다.

Description

촉매가 코팅된 매연 필터{CATALYZED PARTICULATE FILTER}
본 발명은 촉매가 코팅된 매연 필터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배압의 증가를 최소화하면서도 촉매와 유체의 접촉 시간(면적)을 늘릴 수 촉매가 코팅된 매연 필터에 관한 것이다.
디젤 엔진과 같은 내연 기관이나 각종 연소 장치 등으로부터 배출되는 가스에는 입자상 물질(Particulate Matter; PM)이 포함되어 있다. 이러한 PM이 그대로 대기 중에 방출되면 환경 오염을 일으키기 때문에 배출 가스의 배기계에는 PM을 포집하기 위한 매연 필터(particulate filter)가 탑재되어 있다.
상기 매연 필터는 유체의 흐름에 따라 플로우 쓰루 타입(flow-through type)의 매연 필터와 월 플로우 타입(wall flow type)의 매연 필터로 구분될 수 있다.
플로우 쓰루 타입의 매연 필터에 따르면, 하나의 채널로 유입된 유체는 다른 채널로 이동하지 않고 상기 하나의 채널 내에서만 흐른다. 이에 따라, 배압의 증가는 최소화되나, 유체에 포함된 입자상 물질을 포집하기 위한 수단이 필요하며 필터 성능이 떨어질 수 있다.
월 플로우 타입의 매연 필터는 하나의 채널로 유입된 유체가 이웃하는 다른 채널로 이동한 후 상기 다른 채널을 통하여 매연 필터로부터 배출된다. 즉, 유입 채널로 유입된 유체가 다공성 벽을 통하여 유출 채널로 이동하고, 다시 유출 채널을 통하여 매연 필터로부터 배출된다. 유체가 다공성 벽을 통과할 때, 유체에 포함된 입자상 물질은 다공성 벽을 통과하지 못하고 포집되게 된다. 월 플로우 타입의 매연 필터는 배압을 다소 증가시킬 수 있으나, 입자상 물질을 거르는데 효과적이다. 이에 따라, 월 플로우 타입의 매연 필터가 주로 사용된다.
차량에는 매연 필터와 함께 적어도 하나 이상의 촉매 컨버터가 탑재된다. 상기 촉매 컨버터는 배기 가스에 포함된 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx)을 정화하도록 되어 있다.
상기 촉매 컨버터는 매연 필터와 물리적으로 분리되어 장착될 수도 있고, 매연 필터에 촉매를 코팅함으로써 매연 필터에 병합될 수도 있다. 촉매가 코팅된 매연 필터를 촉매가 코팅된 매연 필터(Catalyzed Particulate Filter; CPF)라고 부르기도 한다.
CPF에서 촉매는 유입 채널과 유출 채널을 구분하는 다공성 월에 코팅되며, 유체는 상기 다공성 월을 지나가며 코팅된 촉매와 접촉하게 된다. 다공성 월에 의하여 구분되는 유입 채널과 유출 채널 사이에는 압력 차이가 존재하게 되고, 이로 인하여 유체는 다공성 월을 빠르게 지나가게 된다. 따라서, 촉매와 유체의 접촉 시간이 짧아 촉매 반응이 충분하게 일어나지 못한다.
또한, 다공성 월에 코팅된 촉매가 두꺼우면, 촉매가 월에 형성된 세공(micropore)을 막아 유입 채널로부터 유출 채널로의 유체의 흐름을 방해할 수 있다. 이에 따라, 배압이 증가하게 된다. 배압의 증가를 최소화하기 위하여 CPF에서는 월에 촉매가 얇게 코팅되게 된다. 이에 따라, CPF에 코팅된 촉매의 양이 부족해 촉매 반응이 충분하게 일어나지 못할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 유입 채널과 유출 채널(이하, 통칭하여 '셀'이라고 한다.)의 개수(밀도)를 증가시켜, 촉매가 코팅될 수 있는 월의 표면적을 증가시킬 수 있다. 그러나, 한정된 공간에서 셀의 밀도가 증가하면, 월의 두께가 줄어들게 된다. 월의 두께 감소는 필터 성능을 악화시킬 수 있다. 따라서, 셀의 밀도도 한계 밀도 이상으로 증가시키지 못한다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 배압의 증가를 최소화하면서도 촉매 로딩량을 늘릴 수 있는 촉매가 코팅된 매연 필터를 제공하는 것이다.
또한, 배압의 증가를 최소화하면서도 촉매와 유체의 접촉 시간을 늘릴 수 있는 코팅된 매연 필터를 제공하는 것이 본 발명의 다른 목적이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터는 유체가 유입되는 일단과, 막혀 있는 타단을 포함하며, 길이 방향으로 연장된 적어도 하나 이상의 유입 채널; 막혀 있는 일단과, 유체가 유출되는 타단을 포함하며, 상기 길이 방향으로 연장된 적어도 하나 이상의 유출 채널; 이웃하는 유입 채널과 유출 채널 사이의 경계를 정의하며, 상기 길이 방향으로 연장된 적어도 하나 이상의 월; 그리고 상기 적어도 하나 이상의 유입 채널과 상기 적어도 하나 이상의 유출 채널 중 적어도 하나 이상의 내부에 위치하는 적어도 하나 이상의 지지체;를 포함하며, 적어도 두 종류 이상의 촉매가 상기 유입 채널의 적어도 하나의 내벽, 유출 채널의 적어도 하나의 내벽 또는 지지체의 양면에 코팅되되,상기 유입 채널의 적어도 하나의 내벽에 코팅되는 촉매의 종류는 동일하고, 상기 유출 채널의 적어도 하나의 내벽에 코팅되는 촉매의 종류도 동일하며, 상기 지지체의 양면 중 적어도 일면에 코팅되는 촉매의 종류도 동일하다.
상기 유입 채널의 적어도 하나의 내벽에 코팅되는 촉매의 종류는 상기 유출 채널의 적어도 하나의 내벽에 코팅되는 촉매의 종류 또는 상기 지지체의 양면 중 적어도 일면에 코팅되는 촉매의 종류와 다를 수 있다.
상기 지지체의 양면 각각에는 서로 다른 종류의 촉매가 코팅될 수 있다.
상기 유입 채널을 통하여 유입된 유체는, 상기 월을 통과하여 상기 유출 채널로 흘러갈 수 있다.
상기 유입 채널의 적어도 하나의 내벽, 상기 유출 채널의 적어도 하나의 내벽, 상기 유입 채널에 형성된 지지체의 양면 중 적어도 하나에는,린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT) 촉매가 코팅될 수 있다.
상기 유출 채널에 형성된 지지체의 양면 중 적어도 일면에는, 선택적 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매가 코팅될 수 있다.
상기 유입 채널을 통하여 유입된 유체는, 상기 유입 채널에 형성된 지지체에 코팅된 촉매를 접촉한 후, 상기 월에 코팅된 촉매를 통과하고, 상기 유출 채널에 형성된 지지체에 코팅된 촉매를 접촉할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터는 유체가 유입되도록 개구된 일단과, 유체가 흘러가지 못하도록 막힌 타단을 포함하는 적어도 하나 이상의 유입 채널; 유체가 흘러가지 못하도록 막힌 일단과, 유체가 유출되도록 개구된 타단을 포함하며, 상기 적어도 하나 이상의 유입 채널과 교번하여 배치되는 적어도 하나 이상의 유출 채널; 상기 이웃하는 유입 채널과 유출 채널 사이에 배치되며, 유입 채널의 유체가 유출 채널로 흘러가도록 하는 다공성 월; 그리고 상기 적어도 하나 이상의 유입 채널과 상기 적어도 하나 이상의 유출 채널 중 적어도 하나 이상의 내부에 위치하는 지지체;를 포함하며, 적어도 두 종류의 촉매가 상기 다공성 월, 상기 유입 채널에 형성된 지지체 또는 상기 유출 채널에 형성된 지지체에 코팅되되, 상기 다공성 윌에 코팅되는 촉매의 종류 또는 상기 유입 채널에 형성된 지지체에 코팅되는 촉매의 종류는 상기 유출 채널에 형성된 지지체에 코팅되는 촉매의 종류와 다르다.
상기 다공성 월 또는 상기 유입 채널에 형성된 지지체 중 적어도 하나에는, 선택적 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매가 코팅될 수 있다.
상기 유출 채널에 형성된 지지체에는, 산화 촉매(oxidation catalyst)가 코팅될 수 있다.
상기 산화 촉매는, 암모니아 산화 촉매(ammonia oxidation catalyst, AOC)를 포함할 수 있다.
상기 유입 채널을 통하여 유입된 유체는, 상기 유입 채널에 형성된 지지체에 코팅된 선택적 환원 촉매를 접촉한 후, 상기 다공성 월에 코팅된 선택적 환원 촉매를 통과하고, 상기 유출 채널에 형성된 지지체에 코팅된 상기 암모니아 산화 촉매를 접촉할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터는 유체가 유입되도록 개구된 일단과, 유체가 흘러가지 못하도록 막힌 타단을 포함하는 적어도 하나 이상의 유입 채널; 유체가 흘러가지 못하도록 막힌 일단과, 유체가 유출되도록 개구된 타단을 포함하는 유출 채널; 이웃하는 유입 채널과 유출 채널 사이에 배치되며, 유입 채널의 유체가 유출 채널로 흘러가도록 하는 다공성 월; 그리고 상기 적어도 하나 이상의 유입 채널과 상기 적어도 하나 이상의 유출 채널 중 적어도 하나 이상의 내부에 위치하는 지지체;를 포함하며, 적어도 두 종류의 촉매가 상기 다공성 월의 일면 또는 타면, 상기 유입 채널에 형성된 지지체의 일면 또는 타면, 상기 유출 채널에 형성된 지지체의 일면 또는 타면에 코팅되되, 상기 유입 채널에 형성된 지지체의 일면 또는 타면에 코팅된 촉매의 종류 또는 상기 유출 채널에 형성된 지지체의 일면 또는 타면에 코팅된 촉매의 종류는 상기 다공성 월의 일면 또는 타면에 코팅된 촉매의 종류와 다르다.
상기 유입 채널을 통하여 유입된 유체는, 상기 유입 채널에 형성된 지지체에 코팅된 촉매를 접촉한 후, 상기 다공성 월에 코팅된 촉매를 통과하고, 상기 유출 채널에 형성된 지지체에 코팅된 촉매를 접촉할 수 있다.
상기 유입 채널에 형성된 지지체 또는 상기 유출 채널에 형성된 지지체에는, 선택적 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매가 코팅될 수 있다.
상기 다공성 월에는, 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT) 촉매가 코팅될 수 있다.
상술한 바와 같이, 적어도 하나 이상의 유입 채널과 적어도 하나 이상의 유출 채널 중 적어도 하나 이상의 내부에 지지체를 형성하고, 상기 지지체에 촉매를 코팅함으로써 배압 증가를 최소화하며 촉매 로딩량을 증가시킬 수 있다.
또한, 지지체에 의하여 구분된 채널의 제1, 2부분들 사이 및 동일한 제1부분 또는 동일한 제2부분에서 지지체의 길이 방향을 따라 일단부와 타단부 사이에서 압력 차이가 작으므로 배기 가스와 촉매의 접촉 시간이 늘어날 수 있다.
또한, 월의 두께를 유지하면서 촉매 로딩량, 유체와 촉매와의 접촉 면적(시간)을 늘릴 수 있으므로, 충분한 필터 성능과 촉매 성능을 얻을 수 있다.
또한, 월이 추가된 매연 필터에 복수의 촉매를 코팅함으로써, NOx 정화 효율을 향상시키고, NOx 정화 온도 범위를 확장시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터의 일부 유입 채널과 유출 채널을 도시한 정면도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따라 2종의 촉매가 코팅된 매연 필터에 의한 녹스(NOx) 전환 효율을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따라 3종의 촉매가 코팅된 매연 필터에 녹스(NOx) 전환 효율을 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터는 차량뿐만 아니라 화석 연료를 태워 에너지를 얻고 그 과정에서 발생되는 가스를 대기 중으로 배출하는 다양한 장치에 적용될 수 있다. 본 명세서에서는 상기 촉매가 코팅된 매연 필터가 차량에 적용되는 것을 예시하나, 차량에만 적용되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
차량에는 동력을 발생시키기 위한 엔진이 탑재되어 있다. 상기 엔진은 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 연소시켜 화학적 에너지를 기계적 에너지로 변환한다. 엔진은 흡기 매니폴드에 연결되어 연소실 내부로 공기를 유입받으며, 배기 매니폴드에 연결되어 연소 과정에서 발생된 배기 가스는 배기 매니폴드에 모인 후 차량의 외부로 배출되게 된다. 상기 연소실 또는 흡기 매니폴드에는 인젝터가 장착되어 연료를 연소실 또는 흡기 매니폴드 내부로 분사한다.
상기 엔진에서 발생된 배기 가스는 배기 가스를 통하여 차량 외부로 배출된다. 상기 배기 장치는 배기 파이프와 배기 가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation; EGR) 장치를 포함할 수 있다.
상기 배기 파이프는 상기 배기 매니폴드에 연결되어 배기 가스를 차량의 외부로 배출시킨다.
배기 가스 재순환 장치는 배기 파이프 상에 장착되어 엔진에서 배출되는 배기 가스는 상기 배기 가스 재순환 장치를 통과한다. 또한, 상기 배기 가스 재순환 장치는 상기 흡기 매니폴드에 연결되어 배기 가스의 일부를 공기에 섞어 연소 온도를 제어한다. 이러한 연소 온도는 상기 배기 가스 재순환 장치에 구비된 EGR 밸브(도시하지 않음)를 ON/OFF 제어함으로써 조절될 수 있다. 즉, EGR 밸브를 ON/OFF 제어함으로써 흡기 매니폴드에 공급되는 배기 가스의 양을 조절한다.
상기 배기 장치에는 배기 파이프에 장착되어 배기 가스에 포함된 입자상 물질을 포집하는 매연 필터를 더 포함할 수 있다. 상기 매연 필터는 배기 가스에 포함된 입자상 물질 외의 유해한 물질을 정화하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조로, 본 발명의 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터의 단면도이며, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터의 일부 유입 채널과 유출 채널을 도시한 정면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 촉매가 코팅된 매연 필터(1)는 하우징 내에 적어도 하나 이상의 유입 채널(10)과, 적어도 하나 이상의 유출 채널(20)을 포함한다. 상기 복수개의 유입 채널(10)과 유출 채널(20)은 월(30)에 의하여 구획되어 있다. 또한, 상기 적어도 하나 이상의 유입 채널(10)과 적어도 하나 이상의 유출 채널(20) 중 적어도 하나 이상의 내부에는 지지체(40)가 배치될 수 있다.
본 명세서에서 유입 채널(10)과 유출 채널(20)은 모두 '셀'로 통칭될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 하우징의 형상은 원통 형상이고 셀의 형상은 사각형인 것을 예시하였으나, 하우징의 형상과 셀의 형상은 예시된 형상들에 한정되지 아니한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 유입 채널(10)은 배기 가스의 흐름을 따라서 연장되어 있다. 상기 유입 채널(10)의 전단은 개구되어 배기 가스가 상기 유입 채널(10)을 통하여 매연 필터(1)의 내부로 유입된다. 상기 유입 채널(10)의 후단은 제1플러그(12)에 의하여 막혀 있다. 따라서, 매연 필터(1) 내부의 배기 가스는 유입 채널(10)을 통하여 매연 필터(1) 외부로 유출될 수 없다.
상기 유출 채널(20)은 배기 가스의 흐름을 따라서 연장되어 있으며, 상기 유입 채널(10)과 평행하게 배치될 수 있다. 상기 유출 채널(20)의 주위에는 적어도 하나 이상의 유입 채널(10)이 위치하고 있다.
예를 들어, 셀의 형상이 사각형이면, 유출 채널(20)을 둘러싸는 월(30)은 4개의 면을 가지고 있다. 상기 4개의 면 중 적어도 하나 이상의 면은 유출 채널(20)과, 이에 이웃하는 유입 채널(10) 사이에 위치하게 된다. 셀의 형상이 사각형이면, 유출 채널(20)은 4개의 이웃하는 유입 채널(10)에 의하여 둘러싸이고 유입 채널(10)은 4개의 이웃하는 유출 채널(20)의하여 둘러싸일 수 있으나, 이에 한정되지는 아니한다.
상기 유출 채널(20)의 전단은 제2플러그(22)에 의하여 막혀 있어 배기 가스가 유출 채널(20)을 통하여 매연 필터(1)의 내부로 유입될 수 없다. 상기 유출 채널(20)의 후단은 개구되어 매연 필터(1) 내부의 배기 가스는 상기 유출 채널(20)을 통하여 매연 필터(1)의 외부로 유출되게 된다.
월(30)은 이웃하는 유입 채널(10)과 유출 채널(20) 사이에 배치되어 경계를 정의한다. 상기 월(30)을 그 내부에 적어도 하나 이상의 세공(micropore)이 형성된 다공성 월(30)일 수 있다. 상기 다공성 월(30)은 이웃하는 유입 채널(10)과 유출 채널(20)을 유체적으로 연통한다. 따라서, 유입 채널(10)로 유입된 배기 가스는 상기 다공성 월(30)을 통하여 유출 채널(20)로 이동할 수 있다. 또한, 상기 다공성 월(30)은 배기 가스에 포함된 입자상 물질은 통과시키지 않는다. 배기 가스가 다공성 월(30)을 통하여 유입 채널(10)에서 유출 채널(20)로 이동할 때, 상기 배기 가스에 포함된 입자상 물질은 다공성 월(30)에 의하여 걸러진다. 상기 다공성 월(30)은 알루미늄 티타네이트(aluminum titanate), 코디어라이트(codierite), 실리콘 카바이드(silicon carbide) 등에 의하여 제작될 수 있다.
상기 지지체(40)는 상기 유입 채널(10)과 유출 채널(20) 중 적어도 하나 이상의 내부에 배치될 수 있다. 상기 지지체(40)는 유입 채널(10)에만 배치될 수도 있고 유출 채널(20)에만 배치될 수도 있다. 도 1 내지 도 3에서는, 상기 지지체(40)가 유입 채널(10) 및/또는 유출 채널(20)이 연장되는 방향에 평행하게 연장되어 있는 것을 도시하였으나, 이에 한정되지 아니한다.
즉, 상기 지지체(40)는 유입 채널(10) 및/또는 유출 채널(20)이 연장되는 방향에 수직 또는 비스듬하게 연장될 수 있다. 상기 지지체(40)는 유입 채널(10) 및/또는 유출 채널(20)이 연장되는 방향에 수직 또는 비스듬하게 연장되는 경우, 상기 지지체(40)의 양단 중 적어도 하나는 상기 셀을 구획하는 다공성 월(30)에 접촉하지 않을 수 있다.
한편, 지지체(40)는 필터의 역할을 수행하기 위하여 구비되는 것이 아니라 촉매를 잡아 두기 위하여 구비되는 것이므로, 반드시 다공성 재질로 제작될 필요가 없다. 즉, 지지체(40)는 상기 다공성 월(30)과 동일한 재질로 제작되거나 다른 재질로 제작될 수 있다. 지지체(40)가 다공성 재질로 제작된다고 하더라도, 지지체(40)에 의하여 구획되는 채널(10 또는 20)의 두 부분 사이에는 압력 차이가 거의 없으므로, 배기 가스는 거의 지지체를 통과하지 않고 지지체(40)와 월(30)을 따라 이동하게 된다. 또한, 지지체(40)는 필터의 역할을 수행할 필요가 없으므로, 지지체(40)를 두껍게 형성할 필요가 없다. 즉, 지지체(40)의 두께는 월(30)의 두께보다 얇게 형성할 수 있으며, 이는 배압의 증가를 최소화하게 된다. 지지체(40)가 다공성 재질로 제작되면, 상기 촉매는 지지체(40)의 표면과 지지체(40) 내부의 세공(micropore)에 코팅되게 된다. 이와는 달리, 지지체(40)가 비다공성(non-porous) 재질로 제작되면, 상기 촉매는 지지체(40)의 표면에 코팅되게 된다.
그리고, 상기 지지체(40)는 유입 채널(10) 내부에 배치되는 제1 지지체(40a) 및 유출 채널(20) 내부에 배치되는 제2 지지체(40b)을 포함한다.
그리고, 상기 제1 지지체(40a), 상기 다공성 월(30) 및 상기 제2 지지체(40b)의 적어도 하나에는 촉매가 배치될 수 있다. 상기 제1 지지체(40a)에는 제1 촉매(50)가 코팅될 수 있고, 상기 다공성 월(30)에는 제2 촉매(60)가 코팅될 수 있으며, 상기 제2 지지체(40b)에는 제3 촉매(70)가 배치될 수 있다.
상기 제1 촉매(50), 상기 제2 촉매(60) 및 상기 제3 촉매(70)는 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT) 촉매, 삼원 촉매, 산화 촉매, 탄화수소 트랩 촉매, 선택적 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매 등 다양한 촉매를 포함할 수 있다.
또한, 제1 지지체(40a), 상기 다공성 월(30) 및 상기 제2 지지체(40b)에는 두 종류 이상의 촉매가 코팅될 수 있다. 더 나아가, 제1 지지체(40a), 상기 다공성 월(30) 및 상기 제2 지지체(40b)의 일면과 타면에는 다른 종류의 촉매가 코팅될 수도 있다. 예를 들어, 상기 유입 채널(10) 쪽의 내벽인 다공성 월(30)의 일면과, 상기 유출 채널(20) 쪽의 내벽인 상기 다공성 월(30)의 타면에는 다른 종류의 촉매가 코팅될 수도 있다. 또한, 상기 제1 지지체(40a)의 일면과 타면에는 서로 다른 종류의 촉매가 코팅될 수 있고, 상기 제2 지지체(40b)의 일면과 타면에도 서로 다른 종류의 촉매가 코팅될 수 있다.
물론, 상기 다공성 월(30)의 유입 채널(10)의 내벽들에 코팅되는 촉매의 종류는 동일하고, 다공성 월(30)의 유출 채널(20)의 내벽들에 코팅되는 촉매의 종류도 동일할 수 있고, 상기 제1 지지체(40a) 또는 상기 제2 지지체(40b)의 양면에 코팅되는 종류도 동일할 수 있다.
그리고, 상기 유입 채널(10)의 적어도 하나의 내벽에 코팅되는 촉매의 종류는 상기 유출 채널(20)의 적어도 하나의 내벽에 코팅되는 촉매의 종류 또는 상기 제1 지지체(40a) 또는 상기 제2 지지체(40b)의 양면 중 적어도 일면에 코팅되는 촉매의 종류와 다를 수도 있다.
예를 들어, 본 발명의 한 실시예에 따라, 상기 제1 지지체(40a)에 코팅된 제1 촉매(50) 및 상기 다공성 월(30)에 코팅된 제2 촉매(60)는 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT) 촉매이고, 제2 지지체(40b)에 코팅된 제3 촉매(70)는 선택적 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매일 수 있다.
여기서, 상기 제2 지지체(40b)에 코팅된 상기 선택적 환원 촉매는 우레아(Urea) 분사 없이 LNT 촉매에서 배출하는 암모니아(NH3)를 이용한 SCR 촉매 방식의 패시브 SCR(Passive SCR, pSCR)을 포함할 수 있다. 여기서, pSCR은 LNT 후단에 배치되어, LNT에서 생성된 암모니아를 일시적으로 흡장하고, 상기 흡장된 암모니아와 배기 가스에 포함된 질소산화물을 반응시켜 배기 가스에 포함된 질소산화물을 정화할 수 있다.
따라서, 본 발명의 한 실시예에 따라, 유입 채널(10)을 통하여 유입된 배기 가스는 상기 제1 지지체(40a)에 코팅된 상기 제1 촉매(50)를 접촉한 후, 상기 다공성 월(30)에 코팅된 상기 제2 촉매(60)를 통과하고, 상기 유출 채널(20)에 형성된 제2 지지체(40b)에 코팅된 상기 제3 촉매(70)를 접촉할 수 있다.
그리고, 본 발명의 다른 실시예에 따라, 상기 제1 지지체(40a)에 코팅된 제1 촉매(50) 및 상기 다공성 월(30)에 코팅된 제2 촉매(60)는 선택적 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매이고, 상기 제2 지지체(40b)에 코팅된 제3 촉매(70)는 산화 촉매(oxidation catalyst)일 수 있다. 여기서, 상기 산화 촉매는 환원제가 슬립되어 외부로 방출되는 것을 방지하는 암모니아 산화 촉매(ammonia oxidation catalyst, AOC)를 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따라, 상기 유입 채널(10)을 통하여 유입된 유체는, 상기 제1 지지체(40a)에 코팅된 선택적 환원 촉매를 접촉한 후, 상기 다공성 월(30)에 코팅된 선택적 환원 촉매를 통과하고, 상기 유출 채널(20)에 형성된 제2 지지체(40b)에 코팅된 암모니아 산화 촉매를 접촉할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 상기 제1 지지체(40a)에 코팅된 제1 촉매(50) 및 상기 제2 지지체(40b)에 코팅된 제3 촉매(70)는 선택적 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매를 포함하고, 상기 다공성 월(30)에 코팅된 제2 촉매(60)는 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT) 촉매를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 지지체(40a)에 코팅된 SCR은 환원제로 일산화탄소(C0)를 이용하는 일산화탄소 선택적 환원 촉매(CO-SCR)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제2 지지체(40b)에 코팅된 SCR은 우레아(Urea) 분사 없이 LNT 촉매에서 배출하는 암모니아(NH3)를 이용한 SCR 촉매 방식의 패시브 SCR(Passive SCR, pSCR)을 포함할 수 있다. 여기서, pSCR은 LNT 후단에 배치되어, LNT에서 생성된 암모니아를 일시적으로 흡장하고, 상기 흡장된 암모니아와 배기 가스에 포함된 질소산화물을 반응시켜 배기 가스에 포함된 질소산화물을 정화할 수 있다.
따라서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 상기 유입 채널(10)을 통하여 유입된 유체는, 상기 제1 지지체(40a)에 코팅된 CO-SCR을 접촉한 후, 상기 다공성 월(30)에 코팅된 LNT 촉매를 통과하고, 상기 제2 지지체(40b)에 코팅된 pSCR을 접촉할 수 있다.
또한, 앞에서 언급한 바와 같이, 상기 제1 촉매(50), 제2 촉매(60) 및 제3 촉매(70)는 상기 제1 지지체(40a), 상기 다공성 월(30) 및 상기 제2 지지체(40b)에 모두 코팅될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 지지체(40a)에 코팅되는 제1 촉매(50) 및 상기 제2 지지체(40b)에 코팅된 제3 촉매(70)의 양은 상기 다공성 월(30)에 코팅되는 제2 촉매(60)의 양보다 많을 수 있다. 상기 다공성 월(30)은 필터의 역할을 수행하므로 다공성 월(30)에는 제2 촉매(60)를 얇게 코팅할 수 있다. 그러나, 제1 지지체(40a) 및 제2 지지체(40b)는 필터의 역할을 수행할 필요가 없으므로, 제1 지지체(40a) 및 제2 지지체(40b)에는 제1 촉매(50) 또는 제3 촉매(70)를 두껍게 코팅할 수 있다. 이에 따라, 매연 필터(1)에 코팅되는 촉매의 양을 증가시킬 수 있다. 여기서, 상기 제1 촉매(50), 상기 제2 촉매(60) 및 상기 제3 촉매(70)의 양은 단위 길이 또는 단위 면적 당 코팅되는 촉매의 양을 의미한다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따라 2종의 촉매가 코팅된 매연 필터에 의한 녹스(NOx) 전환 효율을 나타내는 그래프이다.
도 4에서, 종래기술과 같이, 추가적인 월이 없는 DPF(Diesel Particulate matter Filter)가 LNT 후단에 배치되는 경우(a)에는 녹스(NOx) 정화 효율이 40%를 조금 넘으므로, 매연 필터의 성능 개선이 필요하다.
하지만, LNT 후단에 배치된 DPF에 SCR 촉매가 코팅된 경우(b)에는 전단의 LNT 농후 퍼지(rich purge)시에 생성되는 NH3를 활용하여 NOx를 추가로 제거할 수 있으므로, NOx 정화 효율이 향상될 수 있다. 또한, 본 발명에서와 같이, LNT 후단에 배치된 DPF에 직접 LNT 촉매를 코팅하는 경우(c)에는 NOx 정화 효율이 개선될 수 있다.
특히, 본 발명의 한 실시예에서는 추가 월이 포함된 DPF에 LNT 촉매와 SCR 촉매를 함께 코팅(d)함으로써, NOx 정화 효율을 70%이상으로 극대화시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 한 실시예에서는 추가적인 SCR 촉매 설치가 필요 없으므로, 매연 필터의 부피를 감소시킬 수 있으며, 동일 DPF 내에 SCR이 코팅되어 열손실이 없으므로, NOx 정화 효율을 개선할 수 있다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따라 3종의 촉매가 코팅된 매연 필터에 녹스(NOx) 전환 효율을 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라, 상기 제1 지지체(40a)에는 일산화탄소 선택적 환원 촉매(CO-SCR)가 코팅되고, 상기 다공성 월(30)에는 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT) 촉매가 코팅되며, 상기 제2 지지체(40b)에는 pSCR 촉매가 코팅될 수 있다.
여기서, CO-SCR은 100℃ 내지 250℃의 온도 영역에서 NOx 정화 효율이 높고, LNT 촉매는 200℃ 내지 400℃의 온도 영역에서 NOx 정화 효율이 높으며, pSCR은 250℃ 내지 500 ℃의 온도 영역에서 NOx 정화 효율이 높다.
따라서, 본 발명의 한 실시예에 따른 매연 필터는 저온에서 성능이 우수한 CO-SCR 촉매를 입구 방향인 유입 채널(10)에 추가된 지지체에 코팅하고, 유입 채널(10)과 유출 채널(20) 사이의 월에는 LNT 촉매를 코팅하며, 출구 방향인 유출 채널(20)에 추가된 지지체에는 pSCR 촉매를 각각 코팅함으로써, NOx 정화를 위한 온도 범위를 확장시킬 수 있다.
그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 매연 필터는 LNT 촉매의 농후 조건(rich purge)시에 생성되는 NH3를 pSCR 촉매에 저장한 후, 희박(lean) 조건에서의 NOx 제거에 사용함으로써, 종래와 같이 pSCR이 DPF 후단에 설치되어 발생되는 온도 손실을 최소화하여 NOx 정화 성능을 개선할 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

Claims (16)

  1. 유체가 유입되는 일단과, 막혀 있는 타단을 포함하며, 길이 방향으로 연장된 적어도 하나 이상의 유입 채널;
    막혀 있는 일단과, 유체가 유출되는 타단을 포함하며, 상기 길이 방향으로 연장된 적어도 하나 이상의 유출 채널;
    이웃하는 유입 채널과 유출 채널 사이의 경계를 정의하며, 상기 길이 방향으로 연장된 적어도 하나 이상의 월; 그리고
    상기 적어도 하나 이상의 유입 채널과 상기 적어도 하나 이상의 유출 채널 중 적어도 하나 이상의 내부에 위치하는 적어도 하나 이상의 지지체;
    를 포함하며,
    적어도 두 종류 이상의 촉매가 상기 유입 채널의 적어도 하나의 내벽, 유출 채널의 적어도 하나의 내벽 또는 지지체의 양면에 코팅되되,
    상기 유입 채널의 적어도 하나의 내벽에 코팅되는 촉매의 종류는 동일하고, 상기 유출 채널의 적어도 하나의 내벽에 코팅되는 촉매의 종류도 동일하며, 상기 지지체의 양면 중 적어도 일면에 코팅되는 촉매의 종류도 동일한 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유입 채널의 적어도 하나의 내벽에 코팅되는 촉매의 종류는 상기 유출 채널의 적어도 하나의 내벽에 코팅되는 촉매의 종류 또는 상기 지지체의 양면 중 적어도 일면에 코팅되는 촉매의 종류와 다른 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 지지체의 양면 각각에는 서로 다른 종류의 촉매가 코팅되는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유입 채널을 통하여 유입된 유체는,
    상기 월을 통과하여 상기 유출 채널로 흘러가는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유입 채널의 적어도 하나의 내벽, 상기 유출 채널의 적어도 하나의 내벽, 상기 유입 채널에 형성된 지지체의 양면 중 적어도 하나에는,
    린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT) 촉매가 코팅되는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유출 채널에 형성된 지지체의 양면 중 적어도 일면에는,
    선택적 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매가 코팅되는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유입 채널을 통하여 유입된 유체는,
    상기 유입 채널에 형성된 지지체에 코팅된 촉매를 접촉한 후, 상기 월에 코팅된 촉매를 통과하고, 상기 유출 채널에 형성된 지지체에 코팅된 촉매를 접촉하는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터.
  8. 유체가 유입되도록 개구된 일단과, 유체가 흘러가지 못하도록 막힌 타단을 포함하는 적어도 하나 이상의 유입 채널;
    유체가 흘러가지 못하도록 막힌 일단과, 유체가 유출되도록 개구된 타단을 포함하며, 상기 적어도 하나 이상의 유입 채널과 교번하여 배치되는 적어도 하나 이상의 유출 채널;
    상기 이웃하는 유입 채널과 유출 채널 사이에 배치되며, 유입 채널의 유체가 유출 채널로 흘러가도록 하는 다공성 월; 그리고
    상기 적어도 하나 이상의 유입 채널과 상기 적어도 하나 이상의 유출 채널 중 적어도 하나 이상의 내부에 위치하는 지지체;
    를 포함하며,
    적어도 두 종류의 촉매가 상기 다공성 월, 상기 유입 채널에 형성된 지지체 또는 상기 유출 채널에 형성된 지지체에 코팅되되,
    상기 다공성 윌에 코팅되는 촉매의 종류 또는 상기 유입 채널에 형성된 지지체에 코팅되는 촉매의 종류는 상기 유출 채널에 형성된 지지체에 코팅되는 촉매의 종류와 다른 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 다공성 월 또는 상기 유입 채널에 형성된 지지체 중 적어도 하나에는,
    선택적 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매가 코팅되는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 유출 채널에 형성된 지지체에는,
    산화 촉매(oxidation catalyst)가 코팅되는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 산화 촉매는,
    암모니아 산화 촉매(ammonia oxidation catalyst, AOC)를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 유입 채널을 통하여 유입된 유체는,
    상기 유입 채널에 형성된 지지체에 코팅된 선택적 환원 촉매를 접촉한 후, 상기 다공성 월에 코팅된 선택적 환원 촉매를 통과하고, 상기 유출 채널에 형성된 지지체에 코팅된 상기 암모니아 산화 촉매를 접촉하는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터.
  13. 유체가 유입되도록 개구된 일단과, 유체가 흘러가지 못하도록 막힌 타단을 포함하는 적어도 하나 이상의 유입 채널;
    유체가 흘러가지 못하도록 막힌 일단과, 유체가 유출되도록 개구된 타단을 포함하는 유출 채널;
    이웃하는 유입 채널과 유출 채널 사이에 배치되며, 유입 채널의 유체가 유출 채널로 흘러가도록 하는 다공성 월; 그리고
    상기 적어도 하나 이상의 유입 채널과 상기 적어도 하나 이상의 유출 채널 중 적어도 하나 이상의 내부에 위치하는 지지체;
    를 포함하며,
    적어도 두 종류의 촉매가 상기 다공성 월의 일면 또는 타면, 상기 유입 채널에 형성된 지지체의 일면 또는 타면, 상기 유출 채널에 형성된 지지체의 일면 또는 타면에 코팅되되,
    상기 유입 채널에 형성된 지지체의 일면 또는 타면에 코팅된 촉매의 종류 또는 상기 유출 채널에 형성된 지지체의 일면 또는 타면에 코팅된 촉매의 종류는 상기 다공성 월의 일면 또는 타면에 코팅된 촉매의 종류와 다른 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 유입 채널을 통하여 유입된 유체는,
    상기 유입 채널에 형성된 지지체에 코팅된 촉매를 접촉한 후, 상기 다공성 월에 코팅된 촉매를 통과하고, 상기 유출 채널에 형성된 지지체에 코팅된 촉매를 접촉하는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 유입 채널에 형성된 지지체 또는 상기 유출 채널에 형성된 지지체에는,
    선택적 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매가 코팅되는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 다공성 월에는,
    린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT) 촉매가 코팅되는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연 필터.
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