KR20190090555A - Integrated after exhaust treatment apparatus using metal fiber support - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 금속섬유담체를 이용한 통합 배기후처리장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 내연 기관에서 발생되는 배기 가스 내의 유해 물질을 제거하기 위한 다양한 종류의 배기후처리장치를 통합하여 효과적으로 구현할 수 있고, 세라믹 담체의 사용에 따른 문제점을 개선할 수 있는 금속섬유담체를 이용한 통합 배기후처리장치에 관한 것이다.The present invention relates to an integrated exhaust aftertreatment apparatus using a metal fiber carrier, and more particularly, it can be effectively implemented by integrating various types of exhaust aftertreatment apparatuses for removing harmful substances in exhaust gas generated from an internal combustion engine. The present invention relates to an integrated exhaust aftertreatment apparatus using a metal fiber carrier which can improve the problems caused by the use of a ceramic carrier.
일반적으로, 가솔린이나 경유 등과 같은 탄화소수계 연료를 사용하는 내연기관의 엔진은 불완전 연소와 화학적 반응에 의하여 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx), 입자상물질(PM, Particulate Matter) 등의 유해 물질을 포함한 배기 가스를 배출한다.In general, engines of internal combustion engines that use hydrocarbon-based fuels such as gasoline or diesel fuel have carbon monoxide (CO), hydrocarbons (HC), nitrogen oxides (NOx), particulate matter (PM, Particulate Matter) by incomplete combustion and chemical reactions. Exhaust gas containing harmful substances such as
따라서, 내연 기관의 엔진의 배기 경로에는 유해 물질을 포함하고 있는 배기 가스가 공기 중으로 그대로 배출되는 것을 방지하기 위한 다양한 종류의 배기후처리장치가 설치되고 있다.Therefore, various types of exhaust post-treatment devices are installed in the exhaust path of the engine of the internal combustion engine to prevent exhaust gas containing harmful substances from being exhausted into the air.
상기와 같은 배기후처리장치는 정화하려는 가스의 종류와 정화방법에 따라 다양한 종류가 사용되고 있다. 예를 들면, 최근의 배기후처리장치는 GPF(Gasoline Particulate Filter), LNT(Lean NOx Trap: NOx 흡장 촉매), SCR(Selective Catalytic Reduction: 선택적환원촉매), CDPF(Catalyzed Diesel Particulate Filter: 디젤입자상물질촉매필터), SDPF(SCR+Diesel Particulate Filter) 등이 널리 사용되고 있다.The exhaust post-treatment apparatus as described above is used in various types depending on the type of gas to be purified and the purification method. For example, recent exhaust after-treatment devices include Gasoline Particulate Filter (GPF), Lean NOx Trap (NOx occlusion catalyst), Selective Catalytic Reduction (SCR), and Catalyst Diesel Particulate Filter (CDPF). Catalytic filter) and SDPF (SCR + Diesel Particulate Filter) are widely used.
여기서, 과거에는 가솔린엔진에서 배출되는 유해가스를 TWC(Three-way catalyst: 삼원촉매)만으로 충분히 해결할 수 있었으나, 최근에는 배기규제가 강화되면서 더 많은 귀금속 촉매제를 써야 하고 가솔린입자상물질의 배출량을 줄이기 위해 GPF를 추가로 사용하고 있다.Here, in the past, harmful gases emitted from gasoline engines could be solved with TWC (Three-way catalyst) alone, but in recent years, as the exhaust regulations are strengthened, more precious metal catalysts have to be used, and gasoline particulate matter emissions have been reduced. Additional GPFs are used.
또한, 디젤엔진에서도 이전에는 단순한 DOC(Diesel Oxidation Catalyst: 디젤산화촉매)와 DPF(Diesel Particulate Filter: 디젤입자상물질필터)만 사용해도 해결되었으나, 최근의 배기규제 강화로 인하여 질소산화물을 줄이기 위한 LNT와 SCR, 그리고 포집한 입자상물질을 효과적으로 연소시키기 위한 CDPF가 복합적으로 사용되고 있다.In addition, in diesel engines, the use of simple DOC (Diesel Oxidation Catalyst) and DPF (Diesel Particulate Filter) have been solved.However, due to recent exhaust regulations, LNT and SCR and CDPF are used in combination to effectively burn the collected particulate matter.
또한, 내연기관의 엔진에서 연소시 발생되는 이산화탄소(CO2)는 인체에 직접적으로 유해한 독성가스는 아니지만 지구온난화가스(GHG)로 규정되어 발생총량 규제를 받고 있으며 그 규제가 점차 강화되는 추세이다. 자동차의 경우에는, 단위 운행거리당(g/km) 이산화탄소의 발생을 줄이기 위한 방법으로 엔진의 열효율을 향상시켜 연료소비량을 줄이거나 또는 자동차의 총중량을 감소시켜 연료소비량을 줄이는 방법이 있다. 단기적으로는, 자동차의 부품 무게를 줄여 경량화를 구현하여 좀더 쉽게 이산화탄소의 발생량을 효과적으로 줄일 수 있다. In addition, carbon dioxide (CO2) generated during combustion in an engine of an internal combustion engine is not a toxic gas directly harmful to the human body, but is regulated as a global warming gas (GHG) and is regulated in total amount, and the regulation is gradually being strengthened. In the case of automobiles, there is a method of reducing fuel consumption by improving the thermal efficiency of the engine to reduce the generation of carbon dioxide per unit mileage (g / km) or by reducing the total weight of the vehicle. In the short term, the weight of automobile parts can be reduced and the weight can be realized.
최근에는 다양한 종류의 배기후처리장치들을 복합적으로 사용하여 배기 가스에 포함된 유해 물질의 배출량을 더욱 감소시키고 있다. 예를 들면, 일본공개특허 제2014-005735호 (발명의 명칭: 배기가스 정화 시스템, 공개일: 2014.01.16)에는 배기 가스의 정화 성능을 저하시키지 않으면서 비용을 절감하기 위한 배기가스 정화 시스템이 개시되어 있다. 즉, 일본공개특허 제2014-005735호에서는 디젤 엔지의 배기관에 하류측을 향해서 제1 DOC, CSF(Catalyzed Soot Filter: 촉매 부착 필터), 제2 DOC, SCR이 직렬로 접속되는 구조가 개시되어 있다.Recently, various types of exhaust post-treatment devices have been used in combination to further reduce the amount of harmful substances contained in the exhaust gas. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-005735 (Invention: Exhaust Gas Purification System, Publication Date: January 16, 2014) discloses an exhaust gas purification system for reducing costs while reducing the purification performance of exhaust gas. Is disclosed. In other words, Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2014-005735 discloses a structure in which a first DOC, a CSF (catalized soot filter), a second DOC, and an SCR are connected in series to an exhaust pipe of a diesel engine toward a downstream side. .
상기와 같이 다양한 종류의 배기후처리장치들을 복합적으로 사용하는 경우에는, 배기 가스로 배출되는 유해 물질을 현저하게 줄여 규제치를 만족시킬 수 있고, 그로 인해서 대기오염의 예방 효과를 매우 높일 수 있다. 하지만, 이 경우에는 전체 시스템이 복잡해지고, 전체 시스템의 사이즈가 커짐에 따라 차량 내의 설치 공간에 대한 한계가 있고, 전체 시스템의 무게가 증가하여 연비를 악화시키며, 전반적으로 생산비가 증가하는 단점이 있다.When using various types of exhaust aftertreatment in combination as described above, it is possible to significantly reduce the harmful substances discharged to the exhaust gas to satisfy the regulatory value, thereby greatly increasing the prevention effect of air pollution. However, in this case, as the entire system becomes complicated, and as the size of the entire system increases, there is a limit to the installation space in the vehicle, and the weight of the entire system increases, worsening fuel economy, and the overall production cost increases. .
특히, 기존의 배기후처리장치들에 사용되는 촉매물질을 지지시키기 위한 담체의 주요 재료는 코디어라이트와 실리콘카바이드와 같은 세라믹 재료를 사용하고 있다. 그런데, 기존의 세라믹 담체는 낮은 열팽창계수를 가지고 있어 우수한 열충격 저항성이 있으나, 전반적으로 물질적 충격 강도가 낮아 깨지기 쉽고, 열용량이 높아 저온 구간에서 온도가 빨리 상승하지 않기 때문에 이 구간에서 배기 가스의 정화 성능이 낮아지는 단점이 있다.In particular, the main material of the carrier for supporting the catalytic material used in the existing after-treatment apparatus is using a ceramic material such as cordierite and silicon carbide. However, conventional ceramic carriers have a low coefficient of thermal expansion, and thus have excellent thermal shock resistance, but overall, they have low physical impact strength and are easily broken, and since the thermal capacity is high, the temperature does not rise quickly in the low temperature section, thereby purifying exhaust gas in this section. This has the disadvantage of being lowered.
본 발명의 실시예는, 내연 기관에서 발생되는 배기 가스 내의 유해 물질을 제거하기 위한 다양한 종류의 배기후처리장치들을 통합적으로 구성할 수 있는 금속섬유담체를 이용한 통합 배기후처리장치를 제공한다.Embodiments of the present invention provide an integrated exhaust aftertreatment apparatus using a metal fiber carrier that can integrally constitute various types of exhaust aftertreatment apparatuses for removing harmful substances in exhaust gas generated in an internal combustion engine.
또한, 본 발명의 실시예는, EURO-6 이후의 자동차 배출가스규제 강화를 충분히 만족시키기 위하여 높은 정화 효율을 가지면서도 전체 시스템의 단순화, 소형화, 경량화 및 생산비 절감을 구현할 수 있는 금속섬유담체를 이용한 통합 배기후처리장치를 제공한다.In addition, the embodiment of the present invention, using a metal fiber carrier that can implement the simplification, miniaturization, light weight and reduction of production cost while having a high purification efficiency in order to fully satisfy the strengthening of vehicle emission regulations after EURO-6 Provide an integrated exhaust aftertreatment device.
또한, 본 발명의 실시예는, 금속섬유로 형성된 금속섬유담체를 사용하여 기존의 세라믹담체와 기존의 금속담체가 갖는 단점을 해소할 수 있고, 금속섬유담체에 촉매제를 담지하여 귀금속 담지손실을 줄일 수 있는 금속섬유담체를 이용한 통합 배기후처리장치를 제공한다.In addition, the embodiment of the present invention, by using a metal fiber carrier formed of metal fibers can solve the disadvantages of the existing ceramic carriers and the existing metal carriers, and to reduce the loss of supporting precious metals by supporting the catalyst on the metal fiber carriers Provided is an integrated exhaust aftertreatment apparatus using a metal fiber carrier.
본 발명의 일실시예에 따르면, 내연 기관에서 발생되는 제1 배기 가스를 배기시키도록 상기 내연 기관에 연결되는 배기 파이프, 상기 배기 파이프로부터 상기 제1 배기 가스를 전달 받도록 상기 배기 파이프에 연결되고 희박공연비 운전 조건에서 상기 제1 배기 가스 내의 질소산화물을 환원시켜 제거함과 아울러 상기 제1 배기 가스 내의 입자상물질을 포집하여 제거하는 선택적환원촉매필터(SRF, Selective Catalytic Reduction Filter), 및 상기 선택적환원촉매필터에서 1차 정화된 제2 배기 가스를 전달 받도록 상기 선택적환원촉매필터에 연결되고 희박공연비 운전 조건에서 상기 제2 배기 가스 내의 질소산화물을 흡장시킨 후 일시적 과농공연비 운전 조건에서 질소산화물을 제거하며 희박공연비 운전 조건에서 탄화수소, 일산화탄소, 암모니아 등을 산화시켜 제거함과 아울러 상기 제2 배기 가스 내의 입자상물질을 포집하여 제거하는 질소산화물흡장촉매필터(LTF, Lean NOx Trap Filter)를 포함하는 금속섬유담체를 이용한 통합 배기후처리장치를 제공한다.According to an embodiment of the present invention, an exhaust pipe connected to the internal combustion engine to exhaust the first exhaust gas generated in the internal combustion engine, and connected to the exhaust pipe to receive the first exhaust gas from the exhaust pipe, are lean. Selective Catalytic Reduction Filter (SRF), and Selective Reduction Catalyst Filter for reducing and removing nitrogen oxides in the first exhaust gas and collecting and removing particulate matter in the first exhaust gas under an air-fuel ratio operating condition. Connected to the selective reduction catalyst filter so as to receive the first purified exhaust gas at and absorbing nitrogen oxides in the second exhaust gas under lean fuel consumption operation conditions, and then removing nitrogen oxides under temporary concentrating fuel efficiency operation conditions, and lean. By oxidizing hydrocarbons, carbon monoxide, ammonia, etc. In addition, and also to provide the second removing and collecting a particulate matter in the nitrogen oxide storage catalyst in the exhaust gas to the filter and then integrated exhaust using a metal carrier body comprising a fiber (LTF, Lean NOx Trap Filter) processing apparatus.
따라서, 본 실시예에서는 상기 선택적환원촉매필터와 상기 질소산화물흡장촉매필터를 통합적으로 구성함으로써, 기존의 LNT, SCR, DPF 등을 단순 조합하는 것보다 정화 효율을 더 높일 수 있고, 전체적인 구조의 단순화와 소형화도 실현할 수 있다.Therefore, in the present embodiment, by integrally configuring the selective reduction catalyst filter and the nitrogen oxide storage catalyst filter, it is possible to increase the purification efficiency more than simple combination of existing LNT, SCR, DPF, etc., simplifying the overall structure And miniaturization can also be realized.
일측면에 따르면, 상기 선택적환원촉매필터 및 상기 질소산화물흡장촉매필터에는 금속 섬유로 형성된 필터형 금속섬유담체가 배치될 수 있다.According to one aspect, the selective reduction catalyst filter and the nitrogen oxide storage catalyst filter may be a filter-type metal fiber carrier formed of metal fibers.
상기 필터형 금속섬유담체는, 상기 금속 섬유로 제조된 주름 형상의 직포 또는 부직포로 형성될 수 있다.The filter-type metal fiber carrier may be formed of a pleated woven or nonwoven fabric made of the metal fiber.
상기 필터형 금속섬유담체는, 상기 선택적환원촉매필터와 상기 질소산화물흡장촉매필터의 내부 공간에 대응하는 형상으로 각각 가공될 수 있고, 상기 제1 배기 가스와 상기 제2 배기 가스의 압력 및 상기 입자상물질의 제거 효율에 따라 두께나 겹침 형상이 결정될 수 있다.The filter-type metal fiber carrier may be processed into shapes corresponding to internal spaces of the selective reduction catalyst filter and the nitrogen oxide storage catalyst filter, respectively, and the pressure and particulate matters of the first exhaust gas and the second exhaust gas. The thickness or overlapping shape can be determined according to the removal efficiency of the material.
상기 필터형 금속섬유담체는, 상기 금속 섬유에 알루미늄이 포함되어 상기 금속 섬유의 가열 성형시 상기 금속 섬유의 표면에 알루미나 산화피막이 형성될 수 있다. 상기와 같은 알루미나 산화피막에는 촉매제가 담지될 수 있다.The filter-type metal fiber carrier may include aluminum in the metal fiber to form an alumina oxide film on the surface of the metal fiber when the metal fiber is heat-molded. The alumina oxide film as described above may be supported with a catalyst.
일측면에 따르면, 상기 선택적환원촉매필터 및 상기 질소산화물흡장촉매필터는, 상기 선택적환원촉매필터의 가스 배출구와 상기 질소산화물흡장촉매필터의 가스 흡입구를 서로 연결시킨 일체형으로 형성될 수 있다.According to one aspect, the selective reduction catalyst filter and the nitrogen oxide storage catalyst filter, it may be formed integrally connecting the gas outlet of the selective reduction catalyst filter and the gas inlet of the nitrogen oxide storage catalyst filter.
일측면에 따르면, 본 발명의 일실시예에 따른 통합 배기후처리장치는, 상기 선택적환원촉매필터의 전방부 또는 상기 배기 파이프에 배치되고 상기 질소산화물의 환원 작용에 사용되기 위하여 상기 제1 배기 가스에 환원제를 분사하는 환원제 분사 모듈을 더 포함할 수 있다.According to one aspect, the integrated exhaust after-treatment apparatus according to an embodiment of the present invention, the first exhaust gas to be disposed in the front of the selective reduction catalyst filter or the exhaust pipe and used for the reduction of the nitrogen oxides Reducing agent injection module for injecting a reducing agent may be further included.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 통합 배기후처리장치는, 상기 선택적환원촉매필터의 전방부 또는 상기 배기 파이프에 배치되고 상기 제1 배기 가스의 공연비를 변화시키기 위하여 상기 제1 배기 가스에 연료를 분사하는 연료 분사 모듈을 더 포함할 수 있다.In addition, the integrated exhaust after-treatment apparatus according to an embodiment of the present invention, disposed on the front portion of the selective reduction catalyst filter or the exhaust pipe and the fuel to the first exhaust gas to change the air-fuel ratio of the first exhaust gas It may further include a fuel injection module for injecting.
본 발명의 실시예에 따른 금속섬유담체를 이용한 통합 배기후처리장치는, 선택적환원촉매필터와 질소산화물흡장촉매필터를 내연 기관과 연결된 배기 파이프에 순차적으로 연결시킨 통합적인 구조로 형성되므로, 내연 기관에서 발생되는 배기 가스에 포함된 유해 물질을 더욱 효과적으로 제거하여 정화 효율을 높일 수 있고, EURO-6 이후의 자동차 배출가스규제에 충분히 대응할 수 있다.Integrated exhaust after-treatment apparatus using a metal fiber carrier according to an embodiment of the present invention, since the selective reduction catalyst filter and the nitrogen oxide storage catalyst filter is formed in an integrated structure sequentially connected to the exhaust pipe connected to the internal combustion engine, the internal combustion engine It is possible to more effectively remove the harmful substances contained in the exhaust gas generated in the to increase the purification efficiency, and can fully respond to the regulation of automobile emissions after EURO-6.
또한, 본 실시예에 따른 금속섬유담체를 이용한 통합 배기후처리장치는, 배기 조건 및 제거할 유해 물질의 종류에 따라 개별적으로 사용되는 TWC(삼원촉매), OC(산화촉매), PF(입자상물질포집기), SCR(선택적환원촉매), LNT(NOx흡장촉매) 등의 기능을 하나의 덩어리로 통합한 구조이므로, 전체 시스템의 단순화, 소형화, 경량화 및 생산비 절감을 효과적으로 구현할 수 있다.In addition, the integrated exhaust aftertreatment apparatus using the metal fiber carrier according to the present embodiment, TWC (three-way catalyst), OC (oxidation catalyst), PF (particulate matter) used separately according to the exhaust conditions and the type of harmful substances to be removed It is a structure that integrates functions such as collector, selective reduction catalyst (SCR), and NOx storage catalyst (LNT) into a single block, so that the entire system can be simplified, miniaturized, lightweight, and reduced production costs.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 금속섬유담체를 이용한 통합 배기후처리장치는, 선택적환원촉매필터와 질소산화물흡장촉매필터의 내부에 금속섬유로 형성된 필터형 금속섬유담체를 배치하여 기존에 사용되던 세라믹담체 또는 금속시트로 형성된 금속담체의 문제점을 개선할 수 있고, 세라믹담체와 금속담체보다 필터형 금속섬유담체의 크기를 줄여 통합 배기후처리장치의 크기도 대폭 감소시킬 수 있다. In addition, the integrated exhaust post-treatment apparatus using a metal fiber carrier according to an embodiment of the present invention, by placing a filter-type metal fiber carrier formed of metal fibers in the selective reduction catalyst filter and the nitrogen oxide storage catalyst filter was used previously The problem of the metal carrier formed of the ceramic carrier or the metal sheet can be improved, and the size of the integrated exhaust post-treatment device can be greatly reduced by reducing the size of the filter-type metal fiber carrier than the ceramic carrier and the metal carrier.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 금속섬유담체를 이용한 통합 배기후처리장치는, 기존에 사용되던 세라믹담체 대신에 금속섬유로 형성된 필터형 금속섬유담체를 사용하므로, 세라믹담체와 같이 외부 충격에 의한 파손 위험이 낮고, 세라믹담체보다 열전달율이 높은 금속 섬유로 형성되기 때문에 필터형 금속섬유담체의 열용량이 세라믹담체보다 낮아져서 배기 온도가 낮은 구간에서도 질소산화물의 정화 효율을 충분히 확보할 수 있다.In addition, the integrated exhaust post-treatment apparatus using a metal fiber carrier according to an embodiment of the present invention, because it uses a filter-type metal fiber carrier formed of metal fibers instead of the conventional ceramic carrier, it is caused by an external impact like a ceramic carrier Since the risk of breakage is lowered and the heat transfer rate is higher than that of the ceramic carrier, the heat capacity of the filter-type metal fiber carrier is lower than that of the ceramic carrier, so that the purification efficiency of nitrogen oxide can be sufficiently secured even at a low exhaust temperature.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 금속섬유담체를 이용한 통합 배기후처리장치는, 기존에 사용되던 판상의 금속담체 대신에 금속섬유로 형성된 필터형 금속섬유담체를 사용하므로, 금속시트 형상의 금속담체와 같이 온도 변화에 따른 수축과 팽창 및 변형이 심하게 발행하지 않으며, 그로 인하여 금속섬유담체는 기존의 금속담체보다 워시코트(wash coat)의 손상과 탈리 현상을 방지할 수 있기 때문에 금속담체보다 내구성이 우수할 수 있다.In addition, the integrated exhaust post-treatment apparatus using a metal fiber carrier according to an embodiment of the present invention, since the filter-type metal fiber carrier formed of metal fibers instead of the plate-shaped metal carrier used in the past, the metal carrier in the shape of a metal sheet As a result, shrinkage, expansion, and deformation due to temperature change are not severely issued, and as a result, the metal fiber carrier is more durable than the metal carrier because it can prevent damage and detachment of the wash coat. Can be excellent.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 금속섬유담체를 이용한 통합 배기후처리장치는, 필터형 금속섬유담체를 주름 형상의 부직포 또는 직포로 형성하여 선택적환원촉매필터와 질소산화물흡장촉매필터의 내부 공간에 배치한 구조이므로, 배기 가스가 필터형 금속섬유담체를 통과하는 과정에서 입자상물질의 포집 효율을 더욱 높일 수 있고, 그에 따라 배기 가스에 포함된 입자상물질의 제거 효율도 극대화시킬 수 있다.In addition, the integrated exhaust post-treatment apparatus using a metal fiber carrier according to an embodiment of the present invention, by forming the filter-type metal fiber carrier in a pleated non-woven or woven fabric in the interior space of the selective reduction catalyst filter and the nitrogen oxide storage catalyst filter Since the structure is arranged, it is possible to further increase the collection efficiency of particulate matter in the process of passing the exhaust gas through the filter-type metal fiber carrier, thereby maximizing the removal efficiency of particulate matter contained in the exhaust gas.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 금속섬유담체를 이용한 통합 배기후처리장치는, 필터형 금속섬유담체의 알루미나 산화피막에 촉매제를 담지한 구조이므로, 기존에 사용되던 세라믹담체와 비교하여 워시 코팅시 접착력이 강하게 작용할 수 있고, 그에 따라 촉매제의 부착력을 세라믹담체보다 증가시킬 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 필터형 금속섬유담체는 귀금속 담지손실을 현저하게 줄일 수 있고, 기존의 세라믹담체보다 촉매제의 담지량을 감소시키더라도 정화 성능의 저하를 방지할 수 있다.In addition, since the integrated exhaust post-treatment apparatus using the metal fiber carrier according to the embodiment of the present invention has a structure in which a catalyst is supported on the alumina oxide film of the filter-type metal fiber carrier, when the wash coating is performed compared to the ceramic carrier used in the past, The adhesion can act strongly, thus increasing the adhesion of the catalyst over the ceramic carrier. Therefore, the filter-type metal fiber carrier according to the present embodiment can significantly reduce the loss of noble metals, and can prevent the deterioration of the purification performance even if the amount of the catalyst supported by the conventional ceramic carrier is reduced.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 금속섬유담체를 이용한 통합 배기후처리장치는, 필터형 금속섬유담체의 사용으로 인하여 유해 물질의 정화 효율을 극대화시킴과 아울러 필터형 금속섬유담체의 크기를 작게 형성하더라도 정화 성능의 저하를 방지할 수 있으므로, 기존의 세라믹담체 또는 금속담체를 사용하던 구조와 비교하여 통합 배기후처리장치의 크기와 무게를 현저하게 줄일 수 있고, 그에 따라 통합 배기후처리장치의 설계 조건을 개선함과 아울러 설치 공간을 원활하게 확보할 수 있다.In addition, the integrated exhaust post-treatment apparatus using the metal fiber carrier according to the embodiment of the present invention, by maximizing the efficiency of purification of harmful substances and the size of the filter-type metal fiber carrier by using the filter-type metal fiber carrier Even if the deterioration of the purification performance can be prevented, the size and weight of the integrated exhaust aftertreatment device can be significantly reduced compared to the structure using the conventional ceramic carrier or metal carrier, and accordingly the design of the integrated exhaust aftertreatment device In addition to improving the conditions, it is possible to free up installation space.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 금속섬유담체를 이용한 통합 배기후처리장치가 개략적으로 도시된 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 선택적환원촉매필터와 질소산화물흡장촉매필터의 내부에 배치되는 필터형 금속섬유담체를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 A-A 선에 따른 단면을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2와 도 3에 도시된 금속섬유담체를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 금속섬유담체의 표면을 확대시킨 도면이다.1 is a view schematically showing an integrated exhaust aftertreatment apparatus using a metal fiber carrier according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view schematically showing a filter-type metal fiber carrier disposed inside the selective reduction catalyst filter and the nitrogen oxide storage catalyst filter shown in FIG. 1.
3 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 2.
4 is a view showing the metal fiber carrier shown in FIGS. 2 and 3.
5 is an enlarged view of the surface of the metal fiber carrier shown in FIG.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다. Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to or limited by the embodiments. Like reference symbols in the drawings denote like elements.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 금속섬유담체를 이용한 통합 배기후처리장치(100)가 개략적으로 도시된 도면이다.1 is a view schematically showing an integrated
도 1를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 금속섬유담체를 이용한 통합 배기후처리장치(100)는 배기 파이프(110), 선택적환원촉매필터(SRF, Selective Catalytic Reduction Filter)(120), 및 질소산화물흡장촉매필터(LTF, Lean NOx Trap Filter)(130)을 포함한다. 1, the integrated exhaust after-
배기 파이프(110)는 내연 기관의 엔진(10)에서 발생되는 배기 가스를 배기시키도록 배기 가스를 외부로 안내하는 장치이다. 상기와 같은 배기 파이프(110)는 내연 기관의 엔진(10)에 연결될 수 있다.The
배기 파이프(110) 상에는 선택적환원촉매필터(120)와 질소산화물흡장촉매필터(130)가 배기 파이프(110)의 길이 방향을 따라 순차적으로 배치될 수 있다. 이하에서는, 본 발명의 설명 편의를 위하여 배기 파이프(110)를 따라 유동되는 배기 가스의 유동 방향을 후방으로 정의함과 아울러 배기 가스의 유동 방향과 반대되는 방향을 전방으로 정의하기로 한다. 본 실시예에서는 선택적환원촉매필터(120)가 질소산화물흡장촉매필터(130)의 전방에 배치될 수 있다.On the
도 1를 참조하면, 선택적환원촉매필터(120)는 기존에 사용되던 SCR과 DPF의 기능을 조합한 장치이다. 즉, 선택적환원촉매필터(120)는 내연 기관의 엔진(10)으로부터 배출되는 제1 배기 가스(G1)에 포함된 유해 물질 중에서 질소산화물(NOx)과 입자상물질(PM)을 1차로 동시에 제거하는 기능을 수행할 수 있다.Referring to FIG. 1, the selective
한편, 선택적환원촉매필터(120)는 배기 파이프(110)를 통해서 내연 기관의 엔진(10)에서 배출되는 제1 배기 가스(G1)를 전달받도록 배기 파이프(110)에 연결될 수 있다.Meanwhile, the selective
상기와 같은 선택적환원촉매필터(120)는, 희박공연비 운전 조건에서 제1 배기 가스(G1)에 포함된 유해 물질 중에서 질소산화물을 환원시켜 제거할 수 있고, 그와 동시에 제1 배기 가스(G1)에 포함된 유해 물질 중에서 입자상물질을 포집하여 제거할 수 있다.The selective
구체적으로 설명하면, 선택적환원촉매필터(120)는 배기가 희박인 조건에서 질소산화물을 환원제인 암모니아와 반응시켜 선택적으로 정화시킬 수 있고, 뿐만 아니라 입자상물질을 1차로 포집하여 연소시킬 수 있다.Specifically, the selective
예를 들어, 선택적환원촉매필터(120)는 금속 파이프 형상의 몸체(124)의 내부에 후술하는 필터형 금속섬유담체(122)를 구비한 구조로 형성될 수 있다. 상기와 같은 필터형 금속섬유담체(122)에는 질소산화물을 환원시킬 수 있는 촉매제가 담지될 수 있다.For example, the selective
따라서, 선택적환원촉매필터(120)는 희박공연비 조건에서 환원제를 제1 배기 가스(G1)에 분사하여 질소산화물을 환원시킴과 동시에 필터형 금속섬유담체(122)의 필터 구조에 입자상물질을 거른 후 연소시켜 제거할 수 있다. Therefore, the selective
도 1를 참조하면, 질소산화물흡장촉매필터(130)는 기존에 사용되던 LNT의 기능을 구비한 장치이다. 즉, 질소산화물흡장촉매필터(130)는 선택적환원촉매필터(120)에서 1차 정화된 제2 배기 가스(G2)에 포함된 유해 물질 중에서 질소산화물(NOx)과 입자상물질(PM) 등을 2차로 동시에 제거하는 기능을 수행할 수 있다.Referring to FIG. 1, the nitrogen oxide
한편, 질소산화물흡장촉매필터(130)는 선택적환원촉매필터(120)에서 1차 정화된 제2 배기 가스(G2)를 전달받도록 선택적환원촉매필터(120)의 후방부에 연결될 수 있으며, 제2 배기 가스(G2)를 2차 정화시킨 제3 배기 가스(G3)를 후 외기로 배출하도록 형성될 수 있다.On the other hand, the nitrogen oxide
상기와 같은 질소산화물흡장촉매필터(130)는, 희박공연비 운전 조건에서 제2 배기 가스(G2)에 포함된 유해물질 중에서 질소산화물을 흡장시킨 후 일시적 과농공연비 운전 조건에서 질소산화물을 제거할 수 있으며, 그와 동시에 희박공연비 운전 조건에서 탄화수소, 일산화탄소, 암모니아 등을 산화시켜 제거함과 아울러 제2 배기 가스(G2)에 포함된 유해물질 중에서 입자상물질을 포집하여 제거할 수 있다.As described above, the nitrogen oxide
구체적으로 설명하면, 질소산화물흡장촉매필터(130)는 배기가 희박인 조건에서 탄화수소와 일산화탄소 등을 산화시킬 수 있을 뿐만 아니라 질소산화물을 포집한 후 일시적인 과농 상태로 바꾸어 정화시킬 수 있으며, 그와 동시에 입자상물질을 2차로 포집하고 연소시킬 수 있다.Specifically, the nitrogen oxide
예를 들어, 질소산화물흡장촉매필터(130)도 선택적환원촉매필터(120)와 같이 금속 파이프 형상의 몸체(124)의 내부에 후술하는 필터형 금속섬유담체(122)를 구비한 구조로 형성될 수 있다. 상기와 같은 필터형 금속섬유담체(122)에는 질소산화물을 흡장시킬 수 있는 촉매제와 귀금속 촉매제가 담지될 수 있다.For example, the nitrogen oxide
따라서, 질소산화물흡장촉매필터(130)는 희박공연비 조건에서 선택적환원촉매필터(120)에서 환원되지 못한 상태로 통과된 질소산화물을 흡장시킴과 동시에 미연탄화수소, 일산화탄소, 암모니아, 입자상물질을 산화시켜 제거할 수 있다. 그리고, 질소산화물흡장촉매필터(130)는 일시적 과농공연비 조건에서 탈리된 질소산화물과 미연탄화수소, 일산화탄소, 암모니아, 입자상물질을 반응시켜 제거할 수 있다. Accordingly, the nitrogen oxide
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 선택적환원촉매필터(120)와 질소산화물흡장촉매필터(130)가 일체형으로 형성될 수 있다. 즉, 선택적환원촉매필터(120)의 가스 배출구와 질소산화물흡장촉매필터(130)의 가스 흡입구가 일체로 연결된 구조로서, 선택적환원촉매필터(120)와 질소산화물흡장촉매필터(130)의 금속 파이프 형상의 몸체(124)가 일체로 형성될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 선택적환원촉매필터(120)와 질소산화물흡장촉매필터(130)가 배기 파이프(110)의 서로 다른 위치에 개별적으로 배치되는 것도 가능하다.As shown in FIG. 1, in this embodiment, the selective
도 1를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 통합 배기후처리장치(100)는, 환원제 분사 모듈(140) 및 연료 분사 모듈(150)을 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the integrated
여기서, 환원제 분사 모듈(140)은 선택적환원촉매필터(120)에서 질소산화물의 환원 작용에 사용되는 환원제를 제1 배기 가스(G1)에 분사하는 장치이다. 환원제 분사 모듈(140)은 선택적환원촉매필터(120)의 전방부 또는 배기 파이프(110)에 배치될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는 환원제 분사 모듈(140)이 배기 파이프(110)에 배치된 것으로 설명하지만, 이에 한정되지 않으며 선택적환원촉매필터(120)의 몸체(124)의 전방부에 직접 배치될 수도 있다.Here, the reducing
상기와 같은 환원제 분사 모듈(140)의 작동을 조절하면, 선택적환원촉매필터(120)의 기능을 효과적으로 극대화시킬 수 있다. 환원제 분사 모듈(140)은 제1 배기 가스(G1)에 암모니아(NH3)나 탄화수소(HC)와 같은 환원제를 발생시킬 수 있는 요소수(Urea) 및 연료를 분사할 수 있다.By adjusting the operation of the reducing
또한, 연료 분사 모듈(150)은 제1 배기 가스(G1)의 공연비를 변화시키기 위하여 연료를 제1 배기 가스(G1)에 분사하는 장치이다. 연료 분사 모듈(150)은 환원제 분사 모듈(140)과 같이 선택적환원촉매필터(120)의 전방부 또는 배기 파이프(110)에 배치될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는 연료 분사 모듈(150)이 배기 파이프(110)에 환원제 분사 모듈(140)과 이격된 위치에 배치된 것으로 설명하지만, 이에 한정되지 않으며 선택적환원촉매필터(120)의 몸체(124)의 전방부에 직접 배치되거나 환원제 분사 모듈(140)과 일체로 형성될 수도 있다.In addition, the
상기와 같은 연료 분사 모듈(150)의 작동을 조절하면, 질소산화물흡장촉매필터(130)의 기능을 효과적으로 극대화시킬 수 있다. 연료 분사 모듈(150)은 제1 배기 가스(G1)에 배기의 공연비를 변화시킬 수 있는 연료를 분사할 수 있다.By adjusting the operation of the
추가적으로, 본 실시예에서는 배기 파이프(110)에 제1 배기 가스(G1)를 가열하기 위한 가열장치가 설치될 수도 있다. 상기와 같은 가열장치는 제1 배기 가스(G1)의 온도가 설정치 이상을 가지도록 제1 배기 가스(G1)를 가열할 수 있다.In addition, in the present embodiment, a heating device for heating the first exhaust gas G1 may be installed in the
도 2는 도 1에 도시된 선택적환원촉매필터(120)와 질소산화물흡장촉매필터(130)의 내부에 배치되는 필터형 금속섬유담체(122)를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 A-A 선에 따른 단면을 나타낸 도면이다. 도 4는 도 2와 도 3에 도시된 필터형 금속섬유담체(122)를 나타낸 도면이고, 도 5는 도 4에 필터형 도시된 금속섬유담체(122)의 표면을 확대시킨 도면이다.FIG. 2 is a view schematically showing a filter
도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 통합 배기후처리장치(100)의 선택적환원촉매필터(120)와 질소산화물흡장촉매필터(130)에는 금속 섬유(F)로 형성된 필터형 금속섬유담체(122)가 배치될 수 있다.2 to 5, the selective
필터형 금속섬유담체(122)는 금속 섬유(F)로 제조된 주름 형상의 직포 또는 부직포로 형성될 수 있다. The filter-type
여기서, 금속 섬유(F)는 Micro-scale 선경(평균 50μm 이하)로 형성될 수 있다. 상기와 같이 필터형 금속섬유담체(122)가 매우 가는 금속 섬유(F)로 형성되면, 촉매제가 코팅되는 담체의 비표면적이 크게 증가되어 동일 체적과 두께로 형성된 판상의 금속담체(metel sheet)보다 표면적이 2배 이상으로 증대될 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 필터형 금속섬유담체(122)는 동일 크기의 금속담체보다 더 많은 촉매제를 담지할 수 있다. Here, the metal fiber F may be formed with a micro-scale wire diameter (average of 50 μm or less). When the filter-type
또한, 필터형 금속섬유담체(122)는 금속 재질의 가는 실형태로 가공한 후 직포나 부직포 형태로 재가공하여 사용될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는 필터형 금속섬유담체(122)가 금속 섬유(F)의 주름 형상 부직포로 형성된 것으로 설명한다. In addition, the filter-type
상기와 같은 필터형 금속섬유담체(122)의 금속 섬유(F)는 철(Fe), 크롬(Cr), 알루미늄(Al)의 합금으로써 표면에 알루미나 산화 피막이 형성될 수 있다. 즉, 필터형 금속섬유담체(122)의 금속 섬유(F)에 알루미늄이 포함되어 있으므로, 금속 섬유(F)의 가열 성형시 금속 섬유(F)의 표면에 알루미나 산화피막이 형성될 수 있으며, 금속 섬유(F)의 알루미나 산화피막에 촉매제가 담지될 수 있다. 필터형 금속섬유담체(122)는 알루미나 산화 피막에 의해서 산화되지 않고 내구성이 10년 이상으로 향상될 수 있다. 특히, 알루미나 산화 피막은 촉매제 지지체와 같은 성분이므로, 필터형 금속섬유담체(122)는 워쉬코트 코팅시 접착력이 강하게 작용하여 세라믹 담체보다 부착력 시험에서 월등히 좋은 결과를 나타낼 수 있다. The metal fiber (F) of the filter-type
한편, 기존의 평상 금속담체(Metal sheet)의 최대 단점은 워쉬코트가 오래 견디지 못하고 담체에서 떨어져 나가 내구성이 낮은 것이 문제였다. 구체적으로 설명하면, 기존의 평판형 금속담체는, 세라믹에 비해 열팽창계수가 16배 이상 높은 금속의 특성 및 연속적으로 이어진 구조적 형태로 인하여 수축과 팽창이 심하게 일어나고 변형도 심해서 워시코트가 떨어지는 것을 막을 수 없었다. 하지만, 본 실시예에 따른 필터형 금속섬유담체(122)는 섬유형태의 담체를 사용함으로써, 각각의 섬유가 독립적으로 주위 공간으로 수축이나 팽창하기 때문에 워시코트가 쉽게 떨어지지 않는 장점을 가지고 있다.On the other hand, the biggest disadvantage of the conventional flat metal sheet (Metal sheet) was a problem that the washcoat does not last long and fall off the carrier and low durability. Specifically, the conventional flat metal carrier can prevent the washcoat from falling down due to severe shrinkage and expansion and severe deformation due to the characteristics of the metal having a thermal expansion coefficient 16 times higher than that of ceramics and the continuous structural structure. There was no. However, the filter-type
도 4에는 부직포 형태의 금속섬유를 주름 형태로 제작한 필터형 금속섬유담체(122)의 구조에 대한 일례가 도시되어 있으며, 도 5에는 도 4에 도시된 필터형 금속섬유담체(122)의 표면을 확대한 부직포 형태의 금속 섬유(F)가 도시되어 있다. Figure 4 shows an example of the structure of the filter-type
즉, 금속 섬유(F)로 제조된 주름 형상의 부직포는 50μm 전후 직경의 얇은 금속 실로 제작될 수 있으며, 금속 실은 알루미늄이 포함되어 있어 가열 성형 후 표면은 알루미나 산화피막이 형성될 수 있다. 상기와 같은 알루미나 산화피막에 용도에 따라 귀금속 촉매제와 조촉매제를 담지하여 소성하면 비표면적이 비교적 넓은 촉매를 만들 수 있다.That is, the pleated nonwoven fabric made of the metal fibers (F) may be made of a thin metal yarn having a diameter of about 50 μm, and the metal yarn may contain aluminum, so that an alumina oxide film may be formed on the surface after heat forming. If the alumina oxide film as described above is calcined by supporting the noble metal catalyst and the promoter according to the use, a catalyst having a relatively large specific surface area can be made.
도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 필터형 금속섬유담체(122)는, 선택적환원촉매필터(120)와 질소산화물흡장촉매필터(130)의 내부 공간에 대응하는 형상으로 각각 가공될 수 있고, 제1 배기 가스(G1)와 제2 배기 가스(G2)의 압력 및 입자상물질의 제거 효율에 따라 두께나 겹침 형상이 결정될 수 있다.2 and 3, the filter-type
예를 들면, 선택적환원촉매필터(120)와 질소산화물흡장촉매필터(130)가 동일한 금속 파이프 형상의 몸체(124)를 포함하므로, 필터형 금속섬유담체(122)는 금속 파이프 형상의 몸체(124)의 내부에 수용되는 원통 형상으로 형성되어 몸체(124)의 내주면에 배치될 수 있다. 즉, 필터형 금속섬유담체(122)는, 금속 섬유(F)의 부직포를 주름 형태로 제작하여 원하는 두께로 겹치고, 금속 파이프 형상의 몸체(124)에 대응하는 원통형으로 만들어 양끝단을 고정하여 제작할 수 있다. 상기와 같은 필터형 금속섬유담체(122)는 배기의 압력과 입자상물질의 정화효율을 제어하기 위해서 담체의 두께와 겹치는 수를 적절하게 조절할 수 있다.For example, since the selective
도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 필터형 금속섬유담체(122)가 중공형의 원통 형상으로 형성되되, 제1,2 배기 가스(G1, G2)에 포함된 유해 물질의 정화 효율을 높이기 위하여 몸체(124)의 내부에 이중 구조로 배치되는 것으로 설명한다. As shown in FIG. 2 and FIG. 3, in the present embodiment, the filter-type
즉, 필터형 금속섬유담체(122)는, 금속 파이프 형상의 몸체(124)의 내주면 상에 배치되는 중공형의 원통 형상으로 형성된 제1 금속섬유담체(122a), 및 제1 금속섬유담체(122a)의 중공부의 내주면 상에 배치되는 중공형의 원통 형상으로 형성된 제2 금속섬유담체(122b)를 구비할 수 있다. 제2 금속섬유담체(122b)는 제1 금속섬유담체(122a)보다 작은 직경으로 형성될 수 있다. 따라서, 제1,2 배기 가스(G1, G2)는 제2 금속섬유담체(122b)의 중공부로 유입된 후 제2 금속섬유담체(122b)와 제1 금속섬유담체(122a)의 벽면을 통과하는 경로로 유동될 수 있다. That is, the filter-type
이때, 제1,2 배기 가스(G1, G2)에 포함된 입자상물질은 필터형 금속섬유담체(122)의 벽면을 통과하는 과정에서 걸러질 수 있고, 가스상물질은 필터형 금속섬유담체(122)에 담지된 촉매제의 도움으로 산화 반응과 환원 반응을 일으켜 제거할 수 있다. At this time, the particulate matter contained in the first and second exhaust gases G1 and G2 may be filtered while passing through the wall surface of the filter
상기와 같이 구성된 본 발명의 일실시예에 따른 금속섬유담체를 이용한 통합 배기후처리장치(100)의 작동 및 작용효과를 살펴보면 다음과 같다.Looking at the operation and effect of the integrated exhaust after-
내연 기관의 엔진(10)이 작동하면, 내연 기관의 엔진(10)에서 발생된 제1 배기 가스(G1)가 배기 파이프(110)를 따라 외부로 배출되는 방향으로 유동한다.When the
이때, 환원제 분사 모듈(140)이 배기 파이프(110)를 따라 유동되는 제1 배기 가스(G1)에 환원제를 선택적으로 적당량을 분사하고, 연료 분사 모듈(150)이 배기 파이프(110)를 따라 유동되는 제1 배기 가스(G1)에 연료를 선택적으로 적당량을 분사한다.In this case, the reducing
만약, 가열 장치가 배기 파이프(110)에 배치되어 있으면, 엔진(10)의 가동 초기에 제1 배기 가스(G1)를 설정 온도 이상으로 가열한다. 그로 인해서, 선택적환원촉매필터(120)와 질소산화물흡장촉매필터(130)에서는 제1 배기 가스(G1)에 포함된 유해물질을 제거하기 위한 산화 반응이나 환원 반응을 더욱 촉진시킬 수 있다.If the heating device is disposed in the
배기 파이프(110)는 제1 배기 가스(G1)를 선택적환원촉매필터(120)로 안내한다. 선택적환원촉매필터(120)에서는 제1 배기 가스(G1)가 필터형 금속섬유담체(122)를 통과하는 과정에서 제1 배기 가스(G1)의 유해 물질이 필터형 금속섬유담체(122)에 의해 1차 정화된다.The
구체적으로 설명하면, 선택적환원촉매필터(120)는 희박공연비 운전 조건에서 제1 배기 가스(G1)에 포함된 유해 물질 중에서 질소산화물과 입자상물질을 1차 제거한다. 즉, 희박공연비 운전 조건에서는, 선택적환원촉매필터(120)가 제1 배기 가스(G1)에 포함된 유해 물질 중에서 질소산화물을 환원제와 반응시켜 질소산화물을 1차 제거함과 아울러 제1 배기 가스(G1)에 포함된 유해 물질 중에서 입자상물질을 필터형 금속섬유담체(122)에 포집한 후 연소시켜 입자상물질을 1차 제거한다.Specifically, the selective
상기와 같이 선택적환원촉매필터(120)에 의해 1차 정화된 제2 배기 가스(G2)는, 질소산화물흡장촉매필터(130)로 유동하고, 질소산화물흡장촉매필터(130)의 내부에 배치된 필터형 금속섬유담체(122)를 통과하는 과정에서 제2 배기 가스(G2)에 포함된 유해 물질을 다시금 2차 정화시킨다.As described above, the second exhaust gas G2 purified by the selective
구체적으로 설명하면, 질소산화물흡장촉매필터(130)는, 희박공연비 운전 조건에서 제2 배기 가스(G2)에 포함된 유해 물질 중에서 질소산화물을 흡장함과 아울러 탄화수소, 일산화탄소, 암모니아, 입자상물질을 2차 제거하고, 일시적인 과농공연비 운전 조건에서 흡장된 질소산화물을 2차 제거한다. 즉, 희박공연비 운전 조건에서는, 질소산화물흡장촉매필터(130)가 제2 배기 가스(G2)에 포함된 유해 물질 중에서 질소산화물을 추가로 흡장하고, 뿐만 아니라 제2 배기 가스(G2)에 포함된 탄화수소, 일산화탄소, 암모니아 등을 산화시켜 제거함과 아울러 제2 배기 가스(G2)에 포함된 유해물질 중에서 입자상물질을 필터형 금속섬유담체(122)에 포집한 후 연소시켜 2차로 제거한다. 또한, 일시적으로 과농공연비 운전 조건으로 변경하면, 질소산화물흡장촉매필터(130)는 희박공견비 운전 조건에서 흡장된 질소산화물을 탈리시킨 후 미연탄화수소, 일산화탄소, 암모니아, 입자상물질에 반응시켜 2차로 제거한다.Specifically, the nitrogen oxide
상기와 같이 질소산화물흡장촉매필터(130)에 의해 2차 정화된 제3 배기 가스(G3)는 외기로 배출된다. 제3 배기 가스(G3)는 선택적환원촉매필터(120)와 질소산화물흡장촉매필터(130)에 의해 2번에 걸쳐 정화된 상태이므로, 제3 배기 가스(G3)에 유해 물질이 거의 포함되지 않아서 최근에 강화되고 있는 배출가스규제에 충분히 대응할 수 있다.As described above, the third exhaust gas G3 purified second by the nitrogen oxide
기존에 사용되는 EURO-6 디젤자동차의 배기 후처리 시스템은, 질소산화물을 줄이기 위한 LNT 및 입자상물질을 줄이기 위한 DPF을 조합하거나 또는 SCR과 DPF를 조합한 구조이다. 하지만, 자동차 배출가스규제가 좀더 강화되는 EURO-6 이후에는 LNT, SCR 그리고 DPF 등을 모두 사용해만 질소산화물과 입자상물질의 배출규제를 맞출 수 있을 것으로 예상되고 있다.Exhaust after-treatment system of the existing EURO-6 diesel vehicle is a combination of LNT to reduce nitrogen oxides and DPF to reduce particulate matter, or a combination of SCR and DPF. However, after EURO-6, which is further strengthened in automobile emission regulations, it is expected that only LNT, SCR and DPF can be used to meet nitrogen oxide and particulate matter emission regulations.
또한, 연비를 향상시키고 이산화탄소 발생 총량 규제를 맞추기 위해서도 자동차의 모든 부품에 대한 무게를 최대한 줄이고 단순화할 수 밖에 없는데, LNT와 SCR 및 DPF 등의 배기후처리장치를 모두 장착하면 전체 시스템이 매우 복잡해지고 중량 증가로 연비도 낮아질 수 밖에 없다.In addition, in order to improve fuel efficiency and meet the total CO2 emission regulations, the weight of all the parts of the vehicle can be reduced and simplified as much as possible. When the exhaust system such as LNT, SCR, and DPF is installed, the entire system becomes very complicated. Increasing weight will also lead to lower fuel economy.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 기존에 개별적으로 사용되는 산화 촉면 및 환원 촉매를 통합하여 단순화시키려는 연구가 계속되어 왔다. 본 실시예에서는, 공연비가 희박한 상태에서 DOC와 같은 기능을 하면서도 일시적 과농 공연비 제어로 질소산화물을 환원시킬 수 있는 질소산화물흡장촉매필터(130) 및 귀금속 산화촉매물질과 선택적 환원촉매 물질을 담지하여 입자상물질을 산화시키고 환원제인 요소수를 분사하여 질소산화물을 환원시킬 수 있는 선택적환원촉매필터(120)를 배기 파이프(110)에 통합적으로 구성함으로써, 기존의 LNT, SCR, DPF 등을 단순히 조합하는 구조보다 배기 가스의 정화 효율을 더 높이고, 전체적인 시스템의 단순화, 소형화, 경량화 및 생산비 절감도 실현 가능하다.In order to solve the above problems, research has been continued to simplify by integrating oxidizing catalysts and reduction catalysts which are used separately. In the present embodiment, the nitrogen oxide
한편, 기존의 세라믹담체를 선택적환원촉매필터(120)와 질소산화물흡장촉매필터(130)에 사용하면, 세라믹 소재의 특징으로 인하여 통합 배기후처리장치(100)의 크기와 무게가 비례하여 증가하고, 선택적환원촉매필터(120)의 경우 구멍별 입출구가 격자형태로 한쪽이 막혀있는 필터이기 때문에 배기는 벽의 공극을 통과하여 나가게 되는데 촉매제를 입히게 되면 구멍이 작아져서 배압이 높아지고 상대적으로 담체의 크기도 증가한다.On the other hand, if the existing ceramic carrier is used in the selective
본 실시예에서는 세라믹담체 대신에 금속 섬유(F)로 형성된 필터형 금속섬유담체(122)를 채용함으로써, 입자상물질의 재생 성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 저온에서의 NOx 저장 성능을 향상시킬 수 있어 배기 가스에 포함된 유해 물질의 정화 효율을 대폭 높일 수 있다. In this embodiment, by employing the filter-type
구체적으로, 열용량이 낮은 필터형 금속섬유담체(122)를 사용하면, 배기 온도가 낮은 엔진 동작 구간에서도 산화 반응이나 환원 반응에 적합한 온도를 쉽게 확보하여 질소산화물의 정화 성능을 향상시킬 수 있고, 금속섬유의 부직포를 주름 형태로 형성한 구조이므로 입자상물질을 효과적으로 제거할 수 있다.Specifically, using the filter-type
여기서, 엔진 초기 시동시에는 배기 온도가 촉매활성온도에 도달할 때까지 얼마간의 시간이 필요하기 때문에 강제로 배기온도를 빨리 올리거나 빠져나가는 유해물질을 포집하는 것이 필요하다. 예를 들어, 배기온도를 강제적으로 올리는 방법으로는, 전기적인 가열기(heater)를 설치하거나 부가적인 연소기를 부착하는 방법이 있다.Here, at the initial start of the engine, since some time is required until the exhaust temperature reaches the catalytic activity temperature, it is necessary to forcibly raise the exhaust temperature or to collect harmful substances exiting. For example, a method of forcibly raising the exhaust temperature includes installing an electric heater or attaching an additional combustor.
또한, 촉매 온도가 낮은 이 구간에서 NOx를 포집하여 활성화 온도에 도달한 이후에 내보내는 LNT가 가장 효과적인 저온 NOx 제거 방법 중에 한가지이지만, LNT도 NOx를 포집하기 위한 에너지가 필요하기 때문에 가능하다면 촉매의 온도를 좀더 빠르게 올릴 수 있는 방법이 필요하다. 따라서, 비열이 세라믹에 비해 50% 가량 낮고 열전도율이 13배 높은 금속 섬유(F)를 이용한 필터형 금속섬유담체(122)가 질소산화물흡장촉매필터(130)에 사용되면, 엔진의 초기 시동시 질소산화물흡장촉매필터(130)의 활성화 온도를 빠르게 올릴 수 있어 저온에서의 NOx 제거 효율을 효과적으로 올릴 수 있다.In addition, LNT is one of the most effective low-temperature NOx removal methods after collecting NOx and reaching the activation temperature in this low temperature range, but LNT also needs energy to capture NOx, so if possible I need a way to speed up the process. Accordingly, when the filter-type
또한, 필터형 금속섬유담체(122)는 원통형 섬유 형태의 담체에 촉매제를 담지한 구조이므로, 세라믹담체의 셀 모서리에서 발생하는 귀금속 담지손실과 비교하여 귀금속 담지손실을 줄일 수 있고, 그에 따라 세라믹담체보다 촉매제를 담지량을 감소시켜 필터형 금속섬유담체의 생산비를 10% 이상 낮출 수 있다.In addition, the filter-type
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 통합 배기후처리장치(100)는, 배기 조건과 제거하기 위한 유해배출가스 종류에 따라 각각 나눠져 있는 TWC(삼원촉매), OC(산화촉매), PF(입자상물질포집기), SCR(선택적환원촉매), LNT(NOx흡장촉매) 등의 기능을 하나로 통합한 구조이고, 아울러 필터형 금속섬유담체(122)를 이용함으로써 전체 시스템을 단순화, 소형화, 경량화시켜 생산비 절감효과를 얻을 수 있다. As described above, the integrated exhaust after-
이상과 같이 본 발명의 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 청구범위뿐 아니라 이 청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다. Although the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, And various modifications and changes may be made thereto without departing from the scope of the present invention. Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and all the things that are equivalent to or equivalent to the claims as well as the following claims will belong to the scope of the present invention.
10: 내연 기관의 엔진
100: 통합 배기후처리장치
110: 배기 파이프
120: 선택적환원촉매필터
122: 필터형 금속섬유담체
124: 몸체
130: 질소산화물흡장촉매필터
140: 환원제 분사 모듈
150: 연료 분사 모듈
F: 금속 섬유
G1: 제1 배기 가스
G2: 제2 배기 가스
G3: 제3 배기 가스10: engine of internal combustion engine
100: integrated exhaust aftertreatment device
110: Exhaust pipe
120: selective reduction catalyst filter
122: filter type metal fiber carrier
124 body
130: nitrogen oxide absorption catalyst filter
140: reducing agent injection module
150: fuel injection module
F: metal fiber
G1: first exhaust gas
G2: second exhaust gas
G3: third exhaust gas
Claims (8)
상기 배기 파이프로부터 상기 제1 배기 가스를 전달 받도록 상기 배기 파이프에 연결되고, 희박공연비 운전 조건에서 상기 제1 배기 가스 내의 질소산화물을 환원시켜 제거함과 아울러 상기 제1 배기 가스 내의 입자상물질을 포집하여 제거하는 선택적환원촉매필터; 및
상기 선택적환원촉매필터에서 1차 정화된 제2 배기 가스를 전달 받도록 상기 선택적환원촉매필터에 연결되고, 희박공연비 운전 조건에서 상기 제2 배기 가스 내의 질소산화물을 흡장시킨 후 일시적 과농공연비 운전 조건에서 질소산화물을 제거하며, 희박공연비 운전 조건에서 탄화수소, 일산화탄소, 암모니아 등을 산화시켜 제거함과 아울러 상기 제2 배기 가스 내의 입자상물질을 포집하여 제거하는 질소산화물흡장촉매필터;
을 포함하는 금속섬유담체를 이용한 통합 배기후처리장치.An exhaust pipe connected to the internal combustion engine to exhaust the first exhaust gas generated in the internal combustion engine;
It is connected to the exhaust pipe to receive the first exhaust gas from the exhaust pipe, and reduces and removes nitrogen oxides in the first exhaust gas under lean air-fuel operating conditions, and collects and removes particulate matter in the first exhaust gas. A selective reduction catalyst filter; And
The selective reduction catalyst filter is connected to the selective reduction catalyst filter so as to receive the first purified exhaust gas, and occludes nitrogen oxides in the second exhaust gas under lean air fuel operating conditions. A nitrogen oxide storage catalyst filter which removes nitrogen oxides, oxidizes and removes hydrocarbons, carbon monoxide, ammonia, etc. under lean fuel efficiency operating conditions, and collects and removes particulate matter in the second exhaust gas;
Integrated exhaust post-treatment apparatus using a metal fiber carrier comprising a.
상기 선택적환원촉매필터 및 상기 질소산화물흡장촉매필터에는 금속 섬유로 형성된 필터형 금속섬유담체가 배치되는 것을 특징으로 하는 금속섬유담체를 이용한 통합 배기후처리장치.The method of claim 1,
The selective reduction catalyst filter and the nitrogen oxide storage catalyst filter is integrated exhaust post-treatment apparatus using a metal fiber carrier, characterized in that the filter-type metal fiber carrier formed of metal fibers are disposed.
상기 필터형 금속섬유담체는, 상기 금속 섬유로 제조된 주름 형상의 직포 또는 부직포로 형성된 것을 특징으로 하는 금속섬유담체를 이용한 통합 배기후처리장치.3. The method of claim 2,
The filter-type metal fiber carrier, integrated exhaust after-treatment apparatus using a metal fiber carrier, characterized in that formed of pleated woven or non-woven fabric made of the metal fiber.
상기 필터형 금속섬유담체는, 상기 선택적환원촉매필터와 상기 질소산화물흡장촉매필터의 내부 공간에 대응하는 형상으로 각각 가공되고, 상기 제1 배기 가스와 상기 제2 배기 가스의 압력 및 상기 입자상물질의 제거 효율에 따라 두께나 겹침 형상이 결정되는 것을 특징으로 하는 금속섬유담체를 이용한 통합 배기후처리장치.The method of claim 3,
The filter-type metal fiber carrier is processed into a shape corresponding to an inner space of the selective reduction catalyst filter and the nitrogen oxide storage catalyst filter, respectively, and the pressures of the first exhaust gas and the second exhaust gas and the particulate matter Integrated exhaust post-treatment apparatus using a metal fiber carrier, characterized in that the thickness or overlapping shape is determined according to the removal efficiency.
상기 필터형 금속섬유담체는, 상기 금속 섬유에 알루미늄이 포함되어 상기 금속 섬유의 가열 성형시 상기 금속 섬유의 표면에 알루미나 산화피막이 형성되고, 상기 알루미나 산화피막에 촉매제가 담지되는 것을 특징으로 하는 금속섬유담체를 이용한 통합 배기후처리장치. The method of claim 3,
The filter-type metal fiber carrier may include aluminum in the metal fiber to form an alumina oxide film on the surface of the metal fiber during the heat molding of the metal fiber, and a metal fiber in which the catalyst is supported on the alumina oxide film. Integrated exhaust post-treatment device using a carrier.
상기 선택적환원촉매필터 및 상기 질소산화물흡장촉매필터는, 상기 선택적환원촉매필터의 가스 배출구와 상기 질소산화물흡장촉매필터의 가스 흡입구를 서로 연결시킨 일체형으로 형성된 것을 특징으로 하는 금속섬유담체를 이용한 통합 배기후처리장치.The method according to any one of claims 1 to 5,
The selective reduction catalyst filter and the nitrogen oxide storage catalyst filter are integrally exhausted using a metal fiber carrier, wherein the gas outlet of the selective reduction catalyst filter and the gas inlet of the nitrogen oxide storage catalyst filter are integrally connected to each other. Aftertreatment device.
상기 선택적환원촉매필터의 전방부 또는 상기 배기 파이프에 배치되고, 상기 질소산화물의 환원 작용에 사용되기 위하여 상기 제1 배기 가스에 환원제를 분사하는 환원제 분사 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속섬유담체를 이용한 통합 배기후처리장치.The method according to any one of claims 1 to 5,
The metal fiber carrier further comprises a reducing agent injection module disposed in the front of the selective reduction catalyst filter or the exhaust pipe, and injecting a reducing agent into the first exhaust gas for use in the reducing action of the nitrogen oxides. Integrated exhaust post-processing device using.
상기 선택적환원촉매필터의 전방부 또는 상기 배기 파이프에 배치되고, 상기 제1 배기 가스의 공연비를 변화시키기 위하여 상기 제1 배기 가스에 연료를 분사하는 연료 분사 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속섬유담체를 이용한 통합 배기후처리장치.The method of claim 7, wherein
The metal fiber further comprises a fuel injection module disposed in the front portion of the selective reduction catalyst filter or the exhaust pipe and injecting fuel into the first exhaust gas to change the air-fuel ratio of the first exhaust gas. Integrated exhaust post-treatment device using a carrier.
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JP2009293431A (en) * | 2008-06-03 | 2009-12-17 | Isuzu Motors Ltd | Exhaust emission control device and exhaust emission control system |
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KR20130143146A (en) * | 2012-06-08 | 2013-12-31 | 화이버텍 (주) | Flow-through metal fiber substrate structure for catalyst coating to purify the harmful emission gas and purification apparatus having the same |
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- 2018-01-25 KR KR1020180009394A patent/KR102029420B1/en active IP Right Grant
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