KR20190122259A - 배기가스 시스템 - Google Patents

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KR20190122259A
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scr catalyst
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particle filter
catalyst
exhaust system
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롤프 브뤼크
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씨피티 그룹 게엠베하
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Abstract

본 발명은 내연기관의 배기가스를 후처리하기 위한 배기 시스템(1)으로서, 상기 배기가스의 흐름 방향(2)으로 서로 앞뒤에 배열된, 상기 배기가스를 산화시키기 위한 촉매 및/또는 질소 산화물을 저장하기 위한 촉매, 환원제를 공급하기 위한 도입점(4), 질소 산화물을 선택적 촉매 환원시키기 위한 SCR 촉매(6), 및 입자 필터를 포함하고, 상기 입자 필터(7)는 상기 흐름 방향(2)으로 상기 SCR 촉매(6)의 하류에 배열되고, 제2 SCR 촉매(8) 및/또는 암모니아 슬립 촉매가 상기 흐름 방향(2)으로 상기 입자 필터(7)의 하류에 배열된, 상기 배기 시스템(1)에 관한 것이다.

Description

배기가스 시스템
본 발명은 내연기관의 배기가스를 후처리하기 위한 배기 시스템으로서, 상기 배기가스의 흐름 방향으로 보았을 때 직렬로, 상기 배기가스를 산화시키기 위한 촉매 및/또는 질소 산화물을 저장하기 위한 촉매, 환원제를 공급하기 위한 도입점, 질소 산화물을 선택적 촉매 환원시키기 위한 SCR 촉매, 및 입자 필터를 포함하는, 상기 배기 시스템에 관한 것이다.
배기가스 후처리 시스템에서, 배기가스에 함유된 오염 물질을 가장 효과적이고 포괄적으로 가능한 변환 및 여과하는 것을 보장하기 위해 상이한 유형의 촉매가 사용된다. 특히, 예를 들어 질소 산화물(NOx)을 흡수하고 결합하는 촉매가 사용된다. 나아가, 질소 산화물의 전환을 자극하여 덜 유해한 반응 생성물을 형성하는 촉매가 또한 알려져 있다. 나아가, 배기가스로부터 특정 크기의 입자를 여과하는 필터가 알려져 있다.
내연기관의 배기가스를 정화하는 종래 기술에 알려진 장치의 단점은 배기관에 개별 촉매를 배열하는 것이 최적이 아니어서 개별 촉매가 개별적으로 최적의 작용을 달성하지 못한다는 것이다. 특히, 종래 기술에 알려진 장치에서, 질소 산화물을 선택적 촉매 환원시키는 소위 SCR 촉매는 종종 입자 필터의 하류에 배열된다. 이것은 SCR 촉매가 최적의 동작점에서 동작될 수 없는 결과를 가져온다.
따라서, 본 발명의 목적은 내연기관의 배기가스를 후처리하기 위한 배기 시스템으로서, 개별 촉매의 최적화된 배열 및 나아가 최적화된 구성을 갖는 배기 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적은 배기 시스템과 관련하여, 청구항 1의 특징을 갖는 배기 시스템에 의해 달성된다.
본 발명의 예시적인 실시형태는 내연기관의 배기가스를 후처리하기 위한 배기 시스템으로서, 상기 배기가스의 흐름 방향으로 보았을 때 직렬로, 상기 배기가스를 산화시키기 위한 촉매 및/또는 질소 산화물을 저장하기 위한 촉매, 환원제를 공급하기 위한 도입점, 질소 산화물을 선택적 촉매 환원시키기 위한 SCR 촉매, 및 입자 필터를 포함하고, 상기 입자 필터는 상기 흐름 방향으로 상기 SCR 촉매의 하류에 배열되고, 제2 SCR 촉매 및/또는 암모니아 슬립 촉매(ammonia slippage catalyst)가 상기 흐름 방향으로 상기 입자 필터의 하류에 배열된, 상기 배기 시스템에 관한 것이다.
SCR 촉매가 상기 입자 필터의 상류에 배열되고 SCR 촉매가 상기 입자 필터의 하류에 배열됨으로써, 보다 효과적으로 기능하는 유닛이 생성될 수 있다. 특히, 입자 필터가 일반적으로 큰 부피를 갖고 배기가스를 적절히 여과하는 데 셀 구조 및 셀 밀도를 요구하는 것으로 인해, SCR 촉매의 동작 조건은 상기 입자 필터의 하류에서 손상된다.
이것은 예를 들어 상기 입자 필터를 통과한 후 배기가스의 온도가 크게 감소하여 상기 SCR 촉매 효과에 악영향을 미치기 때문이다. 나아가, 상기 입자 필터는 큰 압력 손실을 발생시킬 수 있어서, 하류 SCR 촉매에서 상기 배기가스는 더 이상 최적의 전환을 보장하기에 충분히 높은 유속을 갖지 않게 된다. 상기 입자 필터의 벌집형 몸체(honeycomb body)에 통상적으로 사용되는 셀 밀도 및 셀 구조는 상기 SCR 촉매에서 배기가스를 선택적 촉매 환원시키는데 최적이 아니기 때문에 예를 들어 상기 입자 필터를 특정 부분에 코팅하는 것에 의해 상기 SCR 촉매를 입자 필터에 통합하는 것도 최적이 아니다.
상류 SCR 촉매에 의해, 배기가스에 초기 후처리가 수행될 수 있으며, 특히 이미 도입되고 증발된 일반적으로 수성 우레아 용액(aqueous urea solution)으로 형성된 환원제의 도움으로 질소 산화물이 물과 질소를 형성하는 것으로 변환하는 것이 수행될 수 있다.
배기가스 흐름을 정제하는 것은 하류 입자 필터에 의해 실현된다. 상기 입자 필터의 하류에 위치된 SCR 촉매는 배기가스에 여전히 존재하는 질소 산화물을 전환시킬 수 있다. 이를 위해, 제2 SCR 촉매는 특히 유리하게는 제1 SCR 촉매의 것과는 상이한 셀 구조 및/또는 셀 밀도를 가질 수 있고, 또한 상이한 화학적 활성 코팅을 가질 수 있다. 따라서, 예를 들어 비교적 낮은 온도 및 유속의 존재 하에서도 질소 산화물의 전환을 실현하는 것이 가능하다.
상기 흐름 방향으로 상기 입자 필터의 상류에 배열된 상기 제1 SCR 촉매는 전기적으로 가열 가능한 것이 특히 유리하다. 상기 SCR 촉매를 전기적으로 가열하는 것은 선택적 촉매 환원을 수행할 수 있도록 배기가스를 가능한 신속히 필요한 동작 온도로 가열하는데 유리하다.
상기 흐름 방향으로 상기 제1 SCR 촉매는 상기 흐름 방향을 따라 최대 80㎜의 크기를 갖고, 상기 SCR 촉매는 바람직하게는 50㎜ 미만의 크기를 갖고, 상기 SCR 촉매는 특히 바람직하게는 40㎜ 미만의 크기를 갖는 것이 또한 유리하다. 상기 입자 필터 또는 상기 제2 SCR 촉매에 비해 상기 제1 SCR 촉매의 크기가 짧아서 하류 입자 필터로 유입되는 양이 작은 정도로만 영향을 받기 때문에 상기 입자 필터에서 양호한 여과 결과가 유지된다는 점에서 유리하다.
바람직한 예시적인 실시형태는 상기 흐름 방향으로 상기 제1 SCR 촉매는 상기 흐름 방향을 따라 상기 입자 필터와의 간격을 최대 20㎜, 바람직하게는 10㎜ 미만, 특히 바람직하게는 5㎜ 미만으로 두고 배열되는 것을 특징으로 한다. 가능한 가장 작은 간격은 상기 제1 SCR 촉매 및 상기 입자 필터로 인해 발생된 압력 손실을 결합시키는데 유리하다. 이것은 배기 시스템을 설계하는 것을 용이하게 한다.
상기 흐름 방향으로 상기 제1 SCR 촉매 및 상기 흐름 방향으로 상기 제2 SCR 촉매는 상기 입자 필터를 갖는 모듈식 유닛으로서 형성되는 것이 또한 바람직하다. 이것은 조립 공정을 용이하게 하는데 유리하다.
나아가, 상기 SCR 촉매 및 상기 입자 필터는 공통 벌집형 몸체(honeycomb body)에 의해 형성되는 것이 유리하다. 이것은 설치된 요소의 수를 최소화하여, 조립 공정을 단순화하는데 유리하다.
나아가 상기 입자 필터의 벌집형 몸체(honeycomb body)의 셀 구조 및/또는 셀 밀도는 상기 흐름 방향으로 상기 제1 SCR 촉매의 벌집형 몸체의 것과는 다르고, 상기 흐름 방향으로 상기 제2 SCR 촉매의 벌집형 몸체의 것과 다른 것이 특히 유리하다. 이것은 개별 구성 요소를 각각의 의도된 용도에 최적으로 적응시키고 전체적으로 개별 구성 요소에 걸쳐 가능한 최소 압력 손실을 달성하는데 특히 유리하다. 나아가, 셀 구조에 의해, 예를 들어 필터 특성 및 속도 분포에 영향을 줄 수 있다.
또한 상기 벌집형 몸체의 셀 구조 및/또는 셀 밀도 및/또는 화학적 활성 코팅 및/또는 상기 흐름 방향으로 상기 제1 SCR 촉매의 벌집형 몸체의 코팅량은 상기 흐름 방향으로 상기 제2 SCR 촉매의 벌집형 몸체의 셀 구조 및/또는 셀 밀도 및/또는 화학적 활성 코팅과 다른 것이 유리하다.
이것은 예를 들어 제2 SCR 촉매의 영역에서 벌집형 몸체를 변경된 유속에 적응시킬 수 있는데 특히 유리하다. 제2 SCR 촉매의 영역에서 배기가스의 조성이 변경될 것이 또한 예상되는데, 이는 제2 SCR 촉매가 상기 입자 필터의 하류에 위치되기 때문이다. 따라서, 예를 들어 벌집형 몸체에 형성된 흐름 채널이 막힐 위험 없이 더 높은 셀 밀도 및/또는 감소된 셀 단면을 사용할 수 있다. 또한 그럼에도 불구하고, 코팅이 일반적으로 더 낮은 암모니아 및 질소 산화물 농도에도 유리하게 적응되어, 질소 산화물을 가능한 한 포괄적으로 전환시키는 것을 실현할 수 있다.
상기 흐름 방향으로 상기 제1 SCR 촉매의 코팅량은 상기 흐름 방향으로 상기 제2 SCR 촉매의 코팅량보다 더 큰 것이 바람직하다.
본 발명의 유리한 개선은 종속 청구항 및 도면의 다음 설명에 기재되어 있다.
본 발명은 예시적인 실시형태에 기초하여 그리고 도면을 참조하여 아래에서 상세하게 논의될 것이다.
도 1은 다수의 촉매를 갖는 예시적인 배기관을 통한 단면도.
도 1은 배기 시스템(1)의 배기관을 통한 단면도를 도시한다. 배기 시스템(1)은 배기가스가 촉매를 통과할 수 있도록 케이싱 내에 배열되고 파이프라인에 의해 서로 연결된 다수의 촉매를 갖는다.
도 1의 예시적인 실시형태에서, 배기가스를 산화시키기 위한 촉매(3)가 먼저 배기가스의 흐름 방향(2)에 배열된다. 이 하류에 도입점(4)이 제공되고, 이 도입점을 통해 환원제, 예를 들어 우레아 수용액이 배기관 내로 도입될 수 있다. 이 도입점(4)에 바로 인접하여 증발 요소(5)가 배열되고 여기서 환원제가 증발되어 암모니아로서 후속하여 배기가스 중의 질소 산화물과 반응할 수 있다.
이어서 하류에 제1 SCR 촉매(6)가 후속하고, 여기서 배기가스 중의 질소 산화물이 암모니아 및 SCR 촉매(6)의 화학적 활성 코팅과 반응하여 질소 및 물을 형성한다.
제1 SCR 촉매(6)의 하류에는 입자 필터(7)가 위치되고, 입자 필터는 배기가스를 여과하고 특히 배기가스로부터 그을음 입자를 여과하는 역할을 한다.
입자 필터(7) 다음에는 제2 SCR 촉매(8)가 뒤따른다. 화학적인 측면에서, 이 제2 SCR 촉매에서는 제1 SCR 촉매(6)에서와 동일한 반응이 일어난다.
이러한 구성의 장점은 배기가스가 입자 필터로 흐르기 전에 배기가스의 질소 산화물이 환원되는 일이 이미 일어나고 있다는 것이다. 따라서, 제1 SCR 촉매로 흐르는 배기가스는 여전히 특히 고온이고, 또한 흐름 경로의 단면에 걸친 배기가스의 분포는 입자 필터에 의해 악영향을 받지 않았다. 이러한 방식으로, 배기가스 중의 질소 산화물을 특히 효과적으로 전환시키는 것이 일어날 수 있다. 일반적으로 입자 필터는 큰 부피를 갖는 것으로 인해 배기가스의 온도가 상당히 낮아져서, 하류 SCR 촉매에서 화학 반응이 최적으로 일어나지 않는다. 제2 SCR 촉매는 실질적으로 제1 SCR 촉매에서 아직 환원되지 않은 질소 산화물 분율을 환원시키는 역할을 한다.
제2 SCR 촉매 대신에 또는 이에 더하여, 배기가스 중의 질소 산화물을 환원시키는 동안 전환되지 않은 과량의 암모니아(NH3)와 결합할 수 있는 암모니아 슬립 촉매가 더 설치될 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어 암모니아가 배기 꼬리 파이프를 관통하는 것을 방지할 수 있어서, 이로 암모니아가 주위 대기로 빠져 나가 불쾌한 냄새 또는 환경 오염을 초래하는 것을 방지할 수 있다.
도 1의 예시적인 실시형태는 특히 본 발명을 제한하는 것이 아니라, 본 발명의 개념을 설명하는 역할을 한다.

Claims (8)

  1. 내연기관의 배기가스를 후처리하기 위한 배기 시스템(1)으로서,
    상기 배기가스의 흐름 방향(2)으로 보았을 때 직렬로, 상기 배기가스를 산화시키기 위한 촉매 및/또는 질소 산화물을 저장하기 위한 촉매, 환원제를 공급하기 위한 도입점(4), 질소 산화물을 선택적 촉매 환원시키기 위한 SCR 촉매(6), 및 입자 필터를 포함하되,
    상기 입자 필터(7)는 상기 흐름 방향(2)으로 상기 SCR 촉매(6)의 하류에 배열되고, 제2 SCR 촉매(8) 및/또는 암모니아 슬립 촉매(ammonia slippage catalyst)가 상기 흐름 방향(2)으로 상기 입자 필터(7)의 하류에 배열되는 것을 특징으로 하는 배기 시스템(1).
  2. 제1항에 있어서, 상기 흐름 방향(2)으로 상기 입자 필터(7)의 상류에 배열된 상기 제1 SCR 촉매(6)는 전기적으로 가열 가능한 것을 특징으로 하는 배기 시스템(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 흐름 방향(2)으로 상기 제1 SCR 촉매(6)는 상기 흐름 방향(2)을 따라 최대 80㎜의 크기를 갖고, 상기 SCR 촉매는 바람직하게는 50㎜ 미만의 크기를 갖고, 상기 SCR 촉매는 특히 바람직하게는 40㎜ 미만의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 배기 시스템(1),
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흐름 방향(2)으로 상기 제1 SCR 촉매(6)는 상기 흐름 방향(2)을 따라 상기 입자 필터(7)와의 간격을 최대 20㎜, 바람직하게는 10㎜ 미만, 특히 바람직하게는 5㎜ 미만으로 두고 배열되는 것을 특징으로 하는 배기 시스템(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흐름 방향(2)으로 상기 제1 SCR 촉매(6) 및 상기 흐름 방향(2)으로 상기 제2 SCR 촉매(8)는 상기 입자 필터(7)를 갖는 모듈식 유닛으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 배기 시스템(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 SCR 촉매(6, 8) 및 상기 입자 필터(7)는 공통 벌집형 몸체(honeycomb body)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 배기 시스템(1).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자 필터(7)의 벌집형 몸체(honeycomb body)의 셀 구조 및/또는 셀 밀도는 상기 흐름 방향(2)으로 상기 제1 SCR 촉매(6)의 벌집형 몸체의 것과는 다르고, 상기 흐름 방향(2)으로 상기 제2 SCR 촉매(8)의 벌집형 몸체의 것과는 다른 것을 특징으로 하는 배기 시스템(1).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 벌집형 몸체의 셀 구조 및/또는 셀 밀도 및/또는 화학적 활성 코팅 및/또는 상기 흐름 방향(2)으로 상기 제1 SCR 촉매(6)의 벌집형 몸체의 코팅량은 상기 흐름 방향(2)으로 상기 제2 SCR 촉매(8)의 벌집형 몸체의 셀 구조 및/또는 셀 밀도 및/또는 화학적 활성 코팅과 다른 것을 특징으로 하는 배기 시스템(1).
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