KR101013635B1 - 내연 기관용 배기 가스 정화 장치 - Google Patents

Abstract

내연 기관용 배기 가스 정화 장치가 내연 기관의 배기 통로에 제공된다. 배기 가스 정화 장치는, 담체와, 담체 상에 담지되고 미연소 연료를 흡착하도록 구성되는 HC 흡착층과, HC 흡착층의 표면에 담지되고 미연소 연료를 산화 제거하도록 구성되는 3원 촉매층을 포함한다. HC 흡착층은 그 각각이 중공 공간을 갖고 적층되는 미립자 형상의 HC 흡착체를 포함한다.

내연 기관의 배기 정화 장치, 담체, 3원 촉매층, HC 흡착층, 미연소 연료

Description

내연 기관용 배기 가스 정화 장치{EXHAUST GAS PURIFICATION DEVICE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연 기관용 배기 가스 정화 장치에 관한 것으로, 상세하게는 배기 가스 중의 미연소 연료(HC)를 흡착 및 정화하는 HC 트랩 촉매의 구조에 관한 것이다.

내연 기관의 배기 통로에는, HC, CO 및 NOx를 제거하는 3원 촉매가 널리 채용되고 있다. 3원 촉매는, 저온 시에는 그 능력이 현저하게 저하되므로, 배기 가스 정화 장치로서, 배기 통로에 HC 트랩 촉매를 더 구비하는 것이 증가되고 있다.

HC 트랩 촉매는, 저온 시에 HC를 흡착하고 고온 시에 HC를 배출하는 HC 흡착층과, 3원 촉매층을 포함하고, 저온 시에 HC 흡착층에 흡착된 HC를 고온 시에 3원 촉매층에서 산화 제거함으로써, 내연 기관의 냉각 시동(cold start) 시에 3원 촉매에 있어서 제거될 수 없는 HC의 배출을 방지하는 기능을 갖는다(일본 특허 출원 공개 제2004-9029호 공보 참조).

그러나, 상기와 같은 HC 트랩 촉매에서는, HC 흡착층 상에 3원 촉매층이 형성되어 있어, HC 흡착층과 3원 촉매층이 밀착되어 있으므로, 3원 촉매층에서 HC의 산화가 개시되면 HC 흡착층이 가열되어 급격하게 승온한다. 따라서, 냉각 시동 직후에 대량으로 흡착된 HC가 HC 흡착층으로부터 급속하게 배출되어, 3원 촉매층에서 완전히 산화 처리되지 않고 HC 트랩 촉매로부터 배출되어 버릴 가능성이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 3원 촉매층에서 HC가 산화 발열되어도 HC 흡착층이 승온되기 어려워, 냉각 시동 시에 HC의 배출을 억제하는 내연 기관용 배기 가스 정화 장치를 제공하는 것에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 내연 기관의 배기 통로에 제공되고, 담체와, 담체 상에 담지되고 미연소 연료를 흡착하도록 구성되는 HC 흡착층과, HC 흡착층의 표면에 담지되고 미연소 연료를 산화 제거하도록 구성되는 3원 촉매층을 포함하고, HC 흡착층은 그 각각이 중공 공간을 갖고 적층되는 미립자 형상의 HC 흡착체를 포함하는 내연 기관용 배기 정화 장치가 제공된다.

각각의 HC 흡착체는 중공 공간과 외부를 연통하는 개구부를 포함할 수도 있고, 각각의 HC 흡착체의 내경 및 개구부의 개구 직경은 배기 가스 중의 미연소 연료의 분자 직경보다 크게 설정될 수도 있다.

개구부의 개구 직경이 3 ㎚ 내지 100 ㎚일 수도 있다.

각각의 HC 흡착체는 귀금속 촉매를 담지할 수도 있다.

각각의 HC 흡착체는 80 ％ 내지 95 ％의 중공률을 가질 수도 있다.

각각의 HC 흡착체는 제올라이트로 구성될 수도 있다.

각각의 HC 흡착체는 200 ㎡/g을 초과하는 비표면적을 가질 수도 있다.

본 발명의 양태에 따르면, HC 흡착층이 중공 공간을 갖는 미립자 형상의 HC 흡착체를 적층하여 형성되기 때문에, HC 흡착층의 내부에 다수의 공간이 형성되므로, HC 흡착층에 있어서 열전도의 발생이 어려워진다. 따라서, 내연 기관의 냉각 시동 시에, HC 흡착층에서 HC가 산화 발열되어도, HC 흡착층(6), 특히 그 하층부는 승온되기 어려워, HC 흡착층으로부터, 나아가서는 배기 가스 정화 장치로부터의 HC의 배출이 억제될 수 있다.

또한, 본 발명의 양태에 따르면, HC가 개구부를 통해 중공 공간으로 유입될 수 있으므로, HC 흡착층의 내벽에도 HC가 흡착 가능해져, HC의 흡착 성능이 향상될 수 있다.

또한, 본 발명의 양태에 따르면, 개구 직경이 3 ㎚ 이상인 것은 미연소 연료 분자의 빠른 이동을 방해하지 않으므로 유리하고, 또한 개구 직경이 100 ㎚ 이하인 것은 내부로의 배기 가스의 난류의 침입을 방지하므로 유리하여, HC 흡착층에 있어서의 HC 흡착량의 향상과 흡착된 HC의 배출의 억제가 모두 달성될 수 있다.

또한, 본 발명의 양태에 따르면, HC 흡착체에 있어서 HC가 귀금속 촉매에 의해 산화되므로, HC를 제거하는 성능이 향상될 수 있다.

또한, 본 발명의 양태에 따르면, HC 흡착체의 중공률을 80 ％ 내지 95 ％ 사이로 제어함으로써, 열전도율의 저감과 배기 가스의 난류의 억제에 의한 열교환의 억제가 모두 달성될 수 있어, HC 흡착층으로부터, 나아가서는 배기 가스 정화 장치로부터의 HC의 배출이 억제될 수 있다. 여기서 중공률은 겉보기 밀도 D(g/㎤) ÷ 진밀도 d(g/㎤)의 식에 의해 정의된다.

또한, 본 발명의 양태에 따르면, HC 흡착체로서 제올라이트를 사용함으로써, 자동차의 배기 가스에 노출되어도 내구성이 있는 배기 정화 장치가 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 양태에 따르면, HC 흡착체의 표면적을 200 ㎡/g 이상으로 제어함으로써, HC의 흡착량이 증가될 수 있어, 흡착 성능이 향상될 수 있다. HC 흡착체의 표면적은 BET법으로 계측되는 비표면적에 의해 정의된다.

이하, 도면을 기초로 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.

도1은 본 발명의 배기 가스 정화 장치가 적용된 엔진(내연 기관)의 배기계의 개략 구성도이다.

엔진(1)은 가솔린 엔진이며, 3원 촉매(3)와, 본 발명의 배기 가스 정화 장치의 일 실시예로서의 HC 트랩 촉매(4)가 엔진의 배기관(배기 통로)(2)을 따라 장착된다. 3원 촉매(3)는 담체에 귀금속 촉매로서 백금(Pt), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 은(Ag), 이리듐(Ir) 중 어느 하나를 포함하고, 활성 상태로 HC, CO 및 NOx를 제거하는 기능을 갖는다.

도2는 HC 트랩 촉매(4)의 확대도이다.

도2에 도시한 바와 같이, HC 트랩 촉매(4)는, 벌집 형상의 모노리스(코디어라이트)나 메탈로 형성된 담체(5) 상에 HC 흡착층(6)을 코팅하고 또한 HC 흡착층(6) 상에 3원 촉매층(7)을 코팅하여 형성된다.

3원 촉매층(7)은 상기한 3원 촉매(3)와 같이 귀금속 촉매를 포함하고, CO 및 NOx와 함께 HC를 제거하는 기능을 갖는다. 3원 촉매층(7)은 소정 온도 이상에서 활성화된 상태로 그 기능을 충분히 발휘한다.

HC 흡착층(6)은 주성분으로서 제올라이트를 포함하고 저온 영역에서 배기 가스 중의 HC를 흡착하는 한편, 고온 영역에서는 흡착한 HC를 방출하는 특성을 갖고 있다. 즉, HC 흡착층(6)은 엔진(1)이 냉각 상태에 있어서 HC의 배출량이 많고 또한 3원 촉매(3)가 아직 활성 상태가 아닌 경우에 있어서, 배기 가스 중의 HC를 흡착하여 HC의 대기 중으로의 배출을 억제하는 역할을 한다.

도3은 HC 흡착층(6) 및 3원 촉매층(7)의 확대도이다.

도3에 도시한 바와 같이, HC 흡착층(6)은 미립자의 형상으로 형성된 HC 흡착체(10)를 담체(5) 상에 복수개 적층함으로써 형성된다. 3원 촉매층(7)은 복수 개의 HC 흡착체(10)를 포함하는 HC 흡착층(6)의 표면을 덮도록 형성된다.

도4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 HC 흡착체(10)의 확대도이다.

도4에 도시한 바와 같이, HC 흡착체(10)는, 외경이 대략 1 ㎛, 두께가 대략 100 ㎚ 정도의 중공 구조이며, 벽면 중 적어도 1개소는 외부와 내부의 중공 공간(11)을 연통하는 개구부(12)를 갖는다. 개구부(12)의 개구 직경은 고분자 HC(13)의 분자 직경보다 큰 대략 3 내지 10 ㎚ 정도로 형성된다. 개구부(12)의 개구 직경은 중공 공간(11)으로의 HC의 이동을 방해하지 않기 위해 3 ㎚ 이상으로 설정되고, 배기 가스의 난류가 침입하지 않도록 10 ㎚ 이하로 설정하면 된다. 또한, HC 흡착체(10)에 있어서, 그 재질상 저분자 HC(14)가 들어오는 것이 가능한 1 ㎚ 정도의 구멍 사이즈를 갖는 가는 구멍(15)이 무수하게 형성된다. HC 흡착체(10)의 비표면적은 흡착 성능을 확보하기 위해, BET법에서의 측정에서 200 ㎡/g을 초과하도록 설정된다.

중공 구조를 갖는 HC 흡착체(10)를 제조하는 방법으로서는, 예를 들어 주성분인 제올라이트의 소성 시에, 카본 또는 폴리에틸렌과 같은 구형 유기물이 혼합될 수도 있다. 이와 같이 함으로써, 제올라이트가 카본 또는 구형 유기물의 주위를 덮는 입자가 형성된다. 또한, 연소 온도를 적절하게 설정함으로써 내부의 카본 또는 구형 유기물만을 소각 제거할 경우, 도4에 도시한 바와 같은 중공 공간(11)을 갖는 미립자 형상의 HC 흡착체(10)가 용이하게 제조될 수 있다.

상기와 같은 구성의 HC 트랩 촉매(4)에서는, HC 흡착층(6)이 중공 공간(11)을 갖는 미립자 형상의 HC 흡착체(10)를 적층하여 형성되어 있으므로, HC 흡착층(6)의 내부에는 다수의 공간이 형성되어, 열이 HC 흡착층(6)으로 전도되기 어려워진다. HC 흡착층(6)의 중공률은 80 내지 95 ％의 사이에서 적절하게 설정된다. 중공률은 겉보기 밀도 D(g/㎤) ÷ 진밀도 d(g/㎤)의 식에 의해 정의된다. 상기 수치 범위의 설정은, 중공률이 높을수록 열전도율이 저하되지만, 중공률이 지나치게 높으면 배기 가스의 난류의 침입을 막을 수 없게 되어 열교환이 쉽게 발생한다는 사실에 기인한다.

이와 같은 HC 트랩 촉매(4)가 엔진(1)의 배기 가스 정화 장치로서 사용되는 경우에는, 엔진(1)의 냉각 시동 시에 3원 촉매층(7)에서 HC가 산화 발열되어도, HC 흡착층(6), 특히 그 하층부는 승온되기 어려워, HC 흡착층(6)으로부터의 HC의 대량 발생이 억제된다. 따라서, 엔진(1)의 냉각 시동 시에, 3원 촉매층(7)에 있어서 HC를 충분히 산화 제거하는 것이 가능해져, HC 트랩 촉매(4)로부터의 HC의 배출이 억제될 수 있다.

또한, HC 흡착체에는 중공 공간과 외부를 연통하는 개구부(12)가 형성되어 있으므로, HC 흡착체의 외벽뿐만 아니라 내벽에도 HC를 흡착하는 것이 가능해져, 흡착 효율이 상승될 수 있다. 특히, 큰 분자 직경을 갖는 고분자 HC(13)도 개구부(12)를 통과하여 HC 흡착체(10)의 내벽에 흡착될 수 있다. 한편, 작은 분자 직경을 갖는 저분자 HC(14)는 HC 흡착체의 외벽 및 내벽은 물론, 제올라이트 내부에 형성된 가는 구멍(15)으로도 들어갈 수 있다. 본 실시예의 HC 흡착체(10)는 중공 구조를 가지므로, 가는 구멍(15)의 깊이가 억제될 수 있는 동시에, 외측뿐만 아니라 내측으로부터도 가는 구멍(15)으로 HC가 들어갈 수 있으므로, 가는 구멍(15)의 효율적인 활용을 통해 흡착 면적이 증가될 수 있고 따라서 흡착 성능이 향상될 수 있다.

도5는 냉각 시동 시에 있어서의 HC 트랩 촉매(4)의 입구 및 출구에서의 HC 농도의 변화의 일례를 나타내는 그래프이다. 도면에 있어서, 실선은 본 실시예의 HC 트랩 촉매(4)에서의 HC 농도를 나타내고, 파선은 HC 흡착체(10)가 중공 구조가 아닌 단순한 층 형상을 갖는 종래 기술의 HC 트랩 촉매에서의 HC 농도를 나타낸다.

도5에 도시한 바와 같이, 시동 직후에는 엔진(1)으로부터 배출되는 HC의 양이 많으므로, 이에 의해 HC 트랩 촉매의 입구에서의 HC 농도가 높아진다. 시동으로부터 촉매 온도가 낮은 소정 시간(Ta)까지의 기간에는, 본 실시예 및 종래 기술의 HC 트랩 촉매 모두 HC가 흡착되어, 하류로의 HC의 배출이 억제된다. 그러나, 촉매 온도가 상승한 소정 시간(Ta) 이후에는, 종래 기술의 HC 트랩 촉매에서는 HC의 배출이 증가하지만, 본 실시예의 HC 트랩 촉매(4)에서는 여전히 HC의 배출이 억제된다.

도6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 HC 흡착체(20)의 구조도이다. 본 실시예의 HC 흡착체(20)에 있어서는, 백금과 같은 귀금속 촉매(21)가 제1 실시예의 HC 흡착체(10)의 표면에 더욱 담지된다. 이 경우, 귀금속 촉매(21)가 HC 흡착체 전체에 담지될 수도 있다. 이와 같이 귀금속 촉매(21)가 HC 흡착체에 담지되는 경우, HC가 귀금속 촉매(21)에 의해 산화 제거되므로, HC를 제거하는 성능이 향상될 수 있다.

본 발명은 도3에 도시한 바와 같이 3원 촉매층(7)이 HC 흡착층(6)을 균일하게 덮는 구성으로 한정되는 것이 아니라, 3원 촉매층(7)이 상류측으로부터 하류측을 향해 두꺼워지도록 HC 흡착층(6)을 덮도록 해도 좋다.

또한, 도8에 도시한 바와 같이, HC 트랩 촉매(4)는 HC 흡착체(10, 20)가 상류측에, 3원 촉매층(7)이 하류측에 분리하여 배치되는 구조로 해도 좋다.

도1은 본 발명의 배기 가스 정화 장치가 적용된 엔진의 배기계의 개략 구성도.

도2는 HC 트랩 촉매의 확대도.

도3은 본 실시예에 따른 HC 흡착층 및 3원 촉매층의 확대도.

도4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 HC 흡착체의 확대 구조도.

도5는 냉각 시동 시에 있어서의 HC 트랩 촉매의 입구 및 출구에서의 HC 농도의 변화의 일례를 나타내는 그래프.

도6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 HC 흡착체의 확대 구조도.

도7은 본 발명에 따른 그 밖의 실시예의 확대 단면도.

도8은 본 발명에 따른 또 하나의 그 밖의 실시예의 확대 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 엔진

4 : HC 트랩 촉매

6 : HC 흡착층

7 : 3원 촉매층

11 : 중공 공간

12 : 개구부

10, 20 : HC 흡착체

Claims (7)

1. 내연 기관의 배기 통로에 제공되는, 내연 기관용 배기 가스 정화 장치이며,

   담체와,

   상기 담체 상에 담지되고 미연소 연료를 흡착하도록 구성되는 HC 흡착층과,

   상기 HC 흡착층의 표면에 담지되고 미연소 연료를 산화 제거하도록 구성되는 3원 촉매층을 포함하고,

   상기 HC 흡착층은 그 각각이 중공 공간을 갖고 적층되는 미립자 형상의 HC 흡착체를 포함하는 내연 기관용 배기 가스 정화 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 각각의 HC 흡착체는 중공 공간과 외부를 연통하는 개구부를 포함하고,

   상기 각각의 HC 흡착체의 내경 및 상기 개구부의 개구 직경은 배기 가스 중의 미연소 연료의 분자 직경보다 큰 내연 기관용 배기 가스 정화 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 개구부의 개구 직경이 3 ㎚ 내지 100 ㎚인 내연 기관용 배기 가스 정화 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 각각의 HC 흡착체는 귀금속 촉매를 담지하는 내연 기관용 배기 가스 정화 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 각각의 HC 흡착체는 80 ％ 내지 95 ％의 중공률을 갖는 내연 기관용 배기 가스 정화 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 각각의 HC 흡착체는 제올라이트로 구성되는 내연 기관용 배기 가스 정화 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 각각의 HC 흡착체는 200 ㎡/g을 초과하는 비표면적을 갖는 내연 기관용 배기 가스 정화 장치.

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