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KR101091626B1 - 배기 가스 내의 질소 산화물 정화 방법 및 이 방법을 실행하는 배기 장치 - Google Patents

배기 가스 내의 질소 산화물 정화 방법 및 이 방법을 실행하는 배기 장치 Download PDF

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KR101091626B1
KR101091626B1 KR1020090070987A KR20090070987A KR101091626B1 KR 101091626 B1 KR101091626 B1 KR 101091626B1 KR 1020090070987 A KR1020090070987 A KR 1020090070987A KR 20090070987 A KR20090070987 A KR 20090070987A KR 101091626 B1 KR101091626 B1 KR 101091626B1
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 배기 장치는 배기 파이프에 장착되어 연료를 추가 분사하는 인젝터, 상기 인젝터의 후단의 배기 파이프에 장착되어 추가 분사된 연료를 열분해를 통하여 고반응성의 환원제로 변환시키는 디젤 연료 분해 촉매, 상기 디젤 연료 분해 촉매의 후단의 배기 파이프에 장착되어 배기 가스에 포함된 질소 산화물을 저장하고 추가 분사되는 연료에 의하여 상기 저장된 질소 산화물을 탈착하여 상기 고반응성의 환원제와의 산화-환원 반응을 통하여 환원시키는 질소 산화물 저감 촉매, 그리고 엔진의 운전 조건에 따라 연료의 추가 분사를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 엔진의 운전 조건이 연료의 추가 분사 조건과 연료의 추가 분사 시기 조건을 만족하는 경우 설정된 분사 패턴에 따라 연료를 추가 분사하도록 상기 인젝터를 제어한다.
LNT 촉매, DE-NOx 촉매, DPF, DFC

Description

배기 가스 내의 질소 산화물 정화 방법 및 이 방법을 실행하는 배기 장치{METHOD FOR PURIFYING NITROGEN OXIDE IN EXHAUST GAS AND EXHAUST SYSTEM OPERATING THE SAME}
본 발명은 배기 가스 내의 질소 산화물 정화 방법 및 이 방법을 실행하는 배기 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배기 가스에 포함된 질소 산화물을 저장하고, 설정된 조건 만족 시 추가 분사되는 연료에 의하여 저장된 질소 산화물을 탈착하여 추가 분사된 연료와의 산화-환원 반응을 일으킴으로써 질소 산화물의 정화 효율이 향상된 배기 가스 내의 질소 산화물 정화 방법 및 이 방법을 실행하는 배기 장치에 관한 것이다.
일반적으로 엔진에서 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기 가스는 배기 파이프의 도중에 형성된 촉매 컨버터(Catalytic converter)로 유도되어 정화되고, 머플러를 통과하면서 소음이 감쇄된 후 테일 파이프를 통해 대기 중으로 방출된다. 상기한 촉매 컨버터는 배기 가스에 포함되어 있는 오염물질을 처리한다. 그리고 배기 파이프 상에는 배기 가스에 포함된 입자상 물질(PM)을 포집하기 위한 매연 필터가 장착된다.
질소 산화물 저감 촉매(Denitrification Catalyst; DE-NOx catalyst)는 배기가스에 포함된 질소 산화물을 정화시키는 촉매 컨버터의 한 형식이다. 우레아(Urea), 암모니아(Ammonia), 일산화탄소 및 탄화수소(Hydrocarbon; HC) 등과 같은 환원제를 배기 가스에 제공하면 질소 산화물 저감 촉매에서는 배기 가스에 포함된 질소 산화물이 상기 환원제와의 산화-환원 반응을 통해 환원되게 된다.
최근에는, 이러한 질소 산화물 저감 촉매로 LNT 촉매(Lean NOx trap catalyst)가 사용되고 있다. LNT 촉매는 엔진이 린(lean)한 분위기에서 작동되면 배기 가스에 포함된 질소 산화물을 흡착하고, 엔진이 농후(rich)한 분위기에서 작동되면 흡착된 질소 산화물을 탈착한다.
이러한 LNT 촉매를 사용하는 배기 장치는 LNT 촉매에 저장된 질소 산화물의양에 따라 엔진의 운전 상태(lean or rich)를 조절하게 된다. 그런데, 질소 산화물의 양을 측정하여 혼합기의 상태를 조절하는 경우 LNT 촉매의 재생 시점이 지연되게 된다. 즉, 제어부에서 재생 시점을 판단하더라도 원하는 혼합비를 맞추기까지 시간이 소요된다. 따라서, 질소 산화물의 정화 효율이 떨어졌다.
또한, NOx 센서의 신호로부터 질소 산화물 저감 촉매의 재생 시점을 판단하므로, 센서의 오동작 및 고가의 센서가 사용되어야 하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으 로, 본 발명의 목적은 엔진의 운전 조건만으로 질소 산화물 저감 촉매의 재생 시점을 판단함으로써 질소 산화물의 정화 효율이 향상된 배기 가스 내의 질소 산화물 정화 방법 및 이 방법을 실행하는 배기 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 연료를 추가 분사하는 인젝터를 배기 파이프 내에 장착하고 디젤 연료 분해 촉매를 이용하여 추가 분사되는 연료를 활성화시킴으로써 질소 산화물의 정화 효율이 더욱 향상된 배기 가스 내의 질소 산화물 정화 방법 및 이 방법을 실행하는 배기 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 배기 장치는 배기 파이프에 장착되어 연료를 추가 분사하는 인젝터, 상기 인젝터의 후단의 배기 파이프에 장착되어 추가 분사된 연료를 열분해를 통하여 고반응성의 환원제로 변환시키는 디젤 연료 분해 촉매, 상기 디젤 연료 분해 촉매의 후단의 배기 파이프에 장착되어 배기 가스에 포함된 질소 산화물을 저장하고 추가 분사되는 연료에 의하여 상기 저장된 질소 산화물을 탈착하여 상기 고반응성의 환원제와의 산화-환원 반응을 통하여 환원시키는 질소 산화물 저감 촉매, 그리고 엔진의 운전 조건에 따라 연료의 추가 분사를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 엔진의 운전 조건이 연료의 추가 분사 조건과 연료의 추가 분사 시기 조건을 만족하는 경우 설정된 분사 패턴에 따라 연료를 추가 분사하도록 상기 인젝터를 제어할 수 있다.
상기 연료의 추가 분사 조건은 엔진이 정상 작동 중이고, 아이들 상태가 아 니며, 변속이 발생하지 않고, 현재의 변속단이 1단 이상이며, 질소 산화물 저감 촉매의 입구 온도가 촉매의 활성화 온도 범위 내이고, 엔진 회전 속도가 설정된 회전 속도 범위 내이며, 연속 재생이 아닌 경우 만족될 수 있다.
상기 연료의 추가 분사 시기 조건은 질소 산화물 저감 촉매 후단에서 질소 산화물의 슬립양이 설정된 슬립량 이상이거나, 질소 산화물 저감 촉매에 저장된 질소 산화물의 양이 설정된 양 이상이거나, 질소 산화물에 대한 탄화 수소의 비율이 설정된 비율 이상인 경우 만족될 수 있다.
상기 설정된 분사 패턴은 엔진의 운전 조건, 엔진의 상태 또는 질소 산화물 저감 촉매의 상태에 따라 변화될 수 있다.
상기 제어부는 상기 질소 산화물 저감 촉매의 재생 중 엔진의 운전 조건, 엔진의 상태 또는 질소 산화물 저감 촉매의 상태가 변화하는 경우에는 연료의 추가 분사를 중지하도록 인젝터를 제어할 수 있다.
상기 배기 장치는 배기 가스에 포함된 입자상 물질을 포집하는 매연 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 매연 필터의 재생 조건을 만족하는 경우에는 상기 연료의 추가 분사 시기 조건 역시 만족하는 것으로 할 수 있다.
상기 매연 필터의 재생 조건은 상기 매연 필터의 입구와 출구 압력차가 설정된 값 이상인 경우 만족되는 것으로 할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 추가 분사되는 연료의 양을 엔진 운전조건에 따라 정밀하게 조절함으로써 배기 가스에 포함된 질소 산화물의 정화 효율이 향상된다.
또한, 추가 분사되는 연료가 디젤 연료 분해 촉매에 의하여 활성화되므로, 질소 산화물 저감 촉매에서 일어나는 산화-환원 반응이 활성화되고, 이에 따라 배기 가스에 포함된 질소 산화물의 정화 효율이 더욱 향상된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 내의 질소 산화물 정화 방법을 실행하는 배기 장치를 보인 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배기 장치는 엔진(10), 배기 파이프(20), 배기 가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation; EGR) 장치(80), 디젤 연료 분해 촉매(32), 매연 필터(Particulate Filter)(30), 질소 산화물 저감 촉매(40), 그리고 제어부(50)를 포함한다.
엔진(10)은 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 연소시켜 화학적 에너지를 기계적 에너지로 변환한다. 엔진(10)은 흡기 매니폴드(18)에 연결되어 연소실(12) 내부로 공기를 유입받으며, 배기 매니폴드(16)에 연결되어 연소 과정에서 발생된 배기 가스는 배기 매니폴드(16)에 모인 후 차량의 외부로 배출되게 된다. 상기 연소실(12)에는 제1인젝터(14)가 장착되어 연료를 연소실(12) 내부로 분사한다.
여기에서는 디젤 엔진을 예시하였으나 가솔린 엔진을 사용할 수도 있다. 가솔린 엔진을 사용하는 경우, 흡기 매니폴드(18)를 통하여 혼합기가 연소실(12) 내부로 유입되며, 연소실(12) 상부에는 점화를 위한 점화플러그(도시하지 않음)가 장착된다.
또한, 다양한 압축비, 바람직하게는 16.5 이하의 압축비를 가지는 엔진이 사용될 수 있다.
배기 파이프(20)는 상기 배기 매니폴드(16)에 연결되어 배기 가스를 차량의 외부로 배출시킨다. 상기 배기 파이프(20) 상에는 매연 필터(30)와 질소 산화물 저감 촉매(40)가 장착되어 배기 가스 내에 포함된 탄화 수소, 일산화 탄소, 그리고 질소 산화물 등을 제거한다.
배기 가스 재순환 장치(80)는 배기 파이프(20) 상에 장착되어 엔진(10)에서 배출되는 배기 가스는 상기 배기 가스 재순환 장치(80)를 통과한다. 또한, 상기 배기 가스 재순환 장치(80)는 상기 흡기 매니폴드(18)에 연결되어 배기 가스의 일부를 공기에 섞어 연소 온도를 제어한다. 이러한 연소 온도의 제어는 제어부(50)의 제어에 의하여 흡기 매니폴드(18)에 공급되는 배기 가스의 양을 조절함으로써 수행된다.
상기 배기 가스 재순환 장치(80)의 후방의 배기 파이프(20)에는 제1산소 센서(25)가 장착되어 배기 가스 재순환 장치(80)를 통과한 배기 가스 내의 산소량을 검출한다.
제2인젝터(90)는 상기 배기 가스 재순환 장치(80)의 후방의 배기 파이프(20)에 장착되어 있으며, 상기 제어부(50)에 전기적으로 연결되어 제어부(50)의 제어에 따라 배기 파이프(20) 내에 연료의 추가 분사를 수행한다.
매연 필터(30)는 상기 제2인젝터(90)의 후방의 배기 파이프(20)에 장착되어 있다. 상기 매연 필터(30)의 전단부에는 디젤 연료 분해 촉매(Diesel Fuel Cracking Catalyst)가 구비되어 있다. 이 경우, 디젤 연료 분해 촉매(32)는 제2인젝터(90)와 질소 산화물 저감 촉매(40) 사이에 배치되게 된다. 여기에서는, 매연 필터(30)와는 별도로 디젤 연료 분해 촉매(32)가 구비된 것을 예시하였으나, 디젤 연료 분해 촉매(32)를 매연 필터(30)의 전단부에 코팅할 수도 있다.
상기 디젤 연료 분해 촉매(32)는 촉매 반응을 통해 연료 내에 포함된 탄소화합물의 체인 고리를 끊어 분해시킨다. 즉, 디젤 연료 분해 촉매(32)는 열분해(Thermal Cracking) 기능을 통해 탄화 수소를 구성하는 연결 고리를 끊어 분해하게 된다. 이에 의하여, 추가 분사된 연료의 유효 반응 표면적이 증가되며 반응성이 큰 산소가 포함된 탄화수소(oxygenated HC), CO, H2 등을 생성한다.
Thermal Cracking은 하기와 같은 절차를 거쳐 진행되게 된다.
C16H34 → 2n-C8H17* → n-C6H13* → n-C4H9* → C2H5* → C2H4
C16H34 → 8C2H4 + H2
여기서, *는 라디칼을 의미한다.
여기에서, 탄화수소는 배기 가스와 연료에 포함된 탄소와 수소로 구성된 화 합물을 모두 지칭하는 것으로 한다.
상기 디젤 연료 분해 촉매(32)의 후방에는 상기 매연 필터(30)의 한 종류인 매연 여과 장치(Diesel Particulate Filter; DPF)(30)가 장착되어 배기 파이프(20)를 통하여 배출되는 배기 가스에 포함된 입자상 물질(Particulate Matters; PM)을 포집한다. 여기에서는, 매연 필터(30)는 매연 여과 장치(30)와 동일한 의미로 사용된다. 그러나, 매연 여과 장치(30) 대신에 다른 종류의 매연 필터(30)(예를 들어, 촉매 매연 필터(catalyzed particulate filter; CPF))가 사용될 수도 있다.
또한, 상기 매연 여과 장치(30)에는 산화 촉매(Oxidation Catalyst)가 코팅될 수 있다. 이러한 산화 촉매는 배기 가스에 포함된 탄화 수소와 일산화 탄소를 이산화 탄소로 산화시키며, 배기 가스에 포함된 일산화 질소를 이산화 질소로 산화시킨다. 상기 산화 촉매는 매연 필터(30)의 일정 부분에 많이 코팅되어 있을 수도 있고 매연 필터(30)의 전 영역에 고르게 코팅되어 있을 수도 있다.
상기 디젤 연료 분해 촉매(32)의 전방의 배기 파이프에는 제1온도 센서(35)가 장착되어 디젤 연료 분해 촉매(32)의 입구 온도를 측정하고, 디젤 연료 분해 촉매(32)의 후방에는 제2온도 센서(36)가 장착되어 디젤 연료 분해 촉매(32)의 출구 온도 또는 매연 필터(30)의 입구 온도를 측정한다.
한편, 상기 배기 파이프(20)에는 차압센서(55)가 장착되어 있다. 차압센서(55)는 상기 매연 필터(30)의 전단부와 후단부의 압력 차이를 측정하고 이에 대한 신호를 상기 제어부(50)에 전달한다. 상기 제어부(50)는 상기 차압센서(55)에서 측정된 압력 차이가 설정값 이상인 경우 상기 매연 필터(30)를 재생하도록 제어할 수 있다. 이 경우, 상기 제1인젝터(14)에서 연료를 후분사함으로써 매연 필터(30) 내부에 포집된 수트(soot)를 연소시킬 수 있다.
질소 산화물 저감 촉매(40)는 상기 매연 필터(30)의 후방으로 상기 배기 파이프(20) 상에 장착되어 배기 가스에 포함된 질소 산화물을 저장하고, 연료의 추가 분사에 따라 저장된 질소 산화물을 탈착하여 환원 반응을 진행함으로써 배기 가스에 포함된 질소 산화물을 정화한다.
상기 질소 산화물 저감 촉매(40)의 전방과 또는 후방에는 제3온도 센서(60)와 제4온도 센서(65)가 각각 장착되어 질소 산화물 저감 촉매(40)의 입구부 온도와 출구부 온도를 측정한다. 여기에서는, 질소 산화물 저감 촉매(40)가 2개의 부분으로 나뉘어 있는 것을 도시하였다. 이는 담체에 코팅된 금속의 비율을 달리 함으로써 특정 기능을 수행하도록 하기 위한 것이다. 예를 들어, 엔진(10)에 가까운 제1부분(40)에는 팔라듐(Pd)의 비율을 높임으로써 내열 기능을 강화하고, 테일 파이프에 가까운 제2부분(40)에는 백금(Pt)의 비율을 높임으로써 탄화 수소의 슬립을 방지할 수 있다. 이와는 달리, 담체에 코팅된 금속의 비율이 전 영역에서 동일한 질소 산화물 저감 촉매(40)가 사용될 수도 있다.
또한, 상기 질소 산화물 저감 촉매(40)의 후방의 배기 파이프(20)에는 제2산소 센서(70)가 장착되어 있다. 상기 제2산소 센서(70)는 본 발명의 실시예에 따른 배기 장치가 배기 가스에 포함된 유해 물질을 정상적으로 제거하고 있는지 모니터링 하기 위한 것이다.
제어부(50)는 각 센서들(25, 35, 36, 55, 60, 65, 70)에서 검출된 신호들을 기초로 엔진의 운전 조건을 판단하고, 상기 엔진의 운전 조건을 기초로 연료의 추가 분사량 및 추가 분사 시기를 제어함으로써 질소 산화물 저감 촉매(40)에 저장된 질소 산화물을 탈착한다. 일 예로, 제어부(50)는 상기 질소 산화물 저감 촉매(40)에 저장된 질소 산화물의 양이 설정된 값 이상인 경우에는 연료를 추가 분사하도록 제어 한다.
또한, 상기 제어부(50)는 질소 산화물 저감 촉매(40)에서 질소 산화물의 환원 반응이 활성화되도록 배기 가스 내에서 질소 산화물에 대한 탄화 수소의 비율이 설정된 비율 이상이 되도록 제어한다. 상기 설정된 비율은 8일 수 있다.
한편, 상기 제어부(50)는 엔진의 운전 조건을 기초로 질소 산화물 저감 촉매(40)에 저장된 질소 산화물의 양, 질소 산화물 저감 촉매 후단에서 질소 산화물의 슬립양, 그리고 질소 산화물에 대한 탄화 수소의 비율을 계산한다. 이러한 계산은 수많은 실험에 의하여 정해진 맵을 기초로 수행된다.
또한, 제어부(50)는 엔진의 운전 조건, 엔진의 상태 또는 질소 산화물 저감 촉매의 상태에 따라 제2인젝터(90)의 연료 분사 패턴을 변화시킨다. 여기서, 엔진의 상태는 엔진의 작동 기간을 고려하여 추정되고, 질소 산화물 저감 촉매의 상태는 질소 산화물 저감 촉매의 열화를 고려하여 추정된다.
한편, 제어부(50)는 제2인젝터(90)에서의 추가 분사를 제어하는 대신, 제1인젝터(14)에서의 후분사를 제어함으로써 질소 산화물 저감 촉매(40)에서 질소 산화물의 환원 반응을 활성화시킬 수 있다. 이 경우, 후분사된 연료는 디젤 연료 분해 촉매(32)에서 고반응성의 환원제로 변화되어 질소 산화물 저감 촉매(40)에서 질소 산화물의 환원 반응을 촉진시킨다. 따라서, 이 명세서에서 및 특허청구범위에서의 추가 분사는 후분사를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
이하, 도 2 내지 도 4를 참조로, 질소 산화물 저감 촉매(40)를 보다 자세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배기 장치에 사용되는 질소 산화물 저감 촉매에 질소 산화물이 저장되는 경우를 도시한 개략도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배기 장치에 사용되는 질소 산화물 저감 촉매에서 질소 산화물이 탈착되는 경우를 도시한 개략도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배기 장치에 사용되는 질소 산화물 저감 촉매에서 제1 촉매층의 구성을 보인 개략도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 질소 산화물 저감 촉매(40)는 담체에 코팅된 제1,2 촉매층(44, 46)을 포함한다. 상기 제1 촉매층(44)은 배기 가스에 근접하여 배치되며, 상기 제2 촉매층(46)은 담체에 근접하여 배치된다.
상기 제1 촉매층(44)은 배기 가스에 포함된 질소 산화물을 산화시키고, 산화된 질소 산화물의 일부를 타지 않은 연료 또는 배기 가스에 포함된 탄화 수소와의 산화-환원 반응에 의하여 환원시킨다. 또한, 산화된 질소 산화물의 다른 일부는 제2 촉매층(46)으로 확산된다. 상기 상기 제1 촉매층(44)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 제올라이트 촉매(112)와 다공성 알루미나에 담지된 금속 촉매(114)중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제올라이트 촉매(112)는 구리, 백금, 망간, 철, 코발트, 니켈, 아연, 은, 세륨, 갈륨 중 적어도 하나 이상의 원소가 이온 교환된 촉매이다. 상기 제올라이트 촉매(112)에서 일어나는 화학 반응은 하기와 같다.
Z-Cu2+O- + NO → Z-Cu2+(NO2 -)ads → Z-Cu2+ + NO2
Z+O- + NO → Z+(NO2 -)ads → Z+ + NO2
Z-Cu2+(NO2 -)ads + NO → Z-Cu2+(N2O3)- ads → Z-Cu2+O- +N2 +O2
Z-H+ + CnH2n → Z-CnH2n+1 + → n(Z-H) + CnH2n +
mNO2 + CnH2n+ → CnH2nNmO2m → N2 + CO2 + H2O
여기에서, Z는 제올라이트를 의미하고, 아래첨자 ads는 흡착을 의미한다.
또한, 상기 다공성 알루미나에 담지된 금속 촉매(114)로는 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄, 텅스텐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 구리, 아연, 은 중 적어도 하나 이상의 금속이 사용될 수 있다. 상기 다공성 알루미나에 담지된 금속 촉매(114)에서 일어나는 화학 반응은 아래와 같다.
NO + O2 → (NOx)ads
THC + (NOx)ads → THC-ONO or THC-NO2
THC-NO2 → THC-NCO
THC-NCO + NO + O2 → N2 + CO2 + H2O
여기에서, THC는 탄화 수소를 의미한다. 앞에서 언급한 바와 같이, 탄화 수소는 배기 가스와 연료에 포함된 탄소와 수소로 구성된 화합물을 모두 나타내는 것으로 한다.
상기 제2 촉매층(46)은 제1 촉매층(44)에서 확산된 질소 산화물을 저장하고, 추가 분사되는 연료에 의하여 상기 저장된 질소 산화물을 탈착하여 상기 제1 촉매층(44)에서 환원되도록 한다.
상기 제2 촉매층(46)은 귀금속(108)과 질소 산화물 저장 물질(106)을 포함한다. 질소 산화물 저장 물질(106)로는 산화 바륨(BaO)이 사용될 수 있다. 상기 귀금속(108)은 질소 산화물 저장 물질(106)이 질소 산화물을 저장하는 것을 촉진시킨다. 상기 귀금속(108)으로는 백금, 팔라듐 등 다양한 금속 물질이 사용될 수 있다.
이하, 질소 산화물 저감 촉매의 작동 원리를 상세히 설명한다.
질소 산화물 저장 모드
제2인젝터(90)에서 연료가 추가 분사되지 않은 경우에는, 배기 가스에 포함된 질소 산화물은 제1 촉매층(44)에서 산화된다. 산화된 질소 산화물의 일부는 배기 가스에 포함된 탄화 수소와 산화-환원 반응을 하여 질소 기체로 환원된다. 이 과정에서, 배기 가스에 포함된 탄화 수소는 이산화 탄소로 산화된다. 제1 촉매층(44)에서 일어나는 반응은 하기의 식과 같이 간략하게 표현된다.
NO + 1/2 O2 → NO2
NO + HC → 1/2 N2 + CO2
또한, 산화된 질소 산화물의 다른 일부와 배기 가스에 포함된 질소 산화물은 제2 촉매층(46)으로 확산되어 저장된다. 이 때, 제2 촉매층(46)의 귀금속(108)은 질소 산화물 저장 물질(106)이 질소 산화물을 저장하는 것을 촉진시킨다. 제2 촉매층(46)에서 일어나는 반응은 하기의 식과 같이 간략하게 표현된다.
BaO + 2NO2 + 1/2 O2 → Ba(NO3)2
질소 산화물 재생 모드
제2인젝터(90)에서 연료가 추가 분사되는 경우에는, 추가 분사된 연료가 디젤 연료 분해 촉매(32)을 통과하고, 이 과정에서 연료가 저분자의 탄화 수소로 변환된다. 또한, 저분자의 탄화 수소의 일부는 산소와 결합된 탄화 수소로 변환되어 질소 산화물 저감 촉매(40)를 통과한다.
이 때, 제2 촉매층(46)에서는 질소 산화물이 상기 탄화 수소와 치환 반응을 통하여 탈착되며 이는 하기의 식과 같이 간략하게 표현된다.
Ba(NO3)2 + 3CO → BaCO3 + 2NO + 2CO2
또한, 제1 촉매층(44)에서는 상기 탈착된 질소 산화물과 탄화 수소/산소와 결합한 탄화 수소 사이의 산화-환원 반응에 의하여 질소 산화물은 질소 기체로 환 원되고 탄화 수소/산소와 결합한 탄화 수소는 이산화 탄소로 산화된다. 이는 하기의 식과 같이 간략하게 표현된다.
NO + HC/Oxygenated HC = 1/2 N2 + CO2
따라서, 배기 가스에 포함된 질소 산화물과 탄화 수소가 정화된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배기 장치에 사용되는 제어부에서 입력과 출력의 관계를 도시한 블록도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제1,2산소 센서(25, 70), 제1,2,3,4온도 센서(35, 36, 60, 65), 엔진 속도 센서(75), 그리고 타이머(85)에서 측정된 값들은 제어부(50)로 전달된다. 제어부(50)에서는 상기 전달된 값들을 기초로 엔진 운전 조건, 연료의 추가 분사량, 추가 분사 시기 및 추가 분사 패턴을 결정하고, 제2인젝터(90)를 제어하기 위한 신호를 제2인젝터(90)에 출력한다.
엔진 속도 센서(75)는 엔진의 회전 속도를 검출하여 이에 대한 신호를 상기 제어부(50)에 전달한다.
타이머(85)는 질소 산화물 저감 촉매의 재생이 완료되거나 질소 산화물 저감 촉매의 재생 중 엔진의 운전 상태가 변화하여 연료의 추가 분사가 중단되면 켜지게 된다. 이와는 반대로, 타이머(85)는 켜진 상태에서 연료의 추가 분사가 시작되면 리셋된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 배기 장치에는 도 5에 기재된 센서들 외에 다수의 센서들이 장착되나, 설명의 편의를 위하여 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 내의 질소 산화물 정화 방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 내의 질소 산화물 정화 방법의 흐름도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 엔진이 작동 중인 상태에서 제어부(50)는 각 센서들(25, 35, 36, 55, 60, 65, 70, 75)에서 측정된 값들을 기초로 엔진의 운전 상태를 추정한다(S210).
제어부(50)는 상기 엔진의 운전 상태를 기초로 질소 산화물의 발생량을 계산하고, 이를 기초로 질소 산화물 저감 촉매(40)에 저장된 질소 산화물 저장량이 설정된 질소 산화물의 양 이상인지를 판단한다(S220).
만일 상기 S220 단계에서 질소 산화물 저장량이 설정된 질소 산화물의 양보다 적으면, 엔진의 운전 상태를 기초로 질소 산화물의 저장량을 계속하여 계산한다.
만일 상기 S220 단계에서 질소 산화물 저장량이 설정된 질소 산화물의 양 이상이면, 제어부(50)는 연료의 추가 분사 조건을 만족하는지를 판단한다(S230). 상기 연료의 추가 분사 조건은 엔진이 정상 작동 중이고, 아이들 상태가 아니며, 변속이 발생하지 않고, 현재의 변속단이 1단 이상이며, 질소 산화물 저감 촉매의 입구 온도가 촉매의 활성화 온도 범위 내(예를 들어, 200℃~600℃)이고, 엔진 회전 속도가 설정된 회전 속도 범위 내이며, 연속 재생이 아닌 경우 만족되는 것으로 할 수 있다. 엔진이 정상 작동 중인지를 판단하기 위하여 연료 온도, 흡입 공기 온도, 대기압, 냉각수 온도, 연료 분사량 등을 추가적으로 검출하게 된다. 또한, 질소 산화물 저감 촉매에서는 온도가 낮거나 너무 높은 경우에는 질소 산화물의 환원 반응이 정상적으로 일어나지 않으므로, 질소 산화물 저감 촉매의 입구 온도가 낮거나 너무 높은 경우에는 질소 산화물 저감 촉매(40)의 재생을 하지 않는다. 또한, 질소 산화물 저감 촉매(40)의 재생이 끝나거나 종료된 후 일정 시간 경과 전에는 질소 산화물 저감 촉매(40)의 재생을 하지 않는다. 즉, 질소 산화물 저감 촉매(40)의 연속 재생은 금지된다.
만일 상기 S230 단계에서 연료의 추가 분사 조건을 만족하지 않으면, 제어부(50)는 계속하여 연료의 추가 분사 조건의 만족 여부를 판단한다(S230).
만일 상기 S230 단계에서 연료의 추가 분사 조건을 만족하면, 제어부(50)는 연료의 추가 분사 시기 조건을 만족하는지 판단한다(S240). 즉, 상기 S230 단계에서 연료의 추가 분사를 위한 준비를 하였으므로, 연료의 추가 분사 시기 조건을 만족하면 연료를 즉시 추가 분사하도록 한다. 상기 연료의 추가 분사 시기 조건은 질소 산화물 저감 촉매(40) 후단에서 질소 산화물의 슬립양이 설정된 슬립량 이상이거나, 질소 산화물 저감 촉매(40)에 저장된 질소 산화물의 양이 설정된 양(상기 S220 단계에서 설정된 양보다는 큰 것이 바람직하다.) 이상이거나, 질소 산화물에 대한 탄화 수소의 비율이 설정된 비율 이상인 경우 만족되는 것으로 할 수 있다. 상기 설정된 슬립량, 설정된 양, 그리고 설정된 비율은 당업자가 엔진(10)의 상태 및 질소 산화물 저감 촉매(40)의 상태에 따라 적당한 값으로 설정할 수 있다.
만일 상기 S240 단계에서 연료의 추가 분사 시기 조건을 만족하지 않으면, 제어부(50)는 계속하여 연료의 추가 분사 시기 조건의 만족 여부를 판단한다(S240).
만일 상기 S240 단계에서 연료의 추가 분사 시기 조건을 만족하면, 제어부(50)는 연료의 추가 분사 패턴을 결정한다(S250). 앞에서 언급한 바와 같이, 제어부(50)는 엔진의 운전 조건, 엔진의 상태 또는 질소 산화물 저감 촉매의 상태에 따라 제2인젝터(90)의 연료의 추가 분사 패턴을 변화시킨다. 연료의 추가 분사 패턴은 크게 분사 횟수와 분사 기간(즉, 제2인젝터(90)에 인가 되는 밸브 개폐 신호의 펄스 폭)에 의하여 결정된다. 따라서, 제어부(50)는 엔진의 운전 조건, 엔진의 상태 또는 질소 산화물 저감 촉매의 상태에 따라 최적의 분사 횟수와 분사 기간을 결정하게 된다.
그 후, 제어부(50)는 상기 결정된 연료의 추가 분사 패턴에 따라 연료를 추가 분사하도록 제2인젝터(90)를 제어하고, 제2인젝터(90)는 연료를 추가 분사함으로써 질소 산화물 저감 촉매(40)를 재생한다(S260). 질소 산화물 저감 촉매(40)의 재생이란 질소 산화물 저감 촉매(40)에 저장된 질소 산화물을 탈착시키는 것을 의미한다.
질소 산화물 저감 촉매(40)를 재생하는 중, 제어부(50)는 엔진의 운전 조건,엔진의 상태 또느 질소 사화물 저감 촉매의 상태가 변화하는지 판단한다(S270). 엔진의 운전 조건, 엔진의 상태 또는 질소 산화물 저감 촉매의 상태의 변화란 질소 산화물 저감 촉매(40)의 재생을 금지하여야 할 상태가 발생한 것을 의미하며, 변속 신호가 검출되는 것, 엔진의 회전 속도가 설정 속도 범위를 벗어나는 것, 또는 질소 산화물 저감 촉매(40)의 입구 온도가 촉매의 활성화 온도 범위를 벗어나는 것이 엔진의 운전 조건, 엔진의 상태 또는 질소 산화물 저감 촉매의 상태의 변화의 예들이다. 또한, 당업자가 질소 산화물 저감 촉매(40)의 재생을 금지하여야 한다고 판단되는 모든 경우들은 엔진의 운전 조건, 엔진의 상태 또는 질소 산화물 저감 촉매의 상태 변화에 포함된다.
만일 상기 S270 단계에서 엔진의 운전 조건, 엔진의 상태 또는 질소 산화물 저감 촉매의 상태 변화가 발생하지 않으면, 제어부(50)는 질소 산화물 저감 촉매(40)의 재생이 완료되었는지 판단한다(S290). 만일 상기 S270 단계에서 엔진의 운전 조건, 엔진의 상태 또는 질소 산화물 저감 촉매의 상태 변화가 발생하였으면, 제어부(50)는 연료의 추가 분사를 중지하도록 제2인젝터(90)를 제어하고, 상기 S230 단계로 돌아가게 된다.
만일 질소 산화물 저감 촉매(40)의 재생이 완료되지 않았으면 상기 S260 단계로 돌아가고, 만일 질소 산화물 저감 촉매(40)의 재생이 완료되었으면, 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 내의 질소 산화물 정화 방법을 종료한다.
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 범 위의 모든 변경을 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 내의 질소 산화물 정화 방법을 실행하는 배기 장치를 보인 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배기 장치에 사용되는 질소 산화물 저감 촉매에 질소 산화물이 저장되는 경우를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배기 장치에 사용되는 질소 산화물 저감 촉매에서 질소 산화물이 탈착되는 경우를 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배기 장치에 사용되는 질소 산화물 저감 촉매에서 제1 촉매층의 구성을 보인 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배기 장치에 사용되는 제어부에서 입력과 출력의 관계를 도시한 블록도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 내의 질소 산화물 정화 방법의 흐름도이다.

Claims (13)

  1. 배기 파이프에 장착된 배기 장치를 이용하여 배기 가스에 포함된 질소 산화물을 정화하는 질소 산화물 정화 방법에 있어서,
    상기 배기 장치는 배기 파이프 또는 엔진에 장착되어 연료를 추가 분사하는 인젝터, 상기 인젝터의 후단의 배기 파이프에 장착되어 추가 분사된 연료를 열분해를 통하여 고반응성의 환원제로 변환시키는 디젤 연료 분해 촉매, 상기 디젤 연료 분해 촉매의 후단의 배기 파이프에 장착되어 배기 가스에 포함된 질소 산화물을 저장하고 추가 분사되는 연료에 의하여 상기 저장된 질소 산화물을 탈착하여 상기 고반응성의 환원제와의 산화-환원 반응을 통하여 환원시키는 질소 산화물 저감 촉매, 그리고 엔진의 운전 조건에 따라 연료의 추가 분사를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 질소 산화물 정화 방법은 엔진의 운전 조건이 연료의 추가 분사 조건과연료의 추가 분사 시기 조건을 만족하는 경우 설정된 분사 패턴에 따라 연료를 추가 분사함으로써 질소 산화물 저감 촉매를 재생하며,
    상기 연료의 추가 분사 조건은 엔진이 정상 작동 중이고, 아이들 상태가 아니며, 변속이 발생하지 않고, 현재의 변속단이 1단 이상이며, 질소 산화물 저감 촉매의 입구 온도가 촉매의 활성화 온도 범위 내이고, 엔진 회전 속도가 설정된 회전 속도 범위 내이며, 연속 재생이 아닌 경우 만족되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 내의 질소 산화물 정화 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 연료의 추가 분사 시기 조건은 질소 산화물 저감 촉매 후단에서 질소 산화물의 슬립양이 설정된 슬립량 이상이거나, 질소 산화물 저감 촉매에 저장된 질소 산화물의 양이 설정된 양 이상이거나, 질소 산화물에 대한 탄화 수소의 비율이 설정된 비율 이상인 경우 만족되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 내의 질소 산화물 정화 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 설정된 분사 패턴은 엔진의 운전 조건, 엔진의 상태 또는 질소 산화물 저감 촉매의 상태에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 내의 질소 산화물 정화 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 질소 산화물 저감 촉매의 재생 중 엔진의 운전 조건, 엔진의 상태 또는질소 산화물 저감 촉매의 상태가 변화하는 경우에는 연료의 추가 분사를 중지하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 내의 질소 산화물 정화 방법.
  6. 제 1항 및 제 3항 내지 제 5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 배기 장치는 배기 가스에 포함된 입자상 물질을 포집하는 매연 필터를 더 포함하고,
    상기 매연 필터의 재생 조건을 만족하는 경우에는 상기 연료의 추가 분사 시기 조건 역시 만족하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 내의 질소 산화물 정화 방법.
  7. 배기 파이프에 장착되어 있으며, 배기 가스에 포함된 질소 산화물을 정화하는 배기 장치에 있어서,
    배기 파이프에 장착되어 연료를 추가 분사하는 인젝터;
    상기 인젝터의 후단의 배기 파이프에 장착되어 추가 분사된 연료를 열분해를 통하여 고반응성의 환원제로 변환시키는 디젤 연료 분해 촉매;
    상기 디젤 연료 분해 촉매의 후단의 배기 파이프에 장착되어 배기 가스에 포함된 질소 산화물을 일시적으로 저장하고 추가 분사되는 연료에 의하여 상기 저장된 질소 산화물을 탈착하여 상기 고반응성의 환원제와의 산화-환원 반응을 통하여 환원시키는 질소 산화물 저감 촉매; 그리고
    엔진의 운전 조건이 연료의 추가 분사 조건과 연료의 추가 분사 시기 조건을만족하는 경우 설정된 분사 패턴에 따라 연료를 추가 분사하도록 상기 인젝터의 작동을 제어하는 제어부;
    를 포함하며,
    상기 연료의 추가 분사 조건은 엔진이 정상 작동 중이고, 아이들 상태가 아니며, 변속이 발생하지 않고, 현재의 변속단이 1단 이상이며, 질소 산화물 저감 촉매의 입구 온도가 촉매의 활성화 온도 범위 내이고, 엔진 회전 속도가 설정된 회전 속도 범위 내이며, 연속 재생이 아닌 경우 만족되는 것을 특징으로 하는 배기 장치.
  8. 삭제
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 연료의 추가 분사 시기 조건은 질소 산화물 저감 촉매 후단에서 질소 산화물의 슬립양이 설정된 슬립량 이상이거나, 질소 산화물 저감 촉매에 저장된 질소 산화물의 양이 설정된 양 이상이거나, 질소 산화물에 대한 탄화 수소의 비율이 설정된 비율 이상인 경우 만족되는 것을 특징으로 하는 배기 장치.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 설정된 분사 패턴은 엔진의 운전 조건, 엔진의 상태 또는 질소 산화물 저감 촉매의 상태에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는 배기 장치.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 질소 산화물 저감 촉매의 재생 중 엔진의 운전 조건, 엔진의 상태 또는 질소 산화물 저감 촉매의 상태가 변화하는 경우에는 연료의 추가 분사를 중지하는 것을 특징으로 하는 배기 장치.
  12. 제 7항 및 제 9항 내지 제 11항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    배기 가스에 포함된 입자상 물질을 포집하는 매연 필터를 더 포함하고,
    상기 매연 필터의 재생 조건을 만족하는 경우에는 상기 연료의 추가 분사 시기 조건 역시 만족하는 것을 특징으로 하는 배기 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 매연 필터의 재생 조건은 상기 매연 필터의 입구와 출구 압력차가 설정된 값 이상인 경우 만족되는 것을 특징으로 하는 배기 장치.
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