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KR101795402B1 - 배기 시스템 - Google Patents

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KR101795402B1
KR101795402B1 KR1020160053376A KR20160053376A KR101795402B1 KR 101795402 B1 KR101795402 B1 KR 101795402B1 KR 1020160053376 A KR1020160053376 A KR 1020160053376A KR 20160053376 A KR20160053376 A KR 20160053376A KR 101795402 B1 KR101795402 B1 KR 101795402B1
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KR
South Korea
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exhaust gas
selective reduction
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urea
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최성무
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현대자동차 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템은, 엔진의 배기가스를 배출시키도록 형성된 배기파이프에 장착되고, 배기가스 중 탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO)를 정화시키는 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC) 장치와, 상기 디젤산화촉매 장치 후단에 위치하며, 상기 배기파이프 내부에 우레아 수용액을 분사하는 우레아 인젝터(Urea Injector)와, 상기 우레아 인젝터 후단에 위치하며, 상기 디젤산화촉매 장치를 통과한 배기가스의 신속한 유동 확산이 가능하도록 구비된 믹서(Mixer)와, 상기 믹서 후단에 위치하며, 귀금속을 포함하지 않는 촉매가 코팅되거나 암모니아를 산화시키지 않고 상기 분사된 우레아를 가수분해시키는 가수분해 촉매가 코팅되어 배기가스의 입자상물질을 저감시키는 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate matter Filter; DPF), 및 상기 입자상물질 제거용 필터 후단에 위치하며, 상기 입자상물질 제거용 필터를 통과한 배기가스의 질소산화물을 저감시키는 선택적환원촉매(Selective Catalyst Reduction; SCR) 장치를 포함한다.

Description

배기 시스템{EXHAUST SYSTEM}
본 발명은 배기 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고온에서 우레아인젝션이 가능하고 선택적환원촉매의 성능을 개선하며 배출가스 자기진단을 용이하게 하기 위한 배기 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 엔진의 배기 시스템은 배기가스 중에 함유된 공해 물질인 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 입자상물질(Particulate Matter, PM), 질소산화물(NOx) 등을 감소시키기 위해 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst, DOC) 장치, 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate matter Filter, DPF), 및 선택적환원촉매 (Selective Catalyst Reduction, SCR) 장치 및 질소산화물 흡장촉매(Lean NOx Trap, LNT 촉매) 장치 등과 같은 배기가스 후처리 장치를 구비하고 있다.
도 4를 참조하면, 기존의 배기 시스템은 엔진(10)과, 디젤산화촉매 장치(20)와, 우레아 인젝터(30)와, 믹서(40)와 복합촉매부(SDPF, 55)와 선택적환원촉매 장치(70)를 포함한다. 기존의 배기 시스템은 믹서(40) 후단에 복합촉매부(55)를 구비하는데, 복합촉매부(55)는 선택적환원촉매가 고기공 입자상물질 제거용 필터에 코팅된 형태로, 매연(SOOT) 연소를 위한 복합촉매부(55)의 재생시 고온에 노출될 수 있다. 이 고온에 의해 선택적환원촉매가 열화될 수 있으므로, 재생전 최대 매연 포집량을 일정량 이하로 제어해야 한다. 즉, 열화 방지를 위해, 매연 한계량(SML; soot mass limit)을 낮춰야 하므로 복합촉매부(55)의 재생 주기가 단축되고, 연비 악화의 원인이 된다.
복합촉매부(55)는 고기공 입자상물질 제거용 필터(기공률 50% 이상)로, 내열성이 약하고, 기공이 많으므로 매연 포집 효율이 기존 입자상물질 제거용 필터 대비 낮으므로, 매연 포집 대응에 불리하다. 또한, 복합촉매부(55), 저압 배기가스 재생장치, 선택적환원촉매 장치(70)가 차례로 배치된 구조에서는 저압 배기가스 재생(LP-EGR) 파이프(60)에 의해 일부 유량이 다시 연소실로 공급되므로, 배출가스 자기진단(On-Board Diagnotics; OBD) 대응이 불가하다. 또한, 포집된 매연을 연소하기 위해, 엔진 후분사를 통해 배기온 승온시, 발생되는 과량의 탄화수소 및 일산화탄소의 정화 기능이 없다.
한편, 도 5에 도시된 기존의 배기 시스템에서, 디젤산화촉매 장치(20) 및 입자상물질 제거용 필터(55)는 엔진룸(CC)에 배치하고, 디젤산화촉매 장치(20) 후단에, 차량 하부(uf)에는 우레아 인젝터(30), 믹서(40), 및 선택적환원촉매 장치(70)를 배치한 시스템의 경우, 선택적환원촉매 장치(70) 전후단의 질소산화물 센서(72, 74)에 의한 배출가스 자기진단이 가능하나, 우레아 인젝터(30)가 차량 하부(uf)에 장착되어 배기온이 낮은 지점에서 우레아를 인젝션하게 되므로, 낮은 온도에서는 인젝션이 제한되어, 전체적으로 낮은 정화 성능을 가진다.
또한, 차량 하부(uf)에서 우레아 인젝션을 통한 균일한 암모니아(NH3)를 선택적환원촉매 장치(70)에 공급하기 위해서는 차량 하부(uf)에서 우레아 인젝터(30), 믹서(40), 선택적환원촉매 장치(70) 간의 일정 거리가 필요하다. 즉, 우레아의 열분해, 가수분해, 믹싱을 위한 공간이 필요한데, 차량 하부(uf)에 우레아 인젝터 및 믹서를 모두 구비하게 되면 선택적환원촉매 장치(70)의 부피를 확보하는데 제약이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 엔진룸에 디젤산화촉매 장치, 우레아 인젝터, 믹서, 및 입자상물질 제거용 필터가 위치하게 하고, 입자상물질 제거용 필터에 귀금속이 없는 촉매를 코팅하거나, 가수분해 촉매가 코팅되도록 하며, 차량 하부에 선택적환원촉매 장치만 장착한 구조를 갖는 배기 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템은, 엔진의 배기가스를 배출시키도록 형성된 배기파이프에 장착되고, 배기가스 중 탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO)를 정화시키는 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC) 장치와, 상기 디젤산화촉매 장치 후단에 위치하며, 상기 배기파이프 내부에 우레아 수용액을 분사하는 우레아 인젝터(Urea Injector)와, 상기 우레아 인젝터 후단에 위치하며, 상기 디젤산화촉매 장치를 통과한 배기가스의 신속한 유동 확산이 가능하도록 구비된 믹서(Mixer)와, 상기 믹서 후단에 위치하며, 귀금속을 포함하지 않는 촉매가 코팅되거나 암모니아를 산화시키지 않고 상기 분사된 우레아를 가수분해시키는 가수분해 촉매가 코팅되어 배기가스의 입자상물질을 저감시키는 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate matter Filter; DPF), 및 상기 입자상물질 제거용 필터 후단에 위치하며, 상기 입자상물질 제거용 필터를 통과한 배기가스의 질소산화물을 저감시키는 선택적환원촉매(Selective Catalyst Reduction; SCR) 장치를 포함한다.
상기 입자상물질 제거용 필터와 상기 선택적환원촉매 장치 사이에는, 저압 배기가스 재생(Low Pressure-Exhaust Gas Regeneration; LP-EGR) 장치 파이프가 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템은, 상기 선택적환원촉매 장치 후단에 위치하며, 상기 선택적환원촉매 장치를 통과한 배기가스의 암모니아(NH3)를 산화시키고 질소산화물을 저감시키는 암모니아산화촉매(Ammonia Oxidation Catalyst; AOC) 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 선택적환원촉매 장치의 전단 및 후단에 질소산화물 센서가 구비될 수 있다.
상기 디젤산화촉매 장치와 상기 우레아 인젝터 사이, 그리고 상기 입자상물질 제거용 필터와 상기 선택적환원촉매 장치 사이에 질소산화물 센서가 구비될 수 있다.
상기 디젤산화촉매 장치, 상기 우레아 인젝터, 상기 믹서, 및 상기 입자상물질 제거용 필터는 차량의 엔진룸(CC)에 구비되며, 상기 선택적환원촉매 장치는 차량 하부(uf)에 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템은, 상기 배기파이프의 일부분으로서, 상기 디젤산화촉매 장치와 상기 입자상물질 제거용 필터를 연결하며, 상기 우레아 인젝터에 의해 환원제가 분사되는 공간을 형성하는 분사 챔버(chamber)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배기 시스템은, 엔진의 희박 연소에 의해 발생되는 질소산화물을 흡장하여 저장하고, 환원 작용으로 질소산화물을 질소로 환원시켜 배출하는 질소산화물 흡장촉매(Lean NOx Trap; LNT) 장치와, 상기 질소산화물 흡장촉매 장치 후단에 위치하며, 상기 배기파이프 내부에 우레아 수용액을 분사하는 우레아 인젝터와, 상기 우레아 인젝터 후단에 위치하며, 상기 질소산화물 흡장촉매 장치를 통과한 배기가스의 신속한 유동 확산이 가능하도록 구비된 믹서와, 상기 믹서 후단에 위치하며, 귀금속을 포함하지 않는 촉매가 코팅되거나 암모니아를 산화시키지 않고 상기 분사된 우레아를 가수분해시키는 가수분해 촉매가 코팅되어 배기가스의 입자상물질을 저감시키는 입자상물질 제거용 필터, 및 상기 입자상물질 제거용 필터 후단에 위치하며, 상기 입자상물질 제거용 필터를 통과한 배기가스의 질소산화물을 저감시키는 선택적환원촉매 장치를 포함한다.
상기 입자상물질 제거용 필터와 상기 선택적환원촉매 장치 사이에는, 저압 배기가스 재생장치 파이프가 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배기 시스템은, 상기 선택적환원촉매 장치 후단에 위치하며, 상기 선택적환원촉매 장치를 통과한 배기가스의 암모니아를 산화시키고 질소산화물을 저감시키는 암모니아산화촉매 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 선택적환원촉매 장치의 전단 및 후단에 질소산화물 센서가 구비될 수 있다.
상기 질소산화물 흡장촉매 장치와 상기 우레아 인젝터 사이, 그리고 상기 입자상물질 제거용 필터와 상기 선택적환원촉매 장치 사이에 질소산화물 센서가 구비될 수 있다.
상기 질소산화물 흡장촉매 장치, 상기 우레아 인젝터, 상기 믹서, 및 상기 입자상물질 제거용 필터는 차량의 엔진룸에 구비되며, 상기 선택적환원촉매 장치는 차량 하부에 구비될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배기 시스템은, 상기 배기파이프의 일부분으로서, 상기 질소산화물 흡장촉매 장치와 상기 입자상물질 제거용 필터를 연결하며, 상기 우레아 인젝터에 의해 환원제가 분사되는 공간을 형성하는 분사 챔버를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 엔진룸에 우레아 인젝터와 믹서를 구비함으로써 고온에서 우레아 인젝션이 가능하고, 배기가스의 균일한 혼합이 가능하다.
또한, 선택적환원촉매가 포함되지 않은 일반 입자상물질 제거용 필터를 구비하고, 입자상물질 제거용 필터에는 귀금속을 코팅하지 않아서, 암모니아가 산화되는 것이 방지된다.
또한, 엔진룸에서 우레아를 분사하여 차량 하부의 선택적환원촉매 장치까지 암모니아가 공급되므로, 배기가스의 믹싱에 의해서 암모니아의 유동 균일도가 높고, 차량 하부에 보다 큰 부피의 선택적환원촉매 장치의 확보가 가능하다.
또한, 차량 하부에 선택적환원촉매 장치 또는 선택적환원촉매 장치와 암모니아산화촉매 장치를 구비하고, 이 촉매 장치 전후단에 질소산화물 센서를 장착하여, 우레아 인젝션 제어 및 배출가스 자기진단이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템을 개략적으로 나타낸 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배기 시스템을 개략적으로 나타낸 블럭도이다.
도 3은 차량의 각 위치별 시간에 따른 배기 온도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 기존의 배기 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 5는 기존의 배기 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 일 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예들에서는 일 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며, 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고, 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다. 어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수도 있다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 한 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 정화 장치에 관하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 정화 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 배기 시스템은, 엔진(10)의 배기가스를 정화시키도록 엔진(10)과 연결되며, 디젤산화촉매 장치(20)와, 우레아 인젝터(30)와, 믹서(40)와, 입자상물질 제거용 필터(50), 및 선택적환원촉매 장치(70)를 포함한다.
디젤산화촉매 장치(20)는 엔진(10)의 배기가스를 배출시키도록 형성된 배기파이프(5)에 장착된다. 즉, 디젤산화촉매 장치(20)의 전단은 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스를 받아들이도록 엔진(10)과 연결된다. 여기서, 구성요소의 전단 및 후단은 배기가스의 흐름을 기준으로 하며, 배기가스가 구성요소의 전단에서 후단으로 흐르는 것으로 정의된다.
디젤산화촉매 장치(20)는 소정 케이스의 내부에 담체가 구비되고, 그 담체에 디젤산화촉매가 코팅된 장치이다. 디젤산화촉매 장치(20)는 배기가스 중 탄화수소와 일산화탄소를 디젤산화촉매를 통해 산화시킨다.
입자상물질 제거용 필터(50)는 배기가스에 포함된 입자상물질을 포집하기 위한 촉매 담체가 형성되어 입자상물질을 화학적 변환 과정을 통하여 정화시키게 된다. 즉, 입자상물질 제거용 필터(50)는 디젤엔진(10)의 배기가스 중 입자상물질을 필터를 이용하여 물리적으로 포집하고 일정거리 주행 후 입자상물질의 발화 온도(550도) 이상으로 배기가스 온도를 상승시켜 입자상물질을 연소시켜 공해물질을 줄이는 장치이다. 입자상물질 제거용 필터(50)는 전단과 후단에 압력 센서 또는 온도 센서가 마련될 수 있으며, 센서는 배기가스가 입자상물질 제거용 필터(50)를 통과하기 전, 후 압력과 온도를 센싱해서 전자제어부(Electronic Control Unit; ECU)가 엔진(10) 및 관련 장치를 제어해서 쌓인 입자상물질을 제거할 수 있다.
입자상물질 제거용 필터(50)는 귀금속(백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh))을 포함하지 않는 촉매가 코팅된 것일 수 있다. 귀금속을 코팅하지 않아서, 입자상물질 제거용 필터(50)에 유입된 배기가스의 암모니아가 산화되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 입자상물질 제거용 필터(50)는 우레아 인젝터(30)에서 분사된 우레아를 가수분해시키는 가수분해 촉매가 코팅된 것일 수 있다. 가수분해 촉매는 질소를 산화시키지 않고, 분무된 우레아(Urea)를 가수분해시킨다. 기존에 배기 시스템에 사용된 복합촉매부(SDPF)는 선택적환원촉매(SCR)가 고기공 입자상물질 제거용 필터에 코팅된 형태로, 고온에 노출시, 고온에 의해 선택적환원촉매가 열화될 수 있다. 따라서, 복합촉매부의 재생 주기가 단축되고, 연비 악화의 원인이 되는데, 본 실시예에서는 복합촉매부 대신, 귀금속을 포함하지 않는 촉매가 코팅되거나 가수분해 촉매가 코팅된 입자상 물질 제거용 필터를 이용하여 재생 주기 및 연비 향상 효과가 있다.
기존의 배기 시스템은, 도 4에 도시된 바와 같이, 선택적환원촉매(SCR)가 고기공 입자상물질 제거용 필터에 코팅된 복합촉매부(55)를 구비함으로써, 저압 배기가스 재생장치 파이프(60)를 통해 일부 배기가스 유량이 다시 연소실로 공급되며, 저압 배기가스 재생장치로 빠져나가는 유량을 알 수 없으므로, 배출가스 자기진단이 어렵다. 그러나, 본 발명의 실시예들에 따르면, 복합촉매부 대신 귀금속을 포함하지 않는 촉매가 코팅된 또는 가수분해 촉매가 코팅된 입자상물질 제거용 필터를 구비하여 선택적환원촉매 장치 전후단의 질소산화물 센서에 의해 배기가스 유량을 알 수 있으므로 배출가스 자기진단이 가능하다.
선택적환원촉매 장치(70)는 디젤산화촉매 장치(20) 후단에 구비된다. 선택적환원촉매 장치(70)는 환원제(우레아)가 배기가스의 열에 의해 암모니아로 전환되고, 선택적환원촉매에 의한 배기가스 중의 질소산화물과 암모니아의 촉매 반응으로서 질소산화물을 질소가스와 물로 환원시키도록 기능한다.
선택적환원촉매 장치(70)의 전단과 후단에는 질소산화물 센서(72, 74)가 구비되어, 배기가스가 선택적환원촉매 장치(70)를 통과하기 전, 후의 질소산화물 량을 측정할 수 있다.
우레아 인젝터(30)는 디젤산화촉매 장치(20)의 후단에 위치하며, 배기파이프(5) 내부에 우레아 수용액을 분사한다. 우레아 인젝터(30)는 우레아를 분사할 수 있으며, 암모니아를 직접 분사할 수도 있다. 또한, 암모니아 외의 다른 환원제가 암모니아와 함께 또는 그 자체로 분사될 수 있다.
믹서(40)는 우레아 인젝터(30) 후단에 위치하며, 디젤산화촉매 장치(20)를 통과한 배기가스의 신속한 유동 확산이 가능하도록 구비된다.
한편, 입자상물질 제거용 필터(50)와 선택적환원촉매 장치(70) 사이에는, 저압 배기가스 재생장치 파이프(60)가 연결되어, 입자상물질 제거용 필터(50)를 통과한 배기가스가 배기가스 재생장치를 통하여 엔진(10)으로 재순환될 수 있다. 배기가스 재생장치는 엔진(10)에서 연료의 연소 후 배출되는 배기가스의 일부를 엔진(10)의 흡기장치로 재순환시켜 엔진(10)의 연소실로 다시 유입되게 함으로써, 연료와 공기의 혼합물인 혼합기의 자체 공연비는 변화시키지 않으면서 혼합기의 밀도를 저하시켜 연소 온도를 저하시키게 된다.
즉, 배기가스 재생 장치는 엔진(10)의 운전 상태에 따라 질소산화물의 배출 양을 저감시킬 필요가 있을 때에, 배기가스의 일부를 엔진(10)의 흡기계에 공급하여 연소실로 유입시킨다. 체적이 변하지 않는 불활성 가스인 배기가스가 상대적으로 혼합기의 밀도를 저하시켜 연료의 연소시 화염 전파 속도가 저하됨으로써, 연료의 연소 속도가 저하됨과 더불어 연소 온도의 상승도 억제되어 질소산화물의 생성이 억제되게 된다.
한편, 디젤산화촉매 장치(20), 우레아 인젝터(30), 믹서(40), 및 입자상물질 제거용 필터(50)는 차량의 엔진룸(CC)에 구비될 수 있으며, 선택적환원촉매 장치(70)는 차량 하부(uf)에 구비될 수 있다.
엔진룸(CC)에 우레아 인젝터(30)와 믹서(40)를 구비함으로써 고온에서 우레아 인젝션이 가능하고, 배기가스의 균일한 혼합이 가능하다. 또한, 엔진룸(CC)에서 우레아를 분사하여 차량 하부(uf)의 선택적환원촉매 장치(70)까지 암모니아가 공급되므로, 배기가스의 믹싱에 의해서 암모니아의 유동 균일도가 높고, 차량 하부(uf)에 보다 큰 부피의 선택적환원촉매 장치(70)의 확보가 가능하다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배기 시스템을 개략적으로 나타낸 블럭도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배기 시스템은, 도 1을 참조하여 설명된 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 시스템에서, 디젤산화촉매 장치 대신에 질소산화물 흡장촉매 장치(LNT, 20)가 배치될 수 있다.
질소산화물 흡장촉매 장치(20)는 엔진(10)의 희박 연소에 의해 발생되는 질소산화물을 흡장하여 저장하고, 환원 작용으로 질소산화물을 질소로 환원시켜 배출하며, 질소산화물 흡장촉매 장치(20) 후단에는 배기파이프(5) 내부에 우레아 수용액을 분사하는 우레아 인젝터(30)가 구비된다.
우레아 인젝터(30) 후단에는 질소산화물 흡장촉매 장치(20)를 통과한 배기가스의 신속한 유동 확산이 가능하도록 구비된 믹서(40)가 구비되며, 믹서(40) 후단에는 배기가스의 입자상물질을 저감시키는 입자상물질 제거용 필터(50), 및 입자상물질 제거용 필터(50)를 통과한 배기가스의 질소산화물을 저감시키는 선택적환원촉매 장치(70)가 구비된다.
본 실시예에서의 입자상물질 제거용 필터(50)도 앞서 설명한 실시예에서와 같이, 귀금속을 포함하지 않는 촉매가 코팅된 것일 수 있고, 우레아를 가수분해시키는 가수분해 촉매가 코팅된 것일 수 있다.
본 실시예에 따른 배기 시스템에 구비되는 우레아 인젝터(30), 믹서(40), 및 선택적환원촉매 장치(70)는 앞서 설명한 실시예에서와 동일하므로 이하, 반복적인 설명은 생략하기로 한다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 질소산화물 흡장촉매 장치(20)와 우레아 인젝터(30) 사이, 그리고 입자상물질 제거용 필터(50)와 선택적환원촉매 장치(70) 사이에 질소산화물 센서(72, 74)가 구비될 수 있다. 배기가스가 믹서(40)와 입자상물질 제거용 필터(50)를 통과하기 전, 후의 질소산화물 량을 측정할 수 있다.
한편, 배기파이프(5)의 일부분으로서, 질소산화물 흡장촉매 장치(20)와 입자상물질 제거용 필터(50)를 연결하며, 우레아 인젝터(30)에 의해 환원제가 분사되는 공간을 형성하는 분사 챔버(35)를 더 포함할 수 있다. 분사 챔버(35) 내에 분사된 환원제는 분사 챔버(35) 내에 구비되는 믹서(40)에 의해 균일하게 혼합되며, 배기가스 및 환원제를 분사 챔버(35) 후단에 연결된 입자상물질 제거용 필터(50)에 신속하게 유동 확산시킨다.
도 1에서 설명한 실시예에서도, 분사 챔버가 디젤산화촉매 장치(20)와 입자상물질 제거용 필터(50)를 연결하도록 구비될 수 있으며, 분사 챔버(35) 내에 분사된 환원제는 분사 챔버(35) 내에 구비되는 믹서(40)에 의해 균일하게 혼합될 수 있다.
또한, 입자상물질 제거용 필터(50)와 선택적환원촉매 장치(70) 사이에는, 저압 배기가스 재생장치 파이프(60)가 연결되어, 입자상물질 제거용 필터(50)를 통과한 배기가스가 배기가스 재생장치를 통하여 엔진(10)으로 재순환될 수 있다.
한편, 선택적환원촉매 장치(70) 후단에는 선택적환원촉매 장치(70)를 통과한 배기가스의 암모니아를 산화시키고 질소산화물을 저감시키는 암모니아산화촉매(Ammonia Oxidation Catalyst; AOC) 장치(80)를 더 포함할 수 있다.
암모니아산화촉매 장치(80)는 암모니아가 대기중으로 직접 방출되는 것을 방지하는 역할을 수행한다. 이는 높은 선택적환원촉매 효율을 확보하기 위해 환원제가 과다하게 분사되는 경우, 환원제가 반응에 참여하지 못하고 직접 대기중으로 배출되는 암모니아 슬립 현상에 의한 대기오염을 방지하기 위함이다.
암모니아산화촉매는 귀금속이 함침된 구리(Cu) 내포 제올라이트, 또는 귀금속이 함침된 철(Fe) 내포 제올라이트, 또는 귀금속이 함침된 구리, 실리콘(Si) 내포 알루미나 촉매 조성물일 수 있다.
질소산화물 흡장촉매 장치(20), 우레아 인젝터(30), 믹서(40), 및 입자상물질 제거용 필터(50)는 차량의 엔진룸(CC)에 구비될 수 있으며, 선택적환원촉매 장치(70)는 차량 하부(uf)에 구비될 수 있다.
도 3은 차량의 각 위치별 시간에 따른 배기 온도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 우레아 인젝션을 하기 위해서는 최소한 180도 이상의 배기온은 되어야 하는데, 디젤산화촉매 장치(20) 및 입자상물질 제거용 필터(50)가 위치하는 엔진룸(CC)은 약 150초 이상이면 180도 이상의 배기온에 도달하여 신속한 우레아 인젝션이 가능하다. 그러나, 선택적환원촉매 장치(70)가 위치하는 차량 하부(uf)는 약 800초 이후에야 180도까지 배기온이 도달한다. 따라서, 우레아 인젝션이 차량 하부(uf)에서 가능하기 위해서는 약 800초 이상의 시간이 소요된다. 따라서, 우레아 인젝션은 고온에 빨리 도달하는 엔진룸에서 이루어지는 것이 유리함을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 엔진룸에 우레아 인젝터와 믹서를 구비함으로써 고온에서 우레아 인젝션이 가능하고, 배기가스의 균일한 혼합이 가능하다.
또한, 선택적환원촉매가 포함되지 않은 일반 입자상물질 제거용 필터를 구비하고, 입자상물질 제거용 필터에는 귀금속을 코팅하지 않아서, 암모니아가 산화되는 것이 방지된다.
또한, 엔진룸에서 우레아를 분사하여 차량 하부의 선택적환원촉매 장치까지 암모니아가 공급되므로, 배기가스의 믹싱에 의해서 암모니아의 유동 균일도가 높고, 차량 하부에 보다 큰 부피의 선택적환원촉매 장치의 확보가 가능하다.
또한, 차량 하부에 선택적환원촉매 장치 또는 선택적환원촉매 장치와 암모니아산화촉매 장치를 구비하고, 이 촉매 장치 전후단에 질소산화물 센서를 장착하여, 우레아 인젝션 제어 및 배출가스 자기진단이 가능하다.
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.
5: 배기파이프 10: 엔진
20: 디젤산화촉매 장치, 질소산화물 흡장촉매 장치
30: 우레아 인젝터 35: 분사 챔버
40: 믹서 50: 입자상물질 제거용 필터
55: 복합촉매부 60: 저압 배기가스 재생장치 파이프
70: 선택적환원촉매 장치 72, 74: 질소산화물 센서
80: 암모니아산화촉매 장치

Claims (14)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
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  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 엔진의 희박 연소에 의해 발생되는 질소산화물을 흡장하여 저장하고, 환원 작용으로 질소산화물을 질소로 환원시켜 배출하는 질소산화물 흡장촉매(Lean NOx Trap; LNT) 장치;
    상기 질소산화물 흡장촉매 장치 후단에 위치하며, 배기파이프 내부에 우레아 수용액을 분사하는 우레아 인젝터;
    상기 우레아 인젝터 후단에 위치하며, 상기 질소산화물 흡장촉매 장치를 통과한 배기가스의 신속한 유동 확산이 가능하도록 구비된 믹서;
    상기 믹서 후단에 위치하며, 귀금속을 포함하지 않는 촉매가 코팅되거나 암모니아를 산화시키지 않고 상기 분사된 우레아를 가수분해시키는 가수분해 촉매가 코팅되어 배기가스의 입자상물질을 저감시키는 입자상물질 제거용 필터;
    상기 입자상물질 제거용 필터 후단에 위치하며, 상기 입자상물질 제거용 필터를 통과한 배기가스의 질소산화물을 저감시키는 선택적환원촉매 장치; 및
    상기 배기파이프의 일부분으로서, 상기 질소산화물 흡장촉매 장치와 상기 입자상물질 제거용 필터를 연결하며, 상기 우레아 인젝터에 의해 환원제가 분사되는 공간을 형성하는 분사 챔버를 포함하고,
    상기 분사 챔버 내에 분사된 환원제는 상기 분사 챔버 내에 구비되는 믹서에 의해 균일하게 혼합되며,
    상기 입자상물질 제거용 필터와 상기 선택적환원촉매 장치 사이에는,
    저압 배기가스 재생장치 파이프가 연결되는 배기 시스템.
  9. 삭제
  10. 제 8 항에서,
    상기 선택적환원촉매 장치 후단에 위치하며,
    상기 선택적환원촉매 장치를 통과한 배기가스의 암모니아를 산화시키고 질소산화물을 저감시키는 암모니아산화촉매 장치를 더 포함하는 배기 시스템.
  11. 제 8 항에서,
    상기 선택적환원촉매 장치의 전단 및 후단에 질소산화물 센서가 구비되는 배기 시스템.
  12. 제 8 항에서,
    상기 질소산화물 흡장촉매 장치와 상기 우레아 인젝터 사이, 그리고 상기 입자상물질 제거용 필터와 상기 선택적환원촉매 장치 사이에 질소산화물 센서가 구비되는 배기 시스템.
  13. 제 8 항에서,
    상기 질소산화물 흡장촉매 장치, 상기 우레아 인젝터, 상기 믹서, 및 상기 입자상물질 제거용 필터는 차량의 엔진룸에 구비되며, 상기 선택적환원촉매 장치는 차량 하부에 구비되는 배기 시스템.
  14. 삭제
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