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KR101865744B1 - 배기가스 정화장치 - Google Patents

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KR101865744B1
KR101865744B1 KR1020160153507A KR20160153507A KR101865744B1 KR 101865744 B1 KR101865744 B1 KR 101865744B1 KR 1020160153507 A KR1020160153507 A KR 1020160153507A KR 20160153507 A KR20160153507 A KR 20160153507A KR 101865744 B1 KR101865744 B1 KR 101865744B1
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KR
South Korea
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exhaust gas
catalyst
diesel oxidation
particulate matter
lta zeolite
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KR1020160153507A
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Inventor
이효경
Original Assignee
현대자동차 주식회사
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Abstract

배기가스 정화장치가 개시된다. 상기 배기가스 정화장치는 엔진의 배기가스를 정화시키도록 구비되는 배기가스 정화장치에 있어서, 상기 엔진에서 배출되는 배기가스가 통과하는 배기라인, 상기 배기라인에 설치되어 배기가스 중 탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO)를 정화시키는 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC), 상기 배기라인 내부에 우레아 수용액을 분사하는 우레아 인젝터(Urea Injector), 그리고 상기 우레아 수용액을 이용하여 상기 디젤산화촉매를 통과한 배기가스의 질소산화물을 저감시키는 선택적환원촉매(Selective Catalyst Reduction; SCR)를 를 포함하며, 상기 디젤산화촉매는, LTA 제올라이트 촉매를 포함할 수 있다.

Description

배기가스 정화장치{DEVICE FOR PURIFYING EXHAUST GAS}
본 발명은 배기가스 정화장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고온 성능이 개선된 LTA 제올라이트 촉매를 이용해 배기가스 중의 유해 물질을 저감시킬 수 있는 배기가스 정화장치에 관한 것이다.
일반적으로, 엔진의 배기 시스템은 배기가스 중에 함유된 공해 물질인 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 입자상 물질(Particulate Matter), 질소산화물(NOx) 등을 감소시키기 위해 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst, DOC), 입자상물질 제거용 필터 (Diesel Particulate matter Filter, DPF), 및 선택적 환원 촉매(Selective Catalyst Reduction, SCR) 및 질소 산화물 정화 촉매 (Lean NOx Trap, LNT 촉매) 등과 같은 배기가스 후처리 장치를 구비하고 있다.
DOC는 배기가스 중의 총 탄화수소와 일산화탄소를 산화시키고, 일산화질소를 이산화질소로 산화시킬 수 있다.
DPF는 배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집하고 그 입자상 물질을 화학적 변환 과정을 통하여 정화시킬 수 있다.
또한, SCR은 인젝터를 통해 배기가스의 스트림 방향으로 분사되는 환원제(요소)가 배기가스의 열에 의해 암모니아(NH3)로 전환되고, SCR 촉매에 의한 배기가스 중의 질소산화물과 암모니아의 촉매 반응으로서 질소산화물을 질소 가스(N2)와 물(H2O)로 환원시키는 것이다.
그리고, 최근 차량의 배출가스 규제가 더욱 강화되면서, SCR 시스템에 대한 질소산화물 정화 성능의 개선이 요구되고 있으며, 특히, 냉시동 시 SCR의 미작동 영역에 대한 질소산화물을 저감시키기 위한 기술이 필요한 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, LTA 제올라이트 촉매를 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC)에 적용함으로써, DOC의 고온 성능 개선으로 배기가스 정화 성능을 향상시킬 수 있는 배기가스 정화장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 배기가스 정화장치는 엔진의 배기가스를 정화시키도록 구비되는 배기가스 정화장치에 있어서, 상기 엔진에서 배출되는 배기가스가 통과하는 배기라인, 상기 배기라인에 설치되어 배기가스 중 탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO)를 정화시키는 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC), 상기 배기라인 내부에 우레아 수용액을 분사하는 우레아 인젝터(Urea Injector), 그리고 상기 우레아 수용액을 이용하여 상기 디젤산화촉매를 통과한 배기가스의 질소산화물을 저감시키는 선택적환원촉매(Selective Catalyst Reduction; SCR)를 포함하며, 상기 디젤산화촉매는, LTA 제올라이트 촉매를 포함한다.
상기 LTA 제올라이트 촉매는, Pt, Pd, Rh, Fe, Cu, Ag, Mn, Co, 및 Mg 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 LTA 제올라이트 촉매가 상기 Pd를 포함하는 경우, 상기 LTA 제올라이트 촉매 전체 중량에 대한 Pd의 함량은 0.1 중량% 내지 3 중량%일 수 있다.
상기 디젤산화촉매의 후단에 형성되거나 상기 선택적환원촉매의 전단에 형성되며, 상기 배기가스의 입자상물질을 저감시키는 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate matter Filter; DPF)를 더 포함할 수 있다.
상기 입자상물질 제거용 필터에 일정량의 입자상물질이 포집되면 상기 입자상물질 제거용 필터의 전단의 온도가 일정온도 이상이 되도록 제어할 수 있다.
상기 디젤산화촉매는, 상기 선택적환원촉매의 미작동 영역에서 상기 배기가스 중의 NOx를 저장하고, 상기 선택적환원촉매가 활성화된 후에 저장된 상기 NOx를 탈착시킬 수 있다.
상기 선택적환원촉매의 미작동 영역의 온도는 상기 선택적환원촉매가 활성화된 후의 온도보다 낮을 수 있다.
상기 디젤산화촉매는, 상기 배기가스에 산소가 많은 조건(Lean condition)에서 발생하는 NOx를 저장할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 배기가스 정화장치는 엔진의 배기가스를 정화시키도록 구비되는 배기가스 정화장치에 있어서, 상기 엔진에서 배출되는 배기가스가 통과하는 배기라인 상에 설치되며, 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC)를 포함하는 전단 촉매부, 그리고 상기 전단 촉매부와 연결되며, 선택적환원촉매(Selective Catalyst Reduction; SCR)를 포함하는 후단 촉매부를 포함하며, 상기 디젤산화촉매는, LTA 제올라이트 촉매를 포함한다.
상기 전단 촉매부 또는 후단 촉매부는, 상기 배기가스의 입자상물질을 저감시키는 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate matter Filter; DPF)를 포함할 수 있다.
상기 배기라인 내부에 우레아 수용액을 분사하는 우레아 인젝터(Urea Injector), 그리고 상기 우레아 수용액의 분사를 제어하며, 상기 입자상물질 제거용 필터에 일정량의 입자상물질이 포집되면 상기 배기가스의 온도가 일정온도 이상이 되도록 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 디젤산화촉매는, 상기 선택적환원촉매의 미작동 영역에서 상기 배기가스 중의 NOx를 저장하고, 상기 선택적환원촉매가 활성화된 후에 상기 디젤산화촉매에 저장된 NOx를 탈착시킬 수 있다.
상기 LTA 제올라이트 촉매는, Pt, Pd, Rh, Fe, Cu, Ag, Mn, Co, 및 Mg 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 LTA 제올라이트 촉매가 상기 Pd를 포함하는 경우, 상기 LTA 제올라이트 촉매 전체 중량에 대한 Pd의 함량은 0.1 중량% 내지 3 중량%일 수 있다.
상술한 바와 같이, 고온 성능이 개선된 LTA 제올라이트 촉매를 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC)에 적용함으로써, 질소산화물의 정화 성능을 향상시키고 연비를 향상시킬 수 있는 환경을 제공한다.
또한, 선택적환원촉매(Selective Catalyst Reduction; SCR)의 미작동 영역에서 LTA 제올라이트 촉매에 질소산화물을 저장하고 SCR이 활성화된 영역에서 탈착시킴으로써, 냉시동 시 SCR의 미작동 영역에 대한 질소산화물을 저감시킬 수 있는 환경을 제공한다.
또한, 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate matter Filter; DPF)의 재생에 따른 온도 상승으로 인한 DOC의 열화를 방지할 수 있는 환경을 제공한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배기가스 정화장치의 구조를 간략히 도시한 도면이다.
도 2는 배기 온도에 따른 NOx 정화 효율을 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 SCR 작동 여부에 따른 누적 NOx량을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배기가스 정화장치의 구조를 간략히 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 배기가스 정화장치의 구조를 간략히 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 각 실시예에 따른 PM 재생시 DOC 촉매 온도를 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시예에 따른 배기가스 정화장치는 차량뿐만 아니라 화석 연료를 태워 에너지를 얻고 그 과정에서 발생되는 가스를 대기 중으로 배출하는 다양한 장치에 적용될 수 있다. 본 명세서에서는 상기 배기가스 정화장치가 차량에 적용되는 것을 예시하나, 차량에만 적용되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
차량에는 동력을 발생시키기 위한 엔진이 탑재되어 있다. 상기 엔진은 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 연소시켜 화학적 에너지를 기계적 에너지로 변환한다. 엔진은 흡기 매니폴드에 연결되어 연소실 내부로 공기를 유입받으며, 배기 매니폴드에 연결되어 연소 과정에서 발생된 배기가스는 배기 매니폴드에 모인 후 차량의 외부로 배출되게 된다. 상기 연소실 또는 흡기 매니폴드에는 인젝터가 장착되어 연료를 연소실 또는 흡기 매니폴드 내부로 분사한다.
상기 엔진에서 발생된 배기가스는 배기가스를 통하여 차량 외부로 배출된다. 상기 배기 장치는 배기 파이프와 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation; EGR) 장치를 포함할 수 있다.
상기 배기 파이프는 상기 배기 매니폴드에 연결되어 배기가스를 차량의 외부로 배출시킨다.
배기가스 재순환 장치는 배기 파이프 상에 장착되어 엔진에서 배출되는 배기가스는 상기 배기가스 재순환 장치를 통과한다. 또한, 상기 배기가스 재순환 장치는 상기 흡기 매니폴드에 연결되어 배기가스의 일부를 공기에 섞어 연소 온도를 제어한다. 이러한 연소 온도는 상기 배기가스 재순환 장치에 구비된 EGR 밸브(도시하지 않음)를 ON/OFF 제어함으로써 조절될 수 있다. 즉, EGR 밸브를 ON/OFF 제어함으로써 흡기 매니폴드에 공급되는 배기가스의 양을 조절한다.
상기 배기 장치에는 배기 파이프에 장착되어 배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집하는 매연 필터를 더 포함할 수 있다. 상기 매연 필터는 배기가스에 포함된 입자상 물질 외의 유해한 물질을 정화하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 정화장치일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조로, 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 정화장치를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배기가스 정화장치의 구조를 간략히 도시한 도면이다. 이때, 배기가스 정화장치는 본 발명의 실시예에 따른 설명을 위해 필요한 개략적인 구성만을 도시할 뿐 이러한 구성에 국한되는 것은 아니다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배기가스 정화장치는 엔진(100)에서 배출되는 배기가스가 통과하는 배기라인(105), 엔진(100)에서 배출되는 배기가스가 통과하는 배기라인(105) 상에 설치되는 전단 촉매부(110), 상기 전단 촉매부(110)와 연결되는 후단 촉매부(120), 상기 배기라인(105) 내부에 우레아 수용액을 분사하는 우레아 인젝터(Urea Injector)(130), 상기 우레아 수용액의 분사를 제어하는 제어부(140)을 포함한다.
전단 촉매부(110)는 본 발명의 한 실시예에 따라 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC)(112)를 포함한다.
디젤산화촉매(112)는 엔진(100)에서 배출되는 배기가스가 통과하는 배기라인(105) 상에 설치되고, 탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO)를 정화시킬 수 있다.
그리고, 디젤산화촉매(112)는 본 발명의 한 실시예에 따라 LTA 제올라이트 촉매를 포함할 수 있다. 상기 LTA 제올라이트 촉매는 Pt, Pd, Rh, Fe, Cu, Ag, Mn, Co, 및 Mg 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 한 실시예에 따른 LTA 제올라이트 촉매를 제조하는 과정을 설명한다.
본 발명의 한 실시예에 따른 촉매의 제조 방법은 몰 기준으로 Si/Al 비율이 1 초과인 LTA 제올라이트를 준비하는 단계, LTA 제올라이트에 이온을 치환시켜 이온을 포함하는 LTA 제올라이트를 제조하는 단계, 및 이온을 포함하는 LTA 제올라이트를 구리(Cu) 이온 교환을 수행하여 구리형 LTA 제올라이트를 제조하는 단계를 포함하며, 구리와 알루미늄의 중량 비율이 0.14 내지 0.58이다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며 촉매의 사용 환경에 따라 활성금속(active metal)과 알루미늄의 비율을 조절할 수 있다.
먼저, LTA 제올라이트를 준비하는 단계에 대하여 설명한다. LTA 제올라이트의 준비는, 씨드(Seed)를 이용하여 제조할 수 도 있고, 씨드를 이용하지 않고 제조할 수도 있다. 본 단계에서 준비되는 LTA 제올라이트의 몰 기준 Si/Al 비율은 1 초과일 수 있다. 보다 구체적으로, 몰 기준 Si/Al 비율은 5 내지 50일 수 있다. 바람직하게는, 몰 기준 Si/Al 비율은 5 내지 30일 수 있다. 보다 바람직하게는, 8 이상일 수 있다.
그럼 일 예시로, 씨드(seed)를 이용하여 LTA 제올라이트를 제조하는 단계에 대하여 설명한다.
LTA 제올라이트를 제조하기 위해 먼저 수산화알루미늄(Al(OH)3; aluminium hydroxide) 및 테트라에틸 오쏘실리케이트(Si(OC2H5)4; tetraethyl orthosilicate)의 혼합물에 LTA 씨드(seed)를 혼합하여 LTA 제올라이트를 제조할 수 있다.
구체적으로 1,2-디메틸-3-(4-메틸벤질)이미다졸리움 하이드록사이드 (1,2-dimethyl-3-(4-methylbenzyl)imidazolium hydroxide) 수용액과 수산화알루미늄(Al(OH)3)을 혼합하여 1차 교반을 수행한 후, 테트라메틸암모늄 하이드록사이드 펜타하이드레이트(tetramethylammonium hydroxide pentahydrate)를 추가로 혼합한 후 2차 교반을 수행하여 제1 혼합물을 제조한다.
여기서, 제1 혼합물 총 중량 대비 20~35중량%의 1,2-디메틸-3-(4-메틸벤질)이미다졸리움 하이드록사이드 (1,2-dimethyl-3-(4-methylbenzyl)imidazolium hydroxide), 수산화알루미늄은 1~2중량%, 테트라메틸암모늄 하이드록사이드 펜타하이드레이트(tetramethylammonium hydroxide pentahydrate)는 1~5중량% 및 잔량의 물을 혼합하여 제조할 수 있으며, 1차 교반 및 2차 교반은 0.5시간~1.5시간동안 수행할 수 있다.
이렇게 제조된 제1 혼합물에 테트라에틸 오쏘실리케이트(Si(OC2H5)4; tetraethyl orthosilicate; TEOS)를 혼합하여 3차 교반을 수행한 후, LTA 씨드(seed)를 혼합하여 4차 교반을 수행하여 제2 혼합물을 제조한다.
제2 혼합물 총 중량 대비 테트라에틸 오쏘실리케이트(tetraethyl orthosilicate; TEOS)는 30~35중량%가 혼합될 수 있으며, LTA 씨드는 LTA 제올라이트에 포함된 전체 실리콘 성분 총 중량 대비 2~6중량%로 혼합될 수 있다.
또한, 3차 교반은 2~4시간동안 수행할 수 있으며, 4차 교반은 20~28시간동안 수행할 수 있다.
그 후, 제2 혼합물을 충분히 가열하여 테트라에틸 오쏘실리케이트(tetraethyl orthosilicate; TEOS)의 가수분해로 인해 생성된 에탄올과 물을 증발시켜, 제3 혼합물을 제조한다.
제2 혼합물의 가열은 70~90℃의 온도에서 수행할 수 있다.
그 후, 제3 혼합물에 불화수소(HF) 수용액을 혼합하고 가열, 세척 및 건조 과정을 통해 제4 혼합물을 제조한다.
여기서, 제3 혼합물의 가열은 150~200℃의 온도에서 일정 시간동안 수행할 수 있으며, 세척은 수회 반복 수행할 수 있고, 건조는 상온에서 수행할 수 있다.
다음으로, 제4 혼합물의 유기물을 제거하기 위해 추가 열처리를 수행하여 본 발명의 실시예에 따른 제올라이트 촉매를 제조하기 위한 LTA 제올라이트를 제조한다.
추가 열처리는 500~700℃에서 6~10시간동안 수행할 수 있으며, 본 실시예에 따른 LTA 제올라이트는 몰 기준 Si/Al 비가 5 내지 50일 수 있다.
또한, 씨드 없이 제조하는 경우, 하기와 같은 방법으로 LTA 제올라이트를 제조할 수 있다. 플라스틱 비커에 유기구조유도분자로서 1,2-디메틸-3-(4-메틸벤질)이미다졸리움 하이드록사이드 (1,2-Dimethyl-3-(4-methylbenzyl)imidazolium hydroxide, 이하 12DM3(4MB)IOH) 0.1 몰 내지 1.0 몰에 수산화알루미늄(Aluminium hydroxide) 0.0 몰 내지 0.2 몰과 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(Tetramethylammonium hydroxide, 이하 TMAOH) 0.0 몰 내지 0.2 몰을 첨가하여 충분히 교반한다. 다음, 상기 반응물들에 대하여 테트라에틸 오쏘실리케이트(Tetraethyl orthosilicate, 이하 TEOS)가 1 몰의 비율이 되도록 첨가하여 다시 충분히 교반시킨다.
다음, 용액에 첨가된 TEOS의 가수분해로 인해 생성된 에탄올을 완전히 제거함과 동시에 물이 0 몰 내지 10 몰이 될 때까지 용액을 60 - 100 ℃에서 충분히 가열한다. 마지막으로 불화수소(HF) 0.1 내지 1.0 몰을 첨가하여 충분히 혼합하여 원하는 조성을 갖는 반응혼합물을 수득한다.
상기 반응혼합물을 테프론 반응기에 옮기고 다시 스테인레스 강철로 만든 용기에 넣어 100 - 200 ℃ 에서 0.1 - 14일 동안 가열하여, LTA 제올라이트를 제조할 수 있다. 상기와 같은 방법으로 제조된 LTA 제올라이트도, 몰 기준 Si/Al 비가 5 내지 50일 수 있다. 다만, 상기 제조 방법은 예시적인 것으로, 상기 서술한 방법에 제한되는 것은 아니다.
다음으로, 제조된 LTA 제올라이트를 이용하여 이온을 포함하는 LTA 제올라이트를 제조하는 단계에 대하여 상세하게 설명한다.
먼저, LTA 제올라이트를 암모늄염에 넣어 환류시키고 세척, 건조 과정을 수행하여 NH4+이온을 포함하는 NH4형 LTA 제올라이트를 제조한다.
여기서 암모늄염은 암모늄 나이트레이트(NH4NO3)일 수 있다.
환류 과정은 60~100℃의 온도에서 5~7시간동안 수행할 수 있다.
본 실시예에서는, 이온을 암모늄 이온을 예시로 설명하였으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 다른 이온 및 이온염의 사용 또한 본 개시의 범위에 포함된다.
다음으로, 이온을 포함하는 LTA 제올라이트에 구리(Cu) 이온 교환을 수행하여 구리형 LTA 제올라이트를 제조하는 단계에 대하여 설명한다. 본 단계에서 제조되는 구리형 LTA 제올라이트에서, 구리와 알루미늄의 중량 비율이 0.14 내지 0.58일 수 있다. 보다 바람직하게는 0.32 내지 0.48이다.
다만, 이러한 비율에 한정되는 것은 아니며, 구리와 알루미늄의 중량 비율이 0.1 내지 0.7일 수 있다. 이는 촉매를 사용하고자 하는 환경 조건에 따라 적절히 조절 가능하다.
또한, 구리의 함량을 중량%로 나타내는 경우, 구리의 함량이 0.5 중량% 5 중량%일 수 있다. 또한 보다 바람직하게는, 구리의 함량이 2.0 중량% 내지 3.0 중량%일 수 있다.
앞선 단계에서, 제조후 건조된 NH4+이온을 포함하는 NH4형 LTA 제올라이트를 구리(Cu) 이온 교환을 통해 Cu 이온을 포함하는 구리형 LTA 제올라이트를 제조할 수 있다.
구리 이온 교환은 구리 아세테이트 모노하이드레이트(copper acetate monohydrate), 구리 나이트라이드(copper nitride), 구리 나이트레이트(copper nitrate), 구리 설페이트(copper sulfate) 등의 구리 전구체 용액에 넣고 교반을 수행한 후, 세척 및 건조 과정을 수행하여 구리형 LTA 제올라이트를 제조할 수 있다.
다음, 구리형 LTA 제올라이트를 오븐에서 점차적으로 온도를 승온시킨 후 열처리 과정을 수행하여 본 발명의 실시예에 따른 촉매를 제조할 수 있다.
여기서, 구리형 LTA 제올라이트의 열처리는 1~30℃/분으로 400~750℃까지 승온시킨 후, 1~24시간 동안 수행할 수 있다.
본 단계에서 제조되는 구리형 LTA 제올라이트에서, 구리와 알루미늄의 중량 비율이 0.14 내지 0.58일 수 있다. 보다 바람직하게는 0.32 내지 0.48일 수 있다.
이러한 구리와 알루미늄의 비율은, 열적으로 안정하면서도 NOx 정화 성능이 우수한 비율이다.
이상, 구리 이온을 포함하는 Cu/LTA 촉매에 대해 설명하였나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 본 발명의 한 실시예에 따른 디젤산화촉매(112)에 적용되는 LTA 제올라이트 촉매는 Pd/LTA 촉매를 포함할 수 있다. 그리고, Pd의 함량을 전체 Pd/LTA 촉매의 중량에 대한 중량%로 나타내는 경우, Pd/LTA 촉매 전체 중량에 대한 Pd의 함량은 0.1 중량% 내지 3 중량%일 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 한 실시예에 따른 배기가스 정화장치는 고온 성능이 개선된 Pd/LTA 촉매를 DOC에 적용함으로써, DPF의 재생에 따른 온도 상승으로 인한 DOC의 열화를 방지할 수 있다.
그리고, 후단 촉매부(120)는 본 발명의 한 실시예에 따라 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate matter Filter; DPF)(122) 및 선택적환원촉매(Selective Catalyst Reduction; SCR)(124)를 포함한다.
입자상물질 제거용 필터(122)는 선택적환원촉매(124)의 전단에 형성되며, 상기 배기가스의 입자상물질(Particulate Matter, PM)을 저감시킨다. 여기서, 입자상물질 제거용 필터(122)는 본 발명의 한 실시예에 따라 DPF에 SCR 촉매가 코팅된 SDPF (SCR on DPF)일 수 있다.
선택적환원촉매(124)는 상기 우레아 수용액을 이용하여 상기 디젤산화촉매(112) 및 상기 입자상물질 제거용 필터(122)를 통과한 배기가스의 질소산화물(NOx)을 저감시킬 수 있다.
제어부(140)는 우레아 수용액의 분사하도록 우레아 인젝터(130)를 제어한다. 그리고, 제어부(140)는 온도 센서(150,160)에서 측정된 온도를 수신하고, 입자상물질 제거용 필터(122)에 일정량의 입자상물질이 포집되면 상기 입자상물질 제거용 필터(122)의 전단의 온도가 일정온도 이상이 되도록 제어한다. 예를 들어, 제어부(140)는 엔진에서 배출되는 배기가스 온도가 640 ℃이상이 되도록 엔진(100)을 제어할 수 있다.
이러한 목적을 위하여, 제어부(140)는 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 하나 이상의 프로세서로 구현될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 정화 방법의 각 단계를 수행하도록 프로그래밍 된 것일 수 있다.
그리고, 디젤산화촉매(112)는 선택적환원촉매(124)의 미작동 영역에서 상기 배기가스 중의 NOx를 저장하고, 상기 선택적환원촉매(124)가 활성화된 후에 저장된 NOx를 탈착시킨다. 그리고, 선택적환원촉매(124)는 디젤산화촉매(112)에서 탈착된 NOx를 정화시킬 수 있다. 여기서, 본 발명의 한 실시예에 따라 상기 선택적환원촉매(124)의 미작동 영역의 온도는 상기 선택적환원촉매(124)가 활성화된 후의 온도보다 낮다.
또한, 디젤산화촉매(112)는 상기 배기가스에 산소가 많은 조건(Lean condition)에서 발생하는 NOx를 저장하고, 상기 선택적환원촉매(124)가 활성화된 후에 저장된 NOx를 탈착시킬 수도 있다. 이 경우, 본 발명의 한 실시예에 따른 배기가스 정화장치는 기존의 질소산화물정화유닛(LNT, lean NOx trap)의 경우처럼 엔진을 강제로 리치 상태(Rich condition)로 제어할 필요가 없다.
도 2는 배기 온도에 따른 NOx 정화 효율을 도시한 그래프이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따라 SCR 작동 여부에 따른 누적 NOx량을 도시한 그래프이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 기존에는 냉시동시 SCR이 미작동되는 저온 영역에서 NOx 정화 효율이 낮았다.
하지만, 본 발명의 한 실시예에 따라 Pd/LTA 촉매를 포함하는 DOC는 SCR이 미작동되는 영역에서 배기가스 중의 NOx를 저장하고, SCR이 활성화된 후에 DOC에 저장된 NOx를 탈착시킨다. 그리고, 활성화된 SCR이 DOC에서 탈착된 NOx를 정화한다. 따라서, 본 발명의 한 실시예에 따른 배기가스 정화장치는 냉시동 시 SCR의 미작동 영역에서 발생되는 질소산화물을 효과적으로 저감시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배기가스 정화장치의 구조를 간략히 도시한 도면이다. 이때, 배기가스 정화장치는 본 발명의 실시예에 따른 설명을 위해 필요한 개략적인 구성만을 도시할 뿐 이러한 구성에 국한되는 것은 아니다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 배기가스 정화장치는 엔진(200)에서 배출되는 배기가스가 통과하는 배기라인(205), 엔진(200)에서 배출되는 배기가스가 통과하는 배기라인(205) 상에 설치되는 전단 촉매부(210), 상기 전단 촉매부(210)와 연결되는 후단 촉매부(220), 상기 배기라인(205) 내부에 우레아 수용액을 분사하는 우레아 인젝터(Urea Injector)(230)를 포함한다.
전단 촉매부(310)는 본 발명의 한 실시예에 따라 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC)(212) 및 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate matter Filter; DPF)(214)를 포함한다. 여기서, 디젤산화촉매(212)는 상기 도 1에서 설명한 Pd/LTA 촉매를 포함할 수 있으며, 도 1과 서로 공통적인 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
그리고, 후단 촉매부(220)는 본 발명의 한 실시예에 따라 선택적환원촉매(Selective Catalyst Reduction; SCR)(222)를 포함한다.
우레아 인젝터(230)는 상기 전단 촉매부(110)와 상기 후단 촉매부(220) 사이에 배치되어 배기라인(105) 내부에 우레아 수용액을 분사한다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 배기가스 정화장치의 구조를 간략히 도시한 도면이다. 이때, 배기가스 정화장치는 본 발명의 실시예에 따른 설명을 위해 필요한 개략적인 구성만을 도시할 뿐 이러한 구성에 국한되는 것은 아니다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 배기가스 정화장치는 엔진(300)에서 배출되는 배기가스가 통과하는 배기라인(305), 엔진(300)에서 배출되는 배기가스가 통과하는 배기라인(305) 상에 설치되는 전단 촉매부(310) 및, 상기 전단 촉매부(310)와 연결되는 후단 촉매부(320)를 포함한다.
전단 촉매부(310)는 본 발명의 한 실시예에 따라 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC)(312), 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate matter Filter; DPF)(314) 및, 우레아 수용액을 분사하는 우레아 인젝터(Urea Injector)(316)를 포함한다. 여기서, 디젤산화촉매(312)는 상기 도 1에서 설명한 Pd/LTA 촉매를 포함할 수 있으며, 도 1과 서로 공통적인 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
그리고, 입자상물질 제거용 필터(314)는 본 발명의 한 실시예에 따라 DPF에 SCR 촉매가 코팅된 SDPF (SCR on DPF)일 수 있다.
또한, 우레아 인젝터(316)는 디젤산화촉매(312) 및 입자상물질 제거용 필터(314)에 사이에 배치될 수 있다.
그리고, 후단 촉매부(320)는 본 발명의 한 실시예에 따라 선택적환원촉매(Selective Catalyst Reduction; SCR)(322)를 포함한다.
도 6은 본 발명의 각 실시예에 따른 PM 재생시 DOC 촉매 온도를 도시한 그래프이다.
도 6을 참조하면, DPF에 일정량의 PM이 포집되면 이를 제거하기 위해서 엔진에서 배출되는 배기가스 온도가 640 ℃이상 되도록 제어한다. 그리고, DPF 재생시 DOC 촉매의 온도는 700 ℃ 내지 900 ℃까지 상승한다. 따라서, 기존에는 DPF에 포집된 PM을 제거하기 위해 DPF를 재생하는 경우 배기가스 온도가 상승되어 DOC 촉매의 열화를 초래하였다.
하지만, 본 발명의 배기가스 정화장치는 고온 성능이 개선된 LTA 제올라이트 촉매를 DOC에 적용함으로써, DPF의 재생에 따른 온도 상승으로 인한 DOC의 열화를 방지할 수 있다.
특히, 내열 성능이 우수한 Pd/LTA 촉매로 DOC를 형성하고, DPF 전단의 온도를 고온 영역에서 다단(예를 들어, 640℃ → 670℃)으로 제어함으로써, PM을 보다 효과적으로 제거할 수도 있다.
이와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 배기가스 정화장치는 고온 성능이 개선된 LTA 제올라이트 촉매를 DOC에 적용함으로써, 질소산화물의 정화 성능을 향상시키고 연비를 향상시킬 수 있는 환경을 제공한다.
또한, 본 발명의 한 실시예에 따른 배기가스 정화장치는 SCR의 미작동 영역에서 LTA 제올라이트 촉매에 질소산화물을 저장하고 SCR이 활성화된 영역에서 탈착시킴으로써, 냉시동 시 SCR의 미작동 영역에 대한 질소산화물을 저감시킬 수 있는 환경을 제공한다.
또한, 본 발명의 한 실시예에 따른 배기가스 정화장치는 DPF의 재생에 따른 온도 상승으로 인한 DOC의 열화를 방지할 수 있는 환경을 제공한다.
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.

Claims (14)

  1. 엔진의 배기가스를 정화시키도록 구비되는 배기가스 정화장치에 있어서,
    상기 엔진에서 배출되는 배기가스가 통과하는 배기라인,
    상기 배기라인에 설치되어 배기가스 중 탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO)를 정화시키는 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC),
    상기 배기라인 내부에 우레아 수용액을 분사하는 우레아 인젝터(Urea Injector), 그리고
    상기 우레아 수용액을 이용하여 상기 디젤산화촉매를 통과한 배기가스의 질소산화물을 저감시키는 선택적환원촉매(Selective Catalyst Reduction; SCR)
    를 포함하며,
    상기 디젤산화촉매는,
    몰 기준 Si/Al 비율이 8 내지 30인 LTA 제올라이트 촉매를 포함하고,
    상기 LTA 제올라이트 촉매는,
    Pt, Pd, Rh, Fe, Cu, Ag, Mn, Co, 및 Mg 중 적어도 하나를 포함하며,
    상기 LTA 제올라이트 촉매가 상기 Pd를 포함하는 경우,
    상기 LTA 제올라이트 촉매 전체 중량에 대한 Pd의 함량은 0.1 중량% 내지 3 중량%인 배기가스 정화장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 디젤산화촉매의 후단에 형성되거나 상기 선택적환원촉매의 전단에 형성되며, 상기 배기가스의 입자상물질을 저감시키는 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate matter Filter; DPF)를 더 포함하는 배기가스 정화장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 입자상물질 제거용 필터에 일정량의 입자상물질이 포집되면 상기 입자상물질 제거용 필터의 전단의 온도가 일정온도 이상이 되도록 제어하는 배기가스 정화장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 디젤산화촉매는,
    상기 선택적환원촉매의 미작동 영역에서 상기 배기가스 중의 NOx를 저장하고, 상기 선택적환원촉매가 활성화된 후에 저장된 상기 NOx를 탈착시키는 배기가스 정화장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 선택적환원촉매의 미작동 영역의 온도는 상기 선택적환원촉매가 활성화된 후의 온도보다 낮은 배기가스 정화장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 디젤산화촉매는,
    상기 배기가스에 산소가 많은 조건(Lean condition)에서 발생하는 NOx를 저장하는 배기가스 정화장치.
  9. 엔진의 배기가스를 정화시키도록 구비되는 배기가스 정화장치에 있어서,
    상기 엔진에서 배출되는 배기가스가 통과하는 배기라인 상에 설치되며, 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC)를 포함하는 전단 촉매부, 그리고
    상기 전단 촉매부와 연결되며, 선택적환원촉매(Selective Catalyst Reduction; SCR)를 포함하는 후단 촉매부
    를 포함하며,
    상기 디젤산화촉매는,
    몰 기준 Si/Al 비율이 8 내지 30인 LTA 제올라이트 촉매를 포함하고,
    상기 LTA 제올라이트 촉매는,
    Pt, Pd, Rh, Fe, Cu, Ag, Mn, Co, 및 Mg 중 적어도 하나를 포함하며,
    상기 LTA 제올라이트 촉매가 상기 Pd를 포함하는 경우,
    상기 LTA 제올라이트 촉매 전체 중량에 대한 Pd의 함량은 0.1 중량% 내지 3 중량%인 배기가스 정화장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전단 촉매부 또는 후단 촉매부는,
    상기 배기가스의 입자상물질을 저감시키는 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate matter Filter; DPF)를 포함하는 배기가스 정화장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 배기라인 내부에 우레아 수용액을 분사하는 우레아 인젝터(Urea Injector), 그리고
    상기 우레아 수용액의 분사를 제어하며, 상기 입자상물질 제거용 필터에 일정량의 입자상물질이 포집되면 상기 배기가스의 온도가 일정온도 이상이 되도록 제어하는 제어부
    를 더 포함하는 배기가스 정화장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 디젤산화촉매는,
    상기 선택적환원촉매의 미작동 영역에서 상기 배기가스 중의 NOx를 저장하고, 상기 선택적환원촉매가 활성화된 후에 상기 디젤산화촉매에 저장된 NOx를 탈착시키는 배기가스 정화장치.
  13. 삭제
  14. 삭제
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