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KR20120095747A - 다기능성 배기가스 정화필터 및 이를 이용한 배기가스 정화장치 - Google Patents

다기능성 배기가스 정화필터 및 이를 이용한 배기가스 정화장치 Download PDF

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KR20120095747A
KR20120095747A KR1020110015254A KR20110015254A KR20120095747A KR 20120095747 A KR20120095747 A KR 20120095747A KR 1020110015254 A KR1020110015254 A KR 1020110015254A KR 20110015254 A KR20110015254 A KR 20110015254A KR 20120095747 A KR20120095747 A KR 20120095747A
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KR
South Korea
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exhaust gas
gas purification
catalyst
purification filter
oxidation catalyst
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Ceased
Application number
KR1020110015254A
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English (en)
Inventor
박종수
이영재
황경란
이신근
김동국
김태환
이춘부
유경선
Original Assignee
한국에너지기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to PCT/KR2011/009393 priority patent/WO2012115336A2/ko
Priority to CN201180069110.8A priority patent/CN103415679B/zh
Priority to US14/000,809 priority patent/US9587541B2/en
Publication of KR20120095747A publication Critical patent/KR20120095747A/ko
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Abstract

본 발명의 배기가스 정화장치는, 배기가스에 포함된 입자상 물질(Particulate Material; PM), 일산화탄소(Carbon Monoxide; CO), 탄화수소(Hydrocarbon : HC)을 저감하며, 이산화질소(Nitrogen dioxide; NO2) 함량을 높게 생성시키는 다기능성 필터(Multi-Functional Particulate Filter; MFPF)의 구성방법을 제공한다.
상기 MFPF는 배기가스 유입/배출 유로 양측에 제올라이트와 산화촉매를 동시에 코팅하여 탄화수소의 슬립을 최소화함과 동시에 고농도의 NO2를 생성하는 것을 특징으로 한다.

Description

다기능성 배기가스 정화필터 및 이를 이용한 배기가스 정화장치{Multi-functional particulate filter and exhaust gas filtering device using this}
본 발명은 자동차 배기가스 정화장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배기가스 내에 포함되어 있는 PM, CO, HC의 높은 저감력과 함께 고농도의 이산화질소를 생성할 수 있는 저가의 필터 구성방법에 관한 것이다.
디젤차량은 고출력과 높은 에너지 효율로 인하여 CO2 문제의 단기 적인 해법으로 인식되고 있다. 그러나, 디젤엔진 배기가스 중에는 PM, CO, HC, NOx과 같은 오염물질이 다량 포함되어 있어서 환경 오염문제를 야기하기 때문에, 이러한 오염물질의 저감장치는 크린디젤의 완성에 필수적인 부분이다.
CO, HC, PM은 DOC 또는/동시에 cDPF 장착을 통하여 90% 이상의 제거율을 확보할 수 있다. 그러나, NOx 저감에 해서는 아직 연구단계에 있다.
NOx는 환원제 존재 촉매상에서 아래의 반응 기구를 통하여 분해될 수 있다.
4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O, SCR (1)
NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O, fast SCR (2)
6NO2 + 8NH3 → 7N2 + 12H2O, SCR (3)
질소산화물 저감을 위해서 도 1에 도시된 배기가스 정화장치(10)의 구성과 같이, 엔진(100)의 후단에 DOC(200), cDPF(300) 및 SCR(400)를 순차적으로 구비한 구성이 개시되어 있다. 이러한 구성읕 통해 질소산화물과 함께 CO, HC, PM을 저감시킬 수 있다.
최근 연구결과에 따르면, 반응 속도론적 측면에서 상기 반응식 (1)에 비해서, 반응식 (2)의 경로로 진행될 때 10배 이상의 반응속도(fast SCR)를 얻을 수 있는 것으로 보고되고 있다(Manfred Koebel 등, Selective catalytic reduction of NO and NO2 at low temperatures, Catalysis Today, 73, 239-247(2002)). 그러나, 자동차 배기가스중에 포함된 NO2의 농도는 전체 NOx중 30% 미만이기 때문에, 자체적인 패스트 SCR 진행 기여도는 낮다.
즉, 반응식(2)의 경로로 SCR이 진행되기 위해서는, NOx 중 NO2 함량이 50%를 만족할 수 있도록 조치가 필요하다. 그러나, 도 1의 구성은, 산화촉매(DOC)에서 반응식(4)에 의하여 NO2를 형성함에도 불구하고, SCR 촉매층에 공급되는 가스중 NO2/NOx 비율 만족이 어려워, 질소산화물 제거효율 개선이 필요하다.
NO + 1/2O2 → NO2 (4)
이러한 NO2/NOx 비율에 대한 문제점의 원인은, DOC에서 반응식(4)의 경로를 통하여 형성된 NO2는 cDPF에 포집된 PM과 반응식(5)에 따른 반응이 진행된다. 즉, 이러한 반응은 PM 제거 관점에서는 바람직한 형태이나, 질소산화물 저감 측면에서는 PM이 NO2의 환원제로 작용돼서 cDPF 내부에 PM 포집량에 따라서 SCR에 유입되는 배기가스 중 NO2/NOx의 비가 감소되기 때문에 패스트 SCR 구현에 역작용을 하게 된다.
NO2 + PM(카본) → NO + CO/CO2 (5)
상기 문제점의 개선을 목적으로, 도 2에 도시된 배기가스 정화장치(20)와 같이, cDPF(300)의 후류와 SCR(400) 상류측에 DOC(200)를 위치하여 높은 NO2 농도를 확보할 수 있는 시스템 구성이 개시되어 있다.
상기 장치들은, 차량하체에 장착되기 때문에 공간적인 여유가 없으며, 특히, 차량의 이동속도에 따라서, 배기가스 온도 변화가 크기 때문에 SCR 작용 범위인, 200℃ 이상 유지 분율(시간평균)은, 도심 운행 소형차 기준으로 50%에 불과하다.
즉, 차량 정차시 배기가스의 온도는 100℃ 내외로 공급되어 SCR 촉매층은 냉각되고, 차량이 출발하여 이동을 시작할 때 고온의 배기가스가 공급되고 이를 열원으로 하여 SCR 촉매층 온도를 신속하게 상승시킬 수 있도록 후처리 장치의 구성이 필요하다.
또한, 우레아 수용액을 환원제로 사용하는 SCR에서는 배기가스 중에 탄화수소(HC)가 포함될 때 기능 저가가 발생되기 때문에 유입가스 중에 이의 제거가 필수적이다. 특히, 차량 정차시 저온배기가스 중에 탄화수소가 포함되고 정화장치 내 산화촉매의 온도가 낮은 상태에서는 이의 산화반응이 불가능하여 제거 되지 않은 채로 SCR 촉매층으로 공급된다. 따라서, SCR 촉매인 제올라이트에 HC의 흡착은 피할 수 없다. 이들이 탈착되는 일정온도 이상까지 가열되어 대부분이 배출된 이후에 SCR 기능을 100% 발휘될 수 있기 때문에 저온영역에서 SCR의 공급을 적극 억제할 수 있는 장치의 구성이 필요하다.
특히, 최근 귀금속 가격의 폭등으로 산업 전반적으로 걸림돌로 작용되고 있다. 따라서, 다량의 귀금속 소비처인 자동차 배기가스 후처리 분야는 기능적인 성능 만족과 함께 귀금속 사용량의 최소화가 절대적인 상태에 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 바의 문제점을 해결하기 위한 다기능성 배기가스 정화필터(Multi-Functional Particulate Filter, 이하 MFPF로 표기)를 제공하는 것을 일반적인 목적으로 한다.
본 발명의 제1의 목적은, NO2/NOx 비율을 높임과 동시에, SCR 운용온도에 도달시간을 최소화할 수 있는 배기가스 후처리용 필터를 제공하는 것이다.
본 발명의 제2의 목적은, 우레아 SCR(urea SCR) 기능을 반감하는 HC의 SCR 촉매층에 유입을 억제하는 배기가스 후처리용 필터를 제공하는 것이다.
본 발명의 제3의 목적은, 오염물 저감에 필요한 귀금속 사용량을 최소화한 배기가스 후처리용 필터의 제공에 있다.
본 발명의 제4의 목적은 상기 배기가스 후처리용 필터를 이용한 배기가스 처리장치를 제공하는 데에 있다.
먼저, SCR의 효율을 향상하기 위해서는 상기 반응식 (2)에서 알 수 있는 바와 같이, NO2/NO의 비율이 1이 되는 것이 바람직하다. 즉, SCR 상류측에 축열체로 작용되는 DOC의 제거와 동시에 SCR에 공급되는 가스중에 NO2/NOx의 비율을 향상시킬 수 있는 기능을 부여하는 다기능 배가가스 정화필터를 제공한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 배기가스 정화 필터(cDPF)(300)에서는 PM 산화와 동시에 배기가스 중에 포함된 탄화수소를 연소하기 위해서, 배기가스가 도입되는 가스유입로에 산화촉매를 코팅한다. 좀 더 상술하면, 상기 배기가스 정화필터(300)은 하우징(302)의 내부에 다수의 축방향으로 연장돼서 기체침투성 벽체(310)에 의해 격자상 단면형상을 가지는 것에 의해 복수의 채널을 형성한다. 그리고, 상기 각 채널은 하나의 플러그(340)가 가스유동방향의 상류측 단부 또는 하류측 단부에 설치돼서 가스유입로(320)와 가스배출로(350)를 이룬다.
상기 각 가스유입로(320)와 상기 각 가스배출로(350)는 상호 교대로 배치돼서, 하나의 가스유입로(320) 주위는 가스배출로(350)에 의해 포위되고, 반대로 하나의 가스배출로(350) 주위는 가스유입로(320)에 의해 포위된다. 이 결과, 상기 가스유입로(320)로 유입되는 배기가스는 상기 기체침투성 벽체(310)를 통과하여 상기 가스배출로(350)로 이동하게 된다.
상기 기체침투성 벽체(310)로는 세라믹 유사 물질, 예를 들어 코디어라이트, α-알루미나, 규소 카바이드, 규소 니트라이드, 지르코니아, 뮬라이트, 스포두멘, 알루미나-실리카-마그네시아, 또는 지르코늄 실리케이트로 이루어지거나, 또는 다공성 내화성 금속으로 이루어진다. 또, 상기 기체침투성 벽체(310)는 세라믹 섬유 복합체 물질로 형성될 수 있다. 다른 실시태양의 벽 유동 모노리스는 알루미늄 티타네이트, 코디어라이트, 규소 카바이드, 금속 산화물 및 세라믹 중 하나 이상이다.
그리고, 상기 가스유입로(320)에는 내벽면에 PM 산화와 동시에 배기가스 중에 포함된 탄화수소를 연소하기 위해서 산화촉매(330)가 코팅된다. 상기 산화촉매(330)로는 PM, HC, CO 산화반응이 강한 산화촉매, 일례로 백금과 팔라듐의 혼합 또는 단일 성분의 촉매를 사용할 수 있다. 이 때 혼합시 팔라듐과 백금의 함량 비율은 10:1?1:10 범위가 바람직하다
배기가스는 상기 기체침투성 벽체(310)의 개공홀을 통과하면서 정제되어 상기 가스배출로(350)를 통해 배출된다. 이 경우에서는, NO2의 생성효율이 낮은 문제점이 있어, 도 2에 도시된 바와 같이 cDPF 후류측에 산화촉매층(DOC)을 설치하여 일산화질소(NO) 산화에 의한 이산화질소(NO2) 함량 증가 구성이 불가피하다.
본 발명의 제1의 목적을 만족하기 위해서, 도 4와 같이 정제된 배기가스가 배출되는 배출홀의 표면에 산화촉매를 코팅하여 필터벽의 미세포아를 통과하여 입자상물질이 제거된 가스 중에 포함된 NO의 산화반응을 진행하여 NO2 함량을 증가시킨다. 따라서, 필터 내부의 입자상물질 포집량에 따른 NO2/NO 비율 변화 현상을 완전 배제할 수 있다. 즉, cDPF와 DOC를 동일 하니컴 구조체에 직접화를 통하여 MFPF를 구성할 수 있고, 이에 따라서 여러가지 측면(가열속도, 가격, 연비향상, 장치구성비)의 경쟁력을 제공한다.
본 발명 제2 및 제3의 목적을 만족하기 위해서, 도 5와 같이, 오염가스 유입홀 또는/동시에 배출홀 표면에 탄화수소 흡착력이 우수한 제올라이트와 같은 흡착층을 일차로 코팅하고, 이의 상부에 산화촉매를 코팅한다. 이로 인하여, 필터 표면의 거대 기공과 가스유로 사각코너 부분을 제올라이트로 채움으로서, 필터 전체에 균일한 촉매 코팅이 가능하기 때문에, 저온에서의 탄화수소 흡착기능의 부여와 동시에, 촉매의 낭비 요인을 최소화할 수 있다.
상기 과정에 의해서, 저온에서의 탄화수소 흡착능, 고온에서의 CO, HC, PM 산화능과 함께 높은 NO2/NOx 비를 SCR 촉매층에 공급 가능한 MFPF를 제공할 수 있다.
본 발명에 개시된 배기가스 정화필터는, 저온에서 SCR 촉매층에 HC 유입 최소화에 의한 SCR 기능 극대화, 산화촉매제 사용량 최소화, DOC용 하니컴 및 캐닝 비용 제거에 의한 경제성 향상, DOC 제거로 배기가스 배출 저항 축소에 의한 연비향상, 신속한 가열에 의한 질소산화물 분해효율 증대, 컴팩트 구성으로 장착용이성과 같은 다양한 장점을 제공한다.
상기 특성으로 인하여, 운행차 및 완성차에 모두 적용될 수 있는 디젤 배기가스 정화장치를 제공할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 배기가스 정화장치의 일예이다.
도 2는 종래기술에 따른 배기가스 정화장치의 다른 예이다.
도 3은 종래기술에 따른 배기가스 정화 필터(cDPF)의 개략적인 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 다기능 배기가스 정화필터(MFPF)의 제1실시예의 개략적인 구성도이다.
도 5는 도 4의 다기능 배기가스 정화필터(MFPF)의 산화촉매코팅된 모습을 설명하는 개략도이다.
도 6은 본 발명에 따른 다기능 배기가스 정화필터(MFPF)의 제2실시예의 개략적인 구성도이다.
도 7은 도 6의 다기능 배기가스 정화필터(MFPF)에서 흡착층의 상측으로 산화촉매코팅된 모습을 설명하는 개략도이다.
도 8은 종래기술에 따른 cDPF와 DOC를 이용한 HC 영향 최소화한 배기가스 정화장치의 구성예이다.
도 9는 본 발명에 따른 MFPF를 사용한 배기가스 정화장치의 제1구성예이다.
도 10은 본 발명에 따른 MFPF를 사용한 배기가스 정화장치의 제2구성예이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
먼저, 상기 제1목적을 실현할 수 있는 본 발명의 실시예 1에 따른 다기능성 배기가스 정화필터(500)에 대하여 도 4를 참조하여 설명한다.
상기 다기능성 배기가스 정화필터(500)는 필터내 PM 포집량의 변화에 무관하게, SCR에 NO2 농도가 높은 질소산화물을 공급하기 위해서, 상기 다기능성 배기가스 정화필터(500)의 가스배출로(350)의 내벽면에 NO 산화촉매(360)를 코팅하는 것을 특징으로 한다.
상기 다기능성 배기가스 정화필터(500)의 가스유입로(320)에는 PM, HC, CO 산화반응이 강한 산화촉매, 일례로 백금과 팔라듐의 혼합 또는 단일 성분의 촉매를 사용할 수 있다. 이 때 혼합시 팔라듐과 백금의 함량 비율은 10:1?1:10 범위가 바람직하다.
또, 가스배출로(350)에는 NO 산화력이 우수한 팔라듐과 백금의 혼합 또는 단일 성분의 촉매를 사용할 수 있다. 이 때, 팔라듐과 백금의 함량 비율은, 10:1?1:10 범위가 바람직하다. 상기 산화촉매는, 백금 또는 팔라듐 이외에도 다양한 형태의 산화촉매를 사용할 수 있다.
본 발명의 주안점은, 상기 다기능성 배기가스 정화필터(500)의 가스유입로(320) 뿐 아니라 가스배출로(350)에 산화촉매를 코팅하는 것에 의해 PM, HC, CO의 제거와 동시에 NO2 함량이 높은 필터의 구성에 대한 방법을 제시하는 것이고, 촉매조성을 안정하고자 하는 것이 아니다.
상기 산화촉매는, 팔라듐 또는 백금으로 대별되는 산화촉매 성분을 지지체, 일례로 내열성 감마알루미나의 표면에 담지한 후에 건조, 소결한 후에 슬러리화 하여 필터에 코팅할 수 있다. 또는, 지지체와 촉매활성 금속을 졸화 하여 동시에 코팅하는 방법도 가능하다. 다만, 입/출구 측에 조성의 변화와 함께 코팅량에 변화를 얻기 위해서는 활성금속을 지지체에 고정화하고 슬러리화 하여 단계적인 코팅이 바람직하다.
상기 활성 금속은 cDPF 1리터를 기준으로 배기가스 가스유입로(320)측에 0.3?5g 범위를, 가스배출로(350)측에는 0.1?1g 범위가 포함되도록 하는 것이 성능과 경제성 범위를 만족 할 수 있다. 특히, 가스배출로(350) 측의 귀금속 함량은, NO2/NOx=1이 되도록 가감이 필요하다, 만일 NO2 농도가 NO 보다 높을 경우 SCR의 효과 측면과 귀금속 비용이 증가되는 단점이 있다. 따라서, 엔진 형식 또는 장착 위치별로 cDPF에 전달되는 평균온도에서 큰 차이가 있기 때문에 이에 따라서 가감이 필요하다.
상기 다기능성 배기가스 정화필터(500)는 100셀 밀도(cpsi) 이상, 바람직하기로는, 200셀 밀도 이상, 더욱 바람직하기로는 300셀 밀도 이상이 추천된다. 셀 밀도가 적을수록, 정제가스의 배출유로 측에 코팅된 촉매와 배가스의 접촉 확률이 낮기 때문에 미 제거된 CO, HC의 산화와 NO2에 의한 PM 산화반응에서 생성된 CO의 전환율을 높게 유지할 수 없다. 반면, 셀 밀도가 너무 클 경우 촉매제의 코팅이 불균일함과 동시에 압력손실이 증가되는 문제점이 있을 수 있다.
다음으로, 본 발명의 실시예 2에 따른 다기능성 배기가스 정화필터(600)를 설명한다. 상기 다기능성 배기가스 정화필터(600)에 의해 본 발명의 제2 및 제3의 목적을 구현할 수 있다.
이러한 다기능성 배기가스 정화필터(600)는 저온에서의 탄화수소 흡착기능의 부여와 동시에, 촉매의 낭비 요인을 최소화할 수 있도록 흡착층(370,380)을 산화촉매에 앞서 상기 가스배출로(350) 또는/동시에 상기 가스유입로(320)에 형성한다.
상기 흡착층(370,380)은 탄화수소 흡착력이 우수한 제올라이트와 같은 재질로 이루어지며, 상기 흡착층(370,380)을 상기 가스배출로(350) 및/또는 상기 가스유입로(320)의 내벽면에 일차로 코팅하고, 상기 흡착층(370,380)의 상부에 산화촉매(330,360)를 코팅한다. 이로 인하여, 필터 표면의 거대 기공과 가스유로의 코너 부분을 제올라이트로 채움으로서, 필터 전체에 균일한 촉매 코팅이 가능하여 촉매의 낭비 요인을 최소화할 수 있다. 추가적으로, 상기 흡착층(370,380)에 의해 저온에서의 탄화수소 흡착기능이 강화된다.
좀 더 상술하면, 1차적으로 제올라이트 성분으로 흡착층(370,380)을 코팅하고, 이의 상부 산화촉매 슬러리(330, 360)를 코팅하면, 가스배출로(350)의 최외각 촉매 성분의 활성화 온도 도달 이전까지 HC를 흡착하고 있기 때문에 SCR에 HC 흡착에 의한 기능 저하를 최소화 할 수 있다. 상기 과정에 의해서, 저온에서의 탄화수소 흡착능, 고온에서의 CO, HC, PM 산화능과 함께 높은 NO2/NOx 비를 SCR 촉매층에 공급 가능한 MFPF를 제공할 수 있다.
또 다른 촉매 코팅 방법으로는, 산화촉매인 활성금속을 내열성 세라믹담체에 담지하여 슬러리화하고 이에 제올라이트 성분을 포함하여 혼합슬러리는 제조하여 코팅할 수 있다.
산화촉매 슬러리에 제올라이트의 혼합, 또는 제올라이트의 선코팅 후 산화촉매성분의 순차 코팅은, 배기가스의 도입부와 배출부에 모두 진행하거나 또는 단일측에 코팅도 가능하다. 즉, 차량특성과 제어 방식에 따라서, HC 슬립량이 차이가 있을 수 있기 때문에 HC의 흡착제 필요량의 가감이 필요하기 때문에 코팅 총량의 가감 및 양측 또는 단일측에 코팅을 결정할 필요가 있다.
상기 구성에 의해서, 차량정차 또는 저속운행 과정에서 배출되는 HC(탄화수소 및 악취)의 배출 또한 적극 억제함과 동시에 차량 운행 재개시 필터 온도가 증가되고, 촉매가 활성화 온도에 도달하게 될 때 귀금속계 산화촉매 대부분이 탄화수소 존재시 SCR 기능을 갖기 때문에, 일부의 질소산화물 저감기능을 발휘 할 수 있다. 즉, 후단 SCR 과정에서 필요한 환원제 공급 없이 상기 다기능성 배기가스 정화필터(MFPF)(600)에서도 일부의 질소산화물 분해역할을 할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이 산화촉매만이 도포되어 있는 경우에는 PM(1)의 제거효율이 저하될 뿐 아니라 산화촉매가 거대홀(312,315)에 메워져 낭비되는 문제점이 있다. 그러나, 상기 다기능성 배기가스 정화필터(MFPF)(600)와 같이 배기가스 도입 유로에, 제올라이트 성분(370)을 1차 코팅하고, 산화촉매를 2차 코팅층으로 하는 다층 구성시, 도 7에 도시된 바와 같이 제올라이트 코팅 과정에서 필터의 표면에 존재하는 대부분의 거대홀(312,315)을 메움과 동시에 제올라이트 파우더 입자의 충진에 의해서 생성되는 마이크로 포아의 크기에 해당되는 형태로 변형 할 수 있다. 이에 따라서, 2차 코팅 촉매의 낭비 요인 최소화와 동시에 PM 제거효율을 현저하게 증가 시킬 수 있다. 즉, 필터 자제의 제조과정에서 평균기공 분포 조절 및 마크로 포아 형성 억제를 위한 각고의 노력을 완화할 수 있기 때문에 필터 제조비용 또한 최소화 할 수 있다. 또, 촉매 코팅과정에서 거대 기공을 산화촉매로 매립하는 이의 낭비요인을 적극억제 할 수 있다.
또한, 필터의 채널 내 촉매 슬러리 코팅시 유로의 구석에 산화촉매 슬러리의 표면 장력에 의해서 촉매가 모이는 현상이 발생된다. 이를 억제하기 위해서, 사각유로에서 육각유로 또는 원형유로를 형성하기 위한 노력이 진행중에 있다. 그러나, 본 발명에 따른 탄화수소 흡착력이 있는 제올라이트 성분으로 1차 코팅을 하는 것에 의해, 필터 셀의 구석 부분을 탄화수소 흡착기능이 있는 제올라이트로 채울 때, 귀금속 촉매제의 낭비요인 최소화와 동시에 필터자체에 탄화수소 흡착기능을 부여하는 두 가지 효과를 동시에 만족할 수 있다.
이러한 기능을 만족하기 위한 바람직한 제올라이트 코팅량은 가스유입로(320) 측은 30?100g/L, 가스배출로(350) 측은 10?80g/L 범위가 바람직하다. 또한, 엔진과 필터의 간격, 포스트 인젝션 실시유무/빈도에 따라서 흡착제의 총량과 배기가스 입출구 양측 또는 단일측의 코팅 유무를 결정할 수 있다.
본 발명의 실시예1,2에 따른 다기능성 배기가스 정화필터(500,600)은 기본적으로 상술한 바와 같이 구성된다. 이하, 상기 다기능성 배기가스 정화필터(600)을 이용한 배기가스 정화장치의 구성모습에 대해 설명한다.
SCR 촉매층에 탄화수소 유입을 억제하기 위해서, 도 8에 도시된 바와 같이,엔진(100)의 후단에 cDPF(300), 탄화수소 흡착층(390), DOC(200), SCR(400)의 순으로 기능적으로 분할된 형태의 구성도 가능하다. 그러나, 이러한 구성은, SCR(400)의 운용온도까지 가열시 많은 시간이 소요되어 질소산화물 저감을 위한 환원제 공급시간의 감소, 결국 질소산화물 제거량의 감소로 귀결된다.
또한, 상기 구성은, 각 유닛의 온도 상승 순서를 보면, 엔진(100)에 가까운 순서로 가열되기 때문에 탄화수소 흡착층(390)이 먼저 가열되어 탄화수소의 탈착이 시작되어도, 후단의 DOC(200)의 온도는 상대적으로 낮은 상태이기 때문에 HC 산화율을 높게 유지할 수 없다. 결국, SCR 반응기(400)에 HC 유입은 피할 수 없다.
그러나, 본 발명의 실시예2에 따른 상기 다기능성 배기가스 정화필터(600)을 이용한 배기가스 정화장치(40)는, SCR 반응기내 탄화수소 유입의 적극 억제와 동시에 고농도의 NO2 공급기능을 갖는 MFPF의 제공에 따라서, 도 9와 같이 단순화 될 수 있다. 단일 필터의 표면에 흡착층 및 산화촉매의 코팅 구성시 가열속도가 동일하기 때문에 흡착된 HC의 배출을 최소화할 수 있다. 따라서, 기능적인 다기능성 측면 이외에 장치의 수를 줄여서 비용 뿐 아니라 설치면적을 감소시키는 부가적인 경쟁력을 제공할 수 있다. 상기 SCR(300)은 전이금속을 이온교환한 제올라이트 촉매로 이루어질 수 있다.
또, 이러한 구성을 운행차에 장착시, MFPF를 터보차져 후류 10-30cm 범위 내 장착이 불가능하고 PM 발생량이 많은 차량의 경우에는 도 10에 도시된 배기가스 정화장치(50)와 같이, MFPF(600) 상류에 DOC(200) 추가하여 NO2를 다량 생성하여 PM, HC, CO 산화를 적극 유도하는 구성이 필요하다. 이 때 DOC 또한, 상기 필터(600)의 구성과 같이, 제올라이트를 사용할 때, HC의 흡착과 동시에 귀금속 사용량을 적극 저감하는 효과를 얻을 수 있음은 자명한 사항이다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: PM 10,20,30,40,50: 배기가스 정화장치
100: 엔진 200: DOC
300: cDPF 302: 하우징
310: 기체침투성 벽체 320: 가스유입로
330,360: 산화촉매 340: 플러그
350: 가스배출로 370,380: 흡착층
390: HC흡착층 400: SCR
500,600: MFPF

Claims (11)

  1. 다수의 축방향으로 연장돼서 기체침투성 벽체에 의해 격자상 단면형상을 가지는 것에 의해 복수의 채널을 형성하고,
    상기 각 채널은 하나의 플러그가 가스유동방향의 상류측 단부 또는 하류측 단부에 설치돼서 가스유입로와 가스배출로를 이루며,
    상기 각 가스유입로는 가스배출로에 의해 포위되고,
    상기 가스유입로 및 상기 가스배출로의 내부표면에는 산화촉매를 코팅하는 것을 특징으로 하는 다기능성 배기가스 정화필터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가스유입로 및 상기 가스배출로 중 어느 하나 이상의 내부표면에는 1차적으로 흡착제를 코팅하여 흡착층을 형성하고, 상기 흡착층 위로 산화촉매를 코팅하는 것을 특징으로 하는 다기능성 배기가스 정화필터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 가스유입로 및 상기 가스배출로 중 어느 하나 이상의 내부표면에는 산화촉매에 흡착제를 혼합하여 코팅하는 것을 특징으로 하는 다기능성 배기가스 정화필터.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 흡착제는 제올라이트인 것을 특징으로 하는 다기능성 배기가스 정화필터.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산화촉매는 백금과 팔라듐 중에서 선택된 어느 한가지 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 다기능성 배기가스 정화필터.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 다기능성 배기가스 정화필터를 엔진의 후단에 설치하고,
    상기 다기능성 배기가스 정화필터의 후류측에 선택적 환원촉매(Selective Catalystic Reduction; SCR)가 배치되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 엔진과 상기 다기능성 배기가스 정화필터 사이에 디젤 산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC)가 설치되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 다기능성 배기가스 정화필터의 후류측에 환원제로 우레아(urea) 수용액을 분사하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  9. 제6항에 있어서, 상기 SCR 촉매가 전이금속을 이온교환한 제올라이트 촉매인 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  10. 제 7항에 있어서, 상기 DOC는 산화촉매와 제올라이트를 혼합하여 코팅한 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
  11. 제 7항에 있어서, 상기 DOC는 제올라이트를 1차 코팅하고, 이어서 제올라이트의 표면에 산화촉매를 코팅하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화장치.
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