KR100763411B1 - 다중배열형 디젤 산화/환원 촉매변환장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디젤엔진의 산화/환원 촉매변환장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 배출되는 배기가스의 온도에 따라 배출경로를 다르게 하고, 각 배출경로에는 배기가스의 성분분포에 적합한 촉매층을 형성하여 유해한 성분의 변환 효율을 극대화하여 환경오염을 방지하도록 한 다중배열형 디젤 산화/환원 촉매변환장치에 관한 것이다.

본 발명은, 디젤엔진의 배기가스를 정화하는 촉매변환장치에 있어서, 배기가스가 배출되는 유로가 구비되고, 유로의 중단에는 축방향으로 일정길이의 분리격벽이 형성되어 배기가스가 분리되어 진행되도록 하고, 상기 분리격벽으로 분할된 각 유로에는 제1, 제2솔레노이드 밸브를 각각 장착하여 유로의 개폐가 조절되도록 하고, 상기 분리된 제1유로에는 제1산화촉매와 제2산화촉매를 설치하고, 제2유로에는 환원촉매와 제3산화촉매를 순차적으로 설치하여 배기가스의 정화가 이루어지도록 하고, 상기 유로의 배출단부에는 매연여과장치를 장착하여 디젤입자상물질(PM)이 포집되어 연소되도록 한 것을 특징으로 한다.

디젤엔진, 촉매변환, 배기가스, 산화촉매, 매연여과장치

Description

다중배열형 디젤 산화/환원 촉매변환장치{CATALYTIC CONVERTER WITH MULTI-ARRANGEMENT TYPE FOR DIESEL ENGINE}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시일예에 따른 솔레노이드밸브가 장착된 촉매변환장치를 도시한 개략도이고,

도 2는 본 발명의 다른 실시일예에 따른 솔레노이드밸브가 장착된 촉매변환장치를 도시한 개략도이고,

도 3은 본 발명의 또다른 실시일예에 따른 전기히터가 장착된 촉매변환장치를 도시한 개략도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

10 : 촉매변환장치 20 : 유로

21 : 제1유로 22 : 제2유로

23 : 분리격벽 24 : 온도센서

25 : 제1솔레노이드밸브 26 : 제2솔레노이드밸브

27 : 고온밸브 28 : 내부관

29 : 전기히터 31 : 제1산화촉매

32 : 제2산화촉매 33 : 제3산화촉매

34 : 제4산화촉매 35 : 환원촉매

36 : 산화환원복합촉매 37 : 매연여과장치(DPF)

본 발명은 디젤엔진의 산화/환원 촉매변환장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 배출되는 배기가스의 온도에 따라 배출경로를 다르게 하고, 각 배출경로에는 배기가스의 성분분포에 적합한 촉매층을 형성하여 유해한 성분의 변환 효율을 극대화하여 환경오염을 방지하도록 한 다중배열형 디젤 산화/환원 촉매변환장치에 관한 것이다.

상대적으로 디젤엔진은 이산화탄소(CO₂)저감 및 열효율이 우수하여 연비향상된다는 사회적 인식의 전환으로, 현재에는 중/대형 경유차량과 더불어 소형 경유승용차량에도 적용/보급되고 있는 실정이다. 따라서 디젤엔진의 유해 오염물질에 대한 규제가 더욱 엄격히 강화되고 있으며, 상기 규제를 충족시키기 위한 다양한 연구가 이루어지며 현재 이에 대응하기 위해 대표적으로 사용되는 후처리기술이 디젤 산화촉매기술이다.

예컨데, 디젤엔진은 다수의 공기에 소량의 연료를 혼합하는 공기와 연료가 균일하지 않는 공기과잉의 조건으로 연료혼합물이 공급되며, 점화는 압축 혼합물의 압축을 통해 이루어진다. 따라서 공기와 연료의 비율은 직접적으로 제어되지 않으며, 엔진출력은 흡입공기보다는 분사된 연료의 양에 의하여 결정된다. 따라서 엔진 자체에서 모든 연소반응이 완전하게 이루어지기 위한 연소기간이 충분하지 않아서 촉매에 의한 배기후처리는 필수적이다.

또한, 디젤엔진의 배기가스는 산소분자가 많은 분위기인 희박상태에 존재함으로, 이의 정화를 위해서는 화학적으로 산화반응을 필요로 한다. 1970년대 후반에 개발된 산화촉매(oxidation catalyst)변환기는 상기 산화반응을 이용하는 것으로, 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)를 저온에서 재연소시키는 촉매 산화반응으로 일으켜서, 일산화탄소는 이산화탄소, 탄화수소는 물(H₂O)과 이산화탄소로 산화되어 약 80% 정화되나, 질소산화물(NO_X)은 정화할 수 없다.

따라서, 디젤엔진의 배기가스중 다량 포함되어 있는 일산화탄소와 탄화수소는 물론 질소산화물도 촉매산화반응에 의해 정화되어 정화효율을 증대시킬 수 있는 장치가 요구되고 있다.

이러한 배기가스의 정화에 사용되는 디젤 산화촉매변환기는 펠릿(pellet)형과 단일체(monolithic)형의 두 가지 형태로 구분될 수 있다. 현재 대부분의 경우, 벌집(honeycomb)구조의 단일체형의 산화촉매변환기를 사용하고 있다. 단일체형 촉매변환기에서는 디젤 배출가스가 벌집 형태의 세라믹 담체(substrate)를 통과하게 된다. 그리고 이 담체 내부 표면에는 직접 배출가스와 반응하는 촉매물질이 도포되어져 있다. 촉매물질로는 백금(Pt, platinum)이나 팔라듐(Pd, Palladium)을 사용하 고 있는데, 백금산화촉매(platinum-based oxidation catalyst)가 대부분을 차지하고 있다. 이 백금산화촉매의 경우, 주로 CO와 HC를 저감시키는 산화반응을 촉진시키고, 이러한 산화반응으로 NO를 NO₂로 변환시킨다.

즉, 일반적으로 촉매변환율이 50%가 될 때의 촉매온도를 반응개시온도(light-off 온도)라고 하며, 디젤엔진의 경우 촉매 반응이 시작되는 초기 온도가 저온 시동 성능에 매우 중요한 요소가 되는 것이다. 따라서 이 온도를 저감하는 방안 및 NO_X반응을 촉진하는 방안이 백금산화촉매 사용시, 함께 고려되어야 한다.

따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로,

디젤엔진의 배기가스에 포함되어 있는 유해물질을 정화시키기 위해 저온과 고온조건에서 각각 정화율이 높은 촉매필터를 다중으로 설치하여 정화가 이루어지도록 하되, 상기 촉매필터는 산화촉매필터 또는 환원촉매필터로 1차반응후 백금촉매필터에서 2차산화반응이 발생되고 최종적으로 디젤입자상물질필터를 통해 외부로 배출되게 함으로써 다중 정화가 이루어지는 촉매변환장치의 제공을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 온도센서와 연계되어 개폐되는 솔레노이드밸브를 이용하여 배기가스가 산화촉매필터나 환원촉매필터로 공급되는 것을 조절하여 최적의 정화효율을 수득하는 것을 다른 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다중배열형 디젤 산화/환원 촉매변환장치는,

디젤엔진의 배기가스를 정화하는 촉매변환장치에 있어서, 배기가스가 배출되는 유로가 구비되고, 유로의 중단에는 축방향으로 일정길이의 분리격벽이 형성되어 배기가스가 분리되어 진행되도록 하고, 상기 분리격벽으로 분리된 제1, 제2유로에는 제1, 제2솔레노이드 밸브를 각각 장착하여 유로의 개폐가 조절되도록 하고, 상기 분리된 제1유로에는 제1산화촉매와 제2산화촉매를 설치하고, 제2유로에는 환원촉매와 제3산화촉매를 순차적으로 설치하여 배기가스의 정화가 이루어지도록 하고, 상기 유로의 배출단부에는 매연여과장치를 장착하여 디젤입자상물질(PM)이 포집되어 연소되도록 한 것을 특징으로 한다.

상기 제1유로와 제2유로에 설치된 제2산화촉매와 제3산화촉매는 격벽이 끝난 부분에 하나의 일체형으로 형성하여 설치될 수 있다.

또한, 상기 제1유로에는 제1솔레노이드밸브가 장착되고, 제2유로에는 제2솔레노이드밸브가 장착되되, 상기 제1유로와 제2유로가 분리되는 전방에는 온도센서를 장착하여 센서의 감지온도가 저온일 때에는 제1솔레노이드밸브를 개방하고, 감지온도가 고온일때는 제2솔레노이드밸브가 개방되도록 한다.

상기 제1산화촉매로는 냉간상태에서 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)의 저감에 효율적인 팔라듐(Pb)을 사용하고, 상기 제2 및 제3산화촉매로는 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)를 저감시키는 백금(Pt)을 사용하며, 상기 환원촉매로는 산화질 소(NO)의 환원반응을 촉진시키는 로듐(Rh)을 사용한다.

한편, 다른 실시예의 촉매변환장치는, 디젤엔진의 배기가스를 정화하는 촉매변환장치에 있어서, 배기가스가 배출되는 유로가 구비되고, 상기 유로의 중심에는 내부관을 설치하되 내부관과 유로의 내벽에는 고온밸브를 장착하여 고온의 배기가스가 유입되면 개구되도록 하고, 상기 내부관에는 전기히터를 장착하여 고온밸브가 차단시 작동되도록 하고, 상기 전기히터 후방의 내부관에는 제4산화촉매를 설치하고, 상기 설치된 내부관 후방의 유로에는 산화환원복합촉매를 설치하여 산화와 환원에 의해 정화가 이루어지도록 하고, 상기 산화환원복합촉매의 유로배출단부에는 매연여과장치를 장착하여 디젤입자상물질(PM)이 포집되어 연소되도록 할 수 있다.

상기 제4산화촉매로는 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)를 저감시키는 백금(Pt)을 사용하고, 상기 산화환원복합촉매로는 산화반응을 촉진시키는 백금(Pt)과 환원반응을 촉진시키는 로듐(Rh)을 사용한다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 다중배열형 디젤 산화/환원 촉매변환장치를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시일예에 따른 솔레노이드밸브가 장착된 촉매변환장치를 도시한 개략도이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시일예에 따른 솔레노이드밸브가 장착된 촉매변환장치를 도시한 개략도이고, 도 3은 본 발명의 또다른 실시일예에 따른 전기히터가 장착된 촉매변환장치를 도시한 개략도이다.

도 1을 참조한 바와같이 본 발명에 따른 촉매변환장치(10)는, 배기가스가 배 출되는 유로(20)와, 상기 유로의 축방향으로 형성된 분리격벽(23)과, 상기 분리격벽에 의해 분리된 제1(21) 및 제2유로(22)에 각각 설치되는 솔레노이드밸브(25, 26), 산화촉매(31, 32, 33, 34) 및 환원촉매(35)와 상기 유로의 배출단부에 설치되는 매연여과장치(37)로 구성된다.

상기 유로(20)의 중앙 부분에는 축방향으로 분리격벽(23)이 일정길이 형성되고, 상기 분리격벽으로 분리된 두 유로 중 일측을 제1유로(21)로 하고, 타측을 제2유로(22)로 한다. 상기 제1유로와 제2유로에는 솔레노이드밸브(25, 26)가 각각 장착되고, 분리격벽이 형성되는 전방인 배기가스가 유입되는 유입단부에는 온도센서(24)를 장착하여 온도에 따라 개폐되는 솔레노이드밸브(25, 26)를 다르게 한다.

예컨데, 제1유로(21)에는 제1솔레노이드밸브(25)와 제1산화촉매(31) 및 제2산화촉매(32)가 순차적으로 설치되고, 제2유로(22)에는 제2솔레노이드밸브(26)와 환원촉매(35) 및 제3산화촉매(33)가 순차적으로 설치되는 것이다. 이 때 사용되는 촉매로는 팔라듐과, 로듐 및 백금을 사용함이 바람직하고, 특히 상기 로듐은 산화촉매이나 본 발명에서는 환원제 기능이 강함으로 환원촉매라 칭한다.

상기 촉매는 배기가스의 유해물질을 잘 정화시키는 것으로, CO, HC, NO, NO₂, PM 이 주성분인 배기가스 중 인체나 환경에 유해한 CO, HC, NO의 정화효율이 높은 촉매이며, 접촉면적을 증가시키기 위해 벌집 형태로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 촉매 중 팔라듐(Pd, palladium)은 CO와 HC의 반응개시온도를 약 150 ~ 200℃사이로 유지할 수 있는데, 이는 기존 대비 약 100℃정도 낮은 것으로, 냉간 시동상태에서 배출되는 CO와 HC저감에 상대적으로 유리하나, NO_X반응에는 불리하다. 따라서, 팔라듐은 저온 상태에서 CO와 HC정화효율이 높은 것이다.

또한, 상기 로듐(Rh, rhodium)은 NO 환원반응을 촉진시켜 NO를 N₂, CO₂, H₂O로 변환시킨다. 일반적으로 NO반응은 중간매체(agent) 가스인 CO와 HC가 많은 농후한 조건에서 발생되나, 로듐이 이러한 역할을 수행할 수 있다.

그리고, 상기 백금(Pt, Platinum)은 CO와 HC를 정화하는데 잘 알려진 것으로, 일반적으로 촉매변환장치에 단독으로 사용된 촉매이다.

또한, 유로(20)의 배출단부에 설치되는 매연여과장치(Diesel Particulate Filter; DPF; 37)는 디젤입자상물질(PM)을 포집하여 연소시킴으로써 배출되는 PM량을 최소화시키는 것이다.

이와같은 구성에서 초기 냉간 시동상태 및 저속 엔진운전영역에서는 상대적으로 저온의 배기가스가 배출된다. 이러한 배기가스의 성분은 다량의 CO, HC, NO 와 미량의 NO₂, PM으로 이루어지며, 유로(20)의 유입단부로 유입되어 온도센서(24)의 감지에의해 제1솔레노이드밸브(25)를 개방시키고, 제1유로(21)를 따라 제1산화촉매(31)와 제2산화촉매(32) 및 DPF(37)를 통해 배출되는 것이다.

이러한 과정에서 팔라듐인 제1산화촉매(31)에서는 상대적으로 낮은 온도와 다량의 O₂ 분위기에서 산화작용이 발생되어 CO는 CO₂와 H₂로, HC는 CO₂와 H₂O로, NO 는 NO₂로 각각 정화시키는 것이다.

이러한 산화작용은 유사한 산화기능을 갖는 백금촉매인 제2산화촉매(32)에서도 동일한 산화작용이 발생하여 정화율을 더욱 향상시키게 하는 것이다. 이와같이 제1산화촉매(31)와 제2산화촉매(32)를 통과한 배기가스의 성분은 CO₂, H₂, H₂O, NO₂, PM가 되며, 이러한 성분의 배기가스는 DPF(37)를 통과하게 된다.

상기 DPF(37)에서는 PM을 포집 연소시키는데 PM의 주성분인 탄소입자가 일반적인 분위기에는 약 550℃ 이상에서 연소되나, 앞선 산화과정에서 NO₂의 량이 증가되어 다량의 NO₂분위기 조건이 형성됨으로 탄소입자는 약 250℃의 온도에서도 연소가 발생되어 소거되는 것이다. 따라서 최종적으로 배출되는 배기가스 성분은 CO₂, H₂, N₂로 비교적 안정된 상태로 배출시켜 환경오염을 예방하도록 하는 것이다.

한편, 고속운전시에는 상대적으로 고온의 배기가스가 배출되며, 이 때 상기 배기가스를 감지한 온도센서(24)는 제2솔레노이드밸브(26)를 개방시켜 배기가스가 제2유로(22)를 따라 환원촉매(35)와 제3산화촉매(33) 및 DPF(37)를 통해 배출되는 것이다.

이러한 과정에서 유로(20)로 유입된 배기가스의 성분은 다량의 CO, HC, NO, NO₂, PM으로 이루어지며, 특히 NO가 다량 포함되어 있다. 이러한 배기가스는 로듐촉 매인 환원촉매(35)를 통과하면서 NO가 N₂, CO₂, H₂O로 정화되고, 백금촉매인 제3산화촉매(33)에서 CO는 CO₂와 H₂로, HC는 CO₂와 H₂O로 각가 정화된다. 따라서, DPF(37)에 공급되는 배기가스성분은 CO₂, H₂, H₂O, N₂, NO₂, PM이 되며, DPF에서는 NO₂의 조건에서 PM의 탄소입자를 연소시키는 것이다.

이와같은 작용을 하는 본 발명의 촉매변환장치(10)는 도 2를 참조한 바와같이 분리격벽의 형성길이를 짧게 하고, 제1유로(21)의 제2산화촉매와 제2유로(22)의 제3산화촉매(33)를 하나의 산화촉매층(32, 33)으로 형성할 수 있다. 이때 정화작용은 상술된 과정과 동일하게 이루어진다.

다음으로, 본 발명의 촉매변환장치(10)의 다른 실시예로는 유로(20)의 중심에 내부관(28)을 설치하여 배기가스가 내부관(28)의 내부와 외부로 이동되도록 할 수 있다. 도 3을 참조한 바와같이 배기가스가 배출되는 유로의 중심에 내부관(28)이 설치되고, 상기 내부관(28)과 유로(20)의 내벽사이에는 고온밸브(27)를 장착하여 고온의 배기가스가 유로로 유입되면 개방되어 배기가스를 배출하도록 하고, 저온의 배기가스가 유입되면 고온밸브(27)는 차단되어 배기가스는 내부관(28)의 내측을 통해 배출되도록 구성된다. 이 때 상기 내부관(28)에는 유입부분에 전기히터(29)를 장착하여 고온밸브가 닫혔을 때 작동하게 함으로써 상대적으로 저온의 배기가스를 고온으로 가열하도록 하고, 내부관의 내측에는 백금촉매인 제4산화촉 매(34)가 설치되어 산화반응이 이루어지도록 하고, 내부관의 배출단부 외측인 유로에는 산화환원복합촉매(36)를 설치하여 산화반응과 환원반응이 동시에 이루어져 정화가 발생되도록 하고, 유로(20)의 단부에는 매연여과장치(37)를 설치하여 디젤입자상물질을 제거하도록 한 것이다.

이러한 구성에서 배기가스가 고온일 경우에는 고온밸브(27)가 개방되어 내부관(28)의 내외부 유로를 통해 고온의 배기가스가 배출되고, 내부관을 통해 배출되는 배기가스는 제4산화촉매(34)와 산화환원복합촉매(36)를 통해 DPF(37)에 전달되고, 내부관의 외측 유로를 통해 배출되는 배기가스는 산화환원촉매(35)만으로 통해 DPF(37)에 전달되어 DPF에서 PM을 포집 연소시키는 것이다.

한편, 배기가스가 상대적으로 저온일 경우에는 고온밸브(27)가 폐쇄되어 배기가스는 내부관(28)을 통해 배출이 이루어진다. 이때 내부관(28)에 설치된 전기히터(29)가 작동되어 저온의 배기가스를 가열하게 되며, 가열된 배기가스는 제4산화촉매(34)와 산화환원촉매(35) 및 DPF(37)를 통해 정화되어 배출되는 것이다.

상기 저온의 배기가스의 경우에도 전기히터(29)에 의해 가열되어 제4산화촉매(34)에서는 고온상태의 배기가스가 전달되어 정화과정이 이루어진다. 즉, 저온의 경우에는 NO의 성분이 많이 포함되기 때문에 이를 정화시키기 위해 산화촉매(34)층을 한번더 통과시키는 것이다.

이러한 정화과정을 간략하게 설명하면, 촉매변환장치(10)의 유로(20)로 유입되는 배기가스의 성분은 O, HC, NO, NO₂, PM으로 이루어진다. 저온의 경우 내부관으 로 유입된 배기가스는 백금이 주성분인 제4산화촉매(34)에서 CO는 CO₂, H₂로 정화시키고, HC는 CO₂, H₂O로 정화시키며, NO는 NO₂로 정화시키게 되는 것이다. 이와같이 1차정화가 이루어진 CO₂, H₂, H₂O, NO₂, PM 성분의 배기가스 또는 정화가 이루어지지 않고 내부관(28)의 외측 유로를 통해 배출되는 배기가스는 백금과 로듐의 혼합촉매로 이루어진 산화환원복합촉매(36)에서 잔여 NO는 N₂, CO₂, H₂O로 정화되고, 잔여 CO는 CO₂, H₂로 정화시키고, 잔여 HC는 CO₂, H₂O로 각각 정화되는 것이다. 따라서, 최종 DPF(37)에 공급되는 배기가스 성분은 CO₂, H₂, H₂O, N₂, NO₂, PM이며, DPF(37)에서는 다량의 NO₂분위기가 조성되어 연소온도가 낮아짐으로 포집된 PM의 탄소입자를 약 250℃에서 연소제거하는 것이다.

한편, 상기 서술한 예는, 본 발명을 설명하고자하는 예일 뿐이다. 따라서 본 발명이 속하는 기술분야의 통상적인 전문가가 본 상세한 설명을 참조하여 부분변경 사용한 것도 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연한 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 다중배열형 디젤 산화/환원 촉매변환장치은,

디젤엔진의 배기가스에 포함되어 있는 유해물질을 정화시키기 위해 저온과 고온조건에서 각각 정화율이 높은 촉매필터를 다중으로 설치하여 정화가 이루어지도록 하되, 상기 촉매필터는 산화촉매필터 또는 환원촉매필터로 1차반응후 백금촉매필터에서 2차산화반응이 발생되고 최종적으로 디젤입자상물질필터를 통해 외부로 배출되게 함으로써 다중 정화가 이루어지도록 하는 것이다.

또한, 온도센서와 연계되어 개폐되는 솔레노이드밸브를 이용하여 배기가스가 산화촉매필터나 환원촉매필터로 공급되는 것을 조절하여 최적의 정화효율을 수득할 수 있는 환경오염을 예방하는 장치의 제공이 가능하게 된 것이다.

Claims (9)

1. 디젤엔진의 배기가스를 정화하는 촉매변환장치에 있어서,

   배기가스가 배출되는 유로(20)가 구비되고, 상기 유로의 중심에는 내부관(28)을 설치하되 내부관(28)과 유로(20)의 내벽에는 고온밸브(27)를 장착하여 고온의 배기가스가 유입되면 개구되도록 하고, 상기 내부관(28)에는 전기히터(29)를 장착하여 고온밸브가 차단시 작동되도록 하고, 상기 전기히터 후방의 내부관에는 제4산화촉매(34)를 설치하고, 상기 설치된 내부관 후방의 유로에는 산화환원복합촉매(36)를 설치하여 산화와 환원에 의해 정화가 이루어지도록 하고, 상기 산화환원복합촉매의 유로배출단부에는 매연여과장치(37)를 장착하여 디젤입자상물질(PM)이 포집되어 연소되도록 한 것을 특징으로 하는 다중배열형 디젤 산화/환원 촉매변환장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제4산화촉매(34)로는 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)를 저감시키는 백금(Pt)을 사용함을 특징으로 하는 다중배열형 디젤 산화/환원 촉매변환장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 산화환원복합촉매(36)로는 산화반응을 촉진시키는 백금(Pt)과 환원반응을 촉진시키는 로듐(Rh)을 사용함을 특징으로 하는 다중배열형 디젤 산화/환원 촉매변환장치.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제

Images