KR100734899B1

KR100734899B1 - Ｈｃ흡착촉매를 갖는 디젤엔진용 후처리시스템 및후처리방법

Info

Publication number: KR100734899B1
Application number: KR1020060048162A
Authority: KR
Inventors: 이진욱; 정용일; 조규백; 김홍석
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2006-05-29
Filing date: 2006-05-29
Publication date: 2007-07-03

Abstract

본 발명은 HC흡착촉매를 갖는 디젤엔진용 후처리시스템 및 후처리방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 디젤엔진에서 배출되는 배기가스가 HC흡착촉매, 디젤산화촉매, NO_X흡착촉매를 순차적으로 통과하여 정화되도록 하되, 배기가스의 온도에 따라 각 촉매의 통과순서를 달리하여 유해배기가스의 배출을 저감시킬 수 있는 HC흡착촉매를 갖는 디젤엔진용 후처리시스템 및 후처리방법에 관한 것이다.

상기 본 발명은 디젤엔진의 유해배기가스를 저감시키는 후처리시스템에 있어서, 디젤엔진의 배기관에는 HC흡착촉매를 직렬 연결하고, 상기 HC흡착촉매에는 디젤산화촉매와 NO_X흡착촉매를 병렬로 연결하되 상기 HC흡착촉매의 후단부에는 유동전환기를 장착하여 배기가스의 온도에 따라 디젤산화촉매와 NO_X흡착촉매로 연결된 유로를 선택진행하도록 하고, 상기 디젤산화촉매와 NO_X흡착촉매를 통과한 배기가스는 매연여과장치를 통해 외부로 배출되도록 한다.

디젤엔진, 촉매변환, 배기가스, 산화촉매, 매연여과장치

Description

ＨＣ흡착촉매를 갖는 디젤엔진용 후처리시스템 및 후처리방법{System and Method for after treatment of diesel engine using HC absorber catalyst}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시일예에 따른 후처리시스템의 전체 공정도이고,

도 2a는 본 발명의 바람직한 실시일예에 따른 저온 배기가스의 배기순서도이고,

도 2b는 본 발명의 바람직한 실시일예에 따른 고온 배기가스의 배기순서도이고,

도 3는 본 발명의 바람직한 실시일예에 따른 후처리방법의 블럭도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

10 : 후처리시스템 20 : 디젤엔진

30 : HC흡착촉매 40 : 디젤산화촉매

50 : NO_X흡착촉매 60 : 매연여과장치

70 : 배기관 710 : 유동전환기

720 : 제1솔레노이드밸브 730 : 제2솔레노이드밸브

S1 : HC조절과정 S2 : 유로설정과정

S3 : 정화과정 S4 : 연소과정

디젤엔진은 주로 4가지 유해 오염물질인 일산화탄소(CO), 미연소 탄화수소(UHC), 질소산화물(NO_X) 그리고 입자상물질(PM)을 배출한다. 특히, PM은 기체 상태뿐만이 아니라, 고체와 액체 상태를 동반하며, 황산염과 용해되지 않는 물질(예, 탄소, 재)과 용해되는 성분인 용해성 유기화합물(SOF)로 구성된다. 따라서 상기 물질을 분해정화시키기 위해 촉매를 장착하여 사용되고 있으나, 상기 촉매는 배기가스온도가 약 500℃ 이하로 낮을경우 항상 산화반응만 이루어지는 성질을 갖고 있어 정화율이 저하되는 단점이 있다.

또한, 현재 적용중인 대표적인 디젤엔진 배기가스의 후처리기술로서, PM을 정화시키기 위한 필터기술과, CO와 HC 그리고 PM의 용해성 유기물질(SOF) 성분을 정화시키는 산화촉매 기술이다. 그러나 상기 두 기술로도 NO_X를 효과적으로 제거할 수 없기 때문에, 이에 대응하기 위한 배기가스의 후처리기술이 요구하고 있다. 즉, 상기 산화촉매에 의한 NO_X를 환원반응으로 정화시켜야 되는데, 상기 디젤엔진의 배기관내에는 높은 산소분위기가 형성되어 환원반응을 억제되기 때문이다.

따라서, 현재까지 NO_X 저감시키는 기술로는 먼저, 희박(Lean) NO_X촉매를 이용하여 배기가스내의 HC를 사용(수동형)하거나, 외부 장치(후분사 또는 직접 배기관에 연료를 분사하는 방법)에 의해 분사되는 HC를 이용(능동형)하여 NO_X성분을 환원시키는 방법으로 수행할 수 있다. 그러나 디젤엔진의 배출가스중에 포함된 HC량은 매우 소량이기에 수동형 촉매의 정화율은 약 15-40% 수준으로 실용성이 미흡한 실정이다.

이 외에도 암모니아나 요소를 사용하는 선택환원촉매(SCR, selective catalytic reduction)와 NO_X환원 촉매가 있으나, 장치의 소형화가 선행되어야 하고, 환원제 공급장치의 반응환경을 최적화하고, 정화효율이 우수한 환원 촉매의 개발이 절실히 요구되고 있다.

또한, 배기가스를 정화시키기 위해 디젤엔진에는 디젤산화촉매변환기를 장착하여 사용되고 있는데, 이러한 디젤산화촉매변환기는 촉매 반응개시온도에 도달하기 전인 저온상태에서 엔진시동초기의 미연 HC와 CO를 저감하기가 어려워 HC 흡착 촉매를 사용하고 있는 실정이다.

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

장착된 HC흡착촉매와 수동형의 NO_X촉매를 이용하여 저온의 경우에 HC와 NO_X를 임시적으로 흡착한 후 고온 때 HC를 방출하고, 상대적으로 다량의 NO_X분위기에서 HC에 의해 NO_X의 환원작용이 활발하게 이루어지도록 함으로써 저온에서 발생된 NO_X도 정화시킬 수 있게 한 시스템의 제공을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 디젤엔진의 유해배기가스저감용 후처리시스템은,

디젤엔진의 유해배기가스를 저감시키는 후처리시스템에 있어서, 디젤엔진의 배기관에는 HC흡착촉매를 직렬 연결하고, 상기 HC흡착촉매에는 디젤산화촉매와 NO_X흡착촉매를 병렬로 연결하되 상기 HC흡착촉매의 후단부에는 유동전환기를 장착하여 배기가스의 온도에 따라 디젤산화촉매와 NO_X흡착촉매로 연결된 유로를 선택진행하도록 하고, 상기 디젤산화촉매와 NO_X흡착촉매를 통과한 배기가스는 매연여과장치를 통해 외부로 배출되도록 한다.

상기 디젤산화촉매와 NO_X흡착촉매는 측면의 일측을 연통시켜 배기가스의 유동이 이루어지도록 할 수 있다. 또한, 상기 디젤산화촉매와 매연여과장치 사이에는 제1솔레노이드밸브를 장착하고, 상기 NO_X흡착촉매와 매연여과장치 사이에는 제2솔레노이드밸브를 장착하여, 배기가스가 디젤산화촉매로 유입될 시에는 제2솔레노이드밸브를 개방하고, 배기가스가 NO_X흡착촉매로 유입될 시에는 제1솔레노이드밸브를 개방하여 매연여과장치를 통해 외부로 배출되도록 한다.

아울러 본 발명의 디젤엔진의 유해배기가스를 저감시키는 후처리방법에 있어서, 디젤엔진의 배기관에 직렬로 연결된 HC흡착촉매는 저온의 배기가스가 유입되면 HC를 흡착시키고, 고온의 배기가스가 유입되면 흡착된 HC를 분리 배출시키는 HC조절과정과; 상기 HC흡착촉매를 거친 배기가스는 디젤산화촉매와 NO_X흡착촉매가 병렬로 연결되어 분리되는 부분에 설치된 유로전환기에 의해 배기가스의 온도에 따라 이동경로를 설정하는 유로설정과정과; 상기 유로전환기의 설정에 따라 디젤산화촉매 또는 NO_X흡착촉매 중 일측으로 배기가스가 유입시키면, 상기 디젤산화촉매와 NO_X흡착촉매의 후방에 장착된 제1 및 제2솔레노이드밸브 중 상기 배기가스가 유입된 유로와 타측인 솔레노이드밸브만을 개방시켜 배기가스가 인접된 부분으로 이동되어 정화된 후 솔레노이드밸브를 통해 배출되도록 하는 정화과정과; 상기 솔레노이드밸브를 통과한 배기가스는 매연여과장치를 통과하면서 배기가스에 포함되어 있는 PM을 연소제거시키는 연소과정;을 포함하여 이루어진다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 디젤엔진의 HC흡착촉매를 갖는 디젤엔진용 후처리시스템을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시일예에 따른 후처리시스템의 전체 공정도이고, 도 2a는 본 발명의 바람직한 실시일예에 따른 저온 배기가스의 배기순서도이고, 도 2b는 본 발명의 바람직한 실시일예에 따른 고온 배기가스의 배기순서도이고, 도 3는 본 발명의 바람직한 실시일예에 따른 후처리방법의 블럭도이다.

도시된 바와같이 본 발명의 후처리시스템(10)은 디젤엔진(20)의 배기관(70)에 HC흡착촉매(30)를 직렬로 연결하고, 상기 HC흡착촉매(30)의 후방에는 유동전환기(710)에 의해 배기관이 분리되도록 하고, 상기 분리된 일측 유로인 배기관에는 디젤산화촉매(40)와 제1솔레노이드밸브(720)를 순차적으로 설치되고, 상기 분리된 타측 유로인 배기관에는 NO_X흡착촉매(50)와 제2솔레노이드밸브(730)를 순차적으로 설치하며, 상기 제1 및 제2솔레노이드밸브(720, 730)를 통과한 배기가스는 매연여과장치(60)를 통해 외부로 배출된다.

상기 배기관이 분리되어 배기가스가 진행되도록 하는 것은 배기가스의 온도에 따라 적합한 촉매를 선통과시킨 후 다음의 촉매반응이 이루어지도록 하는 것으로 최적의 정화효율을 수득하기 위한 것이다.

또한 상기 유동전환기(710)는 자체적으로 온도센서를 구비하여 디젤산화촉매(40)의 반응개시온도(light-off temperature) 또는 설정된 온도에 따라 배기가스 의 이동경로를 조절하도록 하거나, 별도의 제어기를 구비하여 제어기에 의해 상술된 유동전환기와 제1 (720)및 제2 솔레노이드밸브(730)를 연동하여 구동되도록 할 수 있다.

상기 디젤산화촉매(40)는 CO와 NO를 정화시키는 금속으로 사용되는 것으로 백금이나 팔라듐을 사용될 수 있다.

또한 상기 디젤산화촉매(40)와 NOX흡착촉매(50)는 일측이 연통되어 어느 한쪽으로 유입된 배기가스가 타측을 통해 배출될 수 있는 구조로 되어 있다. 이러한 구조는 하나의 챔버에 두 촉매를 안치하고 내부격벽으로 분리하거나, 각각 독자적인 챔버에 안치되고 연결관에 의해 두 챔버를 연결되도록 하는 구조로 형성될 수 있다.

이와같이 구성되는 본 발명의 HC흡착촉매(30)를 갖는 디젤엔진용 후처리시스템은 디젤엔진에서 배출되는 배기가스의 온도에 따라 다른 경로의 진행이 이루어진다.

즉, 도 2a를 참조한 바와같이 저온의 배기가스는 HC흡착촉매(30)를 통과하면서 배기가스의 주 성분인 CO, HC, NO, NO₂, PM 중 HC를 흡착시켜 배기가스에 HC성분량을 축소시킨는 HC조절과정이 이루어진다.

상기 HC흡착촉매(30)를 통과한 배기가스는 유동전환기(710)에 의해 디젤산화촉매(40)로 유입되면, 상기 디젤산화촉매 후단에 설치된 제1솔레노이드밸브(720)는 차단되고, NOX흡착촉매(50)의 후단에 설치된 제2솔레노이드밸브(730)는 개방되는 것이다. 이와같이 솔레노이드밸브가 설정되면 디젤산화촉매(40)로 유입된 배기가스는 디젤산화촉매에서 산화반응이 발생된 후 NOX흡착촉매(50)와 제2솔레노이드밸브(730)를 통해 매연여과장치(60)로 유입되어, 매연여과장치(60)에서 PM성분을 연소시키게 되는 것이다.

이 과정에서 상기 디젤산화촉매(40)에서는 배기가스중 CO와 NO가 각각 CO₂, H₂와 NO₂로 정화되고, NOX흡착촉매(50)에서는 NO₂를 흡착시켜 CO₂, H₂,PM만 DPF(60)에 전달되고, 상기 DPF에서는 PM을 연소 제거하는 것이다.

한편, 도 2b를 참조한 바와같이 디젤엔진에서 고온의 배기가스가 배출되면, 배기가스는 HC흡착촉매(30)를 통과하면서 HC흡착촉매(30)를 가열하게 되고 이때 저온상태에서 다량 흡착된 HC는 분리가 이루어져 배기가스에 포함되어 유동이 이루어진다. 이와같이 HC가 다량 포함된 고온의 배기가스는 유동전환기(710)의 안내에 따라 NOX흡착촉매(50)로 유입되고, NOX흡착촉매(50)에서는 HC가 저온 상태에서 다량흡착된 것을 포함한 NO₂와 화학반응이 이루어져 NO₂를 N₂와 CO₂로 정화시키게 된다.

이러한 정화작용이 발생된 배기가스는 인접된 디젤산화촉매(40)로 이동되어 잔류HC와, CO, NO가 산화반응되어 정화되고, 제1솔레노이드밸브(720)를 통해 매연여과장치(60)로 이동되며, 상기 매연여과장치(60)에서는 배기가스에 남은 PM을 연소제거시키는 것이다.

정리하면, 디젤엔진(20)에서 저온의 배기가스가 배출되면, 상기 저온배기가 스는 HC흡착촉매(30)와, 유동전환기(710), 디젤산화촉매(40), NOX흡착촉매(50), 제2솔레노이드밸브(730), 매연여과장치(60)를 순차적으로 통과하여 외부로 배출된다. 또한, 고온의 배기가스가 배출되면, 고온 배기가스는 HC흡착촉매(30)와, 유동전환기(710), NOX흡착촉매(50), 디젤산화촉매(40), 제1솔레노이드밸브(720), 매연여과장치(60)를 순차적으로 통과하여 외부로 배출되는 것이다.

이와같이 배기가스가 저온일 경우에는 HC흡착촉매(30)와, NOX흡착촉매(50)에 HC와 NO₂를 흡착하고, 고온일경우에 흡착물이 배출되어 화학반응에 의해 정화가 이루어지도록 하는 것이다.

또한, 배기관에 설치된 제1(720), 2솔레노이드밸브(730)에 의해 병렬로 연결된 HC흡착촉매(30), NO_X흡착촉매(50)를 순차적으로 진행하도록 하여 장치의 소형화가 가능하도록 한 것이다.

아울러 본 발명의 시스템을 이용한 후처리방법은 HC조절과정(S1)과, 유로설정과정(S2), 정화과정(S3), 연소과정(S4)을 포함하여 이루어진다.

상기 HC조절과정(S1)은 저온에서는 산화반응이 저조한 HC를 흡착하고, 고온에서 배출하여 산화반응이 이루어지도록 하여 정화율을 상승시키기 위한 것이다. 따라서, 배기가스가 저온일 경우에는 HC흡착촉매(30)에 흡착되고, 고온시에 배출되어 NO₂를 N₂와 CO₂로 정화시키는 것이다.

다음으로 상기 유로설정과정(S2)은, 배가스의 온도에 따라 유동전환기(710) 가 배기관에 병렬로 연결된 디젤산화촉매(40), NO_X흡착촉매(50)로의 유동경로를 설정시키는 과정이다. 상기 과정에는 배기관의 일측에 설치된 온도센서(미도시)로 입력된 값에 따라 유로의 진행이 결정되도록 하는 것으로, 저온에서는 디젤산화촉매(40) 방향으로 유동이 이루어지게 하고, 고온의 경우에는 NO_X흡착촉매(50) 방향으로 유동이 이루어지게 하는 것이다.

다음으로 상기 정화과정(S3)은, 상기 유동전환기(710)에 의해 배기가스의 이동도는 유로가 결정되면 이에 따른 제1(720) 및 제2솔레노이드밸브(730)의 개폐를 결정하여 디젤산화촉매(40), NO_X흡착촉매(50)를 순방향 또는 역방향으로 통과하도록 하여 산화작용에 의한 정화가 발생되도록 하는것이다. 즉, 배기가스가 저온일 경우에는 디젤산화촉매(40), NO_X흡착촉매(50)를 순차적으로 통과하도록 하여 디젤산화촉매에서 산화된 NO₂를 NO_X흡착촉매에 흡착시켜 제거되도록 하고, 배기가스가 고온일 경우에는 NOX흡착촉매(50), 디젤산화촉매(40) 순으로 진행되도록 하여 HC조절과정에서 다량 배출된 HC가 저온에서 흡착된 NO₂ 및 고온의 배기가스에 포함된 NO₂와 환원반응이 고온에서 활발히 발생되도록 하여 정화가 이루어지도록 하는 과정이다.

마지막으로 상기 연소과정(S4)은 매연여과장치(60)를 통해 배기가스에 남아 있는 PM을 포집하여 연소 제거하는 것이다.

상기한 바와같이 배기가스의 정화가 저온과 고온에서 달리 진행되도록 하여, 시동초기의 저온상태에서 배출되는 배기가스에 포함된 과량의 NO_X 정화가 이루어지 도록 한 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 HC흡착촉매를 갖는 디젤엔진용 후처리시스템은,

장착된 HC흡착촉매와 수동형의 NO_X촉매를 이용하여 저온의 경우에 HC와 NO_X를 임시적으로 흡착한 후 고온 때 HC를 방출하고, 상대적으로 다량의 NO_X분위기에서 HC에 의해 NO_X의 환원작용이 활발하게 이루어지도록 함으로써 저온에서 발생된 NO_X도 정화시킬 수 있는 친환경의 시스템제공이 가능하게 된 것이다.

Claims

디젤엔진의 유해배기가스를 저감시키는 후처리시스템에 있어서,

디젤엔진(20)의 배기관(70)에는 HC흡착촉매(30)를 직렬 연결하고, 상기 HC흡착촉매(30)에는 디젤산화촉매(40)와 NOX흡착촉매(50)를 병렬로 연결하되 상기 HC흡착촉매의 후단부에는 유동전환기(710)를 장착하여 배기가스의 온도에 따라 디젤산화촉매와 NO_X흡착촉매로 연결된 유로를 선택진행하도록 하고, 상기 디젤산화촉매(40)와 NO_X흡착촉매(50)를 통과한 배기가스는 매연여과장치(60)를 통해 외부로 배출되도록 함을 특징으로 하는 HC흡착촉매를 갖는 디젤엔진용 후처리시스템.
제 1항에 있어서,

상기 디젤산화촉매(40)와 NO_X흡착촉매(50)는 측면의 일측을 연통시켜 배기가스의 유동이 이루어지도록 함을 특징으로 하는 HC흡착촉매를 갖는 디젤엔진용 후처리시스템.
제 2항에 있어서,

상기 디젤산화촉매(40)와 매연여과장치(60) 사이에는 제1솔레노이드밸브(720)를 장착하고, 상기 NO_X흡착촉매(50)와 매연여과장치(60) 사이에는 제2솔레노이드밸브(730)를 장착하여, 배기가스가 디젤산화촉매(40)로 유입될 시에는 제2솔레 노이드밸브(730)를 개방하고, 배기가스가 NO_X흡착촉매(50)로 유입될 시에는 제1솔레노이드밸브(720)를 개방하여 매연여과장치(60)를 통해 외부로 배출되도록 함을 특징으로 하는 HC흡착촉매를 갖는 디젤엔진용 후처리시스템.
디젤엔진의 유해배기가스를 저감시키는 후처리방법에 있어서,

디젤엔진의 배기관에 직렬로 연결된 HC흡착촉매는 저온의 배기가스가 유입되면 HC를 흡착시키고, 고온의 배기가스가 유입되면 흡착된 HC를 분리 배출시키는 HC조절과정(S1)과;

상기 HC흡착촉매를 거친 배기가스는 디젤산화촉매와 NO_X흡착촉매가 병렬로 연결되어 분리되는 부분에 설치된 유로전환기에 의해 배기가스의 온도에 따라 이동경로를 설정하는 유로설정과정(S2)과;

상기 유로전환기의 설정에 따라 디젤산화촉매 또는 NO_X흡착촉매 중 일측으로 배기가스가 유입시키면, 상기 디젤산화촉매와 NO_X흡착촉매의 후방에 장착된 제1 및 제2솔레노이드밸브 중 상기 배기가스가 유입된 유로와 타측인 솔레노이드밸브만을 개방시켜 배기가스가 인접된 부분으로 이동되어 정화된 후 솔레노이드밸브를 통해 배출되도록 하는 정화과정(S3)과;

상기 솔레노이드밸브를 통과한 배기가스는 매연여과장치를 통과하면서 배기가스에 포함되어 있는 PM을 연소제거시키는 연소과정(S4);을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 HC흡착촉매를 갖는 디젤엔진용 후처리방법.