KR100820685B1 - 에스 씨 알 정화장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 ＳＣＲ정화장치에 관한 것으로서, 전방으로 디젤산화촉매(DOC) 또는 디젤입자상 물질필터(DPF)가 장착되고 내부로 장착공간이 형성되는 케이스와, 상기 케이스의 전면에 장착되어 내부로 요소를 분사하는 인젝터와, 상기 케이스의 내부공간 후면에 장착되어 상기 디젤산화촉매 또는 디젤입자상 물질필터를 통해 유입된 배기가스와 인젝터를 통해 공급된 요소가 혼합된 기체를 정화하되, 가장자리로는 고온 활성코어가 중앙으로는 저온 활성코어가 마련되는 정화부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 하드웨어적으로 유동 흐름을 조절하여 배기가스의 저온/고온 상태를 분리하고 또한 고 배기유량/저 배기유량을 분리하여 SCR의 정화효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
ＳＣＲ정화장치, 케이스, 인젝터, 정화부, 히터, 트윈 스로틀 밸브.

Description

에스 씨 알 정화장치{Selective Catalytic Reduction purification system}
도 1은 de-NOx 촉매별 온도에 대한 정화 효율을 나타낸 그래프.
도 2는 종래의 S C R 정화장치를 나타낸 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 S C R 정화장치를 나타낸 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 고효율 NOx 정화를 나타낸 흐름도.
도 5는 본 발명에 따른 고효율 부가장치 작동을 나타낸 흐름도.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명.
1 : ＳＣＲ정화장치, 100 : 케이스,
120 : 내부공간, 200 : 인젝터,
300 : 정화부, 320 : 고온 활성코어,
340 : 저온 활성코어, 400 : 히터,
500 : 트윈 스로틀 밸브.
본 발명은 ＳＣＲ정화장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하드웨어적으 로 유동 흐름을 조절하여 배기가스의 저온/고온 상태를 분리하고 또한 고 배기유량/저 배기유량을 분리하여 SCR의 정화효율을 높일 수 있도록 한 ＳＣＲ정화장치에 관한 것이다.
더욱 엄격해지는 NOx 배기 가스 규제를 만족하기 위해서는 상용디젤엔진 차량의 De-NOx 촉매의 적용은 세계적인 개발 추세이며 그 중 SCR 촉매가 현재 OEM의 개발 방향으로 추진되고 있다.
또한, 향후 배기 가스 규제(예, 북미 2010년)를 만족하기 위해서는 SCR 촉매와 DPF 촉매를 모두 적용하여 NOx와 PM 규제 대응 개발을 OEM 들은 수행하고 있다.
그리고 두 시스템간의 배열 순서는 DPF가 SCR 전단에 위치할 경우 DPF의 자연 재생 활용성 및 두 시스템의 내구성 관점의 장점이 있으며 이 조합의 경우 DPF의 강제 재생시 SCR 시스템은 고온(예, 600℃ 이상)에서 de-NOx 효율을 유지(도시된 도 1 참조)하기 위해서는 Zeolite SCR 촉매의 적용이 현재 OEM의 추세이다.
또한, 북미 Transient 규제 모드 (상온 20℃에서 모드 시작)는 배기온 200℃ 이하의 분포가 빈번하므로 배기가스의 승온 전략이 개발의 난제인데 즉, 단열 배기관 및 후분사등의 FIE(연료분사시스템) 적용 전략 또는 대체 연소 전략(저온 연소)등인데, 이들은 연비/토크변동성/엔진 내구성 악화 등의 희생을 요구하고 있어 다양한 FLEET TEST 시험 항목을 통한 정밀한 튜닝을 요구되고 있다.
도시된 도 1에 의하면 SCR 촉매 중 저온 활성 효율이 양호한 V2O5 촉매의 적용이 엔진측 승온 개발 노력의 경감에 하나의 대안일 수 있지만 V2O5 촉매는 고온(450℃ 이상)에서는 효율이 악화되므로 SCR 촉매 내열 내구성이 약한 취약점이 있다.
도시된 도 2는 SCR 정화장치를 나타낸 구성도로 엔진의 배기메니폴드(미도시)쪽으로부터 산화촉매(10), 필터(12), 환원제 분무관(14a)이 설치되는 공간, 그리고 SCR 촉매(16)가 나란히 배열된 시스템으로 구성되어 있다.
좀더 보충설명하면, 상기 환원제 분무관(14a)은 노즐을 통해 요소를 SCR 촉매(16)의 전단에 분사를 하게 되며 분사된 요소에서 암모니아 생성(가수분해, 150-180℃)된다. 이때, NH2-CO-NH2 + H20→ 2NH3 + CO2 와 같은 반응식을 얻게 되는 것이다.
그리고 상기와 같이 생성된 암모니아는 NOx와 반응하여 질소와 물로 변환하게 된다 이때, a NH3 + b NOx → c N2 + d H2O(대표적인 두 반응식 : ① 8NH3 + 6NO2 → 7N2 + 12H2O / ② 4NH3 + 4NO +O2 → 4N2 + 6H2O)와 같은 반응식을 얻게 되는 것이며, 여기서 미반응 NH3 는 대기 중에 배출된다.
다시 말하면, 상기 SCR 정화장치의 고효율 NOx 정화율을 위해서는 정밀한 요소 분사량 제어가 요구되는데, 이때 제어 관점의 과제는 NOx 농도에 대한 요소 수용액의 양이 함수 정립되어 있지 않은 문제점이 있었다.
즉, 비선형적인 관계가 아닌 배기온도, 배기유량(촉매 반응을 위한 촉매 체류 시간), NO2의 함량(빠른 반응을 위한 Radical), 촉매의 암모니아 storage capacity 등의 함수이고, 단순히 NOx 환원효율을 높이기 위해 요소를 추가 분사시 NOx 환원에 사용되지 않고 암모니아의 tailpipe로의 배출(암모니아 슬립)만 결과로 나타날 수 있기 때문이다.
따라서, 엔진 운전 상태와 연동된 SCR 시스템의 성능 특성 파악을 통해 상기 언급한 비선형적인 관계(배기온도, 유량, 암모니아 storage 특성)를 엔진 운전상태 및 엔진 기종별로 규명되어 모델링되어야 NOx 센서 신호값에 의존한 Fast Feedback Close Loop의 Urea 분사량 제어가 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 하드웨어적으로 유동 흐름을 조절하여 배기가스의 저온/고온 상태를 분리하고 또한 고 배기유량/저 배기유량을 분리하여 SCR의 정화효율을 높일 수 있도록 한 ＳＣＲ정화장치를 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, ＳＣＲ정화장치에 있어서, 전방으로 디젤산화촉매(DOC) 또는 디젤입자상 물질필터(DPF)가 장착되고 내부로 장착공간이 형성되는 케이스와, 상기 케이스의 전면에 장착되어 내부로 요소를 분사하는 인젝터와, 상기 케이스의 내부공간 후면에 장착되어 상기 디젤산화촉매 또는 디젤입자상 물질필터를 통해 유입된 배기가스와 인젝터를 통해 공급된 요소가 혼합된 기체를 정화하되, 가장자리로는 고온 활성코어가 중앙으로는 저온 활성코어가 마련되는 정화부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 구성을 첨부된 도면을 참조로 설명하면, 도 3은 본 발명에 따른 S C R 정화장치를 나타낸 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 고효율 NOx 정화를 나타낸 흐름도이며, 도 5는 본 발명에 따른 고효율 부가장치 작동을 나타낸 흐름도이다.
본 발명의 ＳＣＲ정화장치(100)는 내부로 장착공간(120)이 형성되는 케이스(100)와, 상기 케이스(100)의 전면에 장착되고 내부로 요소를 분사하는 인젝터(200)와, 상기 케이스(100)의 내부공간(120) 후면에 장착되어 혼합된 기체를 정화하는 정화부(300)로 대별할 수 있다.
내부로 장착공간(120)이 마련되는 케이스(100)는 소정의 구간을 가지고 형성되고 전방으로 디젤산화촉매(DOC) 또는 디젤입자상 물질필터(DPF)가 설치되어 배기가스가 공급되게 된다.
상기 케이스(100)의 전면에 장착되는 인젝터(200)는 제어된 신호에 따라 요소를 상기 케이스(100)의 내부공간(120)을 공급분사하게 된다.
상기 케이스(100)의 후면에 장착되어 혼합된 기체를 정화하는 정화부(300)는 케이스(100)의 전방에 설치되는 디젤산화촉매 또는 디젤입자상 물질필터를 통해 유입되는 배기가스와 상기 인젝터(200)를 통해 공급된 요소가 혼합된 기체를 정화하는 역할을 하게 된다.
그리고 상기 정화부(300)는 가장자리로 고온 활성코어(320)가 중앙으로는 저온 활성코어(340)가 구성되며 여기서 상기 고온 활성코어(320)는 정상적인 상태에서 상기 케이스(100)의 중/고부하의 배기(배기온 200℃ 이상)에 상용엔진 고부하 또는 디젤입자상 물질필터 강제 재생 전/후 운전영역(고온 600℃ 이상)에서도 de- NOx 효율 및 내열 내구성을 유지할 수 있는 좋은 Zeolite 촉매가 사용된다.
또한, 상기 저온 활성코어(340)는 시동 후부터 DOC LIGHT-OFF시까지의 저온영역(저부하 영역 포함)에서 고효율의 de-NOx 좋은 V205 촉매가 사용된다.
그리고 상기 정화부(300)로는 히터(400)와 트윈 스로틀 밸브(500)가 더 포함되어 구성될 수 있는데, 상기 히터(400)는 상기 케이스(100)에 장착되는 정화부(300)의 전면 중앙에 장착되어 상기 저온 활성코어(340)의 활성을 촉진시키기 역할을 하게 된다.
또한, 상기 트윈 스로틀 밸브(500)는 상기 히터(400)의 전면에 장착되어 저온 활성코어(340)와 고온 활성코어(320)에 공급되는 혼합 기체를 개폐하는 역할을 하게 된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 내부공간(120)이 형성되는 케이스(100)의 전방으로 디젤산화촉매(DOC) 또는 디젤입자상 물질필터(DPF)가 장착한 후 상기 케이스(100)의 전면에 인젝터(200)를 장착한다.
그리고 상기 케이스(100)의 내부공간(120) 후면으로 가장자리에 고온 활성코어(320)가 중앙으로는 저온 활성코어(340)가 마련되는 정화부(300)를 장착하되, 상기 정화부(300)의 전면 중앙으로 저온 활성코어(340)의 활성을 촉진시키기 위해 히터(400)와 상기 히터(400)의 전면으로 저온 활성코어(340)와 고온 활성코어(320)에 공급되는 혼합 기체를 개폐하기 위해 트윈 스로틀 밸브(500)가 더 포함되어 장착하면 ＳＣＲ정화장치(1)는 조립이 완료된다.
이때, 상기 정화부(300)에 장착되는 고온 활성코어(320)는 Zeolite 촉매를 사용하고 저온 활성코어(340)는 V205 촉매를 사용한다.
상기와 같이 상태에서 도시된 도 4 및 5와 같은 흐름을 가지고 진행을 하게된다.
즉, 입력측에서는 NOx 센서 값(SCR 전/후단)과, 공기유량 센서값과, NH3 센서값과, 배기온도(SCR 전/후단)와, 배기 배압과, 요소 시스템 값을 정한 후 다음 단계인 요소 분사량 계산과 SCR 모니터링과 고효율 목적의 부가장치 작동계산을 한 후 출력측에 전달되면 인젝터에서 이에 대응하는 요소를 케이스(100)의 내부공간에 분사하게 되는 것이다.
좀더 보충설명하면, 입력측에서 유입되는 공기의 유량센서 값과 배기온도를 측정한 후 배기온도 값이 설정온도 1보다 작게 되면 트윈 스로틀의 내측을 전개하게 되고 반대로 설정온도 1보다 크게 되면 트윈 스로틀 외측을 전개하여 출력측에 전달되는 것이다.
그리고 상기 트윈 스로틀의 내측이 전개되고 배기유량이 저온 활성촉매의 설계 용량을 초과하게 되면 트윈 스로틀 외측을 전개하여 출력측에 전달되고, 배기유량이 저온 활성촉매의 설계보다 작고 배기온도가 설정온도 2보다 작을 경우 히터는 가열되어 출력측에 전달하게 되는 것이다.
본 발명에 따르면, 하드웨어적으로 유동 흐름을 조절하여 배기가스의 저온/고온 상태를 분리하고 또한 고 배기유량/저 배기유량을 분리하여 SCR의 정화효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. ＳＣＲ정화장치에 있어서,
    전방으로 디젤산화촉매(DOC) 또는 디젤입자상 물질필터(DPF)가 장착되고 내부로 내부공간(120)이 형성되는 케이스(100)와,
    상기 케이스(100)의 전면에 장착되어 내부로 요소를 분사하는 인젝터(200)와,
    상기 케이스(100)의 내부공간(120) 후면에 장착되어 상기 디젤산화촉매 또는 디젤입자상 물질필터를 통해 유입된 배기가스와 인젝터(200)를 통해 공급된 요소가 혼합된 기체를 정화하되, 가장자리로는 고온 활성코어(320)가 중앙으로는 저온 활성코어(340)가 마련되는 정화부(300)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 ＳＣＲ정화장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 케이스(100)에 장착되는 정화부(300)의 전면 중앙으로 저온 활성코어(340)의 활성을 촉진시키기 위해 히터(400)가 더 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 ＳＣＲ정화장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 히터(400)의 전면으로 저온 활성코어(340)와 고온 활성코어(320)에 공급되는 혼합 기체를 개폐하기 위해 트윈 스로틀 밸브(500)가 더 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 ＳＣＲ정화장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 정화부(300)에 장착되는 저온 활성코어(340)는 V205 촉매로 형성되는 것을 특징으로 하는 ＳＣＲ정화장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 정화부(300)에 장착되는 고온 활성코어(320)는 Zeolite 촉매로 형성되는 것을 특징으로 하는 ＳＣＲ정화장치.
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