KR101159756B1 - 금속폼 필터를 구비한 질소산화물 흡장촉매장치 - Google Patents

금속폼 필터를 구비한 질소산화물 흡장촉매장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 매연여과장치는, 상기 배기관 내부에 설치되며, 질소산화물을 흡장하는 흡장촉매와 질소산화물을 질소로 환원시키는 환원촉매가 함께 코팅된 다공성 금속폼(metal foam) 필터를 포함하며, 엔진의 후단에 연결되어 배기관을 통해 배출되는 배기가스를 정화하는 기능을 수행한다.

Description

금속폼 필터를 구비한 질소산화물 흡장촉매장치{LEAN NOX TRAP HAVING METAL FOAM FILTER}
본 발명은 질소산화물 흡장촉매장치에 관한 것이다.
질소산화물 흡장촉매장치(Lean NOx Trap)는 디젤엔진에서 배출되는 질소산화물을 희박한 공연비 조건에서 흡장하였다가 농후한 공연비 조건에서 질소와 이산화탄소로 변환함으로써 디젤엔진에서 배출되는 질소산화물의 양을 최종 저감시키는 역할을 한다.
질소산화물 흡장촉매장치는 일반적으로 코디어라이트 계열의 세라믹 하니콤에 질소산화물을 희박 공연비 조건에서 흡장할 수 있는 Ba(Barium), Sr(Strontium), K(Potassium) 등이 사용되고 Pt(백금)을 이용하여 NO를 NO2로 산화시켜 저장하기도 한다.
흡장촉매에 흡장된 질소산화물을 재생시키기 위해서는 농후한 공연비 조건을 만들어 줘야 하는데, 이때 배기관에 별도의 연료 인젝터를 설치하여 연료를 추가 분사함으로써 흡장된 질소산화물을 환원시킨다.
질소산화물 저감 흡장촉매의 경우, 높은 작동온도, 낮은 흡장용량, 높은 연료 소모량이 실용화에 걸림돌이 되고 있다.
상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 반응속도를 빠르게 하면서 촉매의 사용효율을 높일 수 있는 질소산화물 흡장촉매장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 질소산화물 흡장촉매장치는, 상기 배기관 내부에 설치되며, 질소산화물을 흡장하는 흡장촉매와 질소산화물을 질소로 환원시키는 환원촉매가 함께 코팅된 다공성 금속폼(metal foam) 필터를 포함하며, 엔진의 후단에 연결되어 배기관을 통해 배출되는 배기가스를 정화하는 기능을 수행한다.
상기 금속폼 필터는 다수의 기공을 가지며, 상기 기공은 직경이 400μm 내지 1,500μm의 범위에 속하도록 형성할 수 있다.
상기 금속폼 필터는 복수 개의 단위층이 상기 배기가스 유동방향으로 누적되어 구성될 수 있다.
상기 금속폼 필터의 각 단위층의 두께는 1mm 내지 3mm의 범위에 속하도록 형성할 수 있다.
상기 금속폼 필터는 서로 다른 평균직경의 기공을 갖는 적어도 2개의 단위층을 포함한다.
상기 금속폼 필터는 전단부에 위치한 단위층에 형성되는 기공의 평균직경이 후단부에 위치한 단위층에 형성되는 기공의 평균직경보다 더 크게 형성할 수 있다.
상기 금속폼 필터는 상기 흡장촉매 또는 환원촉매의 로딩(loading)량이 서로 다른 적어도 2개의 단위층을 포함할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 금속폼 필터를 구비한 질소산화물 흡장촉매장치에 의하면, 기공의 형성으로 인하여 3차원의 입체구조를 갖기 때문에, 배기가스의 교란이 크고 촉매와 배기가스의 접촉빈도가 크고 접촉면적이 넓어져서 기존의 세라믹 담체에 비해 적은 체적으로도 높은 저감효과를 얻을 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 실시예에 따른 금속폼 필터의 경우 기존의 세라믹 담체에 비해 작은 열용량 때문에 냉시동 시에도 빠른 시간 내에 흡장이 가능한 온도에 도달하기 때문에 질소산화물 저감에 훨씬 유리하다.
한편, 기공의 크기가 다른 여러 장의 금속폼 필터를 이용한 질소산화물 흡장촉매장치의 경우 기공의 크기를 엔진 특성에 맞게 배치함으로써 배압손실을 최소화 할 수 있다. 또한 흡장촉매의 로딩량을 위치에 따라 변화할 수 있기 때문에 촉매의 양을 최소한으로 사용하면서 질소산화물 저감효과는 최대로 높일 수 있는 장점이 있다.
아울러 금속폼 필터는 수 mm의 두께를 갖기 때문에 자동차 배기관의 놓인 위치에 따라 다양한 형태로 가공이 가능하여 엔진에 가깝게 위치할 수 있어 보다 높은 배기온도 확보가 가능하다.
그리고 금속폼 필터에 포집된 입자상 물질중 유기용매에 녹는 물질은 흡장된 질소산화물의 재생에 환원제로 이용이 가능하여 재생으로 인한 연료소모율을 저감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 질소산화물 흡장촉매장치를 포함하는 엔진 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 질소산화물 흡장촉매장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 질소산화물 흡장촉매장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 질소산화물 흡장촉매장치를 포함하는 엔진 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 엔진 시스템은 연료를 연소시켜 운동 에너지를 발생시키는 엔진(10)과, 엔진(10)에서 연소된 배기가스를 배출하는 배기관(20), 및 배기관(20)에 연결 설치되어 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)과 입자상 물질을 제거하는 질소산화물 흡장촉매장치(30)를 포함한다.
상기 질소산화물 흡장촉매장치(30)는 상기 배기관(20) 내부에 설치되며, 질소산화물을 흡장하는 흡장촉매와 질소산화물을 질소로 환원시키는 환원촉매가 함께 코팅된 다공성 금속폼 필터(metal foam filter)(35)를 포함한다. 상기 흡장촉매는 워시코트(washcoat)와 함께 도포됨으로써 상기 금속폼 필터(35)에 고착된다.
상기 배기관(20)은 질소산화물 흡장촉매장치(30)가 형성되는 부분에서 직경이 확대되는 확대관(23)과 다시 직경이 줄어드는 축소관(25)의 사이에 금속폼 필터(35)를 구비하고 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 질소산화물 흡장촉매장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
본 실시예에 따른 질소산화물 흡장촉매장치(30)의 금속폼 필터(35)는 다수의 기공(37)을 가지며, 이들 기공(37)의 직경은 수십 내지 수천 μm의 범위에 속하도록 형성되고, 더욱 바람직하게는 400μm 내지 1,500μm의 범위에 속하도록 형성될 수 있다. 그리고 복수 개의 단위층(unit layer)(35a)이 배기가스 유동방향으로 누적되어 상기 금속폼 필터(35)를 구성한다. 이 때, 각 단위층(35a)은 1장의 필터층을 의미하고, 각각 1mm 내지 3mm의 범위에 속하는 두께를 가질 수 있으며, 본 실시예에서는 균일한 두께를 갖는 복수 개의 단위층(35a)이 누적되어 금속폼 필터(35)를 형성한다.
이와 같이 형성되는 금속폼 필터(35)를 담체로 사용하여 흡장촉매를 코팅함으로써 엔진(10)에서 배출되는 질소산화물을 흡장할 뿐만 아니라 입자상 물질(particulate material, PM)의 일부를 포집할 수 있다. 포집된 입자상 물질은 순수 탄소성분(solid carbon) 외에 유기용제 녹는 성분(soluble organic fraction, SOF)이 포함되어 있는데, 이 SOF 성분은 연료가 타다 남은 물질로써 H-C의 분자구조를 갖기 때문에 흡장촉매에 포집된 질소산화물을 환원시키는데 환원제의 일부로 이용이 가능하다. 따라서 질소산화물 재생을 위한 연료소모를 줄일 수 있다.
또한 금속폼 필터(35)는 기공(37)의 형성으로 인하여 3차원의 입체구조를 갖기 때문에, 배기가스의 교란이 크고 촉매와 배기가스의 접촉빈도가 크고 접촉면적이 넓어져서 기존의 세라믹 담체에 비해 적은 체적으로도 높은 저감효과를 얻을 수 있다. 뿐만 아니라, 금속폼 필터(35)의 경우 기존의 세라믹 담체에 비해 작은 열용량 때문에 냉시동 시에도 빠른 시간 내에 흡장이 가능한 온도에 도달하기 때문에 질소산화물 저감에 훨씬 유리하다. 촉매의 반응온도는 담체의 온도와 밀접한 관계가 있기 때문에 담체의 열용량이 적을수록 반응이 쉽게 일어난다.
나아가, 상기 금속폼 필터(35)는 복수 개의 단위층(35a)으로 이루어지는 다층 구조를 형성하고, 상기 흡장촉매 또는 환원촉매의 로딩(loading)량을 각 단위층의 위치별로 다르게 변화시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 질소산화물 흡장촉매장치(30)의 작용을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 배기가스에 포함된 질소산화물과 입자상 물질은 배기관(20)을 통해 확대관(23)으로 유입되어 금속폼 필터(35)에 닿게 된다. 금속폼 필터(35)에는 질소산화물을 흡장할 수 있는 흡장촉매 물질과 이를 금속폼 필터(35)에 고착시켜주는 워시코트가 도포되어 있으며, 입자상 물질의 일부는 3차원 구조의 금속폼 필터(35)의 기둥에 충돌하면서 확산 과정을 거쳐 포집되고, 질소산화물은 일정 온도 조건에서 흡장촉매에 흡착된다. 흡장촉매의 작동 온도는 250℃ 내지 450℃의 범위에서 작동하며, 350℃ 부근에서 최대 흡장효율을 나타낸다. 흡장용량은 촉매의 조성이나 워시코트의 종류, 촉매 코팅방법 등에 따라 다르나 촉매 코팅량이나 촉매 담체의 크기에 따라 결정된다.
입자상 물질의 외부에 있는 유기 용매에 녹는 성분은 증발되면서 흡장촉매에 흡착된 일부의 질소산화물과 반응하여 질소, 이산화탄소, 수증기를 생성한다. 나머지 흡장된 질소산화물은 배기관(20)의 공연비가 농후한 조건에서 일산화탄소, 탄화수소와 반응하여 환원된다. 흡장된 질소산화물을 환원시키기 위해서는 보통 60초 정도 희박조건으로 운전하고 2초 정도 농후한 분위기를 만들어 줌으로써 흡장된 질소를 환원시킨다. 이를 통해 디젤엔진의 배기관(20)에서 배출되는 질소산화물의 일부가 저감될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 질소산화물 흡장촉매장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
본 실시예에 따른 질소산화물 흡장촉매장치(40)의 금속폼 필터(45)는 서로 다른 평균직경의 기공을 갖는 복수 개의 단위층을 포함한다. 도 3을 참조하면, 금속폼 필터(45)는 전단부(A)에 위치한 단위층(45a)에 형성되는 기공의 직경보다 중단부(B)에 위치한 단위층(45a)에 형성되는 기공의 직경이 더 작게 형성되고, 중단부(B)에 위치한 단위층(45a)에 형성되는 기공의 직경보다 후단부(C)에 위치한 단위층(45a)에 형성되는 기공의 직경이 더 작게 형성된다.
이와 같이 기공의 크기를 각 단위층(45a) 별로 다르게 조절함으로써 압력 손실 및 질소산화물 흡장 능력을 최적화할 수 있다. 특히 전단부(A)에 위치하는 단위층(45a)에 형성되는 기공을 크게 하고 후단부(C)로 갈수록 단위층(45a)에 형성되는 기공을 작게 형성함으로써, 담체의 공간적 활용을 극대화 할 수 있고, 담체에 의해 발생되는 압력손실을 최소화하며, 포집되는 입자상 물질을 균일하게 분포시킬 수 있는 효과가 있다.
나아가, 상기 금속폼 필터(45)는 복수 개의 단위층(45a)으로 이루어지는 다층 구조를 형성하고, 상기 흡장촉매 또는 환원촉매의 로딩(loading)량을 각 단위층의 위치별로 다르게 변화시킬 수 있다.
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
10: 엔진 20: 배기관
23: 확대관 25: 축소관
30, 40, 50: 질소산화물 흡장촉매장치
35, 45, 55: 금속폼 필터
35a, 45a, 55a: 단위층 37: 기공
A: 전단부 B: 중단부
C: 후단부

Claims (7)

  1. 엔진의 후단에 연결되어 배기관을 통해 배출되는 배기가스를 정화하는 질소산화물 흡장촉매장치에 있어서,
    상기 배기관 내부에 설치되며, 질소산화물을 흡장하는 흡장촉매와 질소산화물을 질소로 환원시키는 환원촉매가 함께 코팅된 다공성 금속폼(metal foam) 필터를 포함하고,
    상기 금속폼 필터는 복수의 기공을 형성하며, 상기 복수의 기공은 배기가스의 유동방향을 따라 더 작은 크기로 형성되는 질소산화물 흡장촉매장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 기공은 직경이 400μm 내지 1,500μm의 범위에 속하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 흡장촉매장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속폼 필터는 복수의 단위층이 배기가스의 유동방향을 따라 누적되어 구성되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 흡장촉매장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수의 단위층 각각의 두께는 1mm 내지 3mm의 범위에 속하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 흡장촉매장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 금속폼 필터는 서로 다른 평균직경의 기공을 갖는 적어도 2개의 단위층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 흡장촉매장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 금속폼 필터는 전단부에 위치한 단위층에 형성되는 기공의 평균직경이 후단부에 위치한 단위층에 형성되는 기공의 평균직경보다 더 큰 것을 특징으로 하는 질소산화물 흡장촉매장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 금속폼 필터는 상기 흡장촉매 또는 환원촉매의 로딩(loading)량이 서로 다른 적어도 2개의 단위층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 흡장촉매장치.
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