KR101776762B1 - 차량의 배기 가스 정화장치 - Google Patents

차량의 배기 가스 정화장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량의 배기 가스 정화장치에 관한 발명이다. 본 발명의 일 실시예에 의한 차량의 배기 가스 정화장치는 차량의 엔진으로부터 배출되는 배기 가스를 정화하기 위한 배기 가스 정화장치에 있어서, 배기 파이프의 도중에 구성되는 DOC와, DOC의 후단에 설치되는 DPF와, DPF의 후단에 설치되는 SCR와, DOC의 전단에 설치되어 배기 가스의 스트림 방향으로 환원제를 분무하는 인젝터를 포함하고, DOC 및 DPF는 담체에 촉매 물질이 코팅된 제 1 코팅 영역과 환원제 분해 촉매가 코팅된 제 2 코팅 영역으로 이루어지며, 인젝터는 DOC 및 DPF의 제 2 코팅 영역을 통해 환원제를 분사한다.

Description

차량의 배기 가스 정화장치{EXHAUST GAS PURIFICATION SYSTEM OF VEHICLE}
본 발명의 예시적인 실시예는 차량의 배기 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배기 가스 중의 공해 물질을 저감시킬 수 있는 배기 가스 정화장치에 관한 것이다.
일반적으로, 엔진의 배기 시스템은 배기 가스 중에 함유된 공해 물질인 질소산화물(NOx) 등을 감소시키기 위해 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst, DOC), 디젤매연필터(Diesel Particulate matter Filter, DPF), 및 선택적환원촉매(Selective Catalyst Reduction, SCR) 등과 같은 배기가스 후처리장치를 구비하고 있다.
이 중에서, SCR은 인젝터를 통해 배기 가스의 스트림 방향으로 분사되는 환원제(요소)가 배기 가스의 열에 의해 암모니아(NH3)로 전환되고, SCR에 의한 배기 가스 중의 질소산화물과 암모니아의 촉매 반응으로서 질소산화물을 질소 가스(N2)와 물(H2O)로 환원시키는 것이다.
상기에서와 같은 DOC, DPF, 및 SCR을 채용한 종래 기술의 배기 가스 정화장치는 일 예로서 도 12에서와 같이, 배기 파이프(1)의 내부에 DOC(2)와 DPF(3)를 배기 가스의 스트림 방향으로 장착하고, 그 DPF(3)의 후단으로 SCR(4)을 장착하고 있다.
또한, DPF(3)의 후단에서 SCR(4)의 전단 사이는 환원제와 배기 가스의 혼합 영역으로서 그 혼합 영역에는 인젝터(5)를 장착하고 있다.
이 경우는 환원제의 공급원인 인젝터(5)를 DPF(3)의 후단에서 SCR(4)의 전단 사이에 장착하므로, DPF(3)의 후단에서부터 SCR(4)의 전단까지 대략 800~1500mm 정도로 긴 분무 및 혼합 영역을 필요로 한다.
아울러, 종래 기술에서는 상기한 혼합 영역에 대한 환원제의 무화 및 증발 성능을 개선하기 위해 환원제와 배기 가스를 혼합하는 혼합 촉진 장치로서의 믹서를 설치하고 있다.
그런데, 종래 기술에서는 DPF(3)의 후단에서 SCR(4)의 전단 사이에 인젝터(5)를 설치하므로, 환원제와 배기 가스의 분무 및 혼합 영역이 실질적으로 길어지고 SCR(4)의 위치가 엔진으로부터 더욱 멀어지게 되는 바, 이로 인해 열적 손실을 야기시킬 뿐만 아니라, 배기 파이프(프론트 파이프)의 구조가 복잡해지고, 부피가 증가하게 되는 등 차체 하부 배기계 레이아웃 설계의 자유도를 악화시키고 있다.
또한, 종래 기술에서는 환원제와 배기 가스의 혼합 영역에 믹서를 설치하므로, 배기 파이프(1)의 내부에 믹서를 추가로 장착함에 따른 배압 증가 및 원가 상승을 유발하게 된다.
이를 개선하기 위해 종래 기술에서는 DPF(3)의 전단에 인젝터(5)를 구성하고, DOC(2) 및 DPF(3)를 코팅 영역과 비코팅 영역으로 분리하는 기술이 제안되었으나, 환원제를 비코팅 영역에 분무하게 되면 암모니아 분해 효율이 낮아지는 문제가 있었다.
본 발명의 일 실시예에 의한 차량의 배기 가스 정화장치는 인젝터의 장착 위치를 개선하여 환원제와 배기 가스의 혼합 영역을 축소시키면서 동시에 환원제의 분해 효율을 증가시킬 수 있는 차량의 배기 가스 정화장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 차량의 배기 가스 정화장치는 차량의 엔진으로부터 배출되는 배기 가스를 정화하기 위한 배기 가스 정화장치에 있어서, 배기 파이프의 도중에 구성되는 DOC와, DOC의 후단에 설치되는 DPF와, DPF의 후단에 설치되는 SCR와, DOC의 전단에 설치되어 배기 가스의 스트림 방향으로 환원제를 분무하는 인젝터를 포함하고, DOC 및 DPF는 담체에 각각의 촉매 물질이 코팅된 제 1 코팅 영역과 환원제 분해 촉매가 코팅된 제 2 코팅 영역으로 이루어지며, 인젝터는 상기 DOC 및 DPF의 제 2 코팅 영역을 통해 환원제를 분사한다.
인젝터는, 상기 DOC 및 DPF의 제 2 코팅 영역과 일직선을 이루도록 설치될 수 있다.
환원제 분해 촉매는 Al2O3, CeO2, TiO2, ZrO2, Cu-zeolite 또는 이들의 조합이 될 수 있다.
본 발명의 또다른 일 실시예에 의한 차량의 배기 가스 정화장치는 차량의 엔진으로부터 배출되는 배기 가스를 정화하기 위한 배기 가스 정화장치에 있어서, 배기 파이프의 도중에 구성되는 LNT와, LNT의 후단에 설치되는 DPF와, DPF의 후단에 설치되는 SCR와, LNT의 전단에 설치되어 배기 가스의 스트림 방향으로 환원제를 분무하는 인젝터를 포함하고, LNT 및 DPF는 담체에 각각의 촉매 물질이 코팅된 제 1 코팅 영역과 환원제 분해 촉매가 코팅된 제 2 코팅 영역으로 이루어지며, 인젝터는 상기 LNT 및 DPF의 제 2 코팅 영역을 통해 환원제를 분사한다.
인젝터는, LNT 및 DPF의 제 2 코팅 영역과 일직선을 이루도록 설치될 수 있다.
환원제 분해 촉매는 Al2O3, CeO2, TiO2, ZrO2, Cu-zeolite 또는 이들의 조합이 될 수 있다.
본 발명의 또다른 일 실시예에 의한 차량의 배기 가스 정화장치는 차량의 엔진으로부터 배출되는 배기 가스를 정화하기 위한 배기 가스 정화장치에 있어서, 배기 파이프의 도중에 구성되는 DOC와, DOC의 후단에 설치되는 SDPF와, DOC의 전단에 설치되어 배기 가스의 스트림 방향으로 환원제를 분무하는 인젝터를 포함하고, DOC는 담체에 촉매 물질이 코팅된 제 1 코팅 영역과 환원제 분해 촉매가 코팅된 제 2 코팅 영역으로 이루어지며, 인젝터는 DOC의 제 2 코팅 영역을 통해 환원제를 분사한다.
인젝터는, DOC의 제 2 코팅 영역과 일직선을 이루도록 설치될 수 있다.
환원제 분해 촉매는 Al2O3, CeO2, TiO2, ZrO2, Cu-zeolite 또는 이들의 조합이 될 수 있다.
DOC의 후단 및 SDPF의 전단에 설치된 믹서를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또다른 일 실시예에 의한 차량의 배기 가스 정화장치는 차량의 엔진으로부터 배출되는 배기 가스를 정화하기 위한 배기 가스 정화장치에 있어서, 배기 파이프의 도중에 구성되는 LNT와, LNT의 후단에 설치되는 SDPF와, LNT의 전단에 설치되어 배기 가스의 스트림 방향으로 환원제를 분무하는 인젝터를 포함하고, LNT는 담체에 촉매 물질이 코팅된 제 1 코팅 영역과 환원제 분해 촉매가 코팅된 제 2 코팅 영역으로 이루어지며, 인젝터는 LNT의 제 2 코팅 영역을 통해 환원제를 분사한다.
인젝터는, LNT의 제 2 코팅 영역과 일직선을 이루도록 설치될 수 있다.
환원제 분해 촉매는 Al2O3, CeO2, TiO2, ZrO2, Cu-zeolite 또는 이들의 조합이 될 수 있다.
LNT의 후단 및 상기 SDPF의 전단에 설치된 믹서를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 차량의 배기 가스 정화장치는 인젝터의 장착 위치를 개선하여 환원제와 배기 가스의 혼합 영역을 축소시키면서 동시에 환원제의 분해 효율을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 배기 가스 정화장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 배기 가스 정화장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 차량의 배기 가스 정화장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 차량의 배기 가스 정화장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 차량의 배기 가스 정화장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 차량의 배기 가스 정화장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 차량의 배기 가스 정화장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 차량의 배기 가스 정화장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 차량의 배기 가스 정화장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 차량의 배기 가스 정화장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11은 실시예에서 환원제 분해 촉매의 종류에 따른 분해율을 측정한 결과이다.
도 12는 종래 기술에 따른 차량의 배기 가스 정화장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
따라서, 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 배기 가스 정화장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 배기 가스 정화장치(101)는 차량의 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 정화하기 위한 배기가스 후처리 시스템에 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 배기 가스 정화장치(101)는 기본적으로, 배기 파이프(10)의 도중에 구성되는 DOC(20)와, DOC(20)의 후단에 설치되는 DPF(30)와, DPF(30)의 후단에 설치되는 SCR(40)를 포함하여 구성될 수 있다.
DOC(20)는 배기 가스 중의 총 탄화수소와 일산화탄소를 산화시키고, 일산화질소를 이산화질소로 산화시키는 기능을 한다.
DPF(30)는 배기 가스에 포함된 입자상 물질을 포집하기 위한 촉매 담체가 형성되어 입자상 물질을 화학적 변환 과정을 통하여 정화시키게 되는 것이다.
그리고, SCR(40)는 DOC(20)와 DPF(30)를 거치며 발생된 질소산화물을 요소(urea) 수용액과 같은 환원제를 이용하여 질소 기체로 환원시키는 것이다.
즉, SCR(40)는, 환원제가 배기 가스의 산화열에 의해 암모니아로 전환됨으로써, 촉매에 의한 배기 가스 중의 질소산화물과 암모니아의 촉매 반응으로서 질소산화물을 질소 가스와 물로 환원시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 배기 가스 정화장치(101)는 인젝터(50)의 장착 위치를 최적화하여 DPF(30)의 후단에서부터 SCR(40)까지의 배기 가스/환원제 혼합 영역을 축소시킬 수 있고, 냉시동 시 환원제의 최초 분사 시점을 단축시킬 수 있으며, 언더 바디의 SCR 시스템 특히 프론트 파이프의 단순화 및 부피를 축소시킬 수 있는 구조로 이루어진다.
이를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 배기 가스 정화장치(101)는 인젝터(50)를 DOC(20)의 전단에 설치하는 것을 특징으로 하고 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에서는 인젝터(50)를 DOC(20)의 전단에 설치하므로, 환원제가 DOC(20)와 DPF(30)를 통과하며 혼합 영역으로 유입되는데, 제 1 코팅 영역(91)과 제 2 코팅 영역(92)이 분리되어 있지 않을 경우, DOC(20)와 DPF(30)의 산화 촉매에 의하여 환원제가 SCR(40)에 도달하기 전에 모두 산화될 수 있다.
제 1 코팅 영역(91)과 제 2 코팅 영역(92)이 분리되어 있지 않을 경우, DOC(20)와 DPF(30)의 산화 촉매 상에서 일어나는 암모니아의 산화로 인하여 SCR(40)로 암모니아가 충분히 공급되지 못해 SCR(40)에 의한 질소산화물의 환원 반응을 기대하기 힘들뿐만 아니라, 암모니아의 과산화로 인한 질소산화물이 추가로 생성되는 가능성도 있다.
이에, 본 발명의 일 실시예에서는 담체에 촉매 물질이 코팅된 제 1 코팅 영역(91)과 환원제 분해 촉매가 코팅된 제 2 코팅 영역(92)으로 이루어진 DOC(20)와 DPF(30)를 구성할 수 있다. DOC(20)의 제 1 코팅 영역(91)에는 DOC 촉매가 코팅되어 있으며, DPF(30)의 제 1 코팅 영역(91)에는 DPF 촉매가 코팅된다.
기존에는 제 2 코팅 영역(92)에 별도의 환원제 분해 촉매가 코팅되어 있지 아니하여, 환원제의 분해 효율이 낮은 문제가 있었으며, SCR(40)로 암모니아가 충분히 공급되지 못한 문제가 발생하였다. 반면, 본 발명의 일 실시예에서는 환원제 분해 촉매가 코팅된 제 2 코팅 영역(92)으로 환원제가 분사되며, 제 2 코팅 영역(92)을 통과하면서, 환원제가 낮은 온도에서 보다 효율적으로 분해 되어 SCR(40)로 공급될 수 있다.
이 때, 환원제 분해 촉매는 요소(urea) 수용액 등의 환원제를 암모니아로 분해하기 위한 촉매라면 특별히 제한되지 아니한다. 구체적으로 환원제 분해 촉매는 Al2O3, CeO2, TiO2, ZrO2, Cu-zeolite 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.
여기서, DOC(20)의 제 2 코팅 영역 (92)과 DPF(30)의 제 2 코팅 영역 (92)은 상호 대응하게 연결되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서, 인젝터(50)는 DOC(20)의 제 2 코팅 영역(92)에 대응하는 위치에 장착되는 바, DOC(20)의 제 2 코팅 영역(92)과 일직선을 이루며 DOC(20)의 전단에 설치되어 DOC(20) 및 DPF(30)의 제 2 코팅 영역(92)을 통해 환원제를 분사할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 배기 가스 정화장치(101)에 의하면, 우선 DOC(20)에서는 제 1 코팅 영역(91)에서 배기 가스 중의 총 탄화수소와 일산화탄소를 산화시키고, 일산화질소를 이산화질소로 산화시키며, DPF(30)에서는 제 2 코팅 영역(91)에서 입자상 물질을 화학적 변환 과정을 통하여 정화시키게 된다.
이러는 과정에서 본 발명의 일 실시예에 의한 인젝터(50)는 환원제(82)를 배기 가스(81)의 스트림 방향으로 분사한다.
그러면, 환원제는 DOC(20)와 DPF(30)의 제 2 코팅 영역(92)을 통해 배기 파이프(10)의 내부로 확산되며 배기 가스와 혼합되면서 배기 가스의 산화열 및 환원제 분해 촉매에 의해 암모니아로 전환된다.
이에, SCR(40)에서는 배기 가스 중의 질소산화물과 암모니아의 촉매 반응으로서 질소산화물을 질소 가스와 물로 환원시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 배기 가스 정화장치(101)의 작동 원리를 도 2에서 개략적으로 나타낸다.
지금까지 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량의 배기 가스 정화장치(101)에 의하면, 인젝터(50)를 DOC(20)의 전단에 설치함과 아울러 DOC(20)와 DPF(30)에 환원제 분해 촉매가 코팅된 제 2 코팅 영역(92)을 형성하므로, DOC(20)와 DPF(30)에서 암모니아의 산화 반응을 유발시키지 않으면서 환원제를 효율적으로 분해하여 암모니아를 SCR(40)로 유입시킬 수 있게 된다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 인젝터(50)를 DOC(20)의 전단에 설치함으로, DPF(30)의 후단에서부터 SCR(40)까지의 배기 가스와 환원제의 혼합 영역을 축소시킬 수 있다.
이로써, 본 실시예에서는 배기 가스와 환원제의 혼합 영역을 축소시킬 수 있으므로, 종래 기술에서와 같은 믹서를 삭제할 수 있으며, SCR(40)가 엔진으로부터 가깝게 위치하기 때문에 열적 손실을 줄일 수 있고, 차체 하부 배기계 레이아웃 설계의 자유도를 향상시킬 수 있다.
특히, 본 실시예에서는 환원제의 무화 및 증발 성능 개선을 위한 믹서를 삭제할 수 있으므로, 배기 파이프 내에 믹서를 추가로 장착함에 따른 배압 증가 및 원가 상승을 방지할 수 있다.
그리고, 본 실시예에서는 DOC(20)의 전단이 DPF(30)의 후단에 비하여 고온 조건이므로 냉 시동 시 인젝터(50)를 통한 환원제의 최초 분사 시점을 단축시킬 수 있기 때문에, 환원제의 증발 및 열분해 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 배기 가스와 환원제의 혼합 영역을 축소시킬 수 있으므로, 언더 바디의 SCR 시스템 특히 프론트 파이프의 단순화 및 부피를 축소시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 차량의 배기 가스 정화장치(102)를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 의한 배기 가스 정화장치(102)는 기본적으로, 배기 파이프(10)의 도중에 구성되는 LNT(21)와, LNT(21)의 후단에 설치되는 DPF(30)와, DPF(30)의 후단에 설치되는 SCR(40)를 포함하여 구성될 수 있다.
린 녹스 트랩(Lean NOx Trap, LNT)(21)은 희박(lean)한 분위기에서 배기가스에 포함된 NOx를 흡착 또는 흡장하고, 농후(rich)한 분위기에서 흡착 또는 흡장된 NOx를 탈착하는 기능을 한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 의한 배기 가스 정화장치(102)는 도 1 및 도 2를 통해 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 배기 가스 정화장치(101)에서 DOC(20)를 LNT(21)로 치환한 것이며, 기본적인 내용은 차량의 배기 가스 정화장치(101)와 동일하므로, 중복되는 설명은 생략한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에서는 담체에 촉매 물질이 코팅된 제 1 코팅 영역(91)과 환원제 분해 촉매가 코팅된 제 2 코팅 영역(92)으로 이루어진 LNT(21)와 DPF(30)를 구성할 수 있다. LNT(21)의 제 1 코팅 영역(91)에는 LNT 촉매가 코팅되어 있으며, DPF(30)의 제 1 코팅 영역(91)에는 DPF 촉매가 코팅된다.
기존에는 제 2 코팅 영역(92)에 별도의 환원제 분해 촉매가 코팅되어 있지 아니하여, 환원제의 분해 효율이 낮은 문제가 있었으며, SCR(40)로 암모니아가 충분히 공급되지 못한 문제가 발생하였다. 반면, 본 발명의 일 실시예에서는 환원제 분해 촉매가 코팅된 제 2 코팅 영역(92)으로 환원제가 분사되며, 제 2 코팅 영역(92)을 통과하면서, 환원제가 낮은 온도에서 보다 효율적으로 분해 되어 SCR(40)로 공급될 수 있다.
이 때, 환원제 분해 촉매는 요소(urea) 수용액 등의 환원제를 암모니아로 분해하기 위한 촉매라면 특별히 제한되지 아니한다. 구체적으로 환원제 분해 촉매는 Al2O3, CeO2, TiO2, ZrO2, Cu-zeolite 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.
여기서, LNT(21)의 제 2 코팅 영역 (92)과 DPF(30)의 제 2 코팅 영역 (92)은 상호 대응하게 연결되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에서, 인젝터(50)는 LNT(21)의 제 2 코팅 영역(92)에 대응하는 위치에 장착되는 바, LNT(21)의 제 2 코팅 영역(92)과 일직선을 이루며 LNT(21)의 전단에 설치되어 LNT(21) 및 DPF(30)의 제 2 코팅 영역(92)을 통해 환원제를 분사할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 배기 가스 정화장치(102)에 의하면, 우선 LNT(21)에서는 제 1 코팅 영역(91)에서 배기가스에 포함된 NOx를 흡착 또는 흡장하고, 농후(rich)한 분위기에서 흡착 또는 흡장된 NOx를 탈착하며, 아울러 탄화수소와 일산화탄소를 산화시키고, 일산화질소를 이산화질소로 산화시키며, DPF(30)에서는 제 2 코팅 영역(91)에서 입자상 물질을 화학적 변환 과정을 통하여 정화시키게 된다.
이러는 과정에서 본 발명의 일 실시예에 의한 인젝터(50)는 환원제(82)를 배기 가스(81)의 스트림 방향으로 분사한다.
그러면, 환원제는 LNT(21)와 DPF(30)의 제 2 코팅 영역(92)을 통해 배기 파이프(10)의 내부로 확산되며 배기 가스와 혼합되면서 배기 가스의 산화열 및 환원제 분해 촉매에 의해 암모니아로 전환된다.
이에, SCR(40)에서는 배기 가스 중의 질소산화물과 암모니아의 촉매 반응으로서 질소산화물을 질소 가스와 물로 환원시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 배기 가스 정화장치(102)의 작동 원리를 도 4에서 개략적으로 나타내었다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 차량의 배기 가스 정화장치(103)를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 의한 배기 가스 정화장치(103)는 기본적으로, 배기 파이프(10)의 도중에 구성되는 DOC(20)와, DOC(20)의 후단에 설치되는 SDPF(41)를 포함하여 구성될 수 있다.
디젤매연필터 상 선택적환원촉매(SCR on Diesel Particular Filter, SDPF)(41)는 질소산화물을 요소(urea) 수용액과 같은 환원제를 이용하여 질소 기체로 환원시키며 동시에 배기 가스에 포함된 입자상 물질을 포집하기 위한 촉매 담체가 형성되어 입자상 물질을 화학적 변환 과정을 통하여 정화시키는 역할을 한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 의한 배기 가스 정화장치(103)는 도 1 및 도 2를 통해 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 배기 가스 정화장치(101)에서 DPF(30) 및 SCR(40)를 SDPF(41)로 치환한 것이며, 기본적인 내용은 차량의 배기 가스 정화장치(101)와 동일하므로, 중복되는 설명은 생략한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에서는 담체에 촉매 물질이 코팅된 제 1 코팅 영역(91)과 환원제 분해 촉매가 코팅된 제 2 코팅 영역(92)으로 이루어진 DOC(20)를 구성할 수 있다. DOC(20)의 제 1 코팅 영역(91)에는 DOC가 코팅된다.
기존에는 제 2 코팅 영역(92)에 별도의 환원제 분해 촉매가 코팅되어 있지 아니하여, 환원제의 분해 효율이 낮은 문제가 있었으며, SDPF(41)로 암모니아가 충분히 공급되지 못한 문제가 발생하였다. 반면, 본 발명의 일 실시예에서는 환원제 분해 촉매가 코팅된 제 2 코팅 영역(92)으로 환원제가 분사되며, 제 2 코팅 영역(92)을 통과하면서, 환원제가 낮은 온도에서 보다 효율적으로 분해 되어 SDPF(41)로 공급될 수 있다.
이 때, 환원제 분해 촉매는 요소(urea) 수용액 등의 환원제를 암모니아로 분해하기 위한 촉매라면 특별히 제한되지 아니한다. 구체적으로 환원제 분해 촉매는 Al2O3, CeO2, TiO2, ZrO2, Cu-zeolite 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에서, 인젝터(50)는 DOC(20)의 제 2 코팅 영역(92)에 대응하는 위치에 장착되는 바, DOC(20)의 제 2 코팅 영역(92)과 일직선을 이루며 DOC(20)의 전단에 설치되어 DOC(20)의 제 2 코팅 영역(92)을 통해 환원제를 분사할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 배기 가스 정화장치(103)에 의하면, 우선 DOC(20)에서는 제 1 코팅 영역(91)에서 배기가스에 포함된 탄화수소와 일산화탄소를 산화시키고, 일산화질소를 이산화질소로 산화시킨다.
이러는 과정에서 본 발명의 일 실시예에 의한 인젝터(50)는 환원제(82)를 배기 가스(81)의 스트림 방향으로 분사한다.
그러면, 환원제는 DOC(20)의 제 2 코팅 영역(92)을 통해 배기 파이프(10)의 내부로 확산되며 배기 가스와 혼합되면서 배기 가스의 산화열 및 환원제 분해 촉매에 의해 암모니아로 전환된다.
이에, SDPF(41)에서는 배기 가스 중의 질소산화물과 암모니아의 촉매 반응으로서 질소산화물을 질소 가스와 물로 환원시키고 동시에 입자상 물질을 화학적 변환 과정을 통하여 정화시키게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 배기 가스 정화장치(103)의 작동 원리를 도 6에서 개략적으로 나타내었다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 배기 가스 정화장치(103)에는 DOC(20)의 후단 및 SDPF(41)의 전단에 설치된 믹서(60)를 더 포함할 수 있다. DOC(20)와 SDPF(41) 간의 간격이 좁은 경우, 환원제 혼합에 문제가 발생할 수 있으며, 이 때 믹서(60)를 설치함으로써 이러한 문제를 방지할 수 있다.
믹서(60)가 설치된 차량의 배기 가스 정화장치(103)의 예를 도 7에 나타내었다.
도 8은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 차량의 배기 가스 정화장치(104)를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 의한 배기 가스 정화장치(104)는 기본적으로, 배기 파이프(10)의 도중에 구성되는 LNT(21)와, LNT(21)의 후단에 설치되는 SDPF(41)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 의한 배기 가스 정화장치(104)는 도 1 및 도 2를 통해 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 배기 가스 정화장치(101)에서 DOC(20)를 LNT(21)로 치환한 것이며, 아울러 DPF(30) 및 SCR(40)를 SDPF(41)로 치환한 것이며, 기본적인 내용은 차량의 배기 가스 정화장치(101)와 동일하므로, 중복되는 설명은 생략한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에서는 담체에 촉매 물질이 코팅된 제 1 코팅 영역(91)과 환원제 분해 촉매가 코팅된 제 2 코팅 영역(92)으로 이루어진 LNT(21)를 구성할 수 있다. LNT(21)의 제 1 코팅 영역(91)에는 LNT가 코팅된다.
기존에는 제 2 코팅 영역(92)에 별도의 환원제 분해 촉매가 코팅되어 있지 아니하여, 환원제의 분해 효율이 낮은 문제가 있었으며, SDPF(41)로 암모니아가 충분히 공급되지 못한 문제가 발생하였다. 반면, 본 발명의 일 실시예에서는 환원제 분해 촉매가 코팅된 제 2 코팅 영역(92)으로 환원제가 분사되며, 제 2 코팅 영역(92)을 통과하면서, 환원제가 낮은 온도에서 보다 효율적으로 분해 되어 SDPF(41)로 공급될 수 있다.
이 때, 환원제 분해 촉매는 요소(urea) 수용액 등의 환원제를 암모니아로 분해하기 위한 촉매라면 특별히 제한되지 아니한다. 구체적으로 환원제 분해 촉매는 Al2O3, CeO2, TiO2, ZrO2, Cu-zeolite 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에서, 인젝터(50)는 LNT(21)의 제 2 코팅 영역(92)에 대응하는 위치에 장착되는 바, LNT(21)의 제 2 코팅 영역(92)과 일직선을 이루며 LNT(21)의 전단에 설치되어 LNT(21)의 제 2 코팅 영역(92)을 통해 환원제를 분사할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 배기 가스 정화장치(104)에 의하면, 우선 LNT(21)에서는 배기가스에 포함된 NOx를 흡착 또는 흡장하고, 농후(rich)한 분위기에서 흡착 또는 흡장된 NOx를 탈착하며, 아울러 탄화수소와 일산화탄소를 산화시키고, 일산화질소를 이산화질소로 산화시킨다.
이러는 과정에서 본 발명의 일 실시예에 의한 인젝터(50)는 환원제(82)를 배기 가스(81)의 스트림 방향으로 분사한다.
그러면, 환원제는 LNT(21)의 제 2 코팅 영역(92)을 통해 배기 파이프(10)의 내부로 확산되며 배기 가스와 혼합되면서 배기 가스의 산화열 및 환원제 분해 촉매에 의해 암모니아로 전환된다.
이에, SDPF(41)에서는 배기 가스 중의 질소산화물과 암모니아의 촉매 반응으로서 질소산화물을 질소 가스와 물로 환원시키고 동시에 입자상 물질을 화학적 변환 과정을 통하여 정화시키게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 배기 가스 정화장치(104)의 작동 원리를 도 9에서 개략적으로 나타내었다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 배기 가스 정화장치(104)에는 LNT(21)의 후단 및 SDPF(41)의 전단에 설치된 믹서(60)를 더 포함할 수 있다. LNT(21)와 SDPF(41) 간의 간격이 좁은 경우, 환원제 혼합에 문제가 발생할 수 있으며, 이 때 믹서(60)를 설치함으로써 이러한 문제를 방지할 수 있다.
믹서(60)가 설치된 차량의 배기 가스 정화장치(104)의 예를 도 10에 나타내었다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
통상의 함침법을 이용하여 담체에 환원제 분해 촉매를 담지하여 반응기에 거치하였다.
온도를 150 내지 300℃로 변경해 가며, 우레아를 암모니아로 분해하고 그 결과를 도 11에 나타내었다.
도 11에 나타나듯이, TiO2, Al2O3, CeO2, Cu-zeolite등의 환원제 분해 촉매가 존재할 경우, 촉매가 존재하지 않는 경우(w/o catalyst)에 비해 우레아 분해 효율이 월등히 상승하는 것을 확인할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10 : 배기 파이프 20: DOC
21 : LNT 30 : DPF
40 : SCR 41 : SDPF
50 : 인젝터 60 : 믹서
81 : 배기 가스 82 : 환원제
91 : 제 1 코팅 영역 92 : 제 2 코팅 영역
101, 102, 103, 104 : 배기 가스 정화장치

Claims (14)

  1. 차량의 엔진으로부터 배출되는 배기 가스를 정화하기 위한 배기 가스 정화장치에 있어서,
    배기 파이프의 도중에 구성되는 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst, DOC)와, 상기 DOC의 후단에 설치되는 디젤매연필터(Diesel Particulate matter Filter, DPF)와, 상기 DPF의 후단에 설치되는 선택적환원촉매(Selective Catalyst Reduction, SCR)와, 상기 DOC의 전단에 설치되어 배기 가스의 스트림 방향으로 환원제를 분무하는 인젝터를 포함하고,
    상기 DOC 및 DPF는 담체에 각각의 촉매 물질이 코팅된 제 1 코팅 영역과 환원제 분해 촉매가 코팅된 제 2 코팅 영역으로 이루어지며,
    상기 인젝터는 상기 DOC 및 DPF의 제 2 코팅 영역을 통해 환원제를 분사하고,
    상기 DOC 및 DPF의 온도는 150 내지 300℃인 차량의 배기 가스 정화장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인젝터는, 상기 DOC 및 DPF의 제 2 코팅 영역과 일직선을 이루도록 설치되는 차량의 배기 가스 정화장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 환원제 분해 촉매는 Al2O3, CeO2, TiO2, ZrO2, Cu-zeolite 또는 이들의 조합인 차량의 배기 가스 정화장치.
  4. 차량의 엔진으로부터 배출되는 배기 가스를 정화하기 위한 배기 가스 정화장치에 있어서,
    배기 파이프의 도중에 구성되는 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap, LNT)과, 상기 LNT의 후단에 설치되는 디젤매연필터(Diesel Particulate matter Filter, DPF)와, 상기 DPF의 후단에 설치되는 선택적환원촉매(Selective Catalyst Reduction, SCR)와, 상기 LNT의 전단에 설치되어 배기 가스의 스트림 방향으로 환원제를 분무하는 인젝터를 포함하고,
    상기 LNT 및 DPF는 담체에 각각의 촉매 물질이 코팅된 제 1 코팅 영역과 환원제 분해 촉매가 코팅된 제 2 코팅 영역으로 이루어지며,
    상기 인젝터는 상기 LNT 및 DPF의 제 2 코팅 영역을 통해 환원제를 분사하고,
    상기 LNT 및 DPF의 온도는 150 내지 300℃인 차량의 배기 가스 정화장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 인젝터는, 상기 LNT 및 DPF의 제 2 코팅 영역과 일직선을 이루도록 설치되는 차량의 배기 가스 정화장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 환원제 분해 촉매는 Al2O3, CeO2, TiO2, ZrO2, Cu-zeolite 또는 이들의 조합인 차량의 배기 가스 정화장치.
  7. 차량의 엔진으로부터 배출되는 배기 가스를 정화하기 위한 배기 가스 정화장치에 있어서,
    배기 파이프의 도중에 구성되는 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst, DOC)와, 상기 DOC의 후단에 설치되는 디젤매연필터 상 선택적환원촉매(SCR on Diesel Particular Filter, SDPF)와, 상기 DOC의 전단에 설치되어 배기 가스의 스트림 방향으로 환원제를 분무하는 인젝터를 포함하고,
    상기 DOC는 담체에 촉매 물질이 코팅된 제 1 코팅 영역과 환원제 분해 촉매가 코팅된 제 2 코팅 영역으로 이루어지며,
    상기 인젝터는 상기 DOC의 제 2 코팅 영역을 통해 환원제를 분사하고,
    상기 DOC의 온도는 150 내지 300℃인 차량의 배기 가스 정화장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 인젝터는, 상기 DOC의 제 2 코팅 영역과 일직선을 이루도록 설치되는 차량의 배기 가스 정화장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 환원제 분해 촉매는 Al2O3, CeO2, TiO2, ZrO2, Cu-zeolite 또는 이들의 조합인 차량의 배기 가스 정화장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 DOC의 후단 및 상기 SDPF의 전단에 설치된 믹서를 더 포함하는 차량의 배기 가스 정화장치.
  11. 차량의 엔진으로부터 배출되는 배기 가스를 정화하기 위한 배기 가스 정화장치에 있어서,
    배기 파이프의 도중에 구성되는 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap, LNT)과, 상기 LNT의 후단에 설치되는 디젤매연필터 상 선택적환원촉매(SCR on Diesel Particular Filter, SDPF)와, 상기 LNT의 전단에 설치되어 배기 가스의 스트림 방향으로 환원제를 분무하는 인젝터를 포함하고,
    상기 LNT는 담체에 촉매 물질이 코팅된 제 1 코팅 영역과 환원제 분해 촉매가 코팅된 제 2 코팅 영역으로 이루어지며,
    상기 인젝터는 상기 LNT의 제 2 코팅 영역을 통해 환원제를 분사하고,
    상기 LNT의 온도는 150 내지 300℃인 차량의 배기 가스 정화장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 인젝터는, 상기 LNT의 제 2 코팅 영역과 일직선을 이루도록 설치되는 차량의 배기 가스 정화장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 환원제 분해 촉매는 Al2O3, CeO2, TiO2, ZrO2, Cu-zeolite 또는 이들의 조합인 차량의 배기 가스 정화장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 LNT의 후단 및 상기 SDPF의 전단에 설치된 믹서를 더 포함하는 차량의 배기 가스 정화장치.
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