KR102474347B1 - 배기가스 정화장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 정화장치는, 엔진의 배기가스를 정화시키도록 구비되는 배기가스 정화장치에 있어서, 상기 엔진에서 배출되는 배기가스가 통과하는 배기라인에 배치되며, 상기 배기가스에 포함된 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물을 포함하는 유해물질을 산화-환원 반응에 의해 무해한 성분으로 변화시키는 삼원촉매(three way catalyst, TWC), 상기 삼원촉매에 저장되는 산소 저장 용량(oxygen storage capacity, OSC)를 측정하는 산소센서, 및 연료차단(Fuel cut) 조건이 만족하는 경우, 연료차단을 시작하도록 제어하고, 상기 삼원촉매의 측정된 OSC를 이용해서 상기 연료차단의 종료 여부를 결정하는 제어부를 포함하고, 상기 삼원촉매는 코디얼라이트(cordierite) 담체 상에 제1 촉매층, 2 촉매층, 및 제3 촉매층이 상부로부터 적층되어 있고, 상기 제1 촉매층은 백금족 원소(Platinum Group Metals; PGM)를 산소 비저장(OSC-less) 물질에 담지하여 이루어지고, 상기 제2 촉매층은 Rh 또는 Pt를 산소 저장(OSC) 물질에 담지하여 이루어지고, 상기 제3 촉매층은 Pd 또는 Pt를 알루미나 기반 산화물이나 산소 저장 물질에 담지하여 이루어진다.

Description

배기가스 정화장치{EXHAUST GAS PURIFICATION APPARATUS}
본 발명은 배기가스 정화장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료 차단(fuel-cut) 후 삼원촉매의 산소 퍼지(O2 purge)시 발생되는 질소산화물(NOx) 배출 악화를 방지하기 위한 배기가스 정화장치에 관한 것이다.
최근, 자동차의 이용도가 증가하고 교통량이 증가함에 따라 배기 가스로 인한 대기오염의 문제가 심각한 사회문제로 대두되고 있다.
따라서, 각국의 정부는 배기 가스 규제를 위하여 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx) 등의 배기 가스 내 오염물질에 대한 배출 기준을 정해놓고 있으며, 이러한 배기 가스 규제는 점차 강화되고 있다.
또한, 각 자동차 제조사들은 한층 강화되고 있는 배기 가스 규제에 효과적으로 대응하기 위하여 많은 노력을 기울이고 있으며, 신규 차량은 배기 가스 배출 기준에 맞추어 생산하고 있다.
특히, 자동차에서는 배기 가스 배출 기준을 충족시키기 위하여 귀금속이 담지된 삼원촉매 컨버터(three way catalyst converter)가 배기계에 장착되어 탄화수소의 분해, 일산화탄소의 산화, 및 질소산화물의 환원을 촉진시킨다.
그리고, 가솔린 차량은 연비 향상을 위하여 감속 시에 연료 주입을 차단하는 연료차단(Fuel cut)을 수행한다. 그리고, 연료차단을 종료한 이후에 삼원촉매가 산소로 포화되어 있으므로, 삼원촉매 상에 존재하는 산소를 제거하기 위하여 산소 퍼지(O2 purge)를 실시한다.
하지만, 삼원 촉매는, 산소 퍼지 시에, 일시적으로 NOx를 저감시키지 못하고 유입되는 NOx를 그대로 배출하게 된다. 즉, 산소 퍼지 시에 배기가스는 리치(Rich) 상태이나, 삼원촉매 내에 존재하는 산소 저장 용량(oxygen storage capacity, OSC)에 의해 삼원촉매 자체는 연료차단 과정에서 저장된 산소에 의해 린(Lean)한 상태(산화 분위기)이므로, NOx 환원 성능이 떨어지고, 이에 따라 촉매 성능이 악화되는 어려움이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 연료차단 이후 산소 퍼지 시에 NOx 슬립을 최소화하도록 산소 비저장(OSC-less) 물질을 포함하는 삼원촉매를 갖는 배기가스 정화장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 정화장치는, 엔진의 배기가스를 정화시키도록 구비되는 배기가스 정화장치에 있어서, 상기 엔진에서 배출되는 배기가스가 통과하는 배기라인에 배치되며, 상기 배기가스에 포함된 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물을 포함하는 유해물질을 산화-환원 반응에 의해 무해한 성분으로 변화시키는 삼원촉매(three way catalyst, TWC), 상기 삼원촉매에 저장되는 산소 저장 용량(oxygen storage capacity, OSC)를 측정하는 산소센서, 및 연료차단(Fuel cut) 조건이 만족하는 경우, 연료차단을 시작하도록 제어하고, 상기 삼원촉매의 측정된 OSC를 이용해서 상기 연료차단의 종료 여부를 결정하는 제어부를 포함하고, 상기 삼원촉매는 코디얼라이트(cordierite) 담체 상에 제1 촉매층, 2 촉매층, 및 제3 촉매층이 상부로부터 적층되어 있고, 상기 제1 촉매층은 백금족 원소(Platinum Group Metals; PGM)를 산소 비저장(OSC-less) 물질에 담지하여 이루어진 물질로 형성되고, 상기 제2 촉매층은 Rh 또는 Pt를 산소 저장(OSC) 물질에 담지하여 이루어진 물질로 형성되고, 상기 제3 촉매층은 Pd 또는 Pt를 알루미나 기반 산화물이나 산소 저장 물질에 담지하여 이루어진 물질로 형성된다.
상기 제1 촉매층의 백금족 원소는 Rh, Pd, Pt, Rh-Pt 중 어느 하나일 수 있다.
상기 산소 비저장 물질은, ZrO2, Al2O3, SiO2, La2O3, Y2O3, 페로브스카이트, 스피넬(spinel) 복합 산화물 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 구성된 물질일 수 있다.
상기 산소 비저장 물질은 산소 저장 용량이 100μmol-O2/g-cat 이하일 수 있다.
상기 제1 촉매층은 2μm 이상 20μm 이하의 두께를 가질 수 있다.
상기 제1 촉매층은 상기 제2 촉매층 상에 와시코팅되어 이루어질 수 있다.
상기 와시코팅은 코팅성 개선을 위해 보에마이트, 알루미나졸, 수산화바륨 중 하나를 이용하여 이루어질 수 있다.
상기 와시코팅 양은 10 내지 40g/L 로 이루어질 수 있다.
상기 제1 촉매층의 백금족 원소가 0.01 내지 1.0g/L 로 이루어질 수 있다.
상기 제1 촉매층의 Rh는 0.01 내지 0.5g/L 로 이루어질 수 있다.
상기 제1 촉매층의 Pt는 0.03 내지 1.0g/L 로 이루어질 수 있다.
상기 제1 촉매층의 Pd는 0.03 내지 1.0g/L 로 이루어질 수 있다.
상기 제1 촉매층의 Rh-Pt 는 0.3 내지 1.0g/L 로 이루어지고, 그 혼합 비율은 1:5 내지 5:1 로 이루어질 수 있다.
상기 삼원촉매는, 상기 코디얼라이트(cordierite) 담체와 상기 제3 촉매층 사이에, HC 를 트랩(trap)할 수 있는 제올라이트(zeolite) 기반 촉매를 더 포함할 수 있다.
상기 제올라이트 기반 촉매는 제올라이트가 20 내지 100g/L 로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 정화장치는, 엔진의 배기가스를 정화시키도록 구비되는 배기가스 정화장치에 있어서, 상기 엔진에서 배출되는 배기가스가 통과하는 배기라인에 배치되며, 상기 배기가스에 포함된 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물을 포함하는 유해물질을 산화-환원 반응에 의해 무해한 성분으로 변화시키는 삼원촉매(three way catalyst, TWC)와, 상기 삼원촉매에 저장되는 산소 저장 용량(oxygen storage capacity, OSC)를 측정하는 산소센서, 및 연료차단(Fuel cut) 조건이 만족하는 경우, 연료차단을 시작하도록 제어하고, 상기 삼원촉매의 측정된 OSC를 이용해서 상기 연료차단의 종료 여부를 결정하는 제어부를 포함하고, 상기 삼원촉매는 코디얼라이트(cordierite) 담체 상에 제1 촉매층 및 2 촉매층이 상부로부터 적층되어 있고, 상기 제1 촉매층은 백금족 원소(Platinum Group Metals; PGM)를 산소 비저장(OSC-less) 물질에 담지하여 이루어진 물질로 형성되고, 상기 제2 촉매층은 Pd를 알루미나 기반 산화물에 담지하여 이루어진 물질로 형성되거나, Pd를 알루미나 기반 산화물에 담지하여 이루어진 물질과 Rh를 산소 저장 물질에 담지하여 이루어지는 물질의 혼합에 의해 형성된다.
상기 제1 촉매층의 백금족 원소는 Rh, Pd, Pt, Rh-Pt 중 어느 하나일 수 있다.
상기 산소 비저장 물질은 ZrO2, Al2O3, SiO2, La2O3, Y2O3, 페로브스카이트, 스피넬(spinel) 복합 산화물 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 구성된 물질일 수 있다.
상기 산소 비저장 물질은 산소저장 용량이 50μmol-O2/g-cat 이하일 수 있다.
상기 제1 촉매층은 20μm 이상 100μm 이하의 두께를 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, 연료차단 후 삼원촉매의 산소 퍼지시 발생되는 NOx 슬립을 최소화하고, 삼원촉매의 성능을 개선하여 배기가스의 정화 성능을 향상시킬 수 있는 환경을 제공할 수 있다.
또한, 산소 퍼지 직후 산소 비저장 물질 촉매가 NOx를 제거하고, 이후 기존 구조의 삼원촉매가 NOx를 제거하도록 함으로써, 산소 퍼지 초기 발생하는 미정화 NOx를 효과적으로 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼원촉매의 성능을 개선하기 배기가스 정화장치의 구조를 간략히 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3층 구조의 삼원촉매의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 삼원촉매의 최상층이 백금족 원소로 이루어진 물질로 형성된 예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 4층 구조의 삼원촉매의 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 삼원촉매의 최상층이 백금족 원소로 이루어진 물질로 형성된 예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 2층 구조의 삼원촉매의 제2 촉매층이 Pd를 알루미나 기반 산화물에 담지하여 이루어진 물질로 형성된 예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 2층 구조의 삼원촉매의 제2 촉매층이 Pd를 알루미나 기반 산화물에 담지하여 이루어진 물질과 Rh를 산소 저장 물질에 담지하여 이루어지는 물질의 혼합에 의해 형성된 예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 일 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예들에서는 일 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며, 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고, 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다. 어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수도 있다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 한 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조로, 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 정화장치를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼원촉매의 성능을 개선하기 배기가스 정화장치의 구조를 간략히 도시한 도면이다. 이때, 배기가스 정화장치는 본 발명의 실시예에 따른 설명을 위해 필요한 개략적인 구성만을 도시할 뿐 이러한 구성에 국한되는 것은 아니다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 정화장치는 엔진(100), 연소실(102), 인젝터(104), 배기라인(110), 삼원촉매(three way catalyst, TWC)(120), 람다센서(130), 온도센서(140), 산소센서(150) 및 제어부(160)를 포함한다.
외기가 상기 엔진(100)의 상기 연소실(102)로 공급되고, 인젝터(104)는 연소실(102)로 연료를 설정된 시점에 설정된 양을 분사하고, 연소된 배기가스는 배기라인(110)의 삼원촉매(120)를 거쳐서 외부로 배출된다.
삼원촉매(120)는 엔진(100)에서 배출되는 배기가스가 통과하는 배기라인(110)에 배치되며, 배기가스에 포함된 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물을 포함하는 유해물질을 산화-환원 반응에 의해 무해한 성분으로 변화시킨다.
람다센서(130)는 배기라인(110)을 지나는 배기가스의 람다값을 감지하고, 이 신호를 제어부(160)로 송부하며, 제어부(160)는 람다값을 이용하여 인젝터(104)를 제어할 수 있고, 인젝터(104)의 연료차단 상태 등을 판단할 수 있다.
온도 센서(140)는 삼원촉매(120)의 전단 또는 후단에 배치되며, 배기가스의 온도 또는 삼원촉매(120)의 촉매 온도를 측정하고, 측정된 온도 정보를 제어부(160)에 제공한다.
또한, 산소센서(150)는 삼원촉매(120)의 산소 저장 용량(oxygen storage capacity, 이하 OSC)을 측정하여 측정된 산소 저장 용량 정보를 제어부(160)에 제공한다. 여기서, 산소센서(150)는 삼원촉매(120)에 배치되는 것으로 설명하였으나, 산소센서(150)는 삼원촉매(120)의 전단 또는 후단에 배치될 수도 있으며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, OSC는 화학흡착법, 모의활성평가장치, 엔진, 차량 등을 활용하여 측정될 수 있으며, 차량 운행중의 OSC는 차량 장착 상태에서 측정될 수 있다.
제어부(160)는 온도 센서(140)에서 측정된 온도 정보를 이용해 삼원촉매(120)의 열부하를 계산하고, 상기 열부하에 따른 OSC의 변화량을 이용해서 산소 퍼지 기간을 제어할 수 있다.
이러한 목적을 위하여, 제어부(160)는 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 하나 이상의 프로세서로 구현될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 정화장치의 제어 방법의 각 단계를 수행하도록 프로그래밍 된 것일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3층 구조의 삼원촉매의 개략적인 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 삼원촉매의 최상층이 백금족 원소로 이루어진 물질로 형성된 예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 삼원촉매는 3층 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 삼원촉매는 코디얼라이트 담체 상에, 제1 촉매층, 제2 촉매층, 및 제3 촉매층이 상부로부터 차례로 적층될 수 있다.
제1 촉매층은 백금족 원소(Platinum Group Metals; PGM)를 산소 비저장(OSC-less) 물질에 담지하여 이루어진 물질로 형성될 수 있다.
제2 촉매층은 Rh 또는 Pt를 산소 저장(OSC) 물질에 담지하여 이루어진 물질로 형성될 수 있다. 이 때, 산소 저장 물질은 CeO2, Ce 기반 혼합 산화물(예를 들어, CeO2-ZrO2를 기본으로 La, Pr, Nd 등이 첨가된 복합산화물), 또는 ZrO2에 Pr이 첨가된 물질일 수 있다.
그리고, 제3 촉매층은 Pd 또는 Pt를 알루미나 기반 산화물이나 산소 저장 물질에 담지하여 이루어진 물질로 형성될 수 있다. 이 때, 알루미나 기반 산화물은 Al2O3 를 기본으로 La, Zr, Ba 등이 첨가된 복합산화물일 수 있다.
제1 촉매층은 약 2μm 이상 약 20μm 이하의 두께를 가지도록 형성될 수 있고, 바람직하게는, 약 5μm 이상 약 10μm 이하의 두께를 가지도록 형성될 수 있다.
한편, 제1 촉매층의 백금족 원소는 약 0.01 내지 약 1.0g/L의 밀도를 가지도록 형성될 수 있다.
한편, 제1 촉매층의 백금족 원소는 Rh, Pd, Pt, Rh-Pt 중 어느 하나일 수 있다.
도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 제1 촉매층은, Rh를 산소 비저장 물질에 담지하여 이루어진 물질로 형성될 수 있다. 이 때, Rh는 약 0.01 내지 약 0.5g/L 의 밀도로 이루어질 수 있다.
또한, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 제1 촉매층은, Pd를 산소 비저장 물질에 담지하여 이루어진 물질로 형성될 수 있다. 이 때, Pd는 약 0.03 내지 약 1.0g/L 의 밀도로 이루어질 수 있다.
또한, 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 제1 촉매층은, Pt를 산소 비저장 물질에 담지하여 이루어진 물질로 형성될 수 있다. 이 때, Pt는 약 0.03 내지 약 1.0g/L 의 밀도로 이루어질 수 있다.
또한, 도 3의 (d)에 도시된 바와 같이, 제1 촉매층은, Rh-Pt 를 산소 비저장 물질에 담지하여 이루어진 물질로 형성될 수 있다. 이 때, Rh-Pt 는 약 0.3 내지 약 1.0g/L 의 밀도로 이루어질 수 있고, 그 혼합 비율은 약 1:5 내지 약 5:1로 이루어질 수 있다.
한편, 산소 비저장 물질은 ZrO2, Al2O3, SiO2, La2O3, Y2O3, 페로브스카이트, 스피넬(spinel) 복합 산화물 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 구성된 물질일 수 있다.
이 때, 산소 비저장 물질은 산소저장 용량이 약 100μmol-O2/g-cat 이하일 수 있고, 바람직하게는, 약 50μmol-O2/g-cat 이하일 수 있다.
도 3에서는, 제2 촉매층이 Rh를 산소 저장 물질에 담지하여 이루어진 물질로 형성되고, 제3 촉매층이 Pd를 알루미나 기반 산화물에 담지하여 이루어진 물질로 형성된 예를 도시하였으나, 제2 촉매층이 Pt를 산소 저장 물질에 담지하여 이루어진 물질로 형성될 수 있으며, 제3 촉매층이 Pd를 산소 저장 물질에 담지하여 이루어진 물질로 형성되거나, Pt를 알루미나 기반 산화물이나 산소 저장 물질에 담지하여 이루어진 물질로 형성될 수도 있다.
한편, 제1 촉매층은 제2 촉매층 상에 와시코팅(washcoating)되어 이루어질 수 있다.
이 때, 와시코팅은 코팅성 개선을 위해 보에마이트, 알루미나졸, 수산화바륨 중 하나를 이용하여 이루어질 수 있다.
또한, 와시코팅 양은 약 10 내지 약 40g/L 의 밀도로 이루어질 수 있다.
본 발명에서, 백금족 원소를 산소 비저장 물질에 담지하여 이루어진 제1 코팅층을 최상층에 와시코팅함으로써, 연료 차단 이후 산소 퍼지 직후 슬립되는 NOx를 저감시킬 수 있다. 제1 촉매층은 산소퍼지 초기에는 리치한 상태의 배기가스에서 NOx, HC, 및 CO가 반응이 이루어져 NOx를 제거하고, 이후, 미반응된 HC와 CO가 제1 촉매층 아래의 제2 촉매층 및 제3 촉매층으로 전달된다.
HC와 CO가 제1 촉매층 아래로 원활하게 전달되어야 하므로, 제1 촉매층은 약 2μm 이상 약 20μm 이하의 두께, 바람직하게는 약 5μm 이상 약 10μm 이하의 두께로 제2 촉매층 상에 와시코팅될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 4층 구조의 삼원촉매의 개략적인 단면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 삼원촉매의 최상층이 백금족 원소로 이루어진 물질로 형성된 예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 삼원촉매는 코디얼라이트(cordierite) 담체와 제3 촉매층 사이에, HC 를 트랩(Trap) 할 수 있는 제올라이트(zeolite) 기반 촉매를 더 포함할 수 있다.
제올라이트 기반 촉매는 제올라이트가 약 20 내지 약 100g/L 의 밀도로 이루어질 수 있다.
도 5의 (a) 내지 (d)에 도시된 바와 같이, 제1 촉매층은, 백금족 원소로 Rh, Pd, Pt, Rh-Pt를 산소 비저장 물질에 담지하여 이루어진 물질로 형성되고, 제2 촉매층이 Rh를 산소 저장 물질에 담지하여 이루어진 물질로 형성되고, 제3 촉매층이 Pd를 알루미나 기반 산화물에 담지하여 이루어진 물질로 형성되며, 제올라이트(zeolite) 기반 촉매가 코디얼라이트 담체 상에 배치될 수 있다.
도 5에서, 제2 촉매층이 Rh를 산소 저장 물질에 담지하여 이루어진 물질로 형성되고, 제3 촉매층이 Pd를 알루미나 기반 산화물에 담지하여 이루어진 물질로 형성된 예를 도시하였으나, 제2 촉매층이 Pt를 산소 저장물질에 담지하여 이루어진 물질로 형성될 수 있으며, 제3 촉매층이 Pd를 산소 저장 물질에 담지하여 이루어진 물질로 형성되거나, Pt를 알루미나 기반 산화물이나 산소 저장 물질에 담지하여 이루어진 물질로 형성될 수도 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 삼원 촉매는 2층 구조로 이루어질 수 있다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 2층 구조의 삼원촉매의 제2 촉매층이 Pd를 알루미나 기반 산화물에 담지하여 이루어진 물질로 형성된 예를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 2층 구조의 삼원촉매의 제2 촉매층이 Pd를 알루미나 기반 산화물에 담지하여 이루어진 물질과 Rh를 산소 저장 물질에 담지하여 이루어지는 물질의 혼합에 의해 형성된 예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 삼원촉매는 코디얼라이트(cordierite) 담체 상에 제1 촉매층 및 2 촉매층이 상부로부터 적층되어 있고, 제1 촉매층은 백금족 원소(Platinum Group Metals; PGM)를 산소 비저장(OSC-less) 물질에 담지하여 이루어진 물질로 형성될 수 있다. 또한, 제2 촉매층은 Pd를 알루미나 기반 산화물에 담지하여 이루어진 물질로 형성될 수 있다.
이 때, 제1 촉매층의 백금족 원소는 Rh, Pd, Pt, Rh-Pt 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 산소 비저장 물질은 ZrO2, Al2O3, SiO2, La2O3, Y2O3, 페로브스카이트, 스피넬(spinel) 복합 산화물 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 구성된 물질일 수 있다.
산소 비저장 물질은 산소저장 용량이 약 100μmol-O2/g-cat 이하일 수 있으며, 바람직하게는, 약 50μmol-O2/g-cat 이하일 수 있다. 또한, 제1 촉매층은 20μm 이상 100μm 이하의 두께를 가질 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 촉매층은 Pd를 알루미나 기반 산화물에 담지하여 이루어진 물질과 Rh를 산소 저장 물질에 담지하여 이루어지는 물질의 혼합에 의해 형성될 수 있다.
한편, 상기 설명한 삼원촉매의 구조는 장착 위치에 따라서, MCC(Manifolder Catalytic Converter), WCC(Warm Up Catalytic Converter), CCC(Closed Coupled Catalytic Converter), UCC(Under Floor Catalytic Converter)의 구조로서 적용될 수 있으며, 엔진과 멀리 떨어진 UCC 보다는 엔진과 가까운 MCC, WCC, CCC의 구조로 적용되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 정화장치는, 연료차단 후 삼원촉매의 산소 퍼지시 발생되는 NOx 슬립을 최소화하고, 삼원촉매의 성능을 개선하여 배기가스의 정화 성능을 향상시킬 수 있는 환경을 제공할 수 있다.
또한, 산소 퍼지 직후 산소 비저장 물질 촉매가 NOx를 제거하고, 이후 기존 구조의 삼원촉매가 NOx를 제거하도록 함으로써, 산소 퍼지 초기 발생하는 미정화 NOx를 효과적으로 제거할 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
100: 엔진 102: 연소실
104: 인젝터 110: 배기라인
120: 삼원촉매 130: 람다센서
140: 온도센서 150: 산소센서
160: 제어부

Claims (20)

  1. 엔진의 배기가스를 정화시키도록 구비되는 배기가스 정화장치에 있어서,
    상기 엔진에서 배출되는 배기가스가 통과하는 배기라인에 배치되며, 상기 배기가스에 포함된 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물을 포함하는 유해물질을 산화-환원 반응에 의해 무해한 성분으로 변화시키는 삼원촉매(three way catalyst, TWC),
    상기 삼원촉매에 저장되는 산소 저장 용량(oxygen storage capacity, OSC)를 측정하는 산소센서, 및
    연료차단(Fuel cut) 조건이 만족하는 경우, 연료차단을 시작하도록 제어하고, 상기 삼원촉매의 측정된 OSC를 이용해서 상기 연료차단의 종료 여부를 결정하는 제어부를 포함하고,
    상기 삼원촉매는 코디얼라이트(cordierite) 담체 상에 제1 촉매층, 제2 촉매층, 및 제3 촉매층이 상부로부터 적층되어 있고,
    상기 제1 촉매층은 백금족 원소(Platinum Group Metals; PGM)를 산소 비저장(OSC-less) 물질에 담지하여 이루어진 물질로 형성되고,
    상기 제2 촉매층은 Rh 또는 Pt를 산소 저장(OSC) 물질에 담지하여 이루어진 물질로 형성되고,
    상기 제3 촉매층은 Pd 또는 Pt를 알루미나 기반 산화물이나 산소 저장 물질에 담지하여 이루어진 물질로 형성되고,
    상기 제1 촉매층은 상기 제2 촉매층 상에 와시코팅되어 이루어지고,
    상기 와시코팅은 코팅성 개선을 위해 보에마이트 또는 수산화바륨 중 하나를 이용하여 이루어지며,
    상기 와시코팅 양은 10 내지 40g/L 로 이루어지는 배기가스 정화장치.
  2. 제 1 항에서,
    상기 제1 촉매층의 백금족 원소는 Rh, Pd, Pt, Rh-Pt 중 어느 하나인 배기가스 정화장치.
  3. 제 1 항에서,
    상기 산소 비저장 물질은 ZrO2, Al2O3, SiO2, La2O3, Y2O3, 페로브스카이트, 스피넬(spinel) 복합 산화물 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 구성된 물질인 배기가스 정화장치.
  4. 제 1 항에서,
    상기 산소 비저장 물질은 산소저장 용량이 100μmol-O2/g-cat 이하인 배기가스 정화장치.
  5. 제 1 항에서,
    상기 제1 촉매층은 2μm 이상 20μm 이하의 두께를 갖는 배기가스 정화장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 2 항에서,
    상기 제1 촉매층의 백금족 원소가 0.01 내지 1.0g/L 로 이루어지는 배기가스 정화장치.
  10. 제 9 항에서,
    상기 제1 촉매층의 Rh는 0.01 내지 0.5g/L 로 이루어지는 배기가스 정화장치.
  11. 제 9 항에서,
    상기 제1 촉매층의 Pt는 0.03 내지 1.0g/L 로 이루어지는 배기가스 정화장치.
  12. 제 9 항에서,
    상기 제1 촉매층의 Pd는 0.03 내지 1.0g/L 로 이루어지는 배기가스 정화장치.
  13. 제 9 항에서,
    상기 제1 촉매층의 Rh-Pt 는 0.3 내지 1.0g/L 로 이루어지고, 그 혼합 비율은 1:5 내지 5:1 로 이루어지는 배기가스 정화장치.
  14. 제 1 항에서,
    상기 삼원촉매는,
    상기 코디얼라이트(cordierite) 담체와 상기 제3 촉매층 사이에,
    HC 를 트랩(Trap) 할 수 있는 제올라이트(zeolite) 기반 촉매를 더 포함하는 배기가스 정화장치.
  15. 제 14 항에서,
    상기 제올라이트 기반 촉매는 제올라이트가 20 내지 100g/L 로 이루어지는 배기가스 정화장치.
  16. 엔진의 배기가스를 정화시키도록 구비되는 배기가스 정화장치에 있어서,
    상기 엔진에서 배출되는 배기가스가 통과하는 배기라인에 배치되며, 상기 배기가스에 포함된 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물을 포함하는 유해물질을 산화-환원 반응에 의해 무해한 성분으로 변화시키는 삼원촉매(three way catalyst, TWC),
    상기 삼원촉매에 저장되는 산소 저장 용량(oxygen storage capacity, OSC)를 측정하는 산소센서, 및
    연료차단(Fuel cut) 조건이 만족하는 경우, 연료차단을 시작하도록 제어하고, 상기 삼원촉매의 측정된 OSC를 이용해서 상기 연료차단의 종료 여부를 결정하는 제어부를 포함하고,
    상기 삼원촉매는 코디얼라이트(cordierite) 담체 상에 제1 촉매층 및 제2 촉매층이 상부로부터 적층되어 있고,
    상기 제1 촉매층은 백금족 원소(Platinum Group Metals; PGM)를 산소 비저장(OSC-less) 물질에 담지하여 이루어진 물질로 형성되고,
    상기 제2 촉매층은 Pd를 알루미나 기반 산화물에 담지하여 이루어진 물질로 형성되거나, Pd를 알루미나 기반 산화물에 담지하여 이루어진 물질과 Rh를 산소 저장 물질에 담지하여 이루어지는 물질의 혼합에 의해 형성되고,
    상기 제1 촉매층은 상기 제2 촉매층 상에 와시코팅되어 이루어지고,
    상기 와시코팅은 코팅성 개선을 위해 보에마이트 또는 수산화바륨 중 하나를 이용하여 이루어지며,
    상기 와시코팅 양은 10 내지 40g/L 로 이루어지는 배기가스 정화장치.
  17. 제 16 항에서,
    상기 제1 촉매층의 백금족 원소는 Rh, Pd, Pt, Rh-Pt 중 어느 하나인 배기가스 정화장치.
  18. 제 16 항에서,
    상기 산소 비저장 물질은 ZrO2, Al2O3, SiO2, La2O3, Y2O3, 페로브스카이트, 스피넬(spinel) 복합 산화물 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 구성된 물질인 배기가스 정화장치.
  19. 제 16 항에서,
    상기 산소 비저장 물질은 산소저장 용량이 100μmol-O2/g-cat 이하인 배기가스 정화장치.
  20. 제 16 항에서,
    상기 제1 촉매층은 20μm 이상 100μm 이하의 두께를 갖는 배기가스 정화장치.
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