KR20050115274A - 미립자 필터 및 ｎｏｘ 흡수제를 포함하는 린번 ｉｃ엔진용 배기 시스템 - Google Patents

미립자 필터 및 ｎｏｘ 흡수제를 포함하는 린번 ｉｃ엔진용 배기 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 린번 내연 엔진용 배기 시스템은 미립자 필터(CSF), 필터의 상류에 배치된 제1 NOx 흡수제(NOx(1)) 및 필터의 하류에 배치된 제2 NOx 흡수제(NOx(2))를 포함한다.

Description

미립자 필터 및 ＮＯＸ 흡수제를 포함하는 린번 ＩＣ 엔진용 배기 시스템{EXHAUST SYSTEM FOR LEAN BURN IC ENGINE INCLUDING PARTICULATE FILTER AND NOX ABSORBENT}
본 발명은 린번 내연 엔진용 배기 시스템에 관한 것이며, 구체적으로는 미립자 필터 및 NOx 흡수제를 포함하는 배기 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 차량 내연 엔진으로부터의 허용 가능한 방출물 레벨은 법령에 의해 규제된다. 그러한 레벨은 수년간 강화되어 왔으며, 따라서 차량 제조(주문자 상표에 의한 제품 제조 또는 OEM)를 위한 문제는 어떻게 이를 충족시키느냐이다. 규정된 배기 가스 성분 중에는 미립자 물질(PM), 질소 산화물(NOx), 일산화탄소(CO) 및 탄화수소(HC)가 있다. PM에 대한 규정된 레벨을 충족시키기 위하여 널리 채택되는 측정물은 미립자 또는 매연 필터이다. 대체로 말해서, 그러한 필터는 배기 시스템 내 PM의 체류 시간을 증가시켜서 이것이 파괴될 수 있도록 하며, 세라믹 벽 유동 필터 또는 와이어 메쉬 필터를 포함할 수 있다.
통상적으로, 벽 유동 필터는 허니컴 형태이다. 허니컴은 입구단과 출구단 및 입구단에서 출구단으로 연장하는 다수의 셀을 포함하며, 상기 셀은 다공성 벽을 갖는데, 입구단에서의 셀의 총 수의 일부는 그 길이 부분을 따라서, 예를 들면 약 5 내지 20 mm의 깊이로 플러깅되고, 입구단에서 개방된 셀의 나머지 부분은 그 길이 부분을 따라 출구단에서 플러깅되어 입구단으로부터 허니컴의 셀을 통과하는 유동 배기 가스 스트림은 셀 벽을 통하여 개방 셀로 유동하고, 출구단에서 개방 셀을 통하여 필터에서 나온다. 셀 플러그용 조성물은 미국 특허 제4,329,162호(본 명세서에서 참고 인용함)에 기재되어 있다. 통상적인 배열은 체크무늬 패턴에서와 같은, 소정 면 상의 모든 다른 셀이 플러깅되어 있는 것이다.
미립자 필터의 사용과 관련된 문제점은 린번 엔진 사이클을 통하여 배기 가스로부터 수집된 PM을 파괴하는 방법이다. 일반적으로, 디젤 PM은 약 550℃ 이상에서 산소(O2) 중에 연소된다. 그러나, 특히 경량 디젤 엔진의 디젤 배기 가스 온도는, 예를 들면 NOx 방출물을 저하시키기 위하여 배기 가스 재순환(EGR)을 더욱 더 대량 사용하기 때문에 구동 사이클의 일정 단계 중에 150℃ 정도로 낮을 수 있다. PM을 증강시키면, 후압이 증가함으로써 엔진에 대한 부하가 증가한다. 엔진 부하 증가는 연료 소비 증가를 초래할 수 있으며, 최악의 경우, 대량의 PM의 비제어 연소에 의해 야기되는 엔진 마모 또는 필터의 파괴를 초래할 수 있다. 예를 들면, 또한 PM 증강으로 인한 후압 증가를 통한 엔진 부하 증가가 PM을 연소시키기에 충분히 배기 가스 온도를 증가시킬 수 있다면, 그러한 온도 증가는 확실하게 필터를 깨끗하게 유지시키기에는 불충분할 수 있다.
경량 디젤 엔진은 유럽 법령 70/220/EEC로서 유럽법에 정의되어 있으며, 93/59/EC 및 98/69/EC로 개정되어 있다. 미국 승용차에서, 6000 lb 그로스 차량 중량 등급(GVWR) 이하의 경경량 트럭(LLDT) 및 6000 lb 이상의 중경량 트럭(HLDT)는 경량 디젤 카테고리에 포함된다. 경량 디젤 엔진으로부터 방출되는 배기 가스 온도는 중량 디젤 엔진(관련 법규에 의해 정의됨)의 것보다 일반적으로 낮다.
매연 연소 온도를 저하시키기 위하여 미립자 필터를 촉매 작용하여 엔진/차량의 정규 작동 중에 겪게 되는 배기 온도 하에, 통상적으로 300 내지 400℃ 범위에서 PM의 산화에 의해 부동태적으로 필터의 재생을 촉진하는 것이 알려져 있다. 촉매의 부재 하에, PM은 500℃를 초과하는 온도에서 상당한 속도로 산화될 수 있는데, 이는 실제 작동 중에 디젤 엔진에서는 거의 찾아볼 수 없다. 그러한 촉매 작용된 필터는 종종 촉매 작용 매연 필터(또는 CSF)라고 한다.
부동태 필터 재생과 관련된 통상의 문제점은, 구동 조건이, PM이 필터 상에 축적되는 것을 확실히 방지하기에 충분히 자주 필터를 촉매 작용함으로써 촉진되는 배기 가스 온도의 저온 달성을 막는다는 것이다. 그러한 구동 조건은 장기간의 엔진 공전 또는 저속 도시 주행을 포함하며, 그 문제점은 경량 디젤 엔진으로부터의 배기 가스에 대해 특히 급격하다. OEM에 의해 채택된 이 문제점에 대한 한 가지 해결책은 일정 간격으로, 또는 소정의 필터 후압이 부동태 재생 이외에 검출될 때 필터를 재생하는 활성 기술을 사용하는 것이다. 경량 디젤 차량 내 통상의 배열은 CSF 상류에서 별개의 모놀리스 상에 디젤 산화 촉매(DOC)를 위치시키는 것과 대량의 비연소 연료를 배기 가스로 도입하기 위하여 다양한 엔진 조작 기술에 의해 실린더 내 연료 연소를 조절하는 것이다. 추가 연료는 PM의 연소를 촉진시키기에 충분한 하류 CSF 내 온도를 증가시키면서 DOC 상에서 연소시킨다.
PM 처리의 상당한 진보는 디젤 PM이 400℃ 이하에서 이산화질소(NO2) 중에서 연소될 수 있다는 본 발명자들의 발견(본원인의 EP-B-0341832호 참조, 본 명세서에서 참고 인용함)으로 이루어졌다. NO2는 적당한 산화 촉매에 걸쳐 배기 가스 내에서 일산화질소(NO)를 산화시킴으로써 얻어질 수 있으며, 하류 필터 상에서 PM과 반응할 수 있다. 이 진보는 많은 디젤 엔진에 대한 정상 배기 가스 온도 내에서 PM이 파괴될 수 있게 한다. 본 발명자들은 CRT®로서 이 공정을 포함하는 장치를 시판하였다. 그러나, 이 공정이 중량 디젤 용도에 성공적으로 채택되었지만, 특정한 린번 내연 엔진, 특히 경량 디젤 엔진용으로는 여전히 난점이 남아있다. 반복적인 문제는 저 배기 가스 온도, 예를 들면 NO2 내 PM 연소에 대한 열역학적 제한 및 NO 대 NO2 평형이다.
희박 배기 가스로부터 바륨과 같은 NOx 흡수제 상에 흡수하여 이것을 NOx를 질산염으로서 "저장"하고, 저장된 NOx를 방출하며, 산소를 덜 함유하는 배기 가스 내에서 이질소(N2)로 환원시키는 방법이, 예를 들면 EP 0560991호(본 명세서에서 참고 인용함)로부터 알려져 있다. 통상적으로, 이 기술이 실제 사용되는 경우, 이질소(N2)로서 저장된 NOx를 제거하여 NOx 흡수제를 재생하기 위하여 정상 희박 실행 조건에 비하여 더 낮은 O2 농도를 가진 배기 가스(즉, 농후 배기 가스)를 생성하는 실행 조건으로 일시적이고 간헐적으로 전환시키도록 엔진을 조절하는 기술이 사용되어 NOx 흡수제의 나머지 용량을 평가한다.
본 명세서에 사용된 용어 "흡수제"는 흡착제, 즉 그 표면 상에 다른 고체, 증기 또는 기체 화학종을 접촉하여 흡수하는 고체 및 흡수제, 즉 고체, 증기 또는 기체를 접촉하여 흡수하고, 혼입할 수 있는 물질 모두 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어 "농후(enriched)"는 정상 희박 조건에 비하여 더 낮은 O2 농도를 의미하며, 람다 > 1 및 1 > 람다 값을 포함한다.
희박 배기 가스 조건에서 NO에서 NO2로의 산화를 촉진하기 위한 백금 및 주기적 농후 조건 중에 NOx 흡수제로부터 방출된 NOx를 N2로 환원시키는 것을 촉매 작용하는 로듐과 같은 촉매를 포함하는 NOx 흡수제를 포함하는 장치는 희박 NOx 트랩 또는 단순히 NOx 트랩으로 알려져 있다.
도 1은 본 발명에 따른 배기 시스템의 개략도이다.
도 2는 저온시, 예를 들면 냉시동 후 또는 구동 주기 발생 냉각기 배기 가스의 기간 중의 배기 시스템의 작동을 설명하는 개략도이다.
도 3은 300℃ 이상의 온도에서 배기 가스 시스템의 작동을 설명하는 개략도이다.
도 4는 제1 NOx 흡수제 재생시 배기 시스템의 작동을 설명하는 개략도이다.
도 5는 촉매 작용 매연 필터 및 제2 NOx 흡수제 재생시 배기 시스템의 작동을 설명하는 개략도이다.
도 6은 NOx 트랩(1)의 하류의 NOx의 종분화를 보여주는 시간에 대한 가스 농도의 도면이다.
도 7은 NOx 트랩(1)에 걸쳐서 발열을 유발하는 농후 펄스 중에 잔류 산소를 이용한 환원제 연소를 보여주는 시간에 대한 배기 가스 온도의 도면이다.
도 8은 NOx 트랩(1)의 하류에서 공기 분사로 NOx 트랩(1)의 상류 및 하류에서 취한 배기 가스 람다값의 도면이다.
도 9는 NOx 트랩(1)과 필터 사이에 공기 분사 후 촉매 작용 매연 필터의 상류 및 하류에서 취한 배기 가스 온도의 도면이다.
도 10은 NOx 트랩(1)에 걸쳐서 희박 발열 재생을 보여주는 시간에 대한 배기 가스 온도의 도면이다.
도 11은 NOx 트랩(2)이, 정상 희박 모드 및 공기(iS)가 CSF와 NOx 트랩(1) 사이에 분사될 때 농후 펄스 중에 NOx 트랩(1)으로부터 슬립되는 NOx를 저장하는 방식을 보여주는 시간에 대한 NOx 농도의 도면이다.
본 발명자들은 도 1 내지 5에 대한 주석이 그 자체로 예시적이라고 생각한다. 도면에서 "NOx(1)"은 제1 NOx 흡수제이고, "NOx(2)는 제2 NOx 흡수제이며, "CSF"는 촉매 작용 매연 필터에 대한 두문자어이다.
이제, 본 발명자들은 린번 내연 엔진, 예컨대 경량 디젤 엔진의 구동 주기에 걸쳐서 PM 및 NOx의 방출을 개선하는 데 NOx 흡수제를 사용하는 방법을 발견하였다.
한 가지 양태에 따르면, 본 발명은 린번 내연 엔진용 배기 시스템을 제공하며, 상기 시스템은 미립자 필터, 상기 필터의 상류에 배치된 제1 NOx 흡수제 및 상기 필터의 하류에 배치된 제2 NOx 흡수제를 포함한다.
용어 "미립자 필터"란, 배기 가스의 유동 방향에 평행하게 배치된 직선이고, 평행한 채널의 배열을 포함하는, 유사 물질, 벽 두께, 개방 정면 면적 및 셀 밀도로 구성된 유통(flow through) 모놀리스에 비하여 장치 내 PM의 체류 시간을 증가시킨 임의의 장치를 의미한다. 그러한 장치의 예로는 코디어라이트 또는 탄화규소로 구성된 벽 유동 필터, 예컨대 와이어 메쉬로 된 금속 필터 및 유동하는 배기 가스에 왜곡 경로를 제공하는 채널을 포함하는 장치, 예를 들면 EP 1057519호(본 명세서에서 참고 인용함)가 있다.
NO2 중에서 PM을 연소하는 공정과 관련된 NOx 흡수제의 사용은 EP 0758713호(본 명세서에서 참고 인용함)에 기재되어 있다. 그러나, 그 배열에서, 단일 NOx 흡수제가 필터의 하류에 배치되어 있다.
한 가지 구체예에서, 제1 NOx 흡수제는 약 300℃ 이상에서 람다 > 1 조건 중에 저장된 NOx를 방출하는 데 적합하다. 이 구체예에서, 제1 NOx 흡수제는 희박 배기 가스 조건 하에 약 300℃ 이하에서 NOx를 흡수할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 그러한 물질은 세륨, 란탄, 알루미나(Al2O3), 철, 아연, 칼슘, 나트륨 및 마그네슘 및 이들 중 임의의 2 이상의 혼합물 중 1 이상을 포함할 수 있다. 희박 조건에서, 상기 원소는 산화물 화합물의 형태일 수 있지만, 탄산염 및/또는 수산화물로서 존재할 수 있는 것으로 믿어진다. 이들 화합물은 NOx와 접촉시 질산염 형태인 것으로 이해된다. 그러나, 이러한 질산염은 약 300℃ 이상, 심지어 희박 배기 가스에서도 열역학적으로 불안정한 것으로 믿어지며, 분해되어 NO 또는 NO2로서 NOx를 방출할 수 있다. 로듐과 같은 환원 촉매의 존재 하에 저 산소 농도에서, 방출된 NO 및 NO2는 N2로 환원될 수 있다.
본 발명의 양태는 배기 가스 중의 NOx는, 예를 들면 냉시동 후 배기 가스 온도가 낮을 때 또는 배기 가스 온도가 강하된 경우 구동 사이클 주기 중에 제1 NOx 흡수제에 의해 흡수될 수 있고, 전술한 EP 0341832호에 기재된 공정에 따르면, 온도가 PM의 연소에 보다 열역학적으로 적합한 경우에 필터 하류에서 유지되는 PM에 대한 희박 실행 조건 중에 NO2로서 방출될 수 있다는 것이다.
일반적으로, 제1 NOx 흡수제에 저장된 NOx는 농후 배기 가스 조성물 내에서 저온에서 탈착될 수 있다. 이 경우, NOx는 제1 NOx 흡수제가 로듐과 같은 NOx 환원 촉매를 포함한다면 N2로 환원될 수 있다. 그러나, 로듐은 희박 실행 조건 중에 방출되는 NOx의 순수 환원을 결과하기는 어렵다.
또 다른 구체예에 따르면, 필터의 하류에 배치된 제2 NOx 흡수제는 람다 > 1 조건 중에 약 300℃ 내지 약 550℃에서 NOx를 저장할 수 있다. 제2 NOx 흡수제에 적당한 물질은 1 이상의 알칼리 금속, 예컨대 칼륨 또는 세슘, 1 이상의 알칼리토 금속, 예를 들면 스트론튬 또는 바륨, 또는 1 이상의 희토류 금속 또는 이들 중 임의의 2 이상의 혼합물을 포함한다.
1 이상의 희토류 금속은 이트륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀 및 루테튬 또는 이들 중 임의의 2 이상의 혼합물일 수 있다.
제1 NOx 흡수제에 상기 물질을 사용하는 이점은 NOx가, 예를 들면 냉시동 또는 장기간의 공전 또는 저속 주행 후 저 배기 가스의 기간 중에 시스템에서 처리될 수 있다는 것이다. 이 제1 NOx 흡수제로부터 방출되는 NOx는 소정의 작동 온도에 도달하였을 때, 예를 들면 플로어 아래에 위치된 제2 NOx 흡수제를 사용하여 처리할 수 있다.
또 다른 구체예에 따르면, 제1 및 제2 NOx 흡수제 중 1 이상은 1 이상의 백금족 금속(PGM)을 포함한다. 그러한 1 이상의 PGM의 예로는 백금, 팔라듐 또는 로듐일 수 있다. 제1 및 제2 NOx 흡수제는 둘 다 백금 및 로듐, 또는 팔라듐을 포함할 수 있으며, 한 구체예에서 제1 NOx 흡수제는 단독 PGM으로서 백금을 포함할 수 있다. 이것에는 2 이상의 이유가 있다. 첫째, 제1 NOx 흡수제가 약 300℃ 이상의 온도에서 희박 배기 가스 중의 저장된 NOx를 방출하도록 설계된 구체예에서, 농후 배기 가스 중에서 방출된 NOx를 N2로 환원시키기 위한 로듐의 존재는 불필요하다.
둘째, 농후 엔진 유도 배기 가스가 제2 NOx 흡수제를 재생하도록 의도하는 경우, 제1 NOx 흡수제 상의 로듐의 존재는 제2 NOx 흡수제의 상류에서 약간의 HC를 바람직하지 않게 제거할 수 있다.
또 다른 구체예에서, 배기 시스템 내 필터는 촉매 처리된다. 촉매는 1 이상의 PGM을 포함할 수 있으며, 상기 PGM은 필터를 형성하는 물질에 의해 직접 지지되거나, 또는 고 표면적 미립자 내화 산화물 상에 지지되고 필터 기재 상에 코팅될 수 있다. 직접 지지된 기재의 제조 방법은 공지되어 있으며, 필터 물질, 예를 들면 코디어라이트를 PGM의 수용액에 침지한 다음, 생성된 단편을 건조 및 소성하는 단계를 포함한다.
PGM이 미립자 내화 산화물 상에 지지되는 경우, 이는 기판 상에 코팅하기 전에 하소에 의해 내화 산화물에 고정시킬 수 있거나, 또는 내화 산화물의 와쉬코트를 기판 상에 코팅하고, 이어서 공지 기술을 사용하여 PGM 수용액에 함침시킬 수 있다. 그러나, 미립자 지지체의 크기는 내화 산화물이 필터 기재의 공극을 차단하지 않아서 비코팅 필터에 비하여 필터의 후압이 충분히 증가하도록 선택되는 것이 중요하며, 아니면 여과 효율이 손상될 수 있다. 본 발명자들은, 일반적으로 25 ㎛ 이하, 예를 들면 15 내지 25 ㎛의 공극이 디젤 PM을 여과하는 데 유용하다는 것을 발견하였으며, 따라서 본 발명자들은 미리자 내화 산화물이 이 크기보다 더 작은 것을 선호한다. 이는 와쉬코트 입자가 전체적으로 이들을 차단하는 일없이 공극 내에 배치된다는 것을 의미한다.
대안으로, 또는 이외에도, 촉매는 바나듐, 텅스텐 또는 몰리브덴의 알칼리 금속 염, 바나듐, 텅스텐 또는 몰리브덴의 알칼리토 금속 염 또는 바나듐, 텅스텐 또는 볼리브덴의 란탄 염, 오산화바나듐, 바나듐산은 및 바나듐산구리로 구성된 군 중에서 선택되는 용융 염을 포함하는 매연 연소 촉매를 포함할 수 있다. 적당한 알칼리 금속은 칼륨 또는 세슘 중 하나 또는 둘을 포함한다. 알칼리토 금속은 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨 및 이들 중 임의의 2 이상 중에서 선택될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태는 본 발명의 배기 시스템의 성분을 사용하여 시스템 내 열을 보다 효율적으로 관리함으로써 표적 배기 가스 성분의 전환을 개선하는 것이다. 전술한 바와 같이, 린번 내연 엔진, 특히 경량 디젤 엔진으로부터의 배기 가스를 처리하는 문제점은 배기 가스 온도가 구동 사이클의 특정 단계 중에 바람직하지 않게 낮을 수 있다는 것이다. 이는 법제화된 한계를 충족시키기 위하여 배기 가스를 처리하는 것을 촉매적으로 어렵게 한다. 시스템 내에 열의 체류 또는 발생을 보다 효율적으로 관리함으로써 그러한 문제를 감소 또는 회피할 수 있다.
본 발명은 중온에서 NO2에 의해 PM 연소의 정도를 증가시킬 수 있는 반면에, PM은 O2로 용이하게 연소 가능한 분획을 함유할 수 있는 것으로 생각된다. 본 발명의 작동은 희박 조건 하에 고온(NO2 중에서의 연소에 비하여)에서 O2 중에 필터 상에서의 PM 연소를 포함할 수 있는 반면에, 통상적으로 NOx 트랩 재생은 NOx를 제거하기 위하여 고온 및/또는 농후 조건 및 황 산화물(SOx)을 제거하기 위하여 고온 및 바람직하게는 농후 조건을 포함할 수 있다.
고온에서 필터 상에서 PM의 희박 연소를 촉진하기 위하여, 제1 NOx 흡수제 내에 촉매를 사용하여 배기 가스 내 HC, 엔진 공기 대 연료 비의 변조로부터의 분사 후 HC 또는 엔진 유도 HC를 연소시킴으로써 필터의 온도를 증가시킬 수 있다. HC 및/또는 CO를 연소시켜서 발열을 발생시키기 위한 O2는 제1 NOx 흡수제와 필터 사이에 2차 공기 또는 희박 배기 가스(예컨대, 평행 배기 라인으로부터)를 분사함으로써 제공될 수 있다. 대안으로, 또는 이외에 산소 저장 성분(OSC), 예컨대 세리아 또는 세리아-지르코니아 혼합 산화물을 제1 NOx-흡수제의 하류에, 임의로 임의의 HC 분사기의 하류에, 또는 제1 NOx 흡수제와 미립자 필터 사이에 배치할 수 있다. 제1 NOx 흡수제는 발열을 발생하기 위하여 HC의 작용에 의해 부분적으로, 또는 전체적으로 재생될 수도 있다. 추가 발열은 필터 촉매가 존재하는 경우에 필터 촉매 상에서 생성될 수 있다.
필터 내에서 발열의 발생 및 온도 증가는 제2 NOx 흡수제의 온도 증가를 초래할 것이며, 또한 통상적으로, 제2 흡수제를 접촉하는 배기 가스는 희박화될 것이다. 따라서, 필요에 따라 NOx 및/또는 SOx를 방출시키기 위하여 배기 가스를 농후화시키도록 배기 가스 조성을 변경하기 위하여 필터와 제2 NOx 흡수제 사이에 HC를 도입하는 수단이 제공될 수 있다. 물론, 특정 구체예에서, 예를 들면 필터가 비촉매 처리된 경우, 시스템은 충분한 HC를 필터에 누설하여 제2 NOx 흡수제를 재생하되, 필터와 제2 NOx 흡수제 사이에 HC에 대한 분사기를 피하거나, 또는 분사하는 데 요구되는 HC의 양을 감소시키도록 배열할 수 있다. 제2 NOx 흡수제에 걸쳐 발열을 발생하도록 HC를 연소하기 위한 추가 O2도 필요에 따라 필터와 제2 NOx 흡수제 사이에 2차 공기 또는 희박 배기 가스를 분사하거나, 또는 HC 분사 지점의 하류에 OSC를 제공함으로써 제공될 수 있다.
환원제, 예컨대 엔진에 동력을 주는 탄화수소를 사용하는 배기 가스의 농후화 조절 및 2차 공기 또는 희박 배기 가스의 도입은 사용시, 예를 들면 적당히 프로그램된 프로세서 또는 컴퓨터 '칩'을 포함하는 엔진 제어 유닛(ECU)에 의해 제어할 수 있다.
또 다른 구체예에서, 이 시스템은 배기 가스 내 NO를 NO2로 산화시키는 산화 촉매를 포함하는데, 이 촉매는 제1 NOx 흡수제와 필터 사이에 배치될 수 있다. 이 구체예는 전술한 EP 341832호에 기재된 배열을 채택한다. 이 배열 및/또는 필터가 촉매 처리된 구체예의 이점은 HC 슬립이 제1 NOx 흡수제의 NOx 흡수제 재생 중에 최소화된다는 것이다. 다른 구체예에 따르면, 산화 촉매는 배기 매니폴드와 제1 NOx 흡수제 사이, 바람직하게는 임의의 HC 분사기의 상류에 배치될 수 있다.
특정 구체예에서, 산화 촉매와 OSC는 합체된다. 한 가지 그러한 배열에서, 촉매는 세리아, 예를 들면 임의로 1 이상의 PGM이 지지된 세리아-지르코니아 혼합 산화물을 포함한다.
본 발명에 사용하기 위한 이 또는 각각의 NOx 흡수제 및 임의의 필터 촉매 또는 NO 산화 촉매는 알루미나, 실리카, 실리카-알루미나, 지르코니아, 티타니아, 세리아, 세리아-지르코니아 또는 이들 중 임의의 2 이상의 혼합물 또는 이들 중 임의의 2 이상의 혼합 산화물 또는 복합 산화물을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 "복합 산화물"이란, 2 이상의 금속으로 구성된 실제 혼합된 산화물이 아닌 2 이상의 원소의 산화물을 포함하는 대부분 비정형인 산화물 물질을 의미한다.
지지체는 당업계에 공지된 바와 같은 1 이상의 희토류 금속으로 안정화될 수 있다. 1 이상의 희토류 금속은 란탄, 이트륨, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀, 루테튬 또는 이들 중 임의의 2 이상의 혼합물일 수 있다.
또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 본 발명에 다른 배기 시스템을 포함하는 린번 내연 엔진을 제공한다. 한 가지 구체예에서, 엔진은 디젤 엔진, 바람직하게는 경량 디젤 엔진이다.
또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 린번 내연 엔진의 배기 시스템 내 NOx를 제어하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 제1 NOx 흡수제 하류의 배기 가스로부터 PM을 수집하는 단계, 제1 NOx 흡소제가 300℃ 이하의 온도일 때 제1 NOx 흡수제에 NOx를 흡수시키는 단계, 제1 NOx 흡수제가 약 300℃ 이상일 때 배기 가스 내 기존의 NOx에 첨가하여 흡수된 NOx를 탈착하는 단계, 배기 가스 내 NO2 중에서 수집된 매연을 연소시키는 단계 및 NO2 중에서 매연의 연소로부터 유도된 NOx를 흡수하는 단계를 포함한다.
본 발명을 보다 완전하게 이해시키기 위하여, 예시적인 구체예 및 실시예를 단지 예시에 의하여 첨부 도면을 참고로 제공한다.
농후 실린더 내 보정을 한 경량 디젤 엔진을 도 1에 도시된 배열을 포함하는 배기 시스템에 장착하였으나, 엔진 관리를 사용하여 배기 가스의 엔진 유도 탄화수소 농후화를 제공하였는데, 즉 연료를 배기 매니폴드의 하류에 분사하고, 공기 분사기를 NOx 트랩(1)과 촉매 작용 매연 필터 사이에 배치하였다. 촉매 작용 매연 필터는 알루미나계 미립자 내화 산화물 상에, 그리고 필터 물질 그 자체에 의해 지지된 백금을 포함하는 와쉬코트로 촉매 작용된 코디어라이트 벽 유동 필터였다. 필터는 내화 산화물을 포함하는 와쉬코트로 미코팅된 필터를 코팅하고, 생성된 시편을 건조 및 하소한 다음, 100 gft-3의 하중으로 백금염의 수용액을 사용하여 와쉬코트 필터를 함침시킴으로써 제조하였다.
NOx 트랩(1)은 알루미나계 미립자 내화 산화물을 포함하는 와쉬코트 및 OSC 지지 백금, 바륨, 세륨 및 로듐으로 코팅된 세라믹 유통 모놀리스 기재를 포함하는 저온 트랩이었다. 고온 NOx 트랩(2)은 조제물이 세슘을 포함하였다는 점을 제외하고는 유사한 구조를 가졌다.
350℃의 배기 온도에서 실행하는 경우에 대해서, 도 6은 NOx 트랩(1) 후 NOx 슬립의 종분화를 보여준다. 고비율의 NOx는 NO2(총 NOx 슬립의 30% 이하)라는 것을 알 수 있으며, 따라서 EP 0341832호에 기재된 공정에 따라 하류 CSF에서 매연과 반응시키기에 유용하다.
시스템은 450℃의 엔진 배출 배기 온도에서 희박 및 농후 실행 조건 간에 순화하도록 구성하였다. 희박 주기는 300 초로 조절하였으며, 각각의 농후 주기는 8 초였다. 도 7로부터, NOx 트랩(1)의 상류의 배기 가스 내 산소 농도를 감소시킴으로써 NOx 트랩(1)에 걸쳐 농후 펄스를 도입하면, 환원제가 잔류 산소 중에서 연소됨에 따라 배기 가스의 온도가 증가한다는 것을 알 수 있다. 이 여열은 농후 조건 하에 NOx 또는 SOx에 대한 NOx 트랩(1)을 재생하는 데 사용할 수 있다.
농후 펄스 중에서 NOx 트랩(1) 후 공기를 도입하면, 도 8에서 알 수 있는 바와 같이 하류 CSF 내에서 일정한 희박 조건이 초래된다. 도 7 및 도 8의 결과는 배기 람다가 NOx 트랩(1) 전에 농후하여 NOx 트랩을 재생을 허용하고(도 7 참조), NOx 트랩(1) 후 공기 분사가 NOx 트랩(1)의 하류에서 CSF 내에 일정한 희박 조건을 제공할 수 있다는 것을 보여준다. NOx 트랩(1)에 걸친 환원제 연소로부터의 고온은(도 7) CSF의 매연 재생이 희박 조건에서 일어나기에 충분히 높을 수 있다. 대안으로, 과량의 환원제는 NOx 트랩(1)을 통하여 슬립할 수 있으며, 공기/희박 배기 분사로부터 생성되는 희박 조건 하에서 CSF 위에서 연소되며, 다시 매연 재생이 일어날 수 있는 고 CSF 온도를 초래하는데, 도 9를 참조하면, NOx 트랩(1) 후, 그러나 CSF 전에 공기 분사에 의해 유발되는 희박 조건에서 농후 펄스 환원제 연소로 인한 CSF 온도 증가를 볼 수 있다.
여분의 연료는 NOx 트랩(1)의 상류에서 배기 가스에 도입하였지만, 전반적으로 희박 조성을 유지하기에 충분한 정도로만 도입하였다. 이는 CSF 내에서 매연을 재생하는 데 사용될 수 있는 발열을 생성한다(도 10 참조). 또한, NOx는 동일한 방식으로 NOx 트랩(1)으로부터 열적으로 방출되어서 CSF의 상류에서 NO2 농도를 증가시킬 수 있는데, 이는 EP 0341832호에 기재된 공정에 따라서 CSF 상에서 매연과 반응하는 데 유용하다.
NOx 트랩(2)은 희박 및 (공기 분사가 NOx 트랩(1)과 CSF 사이에 존재하는 경우) 농후 펄스 중에 NOx 트랩(1) 및 CSF로부터 슬립하는(도 11 참조) NOx를 저장할 수 있다. NOx 트랩(2)의 재생은 정상 NOx 트랩 작동에 따라서 CSF와 NOx 트랩(2) 간에 연료 분사로 용이하게 달성될 수 있다(EP 0758713호 참조).

Claims (39)

  1. 미립자 필터, 상기 필터의 상류에 배치된 제1 NOx 흡수제 및 상기 필터의 하류에 배치된 제2 NOx 흡수제를 포함하는 린번 내연 엔진용 배기 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 제1 NOx 흡수제는 약 300℃ 이상에서 람다 > 1 조건 중에 저장된 NOx를 방출하기에 적당한 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 제1 NOx 흡수제는 세륨, 란탄, 알루미나(Al2O3), 철, 아연, 칼슘, 나트륨, 마그네슘 및 이들 중 임의의 2 이상의 혼합물 중 1 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 NOx 흡수제는 람다 > 1 조건 중에 약 300℃ 내지 약 550℃에서 NOx를 저장할 수 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 제2 흡수제는 1 이상의 알칼리 금속, 1 이상의 알칼리토 금속 또는 1 이상의 희토류 금속 또는 이들 중 임의의 2 이상의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 1 이상의 알칼리 금속은 칼륨 또는 세슘 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 1 이상의 알칼리토 금속은 스트론튬 또는 바륨 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 1 이상의 희토류 금속은 이트륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀 및 루테튬 또는 이들 중 임의의 2 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및/또는 제2 NOx 흡수제는 1 이상의 백금족 금속(PGM)을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 제1 NOx 흡수제의 1 이상의 PGM은 백금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제9항에 있어서, 1 이상의 PGM은 백금 및 로듐을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 필터는 촉매 작용되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 필터 촉매는 1 이상의 PGM을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 1 이상의 PGM은 필터를 형성하는 물질에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 1 이상의 추가 촉매는 바나듐, 텅스텐 또는 몰리브덴의 알칼리 금속 염, 바나듐, 텅스텐 또는 몰리브덴의 알칼리토 금속 염 또는 바나듐, 텅스텐 또는 몰리브덴의 란탄 염, 오산화바나듐, 바나듐산은 및 바나듐산구리로 구성된 군 중에서 선택도는 용융염을 포함하는 매연 연소 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 배기 가스 내 NO를 NO2로 산화시시키기 위한 산화 촉매를 포함하며, 상기 촉매는 제1 NOx 흡수제와 필터 사이 및/또는 배기 매니폴드와 제1 NOx 흡수제 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  17. 제16항에 있어서, NO 산화 촉매는 1 이상의 PGM을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 NOx 흡수제와 필터 사이 및/또는 필터와 제2 NOx 흡수제 사이에 배치된 산소 저장 성분(OSC)을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  19. 제18항에 있어서, OSC는 세리아, 임의의 세리아-지르코니아 혼합 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 NOx 흡수제 및, 존재하는 경우, 필터 촉매 및/또는 NO 산화 촉매는 알루미나, 실리카, 실리카-알루미나, 지르코니아, 티타니아, 세리아, 세리아-지르코니아 또는 이들 중 임의의 2 이상의 혼합물 또는 이들 중 임의의 2 이상의 혼합 산화물 또는 복합 산화물의 지지체를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 산화 촉매는 알루미나 상에 지지된 백금을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  22. 제20항 또는 제21항에 있어서, 지지체는 1 이상의 희토류 금속으로 안정화된 것을 특징으로 하는 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 1 이상의 희토류 금속은 란탄, 이트륨, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀 및 루테튬 또는 이들 중 임의의 2 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 시스템.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 배기 가스를 제1 NOx 흡수제의 상류에서 환원제로 농후화하는 제1 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  25. 제24항에 있어서, 제1 농후화 수단은 환원제를 분사하기 위한 제1 포트를 포함하며, 상기 제1 포트는 배기 매니폴드와 제1 NOx 흡수제 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 시스템.
  26. 제24항 또는 제25항에 있어서, 배기 가스를 제1 NOx 흡수제와 필터 사이에 환원제로 농후화시키기 위한 제2 수단을 포함하며, 상기 제2 농후화 수단은 환원제를 분사하기 위한 제2 포트를 포함하고, 상기 제2 포트는 제1 NOx 흡수제와 필터 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 시스템.
  27. 제24항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 NOx 흡수제와 필터 사이에서 2차 공기 또는 희박 배기 가스를 배기 가스에 도입하기 위한 제1 수단으 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  28. 제24항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 필터와 제2 NOx 흡수제 사이에서 배기 가스를 환원제로 농후화시키기 위한 제3 수단을 포함하며, 상기 제3 농후화 수단은 환원제를 분사하기 위한 제3 포트를 포함하고, 상기 제3 포트는 필터와 제2 NOx 흡수제 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 시스템.
  29. 제24항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 필터와 제2 NOx 흡수제 사이에서 2차 공기 또는 희박 배기 가스를 배기 가스에 도입하기 위한 제2 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  30. 제24항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 사용시, 배기 매니폴드와 제1 NOx 흡수제 사이에서 배기 가스를 환원제로 농후화시키는 것을 제어하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  31. 제26항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 사용시, 제1 NOx 흡수제와 필터 사이에서 배기 가스를 환원제로 농후화시키는 것을 제어하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  32. 제28항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 사용시, 필터와 제2 NOx 흡수제 사이에서 배기 가스를 환원제로 농후화시키는 것을 제어하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  33. 제27항 및, 제26항을 인용하는 제28항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 사용시, 제1 NOx 흡수제와 필터 사이에서 2차 공기 또는 희박 배기 가스를 배기 가스에 도입하는 것을 제어하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  34. 제29항 및, 제29항을 인용하는 제30항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 사용시, 제1 NOx 흡수제와 필터 사이에서 2차 공기 또는 희박 배기 가스를 배기 가스에 도입하는 것을 제어하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  35. 제30항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 제어 수단은 엔진 제어 유닛(ECU)을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  36. 제24항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 환원제는 탄화수소, 임의로 엔젠에 연료 공급하는 탄화수소인 것을 특징으로 하는 시스템.
  37. 제1항 내지 제36항 중 어느 한 항의 배기 시스템을 포함하는 린번 내연 엔진.
  38. 제37항에 있어서, 디젤 엔진, 바람직하게는 경량 디젤 엔진인 것을 특징으로 하는 엔진.
  39. 린번 내연 엔진의 배기 시스템 내 질소 산화물(NOx) 및 미립자 물질(PM)을 제어하는 방법으로서, 제1 NOx 흡수제의 하류에서 배기 가스로부터 PM을 수집하는 단계, 제1 NOx 흡수제가 300℃ 이하의 온도일 때 제1 NOx 흡수제에 NOx를 흡수시키는 단계, 제1 NOx 흡수제가 300℃ 이상일 때 흡수된 NOx를 탈착하여 배기 가스 내 기존의 NOx에 첨가하는 단계, 배기 가스 내 NO2 중에서 수집된 매연을 연소시키는 단계 및 NO2 중에서의 매연 연소로부터 유도된 NOx를 흡수시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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