KR20060115939A - 디젤엔진의 배기정화시스템 및 방법 - Google Patents

디젤엔진의 배기정화시스템 및 방법 Download PDF

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KR20060115939A
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Abstract

본 발명은, 디젤엔진의 배기정화시스템에 관한 것으로서, 연소특성상 희박 연소 영역에서 주로 운전되고 주기적인 고부하 조건이 발생하지 않는 디젤승용차 엔진에 특히 적합하며 NOx의 환원분위기 조성을 위해 별도로 연료를 더 분사하던 종래기술의 문제점을 해결하여 연료 소비의 증가를 막는 디젤엔진의 배기정화시스템의 제공을 그 목적으로 한다.
이를 위해 본 발명에 따른 디젤엔진의 배기시스템은, 배기가스 중의 HC 또는 입자상물질을 적어도 부분적으로 산화시키는 제 1 반응기와, 상기 제 1 반응기를 거친 배기가스 중의 입자상물질을 매연여과필터에 포집하고, 포집된 입자상물질을 부분 산화하여 매연여과필터를 재생시키는 제 2 반응기와, 광원 및 이에 반응하는 광촉매, 그리고, 흡착제를 구비하며 상기 흡착제로써 상기 제 2 반응기를 거친 배기가스 중의 NOX를 흡착하고 제 2반응기에서 포집된 입자상물질의 부분산화로 발생한 환원제를 이용한 환원반응을 통해 상기 NOX를 제거하는 제 3 반응기와, 배기가스의 농도에 따라 상기 광원의 광 세기를 조절하는 제어기를 포함한다.
반응기, 광촉매, 산화, 환원, 저온플라즈마, 매연여과필터, NOx, 입자상물질

Description

디젤엔진의 배기정화시스템 및 방법{SYSTEM FOR PURIFYING EXHAUST GAS OF DIESEL ENGINE AND METHOD USE OF THE SAME SYSTEM}
도 1은 종래기술을 설명하기 위한 원리도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 디젤엔진의 배기정화시스템을 개략적으로 도시한 구성도.
도 3은 도 2에 도시된 배기정화시스템의 주요부를 이루는 정화장치를 도시한 단면도.
도 4는 도 3의 I-I를 따라 취해진 단면도로서, 배기정화시스템의 제 1 반응기를 설명하기 위한 도면.
도 5는 도 3의 II-II를 따라 취해진 단면도로서, 배기정화시스템의 제 2 반응기를 설명하기 위한 도면.
도 6은 도 3의 III-III를 따라 취해진 단면도로서, 배기정화시스템의 제 3 반응기를 설명하기 위한 도면.
도 7은 도 2 내지 도 6에 도시된 배기정화시스템에서 각 반응기가 배기가스 중의 오염물질을 단계적으로 제거하는 과정을 개략적으로 도시한 구성도.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
100: 정화장치 120: 제 1 반응기
140: 제 2 반응기 160: 제 3 반응기
122, 142, 162: 저온 플라즈마유닛 200: 제어기
210: 산소센서 220: 차압센서
본 발명은 디젤엔진의 배기정화시스템 및 이를 이용한 배기정화방법에 관한 것이다.
디젤엔진으로부터 나오는 배기가스는 일산화탄소(CO), 미연 탄화수소(HC), 질소 산화물(NOx), 그리고, SOF(Soluble Organic Fractions)를 함유하는 입자상물질 등으로 이루어진 대기 오염물질의 혼합물로 되어 있다. 디젤엔진의 배기가스 배출 허용량은 통상 법으로 강제 규정되어 있으며, 그 배출 허용량은 흔히 엔진의 관리, 엔진의 설계, 그리고, 배기가스의 후처리에 의해 결정된다.
통상의 디젤엔진에 있어서, HC와 CO는 백금(Pt)을 베이스로 하는 디젤산화촉매(DOC)에 의해 소정 범위 내로 정화되고, NOx 배출은 디젤엔진의 배기재순환(EGR) 시스템에 의해 제어되며, 입자상물질(PM)은 매연여과필터(DPF; Diesel Particulate matter Filter)에 포집되어 그 배출량이 소정 범위 내로 제어된다. 그러나, 위와 같은 기술은 매연여과필터에 포집된 입자상물질을 히터 또는 버너 등과 같은 추가 장치를 부착하여 고온으로 태우거나 촉매를 매연여과필터 내부에 코팅하여 산화시켜 매연여과필터를 재생하는 방식 등으로 이루어지므로 그 실용성이 크게 떨어졌 다.
위와 다른 선행기술로서, 존슨-메쉬(Johnson Matthey)社는 매연여과필터의 앞단에서 배기가스 중의 NO를 산화반응성이 우수한 NO2로 산화시키고 그 산화된 NO2를 산화제로 이용하여 매연여과필터(DPF)에 포집된 입자상물질을 산화시켜 매연여과필터를 재생시키는 기술을 제안한 바 있다. 이러한 기술은 EP-A-0341832 및 US4902487호에 개시되어 있으며 상표명인 CRTTM으로 널리 알려져 있다.
그러나, 위와 같은 기술은, 디젤 배기 내에 다량 존재하는 황에 의한 피독성이 큰 백금(Pt)을 NO를 NO2로 산화시키는 산화촉매로 이용하므로, 초저황유(ULSD)를 연료로 사용해야만 하는 한계를 가지고 있었으며, 또한, 배기가스 중에서 대략 3~8% 정도의 NOx만을 저감하므로, 질소산화물을 저감시키는 추가적인 기술의 필요성이 여전히 존재하였다.
이에 대하여, 존슨-메쉬(Johnson Matthey)社는 매연여과필터에 SCR(Selective Catalytic Reduction) 촉매를 적용한 4원 후처리 시스템으로 SCRTTM 시스템을 개발하였다. 이 시스템은 HC 및 CO를 제거함과 아울러 입자성 물질과 질소산화물을 대략 75~90% 저감하는 것으로 알려져 있다. 그러나, 이 시스템은 배기가스의 후처리 체적이 엔진 체적의 13.6 배 이상을 필요로 하여, 현재 대형 디젤엔진에 시험 적용하고 있으나 그 실용성이 크게 떨어지는 것으로 알려져 있으며, 황에 의한 피독성 문제는 여전히 존재하였다.
한편, 일본의 도요타자동차社는 일반 매연여과필터(DPF)에 NOx 흡착촉매를 코팅하고 그 매연여과필터 상에 백금 산화촉매를 위치시켜 입자상물질과 질소산화물을 동시에 저감하는 DPNR(Diesel Particulate NOx Reduction) 시스템을 개발한 바 있으며, 이러한 종래의 DPNR 시스템은 일본 특개평6-159037호 등에 개시되어 있다.
도 1을 참조하여 종래의 DPNR 기술을 설명하면, 디젤엔진의 희박 연소조건(a)에서는 산화촉매인 Pt 부근에서 O2와 NO가 반응하여 활성산소인 O*와 NO2가 생성되고, NO2는 흡착촉매 내에서 염의 형태로 존재하게 된다. 또한, 이 때 발생하는 O*와 배기가스 중의 O2에 의해 PM(입자상물질)이 산화되고, 이 산화된 PM은 다시 배기가스 중의 O2와 반응하여 CO2로 산화된다.
또한, 디젤엔진의 농후 연소조건(b)에서는 고온의 배기와 순간적인 농후 배기 조건에 의해 흡착촉매에 염의 형태로 흡착되어 있던 NOx가 NO와 O*로 변화되어 방출되고, 이 NO와 O*는 Pt의 산화촉매 작용을 통해 HC 및 CO와 반응하여 CO2, H2O, N2로 변화된다. 또한, PM은 산소가 적은 농후 연소조건에서도 흡착촉매에서 나온 O*와 반응하여 CO2로 산화될 수 있다.
연속 재생 방법을 택한 도요타자동차사의 DPNR 방식에서는 여전히 다음가 같은 기술적 한계를 가지고 있다. 첫째, 산화 촉매로 백금을 사용하므로, 디젤 배 기 내에 다량 존재하는 황에 의한 피독으로 발생하는 성능 저하를 막을 수 없다. 둘째, 주기적으로 농후 연소 조건을 제공하여야만 흡착된 질소산화물을 정화할 수 있으므로 디젤 엔진의 가장 큰 장점인 고연비를 저해한다. 또한 주기적인 농후 연소 조건을 제공하기 위해 DPNR 시스템 상단에 추가적인 연료 분사 장치를 장착해야 하므로 비용이 상승하거나, 엔진의 연소 분사장치에서 후분사(post injection)을 해야 하므로 안정적인 운전성을 해칠 수 있는 문제점이 있다.
또한, 디젤엔진의 희박(lean) 연소조건 하에서 흡착촉매의 NOx 흡착량은 한계가 있으므로 주기적으로 산소가 적은 이론공연비 또는 농후(rich) 연소조건 하에서 디젤엔진이 운전될 필요가 있으며, 이는 상기한 종래의 기술이 연소특성상 희박 연소영역에서 주로 운전되고 주기적인 고부하 조건이 발생하지 않는 디젤승용차 엔진에 부적합함을 의미한다.
또한, 종래의 기술은 산화촉매를 이루는 Pt가 산화력을 갖기 위해 고온의 활성화 온도 및 이에 따른 높은 에너지가 요구되며, 활성화 온도에 도달하기 전까지는 배기가스에 대한 아무런 정화기능을 갖지 못한다는 문제점이 있다.
또한, 종래의 기술은 NOx 흡착촉매의 재생이 이루어지는 농후 연소조건하에서 HC와 CO가 고온 활성화된 Pt 산화촉매에 의해 빠르게 산화되므로 NOx의 환원이 방해될 수 있다. 이를 막기 위해, 종래의 기술은 농후 연소조건하에서 HC와 CO의 양을 감안하여 보다 많은 연료를 분사시키는 후분사 방식을 취하는데, 이는 디젤연료의 낭비를 초래하였다.
따라서, 본 발명은 일 실시예에 따라 연소특성상 희박 연소 영역에서 주로 운전되고 주기적인 고부하 조건이 발생하지 않는 디젤승용차 엔진에 특히 적합한 구조의 디젤엔진의 배기정화시스템 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 목적은 NOx의 환원분위기 조성을 위해 별도로 연료를 더 분사하던 종래기술의 문제점을 해결하여 연료 소비량을 저감할 수 있는 디젤엔진의 배기정화시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 목적은, 높은 배기온도 하에서 활성화되는 촉매를 이용하는 종래기술의 문제점을 해결하여, 상대적으로 낮은 온도에서 HC, CO, PM, NOx 등의 유해물질을 정화할 수 있으며, 또한, 촉매의 활성화에 따른 시간이 실질적으로 요구되지 않아 배기가스의 정화효율이 보다 상승된 디젤엔진의 배기정화시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 목적은 단계별 산화 또는 환원에 이용되는 산화제 또는 환원제로 배기가스 중의 HC, CO, C 또는 NO2 등의 성분을 이용하되, 그 성분들의 제어를 통해 배기가스의 정화효율을 상승시키고 배기가스 정화에 필요한 에너지 소모를 줄일 수 있는 디젤엔진의 배기정화시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 디젤엔진의 배기시스템은, 배기가스 중의 HC 또는 입자상물질을 적어도 부분적으로 산화시키는 제 1 반응기와, 상기 제 1 반응기를 거친 배기가스 중의 입자상물질을 자체 매연여과필터에 포집하 고, 포집된 입자상물질을 산화하여 매연여과필터를 재생시키는 제 2 반응기와, 광원 및 이에 반응하는 광촉매, 그리고, 흡착제를 구비하며 상기 흡착제로써 상기 제 2 반응기를 거친 배기가스 중의 NOX를 흡착하고 제 2반응기에서 포집된 입자상물질의 산화로 발생한 가스 상의 환원제를 이용한 환원반응을 통해 상기 NOX를 제거하는 제 3 반응기와, 배기가스의 농도에 따라 상기 광원의 광 세기를 조절하는 제어기를 포함한다. 따라서, 본 발명은 산소가 많은 희박 연소조건하에서도 제 3 반응기 내의 광원 및 제 2반응기에 포집된 입자상물질 중 적어도 일부를 가스 상으로 산화시켜 제 3반응기가 환원분위기가 되도록 제어하여 NOx의 제거효율을 높일 수 있으며 또한 연료의 추가적인 공급 없이 NOx의 충분한 제거가 가능하여 연료소모를 크게 줄일 수 있다. 본 명세서에서, 배기가스의 농도라 함은 배기가스의 산소 농도는 물론이고 배기가스 내 각 성분의 농도를 포함하는 의미로 사용된 것이다.
여기에서, 상기 제 1 반응기는 상기 제어기에 의해 그 세기가 조절되는 광원 및 그 광원에 반응하는 광촉매를 구비하여 광촉매 산화 반응을 통해 상기 HC 또는 입자상물질을 적어도 부분적으로 산화시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 2 반응기는 상기 제어기에 의해 그 세기가 조절되는 광원 및 그 광원에 의해 반응하는 광촉매를 구비하여 광촉매 산화 반응을 통해 매연여과필터에 포집된 입자상물질을 산화하여 매연여과필터를 재생하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 1 반응기에서는 HC, CO 또는 입자상물질 일부가 CO2로 산화되고, NO가 NO2로 산화되며, 상기 제 2 반응기는 상기 제 1 반응기를 거친 배기가스 중의 NO2를 입자상물질의 산화를 위한 산화제로 이용하고, 상기 제 3 반응기는 상기 제 2 반응기에서 적어도 부분적으로 산화된 가스 상의 HC, CO 및 고상의 C 중 적어도 하나를 NOx의 제거를 위한 환원제로 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 1, 제 2, 제 3 반응기는 배기가스의 입구 및 출구를 갖는 하나의 케이싱 내에 연속되게 설치되는 것이 바람직하며, 상기 광원은 광촉매에 저온 플라즈마를 조사하는 저온 플라즈마유닛인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 상기 저온 플라즈마유닛은, 막대형의 접지전극과, 반응기 각각의 배기가스 통로를 덮는 메시형의 방전전극과, 상기 방전전극을 반응기 각각의 내부에 유지시키는 세라믹 절연체를 포함한다. 이에 더하여, 상기 광촉매는 TiO2인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 디젤엔진의 배기정화방법은, 배기가스 중의 HC, CO, NO, 입자상물질을 적어도 부분적으로 산화시키는 제 1 단계와, 상기 제 1 단계를 거친 배기가스 중의 입자상물질을 매연여과필터에 포집한 후, 상기 NO의 산화로 얻어진 NO2를 환원제로 이용하여 매연여과필터에 포집된 입자상물질을 산화시켜 매연여과필터를 재생하는 제 2 단계와, 상기 제 2 단계를 거친 배기가스 중의 NOX를 흡착제로써 흡착하고, 상기 제 2 단계의 산화반응으로 얻어진 HC, CO, C 중 적어도 하나를 상기 NOx의 환원반응에 이용하여, 상기 NOx의 환원을 통해 상기 흡착제를 재생하는 제 3 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 제 3 단계에서는 광촉매 반응을 일으키는 광의 세기를 조절하여 상기 NOx의 환원반응을 조절하는 것이 바람직하며, 상기 제 1 단계에서는 광촉매 반응을 일으키는 광의 세기를 조절하여 상기 제 2 단계에서 산화제로 이용되는 NO2의 양을 조절하는 것이 바람직하며, 상기 제 2 단계에서는 광촉매 반응을 일으키는 광의 세기를 조절하여 상기 제 3 단계에서 환원제로 이용되는 HC, CO, C의 양이 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 광촉매 반응을 일으키는 광원으로는 저온 플라즈마를 광촉매에 조사하는 저온 플라즈마 유닛이 이용되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따라, 본 발명에 따른 배기정화방법은, 제 1 반응기에서 광원에 의한 광촉매 산화 반응에 의해 배기가스 중의 HC, CO, NO 또는 입자상물질을 적어도 부분적으로 산화시키고, 제 2 반응기에서 상기 제 1 반응기를 거친 배기가스 중의 입자상물질을 매연여과필터에 포집한 후, 포집된 입자상물질을 광원에 의한 광촉매 산화 반응에 의해 산화시키고, 제 3 반응기에서 상기 제 2 반응기를 거친 배기가스 중의 NOX를 흡착제로써 흡착하고 광원에 의한 광촉매 환원반응 통해 상기 NOX를 제거하되, 각 반응기의 광원을 제어하여, 제 2 반응기에서 산화제로 이용되는 NO2 및 제 3 반응기에서 환원제로 이용되는 HC 및 CO의 발생량, 그리고, 제 3 반응기에서의 NOX 환원을 조절함으로써 구현된다.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 배기정화시스템(100)은 디젤엔 진의 배기관로(2) 상에 연속되게 설치되어 배기가스 중의 오염물질을 연속적으로 정화하는 제 1, 제 2, 제 3 반응기(120, 140, 160)를 포함하며, 이 반응기(120, 140, 160)들은 이하 설명되는 바와 같이 배기가스 중의 HC, CO, PM, NOx 등을 연속적으로 정화하는 하나의 정화장치(100)를 구성한다.
반응기들(120, 140, 160) 각각은 소정의 광원으로부터 나온 광, 보다 구체적으로는, 저온 플라즈마유닛(122, 142, 162)으로부터 나온 저온 플라즈마와 반응하여 광촉매 작용을 일으키는 TiO2 광촉매를 각각 포함한다. 이 때, 상기 광촉매 작용은 광원의 광 세기, 특히, 저온 플라즈마의 강도에 의해 가변되며, 상기 저온 플라즈마유닛은 배기가스 중의 산소농도(또는, 희석농도) 등에 따라 제어기(200)에 의해 제어된다.
이를 위해, 정화장치(100)의 상류측에는 배기가스 중의 산소농도를 측정하는 산소센서(210)가 마련되며, 제어기(200)는 예컨대, 산소센서(210)에서 측정된 산소농도 값에 따라 디젤엔진이 희석 연소조건인지 농후 연소조건인지의 여부 등을 판단하고, 그 판단에 따라 저온 플라즈마유닛(122, 142, 162)의 전력공급원(240)을 제어하여 반응기들(120, 140, 160) 각각의 광촉매 작용을 전체적으로 또는 개별적으로 조절한다. 또한, 차압센서(220)가 정화장치의 상, 하류 차압을 측정하도록 마련되는데, 제어기(200)는 차압센서(220)에서 측정된 배기가스의 차압을 고려하여 전술한 저온 플라즈마유닛(122, 142, 162)에 대한 전력공급을 또한 조절할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 정화장치(100)를 도시한 단면도이고, 도 4는 도 3의 I-I를 따라 도시된 단면도이고, 도 5는 도 3의 II-II를 따라 도시한 단면도이며, 도 5는 도 3의 III-III를 따라 도시된 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 정화장치(100)는 제 1, 제 2, 제 3 반응기(120, 140, 160)가 내측에 설치되는 스테인레스강 재질의 케이싱(110)을 구비한다. 상기 케이싱(110)은 전단부 및 후단부가 각각 배기관로(2)에 접속되어 디젤엔진으로부터 흐른 배기가스를 상류측에서 유입하고, 제 1, 제 2, 제 3 반응기(120, 140, 160)를 거치면서 정화된 배기가스를 하류측으로 배기하도록 되어 있다.
또한, 상기 반응기들(120, 140, 160) 각각은, 담체(124, 144, 164)와, 그 담체(124, 144, 164)들 각각의 전후단에서 그 담체들을 지지하는 세라믹 지지체(123, 143, 163)와, 저온 플라즈마유닛(122, 142, 162)을 구비하며, 담체들(124, 144, 164) 각각은 세라믹 지지체들(123, 143, 163)에 의해 케이싱(110) 내측에서 나란하게 지지된다. 그리고, 저온 플라즈마유닛(122, 142, 162)은 담체들(124, 144, 164) 각각의 앞단 및 뒷단 양측에 각각 설치되어지고, 세라믹 지지체(123, 143, 163)를 관통하는 막대형의 접지전극(122a, 142a, 162a)과, 담체(124, 144, 164)들 각각의 전후단에서 배기가스의 통로를 덮는 메쉬형의 방전전극(122b, 142b, 162b)을 포함한다. 이 때, 전술한 세라믹 지지체(123, 143, 163)는 담체들(124, 144, 164)을 지지하는 기능 외에 접지전극(122a, 142a, 162a), 방전전극(122b, 142b, 162b)과 케이싱(110) 사이의 절연체로서의 기능을 추가로 한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 제 1 반응기(120)는 벌집형의 세라믹 담체(124) 상에 광촉매(125)인 TiO2를 코팅하여 형성되며, 상기 광촉매(125)는 저온 플라즈마유닛(122)에서 발생한 저온 플라즈마에 반응하여 광촉매 작용을 일으키고, 이 광촉매 작용은 이하 설명되는 바와 같이 배기가스 중의 HC, CO 등을 정화하는 등의 산화작용을 촉진시킨다.
또한, 도 3 및 도 5를 참조하면, 제 2 반응기(140)는 SiC DPF 담체, 즉, 매연여과필터(144) 상에 광촉매(145)인 TiO2를 코팅하여 형성된다. 이때, 매연여과필터(144)는 배기가스 유입구멍에 인접하는 배기구멍이 플러깅(plugging; 144a)에 의해 막혀있고 그 유입 입구와 배기 출구 사이의 필터벽(144b)이 PM을 걸러내는 다공성 구조로 이루어져 배기가스 중의 PM을 포집할 수 있다. 또한, 상기 광촉매(145)는 이하 상세히 설명되는 바와 같이 저온 플라즈마유닛(142)에서 발생한 저온 플라즈마에 반응하여 매연여과필터(144)에 포집된 입자상물질, 즉 PM을 산화시켜주는 작용을 촉진시킨다.
대안적으로, 전술한 매연여과필터(144)는 전술한 유입 입구와 배기 출구가 전도성 금속으로 된 플러깅(plugging; 144a)에 의해 교호로 막히고 그 플러깅 표면이 전도성 금속으로 코팅되는 것이 바람직하다. 이는, 배기가스가 다공성의 벽(144b)을 따라 흘러 배기가스중의 입자상물질이 다공성의 벽(144b)에 포집된 때, 고전압이 플러깅 (144b)에 인가되고 이를 통해 저온 플라즈마가 발생되는 경우, 포집된 입자상물질을 쉽게 산화, 제거하는데 효과적이다.
도 3 및 도 6을 참조하면, 제 3 반응기(160)는 벌집형의 세라믹 담체(164) 상에 칼륨(K) 및/또는 바륨(Ba) 등으로 이루어진 흡착제(Ads; adsorber)와 TiO2 광촉매(165)가 코팅되어 형성된다. 이 때, 흡착제(Ads)는 NOx, 즉 질소산화물을 일정 기간 흡착하고, 광촉매(165)는 저온 플라즈마유닛(162)에서 발생한 저온 플라즈마에 반응하여 NOx의 환원 및 이에 따른 흡착제의 재생시에 환원력을 조절하는 역할을 한다. 이 때, 상기 세라믹 담체(164)에는 전술한 광촉매(165)와 함께 광촉매(165)의 환원력을 강화시키기 위해 로듐(Rh), 은(Ag) 및/또는 니켈(Ni)를 함유하는 조촉매가 마련된다.
도 7은 본 실시예의 배기정화시스템이 반응기(120, 140, 160) 각각에서 배기가스 중의 오염물질을 단계적으로 처리하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 2 내지 도 7을 참조하여 디젤엔진의 배기가스 정화작용을 설명하면 다음과 같다.
도 2 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 제 1 반응기(120)에서는 저온 플라즈마유닛(122)이 광촉매(125) 상에 저온 플라즈마를 조사하여 다량의 활성산소 및 자유반응기를 생성시키며, 이 활성산소는 배기가스 중의 HC, CO, NO, 그리고, PM 중의 SOF 일부를 산화시킨다. HC 및 CO는 산화되어 CO2 및 물로 정화되며, 산화된 SOF 또한 물과 CO2로 정화된다. 그리고, NOx의 90% 이상을 차지하는 NO는 NO2로 변화되어 이하 설명되는 제 2 반응기에서 PM의 산화 및 이에 따른 매연여과필터의 재생을 위한 산화제로 이용된다.
이 때, 제어기(200)는 배기가스 중에 산소량이 많은 희박 연소조건에서 저온 플라즈마유닛(122)에 인가되는 전력을 낮춤으로써 광촉매(125)에 의한 산화작용을 줄여주며, 산소량이 적은 농후 연소조건에서는, 저온 플라즈마유닛(122)에 인가되는 전력을 높여줌으로써 광촉매(125)에 의한 산화작용을 늘려주는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제어기(200)는 배기가스의 농도에 따라 제 2 반응기(140)에서 산화제로 이용되는 NO2의 양을 적절히 제어한다.
제 2 반응기(140)에서는 제 1 반응기(120)에서 제거되지 않은 PM이 매연여과필터(144) 상에 포집되며, 매연여과필터(144)에 포집된 PM은 제1 반응기(120)에서 발생한 배기가스 중의 NO2 와 제2 반응기(140)에 코팅된 광촉매(145) 상에서 발생하는 자유반응기와 활성산소에 의해 산화되어, CO, HC, H2, 물, NO 등으로 변화된다. 위와 같은 산화반응을 통해 제 2 반응기(140)의 매연여과필터(144)는 연속적으로 재생되어질 수 있다. 한편, 매연여과필터(144)의 재생을 위한 촉매로서 저온 플라즈마에 의해 활성화되는 TiO2 광촉매(145)가 이용되므로, 낮은 배기온도 하에서도 연속적인 매연여과필터(144)의 재생이 가능하며, TiO2 광촉매(145)의 활성화가 저온 플라즈마의 조사에 의해 빠르게 이루어질 수 있으므로, 매연여과필터(144)의 재생에 필요한 시간을 크게 단축시킬 수 있다.
이 때, 제어기(200)는 배기가스의 유해물질(HC, CO, PM) 농도에 따라 저온 플라즈마유닛(142)에 대한 전력 공급량을 조절한다. 특히, PM 중의 SOF를 이산화탄소와 물로 완전 산화시키기보다는 일산화탄소(CO) 및 탄소 고리가 짧은 탄화수소(HC)로 부분 산화시키는 것이 바람직한데, 이러한 일산화탄소 및 탄화수소는 이하 설명되는 제 3 반응기(160)에서 NOx의 환원제로 이용될 수 있다.
제 3 반응기(160)에서는 제 1 및 제 2 반응기(120, 140)를 거친 배기가스 중의 NOx가 흡착제(Ads)에 흡착되어 제 3 반응기(160)의 벌집형 담체(164)에 유지되고, 배기가스 중의 HC, CO 또는 C를 환원제로 하는 광촉매 환원 반응을 통해 흡착제(Ads)에 흡착된 NOx는 환원되며, 이러한 환원반응을 통해 흡착제(Ads)가 다시 재생될 수 있다.
이 때, 제어기(200)는 저온 플라즈마유닛(162)에 대한 전력공급을 제어하여 NOx에 대한 환원력을 조절할 수 있으며, 이는 산소가 풍부한 희박 연소조건 하에서도 NOx의 환원반응이 산소에 의해 큰 영향을 받지 않고 이루어질 수 있도록 해주어 NOx의 환원을 위한 별도의 환원제 공급을 필요 없게 해준다. 게다가, 상기 제어기(200)는 저온 플라즈마유닛(162)을 적절히 제어함으로써 배기가스 중의 질소가 산화되어 질소산화물이 추가적으로 생성되는 것을 막을 수 있다.
전술한 디젤엔진의 배기정화시스템(100)을 디젤엔진의 배기정화에 이용하는 경우, 제 1 반응기(120)는 저부하의 낮은 배기온도에서 발생하는 미연 탄화수소와 일산화탄소를 배기온도와 무관하게 정화할 수 있다. 그리고, 제 2 반응기(140)는 디젤엔진의 가속구간에 주로 발생되는 PM을 매연여과필터(144) 상에 바람직하게 포집하는 한편 저온 플라즈마유닛(142)에 대한 고전압 인가, 그리고, 광촉매 반응의 촉진을 통해, 포집된 PM을 연속적으로 산화하고, 이를 통해, 매연여과필터(144)를 연속적으로 재생시킬 수 있다.
그리고, 제 3 반응기(160)는 디젤엔진의 가속구간 초기에 고농도로 발생하 는 NOx를 흡착제(Ads)를 이용하여 흡착한 후 제 2 반응기(140)에서 부분 산화되어 배기가스 내에 주기적으로 발생하는 HC, C, CO를 환원제로 하여 흡착제(Ads)에 흡착된 NOx를 효과적으로 제거할 수 있다. 그리고, 본 발명은 전술한 제 1 및 제 2 반응기(120, 140)에 대한 전력 제어를 통해 HC, C 및 CO의 발생을 쉽게 제어할 수 있으며, 이는 NOx의 제거 효율 및 에너지 효율의 향상에 기여한다.
추가로, 각 반응기들(120, 140, 160)에서 광촉매(125, 145, 165)로 사용되는 TiO2는 연료 내 황성분이 50PPM 이상인 경우에도 본연의 광촉매 성능을 유지할 정도로 황성분에 대한 내피독성이 우수하여 디젤연료 내 황성분에 의한 시스템 성능의 저하를 막아준다.
전술한 실시예의 설명에서, 반응기(120, 140, 160)들 모두에 광촉매가 적용되는 것을 본 발명의 바람직한 실시예로 설명하였지만, 반응기들 중 적어도 하나, 보다 바람직하게는, NOx의 흡착 및 환원이 이루어지는 제 3 반응기를 포함하는 반응기들 중 적어도 하나에 광촉매를 적용할 수도 있다.
한편, 도면에 도시되지는 않았지만, 본 발명의 배기정화시스템은 각 반응기에 가해지는 전력 또는 전류에 이상이 있을 때 경고음 또는 경고등의 출력수단을 통해 시스템 이상을 경고할 수 있다.
이상에서는 본 발명이 특정 실시예를 중심으로 하여 설명되었지만, 본 발명의 취지 및 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 변형, 변경 또는 수정이 당해 기술분야에서 있을 수 있으며, 따라서, 전술한 설명 및 도면은 본 발명의 기술사상을 한정하는 것이 아닌 본 발명을 예시하는 것으로 해석되어져야 한다.
따라서, 본 발명은 광촉매 반응을 적절히 제어하여 디젤엔진의 다양한 연소조건 하에서 연료 또는 환원제를 추가로 공급함 없이 NOx를 흡착제에 쉽게 흡착시키고 그 흡착된 NOx를 쉽게 환원시켜 제거할 수 있고, NOx의 환원 제거를 위한 주기적인 고부하 조건의 필요성이 적어 디젤승용차 엔진에 매우 바람직하게 이용될 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 NOx의 환원분위기 조성을 위해 별도로 연료를 더 분사하던 종래기술의 문제점을 해결하여 연료 소비를 크게 줄여주는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 촉매가 높은 배기온도 하에서 활성화되어 배기가스의 정화에 이용되던 종래기술의 문제점을 해결하여 상대적으로 낮은 온도에서 HC, CO, PM, NOx 등의 유해물질을 정화할 수 있으며, 또한, 촉매의 활성화에 따른 시간이 실질적으로 요구되지 않아 배기가스의 정화효율이 매우 우수하다는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 단계별 산화 또는 환원에 이용되는 산화제 또는 환원제로 배기가스 중의 HC, CO, C 또는 NO2 등의 성분을 이용하되, 그 성분들의 제어를 통해 배기가스의 정화효율을 상승시키고 배기가스 정화에 필요한 에너지 소모를 줄일 수 있는 효과를 갖는다.
추가로, 본 발명은 황성분에 대해 내피독성이 우수한 TiO2를 광촉매로 이용하므로 황 성분에 의한 시스템의 내구성 저하를 막을 수 있고 기존에 비해 황 성분 이 다량 함유된 디젤연료의 사용을 가능하게 한다는 점에서 그 효과가 크다.

Claims (21)

  1. 배기가스 중의 HC, CO, NO 또는 입자상물질을 산화시키도록 마련된 제 1 반응기와;
    상기 제 1 반응기를 거친 배기가스 중의 입자상물질을 매연여과필터에 포집하고, 포집된 입자상물질을 산화하여 매연여과필터를 재생하는 제 2 반응기와;
    광원 및 이에 반응하는 광촉매, 그리고, 흡착제를 구비하며, 상기 흡착제로써 상기 제 2 반응기를 거친 배기가스 중의 NOX를 흡착하고, 환원반응을 통해 상기 NOX를 제거하는 제 3 반응기와;
    배기가스의 농도에 따라 상기 광원의 광 세기를 조절하는 제어기를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기정화 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제 1 반응기는 상기 제어기에 의해 광 세기가 조절되는 광원 및 그 광원에 반응하는 광촉매를 구비하여 광촉매 산화 반응을 통해 상기 HC, CO, NO 또는 입자상물질을 적어도 부분적으로 산화시키는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기정화 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제 2 반응기는 상기 제어기에 의해 광 세기가 조절되는 광원 및 그 광원에 의해 반응하는 광촉매를 구비하여 광촉매 산화 반응을 통 해 매연여과필터에 포집된 입자상물질을 산화함으로써 매연여과필터를 재생하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기정화 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 제 1 반응기에서는 HC, CO 또는 입자상물질 일부가 CO2로 산화되고, NO가 NO2로 산화되는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기정화 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 제 2 반응기는 상기 제 1 반응기를 거친 배기가스 중의 NO2를 입자상물질의 산화를 위한 산화제로 이용하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기정화 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 제 1, 제 2, 제 3 반응기는 배기가스의 입구 및 출구를 갖는 하나의 케이싱 내에 연속되게 설치된 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기정화 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 광원은 상기 광촉매에 저온 플라즈마를 조사하는 저온 플라즈마유닛인 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기정화 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 저온 플라즈마유닛은, 막대형의 접지전극과, 반응 기 의 배기가스 통로를 덮는 메시형의 방전전극과, 상기 방전전극을 상기 반응기의 내부에 유지시키는 세라믹 절연체를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기 정화 시스템.
  9. 청구항 7에 있어서, 상기 저온 플라즈마유닛은, 막대형의 접지전극과, 반응기 의 담체에서 유입 입구와 배기 출구에 교호로 형성된 전도성 플러깅과, 상기 플러깅에 일체로 형성된 방전전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기 정화 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 광촉매는 TiO2인 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기정화 시스템.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 3 반응기는 상기 제 2 반응기를 거친 배기가스 중의 HC, CO 및 C 중 적어도 하나를 NOX의 제거를 위한 환원제로 이용하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기정화 시스템.
  12. 제 1 반응기에서 배기가스 중의 HC, CO, NO 또는 입자상물질을 적어도 부분적으로 산화시키고,
    제 2 반응기에서 상기 제 1 반응기를 거친 배기가스 중의 입자상물질을 매연 여과필터에 포집한 후, 포집된 입자상물질을 산화시켜 매연여과필터를 재생하고,
    3 반응기에서 상기 제 2 반응기를 거친 배기가스 중의 NOX를 흡착제로써 흡착하고 광원에 의한 광촉매 환원반응 통해 상기 NOX를 제거하되,
    상기 제 3 반응기의 광원을 제어하여 상기 NOX의 환원량을 조절하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기정화방법.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 제 1 반응기에서는 광원에 의한 광촉매 산화반응이 일어나되, 제 1 반응기의 광원 조절에 의해 HC, CO, NO 또는 입자상물질의 산화량이 조절 가능한 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기정화방법.
  14. 청구항 12에 있어서, 상기 제 2 반응기에서는 광원에 의한 광촉매 산화반응에 의해 매연여과필터에 포집된 입자상물질의 산화가 이루어지되, 상기 제 2 반응기의 광원 조절을 통해 제 3 반응기에서 환원제로 이용되는 HC 또는 CO의 발생량이 조절되는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기정화방법.
  15. 제 1 반응기에서 광원에 의한 광촉매 산화 반응에 의해 배기가스 중의 HC, CO, NO 또는 입자상물질을 적어도 부분적으로 산화시키고,
    제 2 반응기에서 상기 제 1 반응기를 거친 배기가스 중의 입자상물질을 매연여과필터에 포집한 후, 포집된 입자상물질을 광원에 의한 광촉매 산화 반응으로 산 화시켜 매연여과필터를 재생하고,
    제 3 반응기에서 상기 제 2 반응기를 거친 배기가스 중의 NOX를 흡착제로써 흡착하고 광원에 의한 광촉매 환원반응 통해 상기 NOX를 제거하되,
    각 반응기의 광원을 제어하여, 제 2 반응기에서 산화재로 이용되는 NO2 및 제 3 반응기에서 환원제로 이용되는 HC 및 CO의 발생량, 그리고, 제 3 반응기에서의 NOX를 환원량이 조절되는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기정화방법.
  16. 청구항 12 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서, 반응기 각각의 광원은 저온 플라즈마유닛이며, 상기 저온 플라즈마유닛에 대한 공급 전력을 제어하여 각 반응기에서의 광촉매 반응이 조절되는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기정화방법.
  17. 배기가스 중의 HC, CO, NO, 입자상물질을 적어도 부분적으로 산화시키는 제 1 단계와;
    상기 제 1 단계를 거친 배기가스 중의 입자상물질을 매연여과필터에 포집한 후, 매연여과필터에 포집된 입자상물질을 부분 산화시켜 HC, CO, C 중 적어도 하나를 얻음과 동시에 상기 매연여과필터를 제생하는 제 2 단계와;
    상기 제 2 단계를 거친 배기가스 중의 NOX를 흡착제로써 흡착하고, 상기 제 2 단계에서 얻어진 HC, CO, C 중 적어도 하나를 상기 NOx의 환원반응에 이용하여, 상기 NOx의 환원을 통해 상기 흡착제를 재생하는 제 3 단계를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기정화방법.
  18. 청구항 17에 있어서, 상기 제 3 단계에서는 광촉매 반응을 일으키는 광의 세기를 조절하여 상기 NOx의 환원반응을 조절하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기정화방법.
  19. 청구항 17에 있어서, 상기 제 2 단계에서는 상기 제 1 단계에서 얻어진 NO2를 상기 여과필터에 포집된 입자상물질의 환원에 이용하되,
    상기 NO2는 상기 제 1 단계에서 광촉매 반응을 일으키는 광의 세기를 조절하여 그 양이 조절되는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기정화방법.
  20. 청구항 17에 있어서, 상기 제 2 단계에서는 광촉매 반응을 일으키는 광의 세기를 조절하여 상기 제 3 단계에서 환원제로 이용되는 HC, CO, C의 양이 조절되는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기정화방법.
  21. 청구항 17 내지 청구항 21 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광촉매 반응을 일으키는 광원으로는 광촉매에 저온 플라즈마를 조사하는 저온 플라즈마 발생유닛이 이용되는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기정화방법.
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