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KR20140105568A - 자동차 촉매 후처리 시스템 - Google Patents

자동차 촉매 후처리 시스템 Download PDF

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KR20140105568A
KR20140105568A KR1020147019469A KR20147019469A KR20140105568A KR 20140105568 A KR20140105568 A KR 20140105568A KR 1020147019469 A KR1020147019469 A KR 1020147019469A KR 20147019469 A KR20147019469 A KR 20147019469A KR 20140105568 A KR20140105568 A KR 20140105568A
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oxidation catalyst
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KR1020147019469A
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키어런 콜
콜린 뉴먼
루스 새비지
구드문트 스미들러
올리비에르 손탁
이자벨 틴게이
Original Assignee
존슨 맛쎄이 퍼블릭 리미티드 컴파니
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Publication date
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First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=45560436&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=KR20140105568(A) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
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Abstract

디젤 엔진 배기 가스를 위한 촉매 후처리 시스템이 설명된다. 이 시스템은 디젤 산화 촉매(DOC) 및 디젤 산화 촉매(DOC)의 하류에 위치된 후처리 장치를 포함하며, 후처리 장치는 주기적 열 처리, 및 후처리 장치 내에서 온도 증가를 생성하기 위한 수단을 필요로 하고, 상기 디젤 산화 촉매(DOC)는 디젤 산화 촉매(DOC)의 나머지 부분보다 탄화수소(HC)에 대한 산화 활성이 더 높은 0.5 내지 2인치(12.7-50.81mm) 길이의 상류 구역을 포함한다.

Description

자동차 촉매 후처리 시스템{AUTOMOTIVE CATALYTIC AFTERTREATMENT SYSTEM}
본 발명은, 특히 자동차 용도를 위한, 예컨대 디젤 엔진을 위한 촉매 후처리 시스템에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 디젤 산화 촉매(DOC) 및 디젤 산화 촉매(DOD)의 하류에 위치된 재생가능한 후처리 장치를 통합한 촉매 후처리 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 후처리 장치의 능동적 열 처리 동안 디젤 산화 촉매(DOC) 활성을 유지하는 방법 및 능동적 열 처리 사건 동안 디젤 산화 촉매(DOC)의 소화(extinction)를 피하는 방법에 관한 것이다.
차량으로부터 나오는 배출물에 대한 계속 증가하는 규제는 정교한 엔진 관리를 포함한 공학적 설계와 여러 촉매 후처리 장치의 조합에 의해서 충족되었다.
압축 점화(이후 "디젤"이라고 칭한다) 엔진으로부터 나오는 배기 가스의 경우, 규제되는 배출물은 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소 산화물(NOx) 및 미립자이다. 주로 간단히 "그을음"이라고도 칭하는 미립자는 탄소 입자들이 주된 부분을 형성하고 있는 복합 고형체이다. 일찍이 미립자 배출물은, 특히 언덕을 오르는 동안과 같은 헤비 로드 하에 작동할 때, 디젤 엔진에 의해서 제기된 특징적인 "스모크"였다. 탄소 입자들은 또한 다양한 양의 흡수된 또는 흡착된 탄화수소와 산화 부산물들을 지닌다.
디젤 산화 촉매(DOC)는 라이트 듀티 디젤 차량을 위해서 도입된 최초의 촉매 후처리 장치였다. DOC는 고 표면적 플로-스로 촉매 기판 상에 배치된, 백금족 금속(PGM), 특히 백금에 거의 배타적으로 기초한 촉매를 선택적으로 다른 PGM 및/또는 촉매 비 금속(base metal)과 조합하여 포함한다. 기판 유닛은 흔히 하는말로 "브릭"(brick)이라고 칭한다. DOC는 CO와 HC를 산화시키고, 미립자의 중량을 감소시키는데 효과적이며, 수년 동안 DOC는 라이트 듀티 디젤 배출물에 대한 규제를 충족하기에 충분했다.
디젤 차량으로부터 배출물 제어에 대한 더 높은 기준이 도입됨에 따라 미립자를 다루는 것이 필요하게 되었다. 디젤 엔진은 일반적으로 스파크-점화 또는 가솔린 엔진보다 낮은 수준의 NOx를 생산하며, 디젤 엔진은 NOx가 증가한다는 단점하에 미립자를 감소시키도록 조작될 수 있거나, 또는 반대도 가능하다.
미국에서 도입중이며 유럽에서는 시행중인 규제하에, 최신 디젤 차량은 현재 DOC와 그을음 필터의 조합을 구비하며, NOx 환원 시스템 또한 구비할 수 있다. 그을음 필터는 반드시 그렇지는 않지만 주로 촉매화된 그을음 필터(CSF)이며, 상세한 점에서는 차이가 있을 수 있지만 이들은 일반적으로 세라믹 월-플로 필터, 또는 더 적은 빈도로 소결된 금속 필터를 통합한다. 촉매화된 필터는 PGM과 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 조합과 같은 그을음 산화 촉매의 부착물을 지닌다.
이러한 필터는 미립자 배출물에 대한 규제를 충족할 수 있다. 고속 구간을 포함하는 정상 운전 사이클 동안에는 이러한 필터가 그을음의 축적으로 막히지 않지만, 예를 들어 도시에서 실생활의 시나리오는 저속 운전의 연장된 기간 및/또는 연장된 공회전(idling) 기간을 포함할 수 있는데, 이동안 그을음이 필터에 축적될 수 있지만 배기 가스 온도가 이 그을음의 촉매 산화에 불충분하다. 필터에서 필터의 정면의 차단 또는 통로 내 그을음의 축적은, 예컨대 엔진 효율에 안좋은 영향이 미치는 정도까지, 또는 심한 경우에는 엔진 자체가 손상되는 정도까지 배압의 증가를 야기할 수 있다. 따라서, 필터를 깨끗하게 할 수 있는 어떤 형태의 필터 재생을 제공하는 것이 필요하다.
수동적 재생은 배기 가스가 축적된 그을음이 산화하기 시작하는 온도에 도달하는 충분히 고속으로 차량을 운행하는 것을 포함한다.
능동적 재생의 대안이, 예를 들어 GB 2406803 A에 설명된다. 배기 가스에서 보충된 HC 형태의 연료가 DOC에 공급되며, 그것은 연소하여 축적된 그을음의 촉매 연소가 촉매 그을음 필터 상에서 개시되는 지점까지 배기 가스의 온도를 상승시킨다. 능동적 재생에 관한 GB 2406803 A(존슨 맛쎄이)는 브릭의 상류 단부에 Pt-성분과 브릭의 하류 단부에 Pd-성분을 갖는 DOC를 개시한다. 치수에 대한 유일한 다른 개시는 "실질적으로 Pd-무함유 Pt 함유 구역은 기판 모노리스의 또는 "스트라이프"-타입 치수의 길이의 최대 절반일 수 있다"는 것을 언급한다. 상이한 조성물들의 목적은 황-함유 디젤 연료로부터 생기는 황화로부터 생긴다는 것이 주지되어야 한다. 유럽의 국가들에서 현재 디젤 연료는 저 또는 초저 황 함량을 갖지만, 많은 다른 국가들에서 발견되는 높은 황 수준에 따른 문제는 여전하다.
WO 00/29726(Engelhard)은 하나의 구체예에서 촉매화된 그을음 필터 상류의 플로-스로 촉매 또는 DOC(일부 장소에서는 제2 촉매로서 혼동되게 설명된다)를 설명한다. DOC는 균일한 조성이지만, CSF는 4 인치 Pt-부화된 단부를 가질 수 있다. 일부 시험에서 DOC는 CSF와 함께 시험되며, 일부 실험에서는 CSF만 단독 사용된다. CSF 실험의 일부에서 Pt-부화된 단부는 상류이고, 일부 실험에서 Pt-부화된 단부는 하류이다. 이런 이른 CSF 개시는 CSF의 능동적 재생을 고려하지 않는다.
WO 2009/005910(Cummins)은 브릭의 앞쪽 정면이 디젤 미립자-함유 배기 가스 스트림에 노출된 브릭의 "블라인딩" 또는 차단 또는 정면-막힘을 방지하는데 효과적인 물리적 형태 또는 화학적 코팅을 갖는 배기 후처리 장치를 설명한다. 화학적 코팅이 사용될 경우, 이것은 브릭의 앞쪽 정면에 수행되도록 의도되며, 브릭의 유체 통로로는 연장되지 않는다는 것이 분명히 언급된다.
WO 2007/077462(Johnson Matthey)는 균일한 조성을 갖는 DOC의 성능을 개선하도록 의도된, 삼중-구역 DOC 또는 브릭의 상류 단부에서 Pt 로딩이 더 높은 단일 구역을 갖는 DOC를 개시한다. 능동적 재생 시스템은 개시되지 않으며, 그래서 배기 가스의 주기적 부화도 없다. 이 발명은 "라이트-아웃" 문제를 다루도록 의도되지만, 해당 문제는 새로운 유럽 운전 사이클의 냉각장치 부분에서 제기된다. WO 2007/077462의 발명자들은 DOC 상에 PGM의 균일한 로딩, 또는 앞쪽 구간에 비교적 높은 로딩을 가진 DOC가 라이트-아웃 또는 소화의 경향을 나타낸다는 것을 발견했다. WO 2007/077462에서 주장된 해결책은 DOC의 하류 단부에 제3의, 더 높은 로딩 구역을 통합하는 것이다. 다뤄진 문제는 본 발명과 상이하다.
우리는 DOC/필터 조합 시스템에서 필터의 능동적 재생이 여전히 DOC로 들어가는 배기 가스 온도에 상당히 의존한다는 것을 발견했다. 이런 관찰은 특히 DOC가 이미 노화되었을 때 그러하다. 즉, DOC가 "라이트 오프" 상태였을 때도 만일 배기 가스 온도가 약 250℃라면 DOC 라이트 오프는 여전히 능동적 재생 사건 동안 소화할 수 있다. 이 결과는 그을음 필터 촉매가 라이트 오프에 이르도록 배기 가스 온도를 상승시킬 목적에서 과잉의 HC 연료가 DOC에 공급되는 것을 고려하면 놀라운 것이며, DOC 자체는 라이트 오프와 관련하여 작동을 유지할 것으로 기대된다. 디젤 엔진 배기 가스에서 통상적인, 250℃의 배기 가스 온도에서 이것이 일어난다는 것은 규제된 배출물을 관리하는데 문제를 제시할 수 있다.
차량 촉매 후처리에서 용어 "라이트 오프"의 의미는 본 분야에 잘 알려져 있다. 달리 나타내지 않는다면 촉매는 성분의 50%(예를 들어, 50 wt%)가 촉매 전환되는 온도에서 라이트 오프라고 간주된다.
배기 시스템 내에 위치된 다른 장치들도 주기적 재생이나 다른 열 처리를 필요로 할 수 있다. 예를 들어, 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매, 예컨대 구리 성분에 기초한 것들은 탈황을 필요로 할 수 있고, 이것은 열적 처리에 의해서 편리하게 행해질 수 있다. 따라서, 배기 시스템이나 배기 가스에 추가의 열을 공급함에 의한 발열의 생성은 많은 상이한 배기 가스 후처리 장치를 재생할 수 있다.
따라서, 본 발명은 능동적 재생 시스템에서 DOC의 효능을 개선하기 위한 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목표로 한다. 본 발명의 중요한 부분은, 예를 들어 DOC의 나머지 부분보다 더 활성인 제1 구역을 갖는 DOC의 제공이다.
따라서, 본 발명은 디젤 엔진 배기 가스를 위한 촉매 후처리 시스템을 제공하며, 상기 시스템은 디젤 산화 촉매(DOC) 및 디젤 산화 촉매(DOC)의 하류에 위치된 후처리 장치를 포함하며, 이 후처리 장치는 주기적 열 처리, 및 후처리 장치 내에서 온도 증가를 생성하기 위한 수단을 필요로 하고, 상기 디젤 산화 촉매(DOC)는 디젤 산화 촉매(DOC)의 나머지 부분보다 탄화수소(HC)에 대해 산화 활성이 더 높은 0.5 내지 2인치(12.7-50.81mm) 길이의 상류 구역을 포함한다.
놀랍게도, WO 2007/077462의 관점에서, 이러한 특이적 상류 구역 치수를 가진 디젤 산화 촉매는 관심의 영역에서 "라이트 아웃" 성능을 나타내지 않고, 동일한 총 PGM 로딩을 유지할 때도 더 작은 고 활성 "스트라이프"를 가진 구역화된 DOC나 균일한 조성과 달리 라이트 오프를 유지한다. 본 발명의 놀라운 효과를 예시하는 실험 결과가 아래 더 상세히 설명된다.
배기 가스 촉매 및 배기 가스 필터에 대한 플로-스로 금속 또는 세라믹 기판에 기초한 재생가능한 장치와 같은 종래의 후처리 장치가 본 분야에 알려져 있으며, 본 발명은 이러한 장치를 참조하여 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 이러한 장치에 제한되는 것으로 간주되어서는 안 되며, 더 흔치않은 플로-스로 촉매 기판이나 필터 구성의 사용도 본 발명의 범위 내에 포함된다.
또한, 본 발명은 디젤 산화 촉매(DOC)의 나머지 부분보다 탄화수소(HC)에 대한 산화 활성이 더 높은 0.5 내지 2인치(12.7 내지 50.81mm) 길이의 상류 구역을 갖거나 포함하는 디젤 산화 촉매(DOC) 위로 배기 가스를 지나가게 함에 의한, 200℃ 내지 375℃의 배기 가스 온도에서, 디젤 엔진 배기 가스 후처리 시스템에서 디젤 산화 촉매(DOC)의 하류에 위치된 후처리 장치의 능동적 열 처리 동안 디젤 산화 촉매(DOC) 활성을 유지하는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 DOC의 나머지 부분보다 탄화수소(HC)에 대한 산화 활성이 더 높은 0.5 내지 2인치(12.7 내지 50.81mm) 길이의 상류 구역을 갖거나 포함하는 디젤 산화 촉매(DOC) 위로 탄화수소(HC)로 부화된 배기 가스를 지나가게 함에 의한, 200℃ 내지 375℃의 배기 가스 온도에서, 디젤 산화 촉매(DOC)의 하류에 위치된 후처리 장치의 능동적 열 처리 동안 디젤 산화 촉매(DOC) 소화를 피하는 방법을 제공한다.
본 발명의 추가의 양태는 디젤 엔진 및 본 발명의 촉매 후처리 시스템을 포함하는 차량에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 디젤 산화 촉매(DOC) 위로 탄화수소(HC)로 부화된 배기 가스를 지나가게 함에 의한, 전형적으로 200 내지 375℃의 배기 가스 온도에서, 디젤 산화 촉매(DOC)의 하류에 위치된 후처리 장치의 능동적 열 처리 동안, (a) 디젤 산화 촉매(DOC)의 활성을 유지하고 및/또는 (b) 디젤 산화 촉매(DOC)의 소화를 피하기 위한 디젤 단화 촉매(DOC)에서 구역의 사용에 관한 것으로서, 상기 구역은 0.5 내지 2인치(12.7-50.81mm)의 길이를 가지며, 디젤 산화 촉매(DOC)의 나머지 부분보다 탄화수소(HC)에 대해 더 높은 산화 활성을 가진다. 일반적으로, 상기 구역은 디젤 산화 촉매의 상류이다(즉, 상류 단부에 있다).
본 발명의 추가의 양태는, 전형적으로 디젤 엔진의 배기 가스에 대한 촉매 후처리 시스템에서, 디젤 산화 촉매(DOC)의 하류에 위치된 후처리 장치를 재생하기 위한 디젤 산화 촉매(DOC)의 사용에 관한 것으로서, 상기 디젤 산화 촉매(DOC)는 디젤 산화 촉매(DOC)의 나머지 부분보다 탄화수소(HC)에 대해 산화 활성이 더 높은 0.5 내지 2인치(12.7-50.81mm) 길이의 상류 구역을 포함한다. 일반적으로, 후처리 장치는 주기적 열 처리를 필요로 한다. 전형적으로, 본 발명은 또한 후처리 장치와 함께 온도 증가를 생성하기 위한 수단과 조합하여 디젤 산화 촉매(DOC)의 하류에 위치된 후처리 장치를 재생하기 위한 디젤 산화 촉매(DOC)의 사용에 관한 것이다.
본 발명을 더 충분히 이해할 수 있도록 첨부한 도면을 참조하면서 예시로서만 제공된 이후의 실시예들을 참조한다.
도 1은 배기 가스가 통과할 때 종래 디젤 산화 촉매(DOC 1)의 내부의 세 영역에서 온도를 도시한 그래프이다. DOC 1은 균일한 PGM 로딩을 가진다.
도 2는 배기 가스가 통과할 때 PGM 농도가 더 높은 10mm "스트라이프"를 갖는 디젤 산화 촉매(DOC 2)의 내부의 세 영역에서 온도를 도시한 그래프이다.
도 3은 배기 가스가 통과할 때 본 발명에 따른 디젤 산화 촉매(DOC 3)의 내부의 세 영역의 온도를 도시한 그래프이다.
일반적으로, 본원에서 사용된 배기 가스에 대한 어떤 언급은 전형적으로 디젤 엔진으로부터의 배기 가스를 말한다.
전형적으로, 디젤 산화 촉매(DOC) 위로 지나가는 배기 가스의 온도는 200 내지 375℃이다. 따라서, 사용 또는 방법에 관한 본 발명의 양태는 200 내지 375℃의 온도에서 배기 가스를 디젤 산화 촉매(DOC)와 접촉시키거나, 또는 200 내지 375℃의 온도에서 배기 가스를 디젤 산화 촉매(DOC) 위를 지나가게 하거나 통과시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 DOC의 나머지 부분(예를 들어, 하류 구역(들))보다 탄화수소(HC)에 대해 더 높은 산화 활성을 갖는 상류 구역을 갖는 디젤 산화 촉매(DOC)에 관한 것이다. 탄화수소에 대해 더 높은 반응성을 갖는 구역은, 배기 가스가 DOC의 나머지 부분의 "라이트-오프" 온도 이하의 온도를 가질 때, 발열(즉, 열)을 생성할 수 있다. 생성된 열은, 예를 들어 배기 가스를 거쳐서 기판 유닛 또는 브릭을 통해서 전달되어 DOC의 나머지 부분을 그것의 "라이트 오프" 온도까지 이르게 할 수 있다. 또한, 배기 가스의 온도가 떨어질 때도(예를 들어, 엔진이 공회전 상태일 때) DOC의 나머지 부분을 그것의 라이트-오프 온도에서 유지할 수 있다. 탄화수소(HC)에 대한 DOC의 상류 구역 및 나머지 부분의 산화 활성은 본 분야에 알려진 어떤 종래의 기술을 사용하여 측정될 수 있다.
탄화수소(HC)에 대한 DOC의 상류 구역 및 나머지 부분 또는 하류 구역(들)의 산화 활성은 바람직하게 탄화수소에 대한 T50으로 측정된다. 따라서, 상류 구역의 탄화수소에 대한 T50은 DOC의 나머지 부분 또는 하류 구역(들)의 탄화수소에 대한 T50보다 더 낮다. T50은 본 분야에 잘 알려져 있으며, 특정 반응물, 이 경우에는 탄화수소의 50%가 전환되는 최저 온도를 표시한다. T50은 전형적으로 디젤 엔진, 예컨대 EN590:1993 표준에 따른 디젤 연료(예를 들어, B7), 바람직하게 EN590:1999에 따른 디젤 연료, 더 바람직하게 EN590:2004 또는 EN590:2009에 따른 디젤 연료로 운행되는 디젤 엔진으로부터의 배기 가스 중 탄화수소의 50% 전환과 관련된다.
상류 구역은 0.5 내지 2인치(12.7 내지 50.81mm)의 길이를 가진다. 상류 구역은 0.5 내지 1.75인치, 예컨대 0.5 내지 1.5인치 또는 0.6 내지 1.75인치, 더 바람직하게 0.75 내지 1.25인치의 길이를 갖는 것이 바람직하다. 전형적으로, 상류 구역은 약 또는 대략 1인치(2.54cm)의 길이를 가진다. 본원에서 사용된 상류 구역과 관련하여 길이에 대한 언급은 그것의 평균 길이를 말한다. 본 분야에 잘 알려진 대로, 그것의 제작에 사용된 방법에 따라서 구역의 정확한 길이에 어떤 변화가 있을 수 있다. 통상 길이는 평균으로부터 10% 초과, 바람직하게 5% 이하, 더 바람직하게 길이의 평균 값으로부터 1% 이하만큼 벗어나지 않는다. 의심을 피하기 위하여 상류 구역의 길이는 일반적으로 그것의 입구 단부로부터 DOC의 길이방향 축에 평행하게 측정된다.
전형적으로, DOC는 2.5 내지 15인치, 예컨대 4 내지 15인치, 바람직하게 5 내지 12.5인치, 예컨대 6 내지 10인치의 직경을 가질 수 있다.
DOC의 길이(즉, 전체적으로)는 전형적으로 2.5 내지 15인치, 예컨대 3 내지 12.5인치, 바람직하게 4 내지 11인치(예를 들어, 5 내지 10인치)이다.
일반적으로, DOC의 치수는 종래와 같다. 예를 들어, DOC는 4 내지 15인치의 직경 및 2.5 내지 10인치의 길이를 가질 수 있다. 본원에서 사용된 DOC와 관련하여 길이 또는 직경에 대한 언급은 평균 길이 또는 평균 직경을 말한다. 통상 길이 또는 직경은 평균으로부터 10% 초과, 바람직하게 5% 이하, 더 바람직하게 각각 길이 또는 직경의 평균 값으로부터 1% 이하만큼 벗어나지 않는다.
상류 구역의 성질(즉, 길이 및/또는 산화 활성)은 중요하지만, DOC의 나머지 부분 또는 하류 구역(들)은 여러 조성을 가질 수 있다. 따라서, 예를 들어, DOC의 나머지 부분은 비-균일 조성을 가질 수 있다(예를 들어, DOC의 나머지 부분은 복수의 구역 및/또는 층, 예컨대 2 또는 3개 구역 또는 층을 포함할 수 있다). 그러나 PGM의 희소성 및 결과적으로 이들의 높은 가격 때문에 DOC에서 PGM의 총량을 최소화하는 것이 선호된다. 본 발명은 PGM의 더 많지 않은 전체 로딩에서 개선된 DOC 성능을 제공할 수 있으며, 특정 환경에서는 DOC 상에 더 적은 총 PGM 로딩을 이용하는 것도 가능할 수 있다.
DOC는 일반적으로 기판 유닛(예를 들어, "브릭") 상에 지지된 촉매 조성물을 포함한다. 촉매 조성물은 전형적으로 적어도 하나의 PGM, 바람직하게 적어도 2개의 PGM을 포함한다.
촉매 조성물은 백금, 팔라듐, 로듐 및 이들 중 둘 이상의 혼합물 또는 합금으로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 하나, 더 바람직하게 적어도 2개의 상이한 PGM을 포함하는 바람직하다. 더 바람직하게, 촉매 조성물은 백금 및 팔라듐을 포함한다.
전형적으로, DOC는 15 내지 400g ft-3인 PGM의 총량(예를 들어, 백금(Pt)과 팔라듐(Pd)의 총량)을 포함한다. 바람직하게, PGM의 총량은 20 내지 300g ft-3, 더 바람직하게 25 내지 250g ft-3, 더욱더 바람직하게 35 내지 200g ft-3, 보다 더 바람직하게 50 내지 175g ft-3이다.
DOC가 백금과 팔라듐을 포함할 때, Pt 대 Pd의 중량비(디젤 산화 촉매(DOC)의 상류 구역과 나머지 부분 모두)는 전형적으로 1:3 내지 5:1, 바람직하게 1:2 내지 3:1, 더 바람직하게 1:1.5 내지 2:1(예를 들어, 1:1.5 내지 1.5:1)이다.
전형적으로, 상류 구역의 PGM 농도는 10 내지 150g ft-3이다. 바람직하게, 상류 구역의 PGM 농도는 15 내지 135g ft-3, 더 바람직하게 20 내지 125g ft-3, 예컨대 25 내지 100g ft-3이다.
본 발명의 일반적인 구체예에서, 상류 구역은 백금(Pt)과 팔라듐(Pd)을 포함한다. 따라서, 상류 구역은 상류 촉매 조성물을 포함할 수 있으며, 상기 상류 촉매 조성물은 백금(Pt) 및 팔라듐(Pd)으로 구성되는 PGM을 포함한다. 이 구체예에서, 백금 및 팔라듐은 DOC의 상류 구역에서 유일한 PGM일 수 있다.
전형적으로, 상류 구역에서 백금(Pt)의 농도는 DOC의 나머지 부분 또는 하류 구역(들)에서 백금(Pt)의 농도보다 더 크다. 더 바람직하게, 상류 구역에서 팔라듐(Pd)의 농도는 DOC의 나머지 부분 또는 하류 구역(들)에서 팔라듐(Pd)의 농도보다 더 적다.
상류 구역이 백금(Pt)과 팔라듐(Pd)을 포함할 때, 백금(Pt) 대 팔라듐(Pd)의 중량비는 전형적으로 ≥1:1이다. 백금(Pt) 대 팔라듐(Pd)의 중량비는 ≥1.1:1, 더 바람직하게 ≥1.25:1, 특히 ≥1.5:1, 예컨대 ≥1.75:1(예를 들어, ≥2:1), 더욱더 바람직하게 ≥2.5:1(예를 들어,≥5:1)인 것이 바람직하다. 따라서, DOC의 상류 구역은 10:1 내지 1:1(예를 들어, 2:1 내지 1.1:1 또는 7.5:1 내지 5:1), 더 바람직하게 8:1 내지 1.25:1(예를 들어, 7:1 내지 1.5:1), 더욱더 바람직하게 6:1 내지 2.5:1의 중량비로 백금(Pt)과 팔라듐(Pd)을 포함한다.
촉매 조성물은 선택적으로 탄화수소 흡착제(예를 들어, 제올라이트) 및/또는 하나 이상의 지지 물질을 더 포함할 수 있다. 탄화수소 흡착제는 본 분야에 잘 알려져 있다. 적합한 지지 물질의 예들은 알루미나, 실리카-알루미나, 세리아, 세리아-지르코니아, 및 티타니아를 포함한다.
DOC는 편리하지만 배타적은 아닌 방식으로 종래의 세라믹 플로-스로 브릭에 기초한다. 평방 인치 당 100개 이상, 예를 들어 400개의 셀이 있을 수 있다.
따라서, 기판 유닛 또는 "브릭"은 전형적으로 플로-스로 기판 유닛, 예컨대 플로-스로 모노리스이다. 플로-스로 모노리스는 전형적으로 양쪽 단부에서 개방된 관통 연장된 복수의 채널을 갖는 허니콤 모노리스(예를 들어, 금속 또는 세라믹 허니콤 모노리스)를 포함한다.
일반적으로, 기판 유닛은 세라믹 물질 또는 금속성 물질이다. 기판은 코디어라이트(Si02-Al203-MgO), 탄화규소(SiC), Fe-Cr-Al 합금, Ni-Cr-Al 합금, 또는 스테인리스 스틸 합금으로 제조되거나 이루어지는 것이 바람직하다.
전형적으로, 후처리 장치(DOC의 하류에 위치된)는 그을음 필터 또는 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매(예를 들어, 선택적 촉매 환원을 위한 촉매 유닛)이다.
후처리 장치가 그을음 필터일 때, 그을음 필터의 특이적 타입, 형태 또는 구성은 본 발명에서 중요하지 않으며, 그것은 촉매화될 수도 있고, 촉매화되지 않을 수도 있다.
일반적으로, 그을음 필터는 기판 유닛을 포함하며, 이것은 필터링 모노리스 또는 플로-스로 모노리스, 예컨대 상기 설명된 플로-스로 모노리스이다. 바람직하게, 기판 유닛은 필터링 모노리스이다. 기판 유닛은 촉매 조성물로 코팅될 수 있다.
필터링 모노리스는 일반적으로 복수의 입구 채널 및 복수의 출구 채널을 포함하며, 입구 채널은 상류 단부(즉, 배기 가스 입구측)에서 개방되고, 하류 단부(즉, 배기 가스 출구측)에서 막히거나 밀봉되며, 출구 채널은 상류 단부에서 막히거나 밀봉되고, 하류 단부에서 개방되며, 각 입구 채널은 다공질 구조에 의해서 출구 채널과 분리된다.
그을음 필터의 기판 유닛이 필터링 모노리스일 때, 필터링 모노리스는 월-플로 필터인 것이 바람직하다. 월-플로 필터에서, 각 입구 채널은 다공질 구조의 벽에 의해서 출구 채널과 교대로 분리되며, 반대도 가능하다. 입구 채널과 출구 채널은 허니콤 구조를 갖는 것이 바람직하다. 허니콤 구조인 경우, 입구 채널에 수직으로 그리고 측면으로 인접한 채널들은 상류 단부에서 막히며, 반대도 가능하다(즉, 출구 채널에 수직으로 그리고 측면으로 인접한 채널들이 하류 단부에서 막힌다). 어느 한 단부에서 봤을 때 채널의 교대로 막히고 개방된 단부들은 체스판의 모습을 취하고 있다.
그을음 필터가 촉매 조성물을 포함할 때, 촉매 조성물은 (i)미립자 물질(PM) 및/또는 (ii) 일산화탄소(CO) 및 탄화수소(HC)를 산화하는데 적합할 수 있다. 촉매 조성물이 PM을 산화하는데 적합한 경우, 결과의 후처리 장치는 촉매화된 그을음 필터(CSF)로 알려져 있다. 전형적으로, 촉매 조성물은 백금 및/또는 팔라듐을 포함한다.
후처리 장치는 SCR 촉매일 수 있다. SCR 촉매도 본 분야에 잘 알려져 있다.
본 발명의 촉매 후처리 시스템이 후처리 장치로서 SCR 촉매를 포함할 때, 촉매 후처리 시스템은 DOC의 하류 및 SCR 촉매의 상류에서 배기 가스에 암모니아 또는 요소와 같은 질소성 환원제를 분사하기 위한 분사장치를 더 포함할 수 있다. 또는 달리, 또는 분사장치에 더하여, 촉매 후처리 시스템은 배기 가스를 탄화수소로 부화시키기 위한 엔진 관리 수단을 더 포함할 수 있다. 이어서, SCR 촉매는 환원제로서 탄화수소를 사용하여 NOx를 환원시킬 수 있다. SCR 촉매의 기판이 필터링 모노리스일 때 촉매는 SCRF 촉매이다.
후처리 장치 내에서 온도 증가를 생성하기 위한 수단(예를 들어, 장치를 재생하기 위한 능동적 열 처리에 의해서)은 본 발명에서 중요하지 않으며, 본 분야에 알려진 것들로부터 선택될 수 있다. 따라서, 상기 수단은 후기 연료 분사 또는 배기 스트로크 동안의 연료 분사를 촉진하는 엔진 관리 시스템, 터보 후 연료 버너, 저항 가열 코일 및 탄화수소 또는 연료 분사장치로부터 선택될 수 있다. 분사장치는 DOC의 상류 또는 DOC의 하류 및 후처리 장치의 상류에 위치될 수 있다.
능동적 열 처리 사건은 특정(즉, 허용되지 않는) 배압이 시스템에 존재할 때 촉발될 수 있거나, 또는 미립자 생성, 황화 등과 관련된 엔진 작동 조건을 추적하는 컴퓨터 수단에 의해서 개시될 수 있다. 배기 가스에 이미 통합된 것에 추가적인 HC는 하나 이상의 실린더로의 직접적인 또는 간접적인 연료 분사의 관리, 예를 들어 추가의 또는 연장된 연료 분사, 연소 후 분사, 또는 배기 매니폴드 또는 배기 배관들로의 분사에 의해서 제공될 수 있다.
촉매 후처리 시스템은 헤비-듀티 디젤 엔진을 더 포함할 수 있다. 본 발명은 헤비-듀티 디젤 용도에 적용되는 것이 적합하지만, 필요한 경우나 유익할 때는 다른 엔진에도 적용될 수 있다.
헤비-듀티 용도의 경우, DOC로의 입구에서 배기 가스 온도는 전형적으로 약 225 내지 275℃이다.
또한, 본 발명은 디젤 엔진 및 촉매 후처리 시스템을 포함하는 차량에 관한 것이다. 상기 차량은 바람직하게 헤비-듀티 디젤 차량(HDV), 예컨대 미국법에 정의된 대로 > 8,500파운드(미국은 lbs)의 총 중량(gross weight)을 갖는 디젤 차량이다.
또한, 본 발명의 한 양태는, 특히 능동적 열 처리 사건 동안(즉, 후처리 장치의 재생을 위한), DOC의 소화를 피하는 것에 관한 것이다. 본원에서 사용된 소화를 피하는 것에 대한 언급은 소화를 감소시키거나 방지하는 것을 말한다. 소화는 DOC의 T50, 보통 탄화수소 및/또는 일산화탄소에 대한 T50이 DOC의 온도와 전형적으로 또한 배기 가스의 온도를 초과할 때 일어난다.
바람직하게, 본 발명에서 사용된 DOC는 열적으로 안정한 고 표면적 알루미나와 같은 표면적 증진제, 및 선택적으로 알루미나와 같은 캐리어 상에 이미 부착된, 원하는 촉매 금속의 용액 또는 현탁액을 포함하는 제1 코팅으로 전체 브릭을 코팅함으로써 제조된다. 바람직한 코팅 방법은, WO 99/47260에 설명된 장치 및 방법으로부터 개발된 것과 같은, 진공 증진 정밀코팅(Johnson Matthey 상표명)법을 사용하여 제1 촉매 용액을 적용하는 것이다. 이어서 제2 촉매 용액이 동일한 정밀코팅법을 사용하여 원하는 상류 구역에 부착할 수 있는 양으로 그러한 조건하에 적용된다. 상기 구역의 하류 가장자리는 그것이 0.5인치의 평균 또는 최소 길이를 제공하기만 하면 반드시 직선일 필요는 없다. 충분히 균일한 촉매 코팅을 제공하기만 하면 대안적인 코팅 방법도 사용될 수 있다. 이러한 대안은 당업자가 이용 가능하며, 함침, 워시코팅 및 화학 증착을 포함할 수 있지만, 바람직한 방법은 현재 제어가 가장 간단하며 가장 비용 효과적인 방법을 제공하는 것이라고 생각된다.
상류 구역은 (a) 촉매로 이미 균일하게 코팅된 브릭의 구간에 제2 촉매 코팅을 적용하는 추가의 정밀 코팅 단계, (b) 촉매로 이미 균일하게 코팅된 브릭의 구간의 함침, (c) 촉매로 이미 균일하게 코팅된 브릭의 구간을 촉매 워시코팅, 또는 (d) 촉매로 이미 균일하게 코팅된 브릭의 구간 상에 하나 이상의 촉매 금속의 화학 증착에 의해서 전형적으로 제조되거나 얻어질 수 있다.
제1 및 제2 용액에서 사용된 촉매 금속의 농도는 촉매 금속의 원하는 농도나 로딩을 제공하기 위하여 필요에 따라서 당업자에 의해서 계산될 수 있다. 예를 들어, 제1 용액은 10 내지 최대 100g/cu ft의 PGM, 적합하게는 1:2 내지 2:1의 중량비의 Pt와 Pd의 혼합물 또는 합금을 제공할 수 있는 PGM 농도를 가질 수 있다. 제2 용액은 10 내지 150g/cu ft의 PGM을 제공할 수 있는 PGM 농도를 가질 수 있으며, Pt:Pd 비는 1:3 내지 5:1, 예를 들어 1:2 내지 2:1이다.
DOC의 하류 구간은 바람직하게 제조 용이성과 비용의 이유로 촉매 금속의 로딩이 균일하다. 그렇지만 변화된 농도, 예를 들어 하나 이상의 추가의 촉매 "스트라이프"가 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 포함될 수 있다.
실시예
본 발명은 이제 이후의 비제한적 실시예들에 의해서 예시될 것이다.
디젤 산화 촉매의 제조
동일한 브릭을 사용하여 3개의 DOC를 제조했고, 이들은 모두 40g ft-3의 동일한 총 PGM 로딩을 가졌다. 각 DOC는 10.5인치(266.7mm) 직경과 4인치(101.6mm) 길이를 가졌다. DOC는 모두 오븐에서 12.5시간 동안 750℃에서 가열함으로써 종래의 노화를 거쳤으며, 이로써 DOC는 사용되었던 DOC를 대표했다.
DOC 1: 종래의 상업적으로 이용 가능한 디젤 산화 촉매를 제조했고(DOC 1), 이것은 7:6의 비의 Pt:Pd의 균일한 로딩을 가졌다.
DOC 2: 약 40g ft-3의 균일한 로딩을 갖지만 PGM 농도가 더 높은 10mm "스트라이프"를 가진 디젤 산화 촉매를 제조했다(DOC 2). DOC 2는 제1 코팅을 가진 DOC를 1:1의 Pt:Pd 비로 추가의 촉매 슬러리/용액에 침지하여 100g ft-3의 고 농도 스트라이프를 제공함으로써 제조했다.
DOC 3: 약 40g ft-3의 균일한 코팅 및 1:1의 Pt:Pd 비로 100g ft-3의 더 높은 PGM 로딩을 가진 깊이 1인치(25.4 mm)의 구역을 갖는 디젤 산화 촉매를 DOC 2에 대해 설명된 방법을 사용하여 제조했다(DOC 3).
시험 방법
2200rpm에서 운행하면서 엔진 작동과 부화에 모두 EUV B7 연료(7% 바이오 연료)를 공급한 디젤 엔진으로부터의 배기 가스를 통과시켜서 디젤 산화 촉매 각각의 열적 분석을 수행했다. 엔진은 7리터 용량 EUVI 6 실린더 엔진이었고, 2500rpm에서 235kW를 생성했고, DOC의 상류에서 배기 파이프에 위치된 7번째 분사장치를 구비한다.
7.6mm(T1), 25.6mm(T5) 및 94.6mm(T9)의 상류 정면으로부터 측정된 깊이에, DOC 브릭의 중심선을 따라서 열전쌍을 삽입했다. 따라서, T5는 하류 구역의 시작이지만, 그것은 이후 "중앙" 위치로 설명된다. 스트림 상에서 1700초 또는 1800초 후에 배기 가스를 필터 재생 사건 동안 250℃에서 부화시켜 HC-부화된 가스로 표시했고, DOC를 통과시켰다.
결과
결과는 도 1 내지 3에 도시되며, 이들은 시험된 DOC 각각에 대해서 초의 시간에 대한 온도의 플롯이다.
도 1은 종래의 DOC(DOC 1)의 앞쪽에서 아주 적은 발열이 있음을 증명한다. "중앙" 위치에서는 약간 더 큰 발열이 있으며, 450℃의 피크 온도에 도달하지만 이것은 아주 짧은 시간 동안이다. 초기 라이트 오프는 2100초에서 완전히 소화된다.
DOC 2에 대한 결과는 도 2에 도시된다. 1800초에 부화가 시작되었을 때 모든 위치에서 피크 온도는 DOC 1보다 더 높다. 그러나 라이트 오프는 지속되지 않는다는 것이 분명하며, 발열은 다시 2100초에서 완전히 소화된다.
DOC 3에 대한 결과가 도 3에 도시된다. 1700초에 부화가 시작되었을 때 모든 열전쌍 위치에서 온도 플롯은 DOC 1 및 DOC 2에 대한 결과와 비교하여 매우 상이하다. 온도는 처음에 급격히 올라가고, 이어서 2000초까지 모든 열전쌍 위치에서 안정한 온도에 도달한 것으로 판명되었다. 온도는 부화가 3000초에서 종료되었을 때까지 유지되었다.
이들 시험은 시험 조건하에서 본 발명의 이점을 분명히 나타낸다. 헤비-듀티 용도의 경우, DOC로의 입구에서 배기 가스 온도는 전형적으로 약 225 내지 275℃이다.
추가로, 각 DOC로부터 빠져나온 가스에서 HC를 검출하기 위하여 시험을 수행했다. 아마도 당연하게 상기 설명된 시험의 관점에서 HC 슬립이 DOC1과 DOC 2 모두에 대해서 라이트 오프의 소화 후 높은 수준으로 검출되지만, DOC 3에서는 HC가 효과적으로 제거되면서 동시에 필터 재생에 충분한 원하는 발열을 생성한다.
어떤 의심을 피하기 위하여 여기 인용된 어떤 문헌 및 모든 문헌의 전체 내용은 본 출원에 참고자료로 포함된다.

Claims (17)

  1. 디젤 산화 촉매(DOC) 및 디젤 산화 촉매(DOC)의 하류에 위치된 후처리 장치를 포함하며, 상기 후처리 장치는 주기적 열 처리, 및 후처리 장치 내에서 온도 증가를 생성하기 위한 수단을 필요로 하고, 상기 디젤 산화 촉매(DOC)는 디젤 산화 촉매(DOC)의 나머지 부분보다 탄화수소(HC)에 대한 산화 활성이 더 높은 0.5 내지 2인치(12.7-50.81mm) 길이의 상류 구역을 포함하는, 디젤 엔진 배기 가스를 위한 촉매 후처리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상류 구역은 0.5 내지 1.5인치의 길이인 것을 특징으로 하는 촉매 후처리 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상류 구역은 약 1인치의 길이인 것을 특징으로 하는 촉매 후처리 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 디젤 산화 촉매(DOC)는 4 내지 15인치의 직경 및 2.5 내지 10인치의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 촉매 후처리 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 디젤 산화 촉매는 Pt와 Pd의 혼합물, 또는 Pt와 Pd의 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 후처리 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 디젤 산화 촉매(DOC)의 상류 구역과 나머지 부분 모두에서 Pt 대 Pd의 중량비는 1:3 내지 5:1인 것을 특징으로 하는 촉매 후처리 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상류 구역의 PGM 농도는 10 내지 150g ft-3인 것을 특징으로 하는 촉매 후처리 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 후처리 장치는 그을음 필터인 것을 특징으로 하는 촉매 후처리 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 후처리 장치는 선택적 촉매 환원(SCR)을 위한 촉매 유닛인 것을 특징으로 하는 촉매 후처리 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 헤비-듀티 디젤 엔진을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 후처리 시스템.
  11. 디젤 엔진 및 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 촉매 후처리 시스템을 포함하는 차량.
  12. 디젤 산화 촉매(DOC)의 나머지 부분보다 탄화수소(HC)에 대한 산화 활성이 더 높은 0.5 내지 2인치(12.7 내지 50.81mm) 길이의 상류 구역을 포함하는 디젤 산화 촉매(DOC) 위로 배기 가스를 지나가게 함으로써, 200 내지 375℃의 배기 가스 온도에서, 디젤 엔진 배기 가스 후처리 시스템에서 디젤 산화 촉매(DOC)의 하류에 위치된 후처리 장치의 능동적 열 처리 동안 디젤 산화 촉매(DOC) 활성을 유지하는 방법.
  13. 디젤 산화 촉매(DOC)의 나머지 부분보다 탄화수소(HC)에 대한 산화 활성이 더 높은 0.5 내지 2인치(12.7 내지 50.81mm) 길이의 상류 구역을 포함하는 디젤 산화 촉매(DOC) 위로 탄화수소(HC)로 부화된 배기 가스를 지나가게 함으로써, 200 내지 375℃의 배기 가스 온도에서, 디젤 산화 촉매(DOC)의 하류에 위치된 후처리 장치의 능동적 열 처리 사건 동안 디젤 산화 촉매(DOC)의 소화를 피하는 방법.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상류 구역은 촉매로 이미 균일하게 코팅된 브릭의 구간에 제2 촉매 코팅을 적용하는 추가의 정밀코팅 단계에 의해서 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상류 구역은 촉매로 이미 균일하게 코팅된 브릭의 구간의 함침에 의해서 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상류 구역은 촉매로 이미 균일하게 코팅된 브릭의 구간의 촉매 워시코팅에 의해서 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상류 구역은 촉매로 이미 균일하게 코팅된 브릭의 구간 상에 하나 이상의 촉매 금속의 화학 증착에 의해서 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.

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