KR20030096889A - 가솔린 자동차의 피독물질 방지용 촉매 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가솔린 자동차의 피독물질 방지용 촉매에 관한 것으로서, 서로 다른 성분구성으로 이루어진 다수개의 촉매계가 일렬로 배치된 형태로 촉매의 컨버터를 구성하되, 배기가스 도입부에 위치한 첫번째 촉매계는 귀금속(예를 들어, 백금(pt))을 담지한 워시코트를 코팅한 DPF(Diesel Particulate Filter)촉매를, 두번째 촉매계와 배기가스 배출부에 위치한 세번째 촉매계는 각각 LOT(Light-Off Temperature)성능이 우수한 팔라듐(Pd)촉매와, 삼원활성이 우수한 팔라듐(Pd) 및 로듐(Rh) 혼합촉매로 구성되어 있어서, 상기 DPF촉매 상에서 모든 피독물질이 반응하거나 또는 필터링되도록 하고 두번째와 세번째의 촉매가 피독물질에 의해 영향을 받지 않도록 하여 촉매의 내구활성을 증가시킴으로써, 배기규제에 대응할 수 있는 가솔린 자동차의 피독물질 방지용 촉매에 관한 것이다.

Description

가솔린 자동차의 피독물질 방지용 촉매{Catalyst for prevention of poison for automobile}
본 발명은 가솔린 자동차의 피독물질 방지용 촉매에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 서로 다른 성분구성으로 이루어진 다수개의 촉매계가 일렬로 배치된 형태로 촉매의 컨버터를 구성하되, 배기가스 도입부에 위치한 첫번째 촉매계는 귀금속(예를 들어, 백금(pt))을 담지한 워시코트를 코팅한 DPF(Diesel Particulate Filter)촉매를, 두번째 촉매계와 배기가스 배출부에 위치한 세번째 촉매계는 각각 LOT(Light-Off Temperature)성능이 우수한 팔라듐(Pd)촉매와, 삼원활성이 우수한 팔라듐(Pd) 및 로듐(Rh) 혼합촉매로 구성되어 있어서, 상기 DPF촉매 상에서 모든 피독물질이 반응하거나 또는 필터링되도록 하고 두번째와 세번째의 촉매가 피독물질에 의해 영향을 받지 않도록 하여 촉매의 내구활성을 증가시킴으로써, 배기규제에 대응할 수 있는 가솔린 자동차의 피독물질 방지용 촉매에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차의 이용도가 증가함에 따라 교통량의 증가로 도로의 혼잡, 각종 교통사고와 진동 등에 따른 피해 및 배기가스로 인한 심각한 대기오염 등이 심각하고 중요한 사회문제로 대두되고 있다.
자동차에서 배출되는 가스는 배기가스, 블로바이가스(blow-by gas) 및 증발가스로 나누어진다.
이 중에서 배기가스는 연료가 실린더 내에서 연소하여 고온 및 고압의 가스로 된 후 팽창함으로써 역할을 다하고 배기 파이프로부터 대기중으로 방출되는 가스로서, 이 배기가스의 대부분을 차지하는 것은 수증기와 이산화탄소(CO2) 이며, 그 밖에 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC) 및 질소산화물(NOx) 등의 유해물질이 있다.
따라서, 배기가스를 촉매로 분해하여 이러한 유해성분이 방출되는 것을 줄이려는 연구가 진행되고 이러한 노력이 상당한 효과가 있어 현재 각종 차량에 적용되고 있다.
가솔린 차량의 경우, 배기 규제가 엄격해짐에 따라 촉매의 내구활성이 점점 필요한 시점으로 배기규제의 경우, 차량의 일정한 속도에서 차량 평가를 하여 테일 파이프에서 배출되는 배기가스, 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC) 및 질소산화물(NOx)의 량을 g/mile 단위로 측정하여 배기 규제를 평가한다.
종래의 촉매 시스템은 촉매의 열적 안정성에 중점을 두어, 촉매의 열적 안정성 향상에 심혈을 기울여 왔다.
그러나, 실제적으로 촉매의 열적 안정성은 향상이 되었으나, 열적 안정성만큼이나 중요한 것이 촉매의 내피독성인데도 불구하고, 오일이나 연료에서부터 배출되는 피독물질(S, P, Zn, Ca, Pb 등)에 의한 촉매의 열화효과에 대한 방지책은 없는 형편으로 종래에는 촉매상에 피독물질이 노출되었을 시, 화학적으로 내피독성이 강한 성분을 촉매에 첨가시켜 촉매의 내피독성을 향상시키려 하였으나, 내피독성을 방지하기는 근본적으로 어려운 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 서로 다른 성분구성으로 이루어진 다수개의 촉매계가 일렬로 배치된 형태로 촉매의 컨버터를 구성하되, 배기가스 도입부에 위치한 첫번째 촉매계는 귀금속(예를 들어 백금(pt))을 담지한 워시코트를 코팅한 DPF(Diesel Particulate Filter)촉매를, 두번째 촉매계와 배기가스 배출부에 위치한 세번째 촉매계는 각각 LOT(Light-Off Temperature)성능이 우수한 팔라듐(Pd)촉매와, 삼원활성이 우수한 팔라듐(Pd) 및 로듐(Rh) 혼합촉매로 구성함으로써, 상기 DPF촉매 상에서 모든 피독물질이 반응하거나 또는 필터링되도록 하고 두번째와 세번째의 촉매가 피독물질에 의해 영향을 받지 않도록 하여 촉매의 내구활성을 증가시킴으로써, 배기규제에 대응할 수 있는 가솔린 자동차의 피독물질 방지용 촉매를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가솔린 자동차의 피독물질 방지용 촉매를 나타내는 도면
도 2는 본 발명에 따른 DPF촉매를 나타내는 사시도
도 3은 본 발명에 따른 DPF촉매의 촉매 벽을 나타내는 사시도
도 4는 본 발명에 따른 FTP모드 상에서 촉매 부피 및 촉매 귀금속별 오일피독 효과를 나타내는 그래프
도 5는 본 발명에 따른 탄화수소(HC)활성 대 오일 소모량을 나타내는 그래프
도 6은 본 발명에 따른 황 피독물질에 대한 정화효과를 비교하기 위한 도면
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 촉매 컨버터 11 : DPF 촉매
11a : 촉매 벽 11b : 직선 유로
11c : 차단막 12 : 팔라듐 촉매
13 : 팔라듐 및 로듐 혼합촉매
이하, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 자동차용 삼원 촉매 컨버터에 있어서,
서로 다른 성분구성으로 이루어진 다수개의 촉매계가 일렬로 배치된 형태로 촉매의 컨버터(10)를 구성하되, 배기가스 도입부에 위치한 첫번째 촉매계는 귀금속(백금(pt))을 담지한 워시코트를 코팅한 DPF(Diesel Particulate Filter)촉매(11)를, 두번째 촉매계와 배기가스 배출부에 위치한 세번째 촉매계는 각각 LOT(Light-Off Temperature)성능이 우수한 팔라듐(Pd)촉매(12)와, 삼원활성이 우수한 팔라듐(Pd) 및 로듐(Rh) 혼합촉매(13)로 구성된 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 DPF 촉매(11)의 구조는 수평방향으로 연장하는 격자무늬 형태의 직선 유로(11b)의 한쪽이 배기가스 도입부측에서 차단막(11c)에 의해 폐쇄되고, 다른쪽은 배기가스 배출부측에서 차단막(11c)에 의해 폐쇄되는 바, 인접하는 두개의 직선 유로(11b)의 한쪽은 배기가스의 유입 통로이고, 다른쪽은 유출 통로인 촉매 벽(11a)이 구비된 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구조에 의해서 배기가스는 필연적으로 촉매 벽(11a)을 통과하게 되고, 상기 촉매 벽(11a)으로 통과하는 순간 산화반응 등을 하여 화합물을 형성하여 촉매 벽(11a)에 남게 되고, 나머지 피독물질이 걸리진 배기가스가 두번째 및 세번째 촉매(12, 13)와 반응하여 배기가스 주성분인 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC) 및 질소산화물(NOx) 등의 유해물질을 정화하게 된다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 가솔린 자동차의 피독물질 방지용 촉매에 관한 것으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 서로 다른 성분구성으로 이루어진 다수개의 촉매계가 일렬로 배치된 형태로 촉매의 컨버터(10)를 구성하되, 배기가스 도입부에 위치한 첫번째 촉매계는 귀금속(예를 들어, 백금(Pt))을 담지한 워시코트를 코팅한 DPF(Diesel Particulate Filter)촉매(11)를, 두번째 촉매계와 배기가스 배출부에 위치한 세번째 촉매계는 각각 LOT(Light-Off Temperature)성능이 우수한 팔라듐(Pd)촉매(12)와, 삼원활성이 우수한 팔라듐(Pd) 및 로듐(Rh) 혼합촉매(13)로 구성되어 있다.
본 발명에 의한 피독물질 방지용 촉매를 구성하는 다수개의 촉매계를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
먼저, DPF(Diesel Particulate Filter)촉매(11)는 배기가스 중에 포함되어 있는 피독물질인 S, P, Zn, Ca, Pb 등과 같은 촉매활성에 악영향을 주는 물질을 걸러주기 위한 것으로서, DPF 촉매(11)의 구성 물질은 일반 촉매 담지체와 같은 코테오라이트 또는 SiC를 사용하고, 그 위에 저함량의 백금(pt)을 담지한 워시코트를 코팅한 것으로 구성되어 있다.
저귀금속, 백금을 함유하고 있는 DPF 촉매(11)는 배기가스 중에 포함되어 있는 오일 및 연료 성분들과 화학반응을 일으켜 산화물 혹은 다른 화합물 형태를 촉매상에 형성시킨다.
이렇게 함으로써, DPF 촉매(11) 후방에 위치한 두번째 및 세번째 촉매는 피독물질 등에 의한 활성저하를 근본적으로 방지할 수 있다.
상기 DPF 촉매(11)의 구조는 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 단면이 격자무늬 형태의 직선 유로(11b)가 구비되어 있으며, 이러한 다수의 수평 방향으로 연장하는 직선 유로(11b)에 있어서, 한쪽은 배기가스 도입부측에서 차단막(11c)에 의해 폐쇄되고, 다른쪽은 배기가스 배출부측에서 차단막(11c)에 의해 폐쇄되어 있다.
이와 같이 하여, 인접하는 두개의 수평 방향 공간의 한쪽은 배기가스의 유입 통로가 되고, 다른쪽은 유출 통로가 되며, 배기가스는 도 3의 화살 표시로 도시한 바와 같이, 촉매 벽(11a)을 통과하도록 되어 있다.
상기와 같은 구조에 의해서 배기가스는 필연적으로 촉매 벽(11a)을 통과하게되고, 상기 촉매 벽(11a)으로 통과하는 순간 산화반응 등을 하여 화합물을 형성하여 촉매 벽(11a)에 남게 되고, 나머지 피독물질이 걸려진 배기가스가 두번째 및 세번째 촉매(12, 13)와 반응하여 배기가스 주성분인 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC) 및 질소산화물(NOx) 등의 유해물질을 정화하게 된다.
일반적인 촉매에 사용하는 셀밀도/셀두께는 400/6.5 이나 상기 DPF 촉매(11)의 목적은 정화(淨化)가 목적이 아니라, 필터링이 목적이므로 셀밀도를 높일 필요는 없다.
따라서, 셀밀도는 저밀도, 즉 대략 100~200 CPSI로 한다.
상기 DPF 촉매(11)에 저함량의 백금 촉매를 코팅한 이유는 도 4에 나타낸 그래프와 같이, FTP모드 상에서 촉매 귀금속별 오일피독 효과를 나타낸 것으로서, 상기 백금 촉매가 피독에 강한 것으로 나타나기 때문이다.
나머지 두번째 촉매는 LOT 성능이 우수한 팔라듐 촉매(12)를, 세번째 촉매는 삼원활성이 우수한 팔라듐 및 로듐 혼합촉매(13)를 사용하게 된다.
기존의 촉매 열화 매커니즘은 촉매가 열적 손상을 받아서, 촉매에 담지되어 있는 귀금속들이 고온에서 소결(sinter)되어 입자성장을 하게 됨으로써, 활성 표면적을 잃게됨에 따라, 촉매가 열화되는 것으로 인식되어 왔다.
그러나, 배기 규제가 점점 강화됨에 따라, 촉매에 담지되는 귀금속의 양이 근본적으로 증가하게 되고, 열적인 영향을 받더라도 워낙 많은 귀금속이 담지되어 있으므로 열적으로 크게 활성을 잃지 않는 것으로 인식되고 있다.
이와는 반대로, 엔진 배기가스에 함유되어 있는 오일 또는 연료성분이 귀금속 표면에서 화합물을 형성함으로써, 귀금속이 활성을 나타내는데 더 큰 문제점이 제기되는 바, 그 근거로 도 5의 탄화수소(HC)활성 대 오일 소모량을 나타내는 그래프에 의해 알 수 있다.
일반적인 촉매의 특성은 초기 상태의 활성도 중요하지만, 초기의 활성이 열화(aging)됨에 따라 내구활성이 중요하다.
따라서, 촉매 배기 규제는 50K mile, 150K mile 주행을 한 차량의 촉매를 평가하게 되어 있다.
이때, 촉매는 열적인 영향도 받겠지만, 최근에는 피독물질의 영향으로 더 크게 비활성되는 경향을 보이므로 이점에 착안하여 촉매의 피독물질에 의한 비활성의 영향을 개선하고자 한다.
따라서, 상기 DPF 촉매(11) 상에서 모든 피독물질이 반응하거나, 또는 필터링되도록 하여 두번째 촉매인 팔라듐 촉매(12)와 세번째 촉매인 팔라듐 및 로듐 혼합촉매(13)에 피독물질이 영향을 받지 않도록 하여 촉매의 내구활성을 증가시킴으로써, 배기규제에 대응 가능하다.
이하, 실시예에 의하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하겠는 바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예
본 발명의 촉매 컨버터를 평가하기 위해 도 6에 도시된 바와 같이, 황(S)피독물질에 대한 효과를 검토해 보았다.
시험조건은 황 100ppm이 포함된 산소 분위기의 공기를 900℃에서 공급하여 100시간동안 계속 하였다.
상기와 같은 처리를 한 후, 활성 평가를 실시하였다.
다음 표 1은 공기량/연료량이 14.6에서 ±0.5, 1Hz의 주기로 퍼터베이션(perturbation)을 준 상태에서 온도에 따른 활성을 LOT(Light-Off Temperature) 입장에서 정리한 것이다.
T15, T50, T75는 정화율이 15%, 50%, 75%일때의 온도를 나타낸 것이다.
W/DPF와 W/O DPF는 DPF가 있을 때와 없을 때를 나타낸 것이다.
상기 표 1에서 W/DPF의 경우, 피독물질에 의한 영향이 적어서, 초기 상태의 활성과 비슷한 활성을 나타내고 있으나, W/O DPF의 경우, 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC)의 LOT는 약 50℃이상 증가한 것으로 나타났고, 질소산화물(NOx)의 경우에는 정화율이 최고 75%이상 증가하지 못하였다.
따라서, 촉매 컨버터(10)의 배기가스 도입부에 DPF(Diesel Particulate Filter)촉매(11)를 얇은 두께로 설치함으로써, 피독물질에 대한 영향을 줄일 수 있으므로 장기적으로 촉매의 내구활성을 증가시킨다는 것을 알 수 있다.
이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 가솔린 자동차의 피독물질 방지용 촉매는 DPF촉매 상에서 모든 피독물질이 반응하거나, 또는 필터링되도록 하여 두번째 촉매인 팔라듐 촉매와 세번째 촉매인 팔라듐 및 로듐 혼합촉매가 피독물질에 의해 영향을 받지 않도록 하여 촉매의 내구활성을 증가시킴으로써, 배기규제에 대응할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 자동차용 삼원 촉매 컨버터에 있어서,
    서로 다른 성분구성으로 이루어진 다수개의 촉매계가 일렬로 배치된 형태로 촉매의 컨버터(10)를 구성하되, 배기가스 도입부에 위치한 첫번째 촉매계는 귀금속(백금(pt))을 담지한 워시코트를 코팅한 DPF(Diesel Particulate Filter)촉매(11)를, 두번째 촉매계와 배기가스 배출부에 위치한 세번째 촉매계는 각각 LOT(Light-Off Temperature)성능이 우수한 팔라듐(Pd)촉매(12)와, 삼원활성이 우수한 팔라듐(Pd) 및 로듐(Rh) 혼합촉매(13)로 구성된 것을 특징으로 하는 가솔린 자동차의 피독물질 방지용 촉매.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 DPF 촉매(11)의 구조는 수평방향으로 연장하는 격자무늬 형태의 직선 유로(11b)의 한쪽이 배기가스 도입부측에서 차단막(11c)에 의해 폐쇄되고, 다른쪽은 배기가스 배출부측에서 차단막(11c)에 의해 폐쇄되는 바, 인접하는 두개의 직선 유로(11b)의 한쪽은 배기가스의 유입 통로이고, 다른쪽은 유출 통로인 촉매 벽(11a)이 구비된 것을 특징으로 하는 가솔린 자동차의 피독물질 방지용 촉매.
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