KR100231556B1

KR100231556B1 - 디젤엔진의 배기가스 처리방법

Info

Publication number: KR100231556B1
Application number: KR1019970007580A
Authority: KR
Inventors: 유철호
Original assignee: 류정열; 기아자동차주식회사
Priority date: 1997-03-07
Filing date: 1997-03-07
Publication date: 1999-11-15
Also published as: KR19980072664A

Abstract

본 발명은 디젤엔진의 배기가스 처리방법에 관한 것으로, 종래 배기가스 재순환 시스템은 질소산화물의 경감효과가 그다지 좋지 않다는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 예시도면 도 2 및 도 4 에서와 같이 암모니아 환원법을 이용하여 배기가스의 질소산화물을 제거한 것으로, 암모니아는 디젤엔진의 연료로 부터 분리된 수소와 공기로 부터 분리된 질소를 합성하여 생성저장되고, 이러한 암모니아를 배기가스에 분사하여 암모니아 탈초 촉매와 함께 배기가스의 질소산화물을 환원시킨 것이다.

Description

디젤엔진의 배기가스 처리방법

본 발명은 디젤엔진의 배기가스 처리방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 암모니아 환원법에 의해 배기가스의 질소산화물을 제거하는 디젤엔진의 배기가스 처리방법에 관한 것이다.

디젤엔진의 연소는 평균공기 과잉률이 1.0 이상되는 산화분위기속에서 행해지기 때문에 가솔린엔진에 비하여 HC, CO의 배출량은 적은 편이지만 실린더내에서 매우 짧은 시간안에 확산적인 분무연소를 끝마쳐야 하기 때문에 검은연기와 타르성 물질 등 이른바 입자상 물질의 배출이 많아 시계불량, 더러움, 악취라는점에서 사람들에게 불쾌감을 주고 있다.

또한, 광화학스모그와 산성비 등의 원흉중 하나로 알려져 있는 질소산화물(NO)은 배기가스속에 함유되는 잉여산소 때문에 가솔린엔진에서 사용하고 있는 3원촉매와 이에따른 공연비 피드백제어를 수행하기 곤란하고, 디젤엔진에서 배출되는 질소산화물의 양은 가솔린엔진의 그것에 비해 상당히 많다.

이러한 질소산화물의 생성은 고온분위기 하에서 생성되는 서멀 질소산화물, 그리고 연료속에 함유된 질소분에서 행성되는 퓨얼 질소산화물 및 연료가 연소실 안에서 분해될 때 비교적 저온에서 행성되는 프롬프트 질소산화물등 3 가지 경로로 알려져 있다.

이 가운데서 엔진 모디피케이션으로 어느 정도까지 제어할 수 있는 것은 서멀 질소산화물의 생성제어이다.

따라서, 보다 적극적으로 질소산화물을 저감시킬 방법이 필요하며 가장 많이 채택되고 있는 것이 배기가스 재순환 방법에 의한 질소산화물 제어이다.

예시도면 도 1 은 배기가스 재순환 방법을 나타낸 개요도로서, 고부하 운전의 빈도가 높고 긴 수명과 높은 신뢰성이 요구되는 트럭과 버스 등 대형 상업차량에서는 배기가스 재순환에 의한 마모와 산화부식에 대한 대책의 요구로 충분히 실용화 되어 있지 않고, 경부하로 운전하는 일이 많은 디젤엔진 승용차에 널리 보급되어 있다.

이러한 배기가스 재순환 시스템에는 기계부압식과 전기부압식 시스템이 있지만, 제어 자유도와 정밀도의 한계에 의해 현재로서는 전자제어식 시스템이 주류를 이루고 있다.

도시된 전자제어식 배기가스 재순환 시스템은 컨트롤 유니트(1)가 연료분사펌프(2)에 위치된 엔진회전센서(3)와 분사펌프개도센서(4), 그리고 엔진의 워터재킷에 설치된 냉각수온센서(5)로 부터 운전상태를 감지하고 EGR 밸브(6)의 작동부압을 제어함으로서 저정도의 배기가스 재순환량을 흡기계에 환류시키고 있다.

EGR 밸브의 작동부압은 알터네이터(7) 후부에 장착된 바큠펌프에 의하여 발생되는 부압을 압력원으로 1차 솔레노이드 밸브(8)에 의해 제어되고 있다.

한편, 이러한 시스템에는 듀티제어시에 발생되는 작동부압의 변동과 이에 의한 EGR 밸브의 진동을 방지하기 위하여 통로에 조리개가 설치되어 있고, 또한 차량의 급가감속시 등의 급속제어가 필요할 때 조리개를 바이패스 하기 위한 2차 솔레노이드 밸브(9)를 추가하여 작동의 안정성과 응답성의 양립을 유도하고 있다.

이러한 배기가스 재순환 시스템에 의해 질소산화물이 경감되는 이유로는 실린더내 공기의 일부가 배기가스속의 비열이 큰 이산화탄소와 수증기 등과 대치됨으로서 기체의 열용량이 증대하고, 연소가스에 대한 냉각효과의 비율이 증가하는 것, 그리고 산소농도의 저하에 의하여 연소가 완만하게 된다는 것 등을 들 수 있다.

그러나, 이러한 배기가스 재순환 시스템은 질소산화물의 경감효과가 그다지 좋지 않다는 문제점이 있었다.

즉, 배기가스 재순환 시스템은 가솔린엔진의 질소산화물 경감대책으로 널리 사용되고 있고, 또한 충분한 효과를 얻고 있지만 디젤엔진에서는 가솔린엔진의 그것만큼 효과를 얻지 못하고 있다.

이러한 이유로는 첫째, 가솔린엔진의 배기가스 재순환 시스템에서는 재순환 되는 배기가스가 연료혼합기와 대략 균일하게 혼합되기 때문에 연소가스를 효과적으로 냉각시키지만 디젤엔진에서는 연료분사에 의한 혼합기 형성이 공간적으로 매우 불균일하기 때문에 연소가스 냉각에 직접 관여하는 재순환 배기가스가 혼합기 주위에 한정되기 때문이다.

그리고, 둘째 디젤엔진은 가솔린엔진에 비해 공기 과잉율을 높게 유지할 필요가 있기 때문에 실린더안에 충분한 양의 재순환 배기가스를 환류시킬 수 없기 때문이다.

더우기, 디젤엔진은 어떤 공기과잉율 이하가 되면 검은 연기와 입자상 물질의 급격한 증가를 가져오기 때문에 배기가스 재순환 시스템이 실시할 수 있는 엔진 작동 영역은 공기과잉율이 큰부분의 부하에 한정되고 있다.

이에 본 발명은 상기 문제점을 해소하기 위한 디젤엔진의 배기가스 처리방법을 제공함에 그 목적이 있는 것이다.

이를 위한 본 발명은 암모니아 환원법을 이용하여 배기가스의 질소산화물을 제거한 것으로, 암모니아는 디젤엔진의 연료로 부터 분리된 수소와 공기로 부터 분리된 질소를 합성하여 생성저장되고, 이러한 암모니아를 배기가스에 분사하여 암모니아 탈초 촉매와 함께 배기가스의 질소산화물을 환원시킨 것이다.

도 1 은 종래 디젤엔진의 배기가스 처리방법의 일례를 나타낸 예시도,

도 2 는 본 발명에 따른 배기가스 처리방법의 개념도,

도 3 은 본 발명에 따른 연료개질장치를 나타낸 개념도,

도 4 는 본 발명에 따른 수소분리장치를 나타낸 개념도,

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 케이스, 12 : 연료증발기,

14 : 열교환기, 16 : 공기가열장치,

18 : 글로우 플러그, 20 : 연료펌프,

22 : 연료개질촉매, 24 : 코일파이프,

26 : 컴프레셔, 30 : 수소분리장치,

32 : 흡기구, 34 : 토출구,

36 : 팔라디움촉매, 38 : 수소분리통,

40 : 케이스, 42 : 암모니아탱크,

44 : 컨트롤유니트, 46 : 밸브.

이하 첨부된 예시도면과 함께 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 디젤엔진의 연료(CH₂)_n와 대기중의 공기(O₂,N₂)로부터 연료 개질촉매(Ni-K₂O-Al₂O₈)를 통해 CO, H_2,N₂를 얻고, 이로부터 H₂를 분리 압축하며 N₂와 H₂를 암모니아 생성촉매(R_U-C_SOH-Al₂O)를 통해 암모니아(NH₃)를 생성 저장하는 한편, 상기 CO를 디젤엔진의 연소실에 분사하고, 배출된 배기가스에 상기 암모니아(NH₃)를 분사하여 암모니아 탈초촉매(V₂O-TiO₂)를 통해 배기가스의 질소산화물을 환원시키는 디젤엔진의 배기가스 처리방법이다.

예시도면 도 2 는 본 발명에 따른 디젤엔진의 배기가스 처리방법을 나타낸 개념도로서, 본 발명은 보일러나 가스터빈 등 고정된 발생원으로부터 배출되는 질소산화물(NO_x)의 후처리에 V₂O₅: TiO₂촉매에 의한 암모니아 환원법이 널리 이용되고 있으며, 고농도의 산소가 공존하는 계에서도 암모니아(NH₃)가 선택적으로 NO를 환원한다는 것을 이용하여 디젤차량에 이를 응용한 것이다.

그러나, 이러한 암모니아 환원방법에 있어서는 상기된 바와 같이 암모니아(NH₃)가 필수 불가결이고 디젤차량에 주기적으로 암모니아(NH₃)를 충진하는 것이 곤란하므로 본 발명은 디젤차량의 연료로부터 암모니아 (NH₃)를 얻고, 이를 배기계에 반영한 것이다.

이를 위한 본 발명은 연료개질 촉매(Ni-K₂O-Al₂O₃)를 통해 연료(CH₂)_n와 공기(O₂, N₂)로부터 획득된 기체로부터 다시 수소(H₂)로 분리하고, 이러한 수소(H₂)와 공기중의 질소(N₂)를 암모니아 생성촉매(R_U-C_SOH-Al₂O₃)를 통해 암모니아(NH₃)를 생성하여 흡차 저장하여 이를 배기계에 반영토록 하였다. 이를 세분화하여 설명하면 다음과 같다.

예시도면 도 3 은 연료(CH₂)_n와 공기(O₂, N₂)로부터 기체를 분리 형성하기 위한 연료 개질장치를 나타낸 개념도로서, 연료 개질장치는 케이스(10)에 내장된 연료개질촉매(Ni-K₂O-Al₂O₃)를 위시하여 연료증발기(12)와 열교환기(14) 그리고, 공기가열장치(16) 및 글로우플러그(18) 등으로 구성된다.

연료증발기(12)는 별도의 연료펌프(20)로 부터 연료를 흡입하여 연료(CH₂)_n를 무화시키며 연료개질촉매(22)의 주위에 코일파이프(24)가 권취되어 일부 연료가 가열되어 케이스(10)의 입구로 유입되도록 하였다.

한편, 열교환기(22)의 주위에 컴프레셔(26)로부터 공기가 송압되어 열교환기(14)를 거쳐 1차 승온되고, 공기 가열장치(16)를 거쳐 2차 승온되어 케이스(10)의 입구로 이송된다.

따라서, 이러한 연료(CH₂)_n와 공기(O₂, N₂)가 케이스(10) 입구에서 자연 혼합되며 케이스(10)내의 글로우플러그(18)에 의해 연소되고 뒤이어 촉매를 통해 H₂, CO, CO_2,O₂N₂의 개질가스가 생성되는 것이다.

이러한 개질가스 중 본 발명에 이용되는 것이 H₂이며, CO는 그 특성상 다시 연소실로 유입되어 재연소된다.

이러한 개질 가스로부터 H₂를 분리하기 위하여 수소분리장치(30)가 배열되며 예시도면 도 4 에 그 개념도가 도시되어 있다.

수소분리장치(30)는 팔라디움(Pd)을 이용해 개질 가스로부터 H₂를 분리하고 다시 이를 팔라디움 촉매에 공기와 반응시켜 질소 : 수소를 1 : 3의 비율로 생성하도록 되어 있다.

이를 위한 수소분리장치(30)는 케이스의 일측에 흡기구(32)와 타측에 토출구(24)가 형성되고, 그 내붕는 팔라디움촉매(36) 및 팔라디움이 코팅된 수소분리층(38)이 형성되어 있다.

전술된 개질가스는 수소 분리통(38)의 내측으로 유입되어 수소(H₂) 만이 분리되어 케이스(40) 내측으로 배출되고 흡기구(32)로부터 유입된 공기와 반응하는데 결론적으로 흡기구(32)로부터 유입된 N₂, O₂에 팔라디움을 촉매로 H₂가 반응하여 N₂+ H₂+ H₂O와 열량 Q가 발생되고, 이때 N₂:H₂= 1 : 3이며 반응열 Q는 수소분리통(38)의 팔라디움 박막의 가열에 이용된다.

이렇게 형성된 N₂와H₂가 암모니아 생성촉매(R_U-C_SOH-Al₂O₃)를 통해 NH₃되며 암모니아 흡제제를 거쳐 암모니아 탱크(42)에 저장되고 이러한 NH₃가 컨트롤유니트(44)의 제어를 받는 밸브(46)로부터 배기관으로 분사되는 것이다.

컨트롤유니트(44)는 엔진 회전수와 부하 및 NO농도로부터 밸브(46)를 제어하며 이에 따라 분사된 NH₃는 암모니아 탈초촉매(V₂O₅: TiO₂)를 거쳐 질소산화물(NO_x)를 환원시키게 되는 것이다.

상술된 바와 같이 본 발명에 따르면 연료와 공기로 부터 암모니아를 생성하고 이를 디젤엔진의 배기계에 반영하여 암모니아 환원법으로 각종 대기오염의 원인인 질소산화물을 환원함으로써, 디젤엔진의 배기가스 중 질소산화물의 배출이 경감되고 이로 인해 디젤엔진에 의한 대기오염이 방지되는 효과가 있다.

Claims

디젤엔진의 연료(CH₂)_n와 대기중의 공기(O₂,N₂)로부터 연료 개질촉매(Ni-K₂O -Al₂O₈)를 통해 CO, H_2,N₂를 얻고, 이로부터 H₂를 분리 압축하며 N₂와 H₂를 암모니아 생성촉매(R_U-C_SOH-Al₂O)를 통해 암모니아(NH₃)를 생성 저장하는 한편, 상기 CO를 디젤엔진의 연소실에 분사하고, 배출된 배기가스에 상기 암모니아(NH₃)를 분사하여 암모니아 탈초촉매(V₂O-TiO₂)를 통해 배기가스의 질소산화물을 환원시키는 디젤엔진의 배기가스 처리방법.