KR101036930B1 - Ｈｃ－ｓｃｒ 반응을 위한 연료 개질 시스템 및 이를 이용한 개질 방법과, ｈｃ－ｓｃｒ 반응을 위한 개질 연료 분사량 제어 시스템 및 이를 이용한 개질 연료의 분사량 제어 방법 - Google Patents
Ｈｃ－ｓｃｒ 반응을 위한 연료 개질 시스템 및 이를 이용한 개질 방법과, ｈｃ－ｓｃｒ 반응을 위한 개질 연료 분사량 제어 시스템 및 이를 이용한 개질 연료의 분사량 제어 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 HC-SCR 반응을 위한 연료 개질 시스템 및 이를 이용한 개질 방법과 HC-SCR 반응을 위한 개질 연료 분사량 제어 시스템 및 이를 이용한 개질 연료의 분사량 제어 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 외부에서 유입된 공기로부터 오존을 발생시키는 오존발생부(10); 개질반응에 사용될 탄화수소 연료를 공급하는 연료공급부(20); 상기 연료공급부(20)로부터 공급된 탄화수소 연료를 상기 오존발생부(10)에서 발생한 오존과 함께 반응시켜 함산소 탄화수소 연료로 개질하는 연료개질부(30); 및 상기 연료개질부(30)의 개질 반응 과정에서 유출되는 기체를 상기 연료개질부(30)로 재유입시키는 재순환부(40);를 포함하는 HC-SCR 반응을 위한 연료 개질 시스템과 이를 이용한 연료 개질 방법, 및 개질 연료 분사량 제어 시스템과 분사량 제어 방법에 대한 것이다.
HC-SCR, 선택적 촉매 반응, 오존, 개질, 분사량
Description
본 발명은 HC-SCR 반응을 위한 연료 개질 시스템 및 이를 이용한 개질 방법과 HC-SCR 반응을 위한 개질 연료 분사량 제어 시스템 및 이를 이용한 개질 연료의 분사량 제어 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 외부에서 유입된 공기로부터 오존을 발생시키는 오존발생부(10); 개질반응에 사용될 탄화수소 연료를 공급하는 연료공급부(20); 상기 연료공급부(20)로부터 공급된 탄화수소 연료를 상기 오존발생부(10)에서 발생한 오존과 함께 반응시켜 함산소 탄화수소 연료로 개질하는 연료개질부(30); 및 상기 연료개질부(30)의 개질 반응 과정에서 유출되는 기체를 상기 연료개질부(30)로 재유입시키는 재순환부(40);를 포함하는 HC-SCR 반응을 위한 연료 개질 시스템과 이를 이용한 연료 개질 방법, 및 개질 연료 분사량 제어 시스템과 분사량 제어 방법에 대한 것이다.
차량에서 배출되는 입자상 물질 및 질소산화물에 대한 규제가 세계적으로 강화되면서 이에 대응하기 위한 다양한 기술들이 개발되고 있다. 차량에서 배출되는 유해 물질을 저감하는 기술은 크게 선처리 기술과 후처리 기술로 나눌 수 있는데, 선처리 기술은 엔진 연소 과정에서 입자상 물질과 질소 산화물의 생성을 억제하는 기술을 일컫는다. 예를 들어 EGR(exhaust gas recirculation) 기술은 배기를 다시 연소실로 공급하여 연소 최고 온도를 낮춤으로써 질소 산화물의 생성을 억제한다.
이에 반해, 후처리 기술은 엔진에서 배출되는 입자상 물질과 질소 산화물을 DPF, DOC, SCR과 같은 필터나 촉매 등을 이용해서 저감하는 기술로서, 현재 각국에서 시행 중인 강력한 차량 배출 가스 규제를 만족하기 위해서는 도 1의 EGR-DOC-DPF-SCR 시스템과 같이 상기 선처리 기술과 후처리 기술들을 적절히 조합하여야 한다.
특히, 가솔린 차량의 경우에는 이론공연 비(Stoichiometric Ratio) 조건에서 운전되기 때문에 삼원촉매를 이용하여 배기 가스를 적절히 저감할 수 있으나, 디젤이나 희박 연소 엔진의 경우, 연소 시 이론공연 비보다 많은 과량의 산소가 존재하여 가솔린 엔진에 비해 질소 산화물이 다량 생성되며 확산 연소에 따른 입자상 물질 또한 과량 생성된다.
입자상 물질의 경우에는 연료 분사 압력을 높이고 DPF(diesel particulate filter), DOC(Disel Oxidation Catalyst) 등을 장착하면서 획기적으로 저감할 수 있기 때문에, 질소산화물 저감을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, EGR(Exhaust Gas Recirculation)은 선처리 기술 중 하나로써 배기가스 중 일부를 연소실로 재공급하여 연소 후 최고 온도를 낮춤으로써 질소 산화물의 생성을 효과적으로 억제할 수 있다.
그러나, 상기 EGR 기술만으로는 EUR O4 이하의 규제에는 효과적인 대응이 가능하나 EUR O5/6 규제를 만족할 수 없다. 따라서 후처리 기술로써 디젤 질소산화물 저감 촉매 시스템이 활발히 연구되고 있으며, 현재 요소(Urea)를 환원제로 이용하는 SCR, 흡장형 촉매 등의 적용이 고려되고 있다.
Urea-SCR를 이용한 질소산화물 저감기술은 도 2에 도시된 바와 같이, i) 엔진으로부터 나오는 배출가스에 요소를 분사시켜 상기 요소 성분을 암모니아로 가수 분해시키고, ii) 연료 내의 질소산화물은 상기 암모니아 성분과 SCR(Selective Catalytic Reduction) 반응을 하여 질소와 수증기로 환원되며, iii) 배출가스 내에 남은 암모니아 성분들은 산소와 산화반응을 통해 최종적으로 질소와 수증기로 변환된다.
그러나, 상기와 같은 Urea-SCR를 이용한 질소산화물 저감기술은, 요소를 저장하기 위한 탱크를 차량에 장착해야 함으로써 시스템이 복잡하고 소형 승용 디젤 차량에 적용하기 힘들다. 또한 요소를 충전하기 위한 사회적 인프라를 구축하는데 드는 비용 또한 막대하다.
그외에, 흡장형 촉매(LNT, Lean NOx Trap)는 NOx를 흡수하였다가 연료를 일부러 농후하게 공급하여 배기의 hydrocarbon 농도를 높인 후 환원시키는 방법으로서, 촉매에 저장된 질소산화물을 질소로 환원시키기 위해 주기적인 희박/농후 조절 과정이 요구됨으로써 비용의 증가와 함께 차량 시스템을 복잡하게 만드는 원인이 되고 있다.
반면 연료를 환원제로 이용하는 HC-SCR의 경우 추가적인 부품의 요구가 없어 그 잠재적 가치가 높이 평가되고 있으나, 질소산화물 저감성능이 만족스럽지 못해 현실적인 디젤 엔진의 질소산화물 저감 시스템으로 대두되지 못하고 있는 실정이다.
그러나 배기 가스 중에 함산소 탄화수소나 수소가 존재할 경우 그 성능이 매우 개선되는 것으로 알려져 있어서, 차량에서 함산소 탄화수소를 생성하여 HC-SCR에 환원제로 공급할 수 있다면 HC-SCR의 성능이 매우 개선될 것으로 예상된다.
따라서, 본 발명자는 HC-SCR의 질소산화물 저감 효율을 개선시키기 위하여, 환원제로써 일정한 농도의 함산소 탄화수소를 생성하는 연료 개질 시스템과, 엔진 운전 조건에 따라 연료 개질 시스템에 의하여 개질된 함산소 탄화수소 분사량을 제어할 수 있는 분사량 제어 시스템을 개발하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 HC-SCR의 질소산화물 저감 효율을 개선시키기 위하여, 환원제로써 일정한 농도의 함산소 탄화수소를 생성하는 연료 개질 시스템 및 개질 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 엔진 운전 조건에 따라 연료 개질 시스템에 의하여 개질된 함산소 탄화수소의 분사량을 제어할 수 있는 분사량 제어 시스템 및 제어 방법을 제공하는 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명의 목적은, 외부에서 유입된 공기로부터 오존을 발생시키는 오존발생부(10); 개질반응에 사용될 탄화수소 연료를 공급하는 연료공급부(20); 상기 연료공급부(20)로부터 공급된 탄화수소 연료를 상기 오존발생부(10)에서 발생한 오존과 함께 반응시켜 함산소 탄화수소 연료로 개질하는 연료개질부(30); 및 상기 연료개질부(30)의 개질 반응 과정에서 유출되는 기체를 상기 연료개질부(30)로 재유입시키는 재순환부(40);를 포함하는 HC-SCR 반응을 위한 연료 개질 시스템을 제공함으로써 달성된다.
또한, 본 발명의 목적은 i) 외부에서 유입된 공기로부터 오존을 발생시키는 제1단계; ii) 상기 제1단계에서 발생된 오존을 반응기 내에 채워진 탄화수소 연료와 반응시켜 함산소 탄화수소 연료로 개질하는 제2단계; 및 iii) 상기 제2단계의 개질 반응 과정에서 유출되는 기체를 탄화수소 연료가 채워진 상기 반응기 내로 재유입시키는 제3단계;를 포함하는 HC-SCR 반응을 위한 연료 개질 방법을 제공함으로써 달성된다.
여기서, 상기 오존발생부(10)는 DBD(Dielectric Barrier Discharge) 플라즈마 발생기(11)인 것이 바람직하며, 상기 연료개질부(30)는 탄화수소연료가 채워진 버블러(bubbler)(31) 내부로 오존을 통과시켜 탄화수소 연료에 산소를 공급하는 것 이 바람직하다.
또한, 탄화수소 연료와 오존의 반응 효율을 증가시키기 위하여 상기 버블러(31) 내부에 서브스트레이트(substrate) 또는 유리 구슬(glass bead)들(32)이 형성되는 것이 바람직하며, 상기 버블러(31) 내부에 일정한 크기의 버블 미립자를 생성하기 위한 버블 미립자 생성 장치(33)가 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 목적은 외부에서 유입된 공기로부터 오존을 발생시키는 오존발생부(10), 개질반응에 사용될 탄화수소 연료를 공급하는 연료공급부(20), 및 상기 연료공급부로부터 공급된 탄화수소 연료를 상기 오존발생부에서 발생한 오존과 함께 반응시켜 함산소 탄화수소 연료로 개질하는 연료개질부(30)로 구성된 연료 개질 시스템을 이용한 HC-SCR의 함산소 탄화수소 분사량 제어 시스템에 있어서, 오존 발생 농도와 함산소 탄화수소 농도를 일정하게 유지하기 위하여, 상기 오존발생부(10) 내로 유입되는 공기량, 및 연료 개질을 위하여 상기 오존발생부(10)에서 상기 연료개질부(30)로 유입되는 오존의 공급시간을 제어하는 연료개질 제어부(100); 상기 제어부(100)로부터 입력된 정보에 따라, 외부로부터 유입된 공기로부터 오존을 발생시키고, 발생된 오존을 탄화수소 연료와 반응시켜 함산소 탄화수소 연료로 개질시키는 개질부(200); 배기 가스 내 질소산화물의 질량에 따라 HC-SCR 반응을 위한 탄소/질소 비(C/N ratio)를 결정하고, 상기 결정된 탄소/질소 비(C/N ratio)에 따라 함산소 탄화수소 개질 연료의 분사량을 제어하는 분사량 제어부(300); 및 상기 분사량 제어부(300)로부터 입력된 정보에 따라, 상기 연료 개질부(200)에서 개질된 함산소 탄화수소 연료를 HC-SCR 반응기에 공급하는 연료 분사부(400);를 포 함하는 HC-SCR 반응을 위한 개질 연료 분사량 제어 시스템을 제공함으로써 달성된다.
또한, 본 발명의 목적은 외부에서 유입된 공기로부터 오존을 발생시키는 오존발생부(10), 개질반응에 사용될 탄화수소 연료를 공급하는 연료공급부(20), 및 상기 연료공급부로부터 공급된 탄화수소 연료를 상기 오존발생부에서 발생한 오존과 함께 반응시켜 함산소 탄화수소 연료로 개질하는 연료개질부(30)로 구성된 연료 개질 시스템을 이용한 HC-SCR의 함산소 탄화수소 분사량 제어 방법에 있어서, i) 오존 발생 농도와 함산소 탄화수소 농도를 일정하게 유지하기 위하여, 상기 오존발생부(10) 내로 유입되는 공기량 정보, 및 상기 오존발생부(10)에서 상기 연료개질부(30)로 유입되는 오존의 공급시간을 결정하고, 상기 공기량 및 공급시간 정보를 상기 오존발생부(10)에 입력하는 제1단계; ii) 상기 제1단계에서 입력된 정보에 따라, 외부로부터 유입된 공기로부터 오존을 발생시키고, 발생된 오존을 탄화수소 연료와 반응시켜 함산소 탄화수소 연료로 개질하는 제2단계; iii) 배기가스 내 질소산화물의 질량에 따라 HC-SCR 반응을 위한 탄소/질소 비(C/N ratio)를 결정하고, 상기 탄소/질소 비(C/N ratio)에 따라 상기 제2단계에서 개질된 연료의 분사량를 결정하는 제3단계; iv) 상기 제3단계에서 결정된 분사량에 따라, 함산소 탄화수소 개질연료를 HC-SCR 반응기에 분사하는 제4단계;를 포함하는 HC-SCR 반응을 위한 개질 연료 분사량 제어 방법을 제공함으로써 달성된다.
여기서, 상기 공기 유입량 및 오존 공급시간 결정은 상기 오존발생부(10)로의 공기유입량, 공기유입량에 따른 상기 오존발생부(10)의 오존발생 농도, 상기 연 료개질부(30)로의 오존공급시간, 및 이에 따른 함산소 탄화수소 개질 연료의 농도에 대한 데이터들을 통하여 구축된 개질 생성물 지도(reforming product map)를 통하여 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 배기 가스 내 질소산화물의 질량 데이터는 ECU(Engine Control Unit)으로부터 얻어지는 질소산화물의 농도 및 엔진 배기 후단의 총 유량을 통해 결정되는 것이 바람직하다.
본 발명의 HC-SCR 반응을 위한 연료 개질 시스템 및 이를 이용한 개질 방법을 통해서, 환원제로써 일정한 농도의 함산소 탄화수소 개질 연료를 생성하여 HC-SCR의 질소산화물 저감 효율을 개선시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 HC-SCR 반응을 위한 개질 연료 분사량 제어 시스템 및 이를 이용한 개질 연료의 분사량 제어 방법을 통하여, 엔진 운전 조건에 따라 함산소 탄화수소 개질연료의 분사량을 효율적으로 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 HC-SCR 반응을 위한 연료 개질 시스템 및 이를 이용한 개질 방법과, HC-SCR 반응을 위한 개질 연료 분사량 제어 시스템 및 이를 이용한 개질 연료의 분사량 제어 방법을 다음의 도면을 참조하여 이하 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 EGR-DOC-DPF-SCR 시스템을 이용한 배기가스 정화 장치를 보여주는 개 략도이며, 도 2는 Urea-SCR를 이용한 질소산화물 저감장치를 보여주는 개략도이다. 또한, 도 3은 본 발명의 HC-SCR 반응을 위한 연료 개질 시스템의 구성도이고, 도 4는 도 3은 본 발명의 HC-SCR 반응을 위한 연료 개질 시스템에 사용되는 버블러의 개념도이다. 한편, 도 5는 본 발명의 HC-SCR 반응을 위한 개질 연료 분사량 제어 시스템의 구성도이고, 도 6은 본 발명의 연료 개질 시스템을 이용한 개질 연료 분사량 제어 시스템의 논리 구조를 보여주는 흐름도이다.
본 발명의 HC-SCR 반응을 위한 연료 개질 시스템은 도 3에서 도시된 바와 같이, 외부에서 유입된 공기로부터 오존을 발생시키는 오존발생부(10); 개질반응에 사용될 탄화수소 연료를 공급하는 연료공급부(20); 상기 연료공급부(20)로부터 공급된 탄화수소 연료를 상기 오존발생부(10)에서 발생한 오존과 함께 반응시켜 함산소 탄화수소 연료로 개질하는 연료개질부(30); 및 상기 연료개질부(30)의 개질 반응 과정에서 유출되는 기체를 상기 연료개질부(30)로 재유입시키는 재순환부(40);를 포함하는 구성을 가진다.
상기 연료 개질 시스템은 크게 오존을 생성하는 오존을 생성하는 부분과 연료를 개질 하는 부분으로 이루어지며, 상기 오존발생부(10)는 오존을 생성하기 위해 DBD(Dielectric Barrier Discharge) 플라즈마 발생기(11)를 이용하는 것이 바람직하다.
DBD 플라즈마, 즉 유전체 장벽 플라즈마는 오존 생성에 매우 유리한 기술로써 현재 다양한 형태의 전극형상 및 관 형상의 오존 발생장치가 개발되어있다. 유 전체 장벽은 대기압에서 아주 큰 비-평형 조건에서 동작하고, 고 출력 방전을 할 수 있으며 복잡한 펄스 전력 공급기가 없어도 되기 때문에 다양한 응용이 가능하다.
오존 발생기에 공기를 공급하여 생성시킨 고농도의 오존은 상기 연료개질부(30)로 이동되는데, 상기 연료개질부(30)는 연료공급펌프(21)와 연료탱크(22)로 이루어진 연료공급부(20)로부터 탄화수소연료를 공급받아 상기 오존과 반응시키게 된다.
이때, 상기 연료개질부(30)의 개질반응은 도 4에 도시된 바와 같이, 탄화수소 연료가 채워진 버블러(bubbler)(31) 내부로 오존을 통과시켜 탄화수소 연료에 산소를 공급하는 버블링 반응을 통하여 이루어지는 것이 바람직하다. 즉, 연료가 저장되어있는 버블러를 통과하면서 연료에 산소원자를 공급함으로써 탄소와 수소만으로 이루어진 경유를 탄소와 수소 그리고 산소로 이루어진 함산소탄화수소로 개질하게 되는 것이다.
버블러(31) 내부에는 오존이 연료와 충돌하는 횟수를 증가시켜 개질 효율을 극대화 하기 위하여, 서브스트레이트(Substrate) 또는 유리 구슬(glass bead)(32)로 채워져 있는 것이 바람직하다. 버블러로 유입된 연료는 상기 서브스트레이트 또는 유리 구슬에 의해 강제로 이동 경로가 연장되고 이로 인해 오존 분자와 연료 분자 간의 충돌횟수가 증가하게 됨으로써 연료 개질 시스템의 전체 효율을 향상시킨다. 또한, 상기 버블러(31) 내부에는 유리 필터(glass filter) 등을 이용하여 일정한 크기의 버블 미립자를 생성하는 버블 미립자 생성 장치(33)가 형성되는 것 이 바람직하다.
버블링 후 개질 반응 과정에서 유출되는 기체는 재순환부(40)를 통하여 재순환시켜 버블러에 공급함으로써 오존의 변환율을 극대화할 수 있다. 한편, 개질된 연료는 인젝터 펌프를 통하여 승압한 후 인젝터에 공급함으로써 HC-SCR에 환원제로써 공급한다. 이때, HC-SCR에 공급됨으로써 소비된 연료는 연료 탱크로부터 버블러로 공급한다. 이를 통해 버블러 내에 연료의 양은 일정 범위에서 유지된다.
한편, 상기 본 발명에 따른 HC-SCR 반응을 위한 연료 개질 시스템을 이용한 개질 방법은 i) 외부에서 유입된 공기로부터 오존을 발생시키는 제1단계; ii) 상기 제1단계에서 발생된 오존을 반응기 내에 채워진 탄화수소 연료와 반응시켜 함산소 탄화수소 연료로 개질하는 제2단계; 및 iii) 상기 제2단계의 개질 반응 과정에서 유출되는 기체를 탄화수소 연료가 채워진 상기 반응기 내로 재유입시키는 제3단계;를 포함한다.
이때, 상기 제1단계의 오존 발생은 상기 개질 시스템과 마찬가지로 DBD(Dielectric Barrier Discharge) 플라즈마 발생기(11)를 통하여 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 제2단계의 개질 반응 또한 탄화수소 연료가 채워진 버블러(bubbler)(31) 내부로 상기 제1단계에서 발생시킨 오존 기체를 통과시켜 탄화수소 연료에 산소를 공급하여 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 버블러(31) 내부에 서브스트레이트(substrate) 또는 유리 구슬(glass bead)들(32)이 형성되고, 상기 버블러(31) 내부에는 유리 필터(glass filter) 등을 이용하여 일정한 크기의 버블 미립자를 생성하는 버블 미립자 생성 장치(33)가 형 성될 수 있다.
한편, 상기 연료 개질 시스템을 이용한 본 발명의 HC-SCR 반응을 위한 개질 연료 분사량 제어 시스템은, 도 6에 도시된 바와 같이, 오존 발생 농도와 함산소 탄화수소 농도를 일정하게 유지하기 위하여, 상기 오존발생부(10) 내로 유입되는 공기량, 및 연료 개질을 위하여 상기 오존발생부(10)에서 상기 연료개질부(30)로 유입되는 오존의 공급시간을 제어하는 연료개질 제어부(100); 상기 제어부(100)로부터 입력된 정보에 따라, 외부로부터 유입된 공기로부터 오존을 발생시키고, 발생된 오존을 탄화수소 연료와 반응시켜 함산소 탄화수소 연료로 개질시키는 개질부(200); 배기 가스 내 질소산화물의 질량에 따라 HC-SCR 반응을 위한 탄소/질소 비(C/N ratio)를 결정하고, 상기 결정된 탄소/질소 비(C/N ratio)에 따라 함산소 탄화수소 개질 연료의 분사량을 제어하는 분사량 제어부(300); 및 상기 분사량 제어부(300)로부터 입력된 정보에 따라, 상기 연료 개질부(200)에서 개질된 함산소 탄화수소 연료를 HC-SCR 반응기에 공급하는 연료 분사부(400)를 포함한다.
엔진에서 배출되는 질소산화물의 양은 엔진의 운전 조건별에 따라 변한다. 따라서 엔진 운전 조건에 최적화된 환원제(함산소탄화수소가 포함된 개질 연료)의 양을 정확하게 제어해야만 최적의 질소산화물 저감 환경을 만들 수 있다.
시스템을 간단하게 하기 위하여, 연료 개질기 내에 존재하는 함산소탄화수소의 농도를 직접 계측하지 않고도 개질 연료의 농도를 유지하여야 하기 때문에, 오존 발생장치에 공급되는 공기의 양을 통해 오존의 발생 농도를 제어하고 총 오존 공급 시간(연료 개질 시간)을 결정할 필요가 있다.
즉, 연료를 오존을 이용하여 개질할 경우, 오존의 농도, 개질 시간에 따라 생성되는 함산소 탄화수소의 농도가 결정되므로 항상 일정한 농도의 함산소탄화수소를 유지하기 위해서는 오존 농도, 공기 양, 개질 시간에 따른 개질 생성물 지도(reforming product map)를 구축해야 한다.
따라서, 본 발명의 분사량 제어 시스템에서 상기 연료개질 제어부(100)는 공기 유입량 및 오존 공급시간을 적절히 제어하기 위해서는, 오존발생부(10)로의 공기유입량, 공기유입량에 따른 오존발생부(10)의 오존발생 농도, 연료개질부(30)로의 오존공급시간 및 이에 따른 함산소 탄화수소 개질 연료의 농도에 대한 데이터들을 통하여 개질 생성물 지도(reforming product map)를 미리 구축해 놓고, 상기 구축된 개질 생성물 지도를 통하여 공기 유입량 및 오존 공급시간을 결정하고, 상기 정보를 오존발생부(10)에 입력하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 연료개질 제어부(100)를 통해 결정되고 제어된 오존 농도 및 오존 공급 시간(연료개질시간)에 따라, 오존발생부(10)에서 DBD(Dielectric Barrier Discharge) 플라즈마 발생기(11) 등의 오존발생장치를 이용하여 오존을 생성하고 연료개질부(30)에 일정시간 동안 오존을 공급하면, 연료개질부(30)에서는 연료공급부(20)에서 공급받은 탄화수소 연료를 버블러(31) 등의 개질장치를 이용하여 개질하게 된다.
한편, 엔진 운전 조건에 따라 생성되는 질소산화물의 농도가 변하므로 질소산화물 농도 데이터를 ECU(Engine Control Unit)로부터 획득하여 분사량 제어 부(300)에서 개질연료 분사량을 제어할 필요가 있다.
상기 분사량 제어부(300)에서 사용되는 배기 가스 내 질소산화물의 질량 데이터는 ECU(Engine Control Unit)으로부터 얻어지는 질소산화물의 농도 및 엔진 배기 후단의 총 유량을 통해 결정되는 것이 바람직하다. 상기 ECU로부터 얻어지는 질소산화물 질량에 따라 HC-SCR 반응을 위한 최적의 탄소/질소 비 (C/N ratio)를 결정하게 되고, 상기 결정된 탄소/질소 비(C/N ratio)에 맞춰 연료 분사량을 결정하게 된다. 이렇게 상기 분사량 제어부(300)에서 연료 분사량을 최적화해야만 HC-SCR의 질소산화물 저감 성능을 최대화할 수 있다.
상기 분사량 제어부(300)로부터 입력된 정보에 따라, 상기 연료 분사부(400)에서는 인젝터를 이용하여 개질된 연료를 최종적으로 HC-SCR에 공급하게 된다.
한편, 상기 개질 연료 분사량 제어 시스템을 이용한 개질 연료 분사량 제어 방법은, i) 오존 발생 농도와 함산소 탄화수소 농도를 일정하게 유지하기 위하여, 상기 오존발생부(10) 내로 유입되는 공기량 정보, 및 상기 오존발생부(10)에서 상기 연료개질부(30)로 유입되는 오존의 공급시간을 결정하고, 상기 공기량 및 공급시간 정보를 상기 오존발생부(10)에 입력하는 제1단계; ii) 상기 제1단계에서 입력된 정보에 따라, 외부로부터 유입된 공기로부터 오존을 발생시키고, 발생된 오존을 탄화수소 연료와 반응시켜 함산소 탄화수소 연료로 개질하는 제2단계; iii) 배기가스 내 질소산화물의 질량에 따라 HC-SCR 반응을 위한 탄소/질소 비(C/N ratio)를 결정하고, 상기 탄소/질소 비(C/N ratio)에 따라 상기 제2단계에서 개질된 연료의 분사량를 결정하는 제3단계; iv) 상기 제3단계에서 결정된 분사량에 따라, 함산소 탄화수소 개질연료를 HC-SCR 반응기에 분사하는 제4단계;를 포함하는 구성을 가진다.
이때, 상기 분사량 제어 시스템에서 살펴본 바와 같이, 상기 제1단계의 공기 유입량 및 오존 공급시간은, 오존발생부(10)로의 공기유입량, 공기유입량에 따른 오존발생부(10)의 오존발생 농도, 연료개질부(30)로의 오존공급시간 및 이에 따른 함산소 탄화수소 개질 연료의 농도에 대한 데이터들을 통하여 미리 구축되어진 개질 생성물 지도(reforming product map)를 기반으로 하여 결정되는 것이 바람직하다.
상기 제2단계에서는, 상기제1단계에서 결정되고 입력된 오존 농도 및 오존 공급 시간(연료개질시간)에 따라, DBD 플라즈마 발생기(11) 등의 오존발생장치를 이용하여 오존을 생성하고 연료개질부(30)에 일정시간 동안 오존을 공급하게 되며, 연료개질부(30)에서는 연료공급부(20)에서 공급받은 탄화수소 연료를 버블러(31) 등의 개질장치를 이용하여 개질하게 된다.
또한, 상기 제3단계의 배기가스 내 질소산화물 질량 데이터는 ECU(Engine Control Unit)으로부터 얻어지는 질소산화물의 농도 및 엔진 배기 후단의 총 유량을 통해 결정되는 것이 바람직하며, 상기 ECU로부터 얻어지는 질소산화물 질량에 따라 HC-SCR 반응을 위한 최적의 탄소/질소 비 (C/N ratio)를 결정하게 되고, 상기 결정된 탄소/질소 비(C/N ratio)에 맞춰 연료 분사량을 결정하게 된다.
최종적으로, 상기 제3단계에서 결정된 연료 분사량에 따라 제4단계에서 인젝터 등을 이용하여 개질된 연료를 최종적으로 HC-SCR에 공급하게 된다.
도 6은 본 발명의 본 발명의 개질 연료 분사량 제어 시스템 및 방법을 이용한 논리 구조를 보여주는 흐름도이며, 도면에 도시된 바와 같이, 상기한 시스템 및 방법을 통하여 개질 연료의 분사량을 최적화하여 HC-SCR의 질소산화물 저감 성능을 최대화할 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
도 1은 EGR-DOC-DPF-SCR 시스템을 이용한 배기가스 정화 장치를 보여주는 개략도이다.
도 2는 Urea-SCR를 이용한 질소산화물 저감장치를 보여주는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 HC-SCR 반응을 위한 연료 개질 시스템의 구성도이다.
도 4는 도 3은 본 발명의 HC-SCR 반응을 위한 연료 개질 시스템에 사용되는 버블러의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 HC-SCR 반응을 위한 개질 연료 분사량 제어 시스템의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 연료 개질 시스템을 이용한 개질 연료 분사량 제어 시스템의 논리 구조를 보여주는 흐름도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 오존발생부 11 : DBD 플라즈마 발생기
20 : 연료공급부 21 : 연료공급펌프
22 : 연료탱크 30 : 연료개질부
31 : 버블러 32 : 유리 구슬
33 : 버블 미립자 생성 장치 40 : 재순환부
100 : 연료개질 제어부 200 : 개질부
300 : 분사량 제어부 400 : 연료 분사부
Claims (24)
- 외부에서 유입된 공기로부터 오존을 발생시키는 오존발생부(10); 개질반응에 사용될 탄화수소 연료를 공급하는 연료공급부(20); 상기 연료공급부(20)로부터 공급된 탄화수소 연료를 상기 오존발생부(10)에서 발생한 오존과 함께 반응시켜 함산소 탄화수소 연료로 개질하는 연료개질부(30); 및 상기 연료개질부(30)의 개질 반응 과정에서 유출되는 기체를 상기 연료개질부(30)로 재유입시키는 재순환부(40);를 포함하는 HC-SCR 반응을 위한 연료 개질 시스템.
- 청구항 제1항에 있어서, 상기 오존발생부(10)가 DBD(Dielectric Barrier Discharge) 플라즈마 발생기(11)를 이용하여 오존을 발생시키는 것을 특징으로 하는 HC-SCR 반응을 위한 연료 개질 시스템.
- 청구항 제1항에 있어서, 상기 연료개질부(30)가 탄화수소연료가 채워진 버블러(bubbler)(31) 내부로 오존을 통과시켜 탄화수소 연료에 산소를 공급하는 것을 특징으로 하는 HC-SCR 반응을 위한 연료 개질 시스템.
- 청구항 제3항에 있어서, 탄화수소 연료와 오존의 반응 효율을 증가시키기 위하여 상기 버블러(31) 내부에 서브스트레이트(substrate) 또는 유리 구슬(glass bead)들(32)이 형성되는 것을 특징으로 하는 HC-SCR 반응을 위한 연료 개질 시스템.
- 청구항 제3항에 있어서, 상기 버블러(31) 내부에 일정한 크기의 버블 미립자를 생성하기 위한 버블 미립자 생성 장치(33)가 형성되는 것을 특징으로 하는 HC-SCR 반응을 위한 연료 개질 시스템.
- i) 외부에서 유입된 공기로부터 오존을 발생시키는 제1단계;ii) 상기 제1단계에서 발생된 오존을 반응기 내에 채워진 탄화수소 연료와 반응시켜 함산소 탄화수소 연료로 개질하는 제2단계; 및iii) 상기 제2단계의 개질 반응 과정에서 유출되는 기체를 탄화수소 연료가 채워진 상기 반응기 내로 재유입시키는 제3단계;를 포함하는 HC-SCR 반응을 위한 연료 개질 방법.
- 청구항 제6항에 있어서, 상기 제1단계의 오존 발생이 DBD(Dielectric Barrier Discharge) 플라즈마 발생기(11)를 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 HC-SCR 반응을 위한 연료 개질 방법.
- 청구항 제6항에 있어서, 상기 제2단계의 개질 반응이 탄화수소 연료가 채워진 버블러(bubbler)(31) 내부로 상기 제1단계에서 발생시킨 오존 기체를 통과시켜 탄화수소 연료에 산소를 공급하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 HC-SCR 반응을 위한 연료 개질 방법.
- 청구항 제8항에 있어서, 상기 제2단계의 개질 반응이 일어나는 버블러(31) 내부에 서브스트레이트(substrate) 또는 유리 구슬(glass bead)들(32)이 형성되는 것을 특징으로 하는 HC-SCR 반응을 위한 연료 개질 방법.
- 청구항 제8항에 있어서, 상기 제2단계의 개질 반응이 일어나는 버블러(31) 내부에 일정한 크기의 버블 미립자를 생성하기 위한 버블 미립자 생성 장치(33)가 형성되는 것을 특징으로 하는 HC-SCR 반응을 위한 연료 개질 방법.
- 외부에서 유입된 공기로부터 오존을 발생시키는 오존발생부(10), 개질반응에 사용될 탄화수소 연료를 공급하는 연료공급부(20), 및 상기 연료공급부로부터 공급된 탄화수소 연료를 상기 오존발생부에서 발생한 오존과 함께 반응시켜 함산소 탄화수소 연료로 개질하는 연료개질부(30)로 구성된 연료 개질 시스템을 이용한 HC-SCR의 함산소 탄화수소 분사량 제어 시스템에 있어서,오존 발생 농도와 함산소 탄화수소 농도를 일정하게 유지하기 위하여, 상기 오존발생부(10) 내로 유입되는 공기량, 및 연료 개질을 위하여 상기 오존발생부(10)에서 상기 연료개질부(30)로 유입되는 오존의 공급시간을 제어하는 연료개질 제어부(100);상기 제어부(100)로부터 입력된 정보에 따라, 외부로부터 유입된 공기로부터 오존을 발생시키고, 발생된 오존을 탄화수소 연료와 반응시켜 함산소 탄화수소 연료로 개질시키는 개질부(200);배기 가스 내 질소산화물의 질량에 따라 HC-SCR 반응을 위한 탄소/질소 비(C/N ratio)를 결정하고, 상기 결정된 탄소/질소 비(C/N ratio)에 따라 함산소 탄화수소 개질 연료의 분사량을 제어하는 분사량 제어부(300); 및상기 분사량 제어부(300)로부터 입력된 정보에 따라, 상기 연료 개질부(200)에서 개질된 함산소 탄화수소 연료를 HC-SCR 반응기에 공급하는 연료 분사부(400);를 포함하는 HC-SCR 반응을 위한 개질 연료 분사량 제어 시스템.
- 청구항 제11항에 있어서, 상기 연료개질 제어부(100)의 공기 유입량 및 오존 공급시간 제어가, 상기 오존발생부(10)로의 공기유입량, 공기유입량에 따른 상기 오존발생부(10)의 오존발생 농도, 상기 연료개질부(30)로의 오존공급시간 및 이에 따른 함산소 탄화수소 개질 연료의 농도에 대한 데이터들을 통하여 구축된 개질 생성물 지도(reforming product map)를 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 HC-SCR 반응을 위한 개질 연료 분사량 제어 시스템.
- 청구항 제11항에 있어서, 상기 분사량 제어부(300)에서 사용되는 배기 가스 내 질소산화물의 질량 데이터가 ECU(Engine Control Unit)으로부터 얻어지는 질소산화물의 농도 및 엔진 배기 후단의 총 유량을 통해 결정되는 것을 특징으로 하는 HC-SCR 반응을 위한 개질 연료 분사량 제어 시스템.
- 청구항 제11항에 있어서, 상기 개질부(200)가 DBD(Dielectric Barrier Discharge) 플라즈마 발생기(11)를 이용하여 오존을 발생시키는 것을 특징으로 하는 HC-SCR 반응을 위한 개질 연료 분사량 제어 시스템.
- 청구항 제11항에 있어서, 상기 개질부(200)가 탄화수소연료가 채워진 버블 러(bubbler)(31) 내부로 오존을 통과시켜 탄화수소 연료를 함산소 탄화수소 연료로 개질하는 것을 특징으로 하는 HC-SCR 반응을 위한 개질 연료 분사량 제어 시스템.
- 청구항 제15항에 있어서, 탄화수소 연료와 오존의 반응 효율을 증가시키기 위하여 상기 버블러(31) 내부에 서브스트레이트(substrate) 또는 유리 구슬(glass bead)들(32)이 형성되는 것을 특징으로 하는 HC-SCR 반응을 위한 개질 연료 분사량 제어 시스템.
- 청구항 제15항에 있어서, 상기 버블러(31) 내부에 일정한 크기의 버블 미립자를 생성하기 위한 버블 미립자 생성 장치(glass filter)(33)가 형성되는 것을 특징으로 하는 HC-SCR 반응을 위한 개질 연료 분사량 제어 시스템.
- 외부에서 유입된 공기로부터 오존을 발생시키는 오존발생부(10), 개질반응에 사용될 탄화수소 연료를 공급하는 연료공급부(20), 및 상기 연료공급부로부터 공급된 탄화수소 연료를 상기 오존발생부에서 발생한 오존과 함께 반응시켜 함산소 탄화수소 연료로 개질하는 연료개질부(30)로 구성된 연료 개질 시스템을 이용한 HC-SCR의 함산소 탄화수소 분사량 제어 방법에 있어서,i) 오존 발생 농도와 함산소 탄화수소 농도를 일정하게 유지하기 위하여, 상기 오존발생부(10) 내로 유입되는 공기량 정보, 및 상기 오존발생부(10)에서 상기 연료개질부(30)로 유입되는 오존의 공급시간을 결정하고, 상기 공기량 및 공급시간 정보를 상기 오존발생부(10)에 입력하는 제1단계;ii) 상기 제1단계에서 입력된 정보에 따라, 외부로부터 유입된 공기로부터 오존을 발생시키고, 발생된 오존을 탄화수소 연료와 반응시켜 함산소 탄화수소 연료로 개질하는 제2단계;iii) 배기가스 내 질소산화물의 질량에 따라 HC-SCR 반응을 위한 탄소/질소 비(C/N ratio)를 결정하고, 상기 탄소/질소 비(C/N ratio)에 따라 상기 제2단계에서 개질된 연료의 분사량를 결정하는 제3단계;iv) 상기 제3단계에서 결정된 분사량에 따라, 함산소 탄화수소 개질연료를 HC-SCR 반응기에 분사하는 제4단계;를 포함하는 HC-SCR 반응을 위한 개질 연료 분사량 제어 방법.
- 청구항 제18항에 있어서, 상기 제1단계의 공기 유입량 및 오존 공급시간 결정이, 상기 오존발생부(10)로의 공기유입량, 공기유입량에 따른 상기 오존발생부(10)의 오존발생 농도, 상기 연료개질부(30)로의 오존공급시간, 및 이에 따른 함산소 탄화수소 개질 연료의 농도에 대한 데이터들을 통하여 구축된 개질 생성물 지도(reforming product map)를 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 HC-SCR 반응 을 위한 개질 연료 분사량 제어 방법.
- 청구항 제18항에 있어서, 상기 제3단계의 배기 가스 내 질소산화물의 질량 데이터가 ECU(Engine Control Unit)으로부터 얻어지는 질소산화물의 농도 및 엔진 배기 후단의 총 유량을 통해 결정되는 것을 특징으로 하는 HC-SCR 반응을 위한 개질 연료 분사량 제어 방법.
- 청구항 제18항에 있어서, 상기 제2단계의 오존 발생이 DBD(Dielectric Barrier Discharge) 플라즈마 발생기(11)를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 HC-SCR 반응을 위한 개질 연료 분사량 제어 방법.
- 청구항 제18항에 있어서, 상기 제2단계의 연료 개질이 탄화수소연료가 채워진 버블러(bubbler)(21) 내부로 오존을 통과시킴으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 HC-SCR 반응을 위한 개질 연료 분사량 제어 방법.
- 청구항 제22항에 있어서, 탄화수소 연료와 오존의 반응 효율을 증가시키기 위하여 상기 버블러(31) 내부에 서브스트레이트(substrate) 또는 유리 구슬(glass bead)들(32)이 형성되는 것을 특징으로 하는 HC-SCR 반응을 위한 개질 연료 분사량 제어 방법.
- 청구항 제22항에 있어서, 상기 버블러(31) 내부에 일정한 크기의 버블 미립자를 생성하기 위한 버블 미립자 생성 장치(glass filter)(33)가 형성되는 것을 특징으로 하는 HC-SCR 반응을 위한 개질 연료 분사량 제어 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020090099960A KR101036930B1 (ko) | 2009-10-20 | 2009-10-20 | Ｈｃ－ｓｃｒ 반응을 위한 연료 개질 시스템 및 이를 이용한 개질 방법과, ｈｃ－ｓｃｒ 반응을 위한 개질 연료 분사량 제어 시스템 및 이를 이용한 개질 연료의 분사량 제어 방법 |
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