KR101055719B1 - 합성가스를 이용한 질소산화물 저감시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

합성가스를 이용한 질소산화물 저감시스템 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내연기관의 연소실에서 연소되어 배출되는 배출가스 중 합성가스를 이용한 질소산화물 저감시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 경유 등의 연료를 사용하는 디젤엔진을 장착한 수송기계의 엔진 및 차량분야에 적용된다.
이러한 본 발명의 합성가스를 이용한 질소산화물 저감시스템은, 디젤엔진의 연소실에서 연소되어 배출되는 배기가스로부터 NOx 후처리장치와 DPF와 개질기를 이용하여 유해물질을 저감시키는 저감시스템에 있어서, 상기 연소실 내에 연료를 분사시키는 연료분사장치와; 상기 연소실 내에서 연소되어 배출되는 배기가스의 일부를 다시 연소실에 공급하는 배기가스 재순환장치와; 상기 연소실에서 배출되는 배기가스로부터 질소산화물을 제거하는 NOx 후처리장치와; 상기 연소실에서 배출되는 배기가스로부터 입자상 물질(PM)을 제거하는 DPF장치와; 상기 연소실과 NOx 후처리장치에 합성가스를 엔진의 부하에 따라 선택적으로 공급하는 개질기를 포함하도록 이루어진다.
상기 개질기의 합성가스는 엔진이 고부하일 경우 개질기의 합성가스를 NOx 후처리장치에 공급되고, 저부하일 경우 개질기의 합성가스를 연소실에 공급되도록 이루어진다.
NOx 후처리장치, DPF장치, 개질기, 합성가스

Description

합성가스를 이용한 질소산화물 저감시스템 및 그 제어방법{NOx REDUCTION SYSTEM USE OF SYNTHESIS GAS AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 내연기관의 연소실에서 연소되어 배출되는 배출가스 중 합성가스를 이용한 질소산화물 저감시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 경유 등의 연료를 사용하는 디젤엔진을 장착한 수송기계의 엔진 및 차량분야에 적용된다.
최근 강화되고 있는 환경규제에 따라 자동차로부터 배출되는 오염물질 저감은 세계 각국의 자동차 업계의 최대의 주요 연구개발 목표이다. 자동차 배출가스 중 HC, CO 및 매연 등은 연소의 개선 및 후처리 등으로 그 저감 대책이 비교적 용이하나, 질소산화물의 저감기술은 연소와 연비에 미치는 악영향으로 인하여 개발에 어려움을 겪고 있다.
일반적으로 디젤엔진은 공급되는 연료량과 무관하게 압축착화 및 확산연소 기구를 이용하여 연료/공기 혼합기가 희박하여도 연소가 가능하여 연료경제성이 높다.
이러한 디젤엔진은 가솔린 엔진에 비하여 저부하 운전시 효율이 높아 연료경제성이 높고 희박연소가 가능하여 HC(Hydrocarbon), CO 배출이 낮은 장점이 있으나, 확산연소 과정에서 국부적으로 연료가 농후하고 연소온도가 높은 영역에서 입자상 물질(PM, Particulate Matter)과 질소산화물(NOx)의 배출이 많은 문제점이 있다.
특히 종래에 사용되고 있는 직접분사식 디젤엔진에서는 고온의 연소조건에서 질소산화물(NOx)이 다량 발생하고, 상대적으로 연료 농후 지역에서 입자상 물질(PM)이 발생한다.
그러나, 연소실에 연료를 직접 분사하는 직접분사식 디젤엔진의 경우에 커먼레일 연료 공급 분사장치(Common-rail Fuel Injection Equipment)와 전자제어식 연료분사기를 이용하여 고압분사 및 분사시기, 분사량, 분사 횟수, 분사율 등을 제어하고 흡·배기계 및 연소실 설계를 개선하여 연료 미립화 및 연료/공기 혼합, 공기 이용률을 제고함으로써 출력을 향상시키고 저부하 조건을 중심으로 효율을 향상시켜서 PM, NOx 등 공해배출물을 저감할 수 있는 가능성이 있다.
장기적으로 연비를 향상하고 공해배출물을 저감할 수 있는 신연소 기술로서 예혼합 압축착화(HCCI; Homogeneous Charge Compression Ignition) 및 저온 연소(LTC; Low-Temperature Combustion) 기술이 다양하게 제시되어 있으며, 현재에도 계속적으로 개발 중에 있다.
이러한 저온 연소 및 예혼합 압축착화 기술을 개발할 경우 추가로 연비를 개선하고 공해배출물을 저감할 수 있다.
또한, 이를 전기 동력의 도움을 받아 운전영역을 확장할 경우 모든 운전 조건에서 출력과 연비 성능을 향상할 수 있다.
그러나, 상기와 같은 신연소 기술 중 예혼합 압축착화 기술의 경우 운전영역이 제한되고, 디젤 연료의 기화가 잘 일어나지 않는 점 때문에 착화시기의 제어 및 연소의 재현성이 떨어지는 문제점이 있다.
좀더 상세하게 설명하면, 연비를 개선하고 공해배출물을 저감할 수 있는 예혼합 압축착화 연소의 가장 큰 문제점은 모든 영역에서 운전가능하지 않다는 점이다.
즉, 시동 초기나 저부하 영역에서는 예혼한 압축착화 연소가 불가능하고, 고부하 영역인 일부 영역에서만 예혼합 압축착화 운전이 가능하다.
일반적으로 연료 혼합기를 압축 착화시키기 위해서는 고온, 고압의 분위기가 조성되어야 하기 때문에 예혼합기를 예열하는 기술에 대한 연구와 내부 배기가스 재순환(EGR:; Exhaust Gas Recirculation)을 이용하는 기술에 대한 연구가 진행되고 있으며, 또한 압축비를 높이는 방법도 고려되고 있다. 그러나 압축비를 높일 경우, 고출력 운전조건에서 펌핑손실 등의 원인으로 운전영역을 제한받기 때문에 가변 압축비를 갖는 엔진이 아닐 경우 적용하기 어려운 문제가 있다. 더욱이 디젤의 경우 기화가 잘 일어나지 않기 때문에 예혼합기의 형성이 어렵다. 따라서 연소 후 발생하는 고온의 배기가스를 배기 및 흡기 행정 동안 실린더실 내에 가두어 두거나 배기관에서 다시 유입함으로써 배기가스가 같는 에너지를 이용하여 예혼합 압축착화를 쉽게 한다. 그러나 디젤의 경우 배기가스의 온도가 낮고, 배기가스를 가두어 두기 위한 추가적인 구조물의 장착으로 인한 비용 증가 문제가 발생하기 때문에 예혼합 압축착화를 구현하기가 어렵다.
도 1은 예혼합 압축착화 및 저온연소의 개념도로서 당량비와 온도에 따른 배기가스의 상태를 나타낸 것으로 연소실의 온도가 높은 경우 질소산화물(NOx)이 다량발생하고, 당량비가 높을수록 연료가 불완전 연소를 하여 매연(Soot)가 다량발생함을 알 수 있다.
상기 그림에서와 같이 연소실의 연소 상태를 예혼합 압축착화를 구현하여 당량비를 낮추고, 저온연소가 되도록 함으로써 질소산화물과 매연의 발생을 줄일 수 있는 것이다.
본 발명을 상기 문제점을 해결하고자 발명된 것으로, 합성가스를 발생시키는 개질기를 설치하여 합성가스를 이용하여 연소실에서 연소되어 배출되는 배기가스로부터 유해물질을 제거하되, 엔진의 운전영역을 고부하 영역과 저부하 영역으로 구분하고, 엔진이 고부하 영역상태일 경우에 개질기에서 생성된 합성가스를 NOx 후처리장치에 다량으로 공급하여 상기 NOx 후처리장치에 공급된 합성가스가 환원제로 사용되어 연소실에서 배출되는 배기가스 중 질소산화물(NOx)을 처리하도록 하고, 저부하 영역상태일 경우에 개질기에서 생성된 합성가스를 연소실에 다량으로 공급되도록 하여 예혼합 압축착화 연소가 이루어지도록 하는 합성가스를 이용한 질소산화물 저감시스템 및 제어 방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하고자 본 발명인 합성가스를 이용한 질소산화물 저감시스템은, 디젤엔진의 연소실에서 연소되어 배출되는 배기가스로부터 질소산화물을 저감시킬 수 있도록 NOx 후처리장치가 설치되고, 합성가스를 공급하는 개질기가 설치되어 있는 저감시스템에 있어서,
상기 연소실과 NOx 후처리장치에 개질기에서 생성된 혼합가스를 공급하되, 엔진의 부하상태에 따라 연소실과 NOx 후처리장치에 공급되는 합성가스량을 변환하여 공급할 수 있도록 이루어진다.
즉, 합성가스를 이용한 질소산화물 저감시스템은, 디젤엔진의 연소실에서 연소되어 배출되는 배기가스로부터 NOx 후처리장치와 DPF와 개질기를 이용하여 유해물질을 저감시키는 저감시스템에 있어서, 상기 연소실 내에 연료를 분사시키는 연료분사장치와; 상기 연소실 내에서 연소되어 배출되는 배기가스의 일부를 다시 연소실에 공급하는 배기가스 재순환장치(EGR장치)와; 상기 연소실에서 배출되는 배기가스로부터 질소산화물을 제거하는 NOx 후처리장치와; 상기 연소실에서 배출되는 배기가스로부터 입자상 물질(PM)을 제거하는 DPF장치와; 상기 연소실과 NOx 후처리장치에 합성가스를 공급하는 개질기를 포함하되, 상기 개질기에서 형성된 합성가스는 엔진의 부하에 따라 연소실과 NOx 후처리장치에 공급되는 양을 달리하도록 구성된다.
즉, 상기 개질기의 합성가스는 엔진이 고부하일 경우 NOx 후처리장치에 공급되고, 저부하일 경우 연소실에 공급된다.
상기 NOx 후처리장치에 공급되는 합성가스는 환원제로 사용되어 질소산화물을 저감시키고, 연소실에 공급되는 합성가스는 엔진의 출력을 획득하고, 예혼합 압축착화를 구현한다.
상기 개질기에서 발생되는 합성가스는 수소와 일산화탄소가 포함한다.
상기 엔진이 고부하일 경우 연소실에 설치되어 있는 연료분사장치를 통하여 피스톤이 상사점 부분에 위치할 때 연료가 분사되고, 엔진이 저부하일 경우 연소실에 설치되어 있는 연료분사장치를 통하여 피스톤이 하사점 부분에 위치할 때 연료가 분사되도록 하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 이루어진 합성가스를 이용한 질소산화물 저감시스템의 제어방법은, 엔진의 연소시 매연(Soot)의 발생과 질소산화물(NOx)의 발생 없이 연소할 수 있도록 개질기에서 발생된 합성가스를 연소실과 NOx 후처리장치에 공급하되, 엔진의 상태가 고부하일 경우 개질기로부터 공급되는 합성가스는 다량이 NOx 후처리장치에 공급되어 환원제로 사용되도록 NOx 후처리장치에 공급하고, 엔진의 상태가 저부하일 경우 개질기로부터 공급되는 합성가스는 다량이 연소실에 공급한다.
엔진이 저부하일 경우, 개질기의 합성가스를 전부 연소실에 공급하거나, 또는 개질기로부터 형성된 합성가스 중 60~98%가 연소실에 공급하고, 나머지는 NOx 후처리장치에 환원제로 공급할 수도 있다.
상기와 같이 이루어진 본 발명의 합성가스를 이용한 질소산화물 저감시스템은 엔진의 부하상태에 따라 개질기에서 공급되는 합성가스가 선택적으로 NOx 후처리장치와 연소실에 공급되어 연소실에서 배출되는 배기가스 중 질소산화물을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 저부하시 개질기에서 형성된 합성가스를 연소실에 공급함으로써 예혼합 압축착화를 구현할 수 있는 효과가 있다.
첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한 다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
일반적으로 디젤엔진은 가솔린 엔진에 비하여 저부하 운전시 효율이 높아 연료경제성이 높고 희박연소가 가능하여 HC(Hydrocarbon), CO배출이 낮은 장점이 있으나, 확산연소 과정에서 국부적으로 연료가 농후하고 연소온도가 높은 영역에서 PM(Particulate Matter)과 NOx배출이 많은 문제점이 있으며, 또한, 기존의 직접분사식 디젤엔진에서는 고온의 연소조건에서 NOx가 다량 발생하고, 상대적으로 연료 농후 지역에서 PM이 발생하나 예혼합정도를 강화하면서 저온연소 환경을 조성할 경우 공해배출물을 저감할 수 있는 가능성이 있다. 따라서 이를 적절히 조절하여 PM과 NOx를 동시에 저감할 수 있는 운전조건을 구현할 필요가 있다.
도 2는 본 발명에 사용되는 엔진의 합성가스를 이용한 질소산화물 저감시스템의 개략도로써, 크게 연료를 공급받아 연소하여 동력을 발생시키는 연소실(1)과, 엔진을 제어하는 ECU(2)와, 상기 연소실(1)에 연료를 분사공급하는 연료분사장치(3)와, 상기 연소실(1)에 공기를 공급하는 흡기관(4)과, 상기 연소실(2)에서 연소된 배기가스를 배출하는 배기관(5)과, 상기 배기관(5)으로 배출되는 배기가스 중 일부를 연소실에 공급하는 배기가스 재순환장치(6)와, 상기 배기관(5)에 설치되어 질소산화물을 제거하는 NOx 후처리장치(7)와, 입자상 물질(PM)을 제거하는 DPF장치(8)와, 상기 연소실(1)과 NOx 후처리장치(7)에 합성가스를 공급할 수 있도록 설치된 개질기(9)로 구성된다.
상기 ECU(2)는 일반적으로 각종 센서(11)들과 전기적 신호를 받도록 연결되어 상기 센서(11)들로부터 신호를 받아 엔진을 제어하는 것으로, 각종 센서(11)는 보통 NOx 측정센서(11a), 온도센서(11b), 압력차 센서(11c), 공기유량센서(4a), 스로틀밸브(4b)에 설치된 센서 등이 있다.
상기 ECU(2)는 각종 센서(11)들로부터 신호를 받아 엔진이 최적의 상태가 될 수 있도록 후설되는 연료분사장치(3), EGR 밸브(6a), 개질기(9) 등을 제어한다.
상기 연료분사장치(3)는 고압으로 연소실에 연료를 분사하는 장치로 상기 ECU(2)에 의하여 제어되어 분사량 및 분사시기가 조절된다.
상기 흡기관(4)은 에어필터로 정화된 공기를 연소실에 공급하는 관으로, 흡기관(4)에는 보통 공기유량을 측정하는 공기유량센서(4a)와, 공기유량을 조절하는 스로틀밸브(4b)와, 후설되는 배기가스 재순환장치(6)의 EGR밸브(6a)가 설치된다.
이러한 흡기관(4)을 통하여 에어필터로 정화된 공기와 배기가스 재순환장치로 재순환되는 배기가스가 ECU(2)에 의하여 제어되어 적정량이 연소실(1)에 공급된 다.
상기 배기관(5)은 연소실에서 연소되어 배출되는 배기가스를 외부로 배출하기 위한 관으로, 상기 배기관(5)에는 후설되는 배기가스 재순환장치(6)와, 질소산화물을 제거하는 NOx 후처리장치(7)와, 입자상 물질(PM)을 제거하는 DPF장치(8)가 설치된다.
상기 배기가스 재순환장치(6)는 배기관(5)으로 배출되는 배기가스 중 일부를 흡기관(4)에 공급하여 연소실(1)에 배기가스가 유입되도록 하며, 배기가스의 유입량은 ECU(2)와 EGR밸브(6a)로 조절된다.
상기 NOx 후처리장치(7)는 배기가스 중 포함되어 있는 질소산화물을 처리하는 장치로 보통 LNT(Lean NOx Trap) 또는 SCR(Selective Catalytic Converter)가 사용된다.
일반적으로 LNT 촉매의 환원제 성능은 H2 > CO > 탄화수소의 순서로 뛰어나기 때문에 향후의 강화될 NOx 배출 규제에 대응하기 위해서는 수소를 적극적으로 이용하는 De-NOx 기술이 필요하다.
상기 DPF(Diesel Particulate Filter)장치(8)는 통상적으로 디젤차량에 많이 사용되는 장치로써 배기가스 중 포함되어 있는 미립자와 매연과 같은 입자상 물질(PM)을 제거하는 장치이다.
상기 개질기(9)는 디젤연료를 공급받아 H2, CO를 포함하는 합성가스를 발생시키는 장치로써, 상기 개질기(9)에서 발생된 합성가스는 밸브(9a)에 의하여 관(9- 1)을 통하여 연소실(2)에 공급되거나, 관(9-2)를 통하여 NOx 후처리장치(7)에 공급된다.
상기 개질기(9)에서 발생된 합성가스는 엔진의 부하상태에 따라 ECU(2)가 밸브(9a)를 조작하여 연소실(2)과 NOx 후처리장치(7)에 공급한다.
좀더 상세하게 설명하면,
상기 개질기(9)에서 형성된 합성가스는 엔진의 부하상태가 고부하인 경우, ECU(2)는 밸브(9a)를 조작하여 개질기(9)에서 형성된 합성가스를 NOx 후처리장치(7)로 공급한다. 상기 NOx 후처리장치(7)로 공급된 합성가스는 환원제 역할을 NOx 후처리장치(7)가 질소산화물을 처리하는 효율을 높인다.
엔진의 부하상태가 초기시동, 정지상태와 같이 저부하인 경우, ECU(2)는 밸브(9a)를 조작하여 개질기(9)에서 형성된 합성가스를 전부 연소실(2)에 공급하거나 또는 다량(60~98%)의 합성가스를 연소실(2)에 공급하고, 나머지는 NOx 후처리장치(7)에 공급한다.
이와 같이 이루어진 합성가스를 이용한 질소산화물 저감시스템의 제어방법은 엔진의 부하가 고부하인 상태와 저부하인 상태로 영역이 나누어지고, 각각의 영역에서 운전모드를 달리한다.
상기 고부하 영역에서는 기존의 디젤엔진에서의 연소를 그대로 적용하며 고압분사방식을 채택하여, 엔진 연소시 입자상 물질(PM)의 발생을 막는다. 고압 연료분사방식(FIE; Fuel Injection Equipment)은 연소실 내부로 연료분사장치(3)로 연 료를 분사시켜서 완전한 연소를 이루어 최상의 출력성능과 연비성능, 공해 배출물을 최소화하는 저공해성능을 가능하게 한다.
연료 분사압의 증가는 엔진 연소실 분무 미립화를 증진하여 연소의 완성도를 높이고 입자상 물질(PM) 등 공해배출물 생성가능성을 줄일 수 있다.
반면, 연소 완성도가 높을수록 질소산화물(NOx)의 농도가 증가하게 된다.
이렇게 발생되는 질소산화물은 엔진에 장착된 탈질장치인 NOx 후처리장치(7)에서 질소산화물(NOx)을 처리하며, 상기 개질기(9)에서 형성된 수소 및 CO를 포함하는 합성가스는 NOx 후처리장치(7)에 공급되어 환원제로 사용되어 질소산화물을 저감시킨다.
상기 고부하 영역에서 상기 개질기(9)에서 형성된 수소 및 CO를 포함하는 합성가스는 다량이 NOx 후처리장치(7)에 공급되고, 소량이 연소실(1)에 공급되어 연소실(1)에서 예혼합 압축착화를 구현하도록 할 수 있다.
저부하 영역에서는 예혼합 압축착화 연소를 구현하여 PM과 NOx를 동시에 저감되도록 한다. 상기 저부하 영역은 시동 초기, 정지, 저속 같은 상태인 경우이다.
이러한 저부하 영역에서는 개질기(9)로부터 생성된 합성가스는 배기 및 흡기 행정 동안 분사기를 통해서 연소실(1)내로 공급된다. 즉, 피스톤(1a)이 하사점(b) 부분에 위치할 때 연소실(1) 공급된다.
이때 연소실(1)로 공급된 합성가스는 다음과 같이 연소에 이용된다.
연소실(1)로 공급된 다량의 합성가스는 엔진의 출력을 얻는데 이용되고, 착 화시기 등의 연소제어를 위해 디젤연료를 연료분사장치(3)를 통하여 소량 공급하여 예혼합 압축착화를 구현한다.
저부하 영역에서 개질기(9)로부터 생성된 합성가스의 일부는 NOx 후처리장치(7)에 공급되어 환원제로 사용되어 질소산화물을 저감시킬 수 있다.
도 1은 예혼합 압축착화 및 저온연소의 개념도
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸 합성가스를 이용한 질소산화물 저감시스템의 개략도
[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]
1 : 연소실 2 : ECU
3 : 연료분사장치 4 : 흡기관
5 : 배기관 6 : 배기가스 재순환장치
7 : NOx 후처리장치 8 : DOF장치
9 : 개질기 11 : 센서

Claims (7)

  1. 디젤엔진의 연소실에서 연소되어 배출되는 배기가스로부터 NOx 후처리장치와 DPF와 개질기를 이용하여 질소산화물을 저감시키는 저감시스템의 제어방법에 있어서,
    상기 연소실(1) 내에 연료를 분사시키는 연료분사장치(3)와;
    상기 연소실(1) 내에서 연소되어 배출되는 배기가스의 일부를 다시 연소실(1)에 공급하는 배기가스 재순환장치(6)와;
    상기 연소실(1)에서 배출되는 배기가스로부터 질소산화물을 제거하는 NOx 후처리장치(7)와;
    상기 연소실(1)에서 배출되는 배기가스로부터 입자상 물질(PM)을 제거하는 DPF장치(8)와;
    상기 연소실(1)과 NOx 후처리장치(7)에 합성가스를 공급하는 개질기(9)를 포함하되, 상기 개질기(9)에서 발생한 혼합가스는 엔진의 부하조건에 따라 연소실(1)과 NOx 후처리장치(7)에 공급되는 공급량을 변화시켜 공급하고,
    상기 개질기(9)에서 발생되는 합성가스는 수소와 일산화탄소가 포함된 가스이며,
    상기 엔진이 고부하일 경우 연소실(1)에 설치되어 있는 연료분사장치(3)를 통하여 피스톤이 상사점 부분에 위치할 때 연료를 분사시키고, 상기 합성가스가 NOx 후처리장치(7)에 공급되어 환원제로 사용되도록 NOx 후처리장치(7)에 공급하고
    상기 엔진이 저부하일 경우 연소실에 설치되어 있는 연료분사장치(3)를 통하여 피스톤이 하사점 부분에 위치할 때 연료를 분사시키고, 상기 개질기에서 발생한 합성가스 중 60 ~ 98%가 연소실(1)에 공급되어 예혼합 압축착화를 구현하고, 나머지 합성가스는 NOx 후처리장치(7)에 공급되는 것을 특징으로 하는 합성가스를 이용한 질소산화물 저감시스템의 제어방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 NOx 후처리장치는 LNT(Lean NOx Trap) 또는 SCR(Selective Catalytic Converter)임을 특징으로 하는 합성가스를 이용한 질소산화물 저감시스템의 제어방법
  7. 삭제
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