KR101346857B1 - 디젤 엔진의 유해배기가스 저감장치 및 이에 채택된 디젤엔진용 에멀전 연료 공급 방법 - Google Patents

디젤 엔진의 유해배기가스 저감장치 및 이에 채택된 디젤엔진용 에멀전 연료 공급 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디젤 엔진의 유해배기가스 저감장치 및 디젤 엔진용 에멀전 연료 공급 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 디젤 엔진의 유해배기가스 저감장치는: 디젤 엔진으로 에멀전 연료를 공급하는 에멀전 공급부와; 디젤 엔진의 배기 라인에 설치된 DPF 장치와; 에멀전 공급부 및 DPF 장치와 연결되는 에멀전 제어부를 구비하고, 에멀전 공급부는: 물 탱크, 연료유 탱크 및 유화제 탱크와; 물, 연료 및 유화제 탱크로부터 방출된 물, 연료 및 유화제가 혼합되어 이루어진 에멀전 연료를 저장하는 혼합부와; 혼합부와 디젤 엔진 사이의 연료 통로인 연료 공급 라인과; 혼합부와 디젤 엔진 연소실 사이에서 바이패스되는 잉여 에멀전 연료를 다시 혼합부로 가이드하는 연료 리턴 라인을 구비하며, 에멀전 제어부는, 디젤 엔진의 배기 라인에서의 에멀전 연료 물성과, 각각 연료 공급 라인 및 연료 리턴 라인을 통과하는 에멀전 연료간의 유량 차이를 기초로 하여 에멀전 연료를 이루는 각 성분 비율을 조절하도록 구성된다.

Description

디젤 엔진의 유해배기가스 저감장치 및 이에 채택된 디젤 엔진용 에멀전 연료 공급 방법{Reducing device of hazardous gas in Diesel engine and method for supplying emulsion fuel implemented the same}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 디젤 엔진의 유해배기가스 저감장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2a는 본 발명에 구비될 수 있는 DPF 장치를 도시한 단면도이다.
도 2b는 도 2a의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 취한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 측면에서 바람직한 실시예에 따른 디젤 엔진용 에멀전 연료 공급 방법의 각 단계를 도시한 흐름도이다.
도 4는 도 3의 (S30)단계에 포함된 각 단계를 도시한 흐름도이다.
도 5는 도 4의 일 실시예를 도시한 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100..에멀전 공급부 110..물 탱크
112..물 히팅장치 115..물 유량제어 밸브
120..연료유 탱크 125..연료 유량제어 밸브
130..유화제 탱크 140..혼합부
152..미립화부 155..제1유량센서
175..제2유량센서 185..리턴연료 유량제어 밸브
200..DPF 장치 222..저온 산화 촉매
225..고온 산화 촉매 300..에멀전 제어부
L150..연료 공급 라인 L170..연료 리턴 라인
본 발명은 디젤 엔진의 유해배기가스 저감장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 디젤 엔진에서 발생하는 질소산화물 및 PM(Particle Material) 등의 유해가스를 저감하는 방법이 개선된 디젤 엔진용 에멀전 연료 공급 방법 및 이를 채택한 디젤 엔진의 유해배기가스 저감장치에 관한 것이다.
디젤 엔진의 연소실에서 발생하는 질소산화물(NOx)을 저감하기 위하여, 통상적으로 연료에 물만을 첨가해 연소실에 분사하는 이른바 물 분사 방식이 이용되고 있다. 상기 물 분사 방식은 물의 증발잠열에 의해 디젤 엔진에서의 연소실에서의 최고 연소 온도를 억제해, 연소 중 질소산화물의 생성을 억제하도록 한다.
그런데, 상기 물 분사 방식에 의하면 엔진 정지 시에 연료 분사계의 부품이나 엔진 연소실 등에 수분이 응축되어 부품 내벽에 쉽게 녹이 발생하는 현상이 발생한다. 이런 현상이 발생하게 되면 엔진시동이 빈번하게 꺼지게 된다. 특히 장시간에 걸쳐 차를 방치할 경우 상기 문제는 더욱 심각하게 된다. 또한, 운전 중 발진ㅇ정지를 반복할 뿐만이 아니라 엔진 부하나 엔진 회전 속도가 불규칙적으로 변하 여 실용화에 문제가 많다.
따라서 엔진의 동력 성능과 배기가스 정화 성능을 양립 시키고자 하면, 엔진의 운전 상황에 대처하여 물 비율을 제어할 필요가 있다.
한편, 현재 배기규제 동향은 Nox뿐만 아니라 PM을 동시에 규제하도록 규제가 강화되고 있다. 따라서 최근에는 PM을 혁신적으로 줄이기 위해 디젤 엔진 연소실 배기측 라인에 DPF 장치가 구비되고 있다. 그런데 종래의 DPF 장치는, 통상 반응 온도가 약 300℃ 이상에서 주반응을 일으키는 예를 들어 Pt/Rd/Pd 소재의 산화 촉매를 사용한다. 그런데, 디젤 엔진용 차량의 경우 통상 초기반응온도가 약 260℃이다. 따라서 이 경우에서는 상기 산화 촉매가 적절히 반응하지 않게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 상기 DPF 장치의 입구에 보조 열원을 장착해서, 상기 DPF 장치 출구의 배기가스의 온도를 강제적으로 높이는 방법을 생각할 수 있으나, 이 경우에는, 별도의 보조 열원을 DPF 장치에 설치하여야 함으로써 제조비용 및 중량이 증가하고, 상기 보조 열원에 의하여 배기가스의 온도가 상승하기 위해서 일정 이상의 시간이 필요하게 되어 중, 저온시의 PM 저감능력이 우수하지 않게 되며, ECU(engine control unit) 등의 제어부가 상기 배기측의 연료 온도에 따라 상기 보조 열원의 가동 여부를 별도로 제어하여야 한다는 문제점이 있다.
본 발명은, 디젤 엔진 연소 전에 엔진의 폭넓은 운전 영역에 대응하여 동력 성능과 배기가스 정화 성능을 양립시킬 수 있는 디젤 엔진용 유해배기가스 저감 장치 및 이에 채택 가능한 디젤 엔진의 에멀전 연료 공급 방법을 제공하는 것을 목적 으로 한다.
본 발명의 다른 목적은, 보조 열원이 구비되지 않고도 저온, 중온, 고온에서 연속으로 작동 가능한 DPF 장치를 구비한 디젤 엔진용 유해배기가스 저감 장치 및 이에 채택 가능한 디젤 엔진의 에멀전 연료 공급 방법을 제공하는 것이다.
따라서 본 발명은: 디젤 엔진으로 에멀전 연료를 공급하는 에멀전 공급부와; 상기 디젤 엔진의 배기 라인에 설치된 DPF 장치와; 상기 에멀전 공급부 및 DPF 장치와 연결되는 에멀전 제어부를 구비하고, 상기 에멀전 공급부는: 물 탱크, 연료유 탱크 및 유화제 탱크와; 상기 물, 연료 및 유화제 탱크로부터 방출된 물, 연료 및 유화제가 혼합되어 이루어진 에멀전 연료를 저장하는 혼합부와; 상기 혼합부와 디젤 엔진 사이의 연료 통로인 연료 공급 라인과; 상기 혼합부와 디젤 엔진 연소실 사이에서 바이패스되는 잉여 에멀전 연료를 다시 혼합부로 가이드하는 연료 리턴 라인을 구비하며, 상기 에멀전 제어부는, 상기 디젤 엔진의 배기 라인에서의 에멀전 연료 물성과, 각각 상기 연료 공급 라인 및 상기 연료 리턴 라인을 통과하는 에멀전 연료간의 유량 차이를 기초로 하여 상기 에멀전 연료를 이루는 각 성분 비율을 조절하도록 구성된 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 유해배기가스 저감장치를 제공한다.
이 경우, 상기 물 탱크와 혼합부 사이에 배치된 물 유량제어 밸브와, 상기 연료유 탱크와 혼합부 사이에 배치된 연료유 유량제어 밸브와, 유화제 탱크와 혼합부 사이에 배치된 유화제 유량제어 밸브와, 상기 연료 리턴 라인 상에 배치된 리턴 연료 유량제어 밸브를 더 구비하고, 상기 에멀전 제어부는 물, 연료유, 유화제 및 리턴 연료 유량제어 밸브를 제어하도록 구성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 물 탱크에 저장된 물의 빙결을 방지하는 물 히팅장치를 더 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 연료 공급 라인에 배치된 제1유량센서; 및 상기 연료 리턴 라인에 배치된 제2유량센서를 더 구비하고, 상기 에멀전 제어부는, 상기 제1유량센서 및 제2유량센서에서 측정된 유량간의 차이와, 상기 DPF 장치 내에서의 에멀전 연료 온도를 기초로 하여 상기 에멀전 연료를 이루는 각 성분 비율을 조절하도록 구성된 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 DPF 장치는: 상기 에멀전 연료와 제1온도 범위에서 주반응하는 저온 산화 촉매와; 상기 에멀전 연료와 상기 제1온도 범위보다 온도가 높은 제2온도 범위에서 주반응하는 고온 산화 촉매를 구비하고, 상기 에멀전 제어부는, 상기 에멀전 연료가 제1온도 범위를 초과하는 온도를 가지는지를 기준으로 하여 상기 에멀전 연료를 이루는 각 성분 비율을 조절하도록 구성될 수 있다.
상기 혼합부와 디젤 엔진의 연소실 사이에 상기 에멀전 연료를 미립화하도록 배치된 미립화부를 구비할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에서의 실시예에 따른 디젤 엔진용 에멀전 연료 공급 방법은: 디젤 엔진의 배기 라인에서의 에멀전 연료 온도를 측정하는 단계와; 상기 연료 공급 라인에서의 에멀전 연료의 유량과, 상기 연료 리턴 라인에서의 잉여 에멀전 연료의 유량간의 차이를 측정하는 단계와; 상기 측정된 에멀전 연료 온도 및 상기 측정 유량 차이를 기초로 하여 상기 에멀전 연료를 이루는 각 성분 비 율을 조절하는 단계를 포함한다.
이 경우, 상기 DPF 장치는: 상기 에멀전 연료와 제1온도 범위에서 주반응하는 저온 산화 촉매와; 상기 에멀전 연료와 상기 제1온도 범위보다 고온인 제2온도 범위에서 주반응하는 고온 산화 촉매를 구비하고, 상기 에멀전 연료를 이루는 각 성분 비율을 조절하는 단계는: 상기 연료 차가, 고부하의 기준인 소정 치 이상인가를 확인하는 단계와; 상기 연료 차가 소정치 이상인 경우, 상기 물의 비율을 제1비율로 공급하는 단계와; 상기 연료 차가 소정치 이하인 경우, 상기 디젤 엔진의 배기 라인에서의 에멀전 연료가 상기 제1온도 범위를 초과하는지 여부를 확인하는 단계와; 상기 에멀전 연료가 제1온도 범위를 초과하지 않은 경우, 상기 에멀전 연료에서 물의 비율을 상기 제1비율보다 높은 제2비율로 공급하는 단계와; 상기 에멀전 연료가 제1온도 범위를 초과하는 경우, 상기 에멀전 연료에서 물의 비율을 상기 제2비율보다 높은 제3비율로 공급하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 저온 산화 촉매는 백금계 산화 촉매이고, 상기 고온 산화 촉매는 니켈/코발트계 산화 촉매이며, 상기 에멀전 연료의 상기 제1온도 범위를 초과하는 온도는 250℃ 내지 300℃인 것이 바람직하다.
이어서 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 디젤 엔진의 유해배기가스 저감장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명인 디젤 엔진의 유해배기가스 저감장치(10)는 에멀전 공급부(100)와, DPF(Diesel Particulate Filter trap) 장치(200)와, 에멀전 제 어부(300)를 구비한다. 에멀전 공급부(100)는 디젤 엔진(50)으로 에멀전 연료를 공급한다. DPF 장치(200)는 상기 디젤 엔진 배기 라인에 설치되는 것으로, 디젤 엔진에서 배출되는 입자성 물질(particle material, PM)을 필터로 포집한 후 이를 정화하는 장치이다. 에멀전 제어부(300)는 상기 에멀전 공급부(100) 및 DPF 장치(200)와 연결된다.
이 경우, 상기 에멀전 공급부(100)는 물 탱크(110), 연료유 탱크(120), 유화제 탱크(130), 혼합부(140), 연료 공급 라인(L150) 및 연료 리턴 라인(L170)을 구비한다. 연료유 탱크(120)는 디젤 엔진의 주 연료유(통상 경유)를 저축하고, 물 탱크(110)는 물을 저축하며, 유화제 탱크(130)는 유화제를 저축한다. 이 경우, 도시되진 않으나 상기 물 탱크(110), 연료유 탱크(120), 유화제 탱크(130)에는 각각 잔량 센서가 설치되어 각 잔량 신호가 후술할 에멀전 제어부(300)에 보내져 잔량을 경고하도록 할 수 있다. 특히, 물 탱크(110) 내부에는 동절기 물의 동결을 방지하기 위하여 물 히팅 장치(112)를 더 구비할 수 있다. 물 히팅 장치(112)는 엔진의 부동액 파이프와 연결하여 이루어질 수도 있으며, 한국의 겨울철 등 온도가 낮은 경우 적용될 수 있다.
혼합부(140)는, 상기 물, 연료 및 유화제 탱크(110, 120, 130)로부터 방출된 물, 연료유 및 유화제가 혼합되어 이루어진 에멀전 연료를 저장한다.
상기 혼합부(140)의 출구 측에는 미립화부(152)를 더 구비될 수 있다. 상기 미립화부(152)는 에멀전 연료를 미립화하여 각각의 액적 사이즈를 작게 한다. 이를 통하여 에멀전 연료의 연소 능력이 향상되고, 물의 표면적이 증가함으로써 연소최 고온도가 감소하여 Nox를 감소시킬 수 있으며, 연소 지연시간을 감축시킬 수 있어서 PM을 감소시킬 수 있다. 이 경우, 도면에 도시되지는 않으나 상기 미립화부(152)를 병렬구조를 가진 두개 이상의 미립화실로 이루어질 수 있으며, 이로써 미립화실 입구에 배압이 걸리지 않게 되어서 이송능력이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
연료 공급 라인(L150)은 상기 혼합부(140)와 디젤 엔진(50) 사이의 연료 통로의 기능을 한다. 이 경우, 상기 연료 공급 라인(L150)에는 분사 펌프(160)가 설치될 수 있다. 이 분사 펌프(160)는 혼합부(140)로부터 공급되는 에멀전 연료를 상기 디젤 엔진(50)의 분사 노즐(55)로 펌핑하는 기능을 하며, 에멀전 연료의 분사 시기, 분사 기간 등에 대해 엔진 컨트롤 유니트(ECU, 미도시)에 의하여 제어된다. 이 경우 상기 분사 펌프(160)에 잉여 에멀전 연료를 바이패스하는 연료 리턴 라인(L170)과 연결되는 바이패스부가 설치될 수 있다.
연료 리턴 라인(L170)은 상기 혼합부(140)와 디젤 엔진 사이에서 바이패스되는 잉여 에멀전 연료를 다시 혼합부(140)로 가이드하는 기능을 한다. 연료 리턴 라인(L170)에는 리턴 연료 유량제어 밸브(185)가 설치되어 리턴 연료량을 조정할 수 있다. 또한, 상기 연료 리턴 라인(L170)에는 리턴 리저버 탱크(180)를 개입시켜 여기에 리턴된 잉여 에멀전 연료를 저축할 수 있다. 상기 리턴 리저버 탱크(180)에는 전기 모터 구동에 의한 리턴 펌프의 흡입구가 접속되어 리턴 리저버 탱크(180) 내의 귀환하는 에멀전 연료를 재이용한다. 상기 리턴 리저버 탱크(180)에도 잔량 센서가 설치될 수 있다.
본 발명에 의하면, 디젤 엔진(50)으로 공급되는 연료가 에멀전 연료이다. 여기서 말하는 에멀전 연료는 물의 주위를 연료유로 감싸는 방식인 유중수적형(W/O)인 것이 바람직한데, 상기 유중수적형 에멀전 연료는 유화제의 친수성과 친유성의 균형을 나타내는 HLB가 6정도가 되는 특성을 선택하는 것으로 얻을 수도 있다. 이와 같이 에멀전 연료를 유중수적형으로 하는 것으로써 연료의 발화성이 높아지고 엔진 등의 부품에 물이 직접 접촉하지 않게 해 부식을 방지 할 수가 있다.
한편, 상기 물 탱크(110)와 혼합부(140) 사이에는 물 유량제어 밸브(115)가 설치되고, 상기 연료유 탱크(120)와 혼합부(140) 사이에는 연료유 유량제어 밸브(125)가 배치되고, 유화제 탱크와 혼합부(140) 사이에는 유화제 유량제어 밸브(135)가 배치될 수 있다. 상기 물 유량제어 밸브(115), 연료유 유량제어 밸브(125), 유화제 유량제어 밸브(135), 리턴 연료 유량제어 밸브(185)는 각각 솔레로이드 밸브 등의 전자식 유량가변 밸브일 수 있다. 이에 따라 상기 유량제어 밸브(115, 125, 135, 185)들은, 후술하다시피 엔진의 출력 정도 및 배기가스의 물성에 따라서 디젤 엔진(50)으로 공급되는 물, 연료유 및 유화제의 각 유량을 제어할 수 있게 된다.
상기 에멀전 제어부(300)는, 상기 디젤 엔진 배기측에서의 에멀전 연료 물성과, 각각 상기 연료 공급 라인(L150) 및 상기 연료 리턴 라인(L170)을 통과하는 에멀전 연료의 유량 차이를 기초로 하여 상기 에멀전 연료를 이루는 각 성분 비율을 조절한다. 상기 에멀전 제어부(300)는 상기 에멀전 연료를 이루는 각 성분 비율을 조절하기 위하여, 물, 연료유, 유화제, 리턴 연료 유량제어 밸브(115, 125, 135, 185)의 여닫음 정도를 각각 제어하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 디젤 엔진 배기측에서의 에멀전 연료 물성이란, 디젤 엔진에서 연소 배기되는 에멀전 연료의 온도나, 압력, 속도 등을 들 수 있으며, 이 경우 DPF 장치 내부에서 측정할 수 있다.
이 경우, 상기 연료 공급 라인(L150)에는 제1유량센서(155)가 배치되고, 상기 연료 리턴 라인(L170)에는 제2유량센서(175)가 배치되어서, 상기 에멀전 제어부(300)가 상기 제1유량센서(155) 및 제2유량센서(175)에서 측정된 유량간의 차이와, 상기 DPF 장치(200) 입구에서의 에멀전 연료 온도를 기초로 하여 상기 에멀전 연료를 이루는 각 성분 비율을 조절하도록 구성될 수 있다. 즉, 디젤 엔진의 출력이 클 필요가 있을 때에 물 성분 비율이 필요 이상으로 커다면, 차량의 가속력이 떨어지고 응답성이 느려진다는 문제점이 있다. 이와 반대로 디젤 엔진의 출력이 클 필요가 없을 때 물 성분 비율이 작게 되면, 연소의 안정화가 되지 않고 연소 온도가 높아지게 되어 Nox 및 PM이 증가하게 된다. 이 경우, 상기 유량 차는 디젤 엔진의 출력을 나타낼 수 있다. 즉, 상기 유량차가 커진다는 것은 자동차 rpm이 증가하게 된다는 것이며, 유량차가 감소한다는 것은 자동차의 rpm이 감소한다는 의미와 일응 상통한다. 따라서 에멀전 제어부(300)는 상기 유량 차가 클 경우에는 에멀전 연료에서 물 성분 비율을 감소시키고, 상기 유량 차가 작은 경우에는 에멀전 연료에서 물 성분 비율을 증가시키도록 상기 유량제어 밸브들을 제어하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 제1, 2유량센서(155, 175)는 자기식 회전 유량계일 수 있다. 상 기 제1유량센서(155)에 관하여 예를 들면, 자성을 갖는 회전체를 상기 연료 공급 라인(L150)의 유동 경로에 설치한다. 상기 연료 공급 라인(L150)에 에멀전 연료가 유동하면, 상기 자성 회전체가 상기 에멀전 연료의 유량에 비례하여 회전하게 되며, 이에 따라서 유도되는 전기량을 측정함으로써 간단히 에멀전 연료의 유량을 측정할 수 있다.
한편, 상기 디젤 엔진의 배기 포트에는 배기가스 정화 장치로서 DPF 장치(200)가 설치된다. 이 경우 DPF 장치(200) 내부에는 연소 온도 센서가 설치될 수 있으며, 상기 연소 온도 센서가 디젤 엔진으로부터 배출된 배기가스의 온도를 검출할 수 있게 된다. 상기 연소 온도 센서에서 검출된 온도 신호는 에멀전 제어부에 보내진다.
도 2a는 본 발명에 구비될 수 있는 DPF 장치(200)를 도시한 단면도이고, 도 2b는 도 2a의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 취한 단면도이다. 도 2a 및 도 2b를 참조하면, DPF 장치(200)가, 저온인 제1온도 범위에서 주반응이 일어나는 저온 산화 촉매(222)와, 상기 제1온도 범위보다 높은 온도 범위인 제2온도 범위에서 주반응이 일어나는 고온 산화 촉매(225)를 구비할 수 있다. 즉, 배기가스가 저온, 중온, 고온을 가짐에 따라서 저온 산화 촉매(222) 및 고온 산화 촉매(225)가 반응하도록 하여서, 보조 히터장치가 없어도 연속재생이 일어나도록 하였다.
이 경우 도 2를 참조하여 DPF 장치의 일예를 보다 구체적으로 설명하면, DPF 장치(200)는, 디젤 엔진 배기포트와 연결되는 입구부(210)와, 상기 저온 산화 촉매(222) 및 고온 산화 촉매(225)를 구비하는 촉매부(220)와, 상기 입구부(210)를 통과한 배기가스에서 PM을 필터링할 수 있는 필터부(230)와, 출구부(216)와, 상기 입구부(210)와 촉매부(220) 사이의 제1배기가스 통로부(211)와, 상기 필터부(240)와 출구부(216) 사이의 제2배기가스 통로부(212)를 구비할 수 있다. 이와 더불어 상기 DPF 장치(200) 내부에 내부온도센서가 구비되어서, 상기 내부온도센서가 상기 디젤 엔진 배기 측의 에멀전 연료의 온도를 측정할 수 있다.
이 경우 상기 저온 산화 촉매(222)는 귀금속 산화 촉매로서, 더욱 바람직하게는 백금계 산화 촉매일 수 있다. 상기 백금계 산화 촉매는 예를 들어 산화알루미늄(Al2O3)과 백금(Pt)을 혼합한 재료로 이루어지는데, 이러한 촉매는 200℃ 내지 300℃에서 주로 반응하며, Nox저감효과도 우수하다.
또한, 상기 고온 산화 촉매(225)는 비금속 산화 촉매로서, 더욱 바람직하게는 니켈/코발트계 산화 촉매일 수 있다. 상기 니켈/코발트계 산화 촉매는 예를 들어 산화알루미늄(Al2O3)과 니켈/코발트(Ni/Co)를 혼합한 재료로 이루어지는데, 이러한 촉매는 300℃ 이상에서 주로 반응하며, Nox저감효과는 상기 백금계 산화 촉매에 비하여 우수하지 않다.
따라서 상기 에멀전 제어부(300)는, 상기 에멀전 연료가 제1온도 범위를 초과하는 온도를 가지는지를 기준으로 하여 상기 에멀전 연료를 이루는 각 성분 비율을 조절하도록 구성되는 것이 바람직한데, 예를 들어서 저온 산화 촉매(222)가 백금계 산화 촉매이고, 고온 산화 촉매(225)가 니켈/코발트계 산화 촉매인 경우, 250℃ 내지 300℃를 기준으로 이를 초과하는 경우 상기 에멀전 연료를 이루는 각 성분 비율을 조절할 수 있다.
이 경우, 에멀전 제어부(300)는 가능하면 촉매능력이 우수한 백금계 산화 촉매가 반응할 수 있도록 배기가스의 온도를 조절하는 것이 바람직하다. 따라서 상기 배기가스의 온도가 제1온도 범위를 초과하는 경우에는, 에멀전 연료에서 물의 비율을 평사시보다 증가시키는 것이 바람직하며, 이로써 디젤 엔진에서 물 증발열이 증가하도록 하여 배기가스의 온도를 가능한 한 제1온도 범위에 포함되도록 할 수 있다.
도 3은 상기와 같은 구조를 가진 디젤 엔진의 유해배기가스 저감장치에 채택 가능한 디젤 엔진용 에멀전 연료 공급 방법의 각 단계를 도시한 흐름도이다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 디젤 엔진용 연료 공급 방법은, 상기 디젤 엔진의 배기 측에서의 에멀전 연료 온도를 측정하는 단계(S10)와, 상기 연료 공급 라인(L150)에서의 에멀전 연료의 유량 및 상기 연료 리턴 라인(L170)에서의 잉여 에멀전 연료의 유량간의 차이를 측정하는 단계(S20)와, 상기 측정된 에멀전 연료 온도 및 상기 측정 유량 차이를 기초로 하여 상기 에멀전 연료를 이루는 각 성분 비율을 조절하는 단계(S30)를 포함한다. 즉, 배기가스의 온도와 함께 엔진의 출력 정도를 종합하여 에멀전 연료를 이루는 각 성분의 비율을 조절하게 된다. 이 경우 디젤 엔진의 배기 측에서의 에멀전 연료 온도는 상기 DPF 장치(200) 내부에서 측정할 수도 있고, 이와 달리 DPF 장치의 전방 또는 후방에서 측정할 수도 있다.
여기서, 상기 DPF 장치(200)는, 상기 에멀전 연료와 제1온도 범위에서 주반 응하는 저온 산화 촉매(222)와, 상기 에멀전 연료와 상기 제1온도 범위보다 고온인 제2온도 범위에서 주반응하는 고온 산화 촉매(225)를 구비할 수 있다. 이 경우 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 에멀전 연료를 이루는 각 성분 비율을 조절하는 단계(S30)는, 상기 연료 차가 고부하의 기준인 소정치 이상인가를 확인하는 단계(S31)와, 상기 연료 차가 소정치 이상인 경우 상기 물을 제1비율로 공급하는 단계(S32)와, 상기 연료 차가 소정치 이하인 경우 상기 디젤 엔진의 배기 측에서의 에멀전 연료 온도가 상기 제1온도 범위를 초과하는지 여부를 확인하는 단계(S33)와, 상기 에멀전 연료가 제1온도 범위를 초과하지 않은 경우 상기 에멀전 연료에서 물을 상기 제1비율보다 높은 제2비율로 공급하는 단계(S34)와, 상기 에멀전 연료가 제1온도 범위를 초과하는 경우 상기 에멀전 연료에서 물을 상기 제2비율보다 높은 제3비율로 공급하는 단계(S35)를 포함할 수 있다. 즉, 배기가스의 온도와, 엔진의 출력상태에 따라서 적어도 서로 다른 3 방식의 비율로 에멀전 연료의 성분비율을 변경시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명에서 배기가스의 온도와, 에멀전 유량 차에 기초하여 에멀전 연료를 제어 공급하는 방법에 대한 실시예를 설명한다.
< 실시예 >
DPF 장치(200)에서 저온 산화 촉매(222)로서 백금 및 산화알루미늄을 구비한 백금계 산화 촉매를 사용하였으며, 고온 산화 촉매(225)로서 니켈/코발트 및 산화알루미늄을 구비한 니켈/코발트계 산화 촉매를 사용하였다. 이 경우 상기 백금계 산화 촉매는 200℃ 내지 300℃에서 주로 반응하고, 상기 니켈/코발트계 산화 촉매 는 약 300℃ 이상에서 주로 반응하는 촉매이다. 또한, 상기 백금계 산화 촉매는 니켈/코발트계 산화 촉매보다 촉매 성능이 우수하다. 이 경우 상기 에멀전 연료의 상기 제1온도 범위를 초과하는 온도는 250℃ 내지 300℃일 수 있으며, 본 실시예에서는 상기 제1온도 범위를 초과하는 온도를 250℃로 하였다.
이와 더불어 제1유량센서(155) 및 제2유량센서(175)로는, 6900 ps(펄스)/L 인 유량을 가진 자기식 유량계를 사용하였다. 이 경우 상기 유량 차가 74 펄스를 기준으로 고부하 및 저부하로 구분하였다.
그 결과를 도 5를 참조하여 설명하면, 먼저, 상기 혼합부(140)에서 공급되는 연료와 바이패스되는 연료간의 연료 차가 74 펄스 이상인 경우 상기 물의 비율을 2%로 하였다. 이는 고부하 영역에서 충분한 출력을 주고, 물의 증발잠열을 감소시키기 위함이다.
만약 상기 연료 차가 74 펄스 이하이고, 상기 DPF 장치(200) 내의 에멀전 연료가 250℃ 이하의 온도를 가지는 경우 상기 에멀전 연료에서 물의 비율을 4%로 하였다. 상기 조건은 통상 시동 초기 상태를 의미할 수도 있는데, 이로써 물의 증발잠열을 이용해 최고연소온도를 감소시키면서 화염을 안정화해서 Nox 및 PM을 감소시킬 수 있다.
또한, 만약 상기 연료 차가 74 펄스 이하이고, DPF 장치(200) 내의 에멀전 연료가 250℃ 이상의 온도를 가지는 경우, 즉 DPF 장치(200) 내의 에멀전 연료가 고온 산화 촉매(225)와 반응하는 온도를 가지고 고출력이 불필요한 경우에서는 에멀전 연료에서 물의 성분 비율을 14%로 하였다. 즉, 배기가스의 온도를 상기 에멀 전 연료의 온도가 저온 산화 촉매(222)와 반응할 수 있는 온도가 되도록 제어하여, 특히 PM의 저감에 큰 효과를 가지게 함과 동시에, 디젤 엔진에서 최고연소온도를 낮추어 Nox 등의 유해배기가스의 배출을 저감하였다.
본 발명에 의하면, 각각의 엔진 출력 상태 및 DPF 장치에서의 에멀전 연료 물성에 따라서 디젤 엔진으로 공급되는 에멀전 연료에서 물의 성분 비율을 제어함으로써, PM, Nox 등의 유해배기가스를 효과적으로 저감할 수 있다.
또한, 보조 열원이 구비되지 않고도 DPF 장치가 저온, 중온, 고온에서 연속으로 작동 가능하며, 상기 DPF 장치의 촉매 능력에 따라서 에멀전 연료의 각 성분 비율을 제어할 수 있음으로써, 유해배기가스를 효과적으로 저감할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 디젤 엔진으로 에멀전 연료를 공급하는 에멀전 공급부와;
    상기 디젤 엔진의 배기 라인에 설치된 DPF 장치와:
    상기 에멀전 공급부 및 DPF 장치와 연결되는 에멀전 제어부를 구비하고,
    상기 DPF 장치는; 상기 에멀전 연료와 제1온도 범위에서 주반응하는 저온 산화 촉매와, 상기 에멀전 연료와 상기 제1온도 범위보다 온도가 높은 제2 온도 범위에서 주반응하는 고온 산화 촉매를 구비하고,
    상기 에멀전 공급부는; 물 탱크, 연료유 탱크 및 유화제 탱크와; 상기 물, 연료 및 유화제 탱크로부터 방출된 물, 연료 및 유화제가 혼합되어 이루어진 에멀전 연료를 저장하는 혼합부와; 상기 혼합부와 디젤 엔진 사이의 연료 통로에 배치된 제1유량센서를 갖는 연료 공급 라인과; 상기 혼합부와 디젤 엔진 연소실 사이에서 바이패스되는 잉여 에멀전 연료를 다시 혼합부로 가이드하는 연료 리턴 라인과 이에 배치된 제2유량센서를 구비하고,
    상기 에멀전 제어부는 상기 디젤 엔진의 배기 라인에서의 에멀전 연료 물성과, 각각 상기 연료 공급 라인 및 상기 연료 리턴 라인을 통과한 에멀전 연료간의 유량 차이와;
    상기 제1유량센서 및 제2유량센서에서 측정된 유량간의 차이와 상기 DPF 장치 내에서 에멀전 연료 온도와;
    상기 에멀전 연료가 제1온도 범위를 초과하는 온도를 가지는지를 기준으로 하여 상기 에멀전 연료를 이루는 각 성분 비율을 조절하도록 구성된 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 유해배기가스 저감장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 물 탱크와 혼합부 사이에 배치된 물 유량제어 밸브와, 상기 연료유 탱크와 혼합부 사이에 배치된 연료유 유량제어 밸브와, 유화제 탱크와 혼합부 사이에 배치된 유화제 유량제어 밸브와, 상기 연료 리턴 라인 상에 배치된 리턴 연료 유량제어 밸브를 더 구비하고,
    상기 에멀전 제어부는 물, 연료유, 유화제 및 리턴 연료 유량제어 밸브를 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 유해배기가스 저감장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 물 탱크에 저장된 물의 빙결을 방지하는 물 히팅장치를 더 구비하는 디젤 엔진의 유해배기가스 저감장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합부와 디젤 엔진의 연소실 사이에 상기 에멀전 연료를 미립화하도록 배치된 미립화부를 구비하는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 유해배기가스 저감장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 미립화부는 적어도 두개의 미립화실로 이루어지고,
    상기 미립화실들은 각각 병렬로 이루어진 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 유해배기가스 저감장치.
  8. 제 1 항의 구조를 가진 디젤 엔진의 유해배기 저감장치에서 사용되는 디젤 엔진용 에멀전 연료 공급 방법으로서,
    상기 디젤 엔진의 배기 라인에서의 에멀전 연료 온도를 측정하는 단계;
    상기 연료 공급 라인에서의 에멀전 연료의 유량과, 상기 연료 리턴 라인에서의 잉여 에멀전 연료의 유량간의 차이를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 에멀전 연료 온도 및 상기 측정 유량 차이를 기초로 하여 상기 에멀전 연료를 이루는 각 성분 비율을 조절하는 단계를 포함하는 디젤 엔진용 에멀 전 연료 공급 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 DPF 장치는: 상기 에멀전 연료와 제1온도 범위에서 주반응하는 저온 산화 촉매와; 상기 에멀전 연료와 상기 제1온도 범위보다 고온인 제2온도 범위에서 주반응하는 고온 산화 촉매를 구비하고,
    상기 에멀전 연료를 이루는 각 성분 비율을 조절하는 단계는:
    상기 연료 차가, 고부하의 기준인 소정 치 이상인가를 확인하는 단계와;
    상기 연료 차가 소정치 이상인 경우, 상기 물의 비율을 제1비율로 공급하는 단계와;
    상기 연료 차가 소정치 이하인 경우, 상기 디젤 엔진의 배기 라인에서의 에멀전 연료가 상기 제1온도 범위를 초과하는지 여부를 확인하는 단계와;
    상기 에멀전 연료가 제1온도 범위를 초과하지 않은 경우, 상기 에멀전 연료에서 물의 비율을 상기 제1비율보다 높은 제2비율로 공급하는 단계와;
    상기 에멀전 연료가 제1온도 범위를 초과하는 경우, 상기 에멀전 연료에서 물의 비율을 상기 제2비율보다 높은 제3비율로 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진용 에멀전 연료 공급 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 저온 산화 촉매는 백금계 산화 촉매이고, 상기 고온 산화 촉매는 니켈/ 코발트계 산화 촉매이며,
    상기 에멀전 연료의 상기 제1온도 범위를 초과하는 온도는 250℃ 내지 300℃인 것을 특징으로 하는 디젤 엔진용 에멀전 연료 공급 방법.
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