KR101383858B1

KR101383858B1 - 가스 엔진의 유해 배출가스 저감장치 및 방법

Info

Publication number: KR101383858B1
Application number: KR1020130032233A
Authority: KR
Inventors: 박철웅; 김창기; 최영
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2014-04-10

Abstract

가스 엔진의 유해 배출가스 저감장치 및 방법이 개시된다. 가스 엔진의 유해 배출가스 저감장치는, 수소-천연가스 연료가 이송되는 연료 배관에 연결되는 수소 저장부와, 연료 배관과 수소 저장부를 연결하여 수소-천연가스 연료의 일부가 수소 저장부 방향으로 이동되도록 하는 회수 라인과, 회수 라인에 설치되어 수소-천연가스 연료에 포함된 수소를 수소 저장부로 분리 공급하는 멤브레인과, 수소 저장부와 연료 배관을 연결하여 수소 저장부에 저장된 수소가 배출되는 배출라인과, 배출 라인과 연료 배관을 연결하도록 설치되어 냉시동 조건에서 수소 저장부에 저장된 수소를 엔진에 공급하도록 설치되는 연료 공급밸브를 포함한다.

Description

가스 엔진의 유해 배출가스 저감장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR REDUCTION HARMFUL EXHAUST GAS FOR GAS ENGINE}

본 발명은 엔진 구동시 배기가스 중의 미연탄화수소 및 메탄 등의 이물질의 배출의 저감이 가능한 엔진의 배출가스 저감장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 유해 배출가스 저감 및 효율의 증대를 위해 천연가스에 수소를 혼합한 연료(HCNG)를 적용하여 보다 희박한 영역에서 운전되도록 하는 기술이 가스 엔진에 적용되고 있다.

이러한 가스 엔진은 회박연소 한계를 확장함으로써 연비 향상과 녹스(Nox)의 저감의 구현은 가능하다. 그러나 가스 엔진에서 사용되는 메탄의 경우에는 탄소를 중심으로 수소가 정사면체의 정점 방향으로 결합하고 있는 가정 안정한 구조를 갖는 탄화수소화합물로서 산화촉매에서의 산화 반응에 의한 저감이 어렵다. 특히 냉시동시 시동 초기에는 촉매의 온도가 낮고 연소 효율이 좋지 않기 때문에 배기가스 중의 미연탄화수소 및 메탄의 배출이 엔진의 상용화를 어렵게 만드는 요인으로 작용하는 문제점이 있다.

본 발명의 일 실시예는 가스 엔진의 구동 과정에서 미연탄화수소 및 메탄 등의 배출을 저감하는 가스 엔진의 유해 배출가스 저감장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예는 수소-천연가스 연료가 이송되는 연료 배관에 연결되는 수소 저장부와, 연료 배관과 수소 저장부를 연결하여 수소-천연가스 연료의 일부가 수소 저장부 방향으로 이동되도록 하는 회수 라인과, 회수 라인에 설치되어 수소-천연가스 연료에 포함된 수소를 수소 저장부로 분리 공급하는 멤브레인과, 수소 저장부와 연료 배관을 연결하여 수소 저장부에 저장된 수소가 배출되는 배출라인과, 배출 라인과 연료 배관을 연결하도록 설치되어 냉시동 조건에서 수소 저장부에 저장된 수소를 엔진에 공급하도록 설치되는 연료 공급밸브를 포함한다.

회수 라인은, 연료 배관과 수소 저장부를 연결하는 메인 라인과, 메인 라인과 연료 배관을 연결하는 바이패스라인을 포함할 수 있다.

바이패스라인에는 수소 저장부의 압력이 설정값을 초과하면 개방되어 메인 라인으로 유입된 수소-천연가스 연료를 연료 배관으로 바이패스시키는 압력 제어밸브가 설치될 수 있다.

연료 공급밸브는 수소가 유입되는 제1 입력부와 수소-천연가스 연료가 유입되는 제2 입력부 및 수소 또는 수소-천연가스 연료를 선택적으로 배출하는 출력부를 포함하는 3방향 전환밸브일 수 있다.

본 발명의 일 실시예는 (a) 수소-천연가스 연료가 이송되는 연료 배관에 멤브레인이 설치된 회수 라인을 통하여 수소 저장부를 연결하고, 수소-천연가스 연료에 포함된 수소를 상기 수소 저장부에 분리 저장하는 단계와, (b) 차량의 냉시동 조건인지 여부를 확인하는 단계와, (c) 상기 (b) 단계에서 차량의 냉시동 조건으로 확인되면 수소 저장부와 연료 배관의 사이에 설치된 연료 공급밸브를 구동하여 수소 저장부에 저장된 수소만을 엔진에 공급하는 단계를 포함한다.

(a) 단계에서, (a-1) 회수 라인에 압력 제어밸브를 설치하여 수소 저장부의 내부 압력이 설정값을 초과하는 것으로 확인하는 단계와, (a-2) 상기 (a-1) 단계에서 수소 저장부의 내부 압력이 설정값을 초과하면, 압력 제어밸브를 제어하여 수소-천연가스 연료가 수소 저장부 방향으로 이동되지 않도록 제어하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 가스 엔진의 정상 운전시에는 수소-수소 천연가스 연료를 엔진에 공급하고, 냉시동시에는 수소만을 엔진에 공급하는 것이 가능하여 미연탄화수소 및 메탄의 발생을 저감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 배출 가스 저감 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 배출 가스 저감 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배출 가스 저감 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배출 가스 저감 장치(100)는, 수소-천연가스 연료가 이송되는 연료 배관(111)에 연결되는 수소 저장부(110)와, 연료 배관(111)과 수소 저장부(110)를 연결하는 회수 라인(120)과, 회수라인(120)에 설치되어 수소-천연가스 연료에 포함된 수소를 수소 저장부(110)로 분리 공급하는 멤브레인(130)과, 수소 저장부(110)와 연료 배관(111)을 연결하는 배출라인(140)과, 수소 저장부(110)에 저장된 수소를 엔진에 공급하는 연료 공급밸브(150)를 포함한다.

수소 저장부(110)는 수소-천연가스 엔진에 설치되는 것으로서, 엔진에 수소-천연가스 연료를 공급하는 연료 배관(111)과 연결되도록 설치된다. 보다 구체적으로 설명하면, 수소 저장부(110)는 회수 라인(120)을 통해 연료 배관(111)에 연결되어 수소-천연가스 연료에 포함된 수소를 분리 공급받는다.

회수 라인(120)은 연료 배관(111)과 수소 저장부(110)를 연결하는 메인 라인(121)과, 메인 라인(121)과 연료 배관(111)을 연결하는 바이패스라인(123)을 포함한다.

메인 라인(121)은 일단은 연료 배관(111)에 연통되고 타단은 수소 저장부(110)에 연통된다. 메인 라인(121)은 연료 배관(111)을 따라 흐르는 수소-천연가스 연료의 일부가 유입된다. 이와 같이, 메인 라인(121)으로 유입된 수소-천연가스 연료는 멤브레인(130)의 작용으로 수소가 분리되어 수소 저장부(110)에 저장된다.

멤브레인(130)은 메인 라인(121)에서 수소 저장부(110)와 연결되는 부분에 설치되는 것으로서, 특정 성분만 선택적으로 투과하는 분리막에 관한 것으로서 본 실시예에서는 수소-천연가스 연료에 포함된 수소만을 투과하도록 설치된다. 즉, 연료 배관(111)을 따라 이동되는 수소-천연가스 연료가 메인 라인(121)을 통해 유입되면 수소-천연가스 연료에서 수소만 멤브레인(130)을 통과하여 수소 저장부(110)에 저장되고 천연가스 연료는 연료 배관(111)을 통해 엔진에 계속적으로 공급된다. 본 실시예에서 수소-천연가스 연료 중에서 분리되는 수소는 전체 수소 함유량 중에 일부분이 저장되는 것이 가능하다. 이와 같이, 수소 저장부(110)에 수소를 분리 저장하는 것은 엔진의 냉시동 조건에서 수소만을 이용하여 엔진 구동하기 위한 것으로서 이에 대해서는 이하에서 보다 구체적으로 설명한다.

바이패스라인(123)은 일단은 메인 라인(121)에 연통되고 타단은 연료 배관(111)에 연통된다. 바이패스라인(123)은 수소 저장부(110)에 수소가 과다 저장될 경우에 수소-천연가스를 메인 라인(121)에서 연료 배관(111)으로 회수하는 부분을 말한다. 이러한 바이패스라인(123)에는 압력 제어밸브(125)가 설치되어 수소 저장부(110)의 압력이 설정값을 초과하는 경우에 선택적으로 개방된다.

압력 제어밸브(125)는 전술한 바와 같이, 바이패스라인(123)에 설치되어 바이패스라인(123)을 선택적으로 개방하는 것으로서, 차량 ECU의 제어에 의해 개폐 제어된다. 즉, 차량 ECU는 수소 저장부(110)에 수소가 과충전되어 내부 압력이 설정값을 초과하는 경우에 압력 제어밸브(125)를 개방 제어한다. 그러면, 메인 라인(121)으로 유입된 수소-천연가스 연료는 연료 배관(111)으로 회수됨으로써, 수소가 수소 저장부(110)에 충천되지 않고 엔진에 수소-천연가스 연료의 계속적인 공급이 이루어진다.

한편, 수소 저장부(110)와 연료 배관(111)은 배출라인(140)으로 연결된다. 배출라인(140)에는 연료 공급밸브(150)가 설치되어 선택적인 개폐 작동이 이루어진다.

연료 공급밸브(150)는 본 실시예에서, 제1 입력부와 제2 입력부 및 출력부를 포함하는 3방향 전환 밸브로 설치될 수 있다. 제1 입력부는 수소 저장부(110)와 연결되어 수소가 유입된다. 제2 입력부는 연료 배관(111)과 연결되어 수소-천연가스 연료가 유입된다. 그리고 출력부는 엔진으로 연료를 공급하도록 연결되어 수소 또는 수소-천연가스 연료의 선택적인 공급이 이루어지도록 한다.

이하에서는 차량의 운전 조건에 따라 연료 공급밸브(150)의 작동 상태를 보다 구체적으로 설명한다.

먼저, 차량의 정상 운전 조건에서는 연료 배관(111)을 통해 수소-천연가스 연료가 엔진에 정상적인 공급이 이루어진다. 여기서, 수소-천연가스 연료에 포함된 수소는 멤브레인(130)의 작용으로 수소 저장부(110)에 지속적인 충전이 이루어진다.

다음, 차량 ECU는 엔진 냉시동 조건으로 확인되면, 연료 공급밸브(150)를 전환하여, 연료 배관(111)을 차단하여 엔진에 수소-천연가스 연료가 공급되지 않도록 하고, 수소 저장부(110)에 저장된 수소만을 엔진에 공급되도록 한다. 이에 따라 차량의 시동 초기에 수소만을 이용하여 엔진 시동이 이루어짐으로써, 시동과정에서 발생되는 미연탄화수소 및 메탄의 배출 저감이 가능하게 된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 배출 가스 저감 방법을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1과 동일 참조 번호는 동일 기능의 동일 부재를 말한다. 이하에서 동일 참조 번호에 대해서는 그 자세한 설명을 생략한다. 이하에서 도면을 참조하여 엔진의 배출 가스 저감 방법을 구체적으로 설명한다.

먼저, 연료 배관(111)에 멤브레인(130)이 설치된 회수 라인(120)을 통하여 수소 저장부(110)를 연결하고, 수소-천연가스 연료에 포함된 수소를 수소 저장부(110)에 분리 저장한다(S10). 여기서, 수소-천연가스 연료에 포함된 수소는 연료의 공급과정에서 멤브레인(130)의 분리막의 분리 작용에 의해 수소 저장부(110)로 저장된다. 본 실시예에서 수소 저장부(110)는 연료 배관(111)에 회수 라인(120) 및 배출라인(140)을 통해 연결되어, 수소의 저장 및 배출이 이루어진다. 수소 저장부(110)에서 배출되는 수소는 3방향 전환밸브인 연료 공급밸브(150)에 의해 엔진에 선택적으로 공급될 수 있다.

다음, 회수 라인(120)에 압력 제어밸브를 설치하여 수소 저장부(110)의 내부 압력이 설정값을 초과하는 것으로 확인한다(S11).

이어서, (S11) 단계에서 수소 저장부(110)의 내부 압력이 설정값을 초과하면, 압력 제어밸브(125)를 제어하여 수소-천연가스 연료가 수소 저장부(110) 방향으로 이동되지 않도록 제어한다(S12).

이어서, 차량의 냉시동 조건인지 여부를 확인한다(S20).

다음, (S20) 단계에서 차량의 냉시동 조건으로 확인되면, 연료 공급밸브(150)를 구동하여 수소 저장부(110)에 저장된 수소만을 엔진에 공급한다(S30). 즉, 차량의 냉시동 조건에서는 3방향 전환밸브인 연료 공급밸브(150)를 구동하여 연료 배관(111)을 폐쇄하여 엔진에 수소-천연가스 연료가 공급되지 않도록 하고, 배출라인(140)을 개방하여 수소 저장부(110)에 저장된 수소만을 엔진에 공급하도록 한다. 한편, 차량의 정상 운전 조건에서는 엔진에 수소-천연가스 연료의 계속적인 공급이 이루어지도록 한다(S31)

이와 같이, 차량의 정상 운전 조건에서는 수소-천연가스 연료에 포함된 수소를 멤브레인(130)을 이용하여 수소 저장부(110)에 저장한다. 그리고, 차량의 냉시동 조건으로 확인되면, 수소 저장부(110)에 저장된 수소만을 엔진에 공급하여 엔진 시동 초기에 배출되는 미연탄화수소 및 메탄의 배출을 현저하게 저감시키는 것이 가능하다. 이에 따라, 수소-천연가스 연료를 사용하는 엔진의 구동시에 환경 오염 방지가 가능하고 효율적인 엔진 운전이 가능하게 된다.

이상, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명과 균등한 범위에 속하는 다양한 변형예 또는 다른 실시예가 가능하다.

110...수소 저장부 111...연료 배관
120...회수 라인 121...메인 라인
123...바이패스라인 130...멤브레인
140...배출라인 150..,연료 공급밸브

Claims

수소-천연가스 연료가 이송되는 연료 배관에 연결되는 수소 저장부;
상기 연료 배관과 상기 수소 저장부를 연결하여 상기 수소-천연가스 연료의 일부가 상기 수소 저장부 방향으로 이동되도록 하는 회수 라인;
상기 회수 라인에 설치되어 상기 수소-천연가스 연료에 포함된 수소를 상기 수소 저장부로 분리 공급하는 멤브레인;
상기 수소 저장부와 상기 연료 배관을 연결하여 상기 수소 저장부에 저장된 수소가 배출되는 배출라인; 및
상기 배출 라인과 상기 연료 배관을 연결하도록 설치되어, 냉시동 조건에서 상기 수소 저장부에 저장된 수소를 엔진에 공급하도록 설치되는 연료 공급밸브;
를 포함하는 가스 엔진의 유해 배출가스 저감장치.
제1항에 있어서,
상기 회수 라인은,
상기 연료 배관과 상기 수소 저장부를 연결하는 메인 라인; 및
상기 메인 라인과 상기 연료 배관을 연결하는 바이패스라인;
를 포함하는 가스 엔진의 유해 배출가스 저감장치.
제2항에 있어서,
상기 바이패스라인에는 상기 수소 저장부의 압력이 설정값을 초과하면 개방되어 상기 메인 라인으로 유입된 상기 수소-천연가스 연료를 상기 연료 배관으로 바이패스시키는 압력 제어밸브가 설치되는 가스 엔진의 유해 배출가스 저감장치.
제1항에 있어서,
상기 연료 공급밸브는 수소가 유입되는 제1 입력부와 수소-천연가스 연료가 유입되는 제2 입력부 및 수소 또는 수소-천연가스 연료를 선택적으로 배출하는 출력부를 포함하는 3방향 전환밸브인 가스 엔진의 유해 배출가스 저감장치.
(a) 수소-천연가스 연료가 이송되는 연료 배관에 멤브레인이 설치된 회수 라인을 통하여 수소 저장부를 연결하고, 상기 수소-천연가스 연료에 포함된 수소를 상기 수소 저장부에 분리 저장하는 단계;
(b) 차량의 냉시동 조건인지 여부를 확인하는 단계; 및
(c) 상기 (b) 단계에서 차량의 냉시동 조건으로 확인되면, 상기 수소 저장부와 상기 연료 배관의 사이에 설치된 연료 공급밸브를 구동하여 상기 수소 저장부에 저장된 수소만을 엔진에 공급하는 단계;
를 포함하는 가스 엔진의 유해 배출가스 저감방법.
제5항에 있어서,
상기 (a) 단계에서,
(a-1) 상기 회수 라인에 압력 제어밸브를 설치하여 상기 수소 저장부의 내부 압력이 설정값을 초과하는 것으로 확인하는 단계; 및
(a-2) 상기 (a-1) 단계에서 상기 수소 저장부의 내부 압력이 설정값을 초과하면, 압력 제어밸브를 제어하여 상기 수소-천연가스 연료가 상기 수소 저장부 방향으로 이동되지 않도록 제어하는 단계;
를 더 포함하는 가스 엔진의 유해 배출가스 저감방법.