KR101496043B1 - 디젤 엔진용 scr 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 디젤 엔진용 SCR 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 SCR 시스템은, 디젤 엔진(10)의 배기 다기관(12)의 출구에 설치되는 배기가스 리시버(14); 상기 배기가스 리시버(14)의 출구로부터 연장되는 제1 배기관(18)에 설치되는 터보차저(16); 상기 터보차저(16)의 압축기(16-2) 출구로부터 연장되는 흡기관(22)에 설치되는 흡기 리시버(24); 상기 흡기 리시버(24)의 출구로부터 상기 엔진(10)의 흡기구를 연결하는 흡기 취입관(26); 상기 터보차저(16)의 터빈(16-1) 출구로부터 연장되는 제2 배기관(100)에 설치되는 SCR 반응기(110); 상기 배기가스 리시버(14)의 배기가스의 일부를 터보차저(16)를 우회하여 직접 SCR 반응기(110) 입구로 보내기 위해, 상기 배기가스 리시버(14)로부터 인출되어 상기 터보차저(16)와 SCR 반응기(110) 사이의 제2 배기관(100)에 접속되는 배기 우회 관로(120); 상기 배기 우회 관로(120)에 설치되어 관로를 단속하는 제1 단속밸브(122)를 포함한다. 이러한 본 발명은 SCR 반응기를 터보차저 하류 측에 설치함으로써 엔진 부근의 설비 구조와 정렬이 단순해지며, 필요 시 배기가스 리시버 내의 배기가스의 일부를 터보차저를 경유하지 않고 우회시켜 곧바로 SCR 반응기로 들어가도록 하여 요구운전온도를 맞출 수 있다.

Description

디젤 엔진용 SCR 시스템{SCR System for Diesel Engine}
본 발명은 디젤 엔진의 SCR 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 엔진 구조물의 복잡화를 방지하고 엔진 성능에 대한 악영향을 최소화면서 SCR 반응기 입구의 배기가스 온도를 요구운전온도 이상으로 유지가능하도록 하여 SCR 반응효율을 향상시킬 수 있는 디젤 엔진용 SCR 시스템에 관한 것이다.
선택적 촉매 환원 시스템(Selective Catalyst Reduction System)으로 불리는 SCR 시스템은, 선박 추진용 디젤 엔진, 플랜트 발전용 디젤 엔진 등에서 배출되는 배기가스 중의 질소산화물(NOx)을 선택적으로 제거하기 위한 시스템이다.
이러한 SCR 시스템은, 배기관의 도중에 촉매가 내장된 SCR 반응기를 설치해 두고, SCR 반응기의 상류 측에 분무용 노즐을 설치하며, 분무용 노즐에 환원제를 공급하기 위한 요소수 공급 장치를 구비한다.
엔진으로부터 SCR 반응기로 향하는 배기가스에 분무용 노즐로부터 환원제를 분무하면, 분무된 환원제 입자가 배기가스와 섞여 SCR 반응기로 들어가 촉매를 통과하게 되며, 촉매를 통과하는 과정에서 환원제로부터 가수분해된 암모니아와 배기가스가 반응을 일으켜 배기가스 중의 유해물질인 질소산화물이 질소와 수증기로 환원된 후 대기로 배출된다.
이처럼, SCR 시스템에서는 배기가스의 뜨거운 온도에 의해 환원제를 암모니아로 분해한 후 촉매를 통해 질소산화물과 반응시켜야 하기 때문에, 반응이 일정 수준 이상으로 정상적으로 일어나는 최소 온도 범위인 이른바 '요구운전온도'를 가지고 있다.
일반적으로 선박용 2-행정 디젤 엔진에서의 SCR 반응기의 요구운전온도는 약300℃(황 함유량 약 1% 이하의 연료유) 정도로 알려져 있다. 따라서, SCR 반응기 입구에서의 배기가스의 온도가 요구운전온도에 미치지 못하면 질소산화물의 제거 효율이 떨어져서 SCR 시스템의 운전이 무의미해지게 된다. 일반적으로, SCR 입구의 온도가 요구운전온도에 이르지 못한 경우에는 관리자가 환원제의 공급을 멈추어 SCR 시스템을 셧-다운시킨다.
그런데, 도 1에 보인 바와 같이, SCR 반응기의 요구운전온도는 연료 중의 황 함유량에 따라 달라진다. 그렇기 때문에 여러 가지 등급의 연료를 사용하는 선박 엔진에 있어서는, 관리자가 일일이 연료의 황 함유량에 따른 요구운전온도를 인지하여 SCR 시스템을 매번 다르게 운용하여야 하는 어려움이 있다.
한편, 일반적으로, 선박용 디젤엔진의 경우에는 엔진 출력 및 효율의 증대를 위해, 배기가스의 유동 에너지를 이용하여 터빈을 구동하고, 터빈의 구동에 의해 흡기를 압축하여 엔진으로 공급하기 위한 이른바 '터보차저(Turbo Charger)'가 설치된다.
터보차저를 구비하는 디젤 엔진의 경우, SCR 반응기를 터보차저 후단에 배치하는 것이 설치의 단순화 및 설비 구조의 단순화에 유리하지만, 터보차저 후단의 배기가스 온도를 SCR 반응기의 요구운전온도 이상으로 유지하여야만 한다. 그런데, 배기가스가 터보차저를 거치면서 터빈을 구동한 이후에는 그 온도가 낮아지기 때문에 SCR을 가동할 수 없거나 효율이 떨어지는 운전 영역이 증가하는 폐단이 있다.
요컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 선박용 디젤 엔진의 경우, 터보차저의 터빈 후단의 배기가스 온도(T/C out)가 SCR 반응기의 요구운전온도(HFO)보다 낮은 운전구간이 넓고, 그 때문에 이 구간에서는 SCR 반응 효율이 떨어지고 질소산화물의 제거가 어렵다.
일례로, 선박용 디젤 엔진의 경우 터보차저 출구측의 온도는 약 280℃ 전후 부근에서 유지되는데, 이는 SCR 요구운전온도인 약 300℃(황 함유량 약 1% 이하의 연료유 기준)보다 낮다. 이에 따라, SCR 반응기를 터보차저 상류측에 설치하여 엔진으로부터 나오는 배기가스의 온도가 내려가기 전에 SCR 반응기로 들어가도록 하여 요구운전온도를 맞추어 운전하는 형태의 SCR 시스템을 하나의 대안으로 설계하기도 한다.
그러나, SCR 시스템을 터보차저 상류측에 설치하려면, 엔진 부근의 설비 구조가 매우 복잡해진다는 문제가 있다. 일반적으로 터보차저는 엔진의 배기가스 리시버에 연결되고, 배기가스 리시버는 배기 다기관에 접속되기 때문에, 배기가스 리시버와 터보차저에 더하여 SCR 반응기를 엔진의 실린더 헤드에 매우 인접하여 설치하여야 함으로써 엔진 설비가 구조적으로 복잡해지고 조립이나 유지보수도 어려워진다.
또한, SCR 시스템을 터보차저 상류측에 설치하면, 배기가스의 흐름에 급격한 저항으로 작용하기 때문에 배압이 높아지고 출력이 떨어지는 문제가 발생하므로, 이에 대해서 별도의 대비책을 마련하여야 하는 단점이 있다.
공개특허공보 공개번호 제10-2012-0109499호 공개특허공보 공개번호 제10-2011-0064374호
본 발명은 상기와 같은 문제에 대처하여 엔진 설비의 복잡화를 방지하고 엔진 성능에 대한 악영향을 최소화면서도 SCR 반응기 입구의 배기가스 온도를 요구운전온도 이상으로 유지가능하도록 하여 SCR 반응효율을 향상시킬 수 있도록 하는 디젤 엔진용 SCR 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 디젤 엔진용 SCR 시스템은, 디젤 엔진의 배기 다기관의 출구에 설치되는 배기가스 리시버; 상기 배기가스 리시버의 출구로부터 연장되는 제1 배기관에 설치되는 터보차저; 상기 터보차저의 압축기 출구로부터 연장되는 흡기관에 설치되는 흡기 리시버; 상기 흡기 리시버의 출구로부터 상기 엔진의 흡기구를 연결하는 흡기 취입관; 상기 터보차저의 터빈 출구로부터 연장되는 제2 배기관에 설치되는 SCR 반응기; 상기 배기가스 리시버의 배기가스의 일부를 터보차저를 우회하여 직접 SCR 반응기 입구로 보내기 위해, 상기 배기가스 리시버로부터 인출되어 상기 터보차저와 SCR 반응기 사이의 제2 배기관에 접속되는 배기 우회 관로; 및 상기 배기 우회 관로에 설치되어 관로를 단속하는 제1 단속밸브를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 배기관에 설치되어 관로를 단속하는 제2 단속밸브를 더 포함한다.
본 발명에 따른 디젤 엔진용 SCR 시스템에 의하면, SCR 반응기를 터보차저 하류 측에 설치함으로써 엔진 부근의 설비 구조와 정렬이 단순해지며, 필요 시 배기가스 리시버 내의 배기가스의 일부를 터보차저를 경유하지 않고 우회시켜 곧바로 SCR 반응기로 들어가도록 한다. 따라서 고온의 배기가스의 바이패스 유입효과와 터보차저의 효율 감소를 통해 SCR 반응기 입구의 배기가스 온도가 상승시킬 수 있어 요구운전온도를 맞출 수가 있다.
도 1은 연료 중의 황 함유량에 따른 SCR 반응기의 요구운전온도 영역을 나타내는 그래프이다.
도 2는 선박용 디젤 엔진의 부하에 따른 터보차저 입구 및 출구의 배기가스 온도의 일례를 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 디젤 엔진용 SCR 시스템에 대한 계통도이다.
도 4는 도 3에 도시한 SCR 시스템의 운전 상황의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 3에 도시한 SCR 시스템의 운전 상황의 다른 예를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부도면을 참조하면서 본 발명에 따른 SCR 시스템의 실시예를 구체적으로 설명한다. 도 3 내지 도 5에서 도시한 엔진(10)은 2-행정 디젤엔진의 모양을 나타내었으나, 이는 하나의 예시일뿐 본 발명이 반드시 2-행정 엔진에만 적용되는 것은 아니며, 4-행정 디젤 엔진에도 동일하게 적용된다.
도 3은 본 발명에 따른 디젤 엔진용 SCR 시스템에 대한 계통도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 디젤 엔진(10)은, 실린더의 배기 포트마다 연장되는 배기 다기관(12)이 구비된다.
배기 다기관(12)의 출구에는, 실린더마다 배출되는 배기가스를 한 곳에 모으기 위한 용적이 확장된 배기가스 리시버(Exhaust Gas Receiver)(14)가 설치된다.
배기가스 리시버(14)의 출구로부터는 제1 배기관(18)이 연장되고, 제1 배기관(18)의 도중에는 터보차저(16)가 설치된다.
터보차저(16)는, 상기의 제1 배기관(18)에 연결되어 배기가스의 유동 에너지에 의해 회전하는 터빈(16-1)과, 터빈(16-1)의 회전에 의해 공기를 압축하는 압축기(16-2)로 이루어진다.
터보차저(16)의 압축기(16-2)를 통해 압축된 흡기는, 압축기(16-2) 출구로부터 연장되는 흡기관(22)을 통해 흡기 리시버(24)로 들어가며, 흡기 리시버(24)의 출구로부터 연장되는 흡기 취입관(26)을 통해 엔진(10)의 흡기구로 들어간다.
본 발명에 있어서, SCR 반응기(110)는 상기 터보차저(16)의 터빈(16-1) 출구로부터 연장되는 제2 배기관(100)에 설치된다.
즉, SCR 반응기(110)를 터보차저(16)의 하류 측에 배치함으로써, 배기가스 리시버(14) 및 터보차저(16)를 포함하는 엔진(10)의 인접 구성 요소들의 구조를 단순화할 수 있도록 한 것이다.
또한, SCR 반응기(110)를 터보차저(16) 하류 측에 설치함으로써, 배기가스의 흐름에 급격한 저항으로 작용하는 것을 방지하여, SCR 반응기(110)에 의해 엔진의 성능이 저하되는 것을 최소화할 수 있도록 한 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 배기가스 리시버(14)로부터는 배기 우회 관로(120)가 인출되어 상기 터보차저(16)와 SCR 반응기(110) 사이의 제2 배기관(100)에 접속된다.
상기 배기 우회 관로(120)는, 상기 배기가스 리시버(14)의 배기가스의 일부를 터보차저(16)를 우회하여 직접 SCR 반응기(110) 입구로 보내 SCR 반응기(110)로 들어가는 배기가스의 온도를 높이기 위한 것이다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 배기 우회 관로(120)에는 관로를 단속하기 위한 제1 단속밸브(122)가 설치된다.
제1 단속밸브(122)는, SCR 반응기(110) 입구 측의 배기가스 온도가 요구운전온도에 미치지 못하는 경우, 배기가스 리시버(14)의 고온의 배기가스의 일부를 온도가 떨어지지 전에 직접(곧바로) SCR 반응기(110)로 보냄으로써 SCR의 요구운전온도에 맞출 수 있다. 또한, 그것에 의해 SCR 반응기(110)를 대부분의 부하 영역에서 요구운전온도로 유지할 수 있다.
한편, 상기 터보차저(16)의 압축기(16-2) 출구로부터 연장되는 흡기관(22)에는 흡기 리시버(24)가 설치되고, 흡기 리시버(24)의 출구로부터는 흡기 취입관(26)이 연장되어 엔진(10)의 흡기구에 연결된다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 배기관(18)에는 관로를 단속하기 위한 제2 단속밸브(130)를 설치할 수 있다.
제2 단속밸브(130)는 상기의 제1 단속밸브(122)와 함께 운용된다. 예를 들어, 배기가스의 일부를 SCR 반응기(110)로 우회시키지 않고 터보차저(16)로 모두 보내는 경우에는 제1 단속밸브(122)는 닫고 제2 단속밸브(130)는 연다. 또는 배기가스의 일부를 SCR 반응기(110)로 우회시킬 경우에는 제1 단속밸브(122) 및 제2 단속밸브(130)를 모두 연다.
예를 들어 선박 운행시에 특별한 상황이 발생하거나 운항 중 터보차저(16)를 정비할 필요가 발생하는 등에 따라 배기가스 리시버(14)를 나오는 배기가스를 터빈(16)을 우회하여 모두 SCR 반응기(110)로 보내야 할 때에는, 제2 단속밸브(130)는 닫고 제1 단속밸브(122)만 연다.
더 나아가서, 도면에서는 도시하지 않았지만, 배기가스 리시버(14), 터보차저(16)의 입구 및 SCR 반응기(110)의 출구에 각각 온도센서를 설치하여, 각 부분의 배기가스의 온도를 모니터링 하여 SCR 제어에 활용할 수 있다.
이와 같이 이루어진 본 발명의 디젤 엔진용 SCR 시스템의 작용 및 운용 방법에 대해 설명한다.
도 4는, 도 3에 도시한 SCR 시스템의 운전 상황의 일례를 나타내는 것으로서, SCR 시스템을 운용하지 않고자 할 때의 운전 상황을 설명하기 위한 도면이다.
도 4의 경우는, SCR 반응기(110)에 들어가는 배기가스의 온도가 요구운전온도 이상으로 유지되어 배기를 우회시킬 필요가 없거나, 또는 선박의 운항 상황에 따라 SCR 시스템을 운전할 필요가 없을 때 또는 운전이 불가능할 때 채용되는 운전 방법이다.
이 경우에는, 배기 우회 관로(120)의 제1 단속밸브(122)는 닫고, 제1 배기관(18)의 제2 단속밸브(130)는 연다.
따라서, 배기가스 리시버(14)를 나온 배기가스는, SCR 반응기(110)로 나가지 않고 모두 제1 배기관(18)을 통해 터보차저(16)로 들어간다.
도 5는 도 3에 도시한 SCR 시스템의 운전 상황의 다른 예를 나타내는 것으로서, SCR 시스템을 운전하는 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 5의 경우는, SCR 반응기(110)에 들어가는 배기가스의 온도가 요구운전온도에 미치지 못하는 경우 배기가스의 일부를 우회시켜 직접 SCR 반응기(110)로 들어가도록 함으로써 SCR 반응기(110)를 요구운전온도로 맞추기 위한 운전 방법이다.
이 경우에는, 배기 우회 관로(120)의 제1 단속밸브(122)와 제1 배기관(18)의 제2 단속밸브(130)를 모두 연다.
따라서, 배기가스 리시버(14)를 나온 배기가스의 일부는 제1 배기관(18)을 통해 터보차저(16)를 구동한 후 SCR 반응기(110)로 들어간다. 그리고 배기가스 리시버(14)를 나온 배기가스의 나머지 일부는 배기 우회 관로(120)를 통해 SCR 반응기(110) 입구 측의 제2 배기관(100)을 통해 SCR 반응기(110) 입구로 직접 들어간다. 따라서, SCR 반응기(110) 입구 부분의 배기가스 온도가 요구운전온도에 미치지 못하는 경우, 배기가스 리시버(14)의 고온의 배기가스의 일부가 온도가 떨어지지 전에 곧바로 SCR 반응기(110)로 들어감으로써 SCR 반응기(110)를 요구운전온도로 유지할 수 있다. 이에 따르면, SCR 반응기(110)를 대부분의 부하 영역에서 요구운전온도로 맞추고 유지할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능할 것이다.
10 : 엔진
12 : 배기 다기관
14 : 배기가스 리시버
16 : 터보차저
18 : 제1 배기관
22 : 흡기관
24 : 흡기 리시버
26 : 흡기 취입관
100 : 제2 배기관
110 : SCR 반응기
120 : 배기 우회 관로
122 : 제1 단속밸브
130 : 제2 단속밸브

Claims (2)

  1. 디젤 엔진(10)의 배기 다기관(12)의 출구에 설치되는 배기가스 리시버(14);
    상기 배기가스 리시버(14)의 출구로부터 연장되는 제1 배기관(18)에 설치되는 터보차저(16);
    상기 터보차저(16)의 압축기(16-2) 출구로부터 연장되는 흡기관(22)에 설치되는 흡기 리시버(24);
    상기 흡기 리시버(24)의 출구로부터 상기 엔진(10)의 흡기구를 연결하는 흡기 취입관(26);
    상기 터보차저(16)의 터빈(16-1) 출구로부터 연장되는 제2 배기관(100)에 설치되는 SCR 반응기(110);
    엔진(10)으로부터 나온 배기가스의 일부를 배기가스 리시버(14)에서 SCR 반응기(110)로 직접 보내 SCR 반응기(110) 입구의 배기가스 온도를 올리기 위해, 상기 배기가스 리시버(14)로부터 직접 인출되어 상기 제1 배기관(18) 및 터보차저(16)를 모두 우회하여 상기 터보차저(16) 하류의 SCR 반응기(110) 입구 측 제2 배기관(100)에 접속되는 배기 우회 관로(120); 및
    상기 배기 우회 관로(120)에 설치되어 관로를 단속하는 제1 단속밸브(122) 및 상기 제1 배기관(18)에 설치되어 관로를 단속하는 제2 단속밸브(130)를 포함하여, 상기 제1, 2 단속밸브(122, 130)를 모두 여는 경우 상기 배기가스 리시버(14) 내의 배기가스 중 일부분의 배기가스가 상기 제1 배기관(18)과 터보차저(16)를 경유하지 않고 상기 배기 우회관로(120)를 통해 직접 SCR 반응기(110)의 입구로 보내져서 SCR 반응기(110)로 들어가는 배기가스의 온도를 상승시키도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진용 SCR 시스템.
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