KR101526101B1 - 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관은 탄화수소계 연료를 연소시켜 기계적 동력을 발생시키는 메인 실린더와, 농후 공연비로 탄화수소계 연료를 열분해시켜 열분해 가스를 생성하는 열분해 가스 생성 실린더를 포함하는 엔진 본체와, 상기 열분해 가스 생성 실린더에서 배출된 열분해 가스를 이용하여 암모니아(NH3)를 생성하는 삼원 촉매 장치, 그리고 상기 엔진 본체의 메인 실린더에서 배출된 배기 가스가 함유한 질소산화물을 상기 삼원 촉매 장치에서 생성된 암모니아(NH3)를 이용하여 저감시키는 선택적 촉매 환원 반응기를 포함한다.

Description

열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관{INTERNAL COMBUSTION ENGINE HAVING PYROLYSIS GAS GENERATING CYLINDER AND EXHAUST GAS PURIFYING SYSTEM}
본 발명은 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료를 열분해 시키는 열분해 가스 생성 실린더 및 질소산화물을 효율적으로 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원 반응기와 삼원 촉매 장치를 포함하는 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연 기관에 관한 것이다.
엔진에서 배출되는 유해한 물질인 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 및 질소산화물(NOx) 등을 무해한 물질인 이산화탄소(CO2), 물(H2O), 및 질소(N2) 등으로 변환시키기 위해서 삼원 촉매를 사용한 배기 가스 정화 시스템이 일반적으로 사용되고 있다.
삼원 촉매(three way catalyst)는 백금, 팔라듐, 로듐 등을 사용한 촉매 컨버터로, 산화 기능과 환원 기능을 겸비한다. 혼합비를 이론 공연비로 유지시켜 배기 중에 산소가 남지 않도록 하고 동시에 배기의 온도를 충분히 높게 유지하면, 삼원 촉매에서 질소산화물(NOx)이 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)의 산화제로서 작용하고, 반대로 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)는 질소산화물(NOx)의 환원제로서 작용하여 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 및 질소산화물(NOx)을 동시에 저감시킬 수 있다.
한편, 삼원 촉매가 능력을 충분히 발휘하기 위해서는 공기와 연료의 혼합비를 항상 이론 공연비에 가깝게 유지시켜야 한다. 공연비가 희박해질 경우, 질소 산화물(NOx)의 저감율, 즉 질소 산화물(NOx)의 환원률이 낮아지게 된다.
현재, 여러 방식의 엔진 중 가솔린 직분사(gasoline direct injection, GDI) 엔진과 압축 점화 방식으로 동작하는 디젤 엔진이 상대적으로 높은 연비를 구현할 수 있어 주목 받고 있다.
가솔린 직분사 엔진과 디젤 엔진은 공통적으로 희박 공연비로 연소될수록 연비 이득이 발생한다. 그런데 희박 공연비로 운전되는 조건에서는 삼원촉매를 사용하여 질소산화물(NOx)을 충분히 저감시키기 어렵다. 이에, 가솔린 직분사 엔진 및 디젤 엔진은 질소산화물을 저감시키기 위하여 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 반응기 또는 질소산화물 제거 장치(Lean NOx Trap, LNT)를 부가적으로 사용하고 있다.
질소산화물 제거 장치(LNT)는 희박 공연비로 운전 중에 촉매담층(Wash coat)에 질소산화물(NOx)을 흡장한 후 짧은 시간 동안 농후 공연비로 운전하여 연료를 환원제로 활용하여 촉매담층에 흡장된 질소산화물(NOx)을 인체에 무해한 질소로 환원시켜 정화한다.
따라서, 종래에는 질소산화물 제거 장치(LNT)를 사용하기 위해서 주기적으로 희박 공연비 운전과 농후 공연비 운전을 반복해야 하므로, 연료의 낭비가 심하고 운전의 정숙성을 저하시키는 문제점이 있다.
또한, 선택적 촉매 환원 반응기는 환원제인 암모니아를 생성하기 위한 요소수(urea)가 요구된다.
따라서, 종래에는 선택적 촉매 환원 반응기를 사용하기 위해서 요소수(urea)를 공급하기 위한 별도의 요소수 공급 장치와 요소수를 암모니아로 분해하기 위한 장치가 마련되어야 했다.
그리고 요소수(urea)는 섭씨 영하 11도 이하에서 동결되므로, 저온 환경에서 사용의 제약이 따르는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예는 질소산화물을 효율적으로 저감시킬 수 있는 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관은 탄화수소계 연료를 연소시켜 기계적 동력을 발생시키는 메인 실린더와 농후 공연비로 탄화수소계 연료를 열분해시켜 열분해 가스를 생성하는 열분해 가스 생성 실린더를 포함하는 엔진 본체와, 상기 열분해 가스 생성 실린더에서 배출된 열분해 가스를 이용하여 암모니아(NH3)를 생성하는 삼원 촉매 장치, 그리고 상기 엔진 본체의 메인 실린더에서 배출된 배기 가스가 함유한 질소산화물을 상기 삼원 촉매 장치에서 생성된 암모니아(NH3)를 이용하여 저감시키는 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 반응기를 포함한다.
상기 엔진 본체는 상기 메인 실린더에서 직선 왕복 운동하는 메인 피스톤과, 상기 메인 피스톤의 직선 왕복 운동력을 회전 운동력으로 변환하여 동력을 전달하는 메인 크랭크 샤프트와, 상기 열분해 가스 생성 실린더에서 직선 왕복 운동하는 열분해 피스톤, 그리고 상기 열분해 피스톤의 직선 왕복 운동력을 회전 운동력으로 변환하여 동력을 주고 받는 열분해 크랭크 샤프트를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 열분해 가스 생성 실린더와 상기 열분해 피스톤은 상기 메인 실린더와 상기 메인 피스톤 보다 상대적으로 저속 고부하 조건으로 동작할 수 있다.
상기 열분해 가스 생성 실린더는 상기 메인 실린더보다 상대적으로 적은 체적을 가질 수 있다.
상기 열분해 크랭크 샤프트는 상기 메인 크랭크 샤프트보다 저속으로 회전하도록 감속비를 가지고 상기 메인 크랭크 샤프트와 연결될 수 있다.
또한, 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관은 상기 엔진 본체의 회전수를 측정하는 회전 속도 센서와, 상기 엔진 본체의 메인 실린더에서 배출된 배기 가스의 질소산화물 농도를 측정하는 질소산화물 농도 센서와, 상기 엔진 본체의 열분해 가스 생성 실린더에서 배출된 열분해 가스의 산소 농도를 측정하는 산소 농도 센서, 그리고 상기 회전 속도 센서, 상기 산소 농도 센서, 및 상기 질소산화물 농도 센서로부터 정보를 전달받아 상기 열분해 가스 생성 실린더에 공급되는 연료의 양을 조절하여 공연비를 제어하는 제어 장치를 더 포함할 수 있다.
상기한 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관은 상기 엔진 본체의 메인 실린더에서 배출된 배기 가스를 외부로 배출시키며 상기 삼원 촉매 장치를 거쳐 상기 선택적 촉매 환원(SCR) 반응기와 연결된 메인 배기 유로와, 상기 엔진 본체의 열분해 가스 생성 실린더에서 배출된 열분해 가스를 상기 선택적 촉매 환원 반응기에 전달하는 열분해 가스 공급 유로를 더 포함할 수 있다.
상기 열분해 가스는 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 수소(H2), 물(H2O), 이산화탄소(CO2), 질소(N2), 산소(O2), 질소산화물(NOx), 또는 암모니아(NH3) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 삼원 촉매 장치는 상기 열분해 가스 중 상기 일산화탄소(CO), 상기 탄화수소(HC), 및 상기 질소산화물(NOx)을 감소시키고 상기 암모니아(NH3)를 생성 및 증가시켜 상기 선택적 촉매 환원 반응기에 공급할 수 있다.
상기 엔진 본체는 불꽃 점화 방식일 수 있다.
그리고 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관은 상기 엔진 본체의 메인 실린더와 상기 선택적 촉매 환원 반응기 사이의 상기 메인 배기 유로 상에 설치된 추가의 삼원 촉매 장치를 더 포함할 수 있다.
또한, 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관은 상기 선택적 촉매 환원 반응기 보다 상류측 상기 메인 배기 유로 또는 하류측 상기 메인 배기 유로 상에 설치된 매연여과 필터(particulate filter)를 더 포함할 수 있다.
상기 엔진 본체는 압축 점화 방식일 수 있다.
그리고 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관은 상기 엔진 본체의 메인 실린더와 상기 선택적 촉매 환원 반응기 사이의 상기 메인 배기 유로 상에 설치된 디젤 산화 촉매(diesel oxidation catalyst, DOC) 장치를 더 포함할 수 있다.
또한, 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관은 상기 선택적 촉매 환원 반응기 보다 상류측 상기 메인 배기 유로 또는 하류측 상기 메인 배기 유로 상에 설치된 매연여과 필터(particulate filter)를 더 포함할 수 있다.
또한, 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관은 상기 삼원 촉매 장치를 거치기 전의 상기 열분해 가스 공급 유로에서 분기되어 상기 미립자 필터에 상기 열분해 가스를 공급하는 분기 유로를 더 포함할 수 있다.
또한, 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관은 상기 분기 유로 상에 설치된 산화 촉매(oxidation catalyst, OC)를 더 포함할 수 있다.
또한, 매연여과 필터(particulate filter)의 재생이 필요할 경우 열분해 가스 생성 실린더를 희박 공연비 상태로 운전하고, 산화 촉매(oxidation catalyst, OC)로 촉매연소를 유도하여 생성된 고온의 가스를 매연여과 필터(particulate filter) 전단에 주입하여 포화된 매연여과 필터(particulate filter)를 재생시키는 기능을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관은 질소산화물을 효율적으로 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라 배기 가스를 전체적으로 정화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관의 구성도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관의 구성도들이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관의 구성도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 제5 실시예에 따른 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관의 구성도들이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 실험예와 비교예를 대비하여 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예들에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.
본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예들은 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관(501)을 설명한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 내연 기관(501)은 자동차, 선박, 또는 산업 플랜트 등에 다양한 기술 분야에 적용될 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관(501)은 엔진 본체(101)와 선택적 촉매 환원 반응기(selective catalytic reduction, SCR)(510)를 포함한다.
그리고 본 발명의 제1 실시예에 따른 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관(501)은 메인 배기 유로(220), 열분해 가스 공급 유로(230), 및 삼원 촉매 장치(410)를 더 포함한다.
또한, 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관(501)은 회전 속도 센서(712), 산소 농도 센서(723), 질소산화물 농도 센서(722), 및 제어 장치(700)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에서, 엔진 본체(101)는 메인 실린더(110)와, 열분해 가스 생성 실린더(120), 메인 피스톤(115), 열분해 피스톤(125), 메인 크랭크 샤프트(119) 및 열분해 크랭크 샤프트(129)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에서, 엔진 본체(101)는 불꽃 점화 방식일 수 있다. 불꽃 점화 방식에 따른 엔진의 구조는 해당 기술 분야의 종사자에게 공지되어 있으므로 자세한 설명은 생략한다.
본 발명의 제1 실시예에서, 메인 실린더(110)는 복수개 마련될 수 있으며 탄화수소계 연료를 연소시켜 기계적 동력을 발생시킨다.
메인 실런더(110)에는 흡기 밸브와 배기 밸브가 설치된다. 흡기 밸브를 통해 공기와 연료가 혼합된 혼합기가 메인 실린더(110) 내부로 유입되거나 흡기 밸브는 공기만을 유입시키고 연료는 메인 실린더(110) 내에 설치된 별도의 연료 분사기에 의하여 공급될 수 있다. 이러한 혼합기가 메인 실린더(110) 내부에서 고압으로 압축된 후 점화 및 연소하면 폭발력에 의한 동력이 발생된다. 메인 실린더(110) 내부에서 연소된 혼합기는 배기 밸브를 통해 메인 실린더(110) 외부로 배기된다.
본 발명의 제1 실시예에서, 메인 실린더(110)에 공급되는 공기와 탄화수소계 연료의 혼합비는 이론 공연비인 14.7:1 이상이다. 즉, 메인 실린더(110)는 희박 공연비 조건에서 혼합기를 연소시킨다.
하지만, 메인 실린더(110)는 순간적 혹은 일시적으로 농후 공연비 조건에서 혼합기를 연소시킬 수도 있다. 이는 메인 실린더(110)는 기본적으로 이상적인 상황에서 희박 공연비 조건에서 운전되지만, 상황에 따라 일시적으로 농후 공연비 조건에서 운전될 수도 있음을 의미한다.
또한, 메인 피스톤(115)은 흡기, 압축, 팽창, 및 배기의 4행정 사이클을 거치면서, 메인 실린더 내에서 직선 왕복 운동한다.
메인 크랭크 샤프트(119)는 메인 피스톤(115)의 직선 왕복 운동력을 회전 운동력으로 변환하여 동력을 전달한다.
본 발명의 제1 실시예에서, 열분해 가스 생성 실린더(120)는 공기와 탄화수소계 연료가 혼합된 혼합기를 공급받아 고온 고압의 환경에서 연료를 열분해시킨다.
즉, 본 발명의 제1 실시예에서, 열분해 가스 생성 실린더(120)에 공급되는 공기와 탄화수소계 연료의 혼합비는 이론 공연비인 14.7:1 이하이다. 즉, 열분해 가스 생성 실린더(120)는 농후 공연비 조건에서 혼합기를 열분해시킨다.
또한, 열분해 가스 생성 실린더(120)에 공급되는 혼합기의 공연비는 연료의 종류, 압축비, 및 엔진 회전수 등에 따라 최적의 열분해 가스가 생성될 수 있도록 조절될 수 있다.
열분해 가스 생성 실린더(120)에도 점화 장치와, 흡기 밸브, 그리고 배기 밸브가 설치될 수 있으며, 열분해 가스 생성 실린더(120)는 기본적으로 메인 실린더(110)와 동일한 구조를 갖는다. 다만, 열분해 가스 생성 실린더(120)는 메인 실린더(110)보다 상대적으로 적은 체적을 가지며, 저속 고부하 조건에서 공기와 연료의 혼합기를 열분해한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열분해 가스 생성 실린더(120)에서 탄화수소(CnHm)계 연료가 공기와 함께 열분해되면 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 수소(H2), 물(H2O), 이산화탄소(CO2), 질소(N2), 산소(O2), 질소산화물(NOx), 또는 암모니아(NH3) 중 하나 이상이 생성된다.
따라서, 열분해 가스 생성 실린더(120)는 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 수소(H2), 물(H2O), 이산화탄소(CO2), 질소(N2), 산소(O2), 질소산화물(NOx), 또는 암모니아(NH3) 중 하나 이상을 포함한 열분해 가스를 배출한다.
열분해 피스톤(125)도 흡기, 압축, 팽창, 및 배기의 4행정 사이클을 거치면서, 열분해 가스 생성 실린더(120) 내에서 직선 왕복 운동한다.
열분해 크랭크 샤프트(129)는 열분해 피스톤(125)과 동력을 주고받도록 연결된다. 또한, 열분해 크랭크 샤프트(129)는 메인 크랭크 샤프트(119) 보다 저속으로 회전하도록 감속비를 가지고 메인 크랭크 샤프트(119)와 연결될 수 있다.
하지만, 본 발명의 제1 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 열분해 크랭크 샤프트(129)는 열분해 가스 생성 기능을 갖는 엔진(101)에 부속되어 사용되는 보조 기계류의 구동 벨트와 연결될 수도 있다. 이 경우에도, 열분해 크랭크 샤프트(129)는 메인 크랭크 샤프트(119) 보다 상대적으로 저속으로 회전하도록 감속된다.
메인 배기 유로(220)는 엔진 본체(101)의 메인 실린더(110)에서 배출된 배기 가스를 외부로 배출한다.
선택적 촉매 환원 반응기(510)는 메인 배기 유로(220) 상에 설치된다. 즉, 메인 배기 유로(220)는 엔진 본체(101)의 메인 실린더(110)와 선택적 촉매 환원 반응기(510)를 연결한다. 선택적 촉매 환원 반응기(510)는 배기 가스가 함유한 질소산화물(NOx)을 저감시킨다.
구체적으로, 선택적 촉매 환원 반응기(510)는 배기 가스가 함유한 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 촉매를 포함한다. 선택적 촉매 환원 반응기(510)에 사용되는 촉매는 배기 가스에 함유된 질소산화물(NOx)과 환원제의 반응을 촉진시켜 질소산화물(NOx)을 질소와 수증기로 환원 처리한다. 이때, 질소산화물(NOx)과 반응하여 환원시킬 최종적인 환원제로 암모니아(NH3)가 사용된다.
선택적 촉매 환원 반응기(510)에 사용되는 촉매는 제올라이트(Zeolite), 바나듐(Vanadium), 및 백금(Platinum) 등과 같이 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 소재로 만들어질 수 있다.
열분해 가스 공급 유로(230)는 엔진 본체(101)의 열분해 가스 생성 실린더(120)에서 배출된 열분해 가스를 선택적 촉매 환원 반응기(510)에 전달한다.
열분해 가스 생성 실린더(120)에서 배출된 열분해 가스는 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 수소(H2), 물(H2O), 이산화탄소(CO2), 질소(N2), 산소(O2), 질소산화물(NOx), 또는 암모니아(NH3) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
그리고 삼원 촉매 장치(410)는 열분해 가스 공급 유로(230) 상에 설치된다.
삼원 촉매 장치(410)는 산화 반응과 환원 반응을 모두 촉진시키며, 산화 반응 및 환원 반응을 촉진시키는 촉매로서 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 및 로듐(Rh)을 주로 사용한다. 백금 촉매 또는 팔라듐 촉매는 주로 일산화탄소(CO)와 탄화 수소(HC)를 저감시키는 산화 반응을 촉진시키고, 로듐 촉매는 질소산화물(NOx)을 저감시키는 환원 반응을 촉진시킨다.
열분해 가스 생성 실린더(120)는 연료가 과잉으로 공급된 농후 공연비 조건에서 동작하므로, 열분해 가스 생성 실린더(120)에서 배출되어 열분해 가스 공급 유로(230)를 흐르는 열분해 가스가 삼원 촉매 장치(410)에 유입되면 질소산화물(NOx)을 저감시키는 환원 반응이 활발하게 일어나면서 삼원 촉매 장치(410)는 질소산화물(NOx)을 환원시켜 암모니아(NH3)를 생성한다.
이와 같이, 삼원 촉매 장치(410)에서 생성된 암모니아(NH3)는 열분해 가스 공급 유로(230)를 따라 선택적 촉매 환원 반응기(510)에 공급된다. 그리고 선택적 촉매 환원 반응기(510)는 삼원 촉매 장치(410)에서 생성된 암모니아(NH3)를 환원제로 사용하여 질소산화물(NOx)을 저감시킨다.
회전 속도 센서(712)는 열분해 가스 생성 기능을 갖는 엔진(101)의 회전수를 측정한다. 그리고 산소 농도 센서(723)는 열분해 가스 공급 유로(230) 상에 설치되어 열분해 가스 공급 유로(230)를 통과하는 열분해 가스의 산소 농도를 측정한다. 질소산화물 농도 센서(722)는 메인 배기 유로(220) 상에 설치되어 메인 배기 유로(220)를 통과하는 배기 가스의 질소산화물 농도를 측정한다.
제어 장치(electronic control unit, ECU)(700)는 회전 속도 센서(712), 산소 농도 센서(723), 및 질소산화물 농도 센서(722)로부터 정보를 전달받아 흡기 유로(210)를 통해 열분해 가스 생성 실린더(120)에 공급되는 연료의 양을 조절한다. 즉, 제어 장치(700)는 열분해 가스 생성 실린더(120)에 공급되는 연료와 공기의 혼합비를 조절한다.
구체적으로, 제어 장치(700)는 회전 속도 센서(712)와 산소 농도 센서(723)가 측정한 정보에 의해 삼원 촉매 장치(410)에 공급되는 열분해 가스의 상태를 파악할 수 있다. 그리고 제어 장치(700)는 질소산화물 농도 센서(722)를 통해 선택적 촉매 환원 반응기(510)에서 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위해 필요한 암모니아(NH3)의 양을 산출할 수 있다.
이와 같이, 제어 장치(700)는 회전 속도 센서(712), 산소 농도 센서(723), 및 질소산화물 농도 센서(722)가 제공하는 정보를 기반으로 열분해 가스 생성 실린더(120)에 공급되는 연료의 양을 조절하여 삼원 촉매 장치(410)에서 생성될 암모니아(NH3)의 양을 조절할 수 있다.
한편, 흡기 유로(210)는 메인 실린더(110)에도 혼합기를 공급할 수 있다.
또한, 도 1에서 하나의 흡기 유로(210)가 메인 실린더(110)와 열분해 가스 생성 실린더(120)에 혼합기를 공급하는 것으로 도시하였으나, 이는 예시적일 뿐이다. 즉, 메인 실린더(110)와 열분해 가스 생성 실린더(120)에 별도의 흡기 유로(210)를 통해 개별적으로 혼합기가 공급될 수 있거나 메인 실린더(110) 또는 열분해 가스 생성 실린더(120) 내에 별도의 연료 분사기를 마련하여 연료를 공급할 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관(501)은 질소산화물(NOx)을 효율적으로 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라 배기 가스를 전체적으로 정화시킬 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 제1 실시예에서는, 엔진 본체(101)의 열분해 가스 생성 실린더(120)가 농후 공연비 조건에서 연료와 공기의 혼합기를 열분해시켜 배출한 열분해 가스를 이용하여 삼원 촉매 장치(410)에서 생성된 암모니아(NH3)를 선택적 촉매 환원 반응기(510)에 공급하므로, 별도로 요소수(urea)를 저장하거나 요소수를 공급하기 위한 장치를 생략할 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관(502)을 설명한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관(502)은 엔진 본체(102)의 메인 실린더(110)와 선택적 촉매 환원 반응기(510) 사이의 메인 배기 유로(220) 상에 설치된 추가의 삼원 촉매 장치(420)를 더 포함한다.
본 발명의 제2 실시예에서, 엔진 본체(102)는 제1 실시예와 동일한 구조를 갖는다.
엔진 본체(102)의 메인 실린더(110)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 공기가 과잉으로 공급된 희박 공연비 조건에서 혼합기를 연소하므로, 메인 실린더(110)에서 배출되어 메인 배기 유로(220)를 흐르는 배기 가스가 추가의 삼원 촉매 장치(420)에 유입되면, 일산화탄소(CO)와 탄화 수소(HC)를 저감시키는 산화 반응이 활발하게 일어나면서 추가의 삼원 촉매 장치(420)는 물(H2O)과, 이산화탄소(CO2), 그리고 이산화질소(NO2)를 추가 생성시키고 산화열을 발생시킴으로써 선택적 촉매 환원 반응기(510)의 성능을 향상시킨다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관(502)은 배기 가스에 함유된 질소산화물(NOx)뿐만 아니라 일산화탄소(CO)와 탄화 수소(HC)도 효율적으로 저감시킬 수 있다.
구체적으로, 선택적 촉매 환원 반응기(510)는 열분해 가스 공급 유로(230) 상에 설치된 삼원 촉매 장치(410)에서 생성된 암모니아(NH3)를 이용하여 배기 가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키고, 메인 배기 유로(220) 상에 설치된 추가의 삼원 촉매 장치(420)는 배기 가스에 함유된 일산화탄소(CO)와 탄화 수소(HC)를 저감시킬 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관(503)을 설명한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관(503)은 엔진 본체(103)의 메인 실린더(110)와 선택적 촉매 환원 반응기(510) 사이의 메인 배기 유로(220) 상에 설치된 추가의 삼원 촉매 장치(420)와, 선택적 촉매 환원 반응기(510)의 하류측 메인 배기 유로(220) 상에 설치된 매연 여과 필터(particulate filter, PF)(810)를 더 포함할 수 있다.
하지만, 본 발명의 제3 실시예가 전술한 바에 한정되는 것은 아니며, 매연 여과 필터(810)는, 도 4에 도시한 바와 같이, 추가의 삼원 촉매 장치(420)와 선택적 촉매 환원 반응기(510) 사이의 메인 배기 유로(220) 상에 설치될 수도 있다.
본 발명의 제3 실시예에서, 엔진 본체(103)는 제1 실시예와 동일한 구조를 갖는다.
엔진 본체(103)의 메인 실린더(110)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 공기가 과잉으로 공급된 희박 공연비 조건에서 혼합기를 연소하므로, 메인 실린더(110)에서 배출되어 메인 배기 유로(220)를 흐르는 배기 가스가 추가의 삼원 촉매 장치(420)에 유입되면, 일산화탄소(CO)와 탄화 수소(HC)를 저감시키는 산화 반응이 활발하게 일어나면서 추가의 삼원 촉매 장치(420)는 물(H2O)과 이산화탄소(CO2)를 생성한다.
또한, 매연 여과 필터(particulate filter, PF)(810)는 메인 배기 유로(220)를 흐르는 배기 가스가 함유한 미립자를 제거할 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관(503)은 배기 가스에 함유된 질소산화물(NOx)뿐만 아니라 일산화탄소(CO)와 탄화 수소(HC) 그리고 미립자도 효율적으로 저감시킬 수 있다.
구체적으로, 선택적 촉매 환원 반응기(510)는 열분해 가스 공급 유로(230) 상에 설치된 삼원 촉매 장치(410)에서 생성된 암모니아(NH3)를 이용하여 배기 가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키고, 메인 배기 유로(220) 상에 설치된 추가의 삼원 촉매 장치(430)는 배기 가스에 함유된 일산화탄소(CO)와 탄화 수소(HC)를 저감시키며, 매연 여과 필터(810)는 배기 가스에 함유된 미립자를 제거할 수 있다.
이하, 도 5를 참조하여 본 발명의 제4 실시예에 따른 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관(504)을 설명한다.
본 발명의 제4 실시예에 따른 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관(504)의 엔진 본체(104)는 압축 점화 방식일 수 있다. 압축 점화 방식에 따른 엔진의 구조는 해당 기술 분야의 종사자에게 공지되어 있으므로 자세한 설명은 생략한다.
한편, 본 발명의 제4 실시예에 따른 엔진 본체(104)도 메인 실린더(110)와 열분해 가스 생성 실린더(120)를 포함하며, 점화 방식에 따른 차이를 제외하고 제1 실시예와 동일한 기술적 특징을 갖는다.
그리고 본 발명의 제4 실시예에 따른 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관(504)은, 도 5에 도시한 바와 같이, 엔진 본체(104)의 메인 실린더(110)와 선택적 촉매 환원 반응기(510) 사이의 메인 배기 유로(220) 상에 설치된 디젤 산화 촉매(diesel oxidation catalyst, DOC) 장치(460)를 더 포함한다.
디젤 산화 촉매 장치(460)는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 또는 로듐(Rh) 등으로 형성된 촉매와, 촉매를 담지하는 세라믹 또는 금속의 담체를 포함한다. 이때, 담체는 산화알루미늄(Al2O3), 산화세슘(Ceroxide：CeO2), 또는 산화 지르코니아(ZrO2) 등으로 형성될 수 있다.
디젤 산화 촉매 장치(460)는 1차적으로 일산화질소(NO)를 이산화질소(NO2)로 산화시키는 기능을 수행한다. 배기 가스에 함유된 질소산화물(NOx)에서 이산화질소(NO2)의 비율을 높이는 것은 선택적 촉매 환원 반응기(510)에서 질소산화물(NOx)을 효율적으로 저감시키기 위해 중요하다.
또한, 디젤 산화 촉매 장치(460)는 일산화탄소(CO)와 탄화 수소(HC)를 저감시킬 수도 있다.
또한, 디젤 산화 촉매 장치(460)는 배기 가스에 함유된 탄화 수소(HC)를 연소시켜 배기 가스에 함유된 미립자를 저감시킬 수도 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제4 실시예에 따른 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관(504)은 질소산화물(NOx)뿐만 아니라 일산화탄소(CO)와 탄화 수소(HC)도 효율적으로 저감시킬 수 있다.
특히, 엔진 본체(104)가 압축 점화 방식인 경우에도 질소산화물(NOx)과 일산화탄소(CO), 및 탄화 수소(HC)를 효율적으로 저감시킬 수 있다.
구체적으로, 선택적 촉매 환원 반응기(510)는 열분해 가스 공급 유로(230) 상에 설치된 삼원 촉매 장치(410)에서 생성된 암모니아(NH3)를 이용하여 질소산화물(NOx)을 저감시키고, 메인 배기 유로(220) 상에 설치된 디젤 산화 촉매 장치(460)는 일산화탄소(CO)와 탄화 수소(HC)를 저감시킬 수 있다.
이하, 도 6을 참조하여 본 발명의 제5 실시예에 따른 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관(505)을 설명한다.
본 발명의 제5 실시예에서, 엔진 본체(105)는 압축 점화 방식일 수 있다. 압축 점화 방식에 따른 엔진의 구조는 해당 기술 분야의 종사자에게 공지되어 있으므로 자세한 설명은 생략한다.
한편, 본 발명의 제5 실시예에 따른 엔진 본체(105)도 메인 실린더(110)와 열분해 가스 생성 실린더(120)를 포함하며, 점화 방식에 따른 차이를 제외하고 제1 실시예와 동일한 기술적 특징을 갖는다.
그리고 본 발명의 제5 실시예에 따른 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관(505)은, 도 6에 도시한 바와 같이, 엔진 본체(105)의 메인 실린더(110)와 선택적 촉매 환원 반응기(510) 사이의 메인 배기 유로(220) 상에 설치된 디젤 산화 촉매(diesel oxidation catalyst, DOC) 장치(460)와, 선택적 촉매 환원 반응기(510)의 하류측 메인 배기 유로(220) 상에 설치된 매연 여과 필터(particulate filter, PF)(810)를 더 포함할 수 있다.
하지만, 본 발명의 제5 실시예가 전술한 바에 한정되는 것은 아니며, 매연 여과 필터(810)는, 도 7에 도시한 바와 같이, 디젤 산화 촉매 장치(460)와 선택적 촉매 환원 반응기(510) 사이의 메인 배기 유로(220) 상에 설치될 수도 있다.
또한, 본 발명의 제5 실시예에서, 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관(505)은 삼원 촉매 장치(410)를 거치기 전의 열분해 가스 공급 유로(230)에서 분기되어 매연여과 필터(810)에 열분해 가스를 공급하는 분기 유로(240)와, 분기 유로(240) 상에 설치된 산화 촉매(oxidation catalyst, OC) 장치(470)를 더 포함할 수 있다. 그리고 열분해 가스 공급 유로(230)와 분기 유로(240)의 분기점에는 제어 밸브(234)가 설치될 수 있다.
디젤 산화 촉매 장치(460)는 일산화질소(NO)를 이산화질소(NO2)로 산화시켜 배기 가스에 함유된 질소산화물(NOx)에서 이산화질소(NO2)의 비율을 높이고 일산화탄소(CO)와 탄화 수소(HC)를 저감시킨다.
매연 여과 필터(particulate filter, PF)(810)는 메인 배기 유로(220)를 흐르는 배기 가스가 함유한 입자상 물질(PM)을 제거할 수 있다.
제어 장치(700)는 입자상 물질(PM)을 포집한 매연 여과 필터(810)가 포화 상태가 되면, 제어 밸브(234)를 제어하여 분기 유로(240)를 통해 매연 여과 필터(810)에 열분해 가스를 직접 공급한다. 이때, 제어 장치(700)는 매연 여과 필터(810)에 요구되는 고온의 가스를 생성할 수 있도록 열분해 가스 생성 실린더(120)를 희박 공연비 상태로 작동되도록 제어한다.
산화 촉매 장치(470)는 열분해 가스에 함유된 탄화 수소(HC), 일산화탄소(CO), 산소(O2), 수소(H2), 입자상 물질(PM) 및 질소산화물(NOx)간 화학적 반응에 의한 촉매연소가 원활히 일어나게 하여 매연 여과 필터(810)의 재생에 요구되는 고온의 가스를 생성한다. 그리고 제어 장치(700)는 산화 촉매 장치(470)가 전술한 고온의 가스를 생성할 수 있도록 열분해 가스 실린더(120)의 공연비를 제어한다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제5 실시예에 따른 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관(505)은 질소산화물(NOx)뿐만 아니라 일산화탄소(CO)와 탄화 수소(HC) 그리고 입자상 물질(PM)도 효율적으로 저감시킬 수 있다.
구체적으로, 선택적 촉매 환원 반응기(510)는 열분해 가스 공급 유로(230) 상에 설치된 삼원 촉매 장치(410)에서 생성된 암모니아(NH3)를 이용하여 질소산화물(NOx)을 저감시키고, 메인 배기 유로(220) 상에 설치된 디젤 산화 촉매 장치(460)는 일산화탄소(CO)와 탄화 수소(HC)를 저감시키며, 매연 여과 필터(810)는 입자상 물질(PM)을 제거할 수 있다.
또한, 본 발명의 제5 실시예에서는, 매연 여과 필터(810)가 포화 상태가 되면 분기 유로(240)를 통해 열분해 가스를 공급하여 매연 여과 필터(810)를 재생시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따라 열분해 가스 공급 유로(230) 상에 설치된 삼원 촉매 장치(410)에서 생성되는 암모니아(NH3)의 양을 나타낸 그래프이다.
도 8에 나타난 바와 같이, 농후 공연비 조건에서 동작하는 열분해 가스 생성 기능을 갖는 엔진(101)의 열분해 가스 생성 실린더(120)가 저속 고부하 조건에서 공기와 연료의 혼합기를 열분해하면, 삼원 촉매 장치(410)에서 충분한 양의 암모니아(NH3)가 생성됨을 확인할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 상기 상세한 설명에서 기술된 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
101, 102, 103, 104, 105, 106: 엔진 본체
110: 메인 실린더 115: 메인 피스톤
119: 메인 크랭크 샤프트 120: 열분해 가스 생성 실린더
125: 열분해 피스톤 129: 열분해 크랭크 샤프트
210: 흡기 유로 220: 메인 배기 유로
230: 열분해 가스 공급 유로 234: 제어 밸브
240: 분기 유로 410: 삼원 촉매 장치
420: 추가의 삼원 촉매 장치 460: 디젤 산화 촉매 장치
470: 산화 촉매(oxidation catalyst, OC) 장치
501, 502, 503, 504, 505: 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관
510: 선택적 촉매 환원 반응기 700: 제어 장치
712: 회전 속도 센서 722: 질소산화물 농도 센서
723: 산소 농도 센서 810: 매연 여과 필터

Claims (16)

  1. 탄화수소계 연료를 연소시켜 기계적 동력을 발생시키는 메인 실린더와, 농후 공연비로 탄화수소계 연료를 열분해시켜 열분해 가스를 생성하는 열분해 가스 생성 실린더를 포함하는 엔진 본체;
    상기 열분해 가스 생성 실린더에서 배출된 열분해 가스를 이용하여 암모니아(NH3)를 생성하는 삼원 촉매 장치; 및
    상기 엔진 본체의 메인 실린더에서 배출된 배기 가스가 함유한 질소산화물을 상기 삼원 촉매 장치에서 생성된 암모니아(NH3)를 이용하여 저감시키는 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 반응기; 및
    상기 엔진 본체의 메인 실린더에서 배출된 배기 가스를 외부로 배출시키며 상기 삼원 촉매 장치를 거쳐 상기 선택적 촉매 환원(SCR) 반응기와 연결된 메인 배기 유로; 및
    상기 엔진 본체의 열분해 가스 생성 실린더에서 배출된 열분해 가스를 상기 선택적 촉매 환원 반응기에 전달하는 열분해 가스 공급 유로
    를 포함하는 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관에 있어서,
    상기 열분해 가스는 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 수소(H2), 물(H2O), 이산화탄소(CO2), 질소(N2), 산소(O2), 질소산화물(NOx), 또는 암모니아(NH3) 중 하나 이상을 포함하고,
    상기 삼원 촉매 장치는 상기 열분해 가스 중 상기 일산화탄소(CO), 상기 탄화수소(HC), 및 상기 질소산화물(NOx)을 감소시키고 상기 암모니아(NH3)를 생성 및 증가시켜 상기 선택적 촉매 환원 반응기에 공급하고,
    상기 엔진 본체는 압축 점화 방식이고,
    상기 엔진 본체의 메인 실린더와 상기 선택적 촉매 환원 반응기 사이의 상기 메인 배기 유로 상에 설치된 디젤 산화 촉매(diesel oxidation catalyst, DOC) 장치; 및
    상기 선택적 촉매 환원 반응기 보다 상류측 상기 메인 배기 유로 또는 하류측 상기 메인 배기 유로 상에 설치된 매연여과 필터(particulate filter); 및
    상기 삼원 촉매 장치를 거치기 전의 상기 열분해 가스 공급 유로에서 분기되어 상기 매연여과 필터에 상기 열분해 가스를 공급하는 분기 유로
    를 더 포함하는 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관.
  2. 제1항에서,
    상기 엔진 본체는,
    상기 메인 실린더에서 직선 왕복 운동하는 메인 피스톤과;
    상기 메인 피스톤의 직선 왕복 운동력을 회전 운동력으로 변환하여 동력을 전달하는 메인 크랭크 샤프트와;
    상기 열분해 가스 생성 실린더에서 직선 왕복 운동하는 열분해 피스톤; 그리고
    상기 열분해 피스톤의 직선 왕동 운동력을 회전 운동력으로 변환하여 동력을 주고 받는 열분해 크랭크 샤프트
    를 더 포함하고,
    상기 열분해 가스 생성 실린더와 상기 열분해 피스톤은 상기 메인 실린더와 상기 메인 피스톤 보다 상대적으로 저속 고부하 조건으로 동작하는 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관.
  3. 제2항에서,
    상기 열분해 가스 생성 실린더는 상기 메인 실린더보다 상대적으로 적은 체적을 갖는 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관.
  4. 제2항에서,
    상기 열분해 크랭크 샤프트는 상기 메인 크랭크 샤프트보다 저속으로 회전하도록 감속비를 가지고 상기 메인 크랭크 샤프트와 연결된 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관.
  5. 제4항에서,
    상기 엔진 본체의 회전수를 측정하는 회전 속도 센서와;
    상기 엔진 본체의 메인 실린더에서 배출된 배기 가스의 질소산화물 농도를 측정하는 질소산화물 농도 센서와;
    상기 엔진 본체의 열분해 가스 생성 실린더에서 배출된 열분해 가스의 산소 농도를 측정하는 산소 농도 센서; 그리고
    상기 회전 속도 센서, 상기 산소 농도 센서, 및 상기 질소산화물 농도 센서로부터 정보를 전달받아 상기 열분해 가스 생성 실린더에 공급되는 연료의 양을 조절하여 공연비를 제어하는 제어 장치
    를 더 포함하는 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관.
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  16. 제1 내지 제5항 중 어느 한 항에서,
    상기 분기 유로 상에 설치된 산화 촉매(oxidation catalyst, OC)를 더 포함하는 열분해 가스 생성 실린더 및 배기 가스 정화 시스템을 갖는 내연기관.
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