KR101607638B1 - 플라즈마 에스씨알 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 공급되는 요소수로부터 암모니아를 생성하여 에스씨알 촉매에 공급하여 배기가스 중의 질소산화물을 제거하거나, 고온의 가스로 에스씨알 촉매를 재생하는 플라즈마 에스씨알 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 에스씨알 시스템은, 엔진에 연결되어 배기가스를 유통시키는 배기관, 상기 배기관에 연결되는 제1바이패스 라인에 설치되고 방전 플라즈마에 연료를 공급하여 화염을 형성하는 플라즈마 버너, 상기 플라즈마 버너의 후방에서 상기 제1바이패스 라인에 설치되고 상기 화염으로 가열된 배기가스에 상기 요소수를 분사하여 암모니아를 생성하는 요소수 인젝터; 및 상기 요소수 인젝터의 후방에서 상기 배기관에 설치되어 상기 암모니아로 배기가스에 포함된 질소산화물을 환원시키는 에스씨알 촉매를 포함한다.

Description

플라즈마 에스씨알 시스템 {PLASMA SCR SYSTEM FOR EXHAUST GAS}
본 발명은 플라즈마 에스씨알 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 에스씨알 촉매에서 배기가스 중의 질소산화물을 제거하거나 에스씨알 촉매를 재생하는 플라즈마 에스씨알 시스템에 관한 것이다.
디젤 엔진의 배기계는 배기가스 중에 포함된 미연소 탄화수소(HC; Hydrocarbon)와 같은 고형의 미립자를 포집하도록 필터를 포함하는 DPF(Diesel Particulate Filter trap), 및 배기가스 중에 포함된 질소산화물(이하 "NOx" 한다)을 제거하는 촉매 장치를 포함한다.
촉매 장치, 예를 들면, 선택적 촉매 환원장치(SCR; Selective Catalytic Reduction, 이하 "SCR"이라 한다)는 산소가 존재하는 분위기에서도 연속적으로 NOx를 환원시킬 수 있다.
SCR은 사용하는 환원제의 종류에 따라 암모니아 SCR 및 탄화수소 SCR 등을 포함한다. 암모니아 SCR은 엔진의 SCR 시스템에서 SCR 촉매의 환원제로 작용하는 암모니아를 공급한다.
본 발명의 목적은 공급되는 요소수로부터 암모니아를 생성하여 에스씨알 촉매에 공급하여 배기가스 중의 질소산화물을 제거하는 플라즈마 에스씨알 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 고온의 가스로 에스씨알 촉매를 재생하는 플라즈마 에스씨알 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 플라즈마 버너의 전극 단부에서 방전 공기 및 방전 플라즈마를 부분적으로 재순환 함으로써 화염을 안정시키는 플라즈마 에스씨알 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 에스씨알 시스템은, 엔진에 연결되어 배기가스를 유통시키는 배기관, 상기 배기관에 연결되는 제1바이패스 라인에 설치되고 방전 플라즈마에 연료를 공급하여 화염을 형성하는 플라즈마 버너, 상기 플라즈마 버너의 후방에서 상기 제1바이패스 라인에 설치되고 상기 화염으로 가열된 배기가스에 상기 요소수를 분사하여 암모니아를 생성하는 요소수 인젝터; 및 상기 요소수 인젝터의 후방에서 상기 배기관에 설치되어 상기 암모니아로 배기가스에 포함된 질소산화물을 환원시키는 에스씨알 촉매를 포함한다.
상기 플라즈마 버너는, 방전 공기를 공급하는 제1하우징, 상기 제1하우징에 내장되어 상기 제1하우징과의 사이에 방전 간극을 설정하는 전극, 및 상기 제1하우징에 설치되어 방전 간극의 전방에 연료를 분사하고 상기 방전 공기와 혼합하여 착화 화염을 형성하는 제1연료 노즐을 포함할 수 있다.
상기 전극은 상기 제1하우징의 일측을 밀폐하는 장착부에 절연부재를 개재하여 장착될 수 있다.
상기 절연부재는 상기 제1하우징의 원통부에 대응하여 내장되는 원기둥으로 형성되고, 상기 전극은 상기 절연부재의 일측에서 점진적으로 작아지는 원뿔대로 형성될 수 있다.
상기 플라즈마 버너는, 상기 제1하우징에서 확장되는 확장부에 연결되는 제2하우징, 및 상기 제2하우징에 설치되어 상기 착화 화염에 연료를 공급하는 제2연료 노즐을 더 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 버너는, 상기 제1하우징의 원통부에서 확장되는 확장부에 연결되는 제2하우징, 및 상기 제2하우징에 설치되어 상기 착화 화염에 연료를 공급하는 제2연료 노즐을 더 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 버너는, 상기 제2연료 노즐의 전방에서 상기 제2하우징 보다 확장된 공간을 형성하고 상기 상기 제1바이패스 라인에 연결되는 제3하우징, 및 상기 제2연료 노즐의 전방에 설치되어 상기 공기를 공급하는 공기 노즐을 더 포함할 수 있다.
상기 공기 노즐은 적어도 상기 제2하우징의 직경 방향 일측에서 상기 확장부의 내면에 원주 방향으로 공기를 분사하도록 설치될 수 있다.
상기 공기 노즐은 상기 제2하우징의 직경 방향에 대하여 설정된 각도로 경사지게 설치될 수 있다.
상기 제3하우징은 복수의 통기공들을 구비한 관체를 내장하며, 상기 관체는 상기 제3하우징의 길이 방향에서 양단을 개방하고 직경 방향에서 상기 통기공으로 연결될 수 있다.
상기 제1바이패스 라인은 유입단으로 상기 엔진 측에서 상기 배기관에 연결되고 유출단으로 상기 에스씨알 촉매 측에서 상기 배기관에 연결된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 에스씨알 시스템은, 상기 유입단과 상기 유출단 사이에서 배기관에 구비되는 삼방향 개폐부재, 및 상기 삼방향 개폐부재와 상기 에스씨알 촉매의 후방에서 배기관을 서로 연결되는 제2바이패스 라인을 더 포함할 수 있다.
상기 제1바이패스 라인은 복수의 서브라인으로 구비되어 상기 서브라인을 병렬로 연결하며, 상기 플라즈마 버너는 복수로 구비되어 상기 서브라인에 각각 구비될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예는, 플라즈마 버너에서 대유량의 연료를 처리하여 대용량의 화염으로 배기가스를 가열하고, 배기가스에 요소수를 분사하여 분해되는 암모니아를 배기가스에 혼합하여 에스씨알 촉매로 공급함으로써, 배기가스에 포함된 질소산화물을 환원 및 제거할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는, 배기가스를 바이패스 시키거나 엔진을 정지시키고, 요소수가 분사되지 않은 상태로 플라즈마 버너에서 형성한 고온의 가스를 에스씨알 촉매로 공급하여 에스씨알 촉매를 재생할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 SCR 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 버너의 구성도이다.
도 3은 도 2의 단면도이다.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 선에 따른 단면도이다.
도 5는 도 3의 Ⅴ-Ⅴ선에 따른 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 SCR 시스템의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 플라즈마 SCR 시스템의 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 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 제1실시예에 따른 플라즈마 SCR 시스템의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 제1실시예의 플라즈마 SCR 시스템(1)은 엔진(E)에 연결되어 배기가스를 유통시키는 배기관(2), 배기관(2)에 연결되는 제1바이패스 라인(21), 제1바이패스 라인(21)에 설치되는 플라즈마 버너(3)와 요소수 인젝터(4), 및 제1바이패스 라인(21)의 후방에서 배기관(2)에 설치되는 에스씨알 촉매(5)를 포함한다.
예를 들면, 제1바이패스 라인(21)은 배기관(2) 유량의 1~10%에 해당하는 배기가스를 배기관(2)에서 바이패스 시킬 수 있는 크기로 형성될 수 있다. 제1바이패스 라인(21)의 용량은 플라즈마 버너(3)에서 공급하는 엔탈피에 의하여 배기가스를 승온시킬 수 있는 범위를 고려하여 결정될 수 있다.
플라즈마 버너(3)는 제1바이패스 라인(21)에 설치되어 제1바이패스 라인(21) 상에서 방전 플라즈마에 연료를 공급하여 안정된 화염을 형성하도록 구성된다.
즉 플라즈마 버너(3)는 제1바이패스 라인(21) 상에 설치되어 배기가스의 일부를 유통시키면서, 공급되는 방전 가스 및 연료로 화염을 생성하여 배기가스를 가열시켜 생성되는 고온의 가스를 배기관(2) 및 에스씨알 촉매(5)로 공급한다.
도 2는 도 1의 플라즈마 버너의 구성도이고, 도 3은 도 2의 단면도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 플라즈마 버너(3)는 방전 공기를 공급하는 제1하우징(31), 제1하우징(31)에 설치되는 전극(34) 및 제1연료 노즐(61)을 포함한다.
또한, 플라즈마 버너(3)는 제1연료 노즐(61)의 전방에 제2하우징(32)을 더 구비하고, 제2하우징(32)에 제2연료 노즐(62), 공기 노즐(63) 및 제3하우징(33)을 순차적으로 더 구비할 수 있다.
예를 들면, 제1하우징(31)은 원통부(311)와 원통부(311)의 일측 단부에서 점진적으로 확대되는 확장부(312)를 포함한다. 원통부(311)에 방전 공기를 공급하는 공기 공급 포트(313)를 구비한다. 이 확장부(312)에는 연료를 공급하는 제1연료 노즐(61)이 설치된다. 도시하지 않았으나 제1연료 노즐은 원통부에 설치될 수 있다.
도시하지 않았으나, 제1하우징(31)은 원통부를 다각형부로 형성하고, 확장부를 이 다각형부에 연결되는 구조로 형성할 수 있다. 이 경우, 제2하우징은 다각형부에 연결되는 확장부에 대응하는 구조로 형성될 수 있다.
제2하우징(32)은 제1하우징(31)의 확장부(312)에 연결되며, 이때, 확장부(312)에 대응하여 연속적으로 확장 형성된다. 제2하우징(32)에는 연료를 공급하는 제2연료 노즐(62)과 공기를 공급하는 공기 노즐(63)이 설치된다.
제1, 제2하우징(31, 32)은 확장부(312)의 외측 및 이에 대응하여 구비되는 플랜지(14, 24)를 서로 마주하고, 플랜지(14, 24)를 볼트(15)와 너트(25)로 체결함으로써, 서로 연결된다. 이때, 제1하우징(31)의 내면과 제2하우징(32)의 내면은 전극(34)에서 멀어지면서 점진적으로 확장되는 구조를 가지고 경사면으로 연결된다.
전극(34)은 제1하우징(31)에 내장되어 제1하우징(31)과의 사이에 방전 간극(G)을 설정한다. 이를 위하여, 전극(34)은 절연부재(41)를 개재하여 장착부(42)에 장착된다.
장착부(42)는 전극(34)의 반대측에서 제1하우징(31)의 원통부(311)의 단부에 결합되어 원통부(311)의 단부를 밀폐한다. 장착부(42)는 외주면에 결합홈(421)을 형성하고, 제1하우징(31)의 원통부(311)는 결합홈(421)에 결합되는 돌출부(314)를 구비한다.
따라서 장착부(42)와 원통부(311)의 일측은 결합홈(421)과 돌출부(314)에 의하여 결합 및 밀폐된다. 원통부(311)와 절연부재(41) 사이는 방전 공기를 유동시키는 통로(P)를 형성한다. 통로(P)는 기체 공급 포트(313)에 연결되어 방전 공기를 제1하우징(31)과 전극(34) 사이로 공급한다. 통로(P)는 방전 공기의 유량을 설정한다.
전극(34)은 절연부재(41)를 개재하여 장착부(42)의 단부에 설치된다. 이때, 방전 간극(G)은 원통부(311)와 전극(34) 사이에 형성된다.
장착부(42) 및 절연부재(41)의 내측에 구비되는 전선(43)은 방전을 위한 고전압(HV)을 전극(34)에 인가한다. 전극(34)에 대응하는 제1하우징(31), 즉 원통부(311)는 전기적으로 접지된다. 따라서 원통부(311)의 내면과 전극(34)의 외면 사이에 방전을 위한 고전압이 설정된다.
절연부재(41)는 제1하우징(31)의 원통부(311)에 대응하여 내장되는 원기둥으로 형성된다. 전극(34)은 절연부재(41)의 일측에서 점진적으로 작아지는 원뿔대로 형성될 수 있다. 따라서 전극(34)과 원통부(311) 사이에 설정되는 방전 간극(G)은 전극(34)의 시작점에서 최소로 형성되고 절연부재(41)에서 멀어질수록 점진적으로 커진다.
일례를 들면, 전극(34)은 원뿔대로 형성되어 그 단부를 수직 단면으로 형성한다. 따라서 전극(34)의 단부에서 방전 공기 및 방전 플라즈마가 국부적인 재순환 유동(R)되어 화염을 안정시킬 수 있다.
도시하지 않았으나 제1연료 노즐이 전극의 끝단보다 더 공기 공급 포트 측에 배치되어 전극의 끝단 이전에 연료가 공급되는 경우(예를 들면, 전극(34)의 경사면에 분사되는 경우), 방전 기체와 연료가 혼합되어 국부적으로 재순환 유동(R)되므로 화염을 더욱 안정화 시킬 수 있다.
공기 노즐(63)은 제1, 제2연료 노즐(61, 62)의 전방에 설치되어, 공기를 추가로 공급한다. 따라서 공기 노즐(63)은 도시된 바와 같이, 제2하우징(32)에 설치되며, 도시하지 않았지만 제3하우징에 설치될 수도 있다. 공기 노즐(63)은 공기의 유량을 추가로 설정한다.
제1연료 노즐(61)은 방전 간극(G)의 전방에 연료를 공급하여 방전 공기와 혼합되어 착화 화염을 형성한다. 제2연료 노즐(62)은 착화된 화염에 연료를 공급하여 미립화 증발시킨다. 제2연료 노즐(62)은 제1연료 노즐(61)에 의하여 설정되는 연료량을 추가로 설정한다.
제3하우징(33)은 제2하우징(32)의 단부에서 제2하우징(32)보다 확장된 공간을 형성하여 제1바이패스 라인(21)에 연결된다. 제3하우징(33)은 제2연료 노즐(62)의 전방에 설치된다. 또한 도시하지 않았지만 제3하우징과 제2하우징의 연결은 제1하우징과 제2하우징에서와 같이 플랜지로 연결될 수 있다.
공기 노즐(63)은 제2연료 노즐(62)의 전방에 설치되어 공기를 추가 공급하여, 미립화 증발된 연료와 공기를 반응시켜 더 형성되는 화염을 제3하우징(33)의 공간으로 분출할 수 있게 한다. 따라서 처리 가능한 연료의 유량이 증대될 수 있다.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 선에 따른 단면도이고, 도 5는 도 3의 Ⅴ-Ⅴ선에 따른 단면도이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 제1연료 노즐(61)은 제1하우징(31)의 확장부(312)에 설치되어 방전 간극(G)의 전방 및 그 주위에 연료를 공급한다.
예를 들면, 제1연료 노즐(61)은 1쌍으로 형성되어 확장부(312)의 직경 방향 양측에서 확장부(312)의 내면에 원주 방향으로 연료를 분사하도록 설치된다. 즉 제1연료 노즐(61)은 확장부(312) 내면의 접선 방향 또는 접선에 교차하는 설정각(θ11) 방향으로 연료를 분사한다.
따라서 제1연료 노즐(61)에서 분사된 연료는 방전 간극(G)의 전방 및 그 주위에 분사되어 공급되는 방전 공기와 혼합되면서 제1하우징(31)과 전극(34) 사이에 인가되는 고전압(HV)에 의하여 플라즈마를 발생시키면서 착화 화염을 형성한다. 이때 제1연료 노즐(61)은 확장부(312) 내에서 원주 방향으로 스월을 발생시키므로 연료와 방전 공기의 균일한 혼합을 가능하게 한다.
또한, 제1연료 노즐(61)은 확장부(312)의 직경 방향에 대하여 설정된 제1각도(θ1)로 경사지게 설치될 수 있다(도 3 참조). 따라서 제1연료 노즐(61)에서 분사되는 연료는 확장부(312) 내에서 원주 방향으로 스월을 발생시키면서 동시에 확장부(312)의 길이 방향으로 분사력을 발생시킨다. 따라서 제1하우징(31)에서 토출되는 착화 화염은 제2하우징(32)을 향하여 고속으로 토출될 수 있다.
제2연료 노즐(62)은 제2하우징(32)의 직경 방향 양측에서 제2하우징(32)의 내면에 원주 방향으로 연료를 분사하도록 설치된다. 즉 제2연료 노즐(62)은 제2하우징(32) 내면의 접선 방향 또는 접선에 교차하는 설정각(θ12) 방향으로 연료를 분사한다.
따라서 제2연료 노즐(62)은 착화 화염이 진행되는 전방에 설치되어 착화 화염에 연료를 공급하여, 추가로 공급되는 연료를 미립화 및 증발시킬 수 있게 한다. 이때 제2연료 노즐(62)은 제2하우징(32) 내에서 원주 방향으로 스월을 발생시키므로 연료와 착화 화염의 균일한 혼합을 가능하게 한다.
또한 제2연료 노즐(62)은 제2하우징(32)의 직경 방향에 대하여 설정된 제2각도(θ2)로 경사지게 설치된다(도 3 참조). 따라서 제2연료 노즐(62)에서 분사되는 연료는 제2하우징(32) 내에서 원주 방향으로 스월을 발생시키면서 동시에 제2하우징(32)의 길이 방향으로 분사력을 발생시킨다. 따라서 제2하우징(32)에서 토출되는 착화 화염과 미립화 및 증발되는 연료는 제3하우징(33)을 향하여 고속으로 토출될 수 있다.
공기 노즐(63)은 제2연료 노즐(62)의 전방에 설치되어 플라즈마 방전으로 발생된 착화 화염에 의하여 미립화 및 증발되어 제2하우징(32)으로부터 토출되는 연료에 공기를 공급한다.
예를 들면, 공기 노즐(63)은 1쌍으로 형성되어 제2하우징(32)의 직경 방향 양측에서 제2하우징(32)의 내면에 원주 방향으로 공기를 분사하도록 설치된다. 즉 공기 노즐(63)은 제2하우징(32) 내면의 접선 방향 또는 접선에 교차하는 설정각(θ13) 방향으로 연료를 분사한다.
따라서 공기 노즐(63)에서 분사된 공기는 제2하우징(32) 내에서 착화 화염과 미립화 및 증발된 연료의 외곽으로 분사되고, 제3하우징(33)에서 착화 화염, 미립화 및 증발된 연료와 혼합되어 더 연소 작용하여 화염을 형성하고 유지시킨다. 이때 공기 노즐(63)은 제2하우징(32) 내에서 원주 방향으로 스월을 발생시키므로 착화 화염, 미립화 및 증발된 연료와 공기의 균일한 혼합을 가능하게 한다.
또한, 공기 노즐(63)은 제2하우징(32)의 직경 방향에 대하여 설정된 제3각도(θ3)로 경사지게 설치된다(도 3 참조). 따라서 공기 노즐(63)에서 분사되는 공기는 제2하우징(32) 내에서 원주 방향으로 스월을 발생시키면서 동시에 제2하우징(32)의 길이 방향으로 분사력을 발생시킨다. 따라서 제2하우징(32)에서 토출되는 착화 화염과 미립화 및 증발된 연료는 제3하우징(33)의 확대된 공간에 고속으로 토출될 수 있다.
이와 같은 플라즈마 버너(3)는 제1연료 노즐(61)에 더하여, 제2연료 노즐(62)과 공기 노즐(63)을 구비하므로 연료의 처리량을 증대시킬 수 있다. 편의상, 제1실시예는 연료 노즐로 2개의 제1, 제2연료 노즐(61, 62)을 예시하고 있으나, 더 많은 개수의 연료 노즐을 구비할 수 있다.
다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 일 실시예의 플라즈마 에스씨알 시스템(1)은 플라즈마 버너(3)의 제3하우징(33)에 제1바이패스 라인(21)을 연결한다. 즉 플라즈마 버너(3)는 제1바이패스 라인(21) 상에 설치되어, 배기가스의 일부를 유입하여 가열하여 배출할 수 있다.
따라서 플라즈마 버너(3)의 제2하우징(32)에서 배출되는 화염에 포함된 미연소 연료는 배기가스에 포함된 공기로 더 연소되어 배기가스를 가열하고, 가열된 고온의 배기가스는 제1바이패스 라인(21)으로 배출될 수 있다.
제3하우징(33)은 내부 공간에 복수의 통기공들(331)을 구비한 관체(332)를 내장한다. 관체(332)는 제3하우징(33)의 길이 방향에서 양단을 개방하여 제2하우징(32) 내부에서 화염 및 배기가스의 흐름을 가능하게 하고, 직경 방향에서 내부와 외부를 통기공(331)으로 연결한다.
따라서 제1바이패스 라인(21)으로 공급되는 엔진(E)의 배기가스는 제1바이패스 라인(21)의 유입구를 통하여 제3하우징(33)으로 유입되고, 관체(332)의 통기공들(331)을 통하여 관체(332)의 내부로 유입된다. 이때 배기가스의 유입량이 제어되어 화염에 포함된 미연소 연료가 안정적으로 연소될 수 있다.
즉 관체(332)의 통기공들(331)은 배기가스의 유입 경로를 다변화하여 배기가스의 유속을 낮추어, 대용량 적용 조건에 따라 배기가스가 과도하게 유입되는 것을 방지하여 관체(332) 내에서 화염을 안정화시킬 수 있다. 공기 노즐(63)에 더하여, 관체(332) 및 통기공들(331)은 화염의 추가적인 안정을 구현한다.
이와 같이 플라즈마 버너(3)의 제3하우징(33)을 경유한 고온의 배기가스는 가열된 상태로 제1바이패스 라인(21)으로 흐르게 된다. 즉 제1바이패스 라인(21)을 통과하는 고온의 배기가스는 요소수를 분해하여 암모니아를 생성할 수 있는 온도를 유지하게 된다.
요소수 인젝터(4)는 플라즈마 버너(3)의 후방에서 제1바이패스 라인(21) 상에 설치되어 요소수를 고온의 배기가스 내부로 분사한다. 따라서 화염으로 가열된 배기가스의 높은 온도에 의하여, 요소수는 암모니아로 변환되어 에스씨알 촉매(5)로 공급된다. 따라서 암모니아는 촉매에 흡착된 질소산화물을 환원시켜, 제1배기관(2)으로 최종 배출되는 배기가스에서 질소산화물을 효과적으로 제거할 수 있다.
에스씨알 촉매(5)는 요소수 인젝터(4)의 후방에서 배기관(2)에 설치되어 요소수에서 분해된 암모니아로 배기가스에 포함된 질소산화물을 환원시킬 수 있도록 촉매를 내장한다.
제1실시예에서 플라즈마 SCR 시스템(1)이 정상적으로 구동되면, 요소수 인젝터(4)는 요소수를 분사하고, 플라즈마 버너(3)는 배기가스를 가열하며, 배기가스의 열은 요소수를 암모니아로 분해하고, 분해된 암모니아는 에스씨알 촉매(5)로 공급될 수 있다. 분해된 암모니아는 에스씨알 촉매(5)에서 배기가스에 포함된 질소산화물을 환원시킨다.
또한, 제1실시예에서 플라즈마 SCR 시스템(1)에서 엔진(E)이 정지되고 요소수 인젝터(4)가 정지되어 요소수를 분사하지 않으면, 플라즈마 버너(3)는 공기를 가열하고, 가열된 공기의 열은 에스씨알 촉매(5)를 가열함(일례로써, 500도씨 이상의 고온)으로써 촉매를 재생할 수 있다.
이하 본 발명의 다양한 실시예에 대하여 설명한다. 이하에서는 제1실시예 및 기 설명된 실시예와 동일한 구성을 생략하고 서로 다른 구성에 대하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 SCR 시스템의 구성도이다. 도 6을 참조하면, 제2실시예에 따른 플라즈마 SCR 시스템(102)은 제1실시예의 플라즈마 SCR 시스템(1)에 삼방향 개폐부재(203)과 제2바이패스 라인(202)을 더 포함한다.
제1바이패스 라인(21)은 유입단으로 엔진(E) 측에서 배기관(22)에 연결되고 유출단으로 에스씨알 촉매(5) 측에서 배기관(22)에 연결된다.
삼방향 개폐부재(203)은 제1바이패스 라인(21)의 유입단과 유출단 사이에서 배기관(22)에 구비된다. 제2바이패스 라인(202)은 일단으로 삼방향 개폐부재(203)에 연결되어 다른 일단으로 에스씨알 촉매(5)의 후방에서 배기관(22)에 연결된다.
따라서 삼방향 개폐부재(203)의 개폐 선택 작동에 따라 엔진(E)의 배기가스는 배기관(22)과 에스씨알 촉매(5)를 경유하거나, 배기관(22)과 제1바이패스 라인(21) 및 에스씨알 촉매(5)를 경유하거나, 배기관(22)과 제2바이패스 라인(202)을 경유할 수도 있다.
즉 삼방향 개폐부재(203)가 제2바이패스 라인(202)을 폐쇄하고 배기관(22)을 에스씨알 촉매(5)에 연통시키면, 플라즈마 SCR 시스템(102)은 제1실시예의 플라즈마 SCR 시스템(1)과 같이 구동될 수 있다.
한편, 삼방향 개폐부재(203)가 배기관(22)과 에스씨알 촉매(5)의 연통을 폐쇄하고 배기관(22)과 제2바이패스 라인(202)을 연통시키면, 엔진(E)의 배기가스는 에스씨알 촉매(5)를 경유하지 않고 제2바이패스 라인(202)을 경유하여 배출될 수 있다.
이때, 제2실시예에서 플라즈마 SCR 시스템(102)에서 엔진(E)이 정지되고 요소수 인젝터(4)가 정지되어 요소수를 분사하지 않으면, 플라즈마 버너(3)는 공기를 가열하고, 가열된 공기의 열은 에스씨알 촉매(5)를 가열함으로써 촉매를 재생할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 플라즈마 SCR 시스템의 구성도이다. 도 7을 참조하면, 제3실시예에 따른 플라즈마 SCR 시스템(103)은 제1실시예의 플라즈마 SCR 시스템(1)에서 제1바이패스 라인(221)에 복수의 서브라인(1a, 1b, 1c)을 구비하고, 서브라인(1a, 1b, 1c) 각각에 구비되도록 플라즈마 버너(3)를 복수로 구비한다. 즉 서브라인(1a, 1b, 1c)은 제1바이패스 라인(221)을 도중에서 병렬로 연결된다.
서브라인(1a, 1b, 1c)은 엔진(E)의 용량이 아주 큰 경우에 플라즈마 버너(3)를복수로 설치할 수 있게 하므로 엔진(E)의 대용량 배기가스에 효과적으로 대응하여 질소산화물을 환원 및 제거할 수 있게 한다.
따라서 제3실시예에 따른 플라즈마 SCR 시스템(103)은 제1실시예의 플라즈마 SCR 시스템(1)과 동일하게 제어될 수 있으며, 배기가스의 용량에 따라 복수의 플라즈마 버너(3)를 하나 또는 복수로 선택하여 제어하는 것을 더 포함한다.
또한 도시하지 않았으나, 제3실시예에 따른 플라즈마 SCR 시스템에 제2실시예의 플라즈마 SCR 시스템에 적용된 삼방향 개폐부재와 제2바이패스 라인을 더 포함할 수 있다.
이 경우, 제3실시예에 따른 플라즈마 SCR 시스템은 제2실시예의 플라즈마 SCR 시스템과 동일하게 제어될 수 있으며, 배기가스의 용량에 따라 복수의 플라즈마 버너를 하나 또는 복수로 선택하여 제어하는 것을 더 포함한다.
한편, 제1실시예의 플라즈마 버너(3)에서 제1연료 노즐(61)은 제1하우징(31)에 설치하여 방전 간극(G) 전방 및 그 주위에 연료를 공급한다. 도시하지 않았으나 연료는 플라즈마 버너의 전극을 관통하여 공급되어 방전 간극의 전방 및 주위에 공급될 수도 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
1, 102, 103: 플라즈마 SCR 시스템 1a, 1b, 1c: 서브라인
2, 22: 배기관 3: 플라즈마 버너
4: 요소수 인젝터 5: 에스씨알 촉매
14, 24: 플랜지 15: 볼트
21, 221: 제1바이패스 라인 25: 너트
31: 제1하우징 32: 제2하우징
33: 제3하우징 34: 전극
41: 절연부재 42: 장착부
43: 전선 61: 제1연료 노즐
62: 제2연료 노즐 63: 공기 노즐
202: 제2바이패스 라인 203: 삼방향 개폐부재
311: 원통부 312: 확장부
313: 공기 공급 포트 314: 돌출부
331: 통기공 332: 관체
421: 결합홈 E: 엔진
G: 방전 간극 P: 통로
θ1, θ2, θ3: 제1, 제2, 제3각도 θ11, θ12, θ13: 설정각

Claims (12)

  1. 엔진에 연결되어 배기가스를 유통시키는 배기관;
    상기 배기관에 연결되는 제1바이패스 라인에 설치되고 방전 플라즈마에 연료를 공급하여 화염을 형성하는 플라즈마 버너;
    상기 플라즈마 버너의 후방에서 상기 제1바이패스 라인에 설치되고 상기 화염으로 가열된 배기가스에 요소수를 분사하여 암모니아를 생성하는 요소수 인젝터; 및
    상기 요소수 인젝터의 후방에서 상기 제1바이패스 라인에 연결된 상기 배기관에 설치되어 상기 암모니아로 배기가스에 포함된 질소산화물을 환원시키는 에스씨알 촉매를 포함하며,
    상기 제1바이패스 라인은,
    유입단으로 상기 엔진 측에서 상기 배기관에 연결되고 유출단으로 상기 에스씨알 촉매 측에서 상기 배기관에 연결되며, 상기 유입단과 상기 유출단 사이에서 배기관에 구비되는 삼방향 개폐부재, 및 상기 삼방향 개폐부재와 상기 에스씨알 촉매의 후방에서 배기관을 서로 연결되는 제2바이패스 라인을 더 포함하며,
    상기 제2바이패스 라인이 배기가스를 바이패스 배출시킬 때, 상기 에스씨알 촉매는 상기 플라즈마 버너에서 가열된 공기의 열에 의하여 재생되는 플라즈마 에스씨알 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 버너는,
    방전 공기를 공급하는 제1하우징,
    상기 제1하우징에 내장되어 상기 제1하우징과의 사이에 방전 간극을 설정하는 전극, 및
    상기 제1하우징에 설치되어 방전 간극의 전방에 연료를 분사하고 상기 방전 공기와 혼합하여 착화 화염을 형성하는 제1연료 노즐
    을 포함하는 플라즈마 에스씨알 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전극은,
    상기 제1하우징의 일측을 밀폐하는 장착부에 절연부재를 개재하여 장착되는 플라즈마 에스씨알 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 절연부재는,
    상기 제1하우징의 원통부에 대응하여 내장되는 원기둥으로 형성되고,
    상기 전극은,
    상기 절연부재의 일측에서 점진적으로 작아지는 원뿔대로 형성되는 플라즈마 에스씨알 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 플라즈마 버너는,
    상기 제1하우징에서 확장되는 확장부에 연결되는 제2하우징, 및
    상기 제2하우징에 설치되어 상기 착화 화염에 연료를 공급하는 제2연료 노즐
    을 더 포함하는 플라즈마 에스씨알 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 플라즈마 버너는,
    상기 제1하우징의 원통부에서 확장되는 확장부에 연결되는 제2하우징, 및
    상기 제2하우징에 설치되어 상기 착화 화염에 연료를 공급하는 제2연료 노즐
    을 더 포함하는 플라즈마 에스씨알 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 플라즈마 버너는,
    상기 제2연료 노즐의 전방에서 상기 제2하우징 보다 확장된 공간을 형성하고 상기 상기 제1바이패스 라인에 연결되는 제3하우징, 및
    상기 제2연료 노즐의 전방에 설치되어 상기 공기를 공급하는 공기 노즐
    을 더 포함하는 플라즈마 에스씨알 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 공기 노즐은
    적어도 상기 제2하우징의 직경 방향 일측에서 상기 확장부의 내면에 원주 방향으로 공기를 분사하도록 설치되는 플라즈마 에스씨알 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 공기 노즐은,
    상기 제2하우징의 직경 방향에 대하여 설정된 각도로 경사지게 설치되는 플라즈마 에스씨알 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제3하우징은,
    복수의 통기공들을 구비한 관체를 내장하며,
    상기 관체는,
    상기 제3하우징의 길이 방향에서 양단을 개방하고 직경 방향에서 상기 통기공으로 연결되는 플라즈마 에스씨알 시스템.
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1바이패스 라인은 복수의 서브라인으로 구비되어 상기 서브라인을 병렬로 연결하며,
    상기 플라즈마 버너는 복수로 구비되어 상기 서브라인에 각각 구비되는 플라즈마 에스씨알 시스템.
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