KR101613791B1 - 배기정화장치를 포함하는 동력발생시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예는 배기정화장치를 포함하는 동력시스템에 관한 것으로, 배기정화장치를 포함하는 동력시스템은 배기가스를 배출하는 엔진과, 상기 엔진의 배기가스가 통과하는 메인유로와, 상기 메인유로 상에 설치되어 회전되는 과급기와, 상기 메인유로 상에 설치되어 과급기를 우회하는 과급기 우회유로와, 내부에 촉매가 설치되며 상기 과급기 후방의 메인유로 상에 설치된 반응기와, 상기 반응기를 통과한 배기가스가 상기 반응기로 재유입 되도록 안내하는 순환유로와, 상기 반응기 전방의 메인유로에 설치된 제1 개폐부재와, 상기 반응기 후방의 메인유로에 설치된 제2 개폐부재와, 상기 과급기 우회유로에 설치된 제3 개폐부재와, 상기 반응기로 유입되는 배기가스에 환원제를 분사하는 환원제 분사부, 그리고 상기 제1 개폐부재(와 상기 제2 개폐부재를 열고 상기 제3 개폐부재를 열어 상기 과급기를 우회한 배기가스의 열에너지로 상기 촉매를 재생하는 우회 재생 모드와, 상기 제1 개폐부재와 상기 제2 개폐부재를 닫고 상기 제3 개폐부재를 닫아 배기가스의 열에너지로 상기 촉매를 재생하는 폐루프 재생 모드 중 어느 하나의 재생 동작을 하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는 상기 재생 동작을 상기 환원제 분사부가 환원제 분사를 정지한 후 동작 된다.

Description

배기정화장치를 포함하는 동력발생시스템 {POWER GENERATION SYSTEM WITH EXHAUST GAS PURIFICATION DEVICE}
본 발명의 실시예는 배기정화장치를 포함하는 동력시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반응기 내부에 설치된 촉매를 효과적으로 재생할 수 있는 배기정화장치를 포함하는 동력시스템에 관한 것이다.
일반적으로 배기정화장치는 디젤 엔진과 같은 내연기관을 이용한 동력시스템에서 발생되는 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시키기 위한 장치이다.
배기정화장치는 배기가스에 환원제를 분사하며 분사된 환원제와 배기가스가 혼합되어 혼합된 배기가스가 반응기의 촉매를 통과해 배기가스에 포함된 질소산화물이 질소와 수증기로 분해시켜 외부로 배출시킨다.
따라서, 배기정화장치 배기가스에 포함된 질소산환물이 질소와 수증기로 분해되어 정화된 배기가스가 외부로 배출되도록 한다.
또한, 선박 또는 플랜트와 같은 대형 설비에 설치되는 배기정화장치는 촉매를 재생하기 위해 별도의 가열수단을 사용하여 촉매를 직접 가열하였다.
이러한 촉매를 직접 가열하여 촉매를 재생시키는 경우, 대형의 촉매본체에 온도분포가 균일하지 못하여 촉매가 열화되어 파손되는 문제점이 있다.
또한, 일반적인 배기정화장치의 촉매 재생은 선택적촉매환원 동작의 누적 운전시간을 검출하여 촉매 재생이 이루어져 선택적촉매환원 동작 중에 촉매가 피독되는 경우 촉매의 효율을 저하시키는 문제점이 있었다.
본 발명의 실시예는 반응기 내부에 위치하는 촉매를 효과적으로 재생 가능한 배기정화장치를 포함하는 동력시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배기정화장치를 포함하는 동력시스템은 배기가스를 배출하는 엔진과, 상기 엔진의 배기가스가 통과하는 메인유로와, 상기 메인유로 상에 설치되어 회전되는 과급기와, 상기 메인유로 상에 설치되어 과급기를 우회하는 과급기 우회유로와, 내부에 촉매가 설치되며 상기 과급기 후방의 메인유로 상에 설치된 반응기와, 상기 반응기를 통과한 배기가스가 상기 반응기로 재유입 되도록 안내하는 순환유로와, 상기 반응기 전방의 메인유로에 설치된 제1 개폐부재와, 상기 반응기 후방의 메인유로에 설치된 제2 개폐부재와, 상기 과급기 우회유로에 설치된 제3 개폐부재와, 상기 반응기로 유입되는 배기가스에 환원제를 분사하는 환원제 분사부, 그리고 상기 제1 개폐부재(와 상기 제2 개폐부재를 열고 상기 제3 개폐부재를 열어 상기 과급기를 우회한 배기가스의 열에너지로 상기 촉매를 재생하는 우회 재생 모드와, 상기 제1 개폐부재와 상기 제2 개폐부재를 닫고 상기 제3 개폐부재를 닫아 배기가스의 열에너지로 상기 촉매를 재생하는 폐루프 재생 모드 중 어느 하나의 재생 동작을 하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는 상기 재생 동작을 상기 환원제 분사부가 환원제 분사를 정지한 후 동작 된다.
또한, 상기한 배기정화장치를 포함하는 동력장치는, 상기 촉매의 온도를 검출하는 온도 검출부와, 상기 순환유로를 통과하는 배기가스를 승온시키는 가열부, 그리고 상기 반응기를 통과한 배기가스가 상기 순환유로를 통해 상기 반응기로 재유입 시키는 블로워를 더 포함하며, 상기 폐루프 재생 모드로 동작되는 경우, 상기 제어부는 상기 온도 검출부에서 검출된 온도 정보가 기설정 온도 정보값 미만일 때 상기 가열부와 상기 블로워를 동작시켜 승온된 배기가스로 상기 촉매를 승온시킬 수 있다.
또한, 상기한 배기정화장치를 포함하는 동력장치는 상기 순환유로내부의 산소 농도를 검출하는 산소 검출부, 그리고 상기 반응기내부에 신기를 공급하는 신기 공급부를 더 포함하며, 상기 폐루프 재생 모드로 동작되는 경우, 상기 제어부는 상기 산소 검출부에서 검출된 산소 농도 정보가 기설정 산소 농도 정보값 미만일 때 상기 신기 공급부를 동작시킬 수 있다.
또한, 상기한 배기정화장치를 포함하는 동력장치는, 상기 촉매에 부착된 수트(soot)를 제거하기 위한 수트 블로워(soot blower)를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 폐루프 재생 모드 수행 후, 상기 제2 개폐부재를 열고 상기 수트 블로워를 동작시켜 상기 촉매에 부착된 수트가 상기 반응기 외부로 배출되도록 할 수 있다.
또한, 상기한 배기정화장치를 포함하는 동력장치는 상기 우회 재생 모드와 상기 폐루프 재생 모드는 순차적으로 동작될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배기정화장치를 포함하는 동력시스템은 반응기 내부에 위치하는 촉매를 효과적으로 재생시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기정화장치를 포함하는 동력시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기정화장치를 포함하는 동력시스템의 우회 재생 모드를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기정화장치를 포함하는 동력시스템의 폐루프 재생 모드를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기정화장치를 포함한 동력시스템의 동작과정의 제어 순서를 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 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 실시예에 한정되지 않는다.
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 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배기정화장치를 포함하는 동력시스템(101)을 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 배기정화장치를 포함하는 동력시스템(101)은 엔진(10)과, 메인유로(200)와, 과급기(250)와, 과급기 우회유로(260)와, 반응기(100)와, 순환유로(300)와, 제1 개폐부재(410)와, 제2 개폐부재(420)와, 제3 개폐부재(270)와, 환원제 분사부(500), 그리고 우회 재생 모드와 폐루프 재생 모드 중 어느 하나로 재생 동작을 하는 제어부(900)를 포함한다.
엔진(10)은 연료를 연소시켜 선박 또는 차량과 같은 구동장치에 동력을 제공한다. 이러한 연료를 연소시켜 동력을 생산하는 엔진(10)은 배기가스를 배출한다. 구체적으로, 배기가스는 질소산화물(이하: NOx)를 포함하고 있다.메인유로(200)는 엔진(10)과 연결되며 내부에 엔진(10)에서 배출되는 배기가스가 통과한다.
과급기(250)는 메인유로(200) 상에 설치되어 회전된다. 구체적으로, 과급기(250)는 압축기와 터빈을 포함할 수 있다. 터빈은 메인유로(200)를 통과하는 배기가스에 의해 회전되며 이러한 회전력을 압축기에 전달한다. 따라서, 압축기는 터빈으로부터 전달받은 회전력에 의해 엔진(10)으로 외부공기를 압축시켜 공급할 수 있다.
과급기 우회유로(260)는 메인유로(200) 상에 설치되어 과급기(250)를 우회한다. 즉, 과급기 우회유로(260)를 통과하는 배기가스는 과급기(250)의 터빈을 회전시키지 않고 과급기(250)를 우회하여 메인유로(200)에 공급된다.
또한, 과급기 우회유로(260)의 일단은 엔진(10)과 과급기(250) 전방 사이의 메인유로(200)와 연결되고, 과급기 우회유로(260)의 타단은 과급기(250) 후방과 반응기(100) 사이의 메인유로(200)와 연결될 수 있다.
구체적으로, 과급기(250) 전방의 배기가스의 온도는 과급기(250) 후방의 배기가스의 온도보다 상대적으로 높다. 따라서, 과급기(250) 전방의 배기가스가 과급기 우회유로(260)를 통해 메인유로(200)로 공급되면 상대적으로 높은 온도의 배기가스를 메인유로(200) 상에 공급할 수 있다.
반응기(100)는 내부에 촉매(120)가 설치된다. 촉매(120)는 반응기(100) 내부에 복수로 설치될 수 있다. 구체적으로, 촉매(120)는 배기가스에 포함된 NOx를 제거하는데 도움을 주는 선택적 환원 촉매일 수 있다.
또한, 반응기(100)는 메인유로(200) 상에 설치될 수 있다. 즉, 메인유로(200)는 엔진(10)에서 배출되는 배기가스가 반응기(100)로 유입되도록 안내하며, 반응기(100)를 통과한 배기가스가 반응기(100) 외부로 배출되도록 안내할 수 있다.
구체적으로, 반응기(100)는 과급기(250) 후방의 메인유로(200)에 설치될 수 있다.
순환유로(300)는 반응기(100)를 통과한 배기가스가 반응기(100)로 재유입 되도록 안내한다. 구체적으로, 순환유로(300)의 일단은 반응기(100) 전방의 메인유로(200)와 연결되고, 순환유로(300)의 타단은 반응기(100) 후방의 메인유로(200)와 연결될 수 있다.
따라서, 순환유로(300)는 반응기(100)를 통과한 배기가스가 반응기(100) 전방으로 다시 유입될 수 있도록 안내할 수 있다.
제1 개폐부재(410)는 반응기(100) 전방의 메인유로(200) 상에 설치된다. 즉, 제1 개폐부재(410)는 반응기(100) 전방의 메인유로(200) 상에 설치되어 반응기(100)로 유입되는 배기가스의 흐름을 절환할 수 있다.
구체적으로, 제1 개폐부재(410)는 순환유로(300)의 일단보다 반응기(100)와 멀게 설치될 수 있다. 즉, 순환유로(300)의 일단은 반응기(100)의 전방과 제1 개폐부재(410) 사이의 메인유로(200) 상에 설치될 수 있다.
제2 개폐부재(420)는 반응기(100) 후방의 메인유로(200) 상에 설치된다, 즉, 제2 개폐부재(420)는 반응기(100) 후방의 메인유로(200) 상에 설치되어 반응기(100)를 통과한 배기가스의 흐름을 절환할 수 있다.
구체적으로, 제2 개폐부재(420)는 순환유로(300)의 타단보다 반응기(100)와 멀게 설치될 수 있다. 즉, 순환유로(300)의 타단은 반응기(100)의 후방과 제2 개폐부재(420) 사이의 메인유로(200) 상에 설치될 수 있다.
제3 개폐부재(270)는 과급기 우회유로(260)에 설치된다. 구체적으로, 제3 개폐부재(270)는 과급기 우회유로(260)에 설치되어 엔진(10)과 과급기(250) 사이를 통과하는 배기가스 중 일부의 배기가스가 과급기(250)를 우회하여 과급기 우회유로(260)를 따라 이동되도록 할 수 있다.
일예로, 제1 개폐부재(410)와 제2 개폐부재(420) 그리고 제3 개폐부재(270)는 밸브, 댐퍼와 같이 메인유로(200)를 개방 또는 폐쇄할 수 있는 형태로 설치될 수 있다.
환원제 분사부(500)는 반응기(100)로 유입되는 배기가스에 환원제를 분사할 수 있다. 구체적으로, 환원제 분사부(500)는 메인유로(200)에 환원제를 분사하는 노즐과 환원제 공급장치를 포함할 수 있다.
앞서 서술한 도 1에 도시한 바와 같이, 배기정화장치를 포함하는 동력발생 시스템은 엔진(10)의 구동시 환원제 분사부(500)에서 분사된 환원제에 의해 반응기(100)를 통과한 배기가스에 NOx를 제거시켜 정화된 배기가스를 방출할 수 있다.
또한, 메인유로(200)에 분사되는 우레아(UREA) 또는 암모니아일 수 있다. 구체적으로, 환원제 분사부(500)는 환원제 공급장치에서 우레아를 공급받아 이를 암모니아로 분해하는 환원제 분해 챔버를 더 포함할 수 있다.
일예로, 환원제 분해 챔버는 순환유로(300) 상에 설치되어 순환유로(300)를 통과하는 배기가스의 열에너지에 의해 우레아를 암모니아로 분해시켜 메인유로(200)를 통과하는 배기가스에 분사할 수 있다. 따라서, 이러한 암모니아와 배기가스가 혼합되어 반응기(100)로 유입될 수 있다.
배기가스는 환원제와 혼합되어 촉매(120)를 통과하며 배기가스에 포함된 NOx는 질소(N₂)와 수증기(H₂O)로 환원되며 정화되어 반응기(100)의 외부로 배출될 수 있다.
제어부(900)는 제1 개폐부재(410)와, 제2 개폐부재(420), 제3 개폐부재(270) 그리고 환원제 분사부(500)를 제어 할 수 있다. 또한, 제어부(900)는 폐루프(closed loop) 재생 모드와 우회(by-pass) 재생 모드의 재생 동작을 포함할 수 있다.
제어부(900)의 재생 동작은 우회 재생 모드와 폐루프 재생로 구분 동작할 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 폐루프 재생 모드로 제어부(900)가 동작되는 경우, 제어부(900)는 제1 개폐부재(410)를 닫아 반응기(100)로 유입되는 배기가스의 흐름을 차단하고, 제2 개폐부재(420)를 닫아 반응기(100)를 통과한 배기가스가 반응기(100)의 외부로 배출되는 배기가스의 흐름을 차단 하고, 제3 개폐부재(270)를 닫는다
즉, 제어부(900)가 폐루프 재생 모드로 동작되는 경우, 반응기(100) 내부에 있는 배기가스는 반응기(100)와 순환유로(300)를 통과하며 순환될 수 있다.
반응기(100) 내부에 설치된 촉매(120)는 반응기(100) 내부에 잔존하는 배기가스의 열에너지에 의해 재생될 수 있다. 구체적으로, 촉매(120)는 외부에서 유입되는 별도의 열에너지 없이 폐루프가 형성된 반응기(100)와 순환유로(300)를 순환하는 배기가스가 가진 배기가스의 열에너지에 의해 촉매(120)의 온도를 유지할 수 있다.
즉, 폐루프 재생 모드로 동작되는 경우, 제어부(900)는 촉매(120)의 온도를 유지할 수 있도록 반응기(100)와 순환유로(300) 사이의 폐루프를 형성하여 촉매(120)의 온도 저하에 따라 발생할 수 있는 촉매(120)의 피독을 방지할 수 있다. 또한, 제어부(900)는 폐루프 재생 모드를 수행하여 촉매(120)가 촉매(120)의 효율적인 역할 수행을 할 수 있는 촉매의 활성화 온도(일예로; 300도(℃) 내지 500도(℃))를 유지할 수 있도록 할 수 있다.
또한, 제어부(900)는 폐루프 재생 모드 및 개루프 재생 모드를 포함하고 있어 선택적촉매환원 동작이 완료되기 전 촉매(120)를 재생할 수 있어 선택적촉매환원 동작이 완료된 후 촉매(120)를 재생하는 종래기술에 비해 적은 열에너지로 촉매(120)를 효과적으로 재생할 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 제어부(900)가 우회 재생 모드의 재생 동작을 수행하는 경우, 제어부(900)는 제3 개폐부재(270)를 열고 제1 개폐부재(410)와 제2 개폐부재(420)를 열어 엔진(10)에서 발생되는 배기가스의 일부가 과급기(250)를 우회하여 과급기 우회유로(260)를 따라 메인유로(200)로 이동되어 반응기(100)로 공급되도록 한다.
구체적으로, 제3 개폐부재(270)는 제어부(900)에 의해 과급기 우회유로(260)의 개도율을 조절할 수 있다.
일예로, 제3 개폐부재(270)의 개도율은 10%미만일 수 있다.
즉, 제어부(900)는 제1 개폐부재(410)와 제2 개폐부재(420)를 열고 제3 개폐부재(270)의 열림량을 조정하여 촉매(120)를 통과하는 배기가스의 온도를 목표온도까지 승온한 후 20~30min 대기하며, 이때 공급된 온도에 의해 촉매(120)가 재생된다. 제1 개폐부재(410)와 제2 개폐부재(420)를 닫고 제3 개폐부재(270)를 열어 우회유로(400)을 통해 엔진 배기가스를 우회 시킨다.
즉, 촉매(120)에 부착된 수트(soot) 또는 그을음(ash)등을 제거하는 정화를 통해 촉매(120)를 재생할 수 있다.
또한, 제어부(900)는 환원제 분사부(500)가 환원제 분사를 정지한 후 폐루프 재생 모드 또는 개루프 재생 모드로 동작될 수 있다.
구체적으로, 환원제 분사부(500)는 엔진(10)의 부하 등으로부터 선택적으로 제어될 수 있다. 따라서, 환원제 분사부(500)가 환원제 분사를 정지한 경우, 제어부(900)는 촉매(120)의 재생을 수행하여 효과적으로 촉매(120)의 수명을 향상시킬 수 있다.
즉, 엔진(10)의 동작 유무에 상관 없이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기정화장치를 포함하는 동력시스템(101)는 환원제 분사부(500)가 환원제 분사를 정지한 경우 촉매(120)를 폐루프 재생 모드 또는 개루프 재생 모드로 촉매(120)를 재생할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기정화장치를 포함하는 동력시스템(101)은 우회유로(400) 그리고 제4 개폐부재(430)를 더 포함할 수 있다.
우회유로(400)는 메인유로(200)로부터 분기되며 메인유로(200)를 통과하는 배기가스가 반응기(100)를 우회하도록 안내한다.
즉, 우회유로(400)의 일단은 반응기(100) 전방의 메인유로(200)와 연결되고, 우회유로(400)의 타단은 반응기(100) 후방의 메인유로(200)와 연결될 수 있다.
구체적으로, 우회유로(400)의 일단은 순환유로(300)의 일단보다 반응기(100) 전방과 멀게 설치될 수 있다. 즉, 순환유로(300)의 일단은 우회유로(400)의 일단과 반응기(100) 전방 사이에 설치될 수 있다.
또한, 우회유로(400)의 타단은 순환유로(300)의 타단보다 반응기(100) 후방과 멀게 설치될 수 있다. 즉, 순환유로(300)의 타단은 우회유로(400)의 타단과 반응기(100) 후방 사이에 설치될 수 있다.
제4 개폐부재(430)는 우회유로(400) 상에 설치되어 우회유로(400)로 배기가스의 흐름을 절환 할 수 있다.
따라서, 제어부(900)가 재생 동작을 수행하는 동안, 제4 개폐부재(430)는 우회유로(400)를 개방시켜 엔진(10)에서 배출되는 배기가스가 반응기(100)로 유입되지 않고 우회유로(400)를 통해 반응기(100)를 우회하여 반응기(100) 외부의 메인유로(200)를 통해 배출될 수 있도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제어부(900)는 우회 재생 모드와 폐루프 재생 모드로 순차적으로 동작될 수 있다.
구체적으로, 제어부(900)는 우회 재생 모드 수행을 완료후 폐루프 재생 모드를 수행할 수 있다.
일예로, 제어부(900)는 제1 개폐부재(410)와 제2 개폐부재(420)를 열고 제3 개폐부재(270)를 열어 과급기(250)를 우회한 배기가스의 열에너지에 의해 촉매(120)의 온도를 승온시키고 이후, 1 개폐부재(410)와 제2 개폐부재(420)를 닫고 제3 개폐부재(270)를 닫아 반응기(100)와 순환유로(300) 사이를 폐루프 형태로 만들어 촉매(120)의 온도를 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기정화장치를 포함하는 동력시스템(101)은 가열부(600)와 블로워(700)를 더 포함할 수 있다.
가열부(600)는 순환유로(300)를 통과하는 배기가스를 승온시킬 수 있다. 구체적으로, 가열부(600)는 순환유로(300) 상에 설치되어 순환유로(300)를 통과하는 배기가스의 온도를 승온시키며, 이러한 승온된 배기가스에 의해 촉매(120)가 승온되도록 할 수 있다.
블로워(700)는 반응기(100)를 통과한 배기가스가 반응기(100)로 재유입 될 수 있도록 배기가스의 흐름을 제어할 수 있다. 즉, 블로워(700)가 동작되면 반응기(100)의 촉매(120)를 통과한 배기가스가 순환유로(300)를 통과하여 다시 반응기(100)로 유입되어 촉매(120)를 통과할 수 있다.
구체적으로, 제어부(900)가 폐루프 재생 모드로 동작되는 경우, 제어부(900)는 가열부(600)와 블로워(700)를 제어하여 반응기(100)와 순환유로(300)를 순환하는 배기가스를 승온시켜 촉매(120)의 효율적인 역할 수행을 할 수 있는 촉매의 활성화 온도를 유지하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기정화장치를 포함하는 동력시스템(101)은 촉매(120)의 온도를 검출하는 온도 검출부(910)를 더 포함할 수 있다.
온도 검출부(910)는 반응기(100) 또는 순환유로(300) 상에 설치되어 촉매(120)의 온도 정보를 검출할 수 있다. 또한, 제어부(900)에는 촉매의 활성화 온도가 기설정 온도 정보값으로 입력되어 있으며, 제어부(900)는 온도 검출부(910)에서 검출된 온도 정보와 비교하여 가열부(600)와 블로워(700)를 선택적으로 제어할 수 있다.
즉, 제어부(900)가 폐루프 재생 모드로 동작되는 경우, 온도 검출부(910)에서 검출된 온도 정보값이 기설정 온도 정보값 미만인 경우 제어부(900)는 가열부(600)와 블로워(700)를 동작시켜 촉매(120)를 촉매의 활성화 온도로 승온시키고, 온도 검출부(910)에서 검출된 온도 정보값이 기설정 온도 정보값 이상인 경우 제어부(900)는 제1 개폐부재(410)와 제2 개폐부재(420)가 닫힌 상태를 유지하며 촉매(120)의 열에너지를 유지할 수 있다.
또한, 본발명의 일 실시예에 따른 배기정화장치를 포함하는 동력시스템(101)은 산소 검출부(920) 및 신기 공급부(810)를 더 포함할 수 있다.
산소 검출부(920)는 순환유로(300) 내부의 배기가스 산소 농도를 검출할 수 있다. 즉, 산소 검출부(920)는 순환유로(300) 내부에 설치되어 순환유로(300) 내부의 산소 농도를 검출할 수 있다.
신기(fresh air) 공급부(810)는 반응기(100) 내부에 신기를 공급할 수 있다. 신기는 외부의 공기 또는 압축공기일 수 있다.
또한, 제어부(900)는 산소(O₂) 검출부(920)에서 검출된 산소 농도 정보에 따라 신기 공급부(810)를 제어하여 반응기(100) 내부에 신기를 공급할 수 있다.
구체적으로, 제어부(900)가 폐루프 재생 모드로 동작되는 경우, 가열부(600)의 동작으로 폐루프를 순환하는 배기가스에 포함된 산소가 소모되면 효과적인 가열부(600)의 동작이 어렵다. 또한, 제어부(900)에는 가열부(600)가 효과적으로 폐루프를 순환하는 배기가스를 승온시킬 수 있는 산소 농도 정보값이 기설정되어 있다.
따라서, 제어부(900)는 산소 검출부(920)로부터 검출된 순환유로(300) 내부의 산소 농도 정보가 기설정된 산소 농도 정보값 미만일 때 신기 공급부(810)를 동작시켜 반응기(100) 내부로 산소가 포함된 공기를 공급할 수 있다.
일예로, 배기정화장치를 포함하는 동력시스템(101)이 수트 블로워를 포함하는 경우, 신기 공급부는 수트 블로워를 통해 공급되는 공기일 수 있다. 이때, 반응기로 분사되는 공기의 압력은 제어부에 의해 조절될 수 있다.
또한, 제어부(900)는 산소 검출부(920)로부터 검출된 순환유로(300) 내부의 산소 농도 정보가 기설정된 산소 농도 정보값 이상일 때는 신기 공급부(810)를 동작시키지 않을 수 있다.
일예로, 기설정된 산소 농도 정보값은 14%일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기정화장치를 포함하는 동력시스템(101)은 수트 블로워(820)를 더 포함할 수 있다.
수트 블로워(820)는 촉매(120)에 부착된 수트 또는 그을음을 제거하기 위해 압축공기를 촉매(120)를 향해 분사할 수 있다. 구체적으로, 수트 블로워(820)는 반응기(100) 내부에 설치되어 촉매(120)를 향해 압축공기를 분사하여 촉매(120)의 도시되지 않은 유로에 쌓여 촉매(120)의 유로를 막는 수트 또는 그을음을 제거할 수 있다.
따라서, 수트 블로워(820)는 촉매(120)에 부착된 수트 등을 제거하여 촉매(120)를 정화시킬 수 있다.
제어부(900)는 재생 동작 중 폐루프 재생 모드 수행 완료 후, 제2 개폐부재(420)를 개방시키고 수트 블로워(820)를 동작시켜 촉매(120)를 정화하여 촉매 재생을 행할 수 있다.
구체적으로, 수트 블로워(820)가 동작전 제2 개폐부재(420)가 개방되기 때문에, 촉매(120)에 부착된 수트등은 반응기(100) 외부로 압축공기에 의해 효과적으로 배출될 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기정화시스템은 촉매(120)를 재생하기 위해, 제1 개폐부재(410)와 제2 개폐부재(420) 그리고 제3 개폐부재(270)를 닫아 반응기(100)와 순환유로(300) 사이에 폐루프를 형성하여 온도 검출부(910)에 의해 검출되는 온도 정보에 따라 블로워(700)와 가열부(600)를 선택적으로 제어하여 촉매(120)를 재생하는 폐루프 재생 모드와, 제1 개폐부재(410)와 제2 개폐부재(420) 그리고 제3 개폐부재(270)를 열어 과급기(250)를 우회한 배기가스를 이용하여 상대적으로 높은 온도의 배기가스의 열에너지로 촉매(120)를 재생하는 우회 재생 모드를 포함하는 재생 동작을 수행하여 효과적으로 촉매(120)를 재생할 수 있다.
또한, 제어부(900)는 우회 재생 모드와 폐루프 재생 모드 수행후, 수트 블로워(820)를 동작시켜 촉매(120)에 부착된 수트를 제거할 수 있어 효과적으로 촉매(120)를 재생할 수 있다.
또한, 제어부(900)는 우회 재생 모드 수행 후, 폐루프 재생 모드로 동작될 수 있어 효과적으로 촉매(120)를 재생시킬 수 있다.
구체적으로, 제어부(900)는 폐루프 재생 모드 동작 후 촉매(120)의 정화를 위해 수트 블로워(820)에서 발생되는 압축공기로 수트를 제거하여 효과적으로 촉매를 재생할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기정화장치를 포함하는 동력시스템(101)의 제어부(900)는 환원제 분사부(500)의 환원제 분사 동작이 정지된 후 폐루프 재생 모드와 우회 재생 모드를 수행할 수 있다. 즉, 제어부(900)는 엔진(10)이 운전중 인 경우에도 환원제 분사부(500)의 환원제 분사부(500)의 환원제 분사 동작이 정지된 후에는 촉매(120)를 효과적으로 재생 시킬 수 있다.
이하, 도 1 내지 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배기정화장치를 포함하는 동력시스템(101)을 이용한 동작과정을 제어방법 중심으로 설명한다.
배기가스에 환원제를 분사하여 배기가스에 포함된 NOx를 선택적으로 환원시키기 위해 촉매를 통과한 배기가스가 질소와 수증기로 배출되도록 하는 선택적촉매환원 동작을 시작한다.
엔진의 동작 유무를 판단한다(S120). 구체적으로, 엔진이 작동 상태인지 또는 엔진이 정지 상태인지를 판단한다.
엔진이 정지 상태인 경우, 블로워 및 가열부를 동작시킨다(S140). 즉, 엔진이 정지 상태인 경우에도 촉매의 피독 방지 및 효율 향상을 위해 촉매를 승온시킬 수 있다.
이때, 환원제 분사부에서 분사하는 환원제는 분사 중지된 상태이다(S160).
도 1에 도시한 바와 같이, 엔진이 작동 상태인 경우, 엔진에서 배출되는 배기가스는 반응기로 유입된다(S130). 배기가스에 환원제를 분사하여 환원제와 혼합된 배기가스가 반응기로 유입되도록 한다(S150).
환원제 분사가 중지된다(S160). 환원제의 분사의 중지는 일반적인 SCR 시스템에서 적용되는 다양한 방법으로 제어될 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 환원제 분사가 중지된(S160) 후, 과급기를 통과하기 전의 엔진에서 배출되는 배기가스의 일부가 과급기를 우회(S170)하여 과급기 우회유로를 따라 이동하여 메인유로를 통과하는 배기가스를 승온시키도록 한다. 따라서, 과급기를 우회(S170)하는 배기가스에 의해 촉매의 온도는 과급기를 통과한 배기가스가 공급되는 것에 비해 상대적으로 높은 온도의 배기가스에 공급될 수 있다.
또한, 환원제 분사가 중지된(S160) 후, 배기가스가 반응기를 우회하도록 제어한다(S210). 구체적으로, 앞서 서술한 도 3에 도시한 바와 같이, 제어부는 우회유로를 개방시켜 엔진에서 배출되는 배기가스가 우회유로를 통과하며 반응기를 우회하도록 한다.
또한, 반응기 전단 및 후단을 폐쇄시킨다(S220). 구체적으로, 반응기 전단에 설치된 개폐부재와 반응기 후단에 설치된 개폐부재를 닫아 반응기와 순환유로 사이가 폐루프로 형성되도록 한다.
온도 검출부에서 검출된 온도 정보와 기설정 온도 정보값를 비교한다(S230). 일예로, 기설정 온도 정보값은 촉매의 활성화 온도 영역의 최하값인 300도(℃)일 수 있다.
촉매의 온도가 기설정 온도 정보값 이상인 경우, 반응기 전단에 설치된 개폐부재와 반응기 후단에 설치된 개폐부재를 닫아 반응기와 순환유로 사이가 폐루프로 상태로 기설정된 시간만큼 유지되도록 한다(S310). 따라서, 촉매의 온도가 기설정 온도 정보값 이상인 경우, 제어부는 반응기와 순환유로 사이가 폐루프 상태로 기설정 시간 유지하도록 하여 촉매의 온도를 보온할 수 있다. 즉, 반응기 외부로 유출되는 배기가스를 차단하여 촉매의 온도를 유지시킬 수 있어 촉매의 온도 저하에 따른 피독을 방지할 수 있다. 또한, 촉매가 기설정 시간동안 촉매 온도를 유지할 수 있어 촉매를 재생시킬 수 있다.
일예로, 기설정된 시간은 20분 내지 30분 사이일 수 있다. 이러한 기설정된 시간은 촉매의 온도가 유지되어 촉매를 재생시킬 수 있는 시간일 수 있다.
또는, 촉매의 온도가 기설정 온도 정보값 미만인 경우, 블로워와 가열부가 동작된다(S250). 구체적으로, 제어부는 반응기 전단에 설치된 개폐부재와 반응기 후단에 설치된 개폐부재를 닫아 반응기와 순환유로 사이가 폐루프를 형성한 상태에서 블로워와 가열부를 동작시킨다. 따라서, 가열부는 폐루프가 형성된 순환유로와 반응기 사이를 순환하는 배기가스를 승온시키고, 블로워는 이러한 승온된 배기가스가 반응기를 통과하여 순환유로를 따라 반응기로 재유입 되도록 배기가스의 흐름을 제어한다.
가열부와 블로워가 동작(S250)된 후, 제어부는 산소 검출부를 통배 반응기와 순환유로 사이에 형성된 폐루프를 통과하는 배기가스의 산소 농도를 검출하여 기설정 산소 농도와 검출된 산소 농도 정보값을 비교(S260) 한다.
일예로, 기설정 산소 농도는 14%일 수 있다. 구체적으로, 기설정 산소 농도는 가열부가 효과적인 성능을 낼 수 있는 값으로 설정될 수 있다.
폐루프를 통과하는 배기가스의 산소 농도가 기설정 산소 농도 정보값 이상인 경우, 배기가스는 폐루프를 통과하며 순환한다(S280).
또는, 폐루프를 통과하는 배기가스의 산소 농도가 기설정 산소 농도 정보값 미만인 경우, 제어부는 반응기와 순환유로 사이의 폐루프를 순환하는 배기가스에 신기를 공급한다(S270).
구체적으로, 가열부가 버너와 같이 폐루프를 통과하는 배기가스와 연소되어 배기가스를 가열하는 경우, 폐루프를 통과하는 배기가스의 산소 농도 저하에 따라 버너에 소비되는 연료를 절약하고 버너의 효율을 향상시키기 위해 폐루프를 통과하는 배기가스의 산소 농도를 검출하여 선택적으로 신기를 공급할 수 있다.
또한, 신기 공급은 신기 공급 밸브의 열림량을 제어할 수 있고(S271) 또는 배기정화시스템이 반응기 내부의 촉매에 부착된 수트를 제거하기 위한 수트 블로워를 포함하는 경우 수트 블로워를 동작시켜 압축공기를 반응기 내부로 공급할 수 있다.
신기 공급(S270) 후, 배기가스는 폐루프를 통과하며 계속 순환된다(S280).
배기가스가 폐루프를 따라 순환(S280)되면, 온도 검출부에서 검출된 온도 정보와 기설정 온도 정보값를 다시 비교한다(S300).
촉매의 온도가 기설정 온도 정보값 이상인 경우, 반응기 전단에 설치된 개폐부재와 반응기 후단에 설치된 개폐부재를 닫아 반응기와 순환유로 사이가 폐루프로 상태로 기설정된 시간만큼 유지되도록 한다(S310).
촉매의 온도가 기설정 온도 정보값 미만인 경우, 폐루프를 통과하는 배기가스는 계속 촉매의 온도가 기설정 온도 정보값에 도달할 때까지 계속 승온 및 순환된다(S280).
구체적으로, 촉매의 온도가 기설정 온도 정보값에 도달한 경우, 반응기 전단에 설치된 개폐부재와 반응기 후단에 설치된 개폐부재를 닫아 반응기와 순환유로 사이가 폐루프로 상태로 기설정된 시간만큼 유지되도록 한다(S310).
반응기와 순환유로 사이의 폐루프를 배기가스가 기설정된 시간만큼 유지(S310)한 후, 제어부는 반응기 후단의 개폐부재를 개방(S320)한다. 구체적으로, 이때, 반응기와 순환유로 사이는 폐루프가 아닌 개루프 형태로 형성되며 배기가스는 이를 통과할 수 있다.
즉, 반응기 후단의 개폐부재가 개방(S320)되면, 순환유로를 통과한 배기가스는 반응기 전단으로 유입되어 촉매를 통과하여 반응기 후단을 통과한 후 반응기 외부로 배출된다.
반응기 후단의 개폐부재가 개방(S320)되면, 제어부는 수트 블로워를 동작(S330) 시킨다. 구체적으로, 제어부는 반응기 후단의 개폐부재를 개방(S320)시켜 개루프를 형성한 후, 수트 블로워를 동작(S330)시켜 촉매의 유로상에 부착되어 촉매의 유로를 막아 배기가스의 흐름을 방해하여 촉매의 수명을 저하시키는 수트 또는 그을음이 압축공기에 의해 반응기 외부로 분사될 수 있도록 할 수 있다.
즉, 제어부는 개루프 상태로 수트 블로워를 동작시켜 촉매를 정화시킬 수 있다. 따라서, 개루프 상태의 촉매 재생이 이루어 진다.
수트 블로워의 동작(S330)이 완료되면, 반응기 후단의 개폐부재를 닫아(S340) 다시 폐루프 상태를 형성할 수 있다.
그리고 선택적촉매환원 동작을 정지한다.
이후, 촉매의 피독 상태를 판별(S350)한다. 즉, 제어부는 폐루프 형태의 촉매 재생 및 개루프 형태의 촉매 재생 단계를 통해 재생된 촉매의 상태를 판별한다.
구체적으로, 별도의 NOx 센서를 포함하는 경우, 제어부는 NOx 센서에서 검출된 NOx 저감효율과 기설정된 목표 NOx 효율값을 비교하여 판단하거나, 선택적촉매환원 동작의 누적 운전시간이 기설정 시간을 초과하는지 판단할 수 있다.
즉, 선택적촉매환원 동작 정지 이후의 촉매의 피독 상태를 판별(S350)하여, 제어부가 촉매가 여전히 피독 되어 재생이 필요하다고 판단하면 촉매 재생(S360)을 더 수행한다.
촉매 재생(S360) 과정은 블로워와 가열부를 동작(S250)시키고 산소 농도를 비교(S260)하여 신기를 공급(S270)하여 촉매의 온도가 기설정 온도 정보값까지 도도 할 때까지 제어부가 블로워와 가열부 그리고 신기 공급을 제어하는 앞서 서술한 과정을 동일하게 수행할 수 있다.
또는, 배기정화 시스템이 별도의 촉매 재생 과정을 가진 경우, 제어부는 이를 수행할 수 있다.
이와 같은 동작과정을 수행하면 효과적으로 촉매를 배기가스의 열에너지로 재생할 수 있고 또한 촉매를 정화시켜 재생시킬 수 있다.
또한, 상기와 같은 동작과정은 선택적촉매환원 동작 정지 전에 촉매를 효과적으로 재생할 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, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 엔진 100: 반응기
101: 배기정화시스템 120: 촉매
200: 메인유로 250: 과급기
260: 과급기 우회유로 270: 제3 개폐부재
300: 순환유로 500: 환원제 분사부
400: 우회유로 410: 제1 개폐부재
420: 제2 개폐부재 430: 제4 개폐부재
600: 가열부 700: 블로워
810: 신기 공급부 820: 수트 블로워
900: 제어부 910: 온도 검출부
920: 산소 검출부

Claims (5)

  1. 배기가스를 배출하는 엔진;
    상기 엔진의 배기가스가 통과하는 메인유로;
    상기 메인유로 상에 설치되어 회전되는 과급기;
    상기 메인유로 상에 설치되어 과급기를 우회하는 과급기 우회유로;
    내부에 촉매가 설치되며 상기 과급기 후방의 메인유로 상에 설치된 반응기;
    상기 반응기를 통과한 배기가스가 상기 반응기로 재유입 되도록 안내하는 순환유로;
    상기 반응기 전방의 메인유로에 설치된 제1 개폐부재;
    상기 반응기 후방의 메인유로에 설치된 제2 개폐부재;
    상기 과급기 우회유로에 설치된 제3 개폐부재;
    상기 반응기로 유입되는 배기가스에 환원제를 분사하는 환원제 분사부; 및
    상기 제1 개폐부재와 상기 제2 개폐부재를 열고 상기 제3 개폐부재를 열어 상기 과급기를 우회한 배기가스의 열에너지로 상기 촉매를 재생하는 우회 재생 모드와, 상기 제1 개폐부재와 상기 제2 개폐부재를 닫고 상기 제3 개폐부재를 닫아 배기가스의 열에너지로 상기 촉매를 재생하는 폐루프 재생 모드 중 어느 하나의 재생 동작을 하는 제어부
    를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 재생 동작을 상기 환원제 분사부가 환원제 분사를 정지한 후 동작 되는 것을 특징으로 하는 배기정화장치를 포함하는 동력발생시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 촉매의 온도를 검출하는 온도 검출부;
    상기 순환유로를 통과하는 배기가스를 승온시키는 가열부; 및
    상기 반응기를 통과한 배기가스가 상기 순환유로를 통해 상기 반응기로 재유입 시키는 블로워
    를 더 포함하며,
    상기 폐루프 재생 모드로 동작되는 경우, 상기 제어부는 상기 온도 검출부에서 검출된 온도 정보가 기설정 온도 정보값 미만일 때 상기 가열부와 상기 블로워를 동작시켜 승온된 배기가스로 상기 촉매를 승온시키는 것을 특징으로 하는 배기정화장치를 포함하는 동력발생시스템.
  3. 제2항에서,
    상기 순환유로 내부의 산소 농도를 검출하는 산소 검출부; 및
    상기 반응기 내부에 신기를 공급하는 신기 공급부
    를 더 포함하며,
    상기 폐루프 재생 모드로 동작되는 경우, 상기 제어부는 상기 산소 검출부에서 검출된 산소 농도 정보가 기설정 산소 농도 정보값 미만일 때 상기 신기 공급부를 동작시키는 것을 특징으로 하는 배기정화장치를 포함하는 동력발생시스템.
  4. 제1항에서,
    상기 촉매에 부착된 수트(soot)를 제거하기 위한 수트 블로워(soot blower)를 더 포함하며,
    상기 제어부는 상기 폐루프 재생 모드 수행 후, 상기 제2 개폐부재를 열고 상기 수트 블로워를 동작시켜 상기 촉매에 부착된 수트가 상기 반응기 외부로 배출되도록 하는 것을 특징으로 하는 배기정화장치를 포함하는 동력발생시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에서,
    상기 우회 재생 모드와 상기 폐루프 재생 모드는 순차적으로 동작되는 것을 특징으로 하는 배기정화장치를 포함하는 동력발생시스템.
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