KR101636176B1 - 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치는 배기가스를 배출하는 엔진과, 상기 엔진이 배출한 배기가스가 이동하는 메인 배기 유로와, 상기 메인 배기 유로 상에 설치되며 상기 엔진에 소기용 공기를 공급하는 과급기와, 상기 과급기를 거친 상기 메인 배기 유로 상에 설치되며 배기가스가 함유한 질소산화물을 저감시키기 위한 촉매가 내부에 마련된 반응기와, 상기 반응기로 이동하는 배기가스에 암모니아를 분사하는 암모니아 분사부와, 우레아를 분해하여 상기 암모니아 분사부에 공급할 암모니아를 생성하는 분해 챔버와, 상기 과급기와 상기 반응기 사이의 상기 메인 배기 유로에서 분기되어 상기 분해 챔버와 연결된 배기 분기 유로와, 상기 배기 분기 유로 상에 설치된 제1 가열 장치와, 상기 과급기와 상기 반응기 사이의 상기 메인 배기 유로 상에 설치된 제2 가열 장치, 그리고 상기 과급기가 상기 엔진에 공급하는 상기 소기용 공기의 일부를 분기시켜 상기 제1 가열 장치 또는 상기 제2 가열 장치 중 하나 이상에 공급하는 소기 분기 유로를 포함한다.

Description

선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치{POWER PLANT WITH SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION SYSTEM}
본 발명은 선택적 촉매 환원 반응을 이용하여 배기가스가 함유한 질소산화물을 저감시키는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치에 관한 것이다.
일반적으로 동력 장치는 동력을 발생하는 엔진과, 엔진에 소기용 공기를 공급하는 과급기(turbocharger), 그리고 엔진에서 배출된 배기가스가 함유한 질소산화물을 저감시키는 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템 등을 포함한다.
선택적 촉매 환원 시스템은 촉매가 내부에 설치된 반응기에 배기가스와 환원제를 함께 통과시키면서 배기가스에 함유된 질소산화물과 환원제를 반응시켜 질소와 수증기로 환원 처리한다.
선택적 촉매 환원 시스템은 질소산화물을 저감시키기 위한 환원제로 우레아(Urea)나 암모니아(NH3)를 사용하고 있다.
그런데 우레아가 섭씨 250도 미만의 온도를 갖는 배기가스에 직접 분사되면, 우레아가 분해되면서 생성되는 뷰렛(biuret), 시아누르산(cyanuric acid), 멜라민(melamine), 및 아멜린(ammeline) 등과 같은 부산물에 의해 노즐이 막히거나 배기가스의 흐름을 방해하는 문제점이 있다.
이에, 우레아의 가수분해 효율을 향상시키기 위해 분해 챔버에 별도의 전기 히터 또는 버너를 통해 가열된 유체를 공급하여 분해 챔버의 내부 온도를 가수분해 반응 온도까지 상승시키고, 우레아를 분해 챔버에서 안정적으로 분해하여 생성된 암모니아(NH3)과 이소시안산(HNCO)을 반응기에 공급하는 방법을 사용하고 있다.
하지만, 우레아를 분해 챔버에서 분해하기 위해서는 열에너지를 공급하기 위한 별도의 버너가 요구되며, 버너를 가동하기 위한 연료와 공기가 소모된다.
이와 같이, 버너가 소모하는 연료와 공기는 선택적 촉매 환원 시스템에 소모되는 전체 연료 및 공기와 대비하여 상당한 비중을 차지하고 있다.
특히, 버너에 공기를 공급하기 위한 별도의 공기 공급 장치도 마련해야 할 뿐만 아니라 공기 공급 장치를 상시 가동시킴으로 가동에 따른 에너지가 추가적으로 소모되는 문제점이 있다.
그리고 버너에 저온의 공기가 공급될 경우, 분해 챔버에 열에너지를 제공해야 하는 버너의 열효율이 저하되는 문제점도 있다.
본 발명의 실시예는 환원제를 생성하고 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감하기 위해 소모되는 전체적인 에너지의 이용 효율을 극대화시킨 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치는 질소산화물을 함유한 배기가스를 배출하는 엔진과, 상기 엔진이 배출한 배기가스가 이동하는 메인 배기 유로와, 상기 메인 배기 유로 상에 설치되며 배기가스가 갖는 압력으로 작동하여 상기 엔진에 소기용 공기를 공급하는 과급기(turbo charger)와, 상기 과급기를 거친 상기 메인 배기 유로 상에 설치되며 배기가스가 함유한 질소산화물을 저감시키기 위한 촉매가 내부에 마련된 반응기와, 상기 메인 배기 유로 상에 설치되어 상기 반응기로 이동하는 배기가스에 암모니아(NH3)를 분사하는 암모니아 분사부와, 우레아(urea)를 분해하여 상기 암모니아 분사부에 공급할 암모니아(NH3)를 생성하는 분해 챔버와, 상기 과급기와 상기 반응기 사이의 상기 메인 배기 유로에서 분기되어 상기 분해 챔버와 연결된 배기 분기 유로와, 상기 배기 분기 유로 상에 설치되어 상기 배기 분기 유로를 흐르는 배기가스의 온도를 조절하는 제1 가열 장치와, 상기 과급기와 상기 반응기 사이의 상기 메인 배기 유로 상에 설치되어 상기 반응기를 향해 이동하는 배기가스의 온도를 조절하는 제2 가열 장치, 그리고 상기 과급기가 상기 엔진에 공급하는 상기 소기용 공기의 일부를 분기시켜 상기 제1 가열 장치 또는 상기 제2 가열 장치 중 하나 이상에 공급하는 소기 분기 유로를 포함한다.
상기 제1 가열 장치 및 상기 제2 가열 장치는 오일 버너(oil burner) 또는 플라스마 버너(plasma burner) 중 하나일 수 있다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치는 상기 소기 분기 유로 상에 설치되어 상기 소기 분기 유로를 개폐하는 소기 분기 공급 밸브와, 상기 소기 분기 유로 상에 설치되어 상기 제1 가열 장치로 향하는 상기 소기용 공기와 상기 제2 가열 장치로 향하는 상기 소기용 공기의 유량을 제어하는 소기 분기 제어 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치는 상기 과급기가 상기 엔진에 공급하는 상기 소기용 공기의 온도를 측정하는 소기 온도 센서와, 상기 과급기를 거친 배기가스의 온도를 측정하는 배기 온도 센서를 더 포함할 수 있다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치는 상기 소기 온도 센서와 상기 배기 온도 센서로부터 온도 정보를 전달받아 상기 소기 분기 공급 밸브, 상기 소기 분기 제어 밸브, 상기 제1 가열 장치, 및 상기 제2 가열 장치의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 소기 온도 센서에서 측정된 온도가 제1 기준 온도 미만이면 제1 동작 모드로 동작하고, 상기 소기 온도 센서에서 측정된 온도가 제1 기준 온도 이상이고 상기 배기 온도 센서에서 측정한 온도가 제2 기준 온도 이상이면 제2 동작 모드로 동작하며, 상기 소기 온도 센서에서 측정된 온도가 제1 기준 온도 이상이고 상기 배기 온도 센서에서 측정한 온도가 제2 기준 온도 미만이면 제3 동작 모드로 동작할 수 있다.
상기 제1 기준 온도는 섭씨 60도 내지 섭씨 200도 범위 내에서 설정되고, 상기 제2 기준 온도는 섭씨 200도 내지 섭씨 300도 범위 내에서 설정될 수 있다.
상기 제1 동작 모드에서는 상기 소기 공급 밸브를 폐쇄하고 상기 제1 가열 장치를 가동할 수 있다. 상기 제2 동작 모드에서는 상기 소기 공급 밸브를 개방하고 상기 제1 가열 장치 방향으로만 상기 소기 제어 밸브를 개방하며 상기 제1 가열 장치를 가동할 수 있다. 상기 제3 동작 모드에서는 상기 소기 공급 밸브를 개방하고 상기 제1 가열 장치 방향과 상기 제2 가열 장치 방향으로 상기 소기 제어 밸브를 개방하며 상기 제1 가열 장치와 상기 제2 가열 장치를 가동할 수 있다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치는 상기 배기 분기 유로 상에 설치되어 상기 제어부의 제어에 따라 상기 배기 분기 유로를 흐르는 배기가스의 유량을 조절하는 블로워를 더 포함할 수 있다. 상기 블로워는 상기 제1 동작 모드에서 가동되며, 상기 제2 동작 모드 및 상기 제2 동작 모드에서는 가동 중단될 수 있다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치는 상기 제어부의 제어에 따라 상기 제1 가열 장치에 섭씨 60도 내지 섭씨 200도 범위 내의 온도를 갖는 공기를 공급하는 에어 공급 장치를 더 포함할 수 있다. 상기 에어 공급 장치는 상기 제1 동작 모드에서 가동될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치는 환원제를 생성하고 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감하기 위해 소모되는 전체적인 에너지의 이용 효율을 극대화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치의 구성도이다.
도 2 및 도 3는 도 1의 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치의 동작 상태에 따른 구성도들이다.
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 축소되어 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 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응(selective catalytic reduction, SCR) 시스템을 포함한 동력 장치(101)를 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 반응 시스템을 포함한 동력 장치(101)은 엔진(900), 과급기(turbo charger, 950), 반응기(100), 메인 배기 유로(210), 분해 챔버(300), 암모니아 분사부(410), 배기 분기 유로(220), 소기 분기 유로(230), 및 제1 가열 장치(611) 및 제2 가열 장치(612)를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함하는 동력 장치(101)는 블로워(650), 믹서(mixer, 450), 우레아 공급부(500), 배기 온도 센서(810), 소기 온도 센서(820), 소기 분기 공급 밸브(851), 소기 분기 제어 밸브(852), 및 제어부(700)를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함하는 동력 장치(101)는 에어 공급 장치(880)를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함하는 동력 장치(101)는 배기 리시버(980), 소기 리시버(930), 및 에어 쿨러(940) 등을 더 포함할 수 있다.
엔진(900)은 선박 및 자동차 등에서 동력을 발생시키는 주동력원이다. 본 발명의 일 실시예에서, 엔진(900)으로는 질소산화물(NOx)을 함유한 배기가스를 배출하는 다양한 엔진이 사용될 수 있다.
과급기(950)는 엔진(900)의 배기가스가 갖는 압력으로 터빈을 돌려 엔진(900)에 새로운 외부 공기를 압축하여 공급함으로써, 엔진(900)의 효율을 향상시킨다.
배기 리시버(980)는 엔진(900)의 실린더 왕복 운동으로 불균형한 압력을 가지고 배출된 엔진(900)의 배기가스를 고르게 완화시킨다. 소기 리시버(930)는 과급기(950)가 엔진(900)에 공급하는 새로운 외부 공기의 불균일한 압력을 고르게 완화시킨다.
에어 쿨러(940)는 과급기(950)가 공기를 압축하면서 온도가 상승되면, 압축 공기의 온도를 일정하게 낮춰 엔진(900)에 공급할 수 있게 한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서, 엔진(900)이 배출하는 배기가스는 섭씨 250도 내지 섭씨 500도 범위 내의 온도를 가지며, 배기가스의 온도는 과급기(950)를 거치면 낮아질 수 있다. 일례로, 과급기(950)를 거친 배기가스는 온도가 섭씨 150도 이상 섭씨 250도 미만으로 낮아질 수 있다.
메인 배기 유로(210)는 엔진(900)의 배기구와 연결되어 엔진(900)의 배기가스를 배출한다. 또한, 메인 배기 유로(210)는 엔진(900)과 후술할 과급기(950) 그리고 후술할 반응기(100)를 순차적으로 연결한다. 즉, 메인 배기 유로(210)는 과급기(950)를 거친 엔진(900)의 배기가스를 반응기(100)에 공급한다.
반응기(100)는 엔진(900)에서 배출된 배기가스가 함유한 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 촉매를 포함한다. 촉매는 배기가스에 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 사용될 수 있다.
촉매는 제올라이트(Zeolite), 바나듐(Vanadium), 및 백금(Platinum) 등과 같이 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 소재로 만들어질 수 있다. 일례로, 촉매는 섭씨 250도 내지 섭씨 350도 범위 내의 활성 온도를 가질 수 있다. 여기서, 활성 온도는 촉매가 피독되지 않고 안정적으로 질소산화물을 환원시킬 수 있는 온도를 말한다. 촉매가 활성 온도 범위 밖에서 반응하면, 촉매가 피독되면서 효율이 저하된다.
구체적으로, 촉매를 피독시키는 피독 물질은 황산암모늄(Ammonium sulfate, (NH4)2SO4)과 아황산수소암모늄(Ammonium bisulfate, NH4HSO4) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 촉매 피독 물질은 촉매에 흡착되어 촉매의 활성을 저하시킨다. 촉매 피독 물질은 상대적으로 높은 온도에서 분해되므로, 촉매를 승온시키면 피독된 촉매를 재생할 수 있다.
또한, 반응기(100)의 하우징은, 일례로, 스테인레스 스틸(stainless steel)을 소재로 만들어질 수 있다.
분해 챔버(300)는 우레아(urea, CO(NH2)2)를 분해하여 질소산화물(NOx)을 환원시킬 환원제로 사용되는 암모니아(NH3)를 생성한다.
분해 챔버(300)에서 우레아(urea, CO(NH2)2)가 분해되면, 암모니아(NH3)와 함께 이소시안산(Isocyanic acid, HNCO)이 생성된다. 그리고 이소시안산은 다시 분해되어 암모니아가 된다. 즉, 우레아가 분해되면 최종적으로 암모니아가 생성될 수 있다.
암모니아 분사부(410)는 우레아 분해 챔버(300)에서 생성된 암모니아(NH3)를 반응기(100)에 유입될 배기가스에 분사한다. 분사된 암모니아는 배기가스와 혼합되어 반응기(100)의 촉매를 거치면서 배기가스에 함유된 질소산화물을 환원시킨다.
구체적으로, 암모니아 분사부(410)는 메인 배기 유로(210)에 설치된 암모니아 분사 노즐(411)과, 암모니아 분사 노즐(411)과 우레아 분해 챔버(300)를 연결하는 암모니아 분사 유로(415)를 포함할 수 있다.
즉, 암모니아 분사부(430)는 반응기(100) 전방의 메인 배기 유로(210)를 따라 이동하는 배기가스를 향해 암모니아(NH3)를 분사할 수 있다.
본 명세서에서 전방은 배기가스의 흐름을 기준으로 상류 측을 의미하며 후방은 하류 측을 의미한다.
믹서(mixer, 450)는 암모니아 분사부(410)와 반응기(100) 사이의 메인 배기 유로(210) 상에 설치된다. 믹서(450)는 배기가스가 반응기(100)에 유입되기 전에 환원제인 암모니아와 배기가스를 고르게 혼합시킨다.
우레아 공급부(500)는 분해 챔버(300)에 우레아를 공급한다.
구체적으로, 우레아 공급부(500)는 우레아를 저장하는 우레아 탱크(550)와, 우레아 탱크(550)에 저장된 우레아를 이송시키는 우레아 이송 장치(530), 그리고 우레아 이송 장치(530)가 우레아를 우레아 분해 챔버(300)에 공급할 수 있도록 연결된 우레아 공급 유로(515)를 포함할 수 있다.
배기 분기 유로(220)는 반응기(100) 전방의 메인 배기 유로(210), 즉 과급기(950)와 반응기(100) 사이의 메인 배기 유로(210)에서 분기되어 분해 챔버(300)와 연결된다.
블로워(650)는 배기 분기 유로(220) 상에 설치된다. 블로워(650)는 배기 분기 유로(220)를 흐르는 배기가스의 유량을 조절한다. 즉, 블로워(650)는 배기 분기 유로(220)를 통해 분해 챔버(300)에 유입되는 배기가스의 유량을 조절한다.
또한, 블로워(650)의 가동이 중단되면 배기 분기 유로(220)를 통해 배기가스가 분해 챔버(300)로 유입되는 것을 차단될 수 있다.
제1 가열 장치(611)는 배기 분기 유로(220) 상에 설치되어 배기 분기 유로(220)를 흐르는 배기가스의 온도를 조절한다. 즉, 제1 가열 장치(611)는 배기 분기 유로(220)를 통해 우레아 분해 챔버(300)에 유입되는 배기가스의 온도를 조절한다. 즉, 제1 가열 장치(611)는 분해 챔버(300)에서 우레아를 가수분해하여 암모니아를 생성하는데 필요한 열에너지를 공급한다.
제2 가열 장치(612)는 과급기(950)와 반응기(100) 사이의 메인 배기 유로(210) 상에 설치되어 반응기(100)를 향해 이동하는 배기가스의 온도를 조절한다. 즉, 제2 가열 장치(612)는 메인 배기 유로(210)를 따라 이동하여 반응기(100)에 유입되는 배기가스의 온도를 반응기(100) 내 설치된 촉매의 활성 온도 이상으로 유지하기 위해 사용된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서, 제1 가열 장치(611) 및 제2 가열 장치(612)는 오일 버너(oil burner) 또는 플라스마 버너(plasma burner) 중 하나일 수 있다. 즉, 제1 가열 장치(611)는 연료를 연소시켜 발생된 열에너지로 배기 분기 유로(220)를 흐르는 유체의 온도를 상승시킬 수 있으며, 제2 가열 장치(612)는 메인 배기 유로를 흐르는 유체의 온도를 상승시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 소기 분기 유로(230)는 과급기(950)가 엔진(900)에 공급하는 소기용 공기의 일부를 분기시켜 제1 가열 장치(611) 및 제2 가열 장치(612) 중 하나 이상에 공급한다.
구체적으로, 소기 분기 유로(230)는 과급기(950)와 에어 쿨러(940) 사이에서 분기되어 에어 쿨러(940)에 의해 냉각되기 전의 소기용 공기를 분기시킨다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 가열 장치(611) 및 제2 가열 장치(612)는 과급기(950)가 공급하는 소기용 공기를 소기 분기 유로(230)를 통해 제공받아 연료의 연소에 사용할 수 있다.
소기 분기 공급 밸브(851)는 소기 분기 유로(230) 상에 설치되어 소기 분기 유로(230)를 개폐한다.
소기 분기 제어 밸브(852)는 소기 분기 유로(230) 상에 설치되어 제1 가열 장치(611)로 향하는 소기용 공기와 제2 가열 장치(612)로 향하는 소기용 공기의 유량을 제어한다.
즉, 소기 분기 제어 밸브(852)는 제1 가열 장치(611) 또는 제2 가열 장치(612) 중 어느 하나에 소기용 공기를 공급하거나 제1 가열 장치(611) 및 제2 가열 장치(612) 모두에 소기용 공기를 공급할 수 있다.
배기 온도 센서(810)는 과급기(950)를 거친 배기가스의 온도를 측정한다.
소기 온도 센서(820)는 소기 분기 유로(230)에 설치되어 과급기(950)가 엔진(900)에 공급하는 소기용 공기의 온도를 측정한다.
에어 공급 장치(880)는 후술할 제어부(700)의 제어에 따라 제1 가열 장치(611)에 섭씨 60도 내지 섭씨 200도 범위 내의 온도를 갖는 공기를 공급할 수 있다. 일례로, 에어 공급 장치(880)는 선박에서 사용되는 시스템 에어(system air)일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 구비한 동력 장치(101)는, 경우에 따라, 에어 공급 장치(880)를 생략할 수 있다.
제어부(700)는 소기 온도 센서(820)와 배기 온도 센서(810)로부터 온도 정보를 전달받아 소기 분기 공급 밸브(851), 소기 분기 제어 밸브(852), 제1 가열 장치(611), 제2 가열 장치(612), 블로워(650), 및 에어 공급 장치(880)의 동작을 제어한다.
본 발명의 일 실시예에서, 제어부(700)는 제1 동작 모드와, 제2 동작 모드, 그리고 제3 동작 모드로 구분 동작한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 제1 동작 모드는 소기 온도 센서(820)에서 측정된 온도가 제1 기준 온도 미만이면 동작된다. 즉, 제1 동작 모드는 과급기(950)를 거친 배기가스의 온도와는 무관하게 과급기(950)가 엔진(900)에 공급하는 소기용 공기의 온도를 기준으로 동작된다.
여기서, 제1 기준 온도는 섭씨 60도 내지 섭씨 200도 범위 내에서 설정된다. 제1 기준 온도는 엔진(900)의 종류 및 환경 등을 고려하여 적절하게 설정될 수 있다.
또한, 제1 동작 모드에서는 소기 분기 공급 밸브(851)를 폐쇄하고 제1 가열 장치(611)를 가동한다. 그리고 블로워(650)와 에어 공급 장치(880)가 가동된다.
따라서, 제1 동작 모드에서는 블로워(650)와 에어 공급 장치(880)가 제1 가열 부재(611)에 각각 배기가스와 공기를 공급한다.
이때, 블로워(650)를 통해 제1 가열 장치(611)에 공급되는 배기가스는 제1 가열 장치(611)에 열에너지를 공급하고, 에어 공급 장치(880)는 제1 가열 장치(611)에 산소를 공급할 수 있다.
제1 기준 온도는 과급기(950)가 엔진(900)에 공급하는 소기용 공기를 제1 가열 장치(611) 또는 제2 가열 장치(612) 중 하나 이상에 공급할 것인지를 결정하는 기준 온도이다. 제1 기준 온도가 섭씨 60도 보다 낮으면, 제1 가열 장치(611)와 제2 가열 장치(612)에 지나치게 낮은 온도의 공기가 공급되므로, 제1 가열 장치(611)와 제2 가열 장치(612)의 열효율이 저하된다. 또한, 제1 기준 온도가 섭씨 200도 보다 높으면, 소기 분기 유로(230)를 통해 제1 가열 장치(611)와 제2 가열 장치(612)에 공급되는 소기용 공기의 온도는 높아지나 상대적으로 소기 분기 유로(230)가 개방되는 시간이 늦어지고, 반대로 별도의 추가 에너지를 소모하는 블로워(650)와 에어 공급 장치(880)의 가동 시간이 증가하므로 전체적인 에너지의 이용 효율이 저하된다.
따라서, 제1 기준 온도는 섭씨 60도 내지 섭씨 200도 범위 내에서 설정되는 것이 바람직하다.
또한, 과급기(950)에서 공기가 압축되면서 승온되므로, 제1 동작 모드는 동력 장치의 초기 가동시 잠깐 동작하거나 한랭한 기후 환경에서 동작한다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 별도의 추가 에너지를 소비하는 블로워(650) 및 에어 공급 장치(880)의 가동은 동력 장치의 초기 가동시로 국한되어 블로워(650)와 에어 공급 장치(880)의 동작을 최소화할 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 제2 동작 모드는 소기 온도 센서(820)에서 측정된 온도가 제1 기준 온도 이상이고 배기 온도 센서(810)에서 측정한 온도가 제2 기준 온도 이상이면 동작된다.
여기서, 제2 기준 온도는 섭씨 200도 내지 섭씨 300도 범위 내에서 설정된다. 제2 기준 온도는 엔진(900)의 종류 및 환경 등을 고려하여 적절하게 설정될 수 있다.
또한, 제2 동작 모드에서는 소기 분기 공급 밸브(851)를 개방하고 제1 가열 장치(611) 방향으로만 소기 분기 제어 밸브(852)를 개방하며 제1 가열 장치(611)가 가동된다.
따라서, 제2 동작 모드에서는 과급기(950)가 제1 가열 부재(611)에 제1 기준 온도 이상의 공기를 공급한다
또한, 제2 동작 모드에서는, 블로워(650)와 에어 공급 장치(880)의 가동이 중단된다.
즉, 제1 가열 장치(611)는 별도의 추가 에너지를 소모하지 않고 과급기(950)가 공급하는 공기를 이용하여 가동될 수 있다. 또한, 과급기(950)가 공급하는 공기의 온도가 제1 기준 온도 이상이므로, 제1 가열 장치(611)의 열효율도 적정한 수준을 유지할 수 있다.
또한, 제2 동작 모드는 배기 온도 센서(810)에서 측정한 온도가 제2 기준 온도 이상일 때 동작한다.
제2 기준 온도는 제2 동작 모드와 제3 동작 모드를 구분하는 기준으로, 과급기(950)를 거친 배기가스의 온도가 제2 기준 온도 이상이면 제2 동작 모드로 동작하고, 제2 기준 온도 이하이면 제3 동작 모드로 동작한다. 또한, 제3 동작 모드에서는 추가적으로 제2 가열 장치(612)가 가동된다.
제2 기준 온도가 섭씨 300도 보다 높으면 제2 동작 모드보다 제3 동작 모드로 동작하는 경우가 상대적으로 증가하며, 이는 제2 가열 장치(612)의 가동률이 증가됨을 의미한다. 즉, 제2 기준 온도가 섭씨 300도 보다 높으면 제2 가열 장치(612)가 불필요하게 가동하는 시간이 증가된다.
반면, 제2 기준 온도가 섭씨 200도 보다 낮으면 제3 동작 모드보다 제2 동작 모드로 동작하는 경우가 상대적으로 증가하여, 제2 가열 장치(612)가 불필요하게 가동되는 것을 줄일 수 있으나, 반응기(100)에 유입되는 배기가스의 온도가 낮아져 촉매의 활성이 저하되거나 촉매의 피독 속도가 증가될 수 있다.
따라서, 제2 기준 온도는 섭씨 200도 내지 섭씨 300도 범위 내에서 설정되는 것이 바람직하다.
도 3에 도시한 바와 같이, 제3 동작 모드는 소기 온도 센서(820)에서 측정된 온도가 제1 기준 온도 이상이고 배기 온도 센서(810)에서 측정한 온도가 제2 기준 온도 미만이면 동작된다.
또한, 제3 동작 모드에서는 소기 분기 공급 밸브(851)를 개방하고 제1 가열 장치(611) 방향과 상기 제2 가열 장치(612) 방향으로 소기 분기 제어 밸브(852)를 개방하며 제1 가열 장치와 상기 제2 가열 장치가 모두 가동된다.
따라서, 제3 동작 모드에서는 과급기(950)가 제1 가열 부재(611)와 제2 가열 부재(612)에 제1 기준 온도 이상의 공기를 공급한다
또한, 도 1, 도 2, 및 도 3에서는 소기 분기 제어 밸브(852)가 3방 제어 밸브이나, 본 발명의 일 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 각 방향마다 형성된 2개 이상의 제어 밸브를 사용하여 소기 분기 제어 밸브(852)를 구현할 수도 있다.
또한, 제3 동작 모드에서도, 블로워(650)와 에어 공급 장치(880)의 가동이 중단된다
즉, 제1 가열 장치(611)와 제2 가열 장치(612)는 별도의 추가 에너지를 소모하지 않고 과급기(950)가 공급하는 공기를 이용하여 가동될 수 있다
또한, 과급기(950)가 공급하는 공기의 온도가 제1 기준 온도 이상이므로, 제1 가열 장치(611)와 제2 가열 장치(612)의 열효율도 적정한 수준을 유지할 수 있다.
이와 같이, 분해 챔버(300)에 열에너지를 공급하기 위해 사용되는 제1 가열 장치(611)와 반응기(100)에 유입되는 배기가스의 온도를 조절하는 제2 가열 장치(612)를 필요한 경우에만 한정적으로 가동시킬 뿐만 아니라 제1 가열 장치(611)와 제2 가열 장치(612)에 공기를 공급하는 수단을 다변화하고 환경에 따라 선택적으로 적용함으로써, 불필요한 에너지가 소모되는 것을 최소화시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따라 소기 분기 유로(230)를 이용하는 경우에, 소기 분기 유로(230)를 통해 이동하는 소기용 공기가 증가하면, 과급기(950)가 엔진(900)에 공급하는 소기용 공기의 양이 줄게 된다. 이 경우, 엔진(900)에서 배출되는 배기가스의 온도가 상승되고 배기 분기 유로(220)를 통해 분해 챔버(300)에 공급되는 배기가스의 온도가 상승할 뿐만 아니라 과급기(950)를 거친 후 반응기(100)에 유입되는 배기가스의 온도도 상승된다.
따라서, 분해 챔버(300)에서 효율적으로 우레아를 분해할 수 있을 뿐만 아니라 반응기(100) 내에 배치된 촉매의 피독율을 저하시키거나 피독된 촉매를 재생시킬 수도 있는 부수적인 효과도 기대할 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치(101)는 환원제를 생성하고 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감하기 위해 소모되는 전체적인 에너지의 이용 효율을 극대화시킬 수 있다.
특히, 분해 챔버(300)에 열에너지를 공급하기 위해 사용되는 제1 가열 장치(611)와 반응기(100)에 유입되는 배기가스의 온도를 조절하는 제2 가열 장치(612)를 효과적으로 운용하여 제1 가열 장치(611)와 제2 가열 장치(612)에 소모되는 에너지를 최소화할 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.
100: 반응기
101: 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치
210: 메인 배기 유로
220: 배기 분기 유로
230: 소기 분기 유로
300: 분해 챔버
410: 암모니아 분사부
411: 암모니아 분사 노즐
415: 암모니아 분사 유로
450: 믹서
500: 우레아 공급부
515: 우레아 공급 유로
530: 우레아 이송 장치
550: 우레아 탱크
611: 제1 가열 장치
612: 제2 가열 장치
650: 블로워
700: 제어부
810: 배기 온도 센서
820: 소기 온도 센서
851: 소기 분기 공급 밸브
852: 소기 분기 제어 밸브
900: 엔진
930: 소기 리시브
940: 에어 쿨러
950: 과급기
980: 배기 리시버

Claims (10)

  1. 질소산화물을 함유한 배기가스를 배출하는 엔진;
    상기 엔진이 배출한 배기가스가 이동하는 메인 배기 유로;
    상기 메인 배기 유로 상에 설치되며 배기가스가 갖는 압력으로 작동하여 상기 엔진에 소기용 공기를 공급하는 과급기(turbo charger);
    상기 과급기를 거친 상기 메인 배기 유로 상에 설치되며 배기가스가 함유한 질소산화물을 저감시키기 위한 촉매가 내부에 마련된 반응기;
    상기 메인 배기 유로 상에 설치되어 상기 반응기로 이동하는 배기가스에 암모니아(NH3)를 분사하는 암모니아 분사부;
    우레아(urea)를 분해하여 상기 암모니아 분사부에 공급할 암모니아(NH3)를 생성하는 분해 챔버;
    상기 과급기와 상기 반응기 사이의 상기 메인 배기 유로에서 분기되어 상기 분해 챔버와 연결된 배기 분기 유로;
    상기 배기 분기 유로 상에 설치되어 상기 배기 분기 유로를 흐르는 배기가스의 온도를 조절하는 제1 가열 장치;
    상기 과급기와 상기 반응기 사이의 상기 메인 배기 유로 상에 설치되어 상기 반응기를 향해 이동하는 배기가스의 온도를 조절하는 제2 가열 장치;
    상기 과급기가 상기 엔진에 공급하는 상기 소기용 공기의 일부를 분기시켜 상기 제1 가열 장치 또는 상기 제2 가열 장치 중 하나 이상에 공급하는 소기 분기 유로;
    상기 소기 분기 유로 상에 설치되어 상기 소기 분기 유로를 개폐하는 소기 분기 공급 밸브;
    상기 소기 분기 유로 상에 설치되어 상기 제1 가열 장치로 향하는 상기 소기용 공기와 상기 제2 가열 장치로 향하는 상기 소기용 공기의 유량을 제어하는 소기 분기 제어 밸브;
    상기 과급기가 상기 엔진에 공급하는 상기 소기용 공기의 온도를 측정하는 소기 온도 센서;
    상기 과급기를 거친 배기가스의 온도를 측정하는 배기 온도 센서; 및
    상기 소기 온도 센서와 상기 배기 온도 센서로부터 온도 정보를 전달받아 상기 소기 분기 공급 밸브, 상기 소기 분기 제어 밸브, 상기 제1 가열 장치, 및 상기 제2 가열 장치의 동작을 제어하는 제어부
    를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 소기 온도 센서에서 측정된 온도가 제1 기준 온도 미만이면 제1 동작 모드로 동작하고,
    상기 소기 온도 센서에서 측정된 온도가 제1 기준 온도 이상이고 상기 배기 온도 센서에서 측정한 온도가 제2 기준 온도 이상이면 제2 동작 모드로 동작하며,
    상기 소기 온도 센서에서 측정된 온도가 제1 기준 온도 이상이고 상기 배기 온도 센서에서 측정한 온도가 제2 기준 온도 미만이면 제3 동작 모드로 동작하는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 가열 장치 및 상기 제2 가열 장치는 오일 버너(oil burner) 또는 플라스마 버너(plasma burner) 중 하나인 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에서,
    상기 제1 기준 온도는 섭씨 60도 내지 섭씨 200도 범위 내에서 설정되고,
    상기 제2 기준 온도는 섭씨 200도 내지 섭씨 300도 범위 내에서 설정되는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치.
  8. 제1항에서,
    상기 제1 동작 모드에서는 상기 소기 분기 공급 밸브를 폐쇄하고 상기 제1 가열 장치를 가동하며,
    상기 제2 동작 모드에서는 상기 소기 분기 공급 밸브를 개방하고 상기 제1 가열 장치 방향으로만 상기 소기 분기 제어 밸브를 개방하며 상기 제1 가열 장치를 가동하고,
    상기 제3 동작 모드에서는 상기 소기 분기 공급 밸브를 개방하고 상기 제1 가열 장치 방향과 상기 제2 가열 장치 방향으로 상기 소기 분기 제어 밸브를 개방하며 상기 제1 가열 장치와 상기 제2 가열 장치를 가동하는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치.
  9. 제8항에서,
    상기 배기 분기 유로 상에 설치되어 상기 제어부의 제어에 따라 상기 배기 분기 유로를 흐르는 배기가스의 유량을 조절하는 블로워를 더 포함하며,
    상기 블로워는 상기 제1 동작 모드에서 가동되며, 상기 제2 동작 모드 및 상기 제2 동작 모드에서는 가동 중단되는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치.
  10. 제8항에서,
    상기 제어부의 제어에 따라 상기 제1 가열 장치에 섭씨 60도 내지 섭씨 200도 범위 내의 온도를 갖는 공기를 공급하는 에어 공급 장치를 더 포함하며,
    상기 에어 공급 장치는 상기 제1 동작 모드에서 가동되는 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치.
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