KR101783595B1 - 배기 시스템 및 선택적인 촉매 환원 방법 - Google Patents

배기 시스템 및 선택적인 촉매 환원 방법 Download PDF

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Abstract

내연 엔진 (16) 용 배기 시스템은, 적어도 하나의 터보과급기 (4), 상기 내연 엔진 (16) 의 실린더들 (15) 외부로 배기 가스들을 안내하는 배기 덕트 (19), 및 선택적인 촉매 환원을 위해 상기 터보과급기 (4) 의 터빈 (4a) 으로부터 하류측에 배열된 촉매 변환기 (12), 상기 배기 덕트 (19) 로부터 이격 배열되고 그리고 가압 가스의 소스 (3, 6) 와 유체 연통하는 혼합 공간 (1, 2), 및 상기 혼합 공간 (1, 2) 안으로 환원제를 도입하는 수단 (10, 13) 을 포함한다. 상기 혼합 공간 (1, 2) 은 상기 환원제와 상기 가압 가스의 혼합물을 상기 터보과급기 (4) 의 터빈 (4a) 으로부터 상류측에서 상기 배기 덕트 (19) 안으로 도입하기 위해 상기 내연 엔진 (16) 의 상기 배기 덕트 (19) 와 유체 연통한다. 본원은 또한 선택적 촉매 환원 방법에 관한 것이다.

Description

배기 시스템 및 선택적인 촉매 환원 방법 {EXHAUST SYSTEM AND METHOD FOR SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION}
본 발명은 청구항 1 의 전제부에 따른 내연 엔진용 배기 시스템에 관한 것이다. 본원은 또한 다른 독립항의 전제부에 따른 선택적인 촉매 환원 방법에 관한 것이다.
선박들 및 발전소들에서 내연 엔진들의 질소 산화물 (NOx) 방출은 증가하고 있는 문제이고 또한 국제적인 해양 기관 (IMO) 및 다른 법제처에 의해 설정된 규칙들을 지속적으로 엄격하게 하고 있다. 어떠한 정도로, 상이한 규칙들에 의해 설정된 요건들은, 배기 가스 재순환, 디젤 엔진들에서의 높은 연료 분사 압력들, 공기 흡인 덕트안으로의 물 분사 등의 엔진의 작동에 직접 관련된 수단에 의해 충족될 수 있다. 하지만, NOx 방출을 저감시키는 다양한 엔진 관련 방안들은 연료 효율에 악영향을 주고 그리고 가장 엄격한 방출 제한들을 충족시키는데는 적합하지 않다. 최종적으로 NOx 환원을 위해, 선택적인 촉매 환원 (SCR) 이 필요하다. SCR 에 의해, 90% 까지 또는 심지어 더 많이 NOx 환원이 달성될 수 있다.
SCR 시스템에서, 촉매 물질 및 환원제는 연소시 형성된 NOx 를 분해하는데 사용된다. 통상적인 SCR 시스템에서, 촉매는 반응기 내측에 허니콤 구조체를 형성하는 지지 세라믹 물질의 표면상에 배열된다. 촉매의 표면상에서, NOx 는 환원제로서 사용되는 암모니아와 반응하고, 질소와 물이 생성된다. 실제로, 안전상의 이유로 암모니아 대신에 요소 (urea) 가 종종 사용된다. 이는 특히 누출 암모니아가 심각한 위험이 되는 해양 적용에 사용된다. 요소는 수용액으로 배기 가스 유동에 분사된다. 배기 가스의 높은 온도로 인해, 물은 증발하고 또한 요소 분자들은 암모니아 및 이산화탄소로 분해된다.
SCR 시스템을 통한 효과적인 NOx 환원 및 최소한의 요소 사용 뿐만 아니라 최소한의 암모니아 슬립 (slip) 을 위해, 배기 가스 유동과 요소의 효과적인 혼합이 중요하다. 선행의 많은 해결책에 있어서, 요소 분사 지점과 촉매 요소들 사이에 비교적 기다란 배기 덕트부를 배열함으로써 충분한 혼합이 보장되었다. 하지만, 이는 배기 시스템의 구성에 대한 제약을 준다. 특히, 이용가능한 공간이 제한된 선박들에서, 배기 시스템은 가능한 한 적은 공간을 필요로 하는 것이 바람직하다. 다른 문제점으로는, 현대의 중속 엔진 및 저속 엔진의 증가된 열 효율로 인해 낮은 배기 온도를 유도한다는 것이다. 촉매 변환기가 엔진으로부터 멀리 배치되면, 배기 가스들의 낮은 온도는 촉매 변환기의 기능에 악영향을 줄 수 있다.
2 단 터보과급하는 엔진들에서 터빈 스테이지들 사이에 촉매 변환기를 배치함으로써, SCR 에 대하여 충분히 높은 배기 온도를 달성할 수 있다. 하지만, 환원제와 배기 가스들의 충분한 혼합을 달성하기 위해서, 고압 터보과급기의 터빈으로부터 상류측에서의 분사가 종종 필요하다. 터빈으로부터 상류측에서의 요소 분사는 문제가 있다. 배기 가스들의 높은 압력 및 온도는 분사기들의 막힘 및 요소의 결정화 위험을 유발한다.
본 발명의 목적은 내연 엔진용 향상된 배기 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 배기 시스템의 특징부들은 청구항 1 의 특징부에 개시되어 있다. 본원의 다른 목적은 선택적인 촉매 환원을 위한 개선된 방법을 제공하는 것이다. 본원에 따른 방법은 다른 독립항의 특징부를 특징으로 한다.
본 발명에 따라서, 배기 시스템은, 적어도 하나의 터보과급기, 내연 엔진의 실린더들 외부로 배기 가스들을 안내하는 배기 덕트, 및 선택적인 촉매 환원을 위해 상기 터보과급기의 터빈으로부터 하류측에 배열된 촉매 변환기를 포함한다. 혼합 공간은 배기 덕트로부터 이격 배열되고 그리고 가압 가스의 소스와 유체 연통한다. 배기 시스템은 상기 혼합 공간안으로 환원제를 도입하는 수단을 더 포함하고, 상기 혼합 공간은 상기 환원제와 상기 가압 가스의 혼합물을 상기 터보과급기의 터빈으로부터 상류측에서 상기 배기 덕트안으로 도입하기 위해 상기 내연 엔진의 상기 배기 덕트와 유체 연통한다.
본원에 따른 방법에 있어서, 환원제는 배기 가스들을 촉매 변환기안으로 도입하기 전에 내연 엔진의 배기 가스들과 혼합된다. 환원제는 터보과급기의 터빈으로부터 상류측에서 내연 엔진의 배기 덕트안으로 도입되기 전에 혼합 공간에서 가압 가스와 혼합된다.
환원제와 가압 가스를 혼합함으로써, 환원제는 배기 덕트안으로 도입되기 전에 완전히 증발한다. 이는 배기 덕트와 터보과급기에서의 부식 문제를 방지하는데 도움을 준다. 촉매 변환기는 터보과급기의 터빈으로부터 하류측에 배열되기 때문에, 환원제는 배기 가스들이 촉매 변환기에 유입하기 전에 메인 배기 가스 스트림과 잘 혼합된다.
혼합 공간은 혼합 챔버 또는 혼합 덕트일 수 있다. 본원의 일 실시형태에 따라서, 상기 가압 가스의 소스는 상기 내연 엔진의 배기 매니폴드이다. 가압 가스로서 내연 엔진의 배기 가스들이 사용되면, 가스 유동을 조절하는 어떠한 제어 수단을 가질 필요가 없지만, 관련 덕트들의 적합한 치수결정에 의해 혼합 공간안으로의 적절한 배기 가스 유동을 얻을 수 있다.
본원의 다른 실시형태에 따라서, 가압 가스의 소스는 상기 내연 엔진의 흡인 덕트이다. 환원제가 적합한 온도에서 클린 흡인 공기와 혼합되면, 환원제 분사기의 막힘 및 결정화와 관련된 문제를 방지하게 된다. 그 결과, 다수의 매우 작은 분사기 노즐들이 사용될 수 있고, 이는 낮은 부하 및 낮은 흡인 공기 온도에서도 요소의 완전한 증발을 보장해준다.
도 1 은 SCR 장치 (arrangement) 를 구비한 내연 엔진의 개략도이다.
도 2 는 다른 SCR 장치를 구비한 내연 엔진의 개략도이다.
도 3 은 또 다른 SCR 장치를 구비한 내연 엔진의 개략도이다.
본원의 실시형태들은 첨부된 도면들을 참조하여 이하 보다 자세히 설명한다.
도 1 에서는 SCR 시스템을 구비한 대형 내연 엔진 (16) 을 개략적으로 도시한다. 엔진 (16) 은, 예를 들어, 선박의 메인 엔진이나 보조 엔진 또는 발전소에서 전기를 생성하는데 사용되는 엔진일 수 있다. 도 1 에서는 4 개의 실린더들 (15) 을 도시하였지만, 엔진 (16) 은, 예를 들어, 라인 또는 V 형상으로 배열되는 어떠한 합리적인 개수의 실린더들 (15) 을 포함할 수 있다. 엔진 (16) 의 배기 시스템은 직렬로 연결되는 고압 터보과급기 (4) 및 저압 터보과급기 (14) 를 포함한다. 고압 터보과급기 (4) 의 터빈 (4a) 은 엔진 (16) 으로부터 배기 가스들을 수용하도록 배열된다. 고압 터보과급기 (4) 로부터, 배기 가스들은 저압 터보과급기 (14) 의 터빈 (14a) 으로 안내된다. 배기 시스템은 엔진 (16) 의 실린더들 (15) 외부로 배기 가스들을 안내하기 위한 배기 덕트 (19) 를 더 포함한다. 배기 덕트 (19) 는 엔진 (16) 의 실린더들 (15) 을 고압 터보과급기 (4) 의 터빈 (4a) 에 연결하는 배기 매니폴드 (3), 고압 터보과급기 (4) 의 터빈 (4a) 을 저압 터보과급기 (14) 의 터빈 (14a) 에 연결하는 중간 배기 덕트 (20), 및 저압 터보과급기 (14) 의 터빈 (14a) 으로부터의 배기 가스들을 엔진 룸 외부로 안내하는 저압 배기 덕트 (21) 를 포함한다. 배기 매니폴드 (3) 는 집속 덕트 (3a) 및 다수의 분기부들 (3b) 을 포함한다. 실린더 (15) 를 집속 덕트 (3a) 에 연결하기 위해서 엔진 (16) 의 각각의 실린더 (15) 및 집속 덕트 (3a) 사이에는 하나의 분기부 (3b) 가 배열된다.
엔진 (16) 의 흡인 공기는 우선 저압 터보과급기 (14) 의 압축기 (14b) 에 의해 가압된다. 저압 터보과급기 (14) 로부터, 흡인 공기는 이 흡인 공기의 압력을 더 증가시키기 위해서 고압 터보과급기 (4) 의 압축기 (4b) 로 안내된다. 저압 터보과급기 (14) 의 압축기 (14b) 와 고압 터보과급기 (4) 의 압축기 (4b) 사이에는 제 1 과급 공기 냉각기 (17) 가 배열된다. 고압 터보과급기 (4) 의 압축기 (4b) 로부터 하류측에 제 2 과급 공기 냉각기 (18) 가 배열된다. 흡인 공기는 흡인 덕트 (6) 에서 엔진 (16) 의 실린더들 (15) 안으로 도입된다. 흡인 덕트 (6) 는, 저압 터보과급기 (14) 의 압축기 (14b) 안으로 흡인 공기를 도입하기 위한 저압 흡인 덕트 (24), 저압 터보과급기 (14) 의 압축기 (14b) 로부터의 흡인 공기를 고압 터보과급기 (4) 의 압축기 (4b) 로 안내하기 위한 중간 흡인 덕트 (23), 및 고압 터보과급기 (4) 의 압축기 (4b) 를 엔진 (16) 의 실린더들 (15) 에 연결하는 흡인 매니폴드 (22) 를 포함한다.
엔진 (16) 에는 선택적인 촉매 환원 (SCR) 을 위한 촉매 변환기 (12) 가 제공된다. 촉매 변환기 (12) 는 고압 터보과급기 (4) 의 터빈 (4a) 과 저압 터보과급기 (14) 의 터빈 (14a) 사이에 배열된다. 터보과급기들 (4, 14) 의 터빈들 (4a, 14a) 사이에서, 배기 온도는 SCR 을 위해 충분히 높다. 선택적인 촉매 환원은, 배기 가스들이 촉매 변환기 (12) 의 촉매 물질을 통과하기 전에, 배기 가스들과 혼합되는 환원제를 필요로 한다. 도면들의 실시형태에 있어서, 환원제는 수용액 형태인 요소이다. 이 요소는 환원제 탱크 (9) 에 저장된다. 이 요소를 배기 덕트 (19) 내의 메인 배기 가스 스트림에 도입하기 전에, 요소는 배기 덕트 (19) 로부터 이격 배열된 혼합 공간에서 가압 가스와 혼합된다. 도 1 의 실시형태에 있어서, 혼합 공간은 혼합 챔버 (1) 이다. 가압 가스는 엔진 (16) 의 배기 가스이다. 그리하여, 혼합 챔버 (1) 는 엔진 (16) 의 배기 매니폴드 (3) 와 유체 연통한다. 이를 위해, 엔진 (16) 에는 집속 덕트 (5a) 및 다수의 분기부들 (5b) 을 포함하는 배기 가스 전달 덕트 (5) 가 제공된다. 배기 가스 전달 덕트 (5) 의 분기부들 (5b) 은, 가압 가스의 소스로서 작용하는 배기 매니폴드 (3) 의 분기부들 (3b) 에 연결된다. 배기 가스 전달 덕트 (5) 의 직경은 배기 매니폴드 (3) 의 직경보다 작고, 그리하여 엔진 (16) 의 배기 가스들의 소량부만이 배기 가스 전달 덕트 (5) 를 통과한다. 요소를 혼합 챔버 (1) 안으로 도입하기 위한 수단으로서 조절가능한 펌프 (13) 및 분사기 (10) 가 사용된다. 혼합 챔버 (1) 에서, 요소는 배기 가스들과 혼합된다. 혼합 챔버 (1) 는 또한 전달 덕트 (11) 를 통하여 배기 덕트 (19) 와 유동 연통된다. 전달 덕트 (11) 를 통하여, 요소와 배기 가스들의 혼합물은 혼합 챔버 (1) 로부터 고압 터보과급기 (4) 의 터빈 (4a) 으로부터 상류측 배기 덕트 (19) 안으로 전달된다. 혼합물이 메인 배기 가스 스트림안으로 도입되는 지점은 배기 매니폴드 (3) 의 모든 분기부들 (3b) 로부터 하류측이다.
요소와 배기 가스들을 혼합함으로써, 요소 용액은 배기 덕트 (19) 안으로 도입되기 전에 완전히 증발한다. 이는 배기 덕트 (19) 와 고압 터보과급기 (4) 에서의 부식 문제들을 방지하는데 도움이 된다. 촉매 변환기 (12) 가 고압 터보과급기 (4) 의 터빈 (4b) 으로부터 하류측에 배열되기 때문에, 배기 가스들이 촉매 변환기 (12) 에 유입하기 전에 요소는 메인 배기 가스 스트림과 잘 혼합된다.
도 2 에서는 본원의 다른 실시형태를 도시한다. 이 실시형태에 있어서, 혼합 공간은 혼합 챔버 (1) 대신에 혼합 덕트 (2) 이다. 또한, 이 실시형태에 있어서, 가압 가스는 엔진 (16) 의 배기 가스이다. 혼합 덕트 (2) 는 엔진 (16) 의 배기 매니폴드 (3) 와 유동 연통하고 그리고 이 배기 매니폴드 (3) 와 평행하다. 배기 가스는 배기 매니폴드 (3) 의 집속 덕트 (3a) 로부터 혼합 덕트 (2) 안으로 도입된다. 혼합 덕트 (2) 의 직경은 배기 매니폴드 (3) 의 집속 덕트 (3a) 의 직경보다 작고, 그리하여 엔진 (16) 의 배기 가스들의 소량부만이 혼합 덕트 (2) 를 통과한다. 요소는 분사기 (10) 에 의해 혼합 덕트 (2) 안으로 도입된다. 환원제 탱크 (9) 로부터 요소 용액을 전달하기 위해서 조절가능한 펌프 (13) 가 사용된다. 효과적인 혼합을 보장하기 위해서, 혼합 덕트 (2) 에서의 요소 분사 지점은 배기 가스들의 유동 방향으로 혼합 덕트 (2) 의 1/4 에 있다. 혼합 덕트 (2) 는 고압 터보과급기 (4) 의 터빈 (4a) 에 근접한 배기 덕트 (19) 에 연결된다. 연결 지점은 고압 터보과급기 (4) 의 터빈 (4a) 으로부터 상류측에 위치되지만, 배기 매니폴드 (3) 의 분기부들 (3a) 로부터 하류측에도 위치된다.
도 3 에서는 본원의 제 3 실시형태를 도시한다. 이 실시형태에 있어서, 환원제와 혼합되는 가압 가스는 엔진의 흡인 공기이다. 혼합 공간은 혼합 챔버 (1) 이다. 혼합 챔버 (1) 는 공기 공급 덕트 (7) 에 의하여 엔진 (16) 의 흡인 덕트 (6) 에 연결된다. 공기 공급 덕트 (7) 에는 혼합 챔버 (1) 안으로 공기 유동을 제어하기 위해서 밸브 (8) 가 제공된다. 요소는 분사기 (10) 에 의해 혼합 챔버 (1) 안으로 도입된다. 환원제 탱크 (9) 로부터 요소 용액을 전달하기 위해서 조절가능한 펌프 (13) 가 사용된다. 혼합 챔버 (1) 로부터, 요소와 흡인 공기의 혼합물은, 고압 터보과급기 (4) 의 터빈 (4a) 으로부터 상류측에서 하지만 배기 매니폴드 (3) 의 분기부들 (3b) 로부터 하류측에서도 엔진 (16) 의 배기 덕트 (19) 안으로 도입된다.
요소가 적합한 온도에서 클린 흡인 공기와 혼합되면, 분사기 (10) 의 막힘 및 결정화와 관련된 문제를 방지하게 된다. 그 결과, 다수의 매우 작은 분사기 노즐들이 사용될 수 있고, 이는 낮은 부하 및 낮은 흡인 공기 온도에서도 요소의 완전한 증발을 보장해준다. 요소의 완전한 증발은 터보과급기 (4) 의 터빈 (4a) 에 대한 부식 손상을 방지하는데 도움을 준다. 또한, 배기 덕트 (19) 의 벽들을 습윤 (wetting) 시키는 문제도 또한 방지될 수 있다.
본원은 전술한 실시형태들에 한정되지 않고 첨부된 청구범위의 범위내에서 변경될 수 있음을 당업자라면 이해할 것이다. 예를 들어, 본원은 1 단 터보과급하는 엔진들에도 적용가능하다. 엔진의 각각의 뱅크에 자체 터보과급기들이 제공되는 V-엔진들에 있어서, 배기 시스템은 엔진의 각각의 뱅크를 위한 별개의 혼합 공간들을 포함할 수 있다.

Claims (10)

  1. 내연 엔진 (16) 용 배기 시스템으로서,
    - 적어도 하나의 터보과급기 (4),
    - 상기 내연 엔진 (16) 의 실린더들 (15) 외부로 배기 가스들을 안내하는 배기 덕트 (19), 및
    - 선택적인 촉매 환원을 위해 상기 터보과급기 (4) 의 터빈 (4a) 으로부터 하류측에 배열된 촉매 변환기 (12),
    - 상기 배기 덕트 (19) 로부터 이격 배열되고 그리고 가압 가스의 소스 (3, 6) 와 유체 연통하는 혼합 공간 (1, 2), 및
    - 상기 혼합 공간 (1, 2) 안으로 환원제를 도입하는 수단 (10, 13) 을 포함하고,
    상기 혼합 공간 (1, 2) 은 상기 환원제와 상기 가압 가스의 혼합물을 상기 터보과급기 (4) 의 터빈 (4a) 으로부터 상류측에서 상기 배기 덕트 (19) 안으로 도입하기 위해 상기 내연 엔진 (16) 의 상기 배기 덕트 (19) 와 유체 연통하며,
    상기 가압 가스의 소스 (3, 6) 는 상기 내연 엔진 (16) 의 배기 매니폴드 (3) 또는 흡인 덕트 (6) 인 것을 특징으로 하는, 내연 엔진 (16) 용 배기 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합 공간 (1, 2) 은 혼합 챔버 (1) 인 것을 특징으로 하는, 내연 엔진 (16) 용 배기 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합 공간 (1, 2) 은 혼합 덕트 (2) 인 것을 특징으로 하는, 내연 엔진 (16) 용 배기 시스템.
  4. 배기 가스들을 촉매 변환기 (12) 에 도입하기 전에 환원제를 내연 엔진 (16) 의 배기 가스들과 혼합하는 선택적인 촉매 환원 방법으로서,
    상기 환원제는, 터보과급기 (4) 의 터빈 (4a) 으로부터 상류측에서 상기 내연 엔진 (16) 의 배기 덕트 (19) 안으로 도입되기 전에, 상기 배기 덕트 (19) 로부터 이격 배열되는 혼합 공간 (1, 2) 에서 가압 가스와 혼합되고, 상기 가압 가스는 상기 내연 엔진 (16) 의 배기 가스들 또는 흡인 공기인 것을 특징으로 하는, 선택적인 촉매 환원 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 혼합 공간 (1, 2) 은 혼합 챔버 (1) 이고,
    상기 환원제는 상기 혼합 챔버 (1) 에서 상기 가압 가스와 혼합되는 것을 특징으로 하는, 선택적인 촉매 환원 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 혼합 공간 (1, 2) 은 혼합 덕트 (2) 이고,
    상기 환원제는 상기 혼합 덕트 (2) 에서 상기 가압 가스와 혼합되는 것을 특징으로 하는, 선택적인 촉매 환원 방법.
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