KR102307828B1 - 내연 기관 및 그 작동 방법 - Google Patents

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안드레아스 되링
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만 에너지 솔루션즈 에스이
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Abstract

가스 연소 시스템(11)과 배기가스 후처리 시스템(16)을 포함하는 내연기관(10)을 작동시키는 방법을 개시하며, 이 방법에서 가스 연소 시스템(10)을 떠나는 배기가스(15)를 정화를 위해 배기가스 후처리 시스템(16)을 통해 안내하며, 배기가스(15) 내의 NO2 비율의 감소를 위해 배기가스(15)를 배기가스 후처리 시스템(16)의 적어도 하나의 NO2 분해 촉매 컨버터(17)를 통해 안내하며, 이어서 각 NO2 분해 촉매 컨버터(17)를 통해 안내된 배기가스를 SCR 촉매 컨버터(18)를 통해 안내한다.

Description

내연 기관 및 그 작동 방법{INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD FOR OPERATING THE SAME}
본 발명은 내연기관을 작동시키는 방법, 특히 가스 연소 시스템과 배기가스 후처리 시스템을 포함하는, 가스로 작동되는 내연기관을 작동시키는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 내연기관, 특히 가스 연소 시스템과 배기가스 후처리 시스템을 포함하는, 가스로 작동되는 내연기관에 관한 것이다.
실무로부터, 예를 들면 천연가스 등의 가스상 연료를 연소시키는 내연기관이 공지되어 있다. 그러한 내연기관은 예를 들면 왕복동 피스톤 내연기관 또는 가스 터빈 등의 터보기계일 수 있다. 따라서, 천연가스를 연소시키고 이를 위해 가스 연소 시스템으로서 가스 엔진을 포함하는 내연기관이 예를 들면 조선 분야로부터 공지되어 있다. 게다가, 그러한 내연기관은 가스 연소 시스템을 떠나는 배기가스를 정화시키기 위해 배기가스 후처리 시스템을 포함한다.
그 내연기관이 과잉 공기로 작동되는 경우, 전체 질소 산화물에서 NO2의 비율이 상당히 증가할 수 있다. 그 내연기관이 이중 연료 내연기관으로서 작동되는 경우, 즉 액체 연료와 가스상 연료로 동시에 작동되는 경우, NO2의 비율은 추가적으로 증가한다.
이미 설명한 바와 같이, 질소 산화물은 그 중에서도 가스상 연료의 연소 중에 생성된다. 배기가스에서의 질소 산화물을 감소시키기 위해, 주로 소위 SCR 촉매 컨버터가 당업계로부터 공지된 배기가스 후처리 시스템에서 이용되고 있다. SCR 촉매 컨버터에서, 질소 산화물의 선택적 촉매 환원이 발생하며, 질소 산화물의 환원은 환원제로서 암모니아(NH3)를 필요로 한다. 이를 위해, 암모니아(NH3) 또는 예를 들면 요소 등의 암모니아 전구체 물질이 SCR 촉매 컨버터의 상류측의 배기가스 내로 액체 형태로 도입되어, 그 암모니아 또는 암모니아 전구체 물질이 SCR 촉매 컨버터의 상류측의 배기가스와 혼합된다.
배기가스 내의 질소 산화물이 종래 기술로부터 공지된 SCR 촉매 컨버터에 의해 이미 성공적으로 감소될 수도 있지만, 가스상 연료로 작동되는 내연기관을 위한 배기가스 후처리를 더욱 개선시키는 것에 대한 필요성이 존재한다. 이는 그 중에서도, 그 내연기관의 경우, 전체 질소 산화물에서 NO2의 비율이 50%를 초과할 수 있고, 그 결과 SCR 반응이 상당히 느려지고 암모니아 또는 암모니아 전구체 물질의 소모가 증가하기 때문에 필요하다. 이러한 경우를 표준 SCR 반응(식 1)과 비교해 소위 슬로우 SCR 반응(식 2)으로서 지칭한다.
2NO + 2NH3 + 0.5*O2 → 2N2 + 3H2O (식 1)
6NO2 + 8NH3 → 7N2 + 12H2O (식 2)
이로부터 시작하여, 본 발명은 가스 연소 시스템과 배기가스 후처리 시스템을 포함하는 내연기관을 작동시키는 방법 및 상응하는 내연기관의 신규한 타입을 창안한다는 과제에 기초한다.
이 과제는 청구항 1에 따른 방법을 통해 해결된다. 본 발명에 따르면, 배기가스 내의 NO2 비율의 감소를 위해 배기가스를 배기가스 후처리 시스템의 적어도 하나의 NO2 분해 촉매 컨버터를 통해 안내하며, 이어서 각 NO2 분해 촉매 컨버터를 통해 안내된 배기가스를 SCR 촉매 컨버터를 통해 안내한다.
이미 전술한 바와 같이, 본 발명은 SCR 촉매 컨버터에서 최적의 질소 산화물 환원을 위해, SCR 촉매 컨버터의 상류측의 배기가스 내에서의 정해진 NO2 비율이 유리하다는 점의 인식에 기초한다. 배기가스 내의 정해진 NO2 비율을 조절하기 위해, 배가가스가 SCR 촉매 컨버터의 상류의 NO2 분해 촉매 컨버터를 통해 안내되어, NO2 분해 촉매 컨버터의 하류에서 그리고 이에 따라 SCR 촉매 컨버터의 상류에서 배기가스 후처리 시스템에서의 원하는 정해진 NO2 비율을 보장하도록 된다.
바람직하게는, 각 NO2 분해 촉매 컨버터는 2bar 내지 20bar의 압력 및/또는 400℃보다 높은 온도에서 작동한다. NO2 분해 촉매 컨버터를 위한 그러한 작동 파라미터는, NO2 분해 촉매 컨버터에서 NO2의 특별한 분해가 SCR 촉매 컨버터의 상류측에서의 정해진 원하는 NO2 비율을 효과적으로 조절할 수 있게 한다. 이는, 고온에서의 열역학적 평행이 NO쪽으로 있게 되어, 그 촉매 컨버터의 도움으로 평형 상태의 신속한 조절 및 이에 따른 NO2 비율의 감소가 환원제의 추가 없이도 가능해진다는 점에 기인한다.
이에 의해, NO2와 NO 간의 비는 NO쪽으로 이동된다:
2NO2 ↔ 2NO + 2O2 (식 3)
추가적인 개선점에 따르면, 분해는 NO2 분해 촉매 컨버터의 상류측에 환원제, 특히 CH4의 추가에 의해 개선되며, 배기가스 내의 실제 NO2 비율이 결정되며, NO2 분해 촉매 컨버터에서 이용되는 CH4의 양이 실제 NO2 비율이 설정 NO2 비율에 근사하거나 상응하게 되도록 조절된다. 이를 위해, 배기가스 후처리 시스템에서의 실제 NO2 비율이 측정 또는 계산된다. 이러한 식으로, NO2 분해 촉매 컨버터의 상류측 또는 SCR 촉매 컨버터의 상류측에서의 배기가스 내의 NO2 비율의 특히 유리한 조절이 가능하다. NO2 분해 촉매 컨버터에서 이용되는 CH4 환원제의 양은 배기가스 내의 실제 NO2 비율이 설정 NO2 비율에 근사하거나 상응하게 되도록 하는 식으로 조절될 수 있다.
NO2 + CH4 + O2 → NO + 2H2O + CO (식 4)
추가적인 유리한 개선점에 따르면, 각 NO2 분해 촉매 컨버터의 상류 및 SCR 촉매 컨버터의 상류의 배기가스는 CH2O 분해 촉매 컨버터를 통해 안내된다. 이러한 추가적인 개선점은, 환원제로서 CH4를 이용하는 NO2 분해 촉매 컨버터에서 부반응을 통해 포름알데히드 CH2O가 생성될 수 있다는 점의 인식에 기초한다. NO2 분해 촉매 컨버터의 하류에서, 즉 SCR 촉매 컨버터를 위한 환원제(암모니아 또는 암모니아 전구체 물질)의 추가 위치의 상류 또는 SCR 촉매 컨버터의 하류에서, 배기가스가 바람직하게는 CH2O 분해 촉매 컨버터를 통해 안내되어, 형성된 포름알데히드를 분시키도록 된다.
본 발명의 다른 바람직한 개선점들은 종속 청구항 및 이하의 상세한 설명으로부터 얻어진다. 본 발명의 바람직한 실시예들을 도면을 참조하여 이에 한정되는 일 없이 보다 상세하게 설명한다. 도면에서,
도 1은 본 발명에 따른 제1 내연기관의 개략도이며;
도 2는 본 발명에 따른 제2 내연기관의 개략도이며;
도 3은 본 발명에 따른 제3 내연기관의 개략도이며;
도 4는 본 발명에 따른 제4 내연기관의 개략도이다.
본 발명은 가스 연소 시스템과 배기가스 후처리 시스템을 포함하는 내연기관 및 이러한 내연기관을 작동시키는 방법에 관한 것이다.
이하에서, 본 발명을 도 1 내지 도 4를 참조하여 내연기관(10)의 예에 대해 설명하며, 여기서 그 내연기관은 가스 연소 시스템으로서 실린더(12)를 갖는 가스 엔진(11)을 포함하며, 그 실린더(12)에는 특히 연료(14)로서 천연가스와, 이러한 가스상 연료(14)에 추가하여 연료의 연소를 위한 연소 공기(13)가 공급된다. 그 과정에서 생성되는 배기가스(15)는 가스 엔진(11)으로부터 배출되어 배기가스 후처리 시스템(16)을 통해 안내된다. 여기서, 본 발명은 바람직하게는 가스 연소 시스템으로서 왕복동 가스 엔진 또는 오토(Otto) 가스 엔진(12)을 이용하는 내연기관에 이용되지만, 가스 연소 시스템(11)이 예를 들면 가스 터빈 등의 터보기계에 의해 제공되는 내연기관에도 이용될 수 있다는 점을 알아야 할 것이다.
배기가스 후처리 시스템(16)은 NO2 분해 촉매 컨버터(17) 및 이 NO2 분해 촉매 컨버터(17)의 하류에 SCR 촉매 컨버터(18)를 포함하여, 가스 엔진(10)의 실린더(12)를 떠나는 배기가스(15)가 그 배기가스(15) 내의 NO2 비율을 감소시키고 이에 따라 배기가스(15) 내의 정해진 NO2 비율을 조절하도록 우선 NO2 분해 촉매 컨버터(17)를 통해 안내되고, 단지 이에 후속하여서만 SCR 촉매 컨버터(18)를 통해 안내되도록 된다.
NO2 분해 촉매 컨버터(17)는 바람직하게는 NO2의 분해를 위한 환원제로서 CH4가 이용되는 NO2 분해 촉매 컨버터이다. 환원제로서 CH4를 이용하는 NO2 분해 촉매 컨버터(17)에서의 반응은 상기한 식 4에 따라 발생한다.
NO2의 특히 유리한 분해가 가능하도록 하기 위해, NO2 분해 촉매 컨버터(17)는 바람직하게는 2bar 내지 20bar의 절대 압력과 400℃보다 높은 온도에서 작동한다.
배기가스 터보과급형 내연기관에서, 그러한 조건은 통상 적어도 하나의 배기가스 터보차저의 터빈의 상류에서 존재하는데, 다시 말해, NO2 분해 촉매 컨버터를 배기가스 터보차저의 적어도 하나의 터빈의 상류에 부착하는 것이 적합하다.
바람직하게는 CH4 산화 촉매 컨버터로서 구현된 NO2 분해 촉매 컨버터(17)에서, 제올라이트 또는 페로브스카이트, 및/또는 백금족 금속 중 적어도 하나의 원소, 특히 팔라듐, 및/또는 철, 및/또는 구리, 및/또는 세륨, 및/또는 칼슘, 및/또는 티타늄 및/또는 알루미늄이 활성 성분으로서 이용된다.
특히, 구현된 NO2 분해 촉매 컨버터에서 활성 성분으로서 백금족 금속 중 적어도 하나의 원소가 이용되는 경우, 백금족 금속의 그 원소의 충전량은 최대 1,765g/m3 (50g/ft3), 바람직하게는 최대 882.5g/m3 (25g/ft3), 특히 바람직하게는 353g/m3 (10g/ft3)에 이른다.
NO2 분해 촉매 컨버터(17) 및 그 하류에 배치된 SCR 촉매 컨버터(18)에 추가하여, 도 1은 도입 장치(19)를 도시하며, 이 도입 장치에 의해 암모니아 또는 예를 들면 요소 등의 암모니아 전구체 물질이 NO2 분해 촉매 컨버터(17)의 하류의 배기가스 내로 도입되며, SCR 촉매 컨버터(18)에서는 환원제로서 암모니아가 이용된다.
도 2는 도 1의 내연기관(10)의 추가적인 개선점을 도시하는 것으로, 그 내연기관은 배기가스 후처리 시스템(16)에 추가하여 배기가스 터보차저(22)를 갖는 배기가스 터보차저 시스템을 포함한다. 여기서, 도 2에 따른 가스 엔진(11)의 실린더(12)를 떠나는 배기가스(15)는 우선 배기가스 터보차저(22)의 터빈(20)을 통해 안내되고 오직 이에 후속하여서만 배기가스 후처리 시스템(16)을 통해 안내된다. 유리한 형태(본 명세서에서는 도시 생략)는 NO2 분해 촉매 컨버터(17)를 터빈(20)의 상류에 배치하여, 그 터빈에 존재하는 고온 및 고압을 이용하도록 구성하는 것이다. 터빈(20)에서 배기가스(15)의 팽창 중에 추출된 에너지는 배기가스 터보차저(22)의 압축기(21)에서 가스 엔진(11)의 실린더(12)에 공급될 급기(13)를 압축하는 데에 이용된다. 도 2의 내연기관(10)은 단단 배기가스 터보차저 시스템을 이용한다. 이와 달리, 내연기관(10)은 저압 배기가스 터보차저와 고압 배기가스 터보차저로 이루어진 2단 배기가스 터보차저 시스템을 이용하는 것도 가능하다. 이 경우, 배기가스 후처리 시스템(16)은 고압 배기가스 터보차저의 터빈과 저압 배기가스 터보차저의 터빈 사이에 배치되는 것이 바람직하다.
NO2 분해 촉매 컨버터(17)에서 NO2의 분해 중에, CH4는 부반응으로서, 즉 다음의 반응식에 따라 포름알데히드 CH2O로 분해될 수 있다.
CH4 +O2 → CH2O + H2O
하지만, 포름알데히드의 형성은 NO2 분해 촉매 컨버터(17)가 백금족 금속의 원소를 갖는 상기한 충전물을 포함하는 경우에 감소될 수 있다.
도 3의 예시적인 실시예에서, NO2 분해 촉매 컨버터(17)의 하류이자 SCR 촉매 컨버터(18)의 상류에 CH2O 분해 촉매 컨버터(23)가 배치되어, NO2 분해 촉매 컨버터(17)에서 형성된 포름알데히드를 정해진 방식으로 분해시키도록 마련된다. 그러한 CH2O 분해 촉매 컨버터(23)는 반응기 챔버 내에서 NO2 분해 촉매 컨버터(17) 및/또는 SCR 촉매 컨버터(18)와 통합될 수 있다. 그러한 CH2O 분해 촉매 컨버터(23)는 도 2의 내연기관(10)에도 분명히 이용될 수 있다.
본 발명의 추가적인 유리한 개선점에 따르면, 도 4에 있어서, 배기가스 내의 실제 NO2 비율을 결정하고, 이에 의존하여, CH4 산화 촉매 컨버터로서 구현된 NO2 분해 촉매 컨버터(17)의 작동을, 배기가스 내의 실제 NO2 비율이 미리 정해진 설정 NO2 비율에 근사하거나 상응하게 되도록 하는 식으로 조절하도록 마련되며, 이를 위해 실제 NO2 비율에 의존하여, CH4 산화 촉매 컨버터에서 이용되는 CH4의 양을 조절한다.
여기서, 도 4에 따르면, 센서(24)의 도움으로 NO2 분해 촉매 컨버터(17)의 하류의 배기가스 내의 실제 NO2 비율을 측정하고 이에 의존하여 NO2 분해 촉매 컨버터(17)에서 이용되는 CH4의 양을 조절하도록 마련된다. 여기서, 배기가스 내의 설정 NO2 비율은 25% 내지 55%, 바람직하게는 30% 내지 50%, 특히 바람직하게는 대략 50%, 예를 들면 50%±2%에 달하도록 마련된다.
CH4의 양은 내연기관의 작동 파라미터를 변경함으로써 변경될 수 있다. 그 파라미터는 무엇보다도, 점화 타이밍, 연료/공기비, 밸브 타이밍(흡입 및/또는 배기 밸브/밸브 오버랩, Miller 사이클), 분사 타이밍, 급기 압력, 급기 온도, 압축비, 가스상 연료와 액체 연료 간의 비이다.
NO2 분해 촉매 컨버터(17)의 하류에 배치된 센서(24)의 도움에 의한 측정에 의해 배기가스 내의 실제 NO2 비율을 검출하는 대신에, 배기가스 내의 실제 NO2 비율은 예를 들면 모델을 통해 계산에 의해 결정될 수도 있다.
게다가, 실제 NO2 비율은 또한 특히 SCR 촉매 컨버터(18)의 하류에 배치된 NOx 센서의 도움에 의한 SCR 촉매 컨버터(18)의 하류에서의 NOx의 양의 검출을 통해 SCR 촉매 컨버터(18)에서의 SCR 턴오버(turnover)를 결정함으로써 결정할 수도 있다. SCR 촉매 컨버터(18)의 하류에서 허용 가능한 NOx의 양이 배출물 규제에 의해 미리 정해지고 이를 초과할 수 없기 때문에, SCR 촉매 컨버터(18)의 하류에 존재하는 NOx의 양이 기준 변수로서 고려될 수 있다.
배기가스 내의 설정 NO2 비율은 바람직하게는 가스 엔진(11) 및/또는 배기가스 후처리 시스템(16)의 작동 파라미터에 의존하여, 예를 들면 현재 존재하는 배기가스의 온도, 및/또는 점화 타이밍, 및/또는 밸브 타이밍, 및/또는 이용되는 경우에 이용되는 배기가스 재순환에 의존하여 결정된다.
NO2 분해 촉매 컨버터(17)의 하류의 배기가스는 SCR 촉매 컨버터(18)를 통해서뿐만 아니라 추가적으로 입자 필터 및/또는 NOx 저장 촉매 컨버터를 통해 안내되도록 마련된다. 이는, 특히 가스상 연료뿐만 아니라 디젤, 원유 또는 잔사유 등의 액체 연료가 연소되는 경우(이중 연료 엔진)이다.
입자 필터에서, 탄소 함유 그을음이 유지된다. 탄소 함유 그을음은 질소 산화물의 도움으로 일산화탄소, 이산화탄소, 질소 및 일산화질소로, 즉 다음의 반응식에 따라 전환될 수 있다.
2NO2 +C → 2NO + CO2
2NO2 +C → 2NO + CO
2C + 2NO2 → N2 + 2CO2
추가로, 본 발명에 의해, SCR 촉매 컨버터(18)에서의 최적의 SCR 반응을 보장하도록 NO2 분해 촉매 컨버터를 통해 SCR 촉매 컨버터(18)의 상류에서의 배기가스(15) 내의 NO2의 비율을 분명히 감소시키고 이에 따라 그 비율을 분명히 조절하도록 제안하고 있다.
정해진 NO2 비율은 또한 SCR 촉매 컨버터(18)의 하류에 연결될 수 있는 입자 필터 및/또는 NOx 저장 촉매 컨버터에 대해서도 유리하다.
10: 내연기관
11: 가스 연소 시스템
12: 실린더
13: 연소 공기
14: 연료
15: 배기가스
16: 배기가스 후처리 시스템
17: CH4 산화 촉매 컨버터
18: SCR 촉매 컨버터
19: 도입 장치
20: 터빈
21: 압축기
22: 배기가스 터보차저
23: CH2O 분해 촉매 컨버터
24: 센서

Claims (16)

  1. 가스 연소 시스템(11)과 배기가스 후처리 시스템(16)을 포함하는 내연기관(10)을 작동시키는 방법으로서, 상기 가스 연소 시스템(11)을 떠나는 배기가스(15)가 정화를 위해 상기 배기가스 후처리 시스템(16)을 거쳐 안내되는 것인 방법에 있어서,
    상기 배기가스(15) 내의 NO2 비율의 감소를 위해 상기 배기가스(15)는 상기 배기가스 후처리 시스템(16)의 적어도 하나의 NO2 분해 촉매 컨버터(17)를 거쳐 안내되며, 이어서 상기 NO2 분해 촉매 컨버터(17)를 거쳐 안내된 배기가스(15)는 SCR 촉매 컨버터(18)를 통해 안내되고,
    상기 배기가스는, 상기 NO2 분해 촉매 컨버터(17)의 하류측이자 SCR 촉매 컨버터(18)의 환원제 추가 부분(19)의 상류측에서, 상기 SCR 촉매 컨버터(18)의 하류측에서, 또는 이들 양자 모두에서, CH2O 분해 촉매 컨버터(23)를 거쳐 안내되는 것인 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 배기가스(15) 내의 NO2 비율은, 상기 SCR 촉매 컨버터(18)의 상류에서, 상기 배기가스(15) 내의 전체 질소 산화물에서의 NO2 비율이 25% 내지 55%에 상당하도록 상기 NO2 분해 촉매 컨버터(17)를 통해 조절되는 것인 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 환원제로서 CH4가 상기 NO2 분해 촉매 컨버터(17)에 공급되는 것인 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 배기가스 내의 실제 NO2 비율이 결정되고, 상기 NO2 분해 촉매 컨버터에서 이용되는 CH4의 양은 상기 실제 NO2 비율이 설정 NO2 비율에 근사하거나 상응하게 되도록 조절되는 것인 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 배기가스 내의 실제 NO2 비율은 측정 또는 계산되는 것인 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 NO2 분해 촉매 컨버터(17)의 하류의 배기가스(15)는 SCR 촉매 컨버터(18)와, 추가적으로 입자 필터, NOx 저장 촉매 컨버터 또는 이들 양자 모두를 거쳐 안내되는 것인 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 NO2 분해 촉매 컨버터(17)는 2bar 내지 20bar의 압력으로 작동하는 것인 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 NO2 분해 촉매 컨버터(17)는 400℃보다 높은 온도로 작동하는 것인 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, NO2 분해를 위한 활성 성분으로서 상기 NO2 분해 촉매 컨버터(17)에,
    제올라이트,
    페로브스카이트,
    철,
    구리,
    세륨,
    칼슘,
    티타늄,
    알루미늄, 및
    백금족 금속 중 적어도 하나 원소
    중 적어도 하나의 성분이 이용되는 것인 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 NO2 분해 촉매 컨버터(17)는 배기가스 터보차저의 적어도 하나의 터빈(20)의 상류에 배치되는 것인 방법.
  11. 제3항에 있어서, NO2 비율을 감소시키는 상기 CH4는 내연기관의 작동 파라미터의 변경을 통해 생성되는 것인 방법.
  12. 가스 연소 시스템(11)과 배기가스 후처리 시스템(16)을 포함하는 내연기관(10)에 있어서,
    상기 배기가스 후처리 시스템(16)은 적어도 하나의 NO2 분해 촉매 컨버터(17) 및 이 NO2 분해 촉매 컨버터(17)의 하류에 SCR 촉매 컨버터(18)를 포함하고,
    상기 배기가스 후처리 시스템(16)은, 상기 NO2 분해 촉매 컨버터(17)의 하류측이자 SCR 촉매 컨버터(18)의 환원제 추가 부분(19)의 상류측에, 상기 SCR 촉매 컨버터의 하류측에, 또는 이들 양자 모두에, CH2O 분해 촉매 컨버터(23)를 포함하는 것인 내연기관.
  13. 제12항에 있어서, 상기 배기가스 후처리 시스템(16)은 NO2 분해 촉매 컨버터(17)의 하류에, 입자 필터, NOx 저장 촉매 컨버터 또는 이들 양자 모두를 더 포함하는 것인 내연기관.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 NO2 분해 촉매 컨버터(17)는 배기가스 터보차저의 터빈(20)의 상류에 배치되는 것인 내연기관.
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