KR102429015B1 - 연료 개질 시스템 및 배기가스 공급 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템은, 개질가스를 연소시켜서 기계적인 동력을 발생시키는 엔진과, 상기 엔진과 연결되며 상기 엔진으로 개질가스 및 공기를 공급하는 흡기라인과, 상기 엔진과 연결되며 상기 엔진에서 배출되는 배기가스를 유통시키는 배기라인과, 상기 배기라인으로부터 분기되는 배기가스 재순환(EGR) 라인에 구비되며, 상기 배기가스를 연료와 혼합시키고, 상기 배기가스에 혼합된 연료를 개질시키는 연료 개질기와, 상기 배기라인에 구비되며, 배기가스에 포함된 질소산화물을 정화시키는 배기가스 정화용 촉매와, 상기 배기가스 정화용 촉매 전단의 배기라인에 구비되며, 상기 배기가스 정화용 촉매의 온도를 측정하는 온도 센서, 및 상기 온도 센서에 의해 측정되는 상기 배기가스 정화용 촉매의 온도에 따라 배기가스가 상기 연료 개질기로 공급 또는 차단되도록 바이패스 밸브를 작동시키는 바이패스 제어부를 포함한다.

Description

연료 개질 시스템 및 배기가스 공급 제어 방법{FUEL REFORMING SYSTEM AND CONTROL METHOD OF EXHAUST GAS SUPPLY}
본 발명은 연료 개질 시스템 및 배기가스 공급 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 배기가스 정화용 촉매의 온도에 따라 연료 개질기로 배기가스를 공급 또는 차단할 수 있는 연료 개질 시스템 및 배기가스 공급 제어 방법에 관한 것이다.
지구상의 가장 가볍고 단순한 구조의 물질인 수소(Hydrogen)는 가솔린과 비교하여 약 6배의 화염전파속도(Laminar Flame Velocity), 3배의 저위발열량(Lower Heating Value)의 이화학적 특성을 갖고 있다. 따라서, 가솔린과 수소를 적절히 혼합하여 연소시, 빨라진 연소속도로 인해 연소 안정성을 향상시켜 희박한계를 확장하거나 배기가스 재순환(exhaust gas recirculation; EGR) 공급량을 증대시켜 열효율 개선이 가능하다.
한편, 연료 개질 시스템(fuel reforming system)은 엔진에서 배출되는 고온 배기가스 열에너지와 연료 개질기에 공급되는 별도의 가솔린 연료가 연료 개질기 내 촉매에서 반응하여 수소를 생성하는 시스템이다.
그런데, EGR 쿨러 후단에 구비된 EGR 밸브로 EGR 및 연료 개질 가스 공급량을 제어하는 경우, 냉간 시동시 배기가스가 배기가스 정화용 촉매와 연료 개질기로 모두 공급되므로, 배기가스 정화용 촉매로 공급되는 배기가스 에너지가 감소된다. 따라서, 배기가스 정화용 촉매의 활성화 시간이 늦어져 배기가스 정화 성능이 악화되는 문제가 있다.
US 7571602 B JP 4320582 B
본 발명은 이러한 문제점을 해결하고자 개발된 것으로, 냉간 시동시 배기가스가 배기가스 정화용 촉매 측으로만 공급되도록 하고, 배기가스 정화용 촉매가 활성화된 이후 배기가스가 배기가스 정화용 촉매와 연료 개질기 측 모두로 공급되도록 하는 연료 개질 시스템 및 배기가스 공급 제어 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템은, 개질가스를 연소시켜서 기계적인 동력을 발생시키는 엔진과, 상기 엔진과 연결되며 상기 엔진으로 개질가스 및 공기를 공급하는 흡기라인과, 상기 엔진과 연결되며 상기 엔진에서 배출되는 배기가스를 유통시키는 배기라인과, 상기 배기라인으로부터 분기되는 배기가스 재순환(EGR) 라인에 구비되며, 상기 배기가스를 연료와 혼합시키고, 상기 배기가스에 혼합된 연료를 개질시키는 연료 개질기와, 상기 배기라인에 구비되며, 배기가스에 포함된 질소산화물을 정화시키는 배기가스 정화용 촉매와, 상기 배기가스 정화용 촉매 전단의 배기라인에 구비되며, 상기 배기가스 정화용 촉매의 온도를 측정하는 온도 센서, 및 상기 온도 센서에 의해 측정되는 상기 배기가스 정화용 촉매의 온도에 따라 배기가스가 상기 연료 개질기로 공급 또는 차단되도록 바이패스 밸브를 작동시키는 바이패스 제어부를 포함한다.
상기 바이패스 밸브는 상기 EGR 라인이 분기되는 배기라인에 구비될 수 있다.
상기 바이패스 밸브 제어부는, 상기 배기가스 정화용 촉매의 온도가 촉매 활성화 온도 이상이면, 배기가스가 상기 연료 개질기로 공급되도록 상기 바이패스 밸브를 작동시킬 수 있다.
상기 바이패스 밸브 제어부는, 상기 배기가스 정화용 촉매의 온도가 촉매 활성화 온도 미만이면, 배기가스가 상기 연료 개질기로 공급되는 것을 차단하도록 상기 바이패스 밸브를 작동시킬 수 있다.
상기 촉매 활성화 온도는 350도(℃)일 수 있다.
상기 바이패스 밸브는, 밸브 하우징과, 상기 밸브 하우징 내부에 구비되고 배기가스를 상기 연료 개질기로 공급 또는 차단되도록 하는 개폐 부재와, 일단이 상기 개폐 부재에 고정되고 타단이 상기 밸브 하우징 내측에 회전하도록 구비되어 상기 개폐 부재를 힌지 회동하도록 하는 힌지축을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템은, 상기 흡기라인에 연결 설치되고 상기 개질가스 및 공기를 압축시켜 상기 엔진으로 공급하는 압축기, 및 상기 배기라인에 연결 설치되어 상기 배기가스에 의하여 회전되어 동력을 발생시키는 터빈을 더 포함할 수 있다.
상기 EGR 라인에는, 개질가스를 냉각시키는 EGR 쿨러, 및 상기 EGR 쿨러 후단에 구비되어 상기 개질가스의 유량을 조절하는 EGR 밸브가 설치될 수 있다.
상기 연료 개질기는 상기 EGR 라인의 상기 EGR 쿨러 전방에 설치될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템의 배기가스 공급 제어 방법은, 배기가스 재순환(EGR) 라인을 통과하는 EGR 가스를 연료와 혼합시키고, 상기 EGR 가스에 혼합된 연료를 개질시키는 연료 개질기와, 배기가스에 포함된 질소산화물을 정화시키는 배기가스 정화용 촉매를 포함하는 연료 개질 시스템의 배기가스 공급 제어 방법으로서, 상기 배기가스 정화용 촉매의 온도를 검출하는 단계와, 상기 배기가스 정화용 촉매의 온도가 활성화 온도 이상인지 판단하는 단계와, 상기 배기가스 정화용 촉매의 온도가 활성화 온도 이상이면, 상기 연료 개질 시스템의 바이패스 밸브를 열어 배기가스가 상기 연료 개질기로 공급되도록 하는 단계, 및 상기 배기가스 정화용 촉매의 온도가 활성화 온도 미만이면, 상기 바이패스 밸브를 닫아 배기가스가 상기 연료 개질기로 공급되는 것을 차단하는 단계를 포함한다.
상기 촉매 활성화 온도는 350도(℃)일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배기가스 온도가 낮은 저속/저부하 운전 조건에서는 연료 개질기로의 배기가스 공급 차단으로, 배기가스 정화용 촉매 성능 악화를 방지할 수 있다.
또한, 배기가스 온도가 높은 고속/고부하 운전 조건에서는 연료 개질기로의 배기가스 공급으로, 배기가스 정화 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이패스 밸브를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템의 배기가스 공급 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 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 실시예들에 한정되지 않는다.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 일 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예들에서는 일 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
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. 어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수도 있다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 한 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 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템에 관하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이패스 밸브를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 연료 개질 시스템(100)은 엔진(10)과, 흡기라인(5)과, 배기라인(15)과, 연료 개질기(20)와, 배기가스 정화용 촉매(30)와, 온도 센서(25), 및 바이패스 밸브 제어부(미도시)를 포함한다.
엔진(10)은 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 연소시켜 화학적 에너지를 기계적 에너지로 변환한다. 엔진(10)은 흡기 매니폴드에 연결되어 연소실 내부로 공기를 유입받으며, 연소 과정에서 발생된 배기가스는 배기 매니폴드에 모인 후 엔진(10) 밖으로 배출되게 된다. 연소실에는 인젝터가 장착되어 연료를 연소실 내부로 분사한다.
흡기라인(5)은 엔진(10)의 입구와 연결되며 엔진(10)으로 개질가스 및 공기를 공급하며, 배기라인(15)도 엔진(10)의 출구와 연결되며 엔진(10)에서 배출되는 배기가스를 유통시킨다.
EGR 라인(17)을 통해 엔진(10)에서 배출되는 배기가스 일부가 엔진(10)에 재공급된다. 또한, EGR 라인(17)은 엔진(10)의 흡기 매니폴드에 연결되어 배기가스 일부가 공기와 섞여 연소 온도가 제어된다. 이러한 연소 온도의 제어는 흡기 매니폴드에 공급되는 배기가스의 양을 조절함으로써 수행된다. 따라서, EGR 라인(17)에는 개질가스의 유량을 조절하는 EGR 밸브(60)가 장착될 수 있다.
EGR 라인(17)에 의해 구현되는 배기가스 재순환 시스템은 엔진(10)의 운전 상태에 따라 질소산화물의 배출 양을 저감시킬 필요가 있을 때에, 배기가스의 일부를 엔진(10)의 흡기계에 공급하여 연소실로 유입시키면, 체적이 변하지 않는 불활성 가스인 배기가스가 상대적으로 혼합기의 밀도를 저하시켜 연료의 연소시 화염 전파 속도가 저하됨으로써, 연료의 연소 속도가 저하됨과 더불어 연소 온도의 상승도 억제되어 질소산화물의 생성이 억제되게 된다.
연료 개질기(20)는 배기라인(15)으로부터 분기되는 EGR 라인(17)에 구비되며, EGR 라인(17)을 통해 유입되는 배기가스를 연료와 혼합시키고, 배기가스가 혼합된 연료를 개질시킨다.
연료 개질기(20)는 배기가스가 유입되는 유입구, 배기가스와 연료가 혼합되는 믹싱부, 연료를 개질시키는 개질부, 및 개질가스가 유출되는 유출부를 포함할 수 있다.
EGR 라인(17)에는 엔진(10)과 연료 개질기(20)를 통과한 개질가스를 냉각시키는 EGR 쿨러(50)가 구비될 수 있다. EGR 쿨러(50)는 연료 개질기(20) 후단에 구비되며, 연료 개질기(20)와 일체로 구비될 수도 있다.
배기가스 정화용 촉매(30)는 연한(lean) 분위기에서 배기가스에 포함된 질소산화물을 흡장하고, 농후한(rich) 분위기에서 흡장된 질소산화물을 탈착하며 배기가스에 포함된 질소산화물 또는 탈착된 질소산화물을 환원시키는 질소산화물 흡장 촉매(Lean NOx Trap; LNT)를 포함할 수 있다. 질소산화물 흡장 촉매는 배기가스에 포함된 일산화탄소(CO) 및 탄화수소(HC)를 산화시킬 수 있다. 여기에서, 탄화수소는 배기가스와 연료에 포함된 탄소와 수소로 구성된 화합물을 모두 지칭하는 것으로 이해하여야 할 것이다.
또한, 배기가스 정화용 촉매(30)는 환원제를 이용하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 환원시키는 선택적환원촉매(Selective Catalytic Reducer; SCR)를 포함할 수 있다. 환원제는 분사모듈에서 분사되는 우레아(요소, Urea)일 수 있다.
배기가스 정화용 촉매(30) 후단의 배기라인(15)에는 배기가스의 유량을 조절하는 배기압 제어 밸브(32)가 구비될 수 있다.
온도 센서(25)는 배기가스 정화용 촉매(30) 전단의 배기라인(15)에 구비되며, 배기가스 정화용 촉매(30)의 온도를 측정한다.
바이패스 제어부(미도시)는 온도 센서(25)에 의해 측정되는 배기가스 정화용 촉매(30)의 온도에 따라 배기가스가 연료 개질기(20)로 공급 또는 차단되도록 바이패스 밸브(40)를 작동시킬 수 있다.
바이패스 밸브(40)는 EGR 라인(17)이 분기되는 배기라인(15)에 구비될 수 있다.
바이패스 밸브 제어부는, 배기가스 정화용 촉매(30)의 온도가 촉매 활성화 온도 이상이면, 배기가스가 연료 개질기(20)로 공급되도록 바이패스 밸브(40)를 작동시키고, 배기가스 정화용 촉매(30)의 온도가 촉매 활성화 온도 미만이면, 배기가스가 연료 개질기(20)로 공급되는 것을 차단하도록 바이패스 밸브(40)를 작동시킨다.
이 때, 촉매 활성화 온도는 약 350도(℃)일 수 있다.
도 2를 참조하면, 바이패스 밸브(40)는, 밸브 하우징(42)과, 밸브 하우징(42) 내부에 구비되고 배기가스를 연료 개질기(20)로 공급 또는 차단되도록 하는 개폐 부재(44)와, 일단이 개폐 부재(44)에 고정되고 타단이 밸브 하우징(42) 내측에 회전하도록 구비되어 개폐 부재(44)를 힌지 회동하도록 하는 힌지축(46)을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템(100)은, 흡기라인(5)에 연결 설치되고 개질가스 및 공기를 압축시켜 엔진(10)으로 공급하는 압축기(6), 및 배기라인(15)에 연결 설치되어 배기가스에 의하여 회전되어 동력을 발생시키는 터빈(7)을 더 포함할 수 있다.
또한, 압축기(6)와 연결되며 엔진(10)의 흡기라인(5)에 유입되는 공기와 개질가스를 재차 냉각시키는 인터쿨러(8) 및 유량을 조절하는 스로틀밸브(9)를 구비할 수 있다.
한편, EGR 라인(17)에는, 개질가스를 냉각시키는 EGR 쿨러(50), 및 EGR 쿨러(50) 후단에 구비되어 개질가스의 유량을 조절하는 EGR 밸브(60)가 설치될 수 있다.
이 때, 연료 개질기(20)는 EGR 라인(17)의 EGR 쿨러(50) 전방에 설치될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템의 배기가스 공급 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템(100)의 배기가스 공급 제어 방법은, 배기가스 재순환(EGR) 라인(17)을 통과하는 EGR 가스를 연료와 혼합시키고, EGR 가스에 혼합된 연료를 개질시키는 연료 개질기(20)와, 배기가스에 포함된 질소산화물을 정화시키는 배기가스 정화용 촉매(30)를 포함하는 연료 개질 시스템(100)의 배기가스 공급 제어 방법으로서, 우선, 배기가스 정화용 촉매(30) 전단의 배기라인(15)에 구비된 온도 센서(25)에 의해 배기가스 정화용 촉매(30)의 온도를 검출한다(S301).
그 후, 배기가스 정화용 촉매(30)의 온도가 활성화 온도 이상인지 판단한다(S302).
이 때, 배기가스 정화용 촉매(30)의 온도가 활성화 온도 이상이면, 연료 개질 시스템(100)의 바이패스 밸브(40)를 열어 배기가스가 연료 개질기(20)로 공급되도록 한다(S303).
그리고, 배기가스 정화용 촉매(30)의 온도가 활성화 온도 미만이면, 바이패스 밸브(40)를 닫아 배기가스가 연료 개질기(20)로 공급되는 것을 차단한다(S304).
이 때, 촉매 활성화 온도는 약 350도(℃)일 수 있다.
이와 같이, 배기가스 온도가 낮은 저속/저부하 운전 조건에서는 연료 개질기로의 배기가스 공급 차단으로, 배기가스 정화용 촉매 성능 악화를 방지할 수 있다.
또한, 배기가스 온도가 높은 고속/고부하 운전 조건에서는 연료 개질기로의 배기가스 공급으로, 배기가스 정화 성능을 향상시킬 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
5: 흡기라인 6: 압축기
7: 터빈 8: 인터쿨러
9: 스로틀밸브 10: 엔진
15: 배기라인 17: EGR 라인
20: 연료 개질기 25: 온도 센서
30: 배기가스 정화용 촉매 32: 배기압 제어밸브
50: EGR 쿨러 60: EGR 밸브

Claims (11)

  1. 개질가스를 연소시켜서 기계적인 동력을 발생시키는 엔진;
    상기 엔진과 연결되며 상기 엔진으로 개질가스 및 공기를 공급하는 흡기라인;
    상기 엔진과 연결되며 상기 엔진에서 배출되는 배기가스를 유통시키는 배기라인;
    상기 배기라인으로부터 분기되는 배기가스 재순환(EGR) 라인에 구비되며, 상기 배기가스를 연료와 혼합시키고, 상기 배기가스에 혼합된 연료를 개질시키는 연료 개질기;
    상기 배기라인에 구비되며, 배기가스에 포함된 질소산화물을 정화시키는 배기가스 정화용 촉매;
    상기 배기가스 정화용 촉매 전단의 배기라인에 구비되며, 상기 배기가스 정화용 촉매의 온도를 측정하는 온도 센서; 및
    상기 온도 센서에 의해 측정되는 상기 배기가스 정화용 촉매의 온도에 따라 배기가스가 상기 연료 개질기로 공급 또는 차단되도록 바이패스 밸브를 작동시키는 바이패스 밸브 제어부를 포함하고,
    상기 바이패스 밸브는 상기 EGR 라인이 분기되는 배기라인에 구비되고,
    상기 바이패스 밸브 제어부는,
    상기 배기가스 정화용 촉매의 온도가 촉매 활성화 온도 이상이면, 배기가스가 상기 연료 개질기로 공급되도록 상기 바이패스 밸브를 작동시키는 연료 개질 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에서,
    상기 바이패스 밸브 제어부는,
    상기 배기가스 정화용 촉매의 온도가 촉매 활성화 온도 미만이면, 배기가스가 상기 연료 개질기로 공급되는 것을 차단하도록 상기 바이패스 밸브를 작동시키는 연료 개질 시스템.
  5. 제 4 항에서,
    상기 촉매 활성화 온도는 350도(℃)인 연료 개질 시스템.
  6. 제 1 항에서,
    상기 바이패스 밸브는,
    밸브 하우징과, 상기 밸브 하우징 내부에 구비되고 배기가스를 상기 연료 개질기로 공급 또는 차단되도록 하는 개폐 부재와, 일단이 상기 개폐 부재에 고정되고 타단이 상기 밸브 하우징 내측에 회전하도록 구비되어 상기 개폐 부재를 힌지 회동하도록 하는 힌지축을 포함하는 연료 개질 시스템.
  7. 제 1 항에서,
    상기 흡기라인에 연결 설치되고 상기 개질가스 및 공기를 압축시켜 상기 엔진으로 공급하는 압축기; 및
    상기 배기라인에 연결 설치되어 상기 배기가스에 의하여 회전되어 동력을 발생시키는 터빈을 더 포함하는 연료 개질 시스템.
  8. 제 1 항에서,
    상기 EGR 라인에는,
    개질가스를 냉각시키는 EGR 쿨러, 및
    상기 EGR 쿨러 후단에 구비되어 상기 개질가스의 유량을 조절하는 EGR 밸브가 설치되는 연료 개질 시스템.
  9. 제 8 항에서,
    상기 연료 개질기는 상기 EGR 라인의 상기 EGR 쿨러 전방에 설치되는 연료 개질 시스템.
  10. 배기가스 재순환(EGR) 라인을 통과하는 EGR 가스를 연료와 혼합시키고, 상기 EGR 가스에 혼합된 연료를 개질시키는 연료 개질기와, 배기가스에 포함된 질소산화물을 정화시키는 배기가스 정화용 촉매를 포함하는 연료 개질 시스템의 배기가스 공급 제어 방법으로서,
    상기 배기가스 정화용 촉매의 온도를 검출하는 단계;
    상기 배기가스 정화용 촉매의 온도가 활성화 온도 이상인지 판단하는 단계;
    상기 배기가스 정화용 촉매의 온도가 활성화 온도 이상이면, 상기 연료 개질 시스템의 바이패스 밸브를 열어 배기가스가 상기 연료 개질기로 공급되도록 하는 단계; 및
    상기 배기가스 정화용 촉매의 온도가 활성화 온도 미만이면, 상기 바이패스 밸브를 닫아 배기가스가 상기 연료 개질기로 공급되는 것을 차단하는 단계를 포함하는 배기가스 공급 제어 방법.
  11. 제 10 항에서,
    상기 촉매 활성화 온도는 350도(℃)인 배기가스 공급 제어 방법.
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