KR20150112848A - 엔진을 위한 탈초율의 측정방법 및 측정장치 - Google Patents

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Abstract

배기가스경로에 있어서의 엔진과 촉매식 탈초장치 사이에서 NOx농도를 검출가능한 제1지르코니아식 NOx센서와, 촉매식 탈초장치와 배기가스 터보차저 사이에서 NOx농도를 검출가능한 제2지르코니아식 NOx센서를 사용하고, 제1센서에 의한 검출치를 NOx·inlet이라고 하고, 제2센서에 의한 검출치를 NOx·outlet이라고 하며, 검출환경에 있어서의 가스압력과 배기가스에 포함되는 SOx가 센서의 검출치에 미치는 영향을 보정하기 위한 보정계수를 α로 하여,
식 (NOx·inlet × α - NOx·outlet × α) / NOx·inlet × α를 사용하고 또한 약분에 의하여 α를 소거하여 탈초율을 구한다.

Description

엔진을 위한 탈초율의 측정방법 및 측정장치{METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING DENITRATION RATIO FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은, 엔진을 위한 탈초율(脫硝率)의 측정방법과 그 방법을 실시하기 위한 측정장치에 관한 것이다.
선박용의 엔진으로서 2스트로크식(2stroke式)의 디젤엔진이 많이 사용되고 있지만, 그 배기가스에 포함되는 질소산화물(NOx)을 제거하기 위해서 촉매식(觸媒式)의 탈초장치(脫硝裝置)가 사용되고 있다. 이 촉매식 탈초장치를 사용하는 경우에는, 탈초장치내에서 배기가스에 요소수(尿素水)를 분무(噴霧)하고, 분무된 요소성분을 가수분해(加水分解)에 의하여 암모니아화하고, 이 암모니아를 촉매의 작용에 의하여 질소산화물과 반응시켜서 이를 무해한 질소가스와 물로 변환시킨다.
이러한 촉매식의 탈초장치를 사용하는 경우에는, 최종적으로 배출되는 가스에 있어서의 질소산화물의 배출량을 제한값 이하로 하기 위해서 탈초장치에 있어서의 탈초율(脫硝率)을 제어하는 것이 요구된다.
예를 들면 특허문헌1에는, 엔진이 아니라 보일러로부터의 배기가스경로(排氣gas經路)에, 요소가 아니라 암모니아의 공급노즐과 촉매식의 탈초장치를 설치한 계(系)가 개시되어 있다. 이 계에서는, 촉매식 탈초장치보다 상류측 및 하류측에 있어서의 배기가스경로내의 질소산화물 농도를 측정하여, 최종적으로 배출되는 가스에 있어서의 질소산화물의 배출량을 소정의 배출제어값이 되도록 암모니아 공급량을 제어하고 있다.
일본국 공개특허 특개2003-290630호 공보
특허문헌1의 기재와 같이 배기가스의 발생원(發生源)이 보일러인 경우에는 문제가 발생하지 않아도, 그 발생원이 엔진인 경우에는 다음과 같은 문제점이 발생한다.
즉, 선박용의 예를 들면 2스트로크 엔진의 경우에는, 엔진으로부터의 배기로에 배기가스 터보차저(排氣gas turbocharger)가 설치되는 것이 일반적이어서, 촉매식 탈초장치는 엔진과 터보차저의 사이, 즉 터보차저의 터빈(turbine)보다 고압측(高壓側)에 설치된다. 이것은, 터보차저의 터빈보다 고압측에 있어서 배기가스온도가 높은 부분이 아니면, 촉매식 탈초장치가 충분히 작동하지 않기 때문이다. 터보차저보다 하류측에서는, 배기가스의 온도가 낮기 때문에 촉매식 탈초장치를 설치해도 충분히 작동하지 않는다.
그 결과, 질소산화물 농도를 검출하기 위한 센서는 고압환경에서 사용된다. 일반적으로는 질소산화물 농도를 검출하기 위한 센서로서 지르코니아식(zirconia式)(ＺＲＤＯ식(zirconium dioxide式))의 NOx센서가 사용되지만, 이 센서는 압력에 의존하여 그 감도가 변동되는 성질을 갖는다. 이 때문에 통상은 지르코니아식의 센서에 압력센서를 병용하여, 그 압력센서의 검출결과에 의거하여 감도보정(感度補正)을 하는 것이 필요하다. 그러나 그에 따라 계가 복잡하게 되고 또한 고가(高價)로 되는 문제점이 있다.
또한 선박용 연료는 유황(硫黃)을 포함하기 때문에, 선박용의 엔진으로부터의 배기가스에는 유황산화물(SOx)이 포함된다. 그러나 지르코니아식의 NOx센서는, 유황산화물의 존재하에서는 그 감도가 떨어져 버린다는 문제점도 있다.
그래서 본 발명은, 이러한 문제점을 해결하여, 지르코니아식의 NOx센서를 사용하여 엔진의 배기가스경로에 설치된 촉매식 탈초장치의 운전상황을 제어할 때에, 센서감도(sensor感度)의 변동에 의한 측정치 및 제어량의 오차발생을 방지할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
이 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 엔진을 위한 탈초율의 측정방법은, 엔진으로부터의 배기가스경로에 촉매식 탈초장치와 배기가스 터보차저가 이 순서로 배치된 계에서의 탈초율을 측정하는 데에 있어서, 상기 배기가스경로에 있어서의 엔진과 촉매식 탈초장치 사이의 부분에서 NOx농도를 검출가능한 제1지르코니아식 NOx센서와, 상기 배기가스경로에 있어서의 촉매식 탈초장치와 배기가스 터보차저 사이의 부분에서 NOx농도를 검출가능한 제2지르코니아식 NOx센서를 사용하여, 제1지르코니아식 NOx센서에 의한 검출치를 NOx·inlet이라고 하고, 제2지르코니아식 NOx센서에 의한 검출치를 NOx·outlet이라고 하며, 검출환경에 있어서의 가스압력과, 배기가스에 포함되는 SOx가 지르코니아식 NOx센서의 검출치에 미치는 영향을 보정하기 위한 보정계수를 α로 하여, 식 (NOx·inlet × α - NOx·outlet × α) / NOx·inlet × α를 사용하고 또한 약분에 의하여 α를 소거하여 탈초율을 구하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 엔진을 위한 탈초율의 측정장치는, 엔진으로부터의 배기가스경로에 촉매식 탈초장치와 배기가스 터보차저가 이 순서로 배치되고, 상기 배기가스경로에 있어서의 엔진과 촉매식 탈초장치 사이의 부분에서 NOx농도를 검출가능한 제1지르코니아식 NOx센서와, 상기 배기가스경로에 있어서의 촉매식 탈초장치와 배기가스 터보차저 사이의 부분에서 NOx농도를 검출가능한 제2지르코니아식 NOx센서가 설치되고, 제1지르코니아식 NOx센서에 의한 검출치를 NOx·inlet이라고 하고, 제2지르코니아식 NOx센서에 의한 검출치를 NOx·outlet이라고 하며, 검출환경에 있어서의 가스압력과, 배기가스에 포함되는 SOx가 지르코니아식 NOx센서의 검출치에 미치는 영향을 보정하기 위한 보정계수를 α로 하여, 식 (NOx·inlet × α - NOx·outlet × α) / NOx·inlet × α를 사용하고 또한 약분에 의하여 α를 소거하여 탈초율을 측정하는 장치가 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 탈초율을 측정하기 위한 제1 및 제2지르코니아식 NOx센서를, 모두 배기가스 터보차저보다 상류측의 배기가스경로, 즉 고압에서 SOx를 포함하는 부분에 설치하여 NOx농도를 검출하기 때문에, 이들 제1 및 제2지르코니아식 NOx센서가 받는 압력 및 SOx의 영향을 같게 할 수 있다. 즉, 상기 식에 있어서의 보정계수(α)의 값을, 상기 식과 같이 제1지르코니아식 NOx센서에 의한 검출치(NOx·inlet)와 제2지르코니아식 NOx센서에 의한 검출치(NOx·outlet)에서 같게 할 수 있다.
이 때문에 상기 식에 있어서 α는 약분에 의하여 소거할 수 있고, 결국 상기 식은, 검출환경에 있어서의 가스압력과 배기가스에 포함되는 SOx가 지르코니아식 NOx센서의 검출치에 미치는 영향을 상쇄한, 즉 보정계수(α)를 소거한,
(NOx·inlet - NOx·outlet) / NOx·inlet의 형태로 변형될 수 있다.
또한, 배기가스가 촉매식 탈초장치를 통과하는 것에 의한 압력손실은 미소(微小)해서 무시할 수 있다. 따라서 배기가스경로에 있어서 촉매식 탈초장치보다 상류측과 하류측의 압력은 동일하다고 생각할 수 있어, 그 전제에 입각하여 상기 식은 성립하고 있다.
또, 실제로는 제2지르코니아식 NOx센서의 검출치는 촉매식 탈초장치에서 완전히 반응할 수 없었던 암모니아(리크 암모니아(leak ammonia))의 영향을 받지만, 탈초장치내에 충전되는 촉매의 양이 적절하고 또한 요소수나 암모니아 등의 환원제를 대폭적으로 과잉투여하지 않으면, 리크 암모니아의 농도는 미소하므로, 이것이 지르코니아식 NOx센서의 검출치에 주는 영향도 미소하여 무시할 수 있다.
본 발명에 의하면, 지르코니아식의 질소산화물 농도센서를 사용하여 촉매식 탈초장치에 있어서의 탈초율을 측정할 때에, 검출환경에 있어서의 배기가스압력과 배기가스에 포함되는 SOx의 영향에 의한 센서감도의 변동에 의거하는 측정치의 오차발생을 방지할 수 있다. 또한 배기가스압력과 배기가스에 포함되는 SOx가 센서감도에 미치는 영향의 정도가 미지(未知)인 경우에 있어서도 탈초율을 측정할 수 있다. 따라서 본 발명에 의하면, 탈초율의 측정치를 사용해서 촉매식 탈초장치의 운전상황을 제어할 때에, 탈초율의 측정오차에 의거하는 제어오차의 발생을 방지할 수 있다.
도1은, 본 발명의 실시형태에 따른 엔진을 위한 탈초율의 측정장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도2는, 탈초율의 측정결과를 나타내는 그래프이다.
도1에 있어서, 1은 선박용의 2스트로크식 디젤엔진(2stroke式 diesel engine)이며, 2는 엔진(1)으로부터의 배기가스경로(排氣gas經路)이다. 이 경로(2)에는 촉매식 탈초장치(觸媒式 脫硝裝置)(3)가 설치되어 있다. 그리고 탈초장치(3)보다 하류측에 배기가스 터보차저(排氣gas turbocharger)(4)가 설치되어 있다. 배기가스는 터보차저(4)의 터빈(turbine)(4a)에 공급되어 컴프레서(compressor)(4b)에 의하여 흡기가 압축된다.
배기가스경로(2)에 있어서 엔진(1)과 탈초장치(3)의 사이에는, 그 부분의 경로(2)에 있어서의 NOx농도를 측정가능한 제1지르코니아식(ＺＲＤＯ식(zirconium dioxide式)) NOx센서(第1 zirconia式 NOx sensor)(6)가 설치되어 있다. 또 배기가스경로(2)에 있어서 탈초장치(3)와 터보차저(4)의 사이에는, 그 부분의 경로(2)에 있어서의 NOx농도를 측정가능한 제2지르코니아식 NOx센서(7)가 설치되어 있다.
8은 탈초율의 측정부로서, 탈초장치(3)의 입구측에 설치된 제1지르코니아식 NOx센서(6)로부터의 검출신호(NOx·inlet)와, 탈초장치(3)의 출구측에 설치된 제2지르코니아식 NOx센서(7)로부터의 검출신호(NOx·outlet)를 사용하여, 하기의 식에 의하여 탈초장치(3)에 의한 탈초율을 측정할 수 있다.
(NOx·inlet × α - NOx·outlet × α) / NOx·inlet × α
이 식에 있어서, α는 보정계수로서, 검출환경에 있어서의 가스압력이나 배기가스에 포함되는 SOx 등이 지르코니아식 NOx센서(6, 7)의 검출치에 미치는 영향을 보정하기 위한 것이다.
도면에 나타내는 바와 같이, 제1 및 제2지르코니아식 NOx센서(6, 7)는, 모두 배기가스경로(2)에 있어서 터보차저(4)보다 상류측의 부분, 즉 고압이며 또한 SOx를 포함하는 부분에 설치되어 있다. 또한 배기가스가 탈초장치(3)를 통과하는 것에 의한 압력손실은 미소(微小)해서 무시할 수 있다. 이 때문에 이들 제1 및 제2지르코니아식 NOx센서(6, 7)가 받는 압력 및 SOx의 영향을 동일하게 할 수 있다. 즉, 상기 식에 있어서의 보정계수(α)의 값을, 상기 식과 같이 제1지르코니아식 NOx센서에 의한 검출치(NOx·inlet)와 제2지르코니아식 NOx센서에 의한 검출치(NOx·outlet)에서 동일하게 할 수 있다.
이 때문에 상기 식의 α는 약분(約分)할 수 있어, 결국 상기 식은, 검출환경에 있어서의 가스압력이나 배기가스에 포함되는 SOx 등이 지르코니아식 NOx센서(6, 7)의 검출치에 미치는 영향을 상쇄한, 즉 보정계수(α)를 소거한,
(NOx·inlet- NOx·outlet)/NOx·inlet의 형태로 변형될 수 있다.
따라서 측정부(8)는, 제1 및 제2지르코니아식 NOx센서(6, 7)의 검출환경에 있어서의 배기가스압력이나 배기가스에 포함되는 SOx 등의 영향에 의한, 센서감도의 변동에 의거하는 오차의 발생을 방지한 다음에 탈초율의 측정치를 구할 수 있다.
도1에 나타나 있는 계(系)에서는, 촉매탈초장치(3)에서 배기가스에 요소수(尿素水)를 분무하지만, 측정부(8)에 의한 탈초율의 측정치에 의거하여 그 분무량을 제어하는 피드백 제어시스템을 채용함으로써, 최종적으로 배출되는 가스에 있어서의 질소산화물의 배출량을 소정의 배출제어값으로 할 수 있다. 이 때문에, 탈초율을 예를 들면 80%로 설정하여 도시(圖示)된 계를 운전할 수 있다.
[실시예]
상기와 같은 본 발명에 의거하는 측정치를 이용해서 피드백 제어(feedback 制御)를 한 경우와, NOx센서를 사용하지 않는 피드포워드(feedforward 制御) 제어를 한 경우와, 촉매탈초장치의 입구측과 출구측에 지르코니아식 NOx센서를 사용함과 아울러 동(同) 탈초장치에 압력센서를 사용해서 그 NOx센서 신호를 압력보정 처리한 신호를 사용하는 피드백 제어를 한 경우의 구체적인 결과에 대해서 설명한다.
도2는, 상기한 3가지의 방법으로 탈초율 80%를 목표로 하여 제어를 한 결과의 그래프를 나타낸다. 가로축은 엔진의 부하율을 나타내고 세로축은 달성된 탈초율을 나타낸다.
이 그래프에 나타나 있는 바와 같이, 본 발명에 의거하는 측정치를 이용해서 피드백 제어를 한 경우가, 목표치인 80%에 가장 가까운 결과가 되었다.
NOx센서를 사용하지 않는 피드포워드 제어를 한 경우는, 고부하 영역에서 목표치로부터 벗어나는 결과가 되었다. 이 경우는, 엔진을 운전했을 때에 발생한 NOx의 측정치에 대하여, 그것을 80% 삭감하기 위한 요소수의 양을 계산하고 피드포워드 제어에 의하여 실제로 요소수를 투여한다는 제어를 한 것이다. 이것은, 사전에 피드포워드 제어용으로 엔진 본체로부터의 NOx배출량 데이터를 채취했을 때의 기온이나 습도 등의 주위조건과, 본(本) 탈초운전(脫硝運轉)을 했을 때의 주위조건의 차이에 의하여 발생한 제어오차라고 생각된다. 이러한 주위조건의 변화는 선박, 특히 국제해운에 사용되는 선박에 있어서는 빈번하게 일어나고 있는 현상이다.
압력보정한 신호를 사용한 피드백 제어를 한 경우는, 전체적으로 목표치로부터 벗어나는 경향이 발생하고, 특히 배기가스압력이 높은 고부하 영역에서 그 경향이 현저했다. 이것은 압력보정계수(α)의 값의 정밀도가 높지 않았기 때문이라고 생각된다.
이상에서 다음의 결론을 도출할 수 있다. 즉 엔진내에서 발생하는 질소산화물(NOx)의 양은, 기후의 변화로 대표되는 엔진 주위의 조건변화나 연료성분의 변화 등의 여러가지 조건변화에 의하여 변동되기 때문에, 이것을 정확하게 예측하는 것은 곤란하다. 이에 대처하기 위해서는 촉매식 탈초장치의 입구 및 출구에 있어서의 NOx의 농도검출치를 사용한 피드백 제어가 유효하다고 판단된다. NOx의 농도검출에는 지르코니아식의 센서가 사용되지만, 이 센서는 그 검출치가 특히 배기가스압력의 영향을 받기 때문에 무엇인가 대책이 필요하다. 그래서 본 발명에서는, 검출치로부터 배기가스압력 등의 영향을 제거하기 위해서, 탈초장치의 입구측의 센서와 출구측의 센서를 모두 가스압이 높은 장소에 설치함으로써 그 영향을 상쇄시키는 것이 가능하다. 이 때문에 탈초율을 측정할 때에, 검출환경에 있어서의 배기가스압력 등의 영향에 의한 센서감도의 변동에 의거하는 측정치의 오차발생을 방지할 수 있다.
1: 디젤엔진
2: 배기가스경로
3: 촉매식 탈초장치
4: 터보차저
4a: 터빈
4b: 컴프레서
6: 제1지르코니아식(ＺＲＤＯ식) NOx센서
7: 제2지르코니아식(ＺＲＤＯ식) NOx센서

Claims (2)

  1. 엔진으로부터의 배기가스경로(排氣gas經路)에 촉매식 탈초장치(觸媒式 脫硝裝置)와 배기가스 터보차저(排氣gas turbocharger)가 이 순서로 배치된 계(系)에 있어서의 탈초율(脫硝率)을 측정하는 데에 있어서,
    상기 배기가스경로에 있어서의 엔진과 촉매식 탈초장치 사이의 부분에서 NOx농도를 검출가능한 제1지르코니아식 NOx센서(第1 zirconia式 NOx sensor)와, 상기 배기가스경로에 있어서의 촉매식 탈초장치와 배기가스 터보차저 사이의 부분에서 NOx농도를 검출가능한 제2지르코니아식 NOx센서(第2 zirconia式 NOx sensor)를 사용하여,
    제1지르코니아식 NOx센서에 의한 검출치(檢出値)를 NOx·inlet이라고 하고, 제2지르코니아식 NOx센서에 의한 검출치를 NOx·outlet이라고 하며, 검출환경에 있어서의 가스압력과 배기가스에 포함되는 SOx가 지르코니아식 NOx센서의 검출치에 미치는 영향을 보정하기 위한 보정계수를 α로 하여,
    식 (NOx·inlet × α - NOx·outlet × α) / NOx·inlet × α
    를 사용하고 또한 약분(約分)에 의하여 α를 소거하여 탈초율을 구하는 것을 특징으로 하는 엔진을 위한 탈초율의 측정방법.
  2. 엔진으로부터의 배기가스경로에 촉매식 탈초장치와 배기가스 터보차저가 이 순서로 배치되고,
    상기 배기가스경로에 있어서의 엔진과 촉매식 탈초장치 사이의 부분에서 NOx농도를 검출가능한 제1지르코니아식 NOx센서와, 상기 배기가스경로에 있어서의 촉매식 탈초장치와 배기가스 터보차저 사이의 부분에서 NOx농도를 검출가능한 제2지르코니아식 NOx센서가 설치되고,
    제1지르코니아식 NOx센서에 의한 검출치를 NOx·inlet이라고 하고, 제2지르코니아식 NOx센서에 의한 검출치를 NOx·outlet이라고 하며, 검출환경에 있어서의 가스압력과 배기가스에 포함되는 SOx가 지르코니아식 NOx센서의 검출치에 미치는 영향을 보정하기 위한 보정계수를 α로 하여,
    식 (NOx·inlet × α - NOx·outlet × α) / NOx·inlet × α
    를 사용하고 또한 약분에 의하여 α를 소거하여 탈초율을 측정하는 장치가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 엔진을 위한 탈초율의 측정장치.
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