KR20150137112A - NOx 측정 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

내연기관을 위한 NOx 측정 시스템은, 측정 덕트 (1), 상기 측정 덕트 (1) 에 배열되는 NOx 센서 (4), 가압된 공기를 상기 측정 덕트 (1) 로 도입하기 위해 측정 덕트 (1) 에 연결되는 퍼징 덕트 (2), 및 상기 측정 덕트 (1) 를 가열하기 위한 수단 (2c) 을 포함한다.

Description

NOx 측정 시스템 및 방법 {NOX MEASURING SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 청구항 1 의 전제부에 따른 내연기관을 위한 NOx 측정 시스템에 관한 것이다. 본원은, 또한 다른 독립항의 전제부에 규정된 바와 같이, 내연기관의 배기 가스에서 NOx 농도를 측정하는 방법에 관한 것이다.
선박들 및 발전소들에서 내연기관들의 산화질소 (NOx) 배출에 대한 지속적인 규제 강화로 인해, 선택적 촉매 환원 (SCR) 시스템들이 보다 더 일반화되고 있다. SCR 시스템들에서, 통상적으로 우레아 (urea) 인 환원제의 정확한 투여는 효과적인 NOx 저감을 달성하고 암모니아 슬립을 방지하는데 있어서 중요하다. 환원제 투여의 정확성을 개선하기 위해서, SCR 시스템에는 SCR 요소들로부터 하류측에 NOx 농도를 측정하는 NOx 센서가 장착될 수 있다.
특허출원 WO 2008043928 A1 에는, SCR 촉매로부터 하류측에 NOx 센서가 배치되고 그리고 배기 가스의 NOx 및 암모니아 농도가 연속적으로 모니터링되는 차량의 SCR 시스템이 개시되어 있다. 이 방법에 따라서, 초기의 양의 우레아가 배기 시스템안으로 주입된다. 내연기관이 정적 상태 (steady state) 에서 운행하면, 초기 양을 1 보다 큰 계수만큼 배가하여 우레아 투여가 증가된다. 투여를 증가시킨 후에, NOx 및 암모니아 농도가 측정되고, 이러한 측정에서 감소된 농도가 나타나면, 투여를 다시 증가시킨다. 이 단계는, 농도가 증가하기 시작될 때까지 반복된다. 이는 과투여를 나타내고, 그리하여 이전의 양에 1 보다 작은 계수를 배가함으로써, 우레아 투여는 감소된다. 이 단계는 농도가 감소하는 한 반복된다. 농도가 다시 증가하기 시작하면, 우레아 투여는 증가된다. 연속적인 NOx 측정과 관련된 문제는, 배기 가스에 연속적으로 노출된 센서의 수명이 매우 한정되는 것이다.
WO 2012001222 A1 에서는, 바이패스 덕트에 NOx 센서가 배열되는 NOx 측정 배열체가 개시되어 있다. 엔진의 배기 가스는 배기 가스의 NOx 농도를 측정하기 위한 바이패스 덕트안으로 도입될 수 있다. 배기 가스의 해로운 영향들로부터 NOx 센서를 보호하기 위해서, NOx 센서는 이러한 측정들 사이에서 바이패스 덕트안으로 새로운 공기를 도입함으로써 보호된다. 그리하여, NOx 센서는 측정들 동안에만 배기 가스에 노출된다. 이러한 배열체에 의해, NOx 센서의 수명이 증가될 수 있다. 하지만, 남아있는 측정 배열체의 문제는, 바이패스 덕트와 NOx 센서가 이러한 측정들 사이에서 냉각된다는 것이다. 즉, 배기 가스의 일부 성분들은 측정들 동안 바이패스 덕트와 NOx 센서의 냉각 표면들에서 응축될 수 있다는 것이다. 이는 특히 황 함량이 높은 연료들이 사용되면 해롭다. 냉각 표면들에서 배기 가스가 응축되면, 황산이 형성될 수 있고, 이는 바이패스 덕트의 막힘을 유발할 수 있고 NOx 센서의 수명을 단축시킬 수 있다.
본 발명의 목적은 내연기관을 위한 개선된 NOx 측정 시스템을 제공하는 것이다. 본원에 따른 NOx 측정 시스템의 특징적 구성들은 청구항 1 의 특징부에 주어진다. 본원의 다른 목적은 내연기관의 배기 가스에서 NOx 농도를 측정하기 위한 개선된 방법을 제공하는 것이다. 본 방법의 특징적 구성들은 다른 독립항의 특징부에 주어진다.
본원에 따른 NOx 측정 시스템은, 배기 가스를 수용하기 위해 엔진의 배기 덕트에 배열되는 제 1 단부와, 측정 이후의 상기 배기 가스를 상기 배기 덕트안으로 다시 방출하기 위해 상기 배기 덕트에 배열되는 제 2 단부를 가진 측정 덕트, 상기 측정 덕트에 배열되는 NOx 센서, 및 가압된 공기를 상기 측정 덕트안으로 도입하기 위해 측정 덕트에 연결되는 퍼징 덕트를 포함한다. 상기 NOx 측정 시스템은 상기 측정 덕트를 가열하기 위한 수단을 더 포함한다.
본원에 따른 방법에 있어서, 배기 가스는 내연기관의 배기 덕트로부터 측정 덕트안으로 도입되고, 상기 측정 덕트에서 NOx 센서에 의해 NOx 농도가 측정되며, 측정들 사이에서 상기 배기 가스로부터 상기 NOx 센서를 보호하기 위해 상기 측정 덕트 안으로 가압된 공기가 도입된다. 상기 측정 덕트는 측정들 사이에서 상기 배기 가스의 응축을 방지하기 위해 가열된다.
본원에 따른 NOx 측정 시스템과 방법에 의하여, 측정 덕트와 NOx 센서의 표면들에서 배기 가스 성분들의 응축이 방지될 수 있고, 이는 NOx 센서의 수명을 증가시키며 그리고 측정 덕트의 막힘을 방지하는데 도움을 준다.
측정 덕트는 가압된 공기에 의해 효과적으로 가열될 수 있고, 이 가압된 공기는 측정 덕트안으로 도입되기 전에 내연기관의 배기 가스에 의해 가열된다. 퍼징 덕트는 이 퍼징 덕트를 통하여 유동하는 공기를 가열하기 위해 배기 덕트 내측에 배열되는 섹션을 포함할 수 있다.
본원의 실시형태들은 첨부된 도면을 참조하여 보다 자세히 이하 설명된다.
도 1 은 내연기관의 SCR 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2 는 NOx 센서를 위한 측정 덕트 조립체를 도시한다.
도 3 은 엔진의 배기 덕트와 연결하는 측정 덕트 조립체를 도시한다.
도 1 에서는 내연기관의 선택적 촉매 환원 (SCR) 시스템의 개략도를 도시한다. SCR 시스템은, 전기를 생성하기 위한 발전소들에 사용되는 엔진들 또는 선박들의 메인 또는 보조 엔진들과 같은 대형 피스톤 엔진들에 특히 적합하다. 이 시스템은 3 개의 SCR 요소들 (7) 을 가진 촉매 변환기 (6) 를 포함한다. SCR 요소들 (7) 은 촉매 재료로 코팅되는 세라믹 허니컴 구조물들이다. 환원제로서 사용되는 우레아는, 촉매 변환기 (6) 로부터 상류측에서 환원제 주입기 (12) 를 통하여 배기 가스 유동에 주입된다. 우레아는 탱크 (10) 에 저장되고, 투여 펌프 (9) 는 정확한 양의 우레아 용액을 환원제 주입기 (12) 에 전달하는데 사용된다. 투여 펌프 (9) 를 제어하도록 제어 유닛 (11) 이 배열된다. 배기 시스템에 주입된 우레아는 배기 가스와 혼합되고 그리고 배기 가스의 열로 인해 암모니아와 이산화탄소로 분해된다. SCR 요소들 (7) 의 표면에서, 암모니아 분자들은 NOx 와 반응하고 질소와 물을 형성한다. 촉매 변환기 (6) 내측에서, SCR 요소들 (7) 로부터 하류측에는 산화 촉매 (8) 가 배열된다. 산화 촉매 (8) 의 목적은 일산화탄소 및 미연소된 탄화수소들을 산화시키는 것이다. 또한, 과잉의 암모니아의 적어도 일부는 산화하여, 주로 산화질소들 및 물을 형성한다.
선택적 촉매 환원 후에 배기 가스의 NOx 농도를 모니터링하기 위해서, NOx 센서 (4) 는 촉매 변환기 (6) 로부터 하류측에 배열된다. NOx 센서들 (4) 이 통상적으로 암모니아에 밀접 (cross) 민감하기 때문에, 또한 SCR 요소들 (7) 과 산화 촉매 (8) 사이에 센서 (4) 를 위치시킬 수 있다. NOx 센서 (4) 는 측정 덕트 (1) 에 위치된다. 도 2 에서는 측정 덕트 (1) 의 보다 상세도를 도시하고, 도 3 에는 엔진의 배기 덕트 (5) 와 연결되는 측정 덕트 (1) 가 도시되어 있다. 측정 덕트 (1) 는 제 1 단부 (1a) 와 제 2 단부 (1b) 를 가진다. 측정 덕트 (1) 의 양 단부들은 배기 덕트 (5) 내측에 있다. 측정 덕트 (1) 의 제 1 단부 (1a) 는 배기 가스 스트림 쪽으로 굽혀지고 배향된다. 또한, 측정 덕트 (1) 의 제 2 단부 (1b) 는 배기 덕트 (5) 의 하류측 단부 쪽으로 굽혀지고 지향된다. 측정 덕트 (1) 는 제 단부 (1a) 를 통하여 배기 가스를 수용할 수 있고 그리고 제 2 단부 (1b) 를 통하여 배기 덕트 (5) 안으로 배기 가스를 다시 방출한다. 배기 덕트 (5) 에서 유동하는 소량의 배기 가스는 측정 덕트 (1) 안으로 가압되고, 이 측정 덕트에서 배기 가스의 NOx 농도는 NOx 센서 (4) 에 의해 측정된다.
NOx 측정은 연속적이지 않지만, NOx 농도는 제어 유닛 (11) 에 의해 요청될 때만 측정된다. 엔진의 작동 조건들이 변하면, 배기 가스의 NOx 농도는 측정될 수 있고, 환원제의 양은 정확한 투여를 달성할 때까지 조절된다. 그 후에, 이러한 측정은 어떠한 간격들로 실시될 수 있다. NOx 측정들 사이의 배기 가스로부터 NOx 센서 (4) 를 보호하기 위해서, NOx 측정 시스템에는 퍼징 덕트 (2) 가 제공되고, 이 퍼징 덕트는 NOx 센서 (4) 로부터 상류측에서 측정 덕트 (1) 에 연결된다. 그리하여, 퍼징 덕트 (2) 의 유출구 (2b) 는 측정 덕트 (1) 의 제 1 단부 (1a) 와 NOx 센서 (4) 사이에 있다. 퍼징 덕트 (2) 를 통하여, 가압된 공기는 측정 덕트 (1) 를 플러싱하기 위한 NOx 측정들 사이에서 측정 덕트 (1) 안으로 도입될 수 있다. 이 공기는 측정 지점에서 배기 가스의 압력보다 높은 압력에서 퍼징 덕트 (2) 를 통하여 측정 덕트 (1) 안으로 도입된다. 이는, 측정 덕트 (1) 의 양 분기부들이 비워짐을 보장해준다. 그리하여, NOx 센서 (4) 는 배기 가스의 불순물들 및 열로부터 보호된다. 측정 덕트 (1) 를 플러싱하는데 사용되는 새로운 공기는 또한 NOx 센서 (4) 의 캘리브레이션 (calibration) 을 가능하게 한다. NOx 측정 시스템에는 압력 매체 소스 (14) 로부터 퍼징 덕트 (2) 안으로 공기 유동을 제어하는데 사용되는 제어 밸브 (13) 가 장착된다. 각각의 NOx 측정 이전에, 제어 밸브 (13) 는 폐쇄되고, 그리하여 배기 가스는 측정 덕트 (1) 안으로 유동할 수 있다. 측정 후에, 제어 밸브 (13) 는 개방되고, 후속의 NOx 측정 때까지 측정 덕트 (1) 안으로의 공기 주입은 계속된다. 도 1 에서와 같이, 별개의 공기 탱크 (14) 를 사용하는 대신에, 가압된 공기는 엔진에서 다른 제어 목적을 위해 또한 사용되는 기구 공기 (instrument air) 또는 대안으로서 터보과급기의 압축기로부터 하류측에서 엔진의 공기 흡인 덕트로부터의 과급 공기일 수 있다. 제어 유닛 (11) 은 NOx 센서 (4) 와 제어 밸브 (13) 를 제어하도록 배열된다. 제어 밸브 (13) 는 예를 들어 솔레노이드 밸브일 수 있다.
선행 기술의 방안들의 문제는, 퍼지 공기가 NOx 센서 (4) 의 수명을 증가시킬 수 있더라도, NOx 센서 (4) 는 냉각 측정 덕트 (1) 로 인해 배기 가스 응축에 노출된다는 것이다. 긴 간격들로 측정들을 실시하고 그리고 배기 가스가 측정 덕트 (1) 안으로 유동하는 것이 방지되면, 측정 덕트 (1) 의 온도는 감소한다. 배기 가스가 측정 덕트 (1) 안으로 도입되면, 측정 덕트 (1) 및 NOx 센서 (4) 의 냉각 표면들에서 배기 가스가 응축할 수 있다. 특히, 황 함량이 높은 연료를 사용하면, 이는, 황산이 형성될 수 있기 때문에, NOx 센서 (4) 의 수명을 단축시킨다. 본원에 따라서, 상기 문제는 측정 덕트 (1) 를 가열함으로써 방지된다. 측정 덕트 (1) 는 이 측정 덕트 (1) 를 퍼지하는데 사용되는 가압된 공기에 의해 가열될 수 있다. 도면들의 실시형태에서, 퍼징 덕트 (2) 에는 배기 덕트 (5) 내측에 배열되는 섹션 (2c) 이 장착된다. 퍼징 덕트 (2) 를 통하여 가압된 공기가 유동하면, 배기 가스로부터 가압된 공기로 열이 전달된다. 가압된 공기가 측정 덕트 (2) 안으로 도입되면, 공기는 측정 덕트 (2) 를 가열시킨다. NOx 측정 시컨스 동안, 측정 덕트 (1) 및 NOx 센서 (4) 의 표면들은 그럼으로써 가열이 없는 경우보다 더 따뜻해지고, 그리하여 배기 가스의 응축이 저감되거나 방지된다. 이는 NOx 센서 (4) 의 수명을 증가시킨다. 퍼징 공기의 가열 효과는, 배기 덕트 (5) 내측에 배열된 퍼징 덕트 (2) 의 섹션 (2c) 의 길이를 변화시킴으로써 영향을 받을 수 있다. 배기 덕트 (5) 에서의 섹션 (2c) 을 더 길게 만들면, 퍼징 공기의 온도 및 가열 효과는 증가된다.
NOx 센서 (4), 측정 덕트 (1) 및 퍼징 덕트 (2) 는 측정 모듈 (15) 에 배열된다. 측정 모듈 (15) 은 연결 플랜지 (16) 를 포함하고, 이 연결 플랜지에는 측정 덕트 (1) 와 퍼징 덕트 (2) 가 부착된다. 측정 덕트 (1) 는 배기 덕트 (5) 쪽으로 개방되는 U 형상의 파이프이다. 또한, 퍼징 덕트 (2) 는 U 형상의 파이프이지만 배기 덕트 (5) 의 외측 쪽으로 개방된다. 퍼징 덕트 (2) 는 배기 덕트 (5) 의 외측의 위치에서 측정 덕트 (1) 에 연결된다. 측정 덕트 (1) 에는 원통형 장착 피스 (3) 가 장착되고, 원통형 장착 피스에는 NOx 센서 (4) 가 장착될 수 있다. 배기 덕트 (5) 외측의 측정 덕트 (1) 의 상기 부분에는 장착 피스 (3) 가 있다. 퍼징 덕트 (2) 의 제 1 단부에는 커넥터 피스 (2a) 가 장착되고, 이 커넥터 피스는 퍼징 덕트 (2) 가 압력 매체 소스에 용이하게 연결되도록 한다. 퍼징 덕트 (2) 에는 또한 추가의 분기부가 제공될 수 있고, 이는, 가압된 공기를 배기 덕트 (5) 내측의 섹션 (2c) 에 도입하는 대신에, 가압된 공기가 NOx 센서 (4) 의 장착 피스 (3) 안으로 직접 주입되도록 한다. 추가의 분기부는 NOx 센서 (4) 가 그을음 (soot) 으로부터 효과적으로 세척되도록 한다. 측정 모듈 (15) 은, 측정 덕트 (1) 와 퍼징 덕트 (2) 를 서로 연결하는데 사용되는 지지 플레이트들 (19) 을 더 포함한다. 배기 덕트 (5) 에는 설치 슬리브 (17) 가 제공되고, 이 설치 슬리브는 배기 덕트 (5) 의 벽을 통과하며 그리고 용접에 의해 배기 덕트 (5) 에 체결된다. 배기 덕트 (5) 는 내부 파이프 (5a), 외부 파이프 (5b) 및 내부 파이프 (5a) 와 외부 파이프 (5b) 사이에 배열된 절연층 (5c) 을 포함한다. 설치 슬리브 (17) 의 외부 단부는 플랜지 (18) 를 포함하고, 이 플랜지에는 측정 모듈 (15) 의 연결 플랜지 (16) 가 부착될 수 있다. 설치 슬리브 (17) 는 수평면에 대하여 각 (α) 으로 된다. 이 각 (α) 은 적절하게는 3 ~ 5 도이다. 설치 슬리브 (17) 는 그에 따라 하방으로 약간 경사지며, 이는 어떠한 응측된 배기 가스가 배기 덕트 (5) 안으로 유동하도록 해준다.
본원은 전술한 실시형태들에만 제한되지 않고 첨부된 청구범위의 관점에서 변경될 수 있음을 당업자라면 이해할 것이다.

Claims (7)

  1. 내연기관을 위한 NOx 측정 시스템으로서,
    - 배기 가스를 수용하기 위해 상기 내연기관의 배기 덕트 (5) 에 배열되는 제 1 단부 (1a) 와, 측정 이후의 상기 배기 가스를 상기 배기 덕트 (5) 안으로 다시 방출하기 위해 상기 배기 덕트 (5) 에 배열되는 제 2 단부 (1b) 를 가진 측정 덕트 (1),
    - 상기 측정 덕트 (1) 에 배열되는 NOx 센서 (4), 및
    - 가압된 공기를 상기 측정 덕트 (1) 안으로 도입하기 위해 상기 측정 덕트 (1) 에 연결되는 퍼징 덕트 (2) 를 포함하고,
    상기 NOx 측정 시스템은 상기 측정 덕트 (1) 를 가열하기 위한 수단 (2c) 을 포함하는 것을 특징으로 하는, NOx 측정 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 NOx 측정 시스템은, 상기 가압된 공기를 상기 측정 덕트 (1) 안으로 도입하기 전에 상기 가압된 공기를 가열하기 위한 수단 (2c) 을 포함하는 것을 특징으로 하는, NOx 측정 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 퍼징 덕트 (2) 는 상기 퍼징 덕트 (2) 에서 상기 공기를 가열하기 위해 상기 배기 덕트 (5) 내측에 배열되는 섹션 (2c) 을 포함하는 것을 특징으로 하는, NOx 측정 시스템.
  4. 내연기관의 배기 가스에서 NOx 의 농도를 측정하기 위한 방법으로서,
    배기 가스는 상기 내연기관의 배기 덕트 (5) 로부터 측정 덕트 (1) 안으로 도입되고, 상기 측정 덕트 (1) 에서 NOx 센서 (4) 에 의해 NOx 농도가 측정되며, 측정들 사이에서 상기 배기 가스로부터 상기 NOx 센서 (4) 를 보호하기 위해 상기 측정 덕트 (1) 안으로 가압된 공기가 도입되며,
    상기 측정 덕트 (1) 는 상기 배기 가스의 응축을 방지하기 위해 상기 측정들 사이에서 가열되는 것을 특징으로 하는, NOx 의 농도를 측정하기 위한 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 측정 덕트 (1) 는 상기 가압된 공기에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는, NOx 의 농도를 측정하기 위한 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 가압된 공기는 상기 내연기관의 상기 배기 가스에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는, NOx 의 농도를 측정하기 위한 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 가압된 공기는 상기 내연기관의 배기 덕트 (5) 내측의 덕트 섹션 (2c) 을 통하여 유동하도록 배열되는 것을 특징으로 하는, NOx 의 농도를 측정하기 위한 방법.
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