KR20160017754A - 엔진 질소산화물 저감시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진 배기가스의 질소산화물(NOx)을 저감시킬 수 있는 질소산화물 저감시스템에 관한 것으로서, 터보차저의 에어 인테이크부에 설치되어 흡입공기내에 포함된 산소를 포집하여 분리하는 산소포집부와, 상기 산소포집부에서 배출되는 산소를 상기 터보차저에 공급하는 에어공급관, 및 상기 엔진의 배기관에 설치되어 배기가스내에 포함된 질소산화물을 검출하는 검출부를 구비하고, 상기 엔진을 제어하는 엔진 콘트롤러에 연결된 제어부가 상기 검출부로부터 전송되는 데이터를 기초로 상기 산소포집부를 제어하여 상기 흡입공기 내의 산소량을 조절하도록 함으로써, 엔진의 연소 효율 및 출력 향상은 물론 배기가스에 포함된 질소산화물을 근본적으로 저감시킬 수 있는 엔진 질소산화물 저감시스템에 관한 것이다.

Description

엔진 질소산화물 저감시스템{NOx reduction system of engine}

본 발명은 엔진 배기가스의 질소산화물(NOx)을 저감시킬 수 있는 질소산화물 저감시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 터보차저에 공급되는 흡입공기의 산소량을 적절하게 조절하여 엔진의 연소 효율을 향상시킴으로써, 엔진의 배기가스 내에 포함되는 질소산화물을 근본적으로 저감시킬 수 있는 엔진 질소산화물 저감시스템에 관한 것이다.

일반적으로 선박에는 선박을 추진시키기 위해 프로펠러를 구동하는 메인 엔진과 선박에 탑재된 각종 장비나 의장품 등에 전원을 공급하기 위한 다수의 발전용 엔진이 탑재되어 사용되고 있다.

이러한 메인엔진 및 발전용 엔진을 가동하는 데에는 많은 연료가 소모되고, 이에 상응하여 많은 양의 배기가스가 배출된다.

상기와 같이 엔진에서 배출되는 고온 고압의 배기가스에는 많은 에너지가 포함되어 있기 때문에 이러한 에너지를 회수하여 엔진 출력 향상이나 연비 향상 등에 사용하기 위해 터보차저(Turbo Charger)가 엔진에 설치되어 있다.

여기서 터보차저는 엔진 배기가스의 에너지를 터빈의 회전력으로 회수하여 압축기(compressor)를 통해 고압의 압축공기를 생성한 후, 이 압축공기를 흡기부에 공급하여 엔진의 효율이나 출력 향상은 물론 연비 등을 개선시킬 수 있는 과급장치의 하나이다.

이하 종래의 엔진 흡기 공급과정을 간략히 설명한다.

도 1은 종래의 일반적인 엔진의 흡기시스템의 구성도를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이, 터보차저(200)는 터빈(turbine)(220)과 압축기(compressor)(210)로 구성되어 있으며, 터빈(220)은 엔진(100)의 배기관(150)과 연결되고, 압축기(210)는 엔진(100)에 공기를 공급하는 에어리시버(120)에 연결된다.

따라서 터보차저(200)는 엔진(100)의 배기가스의 에너지를 이용하여 터빈(220)을 구동시키고, 압축기(210)는 이 터빈(220)의 회전력을 이용하여 흡입공기를 압축한 후, 엔진(100)의 에어리시버(120)에 압축공기를 공급하게 되는 것이다.

그러나 이러한 선박 엔진에서 연소 후 배출되는 배기가스에는 다수의 부유성 미립자와 질소산화물인 NOx, 그리고 황산화물인 SOx 등의 유해성 기체상 물질이 다량 포함되어 있다.

이런 환경오염 물질의 배출을 저감하고자 세계 각국에서는 환경규제를 통해 배출량을 규제하고 있다.

따라서 엔진의 경우 환경규제를 만족시킬 수 있도록 상기와 같은 질소산화물 등을 제거하기 위해 선택적 촉매 저감장치(SCR:Selective Catalytic Reduction)나 스크러버(Scrubber, SOx 제거) 또는 입자상 물질을 제거하는 매연여과장치(DPF:Diesel Particulate Filter) 등을 설치하여 환경규제에 대응하고 있다.

그러나 상기와 같은 종래의 엔진 흡기 시스템은 연소 후 발생하는 배기가스 내의 유해성 기체를 후발적으로 제거할 수 있을 뿐, 엔진의 연소 효율 향상을 통해 유해성 기체의 발생 자체를 근본적으로 저감시킬 수 없고, 또한 엔진의 급격한 부하 변동이나 엔진의 운전 조건에 따라 유해성 기체 발생을 줄이기 위한 능동적 대처가 여려울 뿐 아니라, 배기가스 내에 포함된 유해성 기체를 제거하기 위한 설비의 유지 보수에 많은 비용이 소요되는 문제점이 있었다.

공개특허공보 특2002-0084921호(2002.11.16)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 엔진에 압축공기를 공급하는 터보차저의 에어 인테이크부에 흡입공기의 산소를 포집한 후 분리하여 공급할 수 있는 산소포집부를 구비하고, 배기가스의 질소산화물을 검출하는 검출부와 제어부를 연동하여 흡입공기 내의 대량의 질소 유입을 차단함과 아울러 산소량을 증가시킬 수 있도록 함으로써, 엔진의 연소 효율 향상은 물론 배기가스의 질소산화물을 저감시킬 수 있는 엔진 질소산화물 저감시스템을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 엔진에 압축공기를 공급하는 터보차저의 에어 인테이크부에 설치되어 흡입공기 내에 포함된 산소를 포집하여 분리하는 산소포집부와, 상기 산소포집부에서 배출되는 산소를 상기 터보차저에 공급하는 에어공급관과, 상기 엔진의 배기관에 설치되어 배기가스 내에 포함된 질소산화물을 검출하는 검출부, 및 상기 엔진을 제어하는 엔진 콘트롤러와 연결되며, 상기 검출부로부터 전송되는 데이터를 기초로 상기 산소포집부를 제어하여 상기 흡입공기 내의 산소량을 조절하는 제어부를 포함하여 구성된다.

여기서 상기 산소포집부는 산소를 배출하는 산소배출구와 질소를 배출하는 질소배출구를 각각 구비하고, 상기 산소배출구가 상기 에어공급관에 연결되도록 한다.

또한 상기 질소배출구에는 개폐 가능한 질소배출관을 연결하고, 상기 질소가 상기 에어공급관에 재공급될 수 있도록 상기 질소배출관과 상기 에어공급관을 연결하는 개폐 가능한 바이패스관이 설치되도록 한다.

또 상기 질소배출관과 바이패스관에는 배출밸브와 개폐밸브를 각각 설치하고, 상기 배출밸브와 개폐밸브를 상기 제어부에 연결하여 상기 터보차저에 공급되는 흡입공기 내의 산소와 질소 비율을 조정하도록 할 수 있다.

한편 상기 산소포집부는 상기 흡입공기 내의 산소 또는 질소를 분리시킬 수 있는 산소발생기 또는 질소발생기가 사용될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 터보차저에 공급되는 흡입공기 내의 산소량을 조절하여 흡입공기의 질을 높일 수 있게 됨으로써, 엔진의 연소 효율 자체를 향상시킬 수 있는 효과가 있고, 또한 흡입공기를 통한 대량의 질소 유입을 차단시킬 수 있어 질소산화물 발생을 근본적으로 차단하는 것은 물론 엔진의 부하 변동이나 운전 조건에 대응하여 흡입공기의 산소와 질소 비율을 능동적으로 조정하여 최적의 연소 조건 제공을 통해 배기가스에 의한 환경오염 물질의 배출을 최소화시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 일반적인 엔진 흡기시스템의 구성도,
도 2은 본 발명에 따른 엔진 질소산화물 저감시스템의 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 엔진 질소산화물 저감시스템의 블록도이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

여기서 도 2은 본 발명에 따른 엔진 질소산화물 저감시스템의 구성도를 나타낸 것이고, 도 3은 본 발명에 따른 엔진 질소산화물 저감시스템의 블록도를 나타낸 것이다.

본 발명에 따른 엔진 질소산화물 저감장치는 엔진(100)에 압축공기를 공급하는 터보차저(200)의 에어 인테이크부(300)에 설치되어 터보차저(200)에 유입되는 흡입공기 내의 산소 함량을 증대시킬 수 있도록 하는 것이다.

여기서 엔진(100)은 프로펠러(propeller)를 회전시켜 선박을 추진시키는 메인엔진이나 선박에 필요한 전력을 생산하기 위한 발전용 엔진 등이 모두 포함될 수 있다.

한편 터보차저(200)는 엔진(100)의 배기관(170)에 연결되는 것으로서, 배기관(170)에서 배출되는 배기가스의 에너지를 이용하여 터빈(220)을 구동하고, 이 터빈(220)은 압축기(Compressor)(210)를 구동시켜 고압의 압축공기를 엔진(100)에 공급하게 되는 것이다.

이때 터보차저(200)에 구비된 압축기(210)는 에어 인테이크부(300)를 통해 외부 공기를 유입한 후, 압축하여 엔진(100)에 공급하게 된다.

일반적으로 터보차저(200)에 공급되는 외부 공기에는 질소와 산소가 대부분을 차지하고 있고, 이외에 소량의 다른 기체들이 포함되어 있다.

즉 외부 공기에는 질소가 대략 75% ~ 80% 정도 포함되어 있고, 산소는 대략 15% ~ 20% 정도 포함되어 있다.

따라서 터보차저(200)에 공급되는 외부 공기는 일반적으로 산소 함유량이 낮고 질소가 다량 함유되어 있기 때문에 많은 산소가 요구되는 엔진의 특성상 연소실에서 불연소가 일어날 확률이 높고, 또한 많은 양의 질소로 인해 배기가스를 통해 배출되는 질소산화물의 함량이 높아지게 되는 것이다.

본 발명은 터보차저(200)에 공급되는 흡입공기 내의 산소 함유량 자체를 증가시키고, 이와는 반대로 질소 함량을 상대적으로 감소시켜 엔진(100)의 연소실에서의 연소 효율을 향상시킴으로써, 배기가스 내에 포함된 질소산화물의 함량을 최소화시키고자 하는 것이다.

본 발명에 따른 엔진 질소산화물 저감시스템은 도 2에 도시된 바와 같이, 산소포집부(10), 에어공급관(60), 검출부(70), 및 제어부(80)로 이루어진다.

여기서 산소포집부(10)는 외부 공기 내에 포함된 산소를 포집하여 분리시키기 위한 장치로서, 외부 공기가 유입되는 에어 인테이크부(300)에 설치된다.

이러한 산소포집부(10)는 에어 인테이크부(300)를 통해 유입되는 흡입공기 내의 산소 함량을 증가시키고, 이에 비례하여 질소 함량을 감소시킨 후, 이렇게 산소 함량이 증가된 흡입공기가 터보차저(200)를 통해 엔진(100) 연소실에 공급되도록 하는 것이다.

산소포집부(10)는 산소발생기(Oxygen Generator) 또는 질소발생기(Nitrogen Generator)가 사용될 수 있다.

이때 산소발생기는 일반적인 PSA(Pressure Swing Absorption) 타입이나 RVSA (Rapid Vacuum Swing Absorption) 타입 등이 사용될 수 있다.

여기서 PSA(Pressure Swing Absorption) 타입 산소발생기는 흡착제(Zeolite)의 선택적 흡착력을 이용하여 공기중의 질소와 산소를 분리하는 장치로서 흡착탑(module)에 고압의 공기를 통과시키고 흡착, 균압, 탈착의 연속동작을 통해 질소와 산소 가스를 포집하여 분리하는 방식이다.

즉, 흡착제(Zeolite)는 질소에 대한 흡착속도가 산소보다 빠른 특성을 가지고 있는 세라믹 재질이기 때문에, 공기를 에어콤프레서로 가압하여 흡착제가 충진된 모듈을 통과시키게 되면 흡착제는 질소를 선택적으로 흡착하고 산소는 배출하게 되어 고 순도의 산소가 발생하게 되는 것이다.

한편 RVSA (Rapid Vacuum Swing Absorption) 타입 산소발생기는 흡착제(Zeolite)의 선택적 흡착력을 이용하여 공기중의 질소와 산소를 분리하는 점에서 PSA 방식과 유사하다.

다만, PSA 방식은 흡착제에 공기를 가압하여 순산소를 분리해 내는 방식이고, RVSA 방식은 공기흡입(Vacuum)부에 흡착제가 위치하여 고압의 흡입력에 의해 공기가 흡착제를 통과할 때 산소와 질소가 분리되는 방식이다.

한편 질소발생기는 냉각방식이나 PSA 방식 또는 멤브레인 방식 등의 장치가 사용될 수 있다.

여기서 냉각방식은 약 -200℃의 저온으로 기체를 압축, 냉각시켜 기체의 성질에 따라 층간 분리가 발생되는 현상을 이용한 것이고, PSA 방식은 특수 활성탄에 형성된 미세한 흡착공을 이용하여 기체의 흡착량 차이로 인해 질소를 포집하여 분리시키는 방식이다.

한편 멤브레인(Membrane) 방식은 멤브레인(Membrane) 이라는 모듈(Module) 공정을 거치면서 기체의 분자 크기에 따른 통과속도(침투율) 차이를 이용하여 질소 가스를 생산하는 방식이다.

따라서 산소포집부(10)는 도시하지는 않았지만, 흡입공기를 압축할 수 있는 압축기와 필터 등이 설치될 수 있으며, 분리된 산소를 배출하는 산소배출구(12)와 질소를 배출하는 질소배출구(15)가 각각 구비된다.

이때 산소발생기는 흡입공기로부터 산소를 분리하여 산소배출구(12)로 산소를 배출시키고, 질소가 대부분인 나머지 잔류가스를 질소배출구(15)로 배출시키는 것이다.

또한 질소발생기는 흡입공기로부터 질소를 분리하여 질소배출구(15)로 배출시키고, 산소가 대부분인 나머지 잔류가스를 산소배출구(12)로 배출시키는 것이다.

따라서 에어 인테이크부(300)는 외부 공기를 산소포집부(10)에 공급할 수 있도록 산소포집부(10)에 연결되고, 산소포집부(10)의 산소배출구(12)는 터보차저(200)에 연결되는 에어공급관(60)에 연결되도록 하는 것이다.

이때 에어공급관(60)은 터보차저(200)의 압축기(210)에 연결되어 흡입공기를 압축기(210)에 공급하게 된다.

한편 질소배출구(15)는 질소배출관(20)에 연결되며, 질소배출관(20)에는 배출밸브(25)가 설치된다.

질소배출관(20)을 통해 외부로 배출되는 질소 가스는 선박의 냉각기나 냉동기 등에 공급되도록 하여 활용할 수 있을 것이다.

한편 질소배출관(20)은 바이패스관(30)을 통해 에어공급관(60)에 연결되도록 한다.

이때 바이패스관(30)에는 개폐밸브(35)가 설치된다.

바이패스관(30)은 외부로 배출되는 질소 가스의 일부를 에어공급관(60)에 재공급하여 산소와 질소 비율을 필요에 따라 임의로 적절하게 조정할 수 있도록 하기 위한 것이다.

한편 엔진(100)의 배기관(170)에는 배기가스 내의 질소산화물(NOx)의 양을 검출할 수 있는 검출부(70)가 설치된다.

검출부(70)는 질소산화물을 검출할 수 있는 일반적인 질소산화물 센서가 사용될 수 있을 것이다.

한편 제어부(80)는 산소포집부(10), 검출부(70), 배출밸브(25), 및 개폐밸브(35)에 연결되어 터보차저(200)에 공급되는 흡입공기 내의 산소량을 조정하게 된다.

이때 제어부(80)는 엔진 콘트롤러(110)에 연결되며, 엔진(100)의 부하 변동이나 운전 조건 등에 따라 흡입공기 내의 산소 함량을 조절하도록 하는 것이다.

따라서 도 3에 도시된 바와 같이, 외부 공기는 에어 인테이크부(300)를 통해 산소포집부(10)에 공급되고, 산소포집부(10)는 외부 공기 내의 산소를 포집하여 분리한 후, 산소가 다량 함유된 흡입공기를 터보차저(200)의 압축기(210)로 보내게 되며, 질소는 질소배출관(20)을 통해 배출된다.

이때 흡입공기는 엔진(100)에서 연료와 함께 연소된 후, 배기관(170)을 통해 배기가스로 배출되는 것이다.

한편 제어부(80)는 배기관(170)에 설치된 검출부(70)로부터 배기가스 내의 질소산화물의 함량 데이터를 전송받아 이를 기초로 산소포집부(10)의 구동을 결정하게 되고, 또한 질소가 필요에 따라 에어공급관(60)으로 공급되도록 하여 엔진(100) 운전 조건이나 질소산화물 함량에 따라 산소와 질소가 적정한 비율로 혼합된 공기가 엔진에 공급되도록 함으로써, 배기가스 내의 질소산화물을 최소화시킬 수 있도록 하는 것이다.

따라서 본 발명은 터보차저(200)의 에어 인테이크부(300)에 설치된 산소포집부(10)를 이용하여 외부 공기 내에 포함된 산소를 포집하여 분리한 후, 분리된 산소를 터보차저(200)로 공급하게 됨으로써, 엔진의 연소 효율을 향상시킬 수 있게 됨과 아울러 배기가스 내의 질소산화물을 저감시킬 수 있게 되는 것이다.

또한 엔진의 부하 변동이나 운전 조건에 대응하여 흡입공기의 산소와 질소 비율을 능동적으로 조정할 수 있게 됨으로써, 최적의 연소 조건을 제공하여 배기가스를 통한 환경오염 물질의 배출을 최소화시킬 수 있게 되는 것이다.

이상, 상기의 실시 예는 단지 설명의 편의를 위해 예시로서 설명한 것에 불과하므로 특허청구범위를 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 기술 범주 내에서 다양한 변형이 가능할 것이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 산소포집부 12 : 산소배출구
15 : 질소배출구 20 : 질소배출관
25 : 배출밸브 30 : 바이패스관
35 : 개폐밸브 60 : 에어공급관
70 : 검출부 80 : 제어부
100 : 엔진 110 : 엔진 콘트롤러
120 : 에어리시버 150,170 : 배기관
200 : 터보차저 210 : 압축기
220 : 터빈 300 : 에어 인테이크부

Claims (5)

1. 엔진에 압축공기를 공급하는 터보차저의 에어 인테이크부에 설치되어 흡입공기 내에 포함된 산소를 포집하여 분리하는 산소포집부;
   상기 산소포집부에서 배출되는 산소를 상기 터보차저에 공급하는 에어공급관;
   상기 엔진의 배기관에 설치되어 배기가스 내에 포함된 질소산화물을 검출하는 검출부; 및
   상기 엔진을 제어하는 엔진 콘트롤러와 연결되며, 상기 검출부로부터 전송되는 데이터를 기초로 상기 산소포집부를 제어하여 상기 흡입공기 내의 산소량을 조절하는 제어부;
   를 포함하여 구성되는 엔진 질소산화물 저감시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 산소포집부는 산소를 배출하는 산소배출구와 질소를 배출하는 질소배출구를 각각 구비하고, 상기 산소배출구가 상기 에어공급관에 연결되도록 하는 것을 특징으로 하는 엔진 질소산화물 저감시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 질소배출구에는 개폐 가능한 질소배출관을 연결하고, 상기 질소가 상기 에어공급관에 재공급될 수 있도록 상기 질소배출관과 상기 에어공급관을 연결하는 개폐 가능한 바이패스관이 설치되는 것을 특징으로 하는 엔진 질소산화물 저감시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 질소배출관과 바이패스관에는 배출밸브와 개폐밸브를 각각 설치하고, 상기 배출밸브와 개폐밸브를 상기 제어부에 연결하여 상기 터보차저에 공급되는 흡입공기 내의 산소와 질소 비율을 조정하도록 하는 것을 특징으로 하는 엔진 질소산화물 저감시스템.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 산소포집부는 상기 흡입공기 내의 산소 또는 질소를 분리시킬 수 있는 산소발생기 또는 질소발생기가 사용되는 것을 특징으로 하는 엔진 질소산화물 저감시스템.

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