KR20180054269A - 개질 시스템 및 온도센서를 이용한 개질기 작동 방법 - Google Patents

개질 시스템 및 온도센서를 이용한 개질기 작동 방법

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KR20180054269A
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이승우
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 개질 시스템은, 개질가스를 연소시켜서 기계적인 동력을 발생시키는 엔진과, 상기 엔진과 연결되며 상기 엔진으로 개질가스 및 공기를 공급하는 흡기 라인과, 상기 엔진과 연결되며 상기 엔진에서 배출되는 배기가스를 유통시키는 배기 라인과, 상기 배기라인으로부터 분기되는 배기가스 재순환(EGR) 라인에 구비되며, 상기 배기가스를 연료와 혼합시키고, 상기 배기가스에 혼합된 연료를 개질시키는 개질기와, 상기 개질기 내에 구비되며 상기 개질기의 온도를 측정하는 온도 센서, 및 상기 엔진의 운전 조건 및 상기 개질기 온도에 기초하여 상기 개질기 작동 여부를 결정하는 개질 제어부를 포함한다.

Description

개질 시스템 및 온도센서를 이용한 개질기 작동 방법{Reforming system and reformer operating method using temperature sensor}
본 발명은 개질 시스템 및 온도센서를 이용한 개질기 작동 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 개질기의 온도를 이용하여 개질기 작동 여부를 결정하는 개질 시스템 및 개질기 작동 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 배기가스 재순환(exhaust gas recirculation; EGR) 시스템은 유해 배기가스의 저감을 위해 차량에 장착되는 시스템이다.
이러한 배기가스 재순환 시스템은 엔진에서 배출되는 배기가스의 일부를 흡기로 순환시켜 혼합기 속의 산소량을 줄이고, 배기가스의 배출량을 줄이며, 배기가스 내의 유해물질을 저감시키도록 기능한다.
또한, 엔진에서 배출되는 배기가스는 고온이므로 그것의 열에너지를 활용하면, 엔진의 효율이 향상될 수 있다.
한편, 연료 개질기(fuel reformer)는 촉매를 이용하여 연료의 특성을 변화시키는 장치로서, 연소효율의 증대 또는 후처리 장치의 활성화를 위하여 상기 연료 개질기가 적용될 수 있다.
그런데, 개질 촉매 온도가 낮은 영역에서는 개질기가 작동되더라도 개질 효율이 매우 낮고 촉매가 열화되거나 손상될 수 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하고자 개발된 것으로, 엔진 운전 조건이 개질 가능 운전 영역에 있는 경우, 개질기 온도에 기초하여 개질기 작동 여부를 결정할 수 있는 개질 시스템 및 개질기 작동 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 개질 시스템은, 개질가스를 연소시켜서 기계적인 동력을 발생시키는 엔진과, 상기 엔진과 연결되며 상기 엔진으로 개질가스 및 공기를 공급하는 흡기 라인과, 상기 엔진과 연결되며 상기 엔진에서 배출되는 배기가스를 유통시키는 배기 라인과, 상기 배기라인으로부터 분기되는 배기가스 재순환(EGR) 라인에 구비되며, 상기 배기가스를 연료와 혼합시키고, 상기 배기가스에 혼합된 연료를 개질시키는 개질기와, 상기 개질기 내에 구비되며 상기 개질기의 온도를 측정하는 온도 센서, 및 상기 엔진의 운전 조건 및 상기 개질기 온도에 기초하여 상기 개질기 작동 여부를 결정하는 개질 제어부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 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.
본 발명의 일 실시예에 따른 개질 시스템은, 상기 EGR 라인 후방의 배기라인에 배치되며, 배기가스에 포함된 질소산화물을 정화시키는 촉매를 더 포함할 수 있다.
상기 촉매는 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.
상기 촉매는 환원제를 이용하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 환원시키는 선택적환원촉매(Selective Catalytic Reducer; SCR)를 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 개질기는 상기 EGR 라인의 상기 EGR 쿨러 전방에 설치될 수 있다.
상기 개질 제어부는, 상기 엔진의 운전 조건이 개질 가능 운전 영역에 있고, 상기 온도 센서에 의해 측정된 개질기 촉매 온도가 타겟 온도를 초과하면, 상기 개질기를 작동시킬 수 있다.
상기 엔진의 운전 조건은 엔진의 분당 회전수(RPM) 및 엔진 부하(torque)일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 개질기 작동 방법은, 엔진 운전 조건을 검출하는 단계와, 상기 엔진 운전 조건이 개질 가능 운전 영역 내에 있는지 판단하는 단계와, 개질기 온도를 측정하는 단계와, 상기 엔진 운전 조건이 개질 가능 운전 영역 내에 있으면, 상기 개질기 온도와 타겟 온도를 비교하는 단계, 및 상기 개질기 온도가 상기 타겟 온도를 초과하면, 상기 개질기를 작동하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 개질기 작동 방법은, 상기 개질기 온도가 상기 타겟 온도 이하이면, 상기 개질기 작동을 중지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 타겟 온도 이상의 높은 온도 영역에서 연료 개질기를 작동함으로써, 개질 효율을 극대화할 수 있다.
또한, 높은 온도 영역에서만 연료 개질기를 작동함으로써, 낮은 온도 영역에서 연료 개질기 작동시, 개질 반응이 일어나지 않는 경우 발생되는 개질기 내 촉매 열화 또는 손상을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 개질기 작동 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 운전 조건 대비 개질 가능 운전 영역을 나타내는 그래프이다.
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 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 시스템에 관하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 개질 시스템은 엔진(10)과, 흡기라인(5)과, 배기라인(15) 과, 개질기(20)와, 온도 센서(29)와, 및 개질 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.
여기에서는 디젤 엔진을 예시하였으나 희박 연소(lean burn) 가솔린 엔진을 사용할 수도 있다. 가솔린 엔진을 사용하는 경우, 흡기 매니폴드를 통하여 혼합기가 연소실 내부로 유입되며, 연소실 상부에는 점화를 위한 점화플러그가 장착된다. 또한, 가솔린 직접 분사(Gasoline Direct Injection; GDI) 엔진을 사용하는 경우, 디젤 엔진과 마찬가지로 인젝터가 연소실의 상부에 장착된다.
또한, 다양한 압축비, 바람직하게는 16.5 이하의 압축비를 가지는 엔진(10)이 사용될 수 있다.
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(26)가 장착될 수 있다.
EGR 라인(17)에 의해 구현되는 배기가스 재생 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.
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.
개질기(20)는 배기가스가 유입되는 유입구, 배기가스와 연료가 혼합되는 믹싱부, 연료를 개질시키는 개질부, 및 개질가스가 유출되는 유출부를 포함할 수 있다.
온도 센서(29)는 개질기(20) 내에 구비되며, 개질기(20)의 온도를 측정할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 시스템은, 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.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 시스템은, EGR 라인(17) 후방의 배기라인(15)에 배치되며, 배기가스에 포함된 질소산화물을 정화시키는 촉매(30)를 더 포함할 수 있다.
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, 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.
촉매(30) 후단의 배기라인(15)에는 배기가스의 유량을 조절하는 배기압 제어밸브(32)가 구비될 수 있다.
한편, EGR 라인(17)에는, 개질가스를 냉각시키는 EGR 쿨러(25), 및 상기 EGR 쿨러(25) 후단에 구비되어 상기 개질가스의 유량을 조절하는 EGR 밸브(26)가 설치될 수 있다.
이 때, 개질기(20)는 EGR 라인(17)의 EGR 쿨러(25) 전방에 설치될 수 있다.
한편, 개질 제어부는 엔진(10)의 운전 조건 및 개질기(20) 온도에 기초하여 개질기(20) 작동 여부를 결정한다.
개질 제어부는 엔진(10)의 운전 조건이 개질 가능 운전 영역에 있고, 온도 센서(29)에 의해 측정된 개질기(20) 촉매 온도가 타겟 온도를 초과하면 개질기(20)를 작동시킨다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 개질기 작동 방법을 나타내는 순서도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 운전 조건 대비 개질 가능 운전 영역을 나타내는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 개질기 작동 방법은 우선, 엔진 운전 조건을 검출한다(S201). 엔진 운전 조건은 엔진의 분당 회전수(RPM), 엔진 부하(torque), 아이들(idle) 상태, 정속, 감속, 가속 상태 등일 수 있다.
그 후, 엔진 운전 조건이 개질 가능 운전 영역 내에 있는지 판단한다(S202). 도 3에 도시된 바와 같이, 엔진 운전 조건으로, 엔진 회전수 및 엔진 부하를 예로 들면, 엔진 회전수 및 엔진 부하가 증대될수록 엔진 배기가스가 높아 개질기의 촉매 온도가 높아진다. 개질기 촉매가 고온에 있는 영역에서 개질기의 고효율 운전이 가능하다. 개질 가능 운전 영역은 엔진 회전수 및 엔진 부하를 고려하여 미리 설정될 수 있고, 현재 작동중인 엔진의 운전 상태가 설정된 영역 내에 있는지 판단한다.
그 후, 개질기 내의 온도 센서를 통해 개질기 촉매의 온도를 측정하고, 엔진 운전 조건이 도 3에 도시된 개질 가능 운전 영역 내에 있으면 개질기 온도와 타겟 온도를 비교한다(S203).
타겟 온도는 실험 등에 의해 개질 효율이 급격히 증가되는 온도로 설정될 수 있고, 예를 들어, 타겟 온도는 약 480도(℃) 내지 약 520도(℃)일 수 있다.
그 후, 개질기 온도가 타겟 온도를 초과하면, 개질기를 작동시킨다(S204). 만약, 개질기 온도가 타겟 온도 이하이면, 개질기 작동을 중지한다(S205).
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 타겟 온도 이상의 높은 온도 영역에서 연료 개질기를 작동함으로써, 개질 효율을 극대화할 수 있다.
또한, 높은 온도 영역에서만 연료 개질기를 작동함으로써, 낮은 온도 영역에서 연료 개질기 작동시, 개질 반응이 일어나지 않는 경우 발생되는 개질기 내 촉매 열화 또는 손상을 방지할 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: 개질기 29: 온도 센서
25: EGR 쿨러 26: EGR 밸브
30: 촉매 32: 배기압 제어밸브

Claims (11)

  1. 개질가스를 연소시켜서 기계적인 동력을 발생시키는 엔진;
    상기 엔진과 연결되며 상기 엔진으로 개질가스 및 공기를 공급하는 흡기 라인;
    상기 엔진과 연결되며 상기 엔진에서 배출되는 배기가스를 유통시키는 배기 라인;
    상기 배기라인으로부터 분기되는 배기가스 재순환(EGR) 라인에 구비되며, 상기 배기가스를 연료와 혼합시키고, 상기 배기가스에 혼합된 연료를 개질시키는 개질기;
    상기 개질기 내에 구비되며 상기 개질기의 온도를 측정하는 온도 센서; 및
    상기 엔진의 운전 조건 및 상기 개질기 온도에 기초하여 상기 개질기 작동 여부를 결정하는 개질 제어부를 포함하는 개질 시스템.
  2. 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 개질 시스템.
  3. 제 1 항에서,
    상기 EGR 라인 후방의 배기라인에 배치되며, 배기가스에 포함된 질소산화물을 정화시키는 촉매를 더 포함하는 개질 시스템.
  4. 제 3 항에서,
    상기 촉매는 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 포함하는 개질 시스템.
  5. 제 3 항에서,
    상기 촉매는 환원제를 이용하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 환원시키는 선택적환원촉매(Selective Catalytic Reducer; SCR)를 포함하는 개질 시스템.
  6. 제 1 항에서,
    상기 EGR 라인에는,
    개질가스를 냉각시키는 EGR 쿨러, 및
    상기 EGR 쿨러 후단에 구비되어 상기 개질가스의 유량을 조절하는 EGR 밸브가 설치되는 개질 시스템.
  7. 제 6 항에서,
    상기 개질기는 상기 EGR 라인의 상기 EGR 쿨러 전방에 설치되는 개질 시스템.
  8. 제 1 항에서,
    상기 개질 제어부는,
    상기 엔진의 운전 조건이 개질 가능 운전 영역에 있고,
    상기 온도 센서에 의해 측정된 개질기 촉매 온도가 타겟 온도를 초과하면, 상기 개질기를 작동시키는 개질 시스템.
  9. 제 1 항에서,
    상기 엔진의 운전 조건은 엔진의 분당 회전수(RPM) 및 엔진 부하(torque)인 개질 시스템.
  10. 엔진 운전 조건을 검출하는 단계;
    상기 엔진 운전 조건이 개질 가능 운전 영역 내에 있는지 판단하는 단계;
    개질기 온도를 측정하는 단계;
    상기 엔진 운전 조건이 개질 가능 운전 영역 내에 있으면, 상기 개질기 온도와 타겟 온도를 비교하는 단계; 및
    상기 개질기 온도가 상기 타겟 온도를 초과하면, 상기 개질기를 작동하는 단계를 포함하는 개질기 작동 방법.
  11. 제 10 항에서,
    상기 개질기 온도가 상기 타겟 온도 이하이면, 상기 개질기 작동을 중지하는 단계를 더 포함하는 개질기 작동 방법.
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