KR20180068167A - 슈퍼 챠저를 이용한 연료 개질 시스템 - 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 흡기라인으로부터 분기되며, 바이패스 밸브에 의해 외부의 공기가 상기 엔진으로 우회하여 공급되도록 구비된 제1 바이패스 라인과, 상기 제1 바이패스 라인에 구비되며, 외부의 공기를 압축하여 상기 엔진으로 공급하는 슈퍼 차져와, 상기 슈퍼 차져와 상기 연료 개질기 사이를 연결하며, 상기 슈퍼 차져에서 압축된 공기를 상기 연료 개질기로 연통시키는 제2 바이패스 라인, 및 상기 엔진의 운전 조건에 기초하여 상기 바이패스 밸브를 제어하여 외부의 공기를 상기 엔진으로 공급되는 경로를 제어하는 공기 공급 제어부를 포함한다.

Description

슈퍼 챠저를 이용한 연료 개질 시스템{FUEL REFORMING SYSTEM USING A SUPERCHARGER}
본 발명은 슈퍼 챠저를 이용한 연료 개질 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 외부의 공기를 압축하여 엔진으로 공급하는 슈퍼 차져를 포함하여 압축 공기의 경로를 조절할 수 있는 연료 개질 시스템에 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, 일부 엔진 운전 조건에서, 개질 촉매의 부분 산화 반응에 의한 개질에 필요한 산소 공급량 부족으로 충분한 수소 생성이 되지 않아 개질 효율이 저하될 수 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하고자 개발된 것으로, 연료 개질 시스템의 흡기라인에 전동식 슈퍼 차져(supercharger)를 구비함으로써, 엔진 운전 조건에 따라 흡기 공기의 경로를 달리함으로써, 연료 개질 시스템의 개질 효율을 증대시킬 수 있는 연료 개질 시스템을 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 흡기라인으로부터 분기되며, 바이패스 밸브에 의해 외부의 공기가 상기 엔진으로 우회하여 공급되도록 구비된 제1 바이패스 라인과, 상기 제1 바이패스 라인에 구비되며, 외부의 공기를 압축하여 상기 엔진으로 공급하는 슈퍼 차져와, 상기 슈퍼 차져와 상기 연료 개질기 사이를 연결하며, 상기 슈퍼 차져에서 압축된 공기를 상기 연료 개질기로 연통시키는 제2 바이패스 라인, 및 상기 엔진의 운전 조건에 기초하여 상기 바이패스 밸브를 제어하여 외부의 공기를 상기 엔진으로 공급되는 경로를 제어하는 공기 공급 제어부를 포함한다.
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 포함한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 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 연료 개질기는 상기 EGR 라인의 상기 EGR 쿨러 전방에 설치될 수 있다.
상기 공기 공급 제어부는, 상기 엔진의 운전 조건에 기초하여, 상기 바이패스 밸브가 열리거나 닫히도록 제어할 수 있다.
상기 공기 공급 제어부는, 상기 엔진의 운전 조건이 저부하 영역인 경우 상기 바이패스 밸브가 닫히도록 제어할 수 있다.
상기 공기 공급 제어부는, 상기 엔진의 운전 조건이 중부하 또는 고부하 영역인 경우 상기 바이패스 밸브가 열리고, 외부의 공기가 상기 제1 바이패스 라인을 통과하여 상기 슈퍼 차져로 유입되도록 제어할 수 있다.
상기 공기 공급 제어부는, 상기 엔진의 운전 조건이 중부하 영역인 경우, 상기 슈퍼 차져에서 압축된 공기가 상기 제2 바이패스 라인을 통과하여 상기 연료 개질기로 유입되도록 제어할 수 있다.
상기 엔진의 운전 조건은 엔진의 분당 회전수(RPM) 및 엔진 부하(torque)일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연료 개질 시스템의 흡기라인에 전동식 슈퍼 차져(supercharger)를 구비함으로써, 엔진 운전 조건에 따라 엔진으로 공급되는 흡기 공기의 경로를 다르게 제어함으로써 연료 개질 시스템의 개질 효율을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템의 엔진 운전 조건에 따라 흡기 공기의 경로를 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 연료 개질 시스템에 관하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 연료 개질 시스템(100)은 엔진(10)과, 흡기라인(5)과, 배기라인(15)과, 연료 개질기(20)와, 제1 바이패스 라인(16)과, 슈퍼 차져(40)와, 제2 바이패스 라인(18), 및 공기 공급 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.
연료 개질기(20)는 배기라인(15)으로부터 분기되는 EGR 라인(17)에 구비되며, EGR 라인(17)을 통해 유입되는 EGR 가스를 연료와 혼합시키고, EGR 가스가 혼합된 연료를 개질시킨다.
연료 개질기(20)는 EGR 가스가 유입되는 유입구, EGR 가스와 연료가 혼합되는 믹싱부, 연료를 개질시키는 개질부, 및 개질가스가 유출되는 유출부를 포함할 수 있다.
제1 바이패스 라인(16)은 흡기라인(5)으로부터 분기되며, 바이패스 밸브(4)에 의해 외부의 공기가 엔진(10)으로 우회하여 공급되도록 구비될 수 있다.
제1 바이패스 라인(16)에는 외부의 공기를 압축하여 엔진(10)으로 공급하는 슈퍼 차져(40)를 포함한다. 슈퍼 차져(40)는 전동식 슈퍼 차져(40)가 사용될 수 있다.
제2 바이패스 라인(18)은 슈퍼 차져(40)와 연료 개질기(20) 사이를 연결하며, 슈퍼 차져(40)에서 압축된 공기를 연료 개질기(20)로 연통시킨다.
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.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템(100)은, 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 EGR 쿨러(25) 후단에 구비되어 개질가스의 유량을 조절하는 EGR 밸브(26)가 설치될 수 있다.
이 때, 연료 개질기(20)는 EGR 라인(17)의 EGR 쿨러(25) 전방에 설치될 수 있다.
한편, 공기 공급 제어부는 엔진(10)의 운전 조건에 기초하여 바이패스 밸브(4)를 제어하여 외부의 공기를 엔진(10)으로 공급되는 경로를 제어한다. 이 때, 엔진의 운전 조건은
공기 공급 제어부는 엔진(10)의 운전 조건에 기초하여, 바이패스 밸브(4)가 열리거나 닫히도록 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템의 엔진 운전 조건에 따라 흡기 공기의 경로를 나타내는 그래프이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 엔진(10)의 운전 영역이 저부하 영역(영역 A)인 경우 즉, 엔진 토크가 낮거나 엔진 회전수가 작은 경우, 공기 공급 제어부는 바이패스 밸브(4)가 닫히도록 제어할 수 있다. 따라서, 외부의 공기는 경로 A를 따라 압축기(6) 및 엔진(10)으로 공급된다.
엔진의 운전 조건이 중부하 영역(영역 C) 또는 고부하 영역(영역 B)인 경우 공기 공급 제어부는 바이패스 밸브(4)가 열리도록 제어할 수 있다. 따라서, 외부의 공기는 제1 바이패스 라인을 통과하여 슈퍼 차져(40)로 유입되고, 슈퍼 차져(40)에서 압축된 공기는 경로 C 또는 경로 B를 따라 흐를 수 있다.
엔진의 운전 조건이 중부하 영역(영역 C)인 경우, 슈퍼 차져(40)에서 압축된 공기는 제2 바이패스 라인(18)을 통과하여 연료 개질기(20)로 유입될 수 있다.
엔진의 운전 조건이 중부하 영역 즉, 엔진이 적절한 엔진 토크와 적절한 엔진 회전수를 가질 때만 외부의 공기가 슈퍼 차져(40)에서 압축되고, 압축된 공기가 연료 개질기(20)로 유입되어, 연료 개질기(20)의 효율적 이용이 가능하고, 연료 개질 효율을 개선할 수 있다.
이와 같이, 연료 개질 시스템의 흡기라인에 전동식 슈퍼 차져(supercharger)를 구비함으로써, 엔진 운전 조건에 따라 엔진으로 공급되는 흡기 공기의 경로를 다르게 제어함으로써 연료 개질 시스템의 개질 효율을 증대시킬 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.
4: 바이패스 밸브 5: 흡기라인
6: 압축기 7: 터빈
8: 인터쿨러 9: 스로틀밸브
10: 엔진 15: 배기라인
16: 제1 바이패스 라인 17: EGR 라인
18: 제2 바이패스 라인 20: 연료 개질기
25: EGR 쿨러 26: EGR 밸브
30: 촉매 32: 배기압 제어밸브
40: 슈퍼 차져 100: 연료 개질 시스템

Claims (12)

  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 흡기라인으로부터 분기되며, 바이패스 밸브에 의해 외부의 공기가 상기 엔진으로 우회하여 공급되도록 구비된 제1 바이패스 라인;
    상기 제1 바이패스 라인에 구비되며, 외부의 공기를 압축하여 상기 엔진으로 공급하는 슈퍼 차져;
    상기 슈퍼 차져와 상기 연료 개질기 사이를 연결하며, 상기 슈퍼 차져에서 압축된 공기를 상기 연료 개질기로 연통시키는 제2 바이패스 라인; 및
    상기 엔진의 운전 조건에 기초하여 상기 바이패스 밸브를 제어하여 외부의 공기를 상기 엔진으로 공급되는 경로를 제어하는 공기 공급 제어부를 포함하는 연료 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 연료 개질 시스템.
  3. 제 1 항에서,
    상기 EGR 라인 후방의 배기라인에 배치되며, 배기가스에 포함된 질소산화물을 정화시키는 촉매를 더 포함하는 연료 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 연료 개질 시스템.
  5. 제 3 항에서,
    상기 촉매는 환원제를 이용하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 환원시키는 선택적환원촉매(Selective Catalytic Reducer; SCR)를 포함하는 연료 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 연료 개질 시스템.
  7. 제 6 항에서,
    상기 연료 개질기는 상기 EGR 라인의 상기 EGR 쿨러 전방에 설치되는 연료 개질 시스템.
  8. 제 1 항에서,
    상기 공기 공급 제어부는,
    상기 엔진의 운전 조건에 기초하여, 상기 바이패스 밸브가 열리거나 닫히도록 제어하는 연료 개질 시스템.
  9. 제 8 항에서,
    상기 공기 공급 제어부는,
    상기 엔진의 운전 조건이 저부하 영역인 경우 상기 바이패스 밸브가 닫히도록 제어하는 연료 개질 시스템.
  10. 제 8 항에서,
    상기 공기 공급 제어부는,
    상기 엔진의 운전 조건이 중부하 또는 고부하 영역인 경우 상기 바이패스 밸브가 열리고, 외부의 공기가 상기 제1 바이패스 라인을 통과하여 상기 슈퍼 차져로 유입되도록 제어하는 연료 개질 시스템.
  11. 제 9 항에서,
    상기 공기 공급 제어부는,
    상기 엔진의 운전 조건이 중부하 영역인 경우, 상기 슈퍼 차져에서 압축된 공기가 상기 제2 바이패스 라인을 통과하여 상기 연료 개질기로 유입되도록 제어하는 연료 개질 시스템.
  12. 제 1 항에서,
    상기 엔진의 운전 조건은 엔진의 분당 회전수(RPM) 및 엔진 부하(torque)인 연료 개질 시스템.
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