KR20180130921A - 환원제 공급 시스템 - Google Patents

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에이치에스디엔진 주식회사
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Abstract

본 발명은 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원 반응에 사용될 환원제를 공급하는 환원제 공급 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 환원제 공급 시스템은 환원제를 분사하는 분사 노즐과, 질소산화물을 저감시키기 위해 요구되는 환원제를 상기 분사 노즐에 공급하는 환원제 공급부와, 환원제를 분사하기 위해 필요한 압축 공기를 상기 분사 노즐에 공급하는 공기 공급부, 그리고 상기 공기 공급부가 공급하는 공기의 현재 압력에 따라 상기 분사 노즐에 공급되는 환원제의 공급량을 조절하는 제어부를 포함한다.

Description

환원제 공급 시스템{REDUCTANT SUPPLY SYSTEM}
본 발명은 환원제 공급 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위해 선택적 촉매 환원 반응에 사용되는 환원제를 공급하기 위한 환원제 공급 시스템에 관한 것이다.
산업화가 급속하게 진전됨에 따라 석유나 석탄과 같은 각종 화석 연료의 사용량이 증가하게 되었다. 이로 인하여 화석 연료의 연소 과정에서 배출되는 각종 유해 가스가 심각한 대기 오염을 야기하고 있다. 대표적인 예로서 스모그(Smog) 현상이나 산성비 등을 들 수 있다.
대기 오염의 주범으로는 차량 및 선박의 엔진 또는 화력 발전소나 공장 등으로부터 배출되는 배기가스의 황산화물(SOx)이나 질소산화물(NOx)이 있다. 이 중에서 질소산화물을 저감시키기 위한 대표적인 설비로 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템이 있다. 선택적 촉매 환원 시스템은 촉매가 내부에 설치된 반응기에 배기가스와 환원제를 함께 통과시키면서 배기가스에 함유된 질소산화물과 환원제를 반응시켜 질소와 수증기로 환원 처리한다.
이러한 선택적 촉매 환원 시스템이 선박에 사용될 경우, 선박용 디젤 엔진에서 배출되는 질소산화물(NOx)의 배출량이 국제 해사 기구(International Maritime Organization)에서 규정한 엔진 국제 대기 오염 방지 3차 규제(IMO Tier-III)를 만족시킬 수 있어야 할 뿐만 아니라 선택적 촉매 환원 시스템의 운용에는 별도의 에너지가 소모되므로, 저비용 고효율의 탈질 설비와 함께 효과적인 운용 방법이 요구되고 있다.
또한, 선택적 촉매 환원 시스템에서 질소산화물과 반응하여 인체에 무해한 질소(N2)와 물(H2O)로 환원 처리하기 위한 환원제로는 우레아(urea) 수용액, 암모니아 수용액, 무수 암모니아 등을 사용하고 있다.
이러한 환원제는 환원제 공급 시스템을 통해 공급 및 분사된다. 그리고 환원제 공급 시스템은 질소산화물 저감을 위해 선택적 촉매 환원 시스템이 가동 중일 때에 환원제와 압축 공기를 분사 노즐에 공급하여 분사 노즐을 통해 미립화된 환원제를 고온의 가스 내 공급하게 된다. 이와 같이, 분사 노즐에 공급되는 압축 공기의 압력은 환원제를 미립화시켜 환원제 분해를 활성화시키는데 중요한 요소가 된다.
이에, 종래에는 분사 노즐에 공급되는 압축 공기의 압력이 환원제를 분사하기 위해 요구되는 압력 미만으로 낮아지면 환원제 공급을 중단하였다. 따라서, 분사 노즐에 공급되는 공기의 압력이 불안정하여 변동이 심할 경우, 환원제의 공급이 수시로 중단되면서 선택적 촉매 환원 시스템이 빈번하게 가동 정지되는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예는 분사 노즐에 공급되는 공기의 압력이 변동하는 경우에도 환원제의 공급이 중단되는 것을 최소화할 수 있는 환원제 공급 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원 반응에 사용될 환원제를 공급하는 환원제 공급 시스템은 환원제를 분사하는 분사 노즐과, 질소산화물을 저감시키기 위해 요구되는 환원제를 상기 분사 노즐에 공급하는 환원제 공급부와, 환원제를 분사하기 위해 필요한 압축 공기를 상기 분사 노즐에 공급하는 공기 공급부, 그리고 상기 공기 공급부가 공급하는 공기의 현재 압력에 따라 상기 분사 노즐에 공급되는 환원제의 공급량을 조절하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는 상기 공기 공급부가 공급하는 공기의 현재 압력이 상기 환원제 공급부가 공급하는 환원제를 분사하기 위해 요구되는 공기의 압력보다 낮을 경우, 상기 공기 공급부가 공급하는 공기의 현재 압력으로 분사 가능한 양의 환원제만 상기 분사 노즐에 공급되도록 환원제의 공급량을 조절할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 공기 공급부가 공급하는 공기의 현재 압력이 상기 환원제 공급부가 공급하는 환원제를 분사하기 위해 요구되는 공기의 압력인 제1 기준 압력 이상이면 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위해 필요한 양의 환원제를 상기 분사 노즐에 공급하고, 상기 공기 공급부가 공급하는 공기의 현재 압력이 상기 제1 기준 압력 미만이고 상기 분사 노즐이 상기 환원제를 분사하기 위해 요구되는 최소한의 압력인 제2 기준 압력 이상이면 상기 공기 공급부가 공급하는 공기의 현재 압력으로 분사 가능한 양의 환원제만 상기 분사 노즐에 공급되도록 환원제의 공급량을 조절하고, 상기 공기 공급부가 공급하는 공기의 현재 압력이 상기 제2 기준 압력 미만이면 상기 분사 노즐에 환원제의 공급을 중단시킬 수 있다.
상기한 환원제 공급 시스템은 상기 환원제 공급부와 상기 분사 노즐을 연결하는 환원제 공급 라인과, 상기 공기 공급부와 상기 분사 노즐을 연결하는 공기 공급 라인과, 상기 공기 공급 라인을 통해 공급되는 공기의 압력을 측정하는 압력 센서, 그리고 상기 환원제 공급 라인에 설치되어 환원제의 공급 유량을 조절하는 환원제 공급 제어 밸브를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 압력 센서로부터 전달받은 공기의 압력 정보에 근거하여 상기 환원제 공급 제어 밸브를 제어함으로써 상기 분사 노즐에 공급되는 환원제의 공급량을 조절할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 환원제 공급 시스템은 분사 노즐에 공급되는 공기의 압력이 변동하는 경우에도 환원제의 공급이 중단되는 것을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 환원제 공급 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 2는 도 1의 환원제 공급 시스템의 동작 순서를 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 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 실시예에 한정되지 않는다.
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.
본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 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 환원제 공급 시스템(101)을 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 공급 시스템(101)은 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원 반응(selective catalytic reduction, SCR) 시스템에 사용되어 환원 반응에 필요한 환원제를 공급한다.
일례로, 선택적 촉매 환원 시스템은 엔진에서 배출된 배기가스가 함유한 질소산화물(NOx)을 환원 반응을 통해 제거하여 배기가스의 질소산화물 함유량을 저감시킬 수 있다. 여기서, 엔진은 선박에 추진력을 공급하는 주동력원으로 사용되는 2행정 저속 디젤 엔진 또는 선박에서 발전용 또는 보조 동력원으로 사용되는 4행 중속 디젤 엔진 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
하지만, 본 발명의 일 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 엔진은 플랜트용 내연기관이거나 차량용 엔진일 수도 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 공급 시스템은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 다양한 종류의 엔진에서 배출된 배기가스의 질소산화물을 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원 시스템에 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 공급 시스템(101)은 환원제로 우레아(urea, CO(NH2)2)를 공급한다. 또한, 환원제 공급 시스템(101)은 우레아를 분해 챔버(150) 또는 증발기(evaporator)에 분사할 수 있으며, 우레아를 분해 챔버(150) 또는 증발기가 아닌 배기가스가 흐르는 배기 덕트 또는 선택적 촉매 환원 반응기에 직접 분사할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 공급 시스템(101)이 공급한 환원제인 우레아(urea, CO(NH2)2)는 열분해 또는 가수분해되어 질소산화물(NOx)을 환원시킬 암모니아(NH3)를 생성한다. 구체적으로, 환원제 공급 시스템(101)을 통해 분사된 우레아(urea, CO(NH2)2)가 분해되면, 암모니아(NH3)와 함께 이소시안산(Isocyanic acid, HNCO)이 생성된다. 그리고 이소시안산은 다시 분해되어 암모니아가 된다. 즉, 우레아가 분해되어 최종적으로 질소산화물과 반응하는 암모니아가 생성될 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 공급 시스템(101)은 분사 노즐(700), 환원제 공급부(200), 공기 공급부(300), 및 제어부(800)를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 공급 시스템(101)은 환원제 공급 라인(620), 공기 공급 라인(630), 압력 센서(870), 및 환원제 공급 제어 밸브(770)를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 공급 시스템(101)은 세정수 공급부(400), 세정수 공급 라인(640), 퍼지 라인(610), 플로 스위치(flow switch)(560), 환원제 분사 밸브(720), 세정수 밸브(740), 공기 분사 밸브(730), 퍼지 밸브(760), 및 공기 공급 제어 밸브(780)를 더 포함할 수도 있다.
분사 노즐(700)은 분해 챔버(150), 증발기, 또는 그 밖에 환원제를 분사하고자 하는 위치에 설치되어 환원제인 우레아(urea, CO(NH2)2)를 분사할 수 있다. 이때, 우레아는 수용액 형태로 분사 노즐(700)에서 분사될 수 있다. 분사 노즐(700)은 환원제와 압축 공기를 함께 공급받아 미립화된 환원제를 고온의 가스 내 분사한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 분사 노즐(700)을 복수개 사용하여 환원제인 우레아를 분사함에 따라 분사되는 환원제의 분사 입자 크기를 감소시킬 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 분사된 환원제의 입자의 크기를 줄일 수 있으므로, 환원제인 우레아를 열분해 또는 가수분해를 위하여 요구되는 체류 시간이 현저히 감소시킬 수 있다. 즉, 선택적 촉매 환원 시스템에 사용되는 분해 챔버(150) 또는 증발기(evaporator)의 크기를 감소시키거나 환원제의 분사 위치로부터 촉매가 설치된 반응기까지의 거리를 줄일 수 있다.
하지만, 본 발명의 일 실시예에서, 분사 노즐(700)이 반드시 복수개 사용되어야 하는 것은 아니며, 하나의 분사 노즐(700)이 사용될 수도 있다.
환원제 공급부(200)는 질소산화물을 저감시키기 위해 요구되는 환원제를 분사 노즐(700)에 공급한다. 엔진의 부하 변동에 따라 엔진에서 배출되는 배기가스의 배출량이 달라지므로, 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위해 요구되는 환원제의 양도 달라지게 된다. 이에, 환원제 공급부(200)는 엔진의 운전 조건 또는 배기가스의 배출 상황에 따라 적정량의 환원제가 공급될 수 있도록 환원제의 공급량을 조절할 수 있다.
구체적으로, 환원제 공급부(200)는 분사 노즐(700)에 공급할 환원제를 저장하는 환원제 저장 탱크(250)와, 환원제 저장 탱크(250)에 저장된 환원제를 공급하기 위한 환원제 공급 펌프 모듈(280)을 포함할 수 있다. 여기서, 환원제 공급 펌프 모듈(280)은 환원제 공급을 위한 펌프와, 펌프 설치를 위해 필요한 필터, 펌프용 압력 게이지, 펌프용 수동 밸브 등을 포함할 수 있다.
환원제 공급 라인(620)은 환원제 공급부(200)와 분사 노즐(700)을 연결한다. 그리고 본 발명의 일 실시예에서, 분사 노즐(700)이 복수개 마련될 경우, 환원제 공급 라인(620)은 복수개로 분기되어 복수의 분사 노즐(700)로 환원제를 분배할 수 있다.
공기 공급부(300)는 환원제를 분사하기 위해 필요한 압축 공기를 분사 노즐에 공급한다. 또한, 공기 공급부(300)가 공급하는 압축 공기는 분사 노즐(700)에서 분사되는 환원제의 미립화에 사용될 뿐만 아니라 환원제 공급 라인(620)의 세정을 위해 사용될 수 있다. 또한, 공기 공급부(300)는 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 다양한 방법으로 구성될 수 있다.
공기 공급 라인(630)은 공기 공급부(300)와 분사 노즐(700)을 연결한다. 그리고 분사 노즐(700)이 복수개 마련될 경우, 공기 공급 라인(630)도 복수개로 분기되어 복수의 분사 노즐(700)로 압축 공기를 공급할 수 있다.
압력 센서(870)는 공기 공급부(300)가 공기 공급 라인(630)을 통해 공급하는 공기의 압력을 측정한다. 그리고 압력 센서(870)가 측정한 공기의 압력 정보는 후술할 제어부에 전달된다.
환원제 공급 제어 밸브(770)는 환원제 공급 라인(620)에 설치되어 환원제의 공급 유량을 조절한다.
본 발명의 일 실시예에서, 제어부(800)는 공기 공급부(300)가 공급하는 공기의 현재 압력에 따라 분사 노즐(700)에 공급되는 환원제의 공급량을 조절한다.
구체적으로, 제어부(800)는 공기 공급부(300)가 공급하는 공기의 현재 압력이 환원제 공급부(200)가 공급하는 환원제를 분사하기 위해 요구되는 공기의 압력보다 낮을 경우, 공기 공급부(300)가 공급하는 공기의 현재 압력으로 분사 가능한 양의 환원제만 분사 노즐(700)에 공급되도록 환원제의 공급량을 조절한다. 이때, 제어부(800)는 환원제 공급 제어 밸브(770)를 제어하여 분사 노즐(700)에 공급되는 환원제의 공급량을 조절한다.
즉, 제어부(800)는 압력 센서(870)로부터 전달받은 공기의 압력 정보에 근거하여 공기의 현재 압력으로 분사 가능한 양의 환원제가 분사 노즐(700)에 공급되도록 환원제 공급 제어 밸브(770)를 제어한다.
공기 공급 제어 밸브(780)는 공기 공급부(300)가 공급하는 공기를 분사 노즐(700)에 일정한 압력으로 공급할 수 있도록 공기의 공급 유량을 조절하거나 분사 노즐(700)에 대한 공기의 공급을 중단시킬 수 있다.
세정수 공급부(400)는 분사 노즐(700)에 세정수를 공급한다. 세정수 공급부(400)가 공급하는 세정수는 분사 노즐(700)로의 환원제 공급이 중단된 후 환원제 공급 라인(620)이나 분사 노즐(700)에 잔존하는 환원제를 제거하기 위해 사용된다.
세정수 공급 라인(640)은 세정수 공급부(400)와 환원제 공급 라인(620)을 연결한다.
퍼지(purge) 라인(610)은 공기 공급 라인(630)과 환원제 공급 라인(620)을 연결한다. 퍼지 라인(610)에 의해 공기 공급부(300)가 공급하는 압축 공기를 이용하여 환원제 공급 라인(620)에 잔존하는 환원제를 제거할 수 있게 된다.
환원제 분사 밸브(720)는 환원제 공급 라인(620) 상에 설치되어 분사 노즐(700)의 환원제 분사 여부를 제어한다. 일례로, 환원제 분사 밸브(720)는 환원제가 분사 노즐(700)을 통해 분사되는 것을 온오프(on-off) 제어할 수 있다.
또한, 환원제 공급 라인(620)이 복수개로 분기된 경우, 환원제 분사 밸브(720)는 복수개로 분기된 복수의 환원제 공급 라인(620) 마다 각각 설치될 수 있다. 즉, 복수의 환원제 분사 밸브(720)가 복수의 환원제 공급 라인(620)마다 설치되어 복수의 분사 노즐(700)을 개별적으로 제어할 수 있다.
공기 분사 밸브(730)는 공기 공급 라인(630)에 설치되어 분사 노즐(700)의 압축 공기 분사 여부를 제어한다. 일례로, 공기 분사 밸브(730)는 압축 공기가 공기 공급 라인(630)을 통해 복수의 분사 노즐(700)로 공급되는 것을 온오프(on-off) 제어할 수 있다.
세정수 밸브(740)는 세정수 공급 라인(640)에 설치되어 세정수 공급부(400)가 공급하는 세정수의 공급 여부를 제어한다. 일례로, 세정수 밸브(740)는 세정수가 세정수 공급 라인(640)을 통해 환원제 공급 라인(620)으로 공급되는 것을 온오프(on-off) 제어할 수 있다.
퍼지 밸브(760)는 퍼지 라인(610)에 설치되어 퍼지 라인(610)을 통해 이동하는 압축 공기의 흐름을 제어한다. 일례로, 퍼지 밸브(760)는 압축 공기가 퍼지 라인(610)을 통해 공기 공급 라인(630)에서 환원제 공급 라인(620)으로 이동하는 것을 온오프(on-off) 제어할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는, 환원제 분사가 정지된 후 세정수 공급부(400)와 공기 공급부(300)의 동작시키고 세정수 밸브(740)와 퍼지 밸브(760)를 개방시켜, 세정수 공급부(400)는 세정수 공급 라인(640)을 통해 세정수를 공급하게 하고 공기 공급부(300)는 퍼지 라인(610)을 통해 압축 공기를 공급하게 하여 퍼지(purge)를 수행함으로써, 잔존하는 환원제 또는 이물질을 제거하거나 분사 노즐(700)의 막힘 현상을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서, 플로 스위치(flow switch)(560)는 퍼지 밸브(760)와 공기 공급 라인(630) 사이의 퍼지 라인(610) 상에 설치된다.
플로 스위치(560)는 플로 스위치(560)가 설치된 배관 내부에 유체의 흐름이 감지되면 온 신호를 발생하고, 배관 내부에 유체의 흐름이 비감지되면 오프 신호를 발생한다. 이러한 동작 원리를 이용하여 플로 스위치(560)가 분사 노즐(700)의 폐색을 진단할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 분사 노즐(700)이 복수개 마련되고, 환원제 공급 라인(620)은 복수개로 분기되어 복수의 분사 노즐(700)로 환원제를 분배하며, 환원제 분사 밸브(720)는 복수개로 분기된 복수의 환원제 공급 라인(620) 마다 각각 설치될 수 있다. 그리고 환원제 분사 밸브(720)를 모두 폐쇄시킨 상태에서 퍼지 밸브(760)를 개방하고, 복수의 환원제 공급 라인(620) 마다 각각 설치된 환원제 분사 밸브(720)를 순차적으로 하나씩 개방시킨다. 그리고 퍼지 라인(610) 상에 설치된 플로 스위치(560)를 통해 현재 개방된 환원제 분사 밸브(720)가 설치된 환원제 공급 라인(620)과 연결된 분사 노즐(700)의 폐색 여부를 진단할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 환원제 공급 라인(620) 마다 각각 설치된 환원제 분사 밸브(720) 중 어느 하나의 환원제 분사 밸브(720)를 개방하였는데, 플로 스위치(560)가 오프 신호를 발생하면, 해당 환원제 분사 밸브(720)가 설치된 환원제 공급 라인(620)과 연결된 분사 노즐(700)이 폐색된 것으로 진단할 수 있다. 반대로, 플로 스위치(560)가 온 신호를 발생하면, 해당 분사 노즐(700)은 정상적으로 환원제를 분사할 수 있는 상태로 진단할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 분사 노즐(700)의 폐색 여부를 진단할 수 있을 뿐만 아니라 환원제 공급 시스템(101)이 복수의 분사 노즐(700)을 사용하는 경우에 복수의 분사 노즐(700) 중 폐색된 분사 노즐(700)을 정확하게 진단할 수 있다.
일례로, 플로 스위치(560)는 다이어프램 방식, 패들 방식, 또는 리드 스위치 방식 중 하나일 수 있다. 다이어프램 방식의 플로 스위치(560)는 유체가 통과하는 구멍과 다이어프램의 차압을 이용하여 유량을 검출하는 방식이다. 패들 방식의 플로 스위치(560)는 유체 흐름 발생시 패들이 움직이면서 흐름을 감지하는 방식이다. 리드 스위치 방식의 플로 스위치(560)는 유체가 흐를 경우 자기장이 발생되어 접점이 동작하는 원리를 이용한 방식이다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 공급 시스템(101)은 분사 노즐(700)에 공급되는 공기의 압력이 변동하는 경우에도 환원제의 공급이 중단되는 것을 최소화할 수 있다.
구체적으로, 환원제의 분사를 위해 공급되는 공기의 압력이 저하되면, 공기의 현재 압력에 맞춰 환원제의 공급량도 조절함으로써, 환원제 공급 시스템(101)의 가동이 중단되는 것을 억제할 수 있다. 즉, 분사 노즐(700)에 공급 가능한 공기의 압력이 저하된 경우에도, 환원제를 공기의 현재 압력에 맞춰 소량으로 공급함으로써, 환원제 공급 시스템(101)의 가동을 지속적이고 안정적으로 유지할 수 있다.
이에, 환원제의 공급이 중단되어 선택적 촉매 환원 시스템 전체가 가동 중단되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 분사 노즐(700)의 폐색 여부를 확인할 수 있을 뿐만 아니라 분사 노즐(700)이 복수개로 설치된 경우에도 복수의 분사 노즐(700) 중에서 어느 분사 노즐(700)이 폐색되었는지 진단할 수 있다.
또한, 복수의 분사 노즐(700)을 사용한 경우, 환원제인 우레아를 분사함으로써, 환원제의 분사 입자를 감소시킬 수 있다. 그리고 환원제의 분사 입자를 감소시킴으로써, 환원제의 열분해 또는 가수분해를 위해 요구되는 체류 시간을 줄여 분해 챔버(150) 또는 증발기(evaporator)의 크기를 감소시키거나 환원제의 분사 위치로부터 촉매가 설치된 반응기까지의 거리를 줄일 수 있다. 이에, 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템의 전체적인 구성을 간소화시키는데 기여할 수 있다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 공급 시스템(101)의 동작 원리를 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 먼저 공기 공급부(300)가 분사 노즐(700)에 공급하는 공기의 현재 압력을 압력 센서(870)로 측정한다. 그리고 제어부(700)는 측정된 공기의 현재 압력에 따라 정상 가동 모드, 비상 가동 모드, 또는 가동 중단 모드 중 어느 한 모드로 구분 동작한다.
정상 가동 모드는 측정된 공기의 현재 압력이 제1 기준 압력 이상일 때 선택된다. 여기서, 제1 기준 압력은 환원제 공급부(200)가 공급하는 환원제를 분사하기 위해 요구되는 공기의 압력이다. 그리고 제1 기준 압력은 엔진의 종류와 배기량, 그리고 사용되는 연료의 종류에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
정상 가동 모드에서는 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위해 필요한 양의 환원제가 분사 노즐에 공급된다. 즉, 정상 가동 모드에서는, 공기 공급부(300)가 환원제의 분사에 필요한 압축 공기를 일정하게 공급하고, 환원제 공급부(200)가 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위해 필요한 만큼의 환원제를 정상 공급한다.
비상 가동 모드는 측정된 공기의 현재 압력이 제1 기준 압력 미만이고 제2 기준 압력 이상일 때 선택된다. 여기서, 제2 기준 압력은 분사 노즐(700)이 환원제를 분사하기 위해 요구되는 최소한의 압력이다. 즉, 분사 노즐(700)에 공급되는 공기의 압력이 제2 기준 압력에 미치지 못하면 소량의 환원제도 안정적으로 분사할 수 없다. 그리고 제2 기준 압력은 분사 노즐(700)의 종류와, 크기, 그리고 개수에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
비상 가동 모드에서는 공기 공급부(300)가 공급하는 공기의 현재 압력으로 분사 가능한 양의 환원제만 분사 노즐(700)에 공급되도록 환원제의 공급량을 조절한다. 즉, 비상 가동 모드에서는, 분사 노즐(700)에 현재 공급 가능한 공기의 압력을 확정하고, 확정된 공기의 압력에 대응하는 환원제의 적정 공급량을 산출한다. 그리고 제어부(700)는 산출된 공급량만큼의 환원제가 분사 노즐(700)에 공급될 수 있도록 환원제 공급 제어 밸브(770)를 제어하여 환원제를 비상 공급한다.
가동 중단 모드는 측정된 공기의 현재 압력이 제2 기준 압력 미만일 때 선택된다. 공기의 압력이 제2 기준 압력 미만이면, 소량의 환원제도 안정적으로 분사할 수 없으므로, 제어부(700)는 공기 공급 제어 밸브(780)를 제어하여 분사 노즐(700)에 대한 압축 공기의 공급을 중단한다. 그리고 제어부(700)는 분사 노즐에 대한 환원제의 공급도 중단한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 분사 노즐(700)에 공급되는 공기의 압력이 질소산화물을 저감시키기 위해 요구되는 환원제를 분사시키기에 충분하지 못한 경우에도, 환원제의 공급을 중단하지 않고 분사 노즐(700)을 통해 소량의 환원제라도 지속적이고 안정적으로 공급할 수 있다.
따라서, 선택적 촉매 환원 시스템 전체가 가동 중단되는 것을 억제할 수 있으며, 분사 노즐(700)에 공급할 공기의 압력이 충분히 높아지면 즉시 환원제의 공급량도 정상 수준으로 회복시킬 수 있게 된다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
101: 환원제 공급 시스템
200: 환원제 공급부
250: 환원제 저장 탱크
280: 환원제 공급 펌프 모듈
300: 공기 공급부
400: 세정수 공급부
560: 플로 스위치
610: 퍼지 라인
620: 환원제 공급 라인
630: 공기 공급 라인
640: 세정수 공급 라인
700: 분사 노즐
720: 환원제 분사 밸브
730: 공기 분사 밸브
740: 세정수 밸브
760: 퍼지 밸브
770: 환원제 공급 제어 밸브
780: 공기 공급 제어 밸브
800: 제어부
870: 압력 센서

Claims (5)

  1. 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 선택적 촉매 환원 반응에 사용될 환원제를 공급하는 환원제 공급 시스템에 있어서,
    환원제를 분사하는 분사 노즐;
    질소산화물을 저감시키기 위해 요구되는 환원제를 상기 분사 노즐에 공급하는 환원제 공급부;
    환원제를 분사하기 위해 필요한 압축 공기를 상기 분사 노즐에 공급하는 공기 공급부; 및
    상기 공기 공급부가 공급하는 공기의 현재 압력에 따라 상기 분사 노즐에 공급되는 환원제의 공급량을 조절하는 제어부
    를 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 공기 공급부가 공급하는 공기의 현재 압력이 상기 환원제 공급부가 공급하는 환원제를 분사하기 위해 요구되는 공기의 압력보다 낮을 경우, 상기 공기 공급부가 공급하는 공기의 현재 압력으로 분사 가능한 양의 환원제만 상기 분사 노즐에 공급되도록 환원제의 공급량을 조절하는 것을 특징으로 하는 환원제 공급 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 공기 공급부가 공급하는 공기의 현재 압력이 상기 환원제 공급부가 공급하는 환원제를 분사하기 위해 요구되는 공기의 압력인 제1 기준 압력 이상이면 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위해 필요한 양의 환원제를 상기 분사 노즐에 공급하고,
    상기 공기 공급부가 공급하는 공기의 현재 압력이 상기 제1 기준 압력 미만이고 상기 분사 노즐이 상기 환원제를 분사하기 위해 요구되는 최소한의 압력인 제2 기준 압력 이상이면 상기 공기 공급부가 공급하는 공기의 현재 압력으로 분사 가능한 양의 환원제만 상기 분사 노즐에 공급되도록 환원제의 공급량을 조절하고,
    상기 공기 공급부가 공급하는 공기의 현재 압력이 상기 제2 기준 압력 미만이면 상기 분사 노즐에 환원제의 공급을 중단시키는 것을 특징으로 하는 환원제 공급 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환원제 공급부와 상기 분사 노즐을 연결하는 환원제 공급 라인;
    상기 공기 공급부와 상기 분사 노즐을 연결하는 공기 공급 라인;
    상기 공기 공급 라인을 통해 공급되는 공기의 압력을 측정하는 압력 센서; 및
    상기 환원제 공급 라인에 설치되어 환원제의 공급 유량을 조절하는 환원제 공급 제어 밸브
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 환원제 공급 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 압력 센서로부터 전달받은 공기의 압력 정보에 근거하여 상기 환원제 공급 제어 밸브를 제어함으로써 상기 분사 노즐에 공급되는 환원제의 공급량을 조절하는 것을 특징으로 하는 환원제 공급 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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