KR20190072341A - 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 배기가스가 상기 EGR 라인으로 분기되어 흐르는 EGR 가스를 연료와 혼합시키고, 상기 EGR 가스에 혼합된 연료를 개질시켜 개질가스로 변환시키는 연료 개질기, 및 상기 배기라인에 배치되며, 상기 연료 개질기 전단에서 배기가스에 포함된 질소산화물을 정화시키는 촉매를 포함하고, 상기 연료 개질기는, 배기가스가 각각 유입 및 유출되는 배기가스 유입구 및 배기가스 유출구를 구비하며, 배기가스가 통과하는 외부 하우징과, 상기 외부 하우징 내에 구비되며, 연료와 EGR 가스가 각각 유입 및 유출되는 EGR 유입구 및 EGR 유출구를 구비하며, 혼합된 연료와 EGR 가스가 통과하는 내부 하우징과, 상기 내부 하우징에 구비되며, 혼합된 연료를 개질시키는 개질촉매부, 및 상기 외부 하우징의 내주면과 상기 내부 하우징의 외주면 사이에 구비되어 배기가스의 배기열을 상기 개질촉매부에 전달하는 열교환부를 포함한다.

Description

연료 개질 시스템{FUEL REFORMING SYSTEM}
본 발명은 연료 개질 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 연료 개질기 내에 열교환 구조를 구비하는 연료 개질 시스템에 관한 것이다.
지구상의 가장 가볍고 단순한 구조의 물질인 수소(Hydrogen)는 가솔린과 비교하여 약 6배의 화염전파속도(Laminar Flame Velocity), 약 3배의 저위발열량(Lower Heating Value)의 이화학적 특성을 갖고 있다. 따라서, 가솔린과 수소를 적절히 혼합하여 연소시, 빨라진 연소 속도로 인해 연소 안정성을 향상시켜 희박 한계를 확장하거나 배기가스(배가스) 재순환(exhaust gas recirculation; EGR) 공급량을 증대시켜 열효율 개선이 가능하다.
한편, 연료 개질기(fuel reformer)는 엔진에서 배출되는 고온 배기가스 열에너지와 연료 개질기에 공급되는 별도의 가솔린 연료가 연료 개질기 내 촉매에서 반응하여 수소를 생성하는 시스템이다.
연료 개질 효율 향상을 위해서, 충분한 개질 촉매의 활성화 온도 확보가 중요하다. 그런데, 연료 개질을 위한 충분한 활성화 온도 확보를 위해, EGR 가스를 충분히 가열해야 하나, 운전 조건과 EGR 가스 공급량에 따라 활성화 온도 확보에 어려움이 있다. 특히, 연료 개질기 내 믹싱부에서 연료와 EGR 가스가 혼합되면서 혼합가스의 온도 저하량이 높아 개질 효율이 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하고자 개발된 것으로, 연료 개질기 내 혼합가스와 배기가스의 열교환 구조를 도입함으로써, 개질 반응을 위한 개질 촉매 활성화 온도를 충분히 확보하기 위한 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 배기가스가 상기 EGR 라인으로 분기되어 흐르는 EGR 가스를 연료와 혼합시키고, 상기 EGR 가스에 혼합된 연료를 개질시켜 개질가스로 변환시키는 연료 개질기, 및 상기 배기라인에 배치되며, 상기 연료 개질기 전단에서 배기가스에 포함된 질소산화물을 정화시키는 촉매를 포함하고, 상기 연료 개질기는, 배기가스가 각각 유입 및 유출되는 배기가스 유입구 및 배기가스 유출구를 구비하며, 배기가스가 통과하는 외부 하우징과, 상기 외부 하우징 내에 구비되며, 연료와 EGR 가스가 각각 유입 및 유출되는 EGR 유입구 및 EGR 유출구를 구비하며, 혼합된 연료와 EGR 가스가 통과하는 내부 하우징과, 상기 내부 하우징에 구비되며, 혼합된 연료를 개질시키는 개질촉매부, 및 상기 외부 하우징의 내주면과 상기 내부 하우징의 외주면 사이에 구비되어 배기가스의 배기열을 상기 개질촉매부에 전달하는 열교환부를 포함하고, 상기 연료 개질기는, 배기열 회수를 통한 상기 EGR 가스의 온도 상승으로 상기 개질촉매부의 촉매 활성화 온도를 상승시켜 개질 운전 영역을 확대하도록 한다.
상기 열교환부는, 상기 개질촉매부에 대응되는 위치에 구비되며, 상기 개질촉매부를 둘러싸는 형태의 허니콤(honeycomb) 구조로 형성될 수 있다.
상기 열교환부는, 배기가스가 통과하는 방향으로 배치된 복수의 핀을 갖는 구조로 형성될 수 있다.
상기 복수의 핀은 금속 재질로 이루어질 수 있다.
상기 개질촉매부를 통과하는 혼합된 연료와 EGR 가스와 상기 외부 하우징을 통과하는 배기가스는 서로 반대 방향으로 흐를 수 있다.
한편, 본 발명에 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 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, 개질가스의 유량을 조절하는 EGR 밸브, 및 상기 EGR 밸브 후단에 구비되어 개질가스를 냉각시키는 EGR 쿨러가 설치될 수 있다.
상기 연료 개질기는 상기 EGR 라인의 상기 EGR 쿨러 전방에 설치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연료 개질기 내 혼합가스와 배기가스의 열교환 구조를 도입함으로써, 개질 반응을 위한 개질 촉매 활성화 온도를 충분히 확보하여 수소 생성을 극대화할 수 있고 개질 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질기를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
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 개질 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료 개질 시스템(100)은 엔진(10)과, 흡기라인(5)과, 배기라인(15)과, 연료 개질기(20), 및 촉매(30)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.
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, 배기가스가 EGR 라인(17)을 통해 분기되어 흐르는 EGR 가스를 연료와 혼합시키고, EGR 가스에 혼합된 연료를 개질시킨다.
촉매(30)는 배기라인(15)에 배치되며, 연료 개질기(20) 전단에서 배기가스에 포함된 질소산화물을 정화시킨다.
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.
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.
연료 개질기(20) 후단의 배기라인(15)에는 배기가스의 유량을 조절하는 배기압 제어밸브(32)가 구비될 수 있다.
한편, EGR 라인(17)에는, 개질가스의 유량을 조절하는 EGR 밸브(26), 및 EGR 밸브(26) 후단에 구비되어 개질가스를 냉각시키는 EGR 쿨러(25)가 설치될 수 있다.
이 때, 연료 개질기(20)는 EGR 라인(17)의 EGR 쿨러(25) 전방에 설치될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질기를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 연료 개질기(20)는 외부 하우징(40), 내부 하우징(50), 개질촉매부(60), 및 열교환부(70)를 포함한다.
외부 하우징(40)은 연료 개질기(20)의 외형을 이루며, 외부 하우징(40)의 일측에는 배기가스가 유입되는 배기가스 유입구(42)가 형성되어 있고, 외부 하우징(40)의 타측에는 배기가스가 유출되는 배기가스 유출구(44)가 형성되어 있다. 연료 개질기(20) 전단에 구비된 촉매(30)를 거쳐 배기라인(15)을 통해 흐르는 배기가스가 배기가스 유입구(42)를 통해 연료 개질기(20) 내부로 유입된 후, 배기가스 유출구(44)를 통해 배기라인(15)으로 유출된다.
내부 하우징(50)은 외부 하우징(40) 내에 구비되며, 내부 하우징(50)의 일측에는 연료와 EGR 가스가 유입되는 EGR 유입구(52)가 형성되어 있고, 내부 하우징(50)의 타측에는 연료와 EGR 가스가 유출되는 EGR 유출구(54)가 형성되어 있다. EGR 라인(17)을 통해 흐르는 연료와 EGR 가스는 EGR 유입구(52)를 통해 연료 개질기(20) 내부로 유입된 후, EGR 유출구(54)를 통해 EGR 라인(17)으로 유출된다.
개질촉매부(60)는 내부 하우징(50)에 구비되며, EGR 유입구(52)를 통해 유입된 혼합된 연료와 EGR 가스를 개질시킨다.
열교환부(70)는 외부 하우징(40)의 내주면과 내부 하우징(50)의 외주면 사이에 구비된다. 배기가스 유입구(42)를 통해 유입된 배기가스가 열교환부(70)를 따라 흐르면서, 배기가스의 배기열을 개질촉매부(60)에 전달한다.
이 때, 열교환부(70)는 개질촉매부(60)에 대응되는 위치에 구비되며, 개질촉매부(60)를 둘러싸는 형태의 허니콤(honeycomb) 구조로 형성된다. 또한, 열교환부(70)는 배기가스가 통과하는 방향으로 배치된 복수의 금속 재질의 핀을 갖는 구조로 형성될 수 있다.
열교환부(70)를 복수의 핀을 갖는 허니콤 구조로 형성함으로써, 배기가스가 열교환부(70)에서 정체되어 충분한 시간을 가지면서 효율적으로 배기가스의 배기열이 개질촉매부(60)에 전달될 수 있다.
또한, 개질촉매부(60)를 통과하는 혼합된 연료와 EGR 가스가 흐르는 방향과 외부 하우징(40)을 통과하는 배기가스는 서로 반대 방향으로 흐르도록 설정될 수 있다. 이러한 방향 설정에 따라서, 배기가스 유입구(42)를 통해 유입되는 배기가스의 고온의 열이 비교적 저온 상태인, EGR 유출구(54)에 가까운 EGR 가스에 전달되고, 열교환부(70)를 거쳐 흘러가면서 비교적 저온 상태로 된 배기가스의 열은 배기가스 유출구(44) 쪽에서 비교적 고온 상태의 EGR 가스에 전달된다. 즉, EGR 가스와 배기가스의 흐름을 반대 방향으로 함으로써, 연료 개질기 전체적으로 고른 온도로 효과적인 열교환을 수행하도록 할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 연료 개질기 내 혼합가스와 배기가스의 열교환 구조를 도입함으로써, 개질 반응을 위한 개질 촉매 활성화 온도를 충분히 확보하여 수소 생성을 극대화할 수 있고 개질 효율을 향상시킬 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: 연료 개질기 25: EGR 쿨러
26: EGR 밸브 30: 촉매
32: 배기압 제어밸브 40: 외부 하우징
42: 배기가스 유입구 44: 배기가스 유출구
50: 내부 하우징 52: EGR 유입구
54: EGR 유출구 60: 개질촉매부
70: 열교환부

Claims (8)

  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 배기가스가 상기 EGR 라인으로 분기되어 흐르는 EGR 가스를 연료와 혼합시키고, 상기 EGR 가스에 혼합된 연료를 개질시켜 개질가스로 변환시키는 연료 개질기; 및
    상기 배기라인에 배치되며, 상기 연료 개질기 전단에서 배기가스에 포함된 질소산화물을 정화시키는 촉매를 포함하고,
    상기 연료 개질기는,
    배기가스가 각각 유입 및 유출되는 배기가스 유입구 및 배기가스 유출구를 구비하며, 배기가스가 통과하는 외부 하우징;
    상기 외부 하우징 내에 구비되며, 연료와 EGR 가스가 각각 유입 및 유출되는 EGR 유입구 및 EGR 유출구를 구비하며, 혼합된 연료와 EGR 가스가 통과하는 내부 하우징;
    상기 내부 하우징에 구비되며, 혼합된 연료를 개질시키는 개질촉매부; 및
    상기 외부 하우징의 내주면과 상기 내부 하우징의 외주면 사이에 구비되어 배기가스의 배기열을 상기 개질촉매부에 전달하는 열교환부를 포함하고,
    상기 연료 개질기는, 배기열 회수를 통한 상기 EGR 가스의 온도 상승으로 상기 개질촉매부의 촉매 활성화 온도를 상승시켜 개질 운전 영역을 확대하도록 하는 연료 개질 시스템.
  2. 제 1 항에서,
    상기 열교환부는,
    상기 개질촉매부에 대응되는 위치에 구비되며, 상기 개질촉매부를 둘러싸는 형태의 허니콤(honeycomb) 구조로 형성되는 연료 개질 시스템.
  3. 제 2 항에서,
    상기 열교환부는,
    배기가스가 통과하는 방향으로 배치된 복수의 핀을 갖는 구조로 형성되는 연료 개질 시스템.
  4. 제 3 항에서,
    상기 복수의 핀은 금속 재질로 이루어지는 연료 개질 시스템.
  5. 제 1 항에서,
    상기 개질촉매부를 통과하는 혼합된 연료와 EGR 가스와 상기 외부 하우징을 통과하는 배기가스는 서로 반대 방향으로 흐르는 연료 개질 시스템.
  6. 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.
  7. 제 1 항에서,
    상기 EGR 라인에는,
    개질가스의 유량을 조절하는 EGR 밸브, 및
    상기 EGR 밸브 후단에 구비되어 개질가스를 냉각시키는 EGR 쿨러가 설치되는 연료 개질 시스템.
  8. 제 7 항에서,
    상기 연료 개질기는 상기 EGR 라인의 상기 EGR 쿨러 전방에 설치되는 연료 개질 시스템.
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