KR20190095668A - 엔진 배기가스의 질소산화물 저감장치 및 저감방법 - Google Patents

엔진 배기가스의 질소산화물 저감장치 및 저감방법 Download PDF

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Abstract

엔진의 유해 배기가스로부터 효과적으로 질소산화물을 저감시키면서 에너지 소모량이 적어 엔진연비가 떨어지는 것을 최소화할 수 있는 배기가스의 질소산화물 저감장치 및 저감방법이 제공된다. 이 엔진 배기가스의 질소산화물 저감장치는, 배기가스에 직접적으로 고전압 나노펄스를 인가하여 나노펄스 스트리머 방전을 생성하는 나노펄스 스트리머 처리기; 다이오드 스위치를 이용하여 1 내지 100ns의 폭을 가지는 고전압 나노펄스를 생성하여 나노펄스 스트리머 처리기에 제공하는 고전압 나노펄스 생성기; 나노펄스 스트리머 처리기를 통과한 배기가스에 대하여 선택적 촉매 환원 반응을 수행하는 선택적 촉매 환원기; 및 선택적 촉매 환원기에 환원제를 제공하는 환원제 공급부를 포함한다.

Description

엔진 배기가스의 질소산화물 저감장치 및 저감방법{Apparatus for reducing nitrogen oxide in exhaust gas of engine and method for reducing nitrogen oxide by using the same}
본 발명은 질소산화물 저감장치 및 저감방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 엔진의 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
디젤 엔진은 토크가 크고 연비가 우수한 특성으로 인하여 전세계적으로 많은 관심을 받고 있다. 또한, 동일한 배기량이라고 가정한다면 휘발유 엔진보다 소비하는 연료량이 적기 때문에 유해 배기가스의 배출량도 적은 편이다. 하지만 디젤 연료 고유의 특성 때문에 디젤 엔진으로부터 배출되는 유기물질은 휘발유 엔진보다 더 큰 사회적 이슈로 부가되고 있다.
주로 디젤 엔진에서 발생되는 유해물질로는 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 흔히 매연으로 알려진 입자상 물질(Particulate Matter, PM), 질소산화물(NOx) 등이 있다. 이 중 일산화탄소를 사람이 흡입할 경우 헤모글로빈과 쉽게 결합하여 체내 산소운반 작용을 저해하여 조직의 저산소증으로 인한 중독 내지 사망을 유발할 수 있다. 질소산화물은 탄화수소와 광화학 반응을 하여 스모그 및 오존의 원인이 되기도 한다. 또한 질소산화물은 황산화물과 함께 산성비를 유발하며, 입자상 물질은 최근 폐암의 원인으로 밝혀지기도 했다.
이러한 디젤엔진의 유해가스 중에서 가장 환경적 이슈가 되는 것 중 하나는 질소산화물이다. 최근 디젤 자동차의 배기가스 규제를 위한 유로 6(EURO 6)가 전세계적으로 시행 중인데, 과거 유로 5(EURO 5)에 비해 질소산화물 배출량을 0.18 g/km에서 0.08 g/km로 절반 이상 저감할 것을 요구하고 있다. 유로 6의 기준을 통과하지 못하면 자동차를 생산하거나 수입하는 것이 금지되기 때문에, 디젤 자동차 업계는 유해 배기가스, 특히 질소산화물을 저감하기 위하여 많은 처리장치들을 개발하고 있다.
종래에는 중대형 디젤 자동차에 대한 질소산화물 저감을 위해 선택적 촉매 환원(Selective Catalytic Reduction, SCR) 장치가 사용되고 있다. SCR 장치는 촉매를 이용하여 질소산화물(NOx)을 질소(N2)와 수증기(H2O)로 변환시키는 원리로 동작한다. 종래 SCR 장치는, 이산화질소(NO2)에 대한 처리효율은 좋으나 일산화질소(NO)에 대해서는 처리효율이 떨어지는 것으로 알려져 있다. 한편, 디젤엔진의 배기가스에 포함된 대표적인 질소산화물로는 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)가 있는데, 일산화 질소(NO)가 이산화질소(NO2)보다 휠씬 높은 농도(NO/NOx가 약 90%)로 존재한다. 따라서, 종래 SCR 장치로는 많은 양의 일산화질소를 처리하지 못하여 실질적으로 탈질효율이 떨어지는 문제가 있다. 이와 같은 문제는 배기가스 중 질소산화물의 문제는 비단 디젤엔진에만 한정되는 것이 아니라 가스연료를 사용하는 가스엔진(CNG 엔진, LNG 엔진 등)에도 동일하게 발생하고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 엔진의 유해 배기가스로부터 효과적으로 질소산화물을 저감시키면서 에너지 소모량이 적어 엔진연비가 떨어지는 것을 최소화할 수 있는 배기가스의 질소산화물 저감장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 이러한 저감장치를 이용한 엔진 배기가스의 질소산화물 저감방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 나노펄스를 이용하여 엔진의 배기가스 중 질소산화물을 저감시키는 장치는, 상기 배기가스에 직접적으로 고전압 나노펄스를 인가하여 나노펄스 스트리머 방전을 생성하는 나노펄스 스트리머 처리기; 다이오드 스위치를 이용하여 1 내지 100ns의 폭을 가지는 상기 고전압 나노펄스를 생성하여 상기 나노펄스 스트리머 처리기에 제공하는 고전압 나노펄스 생성기; 상기 나노펄스 스트리머 처리기를 통과한 상기 배기가스에 대하여 선택적 촉매 환원 반응을 수행하는 선택적 촉매 환원기; 및 상기 선택적 촉매 환원기에 환원제를 제공하는 환원제 공급부를 포함한다.
상기 나노펄스 스트리머 처리기는, 상기 배기가스 내의 O2를 O 또는 O3로 분해 또는 합성시키고, 상기 배기가스 내의 일산화질소를 이산화질소로 변환시킬 수 있다.
상기 고전압 나노펄스 생성기는, 전원으로부터 충전전압을 생성하는 제1 충전부; 상기 제1 충전부 일단에 연결되고 고주파 신호에 따라 온오프 동작을 수행하면서 상기 충전전압을 펄스신호로 변환하는 온오프 스위치; 상기 펄스신호를 고전압으로 승압하는 펄스 트랜스포머; 상기 펄스트랜스포머로부터 승압된 고전압 펄스신호의 펄스 폭을 압축하는 펄스폭 압축부; 압축된 상기 고전압 펄스신호를 충전하는 제2 충전부; 및 상기 제2 충전부의 충전 시에는 다이오드로 작동하고, 상기 제2 충전부의 방전 시에는 역방향 회복 시간 동안 고전압 나노펄스를 출력하는 다이오드 스위치를 포함할 수 있다.
상기 온오프 스위치는 IGBT 회로로 이루어지고, 상기 펄스폭 압축부와 상기 제2 충전부 사이에 상기 고전압 펄스신호를 추가 승압하는 제2 펄스 트랜스포머를 더 포함할 수 있다.
상기 고전압 나노펄스의 전압은 5 내지 200kV일 수 있다.
상기 고전압 나노펄스 생성기는, 상기 배기가스의 배출 사이클에 따라 상기 고전압 나노펄스의 인가 전압의 크기를 제어할 수 있다.
상기 고전압 나노펄스 생성기는, 상기 배기가스의 배출 사이클에 따라 상기 고전압 나노펄스의 인가 주기를 제어할 수 있다.
상기 나노펄스 스트리머 방전을 생성하는 동안, 상기 나노펄스 스트리머 처리기 내의 상기 배기가스에 자기장을 인가하는 자기장 인가부를 더 포함할 수 있다.
상기 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 배기가스의 질소산화물 저감방법은, 다이오드 스위치를 이용하여 1 내지 100ns의 폭을 가지는 상기 고전압 나노펄스를 생성하는 단계; 상기 배기가스에 직접적으로 상기 고전압 나노펄스를 인가하여 나노펄스 스트리머 방전을 생성하는 단계; 상기 나노펄스 스트리머 방전을 이용하여 상기 배기가스 내의 질소산화물 중 이산화질소의 농도를 높이는 단계; 상기 배기가스에 환원제를 공급하는 단계; 및 상기 배기가스 및 상기 환원제에 대하여 선택적 촉매 환원 반응을 수행하는 단계를 포함한다.
상기 이산화질소의 농도를 높이는 단계는, 상기 배기가스 내의 O2를 O 또는 O3로 분해 또는 합성시키는 단계; 및 상기 배기가스 내의 일산화질소를 이산화질소로 변환시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고전압 나노펄스 전압은 5 내지 200kV일 수 있다.
상기 나노펄스 스트리머 방전을 생성하는 동안, 상기 배기가스에 자기장을 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 배기가스의 배출 사이클에 따라 상기 고전압 나노펄스의 인가 전압의 크기가 변할 수 있다.
상기 배기가스의 배출 사이클에 따라 상기 고전압 나노펄스의 인가 주기가 변할 수 있다.
상기 고전압 나노펄스를 생성하는 단계는, 전원으로부터 충전전압을 생성하면 상기 충전전압은 온오프 스위치에 의해 펄스신호로 변환된 후 펄스 트랜스포머에 의해 고전압으로 승압되어 고전압 펄스신호를 생성하고, 상기 고전압 펄스신호의 상승시간을 감소시켜 상기 고전압 펄스신호의 펄스 폭을 압축하고, 압축된 상기 고전압 펄스신호를 충전한 후 방전 시에 다이오드 스위치에 의해 역방향 회복 시간 동안 고전압 나노펄스를 출력할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 구체적인 내용 및 도면들에 포함되어 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 엔진 배기가스의 질소산화물 저감장치 및 저감방법에 의하면 다음과 같은 우수한 효과가 있다.
첫째, 배기가스에 직접적으로 고전압 나노펄스를 인가함으로써 배기가스 내의 이산화질소의 농도를 높일 수 있다. 즉, 고전압 나노펄스에 의해 배기가스 중 산소 가스가 O 또는 O3로 분해 또는 합성되는 순간 곧바로 NO-NO2 변환에 사용되기 때문이다.
둘째, 고전압 나노펄스를 나노초(ns) 단위로만 인가하기 때문에 에너지 사용량이 적어서 엔진연비가 떨어지는 것을 최소화할 수 있다.
셋째, 배기가스의 배출 사이클에 따라 능동적으로 대응하여 배기가스량이 많은 경우, 고전압 나노펄스의 전압크기를 높이고 그 외에는 낮춤으로써 에너지 소모량을 최소화하면서 탈질효율을 높일 수 있다.
넷째, 배기가스의 배출 사이클에 따라 능동적으로 대응하여 배기가스량이 많은 경우, 고전압 나노펄스의 인가빈도를 높이고 그 외에는 낮춤으로써 에너지 소모량을 최소화하면서 탈질효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤엔진 배기가스의 질소산화물 저감장치를 나타낸 구성도이다.
도 2는 도 1의 고전압 나노펄스 생성기의 구성을 개략적으로 나타낸 회로도이다.
도 3은 도 2의 고전압 나노펄스 생성기를 실제 구현한 사진이다.
도 4a 및 도 4b는 도 1의 나노펄스 스트리머 처리기를 개략적으로 나타낸 도면들이다.
도 5은 도 1의 고전압 나노펄스 생성기에 의해 생성된 고전압 나노펄스의 파형을 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배기가스의 질소산화물 저감장치를 나타낸 구성도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 질소산화물 저감장치에서 배기가스량에 따라 변화하는 고전압 나노펄스의 진폭을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 질소산화물 저감장치에서 배기가스량에 따라 변화하는 고전압 나노펄스의 주기를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명은 배기가스로 질소산화물(NOx)을 발생시키는 디젤엔진, 가스엔진 등에 적용될 수 있다. 여기서, 디젤엔진은 경유 또는 중유를 연료로 압축, 점화에 따라 작동하는 왕복운동형 내연기관으로서, 예를 들어 자동차, 트럭, 버스, 트랙터, 농업차량, 건설중장비, 제너레이터 등을 포함한다. 또한, 가스엔진은 압축천연가스(Compressed Natural Gas: CNG), 액화천연가스(Liquefied Natural Gas) 등을 연료로 하는 엔진을 포함한다. 이하 설명의 편의를 위하여 본 발명을 디젤엔진에 적용한 경우를 예로 들어 설명한다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 질소산화물 저감장치 및 저감방법을 자세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤엔진 배기가스의 질소산화물 저감장치를 나타낸 구성도이다. 본 발명의 질소산화물 저감장치(1)는 고전압 나노펄스 생성기(30), 나노펄스 스트리머 처리기(40), 환원제 공급부(20), 및 선택적 촉매 환원기(50)를 포함한다.
디젤엔진에 연결된 배기관(10)에는 질소산화물(NOx), 산소(O2) 및 수증기(H2O) 등을 포함한 배기가스가 흘러 나온다. 여기서 질소산화물은 대부분 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)로 구성되어 있으며, 배기가스 내에 일산화질소가 대략적으로 95%, 이산화질소가 대략적으로 5%의 비율로 섞여있다.
고전압 나노펄스 생성기(30)는 고전압 나노펄스를 생성하여 나노펄스 스트리머 처리기(40)에 제공한다. 나노펄스는 배기가스에 포함된 일산화질소(NO)를 이산화질소(NO2)로 변환시키는 역할을 한다. 이러한 변환 효율을 높이기 위해서 나노펄스는 고전압으로 생성되는 것이 바람직하다. 예를 들어 나노펄스의 전압 크기는 약 5 내지 200kV인 것이 바람직하다. 나노펄스의 전압이 5kV보다 작은 경우 나노펄스 스트리머 처리기(40)에서 나노펄스에 의한 방전이 일어나지 않으며, 200kV보다 클 경우 과도한 전압으로 인하여 장치 안정성에 문제가 생길 수 있다.
또한 나노펄스의 폭은 1ns 내지 1000ns, 바람직하게는 1ns 내지 100ns인 것이 바람직하다. 나노펄스의 폭(또는 나노펄스가 인가되는 시간)이 지나치게 작을 경우 방전을 위한 충분한 펄스파워가 생성되지 않는다. 나노펄스의 폭이 지나치게 클 경우 펄스파워가 방전에 필요한 양보다 커서 방전 이외에 주변온도를 상승시키는 것과 같이 불필요한 에너지 소비를 야기시켜 디젤엔진의 연비를 떨어뜨린다. 또한 나노펄스의 폭이 증가함에 따라 방전에 의한 전자의 수는 증가하지만, 나노펄스의 라이징시간(rising time)도 증가하기 때문에 전자의 속도(또는 에너지)는 낮아져서 전체적인 반응 효율이 떨어진다.
방전에 의해 일산화질소(NO)를 이산화질소(NO2)로 효과적으로 변환시키기 위해서는 두 가지 요소가 필요하다. 첫째, 방전으로부터 생성되는 전자는 높은 에너지(즉, 빠른 속도)를 가져야 한다. 둘째, 이러한 전자의 개수가 매우 많아야 한다. 본 발명의 경우, 높은 전압과 나노단위의 펄스 폭을 가지기 고전압 나노펄스를 이용하여 방전하기 때문에 높은 에너지를 가진 전자를 대량으로 생산할 수 있다. 본 발명의 고전압 나노펄스 생성기(30)에 대해서는 후에 다시 자세히 설명한다.
나노펄스 스트리머 처리기(40)는 챔버 내에 수용된 배기가스에 직접적으로 고전압 나노펄스를 인가하여 나노펄스 스트리머 방전(nano-pulse streamer discharge)을 일으킨다. 다시 말해, 고전압 나노펄스 생성기(30)가 나노펄스 스트리머 처리기(40)에 고전압 나노펄스를 공급하면, 전자사태(electron avalanche)를 통하여 챔버 내부의 강한 전기장 근처에 스트리머 방전이 일어난다. 이러한 스트리머에는 강한 전기장에 의하여 고에너지로 가속된 전자들이 존재하고, 이러한 고에너지 전자들은 주변의 중성입자와 충돌하여 이를 분해시켜 활성종(active species)을 만든다. 예를 들어, 산소 분자의 경우 고에너지 전자와 출동하여 산소 원자상태로 쪼개지는데, 이와 같은 원자상태의 활성종은 반응성이 매우 높기 때문에 주변의 물질을 쉽게 산화시킬 수 있다.
한편, 활성종을 이용한 처리기법은 활성종의 생성위치와 반응위치에 따라 직접 처리법(direct treatment)과 리모트 처리법(remote treatment)로 나뉠 수 있다. 직접 처리법은 본 발명과 같이 동일한 챔버 내에서 활성종이 생성되고 활성종에 의해 타켓반응이 일어나는 방식을 말한다. 상대적으로 활성종 밀도가 높아서 타켓반응 속도도 높은 것이 특징이다. 이에 반해, 리모트 처리법은 활성종이 발생하는 영역과 활성종에 의해 타켓반응이 일어나는 영역이 구분된 경우인데, 활성종 중 원하는 것만 선택적으로 타켓반응이 참여시킬 수 있으나 활성종 밀도가 낮아서 타켓반응 속도가 낮은 문제가 있다. 본 발명의 나노펄스 스트리머 처리기(40)는 활성종의 직접 처리법을 따르며, 챔버로 유입된 배기가스에 직접적으로 고전압 나노펄스를 인가하여 활성종을 생성한 후 곧바로 타켓반응을 유도함으로써 반응속도 및 효율을 높일 수 있다. 구체적으로 배기가스에 대한 타켓반응은 다음과 같이 2가지로 나뉜다.
A. 질소산화물(NOx) 제거 반응
N2 + e → N + N + e (1)
NO + N → N2 + O (2)
O2 + O → O3 (3)
N2 + e → e + N2(A) (4)
N2(A) + NO → N2 + N + O (5)
N2(A) + N2O → 2N2 + O (6)
NO2 + N → N2 + O2 (7)
여기서, N2(A)는 N2의 준안정 상태(metastable state)를 말한다.
B. NO-NO 2 변환 반응
O2 + e → O + O + e (8)
NO + O → NO2 (9)
O2 + O → O3 (10)
NO + O3 → NO2 + O2 (11)
위 반응식에서 나타난 바와 같이, 나노펄스 스트리머 처리기(40)는 배기가스 중 질소산화물을 질소로 직접 변환시키기도 하지만, 주된 반응은 NO-NO2 변환 반응이다. NO-NO2 변환 반응에 따르면, 배기가스 내의 O2는 O 또는 O3로 분해 또는 합성되고, 배기가스 내의 일산화질소(NO)를 이산화질소(NO2)로 변환시킨다. 통상 디젤엔진의 배기가스 중에 포함된 이산화질소(NO2)의 농도는 전체 질소산화물(NOx) 중 대략 5%인 것을 감안할 때, 본 발명의 나노펄스 스트리머 처리기(40)는 배기가스에 포함된 이산화질소의 농도(NO2 / NOx)를 30 내지 60%까지 높일 수 있다.
이와 같이 본 발명의 나노펄스 스트리머 처리기(40)는 배기가스 내 이산화질소(NO2) 함량을 높임으로써 후속하는 선택적 촉매 환원 반응을 촉진시키는 역할을 한다. 이는 선택적 촉매 환원 반응이 일산화질소(NO)보다는 이산화질소(NO2)에 대하여 더 잘 일어나기 때문이다. 따라서 NO-NO2 변환반응과 후속하는 선택적 촉매 환원 반응이 유기적으로 결합되어 전체적으로 배기가스 내의 질소산화물을 현저히 저감시키는 효과를 얻을 수 있다.
이어서, 나노펄스 스트리머 처리기(40)에 의해 처리된 배기가스는 선택적 촉매 환원기(50)로 유입되는데, 이 때 환원제 공급부(20)로부터 환원제도 함께 유입된다. 환원제 공급부(20)는 환원제로서, 예를 들어 우레아(urea) 수용액을 사용하는데, 우레아는 가순분해(hydrolysis) 반응에 의해 암모니아(NH3)와 이산화탄소(CO2)로 변환된 후 선택적 촉매 환원 반응에 참여한다.
선택적 촉매 환원기(50)는 다음과 같은 선택적 촉매 환원 반응식에 의해 질소산화물을 질소로 변환한다.
4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O (12)
2NO2 + 4NH3 + O2 → 3N2 + 6H2O (13)
NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O (14)
최근 연구결과에 따르면, 반응 속도론적 측면에서 반응식 (12)에 비하여, 반응식 (13) 및 반응식 (14)로 진행할 경우 10배 이상의 반응속도를 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다. 반응식 (13) 및 반응식 (14)의 경우 반응물질로서 이산화질소(NO2)를 사용하기 때문에, 본 발명의 나노펄스 스트리머 처리기(40)가 배기가스 내에 이산화질소(NO2)의 농도를 높여줌으로써 선택적 촉매 환원기(50)의 탈질효율을 높일 수 있다.
이하 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 나노펄스 생성기(30)에 대하여 자세히 설명한다. 도 2는 도 1의 고전압 나노펄스 생성기의 구성을 개략적으로 나타낸 회로도이다. 도 3은 도 2의 고전압 나노펄스 생성기를 실제 구현한 사진이다.
고전압 나노펄스 생성기(30)는 전원부(31), 제1 충전부(32), 온오프 스위치(33), 제1 펄스 트랜스포머(34), 펄스폭 압축부(35), 제2 펄스 트랜스포머(36), 제2 충전부(37), 다이오드 스위치(38)를 포함한다.
제1 충전부(32)는 전원부(31)로부터 입력되는 전원을 충전하며, 적어도 하나의 커패시터(C1)로 구성될 수 있다. 제1 충전부(32)의 일단에 연결된 온오프 스위치(33)는 제어 신호(예컨대, 수 내지 수십 kHz의 고주파 신호)에 따라 온오프 동작을 수행하면서 제1 충전부(32)에 충전된 충전전압을 펄스신호로 변환한다. 온오프 스위치(33)는 고전압 나노펄스 생성기(30)가 최종 출력하는 고전압 나노펄스의 생성 주기를 제어한다. 온오프 스위치(33)는 예컨대 고속 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 회로로 이루어질 수 있다.
제1 충전부(32)와 온오프 스위치(33)에 의해 생성된 펄스신호는 제1 펄스 트랜스포머(34)에 의해 고전압으로 승압된다. 예컨대, 제1 펄스 트랜스포머(34)는 펄스신호를 1:10 비율로 승압할 수 있다.
펄스폭 압축부(35)는 제1 펄스 트랜스포머(34)로부터 1차 승압된 고전압 펄스신호의 펄스 폭을 압축한다. 펄스폭 압축부(35)는 1차 승압된 고전압 펄스신호의 상승 시간을 감소시켜 펄스 폭을 압축하는데, 하나 이상의 커패시터(C2)와 하나 이상의 인턱터(L1)로 구성될 수 있다. 압축된 고전압 펄스신호는 제2 펄스 트랜스포머(36)에 의해 2차 승압된다. 예컨대, 제2 펄스 트랜스포머(36)는 압축된 고전압 펄스신호를 1:6 비율로 승압할 수 있다. 경우에 따라 제2 펄스 트랜스포머(36)는 생략될 수도 있다.
2차 승압된 고전압 펄스신호는 제2 펄스 트랜스포머(36)에 연결된 제2 충전부(37)에 충전되며, 제2 충전부(37)는 하나 이상의 커패시터(C3)로 구성될 수 있다. 제2 충전부(37)의 타단에 연결된 다이오드 스위치(38)는 제2 충전부(37)의 충전 시에는 다이오드로 작동하다가, 제2 충전부(37)의 방전 시에는 역방향 회복 시간(reverse recovery time) 동안 고전압 나노펄스를 부하, 즉 나노펄스 스트리머 처리기(40)로 출력한다. 다이오드 스위치(38)는 다이오드의 역방향 회복 시간을 이용하여 고전압 펄스신호를 2차 압축하는데, 다이오드(D)에 순전압이 인가되면 전류가 흐르다가 역전압이 인가되면 전류가 바로 끊어지는 것이 아니라 다이오드(D)를 따라 역전류가 순간적으로 흐르다가 짧은 시간 내에 차단되고 부하(40)에는 압축된 고전압 나노펄스가 인가된다. 역방향 회복 시간이 짧은 고속 회복 다이오드(fast recovery diode)를 이용하는 경우, 출력되는 고전압 나노펄스의 펄스 폭을 1 내지 100ns로 압축할 수 있다.
고전압 나노펄스 생성기(30)의 전체 동작을 살펴보면, 전원(31)으로부터 충전전압이 생성되면 충전전압은 온오프 스위치(33)에 의해 펄스신호로 변환된 후 제1 펄스 트랜스포머(34)에 의해 고전압으로 1차 승압되어 고전압 펄스신호가 생성된다. 이어서 펄스폭 압축부(35)가 고전압 펄스신호의 상승시간을 감소시켜 고전압 펄스신호의 펄스 폭을 1차 압축한 후 제2 펄스 트랜스포머(36)에 의해 고전압으로 2차 승압한다. 이어서 1차 압축 및 1차 승압된 고전압 펄스신호가 제2 충전부(37)에 충전된 후, 다이오드 스위치(38)는 역방향 회복 시간 동안 고전압 나노펄스를 부하(40)에 출력하게 된다. 예컨대, 고전압 나노펄스 생성기(30)에 100V의 전원을 인가하면, 2차에 걸쳐 1:10 및 1:6으로 승압되면 최종 6kV의 출력전압을 얻게 되고, 펄스 압축부(35)와 다이오드 스위치(38)를 거쳐 펄스 폭이 압축되어 수십 ns의 펄스 폭을 가지는 고전압 나노펄스가 출력될 수 있다.
이상의 본 실시예와 같이 2차에 걸쳐 승압을 수행하는 것이 바람직하다. 통상 펄스 트랜스포머에서 승압률(M 또는 N)이 높아지면 코일수가 증가하여 부품크기가 커지고 코일의 인덕턴스도 증가하여 펄스신호가 제대로 전달되지 않는 경향이 있다. 따라서 본 실시예와 같이 고전압 나노펄스를 구현하기 위해 펄스신호를 적어도 수십 내지 수백 배로 승압해야 하는 회로에서는 2차에 걸쳐 승압을 진행하는 것이 바람직하며, 나아가 2개의 펄스 트랜스포머를 사용할 경우 전체 회로의 임피던스 매칭도 쉬워진다.
또한, 제1 펄스 트랜스포머(34)에 의한 승압률(M)이 제2 펄스트랜스포머(36)에 의한 승압률(N)보다 크거나 같은 것이 좋다. 즉, 제1 펄스 트랜스포머(34)가 1:M으로 승압하고 제2 펄스 트랜스포머(36)가 1:N으로 승압하는 경우, M은 N보다 크거나 같은 것이 좋다. 승압률이 높을수록 코일의 인덕턴스 증가로 인해 나노 단위의 펄스신호를 구현하기 어렵기 때문에, 이러한 문제를 해결하기 위해서는 펄스폭을 압축하는 회로(즉, 펄스폭 압축부(35)와 다이오드 스위치(38)) 전에 가급적 높게 승압을 하는 것이 좋다. 따라서, 제1 펄스 트랜스포머(34)에 의한 승압률(M)이 제2 펄스 트랜스포머(36)에 의한 승압률(N)보다 크거나 같은 것이 바람직하다.
도 4a 및 도 4b는 도 1의 나노펄스 스트리머 처리기를 개략적으로 나타낸 도면들이다. 배기가스가 흡입구(IN)를 통하여 챔버 내로 유입되는 동안, 고전압 나노펄스 생성기(30)의 출력 전극(114)을 통하여 고전압 나노펄스가 출력되고 출력 전극(114) 주변에 강한 전기장이 생성되어 스트리머 방전이 일어난다. 이와 같이 본 발명의 나노펄스 스트리머 처리기(40)는 배기가스에 직접적으로 고전압 나노펄스를 인가함으로써 활성종의 밀도를 높여서 쉽게 NO-NO2 변환반응을 유도한다. 따라서 배기가스에 포함된 이산화질소의 농도(NO2/NOx)를 30 내지 60%까지 높일 수 있다. 도 4a 및 도 4b에 나타난 바와 같이, 나노펄스 스트리머 처리기(40)를 구성하는 챔버는 원통형 또는 육면체 등으로 구성될 수 있고, 출력 전극(114)이 상기 챔버를 관통하여 배기가스가 흐르는 중심에 배치될 수 있다. 본 발명의 변형예로서 하나 이상의 상기 챔버가 병렬로 배치되어 동시에 많은 양의 배기가스를 처리할 수도 있다.
도 5은 도 1의 고전압 나노펄스 생성기에 의해 생성된 고전압 나노펄스의 파형을 개략적으로 나타낸 그래프이다. 고전압 나노펄스의 전압 크기(A)는 5 내지 200kV일 수 있으며, 고전압 나노펄스의 폭(t)은 1ns 내지 1000ns, 바람직하게는 1ns 내지 100ns일 수 있다. 고전압 나노펄스의 펄스 폭(t)은 펄스폭 압축부(35)와 다이오드 스위치(38)에 의해 제어될 수 있다. 고전압 나노펄스의 주기(T)는 배기가스의 배출량과 배출주기에 따라 온오프 스위치(33)에 의해 능동적으로 제어될 수 있다. 나노펄스의 에너지 전달효율을 높이려면 나노펄스의 라이징시간(rising time)은 나노펄스의 인가시간(t)의 1/3보다 작은 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤엔진 배기가스의 질소산화물을 저감하는 방법에 대하여 설명한다.
우선, 디젤엔진으로부터 배기관(10)을 통하여 배출되는 배기가스가 나노펄스 스트리머 처리기(40)에 유입된다. 디젤엔진과 나노펄스 스트리머 처리기(40) 사이에는 다양한 공지의 후처리 장치, 예를 들어, DOC(Diesel Oxidation Catalyst), DPF(Diesel Particulate Filter) 등이 추가될 수 있다.
이어서, 고전압 나노펄스 생성기(30)로부터 생성된 고전압 나노펄스가 나노펄스 스트리머 처리기(40) 내의 배기가스에 직접적으로 인가된다. 구체적으로, 고전압 나노펄스는 출력 전극(114) 주변에 나노펄스 스트리머 방전을 일으켜서 활성종의 농도를 높인다. 이 때, 고전압 나노펄스는 5 내지 200kV의 전압을 가질 수 있고, 1ns 내지 1000ns의 펄스 폭을 가질 수 있다.
나노펄스 스트리머 방전이 일어나는 동안, 질소산화물 제거반응과 NO-NO2 변환반응이 동시에 일어난다. 특히, NO-NO2 변환반응은, 배기가스 내의 O2를 O 또는 O3로 분해 또는 합성시키고, 배기가스 내의 NO 중 적어도 일부를 NO2로 변환시킨다. 따라서, 배기가스에 포함된 질소산화물 중 이산화질소(NO2)의 농도가 높아진다.
나노펄스 스트리머 처리기(40)에 의해 처리된 배기가스는 환원제 공급부(20)로부터 제공되는 환원제와 함께 선택적 촉매 환원기(50)로 유입된다. 선택적 촉매 환원기(50)는 선택적 촉매 환원반응에 의하여 질소산화물은 질소 및 수증기로 변환시킨다.
이하 도 6을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 질소산화물 저감장치를 설명한다. 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배기가스의 질소산화물 저감장치를 나타낸 구성도이다. 설명의 편의상, 도 1의 실시예에 나타낸 각 부재와 동일 기능을 갖는 부재는 동일 부호로 나타내고 그 설명은 생략하며, 이하 차이점을 위주로 설명한다.
본 실시예에서는 나노펄스 스트리머 처리기(40) 내에 자기장 인가부(45)가 설치되어, 나노펄스 스트리머 방전이 일어날 때 자기장을 부가적으로 인가한다. 고전압 나노펄스 생성기(30)에 의해 생성된 스트리머는 자기장에 의해 원주방향으로 회전 운동을 하게 되어 반응기 내에서의 스트리머 분포가 더욱 균일해진다. 따라서 배기가스와 활성종의 상호작용면적이 넓어져서, 질소산화물 제거반응, NO-NO2 변환반응 등이 더욱 잘 일어난다.
이하 도 7 및 도 8을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 질소산화물 저감장치를 설명한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 질소산화물 저감장치에서 배기가스량에 따라 변화하는 고전압 나노펄스의 진폭을 나타낸 그래프이다. 예를 들어, 디젤엔진은 가솔린기관과 마찬가지로 4행정기관과 2행정기관이 있다. 따라서, 각 행정마다 또는 엔진의 회전속도(rpm, revolution per minute)에 따라 배기가스량이 달라진다. 전체적으로 배기가스량(200)은 일정한 주기(P)로 상승 및 하강을 반복하게 된다. 본 실시예에서는 배기가스의 배출 사이클에 따라 나노펄스의 인가 전압의 크기를 변화시킨다. 즉, 배기가스량(200)이 적으면 나노펄스(210)의 인가 전압을 낮추고, 배기가스량(200)이 많으면 나노펄스(210)의 인가 전압을 높임으로써, 엔진 연비에 영향이 미치지 않도록 에너지 사용을 최소화하면서 최대의 탈질효율을 얻을 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 질소산화물 저감장치에서 배기가스량에 따라 변화하는 고전압 나노펄스의 주기를 나타낸 그래프이다. 구체적으로, 배기가스량(200)이 적으면 나노펄스(310)의 인가 주기를 늘이고, 배기가스량(200)이 많으면 나노펄스(310)의 인가 주기를 줄임으로써, 엔진 연비에 영향이 미치지 않도록 에너지 사용을 최소화하면서 최대의 탈질효율을 얻을 수 있다.
이상의 실시예들을 통하여 디젤엔진의 유해 배기가스로부터 질소산화물을 효과적으로 저감시키는 본 발명에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 적용분야는 디젤엔진에 한정되는 것은 아니다. 산업전반에 걸쳐 질소산화물을 저감시킬 수 있는 임의의 분야(예를 들어 화력발전소 등)에 적용될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1, 2: 질소산화물 저감장치
10: 배기관
20: 환원제 공급부
30: 고전압 나노펄스 생성기
31: 전원부
32: 제1 충전부
33: 온오프 스위치
34: 제1 펄스 트랜스포머
35: 펄스폭 압축부
36: 제2 펄스 트랜스포머
37: 제2 충전부
38: 다이오드 스위치
40: 나노펄스 스트리머 처리기
45: 자기장 인가부
50: 선택적 촉매 환원기
114: 출력 전극

Claims (12)

  1. 고전압 나노펄스를 이용하여 엔진의 배기가스 중 질소산화물을 저감시키는 장치로서:
    상기 배기가스에 직접적으로 고전압 나노펄스를 인가하여 나노펄스 스트리머 방전을 생성하는 나노펄스 스트리머 처리기;
    다이오드 스위치를 이용하여 1 내지 100ns의 폭을 가지는 상기 고전압 나노펄스를 생성하여 상기 나노펄스 스트리머 처리기에 제공하는 고전압 나노펄스 생성기;
    상기 나노펄스 스트리머 처리기를 통과한 상기 배기가스에 대하여 선택적 촉매 환원 반응을 수행하는 선택적 촉매 환원기; 및
    상기 선택적 촉매 환원기에 환원제를 제공하는 환원제 공급부를 포함하는 엔진 배기가스의 질소산화물 저감장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 나노펄스 스트리머 처리기는, 상기 배기가스 내의 O2를 O 또는 O3로 분해 또는 합성시키고, 상기 배기가스 내의 일산화질소를 이산화질소로 변환시키는 것을 특징으로 하는 엔진 배기가스의 질소산화물 저감장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고전압 나노펄스 생성기는, 전원으로부터 충전전압을 생성하는 제1 충전부; 상기 제1 충전부 일단에 연결되고 고주파 신호에 따라 온오프 동작을 수행하면서 상기 충전전압을 펄스신호로 변환하는 온오프 스위치; 상기 펄스신호를 고전압으로 승압하는 펄스 트랜스포머; 상기 펄스트랜스포머로부터 승압된 고전압 펄스신호의 펄스 폭을 압축하는 펄스폭 압축부; 압축된 상기 고전압 펄스신호를 충전하는 제2 충전부; 및 상기 제2 충전부의 충전 시에는 다이오드로 작동하고, 상기 제2 충전부의 방전 시에는 역방향 회복 시간 동안 고전압 나노펄스를 출력하는 다이오드 스위치를 포함하는 엔진 배기가스의 질소산화물 저감장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 온오프 스위치는 IGBT 회로로 이루어지고, 상기 펄스폭 압축부와 상기 제2 충전부 사이에 상기 고전압 펄스신호를 추가 승압하는 제2 펄스 트랜스포머를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 배기가스의 질소산화물 저감장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 고전압 나노펄스의 전압은 5 내지 200kV인 것을 특징으로 하는 엔진 배기가스의 질소산화물 저감장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 고전압 나노펄스 생성기는, 상기 배기가스의 배출 사이클에 따라 상기 고전압 나노펄스의 인가 전압의 크기를 제어하는 것을 특징으로 하는 엔진 배기가스의 질소산화물 저감장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 고전압 나노펄스 생성기는, 상기 배기가스의 배출 사이클에 따라 상기 고전압 나노펄스의 인가 주기를 제어하는 것을 특징으로 하는 엔진 배기가스의 질소산화물 저감장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 나노펄스 스트리머 방전을 생성하는 동안, 상기 나노펄스 스트리머 처리기 내의 상기 배기가스에 자기장을 인가하는 자기장 인가부를 더 포함하는 엔진 배기가스의 질소산화물 저감장치.
  9. 고전압 나노펄스를 이용하여 엔진의 배기가스 중 질소산화물을 저감시키는 방법으로서:
    다이오드 스위치를 이용하여 1 내지 100ns의 폭을 가지는 상기 고전압 나노펄스를 생성하는 단계;
    상기 배기가스에 직접적으로 상기 고전압 나노펄스를 인가하여 나노펄스 스트리머 방전을 생성하는 단계;
    상기 나노펄스 스트리머 방전을 이용하여 상기 배기가스 내의 질소산화물 중 이산화질소의 농도를 높이는 단계;
    상기 배기가스에 환원제를 공급하는 단계; 및
    상기 배기가스 및 상기 환원제에 대하여 선택적 촉매 환원 반응을 수행하는 단계를 포함하는 엔진 배기가스의 질소산화물 저감방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 이산화질소의 농도를 높이는 단계는, 상기 배기가스 내의 O2를 O 또는 O3로 분해 또는 합성시키는 단계; 및 상기 배기가스 내의 일산화질소를 이산화질소로 변환시키는 단계를 포함하는 엔진 배기가스의 질소산화물 저감방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 고전압 나노펄스 전압은 5 내지 200kV인 것을 특징으로 하는 엔진 배기가스의 질소산화물 저감방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 나노펄스 스트리머 방전을 생성하는 동안, 상기 배기가스에 자기장을 인가하는 단계를 더 포함하는 엔진 배기가스의 질소산화물 저감방법.
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