KR20220019970A - 연소기관의 배기장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 의해 연소기관의 배기장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기관의 배기장치는, 연료를 연소하여 동력을 발생시키는 연소기관에 연결되어 연소기관에서 발생하는 배기가스를 외부로 배출하는 배기관, 및 배기관 내부로 불연성인 소기가스를 주입하는 소기유닛을 포함할 수 있다.

Description

연소기관의 배기장치{Exhaust system of combustion engine}

본 발명은 연소기관의 배기장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배기관에 잔존하는 미연소가스를 효과적으로 배출할 수 있는 연소기관의 배기장치에 관한 것이다.

일반적으로, 연소기관은 연료를 연소하여 동력을 생성하므로, 연료의 연소과정에서 배기가스가 발생된다. 발생된 배기가스는 배기관을 따라 이동하여 대기로 방사되는데, 배기가스 중 일부는 외부로 배출되지 않고 배기관 내에 잔존할 수 있다. 배기가스는 메탄과 같이 연소 가능한 물질을 포함하고 있으므로, 연소기관의 시운전을 위해 초기 작동하는 경우나 연소기관의 유지보수를 위해 정지하였다가 재 작동하는 경우 배기관에 잔존하는 배기가스에 포함된 연소 가능한 물질이 점화되어 폭발할 수 있다. 따라서, 종래에는 배기관, 및 배기관에 설치되는 각종 장비를 보호하기 위해 폭발 시 압력이 크게 발생할 것으로 예상되는 구역에 압력 완화 장치인 파열판(rupture disk)을 설치하였다. 그러나, 파열판은 일회용 이므로, 폭발이 발생한 후에 새 제품으로 교환해야 하며, 이에 따라 비용이 많이 소요되고 사용에 번거로움이 있다.

이에, 배기관에 잔존하는 미연소가스를 효과적으로 배출하여 배기관, 및 배기관에 설치된 각종 장비를 보호할 수 있는 배기장치가 필요하게 되었다.

대한민국 공개특허 제10-2017-0035318호 (2017. 03. 30.)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 배기관에 잔존하는 미연소가스를 효과적으로 배출할 수 있는 연소기관의 배기장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 연소기관의 배기장치는, 연료를 연소하여 동력을 발생시키는 연소기관에 연결되어 상기 연소기관에서 발생하는 배기가스를 외부로 배출하는 배기관, 및 상기 배기관 내부로 불연성인 소기가스를 주입하는 소기유닛을 포함한다.

상기 소기유닛은, 상기 배기관으로부터 상기 배기가스를 공급받아 상기 배기가스 중 이산화탄소를 분리하여 상기 배기관에 상기 소기가스로 주입할 수 있다.

상기 소기유닛은, 이산화탄소 분자의 투과율이 메탄 분자의 투과율보다 높은 분리막을 포함하는 멤브레인 가스분리기를 포함할 수 있다.

상기 소기유닛은, 상기 멤브레인 가스분리기와 상기 배기관 사이에 설치되어 상기 멤브레인 가스분리기로부터 공급되는 상기 소기가스를 압축하여 상기 배기관으로 공급하는 압축기를 더 포함할 수 있다.

상기 소기유닛은, 상기 압축기와 상기 배기관 사이에 설치되어 상기 압축기를 통과한 상기 소기가스를 고압으로 저장하는 고압저장탱크를 더 포함할 수 있다.

상기 연소기관의 배기장치는, 양단이 상기 배기관에 각각 연결되어 상기 배기관을 통과하는 상기 배기가스 중 일부를 우회하여 다시 상기 배기관으로 배출하는 우회관을 더 포함하되, 상기 멤브레인 가스분리기는 상기 우회관 상에 설치되어 상기 우회관을 통과하는 상기 배기가스에서 이산화탄소를 분리할 수 있다.

상기 연소기관의 배기장치는, 상기 우회관에 설치되어 상기 배기관 내부의 상기 배기가스를 상기 우회관 내부로 흡입하는 흡입팬을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 소기유닛이 배기관 내부로 소기가스를 주입하므로, 배기관에 잔존하는 배기가스를 효과적으로 배출할 수 있다. 따라서, 연소기관의 시운전을 위해 초기 작동하는 경우나 연소기관의 유지보수 후 재 작동하는 경우에 배기가스에 포함된 연소 가능 물질이 점화되어 폭발하는 것을 방지할 수 있으며, 이로 인해, 배기관, 및 배기관에 설치된 각종 장비를 효과적으로 보호할 수 있다. 특히, 소기유닛이 배기가스로부터 이산화탄소를 분리하여 소기가스로 활용하므로, 필요 시 배기관 내부로 소기가스를 반복적으로 주입할 수 있어 이에 따른 비용을 절감할 수 있고 종래의 장치에 적용이 용이하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연소기관의 배기장치를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 멤브레인 가스분리기를 확대하여 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4는 연소기관의 배기장치의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.

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 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 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.

이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 연소기관의 배기장치에 관하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 연소기관의 배기장치는 소기유닛이 배기관 내부로 소기가스를 주입하므로, 배기관에 잔존하는 배기가스를 효과적으로 배출할 수 있다. 따라서, 연소기관의 시운전을 위해 초기 작동하는 경우나 연소기관의 유지보수 후 재 작동하는 경우에 배기가스에 포함된 연소 가능 물질이 점화되어 폭발하는 것을 방지할 수 있으며, 이로 인해, 배기관, 및 배기관에 설치된 각종 장비를 효과적으로 보호할 수 있다. 특히, 소기유닛이 배기가스로부터 이산화탄소를 분리하여 소기가스로 활용하므로, 필요 시 배기관 내부로 소기가스를 반복적으로 주입할 수 있어 이에 따른 비용을 절감할 수 있고 종래의 장치에 적용이 용이한 특징이 있다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 연소기관의 배기장치(1)에 관하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연소기관의 배기장치를 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 멤브레인 가스분리기를 확대하여 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 연소기관의 배기장치(1)는 배기관(10)과 소기유닛(20)을 포함한다.

배기관(10)은 연소기관(100)에서 발생하는 배기가스를 외부로 배출하는 관으로, 일단이 연소기관(100)에 연결되고 타단이 대기 중으로 연장된다. 연소기관(100)은 연료를 연소하여 동력을 발생시키므로, 연료의 연소에 따른 배기가스가 발생되며, 발생된 배기가스는 배기관(10)을 통해 배출된다. 배기관(10)에는 소기유닛(20)이 연결된다.

소기유닛(20)은 외부로 배출되지 않고 배기관(10) 내부에 잔존하는 배기가스를 강제 배출하기 위한 것으로, 배기관(10) 내부로 공기보다 밀도가 높고 불연성인 소기가스를 주입할 수 있다. 즉, 배기관(10) 내부에 잔존하는 배기가스는 소기유닛(20)이 주입하는 소기가스에 의해 밀려 외부로 강제 배출된다. 배기관(10) 내부에 잔존하는 배기가스가 소기가스에 의해 밀려 강제 배출됨으로써, 연소기관(100)의 시운전을 위해 초기 작동하는 경우나 연소기관(100)의 유지보수 후 재 작동하는 경우에 배기가스에 포함된 연소 가능 물질, 예를 들어, 메탄 등이 점화되어 폭발하는 것을 방지할 수 있어 배기관(10), 및 배기관(10)에 설치되는 각종 장비를 효과적으로 보호할 수 있다. 소기유닛(20)은 연소기관(100)의 시운전을 위해 초기 작동하기 전, 또는 연소기관(100)의 유지보수 후 재 작동하기 전에 소기가스를 주입하며, 연소기관(100)의 동작이 감지되면, 소기가스의 주입을 중단할 수 있다.

보다 구체적으로, 소기유닛(20)은 배기관(10)으로부터 배기가스를 공급받아 배기가스 중 이산화탄소를 분리하여 배기관(10)에 소기가스로 주입한다. 다시 말해, 소기유닛(20)은 연소기관(100)이 동작할 때 발생하는 배기가스를 공급받아 이산화탄소를 분리하여 저장하고, 연소기관(100)이 동작하지 않을 때 배기관(10) 내부로 소기가스를 주입한다. 소기유닛(20)이 배기가스 중 이산화탄소를 분리하여 소기가스로 주입함으로써, 추가 비용을 소요하지 않고도 필요 시 배기관(10) 내부로 소기가스를 반복 주입할 수 있는 장점이 있다. 소기유닛(20)은 이산화탄소 분자의 투과율이 메탄 분자의 투과율보다 높아 이산화탄소 분자를 선택적으로 투과시킬 수 있는 분리막(21a)을 포함하는 멤브레인 가스분리기(21)를 포함하며, 분리막(21a)은 예를 들어, 나노 크기의 구멍을 가지고 있는 금속-유기 프레임워크(MOF)가 필터로 포함되어 있는 고분자 매트릭스로 구성될 수 있다. 그러나, 분리막(21a)이 나노 크기의 구멍을 가지고 있는 금속-유기 프레임워크(MOF)가 필터로 포함되어 있는 고분자 매트릭스로 구성되는 것으로 한정될 것은 아니며, 배기가스 중 이산화탄소를 분리할 수 있는 다양한 구조의 필터로 형성될 수 있다. 멤브레인 가스분리기(21)는 우회관(11) 상에 설치되어 우회관(11)을 통과하는 배기가스에서 이산화탄소를 분리할 수 있다. 우회관(11)은 양단이 각각 배기관(10)에 연결되어 배기관(10)을 통과하는 배기가스 중 일부를 우회하여 다시 배기관(10)으로 배출하며, 멤브레인 가스분리기(21) 전단의 우회관(11)에는 흡입팬(12)이 설치되어 배기관(10) 내부의 배기가스를 우회관(11) 내부로 용이하게 흡입할 수 있다.

도 2를 참조하여 구체적으로 설명하면, 멤브레인 가스분리기(21)는, 우회관(11) 상에 설치되어 내부 공간이 우회관(11)과 연통되는 통 형상의 하우징(21b)과, 하우징(21b) 내부에 설치된 분리막(21a)을 포함한다. 분리막(21a)은 링 형상으로 배기가스의 유동 방향, 즉, 우회관(11)의 연장 방향을 따라 설치되며, 하우징(21b)은 분리막(21a)을 사이에 두고 제1 영역(A)과 제2 영역(B)으로 분할될 수 있다. 이 때, 제1 영역(A)은 우회관(11)과 연통되는 영역을 의미하고, 제2 영역(B)은 제1 영역(A)과 반대 영역을 의미할 수 있다. 즉, 우회관(11)을 따라 유동하는 메탄, 이산화탄소, 질소산화물, 황산화물 등을 포함하는 배기가스는 하우징(21b)의 제1 영역(A)을 통과하면서 분리막(21a)과 접하게 되고, 배기가스에 포함된 이산화탄소는 분리막(21a)을 통과하여 제2 영역(B)으로 배출된다. 이산화탄소가 분리된 메탄, 질소산화물, 황산화물 등을 포함하는 배기가스는 우회관(11)을 따라 이동하여 배기관(10)을 통해 배출된다. 우회관(11) 후단의 배기관(10) 상에는 황산환물을 제거하는 스크러버(도시되지 않음)와, 질소산화물을 제거하는 선택적촉매환원반응기(SCR, 도시되지 않음)가 설치되므로, 배기가스는 오염물질이 제거된 후 대기 중에 방출될 수 있다.

한편, 제2 영역(B)으로 배출된 이산화탄소는 공급관(13)을 통해 배기관(10)으로 공급된다. 공급관(13)은 일단이 하우징(21b)의 제2 영역(B)에 연결되고 타단이 우회관(11) 전단의 배기관(10)에 연결되는 관으로, 압축기(22)와 고압저장탱크(23), 및 주입밸브(24)가 설치될 수 있다. 압축기(22)는 멤브레인 가스분리기(21)와 배기관(10) 사이의 공급관(13)에 설치되어 멤브레인 가스분리기(21)로부터 공급되는 소기가스를 압축하여 배기관(10)으로 공급할 수 있다. 도면 상에는 공급관(13)에 단일 개의 압축기(22)가 설치된 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 필요에 따라 복수 개의 압축기(22)가 설치될 수도 있다. 공급관(13)에 복수 개의 압축기(22)가 설치되는 경우, 복수 개의 압축기(22)는 서로 직렬로 배치되어 소기가스를 다단으로 압축할 수 있다. 압축기(22)에서 압축된 소기가스는 고압저장탱크(23)에 저장된다. 고압저장탱크(23)는 압축기(22)와 배기관(10) 사이의 공급관(13)에 설치되어 압축기(22)를 통과한 소기가스를 고압으로 저장할 수 있다. 고압저장탱크(23)에 저장된 고압의 소기가스는 연소기관(100)의 시운전을 위해 초기 작동하는 경우나 연소기관(100)의 유지보수 후 재 작동하는 경우에 배기관(10)으로 주입되며, 주입밸브(24)에 의해 유동이 제어될 수 있다. 주입밸브(24)는 고압저장탱크(23)와 배기관(10) 사이의 공급관(13)에 설치되며, 연소기관(100)과 연동되어 개폐가 조절될 수 있다.

이하, 도 3 및 도 4를 참조하여, 연소기관의 배기장치(1)의 동작에 대해 보다 구체적으로 설명한다.

도 3 및 도 4는 연소기관의 배기장치의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.

본 발명에 따른 연소기관의 배기장치(1)는 소기유닛(20)이 배기관(10) 내부로 소기가스를 주입하므로, 배기관(10)에 잔존하는 배기가스를 효과적으로 배출할 수 있다. 따라서, 연소기관(100)의 시운전을 위해 초기 작동하는 경우나 연소기관(100)의 유지보수 후 재 작동하는 경우에 배기가스에 포함된 연소 가능 물질이 점화되어 폭발하는 것을 방지할 수 있으며, 이로 인해, 배기관(10), 및 배기관(10)에 설치된 각종 장비를 효과적으로 보호할 수 있다. 특히, 소기유닛(20)이 배기가스로부터 이산화탄소를 분리하여 소기가스로 활용하므로, 필요 시 배기관(10) 내부로 소기가스를 반복적으로 주입할 수 있어 이에 따른 비용을 절감할 수 있고 종래의 장치에 용이하게 적용할 수 있다.

도 3은 연소기관이 동작할 때 연소기관의 배기장치의 동작을 설명하기 위한 작동도이고, 도 4는 연소기관이 동작하지 않을 때 연소기관의 배기장치의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.

먼저, 도 3을 참조하면, 연소기관(100)은 연료를 연소하여 동력을 생성하고, 연소기관(100)에서 발생된 배기가스는 배기관(10)을 통해 배출된다. 배기관(10)을 유동하는 배기가스 중 일부는 흡입팬(12)에 의해 흡입되어 우회관(11)으로 유입되고, 나머지 일부는 배기관(10)을 따라 유동한다. 우회관(11)으로 유입된 메탄, 이산화탄소, 질소산화물, 황산화물 등을 포함하는 배기가스는 멤브레인 가스분리기(21)의 제1 영역(A)을 통과하면서 분리막(21a)과 접하게 된다. 분리막(21a)은 이산화탄소 분자를 선택적으로 투과시킬 수 있는 막이므로, 배기가스에 포함된 이산화탄소가 분리막(21a)을 통과하여 제2 영역(B)으로 배출될 수 있다. 제2 영역(B)으로 배출된 이산화탄소는 공급관(13)을 따라 유동하여 압축기(22)에서 압축된 후 고압저장탱크(23)에 저장된다. 연소기관(100)이 동작하고 있으므로, 주입밸브(24)는 폐쇄된 상태로 유지된다.

한편, 이산화탄소가 분리된 메탄, 질소산화물, 황산화물 등을 포함하는 배기가스는 우회관(11)을 따라 이동하여 다시 배기관(10)으로 배출되며, 배기관(10)을 따라 유동하던 배기가스에 합류되어 스크러버, 선택적촉매환원기를 통과하며 황산화물과 질소산화물이 제거된 후 대기 중에 방출된다.

이어서, 도 4를 참조하면, 연소기관(100)이 동작을 멈춘 경우, 주입밸브(24)가 개방된다. 주입밸브(24)가 개방됨에 따라, 고압저장탱크(23)에 저장된 소기가스가 공급관(13)을 통해 배기관(10)으로 주입되며, 이로 인해, 외부로 배출되지 않고 배기관(10)에 잔존하던 배기가스가 소기가스에 밀려 강제 배출될 수 있다. 배기가스가 강제 배출됨에 따라, 연소기관(100)이 재 작동 시 배기가스에 포함된 연소 가능 물질이 점화되어 폭발하는 것을 방지할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 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: 연소기관의 배기장치
10: 배기관 11: 우회관
12: 흡입팬 13: 공급관
20: 소기유닛 21: 멤브레인 가스분리기
21a: 분리막 21b: 하우징
22: 압축기 23: 고압저장탱크
24: 주입밸브
100: 연소기관
A: 제1 영역 B: 제2 영역

Claims (7)

1. 연료를 연소하여 동력을 발생시키는 연소기관에 연결되어 상기 연소기관에서 발생하는 배기가스를 외부로 배출하는 배기관, 및
   상기 배기관 내부로 불연성인 소기가스를 주입하는 소기유닛을 포함하는 연소기관의 배기장치.
2. 제1 항에 있어서, 상기 소기유닛은,
   상기 배기관으로부터 상기 배기가스를 공급받아 상기 배기가스 중 이산화탄소를 분리하여 상기 배기관에 상기 소기가스로 주입하는 연소기관의 배기장치.
3. 제2 항에 있어서, 상기 소기유닛은,
   이산화탄소 분자의 투과율이 메탄 분자의 투과율보다 높은 분리막을 포함하는 멤브레인 가스분리기를 포함하는 연소기관의 배기장치.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 멤브레인 가스분리기와 상기 배기관 사이에 설치되어 상기 멤브레인 가스분리기로부터 공급되는 상기 소기가스를 압축하여 상기 배기관으로 공급하는 압축기를 더 포함하는 연소기관의 배기장치.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 압축기와 상기 배기관 사이에 설치되어 상기 압축기를 통과한 상기 소기가스를 고압으로 저장하는 고압저장탱크를 더 포함하는 연소기관의 배기장치.
6. 제3 항에 있어서,
   양단이 상기 배기관에 각각 연결되어 상기 배기관을 통과하는 상기 배기가스 중 일부를 우회하여 다시 상기 배기관으로 배출하는 우회관을 더 포함하되,
   상기 멤브레인 가스분리기는 상기 우회관 상에 설치되어 상기 우회관을 통과하는 상기 배기가스에서 이산화탄소를 분리하는 연소기관의 배기장치.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 우회관에 설치되어 상기 배기관 내부의 상기 배기가스를 상기 우회관 내부로 흡입하는 흡입팬을 더 포함하는 연소기관의 배기장치.

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