WO2010076967A2 - 개질기를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 장치, 이에 사용되는 개질기 및 이를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 방법 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for reducing harmful emissions of an engine using a reformer, a reformer used for the same, and a method for reducing harmful emissions of an engine using the same, including a reformer, a selective catalytic reaction device (HC-SCR), and a soot filter (DPF).
  • a reformer a selective catalytic reaction device
  • DPF soot filter
  • Hazardous emissions reduction system using a reformer that can effectively reduce the harmful emissions generated in the engine combustion process by operating in conjunction with the after-treatment devices such as), the reformer used and the engine of the same It relates to a method for reducing harmful emissions.
  • the major harmful components emitted from the engine can be classified into hydrocarbon (HC), nitrogen oxides (NOx), carbon monoxide (CO) and dust (PM, particulate matter).
  • Hazardous emissions contained in the exhaust gas of the engine are reduced by a method of reducing or treating and reducing harmful emissions using a post-treatment device.
  • lean combustion is characterized by lean combustion, which has more air than fuel, rather than theoretical air-fuel ratio.
  • NOx is mainly EGR, CO and HC are oxidation catalysts, and PM is fuel injection system.
  • Apparatuses (DPF, Diesel Particulate Filter) and post-treatment devices such as Urea-SCR and LNT (Lean NOx Trap) to reduce NOx are also applied.
  • HCCI Homogenous Charge Compression Ignition
  • the HCCI combustion technique is a combustion technique that mainly reduces NOx and PM by premixed compression ignition, and lowers NOx and PM through premixed combustion to minimize the NOx produced by the engine in the rare air condition.
  • To make the condition it is necessary to delay the ignition time to ensure sufficient mixing time after the fuel is injected.
  • In order to delay the ignition time it is usually effective to lower the temperature, but when the temperature is lowered, CO or HC increases in the engine. And HCCI combustion may become unstable.
  • the plasma reformer exhaust gas recirculation system of the diesel engine includes an exhaust gas recirculation device for recirculating the exhaust gas discharged from the diesel engine to the diesel engine, and an exhaust gas exhausted from the exhaust gas recirculation device. And a reformer for introducing and reforming the diesel oil, and a diesel exhaust gas after-treatment device into which the reformed gas discharged from the reformer and the exhaust gas discharged from the exhaust gas recirculation device are introduced.
  • the intermittent use of syngas in the NOx traps and / or diesel engines, as shown in FIG. 2, is characterized by the partial catalytic oxidant (CPO) 30 supplying syngas (hydrogen and carbon monoxide) intermittently to the NOx trap. And an engine gas recirculation system 43 to 46 (EGR) for supplying the output of the CPO to the engine 12 during the rest period when no syngas is used.
  • CPO partial catalytic oxidant
  • EGR engine gas recirculation system 43 to 46
  • the prior art can improve the combustion stability of the engine by using the reformer and the EGR together, and effectively reduce the NOx, but the action and influence of the reformer are individually applied to the engine or the aftertreatment device such as the NOx trap.
  • the application of the different post-treatment devices such as HC-SCR and DPF together is independent of each other, and the treatment efficiency of hazardous emissions is also limited by the individual performance of each device. There was a problem.
  • the present invention devised to solve the above problems, the application of the HCCI combustion technique, the reformer, the action of the post-treatment devices such as selective catalytic reactor (HC-SCR), soot filtration device (DPF) It is an object of the present invention to provide a harmful emissions reduction apparatus for an engine using a reformer, a reformer used in the engine, and a method for reducing harmful emissions using the same, which are made in association with each other, so that harmful emissions can be treated more efficiently.
  • HC-SCR selective catalytic reactor
  • DPF soot filtration device
  • the present invention for achieving the above object, reforming the oxygen (O) and hydrocarbons (HC) contained in the engine exhaust gas into hydrogen (H2) and carbon monoxide (CO), the temperature of the exhaust gas by the exothermic reaction A reformer 20 that raises more;
  • the exhaust gas is reformed in the reformer 20 to supply exhaust gas having a higher hydrogen (H 2) content to the engine 10 to stabilize the HCCI combustion reaction of the engine 10.
  • An apparatus for reducing harmful emissions of an engine using a reformer, which is configured, is a technical gist.
  • the reformer 20 is preferably provided in the exhaust gas passage of the engine 10 with a reforming catalyst 23.
  • the reformer 20 has a maximum generation rate of hydrogen (H 2) in the reformer 20 in order to stabilize HCCI combustion of the engine 10 and promote a reduction reaction of the HC addition selective catalyst reactor 40. It is preferably configured to include; an injector 22 for selectively supplying fuel so that the gas composition inside the reformer 20 is maintained at an optimum C / O ratio.
  • H 2 maximum generation rate of hydrogen
  • the reformer 20 is an optimum C / O ratio at which the gas temperature at the outlet of the reformer 20 is maximized in order to increase the regeneration efficiency of the soot filtration device 50.
  • an injector 22 selectively supplying fuel so that the gas composition inside the reformer 20 is maintained.
  • the injector 22, the fuel injected into the reformer 20 passes through the reforming catalyst 23 of the reformer in a state in which the fuel supplied to the reformer 20 is vaporized by the engine exhaust gas temperature and mixed with the exhaust gas. It is preferable to be installed at a position closer to the exhaust gas outlet side of the engine 10 than the reforming catalyst 23.
  • the oxygen sensor 27 is installed on the exhaust gas passage of the engine 10 to detect the oxygen concentration of the exhaust gas supplied to the reformer 20;
  • a carbon sensor (not shown) installed on the exhaust gas passage of the engine 10 to detect the carbon concentration of the exhaust gas supplied to the reformer 20;
  • a deficiency of the carbon concentration measured by the carbon sensor with respect to the oxygen concentration measured by the oxygen sensor 27 such that the exhaust gas inside the reformer 20 satisfies a set C / O ratio.
  • Injector control device 24 for increasing and adjusting the fuel injection amount of the injector 22 preferably further comprises.
  • the HC addition selective catalyst reaction device 40 adjusts the ratio of nitrogen oxides (NOx) contained in engine exhaust gas to a set reference value or less by only operating the reformer 20 and the exhaust gas recirculation device 30. It is preferable to operate in the high load operating region of the engine 10 which cannot be maintained.
  • the exhaust gas of the reformer 20 is directly supplied to the soot filtration device 50 side, or after passing through the HC addition selective catalyst reaction device 40 to be supplied to the soot filtration device 50, It is preferably configured to further include a bypass passage 35 to provide a switchable exhaust gas flow path selectively.
  • the insertion pipe 21 is provided at a spaced interval from the inner wall of the exhaust gas passage of the engine 10 in the exhaust gas passage of the engine 10;
  • An injection end is installed at an inlet side of the insertion pipe 21 through which engine exhaust gas flows, and fuel is selectively supplied to maintain a gas composition inside the reformer 20 at a set C / O ratio.
  • the reformer 20 for reducing harmful emissions of the engine characterized in that it comprises a; reforming catalyst for promoting the reaction to reform the hydrogen (H 2) and carbon monoxide (CO) to another technical gist.
  • the insertion pipe 21 has a larger inner diameter at the outlet side where the reforming catalyst 23 is installed than the inlet side at which the engine exhaust gas is introduced and the fuel injection of the injector 22 is performed. desirable.
  • the insertion pipe 21 transfers heat from the atmosphere in contact with the outer surface of the exhaust gas passage of the engine 10 by the exhaust gas passing between the exhaust gas passage of the engine 10 and the insertion tube 21. It is desirable to be installed at a distance enough to reduce the amount.
  • injector control device 24 for increasing and adjusting the fuel injection amount of (22); is preferably configured to further include.
  • the reformer (20) reforming the oxygen (O) and hydrocarbons (HC) to hydrogen (H2) and carbon monoxide (CO) and the reformer 20 is modified in the hydrogen (H2) content is The operation of the exhaust gas recirculation unit (EGR) 30 which supplies the exhaust gas of the increased state to the engine 10 and the combustion of nitrogen oxides (NOx) contained in the engine exhaust gas by the combustion of the Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI).
  • the ratio of nitrogen oxides (NOx) contained in the engine exhaust gas is set below the set reference value only by operating the H2 + EGR mode for adjusting and maintaining the ratio below the set reference value and the operation of the reformer 20 and the exhaust gas recirculation apparatus 30.
  • H2 + [HC-SCR] + EGR mode to operate 40 additionally, and a soot filtration device ( When the amount of dust inside the DPF) 50 exceeds the set value, it is divided into a DPF regeneration mode that receives high-temperature exhaust gas from the reformer 20 outlet and oxidizes and removes PM, and the H2 + EGR mode, Another technical gist of the method of reducing harmful emissions of the engine 10 using the reformer 20 is to selectively operate the H2 + [HC-SCR] + EGR mode and the DPF regeneration mode.
  • the mode determined in the operation mode determination step is the H2 + EGR mode or the H2 + [HC-SCR] + EGR mode
  • the hydrogen (H2) in the reformer 20 depends on the hydrogen (H2) supply amount required in each mode.
  • the fuel is supplied to maintain the gas composition inside the reformer 20 at an optimum C / O ratio at which the production rate is maximum, and the mode determined in the operation mode determination step is the DPF regeneration mode.
  • the fuel is supplied to maintain the gas composition inside the reformer 20 at an optimum C / O ratio at which the gas temperature at the outlet of the reformer 20 is maximized. It is preferably configured to include a selection mode operating step.
  • the hydrocarbon (HC) contained in the exhaust gas of the engine is converted into hydrogen (H 2), reformed, and supplied to the engine while securing stability of HCCI combustion,
  • the high concentration of hydrogen and the high temperature heat generated by the exothermic reaction are selectively supplied to the HC addition catalyst and the soot filtration device, and the nitrogen oxide (NOx) treatment and soot filtration device in the HC addition catalyst is selected.
  • NOx nitrogen oxide
  • the HCCI combustion reaction in the engine is further accelerated by supplying and circulating high concentration hydrogen (H 2) generated from the reformer to the engine side, so as to promote the HCCI combustion reaction in the low temperature environment. While minimizing the amount of hydrocarbon (HC) and carbon monoxide (CO) that may be generated by the ignition delay, it is possible to stably reduce nitrogen oxides (NOx) and dust (PM) through premixed combustion.
  • H 2 high concentration hydrogen
  • Selective catalyst reaction device using high concentration of hydrogen (H2) generated from reformer is used for additional use of HC addition catalyst in the high load area of engine where HCCI combustion reaction is difficult to be stably achieved only by reformer and exhaust gas recirculation device.
  • H2O nitrogen oxides
  • the particulate filter (PM) When the particulate filter (PM) is accumulated in the particulate filter and the particulate filter is operated, the particulate matter (PM) that has been deposited in the reformer by receiving the exhaust gas with a higher hydrogen (H2) content in the reformer is introduced. ) Can be effectively oxidized and removed.
  • dust In a general soot filtration apparatus, dust is oxidized and removed at a high temperature of 500 ° C. or higher, but according to the present invention, the dust of the soot filtration apparatus can be oxidized and removed at a relatively low temperature near 200 ° C.
  • the HCCI combustion technique is applied and the selective catalytic reaction device is operated while the operation criteria of the reformer are differently applied, such as operating on the basis of hydrogen generation amount or heating value.
  • various post-processing devices such as HC-SCR) and soot filtration device (DPF)
  • HC-SCR HC-SCR
  • DPF soot filtration device
  • the reformer and after-treatment devices can be effectively connected to each other in suppressing the generation and discharge of harmful emissions in accordance with the exhaust temperature and exhaust gas characteristics of the engine.
  • the HCCI combustion, the HC addition selective catalytic reaction apparatus, and the soot filtration apparatus are operated independently or independently of each other, so that harmful emissions such as NOx and PM can be more efficiently treated.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram showing an example of an appropriate operating region of the HC-added selective catalytic reaction apparatus according to the engine speed and the fuel supply amount, and an appropriate operating region of the soot filtration apparatus
  • FIGS. 9 to 8 are flowcharts showing in more detail the contents shown in FIGS.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a first embodiment of the apparatus for reducing harmful emissions of an engine using a reformer according to the present invention
  • Figure 4 is an appropriate operating region of the HC addition selective catalyst reaction device according to the engine speed and fuel supply amount
  • FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating an example of an appropriate operation area of a soot filtration device
  • FIG. 5 is a graph illustrating the operation efficiency of an HC addition selective catalyst reaction device according to hydrogen concentration.
  • FIG. 6 is a graph showing an optimum C / O ratio according to the hydrogen production rate and an optimum C / O ratio according to the reformer outlet gas temperature.
  • FIG. 7 is a graph illustrating an engine according to the present invention.
  • 8 is a schematic diagram showing a first embodiment of the harmful emissions reducing reformer, FIG. 8 is a flowchart showing a first embodiment of the method for reducing the harmful emissions of the engine using the reformer according to the present invention, and FIG. It is a flow chart showing the content in more detail.
  • An apparatus for reducing harmful emissions of an engine using a reformer is to operate a post-treatment apparatus such as a reformer, a selective catalytic reaction apparatus (HC-SCR), and a soot filtration apparatus (DPF) in combination with each other.
  • the present invention relates to an apparatus for reducing harmful emissions of an engine that can effectively reduce harmful emissions generated in an engine combustion process. As shown in FIG. 3, a reformer 20 and an exhaust gas recirculation apparatus (EGR) are largely shown. 30, the HC addition selective catalytic reaction device (HC-SCR) 40, and the soot filtration device (DPF) (50).
  • the reformer 20 converts oxygen (O) and hydrocarbon (HC) contained in engine exhaust gas into hydrogen (H2) and carbon monoxide (CO) using a reforming catalyst (23) such as rhodium alumina (RhAl2O3).
  • a reforming catalyst (23) such as rhodium alumina (RhAl2O3).
  • the exhaust gas is reformed and the exhaust gas is reformed, and the heat generated in the reaction process increases the exhaust gas temperature at the outlet side of the reformer 20.
  • the efficiency of the reforming reaction may be further increased by using high temperature heat of the engine exhaust gas, and the exhaust gas passage of the engine 10 may be increased.
  • the exhaust gas recirculation device (EGR) 30 supplies the exhaust gas in a state in which the reformer 20 is reformed to increase hydrogen (H 2) content to the engine 10 to supply the exhaust gas to the engine 10. 10) It stabilizes the combustion reaction of Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI).
  • the HCCI combustion reaction is a combustion reaction capable of minimizing the generation of nitrogen oxides (NOx) and dust (PM) through premixed combustion.
  • NOx nitrogen oxides
  • PM dust
  • a sufficient mixing time is provided after the fuel is supplied. It is necessary to extend the ignition time, and in order to prolong and delay the ignition time, it is usually effective to lower the temperature, but when the temperature is lowered, the combustion itself may become unstable.
  • Hydrogen (H2) has a small molecular weight can serve to promote the reaction, by supplying a high concentration of hydrogen (H2) generated in the reformer 20 to the engine 10, the HC addition selective catalytic reaction device (HC In the low temperature environment where the activity of the SCR (40) and the soot filtration device (DPF) is low, the generation of nitrogen oxides (NOx) and dust (PM) can be minimized by increasing the stability of HCCI combustion.
  • the HC-selective catalytic reaction device (HC-SCR, HC-SCR) (40) is reformed in the reformer 20 to receive nitrogen gas (N 2) to receive exhaust gas with a higher hydrogen (H 2) content.
  • N 2 nitrogen gas
  • H2O water vapor
  • PM soot filtration device
  • the reformer 20 Through the exhaust gas recirculation device 30 to repeat the circulation to the engine 10 side is reduced and reduced, the high temperature exhaust gas passing through the engine 10 to the reformer 20 rotates the turbine (turbine) By operating the compressor (compressor) connected to the turbine to compress the air supplied to the engine 10 it is made to be stable combustion in the engine (10).
  • HC hydrocarbons
  • NOx nitrogen oxides
  • CO carbon monoxide
  • PM dust
  • the nitrogen oxide (NOx) included in the exhaust gas passing through the turbine is atmospheric nitrogen (N 2) by the HC addition selective catalyst reaction device 40.
  • the particulate matter, such as soot, is reduced to dust and is finally discharged in the state collected in the soot filtration device 50 or circulated back to the engine 10 side.
  • the HC addition selective catalytic reaction device 40 On the outlet side of the HC addition selective catalytic reaction device 40 so that the high temperature exhaust gas passing through the HC addition selective catalyst reaction device 40 passes through the soot filtration device 50 and finally discharged. It is preferable to connect and install the soot filtration device 50, but the HC addition selective catalyst reaction device 40 also functions as a heating device while absorbing heat by the carrier structure, so as to the soot filtration device 50. Heat loss of the gas to be supplied may occur.
  • the case where the operation efficiency of the HC addition selective catalyst reaction device 40 is high means an engine high load region requiring full operation of the HC addition selective catalyst reaction device 40 to control the emission of the engine. In distinguishing from the engine low load region in which the selective catalytic reaction apparatus 40 does not require operation, it is limited to a specific value by having different region characteristics depending on the engine speed and fuel supply amount, exhaust gas temperature, and composition. Difficult to do
  • the HC addition selective catalyst reaction apparatus 40 cannot adjust and maintain the ratio of nitrogen oxides (NOx) contained in engine exhaust gas only below a set reference value by only operating the reformer 20 and the exhaust gas recirculation apparatus 30. It is preferable that the engine 10 is operated in a high load operating region, and when dividing the region in which the HC addition selective catalytic reaction apparatus 40 is operated in earnest as described above by the engine speed and the fuel supply amount, it is approximately FIG. Regions can be divided as shown in FIG.
  • the H2 + EGR mode which indicates the area on the lower left side, is used to convert the exhaust gas of the reformer 20 and the reformer 20 to increase the hydrogen (H 2) content.
  • 10) is an operation mode in which the ratio of nitrogen oxides (NOx) contained in engine exhaust gas is adjusted and maintained below a set reference value by the operation of the exhaust gas recirculation apparatus (EGR) 30 supplied to the exhaust gas and HCCI combustion.
  • EGR exhaust gas recirculation apparatus
  • the H2 + [HC-SCR] + EGR mode which represents the area on the left side of the middle portion, uses nitrogen as the reducing agent in the high load operating region of the engine 10 to convert nitrogen oxide (NOx) into atmospheric nitrogen ( N 2) and water vapor (H 2 O), the HC-selective catalytic reaction device (HC-SCR) 40 is a mode of operation that requires further operation.
  • the hydrogen generated by the reformer 20 ( By supplying H2)
  • the operating efficiency of the HC addition selective catalyst reaction apparatus 40 can be more synergistically applied even at a temperature of 300 ° C to 350 ° C or lower.
  • FIG. 5 illustrates the reduction efficiency of nitrogen oxide (NOx) in the HC addition catalyst according to the concentration of hydrogen (H 2), which is higher at lower temperatures as the concentration of hydrogen (H 2) is increased. Reduction of nitrogen oxides (NOx) can be achieved with efficiency, and it can be seen that it is possible to implement nitrogen oxide (NOx) reduction rates of up to 60% at temperatures below 300 ° C.
  • FIG. 6 (a) shows an optimal C / O ratio at which the hydrogen (H2) generation rate is maximized in the reformer 20, and FIG. 6 (b) shows an outlet at the outlet of the reformer 20.
  • the optimum C / O ratio at which the gas temperature is maximized is shown.
  • the optimum C / O ratio at which the hydrogen (H2) production rate is maximized and the reformer 20 are shown.
  • the optimum C / O ratios at which the gas temperature at the outlet of the maximum are maximized do not coincide with each other.
  • the optimum carbon dioxide rate at which the hydrogen (H 2) generation rate in the reformer 20 is maximized It is preferable to maintain the gas composition inside the reformer 20 at a C / O ratio.
  • the gas temperature at the outlet of the reformer 20 is maximum. It is desirable to maintain the gas composition inside the reformer 20 at an optimum C / O ratio.
  • the injector 22 selectively supplies fuel to the reformer 20
  • the concentration of oxygen and carbon contained in the exhaust gas supplied into the reformer 20 is measured, and the HCCI combustion and HC addition are performed.
  • an optimum C / O ratio is established.
  • the fuel may be injected into the reformer 20 and converted into and maintained at a C / O ratio that may optimize operation in each operation mode.
  • An oxygen sensor 27 and a carbon sensor are installed on the exhaust gas passage of the engine 10 to detect the oxygen concentration and the carbon concentration of the exhaust gas supplied to the reformer 20, and the oxygen sensor (The fuel injection amount of the injector 22 may be increased and adjusted by the injector control device 24 by an insufficient amount of the carbon concentration measured by the carbon sensor with respect to the oxygen concentration measured in 27).
  • the injector 22 reforms the catalyst 23 for reforming the reformer in a state in which fuel injected and injected into the reformer 20 through the injector 22 is vaporized by an engine exhaust gas temperature and sufficiently mixed with the exhaust gas. In order to pass through, it is installed at a position closer to the exhaust gas outlet side of the engine 10 than the reforming catalyst 23.
  • the reformer 20 for reducing harmful emissions of the engine according to the present invention includes an insertion tube 21, an injector 22, and a reforming catalyst 23, as shown in FIG. 7.
  • 21 is installed in the exhaust gas passage of the engine 10 spaced apart from the inner wall of the exhaust gas passage of the engine 10, the injector 22 is the insertion pipe 21 through which the engine exhaust gas flows
  • the injection end is installed at the inlet side of the inlet, and the reforming catalyst 23 is inserted into the insertion pipe (S) so that fuel supplied into the reformer 20 by the injector 22 is mixed with the exhaust gas. 21) is provided on the outlet side.
  • the insertion tube 21 is a heat transfer amount from the atmosphere in contact with the outer surface of the exhaust gas passage of the engine 10 by the exhaust gas passing between the exhaust gas passage of the engine 10 and the insertion tube 21. It is installed in the exhaust gas passage of the engine 10 with a distance that can be reduced to reduce the heat loss of the fuel supplied from the injector 22 to promote vaporization, the insertion tube ( The internal space of 21 can be maintained at a constant temperature range.
  • the inner diameter of the insertion tube 21 is wider than the inlet side where the engine exhaust gas is introduced and the fuel injection of the injector 22 is performed.
  • the fuel injected from the injector 22 is clearly diffused throughout the inside of the insertion tube 21 from the high pressure to the low pressure side by the pressure difference according to the expansion of the inner diameter of the insertion tube 21 It can be supplied to the reforming catalyst 23 side.
  • the injector 22 selectively supplies fuel to maintain the gas composition inside the reformer 20 at a set C / O ratio, and supplies oxygen (O) and hydrocarbons (HC) to hydrogen (H2). And the reaction to reform the carbon monoxide (CO), and the injector control device 24 is provided so that the exhaust gas inside the insertion tube 21 satisfies a set C / O ratio.
  • the fuel injection amount of (22) can be adjusted.
  • Hazardous emissions reduction method of the engine using the reformer according to the present invention using the harmful emissions reduction device of the engine using the reformer, and the reformer 20 for reducing harmful emissions of the engine, as described above, H2 + EGR mode, H2 + [ HC-SCR] + EGR mode, DPF regeneration mode, and H2 + EGR mode, H2 + [HC-SCR] + EGR mode and DPF regeneration mode to selectively operate the method to reduce the harmful emissions of the engine .
  • the HCCI is operated using the reformer 20 while sequentially performing a driving information input step, a driving mode determination step, and a selection mode operation step.
  • Combustion techniques such as the catalytic catalytic reactor (HC-SCR) (40), the post-treatment devices such as soot filtration device (DPF) 50 can be combined with each other in combination to more efficiently process the hazardous emissions.
  • HC-SCR catalytic catalytic reactor
  • DPF soot filtration device
  • the engine speed and fuel supply amount, or the engine (or engine) to determine which one of the H2 + EGR mode, the H2 + [HC-SCR] + EGR mode, and the DPF regeneration mode is preferable.
  • information about the oxygen and carbon concentration of the exhaust gas of the engine 10 supplied to the reformer 20 is input in order to appropriately adjust and maintain a C / O ratio inside the reformer 20. And receiving in real time whether the smoke filter 50 needs to be operated in accordance with a criterion such as whether the amount of dust inside the smoke filter 50 exceeds a set value.
  • the driving mode determination step whether the engine 10 belongs to the high load operating region according to the rotation speed and the fuel supply amount of the engine input in the driving information input step or the exhaust gas temperature discharged from the engine 10; It is determined whether operation of the soot filtration device 50 is necessary, and it is determined which mode of the H2 + EGR mode, the H2 + [HC-SCR] + EGR mode, and the DPF regeneration mode is operated.
  • the reformer Fuel is supplied such that the gas composition inside the reformer 20 is maintained at an optimal C / O ratio at which hydrogen (H 2) generation rate in 20) is maximized.
  • the reformer 20 may have an optimum C / O ratio at which the gas temperature at the outlet of the reformer 20 is maximized. Fuel is supplied to maintain the internal gas composition, and each mode is operated.
  • the H2 + EGR mode is entered.
  • the reformer 20 operates to maximize hydrogen (H 2) production rate, supplies the reformed gas from the reformer 20 to the engine 10, and operates in the H 2 + EGR mode.
  • the reformer 20 is included in the exhaust gas of the engine.
  • Hydrocarbon (HC) is converted into hydrogen (H2), reformed and supplied to the engine (10) to ensure stability of HCCI combustion, and generated by the exothermic reaction with high concentration of hydrogen produced in the reformer (20).
  • the high-temperature heat is selectively supplied to the HC addition selective catalyst reaction device 40 and the soot filtration device 50, and the nitrogen oxide (NOx) treatment and the soot filtration device in the HC addition selective catalyst reaction device 40 are performed.
  • the PM treatment at 50 can be made more effective.
  • the HC-added selective catalyst panel 40 is additionally used in the high load region of the engine where HCCI combustion reaction is difficult to stably occur.
  • H 2 hydrogen
  • NOx nitrogen oxide
  • the HC additive selective catalyst reaction device 40 using HC as a reducing agent
  • the reaction to convert to atmospheric nitrogen (N2) and water vapor (H2O) can be further promoted and stabilized.
  • the reformer 20 is reformed to further increase the hydrogen (H 2) content.
  • the exhaust gas of the state is selectively introduced into the HC addition selective catalyst reaction device 40 together with the hot gas generated by the exothermic reaction, and the dust PM accumulated therein can be effectively oxidized and removed. .
  • the HCCI combustion technique is applied and the selective catalytic reaction device is operated while the operation criteria of the reformer are differently applied, such as operating on the basis of hydrogen generation amount or heating value.
  • Various post-treatment devices such as HC-SCR) and soot filtration devices (DPF) are linked to each other.
  • the reformer 20 by applying HCCI combustion, the reformer 20, and various after-treatment devices 40 and 50, in order to suppress generation and discharge of harmful emissions in accordance with the exhaust temperature and exhaust gas characteristics of the engine, the reformer ( 20) and when the aftertreatment apparatuses 40 and 50 are effectively connected to each other to operate HCCI combustion, the HC addition selective catalyst reaction apparatus 40, and the soot filtration apparatus 50 alone or independently of each other. In comparison, more efficient treatment of harmful emissions such as NOx and PM can be achieved.

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Abstract

본 발명은 개질기를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 장치, 이에 사용되는 개질기 및 이를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 방법에 관한 것으로, 엔진 배기가스에 포함된 산소(O)와 탄화수소(HC)를 수소(H₂)와 일산화탄소(CO)로 개질하며, 발열반응에 의해 배기가스의 온도를 보다 상승시키는 개질기(reformer)(20); 상기 개질기(20)에서 개질되어 수소(H₂) 함유량이 보다 증가된 상태의 배기 가스를 상기 엔진(10)으로 공급하여 상기 엔진(10)의 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition)연소 반응을 안정시키는 배기가스 재순환장치(EGR)(30); 상기 개질기(20)에서 개질되어 수소(H₂) 함유량이 보다 증가된 상태의 배기 가스를 공급받아 질소산화물(NOx)의 환원반응이 보다 촉진된 상태로, HC를 환원제로 사용하여 질소산화물(NOx)을 대기성 질소(N₂)와 수증기(H₂O)로 변환시키는 HC첨가 선택적촉매반응장치(HC-SCR)(40); 및 상기 개질기(20)에서 개질되어 수소(H₂) 함유량이 보다 증가된 상태의 배기 가스를 유입받아 내부에 퇴적된 분진(PM)이 산화제거되는 매연여과장치(DPF)(50);를 포함하여 구성되는 것을 기술적 요지로 하여, HCCI 연소기법, 개질기의 적용과 함께, 선택적 촉매 반응장치(HC-SCR), 매연여과장치(DPF)와 같은 후처리장치들의 작용이 상호 복합적으로 연계하여 이루어지면서, 보다 효율적으로 유해배출물 처리가 이루어질 수 있도록 하는 개질기를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 장치, 이에 사용되는 개질기 및 이를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 방법에 관한 것이다.

Description

개질기를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 장치, 이에 사용되는 개질기 및 이를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 방법
본 발명은 개질기를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 장치, 이에 사용되는 개질기 및 이를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 방법에 관한 것으로, 개질기(reformer), 선택적 촉매 반응장치(HC-SCR), 매연여과장치(DPF)와 같은 후처리 장치를 상호 복합적으로 연계하여 가동하는 것에 의해 엔진 연소과정에서 생성되는 유해배출물을 효과적으로 저감시킬 수 있도록 하는 개질기를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 장치, 이에 사용되는 개질기 및 이를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 방법에 관한 것이다.
엔진에서 배출되는 주요 유해성분은 탄화수소(HC, Hydro Carbon), 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO), 분진(PM, particulate matter)로 분류할 수 있으며, 엔진 연소과정에서 유해배출물의 생성량 자체를 감소시키거나, 후처리 장치를 이용하여 유해배출물을 처리, 감소시키는 방법에 의해 엔진의 배출 가스에 포함된 유해배출물을 감소 처리하고 있다.
디젤엔진의 경우, 이론 공연비보다는 연료량에 비해 공기량이 많은 희박 연소가 특징적이어서 NOx는 주로 EGR, CO 및 HC는 산화 촉매, PM은 연료분사시스템으로 배출물 감소시키고 있으며, 근래에는 PM을 줄이기 위한 매연여과장치(DPF, Diesel Particulate Filter)와, NOx를 감소시키기 위한 Urea-SCR, LNT(Lean NOx Trap) 등의 후처리 장치도 적용하고 있다.
이러한 희박 조건에서 적용가능한 디젤엔진의 후처리 장치들은 가솔린의 희박 연소 시에도 적용가능하여 그 연구가 최근 크게 증가하고 있으며, 이러한 후처리 기술과 더불어 HCCI(Homogenous Charge Compression Ignition) 연소 기법 또한 가솔린엔진과 디젤엔진에 적용, 개발되고 있다.
HCCI 연소기법은 주로 NOx와 PM를 예혼합 압축착화에 의해 감소시키는 연소 기법으로, 예혼합 연소를 통해 NOx와 PM를 낮추어 공기가 희박한 조건에서 엔진에서 생성되는 NOx를 최소할 수 있으나, 충분한 예혼합 조건을 만들기 위해서는 연료가 분사된 후 충분한 혼합시간 확보를 위해 착화시간을 지연시킬 필요가 있으며, 착화시간을 지연시키기 위해서는 통상 온도를 낮추는 것이 효과적이나, 온도를 낮추게 되면 엔진 내에서 CO나 HC가 증대되고, HCCI 연소가 불안정해질 수 있다.
HCCI 연소의 안정성 증대 방안과, CO, HC 억제 방법이 보완되지 않으면 HCCI 연소기법의 적용이 제한적으로 이루어질 수 밖에 없으며, HCCI 연소의 안정성을 증대시키 위한 종래기술로서 엔진으로 공급되는 가스의 성분이나 농도를 변화, 조정하는 개질기(reforer)를 이용하는 기술이 다수가 개시되어 있다.
이러한 개질기(reforer)를 이용한 종래기술로서, 한국공개특허 제2007-95653호의 디젤엔진의 플라즈마 리포머 배기가스 재순환 시스템과, 한국공개특허 제2007-38446호의 NOx트랩 및/또는 디젤 엔진에 합성가스의 간헐적인 사용에 대해 간단히 설명하기로 한다.
상기 디젤엔진의 플라즈마 리포머 배기가스 재순환 시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이, 디젤엔진으로부터 배기되는 배기가스를 상기 디젤엔진으로 재순환시키는 배기가스 재순환 장치와, 상기 배기가스 재순환 장치로부터 배기되는 배기가스가 유입되도록 하며, 상기 디젤유를 유입하여 개질하는 개질기와, 상기 개질기로부터 배출된 개질가스와 상기 배기가스 재순환 장치로부터 배출된 배기가스가 유입되는 디젤배출가스 후처리 장치를 포함하는 구조를 가진다.
상기 NOx트랩 및/또는 디젤 엔진에 합성가스의 간헐적인 사용은, 도 2에 도시된 바와 같이, 간헐적으로 NOx 트랩에 합성가스(수소와 일산화탄소)를 공급하는 부분 촉매 산화제(CPO)(30)와, 합성가스가 사용되지 않는 휴지 기간 동안, CPO의 출력을 엔진(12)으로 공급하는 엔진 가스 재순환 시스템(43~46)(EGR)을 구비한 구조를 가진다.
상기 종래기술들은 개질기와 EGR을 함께 사용하여 엔진의 연소 안정성을 증대시키고, NOx를 효과적으로 저감시킬 수는 있으나, 개질기의 작용, 영향이 엔진이나, NOx트랩과 같은 후처리 장치에 개별적으로 선택 적용되는 단순한 구성을 가짐에 따라, HC-SCR, DPF와 같은 다른 후처리 장치를 함께 사용함에 있어서는 서로 독립적으로 그 적용이 이루어지게 되며, 유해배출물의 처리 효율 또한 각 장치의 개별적인 성능에 의해 결정되는 한계를 가진다는 문제점이 있었다.
상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은, HCCI 연소기법, 개질기의 적용과 함께, 선택적 촉매 반응장치(HC-SCR), 매연여과장치(DPF)와 같은 후처리장치들의 작용이 상호 복합적으로 연계하여 이루어지면서, 보다 효율적으로 유해배출물 처리가 이루어질 수 있도록 하는 개질기를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 장치, 이에 사용되는 개질기 및 이를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은, 엔진 배기가스에 포함된 산소(O)와 탄화수소(HC)를 수소(H₂)와 일산화탄소(CO)로 개질하며, 발열반응에 의해 배기가스의 온도를 보다 상승시키는 개질기(reformer)(20); 상기 개질기(20)에서 개질되어 수소(H₂) 함유량이 보다 증가된 상태의 배기 가스를 상기 엔진(10)으로 공급하여 상기 엔진(10)의 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition)연소 반응을 안정시키는 배기가스 재순환장치(EGR)(30); 상기 개질기(20)에서 개질되어 수소(H₂) 함유량이 보다 증가된 상태의 배기 가스를 공급받아 질소산화물(NOx)의 환원반응이 보다 촉진된 상태로, HC를 환원제로 사용하여 질소산화물(NOx)을 대기성 질소(N₂)와 수증기(H₂O)로 변환시키는 HC첨가 선택적촉매반응장치(HC-SCR)(40); 및 상기 개질기(20)에서 개질되어 수소(H₂) 함유량이 보다 증가된 상태의 배기 가스를 유입받아 내부에 퇴적된 분진(PM)이 산화제거되는 매연여과장치(DPF)(50);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 개질기를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 장치를 기술적 요지로 한다.
여기서, 상기 개질기(20)는, 개질용 촉매(23)를 구비하여 상기 엔진(10)의 배기가스 통로 내부에 설치되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 개질기(20)는, 상기 엔진(10)의 HCCI연소 안정화와 상기 HC첨가 선택적촉매반응장치(40)의 환원반응 촉진을 위해, 상기 개질기(20)에서의 수소(H₂) 생성율이 최대가 되는 최적의 탄소산소비율(C/O ratio)로 상기 개질기(20) 내부의 가스 조성이 유지되도록 연료를 선택적으로 공급하는 인젝터(22);를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 개질기(20)는, 상기 매연여과장치(50)의 재생 효율 상승을 위해, 상기 개질기(20)의 출구에서의 가스 온도가 최대가 되는 최적의 탄소산소비율(C/O ratio)로 상기 개질기(20) 내부의 가스 조성이 유지되도록 연료를 선택적으로 공급하는 인젝터(22);를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 인젝터(22)는, 상기 개질기(20) 내부로 분사 공급된 연료가 엔진 배기가스 온도에 의해 기화되어 배기가스에 혼합된 상태로 상기 개질기의 개질용 촉매(23)를 통과하도록, 상기 개질용 촉매(23) 보다 상기 엔진(10)의 배기가스 출구측에 인접한 위치에 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 개질기(20)로 공급되는 배기가스의 산소 농도를 검출하도록 상기 엔진(10)의 배기가스 통로상에 설치되는 산소센서(27); 상기 개질기(20)로 공급되는 배기가스의 탄소 농도를 검출하도록, 상기 엔진(10)의 배기가스 통로상에 설치되는 탄소센서(미도시); 및 상기 개질기(20) 내부의 배기가스가 설정 탄소산소비율(C/O ratio)을 만족하도록, 상기 산소센서(27)에서 측정된 산소 농도에 대해 상기 탄소센서에서 측정된 탄소 농도의 부족량만큼 상기 인젝터(22)의 연료분사량을 증가 조정하는 인젝터제어장치(24);를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 HC첨가 선택적촉매반응장치(40)는, 상기 개질기(20) 및 배기가스 재순환장치(30)의 가동만으로 엔진 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)의 비율을 설정기준치 이하로 조정, 유지할 수 없는 엔진(10) 고부하 운전영역에서 가동되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 개질기(20)의 출구측 배기가스를 상기 매연여과장치(50)측으로 직접 공급하거나, 상기 HC첨가 선택적촉매반응장치(40)를 통과한 후 상기 매연여과장치(50)로 공급되도록, 선택적으로 전환가능한 배기가스 유동 경로를 제공하는 바이패스통로(35);를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명은, 엔진(10)의 배기가스 통로 내부에 상기 엔진(10)의 배기가스 통로의 내벽과 이격간격을 두고 설치되는 삽입관(21); 엔진 배기가스가 유입되는 상기 삽입관(21)의 입구측에 분사단부가 설치되며, 설정 탄소산소비율(C/O ratio)로 상기 개질기(20) 내부의 가스 조성이 유지되도록 연료를 선택적으로 공급하는 인젝터(22); 및 상기 인젝터(22)에 의해 상기 개질기(20) 내부로 공급된 연료가 배기가스에 혼합된 상태로 통과되도록 상기 삽입관(21)의 출구측에 설치되며, 산소(O)와 탄화수소(HC)를 수소(H₂)와 일산화탄소(CO)로 개질하는 반응을 촉진하는 개질용 촉매(23);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진의 유해배출물 저감용 개질기(20)를 다른 기술적 요지로 한다.
여기서, 상기 삽입관(21)은, 엔진 배기가스의 유입 및 상기 인젝터(22)의 연료 분사가 이루어지는 입구측에 비해 상기 개질용 촉매(23)가 설치되는 출구측이 보다 확장된 내경을 가지는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 삽입관(21)은, 상기 엔진(10)의 배기가스 통로와 삽입관(21) 사이를 통과하는 배기가스에 의해, 상기 엔진(10)의 배기가스 통로 외면에 접하는 대기로부터의 열전달량을 감소시킬 수 있을 정도의 이격거리를 두고 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 삽입관(21) 내부의 배기가스가 설정 탄소산소비율(C/O ratio)을 만족하도록, 상기 삽입관(21)의 입구측에서 측정된 산소 농도에 대해 탄소 농도의 부족량만큼 상기 인젝터(22)의 연료분사량을 증가 조정하는 인젝터제어장치(24);를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명은, 산소(O)와 탄화수소(HC)를 수소(H₂)와 일산화탄소(CO)로 개질하는 개질기(reformer)(20)와 상기 개질기(20)에서 개질되어 수소(H₂) 함유량이 보다 증가된 상태의 배기 가스를 엔진(10)으로 공급하는 배기가스 재순환장치(EGR)(30)의 가동 및 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition) 연소에 의해 엔진 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)의 비율을 설정기준치 이하로 조정, 유지하는 H2+EGR모드와, 상기 개질기(20)와 배기가스 재순환장치(30)의 가동만으로 엔진 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)의 비율을 설정기준치 이하로 조정, 유지할 수 없는 엔진(10) 고부하 운전영역에서 HC를 환원제로 사용하여 질소산화물(NOx)을 대기성 질소(N₂)와 수증기(H₂O)로 변환시키는 HC첨가 선택적촉매반응장치(HC-SCR)(40)를 추가로 가동하는 H2+[HC-SCR]+EGR모드와, 매연여과장치(DPF)(50) 내부의 분진량이 설정치를 초과하면 상기 개질기(20) 출구측의 고온의 배기가스를 유입받아 분진(PM)을 산화, 제거하는 DPF 재생모드로 구분하고, 상기 H2+EGR모드, H2+[HC-SCR]+EGR모드, DPF 재생모드를 선택적으로 가동시키는 것을 특징으로 하는 개질기(20)를 이용한 엔진(10)의 유해배출물 저감 방법을 또 다른 기술적 요지로 한다.
여기서, 상기 엔진의 회전수와 연료공급량, 또는 상기 엔진(10)에서 배출되는 배기가스 온도에 관한 정보와, 상기 개질기(20)측으로 공급되는 엔진(10) 배기가스의 산소, 탄소 농도에 관한 정보, 상기 매연여과장치(50) 내부의 분진량이 설정치를 초과하는지 여부를 실시간으로 입력받는 운행정보입력단계; 상기 운행정보입력단계에서 입력된 엔진의 회전수와 연료공급량, 또는 상기 엔진(10)에서 배출되는 배기가스 온도에 따라 엔진(10) 고부하 운전영역에 속하는지 여부와, 상기 매연여과장치(50)의 가동이 필요한지 여부를 판단하여, 상기 H2+EGR모드와 H2+[HC-SCR]+EGR모드, DPF 재생모드 중 어느 모드를 운행할지를 결정하는 운행모드결정단계; 상기 운행모드결정단계에서 결정된 모드가 상기 H2+EGR모드 또는 H2+[HC-SCR]+EGR모드인 경우, 각 모드에서 요구하는 수소(H₂) 공급량에 따라, 상기 개질기(20)에서의 수소(H₂) 생성율이 최대가 되는 최적의 탄소산소비율(C/O ratio)로 상기 개질기(20) 내부의 가스 조성이 유지되도록 연료를 공급하고, 상기 운행모드결정단계에서 결정된 모드가 상기 DPF 재생모드인 경우, 상기 개질기(20)의 출구에서의 가스 온도가 최대가 되는 최적의 탄소산소비율(C/O ratio)로 상기 개질기(20) 내부의 가스 조성이 유지되도록 연료를 공급하며, 각 모드를 운행하는 선택모드운행단계;를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명은, 개질기를 이용해 엔진의 배기가스에 포함된 탄화수소(HC)를 수소(H₂)로 변환, 개질하여 엔진으로 공급하면서 HCCI 연소의 안정성을 확보함과 동시에, 개질기에서 생성된 고농도의 수소와, 발열반응에 의해 생성된 고온의 열을 HC첨가 선택적촉매반응장치와 매연여과장치로 선택적으로 공급하며 HC첨가 선택적촉매반응장치에서의 질소산화물(NOx)처리와 매연여과장치에서의 분진(PM)처리가 보다 효과적으로 이루어질 수 있도록 한다는 효과가 있다.
엔진 저부하 영역에서 개질기와 배기가스 재순환장치를 가동함에 있어서는, 개질기에서 생성된 고농도의 수소(H₂)를 엔진측으로 공급, 순환하는 것에 의해 엔진에서의 HCCI 연소반응을 보다 촉진시킴으로써, 저온 온도 분위기에서 착화지연에 의해 발생될 수 있는 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO)의 생성량을 최소화하면서 예혼합 연소를 통해 질소산화물(NOx)과 분진(PM)을 안정적으로 감소시킬 수 있다는 효과가 있다.
개질기와 배기가스 재순환장치만으로 HCCI 연소반응이 안정적으로 이루어지기 어려운 엔진 고부하 영역에서 HC첨가 선택적촉매반장치를 추가로 이용함에 있어서는, 개질기에서 생성된 고농도의 수소(H₂)를 HC첨가 선택적촉매반응장치로 공급하는 것에 의해, HC첨가 선택적촉매반응장치에서 HC를 환원제로 이용하여 질소산화물(NOx)을 대기성 질소(N₂)와 수증기(H₂O)로 변환시키는 반응을 보다 촉진, 안정화시킬 수 있다는 효과가 있다.
매연여과장치에 설정량 이상 분진(PM)이 퇴적되어 매연여과장치를 가동시킴에 있어서는, 개질기에서 개질되어 수소(H₂) 함유량이 보다 증가된 상태의 배기 가스를 유입받아 내부에 퇴적된 분진(PM)이 효과적으로 산화, 제거될 수 있다는 효과가 있다. 일반적인 매연여과장치에서는 500℃ 이상의 고온에서 분진의 산화, 제거가 이루어지지만, 본 발명에 의할 경우, 200℃ 근처의 상대적으로 저온에서 매연여과장치의 분진을 산화, 제거할 수 있다는 효과 있다.
엔진의 가동 모드와 분진(PM)의 퇴적량에 따라, 수소 생성량을 기준으로 가동하거나 발열량을 기준으로 하는 바와 같이 개질기의 가동 기준을 다르게 적용시키면서, HCCI 연소기법의 적용과, 선택적 촉매 반응장치(HC-SCR), 매연여과장치(DPF)와 같은 다양한 후처리장치들의 작용이 상호 복합적으로 연계되어 이루어지도록 한다는 효과가 있다.
이에 따라, HCCI 연소, 개질기, 다양한 후처리장치를 적용하여 엔진의 배기온도 및 배출가스 특성에 부합되게 유해배출물의 생성, 유출을 억제시킴에 있어서, 개질기와 및 후처리 장치를 상호 효과적으로 연계되게 가동시킴으로써, HCCI 연소, HC첨가 선택적촉매반응장치, 매연여과장치를 단독으로 또는 상호 독립적으로 가동시키는 경우에 비해, 보다 효율적으로 NOx, PM과 같은 유해배출물의 처리가 이루어질 수 있도록 한다는 효과가 있다.
도 1 - 종래기술에 따른 디젤엔진의 플라즈마 리포머 배기가스 재순환 시스템의 제1실시예를 도시한 흐름도
도 2 - 종래기술에 따른 NOx 트랩 및/또는 디젤 엔진에 합성가스의 간헐적인 사용의 제1실시예를 도시한 흐름도
도 3 - 본 발명에 따른 개질기를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 장치의 제1실시예를 도시한 개략도
도 4 - 엔진회전수와 연료공급량에 따른 HC첨가 선택적촉매반응장치의 적정 가동 영역과, 매연여과장치의 적정 가동 영역의 일예를 도시한 개념도
도 5 - 수소 농도에 따른 HC첨가 선택적촉매반응장치의 가동효율을 설명하고자 도시한 그래프
도 6 - 수소 생성율에 따른 최적 탄소산소비율(C/O ratio)과, 개질기 출구 가스 온도에 따른 최적 탄소산소비율(C/O ratio)을 도시한 그래프
도 7 - 본 발명에 따른 엔진의 유해배출물 저감용 개질기의 제1실시예를 도시한 개략도
도 8 - 본 발명에 따른 개질기를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 방법의 제1실시예를 도시한 흐름도
도 9 - 도 8에 도시된 내용을 보다 구체적으로 도시한 순서도
<도면에 사용된 주요 부호에 대한 설명>
10 : 엔진 20 : 개질기
21 : 삽입관 22 : 인젝터
23 : 개질용 촉매 24 : 인젝터제어장치
27 : 산소센서 30 : 배기가스 재순환장치
35 : 바이패스통로 40 : HC첨가 선택적촉매반응장치
50 : 매연여과장치
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 개질기를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 장치, 이에 사용되는 개질기 및 이를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 방법을 다음의 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 개질기를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 장치의 제1실시예를 도시한 개략도이고, 도 4는 엔진회전수와 연료공급량에 따른 HC첨가 선택적촉매반응장치의 적정 가동 영역과, 매연여과장치의 적정 가동 영역의 일예를 도시한 개념도이며, 도 5는 수소 농도에 따른 HC첨가 선택적촉매반응장치의 가동효율을 설명하고자 도시한 그래프이다.
도 6은 수소 생성율에 따른 최적 탄소산소비율(C/O ratio)과, 개질기 출구 가스 온도에 따른 최적 탄소산소비율(C/O ratio)을 도시한 그래프이고, 도 7은 본 발명에 따른 엔진의 유해배출물 저감용 개질기의 제1실시예를 도시한 개략도이며, 도 8은 본 발명에 따른 개질기를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 방법의 제1실시예를 도시한 흐름도이고, 도 9는 도 8에 도시된 내용을 보다 구체적으로 도시한 순서도이다.
본 발명에 따른 개질기를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 장치는, 개질기(reformer), 선택적 촉매 반응장치(HC-SCR), 매연여과장치(DPF)와 같은 후처리 장치를 상호 복합적으로 연계하여 가동하는 것에 의해 엔진 연소과정에서 생성되는 유해배출물을 효과적으로 저감시킬 수 있도록 하는 엔진의 유해배출물 저감 장치에 관한 것으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 크게 개질기(reformer)(20), 배기가스 재순환장치(EGR)(30), HC첨가 선택적촉매반응장치(HC-SCR)(40), 매연여과장치(DPF)(50)로 이루어진 구성을 가진다.
상기 개질기(20)는, 로듐알루미나(RhAl₂O₃)와 같은 개질용 촉매(23) 등을 이용하여 엔진 배기가스에 포함된 산소(O)와 탄화수소(HC)를 수소(H₂)와 일산화탄소(CO)로 변환하며 배기가스를 개질하고, 이러한 반응과정에서 발생된 열에 의해 상기 개질기(20) 출구측의 배기가스 온도를 보다 상승시키게 된다.
상기 개질기(20)를 엔진(10)의 배기가스 출구측에 인접하게 설치하면 엔진 배기가스의 고온의 열을 이용하여 개질반응의 효율을 보다 상승시킬 수 있으며, 상기 엔진(10)의 배기가스 통로 내부에 설치하면, 상기 엔진(10)의 배기가스 통로 외면에 접하는 대기의 온도 영향과 이에 따른 열손실을 최소화하면서, 엔진 배기가스의 고온의 열을 보다 안정적으로 전달받아 효율적으로 개질반응을 구현할 수 있다.
상기 배기가스 재순환장치(EGR, Exhaust Gas Recirculation)(30)는, 상기 개질기(20)에서 개질되어 수소(H₂) 함유량이 보다 증가된 상태의 배기 가스를 상기 엔진(10)으로 공급하여 상기 엔진(10)의 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition)연소 반응을 안정시키게 된다.
상기 HCCI 연소 반응은 예혼합 연소를 통해 질소산화물(NOx)과 분진(PM) 생성을 최소화할 수 있는 연소 반응으로, 충분한 예혼합 조건을 조성하기 위해서는 연료가 공급된 후 충분한 혼합시간을 확보하기 위해 착화시간을 연장시킬 필요가 있고, 착화시간을 연장, 지연시키기 위해서는 통상 온도를 낮추는 것이 효과적이지만, 온도를 낮추게 되면 연소 자체가 불안정해질 수 있다.
수소(H₂)는 분자량이 작아 반응을 촉진시키는 기능을 할 수 있어, 상기 개질기(20)에서 생성한 고농도의 수소(H₂)를 상기 엔진(10)으로 공급함으로써, HC첨가 선택적촉매반응장치(HC-SCR)(40)와, 매연여과장치(DPF)의 활성도가 낮은 저온의 온도 분위기에서도, HCCI 연소의 안정성을 증대시킴으로써 질소산화물(NOx)과 분진(PM) 생성을 최소화할 수 있다.
상기 HC첨가 선택적촉매반응장치(HC-SCR, HC- Selective Catalytic Reduction)(40)는, 상기 개질기(20)에서 개질되어 수소(H₂) 함유량이 보다 증가된 상태의 배기 가스를 공급받아 질소산화물(NOx)의 환원반응이 보다 촉진된 상태로, HC를 환원제로 사용하여 질소산화물(NOx)을 대기성 질소(N₂)와 수증기(H₂O)로 변환시키며, 상기 매연여과장치(DPF)(50)에서는 상기 개질기(20)에서 개질되어 수소(H₂) 함유량이 보다 증가된 상태의 배기 가스를 유입받아 내부에 퇴적된 분진(PM)이 산화, 제거된다.
상기 엔진(10)에서 연소과정을 거치면서 생성된 탄화수소(HC, Hydro Carbon), 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO), 분진(PM, particulate matter)와 같은 유해배출물은, 상기 개질기(20)를 거쳐 상기 배기가스 재순환장치(30)를 통해 상기 엔진(10)측으로 순환되는 것을 반복하며 감소되며, 상기 엔진(10) 내지 개질기(20)를 통과한 고온의 배기가스는 터빈(turbine)을 회전시켜 상기 터빈에 연결된 컴프레셔(compressor)를 작동시켜 상기 엔진(10)으로 공급되는 공기를 압축시켜 상기 엔진(10) 내부에서의 연소가 안정되게 이루어지게 된다.
상기 HC첨가 선택적촉매반응장치(40)의 작동 효율이 높으면, 상기 터빈을 통과한 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)은 상기 HC첨가 선택적촉매반응장치(40)에 의해 대기성 질소(N₂)로 환원되고, soot 등의 입자상물질인 분진(PM)은 상기 매연여과장치(50)에 포집된 상태로 최종 배출이 이루어지거나, 상기 엔진(10)측으로 다시 순환시키게 된다.
상기 HC첨가 선택적촉매반응장치(40)를 통과한 고온의 배기가스가 상기 매연여과장치(50)를 통과한 후 최종 배출이 이루어지도록, 상기 HC첨가 선택적촉매반응장치(40)의 출구측에 상기 매연여과장치(50)를 연결설치하는 것이 바람직하나, 상기 HC첨가 선택적촉매반응장치(40)가 발열장치의 기능도 하는 반면 담체 구조에 의해 열을 흡수하게 되어, 상기 매연여과장치(50)로 공급되는 가스의 열손실이 발생될 수 있다.
상기 개질기(20)의 출구측 배기가스를 상기 HC첨가 선택적촉매반응장치(40)의 통과없이 상기 매연여과장치(50)측으로 직접 공급하도록 유로 전환가능한 배기가스 유동 경로 및 밸브(valve2)를 제공하는 바이패스통로(35)를 구비하면, 상기 HC첨가 선택적촉매반응장치(40)를 거치면서 발생되는 열손실을 방지할 수 있다.
상기 HC첨가 선택적촉매반응장치(40)의 작동효율이 높은 경우라는 것은, 엔진의 배출물 제어를 위해 상기 HC첨가 선택적촉매반응장치(40)의 본격적인 가동이 필요한 엔진 고부하 영역을 의미하며, 상기 HC첨가 선택적촉매반응장치(40)의 가동이 필요없는 엔진 저부하 영역과 구분함에 있어서는, 엔진의 회전수 및 연료 공급량과, 배기가스 온도, 조성에 따라 각각 다른 영역 특성을 가짐에 따라, 특정한 수치로 한정하기 어렵다.
상기 HC첨가 선택적촉매반응장치(40)는 상기 개질기(20) 및 배기가스 재순환장치(30)의 가동만으로 엔진 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)의 비율을 설정기준치 이하로 조정, 유지할 수 없는 엔진(10) 고부하 운전영역에서 가동되는 것이 바람직하며, 상기와 같이 상기 HC첨가 선택적촉매반응장치(40)의 본격적인 가동이 이루어지는 영역을 엔진의 회전수 및 연료 공급량으로 구분함에 있어서는, 대략적으로 도 4에 도시된 바와 같이 영역을 구분할 수 있다.
도 4에 도시된 그래프에서 하부 좌측의 영역을 표시하는 H2+EGR모드는, 상기 개질기(20)와 상기 개질기(20)에서 개질되어 수소(H₂) 함유량이 보다 증가된 상태의 배기 가스를 엔진(10)으로 공급하는 배기가스 재순환장치(EGR)(30)의 가동 및 HCCI 연소에 의해 엔진 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)의 비율을 설정기준치 이하로 조정, 유지하는 운행 모드이다.
도 4에 도시된 그래프에서 중간부 좌측의 영역을 표시하는 H2+[HC-SCR]+EGR모드는, 엔진(10) 고부하 운전영역에서 HC를 환원제로 사용하여 질소산화물(NOx)을 대기성 질소(N₂)와 수증기(H₂O)로 변환시키는 상기 HC첨가 선택적촉매반응장치(HC-SCR)(40)를 추가로 가동할 필요가 있는 운행 모드이다.
도 4에 도시된 그래프에서 상부 및 우측부의 영역을 표시하는 DPF 재생모드는, 상기 매연여과장치(50) 내부에 퇴적된 분진량 또는 분진생성량이 설정치를 초과하게 되어, 상기 개질기에서 개질되어 수소(H₂) 함유량이 보다 증가된 상태의 배기 가스를 유입받아 분진(PM)이 산화, 제거되는 운행이 필요한 모드이다.
배기가스 온도로 구분함에 있어서는, 상기 HC첨가 선택적촉매반응장치(40)의 가동 효율이 급격히 저하되는 300~350℃를 기준으로 할 수 있으며, 본 발명에 의하면 상기 개질기(20)에서 생성한 수소(H₂)의 공급에 의해 300~350℃이하의 온도에서도 상기 HC첨가 선택적촉매반응장치(40)의 가동 효율을 보다 상승적용할 수 있다.
도 5는 수소(H₂) 농도에 따른 상기 HC첨가 선택적촉매반응장치(40)에서의 질소산화물(NOx) 환원 효율을 설명하고자 도시한 것으로, 수소(H₂) 농도가 증가할수록 보다 낮은 온도에서 보다 높은 효율로 질소산화물(NOx)의 환원을 구현할 수 있으며, 300℃이하의 온도에서 60%에 달하는 질소산화물(NOx) 환원률을 구현가능함을 확인할 수 있다.
후일, 촉매 기술이 발전되면 상기 HC첨가 선택적촉매반응장치(40) 적정 가동 온도를 보다 저하시키거나 수소공급량 등을 보다 저감시킨 상태에서도 본 발명과 동일한 정도의 효과를 기대할 수 있을 것이므로, 도 5에 도시된 바와 같이 대략적인 수치범위를 제시할 수는 있으나 특정하게 한정하는 것은 바람직하지 못하다.
도 6의 (a)는 상기 개질기(20)에서 수소(H₂) 생성율이 최대가 되는 최적의 탄소산소비율(C/O ratio), 도 6의 (b)는 상기 개질기(20)의 출구에서의 가스 온도가 최대가 되는 최적의 탄소산소비율(C/O ratio)을 도시한 것으로, 일반적으로 수소(H₂) 생성율이 최대가 되는 최적의 탄소산소비율(C/O ratio)과 상기 개질기(20)의 출구에서의 가스 온도가 최대가 되는 최적의 탄소산소비율(C/O ratio)은 서로 일치하지 않는다.
상기 엔진(10)의 HCCI연소 안정화와, 상기 HC첨가 선택적촉매반응장치(40)의 환원반응 촉진을 위해서는, 상기 개질기(20)에서의 수소(H₂) 생성율이 최대가 되는 최적의 탄소산소비율(C/O ratio)로 상기 개질기(20) 내부의 가스 조성이 유지되도록 하는 것이 바람직하며, 상기 매연여과장치(50)의 재생 효율 상승을 위해서는, 상기 개질기(20)의 출구에서의 가스 온도가 최대가 되는 최적의 탄소산소비율(C/O ratio)로 상기 개질기(20) 내부의 가스 조성이 유지되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 개질기(20) 내부에 연료를 선택적으로 공급하는 인젝터(22)를 구비하면, 상기 개질기(20) 내부로 공급되는 배기가스에 포함된 산소와 탄소의 농도를 측정하고, 상기 HCCI연소, HC첨가 선택적촉매반응장치(40), 매연여과장치(50)의 가동 여부에 따라 기설정된 최적의 탄소산소비율(C/O ratio)과 비교하여, 최적의 탄소산소비율(C/O ratio)을 조성하는데 부족한 탄소량에 해당되는 만큼 상기 개질기(20) 내부에 연료를 분사하며 각 가동 모드에서의 운행을 최적화할 수 있는 탄소산소비율(C/O ratio)로 전환, 유지할 수 있다.
상기 엔진(10)의 배기가스 통로상에 산소센서(27)와 탄소센서(미도시)를 설치하여 상기 개질기(20)로 공급되는 배기가스의 산소 농도와 탄소 농도를 검출하고, 상기 산소센서(27)에서 측정된 산소 농도에 대해 상기 탄소센서에서 측정된 탄소 농도의 부족량만큼 인젝터제어장치(24)로 상기 인젝터(22)의 연료분사량을 증가 조정하며 상기와 같은 작용효과를 구현할 수 있다.
상기 인젝터(22)는 상기 인젝터(22)를 통해 상기 개질기(20) 내부로 분사 공급된 연료가 엔진 배기가스 온도에 의해 기화되어 배기가스에 충분히 혼합된 상태로 상기 개질기의 개질용 촉매(23)를 통과하게 되도록, 상기 개질용 촉매(23)에 비해 상기 엔진(10)의 배기가스 출구측에 보다 인접한 위치에 설치된다.
본 발명에 따른 엔진의 유해배출물 저감용 개질기(20)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 크게 삽입관(21), 인젝터(22), 개질용 촉매(23)로 이루어지며, 상기 삽입관(21)은 상기 엔진(10)의 배기가스 통로 내부에 상기 엔진(10)의 배기가스 통로의 내벽과 이격간격을 두고 설치되고, 상기 인젝터(22)는 엔진 배기가스가 유입되는 상기 삽입관(21)의 입구측에 분사단부가 설치되며, 상기 개질용 촉매(23)는 상기 인젝터(22)에 의해 상기 개질기(20) 내부로 공급된 연료가 배기가스에 혼합된 상태로 통과되도록 상기 삽입관(21)의 출구측에 설치되는 구조를 가진다.
상기 삽입관(21)은, 상기 엔진(10)의 배기가스 통로와 삽입관(21) 사이를 통과하는 배기가스에 의해, 상기 엔진(10)의 배기가스 통로 외면에 접하는 대기로부터의 열전달량을 감소시킬 수 있을 정도의 이격거리를 두고 상기 엔진(10)의 배기가스 통로 내부에 설치되어, 상기 인젝터(22)에서 공급된 연료의 열손실을 방지하며 기화를 촉진시킬 수 있고, 상기 삽입관(21)의 내부 공간을 일정한 온도범위로 유지할 수 있다.
그리고, 상기 삽입관(21)의 내경 형상을, 엔진 배기가스의 유입 및 상기 인젝터(22)의 연료 분사가 이루어지는 입구측에 비해 상기 개질용 촉매(23)가 설치되는 출구측이 보다 확장된 너비를 가지도록 형성하면, 상기 인젝터(22)에서 분사된 연료를 상기 삽입관(21) 내경의 확장에 따른 압력차에 의해 보다 고압에서 저압측으로 상기 삽입관(21) 내부 전반에 걸쳐 명확하게 확산시키며 상기 개질용 촉매(23)측으로 공급할 수 있다.
상기 인젝터(22)는 설정 탄소산소비율(C/O ratio)로 상기 개질기(20) 내부의 가스 조성이 유지되도록 연료를 선택적으로 공급하며, 산소(O)와 탄화수소(HC)를 수소(H₂)와 일산화탄소(CO)로 개질하는 반응을 촉진시키게 되며, 상기 인젝터제어장치(24)를 구비하여 상기 삽입관(21) 내부의 배기가스가 설정 탄소산소비율(C/O ratio)을 만족하도록 상기 인젝터(22)의 연료분사량을 조정할 수 있다.
본 발명에 따른 개질기를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 방법은, 상기 개질기를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 장치와, 엔진의 유해배출물 저감용 개질기(20)를 이용해, 상기와 같이 H2+EGR모드, H2+[HC-SCR]+EGR모드, DPF 재생모드로 구분하고, 상기 H2+EGR모드, H2+[HC-SCR]+EGR모드, DPF 재생모드를 선택적으로 운영하면서 엔진의 유해배출물을 저감시키는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 엔진의 유해배출물 저감 방법에 의하면, 도 8에 도시된 바와 같이, 운행정보입력단계, 운행모드결정단계, 선택모드운행단계를 순차적으로 거치면서, 상기 개질기(20)를 이용하여 HCCI 연소기법, 상기 선택적 촉매 반응장치(HC-SCR)(40), 매연여과장치(DPF)(50)와 같은 후처리장치들을 상호 복합적으로 연계하여 보다 효율적으로 유해배출물을 처리할 수 있다.
상기 운행정보입력단계에서는, 상기 H2+EGR모드, H2+[HC-SCR]+EGR모드, DPF 재생모드 중 어느 모드로 운행하는 것이 바람직할지를 판단하기 위해 엔진의 회전수와 연료공급량, 또는 상기 엔진(10)에서 배출되는 배기가스 온도에 관한 정보를 입력받는다.
그리고, 상기 개질기(20) 내부의 탄소산소비율(C/O ratio)을 적정하게 조정, 유지하기 위해 상기 개질기(20)측으로 공급되는 엔진(10) 배기가스의 산소, 탄소 농도에 관한 정보를 입력받고, 상기 매연여과장치(50) 내부의 분진량이 설정치를 초과하는지 등과 같은 기준에 따라 상기 매연여과장치(50)의 가동 필요 여부를 실시간으로 입력받는다.
상기 운행모드결정단계에서는, 상기 운행정보입력단계에서 입력된 엔진의 회전수와 연료공급량, 또는 상기 엔진(10)에서 배출되는 배기가스 온도에 따라 엔진(10) 고부하 운전영역에 속하는지 여부와, 상기 매연여과장치(50)의 가동이 필요한지 여부를 판단하여, 상기 H2+EGR모드와 H2+[HC-SCR]+EGR모드, DPF 재생모드 중 어느 모드를 운행할지를 결정한다.
상기 선택모드운행단계에서는, 상기 운행모드결정단계에서 결정된 모드가 상기 H2+EGR모드 또는 H2+[HC-SCR]+EGR모드인 경우, 각 모드에서 요구하는 수소(H₂) 공급량에 따라, 상기 개질기(20)에서의 수소(H₂) 생성율이 최대가 되는 최적의 탄소산소비율(C/O ratio)로 상기 개질기(20) 내부의 가스 조성이 유지되도록 연료를 공급한다.
그리고, 상기 운행모드결정단계에서 결정된 모드가 상기 DPF 재생모드인 경우, 상기 개질기(20)의 출구에서의 가스 온도가 최대가 되는 최적의 탄소산소비율(C/O ratio)로 상기 개질기(20) 내부의 가스 조성이 유지되도록 연료를 공급하며, 각 모드를 운행한다.
보다 상세하게는, 도 9에 도시된 바와 같이, 엔진회전수, 연료공급량에 대해 입력된 정보에 따라, 엔진 저부하 영역이라고 판단되면(엔진 고부하 영역이 아니라고 판단되면), 상기 H2+EGR모드로 운행하기로 결정하고, 상기 개질기(20)를 수소(H₂)생성율이 최대가 되도록 운영하고 상기 엔진(10)으로 상기 개질기(20)에서 개질된 가스를 공급하며 상기 H2+EGR모드로 운행한다.
엔진회전수, 연료공급량에 대해 입력된 정보에 따라, 엔진 고부하 영역이라고 판단되면 상기 H2+[HC-SCR]+EGR모드로 운행하기로 결정하고, 상기 개질기(20)를 수소(H₂)생성율이 최대가 되도록 운영하면서, (valve1을 개방하여) 상기 선택적 촉매 반응장치(40)로 상기 개질기(20)의 출구측 배기가스를 공급하며 상기 H2+[HC-SCR]+EGR모드로 운행한다.
상기 매연여과장치(50)내 분진의 축적량, 축적속도 등에 대해 입력된 정보에 따라, 상기 매연여과장치(50)의 재생이 필요하다고 판단되면, 상기 DPF 재생모드를 운행하기로 결정하고, 상기 개질기(20)를 반응 발열 온도가 최대가 되도록 운영하면서, (valve2를 개방하여) 상기 매연여과장치(50)로 상기 개질기(20)으 출구측 배기가스를 공급하며 상기 DPF 재생모드를 운행한다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 개질기를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 장치, 이에 사용되는 개질기 및 이를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 방법에 의하면, 상기 개질기(20)를 이용해 엔진의 배기가스에 포함된 탄화수소(HC)를 수소(H₂)로 변환, 개질하여 상기 엔진(10)으로 공급하면서 HCCI 연소의 안정성을 확보함과 동시에, 상기 개질기(20)에서 생성된 고농도의 수소와, 발열반응에 의해 생성된 고온의 열을 상기 HC첨가 선택적촉매반응장치(40)와 매연여과장치(50)로 선택적으로 공급하며 상기 HC첨가 선택적촉매반응장치(40)에서의 질소산화물(NOx)처리와 상기 매연여과장치(50)에서의 분진(PM)처리가 보다 효과적으로 이루어질 수 있도록 한다.
엔진 저부하 영역에서 상기 개질기(20)와 배기가스 재순환장치(30)를 가동함에 있어서는, 상기 개질기(20)에서 생성된 고농도의 수소(H₂)를 상기 엔진(10)측으로 공급, 순환하는 것에 의해 상기 엔진(10)에서의 HCCI 연소반응을 보다 촉진시킴으로써, 저온 온도 분위기에서 착화지연에 의해 발생될 수 있는 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO)의 생성량을 최소화하면서 예혼합 연소를 통해 질소산화물(NOx)과 분진(PM)을 안정적으로 감소시킬 수 있다.
그리고, 상기 개질기(20)와 배기가스 재순환장치(30)만으로 HCCI 연소반응이 안정적으로 이루어지기 어려운 엔진 고부하 영역에서 상기 HC첨가 선택적촉매반장치(40)를 추가로 이용함에 있어서는, 상기 개질기(20)에서 생성된 고농도의 수소(H₂)를 상기 HC첨가 선택적촉매반응장치(40)로 공급하는 것에 의해, 상기 HC첨가 선택적촉매반응장치(40)에서 HC를 환원제로 이용하여 질소산화물(NOx)을 대기성 질소(N₂)와 수증기(H₂O)로 변환시키는 반응을 보다 촉진, 안정화시킬 수 있다.
또한, 상기 매연여과장치(50)에 설정량 이상 분진(PM)이 퇴적되어 상기 매연여과장치(50)를 가동시킴에 있어서는, 상기 개질기(20)에서 개질되어 수소(H₂) 함유량이 보다 증가된 상태의 배기 가스를, 선택적으로 상기 HC첨가 선택적촉매반응장치(40)에서 발열반응에 의해 생성된 고온의 가스와 함께, 유입받아 내부에 퇴적된 분진(PM)이 효과적으로 산화, 제거될 수 있게된다.
엔진의 가동 모드와 분진(PM)의 퇴적량에 따라, 수소 생성량을 기준으로 가동하거나 발열량을 기준으로 하는 바와 같이 개질기의 가동 기준을 다르게 적용시키면서, HCCI 연소기법의 적용과, 선택적 촉매 반응장치(HC-SCR), 매연여과장치(DPF)와 같은 다양한 후처리장치들의 작용이 상호 복합적으로 연계되어 이루어지도록 한다.
이에 따라, HCCI 연소, 상기 개질기(20), 다양한 후처리장치(40, 50)를 적용하여 엔진의 배기온도 및 배출가스 특성에 부합되게 유해배출물의 생성, 유출을 억제시킴에 있어서, 상기 개질기(20)와 및 후처리 장치(40, 50)를 상호 효과적으로 연계되게 가동시킴으로써, HCCI 연소, 상기 HC첨가 선택적촉매반응장치(40), 매연여과장치(50)를 단독으로 또는 상호 독립적으로 가동시키는 경우에 비해, 보다 효율적으로 NOx, PM과 같은 유해배출물의 처리가 이루어질 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 상기 실시예들을 기존의 공지기술과 단순히 조합적용한 실시예와 함께 본 발명의 특허청구범위와 상세한 설명에서 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 변형하여 이용할 수 있는 기술은 본 발명의 기술범위에 당연히 포함된다고 보아야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 엔진 배기가스에 포함된 산소(O)와 탄화수소(HC)를 수소(H₂)와 일산화탄소(CO)로 개질하며, 발열반응에 의해 배기가스의 온도를 보다 상승시키는 개질기(reformer)(20);
    상기 개질기(20)에서 개질되어 수소(H₂) 함유량이 보다 증가된 상태의 배기 가스를 상기 엔진(10)으로 공급하여 상기 엔진(10)의 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition)연소 반응을 안정시키는 배기가스 재순환장치(EGR)(30);
    상기 개질기(20)에서 개질되어 수소(H₂) 함유량이 보다 증가된 상태의 배기 가스를 공급받아 질소산화물(NOx)의 환원반응이 보다 촉진된 상태로, HC를 환원제로 사용하여 질소산화물(NOx)을 대기성 질소(N₂)와 수증기(H₂O)로 변환시키는 HC첨가 선택적촉매반응장치(HC-SCR)(40); 및
    상기 개질기(20)에서 개질되어 수소(H₂) 함유량이 보다 증가된 상태의 배기 가스를 유입받아 내부에 퇴적된 분진(PM)이 산화제거되는 매연여과장치(DPF)(50);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 개질기를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 개질기(20)는,
    개질용 촉매(23)를 구비하여 상기 엔진(10)의 배기가스 통로 내부에 설치되는 것을 특징으로 하는 개질기를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 개질기(20)는,
    상기 엔진(10)의 HCCI연소 안정화와 상기 HC첨가 선택적촉매반응장치(40)의 환원반응 촉진을 위해, 상기 개질기(20)에서의 수소(H₂) 생성율이 최대가 되는 최적의 탄소산소비율(C/O ratio)로 상기 개질기(20) 내부의 가스 조성이 유지되도록 연료를 선택적으로 공급하는 인젝터(22);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 개질기를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 개질기(20)는,
    상기 매연여과장치(50)의 재생 효율 상승을 위해, 상기 개질기(20)의 출구에서의 가스 온도가 최대가 되는 최적의 탄소산소비율(C/O ratio)로 상기 개질기(20) 내부의 가스 조성이 유지되도록 연료를 선택적으로 공급하는 인젝터(22);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 개질기를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 인젝터(22)는,
    상기 개질기(20) 내부로 분사 공급된 연료가 엔진 배기가스 온도에 의해 기화되어 배기가스에 혼합된 상태로 상기 개질기의 개질용 촉매(23)를 통과하도록, 상기 개질용 촉매(23) 보다 상기 엔진(10)의 배기가스 출구측에 인접한 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 개질기(20)를 이용한 엔진(10)의 유해 배출물 저감 장치.
  6. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 개질기(20)로 공급되는 배기가스의 산소 농도를 검출하도록 상기 엔진(10)의 배기가스 통로상에 설치되는 산소센서(27);
    상기 개질기(20)로 공급되는 배기가스의 탄소 농도를 검출하도록, 상기 엔진(10)의 배기가스 통로상에 설치되는 탄소센서; 및
    상기 개질기(20) 내부의 배기가스가 설정 탄소산소비율(C/O ratio)을 만족하도록, 상기 산소센서(27)에서 측정된 산소 농도에 대해 상기 탄소센서에서 측정된 탄소 농도의 부족량만큼 상기 인젝터(22)의 연료분사량을 증가 조정하는 인젝터제어장치(24);
    를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 개질기를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 HC첨가 선택적촉매반응장치(40)는,
    상기 개질기(20) 및 배기가스 재순환장치(30)의 가동만으로 엔진 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)의 비율을 설정기준치 이하로 조정, 유지할 수 없는 엔진(10) 고부하 운전영역에서 가동되는 것을 특징으로 하는 개질기를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 개질기(20)의 출구측 배기가스를 상기 매연여과장치(50)측으로 직접 공급하거나, 상기 HC첨가 선택적촉매반응장치(40)를 통과한 후 상기 매연여과장치(50)로 공급되도록, 선택적으로 전환가능한 배기가스 유동 경로를 제공하는 바이패스통로(35);
    를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 개질기를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 장치.
  9. 엔진(10)의 배기가스 통로 내부에 상기 엔진(10)의 배기가스 통로의 내벽과 이격간격을 두고 설치되는 삽입관(21);
    엔진 배기가스가 유입되는 상기 삽입관(21)의 입구측에 분사단부가 설치되며, 설정 탄소산소비율(C/O ratio)로 상기 개질기(20) 내부의 가스 조성이 유지되도록 연료를 선택적으로 공급하는 인젝터(22); 및
    상기 인젝터(22)에 의해 상기 개질기(20) 내부로 공급된 연료가 배기가스에 혼합된 상태로 통과되도록 상기 삽입관(21)의 출구측에 설치되며, 산소(O)와 탄화수소(HC)를 수소(H₂)와 일산화탄소(CO)로 개질하는 반응을 촉진하는 개질용 촉매(23);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진의 유해배출물 저감용 개질기(20).
  10. 제9항에 있어서, 상기 삽입관(21)은,
    엔진 배기가스의 유입 및 상기 인젝터(22)의 연료 분사가 이루어지는 입구측에 비해 상기 개질용 촉매(23)가 설치되는 출구측이 보다 확장된 내경을 가지는 것을 특징으로 하는 엔진의 유해배출물 저감용 개질기(20).
  11. 제9항에 있어서, 상기 삽입관(21)은,
    상기 엔진(10)의 배기가스 통로와 삽입관(21) 사이를 통과하는 배기가스에 의해, 상기 엔진(10)의 배기가스 통로 외면에 접하는 대기로부터의 열전달량을 감소시킬 수 있을 정도의 이격거리를 두고 설치되는 것을 특징으로 하는 엔진의 유해배출물 저감용 개질기(20).
  12. 제9항에 있어서,
    상기 삽입관(21) 내부의 배기가스가 설정 탄소산소비율(C/O ratio)을 만족하도록, 상기 삽입관(21)의 입구측에서 측정된 산소 농도에 대해 탄소 농도의 부족량만큼 상기 인젝터(22)의 연료분사량을 증가 조정하는 인젝터제어장치(24);
    를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진의 유해배출물 저감용 개질기(20).
  13. 산소(O)와 탄화수소(HC)를 수소(H₂)와 일산화탄소(CO)로 개질하는 개질기(reformer)(20)와 상기 개질기(20)에서 개질되어 수소(H₂) 함유량이 보다 증가된 상태의 배기 가스를 엔진(10)으로 공급하는 배기가스 재순환장치(EGR)(30)의 가동 및 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition) 연소에 의해 엔진 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)의 비율을 설정기준치 이하로 조정, 유지하는 H2+EGR모드와, 상기 개질기(20)와 배기가스 재순환장치(30)의 가동만으로 엔진 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)의 비율을 설정기준치 이하로 조정, 유지할 수 없는 엔진(10) 고부하 운전영역에서 HC를 환원제로 사용하여 질소산화물(NOx)을 대기성 질소(N₂)와 수증기(H₂O)로 변환시키는 HC첨가 선택적촉매반응장치(HC-SCR)(40)를 추가로 가동하는 H2+[HC-SCR]+EGR모드와, 매연여과장치(DPF)(50) 내부의 분진량이 설정치를 초과하면 상기 개질기(20) 출구측의 고온의 배기가스를 유입받아 분진(PM)을 산화, 제거하는 DPF 재생모드로 구분하고, 상기 H2+EGR모드, H2+[HC-SCR]+EGR모드, DPF 재생모드를 선택적으로 가동시키는 것을 특징으로 하는 개질기(20)를 이용한 엔진(10)의 유해배출물 저감 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 엔진의 회전수와 연료공급량, 또는 상기 엔진(10)에서 배출되는 배기가스 온도에 관한 정보와, 상기 개질기(20)측으로 공급되는 엔진(10) 배기가스의 산소, 탄소 농도에 관한 정보, 상기 매연여과장치(50) 내부의 분진량이 설정치를 초과하는지 여부를 실시간으로 입력받는 운행정보입력단계;
    상기 운행정보입력단계에서 입력된 엔진의 회전수와 연료공급량, 또는 상기 엔진(10)에서 배출되는 배기가스 온도에 따라 엔진(10) 고부하 운전영역에 속하는지 여부와, 상기 매연여과장치(50)의 가동이 필요한지 여부를 판단하여, 상기 H2+EGR모드와 H2+[HC-SCR]+EGR모드, DPF 재생모드 중 어느 모드를 운행할지를 결정하는 운행모드결정단계;
    상기 운행모드결정단계에서 결정된 모드가 상기 H2+EGR모드 또는 H2+[HC-SCR]+EGR모드인 경우, 각 모드에서 요구하는 수소(H₂) 공급량에 따라, 상기 개질기(20)에서의 수소(H₂) 생성율이 최대가 되는 최적의 탄소산소비율(C/O ratio)로 상기 개질기(20) 내부의 가스 조성이 유지되도록 연료를 공급하고, 상기 운행모드결정단계에서 결정된 모드가 상기 DPF 재생모드인 경우, 상기 개질기(20)의 출구에서의 가스 온도가 최대가 되는 최적의 탄소산소비율(C/O ratio)로 상기 개질기(20) 내부의 가스 조성이 유지되도록 연료를 공급하며, 각 모드를 운행하는 선택모드운행단계;
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