KR20180068198A - 연료 개질 시스템 - Google Patents

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KR20180068198A
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백홍길
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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 개질시키는 연료 개질기, 및 상기 배기라인에 배치되며, 상기 연료 개질기 전단에서 배기가스에 포함된 질소산화물을 정화시키는 촉매를 포함한다.

Description

연료 개질 시스템{REFORMING SYSTEM}
본 발명은 연료 개질 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 연료 개질기 내에 열교환 구조를 구비하는 연료 개질 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 배기가스 재순환(exhaust gas recirculation; EGR) 시스템은 유해 배기가스의 저감을 위해 차량에 장착되는 시스템이다.
이러한 배기가스 재순환 시스템은 엔진에서 배출되는 배기가스의 일부를 흡기로 순환시켜 혼합기 속의 산소량을 줄이고, 배기가스의 배출량을 줄이며, 배기가스 내의 유해물질을 저감시키도록 기능한다.
또한, 엔진에서 배출되는 배기가스는 고온이므로 그것의 열에너지를 활용하면, 엔진의 효율이 향상될 수 있다.
한편, 연료 개질기(fuel reformer)는 촉매를 이용하여 연료의 특성을 변화시키는 장치로서, 연소효율의 증대 또는 후처리 장치의 활성화를 위하여 상기 연료 개질기가 적용될 수 있다.
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 개질시키는 연료 개질기, 및 상기 배기라인에 배치되며, 상기 연료 개질기 전단에서 배기가스에 포함된 질소산화물을 정화시키는 촉매를 포함한다.
상기 연료 개질기는, 하우징과, 상기 하우징 내에 구비되고, 외부로부터 공급되는 연료와 EGR 가스를 혼합하는 공간인 믹싱부와, 상기 하우징의 일측에 설치되며, 상기 믹싱부에 연료를 공급하기 위한 연료 인젝터와, 상기 믹싱부와 연결되어 EGR 가스가 유입되는 EGR 배관과, 상기 믹싱부 후단에 설치되며, 상기 혼합된 연료와 EGR 가스를 배기가스의 배기열에 의해 승온하는 열교환부, 및 상기 열교환부 후단에 구비되며, 상기 혼합된 연료와 EGR 가스를 개질하는 개질촉매부를 포함할 수 있다.
상기 열교환부는, 상기 믹싱부에서 혼합된 연료와 EGR 가스가 상기 개질촉매부를 향해 유통되도록 형성된 복수의 관통공을 갖는 관통부재, 및 배기가스가 상기 복수의 관통공 주위로 유통되도록 배기가스가 유입 및 유출되는 배기가스 유입구와, 배기가스 유출구를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 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 쿨러 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.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질기의 열교환부를 개략적으로 나타낸 도면이다.
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 개질 시스템에 관하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 개질 시스템은 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.
여기에서는 디젤 엔진을 예시하였으나 희박 연소(lean burn) 가솔린 엔진을 사용할 수도 있다. 가솔린 엔진을 사용하는 경우, 흡기 매니폴드를 통하여 혼합기가 연소실 내부로 유입되며, 연소실 상부에는 점화를 위한 점화플러그가 장착된다. 또한, 가솔린 직접 분사(Gasoline Direct Injection; GDI) 엔진을 사용하는 경우, 디젤 엔진과 마찬가지로 인젝터가 연소실의 상부에 장착된다.
또한, 다양한 압축비, 바람직하게는 16.5 이하의 압축비를 가지는 엔진(10)이 사용될 수 있다.
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 가스가 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 시스템은, 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.
촉매(30) 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 상기 EGR 쿨러(25) 후단에 구비되어 개질가스를 냉각시키는 EGR 쿨러(25)가 설치될 수 있다.
이 때, 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 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질기의 열교환부를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 연료 개질기(20)는 하우징(21)과, 외부로부터 공급되는 연료와 EGR 가스를 혼합하는 공간인 믹싱부(22)와, 하우징(21)의 일측에 설치되며, 믹싱부(22)에 연료를 공급하기 위한 연료 인젝터(23)와, 믹싱부(22)와 연결되어 EGR 가스가 유입되는 EGR 배관(24)과, 믹싱부 후단에 설치된 열교환부(A), 및 열교환부(A) 후단에 구비되며, 믹싱부(22)에서 혼합된 연료와 EGR 가스를 개질하는 개질촉매부(26) 등을 포함한다.
도 3을 참조하면, 열교환부(A)는 관통부재(28), 및 배가가스 유입구(31) 및 배기가스 유출구(33)를 포함한다.
관통부재(28)는 믹싱부(22)에서 혼합된 연료와 EGR 가스가 개질촉매부(27)를 향해 유통되도록 형성된 복수의 관통공을 갖는다.
배가가스 유입구(31)를 통해 배기가스가 열교환부(A)로 유입되고, 배기가스 유출구(33)를 통해 배기라인(15)으로 배출된다. 열교환부(A)로 유입된 배기가스는 관통부재(28)에 형성된 복수의 관통공 사이로 흐르면서, 배기가스의 배기열을 혼합된 연료와 EGR 가스로 전달한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 배기가스는 관통공의 길이 방향에 직교하는 방향으로 유입되고 유출될 수 있으며, 관통공 주위를 감싸면서 흘러 관통공 내로 흐르는 연료와 EGR 가스에 배기열을 전달할 수 있다.
이러한 열전달 구조로 인해, 연료와 EGR 가스가 개질 촉매부(27)로 유입되기 전에 배기가스의 배기열을 전달받아 충분히 승온되어 개질 촉매 활성화 온도를 충분히 확보할 수 있다.
이와 같이, 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: 개질기 21: 하우징
22: 믹싱부 23: 연료 인젝터
24: EGR 배관 25: EGR 쿨러
26: EGR 밸브 27: 개질촉매부
28: 관통부재 30: 촉매
32: 배기압 제어밸브 33: 배기가스 유출구

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 개질시키는 연료 개질기; 및
    상기 배기라인에 배치되며, 상기 연료 개질기 전단에서 배기가스에 포함된 질소산화물을 정화시키는 촉매를 포함하는 연료 개질 시스템.
  2. 제 1 항에서,
    상기 연료 개질기는,
    하우징;
    상기 하우징 내에 구비되고, 외부로부터 공급되는 연료와 EGR 가스를 혼합하는 공간인 믹싱부;
    상기 하우징의 일측에 설치되며, 상기 믹싱부에 연료를 공급하기 위한 연료 인젝터;
    상기 믹싱부와 연결되어 EGR 가스가 유입되는 EGR 배관;
    상기 믹싱부 후단에 설치되며, 상기 혼합된 연료와 EGR 가스를 배기가스의 배기열에 의해 승온하는 열교환부; 및
    상기 열교환부 후단에 구비되며, 상기 혼합된 연료와 EGR 가스를 개질하는 개질촉매부를 포함하는 연료 개질 시스템.
  3. 제 2 항에서,
    상기 열교환부는,
    상기 믹싱부에서 혼합된 연료와 EGR 가스가 상기 개질촉매부를 향해 유통되도록 형성된 복수의 관통공을 갖는 관통부재; 및
    배기가스가 상기 복수의 관통공 주위로 유통되도록 배기가스가 유입 및 유출되는 배기가스 유입구와, 배기가스 유출구를 포함하는 연료 개질 시스템.
  4. 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.
  5. 제 1 항에서,
    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 포함하는 연료 개질 시스템.
  6. 제 1 항에서,
    상기 촉매는 환원제를 이용하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 환원시키는 선택적환원촉매(Selective Catalytic Reducer; SCR)를 포함하는 연료 개질 시스템.
  7. 제 1 항에서,
    상기 EGR 라인에는,
    개질가스의 유량을 조절하는 EGR 밸브, 및
    상기 EGR 쿨러 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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