KR20200091704A - 연료 개질 시스템 - Google Patents

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김창환
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템은, 연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 복수의 연소실을 포함하는 엔진과, 상기 엔진 후단에 구비되며 배기 가스를 연료와 혼합시키거나 연료와 공기를 혼합시키고 고전압을 인가하여 배기 가스에 혼합된 연료를 개질시키는 플라즈마 개질기와, 상기 플라즈마 개질기에 연결되고 상기 플라즈마 개질기에서 생성된 개질가스가 통과하며, 개질가스가 상기 엔진으로부터 배기 라인을 통해 흐르는 배기 가스와 열교환하도록 구비된 열교환기, 및 상기 열교환기 후단의 배기 라인에 구비되며, 배기 가스에 포함된 유해 물질을 정화하는 촉매 장치를 포함한다.

Description

연료 개질 시스템{FUEL REFORMING SYSTEM}
본 발명은 연료 개질 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라즈마 개질기 및 열교환기를 구비하는 연료 개질 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 엔진의 배기 시스템은 배기 가스 중에 함유된 공해 물질인 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 입자상물질(Particulate Matter, PM), 질소산화물(NOx) 등을 감소시키기 위해 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst, DOC) 장치, 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate matter Filter, DPF), 및 선택적환원촉매(Selective Catalyst Reduction, SCR) 장치 및 질소산화물 흡장촉매(Lean NOx Trap, LNT 촉매) 장치 등과 같은 배기 가스 후처리 장치를 구비하고 있다.
한편, 연료 개질기(fuel reformer)는 촉매 또는 장치를 이용하여 연료의 특성을 변화시키는 장치로서, 연소효율의 증대 또는 후처리 장치의 활성화를 위하여 연료 개질기가 적용될 수 있다. 특히, 플라즈마 개질기는 음극과 양극 사이에서 발생하는 고전압에 의해 생성되는 플라즈마 아크를 이용하여 연료를 수소(H2)/ 일산화탄소(CO) 등으로 개질하는 장치이다. 그리고 발생된 개질가스를 엔진에 주입하거나 배기 가스 후처리 장치에 적용하여 차량의 성능을 향상시키는 역할을 한다.
그런데, 플라즈마 연료 개질기에 의한 개질가스 생성시 고온 및 농후(온도≥700℃, λ<1) 상태의 가스가 만들어지는데, 개질가스의 주성분인 수소와 일산화탄소는 자동 점화 온도가 각각 500℃, 609℃이다. 고온 및 농후 상태의 개질가스가 엔진에서 나오는 희박 상태(λ≥1)의 배기 가스와 만나면 개질가스의 일부가 산화되어 LNT 촉매에 도착하기 전 개질가스의 양이 줄어드는 문제가 발생된다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 플라즈마 개질기 후단에 열교환기를 적용하여 개질가스가 배기 가스와 만나기 전에 개질가스의 온도를 자동 점화 온도 이하의 온도로 낮추어 개질가스의 잔존량을 증대시킬 수 있는 연료 개질 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템은, 연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 복수의 연소실을 포함하는 엔진과, 상기 엔진 후단에 구비되며 배기 가스를 연료와 혼합시키거나 연료와 공기를 혼합시키고 고전압을 인가하여 배기 가스에 혼합된 연료를 개질시키는 플라즈마 개질기와, 상기 플라즈마 개질기에 연결되고 상기 플라즈마 개질기에서 생성된 개질가스가 통과하며, 개질가스가 상기 엔진으로부터 배기 라인을 통해 흐르는 배기 가스와 열교환하도록 구비된 열교환기, 및 상기 열교환기 후단의 배기 라인에 구비되며, 배기 가스에 포함된 유해 물질을 정화하는 촉매 장치를 포함한다.
상기 촉매 장치는 질소산화물 흡장촉매(Lean NOx Trap; LNT)를 포함할 수 있다.
상기 촉매 장치는 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC)를 포함할 수 있다.
상기 촉매 장치는 선택적환원촉매(Selective Catalyst Reduction; SCR)를 포함할 수 있다.
상기 열교환기는, 상기 플라즈마 개질기에 연결되어 개질가스가 인입되는 인입부와, 상기 인입부에 연결되고, 상기 인입부로부터 인입된 개질가스와 상기 배기 라인 내부에 흐르는 배기 가스가 열교환되는 열교환부, 및 열교환된 개질가스가 상기 배기 라인 내부로 배출되는 배출부를 포함할 수 있다.
상기 열교환부는 내부에 개질가스가 흐르는 중공형 관 형태로 형성될 수 있다.
상기 열교환부는 나선형으로 감긴 형태로 형성될 수 있다.
상기 배출부에는 개질가스가 통과하는 적어도 하나 이상의 통공이 형성될 수 있다.
상기 통공은 상기 배출부의 길이 방향으로 간격을 가지며 형성될 수 있다.
상기 열교환기는, 상기 배기 라인 내부에 구비될 수 있다.
상기 인입부 및 열교환부는 상기 배기 라인 외부에 구비되고, 상기 배출부는 상기 배기 라인 내부에 구비될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 플라즈마 아크에 의해 생성되는 고온의 개질가스와 저온의 배기 가스 사이에서 열교환을 통해 개질가스는 산화 가능 온도 이하로 낮추고, 동시에 배기 가스의 온도는 높여 촉매의 활성을 앞당길 수 있다.
또한, 배기 라인 내의 개질가스 농도를 높여 배기 가스 정화 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 연료 개질기 및 열교환기가 배기 라인에 설치된 모습을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템의 개질가스 농도 상승 효과를 기존의 연료 개질 시스템의 개질가스 농도와 비교하여 나타낸 실험예이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 개질 시스템을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
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 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템에 관하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템을 개략적으로 나타내는 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 연료 개질기 및 열교환기가 배기 라인에 설치된 모습을 개략적으로 나타내는 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 연료 개질 시스템(100)은 엔진(10)과, 플라즈마 개질기(20)와, 열교환기(30), 및 촉매 장치(40)를 포함한다.
엔진(10)은 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 연소시켜 화학적 에너지를 기계적 에너지로 변환한다. 엔진(10)은 연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 복수의 연소실을 포함하고, 흡기 매니폴드에 연결되어 연소실 내부로 공기를 유입받으며, 연소 과정에서 발생된 배기 가스는 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.
플라즈마 개질기(20)는 엔진(10) 후단에 구비되며 배기 가스를 연료와 혼합시키거나 연료와 공기를 혼합시키고 고전압을 인가하여 배기 가스에 혼합된 연료를 개질시킨다. 플라즈마 개질기(20)에 가해지는 전압은 약 100W일 수 있다. 플라즈마 개질기(20) 전단에는 배기 라인(5) 내부로 연료를 분사하는 연료 인젝터가 구비될 수 있다.
한편, 플라즈마 개질기(20) 후단에는 온도 센서가 구비되어, 플라즈마 개질기(20)에서 개질된 개질가스의 온도를 측정할 수 있다.
열교환기(30)는 플라즈마 개질기(20)에 연결되고 플라즈마 개질기(20)에서 생성된 개질가스가 통과하며, 개질가스가 엔진(10)으로부터 배기 라인(5)을 통해 흐르는 배기 가스와 열교환하도록 구비될 수 있다. 열교환기(30)는 배기 라인(5) 내부에 구비될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 열교환기(30)는 인입부(32)와, 열교환부(34), 및 배출부(36)를 포함한다. 인입부(32)는 플라즈마 개질기(20)에 연결되고 플라즈마 개질기(20)로부터 개질가스가 인입된다. 열교환부(34)는 인입부(32)에 연결되고, 인입부(32)로부터 인입된 개질가스와 배기 라인(5) 내부에 흐르는 배기 가스가 열교환된다. 그리고, 배출부(36)는 열교환된 개질가스가 배기 라인(5) 내부로 배출되도록 구비된다.
인입부(32), 열교환부(34), 및 배출부(36)는 일체로 형성될 수 있으며, 내부에 개질가스가 흐르도록 중공형 관 형태로 형성될 수 있다.
또한, 열교환부(34)는 나선형으로 감긴 형태로 형성될 수 있다. 열교환부(34)의 형태를 나선형으로 감긴 형태로 형성함으로써, 개질가스가 열교환부(34)에서 오랜 시간동안 머물도록 하고, 배기 가스와의 단위 길이당 접촉 면적을 증가시켜 배기 라인(5) 내부에 흐르는 배기 가스와 열교환을 효과적으로 수행할 수 있다. 열교환부(34)는 그 외에, 판형, 핀형 등 단위 길이당 접촉 면적을 증가시켜 개질가스의 온도를 낮출 수 있는 다양한 형태로 형성될 수 있다.
한편, 배출부(36)에는 열교환부(34)를 통과한 개질가스가 배기 라인(5) 내부로 배출되도록 하는 적어도 하나 이상의 통공(38)이 형성될 수 있다. 통공(38)은 배출부(36)의 길이 방향으로 일정 간격을 가지며 형성될 수 있다. 일정 간격을 가지며 형성된 통공(38)으로부터 개질가스가 균일하고 일정한 속도로 배기 라인(5) 내부로 배출될 수 있으며, 개질가스와 배기 라인(5) 내부에 흐르는 배기 가스가 균일하게 혼합될 수 있다. 통공(38)은 관 형태의 배출부(36)의 둘레에 일정 간격을 가지며 형성될 수도 있다.
한편, 촉매 장치(40)는 열교환기(30) 후단의 배기 라인(5)에 구비되며, 배기 가스에 포함된 유해 물질을 정화한다.
촉매 장치(40)는 질소산화물 흡장촉매(Lean NOx Trap; LNT)를 포함할 수 있다. 그 외에, 촉매 장치(40)는 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC), 선택적환원촉매(Selective Catalyst Reduction; SCR), 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate matter Filter; DPF), 선택적환원촉매(SCR)가 코팅된 입자상물질 제거용 필터(SCR on DPF; SDPF), 탄화수소 트랩(HC trap), 삼원촉매(Three way Catalyst; TWC) 중 적어도 하나의 촉매를 포함할 수 있다.
한편, 촉매 장치(40) 후단의 배기 라인(5)에는 배기 라인(5) 내부에 우레아 수용액을 분사하는 우레아 인젝터가 구비될 수 있고, 촉매 장치(40)를 통과하는 배기 가스와 개질가스의 온도를 측정하는 온도 센서가 더 구비될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템의 개질가스 농도 상승 효과를 기존의 연료 개질 시스템의 개질가스 농도와 비교하여 나타낸 실험예이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기를 구비하는 연료 개질 시스템(100)에서, 기존의 열교환기를 구비하지 않는 연료 개질 시스템에 비하여, 연료량이 4g/min., 5g/min., 및 6g/min.인 경우, 수소(H2)의 증가율은 각각 58%, 75%, 100%임이 실험에 의해 도출되었다. 또한, 일산화탄소(CO)의 증가율은 각각 42%, 55%, 44%임이 실험에 의해 도출되었다. 이와 같이, 고온의 개질가스가 저온의 배기 가스가 열교환하여 개질가스의 온도를 수소와 일산화탄소의 자동 점화 온도 이하로 낮춤으로써 개질가스 농도를 높일 수 있음을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 개질 시스템을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 개질 시스템(200)은 엔진(10)과, 플라즈마 개질기(20)와, 열교환기(35), 및 촉매 장치(40)를 포함하고, 열교환기(35)는 플라즈마 개질기(20)에 연결되어 개질가스가 인입되는 인입부(32)와, 인입부(32)에 연결되고, 인입부(32)로부터 인입된 개질가스와 배기 라인(5) 내부에 흐르는 배기 가스가 열교환되는 열교환부(34), 및 열교환된 개질가스가 배기 라인(5) 내부로 배출되는 배출부(36)를 포함한다. 이 때, 인입부(32) 및 열교환부(34)는 배기 라인(5) 외부에 구비되고, 배출부(36)는 배기 라인(5) 내부에 구비될 수 있다. 인입부(32) 및 열교환부(34) 내로 흐르는 개질가스가 배기 라인(5) 외부에서 공기와 열교환하여 온도가 낮아질 수 있다. 온도가 낮아진 개질가스는 배출부(36)를 통해 배기 라인(5) 내부로 유입되어 배기 가스의 온도를 낮출 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 플라즈마 아크에 의해 생성되는 고온의 개질가스와 저온의 배기 가스 사이에서 열교환을 통해 개질가스는 산화 가능 온도 이하로 낮추고, 동시에 배기 가스의 온도는 높여 촉매의 활성을 앞당길 수 있다.
또한, 배기 라인 내의 개질가스 농도를 높여 배기 가스 정화 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.
10: 엔진 5: 배기 라인
20: 플라즈마 개질기 30, 35: 열교환기
32: 인입부 34: 열교환부
36: 배출부 38: 통공
40: 촉매 장치

Claims (11)

  1. 연료의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 복수의 연소실을 포함하는 엔진;
    상기 엔진 후단에 구비되며 배기 가스를 연료와 혼합시키거나 연료와 공기를 혼합시키고 고전압을 인가하여 배기 가스에 혼합된 연료를 개질시키는 플라즈마 개질기;
    상기 플라즈마 개질기에 연결되고 상기 플라즈마 개질기에서 생성된 개질가스가 통과하며, 개질가스가 상기 엔진으로부터 배기 라인을 통해 흐르는 배기 가스와 열교환하도록 구비된 열교환기; 및
    상기 열교환기 후단의 배기 라인에 구비되며, 배기 가스에 포함된 유해 물질을 정화하는 촉매 장치를 포함하는 연료 개질 시스템.
  2. 제 1 항에서,
    상기 촉매 장치는 질소산화물 흡장촉매(Lean NOx Trap; LNT)를 포함하는 연료 개질 시스템.
  3. 제 1 항에서,
    상기 촉매 장치는 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC)를 포함하는 연료 개질 시스템.
  4. 제 1 항에서,
    상기 촉매 장치는 선택적환원촉매(Selective Catalyst Reduction; SCR)를 포함하는 연료 개질 시스템.
  5. 제 1 항에서,
    상기 열교환기는,
    상기 플라즈마 개질기에 연결되어 개질가스가 인입되는 인입부;
    상기 인입부에 연결되고, 상기 인입부로부터 인입된 개질가스와 상기 배기 라인 내부에 흐르는 배기 가스가 열교환되는 열교환부; 및
    열교환된 개질가스가 상기 배기 라인 내부로 배출되는 배출부를 포함하는 연료 개질 시스템.
  6. 제 5 항에서,
    상기 열교환기는 내부에 개질가스가 흐르는 중공형 관 형태로 형성된 연료 개질 시스템.
  7. 제 6 항에서,
    상기 열교환부는 나선형으로 감긴 형태로 형성된 연료 개질 시스템.
  8. 제 6 항에서,
    상기 배출부에는 개질가스가 통과하는 적어도 하나 이상의 통공이 형성된 연료 개질 시스템.
  9. 제 8 항에서,
    상기 통공은 상기 배출부의 길이 방향으로 간격을 가지며 형성된 연료 개질 시스템.
  10. 제 5 항에서,
    상기 열교환기는,
    상기 배기 라인 내부에 구비되는 연료 개질 시스템.
  11. 제 5 항에서,
    상기 인입부 및 열교환부는 상기 배기 라인 외부에 구비되고, 상기 배출부는 상기 배기 라인 내부에 구비되는 연료 개질 시스템.
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