KR20220116826A - 배기가스 후처리 시스템 - Google Patents

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KR20220116826A
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exhaust gas
temperature
reactor
agent injection
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KR1020210020169A
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진동영
임인혁
김지석
현린
왕태중
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현대두산인프라코어(주)
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템은 엔진에서 배출된 배기가스를 이동시키는 배기 유로와, 상기 배기 유로 상에 설치되어 상기 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 촉매가 내장된 제1 반응기와, 상기 제1 반응기보다 하류의 상기 배기 유로 상에 설치되어 상기 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 촉매가 내장된 제2 반응기와, 상기 제1 반응기에 유입되는 배기가스를 향해 환원제를 분사하는 제1 환원제 분사부와, 상기 제2 반응기에 유입되는 배기가스를 향해 환원제를 분사하는 제2 환원제 분사부와, 상기 제1 환원제 분사부와 상기 제2 환원제 분사부에 환원제를 공급하는 환원제 공급부와, 상기 제1 반응기에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 제1 온도 센서와, 상기 제2 반응기에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 제2 온도 센서, 그리고 상기 제1 온도 센서와 상기 제2 온도 센서가 제공하는 온도 정보에 따라 상기 제1 환원제 분사부 및 상기 제2 환원제 분사부의 환원제 분사 여부 및 환원제 분사량을 제어하는 제어 장치를 포함한다.

Description

배기가스 후처리 시스템{EXHAUST GAS TREATMENT SYSTEM}
본 발명은 배기가스 후처리 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엔진에서 배출된 배기가스의 후처리를 위한 배기가스 후처리 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 차량, 선박, 또는 플랜트에서 사용되는 디젤 엔진을 포함한 다양한 동력 장치는 배기가스를 발생시킨다. 그런데, 동력 장치에서 배출된 배기가스에 대한 규제가 전세계적으로 강화되는 추세이다. 이에, 동력 장치에서 발생된 배기가스는 배기가스 후처리 시스템을 거쳐 배출되고 있다.
특히, 디젤 엔진은 압축 착화 연소 방식으로 인해 배기가스가 다량의 질소산화물(NOx)을 함유하게 된다. 또한, 디젤 엔진의 특성인 희박 연소(lean burn)로 연비는 향상되지만 가솔린과 다르게 삼원 촉매(three way catalyst)를 사용할 수 없다. 이에, 강화되는 배기가스에 대한 규제를 만족시키고자 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위해 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템이 사용되고 있다.
선택적 촉매 환원 시스템은 촉매가 설치된 반응기에서 환원제를 질소산화물(NOx)과 반응시킴으로써 질소산화물(NOx)을 저감하는 방법이다. 선택적 촉매 환원 시스템에서는 배기가스에 환원제인 우레아(urea) 수용액을 분사하고, 분사된 우레아 수용액이 분해되면서 생성된 암모니아가 질소산화물과 반응하여 배기가스를 통해 배출되는 질소산화물을 저감시키게 된다.
그런데, 선택적 촉매 환원 시스템은 특성상 특정 온도에서 높은 전환 효율을 가지며 저온 운전 시에는 그 효율이 매우 떨어진다. 배기가스의 온도가 낮을 경우, 우레아가 암모니아로 완전히 변환되지 않아 질소산화물 저감 효율이 떨어지거나 잔존 우레아 또는 부산물이 침전물(deposit)을 형성하게 된다. 엔진에서 배출되는 배기가스의 온도는 여러 요인으로 인하여 수시로 변동하므로, 배기가스에 분사된 환원제가 상황에 따라 완전히 분해되지 못하여 질소산화물 저감 효율이 떨어지거나 침전물(deposit)이 생성되는 문제점이 발생되고 있다.
본 발명의 실시예는 배기가스의 온도 변화에 대응하여 효과적으로 질소산화물 저감 효율을 향상시킬 수 있는 배기가스 후처리 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배기가스 후처리 시스템은 엔진에서 배출된 배기가스를 이동시키는 배기 유로와, 상기 배기 유로 상에 설치되어 상기 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 촉매가 내장된 제1 반응기와, 상기 제1 반응기보다 하류의 상기 배기 유로 상에 설치되어 상기 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 촉매가 내장된 제2 반응기와, 상기 제1 반응기에 유입되는 배기가스를 향해 환원제를 분사하는 제1 환원제 분사부와, 상기 제2 반응기에 유입되는 배기가스를 향해 환원제를 분사하는 제2 환원제 분사부와, 상기 제1 환원제 분사부와 상기 제2 환원제 분사부에 환원제를 공급하는 환원제 공급부와, 상기 제1 반응기에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 제1 온도 센서와, 상기 제2 반응기에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 제2 온도 센서, 그리고 상기 제1 온도 센서와 상기 제2 온도 센서가 제공하는 온도 정보에 따라 상기 제1 환원제 분사부 및 상기 제2 환원제 분사부의 환원제 분사 여부 및 환원제 분사량을 제어하는 제어 장치를 포함한다.
상기 제1 온도 센서가 측정한 배기가스의 온도가 상기 제2 기준 온도 초과이고, 상기 제2 온도 센서가 측정한 배기가스의 온도가 제3 기준 온도 이하일때, 상기 제어 장치는 상기 엔진을 제어하여 배기가스의 온도를 승온시키면서 상기 제1 환원제 분사부로 환원제를 분사시키도록 구성될 수 있다. 그리고 상기 제1 온도 센서가 측정한 배기가스의 온도가 상기 제2 기준 온도 초과이고, 상기 제2 온도 센서가 측정한 배기가스의 온도가 상기 제3 기준 온도 초과일때, 상기 제어 장치는 상기 제1 환원제 분사부와 상기 제2 환원제 분사부로 환원제를 분사시키도록 구성될 수 있다.
상기 제1 온도 센서가 측정한 배기가스의 온도가 상기 제2 기준 온도 초과이고, 상기 제2 온도 센서가 측정한 배기가스의 온도가 상기 제3 기준 온도 초과일때, 상기 제어 장치는 질소산화물 농도 대비 환원제 분사 비율을 상기 제2 환원제 분사부보다 상기 제1 환원제 분사부에 높게 설정하거나 같게 설정하도록 구성될 수 있다. 그리고 상기 제1 온도 센서가 측정한 배기가스의 온도가 상기 제2 기준 온도 초과이고, 상기 제2 온도 센서가 측정한 배기가스의 온도가 상기 제4 기준 온도 초과일 때, 상기 제어 장치는 질소산화물 농도 대비 환원제 분사 비율을 상기 제1 환원제 분사부보다 상기 제2 환원제 분사부에 높게 설정하거나 같게 설정하도록 구성될 수 있다.
상기 제1 온도 센서가 측정한 배기가스의 온도가 제1 기준 온도 이하일때, 상기 제어 장치는 상기 엔진을 제어하여 배기가스의 온도를 승온시키도록 구성되고, 상기 제1 온도 센서가 측정한 배기가스의 온도가 제1 기준 온도 초과이고 상기 제1 기준 온도보다 높은 제2 기준 온도 이하일때, 상기 제어 장치는 상기 엔진을 제어하여 배기가스의 온도를 승온시키면서 상기 환원제 공급부를 환원제 공급 준비 상태로 유지하도록 구성될 수 있다.
상기 제어 장치는 상기 엔진의 운전 조건을 제어하여 상기 엔진에서 배출되는 배기가스의 온도를 조절하도록 구성될 수 있다.
상기한 배기가스 후처리 시스템은 상기 제1 반응기에 유입되는 배기가스의 질소산화물 농도를 측정하는 제1 질소산화물 농도 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 온도 센서가 측정한 배기가스의 온도가 상기 제2 기준 온도 초과일때, 상기 제어 장치는 상기 제1 질소산화물 농도 센서의 측정값에 따라 상기 제1 환원제 분사부의 환원제 분사량을 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 제1 반응기보다 상기 제2 반응기에 상대적으로 더 많은 양의 촉매가 내장될 수 있다.
상기 환원제 공급부는 환원제를 저장하는 환원제 탱크와, 상기 환원제 탱크에 저장된 환원제를 상기 제1 환원제 분사부 및 상기 제2 환원제 분사부로 공급하기 위한 환원제 펌프, 그리고 상기 환원제 펌프를 상기 제1 환원제 분사부 및 상기 제2 환원제 분사부와 연결하는 환원제 공급관을 포함할 수 있다.
상기 환원제 공급부는 상기 제1 환원제 분사부 및 상기 제2 환원제 분사부 중 하나 이상이 환원제를 분사하기 전인 환원제 공급 준비 상태에서, 상기 환원제 공급관에 환원제를 채우고 기설정된 압력을 유지시킬 수 있다.
상기 환원제 공급부가 환원제 공급을 중단하면 상기 환원제 공급관에 잔류하는 환원제를 상기 환원제 탱크로 회수할 수 있다.
상기 제1 반응기와 상기 제2 반응기 사이에 디젤 산화 촉매(diesel oxidation catalyst, DOC) 및 디젤 미립자 필터(diesel particulate filter, DPF) 중 하나 이상이 배치될 수 있다.
상기 제2 반응기 후단에는 암모니아 산화 촉매가 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배기가스 후처리 시스템은 배기가스의 온도 변화에 대응하여 효과적으로 질소산화물 저감 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1의 배기가스 후처리 시스템의 동작 전환 기준이 되는 온도 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템의 동작 과정을 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 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 실시예에 한정되지 않는다.
도면들은 개략적이고 축척에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 축소되어 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.
본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 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 배기가스 후처리 시스템(101)을 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템은 엔진(100)으로부터 배출된 배기가스를 정화하며, 특히 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)를 저감시킬 수 있다. 여기서, 엔진(100)은 디젤 엔진일 수 있다.
또한, 도시하지는 않았으나, 엔진(100)에서 배출된 배기가스의 전부 또는 일부는 과급기를 거칠 수도 있다. 과급기는 엔진(100)의 배기구와 연결되어 엔진(100)의 배기가스가 갖는 압력으로 터빈을 돌려 엔진(100)에 새로운 외부 공기를 압축하여 공급한다. 이에, 과급기가 장착된 엔진(200)은 효율이 향상된다.
또한, 엔진(100)이 배출하는 배기가스는 섭씨 150도 내지 섭씨 600도 범위 내의 온도를 가질 수 있으며, 과급기를 거치면 배기가스의 온도는 더욱 낮아질 수 있다. 특히, 엔진(100)의 가동 초기에 배기가스의 온도가 더욱 낮아질 수도 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템(101)은 배기 유로(610), 제1 반응기(310), 제2 반응기(320), 제1 환원제 분사부(810), 제2 환원제 분사부(820), 환원제 공급부(500), 제1 온도 센서(711), 제2 온도 센서(712), 및 제어 장치(700)를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템(101)은 제1 질소산화물 농도 센서(731), 제2 질소산화물 농도 센서(732), 제3 질소산화물 농도 센서(733), 디젤 산화 촉매(diesel oxidation catalyst, DOC)(430), 디젤 미립자 필터(diesel particulate filter, DPF)(440), 믹서(mixer)(450), 및 암모니아 산화 촉매(460)를 더 포함할 수 있다.
배기 유로(610)는 엔진(100)에서 배출된 질소산화물(NOx)을 함유한 배기가스를 이동시킨다. 그리고 배기 유로(610)는 후술할 제1 반응기(310) 및 제2 반응기(320)와 연결된다.
제1 반응기(310)는 배기 유로(610) 상에 설치되고, 제2 반응기(320)는 제1 반응기(310)보다 하류의 배기 유로(610) 상에 설치된다.
이하, 본 명세서에서, 상류와 하류는 배기가스의 이동 방향이 기준으로 의미가 정의된다.
제1 반응기(310)와 제2 반응기(320)는 각각 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 촉매를 내장한다. 일례로, 제1 반응기(310)보다 제2 반응기(320)에 상대적으로 더 많은 양의 촉매가 내장되어 상대적으로 더 큰 질소산화물 저감 성능을 가질 수 있다. 즉, 제2 반응기(320)가 메인이 되며, 제1 반응기(310)는 보조적인 역할을 수행할 수 있다.
촉매는 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)과 환원제의 반응을 촉진시켜 질소산화물(NOx)을 질소와 수증기로 환원 처리한다. 예를 들어, 촉매는 제올라이트(Zeolite), 바나듐(Vanadium), 및 백금(Platinum) 등과 같이 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 소재로 만들어질 수 있다. 촉매는 섭씨 200도 내지 섭씨 500도 범위 내의 활성 온도를 가질 수 있다. 여기서, 활성 온도는 촉매가 피독되지 않고 안정적으로 질소산화물을 환원시킬 수 있는 온도를 말한다. 촉매가 활성 온도 범위 밖에서 반응하면, 촉매가 피독되면서 효율이 저하된다. 만약 섭씨 150도 이상 섭씨 200도 미만의 상대적으로 낮은 온도에서 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 환원 반응이 일어나면, 배기가스의 황산화물(SOx)과 암모니아(NH3)가 반응하여 촉매 피독 물질이 생성된다. 구체적으로, 촉매를 피독시키는 피독 물질은 황산암모늄(Ammonium sulfate, (NH4)2SO4)과 아황산수소암모늄(Ammonium bisulfate, NH4HSO4) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 촉매 피독 물질은 촉매에 흡착되어 촉매의 활성을 저하시킨다. 촉매 피독 물질은 상대적으로 높은 온도, 즉 섭씨 350도 내지 섭씨 450도 범위 내의 온도에서 분해되므로, 제1 반응기(310) 및 제2 반응기(320)에 내장된 촉매를 승온시키면 피독된 촉매를 재생할 수 있다.
제1 환원제 분사부(810)는 제1 반응기(310)에 유입되는 배기가스를 향해 환원제를 분사한다. 예를 들어, 제1 환원제 분사부(810)는 제1 반응기(310)보다 상류의 배기 유로(610) 상에 설치될 수 있다.
제2 환원제 분사부(820)는 제2 반응기(320)에 유입되는 배기가스를 향해 환원제를 분사한다. 예를 들어, 제2 환원제 분사부(820)는 제2 반응기(320)보다 상류에 설치될 수 있다.
환원제 공급부(500)는 제1 환원제 분사부(810) 및 제2 환원제 분사부(820)에 환원제를 공급한다. 환원제 공급부(500)가 공급하는 환원제는 우레아(urea, CO(NH2)2) 수용액일 수 있다. 우레아 수용액은 질소산화물과 반응하는 환원제의 전구체에 해당한다. 질소산화물(NOx)과 직접 반응하는 물질은 암모니아(NH3)이지만, 암모니아 자체가 오염 물질로 보관과 운반이 용이하지 않기 때문에 안정적인 우레아 수용액을 공급한 후, 이를 분해하여 암모니아 가스를 생성하게 된다. 구체적으로, 우레아가 열분해 또는 가수분해되면서 암모니아(NH3)와 이소시안산(Isocyanic acid, HNCO)이 생성되고, 이소시안산(HNCO)은 다시 암모니아(NH3)와 이산화탄소(CO2)로 분해될 수 있다. 이때, 우레아의 분해 가능 온도 범위는 섭씨 250도 내지 섭씨 600도 범위에 속할 수 있다. 그리고 최종적으로 생성된 암모니아(NH3)가 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)과 반응하게 된다.
구체적으로, 환원제 공급부(500)는 환원제를 저장하는 환원제 탱크(540)와, 환원제 탱크(540)에 저장된 환원제를 제1 환원제 분사부(810) 및 제2 환원제 분사부(820)로 공급하기 위한 환원제 펌프(530), 그리고 환원제 펌프(530)를 제1 환원제 분사부(810) 및 제2 환원제 분사부(820)와 연결하는 환원제 공급관(561, 562)을 포함할 수 있다.
환원제 공급관(561, 562)은 환원제 펌프(530)와 제1 환원제 분사부(810)를 연결하는 제1 환원제 공급관(561)과, 환원제 펌프(530)와 제2 환원제 분사부(820)를 연결하는 제2 환원제 공급관(562)을 포함할 수 있다.
또한, 도시하지는 않았으나, 제1 환원제 공급관(561)과 제2 환원제 공급관(562)에는 각각 제어 밸브가 설치될 수 있다. 제어 밸브는 후술할 제어 장치(700)의 제어에 따라 동작하여 환원제 공급부(500)가 제1 환원제 분사부(810) 및 제2 환원제 분사부(820) 중 하나 이상에 선택적으로 환원제를 공급할 수 있도록 한다. 이때, 제어 밸브는 환원제 분사 여부뿐만 아니라 환원제 분사량도 제어할 수 있다.
하지만, 본 발명의 일 실시예가 전술한 바에 한정되는 것은 아니다. 즉, 별도의 제어 밸브를 두지 않고도 제어 장치(700)의 제어에 따라 제1 환원제 분사부(810)와 제2 환원제 분사부(820)가 스스로 환원제 분사 여부와 환원제 분사량을 조절할 수도 있다.
제1 온도 센서(711)는 제1 반응기(310)에 유입되는 배기가스의 온도를 측정한다. 일례로, 제1 온도 센서(711)는 제1 반응기(310) 보다 상류의 배기 유로(610) 상에 설치될 수 있다.
제2 온도 센서(712)는 제2 반응기(320)에 유입되는 배기가스의 온도를 측정한다. 일례로, 제2 온도 센서(712)는 제2 반응기(320)보다 상류에 설치될 수 있다.
제1 질소산화물 농도 센서(731)는 제1 반응기(310)에 유입되는 배기가스의 질소산화물 농도를 측정한다. 이때, 제1 질소산화물 농도 센서(731)는 제1 환원제 분사부(810)보다 상류의 배기 유로(610) 상에 설치될 수 있다. 제1 질소산화물 농도 센서(731)가 제1 환원제 분사부(810)보다 하류에 위치하게 되면, 제1 환원제 분사부(810)에서 분사된 환원제에 의해 제1 질소산화물 농도 센서(731)의 정확도가 저하될 수 있다.
제2 질소산화물 농도 센서(732)는 제2 반응기(320)에 유입되는 배기가스의 질소산화물 농도를 측정한다. 이때, 제2 질소산화물 농도 센서(732)는 제2 환원제 분사부(820)보다 상류에 설치될 수 있다. 제2 질소산화물 농도 센서(732)가 제2 환원제 분사부(820)보다 하류에 위치하게 되면, 제2 환원제 분사부(820)에서 분사된 환원제에 의해 제2 질소산화물 농도 센서(732)의 정확도가 저하될 수 있다.
제3 질소산화물 농도 센서(733)는 제2 반응기(320)를 빠져나온 배기가스의 질소산화물 농도를 측정한다. 이때, 제3 질소산화물 농도 센서(733)는 제2 환원제 분사부(820)보다 하류에 설치될 수 있다. 제3 질소산화물 농도 센서(733)가 배기가스 후처리 시스템을 거친 최종 배기가스에 포함된 질소산화물 농도를 측정할 수 있다.
제어 장치(700)는 제1 온도 센서(711)와 제2 온도 센서(712)가 제공하는 온도 정보에 따라 제1 환원제 분사부(810) 및 제2 환원제 분사부(820)의 환원제 분사 여부 및 환원제 분사량을 제어할 수 있다. 이때, 제어 장치(700)는 제1 질소산화물 농도 센서(731), 제2 질소산화물 농도 센서(732), 및 제3 질소산화물 농도 센서(733)가 제공하는 질소산화물 농도 정보에 따라 제1 환원제 분사부(810) 및 제2 환원제 분사부(820)의 환원제 분사량을 조절할 수 있다.
즉, 제어 장치(700)는 배기가스의 온도에 따라 제1 환원제 분사부(810)로만 환원제를 분사하거나 제1 환원제 분사부(810)와 제2 환원제 분사부(820)로 환원제를 분사할 수 있으며, 제어 장치(700)는 제1 환원제 분사부(810)와 제2 환원제 분사부(820)로 환원제를 분사할 때 배기가스의 온도에 따라 질소산화물 농도 대비 환원제 분사 비율 또는 환원제 분사량을 상이하게 제어할 수 있다.
또한, 제어 장치(700)는 엔진(100)의 운전 조건을 제어하여 엔진(100)에서 배출되는 배기가스의 온도를 조절할 수 있다.
디젤 산화 촉매(diesel oxidation catalyst, DOC)(430)는 제1 반응기(310)와 제2 반응기(320) 사이에 설치될 수 있다.
디젤 산화 촉매(430)는 1차적으로 일산화질소(NO)를 이산화질소(NO2)로 산화시키는 기능을 수행한다. 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)에서 이산화질소(NO2)의 비율을 높이는 것은 선택적 촉매 환원 반응으로 질소산화물(NOx)을 효율적으로 저감시키기 위해 중요하다.
또한, 디젤 산화 촉매(430)는 일산화탄소(CO)와 탄화 수소(HC)를 저감시키고, 배기가스에 함유된 탄화 수소(HC)를 연소시켜 배기가스에 함유된 미립자를 저감시킬 수도 있다. 따라서, 디젤 산화 촉매(430)가 탄화 수소(HC)를 연소시키면, 후술할 디젤 미립자 필터(440)에 포집되는 입자상 물질을 줄일 수 있으므로 디젤 미립자 필터(440)의 재생 주기를 늘릴 수 있다.
디젤 미립자 필터(diesel particulate filter, DPF)(440)는 디젤 산화 촉매(430)와 제2 반응기(320) 사이에 설치될 수 있다. 디젤 미립자 필터(440)는 엔진(100)의 배기가스 중에서 검댕(soot) 등의 입자상 물질을 필터에 포집하여 제거한다.
믹서(450)는 디젤 미립자 필터(440)와 제2 반응기(320) 사이에 설치될 수 있다. 또한, 믹서(450)의 적어도 일부는 제2 환원제 분사부(820)보다 하류에 설치될 수 있다. 믹서(450)는 제2 환원제 분사부(820)에서 분사된 환원제를 배기가스와 효과적으로 혼합시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서, 디젤 산화 촉매(430), 디젤 미립자 필터(440), 믹서(450), 및 제2 반응기(320)는 하나의 모듈로 만들어질 수 있다. 이때, 공간 활용도를 높이기 위해 모듈은 알파벳 "U"자 형태로 만들어질 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템(101)은 배기가스의 온도의 변화에 대응하여 효과적으로 질소산화물 저감 효율을 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 배기가스의 온도가 낮은 경우 제1 반응기(310)를 빠르게 승온시켜 질소산화물을 저감시킬 수 있다. 제1 반응기(310)는 제2 반응기(320)보다 상대적으로 엔진(100)에 가까우며, 배기가스가 제2 반응기(320)에 도달하기 위해서는 디젤 산화 촉매(430)와 디젤 미립자 필터(440)를 거치게 되므로, 제2 반응기(320)에 유입되는 배기가스의 온도가 제1 반응기(310)에 유입되는 배기가스의 온도보다 상대적으로 낮을 수밖에 없다. 또한, 엔진(100)의 운전 조건을 제어하여 배기가스를 강제 승온시키게 되면, 엔진(100)과 상대적으로 가까운 제1 반응기(310)가 상대적으로 빠르게 승온될 수 있다.
따라서, 배기가스의 온도가 낮은 상태에서는, 제1 반응기(310)를 빠르게 승온시켜 제1 환원제 분사부(810)로 분사된 환원제를 통해 질소산화물을 저감시킬 수 있게 된다. 즉, 본 발명의 일 실시예에서는, 제1 반응기(310)를 사용하여 엔진(100)에서 배출되는 배기가스의 온도 변화에 기민하게 대응할 수 있게 된다.
또한, 배기가스의 온도가 충분이 상승하여 제2 반응기(320)가 동작하는 경우에는 제1 반응기(310)가 제2 반응기(320)를 보조하여 전체적인 질소산화물 저감 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
이하, 아래의 표 1과 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템(101)의 동작 원리를 살펴보기로 한다.
동작 조건 제1 온도 센서 측정 온도 (TS1) 제2 온도 센서 측정 온도(TS2) 배기가스 강제 승온 환원제 공급 준비 제1 환원제 분사부 제2 환원제 분사부
제1 동작 조건 TS1 ≤ T1 　 On Off Off Off
제2 동작 조건 T1 < TS1 ≤ T2 　 On On Off Off
제3 동작 조건 T2 < TS1 TS4 ≤ T3 On On On (ANR=a) Off
제4 동작 조건 T2 < TS1 T3 < TS4 ≤ T4 Off On On (ANR=b) On (ANR=c)
제5 동작 조건 T2 < TS1 T4 < TS4 Off On On (ANR=d) On (ANR=e)
상기 표 1에서, T1 은 제1 기준 온도이고, T2는 제2 기준 온도이며, T3은 제3 기준 온도이고, T4는 제4 기준 온도이다. 예시적으로, 제1 기준 온도(T1), 제2 기준 온도(T2), 제3 기준 온도(T3), 및 제4 기준 온도(T4)는 도 2에 도시한 바와 같이 설정될 수 있다. 즉, 제2 기준 온도(T2)는 제1 기준 온도(T1) 보다 높게 설정되고, 제3 기준 온도(T3)는 제2 기준 온도(T2) 보다 높게 설정되며, 제4 기준 온도(T4)는 제3 기준 온도(T3) 보다 높게 설정될 수 있다. 또한, 제1 기준 온도(T1), 제2 기준 온도(T2), 제3 기준 온도(T3), 및 제4 기준 온도(T4)는 엔진(100)의 종류와, 환원제의 성분, 그리고 제1 반응기(310) 및 제2 반응기(320)에 내장된 촉매의 성능에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
또한, 상기 표 1에서 ANR(Ammonia NOx Ratio)은 질소산화물 농도 대비 환원제 분사 비율을 나타내며, 이를 기준으로 환원제 분사량을 제어하게 된다. 제3 동작 조건에서 a는 제1 질소산화물 농도 센서(731)가 측정한 질소산화물의 농도에 따라 결정될 수 있다. 또한, 제4 동작 조건의 b와 c 그리고 제5 동작 조건의 d와 e도 제1 질소산화물 농도 센서(731)가 측정한 질소산화물의 농도에 따라 결정될 수 있다. 제4 동작 조건에서 b는 c보다 크거나 같을 수 있으며, 제5 동작 조건에서 d는 e모다 작거나 같을 수 있다. 다만, 경우에 따라 a, b, c, d, e의 경우 제2 질소산화물 농도 센서(732) 또는 제3 질소산화물 농도 센서(733)가 측정한 질소산화물의 농도에 따라 결정될 수 있으며 이에 제한되는 것은 아니다.
전술한 표1과 도 3을 참고하여 배기가스 후처리 시스템(101)의 동작 원리를 설명하면, 먼저 제1 온도 센서(711)가 배기가스의 온도를 측정하게 된다.
제1 온도 센서(711)가 측정한 배기가스의 온도가 제1 기준 온도(T1) 이하인 제1 동작 조건이면, 제어 장치(700)는 엔진(100)을 제어하여 배기가스의 온도를 승온시킬 수 있다. 이때, 제어 장치(700)는 엔진(100)의 운전 조건을 제어하여 엔진(100)에서 배출되는 배기가스의 온도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 제어 장치(700)는 엔진(100)의 스로틀링(throttling)을 조절하거나 연료 분사 시기를 조절하여 배기가스를 강제 승온시킬 수 있다. 하지만, 본 발명의 일 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 제어 장치(700)는 엔진(100)의 회전수 또는 부하를 상승시키는 방법을 포함한 다양한 방법으로 배기가스를 강제 승온시킬 수 있다.
만약, 배기가스의 온도가 제1 환원제 분사부(810) 및 제2 환원제 분사부(820)에서 환원제를 분사하기에 충분히 높다면, 제어 장치(700)는 엔진(100)의 운전 조건을 제어하여 엔진(100)에서 배출되는 배기가스의 온도를 강제 승온시킬 필요가 없다. 이 경우, 제어 장치(700)는 후술할 제4 동작 조건 또는 제5 동작 조건에 따라 배기가스 온도를 강제 승온 시키지 않고 제1 환원제 분사부(810) 및 제2 환원제 분사부(820)를 통해 환원제를 분사하도록 제어할 수 있다.
배기가스 강제 승온 이후, 제1 온도 센서(711)가 측정한 배기가스의 온도가 제1 기준 온도(T1) 초과이고 제1 기준 온도(T1)보다 높은 제2 기준 온도(T2) 이하인 제2 동작 조건일때, 제어 장치(700)는 엔진(100)을 제어하여 배기가스의 온도를 승온시키면서 환원제 공급부(500)를 환원제 공급 준비 상태로 유지하게 된다.
환원제 공급 준비 상태는 제1 환원제 분사부(810) 및 제2 환원제 분사부(820) 중 하나 이상이 환원제를 분사하기 전에 환원제를 바로 분사할 수 있도록 준비된 상태를 의미한다. 예를 들어, 환원제 공급 준비 상태에서는 환원제 공급관(561, 562)에 환원제가 채워지고 기설정된 압력으로 유지될 수 있다.
다음, 제1 온도 센서(711)가 측정한 배기가스의 온도가 제2 기준 온도(T2) 초과이고, 제2 온도 센서(712)가 측정한 배기가스의 온도가 제3 기준 온도(T3) 이하인 제3 동작 조건일때, 제어 장치(700)는 엔진(100)을 제어하여 배기가스의 온도를 승온시키면서 제1 환원제 분사부(810)로 환원제를 분사시키게 된다. 이때, 제어 장치(700)는 제1 질소산화물 농도 센서(731)의 측정값에 따라 제1 환원제 분사부(810)의 환원제 분사량을 제어하게 된다. 즉, 제어 장치(700)는 환원제의 성분을 고려하여 제1 질소산화물 농도 센서(731)가 측정한 질소산화물의 농도를 목표값까지 낮추기에 적정한 양의 환원제를 분사하도록 제어할 수 있다.
다음, 제1 온도 센서(711)가 측정한 배기가스의 온도가 제2 기준 온도(T2) 초과이고, 제2 온도 센서(712)가 측정한 배기가스의 온도가 제3 기준 온도(T3) 초과이고 제3 기준 온도(T3)보다 높은 제4 기준 온도(T4) 이하인 제4 동작 조건일때, 제어 장치(700)는 제1 환원제 분사부(810)와 제2 환원제 분사부(820)로 환원제를 분사시키게 된다.
이때, 제어 장치(700)는 질소산화물 농도 대비 환원제 분사 비율을 제2 환원제 분사부(820)보다 제1 환원제 분사부(810)에 높게 설정하거나 같게 설정할 수 있다. 이는 제4 동작 조건에서는 제1 반응기(310)의 온도가 더 높아 환원 반응성이 좋기 때문이며, 제2 반응기(320)에서는 환원 반응성이 낮아 환원제가 모두 질소산화물과 반응하지 못하고 암모니아 슬립 현상이 발생될 수 있기 때문이다.
따라서, 제2 환원제 분사부(820)가 분사하는 질소산화물 농도 대비 환원제 분사 비율을 낮춤으로써, 제2 반응기(320)에서 암모니아 슬립 현상이 발생되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 암모니아 슬립 현상을 더욱 안정적으로 방지하기 위해 제2 반응기(320)의 후단에는 암모니아 산화 촉매(ammonia oxidation catalyst, AOC)(460)가 설치될 수 있다.
다음, 제1 온도 센서(711)가 측정한 배기가스의 온도가 제2 기준 온도(T2) 초과이고, 제2 온도 센서(712)가 측정한 배기가스의 온도가 제4 기준 온도(T4) 초과인 제5 동작 조건일 때, 제어 장치(700)는 질소산화물 농도 대비 환원제 분사 비율을 제1 환원제 분사부(810)보다 제2 환원제 분사부(820)에 높게 설정하거나 같게 설정할 수 있다. 즉, 제5 동작 조건에서는 질소산화물을 저감시키는데 제2 반응기(320)를 주로 사용하게 되며, 제1 반응기(310)는 제2 반응기(320)를 보조하여 전체적인 질소산화물 저감 효율을 향상시키게 된다. 다시 배기가스의 온도가 내려간다면 제1 환원제 분사부(810)와 제2 환원제 분사부(820)에서 분사되는 환원제의 분사량을 조절하여 기민하게 대응할 수 있다.
이후, 환원제 공급부(500)가 환원제 공급을 중단하면 환원제 공급관(561, 562)에 잔류하는 환원제를 환원제 탱크(540)로 회수할 수 있다. 환원제 공급관(561, 562)에 환원제가 장시간 잔류하게 되면 침전물(deposit)이 생성되거나 극저온에서 동결되어 환원제 공급관(561, 562)이 막히거나 제1 환원제 분사부(810)와 제2 환원제 분사부(820)의 오작동 및 불량을 야기할 수 있다.
전술한 바와 같은 동작 원리에 의해, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템(101)은 배기가스의 온도의 변화에 대응하여 효과적으로 질소산화물 저감 효율을 향상시킬 수 있다.
특히, 배기가스의 온도가 낮은 경우 제1 반응기(310)를 빠르게 승온시켜 제1 환원제 분사부(810)로 분사된 환원제를 통해 질소산화물을 저감시킬 수 있게 된다. 즉, 제1 반응기(310)를 사용하여 엔진(100)에서 배출되는 배기가스의 온도 변화에 기민하게 대응할 수 있게 된다.
또한, 배기가스의 온도가 충분이 상승하여 제2 반응기(320)가 동작하는 경우에는 제1 반응기(310)가 제2 반응기(320)를 보조하여 전체적인 질소산화물 저감 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 엔진
101: 배기가스 후처리 시스템
310: 제1 반응기
320: 제2 반응기
430: 디젤 산화 촉매
440: 디젤 미립자 필터
450: 믹서
460: 암모니아 산화 촉매
500: 환원제 공급부
530: 환원제 펌프
540: 환원제 탱크
561, 562: 환원제 공급관
610: 배기 유로
700: 제어 장치
711: 제1 온도 센서
712: 제2 온도 센서
731: 제1 질소산화물 농도 센서
732: 제2 질소산화물 농도 센서
733: 제3 질소산화물 농도 센서
810: 제1 환원제 분사부
820: 제2 환원제 분사부

Claims (13)

  1. 엔진에서 배출된 배기가스를 이동시키는 배기 유로;
    상기 배기 유로 상에 설치되어 상기 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 촉매가 내장된 제1 반응기;
    상기 제1 반응기보다 하류의 상기 배기 유로 상에 설치되어 상기 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 촉매가 내장된 제2 반응기;
    상기 제1 반응기에 유입되는 배기가스를 향해 환원제를 분사하는 제1 환원제 분사부;
    상기 제2 반응기에 유입되는 배기가스를 향해 환원제를 분사하는 제2 환원제 분사부;
    상기 제1 환원제 분사부와 상기 제2 환원제 분사부에 환원제를 공급하는 환원제 공급부;
    상기 제1 반응기에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 제1 온도 센서;
    상기 제2 반응기에 유입되는 배기가스의 온도를 측정하는 제2 온도 센서; 및
    상기 제1 온도 센서와 상기 제2 온도 센서가 제공하는 온도 정보에 따라 상기 제1 환원제 분사부 및 상기 제2 환원제 분사부의 환원제 분사 여부 및 환원제 분사량을 제어하는 제어 장치
    를 포함하는 배기가스 후처리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 온도 센서가 측정한 배기가스의 온도가 상기 제2 기준 온도 초과이고, 상기 제2 온도 센서가 측정한 배기가스의 온도가 제3 기준 온도 이하일때, 상기 제어 장치는 상기 엔진을 제어하여 배기가스의 온도를 승온시키면서 상기 제1 환원제 분사부로 환원제를 분사시키고,
    상기 제1 온도 센서가 측정한 배기가스의 온도가 상기 제2 기준 온도 초과이고, 상기 제2 온도 센서가 측정한 배기가스의 온도가 상기 제3 기준 온도 초과일때, 상기 제어 장치는 상기 제1 환원제 분사부와 상기 제2 환원제 분사부로 환원제를 분사시키는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 온도 센서가 측정한 배기가스의 온도가 상기 제2 기준 온도 초과이고, 상기 제2 온도 센서가 측정한 배기가스의 온도가 상기 제3 기준 온도 초과이고 상기 제3 기준 온도보다 높은 제4 기준 온도 이하일때, 상기 제어 장치는 질소산화물 농도 대비 환원제 분사 비율을 상기 제2 환원제 분사부보다 상기 제1 환원제 분사부에 높게 설정하거나 같게 설정하고,
    상기 제1 온도 센서가 측정한 배기가스의 온도가 상기 제2 기준 온도 초과이고, 상기 제2 온도 센서가 측정한 배기가스의 온도가 상기 제4 기준 온도 초과일 때, 상기 제어 장치는 질소산화물 농도 대비 환원제 분사 비율을 상기 제1 환원제 분사부보다 상기 제2 환원제 분사부에 높게 설정하거나 같게 설정하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 온도 센서가 측정한 배기가스의 온도가 제1 기준 온도 이하일때, 상기 제어 장치는 상기 엔진을 제어하여 배기가스의 온도를 승온시키고,
    상기 제1 온도 센서가 측정한 배기가스의 온도가 제1 기준 온도 초과이고 상기 제1 기준 온도보다 높은 제2 기준 온도 이하일때, 상기 제어 장치는 상기 엔진을 제어하여 배기가스의 온도를 승온시키면서 상기 환원제 공급부를 환원제 공급 준비 상태로 유지하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제어 장치는 상기 엔진의 운전 조건을 제어하여 상기 엔진에서 배출되는 배기가스의 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반응기에 유입되는 배기가스의 질소산화물 농도를 측정하는 제1 질소산화물 농도 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 온도 센서가 측정한 배기가스의 온도가 상기 제2 기준 온도 초과일때, 상기 제어 장치는 상기 제1 질소산화물 농도 센서의 측정값에 따라 상기 제1 환원제 분사부의 환원제 분사량을 제어하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반응기보다 상기 제2 반응기에 상대적으로 더 많은 양의 촉매가 내장된 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 환원제 공급부는,
    환원제를 저장하는 환원제 탱크와;
    상기 환원제 탱크에 저장된 환원제를 상기 제1 환원제 분사부 및 상기 제2 환원제 분사부로 공급하기 위한 환원제 펌프; 그리고
    상기 환원제 펌프를 상기 제1 환원제 분사부 및 상기 제2 환원제 분사부와 연결하는 환원제 공급관
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 환원제 공급부는 상기 제1 환원제 분사부 및 상기 제2 환원제 분사부 중 하나 이상이 환원제를 분사하기 전인 환원제 공급 준비 상태에서, 상기 환원제 공급관에 환원제를 채우고 기설정된 압력을 유지시키는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 환원제 공급부가 환원제 공급을 중단하면 상기 환원제 공급관에 잔류하는 환원제를 상기 환원제 탱크로 회수하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반응기와 상기 제2 반응기 사이에 디젤 산화 촉매(diesel oxidation catalyst, DOC) 및 디젤 미립자 필터(diesel particulate filter, DPF) 중 하나 이상이 배치된 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반응기 후단에는 암모니아 산화 촉매가 배치된 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
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