SCR 장치의 가열 시스템 및 방법

SCR 장치의 가열 시스템 및 방법{HEATING SYSTEM AND METHOD FOR SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION APPARATUS}

본 발명은 SCR 장치의 가열 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 배기가스에 가열을 위한 에어를 투입할 때 저부하에서 에어가 과도하게 공급되는 것을 방지하여 열량 손실 및 연료 소모량을 저감할 수 있게 하는 SCR 장치의 가열 시스템 및 방법에 관한 것이다.

선박이나 자동차, 발전소 등의 엔진에서 연소 후 배출되는 배기가스에는 다수의 부유성 미립자, 질소산화물(NO _x ), 황산화물(SO _x ) 등의 유해성분이 포함된다.

따라서 엔진의 배기 라인에는 DPF(Diesel Particulate Filter), SCR(Selective Catalytic Reduction), 스크러버(Scrubber, SO _x 제거) 등을 설치하여 배기가스 내의 유해성분을 제거하고 있다.

이 중에서 SCR 장치는 배기가스 내의 질소산화물을 촉매(Catalyst) 층에서 환원제와의 화학적 반응을 통해 인체에 무해한 물과 질소로 분해한 후 배출시키는 장치이다.

SCR 장치에서 원하는 성능을 얻기 위해서는 고온의 적정 반응 온도를 필요로 한다.

일부 대형 엔진에서는 엔진 터보 차저(Turbocharger)의 후단에 SCR 장치가 설비되는데, SCR 장치를 터보 차저의 후단에 설비하게 되면 SCR 장치에 유입되는 배기가스의 온도가 낮아져 배기가스 온도를 반응에 필요한 온도까지 상승시키기 위한 별도의 가열 장치가 필요하다.

또한 배기가스에는 가열을 위한 산소가 충분하지 않기 때문에 가열 시 가열 장치 내 배기가스에 에어를 투입(Air blowing)시켜 주어야 한다.

이때 엔진 룸 내의 에어를 사용하게 되는 것이 일반적인데, 통상 엔진 룸 내의 에어의 온도는 배기가스의 온도보다 매우 낮으며, 배기가스에 저온의 에어를 투입할 경우 그만큼 온도가 낮아져 해당 배기가스를 적정 반응 온도까지 가열하기 위해 더 많은 열량이 필요하다.

한편 엔진은 부하(Engine load) 변동에 따라 배기가스량이 변하기 때문에 필요한 에어량도 변하게 되는데, 종래에는 엔진의 부하 변동과 무관하게 모든 부하에서 동일한 양의 에어가 공급된다.

따라서 저부하 상태에서는 과도한 에어가 공급되어 가열 시 추가적인 열량 손실이 발생하고 연료 소모량이 증가하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 그 목적은 가열 시 배기가스에 투입되는 에어의 양을 조절함으로써 저부하에서 에어가 과도하게 공급되는 것을 방지하여 열량 손실 및 연료 소모량을 저감할 수 있는 SCR 장치의 가열 시스템 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 SCR 장치의 가열 시스템은 엔진으로부터 발생되는 배기가스를 통과시키는 터보 차저; 상기 터보 차저의 후단에 설치된 SCR 장치; 에어를 공급하되 상기 엔진의 부하에 따라 에어 공급량을 조절하는 에어 공급장치; 및 상기 터보 차저와 상기 SCR 장치 사이에 마련되며, 상기 터보 차저를 통과한 배기가스와 상기 에어 공급장치로부터 나오는 에어를 인가받아서 에어가 투입된 배기가스를 가열하여 승온한 다음 상기 SCR 장치로 내보내는 가열 장치를 포함한다.

본 발명에 따른 SCR 장치의 가열 시스템에서, 상기 에어 공급장치는 에어 블로워; 및 상기 엔진의 부하 변동에 따라 상기 에어 블로워를 가변속 운전하여 에어 공급량을 변화시키는 인버터를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 SCR 장치의 가열 시스템에서, 제1항에 있어서, 상기 에어 공급장치는 복수 개의 에어 블로워들; 및 상기 에어 블로워들 각각의 구동 여부를 제어하되 상기 엔진이 저부하 상태인 경우 상기 에어 블로워들 중 일부만을 구동하여 에어 공급량을 감소시키는 제어기를 포함할 수 있다.

상기 제어기는 상기 엔진의 부하에 상응하여 구동되는 에어 블로워 수를 조절할 수 있다.

본 발명에 따른 SCR 장치의 가열 시스템에서, 상기 에어 공급장치는 에어 블로워; 상기 가열 장치로 접속되어 상기 에어 블로워로부터 나오는 에어를 상기 가열 장치로 투입하는 에어 공급라인; 상기 에어 공급라인으로부터 분기되는 바이패스 라인; 및 상기 엔진이 저부하 상태인 경우 상기 바이패스 라인을 개방하여 상기 에어 공급라인을 경유하여 투입되는 에어 공급량을 감소시키는 제어기를 포함할 수 있다.

상기 제어기는 상기 바이패스 라인에 설치된 바이패스 밸브의 개도를 제어하여 상기 가열 장치로 유입되는 에어 공급량을 상기 엔진의 부하에 상응하도록 조절할 수 있다.

본 발명에 따른 SCR 장치의 가열 방법은 엔진으로부터 발생되는 배기가스를 터보 차저로 통과시키는 단계; 에어를 공급하되 상기 엔진의 부하에 따라 에어 공급량을 적정량으로 조절하는 단계; 상기 터보 차저를 통과한 배기가스에 상기 적정량으로 공급되는 에어를 투입하는 단계; 상기 에어가 투입된 배기가스를 가열하는 단계; 및 상기 가열에 의해 승온된 배기가스를 상기 터보 차저의 후단에 설치된 SCR 장치로 유입시키는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 SCR 장치의 가열 방법은, 상기 에어 공급량 조절 단계에서 상기 엔진의 부하 변동에 따라 에어 블로워를 가변속 운전하여 에어 공급량을 변화시킬 수 있다.

본 발명에 따른 SCR 장치의 가열 방법은, 상기 에어 공급량 조절 단계에서 복수 개의 에어 블로워들 각각의 구동 여부를 제어하여 에어 공급량을 조절하되, 상기 엔진이 저부하 상태인 경우 상기 에어 블로워들 중 일부만을 구동하여 에어 공급량을 감소시킬 수 있다.

본 발명에 따른 SCR 장치의 가열 방법은, 상기 에어 공급량 조절 단계에서 에어 공급라인 및 바이패스 라인을 통해 에어 공급량을 조절하되, 엔진이 저부하 상태인 경우 상기 바이패스 라인을 개방하여 상기 에어 공급라인을 경유해 투입되는 에어 공급량을 감소시킬 수 있다.

본 발명에 의한 SCR 장치의 가열 시스템 및 방법에 따르면, 가열 시 배기가스에 투입되는 에어의 양을 조절함으로써 저부하에서 에어가 과도하게 공급되는 것을 방지하여 열량 손실 및 연료 소모량을 저감할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 장치의 가열 시스템을 개략적으로 보인 도면.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 SCR 장치의 가열 시스템을 개략적으로 보인 도면.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 SCR 장치의 가열 시스템을 개략적으로 보인 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 장치의 가열 방법을 설명하기 위한 처리도.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 SCR 장치의 가열 시스템 및 방법에 대해서 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 장치의 가열 시스템을 개략적으로 보인 도면이다.

도 1에서 배기가스 리시버(110)는 엔진(미도시)의 각 실린더에서 배출되는 배기가스를 모아 터보 차저(120)로 공급한다.

엔진으로부터 발생되는 배기가스는 배기가스 리시버(110)를 통해 터보 차저(120)로 공급되어 터보 차저(120)를 구동한 후 터보 차저(120) 후단의 배기 라인을 통해 배출된다.

배기 라인 상에는 도시된 바와 같이 다수 개의 밸브들(161, 162, 163)이 구비될 수 있으며, 각 밸브(161, 162, 163)를 선택적으로 개폐함에 따라 터보 차저(120)를 통과한 배기가스가 SCR 장치(130)를 경유하여 배출되거나 SCR 장치(130)를 거치지 않고 터보 차저(120)를 통과한 후 곧바로 배출될 수 있다.

터보 차저(120)를 통과한 배기가스의 일부는 가열 장치(140)를 거쳐 가열되어 적정 반응 온도(타겟 온도)까지 승온된 후 터보 차저(120) 및 가열 장치(140)의 후단에 설치된 SCR 장치(130)로 유입된다.

SCR 장치(130)는 암모니아(NH3), 우레아(Urea) 등의 환원제를 공급하고 적정 반응 온도로 승온된 배기가스를 내부에 설치된 촉매 층으로 통과시켜 배기가스에 포함된 질소산화물을 선택적으로 분해/제거 처리함으로써 배기가스를 정화한다.

에어 공급장치(150)는 배기가스를 가열하기 위해 필요한 에어(일례로 엔진 룸 내의 에어)를 흡입하여 가열 장치(140)로 공급하되 엔진의 부하에 따라 에어 공급량을 조절한다.

터보 차저(120)와 SCR 장치(130) 사이에는 가열 장치(140)가 마련된다. 가열 장치(140)는 터보 차저(120)를 통과한 배기가스와 에어 공급장치(150)으로부터 나오는 에어를 인가받아서 이를 가열한다. 이에 따라 에어가 투입된 배기가스는 적정 반응 온도까지 승온된 다음 SCR 장치(130) 측으로 유입된다.

전술한 에어 공급장치(150)은 엔진의 부하 상태(조건)에 따라 적정량의 에어를 공급할 수 있도록 구성된다.

이를 위해 도 1의 일 실시예에 따른 에어 공급장치(150)는 에어 블로워(151) 및 인버터(152)를 구비하여 이를 통해 에어 공급량을 가변할 수 있다. 인버터(152)는 엔진의 부하 변동에 따라 에어 블로워(151)를 가변속 운전하여 에어 공급량을 변화시킨다.

엔진의 부하에 따라 발생하는 배기가스량이 변하고 배기가스량에 따라 필요한 에어량도 달라지기 때문에, 부하 변동에 상응하여 필요한 만큼의 에어만 공급되게 하고 저부하 상태에서 과도한 에어가 공급되지 않게 하는 것이다.

이에 따라 저온의 에어가 과도하게 공급됨으로 인한 불필요한 열량 손실 및 연료 소모를 예방할 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 SCR 장치의 가열 시스템을 개략적으로 보인 도면이다.

도 2의 다른 실시예는 온(ON)/오프(OFF) 가능한 복수 개의 에어 블로워들(251 내지 253)을 포함하는 멀티 에어 블로워 구조로서, 이들 각각의 구동 여부를 제어하여 엔진의 부하에 상응하는 적정량의 에어를 공급할 수 있도록 구성된다.

에어 공급장치(250)는 복수 개의 에어 블로워들(251 내지 253)과 제어기(254)를 포함한다.

제어기(254)는 에어 블로워들(251 내지 253) 각각의 구동 여부를 제어하여 에어 공급량을 조절하되, 엔진이 저부하 상태인 경우 에어 블로워들(251 내지 253) 중 일부만을 구동하여 에어 공급량을 감소시킬 수 있다.

즉 소용량의 에어 블로워를 여러 대 적용하고 저부하 상태에서는 일부 에어 블로워만 사용하여 에어 공급량을 저감하는 것이다.

나아가 에어 공급장치(250)는 엔진의 부하에 상응하여 구동되는 에어 블로워 수를 증감 조절할 수 있다.

일례로, 도시된 바와 같이 에어 공급장치(250)에 3개의 에어 블로워(251 내지 253)가 구비된 경우, 제어기(254)는 고부하 상태(Full load)에서 3개의 에어 블로워(251 내지 253)를 모두 구동하고, 중부하 상태에서 1개를 오프(OFF)시켜 2개의 에어 블로워만 구동할 수 있다. 저부하 상태에서는 제어기(254)가 3개의 에어 블로워(251 내지 253) 중 1개만 구동하여 저부하에 상응하는 최소량의 에어가 공급되게 할 수 있다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 SCR 장치의 가열 시스템을 개략적으로 보인 도면이다.

도 3의 또 다른 실시예에서, 에어 공급장치(350)은 에어 블로워(351), 가열 장치(140)로 접속되어 에어 블로워(351)로부터 나오는 에어를 가열 장치(140)로 투입하는 에어 공급라인(352), 에어 공급라인(352)으로부터 분기되는 바이패스 라인(353) 및 엔진의 부하 상태에 따라 바이패스 라인(353)을 선택적으로 개방하는 제어기(355)를 포함한다.

제어기(355)는 엔진이 저부하 상태인 경우 바이패스 라인(353)을 개방하여 에어 공급라인(352)을 경유하여 투입되는 에어 공급량을 감소시키게 된다.

즉 에어 공급라인(352)에 바이패스 라인(353)이 추가되며 저부하 상태에서는 바이패스 라인(353)이 개방된다. 이 경우 바이패스된 에어는 가열 장치(140)를 경유하지 않고 그대로 외부(엔진 룸 등)에 다시 배출된다.

일례로, 에어 블로워(351)를 통해 흡입된 에어 일부가 가열 장치(140)로 유입되지 않고 바이패스되며, 바이패스된 에어는 엔진 룸으로 되돌아가게 된다.

바이패스 라인(353)에는 바이패스 밸브(354)가 설치되며 제어기(355)는 바이패스 밸브(354)의 개도를 제어하여 가열 장치(140)로 유입되는 에어 공급량을 엔진 부하에 상응하도록 조절할 수 있다.

예를 들어 엔진이 고부하 상태인 경우 바이패스 밸브(354)을 완전히 닫아 에어 블로워(351)에서 흡입되는 에어 전체를 가열 장치(140)로 유도하고, 저부하 상태인 경우 바이패스 밸브(354)를 최대 개도(Full open)로 개방함으로써 에어 공급라인(352)을 경유하여 투입되는 에어 공급량을 최소로 감소시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 장치의 가열 방법을 설명하기 위한 처리도이다.

엔진이 작동할 때 발생되는 배기가스는 터보 차저(120)를 통과하게 되며, 터보 차저(120)를 거친 배기가스 일부가 배기 라인 상의 가열 장치(140)로 유입된다(S110).

아울러, 가열 장치(140)가 배기가스를 가열하는데 필요한 산소를 보충하기 에어 공급장치(150, 250, 350 중 하나)를 통해 에어(예컨대, 엔진 룸 내의 에어)가 공급된다(S110).

이때 저온의 에어가 과다 공급되어 불필요한 열량 손실 및 연료 소모가 발생하는 것을 막기 위해 에어 공급장치(150, 250, 350 중 하나)는 엔진의 부하에 따라 에어 공급량을 적정량으로 조절하게 된다(S120, S130).

도 4에서 에어 공급장치(150, 250, 350 중 하나)는 먼저 엔진의 부하 상태를 판별하며(S120), 상기한 S120 단계에서 판별한 부하 상태에 따라 에어 공급량을 적정량으로 조절한다(S130).

상기한 S120에서 엔진의 부하 상태를 판별하기 위해서 엔진 모터나 기 설치된 검지 수단 등을 이용하는 공지의 방식이 준용될 수 있다.

일례로, 에어 공급장치(150, 250, 350 중 하나)는 엔진 회전수, 연료 조정 밸브의 개도, 스로틀 개도를 취득하거나 이로부터 부하율을 산출하는 등의 방식으로 엔진이 고부하/중부하/저부하 상태 중 어떤 상태인지 혹은 엔진이 저부하 상태에 있는지 여부 등을 판정할 수 있을 것이다.

에어 공급량을 적정량으로 조절하는 상기한 S130 단계에서, 도 1에서 설명한 바와 같이 에어 공급장치(150)가 엔진의 부하 변동에 따라 에어 블로워(151)를 가변속 운전하여 에어 공급량을 변화시킬 수 있다.

또한 도 2에서 설명한 바와 같이 상기한 S130 단계에서 에어 공급장치(250)의 제어기(254)가 복수 개의 에어 블로워들(251 내지 253) 각각의 구동 여부를 제어하여 에어 공급량을 조절할 수도 있다.

이때 엔진이 저부하 상태이면 제어기(254)가 에어 블로워들(251 내지 253) 중 일부만을 선택 구동하여 에어 공급량을 저감할 수 있다.

또한 도 3에서 설명한 바와 같이 상기한 S130 단계에서 에어 공급장치(350)의 제어기(355)가 에어 공급라인(352) 및 바이패스 라인(353)을 통해 에어 공급량을 조절할 수도 있다.

이때 엔진이 저부하 상태이면 제어기(355)가 바이패스 라인(353)을 개방하여 에어 공급라인(352)을 경유해 가열 장치(140)로 투입되는 에어 공급량을 저감할 수 있다.

즉 엔진이 저부하 상태인 경우 바이패스 라인(353)이 개방되며 이에 따라 에어 블로워(351)를 통해 흡입된 에어 일부만이 가열 장치(140)로 유입되고 나머지 에어는 가열 장치(140)로 유입되지 않고 그대로 다시 배출되어 외부(엔진 룸 등)로 되돌아간다.

상기한 S120 및 S130 단계를 통해 엔진의 부하에 따라 적정량으로 조절되어 공급된 에어는 가열 장치(140)로 투입되며(S140), 아울러 상기한 S110 단계에서 터보 차저(120)를 통과한 배기가스가 가열 장치(140)로 유입된다(S150).

가열 장치(140)는 터보 차저(120)를 통과한 배기가스와 에어 공급장치(150, 250, 350 중 하나)을 통해 적정량으로 공급된 에어를 공급받아서 에어가 투입된 배기가스를 기 설정된 적정 반응 온도까지 가열하게 된다(S160).

이후 상기한 S160 단계의 가열 동작에 의해 적정 반응 온도로 승온된 배기가스는 질소산화물 저감 처리를 위해 SCR 장치(130)로 유입된다(S170).

본 발명에 따른 SCR 장치의 가열 시스템 및 방법의 구성은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

110: 배기가스 리시버
120: 터보 차저
130: SCR 장치
140: 가열 장치
150, 250, 350: 에어 공급장치