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KR102335331B1 - 연료 개질 시스템 및 냉각수 공급 제어 방법 - Google Patents

연료 개질 시스템 및 냉각수 공급 제어 방법 Download PDF

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KR102335331B1 KR1020170049811A KR20170049811A KR102335331B1 KR 102335331 B1 KR102335331 B1 KR 102335331B1 KR 1020170049811 A KR1020170049811 A KR 1020170049811A KR 20170049811 A KR20170049811 A KR 20170049811A KR 102335331 B1 KR102335331 B1 KR 102335331B1
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fuel reformer
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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 배기가스를 연료와 혼합시키고, 상기 배기가스에 혼합된 연료를 개질시키는 연료 개질기와, 상기 엔진에 구비되어 상기 엔진을 냉각시키는 냉각수의 온도를 제어하는 냉각수 온도 제어부(WTC)와, 상기 엔진에서 발생한 열의 일부를 냉각수를 통해서 대기 속으로 방출하는 라디에이터와, 상기 연료 개질기 전단의 상기 EGR 라인에 구비되며, 상기 연료 개질기 전단의 배기가스 온도를 측정하는 온도 센서와, 상기 엔진 출구, 상기 연료 개질기, 상기 라디에이터, 및 상기 엔진 입구를 순차적으로 연결하도록 구비되는 냉각수 유로, 및 엔진 운전 조건 및 배기가스 온도에 따라 상기 연료 개질기 내부로 냉각수가 유입 또는 차단되도록 작동하는 냉각수 공급 제어밸브를 포함한다.

Description

연료 개질 시스템 및 냉각수 공급 제어 방법{Fuel Reforming System And Control Method of Coolant Supply}
본 발명은 연료 개질 시스템 및 냉각수 공급 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 운전조건에 따라 연료 개질기로 냉각수를 공급 또는 차단할 수 있는 연료 개질 시스템 및 냉각수 공급 제어 방법에 관한 것이다.
지구상의 가장 가볍고 단순한 구조의 물질인 수소(Hydrogen)는 가솔린과 비교하여 약 6배의 화염전파속도(Laminar Flame Velocity), 3배의 저위발열량(Lower Heating Value)의 이화학적 특성을 갖고 있다. 따라서, 가솔린과 수소를 적절히 혼합하여 연소시, 빨라진 연소속도로 인해 연소 안정성을 향상시켜 희박한계를 확장하거나 배기가스 재순환(exhaust gas recirculation; EGR) 공급량을 증대시켜 열효율 개선이 가능하다.
한편, 연료 개질기(fuel reformer)는 엔진에서 배출되는 고온 배기 가스 열에너지와 개질기에 공급되는 별도의 가솔린 연료가 개질기내 촉매에서 반응하여 수소를 생성하는 시스템이다.
그런데, 배기가스 온도가 높은 일부 운전조건에서는 연료 개질기 내 인젝터의 과열 등을 방지하기 위하여 연료 개질기 냉각이 필요하고, 이를 위해서 별도의 냉각 수단을 이용하는 기존의 기술에서는 연료 개질 시스템의 구조가 복잡해지고, 시스템 원가 및 중량이 증대되는 문제가 있다. 또한, 연료 개질기 효율은 개질기 내 촉매 온도에 의해 영향을 받으므로 다양한 운전조건에서 개질 효율 증대를 위해 연료 개질기에 공급되는 냉각수를 제어할 필요가 있는 경우 이를 조절할 수 있는 수단이 필요하다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하고자 개발된 것으로, 엔진 및 연료 개질기를 순환하는 단일의 냉각수 유로를 구비하고, 엔진 운전 조건 및 배기가스 온도에 따라 냉각수 공급을 조절할 수 있는 연료 개질 시스템 및 냉각수 공급 제어 방법을 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 배기가스를 연료와 혼합시키고, 상기 배기가스에 혼합된 연료를 개질시키는 연료 개질기와, 상기 엔진에 구비되어 상기 엔진을 냉각시키는 냉각수의 온도를 제어하는 냉각수 온도 제어부(WTC)와, 상기 엔진에서 발생한 열의 일부를 냉각수를 통해서 대기 속으로 방출하는 라디에이터와, 상기 연료 개질기 전단의 상기 EGR 라인에 구비되며, 상기 연료 개질기 전단의 배기가스 온도를 측정하는 온도 센서와, 상기 엔진 출구, 상기 연료 개질기, 상기 라디에이터, 및 상기 엔진 입구를 순차적으로 연결하도록 구비되는 냉각수 유로, 및 엔진 운전 조건 및 배기가스 온도에 따라 상기 연료 개질기 내부로 냉각수가 유입 또는 차단되도록 작동하는 냉각수 공급 제어밸브를 포함한다.
상기 냉각수 온도 제어부는 상기 엔진 출구측에 구비될 수 있다.
상기 연료 개질기는 내부로 냉각수가 유입 및 유출되는 냉각수 입구 및 냉각수 출구를 포함하며, 상기 냉각수 입구에는 상기 엔진 운전 조건 및 배기가스 온도에 따라 개방 또는 폐쇄되도록 작동하는 냉각수 공급 제어밸브가 구비될 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 EGR 라인에는, 개질가스를 냉각시키는 EGR 쿨러, 및 상기 EGR 쿨러 후단에 구비되어 상기 개질가스의 유량을 조절하는 EGR 밸브가 설치될 수 있다.
상기 연료 개질기는 상기 EGR 라인의 상기 EGR 쿨러 전방에 설치될 수 있다.
상기 엔진의 운전 조건은 엔진의 분당 회전수(RPM) 및 엔진 부하(torque)일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수 공급 제어 방법은, 배기가스 재순환(EGR) 라인을 통과하는 EGR 가스를 연료와 혼합시키고, 상기 EGR 가스에 혼합된 연료를 개질시키는 연료 개질기의 냉각수 공급 제어 방법으로서, 엔진 운전 조건을 검출하는 단계와, 상기 엔진 운전 조건이 개질 운전 영역 내에 있는지 여부를 판단하는 단계와, 상기 엔진 운전 조건이 개질 운전 영역 내에 있으면, 온도 센서에 의해 측정된 배기가스 온도가 목표 온도를 초과하는지 판단하는 단계, 및 상기 배기가스 온도가 목표 온도를 초과하면, 상기 연료 개질기의 냉각수 공급 제어밸브를 열어 상기 연료 개질기 내부로 냉각수를 공급하는 단계를 포함한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수 공급 제어 방법은, 상기 배기가스 온도가 목표 온도 이하이면, 상기 연료 개질기의 냉각수 공급 제어밸브를 닫아 상기 연료 개질기 내부로의 냉각수 공급을 차단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 엔진 운전 조건은 엔진의 분당 회전수(RPM) 및 엔진 부하(torque)일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배기가스 온도가 낮은 저속/저부하 운전 조건에서는 연료 개질기로의 냉각수 공급 차단으로, 개질 효율이 증대될 수 있다.
또한, 배기가스 온도가 높은 고속/고부하 운전 조건에서는 연료 개질기로의 냉각수 공급으로, 연료 개질기 내 연료 인젝터 과열에 의한 연료 개질 시스템 고장을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수 공급 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
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 연료 개질 시스템에 관하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 개질 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 연료 개질 시스템은 엔진(10)과, 흡기라인(5)과, 배기라인(15)과, 연료 개질기(20)와, 냉각수 온도 제어부(12)와, 라디에이터(18)와, 온도 센서(29)와, 냉각수 유로(16), 및 냉각수 공급 제어밸브(27)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.
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(50)가 장착될 수 있다.
EGR 라인(17)에 의해 구현되는 배기가스 재순환 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, EGR 라인(17)을 통해 유입되는 배기가스를 연료와 혼합시키고, 배기가스가 혼합된 연료를 개질시킨다.
연료 개질기(20)는 배기가스가 유입되는 유입구, 배기가스와 연료가 혼합되는 믹싱부, 연료를 개질시키는 개질부, 및 개질가스가 유출되는 유출부를 포함할 수 있다.
EGR 라인(17)에는 엔진(10)과 연료 개질기(20)를 통과한 개질가스를 냉각시키는 EGR 쿨러(40)가 구비될 수 있다. EGR 쿨러(40)는 연료 개질기(20) 후단에 구비되며, 연료 개질기(20)와 일체로 구비될 수도 있다.
한편, 냉각수 온도 제어부(12, Water Temperature Controller, WTC)는 엔진(10)에 구비되며, 엔진(10)을 냉각시키는 냉각수의 온도를 제어한다. 냉각수 온도 제어부(12)는 엔진(10)의 출구측에 구비될 수 있다.
라디에이터(18)는 엔진(10)에서 발생한 열의 일부를 냉각수를 통해서 대기 속으로 방출한다. 라디에이터(18)는 내연 기관에서 발생한 열의 일부를 냉각수를 통해서 대기 속으로 방출하는 장치로, 가는 관 속으로 고온의 냉각수를 흘려보내고 냉각팬에 의해 공기를 관 사이로 통과시켜서 냉각시키는 구조일 수 있다.
냉각수 유로(16)는 엔진(10) 출구, 연료 개질기(20), 라디에이터(18), 및 엔진(10) 입구를 순차적으로 연결하도록 구비될 수 있으며, 엔진(10), 냉각수 온도 제어부(12), 연료 개질기(20), 및 라디에이터(18)를 통해 냉각수가 순환하도록 설치될 수 있다.
온도 센서(29)는 연료 개질기(20) 전단의 EGR 라인(17)에 구비되며, 연료 개질기(20) 전단의 배기가스 온도를 측정한다.
연료 개질기(20) 전단에는 엔진(10)의 운전 조건 및 온도 센서(29)에 의해 측정된 배기가스 온도에 따라 연료 개질기(20) 내부로 냉각수가 유입 또는 차단되도록 작동되는 냉각수 공급 제어밸브(27)가 설치된다. 이 때, 엔진(10)의 운전 조건은 엔진(10)의 분당 회전수(RPM) 및 엔진 부하(torque)일 수 있다.
연료 개질기(20)는 내부로 냉각수가 유입 및 유출되는 냉각수 입구(26) 및 냉각수 출구(28)를 포함하며, 냉각수 공급 제어밸브(27)는 냉각수 입구(26)에 설치될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 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.
배기가스에 포함된 질소산화물을 정화시키는 촉매(30) 후단의 배기라인(15)에는 배기가스의 유량을 조절하는 배기압 제어밸브(32)가 구비될 수 있다.
한편, EGR 라인(17)에는 EGR 쿨러(40) 후단에 구비되어 개질가스의 유량을 조절하는 EGR 밸브(50)가 설치될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수 공급 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수 공급 제어 방법은, 우선, 엔진 운전 조건을 검출한다(S201). 엔진 운전 조건은 엔진의 분당 회전수(RPM), 엔진 부하(torque), 아이들(idle) 상태, 정속, 감속, 가속 상태 등일 수 있다.
그 후, 엔진 운전 조건이 개질 운전 영역 내에 있는지 여부를 판단한다(S202). 엔진 운전 조건으로, 엔진의 분당 회전수 및 엔진 부하를 예로 들면, 엔진의 분당 회전수 및 엔진 부하가 증대될수록 엔진 배기가스가 높아 연료 개질기의 촉매 온도가 높아진다. 연료 개질기 촉매가 고온에 있는 영역에서 연료 개질기의 고효율 운전이 가능하다. 개질 가능 운전 영역은 엔진 회전수 및 엔진 부하를 고려하여 미리 설정될 수 있고, 현재 작동중인 엔진의 운전 상태가 설정된 영역 내에 있는지 판단한다.
그 후, 연료 개질기 전단의 EGR 라인에 구비된 온도 센서를 통해 배기가스 온도를 측정하고, 엔진 운전 조건이 개질 운전 영역 내에 있으면, 온도 센서에 의해 측정된 배기가스 온도가 목표 온도를 초과하는지 판단한다(S203).
목표 온도는 실험에 의해서 미리 정해지는 값으로, 인젝터가 과열되어 고장이 발생되는 온도로 설정할 수 있다.
그 후, 배기가스 온도가 목표 온도를 초과하면, 연료 개질기의 냉각수 공급 제어밸브를 열어 연료 개질기 내부로 냉각수를 공급한다(S204). 만약, 배기가스 온도가 목표 온도 이하이면, 연료 개질기의 냉각수 공급 제어밸브를 닫아 연료 개질기 내부로의 냉각수 공급을 차단한다(S205).
이와 같이, 배기가스 온도가 낮은 저속/저부하 운전 조건에서는 연료 개질기로의 냉각수 공급 차단으로, 개질 효율이 증대될 수 있다. 또한, 배기가스 온도가 높은 고속/고부하 운전 조건에서는 연료 개질기로의 냉각수 공급으로, 연료 인젝터 과열에 의한 연료 개질 시스템 고장을 방지할 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
12: 냉각수 온도 제어부 15: 배기라인
16: 냉각수 유로 17: EGR 라인
18: 라디에이터 20: 연료 개질기
26: 냉각수 입구 27: 냉각수 공급 제어밸브
28: 냉각수 출구 29: 온도 센서
30: 촉매 32: 배기압 제어밸브
40: EGR 쿨러 50: EGR 밸브

Claims (10)

  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 배기가스를 연료와 혼합시키고, 상기 배기가스에 혼합된 연료를 개질시키는 연료 개질기;
    상기 엔진에 구비되어 상기 엔진을 냉각시키는 냉각수의 온도를 제어하는 냉각수 온도 제어부(WTC);
    상기 엔진에서 발생한 열의 일부를 냉각수를 통해서 대기 속으로 방출하는 라디에이터;
    상기 연료 개질기 전단의 상기 EGR 라인에 구비되며, 상기 연료 개질기 전단의 배기가스 온도를 측정하는 온도 센서;
    상기 엔진 출구, 상기 연료 개질기, 상기 라디에이터, 및 상기 엔진 입구를 순차적으로 연결하도록 구비되는 냉각수 유로; 및
    엔진 운전 조건 및 배기가스 온도에 따라 상기 연료 개질기 내부로 냉각수가 유입 또는 차단되도록 작동하는 냉각수 공급 제어밸브를 포함하고,
    상기 냉각수 온도 제어부는 상기 엔진 출구측에 구비되고,
    상기 연료 개질기는 내부로 냉각수가 유입 및 유출되는 냉각수 입구 및 냉각수 출구를 포함하며,
    상기 냉각수 입구에는 상기 엔진 운전 조건 및 배기가스 온도에 따라 개방 또는 폐쇄되도록 작동하는 냉각수 공급 제어밸브가 구비되는 연료 개질 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  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 EGR 라인에는,
    개질가스를 냉각시키는 EGR 쿨러, 및
    상기 EGR 쿨러 후단에 구비되어 상기 개질가스의 유량을 조절하는 EGR 밸브가 설치되는 연료 개질 시스템.
  6. 제 5 항에서,
    상기 연료 개질기는 상기 EGR 라인의 상기 EGR 쿨러 전방에 설치되는 연료 개질 시스템.
  7. 제 1 항에서,
    상기 엔진의 운전 조건은 엔진의 분당 회전수(RPM) 및 엔진 부하(torque)인 연료 개질 시스템.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
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