KR101405210B1 - 요소수 펌프유닛 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 요소수 펌프유닛은, 모터회전축을 회전시키는 모터, 상기 모터회전축에 의해서 회전하는 펌프회전축, 상기 펌프회전축의 회전에 의해서 펌핑을 수행하는 펌프, 상기 모터회전축에 장착되어 함께 회전하되, 상기 펌프회전축으로 향하는 면의 가장자리에는 회전방향으로 경사진 구동기어경사면이 형성된 구동기어, 상기 피동기어에 장착되어 함께 회전하되, 상기 구동기어경사면과 밀착되어 회전력을 전달받도록 상기 구동기어경사면과 대응하여 피동기어경사면이 형성되는 피동기어, 및 상기 구동기어경사면이 상기 피동기어경사면에 밀착되도록 상기 구동기어를 상기 피동기어 측으로 탄성지지하는 탄성부재를 포함할 수 있다.
따라서, 요소수의 펌프 또는 요소수의 공급라인이 동결된 경우에, 모터의 모터회전축의 회전력이 펌프의 펌프회전축으로 전달되지 않음으로써 모터와 펌프를 보호할 수 있다. 또한, 공급라인의 압력과 모터의 회전을 감지함으로써 요소수의 동결을 판단하고, 이에 따라서 히터를 동작시킴으로써 동결된 요소수를 효과적으로 녹일 수 있으며, 요소수가 해동된 상태에 따라서 고장상태를 효과적으로 판단할 수 있다.

Description

요소수 펌프유닛{UREA SOLUTION PUMP UNIT}
본 발명은 인젝터가 배기라인의 배기가스로 요소수를 분사하도록 우레아 탱크에 담긴 우레아를 인젝터로 설정된 압력으로 펌핑하는 요소수 펌프유닛에 관한 것이다.
친환경 차량은 세계적으로 개발되고 있고, 각 국의 차동차 배기가스 배출기준도 점차 강화되고 있다. 또한, 이산화탄소의 규제로 차량 메이커들은 친환경 디젤차량을 개발하고 있다.
디젤차량의 배기가스 기준의 핵심은 질소산화물과 입자상물질이며, 이 중 질소산화물 저감기술은 LNT와 UREA-SCR이 주목된다. 특히, UREA-SCR은 대형 차량의 디젤엔진에서 배출되는 질소산화물을 저감하는데 유용하다.
UREA-SCR은 무해한 요소수(UREA)를 배기계에 분사하고, 분사된 요소수는 열분해를 통해서 암모니아로 변환되면, 변환된 암모니아는 질소산화물과 반응하여 물과 질소 등의 무해한 성분으로 변환시키는 선택적 환원 시스템으로, 요소수를 별도로 저장하는 저장시스템이 필요하다.
요소수 저장시스템은 요소수 탱크, 펌프, 주입구, 배관, 배선, 및 각종 센서류를 포함하고, 특히 펌프는 강염기성의 요소수를 안정적으로 펌핑하는 구조가 필요하다.
한편, 요소수는 낮은 온도에서 동결될 수 있는데, 펌프나 배관의 요소수가 해동되지 않은 상태에서 모터가 구동되는 경우 모터에 과부하가 걸림으로써 모터가 고장나거나 펌프가 파손될 수 있다.
본 발명의 목적은 펌프나 배관의 요소수가 해동되지 않은 상태에서 모터의 회전력이 펌프로 전달되지 않도록 함으로써 모터와 펌프를 안정적으로 보호하는 요소수 펌프유닛을 제공하는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 요소수 펌프유닛은 모터회전축을 회전시키는 모터, 상기 모터회전축에 의해서 회전하는 펌프회전축, 상기 펌프회전축의 회전에 의해서 펌핑을 수행하는 펌프, 상기 모터회전축에 장착되어 함께 회전하되, 상기 펌프회전축으로 향하는 면의 가장자리에는 회전방향으로 경사진 구동기어경사면이 형성된 구동기어, 상기 피동기어에 장착되어 함께 회전하되, 상기 구동기어경사면과 밀착되어 회전력을 전달받도록 상기 구동기어경사면과 대응하여 피동기어경사면이 형성되는 피동기어, 및 상기 구동기어경사면이 상기 피동기어경사면에 밀착되도록 상기 구동기어를 상기 피동기어 측으로 탄성지지하는 탄성부재를 포함할 수 있다.
상기 구동기어의 중심부를 상기 모터회전축이 관통하도록 설치되고, 상기 구동기어는 상기 피동기어로 선택적으로 회전력을 전달할 수 있다.
상기 탄성부재는 상기 모터회전축의 외주면을 따라서 배치되는 코일스프링 구조로 상기 구동기어경사면과 상기 피동기어경사면이 서로 밀착되도록 상기 구동기어를 상기 피동기어 측으로 밀어낼 수 있다.
상기 구동기어경사면은 상기 모터회전축의 회전방향으로 복수 개로 배열될 수 있다.
상기 구동기어가 상기 피동기어를 회전시키도록 상기 구동기어경사면과 상기 피동기어경사면이 경사지게 형성될 수 있다.
상기 구동기어가 회전할 때, 상기 피동기어가 회전하지 않으면,
상기 구동기어경사면이 상기 피동기어경사면과 슬립되어 상기 구동기어가 상기 모터회전축의 축방향으로 움직일 수 있다.
상기 펌프에서 펌핑된 요소수를 배기라인 내부로 분사하는 인젝터, 상기 인젝터의 상류측에 배치되어 요소수의 압력을 감지하는 압력센서, 및 상기 모터에 전원이 인가되고 상기 모터회전축이 회전하는 상태에서, 상기 압력센서로부터 전달된 압력신호에 의해서 요소수가 빙결된 상태로 판단하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 펌프 또는 상기 펌프와 상기 인젝터를 연결하는 공급라인에 형성되는 히터를 더 포함하고, 상기 제어부는 요소수가 빙결된 상태로 판단되면, 상기 히터에 전원을 인가할 수 있다.
상기 히터에 전원을 인가한 상태에서 설정된 시간이 지난 후에 요소수의 압력이 설정치 미만이면, 상기 제어부는 고장신호를 발생시킬 수 있다.
상기 제어부는 상기 고장신호를 발생시키고 상기 히터가 고장난 것으로 판단할 수 있다. 상기 모터회전축과 상기 펌프회전축은 동축상에 설치될 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따라서, 요소수의 펌프 또는 요소수의 공급라인이 동결된 경우에, 모터의 모터회전축의 회전력이 펌프의 펌프회전축으로 전달되지 않음으로써 모터와 펌프를 보호할 수 있다.
또한, 공급라인의 압력과 모터의 회전을 감지함으로써 요소수의 동결을 판단하고, 이에 따라서 히터를 동작시킴으로써 동결된 요소수를 효과적으로 녹일 수 있으며, 요소수가 해동된 상태에 따라서 고장상태를 효과적으로 판단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 요소수 펌핑시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 요소수 펌프유닛의 일부 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 요소수 펌프유닛에서 펌프와 모터의 일부 분해사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 요소수 펌프유닛의 일부 분해 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 요소수 펌프유닛에서 요소수의 빙결을 감지하는 방법을 및 요소수 펌핑상태를 판단하는 방법을 보여주는 플로우차트이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 요소수 펌프유닛의 모터의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 요소수 펌프유닛의 히터구조를 보여주는 개략적인 구성도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 요소수 펌핑시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 요소수 펌핑시스템은 요소수탱크(160), 펌핑모듈(150), 공급라인(140), 압력센서(180), 인젝터(170), 배기라인(110), 디젤산화촉매(100), 선택적촉매환원장치(120), 및 제어부(199)를 포함한다.
상기 펌핑모듈(150)은 펌프(156)와 모터(300)를 포함하고, 상기 요소수탱크(160) 내부에는 요소수가 충진된다. 상기 펌핑모듈(150)의 상기 모터(300)에 의해서 상기 펌프(156)가 요소수를 상기 공급라인(140)을 통해서 상기 인젝터(170)로 요소수를 펌핑한다.
상기 제어부(199)는 상기 배기라인(110)을 지나는 배기가스의 상태 또는 배기가스를 배출하는 엔진(미도시)의 상태에 따라서 상기 펌핑모듈(150)과 상기 인젝터(170)를 제어하여 요소수를 배기라인 내부로 분사한다. 아울러, 상기 압력센서(180)는 상기 공급라인(140)을 통해서 공급되는 요소수의 압력신호를 감지하여 상기 제어부(199)로 송신한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 요소수 펌프유닛의 일부 사시도이다.
도 2를 참조하면, 상기 펌핑모듈(150)은 장착플랜지(153), 제1실링부재(157), 온도센서(154), 히터(700), 필터(152), 모터(300), 어퍼월(159), 사이드월(158), 펌프(156), 및 흡입라인(155)을 포함한다.
상기 히터(700)는 상기 요소수탱크(160)에 충진된 요소수의 온도를 제어하고, 상기 필터(152)는 요소수가 상기 펌프(156)로 흡입되기 전에 이물질을 필터링한다.
상기 온도센서(154)는 요소수의 온도를 감지하고 상기 제어부(199)로 그 온도신호를 송신한다. 상기 장착플랜지(153)는 상기 요소수탱크(160)에 장착되고, 상기 제1실링부재(157)는 요소수가 외부로 누출되는 것을 방지한다.
상기 제어부(199)는 상기 모터(300)를 통해서 상기 펌프(156)를 작동시켜 상기 필터(152), 상기 흡입라인(155)을 통해서 요소수를 흡입하고, 이를 상기 인젝터(170)로 공급한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 요소수 펌프유닛에서 펌프와 모터의 일부 분해사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 요소수 펌프유닛의 일부 분해 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 모터(300)는 회전자(302), 모터회전축(310), 구동기어(320), 탄성부재(312)를 포함한다. 여기서, 상기 모터회전축(310)은 상기 회전자(302)에 의해서 회전하는 구조를 가지고 있으며, 상기 모터회전축(310)의 하단부에 상기 구동기어(320)가 체결된다.
상기 탄성부재(312)는 상기 모터회전축(310)의 외주면에 감기는 코일스프링구조를 가지고 있으며, 상기 구동기어(320)와 상기 회전자(302) 사이에 배치되어 상기 구동기어(320)를 하단부 방향으로 탄성지지한다. 여기서, 상기 구동기어(320)는 상기 모터회전축(310)의 하단부에 체결되는 스토퍼링(미도시)에 의해서 외부로 이탈되지 않는다.
상기 구동기어(320)는 상기 탄성부재(312)를 압축시키면서 상기 모터회전축(310)의 길이방향으로 슬라이딩되어 움직이는 구조를 가지고 있으며, 상기 구동기어(320)와 상기 모터회전축(310)은 함께 회전하는 구조를 갖는다.
상기 펌프(156)는 펌프회전축(372), 피동기어(330), 임펠러(374), 펌프어퍼커버(340), 제2실링부재(350), 축베어링(370), 및 펌프로우어커버(360)를 포함한다.
상기 펌프회전축(372)의 상단부에 상기 피동기어(330)가 배치되고, 상기 피동기어(330)는 상기 구동기어(320)와 대응하여 중심축(380)에 배치된다. 아울러, 상기 모터회전축(310)과 상기 펌프회전축(372)은 상기 중심축(380)을 따라서 배치된다.
상기 구동기어(320)와 상기 피동기어(330)가 서로 마주하는 면에서, 중심부를 제외한 가장자리 면에는 구동기어경사면(322)과 피동기어경사면(332)이 각각 형성된다.
상기 구동기어경사면(322)과 상기 피동기어경사면(332)은 상기 탄성부재(312)의 탄성력에 의해서 서로 밀착되는 구조를 가지고 있으며, 상기 구동기어(320)가 상기 피동기어(330)로 회전력을 전달하는 구조를 갖는다.
상기 구동기어경사면(322)과 상기 피동기어경사면(332)은 모두 상기 모터회전축(310)의 회전방향으로 배열되는 톱니바퀴 구조를 가지고 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 모터회전축(310)이 회전하는 동안에 상기 펌프회전축(372)이 회전하지 않는 경우, 상기 구동기어경사면(322)과 상기 피동기어경사면(332)이 서로 슬립되고, 상기 구동기어(320)가 상기 탄성부재(312)를 압축시키면서 상기 모터회전축(310)의 축방향으로 움직인다.
따라서, 상기 모터회전축(310)과 상기 구동기어(320)가 회전하더라도, 상기 피동기어(330)와 상기 펌프회전축(372)은 회전하지 않는다.
좀 더 상세하게 설명하면, 상기 구동기어경사면(322)은 상기 모터회전축(310)의 회전방향으로 상기 회전자(302) 방향으로 가까워지도록 경사지게 형성되고, 상기 피동기어경사면(332)은 상기 모터회전축(310)의 회전방향으로 상기 회전자(302) 방향으로 가까워지도록 경사지게 형성된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 펌프회전축(372), 상기 피동기어(330), 및 상기 임펠러(374)가 회전하지 않는 경우는 요소수가 빙결되어 상기 임펠러(374)가 회전하지 못하는 상태를 포함한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 요소수 펌프유닛의 히터구조를 보여주는 개략적인 구성도이다.
도 7을 참조하면, 상기 펌프(156), 상기 공급라인(140), 및 상기 인젝터(170)에는 히터(700)가 설치된다.
상기 히터(700)는 상기 펌프(156)의 외측면, 상기 공급라인(140)의 외주면, 및 상기 인젝터(170)의 외측면을 따라서 코일형태로 배치되어, 상기 펌프(156), 상기 공급라인(140), 및 상기 인젝터(170)의 내부에 충진된 요소수가 빙결되는 것을 방지한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 요소수 펌프유닛에서 요소수의 빙결을 감지하는 방법을 및 요소수 펌핑상태를 판단하는 방법을 보여주는 플로우차트이다.
S800에서 제어가 시작되고, S810에서 모터(300)에 전원이 인가되는지 판단된다.
그리고, S820에서 모터(300)가 회전하는지 판단된다. 본 발명의 실시예에서, BLDC 모터(300)가 회전하는지는 설정된 방법을 통해서 판단된다.
만약, 모터(300)가 회전하지 않는 것으로 판단되면, S860에서 모터(300) 또는 모터제어기(미도시)가 고장난 것으로 판단된다.
그리고, 모터(300)가 회전하는 것을 판단되면, S830에서 인젝터(170)의 전단압력이 설정치 이하인지 판단된다. 상기 인젝터(170)의 전단압력은 상기 압력센서(180)를 통해서 감지된다.
상기 전단압력이 설정치보다 크면, S850에서 요소수가 정상적으로 공급되는 것으로 판단한다. 그리고, 상기 전단압력이 설정치 미만이며, S840에서 펌프(156) 또는 공급라인(140)이 빙결된 것으로 판단한다.
그리고, S840에서 펌프(156) 또는 공급라인(140)의 요소수가 동결되면, S510에서 히터(700, 151)를 제어하기 시작한다.
S520에서 히터(700)에 전원이 인가되는지 판단된다. 히터(700)에 전원이 인가되지 않으면, S560의 동작을 통해서 히터(700)에 전원이 인가된다.
히터(700)에 전원이 인가되면, S530에서 히터(700)에 인가되는 전류가 최대치인지 판단된다. 여기서, 최대치가 아니면, S590에서 히터(700)로 인가되는 전류를 상승시킨다.
히터(700)에 최대치 전류가 인가되면, S540에서 상기 인젝터(170)의 상기 압력센서(180)에 압력신호가 형성되는지 판단된다.
여기서, 압력신호가 형성되면, S550에서 상기 공급라인(140) 및 상기 펌프(156)의 히터를 오프시킨다. 아울러, 압력신호가 형성되지 않으면, S570에서 히터(700)가 작동된 이후에 설정시간이 경과되었는지 판단된다.
그리고, 설정시간이 경과되면, S580에서 히터(700)가 고장난 것으로 판단한다. 본 발명의 실시예에서, 상기 히터의 압력신호가 설정치 이상인지 판단될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 요소수 펌프유닛의 모터의 단면도이다.
도 6을 참조하면, 모터(300)는 BLDC구조를 가지며, 모터하우징(600), 전자석(610), 코일(620), 및 영구자석(630)을 포함한다. 여기서, 영구자석(630)은 N극자석과 S극자석을 포함한다.
상기 코일(620)을 지나는 전류의 방향전환에 따라서 상기 전자석(610)의 극성이 반복되고, 상기 전자석(610)과 상기 영구자석(630) 사이의 인력 및 척력에 의해서 상기 전자석(610)을 포함하는 회전자(302)가 구동력을 발생시킨다.
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.
100: 디젤산화촉매 110: 배기라인
120: 선택적촉매환원장치 140: 공급라인
150: 펌핑모듈 151: 히터
152: 필터 153: 장착플랜지
154: 온도센서 155: 흡입라인
156: 펌프 157: 제1실링부재
158: 사이드월 159: 어퍼월
160: 요소수탱크 170: 인젝터
180: 압력센서 199: 제어부
300: 모터 302: 회전자
310: 모터회전축 312: 탄성부재
320: 구동기어 322: 구동기어경사면
330: 피동기어 332: 피동기어경사면
340: 펌프어퍼커버 350: 제2실링부재
360: 펌프로우어커버 370: 축베어링
372: 펌프회전축 600: 모터하우징
610: 전자석 620: 코일
630: 영구자석 700: 히터

Claims (11)

  1. 모터회전축을 회전시키는 모터;
    상기 모터회전축에 의해서 회전하는 펌프회전축;
    상기 펌프회전축의 회전에 의해서 펌핑을 수행하는 펌프;
    상기 모터회전축에 장착되어 함께 회전하되, 상기 펌프회전축으로 향하는 면의 가장자리에는 회전방향으로 경사진 구동기어경사면이 형성된 구동기어;
    상기 구동기어와 결합되어 함께 회전하되, 상기 구동기어경사면과 밀착되어 회전력을 전달받도록 상기 구동기어경사면과 대응하여 피동기어경사면이 형성되는 피동기어; 및
    상기 구동기어경사면이 상기 피동기어경사면에 밀착되도록 상기 구동기어를 상기 피동기어 측으로 탄성지지하는 탄성부재;
    상기 펌프에서 펌핑된 요소수를 배기라인 내부로 분사하는 인젝터;
    상기 인젝터의 상류측에 배치되어 요소수의 압력을 감지하는 압력센서; 및
    상기 모터에 전원이 인가되고 상기 모터회전축이 회전하는 상태에서, 상기 압력센서로부터 전달된 압력신호에 의해서 요소수가 빙결된 상태로 판단하는 제어부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 요소수 펌프유닛.
  2. 제1항에서,
    상기 구동기어의 중심부를 상기 모터회전축이 관통하도록 설치되고, 상기 구동기어는 상기 피동기어로 선택적으로 회전력을 전달하는 것을 특징으로 하는 요소수 펌프유닛.
  3. 제2항에서,
    상기 탄성부재는 상기 모터회전축의 외주면을 따라서 배치되는 코일스프링 구조로 상기 구동기어경사면과 상기 피동기어경사면이 서로 밀착되도록 상기 구동기어를 상기 피동기어 측으로 밀어내는 것을 특징으로 하는 요소수 펌프유닛.
  4. 제2항에서,
    상기 구동기어경사면은 상기 모터회전축의 회전방향으로 복수 개로 배열되는 것을 특징으로 하는 요소수 펌프유닛.
  5. 제1항에서,
    상기 구동기어가 상기 피동기어를 회전시키도록 상기 구동기어경사면과 상기 피동기어경사면이 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 요소수 펌프유닛.
  6. 제5항에서,
    상기 구동기어가 회전할 때, 상기 피동기어가 회전하지 않으면,
    상기 구동기어경사면이 상기 피동기어경사면과 슬립되어 상기 구동기어가 상기 모터회전축의 축방향으로 움직이는 것을 특징으로 하는 요소수 펌프유닛.
  7. 삭제
  8. 제1항에서,
    상기 펌프 또는 상기 펌프와 상기 인젝터를 연결하는 공급라인에 형성되는 히터; 를 더 포함하고,
    상기 제어부는 요소수가 빙결된 상태로 판단되면, 상기 히터에 전원을 인가하는 것을 특징으로 하는 요소수 펌프유닛.
  9. 제8항에서,
    상기 히터에 전원을 인가한 상태에서 설정된 시간이 지난 후에 요소수의 압력이 설정치 미만이면, 상기 제어부는 고장신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 요소수 펌프유닛.
  10. 제9항에서,
    상기 제어부는 상기 고장신호를 발생시키고 상기 히터가 고장난 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 요소수 펌프유닛.
  11. 제1항에서,
    상기 모터회전축과 상기 펌프회전축은 동축상에 설치되는 것을 특징으로 하는 요소수 펌프유닛.
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