KR101592701B1 - Ｓｃｒ 시스템의 우레아 히팅 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 SCR 시스템의 우레아 히팅 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상용차량의 SCR 시스템용 우레타 탱크내의 우레아를 열전소자를 이용하여 히팅함으로써, SCR 시스템의 저온 작동성을 향상시킬 수 있도록 한 SCR 시스템의 우레아 히팅 장치에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 우레아 탱크의 캡에 가열블럭을 장착하고, 가열블럭 위에 열전소자 및 냉각블럭을 차례로 적층 부착하여, 저온 조건에서의 냉간 시동시 열전소자의 발열에 의하여 가열블럭이 히팅되면서 우레아 탱크내의 빙결된 우레아를 녹여주거나, 우레아의 빙결 현상을 방지할 수 있도록 함으로써, SCR 시스템의 저온 작동성을 향상시킬 수 있도록 한 SCR 시스템의 우레아 히팅 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

ＳＣＲ 시스템의 우레아 히팅 장치 및 방법{Device and method for heating urea of SCR system}
본 발명은 SCR 시스템의 우레아 히팅 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상용차량의 SCR 시스템용 우레타 탱크내의 우레아를 열전소자를 이용하여 히팅함으로써, SCR 시스템의 저온 작동성을 향상시킬 수 있도록 한 SCR 시스템의 우레아 히팅 장치 및 방법에 관한 것이다.
디젤엔진에서 배출되는 배기가스에는 심각한 대기오염을 유발하는 질소산화물(이하, NOx 라 칭함)가 포함되어 있는 점을 감안하여, NOx를 제거하기 위한 촉매적 환원방법이 사용되고 있다.
이를 위해, 디젤엔진의 배기관에는 배기가스 중 PM(입자상물질)을 물리적으로 포집하고 연소시켜 제거하기 위한 배기가스 후처리장치의 일종인 DOC(Disel Oxidation Catalyst) 또는 DPF(Diesel Particulate Filter)와, NOx를 효과적으로 제거하기 위한 SCR(Selective Catalytic Reduction) 촉매가 연속적으로 장착되어 있다.
상기 SCR 촉매 시스템은 일종의 환원제인 우레아(UREA, 요소수)를 SCR 촉매에 분사하여 NOx를 효과적으로 저감시킬 수 있는 시스템으로서, 첨부한 도 5에서 보듯이 우레아 탱크(1)내의 우레아가 공급모듈(2, supply module)의 펌핑에 의하여 SCR 촉매 입구에 장착된 일종의 인젝터인 우레아 도징 유닛(3, urea dosing module)로 공급되면, 우레아 도징 유닛(3)이 SCR 촉매에 우레아 분사하여 NOx를 저감시키게 된다.
즉, 상기 SCR 촉매 시스템은 배기관에 분사된 우레아가 배기관 내의 열에 의해 열분해되거나 SCR 촉매와 접촉하며 접촉 분해되어, 한 분자의 요소는 두분자의 암모니아로 전환되고, 이렇게 전환된 암모니아는 배기가스 중의 질소산화물과의 SCR(Selective Catalyst Reduction : 선택적 촉매환원법) 반응에 이용됨으로써, 반응 결과의 산물인 무해한 질소와 물을 외부로 배출시키는 시스템이다.
이와 같은 SCR 시스템에 사용되는 우레아 즉, 요소수는 어는점(-11도)이 그다지 낮지 않아, 저온 빙결(ICING)시 우레아 탱크내의 우레아가 도징 유닛으로 원활하게 순환하지 않게 되므로, SCR 시스템의 저온 작동성 향상 방안이 시급히 요청되고 있다.
종래의 우레아 저온 작동성 향상 방법으로서, 우레아 탱크 위에 장착되는 펌프 주변에 저항형 히터를 설치하거나, 펌프에서 SCR 촉매까지의 관로에 저항형 히터를 설치하여, 우레아 빙결을 방지하는 방법이 적용되고 있다.
또는, 종래의 다른 방법으로서 우레아 탱크 내에 냉각수의 유입경로를 설치하여 엔진 냉각수의 가열에 의해 우레아 탱크내의 우레아를 녹이는 방법이 사용되고 있다.
또는, 종래의 또 다른 방법으로서 우레아 탱크내에 열선식 히터를 채택하여 빙결된 우레아를 녹이는 방법이 사용되고 있다.
그러나, 상기한 종래의 우레아 저온 작동성 향상 방법은 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, 저항형 히터를 비롯하여 열선식 히터 등의 온도 제어는 배터리전원을 이용하므로 과다 히팅 방지 로직이 포함되어야 설계 및 비용 문제가 발생하고, 히터 과열에 의한 히터 파손 또는 배기계 주변의 화재 등이 간헐적으로 발생하는 문제점이 있다.
둘째, 저항을 이용하여 히팅하므로 전기소모가 크고, 이로 인해 전기식 히팅라인의 부식 발생 가능성을 배제하고자 히팅 배관을 테프론 튜빙해야 하는 불편함이 있고, 히팅 배관에 내장되는 열선 및 (+)(-)전극선의 과열로 인한 히터 단선 및 튜빙재료가 녹는 문제점이 있다.
셋째, 우레아 탱크내에 히터를 장착하는 경우, 부식성을 감안하여 히터의 재질을 SUS 재질 등을 사용해야 하므로, 원가상승 요인이 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 우레아 탱크의 캡에 가열블럭을 장착하고, 가열블럭 위에 열전소자 및 냉각블럭을 차례로 적층 부착하여, 저온 조건에서의 냉간 시동시 열전소자의 발열에 의하여 가열블럭이 히팅되면서 우레아 탱크내의 빙결된 우레아를 녹여주거나, 우레아의 빙결 현상을 방지할 수 있도록 함으로써, SCR 시스템의 저온 작동성을 향상시킬 수 있도록 한 SCR 시스템의 우레아 히팅 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 상단부는 우레아 탱크의 캡에 내장되고, 하단부는 우레아 탱크내의 우레아 속에 히팅 가능하게 잠기며, 내부에는 우레아 탱크내의 우레아를 배출시키는 우레아 배출통로가 관통 형성된 가열블럭과; 상기 가열블럭 위에 배치되되, 발열부가 가열블럭과 접하도록 배치되는 열전소자와; 상기 열전소자의 흡열부 위에 적층 부착되어 흡열부를 냉각시키는 냉각블럭; 으로 구성하여, 상기 열전소자의 흡열부에서 발열부로 전달된 열에 의하여 가열블럭이 히팅되는 동시에 가열블럭의 히팅으로 빙결 해제된 우레아가 우레아 배출통로를 통하여 우레아 공급라인으로 배출될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 우레아 히팅 장치를 제공한다.
바람직하게는, 상기 냉각블럭의 표면에는 냉각블럭의 신속한 냉각을 위하여 다수의 냉각핀이 일체로 장착된 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 냉각블럭의 내부와 우레아 탱크 간에는 우레아 순환파이프가 연결되어, 우레아 순환파이프를 지나는 우레아가 빙결되면서 냉각블럭을 냉각시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 우레아 순환파이프에는 시동 오프시 우레아 탱크내의 우레아를 우레아 순환파이프내로 순환시켜 채워지게 하는 펌프가 장착된 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 우레아 탱크의 캡내에 열전소자의 발열부와 접하는 가열블럭을 내장시키는 동시에 가열블럭의 하단부를 우레아 탱크내의 우레아 속에 히팅 가능하게 잠겨지게 하는 단계와; 열전소자의 흡열부 위에 냉각블럭을 적층시키는 단계와; 차량의 엔진 시동시 대기온과 우레아 온도를 측정하는 단계와; 대기온 및 우레아 온도가 하한 기준치 이하이면, 열전소자에 전류를 인가하는 단계와; 상기 열전소자의 흡열부에서 발열부로 전달된 열에 의하여 가열블럭이 히팅되는 단계와; 가열블럭의 히팅으로 빙결 해제된 우레아가 우레아 배출통로를 통하여 우레아 공급라인으로 배출되는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 우레아 히팅 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 방법은 차량의 엔진 시동 오프시, 우레아 탱크내의 우레아가 냉각블럭내에 형성된 우레아 순환파이프으로 순환되어 채워지는 단계와; 우레아 순환파이프내의 우레아가 저온 조건에서 빙결되어 냉각블럭을 냉각시키는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 열전소자를 이용하여 우레아 탱크내의 우레아에 대한 빙결 현상을 해소할 수 있도록 함으로써, 기존에 히터에 의한 과도 히팅을 방지하는 동시에 기존 전열식 히터 대비 저전류를 사용하는 방식에 비하여 히팅 능력 향상은 물론 화재 방지를 도모할 수 있고, 특히 전기소모량을 최소화하여 비용 저감을 도모할 수 있다.
둘째, 우레아 탱크의 캡 부분에 열전소자를 장착하고, 열전소자를 중심으로 그 위에 냉각블럭을 장착하는 동시에 아래쪽의 가열블럭을 장착함으로써, 열전소자의 Δt를 용이하게 조절할 수 있으므로, 우레아 공급 라인의 과다 가열을 방지할 수 있다.
셋째, 저온 시동 조건에서 SCR 시스템의 우레아(요소수)에 대한 빙결(ICING)을 제거하고 우레아 온도를 상승시킬 수 있을 뿐만 아니라, 온도를 정확히 제어함으로서, SCR에 분사되는 요수수를 정밀 정량으로 제어할 수 있다.
넷째, 대기 조건이 저온임에도 불구하고 SCR 작동을 원활하게 하여, 배기 규제 대응을 능동적으로 수행할 수 있고, 냉간시의 배기 배출로 인한 가스 정화능력향상 즉, NOX 및 PM저감에 유리한 장점을 제공한다.
다섯째, 열전소자의 발열측에 부착되는 가열블럭과 냉각블럭 간의 온도차(Δt)를 일정한 수준으로 유지할 수 있도록 열전소자의 흡열측에 부착되는 냉각블럭의 온도를 주행풍 또는 빙결 상태의 우레아를 이용하여 일정한 온도로 냉각 유지시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 SCR 시스템의 우레아 히팅 장치를 나타낸 개략도,
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 SCR 시스템의 우레아 히팅 장치를 나타낸 개략도,
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 SCR 시스템의 우레아 히팅 장치를 나타낸 개략도,
도 4는 본 발명에 따른 SCR 시스템의 우레아 히팅 장치의 작동 흐름을 나타낸 순서도,
도 5는 SCR 시스템 구성을 나타낸 개략도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 저온 조건에서의 냉간 시동시 열전소자의 발열에 의하여 가열블럭이 히팅되면서 우레아 탱크내의 빙결된 우레아를 녹여주거나, 우레아의 빙결 현상을 방지할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
상기 열전소자는 보통 열전모듈, 펠티어소자, ThermoElectric Cooler(TEC), ThermoElectric Module(TEM) 등 다양한 이름으로 불리운다.
이러한 열전소자는 작은 열 펌프(Heat Pump)라고 할 수 있으며, 즉, 저온의 열원으로부터 열을 흡수하여 고온의 열원에 열을 주는 장치라고 할 수 있다.
상기 열전소자의 원리를 보면, 열전소자 양단에 직류 전압을 인가하면 열이 흡열부에서 발열부로 이동하게 되고, 따라서 시간이 지남에 따라 흡열부는 온도가 떨어지고 발열부는 온도가 상승하게 되며, 이때 인가전압의 극성을 바꿔주면 흡열부와 냉각부는 서로 바뀌게 되고 열의 흐름도 반대가 된다
이때, 상기 열전소자에 전류가 공급될때 발열부와 흡열부 간의 최대 온도차 ΔT는 이론상 65~73℃ 이며, 이러한 최대 온도차 범위내를 유지해야 흡열부에서 발열부로 열전달량을 극대화시킬 수 있다.
이를 위해, 발열부는 흡열부로부터의 열을 원활하게 외부로 방출해야 하고, 흡열부는 적절한 온도로 냉각되어야 한다.
이에, 통상 열전소자의 발열부에는 열 방출을 위한 가열블럭이 접하게 되고, 흡열부에는 냉각을 위한 냉각블럭이 접하게 된다.
여기서, 위와 같은 특성을 갖는 열전소자를 이용하여 저온시 우레아 탱크내의 우레아를 히팅하도록 한 본 발명의 각 실시예를 설명하면 다음과 같다.
제1실시예
첨부한 도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 SCR 시스템의 우레아 히팅 장치를 나타낸 개략도이다.
도 1에서 도면부호 10은 우레아가 충진된 우레아 탱크를 나타내고, 도면부호 20은 우레아 탱크의 입구를 개폐하는 캡(20)을 나타낸다.
상기 캡(20)의 둘레부가 우레아 탱크(10)의 입구에 개폐 가능하게 체결되고, 캡(20)의 중앙부에는 열전도성 금속 재질로 구비되어 우레아에 대한 히팅을 수행하기 위한 가열블럭(32)이 일체로 내장되며, 이 가열블럭(32)의 저부는 우레아 탱크(10)의 내부에서 우레아가 닿을 정도로 바닥쪽으로 연장된다.
이때, 상기 가열블럭(32) 위에는 열전소자(30)가 장착되어, 열전소자(30)의 발열부(33)쪽이 가열블럭(32)과 열전도 가능하게 접하는 상태가 된다.
또한, 상기 열전소자(30) 위에는 냉각블럭(34)이 장착되어, 열전소자(30)의 흡열부(31)쪽이 냉각블럭(34)과 접하는 상태가 된다.
보다 상세하게는, 상기 열전소자(30)에 전류가 공급될 때 발열부(33)와 흡열부(31) 간의 최대 온도차 ΔT는 이론상 65~73℃ 이며, 이러한 최대 온도차를 유지해야 흡열부(31)에서 발열부(33)로 열전달량을 극대화시킬 수 있으므로, 이에 발열부(33)는 흡열부(31)로부터의 열을 원활하게 외부로 방출해야 하고, 흡열부(31)는 적절한 온도로 냉각되어야 한다.
이를 위해, 상기 열전소자(30)의 발열부(33)에는 열 방출을 위한 수단이면서 우레아 히팅을 위한 수단인 가열블럭(32)이 접하게 되고, 흡열부(31)쪽에는 흡열부를 적정 온도로 냉각시키는 냉각블럭(34)이 접하게 된다.
본 발명의 제1실시예에 따르면, 차량의 주행시 저온 상태의 외기 즉, 주행풍이 냉각블럭(34)에 닿아서 냉각블럭(34)이 적정 온도로 냉각 유지되도록 한다.
한편, 상기 가열블럭(32)의 내부에는 가열블럭(32)의 히팅 작용에 의하여 빙결 해제되거나 빙결 방지된 우레아 탱크내의 우레아를 우레아 공급라인(24)으로 배출하는 우레아 배출통로(22)가 관통 형성된다.
바람직하게는, 상기 캡(20)에는 우레아 탱크(10)내의 우레아 온도를 측정하여 제어기에 전송하는 온도센서(미도시됨)와, 우레아 충진 레벨을 측정하여 제어기에 전송하는 레벨센서(미도시됨)가 부착된다.
여기서, 본 발명의 우레아 히팅 장치에 대한 작동 흐름을 도 4를 참조로 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 차량의 엔진 시동이 걸린 상태에서 대기온이 기준치(약 -10℃) 이하이고, 또한 우레아 탱크(10)내의 우레아(요소수) 온도가 하한 기준치(약 -10℃) 이하이면, 제어기에서 열전소자(30)에 전류를 인가한다.
이렇게 제어기에서 열전소자(30) 양단에 직류 전압을 인가하되 정방향으로 인가하면, 냉각블럭(34)과 맞닿은 흡열부(31)에서 가열블럭(32)과 맞닿은 발열부(33)로 이동하게 되고, 결국 열전소자(30)의 발열부(33)에 접한 가열블럭(32)이 히팅되어진다.
따라서, 상기 가열블럭(32)의 히팅에 의하여 우레아 탱크(10)내의 우레아가 빙결 해제되거나 빙결 방지된 상태가 된다.
연이어, 빙결 해제 또는 빙결 방지된 우레아의 온도가 상하 기준치에 도달하면, 제어기는 우레아 도징 유닛의 분사 제어를 실시하게 되어, 가열블럭(32)내의 우레아 배출통로(22)를 통하여 우레아 공급라인(24)으로 배출된 후, 우레아 도징 유닛으로 공급되어 NOx 저감을 위해 촉매에 용이하게 분사되어진다.
이때, 외기온도 및 우레아 온도에 따라 히팅 용량 및 시간 등의 증감은 실험을 통하여 얻어진 맵에 의하여 운전될 수 있다.
제2실시예
첨부한 도 2은 본 발명의 제2실시예에 따른 SCR 시스템의 우레아 히팅 장치를 나타낸 개략도이다.
본 발명의 제2실시예에 따른 구성 및 작동 흐름은 상기한 제1실시예와 동일하고, 단지 냉각블럭(34)에 대한 냉각 유지 온도가 보다 지속적으로 이루어질 수 있도록 냉각블럭(34)에 냉각핀(36)이 형성된 점에 특징이 있다.
즉, 상기 열전소자(30)의 흡열부(31)와 발열부(33) 간의 최대 온도차 범위를 유지시키기 위하여 흡열부(31)와 접하는 냉각블럭(34)을 보다 효율적으로 냉각해야 하는 점을 감안하여, 냉각핀(36)이 냉각블럭(34)에 형성된 점에 특징이 있다.
이를 위해, 상기 냉각블럭(34)의 표면에 차량의 주행시 저온 상태의 외기 즉, 주행풍과의 접촉 면적을 향상시켜 냉각블럭(34)이 지속적인 저온 상태를 유지하도록 한 다수의 냉각핀(36)이 일체로 장착된다.
따라서, 본 발명의 제2실시예에 따르면, 차량의 주행시 저온 상태의 외기 즉, 주행풍이 냉각블럭(34) 뿐만 아니라 냉각블럭(34)와 일체로 된 냉각핀(36)에 닿아서 냉각블럭(34)이 적정 온도로 냉각 유지될 수 있다.
제3실시예
첨부한 도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 SCR 시스템의 우레아 히팅 장치를 나타낸 개략도이다.
본 발명의 제3실시예에 따른 구성 및 작동 흐름은 상기한 제1실시예와 동일하고, 단지 냉각블럭(34)에 대한 냉각 유지 온도가 보다 지속적으로 이루어질 수 있도록 저온 상태에서 빙결된 우레아를 이용한 점에 특징이 있다.
이를 위해, 상기 냉각블럭(34)의 내부와 우레아 탱크(10) 간에는 우레아 순환파이프(38)가 연결되고, 우레아 순환파이프(38)에는 시동 오프시 우레아 탱크(10)내의 우레아를 우레아 순환파이프(38)내로 순환시켜 채워지게 하는 펌프(40)가 장착된다.
따라서, 시동 오프시 우레아의 빙결 전 온도에서 펌프(40)를 작동시켜, 우레아 탱크(10)내의 우레아가 냉각블럭(34)의 내부를 지그재그로 연장된 우레아 순환파이프(38)내로 순환하여 채워지게 한다.
이에 따라, 상기 열전소자(30)의 흡열부(31)와 발열부(33) 간의 최대 온도차 범위를 유지시키기 위하여 흡열부(31)와 접하는 냉각블럭(34)을 보다 효율적으로 냉각해야 하는 점을 감안하여, 시동 오프후 저온 조건에서 일정 시간이 지나면 우레아가 빙결되어 우레아 순환파이프(38)에 남아 있게 된다.
결국, 우레아 순환파이프(38)내에 빙결된 우레아가 냉각블럭(34)을 지속적인 저온 상태를 유지하도록 냉각 작용을 하게 됨으로써, 열전소자(30)의 흡열부(31)와 발열부(33) 간의 최대 온도차 범위를 유지시키기 위하여 흡열부(31)와 접하는 냉각블럭(34)을 보다 효율적으로 냉각할 수 있다.
10 : 우레아 탱크
20 : 캡
22 : 우레아 배출통로
24 : 우레아 공급라인
30 : 열전소자
32 : 가열블럭
34 : 냉각블럭
36 : 냉각핀
38 : 우레아 순환파이프
40 : 펌프

Claims (6)

  1. 상단부는 우레아 탱크(10)의 캡(20)에 내장되고, 하단부는 우레아 탱크(10)내의 우레아 속에 히팅 가능하게 잠기며, 내부에는 우레아 탱크(10)내의 우레아를 배출시키는 우레아 배출통로(22)가 관통 형성된 가열블럭(32);
    상기 가열블럭(32) 위에 배치되되, 발열부(33)가 가열블럭(32)과 접하도록 배치되는 열전소자(30);
    상기 열전소자(30)의 흡열부(31) 위에 적층 부착되어 흡열부(31)를 냉각시키는 냉각블럭(34);
    으로 구성하여, 상기 열전소자(30)의 흡열부(31)에서 발열부(33)로 전달된 열에 의하여 가열블럭(32)이 히팅되는 동시에 가열블럭(32)의 히팅으로 빙결 해제된 우레아가 우레아 배출통로(22)를 통하여 우레아 공급라인(24)으로 배출될 수 있도록 하고,
    상기 냉각블럭(34)의 내부와 우레아 탱크(10) 간에는 우레아 순환파이프(38)가 연결되어, 우레아 순환파이프(38)를 지나는 우레아가 빙결되면서 냉각블럭(34)을 냉각시킬 수 있도록 하되, 상기 우레아 순환파이프(38)에는 시동 오프시 우레아 탱크(10)내의 우레아를 우레아 순환파이프(38)내로 순환시켜 채워지게 하는 펌프(40)가 장착된 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 우레아 히팅 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각블럭(34)의 표면에는 냉각블럭의 신속한 냉각을 위하여 다수의 냉각핀(36)이 일체로 장착된 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 우레아 히팅 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 우레아 탱크(10)의 캡(20)내에 열전소자(30)의 발열부(33)와 접하는 가열블럭(32)을 내장시키는 동시에 가열블럭(32)의 하단부를 우레아 탱크(10)내의 우레아 속에 히팅 가능하게 잠겨지게 하는 단계와;
    열전소자(30)의 흡열부(31) 위에 냉각블럭(34)을 적층시키는 단계와;
    차량의 엔진 시동시 대기온과 우레아 온도를 측정하는 단계와;
    대기온 및 우레아 온도가 하한 기준치 이하이면, 열전소자(30)에 전류를 인가하는 단계와;
    상기 열전소자(30)의 흡열부(31)에서 발열부(33)로 전달된 열에 의하여 가열블럭(32)이 히팅되는 단계와;
    가열블럭(32)의 히팅으로 빙결 해제된 우레아가 우레아 배출통로(22)를 통하여 우레아 공급라인(24)으로 배출되는 단계;
    를 포함하고,
    차량의 엔진 시동 오프시, 우레아 탱크(10)내의 우레아가 냉각블럭(32)내에 형성된 우레아 순환파이프(38)으로 순환되어 채워지는 단계와;
    우레아 순환파이프(38)내의 우레아가 저온 조건에서 빙결되어 냉각블럭(32)을 냉각시키는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 우레아 히팅 방법.
  6. 삭제
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