KR101818185B1 - 내연기관의 배기가스 흐름 속에 환원제를 주입하기 위한 환원제 주입 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 선택적 촉매 환원을 위해 내연 기관의 배기가스 흐름 속에 환원제를 주입하기 위한 환원제 주입 시스템에 관한 것으로, 이 주입 시스템은 환원제 탱크(1)에 연결 가능하거나 연결되고, 이 환원제 탱크(1)로부터 환원제가 추출되어 환원제 펌프(2)에 의해 공급되고, 압축공기 공급기(3) 및 상기 환원제 펌프(2)의 압축라인(11)에 연결되는 적어도 하나의 노즐(4)이 배치되어 이 노즐을 통해 상기 환원제가 배기가스 흐름 속에 유입되어 압축 공기에 의해 분사되며, 상기 환원제 펌프(2)의 압력 라인(11)은 유입구(6)를 통해 밸브(5) 내부까지 비워져 있고, 환원제 펌프에 의해 공급된 환원제에 의해 상기 밸브(5)가 가압되는 경우, 상기 밸브(5)는 상기 밸브(5) 및 오버플로우관에 대해 상기 유입구(6)를 개방하여 상기 환원제가 상기 밸브의 배출구(7)를 통해 주입 라인(12)으로 유입되어 노즐(4)로 공급된다.

Description

내연기관의 배기가스 흐름 속에 환원제를 주입하기 위한 환원제 주입 시스템 {REDUCING AGENT DOSING SYSTEM FOR INJECTING A REDUCING AGENT INTO THE EXHAUST-GAS FLOW OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction)을 위해 내연기관의 배기가스의 흐름 속에 환원제를 주입하기 위한 환원제 주입 시스템에 관한 것으로, 이 환원제 주입 시스템은 환원제 탱크에 연결 가능하거나 연결되고, 이 환원제 탱크로부터 환원제가 추출되어 환원제 펌프에 의해 공급되고, 압축 공기 공급기 및 환원제 펌프의 압축 라인에 연결되는 적어도 하나의 노즐이 배치되어 이 노즐을 통해 환원제가 배기가스 흐름 속에 유입되어 압축 공기에 의해 분사된다.
디젤 엔진, 연소 설비, 폐기물 소각 시설, 산업 설비 등에서 나오는 질소산화물 배출물을 저감시키는데 촉매(선택적 촉매 환원(SCR))가 사용된다. 이를 위해, 주입 장치를 통해 배기가스 시스템 내로 환원제가 주입된다. 이러한 환원제로는 암모니아, 암모니아 용액 또는 다른 환원제가 사용된다.
담체(vehicles)에 암모니아를 담지하는 것은 안정에 필수적이기 때문에, DIN 70070, 소위 AdBlue에 따라 통상 32.5%의 요소(尿素: urea) 함량으로 수용액 내에 요소가 사용된다. 배기가스에서는 요소가 150℃ 이상의 온도에서 기체상태의 암모니아와 이산화탄소로 분해된다. 요소의 분해를 위한 일차적인 변수는 시간(증발 및 반응 시간), 온도, 및 주입된 요소 용액의 액적 크기이다. 이들 SCR 촉매에 있어서, 질소산화물 배출물은 선택적 촉매 환원(SCR)에 의해 약 90% 정도 저감된다.
환원제를 공급하기 위해서는 다이아프램 펌프 또는 피스톤 펌프가 사용된다. 이러한 해결방안의 단점은 사용된 펌프가 공급 스트로크(delivery stroke) 중에 약 5 msec의 매우 짧은 시간 간격으로 노즐을 향해 그 스트로크 체적을 공급한다는 사실에 있다. 이 시간에는, 환원제의 유속을 상승시키는 공급 서지(delivery surge)현상이 발생한다. 펌프 스트로크 중에 혹은 이 펌프 스트로크 완료 후, 주입 라인 내부에서 유동하는 환원제는 펌프 밸브를 통해 더 많은 양이 흐르게 된다. 이로 인해, 원하지 않는 그리고 그에 따라 알려지지 않은 추가적인 양의 환원제가 배기가스 흐름 속으로 토출된다.
또 다른 단점은 다이아프램 펌프 또는 피스톤 펌프의 맥동(pulsations)으로 인해 분무 노즐이 환원제에 의해 간헐적으로 부하를 받게 된다는 점이다. 이러한 효과만으로 낮은 공급 속도에서도 노즐의 과부하(overloading)를 야기할 수 있다.
본 발명의 목적은 공급되는 환원제의 불필요하게 높은 유동 속도 및 제어되지 않는 환원제의 공급을 방지하여 공급 펌프의 공급 스트로크로 인한 노즐의 과부하를 미연에 방지하도록 전술한 유형의 환원제 주입 시스템을 추가로 개발하는데 있다.
이러한 목적은 본 발명에 따른 청구항 1의 환원제 주입 시스템에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 개선내용은 각각의 종속 청구항에 명시되어 있다.
본 명세서의 상세한 설명 측면에서 보면, 용어 "환원제 주입 시스템(reducing agent dosing system)" 및 "주입 시스템(dosing system)"은 유사한 의미로 사용된다. 용어 "환원제 용액(reducing agent solution)" 및 "환원제(reducing agent)"는 각각 선택적 촉매 환원에 적합한 임의의 환원제를 의미한다; 이를 위해, DIN70070에 따른 요소 용액(urea solution)이 사용되는 것이 바람직하다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
선택적 촉매 환원을 위해 내연 기관의 배기가스 흐름 속에 환원제를 주입하기 위한 환원제 주입 시스템의 경우, 이 주입 시스템은 환원제 탱크에 연결 가능하거나 연결되고, 이 환원제 탱크로부터 환원제가 추출되어 환원제 펌프에 의해 공급되고, 압축 공기 공급기 및 환원제 펌프의 압축라인에 연결되는 적어도 하나의 노즐이 배치되어 이 노즐을 통해 환원제가 배기가스 흐름 속에 유입되어 압축 공기에 의해 분사된다. 특히, 상기 환원제 펌프를 위한 압력 라인은 유입구를 통해 밸브 내부까지 비워져 있는 것이 특히 유리하고, 환원제 펌프에 의해 공급된 환원제에 의해 상기 밸브가 가압되는 경우, 상기 밸브는 상기 밸브 및 오버플로우관에 대해 상기 유입구를 개방하여 상기 환원제가 상기 밸브의 배출구를 통해 주입 라인으로 유입되어 노즐로 공급된다.
본 발명에 따르면, 환원제 펌프와 노즐 사이에 있는 압력 라인에 밸브가 배치된다. 환원제 펌프에 의해 공급된 환원제에 의한 가압이 있는 경우, 상기 밸브는 상기 유입구를 상기 밸브 및 오버플로우관에 대해 개방하도록 하고 밸브의 배출구를 통해 노즐 방향으로 공급된다.
따라서, 펌프 제조업체의 사양에 따라, 이러한 밸브의 배치 및 적절한 선택을 통해, 펌프의 작동에 필요한 역압(counter-pressure)이 생성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 요지는 주입 시스템의 압력 라인에 능동 밸브를 배치하는 것에 있다.
바람직한 실시예에서, 밸브의 유입구 및 배출구는 환원제 펌프에 의해 공급되는 환원제에 의한 가압이 없는 경우 자동으로 폐쇄된다.
이로 인해, 환원제 펌프에 의해 공급되는 환원제에 의한 가압이 없는 경우, 즉, 펌프 스트로크가 완료될 때 밸브의 배출구가 자동으로 폐쇄됨에 따라, 밸브 제어 펌프에 의해 있을 수 있지만 불필요한 환원제의 과도한 공급이 방지된다.
특히 바람직한 실시예에서, 밸브는 환원제 펌프에 의해 공급되는 환원제에 의해 가압될 때 밸브의 유입구로부터 배출구까지의 오버플로우관을 개방시키는 다이아프램을 구비한다.
이러한 종류의 신축성 다이아프램은 해당 공급 압력이 존재할 때 오버플로우관을 자동으로 개방하는데 적합할 뿐만 아니라, 펌프 스트로크 종료시, 이에 따라 공급 압력이 강하할 때 다이아프램의 가역 편향(reversible deflection)의 시작위치로 복귀함으로 인해 오버플로우관을 한 번 이상 폐쇄하는데 적합하다.
다이아프램은 밸브의 배출구 측에 압력 저하(underpressure)가 있는 경우 밸브의 배출구 및 밸브의 오버플로우관을 폐쇄한다.
이로 인해, 환원제의 불필요한 과도 공급이 효과적으로 차단된다.
이 경우, 특히 한 가지 바람직한 실시예에서, 유입구 및 배출구로부터 떨어져 마주보고 있는 다이아프램의 반대 측은 압축 공기 공급기로부터 공급된 압축 공기에 의해 가압된다.
이러한 방법에 의해, 환원제 펌프가 환원제를 공급하는 원하는 펌프 역압이 원하는 값으로 조절될 수 있다. 즉, 환원제 펌프는 다이아프램의 가압에 의해 정해진 역압에 반하여 환원제를 공급한다.
바람직하기로는, 다이아프램의 반대측이 가압되는 것을 차단시켜 주는 스위칭 밸브가 제공됨으로써, 다이아프램의 가압이 차단됨으로 인해 환원제 펌프는 감소된 역압에 반하여 환원제를 공급하게 되고 그에 따라 보다 용이하게 흡기하게 되고 배출성능을 향상시킬 수 있다.
압축 공기 공급기는 압력 제어 밸브를 구비하는 것이 바람직하다.
이것은 압축 공기가 다이아프램의 반대측의 가압 및/또는 압축 공기에 의한 환원제의 분무화에 필요한 압력 수준으로 조절될 수 있음을 의미한다. 이때, 압축 공기 자체는, 상기 압축 공기를 원하는 압력으로 낮출 수 있기 때문에, 압축 공기 시스템에서 지배적인 시스템 압력의 제한 없이, 예를 들면, 주입 시스템이 배치되는 배기 라인이 있는 상용 차량에서와 같은 온 보드 압축 공기 시스템(on-board compressed air system)으로부터 추출될 수 있다.
바람직하게는, 환원제 펌프는 다이아프램 펌프 또는 피스톤 펌프이다.
특히 바람직한 주입 시스템의 실시예에서, 압력 라인에 배치된 밸브는 환원제 펌프의 압력측 배출밸브를 구성한다. 그 결과, 작동될 필요가 있는 부가적인 펌프 배출밸브는 본 실시예에서 제거될 수 있다.
환원제 펌프는 환원제 펌프에 의해 공급되는 환원제에 의한 가압이 있을 때는 펌프 배출구를 개방하고, 환원제 펌프에 의해 공급되는 환원제에 의한 가압이 없을 때는 자동으로 폐쇄되는 배출밸브를 구비하는 것이 특히 바람직하다. 이 경우, 환원제 펌프의 압력측 배출 밸브는 특히 압력 라인의 밸브에 의해 형성될 수 있다.
환원제 펌프는 다이아프램에 의해 형성된 배출 밸브를 구비하는 것이 바람직하다.
따라서, 환원제 펌프의 압력측 배출 밸브는 신축성 다이아프램에 의해 형성될 수 있고 그에 따라 공급 스트로크 중에 압력측 펌프 배출구가 자동으로 개방됨은 물론, 공급 스트로크의 완료 이후에 펌프 배출구가 자동으로 폐쇄될 수 있다.
따라서, 이러한 방식으로 다이아프램에 의해 형성되는 자동 배출 밸브는 주입 시스템의 압력 라인에 있는 밸브와 누적적으로 배치될 수 있다.
대안적으로, 본 발명에 따른 압력 라인에 제공되는 밸브는 동시에 환원제 펌프의 압력측 배출 밸브일 수 있다.
본 발명의 실시예를 도면에 도시하여 이하에서 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 환원제 주입 시스템의 실시예를 도시한 기능도이다.
도 1은 본 발명에 따른 선택적 촉매 환원을 위해 내연기관의 배기가스의 흐름 속에 환원제를 주입하기 위한 환원제 주입 시스템의 실시예를 도시한 도면이다. 이 경우, 환원제, 예컨대 DIN 70070에 따른 요소 용액(urea solution)이 공급 펌프(2)에 의해 탱크(1)로부터 추출되어 공급된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 공급 펌프(2)는 피스톤 펌프이다.
피스톤 펌프(2)의 매 스트로크 중에, 환원제는 흡입 라인(10)을 통해 탱크로부터 추출된 다음, 압력 라인(11)을 통해 공급되어 분사 노즐(4)로 이송된다.
분사 노즐(4) 자체는 환원제가 압축 공기에 의해 분사되는 이성분 유체 노즐(binary fluid nozzle)이다. 결과적으로, 노즐 몸체 외부에서 에어로졸이 형성된다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
분무화에 필요한 압축 공기를 이용할 수 있도록, 공기 압력을 최적의 에어로졸 형성에 필요한 압력으로 조절하기 위한 압력 제어 밸브(8)를 구비한 압축 공기 시스템(3)이 제공된다.
피스톤 펌프(2)의 압력 라인(11)은 유입구(6)를 통해 밸브 몸체(5) 내부까지 비워져 있다.
본 발명에 따르면, 능동 밸브(5)는 환원제 주입 시스템에서 환원제 공급 펌프(2)의 압력측에 배치된다.
밸브(5)는 밸브(5)에 대해 유입구(6)를 폐쇄하고 주입 라인(12)에 대해 배출구(7)를 폐쇄하는 다이아프램으로 형성된다. 이것은 유휴 상태에서 밸브 몸체(5)의 유입구(6) 및 배출구(7)가 다이아프램에 의해 폐쇄된다는 것을 의미한다.
밸브(5) 하류 측에 있는 주입 라인(12)을 통해, 공급된 환원제가 노즐(4)로 이송된다.
피스톤 펌프(2)의 공급 스트로크 중에, 펌프(2)는 환원제를 압력 라인(11)을 통해 유입구(6)로 이송시킨다. 이로 인해, 다이아프램은 유입구(6)로부터 위로 상승하는 동시에 배출구(7)로부터 상승함으로써, 밸브 몸체(5)내의 오버플로우관이 개방된다. 그러면, 유입구(6) 및 배출구(7)는 물론, 밸브 몸체(5) 내부에 형성된 오버플로우관이 다이아프램에 의해 모두 개방되므로, 환원제가 밸브 몸체(5)로부터 주입 라인(12)을 향해 토출된다.
밸브 몸체(5)의 다이아프램의 반대측은 압축 공기에 노출된다. 이를 위해, 주입 시스템에 제공된 압축 공기 시스템(3)의 압축 공기가 사용된다. 이것은 상용차량에서와 같은 온보드 압축 공기 시스템(on-board compressed air system)일 수도 있고, 그렇지 않으면, 공기 압축기 및 압축 공기 탱크나 압축 공기 저장소가 제공될 수 있다.
압축 공기 시스템(3)에서 공급되는 압축 공기의 압력은 압력 제어 밸브(8)에 의해 원하는 공기 압력으로 조절된다.
피스톤 펌프(2)의 펌프 스트로크 후에, 밸브 몸체(5)의 다이아프램은 주입 라인(12) 내부에서 여전히 유동하는 환원제의 흡입에 의해 끌어당겨져 자동으로 배출구(7)를 폐쇄시킨다. 밸브(5)의 이러한 방식의 동작에 의해 환원제의 과도한 주입이 자동적으로 방지된다. 밸브 몸체(5)의 다이아프램의 타측에 존재하는 공기 압력에 의해서도 배출구(7)의 폐쇄가 지지된다. 압력 제어 밸브(8)에 의해 환원제의 분무화에 필요한 압력으로 압력이 조절되는 압축 공기는 연결부(junction)를 통해 흡인된다.
더욱이, 펌프(2)를 역압(counter-pressure)에 노출시켜서 펌프 밸브의 폐쇄공정을 개선시켜 주입 정확도 또한 향상시킨다.
펌프(2)의 흡기 거동을 향상시키기 위해, 공기 압력 제어가 스위칭 오프될 수 있다. 따라서, 펌프(2)는 밸브 몸체(5)의 다이아프램에 의해 어떠한 역압에도 노출되지 않고 자유롭게 환원제를 주입 또는 배출시킬 수 있다. 또한, 상기 밸브(5)를 사용함으로써, 펌프 스트로크가 시간의 경과에 따라 평균화되고, 환원제 흐름이 노즐(4)을 향해 계속하여 공급된다.
공급 시간에, 즉, 밸브의 다이아프램이 끌어 당겨져 유입구(6) 및 배출구(7)가 개방되는 시간에, 환원제는 주입 라인(12)을 통해 분무 노즐(4)로 공급된다.
분무 노즐(4)은 압축 공기가 공기 압력 라인(9)을 통해 압축 공기 시스템(3)으로부터 공급되고 에어로졸 형성에 사용되는 유체 노즐이다. 이러한 압축 공기 시스템에서, 주입 라인(12)을 통해 공급되는 환원제의 양은 압축 공기에 의해 분무된다.
이를 위해, 압력 제어 밸브(8)에 의해 원하는 공기 압력을 조절한다.
따라서, 본 발명의 요지는, 한편으로는 시간 경과에 따라 펌프 스트로크의 평균화를 야기하고 더욱이 주입 라인(12)에서 유동하는 환원제의 흡입에 의해 밸브(5)의 배출구(7)를 자동으로 폐쇄하는 신축성 다이아프램을 구비한 밸브(5)를 배치하는데 있다. 이에 의해, 밸브 제어 펌프의 공급 과잉을 감소시킨다.
더욱이, 해당 역압으로 유리한 작동 지점에서 밸브 제어 펌프(2)를 작동시키는 것이 가능하다. 환원제의 공급량의 향상된 재생 정확도가 본 발명의 실시예에 의해 달성된다.
본 발명의 또 다른 장점은 주입 정확도가 구성요소의 배치와 같은, 사용된 노즐(4) 및 탱크(1)의 위치, 주입 라인 변수 및 기하학적 설계와는 보다 더 독립적이 된다는 사실에 있다. 환원제를 흡입하는 노즐없이 환원제를 분무화 하기 위한 높은 공기 압력부를 노즐(4) 상에 독립적으로 제공하는 것이 가능하다. 주입 부분에 있는 쵸크 또는 체크 밸브(non-return valve)는 생략할 수 있다. 이러한 부품들은 작동 불확실성(operating uncertainties)을 선택적으로 포함하게 되는데, 이러한 작동 불확실성은 본 발명에 따른 해결방안에 의해 방지된다.
이에 의해, 공압 노즐(4)의 최적의 분무 패턴이 생성되고 노즐(4)의 최대 분무 성능이 달성된다.

Claims (11)

  1. 선택적 촉매 환원을 위해 내연 기관의 배기가스 흐름 속에 환원제를 주입하기 위한 환원제 주입 시스템으로서, 이 주입 시스템은 환원제 탱크(1)에 연결 가능하거나 연결되고, 이 환원제 탱크(1)로부터 환원제가 추출되어 환원제 펌프(2)에 의해 공급되고, 압축 공기 공급기(3) 및 상기 환원제 펌프(2)의 압력라인(11)에 연결되는 적어도 하나의 노즐(4)이 배치되어 이 노즐을 통해 상기 환원제가 배기가스 흐름 속에 유입되어 압축 공기에 의해 분사되는 환원제 주입 시스템에 있어서,
    상기 환원제 펌프(2)의 압력 라인(11)은 유입구(6)를 통해 밸브(5) 내부까지 비워져 있고, 환원제 펌프에 의해 공급된 환원제에 의해 상기 밸브(5)가 가압되는 경우, 상기 밸브(5)는 상기 밸브(5) 및 오버플로우관에 대해 상기 유입구(6)를 개방하여 상기 환원제가 상기 밸브의 배출구(7)를 통해 주입 라인(12)으로 유입되어 노즐(4)로 공급되고,
    상기 밸브(5)는 상기 환원제 펌프(2)에 의해 공급된 환원제에 의해 가압될 때 상기 밸브의 유입구(6)로부터 배출구(7)까지의 오버플로우관을 개방하는 다이아프램을 구비하며,
    상기 유입구(6) 및 상기 배출구(7)로부터 떨어져 마주보고 있는 상기 다이아프램의 반대측은 상기 압축 공기 공급기(3)로부터 공급된 압축 공기에 노출됨으로써, 상기 환원제 펌프(2)는 정해진 역압에 반하여 상기 다이아프램의 가압에 의해 환원제를 공급하는 것을 특징으로 하는 환원제 주입 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 밸브(5)의 유입구(6) 및 배출구(7)는 상기 환원제 펌프(2)에 의해 공급된 환원제에 의한 가압이 없을 때는 자동으로 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 환원제 주입 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 밸브의 배출구 측에 압력 저하가 있는 경우 상기 다이아프램은 상기 밸브(5)의 배출구(7) 및 상기 밸브(5)의 오버플로우관을 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 환원제 주입 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    압축 공기에 의한 상기 다이아프램의 가압은 스위칭 밸브에 의해 스위칭 오프시킴으로써, 상기 가압을 차단하여 상기 환원제 펌프(2)는 감소된 역압에 반하여 환원제를 공급하고 그에 따라 보다 용이하게 환원제를 흡입하는 것을 특징으로 하는 환원제 주입 시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 압축 공기 공급기(3)는 압력 제어 밸브(8)를 구비하는 것을 특징으로 하는 환원제 주입 시스템.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 환원제 펌프(2)는 다이아프램 펌프 또는 피스톤 펌프인 것을 특징으로 하는 환원제 주입 시스템.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 압력 라인(11)의 밸브(5)는 상기 환원제 펌프(2)의 압력측 배출 밸브를 형성하는 것을 특징으로 하는 환원제 주입 시스템.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 환원제 펌프(2)는 상기 환원제 펌프(2)에 의해 공급된 환원제에 의해 가압될 때 펌프 배출구를 개방하고 상기 환원제 펌프(2)에 의해 공급된 환원제에 의한 가압이 없을 때는 자동으로 폐쇄되는 압력측 배출 밸브를 구비하고, 상기 환원제 펌프(2)의 압력측 배출 밸브는 상기 압력 라인(11)의 밸브(5)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 환원제 주입 시스템.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 환원제 펌프(2)는 다이아프램에 의해 형성되는 압력측 배출 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 환원제 주입 시스템.
  10. 삭제
  11. 삭제
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