KR101965853B1

KR101965853B1 - 배기정화용 우레아 수용액 공급 장치

Info

Publication number: KR101965853B1
Application number: KR1020170143479A
Authority: KR
Inventors: 김홍석; 조규백; 이상호
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2017-10-31
Filing date: 2017-10-31
Publication date: 2019-04-05

Abstract

본 발명은 우리에 공급 시스템에 관한 것으로, 일 실시예에 따르면, 우레아 수용액을 저장하는 탱크모듈, 우레아 수용액을 내연기관의 배기관 내로 분사하는 분사모듈, 및 상기 탱크모듈과 분사모듈을 연결하는 우레아 수용액 이송관을 구비한 우레아 공급 시스템에 있어서, 일단이 상기 이송관에 연결되고 타단이 상기 탱크모듈 내의 우레아 수용액의 수위보다 아래에 위치하는 송출관; 상기 송출관에서 분기되고 탱크모듈 내에서 개방된 단부를 갖는 회수관; 상기 회수관을 개폐하는 제1 밸브; 일단이 상기 이송관에 연결되고 타단이 공기 중에 개방된 제1 공기유입관; 및 상기 제1 공기유입관을 개폐하는 제2 밸브;를 포함하는 우레아 공급 시스템을 개시한다.

Description

배기정화용 우레아 수용액 공급 장치 {Urea water solution supply apparatus for exhaust gas purification}

본 발명은 내연기관 또는 연소기에서 배출되는 유해배출가스인 질소산화물(NOx)을 저감하는 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 우레아수용액을 환원제로 사용하는 배기후처리 시스템에서 겨울철 빙결 파손 방지를 목적으로 운전 정지시 우레아 수용액 이송관에 존재하는 우레아수용액을 효과적으로 회수 또는 퍼징(purging)하는 배기정화용 우레아 수용액 공급시스템에 관한 것이다.

환경규제가 엄격해짐에 따라 디젤엔진에서 배출되는 질소산화물(NOx)의 저감기술에 관심이 모아지고 있다. 그리고 최근에는 디젤엔진 차량의 배출가스 규제가 점차 강화되면서 차량에만 적용하던 배출가스 규제가 선박, 건설기계 및 농기계까지 확대되고 있다.

디젤엔진 배출가스 중 질소산화물을 저감하는 후처리 기술로는 환원제로 우레아(urea) 수용액을 배기관에 분사하여 질소산화물을 저감시키는 SCR(선택적 환원 촉매) 기술이 대표적이다.

이와 같은 SCR 기술에서는 배기관 중의 질소산화물의 선택적 환원반응을 위해 환원제로 암모니아가 필요하다. 현재 통상적으로 사용되는 기술에서는 우레아 수용액을 배기가스 중에 분사하고, 배기가스 중에서 열분해 되어 생성되는 암모니아를 환원제로 사용하고 있다.

한편, 차량이 작동을 멈춘 후 우레아 공급시스템의 관로 및 각 부품 내부에 우레아 수용액이 남아있는 경우에도 고체암모늄이 형성되어 관로 등이 막히는 현상이 발생할 수 있으며, 우레아 수용액은 약 -11℃ 이하에서 빙결되기 때문에 겨울철에 우레아 수용액의 공급시스템의 냉각부의 막 힘현상 및 빙결파손 방지를 위해 차량 시동이 꺼진 후에 우레아 수용액 이송관에 존재하는 우레아 수용액을 회수해야 한다.

이를 위해 압축공기를 공급하여 우레아 수용액의 공급시스템을 퍼징하는 방법 또는 다이어프램 펌프를 역회전시켜 우레아를 회수하는 방법 등이 있으나 별도의 공기압축기 또는 고가의 펌프를 구비해야 하기 때문에 장치 가격이 상승하고 사용이 불편한 단점이 있다.

특허문헌1: WO2006-051017 (2006년 5월 18일 공개) 특허문헌2: WO2004-047963 (2004년 6월 10일 공개)

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 차량이 작동을 멈춘 후 우레아 공급 시스템의 관로 및 각 부품 내부에 존재하는 우레아 수용액을 회수하는데 효과적인 방법을 제공하는데 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 배기관에 분사된 우레아 수용액이 미립화 특성을 향상시켜 암모니아로 열분해되는데 필요한 시간과 공간을 줄일 수 있는 우레아 공급 시스템 및 방법을 개시한다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 배기열을 받아 노즐부에 온도가 올라가는 경우 우레아 수용액이 가열되어 고체암모늄이 형성되는 것을 방지하는 우레아 공급 시스템 및 방법을 개시한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 우레아 수용액을 저장하는 탱크모듈, 우레아 수용액을 내연기관의 배기관 내로 분사하는 분사모듈, 및 상기 탱크모듈과 분사모듈을 연결하는 우레아 수용액 이송관을 구비한 우레아 공급 시스템으로서, 일단이 상기 이송관에 연결되고 타단이 상기 탱크모듈 내의 우레아 수용액의 수위보다 아래에 위치하는 송출관; 상기 송출관에서 분기되고 탱크모듈 내에서 개방된 단부를 갖는 회수관; 상기 회수관을 개폐하는 제1 밸브; 일단이 상기 이송관에 연결되고 타단이 공기 중에 개방된 제1 공기유입관; 및 상기 제1 공기유입관을 개폐하는 제2 밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템이 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 우레아 수용액을 저장하는 탱크모듈, 우레아 수용액을 내연기관의 배기관 내로 분사하는 분사모듈, 및 상기 탱크모듈과 분사모듈을 연결하는 우레아 수용액 이송관을 구비한 우레아 공급 시스템으로서, 일단이 상기 이송관에 연결되고 타단이 상기 탱크모듈 내의 우레아 수용액의 수위보다 아래에 위치하는 송출관; 상기 송출관에서 분기되고 탱크모듈 내에서 개방된 단부를 갖는 회수관; 상기 회수관을 개폐하는 제1 밸브; 일단이 상기 이송관에 연결되고 타단이 공기 중에 개방된 공기유입관; 및 상기 공기유입관을 개폐하는 제2 밸브;를 포함하고, 상기 탱크모듈은, 이 탱크모듈에 저장된 우레아 수용액을 상기 분사모듈로 이송하기 위한 저압펌프를 포함하고, 상기 분사모듈은, 이 분사모듈로 이송된 우레아 수용액을 고압으로 배출하기 위한 고압펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템이 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 우레아 수용액 공급 시스템은 운전정지시 우레아 탱크와 분사노즐을 연결하는 우레아 이송관의 양측 밸브를 동시에 열고 일정시간 펌프를 작동시킴으로써 우레아 이송관 및 펌프모듈 내부에 잔존하는 우레아 수용액을 회수하거나 퍼지 할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 탱크모듈과 분사모듈로 구성된 우레아 공급 시스템에서 탱크모듈에 저압펌프를 설치하고 분사모듈에 고압펌프를 설치함으로써 내연기관의 배기관에 분사된 우레아 수용액이 미립화 특성을 향상시켜 암모니아로 열분해되는데 필요한 시간과 공간을 줄이는 효과가 있다.

도1은 제1 실시예에 따른 우레아 공급 시스템이 내연기관에 설치된 예시적 구성을 설명하기 위한 도면,
도2는 일 실시예에 따른 탱크모듈 및 이에 연결된 이송관을 설명하기 위한 도면,
도3은 제1 실시예에 따른 분사모듈 및 이에 연결된 이송관을 설명하기 위한 도면,
도4는 이송관의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면,
도5는 제2 실시예에 따른 분사모듈을 설명하기 위한 도면,
도6은 제3 실시예에 따른 분사모듈을 설명하기 위한 도면이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서의 도면에 있어서, 구성요소들의 길이, 두께, 넓이 등의 수치는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장하여 표시될 수 있다.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예를 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

도1은 제1 실시예에 따른 우레아 공급 시스템이 내연기관에 설치된 예시적 구성을 설명하기 위한 도면이다.

도면을 참조하면, 일 실시예에 따른 우레아 공급 시스템은 우레아 수용액을 저장하는 탱크모듈(200), 우레아 수용액을 분사하는 분사모듈(300) 및 탱크모듈(200)과 분사모듈(300) 사이를 연결하는 이송관(400)으로 구성될 수 있고, 내연기관(또는 연소기)(100)에서 연소된 후 배출되는 배기가스의 통로인 배기관(110)의 경로 중에, 바람직하게는 SCR(선택적 환원 촉매: 120)의 상류측에 설치되어 동작할 수 있다.

내연기관(100)이 동작하고 있을 때, 탱크모듈(200)에 저장된 우레아 수용액은 이송관(400)을 통해 분사모듈(300)로 공급되고, 공급된 우레아 수용액은 분사모듈(300)의 분사노즐을 통해 배기관(110) 내로 분사된다. 분사된 우레아 수용액은 배기의 열에 의해 가수분해해 암모니아가 되어 SCR(120)에 공급되고, SCR(120)은 공급된 암모니아를 흡착하고 흡착한 암모니아와 배기 중의 질소산화물(NOx)과의 탈질 반응을 촉진함으로써 질소산화물을 정화하고 무해한 질소가스(N2)로 변환한다.

내연기관(100)의 동작을 정지하면, 분사모듈(300)에 남아있는 우레아 수용액은 분사노즐에 의해 배기관(110)으로 분사되고 이송관(400)을 채우고 있는 우레아 수용액은 이송관(400)을 따라 역류하여 탱크모듈(200)로 회수됨으로써 퍼징 동작이 수행된다.

본 발명의 일 실시예에서, 이송관(400)의 양쪽 단부 중 탱크모듈(200)측 단부는 탱크모듈(200) 내부의 공간에 개방되고 분사모듈(300)측 단부는 대기중에 개방된다. 따라서 밀폐되어 있던 이송관(400)의 양단이 대기압에 노출되므로, 이송관(400) 내부를 채우고 있던 우레아 수용액은 높은 위치에서 낮은 위치로 흐르게 된다. 이 때 도시한 것처럼 본 발명의 실시예에 따르면 이송관(400)의 탱크모듈(200)측 단부의 높이(H1)가 분사모듈(300)측 단부의 높이(H2) 보다 높도록 우레아 공급 시스템을 구성하였으며, 따라서 이송관(400) 내부를 채우던 우레아 수용액은 이송관(400)을 따라 탱크모듈(200)로 회수될 수 있다.

도2는 일 실시예에 따른 탱크모듈 및 이에 연결된 이송관을 설명하기 위한 도면이다.

도면을 참조하면, 탱크모듈(200)은 우레아 수용액을 저장하는 탱크모듈 본체(210), 우레아 수용액을 송출하는 송출관(220), 송출관(220)에서 분기된 회수관(230), 회수관(230)을 개폐하는 개폐밸브(240)를 포함할 수 있다.

탱크모듈 본체(210)는 우레아 수용액을 저장하는 저장용기이며, 상단부에 우레아 수용액 주입구(211)가 형성되어 있다. 주입구(211)를 통해 탱크모듈 본체(210)에 주입된 우레아 수용액은 최대로 주입구(211)의 하단까지, 즉 "L"로 표시한 최대 수위까지 채워질 수 있을 것이다.

송출관(220)은 탱크모듈 본체(210)를 상하 방향으로 관통하는 배관으로, 상단부는 이송관(400)과 결합되고, 하단부(222)는 탱크모듈 내 우레아 수용액의 수위보다 아래에 위치한다. 도시한 실시예에서 하단부(222)는 탱크모듈 본체(210)의 바닥면에 인접한 높이까지 아래로 뻗어있다.

분사모듈(300)을 통해 우레아 수용액을 배기관(110)으로 분사하기 위해, 예컨대 분사모듈(300)에 배치된 펌프를 동작하게 되면 탱크모듈(200) 내에 저장된 우레아 수용액이 송출관(220)의 하단부(222)를 통해 송출관(220) 내로 빨려 들어가서 이송관(400)을 통해 분사모듈(300)로 공급될 수 있다.

일 실시예에서 회수관(230)은 우레아 송출관(220)에서 분기되어 형성된다. 회수관(230)의 일단부는 송출관(220)에 연결되고 타단부(231)는 공기 중에 개방되어 있다. 도시한 실시예에서 회수관(230)의 타단부(231)는 탱크모듈의 본체(210) 내부의 공기로 채워진 공간, 즉 우레아 수용액의 최대 수위(L) 보다 높은 높이에서 공기를 향해 개방되어 있다. 일 실시예에서 탱크모듈의 본체(210) 내부의 이 공간은 본체(210) 외부로부터 밀폐되어 있을 수 있고, 대안적 실시예에서, 예컨대 본체(210)의 상부에 공기가 통하는 관통구 등을 형성하여 본체(210) 내부의 공간과 본체(210) 외부가 연통할 수도 있다.

회수관(230)의 경로 상에는 회수관(230)을 개폐하는 개폐밸브(240)가 설치될 수 있다. 일 실시예에서 개폐밸브(240)는 통상의 솔레노이드 밸브로 구현될 수 있고, 대안적 실시예에서 삼방(3-way) 밸브를 사용할 수도 있다.

내연기관(100)이 동작하고 있을 때, 개폐밸브(240)에 의해 회수관(230)을 폐쇄하고, 따라서 우레아 수용액은 송출관(220)과 이송관(400)을 통해 분사모듈(300)로 공급된다.

내연기관(100)의 동작이 멈추면, 이송관(400)의 퍼징을 위해 개폐밸브(240)가 회수관(230)을 개방하고, 이송관(400)을 채우고 있던 우레아 수용액이 회수관(230)을 통해 탱크모듈의 본체(210) 내부로 회수된다. 이 때 회수되는 우레아 수용액 중 일부는 송출관(220)을 통해 회수될 수도 있으나, 송출관(220)의 하단부(222)가 탱크모듈(200) 내의 우레아 수용액의 수위보다 아래에 위치하기 때문에 회수되는 우레아 수용액의 대부분은 회수관(230)을 통해 회수된다.

한편 도시하지 않았지만 탱크모듈(200)은 개폐밸브(240)의 동작을 제어하는 제어부, 탱크모듈내 우레아 수용액의 수위를 측정하는 레벨센서, 우레아 수용액의 농도를 측정하는 농도 센서 등을 더 포함할 수 있다.

도3은 제1 실시예에 따른 분사모듈 및 이에 연결된 이송관을 설명하기 위한 도면이다.

도면을 참조하면, 일 실시예에 따른 분사모듈(300)은 유입포트(310), 펌프(340), 분사량 조절밸브(350), 및 분사노즐(360)을 포함할 수 있다. 유입포트(310)는 이송관(400)에 결합되며 탱크모듈(200)에서 이송되는 우레아 수용액이 분사모듈(300) 내로 유입되는 포트이다.

펌프(340)는 우레아 수용액을 탱크모듈(200)로부터 분사모듈(300)까지 이송하기 위한 장치이며, 일 실시예에서 기어펌프로 구현될 수 있다. 이 경우 도시한 것처럼 모터(341), 기어 하우징(342), 구동기어(343), 및 종속기어(344) 등으로 구성될 수 있다. 이러한 구조의 고압펌프는 당업계에 공지된 기술이므로 상세한 설명은 생략한다. 또한 펌프(340)가 기어펌프가 아닌 다른 방식의 펌프로 구현될 수도 있다.

유입포트(310)를 통해 분사모듈(300)로 이송된 우레아 수용액은 펌프(340)의 유입구(345)을 통해 펌프(340)로 들어간 후 고압펌프(340)의 배출구(346)를 통해 분사노즐(360)로 공급된다. 펌프(340)의 배출구(346)와 분사노즐(360) 사이의 경로에는 분사량 조절밸브(350)가 설치될 수 있다. 분사량 조절밸브(350)는 분사노즐(360)을 통해 분사되는 우레아 수용액의 분사량을 조절하기 위한 밸브로서 예컨대 솔레노이드 밸브로 구현될 수 있다. 도시한 실시예에서 분사모듈(300)은 분사량 조절밸브(350)에 가해지는 우레아 수용액의 압력을 일정하게 유지하기 위해 압력조절밸브(370)를 더 포함할 수 있다. 분사량 조절밸브와 압력조절밸브는 당업계의 공지기술이므로 상세한 설명은 생략한다.

일 실시예에서 펌프(340), 분사량 조절밸브(350), 및 압력조절밸브(370)는 제어부(도시 생략)에 의해 제어될 수 있다. 도면에 도시하지 않았지만 제어부에서 분사모듈(300)의 펌프(340), 분사량 조절밸브(350), 및 압력조절밸브(370)의 각각에 제어신호를 전달하는 제어선이 연결되어 있고, 이를 통해 제어부가 각 펌프와 밸브들을 제어할 수 있다.

한편 도시한 실시예에서 이송관(400)은 분사모듈(300)의 유입포트(310)에 인접한 위치에 공기유입관(410) 및 개폐밸브(411)를 포함한다. 공기유입관(410)의 일단부는 이송관(400)에 연결되고 타단부는 공기 중에 개방되어 있을 수 있다. 개폐밸브(411)는 솔레노이드 밸브로 구현될 수 있고 대안적 실시예에서 삼방 밸브로 구현될 수도 있다. 삼방밸브로 구현될 경우, 개폐밸브(411)는 내연기관이 동작하는 동안 우레아 수용액이 이송관(400)으로 이송될 수 있도록 공기유입관(410)을 폐쇄하고, 내연기관이 정지한 때에는 우레아 수용액이 이송관(400)을 따라 역류하여 탱크모듈(200)로 회수될 수 있도록 공기유입관(410)을 개방하고 이송관(400)의 분사모듈(300)측 방향으로의 경로를 폐쇄하도록 구성될 수 있다.

일 실시예에서 공기유입관(410)은 탱크모듈(200)의 회수관(230)의 설치 높이보다 물리적으로 높은 위치에 설치되는 것이 바람직하다. 일 실시예에서, 공기유입관(410)의 일단부, 즉 공기유입관(410)이 이송관(400)에 연결되는 부위가 회수관(230)의 개방된 단부(231)보다 높은 위치에 설치된다. 또한 바람직하게는, 회수관(230)의 개방된 단부(231)에서부터 공기유입관(410)의 일단까지 갈수록 이송관(400) 내의 모든 임의의 지점에서 높이가 점차 높아지도록 구성한다. 이러한 구성에 의해, 탱크모듈(200)의 개폐밸브(240)와 공기유입관(410)의 개폐밸브(411)가 개방되었을 때, 별도로 펌프를 작동하지 않더라도 이송관(400) 내의 우레아 수용액이 이송관(400)을 통해 흘러내려 탱크모듈(200)로 회수될 수 있다.

이상과 같은 탱크모듈(200), 분사모듈(300), 및 이송관(400)을 구비한 우레아 공급 시스템의 동작을 설명한다. 우선, 내연기관(100)을 운전하고 있을 때, 우레아 공급 시스템은 우레아 수용액을 배기관(110)에 분사하기 위해, 탱크모듈(200)의 개폐밸브(240)와 공기유입관(410)의 개폐밸브(411)를 폐쇄하고 펌프(340)를 동작시킨다. 두 밸브(240, 411)에 의해 회수관(230)과 공기유입관(410)이 폐쇄되어 있으므로, 탱크모듈 본체(210) 내에 저장된 우레아 수용액은 이송관(400)을 따라 분사모듈(300)로 이송되고, 분사노즐(360)을 통해 배기관(110) 내부로 분사된다.

내연기관(100)의 운전을 정지했을 때 본 발명에 따른 우레아 공급 시스템은 우레아 수용액의 이송관(400)에 남겨진 우레아 수용액을 퍼징하는 동작(이하 "제1 퍼징 모드"라고도 함)과 분사모듈(300)에 남겨진 우레아 수용액을 퍼징하는 동작(이하 "제2 퍼징 모드"라고도 함)을 소정 시간 동안 수행한다.

제1 퍼징 모드를 위해, 두 밸브(240, 411)를 작동하여 회수관(230)과 공기유입관(410)을 개방한다. 이에 따라, 이송관(400) 내의 두 밸브(240,411) 사이의 경로에 남아있던 우레아 수용액은 회수관(230)을 통해 탱크모듈 본체(210) 내부로 회수된다.

제2 퍼징 모드를 위해, 공기유입관(410)측의 개폐밸브(411)를 개방한 상태에서 분사모듈(300)을 동작시킨다. 회수관(230)은 개방되어 있어도 되고 폐쇄되어 있어도 무방하다. 개폐밸브(411)의 동작에 의해 공기유입관(410)이 개방되어 있으므로, 분사모듈(300)의 동작에 따라 외부 공기가 공기유입관(410)을 통해 분사모듈(300)로 흡입되어 분사모듈(300) 내부에 남아있던 우레아 수용액과 함께 배기관(110)으로 분사되면서 분사모듈(300)을 퍼징 할 수 있다.

일 실시예에서 제1 퍼징 모드와 제2 퍼징 모드는 순차적으로 진행될 수 있고 대안적 실시예에서 제1 및 제2 퍼징 모드가 동시에 수행될 수도 있다.

도4는 이송관에 설치되는 공기유입관과 밸브의 다른 실시예를 나타낸다.

도4에서 분사모듈(300)은 도3의 분사모듈(300)과 동일하므로 설명을 생략한다. 도4의 실시예에서 이송관(400)은 제1 공기유입관(410), 제1 유입관 밸브(411), 제2 공기유입관(420), 및 제2 유입관 밸브(421)를 포함한다. 제1 공기유입관(410)은 분사모듈(300)의 유입포트(310)에 인접한 이송관(400)의 단부에 위치한다. 제1 유입관 밸브(411)는 제1 공기유입관(410)을 개폐하기 위한 것으로, 이송관(400)과 제1 공기유입관(410)의 연결 부위에 설치될 수 있다.

제2 공기유입관(420)의 일단은 제1 공기유입관(410)과 분사모듈(300)의 유입포트(310) 사이에 위치하며 이송관(400)에 연결되고, 제2 공기유입관(420)의 타단은 공기 중에 개방되어 있다. 제2 유입관 밸브(421)는 제2 공기유입관(420)을 개폐하기 위한 것으로, 이송관(400)과 제2 공기유입관(420)의 연결 부위에 설치될 수 있다.

도시한 실시예에서 이송관(400)은 이송관 밸브(430)를 더 포함한다. 이송관 밸브(430)는 이송관(400)을 개폐하기 위한 밸브이며, 제1 공기유입관(410)과 이송관(400)의 연결부 및 제2 공기유입관(420)과 이송관(400)의 연결부 사이에 위치한다.

제1 유입관 밸브(411), 제2 유입관 밸브(421), 및 이송관 밸브(430)는 각각 솔레노이드 밸브로 구성될 수 있다. 대안적 실시예에서, 제1 유입관 밸브(411)와 이송관 밸브(430)가 하나의 삼방밸브로 구성되거나 제2 유입관 밸브(421)와 이송관 밸브(430)가 하나의 삼방밸브로 구성될 수도 있다.

또한 도면에 도시하지 않았지만 일 실시예에 따른 우레아 공급 시스템은 개폐밸브(240), 제1 유입관 밸브(411), 제2 유입관 밸브(421), 및 이송관 밸브(430) 그리고 분사모듈(300)의 각각의 동작을 제어하는 제어부(도시 생략)를 더 포함할 수 있다.

상기 구성에 따르면 제1 퍼징 모드의 동작을 위해 회수관(230)의 개폐밸브(240), 제1 유입관 밸브(411)가 개방되고 이송관 밸브(430)가 폐쇄된다. 이에 따라 이송관(400) 내부에서 제1 유입관 밸브(411)와 개폐밸브(240) 사이에 남아있던 우레아 수용액이 회수관(230)을 통해 탱크모듈(200)로 회수된다.

제2 퍼징 모드에서, 제2 유입관 밸브(421)를 개방하고 이송관 밸브(430)를 폐쇄한다. 그 후 분사모듈(300)을 동작시켜 분사모듈(300) 내의 우레아 수용액을 배기관(110) 내로 분사함으로써 분사모듈(300)을 퍼징할 수 있다.

도5는 제2 실시예에 따른 분사모듈(500)을 나타낸다. 도면에서 탱크모듈(200)과 이송관(400)은 도2와 도3에 도시한 탱크모듈(200) 및 이송관(400)과 동일 또는 유사하므로 설명을 생략한다. 다만 도5에서 탱크모듈(200)은 탱크모듈(200)에 저장된 우레아 수용액을 분사모듈(500)로 이송하기 위한 저압펌프(250)를 더 포함한다.

일 실시예에서 저압펌프(250)는 송출관(220)의 임의의 위치에 설치될 수 있다. 도시한 실시예에서 저압펌프(250)는 송출관(220)과 이송관(400)을 결합하며 설치될 수 있다. 즉 저압펌프(250)의 유입구가 송출관(220)의 상단과 결합되고 저압펌프(250)의 유출구가 이송관(400)과 단부와 결합된다.

저압펌프(250)는 탱크모듈(200)에 저장된 우레아 수용액을 저압으로 분사모듈(500)을 향해 이송한다. 여기서 '저압'은 예를 들어 5 bar일 수 있다. 바람직하게는 일 실시예에서 '저압'은 2 bar 내지 10 bar 사이의 압력일 수 있고, 더 바람직하게는 2 bar 내지 6 Bar 사이의 압력일 수 있다.

도면을 참조하면, 제2 실시예에 따른 분사모듈(500)은 냉각 채널(530), 펌프(540), 분사량 조절밸브(550), 압력조절밸브(570), 및 분사노즐(560)을 포함할 수 있다. 분사량 조절밸브(550), 압력조절밸브(570), 및 분사노즐(560)은 도3을 참조하여 설명한 분사량 조절밸브(350), 압력조절밸브(370), 및 분사노즐(360)과 각각 동일 및 유사한 구성과 기능을 가지므로 설명을 생략한다.

도5에서 분사모듈(500)의 펌프(540)는 우레아 수용액을 분사노즐(560)을 통해 고압으로 배출하기 위한 고압펌프이다. 여기서 '고압'은 예를 들어 50 bar일 수 있다. 고압펌프의 압력이 높을수록 미립화에 유리하기 때문에 '고압'의 최대치를 한정하는 것은 바람직하지 않지만, 고압으로 인한 에너지 손실을 고려하여 일 실시예에서 고압펌프 압력을 20 bar 내지 100 bar 사이의 압력으로, 바람직하게는 40 bar 내지 60 bar 사이의 압력으로 설정할 수 있다.

냉각 채널(530)은 분사모듈(500)을 내에 형성된 공간으로, 분사모듈(500)을 냉각하기 위해 우레아 수용액을 수용할 수 있는 일정 체적을 갖는 공간이다. 일 실시예에서 냉각 채널(530)은 분사노즐(560)을 둘러싸도록 형성되어, 분사노즐(560) 및 이 분사노즐(560)과 고압 펌프(540) 사이의 연결통로를 냉각하도록 구성된다.

일 실시예에서 냉각 채널(530)은 이송관(400)으로부터 우레아 수용액을 공급받는 유입통로(510) 및 우레아 수용액을 고압 펌프(540)로 배출하는 배출통로(545)를 구비한다. 유입통로(510)를 통해 분사모듈(500) 내로 유입된 우레아 수용액은 냉각 채널(530)을 흐르면서 분사모듈(500)을 냉각시킨 후 배출통로(545)를 통해 고압 펌프(540)로 공급되어 분사노즐(560)을 통해 분사된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 탱크모듈(200)에서 분사모듈(500)로 우레아 수용액을 공급할 때는 탱크모듈(200) 측에 설치된 저압 펌프(250)를 사용하고 분사노즐(560)을 통해 배기관(110) 내로 고압으로 분사할 때는 저압 펌프(250)와 별도로 분사모듈(500)에 설치된 고압 펌프(540)를 사용한다. 그러므로 충분히 고압의 우레아 수용액을 분사노즐(560)을 통해 배기관(110)으로 분사할 수 있으므로 배기관(110) 내에서 짧은 시간 내에 미립화 및 열분해 되어 암모니아를 생성할 수 있고, 따라서 본 발명은 배기관에 분사된 우레아 수용액의 미립화 특성을 향상시키고 암모니아로 열분해 되는데 필요한 시간과 공간을 줄이는 효과를 가진다.

도6은 제3 실시예에 따른 분사모듈(600)을 나타낸다.

도면에서 탱크모듈(200)과 이송관(400)은 도5에 도시한 탱크모듈(200) 및 이송관(400)과 동일 또는 유사하므로 설명을 생략한다. 제3 실시예에 따른 분사모듈(600)은 냉각 채널(630), 펌프(640), 분사량 조절밸브(650), 압력조절밸브(670), 및 분사노즐(660)을 포함할 수 있으며, 이 구성요소들은 도5를 참조하여 설명한 구성요소들과 각각 동일 또는 유사한 구성과 기능을 가진다.

도6의 제3 실시예의 분사모듈(600)은 고압 펌프(640)가 분사모듈 본체에서 분리되어 배치되는 점에서 제2 실시예(도5)의 분사모듈(500)과 차이가 있다. 이 때 “분사모듈 본체”는 배기관(110)에 직접적으로 부착된 부재로서, 예컨대 냉각채널(630) 및 분사노즐(460) 그리고 분사량 조절밸브(650)와 압력조절밸브(670)를 포함하는 부재이다.

제3 실시예의 분사모듈(600)에서 고압펌프(640)는 이러한 분사모듈 본체로부터 소정 거리 이격되어 배치되며, 냉각채널(630)로부터 우레아 수용액을 유입받는 유입구(645)와 고압펌프(640)에서 분사노즐(660) 측으로 고압의 우레아 수용액을 배출하는 배출구(646)에 의해 연결되어 있다.

이러한 제3 실시예의 분사모듈(600)에 따르면 고압펌프(640)가 배기관(110)에 직접 접촉하고 있지 않으므로 고압펌프(640)를 냉각할 필요성이 감소하고, 냉각 채널(630)의 우레아 수용액이 고압펌프(640)를 냉각하지 않고 분사노즐(660)과 그 주위의 구성요소들만 냉각하면 되므로 냉각효율을 높일 수 있다. 다만, 고압펌프(640)가 분사노즐(660)로부터 멀어질수록 분사노즐(660)의 분사압력이 감소하므로 분사노즐의 냉각효과와 분사압이 상충관계에 있으므로, 본 발명의 구체적 실시 형태에 맞게 고압펌프(640)의 이격 거리를 설정하는 것이 바람직하다.

이상과 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 수 있다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 내연기관
110: 배기관
120: SCR
200: 탱크모듈
300, 500, 600: 분사모듈
400: 이송관

Claims

우레아 수용액을 저장하는 탱크모듈(200), 우레아 수용액을 내연기관의 배기관 내로 분사하는 분사모듈(300), 및 상기 탱크모듈과 분사모듈을 연결하는 우레아 수용액 이송관(400)을 구비한 우레아 공급 시스템으로서,
일단이 상기 이송관(400)에 연결되고 타단이 상기 탱크모듈 내의 우레아 수용액의 수위보다 아래에 위치하는 송출관(220);
상기 송출관(220)에서 분기되고 탱크모듈 내에서 개방된 단부(231)를 갖는 회수관(230);
상기 회수관(230)을 개폐하는 제1 밸브(240);
일단이 상기 이송관(400)에 연결되고 타단이 공기 중에 개방된 제1 공기유입관(410);
상기 제1 공기유입관을 개폐하는 제2 밸브(411);
일단이 상기 제1 공기유입관(410)의 일단과 상기 분사모듈 사이에 위치하며 상기 이송관(400)에 연결되고, 타단이 공기 중에 개방된 제2 공기유입관(420);
상기 제2 공기유입관(420)을 개폐하는 제3 밸브(421); 및
상기 제1 공기유입관(410)의 일단과 상기 제2 공기유입관(420)의 일단 사이에 위치하며 상기 이송관(400)을 개폐하는 제4 밸브(430);를 포함하는 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 회수관(230)의 상기 개방된 단부가 탱크모듈 내에서 우레아 수용액의 최대 수위(L)보다 높은 위치에 위치하는 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 제1 공기유입관(410)의 상기 일단의 높이가 상기 회수관(230)의 상기 개방된 단부(231)의 높이보다 높은 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 회수관(230)의 개방된 단부(231)에서부터 상기 제1 공기유입관(410)의 일단까지 갈수록 상기 이송관 내의 모든 임의의 지점에서 높이가 점차 높아지도록 구성됨으로써, 상기 제1 밸브와 제2 밸브가 개방되었을 때 이송관 내의 우레아 수용액이 상기 이송관을 통해 상기 탱크모듈로 회수되는 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 제1 밸브, 상기 제2 밸브, 및 상기 분사모듈의 각각의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함하고,
내연기관의 운전 정지 후, 상기 제어부가, 상기 제1 밸브와 제2 밸브를 개방하여 상기 이송관 내의 우레아 수용액을 상기 회수관을 통해 회수하는 제1 퍼징 모드, 및 상기 제2 밸브를 개방하고 상기 분사모듈을 동작시켜 분사모듈 내의 우레아 수용액을 퍼징하는 제2 퍼징 모드를 실행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 제어부가 상기 제1 퍼징 모드와 제2 퍼징 모드를 순차적으로 또는 동시에 실행하는 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 분사모듈이,
우레아 수용액을 내연기관의 배기관 내로 분사하는 분사노즐;
분사모듈로 이송된 우레아 수용액을 분사노즐 측으로 배출하기 위한 펌프; 및
우레아 수용액을 수용할 수 있는 일정 체적의 공간을 가지며 상기 분사노즐을 둘러싸도록 형성되고, 상기 이송관으로부터 우레아 수용액을 공급받는 유입통로 및 상기 펌프로 우레아 수용액을 배출하는 배출통로를 구비한 냉각 채널;을 포함하는 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 및 제4 밸브가 하나의 삼방밸브로 구성되거나 또는 상기 제3 및 제4 밸브가 하나의 삼방밸브로 구성된 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 내지 제4 밸브와 상기 분사모듈의 각각의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함하고,
내연기관의 운전 정지 후, 상기 제어부가, 상기 제1 및 제2 밸브를 개방하고 제4 밸브를 폐쇄하여 상기 이송관 내의 우레아 수용액을 상기 회수관을 통해 회수하는 제1 퍼징 모드, 및 상기 제3 밸브를 개방하고 상기 제4 밸브를 폐쇄하고 상기 분사모듈을 동작시켜 상기 분사모듈 내의 우레아 수용액을 퍼징하는 제2 퍼징 모드를 실행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.
제 9 항에 있어서,
상기 제어부가 상기 제1 퍼징 모드와 제2 퍼징 모드를 동시에 실행하는 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.
우레아 수용액을 저장하는 탱크모듈(200), 우레아 수용액을 내연기관의 배기관 내로 분사하는 분사모듈, 및 상기 탱크모듈과 분사모듈을 연결하는 우레아 수용액 이송관(400)을 구비한 우레아 공급 시스템으로서,
일단이 상기 이송관(400)에 연결되고 타단이 상기 탱크모듈 내의 우레아 수용액의 수위보다 아래에 위치하는 송출관(220);
상기 송출관(220)에서 분기되고 탱크모듈 내에서 개방된 단부(231)를 갖는 회수관(230);
상기 회수관(230)을 개폐하는 제1 밸브(240);
일단이 상기 이송관(400)에 연결되고 타단이 공기 중에 개방된 공기유입관(410); 및
상기 공기유입관을 개폐하는 제2 밸브(411);를 포함하고,
상기 탱크모듈은, 이 탱크모듈에 저장된 우레아 수용액을 상기 분사모듈로 이송하기 위한 저압펌프(250)를 포함하고,
상기 분사모듈은, 이 분사모듈로 이송된 우레아 수용액을 고압으로 배출하기 위한 고압펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.
제 11 항에 있어서,
상기 회수관(230)의 상기 개방된 단부가 탱크모듈 내에서 우레아 수용액의 최대 수위(L)보다 높은 위치에 위치하는 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.
제 12 항에 있어서,
상기 공기유입관(410)의 상기 일단의 높이가 상기 회수관(230)의 상기 개방된 단부(231)의 높이보다 높은 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 회수관(230)의 개방된 단부(231)에서부터 상기 공기유입관(410)의 일단까지 갈수록 상기 이송관 내의 모든 임의의 지점에서 높이가 점차 높아지도록 구성됨으로써, 상기 제1 밸브와 제2 밸브가 개방되었을 때 이송관 내의 우레아 수용액이 상기 이송관을 통해 상기 탱크모듈로 회수되는 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.
제 11 항에 있어서,
상기 저압펌프는 10 Bar 이하의 압력으로 우레아 수용액을 상기 분사모듈로 이송하고,
상기 고압펌프는 20 bar 내지 100 bar 사이의 압력으로 우레아 수용액을 배출하는 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.
제 11 항에 있어서, 상기 분사모듈이,
우레아 수용액을 내연기관의 배기관 내로 분사하는 분사노즐(560); 및
우레아 수용액을 수용할 수 있는 일정 체적의 공간을 가지며 상기 분사노즐을 둘러싸도록 형성되고, 상기 이송관(400)으로부터 우레아 수용액을 공급받는 유입통로 및 상기 고압펌프로 우레아 수용액을 배출하는 배출통로를 갖는 냉각 채널(530);을 포함하는 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.
제 16 항에 있어서,
상기 분사모듈이 분사모듈 본체와 상기 고압펌프로 분리 구성되고,
상기 분사모듈 본체 내에 상기 분사노즐, 및 냉각 채널이 배치되고, 상기 고압펌프는 상기 분사모듈 본체로부터 소정 거리 이격되어 배치된 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.