KR102320147B1 - 환원제 믹싱 장치 및 이를 갖는 선택적 촉매 환원 시스템 - Google Patents

환원제 믹싱 장치 및 이를 갖는 선택적 촉매 환원 시스템 Download PDF

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Abstract

환원제 믹싱 장치는 배기 파이프를 통해 배출되는 엔진의 배기가스에 환원제를 분사하기 위한 환원제 분사 모듈의 후방에 설치되며 상기 배기가스 및 상기 환원제가 통과하는 담체, 및 상기 담체 내부에 설치되며 상기 담체를 통과하는 상기 환원제를 가열하여 기화시키기 위한 가열부를 포함한다.

Description

환원제 믹싱 장치 및 이를 갖는 선택적 촉매 환원 시스템{MIXING DEVICE FOR REDUCING AGENT AND SELECTIVE CATALYST REDUCTION SYSTEM HAVING THE SAME}
본 발명은 환원제 믹싱 장치 및 이를 갖는 선택적 촉매 환원 시스템에 관한 것이다. 더욱 자세하게는, 환원제 분사 모듈에서 분사된 환원제를 가열하는 믹싱 장치 및 이를 갖는 선택적 촉매 환원 시스템에 관한 것이다.
내연기관, 예를 들어, 디젤 엔진의 배기가스 처리 시스템은 배기가스 중에 함유된 공해 물질들을 감소시키기 위해 디젤 산화 촉매(Diesel oxidation catalyst, DOC) 장치 및 선택적 환원 촉매(Selective catalyst reduction, SCR) 장치 등과 같은 배기가스 후처리 장치들을 구비할 수 있다.
선택적 환원 촉매 장치의 경우, 환원제 분사 모듈에서 요소수 등을 분사하여 질소산화물(NOx)과 촉매 반응시킴으로써 질소산화물을 질소 가스와 물로 환원시킬 수 있다.
그러나, 배기가스의 온도가 낮아지거나 유량이 적어지면 환원제 분사 모듈에서 분사된 요소수가 배기 파이프의 내벽 등에 부착되어 결정화될 수 있다. 결정화된 요소수는 선택적 환원 촉매의 성능을 저하시키고 엔진의 출력에도 나쁜 영향을 끼칠 수 있으며, 배기가스 중의 황산화물(SO3)과 반응하여 배기 파이프의 부식을 유발하는 황산암모늄((NH4)2SO4)을 생성할 수 있다.
본 발명의 일 과제는 배기 파이프 내에서 요소수의 결정화를 방지하기 위한 환원제 믹싱 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 과제는 상술한 환원제 믹싱 장치를 갖는 선택적 촉매 환원 시스템을 제공하는데 있다.
상술한 본 발명의 일 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 환원제 믹싱 장치는, 배기 파이프를 통해 배출되는 엔진의 배기가스에 환원제를 분사하기 위한 환원제 분사 모듈의 후방에 설치되며 상기 배기가스 및 상기 환원제가 통과하는 담체 및 상기 담체 내부에 설치되며 상기 담체를 통과하는 상기 환원제를 가열하여 기화시키기 위한 가열부를 포함한다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 담체는 허니콤 형상일 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 담체는 코디어라이트, 탄화규소 및 페칼로이 등을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 환원제 믹싱 장치는 상기 담체를 감싸 보호하기 위한 지지체를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 가열부는 정면에서 보았을 때 상기 담체 내부에 나선형으로 배치될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 가열부는 정면에서 보았을 때 상기 담체 내부에 서로 다른 크기를 가지는 복수개의 다각형 형상으로 배치될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 환원제 믹싱 장치는 상기 가열부로 전류를 공급하기 위한 전력 공급부를 더 포함할 수 있다.
상술한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 선택적 촉매 환원 시스템은, 엔진으로부터 배기가스가 배출되는 배기 파이프에 설치되며 상기 배기 파이프 내부로 환원제를 분사하는 환원제 분사 모듈, 상기 배기 파이프 내에서 상기 환원제 분사 모듈의 후방에 설치되며 상기 배기가스와 상기 환원제를 촉매 반응시켜 상기 배기가스 내의 질소산화물을 환원시키기 위한 선택적 환원 촉매 장치, 및 상기 배기 파이프 내에서 상기 환원제 분사 모듈 및 상기 선택적 환원 촉매 장치 사이에 설치되며 상기 환원제를 기화시켜 상기 배기가스와 혼합시키기 위한 환원제 믹싱 장치를 포함한다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 환원제 믹싱 장치는 상기 배기가스 및 상기 환원제가 통과하는 허니콤 형상의 담체 및 상기 담체 내부에 설치되며 상기 담체를 통과하는 상기 환원제를 가열하여 기화시키기 위한 가열부를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 환원제 분사 모듈은 상기 배기 파이프 내에서 상기 선택적 환원 촉매 장치로부터 상기 배기 파이프 직경의 10배 이상 전방으로 이격 설치될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 배기 파이프 내에서 상기 선택적 환원 촉매 장치의 후방에 설치되며 상기 배기 파이프 내의 암모니아를 제거하기 위한 암모니아 슬립 촉매 장치를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 배기 파이프 내부의 상기 배기가스의 온도를 측정하기 위한 온도 센서 및 상기 배기 파이프 내부의 상기 배기가스에 포함된 질소산화물의 농도를 측정하기 위한 질소산화물 농도 센서를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 온도 센서 및 상기 질소산화물 농도 센서로부터 각각 상기 배기가스의 온도 및 상기 배기가스 중의 질소산화물 농도 정보를 입력받고, 상기 환원제 분사모듈 및 상기 환원제 믹싱 장치의 동작을 제어하기 위한 제어부를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제어부는 상기 환원제 분사모듈로부터 분사된 환원제 분사량이 기 설정된 분사량 이상인 경우 상기 환원제 믹싱 장치를 작동시킬 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제어부는 상기 배기가스의 온도가 350℃ 이하인 경우 상기 환원제 믹싱 장치를 작동시킬 수 있다.
예시적인 실시예들에 환원제 믹싱 장치는 환원제 분사 모듈에서 배기파이프 내부로 분사된 환원제를 가열할 수 있다. 가열된 환원제는 기화하여 배기가스와 더욱 균일하게 혼합될 수 있다. 이에 따라, 선택적 환원 촉매 시스템은 배기가스에 포함된 질소산화물을 더욱 효과적으로 제거할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 환원제 믹싱 장치를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 환원제 믹싱 장치를 Ⅳ-Ⅳ 라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 5 및 도 6은 도 3의 환원제 믹싱 장치의 다양한 구조들을 나타내는 정면도들이다.
도 7은 도 1의 선택적 촉매 환원 시스템을 이용하여 질소산화물을 환원시키는 방법을 나타내는 순서도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에" 와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는" 과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 나타내는 도면이다. 도 2는 예시적인 실시예들에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 나타내는 도면이다. 도 3은 도 1의 환원제 믹싱 장치를 나타내는 사시도이다. 도 4는 도 3의 환원제 믹싱 장치를 Ⅳ-Ⅳ 라인을 따라 절단한 단면도이다. 도 5 및 도 6은 도 3의 환원제 믹싱 장치의 다양한 구조들을 나타내는 정면도들이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 선택적 촉매 환원 시스템은 엔진(도시되지 않음)으로부터 배기가스가 배출되는 배기 파이프(10)에 순차적으로 설치되는 환원제 분사 모듈(32), 환원제 믹싱 장치(34) 및 선택적 환원 촉매(Selective catalyst reduction, SCR) 장치(30)를 포함할 수 있다. 또한, 디젤 산화 촉매(Diesel oxidation catalyst, DOC) 장치(20)가 선택적 환원 촉매 장치(30)의 전방에 구비될 수 있다. 이 때, '전방'에 위치한다는 것은 상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 흐름을 기준으로 상대적으로 상기 엔진에 더 가까이 있음을 나타낸다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 엔진은 굴삭기 등의 건설기계, 버스 및 트럭 등의 상용차량, 및 지게차 등의 산업차량을 구동시키기 위한 구동원일 수 있다. 상기 엔진은 연료를 연소시켜 동력을 발생시키고, 연소 과정에서 생성된 배기가스는 배기 파이프(10)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 배기가스 내에는 각종 탄화수소 및 질소산화물 등의 환경오염 물질들이 포함될 수 있다. 상기 환경오염 물질들은 디젤 산화 촉매 장치(20) 및 선택적 환원 촉매 장치(30)를 통해 제거될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 디젤 산화 촉매 장치(20)는 배기 파이프(10) 내에 설치되는 허니콤 형상의 제1 담체(도시되지 않음) 및 상기 제1 담체 표면에 코팅된 산화촉매를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 담체는 코디어라이트, 탄화규소, 페칼로이 등의 세라믹 부재를 포함할 수 있고, 상기 산화촉매는 Pt, Pd, Rh, Ir, Ag, Sn, Ru 등을 포함할 수 있다. 상기 산화촉매는 배기가스 중의 일산화탄소 및 탄화수소를 이산화탄소 및 물로 산화시킬 수 있다.
환원제 분사 모듈(32)은 디젤 산화 촉매 장치(20) 후방의 배기 파이프(10)에 설치되며, 배기가스 내의 질소산화물을 환원시키기 위한 요소수 등의 환원제를 배기 파이프(10) 내부로 분사할 수 있다.
환원제 분사 모듈(32)은 파이프(33)를 통해 요소수 공급 모듈(42)과 연결되어 요소수를 배기 파이프(10) 내에 분사할 수 있다. 또한, 요소수 공급 모듈(42)은 공급 라인(44) 및 회수 라인(46)을 통해 요소수 저장 탱크(40)에 연결될 수 있다. 요소수 저장 탱크(90)는 암모니아 생성용으로 AdBlue라는 요소수 수용액 또는 DEF(Diesel Exhaust Fluid)를 저장할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 예시적인 실시예들에 있어서, 환원제 분사 모듈(32)은 배기 파이프(10)의 곡면 부분에 설치될 수 있다.
일반적으로 배기 파이프(10)는 차량의 하부에 설치될 수 있다. 그런데, 상기 차량의 크기는 제한적이므로 배기 파이프(10)의 길이 또한 제한적일 수밖에 없다. 그러므로, 경우에 따라서는 배기 파이프(10)는 일부분이 구부러진 형상을 가질 수 있고, 환원제 분사 모듈(32)은 배기 파이프(10)의 구부러진 곡면 부분에 설치될 수 있다.
이와 다르게, 도 2에 도시된 바와 같이, 환원제 분사 모듈(32)은 배기 파이프(10)의 직선 부분에 설치될 수도 있다. 이 경우에 있어서, 환원제 분사 모듈(32)에서 분사된 환원제가 환원제 믹싱 장치(34)의 전면에 균일하게 분사되도록 하기 위하여, 환원제 믹싱 장치(34)는 배기 파이프(10)의 내측벽에 대하여 일정한 각도(θ)를 가지도록 비스듬하게 설치될 수 있다.
선택적 환원 촉매 장치(30)는 배기 파이프(10) 내부의 환원제 분사 모듈(32) 후방에 설치되며, 다음과 같은 반응식 1 내지 반응식 3에 의해 질소산화물(NOx)을 환원시켜 인체에 무해한 질소(N2)로 변환시킬 수 있다.
[반응식 1]
Figure 112015018109773-pat00001
[반응식 2]
Figure 112015018109773-pat00002
[반응식 3]
Figure 112015018109773-pat00003
요소((NH2)2CO)는 가수 분해에 의해 암모니아(NH3)를 생성할 수 있다. 이렇게 생성된 상기 암모니아는 NO 및 NO2를 환원시켜, 인체에 무해한 질소(N2)로 변환시킬 수 있다.
환원제 믹싱 장치(34)는 배기 파이프(10) 내에서 환원제 분사 모듈(32)과 선택적 환원 촉매 장치(30) 사이에 설치되며, 환원제 분사 모듈(32)에서 분사된 환원제를 배기가스와 균일하게 혼합되도록 하여 선택적 환원 촉매 장치(30)의 질소산화물 환원 효율을 증대시킬 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 환원제 믹싱 장치(34)는 배기 파이프(10) 내에 설치되는 허니콤 형상의 제2 담체(110), 제2 담체(110) 내부에 설치되어 환원제를 가열시키기 위한 가열부(120), 및 가열부(120)로 전류를 공급하기 위한 전력 공급부(130)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 담체는 코디어라이트, 탄화규소, 페칼로이 등의 세라믹 부재를 포함할 수 있고, 상기 가열부는 전기 에너지를 공급받아 열에너지로 변환시키기 위한 열선 등을 포함할 수 있다.
환원제 분사 모듈(32)에서 분사된 환원제 및 엔진으로부터 배출된 배기가스는 환원제 믹싱 장치(34)의 제2 담체(110)를 통과하는 과정에서 혼합될 수 있다. 구체적으로, 제2 담체(110)는 허니콤 형상으로 배치된 복수개의 통로들(112)을 포함할 수 있고, 환원제 및 배기가스는 통로들(112)을 통과하는 과정에서 서로 혼합될 수 있다. 또한, 도시되지는 않았지만, 환원제 믹싱 장치(34)는 적어도 하나의 베인(vane, 도시되지 않음)을 포함할 수 있고, 상기 베인은 난류를 형성하여 환원제와 배기가스를 더욱 균일하게 혼합시킬 수 있다.
일반적으로 엔진으로부터 배출된 배기가스의 온도는 수백 ℃에 이르는 고온이므로, 환원제 분사 모듈(32)에서 배기 파이프(10) 내부로 분사된 환원제는 곧바로 기화될 수 있다. 기화된 환원제는 배기가스와 혼합되고, 환원제와 상기 질소산화물을 선택적 환원 촉매 장치(30)를 이용하여 촉매 반응시켜 상기 질소산화물을 질소 가스와 물로 환원시킬 수 있다.
그러나, 엔진에서의 불완전 연소 등으로 배기가스의 온도가 낮아지거나 또는 배기가스의 유량이 적은 경우에는, 환원제 분사 모듈(32)에서 분사된 환원제가 완전히 기화되지 못하고 배기 파이프(10)의 내벽 등에 부착되어 결정화(Crystallization)될 수 있다. 예를 들면, 배기가스의 온도가 300℃ 이하인 경우에는 분사된 환원제 중 일부가 결정화될 수 있고, 결정화된 환원제는 350℃ 이상으로 온도가 상승하면 다시 분해 될 수 있다. 상기 결정화된 환원제는 계속해서 성장하게 되며, 성장한 환원제 결정은 선택적 촉매 환원 시스템의 성능을 저하시킬 수 있다.
가열부(120)는 주위로 열에너지를 발산하여, 환원제 믹싱 장치(34) 내부의 제2 담체(110)를 통과하는 환원제를 가열시킬 수 있다. 가열된 환원제는 기화될 수 있고 이 과정에서 제2 담체(110)의 통로(112)를 지나는 배기가스와 더욱 균일하게 혼합될 수 있다. 또한, 가열부(120)는 이미 결정화되어 배기 파이프(10)의 내벽 또는 환원제 믹싱 장치(34)에 부착되어 있던 환원제를 분해시킬 수도 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 가열부(120)는 제2 담체(110) 내부에 다양한 형상을 가지도록 배치될 수 있다. 예를 들면, 도 5에 도시된 바와 같이, 가열부(120)는 환원제 믹싱 장치(34)를 정면에서 보았을 때 제2 담체(120) 내부에 나선형으로 배치될 수 있다. 이와 다르게, 도 6에 도시된 바와 같이, 가열부(122)는 환원제 믹싱 장치(34)를 정면에서 보았을 때 제2 담체(110) 내부에 서로 다른 크기를 가지는 복수개의 다각형 형상으로 배치될 수도 있다. 또한, 도시되지는 않았지만, 가열부(120)는 환원제 믹싱 장치(34)를 정면에서 보았을 때 제2 담체(120) 내부에 서로 다른 크기를 가지는 복수개의 동심원 형상으로 배치되는 등 필요에 따라 다양한 형상으로 배치될 수 있다.
전력 공급부(130)는 외부로부터 전력을 공급받아 가열부(120)로 전류를 공급할 수 있다. 예를 들면, 전력 공급부(130)는 차량의 배터리로부터 전력을 공급받을 수 있다. 이 경우에 있어서, 전력 공급부(130)는 후술하는 제어부(50)에 의해 제어될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 환원제 믹싱 장치(34)는 제2 담체(110)를 감싸 보호하기 위한 지지체(100)를 더 포함할 수 있다. 제2 담체(110)는 세라믹 재질로 구성될 수 있어 외부 충격에 의해 쉽게 깨질 수 있다. 따라서, 제2 담체(110)를 외부 충격으로부터 보호하기 위하여 지지체(100)를 제2 담체(110) 외부에 설치할 수 있다. 이와 다르게, 지지체(100)는 배기 파이프(10)와 일체로 형성될 수도 있다.
도 1을 다시 참조하면, 환원제 분사 모듈(32)로부터 분사된 환원제는 환원제 믹싱 장치(34)에서 기화되며, 기화된 환원제는 배기가스와 혼합되어 선택적 촉매 환원 장치(30)로 공급될 수 있다. 이 경우에 있어서, 환원제가 배기가스와 균일하게 혼합될수록 선택적 촉매 환원 장치(30)에서의 질소산화물 환원 효율은 더욱 증가할 수 있다. 따라서, 환원제와 배기가스의 혼합 시간을 확보하기 위하여, 환원제 분사 모듈(32)은 선택적 촉매 환원 장치(30)와 일정 거리만큼 이격되도록 설치될 수 있다. 예를 들면, 환원제 분사 모듈(32)은 선택적 환원 촉매 장치(30)의 전단면으로부터 전방으로 배기 파이프(10) 직경(d)의 10배 이상의 거리(s)만큼 이격 설치될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 선택적 촉매 환원 시스템은 배기 파이프(10)에 설치되는 적어도 하나의 온도 센서(38) 및 질소산화물 농도 센서(39), 및 환원제 분사 모듈(32)과 환원제 믹싱 장치(34)를 제어하기 위한 제어부(50)를 더 포함할 수 있다.
온도 센서(38)는 배기 파이프(10) 내부의 배기가스의 온도를 측정할 수 있고, 질소산화물 농도 센서(39)는 배기가스에 포함된 질소산화물의 농도를 측정할 수 있다. 예를 들면, 상기 온도 센서 및 상기 질소산화물 농도 센서는 상기 선택적 환원 촉매 장치 전방에 설치될 수 있다.
제어부(50)는 온도 센서(38) 및 질소산화물 농도 센서(39)로부터 배기가스의 온도 및 배기가스 중의 질소산화물의 농도에 대한 정보를 입력 받고, 이를 바탕으로 환원제 분사 모듈(32) 및 환원제 믹싱 장치(34)를 제어할 수 있다. 예를 들면, 상기 제어부는 엔진 제어 장치(Electronic control unit, ECU) 또는 환원제 분사 제어 장치(Dosing control unit, DCU) 내에 포함될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 선택적 촉매 환원 시스템은 선택적 환원 촉매 장치(30) 후방에 설치되어 암모니아를 제거하는 암모니아 슬립 촉매 장치(36)를 더 포함할 수 있다.
환원제 분사 모듈(32)에서 분사된 상기 요소에 의해 생성된 상기 암모니아는 배기가스 중의 질소산화물을 환원시킬 수 있다. 이 때, 상기 질소산화물의 전환 효율을 극대화시키기 위해서 화학양론적 양보다 더 많은 양의 암모니아를 공급할 수 있다. 이로 인해, 상기 암모니아가 촉매반응을 통해 완전히 소모되지 않고 대기 중으로 방출되어 대기 오염을 유발할 수 있는데, 이를 암모니아 슬립(Ammonia slip) 현상이라 한다. 암모니아 슬립 촉매 장치(36)는 선택적 환원 촉매 장치(30)에서 소모되지 못한 상기 암모니아를 제거함으로써 암모니아 슬립 현상을 방지할 수 있다.
상술한 바와 같이, 예시적인 실시예들에 따른 선택적 촉매 환원 시스템은 배기 파이프(10) 내부로 분사된 환원제를 가열하여 기화시킬 수 있다. 상기 기화된 환원제는 환원제 믹싱 장치(34)의 제2 담체(110)를 통과하는 과정에서 배기가스와 균일하게 혼합될 수 있다. 선택적 환원 촉매 장치(30)는 상기 환원제와 배기가스 중의 질소산화물을 촉매 반응시켜 상기 질소산화물을 질소 가스와 물로 환원시킬 수 있다.
이하에서는, 상기 선택적 촉매 환원 시스템에서 상기 환원제 믹싱 장치의 제어 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 7은 도 1의 선택적 촉매 환원 시스템을 이용하여 질소산화물을 환원시키는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 7을 참조하면, 환원제 분사 모듈(32)이 배기 파이프(10) 내부로 환원제를 분사한다(S100).
예를 들면, 제어부(50)는 배기 파이프(10) 내부에 설치된 센서들(38, 39)로부터 엔진의 작동 여부에 대한 정보를 입력 받고, 상기 엔진이 작동된 경우 환원제 분사 모듈(32)을 작동시켜 배기 파이프(10) 내부로 요소수와 같은 환원제를 분사시킬 수 있다.
이어서, 환원제 가열의 필요성을 판단한다(S200).
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 환원제 가열의 필요성을 판단하는 단계는 환원제 분사량이 기 설정된 양 이상인지 여부를 판단하는 단계(S210)를 포함할 수 있다.
환원제 믹싱 장치(34)는 환원제 분사 모듈(32)에서 분사된 환원제를 가열하여 기화시킬 수 있다. 따라서, 실제로 환원제가 분사되지 않은 경우에는 환원제 믹싱 장치(34)의 가열부(120)가 작동하지 않도록 하기 위하여, 제어부(50)는 환원제 분사량이 기 설정된 양 이상인 경우에만 환원제를 가열하도록 환원제 믹싱 장치(34)를 제어할 수 있다. 이 경우에 있어서, 상기 환원제 분사량은 질소산화물 농도 센서(39)에서 측정된 질소산화물의 양을 통해 계산될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 환원제 가열의 필요성을 판단하는 단계는 배기가스 유량이 기 설정된 범위 이내인지 여부를 판단하는 단계(S220)를 포함할 수 있다. 이 경우에 있어서, 상기 배기가스의 유량은 엔진으로 흡입된 공기의 유량과 소모된 연료량을 통해 계산될 수 있다.
예를 들면, 배기 파이프(10) 내부의 배기가스 유량이 기 설정된 범위 미만이면 차량의 시동이 걸리지 않은 상태로 판단할 수 있다. 또한, 흡입 공기 유량 센서(도시되지 않음)가 고장난 경우에는 배기가스의 유량이 비정상적으로 높게 측정될 수 있다. 이를 보완하기 위하여, 배기가스 유량이 기 설정된 범위를 초과하는 경우에도 환원제 믹싱 장치(34)의 가열부(120)를 작동시키지 않도록 제어할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 환원제 가열의 필요성을 판단하는 단계는 선택적 촉매 환원 장치(30) 전단의 온도가 기 설정된 온도 이하인지 여부를 판단하는 단계(S230)를 포함할 수 있다.
예를 들면, 요소는 300℃ 이하의 온도에서 결정화되고, 350℃ 이상으로 온도가 상승하면 다시 분해될 수 있다. 따라서, 제어부(50)는 배기 파이프(10)에 설치된 온도 센서(38)를 통해 배기가스의 현재 온도에 대한 정보를 입력 받고, 상기 온도가 350℃ 이하인 경우에만 환원제를 가열하도록 환원제 믹싱 장치(34)를 제어할 수 있다
환원제 가열이 필요하다고 판단된 경우, 환원제 믹싱 장치(34)를 이용하여 환원제를 가열한다(S300).
예를 들면, 제어부(50)는 환원제 믹싱 장치(34)의 전력 공급부(130)를 제어하여 가열부(120)로 전류를 공급할 수 있다. 가열부(120)는 주변의 환원제를 가열하여 기화시킬 수 있다. 이 때, 환원제 믹싱 장치(34) 주변의 결정화된 환원제 역시 분해될 수 있다.
기화된 환원제는 환원제 믹싱 장치(34)의 제2 담체(110)를 통과하는 동안 배기가스와 균일하게 혼합될 수 있다. 혼합된 환원제 및 배기가스는 선택적 환원 촉매 장치(30)로 공급되고, 촉매 반응을 통하여 질소산화물이 질소와 물로 환원될 수 있다.
상술한 바와 같이, 예시적인 실시예들에 따른 질소산화물 환원 방법은 엔진으로부터 배출된 배기가스에 요소수와 같은 환원제를 분사하고, 상기 환원제를 가열하여 기화시킴으로써 배기가스와의 혼합도(Degree of mixing)를 증가시킬 수 있다. 균일하게 혼합된 환원제와 배기가스는 선택적 환원 촉매 장치(30)로 공급될 수 있고, 배기가스 내의 질소산화물은 인체에 무해한 질소로 환원될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 배기 파이프 20: 디젤 산화 촉매 장치
30: 선택적 환원 촉매 장치 32: 환원제 분사 모듈
33: 파이프 34, 35: 환원제 믹싱 장치
36: 암모니아 슬립 촉매 장치 38: 온도 센서
39: 질소산화물 농도 센서 40: 요소수 저장 탱크
42: 요소수 공급 모듈 44: 공급 라인
46: 회수 라인 50: 제어부
100: 지지체 110: 제2 담체
112: 통로 120, 122: 가열부
130: 전력 공급부

Claims (14)

  1. 배기 파이프를 통해 배출되는 엔진의 배기가스에 환원제를 분사하기 위한 환원제 분사 모듈의 후방에 설치되며, 상기 배기가스 및 상기 환원제가 통과하는 담체; 및
    상기 담체 내부에 설치되며, 상기 담체를 통과하는 상기 환원제를 가열하여 기화시키기 위한 가열부를 포함하고,
    상기 가열부는 정면에서 보았을 때 상기 담체 내부에 나선형으로 배치되어 주위로 열에너지를 발산하는 것을 특징으로 하는 환원제 믹싱 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 담체는 허니콤 형상인 것을 특징으로 하는 환원제 믹싱 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 담체는 코디어라이트, 탄화규소 및 페칼로이로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 환원제 믹싱 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 가열부는 정면에서 보았을 때 상기 담체 내부에 서로 다른 크기를 가지는 복수개의 다각형 형상으로 배치된 것을 특징으로 하는 환원제 믹싱 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 가열부로 전류를 공급하기 위한 전력 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 환원제 믹싱 장치.
  7. 엔진으로부터 배기가스가 배출되는 배기 파이프에 설치되며, 상기 배기 파이프 내부로 환원제를 분사하는 환원제 분사 모듈;
    상기 배기 파이프 내에서 상기 환원제 분사 모듈의 후방에 설치되며, 상기 배기가스와 상기 환원제를 촉매 반응시켜 상기 배기가스 내의 질소산화물을 환원시키기 위한 선택적 환원 촉매 장치; 및
    상기 배기 파이프 내에서 상기 환원제 분사 모듈 및 상기 선택적 환원 촉매 장치 사이에 설치되며, 상기 환원제를 기화시켜 상기 배기가스와 혼합시키기 위한 환원제 믹싱 장치를 포함하고,
    상기 환원제 믹싱 장치는,
    상기 배기가스 및 상기 환원제가 통과하는 담체; 및
    정면에서 보았을 때 상기 담체 내부에 나선형으로 설치되며, 상기 담체를 통과하는 상기 환원제를 가열하여 기화시키기 위한 가열부를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 담체는,
    허니콤 형상의 담체인 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 환원제 분사 모듈은 상기 배기 파이프 내에서 상기 선택적 환원 촉매 장치로부터 상기 배기 파이프 직경의 10배 이상 전방으로 이격 설치되는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 배기 파이프 내에서 상기 선택적 환원 촉매 장치의 후방에 설치되며, 상기 배기 파이프 내의 암모니아를 제거하기 위한 암모니아 슬립 촉매 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 배기 파이프 내부의 상기 배기가스의 온도를 측정하기 위한 온도 센서; 및
    상기 배기 파이프 내부의 상기 배기가스에 포함된 질소산화물의 농도를 측정하기 위한 질소산화물 농도 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 온도 센서 및 상기 질소산화물 농도 센서로부터 각각 상기 배기가스의 온도 및 상기 배기가스 중의 질소산화물의 농도 정보를 입력받고, 상기 환원제 분사모듈 및 상기 환원제 믹싱 장치의 동작을 제어하기 위한 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 환원제 분사모듈로부터 분사된 환원제 분사량이 기 설정된 분사량 이상인 경우 상기 환원제 믹싱 장치를 작동시키는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 배기가스의 온도가 350℃ 이하인 경우 상기 환원제 믹싱 장치를 작동시키는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.
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