KR20110094004A - 분무화된 유체의 주입장치와 주입방법 - Google Patents

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스콧 엠. 마틴
스티븐 엠. 토마스
앨리슨 에이. 체임버스
테오도르 제이. 타라불스키
피. 로버트 산탄젤리
알. 기포드 브로데릭
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테네코 오토모티브 오퍼레이팅 컴파니 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은, 엔진 배기로부터 방출물을 줄이기 위해 배기흐름 내로 요소 수용액과 같은 반응제를 주입하는 장치와 방법에 관한 것으로, 본 발명은 인젝터의 출구를 둘러싸면서 회전체임버 내에 고속의 회전흐름을 생성하는 다수의 회전슬롯을 갖춘 회전판을 사용할 수 있으며, 반응제의 회전흐름이 출구를 통과하여 배기흐름으로 나아갈 때 배기흐름으로 분출하면서 공기에 의한 반응제의 전단과 원심력의 조합으로 분무가 일어난다.

Description

분무화된 유체의 주입장치와 주입방법{Methods and apparatus for injecting atomized fluids}
본 출원은, 2004년 4월 26일자로 출원된 미국 가출원 제60/565,356호의 혜택을 주장하면서 2005년 4월 22일자로 출원된 미국 특허출원 제11/112,039호의 계속 출원인 2008년 11월 21일의 미국 특허출원 제12/275,539호를 우선권 주장한다. 또한, 본 출원은 2004년 4월 26일자로 출원된 미국 가출원 제60/565,356호의 혜택을 주장하면서 2007년 3월 5일자로 출원된 미국 특허출원 제11/714,718호의 계속 출원이다. 이들 특허출원의 명세서는 여기에 참조로 병합된다.
본 발명은 전체적으로 희박연소(Lean Burn)엔진에 의해 생성되는 배출물의 감소에 관한 것으로, 특히 본 발명은 디젤엔진의 배기에서 질소산화물(이하 "NOx")의 배출을 줄이기 위해 배기흐름에다 요소(尿素) 수용액과 같은 반응제를 주입하는 장치와 방법을 제공한다. 선택적으로, 본 발명은 미립자를 줄이기 위해 디젤엔진의 배기에다 탄화수소 반응제를 주입하는 데 적용될 수 있다.
희박연소엔진은 연료의 완전연소를 위해 필요한 양 이상의 과잉산소로 작동함으로써 향상된 연료효율을 제공한다. 이러한 엔진은 "희박혼합비"에서 또는 "희박상태"로 운전된다고 한다. 하지만, 이러한 연비의 증가는 원하지 않는 공해 배출, 특히 NOx 형태의 배출에 의해 상쇄되고 있다.
희박연소의 내연기관에서 NOx의 배출을 줄이기 위해 사용되는 방법으로는 선택적 촉매저감법(이하 "SCR")이 알려져 있는바, 예컨대 디젤엔진에서 NOx의 배출을 줄이기 위해 사용될 때 SCR은 엔진의 연료유량, 터보 부스트압력, 또는 배기 NOx의 질량유량에 의해 측정되는 엔진 부하, 엔진 RPM, 배기가스 온도 등과 같은 하나 이상의 선택된 엔진의 작동변수들과 관련하여 엔진의 배기흐름에다 분무화된 반응제를 주입하는 것을 포함한다. 반응제 및 배기가스 혼합물은, 반응제의 존재시 NOx 농도를 줄일 수 있는 예컨대 활성탄이나, 백금, 바나듐 또는 텅스텐과 같은 금속 등으로 된 촉매를 포함하는 반응기를 통과하게 된다. 이러한 유형의 SCR 시스템이 미국 특허 제5,976,475호에 기술되어 있다.
요소 수용액은 디젤엔진용 SCR 시스템에서 효과적인 반응제로 알려져 있다. 하지만, 이러한 요소 수용액의 사용은 많은 단점을 수반한다. 요소는, 배기가스 흐름에다 요소 혼합물을 주입하는 데 사용되는 인젝터와 같은 SCR 시스템의 기계적인 구성요소를 침식시키며 부식성이 아주 높다. 또한, 요소는 디젤의 배기시스템에서 만나게 되는 고온에 장기간 노출될 때 응고되는 경향이 있다. 이렇게 응고된 요소는 통상 인젝터에 있는 출구 개구부와 좁은 통로에 쌓이게 되어서, 응고된 요소가 인젝터의 가동부(可動部)를 더럽히고 개구부를 막히게 하여 인젝터가 사용될 수 없게 한다.
덧붙여, 요소 혼합물이 곱게 분무화되지 못하면, 요소 침적물이 촉매 반응기에 형성되어 촉매의 작용을 억제함으로써, SCR 시스템의 효율을 감소시키게 된다. 주입압력을 높이는 것이 요소 혼합물의 불충분한 분무화 문제를 최소화하는 한가지 방법이다. 그러나 높은 주입압력은 종종 인젝터의 분무 액적(Spray Plume)이 배기흐름으로 과도하게 침투되게 하여서, 액적이 인젝터 반대쪽 배기관의 내부면에 충돌하게 된다. 과도한 침투는 요소 혼합물이 비효율적으로 사용되게 하고, NOx의 배출이 줄어든 상태로 차량이 이동할 수 있는 거리를 줄이게 된다. 함수(含水) 요소의 한정된 양이 차량에 구비될 수 있으므로, 차량의 이동가능거리를 극대화시키고 반응제를 빈번히 가득 채워야 하는 것을 줄이기 위해서는 상기 구비된 양이 효율적으로 사용되어야 한다.
또한, 함수 요소는 윤활 성능이 부족하다. 이 특성은 인젝터 내의 가동부에 악영향을 끼치며, 특정한 적합성, 여유 및 공차가 인젝터 내에서 상대적으로 움직이는 부품들 사이에 적용되어야만 한다. 또, 함수 요소는 누출되기 쉬운 경향이 있다. 이 특성은 접합면들에 악영향을 끼쳐 많은 위치에서 향상된 밀봉수단을 요구하게 된다.
희박연소 디젤엔진의 배기흐름에 함수 요소를 주입하는 종래기술의 인젝터 중 한 예가 미국 특허 제6,279,603호에 기재되어 있다. 이 종래기술의 인젝터는 인젝터의 외부에 분무화 후크(Hook)를 사용하여 인젝터로부터 방출되는 요소 용액을 흩어지게 한다. 요소 용액은 인젝터본체의 출구 영역에서 순환되어 냉각을 제공한다.
이에 따라, 희박연소엔진의 배기흐름에 요소 수용액을 주입하는 장치와 방법을 제공하는 것이 유리한데, 여기서는 배기흐름 내에 주입되기 전에 요소 용액의 분무화가 인젝터의 내부에서 일어나게 된다. 또한, 요소가 응고되는 것을 방지하고 인젝터 구성요소들의 수명을 연장시키기 위해 인젝터를 냉각시키는 것이 유리할 것이다. 인젝터의 내부에 최소로 침적물이 형성되게 하기 위해 배기관으로부터 인젝터로의 열전달을 최소화시키는 것이 유리할 것이다. 또, 그을음과 요소가 상대적으로 차가운 인젝터 출구로 유인되어 인젝터의 외부에 침적물이 생기는 것을 방지하도록 고온의 가스로부터 출구로의 열전달을 최소화시키는 것이 유리할 것이다. 더불어, 경제 및 환경적인 목적을 위해 누출되지 않는 인젝터를 제공하는 것이 유리할 것이다.
본 발명의 장치와 방법은 전술한 유리한 점과 다른 장점을 제공하게 된다.
본 발명은, 엔진의 배기로부터 방출물을 줄이기 위해 배기흐름 내로 요소 수용액과 같은 반응제를 주입하는 향상된 장치와 방법을 제공한다. 특히 본 발명에 따른 인젝터는, 디젤, 천연가스, 제트, 터빈, 연료전지 등과 같은 임의의 엔진 또는 다른 엔진 유형에 사용되기 위한 향상된 성능의 분무기이다.
현재 소형 도로용 및 비포장 도로용 디젤엔진의 요소 인젝터는 이중 반응제 분무화 기술을 채용하고 있다. 이 기술은 별도의 에어 컴프레서(Air Compressor)를 필요로 한다. 미국 특허 제6,279,603호(이하 '603 특허라 함)에 게재된 다른 종래기술의 분무화 기술은 인젝터 내부에서의 분무화 공정을 갖지 않은 인젝터를 사용한다. '603 특허에 기술된 인젝터는 액체의 자유제트(Free Jet)를 분무하는데, 이는 인젝터본체의 외부면에 위치된 고온의 판(Plate) 또는 후크에 충돌하면서 작은 방울을 생성하게 되어 있다.
본 발명은 종래기술의 함수 요소를 사용하는 인젝터에 대한 개선, 특히 '603 특허에 기술된 유형의 함수 요소를 사용하는 인젝터에 대한 개선을 제공한다. 본 발명은 인젝터의 내부에서 일어나는 분무화 기술을 이용한다. 특히 본 발명은 발명자에 의해 예상된 것보다 작은 방울, 예컨대 대략 50 ㎛ SMD(Sauter Mean Diameter) 이하의 작은 방울들을 생성하는 기계적인 유출 회수 분무화 기술을 이용한다. 이러한 크기의 범위는, '603 특허에 기술된 인젝터와 달리, 도로용 디젤엔진과 관계된 체류시간 내에 요소가 암모니아로 반응할 수 있게 하는 데 적절하다. 이러한 효과는 인젝터의 출구를 둘러싸는 다수의 회전슬롯을 갖춘 회전판을 사용함으로써 성취되게 되는데, 이들 회전슬롯은 회전체임버 내에서 고속의 회전하는 흐름을 생성한다. 반응제의 회전하는 흐름의 일부가 출구를 통과하여 배기흐름으로 나아갈 때 배기흐름으로 분출하면서 공기에 의한 반응제의 전단과 원심력의 조합으로 분무가 일어난다.
덧붙여, 본 발명은 '603 특허의 인젝터에 대한 다른 개선을 제공하는데, 이는 넓은 온도범위에 걸쳐 계량플러그의 자성 당김력을 증대시키고, 인젝터의 밸브 및 이와 관련된 작동부품들의 수명을 연장시키며, 인젝터를 완전히 요소에 의해 냉각시키는 것을 포함한다. 추가적으로, 본 발명은 작동 중에 조절가능한 분무 품질 특성과, 여러 가지 크기에 맞춰 구멍판의 교환가능성을 결합한다. 리브가 형성된 인젝터본체는 추가적인 냉각 성능을 제공한다.
본 발명은 특히 디젤엔진의 배기에서 미립자를 줄이기 위해 탄화수소를 주입하는 인젝터를 제공하도록 되어 있다. 순간적인 타이밍 제어를 제공하는 펄스 폭 변조와 기계적인 분무화 기술의 조합은 정확한 타이밍으로 작은 양의 탄화수소를 공급하기에 적합하다. 본 발명에 의해 제공된 냉각 양상은 인젝터가 고온의 배기조건을 견디어 내게 할 수 있을 뿐만 아니라 탄화수소의 조기 점화를 방지한다.
본 발명의 일 실시예에서, 분무화된 반응제를 주입하기 위한 장치와 방법이 제공된다. 저압의 인젝터가 제공되는데, 이는 인젝터본체와 이 인젝터본체에 배치된 회전체임버를 포함한다. 회전체임버는 출구를 갖춘다. 다수의 회전슬롯이 회전체임버에 구비되어, 회전체임버 내로 유입되는 반응제에 회전속도를 부여하게 된다. 회전체임버 내에 위치된 밸브시트는 출구를 둘러싼다. 계량플러그가 인젝터본체 내에 배치된다. 액츄에이터도 인젝터본체에 장착되면서 계량플러그에 연결되어 계량플러그를 폐쇄위치와 개방위치 사이에서 이동시킨다. 액츄에이터는 인젝터본체에 위치되고 계량플러그에 연결되어 계량플러그를 폐쇄위치에서 개방위치로 이동시킬 수 있다.
계량플러그는 인젝터본체에 위치되어, 계량플러그가 폐쇄위치에 있을 때 계량플러그가 밸브시트에 안착되어 반응제가 출구로부터 방출되는 것을 방지한다. 일 실시예에서, 반응제는 인젝터를 통해 순환되어, 계량플러그가 폐쇄위치에 있을 때 인젝터를 냉각시키게 된다. 계량플러그가 개방위치에 있을 때, 계량플러그는 밸브시트로부터 떨어져 반응제가 출구에서 방출될 수 있게 한다. 개방위치에서, 계량플러그의 끝부는 밸브시트로부터 떨어지게 되고, 회전체임버로부터 나오는 반응제의 회전하는 흐름의 일부가 출구를 통과하게 되는데, 이때 배기흐름으로 분출하면서 공기 또는 배기흐름에 의한 반응제의 전단과 원심력의 조합으로 분무가 일어난다.
또한, 인젝터는 인젝터의 내부로 연장한 반응제입구와, 인젝터의 외부로 연장한 반응제출구를 포함한다. 반응제입구와 반응제출구는 계량플러그의 중공부를 매개로 하여 회전체임버와 연통되어 있다. 반응제입구, 반응제출구 및 계량플러그의 중공부는 인젝터를 통한 반응제의 유로를 제공하여서, 인젝터를 냉각시킬 수 있다. 인젝터를 통한 반응제의 유로는 계량플러그의 위치와 관계없이 제공된다.
인젝터본체에 위치된 계량구멍은 주어진 입력 압력에서 인젝터를 통해 흐르는 냉각용 반응제의 유량을 제어한다.
다른 실시예에서, 인젝터본체를 둘러싸는 다수의 리브는 인젝터본체로부터 멀리 열을 방출하도록 구비된다. 출구를 둘러싸는 열차폐부도 배기흐름으로부터 인젝터본체로의 열전달을 감소시키기 위해 구비된다. 열차폐부는 출구와 정렬되게 관통하는 구멍을 갖추어 회전체임버로부터 방출된 반응제가 열차폐부를 관통할 수 있게 한다. 열차폐부는 출구를 둘러싸는 판과, 이 판에 배치된 단열재료층을 구비한다.
인젝터본체와 계량플러그는 스테인리스강으로 구성된다. 어떤 실시예에서는, 인젝터본체와 계량플러그가 플라스틱, 열가소성 물질, 열경화성 수지, 또는 사용되는 반응제나 요소와 친화성 있는 임의의 다른 물질로 구성된다. 치우침부재가 구비되어 계량플러그를 폐쇄위치로 치우쳐 있게 하여서, 폐쇄형(Fail-closed) 밸브를 제공한다. 치우침부재는 계량플러그와 동축상으로 배치된 코일스프링으로 된다.
액츄에이터는 자력을 발생시키는 자성 코일을 포함한다. 자력은 자성 코일이 자성을 띠게 될 때 치우침부재에 대한 계량플러그의 미끄럼운동을 일으킨다. 이로써, 액츄에이터가 작동될 때 계량플러그가 회전체임버 내에서 폐쇄위치로부터 개방위치로 이동되어, 반응제가 회전체임버의 출구로부터 방출될 수 있게 한다. 자성 코일이 자성을 띠게 하는 수단이 구비된다. 예컨대, 12 V의 펄스 폭 변조된 신호가 한정된 시간 동안 자성 코일에 자성을 띠게 하여 소정량의 반응제가 주입되게 한다. 자성 코일이 자성을 띠게 하는 수단으로는 당해 분야의 숙련자들에게 명백한 다른 수단이 사용될 수도 있다.
본 발명에 따르면, 가스흐름에 반응제를 주입하는 방법도 제공된다. 이 방법은, 인젝터본체 내에 반응제를 유입시키는 단계, 인젝터본체에서 반응제를 가압하기 위한 예정된 압력설정점을 제공하는 단계, 인젝터본체 내에서 가압된 반응제의 적어도 일부에 대해 고속의 회전흐름을 부여하는 단계, 및 출구로부터 가스흐름으로 분무화된 고속 반응제의 정확한 양을 계량하는 단계를 포함한다.
정확히 계량된 양을 초과하는 반응제는 인젝터 내에 유지되면서 인젝터를 통해 순환되어 원하는 온도범위 내에 반응제를 유지하게 된다. 원하는 온도범위는 함수 요소를 포함하는 요소 용액에 대해 대략 5 ℃ 내지 85 ℃ 로 된다. 원하는 온도범위는 반응제의 어는점 이상과 끓는점 이하의 온도로 된다. 반응제는 선택적으로 탄화수소로 될 수 있다. 가스흐름은 디젤의 배기흐름이지만, 본 명세서에서는 다수의 배기흐름 또는 원하는 처리 프로토콜(Protocol) 중 하나로 적용될 수 있다. 예정된 압력설정점은 작동조건에 따라 변화되어, 변화된 분무패턴이나 증가된 작동범위를 제공할 수 있게 된다.
본 발명에 따르면, 여기에 기술된 방법을 이행하기 위한 수단을 구비하는 장치도 제공된다.
이하 본 발명은 첨부된 도면들을 참조로 하여 설명되는데, 유사한 참조부호가 유사한 부재를 표시하고 있다.
도 1은 본 발명에 따른 인젝터를 사용하는 공해배출 제어시스템을 갖춘 도로용 디젤엔진의 실시예를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 인젝터의 실시예를 나타낸 종단면도이다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 본 발명에 따라 회전판의 실시예를 나타낸 평면도, 단면도 및 저면도이다.
도 4a와 도 4b는 도 2에 도시된 인젝터에 사용되는 계량플러그의 실시예를 나타낸 도면들이다.
도 5는 본 발명에 따라 배기관에 장착된 인젝터의 실시예를 나타낸 사시도이다.
아래의 상세한 설명은 단지 예를 들기 위한 것으로, 이는 본 발명의 범주나 응용가능성 또는 형태 등을 제한하지 않는다. 오히려, 실시예들의 상세한 설명은 당해 분야의 숙련자들이 본 발명의 실시예를 이행할 수 있게 한다. 첨부된 청구범위에 기술된 본 발명의 정신 및 범주로부터 벗어남 없이, 다양한 변형이 부재의 기능 및 배치 등에서 이루어질 수 있다. 본 발명이 디젤엔진과 NOx 배출의 저감과 관련하여 설명되고 있지만, 본 발명은 비제한적인 예로서, 디젤, 가솔린, 터빈, 연료전지, 제트, 또는 배출흐름을 출력하는 다른 임의의 동력원에서 나오는 것들과 같이 다수의 배기흐름 중 하나와 연계하여 사용될 수 있다. 더구나, 본 발명은 다수의 원하지 않는 배출물 중 하나의 저감과 관계되어 사용될 수 있다.
도 1은 디젤엔진(21)의 배기로부터 NOx의 배출을 줄이기 위한 공해배출 제어시스템의 예를 나타내고 있다. 도 1에서, 시스템의 부재들 사이의 직선은 반응제의 유체라인을 표시하고, 점선은 전기결선을 표시한다. 본 발명의 시스템은 반응제를 수용하는 반응제용 탱크(10)와, 이 탱크(10)로부터 반응제를 전달하는 전달모듈(12)을 구비한다. 반응제는 요소 용액, 탄화수소, 알킬 에스테르, 알코올, 유기화합물, 물 또는 다른 기타의 것으로 될 수 있으며, 이들의 혼합물 또는 화합물로 될 수 있다. 또한, 하나 이상의 반응제가 시스템에 이용될 수 있고, 단독으로 또는 결합하여 이용될 수 있다. 탱크(10)와 전달모듈(12)은 일체로 된 반응제용 탱크 및 전달모듈을 형성할 수 있다. 또한, 전자식 분사제어유니트(14), 저압 인젝터(16), 및 적어도 하나의 촉매베드(17)를 가진 배기시스템(19)이 이러한 시스템의 일부로 구비된다.
전달모듈(12)은 펌프로 구성되는데, 공급라인(9)을 매개로 직렬로 장착된 필터(23)를 통해 반응제가 탱크(10)에서부터 펌프로 공급되게 된다. 반응제용 탱크(10)는 폴리프로필렌, 에폭시가 코팅된 탄소강, PVC, 또는 스테인리스강 등으로 될 수 있으며, 용도(예컨대 차량의 크기, 차량의 용도 및 기타 등등)에 따라 크기가 결정될 수 있다. 필터(23)는 분리가능한 카트리지를 갖추고서 경질 플라스틱이나 스테인리스강으로 구성된 하우징을 구비한다. 압력조절기(미도시)가 소정의 압력설정점(예컨대 비교적 저압인 대략 60 ~ 80 psi, 또는 어떤 실시예에서는 대략 60 ~ 150 psi의 압력)으로 시스템을 유지하도록 구비될 수 있으며, 반응제용 인젝터(16)로부터 나오는 복귀라인(35)에 위치될 수 있다. 압력센서가 반응제용 인젝터(16)로 이어지는 유연성 있는 라인에 구비될 수 있다. 또한, 시스템은 다양한 동결방지수단이 결합되어, 동결된 요소를 녹이거나 요소가 동결되는 것을 방지하게 된다. 예컨대, 시스템이 작동하는 동안, 인젝터가 반응제를 배기가스 속으로 방출하는지의 여부에 관계없이, 반응제는 탱크(10)와 반응제용 인젝터(16) 사이를 계속해서 순환하여, 인젝터를 냉각시키고 인젝터 내에서의 반응제 체류시간을 최소화하여서 반응제가 시원하게 남아 있게 된다. 계속적인 반응제의 순환은 함수 요소와 같이 온도에 민감한 반응제에는 필수적인바, 이러한 반응제는 엔진의 배기시스템에서 만나게 되는 300 ℃ 내지 650 ℃의 높은 온도에 노출될 때 응고되는 경향이 있다. 요소의 응고가 방지되는 것을 확보하는 안전여유를 두기 위해, 요소 혼합물을 140 ℃ 이하로, 바람직하기로는 5 ℃와 95 ℃ 사이의 낮은 작동범위로 유지하는 것이 중요하다. 응고된 요소가 생기게 되면, 이는 인젝터의 가동부 및 개구부를 더럽히게 되어 인젝터를 사용할 수 없게 한다. 유량은 엔진의 크기와 NOx의 수준에 따라 결정된다.
요구되는 반응제의 양은 부하, 엔진의 RPM, 엔진 속도, 배기가스 온도, 배기가스 흐름, 엔진의 연료분사 타이밍 및 원하는 NOx 감소량 등에 의해 변화될 수 있다. 엔진의 작동변수 중 일부 또는 그 모두가 엔진 또는 차량의 데이터 버스를 매개로 엔진제어유니트(27)에서 반응제의 분사제어유니트(14)로 공급될 수 있다. 반응제의 분사제어유니트(14)는, 트럭의 제조업자가 그 기능을 제공하도록 동의한다면, 엔진제어유니트(27)의 일부로 포함될 수도 있다.
배기가스 온도, 배기가스 흐름 및 배기 배압은 각각의 센서에 의해 측정될 수 있다.
전압에 근거한 최저 반응제 수위 스위치 또는 프로그램된 로직이 사용되어 분사시스템이 말라붙은 채로 운전되거나 과열되는 것을 방지할 수 있다. 일단 탱크(10)에서 최저 반응제 수위에 도달하면, 분사는 중지되고 결함 지시등 또는 메시지 경보가 차량의 운전대에서 밝게 표시된다.
분사율은, 본 명세서에 통합되고 참조로 인용되며, "자동차 디젤용 SCR 시스템과 방법"이라는 명칭으로 2005년 9월 13일에 공고된 미국 특허 제6,941,746호에 기술된 바와 같이, 분사제어수단 또는 맵에 의해 반응제의 분사제어유니트(14)를 프로그래밍함으로써 설정될 수 있다. 상기 특허에 기술된 바와 같이, 분사수단은 차량에 NOx 계량기(25)를 임시로 설치함으로써 개선될 수 있다. NOx 계량기(25)는 샘플링 시스템을 갖춘 계량기 또는 센서로 될 수 있다. 도 1은 배기시스템(19)의 외부위치에서 가스의 농도 또는 질량을 분석하는 NOx 계량기(25)를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명에 따른 반응제용 인젝터(16)의 실시예를 도시한 단면도로서, 이 인젝터는 도 1에 도시된 시스템에 사용된다. 반응제용 인젝터(16)는 상부(18a)와 하부(18b)를 가진 인젝터본체(18)를 구비한다. 가늘고 긴 원통형 체임버(30)가 인젝터본체(18) 내에 위치된다. 체임버(30)는 회전판(50)과 유체가 흐르도록 연통되게 되는데, 이 회전판은 장착될 때 디젤엔진의 배기시스템(19: 도 1 참조) 내에 있는 배기가스 쪽으로 개방되는 출구(22)를 갖추고 있다. 출구(22)의 주변은 밸브시트(24)로 될 수 있는데, 이는 임의의 적당한 형상으로 될 수 있으며 바람직하기로 원뿔 형상(예컨대 도 3b에 도시된 바와 같이)으로 된다. 가늘고 긴 계량플러그(26)의 형태로 된 밸브부재가 체임버(30) 내에 미끄럼이동가능하게 장착된다.
도 3a는 회전판(50)의 평면도를 나타내며, 도 3b는 회전판(50)의 단면도이고, 도 3c는 회전판(50)의 저면도를 나타내고 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 회전판(50)은 밸브시트(24)를 둘러싸면서 계량플러그(26: 도 2 참조)의 끝부(28)를 둘러싸는 영역에 회전체임버(52)를 형성하는 다수(즉 2 개 이상)의 회전슬롯(51)을 구비한다. 회전슬롯(51)은 배기흐름으로의 유입을 위해 충분한 반응제 흐름을 창출하기에 충분한 여러 형상 중 하나로 형성될 수 있다. 비제한적인 예로서, 회전슬롯(51)은 다양한 각도, 오프셋(Offset) 및 방사상 방위로 배치될 수 있거나, 대칭 또는 비대칭의 각도로 그리고 이와 유사하게 형성될 수 있다. 또한, 각각의 회전슬롯(51)은 직선, 아치형, 비선형, 또는 기타 등등을 포함하는 다양한 프로파일(Profile)과, 폭 및 길이를 포함하는 다양한 크기로 형성될 수 있다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 회전체임버(52)는 원뿔 형상으로 된 밸브시트(24)에 의해 한정될 때 원뿔형 회전체임버로 된다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 밸브시트(24)는 회전체임버(52)로부터 분무화된 반응제를 분사하는 출구(22)를 둘러싸게 된다. 회전판(50)은 보유지지캡(74)에 의해 인젝터본체의 하부(18b)에 고정된다.
도시된 형태에서, 유체를 보유지지하는 개스킷(60)이 인젝터본체의 하부(18b)와 회전판(50) 사이에 개재되어서, 회전판(50), 인젝터본체(18) 및 보유지지캡(74)의 접합면들 사이에서 반응제가 누출되는 것을 방지할 수 있게 되어 있다. 개스킷은 실리콘 재질로 될 수 있다. 인젝터본체의 상부(18a)는 반응제의 누출을 방지하도록, 인젝터본체의 상부(18a)와 하부(18b), 이 인젝터본체의 하부(18b)와 바닥판(75), 이 바닥판(75)과 코일(38), 그리고 이 코일(38)과 인젝터본체의 상부(18a)의 접합면들 사이에 개재되는 다수의 밀봉용 O링(76)을 구비한다.
도 4a 및 도 4b는 각각 계량플러그(26)의 실시예를 도시한 단면도 및 정면도이다. 계량플러그(26)는 밸브시트(24)와 밀봉되게 맞물리도록 형성된 끝부(28)를 갖추어서, 출구(22)가 회전체임버(52)와 유체가 흐르도록 연통되는 것을 폐쇄한다. 계량플러그(26)는, 도 2에 도시된 폐쇄위치와, 끝부(28)가 밸브시트(24)와 밀봉되게 맞물리는 상태에서 벗어나게 되는 개방위치 사이로 회전체임버(52) 내에서 이동할 수 있다. 개방위치에서, 출구(22)는 개방되어 회전체임버(52)와 유체가 흐르도록 연통되게 된다.
반응제는 반응제입구(34: 도 2 참조)를 거쳐 회전체임버(52)로 전달된다. 반응제입구(34)는 회전체임버(52)와 유체가 흐르도록 연통되고, 공급라인(9)을 매개로 탱크(10)에 외부적으로 연결될 수 있다. 반응제는 예정된 압력설정점에서 반응제입구(34)와 회전체임버(52)로 펌핑될 수 있다. 가압된 반응제는 회전슬롯(51)에서 고속으로 가속된다. 이는 회전체임버(52)에서 고속으로 회전하는 흐름을 생성한다. 계량플러그의 끝부(28)가 밸브시트(24)로부터 떨어질 때, 반응제의 회전하는 흐름의 일부는 출구(22)를 통과하는데, 배기흐름으로 분출할 때 공기에 의한 반응제의 전단과 원심력의 조합으로 분무가 일어난다.
예정된 압력설정점은 작동조건에 따라 변화되어, 출구(22)로부터 나오는 변화된 분무패턴과 증가된 작동범위 중 적어도 하나를 제공할 수 있게 된다.
출구(22)의 개폐를 성취하기 위해서, 예컨대 인젝터본체(18)에 장착된 자성 코일(38)의 형태로 된 액추에이터가 구비될 수 있다. 자성 코일(38)이 자성을 띠게 되면, 계량플러그(26)는 폐쇄위치에서 개방위치를 향해 위쪽으로 끌어 당겨진다. 바닥판(75)과 인젝터본체의 상부(18a)가 마그네틱 스테인리스강으로 구성되어, 자성을 띤 표면을 제공하면서 내부식성을 보유할 수 있게 된다. 인젝터본체의 하부(18b)는 스테인리스강 316과 같은 비자성 스테인리스강으로 구성된다. 이는 바닥판(75)에서 자성의 차폐를 향상시키고, 계량플러그(26)가 출구(22) 쪽으로 자성을 띠게 될 가능성을 제한하게 된다. 예컨대 도 1의 전자식 분사제어유니트(14)로부터 나오는 신호에 반응하여 자성 코일이 자성을 띠게 되는데, 센서의 입력신호와 미리 프로그래밍된 알고리듬에 기초하여, 배기흐름에서 NOx 배출의 효과적인 SCR을 위해 반응제가 필요하게 될 때를 결정한다.
도 5는 배기관(80)에 연결된 반응제용 인젝터(16)의 외관을 나타낸다. 전기연결부(82)가 예컨대 반응제의 분사제어유니트(14: 도 1 참조)로부터 반응제용 인젝터(16)로 제어신호를 제공하도록 구비될 수 있다. 자성 코일(38)은 펄스 폭이 변조된 디지털 신호를 가진 12 ~ 24 VDC 전류에 의해 자성을 띠게 된다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 계량플러그(26)는 이 계량플러그(26)의 구멍(92)을 매개로 회전체임버(52)와 유체가 흐르도록 연통될 수 있는 중공부(90)를 구비한다. 계량플러그(26)의 중공부(90)는 적어도 인젝터본체(18)의 하부(18b) 내로 뻗어 있다(도 2 참조). 회전체임버(52)로부터 나왔지만 출구(22)에서 방출되지 않은 가압된 반응제는 구멍(92), 중공부(90), 그리고 궁극적으로는 계량플러그(26)의 중공의 상부(94)에 있는 출구영역을 통해 반응제출구(36)로 보내어진다. 반응제출구(36)는 도 2에 도시된 바와 같이 계량플러그(26)의 중공부(90)의 상부(94)로부터 반응제를 제거하도록 위치될 수 있다. 반응제출구(36)는 복귀라인(35: 도 5 참조)이 외부적으로 연결되어서, 반응제가 도 1의 탱크(10)에서부터 공급라인(9)과 반응제입구(34)를 통해 회전체임버(52)로, 계량플러그(26)의 구멍(92)과 중공부(90)를 통해 중공의 상부(94)에 있는 출구영역의 외부 및 반응제출구(36)의 내부로, 그리고 복귀라인(35)을 통해 도 1의 탱크(10)로 다시 순환되게 한다. 이러한 순환은 반응제용 인젝터(16)가 냉각되게 유지하며 인젝터 내에서 반응제의 체류시간을 최소화시킨다. 반응제입구(34), 반응제출구(36) 및 계량플러그(26)의 중공부(90)는 반응제용 인젝터(16)를 통해 흐르는 반응제를 위한 유로를 제공하여서, 반응제용 인젝터(16)를 냉각시킬 수 있다. 반응제용 인젝터(16)를 통해 있는 반응제의 유로는 계량플러그(26)의 위치와 관계없다. 이러한 유로의 특정한 순서(또는 도면들에 도시된 것)는 본 발명의 정신으로부터 벗어남 없이 변경될 수 있다. 그러므로 이러한 변경은 달리 언급이 없으면 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 간주된다. 계량구멍(37)이 반응제용 인젝터(16)를 통해 흐르는 냉각용 반응제의 양을 제어하도록 구비될 수 있다.
따라서, 예컨대 이 냉각된 반응제용 인젝터(16)가 사용될 때 함수 요소는 반응제용 인젝터(16) 내 어디든지, 특히 회전체임버(52)의 영역에서는 응고되지 않는다. 응고되게 되면, 요소는 계량플러그(26)가 적절히 안착되는 것을 방해할 수 있거나, 계량플러그(26)가 개방위치 또는 폐쇄위치에서 움직이지 못하게 하거나, 출구(22)가 막히게 될 것이다. 덧붙여, 반응제, 가동부 및 밸브의 개구부에 대한 높은 온도의 악영향이 방지되게 된다. 예컨대, 인젝터를 직접 냉각함으로써, 밸브시트의 영역만 냉각하는 종래기술에 비해 성능 향상이 이루어진다. 더구나, 향상된 냉각은 계량플러그(26)와 이와 관련된 작동부품들을 포함하는 인젝터의 구성요소 및 밸브시트(24)의 수명을 연장하게 된다. 인젝터본체의 상부(18a)의 외부에 구비된 냉각용 리브(72)가 추가적인 냉각 성능을 제공한다.
한 예로, 시간당 대략 10 gal의 반응제가 인젝터를 통해 순환할 수 있는데, 이 양은 출구(22)로부터 방출되는 반응제의 양보다 많다. 이 유량은 용도에 따라 변화될 수 있다. 계량플러그(26)의 끝부(28)가 밸브시트(24)에서 떨어질 때, 이용된 제어 알고리듬 또는 용도에 따라 분무화된 반응제가 대략 1 ~ 600 gr/min의 유량으로, 또는 특히 대략 3 ~ 500 gr/min의 유량으로 방출된다. 출구(22)로부터 방출된 반응제의 분무 특성은 복귀라인과 공급라인에서 유지되는 압력의 압력비에 따라 변화될 수 있다. 예컨대, 작은 방울들의 크기는 공급라인(9)의 압력을 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 덧붙여, 분무 특성은 상이한 회전판들로 교체함으로써 변화될 수 있다. 예컨대, 보유지지캡(74)에 의해 인젝터본체에 고정되어 있는 회전판(50)이 분리되고, 다른 크기의 출구(22), 다른 개수의 회전슬롯(51), 또는 상이한 길이나 깊이 또는 폭으로 된 회전슬롯을 가진 회전판들로 교체될 수 있다. 또한, 회전판들은 인젝터본체의 하부(18b)에 고정될 때 더 크거나 더 작은 회전체임버(52)를 제공하도록 형성될 수 있다. 반응제의 순환속도도 계량구멍(37)의 내경을 변경함으로써 변화될 수 있다. 반응제의 순환속도를 변화시키면 작은 방울의 크기가 변화되게 되며, 반응제에 의해 제공되는 냉각의 수준에 영향을 끼치게 된다.
계량플러그(26)의 안내부(32)는 체임버(30) 내에서 계량플러그(26)의 미끄럼운동을 위한 주요 안내기능을 제공한다. 체임버(30)와 안내부(32) 사이의 공차는 충분하게 되어, 계량플러그(26)의 윤활과 상대운동이 이루어지면서 여전히 계량플러그의 운동을 안내하게 된다.
통상, 체임버(30)와 계량플러그(26) 사이의 여러 영역에서 요구되는 특정한 공차는 작동온도, 작동압력, 반응제의 순환속도와 원하는 유량, 반응제의 마찰성질, 인젝터본체(18)와 계량플러그(26)를 위해 선택된 재료 등에 따라 변화된다. 최적의 인젝터 성능을 위한 공차는 현장 시험을 통해 실험적으로 얻어질 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 계량플러그(26)는 치우침부재에 의해 폐쇄위치로 치우쳐 있게 되는데, 이 치우침부재는 예컨대 계량플러그(26)의 중공의 상부(94)와 동축상으로 배치된 코일스프링(42)의 형태로 되며, 이때 상기 상부는 코일스프링(42)이 계량플러그(26)를 치우치게 밀어낼 수 있는 스프링시트로 작용한다.
도시된 형태에서, 열차폐부(58)가 회전판(50)의 외부에 장착되며, 보유지지캡(74)은 배기가스로부터 나오는 열이 회전판(50)과 인젝터본체(18)로 전달되는 것을 방지하면서 동시에 인젝터본체와 의도되지 않게 접촉하는 작은 방울들이 침적물을 형성하지 않게 하는 가열면을 제공한다. 예를 들어, 열차폐부(58)는 인코넬로 만들어질 수 있다. 선택적으로 출구(22)는 인젝터(16)에서 오목하게 만들어지거나, 회전판(50)의 분사끝부 또는 외부면으로 이동되어서, 분사각(α)을 증대시키고 분사각의 범위를 더욱 넓게 할 수 있으면서 냉각 성능을 유지할 수 있게 된다. 열개스킷(70)은 스테인리스강 재질로 싸인 유연성 있는 흑연 포일(Foil)로 만들어지는데, 그 낮은 열전도율이 고온의 배기관(80)으로부터 회전판(50)과 인젝터본체(18)를 단열시키도록 작용해서 반응제용 인젝터(16)로의 전도에 의한 열전달을 줄여 밸브 내에서 순환하는 반응제가 시원하게 유지되게 하는 데에 도움이 된다.
계량플러그(26)는, 바람직하기로 요소에 대한 내부식성과 자성을 유지하면서 인젝터의 수명에 걸쳐 일어나는 금속 피로를 줄이는 코팅부로 코팅된 스테인리스강 430C 또는 440F로 만들어진다. 회전판(50)은 스테인리스강 316 또는 인코넬로 만들어지며, 요소에 대한 내부식성을 유지하면서 반응제용 인젝터(16)의 수명에 걸쳐 일어나는 금속 피로를 줄이는 코팅부로 코팅된다. 바닥판(75)은 계량플러그(26)와 분리될 수 있으며, 계량플러그(26)는 제조하기에 적당한 가장 짧은 길이로 되어 상당히 감소된 계량플러그의 질량을 제공한다. 감소된 질량의 계량플러그(26)는 계량플러그의 수명을 연장시키며, 특히 계량플러그의 끝부(28)의 수명을 연장시키게 되는데, 이는 밸브시트(24)의 반복된 충격으로 마모되고 변형되기가 쉽다.
이제 본 발명은, NOx 방출의 감소를 위해 도로용 디젤엔진에서 배기흐름으로 요소 수용액을 주입하는 바람직한 방법과 장치를 제공한다.
본 발명이 도시된 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 청구범위에 기술된 본 발명의 정신과 범주에서 벗어남 없이 다양하게 변형되고 응용될 수 있다.

Claims (34)

  1. 반응제입구, 반응제출구, 및 출구를 갖춘 회전체임버를 구비한 인젝터본체;
    상기 회전체임버 내로 유입되는 반응제에 회전속도를 부여하도록 상기 회전체임버에 배치되는 다수의 회전슬롯;
    상기 인젝터본체 내에 이동가능하게 위치되고, 상기 반응제입구 및 상기 반응제출구와 연통되게 결합하는 중공의 경로를 갖추며, 폐쇄위치와 개방위치 사이에서 이동가능한 계량플러그; 및
    상기 반응제입구, 상기 회전체임버, 상기 다수의 회전슬롯, 상기 중공의 경로, 및 상기 반응제출구를 포함하면서 상기 인젝터본체를 통하여 형성되고, 상기 계량플러그의 상기 폐쇄위치와 상기 개방위치 모두에서 인젝터의 지속적인 냉각을 허용하는 상기 반응제를 위한 유로
    를 구비하는, 반응제를 주입하기 위한 분무화 인젝터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인젝터본체 내로 상기 반응제를 유입시키는 수단과,
    상기 인젝터본체 내의 상기 반응제를 가압하기 위한 예정된 압력설정점을 제공하는 수단을 추가로 구비하며,
    상기 계량플러그는, 상기 출구로부터 나오면서 상기 회전속도를 가진 상기 반응제의 정확한 양을 계량하는 분무화 인젝터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 예정된 압력설정점은 작동조건에 따라 변화되어, 변화된 분무패턴과 증가된 작동범위 중 적어도 하나를 제공하는 분무화 인젝터.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 예정된 압력설정점은 상기 출구로부터 계량된 상기 반응제의 작은 방울의 크기를 변화시키는 분무화 인젝터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 작은 방울의 크기는 대략 50 ㎛ SMD 이하의 범위 내에 있는 분무화 인젝터.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 예정된 압력설정점은 상기 출구로부터 계량된 상기 반응제의 유량을 변화시키는 분무화 인젝터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 출구로부터 계량된 상기 반응제의 유량은 대략 1 내지 600 gr/min의 범위 내에 있는 분무화 인젝터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 폐쇄위치로 상기 계량플러그를 치우쳐 있게 하는 치우침부재를 추가로 구비하는 분무화 인젝터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 치우침부재는 상기 계량플러그에 대해 동축상으로 배치된 코일스프링으로 구성되는 분무화 인젝터.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 폐쇄위치와 상기 개폐위치 사이에서 상기 계량플러그를 작동시키며, 자력을 발생시키는 자성 코일을 갖추고, 상기 자력은 상기 자성 코일이 자성을 띠게 될 때 상기 치우침부재에 대한 상기 계량플러그의 미끄럼운동을 일으켜서, 상기 계량플러그를 상기 회전체임버 내에서 상기 폐쇄위치로부터 상기 개방위치로 이동시켜 상기 반응제가 상기 출구를 통해 상기 회전체임버로부터 방출될 수 있게 하는 액츄에이터를 추가로 구비하는 분무화 인젝터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 중공의 경로는 실질적으로 상기 계량플러그의 길이를 따라 통하여 연장하는 분무화 인젝터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 회전체임버에 인접한 상기 계량플러그의 제1끝부에 위치된 다수의 구멍과,
    상기 계량플러그의 제2끝부에 위치되고, 상기 중공의 경로와 연통되어 상기 인젝터본체틀 통하는 상기 반응제를 위한 유로가 상기 반응제입구, 상기 회전체임버, 상기 다수의 회전슬롯, 상기 다수의 구멍, 상기 중공의 경로, 상기 계량플러그의 출구영역, 및 상기 계량플러그의 위치와 관계없는 상기 반응제출구를 통해 연장하는 출구영역을 추가로 구비하는 분무화 인젝터.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 출구를 둘러싸면서, 상기 출구와 정렬되게 관통하는 구멍을 갖추어 상기 회전체임버로부터 방출된 반응제가 관통하게 하는 열차폐부를 추가로 구비하는 분무화 인젝터.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 열차폐부는, 상기 출구를 둘러싸는 판과, 상기 판에 배열된 단열재료층을 구비하는 분무화 인젝터.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 회전체임버는 분리가능한 회전판을 구비하는 분무화 인젝터.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 개방위치에서, 분무화된 반응제는 대략 1 내지 600 gr/min의 유량으로 상기 출구에서 방출되는 분무화 인젝터.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 유로를 통해 흐르는 상기 반응제의 양을 제어하기 위해 상기 반응제출구에 계량구멍을 추가로 구비하는 분무화 인젝터.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 인젝터본체로부터 연장하는 다수의 냉각핀(Fin)을 추가로 구비하는 분무화 인젝터.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 인젝터본체와 상기 계량플러그 중 적어도 하나는 스테인리스강으로 구성되는 분무화 인젝터.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 인젝터본체와 상기 계량플러그 중 적어도 하나는 열가소성 물질로 구성되는 분무화 인젝터.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 인젝터본체와 상기 계량플러그 중 적어도 하나는 열경화성 수지로 구성되는 분무화 인젝터.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 인젝터본체와 상기 계량플러그 중 적어도 하나는 요소(尿素) 친화성 물질로 구성되는 분무화 인젝터.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 인젝터본체 내에서 상기 반응제의 압력은 대략 60 내지 150 psi의 범위 내에 있는 분무화 인젝터.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 회전슬롯은 적어도 2 개의 회전슬롯을 포함하는 분무화 인젝터.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 회전슬롯은 상기 계량플러그의 길이방향 축을 가로질러 배열되는 분무화 인젝터.
  26. 제1항에 있어서,
    상기 반응제입구는 상기 회전체임버에 인접한 분무화 인젝터.
  27. 인젝터본체 내에 반응제를 유입시키는 단계;
    상기 인젝터본체 내에 위치되면서 다수의 회전슬롯을 갖춘 회전체임버를 통하여 상기 반응제를 순환시킴으로써 상기 반응제에 회전속도를 부여하는 단계;
    상기 인젝터본체 내에 위치된 계량플러그를 폐쇄위치와 개방위치 사이에서 선택적으로 작동시키는 단계;
    상기 인젝터본체를 통하여, 상기 인젝터본체 내에 위치된 반응제입구, 상기 다수의 회전슬롯, 상기 회전체임버, 상기 계량플러그와 관계된 중공의 경로, 및 상기 인젝터본체 내에 위치된 반응제출구를 포함하는 유로를 제공하는 단계;
    상기 유로를 통해 상기 반응제를 지속적으로 순환시킴으로써, 상기 계량플러그의 상기 개방위치와 상기 폐쇄위치 모두에서 인젝터를 지속적으로 냉각시키는 단계; 및
    상기 계량플러그가 상기 개방위치에 있을 때, 상기 회전체임버의 출구로부터 분무화된 반응제를 계량하는 단계
    를 포함하는, 분무화된 반응제를 주입하는 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 냉각을 위해 상기 인젝터본체를 통해 순환되는 반응제의 양은 상기 출구에서 계량되는 반응제의 양보다 많은, 분무화된 반응제를 주입하는 방법.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 반응제는 요소 용액으로 구성되는, 분무화된 반응제를 주입하는 방법.
  30. 제27항에 있어서,
    상기 반응제는 탄화수소로 구성되는, 분무화된 반응제를 주입하는 방법.
  31. 제27항에 있어서,
    상기 반응제는 알킬 에스테르로 구성되는, 분무화된 반응제를 주입하는 방법.
  32. 제27항에 있어서,
    상기 반응제는 알코올로 구성되는, 분무화된 반응제를 주입하는 방법.
  33. 제27항에 있어서,
    상기 반응제는 유기화합물로 구성되는, 분무화된 반응제를 주입하는 방법.
  34. 제27항에 있어서,
    상기 반응제는 물로 구성되는, 분무화된 반응제를 주입하는 방법.
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