KR20130103588A

KR20130103588A - 시약 탱크 표준화 시스템

Info

Publication number: KR20130103588A
Application number: KR1020137017529A
Authority: KR
Inventors: 리안 에이. 플로이드; 에릭 그랜트; 단 맥아니치; 다비드 블룸하르트; 존 엠. 로리; 마이클 엘. 쉐벌스
Original assignee: 테네코 오토모티브 오퍼레이팅 컴파니 인코포레이티드
Priority date: 2010-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2013-09-23
Also published as: KR101474528B1; JP2013545037A; WO2012078706A3; DE112011104219B4; US8402750B2; US20120141331A1; CN103249924B; JP5736466B2; WO2012078706A2; BR112013014211A2; CN103249924A; DE112011104219T5

Abstract

엔진으로부터의 배기 가스를 감소하는 시약 주입 시스템은 시약 컨테이너를 포함한다. 히팅 요소가 컨테이너 내에 저장된 시약과 열 전달 관계에 위치한다. 교환관은 재순환된 액체 시약을 받아들이는 제1 말단 및 컨테이너에 위치한 제2 개방 말단을 포함한다. 교환관은 제1 및 제2 말단 사이에서 교환관에서 분기하는 블리드-오프 튜브를 포함한다. 블리드-오프 튜브의 터미널 말단은 시약 표면 위의 증기 돔 안에 배치된다.

Description

시약 탱크 표준화 시스템{REAGENT TANK NORMALIZING SYSTEM}

본 개시내용은 배기 가스 처리 시스템 및 특히 엔진으로부터의 배기 가스 스트림에 시약을 주입하는 인젝터 시스템에 관한 것이다.

본 섹션은 반드시 선행 기술이 아닌 본 개시내용에 관련된 배경 정보를 제공한다.

내연기관은 특히 질소의 산화물(NO_x) 형태의 바람직하지 않은 오염 배출물을 배출할 수 있다. 내연기관에서 NO_x 배출가스를 줄이기 위해 이용하는 한 가지 방법으로 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction; SCR)이 알려져 있다. 예를 들면, 디젤 엔진에서 NO_x 배출가스를 줄이기 위해 SCR이 이용될 때, SCR는 배기 가스 온도, 엔진 연료 흐름(engine fuel flow)에 의해 측정된 것과 같은 엔진 rpm 또는 엔진 부하, 터보 부스트 압력(turbo boost pressure) 또는 NO_x 배출가스 질량 유량과 같은 하나 이상 선택된 엔진 작동 매개변수와 관련하여 엔진의 배기 가스 스트림(exhaust stream)에 원자화된 시약(atomized reagent)을 주입한다. 시약/배기 가스 혼합물이 시약이 존재할 때 NO_x 농도를 감소시킬 수 있는 촉매를 포함하는 반응기를 통과하며, 촉매의 예로서 활성 탄소 또는 백금, 바나듐, 또는 텅스텐과 같은 금속 등을 들 수 있다.

디젤 엔진용 SCR 시스템의 효율적 시약으로서 우레아 수용액과 같은 디젤 배출액이 알려져 있다. 그러나 그런 우레아 수용액과 다른 시약을 사용하면 다음과 같은 단점이 있을 수 있다. 수성 우레아의 어는점은 약 -11℃이다. 일부 기후 상태에서, 수성 우레아가 고체 상태로 얼 것이다. 따라서 배기 처리 시스템을 적절하게 작동시키는 것을 보장하기 위해서 하나 이상의 히터가 채용될 필요가 있다.

적어도 하나의 공지된 장치에서, 플랜지 스타일 히팅 장치가 시약 탱크 내에 위치한다. 동결된 시약을 녹여서 액체 시약의 주요 량 또는 코어를 얻는다. 일부 작업 모드 중, 액체 시약을 모두 소비하여 나머지 동결된 시약을 녹이기 전에 탱크에서 펌핑할 수도 있다. 이때 펌프 캐비테이션(pump cavitation)이 발생할 수 있어, 펌프 손상이 발생할 수 있다. 또한, 시약이 배기 가스 스트림으로 펌핑되지 않을 수 있고 차량의 배기 가스 테스트가 실패할 수 있다. 히팅 요소에 인접한 캐비티에서 액체 시약을 펌핑하면 빈 캐비티 내에서 상당한 진공 상태가 형성될 수 있다. 펌프에 또는 다른 배기 처리 시스템 구성 요소에 손상이 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 문제를 해결하는 향상된 시약 주입 시스템을 제공하는 것이 바람직할 것이다.

본 섹션은 개시내용의 일반적인 요약을 제공하고 전체 범위 또는 그것의 특징을 모두 포괄적으로 개시하는 것은 아니다.

엔진으로부터의 배출가스를 감소하는 시약 주입 시스템은 시약 컨테이너를 포함한다. 컨테이너 내에 저장된 시약과 열 전달 관계에서 히팅 요소(heating element)가 배치된다. 교환관(interchange tube)은 재순환된 액체 시약을 받아들이는 제1 말단 및 컨테이너에 위치한 제2 개방 말단을 포함한다. 교환관은 제1 말단 및 제2 말단 사이에 교환관에서 분기하는 블리드-오프 튜브(bleed-off tube)를 포함한다. 블리드-오프 튜브(bleed-off tube)의 터미널 말단(terminal end)이 시약의 표면 위의 증기 돔(vapor dom) 안에 배치된다.

엔진에서 배출량을 감소시키는 시약 주입 시스템은 인젝터, 시약 컨테이너 및 컨테이너에서 액체 시약을 펌핑하는 펌프를 포함한다. 공급 라인이 펌프와 인젝터를 연결한다. 인젝터로부터 컨테이너로 시약을 재순환시키는 반환 라인이 제공된다. 히팅 요소는 컨테이너 내에 저장된 시약과 열 전달 관계에 위치한다. 교환관은 재순환된 액체 시약을 받아들이기 위해 반환 라인과 연결된 제1 말단을 포함한다. 교환관의 제2 개방 말단이 컨테이너 안에 위치한다. 교환관은 제1 말단 및 제2 말단 사이에 교환관에서 분기하는 블리드-오프 튜브를 포함한다. 블리드-오프 튜브의 터미널 말단이 시약의 표면 위의 증기 돔 안에 위치한다.

여기에 제공된 설명에서 다른 적용 영역이 명백해질 것이다. 본 발명의 내용의 설명 및 특정한 실시예는 설명의 목적으로만 제공된 것이고 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다.

여기에 설명된 도면은 선택된 구체예만 설명할 목적으로 제공된 것일 뿐 모든 가능한 구체예를 설명하는 것은 아니며, 본 개시내용의 범위를 제한하지 않는다.
도 1은 시약 탱크 표준화 시스템을 포함하는 배기 가스 처리 시스템을 가지는 대표적인 내연기관의 회로도를 도시한다.
도 2는 시약 탱크 표준화 시스템의 개략도이다.
대응하는 참조 번호는 여러 도면을 통해 대응하는 부분을 나타낸다.

동반된 도면을 참조하여 더 상세히 예시적인 구체예를 설명한다.

본 개시내용은 디젤 엔진 및 NO_x 배기 가스의 감소와 관련하여 설명되지만, 본 개시내용은 이에 제한되지 않고, 디젤, 가솔린, 터빈(turbine), 연료 전지(fuel cell), 제트(jet) 또는 배기 가스 스트림(discharge stream)을 배출하는 다른 전원 등과 같은 복수의 배기 가스 스트림 중 어느 하나와 관련하여 사용될 수 있다. 또한, 본 개시내용은 원치 않는 복수의 배기 가스 중 어느 하나의 감소와 관련하여 사용될 수 있다. 예를 들어 디젤 미립자 필터의 재생을 위한 탄화수소의 주입도 본 개시내용의 범위에 속한다. 추가 설명에 있어, "원자화된 유체를 주입하는 방법 및 장치(Method And Apparatus For Injecting Atomized Fluids)"라는 제목으로, 2008년 11월 21일에 출원되고, 공동으로 양수한 미국특허 공개번호 2009/0179087A1를 주목해야 하며, 그 내용은 참조에 의해 여기에 통합된다.

도면을 참조하면, 디젤 엔진(21)의 배기 가스에서 NOx 배출량을 감소하는 배기 가스 처리 시스템(8)이 제공된다. 도 1에, 시스템 요소 사이의 실선은 시약을 위한 유체 라인을 나타내고, 파선은 전기 연결을 나타낸다. 본 개시내용의 시스템은 시약을 보유하는 시약 탱크(10) 및 탱크(10)에서 시약을 전달하는 전달 모듈(12)을 포함할 수 있다. 시약은 우레아 용액, 탄화수소, 알킬 에스테르, 알코올, 유기 화합물, 물 등일 수 있고 그들의 블렌드(blend) 또는 조합물일 수 있다. 또한, 하나 이상의 시약이 시스템에서 사용될 수 있고 단독으로 또는 조합하여 사용될 수도 있다. 탱크(10) 및 전달 모듈(12)이 통합된 시약 탱크/전달 모듈을 형성할 수 있다. 또한, 시스템(8)의 일부로서 전자 주입 컨트롤러(14), 시약 인젝터(16) 및 배기 시스템(19)이 제공된다. 배기 시스템(19)은 배기 가스 스트림에 적어도 하나의 촉매 베드(catalyst bed; 17)를 제공하는 배기 가스 도관(18)을 포함한다.

전달 모듈(12)은 탱크(10)로부터 공급 라인(9)을 통해 시약을 공급하는 펌프(22)를 포함할 수 있다. 시약 탱크(10)는 폴리프로필렌(polypropylene), 에폭시 코팅된 탄소강(epoxy coated carbon steel), PVC, 또는 스테인리스강(stainless steel)일 수 있고 (예를 들면, 차량 크기, 차량의 용도 등) 적용분야에 따라 크기가 결정될 수 있다. 미리 정해진 압력 설정점(예를 들면, 약 60-80psi의 비교적 저압 또는 일부 구체예에서 약 60-150psi의 압력)에서 시스템을 유지하도록 (미도시된) 압력 조절기(pressure regulator)를 제공할 수 있고, 시약 인젝터(16)로부터 반환 라인(35)에 압력 조절기(pressure regulator)가 위치할 수 있다. 시약 인젝터(16)로 이어지는 공급 라인(9)에 압력 센서가 제공될 수 있다.

필요한 시약의 양은 부하, 엔진 RPM, 엔진 속도, 배기 가스 온도, 배기 가스 흐름, 엔진 연료 분사 타이밍, 원하는 NO_x 감소, 기압(barometric pressure), 상대습도, EGR 율 및 엔진 냉각수 온도에 따라 다를 수 있다. NO_x 센서 또는 미터(25)는 촉매 베드(17)의 하류에 위치한다. NO_x 센서(25)는 주입 컨트롤러(14)로의 NO_x 배출량을 나타내는 신호를 출력하도록 작동할 수 있다. 모든 또는 일부 엔진 작동 매개 변수가 엔진/차량 데이터버스(engine/vehicle databus)를 통해 엔진 컨트롤 유닛(27)으로부터 시약 전자 주입 컨트롤러(14)로 공급될 수 있다. 시약 전자 주입 컨트롤러(14)는 또한 엔진 컨트롤 유닛(27)의 일부로서 포함될 수 있다. 각 센서에 의해 배기 가스 온도, 배기 가스 흐름 및 배기 가스 배압(back pressure) 및 다른 차량 작동 매개가 측정될 수 있다.

배기 시스템(8)은 또한 동결된 시약을 녹이기 위해 또는 시약이 어는 것을 방지하기 위해 다양한 동결 보호 전략을 통합한다. 예를 들면, 공급 라인 및 반환 라인 내에서 시약이 얼지 않도록 공급 라인(9) 및 반환 라인(35)이 가열될 수 있다. 공급 라인(9) 및 반환 라인(35)의 길이를 따라 둘러싸고 연장되는 전기로 전원이 공급되는 외장(sheathing)을 이용하여 라인을 가열할 수도 있다.

도 2는 참조 번호 40으로 식별된 다른 동결 보호 하위 시스템을 보여준다. 특히, 하위시스템(40)을 시약 탱크 표준화 시스템이라고도 할 수 있다. 표준화 시스템(40)은 다량의 액체 시약이 공급 라인(9)의 입구(42)와 연결되도록 유지하는 기능을 한다. 액체 시약은 액체 시약을 공급하는 입구(42)와의 연결이 유지되고 있어, 펌프(22)가 캐비테이션 없이 제대로 작동할 수 있다. 남아있는 동결된 시약이 녹기 전에 액체 시약이 탱크(10)로부터 펌핑되면, 입구(42)가 공기 주머니와 연결될 수 있다. 펌프(22)는 공동을 만들 수(cavitate) 있고 배기 가스로 원하는 대로 시약이 주입하지 않을 수 있다.

표준화 시스템(40)은 반환 라인(35)과 유체 연통(fluid communication)하는 제1 말단(48) 및 탱크(10) 안에 위치하는 제2 자유 말단(50)을 포함하는 교환관(46)을 포함한다. 교환관(46)은 지면에 대하여 실질적으로 수직 방향을 향하고 탱크로의 절반보다 큰 거리에 탱크(10)의 상부면(52)을 통해 연장된다. 제2 말단(50)은 탱크(10)의 하부면 또는 바닥면(54)으로부터 오프셋(offset)이다. 교환관(46)은 또한 교환관(46)의 내부 볼륨과 연통하는 제1 말단(62) 및 제2 개방 말단(64)을 가지는 블리드-오프 튜브(60)를 포함한다. 교환관(46)은 서로로부터 축 방향으로 공간을 둔 가로방향으로(transversely) 연장된 복수의 어퍼처(apertures; 72)를 포함한다. 어퍼처(72)를 통해 교환관(46)의 내부 및 외부 볼륨 사이에서 유체 연통(fluid communication)이 허용된다.

추운 날씨에 작동 시, 시약이 고체 상태로 얼 수 있다. 냉동된 시약을 도 2에서 참조 번호 66으로 나타내고 있다. 제1 증기 돔(68)이 시약(66)의 상부면(70) 위에 형성되어 있다. 시약 탱크(10)가 "가득"차 있을 때, 제1 증기 돔(68)은 탱크(10) 볼륨의 약 11%를 차지한다. 시약이 고체로 얼 때 시약 부피가 증가할 수 있기 때문에 제1 증기 돔(68)이 공간을 제공한다. 또한, 블리드-오프 튜브(60)가 시약 레벨 위의, 제1 증기 돔(68) 안에 위치하여 블리드-오프 튜브(60)가 냉동된 시약에 의해 차단되지 않는 것을 보장한다.

히팅 요소(76)가 탱크(10) 안에 포함된 시약과 열 전달 관계를 이루도록 배치된다. 도 2에 도시된 것처럼, 히팅 요소(76)가 바닥면(54)에 근접하여 탱크(10) 안에 위치할 수 있다. 또는, 히팅 요소(76)가 전달 모듈(12)을 정의하도록 펌프(22)와 결합할 수 있다. 전달 모듈은 탱크에서 떨어져 배치되거나 탱크(10)와 일체로 형성될 수 있다.

히팅 요소(76)에 전기 에너지가 제공되어 냉동된 시약을 녹일 수 있다. 에너지가 시약으로 전달되기 때문에, 액체 시약의 볼륨(80)이 히팅 요소(76)에 인접하게 형성된다. 입구(42)를 통해 펌프(22)가 액체 시약(80)을 끌어당기고 공급 라인(9) 및 인젝터(16)로 가압된 시약을 제공할 수 있다. 일반적인 작동 중, 펌핑된 시약의 단지 1~2%만 인젝터(16)를 통해 배기 가스 스트림으로 주입된다. 액체 시약의 나머지 약 98%가 반환 라인(35)을 통해 재순환된다(recirculated).

배기 가스의 에너지 함유량 때문에 인젝터(16)를 통해 이동할 때 시약의 온도가 약간 증가할 수 있다. 상술한 것처럼 공급 라인(9)과 반환 라인(35)이 가열되기 때문에 시약의 온도가 그 이후에 실질적으로 일정하게 유지된다. 가압된 시약이 교환관 제1 말단(48)으로 들어가고 탱크(10)로 흐르기 시작한다. 상당한 양의 냉동된 시약(66)이 존재하면, 반환 라인(35)을 통과하여 흐르는, 가열되고 가압된 액체 시약이 블리드-오프 튜브(60)를 통해 이동하여 제2 개방 말단(64)을 나간다. 액체 시약의 스트림의 방향이 교환관(46)의 외부면에 근접한 표면(70)을 향하도록 블리드-오프 튜브(60) 및 제2 개방 말단(64)의 방향이 결정된다. 가열된 시약의 흐름이 냉동된 시약(66)을 녹이기 시작한다. 동시에, 가열되고 가압된 시약이 교환관(46) 안에서 시약의 동결 컬럼(frozen column)에 작용한다. 상대적으로 짧은 시간에, 액체 시약 볼륨(80) 및 반환 라인(35)을 통해 반환되는 액체 시약 사이에 유체 연통로(fluid communication path)가 생성될 것이다. 교환관(46) 안의 냉동된 시약의 컬럼이 녹으면, 반환 라인(35)에서 공급된 액체 시약과 어퍼처(72)가 유체 연통(fluid communication) 상태에 놓일 것이다. 액체 시약이 어퍼처(aperture; 72)를 통과하여 교환관(46)의 외부면에 인접한 냉동된 시약(66)이 더 빨리 녹을 것이다.

펌핑 작동 동안, 제2 증기 돔(82)이 액체 시약(80)의 표면(84) 위에 형성될 수도 있다. 어퍼처(72)와 블리드-오프 튜브(60)를 통해 제1 증기 돔(68) 및 제2 증기 돔(82) 사이가 연결되어 그 사이의 압력이 같아질 것이다. 압력 릴리프 밸브(pressure relief valve; 88)를 통해 제1 증기 돔(68) 및 대기 사이가 연결된다. 따라서, 제2 증기 돔(82) 내에서 진공이 형성되는 것을 피할 수 있다.

구체예의 전술한 설명은 설명 및 기술의 목적을 위해 제공되었다. 이 구체예의 설명은 개시내용을 완전히 개시하는 것이 아니며 또한 제한하는 것도 아니다. 일반적으로 특정한 구체예의 개별 요소 또는 특징은 그 특정한 구체예로 제한되는 것이 아니지만, 특별하게 도시하거나 설명한 경우가 아니라면, 적용될 수 있는 한, 교환할 수 있고, 선택된 구체예에서 이용될 수 있다. 또한 동일한 것이 다양한 방법으로 변경될 수 있다. 그런 변형은 개시내용을 떠나서 이루어지는 것으로 간주되지 않고, 모든 그런 변이는 개시내용의 범위 내에 포함되는 것으로 예정된다.

Claims

엔진으로부터의 배기가스를 감소하는 시약 주입 시스템(reagent injection system)으로서,
상기 시스템은
시약 컨테이너(reagent container);
상기 컨테이너 안에 저장된 시약과 열 전달 관계(heat transfer relationship)에 위치하는 히팅 요소(heating element); 및
재순환된 액체 시약을 받아들이는 제1 말단 및 상기 컨테이터 안에 배치된 제2 개방 말단을 가지며, 상기 제1 및 제2 말단 사이의 교환관(interchange tube)에서 분기하는 블리드-오프 튜브(bleed-off tube)를 포함하는 교환관(interchange tube);을 포함하고,
상기 블리드-오프 튜브(bleed-off tube)의 터미널 말단이 시약 표면 위의 증기 돔(vapor dome) 안에 위치하는, 시약 주입 시스템.
제1항에 있어서,
상기 교환관은 가로방향으로(transversely) 연장되는 복수의 어퍼처(aperture)를 포함하는, 시약 주입 시스템.
제2항에 있어서,
상기 교환관의 제2 말단은 상기 히팅 요소에 근접하는, 시약 주입 시스템.
제3항에 있어서,
상기 블리드-오프 튜브의 터미널 말단은 재순환된 액체 시약의 스트림이 시약의 동결된 부분을 향하도록 위치하는, 시약 주입 시스템.
제4항에 있어서,
상기 교환관은 상기 컨테이너의 빈 공간 영역 사이의 압력을 균등하게 하기 위한 복수의 통로(passageways through)를 제공하는, 시약 주입 시스템.
제1항에 있어서,
상기 히팅 요소는 상기 컨테이너의 바닥에 근접하여 위치하는, 시약 주입 시스템.
제1항에 있어서,
상기 컨테이너와 유체 연통(fluid communication) 상태인 공급 라인을 통해 액체 시약을 끌어당기는 펌프를 더 포함하는, 시약 주입 시스템.
제7항에 있어서,
상기 교환관의 제1 말단으로 엔진 배기가스로 주입되지 않는 펌핑되고 재순환된 시약을 공급하는 반환 라인(return line)을 더 포함하는, 시약 주입 시스템.
제8항에 있어서,
상기 공급 라인 및 상기 반환 라인의 연결 지점(junction)에 위치하고, 엔진 배기가스로 시약을 주입하는 인젝터(injector)를 더 포함하는, 시약 주입 시스템.
제1항에 있어서,
공급 라인은 상기 컨테이너의 바닥면에 근접하여 위치한 입구(inlet)를 포함하는, 시약 주입 시스템.
제10항에 있어서,
상기 히팅 요소는 상기 교환관의 제2 말단 및 상기 입구 사이에서 상기 컨테이너 안에 위치하는, 시약 주입 시스템.
엔진으로부터의 배기가스를 감소하는 시약 주입 시스템(reagent injection system)으로서,
상기 시스템은
인젝터(injector);
시약 컨테이너(reagent container);
상기 컨테이너로부터 액체 시약을 펌핑하는 펌프;
상기 펌프와 상기 인젝터를 연결하는 공급 라인(supply line);
상기 인젝터로부터 상기 컨테이너로 시약을 재순환시키는 반환 라인(return line);
상기 컨테이너에 저장된 시약과 열 전달 관계(heat transfer relationship)로 위치하는 히팅 요소(heating element); 및
재순환된 액체 시약을 받아들이는 반환 라인과 연결 상태에 있는 제1 말단 및 상기 컨테이너 안에 위치하는 제2 개발 말단(second open end)을 가지며, 상기 제1 및 제2 말단 사이에서 교환관(interchange tube)에서 분기하는 블리드-오프 튜브(bleed-off tube)를 포함하는 교환관(interchange tube);을 포함하며,
상기 블리드-오프 튜브의 터미널 말단이 시약 표면 위의 증기 돔(vapor dome) 안에 위치하는, 시약 주입 시스템.
제12항에 있어서,
상기 교환관은 축 방향으로 간격을 두고 있고 가로 방향으로 연장하는 복수의 어퍼처(aperture)를 포함하는, 시약 주입 시스템.
제12항에 있어서,
상기 교환관의 제2 말단은 상기 히팅 요소에 근접하여 위치하는, 시약 주입 시스템.
제12항에 있어서,
상기 블리드-오프 튜브의 터미널 말단은 재순환된 액체 시약의 스트림이 상기 교환관의 외부 표면을 향하도록 위치하는, 시약 주입 시스템.
제12항에 있어서,
상기 교환관은 상기 컨테이너의 빈 공간 영역 사이의 압력을 균등하게 하기 위한 복수의 통로(passageways through)를 제공하는, 시약 주입 시스템.
제12항에 있어서,
상기 공급 라인은 상기 컨테이너의 바닥에 근접하여 위치한 입구(inlet)를 포함하는, 시약 주입 시스템.
제17항에 있어서,
상기 히팅 요소는 상기 교환관의 제2 말단 및 상기 입구 사이에서 상기 컨테이너 안에 위치하는, 시약 주입 시스템.