KR20200009958A - 우레아 바이패스 탱크를 구비한 scr 공급장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 요소수 공급장치에 관한 기술로 기존의 요소수 공급장치는 요소수의 농도에 따른 제어방법을 제공하고 있지 않기 때문에, 농도가 낮은 요소수나 요소수와 비슷한 물성을 가지는 요소수가 유입되는 경우 배기촉매의 손상과 배기가스의 지속적인 배출로 환경오염에 문제가 되어왔다. 본 발명은 상기와 같은 문제를 요소수 공급 탱크의 상부에 형성된 결합부에 결합되는 요소수 공급장치 상부하우징; 및 상기 요소수 공급장치 상부하우징 상부에 결합되어 요소수 공급노즐과 연결되는 요소수 공급파이프; 및 상기 요소수 공급파이프의 하단과 요소수 이동파이프 상에 구비되어 요소수를 끌어올리는 요소수 공급펌프; 및 상기 요소수 공급노즐에서 사용하고 남은 요소수를 상기 요소수 공급 탱크로 회수하는 요소수 리턴파이프; 및 상기 요소수 이동파이프 하단 끝부분에 연결되어 이물질를 거르는 요소수필터; 및 상기 요소수필터 및 요소수 탱크 장착 요소수 퀄리티센서 및 요소수 레벨센서를 고정하는 요소수 공급장치 내부하우징; 및 상기 요소수 이동파이프 및 상기 요소수필터 및 요소수 퀄리티센서의 냉각을 방지하기위하여 엔진의 냉각수를 상기 요소수 공급장치 상부하우징으로 공급하는 냉각수 공급파이프; 및 상기 냉각수 공급파이프에 연결되고 상기 요소수 공급장치 내부하우징 외측에 나선형으로 구비되어 동결을 방지하는 냉각수 이동파이프; 및 상기 냉각수 이동파이프 끝단에 연결되어 냉각수를 다시 냉각라인으로 연결하는 냉각수 배출파이프; 및 상기 요소수 퀄리티센서의 측정값과 상기 요소수 공급장치 상부하우징에 구비되는 요소수공급제어부의 신호를 엔진 컨트롤유닛과 연결하는 제어용 컨트롤신호 입력선; 및 상기 요소수 탱크의 압력을 조절하기위한 가스배출관을 상기 요소수 공급장치 상부하우징에 구비하는 요소수 공급장치를 제공하므로써, SCR을 사용하기 위하여 공급된 요소수의 농도(또는 퀄리티)가 정상이 아닌 경우에도 이를 보상하거나, 이를 요소수탱크로 리턴하지 않고 바이패스하여 배출할 수 있도록 함으로써, 정상적인 SCR 사이클이 동작할 수 있도록하였다.

Description

우레아 바이패스 탱크를 구비한 SCR 공급장치{SCR Device with Urea Bypass Tank}
본 발명은 디젤엔진의 배기가스 정화장치에 관한 것으로 특별히, NOx 등의 유해물질을 제거하는 배기가스 정화기술에 관한 것이다.
본 발명 이전의 선행기술로는 선택적 촉매 환원 시스템에 사용되는 요소수의 요소 농도를 측정하는 요소 농도 측정 장치를 제공한다. 요소 농도 측정 장치는 요소수를 저장하는 요소수 탱크 내에 배치된다. 요소 농도 측정 장치는 초음파 송수신기와, 초음파 송수신기의 초음파가 전파하는 농도 측정 영역을 에워싸는 차폐 부재를 구비한다. 차폐부재는 다수의 통공을 가지며, 통공은 요소수 내의 기포의 농도 측정 영역으로의 침입은 방지하나 요소수의 농도측정 영역으로의 유입을 허용하는 기술이 제시되어 있다.
또 다른 선행기술로는 차량의 배기가스 중에 포함되는 질소산화물을 저감하는 장치인 SCR 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 SCR 시스템의 오류진단에 있어서 촉매의 고장여부와 요소수가 부적합한 것인지 여부를 독립적으로 판단할 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.
등록특허공보 10-1596410 등록특허공보 10-1865915
본 발명은 요소수 공급장치에 관한 기술로 기존의 요소수 공급장치는 요소수의 농도에 따른 제어방법을 제공하고 있지 않기 때문에, 농도가 낮은 요소수나 요소수와 비슷한 물성을 가지는 요소수가 유입되는 경우 배기촉매의 손상과 배기가스의 지속적인 배출로 환경오염에 문제가 되어왔다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여,
요소수 공급 탱크의 상부에 형성된 결합부에 결합되는 요소수 공급장치 상부하우징; 및
상기 요소수 공급장치 상부하우징 상부에 결합되어 요소수 공급노즐과 연결되는 요소수 공급파이프; 및
상기 요소수 공급파이프의 하단과 요소수 이동파이프 상에 구비되어 요소수를 끌어올리는 요소수 공급펌프; 및
상기 요소수 공급노즐에서 사용하고 남은 요소수를 상기 요소수 공급 탱크로 회수하는 요소수 리턴파이프; 및
상기 요소수 이동파이프 하단 끝부분에 연결되어 이물질를 거르는 요소수필터; 및
상기 요소수필터 및 요소수 탱크 장착 요소수 퀄리티센서 및 요소수 레벨센서를 고정하는 요소수 공급장치 내부하우징; 및
상기 요소수 이동파이프 및 상기 요소수필터 및 요소수 퀄리티센서의 냉각을 방지하기위하여 엔진의 냉각수를 상기 요소수 공급장치 상부하우징으로 공급하는 냉각수 공급파이프; 및
상기 냉각수 공급파이프에 연결되고 상기 요소수 공급장치 내부하우징 외측에 나선형으로 구비되어 동결을 방지하는 냉각수 이동파이프; 및
상기 냉각수 이동파이프 끝단에 연결되어 냉각수를 다시 냉각라인으로 연결하는 냉각수 배출파이프; 및
상기 요소수 퀄리티센서의 측정값과 상기 요소수 공급장치 상부하우징에 구비되는 요소수공급제어부의 신호를 엔진 컨트롤유닛과 연결하는 제어용 컨트롤신호 입력선; 및
상기 요소수 탱크의 압력을 조절하기위한 가스배출관을 상기 요소수 공급장치 상부하우징에 구비하는 것을 특징으로 하는 요소수 공급장치를 제공한다.
또한, 상기 요소수 리턴파이프에 리턴파이프장착 요소수 퀄리티센서와 요소수 바이패스 솔레노이드밸브 및 상기 요소수 바이패스 솔레노이드밸브와 연결되는 요소수배출탱크를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 요소수 공급장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 요소수 공급장치를 이용한 요소수 공급 제어방법에 있어서,
상기 요소수 리턴파이프에 구비된 리턴파이프장착 요소수 퀄리티센서에서 상기 요소수 공급노즐에서 사용하고 남은 요소수의 퀄리티(또는 농도)를 측정하여 정상이면, 상기 요소수 공급탱크로 요소수를 리턴시키고, 비정상이면 상기 요소수 바이패스 솔레노이드밸브를 구동하여 요소수를 상기 요소수배출탱크로 배출하는 것을 특징으로 하는 요소수 공급장치를 이용한 요소수 공급 제어방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 요소수 공급장치를 이용한 요소수 공급 제어방법에 있어서,
요소수 탱크 장착 요소수 퀄리티센서를 이용한, 배기가스 환원제어방법을 제공한다. 상기 요소수 퀄리티센서에서 측정된 요소수의 퀄리티가 낮은 경우 요소수의 퀄리티가 낮은 만큼 보상하여 요소수를 더 공급하는 방법을 제공한다.
즉, 상기 요소수 공급장치를 이용한 요소수 공급제어방법에 있어서,
상기 요소수 탱크 장착 요소수 퀄리티센서에서 요소수의 퀄리티(또는 농도)를 측정하는 단계(S1); 및
상기 측정된 퀄리티로부터 요소의 양을 계산하는 단계(s2); 및
상기 계산된 요소의 양이 정산인 경우 정상적인 양을 상기 요소수 공급노즐에서 분사하는 단계(S3); 및
상기 계산된 요소의 양이 부족한 경우 부족한 양을 보충할 수 있는 요소수의 공급량을 계산하는 보상공급량계산단계(S4); 및
상기 보상공급량계산단계에서 계산된 요소의 공급량에 포함된 수분의 양을 계산하는 수분량계산단계(S5); 및
상기 수분량계산단계에서 계산된 보상된요소수의 수분의 양을 정상적인 요소수에 포함된 수분을 증발시키는 180℃에서 증발시키는 시간과 동일한 시간에 상기 보상된요소수의 수분의 양을 증발시키는 온도을 계산하는 온도보상계산단계(S6); 및
상기 온도보상계산단계(S7);에서 상기 보상공급량계산단계에서 계산된 요소수을 공급하는 요소수 퀄리티를 반영한 요소수 공급제어방법을 제공한다.
상기와 같은 구성에 의하여 SCR을 사용하기위하여 공급된 요소수의 농도 또는 퀄리티가 정상이 아닌 경우에도 이를 보상하거나, 이를 요소수탱크로 리턴하지 않고 바이패스하여 배출할 수 있도록 함으로써, 정상적인 SCR 사이클이 동작할 수 있도록하였다.
도 1은 본 발명의 요소수 공급장치 전체 사시도이다.
도 2는 본 발명의 요소수 공급장치의 하부 확대도이다.
도 3은 본 발명의 요소수 공급장치 내부하우징 내부의 구성이다.
도 4는 본 발명의 요소수 공급장치 상부 확대도이다.
도 5는 본 발명의 요소수 공급장치에 리턴파이프 퀄리티 센서와 요소배출탱크를 추가한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 요소수 공급장치에서 요소수 공급탱크 내부의 퀄리티센서의 센서값을 이용한 요소수 공급방법이다.
본 발명은 디젤엔진에서 배기가스에 포함된 NOx를 제거하는 SCR 촉매를 사용하는 배기가스 저감장치에 관한 것이다. SCR은 Selective catalytic reduction로 영문표기되고, 선택적환원 촉매로도 알려져 있다. SCR 촉매 내부에서는 우레아가 공급되는 하기와 같은 반응이 일어나 NOx 성분이 질소, 이산화탄소 물로 환원된다.
반응제로 우레아(요소수)를 사용할 때
(NH2)2CO + 2NO + ½O2 → 2N2 + CO2 + 2H2O
자동차에 사용되는 SCR 환원촉매 방식은 ‘요소수’라고 불리는 액체를 별도의 탱크에 보충해 사용한다. 요소수의 물성은 요소수는 요소 32.5퍼센트, 물(증류수) 67.5퍼센트의 비율의 혼합액이다.
이외에도 굴절률 1.3940 - 1.3975, 비중 1.106 - 1.118 등의 물성을 가진다.
또한, 사용조건은 배기온도 180도 이상으로 이는 물은 기화시키고, 요소는 열을 받아 암모니아로 변해야 하기 때문이다. 또한, SCR 촉매 안에 일정 농도의 암모니아를 유지해야 질소산화물과 화학반응이 완벽히 이루어 질수 있다. 이때 배기온도는 180℃ 이상이지만 우레아가 분사된 후 이동하는 배기관의 길이에 따라 배기관의 길이가 짧으면 빠른 시간에 우레아의 온도를 높여야 하므로, 더 높은 온도가 필요할 수 있다.
이는 우레아의 공급 양이 많아지면, 상기와 동일한 이유로 배기가스의 온도가 높아야 우레아가 암모니아로 바뀌지 못하고 배출되는 문제를 해결할 수 있다.
일반적으로 자동차에 사용되는 SCR 시스템에서는 두 개의 온도센서를 사용한다.
첫 번째 온도센서는 배기매니폴드에 연결되어 연소실의 온도를 추정한다. 이것은 연소실의 온도가 높을수록 질소산화물이 많이 배출되기 때문에 배기가스에 포함된 질소산화물의 양을 예측하기 위하여
온도센서가 사용된다.
두 번째 온도센서는 배기가스의 온도가 충분히 높아 요소수를 분사하여 NOx를 제어할 수 있는지 결정하는 센서이다.
또한, 자동차에는 질소산화물 센서를 구비하는데 이는 SCR 촉매를 통과한 배기가스에 남은 질소산화물의 농도를 측정하여 NOx가 얼마나 제거되었는지 실시간 감시하고, 우레아의 공급량이 부족한지 남는지 역시 감시한다. 일반적으로 배기가스 중의 NOx가 많이 검출되는 우레아 공급량이 적은 것으로 판단한다.
본 발명은 상기와 같은 SCR 촉매의 동작에 있어서,
우레아의 농도(퀄리티)가 정상인 경우 뿐만 아니라, 농도가 낮은 경우에도 배기가스 중에 포함된 NOx를 적절하게 제어할 수 있는 방법을 제공한다.
이러한 목적을 달성하는 발명은 구성은 하기와 같다.
ECU 제어기 또는 SCR 제어기 등에서 20회 이상의 연속적인 우레아의 공급에도 불구하고, 상기 질소산화물 센서의 측정값이 줄어들지 않는 경우, 상기 요소수탱크에 채워진 요소수가 정상인 요소수가 아니라 판단하고, 상기 우레아의 공급을 연속으로 시행하고, 상기 요소수공급노즐은 차단하고, 상기 요소수 리턴라인의 상기 요소수 바이패스 솔레노이드밸브를 구동하여 요소수탱크에 있는 요소수를 모두 상기 요소수배출탱크로 배출하는 것을 특징으로 하는 요소수 공급장치를 이용한 요소수 공급 제어방법을 제공한다.
또한, 요소수 공급 탱크의 상부에 형성된 결합부에 결합되는 요소수 공급장치 상부하우징; 및
상기 요소수 공급장치 상부하우징 상부에 결합되어 요소수 공급노즐과 연결되는 요소수 공급파이프; 및
상기 요소수 공급파이프의 하단과 요소수 이동파이프 상에 구비되어 요소수를 끌어올리는 요소수 공급펌프; 및
상기 요소수 공급노즐에서 사용하고 남은 요소수를 상기 요소수 공급 탱크로 회수하는 요소수 리턴파이프; 및
상기 요소수 이동파이프 하단 끝부분에 연결되어 이물질를 거르는 요소수필터; 및
상기 요소수필터 및 요소수 탱크 장착 요소수 퀄리티센서 및 요소수 레벨센서를 고정하는 요소수 공급장치 내부하우징; 및
상기 요소수 이동파이프 및 상기 요소수필터 및 요소수 퀄리티센서의 냉각을 방지하기위하여 엔진의 냉각수를 상기 요소수 공급장치 상부하우징으로 공급하는 냉각수 공급파이프; 및
상기 냉각수 공급파이프에 연결되고 상기 요소수 공급장치 내부하우징 외측에 나선형으로 구비되어 동결을 방지하는 냉각수 이동파이프; 및
상기 냉각수 이동파이프 끝단에 연결되어 냉각수를 다시 냉각라인으로 연결하는 냉각수 배출파이프; 및
상기 요소수 퀄리티센서의 측정값과 상기 요소수 공급장치 상부하우징에 구비되는 요소수공급제어부의 신호를 엔진 컨트롤유닛과 연결하는 제어용 컨트롤신호 입력선; 및
상기 요소수 탱크의 압력을 조절하기위한 가스배출관을 상기 요소수 공급장치 상부하우징에 구비하는 것을 특징으로 하는 요소수 공급장치를 제공한다.
또한, 상기 요소수 리턴파이프에 리턴파이프장착 요소수 퀄리티센서와 요소수 바이패스 솔레노이드밸브 및 상기 요소수 바이패스 솔레노이드밸브와 연결되는 요소수배출탱크를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 요소수 공급장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 요소수 공급장치를 이용한 요소수 공급 제어방법에 있어서, 상기 요소수 리턴파이프에 구비된 리턴파이프장착 요소수 퀄리티센서에서 상기 요소수 공급노즐에서 사용하고 남은 요소수의 퀄리티(또는 농도)를 측정하여 정상이면, 상기 요소수 공급탱크로 요소수를 리턴시키고, 비정상이면 상기 요소수 바이패스 솔레노이드밸브를 구동하여 요소수를 상기 요소수배출탱크로 배출하는 것을 특징으로 하는 요소수 공급장치를 이용한 요소수 공급 제어방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 요소수 공급장치를 이용한 요소수 공급 제어방법에 있어서, 요소수 탱크 장착 요소수 퀄리티센서를 이용한, 배기가스 환원제어방법을 제공한다. 상기 요소수 퀄리티센서에서 측정된 요소수의 퀄리티가 낮은 경우 요소수의 퀄리티가 낮은 만큼 보상하여 요소수를 더 공급하는 방법을 제공한다.
즉, 상기 요소수 공급장치를 이용한 요소수 공급제어방법에 있어서, 상기 요소수 탱크 장착 요소수 퀄리티센서에서 요소수의 퀄리티(또는 농도)를 측정하는 단계(S1); 및
상기 측정된 퀄리티로부터 요소의 양을 계산하는 단계(s2); 및
상기 계산된 요소의 양이 정산인 경우 정상적인 양을 상기 요소수 공급노즐에서 분사하는 단계(S3); 및
상기 계산된 요소의 양이 부족한 경우 부족한 양을 보충할 수 있는 요소수의 공급량을 계산하는 보상공급량계산단계(S4); 및
상기 보상공급량계산단계에서 계산된 요소의 공급량에 포함된 수분의 양을 계산하는 수분량계산단계(S5); 및
상기 수분량계산단계에서 계산된 보상된요소수의 수분의 양을 정상적인 요소수에 포함된 수분을 증발시키는 180℃에서 증발시키는 시간과 동일한 시간에 상기 보상된요소수의 수분의 양을 증발시키는 온도을 계산하는 온도보상계산단계(S6); 및
상기 온도보상계산단계(S7)에서 계산된 배기가스의 온도에서 상기 보상공급량계산단계에서 계산된 요소수을 공급하는 요소수 퀄리티를 반영한 요소수 공급제어방법을 제공한다.
또한, 상기 온도보상계산단계(S7);에서 계산된 배기가스의 온도보다 상기 배기가스이 온도가 낮은 경우 상기 엔진의 연료공급량을 늘려 상기 배기가스의 온도를 높이는 배기가스온도상승단계(S7); 및
상기 배기가스온도상승단계에서 배기가스의 온도가 상승된 후 후 상기 보상공급량계산단계에서 계산된 요소수을 공급하는 요소수 퀄리티를 반영한 요소수 공급제어방법을 제공한다.
100 : 요소수 공급 장치
110 : 요소수 공급파이프
115 : 요소수 이동파이프
120 : 요소수 리턴파이프
130 : 요소수 레벨센서
140 : 요소수 필터
150 : 요소수 탱크 장착 요소수 퀄리티센서
160 : 리턴파이프장착 요소수 퀄리티센서
180 : 요소수 공급장치 내부하우징
190 : 요소수 이송관
200 : 냉각수 공급파이프
210 : 냉각수 배출파이프
220 : 냉각수 이동파이프
300 : 가스배출관
310 : 요소수 배출탱크
320 : 요소수 바이패스 솔레노이드
400 : 요소수 공급제어부
410 : 제어용 컨트롤신호 입력선

Claims (3)

  1. 요소수 공급 탱크의 상부에 형성된 결합부에 결합되는 요소수 공급장치 상부하우징; 및
    상기 요소수 공급장치 상부하우징 상부에 결합되어 요소수 공급노즐과 연결되는 요소수 공급파이프; 및
    상기 요소수 공급파이프의 하단과 요소수 이동파이프 상에 구비되어 요소수를 끌어올리는 요소수 공급펌프; 및
    상기 요소수 공급노즐에서 사용하고 남은 요소수를 상기 요소수 공급 탱크로 회수하는 요소수 리턴파이프; 및
    상기 요소수 이동파이프 하단 끝부분에 연결되어 이물질를 거르는 요소수필터; 및
    상기 요소수필터 및 요소수 탱크 장착 요소수 퀄리티센서 및 요소수 레벨센서를 고정하는 요소수 공급장치 내부하우징; 및
    상기 요소수 이동파이프 및 상기 요소수필터 및 요소수 퀄리티센서의 냉각을 방지하기위하여 엔진의 냉각수를 상기 요소수 공급장치 상부하우징으로 공급하는 냉각수 공급파이프; 및
    상기 냉각수 공급파이프에 연결되고 상기 요소수 공급장치 내부하우징 외측에 나선형으로 구비되어 동결을 방지하는 냉각수 이동파이프; 및
    상기 냉각수 이동파이프 끝단에 연결되어 냉각수를 다시 냉각라인으로 연결하는 냉각수 배출파이프; 및
    상기 요소수 퀄리티센서의 측정값과 상기 요소수 공급장치 상부하우징에 구비되는 요소수공급제어부의 신호를 엔진 컨트롤유닛과 연결하는 제어용 컨트롤신호 입력선; 및
    상기 요소수 탱크의 압력을 조절하기위한 가스배출관을 상기 요소수 공급장치 상부하우징에 구비하는 것을 특징으로 하는 요소수 공급장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 요소수 리턴파이프에 리턴파이프장착 요소수 퀄리티센서와 요소수 바이패스 솔레노이드밸브 및 상기 요소수 바이패스 솔레노이드밸브와 연결되는 요소수배출탱크를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 요소수 공급장치.
  3. 제2항의 요소수 공급장치를 이용한 요소수 공급 제어방법에 있어서,
    상기 요소수 리턴파이프에 구비된 리턴파이프장착 요소수 퀄리티센서에서 상기 요소수 공급노즐에서 사용하고 남은 요소수의 퀄리티(또는 농도)를 측정하여 정상이면, 상기 요소수 공급탱크로 요소수를 리턴시키고, 비정상이면 상기 요소수 바이패스 솔레노이드밸브를 구동하여 요소수를 상기 요소수배출탱크로 배출하는 것을 특징으로 하는 요소수 공급장치를 이용한 요소수 공급 제어방법.
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