KR100805096B1

KR100805096B1 - 배기가스 후처리 장치용 액체 공급 장치

Info

Publication number: KR100805096B1
Application number: KR1020067025273A
Authority: KR
Inventors: 준이치 가네코
Original assignee: 봇슈 가부시키가이샤
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2005-04-14
Publication date: 2008-02-20
Also published as: US20070251226A1; WO2005106220A1; JP2005315206A; CN100451304C; EP1741887A4; CN1965153A; JP4137838B2; EP1741887B1; KR20070057082A; EP1741887A1

Abstract

탱크(2) 내 저장된 요소수 용액(U)을 배기가스 후처리 장치(100)에 공급하기 위한 관(3)을 열적으로 유지하기 위해 장착되는 열유지 장치(40)에서, 관(3) 내 요소수 용액(U)의 흐름상태에 기초하여 관(3) 내 요소수 용액(U)이 결빙된 것으로 판정되었을 때 주변온도신호(S2)를 선택적으로 출력하고, 관(3) 내 요소수 용액(U)이 흐르는 것으로 판정될 때 탱크온도신호(S1)를 선택적으로 출력하는, 선택부(50)가 설치된다. 또한, 열유지에 필요한 구동전류(Y)가 선택부(50)로부터의 출력신호(S3)에 응답하여 히터(17A)에 공급된다.

배기가스 후처리 장치, 액체 공급 장치, 해빙, 열유지, 온도센서

Description

배기가스 후처리 장치용 액체 공급 장치{Liquid supply device for exhaust gas post-treatment device}

본 발명은 배기 가스 후처리 장치용 액체 공급 장치에 관한 것이다.

디젤 엔진의 배기 가스를 정화하기 위해, 요소수 용액(urea water solution)을 노즐을 통해 배기가스에 분사하고 촉매변환작용을 사용하여 배기가스를 정화시키는 배기가스 후처리 시스템이 공지되어 있다(JP-3022601). 이 기술은 기본적으로 선택적 촉매 환원 프로세스에 기초하며, 요소수 용액은 산화질소의 촉매변환을 위한 환원제로서 암모니아 대신에 사용된다.

배기가스 처리에 사용되는 이러한 유형의 액체가 탱크 등에 저장될지라도, 한랭지역에서 외기온도는 빙점 미만에 이르기 때문에, 탱크 내 액체가 결빙하여 액체를 공급하기가 불가능할 우려가 있다. 이를 위해서, 저장탱크 등에 가열 장치를 설치함으로써 저장탱크 내 액체가 결빙되는 것을 방지할 수 있는 구성이 채택되었다.

이러한 유형의 액체 공급 장치는 저장탱크 내 액체가 액체 공급관을 통해 펌프모듈에 공급되고 액체가 펌프모듈 내에서 가압되어 배기관에 분사되게 구성된다. 액체 공급관의 온도는 차량 밖의 외기온도가 되기 때문에, 상기 액체 또한 액체 공 급관 내에서 결빙할 우려가 있다. 그러나, 액체 공급관은 상이한 명세에 의거하여 차량의 유형에 맞추어 차체 조립라인에서 차량에 장착되기 때문에, 열센서가 관에 장착되지 않는다. 따라서, 종래에, 액체 공급관의 가열 제어는 저장탱크 내 액체의 온도를 검출하기 위한 온도센서로부터의 정보를 사용하여 수행되고 따라서 액체가 관 내에서 결빙하지 않게 열 절연 제어를 수행한다.

그러나, 액체 공급관의 열용량은 저장탱크의 열용량에 비해 작고 따라서 액체는 관 내에서 쉽게 결빙할 수 있어 종래의 구성은 액체 공급관 내 액체의 해빙상태를 보장할 수 없다. 따라서, 저장탱크 내 액체의 온도가 미리결정된 값 이상이 될 때 가압펌프를 작동시키고 압력 상승이 가압펌프의 출력측에서 확인되었을 때 해빙이 완료된 것으로 판정하고 그후에 열 절연 모드에 진입하는 구성이 채택되었다.

해빙 완료가 수행된 후에 액체 공급관을 가열하기 위한 히터의 동작에 관하여, 저장탱크 내 온도가 임계값을 초과할 때 히터를 오프 모드로 설정하는 동작과 저장탱크 내 온도가 임계값보다 작아지게 될 때 히터를 열 절연 모드로 설정하는 동작이 반복된다. 히터는 각각의 모드들에서 펄스전류로 구동되며 구동 듀티비(duty ratio)를 산출하는 방법은 다음의 두 가지 옵션들을 가지며 이들 모드들은 데이터 세팅에 의해 선택될 수 있다.

1. 구동 듀티비는 주변온도의 값에 기초하여 얻어진다.

2. 구동 듀티비는 저장탱크 내 액체의 온도와 가압펌프 내 액체의 온도에 기초하여 얻어진다.

그러나, 이들 종래의 옵션들은 각각 다음의 결점들을 갖는다.

먼저, 주변온도값에 기초하여 구동 듀티비를 얻는 데에 있어, 액체 공급관 내 액체의 온도가, 가열된 저장탱크 내 액체의 순환에 기인하여 높아졌을 때라도, 구동 듀티비는 고정되고 따라서 과열될 우려가 있다. 두 번째로, 저장탱크 내 액체의 온도와 가압펌프 내 액체의 온도에 기초하여 구동 듀티비를 얻는 데에 있어, 액체 공급관 내 액체의 순환이 없을 때, 관은 저장탱크에 비해 작은 열용량을 갖고 있기 때문에, 액체 공급관의 온도가 낮아지는 것이 가속된다. 따라서, 액체 공급관 내 액체는 주변온도에 의해 냉각되고 그 온도는 산출된 온도보다 낮아진다. 이러한 상황에도 불구하고, 히터는 낮은 듀티비로 동작하여 불충분한 가열이 될 우려가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 위에 언급한 결점들을 극복할 수 있는 배기가스 후처리 장치용 액체 공급 장치를 제공하는 것이다.

위에 언급된 결점들을 극복하기 위해서, 본 발명은 탱크 내 저장된 액체를 관을 통해 배기가스 정화 장치에 공급하는 배기가스 후처리 장치용 액체 공급 장치를 제공하며 상기 탱크 내 액체를 해빙한 후에 열유지 장치를 사용하여 상기 액체를 열적으로 유지하며, 상기 열유지 장치는 상기 탱크 내 온도를 검출하는 탱크 온도 센서, 주변 온도를 검출하는 주변 온도 센서, 상기 관을 가열하는 히터, 상기 주변온도 센서의 출력 및 상기 탱크 온도 센서의 출력 중 하나를 상기 관 내 액체의 흐름상태에 기초하여 선택하는 선택부, 및 상기 선택부로부터의 출력에 응답하여 히터에 열유지에 필요한 열유지를 위한 전류를 공급하는 구동부를 포함한다.

본 발명에 따라서, 탱크 내 액체를 해빙한 후에, 히터에 흐르는 전류는 탱크온도센서 및 주변온도센서 중 원하는 센서의 출력과, 관 내에 액체가 흐르는지 여부에 기초하여 제어되고, 따라서 관 내 열유지가 적합하게 수행될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 배기가스 후처리 장치용 액체 공급 장치의 일 예를 도시한 구성도이다.

도 2는 도 1에 도시한 열유지 장치의 상세한 구성도이다.

본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해서, 본 발명은 첨부한 도면과 함께 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 배기가스 후처리 장치용 액체 공급 장치의 일 예를 도시한 구성도이다. 액체 공급 장치(1)는 배기가스 후처리에서 요소수 용액을 공급하기 위한 장치이며, 요소수 용액(U)을 저장하기 위한 탱크(2) 및 탱크(2) 내 요소수 용액(U)을 배기가스 후처리 장치(100)에 도입하기 위한 관(3)을 포함한다. 이 실시예에서, 배기가스 후처리 장치(100)는 배기관(101) 상에 장착되고, 요소수 용액(U)은 배기가스 후처리 장치(100)의 상류측에 관(3)의 말단부에 장착된 주입노즐(4)을 통해 배기관(101)에 주입되어 이 배기관 내에 공급된다.

관(3)의 중간부 상에는, 요소수 용액(U)을 가압하기 위한 펌프(5) 및 투여 밸브(6)가 장착된다. 투여 밸브(6)는 관(8)을 통해 공기 저장기(7)에 접속되고, 관(8) 상에 장착된 차단밸브(9)의 개/폐 제어를 수행함으로써, 투여 밸브(6)에 압축공기의 공급이 제어될 수 있다. 참조부호 10은 릴리프 밸브를 나타낸다. 또한, 탱크(2)와 투여 밸브(6) 사이에, 릴리프 밸브(11)를 구비한 복귀관(12)이 제공된다. 관(3)을 통해 투여 밸브(6)에 공급되는 여분의 량의 요소수 용액(U)은 릴리프 밸브(11)를 통해 탱크(2)에 복귀된다. 여기서, 압력을 측정하기 위한 압력센서(20)가 펌프(5) 근처의 관에 장착되고 주입압력 등을 확인하는데 사용된다. 또한, 투여 밸브(6) 및 차단밸브(9)는 도면들에 도시하지 않은 각각의 제어유닛들로부터의 제어신호들(C1, C2)에 응답하여 미리결정된 동작들을 수행하게 구성된다.

요소수 용액(U)이 결빙되었을 때 탱크(2) 내 요소수 용액(U)을 해빙하기 위해서, 또한 아울러 요소수 용액(U)이 결빙되는 것을 방지하기 위해 탱크(2)를 열적으로 유지하기 위해서, 해빙 및 열유지 장치(30)가 설치된다. 해빙 및 열유지 장치(30)는 도면들에 도시하지 않은 엔진용 냉각수를 탱크(2) 내에서 순환시키기 위한 냉각수 관(13), 냉각수 관(13)에 장착된 차단밸브(14), 및 냉각수 관(13) 내 냉각수의 순환을 제어하기 위해 차단밸브(14)의 온-오프 제어를 수행하기 위한 제1 제어유닛(15)을 포함한다. 탱크(2) 내 요소수 용액(U)의 온도를 검출하기 위한 탱크 온도센서(16)로부터 탱크 온도신호(S1)가 제1 제어유닛(15)에 입력된다.

제1 제어유닛(15)은 탱크(2) 내 요소수 용액(U)이 결빙되어 있는지 아닌지를 탱크 온도신호(S1)에 응답하여 판정하고, 판정결과에 따라 제1 제어유닛(15)으로부터 해빙 및 열유지를 위해 출력되는 해빙 및 열유지 제어신호(M1)가 차단밸브(14)에 입력된다. 따라서, 차단밸브(14)의 온-오프 제어는 해빙 및 열유지 제어신 호(M1)에 응답하여 수행되고, 따라서 냉각수 관(13)에 냉각수의 공급이 조정되어 이에 따라 탱크(2) 내 요소수 용액(U)의 해빙 및 열유지를 수행한다.

액체 공급 장치(1)는 탱크(2) 내 요소수 용액(U)이 녹아 관(3) 내에서 흐른 후에 다시 관(3) 내 요소수 용액(U)이 결빙되는 것을 방지하기 위해 열유지 동작을 수행하는 열유지 장치(40)를 더 포함한다.

열유지 장치(40)는 관(3)을 가열하기 위한 히터(17A) 및 복귀관(12)을 가열하기 위한 히터(17B)를 포함한다. 여기서, 히터들(17A, 17B)은 전기 히터들로서 구성된다. 열유지 장치(40)는 탱크 온도센서(16)로부터 탱크 온도신호(S1), 액체 공급 장치(1)의 주변온도를 검출하기 위한 주변온도 센서(18)로부터 출력되고 주변온도를 나타내는 주변온도 신호(S2), 및 해빙 및 열유지 제어신호(M1)가 입력되는 제2 제어유닛(19)을 포함한다. 원하는 가열을 수행하는데 필요한 구동전류(Y)가 제2 제어유닛(19)에서 히터들(17A, 17B)에 공급된다.

도 2는 열유지 장치(40)의 상세한 구성도이다. 열유지 장치(40)는 탱크 온도신호(S1) 및 주변온도 신호(S2)가 입력되고 관(3) 내 요소수 용액(U)의 양을 제어하기 위해 타겟 주입량 신호에 응답하여 위에 언급된 신호들 중 어느 하나를 선택하여 출력하는 선택부(50), 및 선택부(50)로부터의 출력신호(S3)에 응답하여 히터들(17A, 17B)에 관(3)을 열적으로 유지하는데 필요한 구동전류(Y)를 공급하는 구동부(60)를 포함한다. 구동전류(Y)는 후술하는 방식으로 전류의 듀티비가 결정되는 펄스전류 모드를 채택한다. 여기서, 도 1에 도시한 제2 제어유닛(19)은 선택부(50) 및 구동부(60)로 구성된다.

선택부(50)는 관(3) 내에서 요소수 용액(U)이 흐르는지 여부를 타겟 주입량 신호 및 경과시간에 응답하여 검출하는 검출부(51), 및 검출부(51)로부터 검출출력신호(SK)에 응답하여 탱크 온도신호(S1) 혹은 주변온도 신호(S2) 중 어느 하나를 선택하기 위한 제1 스위치부(52)를 포함하고 선택된 신호를 출력신호(S3)로서 출력한다. 검출부(51)는 관(3) 내 요소수 용액(U)의 흐름상태를 검출하기 위해 설치된다. 검출부(51)에서, 요소수 용액(U)이 관(3) 내에서 흐르지 않는 검출결과가 얻어졌을 때는 주변온도 신호(S2)가 선택된다. 검출부(51)에서, 관(3) 내에서 요소수 용액(U)이 흐른다는 검출결과가 얻어졌을 때는 탱크온도신호(S1)가 선택된다.

구동신호(60)는 출력신호(S3)에 응답하여 출력신호(S3)에 의해 표시된 온도에 따라 구동전류(Y)의 듀티비의 맵 산술연산을 수행하는 맵 산술연산부(61)를 포함한다. 산술연산결과를 나타내는 듀티비 데이터(D1)는 맵 산술연산부(61)로부터 출력되고, 듀티비 데이터(D1)는 제2 스위치부(62)에 입력된다. 참조부호 63은 듀티비(1)를 나타내는 고정된 데이터(D2)를 출력하는 데이터 출력부를 나타내며 고정된 데이터(D2)는 또한 제2 스위치부(62)에 입력된다.

해빙 및 열유지 제어신호(M1)는 제1 제어유닛(15)에서 제2 스위치부(62)에 스위칭 제어신호로서 입력된다. 해빙 및 열유지 제어신호(M1)가 입력되었을 때, 즉, 제1 제어유닛(15)이 해빙을 수행하기 위해 차단밸브(14)를 턴 온 하는 제어를 수행하였을 때, 고정된 데이터(D2)가 제2 스위치부(62)에 의해 선택되고, 위에 언급된 경우 이외의 경우들에서는, 듀티비 데이터(D1)가 선택된다.

위에 언급된 방식으로 선택된 어느 한 데이터는 제2 스위치부(62)에서 구동 전류출력부(64)로 출력 데이터(D3)로서 공급된다. 참조부호 65는 히터들(17A, 17B)를 사용하여 관(3) 및 복귀관(12)내 요소수 용액(U)의 해빙 혹은 열유지가 필요한지 여부를 결정하는 판정부를 나타낸다. 판정부(65)는 탱크온도신호(S1) 혹은 주변온도신호(S2) 중 하나가 요소수의 결빙 온도 미만임을 나타내는지를 판정한다. 판정부(65)의 판정결과를 나타내는 판정 데이터(D4)는 구동전류 출력부(64)에 전송된다. 구동전류 출력부(64)는 관(3) 및 복귀관(12) 내 요소수 용액(U)을 해빙 혹은 열적으로 유지하는 것이 필요한 것으로 판정부(65)가 판정하였을 때만 출력 데이터(D3)에 따르는 듀티비의 구동전류(Y)를 출력하게 구성된다.

열유지 장치(40)가 위에 언급된 구성을 갖기 때문에, 제2 스위치부(62)가 해빙 및 열유지 제어신호(M1)에 응답하여 고정된 데이터(D2)을 선택하였을 때, 듀티비(1)의 구동전류(Y)가 구동전류 출력부(64)로부터 출력되고, 관(3) 및 복귀관(12) 내 요소수 용액(U)을 해빙하기위해 관(3) 및 복귀관(12)은 히터들(17A, 17B)에 의해 가열된다. 여기서, 해빙상태는 요소수 용액의 압력변화가 압력센서(20)에 의해 관찰되는지 아니면 펌프(5)가 작동되는지와 아울러 요소수 용액(U)의 여분의 량을 위한 릴리프 밸브(11)가 작동되는지 여부에 의해 검출될 수 있다.

이러한 식으로, 해빙 및 열 절연 장치(30)를 사용한 탱크(2) 내 요소수 용액(U)의 해빙과 관(3) 및 복귀관(12) 내 요소수 용액(U)의 해빙이 종료되었을 때, 제2 스위치부(62)는 듀티비 데이터(D1)를 선택한다. 또한, 관(3)을 위한 해빙 혹은 열유지가 필요한 것으로 판정부(65)가 판정하였을 때만, 듀티비 데이터(D1)에 따르는 듀티비의 구동전류(Y)가 열유지를 위해 전류로서 히터들(17A, 17B)에 공급된다.

제1 스위치부(52)는 관(3) 내에서 요소수 용액(U)이 흐를 때 탱크 온도신호(S1)를 선택하기 때문에, 탱크(2) 내 요소수 용액(U)의 온도에 따르는 듀티비의 구동전류(Y)가 해빙 동작 후에 출력된다. 따라서, 해빙 후에 관(3) 내에 요소수 용액(U)이 흐를 때, 탱크(2) 내 요소수 용액(U)의 온도와 관(3) 내 요소수 용액(U)의 온도는 실질적으로 동일해지고, 따라서 극히 적합한 열유지 동작이 보장된다.

해빙 후에, 아이들링 혹은 저 부하 운전에서 배기가스가 낮은 NOX 상태가 되고 요소수 용액의 주입이 정지하고, 시간이 경과하였을 때, 탱크(2) 내 요소수 용액(U)이 얼지 않았을지라도, 저 열용량 관(3) 내의 요소수 용액(U)은 결빙된다. 이러한 경우에, 검출부(51)는 관(3) 내 요소수 용액(U)의 흐름이 타겟 주입량 신호에 응답하여 정지된 것을 신속하게 검출하고, 따라서, 제1 스위치부(52)는 주변온도신호(S2)를 구동부(60)에 출력신호(S3)로서 전송하게 전환된다. 또한, 검출된 주변온도에 따르는 듀티비의 구동전류(Y)는 주변 온도신호(S2)에 따르는 히터들(17A, 17B)에 주어진다.

맵 데이터 특징들은 맵 산술연산부(61)로부터 출력된 듀티비 데이터(D1)의 값이 입력된 온도가 낮아짐에 대응답하여 커지도록 설정된다. 주변온도는 일반적으로 탱크(2) 내 온도보다 낮기 때문에, 관(3) 내 요소수 용액(U)의 흐름이 정지되었을 때, 보다 큰 듀티비의 구동전류(Y)가 히터들(17A, 17B)에 공급되고 이에 의해서 관(3) 및 복귀관(12)의 가열이 가속된다. 이에 따라, 관(3) 및 복귀관(12)의 열유지가 상황에 따라 적합하게 수행될 수 있고, 관(3) 및 복귀관(12)의 과열 및 재결빙이 효과적으로 방지될 수 있다. 이와 같이, 액체 공급 장치(1)가 동작되는 기간 동안, 요소수 용액의 주입 실패가 효과적으로 방지될 수 있어 우수한 열유지 동작을 할 수 있게 된다.

여기서, 도 2에서, 듀티비 데이터(D1) 또는 고정 데이터(D2) 중 하나는 해빙 및 열유지 제어신호(M1)에 응답하여 선택된다. 그러나, 관(3)의 해빙동작이 또 다른 장치에 의해 수행될 때라도, 구동전류 출력부(64)에 듀티비 데이터(D1)를 직접 공급하는 것이 가능할 수도 있다.

본 발명에 따라서, 배기가스 후처리 장치용으로 액체를 원활하게 공급하는 것이 가능하고, 따라서, 본 발명은 배기가스 후처리 장치를 위한 액체 공급 장치를 개선하는데 유용하다.

Claims

탱크 내 저장된 액체를 관을 통해 배기가스 정화 장치에 공급하는 배기가스 후처리 장치용 액체 공급 장치로서, 상기 관은 상기 탱크 내 액체를 해빙한 후에 열유지 장치를 사용하여 열적으로 유지되는, 상기 액체 공급 장치에 있어서,

상기 열유지 장치는:

상기 탱크 내 온도를 검출하는 탱크 온도 센서;

주변온도를 검출하는 주변온도 센서;

상기 관을 가열하는 히터;

상기 관 내 액체의 흐름상태에 기초하여, 상기 주변온도 센서의 출력과 상기 탱크 온도 센서의 출력 중 하나를 선택하는 선택부; 및

상기 선택부로부터의 출력에 응답하여 열유지에 필요한 열유지를 위한 전류를 공급하는 구동부를 포함하는, 액체 공급 장치.
제1항에 있어서, 상기 선택부는 상기 관 내 액체의 흐름상태를 검출하는 검출부, 및 상기 검출부에 응답하여 상기 주변온도센서의 출력과 상기 탱크 온도센서의 출력 중 하나를 선택하는 스위칭부를 포함하는, 액체 공급 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 선택부는 상기 관 내 액체의 상기 흐름상태에 기초하여 상기 관 내 액체가 결빙되는 것으로 판정될 때 상기 주변온도센서의 출력을 선택적으로 출력하고, 상기 관 내에 액체가 흐르는 것으로 판정될 때 상기 탱크 온도센서의 출력을 선택적으로 출력하는, 액체 공급 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 구동부는 상기 선택부로부터의 상기 출력에 응답하여 제어되는 듀티비(duty ratio)의 펄스전류를 출력하는, 액체 공급 장치.
제4항에 있어서, 상기 구동부는 상기 탱크 내 액체를 해빙할 때 미리결정된 고정값으로 상기 펄스전류의 듀티비를 설정하는, 액체 공급 장치.
제4항에 있어서, 상기 구동부는, 상기 관 내 액체가 해빙될 필요가 있는지 아니면 열적으로 유지될 필요가 있는지 여부를 판정하고, 상기 관 내 액체가 해빙 혹은 열적으로 유지될 필요가 있는 것으로 판정되었을 때만 상기 펄스전류를 출력하는 판정부를 더 포함하는, 액체 공급 장치.
제5항에 있어서, 상기 구동부는, 상기 관 내 액체가 해빙될 필요가 있는지 아니면 열적으로 유지될 필요가 있는지 여부를 판정하고, 상기 관 내 액체가 해빙 혹은 열적으로 유지될 필요가 있는 것으로 판정되었을 때만 상기 펄스전류를 출력하는 판정부를 더 포함하는, 액체 공급 장치.
제6항에 있어서, 상기 판정부는 상기 주변온도 센서 또는 상기 탱크온도에 응답하며 탱크온도 및 주변온도 중 하나가 요소수의 결빙온도가 되는지 아니면 미만이 되는지에 기초하여 판정을 수행하는, 액체 공급 장치.
제7항에 있어서, 상기 판정부는 상기 탱크 온도센서 혹은 상기 주변온도센서에 응답하며, 탱크온도 및 주변온도 중 하나가 요소수의 결빙온도가 되는지 아니면 미만이 되는지에 기초하여 판정을 수행하는, 액체 공급 장치.