KR100859425B1 - 환원제 계량 장치 - Google Patents

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Abstract

특히 디젤 엔진의 배기 가스로부터 질소 산화물을 분리하기 위한 촉매 컨버터에 환원제의 공급을 위한 수단을 포함하고, 환원제 특히 요소 및 요소 수용액을 계량하기 위한 장치에 관한 것으로, 상기 수단은 계량 펌프(4, 4a;80, 4a)를 구비하고 계량 펌프 후단에 스크린 장치(8a,71)가 연결되고, 상기 스크린 장치를 통해 공급이 이루어질 수 있고, 계량 펌프와 스크린 장치 사이에 환원제 공급을 조절하는 다른 소자가 배치되지 않는다. 상기 장치는 콤팩트한 구조를 가지며, 전반적으로 마모에 민감한 부품이 생략된다.
Figure R1020027006459
환원제, 촉매 컨버터, 계량 펌프, 스크린 장치

Description

환원제 계량 장치{Device for dosing a reducing agent}
본 발명은 독립 청구항의 전제부에 따른 촉매에 의한 배기 가스 처리의 범주에서 환원제, 특히 요소(urea) 또는 요소 수용액을 도우징(dosing ; 계량)하기 위한 장치에 관한 것이다.
배기 가스 중의 NOx(질소 산화물)-성분을 감소시키기 위해, 특히 디젤 엔진용 환원 촉매 컨버터가 개발되었다. 상기 환원 촉매 컨버터는 소위 SCR-촉매 컨버터(Selective Catalytic Reduction)와 저장 촉매 컨버터로 구분된다. 소위 SCR-촉매 컨버터는 요소 및/또는 암모니아 환원제 공급에 의해 재생되는 한편, 소위 저장 촉매 컨버터는 함께 공급된 내연기관 연료의 탄화 수소에 의해 풍부한 배기 가스상으로 재생된다.
독일 특허 출원 199 46 900.8호에는 예컨대 디젤 엔진으로부터 나오는 배기 가스 중의 질소 산화물을 제거하기 위해 환원제로서 요소를 계량 첨가하는 장치가 공지되어 있다. 이를 위해 이송 펌프 및 계량 밸브가 제공된다. 계량 밸브로 사용되는 종래의 2/2 자기 밸브는 배기 가스관에 직접 조립하기에는 내열성이 충분하지 않거나 또는 압축 공기가 지원되면서 작동되어야 한다.
이와 달리 독립 청구항의 특징을 포함하는 본 발명에 따른 계량 장치는, 특히 스텝핑 모터로 구동 가능한 계량 펌프가 환원제의 공급 및 계량을 실행하기 때문에, 분사 밸브가 필요 없다는 장점을 갖는다. 계량 장치 부품의 개수 및 크기의 감소는 조립 과정을 감소시키고 콤팩트한 구조를 제공하며, 제조 및 시스템 비용을 감소시킨다. 더욱 적은 수의 부품은 더 적은 수의 밀봉 지점 및 누설과 관련해서 개선된 작동의 안전성을 의미한다. 공차와 관련된 부품 개수의 감소는 계량 정확도가 높아지는 것을 의미한다. 예를 들면 체크 밸브와 같이 스프링 하중을 받고 접착에 민감한 부품을 생략할 수 있다. 계량 장치의 콤팩트한 구조에도 불구하고 스크린 장치는 계량된 유체의 스프레이 형성 또는 분무화를 보장한다. 또한, 계량 장치는 압축 공기의 지원 없이 작동될 수 있다.
종속 청구항과 상세한 설명에 제시된 조치에 의해 독립 청구항에 제시된 계량 장치의 바람직한 실시와 개선이 가능하다. 고내열성 재료, 특히 세라믹으로 이루어진 펌프 및/또는 스크린 소자를 사용하는 것이 특히 바람직하고, 따라서 계량 장치는 예컨대 화물차의 배기 가스 장치에 직접 조립되거나 또는 배기 가스 장치 내에 통합될 수 있다.
본 발명의 실시예들이 도면에 도시되고, 하기에서 상세히 설명된다.
도 1은 물탱크, 요소 탱크 및 촉매 컨버터를 구비한 계량 장치.
도 2는 대안적인 계량 장치를 포함하지만 공기 공급을 위한 수단을 포함하지 않는 상응하는 장치.
도 3은 본 발명의 다른 실시예의 상세도.
도 1에서 요소(urea) 탱크는 부호 1로 표시되며, 상기 요소 탱크로부터 요소 수용액이 체크 밸브(2)와 필터 여과기로 구현된 필터(3)를 포함하는 요소 라인(1a)을 통해 계량 펌프(4)에 의해 흡입되고, 믹싱 챔버(8)의 홀 스크린(8a)으로 이송된다. 펌프(4)는 스텝핑 모터(4a)에 의해 회전수(rpm) 또는 회전각 제어된다. 압축 공기는 압축 공기 용기(20)로부터 필터 여과기(21)와 2/2 방향 밸브(22), 스로틀(23), 및 체크 밸브(24)를 포함하는 압축 공기 라인(2a)을 통해 믹싱 챔버(8) 내로 제공될 수 있다. 에어로솔(aerosol) 라인(25)은 믹싱 챔버(8)로부터 촉매 컨버터(30)의 유입 영역(70)으로 안내되며, 상기 촉매 컨버터는 유입 영역 측에 배기 가스 유입구(29)를 갖고, 반대 측에 배기 가스 배출구(31)를 갖는다. 요소 탱크(1)에 충전 레벨 센서(52)와 온도 센서(51)가 배치된다. 온도 센서들(53, 54)은 촉매 컨버터(30)의 유입구 및 배출구에서 배기 가스 온도를 측정한다. 또한, 2/2 방향 밸브(22)와 스로틀(23) 사이에 압력 센서(55)가 배치된다. 온도 센서(56)는 금속 하우징 블록(41)의 온도를 측정하고, 상기 하우징 블록 상에 상기 도면 부호들을 갖는 일점쇄선으로 도시된 선으로 둘러싸인 구성 요소들이 배치되거나 또는 통합된다. 또한, 하우징 블록(41)에 제어부(40)가 장착되고, 상기 제어부는 센서들(50 내지 56) 및 계량 펌프(4)의 제어 모터(4a)와 전기 접속된다. 상기 하우징 블록(41)은 접지되어 있으며, 제어부(40)는 기준 전위로서 하우징 블록(41)의 전위를 받는다. CAN 데이터 라인(39 ; CAN = "Controlled Area Network")을 통해 제어부(40)는 전압 공급부 및 자동차의 다른 전자 부품, 특히 엔진 제어부와 접속된다.
계량 펌프(4)는 필요한 요소 수용액을 홀 스크린(8a)을 통해 믹싱 챔버(8) 내로 계량 공급한다. 믹싱 챔버에서는, 압축 공기가 요소 수용액에 제공되면서 에어로솔 및 벽막이 형성되고, 이들은 에어로솔 라인(25)을 통해 촉매 컨버터(30)내로 도입된다. 제어부(40)는 상위에 배치된 엔진 제어부로부터 CAN 데이터 라인(39)을 통해 수신되는 엔진 작동 데이터에 대한 신호, 및 공지되어 있고 여기에 상세히 설명되지 않은, 압력, 온도 또는 충전 레벨 센서(51 내지 56)의 신호들을 검출한다. 제어부(40)는 센서 정보와 엔진 제어부의 정보로부터 촉매 컨버터(30)를 흐르는 배기 가스에 첨가되어야 하는 요소 계량 량을 산출한다. 제어부(40)는 계량 펌프(4)와 2/2 방향 밸브(22)를 이용하여 이를 위해 필요한 요소 수용액 압력 또는 압축 공기 라인 내의 압력을 조절한다. 즉, 요소의 계량은 계량 펌프를 이용하여 홀 스크린에 의해서만 이루어진다. 계량 펌프와 홀 스크린 사이에는 환원제 공급을 조절하는 다른 소자, 예컨대 계량 밸브가 배치되지 않으므로, 계량 펌프는 요소 수용액의 용량적 조량의 기능을 하며, 홀 스크린은 믹싱 챔버에서 상기 수용액의 분무화를 지원한다.
홀 스크린(8a)은 공간적으로 계량 펌프(4)에 가깝게 배치되고, 따라서 펌프 압력면에 있는 체크 밸브는 홀 스크린(8a)에 의해 유압 라인이 비워지는 것을 저지한다. 계량 펌프(4)와 홀 스크린(8a) 사이의 간격이 큰 경우, 또는 슬롯 제어되는 계량 펌프(체크 밸브 없음)가 사용되는 경우에는 홀 스크린(8a) 바로 앞에 배치된 체크 밸브(도 1에 도시되지 않음)가 홀 스크린(8a)에 의해 라인이 비워지는 것을 저지할 수 있다.
대안적으로, 계량 장치는 압축 공기의 지원 없이, 즉 부품들(20 내지 24)을 생략하여 사용될 수 있다.
대안적으로, 계량 펌프와 스크린 장치 사이에, 유동 방향으로 일정한 최소 압력에서부터 개방되는 체크 밸브가 배치될 수 있으며, 따라서 펌프의 정지시 홀 스크린을 통해 라인이 비워지는 것이 저지될 수 있다.
다른 대안적 실시예에서 홀 스크린이 밸브로 형성될 수 있으며, 따라서 홀 스크린의 직경이 변경될 수 있다.
또한, 계량 펌프와 스크린 장치 사이에 압력 센서가 배치될 수 있고, 상기 압력 센서는 라인 압력에 대한 정보를 제어부(40)에 전달하고, 상기 제어부는 상기 정보를 계량 펌프의 제어를 위해 이용할 수 있다.
다른 변형예에서 계량 펌프와 스크린 장치 사이에 전기로 작동 가능한 차단 밸브가 배치될 수 있다.
또한, 계량 펌프와 스크린 장치 사이에 2/2 방향 밸브가 배치될 수 있고, 상기 밸브에 의해 요소 라인이 환기될 수 있다. 2/2 방향 밸브를 통해 계량 펌프와 스크린 징치 사이의 라인과 요소 탱크를 향한 복귀 라인이 결합될 수 있고, 따라서 경우에 따라 존재하는 과압이 소멸될 수 있다.
도 1에서처럼, 도 2에서 요소 탱크는 부호 1로 도시된다. 상기 요소 탱크로부터 요소 수용액이 필터 여과기로 구현된, 요소 탱크에 장착된 필터(3)를 가진 요소 라인(1a)을 통해 계량 펌프(4)에 의해 흡입되어 촉매 컨버터(30)의 유입 영역(70)의 스로틀 스크린(71)으로 이송된다. 펌프(4)는 스텝핑 모터(4a)에 의해 rpm 제어된다. 상기 펌프는 스로틀 스크린과 함께 유입 영역(70)에 고정된다.
촉매 컨버터(30)는 유입 영역 측에 배기 가스 유입구(29)를 갖고, 반대 측에 배기 가스 배출구(31)를 갖는다. 요소 탱크(1)에 충전 레벨 센서(52)와 온도 센서(51)가 배치된다. 온도 센서들(53, 54)은 촉매 컨버터(30)의 유입구 또는 배출구의 배기 가스 온도를 측정한다. 전자 제어부(40)는 센서들(51, 52, 54) 및 계량 펌프(4)의 제어 모터(4a)와 전기 접속된다. CAN 데이터 라인(39)(CAN = "Conrolled Area Network")을 통해 제어부(40)는 전원 공급부 및 자동차 내의 다른 부품들, 특히 엔진 제어부에 연결된다.
제어부(40)는 도 1에 따른 실시예와 유사하게 상위의 엔진 제어부로부터 CAN-데이터 라인(39)을 통해 수신되는, 엔진 작동 상태에 대한 데이터 및 온도 또는 충전 레벨 센서(51 내지 54)의 신호를 수신한다. 제어부(40)는 센서 정보와 엔진 제어부의 정보로부터 요소 계량 량을 산출하고 계량 펌프(4)를 이용하여 필요한 요소 수용액 압력을 조절한다. 이를 위해 계량 펌프(4)는 제어부(40)에 의해 제어되는 스텝핑 모터(4a)에 의해 구동되어, 필요한 요소 수용액을 스로틀 스크린(71)을 통해 직접 유입 영역(70) 내로 계량 공급한다. 스로틀 스크린(71)은 믹싱 챔버에서 상기 수용액의 분무화를 지원한다.
도 3은 도 2의 계량 펌프(4)에 상응하는, 슬롯 제어되는 계량 펌프(80)를 대안적인 촉매 컨버터의 실린더형으로 구현된 유입 영역(70')에 고정하는 것을 도시한다. 계량 펌프는 실린더형의 배출 채널(83)을 통해 유입 영역과 연결되고, 유입 영역 측에서 배출 채널의 단부에 높은 내열성 재료, 특히 세라믹으로 이루어진 스로틀 스크린(71)이 배치된다. 또한, 계량 펌프(80)는 유입 채널(84)을 통해 요소 라인과 연결되며, 상기 요소 라인은 요소 탱크(1; 도 2 참조)를 향해 안내된다. 펌프(4)의 핵심부는 높은 내열성 재료, 특히 세라믹으로 이루어진 실린더형 왕복 피스톤(81)이며, 상기 피스톤은 세라믹 실린더(82)의 내부에 끼워맞춤 방식으로 회전 가능하게 지지된다. 왕복 피스톤은 홈(85)을 갖는다. 예컨대 세라믹 피스톤과 세라믹 실린더용 재료로는 산화 알루미늄 또는 산화 지르콘과 같은 산화물이 사용된다.
회전하는 세라믹 피스톤(81)은 환원제의 계량을 위해 주기적인 왕복 운동을 한다. 왕복 운동은 계량 펌프의 축방향으로 이루어진다. 홈(85)이 채널(83, 84)높이에 위치하면, 유입 채널(84)로부터 배출 채널(83)로 물질이 이송된다. 홈(85)은, 유입 채널에 대향되면 상기 채널로부터 환원제가 채워질 수 있고, 1/4 회전하면 상기 환원제를 완전히 둘러싸며 피스톤이 2개의 채널들을 서로 관류 밀봉 방식으로 분리하고, 다시 1/4 회전하면 홈에 의해 이송된 체적을 배출 채널로 넘겨줄 수 있도록 설계된다. 계량은 세라믹 실린더 내의 세라믹 피스톤의 rpm 및/또는 각속도 및/또는 왕복 운동의 제어에 의해 이루어진다. 배출 채널(83)로 배출되는 유체는 최종적으로 스로틀 스크린(71)을 통해 촉매 컨버터의 유입 영역(70')에 이른다.
계량 펌프(80)의 휴지 상태에서 유체로 채워진 라인(83)이 스로틀 스크린(71)을 통해 비워지는 것을 방지하기 위해, 추가적으로 스로틀 스크린(71) 바로 앞에 관류 방향으로 개방하는 체크 밸브(도 3에는 도시되지 않음)가 배치될 수 있다.

Claims (13)

  1. 환원제, 특히 요소 또는 요소 수용액을 계량하기 위한 장치로서, 특히 디젤 엔진의 배기 가스로부터 질소 산화물을 제거하기 위한 촉매 컨버터(30) 내로 환원제를 공급하는 수단을 포함하고, 상기 수단은 계량 펌프(4, 4a;80, 4a)를 갖고, 상기 계량 펌프 후단에 환원제의 분무화를 위한 스크린 장치(8a, 71)가 연결되며, 상기 스크린 장치를 통해 환원제의 공급이 이루어질 수 있고, 상기 계량은 상기 계량 펌프에 의해서만 이루어지는 환원제 계량 장치에 있어서,
    상기 계량 펌프(80)의 펌프 헤드(81, 82)는 높은 내열성 재료, 특히 세라믹으로 구성되는 것을 특징으로 하는 환원제 계량 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 계량 펌프(4, 4a;80, 4a)는 스텝핑 모터(4a)에 의해 제어 가능한 것을 특징으로 하는 환원제 계량 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 계량 펌프는 슬롯 제어되어 작동하는 것을 특징으로 하는 환원제 계량 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 스크린 장치(8a; 71)는 높은 내열성 재료, 특히 세라믹으로 구성되는 것을 특징으로 하는 환원제 계량 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 스크린 장치는 상기 촉매 컨버터(30)의 유입 영역(70)에 배치되는 것을 특징으로 하는 환원제 계량 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 스크린 장치는 스로틀 스크린(71)인 것을 특징으로 하는 환원제 계량 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 스크린 장치는 믹싱 챔버(8)에 배치되고, 따라서 에어로솔 형성을 위해 상기 환원제가 상기 믹싱 챔버 내로 도입될 수 있는 것을 특징으로 하는 환원제 계량 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 스크린 장치는 홀 스크린인 것을 특징으로 하는 환원제 계량 장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 에어로솔은 에어로솔 라인(25)를 통해 상기 촉매 컨버터(30)의 유입 영역(70) 내로 유입될 수 있는 것을 특징으로 하는 환원제 계량 장치.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 믹싱 챔버(8) 내로 계량(計量)된 공기를 공급하기 위한 수단들(20, 21, 22, 23, 24, 55)이 제공되는 것을 특징으로 하는 환원제 계량 장치.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 계량 펌프(4, 4a;80, 4a)는 CAN-데이터 라인(39)과 연결 가능한 제어부(40)에 연결되며, 따라서 상기 제어부는 여러 센서들(51, 52, 53, 54, 55, 56) 및 상기 CAN-데이터 라인에 연결된 장치들, 특히 엔진 제어 장치들의 전기 신호를 사용하여 상기 계량 펌프를 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 환원제 계량 장치.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 계량 펌프와 상기 스크린 장치 사이에 체크 밸브가 배치되는 것을 특징으로 하는 환원제 계량 장치.
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