KR100927434B1 - 요소와 공기를 혼합하기 위한 혼합장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 요소를 가스와 혼합하는 혼합 장치를 제공하는데 상기 요소는 바람직하게는 물인 액체에 바람직하게는 용해되며 상기 가스는 바람직하게는 공기이다. 혼합 장치는 바람직하게는 각각 요소와 가스를 혼합 장치(4)의 혼합실(20)으로 공급하기 위한 요소 흡입구(10)와 가스 흡입구(12), 혼합실(20)으로부터 공기와 요소의 혼합물의 배출을 위한 배출구(14)를 포함한다. 상기 흡입구(10, 12)와 배출구(14)는 바람직하게는 흐름 방향 연장부를 갖고 바람직하게는 혼합실과 만나며 배출구(14)는 바람직하게는 혼합실(20)에서 시작된다. 바람직하게는 적어도 공기를 혼합실으로 공급하기 위한 가스 흡입구(12)는 상기 흡입구의 선택된 표면에 요소 결정체의 퇴적이 상당히(전형적으로 퇴적된 결정체가 흡입구를 막히게 하지 않는 의미에서) 또는 전체적으로 방지되도록 설계된다.
요소, 공기, 물, 가스, 액체, 결정체, 혼합, 혼합장치, 연소 기관, 흡입구, 배출구, 퇴적

Description

요소와 공기를 혼합하기 위한 혼합장치{A MIXING DEVICE FOR MIXING UREA AND AIR}
본 발명은 요소(urea)를 공기와 혼합하고 공기와 요소의 혼합물을 연소 기관, 특히 디젤-연료 기관의 배기 장치로의 흡입에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 압력이 가해진 공기와 혼합될 때 물과 같은 액체에 용해된 요소는 요소를 공기와 혼합하는데 사용하는 혼합 장치가 막히게 되어 혼합이 일어나지 않게 하는 결정화를 야기하는 것을 발견하였다. 또한 결정체는 (심지어 고속에서도) 공기 흐름의 상류(upstream) 방향으로 성장하는 것을 발견하였다.
그러므로 본 발명의 목적은 막힘을 최소화하거나 방지하는 장치를 제공하는데에 있다.
본 발명의 넓은 관점에 따라 요소를 가스와 혼합하는 혼합 장치가 제공되는데 상기 요소는 바람직하게는 물인 액체에 바람직하게는 용해되며 상기 가스는 바람직하게는 공기이다. 혼합 장치는 바람직하게는 각각 요소와 가스를 혼합 장치의 혼합실으로 공급하기 위한 요소 흡입구와 가스 흡입구, 혼합실으로부터 공기와 요소의 혼합물의 배출을 위한 배출구를 포함한다. 상기 흡입구와 배출구는 바람직하게는 흐름 방향 연장부를 갖고 바람직하게는 혼합실과 만나며 배출구는 바람직하게는 혼합실에서 시작된다. 바람직하게는 적어도 공기를 혼합실으로 공급하기 위한 가스 흡입구는 상기 흡입구의 선택된 표면에 요소 결정체의 퇴적이 상당히(전형적으로 퇴적된 결정체가 흡입구를 막히게 하지 않는 의미에서) 또는 전체적으로 방지되도록 설계된다. 청구항 및 바람직한 실시 예의 설명으로부터 볼 수 있듯이 상기 표면을 매끄럽게 하거나 눌어붙지 않는(non stick) 재료를 사용하여 바람직하게는 막힘이 일어나지 않는 범위로 결정체가 선택된 표면에 퇴적되지 않게 할 수 있다.
택일적으로 또는 이와 결합하여 가스 흡입구는 혼합 장치의 사용, 즉 혼합하는 동안 선택된 표면에 퇴적된 결정체가 제거되도록 설계된다.
본 발명에 따라 결정체 성장의 막힘 효과를 제거하는 것을 추구하는 다수의 다른 실시 예가 제안되었고 이에 대한 상세한 설명은 후술하는 청구항뿐만 아니라 본 발명의 바람직한 실시 예의 다양한 설명에서 후술한다.
본 설명이 물과 공기에 용해된 혼합 요소에 초점을 맞추고 있지만 본 발명은 또한 다른 재료가 혼합되고 결정체의 형성에 기인한 막힘이 일어나는 시나리오에 적용가능하고 이를 포함한다.
도 1은 연소 기관, 특히 디젤 연소 기관의 배기 가스에 요소를 첨가하는 전반적인 개념도;
도 2는 본 발명에 따라 공기를 요소와 혼합하는 혼합 장치의 바람직한 실시 예의 단면도;
도 3A-B는 공기를 요소와 혼합하는 혼합 장치의 다른 실시 예의 단면도;
도 4는 공기를 요소와 혼합하는 혼합 장치의 또 다른 실시 예의 단면도;
도 5는 도 2에서 보여준 실시 예의 상세 단면도;
도 6A-C는 도 5에서 보여준 실시 예의 단면도, 상세 단면도 및 전개도;
도 7은 도 3에서 보여준 실시 예의 상세 단면도;
도 8A-C는 도 7에서 보여준 실시 예의 단면도, 상세 단면도 및 전개도;
도 9는 도 4에서 보여준 실시 예의 상세 단면도;
도 10A-C는 도 9에서 보여준 실시 예의 단면도, 상세 단면도 및 전개도이다.
이하에서 본 발명 및 특히 바람직한 실시 예는 도면과 함께 설명된다.
도 1은 바람직하게는 디젤 원리에 따라 작동하는 연소 기관(100), 요소의 액체 용액을 저장하는 탱크(101)(상표명 AdBlue로 알려짐) 및 (도에서 SCR으로 표기된) 촉매 시스템(102)을 포함하는 시스템을 보여준다.
상기 기관의 배기장치는 배기관에 의해 촉매 시스템에 연결되며 요소의 액체 용액을 저장하는 탱크에 연결된다. 상기 시스템은 추가적으로 배기장치에 액체 요소를 공급하는 계측 장치(104)를 포함하여 자연 환경에 NOX 가스의 방출을 최소화하기 위하여 배기 가스와 반응한다. 계측 장치는 전형적으로 액체 요소를 압력이 가해진 공기와 혼합하는 혼합 장치이거나 또는 액체 요소를 압력이 가해진 공기와 혼합하는 혼합 장치를 포함한다. 압축기(105)는 바람직하게는 압력이 가해진 공기를 공급한다.
상기 기관에서 배출된 배기 가스(103)는 질소산화물을 포함한다. 배기 가스가 촉매 시스템에 유입되기 전에(도 1에서 참조 부호 106으로 표시됨) 상기 가스는 암모니아, 수증기 및 질소산화물을 포함한다. 배기 가스가 촉매 시스템에 들어간 후에는(도 1에서 참조 부호 107로 표시됨) 상기 가스는 자연 환경에 전형적으로 배출되는 질소 및 물을 포함한다.
본 발명에 따른 많은 바람직한 실시 예에서 상기 기관은 트럭의 디젤 기관이며 이들 실시 예에서 트럭은 브레이크, 현가장치 및/또는 그밖에 유사한 것을 위한 압축기가 장착되어 있으며, 압력이 가해진 공기는 상기 압축기에 의해 공급된다. 요소가 브레이크 및/또는 현가장치에 유입되는 것을 방지하기 위하여 요소를 공기와 혼합하는 혼합 장치에 공급된 공기는 전형적으로 미 도시된 단방향(one way) 밸브를 통하여 전형적으로 공급되어서 공기는 혼합장치에만 유입될 수 있다. 상기 기능은 트럭이 운행(요소가 혼합됨)중이거나 요소의 흐름이 없는 정지 동안 모두에 중요하다.
요소와 압력이 가해진 공기를 혼합하는 혼합 장치에서 요소 결정체의 형성은 장치를 막히게 하여서 장치와의 혼합이 이루어지지 않는다. 결정체의 성장은 압력이 가해진 공기의 흐름으로 상류방향으로 성장하는 경향이 있다. 이와 같은 문제는 혼합 장치를 설계하여 단독으로 또는 조합하여 다음의 특성 중 하나 이상을 포함함으로써 본 발명에 의해 해결되었다.
1. 기계적인 작용, 전형적으로 밸브의 왕복운동. 밸브의 운동은 두 가지 작 용을 하는 바, 첫째 밸브시트에 있는 밸브의 충격은 결정체를 부수어서 밸브 및/또는 혼합 장치를 통하여 전형적으로 공기 및/또는 요소 흐름인 가스 흐름의 수단에 의해 밸브로부터 씻겨나간다. 둘째 밸브의 운동에 의해 유도된 진동은 밸브 또는 혼합 장치의 표면에 위치한 결정체를 약화시켜서 결정체가 밸브 및/또는 혼합 장치를 통하여 유체 흐름에 의해 씻겨나간다.
2. 혼합 장치의 통로들, 특히 공기를 요소와 혼합하기 위한 혼합실으로 안내하는 통로는 테플론(Teflon)과 같은 눌어붙지 않는 재료로 만들어지거나 코팅(coating)된다. 결정체가 형성되는 경우 눌어붙지 않는 재료는 결정체가 혼합 장치로부터 씻겨나가서 표면에 눌어붙는 것을 방지한다.
3. 혼합 장치 또는 적어도 혼합 장치의 부분들은 열이 가해져 요소 결정체를 녹임으로써 장치를 통하여 흐르는 유체는 이들을 씻어낸다.
4. 혼합실으로 통하는 요소 흡입구와 공기 흡입구는 요소가 공기 흡입구를 감싸는 영역을 씻어내어 형성된 가능한 요소 결정체가 젖게 되고, 용해되며 씻겨나가도록 배치된다.
다음에서 이들 특징 중 하나 이상을 구현하는 다른 실시 예가 상세히 설명된다.
도 2는 본 발명에 따른 혼합 장치(1)의 첫 번째 실시 예를 보여준다. 혼합 장치(1)는 하우징(2)을 포함한다. 상기 하우징(2)은 한 개의 일체형 장치로 나타내어진다. 그러나 도 6에서 표시된 것처럼, 하우징은 여러 부분을 포함할 수 있다. 혼합 장치(1)는 추가적으로 두 개의 흡입구를 포함하는데, 하나는 요소의 흡입을 위한 흡입구(10) 및 또 하나는 혼합 장치로 압력이 가해진 공기의 흡입을 위한 흡입구(12)이다. 혼합 장치는 또한 공기와 요소의 혼합물이 혼합 장치로부터 나오고 배기 장치로 들어가는 배출구(14)를 포함한다.
혼합 장치의 내부에 두 개의 밸브가 배치된다; 그 중 하나의 밸브(16)는 요소의 흐름을 조절하고 또 하나의 밸브(18)는 혼합실(20)으로의 공기 흐름을 조절한다. 혼합 장치는 압력이 가해져 있을 때 상기 밸브(18)가 왕복운동을 하도록 설계되어 있어서 공기가 혼합실(20)으로 들어가는 밸브의 근처에 적어도 형성된 결정체가 파괴된다. 상기 밸브(16)는 공기가 유입되는 곳에서 의도적으로 상류 방향에 배치된다. 이에 대한 이유는 몇몇 결정체가 형성된 경우에 습기 있는 요소 흐름이 형성된 결정체를 용해하는 경향을 갖기 때문이다. 그러므로 도 2에 따른 혼합 장치는 두 가지 수단에 의해 밸브 및/또는 혼합실을 막히게 하는 결정체의 퇴적을 방지한다. 첫 번째 수단은 밸브(18)의 왕복운동에 의해 유도된 진동이며 두 번째 수단은 공기가 요소의 흐름으로 유입되는 곳에서 하류(downstream) 위치이다.
다음의 기술에서 상세한 부분에서는 다르지만 본 발명의 택일적 실시 예가 설명된다.
도 3A-B에는 혼합 장치(1)의 두 번째 실시 예가 개시되어 있다. 혼합 장치는 혼합실(20)을 포함하는 하우징(2)을 포함한다. 상기 하우징(2)은 한 개의 일체형 장치로 나타내어진다. 그러나 도 6에서 표시된 것처럼, 하우징은 여러 부분을 포함할 수 있다.
요소 흡입구(10)는 미 도시된 요소 저장용기로부터 혼합실에 요소를 공급하 기 위하여 혼합 장치(1)에 배치되어 있다. 이에 상응하여 공기 흡입구(12)는 미 도시된 압력 공급원(source)으로부터 혼합실(20)에 압력이 가해진 공기를 공급하기 위하여 혼합 장치(1)에 배치되어 있다. 밸브(16)는 바람직하게는 혼합실으로 들어가는 요소 흡입구(10)에 배치된다. 본 실시 예에서 요소 흡입구(10)는 바람직하게는 혼합실(20)에 대하여 중앙에 배치된다. 혼합실은 바람직하게는 일반적으로 원통형이며 본질적으로 수평으로 위치한 원통형 혼합실(20)의 종방향 축에 배치된다.
배출구(14)는 요소/공기 혼합물을 혼합 장치(1)에서 연소 기관의 배기 장치로 공급하기 위하여 혼합실(20)을 배기관에 연결하는 혼합실으로부터 배치된다. 공기 흡입구(12) 및 배출구(14)는 원통형 혼합실(20) 벽에 직경 방향으로 위치하고 공기 흡입구는 상기 벽의 상부에 위치하고 배출구(14)는 상기 벽의 하부에 위치하도록 바람직하게는 배치된다. 혼합실(20)의 상부에 위치한 공기 흡입구(12)는 흡입구(12)의 지역에서 결정체의 축적을 감소시킨다.
퍼징(purging)을 향상시키기 위하여 혼합실(20)으로 들어오는 공기가 혼합실(20) 내부에서 사이클론의 강렬한 운동을 하도록 공기 흡입구(12)를 배치한다. 이것은 적어도 하나의 공기 흡입구 통로를 배치하여서, 도 3b에서 보듯이 흡입구(12)의 종방향 축이 혼합실(20)의 원통형 벽에 본질적으로 접하게 위치함으로써 달성된다. 잠재적인 결정체 형성이 젖게 되고(그러므로 용해되고) 기계적으로 씻겨나가도록 습기 있는 요소가 전체 혼합실을 씻어내기 때문에 혼합실(20) 내부에서 공기의 강렬한 운동은 혼합실(20)에서 결정체의 형성 가능성을 감소시킨다.
흡입구(12) 및 혼합실(20)의 전체 내부 벽의 선택적인 부분은 폴리테트라플 루오로에틸렌(PTFE)과 같은 눌어붙지 않는 재료로 바람직하게는 형성되거나 코팅된다. 따라서 결정체 형성의 위험성이 감소된다.
기관이 꺼지고 배기 장치로의 요소 혼합물의 유입이 더 이상 필요하지 않을 때 결정체를 형성하는 재료의 존재는 공기 흡입구(12)로부터 가까이하지 않도록 혼합 배출구(14)가 혼합실(20)의 아래쪽 높이에 위치하기 때문에 요소 흡입 밸브(16)의 앞에 혼합실(20)을 형성하는 공동(cavity)은 배출된다.
도 4는 세 번째 실시 예를 보여주고 있다. 또한 상기 실시 예에서 혼합 장치(1)는 각각 요소와 공기의 흡입을 위한 두 개의 흡입구(10, 12), 혼합된 요소와 공기의 배출을 위한 배출구(14) 및 하우징(2)에 배치된 혼합실(20)을 포함한다. 도 2와 3에서 상기 하우징(2)은 한 개의 일체형 장치로 나타내어진다. 그러나 도 10에서 표시된 것처럼, 하우징은 여러 부분을 포함할 수 있다.
또한 혼합 장치(1)는 각각 요소와 공기의 전달을 위한 두 개의 밸브(16, 18)를 포함한다. 상기 밸브(16)는 통상적인 밸브이지만 상기 밸브(18)는 결정체의 성장을 방지하거나 제한하도록 설계되어 있다. 상기 밸브(18)는 중심에 작은 관통공 또는 오리피스(19)를 갖는 평탄부재(18a)를 포함한다. 평탄부재(18a)는 흡입구(12)에서의 압력이 주어진 한계치 이하일 때 접합부재(18b)에 접한다. 흡입구(12)에서의 압력이 주어진 압력을 초과할 때 평탄부재(18a)는 밖으로 굽어서 중심에 제공된 작은 관통공은 이를 통하여 공기의 흐름을 허용한다. 도 4에서는 흡입구(12)에서의 압력이 상기 언급된 한계치 이하의 상태로서 평탄부재(18a)가 접합부재(18b)에 접한 상태를 보여준다.
평탄부재(18a)는 원반 형상이며 개구부/오리피스(19)에서 작은 두께로 인하여 결정체 형성을 위한 고체 표면이 제공되지 않기 때문에 오리피스(19)에서 결정체 형성의 위험성을 감소시키기 위하여 바람직하게는 0.1 mm 정도의 두께로 평탄부재(18a)는 매우 얇다. 압력 변경에 응답하여 평탄부재의 굽어짐은 평탄부재에서 결정체 형성을 완화한다. 평탄부재는 바람직하게는 다져지고 스테인리스 강철판으로부터 구멍을 뚫어 만든다. 이것은 테플론과 같은 눌어붙지 않는 재료로 코팅하거나 또는 코팅하지 않는다.
만일 결정체 형성이 오리피스(19)를 막히게 하면 평탄부재(18a)의 굽어짐이 일어날 때까지 평탄부재(18a) 상의 압력 차이가 발생하고, 따라서 결정체 형성이 완화되고 결정체가 씻겨나간다.
평탄부재(18a)는 평탄부재 상의 하나의 압력 차이에서 열리고 다른 낮은 압력 차이에서 닫히도록 형성된다. 즉 평탄부재(18a)는 1.3 bar에서 열리고 0.8 bar에서 닫힌다. 이로 인하여 압력 공급원으로부터 전달된 압력 변동 및 기관 상태에 의해 유도된 평탄부재의 배기관 측면에서의 압력 변동에 의해 자연스럽게 일어나는 평탄부재 상의 압력 차이의 변화 때문에 평탄부재(18a)는 지속적으로 열리거나 닫히지 않는다.
요소 흡입구(10)는 혼합실(20)의 공기 흡입구(12) 위쪽에서 혼합실(20)의 상부에 바람직하게는 배치되어서 중력에 의해 요소가 공기 흡입구(12) 위로 흐르며 이에 따라 평탄부재(18a)에 형성된 결정체를 젖게 하고 용해한다.
기관이 꺼지고 배기 장치로의 요소 혼합물의 유입이 더 이상 필요하지 않을 때 결정체를 형성하는 재료의 존재는 공기 흡입구(12)로부터 가까이하지 않도록 혼합 배출구(14)가 혼합실(20)의 아래쪽 높이에 위치하기 때문에 혼합실(20)을 형성하는 공동은 배출된다.
본 발명은 요소를 공기와 혼합하고 공기와 요소의 혼합물을 연소 기관, 특히 디젤-연료 기관의 배기 장치로의 흡입에 적용된다.

Claims (25)

  1. 요소를 가스와 혼합하는 혼합 장치(1), 상기 요소는 액체에 용해되는 혼합 장치(1)에 있어서, 상기 장치는
    각각 요소와 가스를 혼합 장치의 혼합실(20)으로 공급하기 위한 요소 흡입구(10)와 가스 흡입구(12),
    혼합실(20)으로부터 요소와 가스의 혼합물의 배출을 위한 배출구(14)를 포함하며,
    공기를 혼합실(20)으로 공급하기 위한 가스 흡입구(12)는 상기 흡입구(10, 12)의 선택된 표면에 요소 결정체의 퇴적이 방지되거나 혼합 장치의 사용 동안 상기 표면에 퇴적된 결정체가 상기 표면으로부터 제거되도록 설계되어 있으며,
    가스 흡입구(12)에 밸브(18)를 추가적으로 포함하며,
    가스 흡입구(12)의 선택된 표면에서 결정체의 제거는 가스 흡입구(12)에 포함된 밸브(18)에 의해 제공되며, 왕복운동을 수행하도록 채택된 상기 밸브(18)는 혼합 장치(1)에 퇴적된 요소 결정체를 약화시키는 혼합 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    왕복운동을 수행하도록 채택된 상기 밸브(18)는 혼합실(20)으로의 밸브(18)의 배출구 근처에 퇴적된 요소 결정체를 약화시키는 혼합 장치.
  3. 제 1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 밸브(18)는 스프링 수단에 의하여 밸브 시트에 대하여 치우쳐진 피스톤을 포함하여, 상기 밸브(18) 상의 압력 차이가 미리 선정된 한계치를 초과할 때 상기 밸브(18)가 혼합실(20)으로의 가스의 흐름을 허용하도록 열리는 혼합 장치.
  4. 제1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 밸브(18)는 관통공을 갖는 평탄부재(18a)를 포함하며,
    가스 흡입구(12)의 밀봉을 제공하기 위하여 평탄부재(18a) 상의 압력 차이가 첫 번째 미리 선정된 한계치 이하일 때 상기 평탄부재(18a)는 관통공의 근처에서 흡입구(12)에서의 접합부재에 접하며,
    관통공을 통하여 혼합실(20)으로 공기가 흐르도록 하기 위하여 평탄부재 상의 압력 차이가 두 번째 미리 선정된 한계치 이상일 때 상기 평탄부재는 접합부재에 접하지 않는 혼합 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    가스가 관통공을 통하여 흐를 때 평탄부재(18a)가 왕복 운동을 유도하도록 채택되어서 평탄부재(18a)가 상기 접합부재에 연속하여 밀착과 떨어짐을 하는 혼합 장치.
  6. 제1항 또는 제 2항에 있어서,
    요소 흡입구(10)가 혼합실(20)과 만나는 위치의 하류에서 가스 흡입구(12)가 혼합실(20)과 만나는 혼합 장치.
  7. 제1항 또는 제 2항에 있어서,
    가스 흡입구(12)의 표면의 일부분을 매끄럽게 하거나 눌어붙지 않는(non stick) 재료를 사용하여 결정체가 그곳에 퇴적되는 것을 방지하는 혼합 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 매끄러움은 코팅에 의해 제공되는 혼합 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 코팅은 테플론 코팅(PTFE)의 형태이거나 장치의 일부분이 테플론(PTFE)으로 만들어진 혼합 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    매끄럽게 되는 표면의 상기 부분은 혼합실(20)로 공기의 흐름을 허용하는 오리피스(19)인 혼합 장치.
  11. 제1항 또는 제 2항에 있어서,
    혼합실(20) 표면의 일부분을 매끄럽게 하거나 눌어붙지 않는(non stick) 재료를 사용하여 결정체가 그곳에 퇴적되는 것을 방지하는 혼합 장치.
  12. 제1항 또는 제 2항에 있어서,
    가스 흡입구(12)의 일부분과 혼합실(20)의 일부분을 요소 결정체의 녹는점 온도 이상으로 가열을 하는 수단을 포함하는 혼합 장치.
  13. 제1항 또는 제 2항에 있어서,
    가스 흡입구(12)의 일부분 또는 혼합실(20)의 일부분을 요소 결정체의 녹는점 온도 이상으로 가열을 하는 수단을 포함하는 혼합 장치.
  14. 제1항 또는 제 2항에 있어서,
    압력이 가해진 가스를 가스 흡입구로 공급하는 공기 공급원을 추가적으로 포함하는 혼합 장치.
  15. 제1항 또는 제 2항의 혼합 장치(1)를 포함하는 기관에 있어서,
    혼합 장치(1)의 배출구(14)가 기관의 배기 장치에 연결되는 기관.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 기관은 디젤 기관인 기관.
  17. 제15항에 따른 기관을 포함하는 운반체.
  18. 제17항에 있어서,
    브레이크 또는 현가장치를 위한 압축기에 의해 상기 혼합 장치(1)에 압력이 가해진 공기를 공급하는 운반체.
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