KR100936687B1 - 가열 요소와 축열기를 구비하여 촉매 컨버터 또는 필터의상류측의 배기 시스템 안으로 산화성 유체를 도입하는 주입노즐 및 이를 이용한 산화성 유체의 도입 방법 - Google Patents

가열 요소와 축열기를 구비하여 촉매 컨버터 또는 필터의상류측의 배기 시스템 안으로 산화성 유체를 도입하는 주입노즐 및 이를 이용한 산화성 유체의 도입 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 특히 촉매(7) 또는 필터(7)의 상류측의 배기 시스템 안으로 산화성 유체를 도입하기 위한 주입 노즐(8)로서, 가열 요소(22) 및 축열기(18)를 포함하며, 축열기(18)가 가열 요소(22)에 의해 가열되고 이에 의해 저장된 열을 유체로 발산할 수 있는 주입 노즐(8)에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 가열 요소(22) 및 축열기(18)를 구비한 주입 노즐(8)을 이용하여, 촉매(7) 또는 필터(7)의 상류측의 배기 시스템 안으로 산화성 유체를 도입하는 방법으로서, 주입 공정 전에 가열 요소(22)를 작동시켜 축열기를 가열시키고 나서, 축열기(18)가 유체로 에너지를 방출하여 그 유체를 기화시킬 수 있도록 유체를 주입하는 것인 산화성 유체의 도입 방법에 관한 것이다.
배기 가스, 촉매, 디젤 입자 필터, 재생, 산화성 유체, 노즐, 주입

Description

가열 요소와 축열기를 구비하여 촉매 컨버터 또는 필터의 상류측의 배기 시스템 안으로 산화성 유체를 도입하는 주입 노즐 및 이를 이용한 산화성 유체의 도입 방법{INJECTION NOZZLE HAVING HEATING ELEMENT AND HEAT ACCUMULATOR, AND METHOD FOR INTRODUCING AN OXIDIZABLE FLUID INTO AN EXHAUST SYSTEM UPSTREAM OF A CATALYTIC CONVERTER OR FILTER}
본 발명은 특히 촉매 또는 필터의 상류측의 배기 시스템 안으로 산화성 유체를 도입하는 데에 사용될 수 있는 주입 노즐에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 촉매 또는 필터의 상류측의 배기 시스템 안으로 산화성 유체를 도입하는 방법에 관한 것이다.
현대의 배기 시스템에서는 흔히 디젤 입자 필터 또는 NOx 저장 촉매를 구비하고 있다. 이들 필터 또는 촉매는 정기적으로 재생되어야 하며, 그렇지 않은 경우 그들의 유동 저항이 과도하게 증가하거나 효율이 감소하게 될 것이다. 재생은 일반적으로 재생 중에 열 반응이 발생하기 때문에 "버닝-오프(burning-off)"로도 불릴 수 있다. 그러한 반응은 내연기관에 공급되는 공기/연료 혼합물이 농후하게 되기 때문에 개시될 수 있다. 대안적으로, 연료 또는 몇몇 적절한 산화성 유체가 필터 또는 촉매의 상류측의 배기 시스템 안으로 직접 도입될 수도 있다. 종래 기 술에는 배기 파이프 안으로 연료 또는 요소(urea)를 주입하는 여러 시스템이 공지되어 있다.
연료가 직접 주입되는 경우, 연료는 배기 파이프 내에서 기화된다. 그러나, 이는 배기 가스 흐름으로부터 열을 빼앗아야 하여, 재생을 위해서는 높은 배기 가스 온도가 바람직하다는 점에서 재생에 불이익을 가져다주게 된다. 대안적으로, 배기 시스템 안으로 주입될 연료를 배기 시스템의 외부에서 기화시키는 글로우 플러그(glow plug)가 사용될 수 있다. 그러나, 그러한 용도를 위해 충분히 강력한 글로우 플러그의 전력 소모는 허용할 수 없을 정도로 높은 부하가 자동차의 전기 시스템에 가해지게 한다는 점이 확인되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 배기 가스 온도에서의 바람직하지 않은 감소를 초래하지 않을 뿐만 아니라, 자동차의 전기 시스템에 과도한 부하를 가하지 않으면서, 연료 또는 몇몇 기타 적절한 유체를 필요한 양만큼 배기 시스템 내에 도입할 수 있게 하는 주입 노즐 또는 주입 방법을 제공하는 데에 있다.
이러한 목적을 해결하기 위해, 특히 촉매 또는 필터의 상류측의 배기 시스템 안으로 산화성 유체를 도입하도록 본 발명에 따라 제공되는 주입 노즐은, 가열 요소 및 축열기를 포함하며, 이 축열기가 가열 요소에 의해 가열될 수 있고 이에 의해 저장된 열을 유체로 발산시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 가열 요소 및 축열기를 구비하는 주입 노즐을 사용하여 촉매 또는 필터의 상류측의 배기 시스템 안으로 산화성 유체를 도입하는 방법이 제공되며, 이 방법에서는, 주입 공정 전에 가열 요소를 작동시켜 축열기를 가열시키고 나서, 축열기가 유체로 에너지를 방출하여 그 유체를 기화시킬 수 있도록 유체를 주입하게 된다. 본 발명의 기본 사상은, 전력 소모가 비교적 작은 가열 요소를 사용한다는 점에 기초한다. 그 전력 소모는, 짧은 기간의 실제 주입 공정 동안에 도입되는 유체를 가열 요소에 의해서는 기화시킬 수 없을 정도로 낮게 된다. 대신에, 가열 요소는 실질적으로 축열기를 가열하는 데에 사용되어, 특정 "예열 시간"이 경과한 후에 충분히 많은 양의 열이 저장되고, 이 열에 의해 전체 유체가 비교적 짧은 주입 공정 동안에 기화되게 된다.
가열 요소로서는 그 자체로 공지된 글로우 플러그가 사용될 수 있다. 200W 정도의 전력 소모면 충분할 것이다.
축열기의 경우, 그 재료로서 금속이 사용된다. 양호한 열 저장 능력 외에도, 저장된 열이 매우 짧은 시간 내에 유체로 발산될 수 있도록 특히 높은 열전도성이 중요하다.
바람직하게는, 유체가 통과해 흐를 수 있는 간극이 가열 요소와 축열기 사이에 마련된다. 이는 실제 주입 공정 중에, 가열 요소 주위에도 유체가 흘러 그 유체를 직접 기화시킬 수 있게 한다.
바람직하게는, 축열기가 수용되는 하우징이 마련되며, 이 하우징과 축열기 사이에 단열재가 배치된다. 이 단열재는 외부로의 열손실을 방지한다.
가열 요소는 주입 공정 전의 미리 정해진 시간에 작동되어 주입 공정 동안 작동 상태로 유지되는 한편, 주입 공정의 완료시에 중지되도록 마련될 수 있다. 가열 요소는 다음 주입 공정 전의 정해진 시간에 다시 작동될 것이다.
가열 요소를 실제 주입 공정의 약 20초 전에 작동시키면 충분할 것이다. 이러한 시간은 실질적으로 가열 요소의 가열 전력에 좌우된다. 가열 전력이 낮은 경우, 가열 요소는 더 일찍 작동시켜야 한다. 실제 주입 공정은 2초 내지 3초 정도의 시간이 걸린다.
대안적으로, 가열 요소는 지속적으로 작동 상태로 유지되도록 마련될 수 있다. 그러면, 가열 요소의 가열 전력은, 2회의 주입 공정들 사이의 기간에 유체를 기화시키기 위해 필요한 온도로 축열기가 가열 요소에 의해 다시 가열될 수 있을 정도로 낮게 선택할 수 있다.
대개의 경우, 연속하는 2회의 주입 공정 사이에는 2분 내지 4분의 시간이 있다.
이어서, 첨부 도면에 도시한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 시스템의 개략도이며,
도 2는 본 발명에 따른 주입 노즐의 종방향 단면도이고,
도 3은 도 2의 주입 노즐을 평면 Ⅲ-Ⅲ을 따라 취한 단면도이며,
도 4는 가열 요소의 가열 전력(P), 축열기의 온도(T) 및 주입된 부피(V)를 시간의 경과에 따라 표시한 그래프이다.
도 1에 개략적으로 도시된 내연 기관(5), 특히 디젤 기관에서는 배기 가스가 배기 파이프(6)를 통해 촉매, 특히 NOx 저장 촉매 또는 디젤 입자 필터로 보내지고 있다. 이러한 구성 요소는 배기 가스 내의 유독성 물질의 양을 감소시키는 것으로서, 본 명세서에서는 전체적으로 도면 부호 7로 나타내고 있다. 배기 파이프(6) 상에는 적절한 저장 탱크로부터 배관/펌프 시스템(9)을 통해 산화성 유체, 특히 연료가 공급될 수 있는 주입 노즐(8)이 장착되어 있다. 이러한 시스템의 원리는 종래 기술에 공지되어 있다. 그 시스템은 일반적으로 구성 요소(7)의 재생이 시작되도록 그 구성 요소(7)의 상류측의 배기 가스 흐름 내에 산화성 유체를 도입하는 기능을 한다.
주입 노즐(8)(도 2 및 도 3 참조)은 산화성 유체를 위한 입구(12) 및 배기 시스템을 향한 기화된 유체를 위한 출구(14)가 마련된 하우징(10)을 구비하고 있다. 하우징(10)의 내부에는 열전도성이 낮은 단열재(16)가 배치되어 있다. 단열재(16)의 내부에는 높은 열용량과 높은 열전도성을 갖는 재료로 형성된 축열기(18)가 배치된다. 그 재료로서는 대부분의 금속이 사용될 수 있다. 축열기(18)는 일반적으로 환형 형상을 갖는 것으로서, 중앙 개구를 향한 복수의 리브(20)를 구비하고 있다. 이들 리브의 단부는 전기 에너지(P)가 공급될 수 있는 중앙에 배치된 가열 요소(22)로부터 좁은 거리를 두고 배치된다. 가열 요소로서 글로우 플러그가 사용될 수 있다. 리브(20)를 갖는 축열기(18)와 가열 요소(22) 사이의 좁은 간극으로 인해, 가열 요소(22) 및 축열기(18)로부터 유체로 열을 전달하는 데에 비교적 큰 표면이 이용될 수 있다.
도 4에서는 전술한 주입 노즐(8)에 의해 유체가 배기 파이프(6) 안으로 어떠 한 식으로 도입되는 지를 도시하고 있다. 도면 부호 P는 가열 요소(22)에 공급되는 전기 에너지를 나타내며, 도면 부호 V는 주입 노즐(8)을 통해 주입된 유체의 부피를 나타내고, 도면 부호 T는 축열기(18)의 온도를 나타낸다.
시간 t1에서, 가열 요소(22)가 작동된다. 그 직후의 시간 t2에서, 축열기(18)의 온도가 상승하기 시작한다. 20초 내지 30초 정도 지연시켜 시간 t3에서 주입 공정이 시작된다. 산화성 유체(F)가 축열기(18)와 가열 요소(22) 사이의 간극을 통해 펌핑되자마자, 유체는 축열기(18) 및 가열 요소(22)에 의해 유체로 방출되는 에너지로 인해 기화된다. 이러한 공정에서, 축열기(18)의 온도는 감소한다. 주입 공정은 2초 내지 3초 정도의 시간이 걸리는 것으로, 시간 t4에 완료된다. 이때에, 가열 요소(22)는 중지된다.
대안적으로, 가열 요소를 시간 t4 직전에 중지하여, 잔류열을 이용할 수 있다.
가열 요소(22)의 가열 전력, 가열 요소(22)의 작동 개시와 주입 공정의 개시 간의 간격(t3-t1), 및 축열기의 열용량은 주입되는 유체 전량이 주입 공정 중에 기화될 수 있도록 정해진다.
이러한 식으로, 유체를 기화시키기 위한 열을 배기 가스의 흐름으로부터 빼앗을 필요가 없도록 할 수 있다.
대안적인 실시예에 따르면, 가열 요소는 작동 상태로 계속 유지될 수 있다. 이 경우, 2회의 주입 사이클 간에 축열기(18)를 가열하는 데에 훨씬더 많은 시간을 이용할 수 있기 때문에, 훨씬더 작은 가열 전력이 요구된다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
5 : 내연 기관 6 : 배기 파이프
7 : 배기 가스 정화용 구성 요소 8 : 주입 노즐
9 : 배관/펌프 시스템 10 : 하우징
12 : 유체 입구 14 : 유체 출구
16 : 단열재 18 : 축열기
20 : 리브 22 : 가열 요소

Claims (14)

  1. 촉매(7) 또는 필터(7)의 상류측의 배기 시스템 안으로 산화성 유체를 도입하기 위한 주입 노즐(8)로서,
    가열 요소(22) 및 축열기(18)를 포함하며, 축열기(18)가 가열 요소(22)에 의해 가열되고 이에 의해 저장된 열을 유체로 발산할 수 있는 것인 주입 노즐.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가열 요소(22)는 글로우 플러그(glow plug)인 것인 주입 노즐.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 축열기(18)는 금속으로 이루어지는 것인 주입 노즐.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가열 요소(22)는 상기 축열기(18)의 내부에 배치되는 것인 주입 노즐.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가열 요소(22)와 상기 축열기(18) 사이에는 유체가 흘러 통과할 수 있는 간극이 마련되는 것인 주입 노즐.
  6. 제5항에 있어서, 상기 축열기(18)는 가열 요소(22)를 향한 복수의 리브(20) 를 포함하는 것인 주입 노즐.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 축열기(18)가 수용되는 하우징(10)이 마련되며, 이 하우징(10)과 축열기(18) 사이에는 단열재(16)가 배치되는 것인 주입 노즐.
  8. 가열 요소(22) 및 축열기(18)를 구비한 주입 노즐(8)을 이용하여, 촉매(7) 또는 필터(7)의 상류측의 배기 시스템 안으로 산화성 유체를 도입하는 방법으로서,
    주입 공정 전에 가열 요소(22)를 작동시켜 축열기를 가열시키고 나서, 축열기(18)가 유체로 에너지를 방출하여 그 유체를 기화시킬 수 있도록 유체를 주입하는 것인 산화성 유체의 도입 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 가열 요소(22)를, 주입 공정 전의 미리 정해진 시간에 작동시켜 주입 공정 중에 작동 상태로 유지하는 한편, 주입 공정의 완료 시에 중지시키는 것인 산화성 유체의 도입 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 가열 요소(22)를, 주입 공정 전의 미리 정해진 시간에 작동시켜 주입 공정 중에 작동 상태로 유지하는 한편, 주입 공정의 완료 직전에 중지시키는 것인 산화성 유체의 도입 방법.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 요소(22)를 주입 공정보다 20초 정도 전에 작동시키는 것인 산화성 유체의 도입 방법.
  12. 제8항에 있어서, 상기 가열 요소(22)를 작동 상태로 계속 유지하는 것인 산화성 유체의 도입 방법.
  13. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 주입 공정은 2초 내지 3초 정도 걸리는 것인 산화성 유체의 도입 방법.
  14. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 주입 공정을, 2분 내지 4분 정도의 미리 정해진 시간 후에 반복하는 것인 산화성 유체의 도입 방법.
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