KR101015177B1 - 계량펌프조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기가스흐름에 액상 환원제를 혼합하기 위한 계량펌프조립체(9)에 관한 것이다. 계량펌프조립체는 전기구동장치(15), 전동수단(16), 멤브렌 펌프(17) 및 제어조절 전자장치를 수용하는 조립체 하우징(10)으로 구성된다. 또한 조립체 하우징(10)은 액상 환원제를 압력가스흐름에 혼합시키는 예비혼합장치로 구성된다.
Figure R1020057011812
계량펌프조립체, 배기가스, 환원제

Description

계량펌프조립체 {DOSING PUMP ASSEMBLY}
본 발명은 배기가스흐름에 유체상 환원제를 혼합하기 위한 계량펌프조립체에 관한 것으로, 특히 전기구동장치, 전동수단, 멤브렌 펌프 및 제어조절 전자장치를 수용하는 조립체 하우징을 갖는 형태로서 배기가스흐름에 유체상 환원제를 혼합하기 위한 계량펌프조립체에 관한 것이다.
자동점화 내연기관에 있어서, 대부분의 작동조건에서, 특히 예를 들어 전형적으로 디젤 차량의 경우와 같이 주연소공간에 산소가 직접 주입되는 경우 산소의 과잉공급에 의한 작동시에 질소산화물이 발생된다. 이러한 환경적으로 유해한 NOx의 방출을 줄이기 위하여 배기가스의 흐름이 환원촉매를 통과하도록 하는 것이 알려져 있다. 배기가스가 촉매에 도달하기 전에 배기가스에 균일하게 분포되는 상태로 환원제로서 수용성 우레아 용액이 배기가스에 도입된다. 동시에 촉매내에서 가능한 한 완전한 환원이 이루어지도록 하는 한편 우레아의 과잉공급을 방지하기 위하여, 공급되는 우레아의 양이 연소과정에 가능한 한 정확히 맞추어진다. 이를 위하여, 연소 및 환원과정에서의 변수(촉매의 상류측 및 하류측 온도, 연소과정에 도입된 공기량, 배기가스의 NOx 및 O2 함량)에 따라서 우레아의 공급을 제어하는 별도의 제어조절(폐쇄루프형 제어) 전자장치가 요구된다.
각 순간에 요구되는 분량의 수용성 우레아 용액을 공급하기 위하여 계량밸브를 적용하는 것이 알려져 있다(DE 44 36 397 A1). 동시에 배기가스에 우레아 용액이 유입될 수 있도록 압력공기로 공급탱크에 압력을 가함으로서 우레아 용액의 공급이 이루어진다.
우레아 용액의 주입위치의 전면에 직접 배치되는 계량밸브에 조합하여 우레아공급용기를 압력하에 배치하는 것은 시스템에 대하여 본질적인 결점을 갖는다. 이 점에 관한 한, 압력이 가하여지지 않는 공급용기로부터 수용성 우레아 용액을 흡인하여 이를 목표로 하는 가압된 가스, 특히 촉매의 상류측에 균일하게 분포되는 방식으로 노즐을 통하여 배기가스 측으로 안내되는 압력공기흐름으로 안내하는 계량펌프를 사용하는 것이 더 바람직하다. 이러한 구성은 특히 이동가능한 차량에 적용하는 것이 좋은 바, 이는 예를 들어 미국특허 제5,842,341호로부터 알려져 있다.
계량펌프는 다양한 기술분야에 사용되고 있으나, 통상적으로는 고정적인 구조물에 사용된다. 덴마크의 Grundfos 사에서 제조되어 판매되고 있는 이러한 계량 펌프는 DME 및 DMS 형으로 알려져 있다. 이들 펌프는 고정구조물에 사용될 수 있도록 설계되어 있어 제한된 용도에서만 적합한 것이다.
이에 대하여, 본 발명의 목적은 특히 자동차용으로 배기가스흐름에 유체상 환원제를 혼합시킬 수 있도록 한 계량펌프조립체를 제공하는데 있다.
본 발명에 따라서, 이러한 목적은 청구항 제1항의 특징부에 의하여 달성된다. 본 발명의 유리한 구성은 종속항에서 한정적으로 설명되고 있으며, 다음의 상세한 설명과 도면에서 잘 나타나 있다.
본 발명의 기본개념은 이러한 특정의 적용목적을 위한 것으로서 통상적으로 조립체 하우징내에 배치되는 구성요소를 갖는 계량펌프조립체를 제공하는 것이다. 동시에, 구성여하에 따라서, 예비혼합수단이 이를 위하여 요구되는 보조조립체를 포함하여 조립체 하우징에 완전히 배치될 수 있다. 이는 특히 한편으로는 주위의 유해환경으로부터 보호되어야 하고 다른 한편으로는 진동이 거의 없도록 취부되어야 하므로 각 구성요소의 조립이 각각 이루어지는 것이 방지되어야 하고 다른 조립체를 위한 설치공간을 크게 제한하거나 제거하여야 하는 자동차의 분야에 특히 적합하다.
본 발명에 따라서 적어도 일부분이 조립체 하우징내에 배치되는 예비혼합수단은 일반적으로 수용성 우레아 용액(예를 들어 30% 우레아 용액)과 같은 액상 환원제를 촉매의 직상류측에서 배기가스흐름내에 배치된 노즐에 의하여 균일하게 분포될 수 있도록 하는 방식으로 이러한 예비혼합된 질량유량을 배기가스흐름내에 공급하기 위하여 압력공기흐름에 공급할 수 있도록 한다. 동시에, 계량펌프는 질소산화물의 환원에 요구되는 적량의 우레아 용액이 공급될 수 있도록 한다.
공기, 특히 압력공기와 접촉하는 수용액내에 존재하는 우레아는 적어도 부분적으로 결정화되어 도관시스템내에 점착, 부착 및 폐색될 수도 있으므로, 본 발명에 따라서 액상 환원제와 압력가스흐름에 접촉하는 도관부의 내부를 불어내는 취출수단이 제공되며 적어도 이러한 도관부는 두개의 흐름이 만나는 위치의 하류측에 배치된다.
이를 위하여, 제1밸브가 조립체 하우징내에 배치되고 이러한 밸브는 제1전환위치에서 압력공기흐름을 안내하는 도관을 배기가스흐름을 안내하는 도관에 이러한 도관의 취출을 위하여 연결하며 제2전환위치에서는 펌프의 토출관을 배기가스흐름을 안내하는 도관에 연결하여 정상적인 작동상태가 되도록 한다. 이와 같이 다른 기술적인 부속물없이 그리고 어느 경우에 있어서나 유용한 압력공기를 이용하여, 이들 도관부에 우레아 퇴적물이 퇴적되는 것을 방지하도록 이와 같은 제1밸브의 적당한 작동에 의하여 도관부의 내부를 불어내는 취출작용이 이루어질 수 있다.
다른 한편으로, 예비혼합수단이 작동하기 전에, 특히 펌프의 토출부로부터 혼합위치까지의 도관시스템은 환원제의 혼합량이 계량펌프에 의하여 공급되는 양에 일치하므로 유체상 환원제로 완전히 충전될 수 있어야 한다. 이를 위하여, 본 발명에 따르면, 특히 조립체 하우징 내에서 환원제를 안내하는 도관을 씻어내기 위한 수단이 제공된다. 이를 위하여, 제2밸브(이후부터 예비세정밸브라 함)가 조립체 하우징내에 배치되고 이를 통하여 펌프의 토출관이 환원제를 탱크측으로 안내하는 도관, 또는 제1밸브 또는 배기가스흐름으로 안내하는 도관에 선택적으로 연결될 수 있다. 후자의 위치가 작동위치이다. 예비혼합수단의 출발작동시에, 예비세정밸브는 처음 언급된 위치로 제어되고 계량펌프는 영구작동으로 전환되어 도관에는 이후 공급용기로 되돌아가는 액상 환원제가 연속하여 공급된다. 이 때문에, 환원제를 안내하는 도관은 환원제로 완전히 채워질 수 있다.
통상적으로, 조립체 하우징은 서로 기능적으로 분리된 여러 부분으로 구성되며 특히 일측 하우징 부분이 전자장치를 위하여 제공되는 것에 반하여 타측 하우징 부분은 구동모터와 구동장치를 위하여 제공되며, 도관, 도관연결부, 밸브 및 멤브렌 펌프와 같이 유체를 안내하는 구성요소를 위하여 또 다른 하우징 부분이 제공된다. 동시에, 구동장치는 중앙의 하우징 부분에 배치되는 것이 좋으며 전자장치는 이러한 중앙의 하우징 부분의 일측에 배치되고 유체안내를 위한 구성요소는 중앙의 하우징 부분의 타측에 배치되는 것이 좋다. 이러한 구성은 조립체의 작동이 신뢰될 수 있도록 하는 동시에 예를 들어 보수하는 경우에 환원제가 방출되어 기계적인 구성요소 또는 전자적인 구성요소와 접촉되지 않도록 하는 잇점이 있다.
밸브들은 통상적으로 도관연결부, 즉 조립체의 압력공기공급을 위하여 압력공기공급도관을 위한 연결부와 같은 펌프하우징의 유체안내부분내에 배치된다.
압력공기도관은 특히 용기와 함께 통상적으로 작동압력하에 있으므로 요구되는 경우 압력공기의 공급을 차단하기 위하여 통상적으로 조립체 측에서 압력공기를 안내하는 도관에 차단밸브를 제공한다.
예를 들어 압력이 떨어지는 경우 유체상 환원제가 압력공기도관으로 침투하는 것을 방지하고 우레아의 결정화에 의하여 도관의 내부가 협소하게 되는 것을 방지하기 위하여, 특히 유동방향에서 차단밸브의 하류측에서 압력공기를 안내하는 도관내에 복귀밸브가 제공된다. 이 복귀밸브는 특히 유체안내부분을 위한 하우징부분에서 조립체 하우징내에 배치된다.
유지보수를 위해 완전한 조립체를 신속하고 간단한 방식으로 교환하기 위하여, 각각의 경우 유체를 안내하는 모든 도관에 대하여 조립체 하우징에 도관연결부가 제공되고, 상기 연결부는 해당 연결도관에 대하여 분리가능한 연결부일 수 있다. 이는 간단한 형태로서 유연성 튜브가 삽입될 수 있는 연결구(유니언) 또는 유연성 튜브결합시스템으로 구성될 수 있다. 계량펌프조립체의 조립체 하우징내에는 어느 경우에 있어서나 디지털 제어조절 전자장치가 배치될 수 있으므로, 조립체 하우징내에 제어 또는 조절 전자장치가 배치되는 것이 유용하고, 이들 전자장치는 환원공정 및 밸브제어를 위하여 필요하다.
본 발명에 따르면, 조립체 하우징은 또한 예비혼합수단의 부분을 포함할 수 있다. 환원제를 안내하는 도관과 압력공기를 안내하는 도관 사이의 실제 혼합과정은 조립체 하우징의 외측에서 이루어질 수 있는 바, 이는 유리한 것이다. 그러나 본 발명의 우선실시형태에 따라서, 조립체 하우징은 완전한 예비혼합수단을 포함하지 않을 수도 있다. 이는 구성의 설계면에서나 예를 들어 차량의 작동중에 규칙적으로 일어나는 것과 같은 저온에서의 극한작동조건의 면에서 유리하다. 그리고 차량의 다른 부분을 제공할 필요없이 조립체 하우징의 부분에 제공함으로서 예비혼합수단의 작동이 신뢰될 수 있다. 환원공정과 디지털 모터전자장치에 의한 밸브제어를 위한 제어 또는 조절 전자장치를 갖는 계량펌프조립체 또는 이러한 제어 또는 조절 전자장치를 갖지 않는 계량펌프조립체를 차량에 적용하기 위하여, 분리형으로 부착될 수 있는 하우징 모듈로서 조절(폐쇄루프형 제어) 전자장치 또는 조절 전자장치의 적어도 일부분을 제공함으로서 계량펌프조립체는 적용목적에 따라 이러한 모듈을 갖추거나 갖추지 않고 사용될 수 있다.
본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 보조조립체를 갖는 예비혼합수단, 배기가스도관시스템 및 환원촉매로 구성되는 본 발명의 블록다이아그램.
도 2는 본 발명에 따른 계량펌프조립체의 예비혼합수단을 보인 블록다이아그램.
도 3은 본 발명에 따른 계량펌프조립체의 사시도.
디젤차량의 배기가스도관(1)이 도 1에 도시되어 있으며 그 유동방향은 부호 2로 표시되어 있다. 연소엔진으로부터 나오는 뜨거운 배기가스는 도관(1)을 통하여 먼저 센서(3)를 지나며 이 센서는 질소산화물과 산소의 함량을 검출한다. 유동방향에서, 노즐헤드(4)는 센서의 하류측에 배치되어 있으며 이를 통하여 압력공기와 수용성 우레아 형태의 유체상 환원제로 구성되는 흐름이 균일하게 분포되는 상태로 배기가스흐름(2)으로 도입된다. 환원촉매(5)는 도관의 하류측에 연결되어 이를 통과한 배기가스가 도관의 자유단부(6)를 통하여 시스템을 떠난다. 유동방향에서 온도센서(7)가 촉매(5)의 상류측과 하류측에 제공된다.
노즐헤드(4)에는 도 2와 도 3에서 보인 바와 같이 계량펌프조립체(9)로부터 연장된 도관(8)이 연결된다. 계량펌프조립체(9)는 3개의 하우징부분(11)(12)(13)으로 나누어진 조립체 하우징(10)으로 구성된다. 하우징(10)의 단부면에 연결된 하우 징부분(11)은 계량펌프를 위한 제어 및 조절 전자장치와 환원과정을 위한 제어 및 조절 전자장치로 구성된다. 이들 제어 및 조절 전자장치는 CAN-bus를 통하여 모터의 전자장치에 연결될 수 있고 온도센서(7)와 센서(3)의 신호를 검출하고 도 1에서 화살표(14)로 보인 바와 같이 연소과정으로 유도되는 공기질량유량을 검출한다.
하우징부분(12)은 전자장치를 위한 하우징부분(11)에 연결되고 이 하우징부분(12)은 스텝핑 모터(15)의 형태인 구동모터와 이러한 모터(15)의 회전운동을 단계적으로 낮추어 하우징부분(12)에 연결되고 조립체의 유체안내부를 구성하는 멤브렌 펌프(17)를 구동시키는 병진운동으로 전환시키는 편심기어(16)로 구성된다. 하우징부분(13)은 중간벽(도시하지 않았음)에 의하여 하우징부분(12)으로부터 분리되어 유체가 무단히 누출되거나 유지보수가 요구되는 경우 유체가 하우징부분(11)(12)으로 침투되지 않도록 한다.
하우징부분(11)은 분리형의 구조를 가지며 하우징(10)에 일체로 형성되고 모터(5)를 위한 제어 및 조절 전자장치와, 단면부에 연결되고 환원공정의 제어 및 조절을 위하여 요구되는 전자장치로 구성된 분리형 하우징부분(11a)으로 구성된다. 이와 같이 함으로서 조립체는 환원공정을 위한 제어 및 조절 전자장치를 갖추거나 갖추지 않고 선택적으로 사용될 수 있다. 하우징부분(11a)은 모듈러 구조로 구성되며 플러그-소켓 연결부를 통하여 다른 전자장치에 전기적으로 연결되고 또한 기계적인 방법으로 하우징부분(11)에 분리가능하게 연결될 수 있다. 복귀밸브를 갖는 멤브렌 펌프(17)는 하우징부분(13)내에 배치된다. 또한 하우징부분(12)에는 4개의 연결부가 구비되어 있어 도 2에서 보인 바와 같이 도관들이 이에 분리가능하게 연결될 수 있다.
멤브렌 펌프(17)와 예비혼합수단(19)은 하우징부분(13)에 배치된다. 예비혼합수단(19)은 제1의 3/2-웨이 밸브(20), 예비세정밸브로서 제2의 3/2-웨이 밸브, 및 차단밸브(22)와 스로틀(23)로 구성된다.
도관연결부와 밸브의 기능은 다음과 같다.
펌프조립체의 작동에 앞서, 예비혼합수단(19)에 있어서 가스 등이 펌프토출측의 도관(24)에 존재하지 않도록 하기 위해 펌프토출측의 도관(24)이 유체상 환원제로 채워질 수 있도록 도관(24)을 세정하여야 한다. 이를 위하여, 예비세정밸브(21)는 펌프토출측의 도관(24)이 유체상 환원제를 공급용기(26)측으로 반환이송시키는 복귀도관(25)에 연결될 수 있도록 작동된다. 환원제가 흡인되어 공급용기(26)로부터 펌프(17)측으로 공급된다.
세정이 이루어지고, 도관(24)이 완전한 방법으로 액체를 안내할 수 있도록 한 후에, 예비세정밸브(21)가 전환되고, 이에 의하여 펌프토출측의 도관(24)이 작동위치에 연결되어 도관(8)에 대한 도관연결부가 노즐헤드(4)측으로 연결되도록 밸브(20)의 유입구측에 연결된다. 환원제가 이러한 도관의 안내를 통하여 도관(8)에 이른다. 연결부(18)와 도관(27)을 통하여 공급되는 압력공기는 개방된 차단밸브(22)를 통하여 스로틀(23)에 이르며 여기에서 혼합부(28)를 통하여 도관(8)에 도달함으로서 펌프(17)의 적당한 공급과 도관(27)으로의 압력공기공급으로 요구된 예비혼합이 이루어지고 예비혼합물이 도관(8)(연결부 18을 통하여)을 통하여 조립체 하우징의 외부로 유도된다.
환원제의 계량은 제어 및 조절 전자장치의 도움에 따른 작동에 의하여 공지된 방식으로 이루어진다. 작동이 완료되었을 때, 예를 들어 내연기관이 정지되었을 때, 밸브(20)가 복귀되어 압력공기를 유도하는 한편 스로틀을 바이패스시키는 도관(27)이 직접 도관(8)에 연결된다. 이와 같은 방법으로 밸브(20)의 타측에 놓여 환원제를 안내하는 도관의 부분과 혼합부(28)의 외측에 놓인 부분에 압력공기가 공급되고 이에 의하여 도관내에 남아 있는 잔류 환원제가 노즐(4)을 통하여 취출되어 제거되고 도관 시스템 자체가 결정화될 수 있는 우레아에 의하여 오염되지 않도록 한다.
하우징부분(13)의 4개 연결부(18)는 펌프(17)의 흡인도관(29)이 연결부, 공급용기(26)측으로 연결된 복귀도관(25)의 연결부, 도관(27)에 대한 압력공기의 공급을 위한 연결부와, 도관(8)의 연결부이다.
전기적인 연결부와 센서 연결부가 하우징부분(11)에 제공된다. 조립체 하우징은 콤팩트하게 구성되고 밀폐되어 차량내의 어느 공간에나 설치될 수 있다. 조립체는 예를 들어 12 볼트 또는 24 볼트의 차량 자체의 전원으로부터 전원이 공급될 수 있도록 전기적으로 구성된다. 환원제의 공급용기(26)는 압력이 가하여지지 않으므로 차량의 어느 장소에나 설치될 수 있고 압력용기의 경우와 같이 요구되는 공간이 제공될 필요가 없다. 예비혼합수단의 작동에 요구되는 압력공기는 차량 자체의 압력공기공급원으로부터 얻거나 별도의 압축기를 통하여 얻을 수 있다.
이와 같이 본 발명은 전기구동장치, 전동수단, 멤브렌 펌프 및 제어조절 전자장치를 수용하는 조립체 하우징을 갖는 형태로서 배기가스흐름에 유체상 환원제를 혼합하기 위한 계량펌프조립체를 제공한다.

Claims (16)

  1. 전기구동장치(15), 전동수단(16), 멤브렌 펌프(17) 및 제어조절 전자장치를 수용하는 조립체 하우징(10)을 갖는 형태로서 배기가스흐름(2)에 유체상 환원제를 혼합하기 위한 계량펌프조립체에 있어서, 유체상 환원제가 압력가스흐름에 혼합되게 하는 적어도 일부의 예비혼합수단(19)으로 조립체 하우징(10)이 구성됨을 특징으로 하는 계량펌프조립체.
  2. 제1항에 있어서, 도관(8)의 내부를 불어내어 취출하기 위하여 유체상 환원제와 압력가스흐름을 안내하는 수단(20)이 제공됨을 특징으로 하는 계량펌프조립체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1밸브(20)가 조립체 하우징내(10)에 배치되고, 상기 제1밸브가 제1전환위치에서 압력가스흐름을 안내하는 도관(27)을 배기가스흐름을 안내하는 도관에 연결하며, 제2전환위치에서는 펌프(17)의 토출측 도관(24)을 배기가스흐름(2)을 안내하는 도관(8)에 연결함을 특징으로 하는 계량펌프조립체.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 환원제를 안내하는 도관(24)을 씻어내리기 위한 수단(21, 25)이 제공됨을 특징으로 하는 계량펌프조립체.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제2밸브(21)(예비세정밸브)가 조립체 하우징(10)내에 배치되고 이를 통하여 펌프(17)의 토출측 도관(24)이 환원제를 탱크(26)측으로 안내하는 도관(25), 또는 제1밸브(20) 또는 배기가스흐름(2)으로 안내하는 도관(8)에 선택적으로 연결됨을 특징으로 하는 계량펌프조립체.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 조립체 하우징(10)이 서로 기능적으로 분리된 여러 부분(11, 12, 13)으로 구성되며 일측 하우징 부분이 전자장치를 위하여 제공되고 타측 하우징 부분이 구동모터(15)와 구동장치(16)를 위하여 제공되고 또 다른 하우징 부분이 유체를 안내하는 구성요소(17, 18, 20, 21, 22)를 위하여 제공됨을 특징으로 하는 계량펌프조립체.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 밸브(20, 21, 22)가 펌프 하우징(10)의 유체안내부(13)에 배치됨을 특징으로 하는 계량펌프조립체.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 조립체 하우징(10)이 압력공기공급도관(27)을 위한 연결부(18)를 포함함을 특징으로 하는 계량펌프조립체.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 조립체 하우징(10)이 압력공기를 안내하는 도관(27)내에 놓인 차단밸브(22)를 수용함을 특징으로 하는 계량펌프조립체.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 조립체 하우징(10)이 압력공기를 안내하는 도관(27)내에 놓인 복귀밸브를 수용함을 특징으로 하는 계량펌프조립체.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 조립체 하우징(10)은 환원제가 압력공기에 혼합되는 혼합부(28)의 통과 유동 방향의 상류측에 놓인 스로틀(23)을 수용함을 특징으로 하는 계량펌프조립체.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 조립체 하우징(10)으로 유체를 안내하거나 이 하우징으로부터 유체를 안내하는 각 유체안내도관을 위하여 조립체 하우징(10)이 연결도관에 대한 분리가능한 연결이 이루어질 수 있도록 하는 도관연결부(18)를 포함함을 특징으로 하는 계량펌프조립체.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 환원공정을 위한 제어 및 조절 전자장치와, 밸브제어장치가 조립체 하우징(10)의 내부에 또한 배치됨을 특징으로 하는 계량펌프조립체.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서, 조립체 하우징(10)이 예비혼합수단(19)으로 구성됨을 특징으로 하는 계량펌프조립체.
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서, 조절(폐쇄루프형 제어) 전자장치의 일부가 분리가능하게 부착되는 하우징 모듈(11a)의 형태로 배치됨을 특징으로 하는 계량펌프조립체.
  16. 제1항 또는 제2항에 있어서, 환원공정을 위한 제어 및 조절 전자장치 중 어느 하나와, 밸브제어장치가 조립체 하우징(10)의 내부에 또한 배치됨을 특징으로 하는 계량펌프조립체.
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