KR101278574B1 - 엔진 배기 정화장치 및 이를 사용한 운송수단 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내구성을 증가시킬 수 있는 엔진 배기 정화장치 및 이를 사용한 운송수단을 위하여, 배기가스가 외부로 배출되는 배기관 내에 액상의 반응제를 분사하는 분사부; 상기 반응제를 저장하는 반응제 저장부; 상기 반응제 저장부와 연결되어 상기 반응제를 상기 분사부로 공급하도록 배치된 반응제 공급 라인부; 상기 반응제 저장부의 내부와 상기 분사부 사이에서 냉각수가 순환되도록 상기 반응제 공급 라인부와 별개로 배치된 냉각수 순환 라인부; 및 상기 반응제 공급 라인부 및 냉각수 순환 라인부 중 적어도 어느 하나와 연결되고, 상기 분사부와 상기 반응제 저장부 사이에 배치되는 매니폴드부를 구비하는, 엔진 배기 정화장치를 제공한다.

Description

엔진 배기 정화장치 및 이를 사용한 운송수단{Apparatus for purifying engine exhaust gas and vehicle using the same}
본 발명은 정화장치 및 이를 사용한 기계장치에 관한 것으로, 특히 엔진 배기 정화장치 및 이를 사용한 운송수단에 관한 것이다.
내연/외연 기관을 포함하는 엔진은 연료를 연소시켜서 발생하는 열에너지를 기계적 에너지로 변환시킨다. 연료가 연소되는 과정에서 발생하여 외부로 방출하는 배기가스는 대기를 오염시키고 인체에도 해로운 경우가 많으므로, 세계 각국은 배기가스에 대하여 각종 규제들을 적용하고 있다. 예를 들어, 디젤 엔진 등에서 발생하는 질소산화물(NOx) 등은 유럽 내에서 다양한 기준들에 의하여 규제되고 있다.
이러한 배기가스를 정화하는 기술로는 배기가스를 재순환하여 엔진에서 연소를 시키는 방법과 배기가스를 산화 또는 환원시켜 유해물질의 농도를 저감하는 방법 등이 있다. 배기가스를 재순환하여 엔진에서 연소하는 방법은 배기가스의 양을 엔진의 운행상태에 따라 정확하게 조절하지 않으면 엔진의 출력이 낮아지고 유해물질의 발생이 증가하는 부작용이 발생할 수 있다. 따라서 배기가스를 산화 또는 환원시켜 유해물질의 농도를 저감하는 방법에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
하지만, 배기가스를 산화 또는 환원시켜 유해물질의 농도를 저감하는 방법은 고온의 배기가스에 반응제(reactant)를 직접 주입하여야 하므로 엔진 배기 정화장치의 내구성을 확보하기가 용이하지 않다. 아울러, 반응제의 물성이 온도에 취약할 경우 반응제의 유로(流路)가 확보되지 않아 엔진 배기 정화장치의 내구성이 악화되므로, 반응제의 온도를 적정 범위 내에서 유지하는 것이 필요하다.
이에, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 기존 엔진의 주변 구성을 크게 변경하지 않으면서 내구성을 증가시킬 수 있는 엔진 배기 정화장치 및 이를 사용한 운송수단을 제공한다. 이러한 본 발명의 과제는 예시적으로 제시되었고, 따라서 본 발명이 이러한 과제에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 배기가스가 외부로 배출되는 배기관 내에 액상의 반응제를 분사하는 분사부; 상기 반응제를 저장하는 반응제 저장부; 상기 반응제 저장부와 연결되어 상기 반응제를 상기 분사부로 공급하도록 배치된 반응제 공급 라인부; 상기 반응제 저장부의 내부와 상기 분사부 사이에서 냉각수가 순환되도록 상기 반응제 공급 라인부와 별개로 배치된 냉각수 순환 라인부; 및 상기 반응제 공급 라인부 및 냉각수 순환 라인부 중 적어도 어느 하나와 연결되고, 상기 분사부와 상기 반응제 저장부 사이에 배치되는 매니폴드부;를 구비하는, 엔진 배기 정화장치가 제공된다.
상기 매니폴드부는 냉각수 보조 저장부, 반응제 보조 저장부, 가열부, 펌프부 및 밸브부 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 가열부는 가열하는 시간을 임의로 조절할 수 있는 전기 히터를 포함할 수 있다.
상기 밸브는 상기 반응제 공급 라인부 및 상기 냉각수 순환 라인부의 유로 구조를 변경할 수 있는 가변 솔레노이드밸브를 포함할 수 있다.
상기 액상의 반응제는 요소수를 포함할 수 있다.
상기 냉각수 순환 라인부의 일부는 상기 반응제 저장부의 내부에 있는 반응제와 직접 접촉하도록 배치될 수 있다.
상기 반응제 저장부의 내부에 있는 반응제의 레벨(level) 또는 온도를 감지하는 센서부를 더 가질 수 있다.
상기 냉각수는 엔진을 냉각하는 엔진 냉각수와 별개일 수 있다.
상기 냉각수 순환 라인부 중에서 상기 분사부에서 상기 반응제 저장부로 상기 냉각수가 이동하는 부분과 상기 반응제 공급 라인부는 서로 접촉하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 엔진; 상기 엔진에서 발생한 배기가스가 외부로 배출되는 배기관; 상기 배기관 내에 액상의 반응제를 분사하는 분사부; 상기 반응제를 저장하는 반응제 저장부; 상기 반응제 저장부와 연결되어 상기 반응제를 상기 분사부로 공급하도록 배치된 반응제 공급 라인부; 상기 반응제 저장부의 내부와 상기 분사부 사이에서 냉각수가 순환되도록 상기 반응제 공급 라인부와 별개로 배치된 냉각수 순환 라인부; 및 상기 반응제 공급 라인부 및 냉각수 순환 라인부 중 적어도 어느 하나와 연결되고, 상기 분사부와 상기 반응제 저장부 사이에 배치되는 매니폴드;를 구비하는, 운송수단이 제공된다.
상기 매니폴드부는 냉각수 보조 저장부, 반응제 보조 저장부, 가열부, 펌프부 및 밸브부 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 분사부, 상기 가열부, 상기 펌프부 및 상기 밸브부를 제어하는 제어장치를 더 가질 수 있다.
상기 밸브는 상기 반응제 공급 라인부 및 상기 냉각수 순환 라인부의 유로 구조를 변경할 수 있는 가변 솔레노이드밸브를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기존 엔진의 주변 구성을 크게 변경하지 않으면서 내구성을 증가시킬 수 있는 엔진 배기 정화장치 및 이를 사용한 운송수단을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 다른 실시예에 따른 엔진 배기 정화장치 및 이를 이용한 운송수단의 일부를 개략적으로 도시하는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 엔진 배기 정화장치 및 이를 이용한 운송수단의 일부를 개략적으로 도시하는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 엔진 배기 정화장치 및 이를 이용한 운송수단의 일부를 개략적으로 도시하는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 엔진 배기 정화장치 및 이를 이용한 운송수단의 일부를 개략적으로 도시하는 개념도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
본 발명의 실시예들에서 언급되는 엔진이란 내연기관 또는 외연기관과 같이 자연의 에너지나 열에너지를 사용해서 기계적 일을 하는 장치를 포함한다. 내연기관은 연료의 연소가 기관의 내부에서 이루어져 열에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 기관을 의미하며, 내연 기관을 사용하는 연료에 의해 가스기관, 가솔린기관, 석유기관, 디젤기관 등을 포함할 수 있다. 외연기관은 가열기의 전열면(傳熱面)을 통해서 가열된 작동유체(예를 들어, 액체 또는 기체)에 의해 동력을 발생시키는 열기관을 의미하며, 증기기관, 증기터빈, 클로즈드 가스터빈 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에서 언급되는 운송수단이란 상기 엔진을 사용하여 사람이나 물건을 어떠한 장소에서 또 다른 장소로 이동시킬 수 있는 기계장치를 의미하여, 차량, 자동차, 오토바이, 열차, 선박, 또는 항공기 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에서 언급되는 매니폴드란 하나의 입구에 출구가 여러개로 구성되거나 또는 여러개의 입구에 하나의 출구로 이루어진 기계적인 부품을 포함하며, 유체를 고르게 배분하는 목적을 가지는 장치를 의미한다. 예를 들어 배기 매니폴드(Exhaust manifold)는 여러개의 입구(각 실린더의 개수만큼)에 하나 또는 두 개의 출구(배기관)로 구성되어 있고, 원활한 배기가스의 흐름이 이루어지게 하여 엔진의 효율이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 배기 정화장치 및 이를 이용한 운송수단의 일부를 개략적으로 도시하는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 엔진 배기 정화장치는 배기가스가 외부로 배출되는 배기관(120) 내에 액상의 반응제(170)를 분사하는 분사부(130)를 포함한다. 액상의 반응제(170)는 배기가스를 산화 또는 환원시켜 유해물질의 농도를 저감시킬 수 있다. 예를 들어, 배기가스가 질소산화물(NOx, 예를 들어, NO 또는 NO2)을 포함하는 경우, 상기 액상의 반응제(170)는 요소수를 포함할 수 있다. 요소수는 물에 요소(Urea; NH2-CO-NH2)를 약 1/3 의 비율로 혼합하여 형성한다. 요소수는 질소산화물(NOx)이 질소와 산소로 환원되는 화학식 1의 화학반응에서 촉매 역할을 할 수 있다.
[화학식1]
NOx → N2 + O2
한편, 액상의 반응제(170)는 배기가스의 유해물질의 농도를 저감시키는 화학반응의 촉매 뿐만 화학반응의 반응물, 첨가물 등을 포함할 수 있다. 즉, 반응제(170)는 배기가스의 유해물질의 농도를 저감시키는 화학반응에 필수적으로 참여하거나 또는 부가적으로 참여하는 모든 임의의 화학물질을 포함할 수 있다.
일반적으로 배기관(120) 내의 배기가스는 고온이므로, 배기가스와 접하는 분사부(130)는 고온에 취약해질 수 있다. 예를 들어, 분사부(130)는 압력을 인가하여 액상의 반응제를 미립자 형태로 분무화시켜 분사하는 인젝터(injector)를 포함할 수 있다. 인젝터는 분사 압력을 제어하기 위하여 도전성의 도선을 촘촘하고 균일하게 원통형으로 길게 감아 만든 솔레노이드를 포함할 수 있는데, 상기 솔레노이드는 고온의 배기가스에 의하여 특성이 취약해질 수 있다.
따라서, 분사부(130)는 일정 수준 이상의 고온에 이르지 않도록 적절한 수단으로 냉각될 필요가 있다. 특히, 엔진이 디젤기관인 경우 연료의 자기발화온도까지 공기를 압축하므로 배기가스의 온도는 상대적으로 더 높을 수 있으므로, 분사부(130)의 냉각 수단은 더욱 필요할 수 있다.
반응제 저장부(140)가 반응제(170)를 저장한다. 반응제(170)의 온도 및/또는 레벨(level)을 측정하기 위하여 반응제 저장부(140)에 센서부(190)가 추가로 배치될 수 있다. 반응제(170)의 레벨은 후술하는 냉각수 순환 라인부(160)와 매니폴드부(240)의 레벨보다 더 높을 수 있다.
반응제 공급 라인부(151)가 반응제 저장부(140)와 연결되어 반응제(170)를 분사부(130)로 공급하도록 배치된다. 반응제 공급 라인부(151)에는 반응제(170)가 분사부(130)로 유동하도록 펌프부(210)가 배치될 수 있으며, 반응제(170)의 유동방향 또는 유량을 제어하기 위하여 다양한 밸브(미도시)들이 추가로 배치될 수 있다. 반응제 공급 라인부(151)가 반응제 저장부(140)에 입출하는 위치나 구성은 도면들에서 편의상 도시된 위치나 구성에 한정되지 않으며 자유롭게 변경될 수 있다.
앞에서 설명한 분사부(130)의 냉각수단으로 냉각수 순환 라인부(160)가 도입된다. 냉각수 순환 라인부(160)는 반응제 저장부(140)의 내부와 분사부(130) 사이에서 냉각수가 순환되도록 배치된다. 냉각수 순환 라인부(160)에는 냉각수가 순환하도록 펌프부(210)가 배치될 수 있으며, 냉각수의 유동방향 또는 유량을 제어하기 위하여 다양한 밸브(미도시)들이 추가로 배치될 수 있다.
냉각수 순환 라인부(160)는 냉각수가 유동하는 방향을 따라서 분사부(130)에서 반응제 저장부(140)의 내부까지의 제1 냉각수 순환 라인부(161)와 반응제 저장부(140)의 내부에서 분사부(130)까지의 제2 냉각수 순환 라인부(162)를 포함할 수 있다. 분사부(130)를 거친 냉각수는 냉각수 순환 라인부(160)를 순환하고 있기 때문에 전체적으로 온도가 빠르게 상승할 수 있다.
한편, 엔진(110)이 동작함에 따라 반응제(170)는 계속 소모되므로, 반응제 저장부(140) 내에 저장되는 반응제(170)의 질량은 점점 감소한다. 반응제(170)의 질량이 감소하면, 외부 환경에 의하여 반응제(170)의 온도는 상대적으로 쉽게 변동한다. 예를 들어, 고온의 배기가스로부터 전달되는 열에 의하여 반응제 저장부(140) 내에 저장된 반응제(170)의 온도가 높아질 수 있으며, 또는 혹한의 환경에 의하여 반응제 저장부(140) 내에 저장된 반응제(170)의 온도가 낮아질 수 있다. 이러한 반응제(170)의 온도 변동폭(ΔT)은 반응제(170)의 질량이 감소할수록 더욱 증가할 수 있다. 반응제(170)의 물성이 열화될 때까지 반응제(170)의 온도가 상승하거나 반응제(170)가 결빙될 때까지 반응제(170)의 온도가 하강하는 것은 바람직하지 않으므로, 반응제(170)의 질량이 감소되어도 반응제(170) 온도 변동폭의 증가가 소정의 범위를 초과하지 않도록 냉각수 보조 저장부(242)가 추가로 도입된다.
냉각수 보조 저장부(242)는 냉각수 순환 라인부(160)에 연결되어 냉각수를 저장하며 매니폴드부(240) 내부에 배치된다. 냉각수는 고온에 노출된 분사부(130)를 거쳐 제1 냉각수 순환 라인부(161)를 통해 반응제 저장부(140)를 순환하게 되고, 다시 제2 냉각수 순환 라인부(162)를 통해 분사부(130)로 빠져 나가게 된다. 냉각수 보조 저장부(242)의 용량은 필요에 따라 결정할 수 있고, 냉각수 보조 저장부(242)는 다양한 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어 냉각수 보조 저장부(242)는 냉각수 순환 라인부(160)와 일체로 제작되거나, 또는 별개로 제작되어 서로 연결될 수 있다.
구체적으로 살펴보면, 반응제 저장부(140) 내부의 반응제(170)와 냉각수 보조 저장부(242) 및 냉각수 순환 라인부(160)에 있는 냉각수는, 분사부(130)와 열교환이 이루어진다. 반응제와 냉각수는 반응제 저장부(140) 내에서 서로 열접촉하므로 각각의 온도변동폭(ΔT)이 동일하다고 가정하고, 분사부(130)로부터 받는 열량을 Q, 반응제의 질량을 M1, 냉각수의 질량을 M2 라고 하면, 관계식 (Q ∝ (M1+M2)·ΔT)이 성립한다. 즉, 반응제와 냉각수의 질량(M1+M2)과 반응제와 냉각수의 온도변동폭(ΔT)은 반비례 관계가 성립할 수 있다.
반응제(170)의 질량(M1)이 감소할 때 반응제(170)의 온도변동폭(ΔT)이 증가하는 것을 최소화하고자, 반응제(170)와 열접촉하는 냉각수의 질량(M2)을 증가시킬 수 있다. 본 발명의 일실시예에서는, 반응제(170)와 열접촉하는 냉각수의 질량(M2)을 증가시키는 방법으로, 상기 설명한 냉각수 보조 저장부(242)를 매니폴드부(240) 내에 배치한다.
매니폴드부(240)는 위에서 언급한 반응제 공급 라인부(151) 및/또는 냉각수 순환 라인부(160) 중 적어도 어느 하나와 연결되고 분사부(130)와 반응제 저장부(140) 사이에 배치된다. 매니폴드부(240)가 분사부(130)와 반응제 저장부(140) 사이에 배치된다는 것은, 반응제 또는 냉각수가 분사부(130)와 반응제 저장부(140) 사이에서 유동하는 과정에서 매니폴더부(240)를 적어도 한 번은 경유하도록 배치된다는 것을 의미한다.
매니폴드부(240)는 반응제 보조 저장부(241), 냉각수 보조 저장부(242), 가열부(180), 펌프부(210) 및 밸브부(250) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.예를 들어, 매니폴드부(240)는 냉각수 보조 저장부(242)와 밸브부(250)만을 포함할 수도 있다. 반응제 공급 라인부(151) 및/또는 냉각수 순환 라인부(160)가 매니폴드부(240)에 입출하는 위치나 구성은 도면들에서 편의상 도시된 위치나 구성에 한정되지 않으며 자유롭게 변경될 수 있다.
매니폴드부(240)는 필요에 따라 공냉 및/또는 수냉 될 수 있고, 매니폴드부(240)의 유로구조는 내부의 유체가 골고루 퍼질 수 있게 다양하게 설계할 수 있다. 예를 들어 매니폴드부(240)의 유로구조는 병렬형(parellel) 유로 시스템, 사형(蛇形, serpentine) 유로 시스템, 병렬 사형(parallel serpentine) 시스템, 격자형(grid) 시스템 및/또는 병렬 직선형 시스템 등으로 구성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 도면들에서 나타나는 매니폴드부(240)의 유로구조는 개략적으로 나타내었지만 유로의 구조는 이에 한정되지 않으며 필요에 따라 더 복잡하게, 혹은 더 단순하게 변경 가능하다.
매니폴드부(240)에서, 반응제의 공급 및/또는 냉각수가 순환하도록 펌프부(210)가 추가로 배치될 수 있으며, 냉각수의 유동방향 또는 유량을 제어하기 위하여 다양한 밸브부(250)들이 추가로 배치될 수 있다. 펌프부(210)와 밸브부(250)의 위치나 구성은 도면들에서 한정되지 않으며 자유롭게 변경될 수 있다.
매니폴드부(240) 내에 배치된 밸브부들(250)은 반응제 공급 라인부(151) 및 상기 냉각수 순환 라인부(160)의 유로 구조를 변경할 수 있는 가변 솔레노이드밸브를 포함할 수 있다. 가변 솔레노이드 밸브란 가변 전류량에 따라 내부의 코어(core)가 이동하여 닫히거나 열리면서 유로를 제어하는 밸브를 의미하며, 예를 들어, 가변 솔레노이드 밸브는 한 개의 모터(미도시)를 이용하여 밸브부(250)를 모두 구동할 수 있도록 설계될 수 있다. 다만, 설계가 복잡할 경우에는 다수의 모터를 사용할 수도 있다.
반응제 공급 라인부(151) 및 상기 냉각수 순환 라인부(160)의 유로(流路)는, 예를 들어 가변 솔레노이드밸브에 의해, 필요에 따라 변경되어 열 공급이 필요한 부위에 집중적으로 열을 가하거나 냉각할 수 있다. 앞에서 언급한 것처럼, 외부 환경에 의하여 반응제(170)의 온도는 상대적으로 쉽게 변동한다. 예를 들어, 혹한의 환경에서 반응제 저장부(140) 내에 저장된 반응제(170)의 온도가 낮아지게 되면, 분사부(130)에 의해 가열된 냉각수는 제1 냉각수 순환 라인부(161)를 따라서 매니폴드부(240)로 공급하게 된다. 매니폴드부(240)는 냉각수 보조 저장부(242)로 향하는 유로를 밸브부(250)를 통해 닫게 되고, 가열된 냉각수는 냉각수 보조 저장부(242)를 거치지 않고, 바로 반응제 저장부(140)의 내부로까지 인입되므로 냉각수 순환 라인부(160)를 통해 결빙된 반응제(170)를 해동하게 된다.
다른 예로, 반응제 저장부(140) 내에 저장되는 반응제(170)는 엔진(110)이 동작함에 따라 질량이 감소하게 되고 온도변동폭(ΔT)이 증가(온도가 증가), 또는 고온의 배기가스로부터 전달되는 열에 의하여 반응제 저장부(140) 내에 저장된 반응제(170)의 온도가 높아질 수 있다. 이때, 제1 냉각수 순환 라인부(161)를 따라서 매니폴드부(240)에 공급된 냉각수는 가변 솔레노이드밸브에 의해, 냉각수 보조 저장부(242)로 향하는 유로가 열리게 되고, 냉각수 보조 저장부(242)를 통과하여 상대적으로 낮은 온도의 냉각수가 반응제 저장부(140)로 흘러들어 가게 된다. 따라서 반응제(170)는 냉각, 또는 일정한 온도로 유지할 수 있게 된다.
또 다른 예로 반응제(170)는 충분히 가열되어 더 이상 열 공급이 필요하지 않거나, 또는 그런 환경에서 운행될 때 가열된 냉각수는 더 이상 반응제 저장부(140)로 흘러들어가지 않아도 된다. 이때 매니폴드부(240) 내의 밸브부(250)는 반응제 저장부(140)로 흘러들어가는 유로를 차단하여 배기가스로부터 전달되는 열이 매니폴드부(240)를 통해 냉각되고, 다시 분사부(130)로 흘러 들어가게 할 수 있다.
매니폴드부(240)를 외부(분사부(130)와 반응제 저장부(140) 사이)에 배치함으로써 순전히 대류(對流)하는 공기만으로 매니폴드부(240)는 냉각 될 수 있다. 많은 열이 자연 대류와 복사로 발산되기도 하지만, 소형 팬(미도시)을 설치하여 냉각용 공기를 불어 넣을 수도 있다.
외부 환경에 따라 반응제(170)가 결빙(結氷)될 경우 분사부(130)에서 반응제(170)의 분무가 불가능하므로, 결빙된 반응제를 해동(解凍)시킬 수 있는 열을 인가하는 것이 필요하다. 냉각수 순환 라인부(160)가 반응제 저장부(140)의 내부로까지 인입되므로 냉각수 순환 라인부(160)는 반응제 저장부(140) 내부에 있는 반응제(170)와 직접 접촉할 수 있다. 따라서, 결빙된 반응제를 냉각수 순환 라인부(160) 내의 냉각수에 의하여 해동시키는 효과를 기대할 수 있다.
냉각수 순환 라인부(160)는 반응제 공급 라인부(151)와 별개로 배치된다. 만약, 반응제 공급 라인부(151)에 의해 반응제(170)를 순환시켜 분사부(130)를 직접 냉각시킨다면 고온에 노출된 반응제(170)의 물성이 변질되고 반응제(170)가 이동하는 유로(流路)가 막힐 가능성이 있으므로 바람직하지 않다.
냉각수 순환 라인부(160)에서 순환되는 냉각수는 오직 분사부(130)와 반응제 저장부(140) 사이에서 열교환을 수행하기 위하여 도입되며, 엔진(110)의 냉각을 위한 엔진 냉각수와는 별개이다. 만약, 상기 엔진 냉각수로 분사부(130)를 냉각시키기 위해서는 엔진(110)의 구조를 변경하여 엔진 냉각수의 공급 라인을 도입하여야 한다. 그러나, 분사부(130)의 냉각을 위해서 운송수단의 핵심 부품인 엔진(110)의 구조를 변경하여 엔진 냉각수를 사용하는 것은 비효율적이다. 본 발명에서는, 비교적 간단한 냉각수 순환 라인부(160)를 도입함으로써, 이러한 문제점들을 극복할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 운송수단은 앞에서 설명한 엔진 배기 정화장치를 포함하고, 나아가 엔진(110), 배기관(120) 및 제어장치(230)를 더 포함한다.
배기관(120)은 엔진(110)에서 발생한 배기가스가 외부로 배출되는 통로를 제공한다. 배기관(120)은 선택적 촉매환원(SCR, Selective Catalytic Reduction) 장치(125)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 배기가스가 질소산화물(NOx, 예를 들어, NO 또는 NO2)을 포함하는 경우, 질소산화물(NOx)을 상기 화학식 1과 같은 화학 반응에 의하여 질소와 산소로 환원시키는 반응이 선택적 촉매환원 장치(125)에서 일어난다. 배기관(120)은 분사부(130) 전후의 위치에서 배기가스의 유해물질의 농도를 측정하는 센서들(221, 222)이 부착될 수 있다.
제어장치(230)는 분사부(130), 펌프부(210) 및 밸브부(250)를 제어한다. 즉, 제어장치(230)는 분사부(130)의 분사량을 조절하고 엔진 배기 정화장치 전체를 제어한다. 구체적으로, 제어장치(230)는 유해물질의 농도를 측정하는 센서들(221, 222), 반응제(170)의 레벨 및/또는 온도를 측정하는 센서부(190), 엔진(110) 등으로부터 각종 데이터를 받아 연산처리를 하고, 분사부(130), 펌프부(210) 및 각종 라인들(151, 161, 162)과 매니폴드부(240) 내에 배치된 밸브부(250)들을 제어함으로써, 반응제(170)가 분사부(130)에서 적절한 시점에 적절한 양만큼 분사될 수 있도록 제어한다. 밸브부(250)는 가변 솔레노이드 밸브를 포함하며, 전류량의 변화에 따라 내부의 코어(core)가 닫히거나 열리면서 유로를 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 엔진 배기 정화장치 및 이를 이용한 운송수단의 일부를 개략적으로 도시하는 개념도이다.
엔진(110), 배기관(120), 분사부(130), 반응제 저장부(140), 반응제 공급 라인부(151), 냉각수 순환 라인부(160), 센서부(190), 제어장치(230) 및 냉각수 보조 저장부(240) 등에 관한 구체적인 설명은 도 1을 참조하여 설명한 것과 동일하므로, 여기에서는 생략한다.
앞에서 설명한 것처럼, 외부의 환경에 따라 반응제(170)는 결빙될 수 있으므로, 결빙된 반응제를 해동하는 수단으로 가열부(180)가 추가적으로 도입된다. 예를 들어, 가열부(180)는 가열하는 시간을 임의로 조절할 수 있는 전기 히터를 포함할 수 있으며, 매니폴드부(240) 내에 배치되어 분사부(130)에서 반응제 저장부(140)의 내부로 흘러들어가는 유로에 설치되어 냉각수를 가열할 수 있다.
반응제(170)는 온도가 예를 들어 70℃ 이상만 되어도 물성이 변할 수 있기 때문에 주의하여야 한다. 하지만, 가열부(180)는 냉각수를 급속히 가열하기 위해 70℃ 이상의 고온으로 올라갈 수 있고 반응제(170)와 직접 접촉하게 되면 물성이 변할 수 있다. 이런 현상을 방지하기 위해 가열부(180)는 반응제(170)와 직접적인 접촉을 피하여 매니폴드부 내에 배치하게 되고, 이로써 반응제(170)의 물성이 변질되는 것을 막을 수 있다.
가열부(180)는 엔진 작동의 초기 구간에서는 특히 유용할 수 있다. 즉, 엔진 작동의 초기 구간에서는 배기가스의 온도가 상대적으로 낮기 때문에 분사부(130)의 열을 이용하여 결빙된 반응제를 해동하기가 용이하지 않다. 따라서, 엔진 작동의 초기 구간에서는 결빙된 반응제를 가열부(180)에 의해 가열된 냉각수를 이용하여 적어도 일부 해동하고, 계속하여 엔진(110)이 작동하여 배기가스의 온도가 상승하게 되면, 도 1에서 설명한 메커니즘에 의하여 결빙된 반응제를 해동할 수 있다. 제어장치(230)가 이러한 구성을 전반적으로 제어할 수 있다.
따라서 가열하는 시간을 임의로 조절할 수 있는 전기 히터를 가열부(180)로 사용하는 경우, 배터리 사용량에 문제가 되지 않는 범위 내에서, 결빙된 반응제의 해동을 위한 열원 보조가 가능하다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 엔진 배기 정화장치 및 이를 이용한 운송수단의 일부를 개략적으로 도시하는 개념도이다.
엔진(110), 배기관(120), 분사부(130), 반응제 저장부(140), 반응제 공급 라인부(151), 냉각수 순환 라인부(160), 센서부(190), 제어장치(230), 냉각수 보조 저장부(240) 및 가열부(180) 등에 관한 구체적인 설명은 도 1 및 도2를 참조하여 설명한 것과 동일하므로, 여기에서는 생략한다.
앞에서 설명한 것처럼, 외부의 환경에 따라 반응제(170)는 결빙될 수 있으므로, 결빙된 반응제를 해동하는 수단으로 반응제 공급 라인부(151)와 냉각수 순환 라인부(160)가 서로 접촉하는 구성이 도입된다. 반응제 공급 라인부(151)의 내부에서 결빙된 반응제는 액상의 반응제(170)의 흐름을 방해할 수 있으므로, 반응제 공급 라인부(151)의 온도를 높여주는 구성이 필요할 수 있다. 냉각수 순환 라인부(160)는 고온의 분사부(130)를 거쳐서 상대적으로 온도가 높으므로, 냉각수 순환 라인부(160)와 반응제 공급 라인부(151)을 서로 접촉하게 하면 반응제 공급 라인부(151)의 내부에서 결빙된 반응제를 해동시킬 수 있다. 한편, 냉각수 순환 라인부(160)와 반응제 공급 라인부(151)는 서로 직접 접촉하지 않고 열전도도가 높은 물질이 사이에 개재되도록 배치될 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 엔진 배기 정화장치 및 이를 이용한 운송수단의 일부를 개략적으로 도시하는 개념도이다.
엔진(110), 배기관(120), 분사부(130), 반응제 저장부(140), 반응제 공급 라인부(151), 냉각수 순환 라인부(160), 센서부(190), 제어장치(230), 냉각수 보조 저장부(242) 및 가열부(180) 등에 관한 구체적인 설명은 도 1, 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 것과 동일하므로, 여기에서는 생략한다.
매니폴드부(240)는 반응제 보조 저장부(241), 냉각수 보조 저장부(242), 가열부(180), 펌프부(210) 및 밸브부(250)가 모두 포함될 수도 있다. 이렇게 하나의 패키지 형태로 구성이 되면, 펌프부(210) 및 밸브부(250)의 추가 설치가 필요 없기 때문에 설치가 간편해질 수 있다.
매니폴드부(240) 내의 펌프부(210)는 반응제(170)의 공급과 냉각수의 순환을 위해 별도로 존재할 수 있고, 둘 중 하나와 결합되어 제어부(230)에 의해 반응제(170)의 공급과 냉각수의 순환 조절이 가능하다.
외부의 환경에 따라 반응제(170)가 결빙되었을 경우, 매니폴드부 내에 설치된 가열부(180)는 분사부(130)에서 반응제 저장부(140)의 내부로 흘러들어가는 유로에 설치되어 냉각수를 가열할 수 있고, 가열된 냉각수의 열에 의해 반응제 보조 저장부(241) 내의 반응제가 먼저 해동 되어 분사부(130)로 공급 할 수 있게 된다. 가열부(180)의 위치와 모양은 편의상 도시된 도면들에 의해 한정되지 않으며 자유롭게 변경될 수 있다. 예를 들어, 가열부(180)는 반응제 보조 저장부(241) 내에 설치되어 반응제(170)의 물성이 변하지 않을 정도의 온도로 가열될 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 엔진 배기 정화장치 및 이를 이용한 운송수단의 일부를 개략적으로 도시하는 개념도이다.
엔진(110), 배기관(120), 분사부(130), 반응제 저장부(140), 반응제 공급 라인부(151), 냉각수 순환 라인부(160), 센서부(190), 제어장치(230) 및 선택적 촉매환원장치(125) 등에 관한 구체적인 설명은 도 1, 도 2, 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한 것과 동일하므로, 여기에서는 생략한다.
한편, 도 5에서 도시된 매니폴더부(240)는 도 1 내지 도 4 에서 설명된 매니폴더부(240) 중 어느 하나일 수 있으며, 내부의 유로구조 등은 편의상 도시하지 않았다. 또한, 반응제 저장부(140)에 배치된 센서부(190)도 편의상 도면에서 생략하였다.
냉각수 순환 라인부(160)와 반응제 공급 라인부(151)는 분사부(130)와 매니폴더부(240) 사이에서 그리고/또는 매니폴더부(240)와 반응제 저장부(140) 사이에서 적어도 일부분이 결합(B)될 수 있다. 나아가, 제1 냉각수 순환 라인부(161)와 제2 냉각수 순환 라인부(162)는 분사부(130)와 매니폴더부(240) 사이에서 그리고/또는 매니폴더부(240)와 반응제 저장부(140) 사이에서 적어도 일부분이 결합(B)될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 것처럼, 제1 냉각수 순환 라인부(161), 제2 냉각수 순환 라인부(162) 및 반응제 공급 라인부(151)는 분사부(130), 매니폴더부(240) 및 반응제 저장부(140) 사이의 전체 구간에 걸쳐 모두 결합(B)될 수도 있다. 상기 결합(B)되는 구성은 물리적, 화학적 및/또는 기계적 결합에 의하여 구현될 수 있다.
제1 냉각수 순환 라인부(161), 제2 냉각수 순환 라인부(162) 및/또는 반응제 공급 라인부(151)가 적어도 일부분이 결합(B)되므로, 냉각수 순환 라인부(160)에서 유동하는 냉각수가 대기로 열을 방출하는 양을 최소화하면서 분사부(130)에서 반응제 공급 라인부(151) 또는 반응제 저장부(140)로 효과적으로 열전달을 할 수 있다. 따라서, 반응제 공급 라인부(151) 또는 반응제 저장부(140)의 내부에서 결빙된 반응제가 있을 경우, 도 5에 개시된 구성에 의하여, 상기 결빙된 반응제를 효과적으로 해동할 수 있다.
한편, 본 발명의 변형된 실시예에서, 냉각수 순환 라인부(161), 제2 냉각수 순환 라인부(162) 및/또는 반응제 공급 라인부(151)는 서로 직접 접촉하지 않고 열전도도가 높은 물질이 사이에 개재되도록 배치될 수도 있다.
한편, 도 1 내지 도 4에서 개시된 펌프부(210)는 편의상 반응제 공급 라인부(151) 및 냉각수 순환 라인부(160) 상에 각각 배치되는 것으로 도시하였으나, 본 발명의 기술적 사상에 따르면 펌프부(210)가 반드시 반응제 공급 라인부(151) 및 냉각수 순환 라인부(160)에 개별적으로 배치되어야 하는 것은 아니다. 예를 들어, 하나의 펌프부(210)에 의하여 반응제 공급 라인부(151) 내의 반응제를 유동시키며 냉각수 순환 라인부(160) 내의 냉각수를 각각 유동시킬 수도 있다. 또한, 펌프부(210)가 배치되는 위치는 자유롭게 변경될 수 있으며, 예를 들어, 펌프부(210)는 매니폴더부(240)의 내부 및/또는 외부에 임의의 위치에서 배치될 수 있다.
발명의 특정 실시예들에 대한 이상의 설명은 예시 및 설명을 목적으로 제공되었다. 따라서 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.

Claims (13)

  1. 배기가스가 외부로 배출되는 배기관 내에 액상의 반응제를 분사하는 분사부;
    상기 반응제를 저장하는 반응제 저장부;
    상기 반응제 저장부와 연결되어 상기 반응제를 상기 분사부로 공급하도록 배치된 반응제 공급 라인부;
    상기 분사부를 냉각하도록 배치되고, 상기 분사부와 상기 반응제 저장부 사이에서 열교환을 수행하기 위하여 상기 반응제 저장부의 내부와 상기 분사부 사이에서 냉각수가 순환되도록 상기 반응제 공급 라인부와 별개로 배치된 냉각수 순환 라인부; 및
    상기 반응제 공급 라인부 및 냉각수 순환 라인부 중 적어도 어느 하나와 연결되고, 상기 분사부와 상기 반응제 저장부 사이에 배치되는 매니폴드부;
    를 구비하고,
    상기 냉각수는 엔진을 냉각하는 엔진 냉각수와 별개인, 엔진 배기 정화장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 매니폴드부는 냉각수 보조 저장부, 반응제 보조 저장부, 가열부, 펌프부 및 밸브부 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 엔진 배기 정화장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가열부는 가열하는 시간을 임의로 조절할 수 있는 전기 히터를 포함하는, 엔진 배기 정화장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 밸브는 상기 반응제 공급 라인부 및 상기 냉각수 순환 라인부의 유로 구조를 변경할 수 있는 가변 솔레노이드밸브를 포함하는, 엔진 배기 정화 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 액상의 반응제는 요소수를 포함하는, 엔진 배기 정화장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 냉각수 순환 라인부의 일부는 상기 반응제 저장부의 내부에 있는 반응제와 직접 접촉하도록 배치된, 엔진 배기 정화장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 반응제 저장부의 내부에 있는 반응제의 레벨(level) 또는 온도를 감지하는 센서부를 더 가지는, 엔진 배기 정화장치.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 냉각수 순환 라인부 중에서 상기 분사부에서 상기 반응제 저장부로 상기 냉각수가 이동하는 부분과 상기 반응제 공급 라인부는 서로 접촉하도록 배치된, 엔진 배기 정화장치.
  10. 배기가스가 외부로 배출되는 배기관 내에 액상의 반응제를 분사하는 분사부;
    상기 반응제를 저장하는 반응제 저장부;
    상기 반응제 저장부와 연결되어 상기 반응제를 상기 분사부로 공급하도록 배치된 반응제 공급 라인부;
    상기 분사부를 냉각하도록 배치되고, 상기 분사부와 상기 반응제 저장부 사이에서 열교환을 수행하기 위하여 상기 반응제 저장부의 내부와 상기 분사부 사이에서 냉각수가 순환되도록 상기 반응제 공급 라인부와 별개로 배치된 냉각수 순환 라인부; 및
    상기 반응제 공급 라인부 및 냉각수 순환 라인부 중 적어도 어느 하나와 연결되고, 상기 분사부와 상기 반응제 저장부 사이에 배치되는 매니폴드부;
    를 구비하고,
    상기 냉각수는 엔진을 냉각하는 엔진 냉각수와 별개인, 엔진 배기 정화장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 매니폴드부는 냉각수 보조 저장부, 반응제 보조 저장부, 가열부, 펌프부 및 밸브부 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 운송수단.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 분사부, 상기 가열부, 상기 펌프부 및 상기 밸브부를 제어하는 제어장치를 더 가지는, 운송수단.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 밸브는 상기 반응제 공급 라인부 및 상기 냉각수 순환 라인부의 유로 구조를 변경할 수 있는 가변 솔레노이드밸브를 포함하는, 운송수단.
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