KR101294031B1

KR101294031B1 - 엔진 냉각수를 이용한 요소-선택적 촉매 환원 가열 시스템

Info

Publication number: KR101294031B1
Application number: KR1020060035857A
Authority: KR
Inventors: 김규홍
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-04-20
Filing date: 2006-04-20
Publication date: 2013-08-08
Also published as: KR20070103931A

Abstract

엔진 냉각수를 이용한 요소-선택적 촉매 환원 가열 시스템이 개시된다. 개시된 엔진 냉각수를 이용한 요소-선택적 촉매 환원 가열 시스템은, 엔진과; 요소 수용액을 촉매 전단에 분사시키기 위해 요소가 저장된 요소탱크와; 상기 엔진의 냉각수 라인과 연결된 라디에이터와; 상기 엔진과 상기 요소탱크와 사이에 냉각수 라인을 통하여 적어도 하나 설치되어 열 교환이 이루어지는 열교환기;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 요소 가열에 필요한 열량을 재활용함으로써 연비를 상승시킬 수 있고, 가열 시스템 제거에 따른 원가를 절감시킬 수 있고, 가열 로직 제거에 따른 시스템을 단순화시킬 수 있으며, 또한 요소 온도 상승에 따른 빠른 기화로 설계 자유도 향상 및 촉매 내구성을 향상시킬 수 있고, 냉각성능 향상으로 엔진의 수명을 연장시킬 수 있고, 라디에이터 소형화에 따른 원가를 절감시킬 수 있는 이점이 있다.

요소, 열교환기, SCR 시스템

Description

엔진 냉각수를 이용한 요소-선택적 촉매 환원 가열 시스템{UREA-SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION HEATING SYSTEM USING COOLING WATER IN ENGINE}

도 1은 일반적인 SCR 시스템의 구성을 개략적으로 나타내 보인 도면.

도 2는 본 발명에 따른 엔진 냉각수를 이용한 요소-선택적 촉매 환원 가열 시스템의 구성을 개략적으로 나타내 보인 도면.

도 3은 도 2의 열교환기의 구성을 개략적으로 나타내 보인 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

21. 엔진

21a. ECU

22. 요소탱크

23a,23b. 냉각수 라인

24. 라디에이터

25. 제1열교환기

26. 제2열교환기

27a. 공급라인

27b. 리턴라인

28. 펌프

29. 인젝터

본 발명은 엔진 냉각수를 이용한 요소-선택적 촉매 환원 가열 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 요소 가열(Heating)에 필요한 열량을 재활용하고, 가열 시스템을 제거하며, 그리고 가열 로직을 제거하여 시스템을 단순화시키기 위한 엔진 냉각수를 이용한 요소-선택적 촉매 환원 가열 시스템에 관한 것이다.

디젤엔진의 배기규제가 갈수록 심화되면서 엔진의 성능과 연비의 희생 없이 NOx를 저감시킬 수 있는 선택적 촉매 환원(SCR; Selective Catalytic Reduction) 시스템이 관심을 받고 있다. 이 시스템은 요소(尿素; urea) 수용액을 촉매 전단에 분사시키고, 분사된 요소 수용액은 배기가스와 혼합되어 120℃ 이상에서 열분해(thermal decomposition)되어 암모니아(NH3)와 HNCO를 발생시킨다.

이때 발생된 HNCO는 160℃ 이상에서 가수분해되어 NH3과 CO2가 되어 SCR에 필요한 암모니아(NH3)가 발생된다.

그런데, 상기한 요소는 어는점이 -11℃로서 추운 겨울에 사용하기 위해서는 별도의 가열 시스템(heating system)이 필요하다. 이를 위해서 최근에 발표되는 SCR 시스템에는 가열 라인(Heating Line)과 가열(Heating)을 위한 로직(logic)을 탑재하고 있다.

도 1은 보쉬사의 SCR 시스템을 나타낸 것이다. 도 1에서 가열 시스 템(Heating system)(11)의 존재를 확인할 수 있다.

도 1과 같이 가열 시스템(11)을 구성하였을 경우, 300W의 에너지를 필요로 한다(보쉬사 사양). 주행 중 SCR시스템을 계속 가동시킨다고 가정했을 경우, 시간당 1080kJ의 에너지를 추가로 필요로 하고, 경유의 에너지 환산계수는 0.92이므로(즉, 경유 1L는 9200kcal) SCR 시스템의 가열을 위해서 시간당 경유 0.12L가 필요하다는 것을 의미한다. 발전기의 발전효율이 75% 내외임을 고려하면 0.16L의 추가적인 연료소모가 불가피함을 알 수 있다.

그리고 다른 De-NOx 시스템(예컨대, LNT나 Hydrocarbon SCR)에 비해서 요소-SCR이 유리한 점 중의 하나가 연비가 우수하다는 점(다른 시스템은 NOx 제거를 위해 경유를 직접 분사해서 출력과 관계없는 연료 소모)인데, 요소-SCR 시스템 역시 불가피하게 경유의 낭비가 일어나고 있는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 요소 가열에 필요한 열량을 재활용하게 하여 연비를 상승시키고, 가열 시스템을 제거하여 원가를 절감시키며, 그리고 가열 로직 제거에 따른 시스템을 단순화시키도록 한 엔진 냉각수를 이용한 요소-선택적 촉매 환원 가열 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 엔진 냉각수를 이용한 요소-선택적 촉매 환원 가열 시스템은, 엔진과; 요소 수용액을 촉매 전단에 분사시키기 위 해 요소가 저장된 요소탱크와; 상기 엔진의 냉각수 라인과 연결된 라디에이터와; 상기 엔진과 상기 요소탱크와 사이에 냉각수 라인을 통하여 적어도 하나 설치되어 열 교환이 이루어지는 열교환기;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2에는 본 발명에 따른 엔진 냉각수를 이용한 요소-선택적 촉매 환원 가열 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 엔진 냉각수를 이용한 요소-선택적 촉매 환원 가열 시스템은, 엔진(21)과, 요소 수용액을 촉매 전단에 분사시키기 위해 요소가 저장된 요소탱크(22)와, 상기 엔진(21)의 냉각수 라인(23a)과 연결된 라디에이터(24)와, 상기 엔진(21)과 요소탱크(22)와 사이에 냉각수 라인(23a,23b)을 통하여 적어도 하나 설치되어 열 교환이 이루어지는 열교환기(Heat Exchanger)를 포함하여 구성된다.

그리고 상기 열교환기는, 엔진(21)과 냉각수 라인(23b)을 통해 직접 연결 설치된 제1열교환기(25)와, 이 제1열교환기(25), 요소탱크(22) 및 라디에이터(24)와 각각 연결 설치된 제2열교환기(26)로 이루어진다.

또한 상기 제1열교환기(25)와 제2열교환기(26) 사이의 공급라인(feed line)(27a) 및 리턴라인(return line)(27b)에는 펌프(28)가 설치된다. 그리고 이 펌프(28)는 캔(CAN) 통신을 통하여 엔진(21)의 ECU(21a)에 의해 제어되도록 설치된다.

또한 상기 제1열교환기(25)에는 요소가 분사되도록 하는 인젝터(29)가 연결 설치된다.

상기 제1,2열교환기(25,26)는 카운트 플로(counter-flow) 방식의 열교환기를 포함하고, 도 3에 도시된 바와 같이 코일 스프링 타입(coil spring type)의 열교환기를 포함하여 구성된다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 엔진 냉각수를 이용한 요소-선택적 촉매 환원 가열 시스템의 작용을 설명하면 다음과 같다.

도면을 다시 참조하면, 본 발명에 따른 엔진 냉각수를 이용한 요소-선택적 촉매 환원 가열 시스템은, 겨울철 요소의 히트 업(Heat-up)을 위해서 엔진 냉각수를 이용한 것이다.

현재 엔진에서 발생된 열 중에서 동력으로 변환되지 않은 열은 엔진냉각수를 통해 외부로 버려지고 있다. 이렇게 외부로 버려지는 열을 요소-SCR 시스템의 히트 업(heat-up)을 위해 사용하면 열효율의 증가와 함께 가열 시스템 제거로 인한 원가절감을 도모할 수 있으며, 요소 용액의 분사온도가 높아져 기화에 유리한 상황이 된다.

요소 용액이 빠르게 기화되면 배기관에서 요소 분사기와 촉매사이의 거리를 줄일 수 있어서, 설계자유도 향상에 기여할 수 있다(종래에는 최소 70cm 이상 거리를 두도록 하고 있다).

또한 기화되지 않은 요소 용액에 의한 촉매 침식을 방지할 수 있어서 내구성 향상에 커다란 도움이 된다.

이를 보다 구체적으로 설명한다.

본 발명에 따른 엔진 냉각수를 이용한 요소-선택적 촉매 환원 가열 시스템에서 사용되는 제1,2열교환기(25,26)의 경우, 액체와 액체의 열 교환이므로 열 교환 효율을 최대로 하기 위해 카운터 플로(counter-flow) 방식의 열교환기를 사용한다.

이러한 제1,2열교환기(25,26)의 경우, 고온의 유체와 저온의 유체 사이의 온도구배가 비교적 일정하기 때문에 열교환량이 최대가 되는 장점이 있다. 아울러, 제1열교환기(25)를 엔진 냉각수 출구쪽에 설치함으로써 뜨거워진 냉각수를 최대한 이용하여 요소 용액을 히트 업시킨다.

그리고 제1,2열교환기(25,26)의 경우, EGR 쿨러와 같은 복잡한 형식의 열교환기를 사용하면 열교환량이 많아지겠지만, 원가측면을 고려하여 코일 스프링 타입의 열교환기를 사용한다.

이러한 코일스프링 타입의 열교환기는 내부 유동이 있는 EGR 쿨러에 비해 열교환량이 적지만, 카운터 플로 방식을 사용하여, 단점을 보완하고 원가를 절감한다.

본 발명은 겨울철 요소 용액의 결빙을 방지하는 것에 있으므로 요소의 어는점인 -11℃ 이상, 안정적인 분사를 위해서는 10℃ 이상으로만 유지해주기만 하면 되므로, 코일스프링 타입의 열교환기도 충분히 소기의 목적을 달성할 수 있다.

한편, 종래의 기술에서는 엔진의 과열을 방지하기 위한 엔진냉각수가 라디에이터로 들어가서 열을 외부로 방출하게 된다. 이렇게 방출되는 열은 그대로 버려지는 것이므로 열효율과 연비를 악화시키게 된다.

본 발명은 도 3에 도시된 바와 같이, 엔진(21)에서 나온 냉각수가 일차로 요소 공급라인(27a) 및 리턴라인(27b)의 가열에 쓰이게 되므로 폐열을 재 사용할 수 있게 된다. 이로 인한 연비의 상승은 앞의 계산에서 시간당 0.16L 이상이다. 이렇게 요소 가열에 쓰인 엔진 냉각수는 최종적으로 라디에이터(24)로 들어가 남은 열을 방출하고 다시 엔진(21)으로 돌아가 냉각수 회로가 완성된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 엔진 냉각수를 이용한 요소-선택적 촉매 환원 가열 시스템은 다음과 같은 효과를 갖는다.

요소 가열에 필요한 열량을 재활용함으로써 연비를 상승시킬 수 있고, 가열 시스템 제거에 따른 원가를 절감시킬 수 있다.

그리고 가열 로직 제거에 따른 시스템을 단순화시킬 수 있다.

또한 요소 온도 상승에 따른 빠른 기화로 설계 자유도 향상 및 촉매 내구성을 향상시킬 수 있다.

그리고 냉각성능 향상으로 엔진의 수명을 연장시킬 수 있고, 라디에이터 소형화에 따른 원가를 절감시킬 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims

엔진과;

요소 수용액을 촉매 전단에 분사시키기 위해 요소가 저장된 요소탱크와;

상기 엔진의 냉각수 라인과 연결된 라디에이터와;

상기 엔진과 상기 요소탱크와 사이에 냉각수 라인을 통하여 열 교환이 이루어지도록 상기 엔진과 상기 냉각수 라인을 통해 직접 연결 설치된 제1열교환기와, 상기 제1열교환기와 상기 요소탱크 및 상기 라디에이터와 각각 연결 설치되며, 상기 제1열교환기와의 사이에 펌프가 설치된 제2열교환기로 구성되는 카운트 플로 방식의 열교환기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 냉각수를 이용한 요소-선택적 촉매 환원 가열 시스템.
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제1항에 있어서,

상기 펌프는 상기 엔진의 ECU에 의해 제어되도록 설치된 것을 특징으로 하는 엔진 냉각수를 이용한 요소-선택적 촉매 환원 가열 시스템.
제1항에 있어서,

상기 제1열교환기에는 요소가 분사되도록 하는 인젝터가 연결 설치된 것을 특징으로 하는 엔진 냉각수를 이용한 요소-선택적 촉매 환원 가열 시스템.
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