KR101294063B1 - 환원제 동결 방지장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 환원제 동결 방지장치는, 환원제가 담긴 환원제탱크, 상기 환원제에 잠기도록 상기 환원제탱크 안에 배치되는 잠열재케이스, 및 상기 잠열재케이스 내부에 충진되고, 상기 환원제의 어는점보다 그 어는점이 높은 잠열재를 포함한다.
따라서, 우레아수용액과 같은 환원제가 충진된 환원제탱크 내부에 잠열재를 배치함으로써, 차량의 연료소모를 증가시키지 않고, 운전조건에 영향을 미치지 않으면서, 반영구적으로 환원제의 동결을 안정적으로 방지할 수 있다.

Description

환원제 동결 방지장치{REDUCING AGENT FREEZING PREVENTION DEVICE}
본 발명은 배기가스에 포함된 질소산화물을 제거하기 위한 요소수가 충진된 요소수탱크 내부에 수용된 요소수의 동결을 방지할 수 있는 환원제 동결 방지장치에 관한 것이다.
현재 상용디젤 분야에서 배기가스규제 관련하여 새로운 후처리 기술이 도입되고 있다. 이것은 EGR기술과 요소수(UREA)-SCR기술이 알려져 있다.
상기 UREA-SCR(SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION)에 대하여 좀더 구체적으로 설명하면, 디젤엔진의 배기가스(HC, CO, PM, NOX)중에서 NOX를 저감하는 기술로서 배기가스 중 NOX와 NH3(암모니아)를 반응시켜 N2와 H2O로 환원시키는 기술이다.
특히, 배기관을 통해서 나오는 배기가스 중 NOX의 량을 센서를 통해서 확인하고 ECU에서 요소수 분사량을 결정하여 촉매 전단 배기관에 요소수를 분사하며 요소수가 NH3로 분리되어 촉매로 NOX와 함께 공급되는 것으로서 촉매안에서 NH3와 NOX가 반응하여 NOX를 제거하게 되는 방법이다.
이와 관련되어 종래에는 요소수의 동결방지를 위해 두 가지 구조가 제안되었다. 첫째로, 코일스프링에 의한 히팅방식은 요소수 탱크의 온도센서를 통해 ECU에서 릴레이를 통하여 전원을 공급하고 이를 제어해 주는 방법이나 코일스프링 설치에 따르는 문제점이 있고 내지 릴레이를 통해 별도의 전원을 공급해야 하는 문제점이 있다.
두 번째로 인테이크(INTAKE) 즉 흡입공기를 이용한 히팅방식은 요소수 탱크 내부 온도가 -11 DEG 이하시 요소수 온도센서에 의해 정보가 DCU로 전달되고 DCU와 엔진 ECU간 CAN 통신에 의해 정보를 엔진 ECU에서 인식하여 ECU에서 솔레노이드 밸브에 신호를 주어 밸브를 오픈시키게 되면 상기 밸브를 통해 고온의 흡기공기가 요소수 파이프를 따라 흘러 상기 흡기공기에 의해 요소수가 가열되는 구조이다.
그러나 상기 인테이크측 압축 흡입공기 방식은 흡입공기를 콤프레셔로 압축하기 때문에 온도가 올라가는 것인데 여기서 밸브를 통해 요소수 탱크와 파이프에 흡입공기를 공급하게 되면 그 늘어난 부피만큼 압력이 떨어져서 온도도 같이 떨어지고 기대하는 효과도 떨어진다.
본 발명의 목적은 별도의 에너지 소비가 없어서 차량의 연료소모를 줄이고, 차량의 운전조건에 영향을 주지 않으며 반영구적으로 반복적으로 요소수의 동결을 안정적으로 방지할 수 있는 환원제 동결 방지장치를 제공하는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 환원제 동결 방지장치는, 환원제가 담긴 환원제탱크, 상기 환원제에 잠기도록 상기 환원제탱크 안에 배치되는 잠열재케이스, 및 상기 잠열재케이스 내부에 충진되고, 상기 환원제의 어는점보다 그 어는점이 높은 잠열재를 포함한다.
상기 잠열재의 어는점은 상기 환원제의 어는점보다 1 내지 10도 높은 것을 특징으로 한다.
상기 환원제는 요소수이며, 상기 잠열재는 도데칸(dodedane) 또는 트리데칸(tridecane) 인 것을 특징으로 한다.
상기 환원제탱크에서 환원제인젝터로 상기 환원제를 펌핑하는 펌핑모듈을 더 포함하고, 상기 펌핑모듈은 상기 환원제탱크의 하부에 놓이고, 내외부로 상기 환원제가 통하는 홀이 형성되는 하우징, 및 상기 하우징 내부의 상기 환원제를 환원제인젝터로 펌핑하는 환원제펌프를 포함하고, 상기 잠열재케이스는 상기 하우징 내부에 배치된다.
상기 잠열재케이스는 그 외측면은 상기 환원제와 접하고, 그 내측면은 상기 잠열재와 접하는 제1커버, 및 상기 제1커버에 부착되고, 상기 제1커버 사이에 상기 환원제가 충진되는 제2커버를 포함하고, 상기 제1커버와 상기 제2커버는 그 가장자리가 서로 밀봉된다.
상기 제1커버 또는 제2커버는 돌기와 홈구조로 형성되어 상기 환원제와 상기 잠열재가 열교환하는 면적을 증가시킨다.
상기 환원제인젝터는 질소산화물을 저감시키는 컨버터의 상류측의 배기라인에 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 잠열재는 상변화를 거치는 동안에 흡열 또는 방열하여 상기 환원제가 어는점에 도달하는 것을 방지하거나 늦춘다.
상기 제1커버와 상기 제2커버는 그 가장자리가 서로 용접되어 밀봉되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1커버와 상기 제2커버는 그 가장자리가 볼팅되어 밀봉된다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따라서, 우레아수용액과 같은 환원제가 충진된 환원제탱크 내부에 잠열재를 배치함으로써, 차량의 연료소모를 증가시키지 않고, 운전조건에 영향을 미치지 않으면서, 반영구적으로 환원제의 동결을 안정적으로 방지할 수 있다.
도 1은 일반적인 환원제 분사시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 환원제 동결 방지장치에 적용되는 잠열재의 특성을 보여준다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 환원제 동결 방지장치에 적용되는 잠열재의 종류와 특성을 보여준다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 환원제 동결 방지장치에 적용되는 잠열재케이스의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 환원제 동결 방지장치에 적용되는 환원제탱크와 펌핑모듈을 보여주는 측면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 환원제 동결 방지장치에 적용되는 환원제탱크와 펌핑모듈을 보여주는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 환원제 동결 방지장치에 적용되는 잠열재케이스가 배치된 상태를 보여주는 일부 평면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 일반적인 환원제 분사시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 환원제 분사시스템은 환원제탱크(100), 펑션모듈(110), 펌핑모듈(120), 환원제라인(130), 인젝터(190), 배기라인(195), 컨버터(180), 배기센서(160), 온도센서(170), 환원제제어부(140), 및 차량제어부(150)를 포함한다.
상기 환원제탱크(100) 내부에는 우레아 수용액과 같은 환원제(105)가 충진된다. 상기 환원제라인(130)은 상기 환원제탱크(100)에서 상기 인젝터(190)로 환원제를 공급하기 위한 통로를 제공하고, 상기 펌핑모듈(120)은 상기 환원제탱크(100)에 충진된 환원제(105)를 상기 인젝터(190)로 펌핑한다.
상기 펑션모듈(110)은 상기 환원제탱크(100)에 충진된 환원제(105)의 온도, 레벨, 필터 기능을 수행하고, 동결방지나 히팅 기능을 더 포함할 수 있다.
상기 환원제제어부(140)는 상기 차량제어부(150)의 제어하에 상기 배기센서(160)와 상기 온도센서(170)의 신호를 기초로, 상기 펑션모듈(110), 상기 펌핑모듈(120), 및 상기 인젝터(190)를 제어하여 상기 배기라인(195) 안으로 설정된 환원제(105)를 안정적으로 분사한다.
상기 컨버터(180)는 상기 인젝터(190)에서 분사된 환원제(UREA)를 이용하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 질소와 물로 전환한다.
상기 환원제(105)로 사용되는 우레아수용액(UREA solution)은 무색, 무취, 무독, 비가연, 강염기성(PH 10)이며, 물에 32.5%비율로 혼합되며, 어는 점은 섭씨 -11.5℃이며, 어는점에서 부피는 11% 팽창한다.
따라서, 상기 우레아수용액이 빙결될 수 있는 저온에서도 안정적으로 환원제를 분사하는 시스템이 필요하다.
한편, 상기 우레아수용액을 히팅하기 위한 히터나 별도의 히팅시스템은 전기에너지 등을 소모하고, 화재의 위험뿐만 아니라 별도의 부품으로 제조비용과 유지보수 비용이 증가한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 환원제 동결 방지장치에 적용되는 잠열재의 특성을 보여준다.
도 2를 참조하면, 잠열재는 액체에서 고체로 상변화하거나 고체에서 액체로 상변화하는 경우 흡열 또는 방열하는 물질이며, 이러한 상변화는 융점에서 형성된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 환원제 동결 방지장치에 적용되는 잠열재의 종류와 특성을 보여준다.
잠열재로는 유기물과 무기물 계통이 존재하며, 잠열재의 선택은 사용하고자 하는 온도 영역에 융점이 존재하며, 상변화(Phase Change)시 높은 잠열을 보유하는 재료(material)를 선택해야 한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 우레아수용액의 어는점이 섭씨-11도라는 것을 고려하면, -10도 내지 -1도의 범위에 어는점이 있고, 높은 잠열을 보유한 재료로써, 도데칸(dodecane), 또는 트리데칸(Tridecane)이 선택된다.
도 3을 참조하면, 후보 잠열재로써 인데칸, 도데칸, 트리데칸, 데트리데칸 등이 있으며, 도데칸과 트리데칸의 융점은 섭씨 -10도 내지 -1도의 범위에 있으며, 잠열량이 비교적 높다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 환원제의 동결을 방지하는 잠열재로 선택된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 환원제 동결 방지장치에 적용되는 잠열재케이스의 사시도이다.
도 4를 참조하면, 잠열재케이스(400)는 제1커버(400a)와 제2커버(400b)를 포함하고, 상기 제1,2커버(400a, 400b) 사이에 잠열재(410)가 충진된다.
상기 제1커버(400a)와 상기 제2커버(400b)가 서로 마주하게 배치되고, 이들의 가장자리를 서로 용접함으로서, 상기 제1,2커버(400a, 400b)가 서로 밀봉되어 결합된다.
상기 제1,2커버(400a, 400b)의 외측에는 돌기와 홈구조(420)가 형성되어, 상기 잠열재케이스(400) 내부에 충진된 잠열재(410)와 외측의 환원제가 서로 열교환되는 면적을 증가시킨다.
본 발명의 실시예에서는, 상기 제1,2커버(400a, 400b)를 서로 용접하여 결합하였으나, 상기 제1,2커버(400a, 400b)의 가장자리를 관통하는 볼트와 이에 결합되는 너트를 이용하여 서로 밀봉시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 환원제 동결 방지장치에 적용되는 환원제탱크와 펌핑모듈을 보여주는 측면도이다.
도 5를 참조하면, 상기 환원제탱크(100)의 하부에는 상기 펌핑모듈(120)이 배치되고, 상기 펌핑모듈(120)은 상기 환원제탱크(100)의 내부에 배치되는 하우징(500)을 포함한다.
상기 하우징(500)에는 내외부로 환원제가 통하는 홀(510)이 형성되고, 상기 홀(510)을 통해서 상기 하우징(500) 내부로 유입된 환원제는 펌프(600)를 통해서 인젝터(190)로 공급된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 환원제 동결 방지장치에 적용되는 환원제탱크와 펌핑모듈을 보여주는 단면도이다.
도 6을 참조하면, 상기 환원제탱크(100) 내부에는 환원제(105)가 충진되어, 설정된 레벨을 갖고 있으며, 상기 환원제탱크(100)의 하부에는 펌핑모듈(120)이 배치된다.
상기 펌핑모듈(120)은 상기 환원제탱크(100) 내부에 설치되는 상기 하우징(500) 및 상기 하우징(500) 안으로 유입된 환원제를 분사하는 펌프(600)를 포함한다.
상기 펌프(600)의 상부에는 상기 잠열재케이스(400)가 배치되는데, 도시한 바와 같이, 상기 잠열재케이스(400)는 상기 하우징(500) 내부에 배치된다.
상기 환원제탱크(100)의 내부에 충진된 환원제는 상기 하우징(500)의 홀(510)을 통해서 상기 하우징(500) 내부로 유입되고, 상기 하우징(500) 내부의 환원제는 상기 잠열재케이스(400)에 충진된 잠열재에 의해서 동결되지 않고, 상기 펌프(600)에 의해서 인젝터(190)로 공급된다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 환원제 동결 방지장치에 적용되는 잠열재케이스가 배치된 상태를 보여주는 일부 평면도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 하우징(500) 내부에 상기 잠열재케이스(400)가 상하 방향으로 배치되고, 이들은 상기 펌핑모듈(120)을 중심으로 서로 간격을 두고 3개가 배치된다.
따라서, 상기 잠열재케이스(400) 사이에 환원제는 빙결되지 않고, 상기 펌핑모듈(120)의 상기 펌프(600)로 용이하게 공급되는 구조를 갖는다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
100: 환원제탱크
105: 환원제
110: 펑션모듈
120: 펌핑모듈
130: 환원제라인
140: 환원제제어부
150: 차량제어부
160: 배기센서
170: 온도센서
180: 컨버터
190: 인젝터
195: 배기라인
400: 잠열재케이스
400a: 제1커버
400b: 제2커버
410: 잠열재
420: 돌기와 홈구조
500: 하우징
510: 홀
600: 펌프

Claims (10)

  1. 환원제가 담긴 환원제탱크;
    상기 환원제에 잠기도록 상기 환원제탱크 안에 배치되는 잠열재케이스; 및
    상기 잠열재케이스 내부에 충진되고, 상기 환원제의 어는점보다 그 어는점이 높은 잠열재; 를 포함하는 환원제 동결 방지장치.
  2. 제1항에서,
    상기 잠열재의 어는점은 상기 환원제의 어는점보다 1 내지 10도 높은 것을 특징으로 하는 환원제 동결 방지장치.
  3. 제2항에서,
    상기 환원제는 요소수이며, 상기 잠열재는 도데칸(dodedane) 또는 트리데칸(tridecane) 인 것을 특징으로 하는 환원제 동결 방지장치.
  4. 제1항에서,
    상기 환원제탱크에서 환원제인젝터로 상기 환원제를 펌핑하는 펌핑모듈을 더 포함하고,
    상기 펌핑모듈은 상기 환원제탱크의 하부에 놓이고, 내외부로 상기 환원제가 통하는 홀이 형성되는 하우징; 및
    상기 하우징 내부의 상기 환원제를 환원제인젝터로 펌핑하는 환원제펌프; 를 포함하고,
    상기 잠열재케이스는 상기 하우징 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 환원제 동결 방지장치.
  5. 제1항에서,
    상기 잠열재케이스는,
    그 외측면은 상기 환원제와 접하고, 그 내측면은 상기 잠열재와 접하는 제1커버; 및
    상기 제1커버에 부착되고, 상기 제1커버 사이에 상기 환원제가 충진되는 제2커버; 를 포함하고,
    상기 제1커버와 상기 제2커버는 그 가장자리가 서로 밀봉되는 것을 특징으로 하는 환원제 동결 방지장치.
  6. 제5항에서,
    상기 제1커버 또는 제2커버는 돌기와 홈구조로 형성되어 상기 환원제와 상기 잠열재가 열교환하는 면적을 증가시키는 것을 특징으로 하는 환원제 동결 방지장치.
  7. 제4항에서,
    상기 환원제인젝터는 질소산화물을 저감시키는 컨버터의 상류측의 배기라인에 설치되는 것을 특징으로 하는 환원제 동결 방지장치.
  8. 제1항에서,
    상기 잠열재는 상변화를 거치는 동안에 흡열 또는 방열하여 상기 환원제가 어는점에 도달하는 것을 방지하거나 늦추는 것을 특징으로 하는 환원제 동결 방지장치.
  9. 제5항에서,
    상기 제1커버와 상기 제2커버는 그 가장자리가 서로 용접되어 밀봉되는 것을 특징으로 하는 환원제 동결 방지장치.
  10. 제5항에서,
    상기 제1커버와 상기 제2커버는 그 가장자리가 볼팅되어 밀봉되는 것을 특징으로 하는 환원제 동결 방지장치.
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