KR101583891B1

KR101583891B1 - 디젤차량용 ｓｃｒ 시스템의 우레아 역류 방지 장치

Info

Publication number: KR101583891B1
Application number: KR1020130162014A
Authority: KR
Inventors: 이지응; 송원용
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2013-12-24
Publication date: 2016-01-08
Also published as: KR20150074342A

Abstract

본 발명은 디젤차량용 SCR 시스템의 우레아 역류 방지 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 우레아 탱크와 서플라이 모듈 간에 우레아 석션라인을 통해 발생하는 사이펀 현상을 방지하기 위한 디젤차량용 SCR 시스템의 우레아 역류 방지 장치에 관한 것이다.
이에 본 발명에서는, SCR 시스템의 우레아 탱크에 저장된 우레아가 서플라이 모듈로 역류하는 것을 방지하기 위하여, 상기 우레아 탱크의 상단에 구비된 샌더부의 포트 중 석션라인용 포트의 선단에 설치되는 솔레노이드 밸브와, 상기 솔레노이드 밸브에 전류신호를 인가하여 석션라인용 포트의 개폐를 제어하는 도징 컨트롤 유닛을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 디젤차량용 SCR 시스템의 우레아 역류 방지 장치를 제공한다.

Description

디젤차량용 ＳＣＲ 시스템의 우레아 역류 방지 장치 {Urea back current prevent device of SCR system for diesel engine}

본 발명은 디젤차량용 SCR 시스템의 우레아 역류 방지 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 우레아 탱크와 서플라이 모듈 간에 우레아 석션라인을 통해 발생하는 사이펀 현상을 방지하기 위한 디젤차량용 SCR 시스템의 우레아 역류 방지 장치에 관한 것이다.

최근 디젤 차량의 배기가스를 처리하는 기술로는 통상 입자상의 물질을 걸러주는 입자상물질 제거용 필터 시스템 또는 배기가스 라인에 촉매수용액을 분사하는 촉매분사시스템이 있다.

상기 촉매분사시스템은 근래에 촉매수용액으로 질소산화물 제거율이 우수한 요소수(Urea)를 이용하는 SCR(Selective Catalytic Reduction) 시스템이 주로 사용되고 있는 추세이다.

상기 SCR 시스템은 디젤엔진의 배기가스 중에서 질소산화물(NOx)을 저감하는 시스템으로, 배기가스 중 질소산화물(NOx)과 암모니아(NH3)를 반응시켜 질소(N2)와 수증기(H2O)로 환원시키는 기술이며, 배기관을 통해서 나오는 배기가스 중 질소산화물(NOx)의 양을 센서를 통해서 확인하고 ECU에서 우레아(Urea) 분사량을 결정하여 배기관에 우레아를 분출하며, 이때 우레아가 암모니아(NH3)로 분리되어 촉매로 공급되는 것으로서 촉매 안에서 암모니아(NH3)와 질소산화물(NOx)이 반응하여 질소산화물(NOx)을 제거하게 된다.

도 1을 참조하면, 기존의 SCR 시스템은 우레아 탱크(110), 도징 펌프(120), 냉각수 밸브(130), 도징 노즐(140), 도징 컨트롤 유닛(Dosing control unit)(150)을 구비하며, 도징 컨트롤 유닛(150)을 통해 도징 노즐(140), 도징 펌프(120), 우레아 탱크(110), 냉각수 밸브(130) 등을 제어하고, NOx 센서(160)를 통해 배기가스 중 질소산화물의 함유량을 검출하여 배기관에 분사하게 되는 우레아 분사량을 결정하고 그에 따라 배기관에 우레아를 분사한다.

이러한 기존의 SCR 시스템은 냉각수 라인의 엔진 냉각수를 이용하여 우레아 탱크(110) 및 우레아 공급라인(181)에서 우레아의 빙결을 방지한다.

도 2를 참조하면, 상기 도징 펌프(120)는 우레아 탱크(110)의 하측면에 부착되어 있는 서플라이 모듈(170) 내에 장착되어 있다.

상기한 SCR 시스템은 정상 작동시 우레아 공급라인(181)을 통해 서플라이 모듈(170)의 우레아를 도징 노즐(140)로 보내주게 되고, 우레아 석션라인(182)을 통해 우레아 탱크(110)에서 서플라이 모듈(170)로 우레아를 흡입하게 되고, 우레아 리턴라인(183)을 통해 서플라이 모듈(170)에서 사용하고 남은 우레아를 다시 우레아 탱크(110)로 회수하게 되며, 또한 냉각수 라인(184,185)에 엔진 워터펌프를 통해 우레아 탱크(110) 내 코일(186)에 냉각수를 순환시켜 우레아 공급라인(181)의 빙결을 방지하게 된다.

그리고, 상기한 SCR 시스템은 애프터 런(After Run) 작동시 도징 펌프(120)로 우레아 공급라인(181)의 잔존 우레아를 흡입하여 우레아 석션라인(182)을 통해 우레아 탱크(110)로 돌려보내게 된다.

상기 애프터 런은 SCR 시스템 및 우레아 공급라인(181)에 남아있는 우레아를 우레아 탱크(110)로 되돌려보내는 작동으로서 차량의 키 오프(Key off) 후에 일정 시간 동안 작동하게 되며, SCR 시스템 및 우레아 공급라인(181)의 결빙 발생을 방지하는데 목적이 있다.

그런데 상기한 SCR 시스템은 애프터 런 작동시 서플라이 모듈(170) 내 도징 펌프(120)의 출력 저하 및 중력으로 인해 우레아가 우레아 탱크(110)로 회수되지 못하고 서플라이 모듈(170) 내에 잔존하게 되며, 또한 우레아 석션라인(182)의 내부압력과 우레아 탱크(110) 내에서 우레아를 누르는 압력(대기압) 간에 차로 인해 사이펀 현상이 발생하여 도 3과 같이 서플라이 모듈(170)로 우레아가 역류하게 된다.

이에 따라 서플라이 모듈(170) 내에 잔존하는 우레아가 허용량(빙결 방지를 위한 허용량)을 초과하게 되며, 이로 인해 겨울철에 잔존 우레아의 결빙으로 인해 서플라이 모듈(170) 내에 장착된 압력센서의 크랙 및 누수가 발생하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 개선하기 위해 고안한 것으로서, 우레아 탱크와 서플라이 모듈 사이에 사이펀 현상으로 인한 우레아의 역류 발생을 방지하여 서플라이 모듈 내에 우레아 잔존량을 개선할 수 있는 디젤차량용 SCR 시스템의 우레아 역류 방지 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이에 본 발명에서는, SCR 시스템의 우레아 탱크에 저장된 우레아가 서플라이 모듈로 역류하는 것을 방지하기 위하여, 상기 우레아 탱크의 상단에 구비된 샌더부의 포트 중 석션라인용 포트의 선단에 설치되는 솔레노이드 밸브와, 상기 솔레노이드 밸브에 전류신호를 인가하여 석션라인용 포트의 개폐를 제어하는 도징 컨트롤 유닛을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 디젤차량용 SCR 시스템의 우레아 역류 방지 장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에 의하면, 상기 도징 컨트롤 유닛은 솔레노이드 밸브의 오픈시 SCR 시스템의 애프터 런 작동 여부를 상시 확인하여 판단하며, 애프터 런 작동 완료 후 일정 시간 뒤에 솔레노이드 밸브를 작동시켜 석션라인용 포트를 닫히게 하며, 또한 솔레노이드 밸브를 작동시켜 석션라인용 포트를 닫히게 한 이후 차량 시동이 온(ON) 되면 솔레노이드 밸브를 작동시켜 석션라인용 포트를 열리게 한다.

본 발명의 실시예에서, 상기 솔레노이드 밸브는 플런저와 밸브하우징 사이에 리턴스프링이 설치되며, 상기 리턴스프링은 솔레노이드 밸브를 작동시켜 석션라인용 포트를 닫음시 신장되게 설치된다.

또한 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 석션라인용 포트는 일정 모양으로 벤딩되어 상하방향으로 일정 높이를 갖게 형성되며, 그 후단에 연결되는 우레아 석션라인은 석션라인용 포트의 후단에서 좌우길이방향으로 연장되는 상단부가 일정 모양으로 벤딩되어 일부 구간의 높이가 상대적으로 높아지게 형성된다.

본 발명에 따른 디젤차량용 SCR 시스템의 우레아 역류 방지 장치는 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.

1. 우레아 탱크와 서플라이 모듈 사이에 우레아의 역류 발생을 방지하여 사이펀 현상을 개선할 수 있게 된다.

2. 애프터 런 작동 후 서플라이 모듈 내에 우레아 잔존량을 감소시킴으로써 잔존 우레아의 결빙 및 그로 인한 타부품들의 파손을 방지할 수 있게 된다.

3. 우레아 탱크의 석션라인용 포트를 통한 우레아의 유입 및 배출을 도징 펌프와 솔레노이드 밸브를 이용하여 이중 관리하게 되어 시스템 안정성 및 부품 안전성을 향상시킬 수 있게 된다.

4. 서플라이 모듈 등의 레이아웃 제약이 제거되어 설계자유도가 개선되는 이점이 있다.

5. 우레아 석션라인을 통한 우레아 역류를 방지하여 서플라이 모듈의 도징 펌프 내 우레아 잔존량을 허용량 이내로 조절할 수 있게 됨으로써 사용하고 남은 우레아를 우레아 탱크로 회수할 필요성이 제거되어 SCR 시스템의 우레아 리턴라인을 생략 가능하게 된다.

도 1은 디젤차량의 SCR 시스템을 설명하기 위한 도면
도 2는 기존 SCR 시스템의 서플라이 모듈에 연결된 각종 라인을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 기존 SCR 시스템에서 발생하게 되는 사이펀 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 디젤차량용 SCR 시스템의 우레아 역류 방지 장치가 적용된 우레아 탱크를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4의 A-A에서 본 도면으로, 본 발명의 실시예에 따른 디젤차량용 SCR 시스템의 우레아 역류 방지 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 우레아 역류 방지 장치의 작동상태를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 우레아 역류 방지 장치에서 도징 컨트롤 유닛을 이용한 우레아의 유동 제어를 설명하기 위한 순서도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 우레아 역류 방지 장치 중 우레아 탱크용 샌더부의 석션라인용 포트 구조를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 우레아 역류 방지 장치 중 우레아 석션라인의 구조를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.

본 발명은 디젤차량용 SCR 시스템의 우레아 유동 제어 장치에 관한 것으로, 우레아 탱크의 샌더부 내 우레아 유동을 제어하기 위한 구조 및/또는 우레아 탱크와 서플라이 모듈 간에 수두차를 증대하기 위한 구조를 이용하여 우레아 탱크와 서플라이 모듈 간에 사이펀 현상을 개선하게 된다.

도 4에 보이듯이, 디젤차량의 SCR 시스템에서 서플라이 모듈(1)은 우레아 탱크(2)의 하측 측면에 마운팅 브라켓(도 9의 A 참조) 등을 통해 부착되어 있고, 상기 우레아 탱크(2)의 상단에는 외측으로 샌더부(3)가 구비되어 있다.

도 5 및 도 9에 나타낸 바와 같이, 상기 샌더부(3)는 우레아 석션라인(4), 우레아 리턴라인(5), 냉각수 라인(6,7)의 연결을 위한 각종 포트(4a,5a,6a,7a)를 구비하고 있으며, 그중 석션라인용 포트(4a)의 전방에는 샌더부(3) 내측으로 솔레노이드 밸브(8)가 설치된다.

샌더부(3)는 그 내부에 상기의 각종 포트(4a~7a)와 개별적으로 연결되는 챔버들을 구비하고 있으며, 그중 석션라인용 포트(4a)와 연결되는 챔버(이하, '우레아 챔버'라고 함)(9)는 우레아 탱크(2) 내부의 우레아 파이프(도 4의 10 참조)와 유체 이동가능하게 연결되어 있다.

솔레노이드 밸브(8)는 우레아 탱크(2)에 저장된 우레아가 우레아 석션라인(4)을 통해 서플라이 모듈(1)로 역류하는 것을 방지하기 위한 것으로, 상기 우레아 챔버(9) 내에서 석션라인용 포트(4a)의 선단(혹은 입구 전방)에 위치하도록 설치된다.

이에 따라, 상기 우레아 석션라인(4)은 SCR 시스템의 기본 작동시(정상 작동시)에는 우레아 탱크(2)에 저장된 우레아를 서플라이 모듈(1)(구체적으로는, 서플라이 모듈의 도징 펌프) 측으로 이동가능한 통로 역할을 하고, 애프터 런 작동시에는 서플라이 모듈(1)(서플라이 모듈의 도징 펌프)에서 우레아 탱크(2) 측으로 우레아를 이동가능한 통로 역할을 하게 된다.

도 5에 보이듯이, 상기 솔레노이드 밸브(8)는 SCR 시스템의 도징 컨트롤 유닛(11)으로부터 전류신호를 인가받아 작동하게 된다.

즉, 상기 도징 컨트롤 유닛(11)은 전류신호를 통해 솔레노이드 밸브(8)의 작동을 제어하여 석션라인용 포트(4a)의 개폐를 제어하게 된다.

예를 들면 도 6에 나타낸 바와 같이, 상기 솔레노이드 밸브(8)는 정방향의 전류신호 인가시 전진하여 석션라인용 포트(4a)의 입구를 닫아주고 역방향의 전류신호 인가시 후진하여 석션라인용 포트(4a)의 입구를 열어주게 된다.

또한 상기 솔레노이드 밸브(8)는 솔레노이드 밸브(8)의 작동을 원활하게 하기 위해 리턴스프링(12)을 구비한다.

상기 리턴스프링(12)은 석션라인용 포트(4a)의 입구 닫음시 신장되어 탄성복원력을 생성하도록 설치되며, 이에 석션라인용 포트(4a)의 입구 닫음 해제시(정방향 전류신호의 인가 중단시) 플런저(8a)가 신속하게 복귀하여 석션라인용 포트(4a)의 입구 열림을 원활하게 한다.

상기 리턴스프링(12)은 석션라인용 포트(4a)의 입구 열림을 위한 도징 컨트롤 유닛(11)의 전류신호(역방향의 전류신호)가 인가되기 전에 솔레노이드 밸브(8)의 플런저(8a)를 복귀시킬 수 있게 된다.

상기 솔레노이드 밸브(8)로는 공지의 구조를 갖는 전자밸브를 사용할 수 있으며, 도 6에 보이듯이 상기 리턴스프링(12)은 플런저(8a) 후단에서 플런저(8a)와 밸브하우징(8b) 사이에 설치될 수 있다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 상기한 도징 컨트롤 유닛(11)은 솔레노이드 밸브(8)의 오픈시 SCR 시스템의 애프터 런 작동 여부를 상시 확인하여 판단하며, 애프터 런 작동 후 즉, 애프터 런 완료 후 일정 시간(예를 들면, 2초) 후에 솔레노이드 밸브(8)를 클로즈하여 석션라인용 포트(4a)를 통해 우레아의 유입 및 배출을 차단하게 된다.

이때 애프터 런 작동 완료 후 일정 시간 뒤에 솔레노이드 밸브(8)를 클로즈함에 의해, 서플라이 모듈(1) 내 도징 펌프의 작동 정지 후 상기의 일정 시간 동안 우레아 석션라인(4) 및 우레아 탱크(2)로 우레아 유입을 유지하여 최대화할 수 있게 된다.

상기 도징 컨트롤 유닛(11)은 이후 차량 시동이 온(ON) 되면(시동 온을 감지하면) 솔레노이드 밸브(8)를 오픈시켜 석션라인용 포트(4a)를 통한 우레아의 유입 및 배출을 가능하게 하며, 이후 다시 SCR 시스템의 애프터 런 작동 여부를 상시 확인하며 대기하게 된다.

이에 따라 결과적으로, 우레아 탱크(2) 내 저장된 우레아에 일측단이 잠긴 우레아 파이프(10)를 통해 우레아가 역류하여 서플라이 모듈(1)로 이동하는 것을 방지할 수 있게 된다.

한편, 우레아 탱크(2)와 서플라이 모듈(1) 간에 수두차를 증대하기 위하여, 구체적으로는 우레아 탱크(2)의 석션라인용 포트(4a)와 서플라이 모듈(1)의 석션용 포트(1a) 간 높이차를 증대하기 위하여, 도 8에 나타낸 바와 같이, 상기 우레아 탱크용 샌더부(3)의 석션라인용 포트(4a)는 상하방향으로 일정 높이를 갖는 형태를 갖도록 형성되어 사용될 수 있다.

본 발명에서는 석션라인용 포트(4a)를 일정 형태로 벤딩하여 상하방향으로 일정 높이를 갖는 형태로 마련하여 사용함으로써 기존의 일자형 석션라인용 포트 대비 우레아 탱크(2)의 석션라인용 포트(4a)와 서플라이 모듈(1)의 석션용 포트(1a) 간 수두차(높이차)를 증대할 수 있으며, 이러한 수두차의 증대를 통해 우레아 탱크(2)와 서플라이 모듈(1) 간에 발생하는 우레아 역류를 방지하여 사이펀 현상을 개선하는 효과를 얻을 수 있게 된다.

예를 들면, 상기 석션라인용 포트(4a)는 'ㄱ'자 모양, 'L'자 모양 등으로 마련되어 사용될 수 있다.

또한, 우레아 탱크(2)와 서플라이 모듈(1) 간에 수두차를 증대하기 위하여, 구체적으로는 우레아 석션라인(4)(혹은 석션라인용 포트(4a))의 최상단높이와 서플라이 모듈(1)의 석션용 포트(1a), 즉 서플라이 모듈(1)에 구비된 석션용 포트(1a) 간의 높이차를 증대하기 위하여, 도 9에 나타낸 바와 같이, 상기 석션라인용 포트(4a)의 후단에 연결되는 우레아 석션라인(4)은 석션라인용 포트(4a)의 후단에서 좌우길이방향으로 연장되는 상단부가 일정 형태로 벤딩되어 상방으로 높아지는 턱이진(단차진) 구조를 가짐으로써, 좌우길이방향으로 일자형으로 연장되는 상단부를 갖는 기존의 석션라인용 포트 대비, 우레아 석션라인(4)의 최상단높이와 석션용 포트(1a) 간 높이차를 증대할 수 있으며, 이러한 높이차의 증대를 통해 우레아 탱크(2)와 서플라이 모듈(1) 간에 발생하는 우레아 역류를 방지하여 사이펀 현상을 개선하는 효과를 얻을 수 있게 된다.

도 9에 보이듯이 구체적으로, 상기 우레아 석션라인(4)은 석션라인용 포트(4a)의 후단에서 좌우방향으로 연장되는 상단부와 이 상단부의 하단에서 상하방향으로 연장되는 하단부로 이루어지며, 상기 상단부는 일측이 '∩'자 모양으로 벤딩되어 일부 구간의 높이가 상대적으로 높아진 구조를 갖게 된다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

1 : 서플라이 모듈
1a : 석션용 포트
2 : 우레아 탱크
3 : 샌더부
4 : 우레아 석션라인
4a : 석션라인용 포트
5 : 우레아 리턴라인
6,7 : 냉각수 라인
8 : 솔레노이드 밸브
9 : 우레아 챔버
10 : 우레아 파이프
11 : 도징 컨트롤 유닛
12 : 리턴스프링

Claims

SCR 시스템의 우레아 탱크에 저장된 우레아가 서플라이 모듈로 역류하는 것을 방지하기 위하여,
상기 우레아 탱크의 상단에 구비된 샌더부의 포트 중 석션라인용 포트의 선단에 설치되는 솔레노이드 밸브와, 상기 솔레노이드 밸브에 전류신호를 인가하여 석션라인용 포트의 개폐를 제어하는 도징 컨트롤 유닛을 포함하여 구성되고,
상기 석션라인용 포트의 후단에는 우레아 석션라인이 연결되고, 상기 우레아 석션라인은 석션라인용 포트의 후단에서 좌우길이방향으로 연장되는 상단부가 일정 형태로 벤딩되어 상방으로 높아진 단차진 구조를 가짐으로써, 우레아 석션라인의 최상단 높이와 서플라이 모듈에 구비된 석션용 포트 간의 높이차를 증대시켜 우레아 탱크와 서플라이 모듈 간의 수두차를 증대시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 디젤차량용 SCR 시스템의 우레아 역류 방지 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 도징 컨트롤 유닛은 솔레노이드 밸브의 오픈시 SCR 시스템의 애프터 런 작동 여부를 상시 확인하여 판단하며, 애프터 런 작동 완료 후 솔레노이드 밸브를 작동시켜 석션라인용 포트를 닫히게 하는 것을 특징으로 하는 디젤차량용 SCR 시스템의 우레아 역류 방지 장치.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 도징 컨트롤 유닛은 애프터 런 작동 완료 후 일정 시간 뒤에 솔레노이드 밸브를 작동시켜 석션라인용 포트를 닫히게 하는 것을 특징으로 하는 디젤차량용 SCR 시스템의 우레아 역류 방지 장치.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 도징 컨트롤 유닛은 솔레노이드 밸브를 작동시켜 석션라인용 포트를 닫히게 한 이후 차량 시동이 온(ON) 되면 솔레노이드 밸브를 작동시켜 석션라인용 포트를 열리게 하는 것을 특징으로 하는 디젤차량용 SCR 시스템의 우레아 역류 방지 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 솔레노이드 밸브는 플런저와 밸브하우징 사이에 리턴스프링이 설치되며, 상기 리턴스프링은 솔레노이드 밸브를 작동시켜 석션라인용 포트를 닫음시 신장되게 설치된 것을 특징으로 하는 디젤차량용 SCR 시스템의 우레아 역류 방지 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 석션라인용 포트는 일정 모양으로 벤딩되어 상하방향으로 일정 높이를 갖게 된 것을 특징으로 하는 디젤차량용 SCR 시스템의 우레아 역류 방지 장치.
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