KR101595825B1 - 디젤엔진 질소산화물 저감장치용 요소수 균등무화 및 고압분사 분사시스템 - Google Patents

디젤엔진 질소산화물 저감장치용 요소수 균등무화 및 고압분사 분사시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디젤엔진 질소산화물 저감장치용 요소수 균등무화 및 고압분사 분사시스템에 관한 것이다.
이에 본 발명의 기술적 요지는 배기가스의 불안정성 배출 현상에 즉답하면서 요소수의 분사시점을 최적화하도록 하되, 요소수의 사용량을 최소화 화는 반면 배기가스와의 믹싱 효율은 극대화할 수 있도록 하는 분사시스템에 관한 것으로, 이는 요소수 탱크와 인젝터 사이에 즉답분사장치(축압관에 요소수를 담수시킨 뒤 고압펌프로 하여금 적정선까지 가압 대기시킨 후 요소수 개시시점에 ECM의 제어에 따라 고속솔레노이드가 탑재된 인젝터를 통해 분사)를 두어 센싱에 의한 배기가스 등의 각종 정보가 체크되면 루즈 타임 없이 축압관에 미리 예충된 요소수가 인젝터로 하여금 즉시 분사되도록 형성되고, 특히 인젝터의 분사공 단부에는 무화노즐이 부설되어 상기한 요소수의 균등무화와 고압분사를 도모하면서 사용량 절감에 따른 경제성과 믹싱 효율을 크게 향상시키도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

디젤엔진 질소산화물 저감장치용 요소수 균등무화 및 고압분사 분사시스템{An urea air distribution system for Nox Reduction Device For Diesel Vehicles}
본 발명은 배기가스의 불안정성 배출 현상에 즉답하면서 요소수의 분사시점을 최적화하도록 하되, 요소수의 사용량을 최소화 화는 반면 배기가스와의 믹싱 효율은 극대화할 수 있도록 하는 분사시스템에 관한 것으로, 이는 요소수 탱크와 인젝터 사이에 즉답분사장치(축압관에 요소수를 담수시킨 뒤 고압펌프로 하여금 적정선까지 가압 대기시킨 후 요소수 개시시점에 ECM의 제어에 따라 고속솔레노이드가 탑재된 인젝터를 통해 분사)를 두어 센싱에 의한 배기가스 등의 각종 정보가 체크되면 루즈 타임 없이 축압관에 미리 예충된 요소수가 인젝터로 하여금 즉시 분사되도록 형성되고, 특히 인젝터의 분사공 단부에는 무화노즐이 부설되어 상기한 요소수의 균등무화와 고압분사를 도모하면서 사용량 절감에 따른 경제성과 믹싱 효율을 크게 향상시키도록 하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진 질소산화물 저감장치용 요소수 균등무화 및 고압분사 분사시스템에 관한 것이다.
일반적으로 디젤 차량에는 엔진의 연소과정에서 생성된 NOx, CO, THC, PM(Particulate Matters) 등의 유해물질을 제거하기 위한 다양한 형태의 후처리장치가 장착된다.
후처리장치는 엔진에 근접하게 배치되어 THC 및 CO를 산화시켜 정화하는 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst ; DOC), 입자상 물질을 포집하는 디젤매연필터(Diesel Particulate Filter : DPF), 암모니아(NH3)와 환원작용을 통해 NOx를 정화하는 SCR(Selective Catalytic Reduction)촉매가 포함된다.
상기의 SCR촉매는 NOx를 정화하기 위한 환원제로 암모니아(NH3)를 사용하며, NOx에 대한 선택도가 매우 우수하다.
SCR촉매는 NOx를 정화하기 위해 SCR촉매의 전단에 배치되는 도징모듈(Dosing Module)로 요소수(Urea)를 분사하고, 분사된 요소수의 증발 및 분해에 따라 생성되는 암모니아를 취득한다.
후처리장치에 대한 원가절감과 중량절감 및 효율적인 패키지를 제공하기 위해 SCR일체형 디젤매연필터가 적용되고 있다.
SCR일체형 디젤매연필터는 기존의 디젤매연필터에 NOx 정화기능 촉매를 코팅한 후처리장치로, SCR촉매와 디젤매연필터가 분리된 후처리장치와 비교하여 SCR 담체 및 캐닝이 삭제되어 중량을 저감시키고, 이에 따라 원가절감 및 연비향상이 제공될 수 있다.
그리고, SCR일체형 디젤매연필터는 SCR촉매가 배기관 상류측으로 이동 장착이 가능하므로 NOx 정화성능 확보를 위한 가열기능(Heat-up)기능이 필요 없으므로 NOx 정화 성능 향상과 연비 향상을 제공할 수 있다.
SCR일체형 디젤매연필터는 디젤매연필터의 전단에서 요소수 분사를 실시하므로 재생중 요소수 분사에 의한 재생 온도 제어 정밀도를 고려하여 요소수 분사시기/분사량 제어가 필요하다.
SCR일체형 디젤매연필터의 재생중에 요소수가 분사되는 경우 배기가스의 열용량 증대에 의하여 재생온도가 저하되므로 요소수 분사량을 일정량 이상 증대시킬 때 목표 재생온도 확보를 위해 추가적인 연료 분사량의 증대가 수반되어야 하므로 연비가 악화된다.
또한, 디젤산화촉매의 후단에서 HC의 슬립량이 증대하여 SCR일체형 디젤매연필터의 내부온도 상승을 유발하고, 비정상 재생 발생시 온도가 급격하게 상승하여 SCR촉매의 열화를 촉진하고, 필터 파손을 유발할 수 있다.
이를 보다 자세히 살펴보면, 차량에 탑재된 엔진은 기본적으로 도로여건, 부하상태, 운전자의 가속정도에 따라서, 상당히 민감하게 반응하고, RPM 대역이나, 부하 정도가 급변하여서, 그에 따른 배출가스가 상당히 불균일하게 배출된다. 또한, 배출량 자체도 많은 차이를 보이며 배출되는 특성이 있다.
이에 반하여, SCR촉매는 배출가스에 요소수를 분사하고, 이렇게 믹스된 배출가스가 SCR 촉매반응에 따라 인체에 무해한 물질로 환원되는 과정을 거치게되는데 일단 이러한 조건을 만족하기 위해서는
① 흡입공기 유량센서, 배출가스 온도센서, Nox 센서, 등의 센서값을 ECM (컴퓨터)이 처리하는 시간이 소요되며
② 적당량의 요소수를 분사하기 위한 펌프의 가압과정에 소요되는 시간 및
③ 요소수 분사가 개시되면, 가압된 요소수(UREA)가 라인을 통해 노즐까지 도착하기 위한 시간지연 등의 문제가 발생한다.
④ 또한, 분사된 요소수는 배출가스와 섞여, SCR 촉매와 반응하는 데 까지의 시간지연이 생기게 된다.
이러한, 시간지연 등이 엔진에서 배출되는 배기가스의 농도를 줄이고자 하는 구간에서 요소수(UREA)를 분사하였지만 엔진은 이미 줄이고자 하는 배출가스 목표치를 벗어난 구간에서 운전이 이뤄지고 있기 때문에 SCR의 질소산화물 저감 성능을 떨어뜨리게 되는 문제가 발생되게 된다.
1. 특허출원 제10-2010-0084034호(2010. 08. 30. 출원)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 기술적 요지는 배기가스의 불안정성 배출 현상에 즉답하면서 요소수의 분사시점을 최적화하도록 하되, 요소수의 사용량을 최소화 화는 반면 배기가스와의 믹싱 효율은 극대화할 수 있도록 하는 분사시스템에 관한 것으로, 이는 요소수 탱크와 인젝터 사이에 즉답분사장치(축압관에 요소수를 담수시킨 뒤 고압펌프로 하여금 적정선까지 가압 대기시킨 후 요소수 개시시점에 ECM의 제어에 따라 고속솔레노이드가 탑재된 인젝터를 통해 분사)를 두어 센싱에 의한 배기가스 등의 각종 정보가 체크되면 루즈 타임 없이 축압관에 미리 예충된 요소수가 인젝터로 하여금 즉시 분사되도록 형성되고, 특히 인젝터의 분사공 단부에는 무화노즐이 부설되어 상기한 요소수의 균등무화와 고압분사를 도모하면서 사용량 절감에 따른 경제성과 믹싱 효율을 크게 향상시키도록 하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진 질소산화물 저감장치용 요소수 균등무화 및 고압분사 분사시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 엔진으로부터 발생된 배기가스에 대하여 질소산화물을 저감시키도록 배기관의 선상에 매연저감장치(DPF)와 선택적 촉매저감장치(SCR)가 형성되고, 상기 선택적 촉매저감장치(SCR)의 전단부에는 요소수 탱크로부터 요소수를 공급받아 관로 상에 분사하도록 인젝터가 형성되며, 상기 인젝터와 요소수 탱크 사이에는 ECM에 의해 제어되는 즉답분사장치(10)가 형성되도록 하되, 상기 즉답분사장치(10)는 요소수 탱크와 연결되는 선상에 고압펌프가 형성되고, 상기 고압펌프로부터 축압관으로 유입된 요소수는 축압관 내에 저류시 압력제어밸브와 축압관 압력센서로 하여금 설정된 압력까지 가압된 후 대기되도록 하되, 상기 축압관은 요소수를 임시 저장할 수 있도록 형성된 파이프형 중공관으로서, 상기 중공관 형태의 축압관 길이방향 일측 단부에는 압력제어밸브가 직결합되어 축압관 내 특정 압력값을 설정 제어할 수 있도록 형성되며, 이후 설정된 요소수 개시시점이 ECM으로부터 체크되면 축압관의 외주면 일측으로부터 연장된 파이프와 인젝터 사이에 형성된 직구동 방식의 고속솔레노이드의 개폐에 의해 인젝터로 하여금 고속 분사되도록 형성된다.
이에, 상기 상기 인젝터(11)의 분사공 단부에는 무화노즐(12)이 결합되도록 하되, 상기 무화노즐(12)은 상,하단이 개구된 소켓통(110)의 상부에 체결용 나사(120)가 형성되고, 내부 일측에 단턱(130)이 형성되는 노즐 하우징(100)과; 노즐 하우징(100)의 내부 중공에 삽입되도록 형성되되, 상부가 개방된 캡 형상의 상부 외주면 일측에 결합단(210)이 형성되어 노즐 하우징의 단턱(130)에 걸쳐지도록 조립되고, 삽입된 캡 형상의 하단면에 다공판(220)이 결합되며, 상측 내주면에는 걸림턱(230)이 형성되는 요소수 무화구(200)와; 요소수 무화구(200)의 걸림턱(230)에 대응되어 삽입 및 안착되면서 조립되도록 납작한 원형 컵(310) 외주면에 걸침턱(320)이 형성되고, 원형 컵(310)의 면상에는 수압 상승용 중앙 관통공(330)을 기준으로 원주방향을 따라 등간격으로 배열된 다수개의 소형 가압공(340)이 형성되는 요소수 수압 상승구(300)가; 구성되어 이루어진다.
이에, 상기 요소수 수압 상승구(300)는 상면에 제2다공판(350)이 결합되도록 형성되어 인젝터로부터 유입된 요소수의 수압을 상승시킬 수 있도록 형성된다.
이와 같이, 본 발명은 배기가스의 불안정성 배출 현상에 즉답하면서 요소수의 분사시점을 최적화하도록 하되, 요소수의 사용량을 최소화 화는 반면 배기가스와의 믹싱 효율은 극대화할 수 있도록 하는 분사시스템에 관한 것으로, 이는 요소수 탱크와 인젝터 사이에 즉답분사장치(축압관에 요소수를 담수시킨 뒤 고압펌프로 하여금 적정선까지 가압 대기시킨 후 요소수 개시시점에 ECM의 제어에 따라 고속솔레노이드가 탑재된 인젝터를 통해 분사)를 두어 센싱에 의한 배기가스 등의 각종 정보가 체크되면 루즈 타임 없이 축압관에 미리 예충된 요소수가 인젝터로 하여금 즉시 분사되도록 형성되고, 특히 인젝터의 분사공 단부에는 무화노즐이 부설되어 상기한 요소수의 균등무화와 고압분사를 도모하면서 사용량 절감에 따른 경제성과 믹싱 효율을 크게 향상시키도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 요소수 균등무화 및 고압분사 분사시스템을 나타낸 예시도,
도 2는 본 발명에 따른 즉답분사장치로서, 챠량용에 적용된 것을 나타낸 예시도,
도 3은 본 발명에 따른 즉답분사장치의 다른 실시예로서, 산업용 대형 질소저감장치에 적용된 것을 나타낸 예시도,
도 4 내지도 7은 본 발명에 다른 무화노즐을 나타낸 예시도이다.
다음은 첨부된 도면을 참조하며 본 발명을 보다 상세히 설명하겠다.
먼저, 도 1 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명은 엔진으로부터 발생된 배기가스에 대하여 질소산화물을 저감시키도록 배기관의 선상에 매연저감장치(DPF)와 선택적 촉매저감장치(SCR)가 형성되고, 상기 SCR의 전단부에는 요소수 탱크로부터 요소수를 공급받아 관로 상에 분사하도록 인젝터가 형성되며, 상기 인젝터와 요소수 탱크 사이에는 ECM에 의해 제어되는 즉답분사장치(10)가 형성된다.
이에, 상기 즉답분사장치(10)는 요소수 탱크와 연결되는 선상에 고압펌프가 형성되고, 상기 고압펌프로부터 축압관으로 유입된 요소수는 축압관 내에 저류시 압력제어밸브와 축압관 압력센서로 하여금 설정된 압력까지 가압된 후 대기되도록 하되, 상기 축압관은 요소수를 임시 저장할 수 있도록 형성된 파이프형 중공관으로서, 상기 중공관 형태의 축압관 길이방향 일측 단부에는 압력제어밸브가 직결합되어 축압관 내 특정 압력값을 설정 제어할 수 있도록 형성되며, 이후 설정된 요소수 개시시점이 ECM으로부터 체크되면 축압관의 외주면 일측으로부터 연장된 파이프와 인젝터 사이에 형성된 직구동 방식의 고속솔레노이드의 개폐에 의해 인젝터로 하여금 고속 분사되도록 형성된다.
이때, 상기 인젝터(11)의 분사공 단부에는 무화노즐(12)이 결합되도록 형성되도록 하되, 상기 무화노즐(12)은 노즐 하우징과 요소수 무화구 및 요소수 수압 상승구로 구성된다.
이에, 상기 노즐 하우징(100)은 상,하단이 개구된 소켓통(110)의 상부에 체결용 나사(120)가 형성되고, 내부 일측에 단턱(130)이 형성된다.
이때, 상기 요소수 무화구(200)는 노즐 하우징(100)의 내부 중공에 삽입되도록 형성되되, 상부가 개방된 캡 형상의 상부 외주면 일측에 결합단(210)이 형성되어 노즐 하우징의 단턱(130)에 걸쳐지도록 조립되고, 삽입된 캡 형상의 하단면에 다공판(220)이 결합되며, 상측 내주면에는 걸림턱(230)이 형성된다.
이에, 상기 요소수 수압 상승구(300)는 요소수 무화구(200)의 걸림턱(230)에 대응되어 삽입 및 안착되면서 조립되도록 납작한 원형 컵(310) 외주면에 걸침턱(320)이 형성되고, 원형 컵(310)의 면상에는 수압 상승용 중앙 관통공(330)을 기준으로 원주방향을 따라 등간격으로 배열된 다수개의 소형 가압공(340)이 형성된다.
즉, 상기 무화노즐은 인젝터의 토수구 단부에 결합되어 요소수 사용량 대비 크게 상승된 수압으로 하여금 인젝션 효율을 현저히 개선되도록 한 것으로, 요소수 절수 기능을 확보하도록 하는 반면 요소수의 강한 수압 상승에 의해 버블존을 형성함으로써, 토수시 고운 입자 형태의 분무를 일으켜 배기가스와의 혼합 효율을 증대시키도록 형성된다.
이에, 상기 요소수 수압 상승구(300)는 상면에 제2다공판(350)이 결합되도록 형성되어 인젝터로부터 유입된 요소수의 수압을 상승시킬 수 있도록 형성된다.
이를 보다 자세히 설명하면, 상기 노즐 하우징(100)의 체결용 나사(120)는 인젝터의 결합나사(11)와 대응되어 조립되도록 하되, 체결용 나사(120)와 요소수 수압 상승구(300) 상단부 사이에는 고무패킹(400)이 삽입되어 누수를 방지하도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 노즐 하우징(100)의 체결용 나사(120)는 중앙에 요소수의 수압 증폭 유도공(530)이 형성되고 단면이 T자 형상인 다단식 조립용 부싱(500)의 소구경 조립나사(510)와 대응되어 체결되도록 하되, 상기 소구경 조립나사(510)와 요소수 수압 상승구(300) 상단부 사이에는 고무패킹(400)이 삽입되어 누수를 방지하도록 형성되며, 조립용 부싱(500)의 대구경 조립나사(520)는 인젝터의 결합나사(11)와 대응되어 조립되도록 하는 것이 바람직하다.
이에, 상기 요소수 무화구의 다공판(220)은 타공된 각 구멍의 직경이 0.05~0.25mm 로 형성되어 요소수의 배수시 분무되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 조립용 부싱(500)의 수압 증폭 유도공(530)은 요소수 수압 상승구(300)의 면상에 형성된 중앙 관통공(330)과 직경이 동일하거나 인젝터의 토수구(12) 직경보다 1/5~1/10인 것이 바람직하다.
이에, 상기 수압 증폭 유도공(530)은 단면이 납작한 일종의 원통체에 형성되어 조립용 부싱에 끼워져 결합되도록 하는 일종의 조립식 결합을 이루도록 한 것으로, 상기 원통체는 구리, 황동 재질로 제작될 수 있으며, 특히 이러한 요소수의 수압 증폭 유도공을 갖는 원통체는 설치 환경의 수압에 따라 직경이 가변될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
11 ... 인젝터 12 ... 무화노즐
100 ... 노즐 하우징 110 ... 소켓통
120 ... 체결용 나사 130 ... 단턱
200 ... 요소수 무화구 210 ... 결합단
220 ... 다공판 230 ... 걸림턱
300 ... 요소수 수압 상승구 310 ... 원형 컵
320 ... 걸침턱 330 ... 중앙 관통공
340 ... 소형 가압공 350 ... 제2다공판
400 ... 고무패킹 500 ... 조립용 부싱
510 ... 소구경 조립나사 520 ... 대구경 조립나사
530 ... 수압 증폭 유도공

Claims (3)

  1. 엔진으로부터 발생된 배기가스에 대하여 질소산화물을 저감시키도록 배기관의 선상에 매연저감장치(DPF)와 선택적 촉매저감장치(SCR)가 형성되고, 상기 선택적 촉매저감장치(SCR)의 전단부에는 요소수 탱크로부터 요소수를 공급받아 관로 상에 분사하도록 인젝터가 형성되며, 상기 인젝터와 요소수 탱크 사이에는 ECM에 의해 제어되는 즉답분사장치(10)가 형성되도록 하되, 상기 즉답분사장치(10)는 요소수 탱크와 연결되는 선상에 고압펌프가 형성되고, 상기 고압펌프로부터 축압관으로 유입된 요소수는 축압관 내에 저류시 압력제어밸브와 축압관 압력센서로 하여금 설정된 압력까지 가압된 후 대기되도록 하되, 상기 축압관은 요소수를 임시 저장할 수 있도록 형성된 파이프형 중공관으로서, 상기 중공관 형태의 축압관 길이방향 일측 단부에는 압력제어밸브가 직결합되어 축압관 내 특정 압력값을 설정 제어할 수 있도록 형성되며, 이후 설정된 요소수 개시시점이 ECM으로부터 체크되면 축압관의 외주면 일측으로부터 연장된 파이프와 인젝터 사이에 형성된 직구동 방식의 고속솔레노이드의 개폐에 의해 인젝터로 하여금 고속 분사되도록 형성되고, 상기 인젝터(11)의 분사공 단부에는 무화노즐(12)이 결합되도록 하되, 상기 무화노즐(12)은 상,하단이 개구된 소켓통(110)의 상부에 체결용 나사(120)가 형성되고, 내부 일측에 단턱(130)이 형성되는 노즐 하우징(100)과; 노즐 하우징(100)의 내부 중공에 삽입되도록 형성되되, 상부가 개방된 캡 형상의 상부 외주면 일측에 결합단(210)이 형성되어 노즐 하우징의 단턱(130)에 걸쳐지도록 조립되고, 삽입된 캡 형상의 하단면에 다공판(220)이 결합되며, 상측 내주면에는 걸림턱(230)이 형성되는 요소수 무화구(200)와; 요소수 무화구(200)의 걸림턱(230)에 대응되어 삽입 및 안착되면서 조립되도록 납작한 원형 컵(310) 외주면에 걸침턱(320)이 형성되고, 원형 컵(310)의 면상에는 수압 상승용 중앙 관통공(330)을 기준으로 원주방향을 따라 등간격으로 배열된 다수개의 소형 가압공(340)이 형성되는 요소수 수압 상승구(300)가; 구성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 디젤엔진 질소산화물 저감장치용 요소수 균등무화 및 고압분사 분사시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 요소수 수압 상승구(300)는 상면에 제2다공판(350)이 결합되도록 형성되어 인젝터로부터 유입된 요소수의 수압을 상승시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진 질소산화물 저감장치용 요소수 균등무화 및 고압분사 분사시스템.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0712660Y2 (ja) * 1990-04-10 1995-03-29 日野自動車工業株式会社 ディーゼル・エンジンに使用される排気浄化装置
KR20100084034A (ko) 2009-01-15 2010-07-23 김재환 슬라이드 파스너의 스토퍼 부착장치
KR20130140877A (ko) * 2011-04-13 2013-12-24 에미텍 게젤샤프트 퓌어 에미시온스테크놀로기 엠베하 Scr 도우징 유닛의 작동방법

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