KR101727710B1

KR101727710B1 - 3단블록으로된 우레아 혼합 장치

Info

Publication number: KR101727710B1
Application number: KR1020170012149A
Authority: KR
Inventors: 김상철; 이경종; 김예성; 김득산
Original assignee: 주식회사 더블유원
Priority date: 2017-01-25
Filing date: 2017-01-25
Publication date: 2017-05-02

Abstract

본 발명은 차량의 배기관에 설치된 선택적 촉매 환원장치(SCR : Selective Catalytic Reduction)로 우레아 수용액과 공기를 혼합하여 공급하는 우레아 혼합 장치에 있어서, 외부로부터 유입된 우레아 수용액이 유동할 수 있는 환원제 공급라인의 전후로 펌프와 다이아프램이 설치되어, 우레아 수용액을 펌핑제어하는 펌핑블록; 외부로부터 유입된 공기를 개폐하는 솔레노이드와 공기 및 우레아 수용액을 믹싱하기 위한 믹싱챔버로 이루어진 믹싱블록; 믹싱챔버에서 유입된 공기 및 우레아 수용액를 배출하기 위한 배출블록으로 이루어지고, 펌핑블록, 믹싱블록, 배출블록의 순으로 상하 결합된 3단블록으로된 우레아 혼합 장치에 관한 것이다.

Description

3단블록으로된 우레아 혼합 장치{UREA MIXING APPARATUS WITH THREE STAGE BLOCKS}

본 발명은 디젤 차량의 배기가스 정화에 사용되는 우레아 수용액을 분사하는 우레아 분사 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 3개의 블록 형태로 구성하고 그 내부에 우레아 수용액과 공기가 유동할 수 있는 유로를 형성하고, 상기 3개의 블록을 체결하여 구성되는 우레아 혼합 장치에 관한 것이다.

디젤 차량의 후처리 장치 중에서 선택적 촉매 환원장치(SCR : Selective Catalytic Reduction) 는 배기가스에 우레아 수용액을 분사하여, 상기 우레아 수용액이 환원제로 작용하여 질소산화물(NOx)가 제거되도록 한다.

이를 위해서, 차량의 내부에는 우레아 탱크에 저장된 우레아 수용액을 공기와 혼합하여 분사노즐로 공급하기 위한 우레아 혼합 장치가 구비된다.

종래기술에 따른 우레아 혼합 장치를 보면, 상기 우레아 혼합 장치의 바디 내부에 우레아 탱크로부터 공급되는 우레아 수용액을 공급받고, 상기 우레아 혼합 장치의 내부에서 우레아 수용액과 공기를 혼합하여 노즐로 배출한다.

그러나, 상기와 같은 종래기술에 따른 우레아 혼합 장치에 따르면, 상기 우레아 혼합 장치의 바디가 복잡한 형태의 외형을 갖고 있어서 상기 바디의 가공이 어렵고, 상기 바디의 형상이 복잡하여, 상기 바디에 각종 라인과 밸브, 센서 등을 설치하기가 용이하지 않은 문제점이 있었다.

또한, 상기 바디의 형태가 복합하여 우레아를 공급하거나 배출시키는 라인, 공기를 공급하는 라인를 연결하거나, 온도나 압력을 측정하는 센서를 장착하기가 불편하였다.

아울러, 상기 우레아 혼합 장치로부터 배출되는 우레아 수용액과 공기의 혼합물은 균일하게 혼합되어야 하는데, 상기 우레아 혼합 장치의 내부에서 균일하게 혼합되지 못하는 문제점이 있었다. 상기 우레아 수용액이 상기 우레아 혼합 장치의 내부를 통과하는 짧은 시간 동안, 상기 우레아 수용액과 공기가 고르게 혼합되어하는데, 상기 우레아 수용액과 공기가 균질하게 못하게 혼합되거나, 혼합된 이후에 다시 우레아 수용액과 공기가 분리되어, 균질하지 못한 상태로 노즐을 통하여 배기관으로 분사되는 문제점이 있었다.

KR 10-2002-0015702 A

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 블록의 형태로 형성되어 가공이 용이하고 외부에 연결되는 라인과 각종 센서 및 밸브의 설치가 용이한 우레아 혼합 장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 내부에서 공기와 우레아 수용액의 혼합을 촉진시킬 수 있는 우레아 혼합 장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 우레아 혼합 장치는, 차량의 배기관에 설치된 선택적 촉매 환원장치(SCR : Selective Catalytic Reduction)로 우레아 수용액과 공기를 혼합하여 공급하는 우레아 혼합 장치에 있어서, 외부로부터 유입된 우레아 수용액이 유동할 수 있는 환원제 공급라인의 전후로 펌프와 다이아프램이 설치되어, 우레아 수용액을 펌핑제어하는 펌핑블록; 외부로부터 유입된 공기를 개폐하는 솔레노이드와 공기 및 우레아 수용액을 믹싱하기 위한 믹싱챔버로 이루어진 믹싱블록; 믹싱챔버에서 유입된 공기 및 우레아 수용액를 배출하기 위한 배출블록으로 이루어지고, 펌핑블록, 믹싱블록, 배출블록의 순으로 상하 결합된 3단블록으로된 우레아 혼합 장치에 관한 것이다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 서로 체결되는 펑핑블록, 믹싱블록, 배출블록으로 이루어진 우레아 혼합장치의 내부에 각각 우레아 수용액과 공기가 유동하고, 상기 우레아 수용액과 공기가 혼합되는 챔버를 구비하여, 상기 우레아 혼합 장치를 소형화함과 더불어 형상을 간단히 할 수 있다.

또한, 상기 우레아 수용액의 진행방향에 대하여 공기가 감싸는 형태로 스훨을 형성화도록 공급됨으로써, 상기 우레아 수용액과 상기 공기가 짧은 시간 동안 균질하게 혼합되도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 우레아 혼합장치를 도시한 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 우레아 혼합장치에서 펌핑블록, 믹싱블록, 배출블록을 분해도시한 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 우레아 혼합장치에서 펌핑블록, 믹싱블록에서의 흐름을 도시한 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 우레아 혼합장치에서 믹싱블록의 평면도.

이하 첨부된 도1-4를 참조로 하여 우레아 혼합 장치에 대하여 자세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 우레아 혼합 장치는 외부, 즉 우레아 탱크로부터 공급된 우레아 수용액을 펌핑시키는 펌핑블록(10)과, 상기 우레아 수용액과 공기를 혼합시키는 믹싱블록(20), 혼합된 우레아 수용액과 공기가 배출되는 배출블록(30)로 이루어진다.

펌핑블록(10)에 우레아 수용액이 유동할 수 있는 라인, 펌프(12), 각종 밸브 등이 설치될 수 있다.

펌핑블록(10)은 육면체의 블록 형태로 형성된다. 상기 펌핑블록(10)의 내부에는 상기 펌핑블록(10)의 내부로 우레아 수용액 탱크(미도시)로부터 우레아 수용액이 유입되도록 하는 환원제 유입라인(11a), 우레아 수용액의 유입량을 제어하는 펌프(12), 상기 펌핑블록(10)의 환원제 유입라인(11a)으로부터 상부의 믹싱블록(20)으로 펌핑된 우레아 수용액을 공급하는 환원제 공급라인(11b)이 형성된다. 환원제 공급라인(11b)는 다이아프램(15)에 의해 흐름방향이 바뀌지 않는다면, 펌핑블록(10)을 가로지른 뒤 그 위에 있는 믹싱블록(20)으로 연결된다.

상기 환원제 유입라인(11a)에서 외부로 노출되는 부위에는 상기 우레아 수용액 탱크와 상기 펌핑블록(10)을 연결하는 호스, 파이프 등이 연결되는 환원제 유입구(13)가 형성된다. 여기서, 상기 환원제 유입라인(11a)과 상기 환원제 공급라인(11b)은 상기 펌핑블록(10)의 내부에 형성되는 것이 바람직하다.

상기 펌핑블록(10)에는 상기 환원제 공급라인(11b)과 연통되게 환원제 리턴라인(11c)이 형성되는데, 다이아프램(15)이 작동하면 환원제 공급라인(11b)을 통해 믹싱블록(20)으로의 유로가 개방되고, 환원제 리턴라인(11c)이 차단된다.

즉, 상기 환원제 공급라인(11b)에 다이아프램(15)이 작동하지않으면, 상기 환원제 유입라인(11a)으로부터 환원제 리턴라인(11c)으로 상기 우레아 수용액이 외부로 리턴된다.

펌프(12)는 상기 펌핑블록(10)에 설치된다. 상기 펌프(12)는 상기 펌핑블록(10)의 내부에 각각 위치하는 환원제 유입라인(11a)의 단부와 상기 환원제 공급라인(11b)의 단부 사이를 연결하도록 설치된다. 상기 펌프(12)는 상기 우레아 수용액을 가압한 상태로 상기 환원제 공급라인(11b)으로 우레아 수용액을 공급한다.

다이아프램(15)는 상기 환원제 공급라인(11b) 중에 위치하여, 상기 환원제 리턴라인(11c)으로 연결되는 통로를 개폐한다. 상기 다이아프램(15)은 펌핑블록(10)에 위치하되, 믹싱블록(20)에 위치한 솔레노이드밸브(22)에 의해 작동되고, 상기 솔레니오드밸브(22)는 차량의 ECU(Electroinc Control Unit)으로부터 믹싱블록으로의 유로를 개방하기 위한 신호가 입력되면, 상기 환원제 리턴라인(11c)이 폐쇄되도록 다이아프램(15)이 작동되고, 믹싱블록의 유로를 폐쇄하기 위한 신호가 입력되면 상기 환원제 리턴라인(11c)이 개방하도록 다이아프램(15)의 작동을 중단한다. 즉, 솔레노이드밸브의 온에 의해 공기가 유입되면 다이아프램을 작동시켜 리턴라인을 폐쇄하고 믹싱블록의 유로를 개방하며, 솔레노이드 밸브의 오프에 의해 공기유입이 중단되면 다이파프램 작동이 중지되고, 환원제는 리턴된다.

압력센서(14)는 상기 환원제 공급라인(11b) 또는 상기 환원제 리턴라인(11c)에 상기 펌프(12)로부터 배출된 우레아 수용액의 압력을 측정하기 위해 설치된다. 예컨대, 상기 환원제 공급라인(11b)과 연통되는 라인에 상기 압력센서(14)를 설치함으로써, 상기 펌프(12)로부터 배출된 우레아 수용액의 압력을 측정할 수 있다. 다이아프램의 개폐는 압력센서와도 관련되는 데, 상기 압력센서(14)로부터 측정된 우레아 수용액의 압력이 정해진 압력을 넘는다면, 상기 다이아프램(15)를 개방시켜 일부 우레아 수용액을 외부로 오버플로우시켜 적정한 압력을 유지하도록 한다. 또한, 펌프(12)에서 토출되는 우레아 수용액의 압력이 일정압력(예 : 7bar) 이상이면 유로가 막힌 것으로 판단하고 펌프 동작을 중지시키거나 시스템을 차단할 수 있다.

아울러, 상기 압력센서(14)를 설치하기 위하여, 상기 펌핑블록(10)의 표면으로부터 상기 환원제 유입라인(11a)을 향하도록 라인을 형성하고, 상기 라인에 압력센서(14)를 설치한 후, 상기 라인의 입구를 캡(미도시) 등으로 폐쇄함으로써, 상기 압력센서(14)가 설치되도록 한다.

상기 환원제 공급라인(11b)의 단부에는 상기 펌프(12)로부터 펌핑된 상기 우레아 수용액이 상기 펌프(12)로 역류하지 못하고, 상기 펌프(12)로부터 펌핑된 우레아 수용액이 한쪽 방향(펌핑블록에서 믹싱블록 방향)으로만 유동하도록 체크밸브(16)가 상기 믹싱블록(20)에 설치된다. 상기 체크밸브(16)는 정해진 압력, 예컨대 3bar 이상에 오픈되도록 하여, 상기 펌프(12)에서 펌핑된 우레아 수용액의 압력이 상기 압력을 넘는 경우는 상기 펌핑블록(10)에서 상기 믹싱블록(20)로 유동하고, 상기 압력 이하에서의 유동 또는 반대방향의 유동은 차단한다.

믹싱블록(20)은 상기 펌핑블록(10)의 일측 상면에 위치한다.

상기 믹싱블록(20)도 상기 펌핑블록(10)과 같이, 믹싱블록(20)에 수용액이 유동할 수 있는 라인, 각종 밸브 등이 설치된다.

상기 믹싱블록(20)은 그 하단에 위치한 펌핑블록(10)으로부터 우레아 수용액이 공급되고, 상기 펌핑블록의 환원제 유입라인(11a) 및 환원제 리턴라인(11c)과 같은 방향으로, 에어 공급라인(21c)이 상기 믹싱블록(20)에 형성된다. 상기 에어 공급라인(21c)는 솔레노이드밸브(22)에 의해 개폐되며, 믹싱블록(20)에 위치한 상기 솔레노이드밸브(22)는 펌핑블록(10)에 위치한 다이아프램(15)를 제어한다. 따라서, 솔레노이드밸브(22)가 온되면 펌핑블록의 다이아프램(15)이 작동하면서 우레아 수용액의 리턴을 차단하고, 우레아 수용액이 펌핑블록의 우레어 공급라인(11b)를 따라 믹싱블록으로 이동된다. 상기 솔레노이드 밸브가 온되면 에어 공급라인(21c)이 개방되면서, 공기가 믹싱블록으로 유입되면서 펌핑블록으로부터 공급되는 우레어 수용액과 믹싱이 되는 것이다.

이때 에어 공급라인(21c)로부터 공급된 공기는 상기 솔레노이드밸브를 지나면서 믹싱챔버로 이동된다.

믹싱챔버는 공기챔버(24b)와 우레아 수용액챔버(24a)로 구성되어, 펌핑블록으로부터 공급된 우레아 수용액은 우레아 수용액챔버(24a)로, 믹싱챔버의 에어 공급라인(21c)로부터 공급된 공기는 상기 솔레노이드밸브를 통해 공기챔버(24b)로 각각 유입된다. 체크밸브(16)가 각각의 공급라인에 있어, 역류를 방지할 수 있다. 또한, 공기는 상기 솔레노이드밸브보다 높이가 낮은 상기 믹싱챔버의 공기챔버(24b) 하단으로 공급되도록 함으로서, 믹싱을 위한 공기의 스훨형성을 촉진한다. 공기챔버와 우레아 수용액챔버는 동심원을 형성하는 환형유로를 형성하며, 공기챔버의 환형유로 중 일측면으로부터 우레아 수용액챔버의 환형유로 중 타측면으로 대각선으로 공기가 공급되도록 함으로서 스훨을 형성해 상기 우레아 수용액과의 믹싱을 촉진시킨다.

상기 우레아 수용액챔버(24a)도 환형유로를 이루며, 상기 환형유로의 중심에는 상기 믹싱블록의 상부에 위치한 배출블록으로 우레아 수용액 및 공기의 혼합액을 공급하도록 배출블록 입구홀(32)이 형성되어 있다. 상기 배출블록 입구홀(32)을 통해 유입된 우레아 수용액과 공기의 혼합액은 펌핑블록의 환원제 유입라인(11a), 믹싱블록의 에어 유입라인(21c)과 동일한 방향을 향해 우레아 수용액 및 공기의 이상유동(two phase flow)가 배출되는 혼합액 배출구(23)가 형성된다.

상기 혼합액 배출구(23)는 선택적 촉매 환원장치(SCR : Selective Catalytic Reduction)의 분사노즐에 호스, 파이프 등으로 연결된다.

또한, 상기 믹싱블록(20)에는 외부로부터 상기 믹싱블록(20)의 내부로 공기를 유입하는 에어 공급라인(21c)이 형성된다. 상기 에어 공급라인(21c)의 단부에 차량의 에어탱크 등에 연결되는 에어 유입구가 설치된다.

한편, 도2, 4에서 보듯이 상기 우레아 수용액과 상기 공기의 혼합을 위해 믹싱챔버(24a, 24b)가 형성된다. 상기 믹싱챔버는 상기 믹싱블록(20)의 위에서 상기 펌핑블록(10)과 접합되는 면에 일정한 깊이의 환형유로로 형성된다. 상기 믹싱챔버(24a, 24b)의 환형유로는 직경이 작게 형성되는 부위와 직경이 크게 형성되는 부위가 서로 연결되는 형태로 형성된다. 우레아 수용액챔버(24a)가 직경이 작게 형성되는 부위에 해당하며, 공기챔버(24b)가 직경이 크게 형성되는 부위에 해당한다. 즉, 상기 믹싱챔버(24a, 24b)에서 직경이 작게 형성되는 부위는 상기 에어 공급라인(21c)과 연결되고, 직경이 크게 형성되는 부위는 상기 환원제 공급라인(11b) 및 배출라인(21a)과 연결된다. 상기 믹싱챔버(24a, 24b)에서 직경이 큰 부위와 작은 부위가 연결되는 통로는 직경이 큰 부위의 일측으로 치우치게 형성되어, 대략 상기 직경이 큰 부위의 일측으로부터 접선방향으로 직경이 작은 부위의 타측으로 연결되도록 형성된다.

상기 환원제 공급라인(11b)과 상기 배출라인(21a)은 서로 실질적으로 같은 높이에 배치되어 서로 연통되고, 상기 믹싱챔버(24a, 24b)에서는 한쪽, 즉 아래쪽으로 편심된 위치에 상기 환원제 공급라인(11b)과 상기 배출라인(21a)이 위치되도록 한다.

한편, 본 발명에 따른 우레아 혼합 장치는 상기 펌핑블록(10), 상기 믹싱블록(20), 상기 배출블록(30)이 직육면체 형태의 블록으로 형성되고, 상기 블록을 드릴링 가공 등을 통하여, 내부에 각종 라인을 형성하거나, 상기 펌프(12), 밸브를 설치하기 위한 공간을 형성한다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 우레아 혼합 장치의 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.

상기 선택적 촉매 환원장치(SCR)로 우레아 수용액을 공급하기 위해서, 차량의 ECU에 의해 상기 펌프(12)가 작동한다. 상기 펌프(12)가 작동하면, 환원제, 즉 우레아 수용액은 우레아 탱크로부터 상기 환원제 유입라인(11a)을 통하여 상기 펌핑블록(10)로 유입된 후, 상기 펌프(12)에 의해 가압되어 상기 환원제 공급라인(11b)으로 배출된다. 상기 환원제 공급라인(11b)은 상기 믹싱챔버(24a, 24b)와 연통되어 있으므로, 상기 우레아 수용액은 상기 환원제 유입라인(11a)으로부터 상기 믹싱챔버(24a, 24b)쪽으로 유동된다.

이때, 상기 솔레노이드 밸브(22)가 개방되면 상기 믹싱챔버(24a, 24b)에서 상기 우레아 수용액과 공기가 혼합된다. 상기 믹싱챔버(24a, 24b)에서는 상기 환원제 공급라인(11b)으로부터 상기 배출라인(21a)으로 우레아 수용액이 유동하고, 상기 믹싱챔버(24a, 24b)에서 직경이 큰 공기챔버(24b)에서 상기 우레아 수용액의 유동의 일측을 향하는 방향으로 공기가 유입되어 직경이 작은 우레아 수용액챔버(24a)에서 상기 우레아 수용액과 상기 공기가 서로 혼합되어, 배출블록 입구홀(32)을 통해 상기 배출라인(21a)으로 유동된다.

한편, 상기 압력센서(14)에서 측정된 압력이 미리 설정된 압력보다 높으면, 상기 ECU는 상기 솔레노이드밸브(15)를 작동시켜 상기 환원제 공급라인(11b)에 있는 우레아 수용액의 일부를 외부로 배출되도록 함으로써, 적정압력을 유지할 수 있다. 또한, 펌프(12)에서 토출되는 우레아 수용액의 압력이 일정압력(예 : 7bar) 이상이면 유로가 막힌 것으로 판단하고 펌프 동작을 중지시키거나 시스템을 차단한다.

10 : 펌핑블록
11a : 환원제 유입라인 11b : 환원제 공급라인
11c : 환원제 리턴라인 12 : 펌프
14 : 압력센서 15 : 다이아프램
16 : 체크밸브 20 : 믹싱블록
21a : 배출라인 24 : 믹싱챔버
21c : 에어 공급라인 21d : 실링홈
21e : 관통공 22 : 솔레노이브밸브
23 : 혼합액 배출구 24 : 믹싱챔버
24a : 공기챔버 24b : 우레아수용액 챔버
30 : 배출블록 32 : 배출블록 입구홀

Claims

차량의 배기관에 설치된 선택적 촉매 환원장치(SCR : Selective Catalytic Reduction)로 우레아 수용액과 공기를 혼합하여 공급하는 우레아 혼합 장치에 있어서,
외부로부터 유입된 우레아 수용액이 유동할 수 있는 환원제 공급라인의 전후로 펌프와 다이아프램이 설치되어, 상기 우레아 수용액을 펌핑제어하는 펌핑블록;
외부로부터 유입된 공기를 개폐하는 솔레노이드 밸브와 상기 공기 및 상기 우레아 수용액을 믹싱하기 위한 믹싱챔버로 이루어진 믹싱블록;
상기 믹싱챔버에서 유입된 상기 공기 및 상기 우레아 수용액를 배출하기 위한 배출블록으로 이루어지고, 상기 펌핑블록, 상기 믹싱블록, 상기 배출블록의 순으로 상하 결합된 3단블록으로된 우레아 혼합 장치.
제1항에 있어서,
상기 펌핑블록의 다이아프램은 상기 믹싱블록의 솔레노이드 밸브와 연동되고, 상기 솔레노이드 밸브의 신호에 따라 공기의 압력에 의해 다이아프램의 작동여부가 결정되는 것을 특징으로 하는 3단블록으로된 우레아 혼합 장치.
제2항에 있어서,
상기 펌핑블록의 공기에 의해 다이아프램이 작동하면 상기 믹싱블록으로 상기 우레아 수용액과 공기가 각각 전달되는 것을 특징으로 하는 3단블록으로된 우레아 혼합 장치.
제2항에 있어서,
상기 펌핑블록의 공기에 의해 다이아프램이 작동하지않으면, 상기 믹싱챔버로 공기가 차단되고, 상기 우레아 수용액은 리턴되는 것을 특징으로 하는 3단블록으로된 우레아 혼합 장치.
제4항에 있어서,
상기 믹싱챔버는 상기 펌핑블록으로부터의 상기 우레아 수용액이 전달되는 우레아 수용액챔버와 상기 믹싱블록에서 공기가 전달되는 공기 챔버로 이루어진 것을 특징으로 하는 3단블록으로된 우레아 혼합 장치.
제5항에 있어서,
상기 우레아 수용액챔버와 상기 공기챔버는 모두 환형으로 유동이 흐르도록 일정반경의 유로를 형성하며 마주보되, 상기 공기챔버로의 일측면으로부터 상기 우레아 수용액챔버의 타측면으로 스훨형성을 위해 대각선 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 3단블록으로된 우레아 혼합 장치.
제6항에 있어서,
상기 공기챔버로부터의 공기가 상기 우레아 수용액챔버의 우레아 수용액과 믹싱되어 배출블록 입구홀을 통해 상기 배출블록으로 유입되어 혼합액 배출구를 통해 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 3단블록으로된 우레아 혼합 장치.