KR101741242B1 - 액체 냉각식 환원제 도징 유닛 - Google Patents

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마이클 제이. 혼비
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Abstract

액체 냉각식 환원 유닛은 디젤 배기 유체(DEF) 분사 밸브를 포함한다. 밸브는 내부에 세장형 챔버를 형성하는 하우징을 포함한다. 밸브는 DEF를 수용하고 DEF를 챔버를 통하여 챔버로부터 강제 유출시키도록 구성되고, DEF는 이후 차량 엔진의 배기 스트림을 향하여 인가된다. 냉각제 재킷은 선택적으로 냉각제로 채워지고, 외측 및 내측을 가진다. 재킷의 내측은 밸브 몸체 길이와 대면하고 밸브 몸체 길이로부터 에어 갭에 의해 이격된다.

Description

액체 냉각식 환원제 도징 유닛{LIQUID COOLED REDUCTANT DOSING UNIT}
본원은 일반적으로 배기시스템, 더욱 상세하게는, 배기시스템 냉각에 관한 것이다.
유럽 및 북미에서 엄격한 배기 기준으로 자동차 메이커들은 차량에서 발생되는 배기가스를 감소시켜야 한다. 이들 배기가스를 감소시키기 위하여 다양한 기술이 개발되었다.
예를 들면, 일부 디젤 엔진은 높은 수준의 질소산화물(NOx) 배출을 보인다. 선택적 촉매 환원(SCR) 방법은 질소산화물을 질소, N2, 및 물, H2O로 변환시키는데 사용된다.
SCR 방법에서, 환원제 이송 유닛(RDU)이 디젤 배기 유체(DEF) 환원제를 엔진의 배기 스트림으로 분사하는데 사용된다. 예를 들면, RDU로 우레아를 배기가스 스트림에 투입하면 다양한 부산물, 예컨대, 이산화탄소 및 물이 형성된다. 암모니아는 바람직한 부산물(bi-product)이고 촉매와 함께 질소산화물(NOx)을 무해한 물 및 질소로 변환시킨다.
RDU는 일부 경우에서 액체 재킷에 의해 액체 냉각되는 DEF 인젝터를 가진다. 차량이 주행하다가 시동이 꺼지면 핫 소크(hot soak) 상태가 발생하고 액체 냉각제는 재킷을 통과하여 흐르지 않는다. 핫 소크 상태에서, 배기시스템의 열은 RDU로 전도된다. 차량이 고부하로 운행된 후 시동이 꺼지면, 이러한 핫 소크로 인하여 냉각제가 비등하여 RDU 내부는 무제한으로 온도가 상승되고 결과적으로 인젝터 내부의 DEF를 과열시킨다. DEF가 과열되면, 경질의 불용성 부산물들이 형성되고 이들은 DEF 인젝터 성능에 부정적인 영향을 미친다.
DEF는 또한 냉각제보다 고온에서 냉각된다. 이러한 상황에서, 재킷 및 밸브 몸체 사이에 밀접한 접촉이 있고, 냉각제 온도가 DEF 어는점보다 낮다면 가온 우레아는 DEF 인젝터를 통하여 이동될 때 냉각될 수 있을 것이다.
이들 문제점을 해결하려는 수준에서, 상기 문제점들은 선행 방법들에 의해 부적절하게 처리되었다. 결과적으로, 일부 사용자는 불만족스럽게 되었다.
본 개시의 보다 완전한 이해를 위하여 하기 상세한 설명 및 첨부 도면들을 참고한다:
도 1은 본 발명의 다양한 실시태양에 의한 배기가스 파이프에 장착되는 액체 냉각식 SCR RDU의 블록도이다;
도 2는 본 발명의 다양한 실시태양에 의한 액체 냉각식 RDU의 등축도이다;
도 3은 본 발명의 다양한 실시태양에 의한 냉각제 재킷/DEF 인젝터 인터페이스의 근접도이고 내부 냉각제 재킷 및 DEF 인젝터 밸브 몸체 사이에 있는 에어 갭(air gap)을 보인다;
도 4는 본 발명의 다양한 실시태양에 의한 액체 냉각식 SCR RDU 및 장치의 열전달 특성의 블록도이다.
기술자들은 도면의 요소들이 간략하고 명확하게 도시된다는 것을 이해할 것이다. 또한 소정의 조치들 및/또는 단계들이 특정 발생 순서에 따라 설명되고 도시되지만 당업자들은 순서와 관련한 이러한 특정은 실제로 필요하지 않다는 것을 이해할 것이다. 또한 본원에 사용된 용어들 및 표현들은 달리 본원에서 특정 의미가 제시되지 않는 한, 상응하는 각자의 탐구 및 연구 분야에서 이러한 용어들 및 표현들에 대하여 통상의 의미를 가지는 것으로 이해하여야 한다.
본 방법은 DEF 인젝터를 냉각제 재킷에서 이격시킴으로써 액체 냉각식 RDU 인젝터의 디젤 배기 연료(DEF) 비등 및 냉각 방지 능력을 증가시킨다. 본 방법은 인젝터 및 냉각제 재킷 사이에서 (예를 들면, 에어 갭에 의해 제공되는) 비-밀접 접촉(non-intimate contact)을 이용함으로써 온도 편위(excursions) 과정에서 인젝터는 냉각제 재킷으로부터 이격이 유지된다.
일 실시예 및 핫 소크 상태에서, 인젝터 내의 DEF는 과열되지 않는다. 냉각제 재킷 내부에서 냉각제 온도가 DEF 어는점 아래로 내려가기에 온도가 충분히 낮아지는 다른 상황에서, 비-밀접 접촉으로 인하여 DEF가 DEF 밸브를 통과할 때 냉각이 방지된다.
이러한 많은 실시태양에서, 액체 냉각식 환원 유닛은 디젤 배기 유체(DEF) 분사 밸브를 포함한다. 밸브는 내부에 세장형 챔버(elongated chamber)를 형성하는 하우징을 포함한다. 밸브는 DEF를 수용하고 DEF를 챔버를 통하여 챔버로부터 강제 유출시키도록 구성되고 DEF는 차량 엔진의 배기 스트림을 향하여 인가된다.
냉각제 재킷은 선택적으로 냉각제로 채워지고 외측 및 내측을 가진다. 재킷의 내측은 밸브 몸체 길이와 대면하고 밸브 몸체 길이로부터 에어 갭에 의해 이격된다.
일부 양태에서, 냉각제 입구는 냉각제를 냉각제 재킷으로 이송한다. 냉각제 출구는 냉각제가 냉각제 재킷 외부로 유출되도록 사용된다.
다른 실시예들에서, DEF 입구는 DEF를 DEF 밸브 내부로 제공한다. DEF는 환원제일 수 있다.
일부 다른 실시예에서, 에어 갭은 핫 소크 상태 하에서 냉각제가 비등되는 것을 방지하는데 효과적이다. 다른 양태들에서, 에어 갭은 밸브 몸체를 통과하는 DEF의 냉각을 방지하는데 효과적이다.
기타 이들 실시태양에서, 차량 배출시스템은 배기 스트림을 발생시키는 엔진을 포함한다. 액체 냉각식 환원 유닛(RDU)이 제공되고 유닛은 디젤 배기 유체(DEF) 분사 밸브를 포함한다. 밸브는 내부에 세장형 챔버를 형성하는 밸브 하우징을 가지고, 밸브는 DEF를 수용하고 DEF를 챔버를 통하여 챔버로부터 강제 유출시키도록 구성된다. 이후 DEF는 차량 엔진의 배기 스트림을 향하여 인가된다.
냉각제 재킷은 선택적으로 냉각제로 채워지고 냉각제 재킷은 외측 및 내측을 가진다. 재킷의 내측은 밸브 몸체 길이와 대면하고 밸브 몸체 길이로부터 에어 갭에 의해 이격된다.
배기가스 파이프는 DEF가 스트림에 분사된 후 배기 스트림을 수용한다. DEF를 스트림으로 분사하면 최소한 하나의 정부 배출 규정을 충족하는 개질 배기 스트림이 형성된다.
도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면 배기가스 파이프에 장착된 하나의 예시적 액체 냉각식 SCR RDU(100)가 기재된다. RDU(100)는 밸브 또는 DEF 인젝터(102)를 포함한다. 밸브 또는 DEF 인젝터(102)의 기능은 환원제(예를 들면, DEF)를 엔진의 배기 스트림에 분사하는 것이다. 밸브(102)는 밸브 몸체(104)를 가진다. DEF 입구(106)는 DEF를 밸브(102)에 공급한다. 냉각제 재킷(108)은 밸브 몸체(104)를 둘러싼다.
냉각제 재킷(108)은 내측(110) 및 외측(112)을 포함한다. 냉각제 입구(114)를 통하여 냉각제(109)가 냉각제 재킷(108) 내부로 흐른다. DEF 인젝터 전원 커넥터(118)가 유닛에 전력을 제공한다. RDU 플랜지, 장착 보스, 및 클램프 구성(120)으로 RDU를 배기가스 파이프(122)에 연결한다. 배기가스 파이프는 엔진(124)에 연결된다. 에어 갭(130)은 냉각제 재킷(108) 내측(110) 및 밸브 몸체(104) 사이에 존재한다. 일 실시예에서, 에어 갭 거리는 대략 0.3mm이다. 다른 이격 거리 실시예들이 가능하다. 냉각제 입구(126)를 통하여 냉각제(109)가 재킷(108) 내부로 흐르고, 냉각제 출구(128)에서 냉각제가 유출된다.
에어 갭(130)은 냉각제 재킷(108)으로부터 밸브(102)를 효과적으로 분리하고 이에 따라 이들 두 요소 간에 비-밀접 접촉(비-접촉 연결)을 형성한다. 유리하게는, 이러한 구성은 냉각제 재킷으로부터 DEF 인젝터를 이격시킴으로써 디젤 배기 연료(DEF)의 비등 및 냉각을 방지하는 인젝터의 성능을 향상시킨다.
도 1-3의 시스템 작동의 일 실시예에서, 냉각제 재킷(108)은 선택적으로 냉각제로 충전된다. 재킷(108) 내측(110)은 밸브 몸체(104) 길이와 대면하고 에어 갭(130)에 의해 밸브 몸체(104) 길이로부터 분리된다. 액체 냉각식 RDU(100)의 정상 작동 과정에서, DEF 인젝터(102)는 재킷(108)(엔진 냉각제가 공급)에 의해 주변 환경으로부터 이격된다. 에어 갭(130)에 의해 제공되는 이러한 이격으로 DEF의 대기압 비등점보다 훨씬 높은 환경에서도 DEF는 대기압 비등 및 열적 분해 온도 이하로 유지된다.
더욱 상세하게는 핫 소크 상태에서, 밸브(102)를 통과하는 DEF는 과열되지 않는다. 냉각제 재킷(108) 내부에서 냉각제 온도가 DEF 어는점 아래로 내려가기에 온도가 충분히 낮아지는 다른 상황에서, 에어 갭(130)에 의해 제공되는 비-밀접 접촉으로 인하여 DEF가 밸브(102)를 통과할 때 DEF 냉각이 방지된다. 본 방법에 의해 제공되는 이러한 이점들이 더욱 이하에 기술된다.
언급된 바와 같이, 차량 시동이 꺼지면 핫 소크 상태가 발생되고 냉각제는 재킷(108)을 통과하여 흐르지 않는다. 핫 소크 상태에서, 본 방법이 적용되지 않는다면 배기시스템의 열은 RDU(100)로 전도된다. 어떠한 조치가 취해지지 않는다면, 차량이 고부하로 운행된 후 시동이 꺼지는 상태에서 이러한 핫 소크로 인하여 냉각제는 비등될 것이고 RDU(100) 내에서 무제한으로 온도가 상승되고 결과적으로 인젝터 내의 DEF는 과열된다. DEF가 과열되면 DEF 인젝터 성능에 부정적 영향을 미치는 경질의 불용성 부산물들이 형성된다.
본 방법은 인젝터 및 냉각제 재킷 사이에 에어 갭(130) 형태로 비-밀접 접촉을 이용하여 온도 편위 과정에서 인젝터(102)를 냉각제 재킷(108)으로부터 분리시키는 것이라는 것을 이해하여야 한다. 핫 소크 상태에서 종래 밀접 접촉 디자인과 비교할 때 내부 물 재킷 표면 및 DEF 인젝터 밸브 몸체(104) 외면 사이에 있는 에어 갭(130)은 인젝터 온도 상승을 상당히 감소시킨다. 소정의 재료가 아닌 에어 갭이 사용되므로, 선행 방법들과 비교하여 본 방법의 비용 및 복잡도는 감소된다.
대안으로 냉각제 재킷(108) 내부에서 냉각제 온도가 DEF 어는점 아래로 내려가기에 온도가 충분히 낮아진다면, RDU(100) 및 DEF 인젝터(102) 사이에 있는 비-밀접 접촉은 바람직하다. DEF는 냉각제보다 더 높은 온도에서 냉각되므로, 밸브 몸체 및 내부 냉각제 재킷(108) 사이에 밀접 접촉이 존재하고 냉각제는 DEF 어는점 아래에 있다면 가온 우레아가 DEF 인젝터(102)를 통과하여 이동하는 동안 냉각되는 상황이 발생된다.
도 4를 참조하면, 시스템의 열전달 특성 예시들이 기술된다. 냉각제 재킷(408)은 밸브(412) 주위로 연장되지만 밸브 몸체로부터 에어 간격(430)에 의해 분리된다.
화살표 크기는 열 전달량을 반영한다. 상대적으로 큰 화살표(402)가 나머지 차량 부분에서 도 4의 구성으로 연장된다. 화살표(402)는 차량으로부터, 몇 가지만 예를 들면, 차량 엔진 또는 임의의 차량 요소들 작동에서 나오는 상대적으로 큰 열 전달량을 나타낸다.
외부로부터 중간 화살표(404)는 냉각제 재킷(408)을 횡단한다. 냉각제 재킷 및 이의 내용물은 화살표(402)로 표시되는 열에너지 일부를 흡수한다. 또한 매우 작은 화살표(406) 또는 무-화살표가 에어 갭(430)을 횡단한다. 작은 화살표(또는 무(no) 화살표)는 본 구성에서 에어 갭의 효과를 나타낸다. 더욱 상세하게는, 에어 갭(430)은 재킷(408)에서 밸브(412)로 열에너지가 전달되는 것을 방지한다(또는 상당히 감소시킨다).
본 발명을 실시하기 위하여 본 발명자들에게 알려진 최선의 상태를 포함하여 본 발명의 바람직한 실시태양들이 본원에 기술되었다. 예시된 실시태양들은 단지 설명을 위한 것이고 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니라는 것을 이해하여야 한다.

Claims (14)

  1. 액체 냉각식 환원 유닛에 있어서,
    디젤 배기 유체(DEF) 분사 밸브로서, 내부에 세장형 챔버(elongated chamber)를 형성하는 밸브 하우징을 가지고, DEF를 수용하고 상기 DEF를 상기 챔버를 통하여 상기 챔버로부터 강제 유출시키도록 구성되고, 상기 DEF가 이후 차량 엔진의 배기 스트림을 향하여 인가되는, 상기 DEF 분사 밸브; 및
    선택적으로 냉각제로 채워지고, 외측 및 내측을 가지는 냉각제 재킷으로서, 상기 내측이 밸브 몸체의 길이와 대면하고 상기 밸브 몸체의 길이로부터 에어 갭에 의해 이격되는, 상기 냉각제 재킷을 포함하고,
    상기 에어 갭은, 상기 DEF가 상기 DEF 분사 밸브를 빠져 나가 상기 차량 엔진의 상기 배기 스트림을 향하여 인가되는 상기 DEF 분사 밸브의 상기 밸브 몸체의 단부의 종방향 길이를 따라 위치하고, 상기 냉각제 재킷의 내측과 상기 밸브 몸체의 단부를 분리시키는, 액체 냉각식 환원 유닛.
  2. 제1항에 있어서, 상기 냉각제를 상기 냉각제 재킷으로 이송하는 냉각제 입구를 더욱 포함하는, 액체 냉각식 환원 유닛.
  3. 제2항에 있어서, 상기 냉각제를 상기 냉각제 재킷 외부로 유출시키는 냉각제 출구를 더욱 포함하는, 액체 냉각식 환원 유닛.
  4. 제1항에 있어서, 상기 DEF를 상기 DEF 분사 밸브로 제공하는 DEF 입구를 더욱 포함하는, 액체 냉각식 환원 유닛.
  5. 제1항에 있어서, 상기 DEF는 환원제인, 액체 냉각식 환원 유닛.
  6. 제1항에 있어서, 상기 에어 갭은 상기 냉각제가 핫 소크 상태(hot soak condition) 하에서 비등하는 것을 방지하는데 효과적인, 액체 냉각식 환원 유닛.
  7. 제1항에 있어서, 상기 에어 갭은 상기 냉각제 재킷 내부에서 냉각제 온도가 DEF 어는점 아래인 경우 상기 DEF의 냉각을 방지하기에 효과적인, 액체 냉각식 환원 유닛.
  8. 차량의 배출시스템에 있어서,
    배기 스트림을 생성하는 엔진;
    액체 냉각식 환원 유닛(RDU)으로서,
    - 디젤 배기 유체(DEF) 분사 밸브로서, 내부에 세장형 챔버를 형성하는 밸브 하우징을 가지고, DEF를 수용하고 상기 DEF를 상기 챔버를 통하여 상기 챔버로부터 강제 유출시키도록 구성되고, 상기 DEF가 이후 차량 엔진의 상기 배기 스트림을 향하여 인가되는, 상기 DEF 분사 밸브;
    - 선택적으로 냉각제로 채워지고, 외측 및 내측을 가지는 냉각제 재킷으로서, 상기 내측이 밸브 몸체의 길이와 대면하고 상기 밸브 몸체의 길이로부터 에어 갭에 의해 이격되는, 상기 냉각제 재킷을 포함하는, 상기 액체 냉각식 환원 유닛(RDU); 및
    상기 DEF가 상기 배기 스트림에 분사된 후 상기 배기 스트림을 수용하는 배기가스 파이프로서, 상기 DEF를 상기 배기 스트림으로 분사하면 최소한 하나의 정부 배출 규정을 충족하는 개질 배기 스트림이 형성되는, 상기 배기가스 파이프를 포함하고,
    상기 에어 갭은, 상기 DEF가 상기 RDU를 빠져 나가 상기 배기가스 파이프를 향하여 인가되는 상기 RDU의 상기 밸브 몸체의 단부의 종방향 길이를 따라 위치하고, 상기 냉각제 재킷의 내측과 상기 밸브 몸체의 단부를 분리시키는, 배출시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 냉각제를 상기 냉각제 재킷으로 이송하는 냉각제 입구를 더욱 포함하는, 배출시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 냉각제를 상기 냉각제 재킷 외부로 유출시키는 냉각제 출구를 더욱 포함하는, 배출시스템.
  11. 제8항에 있어서, 상기 DEF를 상기 DEF 분사 밸브로 제공하는 DEF 입구를 더욱 포함하는, 배출시스템.
  12. 제8항에 있어서, 상기 DEF는 환원제인, 배출시스템.
  13. 제8항에 있어서, 상기 에어 갭은 상기 냉각제가 핫 소크 상태 하에서 비등하는 것을 방지하는데 효과적인, 배출시스템.
  14. 제8항에 있어서, 상기 에어 갭은 상기 냉각제 재킷 내부에서 냉각제 온도가 DEF 어는점 아래인 경우 상기 DEF의 냉각을 방지하기에 효과적인, 배출시스템.
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