KR101780785B1

KR101780785B1 - 가변밸브가 장착된 Urea-SCR 시스템

Info

Publication number: KR101780785B1
Application number: KR1020170094982A
Authority: KR
Inventors: 임동건; 황의태
Original assignee: (주)레오인터내셔널
Priority date: 2017-07-26
Filing date: 2017-07-26
Publication date: 2017-09-21

Abstract

본 발명은 디젤엔진에서 배출되는 질소산화물 저감을 위한 Urea-SCR 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배기관 내에 구비되는 SCR 촉매와, 요소 수용액을 분사하는 Urea 인젝터를 포함하되, 상기 SCR 촉매의 전단과 후단에 각각 온도센서 및 농도센서를 구비하고, 배기가스의 유속 및 유량을 조절하도록 개도량 조절이 가능한 전단가변밸브 및 후단가변밸브를 구비하여 엔진의 운전 조건에 따라 SCR 촉매의 온도제어 및 배기관 내에 분사되는 요소 수용액의 혼합율 개선을 위한 배기가스의 유동을 제어할 수 있는 가변밸브가 장착된 Urea-SCR 시스템에 관한 것이다.

Description

가변밸브가 장착된 Urea-SCR 시스템{UREA-SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION SYSTEM}

최근 환경 오염에 대한 관심이 놓아지면서 가솔린 및 디젤 엔진에서와 같은 내연기관에서 배출되는 배기가스 내의 질소산화물(NOx)을 저감시키고자 하는 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.

특히, 디젤 엔진은 산소 과잉 상태에서 연소되기 때문에 가솔린 엔진에 비하여 NO_x의 배출량이 상당히 많으나 산소 과잉 상태(린번, Lean Burn) 상태로 연소되므로 NO_x의 배출량 제어가 어렵다. 따라서, NO_x 제거 기술로 현재 활발히 적용되고 있는 기술이 Urea(요소)-SCR(Selective Catalytic Reduction)을 적용한 후처리 기술이다.

이러한 종래기술로는 공개특허 제10-2013-0087146호 『UREA-SCR 시스템 장치 및 제어방법』, 등록특허 제10-1707820호 『내연기관의 SCR-배기 가스 후처리 시스템을 제어하기 위한 방법 및 장치』, 등록특허 제10-1670001호 『SCR 시스템에 관한 방법 및 SCR 시스템』, 등록특허 제10-1383296호 『디젤엔진의 NOx 저감용 하이브리드 인젝터 및 이를 구비한 Urea-SCR 시스템』 등이 제시되고 있다.

상기 종래기술과 마찬가지로, Urea-SCR 시스템은 인젝터를 통하여 배기가스 유동 방향으로 요소 수용액을 배기관에 분사하여, 배기관 내의 열에 의해 아래 [반응식 1]에서와 같이 한 분자의 요소가 두 분자로 가수 분해되어 암모니아로 생성된다.

[반응식 1]

(NH₂)2CO + H₂O → 2NH₃ + CO₂

이렇게 생성된 암모니아는 아래 [반응식 2]와 같이 배기가스 중의 질수산화물과 선택적 촉매 환원 반응되어 엔진 외부로는 질소와 물이 배출된다.

[반응식 2]

(1) 4NH₃ + 4NO + O₂ → 4N₂ + 6H₂O (Standard SCR Reaction)

(2) 4NH₃ + 2NO₂ + O₂ → 3N₂ + 6H₂O (Standard SCR Reaction)

(3) 2NH₃ + NO + NO₂ → 2N₂+ 3H₂O (Fast SCR Reaction)

(4) 8NH₃+ 6NO₂ → 7N₂ + 12H₂O (Slower NO₂-Only Reaction)

여기서 Urea-SCR 시스템은 암모니아의 가수분해 및 촉매 환원 반응을 위해서는 고온의 배기가스 온도가 필요하며, 배기가스 온도 250~400℃에서 가장 높은 NO_x 저감효율을 보여준다.

배기가스 온도가 150℃ 수준으로 낮은 경우, 아래 [반응식 3]에서와 같이 NH₄NO₃로 형성되는데, 이는 고형의 물질로 촉매에 고착되어 촉매의 정화 효율 및 수명을 급격히 떨어지게 하는 원인으로 작용한다.

[반응식 3]

2NH₃ + 2NO₂ → NH₄NO₃ + N₂ + H₂O

이와 반대로 촉매의 온도가 400℃ 이상으로 높은 경우에는 아래 [반응식 4]에서와 같이 과산화 반응에 따른 아산화질소가 생성되거나 암모니아가 직접 산화되는 현상이 발생되어 NO_x 저감 효율이 급격히 떨어지게 된다.

[반응식 4]

4NH₃ + 4NO + 3O₂ → 4N₂O + 6H₂O

4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O

앞서 살펴본 바와 같이, Urea-SCR 시스템을 이용한 NOx 저감은 배기가스의 온도에 매우 밀접한 관계를 가지고 있으나, 중-대형 디젤 엔진의 경우에는 저속-저부하 구간에서는 배기가스 온도가 200℃ 미만으로 SCR 촉매 반응을 위한 적정 온도에 도달하지 못하며 고속-고부하 구간의 경우에는 배기가스 온도가 400℃ 이상으로 SCR 촉매의 정화효율 감소와 함께 추가적인 유해 성분이 발생되는 문제점이 있다.

또한, 인젝터를 통해 분사되는 환원제(요소 수용액)는 SCR 촉매에서 암모니아로 분해되어 배기가스 내의 질소산화물과 선택적으로 반응하기 때문에, 환원제의 분해를 위한 분사 구간으로부터 촉매 반응에 필요한 거리 확보 및 배기가스와 분사된 환원제와의 균일한 혼합이 필요하다.

따라서, 배기관 내에 분사되는 과도하게 많은 환원제가 분사되거나, 환원제와 배기가스가 불균일하게 혼합되는 경우, 질소산화물의 선택적 촉매 환원 반응을 일으키지 않은 암모니아가 고온의 촉매 표면에 결정화되어 고착되는 암모니아 슬립(NH₃ Slip) 현상이 발생되거나 배기관을 통해 암모니아 특유의 악취를 동반하여 외부로 배출되게 된다.

결과적으로 Urea-SCR 시스템에서는 촉매로 유입되는 배기가스의 온도 제어와 더불어 인젝터를 통해 분사되는 환원제의 분사량 제어, 배기가스와 분사된 환원제의 균일한 혼합 및 촉매 반응 촉진을 위한 배기가스-환원제 혼합가스의 유동 제어 등 촉매 반응을 위한 분위기 형성이 매우 중요한 요소로 작용한다.

따라서 본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 안출한 것으로서,

배기가스내의 질소산화(NO_x)물 배출량을 저감시키기 위하여 요소수용액과 SCR 촉매가 공급되는 Urea-SCR 시스템에 있어서, SCR 촉매의 전단과 후단에 각각 전단가변밸브와 후단가변밸브를 구비하고 이를 제어하여, 촉매의 적정 온도 범위를 벗어나 NO_x 저감 효율 저하 및 NH₃ Slip 현상이 발생되었을 때, 촉매로 유입되는 배기가스의 유속 및 유동을 제어하여 정화 효율을 제어할 수 있는 Urea-SCR 시스템을 제공함을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 가변밸브를 장착한 Urea-SCR 시스템은

디젤엔진으로부터 배출되는 배기가스에 환원제인 요소수용액과, SCR 촉매가 공급되어 질소산화물 배출량을 저감시키는 Urea-SCR 시스템에 관한 것으로서,

배기가스가 이동하는 배기관 내에 구비되는 SCR 촉매;

상기 배기관 전단에 구비되어, 상기 SCR 촉매로 유입되는 배기가스에 요소 수용액을 분사하는 Urea 인젝터;

상기 SCR 촉매의 전단과 후단에 각각 구비되어 배기가스의 온도를 측정하는 전단온도센서 및 후단온도센서;

상기 SCR 촉매의 전단과 후단에 각각 구비되어 질소산화물의 배출농도를 측정하는 전단농도센서 및 후단농도센서;

상기 SCR 촉매의 전단과 후단의 압력차이를 측정하는 차압센서;

상기 SCR 촉매 전단에 구비되어, 상기 Urea 인젝터로 유입되는 요소수용액과 배기가스를 혼합하는 믹서;

상기 믹서 후단에 구비되어, 상기 요소수용액이 혼합된 배기가스의 유속 및 유동을 제어하는 전단가변밸브;

상기 SCR 촉매 후단에 구비되어, 배출되는 배기가스의 유속 및 상기 SCR 촉매 내부의 압력을 제어하는 후단가변밸브;

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 따른 가변밸브를 장착한 Urea-SCR 시스템은

Urea-SCR 촉매를 통과하는 배기가스의 유속 및 유동을 제어함으로서 기존 중-대형 디젤엔진에서 발생되는 저속(낮은 회전수), 저부하(낮은 출력 구간)에서 발생되는 촉매 활성화 온도 대비 배기가스 온도 저하 문제 및 고속, 고부하 조건에서 발생되는 배기가스 온도 과다 상승에 따른 문제를 해결할 수 있다.

또한, 과다하게 분사된 요소 수용액(환원제) 및 불균일 혼합에 따른 암모니아 슬립이 발생되는 경우 환원제 분사량의 조절과 더불어 전단가변밸브 또는 후단가변밸브 또는 이들 모두의 개도량을 조절하여 믹서에서 1차로 환원제가 혼합된 배기가스를 2차적으로 추가 혼합하여 보다 균일한 혼합기의 형성이 가능하고, 스월을 통한 배기가스의 유동이 활발해져 촉매에서의 선택적 촉매 환원 반응을 가속화 한다.

추가적으로 후단가변밸브를 장착함으로서 환원제가 떨어지거나 Urea-SCR 시스템에 문제 발생 시 촉매에서 배출되는 배기가스의 유량을 제어하여 엔진 출력 제한하는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 Urea-SCR 시스템의 설치도
도 2는 본 발명에 따른 Urea-SCR 시스템의 제어 흐름도
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 Urea-SCR 시스템의 변형례

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 구현예(態樣, aspect)(또는 실시예)들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면에서 동일한 참조부호, 특히 십의 자리 및 일의 자리 수, 또는 십의 자리, 일의 자리 및 알파벳이 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 기능을 갖는 부재를 나타내고, 특별한 언급이 없을 경우 도면의 각 참조부호가 지칭하는 부재는 이러한 기준에 준하는 부재로 파악하면 된다.

또 각 도면에서 구성요소들은 이해의 편의 등을 고려하여 크기나 두께를 과장되게 크거나(또는 두껍게) 작게(또는 얇게) 표현하거나, 단순화하여 표현하고 있으나 이에 의하여 본 발명의 보호범위가 제한적으로 해석되어서는 안 된다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예(태양, 態樣, aspect)(또는 실시예)를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, ~포함하다~ 또는 ~이루어진다~ 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

먼저 본 발명에 따른 가변밸브를 장착한 Urea-SCR 시스템(S)은 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진에서 배출되는 배기가스를 배출하기 위한 배기관(P), 배기가스가 이동하는 배기관(P) 내에 구비되는 SCR 촉매(S1), 상기 배기관(P) 전단에 구비되어, 상기 SCR 촉매(S1)로 유입되는 배기가스에 요소 수용액을 분사하는 Urea 인젝터(S2), 상기 SCR 촉매(S1)의 전단과 후단에 각각 구비되어 배기가스의 온도를 측정하는 전단온도센서(S31) 및 후단온도센서(S32), 상기 SCR 촉매(S1)의 전단과 후단에 각각 구비되어 질소산화물의 배출농도를 측정하는 전단농도센서(S41) 및 후단농도센서(S42), 상기 SCR 촉매(S1)의 전단과 후단의 압력차이를 측정하는 차압센서(S5), 상기 SCR 촉매(S1) 전단에 구비되어, 상기 Urea 인젝터(S2)로 유입되는 요소수용액과 배기가스를 혼합하는 믹서(S6), 상기 믹서(S6) 후단에 구비되어, 상기 요소수용액이 혼합된 배기가스의 유속 및 유동을 제어하는 전단가변밸브(S7), 상기 SCR 촉매(S1) 후단에 구비되어, 배출되는 배기가스의 유속 및 상기 SCR 촉매(S1) 내부의 압력을 제어하는 후단가변밸브(S8)를 포함하여 이루어진다.

각각의 구성에 대하여 보다 상세하게 설명하면,

도면에 도시된 바와 같이, 엔진에서 연결되는 배기관(P)에 각각의 구성요소가 구비되어 있는데, 배기가스의 진행방향을 따라 순서대로 전단온도센서(S31), 전단농도센서(S41), Urea 인젝터(S2), 믹서(S6), 전단가변밸브(S7), SCR 촉매(S1), 후단온도센서(S32), 암모니아센서(S9), 후단가변밸브(S8), 후단농도센서(S42)가 각각 구비되어 있으며, 이들을 제어하기 위한 제어기(D)(DCU)가 별도로 구비되며, 상기 제어기(D)로 운전정보를 전송하는 엔진제어기(E)(ECU)가 연결된 구조를 갖는다.

먼저 상기 SCR 촉매(S1)는 엔진의 배기매니폴드와 연결되는 배기관(P)의 소정 위치에 배치되어 Urea 인젝터(S2)에서 분사되는 요소수용액(환원제)으로부터 가수 분해되어 생성되는 암모니아와 NO_x가 촉매 환원 반응시켜 NO_x를 정화한다.

전단농도센서(S41)는 SCR 촉매(S1) 입구 측, 인젝터와 믹서(S6) 전단에 위치하여 엔진에서 배출되어 촉매로 유입되는 배기가스에 포함된 NO_x 양을 검출한다.

후단농도센서(S42)는 SCR 촉매(S1) 출구 측에 위치하여 SCR 촉매(S1)의 환원 반응을 통해 정화된 배기가스에 포함된 NO_x 양을 검출하여 그에 대한 정보를 제어기(D)에 제공한다.

전단온도센서(S31)는 SCR 촉매(S1) 입구 측에 위치하여 촉매로 유입되는 배기가스의 온도를 검출하여 그에 대한 정보를 제어기(D)에 제공하고, 후단온도센서(S32)는 SCR 촉매(S1) 출구 측에 위치하여 촉매로부터 배출되는 배기가스의 온도를 검출하여 그에 대한 정보를 제어기(D)에 제공한다.

여기서 제어기(D)는 본 발명에 따른 Urea-SCR 시스템(S)의 동작을 제어하는 것으로서, 엔진제어기(E)로부터 획득한 엔진의 회전수 및 부하 등 엔진의 운전 조건을 적용하여, 전단 가변 밸브와 후단 가변 밸브의 기본 밸브 개도량과 전단 NO_x 센서를 통해 측정한 엔진에서 배출되는 NO_x 량을 적용하여 배기관(P)에 인젝터를 통해 분사되는 환원제의 기본 분사량을 결정하는 역할을 한다.

SCR 촉매(S1) 전단의 배기가스 온도, 촉매 후단의 배기가스 온도로부터 촉매 내부의 온도를 예측하고, 예측된 촉매 온도가 SCR 촉매(S1)의 환원을 위한 적정 온도(250~400℃) 범위를 벗어나 최소 온도 이하의 경우 전단가변밸브(S7)의 개도량을 기본 밸브 개도량에서 감소시켜 촉매로 유입되는 배기가스의 유속을 증가시키고 스월을 강화시키며 동시에 후단가변밸브(S8)의 개도량을 기본 밸브 개도량에서 감소시켜 촉매에서 배출되는 배기가스의 유량을 감소시킴으로서, 촉매 내부의 압력을 증가시켜 촉매의 온도를 상승시킨다. 예측된 촉매의 온도가 최대 온도 이상인 경우에는 배기관(P)에 분사되는 환원제의 분사 중지(또는 분사량 감소)와 동시에 후단가변밸브(S8)의 개도량만을 기본 밸브 개도량보다 증가시켜 촉매에서 배출되는 배기가스의 유량을 증가시킴으로서 온도를 낮추도록 한다.

그리고, 후단농도센서(S42)를 통해 최종 NO_x 배출량을 측정하고 전단농도센서(S41)에서 측정한 NO_x 배출량을 적용하여 SCR 촉매(S1)의 실제 NO_x 정화 효율을 산출하고, 환원제의 기본 분사량을 적용하여 산출한 예측된 NO_x 정화 효율의 차이를 계산하여 그 차이가 설정된 기준 값 이상이면 전단가변밸브(S7) 또는 후단가변밸브(S8) 또는 이들 모두의 작동 또는 Urea-SCR 시스템(S)에 이상이 발생한 것으로 판정한다.

상기 전단 및 후단가변밸브(S7)(S8)의 작동 또는 시스템에 이상이 발생한 것으로 판정되면, 암모니아센서(S9)를 통해 검출된 촉매 후단에서의 암모니아 농도를 적용하여 암모니아 슬립 혹은 전단 또는 후단가변밸브(S8) 또는 Urea-SCR 시스템(S)의 기계적인 오류가 발생한 것으로 판정한다.

상기 암모니아 슬립으로 판정되면 배기관(P)에 분사되는 환원제의 분사량 감소와 함께 전단가변밸브(S7) 및 후단가변밸브(S8)의 개도량을 기본 밸브 개도량보다 감소시켜 SCR 촉매(S1) 내부의 온도 및 압력 상승과 스월을 강화시켜 촉매의 환원 반을을 촉진한다. 또한, 기계적인 오류가 발생된 것으로 판정되면, 환원제의 분사를 중단하고 후단배기밸브의 개도량을 감소시켜 엔진의 출력을 제한한다.

상기 실제 NO_x 정화 효율과 제어기(D)에서 예측한 정화 효율의 차이가 설정된 기준값 이내인 경우, 촉매 전단과 후단에서의 압력을 측정하여 압력차가 엔진 회전수 및 부하 조건에 따라 설정된 기준값 이상이면 엔진 출력의 감소를 방지하기 위하여 후단가변밸브(S8)의 개도량을 증가하여 출력 감소를 방지하고, 후단가변밸브(S8)의 개도량을 변경 후 압력차가 변화되지 않으면 후단가변밸브(S8)의 개도량 제어가 오류가 발생한 것으로 판정한다.

아울러 상기 전단 및 후단가변밸브(S7)(S8)는 엔진 회전수 및 부하에 관한 정보를 ECU로부터 CAN 통신을 통해 전달받아, 제어기(D)에서 밸브의 개도량을 각각 산출하면 전기적 신호에 의하여 가변 밸브에 장착된 엑츄에이터가 작동하여 밸브의 개도량을 조정하여, 배기관(P) 내의 배기가스 유속 및 유동을 제어하게 된다.

상기 전단가변밸브(S7)는 4개 이상의 블레이드로 조합되어 제어기(D)에 의해 산출된 개도량에 따라 배기관(P) 내의 배기가스 유로 크기 조절 및 배기가스 유동에 스월을 형성할 수 있는 구조로 밸브의 개도량에 따라 배기가스의 유속 및 스월의 형성을 제어하고, 후단가변밸브(S8)는 1개의 블레이드로 제어기(D)에 의해 산출된 개도량에 따라 배기관(P) 내의 유로 크기를 조절하여 촉매에서 배출되는 배기가스의 유량 및 밸브 전단의 압력을 제어하게 된다.

도 2는 본 발명에 따른 Urea-SRC 시스템의 방법에 관한 블록도를 도시한 것으로서, 도면을 참고하여 설명하면, 먼저 엔진제어기(E)(ECU)로부터 CAN 통신을 통하여 엔진 회전수 및 부하 등의 작동 조건을 검출하여 디젤 엔진의 작동 조건에 따라 전단 및 후단가변밸브(S7)(S8)의 기본 열림 개도량을 결정하고, SCR 촉매(S1) 전단과 후단에 장착된 전단 및 후단온도센서(S31)(S32)의 측정 온도로 촉매의 온도를 산출하여 제어기(D)에 설정된 기준 온도 값과 비교하여 Urea-SCR 촉매(S1)의 활성화 여부를 판단하고 전단가변밸브(S7)와 후단가변밸브(S8)의 개도량을 조정한다.

촉매 전단과 후단에 장착된 전단 및 후단농도센서(S41)(S42)로 측정한 배기가스 중의 NO_x 농도로 Urea-SCR 시스템(S)의 현재 NO_x 정화 효율과 제어기(D)에 설정된 기준 효율과 비교하여 암모니아 슬립을 판정하고 전단가변밸브(S7) 또는 후단가변밸브(S8) 또는 이들 모두를 재조정하며,

상기 전단가변밸브(S7) 또는 후단가변밸브(S8) 또는 이들 모두의 개도량 조정에 따른 촉매 전단과 후단의 압력 차이를 상기 차압센서(S5)를 이용하여 판단하여 설정된 기준값 보다 압력차가 크게 발생되는 경우 후단가변밸브(S8)의 개도량을 조정하여 엔진의 출력 감소를 방지하며, SCR 시스템(S)의 고장 및 오류 판단 시 촉매 후단의 후단가변밸브(S8) 개도량을 조정하여 엔진의 출력을 제한하는 것을 특징으로 한다.

아울러 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 Urea-SRC 시스템의 변형례를 도시한 것으로서, 앞서 언급한 각종 센서(온도센서, 농도센서, 암모니아센서(S9))는 상기 배기관(P)에 결합되어 배기관(P) 내에서 흐르는 배기가스의 온도, 농도 및 암모니아농도를 탐지하도록 구성되는 바, 설명의 편의를 위하여 전단온도센서(S31)를 기준으로 그 결합방법에 대하여 자세히 설명하도록 하며, 각각의 센서에 모두 구비될 수 있으며, 이에 권리범위를 제한 해석해서는 안 된다.

일반적으로 센서를 결합하기 위하여 상기 배기관(P)의 일측에는 내부와 연통되도록 돌출된 조인트(J)가 구비되고, 상기 센서는 상기 조인트(J)에 나사결합되어 견고하게 고정되는 커넥터(C)를 관통하도록 구비되어, 커넥터(C)와 조인트(J)의 나사결합에 의해 센서가 배기관(P) 내부에 위치되도록 한다.

그러나 본 발명은 이러한 나사결합방식이 아닌 별도의 잠금유닛을 통하여 보다 편리하고 견고하게 커넥터(C)와 조인트(J)를 결합시킬 수 있도록 하며, 유지 보수 시 마모된 나사산에 의해 분리가 쉽지 않았던 문제점을 해결하고자 한다.

상기 잠금유닛(B)은 제1 잠금부재(B10)와 제2 잠금부재(B20)가 서로 결합되는 형상으로, 보다 상세하게는 상기 잠금유닛(B)의 상기 제1 잠금부재(B10)와 제2 잠금부재(B20)는 상기 커넥터(C)와 조인트(J) 외면에 각각 서로 대향되도록 복수개로 구비되어, 커넥터(C)와 조인트(J)를 서로 결합, 고정할 때 이 제1 잠금부재(B10)와 제2 잠금부재(B20)를 서로 결합시켜 안정적으로 고정하며, 이 잠금유닛(B)의 동작에 의해 보다 손쉽게 잠금을 해제 할 수 있게 하여 사용의 편의성을 보다 향상시키는 효과를 갖는다.

아울러, 상기 커넥터(C)에는 별도의 패킹부재(M)를 구비하여 커넥터(C)가 조인트(J)에 결합하는 경우, 틈새가 생기는 것을 방지하여 배기가스가 누출되는 것을 방지하는 것이 더욱 바람직하다.

다시 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1 잠금부재(B10)에는 잠금홈(B15)이 형성되고, 상기 제2 잠금부재(B20)에는 상기 잠금홈(B15)에 내삽될 수 있는 잠금돌기(B21)가 구비되어 있으며, 설명의 편의를 위하여 도 4를 기준으로 상, 하, 좌, 우를 정하도록 한다.

상기 제1 잠금부재(B10)와 제2 잠금부재(B20)는 상기 잠금홈(B15)에 잠금돌기(B21)가 내삽되어 고정될 수 있도록 이루어지는 바, 상기 잠금돌기(B21)와 잠금홈(B15)의 보다 안정적인 고정 및 편리한 분리를 위하여 본 발명은 다음과 같은 구조를 제시하고 있다.

먼저, 상기 잠금돌기(B21)에는 제2 마그넷(B22)이 구비되어 있으며, 이 때 상기 제2 마그넷(B22)의 N극이 상부를 향하도록 이루어지게 되며, 상기 잠금돌기(B21)의 좌측 및 우측에도 각각 제5 및 제6 마그넷(B23)(B25)이 상부가 N극을 형성하도록 구비되게 된다.

또한 상기 잠금홈(B15)의 내측, 즉 도면을 기준으로 잠금홈(B15)의 위쪽에는 제1 마그넷(B12)이 구비되어 있는데, 상기 제1 마그넷(B12)은 상기 제1 잠금부재(B10) 내에서 좌우로 슬라이딩 운동 할 수 있게 구비되는 것으로서, 왼쪽은 N극을 형성하고, 오른쪽은 S극을 형성하는 구조로 이루어진다.

따라서 상기 제1 마그넷(B12)의 S극이 잠금홈(B15) 위쪽에 위치하면 상기 잠금돌기(B21)의 제2 마그넷(B22)의 N극과 반응하여 인력이 작용함으로서 잠금상태를 유지하고, 후술하는 동작에 의해 제1 마그넷(B12)의 N극이 잠금홈(B15) 위쪽에 위치하면, 상기 잠금돌기(B21)의 제2 마그넷(B22)의 N극과 척력이 작용하여 잠금상태를 해제할 수 있도록 이루어진다.

즉, 제1 마그넷(B12)과 제2 마그넷(B22)의 인력과 척력에 의해 잠금상태를 유지 또는 해제 할 수 있도록 이루어지는 바, 상기 제1 마그넷(B12)의 슬라이딩 운동을 위하여 상기 제1 마그넷(B12)의 상부에는 잠금바(B11)가 구비되어 있다.

먼저 상기 잠금바(B11)는 내측바(B115)와 상기 내측바(B115) 양측에 상기 내측바(B115)를 내삽하도록 구비되는 제1 돌출바(B111) 및 제2 돌출바(B113)로 이루어지고, 상기 제1 돌출바(B111)의 내측면과 잠금바(B11)의 좌측단부 사이에는 제1 탄성체(B117)가 구비되고, 상기 제2 돌출바(B113)의 내측면과 잠금바(B11)의 우측단부 사이에는 제2 탄성체(B118)가 구비되어 탄성력을 부여할 수 있도록 이루어진다.

또한 상기 제1 돌출바(B111) 하부에는 상기 제1 마그넷(B12)을 밀 수 있는 제1 푸쉬바(B112)가 구비되어 있으며, 상기 제2 돌출바(B113)의 하부에도 상기 제1 마그넷(B12)을 반대방향으로 밀 수 있는 제2 푸쉬바(B114)가 구비되어 있는 것이 특징이다.

이러한 잠금바(B11)가 제1 잠금부재(B10)에 결합되어 동작하는 방법을 도 4를 참고하여 보다 상세하게 설명하면, 먼저 상기 잠금바(B11)는 상기 제1 잠금부재(B10) 내에서 상기 제1 마그넷(B12) 위에 구비되는 것으로서, 양측에 제1 돌출바(B111)와 제2 돌출바(B113)가 제1 잠금부재(B10)로부터 돌출되도록 구비되며, 상기 제1 푸쉬바(B112)가 상기 제1 마그넷(B12)의 좌측에 위치하도록 이루어진다.

이 때 사용자가 제1 돌출바(B111)를 우측으로 푸쉬하면 상기 제1 푸쉬바(B112)가 상기 제1 마그넷(B12)을 우측으로 밀게 되고, 이러한 외압에 의하여 잠금홈(B15) 부분에는 제1 마그넷(B12)의 S극이 위치하다가 N극으로 바뀌게 되며, 이렇게 바뀌면 제1 잠금돌기(B21)의 N극과의 척력으로 인하여, 제1 잠금부재(B10)가 제2 잠금부재(B20)와 자연스럽게 분리되게 된다.

또한 상기 제1 돌출바(B111)는 제1 탄성체(B117)의 탄성력에 의하여 원위치되고, 반대로 잠금돌기(B21)를 다시 잠금홈(B15)에 결합하기 위해서는 상기 제2 돌출바(B113)를 눌러 제1 마그넷(B12)을 제2 푸쉬바(B114)가 밀어 좌측으로 이동시키며, 다시 잠금홈(B15) 위치에 제1 마그넷(B12)의 S극이 위치할 수 있도록 함으로서 제1 마그넷(B12)과 제2 마그넷(B22)의 인력에 의해 잠금돌기(B21)가 잠금홈(B15) 내에서 이탈되는 것을 방지하도록 한다.

또한 상기 제2 돌출바(B113)도 제2 탄성체(B118)에 의해 복원되게 된다.

아울러, 본 발명은 보다 안정적인 결합을 위하여 제3 내지 제6 마그넷(B131)(B141)(B23)(B25)을 더 구비하고 있다.

보다 상세하게는 상기 잠금돌기(B21)의 좌측과 우측에는 제5 마그넷(B23)과 제6 마그넷(B25)을 더 구비하되, 이 제5 마그넷(B23)과 제6 마그넷(B25)은 N극이 상부를 향하도록 이루어지게 된다.

또한 상기 잠금홈(B15) 좌측의 제1 공간부(B14)에는 제3 마그넷(B131)을 구비하고, 상기 잠금홈(B15) 우측의 제2 공간부(B14)에는 제4 마그넷(B141)을 구비하고 있다.

이 때 제3 마그넷(B131)과 제4 마그넷(B141)은 N극과 S극이 모두 구비되는 것으로서, 제3 마그넷(B131)은 상부가 S극을 이루고 하부가 N극을 이루도록 구비되며, 제4 마그넷(B141)은 이와 반대로 상부가 N극을 이루고, 하부가 S극을 이루도록 구성된다.

따라서 도 4[A]에 도시된 바와 같이, 상기 잠금돌기(B21)와 잠금홈(B15)이 결합되면, 제1 공간부(B14)의 제3 마그넷(B131)의 S극이 제1 마그넷(B12)의 N극에 인력에 의해 밀착되어 제1 마그넷(B12)의 이동을 방지하고, 제4 마그넷(B141)의 S극과 제6 마그넷(B25)의 N극의 인력이 작용하여, 제1 마그넷(B12)과 제2 마그넷(B22) 사이의 인력과 함께 보다 더 큰 자력을 형성할 수 있도록 한다.

아울러, 도 4[B] 및 도 4[C]에 도시된 바와 같이, 잠금바(B11)를 동작하여 제1 마그넷(B12)을 우측으로 밀면, 제1 공간부(B14)내의 제1 마그넷(B12)의 N극과 제3 마그넷(B131)의 S극 사이의 인력이 해제되고, 이에 따라 제3 마그넷(B131)의 N극과 제5 마그넷(B23)의 N극 사이의 척력이 발생하여 서로 밀어내게 되고, 제1 마그넷(B12)이 우측으로 이동함에 따라 제1 마그넷(B12)의 S극이 제2 공간부(B14)에 위치하고, 이 때 제1 마그넷(B12)의 S극과 제4 마그넷(B141)의 N극 사이에 인력이 작용하여 제4 마그넷(B141)이 상승함에 따라, 제4 마그넷(B141)과 제6 마그넷(B25) 사이의 인력을 방해함으로서 보다 손쉽게 밀어낼 수 있도록 구성된다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 제1 내지 제6 마그넷(B12)(B22)(B131)(B141)(B23)(B25)의 인력 및 척력에 의한 힘으로, 보다 안정적으로 제1 잠금부재(B10)와 제2 잠금부재(B20)를 결합 고정하고, 보다 편리하게 제1 잠금부재(B10)와 제2 잠금부재(B20)를 분리함으로서 사용의 편의성 및 안정성을 보다 향상시키는 특징을 갖는다.

아울러 이러한 마그넷들의 자성에 영향을 주지 않도록, 상기 커넥터(C)와 조인트(J)는 비자성체이면서 내열성이 높은 스테인리스 재질과 유사한 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

또 이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 형상과 구조 및 구성을 갖는 가변밸브를 장착한 Urea-SCR 시스템을 위주로 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능하고, 이러한 수정, 변경 및 치환은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

S : Urea-SCR 시스템 S1 : SCR 촉매
S2 : Urea 인젝터 S31 : 전단온도센서
S32 : 후단온도센서 S41 : 전단농도센서
S42 : 후단농도센서 S5 : 차압센서
S6 : 믹서 S7 : 전단가변밸브
S8 : 후단가변밸브 S9 : 암모니아센서
D : 제어기 E : 엔진제어기
P : 배기관 J : 조인트
C : 커넥터 M : 패킹부재

Claims

디젤엔진으로부터 배출되는 배기가스에 환원제인 요소수용액과, SCR 촉매가 공급되어 질소산화물 배출량을 저감시키는 Urea-SCR 시스템에 관한 것으로서,
배기가스가 이동하는 배기관 내에 구비되는 SCR 촉매;
상기 배기관 전단에 구비되어, 상기 SCR 촉매로 유입되는 배기가스에 요소 수용액을 분사하는 Urea 인젝터;
상기 SCR 촉매의 전단과 후단에 각각 구비되어 배기가스의 온도를 측정하는 전단온도센서 및 후단온도센서;
상기 SCR 촉매의 전단과 후단에 각각 구비되어 질소산화물의 배출농도를 측정하는 전단농도센서 및 후단농도센서;
상기 SCR 촉매의 전단과 후단의 압력차이를 측정하는 차압센서;
상기 SCR 촉매 전단에 구비되어, 상기 Urea 인젝터로 유입되는 요소수용액과 배기가스를 혼합하는 믹서;
상기 믹서 후단에 구비되어, 상기 요소수용액이 혼합된 배기가스의 유속 및 유동을 제어하는 전단가변밸브;
상기 SCR 촉매 후단에 구비되어, 배출되는 배기가스의 유속 및 상기 SCR 촉매 내부의 압력을 제어하는 후단가변밸브;
를 포함하여 이루어지되,
상기 전단온도센서 및 후단온도센서로 측정된 온도데이터를 분석하여 SCR 촉매 내부의 온도를 250~400℃로 유지하도록 상기 전단 가변밸브 또는 후단가변밸브 또는 이들 모두를 제어하는 제어기;가 더 구비되고,
상기 제어기는
상기 SCR 촉매 내부의 온도가 250℃ 미만인 경우, 전단가변밸브 및 후단가변밸브의 개도량을 줄임으로서 SCR 촉매 내부의 압력을 증가시켜 온도를 상승시키고,
상기 SCR 촉매 내부의 온도가 400℃ 초과인 경우, 상기 Urea 인젝터의 분사량을 감소시키거나 중지시키고, 후단가변밸브의 개도량을 증가시켜 SCR 촉매에서 배출되는 배기가스의 유량을 증가시켜 온도를 낮추는 것을 특징으로 하는 Urea-SCR 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제어기는
엔진제어기로부터 전송받는 운전데이터를 통하여 전단가변밸브와 후단가변밸브 각각의 개도량 및 Urea 인젝터의 요소 수용액의 분사량을 조절하는 것을 특징으로 하는 Urea-SCR 시스템.
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