KR101927787B1 - 동결 수용 구조체를 갖는 선택적 촉매 환원용 환원제 주입 유닛 - Google Patents

동결 수용 구조체를 갖는 선택적 촉매 환원용 환원제 주입 유닛 Download PDF

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Abstract

차량의 선택적 촉매 환원(SCR) 후처리를 위한 환원제 주입 유닛(10')은, 유체 입구(24) 및 유체 출구(25)를 갖는 유체 인젝터(12)를 포함하며, 유체 입구는 유체 출구를 통해 보내질 요소 용액의 공급원을 수용한다. 이동 가능한 입구 컵 구조체(16')는 유체 인젝터의 입구와 연통한다. 차폐부(18')는 유체 인젝터에 대해서 고정되며, 유체 인젝터 및 입구 컵 구조체의 적어도 부분들을 둘러싼다. 스프링(26)은 입구 컵 구조체의 일부분과 차폐부 사이에 결합된다. 요소 용액이 유체 인젝터에서 동결되어 인젝터의 유체 입구 근방에서 팽창할 때, 입구 컵 구조체는, 인젝터 입구를 향해 이동되어 동결된 요소 용액을 수용하며, 스프링은 일단 동결된 요소 용액이 용융되면 입구 컵 구조체를 초기 위치로 복귀시킨다.

Description

동결 수용 구조체를 갖는 선택적 촉매 환원용 환원제 주입 유닛{REDUCTANT DELIVERY UNIT FOR SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION WITH FREEZE ACCOMMODATION STRUCTURE}
본 발명은 엔진 배기 시스템에 환원제(reductant)를 공급하는 환원제 주입 유닛(reductant delivery unit : RDU)에 관한 것이며, 보다 구체적으로는, 동결시에 요소 얼음(urea ice)의 팽창을 수용하는 RDU에 관한 것이다.
유럽 및 북아메리카에서 엄격한 배기가스 법제정의 뉴라운드의 출현은, 특히 압축-점화(디젤) 엔진과 같은 린번(lean-burn) 기술을 위한 새로운 배기 후처리 시스템과, 희박 그리고 초희박(ultra lean) 조건하에서 작동하는 층상-급기(stratified-charge) 불꽃-점화 엔진(통상적으로 직접 분사)의 실행을 추진한다. 린번 엔진들은 린번 연소의 산소-풍부 배기 환경 특성에서 처리하기 어려운 높은 레벨의 질소산화물(NOx) 배출물을 나타낸다. 배기 후처리 기술들은 이들 조건 하에서 NOx를 처리할 수 있도록 현재 개발되어 있다. 이들 기술들 중 하나는 배기 질소산화물(NOx)과 암모니아(NH3)의 반응을 촉진시켜서 질소(N2) 및 물(H2O)을 생성시키는 촉매제를 포함한다. 이러한 기술은 선택적 촉매 환원(Selective Catalytic Reduction : SCR)이라고 한다.
암모니아는 자동차 환경에서 그의 순수 형태로 취급하기에는 곤란하다. 따라서, 이들 시스템들은 전형적으로 32% 농도의 요소 용액(CO(NH2)2)인 수성의 액체 요소 용액을 사용하는 것이 통상적이다. 이 용액은 AUS-32라고 불리며, 또한 AdBlue의 상업적 명칭으로 알려져 있다. 요소 용액은 고온 배기 스트림으로 주입되며, 방열 또는 열분해가 이뤄진 후에 배기시 암모니아로 변환되어 암모니아 및 이소시안산(HNCO)으로 변환된다. 다음에, 이소시안산은 배기시에 존재하는 물과 가수분해되어, 암모니아 및 이산화탄소(CO2)로 변환된다. 다음에, 방열 및 가수분해로부터 야기되는 암모니아는 상술된 바와 같이 질소산화물과 촉매 반응한다.
AUS-32 또는 AdBlue의 동결점은 -11℃이다. Denoxium으로서 시중에 공지된 개발중인 변환 환원제 캐리어는 -30℃의 동결점을 갖는다. 유체 양자 모두의 경우에, 한랭 기후에서 시스템 동결이 발생할 것으로 예상된다. 이들 유체들은 수성이기 때문에, 고체 상태(얼음)로 전이된 후에 용적 팽창이 발생한다. 이러한 팽창하는 얼음은 분사 또는 유체 공급 파이프와 같은 임의의 봉입된(enclosed) 체적에 상당한 힘을 부과할 수 있다. 종래의 SCR 시스템에 있어서, 유체는 엔진 셧다운시에 시스템 및 RDU로부터 배출되어, 분사 유닛에서 유체의 국부적 동결을 회피한다. 그러나, 일부 요소 용액 얼음이 유닛 내에 형성될 수 있다. 예를 들면, 도 1을 참조하면, 일괄적으로 도면부호 10으로 표시된 RDU는 인테리어 캐리어(14)에 용접된 유체 인젝터(12)를 포함한다. 입구 컵 구조체(16)는 차폐부(18)에 고정된다. 이들 2개의 조립체들은 플랜지(20)의 슴베들(tangs)을 캐리어(14) 및 차폐부(18)의 선반 특징부 상으로 아래로 접음으로써 함께 크림핑결합된다(crimped). 그 결과, 전체 조립체는, 크림프(crimp) 및 차폐부-대-컵 구조체 고정의 강한 억제부 내에서 함께 고정된다.
요소 용액 얼음이 유닛 내에 형성되는 경우에, 인젝터(12)의 입구를 팽창시키는 경향이 있다. 다음에, 얼음은 입구 컵 구조체(16) 상에 힘을 부과한다. 인젝터(12)의 필터 및 조정 튜브와 같은 내부 인젝터 구성요소들 상에 반응력이 부과된다. 조정 튜브가 이러한 힘에 의해 이동되거나 또는 달리 손상된다면, 인젝터는 정확하게 조정된 값으로 유체 흐름을 더 이상 허용하지 않으며, 그 결과 시스템 오기능을 야기시킨다. 다른 내부 손상은 예를 들면 인젝터(12)의 변환을 야기시키며, 그로 인해 전기자 스티킹(armature sticking) 개방을 유도하고, 또한 시스템 오기능을 야기한다.
따라서, 또한 RDU가 동결시에 요소 용액 얼음의 팽창을 수용하는 것을 허용할 필요성이 있다.
본 발명의 목적은 상술한 필요성을 충족시키는 것이다. 본 발명의 원리에 따르면, 이러한 목적은 차량의 선택적 촉매 환원(SCR) 후처리를 위한 환원제 주입 유닛을 제공함으로써 성취된다. 환원제 주입 유닛은 SCR 촉매 컨버터의 상류의 배기 가스 흐름 경로와 관련되도록 구성 및 배열된 유체 인젝터를 포함한다. 유체 인젝터는 유체 입구 및 유체 출구를 구비한다. 유체 입구는 요소 용액을 수용하도록 구성 및 배열되며, 유체 출구는 배기 가스 흐름 경로 내로의 요소 용액의 분사를 제어하기 위해서 배기 가스 흐름 경로와 연통하도록 구성 및 배열되어 있다. 이동 가능한 입구 컵 구조체는 유체 인젝터의 유체 입구와 유체 연통되어 있다. 차폐부는 유체 인젝터에 대해서 고정되고, 유체 인젝터 및 입구 컵 구조체의 적어도 부분들을 둘러싼다. 스프링은 입구 컵 구조체의 일부분과 차폐부 사이에 결합된다. 요소 용액이 상기 유체 인젝터에서 동결되어 인젝터의 유체 입구 근방에서 팽창될 때, 입구 컵 구조체는, 인젝터 입구를 향해 스프링의 바이어스에 대항하여 이동하고 동결된 요소 용액을 수용하도록 구성 및 배열되며, 스프링은 일단 동결된 요소 용액이 용융되면 입구 컵 구조체를 초기 위치로 복귀시킨다.
개시된 실시예의 다른 양태에 따르면, 차량의 선택적 촉매 환원(SCR) 후처리를 위한 환원제 주입 유닛에서 동결 요소 용액을 수용하는 방법은 SCR 촉매 컨버터의 상류의 배기 가스 흐름 경로와 관련되도록 구성 및 배열된 유체 인젝터를 구비하는 환원제 주입 유닛을 제공한다. 유체 인젝터는 유체 입구 및 유체 출구를 구비한다. 유체 입구는 요소 용액을 수용하도록 구성 및 배열되며, 유체 출구는 배기 가스 흐름 경로 내로의 요소 용액의 분사를 제어하기 위해서 배기 가스 흐름 경로와 연통하도록 구성 및 배열되어 있다. 또한, 유닛은 유체 인젝터의 유체 입구와 유체 연통하는 입구 컵 구조체를 구비한다. 요소 용액이 유체 인젝터에서 동결되어 인젝터의 유체 입구 근방에서 팽창될 때, 입구 컵 구조체가 인젝터 입구를 향해 이동되는 것을 허용하여 동결된 요소 용액을 수용한다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 특성뿐만 아니라 작동 방법 및 구조체의 관련 요소들의 기능들, 부분의 조합 및 제조 경제성은 첨부 도면을 참조한 하기의 상세한 설명 및 첨부된 특허청구범위를 고려하면 보다 명료해질 것이며, 첨부 도면 전부는 본 명세서의 일부분을 형성한다.
본 발명은 첨부 도면과 관련하여 이뤄진 본 발명의 바람직한 실시예의 하기 상세한 설명으로부터 보다 잘 이해될 수 있으며, 첨부 도면에서 유사한 도면부호는 유사한 부품을 가리키고 있다.
도 1은 종래의 RDU의 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따라 제공된 RDU의 도면으로서, 동결 수용 구조체가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 RDU가 일괄적으로 도면부호 10'로 표시되어 있다. RDU(10')는 미국 특허 출원 공보 제 2008/0236147 A1 호에 개시된 형태의 시스템에서 이용될 수 있으며, 이에 의해 상기 공보의 내용은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.
RDU(10')는, 유체의 계량(metering) 기능을 제공하고 그리고 약액주입(dosing) 분야에서 차량의 배기 경로 내로 유체의 스프레이 제제(preparation)를 제공하는 솔레노이드 유체 인젝터(12)를 포함한다. 따라서, 유체 인젝터(12)는 SCR 촉매 컨버터의 상류의 배기 가스 흐름 경로와 관련되도록 구성 및 배열된다. 바람직하게, 유체 인젝터(12)는 미국 특허 제 6,685,112 호에 개시된 형태와 같은 가솔린, 전자 작동형 솔레노이드 연료 인젝터이며, 이에 의해 상기 공보의 내용은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.
유체 인젝터(12)는 인테리어 캐리어(14)에 용접된다. 일괄적으로 도면부호 16'로 표시된 입구 컵 구조체는 컵(22)과, 이 컵(22)과 일체인 입구 튜브(23)를 포함한다. 컵 구조체(16')는 인젝터(12)의 입구(24)와 유체 연통되어 있고, 또한 이동을 위해 장착된다. 입구 튜브(23)는 인젝터(12)의 출구(25)로부터 분사되어 인젝터(12)에 공급되는 요소 용액의 공급원(도시하지 않음)과 연통되어 있다. 인젝터 차폐부(18')는, 플랜지(20)의 슴베들(tangs)을 캐리어(14) 및 차폐부(18')의 선반 특징부 상으로 아래로 접음으로써 인젝터 캐리어(14)에 결합된다. 따라서, 차폐부(18')는 인젝터(12)에 대해서 고정된다.
상술된 종래의 RDU에서와 같이 유체를 퍼징하는 대안예로서, 유체는 셧다운시에 RDU(10')를 떠날 것이며, 이에 의해 퍼징 작동에 대한 필요성을 제거한다. 요소 용액의 동결시에 RDU(10')의 손상을 방지하기 위해서, 본 실시예에 따르면, 컵(22)의 외부 표면(27)과 인젝터 차폐부(18')의 내부 표면(28) 사이에서 스프링(26)이 결합된다. 바람직하게, 스프링(26)은 압축 원추형(compression conical) 코일 스프링이다. 차폐부(18')는 컵(22)과, 인젝터(12)의 적어도 일부분을 둘러싸며, 또한 이들 구성요소를 차량의 배기의 과도한 열로부터 차단한다. 차폐부(18')는 내부 표면(28)을 규정하는 플랜지 부분(29)을 포함하며, 상기 내부 표면은 컵(22)의 외부 표면(27)에 면한다. 입구 튜브(23)는 컵(22)에 인접하게 배열되는 확대된 튜브 형태의 일체형 가이드 부분(30)을 포함한다. 차폐부(18')는 개방 단부들을 갖는 중공의 원통형 가이드 수용 부분(32)을 포함한다. 가이드 수용 부분(32)은 가이드 부분(30)의 둘레(periphery)의 일부분을 둘러싸, 가이드 수용 부분(32)이 이하에서 보다 상세하게 설명될 수 있는 바와 같이, 차폐부(18')에 대해서 입구 컵 구조체(16')의 수직방향 운동을 안내한다. 따라서, 도 1의 RDU(10)와 달리, 본 실시예의 RDU(10')는 입구 컵 구조체(16')와 차폐부(18') 사이의 고정부를 제거한다.
요소 용액이 동결되어 화살표(A)의 방향으로 컵(22)에 힘을 부과할 때, 컵(22)은 인젝터 입구(24)를 향해 그리고 스프링(26)의 바이어스에 대항하여 이동되는 것을 허용하며, 스프링(26)은 점진적으로 압축된다. 컵(22)의 이동은 차폐부(18')의 가이드 수용 부분(32)에서 활주하는 가이드 부분(30)에 의해 안내된다. 예상되는 컵(22)의 상방 이동량은 인젝터(12) 내의 유체의 체적의 함수이다. 스프링(26)은 이러한 최대 변위를 수용하는 크기로 되어 있다. 다음에, 이러한 최대 변위에서 스프링(26)의 힘은 인젝터 O링(34) 및 컵(22) 인터페이스에 의해 공급되는 임의의 마찰 저항을 극복하기에 충분한 힘을 제공하는 크기로 되어 있다. 따라서, 컵(22)은, 유체가 용융되고 그리고 얼음의 힘(ice force)이 제거될 때, 스프링(26)에 의해 초기 위치로 복귀된다.
스프링(26) 및 제거 가능한 입구 컵 구조체(16')가 RDU의 인젝터(12)에서 유체의 모든 동결을 수용한다는 것이 상정될 수 있다.
상술한 바람직한 실시예들은, 본 발명의 구조적 및 기능적 원리를 예시할 뿐만 아니라 바람직한 실시예들을 적용하는 방법을 예시하기 위한 목적으로 도시되고 설명되었으며, 이러한 원리로부터 벗어남이 없이 변경이 가해질 수 있다. 따라서, 본 발명은 하기의 특허청구범위의 사상 내에 포함되어 있는 모든 변경예를 포함한다.

Claims (18)

  1. 차량의 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction : SCR) 후처리를 위한 환원제 주입 유닛에 있어서,
    SCR 촉매 컨버터의 상류의 배기 가스 흐름 경로와 관련되도록 구성 및 배열되고, 유체 입구 및 유체 출구를 구비하는 유체 인젝터로서, 상기 유체 입구는 요소 용액을 수용하도록 구성 및 배열되며, 상기 유체 출구는 배기 가스 흐름 경로 내로의 상기 요소 용액의 분사를 제어하기 위해서 배기 가스 흐름 경로와 연통하도록 구성 및 배열되어 있는, 유체 인젝터와,
    상기 유체 인젝터의 유체 입구와 유체 연통되고, 이동을 위해 장착된 입구 컵 구조체와,
    상기 유체 인젝터에 대해서 고정되고, 상기 유체 인젝터 및 상기 입구 컵 구조체의 적어도 부분들을 둘러싸는 차폐부(shield)와,
    상기 입구 컵 구조체의 일부분과 상기 차폐부 사이에 결합된 스프링을 포함하며,
    요소 용액이 상기 유체 인젝터에서 동결되어, 상기 요소 용액이, 상기 유체 인젝터의 유체 입구의 반대편에 있는 상기 유체 인젝터의 단부보다 상기 유체 인젝터의 유체 입구에 더 가까운 위치에서, 팽창할 때, 상기 입구 컵 구조체는, 상기 유체 입구를 향해 상기 스프링의 바이어스에 대항하여 이동하고 동결된 요소 용액을 수용하도록 구성 및 배열되며, 상기 스프링은 일단 동결된 요소 용액이 용융되면 상기 입구 컵 구조체를 초기 위치로 복귀시키고,
    상기 입구 컵 구조체는 컵, 및 상기 컵과 일체인 입구 튜브를 포함하며, 상기 컵은 스프링에 의해 결합된 입구 컵 구조체의 부분을 규정하는 외부 표면을 구비하고,
    상기 차폐부는 상기 컵의 외부 표면에 면한 내부 표면을 규정하는 플랜지 부분을 구비하며, 상기 내부 표면은 상기 스프링에 의해 결합되고,
    상기 입구 튜브는 상기 컵과 일체로 구성되는 가이드 부분을 포함하며, 상기 차폐부는 상기 가이드 부분의 일부분을 둘러싸는 가이드 수용 부분을 포함하여 입구 컵 구조체의 이동을 안내하고,
    상기 컵은 상기 유체 인젝터의 일부를 둘러싸고,
    상기 환원제 주입 유닛은 상기 컵의 내부 표면과 상기 유체 인젝터의 외부 표면 사이에 O링을 추가로 포함하며, 상기 스프링은 상기 O링과 상기 컵의 인터페이스 사이의 마찰 저항을 극복하기에 충분한 힘을 제공하도록 구성 및 배열되어, 일단 동결된 요소 용액이 용융되면 상기 입구 컵 구조체를 초기 위치로 복귀시키는,
    환원제 주입 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스프링은 압축 코일 스프링인 것을 특징으로 하는,
    환원제 주입 유닛.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 스프링은 원추형 코일 스프링인 것을 특징으로 하는,
    환원제 주입 유닛.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가이드 수용 부분은 개방 단부들을 갖는 중공 실린더의 형태이며, 상기 가이드 부분은 상기 중공 실린더 내의 이동을 위해 수용된 튜브의 형태인 것을 특징으로 하는,
    환원제 주입 유닛.
  5. 차량의 선택적 촉매 환원(SCR) 후처리를 위한 환원제 주입 유닛에 있어서,
    SCR 촉매 컨버터의 상류의 배기 가스 흐름 경로와 관련되도록 구성 및 배열되고, 유체 입구 및 유체 출구를 구비하는 유체 인젝터로서, 상기 유체 입구는 요소 용액을 수용하도록 구성 및 배열되며, 상기 유체 출구는 배기 가스 흐름 경로 내로의 상기 요소 용액의 분사를 제어하기 위해서 배기 가스 흐름 경로와 연통하도록 구성 및 배열되어 있는, 유체 인젝터와,
    상기 유체 인젝터의 유체 입구와 유체 연통되고, 이동을 위해 장착된 입구 컵 구조체와,
    상기 유체 인젝터에 대해서 고정되고, 상기 유체 인젝터 및 상기 입구 컵 구조체의 적어도 부분들을 둘러싸는 차폐부(shield)와,
    상기 입구 컵 구조체를 바이어스시키기 위한 수단을 포함하며,
    요소 용액이 상기 유체 인젝터에서 동결되어, 상기 요소 용액이, 상기 유체 인젝터의 유체 입구의 반대편에 있는 상기 유체 인젝터의 단부보다 상기 유체 인젝터의 유체 입구에 더 가까운 위치에서, 팽창할 때, 상기 입구 컵 구조체는, 상기 바이어스시키기 위한 수단의 바이어스에 대항하여 상기 유체 입구를 향해 이동하고 동결된 요소 용액을 수용하도록 구성 및 배열되며, 상기 바이어스시키기 위한 수단은 일단 동결된 요소 용액이 용융되면 상기 입구 컵 구조체를 초기 위치로 복귀시키고,
    상기 입구 컵 구조체는 컵, 및 상기 컵과 일체인 입구 튜브를 포함하며, 상기 컵은 상기 입구 컵 구조체를 바이어스시키기 위한 수단에 의해 결합된 입구 컵 구조체의 부분을 규정하는 외부 표면을 구비하고,
    상기 차폐부는 상기 컵의 외부 표면에 면한 내부 표면을 규정하는 플랜지 부분을 구비하며, 상기 내부 표면은 상기 입구 컵 구조체를 바이어스시키기 위한 수단에 의해 결합되고,
    상기 입구 튜브는 상기 컵과 일체로 구성되는 가이드 부분을 포함하며, 상기 차폐부는 상기 가이드 부분의 일부분을 둘러싸는 가이드 수용 부분을 포함하여 입구 컵 구조체의 이동을 안내하고,
    상기 컵은 상기 유체 인젝터의 일부를 둘러싸고,
    상기 환원제 주입 유닛은 상기 컵의 내부 표면과 상기 유체 인젝터의 외부 표면 사이에 O링을 추가로 포함하며, 상기 바이어스시키기 위한 수단은 상기 O링과 상기 컵의 인터페이스 사이의 마찰 저항을 극복하기에 충분한 힘을 제공하도록 구성 및 배열되어, 일단 동결된 요소 용액이 용융되면 상기 입구 컵 구조체를 초기 위치로 복귀시키는,
    환원제 주입 유닛.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 바이어스시키기 위한 수단은 상기 입구 컵 구조체의 일부분과 상기 차폐부 사이에 결합된 압축 코일 스프링인 것을 특징으로 하는,
    환원제 주입 유닛.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 스프링은 원추형 코일 스프링인 것을 특징으로 하는,
    환원제 주입 유닛.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가이드 수용 부분은 개방 단부들을 갖는 중공 실린더의 형태이며, 상기 가이드 부분은 상기 중공 실린더 내의 이동을 위해 수용된 튜브의 형태인 것을 특징으로 하는,
    환원제 주입 유닛.
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