KR102197457B1 - 환원제 가열에 의한 자동차의 선택적 촉매 환원을 위한 환원제 분배 유닛 - Google Patents

환원제 가열에 의한 자동차의 선택적 촉매 환원을 위한 환원제 분배 유닛 Download PDF

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Abstract

차량용 선택적인 촉매 환원(SCR) 후-처리를 위한 환원제 분배 유닛은 SCR 촉매 변환기 상류의 배기 가스 유동 통로와 관련되는 솔레노이드 작동식 유체 분사기를 포함한다. 유체 분사기는 유체 입구 및 유체 출구를 가진다. 유체 입구는 환원제의 소스를 수용하며 유체 출구는 배기 가스 유동 통로와 연통되어서 유체 분사기가 배기 가스 유동 통로 내측으로의 요소 용액의 분사를 제어한다. 유체 분사기는 환원제를 유체 입구와 유체 출구 사이로 지향시키기 위한 입구 튜브를 가진다. 실드는 유체 분사기에 대해 고정되고 유체 분사기의 적어도 일부분들을 에워싼다. 코일 가열기는 유체 분사기와 일체화되며 활성화시, 입구 튜브를 유도 가열하여 그에 의해 입구 튜브 내의 환원제를 가열하도록 구성되고 배열된다.

Description

환원제 가열에 의한 자동차의 선택적 촉매 환원을 위한 환원제 분배 유닛 {REDUCTANT DELIVERY UNIT FOR AUTOMOTIVE SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION WITH REDUCING AGENT HEATING}
본 발명은 환원제를 엔진 배기 시스템으로 공급하기 위한 환원제 분배 유닛(RDU), 더 구체적으로는 분사 바로 이전에 환원제를 직접적으로 가열하는 RDU에 관한 것이다.
유럽 및 북미의 엄격한 방출물들 규제에 대한 새로운 국면(new round)의 출현은 특히 압축-점화식 (디젤)엔진들, 그리고 린 및 울트라-린(ultra-lean) 상황들 하에서 (보통 직접 분사식으로)작동하는 층상-급기(stratified-charge) 불꽃-점화식 엔진들과 같은 린-번 기술들을 위한 신규한 배기 후-처리 시스템들의 실행을 추진하고 있다. 린-번 엔진들은 린-번 연소의 산소-부화 배기 환경들의 특징을 처리하는 것을 어렵게 하는 높은 수준의 질소 산화물(NOX) 방출물들을 나타낸다. 이들 상황들 하에서 NOX를 처리할 배기 후-처리 기술들이 현재 발전되고 있다. 이들 기술들 중의 하나는 질소(N2)와 물(H2O)을 생성하기 위해서 배기 질소 산화물(NOX)과 암모니아(NH3)의 반응들을 촉진하는 촉매를 포함한다. 이러한 기술은 선택적 촉매 환원(SCR)으로 지칭된다.
암모니아는 자동차 환경에서 그의 순수한 형태로 취급하는 것이 어렵다. 그러므로, 액체의 수성 요소 용액, 통상적으로 32% 농도의 요소 용액[CO(NH2)2]을 사용하는 것이 이들 시스템들에서 관례적이다. 상기 용액은 AUS-32로서 지칭되며, 또한 AdBlue의 그의 상업 명 하에 공지되어 있다. 요소 용액은 고온 배기 스트림으로 분배되고 가열분해(thermolysis)을 겪은 후에 배기 내에서 암모니아로 변형되거나, 열분해를 겪은 후에 암모니아 및 이소시안 산(isocyanic acid)(HNCO)으로 변형된다. 이소시안 산은 그 후에 배기 내에 존재하는 물과의 가수분해를 겪으며 암모니아와 이산화탄소(CO2)로 변형된다. 가열분해과 가수분해로 인한 암모니아는 그 후에 전술한 바와 같이 질소 산화물들과의 촉매 반응을 겪는다.
오늘 날의 제조 시스템들에서, RDU는 통상적으로, 배기 라인 상의 하류 위치에 있는 차량 본체 아래에 장착된다. 이는 SCR 촉매에서 상대적으로 낮은 온도들, 더 긴 라이트-오프 타임들, 및 NOX의 낮은 변환 효율을 초래한다. 낮은 배기 온도들(더 낮은 엔탈피)은 또한, 요소 가열분해 반응의 열 분해를 방해하거나, 가열분해 HNCO 부산물의 경우에 저온들은 또한 가수분해 반응을 방해한다. 그 결과 NOX 환원 반응들에 참여하기 위한 SCR 촉매에서의 과잉의 요소 및/또는 HNCO 그리고 불충분한 양의 암모니아가 존재한다. 이러한 상태의 양호한 예는 SAE 2007-01-1582의 "디젤 요소-SCR 후-처리 시스템들에서의 요소-관련 침전물들에 대한 실험 및 엔진 연구"에 제시되어 있다. 엔진 동력계 데이터는 300 ℃미만의 배기 온도들에서 분사된 요소의 측정가능한 비율이 HNCO 또는 NH3로 변형되지 않은 상태로 유지됨을 보여준다.
대안의 환원제들에 대한 잠재성을 시험하는 산업에서의 활동들이 또한 있다. 이들 환원제들의 몇몇(예를 들어, 구아니디늄 포르메이트)은 요소의 것들보다 더 높은 열분해 온도들을 나타낸다. 이들 대안제들이 실행가능하게 되기 위해서, 이들은 통상적으로, 우회 유동 통로 내에 위치되는 전용 개질기 내에서 주 배기가스의 예열을 끌 것을 요구한다. 그와 같은 하나의 접근법에 대한 설명이 SAE 2012-01-1078의 "고효율 DeNOX를 위한 3세대 SCR NH3-직접 주입 시스템의 발전"에 제공된다. 시동 단계 중에, 이들 개질기의 설계개념들은 통상적으로, 암모니아로 캐리어들의 변형을 위한 적절한 상황들을 보장하기 위해서 우회 가스 유동의 전기 가열 및 가수분해 반응 촉매들의 사용에 의존한다.
따라서, 엔진 시동 후에 분사의 조기 개시를 허용하기 위해서 분사 바로 이전에 RDU 내부에서 환원제를 직접적으로 가열함으로써, NOX 방출물들을 더욱 감소시킬 필요가 있다.
본 발명의 목적은 위에서 언급된 필요성들을 만족시키는 것이다. 본 발명의 원리들에 따라서, 이러한 목적은 차량들용 선택적인 촉매 환원(SCR) 후-처리를 위한 환원제 분배 유닛을 제공함으로써 달성된다. 환원제 분배 유닛은 SCR 촉매 변환기 상류의 배기 가스 유동 통로와 관련되도록 구성되고 배열되는 솔레노이드 작동식 유체 분사기를 포함한다. 유체 분사기는 유체 입구 및 유체 출구를 가진다. 유체 입구는 환원제의 소스를 수용하도록 구성되고 배열되며 유체 출구는 배기 가스 유동 통로와 연통되도록 구성되고 배열되어서 유체 분사기가 배기 가스 유동 통로 내측으로의 환원제의 분사를 제어한다. 유체 분사기는 환원제를 유체 입구와 유체 출구 사이로 지향시키기 위한 입구 튜브를 가진다. 실드(shield)는 유체 분사기에 대해 고정되고 유체 분사기의 적어도 일부분들을 에워싼다. 코일 가열기는 유체 분사기와 일체화되며 활성화시, 입구 튜브를 유도 가열하여 그에 의해 입구 튜브 내의 환원제를 가열하도록 구성되고 배열된다.
설명된 실시예의 다른 양태에 따라서, 선택적인 촉매 환원(SCR) 후-처리를 위해 차량의 배기 가스 유동 통로로 환원제를 분배하는 방법은 솔레노이드 작동식 유체 분사기를 SCR 촉매 변환기 상류의 배기 가스 유동 통로와 관련시킨다. 유체 분사기는 유체 입구 및 유체 출구를 가진다. 유체 입구는 환원제 소스를 수용한다. 유체 출구는 배기 가스 유동 통로와 연통한다. 유체 분사기는 환원제를 유체 입구와 유체 출구 사이로 지향시키기 위한 입구 튜브를 가진다. 환원제는 입구 튜브 내부에 있는 동안 가열된다. 유체 분사기는 그 후 가열된 환원제를 배기 가스 유동 통로의 내측으로 분사하도록 작동된다.
본 발명의 다른 목적들, 특색들 및 특징들뿐만 아니라, 구조물의 관련 요소들의 작동 방법들 및 기능들, 부품들의 조합 및 제작의 경제성이 첨부 도면들을 참조한 다음의 상세한 설명 및 첨부된 특허청구범위의 고려시 보다 더 자명해질 것이며, 이 모든 것은 본 명세서의 일부를 이룬다.
본 발명은 동일 참조 부호들이 동일한 부품들을 지칭하는 첨부 도면들과 함께 취해진, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 다음의 상세한 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 실시예에 따라 제공된 RDU의 사시도이며,
도 2는 도 1의 RDU의 단면도이며,
도 3은 도 2의 RDU의 입구 단부의 확대도이며,
도 4는 도 2의 RDU의 출구 단부의 확대도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른, 총체적으로 도면 부호 10으로 나타낸 RDU가 도시되어 있다. RDU(10)는 그 내용들이 본 명세서에 인용에 의해 포함되는, 미국 특허 출원 공개 번호 2008/0236147 A1호에 설명된 형태의 시스템에 사용될 수 있다.
RDU(10)은 유체의 계량 기능을 제공하고 주입 용례에서 차량의 배기 가스 유동 통로(11)의 내측으로 유체의 분무 준비를 제공하는 솔레노이드 유체 분사기(12)를 포함한다. 따라서, 유체 분사기(12)는 SCR 촉매 변환기(13)의 상류에 있는 배기 가스 유동 통로(11)와 관련되도록 구성되고 배열된다. 유체 분사기(12)는 바람직하게, 그 내용들이 본 명세서에 인용에 의해 포함되는, 미국 특허 제 6,685,112 호에 설명된 형태와 같은 가솔린, 전기 작동식 솔레노이드 연료 분사기이다. 따라서, 제 1 전자기 코일(15)(도 2)은 전기 커넥터(17(도 1)를 통한 활성화시 종래의 방식으로 유체 분사기(12)를 작동시킨다.
유체 분사기(12)는 내부 캐리어(14)의 내측에 배치된다. 총체적으로 도면 부호 16으로 나타낸 입구 컵 구조물은 입구 컵(18) 및 입구 컵(18)과 일체거나 그에 커플링되는 입구 커넥터(20)를 포함한다. 입구 커넥터(20)는 분사기(12)의 입구(22)를 형성한다. 입구 커넥터(20)는 분사기(12)의 출구(24)로부터 분사되도록 입구 튜브(23)를 통해서 분사기(12)로 이송되는 요소 용액과 같은 환원제(21) 소스와 연통된다. 따라서, 입구 튜브(23)는 요소 용액을 유체 입구(22)와 유체 출구(24) 사이로 지향시킨다.
분사기 실드(26)는 그 실드(26)가 분사기(12)에 대해 고정되도록 분사기 캐리어(14)에 커플링된다. 실드(26)는 분사기(12)의 적어도 일부분을 둘러싸며 이 분사기를 분무된 그래벌(gravel)과 같은 환경적 요인들, 고압 워터 젯들, 스플래시(splash)들 등으로부터 격리시킨다. 실드(26)는 또한, RDU(10)에 구조적 지지체를 제공한다. 개구(27)들은 유체 분사기(12)의 공기 냉각을 위해 실드(26)를 관통해 제공된다.
요소 용액은 입구(22)를 통해 이송되고 솔레노이드 유체 분사기(12)로 압력 하에서 분배된다. 요소 용액은 계량되고 시트(30)(도 3)에 대한 솔레노이드 작동식 밸브(28)의 운동으로 인해 종래의 방식으로 출구(24)에서 분사기(12)를 빠져나간다. RDU(10)는 플랜지(32)에 의해, 바람직하게 볼트(도시 않음)들에 의해 배기 시스템에 장착된다. 물론, 클램핑 또는 다른 기계식 접합 기술들과 같은 다른 장착 방법들이 사용될 수 있다.
실시예에 따라서, 요구시 그리고 분사 이전에 요소 용액을 가열하기 위해서 유도 코일 가열기(34)가 솔레노이드 분사기(12)에 제공된다. 유도 코일 가열기(34)가 전기 커넥터(17)에 인가되는 전력을 통해 전기식으로 작동된다. 따라서, 활성화시 코일 가열기(34)는 전자기 장을 제공하여 분사기 입구 튜브(23)를 유도 가열하고 따라서 입구 튜브 내부의 요소 용액을 가열한다. 분사 바로 이전의 그와 같은 요소 용액의 가열은 엔진 시동 후의 분사의 조기 개시를 허용하며, 그에 의해 NOX 방출물들을 더욱 감소시킨다.
분사기(12)를 고정 위치에 유지하기 위해서, 분사기 바닥 정지부(40)(도 3) 및 압축가능한 상부 정지부(42)(도 4)가 제공된다. 바닥 정지부(40)는 RDU(10)의 작동 중에, 비-금속 바닥 정지부(40)에 대해 분사기를 보유하기 위해 포지티브 유체 압력이 분사기(12)에 작동할 수 있도록 유체 출구(24) 근처의 분사기 단부에 대해 구성되고 배열된다. 도 3의 실시예는 분사기 선단부 쪽으로 입구 튜브(23)의 측면에 용접 비드(weld bead)를 야기하며, 그에 의해서 얇은 벽의 하우징(46)에 대해 직접적으로 더 낮은 O-링 글랜드(gland)(44)를 설치하는 것을 비현실적이게 하는, 분사기(12)의 제작과 관련된 문제점을 해결한다. 그러나, 바닥 정지부의 제거를 허용하는 이러한 문제점을 해결하는 다른 실시예들이 본 발명의 범주 내에 있다는 것이 인정된다.
유순한, 바람직하게 탄성중합체의 상부 정지부(42)는 조립 중에, 또는 진동 유도로 바닥 정지부(40)에서 분사기(12)를 들어올리기에 충분한 경우에, 입구 컵(18)과 분사기 입구 튜브(23)의 플랜지(48) 사이의 금속 대 금속 접촉에 대해 보호하도록 의도된 것이다. 상부 정지부(42)의 2차 기능은 작동 유체에 대한 제 1 밀봉 배리어를 제공하는 것이다.
유체 가열기(34)의 작동은 통상적으로, 중앙 제어 유닛(도시 않음)에 인코딩된 알고리즘들을 통해서 엔진 작동 상황들에 의해 결정되는 대로 요구에 따라 작동한다. 분사 지점에서 RDU(10)의 직접적인 가열은 더 효율적인 열 전달 및 바람직한 환원제의 제조를 초래한다.
요소 용액이 환원제(21)로서 설명되었지만, 구아니디늄 포르메이트와 같은 다른 환원제들이 사용될 있다고 이해될 수 있는데, 이는 환원제(21)가 이제 분사시 가열되기 때문이다.
전술한 바람직한 실시예들이 본 발명의 구조적 및 기능적 원리들을 예시할 뿐만 아니라 바람직한 실시예들을 사용하는 방법들을 예시할 목적들을 위해 도시되고 설명되었으며 이들 실시예들은 그와 같은 원리들로부터 이탈함이 없이 변경될 수 있다. 그러므로, 본 발명은 다음의 특허청구범위의 사상 내에 내포되는 모든 수정들을 포함한다.

Claims (20)

  1. 차량용 선택적인 촉매 환원(SCR) 후-처리를 위한 환원제 분배 유닛으로서,
    전자기 코일(electromagnetic coil)을 가지며, SCR 촉매 변환기 상류의 배기 가스 유동 통로와 관련되도록 구성되고 배열되는, 솔레노이드 작동식 유체 분사기와,
    상기 유체 분사기에 대해 고정되고, 상기 전자기 코일을 포함하는 상기 유체 분사기의 적어도 일부분들을 에워싸는, 실드, 및
    상기 유체 분사기와 일체화되고 상기 전자기 코일과 별개로 분리되어 있고, 활성화시 입구 튜브를 유도 가열하여 그에 의해 입구 튜브 내의 환원제를 가열하도록 구성되고 배열되는, 코일 가열기를 포함하며,
    상기 유체 분사기는 유체 입구 및 유체 출구를 가지며, 상기 유체 입구는 환원제의 소스를 수용하도록 구성되고 배열되며 상기 유체 출구는 배기 가스 유동 통로와 연통되도록 구성되고 배열되어서, 상기 유체 분사기의 상기 전자기 코일의 작동으로 배기 가스 유동 통로 내측으로의 환원제의 분사를 제어하며, 상기 유체 분사기는 환원제를 유체 입구와 유체 출구 사이로 지향시키기 위한 입구 튜브를 가지는,
    차량용 선택적인 촉매 환원(SCR) 후-처리를 위한 환원제 분배 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 분사기는 입구 컵 및 튜브 커넥터를 포함하며, 상기 튜브 커넥터는 유체 입구를 형성하는,
    차량용 선택적인 촉매 환원(SCR) 후-처리를 위한 환원제 분배 유닛.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 입구 컵의 일부와 상기 입구 튜브의 일부 사이에 접촉을 방지하도록 입구 컵의 일부와 입구 튜브의 일부 사이에 압축가능한 정지부를 더 포함하는,
    차량용 선택적인 촉매 환원(SCR) 후-처리를 위한 환원제 분배 유닛.
  4. 제 3 항에 있어서,
    작동 중에 포지티브 유체 압력을 유체 분사기에 작용시켜 제 2 정지부에 대해(against) 유체 분사기를 보유하도록, 유체 출구를 향하는(facing), 유체 분사기의 단부에 대해 구성되고 배열되는 제 2 정지부를 더 포함하는,
    차량용 선택적인 촉매 환원(SCR) 후-처리를 위한 환원제 분배 유닛.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 압축가능한 정지부는 환원제용 밀봉 배리어를 제공하도록 구성되고 배열되는,
    차량용 선택적인 촉매 환원(SCR) 후-처리를 위한 환원제 분배 유닛.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 실드는 유체 분사기의 공기 냉각을 위한, 실드를 관통하는 복수의 개구들을 포함하는,
    차량용 선택적인 촉매 환원(SCR) 후-처리를 위한 환원제 분배 유닛.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 분배 유닛을 배기 가스 유동 통로에 장착하도록 구성되고 배열되는 플랜지를 더 포함하는,
    차량용 선택적인 촉매 환원(SCR) 후-처리를 위한 환원제 분배 유닛.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 입구로 이송되는 환원제의 소스와 조합되는,
    차량용 선택적인 촉매 환원(SCR) 후-처리를 위한 환원제 분배 유닛.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 환원제는 요소 용액인,
    차량용 선택적인 촉매 환원(SCR) 후-처리를 위한 환원제 분배 유닛.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 환원제는 구아니디늄 포르메이트인,
    차량용 선택적인 촉매 환원(SCR) 후-처리를 위한 환원제 분배 유닛.
  11. 선택적인 촉매 환원(SCR) 후-처리를 위해 차량의 배기 가스 유동 통로로 환원제를 분배하는 방법으로서,
    전자기 코일을 갖는 솔레노이드 작동식 유체 분사기를 SCR 촉매 변환기 상류의 배기 가스 유동 통로와 관련시키는 단계;
    상기 전자기 코일을 포함하는 상기 유체 분사기의 적어도 일부분 주위에 실드를 제공하는 단계;
    상기 전자기 코일과는 다른 열원으로 입구 튜브 내부에 있는 동안 환원제를 가열하는 단계; 및
    가열된 환원제를 배기 가스 유동 통로의 내측으로 분사하도록 유체 분사기를 작동시키는 단계를 포함하며,
    상기 유체 분사기는 유체 입구 및 유체 출구를 가지며, 상기 유체 입구는 환원제 소스를 수용하며, 상기 유체 출구는 배기 가스 유동 통로와 연통하며, 상기 유체 분사기는 환원제를 유체 입구와 유체 출구 사이로 지향시키기 위한 입구 튜브를 가지는,
    선택적인 촉매 환원(SCR) 후-처리를 위해 차량의 배기 가스 유동 통로로 환원제를 분배하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 유체 분사기는 입구 컵 및 튜브 커넥터를 포함하며, 상기 튜브 커넥터는 환원제 소스를 수용하는 유체 입구를 형성하는,
    선택적인 촉매 환원(SCR) 후-처리를 위해 차량의 배기 가스 유동 통로로 환원제를 분배하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 입구 컵의 일부와 상기 입구 튜브의 일부 사이에 접촉을 방지하도록 입구 컵의 일부와 입구 튜브의 일부 사이에 압축가능한 정지부를 제공하는 단계를 더 포함하는,
    선택적인 촉매 환원(SCR) 후-처리를 위해 차량의 배기 가스 유동 통로로 환원제를 분배하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    작동 중에 포지티브 유체 압력을 유체 분사기에 작용시켜 제 2 정지부에 대해(against) 유체 분사기를 보유하도록, 유체 출구를 향하는(facing), 유체 분사기의 단부와 관련되는 제 2 정지부를 제공하는 단계를 더 포함하는,
    선택적인 촉매 환원(SCR) 후-처리를 위해 차량의 배기 가스 유동 통로로 환원제를 분배하는 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 압축 가능한 정지부가 환원제용 시일을 제공하는 것을 보장하는 단계를 더 포함하는,
    선택적인 촉매 환원(SCR) 후-처리를 위해 차량의 배기 가스 유동 통로로 환원제를 분배하는 방법.
  16. 삭제
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 실드가 유체 분사기의 공기 냉각을 가능하게 하는 것을 보장하는 단계를 더 포함하는,
    선택적인 촉매 환원(SCR) 후-처리를 위해 차량의 배기 가스 유동 통로로 환원제를 분배하는 방법.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 관련시키는 단계는 상기 유체 분사기를 배기 가스 유동 통로에 장착하기 위해 플랜지를 사용하는 단계를 포함하는,
    선택적인 촉매 환원(SCR) 후-처리를 위해 차량의 배기 가스 유동 통로로 환원제를 분배하는 방법.
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 환원제는 요소 용액인,
    선택적인 촉매 환원(SCR) 후-처리를 위해 차량의 배기 가스 유동 통로로 환원제를 분배하는 방법.
  20. 제 11 항에 있어서,
    상기 환원제는 구아니디늄 포르메이트인,
    선택적인 촉매 환원(SCR) 후-처리를 위해 차량의 배기 가스 유동 통로로 환원제를 분배하는 방법.
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