KR20020034199A - 환원제 도우징용 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

촉매적 배기 가스 처리 분야에서 사용되는 환원제, 특히 요소 또는 요소 수용액을 도우징하기 위한 장치로서, 환원제를 저장하기 위한 탱크, 상기 탱크로부터 분사 밸브까지 환원제를 수송하기 위한 펌프를 구비하며, 상기 분사 밸브를 통해 환원제는 믹싱 챔버 내에 제공될 수 있고, 상기 탱크, 펌프 및 분사 밸브는 탱크와 펌프 사이의 제 1 라인 및 펌프와 분사 밸브 사이의 제 2 라인을 포함하는 라인 시스템을 통해 서로 연결되며, 상기 장치는 상기 제 2 라인으로부터 분기하며 상기 탱크로 피드백되고 제어 가능한 환기 순환계를 포함한다.

Description

환원제 도우징용 장치 및 방법{Device and method for metering a reducing agent}
최근 계속적으로 더 낮게 책정된 오염 물질 한계치로 인해, 내연 기관의 배기 가스의 처리를 위한 다수의 장치와 방법이 개발되고 있다. 예컨대 질소 산화물 변환을 위한 환원제로서 요소 및/또는 암모니아를 사용하는 촉매 변환기 시스템에 의해 효율 좋은 배기 가스 처리 시스템이 사용될 수 있다.
배기 가스 중 질소 산화물 성분을 감소시키기 위해, 특히 디젤 엔진을 위한 환원 촉매 변환기가 개발되었는데, 이들 촉매 변환기는 일반적으로 요소 도우징 시스템이 사용되는 소위 SCR(Selective Catalytic Reduction, 선택적 촉매 환원) 촉매 변환기 및 저장 촉매 변환기로 분류된다. 소위 SCR 촉매 변환기는 요소- 및/또는 암모니아 환원제 공급에 의해 재생되는 반면, 소위 저장 촉매 변환기는 소위 배기 가스 오일상으로 함께 이송된 내연 기관-연료의 탄화 수소에 의해 재생된다.
유럽 출원 EP A 0381236으로부터 디젤 엔진의 배기 가스 중의 질소 산화물을제거하기 위해 암모니아를 환원제로서 도우징하는 시스템이 알려져 있다. 더욱 이 시스템에서는 배기 가스의 압력을 저하시키는 터보 차저가 설치된다. 사용될 요소 수용액은 압력 공기에 의해 도우징된다.
독일 출원 DE A 44 41 261로부터 내연 기관의 배기 가스를 처리하는 장치가 공지되어 있는데, 여기에는 촉매 변환기의 성능이 도우징 장치를 통해 개선되어야 한다. 상기 도우징 장치는 최소량 도우징 양변위 펌프로 구성되어 있는데, 이 펌프는 원통형 회전 바디 상에 홈 형의 나사산을 포함하고, 공급 성능을 변경시키기 위해서 회전 바디는 가변 회전 속도로 구동된다. 배기 가스 시스템으로의 환원제 공급은 바람직하게는 특성 곡선에 따라, 즉 배기 가스의 량 및/또는 조성물에 따라 이루어진다.
통상적 도우징 시스템의 경우, 에어로졸을 생성하기 위해 예컨대 믹싱 챔버를 구비한 환원제 탱크에 연결된 환원제 라인 시스템에서의 압력 변동에 의해 도우징 정확도(효능)가 결정되는 것이 공지되어 있다.
본 발명은, 제 1 항의 전제부에 따라, 촉매적 배기 가스 처리 분야에서 사용되는 환원제, 특히 요소 또는 요소 수용액을 도우징하기 위한 장치 및 제 4 항의 전제부에 따른 상응된 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 개략적 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 장치에 의해 실행될 수 있는 시동 단계를 도시하기 위한 흐름도.
도 3은 본 발명에 따른 장치에 의해 실행될 수 있는 통기 단계의 흐름도.
도 4는 본 발명에 따른 장치에 의해 실행될 수 있는 시동 단계의 흐름도.
본 발명의 목적은 통상적인 도우징 시스템에 비해서 보다 정확하게 환원제 를 도우징하는 것이다.
상기 목적은 제 1 항의 특징을 갖는 장치 및 제 4 항의 특징을 갖는 방법에 의해 해결된다.
도우징 정확도 변동은 환원제 내에 발생하는 기포에 기인한다는 것이 확인되었다. 본 발명에 따라, 통상적 환원제 라인 시스템을 추가적으로 제어 가능하고조절 가능한 환기 순환계에 의해 구성할 것이 제시된다. 상기 환기 순환계는 환원제 라인 시스템의 활성적인 환기 및 그와 함께 예컨대 펌프의 신속한 시동을 가능하게 한다. 믹싱 챔버가 환원제로 충진되게 하는 도우징- 및 분사 밸브를 통한 제어되지 않은 환기는 방지될 수 있다. 수송 펌프에 작용하는 배압이 환기에 의해 방지될 수 있음으로써, 펌프 시동 및 펌프 작동이 또한 개선될 수 있다.
본 발명에 따른 장치 및 본 발명에 따른 방법의 유리한 실시예는 종속항의 대상이다.
바람직하게는 제어 가능한 환기 순환계는 클록으로 제어 가능한 환기 밸브를 갖는다. 상기의 환기 밸브는 간단한 방법으로 조종될 수 있고 실제로 견고하고 신뢰성 있는 부품인 것으로 증명되었다.
바람직하게 환기 밸브는 2/2-방향 밸브로 구성된다.
본 발명의 바람직한 실시예는 첨부 도면에 의해 더 자세히 설명된다.
도 1에 도시된 장치들은 배기 가스 촉매 변환기 처리의 분야에서 사용되는환원제를 도우징하기 위한 시스템이다. 도시된 시스템에서 환원제는 믹싱 챔버 내에 도입되고, 상기 믹싱 챔버에서는 에어로졸을 제조하기 위해 압력 공기가 공급되며 처리하고자 하는 배기 가스 내에 유입된다. 공기 공급 시스템 및 촉매적 처리를 위한 성분들은 공지되어 있으므로 본 출원의 대상이 아니다. 본 출원은 환원제 공급 시스템에 관한 것이다. 하기의 설명에서는 환원제로서 요소 수용액이 예시적으로 사용되어 있고, 이 수용액은 단순화를 위해 요소로 지칭된다.
도 1에서는 요소 탱크가 1로 도시되어 있는데, 상기 탱크로부터 요소 수용액은 체크 밸브(2)가 있는 요소 라인(1a) 및 필터 스크린으로서 제시된 필터(3)를 통해 수송 펌프(4)에 의해 흡인되고 압력 조정기 또는 압력 감쇠기(5) 및 추가의 체크 밸브(6)를 갖는 제 2 요소 라인(1b)을 통해 (도시되지 않은) 믹싱 챔버의 도우징- 또는 분사 밸브에 수송된다. 도우징 밸브(분급 밸브)(7)는 필요한 요소 수용액을 믹싱 챔버의 믹싱 공간 내에 도우징한다. 경우에 따라 발생하는 과류는 압력 조정기(5) 및 체크 밸브(8)를 통해 귀환 라인(1c)을 따라 요소 탱크(1) 내로 복귀될 수 있다. 환원제 라인(1b) 내의 압력은 압력 센서(9)에 의해 결정될 수 있으며 압력 변동이 교정될 수 있다(분사량 교정).
상기 펌프(4)와 도우징 밸브(7) 사이, 특히 압력 조정기(5)와 도우징 밸브(7) 사이에는, 추가의 요소 라인(1d)이 분기되어 있고, 이 분기 라인에는 환기 밸브(10) 역할을 하는 2/2-방향 밸브에 의해 액체가 공급될 수 있다. 요소 라인(1d)은 이미 언급된 귀환 라인(1c) 내로 합해진다.
상기 환기 밸브(10)는 클록으로 제어 될 수 있다.
상기 환기 밸브(10)를 적당히 제어함에 의해 도우징 밸브(7)에 공급되는 요소의 환기가 수행될 수 있어, 전체적으로 통상적 방법에 비해 높은 도우징량 정확도가 달성된다. 펌프(4)에 가해지는 요소 순환계 내 배압은 통상적 방법에 비해 감소될 수 있고 따라서 펌프(4)는 비교적 낮은 펌프 동력으로 작동될 수 있다. 즉 환기 밸브(10)를 상응 제어함에 의해 바이패스 역할을 하는 라인(1d)을 개방함으로써, 통상적 방법에 비해서는 더 신속한 도우징 개시가, 동시에 시스템의 사용 수명은 더 길어지면서 보장될 수 있다.
요소 도우징 시스템의 믹싱 챔버 내에도 배치될 수 있는 환기 밸브(10)는 (도시되지 않은) 제어 논리에 의해 제어될 수 있다. 상기와 같이 환기 밸브(10)가 개방됨으로써 시스템 내의 배압은 하강한다. 따라서 배압은 펌프(4)에 의해 보다 쉽게 극복될 수 있고 이로써 결과적으로 동력 소비는 작아지고 펌프(4)의 전체 출력은 보다 낮게 된다. 환기 밸브(10)는 엔진 및 배기 가스 촉매 처리부의 여러 작동 상태 중 작동될 수 있는 것으로, 시동 기간 동안 만이 아니라 운전 중에도 작동될 수 있으므로 동적 환기가 보장될 수 있다.
도 2 내지 4의 흐름도에 따라 도시된 도우징 시스템의 바람직한 제어 방법 또는 방법이 더 자세히 설명된다.
도 2에는 본 발명에 의한 도우징 시스템의 개시 방법(최초 시동)이 도시되어 있다. 단계(101)에서는 상기 공정의 초기화를 위한 개시 시간(ta)이 결정된다.
후속하는 단계(102) 중, 시간(twait2) 동안에 경우에 따라 작동 능력(예컨대 제어 논리에 의한 제어 가능성)에 대한 시스템의 성분들의 점검이 행해진다. 이어서 단계(103)에서는 펌프(4)의 회전 속도가 최소치(RPMmin)를 초과하는지 또는 그렇지 못한지가 판정된다. 최소치를 초과할 때에는, 요소 라인(1b)의 압력이 요소 도우징 시스템의 정상적 기능 진행을 위해 충분한 것으로 간주되는 사전 조절 가능 시스템 압력(압력 Pok)에 도달했는지 못했는지가 판정된다. 상기 압력(Pok)에 도달했으면 흐름도는 여기에 도시되지 않은 정상 기능 경로의 흐름도로 분기한다.
그러나 요소 라인(1a)에서의 압력이 상기 압력(Pok)에 도달되지 못했으면, 환기 밸브(10)(도 2 내지 4의 흐름도에서는 EV로 표시됨)가 일정 시간(tbetr) 동안 개방된다(단계 105). 후속하는 단계(106)에서는 밸브(10)가 다시 폐쇄된다. 밸브(10)의 개방과 폐쇄는 라인(1b)을 환기(관의 공기를 제거)하는 역할을 한다. 이때 요소 라인(1b)에서의 과도하게 낮은 압력은 기포의 존재에 기인하는 것으로 간주된다. 밸브(10)를 개방하고 이어서 폐쇄함으로써 우선은 추가로 압력이 낮아지며 동시에 환기되고 따라서 원칙적으로 요소 라인 내의 높은 압력은 조절될 수 있다. 단계(106)에서 밸브를 폐쇄한 후 요소 라인(1a) 내에 충분한 압력이 형성될 수 있는지를 결정하기 위해, 우선 단계(107)에서는 압력 형성 시간(ta) 동안 대기한다. 여기서 압력 형성 시간(ta)은 원하는 시스템 압력에 도달할 때까지 증분적으로 연장된다. 원하는 시스템 압력 또는 요소 라인(1a) 내의 압력이 조절되는 시간(ta)은 단계(108)에서 사전 조절 가능 시간(설정 시간)(tdef2)과 비교된다. 압력 형성시간(ta)이 이 시간(tDef2) 보다 작다는 것이 확정되면, 단계(104)로 분기 복귀하고 상기 단계에서는 라인(1b) 내 압력이 값(Pok) 보다 큰지가 결정된다. 만약 압력이 상기 값보다 크다면, 이미 설명된 일반적인 제어 방법으로의 분기가 행해진다.
그러나 단계(108)에서 압력 형성 시간(ta)이 시간(tDef2) 보다 크다는 것이 확정되면, 단계(109)에서 환기 시스템(밸브(10))은 차단되고, 단계(110)에서는 환기가 불가능한, 시스템 오류가 확인된다.
상기 단계(103)에서 펌프(4)의 펌프 회전 속도가 값(RPMmin) 아래에 있다는것이 확정되면, 단계(111)로 분기 이동되어 상기 단계에서는 전체적으로 요소 도우징 시스템이 스위칭 오프된다. 후속 단계(112)에서는 엔진 결함에 대한 인식이 행해진다.
도 3에서는, 요소 도우징 시스템의 정상 작동 중 동적 환기를 실시하기 위한 흐름도가 도시되어 있다. 여기에서는 우선 단계(201)에서 요소 압력이 한계치(PGrenz) 보다 작은지 그렇지 않은지의 여부가 판정된다. 요소 압력이 상기 한계치 보다 작지 않으면, 단계(202)에서는 환기가 불필요한 것을, 즉 환기 압력이 0과 동일하게 세팅될 있는 것을 결정한다.
그러나 요소 압력이 한계치(PGrenz) 보다 작으면, 단계(203)에서는 필요한 환기 압력(P Ent)이 환기 압력 한계치(PEntGrenz)를 초과하는지의 여부가 결정된다. 상기 한계치가 초과되면, 즉 극히 심한 압력 감소 하에서의 환기가 요구되면, 단계(206)에서는 시스템을 환기할 수 없다는 오류가 인식된다.
그러나 필요한 환기 압력이 상기 한계치 이상이라는 것이 결정되면, 환기 밸브(10)를 일정 시간(tBel) 동안 개방 조정한다. 후속 단계(205)에서는 이때에 필요한 환기 압력(P Ent)이 결정되고 이어서 단계(201)로 분기 복귀하여(경우에 따라서는 압력 형성 시간을 고려한 가운데) 요소 압력이 한계치(PGrenz) 미만인지의 여부가 다시 결정된다.
도 4에는 끝으로 예컨대 엔진 시동시에 수행되는 시동 방법이 표시되어 있다. 여기에는 에어로졸 생성을 위해 요소 시스템과 상호 작용하는 압력 시스템의 조종을 위한 방법 및 가열 시스템도 고려되어 있다. 가열 방법에 관해서는 일반적으로 사용되는 요소 용액은 약 섭씨 -11도 부근의 온도에서는 동결하기 때문에 이 온도 이하에서는 가열 시스템의 조작이 필요하다는 점을 유의해야 할 것이다.
단계(301)에서는 드로틀 밸브(7)가 차단되고 후속 단계(302)에서는 펌프(4)가 스위칭 오프된다. 단계(303)에서는 압력 공기가 스위칭 온되고 단계(304)에서는 압력 형성 시간에 대한 0점이 정의된다. 단계(305)에서, 압력 시스템의 공기 압력이 소정 한계치, 예컨대 1 바아를 초과하는 것이 확정되면, 가열 시간 및 환기 밸브(10)의 조작 시간에 관한 0점이 설정된다(단계(309)).
그러나 단계(305)에서 압력 공기가 소정된 값을 초과하지 않는 것이 결정되면, 단계(306)에서는 원하는 압력을 형성하기 위한 시간(tDL)이 한계치(tDLGrenz)를 초과하는지의 여부가 결정된다. 이 한계치가 초과되면, 압력 공기가 존재하지 않는다고 결정된다(단계(308)). 시간(tDL)이 한계치를 초과하지 않으면 단계(307)에서 시간(tDL)은 한 증분만큼 상승되고(tDL+) 단계(305)에서는 다시 압력이 소정치를 초과하는지의 여부가 결정된다.
압력이 시간(tDLGrenz)의 경과 전에 소정치를 초과하면, 시스템은 상기와 같이 단계(309)로 분기되어, 환기 밸브(10) 및 가열 시스템에 대한 조작 시간은 0에 설정된다.
후속하는 단계(310)에서는 대기 시간(twait1)) 동안 소정 시간 대기한다. 후속 단계(311)에서는 시스템 및 요소 탱크가 너무 저온에 있는지의 여부가 결정된다. 너무 저온인 경우에는, 가열 시스템이 활성화되고 단계(322)에서는 필요한 가열 시간(tHeiz)이 소정 한계치(tHeizGrenz)를 초과했는지의 여부가 결정된다. 이 한계치가 초과되면 가열부가 기능을 발하지 않는다고 인식한다(단계(323)). 시간(tHeizGrenz)이 아직 도달되지 않았으면, 가열 시간은 한 증분 상승되고(tHeiz+) 그런 뒤 시스템은 단계(310 및 311)로 분기 복귀된다. 단계(311)에서 요소 탱크 또는 시스템이 충분한 온도를 가졌다는 것이 확실해지면, 가열 시스템에 대한 시동 방법은 종결되고 시스템은 단계(312)로 분기되고 거기에서는 요소 압력이 최소치(Hmin) 미만인지의 여부가 결정된다. 최소치 아래에 있지 않은 경우, 단계(317)에서는 환기 밸브의 조작 시간이 한계치(tEVGrenz)를 초과했는지의 여부가 결정된다. 초과한 경우이면, 단계(320)에서는 환기 밸브(10)가 결함이 있다고 인식한다. 초과한 경우가 아니라면, 단계(318)에서는 시간 구간(tEVauf) 동안 환기 밸브는 개방된다. 후속 단계(319)에서 조작 시간(tEV)은 한 증분 상승되고(tEV+), 이로써 시스템은단계(312)가 분기 복귀된다.
단계(312)에서 요소 압력이 최소 압력(HDmin) 보다 작다는 것이 인식되면, 단계(313)에서는 요소 탱크가 비어있는지의 여부가 점검된다. 비어있는 경우에는 단계(322)에서 빈 탱크인 것이 인식된다. 비어있지 않은 경우에는 단계(314)에서 펌프(4)가 스위칭 온 되고, 그 후 단계(305)에서는 이미 상기한 개시 방법이 시작되고 이어서 시스템의 정상 작동이 수행된다(단계(316)).

Claims (5)

  1. 촉매적 배기 가스 처리 분야에서 사용되는 환원제, 특히 요소 또는 요소 수용액을 도우징하기 위한 장치로서, 환원제를 저장하기 위한 탱크(1), 상기 탱크(1)로부터 분사 밸브(7)까지 환원제를 수송하기 위한 펌프(4)를 구비하며, 상기 분사 밸브를 통해 환원제는 믹싱 챔버 내에 제공될 수 있고, 상기 탱크(1), 펌프(4) 및 분사 밸브(7)는 탱크(1)와 펌프(4) 사이의 제 1 라인(1a) 및 펌프와 분사 밸브 사이의 제 2 라인(1b)을 포함하는 라인 시스템을 통해 서로 연결되는 장치에 있어서,
    상기 제 2 라인(1b)으로부터 분기하며 상기 탱크(1)로 피드백되고 제어 가능한 환기 순환계(1d, 10, 1c)가 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 가능한 환기 순환계는 클록으로 제어 가능한 환기 밸브(10)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 환기 밸브(10)는 2/2-방향 밸브로서 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 환원제가 도우징- 및/또는 믹싱 장치의 라인 시스템을 통해 공급되는, 촉매적 배기 가스 처리 분야에서 사용되는 환원제를 도우징하기 위한 방법에 있어서,
    환원제 라인 시스템 내의 압력이 모니터되고 경우에 따라서는 환기 순환계에의해 변경되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 환기 순환계는 클록으로 제어 가능한 환기 밸브(10)를 포함하며, 상기 밸브는 라인 시스템 내의 압력을 변경하기 위해 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
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