KR20020053869A - 환원제 도우징 장치 - Google Patents

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Abstract

특히 디젤 엔진의 배기 가스로부터 질소 산화물을 분리하기 위한 촉매 컨버터 장치에 환원제의 공급을 위한 수단을 포함하는, 환원제 특히 요소 및 요소 수용액을 도우징하기 위한 장치에 관한 것으로, 상기 수단은 도우징 펌프(4,4a;80,4a)를 구비하고 도우징 펌프 뒤로 도우징 펌프를 통해 공급이 이루어질 수 있는 스크린 장치(8a,71)가 접속되며, 도우징 펌프와 스크린 장치 사이에 어떤 다른 환원제 공급을 조절하는 엘리먼트가 배치되지 않는다. 상기 배치는 정확한 설계로 이루어지며, 전반적으로 마모에 민감한 부품을 배제한다.

Description

환원제 도우징 장치 {Device for dosing a reducing agent}
배기 가스 중의 NOx(산화질소)-성분을 감소시키기 위해 특히 디젤 엔진용 환원 촉매 컨버터가 개발되었다. 상기 환원 촉매 컨버터는 소위 SCR-촉매 컨버터(Selective Catalytic Reduction)와 저장 촉매 컨버터로 구분된다. 소위 SCR-촉매 컨버터는 요소 또는 암모니아 환원제 공급을 통해 재생되는 반면, 소위 저장 촉매 컨버터는 배기 가스 오일상의 함께 공급된 내연 기관 연료의 탄화 수소로 재생된다.
독일 특허 199 46 900.8 호에는 예컨대 디젤 엔진으로부터 나오는 배기 가스에서 질소 산화물 분리하기 위해 환원제로 도우징하는 장치가 공지되어 있다. 이를 위해 운송 펌프 및 도우징 밸브가 제공된다. 통상적으로 도우징 밸브로 사용되는 2/2 자기 밸브는 배기 가스관에 직접 조립하기에는 내열성이 충분하지 않거나 또는 압축 공기의 보조를 이용해서 작동되어야 한다.
본 발명은 독립 청구항의 전제부에 따른 촉매 작용에 의한 배기 가스 처리와 관련하여 환원제, 특히 요소 및 요소 수용액의 도우징 장치에 관한 것이다.
도 1은 물탱크와 요소 탱크 그리고 촉매 컨버터 장치가 서로 연결된 도우징 장치.
도 2는 대안적인 도우징 장치와 일치하지만 공기 공급을 위한 수단을 구비하지 않은 장치.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예의 상세도.
독립 청구항의 특징을 포함하는 본 발명에 따른 도우징 장치는, 특히 스텝핑모터로 구동이 가능한 도우징 펌프가 환원제의 공급 및 도우징을 행하기 때문에 더 이상 분사 밸브가 필요하지 않다는 것이 장점이다. 도우징 장치 부품의 갯수 및 크기의 감소는 조립 과정을 단축시키고 정교한 설계를 제공하며, 제조 및 시스템 비용을 줄인다. 더욱 적은 부품수는 더욱 적은 수의 밀봉 위치 및 중량 감소에 따라 개선된 작동의 안전성을 의미한다. 예를 들면 체크 밸브와 같은 스프링 하중을 받고 접촉에 민감한 부품을 배제할 수 있다. 스크린 장치는 도우징 장치의 정확한 구조에도 불구하고 도우징된 액체의 스프레이 형성 및 분무를 보장한다. 도우징 장치는 압축 공기 지원 없이도 작동될 수 있다.
종속항과 상세한 설명에 따라 실시된 조치를 통해 독립 청구항에 제시된 도우징 장치의 바람직한 개선이 가능하다. 특히 펌프 및/또는 고내열성 물질, 특히 세라믹으로 이루어진 스크린 엘리먼트를 사용하므로 도우징 장치는 예컨대 화물차의 배기 가스 장치에 직접 조립되거나 배기 가스 장치에 통합될 수 있다.
본 발명의 실시예가 도면에 도시되어 있으며, 하기에서 상세히 설명된다.
도 1에서 요소 탱크는 1로 표시되며, 상기 요소 탱크로부터 요소 수용액이 체크 밸브(2)와 필터 여과기로 구현된 필터(3)를 포함하는 요소 파이프(1a)를 통해 도우징 펌프(4)에 의해 흡입되고 믹싱 챔버(8)의 홀스크린(8a)으로 이동된다. 상기 펌프(4)는 스텝핑 모터(4a)에 의해 rpm 및 회전각이 조절된다. 압축 공기는 압축 공기 용기(20)로부터 필터 여과기(21)와 2/2 분배 밸브, 스로틀(23)과 체크 밸브(24)를 포함하는 압축 공기 파이프(2a)를 통해 제공될 수 있다. 에어로솔 파이프(25)는 믹싱 챔버(8)로부터 촉매 컨버터 장치(30)의 유입구 영역(70)으로 안내되며, 상기 촉매 컨버터 장치는 유입구 영역의 맞은 편에 배기 가스 공급구(29)를, 맞은 편에는 배기 가스 배출구를 구비한다. 요소 탱크(1)는 유동량 센서(52)와 온도 센서(51)를 장착한다. 온도 센서(53,54)는 촉매 컨버터(30)의 유입구 및 배출구에서의 배기 가스 온도를 측정한다. 또한 2/2 분배 밸브(22)와 스로틀(23) 사이에 압력 센서(55)를 장착한다. 온도 센서(56)는 금속성의 하우징 블록(41)의 온도를 측정하고 상기 하우징 블록 상에는 상기 부호를 갖는 점선으로 표시된 파이프에 의해 포함되는 부품이 배치되거나 통합된다. 하우징 블록(41)상에는 또한 제어부(40)가 장착되고 상기 제어부는 센서(50-56) 및 도우징 펌프(4)의 제어 엔진(4a)과 전기 연결된다. 상기 하우징 블록(41)은 접지되어 있으며, 제어부(4))는 기준 가용 수단으로서 하우징 블록(41)의 전위를 얻는다. CAN 데이타 라인(39)(CAN = "Controlled Area Network")에 의해 제어부(40)는 전력 공급 장치 및 자동차의 다른 전자 부품, 특히 엔진 제어부와 연결된다.
도우징 펌프(4)는 필요한 요소 수용액을 홀스크린(8a)을 통해 믹싱 챔버로도우징 한다. 상기 믹싱 챔버에는 압축 공기를 포함하는 요소 수용액이 공급되는 가운데 에어로솔 파이프(25)를 통해 촉매 컨버터(30)로 삽입되는 에어로솔 및 필름막이 생성된다. 제어부(40)는 상위에 배치된 엔진 제어부에 의해 CAN 데이타 라인(39)을 통해 수신된 압력, 온도 및 유동량 센서(51-56)와 같은 작동 상태에 대한 데이타를 수집한다. 상기 데이타는 공지되며 여기에서는 상세히 설명되지 않는다. 제어부(40)는 센서 정보와 엔진 제어부에서 나온 정보로부터 촉매 컨버터(30)를 관류하는 배기 가스에 첨가해야 하는 요소의 도우징 량을 산출한다. 상기 제어부(40)는 도우징 펌프(4)와 2/2 분배 밸브(22)를 이용하여 필요한 요소 수용액 및 압축 공기 파이프 내의 압력을 조절한다. 따라서 요소의 도우징은 전적으로 도우징 펌프에 의한 홀스크린을 통해 이루어진다. 도우징 펌프와 홀스크린 사이에는 환원제 공급을 조절하는 다른 엘리먼트는 없으며, 예컨대 도우징 밸브가 배치되어 도우징 펌프는 요소 수용액의 용량 분석에 의한 할당 기능을 맡으며, 홀스크린은 믹싱 챔버에 상기 수용액의 분무를 보조한다.
스로틀 스크린(8a)은 공간적으로 도우징 펌프(4)에 가까이 배치되어 있으머로 펌프 압축면의 체크 밸브는 유압식 파이프가 비워지는 것을 홀스크린(8a)을 통해 저지한다. 도우징 펌프(4)와 홀스크린(8a)사이의 간격이 크거나 슬롯 제어된 도우징 펌프(체크 밸브가 없는) 사용시에는 홀스크린(8a)앞에 인접하여 배치된 체크 밸브(도 1에 표시되지 않음)가 홀스크린을 통해 파이프가 비워지는 것을 저지할 수 있다.
대안적으로 도우징 장치는 압축 공기의 보조 없이, 즉 부품 20 내지 24 를배제한 상태에서 사용될 수 있다.
대안적으로 도우징 펌프와 스크린 장치 사이에 흐름을 따라 처음부터 일정한 최소 압력에서 개방되는 체크 밸브가 배치될수 있으며, 따라서 펌프의 휴지 상태에서 파이프가 비워지는 것이 스로틀 스크린에 의해 저지될 수 있다.
또 다른 대안적인 실시예에서 스로틀 스크린이 밸브로 형성될 수 있으며, 따라서 홀스크린의 반경이 변형 가능하다.
또한 도우징 펌프와 스크린 장치 사이에 압력 센서가 장착될 수 있고, 제어부측에서는 상기 정보가 도우징 펌프의 제어를 위해 이용될 수 있는 제어부(40)의 파이프 압력에 대한 정보가 전달된다.
또 다른 변형은 도우징 펌프와 스크린 장치 사이에 전기로 작동 가능한 차단 밸브가 장착될 수 있다.
또한 도우징 펌프와 스크린 장치 사이에 2/2 분배 밸브를 배치하는 것이 가능하고 상기 밸브에 의해 요소 파이프가 환기될 수 있다. 2/2 분배 밸브에 의해 도우징 펌프와 스크린 징치 사이에 파이프와 요소 탱크로 향한 귀환 파이프가 연결되어 있으므로, 상황에 따라 존재하는 초과압이 감소될 수 있다.
도 1 에서 처럼 도 2 에서 요소 탱크는 1로 나타낸다. 상기 요소 탱크로부터 요소 수용액이 필터 여과기로 구현된, 요소 탱크에 장착된 필터(3)를 포함하는요소 파이프를 통해 도우징 펌프(4)에 의해 흡입되어 촉매 컨버터 장치의(30) 주입구 영역의 스로틀 스크린(71)으로 이동된다. 상기 펌프(4)는 스텝핑 모터(4a)에 의해 rpm제어된다. 펌프는 스로틀 스크린과 함께 유입구 영역(70)에 고정된다.
촉매 컨버터 장치(30)는 유입구 영역 반대편에 배기 가스 공급구(29)를, 반대편에 배기 가스 배출구(31)를 구비한다. 요소 탱크(1)는 유동량 센서(52)와 온도 센서(51)을 장착한다. 온도 센서(53, 54)는 촉매 컨버터(30)의 유입구 및 배출구 에서의 배기 가스 온도를 측정한다. 전자 제어부(40)는 센서(51,52,54) 및 도우징 펌프(4)의 제어 엔진(4a)과 전기적으로 연결된다. CAN 데이타 라인(39)(CAN = "Conrolled Area Network")에 의해 제어부는 자동차 내부의 전력 공급 장치 및 다른 부품, 특히 엔진 제어부와 연결된다.
제어부(40)는 도 1에 따른 실시예와 유사하게 상위에 배치된 엔진 제어부로부터 CAN-데이타 라인(39)에 의해 수신되는, 온도 및 유동량 센서(51-54)의 신호와 같은 엔진 작동 상태에 대한 데이타를 수집한다. 제어부(40)는 센서 정보와 엔진 제어부로부터 얻은 정보로부터 요소 도우징 양을 산출하고 도우징 펌프(4)를 이용하여 필요한 요소 수용액 압력을 조절한다. 이를 위해 상기 도우징 펌프(4)는 제어부(40)를 통해 제어된 스텝핑 모터(4a)에 의해 구동되고 스로틀 스크린(71)에 의해 필요한 요소 수용액을 직접 유입구 영역(70)으로 도우징 한다. 상기 스로틀 스크린(71)은 믹싱 챔버로 상기 수용액 분무를 보조한다.
도 3은 도 2에서 도우징 펌프(4)에 해당하는, 대안적인 촉매 컨버터 장치의 원추형으로 구현된 유입구 영역(70')에 슬롯 제어된 도우징 펌프(80)의 고정을 도시한다. 상기 도우징 펌프는 원추형의 배출 채널(83)에 의해 유입구 영역과 연결되고, 유입구 영역 측면에 배출 채널의 단부에는 스로틀 스크린(71)이 배치된다. 또한 도우징 펌프(80)는 유입 채널(84)에 의해 요소 파이프와 연결되며, 상기 요소파이프는 요소 탱크(1)(도 2와 비교)로 안내된다. 펌프(4)의 코어는 세라믹 성분으로 이루어진 실린더형의 왕복 피스톤(81)이며, 세라믹 실린더의 내부에 정확히 맞는 상기 왕복 피스톤은 회전 가능하게 위치한다. 왕복 피스톤은 차단기(85)를 구비한다. 예컨대 세라믹 피스톤과 세라믹 실린더 구성 물질로서 산화 알루미늄 또는 산화 지르콘의 이용이 적합하다.
회전하는 세라믹 피스톤(81)은 환원제 도우징을 위해 주기적인 왕복 운동을 한다. 왕복 운동은 도우징 펌프의 축 방향으로 이루어진다. 차단기(85)가 채널(83,84)높이에 위치하면 물질의 이동이 유입 채널(84)로부터 배출 채널(83)로 행해진다. 따라서 차단기(85)는 그것이 유입 채널 맞은 편에 위치하면 상기 유입 채널에 의해 환원제로 채워질 수 있도록, 1/4 회전이 계속해서 수집된 환원제를 완전히 둘러싸고 피스톤은 양 채널의 상호 유속 밀도로 분류하여 다른 1/4 회전이 계속해서 차단기에 의해 배출 채널로 운반된 양을 배출될 수 있도록 설계된다. 도우징은 세라믹 실린더에 있는 세라믹 피스톤의 rpm 및/또는 각속도 및/또는 피스톤 운동의 제어에 의해 이루어진다. 배출 채널(83)로 방출하는 액체는 최종적으로 스로틀 스크린(71)을 통해 촉매 컨버터 장치의 유입구 영역(70')에 이른다.
도우징 펌프(80)의 휴지 상태에서 액체로 채워진 파이프(83)가 홀스크린(71)에 의해 비워지는 것을 방지하기 추가적으로 홀스크린(71) 바로 앞에 배출 방향으로 개방되는 체크 밸브(도 3에는 도시되지 않음)가 배치된다.

Claims (13)

  1. 특히 디젤 엔진의 배기 가스로부터 질소 산화물을 제거하기 위한 촉매 컨버터 장치에 환원제를 공급하는 수단을 이용하여 환원제, 특히 요소 및 요소 수용액을 도우징하기 위한 장치에 있어서,
    상기 수단은 도우징 펌프(4,4a;80,4a)를 구비하고 계속해서 상기 도우징 펌프 뒤에 환원제의 분무를 위한 스크린 장치(8a,71)가 접속되며, 상기 스크린 장치를 통해 공급이 이루어질 수 있고, 도우징은 도우징 펌프에 의해서만 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 도우징 펌프(4,4a;80,4a)가 스텝핑 모터(4a)에 의해 제어 가능한 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1항 내지 2항에 있어서, 상기 도우징 펌프가 슬롯 제어되어 작동되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1항 내지 3항에 있어서, 상기 도우징 펌프(80)의 펌프 헤드(81,82)가 높은 내열성 물질, 특히 세라믹으로 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 1항 내지 4항에 있어서, 상기 스크린 장치(8a;71)가 높은 내열성 물질,특히 세라믹으로 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 1항 내지 5항에 있어서, 상기 스크린 장치가 촉매 컨버터 장치(30)의 유입구 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 스크린 장치가 스로틀 스크린(71)인 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 1항 내지 5항에 있어서, 상기 스크린 장치가 믹싱 챔버(8)에 배치되고 따라서 에어로솔 형성을 위해 환원제가 믹싱 챔버로 주입될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 스크린 장치가 홀스크린인 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 8항 내지 9항에 있어서, 상기 에어로솔이 에어로솔 파이프(25)를 통해 촉매 컨버터 장치(30)의 유입구 영역(70)으로 유입 가능한 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 8항 내지 10항에 있어서, 믹싱 챔버로 도우징된 공기를 공급하기 위한 수단(20,21,22,23,24,55)이 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 1항 내지 11항에 있어서, 상기 도우징 펌프(4,4a;80,4a)가 CAN-데이타 라인과 연결 가능한 제어부(40)에 연결되며, 따라서 상기 제어부는 여러 센서(51,52,53,54,55,56) 및 CAN-데이타 라인에 연결된 장치, 특히 엔진 제어부의 전기 신호를 사용해서 도우징 펌프를 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 1항 내지 12항에 있어서, 도우징 펌프와 스크린 장치 사이에 체크 밸브가 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
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