KR20130014233A - 엔진 배기 정화장치 및 이를 사용한 운송수단 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내구성을 증가시킬 수 있는 엔진 배기 정화장치 및 이를 사용한 운송수단을 위하여, 배기가스가 외부로 배출되는 배기관 내에 액상의 반응제를 분사하는 분사부; 상기 반응제를 저장하는 반응제 저장부; 상기 반응제 저장부와 연결되어 상기 반응제를 상기 분사부로 공급하도록 배치된 반응제 공급 라인부; 및 상기 반응제 저장부의 내부와 상기 분사부 사이에서 냉각수가 순환되도록 상기 반응제 공급 라인부와 별개로 배치된 냉각수 순환 라인부;를 구비하는, 엔진 배기 정화장치를 제공한다.

Description

엔진 배기 정화장치 및 이를 사용한 운송수단{Apparatus for purifying engine exhaust gas and vehicle using the same}
본 발명은 정화장치 및 이를 사용한 기계장치에 관한 것으로, 특히 엔진 배기 정화장치 및 이를 사용한 운송수단에 관한 것이다.
내연/외연 기관을 포함하는 엔진은 연료를 연소시켜서 발생하는 열에너지를 기계적 에너지로 변환시킨다. 연료가 연소되는 과정에서 발생하여 외부로 방출하는 배기가스는 대기를 오염시키고 인체에도 해로운 경우가 많으므로, 세계 각국은 배기가스에 대하여 각종 규제들을 적용하고 있다. 예를 들어, 디젤 엔진 등에서 발생하는 질소산화물(NOx) 등은 유럽 내에서 다양한 기준들에 의하여 규제되고 있다.
이러한 배기가스를 정화하는 기술로는 배기가스를 재순환하여 엔진에서 연소를 시키는 방법과 배기가스를 산화 또는 환원시켜 유해물질의 농도를 저감하는 방법 등이 있다. 배기가스를 재순환하여 엔진에서 연소하는 방법은 배기가스의 양을 엔진의 운행상태에 따라 정확하게 조절하지 않으면 엔진의 출력이 낮아지고 유해물질의 발생이 증가하는 부작용이 발생할 수 있다. 따라서 배기가스를 산화 또는 환원시켜 유해물질의 농도를 저감하는 방법에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
하지만, 배기가스를 산화 또는 환원시켜 유해물질의 농도를 저감하는 방법은 고온의 배기가스에 반응제(reactant)를 직접 주입하여야 하므로 엔진 배기 정화장치의 내구성을 확보하기가 용이하지 않다. 아울러, 반응제의 물성이 온도에 취약할 경우 반응제의 유로(流路)가 확보되지 않아 엔진 배기 정화장치의 내구성이 악화되므로, 반응제의 온도를 적정 범위 내에서 유지하는 것이 필요하다.
이에, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 기존 엔진의 주변 구성을 크게 변경하지 않으면서 내구성을 증가시킬 수 있는 엔진 배기 정화장치 및 이를 사용한 운송수단을 제공한다. 이러한 본 발명의 과제는 예시적으로 제시되었고, 따라서 본 발명이 이러한 과제에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 배기가스가 외부로 배출되는 배기관 내에 액상의 반응제를 분사하는 분사부; 상기 반응제를 저장하는 반응제 저장부; 상기 반응제 저장부와 연결되어 상기 반응제를 상기 분사부로 공급하도록 배치된 반응제 공급 라인부; 및 상기 반응제 저장부의 내부와 상기 분사부 사이에서 냉각수가 순환되도록 상기 반응제 공급 라인부와 별개로 배치된 냉각수 순환 라인부;를 구비하는, 엔진 배기 정화장치가 제공된다.
상기 액상의 반응제는 요소수를 포함할 수 있다.
상기 냉각수 순환 라인부의 일부는 상기 반응제 저장부의 내부에 있는 반응제와 직접 접촉하도록 배치될 수 있다.
상기 반응제 저장부의 내부에 있는 반응제의 레벨(level) 또는 온도를 감지하는 센서부를 더 가질 수 있다.
상기 냉각수는 엔진을 냉각하는 엔진 냉각수와 별개일 수 있다.
상기 반응제 저장부의 내부에 있는 반응제를 해동하기 위하여 배치된 가열부를 더 가질 수 있다. 나아가, 상기 가열부는 가열하는 시간을 임의로 조절할 수 있는 전기 히터를 포함할 수 있다.
상기 냉각수 순환 라인부 중에서 상기 분사부에서 상기 반응제 저장부로 상기 냉각수가 이동하는 부분과 상기 반응제 공급 라인부는 서로 접촉하도록 배치될 수 있다.
상기 배기관에 분사되고 남은 반응제를 상기 분사부에서 상기 반응제 저장부로 회수하도록 배치된 반응제 회수 라인부를 더 가질 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 엔진; 상기 엔진에서 발생한 배기가스가 외부로 배출되는 배기관; 상기 배기관 내에 액상의 반응제를 분사하는 분사부; 상기 반응제를 저장하는 반응제 저장부; 상기 반응제 저장부와 연결되어 상기 반응제를 상기 분사부로 공급하도록 배치된 반응제 공급 라인부; 및 상기 반응제 저장부의 내부와 상기 분사부 사이에서 냉각수가 순환되도록 상기 반응제 공급 라인부와 별개로 배치된 냉각수 순환 라인부;를 가지는 운송수단이 제공된다.
상기 냉각수 순환 라인부의 일부는 상기 반응제 저장부의 내부에 있는 반응제와 직접 접촉하도록 배치될 수 있다.
상기 냉각수는 엔진을 냉각하는 엔진 냉각수와 별개일 수 있다.
상기 반응제 공급 라인부 또는 상기 냉각수 순환 라인부에 연결된 펌프부를 더 가지고, 상기 분사부 및 상기 펌프부를 제어하는 제어장치를 더 가질 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기존 엔진의 주변 구성을 크게 변경하지 않으면서 내구성을 증가시킬 수 있는 엔진 배기 정화장치 및 이를 사용한 운송수단을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 배기 정화장치 및 이를 이용한 운송수단의 일부를 개략적으로 도시하는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 엔진 배기 정화장치 및 이를 이용한 운송수단의 일부를 개략적으로 도시하는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 엔진 배기 정화장치 및 이를 이용한 운송수단의 일부를 개략적으로 도시하는 개념도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
본 발명의 실시예들에서 언급되는 엔진이란 내연기관 또는 외연기관과 같이 자연의 에너지나 열에너지를 사용해서 기계적 일을 하는 장치를 포함한다. 내연기관은 연료의 연소가 기관의 내부에서 이루어져 열에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 기관을 의미하며, 내연 기관을 사용하는 연료에 의해 가스기관, 가솔린기관, 석유기관, 디젤기관 등을 포함할 수 있다. 외연기관은 가열기의 전열면(傳熱面)을 통해서 가열된 작동유체(예를 들어, 액체 또는 기체)에 의해 동력을 발생시키는 열기관을 의미하며, 증기기관, 증기터빈, 클로즈드 가스터빈 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에서 언급되는 운송수단이란 상기 엔진을 사용하여 사람이나 물건을 어떠한 장소에서 또 다른 장소로 이동시킬 수 있는 기계장치를 의미하여, 차량, 자동차, 오토바이, 열차, 선박, 또는 항공기 등을 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 배기 정화장치 및 이를 이용한 운송수단의 일부를 개략적으로 도시하는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 엔진 배기 정화장치는 배기가스가 외부로 배출되는 배기관(120) 내에 액상의 반응제(170)를 분사하는 분사부(130)를 포함한다. 액상의 반응제(170)는 배기가스를 산화 또는 환원시켜 유해물질의 농도를 저감시킬 수 있다. 예를 들어, 배기가스가 질소산화물(NOx, 예를 들어, NO 또는 NO2)을 포함하는 경우, 상기 액상의 반응제(170)는 요소수를 포함할 수 있다. 요소수는 물에 요소(Urea; NH2-CO-NH2)를 약 1/3 의 비율로 혼합하여 형성한다. 요소수는 질소산화물(NOx)가 질소와 산소로 환원되는 화학식 1의 화학반응에서 촉매 역할을 할 수 있다.
[화학식1]
NOx → N2 + O2
한편, 액상의 반응제(170)는 배기가스의 유해물질의 농도를 저감시키는 화학반응의 촉매 뿐만 화학반응의 반응물, 첨가물 등을 포함할 수 있다. 즉, 반응제(170)는 배기가스의 유해물질의 농도를 저감시키는 화학반응에 필수적으로 참여하거나 또는 부가적으로 참여하는 모든 임의의 화학물질을 포함할 수 있다.
일반적으로 배기관(120) 내의 배기가스는 고온이므로, 배기가스와 접하는 분사부(130)는 고온에 취약해질 수 있다. 예를 들어, 분사부(130)는 압력을 인가하여 액상의 반응제를 미립자 형태로 분무화시켜 분사하는 인젝터(injector)를 포함할 수 있다. 인젝터는 고압의 유압을 제어하기 위하여 도전성의 도선을 촘촘하고 균일하게 원통형으로 길게 감아 만든 솔레노이드를 포함할 수 있는데, 상기 솔레노이드는 고온의 배기가스에 의하여 특성이 취약해질 수 있다.
따라서, 분사부(130)는 일정 수준 이상의 고온에 이르지 않도록 적절한 수단으로 냉각될 필요가 있다. 특히, 엔진이 디젤기관인 경우 연료의 자기발화온도까지 공기를 압축하므로 배기가스의 온도는 상대적으로 더 높을 수 있으므로, 분사부(130)의 냉각 수단은 더욱 필요할 수 있다.
반응제 저장부(140)가 반응제(170)를 저장한다. 반응제(170)의 온도 및/또는 레벨(level)을 측정하기 위하여 반응제 저장부(140)에 센서부(190)가 추가로 배치될 수 있다. 반응제(170)의 레벨은 후술하는 냉각수 순환 라인부(160)의 레벨보다 더 높은 것이 바람직하다.
반응제 공급 라인부(151)가 반응제 저장부(140)와 연결되어 반응제(170)를 분사부(130)로 공급하도록 배치된다. 반응제 공급 라인부(151)에는 반응제(170)가 분사부(130)로 유동하도록 펌프(211)가 배치될 수 있으며, 반응제(170)의 유동방향 또는 유량을 제어하기 위하여 다양한 밸브(미도시)들이 추가로 배치될 수 있다.
앞에서 설명한 분사부(130)의 냉각수단으로 냉각수 순환 라인부(160)가 도입된다. 냉각수 순환 라인부(160)는 반응제 저장부(140)의 내부와 분사부(130) 사이에서 냉각수가 순환되도록 배치된다. 냉각수 순환 라인부(160)에는 냉각수가 순환하도록 펌프(212)가 배치될 수 있으며, 냉각수의 유동방향 또는 유량을 제어하기 위하여 다양한 밸브(미도시)들이 추가로 배치될 수 있다.
냉각수 순환 라인부(160)는 냉각수가 유동하는 방향을 따라서 분사부(130)에서 반응제 저장부(140)의 내부까지의 제1 냉각수 순환 라인부(161)와 반응제 저장부(140)의 내부에서 분사부(130)까지의 제2 냉각수 순환 라인부(162)를 포함할 수 있다. 분사부(130)를 거친 냉각수는 냉각수 순환 라인부(160)를 순환하고 있기 때문에 전체적으로 온도가 빠르게 상승할 수 있다.
외부 환경에 따라 반응제(170)가 결빙(結氷)될 경우 분사부(130)에서 반응제(170)의 분무가 불가능하므로, 결빙된 반응제를 해동(解凍)시킬 수 있는 열을 인가하는 것이 필요하다. 냉각수 순환 라인부(160)가 반응제 저장부(140)의 내부로까지 인입되므로 냉각수 순환 라인부(160)는 반응제 저장부(140) 내부에 있는 반응제(170)와 직접 접촉할 수 있다. 따라서, 결빙된 반응제를 냉각수 순환 라인부(160) 내의 냉각수에 의하여 해동시키는 효과를 기대할 수 있다.
냉각수 순환 라인부(160)는 반응제 공급 라인부(151)와 별개로 배치된다. 만약, 반응제 공급 라인부(151)에 의해 반응제(170)를 순환시켜 분사부(130)를 직접 냉각시킨다면 고온에 노출된 반응제(170)의 물성이 변질되고 반응제(170)가 이동하는 유로(流路)가 막힐 가능성이 있으므로 바람직하지 않다.
냉각수 순환 라인부(160)에서 순환되는 냉각수는 오직 분사부(130)와 반응제 저장부(140) 사이에서 열교환을 수행하기 위하여 도입되며, 엔진(110)의 냉각을 위한 엔진 냉각수와는 별개이다. 만약, 상기 엔진 냉각수로 분사부(130)를 냉각시키기 위해서는 엔진(110)의 구조를 변경하여 엔진 냉각수의 공급 라인을 도입하여야 한다. 그러나, 분사부(130)의 냉각을 위해서 운송수단의 핵심 부품인 엔진(110)의 구조를 변경하여 엔진 냉각수를 사용하는 것은 비효율적이다. 본 발명에서는, 비교적 간단한 냉각수 순환 라인부(160)를 도입함으로써, 이러한 문제점들을 극복할 수 있다.
반응제(170)는 분사부(130)에서 배기관(120)으로 분사되고 일부가 남을 수 있다. 상기 남은 반응제(170)는 분사부(130)에서 다시 반응제 저장부(140)로 회수되도록 반응제 회수 라인부(152)가 도입될 수 있다. 반응제 공급 라인부(151) 및 반응제 회수 라인부(152)가 반응제 저장부(140)에 입출하는 위치나 구성은 도면들에서 편의상 도시된 위치나 구성에 한정되지 않으며 자유롭게 변경될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 운송수단은 앞에서 설명한 엔진 배기 정화장치를 포함하고, 나아가 엔진(110), 배기관(120) 및 제어장치(230)를 더 포함한다.
배기관(120)은 엔진(110)에서 발생한 배기가스가 외부로 배출되는 통로를 제공한다. 배기관(120)은 선택적 촉매환원(SCR, Selective Catalytic Reduction) 장치(125)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 배기가스가 질소산화물(NOx, 예를 들어, NO 또는 NO2)을 포함하는 경우, 질소산화물(NOx)을 상기 화학식 1과 같은 화학 반응에 의하여 질소와 산소로 환원시키는 반응이 선택적 촉매환원 장치(125)에서 일어난다. 배기관(120)은 분사부(130) 전후의 위치에서 배기가스의 유해물질의 농도를 측정하는 센서들(221, 222)이 부착될 수 있다.
제어장치(230)는 분사부(130) 및 펌프부(211, 212)를 제어한다. 즉, 제어장치(230)는 분사부(130)의 분사량을 조절하고 엔진 배기 정화장치 전체를 제어한다. 구체적으로, 제어장치(230)는 유해물질의 농도를 측정하는 센서들(221, 222), 반응제(170)의 레벨 및/또는 온도를 측정하는 센서부(190), 엔진(110) 등으로부터 각종 데이터를 받아 연산처리를 하고, 분사부(130), 펌프부(211, 212) 및 각종 라인들(151, 152, 160)에 배치된 밸브들을 제어함으로써, 반응제(170)가 분사부(130)에서 적절한 시점에 적절한 양만큼 분사될 수 있도록 제어한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 엔진 배기 정화장치 및 이를 이용한 운송수단의 일부를 개략적으로 도시하는 개념도이다.
엔진(110), 배기관(120), 분사부(130), 반응제 저장부(140), 반응제 공급 라인부(151), 냉각수 순환 라인부(160), 반응제 회수 라인부(152), 센서부(190) 및 제어장치(230) 등에 관한 구체적인 설명은 도 1을 참조하여 설명한 것과 동일하므로, 여기에서는 생략한다.
앞에서 설명한 것처럼, 외부의 환경에 따라 반응제(170)는 결빙될 수 있으므로, 결빙된 반응제를 해동하는 수단으로 가열부(180)가 추가적으로 도입된다. 가열부(180)는 반응제 저장부(140) 내에 삽입되어 결빙된 반응제를 직접 가열할 수 있는 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 가열부(180)는 가열하는 시간을 임의로 조절할 수 있는 전기 히터를 포함할 수 있다.
가열부(180)는 엔진 작동의 초기 구간에서는 특히 유용할 수 있다. 즉, 엔진 작동의 초기 구간에서는 배기가스의 온도가 상대적으로 낮기 때문에 분사부(130)의 열을 이용하여 결빙된 반응제를 해동하기가 용이하지 않다. 따라서, 엔진 작동의 초기 구간에서는 결빙된 반응제를 가열부(180)에 의하여 적어도 일부 해동하고, 계속하여 엔진(110)이 작동하여 배기가스의 온도가 상승하게 되면, 도 1에서 설명한 메커니즘에 의하여 분사부(130)를 거친 냉각수 순환 라인부(160)에 의하여 결빙된 반응제를 해동할 수 있다. 제어장치(230)가 이러한 구성을 전반적으로 제어할 수 있다.
따라서, 가열하는 시간을 임의로 조절할 수 있는 전기 히터를 가열부(180)로 사용하는 경우, 배터리 사용량에 문제가 되지 않는 범위 내에서, 결빙된 반응제의 해동을 위한 열원 보조가 가능하다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 엔진 배기 정화장치 및 이를 이용한 운송수단의 일부를 개략적으로 도시하는 개념도이다.
엔진(110), 배기관(120), 분사부(130), 반응제 저장부(140), 반응제 공급 라인부(151), 냉각수 순환 라인부(160), 반응제 회수 라인부(152), 센서부(190) 및 제어장치(230) 등에 관한 구체적인 설명은 도 1을 참조하여 설명한 것과 동일하므로, 여기에서는 생략한다.
앞에서 설명한 것처럼, 외부의 환경에 따라 반응제(170)는 결빙될 수 있으므로, 결빙된 반응제를 해동하는 수단으로 반응제 공급 라인부(151)와 냉각수 순환 라인부(160)가 서로 접촉하는 구성이 도입된다. 반응제 공급 라인부(151)의 내부에서 결빙된 반응제는 액상의 반응제(170)의 흐름을 방해할 수 있으므로, 반응제 공급 라인부(151)의 온도를 높여주는 구성이 필요할 수 있다. 냉각수 순환 라인부(160)는 고온의 분사부(130)를 거쳐서 온도가 높으므로, 냉각수 순환 라인부(160)와 반응제 공급 라인부(151)를 서로 접촉하게 하면 반응제 공급 라인부(151)의 내부에서 결빙된 반응제를 해동시킬 수 있다. 한편, 냉각수 순환 라인부(160)와 반응제 공급 라인부(151)는 서로 직접 접촉하지 않고 열전도도가 높은 물질이 사이에 개재되도록 배치될 수 있다.
발명의 특정 실시예들에 대한 이상의 설명은 예시 및 설명을 목적으로 제공되었다. 따라서 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.

Claims (13)

  1. 배기가스가 외부로 배출되는 배기관 내에 액상의 반응제를 분사하는 분사부;
    상기 반응제를 저장하는 반응제 저장부;
    상기 반응제 저장부와 연결되어 상기 반응제를 상기 분사부로 공급하도록 배치된 반응제 공급 라인부; 및
    상기 반응제 저장부의 내부와 상기 분사부 사이에서 냉각수가 순환되도록 상기 반응제 공급 라인부와 별개로 배치된 냉각수 순환 라인부;
    를 구비하는, 엔진 배기 정화장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액상의 반응제는 요소수를 포함하는, 엔진 배기 정화장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각수 순환 라인부의 일부는 상기 반응제 저장부의 내부에 있는 반응제와 직접 접촉하도록 배치된, 엔진 배기 정화장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반응제 저장부의 내부에 있는 반응제의 레벨(level) 또는 온도를 감지하는 센서부를 더 가지는, 엔진 배기 정화장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 냉각수는 엔진을 냉각하는 엔진 냉각수와 별개인, 엔진 배기 정화장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반응제 저장부의 내부에 있는 반응제를 해동하기 위하여 배치된 가열부를 더 가지는, 엔진 배기 정화장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가열부는 가열하는 시간을 임의로 조절할 수 있는 전기 히터를 포함하는, 엔진 배기 정화장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 냉각수 순환 라인부 중에서 상기 분사부에서 상기 반응제 저장부로 상기 냉각수가 이동하는 부분과 상기 반응제 공급 라인부는 서로 접촉하도록 배치된, 엔진 배기 정화장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 배기관에 분사되고 남은 반응제를 상기 분사부에서 상기 반응제 저장부로 회수하도록 배치된 반응제 회수 라인부를 더 가지는, 엔진 배기 정화장치.
  10. 엔진;
    상기 엔진에서 발생한 배기가스가 외부로 배출되는 배기관;
    상기 배기관 내에 액상의 반응제를 분사하는 분사부;
    상기 반응제를 저장하는 반응제 저장부;
    상기 반응제 저장부와 연결되어 상기 반응제를 상기 분사부로 공급하도록 배치된 반응제 공급 라인부; 및
    상기 반응제 저장부의 내부와 상기 분사부 사이에서 냉각수가 순환되도록 상기 반응제 공급 라인부와 별개로 배치된 냉각수 순환 라인부;
    를 구비하는, 운송수단.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 냉각수 순환 라인부의 일부는 상기 반응제 저장부의 내부에 있는 반응제와 직접 접촉하도록 배치된, 운송수단.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 냉각수는 엔진을 냉각하는 엔진 냉각수와 별개인, 운송수단.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 반응제 공급 라인부 또는 상기 냉각수 순환 라인부에 연결된 펌프부를 더 가지고,
    상기 분사부 및 상기 펌프부를 제어하는 제어장치를 더 가지는, 운송수단.
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