KR20140021536A - 기관 배기가스 첨가제 저장 시스템 - Google Patents

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Abstract

내연기관 배기가스 액체 첨가제를 저장하기 위한 저장 시스템으로서, 상기 첨가제를 저장하기 위한 탱크를 포함하고, 상기 탱크는 조립되는 2 개의 개별 부품으로서 제조되는 2 개의 절반 셸로 이루어지고, 상기 셸들 중 적어도 하나의 셸이 그 셸의 내부에 고정되는 작용 부품을 포함하는, 저장 시스템.

Description

기관 배기가스 첨가제 저장 시스템{ENGINE EXHAUST GAS ADDITIVE STORAGE SYSTEM}
본 발명은 엔진 배기가스 첨가제 저장 시스템에 관한 것이다.
차량 및 대형 트럭으로부터의 배출에 관한 제정법은 특히 대기 중으로 배출되는 질소산화물 (NOx) 의 양의 감소를 규정하고 있다. 이러한 요구조건을 충족하기 위한 공지된 일 방법으로는, 일반적으로 암모니아인 환원제를 상기 배기 가스 시스템에 주입함으로써, 상기 질소산화물을 환원시키는 SCR (선택적 촉매 환원, selective catalytic reduction) 을 사용하는 것이다. 이 암모니아는, 그 농도가 공융 농도 (eutectic concentration) 일 수 있는 암모니아 전구체 용액의 열적 분해로부터 유래할 수 있다. 이와 같은 암모니아 전구체는 일반적으로 요소 (urea) 용액이다.
SCR 방법을 사용하면, 연소 동안 기관에서 생성된 높은 레벨의 NOx 는 기관에서 나올 때 촉매 변환기에서 최적의 효율로 처리된다. 이러한 처리는 정확한 농도 및 최고의 품질에서의 환원제의 사용을 필요로 한다. 따라서, 용액은 정확하게 계량되어 배기가스 스트림 내로 주입되고, 그곳에서 질소산화물 (NOx) 을 질소 (N2) 와 물 (H2O) 로 변환시키기 전에 가수분해된다.
이를 행하기 위해, 차량이 첨가제 용액 (일반적으로, 요소 수용액) 을 담는 탱크와, 배기 시스템 내로의 첨가제의 희망하는 양을 계량 및 주입하기 위한 장치를 구비하는 것이 필요하다.
배기가스 내로의 첨가제 용액을 올바르게 계량할 수 있기 위해, 레벨 게이지, 온도 센서, 품질 센서, 저항성 가열 부재 등과 같은 부재를 첨가제 탱크에 통합시키는 것은 알려진 관행이다.
본 출원인 명의의 특허출원 WO 2007/141312 는, 탱크 (바람직하게는, HDPE (고밀도 폴리에틸렌) 으로 이루어진 블로우 성형 탱크) 의 저벽에 형성된 개구를 통해 위치되는 "침지형 (immersed)" 플랜지를 포함하는 그러한 탱크를 개시하고, 상기 플랜지는 적어도 하나의 오리피스를 포함하고, 이 오리피스를 통해 상기 첨가제를 배기가스에 주입하기 위한 시스템이 공급될 수 있고, 저장 시스템 및/또는 주입 시스템의 적어도 하나의 다른 작용 부품을 또한 포함할 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 이 플랜지는 액체 트랩을 포함하고, 이 액체 트랩으로부터 펌프가 액체 첨가제를 흡인한다. US 2011/0155742 하에서 공개된 특허출원 EP 09180726.3 은 히터 (저항성 가열 와이어로서 형성됨) 가 어떻게 그러한 플랜지에 유리하게 통합될 수 있는지를 부가적으로 개시하고 있다.
그러한 시스템은 실제로 매우 잘 작동하고 비교적 용이하게 조립되는 것으로 밝혀졌음에도 불구하고, 히터용 지지체가 플랜지이고 이것이 상기 히터가 탱크 내의 공간을 차지할 수 있는 정도를 제한하고 그 결과 가열될 수 있는 첨가제의 체적을 제한한다는 것을 암시한다. 탱크 개구에의 플랜지의 설치 단계를 또한 암시한다.
본 발명의 기초가 되는 아이디어는, 탱크 내부에 훨씬 더 넓게 연장될 수 있는 그리고/또는 (필요하다면) 침지형 플랜지를 사용하지 않는 대신 탱크의 개구를 통한 펌프 모듈의 직접 연결을 실현할 수 있게 하는 히터를 용이하게 삽입할 수 있게 하는 탱크 기하학적 형상을 찾는 것이다.
이러한 과제는 적어도 하나의 내부 부품 (바람직하게는 모든 부품) 이 2 개의 절반 셸들 중 적어도 하나에 삽입/위치된 때에 단지 조립되는 2 개의 개별 부분으로서 제조되는 2 개의 절반 셸로서 탱크를 구성함으로써 해결된다.
그러므로, 본 발명의 대상은, 내연기관 배기가스 액체 첨가제를 저장하기 위한 저장 시스템으로서, 첨가제를 저장하기 위한 탱크를 포함하고, 상기 탱크는 조립되는 2 개의 개별 부분으로서 제조되는 2 개의 절반 셸로 이루어지고, 상기 셸들 중 적어도 하나의 셸이 그 셸의 내부에 고정되는 작용 부품을 포함하는, 저장 시스템이다.
바람직한 실시형태에서, 하측 및/또는 상기 상측 셸은 히터를 통합시키고, 이를 위해 탱크 셸은 히터용 지지부와 전도성에 의한 자체의 가열 중 일방 또는 쌍방을 보장하는 필수 부분이다.
상기 통합은 탱크의 내측을 통해 그리고/또는 외측을 통해 행해질 수 있다.
용어 "하측 셸" 은 본 발명의 맥락에서 실제로, (사용 시의) 탱크의 아래쪽 절반부를 나타내려는 것이고, 이와 유사하게 용어 "상측 셸" 은 탱크의 위쪽 절반부를 나타내려는 것이다.
본 발명이 관련된 첨가제는 사용의 정상 상태 하에서 액체인 첨가제이다. 이는 바람직하게는, 내연기관의 배기가스에 존재하는 NOx 를 환원시킬 수 있는 환원제이고, 더 바람직하게는 요소이다. 용어 "요소" 는 요소를 함유하는 임의의 용액 (일반적으로 수용액) 을 의미하는 것으로 이해된다. 본 발명은 표준 품질이 존재하는 공융 (eutectic) 물/요소 용액으로 양호한 결과가 얻어지고; 예컨대 표준 DIN 70070 에 따르면, AdBlue
Figure pct00001
용액 (요소의 상업적 용액) 의 경우, 요소 함량은 31.8 중량% ~ 33.2 중량% (즉, 32.5 +/- 0.7 중량%) 이고, 따라서 암모니아의 이용가능한 양은 18.0 % ~ 18.8 % 이다. 본 발명은 상표명 DenoxiumTM 으로 판매되는 또한 수용액의 요소/포름산 암모늄 혼합물에 또한 적용될 수 있고, 조성물들 중 하나 (Denoxium-30) 는 Adblue
Figure pct00002
용액의 것에 동등한 양의 암모니아를 포함한다. 후자는 (-11 ℃ 에 대조적으로) 줄곧 -30 ℃ 로부터 단지 동결된다는 이점이 있지만, 포름산의 가능한 방출과 연관되는 부식 문제라는 단점이 있다. 본 발명은 공융 물/요소 용액의 맥락에서 특히 유리하다.
본 발명은 배기가스에서 NOx 를 생성할 개연성이 있는 임의의 내연기관에 적용될 수 있다. 이는 연료 복귀 라인 (즉, 기관에서 사용되지 않은 임의의 과잉 연료를 연료 탱크로 복귀시키는 라인) 을 구비한 또는 구비하지 않은 기관일 수 있다. 이는 디젤 기관, 특히 차량의 디젤 기관에 유리하게 적용된다.
본 발명에 따르면, 탱크는 2 개의 셸들로 이루어진다. 바람직하게는, 이 셸들 중 적어도 하나, 보다 더 바람직하게는 2 개의 셸 모두가 플라스틱을 사출 성형함으로써 제조된다.
바람직한 실시형태에서, 하측 셸은 사출 성형에 의해 제조되어서, 상기한 액체 트랩이 (하측 셸과 일 피이스로 성형되어) 통합된다.
액체 트랩 (하측 셸과 일 피이스로 성형되거나 또는 하측 셸을 통한 개구에 고정됨) 은, 특히, 중공 보디의 벽을 통과하는 그리고/또는 중공 보디의 내측에 위치되는 부속품을 지지하기에 매우 적합하다. 액체 트랩은 임의의 형상의, 자체로 폐쇄 (close up) 된 주변부 (perimeter) 를 갖는다. 통상적으로, 액체 트랩의 주변부는 원형 형상이다. 바람직하게는, 이 액체 트랩의 저부는 적어도 하나의 오리피스를 포함하고, 이 오리피스를 통해, 상기 접착제를 배기가스에 주입하기 위한 시스템이 공급될 수 있다. 이 공급은 단순히 중력 하에서, 상기 오리피스를 통과하는 주입 라인을 통해 달성될 수 있다. 대안적으로는 그리고 바람직하게는, 시스템은 펌프에 의해 공급된다. 상기한 오리피스는 상기 트랩이 하측 셸에 일체화되는 때에 탱크 벽에 직접 형성되거나 또는 전술한 침지형 플랜지를 통해 천공될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 탱크의 하측 셸 (및 심지어 더 바람직하게는, 탱크의 하측 셸에 고정되거나 일체화된 액체 트랩) 은 저장 및/또는 계량에 작용하는 여러 부품을 포함하고, 보다 더 바람직하게는, 첨가제 탱크 내부의 또는 첨가제 탱크에 출입하는 액체 첨가제와 접촉할 필요가 있는 작용 부품의 대부분을 포함/지지한다.
바람직하게는, 이하의 그룹: 펌프; 필터; 레벨 게이지; 히터; 온도 센서; 품질 센서; 압력 센서; 압력 조절기; 벤투리관으로부터 부품이 선택된다.
히터에 대해 말하면, 히터는 주어진 용량의 열 교환기, 또는 저항성 가열 부재를 포함할 수 있다. 상기 히터는 예컨대, 엘라스토머 (예컨대, 실리콘) 의 두 층 사이에서 절연된 저항성 부재로 구성된 다층 구조를 갖는 가요성 히터일 수 있다. 가요성 히터를 사용하면, 매우 많은 플랜지에 적합하게 될 수 있다. 특히, 플랜지가 니플을 포함하는 경우, 히터는 플랜지의 니플 내에 삽입될 수 있는 탭 (tabs) 을 구비하고, 따라서 전구체 용액이 동결되더라도 낮은 온도에서 플러그가 형성되는 것을 방지한다. 그러한 히터 및 SCR 시스템에서의 히터의 사용은 본 출원인 명의의 특허출원 WO 2008/138960 에 더 상세히 기재되어 있고, 그 내용은 본 출원에 참조로써 원용된다.
바람직한 실시형태에 따르면, 히터는 상기한 특허출원 US 20110155742 (그 내용도 또한 본 출원에 참조로써 원용됨) 에 기재된 것처럼 저항성 와이어를 포함한다. 바람직한 하위 실시형태에서, 저항성 와이어는 탱크 셸들 중 하나의 셸과 일체인 부분에 설치되는 지지체, 바람직하게는 가요성 네트에 설치된다. 바람직하게는, 상기 지지체는 상기 US 출원에서 기재된 바와 같이 상기한 액체 트랩 내에/액체 트랩에 설치된다.
본 출원의 바람직한 실시형태는, 탱크 셀들 중 적어도 하나의 셸의 내부에 위치되는 와이어 히터, 탱크 셸들 중 적어도 하나의 셸의 외부에 위치되는 와이어 히터, 또는 이들의 조합으로 구성된다.
와이어가 탱크 셸들 중 적어도 하나의 셸의 내부에 있는 옵션은, 히터와 NH3 전구체 사이의 직접 접촉이 존재하므로, 가장 매력적인 것으로 생각된다.
본 발명은 상기한 바와 같은 시스템의 제조 방법에도 또한 관한 것이다. 특히, 본 발명은 이 시스템의 저장 탱크의 제조 방법에 관한 것으로, 본 방법은 이하의 단계들을 포함한다:
- 2 개의 플라스틱 셸들을 사출 성형하는 단계;
- 셸들 중 적어도 하나의 셸 내에 적어도 하나의 작용 부품을 고정시키는 단계;
- 양 (both) 셸들을, 바람직하게는 그 셸들의 에지를 함께 용접함으로써, 조립하는 단계.
플라스틱은 HDPE 일 수 있고; 대안적으로는, 폴리아세탈일 수 있고 특히 POM (폴리옥시메틸렌); 폴리프탈아미드 (예컨대, AMODEL
Figure pct00003
수지); 또는 폴리아미드 (예컨대, 나일론-6,6) 일 수 있다. 특히, 강화 그레이드 (예컨대, 유리섬유-강화 플라스틱) 가 사용될 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 탱크의 적어도 하측 셸에는 가열 와이어를 하측 셸에 고정시키기 위한 수단이 구비된다. 상기 수단은 예컨대, 셸이 조립되기 전에 (예컨대, 로봇에 의해) 와이어가 용이하게 고정될 수 있는 지지 배플, 그루브, 슬롯을 바람직하게 갖는 직립 핀들 등일 수 있다. 바람직하게는, 이 핀들은 (바람직하게는 사출 성형에 의해) 탱크 셸과 하나의 피이스로 성형된다.
본 발명은 다수의 바람직한 변형예를 보여주는 첨부도면의 도 1 ~ 5 에 의해 더 상세하게 그리고 비제한적인 방식으로 묘사된다.
도 1 은 저항성 가열 와이어가 구비된 하측 탱크 셸의 2 개의 부분도이다.
도 2 는 상기 와이어의 고정 수단의 일 실시형태의 상세도이다.
도 3 은 주어진 구성으로 저항성 가열 와이어가 구비된 탱크의 수직방향 개략 단면도이다.
도 4 는 가열 와이어가 탱크의 외부에 있는 일 실시형태 (본 출원에서 청구되는 본 발명과 관계없이 또한 흥미로운 실시형태) 를 보여준다.
도 5 는 도 1 및 도 2 에 도시된 것과는 다른 고정 수단을 갖는 일 실시형태를 보여준다.
도 1 은, 가열 와이어가 수회 감길 수 있어서 해동 (thaw) 될 수 있는 액체의 체적을 증가시키도록 여러 릴리프 부위 (3'; 세부는 도 2 참조) 를 갖는 수직 핀 (3) 에 의해, 탱크의 하측 셸 (2) 의 내부에서 가열 와이어 (1) 가 어떻게 고정되는지를 보여준다. 좌측의 도면은 내부에 펌프 (5) 가 고정되어 있는, 하측 셸 (2) 과 하나의 피이스로 성형된 액체 트랩 (4) 을 보여준다. 우측의 도면은 셸의 측면도이다.
이들 도면에 도시된 구성에 의하면, AdBlue
Figure pct00004
용액의 대부분이 해동되도록 탱크의 큰 부분 (전형적으로는 하측 탱크 셸의 적어도 10 %, 더 바람직하게는 적어도 50 %, 그리고 이상적으로는 100 % 까지) 을 덮을 수 있다. 도 1, 2 및 3 에 도시된 실시형태는 다음의 옵션들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다:
- 와이어가 하나 또는 다중 층에서 셸 내부에 고정될 수 있다.
- 유지 수단은 로봇과의 와이어 부착을 허용할 수 있다.
- 상기 유지 수단은 (바람직하게는 사출 성형에 의해) 탱크 셸과 일체로 될 수 있다.
- 얼음 또는 액체 변위로 인한 손상을 피하도록 배플을 보호할 수 있다.
- 와이어는 전기적으로 독립적인 단일 또는 다중 회로에 있을 수 있고; 흡인 펌프 근처의 부분이 먼저 활성화되고, 그 다음 주변부가 활성화될 수 있다.
- 와이어(들)는 PTC 효과를 가질 수 있다.
- 와이어(들)는 NH3 전구체 (AdBlue 또는 다른 것) 에 대해 저항성 있는 보호층을 가질 수 있다.
- 와이어(들)는 탱크의 저부에 주로 위치될 수 있지만, 위쪽으로 위치되는 부분들 (도 3 의 도면부호 6 참조) 은, 얼음 블록 (도 3 의 도면부호 7 참조) 을 탱크의 상부까지 나누어서 얼음 블록이 낙하하고 (화살표 참조) 용해할 수 있는 것을 보장한다.
- 와이어(들)는 빠른 해동에 의해 펌프 / 배기 시스템의 빠른 공급을 보장할 수 있는 작은 튜브를 따라 부착되거나 놓일 수 있다.
- 와이어(들)는 중간 메시에 일부 또는 전부 설치될 수 있고, 이로써 탱크 셸에서의 빠른 설치가 가능하다.
- 와이어(들)는 하측 셸 또는 상측 셸에만 부착될 수 있다.
본 발명의 프레임 내에서, 탱크는 ((바람직하게는) 사출된) 절반 셸로 형성되지만, 선조립된 메시가 삽입되어 고정되는 (예컨대, 블로우 성형된) 단일 부재인 탱크에 선조립된 메시의 사용이 적용될 수 있다. 이는 단일 튜브형 패리슨 (parison) 으로부터 성형된 탱크에 대해 행해질 수 있지만 (그렇지만, 관통 구멍을 통한 삽입을 암시함), 예컨대 본 출원인이 개발한 TSBM (Twin Sheet Blow Moulding) 이라 불리는 프로세스 (예컨대 특허 본 출원인 명의의 EP 1728669 및 EP 1261473, 그리고 특허출원 WO 2007/088200 참조, 그 내용은 본 출원에서 참조로써 원용됨) 를 이용하여, 2 개의 개별 시트로부터 탱크가 성형되는 때 그리고 성형되는 동안, 더 용이하게 행해질 수 있다.
도 4 의 실시형태에서, 와이어는 탱크의 외부에 있고, 본 발명의 프레임 내에서 (2 개의 절반 셸들로서 성형되는 탱크와 함께) 사용될 수 있지만, 단일 피이스로서 성형되는 탱크에도 또한 적용된다.
여기서 도시된 실시형태는 이하의 옵션들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다:
- 로봇과의 와이어 부착을 가능하게 하는 외부 유지 수단.
- 손상을 발생시키는 외부 조건을 피하기 위한 배플 보호.
- 탱크 셸과의 양호한 열적 접촉을 보장하기 위해 전도성 재료에 매립된 와이어.
- 전기적으로 독립적인 단일 또는 다중 회로 내의 와이어.
- PTC 효과를 갖는 와이어(들).
- 환경에 저항하는 보호 층/재료 (8) 를 갖는 와이어; 선택적으로, 이 재료는 양호한 열적 전도체일 수 있다.
- 탱크의 저부에 주로 위치되는 와이어 (1), 그렇지만 일부 (6) 는 배플 내부에서 위쪽으로 이동하여, 얼음 블록이 탱크의 상부까지 나누어지는 것을 보장한다.
- 중간 메시에 일부 또는 전부 설치되어, 탱크 셸에서의 빠른 설치를 허락하는 와이어.
- 하측 또는 상측 셸에만 부착되는 와이어 (그렇지만, 상측 셸에 대한 관심은 더 낮다).
탱크 셸은 ((바람직하게는) 사출된) 절반 셸들로부터 또는 (블로우 성형된) 단일 부재로서 제조될 수 있다.
도 5 는 도 1 및 도 2 에 도시된 것과는 상이한 고정 수단, 즉 수직 핀 (3) 대신에 작은 배플 (3") 을 갖는 일 실시형태를 보여주며, 상기 배플 (3") 은 와이어를 고정하기 위해 릴리프 부위 (3''') (예컨대, 구멍 (좌측 아래의 도면) 이거나 오목부 (우측 아래의 도면) 일 수 있음) 를 또한 갖는다.

Claims (14)

  1. 내연기관 배기가스 액체 첨가제를 저장하기 위한 저장 시스템으로서,
    상기 첨가제를 저장하기 위한 탱크를 포함하고,
    상기 탱크는 조립되는 2 개의 개별 부분으로서 제조되는 2 개의 절반 셸 (하측 셸과 상측 셸) 로 이루어지고,
    상기 셸들 중 적어도 하나의 셸이 그 셸의 내부에 고정되는 작용 부품 (active components) 을 포함하는, 저장 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하측 및/또는 상기 상측 셸은 히터를 통합시키고, 상기 히터에 대해 상기 탱크의 셸은 상기 히터용 지지부와 전도성에 의한 자체의 가열 중 일방 또는 쌍방을 보장하는 필수 부분인, 저장 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 셸들 중 적어도 하나가 플라스틱을 사출 성형함으로써 제조되는, 저장 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하측 셸은 사출 성형에 의해 제조되어서, 액체 트랩이 (상기 하측 셸과 일 피이스로 성형되어) 통합되는, 저장 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 히터는 가요성 히터인, 저장 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 히터는 저항성 와이어 (resistive wire) 인, 저장 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 저항성 와이어는 상기 탱크의 셸들 중 적어도 하나의 셸의 내부 및/또는 상기 탱크의 셸들 중 적어도 하나의 셸의 외부에 위치되는, 저장 시스템.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 저항성 와이어는 상기 탱크의 절반 셸들 중 하나의 절반 셸과 일체인 부분에 설치되는 지지체, 바람직하게는 가요성 네트에 설치되는, 저장 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    저항성 와이어 지지체는 상기 탱크의 절반 셸들 중 하나의 절반 셸과 일체인 액체 트랩 내에/액체 트랩에 설치되는, 저장 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 저장 시스템을 제조하는 방법으로서,
    - 2 개의 플라스틱 셸들을 사출 성형하는 단계;
    - 상기 셸들 중 적어도 하나의 셸 내에 적어도 하나의 작용 부품을 고정시키는 단계;
    - 양 (both) 셸들을 조립하는 단계를 포함하는 저장 시스템의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 탱크의 적어도 상기 하측 셸은 가열 와이어를 고정하기 위한 직립 핀들 및/또는 배플들을 구비하는, 저장 시스템의 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 핀들/배플들은 (바람직하게는 사출 성형에 의해) 상기 탱크의 셸과 일 피이스로 성형되는, 저장 시스템의 제조 방법.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저항성 와이어는 상기 탱크의 절반 셸들 중 하나의 절반 셸과 일체인 부분에 설치되는 지지체, 바람직하게는 가요성 네트에 설치되는, 저장 시스템의 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    저항성 와이어 지지체는 상기 탱크의 절반 셸들 중 하나의 절반 셸과 일체인 액체 트랩 내에/액체 트랩에 설치되는, 저장 시스템의 제조 방법.
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