KR20170139820A - 차량의 연료 및 요소수 히팅 시스템 - Google Patents

차량의 연료 및 요소수 히팅 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량의 연료 및 요소수 히팅 시스템에 관한 것으로서, 엔진의 냉간 시동 시에 연료탱크와 요소수탱크에 각각 저장되어 있는 연료와 요소수를 승온시킬 수 있고, 특히 별도의 차량 에너지 소모 없이 차량에서 버려지는 폐열을 이용하여 디젤 연료 및 요소수를 가열할 수 있는 시스템을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 배기파이프에 연결된 가스배출라인에 설치되고, 상기 가스배출라인을 통해 공급되는 배기가스의 유동을 제어하는 가스제어밸브; 상기 가스제어밸브로부터 연료탱크를 통과하도록 연장되고, 개방된 상태의 가스제어밸브를 통해 공급되는 배기가스가 흐르는 동안 배기가스의 열로 연료탱크 내 연료를 가열하는 제1 히팅라인; 및 상기 가스제어밸브로부터 요소수탱크를 통과하도록 연장되고, 개방된 상태의 가스제어밸브를 통해 공급되는 배기가스가 흐르는 동안 배기가스의 열로 요소수탱크 내 요소수를 가열하는 제2 히팅라인을 포함하는 차량의 연료 및 요소수 히팅 시스템이 개시된다.

Description

차량의 연료 및 요소수 히팅 시스템{Fuel and urea heating system for vehicle}
본 발명은 차량의 연료 및 요소수 히팅 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 엔진의 냉간 시동 시에 연료탱크와 요소수탱크에 각각 저장되어 있는 연료와 요소수를 승온시킬 수 있고, 특히 별도의 차량 에너지 소모 없이 차량에서 버려지는 폐열을 이용하여 디젤 연료 및 요소수를 가열할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
환경오염에 관한 문제가 사회적으로 중요한 이슈로 부각되면서 화석연료를 사용하는 내연기관 자동차에 대한 배기가스 규제가 점차로 엄격해지고 있다.
특히, 버스나 트럭과 같이 디젤 연료(경유)를 사용하는 디젤 차량의 배기가스에 질소산화물(NOx)이 다량 포함되어 있으므로 최근의 자동차 배기가스 규제 기준은 질소산화물의 배출에 대해 더욱 엄격하게 규제하고 있다.
이러한 배출 기준에 대응하기 위해 차량에서 배기가스 중 질소산화물을 저감하기 위한 후처리 장치로서 LNT(Lean NOx Trap), SCR(Selective Catalytic Reduction, 선택적 촉매 환원) 등의 DeNOx 촉매(Catalyst) 기술이 적용되고 있다.
DeNOx 촉매는 배기가스에 포함된 질소산화물을 제거하는 촉매 컨버터의 한 형식으로, 우레아(Urea), 암모니아(NH3), 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC) 등과 같은 환원제를 배기가스에 전달하면 DeNOx 촉매에서 질소산화물이 환원제와의 산화-환원 반응을 통해 환원된다.
최근에는 희박 연소 엔진의 작동시 발생하는 배기가스 성분 중 질소산화물을 제거하기 위하여 LNT를 후처리 장치로서 사용하고 있으며, LNT는 희박(lean)한 분위기에서 배기가스에 포함된 NOx를 흡착 또는 흡장하고, 농후(rich)한 분위기에서 작동되면 흡착 또는 흡장된 NOx를 탈착한다.
SCR 시스템은 SCR 촉매에 환원제를 공급하여 디젤 엔진의 배기가스에 포함되어 있는 질소산화물을 효과적으로 저감할 수 있도록 한 것으로, 배기가스에 암모니아와 같은 환원제를 공급하여 질소산화물을 질소와 물로 환원시킨다.
SCR 시스템은 우레아(UREA), 암모니아, 일산화탄소, 탄화수소 등과 같은 환원제가 산소와 질소산화물 중에서 질소산화물과 더 잘 반응하도록 한다는 의미에서 선택적 촉매 환원이라고 명명된다.
즉, SCR 촉매를 장착한 디젤 차량에서 요소수를 인젝터를 이용하여 배기파이프에 분사하고, 이렇게 분사된 요소수가 배기가스의 열에 의해 암모니아로 분해되면, 분해된 암모니아가 SCR 촉매에서 배기가스 내 질소산화물과 반응하여 질소(N2)와 수증기(H2O)로 분해되는 환원 과정을 통해 배기가스에 포함된 질소산화물을 제거하게 된다.
이와 같은 SCR 시스템은 현재 트럭 등의 대형 차량에 주로 적용되고 있으며, 최근에는 소형차 및 중형차까지도 적용 범위가 확대되고 있다.
SCR 시스템이 적용된 차량의 경우 운행 중 질소산화물을 제거하기 위해 요소수를 계속해서 사용하므로 차량에 연료(경유)를 충전하는 것처럼 요소수 또한 충전해야 한다.
이를 위해 SCR 시스템이 적용된 디젤 차량에는 연료탱크와 함께 요소수가 저장되는 요소수탱크와, 요소수를 요소수탱크에 주입하기 위한 필러 넥 등이 구비되어 있으며, 주유소에서 주입건으로 필러 넥을 통해 요소수를 주입하여 요소수탱크에 충전하는 방식이 이용되고 있다.
그 밖에 배기가스 중 디젤 차량의 배기가스 처리 장치로서 입자상 물질(Particulate Matter, PM)을 저감하기 위한 후처리 기술로 DOC(Disel Oxidation Catalyst, 디젤 산화 촉매), DPF(Diesel Particulate Filter, 디젤 입자상 물질 필터), CPF(Catalyzed Particulate Filter) 등의 기술이 개발되어 차량에 적용되고 있다.
한편, 도 1은 종래의 디젤 차량용 연료공급장치를 나타내는 구성도이다.
도시된 바와 같이, 연료탱크(10) 내에는 연료탱크 내 연료가 지속적으로 채워지는 리저버(11)가 별도로 장착되어 있고, 리저버(11) 내에는 연료를 인젝터를 포함하는 엔진(20)의 연료분사장치(미도시됨)로 압송하는 동시에 일부 연료를 토출라인(13)을 통해 리저버(11) 내로 토출하는 저압 연료펌프(12)가 장착되어 있다.
이때, 리저버(11)와 연료펌프(12)는 하나로 모듈화된 부품으로 제작되며, 이에 연료펌프(12)가 항상 리저버(11) 내의 연료를 엔진(20)으로 연속 공급할 수 있고, 제프 펌핑 원리에 의해 연료탱크(10) 내의 연료가 리저버(11)에 지속적으로 채워질 수 있다.
연료펌프(12)의 토출측에는 인젝터를 포함하는 엔진(20)의 연료분사장치쪽으로 연료를 공급하는 연료공급라인(14)이 연결되고, 이 연료공급라인(14)에는 연료의 이물질 여과를 위한 연료필터(15), 및 여과된 연료를 고압으로 엔진(20)의 인젝터로 압송하는 고압펌프(16)가 장착된다.
또한, 엔진(20)에는 리저버(11)로 잔여 연료를 리턴시키는 연료리턴라인(17)이 연결되고, 이 연료리턴라인(17)은 연료펌프(12)와의 간섭없이 리저버(11)의 내부로 연장된다.
또한, 엔진에서 연소 후 배기가스가 배출되는 배기파이프(30)에는 배기가스 처리 장치로 LNT(31)와 CPF(32), SCR 촉매(33), 인젝터(34), 레조네이터(35,36) 등이 장착될 수 있다.
그리고, 요소수가 저장되는 요소수탱크(40)가 구비되고, 요소수탱크(40)에는 내부에 저장된 요소수를 펌핑하여 요소수공급라인(42)을 통해 압송하는 요소수펌프(41)가 구비된다.
요소수펌프(41)에 의해 압송되는 요소수는 배기파이프(30)에 설치된 인젝터(34)를 통해 배기파이프 내 배기가스에 분사된다.
한편, 엔진의 저온 시동 시에는 디젤 연료의 저온 특성으로 인하여 연료 내 파라핀이 생성되고, 이 경우 연료필터의 막힘 현상(필터 전, 후단 차압 발생)과 그로 인한 고압펌프로의 압력 및 유량 공급 저하, 엔진으로의 연료 공급량 저하 등이 나타나 엔진 부조 및 시동 꺼짐이 발생할 수 있다.
또한, 고압펌프(16)의 냉각 및 윤활이 연료에 의해 이루어지기 때문에 연료 온도를 적정 온도 범위로 유지하는 것이 필요하다.
요소수탱크에 저장되는 요소수의 경우에도 어는점이 -11℃로 히터 용량이 부족하면 저온 시 요소수의 공급에 문제가 발생할 수 있으며, 영하 15℃에서 7일 동안 주차 시 시동 후 20분 이내에 요소수 시스템이 정상적으로 동작할 것을 법규로 규정하고 있다.
이에 엔진의 냉간 시동 시에 연료와 요소수를 적정 온도 수준으로 승온시킬 수 있는 시스템이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 엔진의 냉간 시동 시에 연료탱크와 요소수탱크에 각각 저장되어 있는 연료와 요소수를 승온시킬 수 있고, 특히 별도의 차량 에너지 소모 없이 차량에서 버려지는 폐열을 이용하여 디젤 연료 및 요소수를 가열할 수 있는 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 배기파이프에 연결된 가스배출라인에 설치되고, 상기 가스배출라인을 통해 공급되는 배기가스의 유동을 제어하는 가스제어밸브; 상기 가스제어밸브로부터 연료탱크를 통과하도록 연장되고, 개방된 상태의 가스제어밸브를 통해 공급되는 배기가스가 흐르는 동안 배기가스의 열로 연료탱크 내 연료를 가열하는 제1 히팅라인; 및 상기 가스제어밸브로부터 요소수탱크를 통과하도록 연장되고, 개방된 상태의 가스제어밸브를 통해 공급되는 배기가스가 흐르는 동안 배기가스의 열로 요소수탱크 내 요소수를 가열하는 제2 히팅라인을 포함하는 차량의 연료 및 요소수 히팅 시스템을 제공한다.
바람직한 실시예에서, 상기 가스제어밸브는, 상기 가스배출라인과 제1 히팅라인 사이, 및 상기 가스배출라인과 제2 히팅라인 사이를 연결하는 내부가스통로를 가지며, 요소수공급라인과 연결되어 요소수탱크의 요소수펌프 구동 상태에 따른 요소수공급라인 내 압력 상태를 입력받도록 된 밸브하우징; 및 상기 밸브하우징 내에 요소수공급라인 내 압력이 작용될 수 있도록 설치되고, 요소수공급라인 내 압력 상태에 따라 상기 내부가스통로를 개폐하도록 이동되는 밸브체를 포함할 수 있다.
또한, 상기 밸브하우징은, 상기 가스배출라인이 연결되는 입구포트; 상기 제1 히팅라인이 연결되는 제1 출구포트; 상기 제2 히팅라인이 연결되는 제2 출구포트; 및 상기 요소수펌프에서 배기파이프의 인젝터로 연결되는 요소수공급라인으로부터 분기된 분기라인이 연결되는 압력작용포트를 가질 수 있다.
또한, 상기 밸브하우징에서 입구포트와 압력작용포트는 밸브체를 사이에 두고 서로 반대쪽에 형성되며, 밸브체가 입구포트를 통해 작용하는 배기가스의 압력과 압력작용포트를 통해 작용하는 분기라인 내 압력 상태에 따라 가스제어밸브 내 내부가스통로를 개폐하는 방향으로 이동될 수 있게 되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 압력작용포트에 밸브체를 탄성 지지하면서 상기 내부가스통로를 열어주는 방향으로 이동되는 밸브체에 의해 압축되는 스프링이 설치되고, 상기 스프링은 내부가스통로를 닫아주는 방향으로 밸브체를 이동시키는 탄성 복원력을 제공하도록 구비될 수 있다.
또한, 상기 입구포트에는 밸브체가 분기라인 내 압력에 의해 가스제어밸브 내 내부가스통로를 닫아주도록 정해진 위치로 이동된 상태에서 밸브체의 추가적인 이동을 제한하는 스토퍼가 설치될 수 있다.
또한, 상기 배기파이프의 상류측과 하류측을 연결하는 배기통로가 설치되고, 상기 배기통로에는 유로 단면적이 축소된 형상의 목 부위를 가지는 벤츄리관부가 형성되며, 연료탱크와 요소수탱크를 각각 통과한 상기 제1 히팅라인과 제2 히팅라인이 상기 벤츄리관부의 목 부위로 연결될 수 있다.
이로써, 본 발명에 따른 연료 및 요소수 히팅 시스템에 의하면, 엔진의 냉간 시동 시에 연료탱크와 요소수탱크에 각각 저장되어 있는 연료와 요소수를 별도의 차량 에너지 소모 없이 차량에서 버려지는 폐열, 즉 배기가스의 열을 이용하여 가열할 수 있고, 이를 통해 연료 및 요소수의 저온 상태로 인한 문제점을 해소할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 디젤 차량용 연료공급장치를 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 및 요소수 히팅 시스템의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 3과 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 및 요소수 히팅 시스템에서 배기가스 차단 상태를 나타내는 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 및 요소수 히팅 시스템의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2를 참조하여 SCR 시스템이 적용된 디젤 차량의 연료공급장치에 대해 먼저 설명하면, 도시된 바와 같이, 연료탱크(10) 내에는 연료탱크 내 연료가 지속적으로 채워지는 리저버(11)가 별도로 장착되어 있고, 리저버(11) 내에는 연료를 인젝터를 포함하는 엔진(20)의 연료분사장치(미도시됨)로 압송하는 동시에 일부 연료를 토출라인(13)을 통해 리저버(11) 내로 토출하는 저압 연료펌프(12)가 장착되어 있다.
이때, 리저버(11)와 연료펌프(12)는 하나로 모듈화된 부품으로 제작되며, 이에 연료펌프(12)가 항상 리저버(11) 내의 연료를 엔진(20)으로 연속 공급할 수 있고, 제프 펌핑 원리에 의해 연료탱크(10) 내의 연료가 리저버(11)에 지속적으로 채워질 수 있다.
연료펌프(12)의 토출측에는 인젝터를 포함하는 엔진(20)의 연료분사장치쪽으로 연료를 공급하는 연료공급라인(14)이 연결되고, 이 연료공급라인(14)에는 연료의 이물질 여과를 위한 연료필터(15), 및 여과된 연료를 고압으로 엔진(20)의 인젝터로 압송하는 고압펌프(16)가 장착된다.
또한, 엔진(20)에는 리저버(11)로 잔여 연료를 리턴시키는 연료리턴라인(17)이 연결되고, 이 연료리턴라인(17)은 연료펌프(12)와의 간섭없이 리저버(11)의 내부로 연장된다.
또한, 엔진(20)에서 배기가스가 배출되는 배기파이프(30)에는 배기가스 처리 장치로 LNT(31)와 CPF(32), SCR 촉매(33), 인젝터(34), 레조네이터(35,36) 등이 장착될 수 있다.
그리고, 요소수가 저장되는 요소수탱크(40)가 구비되고, 요소수탱크(40)에는 내부에 저장된 요소수를 펌핑하여 요소수공급라인(42)을 통해 압송하는 요소수펌프(41)가 구비된다.
요소수펌프(41)에 의해 압송되는 요소수는 배기파이프(30)에 설치된 인젝터(34)를 통해 배기파이프(30) 내 배기가스에 분사된다.
한편, 배기파이프(30)의 일측에 배기가스 출구(38)가 구비되고, 이 배기가스 출구(38)에 연결된 가스배출라인(38a)에는 배기가스의 유동을 제어하기 위한 가스제어밸브(50)가 설치된다.
가스제어밸브(50)는 가스배출라인(38a)과 후술하는 히팅라인(58,59) 사이에 연통되는 내부가스통로를 가지는 밸브하우징(51), 밸브하우징(51) 내부에 설치되어 밸브하우징 내 내부가스통로를 개폐하는 밸브체(53), 그리고 밸브하우징(51) 내에서 밸브체(53)를 탄성 지지하는 스프링(54)을 포함하여 구성된다.
밸브하우징(51)은 총 4개의 포트, 즉 입구포트(52a)와 2개의 출구포트(52b,52c), 그리고 압력작용포트(52d)를 가지며, 배기파이프(30)로부터 연결된 가스배출라인(38a)이 상기 입구포트(52a)에 연결된다.
또한, 가스제어밸브(50)의 두 출구포트(52b,52c)에는 각각 히팅라인(58,59)이 연결되는데, 두 출구포트(52b,52c) 중 하나인 제1 출구포트(52b)에는 연료탱크(10) 내에 저장되어 있는 연료를 가열할 수 있도록 연료탱크(10) 내부를 통과하여 후술하는 배기통로(39)로 연결되는 제1 히팅라인(58)이 연결된다.
또한, 가스제어밸브(50)의 두 출구포트(52b,52c) 중 다른 하나인 제2 출구포트(52c)에는 요소수탱크(40) 내에 저장되어 있는 요소수를 가열할 수 있도록 요소수탱크(40) 내부를 통과하여 배기통로(39)로 연결되는 제2 히팅라인(59)이 연결된다.
또한, 가스제어밸브(50)의 압력작용포트(52d)에는 요소수펌프(41)의 토출구측에 연결된 요소수공급라인(42)과 연결되는데, 요소수펌프(41)의 토출구측에 연결된 요소수공급라인(42)이 두 개의 관로로 분기되어 하나의 관로(요소수공급라인)는 인젝터(34)로, 다른 하나(분기라인)는 가스제어밸브(50)의 압력작용포트(52d)에 연결된다.
상기 가스제어밸브(50)의 밸브하우징(51)에서 제1 출구포트(52b)와 제2 출구포트(52c)는 밸브체(53)가 진퇴 이동할 수 있도록 된 내부가스통로를 사이에 두고 서로 반대쪽에 형성되며, 이에 따라 밸브체(53)가 내부가스통로에서 진퇴 이동됨에 따라 두 출구포트(52b,52c)가 밸브체(53)에 의해 동시에 개방되거나 차단될 수 있는 구조로 되어 있다.
또한, 밸브체(53)가 전후 진퇴 이동하는 방향을 기준으로 밸브체(53) 전방과 후방에 각각 입구포트(52a)와 압력작용포트(52d)가 배치되고, 이러한 입구포트(52a)와 압력작용포트(52d)는 밸브체(53)를 사이에 두고 서로 반대쪽에 위치된다.
이때, 밸브체(53)는 입구포트(52a)와 압력작용포트(52d)에 걸쳐 있도록 설치된다.
또한, 압력작용포트(52d)의 내부에는 스프링 시트(55)가 고정 설치되고, 이 스프링 시트(55)에 밸브체(53)를 지지하는 스프링(54)의 일단부가 고정 결합된다.
즉, 밸브하우징(51) 내 스프링 시트(55)에서 스프링(54)이 밸브체(53)를 탄성 지지하도록 되어 있는 것이다.
상기 스프링(54)의 타단부는 밸브체(53)의 후면에 고정 결합되는데, 밸브하우징(51) 내에서 스프링(54)은 밸브체(53)를 그 후방에서 전방으로 밀어주는 방향, 즉 내부가스통로를 닫아주는 방향으로 탄성 복원력을 제공하는 압축 스프링으로 설치된다.
따라서, 밸브체(53)는 입구포트(52a)와 압력작용포트(52d)를 통해 압력이 작용하지 않을 때, 스프링(54)의 힘에 의해 전방으로 밀려 있게 되며, 이에 밸브하우징(51) 내에서 입구포트(52a)와 제1 출구포트(52b) 사이, 및 입구포트(52a)와 제2 출구포트(52c) 사이의 내부가스통로가 밸브체(3)에 의해 닫혀 있게 된다.
또한, 입구포트(52a)의 내부에는 밸브체(53)가 전방으로 이동하여 내부가스통로를 완전히 닫아준 위치에 있을 때, 밸브체(53)가 더 이상 전방으로 이동되지 않도록 밸브체(53)의 위치를 구속하고 닫힘 위치에서 밸브체(53)의 추가적인 전방 이동을 제한하는 스토퍼(56)가 설치된다.
한편, 배기파이프(30)에서 전후 지점(상, 하류측) 사이를 별도로 연결하는 배기통로(39)가 구비되고, 엔진(20)이 구동될 때 배기가스가 배기파이프(30)를 통해 배출됨과 동시에, 배기가스의 일부가 상기 배기통로(39)를 통해서도 흐르도록 한다.
상기 배기통로(39)는 배기파이프(30)의 배압이 작용하는 레조네이터 후단 위치와 배기파이프(30) 끝단부 사이를 연결하도록 설치될 수 있는데, 배기통로(39)를 통해 흐르고 난 배기가스가 배기파이프(30) 끝단부로 배출된다.
그리고, 상기 배기통로(39)의 일측에는 유로 단면적이 축소된 형상의 목 부위를 가지는 벤츄리관부(57)가 형성된다.
또한, 제1 히팅라인(58)은 가스제어밸브(50)의 제1 출구포트(52b)에 연결되어 가스제어밸브(50)의 제1 출구포트(52b)로부터 연료탱크(10)의 내부공간으로 연장되고, 연료탱크(10)의 내부공간을 통과한 제1 히팅라인(58)의 출구가 상기 벤츄리관부(57)의 목 부위 일측에 연결된다.
마찬가지로, 제2 히팅라인(59)은 가스제어밸브(50)의 제2 출구포트(52c)에 연결되어 가스제어밸브(50)의 제2 출구포트(52c)로부터 요소수탱크(40)의 내부공간으로 연장되고, 요소수탱크(40)의 내부공간을 통과한 제2 히팅라인(59)의 출구가 상기 벤츄리관부(57)의 목 부위 타측에 연결된다.
상기 벤츄리관부(57)는 배기파이프(30)→가스배출라인(38a)→가스제어밸브(50)(입구포트(52a)→제1 및 제2 출구포트(52b,52c))→제1 히팅라인(58)/제2 히팅라인(59), 배기통로(39)로 이어지는 경로를 따라 배기가스가 흐를 수 있도록 하기 위한 것으로, 엔진 구동 중 배출되는 배기가스가 배기통로(39)의 내부를 고속으로 통과할 때, 목 부위에서 흡입력이 발생하게 된다.
상기한 흡입력에 의해 제1 히팅라인(58)과 제2 히팅라인(59)을 통과한 배기가스가 벤츄리관부(57)의 목 부위로 흡입되고, 이때 가스제어밸브(50)의 제1 출구포트(52b)와 제2 출구포트(52c)에서는 제1 히팅라인(58)과 제2 히팅라인(59)으로 배기가스가 흡입된다.
또한, 이때 배기파이프(30)에서 가스출구라인(38a)을 통해 가스제어밸브(50)로 배기가스의 흡입이 이루어지는바, 결국 배기파이프(30)→가스배출라인(38a)→가스제어밸브(50)(입구포트(52a)→제1 및 제2 출구포트(52b,52c))→제1 히팅라인(58)/제2 히팅라인(59)→배기통로(39)→배기파이프(30)로 이어지는 경로를 따라 배기가스의 흐름이 발생하게 된다.
물론, 이러한 배기가스의 흐름은 가스제어밸브(50)가 개방되었을 때, 즉 밸브체(53)가 스프링(54)을 압축하면서 후방으로 이동하여 입구포트(52a)와 제1 출구포트(52b) 및 제2 출구포트(52c) 사이의 내부가스통로를 열어주었을 때 발생한다.
또한, 고온의 배기가스가 제1 히팅라인(58)과 제2 히팅라인(59)을 통과하게 됨으로써 배기가스의 열에 의해 연료탱크(10) 내 연료와 요소수탱크(40) 내 요소수가 가열된다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 연료 및 요소수 히팅 시스템의 작동 상태에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 3과 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 및 요소수 히팅 시스템에서 배기가스 차단 상태를 나타내는 도면이다.
도 2는 엔진 시동 오프 시를 나타낸다.
먼저, 엔진 시동 오프 상태에서는 연료탱크(10)로부터 연료가 엔진(20)으로 공급되지 않으며, 이때 가스제어밸브(50)에서는 스프링(54)의 힘에 의해 밸브체(53)가 전방으로 이동한 상태로 있게 되므로 내부가스통로가 밸브체(53)에 의해 닫힌 상태로 있게 된다.
다음으로, 도 3은 엔진의 저온 시동 직후 상태를 나타내는 도면으로, 엔진(20)의 저온 시동 직후에는 정해진 시간 동안(예, 20분 동안) 요소수탱크(40)에 구비된 히터(미도시)에 의해 요소수탱크(40) 내 요소수가 가열되어 요소수의 해동이 이루어지게 된다.
이때, 요소수펌프(41)는 구동되지 않으며, 따라서 요소수공급라인(42) 및 분기라인(43)에 요소수 압력이 형성되지 않는다.
다만, 엔진(20)은 구동되고 있는 상태이므로 엔진(20)에서 배기파이프(30)를 통해 배출되는 배기가스의 압력, 즉 배기파이프 배압이 가스배출라인(38a) 및 입구포트(52a)를 통해 가스제어밸브(50)의 밸브체(53) 전면에 작용하게 되고, 이에 밸브체(53)가 스프링(54)을 압축한 상태로 후퇴 이동되어 있게 된다.
또한, 배기통로(39)로 배기가스가 흐르게 되면서 배기통로(39)의 도중에 형성되어 있는 벤츄리관부(57)의 목 부위를 통해 배기가스가 고속으로 통과하게 되고, 이에 벤츄리관부(57)의 목 부위에 연결된 제1 히팅라인(58)과 제2 히팅라인(59)에 흡입력이 작용하게 된다.
결국, 이러한 밸브체(53)에 의해 가스제어밸브(50)의 내부가스통로가 개방된 상태가 되어 배기파이프(30)의 배기가스가 배기파이프(30)→가스배출라인(38a)→가스제어밸브(50)(입구포트(52a)→제1 및 제2 출구포트(52b,52c))→제1 히팅라인(58)/제2 히팅라인(59)→배기통로(39)(벤츄리관부(57))의 경로로 흐르게 된다.
따라서, 제1 히팅라인(58)을 통과하는 배기가스의 열에 의해 연료탱크(10) 내 연료가 가열되고, 제2 히팅라인(59)을 통과하는 배기가스의 열에 의해 요소수탱크(40) 내 요소수가 가열된다.
이렇게 히터와 별도로 배기가스가 보조 열원으로 이용되어 요소수를 가열함으로써 요소수의 신속한 승온이 이루어지게 된다.
상기와 같이 요소수의 해동이 이루어진 뒤, 상기 정해진 시간이 경과하고 나면(도 4 참조), 요소수펌프(41)가 구동하여 요소수탱크(40) 내 요소수를 펌핑하고, 이에 요소구가 요소수공급라인(42)을 통해 압송된다.
이때, 요소수공급라인(42)을 통해 공급되는 요소수가 SCR 촉매(33) 전단에 설치된 인젝터(34)를 통해 분사되며, 동시에 분기라인(43)에는 요소수펌프(41)에 의해 소정 이상의 압력이 형성된다.
결국, 분기라인(43) 및 가스제어밸브(50)의 압력작용포트(52d)를 통해 작용하는 요소수의 압력이 가스제어밸브(50)의 밸브체(53) 후면에 작용하게 되고, 이러한 요소수의 압력이 밸브체(53)를 전방으로 밀게 된다.
이때의 밸브체(53)가 전진 이동되어 가스제어밸브(50) 내 내부가스통로를 닫아주게 되는바, 가스제어밸브(50)를 통한 제1 및 제2 히팅라인(58,59)으로의 배기가스 흐름이 차단된다.
이로써 요소수펌프(41)가 구동되면, 요소수공급라인(42) 및 분기라인(43)에 압력이 형성된 후 가스제어밸브(50)가 폐작동되어 배기가스를 차단하게 되고, 이후에는 추가적인 연료 및 요소수 가열이 금지된다.
즉, 엔진 웜업 이후 요소수펌프(41)가 구동되면, 가스제어밸브(50)가 닫히면서 제1 히팅라인(58) 및 제2 히팅라인(59)으로의 배기가스 공급이 차단되고, 이에 기존과 마찬가지로 연료 및 요소수의 추가 가열 및 온도 상승은 없게 된다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 연료 및 요소수 히팅 시스템에 따르면, 저온 시동 시에 차량에서 버려지는 폐열, 즉 배기가스의 열을 이용하여 연료 및 요소수를 가열시킬 수 있고, 신속한 연료 및 요소수 온도 상승을 유도할 수 있게 된다.
결국, 저온 시동 시 엔진 부조 및 시동 꺼짐 현상을 개선할 수 있고, 요소수 조기 해동이 가능하여 히터 사이즈 축소, 그에 따른 원가 절감이 가능해진다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 연료탱크 11 : 리저버
12 : 연료펌프 13 : 토출라인
14 : 연료공급라인 15 : 연료필터
16 : 고압펌프 17 : 연료리턴라인
20 : 엔진 30 : 배기파이프
31 : LNT 32 : CPF
33 : SCR 촉매 34 : 인젝터
35, 36 : 레조네이터 38 : 배기가스 출구
38a : 가스배출라인 39 : 배기통로
40 : 요소수탱크 41 : 요소수펌프
42 : 요소수공급라인 43 : 분기라인
50 : 가스제어밸브 51 : 밸브하우징
52a : 입구포트 52b : 제1 출구포트
52c : 제2 출구포트 52d : 압력작용포트
53 : 밸브체 54 : 스프링
55 : 스프링 시트 56 : 스토퍼
57 : 벤츄리관부 58 : 제1 히팅라인
59 : 제2 히팅라인

Claims (7)

  1. 배기파이프에 연결된 가스배출라인에 설치되고, 상기 가스배출라인을 통해 공급되는 배기가스의 유동을 제어하는 가스제어밸브;
    상기 가스제어밸브로부터 연료탱크를 통과하도록 연장되고, 개방된 상태의 가스제어밸브를 통해 공급되는 배기가스가 흐르는 동안 배기가스의 열로 연료탱크 내 연료를 가열하는 제1 히팅라인; 및
    상기 가스제어밸브로부터 요소수탱크를 통과하도록 연장되고, 개방된 상태의 가스제어밸브를 통해 공급되는 배기가스가 흐르는 동안 배기가스의 열로 요소수탱크 내 요소수를 가열하는 제2 히팅라인을 포함하는 차량의 연료 및 요소수 히팅 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스제어밸브는,
    상기 가스배출라인과 제1 히팅라인 사이, 및 상기 가스배출라인과 제2 히팅라인 사이를 연결하는 내부가스통로를 가지며, 요소수공급라인과 연결되어 요소수탱크의 요소수펌프 구동 상태에 따른 요소수공급라인 내 압력 상태를 입력받도록 된 밸브하우징; 및
    상기 밸브하우징 내에 요소수공급라인 내 압력이 작용될 수 있도록 설치되고, 요소수공급라인 내 압력 상태에 따라 상기 내부가스통로를 개폐하도록 이동되는 밸브체를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 연료 및 요소수 히팅 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 밸브하우징은,
    상기 가스배출라인이 연결되는 입구포트;
    상기 제1 히팅라인이 연결되는 제1 출구포트;
    상기 제2 히팅라인이 연결되는 제2 출구포트; 및
    상기 요소수펌프에서 배기파이프의 인젝터로 연결되는 요소수공급라인으로부터 분기된 분기라인이 연결되는 압력작용포트를 가지는 것을 특징으로 하는 차량의 연료 및 요소수 히팅 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 밸브하우징에서 입구포트와 압력작용포트는 밸브체를 사이에 두고 서로 반대쪽에 형성되며, 밸브체가 입구포트를 통해 작용하는 배기가스의 압력과 압력작용포트를 통해 작용하는 분기라인 내 압력 상태에 따라 가스제어밸브 내 내부가스통로를 개폐하는 방향으로 이동될 수 있게 되어 있는 것을 특징으로 하는 차량의 연료 및 요소수 히팅 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 압력작용포트에 밸브체를 탄성 지지하면서 상기 내부가스통로를 열어주는 방향으로 이동되는 밸브체에 의해 압축되는 스프링이 설치되고, 상기 스프링은 내부가스통로를 닫아주는 방향으로 밸브체를 이동시키는 탄성 복원력을 제공하도록 된 것을 특징으로 하는 차량의 연료 및 요소수 히팅 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 입구포트에는 밸브체가 분기라인 내 압력에 의해 가스제어밸브 내 내부가스통로를 닫아주도록 정해진 위치로 이동된 상태에서 밸브체의 추가적인 이동을 제한하는 스토퍼가 설치된 것을 특징으로 하는 차량의 연료 및 요소수 히팅 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 배기파이프의 상류측과 하류측을 연결하는 배기통로가 설치되고, 상기 배기통로에는 유로 단면적이 축소된 형상의 목 부위를 가지는 벤츄리관부가 형성되며, 연료탱크와 요소수탱크를 각각 통과한 상기 제1 히팅라인과 제2 히팅라인이 상기 벤츄리관부의 목 부위로 연결되는 것을 특징으로 하는 차량의 연료 및 요소수 히팅 시스템.
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