KR20180088036A - 배기후처리 시스템용 우레아 공급 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 우레아 수용액을 저장하는 탱크모듈과 내연기관의 배기관에 장착되고 우레아 수용액을 배기관 내로 분사하는 분사모듈을 구비한 우레아 공급 시스템으로서, 상기 탱크모듈은 이 탱크모듈에 저장된 우레아 수용액을 상기 분사모듈로 이송하기 위한 저압펌프를 포함하고, 상기 분사모듈은, 분사모듈로 이송된 우레아 수용액을 고압으로 배출하기 위한 고압펌프; 및 상기 고압펌프에서 배출되는 우레아 수용액을 상기 배기관 내로 분사하도록 구성된 분사노즐;을 포함하는 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템이 제공된다.

Description

배기후처리 시스템용 우레아 공급 시스템 및 방법 {Urea water solution supply apparatus and method for exhaust gas aftertreatment system}
본 발명은 내연기관 또는 연소기에서 배출되는 유해배출가스인 질소산화물(NOx)을 저감하는 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 우레아 수용액을 환원제로 사용하는 배기후처리 시스템에서 효율적으로 우레아 수용액을 공급 및 회수하고 미립화를 향상시키며 노즐부를 효과적으로 냉각시키는 방법에 관한 것이다.
환경규제가 엄격해짐에 따라 디젤엔진에서 배출되는 질소산화물(NOx)의 저감기술에 관심이 모아지고 있다. 그리고 최근에는 디젤엔진 차량의 배출가스 규제가 점차 강화되면서 차량에만 적용하던 배출가스 규제가 선박, 건설기계 및 농기계까지 확대되고 있다.
디젤엔진 배출가스 중 질소산화물을 저감하는 후처리 기술로는 환원제로 우레아(urea) 수용액을 배기관에 분사하여 질소산화물을 저감시키는 SCR(선택적 환원 촉매) 기술이 대표적이다.
이와 같은 SCR 기술에서는 배기관 중의 질소산화물의 선택적 환원반응을 위해 환원제로 암모니아가 필요하다. 하지만 배기관에 분사된 우레아 수용액이 미립화 및 열분해 되어 암모니아가 생성되는데 시간과 공간이 필요기 때문에 우레아 분사 노즐과 SCR 촉매와의 거리를 길게 확보해야 하는데 이 경우는 장착 공간의 제약, 배압증가 및 제조단가의 상승 등의 문제가 있다.
또한 배기열을 받아 노즐부에 온도가 올라가는 경우 우레아 수용액이 가열되어 물이 증발하고 우레아가 고형화 되어 노즐이 막히는 문제가 있어 적절한 냉각 대책이 마련되어야 한다.
또한, 차량이 작동을 멈춘 후 우레아 공급 시스템의 관로 및 각 부품 내부에 우레아 수용액이 남아있는 경우에도 고체암모늄이 형성되어 관로 등이 막히는 현상이 발생할 수 있으며, 우레아 수용액은 약 -11℃ 이하에서 빙결되기 때문에 우레아 수용액의 공급시스템의 냉각부의 막힘 현상 및 빙결파손 방지를 위해 차량 시동이 꺼진 후에 우레아 수용액을 회수해야 한다. 이를 위해 특허문헌1과 같이 펌프를 역회전시켜 우레아를 회수하는 방법을 사용하거나 또는 압축공기를 공급하여 우레아 수용액의 공급시스템을 퍼징하는 방법이 있으나 별도의 공기압축기 또는 고가의 펌프를 구비해야 하기 때문에 장치 가격이 상승하고 사용이 불편한 단점이 있다.
특허문헌1: 한국 공개특허공보 제2016-0056070호 (2016년 5월 19일 공개)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 일 실시예에 따르면, 배기관에 분사된 우레아 수용액이 미립화 특성을 향상시켜 암모니아로 열분해되는데 필요한 시간과 공간을 줄일 수 있는 우레아 공급 시스템 및 방법을 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 배기열을 받아 노즐부에 온도가 올라가는 경우 우레아 수용액이 가열되어 고체암모늄이 형성되는 것을 방지하는 우레아 공급 시스템 및 방법을 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 차량이 작동을 멈춘 후 우레아 공급 시스템의 관로 및 각 부품 내부에 존재하는 우레아 수용액을 회수하는데 효과적인 우레아 공급 시스템 및 방법을 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 우레아 수용액을 저장하는 탱크모듈과 내연기관의 배기관에 장착되고 우레아 수용액을 배기관 내로 분사하는 분사모듈을 구비한 우레아 공급 시스템으로서, 상기 탱크모듈은 이 탱크모듈에 저장된 우레아 수용액을 상기 분사모듈로 이송하기 위한 저압펌프를 포함하고, 상기 분사모듈은, 분사모듈로 이송된 우레아 수용액을 고압으로 배출하기 위한 고압펌프; 및 상기 고압펌프에서 배출되는 우레아 수용액을 상기 배기관 내로 분사하도록 구성된 분사노즐;을 포함하는 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 우레아 수용액을 저장하는 탱크모듈과 내연기관의 배기관에 장착되고 우레아 수용액을 배기관 내로 분사하는 분사모듈을 구비한 우레아 공급 시스템으로서, 상기 탱크모듈에 설치되어 상기 탱크모듈에 저장된 우레아 수용액을 상기 분사모듈로 이송하는 저압펌프; 상기 분사모듈에 설치되고 상기 분사모듈로 이송된 우레아 수용액을 배기관 내로 고압으로 분사하기 위한 고압펌프; 상기 탱크모듈에서 상기 분사모듈까지 연결되어 우레아 수용액을 이송하는 공급경로; 및 상기 분사모듈에서 상기 탱크모듈까지 연결되어 우레아 수용액을 이송하는 회수경로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 우레아 수용액을 저장하는 탱크모듈과 내연기관의 배기관에 장착되고 우레아 수용액을 배기관 내로 분사하는 분사모듈을 구비한 우레아 공급 시스템에 의한 우레아 공급 방법으로서, 상기 내연기관의 운전시에, 상기 탱크모듈에 설치된 저압펌프를 동작시켜 일정량의 우레아 수용액을 공급경로를 통해 상기 분사모듈로 이송하는 단계; 상기 저압펌프가 동작하는 동안 상기 분사모듈에 설치된 고압펌프를 동작시켜 상기 분사모듈로 이송된 우레아 수용액 중 일부를 분사노즐을 통해 배기관 내로 분사하는 단계; 및 상기 저압펌프의 동작에 의해 상기 분사모듈로 이송된 우레아 수용액의 나머지를 회수경로를 통해 상기 탱크모듈로 회수하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 우레아 공급 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 탱크모듈과 분사모듈로 구성된 우레아 공급 시스템에서 탱크모듈에 저압펌프를 설치하고 분사모듈에 고압펌프를 설치함으로써 내연기관의 배기관에 분사된 우레아 수용액이 미립화 특성을 향상시켜 암모니아로 열분해되는데 필요한 시간과 공간을 줄이는 효과가 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 우레아 수용액 분사모듈에는 저압펌프 출구단과 연결되는 우레아 수용액 유입포트와 우레아 수용액 출구포트를 구비하여 차량 운행시 일정 유량의 우레아 수용액을 지속적으로 순환시킴으로써 고온의 배기열에 노출되어 우레아 수용액 노즐부에 고체암모늄이 형성되는 것을 방지하는 장점이 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 우레아 수용액 탱크모듈의 공기 유입관에 개폐밸브가 설치되어 운전 정지시에 관 내부에 있는 우레아를 회수하기 위해 개폐밸브를 작동시켜 공기단에 저압펌프를 일정시간 작동시킴으로써 차량이 작동을 멈춘 후 우레아 공급시스템의 관로 및 각 부품 내부에 존재하는 우레아 수용액을 효과적으로 회수 할 수 있는 장점이 있다.
도1은 내연기관에 배치되는 우레아 공급 시스템의 예시적 구성을 설명하기 위한 도면,
도2는 제1 실시예에 따른 우레아 공급 시스템을 설명하기 위한 도면,
도3은 일 실시예에 따른 탱크모듈을 설명하기 위한 도면,
도4는 일 실시예에 따른 분사모듈을 설명하기 위한 도면,
도5는 제2 실시예에 따른 우레아 공급 시스템을 설명하기 위한 도면,
도6은 제3 실시예에 따른 우레아 공급 시스템을 설명하기 위한 도면,
도7은 제4 실시예에 따른 우레아 공급 시스템을 설명하기 위한 도면,
도8은 제5 실시예에 따른 우레아 공급 시스템을 설명하기 위한 도면,
도9는 제6 실시예에 따른 우레아 공급 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서의 도면에 있어서, 구성요소들의 길이, 두께, 넓이 등의 수치는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장하여 표시될 수 있다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예를 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도1은 내연기관에 배치되는 우레아 공급 시스템의 예시적 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도면을 참조하면, 일 실시예에 따른 우레아 공급 시스템은 우레아 수용액을 저장하는 탱크모듈(200)과 우레아 수용액을 분사하는 분사모듈(300)로 구성될 수 있고, 내연기관(또는 연소기)(100)에서 연소된 후 배출되는 배기가스의 통로인 배기관(110)의 경로 중에, 바람직하게는 SCR(선택적 환원 촉매: 120)의 상류측에 설치되어 동작할 수 있다.
도시한 실시예에서 우레아 공급 시스템은 탱크모듈(200)과 분사모듈(300) 사이에 우레아 수용액을 이송하기 위한 공급경로(250)와 회수경로(260)를 포함할 수 있다. 탱크모듈(200)에 저장된 우레아 수용액은 공급경로(250)를 통해 분사모듈(300)로 공급되고, 공급된 우레아 수용액 중 일부는 분사모듈(300)의 분사노즐을 통해 배기관(110) 내로 분사된다.
분사된 우레아 수용액은 배기의 열에 의해 가수분해해 암모니아가 되어 SCR(120)에 공급되고, SCR(120)은 공급된 암모니아를 흡착하고 흡착한 암모니아와 배기 중의 질소산화물(NOx)과의 탈질 반응을 촉진함으로써 질소산화물을 정화하고 무해한 질소가스(N2)로 변환한다.
한편 탱크모듈(200)에서 분사모듈(300)로 공급된 우레아 수용액 중 나머지는 회수경로(260)를 통해 탱크모듈(200)로 다시 회수되고, 이와 같이 우레아 수용액이 공급경로(250)와 회수경로(260)를 통해 탱크모듈(200)과 분사모듈(300)을 순환함으로써 분사모듈(300)을 냉각시키는 효과도 가질 수 있다.
도2는 도1의 탱크모듈(200)과 분사모듈(300)을 확대한 도면으로, 본 발명의 제1 실시예에 따른 우레아 공급 시스템을 나타낸다. 그리고 도3은 일 실시예에 따른 탱크모듈(200)의 확대도이고 도4는 일 실시예에 따른 분사모듈(300)의 확대도이다.
우선 도2와 도3을 참조하여 일 실시예에 따른 탱크모듈(200)에 대해 설명한다. 도면을 참조하면, 탱크모듈(200)은 우레아 수용액을 저장하는 탱크모듈 본체(210), 탱크모듈 본체(210)의 상부에 배치된 저압펌프(220), 회수관(230), 및 제어부(240)를 포함한다.
탱크모듈 본체(210)는 우레아 수용액을 저장하는 저장용기이며, 상단부에 우레아 수용액 주입구(211)가 형성되어 있다. 주입구(211)를 통해 탱크모듈 본체(210)에 주입된 우레아 수용액은 최대로 주입구(211)의 하단, 즉 “L”로 표시한 레벨까지 채워질 수 있을 것이다.
저압펌프(220)는 도시한 바와 같이 탱크모듈 본체(210)의 상부에 설치될 수 있고, 탱크모듈에 저장된 우레아 수용액을 분사모듈(300)로 이송시키는 역할을 한다. 일 실시예에서 저압펌프(220)는 저압으로 우레아 수용액을 분사모듈(300)로 이송한다. 여기서 "저압"은 예를 들어 5 bar일 수 있다. 바람직하게는 일 실시예에서 "저압"은 2 bar 내지 10 bar 사이의 압력일 수 있고, 더 바람직하게는 2 bar 내지 6 Bar 사이의 압력일 수 있다.
저압펌프(220)의 유입단에는 우레아 수용액 유입관(221)이 연결된다. 우레아 수용액 유입관(221)의 일단은 저압펌프(220)의 유입단에 결합되고 타단은 탱크모듈 본체(210)의 바닥면에 인접한 높이까지 아래로 뻗어있다. 도2에 도시한 것처럼 저압펌프(220)의 배출단(225)은 공급경로(250)에 연결되고, 이에 따라, 저압펌프(220)가 작동하게 되면 탱크모듈(200) 내에 저장된 우레아 수용액이 유입관(221)으로 빨려 들어가서 배출단(225) 및 공급경로(250)를 통해 분사모듈(300)로 공급될 수 있다.
일 실시예에서 우레아 수용액 유입관(221)의 일 측면에 공기 유입관(223)이 연결될 수 있다. 공기 유입관(223)은 공기를 유입하기 위한 배관으로, 유입관(223)의 일단이 우레아 수용액 유입관(221)에 연결되고 타단이 공기 중으로 개방되어 있다. 도시한 실시예에서 유입관(221)의 타단이 탱크모듈의 본체(210) 내부의 공기로 채워진 공간, 즉 우레아 수용액의 최대 레벨(L) 보다 높은 위치에서 공기를 향해 개방되어 있다. 대안적 실시예에서, 유입관(221)의 타단은 탱크모듈 본체(210)의 외부까지 연장되어 있어 탱크모듈(200) 외부의 공기를 향해 개방되도록 구성할 수도 있다.
공기 유입관(223)의 경로 상에는 공기 유입관(223)을 개폐하는 개폐밸브(222)가 설치될 수 있다. 이러한 구성에 따라, 저압펌프(220)가 동작하고 있을 때 개폐밸브(222)를 폐쇄하면 저압펌프(220)가 우레아 수용액 유입관(221)을 통해 우레아 수용액을 흡입하여 배출관(225)으로 배출하고, 개폐밸브(222)를 개방하면 저압펌프(220)가 공기를 흡입하여 배출관(225)으로 배출하여 분사모듈에 공기를 공급할 수 있다.
일반적으로 개폐밸브(222)로서 통상의 솔레노이드 밸브를 사용할 수 있다. 대안적 실시예에서, 개폐밸브(222)로서 삼방(3-way) 밸브를 사용할 수도 있다. 삼방밸브를 사용할 경우, 이 삼방밸브가 우레아 수용액 유입관(221)을 개방하고 공기 유입관(223)을 폐쇄하거나 또는 우레아 수용액 유입관(221)을 폐쇄하고 공기 유입관(223)을 개방하도록 제어함으로써, 저압펌프(220)가 우레아 수용액과 공기 중 하나를 흡입하여 분사모듈(300)로 공급할 수 있도록 한다.
회수관(230)은 분사모듈(300)로 공급된 우레아 수용액의 일부를 회수하는데 사용된다. 회수관(230)의 일단은 회수경로(260)와 연결되어 있고 타단은 탱크모듈 본체(210) 내부까지 연장되어 있다. 도시한 실시예에서 회수관(230)의 타단은 우레아 수용액의 최대 레벨(L) 보다 높은 높이까지 연장되어 있다.
제어부(240)는 일 실시예에 따른 우레아 공급 시스템 내의 각종 펌프와 밸브의 동작을 제어하고 센서의 측정값을 수신할 수 있다. 예를 들어, 제어부(240)는 저압펌프(220)와 개폐밸브(222)의 동작을 제어할 수 있다. 탱크모듈(200)은 탱크모듈 본체(210) 내부에 우레아 수용액의 레벨을 측정하는 레벨 센서 및 농도를 측정하는 농도 센서(243)를 포함할 수 있다. 레벨 센서는 전기저항봉(241) 및 플로우트(242)로 구성될 수 있다. 레벨 센서와 농도 센서에서 각각 측정된 측정값은 제어부(240)로 전달되고, 제어부(240)는 이 측정값에 기초하여 저압펌프(220), 고압펌프(340), 및 각종 밸브를 제어할 수 있다.
한편 도시한 실시예에 따르면 탱크모듈 본체(210) 상부에 저압펌프(220)와 제어부(240)의 수용을 위한 수용홈이 파여져 있고 저압펌프(220)와 제어부(240)가 이 수용홈에 수용되고 덮개(213)로 상부를 덮는 구조로 되어 있다. 이러한 구조에 따르면 탱크모듈(200)이 저압펌프(220)와 제어부(240)를 포함하면서도 이러한 구성요소로 인한 추가 부피를 차지하지 않기 때문에 탱크모듈(200)의 장착 및 설치가 편리하고 외부 충격 등으로부터 장치를 보호할 수 있는 이점이 있다. 그러나 대안적 실시예에서 저압펌프(220)와 제어부(240)의 설치 위치가 도시한 실시예와 다르게 변경되어도 무방하며, 본 발명은 저압펌프(220), 제어부(240), 회수관(230) 등의 구체적 형상이나 모양에 관계없음을 이해할 것이다.
이제 도2와 도4를 참조하여 일 실시예에 따른 분사모듈(300)에 대해 설명한다.
도면을 참조하면, 분사모듈(300)은 유입포트(310), 배출포트(320), 냉각채널(330), 고압펌프(340), 분사량 조절밸브(350), 및 분사노즐(360)을 포함할 수 있다. 유입포트(310)는 공급경로(250)와 결합되며 탱크모듈(200)에서 이송되는 우레아 수용액이 분사모듈(300) 내로 유입되는 포트이다. 배출포트(320)는 회수경로(260)와 결합되며 분사모듈(300)의 우레아 수용액을 탱크모듈(200)로 회수하기 위해 배출하는 포트이다.
냉각 채널(330)은 분사모듈(300)을 내에 형성된 공간으로, 분사모듈(300)을 냉각하기 위해 우레아 수용액이 채워지는 공간이다. 일 실시예에서 냉각 채널(330)은 분사노즐(360)을 둘러싸도록 형성되어, 분사노즐(360) 및 이 분사노즐(360)과 고압펌프(340) 사이의 연결통로를 냉각하도록 구성된다.
일 실시예에서 공급경로(250)와 결합된 유입포트(310)의 타단부가 냉각 채널(330)과 연통하고 회수경로(260)와 결합된 배출포트(320)의 타단부도 냉각 채널(3300과 연통하도록 구성된다. 이에 따라, 유입포트(310)를 통해 분사모듈(300) 내로 유입된 우레아 수용액은 냉각 채널(330)을 흐르면서 분사모듈(300)을 냉각시킨 후 배출포트(320)를 통해 회수경로(260)로 배출된다.
고압펌프(340)는 분사모듈(300)로 이송된 우레아 수용액 중 일부를 배기관(110) 내로 고압으로 분사하기 위한 펌프이다. 여기서 "고압"은 예를 들어 50 bar일 수 있다. 고압펌프의 압력이 높을수록 미립화에 유리하기 때문에 '고압'의 최대치를 한정하는 것은 바람직하지 않지만, 고압으로 인한 에너지 손실을 고려하여 일 실시예에서 고압펌프 압력을 20 bar 내지 100 bar 사이의 압력으로, 바람직하게는 40 bar 내지 60 bar 사이의 압력으로 설정할 수 있다.
도시한 일 실시예에서 고압펌프(340)는 기어펌프로 구현될 수 있고, 모터(341), 기어 하우징(342), 구동기어(343), 및 종속기어(344)로 구성될 수 있다. 이러한 구조의 고압펌프는 당업계에 공지된 기술이므로 상세한 설명은 생략한다.
냉각 채널(330)에 채워진 우레아 수용액 중 일부는 고압펌프(340)의 유입구(345)을 통해 고압펌프(340)로 들어간 후 고압펌프(340)의 배출구(346)를 통해 분사노즐(360)로 공급된다. 고압펌프(340)의 배출구(346)과 분사노즐(360) 사이의 경로에는 분사량 조절밸브(350)가 설치될 수 있다. 분사량 조절밸브(350)는 분사노즐(360)을 통한 분사되는 우레아 수용액의 분사량을 조절하기 위한 밸브로서 예컨대 솔레노이드 밸브로 구현될 수 있다. 도시한 실시예에서 분사모듈(300)은 분사량 조절밸브(350)에 가해지는 우레아 수용액의 압력을 일정하게 유지하기 위해 압력조절밸브(370)를 더 포함할 수 있다. 분사량 조절밸브와 압력조절밸브는 당업계의 공지기술이므로 상세한 설명은 생략한다.
일 실시예에서 고압펌프(340), 분사량 조절밸브(350), 및 압력조절밸브(370)는 제어부(240)에 의해 제어될 수 있다. 즉 도면에 도시하지 않았지만 제어부(240)에서 분사모듈(300)의 고압펌프(340), 분사량 조절밸브(350), 및 압력조절밸브(370)의 각각에 제어신호를 전달하는 제어선이 연결되어 있고, 이를 통해 각 펌프와 밸브들을 제어할 수 있다.
이상과 같은 탱크모듈(200)과 분사모듈(300)을 구비한 우레아 공급 시스템의 동작은 아래와 같다. 우선, 내연기관(100)을 운전하고 있을 때, 우레아 공급 시스템은 우레아 수용액을 배기관(110)에 분사하며 또한 이와 동시에 분사모듈(300)이 배기열에 의해 과열되는 것을 방지하기 위해 저압펌프와 고압펌프를 동시에 동작시킨다.
구체적으로, 저압펌프(220)를 구동하여 탱크모듈 본체(210) 내에 저장된 우레아 수용액을 공급경로(250)를 통해 분사모듈(300)로 이송시킨다. 유입포트(310)를 통해 분사모듈(300)로 들어온 우레아 수용액은 냉각 채널(330)을 통과하면서 분사모듈(300)을 냉각시킨다. 고압펌프(340)가 동작하면, 냉각 채널(330)을 흐르는 우레아 수용액의 일부는 고압펌프(340)에 의해 분사노즐(360)로 이송되어 배기관(110) 내부로 분사되고 나머지는 배출포트(320)를 통해 배출되고 회수경로(260)를 거쳐 탱크모듈(200)로 다시 회수된다.
이 때 분사모듈(300)로 공급되는 우레아 수용액의 대략 5~20%가 고압펌프(340)에 의해 분사노즐(360)을 통해 배기관(110) 내로 분사되고, 나머지 대략 80~95%의 우레아 수용액이 회수경로(260)를 거쳐 다시 회수될 수 있다. 이와 같이 분사모듈(300)로 공급되는 우레아 수용액의 대부분을 회수경로(260)를 통해 다시 회수하는 동작을 반복하여 일정 유량의 우레아 수용액을 지속적으로 순환시킴으로써 고온의 배기열에 노출된 분사모듈(300), 특히 분사노즐(360) 주위의 영역을 냉각시킬 수 있고 이에 따라 분사노즐(360)에 고체암모늄이 형성되는 것을 방지할 수 있게 된다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 탱크모듈(200)에서 분사모듈(300)로 우레아 수용액을 공급할 때는 탱크모듈(200) 측에 설치된 저압펌프(220)를 사용하고 분사노즐(360)을 통해 고압으로 분사할 때는 저압펌프(220)와 별도로 분사모듈(300)에 설치된 고압펌프(340)를 사용하기 때문에, 우레아 수용액이 배기관(110) 내에서 짧은 시간 내에 미립화 및 열분해되어 암모니아가 생성될 수 있고, 그러므로 본 발명은 배기관에 분사된 우레아 수용액의 미립화 특성을 향상시키고 암모니아로 열분해되는데 필요한 시간과 공간을 줄이는 효과를 가진다.
한편 내연기관(100)의 운전을 정지했을 때 본 발명의 탱크모듈(200)과 분사모듈(300)을 구비한 우레아 공급 시스템은 우레아 수용액의 이송경로(즉 공급경로(250), 분사모듈(300), 및 회수경로(260))의 내부를 모두 퍼징하여 이들 내부에 있는 우레아 수용액을 모두 회수하는 것이 바람직하다. 이를 위한 일 실시예에서, 우레아 공급 시스템은 제1 회수 모드 및 제2 회수 모드를 순차적으로 또는 동시에 실행할 수 있다.
제1 회수 모드는 공급경로(250), 냉각 채널(330), 및 회수경로(260) 내부에 있는 우레아 수용액을 회수하기 위한 퍼징 모드이다. 제1 회수 모드에서, 예컨대 제어부(240)가 탱크모듈(200)의 개폐밸브(222)를 개방한 상태에서 저압펌프(220)를 일정 시간 동안 동작시키도록 제어할 수 있다. 이에 따라 공기가 저압펌프(220)에 흡입되어 공급경로(250), 냉각 채널(330), 및 회수경로(260)를 따라 이송되면서 이들 경로 내에 존재하는 우레아 수용액을 밀어내어 탱크모듈(200)로 효과적으로 회수할 수 있다.
일 실시예에서 상술한 제1 회수 모드의 동작 중에 제2 회수 모드를 동시에 실행할 수 있다. 제2 회수 모드는 고압펌프(340) 내부에 있는 우레아 수용액을 회수하기 위한 퍼징 모드이다. 제1 회수 모드가 실행되고 있는 중에, 예컨대 제어부(240)가 분사량 조절밸브(350)를 폐쇄하고 압력조절밸브(370)를 개방한 상태에서 고압펌프(340)를 일정 시간 동안 동작시키도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 냉각 채널(330)을 흐르는 공기의 일부가 고압펌프(340)의 유입구(345)로 흘러들어가서 고압펌프(340) 내부에 존재하는 우레아 수용액을 밀어내고, 이 우레아 수용액은 고압펌프(340)의 배출구(346)와 압력조절밸브(370)의 연결관을 통해 냉각 채널(330)로 배출된 후 회수경로(260)를 따라 탱크모듈(200)로 회수될 수 있다.
이제 도5 내지 도9를 참조하여 본 발명의 우레아 공급 시스템의 대안적 실시예들을 설명하기로 한다.
도5는 제2 실시예에 따른 우레아 공급 시스템을 나타낸다.
도5를 참조하면, 제2 실시예에 따른 우레아 공급 시스템에서 탱크모듈(200)은 제1 실시예에 따른 탱크모듈(200)과 동일 또는 유사한 구성 및 기능을 하며, 설명을 생략하기로 한다.
제1 실시예(도2)의 분사모듈(300)과 비교할 때, 제2 실시예(도5)의 분사모듈(400)은 고압펌프(440)가 분사모듈 본체에서 분리되어 있는 점에서 구성적 차이가 있다. 이 때 "분사모듈 본체"는 배기관(110)에 직접적으로 부착된 부재로서, 예컨대 냉각채널(430) 및 분사노즐(460) 그리고 분사량 조절밸브와 압력조절밸브를 포함하는 부재이다.
제2 실시예에서 고압펌프(440)는 이러한 분사모듈 본체로부터 소정 거리 이격되어 배치되며, 냉각채널(430)로부터 우레아 수용액을 유입받는 유입구(445)와 고압펌프에서 분사노즐(460) 측으로 고압의 우레아 수용액을 배출하는 배출구(446)에 의해 연결되어 있다.
이러한 제2 실시예에 따르면 고압펌프(440)가 배기관(110)에 직접 접촉하고 있지 않으므로 고압펌프(440)를 냉각할 필요성이 감소하고, 냉각 채널(430)의 우레아 수용액이 고압펌프(440)를 냉각하지 않고 분사노즐(460)과 그 주위의 구성요소들만 냉각하면 되므로 냉각효율을 높일 수 있다. 다만, 고압펌프(440)가 분사노즐(460)로부터 멀어질수록 분사노즐(460)의 분사압력이 감소하므로 분사노즐의 냉각효과와 분사압이 상충관계에 있으므로, 본 발명의 구체적 실시 형태에 맞게 고압펌프(440)의 이격 거리를 설정하는 것이 바람직하다.
도6은 제3 실시예에 따른 우레아 공급 시스템을 나타낸다.
도6을 참조하면, 제3 실시예에 따른 우레아 공급 시스템에서 탱크모듈(200)은 제1 실시예에 따른 탱크모듈(200)과 동일 또는 유사한 구성 및 기능을 하므로 설명을 생략한다.
제3 실시예(도6)의 분사모듈(500)은 고압펌프(540)가 분사모듈 본체에서 분리되어 배치되는 점에서 제1 실시예(도2)의 분사모듈(300)과 비교하여 구성적 차이가 있고 제2 실시예(도5)와 유사한 구성을 가진다.
다만 제2 실시예(도5)와 비교할 때 고압펌프(540)의 유입구(545)가 공급경로(260)에 직접 연결되어 있다. 따라서 탱크모듈(200)에서 공급경로(250)를 통해 공급되는 우레아 수용액 중 일부가 고압펌프(540)로 유입된 후 고압으로 분사노즐(560)에 공급되어 분사되고, 공급경로(250) 중의 나머지 우레아 수용액은 분사모듈(500)의 냉각 채널(530)로 공급되어 분사모듈 본체를 냉각시키고 회수경로(260)를 통해 탱크모듈(200)로 회수된다.
도7은 제4 실시예에 따른 우레아 공급 시스템을 나타낸다.
도7의 제4 실시예의 우레아 공급 시스템은 탱크모듈(600)과 분사모듈(700)을 포함한다. 제4 실시예에서는 공급경로(250)만 존재하고 회수경로가 생략되어 있다. 따라서 우레아 수용액이 탱크모듈(600)과 분사모듈(700) 사이를 순환하는 기능이 없고, 분사모듈(700)로 공급된 우레아 수용액은 냉각 채널(730)을 채운 뒤 고압펌프(740)에 의해 분사노즐(760)에서 배기관으로 분사된다.
한편 이 실시예에서는 회수경로가 없으므로 탱크모듈(600)에서도 회수관(도3의 230), 공기 유입관(223), 개폐밸브(222) 등이 생략되어 있음을 이해할 것이다.
도8은 제5 실시예에 따른 우레아 공급 시스템을 나타낸다.
도8의 제5 실시예의 우레아 공급 시스템은 탱크모듈(600)과 분사모듈(800)을 포함한다. 도8의 제5 실시예에서 탱크모듈(600)은 도7의 제4 실시예의 탱크모듈(600)과 동일 또는 유사한 구성과 기능을 가진다.
도8의 제5 실시예의 분사모듈(800)은 고압펌프(840)가 분사모듈 본체에서 분리되어 배치되는 점에서 제4 실시예(도7)의 분사모듈(700)과 차이가 있고, 제2 실시예(도5)와 비교할 때 제5 실시예(도8)의 분사모듈(800)은 회수경로(도5의 260)와의 연결을 위한 배출포트(도5의 420)가 없는 점을 제외하고는 유사한 구성을 가짐을 알 수 있다.
도9는 제6 실시예에 따른 우레아 공급 시스템을 나타낸다.
도9의 제6 실시예의 우레아 공급 시스템은 탱크모듈(600)과 분사모듈(900)을 포함한다. 도9의 실시예에서 탱크모듈(600)은 도7의 제4 실시예의 탱크모듈(600)과 동일 또는 유사한 구성과 기능을 가지며, 분사모듈(900)은 냉각 채널(730)이 없는 점에서 제4 실시예(도7)와 차이가 있다. 즉 탱크모듈(600)에서 공급경로(250)를 따라 분사모듈(900)로 이송된 우레아 수용액은 고압펌프(740)로 유입된 후 분사노즐(760)을 통해 배기관으로 분사된다.
이상 설명한 도7 내지 도9의 제4 내지 도6 실시예는 회수경로(260)를 포함하지 않으며 우레아 수용액이 탱크모듈(600)과 분사모듈(700, 800, 900) 사이를 순환하는 기능이 없기 때문에 분사모듈(700, 800, 900) 냉각하는 효과가 떨어지고 우레아 수용액을 탱크모듈(600)로 회수할 수 없는 점에서 도1 내지 도6의 제1 내지 제3 실시예와 차이가 있다.
그러나 제4 내지 제6 실시예에서도 탱크모듈(200)측에 저압펌프(620)가 설치되고 분사모듈(700, 800, 900)에 고압펌프(740, 840, 940)가 설치된 점에서 제1 내지 제3 실시예와 동일한 기술적 효과를 가질 수 있다. 즉 탱크모듈(600)에서 분사모듈(700, 800, 900)로 우레아 수용액을 공급할 때는 탱크모듈(600)의 저압펌프(620)를 사용하고 공급하고, 분사노즐(760, 860, 960)을 통해 배기관(110) 내로 고압으로 분사할 때는 저압펌프(620)와 별도로 설치된 고압펌프(740, 840, 940)를 사용하기 때문에, 우레아 수용액이 배기관(110) 내에서 짧은 시간 내에 미립화 및 열분해되어 암모니아를 생성할 수 있고, 그러므로 배기관에 분사된 우레아 수용액의 미립화 특성을 향상시키고 암모니아로 열분해되는데 필요한 시간과 공간을 줄이는 효과를 가질 수 있다.
이상과 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 수 있다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 내연기관
110: 배기관
120: 선택적환원촉매(SCR)
200, 600: 탱크모듈
220, 620: 저압펌프
300, 400, 500, 700, 800, 900: 분사모듈
340, 440, 540, 740, 840, 940: 고압펌프

Claims (18)

  1. 우레아 수용액을 저장하는 탱크모듈과 내연기관의 배기관에 장착되고 우레아 수용액을 배기관 내로 분사하는 분사모듈을 구비한 우레아 공급 시스템으로서,
    상기 탱크모듈은 이 탱크모듈에 저장된 우레아 수용액을 상기 분사모듈로 이송하기 위한 저압펌프를 포함하고,
    상기 분사모듈은, 분사모듈로 이송된 우레아 수용액을 고압으로 배출하기 위한 고압펌프; 및 상기 고압펌프에서 배출되는 우레아 수용액을 상기 배기관 내로 분사하는 분사노즐;을 포함하는 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 저압펌프는 10 Bar 이하의 압력으로 우레아 수용액을 상기 분사모듈로 이송하는 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 분사모듈이,
    상기 분사노즐을 통한 우레아 수용액의 분사량을 조절하기 위한 분사량 조절밸브; 및
    상기 분사량 조절밸브에 가해지는 우레아 수용액의 압력을 일정하게 유지하기 위한 압력조절밸브;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 분사모듈이 분사모듈 본체와 상기 고압펌프로 분리 구성되고,
    상기 분사모듈 본체 내에 상기 분사노즐, 분사량 조절밸브, 및 압력조절밸브가 배치되고, 상기 고압펌프는 상기 분사모듈 본체로부터 소정 거리 이격되어 배치된 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.
  5. 우레아 수용액을 저장하는 탱크모듈과 내연기관의 배기관에 장착되고 우레아 수용액을 배기관 내로 분사하는 분사모듈을 구비한 우레아 공급 시스템으로서,
    상기 탱크모듈에 설치되어 상기 탱크모듈에 저장된 우레아 수용액을 상기 분사모듈로 이송하는 저압펌프;
    상기 분사모듈에 설치되고 상기 분사모듈로 이송된 우레아 수용액을 배기관 내로 고압으로 분사하기 위한 고압펌프;
    상기 탱크모듈에서 상기 분사모듈까지 연결되어 우레아 수용액을 이송하는 공급경로; 및
    상기 분사모듈에서 상기 탱크모듈까지 연결되어 우레아 수용액을 이송하는 회수경로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 저압펌프에 의해 상기 공급경로를 따라 분사모듈로 이송된 우레아 수용액 중 일부가 상기 고압펌프에 의해 배기관 내로 분사되고 나머지는 상기 회수경로를 따라 탱크모듈로 회수되도록 구성된 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 분사모듈이,
    우레아 수용액으로 채워지도록 일정 체적의 공간을 가지며 분사모듈을 냉각하는 냉각 채널;
    일단이 상기 공급경로와 결합되고 타단이 상기 냉각 채널과 연통하는 유입포트; 및
    일단이 상기 회수경로와 결합되고 타단이 상기 냉각 채널과 연통하는 배출포트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 저압펌프가,
    일단이 상기 저압펌프의 유입단에 결합되고 타단이 우레아 수용액의 레벨 아래까지 뻗어있는 우레아 수용액 유입관;
    일단이 상기 우레아 수용액 유입관에 연결되고 타단이 공기중에 개방된 공기 유입관; 및
    상기 공기 유입관을 개폐하는 개폐밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 공기 유입관의 상기 타단이 상기 탱크모듈 내부의 공기로 채워진 공간을 향해 개방되거나 또는 상기 탱크모듈 외부의 공기를 향해 개방된 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 개폐밸브가, 상기 우레아 수용액 유입관과 상기 공기 유입관 중 하나를 개방하고 이와 동시에 다른 하나를 폐쇄하도록 동작하는 삼방밸브인 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 탱크모듈이 상기 저압펌프와 개폐밸브의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 내연기관의 운전 정지시, 상기 공급경로와 회수경로 내부에 있는 우레아 수용액을 회수하기 위해 상기 개폐밸브를 개방한 상태에서 상기 저압펌프를 소정 시간 동안 동작시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 분사모듈이,
    상기 분사노즐을 통한 우레아 수용액의 분사량을 조절하기 위한 분사량 조절밸브; 및
    상기 분사량 조절밸브에 가해지는 우레아 수용액의 압력을 일정하게 유지하기 위한 압력조절밸브;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 탱크모듈이 상기 저압펌프, 개폐밸브, 고압펌프, 분사량 조절밸브, 및 압력조절밸브의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부가, 내연기관의 운전 정지시, 상기 공급경로와 회수경로 내부에 있는 우레아 수용액을 회수하기 위해 상기 개폐밸브를 개방하고 상기 저압펌프를 소정 시간 동안 작동시키는 제1 회수 모드를 실행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제어부가, 내연기관의 운전 정지시, 상기 고압펌프 내부에 있는 우레아 수용액을 회수하기 위해, 상기 분사량 조절밸브를 폐쇄하고 상기 압력조절밸브를 개방하고 상기 고압펌프를 소정 시간 동안 작동시키는 제2 회수 모드를 상기 제1 회수 모드를 실행하는 동안 실행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 분사모듈이 분사모듈 본체와 상기 고압펌프로 분리 구성되고,
    상기 분사모듈 본체 내에 상기 분사노즐, 분사량 조절밸브, 및 압력조절밸브가 배치되고, 상기 고압펌프는 상기 분사모듈 본체로부터 소정 거리 이격되어 배치된 것을 특징으로 하는 우레아 공급 시스템.
  16. 우레아 수용액을 저장하는 탱크모듈과 내연기관의 배기관에 장착되고 우레아 수용액을 배기관 내로 분사하는 분사모듈을 구비한 우레아 공급 시스템에 의한 우레아 공급 방법으로서, 상기 내연기관의 운전시에,
    상기 탱크모듈에 설치된 저압펌프를 동작시켜 일정량의 우레아 수용액을 공급경로를 통해 상기 분사모듈로 이송하는 단계;
    상기 저압펌프가 동작하는 동안 상기 분사모듈에 설치된 고압펌프를 동작시켜 상기 분사모듈로 이송된 우레아 수용액 중 일부를 분사노즐을 통해 배기관 내로 분사하는 단계; 및
    상기 저압펌프의 동작에 의해 상기 분사모듈로 이송된 우레아 수용액의 나머지를 회수경로를 통해 상기 탱크모듈로 회수하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 우레아 공급 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 내연기관의 운전 정지시에,
    상기 공급경로와 회수경로 내부에 있는 우레아 수용액을 회수하기 위해, 상기 저압펌프를 이용하여 공기를 상기 분사모듈로 공급하여 이 공기가 상기 공급경로, 분사모듈, 및 회수경로를 거쳐 상기 탱크모듈로 순환되도록 하는 제1 회수 모드를 실행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 우레아 공급 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 내연기관의 운전 정지시에,
    상기 고압펌프 내부에 있는 우레아 수용액을 회수하기 위해, 상기 고압펌프의 배출구에서 상기 분사노즐로 향하는 경로를 폐쇄하되 상기 고압펌프의 배출구에서 상기 회수경로로 향하는 압력조절밸브를 개방한 상태에서 상기 고압펌프를 소정 시간 동안 작동시키는 제2 회수 모드를 상기 제1 회수 모드를 실행하는 동안 실행하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 우레아 공급 방법.
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