KR20190104617A - 자동차의 배기가스 섹션 내로 환원제를 계량 주입하기 위한 계량공급 시스템용 이송 모듈 및 계량공급 시스템 - Google Patents

자동차의 배기가스 섹션 내로 환원제를 계량 주입하기 위한 계량공급 시스템용 이송 모듈 및 계량공급 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 흡입측에서는 흡입 라인(3)을 통해 환원제 저장 탱크(4)와 연결되어 있거나 연결될 수 있고, 토출측에서는 이송 라인(5)을 통해 계량공급 모듈(6)과 연결되어 있거나 연결될 수 있는 펌프(2)를 포함하는, 환원제, 특히 요소 수용액을 자동차의 배기가스 섹션 내로 계량 주입하기 위한 계량공급 시스템용 이송 모듈(1)에 관한 것으로, 이 이송 모듈에서는 이송 라인(5)에서 역으로 저장 탱크(4) 내로 가이드되는 리턴 라인(7)이 분기된다. 본 발명에 따르면, 흡입측에서 필터(8)가 이송 모듈(1) 내에 통합된다. 본 발명은 또한 이러한 이송 모듈(1)을 구비한 계량공급 시스템에 관한 것이다.

Description

자동차의 배기가스 섹션 내로 환원제를 계량 주입하기 위한 계량공급 시스템용 이송 모듈 및 계량공급 시스템
본 발명은, 청구항 1의 전제부의 특징들을 갖는, 자동차 배기가스 섹션 내로 환원제, 특히 요소 수용액을 계량 주입하기 위한 계량공급 시스템용 이송 모듈에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 이와 같은 이송 모듈을 갖는 계량공급 시스템과도 관련이 있다.
내연 기관의 대기 오염 물질 배출 수치에 대한 법적 요구 사항이 계속 증가함으로 인해, 사전 설정된 한계값을 준수하기 위하여 배기가스가 후처리 과정을 거친다. 특히 디젤 엔진에서 질소 산화물 배출 저감을 위해, 질소 산화물 배출(NOx)을 현저하게 줄일 수 있는 환원 촉매 컨버터가 사용된다. 배기가스가 촉매 컨버터 내에 도달하기 전에, 예를 들어 암모니아의 생성을 야기하는 요소 수용액과 같은 환원제가 배기가스에 공급되며, 암모니아는 다시 하류에 접속된 촉매 컨버터에서 질소 산화물과 반응하여 무해한 질소와 물을 생성한다. 요소 수용액의 공급은, 정기적으로 환원제를 저장하기 위한 저장 탱크, 환원제를 계량 주입하기 위한 계량공급 모듈, 및 저장 탱크로부터 계량공급 모듈로 환원제를 이송하기 위한 이송 모듈을 포함하는 계량공급 시스템을 통해 이루어진다.
DE 10 2009 045 721 A1호로부터 예를 들어, 액체 환원제용 저장 탱크, 라인들을 통해 저장 탱크와 연결된 이송 모듈, 및 계량공급 모듈을 포함하는, 자동차 내연 기관의 액체 환원제용 이송 장치가 개시된다. 계량공급 모듈은, 환원제를 자동차의 배기가스 섹션 내로 노즐을 통해 주입할 수 있는 전환 가능 계량공급 밸브로서 형성된다. 환원제는, 이송 모듈의 이송 펌프에 의해 저장 탱크로부터 흡입 라인을 통해 흡입되고, 이송 라인을 통해 계량공급 밸브에 공급된다. 입자가 계량공급 밸브 내로 유입되는 것을 방지하기 위해, 이송 라인 내에 제1 필터가 배치된다. 이송 펌프를 입자로부터 보호하기 위해, 저장 탱크 내부에서 흡입 라인의 시작점에 제2 필터가 배치된다. 이송 라인으로부터 분기되어, 초과량의 환원제를 이송 라인으로부터 역으로 저장 탱크 내로 가이드하기 위해 이용되는 리턴 라인 내에 제3 필터가 존재한다.
요소 수용액 형태의 환원제가 낮은 외부 온도에서 동결됨으로써, 계량공급 시스템의 구성 요소들 및 라인들 내에는 빙압에 의한 손상의 위험이 정기적으로 나타난다. 이와 같은 손상을 방지하기 위하여, 계량공급 모드뿐만 아니라 역흡입 모드로도 작동될 수 있는 계량공급 시스템이 공지되어 있다. 역흡입 모드에서는 구성 요소들 및 라인들 내에 존재하는 환원제가 역으로 저장 탱크 내로 이송된다. 역흡입 모드는, 선택적으로 이송 펌프의 이송 방향의 역전에 의해 또는 밸브 어셈블리에 의해 실현될 수 있다.
역흡입 모드에서는 계량공급 시스템이 반대 방향으로 관류된다. 이 경우, 이전에 필터에 침전되었던 먼지 입자가 다시 분리된다. 따라서, 유동 역전을 실현하기 위해 이송 펌프 및/또는 밸브 어셈블리에 할당된 주요 기능 구성 요소들의 좁은 지점들, 특히 밸브들에서 마모 증가 및 이로써 누출이 발생할 수 있다. 이는 다시, 시스템 내 압력 상승이 불충분해지고 필요한 환원제 유동률에 도달하지 못하는 결과를 야기할 수 있다.
따라서 본 발명의 과제는, 유해 입자로부터 계량공급 시스템의 보호를 개선하는 데 있다. 이러한 방식으로, 기능 안전이 증대된 계량공급 시스템이 제공되어야 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 청구항 1의 특징들을 갖는 계량공급 시스템용 이송 모듈, 및 청구항 9의 특징들을 갖는 계량공급 시스템이 제안된다. 본 발명의 바람직한 개선예들은 종속 청구항들을 참조한다.
제안된 이송 모듈은, 흡입측에서는 흡입 라인을 통해 환원제 저장 탱크와 연결되어 있거나 연결될 수 있고, 토출측에서는 이송 라인을 통해 계량공급 모듈과 연결되어 있거나 연결될 수 있는 펌프를 포함하며, 상기 이송 라인으로부터 역으로 저장 탱크 내로 가이드되는 리턴 라인이 분기된다. 본 발명에 따라 흡입측에서 필터가 이송 모듈 내에 통합된다. 다시 말해, 펌프의 흡입측에는, 펌프 및 모든 후속하는 구성 요소들을 입자로부터 보호하는 필터가 배치된다. 필터가 펌프의 흡입측에 배치된 구성의 또 다른 장점은, 계량공급 모드에서 침전되어 필터에 달라붙은 입자가 후속하는 역흡입 모드에서, 기능 관련 구성 요소가 배치되어 있는 시스템의 영역 내에 도달하지 않는다는 점이다. 그 이유는, 필터의 오염측이 기능 관련 구성 요소로부터 먼 쪽을 향해 배치되기 때문이다.
흡입측에서 이송 모듈 내에 통합된 필터는 특히 메인 필터일 수 있다. 다시 말해, 통상적으로 토출측에 배치되는 메인 필터가 펌프의 토출측으로부터 흡입측으로 옮겨진다. 더 나아가, 추가 필터의 배치가 생략될 수 있는데, 그 이유는 흡입측에 배치된 필터가 펌프의 토출측도 입자가 없는 상태로 유지시키기 때문이다.
본 발명의 개선예에서는, 중력 방향으로 필터 상부에 보상 용적이 형성되는 구성이 제안된다. 상부에 배치된 보상 용적은 필터 배기의 개선에 이용되는데, 그 이유는 공기가 보상 용적 내로 상승할 수 있기 때문이다. 더 나아가 빙압 손상으로부터도 보호되는데, 그 이유는 환원제가 동결된 경우 환원제가 내부로 팽창될 수 있는 확대된 용적이 가용해지기 때문이다. 설치 공간 수요를 줄이기 위하여, 보상 용적이 필터와 함께 공통 하우징 내에 배치되는 구성이 제안된다.
바람직하게는 흡입 라인으로부터, 필터 및/또는 보상 용적을 우회하기 위해, 역으로 저장 탱크 내로 가이드되는 바이패스 라인이 분기된다. 필터의 우회는, 필터가 역흡입 모드에서 반대 방향으로 관류되는 상황을 방지한다. 이로써, 이미 침전된 입자가 필터로부터 분리되지 않는 점이 보장된다. 이를 위해, 바이패스 라인의 분기는 주 유동 방향으로 필터 하류에 배치된다. 다른 한 편으로, 필터 여과포를 세척하기 위해 필터의 역세정(backwash)이 명시적으로 요구될 수 있다. 이 경우, 분기는 주 유동 방향으로 필터 상류에 있으며, 다시 말해 필터의 오염측에 배치된다. 분기된 바이패스 라인이 보상 용적을 기준으로 배치됨에 따라, 동시에 보상 용적의 우회도 달성될 수 있는데, 더 구체적으로는 분기가 주 유동 방향으로 필터 하류에 배치되는지, 아니면 필터 상류에 배치되는지와 무관하게 달성될 수 있다. 보상 용적의 우회는, 보상 용적이 교대로 환기 및 배기되는 것을 방지한다.
바이패스 라인 내에 바람직하게, 계량공급 모드에서는 폐쇄되어 있고 역흡입 모드에서는 개방되어 있는 체크 밸브가 배치된다. 이러한 방식으로, 흡입 라인을 통해서만 환원제가 흡입되고, 흡입된 환원제는 필터를 통과해야 하며, 계량공급 모드에서는 리턴 라인으로부터 또는 저장 탱크로부터 가스가 흡입되지 않는 점이 보장된다.
계량공급 모드에서 체크 밸브의 원치 않는 개방을 방지하기 위하여, 바람직하게는 체크 밸브의 개방 압력이 기존의 정압비(static pressure ratio)에 매칭된다. 더 바람직하게, 체크 밸브의 개방 압력은, 저장 탱크 내에서의 최소 충전 레벨과 체크 밸브의 위치 간의 높이차(ΔH)로부터 도출되는 압력차 미만이다. 이러한 방식으로, 역흡입 모드에서 먼저 필터 및/또는 보상 용적이 비워지거나 배기되지 않는 점이 보장된다.
개선 조치로서, 흡입 라인이 유입구를 통해 이송 모듈에 연결되고, 유입구가 중력 방향으로 저장 탱크 내에서 충전 레벨 상부에 배치되는 구성이 제안된다. 이러한 방식으로, 체크 밸브의 원치 않는 개방을 저지하는 유리한 정압비가 제공될 수 있다. 그 이유는, 이 경우 저장 탱크 내에서의 충전 레벨과 유입구 간의 높이차(ΔH)로부터 관련 압력차가 도출되기 때문이다.
바람직하게 이송 모듈 내에는, 계량공급 모드로부터 역흡입 모드로의 전환 및 그 반대로의 전환을 위한 4/2-방향 조절 밸브가 통합된다. 이 경우, 전환은 펌프 작동 방향의 역전을 필요로 하지 않는다. 다시 말해, 간단한 저가의 펌프도 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 펌프는 다이어프램 펌프(diaphragm pump)이다. 다이어프램 펌프는 매우 견고하고, 설치 공간을 많이 필요로 하지 않는다. 다이어프램 펌프는 하나의 작동 방향만을 갖기 때문에, 바람직하게는 다이어프램 펌프를 4/2-방향 조절 밸브와 결합하는 구성이 제안된다.
더 나아가서는, 환원제, 특히 요소 수용액을 자동차의 배기가스 섹션 내로 계량 주입하기 위한 계량공급 시스템이 제안된다. 계량공급 시스템은, 환원제 저장 탱크, 계량공급 모듈 및 본 발명에 따른 이송 모듈을 포함한다. 본 발명에 따른 이송 모듈 덕분에, 계량공급 시스템은 유해한 입자로부터 그리고 이로써 기능 관련 구성 요소의 마모로부터 더 우수하게 보호된다. 감소된 마모가 누출을 저지함으로써, 시간에 걸쳐서도 충분한 압력 상승 및 충분한 유동률이 보장된다. 나아가 시스템의 배기도 개선된다.
본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부된 도면들을 참조하여 이하에서 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 본 발명에 따른 이송 모듈을 갖는 계량공급 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 본 발명에 따른 이송 모듈을 갖는 계량공급 시스템의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 본 발명에 따른 이송 모듈을 갖는 계량공급 시스템의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 본 발명에 따른 이송 모듈을 갖는 계량공급 시스템의 개략도이다.
도 1에 도시된 계량공급 시스템은, 환원제 저장 탱크(4), 환원제를 스프레이로서 자동차의 (도시되지 않은) 배기 섹션 내로 계량 주입할 수 있는 계량공급 모듈(6), 및 환원제를 저장 탱크(4)로부터 계량공급 모듈(6)에 공급할 수 있는 이송 모듈(1)을 포함한다. 이를 위해, 이송 모듈(1)은, 복수의 라인을 통해 저장 탱크(4) 및 계량공급 모듈(6)과 연결되어 있는 펌프(2)를 포함한다.
흡입 라인(3)으로서 설계된 제1 라인은 펌프(2)를 저장 탱크(4)와 연결한다. 이송 라인(5)을 통해 계량공급 모듈(6)과 펌프(2)의 연결이 이루어진다. 이송 라인(5)으로부터, 초과량의 환원제를 역으로 저장 탱크(4) 내로 가이드하는 리턴 라인(7)이 분기된다. 분기는, 압력 센서(17)가 할당되어 있는 보상 용적(16)의 영역 내에 배치된다. 리턴 라인(7) 내에 배치된 스로틀(15)은, 이송 라인(5) 내에서의 압력이 사전 설정된 한계값 아래로 떨어지는 것을 방지한다.
본 실시예에서, 펌프(2)는, 모터(19)를 구동 수단으로서 구비한 다이어프램 펌프로서 구현되어 있다. 다이어프램 펌프에 의해서는 시스템을 비우기 위한 유동 방향의 역전이 실현될 수 없기 때문에, 2개의 체크 밸브(18)를 통해 펌프(2)와 연결되어 있는 4/2-방향 조절 밸브(14)가 추가로 제공된다. 체크 밸브들(18)은 펌프(2)의 유입구 및 배출구를 규정한다. 4/2-방향 전환 밸브(14)의 전환 위치에 따라, 계량공급 시스템은 계량공급 모드에 있거나 역흡입 모드에 있다.
도 1의 계량공급 시스템의 이송 모듈(1)은, 흡입측에 배치된, 다시 말해 펌프(2)의 주 유동 방향으로 4/2-방향 전환 밸브(14) 상류에 접속되어 있는 필터(8)를 더 포함한다. 4/2-방향 전환 밸브(14)가 계량공급 모드로부터 역흡입 모드로 전환되면, 흡입 라인(3) 내에서의 유동 방향이 역전된다. 이 경우, 바이패스 라인(11) 내에 필터(8)의 우회를 위해 배치된 체크 밸브(12)가 개방됨으로써, 필터(8)는 역방향으로 관류되지 않게 된다. 이러한 방식으로, 이미 침전된 입자가 필터로부터 분리되어 다시 저장 탱크(4) 내에 도달하는 상황이 방지된다. 펌프(2), 특히 펌프(2)의 체크 밸브(18), 및 4/2-방향 전환 밸브(14)와 같은 기능 관련 구성 요소들의 오염도 마찬가지로 염려할 필요가 없는데, 그 이유는 오염측이 상기 구성 요소들로부터 먼 쪽을 향하는 필터(8)의 측에 놓여 있기 때문이다.
도 2에는, 도 1의 계량공급 시스템의 일 개선예가 도시되어 있다. 중력 방향으로 필터(8) 상부에는, 필터(8)의 배기를 위해 이용되는 보상 용적(9)이 추가로 배치된다. 또한, 보상 용적(9)은 빙압에 의한 손상도 방지할 수 있다. 보상 용적(9)은 필터(8)와 함께 하나의 하우징(10) 내에 배치된다.
도 2의 계량공급 시스템의 일 변형예가 도 3에 도시되어 있다. 바이패스 라인(11)이 필터(8) 상부에서, 그러나 보상 용적(9) 아래에서 분기됨으로써, 역흡입 모드에서 필터(8)는 역세정되지만, 보상 용적(9)은 비워지거나 배기되지 않는다. 필터(8)의 역세정은 세척 목적으로 이용되며, 이 경우 필터(8)로부터 분리된 입자가 역으로 저장 탱크(4) 내에 도달하는 상황이 감수된다.
도 2의 계량공급 시스템의 또 다른 일 변형예가 도 4에 도시되어 있다. 바이패스 라인(11) 내에 배치된 체크 밸브(12)의 원치 않는 개방을 방지하기 위하여, 이송 모듈(1)의 유입구(13)가 중력 방향으로 저장 탱크(4) 상부에 있는 위치로 옮겨져 있다. 이 경우, 정압비와 관련된 액주(liquid column)가 체크 밸브(12)와 유입구(13) 간의 높이차(ΔH)로부터 도출된다. 도 2의 실시예에서는, 체크 밸브(12)와 저장 탱크(4) 내 충전 레벨 간의 높이차(ΔH)로부터 액주가 나타난다(도 2 참조). 하지만, 두 가지 경우 모두, 원치 않는 개방 및 이로써 필터(8) 또는 보상 용적(9)의 비워짐을 방지하기 위해서는, 체크 밸브(12)의 개방 압력이 그로부터 도출되는 정압비 미만이어야 한다.

Claims (9)

  1. 환원제, 특히 요소 수용액을 자동차의 배기가스 섹션 내로 계량 주입하기 위한 계량공급 시스템용 이송 모듈(1)로서, 흡입측에서는 흡입 라인(3)을 통해 환원제 저장 탱크(4)와 연결되어 있거나 연결될 수 있고, 토출측에서는 이송 라인(5)을 통해 계량공급 모듈(6)과 연결되어 있거나 연결될 수 있는 펌프(2)를 포함하며, 이송 라인(5)에서 역으로 저장 탱크(4) 내로 가이드되는 리턴 라인(7)이 분기되는, 계량공급 시스템용 이송 모듈에 있어서,
    흡입측에서 필터(8)가 이송 모듈(1) 내에 통합되는 것을 특징으로 하는, 계량공급 시스템용 이송 모듈(1).
  2. 제1항에 있어서, 중력 방향으로 필터(8) 상부에 보상 용적(9)이 형성되며, 상기 보상 용적은 바람직하게 필터(8)와 함께 공통 하우징(10) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 계량공급 시스템용 이송 모듈(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 흡입 라인(3)으로부터, 필터(8) 및/또는 보상 용적(9)을 우회하기 위해, 역으로 저장 탱크(4) 내로 가이드되는 바이패스 라인(11)이 분기되는 것을 특징으로 하는, 계량공급 시스템용 이송 모듈(1).
  4. 제3항에 있어서, 바이패스 라인(11) 내에, 계량공급 모드에서는 폐쇄되어 있고 역흡입 모드에서는 개방되어 있는 체크 밸브(12)가 배치되는 것을 특징으로 하는, 계량공급 시스템용 이송 모듈(1).
  5. 제4항에 있어서, 체크 밸브(12)의 개방 압력이, 저장 탱크(4) 내에서의 최소 충전 레벨과 체크 밸브(12)의 위치 간의 높이차(ΔH)로부터 도출되는 압력차 미만인 것을 특징으로 하는, 계량공급 시스템용 이송 모듈(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 흡입 라인(3)이 유입구(13)를 통해 이송 모듈(1)에 연결되고, 유입구(13)가 중력 방향으로 저장 탱크(4) 내에서 충전 레벨 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는, 계량공급 시스템용 이송 모듈(1).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 계량공급 모드로부터 역흡입 모드로의 전환 및 그 반대로의 전환을 위한 4/2-방향 조절 밸브(14)가 이송 모듈(1) 내에 통합되는 것을 특징으로 하는, 계량공급 시스템용 이송 모듈(1).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 펌프(2)가 다이어프램 펌프인 것을 특징으로 하는, 계량공급 시스템용 이송 모듈(1).
  9. 환원제 저장 탱크(4), 계량공급 모듈(6), 및 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 이송 모듈(1)을 구비한 자동차의 배기 섹션 내로 환원제, 특히 요소 수용액을 계량 주입하기 위한, 계량공급 시스템.
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