KR20220007989A - 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템 - Google Patents

차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템차에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 요소수의 승온 장치의 경우 차량에서 배기되는 배기 열을 이용하여 탱크에 보관되어 있는 요소수를 외기의 온도 이상으로 승온시킴으로써, 낮은 열분해 온도의 배기가스에 분사하여도 비교적 작은 열량의 흡수로 보다 빠르게 암모니아로 열분해가 가능함은 물론 요소수의 결빙도 방지할 수 있고, 요소수 승온 장치에 의해 이미 승온된 요소수의 경우에는 보다 적은 열량의 흡수로 열분해가 가능하므로 작은 열량 흡수로 인해 열량 흡수 시간이 단축되어 빠른 열분해가 가능함은 물론 빠른 열분해로 인해 배관의 길이를 줄일 수 있고 비교적 낮은 열분해 온도의 차량 주행에서도 배기가스 내 NOx의 저감율의 증가를 기대할 수 있으며, 냉각수 탱크의 순환장치를 작동시켜 냉각수를 순환시켜 줌으로써, 요소수 탱크 안의 요소수의 온도를 증가시킴과 요소수 분사용 인젝터의 냉각을 병행시킬 수 있고, 매연저감장치의 소정의 위치에 배기열 교환기를 장착하여 줌으로써, 냉각수 탱크의 순환장치를 통과한 냉각수를 온수로 만들어서 요소수 탱크에 공급할 수 있음은 물론 배기 열을 사용하므로 연비에 영향이 없으며, 유체의 자연 순환방식의 경우, 압력차이와 밀도차이와 증기압 간헐순환 중에서 선택되는 형태로 사용함으로써, 동력을 사용하지 않아 경제적임은 물론 자연 순환방식을 사용하므로 별도의 제어가 필요 없어 A/S의 발생요인이 적고, 유체의 동력 순환방식의 경우, 냉각수 탱크에 추가 장착된 온도센서와 순환펌프 또는 모터를 구동시키므로 일정한 온도로 순환 제어가 가능할 뿐만 아니라 공냉식 열교환기에 팬(Fan)을 추가하여 냉각 효율을 높일 수 있으며, 시중에 사용되는 차량용 냉각수를 사용하여도 무방한 효과가 있다.

Description

차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템{Elemental water temperature and injector cooling system using vehicle exhaust heat}
본 발명은 요소수의 승온 장치의 경우 차량에서 배기되는 배기 열을 이용하여 탱크에 보관되어 있는 요소수를 외기의 온도 이상으로 승온시킴으로써, 낮은 열분해 온도의 배기가스에 분사하여도 비교적 작은 열량의 흡수로 보다 빠르게 암모니아로 열분해가 가능함은 물론 요소수의 결빙도 방지할 수 있고, 요소수 승온 장치에 의해 이미 승온된 요소수의 경우에는 보다 적은 열량의 흡수로 열분해가 가능하므로 작은 열량 흡수로 인해 열량 흡수 시간이 단축되어 빠른 열분해가 가능함은 물론 빠른 열분해로 인해 배관의 길이를 줄일 수 있고 비교적 낮은 열분해 온도의 차량 주행에서도 배기가스 내 NOx의 저감율의 증가를 기대할 수 있으며, 냉각수 탱크의 순환장치를 작동시켜 냉각수를 순환시켜 줌으로써, 요소수 탱크 안의 요소수의 온도를 증가시킴과 요소수 분사용 인젝터의 냉각을 병행시킬 수 있고, 매연저감장치의 소정의 위치에 배기열 교환기를 장착하여 줌으로써, 냉각수 탱크의 순환장치를 통과한 냉각수를 온수로 만들어서 요소수 탱크에 공급할 수 있음은 물론 배기 열을 사용하므로 연비에 영향이 없으며, 유체의 자연 순환방식의 경우, 압력차이와 밀도차이와 증기압 간헐순환 중에서 선택되는 형태로 사용함으로써, 동력을 사용하지 않아 경제적임은 물론 자연 순환방식을 사용하므로 별도의 제어가 필요 없어 A/S의 발생요인이 적고, 유체의 동력 순환방식의 경우, 냉각수 탱크에 추가 장착된 온도센서와 순환펌프 또는 모터를 구동시키므로 일정한 온도로 순환 제어가 가능할 뿐만 아니라 공냉식 열교환기에 팬(Fan)을 추가하여 냉각 효율을 높일 수 있으며, 시중에 사용되는 차량용 냉각수를 사용하여도 무방한 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템에 관한 기술이다.
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.
선택적 환원촉매(Selective Catalytic Reduction: 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 요소수 탱크와, 요소수를 요소수 탱크에 주입하기 위한 필러 넥 등이 구비되어 있으며, 주유소에서 주입 건으로 필러 넥을 통해 요소수를 주입하여 요소수 탱크에 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.
종래의 디젤 차량용 연료 공급 장치의 경우, 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, 고압펌프의 냉각 및 윤활이 연료에 의해 이루어지기 때문에 연료 온도를 적정 온도 범위로 유지하는 것이 필요하다.
요소수 탱크에 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.
상기 선택적 환원촉매(Selective Catalytic Reduction: SCR) System에서 사용되는 요소수는 영하 10℃ 이하에서 결빙되는 단점을 가지고 있으나, 이러한 단점을 보완하기 위해 OEM의 경우, 차량의 엔진 냉각수 라인(Line)을 요소수 탱크(Urea Tank)로 보내어 결빙을 방지하거나, 아니면 이미 결빙된 요소수를 해동하도록 하고 있다.
그러나 이러한 방법은 차량의 냉각 라인(Line)을 인위적으로 수정해야 하는 부담이 있고, 차종에 따른 전문적인 지식이 필요하며, 장착 후 발생하는 차량의 문제에서 자유로울 수 없다는 여러 가지 어려움으로 인하여 장착 시장에서의 적용이 힘든 상태이다.
한편, 배기가스내로 분사되는 요소수는 200℃ 이상의 온도에서 암모니아로 열 분해되어 배기가스 내의 NOx와 반응하며, 요소수의 열분해는 통상 200℃ ~ 400℃ 까지 온도에서 높은 온도일수록 높은 분해율을 보이는데, 400℃ 이상의 경우에는 열 분해된 암모니아가 산화되어 소멸하므로 그 이상의 온도는 제외한다.
따라서, 요소수의 열 분해율을 높이기 위해서는 높은 배기열과, 보다 많은 열량의 흡수를 위해 배관의 길이를 길게 하는 방법들이 상용되고 있다.
그러나 이러한 방법들은 사용에 제한이 많아 적용이 힘든 단점을 가지고 있고, 후 장착 시스템의 경우에는 엔진의 배기열을 높이는 것은 사실상 불가능하며, 배관의 길이를 길게 하는 것 또한 후 장착 시스템의 시장에서는 차량의 형태에 추종할 수밖에 없어 제한적인 것이다.
그러므로, 요소수의 승온 장치의 경우 차량에서 배기되는 배기 열을 이용하여 탱크에 보관되어 있는 요소수를 외기의 온도 이상으로 승온시켜 주므로 낮은 열분해 온도의 배기가스에 분사하여도 비교적 작은 열량의 흡수로 보다 빠르게 암모니아로 열분해가 가능함은 물론 요소수의 결빙도 방지할 수 있고, 요소수 승온 장치에 의해 이미 승온된 요소수의 경우에는 보다 적은 열량의 흡수로 열분해가 가능하므로 작은 열량 흡수로 인해 열량 흡수 시간이 단축되어 빠른 열분해가 가능함은 물론 빠른 열분해로 인해 배관의 길이를 줄일 수 있고 비교적 낮은 열분해 온도의 차량 주행에서도 배기가스 내 NOx의 저감율의 증가를 기대할 수 있으며, 냉각수 탱크의 순환장치를 작동시켜 냉각수를 순환시켜 주므로 요소수 탱크 안의 요소수의 온도를 증가시킴과 요소수 분사용 인젝터의 냉각을 병행시킬 수 있고, 매연저감장치의 소정의 위치에 배기열 교환기를 장착하여 주므로 냉각수 탱크의 순환장치를 통과한 냉각수를 온수로 만들어서 요소수 탱크에 공급할 수 있음은 물론 배기 열을 사용하므로 연비에 영향이 없으며, 유체의 자연 순환방식의 경우, 압력차이와 밀도차이와 증기압 간헐순환 중에서 선택되는 형태로 사용하므로 동력을 사용하지 않아 경제적임은 물론 자연 순환방식을 사용하므로 별도의 제어가 필요 없어 A/S의 발생요인이 적고, 유체의 동력 순환방식의 경우, 냉각수 탱크에 추가 장착된 온도센서와 순환펌프 또는 모터를 구동시키므로 일정한 온도로 순환 제어가 가능할 뿐만 아니라 공냉식 열교환기에 팬(Fan)을 추가하여 냉각 효율을 높일 수 있는 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
KR 10-2017-0139820(2017. 12. 20)
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 착상된 것으로서, 요소수의 승온 장치의 경우 차량에서 배기되는 배기 열을 이용하여 탱크에 보관되어 있는 요소수를 외기의 온도 이상으로 승온시킴으로써, 낮은 열분해 온도의 배기가스에 분사하여도 비교적 작은 열량의 흡수로 보다 빠르게 암모니아로 열분해가 가능함은 물론 요소수의 결빙도 방지할 수 있는 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 요소수 승온 장치에 의해 이미 승온된 요소수의 경우에는 보다 적은 열량의 흡수로 열분해가 가능하므로 작은 열량 흡수로 인해 열량 흡수 시간이 단축되어 빠른 열분해가 가능함은 물론 빠른 열분해로 인해 배관의 길이를 줄일 수 있고 비교적 낮은 열분해 온도의 차량 주행에서도 배기가스 내 NOx의 저감율의 증가를 기대할 수 있는 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 냉각수 탱크의 순환장치를 작동시켜 냉각수를 순환시켜 줌으로써, 요소수 탱크 안의 요소수의 온도를 증가시킴과 요소수 분사용 인젝터의 냉각을 병행시킬 수 있는 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 매연저감장치의 소정의 위치에 배기열 교환기를 장착하여 줌으로써, 냉각수 탱크의 순환장치를 통과한 냉각수를 온수로 만들어서 요소수 탱크에 공급할 수 있음은 물론 배기 열을 사용하므로 연비에 영향이 없는 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 유체의 자연 순환방식의 경우, 압력차이와 밀도차이와 증기압 간헐순환 중에서 선택되는 형태로 사용함으로써, 동력을 사용하지 않아 경제적임은 물론 자연 순환방식을 사용하므로 별도의 제어가 필요 없어 A/S의 발생요인이 적은 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 유체의 동력 순환방식의 경우, 냉각수 탱크에 추가 장착된 온도센서와 순환펌프 또는 모터를 구동시키므로 일정한 온도로 순환 제어가 가능할 뿐만 아니라 공냉식 열교환기에 팬(Fan)을 추가하여 냉각 효율을 높일 수 있는 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 시중에 사용되는 차량용 냉각수를 사용하여도 무방한 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템은 자연 순환방식과 동력 순환방식에 모두 사용할 수 있고, 상부 면에 SUS 파이프가 감겨 있으며, 냉각수를 냉각수 탱크로 공급하면 상기 냉각수가 냉각수 탱크의 순환장치를 통해 배기열 교환기를 경유하여 데워진 온수가 들어오는 기능과, 요소수를 인젝터로 공급하는 기능을 갖는 요소수 탱크와; 냉각수 탱크의 순환장치를 통과한 냉각수를 온수로 만들어서 요소수 탱크에 공급하는 기능을 갖는 배기열 교환기와; 상기 요소수 탱크로부터 냉각수를 공급받고 배기열 교환기로 보내는 기능과, 인젝터로부터 요소수를 공급받고 공냉식 열교환기를 거쳐 인젝터로 보내 인젝터를 냉각시키는 기능을 갖는 냉각수 탱크의 순환장치와; 상기 요소수 탱크로부터 요소수를 공급받는 기능과, 상기 요소수를 냉각수 탱크의 순환장치로 보내고 공냉식 열교환기를 거쳐 냉각된 요소수를 공급받는 기능을 갖는 인젝터와; 상기 냉각수 탱크의 순환장치로부터 요소수를 냉각시키는 기능을 갖는 공냉식 열교환기; 을 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 배기열 교환기는 매연저감장치의 소정의 위치에 장착하는 것을 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 인젝터는 요소수 유입구와, 냉각수 유입구와, 냉각수 순환구를 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 자연 순환방식의 경우에는 냉각수 탱크의 순환장치와 배기열교환기 사이에 저압 체크밸브를 설치하고, 공랭식 열교환기와 인젝터 사이에 저압 체크밸브를 설치하며, 상기 저압 체크밸브는 데워진 쪽의 압력을 높여 요소수의 순환을 향상시키는 것을 더 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 자연 순환방식의 경우는 압력 차이와 밀도 차이와 증기압 간헐순환 중에서 선택되는 형태로 사용하므로 동력을 사용하지 않으며, 별도의 제어가 필요 없는 것을 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 동력 순환방식의 경우에는 냉각수 탱크의 순환장치와 배기열교환기 사이에 순환펌프 또는 모터를 설치하고, 냉각수 탱크의 순환장치와 공랭식 열교환기 사이에 순환펌프 또는 모터를 설치하며, 상기 순환펌프 또는 모터는 요소수가 일정한 온도로 순환 제어되게 하는 것을 더 포함함을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 동력 순환방식의 경우에는 냉각수 탱크에 추가 장착된 온도센서와 순환펌프 또는 모터를 구동시켜 요소수가 일정한 온도로 순환 제어되게 하고, 공냉식 열교환기에 팬(Fan)을 추가하여 냉각 효율을 높일 수 있는 것을 포함함을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명인 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 본 발명은 요소수의 승온 장치의 경우 차량에서 배기되는 배기 열을 이용하여 탱크에 보관되어 있는 요소수를 외기의 온도 이상으로 승온시킴으로써, 낮은 열분해 온도의 배기가스에 분사하여도 비교적 작은 열량의 흡수로 보다 빠르게 암모니아로 열분해가 가능함은 물론 요소수의 결빙도 방지할 수 있다.
둘째, 본 발명은 요소수 승온 장치에 의해 이미 승온된 요소수의 경우에는 보다 적은 열량의 흡수로 열분해가 가능하므로 작은 열량 흡수로 인해 열량 흡수 시간이 단축되어 빠른 열분해가 가능함은 물론 빠른 열분해로 인해 배관의 길이를 줄일 수 있고 비교적 낮은 열분해 온도의 차량 주행에서도 배기가스 내 NOx의 저감율의 증가를 기대할 수 있다.
셋째, 본 발명은 매연저감장치의 소정의 위치에 배기열 교환기를 장착하여 줌으로써, 냉각수 탱크의 순환장치를 통과한 냉각수를 온수로 만들어서 요소수 탱크에 공급할 수 있음은 물론 배기 열을 사용하므로 연비에 영향이 없다.
넷째, 본 발명은 유체의 자연 순환방식의 경우, 압력차이와 밀도차이와 증기압 간헐순환 중에서 선택되는 형태로 사용함으로써, 동력을 사용하지 않아 경제적임은 물론 자연 순환방식을 사용하므로 별도의 제어가 필요 없어 A/S의 발생요인이 적다.
다섯째, 본 발명은 유체의 동력 순환방식의 경우, 냉각수 탱크에 추가 장착된 온도센서와 순환펌프 또는 모터를 구동시키므로 일정한 온도로 순환 제어가 가능할 뿐만 아니라 공냉식 열교환기에 팬(Fan)을 추가하여 냉각 효율을 높일 수 있다.
여섯째, 본 발명은 시중에 사용되는 차량용 냉각수를 사용하여도 무방하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템의 구성을 설명하기 위해 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템의 구성 중 인젝터에 형성된 주입구 및 배출구들을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템에서 자연 순환방식을 설명하기 위해 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템에서 자연 순환방식을 설명하기 위해 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템의 자연 순환방식에서 압력 차이를 이용한 방식을 설명하기 위해 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템의 자연 순환방식에서 밀도 차이를 이용한 방식을 설명하기 위해 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템의 자연 순환방식에서 증기압 간헐순환을 이용한 방식을 설명하기 위해 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템에서 동력 순환방식을 설명하기 위해 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템의 동력 순환방식에서 온수 강제순환을 이용한 방식을 설명하기 위해 나타낸 도면.
이하 첨부된 도면과 함께 본 발명의 바람직한 실시예를 살펴보면 다음과 같은데, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명인 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템의 구성을 설명하기 위해 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템의 구성 중 인젝터에 형성된 주입구 및 배출구들을 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템에서 자연 순환방식을 설명하기 위해 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템에서 자연 순환방식을 설명하기 위해 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템의 자연 순환방식에서 압력 차이를 이용한 방식을 설명하기 위해 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템의 자연 순환방식에서 밀도 차이를 이용한 방식을 설명하기 위해 나타낸 도면이며, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템의 자연 순환방식에서 증기압 간헐순환을 이용한 방식을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
본 발명인 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템은 요소수 탱크(10), 배기열 교환기(20), 냉각수 탱크의 순환장치(30), 냉각수 탱크(31), 인젝터(40), 요소수 유입구(41), 냉각수 유입구(42), 냉각수 순환구(43), 공냉식 열교환기(50), 매연저감장치(60), 저압 체크밸브(70), 순환펌프(80)(또는 모터) 등으로 구성된다.
도 1 내지 도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명인 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템은 자연 순환방식과 동력 순환방식에 모두 사용할 수 있고, 상부 면에 SUS 파이프가 감겨 있으며, 냉각수를 냉각수 탱크(31)로 공급하면 상기 냉각수가 냉각수 탱크의 순환장치(30)를 통해 배기열 교환기(20)를 경유하여 데워진 온수가 들어오는 기능과, 요소수를 인젝터(40)로 공급하는 기능을 갖는 요소수 탱크(10)와; 냉각수 탱크의 순환장치(30)를 통과한 냉각수를 온수로 만들어서 요소수 탱크(10)에 공급하는 기능을 갖는 배기열 교환기(20)와; 상기 요소수 탱크(10)로부터 냉각수를 공급받고 배기열 교환기(20)로 보내는 기능과, 인젝터(40)로부터 요소수를 공급받고 공냉식 열교환기(50)를 거쳐 인젝터(40)로 보내 인젝터(40)를 냉각시키는 기능을 갖는 냉각수 탱크의 순환장치(30)와; 상기 요소수 탱크(10)로부터 요소수를 공급받는 기능과, 상기 요소수를 냉각수 탱크의 순환장치(30)로 보내고 공냉식 열교환기(50)를 거쳐 냉각된 요소수를 공급받는 기능을 갖는 인젝터(40)와; 상기 냉각수 탱크의 순환장치(30)로부터 요소수를 냉각시키는 기능을 갖는 공냉식 열교환기(50); 을 구비한다.
상기 본 발명인 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템을 구성하는 각 기술적 수단들의 기능을 설명하면 다음과 같다.
본 발명인 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템은 자연 순환방식과 동력 순환방식에 모두 사용할 수 있다.
상기 요소수 탱크(10)는 상부 면에 SUS 파이프가 감겨 있으며, 냉각수를 냉각수 탱크(31)로 공급하면 상기 냉각수가 냉각수 탱크의 순환장치(30)를 통해 배기열 교환기(20)를 경유하여 데워진 온수가 들어오는 기능과, 요소수를 인젝터(40)로 공급하는 기능을 갖는다.
상기 배기열 교환기(20)는 냉각수 탱크의 순환장치(30)를 통과한 냉각수를 온수로 만들어서 요소수 탱크(10)에 공급하는 기능을 갖는다.
여기서, 상기 배기열 교환기(20)는 매연저감장치(60)의 소정의 위치에 장착하는 것이다.
상기 냉각수 탱크의 순환장치(30)는 상기 요소수 탱크(10)로부터 냉각수를 공급받고 배기열 교환기(20)로 보내는 기능과, 인젝터(40)로부터 요소수를 공급받고 공냉식 열교환기(50)를 거쳐 인젝터(40)로 보내 인젝터(40)를 냉각시키는 기능을 갖는다.
상기 인젝터(40)는 상기 요소수 탱크(10)로부터 요소수를 공급받는 기능과, 상기 요소수를 냉각수 탱크의 순환장치(30)로 보내고 공냉식 열교환기(50)를 거쳐 냉각된 요소수를 공급받는 기능을 갖는다.
여기서, 상기 인젝터(40)는 도 2에 도시한 바와 같이, 요소수 유입구(41)와, 냉각수 유입구(42)와, 냉각수 순환구(43)를 포함한다.
상기 공냉식 열교환기(50)는 상기 냉각수 탱크의 순환장치(30)로부터 요소수를 냉각시키는 기능을 갖는다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템에서 자연 순환방식을 설명하기 위해 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템에서 자연 순환방식을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 3과 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 자연 순환방식의 경우에는 도 1과 기능적인 면은 동일하며, 냉각수 탱크의 순환장치(30)와 배기열교환기(20) 사이에 저압 체크밸브(70)를 더 설치하고, 공랭식 열교환기(50)와 인젝터(40) 사이에 저압 체크밸브(70)를 더 설치한 것이다.
상기 저압 체크밸브(70)는 데워진 쪽의 압력을 높여 요소수의 순환을 향상시키는 것이다.
또한, 도 5 내지 도 7에 도시한 바와 같이, 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템의 자연 순환방식의 경우는 압력 차이와 밀도 차이와 증기압 간헐순환 중에서 선택되는 형태로 사용하므로 동력을 사용하지 않으며, 별도의 제어가 필요 없는 것이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 스팀가압의 형태인 압력 차이에 의한 경우는 압력솥을 활용해서 스팀을 보내서 스팀이 물이 되게 하는 것이며, 구조와 원리가 단순하여 큰 고장이 없고 전원이 불필요하다. 입출구부의 온도차가 크며, 물 보충이 안되므로 압력용기가 대형이어야 하는 것이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 밀도 차이에 의한 경우는 온수와 냉수의 밀도 차이로 순환하며, 구조와 원리가 단순하여 큰 고장이 없고 전원이 불필요하다. 열원이 대형이므로 공간을 많이 차지하는 것이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 증기압 간헐순환에 의한 경우는 스팀 압에 의한 온수 순환, 볼탑 밸브를 제어하는 것이다. 적은 연료 소모로 인하여 전원이 불필요하다. 볼탑 가동부의 고장 발생 가능성이 있으므로 정교한 셋팅이 요구되는 것이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템에서 동력 순환방식을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 상기 동력 순환방식의 경우에는 도 1과 기능적인 면은 동일하며, 냉각수 탱크의 순환장치(30)와 배기열교환기(20) 사이에 순환펌프 또는 모터(80)를 더 설치하고, 냉각수 탱크의 순환장치(30)와 공랭식 열교환기(50) 사이에 순환펌프 또는 모터(80)를 더 설치한 것이다.
상기 순환펌프 또는 모터(80)는 요소수가 일정한 온도로 순환 제어되게 하는 것이다.
또한, 상기 동력 순환방식의 경우에는 냉각수 탱크(31)에 추가 장착된 온도센서(미도시)와 순환펌프 또는 모터(80)를 구동시켜 요소수가 일정한 온도로 순환 제어되게 하고, 공냉식 열교환기(50)에 팬(Fan)(미도시)을 추가하여 냉각 효율을 높일 수 있는 것이다.
도 9에 도시한 바와 같이, 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템의 동력 순환방식에서 온수 강제순환을 이용한 방식의 경우는 가장 많이 DIY하는 유형이며, 적은 연료소모로 안정적인 온도분포가 장점이지만, 배터리나 전원이 필요하다는 단점이 있는 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 요소수의 승온 장치의 경우 차량에서 배기되는 배기 열을 이용하여 탱크에 보관되어 있는 요소수를 외기의 온도 이상으로 승온시킴으로써, 낮은 열분해 온도의 배기가스에 분사하여도 비교적 작은 열량의 흡수로 보다 빠르게 암모니아로 열분해가 가능함은 물론 요소수의 결빙도 방지할 수 있다. 또한, 승온되지 않은 대기온 상태의 요소수의 분사와 비교하면 배기가스 내로 분사된 요소수는 배기가스로부터 열량을 공급받아 열 분해되는데, 요소수 승온 장치에 의해 이미 승온된 요소수의 경우에는 보다 적은 열량의 흡수로 열분해가 가능하므로 작은 열량 흡수로 인해 열량 흡수 시간이 단축되어 빠른 열분해가 가능함은 물론 빠른 열분해로 인해 배관의 길이를 줄일 수 있고 비교적 낮은 열분해 온도의 차량 주행에서도 배기가스 내 NOx의 저감율의 증가를 기대할 수 있다.
상술한 바와 같은, 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템은 디젤 엔진을 갖는 차량에 적용할 수 있으므로 그 적용대상이 광범위하다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 이해할 수 있을 것이다.
10 : 요소수 탱크 20 : 배기열 교환기
30 : 냉각수 탱크의 순환장치 31 : 냉각수 탱크
40 : 인젝터 41 : 요소수 유입구
42 : 냉각수 유입구 43 : 냉각수 순환구
50 : 공냉식 열교환기 60 : 매연저감장치
70 : 저압 체크밸브 80 : 순환펌프(또는 모터)

Claims (7)

  1. 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템에 있어서,
    자연 순환방식과 동력 순환방식에 모두 사용할 수 있고,
    상부 면에 SUS 파이프가 감겨 있으며, 냉각수를 냉각수 탱크로 공급하면 상기 냉각수가 냉각수 탱크의 순환장치를 통해 배기열 교환기를 경유하여 데워진 온수가 들어오는 기능과, 요소수를 인젝터로 공급하는 기능을 갖는 요소수 탱크와;
    냉각수 탱크의 순환장치를 통과한 냉각수를 온수로 만들어서 요소수 탱크에 공급하는 기능을 갖는 배기열 교환기와;
    상기 요소수 탱크로부터 냉각수를 공급받고 배기열 교환기로 보내는 기능과, 인젝터로부터 요소수를 공급받고 공냉식 열교환기를 거쳐 인젝터로 보내 인젝터를 냉각시키는 기능을 갖는 냉각수 탱크의 순환장치와;
    상기 요소수 탱크로부터 요소수를 공급받는 기능과, 상기 요소수를 냉각수 탱크의 순환장치로 보내고 공냉식 열교환기를 거쳐 냉각된 요소수를 공급받는 기능을 갖는 인젝터와;
    상기 냉각수 탱크의 순환장치로부터 요소수를 냉각시키는 기능을 갖는 공냉식 열교환기; 을 포함함을 특징으로 하는 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 배기열 교환기는 매연저감장치의 소정의 위치에 장착하는 것을 포함함을 특징으로 하는 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 인젝터는 요소수 유입구와, 냉각수 유입구와, 냉각수 순환구를 포함함을 특징으로 하는 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 자연 순환방식의 경우에는 냉각수 탱크의 순환장치와 배기열교환기 사이에 저압 체크밸브를 설치하고, 공랭식 열교환기와 인젝터 사이에 저압 체크밸브를 설치하며, 상기 저압 체크밸브는 데워진 쪽의 압력을 높여 요소수의 순환을 향상시키는 것을 더 포함함을 특징으로 하는 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 자연 순환방식의 경우는 압력 차이와 밀도 차이와 증기압 간헐순환 중에서 선택되는 형태로 사용하므로 동력을 사용하지 않으며, 별도의 제어가 필요 없는 것을 포함함을 특징으로 하는 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 동력 순환방식의 경우에는 냉각수 탱크의 순환장치와 배기열교환기 사이에 순환펌프 또는 모터를 설치하고, 냉각수 탱크의 순환장치와 공랭식 열교환기 사이에 순환펌프 또는 모터를 설치하며, 상기 순환펌프 또는 모터는 요소수가 일정한 온도로 순환 제어되게 하는 것을 더 포함함을 특징으로 하는 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 동력 순환방식의 경우에는 냉각수 탱크에 추가 장착된 온도센서와 순환펌프 또는 모터를 구동시켜 요소수가 일정한 온도로 순환 제어되게 하고, 공냉식 열교환기에 팬(Fan)을 추가하여 냉각 효율을 높일 수 있는 것을 포함함을 특징으로 하는 차량 배기 열을 이용한 요소수 승온 및 인젝터 냉각 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170139820A (ko) 2016-06-10 2017-12-20 현대자동차주식회사 차량의 연료 및 요소수 히팅 시스템

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