KR20230053889A - 요소수 탱크와 열교환하는 요소수 인젝터 냉각 시스템의 냉매제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 요소수 인젝터 냉매의 냉각을 위해 요소수 탱크 및 냉매제어방법은, 요소수 인젝터 과열 시, 냉각수 펌프를 통해 냉매를 요소수 탱크로 공급하면, 요소수 탱크 내의 요소수에 의해 열교환이 이루어진다. 통상 요소수 탱크의 온도가 과열된 요소수 인젝터로부터 공급된 냉매의 온도보다 낮아, 요소수 탱크를 통과하는 냉매 관로와의 열교환을 통해 냉각이 이루어진다.

Description

요소수 탱크와 열교환하는 요소수 인젝터 냉각 시스템의 냉매제어방법{Refrigerant Control Method of Urea Injector Cooling System of Exchanging Heat with Urea Tank}

본 발명은 요소수 탱크와 열교환하는 요소수 인젝터 냉각 시스템 및 그 냉매제어방법에 관한 것으로 과열된 요소수 인젝터의 냉매를 냉각하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

디젤차량은 연료로 사용되는 경유의 불완전연소에 따라 일산화탄소나 탄화수소, 질소산화물 등의 유해물질이 배기가스에 다량 함유되어 대기중으로 배출될 수 있으나, 디젤엔진의 성능 향상에 따라 최근에는 불완전연소에 따른 일산화탄소나 탄화수소의 배출량이 현저히 저감된 디젤엔진이 개발되어 사용되고 있다.

디젤엔진의 배기가스 중 대부분을 차지하는 질소산화물(NOx)은 별도의 배기가스저감장치에 의해 질소가스(N2)로 환원처리되어 배출되도록 되어 있으며, 이에 따라 기존 디젤차량의 배기장치와 비교했을 때 상대적으로 질소산화물의 처리효율이 높은 선택적환원촉매(SCR, selective catalytic reduction)를 이용한 배기가스저감장치가 사용되고 있다.

따라서 배기계에 선택 환원형 NOx 촉매(SCR 촉매)를 설치하여, 암모니아를 환원제로 하여 NOx를 질소와 물로 환원하는 기술이 개발되었다. 이는 배기관의 내부에 배치되는 요소수 분사모듈로부터 요소수를 배기중에 공급하여, 배기의 열에 의해 요소수로부터 암모니아를 생성함으로써 NOx를 질소와 물로 환원하는 것이다.

선택적환원촉매를 이용한 배기가스 저감장치가 적절하게 동작하여 배기가스에서 질소산화물을 제거하기 위해서는 요소나 암모니아 등이 주성분인 요소수를 산화제로서 배기가스에 공급하고 분무하여야 하므로, 선택적환원촉매를 이용한 배기가스 저감장치를 채용한 디젤차량에는 요소수를 공급하기 위한 요소수 탱크(우레아탱크, Urea Tank)가 장착되어 있다.

요소수는 차량이 운행되어 배기가스가 배출됨에 따라 소모되므로 선택적환원촉매장치에서 환원처리가 원활하게 이루어지지 않아 배기가스 저감장치에 의한 배기가스 저감이 이루어지지 않아, 주기적으로 요소수를 요소수탱크에 주입해야하며, 인젝터의 과열로 인해 요소수 기화가 발생하게 되어 분사 특성을 악화시킬 수 있다.

한국등록특허 KR1519761

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로서, 요소수 탱크의 요소수 용액를 이용하여 요소수 냉매를 냉각함으로서 요소수 인젝터의 과열을 방지하는데 목적이 있다.

본 발명은 일 실시예인 요소수 인젝터 냉각 시스템에 있어서, 요소수를 배기후처리장치에 분사하는 요소수 인젝터; 상기 요소수 인젝터와 열교환되는 냉매를 순환시키는 냉각수 펌프; 상기 냉각수 펌프에 의해 요소수 탱크로 유입된 냉매는 상기 요소수 탱크 내 요소수와 열교환 되는 것을 특징으로 하는 요소수 탱크와 열교환하는 요소수 인젝터 냉각 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 다른 실시예인 요소수 탱크와 열교환하는 요소수 인젝터 냉각 시스템의 냉매제어방법에 있어서, 차량의 배기 후처리장치로 요소수 분사모드 작동단계; 배기온이 기 설정된 제1 설정온도보다 높고, 제2 설정온도보다 낮으면 요소수 인젝터를 작동 온하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 요소수 인젝터를 작동 온 시, 상기 냉각수 펌프를 작동 오프하고, 상기 요소수 인젝터를 작동 오프 시, 상기 냉각수 펌프를 작동 온하는 것을 특징으로 한다.

또한, 시동 오프 전까지는 상기 냉각수 펌프의 작동 온/오프 후 각각 상기 요소수 분사모드 작동단계가 계속되는 것을 특징으로 한다.

또한, 냉각수 펌프 작동 온 시, 냉매는 상기 냉각수 펌프에 의해 요소수 탱크로 유입되어 상기 요소수 탱크 내 요소수와 열교환 되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 또 다른 실시예인 요소수 인젝터 냉각 시스템에 있어서, 요소수를 배기후처리장치에 분사하는 요소수 인젝터; 상기 요소수 인젝터와 열교환되는 냉매를 순환시키는 냉각수 펌프; 상기 냉각수 펌프에 의해 요소수 탱크로 유입된 냉매는 상기 요소수 탱크 내 요소수와 열교환 되는 요소수 탱크와 열교환하는 요소수 인젝터 냉각 시스템의 냉매제어방법에 있어서, 차량 냉시동 시, 상기 요소수 탱크의 히터가 작동하는 단계; 상기 요소수 탱크의 요소수와 열교환한 냉매에 의해 상기 요소수 인젝터의 온도가 상승하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 차량의 냉각계 구성을 변형시키지 않고 요소수 냉매의 냉각이 가능하고, 냉각 시기를 배기온에 따라 제어함으로서, 효율적 요소수 인젝션이 가능하다.

도 1은 종래의 요소수 인젝터를 냉각을 위해 엔진의 냉각수를 이용하는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 요소수 탱크를 이용한 요소수 인젝터 냉매 냉각의 개념도이다.
도 3은 본 발명에서 요소수 탱크를 이용해 열교환하는 방법에 대한 플로챠트이다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시 예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

SCR 시스템에서 요소수를 배기계에 분사하기 위하여 인젝터를 사용한다. 이때, 배기계의 온도에 의해 요소수 인젝터의 열해 문제가 발생하게 된다. 또한, 열전달에 의한 요소수 기화가 발생하게 되어 분사 특성에 영향을 미치게 된다. 이러한 현상을 방지하기 위하여 차량 배기계에 장착된 요소수 인젝터는 공냉 혹은 수냉장치를 장착한다.수냉식 요소수 인젝터의경우, 엔진 냉각수를 이용하여 순환시킴으로써 요소수인젝터의 온도를 냉각시킨다. 이러한 구성을 갖추게 되었을 때, 요소수 인젝터의 위치에 따라서 문제가 발생할 수 있게 되어 본 발명을 적용하게 된다.

요소수 인젝터가 엔진룸 내부 혹은 근방에 구성될 경우에는 냉각수 관로가 짧아 문제가 없으나, 차량 하부 혹은 차량 후방에 위치할 경우에는 엔진룸으로부터냉각수를 가져와야 하는 관로가 길어져 문제가 발생하게 된다. 길어진 길이에 의한 관로 저항의 발생으로 냉각수 펌프의 부하가 증가하게 되어, 엔진의 출력 저하 문제가 발생하게 되며, 배기계로부터의 발열량을 회수해오게 되어 냉각수 온도가 상승하게 됨으로써, 엔진 출력 저하 문제가 발생하게 된다. 또한, 늘어난 냉각수 관로로 인하여 냉각수 누수의 위험이 증가하게 된다.

도 1은 요소수 인젝터를 냉각시키기 위해 엔진의 냉각수를 이용하는 개념도이다. 요소수 인젝터를 냉각시키는 냉매로서 엔진 냉각수를 사용하고 엔진 냉각수와 관로 연결을 한다. 그러나, 도 1은 냉각 관로가 증가하게 되어 워터펌프의 부하가 늘어남으로써 엔진의 부하 증가의 원인이 된다. 인젝터가 배기관으로부터 받는 열원을 차단하게 되는 것이므로 냉각수 온도가 상승하게 되어 엔진 효율 저하의 원인이 된다.

도 2는 요소수 인젝터 냉매의 냉각을 위해 요소수 탱크를 이용한 개념도이다. 요소수 인젝터 과열 시, 냉각수 펌프를 통해 냉매를 요소수 탱크로 공급하면, 요소수 탱크 내의 요소수에 의해 열교환이 이루어진다. 통상 요소수 탱크의 온도가 과열된 요소수 인젝터로부터 공급된 냉매의 온도보다 낮아, 요소수 탱크를 통과하는 냉매 관로와의 열교환을 통해 냉각이 이루어진다. 요소수 탱크를 이용한 냉각은 요소수 탱크의 히터라인을 활용해 겨울철 응결방지나 해동기능으로도 이용될 수 있다.

도 3은 도 3은 요소수 탱크를 활용해 열교환하는 방법에 대한 플로챠트이다. 차량의 운행 중 차량 운행 중 디젤배기유체(DEF)를 기동함으로서 냉각수 펌프의 작동은 온 또는 오프되고, 요소수 인젝션이 준비된 상태이다(S10). 즉, 디젤배기 유체의 기동은 요소수 엔젝터가 통전된 상태로서 인젝션이 실행되는지에 대한 온오프는 상황에 따라 다르며, 냉각수 펌프의 구동도 역시 마찬가지이다.

배기후처리장치에서 측정된 배기온을 제1설정온도와 비교하고(S20), 배기온이 제1 설정온도 이하이면 냉각수 펌프의 작동을 정지한다(S30).

배기온이 제2 설정온도보다 높아지면(S40), 요소수 인젝터가 가열되었다고 보고 냉각수 펌프의 작동을 온한다(S60).

한편, 배기온이 제1 설정온도보다 크고 제2 설정온도 이하이면, 요소수 인젝터는 과열되지 않은 상태이므로 요소수 인젝터의 작동을 온해서 요소수 인젝션을 한다(S50). 한편, 냉각수 펌프가 정지하거나 작동 온하거나 엔진 키오프가 아니면 다시 요소수 인젝션이 준비된 상태를 유지한다(S70).

한편, 요소수 탱크의 해동을 위한 히터라인을 활용하여 겨울철에는 해동 기능으로 활용이 가능한다. 이를 위해서 요소수를 배기후처리장치에 분사하는 요소수 인젝터; 상기 요소수 인젝터와 열교환되는 냉매를 순환시키는 냉각수 펌프; 상기 냉각수 펌프에 의해 요소수 탱크로 유입된 냉매는 상기 요소수 탱크 내 요소수와 열교환 되는 요소수 탱크와 열교환하는 요소수 인젝터 냉각 시스템의 장치는 동일하며, 냉매제어방법에 있어서, 차량 냉시동 시, 상기 요소수 탱크의 히터가 작동하는 단계; 상기 요소수 탱크의 요소수와 열교환한 냉매에 의해 상기 요소수 인젝터의 온도를 상승시킬 수 있다.

Claims (6)

1. 요소수 인젝터 냉각 시스템에 있어서,
   요소수를 배기후처리장치에 분사하는 요소수 인젝터;
   상기 요소수 인젝터와 열교환되는 냉매를 순환시키는 냉각수 펌프;
   상기 냉각수 펌프에 의해 요소수 탱크로 유입된 냉매는 상기 요소수 탱크 내 요소수와 열교환 되는 것을 특징으로 하는
   요소수 탱크와 열교환하는 요소수 인젝터 냉각 시스템
2. 요소수 인젝터 냉각 시스템의 냉매제어방법에 있어서,
   차량의 배기 후처리장치로 요소수 분사모드 작동단계;
   배기온이 기 설정된 제1 설정온도보다 높고, 제2 설정온도보다 낮으면 요소수 인젝터를 작동 온하는 것을 특징으로 하는
   요소수 탱크와 열교환하는 요소수 인젝터 냉각 시스템의 냉매제어방법
3. 제2항에 있어서,
   상기 요소수 인젝터를 작동 온 시, 상기 냉각수 펌프를 작동 오프하고, 상기 요소수 인젝터를 작동 오프 시, 상기 냉각수 펌프를 작동 온하는 것을 특징으로 하는
   요소수 탱크와 열교환하는 요소수 인젝터 냉각 시스템의 냉매제어방법
4. 제3항에 있어서,
   시동 오프 전까지는 상기 냉각수 펌프의 작동 온/오프 후 각각 상기 요소수 분사모드 작동단계가 계속되는 것을 특징으로 하는
   요소수 탱크와 열교환하는 요소수 인젝터 냉각 시스템의 냉매제어방법
5. 제4항에 있어서,
   상기 냉각수 펌프 작동 온 시, 냉매는 상기 냉각수 펌프에 의해 요소수 탱크로 유입되어 상기 요소수 탱크 내 요소수와 열교환 되는 것을 특징으로 하는
   요소수 탱크와 열교환하는 요소수 인젝터 냉각 시스템의 냉매제어방법
6. 요소수를 배기후처리장치에 분사하는 요소수 인젝터;
   상기 요소수 인젝터와 열교환되는 냉매를 순환시키는 냉각수 펌프;
   상기 냉각수 펌프에 의해 요소수 탱크로 유입된 냉매는 상기 요소수 탱크 내 요소수와 열교환 되는 것을 특징으로 하는
   요소수 탱크와 열교환하는 요소수 인젝터 냉각 시스템의 냉매제어방법에 있어서,
   차량 냉시동 시, 상기 요소수 탱크의 히터가 작동하는 단계;
   상기 요소수 탱크의 요소수와 열교환한 냉매에 의해 상기 요소수 인젝터의 온도가 상승하는 것을 특징으로 하는
   요소수 탱크와 열교환하는 요소수 인젝터 냉각 시스템의 냉매제어방법
   

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