WO2015126034A1 - 환원제 분사 모듈의 냉각 장치 및 이를 갖는 선택적 촉매 환원 시스템 - Google Patents

환원제 분사 모듈의 냉각 장치 및 이를 갖는 선택적 촉매 환원 시스템 Download PDF

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cooling
coolant
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최남일
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Definitions

  • the present invention relates to a cooling device of a reducing agent injection module and a selective catalytic reduction system having the same, and more particularly, to a cooling device of a reducing agent injection module for treating exhaust gas aftertreatment of an engine and a selective catalytic reduction system having the same.
  • the selective catalytic reduction device may be provided as an exhaust gas aftertreatment device for reducing pollutants contained in exhaust gas discharged from the engine.
  • the selective catalytic reduction apparatus may include a reducing agent injection module for injecting a reducing agent in the flow direction of the exhaust gas.
  • the engine coolant may be circulated through a coolant circulation line connected to the reducing agent injection module to prevent the reducing agent injection module from being heated by the high temperature exhaust gas.
  • the coolant pump also stops so that the coolant does not circulate.
  • the reducing agent injection module is continuously heated from a high temperature exhaust pipe, so that the reducing agent injection module is deformed by heat or the injection port of the reducing agent injection module is blocked due to solid matter evaporated from urea water.
  • One object of the present invention is to provide a cooling device of a reducing agent injection module having improved cooling performance at low cost.
  • Another object of the present invention is to provide a selective catalytic reduction system having the aforementioned cooling device.
  • the cooling device of the reducing agent injection module is connected to the module cooling channel for cooling the reducing agent injection module and the cooling water circulation for circulating the cooling water Line, a closed circuit circulation line connected to the cooling water circulation lines at the front and the rear of the module cooling channel to connect the cooling water circulation line to selectively form a closed circuit, and provided in the closed circuit and transferred to the natural convection from the module cooling channel. At least one heat dissipation unit for dissipating heat.
  • the cooling device of the reducing agent injection module may further include a closed circuit control valve provided in the closed circuit circulation line to control a flow direction of the cooling water.
  • the reducing agent injection module may be installed at a position lower in the vertical direction than the heat dissipation portion so that the cooling water becomes natural convection through the closed circuit circulation line.
  • the closed loop control valve may open the closed loop circulation line when the coolant pump for supplying the coolant is stopped to naturally convection the coolant through the closed circuit.
  • the coolant circulation line may include a coolant supply line connected to an inlet of the module cooling channel and a coolant return line connected to an outlet of the module cooling channel.
  • a first heat dissipation unit may be disposed in the cooling water recovery line, and a second heat dissipation unit may be disposed in the cooling water supply line.
  • one end of the closed circuit circulation line is connected to a cooling water return line connected to an outlet of the module cooling channel, and the other end of the closed circuit circulation line is supplied with cooling water connected to an inlet of the module cooling channel. Can be connected to the line.
  • the heat dissipation part may include a heat pipe or a heat reservoir.
  • the reducing agent injection module may be installed in an exhaust pipe to inject a reducing agent into the exhaust pipe.
  • a selective reduction catalyst may be installed in the exhaust pipe, and the reducing agent injection module may be installed in front of the selective reduction catalyst.
  • a selective catalytic reduction system for achieving another object of the present invention described above is installed in an exhaust pipe through which exhaust gas is discharged from an engine, and a reducing agent injection for injecting a reducing agent into the exhaust pipe to reduce nitrogen oxides in the exhaust gas.
  • a module a cooling water circulation line connected to a module cooling channel of the reducing agent injection module, a cooling water pump installed in the cooling water circulation line for supplying cooling water to the module cooling channel, and connected to front and rear of the module cooling channel to the cooling water circulation line.
  • a closed circuit circulation line for constituting a closed circuit passing through the module cooling channel, and at least one heat dissipation portion provided in the closed circuit and for dissipating heat transferred from the module cooling channel to natural convection.
  • the selective catalytic reduction system may further include a closed circuit control valve connecting the closed circuit circulation line to the cooling water circulation line and controlling the flow direction of the cooling water.
  • the closed circuit control valve may open the closed circuit circulation line when the coolant pump stops to naturally convection the coolant through the closed circuit.
  • the heat dissipation unit may include a first heat dissipation unit disposed in the cooling water recovery line of the cooling water circulation line and a second heat dissipation unit disposed in the cooling water supply line of the cooling water circulation line.
  • the heat dissipation part may include a pipe or a reservoir.
  • the selective catalytic reduction system may further include a selective reduction catalyst installed behind the reducing agent injection module in the exhaust pipe.
  • the coolant when the coolant pump is in operation, the coolant is circulated through the coolant circulation line to cool the reducing agent injection module, and when the coolant pump is stopped, a separate closed circuit independent of the coolant circulation line is configured.
  • the cooling water may naturally convection through the closed circuit to cool the reducing agent injection module.
  • a simple closed circuit can be configured to cool the reducing agent injection module to a desired temperature range through a natural convection phenomenon without using equipment such as an expensive electric pump to cool the reducing agent injection module. have. This can reduce costs and increase the equipment installation space of the engine system.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a selective catalytic reduction system in accordance with example embodiments.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating the selective catalytic reduction system of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a cooling device of the reducing agent injection module of FIG.
  • FIG. 4A and 4B illustrate various structures of the heat dissipation unit of the cooling apparatus of FIG. 3.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a cooling control method of a reducing agent injection module in the selective catalytic reduction system of FIG. 1.
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms may be used for the purpose of distinguishing one component from another component.
  • first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a selective catalytic reduction system in accordance with example embodiments.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating the selective catalytic reduction system of FIG. 1.
  • 3 is a cross-sectional view showing a cooling device of the reducing agent injection module of FIG. 4A and 4B illustrate various structures of the heat dissipation unit of the cooling apparatus of FIG. 3.
  • the selective catalytic reduction system includes a selective catalyst reduction including a reducing agent injection module 60 for injecting a reducing agent to reduce nitrogen oxides in exhaust gas discharged from the engine 10. , SCR) device, and a cooling device of the reducing agent injection module for cooling the reducing agent injection module 60.
  • a selective catalyst reduction including a reducing agent injection module 60 for injecting a reducing agent to reduce nitrogen oxides in exhaust gas discharged from the engine 10. , SCR) device, and a cooling device of the reducing agent injection module for cooling the reducing agent injection module 60.
  • the SCR apparatus may include a selective reduction catalyst 44 installed in the exhaust pipe 50 and a reducing agent injection module for injecting a reducing agent into the exhaust pipe 50 in front of the selective reduction catalyst 52.
  • 60 may include.
  • a diesel oxidation catalyst (DOC) device 42 may be provided in front of the SCR device.
  • DOC diesel oxidation catalyst
  • the reducing agent injection module 60 may inject a reducing agent such as urea to reduce nitrogen oxides in the exhaust gas discharged from the engine 10. Since the temperature of the exhaust gas discharged from the engine 10 is a high temperature of several hundred degrees Celsius, the reducing agent injected in the exhaust pipe 50 may be immediately vaporized. The vaporized reducing agent may be mixed with the exhaust gas and catalytically react the reducing agent with the nitrogen oxide using a selective reduction catalyst 52 to reduce the nitrogen oxide to nitrogen gas and water.
  • a reducing agent such as urea
  • the cooling device of the reducing agent injection module is installed in the cooling water circulation line 80 and the cooling water circulation line 80 connected to the module cooling channel 62 of the reducing agent injection module 60 to cool the water.
  • the closed loop circulation line 102 may be connected to the cooling water circulation line 80 in front of and behind the module cooling channel 62. Specifically, one end of the closed circuit circulation line 102 may be connected to the cooling water recovery line 84, and the other end of the closed circuit circulation line 102 may be connected to the cooling water supply line 82 to form the closed circuit 100.
  • the coolant circulation line 80 and the closed loop circulation line 102 may include hoses, pipes, and the like.
  • the heat dissipation unit 110 may include a first heat dissipation unit 110A disposed on the cooling water supply line 82 and a second heat dissipation unit 110B disposed on the cooling water recovery line 84.
  • the first heat dissipation unit 110A is disposed at a portion 82a of the cooling water supply line 82 and the second heat dissipation unit 110B is disposed at the portion 84a of the cooling water recovery line 84 to reduce the spraying module 60. It can serve to cool the heat transferred from.
  • a third heat dissipation unit (not shown) may be additionally disposed in the closed loop circulation line 102.
  • one heat dissipation unit may be disposed in any one of the cooling water supply line 82 and the cooling water recovery line 84 or the heat dissipation unit may be disposed only in the closed circuit circulation line 102.
  • the closed circuit 100 includes a module cooling channel 62 of the reducing agent injection module 60, a portion 84a of the coolant recovery line 84 in which the second heat dissipation unit 110B is disposed, and a closed circuit. It may include a circulation line 102 and a portion 82a of the second cooling water supply line 82 in which the first heat dissipating portion 110A is disposed.
  • the closed circuit 100 includes a module cooling channel 62 of the reducing agent injection module 60 and may be a closed circuit independent from the cooling water circulation line 80.
  • the closed space inside the closed circuit 100 may be filled with cooling water.
  • the coolant may be a fluid having good heat transfer properties.
  • the cooling device of the reducing agent injection module may further include a closed circuit control valve 120 connecting the closed circuit circulation line 102 to the cooling water circulation line 80 and controlling the flow direction of the cooling water.
  • a closed circuit control valve 120 connecting the closed circuit circulation line 102 to the cooling water circulation line 80 and controlling the flow direction of the cooling water.
  • One end of the closed loop circulation line 102 may be connected to the coolant return line 84 by a closed loop control valve 120.
  • the closed loop control valve 120 may be a three-way control valve.
  • the closed loop control valve 120 may close the closed loop circulation line 102 and circulate the coolant through the coolant circulation line 80.
  • the closed circuit control valve 120 may open the closed circuit circulation line 102 and allow the coolant to naturally convection through the closed circuit 100.
  • the flow of coolant through the coolant circulation line 80 may be stopped.
  • the closed circuit circulation line 102 may be opened by the operation of the closed circuit control valve 120 to form the closed circuit 100.
  • the reducing agent injection module 60 continues to be heated by the hot exhaust pipe 50 and the heat from the module cooling channel 62 in the reducing agent injection module 60 is removed through natural convection by the coolant in the closed circuit 100. 2 After the heat dissipation unit 110B and the first heat dissipation unit 110A are transmitted, the first and second heat dissipation units 110A and 110B may discharge the transferred heat to the outside. Therefore, even when the coolant pump 70 is stopped, the reducing agent injection module 60 can be cooled through natural convection in the closed circuit 100.
  • the closed circuit 100 may further include a check valve (not shown) to provide flow direction of the fluid in the closed circuit 100. That is, the coolant in the closed circuit 100 may flow in one direction by the check valve.
  • the closed circuit 100 may be further provided with a pressing unit (not shown) to increase the pressure of the closed space of the closed circuit 100.
  • the cooling device of the reducing agent injection module cools the engine 30, the turbocharger (not shown), etc. together with the reducing agent injection module 60 using one coolant pump 70. You can. Alternatively, the cooling device cools only the reducing agent injection module 60, and the engine, the turbocharger, etc. may be cooled using a separate coolant pump.
  • the heat dissipation unit may include various types of cooling structures.
  • the heat dissipation part may include a heat pipe 112.
  • the heat pipe 112 may extend in a zigzag shape.
  • the heat pipe 112 may include a metal or a synthetic resin having excellent heat transfer rate.
  • the heat dissipation unit may include a heat reservoir. Material, heat capacity and cooling performance of the heat pipe and the heat reservoir may be determined in consideration of a heating temperature, an operating temperature range, and the like of the reducing agent injection module 60.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a cooling control method of a reducing agent injection module in the selective catalytic reduction system of FIG. 1.
  • fuel gas is supplied to the engine 10 to operate the engine 10, and the exhaust gas discharged from the engine 10 may be discharged through the exhaust gas aftertreatment device.
  • fuel gas may be supplied from the fuel supply unit (not shown) and mixed with the air supplied through the turbocharger 20 in the mixer 16 and then supplied to the intake manifold 12 of the engine 10. have.
  • the air supplied to the engine 10 through the turbocharger 20 may be cooled by the intercooler 22.
  • the exhaust gas discharged from the exhaust manifold 14 of the engine 10 may be discharged to the outside through the exhaust pipe 50 through the turbocharger 20.
  • the exhaust gas passing through the turbocharger 20 may be discharged to the outside through the diesel oxidation catalyst (DOC) device 42 and the selective reduction catalyst 44.
  • the reducing agent injection module 60 may inject the reducing agent into the exhaust pipe 50 in front of the selective reduction catalyst 44. Since the temperature of the exhaust gas discharged from the engine 10 is a high temperature of several hundred degrees Celsius, the reducing agent injected in the exhaust pipe 50 may be immediately vaporized. The vaporized reducing agent may be mixed with the exhaust gas and catalytically react the reducing agent with the nitrogen oxide using the selective reduction catalyst 44 to reduce the nitrogen oxide to nitrogen gas and water.
  • the cooling device of the reducing agent injection module may circulate the cooling water through the cooling water circulation line 80 to prevent the temperature of the reducing agent injection module 60 from being increased by the high temperature exhaust gas.
  • the closed circuit control valve 120 may be operated depending on whether the coolant pump 70 is operated. It may be determined whether the operation (S110).
  • the coolant pump 70 is connected to the engine 10, and the coolant pump 70 also operates when the engine 10 operates, while the engine 10 stops and the coolant pump 70 can also stop. .
  • the coolant pump 70 connected to the engine 10 may also start to circulate the coolant through the coolant circulation line 80.
  • the controller (not shown) controls the operation of the closed loop control valve 120, and the closed loop control valve 120 may open the coolant recovery line 84 to form a cooling circulation circuit (S120).
  • the closed loop circulation line 102 is closed by the closed loop control valve 120. Therefore, the coolant may be circulated only through the coolant circulation line 80 to cool the reducing agent injection module 60 (S140).
  • the cooling water pump 70 also stops the operation, the circulation of the cooling water through the cooling water circulation line 80 is stopped.
  • the closed circuit control valve 120 may configure the natural convection closed circuit 100 by opening the closed circuit circulation line 102 (S130).
  • the coolant recovery line 84 is closed by the closed loop control valve 120. Therefore, the coolant may circulate only through the natural convection closed circuit 100 to cool the reducing agent injection module 60 using natural convection (S140).
  • the temperature of the reducing agent injection module 60 may continue to increase.
  • the closed loop circulation line 102 is not opened by the closed loop control valve 120, the reducing agent injection module 60 may be heated to a temperature of about 150 ° C. or more.
  • the heat from the reducing agent injection module 60 passes through the natural convection by the coolant in the closed circuit 100.
  • the first and second heat dissipating parts 110A and 110B may discharge the transferred heat to the outside.
  • the reducing agent injection module 60 may be cooled and maintained in a temperature range of about 110 ° C. or less.
  • coolant circulation line 80 coolant circulation line 80 to cool the reducing agent injection module 60
  • coolant circulation line 80 Separate closed circuit (100) is configured and the cooling water can condense naturally through the closed circuit (100) to cool the reducing agent injection module (60).
  • Natural convection of the cooling water may be more efficiently performed when a heat source such as a reducing agent injection module 60 is installed at a position lower in the vertical direction than the heat radiating unit.
  • a heat source such as a reducing agent injection module 60
  • the coolant is vaporized or the density of the coolant is lowered.
  • the vaporized or less dense cooling water is cooled by moving upwardly to the heat dissipation unit at a relatively high position along the closed loop circulation line, and the relatively high density of cooling water is moved back to the relatively low position reducing agent injection module 60 by The coolant is circulated along the closed loop circulation line. This natural convection may continue until cooling of the reducing agent injection module 60 is complete.
  • a simple closed circuit is constructed without using equipment such as an expensive electric pump to cool the reducing agent injection module 60, thereby reducing the reduction agent injection module 60 through natural convection. It can be cooled to the desired temperature range. This can reduce costs and increase the equipment installation space of the engine system.
  • module cooling channel 70 coolant pump
  • cooling water supply line 84 cooling water return line
  • closed circuit 102 closed circuit circulation line

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Abstract

환원제 분사 모듈의 냉각 장치는, 환원제 분사 모듈을 냉각하기 위해 모듈 냉각 채널에 연결되며 냉각수를 순환시키기 위한 냉각수 순환 라인, 상기 모듈 냉각 채널의 전방 및 후방의 상기 냉각수 순환 라인에 접속되어 상기 냉각수 순환 라인이 선택적으로 폐회로가 형성되도록 연결하는 폐회로 순환 라인, 및 상기 폐회로에 구비되고 상기 모듈 냉각 채널로부터 자연대류로 전달된 열을 방출하기 위한 적어도 하나의 방열부를 포함한다.

Description

환원제 분사 모듈의 냉각 장치 및 이를 갖는 선택적 촉매 환원 시스템
본 발명은 환원제 분사 모듈의 냉각 장치 및 이를 갖는 선택적 촉매환원 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 엔진의 배기가스 후처리를 위한 환원제 분사 모듈의 냉각 장치 및 이를 갖는 선택적 촉매 환원 시스템에 관한 것이다.
선택적 촉매 환원 장치는 엔진으로부터 배출되는 배기가스 중에 함유된 공해 물질들을 감소시키기 위한 배기가스 후처리 장치로서 제공될 수 있다. 상기 선택적 촉매 환원 장치는 환원제를 배기가스의 유동 방향으로 분사하기 위한 환원제 분사 모듈을 포함할 수 있다. 엔진 냉각수는 상기 환원제 분사 모듈에 연결된 냉각수 순환 라인을 통해 순환하여 상기 환원제 분사 모듈이 고온의 배기가스에 의해 가열되는 것을 방지할 수 있다.
그러나, 엔진이 정지할 때 냉각수 펌프도 정지하여 상기 냉각수가 순환하지 않게 된다. 이 경우에 있어서, 상기 환원제 분사 모듈은 고온의 배기 파이프로부터 계속 가열되어, 상기 환원제 분사 모듈이 열에 의해 변형되거나 상기 환원제 분사 모듈의 분사구가 요소수로부터 증발된 고형물로 인해 막히는 문제점이 있다.
본 발명의 일 과제는 저비용의 향상된 냉각 성능을 갖는 환원제 분사 모듈의 냉각 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 과제는 상술한 냉각 장치를 갖는 선택적 촉매 환원 시스템을 제공하는 데 있다.
상술한 본 발명의 일 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 환원제 분사 모듈의 냉각 장치는, 환원제 분사 모듈을 냉각하기 위해 모듈 냉각 채널에 연결되며 냉각수를 순환시키기 위한 냉각수 순환 라인, 상기 모듈 냉각 채널의 전방 및 후방의 냉각수 순환 라인에 접속되어 상기 냉각수 순환 라인이 선택적으로 폐회로가 형성되도록 연결하는 폐회로 순환 라인, 및 상기 폐회로에 구비되고 상기 모듈 냉각 채널로부터 자연대류로 전달된 열을 방출하기 위한 적어도 하나의 방열부를 포함한다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 환원제 분사 모듈의 냉각 장치는, 상기 폐회로 순환 라인에 구비되어 상기 냉각수의 흐름 방향을 제어하는 폐회로 제어 밸브를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 환원제 분사 모듈은 상기 냉각수가 상기 폐회로 순환 라인을 통해 자연대류가 되도록 상기 방열부보다 수직 방향으로 낮은 위치에 설치될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 폐회로 제어 밸브는 상기 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 펌프가 정지할 때 상기 폐회로 순환 라인을 개방하여 상기 냉각수를 상기 폐회로를 통해 자연대류 시킬 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 냉각수 순환 라인은 상기 모듈 냉각 채널의 유입부에 연결된 냉각수 공급 라인 및 상기 모듈 냉각 채널의 유출부에 연결되는 냉각수 회수 라인을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 냉각수 회수 라인에는 제1 방열부가 배치되고, 상기 냉각수 공급 라인에는 제2 방열부가 배치될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 폐회로 순환 라인의 일단부는 상기 모듈 냉각 채널의 유출부에 연결된 냉각수 회수 라인에 접속되고, 상기 폐회로 순환 라인의 타단부는 상기 모듈 냉각 채널의 유입부에 연결된 냉각수 공급 라인에 접속될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 방열부는 열 파이프 또는 열 저장고를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 환원제 분사 모듈은 배기 파이프에 설치되어 상기 배기 파이프 내부로 환원제를 분사할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 배기 파이프 내에는 선택적 환원촉매가 설치되고, 상기 환원제 분사 모듈은 상기 선택적 환원 촉매의 전방에 설치될 수 있다.
상술한 본 발명의 다른 과제를 달성하기 위한 선택적 촉매 환원 시스템은, 엔진으로부터 배기가스가 배출되는 배기 파이프에 설치되고 상기 배기가스 내의 질소산화물을 환원시키기 위하여 상기 배기 파이프 내부로 환원제를 분사하는 환원제 분사 모듈, 상기 환원제 분사 모듈의 모듈 냉각 채널에 연결되는 냉각수 순환 라인, 상기 냉각수 순환 라인에 설치되어 냉각수를 상기 모듈 냉각 채널로 공급하기 위한 냉각수 펌프, 상기 냉각수 순환 라인에 상기 모듈 냉각 채널의 전후방에 접속되고 상기 모듈 냉각 채널을 통과하는 폐회로를 구성하기 위한 폐회로 순환 라인, 및 상기 폐회로에 구비되고 상기 모듈 냉각 채널로부터 자연대류로 전달된 열을 방출하기 위한 적어도 하나의 방열부를 포함한다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 선택적 촉매 환원 시스템은, 상기 냉각수 순환 라인에 상기 폐회로 순환 라인을 접속시키고 상기 냉각수의 흐름 방향을 제어하는 폐회로 제어 밸브를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 폐회로 제어 밸브는 상기 냉각수 펌프가 정지할 때 상기 폐회로 순환 라인을 개방하여 상기 냉각수를 상기 폐회로를 통해 자연대류 시킬 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 방열부는 상기 냉각수 순환 라인의 냉각수 회수 라인에 배치된 제1 방열부 및 상기 냉각수 순환 라인의 냉각수 공급 라인에 배치된 제2 방열부를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 방열부는 파이프 또는 저장고를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 배기 파이프 내에서 상기 환원제 분사 모듈의 후방에 설치되는 선택적 환원 촉매를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 냉각수 펌프가 동작 중일 때에는 냉각수가 냉각수 순환 라인을 통해 순환하여 환원제 분사 모듈을 냉각시키고, 상기 냉각수 펌프가 정지 중일 때에는 상기 냉각수 순환 라인과 독립적인 별도의 폐회로가 구성되고 상기 냉각수는 상기 폐회로를 통해 자연대류하여 상기 환원제 분사 모듈을 냉각시킬 수 있다.
따라서, 엔진이 정지한 후에 상기 환원제 분사 모듈을 냉각시키기 위하여 별도의 고가의 전기 펌프와 같은 장비를 사용하지 않고도 단순한 폐회로를 구성하여 자연 대류 현상을 통해 상기 환원제 분사 모듈을 원하는 온도 범위로 냉각시킬 수 있다. 이에 따라, 원가를 절감하고 엔진 시스템의 장비 설치 공간을 증가시킬 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 선택적 촉매 환원 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 1의 환원제 분사 모듈의 냉각 장치를 나타내는 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3의 냉각 장치의 방열부의 다양한 구조들을 나타내는 도면들이다.
도 5는 도 1의 선택적 촉매 환원 시스템에서의 환원제 분사 모듈의 냉각 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 나타내는 도면이다. 도 2는 도 1의 선택적 촉매 환원 시스템을 나타내는 블록도이다. 도 3은 도 1의 환원제 분사 모듈의 냉각 장치를 나타내는 단면도이다. 도 4a 및 도 4b는 도 3의 냉각 장치의 방열부의 다양한 구조들을 나타내는 도면들이다.
도 1 내지 도 4b를 참조하면, 선택적 촉매 환원 시스템은 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스 내의 질소산화물을 환원시키기 위하여 환원제를 분사하는 환원제 분사 모듈(60)을 구비하는 선택적 촉매 환원(selective catalyst reduction, SCR) 장치, 및 환원제 분사 모듈(60)을 냉각시키기 위한 환원제 분사 모듈의 냉각 장치를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 SCR 장치는 배기 파이프(50) 내에 설치되는 선택적 환원 촉매(44) 및 선택적 환원 촉매(52)의 전방에서 배기 파이프(50) 내에 환원제를 분사하기 위한 환원제 분사 모듈(60)을 포함할 수 있다. 또한, 디젤 산화 촉매(diesel oxidation catalyst, DOC) 장치(42)가 상기 SCR 장치의 전방에 구비될 수 있다.
환원제 분사 모듈(60)은 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스 내의 질소산화물을 환원시키기 위하여 우레아와 같은 환원제를 분사할 수 있다. 엔진(10)으로부터 배출된 배기가스의 온도는 수백 ℃에 이르는 고온이므로, 배기 파이프(50) 내에 분사된 상기 환원제는 곧바로 기화될 수 있다. 기화된 환원제는 배기가스와 혼합되고, 상기 환원제와 상기 질소산화물을 선택적 환원 촉매(52)를 이용하여 촉매 반응시켜 상기 질소산화물을 질소 가스와 물로 환원시킬 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 환원제 분사 모듈의 냉각 장치는 환원제 분사 모듈(60)의 모듈 냉각 채널(62)에 연결되는 냉각수 순환 라인(80), 냉각수 순환 라인(80)에 설치되어 냉각수를 모듈 냉각 채널(62)로 공급하기 위한 냉각수 펌프(70), 냉각수 순환 라인(80)에 접속되고 모듈 냉각 채널(62)을 통과하는 폐회로(100)를 구성하기 위한 폐회로 순환 라인(102), 및 폐회로(100)에 구비되고 모듈 냉각 채널(62)로부터 폐회로(100) 내의 상기 냉각수에 의한 자연대류로 전달된 열을 방출하기 위한 적어도 하나의 방열부(100)를 포함할 수 있다.
냉각수 순환 라인(80)은 냉각수 펌프(70)를 환원제 분사 모듈(60)의 모듈 냉각 채널(62)의 유입부(64)로 연결시키기 위한 냉각수 공급 라인(82) 및 모듈 냉각 채널(62)의 유출부(66)를 냉각수 펌프(70)로 연결시키기 위한 냉각수 회수 라인(84)를 포함할 수 있다.
폐회로 순환 라인(102)은 냉각수 순환 라인(80)에 모듈 냉각 채널(62)의 전후방에서 접속될 수 있다. 구체적으로, 폐회로 순환 라인(102)의 일단부는 냉각수 회수 라인(84)에 접속되고 폐회로 순환 라인(102)의 타단부는 냉각수 공급 라인(82)에 접속되어 폐회로(100)를 구성할 수 있다. 예를 들면, 냉각수 순환 라인(80) 및 폐회로 순환 라인(102)은 호스, 파이프 등을 포함할 수 있다.
방열부(110)는 냉각수 공급 라인(82)에 배치된 제1 방열부(110A) 및 냉각수 회수 라인(84)에 배치된 제2 방열부(110B)를 포함할 수 있다. 제1 방열부(110A)는 냉각수 공급 라인(82)의 일부분(82a)에 배치되고 제2 방열부(110B)는 냉각수 회수 라인(84)의 일부분(84a)에 배치되어 환원제 분사 모듈(60)로부터 전달된 열을 냉각시키는 역할을 수행할 수 있다. 제3 방열부(도시되지 않음)가 폐회로 순환 라인(102)에 추가적으로 배치될 수 있다.
이와 다르게, 하나의 방열부가 냉각수 공급 라인(82) 및 냉각수 회수 라인(84) 중 어느 하나에 배치되거나 상기 방열부는 폐회로 순환 라인(102)에만 배치될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 폐회로(100)는 환원제 분사 모듈(60)의 모듈 냉각 채널(62), 제2 방열부(110B)가 배치된 냉각수 회수 라인(84)의 일부분(84a), 폐회로 순환 라인(102), 및 제1 방열부(110A)가 배치된 제2 냉각수 공급 라인(82)의 일부분(82a)를 포함할 수 있다.
폐회로(100)는 환원제 분사 모듈(60)의 모듈 냉각 채널(62)을 포함하며 냉각수 순환 라인(80)으로부터 독립적인 폐회로일 수 있다. 폐회로(100) 내부의 밀폐 공간은 냉각수에 의해 채워질 수 있다. 상기 냉각수는 우수한 열 전달 특성을 갖는 유체일 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 환원제 분사 모듈의 냉각 장치는 냉각수 순환 라인(80)에 폐회로 순환 라인(102)을 접속시키고 상기 냉각수의 흐름 방향을 제어하는 폐회로 제어 밸브(120)를 더 포함할 수 있다. 폐회로 순환 라인(102)의 일단부는 폐회로 제어 밸브(120)에 의해 냉각수 회수 라인(84)에 접속될 수 있다. 예를 들면, 폐회로 제어 밸브(120)는 3방향 제어 밸브일 수 있다.
냉각수 펌프(70)가 작동 중일 때에는, 폐회로 제어 밸브(120)는 폐회로 순환 라인(102)을 폐쇄시키고 상기 냉각수를 냉각수 순환 라인(80)을 통해 순환시킬 수 있다. 냉각수 펌프(70)가 정지 중일 때에는, 폐회로 제어 밸브(120)는 폐회로 순환 라인(102)을 개방시키고 상기 냉각수를 폐회로(100)를 통해 자연대류 시킬 수 있다.
예를 들면, 냉각수 펌프(70)가 정지 중일 때에는 냉각수 순환 라인(80)을 통한 냉각수의 흐름이 정지될 수 있다. 이 경우에 있어서, 폐회로 제어 밸브(120)의 작동에 의해 폐회로 순환 라인(102)이 개방되어 폐회로(100)가 형성될 수 있다. 환원제 분사 모듈(60)은 고온의 배기 파이프(50)에 의해 계속 가열되고, 환원제 분사 모듈(60) 내의 모듈 냉각 채널(62)로부터의 열은 폐회로(100) 내의 냉각수에 의한 자연대류를 통해 제2 방열부(110B) 및 제1 방열부(110A)로 전달된 후, 제1 및 제2 방열부들(110A, 110B)는 전달된 열을 외부로 방출시킬 수 있다. 따라서, 냉각수 펌프(70)가 정지 중 일 때에도, 폐회로(100) 내의 자연대류를 통해 환원제 분사 모듈(60)을 냉각시킬 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 폐회로(100)에는 체크 밸브(도시되지 않음)가 추가적으로 구비되어 폐회로(100) 내의 유체의 흐름 방향성을 제공할 수 있다. 즉, 상기 체크 밸브에 의해 폐회로(100) 내의 냉각수는 일방향으로 흐를 수 있다. 또한, 폐회로(100)에는 가압부(도시되지 않음)가 추가적으로 구비되어 폐회로(100)의 밀폐 공간의 압력을 상승시킬 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 환원제 분사 모듈의 냉각 장치는 하나의 냉각수 펌프(70)를 이용하여 환원제 분사 모듈(60)과 함께 엔진(30), 터보 차저(도시되지 않음) 등을 함께 냉각시킬 수 있다. 이와 다르게, 상기 냉각 장치는 환원제 분사 모듈(60)만을 냉각시키고, 상기 엔진, 상기 터보 차저 등은 별도의 냉각수 펌프를 이용하여 냉각시킬 수 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 상기 방열부는 다양한 형태의 냉각 구조물들을 포함할 수 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 상기 방열부는 열 파이프(112)를 포함할 수 있다. 열 파이프(112)는 지그재그 형상으로 연장할 수 있다. 열 파이프(112)는 우수한 열 전달율을 갖는 금속이나 합성 수지를 포함할 수 있다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 방열부는 열 저장고를 포함할 수 있다. 상기 열 파이프 및 상기 열 저장고의 재질, 열 용량 및 냉각 성능 등은 환원제 분사 모듈(60)의 가열 온도, 동작 온도 범위 등을 고려하여 결정될 수 있다.
이하에서는, 상기 선택적 촉매 환원 시스템의 동작에 대하여 설명하기로 한다.
도 5는 도 1의 선택적 촉매 환원 시스템에서의 환원제 분사 모듈의 냉각 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 엔진(10)에 연료 가스가 공급되어 엔진(10)을 동작시키고, 엔진(10)으로부터 배출된 배기가스는 배기가스 후처리 장치를 통해 배출될 수 있다.
먼저, 연료 가스는 연료 공급부(도시되지 않음)으로부터 공급되고 터보 차저(20)를 지나 공급되는 공기와 믹서(16)에서 혼합된 후, 엔진(10)의 흡기 매니폴드(12)에 공급될 수 있다. 이 때, 터보 차저(20)를 지나 엔진(10)으로 공급되는 공기는 인터쿨러(22)에 의해 냉각될 수 있다. 한편, 엔진(10)의 배기 매니폴드(14)로부터 배출된 배기가스는 터보 차저(20)를 지나 배기 파이프(50)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
터보 차저(20)를 통과한 배기가스는 디젤 산화 촉매(DOC) 장치(42) 및 선택적 환원 촉매(44)를 통과하여 외부로 배출될 수 있다. 환원제 분사 모듈(60)은 선택적 환원 촉매(44)의 전방에서 배기 파이프(50) 내에 환원제를 분사할 수 있다. 엔진(10)으로부터 배출된 배기가스의 온도는 수백 ℃에 이르는 고온이므로, 배기 파이프(50) 내에 분사된 상기 환원제는 곧바로 기화될 수 있다. 기화된 환원제는 배기가스와 혼합되고, 상기 환원제와 상기 질소산화물을 선택적 환원 촉매(44)를 이용하여 촉매 반응시켜 상기 질소산화물을 질소 가스와 물로 환원시킬 수 있다.
상기 환원제 분사 모듈의 냉각 장치는 냉각수 순환 라인(80)을 통해 냉각수를 순환시켜 환원제 분사 모듈(60)이 고온의 배기가스에 의해 온도가 상승되는 것을 방지할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 엔진(10)의 동작 여부에 따른 냉각수 펌프(70)의 동작 여부를 검출한 후(S100), 냉각수 펌프(70)의 동작 여부에 따라 폐회로 제어 밸브(120)의 동작 여부를 결정할 수 있다(S110). 냉각수 펌프(70)는 엔진(10)에 연결되고, 엔진(10)이 동작할 때 냉각수 펌프(70)도 역시 동작하는 반면, 엔진(10)이 정지하며 냉각수 펌프(70)도 정지할 수 있다.
엔진(10)이 시동되면 엔진(10)에 연결된 냉각수 펌프(70) 역시 동작을 개시하여 냉각수를 냉각수 순환 라인(80)을 통해 순환시킬 수 있다. 콘트롤러(도시되지 않음)는 폐회로 제어 밸브(120)의 동작을 제어하고, 폐회로 제어 밸브(120)는 냉각수 회수 라인(84)을 개방하여 냉각 순환 회로를 구성할 수 있다(S120). 이 때, 폐회로 순환 라인(102)은 폐회로 제어 밸브(120)에 의해 폐쇄된다. 따라서, 냉각수는 냉각수 순환 라인(80)만을 통해 순환하여 환원제 분사 모듈(60)을 냉각시킬 수 있다(S140).
한편, 부하운전 직후에 엔진(10)이 정지하면, 냉각수 펌프(70) 역시 동작을 정지하게 되어 냉각수 순환 라인(80)을 통한 냉각수의 순환이 정지하게 된다. 이 때, 폐회로 제어 밸브(120)는 폐회로 순환 라인(102)을 개방시켜 자연대류 폐회로(100)를 구성할 수 있다(S130). 이 때, 냉각수 회수 라인(84)은 폐회로 제어 밸브(120)에 의해 폐쇄된다. 따라서, 냉각수는 자연대류 폐회로(100)만을 통해 순환하여 자연대류를 이용하여 환원제 분사 모듈(60)을 냉각시킬 수 있다(S140).
예를 들면, 냉각수 펌프(70)가 정지하면 환원제 분사 모듈(60)의 온도는 계속 증가할 수 있다. 폐회로 제어 밸브(120)에 의해 폐회로 순환 라인(102)이 개방되지 않을 경우, 환원제 분사 모듈(60)은 약 150℃ 이상의 온도까지 가열될 수 있다. 폐회로 제어 밸브(120)에 의해 폐회로 순환 라인(102)이 개방되어 폐회로(100)가 형성된 후, 환원제 분사 모듈(60)로부터의 열은 폐회로(100) 내의 냉각수에 의한 자연대류를 통해 제1 및 제2 방열부들(110A, 110B)로 전달된 후, 제1 및 제2 방열부들(110A, 110B)는 전달된 열을 외부로 방출시킬 수 있다. 상기 제1 및 제2 방열부들이 지그재그 형상이 열 파이프를 가질 경우, 환원제 분사 모듈(60)은 약 110℃ 이하의 온도 범위로 냉각 및 유지될 수 있다.
상술한 바와 같이, 냉각수 펌프(70)가 동작 중일 때에는 냉각수가 냉각수 순환 라인(80)을 통해 순환하여 환원제 분사 모듈(60)을 냉각시키고, 냉각수 펌프(70)가 정지 중일 때에는 냉각수 순환 라인(80)과 독립적인 별도의 폐회로(100)가 구성되고 상기 냉각수는 폐회로(100)를 통해 자연 대류하여 환원제 분사 모듈(60)을 냉각시킬 수 있다.
상기 냉각수의 자연대류는 환원제 분사 모듈(60)과 같은 열원이 상기 방열부보다 수직 방향으로 낮은 위치에 설치될 때 더욱 효율적으로 이루어질 수 있다. 냉각수가 열원에 의해 가열됨에 따라 냉각수는 기화되거나 냉각수의 밀도가 낮아지게 된다. 기화되거나 밀도가 낮아진 냉각수는 상기 폐회로 순환 라인을 따라 상대적으로 높은 위치의 방열부로 상승 이동하여 냉각되고, 이와 함께 상대적으로 높은 밀도의 냉각수는 다시 상대적으로 낮은 위치의 환원제 분사 모듈(60)로 이동함으로써 상기 냉각수는 상기 폐회로 순환 라인을 따라 순환하게 된다. 이러한 자연대류는 환원제 분사 모듈(60)의 냉각이 완료될 때까지 지속될 수 있다.
따라서, 엔진(10)이 정지한 후에 환원제 분사 모듈(60)을 냉각시키기 위하여 별도의 고가의 전기 펌프와 같은 장비를 사용하지 않고도 단순한 폐회로를 구성하여 자연 대류 현상을 통해 환원제 분사 모듈(60)을 원하는 온도 범위로 냉각시킬 수 있다. 이에 따라, 원가를 절감하고 엔진 시스템의 장비 설치 공간을 증가시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
* 부호의 설명
10: 엔진 12: 흡기 매니폴드
14: 배기 매니폴드 16: 믹서
20: 터보 차저 30: 라디에이터
32: 흡기 매니폴드 34: 배기 매니폴드
42: 디젤 산화 촉매 장치 44: 선택적 환원 촉매
50: 배기 파이프 60: 환원제 분사 모듈
62: 모듈 냉각 채널 70: 냉각수 펌프
72: 서모 스탯 80: 냉각수 순환 라인
82: 냉각수 공급 라인 84: 냉각수 회수 라인
100: 폐회로 102: 폐회로 순환 라인
110, 110A, 110B: 방열부 120: 폐회로 제어 밸브

Claims (9)

  1. 환원제 분사 모듈을 냉각하기 위해 모듈 냉각 채널에 연결되며 냉각수를 순환시키기 위한 냉각수 순환 라인;
    상기 모듈 냉각 채널의 전방 및 후방의 상기 냉각수 순환 라인에 접속되어 상기 냉각수 순환 라인이 선택적으로 폐회로가 형성되도록 연결하는 폐회로 순환 라인; 및
    상기 폐회로에 구비되고, 상기 모듈 냉각 채널로부터 자연대류로 전달된 열을 방출하기 위한 적어도 하나의 방열부를 포함하는 환원제 분사 모듈의 냉각 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 폐회로 순환 라인에 구비되어 상기 냉각수의 흐름 방향을 제어하는 폐회로 제어 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 환원제 분사 모듈의 냉각 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 환원제 분사 모듈은 상기 냉각수가 상기 폐회로 순환 라인을 통해 자연대류가 되도록 상기 방열부보다 수직 방향으로 낮은 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 환원제 분사 모듈의 냉각 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 폐회로 제어 밸브는 상기 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 펌프가 정지할 때 상기 폐회로 순환 라인을 개방하도록 설치된 것을 특징으로 하는 환원제 분사 모듈의 냉각 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각수 순환 라인은 상기 모듈 냉각 채널의 유입부에 연결된 냉각수 공급 라인 및 상기 모듈 냉각 채널의 유출부에 연결되는 냉각수 회수 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 환원제 분사 모듈의 냉각 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 냉각수 회수 라인에는 제1 방열부가 배치되고, 상기 냉각수 공급 라인에는 제2 방열부가 배치된 것을 특징으로 하는 환원제 분사 모듈의 냉각 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 방열부는 열 파이프 또는 열 저장고를 포함하는 것을 특징으로 하는 환원제 분사 모듈의 냉각 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 환원제 분사 모듈은 배기 파이프에 설치되어 상기 배기 파이프 내부로 환원제를 분사하는 것을 특징으로 하는 환원제 분사 모듈의 냉각 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 배기 파이프 내에는 선택적 환원 촉매가 설치되고, 상기 환원제 분사 모듈은 상기 선택적 환원 촉매의 전방에 설치되는 것을 특징으로 하는 환원제 분사 모듈의 냉각 장치.
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