내연기관을 구비한 차량용 첨가제 탱크

내연기관을 구비한 차량용 첨가제 탱크{ADDITIVE TANK FOR A VEHICLE HAVING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연기관을 구비한 차량 분야에 관한 것이다.

본 발명은 더욱 특히 국가 및 지역에 따라 디젤, 더어브 (derv) 또는 디젤 오일로 명명된 연료와 같은 휘발성 또는 중질 (heavy) 액체연료를 공급받는 엔진을 구비한 차량용 첨가제 탱크에 관한 것이다.

환경을 보호하겠다는 욕망은 세계 각지의 정부 및 국제 기구가 다양한 분야, 특히 차량 수송분야에서 오염물질의 배출에 대한 법적 기준을 강화하게 하고 있다. 따라서, 자동차 제조업자들은 입자 (특히, 디젤 엔진의 경우) 및 특정 공해 가스들 (NOx, CO 등) 의 배출을 감소시키는 관점에서 연구를 수행하고 있다. 이러한 연구는, 특히 연료, 엔진, 배기 가스 등에 특정 첨가제 [특정 금속염, 우레아 (urea), 암모니아, 카르밤산염 (carbamate) 등과 같은] 의 첨가로 귀결되고 있다.

디젤 엔진에 의해 추진되는 차량의 경우에, 자동자 제조업자들은 이러한 차량에, 그 하류에서 연소 가스가 대기로 배출되는 라인에 입자 필터를 설치함으로써 미립자의 방출에 대한 해법을 찾아냈다. 이러한 미립자 필터의 여과 능력을 재생하기 위해서는, 필터를 부분적으로 막히게 하는 입자를 정기적으로 연소시켜 제 거할 필요가 있다. 미립자 필터를 재생하는 주기적인 사이클을 자동화하기 위해서는, 이러한 미립자가 연소되는 온도를 낮추는 수단을 찾아낼 필요가 있었는데, 이 온도는 적절하게, 그리고 일시적으로 엔진 자체의 연소 파라메터를 조절함으로써 배기 가스에서 얻을 수 있는 최고 온도와 양립이 가능하다. 배기 가스 중의 고체 입자의 연소 온도가 엔진에서의 연소 및 입자의 완전한 제거와 양립 가능한 수준의 온도까지 낮아질 수 있기 위해서는, 화학적 연소 첨가제의 특정량의 사용이 필요한 것으로 인식되어 왔다. 연료 탱크와 비교할 때 부피가 적은 액체-첨가제 탱크는 디젤-엔진이 장착된 차량의 연료탱크의 위에, 안에, 또는 근처에 장착되도록 설계되어 왔다.

따라서, 본 출원인 회사의 이름으로 출원된 프랑스 특허출원 04.00856 에는 차량의 연료 탱크의 벽에 오목한 함몰부 형태의 챔버를 포함하는 첨가제 탱크가 개시되어 있다. 첨가제 탱크의 이러한 설치에는 소형이지만 다기능이며, 휘발성 경질 (light) 탄화수소로 작동하는 엔진에 사용되는 공급 시스템의 제조 및 중질 탄화수소로 작동하는 엔진용 공급 시스템의 제조에서 동일한 간이함으로 끼워맞출 수 있으며, 그리고 연료 탱크 자체로 유입되는 것뿐만 아니라, 엔진, 배기 시스템 등의 연료 시스템의 임의의 다른 부분으로 유입되는 첨가제의 양도 정량될 수 있는 연료 시스템을 제공한다는 장점이 있다. 하지만, "보조 탱크" 에 들어있는 첨가제의 양은 차량의 수명을 통틀어 첨가될 첨가제의 양이 될 수 없으므로, 이는 1회 (또는 그 이상) 의 리필이 필요하다는 것을 의미하며, 그리고 이는 보조 탱크 안으로의 주입량의 관점에서 인간공학, 청결 및 신뢰성의 문제를 야기할 수 있다.

나아가, 상기 특허 출원에 상세하게 설명된 이 시스템은 바람직하게는 그 상부에 넘침 상태를 작업자에게 시각적으로 보여주는 수단이 구비된 충전 파이프, 통기 파이프, 그리고 압력 및 함몰 안전 시스템을 포함하는 충전 장치를 사용한다. 이러한 시스템은 비교적 복잡하기 때문에 비싸며, 충전시에는 넘침의 위험을 유발한다. 결국, 이러한 시스템에서는, 첨가제가 주변 공기와 접촉한 후에 분해될 수 있으며, 더욱이, 첨가제를 포함한 매체 내의 압력의 변화로 인해 정량되는 양이 부정확해질 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 단순하고, 깔끔하게 충전이 용이하며, 첨가제가 주변 공기와 접촉하지 않는, 그리고 첨가제가 압력 (예컨대, 고도, 대기압 등에 의한) 에 의해 변하지 않기 때문에, 정량의 정확도가 향상된 첨가제 탱크를 제공하는 것이다.

이러한 목적으로, 본 발명은 내연기관을 구비한 차량용 첨가제 탱크에 관한 것으로, 상기 탱크는 첨가제를 방출하기 위한 가압 장치에 연결된, 첨가제가 들어있는 가요성 백 (flexible bag) 을 포함한다.

본 발명은, 예컨대 퀵 커플링 (quick coupling) 을 사용하는 분리/재결합 (각각 빈 백과 가득찬 백) 에 의해 "표준의" 누수없는 첨가제의 리필을 가능하게 한다. 대안적으로, 백은 펌프에 의해 차량에서 채워질 수도 있다. 이 경우에, 논-리턴 (non-return) 밸브를 구비한 주입부는 충전하는데 충분하며, 통기 (venting) 를 고려할 필요가 없기 때문에, 작업시에 충전물이 넘치거나 유출될 위험이 없다.

(몇몇 시스템에서처럼 중력에 의해서가 아니라) 압력에 의해 정량된다는 사실에는 탱크가 의지에 따라 지향 (orientate) 될 수 있다는 장점이 있다. 게다가, 첨가제가 중력에 의해서 유동하도록 하는 것이 아니라 백을 가압한다는 사실은, 상기 백이 정확하게 비워지도록 하여, 첨가제의 비용을 고려할 때, 특정한 경제적 이점을 제공한다.

본 명세서에서, 차량은 자동추진 운송수단 (예컨대, 승용차, 트럭, 모터사이클, 강배, 해양 선박 또는 비행기) 또는 주행로에 속박된 운송수단 (예컨대, 철도 기관차) 이 될 수 있다. 차량에는 내연기관, 즉 동력원으로써 연료의 연소를 이용하는 기관이 장착되어 있다.

연료는 내연기관을 구동하는데 적합한 탄화수소를 의미하기로 한다. 이는 바람직하게는 액체 탄화수소, 즉 엔진이 사용되는 일반적 조건하에서, 엔진의 연료 탱크에서 액체 상태인 탄화수소이다. 이는 경질 (휘발성) 또는 중질 탄화수소가 될 수 있다. "휘발성 액체 탄화수소" 라는 표현은 293 K (20 ℃) 에서 1 bar 초과의 포화증기압을 갖는 액체 탄화수소 (전술한 정의에 따른) 를 의미한다. 자동차의 연소 기관의 공급에 일반적으로 사용되는 휘발성 액체 탄화수소는 상업적으로 "페트롤" 이라는 명칭으로 판매되며, 불꽃-점화식 (spark-ignition) 연소 기관용으로 의도된 것이다. "중질 액체 탄화수소" 라는 표현은 293 K (20 ℃) 에서 1 bar 미만의 포화증기압을 갖는 액체 탄화수소를 의미한다. 자동차의 연소 기관을 구동하는데 일반적으로 사용되는 중질 액체 탄화수소는 상업적으로 디젤 또는 디젤유라는 명칭으로 판매되며, 디젤 사이클로 작동하는 자기-점화식 (self-ignition) 연소 기관용으로 의도된 것이다.

본 발명에 따르면, 첨가제 탱크는 첨가제를 담는, 바람직하게는 밀봉된 가요성 백을 포함한다. "가요성 백" 이라는 표현은 쉽게 접히고, 펴지고, 구겨질 수 있는 등의 변형가능한 (탄성, 가요성, 다룰 수 있는) 백을 의미한다. 이는 형태 또는 내부 체적을 변화시킴으로써 첨가제가 쉽게 배출 (방출) 될 수 있는 일종의 가요성 백이다. 첨가제는 적절한 장치를 이용하여 백을 가압함으로써 이러한 백으로부터 "배출된다". 참고로써, 가요성 백 자체는 단단한 (rigid) 카트리지 또는 케이싱 (대조적으로, 손상 없이는 변형될 수 없는) 의 내측에 포함되는데, 상기 유닛은 바람직하게는 교환가능하며 첨가제 리필로써 작용한다. 이 카트리지는 전술한 특허 출원에서처럼 연료 탱크와 단일 피스로 제조될 수 있는데, 이러한 목적으로 그 특허 출원의 내용은 본원에 참조용으로 소개되었다. 대안적으로, 상기 카트리지는 본 출원인 회사 이름으로 출원된 프랑스 특허출원 03.05436 에 개시된 것처럼 탱크 충전 파이프와 단일 피스로 제조될 수 있는데, 이러한 목적으로 그 특허 출원의 내용은 본원에 참조용으로 소개되었다. 그러나, 유리하게는, 상기 카트리지는 분리된, 구체적인, 교환가능한 구성요소이며, 그 모양 및 위치는 첨가제의 리필을 가급적 친환경적으로 하는 방향으로 선택될 수 있다.

유리한 대안적인 형태에 따르면, 카트리지는 차량 또는 연료 시스템의 다른 기능을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 연료 필터를 포함할 수도 있다. 점차 첨가제가 소모됨에 따라서, 가요성 백이 수축하게 되고, 이에 따라 여과를 위한 상부 영역이 비워진다. 이러한 양태는 필터가 막히게 되는 문제의 해결을 가능하게 한다.

본 발명에 따른 첨가제 탱크는 그 탱크가 담게 될 첨가제에 따라 임의의 재료로 제조될 수 있다. 그 재료는 플라스틱 또는 금속이 될 수 있다. 플라스틱은 본 발명의 맥락에서 양호한 결과를 제공하며, 열가소성체가 특히 양호하다. 열가소성체는 임의의 열가소성 중합체를 의미하며, 열가소성 엘라스토머 및 이들의 혼합물을 포함한다. "중합체" 라는 용어는 동질 중합체 (homopolymer) 와 공중합체 (copolymer)(특히 2원 또는 3원 공중합체) 를 모두 의미한다. 이러한 공중합체의 예로는, 랜덤 공중합체, 순차 중합으로 생성된 공중합체, 블록 공중합체 및 혼성 공중합체가 있으며, 이에 제한되지 않는다. 임의의 형태의 열가소성 중합체 또는 공중합체의 융점은 분해 온도보다 낮은 것이 적합하다. 융점 구간이 10℃ 이상인 합성 열가소성체가 특히 적합하다. 이러한 재료의 예는 분자 질량의 복합분산을 지니는 것을 포함한다.

특히, 폴리올레핀, 폴리 할로겐화 비닐, 열가소성 폴리에스테르, 폴리케톤, 폴리아미드 및 이들의 공중합체가 사용될 수 있다. 예컨대, 탄소, 염 및 기타 무기질 유도체, 천연 섬유, 유리 섬유 및 고분자 섬유와 같은 (여기에 제한되지 않음) 무기질, 유기질 및/또는 천연 충전재를 포함하는 고분자 물질과 같은 중합체 또는 공중합체의 혼합물이 또한 사용될 수 있다. 1종 이상의 전술한 중합체 또는 공중합체를 포함하는 적층된 결합층으로 구성된 다층 구조를 사용하는 것도 가능하다. 가요성 백은 폭발 (압력) 에 대한 저항성이 높은 것이 바람직하다. 특히, 1 ~ 8 bar, 또는 3 ~ 5 bar 의 작동 압력을 견딜 수 있어야 하며, 심지어 10 bar, 또는 15 bar에 이르는 급격한 압력 상승 (spike) 도 견딜 수 있어야 한다. 정의에 의하면, 가요성 백은 저밀도 폴리에틸렌 (LDPE) 또는 엘라스토머와 같은 가요성 재료에 기초한다. 단단한 카트리지에 관한 한, 1 종류일 때에는, 고밀도 폴리에틸렌 (HDPE) 에 기초하는 것이 바람직하다. 특히, 첨가제의 성질에 따라서 가요성 백 및/또는 단단한 카트리지가 차단성 수지 (barrier resin)[예컨대, EVOH (부분적으로 가수분해된 에틸렌/비닐 아세테이트 공중합체와 같은)] 의 중간층을 포함하는 것이 유용한 것으로 밝혀질 수 있다.

탱크는 임의의 적절한 수단에 의해 제조될 수 있다. 참고로, 가요성 백은 압출-블로우 성형 (extrusion-blow moulding) 에 의해 제조되며, 카트리지는, 한 개인 경우, 압출 블로우-성형 또는 사출 성형 및 용접에 의해 제조된다.

본 발명에 따르면, 첨가제의 성질에 따라 연료, 배기 가스 또는 임의의 다른 적절한 지점으로 들어가는 첨가제를 정량하기 위해, 탱크의 가요성 백은 그 가요성 백을 가압하는 장치로 연결된다.

제 1 대안적인 형태에 따르면, 이 장치는 첨가제가 주입될 때 압축되는 스프링을 포함한다. 이 스프링은 첨가제 주입의 정확한 정량이 얻어지는 방식으로 크기가 정해져야 한다. 이러한 해결책에는 매우 자발적이고 경제적인 이점이 있다.

또 다른 대안적인 형태에 따르면, 가압 장치는 차량 안에 장착되어 기타 다른 몇 가지 기능을 수행하는 펌프를 포함한다. 이는, 예컨대 주 기관 연료 공급 펌프가 될 수 있다. 이러한 경우에, 전형적으로, 약 수 bar (예컨대, 3 ~ 5 bar) 의 압력이 사용된다.

어떤 대안적인 형태가 선택되든 간에, 가요성 백은 바람직하게는 컴퓨터에 연결되어 전기적으로 작동하는 밸브를 포함하는 정량 시스템을 구비하는 것이 유리하다.

본 발명에 따른 탱크는 임의의 첨가제, 바람직하게는 페이스트 또는 액체 첨가제를 위한 것으로, 첨가제는 전술한 바와 같이 직접 연료에 첨가되거나, 또는 기관, 배기가스 등에 첨가될 수 있다. 참고로, 첨가제는 기관의 연료 시스템을 위한 것이며, 본 발명은 전술한 바와 같이 첨가제 탱크를 구비한 연료 시스템을 커버하는 것을 또한 목표로 한다.

정량 시스템의 기능이 첨가제를 연료 탱크 안으로 계량하여 분배하는 것일 때, 예를 들면 그 양은 순간 기관 연료 소비량의 수학적 함수 (반드시 그런 것은 아니지만, 대게 비례 함수) 로 표현된다. 이러한 양은 일반적으로 내장형 (on-board) 컴퓨터 또는 특별-목적의 컴퓨터에 의해 산출된다. 대안적으로, 충전할 때 주입되는 연료의 양에 따라 정량은 단 한 차례, 충전 직후에 실시될 수 있다. 이 경우, 어떤 형태의 컴퓨터이든 연료 충전 시스템의 개폐를 검출하는 장치에 연결되는 것이 유리하다. 이러한 장치는 이동식 부재 [액추얼 스토퍼 (actual stopper) 또는 다른 수동 또는 자동 차단 (shut-off) 시스템] 에 연결된 전자석을 포함하며, 전자석은 개방 및 폐쇄 위치 사이에서 극 (polarity) 이 변경된다. 극 상태의 차이는 탱크의 내용물에 대한 정보를 담고있는 내장형 컴퓨터에 의해 검출된다. 폐쇄되어 있을 때 스토퍼의 위치가 컴퓨터의 휴지 (rest) 상황에 대응하는 경우, 컴퓨터는 시스템이 활성화되는 순간과 안정 상태로 복귀되는 순간 사이에서, 주입된 연료량의 체적 차이를 산출할 수 있다. 이 체적은 첨가제 농도를 일정하게 유지하는데 필요한 주입량 (스토퍼가 폐쇄된 후에 실행됨) 을 산출하는 기초가 된다.

시스템이 디젤로 구동하는 자기-착화식 기관용인 경우, 첨가제는 자기-착화식 기관에서 중질 탄화수소의 불완전 연소로 생성되어 탄산염화된 (carbonated) 고체 입자의 저온 연소용 촉매 조성물을 탄화수소 함유 용매에 용해된 상태로 포함하는 것이 유리하다. 본 발명의 이러한 대안적인 형태에 적합한 액체 첨가제의 예로는 탄화수소 용액 중의 철 및 세륨의 염이 있다.

이러한 연료 시스템의 구성 부재는 일반적으로 알콜이 있거나 없는 연료를 견딜 수 있으며, 첨가제를 견딜 수 있는 플라스틱 또는 금속으로 제조된다. 가능하다면, 상기 부재는, 특히 이 재료의 사용의 편리함 및 경량의 이점이 있는 플라스틱으로 제조되는 것이 바람직하다. 이하, 본 발명을 각각 바람직한 대안적인 형태를 설명하는 도 1 및 도 2 를 참조하여 설명한다.

도 1 은 백을 가압하는 장치가 기관 주 연료 공급 펌프인 대안적인 실시형태를 나타내며,

도 2 는 백을 가압하는 장치가 스프링인 대안적인 실시형태를 나타낸다.

동일한 구성요소는 동일한 도면 부호로 표시되어 있다.

도 1 은 주 디젤 탱크 (0) 및 첨가제를 담는 가요성 백 (2) 이 내부에 있는 단단한 카트리지 (1) 를 포함하는 첨가제 탱크를 포함하는 연료 시스템을 나타낸다. 첨가제 탱크는 밀봉된-연결용 퀵 커플링 (3), 첨가제를 정량하기 위한 전기 작동식 밸브 (4) 가 각각 설치되어 있는, 탱크 (6) 안으로 첨가제를 주입하기 위한 파이프 및 디젤 필터가 내장된 카트리지 (1) 에 디젤을 전달하기 위한 파이프 (5) 를 통해서 연료 탱크에 연결된다. 첨가제 탱크는 연료를 엔진 (10) 안으로 분사하는 분사 세트에, 첨가되는 첨가제가 포함된 여과된 디젤을 전달하기 위한 파이프 (9) 에 제 3 퀵 커플링 (3) 을 통해 또한 연결된다. 가요성 백 (2) 의 가압은 펌프 (8) / 압력 조절기 (7) 결합체에 의해 실행된다. 컴퓨터 (11) 는 전기 작동식 밸브 (4) 에 연결되어 첨가제의 충전 및 첨가 기능을 제어한다.

또한, 도 2 는 주 디젤 탱크 (0) 및 첨가제를 담는 가요성 백 (2) 이 내부에 있는 단단한 카트리지 (1) 를 포함하는 첨가제 탱크를 포함하는 연료 시스템을 나타낸다. 첨가제 탱크는 밀봉된 연결 퀵 커플링 (3) 및 컴퓨터 (11) 에 연결된 전기 작동식 밸브 (4) 를 구비하며 첨가제를 탱크 (6) 안으로 분사하기 위한 파이프를 통해서 연료 탱크에 연결된다. 가요성 백 (2) 의 가압은 스프링 (12) 에 의해 실행된다. 이번에는, 펌프 / 게이지 모듈 (8) 은 디젤에 첨가제를 첨가하는 기능과 독립적이다.