KR100863433B1

KR100863433B1 - 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치

Info

Publication number: KR100863433B1
Application number: KR1020070045667A
Authority: KR
Inventors: 주기형
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2007-05-10
Filing date: 2007-05-10
Publication date: 2008-10-16

Abstract

본 발명은 배기 파이프의 내부에 별도의 인너 파이프를 구성하여 전체 배기 시스템의 파이프 길이를 줄일 수 있고, 환원제의 월 웨팅(Wall wetting) 현상을 방지할 수 있는 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원(SCR) 장치를 제공한다.

배기 시스템, SCR, 배기 파이프, 인너 파이프, 이중 배관

Description

차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치{SELECTIVE CATALYST REDUCTION DEVICE FOR EXHAUST SYSTEM}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원(SCR) 장치를 도시한 단면 구성도이다.

도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 단면 구성도이다.

도 3은 종래 기술에 따른 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원(SCR) 장치를 도시한 단면 구성도이다.

본 발명은 차량의 배기 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배기가스의 후처리를 위한 선택적 촉매 환원(Selective Catalyst Reduction: 이하 'SCR' 이라고 한다) 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 엔진의 배기 시스템은 배기가스 중에 함유된 질소산화물(NOx)을 감소시키기 위해 SCR, DOC(Diesel Oxidation Catalyst), CPE(Catalyzed Particulate Filter) 등과 배기가스 후처리장치를 구비하고 있다.

이 중에서, SCR을 적용한 배기가스 후처리장치(이하, 'SCR 장치' 라고 한다) 는 도 3에서 도시한 바와 같이, 배기 파이프(1)에 SCR 촉매(3)가 연결 설치되고, 배기 파이프(1)의 내부로 요소(urea) 수용액과 같은 환원제를 분사하기 위한 인젝터(5)가 배기 파이프(1)에 장착되도록 구성된다.

종래 기술에 따른 SCR 장치는 인젝터(5)를 통해 배기 파이프(1)의 내부로 환원제가 분사되면, 그 환원제가 배기가스의 열에 의해 암모니아(NH₃)로 전환되고, SCR 촉매(3)에 의한 배기가스 중의 질소산화물과 상기 암모니아의 촉매 반응으로서 질소산화물을 질소 가스(N₂)와 물(H₂O)로 환원시킨다.

이러한 종래의 SCR 장치는 인젝터(5)와 SCR 촉매(3) 사이의 거리에 상응하는 배기 파이프(1)의 길이(L) 및 그 직경(D)에 대한 L/D가 3~5의 조건을 만족할 때 배기가스의 열에 의한 환원제의 증발, 열분해 및 가수분해가 원활하게 진행된다.

그러나, 종래에는 상기한 SCR 장치가 언급한 바 있는 DOC, CPE 장치 등과 함께 배기 시스템에 채용되는 경우, DOC, CPE 장치에 구비되는 배기 파이프의 고유한 길이에 더하여 상기 조건을 만족하는 배기 파이프(1)의 길이(L) 만큼 전체 배기 시스템의 파이프 길이가 길어지게 되는 문제점을 야기시킨다.

또한, 종래의 SCR 장치는 배기 파이프(1)가 대기와 접촉하게 되므로, 배기 파이프(1)의 내부로 환원제를 공급할 때, 배기 가스의 온도가 충분히 높지 않아 배기 파이프(1)의 내부 공간에서 환원제의 일부가 증발되지 않고, 배기 파이프(1)의 내벽면을 젖게 하는 월 웨팅(wall wetting) 현상을 나타내는 문제점이 있다.

즉, 환원제의 월 웨팅 현상은 SCR 촉매(3)의 활성화 및 질소산화물의 정화 효율을 저하시키는 요인으로서 작용한다.

또한, 종래에는 월 웨팅 현상으로 인해 환원제가 배기 파이프(1)의 내벽면에서 증발하는 경우, 상기 내벽면의 온도가 저하됨은 물론 환원제가 배기 파이프(1)의 내벽면에 부착된 고형물로 남게 되어 결과적으로는 환원제의 분사량 제어가 어려워지는 문제를 야기시킨다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해소하기 위하여 창출된 것으로써, 본 발명의 목적은 배기 파이프 내부에 별도의 인너 파이프를 구성하여 전체 배기 시스템의 파이프 길이를 줄일 수 있고, 환원제의 월 웨팅(Wall wetting) 현상을 방지할 수 있는 차량의 배기 시스템용 SCR 장치를 제공하는데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량의 배기 시스템용 SCR 장치는 배기가스의 스트림을 형성하는 배기 파이프와 연결되게 설치된 SCR 촉매를 포함하는 것으로서, 상기 배기 파이프 보다 작은 직경을 가지면서 상기 배기 파이프의 내부에 동축 방향으로 배치된 인너 파이프와, 상기 배기 파이프의 외측에서 상기 인너 파이프의 내부로 장착되어 상기 인너 파이프 내부로 환원제를 분무하는 인젝터를 더 포함한다.

상기 SCR 장치는 상기 인너 파이프의 길이를 ℓ, 직경을 d 라고 할 때, ℓ/d가 3~5를 만족한다.

상기 SCR 장치는 상기 인너 파이프의 내부에 장착되어 상기 인너 파이프를 통과하는 배기가스와 상기 환원제를 혼합하는 믹서를 더 포함할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 구성 및 작용을 첨부한 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 SCR 장치(100)는 차량의 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 정화하기 위한 배기가스 후처리장치로서, 배기가스의 스트림을 형성하는 배기 파이프(10)에 SCR 촉매(30)가 장착되도록 구성된다.

배기 파이프(10)는 종래의 배기 파이프와 같은 직경(D)을 가진 원형의 단면 형상으로 이루어진다.

본 실시예에서, 배기 파이프(10)의 내부에는 그 배기 파이프(10) 보다 상대적으로 작은 직경(d)을 가진 인너 파이프(20)가 배치된다. 바람직하게, 배기 파이프(10)는 그 직경(D)이 인너 파이프(20)의 직경(d)에 대해 2d를 만족한다.

인너 파이프(20)는 이의 외주면과 배기 파이프(10)의 내주면이 일정 간격으로 이격되게 배기 파이프(10)의 동축 방향으로 배치된다. 이 경우, 배기가스는 배기 파이프(10)의 내주면과 인너 파이프(20)의 외주면 사이 영역, 및 인너 파이프(20)의 관로를 통과한다.

도 2는 도 1에 도시된 배기 파이프(10)와 인너 파이프(20)의 연결 구조를 나타내 보인 단면 구성도로서, 인너 파이프(20)의 외주면에는 상호 대칭되게 돌출된 복수의 지지리브들(25)을 형성하고 있다.

지지리브들(25)은 인너 파이프(20)의 외주면에 대해 방사상으로 배치되며, 인너 파이프(20)의 길이 방향을 따라 형성된다. 이 지지리브들(25)은 배기 파이프(10)의 내부에서 인너 파이프(20)를 지지하는 기능을 하게 된다.

본 발명에서, 지지리브들(25)은 도면에서와 같이 인너 파이프(20)의 외주면에 일체로 돌출 형성될 수 있으며, 이에 한정되지 않고 인너 파이프(20)의 외주면과 배기 파이프(10)의 내주면에 일체로 연결되게 형성될 수도 있다.

그리고, 배기 파이프(10)의 일측에는 인젝터(50)가 배치되는데, 이 인젝터(50)는 배기 파이프(10)의 외측에서 인너 파이프(20)의 내부 통로에 대응하여 장착된다.

인젝터(50)는 제어기(미도시)로부터 제어 신호를 제공받아 인너 파이프(20)의 내부로 요소(urea) 수용액과 같은 환원제를 분무하도록 구성된다.

또한, 인너 파이프(20)의 내부에는 믹서(70)가 장착된다. 이 믹서(70)는 인너 파이프(20)를 통과하는 배기가스와 인젝터(50)로부터 분사된 환원제를 혼합한다.

이에 더하여, SCR 촉매(30)의 전방에는 배기 파이프(10) 및 인너 파이프(20)의 관로와 상호 연통되는 공간부(90)를 형성하고 있다.

이 공간부(90)는 SCR 촉매(30)를 수용하는 하우징(91)에 있어, SCR 촉매(30)의 전방 측에 빈 공간으로서 형성된다. 즉, 하우징(91)에 배기 파이프(10)가 연결됨에 따라 공간부(90)는 배기 파이프(10) 및 인너 파이프(20)의 관로와 상호 연통될 수 있다.

여기서, 공간부(90)는 배기 파이프(10)의 내주면과 인너 파이프(20)의 외주면 사이의 영역을 통과한 배기가스와, 인너 파이프(20)의 내부에서 환원제의 증발, 열분해 및 가수분해로서 생성된 생성물 예컨대, 암모니아(NH₃)를 혼합하는 공간을 의미한다.

한편, 본 발명의 실시예에서 인너 파이프(20)는 인젝터(50)와 공간부(90) 사이의 거리에 상응하는 길이(ℓ)와 그 직경(d)에 대한 ℓ/d가 3~5를 만족한다. 예컨대, 인너 파이프(20)의 직경(d)이 30㎜ 일 경우, 90~150㎜의 길이를 갖게 된다.

종래 기술과 같은 비교예로서 도 3에 도시된 배기 파이프(1)의 직경(D)이 본 실시예에 의한 인너 파이프(20)의 직경(d)에 대해 2d를 만족하고, 배기 파이프(1)의 길이(L)와 직경(D)에 대한 L/D가 3~5임을 감안할 때, 비교예에 의한 배기 파이프(1)의 직경(D)은 60㎜이고, 그 길이(L)는 180~300㎜ 임을 알 수 있다.

즉, 배기가스 및 환원제가 통과하는 본 실시예에 의한 인너 파이프(20)의 길이(ℓ)는 비교예에 의한 배기 파이프(1)의 길이(L)의 반으로 줄어 들게 된다.

따라서, 본 실시예에서는 배기 파이프(10)의 전체 길이를 비교예에 의한 배기 파이프(1)의 전체 길이 보다 더 작게 줄일 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 SCR 장치(100)에 의하면, 엔진으로부터 배출되는 배기가스가 배기 파이프(10)의 내주면과 인너 파이프(20)의 외주면 사이 영역 및 인너 파이프(20)의 관로를 통과하는 과정에서, 인젝터(50)는 환원제를 인너 파이프(20)의 내부로 분사한다.

그러면, 인너 파이프(20)를 통과하는 배기가스와 그 인너 파이프(20)의 내부로 분사된 환원제는 인너 파이프(20)의 내부에서 믹서(70)에 의해 혼합된다. 이 때, 환원제는 믹서(70)에 의해 배기가스와 혼합되면서 난류 유동을 하게 되고, 배기가스 자체의 열을 제공받아 증발, 열분해 및 가수분해됨으로써 암모니아로 전환된다.

이러한 과정을 거친 후, 배기 파이프(10)의 내주면과 인너 파이프(20)의 외주면 사이의 영역을 통과한 배기가스와 인너 파이프(20)의 내부에서 생성된 암모니아는 공간부(90)에서 혼합되고, 그 혼합물은 SCR 촉매(30)로 유입된다.

이 후, SCR 촉매(30)에서는 배기가스 중의 질소산화물과 상기 암모니아의 선택적인 촉매 환원 반응으로서 인체에 무해한 질소 가스와 물을 형성하게 된다.

따라서, 본 실시예에서는 배기 파이프(10)가 인너 파이프(20)를 둘러싸는 이중 배관 형태의 구조로 이루어지므로, 인너 파이프(20)의 내부에서는 환원제의 증발, 열분해, 및 가수분해가 원활하게 진행된다.

즉, 배기 파이프(10)가 인너 파이프(20) 내부의 온도 분위기를 일정하게 유지시키는 단열관으로서의 역할을 하게 되므로, 환원제의 월 웨팅(wall wetting) 현상을 방지할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 차량의 배기 시스템용 SCR 장치는 배기 파이프의 내부에 별도의 인너 파이프를 구성하여 전체 배기 시스템의 파이프 길이를 줄일 수 있고, 환원제의 월 웨팅(Wall wetting) 현상을 방지할 수 있다.

따라서, SCR 촉매의 활성화 및 배기가스의 정화 효율을 극대화시킬 수 있으며, 환원제의 분사량 제어가 용이한 효과가 있다.

Claims

배기가스의 스트림을 형성하는 배기 파이프와 연결되게 설치된 SCR 촉매를 포함하는 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치에 있어서,

상기 배기 파이프 보다 작은 직경을 가지면서 상기 배기 파이프의 내부에 동축 방향으로 배치된 인너 파이프;

상기 배기 파이프의 외측에서 상기 인너 파이프의 내부로 장착되어 상기 인너 파이프 내부로 환원제를 분무하는 인젝터; 및

상기 인너 파이프의 내부에 장착되어 상기 인너 파이프를 통과하는 배기가스와 상기 환원제를 혼합하는 믹서를 포함하며,

상기 SCR 촉매의 전방에는 상기 배기 파이프 및 상기 인너 파이프와 상호 연통되는 공간부가 형성되는 것을 특징으로 하는 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치.
제1항에 있어서,

상기 인너 파이프의 길이를 ℓ, 직경을 d 라고 할 때, ℓ/d가 3~5를 만족하는 것을 특징으로 하는 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치.
삭제
삭제
제1항에 있어서,

상기 인너 파이프의 외주면에 상호 대칭되게 돌출 형성되어 상기 배기 파이프의 내부에서 상기 인너 파이프를 지지하는 적어도 한 쌍의 지지리브를 포함하는 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치.