KR100974981B1 - 엔진의 배기 정화 장치 - Google Patents

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히로아끼 후지따
사또시 히라누마
신이찌 사이또
요시오 나까야마
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미츠비시 후소 트럭 앤드 버스 코포레이션
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Abstract

배기 통로(10)의 SCR 촉매(16)의 상류측에 벤투리 형상의 믹싱실(13)이 설치된다. 믹싱실(13) 내의 최상류 위치에는 선회류를 발생시키기 위한 핀 장치(18)가 배치된다. 믹싱실(13)의 교축부(13b)보다 상류측이고 또한 핀 장치(18)보다 하류측에는 요소 수용액을 분사하는 분사 노즐(19)이 배치된다. 이에 의해, 교축부(13b)에 분사 노즐(19)을 배치한 경우에 비교하여 핀 장치(18)로부터 교축부(13b)까지의 거리(Lf), 및 분사 노즐(19)로부터 SCR 촉매(16)까지의 거리(Ln)를 모두 길게 한다.
Figure R1020080069825
SCR 촉매, 믹싱실, 교축부, 선회류 발생 수단, 촉매 장치, 터보 차저

Description

엔진의 배기 정화 장치 {EXHAUST PURIFICATION DEVICE FOR ENGINE}
본 발명은 엔진의 배기 정화 장치에 관한 것으로, 상세하게는 엔진의 배기에 선회류가 발생하고, 그 배기 중에 분사된 첨가제가 배기와 함께 하류측의 촉매 장치에 공급되는 배기 정화 장치에 관한 것이다.
첨가제를 이용하여 배기 중의 유해 성분을 무해화하여 배기를 정화하는 배기 정화 장치에서는, 분사한 첨가제를 선회류를 이용하여 배기와 양호하게 혼합시키는 것, 및 혼합한 첨가제를 배기 중에 균일하게 확산ㆍ안개화시키는 것이 긴요하다. 이들 조건이 충족됨으로써, 촉매 장치의 각 부위에 실질적으로 균일하게 첨가제가 공급되고, 촉매 장치의 높은 정화 성능이 실현된다. 이와 같은 요구를 감안하여 종래부터 다양한 대책이 강구되고 있고, 예를 들어 일본 특허 출원 공개 제2006-183509호 공보(이하, 특허문헌 1이라 함)는 상기 대책이 강구된 배기 정화 장치를 개시한다.
상기 특허문헌 1에 개시된 배기 정화 장치에서는 배기 통로의 대경부에 마련한 선회류 발생 수단에 의해 배기에 선회류가 발생된다. 발생된 선회류가 직경 축소부를 거쳐서 소경부로 이행하는 과정에서, 점차 선회 반경을 축소시킴으로써 선 회류의 선회 속도가 증가되어, 배기로의 첨가제의 혼합 및 확산ㆍ안개화가 촉진된다. 이 특허문헌 1의 배기 정화 장치에서는, 배기 통로를 점차 직경을 축소시킨 후에 소경부로부터 단차 형상으로 직경이 확대되어 하류측의 촉매 장치에 접속하고 있다. 이와는 별도로, 예를 들어 도2에 도시된 바와 같이 일단 직경이 축소된 배기 통로가 점차 직경이 확대되어 촉매 장치에 접속된 배기 정화 장치도 존재한다.
도2의 예에서는, 촉매 장치로서 NOx(질소산화물)를 제거하기 위한 SCR 촉매(116)(선택 환원형 NOx 촉매)가 구비되어 있고, 배기관(110)의 일부에 직경 축소부(113a), 교축부(113b) 및 직경 확대부(113c)로부터 이루어지는 벤투리 형상을 이루는 믹싱실(113)이 설치되어 있다. 배기가 믹싱실(113) 내를 유통하는 과정에서는, 핀 장치(118)에 의해 발생된 선회류가 직경 축소부(113a) 내에서 선회 반경의 축소에 수반하여 선회 속도가 점차 증가되고, 그 후에 직경 확대부(113c)에서 선회류의 선회 반경이 점차 확대되면서 SCR 촉매(116)에 유도된다. 그래서, 이러한 종류의 배기 정화 장치에서는, 분사 노즐(119)로부터 분사된 첨가제와 배기의 양호한 혼합, 및 배기 중에의 균일한 확산ㆍ안개화를 실현하기 위해서는, 배기 유속의 높은 위치에서 첨가제를 분사하는 것이 바람직하다는 지견하에, 믹싱실(113)의 직경 축소부(113a)와 직경 확대부(113c) 사이, 즉 배기 유속이 최대가 되는 교축부(113b)(최소 직경의 위치)에 분사 노즐(119)이 배치되어 있다.
그러나, 핀 장치(118)로부터 SCR 촉매(116)까지의 거리(L')는 배기관(110) 등의 레이아웃의 제약에 의해 충분히 확보할 수 없는 경우가 많다. 이로 인해, 도2에 도시하는 선행 기술의 배기 정화 장치에서는, 핀 장치(118)로부터 믹싱실(113)의 교축부(113b)까지의 거리(Lf'), 혹은 분사 노즐(119)로부터 SCR 촉매(116)까지의 거리(Ln') 중 적어도 어느 하나를 최적치보다 짧게 설정해야만 한다.
믹싱실(113)의 직경 축소부(113a)에서는 배기에 발생된 선회류의 선회 반경을 점차 축소시키면서 선회 속도를 증가시킴으로써 첨가제와의 혼합을 촉진하고 있다. 핀 장치(118)로부터 교축부(113b)까지의 거리(Lf')가 단축되면, 선회류의 선회 반경이 급격하게 축소되어 운동 에너지가 손실됨으로써 선회 속도를 충분히 높일 수 없다. 결과적으로, 첨가제와 배기의 혼합이 불충분해진다. 또한, 분사 노즐(119)로부터 분사된 첨가제는 하류측으로 이송되면서 배기 중에 확산ㆍ안개화되는 분사 노즐(119)로부터 SCR 촉매(116)까지의 거리(Ln')가 단축되면, 첨가제가 확산ㆍ안개화하기 위한 시간을 충분히 확보할 수 없어, 첨가제의 확산ㆍ안개화가 불충분해져 버린다.
SCR 촉매(116)의 배기 정화 성능은 첨가제와 배기의 양호한 혼합, 및 배기 중에의 첨가제의 균일한 확산ㆍ안개화가 모두 달성됨으로써 최대한으로 발휘되는 것이다. 이로 인해, 상술한 선행 기술에서는 SCR 촉매(116)의 배기 정화 성능의 향상의 면에서 개량의 여지가 있었다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 첨가제와 배기의 양호한 혼합, 및 배기 중에의 첨가제의 양호한 확산ㆍ안개화를 모두 달성할 수 있는 배기 정화 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 엔진의 배기 정화 장치는 엔진의 배기 통로에 설치되고, 첨가제를 이용하여 상기 엔진의 배기를 정화하는 촉매 장치와, 상기 촉매 장치의 상류측의 상기 배기 통로에 설치되고, 하류측일수록 직경이 감소하는 직경 축소부로부터 가장 직경이 작은 교축부를 거쳐서 하류측일수록 직경이 확대되는 직경 확대부로 연속되는 벤투리 형상의 믹싱실과, 상기 믹싱실 내에 배치되고, 상기 배기에 선회류를 발생시키는 선회류 발생 수단과, 상기 믹싱실 내에 첨가제를 분사하는 첨가제 분사 수단을 구비한 엔진의 배기 정화 장치에 있어서, 상기 선회류 발생 수단은 상기 믹싱실의 직경 축소부의 최상류부에 근접하여 배치되고, 상기 첨가제 분사 수단은 상기 믹싱실의 교축부보다 상류측에서 또한 상기 선회류 발생 수단보다 하류측에 배치되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 엔진의 배기는 배기 통로로부터 믹싱실의 직경 축소부 내에 도입되어, 선회류 발생 수단에 의해 배기 중에 선회류가 발생된다. 선회류가 직경 축소부를 거쳐서 교축부로 이행하는 과정에서 점차 선회류의 선회 반경이 축소되면서 선회류의 선회 속도가 증가한다. 그 후의 직경 확대부를 유통하는 과정에서는 점차 선회류의 선회 반경이 확대되면서 선회류가 하류측의 촉매 장치에 도달한다. 이와 같은 선회류를 수반하는 배기 중에 첨가제 분사 수단으로부터 첨가제가 분사 되어, 첨가제가 배기와 함께 촉매 장치에 공급된다.
배기 통로의 레이아웃에 기인하여 믹싱실 전체의 경로 길이는 제약을 받지만, 본 발명에서는 믹싱실의 교축부에 대해 첨가제 분사 수단을 상류측에 위치시키고 있으므로, 선회류 발생 수단으로부터 교축부까지의 거리, 및 첨가제 분사 수단으로부터 촉매 장치까지의 거리가 모두 충분히 길게 설정된다. 따라서, 선회류 발생 수단에 의해 발생된 선회류는 믹싱실 내의 직경 축소부 내에서 운동 에너지의 손실이 작게 억제된 후에 선회 반경이 축소되면서 선회 속도를 충분히 높일 수 있어, 배기와 첨가제의 혼합이 촉진된다. 또한, 첨가제 분사 수단으로부터 분사된 첨가제는 믹싱실의 직경 축소부, 교축부, 직경 확대부를 거쳐서 촉매 장치에 도달하기까지 배기 중에 양호하게 확산ㆍ안개화된다. 이들 요인에 의해, 첨가제와 배기의 양호한 혼합, 및 배기 중에의 첨가제의 양호한 확산ㆍ안개화가 모두 달성되고, 촉매 장치의 각 부위에 양호하게 분산되어 첨가제가 공급된다. 이 결과, 촉매 장치에 양호한 배기 정화 성능을 발휘시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 배기 정화 장치에 있어서, 상기 선회류 발생 수단으로부터 상기 교축부까지의 거리는 상기 직경 축소부 내에서 상기 선회류의 선회 반경이 축소될 때의 운동 에너지의 손실을 억제 가능할 정도로 길게 설정되어도 좋다.
이에 의해, 교축부에 도달한 시점에서의 선회류의 선회 속도가 충분히 높아져, 첨가제와 배기의 양호한 혼합을 한층 더 확실하게 달성하는 것이 가능하다.
바람직하게는, 상기 배기 정화 장치에 있어서, 상기 첨가제 분사 수단으로부터 상기 촉매 장치까지의 거리는 상기 첨가제 분사 수단으로부터 분사된 첨가제가 배기 중에 확산ㆍ안개화하기 위해 필요한 시간을 확보 가능할 정도로 길게 설정되어도 좋다.
이에 의해, 배기 중에의 첨가제의 양호한 확산ㆍ안개화를 한층 더 확실하게 달성하는 것이 가능하다.
바람직하게는, 상기 배기 정화 장치에 있어서, 상기 첨가제 분사 수단은 상기 직경 축소부의 최상류부와 최하류부의 중앙 위치보다 상류측에 배치되어도 좋다.
첨가제 분사 수단이 직경 축소부의 중앙 위치보다 상류측에 배치됨으로써, 첨가제 분사 수단으로부터 촉매 장치까지의 거리를 충분히 확보할 수 있다. 이로 인해, 첨가제의 확산ㆍ안개화가 한층 더 양호하게 행해진다.
구체적으로는, 상기 배기 정화 장치에 있어서, 상기 촉매 장치는 암모니아를 환원제로서 배기 중의 NOx를 선택 환원하는 선택 환원형 NOx 촉매이며, 상기 첨가제 분사 수단은 상기 첨가제로서 요소 수용액을 분사하는 분사 노즐이라도 좋다.
이와 같은 경우에는, 선택 환원형 NOx 촉매에 대해 암모니아를 양호하게 분산시켜 공급할 수 있다. 이 결과, NOx의 환원에 의한 선택 환원형 NOx 촉매의 배기 정화 성능을 양호하게 유지하는 것이 가능해진다.
본 발명의 구성에 따르면, 선행 기술에서는 양립할 수 없었던 요소 수용액과 배기와의 양호한 혼합, 및 배기 중에의 요소 수용액의 양호한 확산ㆍ안개화를 모두 달성할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 엔진의 배기 정화 장치에 대해 도면을 기초로 설명한다.
도1은 본 실시 형태에 관한 배기 정화 장치가 적용된 엔진 시스템을 도시하는 전체 구성도이다. 엔진(1)은 직렬 6기통 디젤 엔진으로서 구성되고, 엔진(1)의 각 기통에는 연료 분사 밸브(2)가 설치되어 있다. 각 연료 분사 밸브(2)는 공통의 커먼 레일(3)로부터 가압 연료가 공급되어, 엔진(1)의 운전 상태에 따른 타이밍에 밸브 개방함으로써 각 기통 내에 연료를 분사한다.
엔진(1)의 흡기측에는 엔진(1)에 흡기를 공급하기 위한 흡기 매니폴드(4)가 장착되어 있다. 흡기 매니폴드(4)에 접속된 흡기 통로(5)에는, 상류측으로부터 에어 클리너(6), 터보 차저(7)의 압축기(7a), 인터쿨러(8)가 설치되어 있다. 또한, 엔진(1)의 배기측에는 엔진(1)의 배기를 배출하기 위한 배기 매니폴드(9)가 장착되어 있다. 배기 매니폴드(9)의 출구에는 상기 압축기(7a)와 동축 상에 기계적으로 연결된 터보 차저(7)의 터빈(7b)을 통해 배기관(10)이 접속되어 있다.
엔진(1)의 운전 중에 있어서 에어 클리너(6)를 거쳐서 흡기 통로(5) 내에 도입된 흡기는 터보 차저(7)의 압축기(7a)에 의해 가압된다. 가압된 흡기는 인터쿨러(8), 흡기 매니폴드(4)를 거쳐서 각 기통에 분배되고, 각 기통의 흡기 행정에서 기통 내에 도입된다. 기통 내에서는, 소정의 타이밍에서 연료 분사 밸브(2)로부터 연료가 분사되어, 압축 상사점 근방에서 연료가 착화ㆍ연소된다. 연료의 연소에 의해 생성된 배기는, 배기 매니폴드(9)를 거쳐서 터빈(7b)을 회전 구동하고, 배기 관(10)을 유동한 후에 외부로 배출된다.
상기 배기관(10)에는 배기를 정화하기 위한 배기 정화 장치가 설치되어 있다. 배기 정화 장치는 상류측 케이싱(11), 하류측 케이싱(12), 및 양 케이싱(11, 12) 사이에 형성된 믹싱실(13)에 의해 구성된다. 따라서, 배기관(10)에 부가하여, 상류측 케이싱(11), 믹싱실(13) 및 하류측 케이싱(12)에 의해 배기 통로가 형성된다.
상류측 케이싱(11) 내에는 상류측보다 전단 산화 촉매(14) 및 DPF(디젤 파티큘레이트 필터)(15)가 수용되어 있다. 하류측 케이싱(12) 내에는, 상류측으로부터 SCR 촉매(선택 환원형 NOx 촉매이며, 본 발명의 촉매 장치에 상당함)(16) 및 후단 산화 촉매(17)가 수용되어 있다.
전체적으로 믹싱실(13)은 배기 유통 방향의 중간 부분을 직경 축소시킨 벤투리 형상을 이루고, 상류측 케이싱(11)의 하류 단부로부터 하류측을 향해 테이퍼 형상으로 직경 축소되는 직경 축소부(13a), 직경 축소부(13a)의 가장 작은 직경을 유지하여 하류측으로 연속되는 교축부(13b), 및 교축부(13b)로부터 하류측을 향해 테이퍼 형상으로 직경이 확대되어 하류측 케이싱(12)의 상류 단부에 접속되는 직경 확대부(13c)로 구성되어 있다.
도1로부터 명백한 바와 같이, 상류측 케이싱(11), 하류측 케이싱(12) 및 믹싱실(13)은 전체적으로 배기 유통 방향으로 완만하게 단면이 변화되는 형상을 이루고 있다. 이로 인해 본 실시 형태에서는 양 케이싱(11, 12)과 믹싱실(13)이 교축 가공 등에 의해 일체 성형되어 있다. 따라서, 양 케이싱(11, 12)과 믹싱실(13)을 별도 부품으로서 제작한 경우에 필요해지는, 상류측 케이싱(11)과 믹싱실(13) 사이, 및 믹싱실(13)과 하류측 케이싱(12) 사이의 접속용 플랜지부는 존재하지 않고, 각 부재가 서로 연속해서 구성되어 있다.
믹싱실(13)의 직경 축소부(13a) 내의 최상류 위치에는 핀 장치(18)(선회류 발생 수단)가 설치되어 있다. 상세한 것은 설명하지 않지만 핀 장치(18)에는 스틸제의 원형 형상을 이루는 베이스판(18a)을 프레스 성형함으로써 다수매의 핀(18b)이 베이스판(18a)으로부터 기립되어, 방사 형상으로 배열되어 있다. 베이스판(18a) 상에는 각 핀(18b)에 대응하여 유통 구멍이 관통 마련되어 있다. 핀 장치(18)에서는, DPF(15)로부터의 배기가 각 유통 구멍을 통해 유통된다. 배기는 각 유통 구멍을 유통한 직후에 각 핀(18b)에 의해 유통 방향이 변경되고, 이에 의해 핀 장치(18)의 하류측에 배기의 선회류가 발생된다. 직경 축소부(13a)의 핀 장치(18)의 하류측에는, 첨가제로서 요소수를 분사하기 위한 분사 노즐(19)(첨가제 분사 수단)이 배치되어 있다. 이 분사 노즐(19)은 직경 축소부(13a)의 외주 부분으로부터 중심을 향해 연장 설치되고, 그 선단부는 직경 축소부(13a)의 중심에 있어서 배기 하류측으로 지향되어 있다.
분사 노즐(19)에는 믹싱실(13)의 외주에 설치된 전자기 밸브(20)를 거쳐서, 도시하지 않은 요소 탱크로부터 소정압의 요소 수용액이 공급된다. 요소 수용액은 전자기 밸브(20)의 개폐에 따라서, 분사 노즐(19)의 선단부에 관통 마련된 도시하지 않은 분사 구멍으로부터 믹싱실(13)의 외주의 방향을 향해 방사 형상으로 분사된다.
상기 연료 분사 밸브(2) 및 분사 노즐(19)의 전자기 밸브(20)는 ECU(31)(전자 컨트롤 유닛)에 접속되고, ECU(31)에는 그 밖에도 센서류나 디바이스류가 접속되어 있다. 예를 들어 ECU(31)는 엔진 회전 속도(Ne) 및 액셀 조작량(θacc)을 기초로, 도시하지 않은 맵을 이용하여 연료 분사량을 설정하는 동시에, 엔진 회전 속도(Ne) 및 연료 분사량을 기초로, 도시하지 않은 맵을 이용하여 연료 분사 시기를 설정한다. 그리고 ECU(31)는 이들 연료 분사량 및 연료 분사 시기를 기초로 하여 연료 분사 밸브(2)를 구동 제어함으로써 엔진(1)을 운전한다. 또한, ECU(31)는 SCR 촉매(16) 상에 암모니아(NH3)를 공급하여 NOx의 환원에 의한 배기 정화 작용을 발휘시키기 위해, 믹싱실(13)에 설치된 도시하지 않은 온도 센서에 의해 검출된 배기 온도를 기초로 하여 요소 수용액의 목표 분사량을 결정한다. 그리고 ECU(31)는 요소 수용액의 목표 분사량을 기초로 전자기 밸브(20)를 구동 제어하고, 분사 노즐(19)에 요소 수용액을 분사시킨다.
엔진(1)의 운전 중에 있어서, 엔진(1)으로부터 배출된 배기는 배기 매니폴드(9) 및 배기관(10)을 거쳐서 상류측 케이싱(11) 내에 도입된다. 상류측 케이싱(11) 내에서는, 배기가 전단 산화 촉매(14)를 거쳐서 DPF(15)를 유통할 때에, 배기 중에 함유되어 있는 PM(파티큘레이트 매터)이 DPF(15)에 포집된다.
그 후, 배기는 믹싱실(13) 내에 도입되고, 핀 장치(18)에 의해 배기의 선회류가 발생된다. 선회류가 직경 축소부(13a)를 거쳐서 교축부(13b)로 이행하는 과 정에서는, 점차 선회류의 선회 반경이 축소되면서 선회류의 선회 속도가 증가한다. 그 후의 배기가 직경 확대부(13c)를 유통하는 과정에서는, 점차 선회류의 선회 반경이 확대되면서 배기의 선회류가 하류측 SCR 촉매(16)에 도달한다. 이와 같은 선회류를 수반하는 배기 중에 분사 노즐(19)로부터 요소 수용액이 분사되면, 믹싱실(13) 내를 유통하는 과정에서 요소 수용액은 배기와 혼합되어 확산ㆍ안개화된다. 이때, 배기열 및 배기 중의 수증기에 의해 요소 수용액이 가수 분해되어 암모니아가 생성된다. 그리고, 생성된 암모니아를 환원제로서 이용함으로써, SCR 촉매(16)에 있어서 배기 중의 NOx가 무해한 N2(질소)로 환원되어 배기의 정화가 행해진다. 이때, SCR 촉매(16)로 잉여로 된 암모니아가 후단 산화 촉매(17)에 의해 처리된다.
배기에 대한 요소 수용액의 혼합 및 확산ㆍ안개화는 믹싱실(13) 내에서의 배기나 요소 수용액의 유통 상황, 나아가서는 믹싱실(13)의 형상, 및 믹싱실(13) 내에서의 핀 장치(18)나 분사 노즐(19)의 레이아웃에 큰 영향을 받는다. 그래서, 본 실시 형태에서는, 이하에 서술하는 바와 같이 믹싱실(13)의 형상이나 각 구성 요소의 레이아웃이 설정되어 있다.
우선, 설명의 편의상, 믹싱실(13) 내의 각 구성 요소간의 경로 길이를 이하와 같이 정의한다. 핀 장치(18)의 베이스판(18a)으로부터 SCR 촉매(16)의 상류 단부까지의 경로 길이를 총거리(L)라 하고, 핀 장치(18)의 베이스판(18a)으로부터 믹싱실(13)의 교축부(13b)까지의 경로 길이를 혼합 거리(Lf)라 하고, 분사 노즐(19)의 분사 구멍으로부터 SCR 촉매(16)의 상류 단부까지의 경로 길이를 확산 거리(Ln)라 한다. 또한, 믹싱실(13)의 전체 경로 길이 중, 믹싱실(13)의 직경 축소부(13a) 의 분사 노즐(19)로부터 상류측 부분을 상류측 거리(Na)라 하고, 마찬가지로 직경 축소부(13a)의 분사 노즐(19)보다 하류측 부분을 하류측 거리(Nb)라 한다.
전술한 선행 기술의 배기 정화 장치에서는, 배기에의 첨가제의 양호한 혼합 및 확산ㆍ안개화를 위해서는, 배기 유속이 높은 위치에서 첨가제를 분사하는 것을 최우선으로 해야 한다는 지견하에, 도2에 도시된 바와 같이 배기 유속이 최대가 되는 믹싱실(113)의 교축부(113b)에 분사 노즐(119)이 배치되었다. 그러나, 배기관(110)의 레이아웃 등에 기인하는 거리(L)에의 제약이 있는 경우, 선행 기술의 레이아웃에서는 핀 장치(118)로부터 믹싱실(113)의 교축부(113b)까지의 거리(Lf'), 혹은 분사 노즐(119)로부터 SCR 촉매(116)까지의 거리(Ln')가 부족해져 버린다. 이 점을 비추어 보아 본 발명자들은 이들 거리(Lf, Ln)를 최적으로 설정하는 쪽이 배기 유속의 높은 위치에서 첨가제를 분사하는 것보다도 종합적인 배기 정화 성능의 면에서 중요하다는 견해에 이르렀다.
그래서, 본 실시 형태에서는 도1로부터 명백한 바와 같이, 믹싱실(13)의 교축부(13b)와 분사 노즐(19)을 서로 관련시키지 않고, 각각이 최적 위치에 개별적으로 배치되고 있다. 구체적으로는, 핀 장치(18)로부터 믹싱실(13)의 교축부(13b)까지의 경로 길이인 혼합 거리(Lf)에 관해서는, 믹싱실(13)의 직경 축소부(13a) 내에서 선회류의 선회 반경을 축소시킬 때에 운동 에너지의 손실을 억제하기 위해 충분히 긴 값으로 설정되어 있다. 물론, 직경 확대부(13c)에 대해서도 어느 정도의 경로 길이를 필요로 하는 동시에, 핀 장치(18)로부터 SCR 촉매(16)까지의 총거리(L)는 레이아웃 등에 기인한 제한을 받으므로, 이들 요건도 고려한 후에 혼합 거 리(Lf)가 결정된다.
어쨌든 혼합 거리(Lf)는 도2의 선행 기술의 거리(Lf')와 같이 분사 노즐(19)의 위치에 구속되지 않고 보다 긴 값으로 설정되어 있다. 이에 의해, 직경 축소부(13a) 내에서의 배기의 운동 에너지의 손실이 최소한으로 억제된다. 이 결과, 교축부(13b)에 배기가 도달한 시점에서 선회류의 선회 속도가 충분히 높아져, 분사 노즐(19)로부터 분사된 요소 수용액이 배기와 양호하게 혼합되다. 또한, 본 실시 형태의 경우에는, 교축부(13b)보다 상류측에서 요소 수용액이 분사되는 점에서 선행 기술과 다르지만, 이 요건은 이하에 서술하는 요소 수용액의 확산ㆍ안개화에 있어서 바람직할 뿐만 아니라, 배기와 요소 수용액의 혼합에 관해서도 사정이 좋고, 보다 조기에 쌍방의 혼합이 개시됨으로써 혼합이 한층 더 촉진된다.
또한, 분사 노즐(19)로부터 SCR 촉매(16)까지의 확산 거리(Ln)에 관해서는, 분사된 요소 수용액이 배기 중에 균일하게 확산ㆍ안개화되는 시간을 확보하기 위해 충분히 긴 값으로 설정되어 있다. 물론, 분사 노즐(19)과 핀 장치(18)의 간섭을 방지할 필요가 있으므로, 이 점을 고려한 후에 분사 노즐(19)은 가능한 한 상류측에 설치되어 있다. 결과적으로 본 실시 형태에서는, 직경 축소부(13a)의 최상류와 최하류의 중간 위치보다 상류측 위치, 바꾸어 말하면 상류측 거리(Na) ＜ 하류측 거리(Nb)의 관계가 성립하는 위치에 분사 노즐(19)이 설치되어 있다.
어쨌든 확산 거리(Ln)는 도2의 선행 기술의 거리(Ln')와 같이 교축부(13b)의 위치에 구속되지 않고 보다 긴 값으로 설정되어 있다. 이에 의해, 분사 노즐(19)로부터 분사된 요소 수용액은 믹싱실(13)의 직경 축소부(13a), 교축부(13b), 직경 확대부(13c)를 거쳐서 SCR 촉매(16)에 도달하는 과정에서 배기 중에 양호하게 확산ㆍ안개화된다.
이상과 같이 본 실시 형태의 배기 정화 장치에서는, 선행 기술에서는 양립할 수 없었던 요소 수용액과 배기와의 양호한 혼합, 및 배기 중에의 요소 수용액의 양호한 확산ㆍ안개화를 모두 달성할 수 있다. 이에 의해, 요소 수용액으로부터 생성된 암모니아가 SCR 촉매(16)의 각 부위에 양호하게 분산되어 공급된다. 이 결과, SCR 촉매(16)에 NOx의 환원에 의한 최대한의 배기 정화 성능을 발휘시킬 수 있다.
선행 기술에서는, 교축부(113b)를 상류측에 위치 설정하면, 선회류의 선회 속도를 충분히 높일 수 없을 뿐만 아니라, 핀 장치(118)의 직경에 제한을 받는 문제점도 발생한다. 즉, 도2에 파선으로 나타낸 바와 같이, 분사 노즐(119)과 함께 교축부(113b)를 상류측에 위치 설정하면, 직경 축소부(113a)가 급격하게 직경 축소되는 형상이 된다. 이로 인해, 핀 장치(118)의 설치 위치에서의 직경 축소부(113a)의 내경이 D'로부터 D"로 축소하고, 그에 수반하여 핀 장치(118)가 소경화되어 버린다. 결과적으로, 핀 장치(118)의 성능이 저하되어 버려, 이 요인도 선회류의 선회 속도의 저하, 나아가서는 배기와 요소 수용액의 혼합 부족을 일으킨다.
본 실시 형태에서는, 분사 노즐(119)과 함께 교축부(113b)를 상류측으로 위치 설정할 필요가 원래 없기 때문에, 이와 같은 핀 장치(118)의 소경화에 기인하는 선행 기술의 상기한 문제점을 미연에 회피할 수 있는 이점도 있다.
게다가, 본 실시 형태에서는 양 케이싱(11, 12) 및 믹싱실(13)을 교축 공정 등에 의해 일체 성형하고 있으므로, 배기 정화 장치는 이들을 접속하기 위한 플랜 지부를 구비하고 있지 않다. 양 케이싱(11, 12)이나 믹싱실(13) 등에 접속용 플랜지부를 설치하는 것은 비용 상승의 요인이 될 뿐만 아니라, 플랜지부로부터의 방열에 의해 요소 수용액의 가수 분해가 촉진되지 않는 문제나, 요소 수용액을 포함하는 배기 누설 등의 가능성이 높아지는 문제가 있다. 그러나 본 실시 형태에서는, 양 케이싱(11, 12) 및 믹싱실(13)의 일체 성형에 의해 이들 문제를 미연에 회피할 수 있다.
이상으로 실시 형태의 설명을 마치지만, 본 발명의 형태는 이 실시 형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 상기 실시 형태에서는, 배기 정화용 촉매 장치로서 SCR 촉매(16)를 구비한 배기 정화 장치에 본 발명을 구체화하였다. 그러나, 배기 정화 장치는 이에 한정되는 것은 아니며, 첨가제의 공급을 요하는 촉매 장치를 갖은 엔진의 배기 정화 장치이면, 본 발명을 적용하는 것이 가능하다.
예를 들어, 배기 중의 NOx를 흡장하는 흡장형 NOx 촉매를 배기 통로에 구비한 엔진의 배기 정화 장치에 본 발명을 적용하는 것이 가능하다. 이 배기 정화 장치에 있어서는, 흡장된 NOx를 NOx 촉매로부터 방출 환원하기 위해, 첨가제로서 연료를 배기 통로 내에 분사하는 NOx 퍼지를 정기적으로 실행할 필요가 있다. 이 경우에는, 도1 있어서 SCR 촉매(16)를 흡장형 NOx 촉매로 치환하여, 분사 노즐(19)로부터 요소 수용액 대신에 연료를 분사하는 구성이 된다. 이와 같은 배기 정화 장치에 있어서도, 믹싱실(13) 내의 각 구성 요소의 레이아웃을 상기 실시 형태와 마찬가지로 설정함으로써, 상기 실시 형태와 같은 작용 효과를 얻을 수 있다.
상기 실시 형태에서는 엔진(1)으로서 직렬 6기통의 디젤 엔진을 이용하였지 만, 엔진(1)의 기통수 및 형식에 대해서도 이에 한정되는 것은 아니다.
도1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 배기 정화 장치가 적용된 엔진 시스템을 도시하는 전체 구성도.
도2는 선행 기술의 배기 정화 장치를 도시하는 전체 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 엔진
2 : 연료 분사 밸브
4 : 흡기 매니폴드
5 : 흡기 통로
6 : 에어 클리너
7 : 터보 차저
8 : 인터쿨러
9 : 배기 매니폴드
10 : 배기관
11 : 상류측 케이싱
12 : 하류측 케이싱
13 : 믹싱실
15 : DPF(디젤 파티큘레이트 필터)

Claims (5)

  1. 엔진(1)의 배기 통로에 설치되고, 첨가제를 이용하여 상기 엔진(1)의 배기를 정화하는 촉매 장치(16)와,
    상기 촉매 장치(16)의 상류측의 상기 배기 통로에 설치되고, 하류측일수록 직경이 감소하는 직경 축소부(13a)로부터 가장 직경이 작은 교축부(13b)를 거쳐서 하류측일수록 직경이 확대되는 직경 확대부(13c)로 연속되는 벤투리 형상의 믹싱실(13)과,
    상기 믹싱실(13) 내에 배치되고, 상기 배기에 선회류를 발생시키는 선회류 발생 수단(18)과,
    상기 믹싱실(13) 내에 첨가제를 분사하는 첨가제 분사 수단(19)을 구비한 엔진의 배기 정화 장치에 있어서,
    상기 선회류 발생 수단(18)은 상기 믹싱실(13)의 직경 축소부(13a)의 최상류부에 근접하여 배치되고,
    상기 첨가제 분사 수단(19)은 상기 믹싱실(13)의 교축부(13b)보다 상류측에서 또한 상기 선회류 발생 수단(18)보다 하류측에 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기 정화 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 선회류 발생 수단(18)으로부터 상기 교축부(13b)까지의 거리(Lf)는 상기 직경 축소부(13a) 내에서 상기 선회류의 선회 반경이 축소될 때의 운동 에너지의 손실을 억제 가능할 정도로 길게 설정되는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기 정화 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 첨가제 분사 수단(19)으로부터 상기 촉매 장치(16)까지의 거리(Ln)는 상기 첨가제 분사 수단(19)으로부터 분사된 첨가제가 배기 중에 확산ㆍ안개화하기 위해 필요한 시간을 확보 가능할 정도로 길게 설정되는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기 정화 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 첨가제 분사 수단(19)은 상기 직경 축소부(13a)의 최상류부와 최하류부의 중앙 위치보다 상류측에 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기 정화 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 촉매 장치는 암모니아를 환원제로 하여 배기 중의 NOx를 선택 환원하는 선택 환원형 NOx 촉매(16)이고,
    상기 첨가제 분사 수단은 상기 첨가제로서 요소 수용액을 분사하는 분사 노즐(19)인 것을 특징으로 하는 엔진의 배기 정화 장치.
KR1020080069825A 2007-07-20 2008-07-18 엔진의 배기 정화 장치 KR100974981B1 (ko)

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JP2007189525A JP4949152B2 (ja) 2007-07-20 2007-07-20 内燃機関の排気浄化装置

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