KR100986358B1 - 질소산화물 선택적 촉매 정화장치가 장착된 배기관 - Google Patents

질소산화물 선택적 촉매 정화장치가 장착된 배기관 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저속저부하 운전영역은 물론 고속고부하 운전 영역까지도 용이하게 요소 수용액을 혼합기의 중심부로 가이드하여 배기가스와 요소 수용액의 균일하게 혼합함과 아울러 요소 수용액의 요소와 열분해 생성물이 화합된 고형체가 배기관에 고형화되는 것을 방지하는 질소산화물 선택적 촉매 정화장치가 장착된 배기관에 관한 것이다.
본 발명의 질소산화물 선택적 촉매 정화장치가 장착된 배기관은 질소산화물 선택적 촉매 정화장치가 장착된 배기관은 요소 수용액을 분사하는 요소 수용액 인젝터와; 배기가스에 포함된 NOx에서 선택적으로 환원반응시켜 정화하는 선택적 촉매 정화장치와; 상기 선택적 촉매 정화장치의 전단에 배치된 혼합기와; 상기 배기관에 연결되어 상기 요소 수용액 인젝터로부터 분사된 상기 요소 수용액을 상기 혼합기의 중심부로 유도하는 가이드 파이프를 구비하며, 상기 가이드 파이프는 하단이 상기 배기관을 관통하여 상기 배기관 내부로 돌출된다.
배기가스, 질소산화물, SCR, 요소 수용액, 가이드 파이프, 혼합기, 가수분해, 촉매

Description

질소산화물 선택적 촉매 정화장치가 장착된 배기관{Exhaust Pipe With NOx Selective Catalytic Reduction}
본 발명은 차량의 배기관에 관한 것으로, 특히 물론 고속고부하 운전 영역까지도 용이하게 요소 수용액을 혼합기의 중심부로 가이드하여 배기가스와 요소 수용액의 균일하게 혼합함과 아울러 요소 수용액의 요소와 열분해 생성물이 화합된 고형체가 배기관에 고형화되는 것을 방지하는 질소산화물 선택적 촉매 정화장치가 장착된 배기관에 관한 것이다.
배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 제거하기 위하여, 디젤 차량에는 질소산화물 저장 촉매(NOx Storage Catalysts, NSC) 및 질소산화물 선택적 촉매 정화장치(Selective Catalytic Reduction 이하, SCR) 등 다수의 후처리 장치들이 장착된다. 이들 중 SCR은 요소 수용액을 이용하여 배기가스에 포함된 NOx에서 선택적으로 환원반응시킴으로써 배기가스에서 NOx를 제거하는 장치이다.
도 1은 종래의 SCR의 전단 배기관 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 SCR의 전단 배기관 구조는 요소 수용액을 분사하는 요소 수용액 인젝터(102)와, 배기관(108)과 연결되어 요소 수용액 인젝터(102)로부터 분사된 요소 수용액을 SCR의 전단에 배치된 혼합기(106)의 중심부로 유도하는 가이드 파이프(104)로 구성되어 있다. 배기가스의 유속은 엔진회전수와 부하에 따라 크게는 수십 배까지 변한다. 그런데, 요소 수용액 인젝터(102)로부터 분사되는 요소 수용액의 분사 압력은 거의 변화가 없다. 이에 따라, 고속고부하와 같이 배기가스의 유속이 큰 경우에 분사된 요소 수용액은 큰 유속의 배기가스에 의해 혼합기(106)까지 도달하지 못하고, 도 2와 같이, 배기관(108)의 상부에 편중되거나, 가이드 파이프(104)에서 빠져나오지 못하여 가이드 파이프(104)에 남는 현상이 나타난다. 이와 같은 문제는 요소 수용액 인젝터(102)를 가변 분사 압력 방식과 가변 분사 노즐 직경 방식으로 구성하여 배기가스의 유량 변화에 따라 요소 수용액의 분사 압력을 변화시키고 노즐 직경을 축소 제어하여 해결방안을 모색할 수 있다. 하지만, 현재의 기술적 진보성 및 원가의 측면에서 가변 분사 압력 방식 및 가변 분사 노즐 직경 방식의 요소 수용액 인젝터를 사용하는 것은 어려운 일이다.
그리고, 요소 수용액 인젝터(102)에서 분사된 요소 수용액은 가이드 파이프(104)에 의해 혼합기(106)의 중심부로 유도되어 혼합기(106)를 통과하면서 배기가스와 혼합되어 SCR로 유입된다. 그런데, 저속저부하와 같이 배기가스의 유속이 작은 경우에 가이드 파이프(104)에 분사된 요소 수용액 도 3에 도시된 바와 같이, 배기관(108)으로 넓게 퍼져나가며, 배기관(108)으로 퍼져나간 요소 수용액은 배기관(108)의 벽면에 필연적으로 부착된다. 배기관(108)의 벽면에 부착된 요소 수용액은 수분은 증발되지만, 남은 요소가 열분해 활성화 온도인 500℃ 이하에서 일부 열분해 생성물과 화합되어 배기관(108)의 벽면에 도 4와 같이 고형체로 고형화된다. 더욱이, 요소 수용액의 수분이 증발되는 때에, 남은 요소는 요소 수용액의 수분 증발에 의해 냉각이 가속되고 이에 따라, 배기관(108)의 벽면에 부착되는 요소 수용액도 늘어남으로써, 고형체가 점점 성장하여 고형체에 의해 배기가스의 유동이 방해받을 수 있다. 현재의 차량은 요소 수용액의 요소와 열분해 생성물이 화합되어 고형화된 고형체를 제거하는 장치를 구비하고 있지 않다.
따라서, 본 발명의 목적은 물론 고속고부하 운전 영역까지도 용이하게 요소 수용액을 혼합기의 중심부로 가이드하여 배기가스와 요소 수용액의 균일하게 혼합함과 아울러 요소 수용액의 요소와 열분해 생성물이 화합된 고형체가 배기관에 고형화되는 것을 방지하는 SCR이 장착된 배기관을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 질소산화물 선택적 촉매 정화장치가 장착된 배기관은 요소 수용액을 분사하는 요소 수용액 인젝터와; 배기가스에 포함된 NOx에서 선택적으로 환원반응시켜 정화하는 선택적 촉매 정화장치와; 상기 선택적 촉매 정화장치의 전단에 배치된 혼합기와; 상기 배기관에 연결되어 상기 요소 수용액 인젝터로부터 분사된 상기 요소 수용액을 상기 혼합기의 중심부로 유도하는 가이드 파이프를 구비하며, 상기 가이드 파이프는 하단이 상기 배기관을 관통하여 상기 배기관 내부로 돌출된다.
상기 가이드 파이프는 상기 배기관 내부의 중앙부 미만까지 돌출된다.
상기 질소산화물 선택적 촉매 정화장치가 장착된 배기관은 상기 배기관 내부로 관통된 상기 가이드 파이프의 하단부에 형성된 공기 유입 홀을 더 구비한다.
상기 가이드 파이프는 상기 배기관과 15° 내지 60°의 각도를 이루며 상기 배기관에 연결된다.
상기 질소산화물 선택적 촉매 정화장치가 장착된 배기관은 상기 가이드 파이프와 인접한 상기 배기관 내벽에 형성된 분말 코팅층을 더 구비한다.
상기 질소산화물 선택적 촉매 정화장치가 장착된 배기관은 상기 배기관 내부로 관통된 상기 가이드 파이프의 외부에 형성된 분말 코팅층을 더 구비한다.
상기 분말 코팅층은 상기 요소 수용액에 포함된 요소의 가수분해반응을 촉진하는 촉매이다.
상기 분말 코팅층은 제올라이트, 지르코니아, 티타늄 및 알루미나 중 어느 하나로 형성한다.
본 발명의 실시 예에 따른 질소산화물 선택적 촉매 정화장치가 장착된 배기관은 하단이 배기관을 관통하여 배기관 내부로 돌출된 가이드 파이프를 구비한다. 본 발명의 실시 예에 따른 질소산화물 선택적 촉매 정화장치가 장착된 배기관은 가이드 파이프가 배기관을 관통하여 배기관 내부로 돌출되어 있음에 따라, 고속고부하로 차량이 운전되어 배기가스의 유속이 커지더라도 요소 수용액 인젝터로부터 분사된 요소 수용액이 배기관의 상부에 편중되지 않고 혼합기로 용이하게 유도될 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 질소산화물 선택적 촉매 정화장치가 장착된 배기관은 가이드 파이프의 하단부에 형성되어 배기가스가 가이드 파이프로 유입되도록 하는 공기 유입 홀을 구비한다. 따라서, 공기 유입 홀을 통하여 유입되는 배기가스에 의해 가이드 파이프의 하단부에 남아있을 수 있는 요소 수용액이 가이드 파이프를 용이하게 빠져나와, 요소 수용액 인젝터로부터 분사된 요소 수용액이 가이드 파이프에 남지 않고 용이하게 유도될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 질소산화물 선택적 촉매 정화장치가 장착된 배기관은 NOx의 정화 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 선택적 촉매 정화장치가 장착된 배기관은 가이드 파이프와 인접한 배기관 내벽에 형성된 분말 코팅층 및 배기관 내부로 관통된 가이드 파이프의 외부에 형성된 분말 코팅층을 더 구비한다. 따라서, 저속저부하로 차량이 운전되어 배기가스의 유속이 느려 배기관으로 유입된 요소 수용액 중 요소가 배기관의 벽면에 부착되더라도 분말 코팅층에 의해 용이하게 가수분해됨으로써 배기관의 벽면에 고형체가 형성되지 않는다. 이에 따라, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 선택적 촉매 정화장치가 장착된 배기관은 고형체가 계속적으로 축적 성장하여 배기가스의 유동의 방해를 제거하고, 요소 수용액의 손실을 방지할 수 있다. 이 결과, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 질소산화물 선택적 촉매 정화장치가 장착된 배기관은 NOx의 정화 효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 도 5 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 SCR의 전단 배기관 구조를 계략적으로 나 타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 SCR의 전단 배기관 구조는 요소 수용액을 분사하는 요소 수용액 인젝터(2)와, 배기가스에 포함된 NOx를 선택적으로 환원반응시키는 SCR(미도시)과, SCR의 전단에 배치된 혼합기(6)와, 하단이 배기관(8)을 관통하여 배기관(8) 내부로 돌출되며 혼합기(6)의 전단부 배기관(8)에 연결되어 요소 수용액 인젝터(2)로부터 분사된 요소 수용액을 혼합기(6)의 중심부로 유도하는 가이드 파이프(4)로 구성된다.
요소 수용액 인젝터(2)는 고속고부하 운전시 및 저속저부하 운전시에 관계없이 일정 압력으로 요소 수용액을 분사한다.
가이드 파이프(4)는 혼합기(6)의 전단부 배기관(8)에 연결되어 배기관(8)으로 요소 수용액 인젝터(2)로부터 분사된 요소 수용액을 SCR의 전단에 배치된 혼합기(6)의 중심부로 유도한다. 이러한 가이드 파이프(4)는 하단이 배기관(8)을 관통하여 배기관(8) 내부로 돌출된다. 따라서, 고속고부하로 차량이 운전되어 배기가스의 유속이 커지더라도 가이드 파이프(4)가 배기관(8)을 관통하여 배기관(8) 내부로 돌출되어 있음에 따라, 도 6에 도시된 바와 같이 요소 수용액 인젝터(2)로부터 분사된 요소 수용액이 배기관(8)의 상부에 편중되지 않고 혼합기(6)로 용이하게 유도될 수 있다. 그리고, 가이드 파이프(4)에는 배기관(8)을 관통한 가이드 파이프(4)의 하단부에는 배기가스가 유입되는 공기 유입 홀(12)이 형성된다. 가이드 파이프(4)의 하단부에 형성된 공기 유입 홀(12)을 통하여 배기가스가 가이드 파이프(4)로 유입되면, 유입되는 공기에 의해 가이드 파이프(4)의 하단부에 남아있을 수 있는 요소 수용액은 가이드 파이프(4)를 용이하게 빠져나와 혼합기(6)의 중심부로 유도된다. 따라서, 요소 수용액 인젝터(2)로부터 분사된 요소 수용액이 가이드 파이프(4)에 남지 않을 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 SCR가 장착된 배기관은 가이드 파이프(4)가 배기관(8)을 관통하여 배기관(8) 내부로 돌출되어 있음에 따라, 고속고부하로 차량이 운전되어 배기가스의 유속이 커지더라도 요소 수용액 인젝터(2)로부터 분사된 요소 수용액이 배기관(8)의 상부에 편중되지 않고 혼합기(6)로 용이하게 유도된다. 그리고, 가이드 파이프(4)의 하단부에 형성된 공기 유입 홀(12)을 통하여 배기가스가 가이드 파이프(4)로 유입됨으로써, 유입되는 배기가스에 의해 가이드 파이프(4)의 하단부에 남아있을 수 있는 요소 수용액이 가이드 파이프(4)를 용이하게 빠져나와 혼합기(6)의 중심부로 용이하게 유도된다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 SCR가 장착된 배기관은 NOx의 정화 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고, 가이드 파이프(4)는 배기관(8)의 중앙부 미만까지 돌출된다. 가이드 파이프(4)가 배기관(8)의 중앙부 이상까지 관통하면, 배기관의 배기가스 유로 단면적이 감소하여 배압손실이 급격히 증가하여 엔진 출력에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 요소 수용액 인젝터(2)로부터 분사된 요소 수용액은 혼합기(6)의 중앙부로 유도되기 어렵다.
또한, 가이드 파이프(4)는 배기관(8)과 15° 내지 60°의 각도를 이루며 배기관(8)에 연결된다. 가이드 파이프(4)가 배기관(8)과 이루는 각도가 60°를 초과하면, 도 7에 도시된 바와 같이 요소 수용액 인젝터(2)로부터 분사된 요소 수용액 은 혼합기(6)의 중앙부로 유도되기 어렵고, 배기가스의 배압(유동압력손실)이 커져 원활한 유동 및 엔진출력에 영향을 미칠 수 있다. 그리고, 가이드 파이프(4)가 배기관(8)과 이루는 각도가 15°미만인 경우에는 가이드 파이프(4) 상부의 요소 수용액 인젝터가 배기관(8)과 이루는 간격이 좁아져서 고온의 배기관에 의한 열적 문제를 발생할 수도 있으며, 필연적으로 가이드 파이프(4)가 길어져 분사된 요소 수용액은 혼합기(6)의 중앙부로 유도되기도 어렵다.
도 8은 본 발명의 본 발명의 다른 실시 예에 따른 SCR의 전단 배기관 구조를 계략적으로 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 SCR의 전단 배기관 구조는 도 4에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 SCR의 전단 배기관 구조에서 가이드 파이프(4)와 인접한 배기관(8) 내벽에 형성된 분말 코팅층(10a) 및 배기관(8) 내부로 관통된 가이드 파이프(4)의 외부에 형성된 분말 코팅층(10b)을 더 구비한다.
분말 코팅층(10a, 10b)은 요소 수용액 인젝터(2)로부터 분사된 요소 수용액에 포함된 요소의 가수분해반응을 촉진하는 촉매로, 제올라이트, 지르코니아, 티타늄 및 알루미나 중 어느 하나로 형성된다.
요소 수용액 인젝터(2)로부터 분사된 요소 수용액에 포함된 요소는 500℃ 이상에서 가수분해되지만, 제올라이트, 지르코니아, 티타늄 및 알루미나로 형성되는 분말 코팅층(10a, 10b)에 의하여 가수분해가 촉진되어 200℃에서도 가수분해된다.
따라서, 저속저부하로 차량이 운전되어 배기가스의 유속이 느려 배기관(8)으로 유입된 요소 수용액 중 요소가 배기관(108)의 벽면에 부착되더라도 분말 코팅 층(10a, 10b)에 의해 용이하게 가수분해됨으로써 배기관(8)의 벽면에 고형체가 형성되지 않는다. 이에 따라, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 SCR가 장착된 배기관은 NOx 정화에 사용되어야 하는 요소 수용액의 손실이 방지되고, 고형체에 의한 배기가스의 유동의 방해를 제거할 수 있다. 이 결과, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 SCR이 장착된 배기관은 NOx의 정화 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 SCR의 전단 배기관 구조를 개략적으로 나타내는 도면,
도 2는 고속고부하에서 분사된 요소 수용액의 분포도,
도 3은 요소 수용액이 배기관에 부착되는 것을 설명하기 위한 도면,
도 4는 요소와 열분해 생성물과 화합되어 배기관의 벽면에 고형화된 고형체를 나타내는 도면,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 SCR의 전단 배기관 구조를 계략적으로 나타내는 도면,
도 6은 가이드 파이프에 의해 혼합기의 중심부로 유도되는 요소 수용액의 흐름을 설명하기 위한 도면,
도 7은 가이드 파이프와 배기관이 이루는 각의 임계값을 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 발명의 본 발명의 다른 실시 예에 따른 SCR의 전단 배기관 구조를 계략적으로 나타내는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
2, 102 : 요소 수용액 인젝터 4, 104 : 가이드 파이프
6, 106 : 혼합기 8, 108 : 배기관
10 : 알루미나 분말 코팅층 12 : 공기 유입 홀

Claims (8)

  1. 요소 수용액 인젝터 로부터 요소 수용액을 배기가스에 분사하고, 배기가스에 포함된 NOx에서 선택적으로 환원반응시켜 정화하는 선택적 촉매 정화장치를 장착한 배기관에 있어서,
    상기 선택적 촉매 정화장치의 전단에 혼합기를 배치하고, 상기 요소 수용액 인젝터로부터 분사된 상기 요소 수용액을 상기 혼합기의 중심부로 유도하는 가이드 파이프를 상기 선택적 촉매 정화장치에 이어진 배기관에 연결하되,
    상기 가이드 파이프는 하단이 상기 배기관을 관통하여 상기 배기관 내부로 돌출되고, 공기유입홀을 상기 배기관 내부에 위치되도록 형성한 것을 특징으로 하는 질소산화물 선택적 촉매 정화장치가 장착된 배기관.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가이드 파이프는 상기 배기관 내부의 중앙부 미만까지 돌출되는 것을 특징으로 하는 질소산화물 선택적 촉매 정화장치가 장착된 배기관.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기 유입 홀은 상기 배기관 내부로 관통된 상기 가이드 파이프의 하단부에 형성하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 선택적 촉매 정화장치가 장착된 배기관.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 가이드 파이프의 상기 배기관에 대한 연결각도는 15° 내지 60°의 각도인 것을 특징으로 하는 질소산화물 선택적 촉매 정화장치가 장착된 배기관.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 가이드 파이프와 인접한 상기 배기관 내벽에 형성된 분말 코팅층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 선택적 촉매 정화장치가 장착된 배기관.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 배기관 내부로 관통된 상기 가이드 파이프의 외부에 형성된 분말 코팅층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 선택적 촉매 정화장치가 장착된 배기관.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 분말 코팅층은 상기 요소 수용액에 포함된 요소의 가수분해반응을 촉진하는 촉매인 것을 특징으로 하는 질소산화물 선택적 촉매 정화장치가 장착된 배기관.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 분말 코팅층은 제올라이트, 지르코니아, 티타늄 및 알루미나 중 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 질소산화물 선택적 촉매 정화장치가 장착된 배기관.
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