KR101331086B1 - 내연 기관의 배기 정화 장치 - Google Patents

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Abstract

내연 기관의 배기 정화 장치에 공급하는 첨가제를, 배기 중에 균일하게 분산시킨다. 상류측 배기 정화 장치와 하류측 배기 정화 장치 사이를, 상류측 배기 정화 장치와 하류측 배기 정화 장치의 단면적보다 단면적이 작은 배기관으로 접속하고, 상류측 배기 정화 장치의 촉매의 배기 출구와 배기관을 접속하는 접속 통로부를 구비하고, 접속 통로부를, 상류측 배기 정화 장치의 배기 흐름 방향 중심 축선과, 배기관의 배기 흐름 방향 중심 축선이 일치하지 않도록 형성하고, 첨가제를 배기 통로 내에 분사하는 분사 수단을 접속 통로부에 배치하고, 첨가제가, 접속 통로부의 대향하는 벽면에 도달하도록 분사한다.

Description

내연 기관의 배기 정화 장치{DEVICE FOR PURIFYING EXHAUST GAS OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은, 내연 기관의 배기 정화 장치에 관한 것이다.
디젤 파티큘레이트 필터(이하 「DPF」라고 한다)나 선택 촉매 환원 탈초 장치(이하 「SCR 장치」라고 한다)나 NOx 흡장 환원 촉매(이하 「NSR 촉매」라고 한다)를 구비하는 내연 기관의 배기 정화 장치에 있어서는, DPF나 SCR 장치나 NSR 촉매의 상류의 배기 통로 내에, 환원제를 첨가하는 첨가제 공급 장치를 배치하고, DPF나 SCR 장치나 NSR 촉매에 있어서, 첨가제 공급 장치로부터 공급된 첨가제와 배기를 반응시켜, 배기 정화를 행하는데, DPF나 SCR 장치나 NSR 촉매에 있어서 첨가제가 빠져나가는 것(pass-by)을 방지하고, 첨가제를 유효하게 이용하기 위해, 첨가제를 배기와 충분히 혼합하고, 또한, 첨가제를 배기 통로의 단면 전체에 걸쳐 널리 분산시키는 것이 바람직하다.
그래서, 종래에는, 첨가제 공급 장치의 하류이며, DPF나 SCR 장치나 NSR 촉매에 대하여 상류측에, 첨가제를 배기와 혼합하고, 첨가제를 배기 통로의 단면 전체에 걸쳐 널리 분산시키기 위해, 분산판을 배치하였다. 그러나, 분산판을 배치하는 수단에서는, 배기 흐름의 압손의 상승을 피할 수 없다.
그래서, 기관 배기 통로에 설치된 배기 정화 장치의 상류측으로부터, 배기 중의 특정 성분을 정화하기 위한 정화제를 공급하는 내연 기관의 배기 정화 장치에 있어서, 배기 통로의 단면적이 서서히 축소되는 경사부를 설치하고, 배기 가스가 경사부를 통과하여 수속(收束)되는 부위 근방에서, 또한, 배기 통로의 중앙부 근방에 설치한 분사구로부터, 배기 통로의 직경 방향으로 정화제를 분사함으로써, 정화제의 확산성을 향상시키는 기술이, 일본 공개특허공보 2007-205308호에 개시되어 있다.
일본 공개특허공보 2007-205308호의 배기 정화 장치에서는, 배기 가스의 유속이 최대가 되는 부위에서, 배기 통로의 중심부 근방으로부터 직경 방향으로 정화제를 분사하므로, 배기 통로의 내벽에 대한 정화제의 부착도 방지할 수 있다고 하고 있다. 그러나, 이러한 구성에서는, 배기의 유속이 빠른 경우에는, 분사한 정화제가 배기 통로 중앙 부근을 흐르는 배기류에 휩쓸려 가, 확산성이 저하될 우려가 있다.
본 발명은, 내연 기관의 배기 정화 장치에 공급하는 첨가제를, 배기 중에 균일하게 분산시키는 수단을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
청구항 1에 기재된 발명에 의하면, 기관 배기 통로에 설치된 상류측 배기 정화 장치 및 하류측 배기 정화 장치가, 상류측 배기 정화 장치 및 하류측 배기 정화 장치보다 단면적이 작은 배기관으로 접속된, 내연 기관의 배기 정화 장치에 있어서, 상류측 배기 정화 장치와 하류측 배기 정화 장치 사이에 설치되어, 배기 중의 특정 성분과 반응하는 첨가제를 배기 통로 내에 분사하는 분사 수단과, 상류측 배기 정화 장치의 촉매의 배기 출구와 배기관을 접속하는 접속 통로부를 구비하고, 접속 통로부를, 상류측 배기 정화 장치의 배기 흐름 방향 중심 축선과, 배기관의 배기 흐름 방향 중심 축선이 일치하지 않도록 형성하고, 분사 수단을 접속 통로부에 배치하고, 첨가제를, 상류측 배기 정화 장치로부터의 배기 흐름을 횡단하여 접속 통로부의 대향하는 벽면에 도달하도록 분사하고, 첨가제를 배기와 혼합하는, 내연 기관의 배기 정화 장치가 제공된다.
즉, 청구항 1의 발명에서는, DPF나 SCR 장치나 NSR 촉매의 전단(前段)에 상류측 배기 정화 장치를 가지는 계에 있어서, 첨가제를, 전단의 상류측 배기 정화 장치의 촉매와 배기관 사이에 설치한, 촉매로부터 배기관으로의 접속 통로부 안에 공급하고, 촉매로부터 배기관으로의 접속 통로부 안에서 발생하고 있는 강한 선회류를 이용하여, 배기의 압손을 발생시키지 않고, 첨가제를 배기 중에 혼합·증발시킨다. 촉매로부터 배기관으로의 접속 통로부의 내부는, 배기관에 비하여 용량이 크기 때문에, 촉매로부터 배기관으로의 접속 통로부를 통과함으로써, 첨가제의 증발이 촉진됨과 함께, 이 접속 통로부 내의 강한 선회류나, 배기관과의 합류부에서 축관(縮管)되는 효과에 의해, 첨가제가 효과적으로 혼합·증발된다.
청구항 3에 기재된 발명에 의하면, 기관 배기 통로에 설치된 상류측 배기 정화 장치 및 하류측 배기 정화 장치가, 상류측 배기 정화 장치 및 하류측 배기 정화 장치보다 단면적이 작은 배기관으로 접속된, 내연 기관의 배기 정화 장치에 있어서, 상류측 배기 정화 장치와 하류측 배기 정화 장치 사이에 설치되어, 배기 중의 특정 성분과 반응하는 첨가제를 배기 통로 내에 분사하는 분사 수단과, 상류측 배기 정화 장치의 촉매의 배기 출구와 배기관을 접속하는 접속 통로부를 구비하고, 접속 통로부를, 상류측 배기 정화 장치의 배기 흐름 방향 중심 축선과, 배기관의 배기 흐름 방향 중심 축선이 일치하지 않도록 형성하고, 분사 수단을 접속 통로부에 배치하고, 또한, 상류측 배기 정화 장치를 우회하여, 접속 통로부에서 합류하는 바이패스 통로를 구비하고, 분사 수단이, 접속 통로부와 바이패스 통로의 합류부를 향해 첨가제를 분사하고, 첨가제를 배기와 혼합하는, 내연 기관의 배기 정화 장치가 제공된다.
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즉, 청구항 3의 발명에서는, 상류측 배기 정화 장치를 우회하여, 접속 통로부에 합류하는 바이패스 통로를 구비하는 경우에 있어서, 합류부 근방에 첨가제를 첨가하고, 합류에 의한 배기 선회류를 이용하여, 첨가제와 배기를 효과적으로 혼합시킨다. 이 경우, 첨가제의 분사 수단에 대한 그을음 막힘을 회피하기 위해서는, 바이패스 흐름이 접속 통로부에 유입되는 흐름 방향을 따라 첨가제를 분사하면 유리하다.
청구항 4에 기재된 발명에 의하면, 기관 배기 통로에 설치된 상류측 배기 정화 장치 및 하류측 배기 정화 장치가, 상류측 배기 정화 장치 및 하류측 배기 정화 장치보다 단면적이 작은 배기관으로 접속된, 내연 기관의 배기 정화 장치에 있어서, 상류측 배기 정화 장치와 하류측 배기 정화 장치 사이에 설치되어, 배기 중의 특정 성분과 반응하는 첨가제를 배기 통로 내에 분사하는 분사 수단과, 상류측 배기 정화 장치의 촉매의 배기 출구와 배기관을 접속하는 접속 통로부를 구비하고, 접속 통로부를, 상류측 배기 정화 장치의 배기 흐름 방향 중심 축선과, 배기관의 배기 흐름 방향 중심 축선이 일치하지 않도록 형성하고, 분사 수단을 접속 통로부에 배치하고, 또한, 하류측 배기 정화 장치가, 우레아 첨가에 의한 선택 촉매 환원을 행하는 촉매를 구비하고, 분사 수단이, 상류측 배기 정화 장치의 촉매의 하단부를 향해 첨가제를 분사하여, 촉매의 하단부에 첨가제를 충돌시키고, 첨가제를 배기와 혼합하는, 내연 기관의 배기 정화 장치가 제공된다.
즉, 청구항 4의 발명에서는, 하류측 배기 정화 장치가, 우레아 첨가에 의한 선택 촉매 환원을 행하는 촉매를 구비하는 경우에는, 상류측의 촉매에 닿도록 우레아를 분사해도, 우레아가 발열하는 경우는 없기 때문에, 적극적으로 우레아를 상류측의 촉매에 충돌시켜, 상류측의 촉매 바닥 온도를 이용하여, 우레아의 가수분해를 촉진시키고, 가수분해에 의해 생성된 암모니아의 배기에 대한 확산성을 향상시킨다. 또한, 우레아가 상류측의 촉매에 충돌하는 것에 의한 믹싱 효과에 의해, 확산성을 향상시킬 수 있다.
청구항 5에 기재된 발명에 의하면, 접속 통로부가, 상류측 배기 정화 장치의 촉매의 배기 출구 단면적으로부터, 서서히 통로 단면적을 축소하는 통로부를 구비하는, 청구항 1, 3 내지 4 중 어느 1항에 기재된 내연 기관의 배기 정화 장치가 제공된다.
즉, 청구항 5의 발명에서는, 청구항 1, 3 내지 4 중 어느 1항에 기재한 촉매로부터 배기관으로의 접속 통로부의 단면적이 서서히 축소되고, 이 경우에, 서서히 축소되는 통로부에 첨가제를 공급하고, 촉매로부터 배기관으로의 접속 통로부 안에서 발생하고 있는 강한 선회류를 이용하여, 배기의 압손을 발생시키지 않고, 첨가제를 배기 중에 혼합·증발시킨다. 이 경우에도, 촉매로부터 배기관으로의 접속 통로부의 내부는, 배기관에 비하여 용량이 크기 때문에, 촉매로부터 배기관으로의 접속 통로부를 통과함으로써, 첨가제의 증발이 촉진됨과 함께, 이 접속 통로부 내의 강한 선회류나, 배기관과의 합류부에서 축관되는 효과에 의해, 첨가제가 효과적으로 혼합·증발된다.
청구항 6에 기재된 발명에 의하면, 분사된 첨가제의 배기와의 혼합을 촉진하는 분산판을 접속 통로부 내에 설치한, 청구항 1, 3 내지 5 중 어느 1항에 기재된 내연 기관의 배기 정화 장치가 제공된다.
즉, 청구항 6의 발명에서는, 촉매로부터 배기관으로의 접속 통로부에서 첨가제를 배기 중에 혼합·증발시키는 경우에, 접속 통로부 내에 분산판을 배치하여, 첨가제의 배기 중에 대한 혼합을 더욱 촉진시킨다. 접속 통로부 내는 유속이 느리기 때문에, 분산판을 배치해도 압손의 발생은 작다. 그래서, 접속 통로부 내에서 배기와 첨가제의 혼합을 촉진시켜 균일화를 완료하여, 접속 통로부 하류의 배기관 길이를 단축할 수 있다.
청구항 7에 기재된 발명에 의하면, 접속 통로부를, 배기관의 배기 흐름 방향 중심 축선이, 상류측 배기 정화 장치의 중심 축선과 평행하지 않게, 또한 교차하지 않도록 형성한, 청구항 1, 3 내지 6 중 어느 1항에 기재된 내연 기관의 배기 정화 장치가 제공된다.
즉, 청구항 7의 발명에서는, 접속 통로부를, 배기관의 배기 흐름 방향 중심 축선이, 상류측 배기 정화 장치의 중심 축선과 평행하지 않게, 또한 상류측 배기 정화 장치의 중심 축선과 교차하지 않도록 형성하고, 상류측의 촉매로부터 배기관으로의 접속 통로부의 벽면을 따라 2방향으로 나누어져 발생하는 강한 선회류를 비대칭으로 하고, 일방의 선회류의 선회 거리를 길게 하여, 첨가제의 믹싱 효과를 더욱 향상시킨다.
청구항 8에 기재된 발명에 의하면, 첨가제의 첨가시의 분사량 또는 분사 간격을 제어하는 제어 수단을 구비하고, 제어 수단이, 분사된 첨가제의 배기 통로 벽면에 대한 부착 면적과, 벽면의 온도 또는 배기 온도에 기초하여, 분사된 첨가제가 배기관 내에서 액막을 생성하지 않는 분사 조건을 결정하고, 상류측 배기 정화 장치의 촉매의 촉매 바닥 온도를 상승시키는, 청구항 1, 3 내지 7 중 어느 1항에 기재된 내연 기관의 배기 정화 장치가 제공된다.
즉, 종래에는, 첨가제의 분사 제어를, 하류측 배기 정화 장치의 촉매 입구의 배기 가스 온도만 고려하여 행해 왔으나, 하류측 배기 정화 장치의 촉매 직전에서 첨가제가 증발하고 있는 경우라도, 첨가제의 분사 수단 직후의 배기관에는 액막이 생성되어 있을 가능성이 있어, 첨가제 고임이나, 그을음 퇴적의 원인이 되고 있다. 그래서, 액막 생성의 주요인인, 첨가제의 부착 면적, 부착 위치의 벽 온도, 첨가제의 분사량 및 분사 간격을 고려하여, 첨가제의 분사 수단 직후의 배기관에 액막을 생성하지 않도록, 상류측 배기 정화 장치의 촉매 바닥 온도를 상승시킨다.
청구항 9에 기재된 발명에 의하면, 접속 통로부의 하류의 배기관 내의 배기 온도를 측정하는 온도 센서를 구비하고, 측정된 배기 온도를, 분사된 첨가제의 기화 잠열에 기초하여 보정하여, 상류측 배기 정화 장치의 온도를 구하는, 청구항 1, 3 내지 8 중 어느 1항에 기재된 내연 기관의 배기 정화 장치가 제공된다.
즉, 배기 온도 센서는, 첨가제의 부착에 의한 오계측을 방지하고, 또한 첨가제의 기화 잠열의 보정을 양호한 정밀도로 행하기 위해, 첨가제가 확실하게 증발하고 있는, 접속 통로부의 하류의 배기관 내에 배치하는 것이 바람직하다. 그래서 청구항 9의 발명에서는, 온도 센서를 접속 통로부의 하류의 배기관 내에 배치하고, 상류측 배기 정화 장치의 온도를, 측정된 온도에 대해 첨가제의 기화 잠열의 보정을 행함으로써, 구하는 것으로 한 것이다.
청구항 10에 기재된 발명에 의하면, 첨가제를, 접속 통로부의 대향하는 벽면의, 배기관을 향하는 구부러짐부를 조준하여 분사하는, 청구항 1에 기재된 내연 기관의 배기 정화 장치가 제공되고,
청구항 11에 기재된 발명에 의하면, 접속 통로부가, 상류측 배기 정화 장치의 촉매의 배기 출구 단면적으로부터, 서서히 통로 단면적을 축소하는 통로부를 구비하고, 첨가제를, 접속 통로부의 대향하는 벽면의, 배기관을 향하는 구부러짐부를 조준하여 분사하는, 청구항 1에 기재된 내연 기관의 배기 정화 장치가 제공된다.
이와 같이 하면, 첨가제가 접속 통로부의 벽면과 광범위하게 접촉하고, 첨가제의 배기 중에 대한 혼합·증발이 양호하게 촉진되어 유리하다.
각 청구항에 기재된 발명에 의하면, 내연 기관의 배기 정화 장치에 공급하는 첨가제를 배기 중에 균일하게 분산시킨다는 공통된 효과를 발휘한다.
도 1의 (a), (b)는, 각각, 본 발명을 내연 기관의 배기 정화 장치에 적용한 경우의, 실시형태의 개략 구성을 설명하는 도면이다.
도 2의 (a), (b)는, 각각, 문제를 발생시키는 실시형태의 개략 구성을 설명하는 도면이다.
도 3의 (a), (b)는, 본 발명을 내연 기관의 배기 정화 장치에 적용하는 경우에, 피해야 할 범위를 설명하는 도면이다.
도 4의 (a)는, 본 발명을 내연 기관의 배기 정화 장치에 적용한 경우의, 실시형태의 개략 구성을 설명하는 도면이고, (b)는, 문제를 발생시키는 실시형태의 개략 구성을 설명하는 도면이다.
도 5의 (a), (b), (c), (d), (e)는, 각각, 본 발명을 내연 기관의 배기 정화 장치에 적용한 경우의, 실시형태의 개략 구성을 설명하는 도면이다.
도 6은, 본 발명을 내연 기관의 배기 정화 장치에 적용한 경우의, 실시형태의 개략 구성을 설명하는 도면이다.
도 7은, 본 발명을 내연 기관의 배기 정화 장치에 적용한 경우의, 다른 실시형태의 개략 구성을 설명하는 도면이다.
도 8은, 본 발명을 내연 기관의 배기 정화 장치에 적용한 경우의, 실시형태의 개략 구성을 설명하는 도면이다.
도 9의 (a)는, 본 발명을 내연 기관의 배기 정화 장치에 적용한 경우의, 실시형태의 개략 구성을 설명하는 도면이고, (b)는, 본 발명과 다른 구성에 의해 문제를 발생시키는 경우를 설명하는 도면이다.
도 10의 (a)∼(i)는, 본 발명을 내연 기관의 배기 정화 장치에 적용한 경우의, 실시형태의 개략 구성을 설명하는 상면도이다.
도 11의 (a), (b)는, 본 발명을 내연 기관의 배기 정화 장치에 적용한 경우의, 다른 실시형태의 개략 구성을 설명하는 도면이다.
도 12는, 본 발명을 내연 기관의 배기 정화 장치에 적용한 경우의, 다른 실시형태의 개략 구성을 설명하는 도면이다.
도 13은, 본 발명을 내연 기관의 배기 정화 장치에 적용한 경우의, 또 다른 실시형태의 개략 구성을 설명하는 도면이다.
도 14는, 본 발명을 내연 기관의 배기 정화 장치에 적용한 경우의, 또 다른 실시형태의 개략 구성을 설명하는 도면으로서, (a)는, 도 10(a)와 동일 도면이고, (b)는, (a)와 비교하여, 본 실시형태의 개략 구성을 설명하는 도면이다.
도 15는, 본 발명을 내연 기관의 배기 정화 장치에 적용한 경우의, 또 다른 실시형태의 개략 구성을 설명하는 도면이다.
도 16은, 본 발명을 내연 기관의 배기 정화 장치에 적용한 경우의, 또 다른 실시형태의 개략 구성을 설명하는 플로우차트이다.
도 17은, 도 16의 플로우차트를 보충하는 설명도이다.
도 18은, 본 발명을 내연 기관의 배기 정화 장치에 적용한 경우의, 또 다른 실시형태의 개략 구성을 설명하는 도면으로서, (a)는, 접속 통로부(2)의 단면 방향에서 본 도면이고, (b)는, 접속 통로부(2)의 경사진 상방에서 본 사시도이다.
이하, 첨부 도면을 이용하여 본 발명의 실시형태에 대해 설명한다. 또한, 복수의 첨부 도면에서, 동일 또는 상당하는 부재에는, 동일한 부호를 붙이고 있다.
도 6과 도 7에, 본 발명에 의한 내연 기관의 배기 정화 장치의 전체 장치 구성을 나타낸다. 도 6은, 산화 촉매 컨버터(이하 「CCo」라고 한다)(11)와, NSR 촉매(12)와, DPF(20)에 의해 구성되는 내연 기관의 배기 정화 장치에 있어서의 실시형태이고, 도 7은, DPF(13)와, SCR 장치 또는 NSR 촉매(20')에 의해 구성되는 내연 기관의 배기 정화 장치에 있어서의 실시형태이다. 본 발명에 의한 내연 기관의 배기 정화 장치는, 기관 배기 통로에 설치된 상류측 배기 정화 장치(1 또는 1')와, 하류측 배기 정화 장치(20 또는 20')와, 상류측 배기 정화 장치(1 또는 1')와 하류측 배기 정화 장치(20 또는 20') 사이에 설치되고, 배기 중의 특정 성분과 반응하는 첨가제를 배기 통로 내에 분사하는 분사 수단(3)을 구비한다. 상류측 배기 정화 장치(1 또는 1')와 하류측 배기 정화 장치(20 또는 20') 사이는, 배기관(7)으로 접속되어 있다. 배기관(7)의 단면적은, 상류측 배기 정화 장치 및 하류측 배기 정화 장치의 단면적보다 작다. 이 경우에 있어서, 상류측 배기 정화 장치(1 또는 1')의 촉매(12 또는 13)의 배기 출구와 배기관(7)을 접속하는 접속 통로부(2)를 설치한다.
도 8은, 상기 서술한 접속 통로부(2)를 설명하는 도면으로서, 도 8에 나타낸 상류측 배기 정화 장치의 촉매(10)는, 도 6 또는 도 7의 실시형태에 있어서의 상류측 배기 정화 장치(1 또는 1')의 촉매(12 또는 13)에 상당한다. 즉, 접속 통로부(2)는, 상류측 배기 정화 장치의 촉매(10)로부터 유출되는 배기 흐름 방향 중심 축선과, 배기관(7)(도 6, 7 참조)의 배기 흐름 방향 중심 축선이 일치하지 않도록 형성되어 있다. 또한, 분사 수단(3)의 분사구는, 접속 통로부(2)에, 첨가제를 분사하도록 배치되고, 분사 수단의 분사압은, 기관 운전시에 있어서 분사된 첨가제가, 대향하는 접속 통로 벽면에 도달하는 압력으로 설정되고, 분사된 첨가제가, 배기의 선회류를 타고 유효하게 배기와 혼합되도록 구성되어 있다.
즉, DPF나 SCR 장치나 NSR 촉매의 전단에 상류측 배기 정화 장치를 가지는 계에 있어서, 첨가제를, 전단의 상류측 배기 정화 장치의 촉매(10)와 배기관(7)(도 6, 7 참조) 사이에 설치한, 촉매(10)로부터 배기관(7)으로의 접속 통로부(2) 안에 공급하고, 촉매(10)로부터 배기관(7)으로의 접속 통로부(2) 안에서 발생하고 있는 강한 선회류를 이용하여, 배기의 압손을 발생시키지 않고, 첨가제를 배기 중에 혼합·증발시킨다. 촉매(10)로부터 배기관(7)으로의 접속 통로부(2)의 내부는, 배기관(7)에 비하여 용량이 크기 때문에, 촉매(10)로부터 배기관(7)으로의 접속 통로부(2)를 통과함으로써, 첨가제의 증발이 촉진됨과 함께, 이 접속 통로부(2) 내의 강한 선회류나, 배기관과의 합류부에서 축관되는 효과에 의해, 첨가제가 효과적으로 혼합·증발된다.
이 경우, 도 1(a), (b)에 나타내는 바와 같이, 접속 통로부(2)는, 상류측 배기 정화 장치의 촉매(10)의 배기 출구 단면적으로부터, 서서히 통로 단면적을 축소하는 통로부인 것이 바람직하고, 분사 수단(3)의 분사구는, 배기 통로 단면적이 서서히 축소되는 통로부에, 첨가제를 분사하도록 배치하는 것이 바람직하다.
즉, 도 1(a), (b)에 나타내는 바와 같이, 촉매(10)로부터 배기관(7)으로의 접속 통로부(2)의 단면적이 서서히 축소되고, 이 서서히 축경되는 통로부에 첨가제를 공급하고, 촉매(10)로부터 배기관(7)으로의 접속 통로부(2) 안에서 발생하고 있는 강한 선회류를 이용하여, 배기의 압손을 발생시키지 않고, 첨가제를 배기 중에 혼합·증발시킨다. 이 경우에도, 촉매(10)로부터 배기관(7)으로의 접속 통로부(2)의 내부는, 배기관(7)에 비하여 용량이 크기 때문에, 촉매(10)로부터 배기관(7)으로의 접속 통로부(2)를 통과함으로써, 첨가제의 증발이 촉진됨과 함께, 이 접속 통로부(2) 내의 강한 선회류나, 배기관과의 합류부에서 축관되는 효과에 의해, 첨가제가 효과적으로 혼합·증발된다.
또한, 분사 수단(3)의 분사압은, 도 1(a), (b)에 나타내는 바와 같이, 기관 운전시에 있어서 분사된 첨가제가, 접속 통로부(2)의 대향하는 벽면에 도달하는 압력으로 하는 것이 바람직하다.
도 2(a), (b)에는, 분사압이 충분하지 않은 경우를 나타낸다. 도 2(a)는 도 1(a)와, 도 2(b)는 도 1(b)와, 각각 분사 수단(3)의 배치가 대응하고 있으나, 분사압이 충분하지 않은 도 2(a), (b)의 경우에는, 분사된 첨가제가, 접속 통로부(2) 안에서 발생하고 있는 강한 선회류를 이용하지 않고, 배기관(7)을 향해 배출되어 버리므로, 첨가제를 배기 중에 충분히 혼합·증발시킬 수 없다.
즉, 도 3(a), (b)에 나타내는 바와 같이, 촉매(10)의 전체를 흐르는 배기(A) 중, 접속 통로부(2)로부터 배기관으로 직접 유출되는 흐름(B)이 존재하고, 도 2(a), (b)와 같이 분사압이 작은 경우에는, 분사된 첨가제는, 흐름(B)을 타고 유출되어 버리기 때문에, 배기와 충분히 혼합할 수 없다.
이 상황은, 분사 방향에 대해서도 말할 수 있다. 즉, 첨가제를 도 4(a)에 나타내는 분사 방향으로 분사한 경우에는, 첨가제를, 접속 통로부(2) 안에서 발생하고 있는 강한 선회류를 이용하여, 배기 중에 유효하게 혼합·증발시킬 수 있지만, 도 4(b)에 나타내는 분사 방향으로 분사한 경우에는, 분사된 첨가제는, 흐름(B)을 타고 배기관(7)을 향해 배출되어 버리므로, 배기와 충분히 혼합할 수 없다.
도 5(a), (b), (c), (d), (e)는, 분사된 첨가제가, 접속 통로부(2)의 대향하는 벽면에 도달하는 경우를 설명하는 도면이다. 도 5(a), (b)에 나타내는 바와 같이, 분사 방향과, 접속 통로부(2) 내의 흐름의 흐름 방향이 이루는 각도를 α로 하면, 접속 통로부(2)의 대향하는 벽면에 도달하는 경우의 분사 압력과 각도(α) 사이에는, 도 5(d)와 같은 관계가 있다. 즉, 각도(α)가 작을수록, 바꿔 말하면, 분사 방향이 접속 통로부(2) 내의 배기 흐름 방향에 역행하는 방향일수록, 분사압은 크게 해야 한다. 또한, 배기 가스 유량(Ga)에 대한 첨가제의 공급량은 결정되어 있기 때문에, 도 5(c)에 나타내는 바와 같이, 배기 가스 유량(Ga)이 커지면, 분사압도 크게 해야 한다. 따라서, 배기 가스 유량(Ga)이 결정되면, 도 5(c)로부터 분사압이 결정되고, 이 분사압이 얻어지도록, 도 5(d)로부터 분사 방향이 결정된다. 즉, 분사구의 설치 방향이 결정된다. 단, 도 5(c)에 나타내는 바와 같이, 처리되는 배기 가스 유량(Ga)에는 상한이 있기 때문에, 분사 수단(3)의 분사압에는 상한이 있으며, 분사 수단(3)의 분사압은, 상한 분사압 이하로 설정한다. 또한, 분사 방향과, 접속 통로부(2) 내의 흐름의 흐름 방향이 이루는 각도(α)가, 90도<α<180도의 범위가 되면, 이용할 수 있는 배기 가스의 선회 거리가 짧아져, 첨가제가 배기 가스에 충분히 확산되지 않은 채로 유출되기 쉬워지기 때문에, 도 5(e)에 나타내는 바와 같이, 분무각(β)을 크게 하여, 첨가제의 배기 가스에 대한 혼합·증발을 촉진하는 것이 바람직하다.
상기 서술한 구성에 있어서, 접속 통로부(2)의 상류에는, 촉매(10)의 존재가 불가결하다. 즉, 도 9(a)에 나타내는 바와 같이, 접속 통로부(2)의 상류에 촉매가 존재하는 경우에는, 접속 통로부(2) 내에 배기 가스류가 확산되고, 흐름(C)을 발생시켜, 도 8에 나타내는 양호한 선회류를 발생시키지만, 도 9(b)에 나타내는 바와 같이, 접속 통로부(2)의 상류에 촉매가 존재하지 않는 경우에는, 접속 통로부(2) 내에서 데드 볼륨(D)을 발생시켜, 도 8에 나타내는 양호한 선회류를 발생시킬 수 없다.
도 10(a)∼(i)는, 접속 통로부(2) 내에 있어서 첨가제를 배기 가스에 양호하게 혼합하는 여러가지 실시형태를, 접속 통로부(2)의 상면도로 설명한 것이다. 도 10(a)는, 접속 통로부(2) 내에서의 배기 가스의 선회류(E-E)를 나타내는 것으로, 배기 가스는 접속 통로부(2) 내에서, 서로 역방향을 향하는 2방향으로 나누어져 선회한 후, 출구(4)로부터 배출되어, 배기관(7)(도 6, 7 참조)을 향한다. 그래서, 첨가제를 분사 수단(3)으로부터 도 10(b)와 같이 분사한 경우에는, 첨가제는, 선회류(E-E)를 타고, 도 10(c)와 같이 확산·혼합된다. 또한, 접속 통로부(2) 내의 직경 방향으로, 도 10(d)에 나타내는 바와 같이 펀치 메탈(5)을 삽입한 경우에는, 첨가제는, 도 10(e)와 같이 펀치 메탈(5)에 의해 분산된 후, 선회류(E-E)를 타고 확산·혼합된다. 이 경우, 펀치 메탈을, 도시와 같이 선회류(E-E)를 좌우 대칭으로 양분하는 직경 방향으로 배치하면, 배기 가스의 중앙 유선은, 펀치 메탈과 평행하므로, 펀치 메탈 삽입에 의한 압손의 발생을 회피할 수 있다. 또한, 도 10(f)에 나타내는 바와 같이, 접속 통로부(2)의 형상을 변형하여, 변형부에 첨가제를 분사, 충돌시킨 경우에는, 첨가제는, 도 10(g)와 같이 확산·혼합된다. 여기에서, 첨가제를, 접속 통로부(2)의 출구(4)를 향해 분사하는 경우에는, 도 10(b), (c)와 같이 확산 거리를 충분히 취할 수 없으므로, 도 10(h)와 같이 큰 분무각으로 분사하고, 도 10(i)와 같이, 서로 역방향의 선회류(E-E)에 실어, 그 합류시의 충돌을 이용하여 확산성을 향상시킨다.
도 11(a), (b)는, 상류측 배기 정화 장치를 우회하여, 접속 통로부(2)에 합류하는 바이패스 통로(5)를 구비하고, 분사 수단(3)의 분사구를, 합류부를 향해 첨가제를 분사하도록 배치한 실시형태를 나타낸다.
즉, 도 11(a), (b)에서는, 상류측 배기 정화 장치를 우회하여, 접속 통로부(2)에 합류하는 바이패스 통로(5)를 구비하는 경우에 있어서, 합류부 근방에 첨가제를 첨가하고, 합류에 의한 배기 선회류를 이용하여, 첨가제와 배기를 효과적으로 혼합시킨다. 이 경우, 첨가제의 분사 수단에 대한 그을음 막힘을 회피하기 위해서는, 도 11(a)와 같이, 바이패스 흐름이 접속 통로부(2)에 유입되는 흐름 방향을 따라 첨가제를 분사하면 유리하다.
하류측 배기 정화 장치가, 도 7의 20'의 SCR 장치와 같이, 우레아 첨가에 의한 선택 촉매 환원을 행하는 촉매를 구비하는 경우에는, 분사 수단(3)의 분사구를, 도 12와 같이, 상류측 배기 정화 장치의 촉매(10)의 하단부를 향해 우레아를 분사하여, 촉매(10)의 하단부에 우레아를 충돌시키도록 배치하면 유리하다.
즉, 도 12에서는, 하류측 배기 정화 장치가, 도 7의 20'의 SCR 장치와 같이, 우레아 첨가에 의한 선택 촉매 환원을 행하는 촉매를 구비하는 경우에는, 선택 촉매 환원에 사용하는 우레아는, 상류측의 촉매(10)에 닿아도 발열하는 경우가 없기 때문에, 적극적으로 우레아를 상류측의 촉매(10)에 충돌시켜, 상류측의 촉매 바닥 온도를 이용하여, 우레아의 가수분해를 촉진시키고, 가수분해에 의해 발생한 암모니아의 배기에 대한 확산성을 향상시킨다. 또한, 우레아가 상류측의 촉매(10)에 충돌하는 것에 의한 믹싱 효과에 의해, 확산성을 향상시킬 수 있다.
이상에 있어서, 도 13에 나타내는 바와 같이, 분사된 첨가제의 배기와의 혼합을 촉진하는 분산판(6)을 접속 통로부(2) 내에 설치하여, 첨가제의 배기 가스에 대한 확산성을 더욱 향상시킬 수 있다.
즉, 촉매(10)로부터 배기관(7)(도 6, 7 참조)으로의 접속 통로부(2)에 있어서 첨가제를 배기 중에 혼합·증발시키는 경우에, 접속 통로부(2) 내에 분산판(6)을 배치하여, 첨가제의 배기 중에 대한 혼합을 더욱 촉진시킨다. 접속 통로부(2) 내는 배기 가스의 유속이 비교적 느리기 때문에, 분산판(6)을 배치해도 압손의 발생은 적다. 그래서, 접속 통로부(2) 내에서 배기와 첨가제의 혼합 균일화를 완료하여, 접속 통로부(2)의 하류의 배기관(7) 길이를 단축할 수 있다.
또한, 도 14(b)에 나타내는 바와 같이, 접속 통로부(2)를, 배기관(7)(도 6, 7 참조)의 배기 흐름 방향 중심 축선이, 상류측 배기 장치의 중심 축선과 평행하지 않게, 또한 교차하지 않도록 형성하면, 첨가제의 배기 가스에 대한 혼합을 더욱 촉진할 수 있다.
즉, 도 14(a)에서는, 접속 통로부(2)의 상면도에 있어서, 선회류(E-E)가 좌우 대칭으로 선회하고, 배기 출구(4)로부터 유출되어, 배기관(7)으로 유입되는 배치로 되어 있으나, 도 14(b)와 같이, 배기관(7)(도 6, 7 참조)의 배기 흐름 방향 중심 축선이, 접속 통로부(2)의 중심을 통과하지 않도록 형성하여, 접속 통로부(2) 내의 선회류(E-E)를 비대칭으로 하고, 일방의 선회류(E)가 접속 통로부(2) 내에서 충분히 선회하도록 구성한다. 이와 같이 하여, 상류측의 촉매(10)(도 8 참조)로부터 배기관(7)으로의 접속 통로부(2)에서 발생하는 강한 선회류에 대한 첨가제의 믹싱 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
이상에 있어서, 분사 수단(3)의 첨가제의 분사는, 첨가시의 분사량 또는 분사 간격을 제어함으로써 행하는데, 종래에는, 첨가제의 분사 제어를, 하류측 배기 정화 장치의 촉매(20, 20')(도 6, 7 참조) 입구의 배기 가스 온도만 고려하여 행해 왔다. 그러나, 하류측 배기 정화 장치의 촉매(20, 20') 직전에서 첨가제가 증발하고 있는 경우라도, 분사 수단(3) 직후의 배기관(7)에는 액막이 생성되어 있을 가능성이 있어, 첨가제 고임이나, 그을음 퇴적의 원인이 되고 있다. 그래서, 액막 생성의 주요인인, 첨가제의 부착 면적, 부착 위치의 벽 온도, 첨가제의 분사량 및 분사 간격을 고려하여, 첨가제의 분사 수단(3) 직후의 배기관(7)에 액막을 생성하지 않도록, 상류측 배기 정화 장치(1, 1')의 촉매(12, 13)의 바닥 온도를 상승시킨다.
상기 서술한 경우, 도 15에 나타내는 바와 같이, 분사된 첨가제의 접속 통로부(2)의 벽면에 대한 부착 면적(S)은, 배기 가스 유량(Ga)이나 첨가 위치에 따라 다르기 때문에, 분사된 첨가제가 도달하는 벽면의 면적과, 분사시의 배기 가스 유량(Ga)에 기초하여, 첨가제의 벽면에 대한 부착 면적(S)을 구하는 운전 맵을, 미리 분사 제어 수단에 구비해 둔다.
이상에 의한, 첨가제의 분사량 또는 분사 간격 제어의 플로우차트를 도 16에 나타낸다. 즉, 단계 100에서 접속 통로부(2)의 벽면에 대한 첨가제의 부착 면적(S)을 결정하고, 단계 200에서 접속 통로부(2)의 벽면 온도를 결정한다. 벽면 온도는, 배기 온도 센서의 검출값으로부터 추정할 수 있다. 단계 300에서, 부착 면적(S)과 벽면 온도로부터, 배기관(7)에 액막을 생성하지 않는, 첨가제의 최저 첨가 간격을 결정하고, 이 첨가제의 최저 첨가 간격으로부터, 하류측 배기 정화 장치의 촉매(20, 20')(도 6, 7 참조)의 목표 바닥 온도(T)를 역산한다. 단계 400으로 진행하여, 목표 바닥 온도(T)가, 하류측 배기 정화 장치의 촉매(20, 20')의 재생 온도 이하이면, 단계 500으로 진행하여, 촉매(20, 20')의 재생 온도 이상이 될 때까지 상류측 배기 정화 장치(1, 1')의 촉매(12, 13)의 바닥 온도를 상승시키고, 목표 바닥 온도(T)가, 촉매(20, 20')의 재생 온도 이상이 된 경우에, 단계 600으로 진행하여, 첨가제의 분사를 개시한다.
상기 서술한 제어에 있어서, 배기 가스 유량(Ga)이 큰 경우에는, 도 17에 나타내는 바와 같이, 첨가제가 배기 가스류에 충돌하여 미립화되는 현상이 있다. 즉, 배기관(7)에 액막을 생성하기 어려워진다. 따라서, 동일 부착 면적, 동일 벽 온도에 대하여, 배기 가스 유량(Ga)이 클수록 첨가제의 촉매에 대한 최저 첨가 간격이 길어지고, 상류측 배기 정화 장치(1, 1')의 촉매(12, 13)의 바닥 온도가 낮아도, 배기관(7)에 액막을 생성하지 않는다. 그래서, 단계 300에서의 첨가제의 최저 첨가 간격의 결정에 있어서는, 배기 가스 유량(Ga)에 따라 최저 첨가 간격의 보정을 행하는 것이 바람직하다.
그런데, 촉매 바닥 온도는, 종래, 촉매 하류에 설치한 배기 온도 센서의 검출값, 즉 촉매를 통과한 배기 온도로부터 추정하고 있었다. 그러나, 본 발명에 있어서는, 배기 온도 센서를 접속 통로부(2) 내에 설치하면, 배기 온도 센서에 액체의 첨가제가 부착되어 오계측할 우려가 있고, 또한, 접속 통로부(2) 내에서는 첨가제가 완전히 증발하고 있지 않으므로, 증발량을 알 수 없다. 이 때문에, 촉매(12, 13)의 촉매 바닥 온도를 양호한 정밀도로 추정할 수 없다. 그래서, 배기 온도 센서는, 접속 통로부(2)보다 하류의 배기관(7)에 설치하여, 첨가제가 배기 가스 중에 완전히 증발한 후의 배기 온도를 측정하고, 액체의 첨가제가 완전히 기체가 된 경우의 기화 잠열에 기초하여, 촉매(12, 13)의 촉매 바닥 온도를 추정하는 것이 바람직하다.
이 경우, 배기관(7)에 있어서의 배기 온도 센서의 설치 위치가, 접속 통로부(2)로부터 지나치게 멀어지면, 방열에 의해 배기 온도가 저하되기 때문에, 배기 온도 센서의 설치 위치는 접속 통로부(2)에 가까운 편이 바람직하고, 일 실시예에 있어서는, 접속 통로부(2)의 출구로부터 0mm∼150mm 하류에의 설치가 양호하다.
도 18은, 접속 통로부(2) 내에서 첨가제를 배기 가스에 양호하게 혼합하는, 추가적인 실시형태를 설명한 것으로서, (a)는, 접속 통로부(2)의 단면 방향에서 본 도면이고, (b)는, 접속 통로부(2)의 경사진 상방에서 본 사시도이다. 즉, 이 실시형태에서는, 첨가제를 분사 수단(3)으로부터, 접속 통로부(2)의 분사 수단(3)과 대향하는 벽면의, 배기관을 향하는 구부러짐부를 조준하여 분사한다. 이와 같이 하면, 첨가제가 접속 통로부(2)의 벽면과 광범위하게 접촉하고, 첨가제의 배기 중에 대한 혼합·증발이 양호하게 촉진되어 유리하다.
1, 1' 상류측 배기 정화 장치
2 접속 통로부
3 첨가제 분사 수단
4, 4' 배기 출구 구멍
5 바이패스 통로
6 분산판
7 배기관
10 촉매
11 CCo(산화 촉매 컨버터)
12 NSR 촉매(NOx 흡장 환원 촉매)
13 DPF
20 DPF
20' SCR 장치 또는 NSR 촉매
A 배기 유선
B 배기관에 직통하는 가스 흐름
C 접속 통로부에 확산되는 배기류
D 데드 볼륨
E 선회류
S 연료 투영 면적

Claims (11)

  1. 기관 배기 통로에 설치된 상류측 배기 정화 장치 및 하류측 배기 정화 장치가, 상기 상류측 배기 정화 장치 및 상기 하류측 배기 정화 장치보다 단면적이 작은 배기관으로 접속된, 내연 기관의 배기 정화 장치에 있어서,
    상기 상류측 배기 정화 장치와 상기 하류측 배기 정화 장치 사이에 설치되어, 배기 중의 특정 성분과 반응하는 첨가제를 배기 통로 내에 분사하는 분사 수단과,
    상기 상류측 배기 정화 장치의 촉매의 배기 출구와 상기 배기관을 접속하는 접속 통로부를 구비하고, 상기 상류측 배기 정화 장치를 우회하여, 상기 접속 통로부에서 합류하는 바이패스 통로를 구비하고,
    상기 접속 통로부를, 상기 상류측 배기 정화 장치의 배기 흐름 방향 중심 축선과, 상기 배기관의 배기 흐름 방향 중심 축선이 일치하지 않도록 형성하고,
    상기 분사 수단을 상기 접속 통로부에 배치하고, 상기 첨가제를, 상기 상류측 배기 정화 장치로부터의 배기 흐름을 횡단하여 상기 접속 통로부의 대향하는 벽면에 도달하도록 분사하고,
    상기 첨가제를 상기 배기와 혼합하는, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  2. 삭제
  3. 기관 배기 통로에 설치된 상류측 배기 정화 장치 및 하류측 배기 정화 장치가, 상기 상류측 배기 정화 장치 및 상기 하류측 배기 정화 장치보다 단면적이 작은 배기관으로 접속된, 내연 기관의 배기 정화 장치에 있어서,
    상기 상류측 배기 정화 장치와 상기 하류측 배기 정화 장치 사이에 설치되어, 배기 중의 특정 성분과 반응하는 첨가제를 배기 통로 내에 분사하는 분사 수단과,
    상기 상류측 배기 정화 장치의 촉매의 배기 출구와 상기 배기관을 접속하는 접속 통로부를 구비하고,
    상기 접속 통로부를, 상기 상류측 배기 정화 장치의 배기 흐름 방향 중심 축선과, 상기 배기관의 배기 흐름 방향 중심 축선이 일치하지 않도록 형성하고,
    상기 분사 수단을 상기 접속 통로부에 배치하고,
    또한, 상기 상류측 배기 정화 장치를 우회하여, 상기 접속 통로부에서 합류하는 바이패스 통로를 구비하고, 상기 분사 수단이, 상기 접속 통로부와 상기 바이패스 통로의 합류부를 향해 상기 첨가제를 분사하고, 상기 첨가제를 상기 배기와 혼합하는, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  4. 기관 배기 통로에 설치된 상류측 배기 정화 장치 및 하류측 배기 정화 장치가, 상기 상류측 배기 정화 장치 및 상기 하류측 배기 정화 장치보다 단면적이 작은 배기관으로 접속된, 내연 기관의 배기 정화 장치에 있어서,
    상기 상류측 배기 정화 장치와 상기 하류측 배기 정화 장치 사이에 설치되어, 배기 중의 특정 성분과 반응하는 첨가제를 배기 통로 내에 분사하는 분사 수단과,
    상기 상류측 배기 정화 장치의 촉매의 배기 출구와 상기 배기관을 접속하는 접속 통로부를 구비하고, 상기 상류측 배기 정화 장치를 우회하여, 상기 접속 통로부에서 합류하는 바이패스 통로를 구비하고,
    상기 접속 통로부를, 상기 상류측 배기 정화 장치의 배기 흐름 방향 중심 축선과, 상기 배기관의 배기 흐름 방향 중심 축선이 일치하지 않도록 형성하고,
    상기 분사 수단을 상기 접속 통로부에 배치하고,
    또한, 상기 하류측 배기 정화 장치가, 우레아 첨가에 의한 선택 촉매 환원을 행하는 촉매를 구비하고, 상기 분사 수단이, 상기 상류측 배기 정화 장치의 촉매의 하단부를 향해 상기 첨가제를 분사하여, 상기 촉매의 하단부에 상기 첨가제를 충돌시키고, 상기 첨가제를 상기 배기와 혼합하는, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  5. 제1항, 제3항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접속 통로부가, 상기 상류측 배기 정화 장치의 촉매의 배기 출구 단면적으로부터, 서서히 통로 단면적을 축소하는 통로부를 구비하는, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  6. 제1항, 제3항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    분사된 상기 첨가제의 상기 배기와의 혼합을 촉진하는 분산판을 상기 접속 통로부 내에 설치한, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  7. 제1항, 제3항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접속 통로부를, 상기 배기관의 배기 흐름 방향 중심 축선이, 상기 상류측 배기 정화 장치의 중심 축선과 평행하지 않게, 또한 교차하지 않도록 형성한, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  8. 제1항, 제3항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 첨가제의 첨가시의 분사량 또는 분사 간격을 제어하는 제어 수단을 구비하고, 상기 제어 수단이, 분사된 상기 첨가제의 배기 통로 벽면에 대한 부착 면적과, 상기 벽면의 온도 또는 배기 온도에 기초하여, 분사된 상기 첨가제가 상기 배기관 내에서 액막을 생성하지 않는 분사 조건을 결정하고, 상기 상류측 배기 정화 장치의 촉매의 촉매 바닥 온도를 상승시키는, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  9. 제1항, 제3항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접속 통로부의 하류의 상기 배기관 내의 배기 온도를 측정하는 온도 센서를 구비하고, 상기 측정된 배기 온도를, 분사된 상기 첨가제의 기화 잠열에 기초하여 보정하여, 상기 상류측 배기 정화 장치의 온도를 구하는, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 첨가제를, 상기 접속 통로부의 대향하는 벽면의, 상기 배기관을 향하는 구부러짐부를 조준하여 분사하는, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 접속 통로부가, 상기 상류측 배기 정화 장치의 촉매의 배기 출구 단면적으로부터, 서서히 통로 단면적을 축소하는 통로부를 구비하고, 상기 첨가제를, 상기 접속 통로부의 대향하는 벽면의, 상기 배기관을 향하는 구부러짐부를 조준하여 분사하는, 내연 기관의 배기 정화 장치.
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