KR102011611B1 - 엔진 장치 - Google Patents

엔진 장치

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KR102011611B1
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요시유키 산도우
히로아키 나가나와
카즈마 스기모토
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얀마 가부시키가이샤
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Abstract

탄소계 화합물을 정화하는 제 1 배기가스 정화체(30)를 내장함과 아울러 엔진(1)의 배기 매니폴드(6)와 연통하는 제 1 케이스(28)와, 질소계 화합물을 정화하는 제 2 배기가스 정화체(31~33)를 내장함과 아울러 제 1 케이스(28)의 배기 출구측과 연통하는 제 2 케이스(29)로 배기가스 정화 장치(27)가 구성된다. 제 1 및 제 2 케이스(28, 29)가 엔진(1) 상방에서 엔진(1)의 서로 인접하는 2측면 각각을 따르도록 하여 L자 형상으로 배치되어 있다.

Description

엔진 장치
본원발명은 농업 기계(트랙터, 콤바인) 또는 건설 기계(불도저, 유압식 굴착기, 로더) 등에 탑재하는 디젤엔진 등의 엔진 장치에 관한 것이고, 보다 상세하게는 배기가스 중에 포함된 입자상 물질(매연, 파티큘레이트), 또는 배기가스 중에 포함된 질소 산화 물질(NOx) 등을 제거하는 배기가스 정화 장치가 탑재된 엔진 장치에 관한 것이다.
종래부터, 디젤엔진의 배기 경로 중에 배기가스 정화 장치(배기가스 후처리 장치)로서, 디젤 파티큘레이트 필터를 내설한 케이스(이하, DPF 케이스라고 함)와, 요소 선택 환원형 촉매를 내설한 케이스(이하, SCR 케이스라고 함)를 설치하고, DPF 케이스와 SCR 케이스에 배기가스를 도입하여 디젤엔진으로부터 배출된 배기가스를 정화 처리하는 기술이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1~2 참조).
일본 특허 제 5543563 호 공보 일본 특허 제 5244334 호 공보
특허문헌 1과 같이, DPF 케이스와 SCR 케이스를 평행하게 배치한 배기가스 정화 장치를 엔진에 부속시킨 경우, 엔진 장치에의 설치 면적이 커지기 때문에 엔진 장치가 대형화된다는 문제가 있다. 또한, 상기 배기가스 정화 장치를 엔진 장치 상방에 설치한 경우, 배기가스 정화 장치의 높이만큼 엔진 장치의 높이가 높아지게 되어 버린다.
특허문헌 2에서는 DPF 케이스에 있어서의 연결 파이프의 삽입 부분을 다공 형상으로 함과 아울러, 연결 파이프의 단부에 요소수 분사 노즐을 배치한 구성으로 하여 요소수와 배기가스를 혼합시키는 구성으로 하고 있다. 그러나, 연결관을 충분한 길이로 하지 않으면 요소와 배기가스의 혼합이 불충분하게 되고, 정화 효과가 저하함과 동시에 배기가스 정화 장치가 대형화된다는 문제가 있다.
그래서, 본원발명은 이것들의 현재 상황을 검토하여 개선을 실시한 엔진 장치를 제공하려는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본원발명의 엔진 장치는 탄소계 화합물을 정화하는 제 1 배기가스 정화체를 내장함과 아울러 엔진의 배기 매니폴드와 연통하는 제 1 케이스와, 질소계 화합물을 정화하는 제 2 배기가스 정화체를 내장함과 아울러 상기 제 1 케이스의 배기 출구측과 연통하는 제 2 케이스로 배기가스 정화 장치가 구성되는 엔진 장치로서, 상기 제 1 및 제 2 케이스가 상기 엔진 상방에서 상기 엔진의 서로 인접하는 2측면 각각을 따르도록 하여 L자 형상으로 배치되어 있는 것이다.
상기 엔진 장치에 있어서, 상기 제 1 케이스와 상기 배기 매니폴드 사이에 터보 과급기가 설치되어 있고, 상기 제 1 케이스와 상기 터보 과급기가 상기 엔진의 제 1 측면에 설치된 상기 배기 매니폴드 상방에서 직렬로 연결되어 있는 것으로 해도 좋다.
상기 엔진 장치에 있어서, 상기 제 1 측면과 교차하는 상기 엔진의 제 2 측면에 플라이휠 하우징이 설치되어 있고, 상기 플라이휠 하우징 상방에 상기 제 2 케이스가 배치된 것으로 해도 좋다.
상기 엔진 장치에 있어서, 상기 제 1 케이스의 하측에 상기 제 2 케이스가 설치됨과 아울러, 상기 제 1 케이스와 상기 제 2 케이스가 평면으로 볼 때에 서로 겹치는 위치에서 요소 혼합관을 통해서 연결되어 있는 것으로 해도 좋다.
상기 엔진 장치에 있어서, 상기 제 1 케이스는 평면으로 볼 때에 상기 제 2 케이스와 겹치는 위치이고 상기 요소 혼합관의 삽입 위치와 다른 외주면에, 상기 제 1 케이스 내에 요소수를 분사하는 요소수 분사체가 고정되어 있는 것으로 해도 좋다.
상기 엔진 장치에 있어서, 상기 제 2 배기가스 정화체의 일부가 입자상 물질의 포집용 필터에 요소 선택 촉매 환원용 촉매 성분을 도포한 SCR 필터인 것으로 해도 좋다.
상기 엔진 장치에 있어서, 요소 혼합관 내에 요소수를 분사하는 요소수 분사체가 상기 제 1 케이스의 배기 출구측에 설치됨과 아울러, 상기 제 1 케이스의 배기 출구측 및 상기 제 2 케이스의 배기 입구측에 상기 요소 혼합관의 양단이 삽입되어 상기 제 1 및 제 2 케이스가 연통되어 있는 것이다.
상기 엔진 장치에 있어서, 상기 요소 혼합관의 상기 제 1 케이스 삽입 부분은 상기 요소수 분사체를 향하여 연장 설치됨과 아울러, 상기 제 1 배기가스 정화체를 통과하는 배기가스를 상기 요소 혼합관 내에 도입하는 배기 도입구가 관벽에 천공 형성되어 있는 것으로 해도 좋다.
상기 엔진 장치에 있어서, 상기 요소 혼합관의 상기 제 2 케이스 삽입 부분에 있어서의 선단 부분이 앞이 좁아진 형상을 가짐과 아울러, 상기 제 2 케이스 내벽면으로부터 이간시킨 위치까지 연장 설치되는 것으로 해도 좋다.
상기 엔진 장치에 있어서, 상기 요소 혼합관의 상기 제 2 케이스 삽입 부분에 배기가스에 요소수를 교반 혼합시키는 믹서가 내장되는 것으로 해도 좋다.
또한, 상기 엔진 장치에 있어서, 상기 요소 혼합관의 상기 제 1 케이스 삽입 부분에 배기가스에 요소수를 교반 혼합시키는 믹서가 내장되는 것으로 해도 좋다.
상기 엔진 장치에 있어서, 상기 제 1 케이스의 하측에 상기 제 2 케이스가 설치됨과 아울러, 상기 제 1 케이스와 상기 제 2 케이스가 평면으로 볼 때에 서로 겹치는 위치에서 상기 요소 혼합관을 통해서 연결되어 있는 것으로 해도 좋다.
(발명의 효과)
본원발명에 의하면, 엔진 상방에서 제 1 및 제 2 케이스를 L자 형상으로 배치함으로써, 엔진 상방에서 구성되는 공간에 제 1 및 제 2 케이스를 분산시켜 배치할 수 있기 때문에 엔진 장치의 상면측 높이를 낮게 형성할 수 있다. 그 때문에, 배기가스 정화 장치를 구비하는 엔진 장치의 대형화를 억제하고, 작업 기계 등에 있어서의 엔진룸의 제한된 공간 내에 엔진 장치를 컴팩트하게 탑재할 수 있다.
본원발명에 의하면, 배기 매니폴드 상에 터보 과급기와 제 1 케이스를 컴팩트하게 배치할 수 있기 때문에 엔진 장치의 상면측 높이를 낮게 형성할 수 있을뿐만 아니라, 배기 매니폴드 출구로부터 제 1 케이스까지의 통로를 단척화할 수 있다. 또한, 배기 매니폴드를 통해서 터보 과급기 및 제 1 케이스를 엔진 측면에 고강성으로 지지할 수 있다.
본원발명에 의하면, 플라이휠 하우징 상에 제 2 케이스를 배치한 구성으로 함으로써 플라이휠 하우징 상방의 공간에 제 2 케이스도 컴팩트하게 배치할 수 있기 때문에, 엔진 장치에 배기가스 정화 장치를 탑재했을 때의 대형화를 억제할 수 있다.
본원발명에 의하면, 제 1 케이스의 하측에 제 2 케이스가 설치됨과 아울러, 제 1 케이스와 제 2 케이스가 평면으로 볼 때에 서로 겹치는 위치에서 요소 혼합관 을 통해서 연결된 구조로 함으로써 제 1 케이스 및 제 2 케이스의 연결 부분을 단척화할 수 있다. 따라서, 요소 혼합관을 통과하는 배기가스가 외기로부터 받는 온도적 영향을 억제할 수 있기 때문에 배기가스 정화 장치 내에 있어서 요소 성분의 결정 덩어리가 형성되는 것을 저감시킬 수 있다. 이에 따라, 요소 결정 덩어리의 성장 등으로 배기가스 정화 장치 내의 배기 저항이 증대하는 것을 용이하게 방지할 수 있다.
본원발명에 의하면, 요소수 분사체를 제 1 케이스에 설치함으로써 제 1 케이스와 유닛화할 수 있기 때문에, 배기가스 정화 장치를 엔진 장치에 탑재시킬 때에 그 조립성을 향상시킬 수 있다.
본원발명에 의하면, 제 2 케이스에 SCR 필터를 설치함으로써 제 1 케이스에 포집용 필터를 생략할 수 있고 제 1 케이스를 소형화할 수 있기 때문에, 배기가스 정화 장치를 탑재시킨 엔진 장치를 컴팩트하게 구성할 수 있다.
본원발명에 의하면, 요소수 분사체를 제 1 케이스에 설치함으로써 제 1 케이스와 유닛화할 수 있기 때문에, 배기가스 정화 장치를 엔진 장치에 탑재시킬 때에 그 조립성을 향상시킬 수 있다. 또한, 요소 혼합관의 양단이 제 1 및 제 2 케이스 각각에 삽입되는 구성을 갖기 때문에, 요소 혼합관 내를 배기가스에 의한 온도 분위기에 의해 고온으로 유지할 수 있고, 분사된 요소수 내의 요소 성분에 의한 결정화를 억제할 수 있다.
본원발명에 의하면, 배기 도입구를 요소 혼합관의 관벽에 설치함으로써 요소 혼합관 내를 흐르는 배기가스의 유속을 균일화할 수 있기 때문에, 요소 혼합관 내를 향하여 요소수 분사체로부터 분사된 요소수가 교반 분산되기 쉬워져 저온에서의 요소 성분의 증발성이 향상됨과 아울러, 배기가스와 요소 성분의 반응 효율을 높일 수 있다.
본원발명에 의하면, 요소 혼합관의 출구측 선단 부분에 스로틀을 설치한 형상을 가짐으로써 요소 혼합관의 출구측 선단의 내벽면에 요소수를 충돌시키기 때문에, 미반응의 요소 성분을 증발시킴으로써 제 2 케이스 내에서의 배기가스와 요소 성분의 반응을 촉진시킬 수 있다. 또한, 요소 혼합관의 출구측 선단을 제 2 케이스로부터 이간시킴으로써 제 2 케이스의 내벽면에의 요소 성분의 도달을 방지할 수 있고, 제 2 케이스 내벽면에 있어서의 결정 덩어리의 형성을 억제할 수 있다.
본원발명에 의하면, 요소 혼합관에 내장되는 믹서를 제 1 또는 제 2 케이스 내에 배치함으로써 믹서의 온도 저하를 억제할 수 있다. 또한, 요소 혼합관 내에서 유속이 균일화된 배기가스가 믹서에 흘러들어옴으로써 믹서에 있어서의 선회성에 불균형이 없어지기 때문에, 배기가스에 요소수가 혼합되기 쉬워져 요소 성분의 증발성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 믹서에 있어서의 요소 성분의 결정화를 방지할 수 있을뿐만 아니라 배기가스와 요소 성분의 반응을 촉진시킬 수 있음과 아울러, 액적 형상의 요소수가 제 2 케이스에 침입하는 것을 억제할 수 있다.
본원발명에 의하면, 제 1 케이스의 하측에 제 2 케이스가 설치됨과 아울러, 제 1 케이스와 제 2 케이스가 평면으로 볼 때에 서로 겹치는 위치에서 요소 혼합관 을 통해서 연결된 구조로 함으로써 제 1 케이스 및 제 2 케이스의 연결 부분을 단척화할 수 있다. 따라서, 요소 혼합관을 통과하는 배기가스가 외기로부터 받는 온도적 영향을 억제할 수 있기 때문에, 배기가스 정화 장치 내에 있어서 요소 성분의 결정 덩어리가 형성되는 것을 저감시킬 수 있다. 이에 따라, 요소 결정 덩어리의 성장 등으로 배기가스 정화 장치 내의 배기 저항이 증대하는 것을 용이하게 방지할 수 있다.
도 1은 제 1 실시형태를 나타내는 디젤엔진의 우측면도이다.
도 2는 동좌측면도이다.
도 3은 동평면도이다.
도 4는 동배면도이다.
도 5는 제 1 실시형태에 있어서의 배기가스 정화 장치의 우측단면 설명도이다.
도 6은 동배단면 설명도이다.
도 7은 요소 혼합관의 제 1 변형예를 나타내는 배기가스 정화 장치의 우측단면 설명도이다.
도 8은 동배단면 설명도이다.
도 9는 요소 혼합관의 제 2 변형예를 나타내는 배기가스 정화 장치의 우측단면 설명도이다.
도 10은 동배단면 설명도이다.
도 11은 제 2 실시형태를 나타내는 디젤엔진의 우측면도이다.
도 12는 동평면도이다.
도 13은 동배면도이다.
도 14는 제 2 실시형태에 있어서의 배기가스 정화 장치의 배단면 설명도이다.
도 15는 디젤엔진을 탑재한 작업 차량의 측면도이다.
도 16은 동작업 차량의 평면도이다.
도 17은 제 3 실시형태를 나타내는 디젤엔진의 배면도이다.
도 18은 디젤엔진을 탑재한 트랙터의 좌측면도이다.
도 19는 동평면도이다.
<제 1 실시형태>
이하에, 본 발명을 구체화한 제 1 실시형태를 도면(도 1~도 6)에 의거하여 설명한다. 도 1은 디젤엔진(1)의 배기 매니폴드(6)가 설치된 우측면도, 도 2는 디젤엔진(1)의 흡기 매니폴드(3)가 설치된 좌측면도, 도 3은 디젤엔진(1)의 헤드 커버(12)가 설치된 평면도, 도 4는 디젤엔진(1)의 플라이휠 하우징(8)이 설치된 배면도이다. 또한, 배기 매니폴드(6)가 설치된 측을 디젤엔진(1)의 우측면이라고 하고, 흡기 매니폴드(3)가 설치된 측을 디젤엔진(1)의 좌측면이라고 하고, 냉각팬(24)이 설치된 측을 디젤엔진(1)의 정면이라고 한다.
도 1~도 4를 참조하면서, 디젤엔진(1)의 전체 구조에 대해서 설명한다. 디젤엔진(1)의 실린더 헤드(2)의 일측면에는 흡기 매니폴드(3)가 배치되어 있다. 실린더 헤드(2)는 엔진 출력축(4)(크랭크축)과 피스톤(도시생략)이 내장된 실린더 블록(5)에 상재되어 있다. 실린더 헤드(2)의 타측면에 배기 매니폴드(6)가 배치되어 있다. 실린더 블록(5)의 정면과 배면으로부터 엔진 출력축(4)의 전단과 후단을 돌출시키고 있다.
실린더 블록(5)의 배면에 플라이휠 하우징(8)을 고착하고 있다. 플라이휠 하우징(8) 내에 플라이휠(9)을 설치한다. 엔진 출력축(4)의 후단측에 플라이휠(9)을 축 지지시키고 있다. 플라이휠(9)을 통해서 디젤엔진(1)의 동력을 인출하도록 구성되어 있다. 또한, 실린더 블록(5)의 하측면에는 오일팬(11)이 배치되어 있다. 그리고, 실린더 헤드(2)의 상측면에 헤드 커버(12)가 배치되어 있다.
흡기 매니폴드(3)에는 재순환용 배기가스를 도입하는 배기가스 재순환 장치(EGR)(15)를 배치한다. 에어클리너(도시생략)가 터보 과급기(17)의 컴프레셔 케이스(25)를 통해서 흡기 매니폴드(3)에 접속된다. 에어클리너에서 제진·정화된 외부 공기는 컴프레셔 케이스(25)를 통해서 흡기 매니폴드(3)로 이송되고, 디젤엔진(1)의 각 기통에 공급되도록 구성되어 있다. 상기 구성에 의해, 디젤엔진(1)으로부터 배기 매니폴드(6)로 배출된 배기가스의 일부가 배기가스 재순환 장치(15)를 통해서 흡기 매니폴드(3)로부터 디젤엔진(1)의 각 기통으로 환류됨으로써 디젤엔진(1)의 연소 온도가 떨어지고, 디젤엔진(1)으로부터의 질소 산화물(NOx)의 배출량이 저감되고 또한 디젤엔진(1)의 연료 소비율이 향상된다.
배기 매니폴드(6)의 상방에는 터보 과급기(17)를 배치하고 있다. 터보 과급기(17)는 블로어 포일 내장의 컴프레셔 케이스(25)와, 터빈 포일 내장의 터빈 케이스(26)를 구비하고 있다. 배기 매니폴드(6)의 출구부에 터빈 케이스(26)의 배기 도입측을 연결한다. 터빈 케이스(26)의 배기 배출측은 배기가스 정화 장치(27)의 배기 도입측과 연결되어 있다. 즉, 디젤엔진(1)의 각 기통으로부터 배기 매니폴드(6)에 배출한 배기가스는 터보 과급기(17) 및 배기가스 정화 장치(27) 등을 경유해서 외부로 방출된다.
또한, 실린더 블록(5)내와 라디에이터(19)(도 16 참조)에 냉각수를 순환시키는 냉각수 펌프(21)를 구비한다. 디젤엔진(1)의 냉각팬(24) 설치측에 냉각수 펌프(21)를 배치한다. 엔진 출력축(4)에 V 벨트(22) 등을 통해서 냉각수 펌프(21) 및 냉각팬(24)을 연결하고, 냉각수 펌프(21) 및 냉각팬(24)을 구동한다. 냉각수 펌프(21)로부터, 배기가스 재순환 장치(15)의 EGR 쿨러(18)를 통해서 실린더 블록(5) 내에 냉각수를 이송시키는 한편, 냉각팬(24)에 의한 냉각풍으로 디젤엔진(1)을 냉각하도록 구성되어 있다.
디젤엔진(1)의 각 기통으로부터 배출된 배기가스를 정화하기 위한 배기가스 정화 장치(27)로서, 디젤엔진(1)의 배기가스 중의 입자상 물질을 제거하는 산화 촉매(DOC)로서의 제 1 배기가스 정화 케이스(28)(이하, 제 1 케이스(28)라고 함)와, 디젤엔진(1)의 배기가스 중의 질소 산화 물질을 제거하는 요소 선택 촉매 환원 필터(SCRF) 시스템으로서의 제 2 배기가스 정화 케이스(29)(이하, 제 2 케이스(29)라고 함)를 구비한다.
DOC 케이스로서의 제 1 케이스(28)에는 산화 촉매(30)가 배기가스 정화체로서 내설된다. 산화 촉매(30)는, 예를 들면 월 스루 타입의 세라믹제 허니콤이나 금속제의 메쉬 등에 일산화탄소(CO)나 탄화수소(HC)의 산화 반응을 촉진시키는 촉매 성분(예를 들면, Pt(백금)나 Pd(팔라듐) 등)을 담지한 구조로 되어 있다. 따라서, 디젤엔진(1)의 배기가스가 제 1 케이스(28)를 통과함으로써 배기가스 중의 일산화탄소(CO)나 탄화수소(HC)가 저감한다.
SCRF 케이스로서의 제 2 케이스(29)에는 요소 선택 촉매 환원용 SCR 필터(31)와, 요소 선택 촉매 환원용 SCR 촉매(32)와, 암모니아 슬립 촉매(ASC)(33)가 배기가스 정화체로서 내설된다. SCR 필터(31)는 입자상 물질(PM)의 포집용 필터에 SCR 촉매 성분을 도포하는 등 하여 구성된다. SCR 필터(31)는, 예를 들면 월 스루 타입의 세라믹제 허니콤에 NOx의 선택 촉매 환원을 촉진하는 촉매 성분(SCR 촉매 성분)을 담지한 구조로 되어 있다. SCR 촉매(32)는, 예를 들면 월 스루 타입의 세라믹제 허니콤이나 금속제 메쉬 등에 SCR 촉매 성분을 담지한 구조로 되어 있다. 암모니아 슬립 촉매(33)는 SCR 필터(31) 및 SCR 촉매(32)로 반응하지 않는 암모니아를 산화하는 산화 촉매이다. 따라서, 디젤엔진(1)의 배기가스가 제 2 케이스(29)를 통과함으로써 배기가스 중의 질소 산화 물질(NOx)이 저감한다.
제 1 케이스(28)는 평면으로 볼 때에 디젤엔진(1)의 출력축(크랭크축)(4)과 평행하게 길게 연장된 장척 원통 형상으로 구성되어 있다. 제 2 케이스(29)는 평면으로 볼 때에 디젤엔진(1)의 출력축(4)과 교차하는 직교 방향으로 길게 연장된 장척 원통 형상으로 구성되어 있다. 즉, 배기가스 정화 장치(27)는 장척 원통 형상의 제 1 케이스(28) 및 제 2 케이스(29)를 평면으로 볼 때 L자 형상으로 배치하여 구성되어 있고, 디젤엔진(1)의 실린더 헤드(2) 외주에 따르도록 배치되어 있다.
제 1 케이스(28)는 배기가스 입구측이 터보 과급기(17)에 있어서의 터빈 케이스(26)의 배기가스 출구에 연결됨과 아울러, 그 길이 중도부가 케이스 지지 브래킷(34)을 통해서 실린더 헤드(2)와 연결되어 있다. 제 1 케이스(28)는 실린더 헤드(2)의 일측방(우측방)에 있어서, 터보 과급기(17)와 대략 동일 높이에서 일직선 상에 배치된다. 즉, 제 1 케이스(28)와 터보 과급기(17)가 배기 매니폴드(6) 상방에서 직렬로 연결되어 있다. 따라서, 배기가스 정화 장치(27)의 제 1 케이스(28)를 설치한 경우에도, 디젤엔진(1)의 높이가 낮게 억제할 수 있고, 공간적인 제한이 있는 엔진룸에도 설치 가능해진다.
제 2 케이스(29)는 케이스 지지 브래킷(35)을 통해서 플라이휠 하우징(8) 상방에 고정되어 있다. 제 2 케이스(29)는 제 1 케이스(28)보다 낮은 위치에 배치된다. 이 때, 제 1 케이스(28)의 배기가스 하류 부분(28a)과 제 2 케이스(29)의 배기가스 상류 부분(29a)이 상하로 겹치는 위치에서 배치되도록 하고, 제 1 케이스(28) 및 제 2 케이스(29)가 L자 형상으로 배치된다. 제 1 케이스(28)와 제 2 케이스(29)는 배기 연통관(36)에 의해, 서로 상하로 겹치는 배기가스 하류 부분(28a)과 배기가스 상류 부분(29a)으로 연결되어 있다. 제 1 케이스(28)는 평면으로 볼 때에 제 2 케이스(29)와 겹치는 위치이고 배기 연통관(36)의 설치 위치와 다른 외주면에, 제 1 케이스(28) 내에 요소수를 분사하는 요소수 분사체(76)가 고정되어 있다.
제 1 케이스(28)가 터보 과급기(17) 및 케이스 지지 브래킷(34)에 의해 디젤엔진(1)의 배기 매니폴드(6)측 측면(우측면)에 고강성으로 지지되는 한편, 제 2 케이스(29)가 제 1 케이스(28) 및 케이스 지지 브래킷(35)에 의해 디젤엔진(1)의 플라이휠 하우징(8)측 측면(배면)에 고강성으로 지지된다. 따라서, 배기가스 정화 장치(27)는 실린더 헤드(2)의 외주 위치이고, 배기 매니폴드(6) 및 플라이휠 하우징(8) 상방의 공간에 고강성으로 지지될 수 있음과 동시에, 배기가스 정화 장치(27)를 구비한 디젤엔진(1)을 컴팩트하게 구성할 수 있다.
제 1 케이스(28)는 배기가스 하류 부분(28a)의 단면이 배기가스 정화체 설치 부분(28b)의 단면보다 작아지도록, 배기가스 하류측에 향하여 수축시킨 형상을 갖고 있다. 제 1 케이스(28)는 배기가스 하류 부분(28a)을 배기가스 정화체 설치 부분(28b)보다 내측에 설치되어 있다. 이에 따라, 배기가스 하류 부분(28a)의 외주면이 배기가스 정화체 설치 부분(28b)의 외주면보다 내측에 위치하기 때문에, 배기가스 하류 부분(28a) 외주에 요소수 분사체(76)를 설치할 수 있는 공간을 구성할 수 있다.
제 2 케이스(29)는 배기가스 상류 부분(29a)의 단면이 배기가스 정화체(31~33) 설치 부분(29b)의 단면보다 작아지도록 배기가스 상류측에 향하여 수축시킨 형상을 갖고 있다. 제 1 케이스(28)는 배기가스 하류 부분(28a)을 배기가스 정화체 설치 부분(28b) 각각의 하단이 동등한 높이가 되는 위치에 설치되어 있다. 이에 따라, 상하 방향의 다른 위치에서 서로 겹치도록 배치되는 제 1 케이스(28)의 배기가스 하류 부분(28a)과 제 2 케이스(29)의 배기가스 상류 부분(29a) 사이에 충분한 공간을 설치할 수 있다. 따라서, 배기가스 하류 부분(28a)과 배기가스 상류 부분(29a)을 연결하는 배기 연통관(36)에 내장되는 요소 혼합관(39)이 요소수와 배기가스를 충분하게 혼합시킬 수 있는 길이가 된다.
디젤엔진(1)의 다기통분의 각 인젝터(도시생략)에, 도 15(도 16)에 나타내는 연료 탱크(45)를 접속하는 연료 펌프(42)와 커먼레일(43)을 구비한다. 실린더 헤드(2)의 흡기 매니폴드(3) 설치측에 커먼레일(43)과 연료 필터(44)를 배치하고, 흡기 매니폴드(3) 하방의 실린더 블록(5)에 연료 펌프(42)를 배치하고 있다. 또한, 상기 각 인젝터는 전자 개폐 제어형 연료 분사 밸브(도시생략)를 갖는다.
연료 탱크(45) 내의 연료가 연료 필터(44)를 통해서 연료 펌프(42)에 흡입되는 한편, 연료 펌프(42)의 토출측에 커먼레일(43)이 접속되어 원통 형상의 커먼레일(43)이 디젤엔진(1)의 각 인젝터에 각각 접속되어 있다. 또한, 연료 펌프(42)로부터 커먼레일(43)로 압송되는 연료 중 잉여분은 연료 탱크(45)로 되돌아가 고압의 연료가 커먼레일(43) 내에 일시 저장되고, 커먼레일(43) 내의 고압 연료가 디젤엔진(1)의 각 기통(실린더) 내부에 공급된다.
상기 구성에 의해, 상기 연료 탱크(45)의 연료가 연료 펌프(42)에 의해 커먼레일(43)로 압송되어 고압의 연료가 커먼레일(43)에 저장됨과 아울러, 상기 각 인젝터의 연료 분사 밸브가 각각 개폐 제어됨으로써 커먼레일(43) 내의 고압의 연료가 디젤엔진(1)의 각 기통에 분사된다. 즉, 상기 각 인젝터의 연료 분사 밸브를 전자 제어함으로써 연료의 분사 압력, 분사 시기, 분사 기간(분사량)을 고정밀하게 컨트롤할 수 있다. 따라서, 디젤엔진(1)으로부터 배출되는 질소 산화물(NOx)을 저감시킬 수 있다.
이어서, 도 5~도 6을 참조하여, 배기가스 정화 장치(27)의 구성에 대해서 상세하게 설명한다. 도 5 및 도 6에 나타내는 바와 같이, 배기가스 정화 장치(27)는 제 1 내측 케이스(37) 및 제 1 외측 케이스(38)에 의한 이중관 구조인 제 1 케이스(28)와, 제 2 내측 케이스(40) 및 제 2 외측 케이스(41)에 의한 이중관 구조인 제 2 케이스(29)를 배기 연통관(36)으로 연결한 구성을 구비한다. 산화 촉매(30)가 내열 금속 재료제로 대략 원통형의 제 1 내측 케이스(37) 내에 설치되고, 제 1 내측 케이스(37)가 내열 금속 재료제로 대략 원통형의 제 1 외측 케이스(38) 내에 설치된다. 또한, SCR 필터(31), SCR 촉매(32) 및 암모니아 슬립 촉매(33)가 내열 금속 재료제로 대략 원통형의 제 2 내측 케이스(40) 내에 설치되고, 제 2 내측 케이스(40)가 내열 금속 재료제로 대략 원통형의 제 2 외측 케이스(41) 내에 설치된다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 제 1 케이스(28)는 제 1 배기가스 정화체가 되는 산화 촉매(30)의 외측에, 세라믹 파이버제로 매트 형상의 단열재(49)를 통해서 제 1 내측 케이스(37)를 피감시키고 있다. 즉, 산화 촉매(30)와 제 1 내측 케이스(37) 사이에 단열재(49)를 압입하여 산화 촉매(30)를 보호하고 있다. 또한, 제 1 외측 케이스(38)는 제 1 내측 케이스(37)와의 사이에 링 형상의 스페이서(도시생략)가 감합되는 등 하여, 제 1 내측 케이스(37)의 외주면과 제 1 외측 케이스(38)의 내주면이 이간하도록 하여 제 1 내측 케이스(37) 외측에 피감되어 있다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 제 2 케이스(29)는 제 2 배기가스 정화체가 되는 SCR 필터(31), SCR 촉매(32) 및 암모니아 슬립 촉매(33)의 외측에, 세라믹 파이버제로 매트 형상의 단열재(50~52)를 통해서 제 2 내측 케이스(40)를 피감시키고 있다. 즉, SCR 필터(31), SCR 촉매(32) 및 암모니아 슬립 촉매(33)와 제 2 내측 케이스(40) 사이에 단열재(50~52)를 압입하여 SCR 필터(31), SCR 촉매(32) 및 암모니아 슬립 촉매(33)를 보호하고 있다. 또한, 제 2 외측 케이스(41)는 제 2 내측 케이스(40)와의 사이에 링 형상의 스페이서(도시생략)가 감합되는 등 하여, 제 2 내측 케이스(40)의 외주면과 제 2 외측 케이스(41)의 내주면이 이간하도록 하여 제 2 내측 케이스(40) 외측에 피감되어 있다.
제 1 케이스(28)는 도 5 및 도 6에 나타내는 바와 같이, 산화 촉매(30)보다 배기가스 하류측이 되는 배기가스 하류 부분(28a)을 산화 촉매(30)의 설치되는 배기가스 정화체 설치 부분(28b)보다 단경으로 구성되어 있다. 즉, 제 1 내측 케이스(37) 및 제 1 외측 케이스(38)는 함께 배기가스 하류 부분(28a)이 배기가스 정화체 설치 부분(28b)보다 단경이 된다. 또한, 제 1 내측 케이스(37) 및 제 1 외측 케이스(38)는 배기가스 하류 부분(28a)에 관통 구멍(53~56)이 상하에 설치되어 있다.
제 1 내측 케이스(37) 및 제 1 외측 케이스(38)의 상방의 관통 구멍(53, 54)에는 요소수 분사체(76)가 고정되는 분사체 설치용 케이스(57)가 삽입된다. 분사체 설치용 케이스(57)는 그 외주면이 제 1 내측 케이스(37) 및 제 1 외측 케이스(38)의 관통 구멍(53, 54)의 내측 둘레가장자리와 접촉하도록, 제 1 내측 케이스(37) 및 제 1 외측 케이스(38)의 배기가스 하류 부분(28a) 상방에 고정되어 있다. 이에 따라, 요소수 분사체(76)로부터의 요소수를 제 1 내측 케이스(37) 내로 유도할 수 있음와 아울러, 제 1 내측 케이스(37)와 제 1 외측 케이스(38) 사이의 공간에 요소수나 배기가스가 침입하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 제 1 내측 케이스(37)의 관통 구멍(55)에는 요소 혼합관(39)이 삽입되고, 제 1 외측 케이스(38)의 관통 구멍(56)에는 요소 혼합관(39)과 함께 요소 혼합관(39)의 외주를 덮는 배기 연통관(36)이 삽입된다. 배기 연통관(36)은 그 배기가스 상류측의 선단 부분이 제 1 내측 케이스(37)의 외주면이고 관통 구멍(55) 외측 부분에 접촉함과 아울러, 그 외주면이 제 1 외측 케이스(38)의 관통 구멍(56)의 내측 둘레가장자리와 접촉하도록 제 1 내측 케이스(37) 및 제 1 외측 케이스(38)의 배기가스 하류 부분(28a) 하방으로 고정되어 있다. 요소 혼합관(39)은 그 외주면이 제 1 내측 케이스(37)의 관통 구멍(55)의 내측 둘레가장자리와 접촉하도록 하여 고정시킴와 아울러, 그 배기가스 상류측의 선단 부분이 분사체 설치용 케이스(57)까지 삽입된다. 이에 따라, 제 1 케이스(28)와 제 2 케이스(29)의 연결 부분을 단열성이 높은 이중관 구조로 할 수 있음와 아울러, 제 1 내측 케이스(37)와 제 1 외측 케이스(38) 사이의 공간에 요소수나 배기가스가 침입하는 것을 방지할 수 있다.
제 1 내측 케이스(37) 및 제 1 외측 케이스(38)의 배기 출구측 단부에 원판 형상의 배기 출구측 내뚜껑체(58)를 고착하고, 이 배기 출구측 내뚜껑체(58)의 외면측에 배기 출구측 외뚜껑체(59)가 고정되어 있다. 그리고, 산화 촉매(30)의 배기가스 하류측 단면과 배기 출구측 내뚜껑체(58)가 일정 거리만큼 이간되어 있고, 배기가스 하류 부분(28a)에 있어서의 제 1 내측 케이스(37) 내측에는 산화 촉매(30)와 배기 출구측 내뚜껑체(58) 사이에 요소 혼합관(39)이 외부로부터 삽입되는 상류측 요소 혼합실(60)이 구성된다.
제 2 케이스(29)는 도 5 및 도 6에 나타내는 바와 같이, SCR 필터(31)보다 배기가스 상류측이 되는 배기가스 상류 부분(29a)을, SCR 필터(31), SCR 촉매(32) 및 암모니아 슬립 촉매(33)의 설치되는 배기가스 정화체 설치 부분(29b)보다 단경으로 구성되어 있다. 즉, 제 2 내측 케이스(40) 및 제 2 외측 케이스(41)는 함께 배기가스 상류 부분(29a)이 배기가스 정화체 설치 부분(29b)보다 단경이 된다. 또한, 제 2 내측 케이스(40) 및 제 2 외측 케이스(41)는 배기가스 상류 부분(29a)의 상방에 관통 구멍(61, 62)이 설치되어 있다. 또한, 배기 입구관(63)이 제 2 내측 케이스(40)의 외주면에 설치되고, 배기 입구관(63)의 배기 출구측에서 관통 구멍(61)을 덮음과 아울러, 배기 입구관(63)의 배기 입구측을 제 2 외측 케이스(41)의 관통 구멍(62)보다 외측으로 돌출시키고 있다.
제 2 내측 케이스(40)의 관통 구멍(61)에는 요소 혼합관(39)이 삽입되고, 배기 입구관(63)에는 요소 혼합관(39)과 함께 요소 혼합관(39)의 외주를 덮는 배기 연통관(36)이 삽입된다. 배기 연통관(36)은 그 배기가스 상류측의 선단 부분이 제 2 내측 케이스(40)의 외주면이고 관통 구멍(61) 외측 부분에 접촉함과 아울러, 그 외주면이 배기 입구관(63)의 배기 입구 부분의 내측 둘레가장자리와 접촉하도록 제 2 내측 케이스(40) 및 제 2 외측 케이스(41)의 배기가스 상류 부분(29a) 상방에 고정되어 있다. 요소 혼합관(39)은 그 외주면이 제 2 내측 케이스(40)의 관통 구멍(61)의 내측 둘레가장자리와 접촉하도록 하여 고정됨과 아울러, 그 배기가스 하류측의 선단 부분이 제 2 내측 케이스(40) 내측까지 삽입된다. 이에 따라, 제 1 케이스(28)와 제 2 케이스(29)의 연결 부분을 단열성이 높은 이중관 구조로 할 수 있음과 아울러, 제 2 내측 케이스(40)와 제 2 외측 케이스(41) 사이의 공간에 요소수나 배기가스가 침입하는 것을 방지할 수 있다.
제 2 내측 케이스(40) 및 제 2 외측 케이스(41)의 배기 입구측 단부에 원판 형상의 배기 입구측 내뚜껑체(64)를 고착하고, 이 배기 입구측 내뚜껑체(64)의 외면측에 배기 입구측 외뚜껑체(65)가 고정되어 있다. 그리고, SCR 필터(31)의 배기가스 상류측 단면과 SCR 필터(31)가 일정 거리만큼 이간되어 있고, 배기가스 상류 부분(29a)에 있어서의 제 2 내측 케이스(40) 내측에는 SCR 필터(31)와 배기 입구측 내뚜껑체(64) 사이에 요소 혼합관(39)이 외부로부터 삽입되는 하류측 요소 혼합실(66)이 구성된다.
도 5 및 도 6에 나타내는 바와 같이, 제 1 케이스(28)는 배기가스 하류 부분(28a)에 설치한 분사체 설치용 케이스(57)에, 분사대좌(77)를 통해서 요소수 분사체(76)가 설치되어 있다. 요소수 분사체(76)는 제 1 내측 케이스(37) 내의 상류측 요소 혼합실(60) 내에 요소수 용액을 분무한다. 요소수 분사체(76)는 하방으로 돌출하는 요소수 분사 밸브(78)가 분사대좌(77)에 설치된 노즐 설치 구멍(79)에 삽입되어 있다. 또한, 요소수 분사체(76)에 관통하여 설치된 노즐 설치 구멍(79)의 위치가 분사체 설치용 케이스(57)에 관통하여 설치된 요소수 가이드 구멍(80)의 위치와 일치하도록 분사체 설치용 케이스(57) 상의 요소수 분사체(76)에 설치된다. 따라서, 요소수 분사체(76)의 요소수 분사 밸브(78)로부터 분사되는 요소수는 노즐 설치 구멍(79) 및 요소수 가이드 구멍(80)을 통하여 상류측 요소 혼합실(60) 내에 삽입되어 있는 요소 혼합관(39)의 내부로 유도된다.
도 5 및 도 6에 나타내는 바와 같이, 요소 혼합관(39)은 그 상단측이 되는 혼합관 입구(81)가 제 1 케이스(28)의 배기 출구측에 구성되는 상류측 요소 혼합실(60)에 삽입되는 한편, 그 하단측이 되는 혼합관 출구(82)가 제 2 케이스(29)의 배기 입구측에 구성되는 하류측 요소 혼합실(66)에 삽입된다. 또한, 요소 혼합관(39)은 제 1 케이스(28) 및 제 2 케이스(29) 사이가 되는 중도부의 외주면이 제 1 및 제 2 케이스(28, 29)와 연결한 배기 연통관(36)에 의해 덮여진다. 이에 따라, 요소 혼합관(39)은 제 1 및 제 2 케이스(28, 29)와 배기 연통관(36)에 의해 덮여짐으로써 그 외주면에 단열층이 설치되는 것이 된다. 따라서, 요소 혼합관(39) 내를 고온으로 유지할 수 있기 때문에, 요소 혼합관(39) 내에 있어서 요소 성분에 의한 결정 덩어리의 형성을 억제할 수 있다.
요소 혼합관(39)은 혼합관 입구(81)가 되는 단부를 비스듬히 자른 형상(비스듬히 자른 원주 형상)으로 하고, 산화 촉매(30) 근처의 관벽으로부터 배기 출구측 내뚜껑체(58) 근처의 관벽을 향하여 낮아지고 있다. 즉, 요소 혼합관(39)의 혼합관 입구(81)는 산화 촉매(30) 근처의 관벽을 분사체 설치용 케이스(57) 내주면의 요소수 가이드 구멍(80) 외측 부분에 접촉시켜 산화 촉매(30)측을 닫은 상태로 하는 한편, 배기 출구측 내뚜껑체(58)을 향하여 개구되어 있다. 또한, 요소 혼합관(39)의 혼합관 입구(81)의 내주면은 분사체 설치용 케이스(57)의 요소수 가이드 구멍(80)보다 외주측에 배치된다. 또한, 요소 혼합관(39)은 제 1 케이스(28)에 삽입되어 있는 부분의 관벽을 복수의 배기 도입 구멍(83)을 설치한 다공 형상으로 하고 있다.
요소 혼합관(39)의 혼합관 입구(81)가 산화 촉매(30)을 향하여 관벽이 높아지는 형상을 갖음으로써 산화 촉매(30)를 통과한 배기가스의 대부분이 배기 출구측 내뚜껑체(58)로부터 돌아 들어가도록 하여 요소 혼합관(81) 내에 도입되는 것으로 된다. 따라서, 혼합관 입구(81)에 있어서의 비스듬히 자른 형상의 개구부 및 배기 도입 구멍(83) 각각이 요소 혼합관(39) 내에의 배기 도입구로서 기능함으로써 요소 혼합관(39) 내에 도입된 배기가스의 유속을 균일화할 수 있다. 이에 따라, 요소 혼합관(39) 내의 혼합관 입구(81)를 향하여 요소수 분사 밸브(78)로부터 분사된 요소수가 교반 분산되기 쉬워져 저온에서의 요소 성분의 증발성이 향상됨과 아울러, 배기가스와 요소 성분의 반응 효율을 높일 수 있다.
요소 혼합관(39)은 혼합관 출구(82)가 되는 단부를 선단을 향하여 오므라드는 형상(앞이 오므라드는 형상)으로서 혼합관 출구(82)를 선단을 향하여 단경화함과 아울러, 제 2 케이스(29)에 있어서의 배기 입구관(63)과 역측의 내벽면을 향하여 혼합관 출구(82)를 연장 설치시키고 있다. 요소 혼합관(39)의 혼합관 출구(82)는 제 2 케이스(29)의 제 2 내측 케이스(40) 내에 연장 설치되어 있지만, 제 2 내측 케이스(40)의 내벽면으로부터 이간시킨 위치에 배치되어 있다.
요소 혼합관(39)의 혼합관 출구(82)가 선단에 스로틀을 설치한 형상을 갖음으로써 혼합관 출구(82) 선단의 내벽면에 요소수를 충돌시킨다. 따라서, 배기가스와 미반응 요소 성분을 혼합관 출구(82)와의 충돌에 의해 증발시킴으로써 제 2 케이스(29)의 하류측 요소 혼합실(66) 내에서의 배기가스와 요소 성분의 반응을 촉진한다. 또한, 제 2 내측 케이스(40)의 내벽면에의 요소 성분의 도달을 방지할 수 있고, 제 2 내측 케이스(40) 내벽면에 있어서의 결정 덩어리의 형성을 억제할 수 있다.
요소 혼합관(39)은 배기 도입 구멍(83)의 천공 형성한 위치보다 하류측에 요소수와 배기가스의 혼합을 촉진시키는 믹서(84)를 내장하고 있다. 믹서(84)는 요소 혼합관(39)의 중심축을 축으로 하여 점대칭이 되도록 복수의 날개를 방사상으로 설치하는 등 하여 구성되고, 요소수를 배기가스 중에 분산 교반한다. 믹서(84)는 요소 혼합관(39)의 제 2 케이스(29)에의 삽입 부분(관통 구멍(61, 62)의 설치 위치 근방)에 설치되어 있고, 요소 혼합관(39) 내의 혼합관 출구(82)보다 배기 상류측에 고정되어 있다.
단열성이 높은 제 2 케이스(29) 내에 믹서(84)가 배치되는 것이 되기 때문에, 믹서(84)의 온도 저하를 억제할 수 있다. 또한, 혼합관 입구(81)에서 유속이 균일화된 배기가스가 믹서(84)로 유입됨으로써 믹서(84)에 있어서의 선회성에 불균일이 없어지기 때문에, 배기가스에 요소수가 혼합되기 쉬워져 요소 성분의 증발성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 믹서(84)에 있어서의 요소 성분의 결정화를 방지할 수 있을뿐만 아니라 배기가스와 요소 성분의 반응을 촉진할 수 있음과 아울러, 액적상의 요소수가 제 2 케이스(29)에 침입하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 믹서(84)의 하류측이 되는 혼합관 출구(82)가 앞이 오므라드는 형상을 갖기 때문에, 믹서(84)를 통과한 액적상의 요소수를 혼합관 출구(82)에 충돌시켜 제 2 내측 케이스(40)의 내벽면에의 요소 성분의 도달을 방지하고 있다.
<요소 혼합관의 제 1 변형예>
이어서, 요소 혼합관(39)의 제 1 변형예에 대해서, 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한다. 본 변형예에서는 도 7 및 도 8에 나타내는 바와 같이, 요소 혼합관(39)의 혼합관 입구(81)의 형상을 벨마우스 형상으로 함과 아울러, 그 선단 가장자리를 펼친 형상으로서 분사체 설치용 케이스(57)의 요소수 가이드 구멍(80)보다 외주측에 접촉시킨다. 또한, 요소 혼합관(39)의 제 1 케이스(28) 내에의 삽입 부분에 있어서의 관벽의 일부가 요소 혼합관(39)의 내부로 굴곡되어 있고, 굴곡된 관벽이 요소 충돌판(85)으로서 구성된다. 또한, 요소 혼합관(39)의 관벽 중 요소 충돌판(85)이 노치되어 구성된 개구 부분이 산화 촉매(30)를 통과한 배기가스를 요소 혼합관(39) 내에 도입하는 배기 도입구(86)로서 구성된다.
요소 혼합관(39)은 관벽의 일부를 굴곡시킨 요소 충돌판(85)을 복수 구비하고 있고, 요소 충돌판(85)은 요소 혼합관(39)의 중심측에서 또한 요소수 분사 밸브(78)로부터 떨어진 방향을 향하여 연장 설치되어 있다. 요소 혼합관(39)은 요소 충돌판(85)의 굴곡 위치로부터 하측으로 개구된 배기 도입구(86)를 구비하고 있고, 요소 충돌판(85)의 설치 부분을 단경으로서 오므라드는(스로틀) 형상으로 한다. 요소 혼합관(39)은 요소 충돌판(85)의 설치 부분으로부터 하류측(하측)을 향하여 단면적을 연속적으로 펼친 형상을 갖는다.
요소 혼합관(39)의 혼합관 입구(81)를 벨마우스 형상으로 함으로써 요소수 분사 밸브(78)로부터의 요소 성분이 요소 혼합관(39)의 관벽에 부착되기 어려운 구조가 된다. 또한, 요소 혼합관(39)의 제 1 케이스(28) 내에의 삽입 부분에 있어서, 배기 도입구(86)의 설치 부분에 스로틀을 설치함으로써 배기 도입구(86)로부터 도입되는 배기가스의 유속을 빠르게 할 수 있고, 요소 혼합관(39)의 관벽의 고온화를 촉진시킬 수 있다. 또한, 요소 혼합관(39)의 관벽을 제 1 케이스(28)의 하측 관통 구멍(55, 56)을 향하여 서서히 넓어지는 구성으로 함으로써, 요소 혼합관(39)의 관벽의 온도 저하를 억제할 수 있다. 따라서, 요소 혼합관(39)의 내벽면에 있어서, 요소 성분의 결정 덩어리가 형성되는 것을 저감시킬 수 있고, 상기 요소 결정 덩어리의 성장 등으로 요소 혼합관(39)의 배기 저항이 증대하는 것을 용이하게 방지할 수 있다.
요소 혼합관(39)은 요소수 분사 밸브(78)의 하류측(하측)에 요소 충돌판(85)을 배치하고 있기 때문에, 요소수 분사 밸브(78)로부터 분사한 요소수를 요소 충돌판(85)에 충돌시켜 요소수의 미립자화를 촉진시키고, 요소 성분과 배기가스의 반응을 촉진시킨다. 그리고, 요소 충돌판(85)은 요소수 분사 밸브(78)로부터의 요소수의 분사 방향에 대한 경사각(요소수의 충돌각)을 크게 함으로써, 요소 충돌판(85)을 구성하는 관벽에 요소수의 액막이 형성하기 어려워져 요소 성분에 의한 결정 덩어리의 형성을 억제할 수 있다.
또한, 요소 혼합관(39)에 관벽의 일부에 의해 요소 충돌판(85)을 구성함과 동시에 배기 도입구(86)를 설치함으로써, 요소 충돌판(85)이 고온의 배기가스 중에 노출되어 요소 충돌판(85)을 승온시킬 수 있다. 따라서, 요소수 분사 밸브(78)로부터의 분사된 요소수가 요소 충돌판(85)에 충돌했다고 해도, 요소 충돌판(85)에서 요소 성분에 의한 결정 덩어리의 형성을 억제할 수 있다.
또한, 요소 혼합관(39)의 제 1 케이스(28) 내에의 삽입 부분에 있어서, 혼합관 입구(81)보다 하류측에 스로틀을 설치함과 아울러, 상기 스로틀 위치에 요소 충돌판(85)을 배치시키고 있다. 이에 따라, 요소 충돌판(85)의 구성 부분에 있어서의 배기가스의 유속을 빠르게 할 수 있고, 요소 충돌판(85)에 있어서의 배기가스와의 열교환을 촉진시켜 요소 충돌판(85)을 효과적으로 승온시킬 수 있다.
<요소 혼합관의 제 2 변형예>
이어서, 요소 혼합관(39)의 제 2 변형예에 대해서, 도 9 및 도 10을 참조하여 설명한다. 본 변형예에서는 도 9 및 도 10에 나타내는 바와 같이, 요소 혼합관(39)의 혼합관 출구(82)의 외주면에 복수장의 열교환 핀(87)을 외주측을 향하여 돌출시킨다. 열교환 핀(87)을 혼합관 출구(82)에 설치함으로써, 제 2 케이스(29) 내의 온도 분위기에 의해 하류측 요소 혼합실(66)에 삽입된 혼합관 출구(82)의 관벽의 온도 저하를 억제할 수 있다. 따라서, 혼합관 출구(82)의 관벽에 충돌하는 요소 성분의 증발성을 향상시킬 수 있고, 요소 성분과 배기가스의 반응을 촉진시킨다. 또한, 본 변형예에 있어서, 제 1 변형예의 구성을 조합시키는 것은 가능하다.
<제 2 실시형태>
이하에, 본 발명을 구체화한 제 2 실시형태를 도면(도 11~도 14)에 의거하여 설명한다. 도 11은 디젤엔진(1)의 배기 매니폴드(6)가 설치된 우측면도, 도 12는 디젤엔진(1)의 헤드 커버(12)가 설치된 평면도, 도 13은 디젤엔진(1)의 플라이휠 하우징(8)이 설치된 배면도이다. 또한, 본 실시형태의 엔진 장치에 있어서, 제 1 실시형태의 엔진 장치와 동일한 부품 및 부분에 대해서는 동일한 부호를 첨부하여 그 상세한 설명은 생략한다.
본 실시형태에 있어서의 배기가스 정화 장치(27)의 연결 구조에 대해서, 도 11~도 15을 참조하여 이하에 설명한다. 본 실시형태의 배기가스 정화 장치(27)는 도 11~도 15에 나타내는 바와 같이, 제 1 케이스(28)의 배기가스 하류 부분(28a) 외주면에 있어서 상단보다 내측(헤드 커버(12) 근처)이 되는 위치에 요소수 분사체(76)가 고정되어 있다.
제 1 케이스(28)의 제 1 내측 케이스(37) 및 제 1 외측 케이스(38)는 배기가스 하류 부분(28a)에 있어서, 상단보다 좌측(헤드 커버(12) 근처)이 되는 위치에 관통 구멍(54, 55)을 구비하고 있다. 분사체 설치용 케이스(57)는 제 1 케이스(28)에 설치된 관통 구멍(54, 55)에 대하여, 우측 하측으로 사행하도록 하여 설치되어 있다. 이에 따라, 분사체 설치용 케이스(57)에 있어서의 요소수 분사체(76)의 설치면이 헤드 커버(12)측(좌측)으로 경사한 면이 되고, 요소수 분사체(76)를 경사하여 설치시킨다. 따라서, 디젤엔진(1) 상면의 낮은 위치에 요소수 분사체(76)가 지지되는 것이 되고, 디젤엔진(1)의 상면측 높이를 부피 낮게 형성 가능하게 구성되어 있다.
요소 혼합관(39)은 제 1 케이스(28) 하측으로서 기외측방(우측방)으로부터 제 1 케이스(28) 내에 삽입되어 있고, 혼합관 입구(81)가 요소수 분사체(76)를 향하여(좌측 상방을 향하여) 연장 설치되어 있다. 즉, 그리고 요소 혼합관(39)은 그 혼합관 입구(81)가 제 1 케이스(28) 하측으로서 기외측방(우측방)에 설치된 관통 구멍(55, 56)으로부터 제 1 내측 케이스(37) 내에 삽입된다. 요소 혼합관(39)은 그 중도부를 제 2 케이스(29) 내로 굴곡시키고, 제 2 케이스(29)의 길이 방향에 대하여 직교하도록 하여 제 2 케이스(29) 내에 혼합관 출구(82)가 삽입되어 있다.
배기 연통관(36)이 제 2 케이스(29)의 길이 방향에 대한 직교 방향(수직 방향)으로부터 실린더 헤드(2)측(좌측)으로 경사하도록 하여 경사 설치되어 있다. 그리고, 배기 연통관(36)이 제 2 외측 케이스(41)로부터 돌출되어 있는 배기 입구관(63)과 제 1 외측 케이스(38)의 관통 구멍(56)을 연통하여 요소 혼합관(39)의 중도부 외주면을 덮고 있다. 또한, 요소 혼합관(39)의 굴곡부가 제 2 케이스(29)의 관통 구멍(61, 62) 근방에 설치되어 있고, 배기 연통관(36) 및 배기 입구관(63)으로 피복되어 있다. 배기 연통관(36)의 굴곡 부분을 제 2 케이스(29) 내에 배치시킴으로써 굴곡부의 관벽을 고온으로 승온시킬 수 있기 때문에, 배기 연통관(36)의 내벽면에 충돌하는 요소 성분에 의한 결정화를 억제할 수 있다.
믹서(84)가 요소 혼합관(39)의 제 1 케이스(28) 내에의 삽입 부분에 설치되어 있다. 이 때, 요소 혼합관(39)은 배기 도입 구멍(83)의 천공 형성 위치보다 하류측에 요소수와 배기가스의 혼합을 촉진시키는 믹서(84)를 내장하고 있다. 본 실시형태에서는, 믹서(84)는 제 1 케이스(28)의 하측 관통 구멍(55, 56)의 설치 위치 근방에 설치되어 있다. 믹서(84)가 제 1 케이스(28) 내에 설치됨으로써 믹서(84)를 고온의 배기가스 환경 하에 배치할 수 있고, 믹서(84)에 있어서의 증발 성능을 향상시킬 수 있을뿐만 아니라 요소 성분의 결정 덩어리의 형성을 억제할 수 있고, 배기가스와 요소 성분의 반응을 촉진시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서는 제 1 케이스(28) 내에 믹서(84)가 설치됨으로써 요소 혼합관(39)에 있어서의 믹서(84)로부터 혼합관 출구(82)까지의 거리가 길어지기 때문에, 혼합관 출구(82)로부터 요소 성분이 충분하게 혼합 교반된 배기가스가 배출된다. 그 때문에, 상기 구성에서는 제 1 실시예와 마찬가지로 제 2 케이스(29)에 삽입되는 요소 혼합관(39)의 혼합관 출구(82)를 앞이 오므라드는 형상으로 있는 스로틀을 갖는 것으로 했지만, 혼합관 출구(82)의 관경을 선단까지 동일 직경으로 하는 것이어도 좋다. 또한 본 실시형태에 있어서, 제 1 실시예와 마찬가지로 요소 혼합관(39)의 혼합관 입구(81)측의 형상을 제 1 변형예와 같이 구성해도 상관없고, 또한 제 2 변형예와 같이 요소 혼합관(39)의 혼합관 출구(82)측에 열교환 핀(87)을 설치하는 것이어도 상관없다.
<제 1 및 제 2 실시형태의 적용예>
도 15 및 도 16을 참조하여, 제 1 및 제 2 실시형태에 나타내는 디젤엔진(1)을 백호(back hoe)(100)에 탑재한 구조를 설명한다. 도 15 및 도 16에 나타내는 바와 같이, 백호(100)는 좌우 한 쌍의 주행 크롤러(103)를 갖는 크롤러식의 주행 장치(102)와, 주행 장치(102) 상에 설치된 선회 기체(104)를 구비하고 있다. 선회 기체(104)는 선회용 유압 모터(도시생략)에 의해 360°의 전방위에 걸쳐 수평 선회 가능하게 구성되어 있다. 선회 기체(104)의 전방 좌측부에는 캐빈(조종부)(106)이 탑재되어 있다. 선회 기체(104)의 전방 중앙 부분에는 굴착 작업을 위한 붐(111) 및 버킷(113)을 갖는 작업부(110)가 설치되어 있다. 선회 기체(104)의 후방 부분에는 라디에이터(19) 및 디젤엔진(1)이 탑재되어 있다. 선회 기체(104)의 우측방에게는 연료 탱크(45) 및 요소수 탱크(71)가 탑재되어 있다.
캐빈(106)에는 오퍼레이터가 착석하는 조종 좌석과, 디젤엔진(1) 등을 출력 조작하는 조작 수단이나, 작업부(110)용 조작 수단으로서의 레버 또는 스위치 등이 배치되어 있다. 작업부(110)의 구성 요소인 붐(111)에는 붐 실린더(112)와 버킷 실린더(114)가 배치되어 있다. 붐(111)의 선단부에는 굴착용 어태치먼트로서의 버킷(113)이 스쿱 회동 가능하게 피보팅되어 있다. 붐 실린더(112) 또는 버킷 실린더(114)를 작동시켜 버킷(113)에 의해 토공 작업(작홈 등의 대지 작업)을 실행하도록 구성되어 있다.
선회 기체(104)의 후방 좌측부에 라디에이터(19)가 설치되어 있고, 라디에이터(19)의 우측에는 라디에이터(19)에 냉각팬(24)이 대향하도록 하여 디젤엔진(1)이 설치되어 있다. 디젤엔진(1)은 배기 매니폴드(6)의 설치면이 캐빈(106) 및 작업부(110)에 향하도록 설치되어 있고, 그 상면이 보닛(115)에 의해 덮여져 있다. 또한, 배기가스 정화 장치(27)의 제 1 케이스(28)가 작업부(110) 후방에 배치되어 있고, 제 2 케이스(29)가 제 1 케이스(28)와의 연결 부분으로부터 후방을 향하여 연장 설치되도록 배치된다. 그리고, 제 2 케이스(29)의 배기 출구와 연결한 테일 파이프(116)가 보닛(115) 후방보다 상방에서 돌출되어 있다.
연료 탱크(45) 및 요소수 탱크(71)는 선회 기체(104)의 우측부에서 전후로 배치되어 있고, 연료 탱크(45)의 주유구(46)와 요소수 탱크(71)의 주수구(72)가 우측방을 향하여 돌출되어 있다. 또한, 요소수 탱크(71) 내의 요소수 용액을 압송하는 요소수 분사 펌프(73)가 요소수 탱크(71)와 제 1 케이스(28) 사이가 되는 위치에 설치된다. 이에 따라, 제 1 케이스(28)에 고착된 요소수 분사체(76)와 요소수 펌프(73)를 접속하는 요소수 배관을 단척화할 수 있음과 동시에, 요소수 탱크(71)와 요소수 펌프(73)를 접속하는 요소수 배관도 단척할 수 있다.
<제 3 실시형태>
이하에, 본 발명을 구체화한 제 3 실시형태를 도면(도 17~도 19)에 의거하여 설명한다. 또한, 본 실시형태의 엔진 장치에 있어서, 제 2 실시형태의 엔진 장치와 동일 부품 및 부분에 대해서는 동일한 부호를 첨부하여 그 상세한 설명은 생략한다.
본 실시형태의 디젤엔진(1)은 도 17에 나타내는 바와 같이, 배기가스 정화 장치(27)의 제 1 케이스(28)를 디젤엔진(1) 상면에 설치하는 한편, 제 2 케이스(29)를 원격 배치한 구성이 된다. 제 1 케이스(28)의 배기 출구와 제 2 케이스(29) 배기 입구는 L자 형상이 되는 배기 연결관(177)에 의해 연통됨과 아울러, 배기 연결관(177)이 요소 혼합관(176)을 내장함으로써 제 1 케이스(28) 및 제 2 케이스(29)의 연결 부분이 이중관 구조로 되어 있다.
요소 혼합관(176)은 제 2 실시형태와 마찬가지로 제 1 케이스(28)의 배기가스 하류 부분(28a) 부분에 삽입된 혼합관 입구(81)를 구비하고 있다. 요소 혼합관(176)의 혼합관 입구(81)측의 구성은 제 2 실시형태와 마찬가지로 그 단부가 비스듬히 잘림과 동시에 배기 도입 구멍(83)을 가짐과 아울러, 믹서(84)를 내장한 구성이 된다(도 16 참조).
또한, 요소 혼합관(176)은 제 2 실시형태와 마찬가지로 제 2 케이스(29)의 배기가스 상류 부분(29a) 부분에 삽입된 혼합관 출구(82)를 구비하고 있다. 요소 혼합관(176)의 혼합관 입구(81)측의 구성은 제 2 실시형태와 마찬가지로 선단에 스로틀을 설치한 구성이 된다. 또한, 본 실시형태에 있어서도, 요소 혼합관(176)에 대해서 제 1 및 제 2 실시형태와 마찬가지로 상기 제 1 및 제 2 변형예에 의한 구성을 적용하는 것으로 해도 상관없다.
<제 3 실시형태의 적용 예>
다음에, 도 17~도 19를 참조하여 제 3 실시형태에 있어서의 디젤엔진(1)을 탑재한 트랙터(151)에 대해서 설명한다. 도 17~도 19에 나타내는 바와 같이, 작업 차량으로서의 농작업용 트랙터(151)는 주행기체(152)를 좌우 한 쌍 전차륜(153)과 좌우 한 쌍의 후차륜(154)으로 지지하고, 주행기체(152)의 전방부에 상기 디젤엔진(1)을 탑재하고, 디젤엔진(1)에 의해 후차륜(154) 및 전차륜(153)을 구동함으로써 전후진 주행하도록 구성되어 있다. 디젤엔진(1)의 상면측 및 좌우 측면측은 개폐 가능한 보닛(156)으로 덮여져 있다.
또한, 상기 주행기체(152)의 상면 중, 보닛(156)의 후방에는 오퍼레이터가 탑승하는 캐빈(조종부)(157)이 설치되어 있다. 상기 캐빈(157)의 내부에는 오퍼레이터가 착석하는 조종 좌석(158)과, 조향 수단으로서의 조종 핸들(159) 등의 조종 기기가 설치되어 있다. 또한, 캐빈(157)의 좌우 외측부에는 오퍼레이터가 승강하기 위한 좌우 한 쌍의 스텝(160)이 설치되고, 상기 스텝(160)보다 내측에 또한 캐빈(157)의 바닥보다 하측에는 디젤엔진(1)에 연료를 공급하는 연료 탱크(45)가 설치되어 있다.
또한, 주행기체(152)는 디젤엔진(1)으로부터의 출력을 변속하여 후차륜(154)(전차륜(153))에 전달하기 위한 미션 케이스(161)를 구비한다. 미션 케이스(161)의 후방부에는 로우 링크(162) 및 톱 링크(163) 및 리프트 암(164) 등을 통해서, 도시하지 않은 경전 작업기 등이 승강 이동 가능하게 연결된다. 또한, 미션 케이스(161)의 후측면에, 상기 경전 작업기 등을 구동하는 PTO축(165)이 설치되어 있다. 또한, 트랙터(151)의 주행기체(152)는 디젤엔진(1)과, 미션 케이스(161)와, 그것들을 연결하는 클러치 케이스(166) 등으로 구성된다.
게다가, 캐빈(157)의 전방면 중 캐빈(157) 우측 모서리부에 제 2 케이스(29)를 세로 방향으로 배치되도록 세워 설치시킴과 아울러, 제 2 케이스(29)의 배기 출구측으로부터 테일 파이프(178)를 세워 설치시킨다. 즉, 캐빈(157) 우측 모서리부의 전방면에 테일 파이프(178)와 제 2 케이스(29)가 상하로 직렬 배치되어 있다. 제 2 케이스(29)의 배기 입구관(63)이 중도부에 벨로우즈관 형상 가요관(179)을 갖는 배기 연결관(177)을 통해서, 보닛(156) 내부의 제 1 케이스(28)의 배기 출구와 연결되어 있다.
또한, 캐빈(157)의 전면 중, 테일 파이프(178)가 배치된 우측부와 반대측의 보닛(156)의 좌측부에 요소수 탱크(71)를 설치하고 있다. 즉, 보닛(156) 좌측 후방부의 주행기체(152)(캐빈(157)의 저부 프레임 등)에 요소수 탱크(71)를 탑재한다. 캐빈(157) 좌측의 전방면 하부에 연료 탱크(45)의 주유구(46)와, 요소수 탱크(71)의 주수구(72)를 인접시켜 설치한다. 오퍼레이터의 승강 빈도가 낮은 캐빈(157) 우측의 전방면에 테일 파이프(178)가 배치되는 한편, 오퍼레이터의 승강 빈도가 높은 캐빈(157) 좌측의 전방면에 주유구(46)와 주수구(72)가 배치된다. 또한, 캐빈(157)은 좌측 또는 우측 중 어느 쪽이어도 오퍼레이터가 조종 좌석(158)에 승강 가능하게 구성되어 있다.
또한, 요소수 탱크(71) 내의 요소수 용액을 압송하는 요소수 분사 펌프(73)가 요소수 탱크(71)와 제 1 케이스(28) 사이가 되는 위치에 설치된다. 이에 따라, 제 1 케이스(28)에 고정된 요소수 분사체(76)와 요소수 분사 펌프(73)를 접속하는 요소수 배관을 단척화할 수 있음과 동시에, 요소수 탱크(71)와 요소수 분사 펌프(73)를 접속하는 요소수 배관도 단척할 수 있다. 따라서, 요소수 배관을 효율적으로 배관할 수 있음으로써 배관 작업 및 메인터넌스 작업에 있어서의 번잡함을 해소할 수 있을뿐만 아니라, 요소수 배관에 있어서의 외부 환경의 영향을 저감시킬 수 있고, 요소수 배관 내에 있어서의 요소수의 결정화를 억제할 수 있다.
또한, 본원발명에 있어서의 각부의 구성은 도시의 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 본원발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능하다. 예를 들면, 상기 각 실시형태의 구성을 제 1 배기가스 정화체로서 산화 촉매 및 매연 필터를 구비한 DPF 케이스를 제 1 케이스라고 함과 아울러, 제 2 배기가스 정화체로서 SCR 촉매와 암모니아 슬립 촉매를 구비한 SCR 케이스를 제 2 케이스라고 하는 배기가스 처리 장치에 적용하는 것이어도 상관없다. 또한, 믹서에 대해서도 날개를 고정한 것으로 했지만, 날개를 회전하는 것이어도 상관없다.
1 디젤엔진 27 배기가스 정화 장치
28 제 1 케이스 29 제 2 케이스
30 산화 촉매 31 SCR 필터
32 SCR 촉매 33 암모니아 슬립 촉매
36 배기 연통관 37 제 1 내측 케이스
38 제 1 외측 케이스 39 요소 혼합관
40 제 2 내측 케이스 41 제 2 외측 케이스
76 요소수 분사체 78 요소수 분사 밸브
79 노즐 형성 구멍 80 요소수 가이드 구멍
81 혼합관 입구 82 혼합관 출구
83 배기 도입 구멍 84 믹서
85 요소 충돌판 86 배기 도입구
87 열교환 핀

Claims (12)

  1. 탄소계 화합물을 정화하는 제 1 배기가스 정화체를 내장함과 아울러 엔진의 배기 매니폴드와 연통하는 제 1 케이스와, 질소계 화합물을 정화하는 제 2 배기가스 정화체를 내장함과 아울러 상기 제 1 케이스의 배기 출구측과 연통하는 제 2 케이스로 배기가스 정화 장치가 구성되는 엔진 장치로서,
    상기 제 1 및 제 2 케이스가 상기 엔진 상방에서 상기 엔진의 서로 인접하는 2측면 각각을 따르도록 하여 L자 형상으로 배치되어 있고,
    상기 제 1 케이스의 하측에 상기 제 2 케이스가 설치됨과 아울러, 상기 제 1 케이스와 상기 제 2 케이스가 평면으로 볼 때에 서로 겹치는 위치에서 요소 혼합관 을 통해서 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 엔진 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 케이스와 상기 배기 매니폴드 사이에 터보 과급기가 설치되어 있고, 상기 제 1 케이스와 상기 터보 과급기가 상기 엔진의 제 1 측면에 설치된 상기 배기 매니폴드 상방에서 직렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 엔진 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 측면과 교차하는 상기 엔진의 제 2 측면에 플라이휠 하우징이 설치되어 있고, 상기 플라이휠 하우징 상방에 상기 제 2 케이스가 배치된 것을 특징으로 하는 엔진 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 케이스는 평면으로 볼 때에 상기 제 2 케이스와 겹치는 위치이고 상기 요소 혼합관의 삽입 위치와 다른 외주면에, 상기 제 1 케이스 내에 요소수를 분사하는 요소수 분사체가 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 엔진 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 배기가스 정화체의 일부가 입자상 물질의 포집용 필터에 요소 선택 촉매 환원용 촉매 성분을 도포한 SCR 필터인 것을 특징으로 하는 엔진 장치.
  7. 탄소계 화합물을 정화하는 제 1 배기가스 정화체를 내장함과 아울러 엔진의 배기 매니폴드와 연통하는 제 1 케이스와, 질소계 화합물을 정화하는 제 2 배기가스 정화체를 내장함과 아울러 상기 제 1 케이스의 배기 출구측과 연통하는 제 2 케이스로 배기가스 정화 장치가 구성되는 엔진 장치로서,
    상기 제 1 및 제 2 케이스가 상기 엔진 상방에서 상기 엔진의 서로 인접하는 2측면 각각을 따르도록 하여 L자 형상으로 배치되어 있고,
    요소 혼합관 내에 요소수를 분사하는 요소수 분사체가 상기 제 1 케이스의 배기 출구측에 설치됨과 아울러, 상기 제 1 케이스의 배기 출구측 및 상기 제 2 케이스의 배기 입구측에 상기 요소 혼합관의 양단이 삽입되어 상기 제 1 및 제 2 케이스가 연통되어 있고,
    상기 제 1 케이스의 하측에 상기 제 2 케이스가 설치됨과 아울러, 상기 제 1 케이스와 상기 제 2 케이스가 평면으로 볼 때에 서로 겹치는 위치에서 상기 요소 혼합관을 통해서 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 엔진 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 요소 혼합관의 상기 제 1 케이스 삽입 부분은 상기 요소수 분사체를 향하여 연장 설치됨과 아울러, 상기 제 1 배기가스 정화체를 통과하는 배기가스를 상기 요소 혼합관 내에 도입하는 배기 도입구가 관벽에 천공 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 엔진 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 요소 혼합관의 상기 제 2 케이스 삽입 부분에 있어서의 선단 부분이 앞이 좁아진 형상을 가짐과 아울러, 상기 제 2 케이스 내벽면으로부터 이간시킨 위치까지 연장 설치되는 것을 특징으로 하는 엔진 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 요소 혼합관의 상기 제 2 케이스 삽입 부분에 배기가스에 요소수를 교반 혼합시키는 믹서가 내장되는 것을 특징으로 하는 엔진 장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 요소 혼합관의 상기 제 1 케이스 삽입 부분에 배기가스에 요소수를 교반 혼합시키는 믹서가 내장되는 것을 특징으로 하는 엔진 장치.
  12. 삭제
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