KR102214252B1 - 배기가스 후처리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 가스 흐름, 특히 내연 기관의 배기가스가 관통 안내되는 도관(2), 특히 배기가스 도관과; 상기 도관에 할당된, 액체 매체, 특히 배기가스 후처리제의 계량된 분사를 위한 분사 장치(7)와; 상기 도관(2) 내에서 분사 장치(7)의 하류에 배치되며 하나의 평면(E) 내에 배티된 복수의 공기 안내 요소(14)를 갖는 하나 이상의 혼합 장치(11);를 구비한 장치(1), 특히 배기가스 후처리 장치(1)에 관한 것이다. 상기 평면(E)은 분사 장치(7)의 분사 방향에 대해 적어도 실질적으로 수직으로 배향된다.

Description

배기가스 후처리 장치{EXHAUST GAS POST-TREATMENT DEVICE}
본 발명은, 가스 흐름, 특히 내연 기관의 배기가스가 관통 안내되는 도관, 특히 배기가스 도관과, 상기 도관에 할당된, 액체 매체, 특히 배기가스 후처리제의 계량 분사를 위한 분사 장치와, 상기 도관 내에서 분사 장치의 하류에 배치되며 하나의 평면 내에 배열된 복수의 공기 안내 요소를 갖는 하나 이상의 혼합 장치를 구비한 장치, 특히 배기가스 후처리 장치에 관한 것이다.
상기 유형의 장치는 종래 기술에 이미 공지되어 있다. 내연 기관의 배기가스 내에 함유된 질소 산화물의 저감을 위해, 선택적 촉매 환원법(SCR)이 입증되었다. 이 방법에서, 질소 산화물은 암모니아와 함께 선택적 촉매 컨버터 내에서 질소와 물로 변환된다. 질소 산화물의 촉매 변환을 위해 필요한 환원제가 암모니아 대신 수용성 요소 용액의 형태로 차량 내 저장 탱크 내에 공급되고, 촉매 컨버터 내의 흐름 하류에서 배기가스와의 바람직한 반응을 수행하기 위해, 분사 장치에 의해 내연 기관의 배기가스 내로 분사된다. 또한, 배기가스와 배기가스 후처리제의 혼합을 개선하기 위해, 계량 장치의 하류에 고정식 혼합기로서 배기가스와 배기가스 후처리제의 혼합을 촉진하는 복수의 공기 안내 요소를 구비한 혼합 장치를 제공하는 점이 공지되어 있다. 상응하는 장치가 예를 들어 DE 10 2006 011 890 A1호에 공지되어 있다. DE 100 60 808 A1호에도 상응하는 혼합 장치가 개시되어 있긴 하나, 이 혼합 장치는 계량 장치의 상류에 배치된다.
청구항 제1항의 특징을 갖는 본 발명에 따른 장치는, 액체 매체 또는 배기가스 후처리제가 가스 흐름과 더 양호하게 배합됨으로써, 특히 큰 액적이 작은 액적으로 분열되는 점이 보장되며, 이는 배기가스 내 배기가스 후처리제의 증발 개선을 유도한다. 또한, 본 발명에 따른 구성에 의해, 계량 장치의 반대편에 놓인, 도관 또는 배기가스 도관의 쉘 벽의 면 상에 액적이 남아서 결정성 침전을 초래하는 것이 방지된다. 본 발명에 따른 장치는, 공기 안내 요소들이 배열된 평면이 분사 장치의 분사 방향에 대해 적어도 실질적으로 수직으로 배향되는 것을 특징으로 한다. 분사 장치는 통상, 분사되는 배기가스 후처리제의 분사 코운(spraying cone)이 그 둘레에 형성되는 주 분사 방향 또는 주 분사 축을 갖는다. 공기 안내 요소들이 배치된 평면이 상기 분사 방향에 대해 수직으로 배향됨으로써, 분사 매체를 위한 충돌면이 종래의 혼합 장치에 비해 확장될 수 있다. 이에 의해, 공기 안내 요소에 충돌하는 큰 액적이 작은 액적으로 더 많이 분열된다. 그 결과, 액체 매체의 증발율이 상승하고, 제공된 매체와 가스 흐름의 더 나은 혼합이 달성된다. 이와 동시에, 혼합 장치와 접촉 없이 혼합 장치를 통과하는 액적의 양이 감소한다. 또한, 분사 장치에 대향 배치된 도관 쉘 벽의 면에 더 적은 액적이 충돌하는데, 이는 공기 안내 요소들이 배기가스 도관 내에서 경사지게 배향된 평면에 의해 상기 영역 내로 연장되기 때문이다. 그 결과, 결정성 침전의 위험이 줄고, 장치 또는 배기가스 후처리 장치의 수명이 증가한다. 바람직하게는, 도관의 쉘 벽이 적어도 계량 장치에 대향하는 면에서 증가한 표면 거칠기를 가지며, 이는 결정성 침전의 감소 또는 방지에 기여한다.
본 발명의 바람직한 개선예에 따르면, 공기 안내 요소가 날개 형태로 형성되며, 적어도 실질적으로 반경 방향으로 배향되어 도관의 주연부에 걸쳐 분배되어 배열된다. 평면도 또는 흐름 방향에서 혼합 장치 상에서 볼 때, 혼합 장치는 프로펠러 유형의 구조를 포함한다. 반경 방향으로 배향된 공기 안내 요소를 통해, 배기가스 후처리 시에 상응하는 장점을 유도하는, 배기가스 후처리제와 배기가스의 바람직한 혼합이 형성된다.
또한, 바람직하게는, 공기 안내 요소가 적어도 실질적으로 가스 흐름의 흐름 방향에 대해 경사지게, 도관 내에서 혼합 장치의 상류에 배향된다. 이에 의해, 반경 방향 배열과 관련하여, 배기가스 내로의 와류의 제공이 수행됨으로써, 혼합이 더 최적화된다.
바람직하게는, 공기 안내 요소가 각각 적어도 실질적으로 반경 방향으로 배향된 종축을 따라 틀어진다(warped). 이에 의해, 각각의 공기 안내 요소에는 상이한 충돌 각도가 제공되며, 충돌 각도는 반경 방향 위치에 따라 도관 내에서 틀어짐으로써 가스 흐름에 최적으로 설정될 수 있다.
본 발명의 한 바람직한 개선예에 따르면, 공기 안내 요소는 도관의 쉘 벽에 대해 반경 방향 간격을 갖는다. 이에 의해, 도관의 쉘 벽에 대한 공기 안내 요소의 열적 분리가 발생하며, 남아 있는 간극은 가스 흐름에 의해 관류된다. 이에 의해, 공기 안내 요소들이 작동 중에, 도관의 쉘 벽을 통해 도입된 열이 다시 방출됨이 없이, 지속적으로 배기가스 흐름에 의해 가열될 수 있게 된다. 바람직하게는 일부 공기 안내 요소, 특히 바람직하게는 모든 공기 안내 요소가 도관의 쉘 벽에 대해 반경 방향으로 이격되어 배치됨으로써, 공기 안내 요소들과 쉘 벽 사이에 환형 간극이 형성된다. 지속적인 가열 및 적은 열 방출로 인해, 혼합 거동, 특히 액적의 분열 및 증발이 더욱 최적화된다.
또한, 한 바람직한 실시예에 따르면, 공기 안내 요소들은 도관 내에서 적어도 실질적으로 중간에 배치된 지지 요소에 설치된다. 중간에 배치된 지지 요소에 의 공기 안내 요소의 설치 및 특히 고정에 의해, 예를 들어 쉘 벽에 대한 상술한 반경 방향 간격이 간단하게 구현될 수 있다.
바람직하게 지지 요소는, 도관 벽에 공기 안내 요소들이 내측으로 돌출되어 배치된 도관 요소로서 형성된다. 즉, 이 실시예에 따라, 공기 안내 요소들이 외측에서 도관 요소와 연결되며, 이때 내측을 향한 공기 안내 요소들의 단부들은 바람직하게 자립 지지되도록 형성되거나, 대안적으로 서로 연결된다. 이 경우, 특히 바람직하게는, 도관 요소의 직경이 배기가스 도관의 직경보다 작게 선택됨에 따라, 도관 요소의 직경과 배기가스 도관의 직경 사이에 환형 간극이 유지되며, 상기 간극을 통해 작동 중에 배기가스가 계속해서 흐르고, 이는 혼합 장치의 지속적인 가열과 관련된 상술한 장점을 유도한다. 바람직하게는 상기 도관 요소가 반경 방향으로 외측으로 돌출된 간격 유지 부재를 가지며, 이 간격 유지 부재는 예를 들어 도관 요소와 일체로 형성될 수 있고, 도관 내에서 도관 요소의 위치 설정을 보장한다.
본 발명의 한 대안적인 실시예에 따르면, 지지 요소는, 그 쉘 벽에 공기 안내 요소들이 외측으로 배기가스 도관의 쉘 벽을 향해 배치된 도관 요소로서 구성된다. 이 경우, 도관 요소는 배기가스 도관의 직경에 비해 매우 작은 직경을 갖는다. 이 경우, 바람직하게 도관 요소는, 바람직하게는 배기가스 도관 내로 수직으로 돌출되고 공기 안내 요소의 하류에 배치된 지지 요소에 의해 지지된다.
본 발명의 한 바람직한 개선예에 따르면, 공기 안내 요소들이 도관 요소와 일체로 형성된다. 도관 요소 또는 혼합 장치가 바람직하게 편평한 천공 금형(punched part)으로부터 제조될 경우, 공기 안내 요소들이 굽힘 가공을 통해 본 발명에 따른 바람직한 위치 및 배향으로 제공될 수 있으며, 그 결과 낮은 제조 비용 및 간단한 조립이 구현된다. 이 경우, 도관 요소 자체가 도관 내에 딱 맞게 삽입될 수 있고, 바람직하게는 강제 끼워맞춤 또는 별도의 파지 수단을 이용하여 도관 내에 배치되어 파지될 수 있다.
또한, 바람직하게는, 2개 이상의 혼합 장치가 배기가스 도관 내에서 분사 장치의 하류에 흐름 방향으로 연달아 놓이도록 배치된다. 이 경우, 적어도 하류에 놓인 혼합 장치가 본 발명에 따라 구성된다. 제1 실시예에 따르면, 제2 혼합 장치의 공기 안내 요소들은 바람직하게, 상류에 놓인 혼합 장치의 평면에 대해 평행한 하나의 평면 내에 배치된다. 그 대안으로 바람직하게는, 하류에 배열된 혼합 장치의 공기 안내 요소들이 도관에 대해 덜 경사지게, 상당히 축에 평행한 각도로 배치된다. 특히 바람직하게는, 하류에 배열된 혼합 장치의 공기 안내 요소들이 배기가스 도관의 중심 축에 대해 수직으로 배향된 평면 내에 놓인다. 2개의 혼합 장치 또는 2단 혼합기의 제공에 의해 결정성 침전의 위험이 더욱 감소하는데, 그 이유는 적어도 2단 혼합기에 의해 도관 쉘 벽의, 계량 장치에 대향하는 면에 더 많은 액적이 충돌하는 것이 방지되기 때문이다.
이하, 실시예들을 참조로 본 발명을 더 상세히 설명한다.
도 1은 배기가스 후처리 장치의 개략적 단면도이다.
도 2는 배기가스 후처리 장치의 혼합 장치의 사시도이다.
도 3은 혼합 장치의 측면도이다.
도 4는 혼합 장치의 제2 실시예의 평면도이다.
도 5는 혼합 장치의 제3 실시예의 평면도이다.
도 6은 도 5의 혼합 장치의 상세도이다.
도 7은 2개의 혼합 장치를 갖는 배기가스 후처리 장치의 개략적 단면도이다.
도 1은 자동차의 내연 기관용 배기가스 후처리 장치(1)의 개략적 측면도이다. 배기가스 후처리 장치(1)는 배기가스 도관(2)을 가지며, 이 배기가스 도관을 통해 배기가스가 내연 기관으로부터 촉매 컨버터(3)로 안내된다. 배기가스 도관(2)은 본 도면에서 단면도로 도시되어 있다. 배기가스 도관(2)은 배기가스 도관(2)의 쉘 벽(4)의, 도면 상부에 놓인 면에 개구(5)를 가지며, 이 개구는 도면에 상세히 도시되지 않은 분사 장치(7)의 플랜지(6)에 의해 덮여 있다. 분사 장치(7)는 도 1에서 축(8)을 통해 도시된 분사 방향을 갖는다. 상기 축이 배기가스 도관(2)의 종축(9)에 대해 경사지게 배향됨으로써, 분사 장치(7)를 통해 분사된 배기가스 후처리제, 특히 수용성 요소 용액이 화살표(10)로 표시된 배기가스 흐름 방향으로 배기가스 도관(2) 내로 경사지게 분사된다.
또한, 배기가스 도관(2) 내에서 분사 장치(7)의 하류에 혼합 장치(11)가 배치되며, 이 혼합 장치는, 더 하류에 놓인 촉매 컨버터(3) 내에서 원하는 반응이 수행될 수 있게 하기 위해, 배기가스와 배기가스 후처리제가 바람직하게 그리고 최적으로 서로 혼합 또는 배합되도록 배기가스 및 분사된 배기가스 후처리제의 흐름에 작용하는 역할을 한다.
도 2 및 도 3은 혼합 장치(11)의 제1 실시예의 사시도(도 2) 및 측면도(도 3)이다. 혼합 장치(11)는 그 외경이 적어도 실질적으로 배기가스 도관(2)의 내경에 상응하는 도관 요소(12)를 포함한다. 특히 바람직하게 상기 직경은, 도관 요소(12)와 배기가스 도관(2) 사이에 강제 끼워맞춤이 형성되도록 선택된다. 도관 요소(12)는 편평한 천공 금형(punched part)으로부터 성형된다. 도관 요소(12)는, 분사 장치(7)에 대면한 단부면에, 주연부에 걸쳐 일정하게 분포 배치되고 각각 반경 방향 내측으로 구부러지며 본 실시예에서 각각 동일한 길이를 갖는 플랩들(13)을 포함한다. 이 경우, 플랩들의 만곡 지점은, 플랩들이 하나의 평면(E) 내에 배치되도록 배열되고, 상기 평면은 축(9)에 대해 경사지게, 그리고 특히 축(8)에 대해 수직으로, 즉, 분사 장치(7)의 분사 방향에 대해 수직으로 배향된다. 플랩들(13)이 서로 이격되어 배열되고 날개 형태로 형성됨에 따라, 공기 안내 요소(14)를 형성한다. 배기가스 도관 내에서 흐름 방향으로 더 전방에 놓인 플랩(13) 및 흐름 방향으로 약간 더 후방에 놓인 플랩(13)이 바람직하게 1/2 높이에 배열된 플랩들(13)보다 약간 더 길게 형성됨에 따라, 상기 플랩들(13)은 중심부에서, 실질적으로 이들의 분무부에서 서로에 대해 동일한 간격을 갖는다.
공기 안내 요소들(14)이 모두 평면(E) 내에 배열됨으로써, 분사된 배기가스 후처리제를 위한 충돌면이 종래 혼합 장치에 비해 더 커짐으로써, 큰 액적으로부터 작은 액적으로의 분열이 더욱 증대된다. 또한, 이에 의해, 배기가스 후처리제와 배기가스 흐름의 혼합을 개선하는 증발율도 높아진다. 또한, 평면(E)의 경사 배향에 의해, 분사 장치(7)에 대향하여 놓인 쉘 벽(4)의 면에 충돌하여 그곳에 남아 결정성 침전을 야기할 수 있는 액적이 감소할 수 있다.
도 4는 혼합 장치(11)의 제2 실시예의 평면도이다. 이 실시예에서도, 공기 안내 요소(14)가 날개 형태로 형성되며, 반경 방향 외측에서 도관 요소(12)와 연결된다. 이 경우, 상술한 바와 같이, 공기 안내 요소들(14)이 도관 요소와 일체로 형성될 수도 있다. 제1 실시예에서는 배기가스 도관(2)이 도관 요소(12)와 평면적으로 접하는 반면, 도 4의 실시예에서 도관 요소(12)는, 상기 도관 요소(12)와 배기가스 도관(2) 사이 또는 그 쉘 벽(4) 사이에 규정된 간격을 세팅하기 위해, 반경 방향 외측으로 돌출되고 주연부에 걸쳐 분포 배치된 복수의 간격 유지 부재(15)를 갖는다. 바람직하게는 3개 이상의 간격 유지 부재(15)가 제공된다. 특히 바람직하게는, 간격 유지 부재(15)도 마찬가지로 도관 요소(12)와 일체로 형성되며, 예를 들어 밖으로 만곡된 철판 리드(reed)로서 형성된다. 간격 유지 부재(15)에 의해 도관 요소(12)와 배기가스 도관(4) 사이에 반경 방향으로 환형 간극(16)이 세팅되며, 이 환형 간극은 작동 중에 항상 내연 기관의 고온 배기가스에 의해 관류된다. 도관 요소(12)가 배기가스 도관(2)의 쉘 벽(4)으로부터 실질적으로 열적으로 분리되기 때문에, 혼합 장치(11) 내로 한 번 공급된 열은 배기가스 도관(2)으로 배출되기가 쉽지 않다. 이로써, 혼합 장치(11)는 영구적으로 가열되어, 분사된 배기가스 후처리제의 더욱 개선된 증발을 유도한다.
도 5는 혼합 장치(11)의 제3 실시예를 도시하며, 본 실시예는 공기 안내 요소들(14)이 반경 방향 외측이 아닌 반경 방향 내측에서, 여기서는 도관 요소로서 형성된 지지 요소(17)에 파지되는 점에서, 상술한 실시예들과 구별된다. 이 경우, 공기 안내 요소들(14)은, 상술한 열적 분리가 달성되도록, 공기 안내 요소(14)와 배기가스 도관(2)의 쉘 벽(4) 사이에 간극이 유지되도록 반경 방향 외측으로 더 멀리 연장된다.
도 6은 도 5의 혼합 장치(11)의 확대 상세도를 도시하며, 여기서는 쉘 벽(4)과 공기 안내 요소(14) 사이의 간극을 볼 수 있다.
또한, 도 6은, 2개의 혼합 장치(11)가 연달아 배기가스 도관(2) 내에 배치되어 있는, 배기가스 후처리 장치(1)의 선택적인 개선예를 도시한다. 이에 의해, 도 6에 도시된 바와 같이, 2개의 혼합 장치(11)의 공기 안내 요소들(14)이 배기가스 도관(2) 내에서 서로 이격된 2개의 평면 내에 놓인다. 이때, 적어도 흐름 상류에 놓인 혼합 장치의 평면은 상술한 분사 장치(7)의 분사 방향에 대해 수직으로 배향된다. 흐름 하류에 놓인 혼합 장치의 공기 안내 요소들이 배치된 평면은, 도 7에 도시된 바와 같이, 흐름 상류에 배치된 혼합 장치의 평면에 대해 평행하게 놓이거나, 예를 들어 배기가스 도관(2)의 종축(9)에 대해 수직으로도 놓인다. 물론, 추가 혼합 장치들도 상응하게 배치되어 제공될 수 있다.
도 7은 실질적으로, 도 1에서 이미 공지된 배기가스 후처리 장치의 또 다른 종단면도이다. 도 1의 실시예와는 달리, 2개의 혼합 장치(11)가 -도 6에서 이미 설명된 바와 같이- 도관 내에 또는 배기가스 도관(2) 내에 연달아 놓이도록 배치되어 있다. 이에 의해, 상술한 장점들이 도출된다. 2개의 혼합 장치(11)는 공통 도관 요소(12) 내에 배치되며, 바람직하게는, 도 7에 도시된 바와 같이, 서로 일체로 형성된다.
전체적으로, 바람직한 배기가스 후처리 장치(1)는, 분사 장치(7)에 대해 도관 벽 상으로의 배기가스 후처리제 액적들의 충돌이 방지되고, 액적의 증발 및 분열이 개선되는 장점을 제공한다. 공기 안내 요소들(14)이 평면(E) 내에서 분사 방향에 대해 수직으로 배향되는 특수 배향을 통해, 혼합 특성은 개선됨에도 혼합기의 압력 손실은 감소한다. 이에 의해, 압력 손실이 혼합에 비례하여 증가하는 종래의 혼합 장치에 비해 추가의 장점이 도출된다. 공기 안내 요소들(14)이 분사 장치(7)의 분사 방향에 대해 수직으로 배향됨에 따라, 평면 내 공기 안내 요소들이 배기가스 도관 축(9)에 대해 수직으로 돌출됨으로써 형성되는 면적이 종래의 혼합기에 비해 축소된다. 이는, 혼합 특성의 개선과 동시에 혼합 장치에 의해 유도되는 배압의 감소를 유도한다.

Claims (13)

  1. 배기가스 후처리 장치(1)에 있어서, 상기 배기가스 후처리 장치(1)는;
    가스 흐름이 관통 안내되는 배기가스 도관(2)으로서, 상기 가스 흐름은 내연 기관의 배기 가스인, 배기가스 도관(2);
    상기 도관에 할당되고, 상기 가스 흐름으로 배기 가스 후처리제의 계량 분사를 위한 분사 장치(7); 및
    상기 도관(2) 내에서 상기 분사 장치(7)의 하류에 배치되는 하나 이상의 혼합 장치(11)로서, 하나 이상의 혼합 장치(11) 각각은 하나의 평면(E) 내에 배치된 복수의 공기 안내 요소(14)를 갖고, 상기 평면(E)은 분사 장치(7)의 분사 방향에 대해 수직으로 배향되고, 공기 안내 요소(14)의 상기 평면(E)은 가스 흐름의 흐름 방향과 관련하여 경사지게, 도관(2) 내에서 혼합 장치(11)의 상류를 향해 배향되는, 혼합 장치(11);를 포함하고
    분사 장치(7)의 분사 방향은 가스 흐름의 흐름 방향과 관련하여 경사지게, 도관(2) 내에서 혼합 장치(11)의 상류를 향하고,
    공기 안내 요소(14)는 날개 형태로 형성되고, 반경 방향으로 배향되어 도관(2) 내에서 도관(2)의 주연부에 걸쳐 분포 배치되는 것을 특징으로 하는, 배기가스 후처리 장치(1).
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 공기 안내 요소(14)는 각각 반경 방향으로 배향된 종축을 따라 틀어지는 것을 특징으로 하는, 배기가스 후처리 장치.
  5. 제1항에 있어서, 공기 안내 요소(14)는 도관(2)의 쉘 벽(4)에 대해 반경 방향 간격을 갖는 것을 특징으로 하는, 배기가스 후처리 장치.
  6. 제5항에 있어서, 공기 안내 요소(14)는 도관(2) 내에서 중간에 배치된 지지 요소(17)에 설치되는 것을 특징으로 하는, 배기가스 후처리 장치.
  7. 제6항에 있어서, 지지 요소(17)는 공기 안내 요소(14)가 반경 방향으로 안쪽을 향해 돌출되어 배치된 도관 요소(12)로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 배기가스 후처리 장치.
  8. 제6항에 있어서, 지지 요소(17)는 공기 안내 요소(14)가 배치된 도관 요소(12)로서 형성되고, 공기 안내 요소(14)는 도관 요소(12)에서 돌출되고 반경 방향으로 바깥쪽을 향해 도관(2)의 쉘 벽(4) 방향으로 연장되는, 배기가스 후처리 장치.
  9. 제7항에 있어서, 공기 안내 요소(14)는 도관 요소(12)와 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는, 배기가스 후처리 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 혼합 장치(11)는 2개의 혼합 장치를 포함하고, 2개의 혼합 장치는 도관(2) 내에서 흐름 방향으로 차례로 놓이도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 배기가스 후처리 장치.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
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