KR102320147B1 - Mixing device for reducing agent and selective catalyst reduction system having the same - Google Patents
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Abstract
환원제 믹싱 장치는 배기 파이프를 통해 배출되는 엔진의 배기가스에 환원제를 분사하기 위한 환원제 분사 모듈의 후방에 설치되며 상기 배기가스 및 상기 환원제가 통과하는 담체, 및 상기 담체 내부에 설치되며 상기 담체를 통과하는 상기 환원제를 가열하여 기화시키기 위한 가열부를 포함한다.The reducing agent mixing device is installed in the rear of the reducing agent injection module for injecting the reducing agent to the exhaust gas of the engine discharged through the exhaust pipe, and a carrier through which the exhaust gas and the reducing agent pass, and the carrier is installed inside the carrier and passes through the carrier and a heating unit for heating and vaporizing the reducing agent.
Description
본 발명은 환원제 믹싱 장치 및 이를 갖는 선택적 촉매 환원 시스템에 관한 것이다. 더욱 자세하게는, 환원제 분사 모듈에서 분사된 환원제를 가열하는 믹싱 장치 및 이를 갖는 선택적 촉매 환원 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a reducing agent mixing device and a selective catalytic reduction system having the same. More specifically, it relates to a mixing device for heating the reducing agent injected from the reducing agent injection module and a selective catalytic reduction system having the same.
내연기관, 예를 들어, 디젤 엔진의 배기가스 처리 시스템은 배기가스 중에 함유된 공해 물질들을 감소시키기 위해 디젤 산화 촉매(Diesel oxidation catalyst, DOC) 장치 및 선택적 환원 촉매(Selective catalyst reduction, SCR) 장치 등과 같은 배기가스 후처리 장치들을 구비할 수 있다.The exhaust gas treatment system of an internal combustion engine, for example, a diesel engine, includes a diesel oxidation catalyst (DOC) device and a selective catalyst reduction (SCR) device to reduce pollutants contained in exhaust gas. The same exhaust gas after-treatment devices may be provided.
선택적 환원 촉매 장치의 경우, 환원제 분사 모듈에서 요소수 등을 분사하여 질소산화물(NOx)과 촉매 반응시킴으로써 질소산화물을 질소 가스와 물로 환원시킬 수 있다.In the case of the selective reduction catalyst device, nitrogen oxides can be reduced to nitrogen gas and water by injecting urea water or the like from the reducing agent injection module to catalytically react with nitrogen oxides (NO x ).
그러나, 배기가스의 온도가 낮아지거나 유량이 적어지면 환원제 분사 모듈에서 분사된 요소수가 배기 파이프의 내벽 등에 부착되어 결정화될 수 있다. 결정화된 요소수는 선택적 환원 촉매의 성능을 저하시키고 엔진의 출력에도 나쁜 영향을 끼칠 수 있으며, 배기가스 중의 황산화물(SO3)과 반응하여 배기 파이프의 부식을 유발하는 황산암모늄((NH4)2SO4)을 생성할 수 있다.However, when the temperature of the exhaust gas is lowered or the flow rate is reduced, the urea water injected from the reducing agent injection module may be attached to the inner wall of the exhaust pipe and crystallized. The crystallized urea water may degrade the performance of the selective reduction catalyst and adversely affect the engine output, and react with sulfur oxides (SO 3 ) in the exhaust gas to cause corrosion of the exhaust pipe, ammonium sulfate ((NH 4 ) 2 SO 4 ) can be formed.
본 발명의 일 과제는 배기 파이프 내에서 요소수의 결정화를 방지하기 위한 환원제 믹싱 장치를 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a reducing agent mixing device for preventing crystallization of urea water in an exhaust pipe.
본 발명의 다른 과제는 상술한 환원제 믹싱 장치를 갖는 선택적 촉매 환원 시스템을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a selective catalytic reduction system having the above-described reducing agent mixing device.
상술한 본 발명의 일 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 환원제 믹싱 장치는, 배기 파이프를 통해 배출되는 엔진의 배기가스에 환원제를 분사하기 위한 환원제 분사 모듈의 후방에 설치되며 상기 배기가스 및 상기 환원제가 통과하는 담체 및 상기 담체 내부에 설치되며 상기 담체를 통과하는 상기 환원제를 가열하여 기화시키기 위한 가열부를 포함한다.In order to achieve the above-described object of the present invention, the reducing agent mixing device according to exemplary embodiments of the present invention is installed at the rear of the reducing agent injection module for injecting the reducing agent to the exhaust gas of the engine discharged through the exhaust pipe and a carrier through which the exhaust gas and the reducing agent pass, and a heating unit installed inside the carrier to heat and vaporize the reducing agent passing through the carrier.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 담체는 허니콤 형상일 수 있다.In exemplary embodiments, the carrier may have a honeycomb shape.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 담체는 코디어라이트, 탄화규소 및 페칼로이 등을 포함할 수 있다.In exemplary embodiments, the carrier may include cordierite, silicon carbide and pekaloy.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 환원제 믹싱 장치는 상기 담체를 감싸 보호하기 위한 지지체를 더 포함할 수 있다.In exemplary embodiments, the reducing agent mixing device may further include a support for protecting the carrier.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 가열부는 정면에서 보았을 때 상기 담체 내부에 나선형으로 배치될 수 있다.In exemplary embodiments, the heating unit may be spirally disposed inside the carrier when viewed from the front.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 가열부는 정면에서 보았을 때 상기 담체 내부에 서로 다른 크기를 가지는 복수개의 다각형 형상으로 배치될 수 있다.In example embodiments, the heating unit may be arranged in a plurality of polygonal shapes having different sizes inside the carrier when viewed from the front.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 환원제 믹싱 장치는 상기 가열부로 전류를 공급하기 위한 전력 공급부를 더 포함할 수 있다.In exemplary embodiments, the reducing agent mixing device may further include a power supply for supplying a current to the heating unit.
상술한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 선택적 촉매 환원 시스템은, 엔진으로부터 배기가스가 배출되는 배기 파이프에 설치되며 상기 배기 파이프 내부로 환원제를 분사하는 환원제 분사 모듈, 상기 배기 파이프 내에서 상기 환원제 분사 모듈의 후방에 설치되며 상기 배기가스와 상기 환원제를 촉매 반응시켜 상기 배기가스 내의 질소산화물을 환원시키기 위한 선택적 환원 촉매 장치, 및 상기 배기 파이프 내에서 상기 환원제 분사 모듈 및 상기 선택적 환원 촉매 장치 사이에 설치되며 상기 환원제를 기화시켜 상기 배기가스와 혼합시키기 위한 환원제 믹싱 장치를 포함한다.The selective catalytic reduction system for achieving another object of the present invention described above is a reducing agent injection module installed in an exhaust pipe through which exhaust gas is discharged from an engine and injecting a reducing agent into the exhaust pipe, the reducing agent injection in the exhaust pipe A selective reduction catalyst device installed at the rear of the module for catalytically reacting the exhaust gas and the reducing agent to reduce nitrogen oxides in the exhaust gas, and installed between the reducing agent injection module and the selective reduction catalyst device in the exhaust pipe and a reducing agent mixing device for vaporizing the reducing agent and mixing it with the exhaust gas.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 환원제 믹싱 장치는 상기 배기가스 및 상기 환원제가 통과하는 허니콤 형상의 담체 및 상기 담체 내부에 설치되며 상기 담체를 통과하는 상기 환원제를 가열하여 기화시키기 위한 가열부를 포함할 수 있다.In exemplary embodiments, the reducing agent mixing device includes a honeycomb-shaped carrier through which the exhaust gas and the reducing agent pass, and a heating unit installed inside the carrier to heat and vaporize the reducing agent passing through the carrier can do.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 환원제 분사 모듈은 상기 배기 파이프 내에서 상기 선택적 환원 촉매 장치로부터 상기 배기 파이프 직경의 10배 이상 전방으로 이격 설치될 수 있다.In exemplary embodiments, the reducing agent injection module may be installed to be spaced apart from the selective reduction catalyst device in the exhaust pipe forward at least 10 times the diameter of the exhaust pipe.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 배기 파이프 내에서 상기 선택적 환원 촉매 장치의 후방에 설치되며 상기 배기 파이프 내의 암모니아를 제거하기 위한 암모니아 슬립 촉매 장치를 더 포함할 수 있다.In exemplary embodiments, the selective catalytic reduction system may further include an ammonia slip catalyst device installed behind the selective reduction catalyst device in the exhaust pipe and for removing ammonia in the exhaust pipe.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 배기 파이프 내부의 상기 배기가스의 온도를 측정하기 위한 온도 센서 및 상기 배기 파이프 내부의 상기 배기가스에 포함된 질소산화물의 농도를 측정하기 위한 질소산화물 농도 센서를 더 포함할 수 있다.In exemplary embodiments, the selective catalytic reduction system is a temperature sensor for measuring the temperature of the exhaust gas inside the exhaust pipe and for measuring the concentration of nitrogen oxides contained in the exhaust gas inside the exhaust pipe It may further include a nitrogen oxide concentration sensor.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 선택적 촉매 환원 시스템은 상기 온도 센서 및 상기 질소산화물 농도 센서로부터 각각 상기 배기가스의 온도 및 상기 배기가스 중의 질소산화물 농도 정보를 입력받고, 상기 환원제 분사모듈 및 상기 환원제 믹싱 장치의 동작을 제어하기 위한 제어부를 더 포함할 수 있다.In exemplary embodiments, the selective catalytic reduction system receives the temperature of the exhaust gas and the nitrogen oxide concentration information in the exhaust gas from the temperature sensor and the nitrogen oxide concentration sensor, respectively, and the reducing agent injection module and the reducing agent It may further include a control unit for controlling the operation of the mixing device.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제어부는 상기 환원제 분사모듈로부터 분사된 환원제 분사량이 기 설정된 분사량 이상인 경우 상기 환원제 믹싱 장치를 작동시킬 수 있다.In exemplary embodiments, the control unit may operate the reducing agent mixing device when the reducing agent injection amount injected from the reducing agent injection module is greater than or equal to a preset injection amount.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제어부는 상기 배기가스의 온도가 350℃ 이하인 경우 상기 환원제 믹싱 장치를 작동시킬 수 있다.In exemplary embodiments, the control unit may operate the reducing agent mixing device when the temperature of the exhaust gas is 350 ℃ or less.
예시적인 실시예들에 환원제 믹싱 장치는 환원제 분사 모듈에서 배기파이프 내부로 분사된 환원제를 가열할 수 있다. 가열된 환원제는 기화하여 배기가스와 더욱 균일하게 혼합될 수 있다. 이에 따라, 선택적 환원 촉매 시스템은 배기가스에 포함된 질소산화물을 더욱 효과적으로 제거할 수 있다.In exemplary embodiments, the reducing agent mixing device may heat the reducing agent injected into the exhaust pipe from the reducing agent injection module. The heated reducing agent can be vaporized and mixed more uniformly with the exhaust gas. Accordingly, the selective reduction catalyst system can more effectively remove nitrogen oxides contained in the exhaust gas.
다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.However, the effects of the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and may be variously expanded without departing from the spirit and scope of the present invention.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 환원제 믹싱 장치를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 환원제 믹싱 장치를 Ⅳ-Ⅳ 라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 5 및 도 6은 도 3의 환원제 믹싱 장치의 다양한 구조들을 나타내는 정면도들이다.
도 7은 도 1의 선택적 촉매 환원 시스템을 이용하여 질소산화물을 환원시키는 방법을 나타내는 순서도이다.1 is a view showing a selective catalytic reduction system according to exemplary embodiments.
2 is a view showing a selective catalytic reduction system according to exemplary embodiments.
Figure 3 is a perspective view showing the reducing agent mixing device of Figure 1;
4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV of the reducing agent mixing device of FIG. 3 .
5 and 6 are front views showing various structures of the reducing agent mixing apparatus of FIG.
7 is a flowchart illustrating a method for reducing nitrogen oxides using the selective catalytic reduction system of FIG. 1 .
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.With respect to the embodiments of the present invention disclosed in the text, specific structural or functional descriptions are only exemplified for the purpose of describing the embodiments of the present invention, and the embodiments of the present invention may be embodied in various forms. It should not be construed as being limited to the embodiments described in .
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present invention can have various changes and can have various forms, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.Terms such as first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms may be used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에" 와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는" 과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.When a component is referred to as being “connected” or “connected” to another component, it is understood that the other component may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in between. it should be On the other hand, when it is mentioned that a certain element is "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that the other element does not exist in the middle. Other expressions describing the relationship between elements, such as "between" and "immediately between" or "neighboring to" and "directly adjacent to", etc., should be interpreted similarly.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that the described feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof exists, and includes one or more other features or numbers. , it is to be understood that it does not preclude the possibility of the presence or addition of steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical and scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as meanings consistent with the context of the related art, and unless explicitly defined in the present application, they are not to be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. .
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. The same reference numerals are used for the same components in the drawings, and repeated descriptions of the same components are omitted.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 나타내는 도면이다. 도 2는 예시적인 실시예들에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 나타내는 도면이다. 도 3은 도 1의 환원제 믹싱 장치를 나타내는 사시도이다. 도 4는 도 3의 환원제 믹싱 장치를 Ⅳ-Ⅳ 라인을 따라 절단한 단면도이다. 도 5 및 도 6은 도 3의 환원제 믹싱 장치의 다양한 구조들을 나타내는 정면도들이다.1 is a view showing a selective catalytic reduction system according to exemplary embodiments. 2 is a view showing a selective catalytic reduction system according to exemplary embodiments. Figure 3 is a perspective view showing the reducing agent mixing device of Figure 1; 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV of the reducing agent mixing device of FIG. 3 . 5 and 6 are front views showing various structures of the reducing agent mixing apparatus of FIG.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 선택적 촉매 환원 시스템은 엔진(도시되지 않음)으로부터 배기가스가 배출되는 배기 파이프(10)에 순차적으로 설치되는 환원제 분사 모듈(32), 환원제 믹싱 장치(34) 및 선택적 환원 촉매(Selective catalyst reduction, SCR) 장치(30)를 포함할 수 있다. 또한, 디젤 산화 촉매(Diesel oxidation catalyst, DOC) 장치(20)가 선택적 환원 촉매 장치(30)의 전방에 구비될 수 있다. 이 때, '전방'에 위치한다는 것은 상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 흐름을 기준으로 상대적으로 상기 엔진에 더 가까이 있음을 나타낸다.1 to 6, the selective catalytic reduction system is a reducing
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 엔진은 굴삭기 등의 건설기계, 버스 및 트럭 등의 상용차량, 및 지게차 등의 산업차량을 구동시키기 위한 구동원일 수 있다. 상기 엔진은 연료를 연소시켜 동력을 발생시키고, 연소 과정에서 생성된 배기가스는 배기 파이프(10)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 배기가스 내에는 각종 탄화수소 및 질소산화물 등의 환경오염 물질들이 포함될 수 있다. 상기 환경오염 물질들은 디젤 산화 촉매 장치(20) 및 선택적 환원 촉매 장치(30)를 통해 제거될 수 있다.In example embodiments, the engine may be a driving source for driving construction machines such as excavators, commercial vehicles such as buses and trucks, and industrial vehicles such as forklifts. The engine generates power by burning fuel, and exhaust gas generated in the combustion process may be discharged to the outside through the
예시적인 실시예들에 있어서, 디젤 산화 촉매 장치(20)는 배기 파이프(10) 내에 설치되는 허니콤 형상의 제1 담체(도시되지 않음) 및 상기 제1 담체 표면에 코팅된 산화촉매를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 담체는 코디어라이트, 탄화규소, 페칼로이 등의 세라믹 부재를 포함할 수 있고, 상기 산화촉매는 Pt, Pd, Rh, Ir, Ag, Sn, Ru 등을 포함할 수 있다. 상기 산화촉매는 배기가스 중의 일산화탄소 및 탄화수소를 이산화탄소 및 물로 산화시킬 수 있다.In exemplary embodiments, the diesel
환원제 분사 모듈(32)은 디젤 산화 촉매 장치(20) 후방의 배기 파이프(10)에 설치되며, 배기가스 내의 질소산화물을 환원시키기 위한 요소수 등의 환원제를 배기 파이프(10) 내부로 분사할 수 있다.The reducing
환원제 분사 모듈(32)은 파이프(33)를 통해 요소수 공급 모듈(42)과 연결되어 요소수를 배기 파이프(10) 내에 분사할 수 있다. 또한, 요소수 공급 모듈(42)은 공급 라인(44) 및 회수 라인(46)을 통해 요소수 저장 탱크(40)에 연결될 수 있다. 요소수 저장 탱크(90)는 암모니아 생성용으로 AdBlue라는 요소수 수용액 또는 DEF(Diesel Exhaust Fluid)를 저장할 수 있다.The reducing
도 1에 도시된 바와 같이, 예시적인 실시예들에 있어서, 환원제 분사 모듈(32)은 배기 파이프(10)의 곡면 부분에 설치될 수 있다.1 , in exemplary embodiments, the reducing
일반적으로 배기 파이프(10)는 차량의 하부에 설치될 수 있다. 그런데, 상기 차량의 크기는 제한적이므로 배기 파이프(10)의 길이 또한 제한적일 수밖에 없다. 그러므로, 경우에 따라서는 배기 파이프(10)는 일부분이 구부러진 형상을 가질 수 있고, 환원제 분사 모듈(32)은 배기 파이프(10)의 구부러진 곡면 부분에 설치될 수 있다.In general, the
이와 다르게, 도 2에 도시된 바와 같이, 환원제 분사 모듈(32)은 배기 파이프(10)의 직선 부분에 설치될 수도 있다. 이 경우에 있어서, 환원제 분사 모듈(32)에서 분사된 환원제가 환원제 믹싱 장치(34)의 전면에 균일하게 분사되도록 하기 위하여, 환원제 믹싱 장치(34)는 배기 파이프(10)의 내측벽에 대하여 일정한 각도(θ)를 가지도록 비스듬하게 설치될 수 있다.Alternatively, as shown in FIG. 2 , the reducing
선택적 환원 촉매 장치(30)는 배기 파이프(10) 내부의 환원제 분사 모듈(32) 후방에 설치되며, 다음과 같은 반응식 1 내지 반응식 3에 의해 질소산화물(NOx)을 환원시켜 인체에 무해한 질소(N2)로 변환시킬 수 있다.The selective
[반응식 1][Scheme 1]
[반응식 2][Scheme 2]
[반응식 3][Scheme 3]
요소((NH2)2CO)는 가수 분해에 의해 암모니아(NH3)를 생성할 수 있다. 이렇게 생성된 상기 암모니아는 NO 및 NO2를 환원시켜, 인체에 무해한 질소(N2)로 변환시킬 수 있다.Urea ((NH 2 ) 2 CO) can produce ammonia (NH 3 ) by hydrolysis. The ammonia thus generated reduces NO and NO 2 , and can be converted into nitrogen (N 2 ) harmless to the human body.
환원제 믹싱 장치(34)는 배기 파이프(10) 내에서 환원제 분사 모듈(32)과 선택적 환원 촉매 장치(30) 사이에 설치되며, 환원제 분사 모듈(32)에서 분사된 환원제를 배기가스와 균일하게 혼합되도록 하여 선택적 환원 촉매 장치(30)의 질소산화물 환원 효율을 증대시킬 수 있다.The reducing
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 환원제 믹싱 장치(34)는 배기 파이프(10) 내에 설치되는 허니콤 형상의 제2 담체(110), 제2 담체(110) 내부에 설치되어 환원제를 가열시키기 위한 가열부(120), 및 가열부(120)로 전류를 공급하기 위한 전력 공급부(130)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 담체는 코디어라이트, 탄화규소, 페칼로이 등의 세라믹 부재를 포함할 수 있고, 상기 가열부는 전기 에너지를 공급받아 열에너지로 변환시키기 위한 열선 등을 포함할 수 있다.3 and 4, the reducing
환원제 분사 모듈(32)에서 분사된 환원제 및 엔진으로부터 배출된 배기가스는 환원제 믹싱 장치(34)의 제2 담체(110)를 통과하는 과정에서 혼합될 수 있다. 구체적으로, 제2 담체(110)는 허니콤 형상으로 배치된 복수개의 통로들(112)을 포함할 수 있고, 환원제 및 배기가스는 통로들(112)을 통과하는 과정에서 서로 혼합될 수 있다. 또한, 도시되지는 않았지만, 환원제 믹싱 장치(34)는 적어도 하나의 베인(vane, 도시되지 않음)을 포함할 수 있고, 상기 베인은 난류를 형성하여 환원제와 배기가스를 더욱 균일하게 혼합시킬 수 있다.The reducing agent injected from the reducing
일반적으로 엔진으로부터 배출된 배기가스의 온도는 수백 ℃에 이르는 고온이므로, 환원제 분사 모듈(32)에서 배기 파이프(10) 내부로 분사된 환원제는 곧바로 기화될 수 있다. 기화된 환원제는 배기가스와 혼합되고, 환원제와 상기 질소산화물을 선택적 환원 촉매 장치(30)를 이용하여 촉매 반응시켜 상기 질소산화물을 질소 가스와 물로 환원시킬 수 있다.In general, since the temperature of the exhaust gas discharged from the engine is a high temperature reaching several hundred ℃, the reducing agent injected into the
그러나, 엔진에서의 불완전 연소 등으로 배기가스의 온도가 낮아지거나 또는 배기가스의 유량이 적은 경우에는, 환원제 분사 모듈(32)에서 분사된 환원제가 완전히 기화되지 못하고 배기 파이프(10)의 내벽 등에 부착되어 결정화(Crystallization)될 수 있다. 예를 들면, 배기가스의 온도가 300℃ 이하인 경우에는 분사된 환원제 중 일부가 결정화될 수 있고, 결정화된 환원제는 350℃ 이상으로 온도가 상승하면 다시 분해 될 수 있다. 상기 결정화된 환원제는 계속해서 성장하게 되며, 성장한 환원제 결정은 선택적 촉매 환원 시스템의 성능을 저하시킬 수 있다.However, when the temperature of the exhaust gas is lowered due to incomplete combustion in the engine or the flow rate of the exhaust gas is small, the reducing agent injected from the reducing
가열부(120)는 주위로 열에너지를 발산하여, 환원제 믹싱 장치(34) 내부의 제2 담체(110)를 통과하는 환원제를 가열시킬 수 있다. 가열된 환원제는 기화될 수 있고 이 과정에서 제2 담체(110)의 통로(112)를 지나는 배기가스와 더욱 균일하게 혼합될 수 있다. 또한, 가열부(120)는 이미 결정화되어 배기 파이프(10)의 내벽 또는 환원제 믹싱 장치(34)에 부착되어 있던 환원제를 분해시킬 수도 있다.The
예시적인 실시예들에 있어서, 가열부(120)는 제2 담체(110) 내부에 다양한 형상을 가지도록 배치될 수 있다. 예를 들면, 도 5에 도시된 바와 같이, 가열부(120)는 환원제 믹싱 장치(34)를 정면에서 보았을 때 제2 담체(120) 내부에 나선형으로 배치될 수 있다. 이와 다르게, 도 6에 도시된 바와 같이, 가열부(122)는 환원제 믹싱 장치(34)를 정면에서 보았을 때 제2 담체(110) 내부에 서로 다른 크기를 가지는 복수개의 다각형 형상으로 배치될 수도 있다. 또한, 도시되지는 않았지만, 가열부(120)는 환원제 믹싱 장치(34)를 정면에서 보았을 때 제2 담체(120) 내부에 서로 다른 크기를 가지는 복수개의 동심원 형상으로 배치되는 등 필요에 따라 다양한 형상으로 배치될 수 있다.In exemplary embodiments, the
전력 공급부(130)는 외부로부터 전력을 공급받아 가열부(120)로 전류를 공급할 수 있다. 예를 들면, 전력 공급부(130)는 차량의 배터리로부터 전력을 공급받을 수 있다. 이 경우에 있어서, 전력 공급부(130)는 후술하는 제어부(50)에 의해 제어될 수 있다.The
예시적인 실시예들에 있어서, 환원제 믹싱 장치(34)는 제2 담체(110)를 감싸 보호하기 위한 지지체(100)를 더 포함할 수 있다. 제2 담체(110)는 세라믹 재질로 구성될 수 있어 외부 충격에 의해 쉽게 깨질 수 있다. 따라서, 제2 담체(110)를 외부 충격으로부터 보호하기 위하여 지지체(100)를 제2 담체(110) 외부에 설치할 수 있다. 이와 다르게, 지지체(100)는 배기 파이프(10)와 일체로 형성될 수도 있다.In exemplary embodiments, the reducing
도 1을 다시 참조하면, 환원제 분사 모듈(32)로부터 분사된 환원제는 환원제 믹싱 장치(34)에서 기화되며, 기화된 환원제는 배기가스와 혼합되어 선택적 촉매 환원 장치(30)로 공급될 수 있다. 이 경우에 있어서, 환원제가 배기가스와 균일하게 혼합될수록 선택적 촉매 환원 장치(30)에서의 질소산화물 환원 효율은 더욱 증가할 수 있다. 따라서, 환원제와 배기가스의 혼합 시간을 확보하기 위하여, 환원제 분사 모듈(32)은 선택적 촉매 환원 장치(30)와 일정 거리만큼 이격되도록 설치될 수 있다. 예를 들면, 환원제 분사 모듈(32)은 선택적 환원 촉매 장치(30)의 전단면으로부터 전방으로 배기 파이프(10) 직경(d)의 10배 이상의 거리(s)만큼 이격 설치될 수 있다.Referring back to FIG. 1 , the reducing agent injected from the reducing
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 선택적 촉매 환원 시스템은 배기 파이프(10)에 설치되는 적어도 하나의 온도 센서(38) 및 질소산화물 농도 센서(39), 및 환원제 분사 모듈(32)과 환원제 믹싱 장치(34)를 제어하기 위한 제어부(50)를 더 포함할 수 있다.In exemplary embodiments, the selective catalytic reduction system is at least one temperature sensor 38 and a nitrogen oxide concentration sensor 39 installed in the
온도 센서(38)는 배기 파이프(10) 내부의 배기가스의 온도를 측정할 수 있고, 질소산화물 농도 센서(39)는 배기가스에 포함된 질소산화물의 농도를 측정할 수 있다. 예를 들면, 상기 온도 센서 및 상기 질소산화물 농도 센서는 상기 선택적 환원 촉매 장치 전방에 설치될 수 있다.The temperature sensor 38 may measure the temperature of the exhaust gas inside the
제어부(50)는 온도 센서(38) 및 질소산화물 농도 센서(39)로부터 배기가스의 온도 및 배기가스 중의 질소산화물의 농도에 대한 정보를 입력 받고, 이를 바탕으로 환원제 분사 모듈(32) 및 환원제 믹싱 장치(34)를 제어할 수 있다. 예를 들면, 상기 제어부는 엔진 제어 장치(Electronic control unit, ECU) 또는 환원제 분사 제어 장치(Dosing control unit, DCU) 내에 포함될 수 있다.The
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 선택적 촉매 환원 시스템은 선택적 환원 촉매 장치(30) 후방에 설치되어 암모니아를 제거하는 암모니아 슬립 촉매 장치(36)를 더 포함할 수 있다.In exemplary embodiments, the selective catalytic reduction system may further include an ammonia slip catalyst device 36 installed behind the selective
환원제 분사 모듈(32)에서 분사된 상기 요소에 의해 생성된 상기 암모니아는 배기가스 중의 질소산화물을 환원시킬 수 있다. 이 때, 상기 질소산화물의 전환 효율을 극대화시키기 위해서 화학양론적 양보다 더 많은 양의 암모니아를 공급할 수 있다. 이로 인해, 상기 암모니아가 촉매반응을 통해 완전히 소모되지 않고 대기 중으로 방출되어 대기 오염을 유발할 수 있는데, 이를 암모니아 슬립(Ammonia slip) 현상이라 한다. 암모니아 슬립 촉매 장치(36)는 선택적 환원 촉매 장치(30)에서 소모되지 못한 상기 암모니아를 제거함으로써 암모니아 슬립 현상을 방지할 수 있다.The ammonia generated by the urea injected from the reducing
상술한 바와 같이, 예시적인 실시예들에 따른 선택적 촉매 환원 시스템은 배기 파이프(10) 내부로 분사된 환원제를 가열하여 기화시킬 수 있다. 상기 기화된 환원제는 환원제 믹싱 장치(34)의 제2 담체(110)를 통과하는 과정에서 배기가스와 균일하게 혼합될 수 있다. 선택적 환원 촉매 장치(30)는 상기 환원제와 배기가스 중의 질소산화물을 촉매 반응시켜 상기 질소산화물을 질소 가스와 물로 환원시킬 수 있다.As described above, the selective catalytic reduction system according to exemplary embodiments may be vaporized by heating the reducing agent injected into the
이하에서는, 상기 선택적 촉매 환원 시스템에서 상기 환원제 믹싱 장치의 제어 방법에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter, a method for controlling the reducing agent mixing device in the selective catalytic reduction system will be described.
도 7은 도 1의 선택적 촉매 환원 시스템을 이용하여 질소산화물을 환원시키는 방법을 나타내는 순서도이다.7 is a flowchart illustrating a method for reducing nitrogen oxides using the selective catalytic reduction system of FIG. 1 .
도 7을 참조하면, 환원제 분사 모듈(32)이 배기 파이프(10) 내부로 환원제를 분사한다(S100).7, the reducing
예를 들면, 제어부(50)는 배기 파이프(10) 내부에 설치된 센서들(38, 39)로부터 엔진의 작동 여부에 대한 정보를 입력 받고, 상기 엔진이 작동된 경우 환원제 분사 모듈(32)을 작동시켜 배기 파이프(10) 내부로 요소수와 같은 환원제를 분사시킬 수 있다.For example, the
이어서, 환원제 가열의 필요성을 판단한다(S200).Next, the necessity of heating the reducing agent is determined (S200).
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 환원제 가열의 필요성을 판단하는 단계는 환원제 분사량이 기 설정된 양 이상인지 여부를 판단하는 단계(S210)를 포함할 수 있다.In exemplary embodiments, the step of determining the need for heating the reducing agent may include the step (S210) of determining whether the injection amount of the reducing agent is greater than or equal to a preset amount.
환원제 믹싱 장치(34)는 환원제 분사 모듈(32)에서 분사된 환원제를 가열하여 기화시킬 수 있다. 따라서, 실제로 환원제가 분사되지 않은 경우에는 환원제 믹싱 장치(34)의 가열부(120)가 작동하지 않도록 하기 위하여, 제어부(50)는 환원제 분사량이 기 설정된 양 이상인 경우에만 환원제를 가열하도록 환원제 믹싱 장치(34)를 제어할 수 있다. 이 경우에 있어서, 상기 환원제 분사량은 질소산화물 농도 센서(39)에서 측정된 질소산화물의 양을 통해 계산될 수 있다.The reducing
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 환원제 가열의 필요성을 판단하는 단계는 배기가스 유량이 기 설정된 범위 이내인지 여부를 판단하는 단계(S220)를 포함할 수 있다. 이 경우에 있어서, 상기 배기가스의 유량은 엔진으로 흡입된 공기의 유량과 소모된 연료량을 통해 계산될 수 있다.In exemplary embodiments, determining the necessity of heating the reducing agent may include determining whether the exhaust gas flow rate is within a preset range (S220). In this case, the flow rate of the exhaust gas may be calculated through the flow rate of air sucked into the engine and the amount of fuel consumed.
예를 들면, 배기 파이프(10) 내부의 배기가스 유량이 기 설정된 범위 미만이면 차량의 시동이 걸리지 않은 상태로 판단할 수 있다. 또한, 흡입 공기 유량 센서(도시되지 않음)가 고장난 경우에는 배기가스의 유량이 비정상적으로 높게 측정될 수 있다. 이를 보완하기 위하여, 배기가스 유량이 기 설정된 범위를 초과하는 경우에도 환원제 믹싱 장치(34)의 가열부(120)를 작동시키지 않도록 제어할 수 있다.For example, if the exhaust gas flow rate inside the
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 환원제 가열의 필요성을 판단하는 단계는 선택적 촉매 환원 장치(30) 전단의 온도가 기 설정된 온도 이하인지 여부를 판단하는 단계(S230)를 포함할 수 있다.In exemplary embodiments, the step of determining the need for heating the reducing agent may include a step (S230) of determining whether the temperature of the front end of the selective
예를 들면, 요소는 300℃ 이하의 온도에서 결정화되고, 350℃ 이상으로 온도가 상승하면 다시 분해될 수 있다. 따라서, 제어부(50)는 배기 파이프(10)에 설치된 온도 센서(38)를 통해 배기가스의 현재 온도에 대한 정보를 입력 받고, 상기 온도가 350℃ 이하인 경우에만 환원제를 가열하도록 환원제 믹싱 장치(34)를 제어할 수 있다For example, urea may crystallize at temperatures below 300°C and decompose again when the temperature rises above 350°C. Therefore, the
환원제 가열이 필요하다고 판단된 경우, 환원제 믹싱 장치(34)를 이용하여 환원제를 가열한다(S300).When it is determined that the reducing agent heating is necessary, the reducing agent is heated using the reducing agent mixing device 34 (S300).
예를 들면, 제어부(50)는 환원제 믹싱 장치(34)의 전력 공급부(130)를 제어하여 가열부(120)로 전류를 공급할 수 있다. 가열부(120)는 주변의 환원제를 가열하여 기화시킬 수 있다. 이 때, 환원제 믹싱 장치(34) 주변의 결정화된 환원제 역시 분해될 수 있다.For example, the
기화된 환원제는 환원제 믹싱 장치(34)의 제2 담체(110)를 통과하는 동안 배기가스와 균일하게 혼합될 수 있다. 혼합된 환원제 및 배기가스는 선택적 환원 촉매 장치(30)로 공급되고, 촉매 반응을 통하여 질소산화물이 질소와 물로 환원될 수 있다.The vaporized reducing agent may be uniformly mixed with the exhaust gas while passing through the
상술한 바와 같이, 예시적인 실시예들에 따른 질소산화물 환원 방법은 엔진으로부터 배출된 배기가스에 요소수와 같은 환원제를 분사하고, 상기 환원제를 가열하여 기화시킴으로써 배기가스와의 혼합도(Degree of mixing)를 증가시킬 수 있다. 균일하게 혼합된 환원제와 배기가스는 선택적 환원 촉매 장치(30)로 공급될 수 있고, 배기가스 내의 질소산화물은 인체에 무해한 질소로 환원될 수 있다.As described above, in the nitrogen oxide reduction method according to exemplary embodiments, a reducing agent such as urea water is injected into the exhaust gas discharged from the engine, and the reducing agent is heated and vaporized to vaporize the degree of mixing with the exhaust gas. ) can be increased. The uniformly mixed reducing agent and exhaust gas may be supplied to the selective
이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the embodiments of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention within the scope without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. You will understand that you can.
10: 배기 파이프 20: 디젤 산화 촉매 장치
30: 선택적 환원 촉매 장치 32: 환원제 분사 모듈
33: 파이프 34, 35: 환원제 믹싱 장치
36: 암모니아 슬립 촉매 장치 38: 온도 센서
39: 질소산화물 농도 센서 40: 요소수 저장 탱크
42: 요소수 공급 모듈 44: 공급 라인
46: 회수 라인 50: 제어부
100: 지지체 110: 제2 담체
112: 통로 120, 122: 가열부
130: 전력 공급부10: exhaust pipe 20: diesel oxidation catalyst device
30: selective reduction catalyst device 32: reducing agent injection module
33:
36: ammonia slip catalyst device 38: temperature sensor
39: nitrogen oxide concentration sensor 40: urea water storage tank
42: urea water supply module 44: supply line
46: recovery line 50: control unit
100: support 110: second carrier
112:
130: power supply
Claims (14)
상기 담체 내부에 설치되며, 상기 담체를 통과하는 상기 환원제를 가열하여 기화시키기 위한 가열부를 포함하고,
상기 가열부는 정면에서 보았을 때 상기 담체 내부에 나선형으로 배치되어 주위로 열에너지를 발산하는 것을 특징으로 하는 환원제 믹싱 장치.a carrier installed at the rear of the reducing agent injection module for injecting a reducing agent into the exhaust gas of the engine discharged through the exhaust pipe, and through which the exhaust gas and the reducing agent pass; and
It is installed inside the carrier and includes a heating unit for heating and vaporizing the reducing agent passing through the carrier,
The heating unit is spirally arranged inside the carrier when viewed from the front, characterized in that the reducing agent mixing device to radiate the thermal energy to the surroundings.
상기 배기 파이프 내에서 상기 환원제 분사 모듈의 후방에 설치되며, 상기 배기가스와 상기 환원제를 촉매 반응시켜 상기 배기가스 내의 질소산화물을 환원시키기 위한 선택적 환원 촉매 장치; 및
상기 배기 파이프 내에서 상기 환원제 분사 모듈 및 상기 선택적 환원 촉매 장치 사이에 설치되며, 상기 환원제를 기화시켜 상기 배기가스와 혼합시키기 위한 환원제 믹싱 장치를 포함하고,
상기 환원제 믹싱 장치는,
상기 배기가스 및 상기 환원제가 통과하는 담체; 및
정면에서 보았을 때 상기 담체 내부에 나선형으로 설치되며, 상기 담체를 통과하는 상기 환원제를 가열하여 기화시키기 위한 가열부를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.a reducing agent injection module installed in an exhaust pipe through which exhaust gas is discharged from the engine, and injecting a reducing agent into the exhaust pipe;
a selective reduction catalyst device installed in the rear of the reducing agent injection module in the exhaust pipe to reduce nitrogen oxides in the exhaust gas by catalytically reacting the exhaust gas and the reducing agent; and
It is installed between the reducing agent injection module and the selective reduction catalyst device in the exhaust pipe, and includes a reducing agent mixing device for vaporizing the reducing agent and mixing it with the exhaust gas,
The reducing agent mixing device,
a carrier through which the exhaust gas and the reducing agent pass; and
Selective catalytic reduction system, characterized in that it is spirally installed inside the support when viewed from the front, and comprising a heating unit for heating and vaporizing the reducing agent passing through the support.
허니콤 형상의 담체인 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.According to claim 7, wherein the carrier,
A selective catalytic reduction system, characterized in that it is a honeycomb-shaped carrier.
상기 배기 파이프 내부의 상기 배기가스의 온도를 측정하기 위한 온도 센서; 및
상기 배기 파이프 내부의 상기 배기가스에 포함된 질소산화물의 농도를 측정하기 위한 질소산화물 농도 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 시스템.8. The method of claim 7,
a temperature sensor for measuring a temperature of the exhaust gas inside the exhaust pipe; and
Selective catalytic reduction system, characterized in that it further comprises a nitrogen oxide concentration sensor for measuring the concentration of nitrogen oxide contained in the exhaust gas inside the exhaust pipe.
The selective catalytic reduction system according to claim 12, wherein the control unit operates the reducing agent mixing device when the temperature of the exhaust gas is 350° C. or less.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant |