KR102342002B1 - 자동차의 배기가스 후처리 시스템용 믹서 장치, 배기가스 후처리 시스템 및 자동차 - Google Patents

자동차의 배기가스 후처리 시스템용 믹서 장치, 배기가스 후처리 시스템 및 자동차 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 외벽(5), 제1 단부벽(6) 및 제2 단부벽(7)을 갖는 원통형 하우징(4)을 구비한 자동차의 배기가스 후처리 시스템용 믹서 장치(1)에 관한 것이며, 이 경우 외벽(5)에는 배기가스 후처리제용 분사 개구(11)가 형성되어 있으며, 하우징(4) 내에는 곡선 형태로 연장되는 하나 이상의 공기 가이드 요소(14)가 배치되고, 이 공기 가이드 요소는 배기가스 흐름을 하나 이상의 유입 개구(8, 9, 10)로부터 제2 단부벽(7) 내에 형성된 배출 개구(15)로 안내한다. 유입 개구(8, 9, 10)는 제1 단부벽(6)에 형성되고, 하우징(4) 내에 배기가스 흐름 및/또는 배기가스 후처리제를 위한 하나 이상의 충돌면(20)이 유입 개구(8, 9, 10) 하류에 배치되는 구성이 제안되며, 이 경우 충돌면(20)은 배기가스 후처리제의 분사 방향에 대해 적어도 실질적으로 수직으로 정렬된다.

Description

자동차의 배기가스 후처리 시스템용 믹서 장치, 배기가스 후처리 시스템 및 자동차
본 발명은, 외벽, 제1 단부벽 및 제2 단부벽을 갖는 원통형 하우징을 구비한 자동차의 배기가스 후처리 시스템용 믹서 장치에 관한 것으로, 여기서 외벽에는 배기가스 후처리제용 분사 개구가 형성되고, 하우징 내에는 곡선 형태로 연장되는 하나 이상의 공기 가이드 요소가 배치되며, 이 공기 가이드 요소는 배기가스 흐름을 하나 이상의 유입 개구로부터 제2 단부벽에 형성된 배출 개구로 안내한다.
또한, 본 발명은, 이와 같은 믹서 장치를 갖는 배기가스 후처리 시스템 및 상응하는 배기가스 후처리 시스템을 갖는 자동차와도 관련이 있다.
특히 디젤 엔진의 배기가스 후처리를 위해, 배기가스의 유해 성분들을 줄이는 데 이용되는 다양한 방법 및 장치가 공지되어 있다. 자주 사용되는 방법은, 배기가스 내 NOx 성분을 환원시키기 위한 소위 선택적 촉매 환원법(SCR)이다. 이 방법에서는, 배기가스 후처리제로서 요소수가 배기가스 흐름 내로 분사되며, 상기 요소수는 배기가스와 혼합되어 촉매 컨버터 내 하류에서 NOx의 환원을 위해 배기가스와 반응한다. 이 경우, 배기가스 후처리의 결과는 배기가스 후처리제 및 배기가스의 개선된 완전 혼합을 통해 최적화될 수 있다. 이로써, 예를 들어 공개 공보 DE 10 2013 005 206 B3호에 이미 기술된 바와 같이, 혼합을 위해 믹서 장치를 제공하는 점이 공지되어 있다. 이 믹서 장치는 하우징 내에 나선형으로 연장되는 공기 가이드 요소를 가지며, 이러한 구성은 배기가스가 와류를 얻도록 유도하고, 설치 공간이 협소할 때 가급적 긴 혼합 구간이 제공되도록 한다. 공기 가이드 요소는 배기가스 흐름을 유입 개구로부터 제2 단부벽에 형성된 배출 개구로 안내하며, 이곳에서 배기가스 흐름과 배기가스 후처리제의 혼합물이 혼합 장치로부터 배출되어 SCR 촉매 컨버터에 공급된다. 배기가스 규정이 점점 더 엄격해짐에 따라, 대기 오염 물질의 배출, 특히 배기가스 내 NOx 성분을 줄이려는 노력이 많이 강구되고 있다. 이와 같은 노력은 무엇보다 배기가스 흐름의 온도가 하강하는 결과를 낳는다. 이 경우, SCR 촉매 컨버터에 있어서, NOx 성분의 환원을 위해 필요한 반응 온도에 도달하기가 더 어렵다는 단점이 있다. 보통, SCR 촉매 컨버터는 연소 엔진으로부터 멀리 떨어져서 배치되고, 이로 인해 추가의 온도 손실이 발생한다. 촉매 컨버터가 연소 엔진에 더 가까이 배치될수록, 그리고 연소 엔진으로부터 촉매 컨버터에 이르기까지 배기가스 흐름이 통과해야 하는 거리가 더 짧을수록, 후처리 결과는 그만큼 더 나아진다.
청구항 1의 특징들을 갖는 본 발명에 따른 믹서 장치는, 협소한 공간에서 배기가스와 배기가스 후처리제의 훨씬 더 개선된 혼합이 이루어진다는 장점을 가지며, 이 경우 믹서 장치는 연소 엔진에 가까이 배치될 수 있고, 그럼에도 충분한 혼합을 위한 충분한 혼합 경로가 보장된다. 이는 본 발명에 따라, 유입 개구가 제1 단부벽에 형성됨으로써, ƒZ고 하우징 내 유입 개구 하류에 배기가스 흐름 및/또는 배기가스 후처리제를 위한 하나 이상의 충돌면이 배치됨으로써 달성되며, 이 경우 충돌면은 배기가스 후처리제의 분사 방향에 대해 적어도 실질적으로 수직으로 정렬된다. 믹서 장치의 본 발명에 따른 설계는, 배기가스 후처리제가 하우징 내에서 충돌면에 적어도 실질적으로 수직으로 충돌하도록 유도하며, 이로 인해 특히 액체 배기가스 후처리제의 분무가 수행된다. 이로써, 배기가스 후처리제의 상대적으로 더 큰 액적들이, 배기가스 흐름과 더 용이하게 혼합될 수 있는 상대적으로 더 작은 액적들로 분할된다. 또한, 배기가스 흐름과 충돌면 간에 바람직한 열교환도 수행된다.
본 발명의 바람직한 일 개선예에 따라, 하우징 내에서 유입 개구 하류에, 곡선 형태로, 특히 나선형으로 연장되는 공기 가이드 요소에 대해 평행하게 하나 이상의 추가 공기 가이드 요소가 배치되고, 이 추가 공기 가이드 요소가, 측면에서 돌출하여 충돌면을 형성하는 하나 이상의 충돌 요소를 구비한다. 상기 추가 공기 가이드 요소가 바람직하게는 공기 가이드 요소의 전체 길이에 걸쳐 연장되지 않고, 오히려 공기 가이드 요소의 일 섹션에 걸쳐서만 연장됨으로써, 상기 추가 공기 가이드 요소는 공기 가이드 요소보다 더 짧게 형성된다. 공기 가이드 요소에는, 배기가스 후처리제 및 배기가스 흐름을 위한 충돌면을 제공하는 하나 이상의 충돌 요소가 형성된다. 추가 공기 가이드 요소의 바람직한 형성에 의해 하우징 내 가스 안내가 더욱 개선되고, 배기가스 흐름으로부터 하우징으로의 열 전달 및 그 반대 방향으로의 열 전달이 바람직한 방식으로 가능해진다.
더 나아가, 바람직하게는, 추가 공기 가이드 요소가 복수의 충돌 요소를 가지며, 이들 충돌 요소가 각각 하나의 충돌면을 형성한다. 이로써, 추가 공기 가이드 요소에 복수의 충돌면이 제공되고, 그에 상응하게 배기가스 후처리제의 분무가 개선된다. 특히 배기가스 흐름이 공기 가이드 요소의 연장부에 대해 평행하게 배리어 없이 흐를 수 있는 영역도 제공하기 위해, 특히 충돌 요소들이 추가 공기 가이드 요소에서 각각 서로에 대해 이격되어 배치됨음으로써, 배기가스 흐름의 유동 속도가 과도하게 줄어들지 않게 되고, 배기가스 흐름 내에서의 원치 않는 난류(turbulence)도 방지된다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라, 개별 충돌 요소가 추가 공기 가이드 요소의 외측으로 휘어져 나온 충돌 설형부로서 형성된다. 이와 관련하여, 충돌 요소 또는 충돌 요소들은 특히 추가 공기 가이드 요소와 일체형으로 형성되고, 이로 인해 비용 효율적이면서 조립 친화적으로 구현될 수 있다.
더 나아가, 바람직하게는, 제1 단부벽에 복수의 유입 개구가 형성된다. 이로 인해, 배기가스 흐름은 복수의 유입 개구를 통과해서 하우징 내부에 도달한다. 유입 개구들이 제1 단부벽에 형성됨으로써, 배기가스 흐름은 적어도 국소적으로 축방향으로 하우징 내부에 도달하게 된다. 바람직하게는, 배기가스 흐름이 축방향이 아니라 경사져서 하우징 내부로 유입되도록 정렬된 유입 채널이 유입 개구에 할당됨으로써, 배기가스 흐름이 추가 공기 가이드 요소의 방향으로 안내되어, 하우징 내에서 와류의 발생이 지원된다.
더 나아가, 바람직하게는, 제1 단부벽이 배기가스 후처리제의 분사 방향에 대해 평행하게 연장되는 섹션을 구비하고, 이 섹션이 개구 없이 또는 폐쇄된 상태로 형성된다. 이를 통해, 적어도 상기 섹션에서는 배기가스 흐름이 직접 하우징 내부로 침투하지 않음으로써, 하우징 내부로 분사된 배기가스 후처리제가 더 이상 추가 공기 가이드 요소에 충돌하지 않도록 편향되는 점이 보장된다. 이와 관련하여 상기 섹션은, 분사된 배기가스 후처리제의 흐름이 배기가스에 의해 추가 공기 가이드 요소로부터 편향되지 않도록 선택된다. 오히려, 유입 개구들이 상기 섹션에 인접하여 배치됨으로써, 특히 추가 공기 가이드 요소의 영역에서 배기가스 후처리제와의 바람직한 혼합이 이루어진다.
본 발명의 바람직한 일 개선예에 따라, 상기 섹션이 분사 개구의 높이에서 시작하여, 하나 이상의 추가 공기 가이드 요소에 대해 이격된 상태로 끝난다. 특히, 유입 개구들 중 하나가 공기 가이드 요소 앞에 접속됨에 따라, 상기 영역에서는 이미 상류에서 또는 직접 추가 공기 가이드 요소에서, 분사된 배기가스 후처리제와의 혼합이 이루어진다.
더 나아가, 바람직하게는, 배출 개구가 제2 단부벽에 편심으로 배치된다. 이를 통해, 유동 채널의 횡단면이 하우징에 의해 확대됨으로써, 믹서 장치의 압력 강하가 감소하게 된다. 배출 개구는 바람직하게 원형으로 또는 타원형으로 형성된다. 대안적으로, 배출 개구가 다른 횡단면 형상을 가질 수도 있다. 특히, 혼합 장치 내에서 압력 강하를 더욱 감소시키며, 하류에 위치한 SCR 촉매 컨버터에서 배기가스와 배기가스 후처리제의 혼합물이 균일하게 공급될 수 있도록 최적화된 횡단면 형상이 선택된다.
청구항 9의 특징들을 갖는 본 발명에 따른 배기가스 후처리 시스템은, 믹서 장치의 본 발명에 따른 형성을 특징으로 한다. 이와 같은 배기가스 후처리 시스템에서는 앞에서 이미 언급한 장점들이 도출된다.
청구항 10의 특징들을 갖는 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배기가스 후처리 시스템을 특징으로 한다. 이와 같은 자동차에서도 앞에서 이미 언급한 장점들이 도출된다.
또 다른 장점들 및 바람직한 특징들 그리고 특징 조합들은 특히 전술한 내용과 청구항들을 참조한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 자동차의 배기가스 후처리 시스템용 믹서 장치의 평면도이다.
도 2는 믹서 장치의 사시도이다.
도 1은, 본 도면에 상세하게 도시되지 않은 자동차 배기가스 후처리 시스템용 믹서 장치(1)를 간략한 평면도로 보여준다. 믹서 장치(1)가 특히 유체공학적으로 내연 기관 하류에서 산화 촉매 컨버터와 SCR 촉매 컨버터 또는 SCR 코팅 입자 필터 사이에 배치될 수 있고, 배기가스 후처리제를 연소 엔진의 배기가스 흐름과 최적으로 혼합하기 위해 이용됨으로써, 하류에 위치한 SCR 촉매 컨버터 내에서 질소산화물의 바람직한 환원이 이루어질 수 있게 된다.
도 2는, 믹서 장치(1)를 사시도로 보여주며, 여기서 상류에 위치한 산화 촉매 컨버터(2) 및 하류에 위치한 SCR 촉매 컨버터(3) 또는 SCR 코팅 입자 필터가 파선으로 표시되어 있다.
믹서 장치(1)는 하우징(4)을 구비하며, 이 하우징은 여기서 원형으로 연장되는 외벽(5) 그리고 제1 단부벽(6) 및 제2 단부벽(7)을 갖는다. 단부벽들(6 및 7)은 서로에 대해 평행하게 정렬되고, 외벽(5)의 높이에 따라 서로에 대해 이격되어 배치된다. 이와 관련하여, 하우징(4)은 원통형으로 형성된다.
제1 단부벽(6)은 복수의 유입 개구(8, 9 및 10)를 구비한다. 이 경우, 유입 개구(8)는 선택적으로 원형으로 형성되고, 유입 개구(9)는 쐐기 형상으로 형성되며, 유입 개구(10)는 원 세그먼트 형상으로 형성된다. 유입 개구들(8, 9 및 10)의 배치와 형상은 추후 더 상세히 설명한다.
외벽(5)은 액체 배기가스 후처리제용 분사 개구(11)를 구비하며, 이 경우 분사 개구(11)는 분사 노즐(12)의 단부에 형성된다. 분사 노즐(12)이 예를 들어 분사 밸브를 수용하기 위해 이용됨으로써, 분사 밸브에 의해 배기가스 후처리제의 계량된 분사가 직접 믹서 장치(1)에서 수행된다. 이 경우, 노즐(12)은, 액체 배기가스 후처리제가 할선의 방향으로 하우징(4) 내부로 분사되도록 정렬된다.
이 경우, 제1 유입 개구(8)는 대략 분사 개구(11) 상류에 배치되고, 유입 개구(9)는 대략 분사 개구(11)의 높이에서 시작하여 분사 방향에 대해 실질적으로 평행하게 연장되며, 이 경우 이들 개구의 내부 폭이 확대됨으로써 앞에서 이미 언급된 쐐기 형상이 나타나게 된다. 이 경우, 2개의 유입 개구(9)가 서로에 대해 반사 대칭으로 배열됨으로써, 이들 유입 개구 사이에 개구 없이 형성된 섹션(13)이 놓이게 된다. 상기 섹션(13)은 분사 개구(11)로부터 단부벽(6) 내 유입 개구(10)까지 연장된다. 상기 섹션(13)에 의해, 상기 영역에서 배기가스 흐름이, 분사된 배기가스 후처리제에 바로 수직으로 충돌하지 않는 점이 보장되며, 이로 인해 배기가스 흐름이 분사 매체 흐름을 아래로 밀어내거나 하우징(2)의 단부벽(7)에 대향하여 편향될 수 있다.
하우징(4) 내에는 또한 공기 가이드 요소(14)가 배치되며, 이 공기 가이드 요소가 하우징(4) 내에서 나선형으로 편심되어 연장됨으로써, 배기가스 흐름 및 분사된 후처리제가 단부벽(7) 내에 편심되어 형성된 배출 개구(15)로 안내된다. 나선 형상에 의해, 하우징(4) 내에서의 유동 경로가 최대가 된다. 본 실시예에 따르면, 공기 가이드 요소(14)는 반원 형상으로 원형 배출 개구(15)의 외부 윤곽을 따라 연장된다. 이 경우, 공기 가이드 요소(14)가 외벽(5)에서 시작함으로써, 나선형의 진행이 도출된다. 배기가스 후처리제 및 배기가스 흐름은 먼저 공기 가이드 요소(14)의 외부면에 충돌하고, 이어서 외벽(5)을 통과해서 공기 가이드 요소(14)의 내부면에 공급되며, 상기 공기 가이드 요소는 흐름을 배출 개구(15)로 안내한다. 이 경우, 화살표(16)로 지시된 바와 같이, 배기가스와 배기가스 후처리제의 혼합물 내에 와류가 발생한다.
공기 가이드 요소(14)에 대해 평행하게, 추가의 제2 공기 가이드 요소들(17 및 18)이 배열되며, 이들 공기 가이드 요소는 공기 가이드 요소(14)보다 더 짧게 형성되고, 원주 선을 따라 연장되며, 이 원주 선의 반경은 공기 가이드 요소(14)의 반경과 동일한 원점을 갖는다.
상기 추가 공기 가이드 요소(17, 18)는 각각 측면에서 돌출하는 복수의 충돌 요소(19)를 구비한다. 이들 충돌 요소(19)는, 분사 개구(11) 쪽을 향하고 있는 충돌면(20)을 각각 형성한다. 이 경우, 충돌 요소(19)는, 충돌면(20)이 배기가스 후처리제의 분사 방향에 대해 실질적으로 수직으로 놓이도록 정렬된다. 본 경우, 충돌 요소(19)는, 추가 공기 가이드 요소(17, 18)에서 바깥쪽으로 구부러진 충돌 설형부로서 형성된다. 이러한 문맥에서, 추가 공기 가이드 요소(17, 18)는 개별 충돌 요소(19)와 일체형으로 형성된다. 추가 공기 가이드 요소(17, 18)는 예를 들어 스탬핑/벤딩 판금부로서 제작될 수 있다.
추가 공기 가이드 요소(17, 18)가 국부적으로 유입 개구(10)의 높이에 배치됨으로써, 유입 개구(10)를 통과해서 흐르는 배기가스는 곧바로 공기 가이드 요소(17, 18)에 충돌할 수 있다.
따라서, 작동 중에는 배기가스 흐름이 유입 개구(8, 9 및 10)를 통과해서 하우징(4) 내부로 유입되는 한편, 배기가스 후처리제는 분사 개구(11)를 통과해서 하우징(4) 내부로 분사된다. 바람직한 섹션(13)으로 인해, 분사된 배기가스 후처리제는 충돌면(20)에 도달하고, 그곳에서 분무되며, 바람직하게는 마찬가지로 유입되는 배기가스 흐름과 혼합된다. 공기 가이드 요소(14)와, 공기 가이드 요소(17, 18)의 연장부를 통과해서, 배기가스 흐름과 배기가스 후처리제의 혼합물이 외벽(5) 및 공기 가이드 요소(14)를 따라 배출 개구(15)로 안내되고, 이로 인해 와류(16)가 발생한다. 와류(16)가 하류에 위치한 SCR 촉매 컨버터 또는 SCR 코팅 입자 필터의 바람직한 작용을 유발함으로써, 바람직한 배기가스 후처리가 구현된다.
바람직한 믹서 장치(1)는, 바람직한 혼합을 가능케 하는 긴 유동 경로를 가진 설치 공간 절약형 구성의 장점을 갖는다. 더욱이, 배기가스 후처리제의 바람직한 분무도 보장된다. 배기가스 후처리를 모니터링하기 위해, 하나 또는 복수의 센서를 믹서 장치에, 특히 혼합 영역 상류에 배치하는 데에는 아무 문제가 없다. 분사 밸브는, 하우징(4)에 또는 믹서 장치(1)에 간단히 비용 효율적으로 배치될 수 있다. 믹서 장치(1)가 충돌면 또는 추가 공기 가이드 요소(17, 18)에서의 배기가스 흐름의 열 에너지을 최대한 활용할 수 있게 함으로써, 배기가스 후처리제에 대한 믹서 장치의 내구성이 증가한다.

Claims (10)

  1. 외벽(5), 제1 단부벽(6) 및 제2 단부벽(7)을 갖는 원통형 하우징(4)을 구비한, 자동차 배기가스 후처리 시스템용 믹서 장치(1)로서, 상기 외벽(5)에 배기가스 후처리제용 분사 개구(11)가 형성되고, 상기 하우징(4) 내에 곡선 형태로 연장되는 하나 이상의 공기 가이드 요소(14)가 배열되며, 상기 공기 가이드 요소가 배기가스 흐름을 복수의 유입 개구(8, 9, 10)로부터 제2 단부벽(7) 내에 형성된 배출 개구(15)로 안내하고,
    유입 개구들(8, 9, 10)이 제1 단부벽(6)에 형성되고, 하우징(4) 내에 배기가스 후처리제를 위한 하나 이상의 충돌면(20)이 유입 개구(8, 9, 10) 하류에 배치되며, 상기 충돌면(20)은 배기가스 후처리제의 분사 방향에 대해 수직으로 정렬되는, 자동차의 배기가스 후처리 시스템용 믹서 장치에 있어서,
    상기 하우징 내에 하나 이상의 추가 공기 가이드 요소(17, 18)가 배치되고, 상기 추가 공기 가이드 요소는 측면에서 돌출하여 충돌면(20)을 형성하는 하나 이상의 충돌 요소(19)를 구비하며, 제1 단부벽(6)은, 분사 방향에 대해 평행하게 연장되고 개구 없이 형성된 섹션(13)을 구비하며, 상기 섹션은 분사 개구(11)의 높이에서 시작하여 추가 공기 가이드 요소(17, 18)에 대해 이격된 상태로 끝나며, 상기 섹션(13)은 유입 개구(9)들 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는, 자동차 배기가스 후처리 시스템용 믹서 장치.
  2. 제1항에 있어서, 추가 공기 가이드 요소(17, 18)는 각각 하나의 충돌면(20)을 갖는 복수의 충돌 요소(19)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 자동차 배기가스 후처리 시스템용 믹서 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 개별 충돌 요소(19)는 개별 추가 공기 가이드 요소(17, 18)의 외측으로 구부러진 충돌 설형부로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 자동차 배기가스 후처리 시스템용 믹서 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 배출 개구(15)가 제2 단부벽(7)에 편심으로 배치/형성되는 것을 특징으로 하는, 자동차 배기가스 후처리 시스템용 믹서 장치.
  5. 내연 기관의 배기가스 흐름 및 액체 배기가스 후처리제를 위한, 하나 이상의 믹서 장치(1)를 갖는, 자동차용 배기가스 후처리 시스템에 있어서,
    제1항 또는 제2항에 따른 믹서 장치(1)의 형성을 특징으로 하는, 자동차용 배기가스 후처리 시스템.
  6. 내연 기관 및 상기 내연 기관용 배기가스 후처리 시스템을 구비한 자동차에 있어서,
    제5항에 따른 배기가스 후처리 시스템의 형성을 특징으로 하는, 자동차.
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