KR20010024104A - 정적 혼합기 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따라 초과량의 공기로 작동되는 내연기관의 배기 가스 정화 장치의 채널(2)내에 정적 혼합기로서, 크로스 바아(22) 사이에 형성된 다수의 메시(24)를 가진 금속 망(24)이 사용된다. 금속 망(4)의 사용에 의해, 짧은 혼합 구간에서도 배기 가스(A)와 환원제(R)의 양호한 혼합, 및 흐름 방향 조절, 즉 채널(2)내에서 배기 가스(A) 흐름의 방향 조절이 이루어진다.

Description

정적 혼합기 {STATIC MIXER}
내연기관의 배기 가스 중에 포함된 유해 물질, 특히 산화 질소를 제거하기 위해, 제어된 디젤 촉매 변환기(GDK)의 원리가 바람직한 기술로 나타났다. 상기 기술은 특히 초과량의 공기로 작동되는 내연기관, 예컨대 디젤 및 희박 엔진에 사용된다. 선택적 촉매 환원(SCR)의 방법을 기초로 하는 상기 기술에서는 산화 질소가 환원제와 함께 선택적 촉매 변환기에 접촉하고 거기서 위험하지 않은 질소 및 물로 변환된다.
상기 원리에 따라 작동하는 배기 가스 정화 장치는 독일의 베를린 및 뮌헨에 소재하는 Siemens AG의 SiNOX-배기 가스 정화 시스템으로 판매된다(회사 팜플렛 "SINOxStickoxidminderung fuer stationaere Dieselmotoren", 주문 번호 A96001-U91-A232). 이러한 장치에 의해, 디젤 엔진의 산화 질소 방출이 현저히 감소된다. 배기 가스 중의 산화 질소는 배기 가스 관에서 환원제, 통상적으로 가수분해에 의해 우레아로부터 얻어진 암모니아와 혼합되어, 촉매 변환기를 포함하는 환원실내로 안내되어 거기서 촉매 변환된다. 배기 가스와 환원제의 혼합을 위해 통상적으로 독일 특허 공개 제 43 13 393 A1호에 공지된 바와 같은 정적 혼합기가 사용된다.
상기 공지된 정적 혼합기는 환원제로 작동되는 배기 가스 정화 장치에서 배기 가스와 환원제의 균일한 혼합이라는 점에서 만족스러운 결과를 제공한다. 그러나, 자동차에서는 통상적으로 배기 가스 관 및 그에 따라 채널이 자동차 구조에 매칭되어야 하기 때문에, 많은 경우에 조립 공간의 부족으로 인해 상기 혼합기에 의해 요구되는 최소 혼합 구간이 종종 구현될 수 없다. 이러한 경우, 촉매 변환기를 포함하는 환원실내로 바람직하지 못한 비율의 혼합물이 유입되고, 그 결과 촉매 변환기의 입구에 불균일한 흐름 프로필이 주어진다..
본 발명은 초과량의 공기로 작동되는 내연기관의 배기 가스 정화 장치의 채널내의 정적 혼합기에 관한 것이다.
도 1은 노즐 장치 및 SCR 촉매 변환기 전후에 정적 혼합기가 배치된 배기가스 정화 장치의 개략도이고,
도 2는 도 1에 따른 배기가스 정화 장치의 채널 및 그 안에 경사지게 배치된 정적 혼합기의 단면도이며,
도 3은 금속 망형 정적 혼합기를 나타내고,
도 4는 도 3의 선 Ⅳ-Ⅳ을 따른 금속 망의 측면도이다.
본 발명의 목적은 가급적 짧은 혼합 구간에서도 흐름 방향 조절, 즉 채널내에서 배기 가스의 흐름 방향 조절을 가능하게 하는 정적 혼합기를 배기 가스 정화 장치의 채널에 제공하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라 청구항 제 1항의 특징에 의해 달성된다. 크로스 바아 사이에 형성된 다수의 메시를 가진 금속 망(網)이 정적 혼합기로서 채널에 사용된다.
금속 망은 플라스틱 또는 금속으로 이루어질 수 있다. 상기 금속은 강망이라 한다. 이러한 금속 망은 예컨대 독일 하노버에 소재하는 Ernst Sorst + Co의 팜플렛 "Strecken macht groesser, Streckgitter"에 공지되어 있고 다양한 디자인으로 판매된다. 독일 특허 제 32 08 634호에는 금속 망 시이트가 촉매 변환기 플레이트의 제조시 촉매 물질용 지지로 사용되는 것이 공지되어 있다.
금속 망은 혼합기의 기능에 부가해서 흐름 방향 조절기의 기능을 한다. 배기 가스 정화 장치의 작동시, 금속 망에 의해 형성된 혼합 운동으로 인해 배기 가스 정화 장치내로 유입되는 환원제가 배기 가스와 혼합된다. 동시에, 금속 망은 흐름 방향 조절이라는 면에서 항상 적어도 채널의 종축 또는 대칭축에 대해 대략 평행하게 흐름에 영향을 준다. 금속 망의 적합한 배치에 의해, 특히 주어진 조립 비율로 인해 야기된 채널내의 바람직하지 못한 흐름 프로필이 매우 간단하게 그리고 효과적으로 제거되고 흐름이 균일화된다.
금속 망은 바람직하게는 채널의 전체 관 횡단면을 채우고 25% 내지 85%의 자유 횡단면을 갖는다. 금속 망은 용도에 따라 미세한 또는 거친 메시로 그리고 긴 크로스 바아 금속 망로 형성될 수 있다. 금속 망의 조립은 바람직하게는 채널의 종축 또는 관 축에 대해 수직으로 이루어지거나 또는 수직 조립에 대해 45°까지의 경사각으로 이루어진다.
금속 망의 노드 주위를 흐를 때, 혼합을 야기시키는 소용돌이 및 난류가 발생된다. 동시에, 금속 망의 크로스 바아는 배기 가스 또는 이미 환원제와 혼합된 배기 가스의 흐름을 그것의 입사각에 따라 방향 조절한다. 크로스 바아 폭 및 크로스 바아 두께 사이의 비율 증가에 따라 흐름 방향 조절의 효과가 커진다. 이에 반해, 비율의 감소에 따라 혼합 효과가 커진다. 크로스 바아 폭과 크로스 바아 두께 사이의 비율의 특히 바람직한 범위는 0.5 내지 5인 것으로 밝혀졌다.
금속 망은 층 패킷의 방식에 따라 제 2 금속 망과 조합될 수 있다. 또한, 다수의 개별 금속 망 또는 금속 망 층 패킷이 배기 가스의 흐름 방향으로 볼 때 차례로 배치될 수 있다. 이 경우, 인접한 층 사이의 간격은 바람직하게는 채널의 직경의 5배 보다 작거나 동일하다.
통상적으로 수성 환원제를 채널내로 노즐링할 때, 바람직하게는 배기 가스의 흐름 방향으로 볼 때 노즐링 장소 앞에 적어도 하나의 금속 망이 배치된다. 이것은 특히 채널의 휨부내에서 노즐링이 이루어져야 할 때 바람직한데, 그 이유는 휨부의 외부 영역에서 내부 영역에서 보다 많은 배기 가스가 흐르기 때문이다. 이로 인해 야기되는 휨부에서의 바람직하지 못한 흐름 비율은 채널내로 유입되는 환원제와 배기 가스의 매우 불균일한 공급을 야기시킨다. 이러한 바람직하지 못한 흐름 프로필이 앞에 배치된 금속 망에 의해 균일하게 되므로, 휨 영역에서도 배기 가스와 환원제의 균일한 혼합이 이루어진다. 환원실내로, 즉 촉매 변환기 바로 앞으로 배기 가스 환원제 혼합물의 유입시 흐름 프로필을 보다 균일하게 하기 위해, 거기에 제 2 금속 망이 제공된다.
다수의 층 또는 층 패킷내에 다수의 금속 망을 사용할 때, 금속 망의 배치는 배기 가스와 환원제의 특히 양호한 혼합을 고려해서 이루어진다. 또한, 하류에서 마지막 층은 후속하는 관 또는 채널에 따라 흐름 방향을 조절하기 위해 사용된다. 바람직하게는 다양한 메시 개구, 크로스 바아 치수 및/또는 노드 치수를 가진 여러 가진 금속 망이 다수의 층에 사용된다.
본 발명에 의해 얻어지는 장점은 초과량의 공기로 작동되는 내연기관의 배기 가스 정화 장치의 채널내에 정적 혼합기로서 금속 망을 사용함으로써, 한편으로는 매우 짧은 혼합 구간에서도 배기 가스와 환원제의 양호한 혼합이 이루어진다는 것이다. 다른 한편으로는 배기 가스 및/또는 배기가스 환원제 혼합물의 흐름이 금속 망의 부가의 흐름 방향 조절 기능으로 인해 매우 간단한 방식으로 균일화된다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참고로 구체적으로 설명한다.
모든 도면에서 서로 상응하는 부품은 동일한 도면 부호를 갖는다.
도 1에 따라, 초과량의 공기로 작동되는 (도시되지 않은) 내연기관, 예컨대 디젤 엔진으로부터 배기 가스(A)가 방출되어 (예컨대, 도시되지 않은 배기 가스 터보 과급기를 통해) 배기 가스 관(2)의 형태인 채널내로 안내된다. 배기 가스 관(2)내에는 도 3에 도시된 금속 망(4)의 형태인 정적 혼합기가 배치된다. 흐름 방향으로 볼 때, 후속해서 환원제(R)용 노즐 장치(6)가 배기 가스 관(2)의 휘어진 영역, 즉 휨부(8)내에 배치된다. 상기 환원제(R)로는 암모니아(NH3), 특히 우레아 수용액이 사용될 수 있다. 천이 영역(10)에서, 촉매 변환기(12)를 수용하기 위해 배기 가스 관(2)이 확대된다. 촉매 변환기(12)는 예컨대 국제 공개 제 WO 97/01387호에 따라 배치되고 구현될 수 있다. 본 실시예에서 상기 천이 영역(10)의 상류 -촉매 변환기(12)의 하우징 앞- 에는 금속 망(4) 형태의 제 2 정적 혼합기가 배기 가스 관(2)내에 배치된다.
차례로 배치된 3개의 SCR 촉매 변환기 모듈(14)을 포함하는 촉매 변환기(12)는 배기 가스(A) 중의 산화질소(NOx)를 제거하기 위해 사용된다. 이로 인해 정화된 배기 가스(A')는 배출구(16)를 통해 배기 가스 관(2)을 벗어난다.
금속 망 또는 개별 금속 망(4) 대신에, 차례로 일렬로 놓인 다수의 금속 망(4)로 이루어진 층 패킷(18)(도 2)이 배기 가스 관(2)내에 사용될 수 있다. 개별 금속 망(4) 또는 층 패킷(18) 사이의 간격(x)은 바람직하게는 배기 가스 관(2)의 직경(D)의 5배 보다 작다.
선행 기술과는 달리, 정적 혼합기로서 금속 망(4)를 배기 가스 정화 장치에 사용함으로써, 한편으로는 흐름 및 환원제 분포가 개선되고, 다른 한편으로는 배기 가스 관 또는 채널(2)내의 흐름 배치가 개선된다. 자동차 기관으로부터 뻗은 배기 가스 관(2)의 휨부(8)가 자동차에서 이용 가능한 조립 공간으로 인해 촉매 변환기(12) 바로 앞에 조립되어야 하는 상용차에 SINOx-배기 가스 정화 시스템을 사용하면, 특히 휨부(8) 앞에 혼합기로서 또는 흐름 방향 조절기로서 금속 망(4)를 조립함으로써, NOx변환이 현저히 증가된다. 공지된 혼합기에 비한 이러한 증가는 각각의 금속 망(4)에 의한 흐름 방향 조절의 효과에 기인할 수 있는데, 그 이유는 휨부(8)가 공지된 바와 같이, 노즐 장치(6)의 위치에 의해 결정되는 노즐링 장소(19) 및 촉매 변환기(12)에서 비대칭 흐름 프로필을 야기시키기 때문이다.
도 2에 나타나는 바와 같이, 금속 망(4)가 -배기 가스 관(2)의 횡 방향(20)에 대해- 종축(21)에 대한 경사각(α)으로 경사지게 배치될 수 있다. 상기 경사각(α)은 바람직하게는 0°내지 45°이다. 도시된 층 패킷(21)은 3개의 금속 망 층(4a) 내지 (4c)로 형성된다.
개별 금속 망(4) 및/또는 층 패킷(18)내에 삽입된 금속 망 층(4a) 내지 (4c)은 다양한 형태일 수 있다. 전술한 회사 프로스펙트에 도시된 다양한 타입의 금속 망, 예컨대 긴 크로스 바아 금속 망 및 변형된 또는 주름진 금속 망이 배기 가스 정화 장치내에 조합될 수 있다.
금속 망(4)의 실시예가 도 3에는 평면도로 그리고 도 4에는 측면도로 도시된다. 금속 망(4)는 크로스 바아(22)에 의해 제한된 다수의 메시(24)를 포함한다. 배기 가스 정화 장치의 작동시 배기 가스(A)가 상기 메시(24)를 통해 흐른다. 흐름 방향 조절에 대한 효과는 크로스 바아 폭(b)에 의해 결정되는 한편, 사용된 재료의 두께에 의해 정해진 크로스 바아 두께(d) 및 4개의 서로 만나는 크로스 바아(22)에 의해 형성되는 노드(26)의 길이 및 폭은 혼합에 대한 효과를 결정한다. 특히 양호한 혼합 및 효율적인 흐름 방향 조절은 크로스 바아 폭(b) 대 크로스 바아 두께(d)의 비가 0.5 내지 5일 때 얻어진다. 모든 메시(24)의 개구의 합에 의해 형성되는 자유 횡단면은 금속 망(4)의, 즉 배기 가스 관(2)의 횡단면 πD2/4의 25% 내지 85%이어야 한다.

Claims (11)

  1. 초과량의 공기로 작동되는 내연기관의 배기 가스 정화 장치의 채널(2)내의 정적 혼합기에 있어서, 크로스 바아(22) 사이에 형성된 다수의 메시(24)를 가진 금속 망(4)이 사용되는 것을 특징으로 하는 정적 혼합기.
  2. 제 1항에 있어서, 메시(24)에 의해 형성된 자유 횡단면이 채널(2)의 횡단면 면적의 25% 내지 85%인 것을 특징으로 하는 정적 혼합기.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 금속 망(4)이 채널(2)의 종축(21)에 대해 수직인 횡 방향(20)에 대해 경사지고, 상기 경사각이 0°≤ α ≤ 45° 인 것을 특징으로 하는 정적 혼합기.
  4. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 크로스 바아 폭(b) 대 크로스 바아 두께(d)의 비율이 0.5 내지 5인 것을 특징으로 하는 정적 혼합기.
  5. 제 1항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서, 다수의 금속 망(4a 내지 4c)이 층 패킷(18)의 방식으로 조립되는 것을 특징으로 하는 정적 혼합기.
  6. 제 1항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서, 다수의 금속 망(4) 또는 금속 망 층(18)이 배기 가스(A)의 흐름 방향으로 볼 때 차례로 배치되는 것을 특징으로 하는 정적 혼합기.
  7. 제 5항 또는 6항에 있어서, 인접한 층(4, 18) 사이의 간격(x)이 채널(2)의 직경(D)의 5배 보다 작거나 또는 동일한 것을 특징으로 하는 정적 혼합기.
  8. 제 1항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 망(4)이 배기 가스(A)의 흐름 방향으로 볼 때 배기 가스 정화 장치의 환원제(R)의 노즐링 장소(19) 앞에 배치되는 것을 특징으로 하는 정적 혼합기.
  9. 제 1항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서, 배기 가스(A)의 흐름 방향으로 볼 때 제 1 금속 망(4)이 배기 가스 정화 장치의 환원제(R)용 노즐링 장소(19) 앞에 배치되고, 제 2 금속 망(4)이 노즐링 장소(19) 뒤에 그리고 촉매 변환기(12) 앞에 배치되는 것을 특징으로 하는 정적 혼합기.
  10. 상기 항들 중 어느 한 항 또는 다수항에 있어서, 상이한 메시(24), 크로스 바아(22) 및/또는 노드(26)의 치수를 가진 여러 가지 금속 망(4)이 다수의 층에 제공되는 것을 특징으로 하는 정적 혼합기.
  11. 제 1항 내지 10항 중 어느 한 항에 따른 정적 혼합기를 가진, 초과량의 공기로 작동되는 내연기관용 배기 가스 정화 장치.
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