KR20090069243A - 배기 제어계 - Google Patents

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KR20090069243A
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미쯔따까 고지마
히로유끼 기무라
고오지로오 오까다
게이 시가하라
미찌히로 하따
가즈히또 가와시마
가즈오 고가
가즈또 마에하라
하지메 이시이
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미쯔비시 지도샤 고교 가부시끼가이샤
미츠비시 지도샤 엔지니어링 가부시키가이샤
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Abstract

배기 제어계로서, 엔진으로부터 외부로 배기 가스를 유도하는 배기관부와, 배기관부에 수용된 촉매와, 촉매의 바로 하류측에 위치한 배기관 부분에 배치되고 배기관부에서 배기 가스 유동을 향하여 촉매로 공급되기 위한 첨가제를 분사하기위하여 구성된 첨가제 분사 밸브를 구비한다. 첨가제 분사 밸브에 의해 분사된 첨가제의 분사 유동을 교차하고 촉매의 상류측에 배치된 배기관부의 배기관 부분은, 배기 가스와 대면하는 분사 유동의 분사 구역과 동일한 형상을 가지는 유로 섹션을 구비한다.
배기 가스 정화 장치, 첨가제 분사 밸브, 배기관, 촉매, 종구(bell mouth)

Description

배기 제어계{EMISSION CONTROL SYSTEM}
디젤 엔진을 탑재한 차(차량)의 배기 가스를 정화하기 위해, 디젤 엔진으로부터의 배기 가스에 수용된 NOx(질소 산화물) 및 PM(미립자 물질)이 대기중으로 방출되는 것을 방지하기 위해 흡수식 NOx 촉매, NOx 선택 환원형 촉매 및 디젤 입자 필터가 함께 조합된 배기 제어계가 사용된다.
이와 같은 배기 제어계는, 엔진에서 배출된 배기 가스를 외부로 방출하는 배기관부의 내부에 산화 촉매, NOx 트랩 촉매 또는 NOx 선택 환원형 촉매와 같은 전단 촉매로 언급되는 촉매와, 촉매 예를 들어, 산화 촉매의 상류측에, 상기 촉매의 반응에 요구되는 연료를 분사하는 연료 분사 밸브(환원제를 첨가하는 것 등)가 제공되는 구조를 채용한다.
상기 배기 제어계에서, 전단 촉매의 효율적인 반응을 위하여 분사되는 연료가 전단 촉매로 유동하기 전에 배기 가스와 충분히 혼합되는 것이 중요해지고 있다.
이를 위해, 연료 분사 밸브로부터 촉매까지의 구간에서 충분한 연료 분사 거리가 확보될 필요가 있다.
그러나, 엔진의 냉간 시 배기 정화 효율을 향상시키려는 최근의 경향에 맞추기 위하여, 엔진 배기측 부근에 촉매 설치 위치가 확보될 것이 요구됨에 따라, 충분한 연료 분사 거리 등을 보장하는 것이 어려워지고 있다. 상기 구조를 채용한 엔진의 예가 JP-A-2005-127260에 개시된다.
즉, JP-A-2005-127260에 개시된 바와 같이, 상기 설명한 촉매 설치 설계의 완전한 사용을 위하여, 연료 분사 밸브는 촉매의 바로 상류에 놓이는 배기관 부분 즉 예를 들어, 배기관의 굴곡부에 구비되어야 한다. 이를 위해, 연료 분사 밸브와 촉매 사이에 연료를 배기 가스와 혼합시키는 충분한 길이의 연료 분사 거리를 확보하기 어려워지고 있다.
이러한 촉매와 연료 분사 밸브 설치와 관련된 이유로부터, 연료와 배기 가스의 혼합을 위한 연료 분사 거리가 확보되기 어려운 사정은 굴곡부가 배기관에 구비되는 배기 제어계에서 뿐만 아니라 굴곡부가 구비되지 않는 배기 제어계에도 볼 수 있다.
그 대책으로서, JP-A-2004-44483에 개시된 바에 따르면, 배기 가스류로부터 멀리 떨어진 위치로부터 연료가 분사되도록 배기관부로부터 먼 위치에 연료 분사 밸브가 배치되는 구조를 갖는 배기 제어계가 제안된다.
그러나, 이러한 제안된 배기 제어계에 의해서도, 위에서 언급한 것과 유사한 촉매 및 연료 분사 밸브의 설치 상의 제한으로부터, 여전히 연료와 배기 가스의 혼 합을 위한 연료 분사 거리가 확보되기 어렵다는 사정이 남아 있다.
이로 인해, 배기 제어계에서는, 분사된 연료와 배기 가스를 충분히 혼합하기 어렵다. 이러한 점은 균일하게 분무된 연료가 촉매에 공급되기 어려워 촉매가 충분히 그 기능을 발휘할 수 없는 문제를 발생시킨다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 배기 가스를 엔진으로부터 외부로 안내하는 배기 파이브부와, 배기관부에 수용된 촉매와, 촉매의 바로 상류측에 위치되고 배기관부에 설치되며 배기관부에서 배기 가스의 흐름을 위하여 촉매에 공급되는 첨가물을 분사하기 위한 첨가제 분사 밸브를 구비하는 배기 제어계가 제공되며, 첨가제 분사 밸브에 의하여 분사된 첨가제의 분사류를 교차하는 상기 촉매의 상류측에 위치된 배기관부의 배기관 부분은 분사류의 분사 구역과 동일한 형상을 가지는 유로 섹션을 구비한 배기 제어계를 제공한다.
상기 유로 섹션은 첨가제 분사 밸브에 의하여 분사된 첨가제의 분사류를 가로지르고, 배기 가스의 흐름을 교차하는 방향으로 보여지는 분사류의 분사 구역과 동일한 형상을 가지는 촉매의 상류측에 위치한 배기관부의 배기관 부분에 형성된 배기 가스 유도부일 수 있다.
배기 가스 유도부는 분사류의 선단을 향하여 확대되고, 분사류의 상류측이 얇고 분사류의 하류측이 두꺼운 것과 같은 형상을 가질 수 있다.
촉매의 상류측에 위치된 배기관부는 예각으로 첨가물의 분사류를 가로지르고 촉매와 직면하는 방식으로 형성될 수 있다. 배기 가스 유도부는 첨가제의 분사류를 교차하는 배기관 부분의 상류 배기관 부분으로부터 형성될 수 있다.
촉매의 상류측에 위치된 배기관부는 대체로 수직 방향으로 첨가제의 분사류를 가로지르고 촉매와 직면하는 방식으로 형성될 수 있다. 배기 가스 유도부는 첨가제의 분사류를 교차하는 배기관 부분의 상류 배기관 부분으로부터 형성될 수 있다.
배기 가스와의 충돌 결과를 피하기 위하여 편향된 첨가제의 분사류와 접속하는 방출부는 첨가제의 분사류를 교차하는 배기관 부분의 하류 배기관 부분에 형성될 수 있다.
배기 가스 유도부는 배기관부의 상류측으로부터 유로의 구역을 유지하는 방식으로 형성될 수 있다.
배기관부는, 촉매의 상류측에 접속되고 배기관부를 굴곡하여 형성되는 굴곡부와, 굴곡부의 벽면으로 한쪽 단이 개방되고 촉매의 중심축 방향에서 촉매의 반대측으로 돌출되는 돌출부를 구비할 수 있다. 첨가제 분사 밸브는 돌출부의 다른 쪽 단에 설치될 수도 있다.
첨가제 혼합부는 첨가제 분사 밸브에 의해 분사된 첨가제의 분사류가 통과하고 배기관 부분을 통과하는 분사류의 분사 구역의 섹션과 동일한 형태를 가지며, 촉매의 상류측에 위치된 배기관부의 배기관 부분에 형성될 수 있다. 첨가제 혼합부는 배기관부의 상류측으로부터 유로의 구역을 유지하는 방식으로 형성될 수 있다.
첨가제 혼합부의 출구는 종구(bell mouth) 형태 내로 확대될 수 있다.
배기관부는 촉매의 상류측에 접속되고 배기관부를 구부려서 형성되는 굴곡부 및 한쪽 단이 굴곡부의 벽면으로 개방되고 촉매의 중심축 방향에서 촉매의 반대측으로 돌출한 돌출부와 함께 제공될 수 있다. 첨가제 분사 밸브는 돌출부의 또 다른 단에 제공될 수 있다.
상기 발명의 구성을 통해 첨가제 분사 밸브와 촉매 사이에 상기 혼합에 필요한 연료 분사 거리가 확보되지 않아도 환원제와 배기 가스를 충분히 혼합시킬 수 있는 배기 제어계를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명을 도1 내지 도3에 도시한 제1 실시예를 기초로 하여 설명한다.
도1은 내연 기관, 예를 들어, 디젤 엔진의 배기계를 도시한다. 도1에서, 도면 부호 1은 디젤 엔진의 엔진 본체를 나타내고, 도면 부호 1a는 디젤 엔진의 엔진 본체(1)의 배기 매니폴드(일부분만 도시)를 나타내고, 도면 부호 2는 과급기 또는 본 실시예에서 배기 매니폴드(1a)의 출구에 접속된 터보 과급기를 나타낸다.
배기 제어계(3)는 터보 과급기(2)의 배기 출구에 설치된다. 배기 제어계(3)으로, 배기 가스에 함유된 NOx(질소 산화물)를 흡수하고, 주기적으로 흡수한 NOx를 환원 제거하는 NOx 제거 시스템(3a) 및 PM(미립자 물질)을 포획하는 PM 포획 시스템(3b)을 서로 조합된 시스템이 사용된다.
예를 들어, 촉매 컨버터(6), 촉매 컨버터(9) 및 연료 첨가 밸브(첨가제 분사 밸브)(23)가 서로 조합된 구조가 NOx 제거 시스템(3a)에 사용된다. 촉매 컨버터(6)는 터보 과급기(2)의 배기 출구로부터 하방으로 확장되는 방식으로 터보 과급기(2)와 상호결합되고, 전단 산화 촉매(5)(당해 특허 출원의 촉매에 대응)가 내장된다. 상기 촉매 컨버터(9)는 수평방향으로 촉매 컨버터(6)의 후방에 결합되고, NOx 트랩 촉매(8)가 내장된다. 연료 첨가 밸브(23)는 후술하는 산화 촉매(5)에 첨가제를 구성하는 촉매 반응 촉진 연료를 공급한다. 또한, 미립자 필터(11)가 내장된 촉매 컨버터(12)가 촉매 컨버터(9)와 결합되는 구성이 포획 시스템(3b)에 채용된다. 디젤 엔진[엔진 본체(1)]으로부터 배출된 배기 가스를 외부로 유도하는 배기관부(15)는 촉매 컨버터(6, 9, 12)와, 촉매 컨버터를 연결하는 접속부(13)로 구성된다.
상기 촉매 컨버터에서, 산화 촉매(5)를 수용하는 촉매 컨버터(6)의 원통형 하우징(17)은 그 상부에 위치된 터보 과급기(2)과의 연결을 위해 입구부(17a)가 수평방향으로 배치되도록 도1에 도시한 바와 같은 방식으로 상부가 굴곡된다. 또한, 아래에 놓인 촉매 컨버터(9)와 결합되는 출구부(17b)는 하방을 지향하게 배치된다. 배기관부(15)의 굴곡부(15a)는 하우징(17)에 의해 디젤 엔지의 배기관부(15)측 바로 후방 지점에서 굴곡되어 형성된다. 상기 굴곡부(15a) 바로 아래 부분에 촉매 설치 공간이 확보된다. 산화 촉매(5)는 상기 디젤 엔진의 배기측 부근의 지점에 설치된다.
연료 첨가 밸브(23)는 촉매 반응에 요구되는 연료를 분사하기 위해 만들어지 고, 상기 기능을 충족하기 위하여 산화 촉매(5) 바로 위 지점, 예를 들어, 굴곡부(15a) 또는 굴곡부(15a)의 하류 외주측 벽부에 설치된다. 연료 첨가 밸브(23)는 그 말단부에 연료를 분사하는 연료 분사부를 구비한다. 연료 첨가 밸브(23)는 설치 플랜지(24a) 및 받침대(25)를 사용하여 외부로 확장하는 방식으로, 굴곡부(15a)의 하류에 설치된 배기관부(15)의 외주부로부터 분기된 원통부(24)의 단부(12)에 설치된다. 이러한 구조에 의하여, 연료 첨가 밸브(23) 말단부의 연료 분사부는 원통부(24)의 내부 공간에 형성된 연료 분사 경로(24b)와 대면된다. 연료 분사 경로(24b)는 굴곡부(15a)가 굴곡된 방향과 반대측으로 경사진 방식으로 연장되고, 굴곡부(15a)의 출구는 그 중심을 향하기{즉, 입구부(17a)를 향함}보다 산화 촉매(5)의 입구 단면의 주연 모서리를 향한다. 상기 구조에 의하여, 산화 촉매(5)의 반응을 촉진하는 연료는 배기 가스 유동으로부터 먼 지점에서부터 굴곡부(15a)를 통과하는 배기 가스의 유동을 교차하는 방향으로 산화 촉매(5)로 분사된다. 즉, 연료는 도1에 도시된 예각(θ1)으로 배기 가스의 유동의 흐름 방향(a)을 교차하는 방향에서 산화 촉매(5)의 출구 단면의 앞에 형성된 혼합 챔버를 향하여 하방으로 분사된다. 상기 구조에 의하여, 분사 관통이 약해지는 지점인 분사 연료(α) 유동의 하류부는 산화 촉매(5)의 바로 상류 지점에서 배기 가스와 충돌된다. 또한, 참조 번호 25a는 받침대(25)의 내부에 형성된 냉각수 수로를 지칭한다.
한편, 산화 촉매(5)의 상류에 위치한 배기관 부분 상에서, 배기 가스 유도부(28)는 배기관 부분이 연료 첨가 밸브(23)로부터 분사된 분사 연료(α)의 유동을 교차하는 위치에 제공된다. 이 부분은 구역, 예를 들어, 굴곡부(15a)로부터 혼합 챔버(19)까지 확장한 구역을 구성하는 배기관 부분(S)이다. 도2의 단면도 및 도3의 사시도에 도시된 바와 같이, 분사된 연료(α)의 유동을 교차하는 배기관 부분(S)의 유로 섹션 형상이, 분사된 연료(α)의 유동이 배기 가스를 교차하는 횡방향에서 볼 수 있는 분사된 연료(α) 유동의 분사 구역 측면도와 같아지게 하는 방식으로 배기 가스 유도부(28)가 형성된다. 구체적으로, 배기관 부분(S)의 유로의 섹션 형상이, 횡방향으로 분사된 분사 연료(α) 유동의 하류측 형상과 실질적으로 같은, 팬(fan) 형상으로 형성되는 방식으로 배기 가스 유도부(28)가 형성된다. 배기 가스 유도부(28)는 그 선단을 향하여 확장한 분사 연료(α) 유동과 같은 형상을 갖도록 하는 상기 방법으로 형성되므로, 분사 연료(α) 유동의 상류측에 대응하는 부분은 얇아지는 반면, 분사 연료(α) 유동의 하류부에 대응하는 부분은 두꺼워지는 것과 같은 섹션 형상의 유로를 가지도록 만들어진다. 도2에서, 참조 번호 28a는 유로 섹션이 얇아지는 부분 중 하나를 지칭하고, 참조 번호 28b는 유로 섹션이 두꺼워지는 다른 부분을 지칭한다. 배기 가스 유동은 위에서 설명된 구조의 배기 가스 유도부(28)에 의해 배기 가스 유도부에서 분사된 첨가물의 유동 위에 균일하게 분포되므로, 분사된 첨가물의 유동이 배기 가스와 충분하게 접촉할 수 있는 기회가 주어진다.
배기관부(15)의 상류 단을 구성하는 입구부(17a)로부터 배기 가스 유도부(28)까지 연장한 배기관부(15) 부분의 유로 섹션은 소정의 유로 구역으로 일정하게 유지된다. 물론, 배기 가스 유도부(28)에서 분사된 첨가제(α) 유동의 형상을 따르는 것과 같이 유로의 섹션 형상이 점진적으로 변화하는 방식으로 구성됨으로 써, 불필요한 통로 저항의 발생이 방지된다.
또한, 배기 가스 유도부(28) 하류에 위치한 배기관부(15)의 부분은 반경 방향으로 확장되는 방식으로 형성된다. 배기관부(15) 부분의 반경 방향 확대로 인한 확대부(29)에 의해 반경 방향으로 확대되는 동안 완전히 서로 충돌된 연료 및 배기 가스가 산화 촉매(5)의 입구 단면으로 공급된다. 확대부(29)는 연료 및 배기 가스의 혼합물을 산화 촉매(5)로 균일 분포하여 공급하는 원뿔 형상뿐만 아니라 확개된 형상{종구(bell mouth) 형상}으로 형성하는 것이 효율적이다.
또한, 연료 첨가 밸브(23)로부터 분사된 연료는 산화 촉매(5)의 반응에 의해 환원제를 생성하는데 사용되고, 이 환원제에 의해 NOx 트랩 촉매(8)에 흡수된 NOx 및 SOx를 환원 제거하거나, 산화 촉매(5)의 반응에 의해 얻은 열에 의해, 미립자 필터(11)에 의해 포획한 PM을 연소 제거하는 데에도 사용된다. 이 때문에 연료 첨가 밸브(23)는 디젤 엔진을 제어하는 제어부, 예를 들어, ECU(도시하지 않음)에 의해, 디젤 엔진의 운전 중에 NOx 및 SOx의 환원 제거 및 PM의 연소 제거를 위해 촉매 반응이 요구될 때 연료가 분사되도록 제어된다.
다음으로, 위에서 설명한 바와 같이 구성된 배기 제어계(3)의 기능을 설명한다.
도1에 도시한 바와 같이, 디젤 엔진의 운전 중 디젤 엔진으로부터 배출된 배기 가스는 배기 다지관(1a), 터보 과급기(2), 굴곡부(15a), 배기 가스 유도부(28), 산화 촉매(5), NOx 트랩 촉매(8) 및 미립자 필터(11)를 통해 외부 공기로 배출된다.
배기 가스 중에 포함되는 NOx나 SOx는 NOx 트랩 촉매(8)에 흡수되고, PM은, 이와 유사하게, 미립자 필터(11)에 의해 포획된다.
흡수된 NOx 및 SOx 및 포획된 PM을 제거하는 시기가 되어 연료 첨가 밸브(23)가 작동하였다고 가정하자.
그러면, 연료 첨가 밸브(23)의 연료 분사부로부터 NOx, SOx 및 PM을 제거하기 위한 연료가 배기관 부분(S)에 유동하는 배기 가스 유동으로 연료 분사 경로(24b)를 통해 예각 방향으로 분사된다. 상기 활동에 의해, 분사된 연료(α)의 유동 및 배기 가스의 유동이 서로 충돌하게 된다.
이 때, 횡방향에서 보여지는 분사 연료(α) 유동의 분사 구역 섹션 형상과 실질적으로 동일한 유로를 갖는 배기 가스 유도부(28)는, 분사 관통이 약해지는 지점인 분사 연료(α) 유동 하류부의 바로 상류부에서 분사 연료(α) 유동을 교차하는 배기관 부분(S)에 형성되므로, 배기 가스 유도부(28)을 통해 지나는 배기 가스는 균일 분포되는 동안 분사 연료(α) 유동을 통과한다.
이에 의해, 배기 가스 유동에서의 배기 가스 및 분사 연료(α) 유동에서의 연료는 서로 충분히 접촉할 기회가 부여되므로, 배기 가스와 연료는 서로 균일하게 접촉하여 충분히 혼합된다.
이 때, 연료 첨가 밸브(23)로부터 가깝고 분사 관통이 강력한 분사 연료(α) 유동의 상류 부분의 연료는, 유로 섹션이 협소한 부분(28a)에서 증가된 높은 유동 속도의 배기 가스와 충돌하는 반면, 연료 첨가 밸브(23)로부터 멀리 떨어져 있고 분사 관통이 약한 분사 연료(α) 유동의 하류 부분의 연료는 유로 섹션이 넓은 부 분(28a)에서 감소된 낮은 유동 속도의 배기 가스와 충돌하므로, 확대부(29)로 인해 반경 방향으로 확대되는 동안 산화 촉매(5)를 향한 아래 방향으로 균일하게 혼합된 첨가제 및 배기 가스가 얻어질 수 있다.
여기서, 분사 연료(α) 유동 또는 배기 가스 유동이 편향되는 것을 억제하기 위하여 분사 연료(α) 유동 및 배기 가스 유동은 서로 예각으로 교차하므로, 상기 방법으로 서로 혼합된 연료와 배기 가스는 산화 촉매(5)의 소정의 지점, 예를 들어, 실질적으로 그 출구 단면의 중심부에 공급된다.
결론적으로, 연료 첨가 밸브(23)과 분사 연료(α) 유동의 사이에 필요 거리 또는 연료 분사 거리가 확보되어도, 배기 가스 유도부(28)의 형성으로 인해 배기 가스와 균일하게 혼합된 연료가 촉매에 공급될 수 있다.
따라서, 산화 촉매(5)의 기능은 배기 가스 유도부(28)의 사용에 의하여 충분히 발휘될 수 있다. 물론, 확대부(29)가 평행하게 사용되는 경우, 연료가 산화 촉매(5)에 공급되면서 더 균일하게 분포된다. 배기 가스 유도부(28)는 유로 섹션이 배기관부(15)의 상류로부터 소정의 유로 섹션으로 유지되는 방식에 의하여 생성되므로, 배기관부(15)에는 유로 저항이 증가되지 않게 되어, 엔진 출력의 감소가 억제될 수 있다.
특히, 배기 가스 유동이 예각으로 분사 연료(α) 유동을 교차하는 연료 분사 구조를 배기 가스 유도부(28)가 채용한 경우, 분사 연료(α) 유동의 편향을 억제하면서 연료가 소정의 지점으로 분사되는 방식의 이익을 향유하면 배기 가스와 연료가 충분히 함께 혼합될 수 있다.
도4 및 도5는 본 발명의 제2 실시예를 도시한다. 도4 및 도5에서, 제1 실시예와 동일 부분에는 동일 부호를 붙여 그 설명을 생략하였다.
제2 실시예에서, 본 발명에는 배기 가스의 유동이 분사 연료(α) 유동을 제1 실시예에서와 같이 예각으로 교차하지 아니하고 실질적으로 직각으로 교차하는 배기 제어계가 적용된다.
상세하게는, 본 실시예의 배기 제어계에서, 제1 실시예에서와 같이, 산화 촉매(5)로부터 오프셋된 지점으로 연료 첨가 밸브(23)의 분사 방향이 결정된다. 산화 촉매(5)를 향는 것과 같은 실질적인 직각 방향으로 연료 첨가 밸브(23)로부터 분사된 분사 연료(α) 유동을 교차하는 방식으로, 산화 촉매(5)의 상류에 위치한 배기관 부분에 경로가 형성된다. 이러한 구조에 의하여, 제1 실시예와는 반대로, 초기 오프셋 지점에서 소정의 지점으로 분사 연료(α) 유동을 편향시키기 위하여 배기 가스 유동에 의하여 분사 연료(α) 유동이 가압되는 구조가 실현됨으로써, 소정의 지점으로 연료가 분사된다. 또한, 제1 실시예에서와 같이, 배기관 부분에서의 유로 섹션이 도5에 도시된 단면도와 같은 배기 가스 유도부(28)는, 연료 첨가 밸브(23)로부터 분사된 분사 연료(α) 유동을 교차하는 산화 촉매(5)의 상류에 위치한 배기관 부분의 배기관 부분(S)의 바로 상류에 배치된 분사 연료(α) 유동의 분사 구역 측면도와 실질적으로 동일한 형상을 가지도록 만들어진다.
이러한 구조에 의하여, 제1 실시예의 구조와 반대이거나 다르고 배기 가스 유동에 의해 분사 연료(α) 유동이 편향된 배기 제어계에 있어서도, 상기 채용된 방식의 이익을 향유하여 연료가 소정의 지점으로 분사되고, 배기 가스 유도부(28) 의 사용으로 배기 가스가 연료와 충분히 혼합될 수 있다.
특히, 제2 실시예에서, 분사 연료(α) 유동이 편향됨에 의해 배기관부(15)는 아무런 영향을 받지 않는 방식으로, 예를 들어, 분사 연료(α) 유동을 교차하는 하류측 배기관 부분(T) 벽면의 해제부와 같은, 만곡된 오목부(30)가 형성된다. 이러한 오목부(30)에 의하여, 배기관 부분(T)의 벽부에 의해 편향된 분사 연료(α) 유동의 접촉이 방해될 수 있으므로, 배기 가스와 연료의 우수한 혼합이 기대될 수 있다. 또한, 오목부(30)의 벽부는 배기 가스가 분사 연료(α) 유동 내의 연료와 충돌하도록 화살표(b)로 표시된 것과 같이 분사 연료(α) 유동을 향하여 뒤로 튀어오르도록 해주는 오목부와 배기가스가 충돌하도록 하므로, 연료와 배기 가스의 혼합을 더 증진시킬 수 있다.
또한, 도6 및 도7은 본 발명의 제3 실시예를 도시한다. 도6 및 도7에서, 제1 실시예와 동일 부분에는 동일 부호를 붙여 그 설명을 생략하였다.
도6에 확대된 방식으로 도시된 바에 따르면, 연료 혼합부(첨가제 혼합부)(38)가 제공된다. 연료 첨가 밸브(23)에 의해 분사된 분사 연료(α) 유동이, 분사된 연료와 배기가스가 서로 충돌되도록 하는 부분을 구성하는, 상세하게는, 굴곡부(15a)의 출구측 배기관 부분(U)을 지나는 곳인, 산화 촉매(5)의 상류에 위치한 배기관 부분의 위치에 배치된다. 도7에 도시한 바와 같이, 상기 연료 혼합부(38)는 배기관 부분(U)에서 유로 섹션만이, 분사 구역의 단면과 동일한 형상의 유로 섹션을 가지며 분사 구역의 단면이 배기관 부분(U)를 통해 흐르는 분사 연료(α) 유동의 분사 구역 섹션 형상과 실질적으로 동일한 형상을 가지는 방식으로 구성된다. 분사된 연료는 산화 촉매(5)가 직접적으로 배기 가스와 충분히 접촉될 수 있도록 배기관 부분의 내부에서 연료 혼합부(38)에 의하여 균일하게 분포될 기회가 주어진다. 또한, 배기관부(15)의 상단을 구성하는 입구부(17a)로 연장된 배기관부(15) 부분의 유로 구역은 연료 혼합부(38)를 포함하고 상류로부터 소정의 유로 구역으로 일정하게 유지되어, 불필요한 통로 저항이 발생되지 않는다.
도7에 도시한 바와 같이, 계속하여 연료 혼합부(38)의 출구를 따르는 하우징(17)의 한쪽 단 벽면은 반경 방향으로 연장되는 종구 형상으로 형성된다. 연료 혼합부(38)로부터 분사된 연료는, 연료 혼합부(38)의 출구에 형성된 종구(bell mouth)부(39)에 의하여 반경 방향으로 확대되는 동안, 산화 촉매(5)의 입구 단면으로 공급된다.
배기 가스와 분사 연료(α)의 유동이 충돌하는 지점에 위치한 배기관 부분은 분사 연료(α) 유동의 분사 구역 섹션과 실질적으로 동일한 형상의 유로 섹션을 구비하는 연료 혼합부(38) 내에 형성된다. 이 때문에, 분사 연료(α) 유동이 연료 혼합부(38)을 통해 지나는 경우, 분사 연료(α) 유동이 균일하게 분포되어 지나간다.
이러한 구조에 의하여, 분사 연료(α) 유동에서 연료 및 배기 가스의 유동 중 배기 가스가 서로 충분히 접촉되는 곳에서, 배기 가스와 연료는 균일하게 접촉되고, 배기 가스와 연료의 충분한 혼합이 일어나는 기회가 주어진다.
연료가 균일하게 분포되면서 산화 촉매(5)의 입구 단면에 공급되도록, 연료 혼합부로부터 나오는 연료와 배기 가스가 종구(bell mouth)부(39)에 의하여 반경 방향으로 확대되어 분무된다.
결론적으로, 연료 혼합부(38)의 형성으로 인하여, 연료 첨가 밸브(23)과 산화 촉매(5)의 사이에 배기 가스와 혼합을 위한 요구 거리 또는 연료 분무 거리가 확보되지 못한 경우에도, 균일하게 분무된 연료가 촉매로 공급될 수 있다. 언급할 필요도 없이 당연하게도, 연료가 배기 가스의 유동으로부터 멀리 위치한 지점에서부터 분사되는 구조를 평행하게 채택한 경우, 배기 가스와 연료의 훌륭한 혼합을 성취할 수 있다.
결론적으로, 산화 촉매(5)의 기능이 충분하게 발현될 수 있다. 특히, 터보 과급기(2)로부터의 배기 가스는 배기관부(15) 내로 와류가 되어 유도되고, 그때 생성된 배기 가스의 와류로 인해 더 나은 배기 가스와 연료의 혼합이 기대될 수 있다.
또한, 연료 혼합부(38)를 포함하는 배기관 부분의 유로 구역은 배기관부(15)의 상류부로부터 소정의 유로 구역으로 일정하게 유지되어 구성되므로, 어느 경우에든 배기관부(15)에서의 유로 저항이 증가하지 않음으로써, 엔진 출력 저하가 억제될 수 있다.
연료 혼합부(38)로부터 흘러 나온 연료 및 배기 가스는 연료 혼합부(38)의 출구에 종구(bell mouth)부(39)의 형성으로 인해 하우징(17)의 반경 방향으로 확대되면서 균일하게 산화 촉매(5)(촉매)로 유도되므로, 산화 촉매(5)에 균일하게 분포된 연료가 공급될 수 있다.
도8 및 도9는 본 발명의 제4 실시예를 도시한다. 도8 및 도9에서, 참조 번 호는 제1 실시예에서의 같은 부분을 지칭하고, 여기서 그에 대한 설명은 생략한다.
본 실시예에서, 본 발명에는 굴곡부(15a)의 형성 없이 배기관부(15)에 연료 첨가 밸브(23) 및 산화 촉매(5)가 설치된 배기 제어계(3)가 채용된다.
구체적으로, 본 실시예의 배기 제어계(3)에서는, 직선 배기관부(15)가 사용되며, 배기관부(15)에 산화 촉매(5)가 설치된다. 또한, 연료 첨가 밸브(23)가 산화 촉매(5)의 바로 상류에 설치된다. 추가로, 분사된 연료(α)의 유동이 지나는 배기관부(15)의 직선 배기관 부분(U)의 유로의 섹션 형상은, 배기관부(15)를 통해 지나는 분사된 연료(α) 유동의 분사 구역 섹션 형상과 동일하게 만들어지므로써, 연료 혼합부(31)이 제공된다. 도9는 분사된 연료(α)의 유동 및 연료 혼합부(38)의 섹션을 도시한다.
상기 구조로 이루어진 배기 제어계(3)에서도, 연료 혼합부(31)가 형성되는 경우, 제1 실시예와 마찬가지로, 연료 첨가 밸브(23)와 산화 촉매(5) 사이에서 혼합을 위한 연료 분무 거리의 요구 거리가 확보되지 않아도, 산화 촉매(5)(촉매)에 균일하게 분포된 분무 연료가 공급될 수 있다.
본 발명은 앞에서 설명된 실시예에 국한되지 않음을 알아야 하고, 그 원리와 범위가 크게 다르지 않도록 다양하게 수정될 수도 있다. 예를 들어, 본 발명에서, 배기 가스는 직각 또는 예각으로 첨가제 또는 분사된 연료의 유동을 교차하도록 설명되나, 본 발명은 여기에 국한되지 않는다. 또한, 본 발명에서, NOx 트랩 촉매와 굴곡부의 바로 하류에 위치한 촉매와 미립자 필터는 산화 촉매의 하류에 제공되는 배기 제어계가 적용되나, 여기에 국한되지 않는다. 따라서, 본 발명은 다른 배기 가스 정화 장치를 채용한 배기 제어계에 적용될 수도 있다. 예를 들어, 본 발명은 NOx 트랩 촉매가 굴곡부 바로 하류에 설치되기 위한 촉매로서 사용되고, 미립자 필터가 Nox 트랩 촉매의 하류에 제공되는 배기 제어계와, NOx 트랩 촉매가 굴곡부 바로 하류에 설치된 촉매로 사용되고 NOx 트랩 촉매, 산화 촉매, 미립자 필터가 NOx 트랩 촉매의 하류에 배치되며 첨가 밸브가 NOx 트랩 촉매의 상류에 배치되는 배기 제어계와, 첨가 밸브가 미립자 필터와 선택 환원형 촉매의 상류에 배치되는 배기 제어계에 적용될 수도 있다.
또한, 본 실시예에서, 연료는 첨가제로 사용된다고 설명되지만, 촉매에 공급될 수 있게 배치되는 어떠한 물질도 채용될 수 있다. 예를 들어, 환원제로서, 가스 오일, 가솔린, 에탄올, 디메틸 에테르, 천연 가스, 프로판 가스, 요소, 암모니아, 수소, 일산화탄소 등의 물질이 사용될 수도 있다. 또한, 환원제 뿐만 아니라 다른 어떤 물질도 사용될 수 있고, 예를 들어, 촉매를 냉각하는데 사용되는 이산화탄소 또는 공기, 질소, 또는 미립자 필터상에 포획된 매연의 연소 제거를 촉진하는 산화 세륨 또는 공기 등이 사용될 수 있다.
또한, 위에서 설명된 본 실시예에서, 연료 첨가 밸브(23)의 분사 구성은 원뿔 형상으로 형성된다고 설명되지만, 편평한 팬 모양으로 확대되는 분사 구성을 구비한 연료 첨가 밸브 또는 복수의 분사 구멍으로부터 첨가제가 분사되는 연료 첨가 밸브가 채용될 수도 있다. 복수의 분사구멍이 배치된 경우, 문사된 연료의 복수 유동의 윤곽은 분사 구역을 구성한다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 배기 가스 유도부에 의해 분사된 첨가제의 유동 위로 균일하게 배기 가스의 유동이 분포되지만, 배기 가스 유동에서의 배기 가스 및 분사된 첨가제 유동에서의 첨가제가 서로 충분히 접촉되는 기회가 주어질 수 있다.
결론적으로, 배기 가스는 첨가제와 충분히 혼합될 수 있고, 첨가제 분사 밸브와 촉매 사이에 혼합을 위한 연료 또는 첨가제의 분무 거리 또는 요구 거리가 확보되지 않아도, 배기 가스와 균일하게 혼합되는 첨가제가 촉매로 공급될 수 있다. 결론으로, 촉매의 기능이 충분히 발휘될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 첨가제와 배기 가스가 서로 충돌한 이후의 유속은, 분무 관통이 강하게 분사된 첨가제 유동의 상류 부분의 첨가제가 유로 섹션이 협소한 부분에서 유속이 증가된 높은 유속의 배기 가스와 충돌하는 경우의 것이면서, 분무 관통이 약하게 분사된 첨가제 유동의 하류 부분의 첨가제가 유로 섹션이 넓은 부분에서 유속이 감소된 낮은 유속의 배기 가스와 충돌하는 경우의 것이므로, 첨가제와 배기 가스의 균일한 혼합이 증진될 수 있고, 균일하게 혼합되는 배기 가스와 첨가제가 산화 촉매(5)로 공급될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 또한, 분사된 첨가제 유동의 편향이 억제됨으로써 소정의 지점으로 첨가제가 분사되는 방식의 이익을 향유함으로 인해, 배기 가스 및 첨가제가 서로 충분히 혼합될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 또한, 상기 방식과 다른 또는 반대로, 배기 가스 유동에 의해 분사된 첨가제 유동을 편향하여 소정의 지점에 첨가제가 분사되는 방식의 이익을 향유함으로써, 배기 가스와 첨가제가 서로 충분히 혼합될 수 있 다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 첨가제, 배기 가스 유동에 의해 분사된 첨가제의 유동이 편향되는 경우에도, 편향된 분사 첨가제의 유동이 해제부에 의해 배기관 부분의 벽면에 접촉하는 것이 방지되고, 첨가제와 배기 가스의 훌륭한 혼합이 기대될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 배기관부의 유로 구역이 상류부로부터 배기 가스 유도부까지 일정하게 유지되어, 유로 저항이 어느 경우에든 증가되지 않음으로써, 엔진 출력의 감소가 일어나지 않는다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 분사된 첨가제의 유동에서 배기 가스와 첨가제의 유동에 있어서 배기 가스가 촉매의 상류와 서로 충분히 접촉될 수 있으므로, 첨가제 혼합부에 의해 배기 가스 및 첨가제가 함께 충분한 정도로 혼합될 수 있는 기회가 주어질 수 있다.
결론적으로, 촉매와 첨가제 분사 밸브 사이에 혼합을 위한 첨가 분무 거리 또는 요구 거리가 확보되지 않은 경우에도, 균일하게 분포된 분무 첨가제가 촉매로 공급될 수 있으므로, 촉매의 기능이 충분히 발휘될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 상류부로부터 첨가제 혼합부까지 배기관부의 유로 구역이 일정하게 유지되므로, 유로 저항은 어느 경우에서든 증가되지 않으므로, 엔진 출력의 감소가 일어나지 않는다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 또한, 상기 장점에 추가하여, 첨가제 혼합부로부터 흘러나온 첨가제와 배기 가스는 첨가제 혼합부의 종구형 출구에 의해 반경 방향으로 확대되는 동안 촉매를 향하여 균일하게 유도되므로, 첨가제가 균일하게 분포되어 촉매로 공급될 수 있다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배기 제어계의 구조를 도시한 부분 측단면도.
도2는 도1에 있어서 A-A선을 따라 취한 배기 가스 유도부의 단면도.
도3은 배기 가스 유도부를 도시한 개략적인 사시도.
도4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배기 제어계의 구조를 도시한 측단면도.
도5는 도4에 있어서 B-B선을 따라 취한 단면도.
도6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 배기 제어계의 촉매의 입구의 근접부를 확대한 형식으로 도시한 측단면도.
도7은 도6에 있어서 C-C선을 따라 취한 단면도.
도8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 배기 제어계를 도시한 측면도.
도9는 도8에 있어서 D-D선을 따라 취한 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 엔진 본체
3 : 배기 제어계
5 : 산화 촉매(촉매)
15 : 배기관부
23 : 연료 분사 밸브
28 : 연료 혼합부
29 : 종구(bell mouth)부
α : 분사류

Claims (12)

  1. 배기 제어계이며,
    배기 가스를 엔진으로부터 외부로 유도하도록 구성된 배기관부와,
    상기 배기관부에 수용된 촉매와,
    상기 촉매의 바로 상류측에 위치된 배기관 부분에 구비되고, 상기 촉매에 공급되는 첨가제를 상기 배기관부의 배기 가스류를 향해 분사하도록 구성된 첨가제 분사 밸브를 포함하며,
    상기 첨가제 분사 밸브에 의해 분사된 첨가제의 분사류와 교차하는 상기 촉매의 상류측에 위치된 배기관부의 일부는 상기 배기 가스와 대면하는 분사류의 분사 영역과 동일한 형상을 갖는 유로 섹션을 구비하는 배기 제어계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유로 섹션은, 상기 첨가제 분사 밸브에 의해 분사된 첨가제의 분사류와 교차하는 상기 촉매의 상류측에 위치된 배기관부의 일부에 형성되고 상기 배기 가스류와 교차하는 방향에서 볼 때 분사류의 분사 영역과 동일한 형상을 갖는 배기 가스 유도부인 배기 제어계.
  3. 제2항에 있어서, 상기 배기 가스 유도부는 상기 분사류의 선단부를 향해 확장되어 상기 분사류의 상류측은 얇고 분사류의 하류측은 두꺼운 형상을 갖는 배기 제어계.
  4. 제3항에 있어서, 상기 촉매의 상류측에 위치된 배기관부는 상기 첨가제 분사류와 예각으로 교차하여 촉매와 대면하도록 형성되고,
    상기 배기 가스 유도부는 상기 첨가제의 분사류와 교차하는 배기관 부분의 상류로부터 형성된 배기 제어계.
  5. 제3항에 있어서, 상기 촉매의 상류측에 위치된 배기관부는 사실상 법선 방향으로 첨가제의 분사류와 교차하여 촉매와 대면하도록 형성되고,
    상기 배기 가스 유도부는 상기 첨가제의 분사류와 교차하는 배기관 부분의 상류로부터 형성된 배기 제어계.
  6. 제5항에 있어서, 편향되어 상기 배기 가스와의 충돌이 회피되는 첨가제의 분사류와 접촉하는 릴리스부는 첨가제의 분사류와 교차하는 배기관 부분의 하류측에 형성된 배기 제어계.
  7. 제2항에 있어서, 상기 배기 가스 유도부는 배기관부의 상류측으로부터 유로의 면적이 일정하게 유지되게 형성되는 배기 제어계.
  8. 제2항에 있어서, 상기 배기관부는,
    상기 촉매의 상류측에 접속되고, 상기 배기관부를 굴곡시킴으로써 형성된 굴 곡부와,
    일단부는 상기 굴곡부의 벽면에 개방되고, 상기 촉매의 중앙축 방향으로 상기 촉매의 대향측까지 돌출되는 돌출부를 포함하며,
    상기 첨가제 분사 밸브는 상기 돌출부의 타단부에 구비되는 배기 제어계.
  9. 제1항에 있어서, 첨가제 혼합부는 상기 첨가제 분사 밸브에 의해 분사된 첨가제의 분사류가 통과하는 상기 촉매의 상류측에 위치된 배기관부의 일부에 형성되고, 상기 배기관 부분을 통과하는 분사류의 분사 영역의 섹션과 동일한 형상을 갖는 배기 제어계.
  10. 제9항에 있어서, 상기 첨가제 혼합부는 배기관부의 상류측으로부터 유로의 면적이 일정하게 유지되게 형성된 배기 제어계.제10항에 있어서, 상기 첨가제 혼합부의 출구는 종구(bell mouth) 형상으로 확장되는 배기 제어계.
  11. 제10항에 있어서, 상기 첨가제 혼합부의 출구는 종구(bell mouth) 형상으로 확장되는 배기 제어계.
  12. 제10항에 있어서, 상기 배기관부는,
    상기 촉매의 상류측에 접속되고 배기관부를 굴곡시켜 형성된 굴곡부와,
    일단부가 상기 굴곡부의 벽면에 개방되고, 상기 촉매의 중앙축 방향으로 촉 매의 대향측까지 돌출되는 돌출부를 포함하며,
    상기 첨가제 분사 밸브는 돌출부의 타단부에 구비되는 배기 제어계.
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