KR20110037396A

KR20110037396A - 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치

Info

Publication number: KR20110037396A
Application number: KR1020090094826A
Authority: KR
Inventors: 서정민; 양기영
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2009-10-06
Filing date: 2009-10-06
Publication date: 2011-04-13

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치는, 배기가스의 스트림을 형성하는 배기 파이프와 연결되게 설치된 SCR 촉매와, 상기 SCR 촉매의 전방에 상기 배기 파이프 일측에서 내측으로 배기 가스의 스트림 방향을 따라 경사지게 장착되어 상기 배기 파이프의 내부로 환원제를 분무하는 인젝터를 포함하며, 상기 인젝터에 의한 상기 환원제의 입자 진행 방향에 대응하여 상기 배기 파이프에 돌기부를 형성하는 것을 특징으로 한다.

배기가스, 후처리, 선택적 산화 촉매, SCR, 인젝터, 돌기부

Description

차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치 {SELECTIVE CATALYST REDUCTION DEVICE FOR EXHAUST SYSTEM}

본 발명의 예시적인 실시예는 차량의 배기 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배기 가스의 후처리를 위한 선택적 촉매 환원(Selective Catalyst Reduction: 이하 'SCR' 이라고 한다) 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 엔진의 배기 시스템은 배기가스 중에 함유된 질소산화물(NOx)을 감소시키기 위해 SCR, DOC(Diesel Oxidation Catalyst), CPE(Catalyzed Particulate Filter) 등과 같은 배기가스 후처리장치를 구비하고 있다.

이 중에서, SCR을 적용한 배기가스 후처리장치(이하, 'SCR 장치' 라고 한다)는 도 4에서 도시한 바와 같이, 배기 파이프(1)에 SCR 촉매(도면에 도시하지 않음)가 연결 설치되고, 배기 파이프(1)의 내부로 요소(urea) 수용액과 같은 환원제를 분사하기 위한 인젝터(5)가 배기 파이프(1)에 장착되도록 구성된다.

따라서, 종래 기술에 따른 SCR 장치는 인젝터(5)를 통해 배기 파이프(1)의 내부로 환원제가 분사되면, 그 환원제가 배기가스의 열에 의해 암모니아(NH₃)로 전 환되고, SCR 촉매(미도시)에 의한 배기가스 중의 질소산화물과 암모니아의 촉매 반응으로서 질소산화물을 질소 가스(N₂)와 물(H₂O)로 환원시킨다.

여기서, 상기 인젝터(5)는 배기 파이프(1)의 일측에 형성된 장착부(6)에 장착되는 바, 환원제의 진행 방향이 배기가스의 유동 방향과 나란할수록 환원제와 배기 가스의 혼합율을 증대시킬 수 있다.

그런데, 종래 기술에서는 EM(emission) 기준 강화에 따라 인젝터(5)를 통한 환원제의 분사압을 증대시켜 그 분사압 증대에 따른 환원제의 분사 속도를 증가시키고 있는 바, 환원제의 직진성 증가로 인해 배기 파이프(1)의 내부 공간에서 환원제의 일부가 증발되지 않고, 배기 파이프(1)의 내벽면을 젖게 하는 월 웨팅(wall wetting) 현상을 나타낸다는 문제점을 내포하고 있다.

즉, 환원제의 월 웨팅 현상은 SCR 촉매(미도시)의 활성화 및 질소산화물의 정화 효율을 저하시키는 요인으로서 작용하고, 환원제가 배기 파이프(1)의 내벽면에서 증발하는 경우, 그 환원제가 배기 파이프(1)의 내벽면에 부착된 고형물로 남게 되어 결과적으로는 환원제의 분사량 제어가 어려워지는 문제를 야기시킨다.

또한, 종래 기술에서는 인젝터(5)가 장착되는 장착부(6)와 배기 파이프(1)의 연결 부분에 에지부(E)를 형성함에 따라, 환원제의 분사를 마무리하는 시점에 환원제의 분사압이 저하될 때 환원제의 직진성 저하로 인해 에지부(E)에서 배기가스에 의한 환원제의 스월(swirl) 현상이 발생하게 됨으로 환원제의 분사 입구 측에서 월 웨팅 현상이 발생하게 된다는 문제점도 내포하고 있다.

본 발명의 예시적인 실시예는 상기에서와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 환원제의 고압 분사 및 분사압 저하로 인한 배기 파이프 내부의 월 웨팅(wall wetting) 현상을 방지할 수 있도록 하는 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치는, 배기가스의 스트림을 형성하는 배기 파이프와 연결되게 설치된 SCR 촉매와, 상기 SCR 촉매의 전방에 상기 배기 파이프 일측에서 내측으로 배기 가스의 스트림 방향을 따라 경사지게 장착되어 상기 배기 파이프의 내부로 환원제를 분무하는 인젝터를 포함하며, 상기 인젝터에 의한 상기 환원제의 입자 진행 방향에 대응하여 상기 배기 파이프에 돌기부를 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치에 있어서, 상기 돌기부는 상기 환원제의 입자 진행 중심부와 상기 배기 파이프의 중심부가 만나는 지점에서 배기 가스의 유출 방향으로 일정 거리 옵셋량이 부여된 위치에 형성될 수 있다.

상기 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치는, 상기 옵셋량이 0~40mm을 만족하는 것이 바람직하다.

상기 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치에 있어서, 상기 돌기부는 삼각형의 곡선 형태로서 이루어질 수 있다.

상기 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치에 있어서, 상기 돌기부는 배기 가스의 유입측 사변의 길이(Li)가 유출측 사변의 길이(Lo) 보다 상대적으로 길게 형성될 수 있다.

상기 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치에 있어서, 상기 배기 파이프에는 상기 인젝터가 장착될 수 있는 장착부를 형성하며, 상기 배기 파이프와 상기 장착부의 연결 부분을 라운드지게 형성할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치에 의하면, 배기 파이프의 돌기부를 통해 배기 가스의 유동 방향을 변경하고, 배기 가스의 유속을 증대시켜 환원제의 입자 진행 방향을 배기 가스의 흐름 방향으로 변경함으로써 환원제와 배기가스의 충돌을 극대화하여 배기 파이프의 내벽면에 대한 환원제의 월 웨팅(Wall wetting) 현상을 방지할 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 배기 파이프와 인젝터 장착부의 연결 부분을 라운드지게 형성함으로, 환원제의 분사압이 저하되면서 직진성이 저하되는 때, 환원제 분사 입구 측에서 배기 가스의 유동에 의해 발생하는 환원제의 스월(swirl) 현상을 감소시켜 결과적으로는 환원제 분사 입구 측에서의 월 웨팅 현상을 방지할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속 하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치(100: 이하에서는 편의 상 "SCR 장치" 라고 한다)는 차량의 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 정화하기 위한 배기가스 후처리 시스템에 적용된다.

이러한 SCR 장치(100)는 배기가스의 스트림을 형성하는 배기 파이프(10)에 SCR 촉매(도면에 도시되지 않음)가 연결 설치되고, 배기 파이프(10)의 내부로 요소(urea) 수용액과 같은 환원제를 분사하기 위한 인젝터(50)가 배기 파이프(10)에 장착되도록 구성된다.

따라서, 상기 SCR 장치(100)는 인젝터(50)를 통해 배기 파이프(10)의 내부로 환원제가 분사되면, 그 환원제가 배기가스의 열에 의해 암모니아(NH₃)로 전환되고, SCR 촉매(도면에 도시되지 않음)에 의한 배기가스 중의 질소산화물과 암모니아의 촉매 반응으로서 질소산화물을 질소 가스(N₂)와 물(H₂O)로 환원시킨다.

여기서, 상기 인젝터(50)는 SCR 촉매(미도시)의 전방에 배기 파이프(10) 일측에서 내측으로 배기 가스의 스트림 방향을 따라 경사지게 장착되는 바, 배기 파 이프(10)의 일측에 경사지게 형성된 장착부(19)에 장착된다.

이러한 인젝터(50)는 당 업계에서 배기 계통에 장착되는 공지 기술의 2차 분사장치로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상기 SCR 장치(100)는 환원제의 분사 속도를 증대시킨 경우, 배기가스의 유동 방향 변경 및 유속 증대를 통해 환원제의 입자 진행 방향을 변경함으로써 환원제와 배기가스의 충돌을 극대화하여 배기 파이프(10)의 내벽면에 대한 환원제의 월 웨팅(Wall wetting) 현상을 방지할 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위해, 본 실시예에서는 인젝터(50)에 의한 환원제의 입자 진행 방향에 대응하여 배기 파이프(10)에 돌기부(15)를 형성하고 있다.

본 실시예에서, 상기 돌기부(15)는 배기 가스의 유속 증대 및 방향 제어를 위한 돌기 형상으로서, 배기 파이프(10)의 하단측 외주면에서 내측으로 일정 높이(대략 30mm) 볼록하게 굴곡진 형상으로 이루어진다.

즉, 상기 돌기부(15)는 배기 가스의 와류(vortex)를 방지하기 위해 삼각형의 곡선 형태로서 이루어지는 바, 배기 가스의 유입측 사변의 길이(Li)가 유출측 사변의 길이(Lo) 보다 상대적으로 길게 형성된다.

여기서, 상기 돌기부(15)는 도 2a에서와 같이, 환원제의 입자 진행 중심부(A)와 배기 파이프(10)의 중심부(B)가 만나는 지점(C)에서 배기 가스의 유출 방향으로 일정 거리 옵셋량(OS)이 부여된 최적의 위치에 형성된다.

여기서, 상기 옵셋량(OS)은 배기 가스의 유입 방향으로 부여되는 것 보다 0을 기준으로 할 때, 배기 가스의 유출 방향으로 40mm 이내에 부여되는 것이 바람직하다.

대안으로서, 상기 돌기부(15)는 40mm 이내에 옵셧량(OS)이 부여된 위치에 형성되는 것에 특별히 한정되지 않고, 도 2b에서와 같이 그 옵셋량이 0인 지점에 형성될 수도 있다.

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치(100)는 인젝터(50)를 통해 환원제를 배기 파이프(10)의 내부로 분사하는데,EM(emission) 기준 강화에 따라 환원제의 분사 속도를 증대시킨 경우, 배기가스의 운동 에너지를 증가시켜 질량 동일시 배기가스의 유속을 증가시킬 필요가 있고, 환원제와 배기가스의 충돌 후 방향 변화가 부족하여 그 배기가스의 흐름 방향을 변화시킬 필요가 있다.

이에, 본 실시예에서는 배기 파이프(10)의 최적 위치에 일정 높이로서 돌기부(15)를 형성하고 있기 때문에, 도 3에서와 같이 상기 돌기부(15)에 의해 배기 가스의 유동 방향이 D1으로 변경되고, 돌기부(15)에 의한 배기 파이프(10)의 관로 축소로서 배기 가스의 순간 유속이 증가하게 되므로, 환원제의 입자 진행 방향이 D2에서 D3로 변경된다.

이로써, 본 실시예에서는 배기 파이프(10)의 돌기부(15)를 통해 배기 가스의 유동 방향을 변경하고, 배기 가스의 유속을 증대시켜 환원제의 입자 진행 방향을 배기 가스의 흐름 방향으로 변경함으로써 환원제와 배기가스의 충돌을 극대화하여 배기 파이프(10)의 내벽면에 대한 환원제의 월 웨팅(Wall wetting) 현상을 방지할 수 있게 되는 것이다.

한편, 본 실시예에 의한 SCR 장치(100)는 환원제의 분사를 마무리하는 시점에 환원제의 분사압이 저하되면서 그 환원제의 직진성이 저하되는 때, 배기 파이프(10)의 환원제 분사 입구 측에서 배기 가스에 의해 발생하는 환원제의 스월(swirl) 현상을 감소시켜 그 분사 입구 측에서의 월 웨팅 현상을 방지할 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위해, 본 실시예에서는 도 1에서와 같이 인젝터(50)가 장착되는 장착부(19)와 배기 파이프(10)의 연결 부분(R)을 라운드지게 형성하고 있다.

즉, 본 실시예에서는 상기 장착부(19)와 배기 파이프(10)의 연결 부분(R)을 곡선으로 형성하여 그 연결 부위(R)에서 와류(vortex)가 형성되는 것을 방지할 수 있게 된다.

따라서, 본 실시예에서는 배기 파이프(10)와 장착부(19)의 연결 부분(R)을 라운드지게 형성하여 종래 기술에서와 같은 연결 부분의 에지부를 삭제함에 따라, 배기 가스의 유속 불연속 구간을 제거함으로써 환원제의 분사 입구 측에서 배기 가스에 의한 환원제의 스월 현상을 방지할 수 있게 된다.

이로써, 본 실시예에서는 환원제의 스월 현상에 의해 환원제의 분사 입구측 내벽면에서 환원제의 월 웨팅 현상이 일어나는 것을 미연에 방지할 수 있게 되는 것이다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치에 적용되는 돌기부의 설치 위치를 나타내 보인 단면 구성도이다.

도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치의 작용을 설명하기 위한 단면 구성도이다.

도 4는 종래 기술에 따른 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

Claims

배기가스의 스트림을 형성하는 배기 파이프와 연결되게 설치된 SCR 촉매를 포함하는 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치에 있어서,

상기 SCR 촉매의 전방에 상기 배기 파이프 일측에서 내측으로 배기 가스의 스트림 방향을 따라 경사지게 장착되어 상기 배기 파이프의 내부로 환원제를 분무하는 인젝터

를 포함하며,

상기 인젝터에 의한 상기 환원제의 입자 진행 방향에 대응하여 상기 배기 파이프에 돌기부를 형성하는 것을 특징으로 하는 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치.
제1 항에 있어서,

상기 돌기부는,

상기 환원제의 입자 진행 중심부와 상기 배기 파이프의 중심부가 만나는 지점에서 배기 가스의 유출 방향으로 일정 거리 옵셋량이 부여된 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치.
제1 항에 있어서,

상기 옵셋량이 0~40mm을 만족하는 것을 특징으로 하는 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치.
제1 항에 있어서,

상기 돌기부는 삼각형의 곡선 형태로서 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치.
제4 항에 있어서,

상기 돌기부는 배기 가스의 유입측 사변의 길이(Li)가 유출측 사변의 길이(Lo) 보다 상대적으로 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치.
제1 항에 있어서,

상기 배기 파이프에는 상기 인젝터가 장착될 수 있는 장착부를 형성하며, 상기 배기 파이프와 상기 장착부의 연결 부분을 라운드지게 형성하는 것을 특징으로 하는 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치.