KR20120053494A - 분사 시스템을 갖는 배기 라인 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자동차 배기 라인(2)에 관한 것으로, 이 배기 라인은, 배기 라인(2)에 직렬로 배치되며 이 배기 라인(2)에서 유동하는 배기 가스를 처리하기 위한 두개의 상류 블럭(14)과 하류 블럭(16); 및 상기 상류 블럭(14)에 형성되어 있는 상류면(20)과 하류 블럭(16)에 형성되어 있는 하류면(22) 사이에 배치되며, 상류면(20)에서부터 하류면(22)까지 연장되어 있는 배기 가스 유동용 순환 통로(24)를 포함하는 분사부(18)를 포함한다. 상기 통로(24)는 상류면(20)과 하류면(22) 사이의 정해진 길이를 갖는 중심선(L1)을 포함하며, 상기 분사부(18)는 이 분사부(18)에 설치되어 그 분사부 안으로 시약을 분사할 수 있는 시약 분사기(26)를 포함한다. 분사부(18)는 배기 가스 분출물의 평균 경로가 미리 정해진 길이에 비해 적어도 20% 더 길도록 배기 가스 유동 경로에서 상기 순환 통로(24) 내부에 배치되는 적어도 제 1 컵(30)을 포함한다.

Description

분사 시스템을 갖는 배기 라인{EXHAUST LINE WITH INJECTION SYSTEM}
본 발명은 일반적으로 엔진 배기 가스의 선택적 환원 촉매을 위한 환원제 분사 장치를 구비한 자동차를 위한 배기 라인에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은 다음과 같은 구성 요소를 포함하는 종류의 자동차 배기 라인의 사용에 관한 것이다.
- 상기 배기 라인에 직렬로 배치되며 이 배기 라인에서 유동하는 배기 가스를 처리하기 위한 두개의 상류 블럭과 하류 블럭; 및
- 상기 상류 블럭에 형성되어 있는 상류면과 하류 블럭에 형성되어 있는 하류면 사이에 배치되며, 상류면에서부터 하류면까지 연장되어 있는 배기 가스 유동용 순환 통로를 포함하는 분사부; 상기 통로는 상류면과 하류면 사이의 정해진 길이를 갖는 중심선을 포함하며, 상기 분사부는 이 분사부에 설치되어 그 분사부 안으로 시약을 분사할 수 있는 시약 분사기를 포함한다.
이러한 배기 라인은 내연 기관(예컨대, 디젤 엔진)에 설치된다. 이 배기 라인은 질소 산화물을 환원시키기 위한 시스템 및 이 시스템의 상류에 배치되는 환원제 (예컨대, 요소(urea))용 분사기를 포함한다. 가장 보편적인 구성의 요소 분사 구역은 일반적으로 상류의 입자 필터(그 앞에는 산화 촉매가 있음)와 하류의 질소 산화물의 선택적 촉매 환원(SCR) 사이에 위치된다. 상당히 보편적인 다른 방안에 따르면, 산화 촉매와 질소 산화물 환원을 처리하기 위한 함침 입자 필터 또는 통상적인 입자 필터가 다음에 있는 SCR 촉매 사이에 분사 구역을 두게 된다.
그러나, 두 경우, 현재의 분사 구역은 상류 블럭(입자 필터 또는 산화 촉매임)의 출구면에서 부터 다음 블럭(SCR 촉매 또는 SCR 함침 입자 촉매 또는 표준 입자 필터가 다음에 있는 SCR 촉매)의 입구면까지, 가스 통로 직경을 줄여주는 수렴형 원추부, 분사기를 지지하는 관 및 가스 통로 직경을 증가시키는 발산형 입구 원추부를 포함한다. 또한, 대부분의 경우에는, 분사 구역은 분사기용 지지부 다음에 관의 내부에서 혼합기를 포함한다.
이러한 구성은 특히 상기 수렴형 원추부와 발산형 원추부의 존재로 인해 비압축성 링크가 필요하게 된다. 또한, 요소 분사 시스템의 정확한 작동을 보장하기 위해서는, 하류 블럭의 흡입면에서 배기 가스에 암모니아가 매우 균질하게 분산되도록 요소의 분사, 증발, 암모니아로의 가수분해/열분해 및 암모니아와 배기가스의 혼합 기능이 보장될 필요가 있다. 이러한 요소의 암모니아로의 전환 및 암모니와 배기 가스의 혼합에는 시간이 필요하며 따라서 상당한 경로 거리가 필요하게 된다.
모두에서, 상이한 기능들을 가능한 한 많이 최적화하여, 두 블러 사이의 거리를 200 mm 까지 줄일 수 있다. 그럼에도 불구하고, 거리가 줄어든 이러한 장치는 제작하기가 까다롭고 또한 비용이 많이 든다.
이와 관련하여, 본 발명의 목적은 더욱 만족스런 작동을 하고 크기가 감소되고 또한 제작 비용도 낮은 배기 라인을 제안하는 것이다.
이를 위해 본 발명은, 본 발명은 상기한 종류의 배기 라인에 관한 것으로, 상기 분사부는 배기 가스 분출물(jet)의 평균 경로가 미리 정해진 길이에 비해 적어도 20% 더 길도록 배기 가스 유동 경로에서 상기 순환 통로 내부에 배치되는 적어도 제 1 컵을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 배기 라인은 단독으로 고려하여 또는 기술적으로 가능한 모든 조합에 따라 다음과 같은 특징적 구성들 중의 하나 이상을 포함할 수 있다.
- 상기 정해진 길이는 실질적으로 40 ? 140 mm 이다.
- 상기 제 1 컵의 바닥은 분사부의 중심선 주위에 나선형으로 권회되어 있다.
- 제 1 컵의 바닥은 분사부의 중심선 주위에 나선형으로 3/4 회전으로 권회되어 있다.
- 상기 제 1 컵은 상류면으로부터 가장 멀리 있는 나선의 단부에서 개구를 갖는다.
- 상기 제 1 컵은 상류면으로부터 가장 멀리 있는 나선의 단부에서 스포일러(spoiler)갖는다.
- 상기 스포일러는 제 1 컵의 바닥에서 상류면 및 나선의 외부 쪽으로 연장되어 있다.
- 상기 분사부는 상류면과 제 1 컵 사이에서 순환 통로의 내부에 배치되는 제 2 컵을 포함하며, 이 제 2 컵은 분사부의 중심선 주위에 나선형으로 권회되어 있다.
- 상기 제 2 컵은 상류면으로부터 가장 멀리 있는 나선의 단부에서 개구를갖는다.
- 상기 제 2 컵은 상류면에 가장 가까운 나선의 단부에서 개구를 갖는다.
- 상기 두 컵은 그들 사이에서 나선형 도관을 형성하며, 이 도관은 제 2 컵의 개구로부터 제 1 컵의 개구까지 이르며 적어도 180°, 바람직하게는 275°에 걸쳐 연장되어 있으며 또한 실질적으로 2300 mm2 보다 큰 곧은 단면을 갖는다.
- 상기 제 1 컵은 라운링 처리된 벽을 포함하며, 이 벽은 상류면 쪽으로 돌출되어 있는 중심 영역 및 이 돌출형 중심 영역을 둘러싸면서 상류면을 향해 있는 중공의 주변 영역을 포함하고, 상기 돌출형 중심 영역과 중공의 주변 영역 사이에 있는 제 1 컵의 벽에는 개구가 형성되어 있다.
- 상기 분사부는 상류면과 제 1 컵 사이에서 순환 통로의 내부에 배치되는 제 2 컵을 포함하며, 이 제 2 컵은 라운링 처리된 벽을 포함하고, 이 벽은 상류면을 향하는 중공의 중심 영역 및 이 중공의 중심 영역을 둘러싸면서 상류면 쪽으로 돌출되어 있는 주변 영역을 가지며, 상기 중공의 중심 영역과 돌출형 주변 영역의 사이에 있는 제 2 컵의 벽에는 개구가 형성되어 있다.
- 상기 제 1 및 2 컵은 제 2 컵의 개구에서 부터 제 1 컵의 개구까지 배기 가스에 나선형 운동을 부여하도록 형성되어 있다.
- 시약은 제 1 컵과 제 2 컵 사이에서 분사된다.
- 상기 제 1 컵의 개구 및 제 2 컵의 개구는 중심선 주위에서 서로에 대해 각도 편위되어(angularly offset) 있다.
- 상기 컵은 실질적으로 5 mm의 직경을 갖는 구멍 또는 개구를 갖는다.
- 상기 제 1 컵은 그의 표면의 적어도 일 부분 위에서 철망(wire mesh) 층을 포함한다.
- 시약 분사기는 분사 방향이 분사부에 수직이 되도록 배향된다.
- 시약 분사기는 분사 방향이 분사부에 대한 접선에 평행하도록 배향된다.
본 발명의 다른 특징 및 이점들은 첨부 도면을 참조하여 정보를 위해 비제한적으로 제공된 이하의 상세한 설명으로부터 명확히 알 수 있을 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 배기 라인의 분해 사시도이다.
도 2 는 도 1 의 배기 라인의 작용을 도시하는 그 배기 라인의 분해 사시도이다.
도 3 은 도 1 의 배기 라인의 검팩트한 사시도이다.
도 4, 5, 6 및 7 은 가스/요소 혼합물을 균질화하기 위한 장치가 제공되어 있는 도 1 의 배기 라인을 나타낸다.
도 8 은 본 발명에 따른 배기 라인의 제 2 실시 형태의 측면도이다.
도 9 은 도 8 의 배기 라인의 제 2 실시 형태의 컵의 사시도이다.
도 10 은 도 8 의 배기 라인의 제 2 실시 형태의 컵 중의 하나의 사시도이다.
도 11 은 본 발명에 따른 배기 라인의 제 3 실시 형태의 측면도이다.
도 12 는 도 11의 배기 라인의 제 3 실시 형태의 다른 측면도이다.
도 13 은 도 11 의 배기 라인의 제 3 실시 형태의 컵의 사시도이다.
다음 설명에서, 상류와 하류는 배기 라인을 통과하는 배기 가스의 통상적인 순환 방향(도면에서 화살표로 나타나 있음)에 대한 것으로 이해될 것이다.
도 1 에 부분적으로 나타나 있는 배기 라인(2)은 예컨대, 디젤 엔진과 같은내연 기관을 장착한 자동차에 설치된다. 배기 라인(2)은 두개의 배기 가스 처리 장치(4, 6)를 포함한다. 각각의 배기 가스 처리 장치(4, 6)는 외부 인클로저(10, 12) 및 이 인클로저(10, 12)의 내부에 배치되는 블럭(14, 16)을 포함한다.
예컨대, 상류 배기 가스 처리 장치(14)는 입자 필터 또는 산화 촉매이고 하류 배기 가스 처리 장치(16)는 SCR 촉매 또는 SCR 함침 입자 필터이거나 표준 입자 필터가 다음에 있는 SCR 촉매이다.
산화 촉매 또는 SCR의 블럭은 예컨대 가스 투과성 구조체를 포함하며, 이 구조체는 연소 가스의 산화 및/또는 산화 질소의 환원에 유리한 촉매 금속으로 덮혀 있다. 입자 필터의 블럭은 엔진에서 배출된 검댕 입자를 유지하고 또한 기체 오염물을 구속할 수 있다.
상기 배기 라인(2)은 또한 상류 블럭(14)에 의해 형성되어 있는 상류면(20)과 하류 블럭(16)에 의해 형성되어 있는 하류면(22) 사이에 배치되는 분사부(18)를 포함한다. 상류면(20)은 배기 가스가 상류 블럭(14)을 떠날 때 통과하는 면이고, 하류면(22)은 배기 가스가 하류 블럭(16)에 들어갈 때 통과하는 면이다.
상기 분사부(18)는 상류면(20)에서부터 하류면(22)까지 연장되어 있는 배기 가스 유동용 순환 통로(24) 및 분사부(18)에 설치되어 이 분사부(18) 안으로 시약을 분사할 수 있는 시약 분사기(26)를 포함한다.
상기 통로(24)는 상류면(20)과 하류면(22) 사이의 정해진 길이를 갖는 중심선(L1)을 갖는다. 이 중심선(L1)은 순환 통로(24)의 곧은 부분의 기하학적 중심을 통과하는 선이다. 도시된 예에서, 이는 상하류 블럭의 축선에 평행한 곧은 선이다. 이는 상류면(20)과 하류면(22)에 수직이고 이들 면의 중심을 통과한다.
분사부(18)는 배기 가스 유동의 경로에서 순환 통로(24)의 내부에 배치되는 컵(28)을 포함한다. 이 컵(28)을 위어(weir)라고 한다. 이 위어(28)의 바닥은 분사부의 중심선 주위에 나선형으로 권회되어 있고 상류면으로부터 가장 멀리 있는 나선의 단부에서 큰 개구(29)을 갖는다. 이 개구(29)는 중심선(L1) 및 이 중심선(L1)에 수직인 평면 모두에 대해 경사져 있다.
상기 컵(28)의 직경은 배기 가스 순환 통로의 내경과 같다. 이는 순환 통로(24)의 전체 곧은 부분에 형성되어 있다. 컵(28)의 주변 가장자리는 순환 통로의 내면에 지지된다.
위어(28)의 나선 형상으로 인해 배기 가스가 회전 운동을 하게 되며, 구멍(loophole)만이 하류에 있다. 배기 가스는 대략 완전 일회전하게 된다.
위어(28)의 최상측 부분은 상류 블럭의 출구면(20)으로부터 대략 6 mm 의 거로로 떨어져 있다. 일 대안예에 따르면, 이 거리는 배압(back pressure)이 과도하게 증대되지 않도록 10 mm 까지 증가될 수 있다.
또한, 분사부(18)는 상기 제 1 컵(28)과 하류면(22) 사이에서 순환 통로(24)의 내부에 배치되는 제 2 컵(30)("통로" 라고 함) 을 포함하는데, 이 제 2 컵(30)은 분사부의 중심선(L1) 주위에 나선형으로 권회되어 있는 바닥을 갖는다.
바람직하게는, 제 2 컵(30)의 바닥은 분사부의 중심선 주위에 나선형으로 3/4 회전으로 권회되어 있다.
제 2 컵(30)은 상류면으로부터 가장 멀리 있는 나선의 단부에서 개구를 갖는다. 이 개구는 제 2 컵(30)의 나선형 바닥의 두 말단 가장자리와 순환 도관(24)의 벽으로 한정된다.
제 2 컵(30)의 직경은 배기 가스 순환 통로의 내경과 같다. 이는 순환 통로(24)의 전체 곧은 부분에 형성되어 있으며, 컵(28)의 주변 가장자리는 순환 통로의 내면에 지지된다.
상기 두 컵(28, 30)은 그들 사이에서 나선형 도관을 형성하게 되는데, 이 도관은 위어(28)의 개구(29)로부터 컵(30)의 개구까지 이르며 적어도 180°, 바람직하게는 275°에 걸쳐 연장되어 있다. 이 나선형 도관은 옆으로는 순환 통로(24)의 내면으로 한정된다.
상기 컵들의 개구에 있는 나선형 도관은 배기 가스에 실질적으로 2300 mm2 보다 큰, 바람직하게는 적어도 2375 mm2 인 단면을 부여한다. 이 단면은 보통 배기 라인 및 특히 분사 구역에서 사용되는 55 mm 직경의 관의 단면에 대응한다.
제 1 컵(28)의 개구와 제 2 컵(30)의 개구는 중심선(L1) 주위에서 서로에 대해 각도 편위되어(angularly offset) 있는데, 따라서 배기 가스 유동의 분사부의 중심선(L1)에 평행한 어떠한 직접적인 경로도 생기지 않게 된다.
상기 분사부는 대략 150 mm의 직경(즉, 가스 처리 장치의 직경과 실질적으로 동일함) 및 40 ? 140 mm 의 길이를 갖는 원통형 측벽을 갖는다. 바람직하게는, 상류 블럭의 상류면과 하류 블럭의 하류면 사이의 거리는 60 ? 100 mm 이다.
상기 측벽은 하류 블럭(16)을 둘러싸는 외부 인클로저(12)와 일체적으로 만들어진다.
상기 두 컵은 예컨대 용접으로 측벽에 고정된다.
측벽은 시약(여기서는, 요소(urea))용 분사기를 제 1 컵(28)과 제 2 컵(30) 사이의 벽에 도입하여 고정하도록 되어 있는 오리피스를 포함한다. 상기 분사기는 분사 방향이 상기 측벽에 수직이 되도록 배향된다.
일 대안예에 따르면, 상기 분사기는 분출물이 배기 가스와 함께 흐르도록 분사 방향이 측벽에 대한 접선에 대해 40°? 45°의 각도를 갖도록 배향된다.
도 3 에 파선으로 도시되어 있는 다른 대안예에 따르면, 분사기(26)는 분사 방향이 측벽에 대한 접선에 평행하도록 배향되며, 그리 하여 더욱 컴팩트한 분사부(18)을 얻을 수 있다.
다른 대안예에 따르면, 제 1 컵(28)은 요소 액적의 분출물과 상류 블럭(14) 간의 접촉을 방지하기 위한 국소 편향기(local deflector)를 포함한다. 예컨대, 이 국소 편향기는 제 1 컵을 절취하여 형성된다.
이제, 전술한 배기 라인의 작용을 도 2 를 참조하여 자세히 설명한다. 도 2 에는 배기 가스 분출물이 도시되어 있다.
상류 블럭(14)을 통과한 후에 배기 가스는 실질적으로 균일한 분포로 상류 블럭(14)을 떠나게 된다. 배기 가스 유동은 층류이고 중심선(L1)에 실질적으로 평행하다. 배기 가스는 제 1 컵(28)에 도달한다. 중심(L1)에 평행한 가스의 순환은 제 1 컵(28)에 의해 방지되고, 이 컵의 나선 형상으로 인해 가스가 회전 운동을 하게 된다.
그런 다음 상기 가스는 통로(30)에 들어가며, 이 통로의 나선 형상으로 인해 배기 가스는 회전 운동을 유지하게 된다.
제 1 컵(28) 또는 위어의 출구에서, 상기 요소가 통로(30)의 상류부에 분사된다. 가스가 통로(30)를 지나는 동안에, 즉 가스가 3/4 회전을 하는데 필요한 시간 동안에, 상기 요소가 암모니아로 전환된다. 이 3/4 회전 중에 배기 가스가 이동하는 평균 거리는 대략 180 mm 이다. 90 ㎛의 평균 직경(SMD), 25 ms의 분사 속도 및 16°의 분산각을 갖는 분출물이 생기는 분사기를 사용하는 경우, 상기 거리는 요소를 암모니아로 전환시키는데 필요한 거리에 대응한다.
일단 가스가 통로(30)의 개구 또는 출구에 도달하면, 이 가스는 하류 블럭(16)을 통과하게 된다.
이 단계에 도달한 가스는 이미 평균적으로 일회전 보다 약간 더 많이 회전한 상태인데, 그러므로 가스는 상당한 접선 방향 속도를 얻은 상태이고 또한 그 성분으로 다음 블럭(16)의 하류면(22) 또는 입구면을 "공격"하게 된다. 이렇게 블럭에 도달하는 것은 상기 블럭의 표면에서 양호하고 균일한 분포를 얻는데 유리한 것으로 알려져 있다.
분사부(18)는 일반적으로 단지 60 mm 의 길이와 150 mm의 직경(즉, 상하류 블럭을 둘러싸는 외부 인클로저의 직경)을 갖는다. 이렇게 해서, 도 3 에서 보는 바와 같이, 분사부는 60 mm x 150 mm(직경)의 원통 안에 포함되며, 상류면(20)과 하류면(22) 사이의 정해진 길이에 대해 적어도 20% 만큼 배기 가스 분출물의 평균 경로를 증가시킬 수 있다.
또한, 가스 유량이 상기 예와 다르면, 필요한 통로부를 형성하기 위한 원통의 길이도 다르게 될 것이다. 이 유량이 크면, 두 블럭 사이의 거리는 증가되어야 한다. 유량이 낮으면, 그 거리는 감소될 수 있다.
이 실시 형태는 자동차의 수평 또는 수직부, 바닥 또는 단부 케이싱(폐쇄 위치에 있는)에 사용될 수 있다.
물론 이 시스템은 모든 종류의 요소 분사기로 작동되지만, 이들 상이한 분사기의 특성은 물론 넓은 범위의 분출물을 갖는다. 이들 분출물은 넓거나 좁은 칼럼을 가지며, 매우 미세한 액적이나 상당히 큰 액적에 대해 가변적인 평균 직경을 가지며, 다소 큰 방출 속도를 갖는다.
따라서, 최적의 균질화를 보장하기 위해서는, 도 4 에서 보는 바와 같이, 제 1 컵(28)은 실질적으로 5 mm 의 직경을 갖는 구멍(40)을 갖는다.
예컨대, 분사기(26)가 작은 에너지와 미세한 액적을 갖는 뷴류를 갖는다면, 요소 액적은 가스 분출물 안으로 깊히 들어가지 못할 것이다. 그러므로, 통로(30)의 외측 가장자리에서의 요소 농도는 중심부에서 보다 크게 될 것이다. 통로(30)의 외측 가장자리 위쪽에 위어(28)의 구멍(40)이 존재하면, 상류 블럭(14)을 떠나는 가스는 통로(30)의 입구를 피하게 되며 통로(30)의 주변에서 요소/공기 비를 격감시키게 된다.
반대로, 분사기(26)가 요소의 대부분이 통로(30)의 내부(중심부)에 있게 되는 특성을 갖는다면, 상기 구멍(40)은 그 구역 위에 있게 될 것이다.
도 5 및 6 에 도시되어 있는 일 대안예에 따르면, 분사부(18)는 두 컵 사이에 위치하는 선형 혼합기를 포함하는데, 이 혼합기는 배기 가스와 요소 또는 암모니아가 균질화되도록 유동을 교란시키기 위한 장애물을 형성한다. 이 혼합기는 도 5 에 도시되어 있는 바와 같이 제 2 컵(30)에 고정되어 제 1 컵(28)(여기서는 미도시) 쪽으로 배향되어 있는 핀(fin: 50)(또는 탭(tab)) 또는 도 6 에 도시되어 있는 바와 같은 헬리컬형부(60)의 형태를 취할 수 있다.
도 7 에 도시되어 있는 다른 대안예에 따르면, 제 2 컵(30)은 이 제 2 컵(30)의 표면의 적어도 일 부분에 배치되는 철망(wire mesh) 층(70)을 포함한다. 조립전에 분사부(18)를 구성하는 다른 부분과는 독립적으로 제 2 컵(30)을 배치하면, 요소의 증발과 암모니아로의 전환의 최적화가 필요한 위치에 철망 층(70)을 배치할 수 있다. 사실, 배기 관에 철망 층(70)을 배치하는 것은 매우 어렵다. 공지된 방식으로, 철망 층(70)을 추가함으로써, 금속/가스 교환 표면이 상당히 증가되어 요소와 배기 가스 사이의 접촉면이 증가될 수 있다.
도 7 에서, 통로(30)에 있어서 철망(70)으로 덮히는 부분은 외측벽 보다 고온인데, 따라서 여기서는 요소의 증발과 암모니아로의 전환이 보다 쉽고 더 빨리 일어나게 된다.
또한, 제 2 컵(30)의 반대쪽에 있는 제 1 컵(28)(여기서는 미도시)의 하측 부분에 철망 층(70)을 고정시킬 수 있다.
물론, 개별적으로 고려하여 또는 기술적으로 가능한 모든 조합에 따라 상기 분사부(18)는 가스/암모니아 혼합물의 최적의 균질화를 얻기 위한 이들 대안예들 중의 하나 이상을 포함할 수 있다.
분사부(318)의 제 2 실시 형태가 도 8 (측면도), 도 9 및 10(사시도)에 도시되어 있다. 분사부(318)는 제 1 컵(328) 및 제 2 컵(330)을 포함한다.
하류 배기 가스 처리 장치(6)의 외부 인클로저(12)는 배기 가스에 대해 시일링가능하게 상류 배기 가스 처리 장치(4)의 외부 인클로저(10)의 하측 부분에 고정된다. 하류 블럭(16)과 두 컵(328, 330)은 하류 외부 인클로저(12)의 내부에 있다.
상기 제 1 컵(328)은 분사부(318)의 중심선(L1) 주위에 나선형으로 권회되어 있는 바닥을 갖는다. 제 1 컵(328)은 하류면(22)을 향하는 오목부를 가지고 있으며, 따라서 제 1 컵(328)의 바닥은 제 2 컵(330)의 뚜껑을 형성한다.
제 1 컵(328)은 상류면(20)에 가장 가까운 나선의 단부에서 큰 개구(329)를 갖는다. 이 개구(329)는 중심선(L1) 및 이 중심선(L1)에 수직인 평면 모두에 대해 경사져 있다.
제 1 컵(328)은 중심선(L1)에 실질적으로 수직하게 제 1 컵(328)의 바닥에서 연장되어 있는 주변 테두리(350)를 갖는데, 이 테두리(350)는 하류 외부 인클로저(12)의 상류 부분에 형성되어 있는 주변 루멘(lumen: 352)을 통과한다 제 1 컵(328)의 주변 테두리(350)는 배기 가스에 대해 시일링가능하게 예컨대 용접으로 하류 외부 인클로저(12)에 고정된다.
제 1 컵(328)의 바닥은 또한 구멍(340)을 포함하는데, 이 구멍은 배기 가스의 최적 균질화를 보장해 줄 수 있다.
제 2 컵(330)은 제 1 컵(328)과 하류면(22) 사이에 배치되며, 제 2 컵(330)은 분사부(318)의 중심선(L1) 주위에 나선형으로 권회되어 있는 바닥을 갖는다.
바람직하게는, 제 2 컵(330)의 바닥은 분사부(318)의 중심선(L1) 주위에 나선형으로 적어도 3/4 회전으로 권회되어 있다.
제 2 컵(330)은 상류면(20)으로부터 가장 멀리 있는 나선의 단부에서 개구(354)를 갖는다. 이 개구(354)는 제 2 컵(330)의 나선형 바닥의 두 끝 가장자리(356A, 356B) 및 제 2 컵(330)의 주변벽(358)으로 한정되어 있으며, 제 2 컵(330)의 주변벽(358)은 순환 통로의 내면에 지지된다.
제 2 컵(330)은 중심선(L1)에 실질적으로 수직하게 제 2 컵(330)의 주변벽(358)서 연장되어 있는 주변 테두리(360)를 갖는데, 이 테두리(360)는 하류 외부 인클로저(12)의 상류 부분에 형성되어 있는 주변 루멘(352)을 통과한다 제 2 컵(330)의 주변 테두리(360)는 배기 가스에 대해 시일링가능하게 예컨대 용접으로 하류 외부 인클로저(12)에 고정된다.
따라서, 제 1 및 2 컵(328, 330)의 주변 테두리(350, 360)는 서로 마주하여 접촉하며 또한 배기 가스에 대해 시일링가능하게 예컨대 용접으로 서로에 고정된다.
상기 두 컵(328, 330)은 그들 사이에서 나선형 도관을 형성하게 되는데, 이 도관은 제 1 컵(328)의 개구(329)로부터 제 2 컵(330)의 개구(354)까지 이르며 적어도 180°, 바람직하게는 적어도 275°에 걸쳐 연장되어 있다.
상기 제 2 컵(330)은 또한 그의 하류 단부(즉, 상류면(20)으로부터 가장 멀리 있는 나선의 단부)에 배치되는 스포일러(380: spoiler)를 포함한다. 이 스포일러(380)는 제 2 컵(330)의 바닥에서 상류면(20) 및 나선형 도관의 외부 쪽으로 연장되어 있으며, 끝 가장자리(356B)에 의해 범위가 한정된다. 이렇게 해서 스포일러(380)는 상류면(20) 쪽으로 열려 있는 볼록한 슬롯을 형성한다.
상기 스포일러(380)는 예컨대 5.5 mm의 곡률 반경 및 7 mm의 높이를 가지며, 스포일러(380)의 높이는 10 mm 까지 증가될 수 있다. 스포일러(380)는 10°의 각도로 연장되어 있으며, 이 값은 90°까지 증가될 수 있다.
뒤에서 보다 자세히 설명하겠지만, 스포일러(380)에 의해 개구(354) 바로 뒤의 암모니아 농도를 제한할 수 있다.
시약 분사기(미도시)는 상기 두 컵(328, 330)으로 형성되는 나선형 도관 안으로 분사하게 된다. 이를 위해, 시약 분사기는 개구(329) 근처에서 제 1 컵(328)의 바닥에 고정된다.
일 대안예에 따르면, 상기 분사기는 제 2 컵(330)의 주변벽(358)에 고정된다.
이제, 제 2 실시 형태에 따른 배기 라인의 작용을 도 8 을 참조하여 자세히 설명한다. 도 8 에서 배기 가스 유동은 화살표로 나타나 있다.
앞에서와 같이, 배기 가스는 제 1 컵(328)에 도달한다. 이 가스는 상류 블럭(14)을 통과한 후에 제 1 컵(328)에 모이게 된다.
그런 다음, 배기 가스는 상기 개구(329) 또는 구멍(340)을 통해 나선형 도관에 들어가며 이 나선형 도관안에서 개구(354)까지 순환하게 된다.
나선형 도관의 입구에서 요소가 분사되고, 배기 가스가 나선형 도관내에서 순환하는 중에 상기 요소는 암모니아로 전환된다.
상기 나선형 도관의 출구에 있는 스포일러(380)에 의해, 배기 가스의 하부층(즉, 제 2 컵(330)에 가까이 있고 암모니아가 많이 충전되어 있는 가스 층)이 위 쪽으로(즉, 상류면(20) 쪽으로) 방향을 급격히 변경하여 그 바로 위쪽에 있는 가스 층과 혼합되게 되며, 이 중간층에는 암모니아가 더 적게 충전되어 있다. 그래서, 제 2 컵(330)의 출구에서 배기 가스는 균질한 평균 암모니아 농도를 갖게 된다.
또한, 상기 스포일러(380)에 의한 가스 하부층의 갑작스런 방향 전환으로 인해, 제 2 컵(330)의 출구에서 도 8 의 구역(D)에서 진공이 발생된다. 이 진공에 의해 제 2 컵(330)의 출구와 하류 블럭(16) 사이에 있는 배기 가스가 흡인되며, 이에 의해 하류면(22)에서 배기 가스의 회전이 더 좋게 된다.
예컨대, 150 mm의 직경과 70 mm의 길이를 갖는 분사부(318)의 경우, 하류면(22)에서 암모니아의 균일성 지수가 0.05 ? 0.09 만큼 증가된다.
또한, 앞의 경우와 마찬가지로, 가스와 요소 및/또는 암모니아의 최적 균질화를 보장하기 위해, 혼합기가 나선형 도관의 내부에 통합될 수 있고/있거나 이 나선형 도관의 벽의 일 부분은 철망을 포함할 수 있다.
본 실시 형태의 이점은, 하류 블럭(16)의 하류면(22)에서 암모니아의 분포가 개선되어 암모니아가 하류 블럭(16)에 균일하게 분포된다는 것이다.
분사부(418)의 제 3 실시 형태가 도 11, 12(측면도) 및 도 13(사시도)에 도시되어 있다. 이 분사부(418)는 제 1 컵(428)과 제 2 컵(430)을 포함한다.
하류 배기 가스 처리 장치(6)의 외부 인클로저(12)는 배기 가스에 대해 시일링가능하게 제 2 컵(430)을 통해 상류 배기 가스 처리 장치(4)의 외부 인클로저(10)에 고정된다. 두 컵(428, 430)은 상류 외부 인클로저(10)와 하류 외부 인클로저(12) 사이의 접합부에 배치되며, 제 1 컵(428)은 상류 외부 인클로저(10)의 내부에 배치되며 제 2 컵(430)은 하류 외부 인클로저(12)의 내부에 배치된다.
제 1 컵(428)은 하류면(22) 쪽으로 열려 있고, 예리한 가장자리가 없는 라운딩 처리된 벽을 포함한다. 이 벽은 상류면(20)을 향하는 중공의 중심 영역(450) 및 이 중공의 중심 영역(450)을 둘러싸면서 상류면(20)쪽으로 돌출되어 있는 주변영역(452)을 포함한다. 돌출형 주변 영역(452)은 서로 맞은 편에 있는 하측 주변부(454)와 상측 주변부(456)를 포함하며, 중심선(L1)을 따른 하측 주변부(454)의 축방향 높이는 상측 주변부(456)에 비해 작다. 하측 주변부(454) 및 상측 주변부(456)는 서로 맞은 편에 있는 두개의 측방 주변부(458)에 의해 서로 연결되어 있다.
상기 제 1 컵(428)은 분사부(418)의 중심선(L1)과 시약 분사기(436)을 통과하는 평면에 대해 대칭이다(도 12).
상기 돌출형 주변 영역(452)의 상측 주변부(456)와 중공의 중심 영역(450) 사이에 있는 제 1 컵(428)의 벽에는 큰 개구(429)가 형성되어 있다. 이 개구(429)는 중심선(L1) 및 이 중심선(L1)에 수직인 평면 모두에 대해 경사져 있다. 개구(429)는 실질적으로 라운딩 처리된 삼각형으로 되어 있는데, 꼭지점들 중의 하나는 분사기(436) 쪽에 위치한다.
제 1 컵(428)은 중심선(L1)에 실질적으로 수직하게 제 1 컵(428)의 벽에서 연장되어 있는 주변 테두리(460)를 갖는다. 제 1 컵(428)의 주변 테두리(460)는 배기 가스에 대해 시일링가능하게 예컨대 용접으로 제 2 컵(430)에 고정된다.
상기 제 2 컵(430)은 제 1 컵(428)과 하류면(22) 사이에 배치된다.
제 2 컵(430)은 상류면(20) 쪽으로 열려 있고, 예리한 가장자리가 없는 라운딩 처리된 벽을 포함한다. 이 벽은 상류면(20) 쪽으로 돌출되어 있는 중심 영역(462) 및 이 중심 영역(462)을 둘러싸면서 상류면(20)을 향하는 중공의 주변 영역(464)을 갖는다. 중공의 주변 영역(464)은 서로 맞은 편에 있는 하측 주변부(466)와 상측 주변부(468)를 포함하며, 중심선(L1)을 따른 하측 주변부(466)의 축방향 높이는 상측 주변부(468)에 비해 작다. 하측 주변부(466) 및 상측 주변부(468)는 서로 맞은 편에 있는 두개의 측방 주변부(470)에 의해 서로 연결되어 있다.
상기 제 2 컵(430)은 분사부(418)의 중심선(L1)과 시약 분사기(436)을 통과하는 평면에 대해 대칭이다(도 12).
상기 중공의 주변 영역(464)의 하측 주변부(466)와 돌출형 중심 영역(462) 사이에 있는 제 2 컵(430)의 벽에는 개구(472)가 형성되어 있다. 이 개구(472)는 중심선(L1) 및 이 중심선(L1)에 수직인 평면 모두에 대해 경사져 있다. 개구(472)는 라운딩 처리된 초승달 형상으로 되어 있으며, 큰 변은 분사기(436)의 반대쪽에 위치한다.
제 1 컵(428)의 개구(429)와 제 2 컵(430)의 개구(472)는 중심선(L1) 주위에서 서로에 대해 실질적으로 180°의 각도로 편위되어 있다.
일 대안예에 따르면, 개구(429)를 회피하여 가스의 일부가 순환 통로를 통과하지 않고 직접 개구(472)에 도달하게 하여 배압을 감소시키기 위해, 분사기(436)의 반대편에서 또한 실질적으로 제 2 컵(430)의 개구(472)에서, 돌출형 주변 영역(452)의 하측 주변부(454)와 중공의 중심 영역(450) 사이에 있는 제 1 컵(428)의 벽에 제 2 개구가 제공된다.
제 2 컵(430)은 중심선(L1)에 실질적으로 수직하게 제 2 컵(430)의 벽에서 연장되어 있는 주변 테두리(474)를 갖는다. 제 2 컵(430)의 주변 테두리(474)는 배기 가스에 대해 시일링가능하게 예컨대 용접으로 상류 외부 인클로저(10) 및 하류 외부 인클로저(12)와 그리고 주변 테두리(460)에 고정된다.
상기 두 컵(428, 430)은 서로 결합되면 "도넛" 형상으로 되며, 그들 사이에는 제 1 컵(428)의 개구(429)에서 부터 제 2 컵(430)의 개구(472)까지 이르는 두개의 반 환형 도관이 형성된다.
시약 분사기(436)는 상기 두 컵(428, 430)으로 형성되는 두 반 환형 도관 안으로 분사하게 된다. 이를 위해, 시약 분사기는 개구(429) 근처에서 제 1 컵(428)의 주변 영역(452)의 상측 주변부(456)에 고정된다. 분사기(436)는 중심선(L1)에 대해 실질적으로 45°로 배향되며, 따라서 분출물은 제 2 컵(430)의 돌출형 중심 영역(462) 쪽으로 향하게 된다.
일 대안예에 따르면, 분사기(436)는 분사 방향이 두 반환형 도관에 수직이 되도록 배향된다.
다른 대안예에 따르면, 분사기(436)는 분사 방향이 상기 두 반환형 도관에 대한 접선에 평행하도록 배향되며, 그리 하여 더욱 컴팩트한 분사부(418)를 얻을 수 있다.
이제, 전술한 제 3 실시 형태에 따른 배기 라인의 작용을 도 11 및 12 를 참조하여 자세히 설명하며, 이들 도면에서 배기 가스 유동은 화살표로 나타나 있다.
앞에서와 같이, 배기 가스는 제 1 컵(428)에 도달한다. 이 가스는 상류 블럭(14)을 통과한 후에 제 1 컵(428)에 모이게 된다.
그런 다음, 배기 가스는 상기 개구(429)를 통해 순환 통로에 들어간다 (도 11).
순환 통로의 입구에서 요소가 분사되고, 배기 가스가 순환 통로내에서 순환하는 중에 상기 요소는 암모니아로 전환된다.
분사기(436)의 배향으로 인해, 가스 유동이 두 반 환형 도관 사이에 분포된다.
따라서, 가스 유동의 제 1 부분은 반 환형 도관들 중의 한 도관을 사용하고, 이 도관의 중심선 주위에서 나선형 운동을 하면서 그 도관을 따라 개구(472)까지 유동하게 된다. 두 컵(428, 430)의 라운딩 처리된 형상으로 인해, 가스 유동의 상기 제 1 부분은 회전 운동을 하게 되는데, 중심선 주위에서 반시계 방향(도 12)으로 적어도 완전 일회전하거나 완전 4회전까지 하게 된다.
그러한 중에, 가스 유동의 제 2 부분은 반 환형 도관들 중의 다른 도관을 사용하고, 이 도관의 중심선 주위에서 나선형 운동을 하면서 그 도관을 따라 개구(472)까지 유동하게 된다. 두 컵(428, 430)의 라운딩 처리된 형상으로 인해, 가스 유동의 상기 제 2 부분은 회전 운동을 하게 되는데, 중심선 주위에서 시계 방향(도 12)으로 적어도 완전 일회전하거나 완전 4회전까지 하게 된다.
가스는 일단 개구(472)를 통과하면 하류 블럭(16)을 통과할 것이다.
또한, 앞의 경우와 마찬가지로, 가스와 요소 및/또는 암모니아의 최적 균질화를 보장하기 위해, 혼합기가 순환 통로의 내부에 통합될 수 있고/있거나 이 순환 통로의 벽의 일 부분은 철망을 포함할 수 있다.
이 실시 형태의 이점은 가스와 요소 및/또는 암모니아의 우수한 혼합을 가능케 한다는 것이다.
본 발명에 따른 배기 라인은, 요소의 암모니아 전환이 보장되도록 가스를 위한 충분한 경로 길이를 확보하면서 연속하는 블럭의 두 면 사이의 거리를 감소시킬 수 있다는 것이다. 상기 경로는 배기 가스 안으로 분사되는 요소를 암모니아로 전환시키는 반응이 완전하게 되고 또한 최종 배기 가스/암모니아 혼합물이 가능한 한 균질하게 되도록 하는데 충분히 길게 되어 있다.

Claims (19)

  1. 자동차 배기 라인(2)으로서,
    - 상기 배기 라인(2)에 직렬로 배치되며 이 배기 라인(2)에서 유동하는 배기 가스를 처리하기 위한 두개의 상류 블럭(14)과 하류 블럭(16); 및
    - 상기 상류 블럭(14)에 형성되어 있는 상류면(20)과 하류 블럭(16)에 형성되어 있는 하류면(22) 사이에 배치되며, 상류면(20)에서부터 하류면(22)까지 연장되어 있는 배기 가스 유동용 순환 통로(24)를 포함하는 분사부(18; 318; 418)를 포함하며,
    상기 통로(24)는 상류면(20)과 하류면(22) 사이의 정해진 길이를 갖는 중심선(L1)을 포함하며, 상기 분사부(18; 318; 418)는 이 분사부(18; 318; 418)에 설치되어 그 분사부 안으로 시약을 분사할 수 있는 시약 분사기(26; 436)를 포함하는 상기 자동자 배기 라인(2)에 있어서,
    상기 분사부(18; 318; 418)는 배기 가스 분출물(jet)의 평균 경로가 미리 정해진 길이에 비해 적어도 20% 더 길도록 배기 가스 유동 경로에서 상기 순환 통로(24)의 내부에 배치되는 적어도 제 1 컵(30; 330; 430)을 포함하며,
    상기 분사부(18; 318; 418)는 상류면(20)과 제 1 컵(30; 330; 430) 사이에서 순환 통로(24)의 내부에 배치되는 제 2 컵(28; 328; 428)을 포함하고,
    상기 시약의 분사는 상기 제 1 컵(30; 330; 430)과 제 2 컵(28; 328; 428) 사이에서 행해지는 것을 특징으로 하는 자동차 배기 라인(2).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 정해진 길이는 실질적으로 40 ? 140 mm 인 것을 특징으로 하는 배기 라인.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 컵(30; 330)의 바닥은 분사부(18; 318)의 중심선(L1) 주위에 나선형으로 권회되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인.
  4. 제 3 항에 있어서,
    제 1 컵(30; 330)의 바닥은 분사부(18; 318)의 중심선(L1) 주위에 나선형으로 3/4 회전으로 권회되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 컵(30; 330)은 상류면(20)으로부터 가장 멀리 있는 나선의 단부에서 개구(354)를 갖는 것을 특징으로 하는 배기 라인.
  6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 컵(330)은 상류면(20)으로부터 가장 멀리 있는 나선의 단부에서 스포일러(380: spoiler)를 갖는 것을 특징으로 하는 배기 라인.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 스포일러(380)는 제 1 컵(330)의 바닥에서 상류면(20) 및 나선의 외부 쪽으로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 컵(28; 328)은 분사부(18; 318)의 중심선(L1) 주위에 나선형으로 권회되어 있는 바닥을 갖는 것을 특징으로 하는 배기 라인.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 컵(28)은 상류면(20)으로부터 가장 멀리 있는 나선의 단부에서 개구(29)를 갖는 것을 특징으로 하는 배기 라인.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 컵(328)은 상류면(20)에 가장 가까운 나선의 단부에서 개구(329)를 갖는 것을 특징으로 하는 배기 라인.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 두 컵(28, 30; 328, 330)은 그들 사이에서 나선형 도관을 형성하며, 이 도관은 제 2 컵(28; 328)의 개구(29; 329)로부터 제 1 컵(30; 330)의 개구(354)까지 이르며 적어도 180°, 바람직하게는 275°에 걸쳐 연장되어 있으며 또한 실질적으로 2300 mm2 보다 큰 곧은 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 배기 라인.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 컵(430)은 라운딩 처리된 벽을 포함하며, 이 벽은 상류면(20) 쪽으로 돌출되어 있는 중심 영역(462) 및 이 돌출형 중심 영역(462)을 둘러싸면서 상류면(20)을 향해 있는 중공의 주변 영역(464)을 포함하고, 상기 돌출형 중심 영역(462)과 중공의 주변 영역(464) 사이에 있는 제 1 컵(430)의 벽에는 개구(472)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 컵(428)은 라운딩 처리된 벽을 포함하고, 이 벽은 상류면(20)을 향하는 중공의 중심 영역(450) 및 이 중공의 중심 영역(450)을 둘러싸면서 상류면(20)쪽으로 돌출되어 있는 주변 영역(452)을 가지며, 상기 중공의 중심 영역(450)과 돌출형 주변 영역(452)의 사이에 있는 제 2 컵(428)의 벽에는 개구(429)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 및 2 컵(428, 430)은 제 2 컵(428)의 개구(429)에서 부터 제 1 컵(430)의 개구(472)까지 배기 가스에 나선형 운동을 부여하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인.
  15. 제 5 항과 결합된 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서 또는 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 컵(30; 330; 430)의 개구(354; 472) 및 제 2 컵(28; 328; 428)의 개구(29; 329; 429)는 중심선(L1) 주위에서 서로에 대해 각도 편위되어(angularly offset) 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컵(28; 328; 428)은 실질적으로 5 mm의 직경을 갖는 구멍(40; 340) 또는 개구를 갖는 것을 특징으로 하는 배기 라인.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 컵(30; 330; 430)은 그의 표면의 적어도 일 부분 위에서 철망(wire mesh) 층(70)을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 라인.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시약 분사기(26; 436)는 분사 방향이 분사부(18; 318; 418)에 수직이 되도록 배향되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인.
  19. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시약 분사기(26; 436)는 분사 방향이 분사부(18; 318; 418)에 대한 접선에 평행하도록 배향되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 라인.
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