KR20130140832A - 동축의 입구 및 출구를 가진 배기 처리 장치 - Google Patents

Abstract

배기 가스 처리 시스템을 위한 버너는 엔진으로부터의 배기 흐름을 처리하고 제1 연소 영역 및 제2 연소 영역을 형성하는 내부 하우징을 포함한다. 내부 하우징은 배기 흐름의 제1 부분을 받아들이도록 제2 연소 영역의 상류에 다수의 구멍을 갖춘다. 외부 하우징은, 제1 연소 영역과 제2 연소 영역의 외부에서 내부 하우징의 주위로 배기 흐름의 제2 부분을 우회하도록 하는 내부 하우징과 외부 하우징 사이의 우회 유로를 형성하기 위해 내부 하우징을 둘러싸고 있다. 외부 하우징은 중심의 길이방향 축을 따라 배기 출구와 동축으로 정렬된 배기 입구를 포함한다. 혼합 영역은 배기 흐름의 제1 부분과 제2 부분을 받아들이도록 제2 연소실의 하류에 구비된다.

Description

동축의 입구 및 출구를 가진 배기 처리 장치 {COAXIAL INLET AND OUTLET EXHAUST TREATMENT DEVICE}

본 발명의 실시예는 배기 가스 처리 장치에 관한 것으로, 특히 디젤 압축 엔진에서 질소 산화물과 입자상 물질의 배출을 줄이기 위한 시스템 내 버너에 관한 것이다.

정부 기관은 디젤 연소 과정에서 특히 디젤 압축 엔진에서 배출되는 질소 산화물(이하 NOx라 함)과 입자상 물질(Particulate Matter)의 저감을 지속적으로 요구하고 있다. 디젤 입자상 물질 필터(Diesel Particulate Filter; 이하 DPF라 함)는 통상 검댕이 형태인 입자상 물질의 필요한 감소를 성취할 수 있지만, 종종 DPF에 의해 제공되는 입자상 물질의 저감과 관련하여 NOx의 필요한 감소를 제공할 수 있는 향상된 시스템이 계속 요구되고 있다.

원하는 DPF의 재생을 일으키도록 DPF에 모인 검댕이와 반응하는 배기 내 NO₂의 수준을 증가시키기 위해, DPF의 상류에 디젤 산화 촉매(Diesel Oxidation Catalyst; 이하 DOC라 함)를 구비하는 시스템이 제안되고 있다. 이 방법은 수동 재생으로 칭할 수 있다. 하지만, 이러한 시스템은 300℃ 이하의 온도에서 제한된 효과가 있을 수 있으며, 통상적으로 시스템의 나머지 설계에서 고려되어야 하는, 산화 촉매 전체에서의 압력 강하를 일으킬 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 예를 들어 수소 또는 탄화수소와 같은 연료가 DOC의 상류에 전달되어 600℉보다 높은 온도를 생성하고 능동적으로 DPF를 재생할 수 있다.

일부 시스템은 디젤 연소 과정에서 배기의 하류에 남아 있는 미연소 연료를 점화하여 연소시키는 버너를 포함한다. 이러한 제안의 예가, 아담 제이. 코트르바(Adam J. Kotrba) 등에 의해 "디젤 후처리 시스템"이라는 명칭으로 2009년 4월 27일에 출원되고 통상적으로 양도되며 계류 중인 미국 특허 출원 제12/430,194호에 나타나 있는데, 이의 전체 명세서는 본 명세서에 참조로 통합된다.

이러한 시스템을 위한 기존의 버너는 의도된 목적에 적합할 수는 있으나, 개선이 바람직하다. 예를 들어, 배압(Back Pressure)을 감소시키고 부품 패키징 및 장착과 관련된 걱정을 덜기 위해 배기 가스 출구와 동축으로 정렬된 배기 가스 입구를 갖는 버너를 제공하는 것이 유리하다.

이 부분에서는 본 발명의 실시예의 일반적인 개요를 제공할 뿐이며, 그 전체의 범위 또는 모든 특징을 포괄적으로 기술하는 것은 아니다.

배기 가스 처리 시스템을 위한 버너는 엔진으로부터의 배기 흐름을 처리하고 제1 연소 영역 및 제2 연소 영역을 형성하는 내부 하우징을 포함한다. 내부 하우징은 배기 흐름의 제1 부분을 받아들이도록 제2 연소 영역의 상류에 다수의 구멍을 갖춘다. 외부 하우징은, 제1 연소 영역과 제2 연소 영역의 외부에서 내부 하우징의 주위로 배기 흐름의 제2 부분을 우회하도록 하는 내부 하우징과 외부 하우징 사이의 우회 유로를 형성하기 위해 내부 하우징을 둘러싸고 있다. 외부 하우징은 중심의 길이방향 축을 따라 배기 출구와 동축으로 정렬된 배기 입구를 포함한다. 혼합 영역은 배기 흐름의 제1 부분과 제2 부분을 받아들이도록 제2 연소실의 하류에 구비된다.

배기 가스 처리 시스템을 위한 버너는 엔진으로부터의 배기 흐름을 처리하고 폐쇄된 상류 단부와 중심축을 가진 관 형상의 내부 하우징을 포함한다. 내부 하우징은, 배기에 운반되고 있는 미연소 연료가 점화되는 연소 영역을 통해 배기 흐름의 제1 부분을 유도하는 연소 유로를 형성한다. 관 형상의 외부 하우징은 중심축과 동축으로 정렬된 배기 입구를 포함한다. 외부 하우징은 내부 하우징을 둘러싸고, 연소 영역의 주위로 배기 흐름의 제2 부분을 우회하도록 하는 내부 하우징과 외부 하우징 사이에 그리고 폐쇄된 단부를 가로지르는 우회 유로를 형성한다. 인젝터 튜브는 내부 하우징과 외부 하우징 중 하나에 고정되며, 내부 하우징의 공동부와 연통되어 있다.

다른 적용 분야는 본 명세서로 제공되는 설명으로 명백하게 될 것이다. 전술된 설명과 특정한 예는 단지 예시를 목적으로 하는 것이며, 본 발명의 범주를 한정하려는 것은 아니다.

본 명세서에 첨부된 도면은 선택된 실시예들을 예시하기 위한 것으로, 모든 가능한 구현예를 나타낸 것이 아니며, 본 발명의 범주를 한정하려는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 구성된 버너를 포함하는 배기 가스 처리 시스템을 나타낸 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 버너의 단면도이다.
도 3은 버너의 사시도이다.
도 4는 버너의 정면도이다.
도 5는 버너의 배면도이다.
참조 부호는 여러 도면을 통해 해당 부분을 표시한다.

이제, 예시적인 실시예가 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명된다.

도 1은 디젤 압축 엔진(16)으로부터의 배기를 처리하는 예시적인 디젤 배기 가스 후처리 시스템(10)을 나타내고 있다. 배기 가스는 무엇보다도 예를 들면 산화질소(NO)와 이산화질소(NO₂)와 같은 NOx, 입자상 물질, 탄화수소, 일산화탄소(CO) 및 기타 연소 부산물을 함유할 수 있다.

후처리 시스템(10)은 배기 내에 운반되어 온 미연소 연료를 선택적으로 점화하고 연소시킴으로써 배기의 온도를 선택적으로 상승시키는 버너(18)를 포함한다. 후처리 시스템(10)의 다른 부분으로 고온의 배기를 제공하는 능력은 많은 장점을 제공하게 되는데, 그 중 일부는 아래에 자세히 설명된다.

또한, 후처리 시스템(10)은, 버너(18)로부터 배기를 받아들이도록 그 하류(18)에 연결된 DPF(20)와 같은 하나 이상의 다른 배기 처리 장치와, DPF(20)로부터 배기를 받아들이도록 그 하류에 연결된 선택적 환원 촉매(Selective Catalytic Reduction Catalyst) 또는 희박상 NOx 트랩(Lean NOx Trap)과 같은 NOx 저감 장치(22)를 포함할 수 있다.

버너(18)는 DPF(20)를 위한 능동 재생 처리를 이용하여, 디젤 압축 엔진(16)과 같은 희박 연소 엔진(Lean-burn Engine)의 배기 온도를 상승시키도록 작동할 수 있는데, 연료가 버너(18)에서 점화되어 DPF(20)에서 입자상 물질의 산화를 가능하게 하는 고온으로 배기를 가열하는 화염을 생성하게 된다. 덧붙여, 이러한 능동적 재생 또는 그 독립성과 관련하여, 버너(18)는 특히 선택적 환원 촉매와 같은 NOx 저감 장치(22)의 변환 효율을 높이는 고온으로 배기를 가열하는 유사한 방식으로 사용될 수 있다. 바람직하기로 버너(18)는, 엔진(16)으로부터 나올 때 저온(< 300℃)의 배기를 생성하는 작동 조건을 포함한 특정한 엔진 작동 조건에 의존하지 않는 상승한 배기 온도를 선택적으로 또는 연속적으로 제공할 수 있다. 따라서, 후처리 시스템(10)은 엔진 제어에 대한 조정을 필요로 하지 않고 동작할 수 있다.

버너(18)는 적절한 연료를 분사하는 인젝터(24)와 산소 발생기(Oxygenator)를 포함한다. 연료는 수소 또는 탄화수소를 포함할 수 있다. 인젝터(24)는 도 2에 도시된 바와 같이 연료와 산소 모두를 분사하는 통합된 인젝터로 구성되거나, 연료를 위한 별도의 인젝터와 산소 발생기를 포함할 수 있다. 바람직하기로, 도 1에서 참조부호 28에 의해 개략적으로 표시된 제어 시스템은, 임의의 적절한 프로세서, 센서, 유량 제어 밸브, 전기 코일 등을 사용하여 점화 장치에 의한 점화와 인젝터(24)를 통하는 흐름을 모니터링하고 제어하도록 구비된다.

도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 버너(18)는 제조된 판금 부품들의 멀티-피스(Multi-piece) 어셈블리로 구성된 하우징(30)을 포함한다. 하우징(30)은 중심축(38) 상에 정렬된 원통 형상의 외부 하우징(32), 원통 형상의 내부 하우징(34), 및 믹서(36)를 포함한다. 인젝터 튜브(40)는 외부 하우징(32)의 구멍(42)뿐만 아니라 내부 하우징(34)의 구멍(44)을 통해 연장하고 있다. 인젝터 장착부(43)는 인젝터(24)를 위한 설치 기구를 제공하도록 인젝터 튜브(40)에 고정되어 있다. 분무된 연료가 분사축(46)을 따라 분사된다. 분사축(46)이 끼인각 "A"로 중심축(38)과 교차한다. 끼인각 "A"는 약 52 도로 나타나 있다. 점화 플러그(26a)는 마운트(48)를 매개로 외부 하우징(32)에 고정되어 있다. 구멍(50)은 외부 하우징(32)을 통해 연장하며, 다른 구멍(52)이 점화 플러그(26a)를 받아들이면서 내부 하우징(34)을 통해 연장한다. 마운트(48)는 외부 하우징(32)의 안팎으로 위치된 부분을 포함할 수 있다. 점화 플러그(26a)는 끼인각 "B"로 중심축(38)과 교차하는 점화기 축(54)을 따라 연장하고 있다. 끼인각 "B"도 약 52도이다. 점화 플러그(26a)는 내부 하우징(34)으로 형성된 제1 연소실(56)에 연통하는 단부를 포함한다. 점화 플러그(26b)는 점화기 장착부(55)를 매개로 외부 하우징(32)에 고정되며, 구멍들(57, 59)을 통해 연장하여 내부 하우징(34)에 의해 형성된 제2 연소실(61)에 연통하게 된다.

내부 하우징(34)은 서로 고정된 내부 라이너(60), 천이 파이프(62) 및 단부 캡(64)을 포함하는 멀티-피스 판금의 서브 어셈블리로 표시되어 있다. 단부 캡(64)은 구멍들(44와 52)을 제외하고 실질적으로 연속된 외부 표면(66)을 포함한다. 환 형상의 공간부(68)는 외부 하우징(32)과 내부 하우징(34) 사이의 공간에 존재한다. 천이 파이프(62)는 용접 등과 같은 적당한 방법으로 단부 캡(64) 및 내부 라이너(60)에 고정된다. 천이 파이프(62)는 실질적으로 이음매 없이 연속된 부재이다. 공간부(68)는, 내부 라이너(60)를 통해 연장하는 다수의 구멍(72)을 매개로 하여 유체가 제2 연소실(61)과 연통하도록 배치되어 있다. 내부 라이너(60)는 개방된 단부(74)도 포함한다.

외부 하우징(32)은 도면들에 도시된 바와 같이 서로 고정된 원통형 본체(80), 원통형 입구 콘(Cone; 82), 슬리이브(Sleeve; 84) 및 입구 플랜지(86)를 포함하는 멀티-피스 판금의 조립체이다. 입구 콘(82)은 실질적으로 원형의 원통부(92)와 원뿔부(94)를 포함한다. 이들 부분이 모두 중심축(38)과 동축으로 정렬된 길이방향 축을 갖는다. 입구 플랜지(86)와 슬리이브(84)도 중심축(38)과 정렬된 길이방향 축을 가진 실질적으로 원형의 원통형 단면을 포함한다. 입구 플랜지(86)는 엔진(16)으로부터 배기를 받아들이는 입구(96)를 포함한다. 원통형 본체(80)는 중심축(38) 상에 정렬되는 실질적으로 원형 단면을 가진 개방된 단부(90)를 포함한다. 개방된 단부(74) 및 개방된 단부(90)와 동축인 입구(96)의 구조는 버너(18)를 거쳐 생기는 배기 압력의 강하를 최소화시킨다. 또한, 내부 라이너(60), 천이 파이프(62) 및 단부 캡(64)도 중심축(38)과 공통으로 정렬된 길이방향 축을 가진다. 장착 플랜지(97)는 외부 하우징(32)에 고정되어 버너(18)가 직접 DPF(20)와 같은 하류의 배기 처리 장치에 고정되게 할 수 있다.

외부 하우징(32)과 내부 하우징(34)의 구성요소의 형상과 위치선정은 서로 분할하고 재결합하는 엔진의 배기 경로를 형성하게 된다. 보다 구체적으로, 내연 기관으로부터의 배기 가스는 입구(96)에 공급된다. 도 2에서 볼 때 배기는 왼쪽에서 오른쪽으로 흐른다. 배기가 입구 플랜지(86)와 슬리이브(84)를 통해 지속적으로 흐름에 따라, 배기는 표면(66)과 같은 내부 하우징(34)의 외면과, 외부 하우징(32)의 내면(91) 사이에 형성된 환 형상의 공간부(68)를 통과한다. 단부 캡(64)과 천이 파이프(62)를 거쳐 배기가 통과하면서, 엔진 배기의 일부는 연소 유로(98)를 따라 이동한다. 연소 유로(98)를 따라 이동하는 배기는 구멍들(72)을 통해 흐른다. 버너의 작동 중에 연료와 산소는 인젝터(24)에 의해 제1 연소실(56)에 공급된다. 점화 플러그(26a)는 제1 연소실(56) 내에 화염을 생성하는 점화기로서의 기능을 한다. 연소 유로(98)를 따라 이동하는 배기는 화염에 의해 가열되고, 배기 중에 운반되는 미연소 연료는 제2 연소실(61) 내에서 화염 또는 점화 플러그(26b)에 의해 점화되게 된다.

구멍(72)을 통과하지 않은 배기 가스의 나머지는 우회 유로(100)를 따라 이동하는 것으로 특징지어질 수 있다. 배기는 구멍(72)의 하류에 있는 외부 하우징(32)과 내부 하우징(34) 사이의 공간부(68)를 통해 흐른다. 우회 유로(100)를 통해 흐르는 배기는 연소 유로(98)를 나오는 연소 흐름과의 통합을 위해 혼합 영역(102)으로 공급된다.

믹서(36)는 엔드 플레이트(End Plate; 104) 및 믹싱 플레이트(Mixing Plate; 106)를 포함한다. 엔드 플레이트(104)는 우회 유로(100)를 가로질러 연장하여 우회 유로(100)의 유효 흐름 면적을 제한하게 된다. 다수의 가늘고 긴 구멍(108)이 믹싱 플레이트(106)를 통해 연장하여 출구(110)를 형성한다. 출구(110)는 중심축(38)과 동축으로 정렬되어 있다. 엔드 플레이트(104)는 외부 하우징(32)의 내면(91)에 고정되어 믹서(36)를 버너(18)에 고정시킨다. 믹서(36)는 단일하게 찍어낸 판금의 조각으로 구성될 수 있다. 선택적으로, 엔드 플레이트(104)는 믹싱 플레이트(106)와 별도로 구성된 후에 믹싱 플레이트(106)에 고정될 수 있다.

본 발명의 실시예에 대한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공되었다. 본 발명을 완전하게 하거나 제한하기 위한 것은 아니다. 특정한 실시예의 개별적인 요소 또는 특징은 일반적으로 그 특정한 실시예에 한정되지 않으며, 특별히 도시하거나 기술하지 않았을지라도 적용될 수 있을 때 교환 가능하며, 선택된 실시예에 사용할 수 있다. 동일한 것이 많은 방식으로 변경될 수도 있다. 이러한 변형은 본 발명으로부터 벗어난 것으로 간주되지 않으며, 이러한 모든 수정은 본 발명의 범주 내에 포함되게 된다.

Claims (15)

1. 엔진으로부터의 배기 흐름을 처리하기 위한 배기 가스 처리 시스템을 위한 버너로서,
   제1 연소 영역과 제2 연소 영역을 형성하고, 상기 배기 흐름의 제1 부분을 받아들이도록 상기 제2 연소 영역의 상류에 다수의 구멍을 포함하는 내부 하우징;
   상기 제1 연소 영역과 상기 제2 연소 영역의 외부에서 상기 내부 하우징 주위로 상기 배기 흐름의 제2 부분을 우회시키도록 상기 내부 하우징과 외부 하우징 사이에 우회 유로를 형성하기 위해 상기 내부 하우징을 둘러싸고, 중심의 길이방향 축을 따라 배기 출구와 동축으로 정렬된 배기 입구를 포함하는 외부 하우징; 및
   상기 배기 흐름의 상기 제1 부분과 상기 제2 부분을 받아들이도록 상기 제2 연소 영역의 하류에 있는 혼합 영역
   을 포함하는 버너.
2. 제1항에 있어서,
   상기 외부 하우징은 상기 내부 하우징의 일부를 둘러싸는 원뿔 형상부를 포함하고,
   상기 버너는 상기 외부 하우징의 원뿔 형상부에 장착되어 상기 제1 연소 영역으로 연료를 분사하도록 작동하는 인젝터를 추가로 포함하는 버너.
3. 제2항에 있어서,
   상기 외부 하우징의 원뿔 형상부에 장착되고 상기 인젝터로부터 원주 방향으로 이격되어 있으며, 상기 제1 연소 영역 내 상기 연료를 점화하도록 작동하는 점화기를 추가로 포함하는 버너.
4. 제3항에 있어서,
   상기 원뿔 형상부는 상기 배기 입구 및 상기 배기 출구와 정렬되는 축을 포함하는 버너.
5. 제4항에 있어서,
   상기 인젝터는 실질적으로 52 도의 끼인각으로 상기 중심의 길이방향 축과 교차하는 축을 따라 연료를 분사하는 버너.
6. 제1항에 있어서,
   상기 배기 흐름의 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 양쪽을 통합하는 믹서를 추가로 포함하는 버너.
7. 제6항에 있어서,
   상기 믹서는 상기 외부 하우징의 내면에 장착된 환 형상의 플랜지를 추가로 구비하는 버너.
8. 제1항에 있어서,
   상기 내부 하우징과 상기 외부 하우징은 원통형 형상을 가지며,
   상기 우회 유로는 상기 내부 하우징과 상기 외부 하우징 사이에 형성된 환 형상의 단면을 갖는 버너.
9. 엔진으로부터의 배기 흐름을 처리하기 위한 배기 가스 처리 시스템을 위한 버너로서,
   폐쇄된 상류 단부와 중심축을 갖추며, 상기 배기 내에 운반되는 미연소 연료가 점화되는 연소 영역을 통해 상기 배기 흐름의 제1 부분을 유도하도록 연소 유로를 형성하는 관 형상의 내부 하우징;
   상기 중심축과 동축으로 정렬된 배기 입구를 포함하고, 상기 내부 하우징을 둘러싸며, 상기 연소 영역 주위로 상기 배기 흐름의 제2 부분을 우회시키도록 상기 내부 하우징과 외부 하우징 사이에 그리고 상기 폐쇄된 단부를 가로질러 우회 유로를 형성하는 관 형상의 외부 하우징; 및
   상기 내부 하우징과 상기 외부 하우징 중 하나에 고정되며, 상기 내부 하우징의 공동부와 연통하는 인젝터 튜브
   를 포함하는 버너.
10. 제9항에 있어서,
    상기 내부 하우징과 상기 외부 하우징 중 하나에 고정되며, 90도 이외의 각도로 상기 중심축과 교차하는 점화기 축을 따라 점화기를 받아들이도록 된 구멍을 갖춘 마운트를 추가로 포함하는 버너.
11. 제10항에 있어서,
    상기 점화기 축과 상기 인젝터 튜브는 실질적으로 동일한 각도로 상기 중심축과 교차하는 버너.
12. 제11항에 있어서,
    상기 마운트는 상기 외부 하우징의 원뿔 형상부에 고정되는 버너.
13. 제12항에 있어서,
    상기 내부 하우징은, 상기 배기 흐름의 제1 부분이 상기 연소 영역으로 들어갈 수 있도록 상기 폐쇄된 단부의 하류 위치에 상기 내부 하우징을 통해 연장하는 구멍을 포함하는 버너.
14. 제13항에 있어서,
    상기 우회 유로는 상기 인젝터 튜브의 외부면을 거쳐 배기를 유도하는 버너.
15. 제14항에 있어서,
    상기 배기 흐름의 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 양쪽을 통합하는 믹서를 추가로 포함하는 버너.
    

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