KR20140082753A - 연소 기관으로부터의 배기 가스 내에 액매를 도입하는 장치 - Google Patents

연소 기관으로부터의 배기 가스 내에 액매를 도입하는 장치 Download PDF

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Abstract

연소 기관으로부터의 배기 가스 내에 액매를 도입하기 위한 장치는, - 배기 가스가 통과하여 흐르도록 구성되고 하류 단부(5)에 단부 표면으로서의 역할을 하는 열 전도성 재료의 단부벽(7)을 구비하는 혼합 체임버(3)와, - 혼합 체임버(3) 내에 또는 혼합 체임버(3)로 인도된 배기 가스 내에 분무 형태의 액매를 주입하기 위한 주입 수단(12)과, - 혼합 체임버(3)에 인접하고 배기 가스가 통과하여 흐르도록 구성되고 상기 단부 벽(7)에 의하여 혼합 체임버(3)로부터 경계가 정해지는 배기 통로(13)를 포함하며, - 상기 배기 통로(13)로 향한 상기 단부벽(7)의 면의 적어도 일부에 배치된 열 전도성 재료의 열 플랜지(14)들이 배기 통로 내로 연장되어 있고, 배기 통로를 통과하여 흐르는 배기 가스로부터 열을 흡수하여 이 열을 단부벽(7)으로 방출하도록 구성되어 있다.

Description

연소 기관으로부터의 배기 가스 내에 액매를 도입하는 장치{ARRANGEMENT FOR INTRODUCING A LIQUID MEDIUM INTO EXHAUST GASES FROM A COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 연소 기관으로부터의 배기 가스 내에 액매(liquid medium), 예를 들면 요소(urea)를 도입하기 위한 청구항 1의 전제부에 따른 장치(arrangement)에 관한 것이다.
현행 배기 정화 요건을 충족하기 위하여, 현재의 모터 차량들에는 배기 라인 내에 일반적으로 촉매가 제공되어, 환경적으로 유해한 배기 가스의 성분들을 환경적으로 덜 유해한 물질로 변환하기 위한 촉매 변환이 일어난다. 유효한 촉매 변환을 달성하기 위하여 채용되어 왔던 방법은 촉매의 상류의 배기 가스 내로의 환원제 주입에 기초한다. 환원제의 일부를 형성하거나 환원제에 의하여 형성된 환원성 물질(reductive substance)은 배기 가스에 의하여 촉매 내로 운반되고 촉매 내의 활성 위치(active seat)에 흡수됨으로써, 촉매 내에는 환원성 물질이 축적된다. 축적된 환원성 물질은 그 후에 배기 물질과 반응하고 그에 의하여 배기 물질을 환경 영향이 감소한 물질로 변환시킬 수 있다. 그와 같은 환원 촉매는 예를 들면 SCR(선택적 촉매 환원(selective substance reduction)) 유형일 수 있다. 이러한 유형의 촉매를 이하에서는 SCR 촉매로 지칭하기로 한다. SCR 촉매는 배기 가스 내의 NOx를 환원한다. SCR 촉매의 경우에, 요소 형태의 환원제는 일반적으로 촉매 상류에서 배기 가스 내에 주입된다. 배기 가스 내로의 요소의 주입은 암모니아를 형성시키게 되며, 암모니아는 그 후에 SCR 촉매 내에서의 촉매 변환에 도움을 주는 환원성 물질로서의 역할을 한다. 암모니아는 촉매 내의 활성 위치에 흡수됨으로써 촉매 내에 축적되며, 배기 가스 내에 존재하는 NOx는, 촉매 내에서, 촉매 내의 활성 위치에 축적된 암모니아와 접촉하게 되면 질소 가스와 물로 변환된다.
환원제로서 요소가 사용되면, 주입 수단(injection means)을 통하여 액상 요소 용액의 형태로 배기 라인 내에 주입된다. 주입 수단은 노즐을 포함하며, 이를 통하여 요소 용액이 가압 상태에서 미세하게 분할된 분무 형태로 주입 수단 내로 주입된다. 디젤 엔진의 여러 작동 상태에서, 배기 가스는 요소 용액을 기화시킬 수 있는 충분히 높은 온도에 도달하게 됨으로써, 암모니아가 형성된다. 그러나, 공급된 요소 용액의 일부가 기화되지 않은 상태에서 배기 라인의 내측 벽 표면과 접촉하여 부착되는 현상은 방지하기가 곤란하다. 연소 기관이 소정 시간 동안에 균일한 방식으로, 즉 정상-상태 작동 조건으로 가동되면, 배기 흐름 내에는 현저한 변동은 발생하지 않으며, 따라서 배기 가스 내에 주입된 요소 용액은 상기 소정 시간에 걸쳐서 배기 라인의 실질적으로 동일한 영역에 도달한다. 비교적 저온의 요소 용액은 배기 라인의 그 영역 내에서 100oC 미만으로 국소적인 온도의 저하를 일으킬 수 있으며, 이로 인하여 그 영역 내에는 요소 용액의 필름이 형성되고, 이 필름은 그 후에 배기 흐름에 의하여 운반된다. 이 필름이 배기 라인 내에서 소정 거리를 이동하면, 요소 용액 내의 물은 고온 배기 가스의 영향으로 비등하게 된다.
고형 요소는 잔류하게 되고 배기 라인 내의 열에 의하여 서서히 기화한다. 고형 요소의 공급이 기화보다 우세하면, 고형 요소는 배기 라인 내에 축적될 것이다. 그로 인하여 요소 층이 충분히 두꺼워지면, 요소 및 그 분해 생성물은 서로 반응하여 요소 집괴(urea lump)라고 알려진 요소-계 원시 중합체(urea-based primitive polymer)를 형성한다. 그와 같은 요소 집괴는, 시간이 경과하면, 배기 라인을 폐색시킬 수 있다.
청구항 1의 전제부에 따른 장치는 이미 국제 공개 특허 공보 제WO 2007/110575 A1호로부터 공지되어 있다.
본 발명의 목적은, 전술한 유형의 장치에 있어서, 주입된 환원제의 양호한 기화를 보장하기 위한 가능성이 더욱 높은 장치를 제안하는 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은 청구항 1에 규정된 특징을 나타내는 장치에 의하여 달성된다.
본 발명에 따른 장치는,
- 가스가 통과하여 흐르도록 구성되고 하류 단부(downstream end)에 단부 표면으로서의 역할을 하는 열 전도성 재료의 단부벽(endwall)을 구비하는 혼합 체임버와,
- 분무 형태의 액매를 혼합 체임버 내에 또는 혼합 체임버로 인도되는 배기 가스 내에 주입하기 위한 주입 수단과,
- 혼합 체임버에 인접하고 가스가 통과하여 흐르도록 구성되고 상기 단부벽에 의하여 혼합 체임버로부터 경계가 정해지는 배기 통로와,
- 상기 배기 통로로 향하는 단부벽의 면(side)에서 상기 단부벽의 적어도 일부에 배치된 열 전도성 재료의 열 플랜지(heat flange)들을 포함하며,
이 플랜지들은 배기 통로 내로 연장되어 있고 배기 통로를 통과하여 흐르는 배기 가스로부터 열을 흡수하여 이 열을 단부벽으로 방출한다.
배기 통로를 통과하여 흐르는 배기 가스는 단부벽으로 열을 방출하며, 단부벽의 내측은 혼합 체임버의 내측 벽 표면으로서의 역할을 한다. 이는, 혼합 체임버의 내측 벽 표면의 냉각을 보상하고, 결과적으로는 주입된 매체가 기화되지 않고 내측 표면에 부착되는 것을 방지하는 결과를 나타낸다. 단부벽으로부터 배기 통로 내로 연장된 열 플랜지는, 배기 통로를 통과하는 배기 가스로부터 단부벽으로 효과적인 열 전달의 보장을 제공한다.
본 발명에 따른 실시 형태에 있어서는,
- 상기 배기 통로는 배기 가스를 배기 통로로 인도하도록 구성된 배기 도관의 관형 도관부(tubular duct portion)에 연결되고, 이 도관부는 상기 단부벽에 연결된 관형 내측 벽에 의하여 내측 반경 방향으로 경계가 정해지며,
- 상기 열 플랜지들 중 적어도 일부에는 상기 관형 도관부 내로 연장된 플랜지부(flange portion)가 제공되어 있는 것을 특징으로 한다. 관형 도관부 내로 연장된 플랜지부를 열 플랜지에 제공함으로써, 열 플랜지는 비교적 큰 열-흡수 표면을 구비하는 것이 가능하다.
본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 상기 플랜지부는 상기 관형 내측 벽으로부터 거리를 두고 배치된다. 따라서, 관형 도관부 내로 연장된 플랜지부가 이 도관부의 관형 내측 벽으로 열을 방출하는 것이 방지되며, 따라서 플랜지부에 의하여 흡수된 열은 그 대신에 체임버의 단부벽으로의 효율적인 열 전달을 위하여 단부벽으로 인도된다.
본 발명에 따른 장치의 다른 바람직한 특징은 종속 청구항 및 이하에 기재된 설명에 명시되어 있다.
본 발명은 아래의 첨부 도면을 참조한 예시적 실시 형태에 기초하여 이하에 더욱 상세히 설명되어 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 장치의 개략적 종방향 단면도이다.
도 2는 도 1에서의 선 II-II를 따르는 도면이다.
도 3은 도 1에 따른 장치의 구성 부품의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 장치의 개략적 종방향 단면도이다.
도 5는 도 4에서의 선 V-V를 따르는 도면이다.
도 6은 도 4에 따른 장치의 구성 부품의 사시도이다.
도 1 내지 도 6은 연소 기관으로부터의 배기 가스 내로 액매를 도입하기 위한 본 발명의 2개의 다른 실시 형태에 따른 장치(1)를 나타낸다. 장치는, 예를 들면 SCR 촉매의 상류의 배기 라인 내로 요소(urea) 또는 암모니아 형태의 액상 환원제를 도입하기 위하여, SCR 촉매의 상류의 배기 라인 내에 배치될 수 있거나, 배기 후-처리 장치(exhaust post-treatment device)의 일부를 형성하는 SCR 촉매의 상류에 요소 또는 암모니아 형태의 액상 환원제를 도입하기 위하여, 배기 후-처리 장치 내에 배치될 수 있다.
본 발명의 장치(1)는, 연소 기관으로부터 배기 가스를 수용하고 예를 들면 SCR 촉매 형태의 배기 후-처리 유닛을 향하여 배기 가스를 안내하도록 설계된 혼합 체임버(3)를 포함한다. 따라서, 혼합 체임버는 배기 가스가 통과하여 흐르도록 설계되어 있다. 혼합 체임버는 상류 단부(4)와 하류 단부(5)를 구비한다. 혼합 체임버는 축 방향으로 하류 단부(5)에서 단부벽(7)에 의하여 경계가 정해진다. 혼합 체임버는 주입 체임버(injection chamber)의 상류 단부(4)와 하류 단부(5) 사이에 뻗어 있는 관형 벽(6)에 의하여 반경 방향으로 경계가 또한 정해진다. 혼합 체임버는, 상류 단부에서 배기 가스를 수용하기 위한 유입구(8)와, 하류 단부에서 배기 가스를 배출하기 위한 유출구(9)를 구비한다. 유출구(9)는 관형 벽(6)의 단부에서 관형 벽(6)과 단부벽(7)의 주위 사이에 위치한다. 유출구(9)는 바람직하게는 환형이고 혼합 체임버의 중심선(10) 주위에 연장되도록 구성된다. 마찬가지로, 유입구(8)도 바람직하게는 환형이고 혼합 체임버의 중심선(10) 주위에 연장되도록 구성된다.
도시된 실시 형태에 있어서, 단부벽(7)에는 중앙 부분(7a)과 중앙 부분을 포위하는 환형 가장자리 부분(7b)이 제공되어 있다. 혼합 체임버(3)에 대향하는 중앙 부분(7a)의 면은 도 1과 도 4에 도시된 바와 같이 바람직하게는 볼록한 형상이다. 혼합 체임버(3)에 대향하는 단부벽의 가장자리 부분(7b)의 면은, 단부벽(7)을 향하여 흐르는 배기 가스가 흐름 방향의 역전에 의하여 혼합 체임버의 출구(9)를 향하여 흐르도록 안내하는 둥근 안내 표면(11)으로서의 역할을 한다.
혼합 체임버의 상류 단부(4)의 중앙에는 액매를 주입하기 위한 주입 수단(12)이 배치되어, 혼합 체임버의 하류 단부(5)를 향하여 액매를 주입한다. 예를 들어 주입 노즐을 포함할 수 있는 주입 수단(12)은, 가압되어 미세하게 분할된 분무 형태로 액매를 혼합 체임버(3) 내로 주입한다.
본 발명의 장치(1)는 혼합 체임버(3)의 근방 및 하류에 배치된 배기 통로(13)를 또한 포함한다. 이 배기 통로는 배기 가스가 통과하여 흐르도록 구성되며, 상기 단부벽(7)에 의하여 혼합 체임버로부터 경계가 정해진다. 상기 배기 통로(13)에 대향하는 단부벽(7)의 면의 적어도 일부에는 열 전도성 재료의 열 플랜지(14)들이 제공된다. 이 열 플랜지는 단부벽(7)과 열-전달 접촉 상태에 있다. 열 플랜지는 배기 통로(13) 내로 연장되며, 배기 통로를 통해 흐르는 배기 가스로부터 열을 흡수하고 이 열을 단부벽(7)에 방출하여, 혼합 체임버에 대향하는 단부벽 표면을 승온시킨다. 단부벽(7)과 열 플랜지(14)는 바람직하게는 열 전도성이 양호한 금속 재료로 제조된다. 도시된 실시 형태에 있어서, 열 플랜지는 단부벽의 환형 가장자리 부분(7b)에 인접하지만, 중앙 부분(7a)에는 열 플랜지가 존재하지 않는다. 플랜지는 단부벽의 환형 가장자리 부분(7b)에 원주 방향으로 분포한다. 도 1 내지 도 3에 도시된 실시 형태에 있어서, 플랜지는 단부벽의 반경 방향으로 연장되어 있다. 배기 통로(13)는 관형 벽(15)에 의하여 포위되며, 열 플랜지는 관형 벽(15)으로의 열 전달이 방지되도록 관형 벽으로부터 이격되어 있다.
도시된 실시 형태에 있어서, 혼합 체임버(3)는 배기 도관(16)을 통하여 배기 통로(13)에 연결되며, 배기 도관은 혼합 체임버로부터 배기 가스를 수용하는 환형 유입구(17)와 배기 가스를 배기 통로로 안내하기 위하여 배기 통로의 상측 단부에 이르는 유출구(18)를 구비한다. 배기 도관 유출구(18)는 환형이고 단부벽의 가장자리 부분(7b) 주위에 연장된다. 배기 도관은, 단면이 환형이고 상류 단부에 위치하는 배기 도관 유입구(17)를 구비하는 제1 도관부(16a)를 포함한다. 배기 도관은, 단면이 환형이고 제1 도관부(16a)의 하류에 위치하는 제2 도관부(16b)를 또한 포함한다. 배기 도관 유출구(18)는 제2 도관부(16b)의 하류에 위치한다. 제1 도관부(16a)는 혼합 체임버를 동심으로 포위한다. 제2 도관부(16b)는 제1 도관부(16a)를 동심으로 포위한다. 제2 도관부(16)는, 배기 도관의 일부이고 배기 도관을 통하여 흐르는 배기 가스의 흐름 방향이 역전되도록 구성된 흐름 역전 부분(16c)을 통하여, 제1 도관부(16c)에 연결됨으로써, 배기 가스는 제1 도관부(16a) 내에서의 흐름 방향과 반대 방향으로 제2 도관부(16b)를 통하여 흐르게 된다. 제1 도관부(16a) 내에서, 배기 가스는 혼합 체임버 내에서의 흐름 방향의 반대 방향으로 흐른다.
혼합 체임버는 상기 관형 벽(6)에 의하여 배기 도관의 제1 도관부(16a)로부터 경계가 정해진다. 배기 도관의 제1 도관부(16a)는 이 관형 벽의 외측에 연장되어 있다. 배기 도관의 제1 및 제2 도관부(16a, 16b)는, 상기 벽(6)에 외측에 배치되고 제2 도관부(16b)의 내측 벽으로서의 역할을 하는 관형 분리 벽(19)에 의하여, 서로로부터 경계가 자체적으로 설정된다. 제2 도관부(16b)는, 분리 벽(19) 주위에 외측에 위치하고 제2 도관부(16)의 외측 벽으로서의 역할을 하는 관형 벽(20)에 의하여 반경 방향으로 경계가 정해진다. 분리 벽(19)은 단부벽의 가장자리 부분(7b)에 연결되며, 관형 벽(20)은 배기 통로(13)의 상기 관형 벽(15)에 연결된다.
주입 수단(12)을 통하여 혼합 체임버(3) 내에 주입된 액매의 분무는, 혼합 체임버 내에서, 유입구를 통하여 체임버 내로 유입되어 이 분무 주위로 실질적으로 대칭적으로 흐르는 배기 가스와 접촉한다. 혼합 체임버 내로 흐르는 배기 가스는 액매를 혼합 체임버의 하류로 운반한다. 혼합 체임버 내에서 하류로 이동 중에, 액매는 배기 가스 내로 확산되고, 그 일부는 배기 가스의 열에 의하여 기화한다. 혼합 체임버를 통과하는 중에 기화하지 않은 액매는 체임버의 하류 단부(5)에서 단부벽(7)에 도달한다. 이 단부벽(7)에 도달한 액매는 고온 배기 가스에 의하여 기화하게 된다. 배기 가스는 혼합 체임버로부터 배기 도관(16)을 통하여 배기 통로(13)로 진행한다. 배기 통로에 진입하면, 열 플랜지(14)를 따라서 흐르고 열을 방출한다. 플랜지는 이 열을 단부벽(7)으로 전달한다.
도 1 내지 도 3에 도시된 실시 형태에 있어서, 열 플랜지에는 배기 도관의 상기 제2 도관부(16b) 내로 연장된 플랜지부(14a)가 제공된다. 이 플랜지부는 제2 도관부(16b)의 종방향으로 연장된다. 플랜지부는 관형 내측 벽(19)과 제2 도관부(16b)의 관형 외측 벽(20) 사이에 배치되고 내측 벽(19)과 외측 벽(20) 모두로부터 이격되어 이들로의 열 전달을 방지한다. 따라서, 열 플랜지(14)는 제2 도관부(16b)의 관형 벽(19, 20)과 열-전달 접촉을 하지 않으며, 단지 단부벽(7)과 열-전달 접촉을 한다. 본 발명에 따른 장치는 특히 고중량 모터 차량, 예를 들면 버스, 트랙터 차량 또는 트럭 내에 사용되기 위한 것이다.
첨부된 특허청구범위에 규정된 바와 같은 본 발명의 기본 사상으로부터 벗어나지 않는 실시 형태의 다양한 변경 가능성이 당업자에게는 명백하므로, 당연히, 전술한 실시 형태로 본 발명이 제한되는 것은 결코 아니다.

Claims (10)

  1. 연소 기관으로부터의 배기 가스 내에 액매, 예를 들면 요소를 도입하기 위한 장치로서,
    - 배기 가스가 통과하여 흐르도록 구성되고 하류 단부(5)에 단부 표면으로서의 역할을 하는 열 전도성 재료의 단부벽(7)을 구비하는 혼합 체임버(3)와,
    - 혼합 체임버(3) 내에 또는 혼합 체임버(3)로 인도된 배기 가스 내에 분무 형태의 액매를 주입하기 위한 주입 수단(12)과,
    - 혼합 체임버(3)에 인접하고 배기 가스가 통과하여 흐르도록 구성되고 상기 단부벽(7)에 의하여 혼합 체임버(3)로부터 경계가 정해지는 배기 통로를 포함하는 액매 도입 장치에 있어서,
    상기 배기 통로에 대향하는 상기 단부벽(7)의 면의 적어도 일부에 배치된 열 전도성 재료의 열 플랜지(14)들이 배기 통로 내로 연장되어 있고, 배기 통로를 통과하여 흐르는 배기 가스로부터 열을 흡수하여 이 열을 단부벽(7)으로 방출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 액매 도입 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배기 통로(13)는 관형 벽(15)에 의하여 포위되어 있고, 상기 열 플랜지(14)는 이 관형 벽(15)으로부터 소정 거리에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 액매 도입 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    - 상기 배기 통로(13)는 배기 가스를 배기 통로(13)로 인도하는 배기 도관(16)의 관형 도관부(16b)에 연결되며, 이 도관부(16b)는 상기 단부벽(7)에 연결된 관형 내측 벽(19)에 의하여 반경 방향으로 내측으로 경계가 정해지고,
    - 상기 열 플랜지(14)들 중 적어도 일부에는, 상기 관형 도관부(16b) 내로 연장된 플랜지부(14a)가 제공된 것을 특징으로 하는 액매 도입 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 플랜지부(14a)는 상기 관형 내측 벽(19)으로부터 소정 거리에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 액매 도입 장치.
  5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 관형 도관부(16b)는 상기 관형 내측 벽(19) 주위에 외측으로 배치된 관형 외측 벽(20)에 의하여 반경 방향으로 외측으로 경계가 정해지고, 상기 플랜지부(14a)는, 관형 내측 벽(19)과 관형 외측 벽(20) 사이에, 관형 외측 벽(20)으로부터 소정 거리에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 액매 도입 장치.
  6. 청구항 2와 조합된 청구항 5에 있어서,
    관형 도관부(16b)의 상기 관형 외측 벽(20)은 배기 통로(13)의 상기 관형 벽(15)에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 액매 도입 장치.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 청구항에 있어서,
    상기 열 플랜지(14)들은 상기 단부벽(7)의 환형 부분(7b)에 배치되고 상기 환형 부분(7b)의 원주 방향으로 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 액매 도입 장치.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 청구항에 있어서,
    상기 배기 통로(13)는 혼합 체임버(3)의 하류에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 액매 도입 장치.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 청구항에 있어서,
    주입 수단(12)은 혼합 체임버의 상류의 중앙에 배치되고 혼합 체임버의 하류 단부(5)를 향하여 액매를 주입하도록 구성된 것을 특징으로 하는 액매 도입 장치.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 청구항에 있어서,
    상기 단부 벽(7) 및 열 플랜지(14)는 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 액매 도입 장치.
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