KR20140102122A - 환원제 수용액 믹싱 장치 및 이것을 구비한 배기 가스 후처리 장치 - Google Patents

환원제 수용액 믹싱 장치 및 이것을 구비한 배기 가스 후처리 장치 Download PDF

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히로유키 토미오카
보쿠 이토
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가부시키가이샤 고마쓰 세이사쿠쇼
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Abstract

믹싱 장치(3)는 필터 장치(2)의 출구관(23)에 장착되어 필터 장치(2)로부터 흘러나오는 배기 가스의 흐름 방향을 변경하는 엘보관(31)과, 엘보관(31)의 하류측에 접속되어 필터 장치(2)의 출구관(23)의 축선(CL2)과 교차하는 방향으로 연장되는 스트레이트관(32)과, 엘보관(31)에 부착되어 스트레이트관(32)을 향해서 엘보관(31) 내부에 환원제 수용액을 분사하는 인젝터(5)와, 엘보관(31) 내에 있어서 인젝터(5)로부터 분사되는 환원 수용액의 주위를 덮도록 배치되고, 둘레벽에 복수의 개구를 갖는 믹싱 파이프(34)를 구비하고, 믹싱 파이프(34)에 있어서의 엘보관(31)과의 고정 부분에는 엘보관(31)의 입구부(31B)로부터 들어오는 배기 가스를 분사 노즐(51)측을 향해서 유입시키는 위치에 노치 개구(34B,34C,34D)가 형성된다.

Description

환원제 수용액 믹싱 장치 및 이것을 구비한 배기 가스 후처리 장치{REDUCTANT AQUEOUS SOLUTION MIXING DEVICE AND EXHAUST AFTERTREATMENT DEVICE PROVIDED WITH THE SAME}
본 발명은 환원제 수용액 믹싱 장치 및 이것을 구비한 배기 가스 후처리 장치에 관한 것이고, 선택 환원 촉매에 요소 수용액 등의 환원제 수용액을 공급해서 배기 가스를 정화할 때에 사용되는 환원제 수용액 믹싱 장치 및 이것을 구비한 배기 가스 후처리 장치에 관한 것이다.
종래, 엔진의 배기 가스 중에 포함되는 질소 산화물(NOx)을 선택 환원 촉매(Selective Catalytic Reduction; 이하 「SCR」이라고 기재한다)로 정화하는 배기 가스 후처리 장치가 알려져 있다. 이러한 SCR에 대해서는 인젝터로부터 분사된 요소 수용액이 공급된다. 인젝터는 SCR의 상류측에 설치된 믹싱 장치에 부착된다. 믹싱 장치 내를 흐르는 배기 가스 중에 인젝터로부터 요소 수용액을 분사하고, 이 요소 수용액과 배기 가스를 믹싱 장치 내에서 혼합한다. 이 결과, 요소 수용액이 배기 가스의 열에 의해 열분해되어 암모니아가 얻어진다. 이 암모니아가 SCR에서 환원제로서 사용된다.
이러한 배기 가스 후처리 장치에 있어서는 분사된 요소 수용액과 배기 가스가 충분히 혼합되지 않으면 외측이 외기에 의해 냉각된 믹싱 장치의 내벽에 요소 수용액의 일부가 부착되고, SCR에서의 암모니아가 부족해질 우려가 있다. 또한, 믹싱 장치의 내벽에서 액적이 된 요소 수용액이 결정화되어 내벽에 퇴적해서 배기 가스의 흐름을 저해하는 경우도 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 외관 및 내관을 갖는 2중관 구조의 믹싱 장치를 채용하는 경우가 있다. 믹싱 장치의 내관은 내외주의 양면이 배기 가스와 접촉하고 있음으로써 가열되기 때문에 이 내관의 내부에 요소 수용액을 분사함으로써 내벽에 부착된 요소 수용액이 열분해되게 되고, 액적으로서 부착되어서 결정화되거나 퇴적하거나 하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 특허문헌 1, 2에서는 요소 수용액이 충분히 열분해되도록 믹싱 장치 내에 있어서 인젝터의 하류측에 믹싱 파이프를 설치하는 것이 제안되어 있다. 믹싱 파이프의 외주면에는 복수의 개구가 형성되어 있다. 이들 개구를 통해서 배기 가스를 믹싱 파이프의 내부에 유입시킴으로써 믹싱 파이프 내에서 난류나 선회류를 발생시킨다. 이러한 흐름의 배기 가스 중에 인젝터로부터 요소 수용액을 분사함으로써 요소 수용액을 미세화해서 배기 가스와의 혼합을 촉진하고, 요소 수용액의 암모니아로의 분해 효율을 향상시키고 있다.
미국 특허 출원 공개 제 2010/0263359호 명세서 일본 특허 공개 2008-208726호 공보
그러나, 믹싱 장치 내에 노출하는 인젝터의 분사 노즐은 믹싱 장치에 형성된 오목상의 리세스 내에 위치하고 있고, 분사 노즐 선단의 주위가 리세스의 벽면에 의해 둘러싸여 있다. 이러한 리세스가 형성되어 있으면 분사된 요소 수용액의 일부는 부압 기미가 되는 리세스부측으로 소용돌이 치면서 리턴되어서 체류한다. 체류한 요소 수용액이 결정화되어서 퇴적하면 분사 노즐로부터의 요소 수용액의 분사가 저해된다는 문제가 발생한다.
본 발명의 목적은 인젝터의 분사 노즐 주변에서의 요소 수용액의 체류를 억제할 수 있는 환원제 수용액 믹싱 장치 및 이것을 구비한 배기 가스 후처리 장치를 제공하는 것에 있다.
제 1 발명에 의한 환원제 수용액 믹싱 장치는 배기 가스 중의 입상 물질을 포집하는 필터 장치와 상기 필터 장치의 하류측에 배치된 선택 환원 촉매 장치 사이에 배치됨과 아울러 배기 가스 중에 환원제 수용액을 첨가하는 환원제 수용액 믹싱 장치로서, 상기 필터 장치의 출구관에 장착되어 상기 필터 장치로부터 흘러나오는 배기 가스의 흐름 방향을 변경하는 엘보관과, 상기 엘보관의 하류측에 접속되어 상기 필터 장치의 출구관의 축선과 교차하는 방향으로 연장되는 스트레이트관과, 상기 엘보관에 부착되어 상기 스트레이트관을 향해서 상기 엘보관 내부에 환원제 수용액을 분사하는 인젝터와, 상기 엘보관 내에 있어서 상기 인젝터로부터 분사되는 환원 수용액의 주위를 덮도록 배치되고, 둘레벽에 복수의 개구를 갖는 믹싱 파이프를 구비하고, 상기 믹싱 파이프에 있어서의 상기 엘보관과의 부착 부분에는 상기 엘보관의 입구부로부터 들어오는 배기 가스를 상기 인젝터의 분사 노즐측을 향해서 유입시키는 위치에 노치 개구가 형성되는 것을 특징으로 한다.
제 2 발명에 의한 환원제 수용액 믹싱 장치에서는 상기 복수의 개구는 상기 믹싱 파이프에 있어서의 상기 스트레이트관측에 형성되는 것을 특징으로 한다.
제 3 발명에 의한 환원제 수용액 믹싱 장치에서는 상기 믹싱 파이프를 상기 스트레이트관의 축선측으로부터 상기 엘보관의 입구부를 향해서 보았을 때에 상기 노치 개구는 상기 믹싱 파이프의 둘레 방향의 소정 폭에 걸쳐 생략되는 것을 특징으로 한다.
제 4 발명에 의한 환원제 수용액 믹싱 장치에서는 상기 믹싱 파이프를 상기 엘보관의 입구부로부터 보았을 때에 상기 인젝터로부터 분사하는 환원제 수용액의 분사 영역은 상기 믹싱 파이프의 상기 노치 개구가 생략되어 있는 영역 내에 수용되는 것을 특징으로 한다.
제 5 발명에 의한 배기 가스 후처리 장치는 배기 가스 중의 입자상 물질을 포집하는 필터 장치와, 상기 필터 장치의 하류측에 있어서 상기 필터 장치와 병렬로 배치된 상기 제 1 발명 내지 제 4 발명 중 어느 하나의 환원제 수용액 믹싱 장치와, 상기 환원제 수용액 믹싱 장치의 하류측에 배치되어 배기 가스 중의 질소 산화물을 환원 정화하는 선택 환원 촉매 장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.
제 1 발명 및 제 5 발명에 의하면 믹싱 파이프의 엘보관과의 부착 부분에 노치 개구를 형성하고, 이 노치 개구로부터 믹싱 파이프 내로 유입하는 배기 가스를 인젝터의 분사 노즐을 향하게 하기 때문에 분사 노즐이 리세스로 둘러싸여 있을 경우에도 분사 노즐의 주변을 배기 가스로 양호하게 가열할 수 있다. 따라서, 소용돌이류가 되어서 분사 노즐측으로 리턴되는 환원제 수용액을 확실하게 열분해할 수 있고, 분사 노즐 주변에서의 환원제 수용액의 체류를 억제할 수 있다.
제 2 발명에 의하면 믹싱 파이프에 있어서의 스트레이트관측에 근접한 영역에 복수의 개구를 형성함으로써 믹싱 파이프 내에 분사된 환원제 수용액이 충분히 퍼진 상태의 곳으로 배기 가스를 유입시킬 수 있고, 환원제 수용액을 배기 가스와 효과적으로 혼합할 수 있다.
제 3 발명에 의하면 믹싱 파이프 중 엘보관의 입구부로부터 보이는 위치에 있는 소정 폭에 걸쳐 노치 개구를 생략하고 있다. 즉, 이 영역에는 노치 개구를 형성하지 않고, 그러한 영역을 둘레벽에서 형성한다. 따라서, 입구부로부터 들어오는 배기 가스는 세차게 믹싱 파이프 내로 유입해서 그대로 분사 노즐측을 향한다는 일이 없다. 이 때문에 분사 노즐로부터 분사된 환원제 수용액은 그러한 배기 가스에 의해 불어질 우려 없이 환원제 수용액을 적정한 방향으로 분사할 수 있다.
제 4 발명에 의하면 노치 개구가 존재하지 않는 둘레벽 부분에서 환원제 수용액의 분사 영역을 확실하게 덮게 되므로 분사된 직후의 환원제 수용액을 배기 가스에 의해 보다 불어지기 어렵게 할 수 있어 환원제 수용액의 분사 방향을 한층 안정시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 배기 가스 후처리 장치를 나타내는 평면도이다.
도 2는 배기 가스 후처리 장치의 믹싱 장치를 나타내는 단면도이다.
도 3은 믹싱 장치의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 4 믹싱 장치 내에 설치되는 믹싱 파이프의 단면도이며, 도 3의 Ⅳ-Ⅳ선 단면도이다.
도 5a는 믹싱 파이프의 단면도이며, 도 3의 Ⅴ-Ⅴ선 단면도이다.
도 5b는 믹싱 파이프의 단면도이며, 도 5a의 단면 부분의 다른 방향으로부터의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 믹싱 장치의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 7은 제 2 실시형태의 믹싱 장치 내에 설치되는 믹싱 파이프의 단면도이며, 도 6의 Ⅶ-Ⅶ선 단면도이다.
[제 1 실시형태]
이하, 본 발명의 제 1 실시형태를 도면에 의거해서 설명한다.
도 1에는 본 실시형태의 배기 가스 후처리 장치(1)의 평면도가 나타내어져 있다. 또한, 이하의 설명에 있어서 「상류」란 배기 가스의 흐름 방향의 상류측을 말하고, 「하류」란 배기 가스의 흐름 방향의 하류를 말한다.
도 1에 있어서 배기 가스 후처리 장치(1)는 배기 가스의 흐름 방향에 있어서의 상류측으로부터 순서대로 디젤 미립자 필터(Diesel particulate filter; 이하 「DPF」라고 기재한다) 장치(2)와, 믹싱 장치(3)와, 선택 환원 촉매(Selective Catalytic Reduction; 이하 「SCR」라고 기재한다) 장치(4)를 구비한다. 이들 장치(2~4)는 도시되지 않은 디젤 엔진으로부터의 배기 가스가 유통되는 배기관의 도중에 설치된다. 또한, 유압 쇼벨이나 휠 로더, 불도저라는 건설 기계의 경우 배기 가스 후처리 장치(1)가 엔진과 함께 엔진 룸 내에 수용된다.
DPF 장치(2)는 원통상의 케이스(21)의 내부에 원기둥상의 DPF(22)를 수용한 구성이다. DPF(22)는 통과하는 배기 가스 중의 입자상 물질을 포집하는 것이다. 케이스(21) 내에 있어서는 DPF(22)의 상류측에 산화 촉매를 설치해도 좋다. 산화 촉매는 그 상류측에서 공급되는 포스트 분사 연료나 도징 연료(모두 디젤 엔진 연료와 동일)를 산화 활성화해서 DPF(22)로 유입하는 배기 가스의 온도를 DPF(22)의 재생 가능 온도까지 상승시킨다. 이 고온의 배기 가스에 의해 DPF(22)에서 포집된 입자상 물질이 자기 연소해서 소실되고, DPF(22)가 재생된다.
믹싱 장치(3)는 배기 가스 중에 환원제 수용액으로서의 요소 수용액을 첨가하는 것이다. 이러한 믹싱 장치(3)는 DPF 장치(2)의 출구관(23)에 접속되어 DPF 장치(2)로부터 유출한 배기 가스의 흐름 방향을 대략 90° 변경하는 엘보관으로서의 상류측 엘보관(31)과, 상류측 엘보관(31)의 하류단에 접속되어 DPF 장치(2)의 출구관(23)의 축선(CL2)(도 2)과 교차하는 방향으로 연장되는 스트레이트관(32)과, 스트레이트관(32)의 하류단에 접속되어 스트레이트관(32)으로부터의 배기 가스의 흐름 방향을 대략 90° 더 변경하는 하류측 엘보관(33)과, 상류측 엘보관(31)에 부착되어 스트레이트관(32)을 향해서 상류측 엘보관(31) 내부에 요소 수용액을 분사하는 인젝터(5)를 구비한다. 하류측 엘보관(33)의 하류단에 SCR 장치(4)가 더 접속된다.
SCR 장치(4)는 원통상의 케이스(41)의 내부에 원기둥상의 SCR(42)을 수용한 구조이다. SCR(42)은 믹싱 배관(3)에서 생성된 암모니아를 환원제로 함으로써 배기 가스 중의 질소 산화물을 환원 정화하는 것이다. 케이스(41) 내에 있어서는 SCR(42)의 하류측에 암모니아 저감 촉매를 설치해도 좋다. 암모니아 저감 촉매는 SCR(42)에서 미사용이 된 암모니아를 산화 처리해서 무해화하는 것이며, 배기 가스의 에미션을 보다 저감시킨다.
인젝터(5)로부터 배기 가스 중으로 분사된 요소 수용액은 배기 가스의 열에 의해 열분해되어 암모니아가 된다. 암모니아는 환원제로서 배기 가스와 함께 SCR 장치(4)로 공급된다.
이상에 설명한 DPF 장치(2), 믹싱 장치(3) 및 SCR 장치(4)는 각각의 내부를 흐르는 배기 가스의 흐름 방향이 대략 평행이 되도록 병설되어 있다. 이때, DPF 장치(2) 및 SCR 장치(4)의 내부를 흐르는 배기 가스의 흐름의 방향과, 믹싱 장치(3)의 내부를 흐르는 배기 가스의 흐름의 방향은 반대이다. 이 때문에 그들 장치(2~4)는 평면으로 볼 때에 대략 S자 형상으로 배치되게 되고, 엔진 룸과 같은 한정된 배치 스페이스에서도 엔진 상에 마운팅하는 등 확실하게 배치할 수 있도록 전체적으로 콤팩트한 배기 가스 후처리 장치(1)를 구성하고 있다.
도 2에는 믹싱 장치(3)의 단면도가 나타내어져 있다. 도 2에 의거하여 믹싱 장치(3)를 구체적으로 설명한다.
도 2에 나타내는 믹싱 장치(3)에 있어서 상류측 엘보관(31)에서 배기 가스의 흐름 방향을 바꾸는 부분은 방향 변환부(31A)로 되어 있다. 상류측 엘보관(31)은 DPF 장치(2)의 출구관(23)측에 개구해서 접합되는 원형의 입구부(31B)와, 스트레이트관(32)측에 개구해서 접속되는 원형의 출구부(31C)를 구비하고, 이들 사이에 방향 변환부(31A)를 갖는다. 방향 변환부(31A)의 외측에는 부착부(6)가 설치되어 있다. 이 부착부(6)의 외측에는 인젝터(5)가 부착되고, 내측[방향 변환부(31A)의 내부측]에는 인젝터(5)로부터 분사되는 요소 수용액의 주위를 덮는 믹싱 파이프(34)가 부착된다. 부착부(6) 및 믹싱 파이프(34)에 대해서는 후에 상세하게 설명한다.
스트레이트관(32)은 외관(35) 및 그 내부에 배치된 내관(36)을 갖는 2중관 구조로 되어 있다. 내관(36)은 외관(35)에 형성된 복수의 지지용 오목부(35A)에 용접되는 등 하류측의 끝부에서 환상의 지지 부재(35B)를 개재하여 외관(35)의 내벽에 용접 등이 되어 있다. 또한, 내관(36)의 상류단은 상류측 엘보관(31) 내에 들어가 있다. 내관(36)의 상류단의 위치는 인젝터(5)로부터 약 25°의 분사 각도(θ1)(도 2의 1점 쇄선 참조)로 분사되는 요소 수용액이 내관(36)의 내측에 확실하게 들어가도록 설정되어 있다. 내관(36)의 하류단측에는 복수의 개구(36A…)가 형성되어 있다.
여기에서, 외관(35)과 내관(36) 사이의 공극 부분에는 배기 가스가 유입된다. 유입된 배기 가스는 지지용 오목부(35A)가 둘레 방향으로 불연속하게 형성되어 있음으로써 지지용 오목부(35A) 사이를 지나 지지 부재(35B)까지 흐른다. 지지 부재(35B)는 환상인 점에서 배기 가스는 흐름이 멈추고, 여기서부터 개구(36A)를 통해 내관(36) 내에 들어가고, 내부를 흐르는 배기 가스와 합류해서 하류측으로 흐른다. 즉, 내관(36)은 그 내부를 흐르는 배기 가스와 외주측을 흐르는 배기 가스에 의해 양호하게 가열된다. 이 때문에 내관(36)의 내부에 분사된 요소 수용액은 내벽에 부착되어도 액적화되지 않고 확실하게 열분해된다.
도 3에는 믹싱 장치(3)의 상류측 엘보관(31)의 부분이 확대되어서 나타내어져 있다. 도 4, 도 5a에는 각각 도 3에서의 Ⅳ-Ⅳ선 단면, Ⅴ-Ⅴ선 단면이 나타내어져 있다. 또한, 도 5b에서는 상기 단면 부분을 도면 중의 상방으로부터 본 도면이 나타내어져 있다.
도 3에 있어서 인젝터(5) 및 믹싱 파이프(34)의 부착부(6)는 방향 변환부(31A)에 형성된 인젝터 부착 개구(31D)를 막는 제 1 플레이트(61)와, 제 1 플레이트(61)에 부착되는 제 2 플레이트(62)를 구비해서 구성된다.
제 1 플레이트(61)의 중앙에는 방향 변환부(31A)의 내부를 향해서 확개된 오목상의 리세스(63)가 형성되어 있다. 리세스(63)의 움푹 패인 안측의 부분은 분사 개구(64)가 되고, 이 분사 개구(64) 부분에 인젝터(5)를 구성하는 분사 노즐(51)의 선단이 표출되어 있다. 리세스(63)를 형성하는 깔때기상의 경사벽(65)의 개도(θ2)(도 2)는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 90°이상, 바람직하게는 120~140° 정도로 크고, 배기 가스가 리세스(63)의 안측, 즉 분사 노즐(51)의 주변까지 유입되기 쉽게 되어 있다.
리세스(63)의 외주측에는 스트레이트관(32)의 축선(CL1)에 대하여 직교하는 평탄한 환상의 고정부(66)가 형성되어 있다. 본 실시형태에서는 고정부(66)에는 믹싱 파이프(34)의 끝부가 용접되어 있다. 믹싱 파이프(34)는 분사 노즐(51)의 하류측을 둘러싸고 있고, 이들 분사 노즐(51), 믹싱 파이프(34) 및 상술한 스트레이트관(32)은 각각 상류측으로부터 순서대로 동일 축선(CL1) 상에 배치되어 있다. 방향 변환부(31A) 내에 수용되는 믹싱 파이프(34)에 대해서는 상류측 엘보관(31)의 입구부(31B)에 근접한 도면 중의 하방으로부터 배기 가스에 노출된다. 또한, 하방으로부터의 배기 가스는 방향 변환부(31A)에서 그 흐름 방향이 축선(CL1)을 따른 흐름으로 변환된다.
한편, 제 1 플레이트(61) 및 제 2 플레이트(62) 사이의 공극은 단열 공간으로서 기능한다. 단열 공간을 형성함으로써 배기 가스에 노출되는 제 1 플레이트(61)로부터 제 2 플레이트(62)로의 열 전달을 억제하고, 제 2 플레이트(62)에 부착되는 인젝터(5)로의 열 영향을 경감하고 있다.
도 3, 도 4 및 도 5a에 나타내는 바와 같이 믹싱 파이프(34)는 그 특징적인 구조로서 스트레이트관(32)측의 둘레벽에 형성된 개구로서의 복수의 환공(34A…)과, 인젝터(5)측의 둘레벽에 형성된 3개의 사각형의 노치 개구(34B, 34C, 34D)를 갖고, 이들을 통해서 내부에 외기 가스가 유입하도록 되어 있다. 환공(34A)은 믹싱 파이프(34) 중간 정도로부터 스트레이트관(32)측이며, 믹싱 파이프(34)의 길이 방향에 있어서 대략 빈틈없이 형성되어 있다.
노치 개구(34B, 34C, 34D)는 믹싱 파이프(34)의 둘레 방향을 따라 형성되고, 길이 방향에 있어서는 고정부(66)측의 끝부에 형성되어 있다. 노치 개구(34B, 34C, 34D)가 끝부에 형성됨으로써 이들을 통해 믹싱 파이프(34) 내로 유입하는 배기 가스가 분사 노즐(51)을 향하게 된다. 노치 개구(34B, 34C, 34D)의 길이(L2)는 믹싱 파이프(34)의 전체의 길이(L1)의 약 34%(L2/L1≒0.34) 정도이다.
따라서, 노치 개구(34B, 34C, 34D)를 지나는 배기 가스는 고정부(66)의 표면을 따르도록 해서 리세스(63)측에 스무스하게 유입되어 분사 노즐(51)을 향하게 된다. 이 결과 리세스(63) 부분은 배기 가스에 의해 가열되어서 온도가 상승하기 때문에 인젝터(5)로부터 분사된 요소 수용액이 리세스(63)측으로 리턴된 경우에도 요소 수용액이 가열 분해되기 쉬워져 리세스(63) 내에 체류해서 결정화되거나 퇴적하거나 하는 것이 억제된다.
이러한 믹싱 파이프(34)는 평판상의 금속 플레이트에 펀칭 가공을 실시하는 등 환공(34A) 및 사각형의 노치 개구(34B, 34C, 34D)를 형성함과 아울러 소정의 전개 형상으로 펀칭한 것을 통형상으로 만곡시켜서 그 맞대기 부분을 용접함으로써 제작된다. 믹싱 파이프(34)의 지름 치수 및 길이 치수는 인젝터(5)로부터 분사한 요소 수용액이 접촉하지 않는 크기로 설정되어 있다(도 2 중에 1점 쇄선으로 나타내는 θ1을 참조).
도 4에 있어서 믹싱 파이프(34)를 둘레 방향으로 90° 간격으로 4등분했을 때, 즉 DPF 장치(2)로부터의 배기 가스가 노출되는 최하 부분을 기점으로 해서 반시계 방향으로 제 1 영역(A1), 제 2 영역(A2), 제 3 영역(A3) 및 제 4 영역(A4)으로 했을 때 환공(34A)은 제 1 영역(A1) 및 이것과 점 대칭인 위치에 있는 제 3 영역(A3)에만 형성되어 있다. 환공(34A)은 제 1, 제 3 영역(A1, A3) 전체에 걸쳐 형성되어 있다.
환공(34A)이 제 1, 제 3 영역(A1, A3)이라는 소정의 영역에 집약해서 형성됨으로써 환공(34A)을 통해 믹싱 파이프(34) 내로 유입하는 배기 가스에 선회류가 발생하여 분사되는 요소 수용액과의 혼합을 효과적으로 행할 수 있다. 환공(34A)의 크기나 수는 믹싱 파이프(34)의 지름 치수나 길이 치수, 배기 가스와 요소 수용액의 혼합 상황 등을 감안하여 그 실시에 있어서 적당히 결정된다.
도 5a에 있어서 믹싱 파이프(34)의 노치 개구(34B, 34C, 34D)는 도면 중의 연직된 중심선(Ov)을 대칭선으로 해서 선대칭인 위치에 형성되어 있다. 노치 개구(34B, 34D)의 개구 면적은 동일하고, 이들 개구 면적보다 노치 개구(34C)의 개구 면적 쪽이 큰 개구 면적으로 되어 있다.
구체적으로 노치 개구(34B)는 제 1 영역(A1)의 대략 2/3를 차지함과 아울러 제 2 영역(A2)에 들어간 위치까지 형성되어 있다. 노치 개구(34C)는 중심선(Ov)을 경계로 해서 제 2 영역(A2)의 대략 1/2 및 제 3 영역(A3)의 대략 1/2을 차지하도록 형성되어 있다. 노치 개구(34D)는 노치 개구(34B)와 선대칭인 위치에 있고, 제 4 영역(A4)의 대략 2/3를 차지함과 아울러 제 3 영역(A3)에 들어간 위치까지 형성되어 있다.
믹싱 파이프(34)의 고정부(66)측의 끝부에서는 이들 노치 개구(34B, 34C, 34D) 이외의 부분이 둘레벽으로 이루어지는 3개가 지지부(34E, 34F, 34G)로서 존재한다. 지지부(34E, 34F, 34G)도 중심선(Ov)을 대칭선으로 해서 선대칭인 위치에 형성되게 된다. 이들의 지지부(34E, 34F, 34G)의 끝 가장자리가 고정부(66)에 용접된다. 지지부(34E)의 둘레 방향의 길이는 지지부(34F, 34G)의 길이보다 길다. 지지부(34F, 34G)의 둘레 방향의 길이는 동일하다.
지지부(34E)는 제 1, 제 4 영역(A1, A4)에 걸쳐서 설치됨으로써 노치 개구(34B, 34D)에 끼워진 위치에 있고, 중심선(Ov)을 대칭선으로 해서 선대칭으로 설치되어 있다. 지지부(34E)의 둘레 방향의 양쪽 가장자리와 믹싱 파이프(34)의 중심(O)[축선(CL1)과 동일]이 이루는 각도(α)는 대략 60~70° 정도이다. 지지부(34F, 34G)는 각각 제 2, 제 3 영역(A2, A3) 내에 위치하고 있다. 또한, 믹싱 파이프(34)를 축선(CL1)[중심(O)]측으로부터 상류측 엘보관(31)의 입구부(31B)(도 2, 도 3)를 향해서 보았을 때에는 도 5b에 나타내는 바와 같이 요소 수용액의 분사 영역[도면 중에 분사 각도(θ1)로 나타낸 영역]은 노치 개구가 형성되어 있지 않은 지지부(34E)의 축선(CL1)과 직교하는 방향의 투영 폭(W) 내에 수용되어 있어 DPF 장치(2)측으로부터 유입하는 배기 가스가 직접적으로 요소 수용액에 노출되는 것을 방지하고 있다. 즉, 지지부(34E)가 본 발명에 의한 개구부가 생략된 소정 폭의 영역이며, 이 영역 내에 분사 영역이 수용되어 있다.
이와 같이 지지부(34E)는 믹싱 파이프(34)의 도면 중의 최하부를 덮는 위치에 있다. DPF 장치(2)측으로부터 유입해 오는 배기 가스의 대부분은 지지부(34E)에 노출되기 때문에 그 흐름 방향을 바꾸지 않고 세차게 믹싱 파이프(34) 내에 들어가는 일이 없다. 이 점에서 분사된 직후의 요소 수용액은 배기 가스에 의해 제 2, 제 3 영역(A2, A3)측으로 분사되는 일 없고, 크게 휘어지는 일도 없다.
이하, 도 3~도 5b에 의거하여 상류측 엘보관(31) 내에서의 배기 가스의 흐름에 대해서 설명한다. 각 도면에서는 배기 가스의 흐름을 실선 화살표로 도시하고 있다.
DPF 장치(2)로부터 유출한 배기 가스는 도 3에 나타내는 바와 같이 상류측 엘보관(31)의 입구부(31B)로부터 유입되어 방향 변환부(31A)로 향한다. 방향 변환부(31A)에서는 그 내측을 통하는 배기 가스는 그대로 방향 변환부(31A)의 내벽을 따라 내관(36)측으로 흐른다. 한편, 다른 배기 가스의 대부분은 믹싱 파이프(34)를 향하게 된다.
믹싱 파이프(34)의 주변에 있어서는 도 4에도 나타내는 바와 같이 환공(34A)을 통해 배기 가스가 믹싱 파이프(34) 내로 유입된다. 이때 환공(34A)이 제 1, 제 3 영역(A1, A3)에만 형성되어 있는 점에서 배기 가스는 믹싱 파이프(34) 내에서 선회류가 된다. 이와 같은 선회류 중으로 요소 수용액을 분사함으로써 요소 수용액이 미세화되어 배기 가스와의 혼합이 양호하게 행해져 열분해가 촉진된다. 그 후 배기 가스는 내관(36)측으로 흐른다.
이것에 대하여 믹싱 파이프(34) 주변에서도 노치 개구(34B, 34C, 34D)의 부근에서는 도 5a 및 도 5b에도 나타내는 바와 같이 배기 가스가 그들 노치 개구(34B, 34C, 34D)를 통해서 믹싱 파이프(34) 내로 유입된다. 그러한 배기 가스는 특히 고정부(66)에 근접한 측에 있어서 그 고정부(66)를 따라 유입된 후 큰 개도(θ2)(도 2)로 확개된 리세스(63)의 경사벽(65)을 따라 이동하도록 분사 노즐(51)측을 향하여 분사 노즐(51) 주변을 따르도록 흘러서 최종적으로 선회류에 말려든다. 이 점에서 리세스(63) 부분이 배기 가스에 의해 가열되어서 온도가 높은 상태로 유지되기 때문에 리세스(63)측으로 소용돌이 치면서 리턴된 요소 수용액의 분사 노즐(51) 주변에서의 체류, 나아가서는 결정화에 의한 퇴적을 억제할 수 있다.
또한, 고정부(66)에 근접한 측에서는 DPF 장치(2)측으로부터 흘러나오는 배기 가스의 대부분은 상술한 바와 같이 노치 개구(34B, 34D) 사이에 설치된 지지부(34E)에 있어서 그 흐름이 저해되기 때문에 그대로 믹싱 파이프(34) 내로 유입되는 일이 없다. 이 때문에 배기 가스는 노치 개구(34B, 34C, 34D)에 혼입되게 되고, 세 방향으로부터 믹싱 파이프(34) 내로 유입된다. 따라서, 믹싱 파이프(34) 내에 분사된 요소 수용액은 배기 가스에 불어져서 분사 직후로부터 한쪽으로 치우쳐서 휘어지는 일 없이 적정한 방향으로 분사되어서 배기 가스와의 혼합이 양호하게 행해진다.
[제 2 실시형태]
도 6은 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 믹싱 장치(3)의 상류측 엘보관(31) 부분을 나타내는 단면도이다. 도 7은 상류측 엘보관(31) 내에 배치되는 믹싱 파이프(34)의 단면도이며, 도 6의 Ⅶ-Ⅶ선 단면도이다. 또한, 본 실시형태에 있어서 상술한 제 1 실시형태와 동일 부재 및 동일 기능을 갖는 부재에는 같은 부호를 붙이고, 본 실시형태에서의 그들 설명을 생략 또는 간략화한다.
도 6, 도 7에 있어서 본 실시형태에서는 믹싱 파이프(34)의 노치 개구의 수, 위치 및 축선 방향의 길이가 제 1 실시형태와는 크게 다르다. 기타 구성, 예를 들면 노치 개구가 노치상으로 형성되어 있는 점이나 환공이 형성되는 영역 등에 관해서는 제 1 실시형태와 동일하다.
본 실시형태의 믹싱 파이프(34)는 제 1, 제 3 영역(A1, A3)에 각각 형성된 한쌍의 노치 개구(34H, 34J)를 갖고 있다. 노치 개구(34H, 34J)의 축선 방향의 길이는 제 1 실시형태의 노치 개구(34B, 34C, 34D)와 비교해서 작고, 그 만큼 환공(34A)의 수가 많아지고 있다. 노치 개구(34H, 34J)의 길이(L2)는 믹싱 파이프(34)의 전체의 길이(L1)의 약 8%(L2/L1≒0.08) 정도이다.
그 반면 노치 개구(34H)는 둘레 방향에 있어서 제 1 영역(A1)의 대략 전체에 걸친 길이를 갖고 있다. 즉, 노치 개구(34H, 34J) 사이에 존재하는 지지부(34K, 34L)의 노치 개구(34H)측의 변 가장자리는 제 1 영역(A1)으로 약간 들어가서 형성되는 정도이며, 제 1 영역(A1)의 대부분은 노치 개구(34H)가 차지한다. 노치 개구(34J)는 둘레 방향의 길이가 노치 개구(34H)보다 짧고, 제 3 영역(A3) 내에서도 제 2 영역(A2)측에 근접한 위치에 형성되어 있다. 지지부(34K, 34L)는 각각 둘레 방향에 있어서 제 2, 제 4 영역(A2, A4)을 완전히 덮는 큰 길이를 갖고 있다.
본 실시형태에 있어서는 노치 개구(34H)가 둘레 방향에 있어서 크게 개구되어 있고, 인접하는 지지부(34L)는 믹싱 파이프(34)의 도면 중의 하부측에서 제 1 영역(A1)측까지를 덮는 충분한 길이를 갖고 있지 않다.
그러나, 노치 개구(34H)의 축방향의 길이가 짧고, 그 개구 면적은 제 1 실시형태 정도로 크지는 않다. 또한, 노치 개구(34H, 34J)는 환공(34A)과 같이 점대칭의 위치 관계에서 형성되고, 노치 개구(34H, 34J)로부터 믹싱 파이프(34) 내로 유입하는 배기 가스도 환공(34A)을 통해 유입되는 배기 가스와 마찬가지로 선회류가 된다. 또한, 지지부(34K, 34L)의 둘레 방향의 길이가 길어 제 2, 제 4 영역(A2, A4)을 완전히 덮고 있다.
따라서, 노치 개구(34H, 34J)로부터 믹싱 파이프(34) 내로 유입하는 배기 가스는 유입 직후로부터 선회 성분을 수반하게 되고, 선회하면서 리세스(63)의 경사벽(65)을 따라 이동하도록 분사 노즐(51)측을 향하여 분사 노즐(51) 주변을 따르도록 흐른다. 이것에 의해 리세스(63) 부분이 배기 가스에 의해 높은 온도로 유지되기 때문에 분사 노즐(51)로부터 분사된 요소 수용액이 소용돌이류가 되어서 리세스(63)측으로 리턴되어도 그 체류를 방지할 수 있다.
그리고, 노치 개구(34H, 34J)로부터 유입한 배기 가스가 보다 큰 선회 성분을 수반하는 점에서 지지부(34K)에 의해 믹싱 파이프(34)의 DPF 장치(2)측(도 7 중의 하부측)이 충분히 덮어져 있지 않더라도 분사 노즐(51)로부터의 요소 수용액은 그러한 배기 가스에 의해 제 2, 제 3 영역(A2, A3)측으로 극단적으로 분사되는 일 없이 적정한 방향으로 분사된다.
또한, 본 발명은 상술한 실시형태에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위에서의 변형, 개량 등은 본 발명에 포함되는 것이다.
예를 들면, 상기 각 실시형태에서는 노치 개구(34B, 34C, 34D, 34H, 34J)는 사각형이며, 개구로서는 환공(34A)이었지만 그들 개구 형상은 임의이며, 사각형이나 환공에 한정되지 않는다. 또한, 노치 개구의 수 등도 그 실시에 있어서 임의로 결정되어도 좋다.
상기 제 1 실시형태에서는 믹싱 파이프(34)에 있어서 상류측 엘보관(31)의 입구부(31B)에 근접한 측에는 둘레벽으로 이루어지는 지지부(34E)가 설치되고, 제 2 실시형태에서는 노치 개구(34H, 34J)가 제 1, 제 3 영역(A1, A3)에 형성되고, 이것에 의해 믹싱 파이프(34) 내에 분사된 요소 수용액이 배기 가스에 의해 분사되는 것을 억제하고 있었지만 입구부(31B)에 근접한 측에 노치 개구가 형성되었을 경우에도 분사 노즐(51) 주변을 배기 가스에 의해 가열하는 것은 가능하기 때문에 그러한 경우도 본 발명의 목적을 달성할 수 있어 본 발명에 포함된다.
상기 실시형태에서는 환원제 수용액으로서 요소 수용액이 사용되어 있었지만, 환원제 수용액으로서 기타 액체가 사용된 경우에도 본 발명에 포함된다.
본 발명은 건설 기계에 탑재되는 배기 가스 후처리 장치로서 적합하게 이용할 수 있다.
1 : 배기 가스 후처리 장치 2 : 필터 장치인 DPF 장치
3 : 환원제 수용액 믹싱 장치 4 : 선택 환원 촉매(SCR) 장치
5 : 인젝터 23 : 출구관
31 : 엘보관인 상류측 엘보관 31B : 입구부
32 : 스트레이트관 34 : 믹싱 파이프
34A : 개구인 환공 34B, 34C, 34D, 34H, 34J : 노치 개구
34E : 노치 개구가 생략된 둘레벽으로 형성된 지지부
51 : 분사 노즐 CL1, CL2 : 축선

Claims (5)

  1. 배기 가스 중의 입상 물질을 포집하는 필터 장치와 상기 필터 장치의 하류측에 배치된 선택 환원 촉매 장치 사이에 배치됨과 아울러 배기 가스 중에 환원제 수용액을 첨가하는 환원제 수용액 믹싱 장치로서:
    상기 필터 장치의 출구관에 장착되어 상기 필터 장치로부터 흘러나오는 배기 가스의 흐름 방향을 변경하는 엘보관과,
    상기 엘보관의 하류측에 접속되어 상기 필터 장치의 출구관의 축선과 교차하는 방향으로 연장되는 스트레이트관과,
    상기 엘보관에 부착되어 상기 스트레이트관을 향해서 상기 엘보관 내부에 환원제 수용액을 분사하는 인젝터와,
    상기 엘보관 내에 있어서 상기 인젝터로부터 분사되는 환원 수용액의 주위를 덮도록 배치되어 둘레벽에 복수의 개구를 갖는 믹싱 파이프를 구비하고,
    상기 믹싱 파이프에 있어서의 상기 엘보관과의 고정 부분에는 상기 엘보관의 입구부로부터 들어오는 배기 가스를 상기 인젝터의 분사 노즐측을 향해서 유입시키는 위치에 노치 개구가 형성되는 것을 특징으로 하는 환원제 수용액 믹싱 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 개구는 상기 믹싱 파이프에 있어서의 상기 스트레이트관측에 형성되는 것을 특징으로 하는 환원제 수용액 믹싱 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 믹싱 파이프를 상기 스트레이트관의 축선측으로부터 상기 엘보관의 입구부를 향해서 보았을 때에 상기 노치 개구는 상기 믹싱 파이프의 둘레 방향의 소정 폭에 걸쳐 생략되는 것을 특징으로 하는 환원제 수용액 믹싱 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 믹싱 파이프를 상기 스트레이트관의 축선측으로부터 상기 엘보관의 입구부를 향해서 보았을 때에 상기 인젝터로부터 분사하는 환원제 수용액의 분사 영역은 상기 믹싱 파이프의 상기 노치 개구가 생략되어 있는 영역 내에 수용되는 것을 특징으로 하는 환원제 수용액 믹싱 장치.
  5. 배기 가스 중의 입자상 물질을 포집하는 필터 장치와,
    상기 필터 장치의 하류측에 있어서 상기 필터 장치와 병렬로 배치된 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 환원제 수용액 믹싱 장치와,
    상기 환원제 수용액 믹싱 장치의 하류측에 배치되어 배기 가스 중의 질소 산화물을 환원 정화하는 선택 환원 촉매 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 후처리 장치.
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