KR20150055081A - 차량 배기 시스템의 투여기 및 혼합기 - Google Patents

차량 배기 시스템의 투여기 및 혼합기 Download PDF

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크리스 챔프맨
에두아르도 알라노
필리프 나페
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포레시아 이미션스 컨트롤 테크놀로지스, 유에스에이, 엘엘씨
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Abstract

차량 배기 시스템은 혼합기(mixer)와, 하류 배기 구성요소로 혼합물이 유입되기 전에 엔진 배기 가스와 완전히 혼합되도록 환원제를 혼합기 내로 분사하는 투여기(doser)를 포함한다. 투여기는 중심 투여기축과 혼합기의 중심축을 에워싸고 가변 반경으로 형성되는 이론적인 실린더의 교차점에 형성되는 포인트에 대해 접선방향으로 장착된다.

Description

차량 배기 시스템의 투여기 및 혼합기{DOSER AND MIXER FOR A VEHICLE EXHAUST SYSTEM}
본 발명은 차량 배기 시스템의 투여기 및 혼합기에 관한 것이다.
배기 시스템은 엔진에 의해 발생된 고온 배기 가스를 다양한 배기 구성요소를 통해 안내하여 배출물을 줄이고 소음을 제어한다. 배기 시스템은, 예컨대 요소와 물로 이루어진 용액과 같은 환원제를 선택적 촉매식 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매의 상류에 주입하는 주입 시스템을 포함한다. 혼합기는 SCR 촉매 상류에 위치 설정되고 엔진 배기 가스와 요소 변형 생성물을 혼합한다.
투여기는 통상적으로 요소를 배기 스트림 내로 분사한다. 하나의 기지의 구성에서, 투여기는 혼합기의 외주면에 장착되고 분사물을 혼합기의 중심을 향해 반경방향 내측으로 지향시키도록 구성된다. 이러한 구성은 요소 침적물 형성이 증가된다는 단점을 갖는다.
예시적인 일실시예에서, 차량 배기 시스템은 혼합기와, 혼합기 내로 환원제를 분사하여 혼합물이 하류의 배기 구성요소에 유입되기 전에 엔진 배기 가스와 완전히 혼합되도록 하는 투여기를 포함한다. 투여기는 접선방향 방위로 장착된다.
상기 실시예의 다른 실시예에서, 혼합기는 혼합기의 길이를 따라 연장되는 중심축을 형성하고, 투여기는 중심 투여기축을 형성하며, 중심 투여기축은 중심 투여기축과 중심축을 에워싸고 가변 반경으로 형성되는 이론적인 실린더의 교차점에 있는 포인트에 대해 접선방향으로 배향된다.
상기 실시예들 중 임의의 실시예의 다른 실시예에서, 혼합기는 유입 단부에 인접한 상류 배플과 유출 단부에 인접한 하류 배플을 포함한다. 상류 배플은 복수 개의 개구를 포함하며, 복수 개의 개구 중 하나의 개구는 나머지 개구보다 크기 때문에, 엔진 배기 가스의 대부분이 상기 하나의 개구를 통해 흐른다. 투여기는 상기 하나의 개구의 상류에 그리고 상기 하나의 개구에 인접하게 위치 설정된다.
상기 실시예들 중 임의의 실시예의 다른 실시예에서, 상기 하나의 개구는 내주 에지와, 내주 에지의 반경방향 외측으로 이격된 외주 에지에 의해 형성되고, 중심 투여기축은 혼합기의 외주면에 대해 접선방향인 라인과 거의 평행한 방향으로 연장된다.
상기 실시예들 중 임의의 실시예의 다른 실시예에서, 중심 투여기축은 내주 에지보다 외주 에지에 근접한다.
다른 예시적인 실시예에서, 차량 배기 시스템은 엔진 배기 가스를 수용하는 유입구를 갖는 제1 배기 구성요소, 제1 배기 구성요소의 하류에 위치 설정되는 제2 배기 구성요소 및 제1 배기 구성요소의 하류 그리고 제2 배기 구성요소의 상류에 위치 설정되는 혼합기를 포함한다. 혼합기는 제1 배기 구성요소를 빠져나가는 엔진 배기 가스를 수용하도록 구성되는 유입 단부와, 소용돌이 치는 엔진 배기 가스를 제2 배기 구성요소로 지향시키는 유출 단부를 갖는다. 혼합기는 유입 단부에 인접한 상류 배플과, 유출 단부에 인접한 하류 배플을 갖고, 상류 배플은, 대부분의 엔진 배기 가스가 통과하여 혼합기로 흐르게 하는 배플 개구를 포함한다. 투여기는 혼합기 내로 환원제를 분사하고, 투여기는 배플 개구 상류에서 혼합기의 외주면에 장착된다. 투여기는 중심 투여기축을 형성하며, 중심 투여기축은 중심 투여기축과, 중심축을 에워싸고 다양한 반경으로 형성되는 이론적인 실린더의 교차점에 있는 포인트에 대해 접선방향으로 배향된다.
본 출원의 이들 및 다른 피쳐(feature)는 아래의 상세와 도면으로부터 가장 잘 이해될 것이며, 도면에 관한 간략한 설명이 이어진다.
도 1은 본 발명에 따른 혼합기를 지닌 배기 시스템의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 혼합기의 부분 측단면도이다.
도 3은 도 2의 혼합기의 유입 단부의 도면이다.
도 4는 도 2의 혼합기의 유출 단부의 사시도이다.
도 5는 도 2의 혼합기의 평면도이다.
도 6은 혼합기의 사시도이다.
도 7은 혼합기의 단부도이다.
도 9은 혼합기의 단면도이다.
도 9는 투여기의 위치 범위에 관한 개략도이다.
도 10은 상류 배플의 단부도이다.
도 11은 제1 평면을 형성하는 혼합기의 부분 단면도이다.
도 12는 제2 평면을 형성하는 도 11의 혼합기의 도면이다.
도 1은, 알려진 바와 같은 배출물을 감소시키고 소음을 제어하기 위해, 엔진(12)에 의해 발생된 고온 배기 가스를 다양한 상류 배기 구성요소(14)를 통해 안내하는 차량 배기 시스템(10)을 보여준다. 다양한 상류 배기 구성요소(14)는 파이프, 필터, 밸브, 촉매, 머플러 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 하나의 예시적인 구성에서, 상류 배기 구성요소(14)는 배기 가스를, 유입구(18)와 유출구(20)를 갖는 디젤 산화 촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC)(21)로 지향시킨다. DOC(16) 하류에는, 알려져 있는 바와 같이 배기 가스로부터 오염물을 제거하는 데 사용되는 디젤 미립자 필터(Diesel Particulate Filter; DPF)(16)가 마련될 수 있다. DOC(16)와 선택적 DPF(21) 하류에는 유입구(24)와 유출구(26)를 갖는 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매(22)가 마련된다. 유출구(26)는 배기 가스를 하류 배기 구성요소(28)로 전달한다. 선택적으로, 구성요소(22)는 선택적 촉매 환원 기능과 미립자 필터 기능을 수행하도록 구성된 촉매를 포함할 수 있다. 다양한 하류 배기 구성요소(28)는 파이프, 필터, 밸브, 촉매, 머플러 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이들 상류 구성요소(14)와 하류 구성요소(28)는, 차량 어플리케이션 및 이용 가능한 패키징 공간에 따라 다양한 상이한 구성과 조합으로 장착될 수 있다.
혼합기(30)는 DOC(16)의 유출구(20) 또는 DPF(21) 하류에 그리고 SCR 촉매(22)의 유입구(24) 상류에 위치 설정된다. 혼합기(30)는 배기 가스의 소용돌이(swirling) 또는 회전 동작을 발생시키는 데 사용된다. 본 발명의 양수인에게 양도되고 참조에 의해 본 명세서에 포함되는, 예컨대 미국 특허 출원 제2012-021653호에 설명된 바와 같은 임의의 타입의 혼합 요소가 사용될 수 있다.
주입 시스템(32)은, 혼합기(30)가 요소와 배기 가스를 함께 완전히 혼합할 수 있도록, 예컨대 요소와 물로 이루어진 용액과 같은 환원제를 SCR 촉매(22) 상류에서 배기 가스 스트림에 주입하는 데 사용된다. 주입 시스템(32)은 유체 공급부(34), 투여기(36) 및 알려져 있는 바와 같이 요소의 주입을 제어하는 컨트롤러(38)를 포함한다.
혼합기(30)는 도 2 내지 도 5에 보다 상세히 도시되어 있다. 혼합기(30)는 엔진 배기 가스를 수용하도록 구성된 유입 단부(42)(도 3)와 소용돌이치는 엔진 배기 가스와 요소로부터 변형된 생성물을 SCR 촉매(22)로 지향시키는 유출 단부(44)(도 4)를 갖는 혼합기 본체를 포함한다.
도 3 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 혼합기 본체는 외주면(64)으로 에워싸이는 상류 배플(60)과 하류 배플(62)을 포함한다. 상류 배플은 배기 가스 흐름의 소용돌이를 개시하도록 구성된다. 혼합기는 또한 혼합기(30)의 중심 측으로 내측으로 향하는 내주면(52)을 포함한다. 유입구(42)에서의 상류 배플(60)은 배기 가스의 대부분을 수용하고(배기 가스 질량 유량의 적어도 60 %를 수용하고), 소용돌이 동작을 일으키도록 구성된 대형 개구(66)(도 3)를 포함한다. 상류 배플(60)은 또한, 배기 가스의 최적의 균질화를 보장하고 배압을 감소시키는 복수 개의 천공부(68)를 포함한다. 하류 배플(62)은 배기 가스가 빠져나가는 복수 개의 개구(70)와 편향기 부분(72)을 포함한다. 혼합물의 메인 배출은 최대 개구(70A)를 통해 이루어진다. 상류 배플(60) 및 하류 배플(62)의 작동에 관한 추가의 상세는 미국 특허 출원 제2012/0216513호에서 확인할 수 있다.
혼합기 본체의 외주면(64)은 투여기(36)를 수용하는 개구(80)를 지닌 투여기 장착 영역을 포함한다. 상류 배플(60)과 하류 배플(62)은 혼합기(30)의 길이를 따라 축방향으로 서로 이격된다. 투여기를 위한 개구(80)는, 요소가 개구(66)의 상류에 있는 위치에서 소용돌이 가스 흐름 내로 분사되도록 2개의 배플 사이에 위치 설정된다.
혼합기(30)는 혼합기(30)의 길이를 따라 연장되는 중심축(A1)(도 5)을 형성한다. 투여기(36)는 도 3에 도시한 바와 같이 혼합기(30)의 중심축(A1)에 대해 접선방향으로, 즉 비반경방향으로 배향되는 중심 투여기축(A2)을 형성한다. 이와 같이, 투여기(36)는 혼합기(30)의 중심으로부터 멀어지는 방향으로 요소를 분사하도록 구성되어, 분사 시에 요소가 중심축(A1)을 향해 지향되는 것이 아니라, 대신에 혼합기(30)의 내주벽을 향해 지향된다. 이에 따라, 투여기(36)는 내주면(52)을 향해 환원제를 분사하도록 구성되어, 중심 투여기축(A2)이 혼합기의 중심축(A1)과 교차하지 않는다.
투여기는 내주면(52)에 있는 개구(80)(도 3)를 통해 요소를 분사하도록 외주면(64)에 장착된다. 투여기(36)는, 분사물이 중심축(A1)과 교차하지 않는 투여기 경로를 따라 개구(80)로부터 대향 벽(82)을 향해 지향되도록 배향된다. 분사물은 투여기(36)를 빠져나갈 때 배기 가스의 소용돌이 흐름과 결합되기 때문에, 혼합물은 중심축(A1) 주위에서 소용돌이친다.
혼합기(30)는 중심축(A1)에 수직한 수직면(PI)에 있는 수직축(V)과, 수직면(P1)과 중심축(A1) 모두에 수직한 수평면(P2)에 있는 수평축(H)에 의해 형성된 단면을 갖는다. 수직면(P1)은 혼합기의 길이를 따라 연장되고 혼합기를 우측 절반부와 좌측 절반부로 분리한다. 중심축(A1)은 혼합기를 상부 절반부와 하부 절반바로 분리하는 수평면(P2)을 따라 연장된다.
수평축(H)과 수직축(V)은 단면 영역을 4개의 사분면(Ql, Q2, Q3 및 Q4)으로 분리한다. 제1 사분면(Q1)과 제2 사분면(Q2)은 단면 영역의 상부 절반부를 위한 상부 사분면들을 포함하고, 제3 사분면(Q3)과 제4 사분면(Q4)은 단면 영역의 하부 절반부를 위한 하부 사분면들을 포함한다. 일례에서, 중심 투여기축(A2)은 단지 상부 절반부(Ql, Q2)들을 가로질러 연장된다. 이것은 요소를 보다 효율적으로 소용돌이치는 엔진 배기 가스 내로 유입시키는 것을 용이하게 한다.
일례에서, 투여기(36)는 대형 개구(66)에 인접하게 그리고 대형 개구(66)의 상류에 위치 설정된다. 대형 개구(66)는, 예컨대 상부 사분면(Ql, Q2)들 중 어느 하나의 사분면 내에 배치된다. 대형 개구(66)는 내주 에지(90)와, 내주 에지(90)로부터 반경방향 외측으로 이격된 외주 에지(92)에 의해 형성된다. 일례에서, 중심 투여기축(A2)은 외주면(64)에 대해 접선방향인 라인과 거의 평행한 방향으로 연장된다.
일례에서, 중심 투여기축(A2)은 내주 에지(90)보다 외주 에지(92)에 근접한다.
도 6은 유입 단부(42)에서 봤을 때의 혼합기(30)의 사시도를 보여준다. 대형 개구(66)는 최대 개구폭(W)(도 9) 및 최대 개구 높이(Ho)(도 8)로 형성된다. 대형 개구(66)는 포인트 C를 갖는다. 반경 R1은 내측 반경 R2 내지 외측 반경 R3 사이의 임의의 반경으로 변할 수 있어, 중심축(A1)을 에워싸는 이론적인 실린더의 범위를 형성한다. 도 9에 도시한 바와 같이, 최대 개구 폭(W)은 Ri에서 최내측 둘레 에지를 그리고 Re에서 최외측 둘레 에지를 갖는다. 폭 W = Re - Ri이다.
도 9에 도시한 바와 같이, 포인트 C에서 R1으로 형성되는 실린더에 대한 접선방향 라인(100)은 하나의 가능한 투여기 위치(102)를 규정하고, 접선방향 라인(100)은 중심 투여기축(A2)과 동일선상에 있다. 이 실린더 반경(R1)은 다음과 같이 개구 폭(W)에 관하여 변할 수 있다: R2 = Rl - 1/3W(더 작은 실린더) 내지 R3 = Rl + 1/3W (더 큰 실린더). 전술한 바와 같이, R1은 중심축(A1)을 에워싸는 이론적인 실린더(B)(도 10)를 형성한다. 실린더 B와 상류 배플의 에지면의 교차점은 포인트 Po(도 10)를 형성한다. 이 포인트 Po는 중심축(A1)에 평행하고 실린더 B에 대해 접선방향인 평면(P4)(도 11)을 형성한다. 평면 P5가 A1에 수직하고(도 12) Ho의 중심점을 통과하도록 형성된다. 중심축(A1)에서 시작해서 도 12에 도시한 바와 같은 평면 P5 상의 포인트 Pa를 통과하는 라인은 라인 L이라고 칭한다. 반경 R1에 의해 형성되는 실린더 B와 라인 L의 교차는 포인트 C를 형성한다.
이에 따라, 중심 투여기축(A2)은 라인 L과, 반경 R1이 R2 내지 R3로 변할 수 있는, 중심축(A1)을 에워싸는 실린더의 교차에 의해 형성되는 포인트 C에 대해 접선방향으로 배향된다. 이와 같이, 포인트 C는 반경방향 경계(R2 및 R3) 사이에서 라인 L을 따라 슬라이딩, 즉 변할 수 있다. 중심 투여기축(A2)은 포인트 C에 대해 접선방향이다.
일례에서, 투여기 위치에 대한 공차는 그 중심축으로부터 최대 30도이다. 도 8은 하나의 평면에서의 0 내지 30도의 각도 범위 β를 보여주고, 도 9는 다른 평면에서의 0 내지 30도의 각도 범위를 보여준다.
투여기(36)와 중심 중심 투여기축(A2)의 배향은, 통상의 반경방향 장착 구성에 대한 장점을 제공하는 접선방향 구성으로 이루어진다. 해당 접선방향 투여기 구성은 보다 효율적으로 분사물을 소용돌이치는 엔진 배기 가스 내로 유입시켜, SCR 촉매로 유입될 수 있는 배기 가스와 요소의 보다 완전한 혼합물을 제공한다. 더욱이, 접선방향 배향은 요소 침적물의 형성을 감소시킨다.
본 발명의 실시예를 개시하였지만, 당업자라면 소정의 수정이 본 발명의 범위 내에 속할 것이라는 점을 이해할 것이다. 상기한 이유로, 본 발명의 실제 범위 및 내용을 결정하기 위해서는 아래의 청구범위를 검토해야 한다.

Claims (12)

  1. 차량 배기 시스템으로서,
    엔진 배기 가스를 수용하도록 구성되는 유입 단부와, 엔진 배기 가스를 하류 배기 구성요소로 전달하도록 구성되는 유출 단부를 갖는 혼합기(mixer); 및
    혼합기 내로 환원제를 분사하도록 구성되는 투여기(doser)
    를 포함하고, 혼합기는 혼합기의 길이를 따라 연장되는 중심축을 형성하고, 투여기는 중심 투여기축을 형성하며, 중심 투여기축은 상기 중심축을 에워싸고 가변 반경으로 형성되는 이론적인 실린더와 중심 투여기축의 교차점에 형성되는 포인트에 대해 접선방향으로 배향되는 것인 차량 배기 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 투여기는 혼합기의 중심으로부터 멀어지는 방향으로 환원제를 분사하도록 구성되는 것인 차량 배기 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 혼합기는 외주면과 내주면을 갖고, 투여기는 내주면을 향해 환원제를 분사하도록 구성되는 것인 차량 배기 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 혼합기는 유입 단부에 인접한 상류 배플과, 유출 단부에 인접한 하류 배플을 포함하고, 상류 배플은 복수 개의 개구를 포함하며, 복수 개의 개구 중 하나의 개구는, 엔진 배기 가스의 대부분이 상기 하나의 개구를 통해 흐르도록 나머지 개구보다 크고, 투여기는 상기 하나의 개구 상류에 그리고 상기 하나의 개구에 인접하게 위치 설정되는 것인 차량 배기 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 중심 투여기축은 혼합기의 외주면에 대해 접선방향인 라인과 거의 평행한 방향으로 연장되는 것인 차량 배기 시스템.
  6. 제4항에 있어서, 상기 하나의 개구는 내주 에지와, 이 내주 에지로부터 반경방향 외측으로 이격된 외주 에지에 의해 형성되고, 중심 투여기축은 내주 에지보다 외주 에지에 근접한 것인 차량 배기 시스템.
  7. 제4항에 있어서, 가변 반경은 상기 하나의 개구의 폭에 관하여 형성되는 반경 범위 내에서 정해지는 것인 차량 배기 시스템.
  8. 차량 배기 시스템으로서,
    엔진 배기 가스를 수용하는 유입구를 갖는 제1 배기 구성요소;
    제1 배기 구성요소의 하류에 위치 설정되는 제2 배기 구성요소;
    제1 배기 구성요소의 하류에 그리고 제2 배기 구성요소의 상류에 위치 설정되는 혼합기; 및
    혼합기 내로 환원제를 분사하는 투여기
    를 포함하고, 혼합기는 제1 배기 구성요소를 빠져나오는 엔진 배기 가스를 수용하도록 구성된 유입 단부와, 소용돌이치는 엔진 배기 가스를 제2 배기 구성요소로 지향시키는 유출 단부를 갖고, 혼합기는 유입 단부에 인접한 상류 배플과, 유출 단부에 인접한 하류 배플을 가지며, 상류 배플은 엔진 배기 가스 대부분이 통과하여 혼합기 내로 흐르게 하는 배플 개구를 포함하고, 혼합기는 혼합기의 중심축으로부터 외측 방향으로 연장되는 가변 반경으로 형성된 이론적인 실린더를 제공하며, 투여기는 배플 개구 하류에서 혼합기의 외주면에 장착되고, 투여기는 중심 투여기축을 형성하며, 중심 투여기축은 이론적인 실린더와 중심 투여기축의 교차점에 형성되는 포인트에 대해 접선방향으로 배향되는 것인 차량 배기 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 가변 반경은 배플 개구의 폭에 관하여 형성된 반경 범위 내에서 정해지는 것인 차량 배기 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 상류 배플은 복수 개의 개구를 포함하고, 배플 개구는 복수 개의 개구 중 다른 개구보다 큰 하나의 개구로 이루어지는 것인 차량 배기 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 배플 개구는 내주 에지와, 내주 에지로부터 반경방향 외측으로 이격되는 외주 에지에 의해 형성되고, 중심 투여기축은 혼합기의 외주면에 대해 접선방향인 라인과 거의 평행한 방향으로 연장되는 것인 차량 배기 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 하나의 개구는 내주 에지와, 내주 에지로부터 반경방향 외측으로 이격되는 외주 에지에 의해 형성되고, 중심 투여기축은 내주 에지보다 외주 에지에 근접한 것인 차량 배기 시스템.
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