KR20160091774A - 배기가스 후처리 장치 및 이를 포함하는 콤바인 - Google Patents

Abstract

배기가스 후처리 장치 및 이를 포함하는 콤바인이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 배기가스 후처리 장치는, 요소수를 배기가스 중에 분사하는 분사노즐을 갖춘 환원제 투입 유닛과, 배기가스 중에 분사된 요소수와 배기가스를 혼합시켜 암모니아를 추출하는 화학반응이 일어나는 POC(Partial Oxidation Catalyst) 유닛과, POC 유닛에서 유입되는 혼합가스에 포함된 질소산화물이 촉매와의 탈질반응을 통해 질소로 변환되는 화학반응이 일어나는 SCR(Selective Catalytic Reduction) 유닛을 포함하며, 환원제 투입 유닛 하류 측에 POC 유닛이 직선상으로 배치되고, SCR 유닛이 상기 POC 유닛 하류 측에 수직으로 배치된 것을 구성의 요지로 한다.

Description

배기가스 후처리 장치 및 이를 포함하는 콤바인{Exhaust Gas After treatment Device and Combine including the same}

본 발명은 배기가스 후처리 장치에 관한 것으로, 특히 배기가스에 포함된 유해성분을 물리적으로 포집하고 화학적 반응을 이용해 무해한 성분으로 변환시켜 배출하는 배기가스 후처리 장치 및 이를 포함하는 콤바인에 관한 것이다.

화석연료를 연소하여 열원 및 동력을 얻는 과정을 통해 배출되는 배기가스 내에는 광스모그, 산성비 및 호흡기 질환의 원인물질로 밝혀진 NOx성분이 포함되어 있다. 이에 따라 최근에는 이러한 NOx성분 배출규제에 대응하여 암모니아를 환원제로 하는 SCR(Selective Catalytic Reduction, 선택적 환원촉매법) 기술이 다양하게 적용되고 있다.

종래 배기가스 중의 NOx를 탈질시키는 배기가스 후처리 장치는 저장탱크 속에 용해된 요소수를 반응챔버에 분사하여 반응챔버에서 요소수를 암모니아로 변화시키고, 반응기 내부의 촉매를 이용해 NOx성분을 탈질시켜 최적의 탈질 효율을 얻고 NOx성분이나 암모니아로 인한 환경오염을 효율적으로 방지하는 구조를 채택하고 있다.

그러나 이와 같은 종래 배기가스 후처리 장치는 요소수를 암모니아로 변환시키기 위해 반응챔버 내에서 요소수가 배기가스와 고르게 혼합되기 위한 시간과 길이를 충분히 확보해야 하기 때문에 반응챔버의 길이를 길게 하거나 팬(fan)과 같은 별도의 혼합보조수단을 구비해야 하며, 이에 따라 배기가스 후처리를 위한 전체 설비가 대형화될 수밖에 없는 문제가 있다.

한국등록특허 제10-1383245호(등록일 2014. 04. 02)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 후처리 장치의 전체적인 크기를 키우거나 팬(fan)과 같은 별도의 혼합보조수단 없이도 요소수가 배기가스와 고르게 혼합될 수 있는 시간과 거리를 충분히 확보할 수 있는 구성의 배기가스 후처리 장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 콤바인의 제한된 공간(space)을 유효하게 활용하면서 정비의 편의성을 도모할 수 있는 위치에 배기가스 후처리 장치를 취부한 콤바인을 제공하고자 하는 것이다.

과제 해결을 위한 수단으로서 본 발명의 일 측면에 의하면, 요소수를 배기가스 중에 분사하는 분사노즐을 갖춘 환원제 투입 유닛과; 배기가스 중에 분사된 상기 요소수와 배기가스를 혼합시켜 암모니아를 추출하는 화학반응이 일어나는 POC(Partial Oxidation Catalyst) 유닛과; 상기 POC 유닛에서 유입되는 혼합가스에 포함된 질소산화물이 촉매와의 탈질반응을 통해 질소로 변환되는 화학반응이 일어나는 SCR(Selective Catalytic Reduction) 유닛;을 포함하며, 상기 환원제 투입 유닛 하류 측에 POC 유닛이 직선상으로 배치되고, 상기 SCR 유닛이 상기 POC 유닛 하류 측에 수직으로 배치된 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 장치를 제공한다.

여기서 상기 POC 유닛은, 배기가스 중의 PM(Particulate matter)을 걸러내는 POC(Partial Oxidation Catalyst)와; 상기 POC를 둘러싸는 원통형의 수용체와; 수용체 일단에 설치되는 엔드커버;를 포함하며, 상기 POC의 배출단에 격관이 설치되고, 격관 및 POC의 외연과 상기 수용체 사이에 유동통로가 형성된 구성일 수 있다.

이때 상기 엔드커버는 외측으로 볼록하게 만곡진 구성일 수 있다.

그리고, 상기 수용체와 SCR 유닛은 상기 수용체 둘레면 상부에 접속되는 연결 파이프를 통해 연결되고, 상기 연결 파이프는 상기 격관 및 POC의 외연과 수용체 사이의 상기 유동통로와 통하도록 된 구성일 수 있다.

또한, 상기 환원제 투입 유닛 상류에 배치되어 배기가스에 포함된 유해물질을 산화시켜 제거하는 DOC 유닛;을 더 포함할 수 있다.

과제 해결을 위한 수단으로서 본 발명의 다른 측면에 의하면, 상기 일 측면에 따른 배기가스 후처리 장치;를 포함하는 콤바인을 제공한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 콤바인은, 콤바인의 기체 조작부와 곡물탱크 사이에 엔진이 기체의 좌우 폭방향을 따르도록 횡행 배치되고, 기체 일측의 탈곡·선별장치와 대향부 타측의 곡물탱크 사이에 상기 배기가스 후처리 장치가 구비되며, 상기 배기가스 후처리 장치의 SCR 유닛 배출단에서 상향 연장된 배기관이 상기 탈곡·선별장치와 곡물탱크) 사이를 따라 기체 상부로 연장된 구성일 수 있다.

이때, 상기 곡물탱크의 하류 측 경사면에 의해 경사면 하방에 여유공간(S)이 형성되며, 상기 여유공간에 배기가스 후처리 장치를 구성하는 일부 구성요소가 기체 전후 길이방향을 따라 직선상으로 취부되고, 탈곡·선별장치와 곡물탱크 사이에 나머지 일부가 기체의 상하 높이 방향을 따라 세로로 취부될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 설비 크기를 키우거나 별도의 혼합보조수단을 적용하지 않고도 환원제와 배기가스의 고른 혼합을 도모할 수 있는 시간과 거리를 충분히 확보할 수 있다는 장점이 있으며, 이에 따라 콤팩트 하면서도 만족도 높은 NOx 저감성능을 갖춘 배기가스 후처리 장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 콤바인에 의하면, 곡물탱크와 탈곡·선별장치 사이의 여유공간에 Tier 4 수준의 강력한 배기가스 규제를 만족시킬 수 있을 정도의 처리성능을 갖춘 배기가스 후처리 장치를 갖추고 있다는 구조적 장점이 있다. 즉 여유공간을 유효하게 활용하여 배기가스 규제를 만족시킬 수 있을 정도의 처리성능을 갖춘 콤바인을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 배기가스 후처리 장치의 측면도.
도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 배기가스 후처리 장치의 주요부POC 유닛)를 확대 도시한 사시도.
도 3은 도 2에 도시된 주요부의 횡 단면도.
도 4는 도 2에 도시된 주요부의 종 단면도.
도 5는 도 2에 도시된 주요부의 작동 상태도.
도 6은 본 발명의 다른 측면에 따른 콤바인의 일부 구성을 생략 도시한 개략 측면도.
도 7은 도 6을 평면에서 바라본 도면.
도 8은 본 발명의 다른 측면에 따른 콤바인을 기체 후방에 바라본 개략도.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성에 대해서는 그 상세한 설명은 생략하며, 또한 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 소지가 있는 구성에 대해서도 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

또한 본 발명을 설명함에 있어 설명의 편의를 위해, 배기가스 흐름을 기준으로 각 유닛의 배기가스 유입 측을 '상류'로 정의하고, 배기가스 배출 측을 '하류'로 정의하여 설명하기로 하며, 각 유닛 내부에서 배기가스가 유동하는 방향과 일치하는 방향을 '축선방향'으로 정의하고, '축선방향'과 수직인 방향을 '반경방향'으로 정의하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 배기가스 후처리 장치의 측면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 측면에 따른 배기가스 후처리 장치(3)는, DOC(Diesel Oxidation Catalyst) 유닛(30), DOC 유닛(30) 하류 측의 환원제 투입 유닛(32), SCR(Selective Catalytic Reduction) 유닛(36), 그리고 상기 환원제 투입 유닛(32)과 상기 SCR 유닛(36) 사이에 설치되는 POC(Partial Oxidation Catalyst) 유닛(34)을 포함한다.

배기가스 흐름을 기준으로 엔진 측에서부터 차례로 DOC 유닛(30), 환원제 투입 유닛(32), POC 유닛(34)이 직선상으로 배치되고, 상기 SCR 유닛(36)은 상기 POC 유닛(34) 하류 측에 POC 유닛(34)과 수직으로 배치된다. 이때 DOC 유닛(30)의 상류는 엔진의 배기 측과 연결되며, SCR 유닛(36)의 하류 측에는 최종 정화 처리된 배기가스를 외부로 배출하는 배기관(38)이 연결된다.

DOC 유닛(30)은 백금(Pt), 파라듐(Pd) 등의 촉매를 이용해 배기가스 중의 탄화수소, 일산화탄소를 산화시켜 제거하는 기능을 하며, SCR 유닛(36)은 질소 산화물(이하, 'NOx'라 한다)에 요소수를 촉매로 하여 가수분해된 암모니아를 반응시켜 환경에 무해한 질소로 전환시킨다(탈질반응). 그리고 DOC 유닛(30)과 SCR 유닛(36) 사이의 POC 유닛(34)은 배기가스 중의 PM을 걸러낸다.

DOC 유닛(30)은 벌집 형태의 허니컴 담체에 촉매를 채워 용해성 유기물질 성분을 산화시켜 형성된 디젤산화촉매(DOC; Diesel Oxidation Catalyst, 300)와 이를 둘러싸는 케이싱(302)으로 구성될 수 있으며, SCR 유닛(36)은 몰리브덴 등의 특수물질로 코팅된 선택환원촉매(Selective Catalytic Reduction, 미도시)와 이를 둘러싸는 케이싱(부호 생략)을 포함한다.

POC 유닛(34)은 소정의 벽두께를 갖는 세라믹 막과 최외곽 세라믹 막에 상하 교대로 형성되는 세라믹 플러그로 구성된 부분산화촉매(340, 이하 'POC'라 한다.)와 이를 둘러싸는 원통형 수용체(342)를 포함하며, 상기 환원제 투입 유닛(32)은 상기 POC 유닛(34)의 전단을 향하여 유동하는 배기가스에 요소수를 분사하는 분사노즐(33)을 갖추고 있다.

환원제 투입 유닛(32)의 상기 분사노즐(33)을 통해 배기가스 유량에 대응해 적정량의 요소수가 배기가스 중에 분사되며, 배기가스 중에 분사된 상기 요소수와 배기가스가 상기 POC 유닛(34)을 통과하면서 고르게 혼합되고 암모니아로 변환되는 화학반응이 일어난다. 또한 POC 유닛(34)을 통해 배기가스 중의 PM(Particulate Matter)을 걸러내는 작업이 수행된다.

POC 유닛(34)의 상기 원통형 수용체(342)는 상기 POC(340)를 둘러싸고 상기 환원제 투입 유닛(32) 배출단에 직결되며, POC 유닛(34)을 통해 PM이 걸러지고 배기가스 중에 암모니아를 포함하는 혼합가스가 상기 SCR 유닛(36)으로 유입된다. 그리고 SCR 유닛(36)에서 배기가스 중의 NOx가 상기 선택환원촉매의 촉매작용에 의해 암모니아와 반응하여 환경에 무해한 질소로 변환된다.

도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 배기가스 후처리 장치의 POC 유닛을 확대 도시한 사시도이며, 도 3은 도 2에 도시된 POC 유닛의 횡 단면도이다. 그리고 도 4는 도 2에 도시된 POC 유닛의 종 단면도이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, POC 유닛(34)은 소정의 두께를 갖는 복수의 세라믹 막(340a)과 상하 세라믹 막에 교대로 형성되는 세라믹 플러그(340b)로 구성된 POC(340)와, POC(340)를 둘러싸는 일 측이 폐쇄된 원통형 수용체(342)를 포함한다. POC(340)의 배출단에는 격관(346)이 연결되고, POC와 격관(346)을 상기 수용체(342)가 이들 사이에 소정의 공간(유동통로(348))이 형성되도록 둘러싼다.

즉 POC(340)와 상기 격관(346)의 직경은 동일하고, 상기 수용체(342)는 POC(340)보다 큰 직경으로 상기 POC(340)와 동심원 구조를 이룸에 따라, 상기 격관(346) 및 POC(340)의 외연과 상기 수용체(342) 사이에 유동통로(348)가 형성되는 것이며, 상기 격관(346) 반대편의 수용체(342) 둘레면 상부에 반경방향으로 연결 파이프(35)가 접속되고 이를 통해 POC 유닛(34)과 SCR 유닛(36)이 상호 연결된다.

격관(346)의 출구와 마주하도록 상기 수용체(342)의 일단에 엔드커버(343)가 설되며, 상기 엔드커버(343)에 의해 POC(340)를 빠져 나온 혼합가스(배기가스에 요소수가 섞인 상태)의 유동방향이 반전된다. 엔드커버(343)는 외측으로 볼록하게 만곡진 구성일 수 있으며, 따라서 방향전환에 따른 배기가스의 유동저항이 최소화되고 방향전환 과정에서 와류(渦流)가 형성되어 요소수와 배기가스의 혼합성이 현저하게 증가하게 된다.

즉 도 5의 작동 상태도와 같이, POC(340)와 격관(346)을 빠져 나온 배기가스가 상기 엔드커버(343)에 부딪쳐 유동방향이 반전되면서 발생하는 와류(渦流)에 의해 짧은 시간 안에 배기가스와 요소수가 고르게 혼합되며, 상기 유동통로(348)로 인하여 혼합가스의 이동거리와 반응시간이 길게 확보됨으로써, 요소수의 가수분해(SCR 유닛에서 환원제로 사용될 암모니아를 추출하는 작업)가 효율적으로 행해질 수 있는 것이다.

이와 같은 구성의 본 발명의 일 측면에 따르면, 설비 크기를 키우거나 별도의 혼합보조수단을 적용하지 않고도 환원제와 배기가스의 고른 혼합을 도모할 수 있는 시간과 거리를 충분히 확보할 수 있다는 장점이 있으며, 이에 따라 콤팩트 하면서도 만족도 높은 NOx 저감성능을 갖춘 배기가스 후처리 장치를 제공할 수 있게 된다.

다음은 본 발명의 일 측면에 따른 배기가스 후처리 장치를 탑재한 콤바인에 대해 살펴보기로 한다.

도 6은 본 발명의 다른 측면에 따른 콤바인의 일부 구성을 생략 도시한 개략 측면도이며, 도 7은 도 6을 평면에서 바라본 도면이다. 그리고 도 8은 본 발명의 다른 측면에 따른 콤바인을 기체 후방에 바라본 개략도이다. 이들 도면을 참조하여 전술한 일 측면에 따른 배기가스 후처리 장치를 포함하는 콤바인의 구성을 개략적으로 살펴보기로 한다.

도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 측면에 따른 콤바인은, 기체 조작부(7), 곡물탱크(9), 곡물탱크(9)의 옆에 배치되는 탈곡·선별장치(8)를 구비한다. 기체 조작부(7)와 곡물탱크(9) 사이에 기체의 좌우 폭방향을 따르도록 엔진(10)이 횡행 배치되며, 상기 탈곡·선별장치(8)와 곡물탱크(9) 사이에 본 발명의 일 측면에 따른 상기 배기가스 후처리 장치(3)가 배치된다.

배기가스 후처리 장치(3)의 SCR 유닛(36)의 배출단으로부터 배기관(38)이 상기 탈곡·선별장치(8)와 곡물탱크(9) 사이의 공간을 따라 기체 상부로 연장되어 그 배출구가 기체 후미를 향하도록 구성되며, 배기가스 후처리 장치(3)를 구성하는 DOC 유닛(30)의 상류는 상기 엔진(10)의 배기 측(배기매니폴드 또는 터보차져)과 관(31)을 통해 접속된다.

이에 따라, 엔진(10)이 발생시킨 배기가스는 상기 관(31)을 통해 배기가스 후처리 장치(3)에 유입되며, DOC 유닛(30)을 통한 유해물질 산화와, POC 유닛(34)을 통한 PM 제거, 그리고 SCR 유닛(36)을 통한 탈질반응 등 일련의 정화처리를 거쳐 유해물질이 극히 저감된 상태로 배기관(38)을 통해 기체 상부의 대기 중에 방출된다.

배기가스 후처리 장치(3)의 취부에 있어서는 바람직하게, 도 8과 같이 곡물탱크(9)의 하류 측 경사면(90)에 의해 그 하방에 형성되는 여유공간(S)을 활용한다. 즉 탈곡·선별장치(8)와 마주하는 측 곡물탱크(9)의 하부에는 상기 경사면에 의해 여유공간(S)이 형성되며, 이러한 여유공간(S)에 배기가스 후처리 장치(3)의 구성요소 일부가 위치하도록 취부될 수 있다.

여기서 배기가스 후처리 장치(3)를 이루는 상기 구성요소 일부는 직선적으로 연결된 DOC 유닛(30), 환원제 투입 유닛(32), POC 유닛(34)일 수 있으며, 이들 유닛(30)(32)(34)은 상기 여유공간(S)에 기체의 전후 길이방향을 따라 직선상으로 취부될 수 있다.

미설명 부호 14는 기체 프레임이며, 110과 115는 각각 인터쿨러와 오일쿨러를 가리킨다. 그리고 116과 118은 각각 연료를 수용하는 연료탱크와 상기한 배기가스 후처리 장치에 환원제로 공급될 요소수(Urea)를 저장하는 요소수 탱크를 가리킨다.

이와 같은 본 발명의 다른 측면에 따르면, 곡물탱크와 탈곡·선별장치 사이의 여유공간에 Tier 4 수준의 강력한 배기가스 규제를 만족시킬 수 있을 정도의 처리성능을 갖춘 배기가스 후처리 장치를 갖추고 있다는 구조적 장점이 있다. 즉 여유공간을 유효하게 활용하여 배기가스 규제를 만족시킬 수 있을 정도의 처리성능을 갖춘 콤바인을 제공할 수 있다.

이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

3 : 배기가스 후처리 장치 30 : DOC 유닛
32 : 환원제 투입 유닛 33 : 분사노즐
34 : POC 유닛 36 : SCR 유닛
340 : POC 342 : 수용체
343 : 엔드커버 346 : 격관
348 : 유동통로
7 : 기체 조작부 8 : 탈곡·선별장치
9 : 곡물탱크 10 : 엔진
14 : 기체 프레임

Claims (8)

1. 요소수를 배기가스 중에 분사하는 분사노즐을 갖춘 환원제 투입 유닛과;
   배기가스 중에 분사된 상기 요소수와 배기가스를 혼합시켜 암모니아를 추출하는 화학반응이 일어나는 POC(Partial Oxidation Catalyst) 유닛과;
   상기 POC 유닛에서 유입되는 혼합가스에 포함된 질소산화물이 촉매와의 탈질반응을 통해 질소로 변환되는 화학반응이 일어나는 SCR(Selective Catalytic Reduction) 유닛;을 포함하며,
   상기 환원제 투입 유닛 하류 측에 POC 유닛이 직선상으로 배치되고, 상기 SCR 유닛이 상기 POC 유닛 하류 측에 수직으로 배치된 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 POC 유닛은,
   배기가스 중의 PM을 걸러내는 POC(Partial Oxidation Catalyst)와;
   상기 POC를 둘러싸는 원통형의 수용체와;
   수용체 일단에 설치되는 엔드커버;를 포함하며,
   상기 POC의 배출단에 격관이 설치되고, 격관 및 POC의 외연과 상기 수용체 사이에 유동통로가 형성된 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 장치.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 엔드커버는 외측으로 볼록하게 만곡진 구성을 이루는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 장치.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 수용체와 SCR 유닛이 상기 격관 반대편의 수용체 둘레면 상부에 접속되는 연결 파이프를 통해 연결되고,
   상기 연결 파이프는 상기 격관 및 POC의 외연과 수용체 사이의 상기 유동통로와 통하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 장치.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 환원제 투입 유닛 상류에 배치되어 배기가스에 포함된 유해물질을 산화시켜 제거하는 DOC 유닛;을 더 포함하는 배기가스 후처리 장치.
   
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 하나의 항에 기재된 배기가스 후처리 장치;를 포함하는 콤바인.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   콤바인의 기체 조작부와 곡물탱크 사이에 엔진이 기체의 좌우 폭방향을 따르도록 횡행 배치되고,
   기체 일측의 탈곡·선별장치와 대향부 타측의 곡물탱크 사이에 상기 배기가스 후처리 장치가 구비되며,
   상기 배기가스 후처리 장치의 SCR 유닛 배출단에서 상향 연장된 배기관이 상기 탈곡·선별장치와 곡물탱크 사이를 따라 기체 상부로 연장된 것을 특징으로 하는 콤바인.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 곡물탱크 하류 측 경사면 하방의 여유공간(S)에 배기가스 후처리 장치의 구성요소 일부가 기체 전후 길이방향을 따라 직선상으로 취부되고, 탈곡·선별장치와 곡물탱크 사이에 나머지 일부가 기체의 상하 높이방향을 따르도록 세로로 취부된 것을 특징으로 하는 콤바인.

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