KR20210026141A - 배기가스 후처리 장치 - Google Patents

Abstract

배기가스 후처리 장치가 개시된다. 개시된 본 발명의 예시적인 일 실시 예에 따른 배기가스 후처리 장치는 ⅰ)단열층을 형성하고, 격판을 통해 내부 공간을 일측 공간부와 타측 공간부로 구획하며, 엔진의 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기가스를 일측 공간부로 유입하는 단열 하우징과, ⅱ)배기 스트림 라인을 따라 일측 공간부에 배치되는 산화 촉매(DOC) 및 매연 필터(DPF), 타측 공간부에 배치되는 선택적 환원 촉매(SCR)를 포함하는 복수의 후처리 컴포넌트들을 포함할 수 있다.

Description

배기가스 후처리 장치 {EXHAUST GAS AFTERTREATEMENT APPARATUS}

본 발명의 실시 예는 차량용 배기가스 정화 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 디젤 차량의 엔진에서 배출되는 배기가스 중의 유해물질을 효율적으로 정화하기 위한 배기가스 후처리 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 내연기관은 연료 연소의 생산물로서 배기가스를 발생하고, 배기가스는 미연소 연료, 슈트와 같은 입자성 물질, 일산화탄소 또는 질소산화물과 같은 유해가스를 포함한다. 배기가스의 에미션(emission) 규제를 맞추기 위하여 배기가스가 대기로 배출되기 전에 정화될 필요가 있다.

내연기관은 배기가스 내의 유해가스, 입자상 물질 등을 제거하거나 감소시키기 위한 배기가스 후처리 시스템을 포함한다. 배기가스 후처리 시스템은 DOC(Diesel Oxidation Catalyst) 등과 같은 산화촉매, DPF(Diesel Particulate Filter) 또는 CDPF(Catalyed Diesel Particulate Filter) 등과 같은 매연필터, SCR(Selective Catalytic Reduction) 등과 같은 하나 이상의 후처리 컴포넌트(after-treatment component)를 가진다.

산화촉매는 배기가스 내의 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 입자상 물질(PM) 중 용해성 유기물질(SOF)을 산화시켜 인체에 무해한 이산화탄소(CO₂)와 물(H₂0)로 정화시키도록 구성된다. DOC의 표면에는 귀금속(Pt, Pd, Rh) 혼합물이 균일한 두께로 도포되고, 담체는 주로 코디어라이트로 이루어지며, 담체의 단면은 ㎠당 60여개 이상의 미세한 구멍을 가진다.

매연필터는 배기가스 중 PM(입자상물질)을 물리적으로 포집하고 연소시켜 제거하도록 구성될 수 있고, 포집된 PM을 이산화질소(NO₂)와의 산화반응으로 저감시키며, PM 외에도 배기가스에 존재하는 엔진 마모 조각, 엔진 오일 내 금속성분 등의 고체성분을 걸러주는 역할을 한다. 매연필터는 포집된 PM을 태워서 필터가 다시 PM을 포집할 수 있도록 하는 재생과정을 실행하도록 구성된다. 매연필터의 재생방식은 전기 히터방식, 버너 재생방식, 연료 첨가제방식, 촉매 코팅방식, 고전압 플라즈마 방식 등이 있다.

SCR은 배기가스 중 NOx의 제거를 위해 요소(urea)를 환원제로 이용하여 무해한 N₂ 및 H₂O로 변환하는 SCR 촉매와, 환원제를 수용하는 환원제 탱크와, 환원제 탱크로부터 환원제를 SCR 촉매의 상류 측으로 주입하는 도징유닛(dosing unit)을 가진다.

한편, 산화촉매, 매연필터, SCR 등과 같은 각 후처리 컴포넌트의 주변 온도를 일정온도로 유지하기 위하여 각 후처리 컴포넌트의 외면에 단열재가 개별적으로 장착된다.

하지만, 겨울철 등과 같이 차량의 외부 대기온도가 낮아지는 경우에는 각 후처리 컴포넌트의 주변 온도가 낮아짐에 따라 각 후처리 컴포넌트의 촉매 활성화 온도가 낮아질 수 있고, 이로 인해 각 후처리 컴포넌트의 정화효율이 저하될 수 있다.

이에, 종래 기술에서는 전기히터, 버너 등과 같은 히팅유닛을 적용하거나 연료를 추가적으로 연소시킴으로써 각 후처리 컴포넌트의 주변 온도를 승온시키는 구조가 적용되고 있지만, 히팅유닛에만 의존하여 주변 온도를 승온시키는데 소비되는 전기에너지 또는 추가적인 연료의 연소 등으로 인해 차량의 연비가 나빠지는 단점이 있었다.

이와 같이, 배기가스 후처리 시스템은 차량의 외부 대기온도에 따른 영향을 많이 받아 각 후처리 컴포넌트의 정화효율이 낮아질 수 있고, 또한 PEMS(Portable Emissions Measurement Systems)가 적용되는 EURO 6D 규제에 대해 적절히 대응하지 못할 수도 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래 기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 배기가스 내의 유해가스, 입자상 물질 등을 제거하거나 감소시키기 위한 후처리 컴포넌트들의 주변 온도를 배기가스의 열원으로서 일정하게 유지할 수 있도록 한 배기가스 후처리 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리 장치는, ⅰ)단열층을 형성하고, 격판을 통해 내부 공간을 일측 공간부와 타측 공간부로 구획하며, 엔진의 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기가스를 상기 일측 공간부로 유입하는 단열 하우징과, ⅱ)배기 스트림 라인을 따라 상기 일측 공간부에 배치되는 산화 촉매(DOC) 및 매연 필터(DPF), 상기 타측 공간부에 배치되는 선택적 환원 촉매(SCR)를 포함하는 복수의 후처리 컴포넌트들을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리 장치에 있어서, 상기 단열 하우징은 상기 배기 매니폴드와 상기 일측 공간부를 연결하는 배기가스 유입부와, 상기 타측 공간부와 외부를 연결하는 배기가스 배출부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리 장치에 있어서, 상기 단열 하우징은 상기 매연 필터 측에 상기 배기가스 유입부를 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리 장치에 있어서, 상기 산화 촉매는 배기 스트림 라인의 최 상류 측에서 상기 매연 필터의 전단과 연결되는 인너 촉매와, 상기 인너 촉매의 외측에 배치되는 아웃터 촉매를 가진 이중관 형태로 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리 장치에 있어서, 상기 산화 촉매는 상기 인너 촉매 및 상기 아웃터 촉매의 내부를 흐르는 배기가스의 유동 방향이 서로 반대인 것으로 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리 장치는, 상기 배기가스 유입부를 통해 상기 일측 공간부로 유입된 배기가스가 상기 매연 필터 측에서 상기 아웃터 촉매의 내부를 지나 상기 인너 촉매의 내부를 통과하며 상기 매연 필터의 내부로 유동될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리 장치에 있어서, 상기 단열 하우징은 상기 배기가스 유입부를 통해 상기 일측 공간부로 유입된 배기가스를 상기 아웃터 촉매로 유도하는 제1 배기가스 유도부를 상기 매연 필터 측의 내면에 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리 장치에 있어서, 상기 제1 배기가스 유도부는 상기 매연 필터 측에서 상기 아웃터 촉매 측으로 갈수록 간격이 점차 좁아지는 나선 형의 제1 배기가스 가이드를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리 장치에 있어서, 상기 단열 하우징은 상기 아웃터 촉매의 내부를 흐르는 배기가스를 상기 인너 촉매로 유도하는 제2 배기가스 유도부를 상기 인너 촉매의 전단 측 내면에 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리 장치에 있어서, 상기 제2 배기가스 유도부는 상기 단열 하우징의 내면 측에서 상기 인너 촉매의 유입 단 측으로 갈수록 직경이 점차 작아지는 돌기 형태의 제2 배기가스 가이드를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리 장치에 있어서, 상기 격판은 상기 매연 필터와 선택적 환원 촉매를 연결하는 배기 파이프가 관통되는 관통 홀과, 상기 단열 하우징의 바닥 측에서 상기 일측 공간부와 타측 공간부를 연결하는 연결 홀을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리 장치에 있어서, 상기 단열 하우징은 상기 타측 공간부의 바닥에 드레인 홀을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리 장치에 있어서, 상기 드레인 홀에는 액체의 배출은 허용하면서 기체의 배출을 차단하는 멤브레인이 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리 장치에 있어서, 상기 단열 하우징은 상기 타측 공간부와 연결되는 공기 주입부를 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리 장치에 있어서, 상기 공기 주입부는 외부 공기를 상기 타측 공간부로 도입하기 위한 에어 펌프와 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리 장치에 있어서, 상기 단열 하우징은 배기 스트림 라인을 따라 하향 경사지게 배치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리 장치는, 상기 단열 하우징의 내면에 설치되며, 상기 산화 촉매, 매연 필터 및 선택적 환원 촉매에 열 에너지를 인가하는 히팅부재를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리 장치에 있어서, 상기 배기가스 배출부에는 배출 유로를 선택적으로 개폐하는 배출밸브가 설치될 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 겨울철 등 주변환경 온도가 저하되더라도 엔진에서 배출되는 고온의 배기가스 열원을 단열 하우징을 통해 후처리 컴포넌트들에 제공함으로써, 외부 대기온도의 영향을 받지 않으면서 후처리 컴포넌트들의 정화효율을 향상시킬 수 있고, 차량의 연비를 더욱 향상시킬 수 있다.

그 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리 장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리 장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 따른 배기가스 후처리 장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 따른 배기가스 후처리 장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리 장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리 장치(100)는 디젤 차량의 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 정화하기 위한 배기가스 정화 시스템에 적용될 수 있다.

상기 배기가스 정화 시스템은 엔진의 배기 매니폴드(1)와 연결되는 배기 계통에 구성되는 바, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 배기가스 후처리 장치(100)는 배기 계통에서 차체에 상하 방향으로 장착될 수 있다.

이하에서는 본 장치(100)의 장착 위치를 기준으로 할 때, 상측을 향하는 부분을 상부, 상단, 상면 및 상단부로 정의하며, 하측을 향하는 부분을 하부, 하단, 하면 및 하단부로 정의하기로 한다.

나아가, 이하에서는 전방에서 후방 측으로 배기가스가 흐르는 배기 스트림 라인 즉, 배기가스가 상류 측에서 하류 측으로 흐르는 방향을 기준으로 본 장치(100)의 구성 요소들을 설명한다.

그러나, 상기와 같은 방향의 정의는 상대적인 의미로서 본 장치(100)의 기준 위치 등에 따라서 그 방향이 달라질 수 있으므로, 상기한 기준 방향이 본 발명의 기준 방향으로 반드시 한정되는 것은 아니다.

더 나아가, 하기에서의 "단(한쪽/일측 단 또는 다른 한쪽/일측 단)"은 어느 한쪽의 끝으로 정의될 수 있고, 그 끝을 포함하는 일정 부분(한쪽/일측 단부 또는 다른 한쪽/일측 단부)으로 정의될 수도 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 상기 배기가스 후처리 장치(100)는 배기가스 내의 유해가스, 입자상 물질 등을 제거하거나 감소시키기 위한 후처리 컴포넌트들의 주변 온도를 배기가스의 열원으로서 일정하게 유지할 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위해 본 발명의 실시 예에 따른 상기 배기가스 후처리 장치(100)는 기본적으로, 단열 하우징(10)과, 복수의 후처리 컴포넌트(51, 52, 53)들을 포함하며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 단열 하우징(10)은 이하에서 더욱 설명될 각종 구성 요소들을 지지하기 위한 것으로서, 차체에 장착된다. 이러한 단열 하우징(10)은 하나의 하우징으로 구성될 수 있고, 구성 부품들의 점검 등 보수 유지를 원활히 하기 위해 서로 연결된 둘 이상의 하우징으로 구성될 수도 있다.

더 나아가, 상기 단열 하우징(10)은 각종 구성 요소들을 지지하기 위한 브라켓, 로드, 플레이트, 블록, 리브, 칼라 등과 같은 각종 부속 요소들을 포함할 수도 있다.

그러나, 상기한 부속 요소들은 이하에서 더욱 설명될 각각의 구성 요소들을 단열 하우징(10)에 설치하기 위한 것이므로, 본 발명의 실시 예에서는 예외적인 경우를 제외하고 상기한 부속 요소들을 단열 하우징(10)으로 통칭한다.

구체적으로, 상기 단열 하우징(10)은 설정된 길이를 가지며 그 길이 방향 측 양단이 폐쇄된 단열 캡슐 타입으로 구비되고, 배기 계통에서 배기 스트림 라인을 따라 배치된다. 상기 단열 하우징(10)은 하우징 본체(11)와, 그 하우징 본체(11)에 구비되는 단열층(13)을 포함하고 있다.

상기 하우징 본체(11)는 예를 들면, 내열성 금속, 내열성 합성수지 등과 같이 배기가스의 고온을 충분히 견딜 수 있는 내열성 재질로 이루어질 수 있다. 대안으로서, 상기 하우징 본체(11)는 그 자체가 단열성 금속 등과 같은 단열성 재질로 이루어질 수도 있다.

그리고, 상기 단열층(13)은 하우징 본체(11) 내부의 열이 외부로 방출되는 것을 감소시키거나 차단하기 위한 것으로서, 하우징 본체(11)의 외면에 코팅되거나 부착될 수 있다. 예를 들면, 상기 단열층(13)은 비석면 재질의 단열재, 단열 테이프, 단열 섬유를 포함할 수 있다. 대안으로서, 상기 단열층(13)은 하우징 본체(11)의 내면에 구비될 수도 있다.

상기한 바와 같은 단열 하우징(10)은 격판(15)을 통하여 하우징 본체(11)의 내부 공간을 일측 공간부(17)와 타측 공간부(19)로 구획 형성하고 있다. 상기 격판(15)은 구성 부품들의 점검 등 보수 유지를 원활하게 하기 위해 하우징 본체(11)에 착탈 가능하게 구비될 수 있다. 그리고, 상기 격판(15)은 일측 공간부(17)와 타측 공간부(19) 간의 온도차이를 유지하는 기능도 하게 된다.

상기 단열 하우징(10)은 엔진의 배기 매니폴드(1)를 통해 배출되는 배기가스를 일측 공간부(17)로 유입하며, 타측 공간부(19)에서 배기가스를 외부로 배출할 수 있다.

이를 위해 상기 단열 하우징(10)은 배기 매니폴드(1)와 일측 공간부(17)를 연결하는 배기가스 유입부(21)와, 타측 공간부(19)와 외부를 연결하는 배기가스 배출부(23)를 포함하고 있다.

상기 배기가스 유입부(21)와 배기가스 배출부(23)는 단열 하우징(10)의 상면 측에 형성된다. 여기서, 상기 배기가스 유입부(21)는 배기 파이프(P1)를 통해 배기 매니폴드(1)와 연결된다.

이와 같은 단열 하우징(10)의 더욱 구체적인 구성은 뒤에서 더욱 자세하게 설명될 것이다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 후처리 컴포넌트(51, 52, 53)들은 배기 매니폴드(1)를 통해 엔진으로부터 배출되는 배기가스 내의 미 연소 연료, 슈트와 같은 입자성 물질, 일산화탄소 또는 질소산화물과 같은 유해가스 등을 처리하기 위한 것이다.

상기 후처리 컴포넌트(51, 52, 53)들은 배기 스트림 라인을 따라 일측 공간부(17)에 배치되는 산화 촉매(DOC: Diesel Oxidation Catalyst)(51) 및 매연 필터(DPF: Diesel Particulate Filter)(52), 타측 공간부(19)에 배치되는 선택적 환원 촉매(SCR: Selective Catalytic Reduction)(53)를 포함한다.

상기 산화 촉매(51)와 매연 필터(52)는 일 예로서 도면에 도시된 바와 같이, 일체형으로 결합된 구조로 이루어지는데, 대안으로는 배기 파이프를 통하여 서로 연결될 수도 있다.

상기 선택적 환원 촉매(53)는 격판(15)을 관통하는 배기 파이프(P2)를 통해 매연 필터(52)와 연결될 수 있다. 이에 상기 격판(15)은 배기 파이프(P2)가 관통하는 관통 홀(16a)을 형성하고 있다.

여기서, 상기 산화 촉매(51)는 배기가스 내의 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 입자상 물질(PM) 중 용해성 유기물질(SOF)을 산화시켜 인체에 무해한 이산화탄소(CO₂)와 물(H₂0)로 정화할 수 있다.

상기 매연 필터(52)는 배기가스 중 PM(입자상 물질)을 물리적으로 포집하고 연소시켜 제거하는 것으로서, 포집된 PM을 이산화질소(NO₂)와의 산화반응으로 저감시키며, PM 외에도 배기가스에 존재하는 엔진 마모 조각, 엔진 오일 내 금속성분 등의 고체 성분을 걸러주는 역할을 한다. 더 나아가, 상기 매연 필터(52)는 포집된 PM을 태워서 필터가 다시 PM을 포집할 수 있도록 하는 재생과정을 실행하도록 구성될 수 있다.

그리고, 상기 선택적 환원 촉매(53)는 배기가스 중 NOx의 제거를 위해 요소수(urea)를 환원제로 이용하여 무해한 N₂ 및 H₂O로 변환하며, 배기가스를 타측 공간부(19)로 배출할 수 있다. 상기 선택적 환원 촉매(53)에서 타측 공간부(19)로 배출된 배기가스는 배기가스 배출부(23)를 통해 외부로 배출될 수 있다.

이러한 선택적 환원 촉매(53)의 상류 측 배기 파이프(P2)에는 도징유닛(55)이 연결되게 설치되는 바, 그 도징유닛(55)은 환원제 탱크에 저장된 환원제를 배기 파이프(P2)로 분사한다. 여기서, 상기 도징유닛(55)은 배기가스의 스트림 방향으로 환원제를 분사하는 인젝터를 포함할 수 있다.

한편, 상기 단열 하우징(10)에서 배기가스 유입부(21)는 매연 필터(52) 측에 형성되며, 배기 매니폴드(1)와 일측 공간부(17)를 연결한다.

더 나아가, 상기에서 산화 촉매(51)는 배기 스트림 라인의 최 상류 측에서 매연 필터(52)의 전단과 연결되는 인너 촉매(51a)와, 그 인너 촉매(51a)의 외측에 배치되는 아웃터 촉매(51b)를 가진 이중관 형태로 구비된다.

예를 들면, 상기 인너 촉매(51a) 및 아웃터 촉매(51b)는 배기가스가 유동하는 다수의 통로들을 지닌 허니콤 타입의 담체를 포함하며, 그 통로의 내측 면에 산화 촉매 물질이 코팅된 구조로 이루어진다. 상기 인너 촉매(51a)의 통로는 매연 필터(52)의 내부와 연결되며, 아웃터 촉매(51b)의 통로는 일측 공간부(17)와 연결된다.

여기서, 상기 인너 촉매(51a) 및 아웃터 촉매(51b)의 내부 통로를 흐르는 배기가스의 유동 방향은 서로 반대이다. 즉, 상기 배기가스 유입부(21)를 통해 일측 공간부(17)로 유입된 배기가스는 매연 필터(52) 측에서 아웃터 촉매(51b)의 내부 통로를 지나 인너 촉매(51a)의 내부 통로를 통과하면서 매연 필터(52)의 내부로 유입될 수 있다.

다른 한편, 본 발명의 실시 예에서 상기 단열 하우징(10)은 배기가스 유입부(21)를 통해 일측 공간부(17)로 유입된 배기가스를 아웃터 촉매(51b)로 유도하기 위한 제1 배기가스 유도부(25)를 포함하고 있다.

상기 제1 배기가스 유도부(25)는 매연 필터(52) 측의 내면에 형성되는 바, 그 매연 필터(52) 측에서 아웃터 촉매(51b) 측으로 갈수록 간격(피치)이 점차 좁아지는 나선 형의 제1 배기가스 가이드(27)를 포함한다.

상기 제1 배기가스 가이드(27)는 배기가스 유입부(21)를 통해 일측 공간부(17)로 유입된 배기가스를 아웃터 촉매(51b)로 유도하면서 그 배기가스 중의 수분을 원심 분리할 수 있다. 상기 제1 배기가스 가이드(27)는 하우징 본체(11)의 내면에 나선형 돌기로서 형성되거나 그 내면에 구비된 별도의 관로(도면에 도시되지 않음) 내면에 나선형 돌기로서 형성될 수도 있다.

또한, 상기 단열 하우징(10)은 아웃터 촉매(51b)의 내부 통로를 흐르는 배기가스를 인너 촉매(51a)의 전단 측으로 유도하기 위한 제2 배기가스 유도부(31)를 더 포함하고 있다.

상기 제2 배기가스 유도부(31)는 하우징 본체(11)의 내면에서 인너 촉매(51a)의 전단 측에 형성되는 바, 그 인너 촉매(51a)의 전단에 대응하는 내면 측에서 인너 촉매(51a)의 유입 단 측으로 갈수록 직경이 점차 작아지는 돌기 형태의 제2 배기가스 가이드(33)를 포함한다.

또 다른 한편, 본 발명의 실시 예에서 상기 단열 하우징(10)은 일측 공간부에서 배기가스 중의 수분이 응축된 응축수를 타측 공간부(19)로 유동시키며, 그 타측 공간부(19)에서 배기가스 중의 수분이 응축된 응축수를 외부로 배출하기 위한 물 유동수단을 더 포함하고 있다.

상기 물 유동수단은 격판(15)의 하단에 형성되는 연결 홀(41)을 포함하고 있다. 상기 연결 홀(41)은 단열 하우징(10)의 바닥 측에서 일측 공간부(17)와 타측 공간부(19)를 상호 연결한다.

또한, 상기 물 유동수단으로서 단열 하우징(10)은 응축수를 외부로 배출하기 위한 드레인 홀(43)을 타측 공간부(19)의 바닥에 형성하고 있다. 상기 드레인 홀(43)에는 액체(응축수)의 배출은 허용하면서 기체(배기가스)의 배출을 차단하는 페브릭 재질의 멤브레인(45)이 설치된다.

즉, 상기 단열 하우징(10)의 일측 공간부(17) 및 타측 공간부(19)에 채워진 배기가스는 단열 하우징(10)의 내부 및 외부 온도차이로 인해 응축수가 생성될 수 있고, 그 응축수는 멤브레인(45)에 의해 분리된 상태로 드레인 홀(43)을 통해 외부로 배출될 수 있다.

나아가, 상기 단열 하우징(10)에서 배기가스 배출부(23)에는 배출 유로를 선택적으로 개폐하는 배출밸브(47)가 설치된다. 예를 들면, 상기 배출 밸브(47)는 버터 플라이 밸브를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 배출 밸브(47)는 단열 하우징(10)의 내부압력이 설정된 압력 이상으로 상승하면 배기가스 배출부(23)의 배출 유로를 개방하고, 단열 하우징(10)의 내부압력이 설정된 압력 이하인 경우에는 배기가스 배출부(23)의 배출 유로를 폐쇄할 수 있다. 이에 상기 단열 하우징(10)의 내부는 설정된 압력을 유지할 수 있다.

더 나아가, 상기 단열 하우징(10)은 타측 공간부(19)와 연결되는 공기 주입부(49)를 형성하고 있다. 상기 공기 주입부(49)는 타측 공간부(19)에서의 온도가 설정된 온도 이상으로 상승하는 경우, 외부 공기를 타측 공간부(19)로 유입시킬 수 있다. 이와 같은 상기 공기 주입부(49)는 외부 공기를 타측 공간부(19)로 도입하기 위한 공지 기술의 에어 펌프(49a)와 연결된다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리 장치(100)의 작동 및 작용 효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리 장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 우선 본 발명의 실시 예에서는 엔진의 배기 매니폴드(1)에서 배출되는 고온의 배기가스를 배기 파이프(P1) 및 배기가스 유입부(21)를 통하여 단열 하우징(10)의 일측 공간부(17)로 유입한다. 여기서, 배기가스는 매연 필터(52) 측에서의 배기가스 유입부(21)를 통해 단열 하우징(10)의 일측 공간부(17)로 유입된다.

본 발명의 실시 예에서는 상기와 같이 배기가스 유입부(21)를 통해 일측 공간부(17)로 유입되는 배기가스를 제1 배기가스 유도부(25)의 제1 배기가스 가이드(27)를 통해 산화 촉매(51)의 아웃터 촉매(51b) 내부 통로로 유도하면서 배기가스 중의 수분을 원심 분리한다.

그 후, 본 발명의 실시 예에서는 배기가스를 아웃터 촉매(51b)의 내부 통로로 유입시키며 그 내부 통로를 통과한 배기가스를 제2 배기가스 유도부(31)의 제2 배기가스 가이드(33)를 통해 산화 촉매(51)의 인너 촉매(51a) 내부 통로로 유도하면서 배기가스 중의 수분을 분리한다.

다음으로, 본 발명의 실시 예에서는 배기가스를 인너 촉매(51a)의 내부 통로로 유입시키며 그 내부 통로를 통과한 배기가스를 매연 필터(52)의 내부로 유입한다.

이 과정에 배기가스는 인너 촉매(51a) 및 아웃터 촉매(51b)의 내부 통로를 서로 반대방향으로 흐르는 바, 상기 산화 촉매(51)의 인너 촉매(51a) 및 아웃터 촉매(51b)에서는 배기가스 내의 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 입자상 물질(PM) 중 용해성 유기물질(SOF)을 산화시켜 인체에 무해한 이산화탄소(CO₂)와 물(H₂0)로 정화한다.

또한, 상기 매연 필터(52)에서는 산화 촉매(51)를 거친 배기가스 중의 PM(입자상 물질)을 물리적으로 포집하고 연소시키는데, 그 포집된 PM을 이산화질소(NO₂)와의 산화반응으로 저감시키며, PM 외에도 배기가스에 존재하는 엔진마모조각, 엔진 오일 내 금속성분 등의 고체성분을 걸러준다.

이러는 과정에 상기 단열 하우징(10)의 일측 공간부(17)에서는 내부 및 외부의 온도 차이로 인해 배기가스 중의 수분이 응축된 응축수가 생성되는데, 그 응축수는 격판(15)의 연결 홀(41)을 통해 타측 공간부(19)로 유동된다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 고온의 배기가스를 단열 하우징(10)의 일측 공간부(17)에 유입함으로 산화 촉매(51) 및 매연 필터(52)를 차량의 외부 대기온도 보다 100℃ 이상으로 승온시킬 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 실시 예에서는 산화 촉매(51) 및 매연 필터(52)의 주변온도를 배기가스를 통해 설정된 온도(대략 450~550℃)로 유지시킬 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시 예에서는 단열 하우징(10)에 채워지는 배기가스를 통하여 산화 촉매(51) 및 매연 필터(52)를 효과적으로 보온(가열) 내지 단열할 수 있고, 이를 통해 각 산화 촉매(51) 및 매연 필터(52)의 정화효율을 향상시킬 수 있다.

나아가, 본 발명의 실시 예에서는 단열 하우징(10)의 일측 공간부(17)에서 배기가스를 산화 촉매(51)의 아웃터 촉매(51b)로 유동시키며, 그 유동 방향과 반대방향으로 인너 촉매(51a)로 유동시킴에 따라, 전체 산화 촉매(51)의 길이를 축소할 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시 예에서는 일측 공간부(17)에서의 단열을 통해 배기가스 및 대기와의 접촉으로 인한 수분 증가를 막고, 이로 인해 매연 필터(52)에서의 수트(soot) 건조 도를 높임에 따라 그 매연 필터(52)로부터 수트를 원활하고 신속하게 제거할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에서는 상기 매연 필터(52)를 거친 배기가스를 배기 파이프(P2)를 통하여 타측 공간부(19)의 선택적 환원 촉매(53)로 유동시킨다. 이 과정에 본 발명의 실시 예에서는 도징유닛(55)을 통하여 배기 파이프(P2)에 요소수(urea)로서의 환원제를 배기가스의 스트림 방향으로 분사한다.

그러면, 상기 선택적 환원 촉매(53)에서는 배기가스 중 NOx를 환원제를 통해 무해한 N₂ 및 H₂O로 변환하고, 그 배기가스를 타측 공간부(19)로 배출한다. 이 후, 배기가스는 타측 공간부(19)에 채워지며 배기가스 배출부(23)를 통해 외부로 배출된다.

여기서, 본 발명의 실시 예에서는 단열 하우징(10)의 내부압력이 설정된 압력 이상으로 상승하면 배출 밸브(47)를 통해 배기가스 배출부(23)의 배출 유로를 개방하고, 단열 하우징(10)의 내부압력이 설정된 압력 이하인 경우에는 배출 밸브(47)를 통해 배기가스 배출부(23)의 배출 유로를 폐쇄한다. 이에, 본 발명의 실시 예에서는 단열 하우징(10)의 내부 압력을 설정된 압력으로 유지하여 배기 정화효율을 극대화시킬 수 있다.

이러는 과정에, 상기 단열 하우징(10)의 타측 공간부(19)에서는 내부 및 외부의 온도 차이로 인해 배기가스 중의 수분이 응축된 응축수가 생성되는데, 그 응축수는 단열 하우징(10)의 바닥을 통해 드레인 홀(43)로 유입된다.

이에, 본 발명의 실시 예에서는 멤브레인(45)을 통해 응축수를 분리하고 그 응축수를 드레인 홀(43)을 통해 외부로 배출한다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 선택적 환원 촉매(53)로부터 배출되는 고온의 배기가스를 단열 하우징(10)의 타측 공간부(17)에 유입함으로 그 선택적 환원 촉매(53)를 차량의 외부 대기온도 보다 100℃ 이상으로 승온시킬 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 실시 예에서는 선택적 환원 촉매(53)의 주변온도를 배기가스를 통해 설정된 온도(대략 180~250℃)로 유지시킬 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시 예에서는 단열 하우징(10)에 채워지는 배기가스를 통하여 선택적 환원 촉매(53)를 효과적으로 보온(가열) 내지 단열할 수 있고, 이를 통해 선택적 환원 촉매(53)의 정화효율을 향상시킬 수 있다.

다른 한편, 본 발명의 실시 예에서는 타측 공간부(19)에서의 온도가 설정된 온도 이상으로 상승하는 경우, 에어 펌프(49a)를 구동시키며, 외부 공기를 공기 주입부(49)를 통해 타측 공간부(19)로 유입시킨다.

이에, 본 발명의 실시 예에서는 단열 하우징(10)의 각 일측 공간부(17) 및 타측 공간부(19) 내부의 온도를 설정된 온도로 유지시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 따른 배기가스 후처리 장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다. 이하에서는 전기 실시 예와 동일한 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략하며, 동일한 도면 참조부호를 부여하기로 한다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배기가스 후처리 장치(100)는 차체에 대하여 단열 하우징(10)을 배기 스트림 라인(전후 방향)을 따라 하향 경사지게 배치하고 있다.

따라서, 본 발명의 다른 실시 예에서는 일측 공간부(17)에서 발생된 응축수를 격판(15)의 연결 홀(41)을 통해 타측 공간부(19)로 유동시키며, 그 타측 공간부(19)에서 드레인 홀(43)을 통해 용이하게 배출할 수 있다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 따른 배기가스 후처리 장치를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다. 이하에서는 전기 실시 예들과 동일한 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략하며, 동일한 도면 참조부호를 부여하기로 한다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배기가스 후처리 장치(100)는 단열 하우징(10)의 내면에 설치되며, 산화 촉매(51), 매연 필터(52) 및 선택적 환원 촉매(53)에 열 에너지를 인가하는 히팅부재(71)를 더 포함할 수 있다.

상기 히팅부재(71)는 일측 공간부(17) 및 타측 공간부(19)에서 전기 에너지를 인가받아 열을 발생시키며, 그 열을 산화 촉매(51), 매연 필터(52) 및 선택적 환원 촉매(53)에 인가할 수 있다.

예를 들면, 상기 히팅부재(71)는 일측 공간부(17) 및 타측 공간부(19)에서의 내면에 설치되는 히터 봉, 히팅 코일 또는 히팅 카트리지를 포함할 수 있다.

따라서, 본 발명의 또 다른 실시 예에서는 상기 히팅부재(71)를 통해 산화 촉매(51), 매연 필터(52) 및 선택적 환원 촉매(53)에 열 에너지를 인가함으로써, 후처리 컴포넌트에 대한 신속하고 효율적인 촉매 활성화를 도모할 수 있다.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 예들에 따른 배기가스 후처리 장치(100)에 의하면, 겨울철 등 주변환경 온도가 저하되더라도 엔진에서 배출되는 고온의 배기가스 열원을 단열 하우징(10)을 통해 후처리 컴포넌트(51, 52, 53)들에 제공함으로써, 후처리 컴포넌트(51, 52, 53)들에 대한 단열성 내지 보온성 등을 대폭 개선할 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시 예에서는 외부 대기온도의 영향을 받지 않으면서 후처리 컴포넌트(51, 52, 53)들의 주변온도를 안정적으로 유지함으로써 후처리 컴포넌트(51, 52, 53)들의 정화효율을 향상시킬 수 있고, 차량의 연비를 더욱 향상시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시 예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당 업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.

1: 배기 매니폴드 10: 단열 하우징
11: 하우징 본체 13: 단열층
15: 격판 16a: 관통 홀
17: 일측 공간부 19: 타측 공간부
21: 배기가스 유입부 23: 배기가스 배출부
25: 제1 배기가스 유도부 27: 제1 배기가스 가이드
31: 제2 배기가스 유도부 33: 제2 배기가스 가이드
41: 연결 홀 43: 드레인 홀
45: 멤브레인 47: 배출 밸브
49: 공기 주입부 49a: 에어 펌프
51: 산화 촉매 51a: 인너 촉매
51b: 아웃터 촉매 52: 매연 필터
53: 선택적 환원 촉매 55: 도징유닛
71: 히팅부재 P1, P2: 배기 파이프
100: 배기가스 후처리 장치

Claims (15)

1. 단열층을 형성하고, 격판을 통해 내부 공간을 일측 공간부와 타측 공간부로 구획하며, 엔진의 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기가스를 상기 일측 공간부로 유입하는 단열 하우징; 및
   배기 스트림 라인을 따라 상기 일측 공간부에 배치되는 산화 촉매(DOC) 및 매연 필터(DPF), 상기 타측 공간부에 배치되는 선택적 환원 촉매(SCR)를 포함하는 복수의 후처리 컴포넌트들;
   을 포함하는 배기가스 후처리 장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 단열 하우징은,
   상기 배기 매니폴드와 상기 일측 공간부를 연결하는 배기가스 유입부와, 상기 타측 공간부와 외부를 연결하는 배기가스 배출부를 포함하며,
   상기 매연 필터 측에 상기 배기가스 유입부를 형성하는 배기가스 후처리 장치.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 산화 촉매는,
   배기 스트림 라인의 최 상류 측에서 상기 매연 필터의 전단과 연결되는 인너 촉매와, 상기 인너 촉매의 외측에 배치되는 아웃터 촉매를 가진 이중관 형태로 구비되는 배기가스 후처리 장치.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 인너 촉매 및 상기 아웃터 촉매의 내부를 흐르는 배기가스의 유동 방향이 서로 반대인 배기가스 후처리 장치.
5. 제3 항에 있어서,
   상기 단열 하우징은 상기 매연 필터 측에 배기가스 유입부를 형성하며,
   상기 배기가스 유입부를 통해 상기 일측 공간부로 유입된 배기가스가 상기 매연 필터 측에서 상기 아웃터 촉매의 내부를 지나 상기 인너 촉매의 내부를 통과하며 상기 매연 필터의 내부로 유동되는 배기가스 후처리 장치.
6. 제3 항에 있어서,
   상기 단열 하우징은,
   상기 매연 필터 측에 배기가스 유입부를 형성하며,
   상기 배기가스 유입부를 통해 상기 일측 공간부로 유입된 배기가스를 상기 아웃터 촉매로 유도하는 제1 배기가스 유도부를 상기 매연 필터 측의 내면에 형성하는 배기가스 후처리 장치.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 제1 배기가스 유도부는,
   상기 매연 필터 측에서 상기 아웃터 촉매 측으로 갈수록 간격이 점차 좁아지는 나선 형의 제1 배기가스 가이드
   를 포함하는 배기가스 후처리 장치.
8. 제6 항에 있어서,
   상기 단열 하우징은,
   상기 아웃터 촉매의 내부를 흐르는 배기가스를 상기 인너 촉매로 유도하는 제2 배기가스 유도부를 상기 인너 촉매의 전단 측 내면에 형성하는 배기가스 후처리 장치.
9. 제8 항에 있어서,
   상기 제2 배기가스 유도부는,
   상기 단열 하우징의 내면 측에서 상기 인너 촉매의 유입 단 측으로 갈수록 직경이 점차 작아지는 돌기 형태의 제2 배기가스 가이드
   를 포함하는 배기가스 후처리 장치.
10. 제1 항에 있어서,
    상기 격판은,
    상기 매연 필터와 선택적 환원 촉매를 연결하는 배기 파이프가 관통되는 관통 홀과,
    상기 단열 하우징의 바닥 측에서 상기 일측 공간부와 타측 공간부를 연결하는 연결 홀
    을 포함하는 배기가스 후처리 장치.
11. 제10 항에 있어서,
    상기 단열 하우징은 상기 타측 공간부의 바닥에 드레인 홀을 형성하며,
    상기 드레인 홀에는 액체의 배출은 허용하면서 기체의 배출을 차단하는 멤브레인이 설치되는 배기가스 후처리 장치.
12. 제1 항에 있어서,
    상기 단열 하우징은 상기 타측 공간부와 연결되는 공기 주입부를 형성하며,
    상기 공기 주입부는 외부 공기를 상기 타측 공간부로 도입하기 위한 에어 펌프와 연결되는 배기가스 후처리 장치.
13. 제1 항에 있어서,
    상기 단열 하우징은,
    배기 스트림 라인을 따라 하향 경사지게 배치되는 배기가스 후처리 장치.
14. 제1 항에 있어서,
    상기 단열 하우징의 내면에 설치되며, 상기 산화 촉매, 매연 필터 및 선택적 환원 촉매에 열 에너지를 인가하는 히팅부재
    를 더 포함하는 배기가스 후처리 장치.
15. 제2 항에 있어서,
    상기 배기가스 배출부에는 배출 유로를 선택적으로 개폐하는 배출밸브가 설치되는 배기가스 후처리 장치.

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