KR20210061667A - 린번엔진 후처리시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 린번엔진 후처리시스템의 구조에 관한 것으로서, APC 촉매 하우징, APC 촉매 하우징을 둘러싸는 SCR 촉매 하우징 및 SCR 촉매 하우징을 둘러싸는 CUC 촉매 하우징을 포함하는 다중 촉매층; 다중 촉매층을 둘러싸는 제1하우징; APC 촉매 하우징의 전단 및 TWC 촉매 하우징의 후단과 연결되는 제1파이프 및 제1파이프를 둘러싸며 제1하우징과 연결되는 제2파이프를 포함하는 이중관; 및 CUC 촉매 하우징의 후단에 연결되는 배기가스 처리부;를 포함하며, 제1파이프, APC 촉매 하우징, SCR 촉매 하우징의 내면, 외면 및 CUC 촉매 하우징의 내면 각각에 적어도 하나 이상의 타공부가 형성된다. 본 발명에 따르면, SCR 촉매의 온도는 250~400℃에 CUC 촉매의 온도는 이보다 더 높은 온도에 위치할 수 있다.

Description

린번엔진 후처리시스템{LEAN-BURN ENGINE AFTERTREATMENT SYSTEM}
본 발명은 린번엔진 후처리시스템의 구조에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 촉매 하우징의 배열에 관한 것이다.
연비개선 린번엔진은 Lean 모드 중 APC 촉매를 통과하는 NOx를 SCR 촉매를 이용하여 정화하기 위해 Lean 모드에서 Slightly rich 모드로 연료분사 조건을 변경하면서 자체적으로 NH3를 생성한다. 생성된 NH3는 APC 촉매에 저장된 후 필요 시 SCR 촉매에 공급하여 NOx와 정화반응을 발생시킨다. 하지만, Slightly rich 모드 중 TWC 촉매에서 발생하여 APC 촉매로 유입되는 CO의 정화가 추가적인 문제로 발생하게 된다.
CO의 정화를 위하여 SCR 촉매 후단에 저온 OSC를 이용하여 CO를 정화하는 CUC 촉매를 적용한다. CUC 촉매의 정화반응 생성물인 CO2는 SCR 촉매의 정화반응을 방해하기 때문에 CUC 촉매는 SCR 촉매 후단에 반드시 위치해야 한다. 보다 구체적으로, CUC 촉매는 온도가 상승할수록 담체의 저온 OSC 방출량이 증가하여 CO와의 Water gas shift 반응이 활성화된다. 다시 말해서, CUC 촉매는 온도가 높을수록 OSC 방출이 활성화되므로 CO 정화성능이 높아진다. 정화반응의 결과물인 CO2가 SCR 촉매에 유입될 시 SCR 촉매의 NH3-NOx 정화반응을 방해하게 되며, 고온의 배기가스와의 접촉을 위해 SCR 촉매의 전단에 위치시킬 수 없다.
SCR 촉매 또한 담체에서 NH3를 흡장하는 성능과 NOx-NH3가 반응하는 성능이 SCR 촉매의 온도에 따라 달라진다. 온도가 높을수록 NH3 흡장 성능은 감소하며 NOx와의 반응은 250~400℃에서 최대가 된다. 따라서, SCR 촉매의 온도를 250~400℃에 위치시킬 필요가 있다. 하지만, SCR 촉매 하우징의 후단에 파이프, CUC 촉매 하우징, 배기계 및 소음기가 위치해야 하므로 차량 패키지 상 차량 전방에 위치할 수 밖에 없어 SCR 촉매의 온도가 250~400℃보다 높게 설정되었다.
특허문헌1: US 2012/0060472
본 발명은 SCR 촉매의 온도가 250~400℃에 위치할 수 있는 린번엔진 후처리시스템을 고안하는 것을 일 목적으로 한다.
본 발명은 SCR 촉매 후단에 위치하지만 CUC 촉매의 온도를 250~400℃보다 더 높은 온도에 위치하도록 하는 린번엔진 후처리시스템을 고안하는 것을 다른 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 본 발명은 린번엔진 후처리시스템으로서 APC 촉매 하우징, APC 촉매 하우징을 둘러싸는 SCR 촉매 하우징 및 SCR 촉매 하우징을 둘러싸는 CUC 촉매 하우징을 포함하는 다중 촉매층; 다중 촉매층을 둘러싸는 제1하우징; APC 촉매 하우징의 전단 및 TWC 촉매 하우징의 후단과 연결되는 제1파이프 및 제1파이프를 둘러싸며 제1하우징과 연결되는 제2파이프를 포함하는 이중관; 및 CUC 촉매 하우징의 후단에 연결되는 배기가스 처리부;를 포함하며, 제1파이프, APC 촉매 하우징, SCR 촉매 하우징의 내면, 외면 및 CUC 촉매 하우징의 내면 각각에 적어도 하나 이상의 타공부가 형성된다.
바람직하게, 제2파이프는 제1파이프의 길이방향과 평행한 방향으로 연장되는 제1라인 및 직경이 증가하며 연장되어 제1하우징에 연결되는 제2라인을 포함할 수 있다.
바람직하게, 제1파이프의 타공부는 제1라인에 의해 둘러싸일 수 있다.
바람직하게, 배기가스 처리부는 CUC 촉매 하우징의 후단과 연결되는 배기가스 유입부, 배기가스 합류부, 및 배기가스 배출부를 포함할 수 있다.
바람직하게, 배기가스 유입부는 CUC 촉매 하우징의 길이방향으로 연장될 수 있다.
바람직하게, 배기가스 합류부는 배기가스 유입부의 길이 방향에 내측 수직 방향으로 연장될 수 있다.
바람직하게, 배기가스 배출부는 배기가스 유입부의 길이방향과 평행한 방향으로 연장될 수 있다.
바람직하게, 배기가스 유입부 및 배기가스 합류부는 곡선으로 연결될 수 있다.
바람직하게, SCR 촉매 하우징의 내면의 타공부 상에 또는 CUC 촉매 하우징의 내면의 타공부 상에 메쉬구조의 매트가 위치할 수 있다.
바람직하게, 제1파이프 또는 CUC 촉매 하우징은 알루미늄 재질일 수 있다.
바람직하게, APC 촉매 하우징의 타공부 및 SCR 촉매 하우징의 내면의 타공부는 중심축이 일치할 수 있다.
바람직하게, APC 촉매 하우징의 타공부 및 SCR 촉매 하우징의 내면의 타공부는 크기가 동일할 수 있다.
바람직하게, SCR 촉매 하우징의 외면의 타공부 및 CUC 촉매 하우징의 내면의 타공부는 중심축이 일치할 수 있다.
바람직하게, SCR 촉매 하우징의 외면의 타공부 및 CUC 촉매 하우징의 내면의 타공부는 크기가 동일할 수 있다.
바람직하게, APC 촉매 하우징, SCR 촉매 하우징의 내면, 외면 또는 CUC 촉매 하우징의 내면의 전 영역에 타공부가 형성될 수 있다.
바람직하게, APC 촉매 하우징의 타공부, SCR 촉매 하우징의 내면의 타공부, SCR 촉매 하우징의 외면의 타공부 또는 CUC 촉매 하우징의 내면의 타공부는 경사진 형상일 수 있다.
바람직하게, 제2파이프 또는 제1하우징은 보온재로 둘러싸일 수 있다.
바람직하게, 보온재는 실리카 재질일 수 있다.
본 발명에 따르면, SCR 촉매의 온도는 250~400℃에 위치할 수 있다.
본 발명에 따르면, CUC 촉매의 온도가 250~400℃보다 높은 온도에 위치할 수 있다.
도1은 본 발명인 린번엔진 후처리시스템의 측면사시도이다.
도2는 본 발명인 린번엔진 후처리시스템의 단면도이다.
도3은 본 발명의 타공부의 일 실시예를 나타낸다.
도4는 본 발명의 타공부의 다른 실시예를 나타낸다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도1은 본 발명인 린번엔진 후처리시스템(1)의 측면사시도이다. 도2는 본 발명인 린번엔진 후처리시스템(1)의 단면도이다. 도1 및 도2를 참조하면, 본 발명은 린번엔진 후처리시스템(1)으로서 APC 촉매 하우징(11), APC 촉매 하우징(11)을 둘러싸는 SCR 촉매 하우징(12) 및 SCR 촉매 하우징(12)을 둘러싸는 CUC 촉매 하우징(13)을 포함하는 다중 촉매층(10); 다중 촉매층(10)을 둘러싸는 제1하우징(14); APC 촉매 하우징(11)의 전단 및 TWC 촉매 하우징(미도시)의 후단과 연결되는 제1파이프(21) 및 제1파이프(21)를 둘러싸며 제1하우징(14)과 연결되는 제2파이프(22)를 포함하는 이중관(20); 및 CUC 촉매 하우징(13)의 후단에 연결되는 배기가스 처리부(30);를 포함하며, 제1파이프(21), APC 촉매 하우징(11), SCR 촉매 하우징(12)의 내면, 외면 및 CUC 촉매 하우징(13)의 내면 각각에 적어도 하나 이상의 타공부(111,121,122,131)가 형성된다.
제2파이프(22)는 제1파이프(21)의 길이방향과 평행한 방향으로 연장되는 제1라인(221) 및 직경이 증가하며 연장되어 제1하우징(14)에 연결되는 제2라인(222)을 포함할 수 있다. 바람직하게, 제1파이프(21)의 타공부(211)는 제1라인(221)에 의해 둘러싸일 수 있다.
배기가스 처리부(30)는 배기가스 유입부(31), 배기가스 합류부(32) 및 배기가스 배출부(33)를 포함할 수 있다. 배기가스 유입부(31)는 CUC 촉매 하우징(13)의 후단과 연결되며 CUC 촉매 하우징(13)의 길이방향으로 연장될 수 있다. 배기가스 합류부(32)는 배기가스 유입부의 길이 방향에 내측 수직인 방향으로 연장될 수 있으며, 배기가스 배출부(33)는 배기가스 유입부(31)의 길이방향으로 연장될 수 있다. 배기가스 합류부(32)에서 배기가스가 합류되면서 유동간섭이 일어나므로 배압 및 유동음의 방지를 위해 엣지부위 또는 합류부위의 형상을 완만하게 만들 수 있으며, 바람직하게 배기가스 유입부(31) 및 배기가스 합류부(32)는 곡선으로 연결될 수 있다.
SCR 촉매 하우징(12)의 내면의 타공부(121) 상에 또는 CUC 촉매 하우징(13)의 내면의 타공부(131) 상에 메쉬구조의 매트(15)가 위치할 수 있으며, 배기가스가 타공부를 통과할 때 발생할 수 있는 이음 및 담체의 노화 및 누출을 방지할 수 있다.
이하에서, 도2를 더 참조하여 본 발명인 린번엔진 후처리시스템의 작동 과정을 설명한다. 먼저, 이중관(20)에서의 작동 과정에 대해 설명한다. TWC 촉매 하우징을 통과한 배기가스는 제1파이프(21)에 유입된다. 배기가스는 제1파이프(21)의 타공부(211)에 의해 APC 촉매 하우징(11)으로 유입되는 유동1(f1) 및 제2파이프(22), 보다 구체적으로 제1라인(221)으로 유입되는 유동2(f2)로 분리된다. 분리되는 배기가스의 유량은 타공부(211)의 전체 면적 즉, 각 타공부(211)의 면적 및 개수를 가지고 조절할 수 있다. 일 예로서, 타공부(211)의 전체 면적이 제1파이프(21)의 단면적 이상인 경우, 유동1(f1) 및 유동2(f2)의 유량이 동일하다. 한편, 제1라인(221)으로 유입된 유동2(f2)는 제2라인(222)을 통과한 후 제1하우징(14)에 유입된다.
다중 촉매층(10)에서의 작동 과정은 다음과 같다. 유동1(f1)은 다중 촉매층(10)의 APC 촉매 하우징(11)으로 유입된 후 APC 촉매 하우징(11)의 타공부(111)에 의해 유동3(f3) 및 유동4(f4)로 분리된다. 유동3(f3)은 SCR 촉매 하우징(12)의 내면의 타공부(121)를 통과하여 SCR 촉매 하우징(12)으로 유입된다. 이후, 유동3(f3)은 SCR 촉매 하우징(12)의 외면의 타공부(122) 및 CUC 촉매 하우징(13)의 내면의 타공부(131)를 통과하여 CUC 촉매 하우징(13)에 유입된다. 참고로, 다중 촉매층(10)에서의 유동4(f4)의 흐름은 유동3(f3)의 흐름과 동일하며, 유동3(f3)의 온도는 촉매 하우징(11,12,13)을 통과하면서 감소된다.
배기가스 처리부(30)에서의 작동 과정은 다음과 같다. CUC 촉매 하우징(13)의 외면에는 타공부가 형성되지 않으므로 유동3(f3) 및 유동4(f4)는 배기가스 유입부(31)로 유입된다. 이때, 유동3(f3) 및 유동4(f4)의 배기가스는 APC 촉매, SCR 촉매, CUC 촉매와의 정화반응을 완료한 배기가스이다. 이 두 배기가스는 배기가스 합류부(32)에서 합류하여 유동5(f5)를 형성하고 배기가스 배출부(33)를 통해 차량 후방에서 배출된다.
APC 촉매 하우징, SCR 촉매 하우징, CUC 촉매 하우징을 직렬구조를 형성하였던 종래와 달리, 본 발명은 촉매 하우징을 병렬구조 내지 적층구조로 형성하였다. 린번엔진 후처리시스템이 차지하는 공간이 축소됨에 따라 SCR 촉매 하우징을 최대한 차량 후방에 위치시킬 수 있으며, 이에 따라, SCR 촉매의 온도를 최대 정화성능의 영역(250~400℃)에 위치할 수 있게 된다.
본 발명은 TWC 촉매 하우징을 통과한 고온의 배기가스를 APC 촉매 하우징(11)으로 곧바로 유입되는 유동1(f1)과 CUC 촉매 하우징(13)을 둘러싸는 제1하우징(14)으로 최종적으로 유입되는 유동2(f2)로 분리시켜 유동2(f2)의 배기가스가 가지는 열을 CUC 촉매로 직접 전달할 수 있다. 이에 따라, CUC 촉매의 온도를 최대한 높게 유지시킬 수 있다. 본 발명인 후처리시스템 특히, SCR 촉매 하우징을 차량 후방에 설치됨에 따라 야기될 수 있는 CUC 촉매의 온도 감소의 문제는 발생하지 않는다.
유동2(f2)의 배기가스는 CUC 촉매에 열을 전달함에 따라 온도가 감소하게 된다. 이와 달리, 유동1(f1)의 배기가스는 엔진 연소에 의해 지속적으로 열을 전달받게 된다. 제1파이프(21)의 타공부(211)에서 두 배기가스 간에 열 전달 및 혼합이 발생하므로 유동2(f2)의 배기가스의 온도를 유동(f1)의 배기가스가 가지는 열로써 승온시킬 수 있다.
제1파이프(21) 및 CUC 촉매 하우징(13)에서 열 전달이 많이 이루어지는 것이 바람직하다. 제1파이프(21)의 경우, 제1파이프(21) 및 제2파이프(22)의 제1라인(221)에서 열 전달이 많이 이루어질수록 제1하우징(14)으로 유입되는 유동2(f2)의 배기가스의 온도가 증가하기 때문이다(유동1(f1)의 배기가스의 온도는 감소). CUC 촉매 하우징(13)의 경우, 유동2(f2)의 배기가스로부터 열을 많이 전달 받을수록 정화성능 또한 높아지기 때문이다. 따라서, 본 발명의 일 실시예로서, 제1파이프(21) 또는 CUC 촉매 하우징(13)의 재질로 열전도도가 높으며 우수한 내식성을 갖는 알루미늄 재질을 적용할 수 있다. 알루미늄 재질은 바람직하게 SUS439일 수 있다.
도3은 본 발명의 타공부의 일 실시예를 나타낸다. 도4는 본 발명의 타공부의 다른 실시예를 나타낸다. 도3 및 도4 상의 촉매1(c1), 촉매2(c2) 및 타공부(p1, p2)는 다음과 같이 구분될 수 있다. 촉매1(c1)이 APC 촉매인 경우, 촉매2(c2)는 SCR 촉매가 되며, 타공부(p1, p2)는 APC 촉매 하우징(11)의 타공부 및 SCR 촉매 하우징(12) 내면의 타공부가 접한 상태를 도시한 것이 된다. 촉매1(c1)이 SCR 촉매인 경우, 촉매2(c2)는 CUC 촉매가 되며, 타공부(p1, p2)는 SCR 촉매 하우징(12)의 외면의 타공부 및 CUC 촉매 하우징(13)의 내면의 타공부가 접한 상태를 도시한 것이 된다.
도3을 참조하면, 타공부(p1)는 두 촉매 하우징이 인접하는 영역 중 일부 영역에 형성될 수 있으며, 두 촉매 하우징에 형성된 각각의 타공부는 중심축이 일치할 수 있으며, 타공부의 크기(예를 들어, 직경)가 동일할 수 있다.
도4를 참조하면, 타공부(p2)는 두 촉매 하우징이 인접하는 전 영역에 형성될 수 있다. 촉매2(c2)에 유동3(f3)의 배기가스가 균일하게 분포되어 촉매2(c2)의 정화성능이 향상될 수 있다. 두 촉매 하우징에 형성된 각각의 타공부는 중심축이 일치할 수 있으며, 타공부는 경사진 형상일 수 있다. 타공부는 촉매2(c2)를 향하여 단면적이 증가하는 형상일 수 있다.
제2파이프(22) 및 제1하우징(14)이 공기와 접촉하여 손실되는 열의 양을 최소화하여 CUC 촉매로 전달되는 열의 손실을 최소화할 수 있다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예로서, 제2파이프(22) 또는 제1하우징(14)은 보온재로 둘러싸일 수 있다. 바람직하게, 보온재는 실리카 재질일 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
1: 린번엔진 후처리시스템
10: 다중 촉매층
20: 이중관
30: 배기가스 처리부
11: APC 촉매 하우징
12: SCR 촉매 하우징
13: CUC 촉매 하우징
14: 제1하우징
15: 메쉬구조의 매트
21: 제1파이프
22: 제2파이프
31: 배기가스 유입부
32: 배기가스 합류부
33: 배기가스 배출부
111: APC 촉매 하우징의 타공부
121: SCR 촉매 하우징 내면의 타공부
122: SCR 촉매 하우징 외면의 타공부
131: SCR 촉매 하우징 내면의 타공부
221: 제1라인
222: 제2라인
f1: 유동1
f2: 유동2
f3: 유동3
f4: 유동4
f5: 유동5
c1: 촉매1
c2: 촉매2
p1: 타공부1
p2: 타공부2

Claims (18)

  1. APC 촉매 하우징, 상기 APC 촉매 하우징을 둘러싸는 SCR 촉매 하우징 및 상기 SCR 촉매 하우징을 둘러싸는 CUC 촉매 하우징을 포함하는 다중 촉매층;
    상기 다중 촉매층을 둘러싸는 제1하우징;
    상기 APC 촉매 하우징의 전단 및 TWC 촉매 하우징의 후단과 연결되는 제1파이프 및 상기 제1파이프를 둘러싸며 상기 제1하우징과 연결되는 제2파이프를 포함하는 이중관; 및
    상기 CUC 촉매 하우징의 후단에 연결되는 배기가스 처리부;를 포함하며,
    상기 제1파이프, 상기 APC 촉매 하우징, 상기 SCR 촉매 하우징의 내면, 외면 및 상기 CUC 촉매 하우징의 내면 각각에 적어도 하나 이상의 타공부가 형성된, 린번엔진 후처리시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2파이프는 상기 제1파이프의 길이방향과 평행한 방향으로 연장되는 제1라인; 및 직경이 증가하며 연장되어 상기 제1하우징에 연결되는 제2라인;을 포함하는, 린번엔진 후처리시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1파이프의 타공부는 상기 제1라인에 의해 둘러싸인, 린번엔진 후처리시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배기가스 처리부는 CUC 촉매 하우징의 후단과 연결되는 배기가스 유입부; 배기가스 합류부; 및 배기가스 배출부;를 포함하는, 린번엔진 후처리시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 배기가스 유입부는 상기 CUC 촉매 하우징의 길이방향으로 연장되는, 린번엔진 후처리시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 배기가스 합류부는 상기 배기가스 유입부의 길이 방향에 내측 수직인 방향으로 연장되는, 린번엔진 후처리시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 배기가스 배출부는 상기 배기가스 유입부의 길이방향과 평행한 방향으로 연장되는, 린번엔진 후처리시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 배기가스 유입부 및 상기 배기가스 합류부는 곡선으로 연결되는, 린번엔진 후처리시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 SCR 촉매 하우징의 내면의 타공부 상에 또는 상기 CUC 촉매 하우징의 내면의 타공부 상에 메쉬구조의 매트가 위치하는, 린번엔진 후처리시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1파이프 또는 상기 CUC 촉매 하우징은 알루미늄 재질인, 린번엔진 후처리시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 APC 촉매 하우징의 타공부 및 상기 SCR 촉매 하우징의 내면의 타공부는 중심축이 일치하는, 린번엔진 후처리시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 APC 촉매 하우징의 타공부 및 상기 SCR 촉매 하우징의 내면의 타공부는 크기가 동일한, 린번엔진 후처리시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 SCR 촉매 하우징의 외면의 타공부 및 상기 CUC 촉매 하우징의 내면의 타공부는 중심축이 일치하는, 린번엔진 후처리시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 SCR 촉매 하우징의 외면의 타공부 및 상기 CUC 촉매 하우징의 내면의 타공부는 크기가 동일한, 린번엔진 후처리시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    APC 촉매 하우징, 상기 SCR 촉매 하우징의 내면, 외면 또는 상기 CUC 촉매 하우징의 내면의 전 영역에 타공부가 형성된, 린번엔진 후처리시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 APC 촉매 하우징의 타공부, 상기 SCR 촉매 하우징의 내면의 타공부, 상기 SCR 촉매 하우징의 외면의 타공부 또는 상기 CUC 촉매 하우징의 내면의 타공부는 경사진 형상인, 린번엔진 후처리시스템.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제2파이프 또는 제1하우징은 보온재로 둘러싸인, 린번엔진 후처리시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 보온재는 실리카 재질인, 린번엔진 후처리시스템.
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