KR20220073417A

KR20220073417A - 배기가스 처리장치

Info

Publication number: KR20220073417A
Application number: KR1020200161471A
Authority: KR
Inventors: 이진우; 정호종; 장희중
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2020-11-26
Filing date: 2020-11-26
Publication date: 2022-06-03

Abstract

본 발명은 배기가스 처리장치에 관한 것으로, 연료를 연소시켜 배기가스를 발생시키는 엔진; 상기 엔진과 연통되어 배기가스를 토출시키는 배기 매니폴드; 배기가스의 유로를 형성하는 담체하우징과, 화학반응을 통해 배기가스의 유해물질을 정화하며 상기 담체하우징과 유격이 없도록 배치된 담체를 포함하는 촉매변환기; 상기 배기 매니폴드와 연통하는 제1구역, 상기 촉매변환기와 연통하는 제3구역 및 상기 제1구역과 상기 제3구역의 사이에 배치된 제2구역을 포함하는 벤츄리관; 및 흡입구가 상기 제1구역과 연통하고, 토출구가 상기 제2구역과 연통하는 바이패스관을 포함하고, 상기 벤츄리관은, 상기 제1구역의 단면적과 상기 제3구역의 단면적이 각각, 상기 제2구역의 단면적보다 넓다.
본 발명은 간단한 구조로 배기가스의 정화효율을 높일 수 있다는 장점이 있다.

Description

배기가스 처리장치{Apparatus for treating exhaust gas}

본 발명은 배기가스 처리장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스엔진 히트펌프에 사용되는 배기가스 처리장치에 관한 것이다.

GHP(Gas engine Heat Pump, 가스엔진 히트펌프)는 엔진에서 발생한 동력을 이용하여 압축기를 구동하는 히트펌프이다. 엔진은 연료의 연소 과정을 통해 동력을 발생시킨다. 엔진의 연소 과정에서는 여러 종류의 배기가스가 생성된다. 특히 고온의 연소 과정을 거치면 공기 중의 질소가 산소와 결합되어 질소산화물(NOx)을 형성될 수 있다.

현재, 가스엔진 히트펌프의 경우, 일산화탄소(CO) 및 질소산화물(NOx) 발생에 대한 규제가 이미 일본 등의 외국에서는 적용되어 있다. 국내의 경우도, 이미 일산화탄소 발생에 대한 규제가 존재하고, 곧 질소산화물 발생에 대한 규제도 적용될 예정이다.

엔진에서 발생하는 질소산화물은 삼원촉매 등을 이용하는 촉매변환기에 의해 정화될 수 있다. 구체적으로, 질소산화물이 촉매변환기에 유입되면, 삼원촉매 등을 통해 화학반응을 일으키고, 그 결과 질소(N2)와 산소(O2)로 배출되어 배기가스를 무해한 상태로 바꿔주게 된다.

다만, 기존의 촉매변환기의 경우, 촉매변환기 내부를 유동하는 배기가스가 화학반응이 일어나는 담체의 전체에 걸쳐서 유동하지 못한다는 문제가 있었다. 이 경우, 담체의 전체가 아닌 특정 부분에서만 화학반응의 효율이 높아지고, 나머지 부분에서는 화학반응의 효율이 낮아지게 되어 전체적으로 배기가스의 정화효율이 떨어지게 되는 문제 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위해서, 촉매변환기의 유입구 측에 설치되는 스월유도장치가 제안된 바 있다(등록 특허 10-2001-0059927). 선행 등록 특허의 스월유도장치는, 배기가스가 유동하는 경로 상에 팬을 설치하여, 배기가스가 선회 유동(스월 유동)하도록 하고, 선회 유동된 배기가스는 원심력에 의해 반경방향으로 확산되도록 하였다. 그러나, 상기 등록 특허는, 팬에 열적 피로가 누적되어 변형이 발생할 수 있다는 문제가 있었다. 뿐만 아니라, 별도의 구조물을 배기가스의 유동 경로 상에 설치하여 유동 저항이 심하며, 팬을 지지하기 위한 별도의 구조물을 더 설치하여야 하므로 전체적인 내구성과 신뢰성도 저하된다는 문제가 있었다.

한국등록특허 10-2001-0059927

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 간단한 구조를 통해 배기가스의 정화효율을 높인 배기가스 처리장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 과제는 촉매변환기의 유입구 측에 설치하여 배기가스의 정화효율을 높인 배기가스 처리장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 과제는 배기가스가 촉매변환기 담체의 전체에 걸쳐 유동하도록하여 배기가스의 정화효율을 높인 배기가스 처리장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 과제는 배기가스의 역류를 방지하는 배기가스 처리장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 처리장치는, 연료를 연소시켜 배기가스를 발생시키는 엔진; 상기 엔진과 연통되어 배기가스를 토출시키는 배기 매니폴드; 배기가스의 유로를 형성하는 담체하우징과, 화학반응을 통해 배기가스의 유해물질을 정화하며 상기 담체하우징과 유격이 없도록 배치된 담체를 포함하는 촉매변환기; 상기 배기 매니폴드와 연통하는 제1구역, 상기 촉매변환기와 연통하는 제3구역 및 상기 제1구역과 상기 제3구역의 사이에 배치된 제2구역을 포함하는 벤츄리관; 및 흡입구가 상기 제1구역과 연통하고, 토출구가 상기 제2구역과 연통하는 바이패스관을 포함하고, 상기 벤츄리관은, 상기 제1구역의 단면적과 상기 제3구역의 단면적이 각각, 상기 제2구역의 단면적보다 넓다.

또한, 상기 바이패스관은 복수개가 구비될 수 있다.

또한, 상기 복수개의 바이패스관은, 상기 제1구역에서 상기 제3구역을 바라볼 때, 각각의 상기 토출구가 서로 대칭형으로 배치될 수 있다.

또한, 상기 복수개의 바이패스관은, 상기 제1구역에서 상기 제3구역을 바라볼 때, 각각의 상기 토출구가 서로 간격이 동일하도록 원형으로 배치될 수 있다.

또한, 상기 복수개의 바이패스관은, 각각의 상기 흡입구가 배기가스의 유동방향과 수직한 평면상에 서로 간격이 동일하도록 원형으로 배치될 수 있다.

또한, 상기 복수개의 바이패스관은, 각각의 상기 토출구가 상기 벤츄리관의 길이방향에서 서로 다른 위치에 배치될 수 있다.

또한, 상기 복수개의 바이패스관은 각각의 토출구가 두개 씩 쌍을 이루도록 짝수개 구비되고, 상기 각 쌍은 각각의 토출구가 서로 마주보도록 배치될 수 있다.

또한, 상기 각 쌍 중 어느 한 쌍의 어느 한 토출구는, 상기 각 쌍 중 다른 한 쌍의 어느 한 토출구와 상기 벤츄리관의 길이방향에서 서로 다른 위치에 배치될 수 있다.

또한, 상기 바이패스관의 토출구는, 상기 바이패스관에 의해 형성된 배기가스의 토출 유동방향이, 상기 제1구역에서 상기 제3구역을 향하는 방향과 수직한 평면상에 형성되도록 배치될 수 있다.

또한, 상기 바이패스관의 토출구는, 상기 바이패스관의 배기가스 토출 유동방향이, 상기 제2구역의 중심선을 향하게 형성되도록 배치될 수 있다.

또한, 상기 바이패스관의 토출구는, 상기 바이패스관의 배기가스 토출 유동방향이, 상기 제2구역의 내측면 둘레방향을 향하게 형성되도록 배치될 수 있다.

또한, 상기 바이패스관의 토출구는, 상기 바이패스관의 배기가스 토출 유동방향이, 상기 제1구역에서 상기 제3구역을 향하는 방향의 성분을 갖도록 배치될 수 있다.

또한, 상기 바이패스관의 토출구는, 상기 바이패스관의 배기가스 토출 유동방향이, 상기 제1구역에서 상기 제3구역을 향하는 방향과 나란하도록 배치될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 배기가스 처리장치를 포함하는 가스엔진 히트펌프일 수 있다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 배기가스 처리장치에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.

첫째,　벤츄리관과 바이패스관을 구비하여 간단한 구조의 배기가스 처리장치를 제공할 수 있다는 장점이 있다.

둘째,　엔진의 배기 매니폴드와 촉매변환기 사이에 쉽게 설치 가능한 배기가스 처리장치를 제공할 수 있다는 장점도 있다.

셋째,　선회 유동을 통해 배기가스가 촉매변환기 담체의 전체에 걸쳐 유동되도록 할 수 있다는 장점도 있다.

넷째, 코안다 효과를 통해 배기가스가 촉매변환기 담체의 전체에 걸쳐 유동되도록 할 수 있다는 장점도 있다.

다섯째, 벤츄리관 내부에서의 압력차를 이용하여, 배기가스의 역류를 방지할 수 있다는 장점도 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 엔진의 전체 구조 및 본 발명에 따른 배기가스 처리장치가 배치되는 위치를 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 배기가스 처리장치와 촉매변환기가 결합된 모습을 나타낸 것이다.
도 3은 촉매변환기의 내부를 나타낸 투시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 배기가스 처리장치의 내부를 나타낸 투시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 배기가스 처리장치의 토출구가 두개씩 쌍을 이루며 서로 마주보고 있는 것을 나타낸 투시도이다.
도 6은 토출구가 배기가스 유동의 중심선을 향해 배치되고, 이를 제1구역에서 제3구역을 향해 바라본 모습을 나타낸 것이다.
도 7은 토출구가 벤츄리관의 둘레방향으로 기울여져 배치되고, 이를 제1구역에서 제3구역을 향해 바라본 모습을 나타낸 것이다.
도 8은 토출구가 배기가스의 유동방향을 향하도록 배치된 것을 나타낸 투시도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소들과 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 구성요소의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계 및/또는 동작은 하나 이상의 다른 구성요소, 단계 및/또는 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

도면에서 각 구성요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기와 면적은 실제크기나 면적을 전적으로 반영하는 것은 아니다.

이하, 본 발명의 배기가스 처리장치(200)를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 1은 본발명의 배기가스 처리장치(200)가 적용되는 엔진(100) 및 엔진(100)의 전체적인 구조와 공기 및 연료의 흐름을 나타낸 것이다. 아울러 도 1은 본발명의 배기가스 처리장치(200)가 배치되는 위치를 나타낸다.

도 1을 참조하면, 본발명의 배기가스 처리장치(200)가 적용되는 엔진(100) 등에 있어서, 공기 및 연료의 전체적인 흐름은 다음과 같다.

우선, 외부의 공기는 에어클리너(120)로 유입되어 깨끗한 공기로 정화된다. 동시에 연소에 사용되는 연료는 제로가버너(130)를 통과하는데, 제로가버너(130)는 유동에 있어서 입구입력의 형태나 유량 변화에 관계없이 출구압력을 항상 일정하게 유지시켜주는 구성이다. 그리고, 에어클리너(120)를 통과한 공기과 제로가버너(130)를 거친 연료는 믹서(140)에 유입되어 서로 혼합된다. 믹서(140)를 통해 혼합된 공기연료혼합물은 흡입유동량을 적절하게 제어하여 엔진(100)의 토크 및 출력을 조절하는 ETC(150)(Electronic Throttle Control)를 통과하게 된다. 그 다음, ETC(150)를 통과한 공기연료혼합물은 엔진(100)의 실린더(110)로 유입된다. 그런데, 엔진(100)의 실린더(110)는 두개 이상의 복수개로 구성되므로, 공기연료혼합물은, 하나의 관에서 복수개의 관으로 분지되어 하나의 ETC(150)와 복수개의 실린더(110)를 연결하는 흡기 매니폴드(160)를 통해, 복수개의 실린더(110)로 유입된다. 그리고, 엔진(100)의 실린더(110)로 유입된 공기연료혼합물을 연소과정을 거치면서 배기가스를 생성한다. 그 다음, 복수개의 실린더(110)에서 상기 연소과정을 통해 생성된 배기가스는, 복수개의 실린더(110)와 연통된 복수개의 배관을 하나의 배관에 연통시키는 배기 매니폴드(170)를 통해 배출된다. 마지막으로, 배기 매니폴드(170)에서 토출된 배기가스는, 촉매변환기(300)를 거쳐 오염물질이 정화되고, 뜨거운 배기가스는 열교환기(400)를 경유하면서 열교환하여 식혀진 상태로 외부에 배출되게 된다.

이 때, 본 발명에 따른 배기가스 처리장치(200)는 배기 매니폴드(170)와 촉매변환장치 사이에 배치된다. 따라서, 배기 매니폴드(170)로부터 토출된 배기가스는 배기가스 처리장치(200)를 경유하여 촉매변환장치로 유입되게 된다. 도 2는 본발명에 따른 배기가스 처리장치(200)가 촉매변환장치와 결합된 모습을 나타낸 것이다.

이하, 도 3을 참조하여 촉매변환기(300)에 대하여 설명한다.

촉매변환기(300)는 배기가스에 있는 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx) 등의 유해물질을 백금과 로듐 등을 이용하여 인체에 무해한 성분인 물(H2O), 이산화탄소(CO2), 질소(N2) 등으로 환원시켜주는 장치이다. 촉매변환기(300)는 배기가스가 통과하면서 배기가스 중의 유해물질을 인체에 무해한 물질로 환원되도록 반응을 촉진시키는 담체(320)와, 담체(320)의 유입구에 배치되어 깨지기 쉬운 담체(320)를 견고하게 보호하고 배기가스가 새어나가지 못하도록 막는 매트를 포함하고, 상기 담체(320)와 매트가 내부에 배치되고 촉매변환기(300)의 외형을 형성하는 담체하우징(310)을 더 포함한다. 촉매변환기(300)의 담체하우징(310)은 배기가스가 유입되는 담체유입구(311)와 배기가스가 정화되어 배출되는 담체토출구(312)가 형성된다. 그리고, 촉매변환기(300)의 담체(320)는, 단면적이 넓을수록 배기가스의 화학반응 면적이 증가하게 되고 배기가스의 유속도 느려지므로 화학반응이 촉진되게 된다. 따라서, 담체하우징(310)은 담체(320)가 배치되는 부분의 단면적이 담체(320)가 배치되지 않은 부분의 단면적보다 크게 형성된다.

그러나, 전술한 바와 같이, 촉매변환기(300) 내부에서 담체(320)가 배치된 부분의 단면적이 담체유입구(311)의 면적보다 크게되면, 담체유입구(311)를 통과한 배기가스의 유속이 일정 속도 이상으로 빠를 경우, 담체(320) 전체에 걸쳐서 배기가스가 통과하지 않는 다는 문제가 발생할 수 있다. 일반적으로 유체는 유동 경로상에 유체가 접촉하는 벽면 등이 존재할 경우, 코안다 효과(Coanda effect)에 의하여 그 벽면 등을 따라 유동하게 된다. 따라서, 담체유입구(311)의 유동 벽면측에서 유동하는 배기가스 중 일부는 담체유입구(311)의 유동 벽면을 따라 담체(320)의 둘레쪽 벽면으로 흘러야 한다. 그러나, 배기가스의 유속이 일정 속도 이상으로 빠른 경우, 코안다 효과보다 관성의 효과가 더욱 지배적으로 작용하게 되므로, 담체유입구(311)를 통과한 배기가스는, 담체(320)의 중앙부에서의 유동량이 담체(320)의 둘레측에서의 유동량보다 더욱 크게 형성된다. 이 경우, 배기가스가 담체(320)의 전체에 걸쳐서 고르게 유동되지 않으므로, 화학반응의 효율이 떨어지게 될 수 있고, 결국, 배기가스의 정화효율이 떨어지게 될 수 있다.

본발명에 따른 배기가스 처리장치(200)는, 촉매변환기(300)의 담체유입구(311)측에 배치되어, 배기가스가 담체(320)의 전체에 걸쳐서 유동될 수 있도록 하는 장치이다.

이하, 도 4를 참조하여, 본발명에 따른 배기가스 처리장치(200)를 설명한다.

본발명에 따른 배기가스 처리장치(200)는 벤츄리관(210, 220, 230)과 포함한다. 벤츄리관(210, 220, 230)은 제1구역(210), 제2구역(220) 및 제3구역(230)을 포함한다. 제1구역(210)은 배기 매니폴드(170)와 연통되고, 제3구역(230)은 촉매변환기(300)의 담체유입구(311)와 연통된다. 그리고, 제2구역(220)은 제1구역(210)과 제3구역(230) 사이에 각각 연통되도록 배치된다. 따라서, 배기가스는 제1구역(210)에서 제2구역(220)을 통과하여 제3구역(230)을 향해 유동하게 된다. 이 때, 제1구역(210)의 단면적은 제2구역(220)을 향해갈수록 좁아지고, 제3구역(230)의 단면적은 제2구역(220)에서 벗어날수록 넓어진다. 즉, 제2구역(220)의 단면적은 제1구역(210)의 단면적 및 제3구역(230)의 단면적보다 좁게 형성된다. 벤츄리관(210, 220, 230)은 제1구역(210)의 외둘레에 배치되는 흡입커버(250)과, 제2구역(220)의 외둘레에 배치되는 벤츄리커버(260) 및 제3구역(230)의 외둘레에 배치되는 토출커버(270)를 더 포함할 수 있다. 이 때, 흡입커버(250), 벤츄리커버(260) 및 토출커버(270)의 형상은 모두 원통형 형상을 가질 수 있지만, 형상이 이에 제한되는 것은 아니다. 그러나, 흡입커버(250)의 경우, 바람직하게는 흡입커버(250)의 외둘레가 배기 매니폴드(170)의 내둘레에 대응하는 형상이어야 한다. 이는 후술하는 바이패스관(240)의 흡입구(241)가 배기 매니폴드(170)와 연결되어야 하기 때문이다.

본발명에 따른 배기가스 처리장치(200)는, 벤츄리관(210, 220, 230)에 벤츄리관(210, 220, 230)의 제1구역(210)에서 유입되는 배기가스의 일부를 바이패스 시키는 바이패스관(240)이 배치된다. 바이패스관(240)은 배기가스가 흡입되는 흡입구(241)와 배기가스가 토출되는 토출구(242)를 포함한다. 바이패스관(240)의 흡입구(241)는 제1구역(210)에 배치된다. 이 때, 바이패스관(240)의 유동 단면적은 흡입구(241)와 토출구(242)를 포함하여 전체적으로 동일하게 형성될 수 있다. 그리고, 만약 벤츄리관(210, 220, 230)의 제1구역(210)에 흡입커버(250)가 배치될 경우, 흡입커버(250)에는 제1설치구(251)와 제2설치구(252)를 잇는 내부 홀이 형성되어 바이패스관(240)의 일부가 삽입될 수 있다. 제1설치구(251)는 바이패스관(240)의 흡입구(241)와 대응하는 형상으로 형성되고, 제2설치구(252)는 삽인된 바이패스관(240)의 직경에 대응하는 형상으로 형성된다. 그리고, 제1설치구(251)와 제2설치구(252) 사이에 형성된 내부 홀에 흡입구(241)를 포함하는 바이패스관(240)의 일부가 삽입된다. 바이패스관(240)의 토출구(242)는 제2구역(220)에 배치된다. 만약 벤츄리관(210, 220, 230)의 제2구역(220)에 벤츄리커버(260)가 배치될 경우, 벤츄리커버(260)에는 제3설치구(261)과 제4설치구(262)를 잇는 내부 홀이 형성되어 바이패스관(240)의 나머지 일부가 삽입될 수 있다. 제3설치구(261)는 제2설치구(252)와 대응하는 형상으로 제2설치구(252)와 연통되도록 형성될 수 있고, 제4설치구(262)는 바이패스관(240)의 토출구(242)에 대응하는 형상으로 형성된다. 그리고, 제3설치구(261)와 제4설치구(262) 사이에 형성된 내부 홀에 토출구(242)를 포함하는 바이패스관(240)의 나머지 일부가 삽입된다. 전체적으로 보면, 바이패스관(240)은 배기가스가 흡입되는 흡입구(241)가 벤츄리관(210, 220, 230)의 제1구역(210)에 배치되고, 배기가스가 토출되는 토출구(242)는 벤츄리관(210, 220, 230)의 제2구역(220)에 배치되게 된다.

이하, 벤츄리관(210, 220, 230)과 바이패스관(240)에서의 배기가스의 유동에 대하여 설명한다.

베르누이의 법칙은 유체가 유동할 때 에너지가 보존된다는 법칙이다. 이에 따르면, 유체는 유동 단면적이 좁아질수록 유동 속도가 빨라지고, 유동 속도가 빨라진 만큼 유체의 압력은 떨어지게 된다. 따라서, 배기가스는 제1구역(210)에서 제2구역(220)으로 갈수록 유속이 증가하고 동시에 압력은 감소하게 된다. 그리고 제2구역(220)에서 제3구역(230)으로 갈수록 유속은 감소하고 압력은 증가하게 된다(이하 상기 유동을 메인유동이라 지칭할 수 있다.) 이에 반해, 바이패스관(240)은 흡입구(241)와 토출구(242)를 포함하여 전체적으로 유동 단면적이 일정하게 형성되고 유동 경로 상의 외력이나 유동 저항등을 무시할 수 있다고 가정한다면, 유속과 압력이 동일하게 유지된다. 이 때, 바이패스관(240)의 흡입구(241)는 제1구역(210)에 배치되어 있으므로, 바이패스관(240)의 유동 속력과 압력은 제1구역(210)에서의 배기가스 유속 및 압력과 동일하게 된다. 따라서, 제2구역(220)에서는, 제1구역(210)에서보다 상대적으로 빠른 유속과 낮은 압력의 배기가스가 유동하게 되고, 동시에 바이패스관(240)의 안내로 유동되는 상대적으로 낮은 유속과 높은 압력의 배기가스가 토출되어 유동하게 된다.

유체의 관성과 점성을 고려하여 유동을 살펴보면 다음과 같다. 배기가스의 유동은 제1구역(210)에서 제2구역(220)으로 유동할 때, 벤츄리관(210, 220, 230)의 중심선(C)을 향해 모이게 된다. 왜냐하면, 제1구역(210)에서 제2구역(220)으로 갈수록 유동 단면적의 넓이가 점진적으로 감소하기 때문이다. 이 경우, 제2구역(220)에서 배기가스의 유동은 중심선(C) 쪽으로 쏠리게 되고, 배기가스가 제3구역(230)을 통과하여 촉매변환기(300)로 유동하더라도 이러한 유동의 경향은 유동 관성에 의해 일정 수준 유지되게 된다. 이와 같이, 배기가스의 유동이 중심선(C)을 향해 쏠리게 되면, 전술한 바와 같이, 촉매변환기(300)의 담체(320)의 전체에 걸쳐 배기가스가 유동되지 않으므로 촉매변환기(300)의 정화효율이 떨어지는 결과를 야기할 수 있다. 이 때, 바이패스관(240)은 배기가스의 유동이 중심선(C)에 쏠리지 않도록 한다. 바이패스관(240)의 토출구(242)는 제2구역(220)의 배관 내둘레면 측에 가깝게 배치된다. 따라서, 바이패스관(240)의 토출구(242)에서 토출되는 배기가스는 제2구역(220)의 중심선(C)보다는 제2구역(220)의 내둘레면을 따라서 유동하게 된다. 상기 바이패스관(240)의 토출구(242)에서 토출된 배기가스는 점성과 코안도 효과(Coanda effect)에 의하여, 제2구역(220)의 내둘레면을 따라 유동하려는 경향이 강해지고, 이러한 경향은 제3구역(230)의 내둘레면에서도 유지된다. 뿐만 아니라, 벤츄리관(210, 220, 230)의 제1구역(210)에서 유입되어 제2구역(220)을 통과하는 배기가스는 상대적으로 바이패스관(240)의 토출구(242)에서 토출되는 배기가스의 압력보다 저압 상태이므로, 상기 토출구(242)에서 토출된 배기가스는 제2구역(220)에서 확산되게 된다. 결과적으로, 바이패스관(240)의 토출구(242)에서 토출된 배기가스는 제2구역(220)에 토출 될 때 확산되어 유동하기에 유동이 중심선(C)에 쏠리지 않게 되고, 또한 코안도 효과에 의해서 제2구역(220)과 제3구역(230)의 내둘레면을 따라서 유동하게 되므로, 배기가스가 촉매변환기(300)의 담체(320)의 전체에 걸쳐서 유동할 수 있도록 한다.

이하, 바이패스관(240)의 배치 및 형상에 대하여 더욱 구체적으로 설명한다.

도 4를 참조하면, 바이패스관(240)은 직선부과 절곡부(244)를 포함한다. 구체적으로, 바이패스관(240)은, 일측에 흡입구(241)가 배치되고 길이방향으로 연장되어 형성된 제1직선부(243)와, 일측이 제1직선부(243)의 타측과 연결되고 타측이 제2구역(220)을 향해 절곡된 절곡부(244)와, 일측이 상기 절곡부(244)의 타측과 연결되고 타측에 상기 토출구(242)를 형성하며 제2구역(220)을 향해 연장되어 형성된 제2직선부(245)를 포함할 수 있다. 이 때, 바이패스관(240)의 제1직선부(243)는 흡입구(241)를 포함하는 일부분이 흡입커버(250)에 삽입되어 배치될 수 있고, 제1직선부(243)의 나머지 부분과 절곡부(244) 및 제2직선부(245)는 벤츄리커버(260)에 삽입되어 배치될 수 있다. 그리고, 제2직선부(245)의 토출구(242)를 포함하는 일부는 제2구역(220)에 돌출되도록 배치될 수 있다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 바이패스관(240)은 복수개가 구비될 수 있다. 바이패스관(240)이 복수개가 구비될 경우, 제2구역(220)에서 유동하는 배기가스 중 제2구역(220)의 내둘레를 향하는 배기가스의 유량을 더욱 증가시킬 수 있다는 장점이 있다.

바이패스관(240)이 복수개가 구비된 경우, 각각의 바이패스관(240)의 토출구(242)는, 배기가스의 메인유동 방향에서 바라볼 때 또는 제1구역(210)에서 제3구역(230)을 향해 바라볼 때를 기준으로, 중심선(C)에 대하여 서로 대칭형으로 배치될 수 있다. 그리고 이에 더하여, 바이패스관(240)의 개수가 3개 이상인 경우에는, 각각의 토출구(242)가 서로 등간격으로 원형으로 배치될 수 있다. 이와 같이, 각각의 토출구(242)가 대칭형으로 배치되거나 등간격의 원형으로 배치될 경우, 토출구(242)로부터 토출되는 배기가스의 반발력의 합이 0에 가까워지므로, 벤츄리관(210, 220, 230)의 동적 안정성과 신뢰성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.

또한, 각각의 바이패스관(240)의 흡입구(241) 또한, 제1구역(210)에서 제3구역(230)을 바라볼 때를 기준으로, 중심선(C)에 대하여 서로 대칭형으로 배치되거나, 또는 등간격의 원형으로 배치될 수 있다. 이 경우, 제1구역(210)에서 배기가스가 바이패스관(240)의 흡입구(241)로 흡입될 때, 특정부분에 존재하는 배기가스만을 흡입하는 것이 아니라, 둘레 전체에 걸쳐 고르게 배기가스를 흡입할 수 있기 때문에 결과적으로, 배기가스의 유동이 특정방향으로 쏠리게 되는 것을 일차적으로 방지할 수 있다는 장점이 있다.

이뿐만 아니라, 각각의 토출구(242)는 벤츄리관(210, 220, 230)의 길이 방향을 기준으로 또는 제1구역(210)에서 제3구역(230)을 향하는 방향을 기준으로, 서로 다른 위치에 배치될 수 있다. 이와 같이 배치될 경우, 어느 한 바이패스관(240)의 토출구(242)의 배기가스 토출 유동이 다른 한 토출구(242)의 배기가스 토출 유동으로 인한 영향을 받는 것을 최소화할 수 있다는 장점이 있다. 만약 그렇지 않은 경우, 각 토출구(242) 중 어느 둘 이상의 토출구(242) 간의 배기가스 토출 유동끼리 서로 영향을 끼칠 수 있다. 이 경우, 유동 손실이 발생되거나, 유동이 특정방향으로 쏠리게 되는 현상이 발생할 수 있고, 예상하기 어려운 유동이 발생하여 신뢰성 및 안정성을 떨어뜨릴 수 있다는 문제도 발생할 수 있다.

다만, 도 5를 참조하면, 위와는 다르게, 바이패스관(240)이 짝수로 복수개가 구비되고, 각각의 토출구(242)가 두개씩 쌍을 이루며, 각 쌍의 각각의 토출구(242)는 서로가 마주볼 수 있도록 배치될도 수 있다. 이와 같이 바이패스관(240)의 토출구(242)가 두개씩 쌍을 지어 마주보도록 배치될 경우, 양 토출구(242) 사이의 토출 반발력의 합은 0이되어 안정성을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 양 토출구(242)에서 배출되는 배기가스 유동 방향의 벡터 합이 0이 되므로 유동이 특정방향으로 쏠리는 것을 방지할 수도 있다는 장점이 있다. 생산적인 측면에서도 장점이 있는데, 바이패스관(240)의 토출구(242)의 위치가 모두 다를 경우, 바이패스관(240)의 형상도 모두 달라지는데, 위와 같은 경우에는 두개씩 동일하게 형성될 수 있으므로, 생산비용이나 제조시간을 절감할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 이 때도 물론, 전술한 바와 같이, 토출구(242) 간의 유동 간섭 등을 방지하기 위해, 토출구(242)의 각 쌍 중 어느 한 쌍의 어느 한 토출구(242)는 다른 한 쌍의 어느 한 토출구(242)와 벤츄리관(210, 220, 230)의 길이방향을 기준으로 서로 다른 위치에 배치되는 것이 바람직하다.

한편, 도 6 및 도 7을 참조하면, 복수개의 바이패스관(240)의 각 토출구(242)는, 배기가스의 메인유동 방향에 수직한 평면상에 형성되도록 배치될 수 있다. 이 경우, 바이패스관(240)의 부분 중 토출구(242)가 형성된 부분이 제2구역(220)의 내측으로 돌출되는 것을 최소화하여, 유동 저항을 최소화할 수 있다는 장점이 있다. 이 때, 토출구(242)에서 토출되는 배기가스의 토출 유동방향은 각각 벤츄리관(210, 220, 230)의 중심선(C)을 향하도록 형성될 수 있으며, 중심선(C)이 아닌 시계방향 또는 반시계 방향으로 제2구역(220)의 내둘레를 향하도록 기울여져 형성될 수도 있다.

토출구(242)에서 토출되는 배기가스의 토출 유동방향이 각각 벤츄리관(210, 220, 230)의 중심선(C)을 향하도록 형성될 경우, 각 토출구(242)의 배치상태는 도 6에 나타난 바와 같다. 이 경우, 각 토출구(242)로부터 토출되는 배기가스가 모두 벤츄리관(210, 220, 230)의 중심선(C)을 향하게 되고, 이에 따라 토출구(242)로부터 토출된 배기가스가 벤츄리관(210, 220, 230)의 메인유동에 더욱 쉽게 합류하게 되어 제3구역(230)에서의 유속이 상대적으로 증가한다는 효과가 있다.

반면에, 토출구(242)에서 토출되는 배기가스의 토출 유동방향이 중심선(C)이 아닌 시계방향 또는 반시계방향으로 제2구역(220)의 내둘레를 향해 기울어져 형성될 경우, 각 토출구(242)로부터 토출되는 배기가스는 선회 유동 또는 스월 유동(Swirl flow)을 하게 된다. 이와 같이 배기가스가 스월 유동을 하게 되는 경우, 배기가스의 유동에는 반경방향으로 원심력이 작용하게 된다. 이로 인해서 배기가스는 더욱 더 벤츄리관(210, 220, 230)의 내둘레면을 향해 유동하게 될 수 있고, 배기가스의 역류도 최소화할 수 있다는 장점이 있다.

한편, 도 6 및 도 7과 달리, 도 8을 참조하면, 복수개의 바이패스관(240)의 각 토출구(242)는, 배기가스의 토출 유동 방향이, 제1구역(210)에서 제3구역(230)을 향하는 방향의 성분을 갖도록 배치될 수 있다. 도 8에서는, 제1직선부(243)과 제2직선부(245) 사이에 배치된 절곡부(244)와 또다른 절곡부(미도시)를 제2직선부(245)와 토출구(242) 사이에 배치하여, 토출구(242)로부터 토출되는 배기가스의 유동 방향이 제1구역(210)에서 제3구역(230)을 향하는 방향의 성분을 갖는 것을 나타내었다. 이와 같이 배치된 경우, 각 토출구(242)에서는 벤츄리관(210, 220, 230)의 메인유동의 동압(Dynamic pressure)보다는 정압(Static pressure)이 더욱 더 작용하게 된다. 이 경우, 토출구(242)에서 토출되는 배기가스와의 압력차가 더욱 증가하여 토출구(242)로부터 토출되는 배기가스가 더욱 쉽게 확산될 수 있다는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 토출구(242)의 배기가스 토출 유동 방향이 제2구역(220)의 내둘레를 향하는 방향과 더욱 가까워지므로, 배기가스가 제2구역(220)에서 전체적으로 고르게 유동될 수 있다는 장점도 있다.

물론 상기의 경우에도, 토출구(242)는 토출되는 배기가스 유동의 방향이 벤츄리관(210, 220, 230)의 메인유동방향과 일치되도록 배치될 수 있다. 이 경우, 메인유동의 동압이 거의 작용하지 않아 배기가스의 확산이 극대화되고, 제2구역(220) 및 제3구역(230)에서의 전체적인 유속이 극대화된다는 장점이 있다.

이에 반해, 토출구(242)가 배기가스의 토출 유동 방향이 제2구역(220)의 둘레방향으로 기울여지도록 배치될 수도 있는데, 이 경우에는 전술한 바와 같이, 스월 유동이 형성되어, 배기가스가 제2구역(220)에서 전체적으로 고르게 유동될 수 있다는 장점이 있다.

상기에서는 엔진(100)의 배기 매니폴드(170)와 촉매변환기(300) 사이에 배치된 본발명에 따른 배기가스 처리장치(200)에 관해 설명하였다. 한편, 이와 같은 배기가스 처리장치(200)는 가스엔진 히트펌프(Gas engine HeatPump)에 적용될 수 있다. 이 경우, 가스엔진 히트펌프에서 생성되는 배기가스를 효과적으로 정화하여 외부로 방출할 수 있으므로 친환경적이라는 장점이 있으며, 촉매변환기(300) 담체(320)의 일부에만 유동이 쏠리는 것을 방지하여 유동저항을 개선시킬 수 있으므로, 결과적으로 가스엔진 히트펌프의 공조성능도 증가시킬 수 있다는 장점이 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

100 엔진
110 실린더
120 에어클리너
130 제로가버너
140 믹서
150 ETC
160 흡기 매니폴드
170 배기 매니폴드
200 배기가스 처리장치
210 제1구역
220 제2구역
230 제3구역
240 바이패스관
241 흡입구
242 토출구
243 제1직선부
244 절곡부
245 제2직선부
250 흡입커버
251 제1설치구
252 제2설치구
260 벤츄리커버
261 제3설치구
262 제4설치구
270 토출커버
300 촉매변환기
310 담체하우징
311 담체유입구
312 담체토출구
320 담체
321 담체망
400 열교환기
C 배기가스 유동 중심선

Claims

연료를 연소시켜 배기가스를 발생시키는 엔진;
상기 엔진과 연통되어 배기가스를 토출시키는 배기 매니폴드;
배기가스의 유로를 형성하는 담체하우징과, 화학반응을 통해 배기가스의 유해물질을 정화하며 상기 담체하우징과 유격이 없도록 배치된 담체를 포함하는 촉매변환기;
상기 배기 매니폴드와 연통하는 제1구역, 상기 촉매변환기와 연통하는 제3구역 및 상기 제1구역의 단면적보다 단면적이 작고 상기 제1구역과 상기 제3구역의 사이에 배치된 제2구역을 포함하는 벤츄리관; 및
흡입구가 상기 제1구역과 연통하고, 토출구가 상기 제2구역과 연통하는 바이패스관을 포함하는 배기가스 처리장치.
제1항에 있어서,
상기 바이패스관은 복수개가 구비된 배기가스 처리장치.
제2항에 있어서,
상기 복수개의 바이패스관은,
상기 제1구역에서 상기 제3구역을 바라볼 때, 각각의 상기 토출구가 서로 대칭형으로 배치된 배기가스 처리장치.
제2항에 있어서,
상기 복수개의 바이패스관은,
상기 제1구역에서 상기 제3구역을 바라볼 때, 각각의 상기 토출구가 서로 간격이 동일하도록 원형으로 배치된 배기가스 처리장치.
제2항에 있어서,
상기 복수개의 바이패스관은,
각각의 상기 흡입구가 배기가스의 유동방향과 수직한 평면상에 서로 간격이 동일하도록 원형으로 배치된 배기가스 처리장치.
제2항에 있어서,
상기 복수개의 바이패스관은,
각각의 상기 토출구가 상기 벤츄리관의 길이방향에서 서로 다른 위치에 배치되는 배기가스 처리장치.
제2항에 있어서,
상기 복수개의 바이패스관은 각각의 토출구가 두개씩 쌍을 이루도록 짝수개 구비되고,
상기 각 쌍은 각각의 토출구가 서로 마주보도록 배치된 배기가스 처리장치.
제7항에 있어서,
상기 각 쌍 중 어느 한 쌍의 어느 한 토출구는,
상기 각 쌍 중 다른 한 쌍의 어느 한 토출구와 상기 벤츄리관의 길이방향에서 서로 다른 위치에 배치되는 배기가스 처리장치.
제1항에 있어서,
상기 바이패스관의 토출구는,
상기 바이패스관에 의해 형성된 배기가스의 토출 유동방향이, 상기 제1구역에서 상기 제3구역을 향하는 방향과 수직한 평면상에 형성되도록 배치된 배기가스 처리장치.
제9항에 있어서,
상기 바이패스관의 토출구는,
상기 바이패스관의 배기가스 토출 유동방향이, 상기 제2구역의 중심선을 향하게 형성되도록 배치된 배기가스 처리장치.
제9항에 있어서,
상기 바이패스관의 토출구는,
상기 바이패스관의 배기가스 토출 유동방향이, 상기 제2구역의 내측면 둘레방향을 향하게 형성되도록 배치된 배기가스 처리장치.
제1항에 있어서,
상기 바이패스관의 토출구는,
상기 바이패스관의 배기가스 토출 유동방향이, 상기 제1구역에서 상기 제3구역을 향하는 방향의 성분을 갖도록 배치된 배기가스 처리장치.
제1항에 있어서,
상기 바이패스관의 토출구는,
상기 바이패스관의 배기가스 토출 유동방향이, 상기 제1구역에서 상기 제3구역을 향하는 방향과 나란하도록 배치된 배기가스 처리장치.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 배기가스 처리장치를 포함하는 가스엔진 히트펌프.