KR20230107007A - 요소수 믹싱 터보 차저 및 차량 배기계 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 차량 배기계(1)에 적용된 요소수 믹싱 터보차저(10)는 터보차저(20)의 터빈 출구(21b)에 형성된 터빈 출구 유선 각도(A)로 스월 유동이 1차 유도된 배기가스를 유입하고, 상기 배기가스가 흐르는 유로의 스월 가이드(Swirl Guide)(35)로 상기 배기가스에 2차 스월(Swirl) 유동을 형성하는 터뷸레이터(Turbulator)(30)가 포함됨으로써 터빈휠(25)의 스월(Swirl) 유도에 의한 SCR 전단부의 배기관내 난류 유동 유도로 요소수 분사 믹싱을 용이하게 하고, 특히 SCR 전단부 배기관내 난류 유동이 유도되는 터뷸레이터(Turbulator)의 유동 유선 각도를 배관내의 요소수 입사각과 메칭 구조로 요소수 분무 시 요소수와 배기가스 믹싱을 극대화하는 특징이 구현된다.

Description

요소수 믹싱 터보 차저 및 차량 배기계{Urea Mixing Turbo Charger and Automobile Exhaust System Thereof}
본 발명은 차량 배기계의 요소수 믹싱에 관한 것으로, 특히 터보차저로 배기가스의 난류 유동을 유도하는 요소수 믹싱 터보 차저가 적용된 차량 배기계에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 엔진에서 발생되는 배기가스는 NOx, CO, 그을음(soot), 입자상 물질(Particulate Matters)등이 포함된 다량의 오염 규제 물질을 포함한다.
그러므로 차량의 배기계에는 촉매장치(예, 후처리 장치)와 연계된 SCR 시스템(Selective Catalytic Reduction System)을 구비하고, 상기 SCR 시스템은 고온에서 암모니아로 분해되는 요소수(Urea)를 촉매인 SCR에서 화학반응으로 NOx를 질소(N2)와 물(H2O)로 분해하는 작용을 한다.
일례로 상기 SCR 시스템은 요소수를 분사하는 SCR 전단에 위치한 배기관 내측에 요소수 인젝터를 장착하고, 나아가 SCR 전단부 내측에서 별물의 구조물을 추가하여 요소수 믹싱을 보다 용이화 할 수 있게 한다.
국내등록특허 10-1220393(2013년01월03일)
하지만, 상기 SCR 시스템의 요소수 분사 방식은 SCR 전단 배기관내로 요소수 분사가 이루어짐으로써 요소수 믹싱 측면에서 불리하여 성능이 떨어지는 방식이다.
일례로 SCR 전단 배기관 내 요소수를 분사하는 경우, 분사된 요소수가 배기관내 배기가스와 잘 혼합되지 못함으로써 배기관 내측벽에 고형화 침착이 발생된다.
또한, SCR 전단부 내측에 요소수 믹싱을 용이화하기 위한 별물의 구조물을 장치하는 경우, 상기 별물 구조물은 배기관내 배기가스의 유동이 층류에 가까운 특성상 분사된 요소수와 배기가스 간 혼합 촉진에 제약 요인으로 작용된다.
이로 인하여 상기 SCR 시스템이 적용된 배기관내에는 요소수의 관내 벽면 침착량이 증대하여 고형화 됨으로써 배기관내 관로 막힘으로 발생되고, 상기 관로 막힘은 배기관내 배압 증대를 가져올 뿐만 아니라 SCR 정화 효율 저하도 수반될 수밖에 없다.
이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 터빈휠의 스월(Swirl) 유도에 의한 SCR 전단부의 배기관내 난류 유동 유도로 요소수 분사 믹싱을 용이하게 하고, 특히 SCR 전단부 배기관내 난류 유동이 유도되는 터뷸레이터의 유동 유선 각도를 배관내의 요소수 입사각과 메칭 구조로 요소수 분무 시 요소수와 배기가스 믹싱을 극대화 할 수 있는 요소수 믹싱 터보차저 및 차량 배기계의 제공에 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 요소수 믹싱 터보차저는 배기가스가 유입되는 입구와 배기가스가 배출되는 출구를 갖는 터보 하우징, 상기 배기가스를 정화하는 SCR, 및 상기 터보 하우징과 상기 SCR 사이에 배치되어 스월(Swirl)을 발생하는 터뷸레이터가 포함되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 터뷸레이터는 상기 터보 하우징의 터빈 출구에 연결되며, 상기 터빈 출구는 내측에 터빈 출구 유선 각도를 형성하고, 상기 터빈 출구 유선 각도는 상기 배기가스에 상기 스월 유동을 유도한다.
바람직한 실시예로서, 상기 터뷸레이터는 원통형 구조이며, 내부에는 유선형의 스월 가이드가 배치된다.
바람직한 실시예로서, 상기 터뷸레이터는 상기 스월 가이드가 상기 원통형 구조의 내측에 형성된 중공의 유로 몸통, 및 상기 유로 몸통의 한쪽에서 동심원으로 형성되어 상기 터빈 출구와 연결되는 고정 슬리브로 이루어진다.
바람직한 실시예로서, 상기 스월 가이드는 상기 유로 몸통의 입구와 출구 사이에서 나선형 배열 구조로 형성되며, 상기 나선형 배열 구조는 그로브 스월 각도를 형성하고, 상기 스월 가이드는 상기 유로 몸통의 내측에서 소정 높이로 돌출되어 복수개로 형성된다.
바람직한 실시예로서, 상기 스월 가이드는 나선형 그로브 개소, 돌출량 및 나선형 그로브 길이중 어느 하나를 상기 스월 유동에 맞춰 변경된다.
바람직한 실시예로서, 상기 터뷸레이터의 상부에는 상기 배기가스의 상기 스월 유동으로 요소수를 분사하는 인젝터가 설치되며, 상기 인젝터는 인젝터 요소수 입사각을 형성하고. 상기 인젝터 요소수 입사각은 상기 요소수를 상기 터뷸레이터의 출구쪽으로 분사하는 요소수를 상기 스월 가이드의 그로브 스월 각도와 매칭시켜주는 각도로 설정된다.
바람직한 실시예로서, 상기 터보차저와 상기 터뷸레이터는 직결 상태에서 클램프로 고정된다.
그리고 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 차량 배기계는 배기관, 배기가스의 유입과 배출이 이루어지는 터보 하우징에 형성된 터빈 출구 유선 각도로 상기 배기가스에 스월 유동을 1차 유도해 주고, 터뷸레이터의 원통형 구조에 형성된 스월 가이드로 상기 배기가스에 상기 스월 유동을 2차 유도해 주는 요소수 믹싱 터보차저, 상기 터뷸레이터의 상부에서 요소수를 분무하는 인젝터, 및 상기 배기관에 설치되고, 상기 터뷸레이터와 연결되어 상기 요소수를 SCR의 화학반응으로 질소산화물을 분해하는 터빈 SCR이 포함되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 배기관에는 상기 SCR의 후단으로 상기 질소산화물의 분해와 함께 상기 배기가스를 정화하는 언더 플로어 SCR가 장착되며, 상기 언더 플로어 SCR은 배기가스 정화를 위한 DOC와 DPF, 요소수 인젝터 및 SCR로 구성된다.
이러한 본 발명의 차량 배기계에 적용된 요소수 믹싱 터보차저는 하기와 같은 작용 및 효과를 구현한다.
첫째, 터빈 스월(Swirl)에 의한 SCR 전단부의 배기관내 난류 유동 유도로 인젝터에서 분사된 요소수와 배기가스 간 믹싱이 용이하게 구현된다. 둘째, 요소수 인젝터 입사각을 터뷸레이터의 스월 유동 유선 각도와 매칭하여 요소수 분무 시 요소수와 배기가스 믹싱이 극대화 될 수 있다. 셋째, 터빈 후단 배기관내 요소수 분사 시 분사각도와 스월 유동 유선 각도가 매칭된 분사 각도를 통해서 분사된 요소수와 배기가스 믹싱이 촉진됨으로써 요소수 혼합 부족에 따른 관 벽내 부착 현상이 크게 감소된다. 넷째, 배기관의 벽내 요소수 부착 현상 감소로 요소수 고형화 현상이 방지된다. 다섯째, 요소수 믹싱 개선에 터보차저가 사용됨으로써 기존의 별물 요소수 고형물의 사이즈 증대로 인한 배기관 면적 축소가 없어 기존 대비 배압 상승 억제 및 SCR 정화 효율 증대가 이루어진다. 여섯째, 배기계의 SCR 시스템이 터보차저의 터빈 후단에 근접(closed-coupled)하게 SCR 장착을 가능하게 함으로써 NOx 정화 효율이 크게 증대된다.
도 1은 본 발명에 따른 요소수 믹싱 터보 차저의 세부 구성도이며, 도 2는 본 발명에 따른 요소수 믹싱 터보 차저에서 발생되는 터빈 스월로 SCR 전단부의 배기관내 난류 유동 유도가 형성되는 상태이고, 도 3은 본 발명에 따른 차량 배기계에 적용된 요소수 믹싱 터보 차저의 구성도이다.
이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시 예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
도 1 및 도 2는 요소수 믹싱 터보차저(10)의 상세 구성과 터빈 후류 배기가스 스월 유도 흐름을 예시 한다.
도 1을 참조하면, 요소수 믹싱 터보차저(10)는 터보차저(20), 터뷸레이터(Turbulator)(30), 클램프(40) 및 인젝터(50)로 구성된다.
일례로 상기 터보차저(20)는 배기가스의 배기 에너지를 재활용하여 흡기 압력을 높여 주며, 배기가스의 유/출입을 위한 터빈 입/출구(21a,21b)가 구비된 터보 하우징(21), 터보 하우징(21)의 몸통을 형성하면서 배기가스 흐름을 촉진하는 터빈 볼류트(Turbine Volute)(23), 터보 하우징(21)에 내장되어 터빈 볼류트(23)의 경로에 위치된 터빈 휠(25)(또는 터빈) 및 터빈 입/출구(21a,21b)의 개도 변경으로 배기가스의 통과 면적을 가변시켜 주는 웨스트 게이트(Waste Gate)(27)로 구성된다.
그러므로 상기 터보차저(20)의 터보 하우징(21), 터빈 볼류트(23), 터빈 휠(25) 및 웨스트 게이트(27)는 일반적인 터보차저의 구성요소이다. 다만 상기 터보차저(20)는 터빈 출구 유선 각도(A)로 터보 하우징(21)의 터빈 출구(21b) 내측에 나선형 그로브(Groove)를 형성함으로써 배기가스 스월 유동 촉진이 도모되는 차이가 있다. 이 경우 상기 터빈 출구 유선 각도(A)를 이용한 나선형 그로브는 터보 하우징(21)의 전체 내측으로 형성될 수 있다.
일례로 상기 터뷸레이터(30)는 터빈휠(25)의 회전을 통한 터빈 후류 배기가스 스월 유동을 활용하여 요소수 분사 시 배기가스와 요소수 혼합을 촉진하는 유로 구조로 이루어진다.
이를 위해 상기 터뷸레이터(30)는 중공의 유로 몸통(31), 고정 슬리브(33) 및 스월 가이드(Swirl Guide)(35)로 이루어진다. 이 경우 상기 유로 몸통(31)은 터빈 휠(25)의 터빈 출구와 동축으로 직결 장착 상태를 형성하고, 상기 고정 슬리브(33)는 유로 몸통(31)의 한쪽부위(예, 터빈 후류 배기가스 스월 유동의 유입구)에 형성되어 터보 하우징(21)과 연결되며, 상기 스월 가이드(35)는 유로 몸통(31)의 내경에서 축 중심에 대해 예각의 그로브 스월 각도(Groove Swirl Angle)(a)를 형성한다.
그리고 상기 그로브 스월 각도(a)는 유로 몸통(31)의 한쪽부위(예, 터빈 후류 배기가스 스월 유동의 유입구)에서 반대쪽부위(예, 터빈 후류 배기가스 스월 유동의 배출구)로 이어지도록 유로 몸통의 전장길이에 맞춰 형성된다.
특히 상기 스월 가이드(35)는 유로 몸통(31)의 내측에서 소정 높이의 삼각 돌출 단면으로 형성되며, 유로 몸통(31)의 360°원형 둘레에 복수개로 형성되어 나선형 배열 구조를 형성한다. 이 경우 상기 스월 가이드(35)는 터빈 휠(25)의 스월 유동 촉진에 용이하기 위한 구조이므로, 나선형 그로브 개소, 돌출량(즉, 삼각 돌출 단면 높이), 나선형 그로브 길이는 터빈 휠(25)의 스월 유동 촉진에 용이한 구조에 맞춰 변경될 수 있다.
그러므로 상기 터뷸레이터(30)는 그로브 스월 각도(a)의 나선형 배열 구조를 가지면서 삼각 돌출 단면으로 이루어진 스월 가이드(35)가 터빈 휠(25) 회전에 의해 생성되는 배기가스 흐름에 스월을 최대한 활용할 수 있다.
일례로 상기 클램프(40)는 유로 몸통(31)의 고정 슬리브(33)를 고정함으로써 터보 하우징(21)과 터뷸레이터(30)를 연결하여 준다. 이를 위해 상기 클램프(40)는 링 클램프를 적용한다.
일례로 상기 인젝터(50)는 유로 몸통(31)이 출구(즉, 고정 슬리브(33)의 반대쪽 부위)에 위치되어 터뷸레이터(30)와 고정된 상태에서 유로 몸통(31)의 안쪽 공간으로 요소수를 분사한다. 이 경우 상기 인젝터(50)는 인젝터 제어기(100)(도 2 참조)로 구동 제어된다.
도 2를 참조하면, 상기 요소수 믹싱 터보차저(10)는 SCR(5)로 배기가스를 보내 준다. 이 경우 상기 SCR(5)은 터빈 근접(closed-coupled) SCR이다.
일례로 상기 요소수 믹싱 터보차저(10)는 터보차저(20)에서 터뷸레이터(30)를 나와 SCR(5)로 들어가는 배기가스를 스월 유동 배기가스(점선 화살표 참조)로 유도함으로써 인젝터 제어기(100)에 의한 인젝터(50)의 요소수(50a)가 SCR(5)의 전단에서 배기가스와 혼합 상태를 먼저 형성할 수 있다.
특히 상기 스월 유동 배기가스는 터보 하우징(21)의 터빈 입구(21a)로 들어와 터빈 볼류트(23)와 터빈 휠(25) 및 웨스트 게이트(27)를 거쳐 터빈 출구(21b)로 빠져 나가는 과정에서 터빈 출구(21b) 내측의 터빈 출구 유선 각도(A)를 통해 1차 스월 유동이 터보차저(20)에서 유도되고, 이어 터빈 출구(21b)와 동축으로 직결 장착 상태인 터뷸레이터(30)의 유로 몸통(31)을 지나가는 동안 스월 가이드(35)의 그로브 스월 각도(a)를 통해 2차 스월 유동이 강화된다.
이에 부가하여 상기 인젝터(50)는 인젝터 요소수 입사각(b)으로 스월 가이드(35)의 그로브 스월 각도(a)와 매칭 된 상태에서 요소수(50a)를 터뷸레이터(30)의 출구쪽으로 분사하여 준다.
그러므로 상기 스월 유동 배기가스는 1,2차로 강화된 스월 유동을 이용하여 분무된 요소수(50a)와 배기가스의 믹싱을 극대화한 상태로 SCR(5)로 들어가게 된다.
한편 도 3을 참조하면, 차량 배기계(1)는 배기가스가 흐르는 배기관(3)의 전단에 연결되는 요소수 믹싱 터보 차저(10)를 포함한다.
일례로 상기 배기관(3)에는 요소수(Urea)를 NOx를 질소(N2)와 물(H2O)로 분해하는 촉매로 SCR(Selective Catalytic Reduction)을 갖춘 SCR(5)와 언더 플로어(Underfloor) SCR(7)가 장착된다. 이 경우 상기 SCR(5)은 터빈 근접(closed-coupled) SCR로서 터보차저(20)의 터빈 후단에 근접(closed-coupled)하여 질소 산화물 정화 효율을 증대하여 주며, 상기 언더 플로어 SCR(7)은 배기가스 정화를 위한 DOC(Diesel Oxydization Catalyst)와 DPF(Diesel Particle Filter)의 후다에서 요소수 인젝터와 함께 SCR로 구성된 2차 질소 산화물 정화 장치이다.
그러므로 상기 요소수 믹싱 터보 차저(10)는 터빈 근접 SCR(5)의 앞쪽부위에 위치된 터보차저(20)에서 스월(Swirl)이 유도된 터빈 후류 배기가스 흐름에 요소수를 분사함으로써 배기가스와 요소수의 혼합 촉진으로 요소수 분사 믹싱이 용이한 특징을 구현할 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 차량 배기계(1)에 적용된 요소수 믹싱 터보차저(10)는 터보차저(20)의 터빈 출구(21b)에 형성된 터빈 출구 유선 각도(A)로 스월 유동이 1차 유도된 배기가스를 유입하고, 상기 배기가스가 흐르는 유로의 스월 가이드(Swirl Guide)(35)로 상기 배기가스에 2차 스월(Swirl) 유동을 형성하는 터뷸레이터(Turbulator)(30)가 포함됨으로써 터빈휠(25)의 스월(Swirl) 유도에 의한 SCR 전단부의 배기관내 난류 유동 유도로 요소수 분사 믹싱을 용이하게 하고, 특히 SCR 전단부 배기관내 난류 유동이 유도되는 터뷸레이터(Turbulator)의 유동 유선 각도를 배관내의 요소수 입사각과 메칭 구조로 요소수 분무 시 요소수와 배기가스 믹싱을 극대화 할 수 있다.
1 : 차량 배기계
3 : 배기관 5 : SCR
7 : 언더 플로어(Underfloor) SCR
10 : 요소수 믹싱 터보차저
20 : 터보차저 21 : 터보 하우징
21a,21b : 터빈 입/출구 23 : 터빈 볼류트(Turbine Volute)
25 : 터빈 휠 27 : 웨스트 게이트(Waste Gate)
30 : 터뷸레이터(Turbulator)
31 : 유로 몸통 33 : 고정 슬리브
35 : 스월 가이드(Swirl Guide)
40 : 클램프 50 : 인젝터
50a : 요소수
100 : 인젝터 제어기

Claims (16)

  1. 배기가스가 유입되는 입구와 배기가스가 배출되는 출구를 갖는 터보 하우징,
    상기 배기가스를 정화하는 SCR(Selective Catalytic Reduction), 및
    상기 터보 하우징과 상기 SCR 사이에 배치되어 스월(Swirl)을 발생하는 터뷸레이터(Turbulator)
    가 포함되는 것을 특징으로 하는 요소수 믹싱 터보차저.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 터뷸레이터는 상기 터보 하우징의 터빈 출구에 연결되는 것을 특징으로 하는 요소수 믹싱 터보차저.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 터빈 출구는 내측에 터빈 출구 유선 각도를 형성하고,
    상기 터빈 출구 유선 각도는 상기 배기가스에 상기 스월 유동을 유도하는 것을 특징으로 하는 요소수 믹싱 터보차저.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 터뷸레이터는 원통형 구조이며, 내부에는 유선형의 스월 가이드(Swirl Guide)가 배치되는 것을 특징으로 하는 요소수 믹싱 터보차저.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 터뷸레이터는
    상기 스월 가이드가 상기 원통형 구조의 내측에 형성된 중공의 유로 몸통, 및
    상기 유로 몸통의 한쪽에서 동심원으로 형성되어 상기 터빈 출구와 연결되는 고정 슬리브
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 요소수 믹싱 터보차저.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 스월 가이드는 상기 유로 몸통의 입구와 출구 사이에서 나선형 배열 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 요소수 믹싱 터보차저.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 나선형 배열 구조는 그로브 스월 각도(Groove Swirl Angle)를 형성하는 것을 특징으로 하는 요소수 믹싱 터보차저.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 스월 가이드는 상기 유로 몸통에 복수개로 형성되는 것을 특징으로 하는 요소수 믹싱 터보차저.
  9. 청구항 6에 있어서, 상기 스월 가이드는 상기 유로 몸통의 내측에서 소정 높이로 돌출되는 것을 특징으로 하는 요소수 믹싱 터보차저.
  10. 청구항 4에 있어서, 상기 스월 가이드는 나선형 그로브 개소, 돌출량 및 나선형 그로브 길이중 어느 하나를 상기 스월 유동에 맞춰 변경되는 것을 특징으로 하는 요소수 믹싱 터보차저.
  11. 청구항 4에 있어서, 상기 터뷸레이터의 상부에는 상기 배기가스의 상기 스월 유동으로 요소수를 분사하는 인젝터가 설치되는 것을 특징으로 하는 요소수 믹싱 터보차저.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 인젝터는 인젝터 요소수 입사각을 형성하고.
    상기 인젝터 요소수 입사각은 상기 요소수를 상기 터뷸레이터의 출구쪽으로 분사하는 요소수를 상기 스월 가이드의 그로브 스월 각도와 매칭시켜주는 각도로 설정되는 것을 특징으로 하는 요소수 믹싱 터보차저.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 터보차저와 상기 터뷸레이터는 직결 상태에서 클램프로 고정되는 것을 특징으로 하는 요소수 믹싱 터보차저.
  14. 배기관,
    배기가스의 유입과 배출이 이루어지는 터보 하우징에 형성된 터빈 출구 유선 각도로 상기 배기가스에 스월 유동을 1차 유도해 주고, 터뷸레이터(Turbulator)의 원통형 구조에 형성된 스월 가이드(Swirl Guide)로 상기 배기가스에 상기 스월 유동을 2차 유도해 주는 요소수 믹싱 터보차저,
    상기 터뷸레이터의 상부에서 요소수를 분무하는 인젝터, 및
    상기 배기관에 설치되고, 상기 터뷸레이터와 연결되어 상기 요소수를 SCR(Selective Catalytic Reduction)의 화학반응으로 질소산화물을 분해하는 터빈 근접(closed-coupled) SCR
    이 포함되는 것을 특징으로 하는 차량 배기계.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 배기관에는 상기 터빈 근접(closed-coupled) SCR의 후단으로 상기 질소산화물의 분해와 함께 상기 배기가스를 정화하는 언더 플로어(Underfloor) SCR가 장착되는 것을 특징으로 하는 차량 배기계.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 언더 플로어 SCR은 배기가스 정화를 위한 DOC(Diesel Oxydization Catalyst)와 DPF(Diesel Particle Filter), 요소수 인젝터 및 SCR(Selective Catalytic Reduction)로 구성된 것을 특징으로 하는 차량 배기계.
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