KR20230146831A - 초소수성 표면 처리 및 열선을 이용한 scr 믹서 - Google Patents

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임옥택
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울산대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은, 엔진 배기라인에 설치되어 배기가스와 요소수를 혼합시키는 SCR 믹서로서, 상기 배기라인을 이루는 관체의 중심 둘레를 따라 방사상으로 배치되는 복수 개의 블레이드; 및 상기 배기라인을 이루는 상기 관체의 중심과 직교하는 방향으로 이어지되, 상기 블레이드 각각의 단부에 연결되는 관 형태의 지지부재;를 포함하고, 상기 블레이드 각각은 양쪽 표면 중의 적어도 한쪽 표면에 형성되는 초소수성 처리면을 포함하며, 상기 지지부재는, 내부에 길이 방향으로 이어지게 삽입 설치되어 전원 인가에 따라 사전 설정된 온도 범위 내에서 발열하는 열선을 포함하는 것을 특징으로 하는 초소수성 표면 처리 및 열선을 이용한 SCR 믹서에 관한 것이다.

Description

초소수성 표면 처리 및 열선을 이용한 SCR 믹서{SCR mixer using superhydrophobic surface treatment and heating wire}
본 발명은 엔진 배기라인에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엔진 배기라인 내에서 요소수의 고형물을 저감시킴으로써 배기가스 정화 효율의 향상 및 장치의 수명 연장이 이루어질 수 있도록 하는 초소수성 표면 처리 및 열선을 이용한 SCR 믹서에 관한 것이다.
디젤 엔진은 연료를 고압축 연소하는바, 가솔린 엔진에 비해 열효율 향상 및 펌핑 손실 감소가 이루어질 수 있을 뿐만 아니라 특히 희박연소가 가능함에 따라 30% 내외의 연료소비율 개선 효과를 가질 수 있다.
그러나 디젤 엔진은 배기가스 중 질소산화물(NOx)과 입자상물질(PM)이 상대적으로 다량 발생하는 문제가 있었다.
이때, 질소산화물과 입자상물질은 인간의 폐에 직접적인 영향력을 미친다고 알려져 있으며, 질소산화물의 경우 산성비와 오존 생성의 원인이 될 수 있다고 알려져 있다.
따라서 배기가스 정화 과정에서 질소산화물과 입자상물질의 배출 저감이 중요한 과제가 되고 있다.
한편, 엔진에서 배출되는 배기가스로부터 질소산화물과 입자상물질 등의 유해물질 배출을 저감하기 위해 배기규제를 하고 있다.
이러한 이유로 자동차 제조업체에서는 배기규제 만족을 위해 엔진 배기라인에 질소산화물을 제거하는 선택적 촉매 저감장치(SCR : Selective Catalytic Reduction) 등을 설치하고 있다.
SCR은 촉매(SCR 촉매)를 이용하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 인체에 무해한 질소와 물로 환원시켜 배출하는 장치로서 주로 암모니아 또는 요소수(우레아)를 환원제로 이용한다.
이때, SCR의 전단에 연결된 엔진 배기라인에는 대한민국 등록특허 제10-1717603호 등에 개시된 바와 같이 유체의 유동을 일으키는 'SCR 믹서'가 설치된다.
SCR 믹서는 엔진 배기라인에 투입되는 요소수가 배기가스와 균일하게 혼합되도록 하는바, SCR 믹서를 통과할 때 배기가스와 요소수가 혼합되는 과정에서 요소수에 의해 열분해 반응과 가수분해 반응이 일어나 질소산화물이 인체에 무해한 질소와 물로 환원되어 배출될 수 있다.
그러나 종래 SCR 믹서는 표면에서의 요소수 증발 등이 기대에 미치지 못하였던바, 미처 증발하지 못한 요소수가 표면에 붙음에 따라 고형물이 생성되었으므로 이로 인해 배기가스 정화 효율이 저하되고, 장치의 수명이 단축되는 문제가 있었다.
상기의 이유로 해당 분야에서는 엔진 배기라인 내에서 요소수의 고형물을 저감시킴으로써 배기가스 정화 효율의 향상 및 장치의 수명 연장이 이루어질 수 있도록 하는 SCR 믹서의 개발을 시도하고 있으나 현재까지는 만족할 만한 결과를 얻지 못하고 있는 실정이다.
대한민국 등록특허 제10-1717603호
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것으로, 엔진 배기라인 내에서 요소수의 고형물을 저감시킴으로써 배기가스 정화 효율의 향상 및 장치의 수명 연장이 이루어질 수 있도록 하는 SCR 믹서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
엔진 배기라인에 설치되어 배기가스와 요소수를 혼합시키는 SCR 믹서로서, 상기 배기라인을 이루는 관체의 중심 둘레를 따라 방사상으로 배치되는 복수 개의 블레이드; 및 상기 배기라인을 이루는 상기 관체의 중심과 직교하는 방향으로 이어지되, 상기 블레이드 각각의 단부에 연결되는 관 형태의 지지부재;를 포함하고, 상기 블레이드 각각은 양쪽 표면 중의 적어도 한쪽 표면에 형성되는 초소수성 처리면을 포함하며, 상기 지지부재는, 내부에 길이 방향으로 이어지게 삽입 설치되어 전원 인가에 따라 사전 설정된 온도 범위 내에서 발열하는 열선을 포함하는 것을 특징으로 하는 초소수성 표면 처리 및 열선을 이용한 SCR 믹서를 제안한다.
상기 초소수성 처리면은 상기 블레이드 자체가 초소수성 재질로 이루어짐에 따라 형성될 수 있다.
상기 초소수성 처리면은 상기 블레이드 표면을 초소수성 재질로 코팅함에 따라 형성될 수 있다.
상기 지지부재는, 상기 배기라인을 이루는 상기 관체에 배치되되, 상기 배기가스 및 요소수의 유입이 이루어지는 상기 관체 일 단부에 인접 배치될 수 있다.
상기 열선은 카트리지 히터일 수 있다.
상기 열선은 사전 설정된 온도 범위 내에서 발열하되, 150-200℃로 발열할 수 있다.
본 발명에 의한 초소수성 표면 처리 및 열선을 이용한 SCR 믹서는, 블레이드 각각이 초소수성 처리면을 포함하고, 지지부재가 내부에 길이 방향으로 이어지게 삽입 설치되어 전원 인가에 따라 사전 설정된 온도 범위 내에서 발열하는 열선을 포함하는바, 초소수성 처리면에 의해 블레이드 표면에서 요소수가 잘게 분산될 수 있을 뿐만 아니라 열선의 발열에 의해 블레이드 표면에 접촉하는 요소수의 가열이 이루어질 수 있어 배기라인 내에서 진행되는 배기가스와 요소수의 혼합 과정에서 요소수의 증발이 원활할 수 있으므로 요소수 증발 미흡으로 인한 고형물 생성이 저감될 수 있어 배기가스 정화 효율이 향상될 수 있을 뿐만 아니라 장치의 수명 연장이 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 초소수성 표면 처리 및 열선을 이용한 SCR 믹서는, 요소수의 수분 증발이 원활한바, 기존의 장치에 비해 그 길이를 줄일 수 있으므로 차량에서 설치가 용이할 수 있을 뿐만 아니라 차량에서 전체 SCR 장치가 차지하는 공간이 최소화될 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 초소수성 표면 처리 및 열선을 이용한 SCR 믹서는, 지지부재의 열선 발열에 의해 엔진 미구동 상태에서도 배기라인 내부의 온도 유지가 이루어질 수 있는바, 별도의 가열장치 없이도 장치의 작동이 안정적으로 이루어질 수 있어 장치 작동에 따르는 비용을 절감할 수 있으므로 경제성을 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 초소수성 표면 처리 및 열선을 이용한 SCR 믹서는, 열선 발열에 의해 요소수의 가열이 이루어질 수 있는바, 요소수를 암모니아로 가수분해함에 요구되는 열원의 에너지 소모가 감소되므로 경제성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 초소수성 표면 처리 및 열선을 이용한 SCR 믹서의 외형을 보인 사시도이다.
도 2는 본 발명에 의한 초소수성 표면 처리 및 열선을 이용한 SCR 믹서가 적용된 엔진 배기라인을 보인 예시도이다.
도 3은 본 발명에 의한 초소수성 표면 처리 및 열선을 이용한 SCR 믹서에서 블레이드의 초소수성 처리면을 보인 예시도이다.
도 4는 본 발명에 의한 초소수성 표면 처리 및 열선을 이용한 SCR 믹서에서 열선의 설치를 보인 예시도이다.
도 5는 본 발명에 의한 초소수성 표면 처리 및 열선을 이용한 SCR 믹서에서 열선 발열이 이루어질 때의 열화상 촬영 사진이다.
이하, 첨부 도면에 의거 본 발명에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 초소수성 표면 처리 및 열선을 이용한 SCR 믹서(A)는, 블레이드(10); 및 지지부재(20);를 포함한다.
본 발명의 블레이드(10)는 복수 개로 마련되어 배기라인(100)을 이루는 관체(110)의 중심 둘레를 따라 방사상으로 배치된다.
따라서 관체(110)로 유입되는 배기가스 및 요소수가 블레이드(10)와 접촉함에 따라 선회 유동할 수 있다.
이때, 블레이드(10) 각각은 초소수성 처리면(10a)을 포함함으로써 관체(110) 내부로 유입되는 요소수가 초소수성 처리면(10a)과 접촉함에 따라 잘게 분산, 즉 초소수성 처리면(10a)에 미세 물방울 형태로 맺힐 수 있다.
여기서, 초소수성 처리면(10a)은 블레이드(10) 자체가 초소수성 재질로 이루어짐에 따라 형성될 수 있다.
또한, 초소수성 처리면(10a)은 블레이드(10) 표면을 초소수성 재질로 코팅함에 따라 형성될 수 있다.
이때, 초소수성 처리면(10a)은 블레이드(10) 양쪽 표면 중의 적어도 한쪽 표면에 형성될 수 있다.
블레이드(10)의 양쪽 표면 모두에 초소수성 처리면(10a)이 형성되는 경우 관체(110) 내부로 유입되는 요소수가 블레이드(10) 양쪽 표면 어디에 접촉하더라도 잘게 분산될 수 있다.
그리고 블레이드(10) 각각은, 평탄면으로 이루어지되, 관체(110)의 길이 방향으로 이어지는 연장부(11);를 포함함으로써 연장부(11)에 의해 지지부재(20) 결합면이 제공될 수 있다.
한편, 초소수성 처리면(10a)을 형성하는 초소수성 재질은 이와 접촉하는 요소수를 잘게 분산, 즉 미세 물방울 형태로 맺힐 수 있도록 하는 것이라면 통상의 어떠한 종류의 것이라도 무방하며, 그 일례로는 스테인리스 스틸일 수 있다.
본 발명의 지지부재(20)는, 원형관 형태의 것으로서, 배기라인(100)을 이루는 관체(110)의 중심과 직교하는 방향으로 이어지되, 블레이드(10) 각각의 단부에 연결된다.
따라서 지지부재(20)에 의해 블레이드(10) 각각의 지지가 이루어질 수 있다.
이때, 지지부재(20)는 내부에 길이 방향으로 이어지게 삽입 설치되어 전원 인가에 따라 사전 설정된 온도 범위 내에서 발열하는 열선(21)을 포함함으로써 열선(21)의 발열에 의해 블레이드(10) 및 그 주변의 가열이 이루어질 수 있다.
여기서, 열선(21)은 전원 인가에 따라 사전 설정된 온도 범위 내에서 발열할 수 있는 것이라면 통상의 어떠한 구조 및 방식의 것이어도 무방하며, 그 일례로는 카트리지 히터일 수 있다.
그리고 열선(21)은, 사전 설정된 온도 범위 내에서 발열하되, 150-200℃로 발열함으로써 열선(21)의 발열에 의한 블레이드(10) 및 그 주변의 가열이 원활할 수 있다.
한편, 지지부재(20)는, 배기라인(100)을 이루는 관체(110)에 배치되되, 배기가스 및 요소수의 유입이 이루어지는 관체(110) 일 단부에 인접 배치, 다시 말해 요소수를 관체(110) 내부로 분사하는 인젝터(120)가 위치하는 일 단부에 인접 배치됨으로써 배기가스 및 요소수가 관체(110) 내부로 유입된 직후 열선(21) 발열에 의해 가열된 블레이드(10)와 접촉할 수 있다.
본 발명에 의한 초소수성 표면 처리 및 열선을 이용한 SCR 믹서(A)를 통한 배기가스와 요소수의 혼합에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 의한 초소수성 표면 처리 및 열선을 이용한 SCR 믹서(A)는, 배기라인(100)을 이루는 관체(110)의 중심 둘레를 따라 방사상으로 배치되는 복수 개의 블레이드(10)를 포함하는바, 관체(110) 일 단부를 통해 유입되는 배기가스 및 요소수가 블레이드(10)와 접촉하며 선회 유동하는 과정에서 비교적 균일하게 혼합되므로 혼합 과정에서 요소수에 의한 열분해 반응과 가수분해 반응에 의해 배기가스에 포함된 질소산화물이 인체에 무해한 질소와 물로 환원될 수 있어 배기가스 정화가 이루어질 수 있다.
다만, 블레이드(10) 표면 등에서의 요소수 증발이 미흡할 경우 미처 증발하지 못한 요소수가 블레이드(10) 표면에 붙으며 고형물이 생성되므로 이에 의해 장치 수명이 단축될 수 있을 뿐만 아니라 배기가스 정화 효율이 저하될 수 있다.
그러나 본 발명의 블레이드(10)는, 도 3에 도시된 바와 같이 초소수성 처리면(10a)을 포함하는바, 초소수성 처리면(10a)에 의해 요소수가 잘게 분산, 다시 말해 요소수가 초소수성 처리면(10a)에 미세 물방울 형태로 맺힐 수 있게 되므로 이에 의해 요소수의 증발이 원활할 수 있어 요소수의 증발 미흡으로 인한 장치의 수명 단축 및 배기가스 정화 효율 저하가 방지될 수 있다.
이때, 초소수성 처리면(10a)은 블레이드(10) 양쪽 표면 중의 어느 한쪽 표면에 형성될 수 있을 뿐만 아니라 양쪽 표면 모두에 형성될 수 있는바, 블레이드(10)의 양쪽 표면 모두에 초소수성 처리면(10a)이 형성됨에 따라서는 관체(110) 내부로 유입되는 요소수가 블레이드(10) 양쪽 표면 어디에 접촉하더라도 잘게 분산될 수 있다.
더불어, 본 발명에 의한 초소수성 표면 처리 및 열선을 이용한 SCR 믹서(A)에서 각 블레이드(10)의 단부에 연결되는 관 형태의 지지부재(20)는, 도 4에 도시된 바와 같이 내부에 길이 방향으로 이어지게 삽입 설치되어 전원 인가에 따라 사전 설정된 온도 범위 내에서 발열하는 열선(21)을 포함하는바, 열선(21)의 발열이 이루어짐에 따라 도 5에 도시된 바와 같이 블레이드(10) 및 그 주변이 가열되므로 블레이드(10) 표면 및 그 주변에 위치하는 요소수가 가열에 의해 더욱 원활히 증발될 수 있어 요소수의 증발 미흡으로 인한 장치의 수명 단축 및 배기가스 정화 효율 저하가 더욱 방지될 수 있다.
이때, 열선(21)은, 사전 설정된 온도 범위 내에서 발열하되, 150-200℃로 발열하는바, 열선(21)의 발열에 의한 블레이드(10) 및 그 주변의 가열이 원활할 수 있다.
또한, 지지부재(20)는, 배기라인(100)에 배치되되, 도 2에 도시된 바와 같이 배기가스 및 요소수의 유입이 이루어지는 배기라인(100) 일 단부에 인접 배치, 다시 말해 요소수를 관체(110) 내부로 분사하는 인젝터(120)가 위치하는 일 단부에 인접 배치될 수 있는바, 배기가스 및 요소수가 관체(110) 내부로 유입된 직후 열선(21) 발열에 의해 가열된 블레이드(10)와 접촉함에 따라 더욱 원활히 증발될 수 있어 요소수의 증발 미흡으로 인한 장치의 수명 단축 및 배기가스 정화 효율 저하가 더욱 방지될 수 있다.
<실험예 1>
본 발명에 의한 초소수성 표면 처리 및 열선을 이용한 SCR 믹서(초소수성 처리면이 형성된 블레이드 및 열선이 설치된 지지부재를 포함하는 것, 이하 '본 발명에 의한 SCR 믹서'라 함) 및 본 발명에 의한 SCR 믹서와 동일 형태 동일 규격의 일반 SCR 믹서(초소수성 처리면이 미형성된 블레이드 및 열선이 미설치된 지지부재를 포함하는 것)를 준비하였다.
그리고 본 발명에 의한 SCR 믹서와 일반 SCR 믹서를 동일한 엔진 배기라인에 가각 적용한 상태에서 동일한 시간 동안 배기가스를 정화한 후 블레이드 표면에서의 고형물 발행 여부를 확인하였다.
이때, 일반 SCR 믹서의 경우 배기가스 정화 이후 블레이드 표면에 고형물이 발생한 반면 본 발명에 의한 SCR 믹서의 경우 배기가스 정화 이후 블레이드 표면에 고형물이 발생하지 않았다.
상기의 결과로 미루어보아 본 발명에 의한 SCR 믹서가 일반 SCR 믹서에 비해 배기가스 정화 효율이 높다고 할 수 있으며, 이를 통해 블레이드 표면에 초소수성 처리면을 형성함으로써 배기가스 정화 과정에서 요소수의 증발이 원활하게 이루어질 수 있음을 확인할 수 있다.
<실험예 2>
본 발명에 의한 SCR 믹서(초소수성 처리면이 형성된 블레이드 및 열선이 설치된 지지부재를 포함하는 것)를 2개 준비하였다.
그리고 본 발명에 의한 SCR 믹서 어느 하나와 다른 하나를 동일한 엔진 배기라인에 각각 적용하되, 본 발명에 의한 SCR 믹서 어느 하나는 25℃에 두고, 본 발명에 의한 SCR 믹서 다른 하나는 가열을 통해 150℃로 둔 상태에서 동일한 시간 동안 동일한 양의 배기가스 및 요소수를 투입한 후 블레이드 표면에서의 요소수 접촉각(액체가 고체와 접촉하고 있을 때 액체의 자유 표면이 고체 평면과 이루는 각도로)을 측정하였다.
이때, 본 발명에 의한 SCR 믹서를 150℃로 가열하였을 때 접촉각이 100°임을 확인할 수 있었고, 본 발명에 의한 SCR 믹서를 25℃로 두었을 때 접촉각이 72°임을 확인할 수 있었다.
상기의 결과로 미루어보아 본 발명에 의한 SCR 믹서를 150℃로 가열하였을 때 본 발명에 의한 SCR 믹서를 25℃로 두었을 때에 비해 블레이드 표면에서의 요소수 분산이 원활하다 할 수 있으며, 이를 통해 블레이드를 가열하는 경우 배기가스 정화 과정에서 요소수의 분산에 효과가 있음을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하므로 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 변경 가능하며, 그와 같은 변경은 이하 청구범위 기재에 의하여 정의되는 본 발명의 보호범위 내에 있게 된다.
10 : 블레이드
10a : 초소수성 처리면
11 : 연장부
20 : 지지부재
21 : 열선
100 : 배기라인
110 : 관체
120 : 인젝터
A : SCR 믹서

Claims (5)

  1. 엔진 배기라인에 설치되어 배기가스와 요소수를 혼합시키는 SCR 믹서로서,
    상기 배기라인을 이루는 관체의 중심 둘레를 따라 방사상으로 배치되는 복수 개의 블레이드; 및
    상기 배기라인을 이루는 상기 관체의 중심과 직교하는 방향으로 이어지되, 상기 블레이드 각각의 단부에 연결되는 관 형태의 지지부재;를 포함하고,
    상기 블레이드 각각은 양쪽 표면 중의 적어도 한쪽 표면에 형성되는 초소수성 처리면을 포함하며,
    상기 지지부재는, 내부에 길이 방향으로 이어지게 삽입 설치되어 전원 인가에 따라 사전 설정된 온도 범위 내에서 발열하는 열선을 포함하는 것을 특징으로 하는 초소수성 표면 처리 및 열선을 이용한 SCR 믹서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초소수성 처리면은 상기 블레이드 자체가 초소수성 재질로 이루어짐에 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 초소수성 표면 처리 및 열선을 이용한 SCR 믹서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 초소수성 처리면은 상기 블레이드 표면을 초소수성 재질로 코팅함에 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 초소수성 표면 처리 및 열선을 이용한 SCR 믹서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 지지부재는, 상기 배기라인을 이루는 상기 관체에 배치되되, 상기 배기가스 및 요소수의 유입이 이루어지는 상기 관체 일 단부에 인접 배치되는 것을 특징으로 하는 초소수성 표면 처리 및 열선을 이용한 SCR 믹서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열선은 카트리지 히터인 것을 특징으로 하는 초소수성 표면 처리 및 열선을 이용한 SCR 믹서.
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