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KR100890003B1 - 내연기관의 배기 가스 정화 장치 - Google Patents

내연기관의 배기 가스 정화 장치 Download PDF

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KR100890003B1
KR100890003B1 KR1020077011929A KR20077011929A KR100890003B1 KR 100890003 B1 KR100890003 B1 KR 100890003B1 KR 1020077011929 A KR1020077011929 A KR 1020077011929A KR 20077011929 A KR20077011929 A KR 20077011929A KR 100890003 B1 KR100890003 B1 KR 100890003B1
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exhaust gas
catalyst
chamber
outlet
inlet
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토시히코 니시야마
코지 이이지마
Original Assignee
가부시키가이샤 고마쓰 세이사쿠쇼
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Publication date
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Abstract

배기 가스의 입구실(40) 및 출구실(50)을 일체의 유출입부(80)로 구성하고, 중심부분의 DPF(13)를 구비한 제 1 후처리 장치(10) 및 외주측의 요소 탈질 촉매(DeNOx 촉매)(23)를 구비한 제 2 후처리 장치(20)를 일체의 촉매 장착부(70)로 구성하고, 이들 촉매 장착부(70), 유출입부(80), 및 연통실 형성부(30)를 별체로 하여 서로 분해 가능하게 설치함과 아울러, 촉매 장착부(70)를 반전 설치 가능하게 설치하였다. 따라서, 촉매 장착부(70)를 반전시킴으로써 DPF(13)를 중심부분으로부터 빼내지 않고 용이하게 반전할 수 있는데다가, 요소 탈질 촉매(23)도 동시 반전시켜서 배기 가스의 유입 방향을 바꿀 수 있고, 요소 탈질 촉매(23)가 편중해서 열화되는 것을 방지할 수 있다.

Description

내연기관의 배기 가스 정화 장치{EXHAUST GAS PURIFICATION DEVICE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연기관의 배기 가스 정화 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 내연기관의 배기 유로에 설치되어 배기 가스를 정화하는 내연기관의 배기 가스 정화 장치에 관한 것이다.
종래, 디젤 엔진 등의 내연기관으로부터 배출되는 배기 가스 중의 미립자(입자상 물질)를 포집하거나 NOx량을 저감하기 위해서 내연기관의 배기 유로에 배기 가스 정화 장치를 설치하는 것이 알려져 있다.
미립자를 포집하기 위한 배기 가스 정화 장치로서는 디젤 미립자 필터(이하, DPF(Diesel Particulate Filter)라고 칭한다)를 구비한 것이 개발되어 있고, NOx 량을 저감시키기 위한 배기 가스 정화 장치로서는 NOx 환원 촉매나 NOx 흡장 환원 촉매 등의 DeNOx 촉매를 구비한 것이 개발되어 있다.
또한, 최근에는 배기 가스 규제가 보다 엄격하게 되어 있고, 이것에 대응하기 위해서 DPF와 DeNOx 촉매를 직렬로 조합시킨 배기 가스 정화 장치가 제안되어 있다. 이와 같은 배기 가스 정화 장치에 의하면, 예컨대 상류측의 전단에 있어서는 DPF에 의해 미립자를 포집하고, 그 하류측의 후단에 있어서는 DeNOx 촉매에 의해 NOx를 저감할 수 있어 배기 가스의 정화 성능을 한층 향상시키는 것이 가능하다.
또한, DPF와 DeNOx 촉매를 조합시킨 배기 가스 정화 장치에서는 배기 가스의 흐름을 연구함으로써 전체의 콤팩트화를 도모한 것이 알려져 있다(특허문헌1). 이 특허문헌1에 기재된 배기 가스 정화 장치는 중앙에 원기둥 형상의 DPF를 배치하고, 이 DPF의 주위를 둘러싸도록 원환상의 DeNOx 촉매를 배치하고, DPF의 일단측으로부터 배기 가스를 유입시켜 타단측으로부터 유출시키고, 유출된 배기 가스의 흐름을 반전시켜 외주측의 DeNOx 촉매의 타단측(DPF의 타단측과 동일한 측)으로부터 유입시킴과 아울러, 그 일단측(DPF의 일단측과 동일한 측)으로부터 유출시키는 구조이다.
특허문헌1: 미국 특허 제6,680,037호
그런데, DPF에서는 일반적으로, 배기 가스를 유입시키는 가느다란 작은 구멍이 일단측으로부터 타단측을 향해 다수 형성되어 있고, 반수의 작은 구멍에서는 일단측이 눈막힘되고, 나머지 반수의 작은 구멍에서는 타단측이 눈막힘되어 있다. 이와 같은 구조에 의해 DPF의 일단측에 있어서 눈막힘되어 있지 않은 작은 구멍에 유입된 배기 가스는 타단측에서의 눈막힘에 의해 막혀져서 작은 구멍의 둘레벽을 통해서 인접하는 별도의 유로로 유입된다. 이 별도의 작은 구멍에서는 반대로, 일단측이 눈막힘되고 타단측에서 개방되어 있으므로, 이 타단측으로부터 배기 가스가 유출되게 된다. 즉, 작은 구멍간의 경계벽이 필터로서 기능하여 이 경계벽 부분에서 미립자가 포집된다.
그리고, 이와 같은 구조의 DPF에서는 배기 가스의 유입측과 유출측을 반전시켜 이용함으로써, 반전 전에 포집된 미립자를 반전 후의 배기 가스의 흐름에 의해 제거하여 미립자에 의한 눈막힘을 방지하는 것이 가능하다. 따라서, 상기 특허문헌1의 배기 가스 정화 장치에 있어서도 DPF가 반전 가능하게 설치되어 있다.
그러나, 특허문헌1에 기재된 배기 가스 정화 장치에서는 DPF의 주위에 DeNOx 촉매가 배치되고 또한 이들 전체가 통체로 덮여져 있기 때문에, DPF를 반전시키기 위해서는 통체를 개방한 후, DeNOx 촉매에 의해 둘러싸여진 DPF를 빼내고, 그 후에 반전시켜 다시 삽입할 필요가 있어 수고스럽고 번거롭다.
또한, DeNOx 촉매는 항상 동일한 방향으로 고정되어 있기 때문에, 배기 가스의 유입측일수록 열화되기 쉽고, 유입측과 유출측에서는 촉매 성능에 편중이 생겨버려 DeNOx 촉매의 이용 효율이 나쁘다는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 한쪽의 후처리 장치의 반전을 용이하게 할 수 있고, 또한 다른쪽의 후처리 장치의 이용 효율을 향상시킬 수 있는 내연기관의 배기 가스 정화 장치를 제공하는 것에 있다.
제 1 발명에 따른 내연기관의 배기 가스 정화 장치는,
내연기관의 배기 가스 정화 장치에 있어서,
정화 전의 배기 가스가 유입되는 입구실, 및 정화 후의 배기 가스가 배출되는 출구실로 구획되어 이들이 동심상으로 배치된 유출입부와,
이 유출입부에 연결되어 처리대상이 다른 2종 이상의 촉매가 연결방향을 따른 축 둘레로 동심상으로 배치되어 일체화된 촉매 장착부와,
이 촉매 장착부의 상기 유출입부와는 반대측에 연결되어 상기 입구실로부터 유입된 배기 가스의 흐름을 상기 출구실 방향으로 반전시키는 연통실을 형성하는 연통실 형성부를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
제 2 발명에 따른 내연기관의 배기 가스 정화 장치는, 제 1 발명에 있어서,
상기 촉매 장착부는 상기 유출입부측의 연결부와, 상기 연통실 형성부측의 연결부가 동일 연결 구조로 되어 있는 것을 특징으로 한다.
제 3 발명에 따른 내연기관의 배기 가스 정화 장치는, 제 1 발명에 있어서,
상기 촉매 장착부는 연결방향에 직교하는 단면을 중심으로 하여 상기 유출입부 연결측과 상기 연통실 형성부 연결측이 대칭으로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
제 4 발명에 따른 내연기관의 배기 가스 정화 장치는, 제 3 발명에 있어서,
상기 촉매 장착부는 최외주를 덮는 외측 통부와, 다른 촉매간에 끼워 장착되는 내측 통부를 구비하고, 상기 내측 통부의 연결방향 선단은 상기 외측 통부 선단보다 돌출되어 이 돌출 부위가 상기 유출입(流出入)부와 끼워 맞춰져 있는 것을 특징으로 한다.
제 5 발명에 따른 내연기관의 배기 가스 정화 장치는, 제 1 발명에 있어서,
상기 유출입부는 내측이 입구실, 외측이 출구실로 구획되고,
상기 촉매 장착부의 중심에 배치되는 촉매는 디젤 미립자 필터인 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 가스 정화 장치.
제 6 발명에 따른 내연기관의 배기 가스 정화 장치는, 제 5 발명에 있어서,
상기 디젤 미립자 필터의 외측에는 DeNOx 촉매가 배치되는 것을 특징으로 한다.
제 7 발명에 따른 내연기관의 배기 가스 정화 장치는, 제 6 발명에 있어서,
상기 DeNOx 촉매는 요소 탈질 촉매이고,
상기 연통실 형성부에는 환원제 공급 장치가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
제 8 발명에 따른 내연기관의 배기 가스 정화 장치는, 제 7 발명에 있어서,
상기 연통실로부터 상기 출구실에 이르는 유로 중에는 암모니아를 무해화하는 산화 촉매가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
제 9 발명에 따른 내연기관의 배기 가스 정화 장치는, 제 1 발명 내지 제 8 발명 중 어느 하나에 있어서,
상기 입구실에는 상기 촉매 장착부로의 배기 가스의 흐름 방향에 직교하는 방향으로부터 정화 전의 배기 가스가 유입되는 입구관이 설치되고,
상기 출구실에는 상기 촉매 장착부에 의해 정화된 배기 가스의 흐름 방향에 직교하는 방향으로 상기 정화 후의 배기 가스를 배출하는 출구관이 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
제 10 발명에 따른 내연기관의 배기 가스 정화 장치는, 제 9 발명에 있어서,
상기 입구실 및 출구실은 동심상으로 배치되는 내측 통부 및 외측 통부에 의해 구획되고, 상기 촉매 장착부와의 연결측과는 반대측의 각 통부의 단부는 측벽부에 의해 폐쇄됨과 아울러, 상기 내측 통부의 단부는 상기 외측 통부의 단부보다 외측으로 돌출되게 형성되고,
이 내측 통부의 내측에 형성되는 실에 설치되는 입구관 또는 출구관은 상기 내측 통부의 돌출 형성된 부위에 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
제 11 발명에 따른 내연기관의 배기 가스 정화 장치는, 제 9 발명에 있어서,
상기 입구실 및 출구실은 동심상으로 배치되는 내측 통부 및 외측 통부에 의해 구획되고, 상기 촉매 장착부와의 연결측과는 반대측의 각 통부의 단부는 측벽부에 의해 폐쇄되고,
이 내측 통부의 내측에 형성되는 실에 설치되는 입구관 또는 출구관은 상기 외측 통부의 둘레벽을 관통해서 설치됨과 아울러, 상기 내측 통부에 대하여 끼워 맞춰지고, 또한 상기 외측 통부에 대하여 고착되어 있는 것을 특징으로 한다.
제 12 발명에 따른 촉매 장착 유닛은, 상기 제 1 발명 내지 제 11 발명 중 어느 하나의 배기 가스 정화 장치에 이용되는 서브 콤비네이션 발명으로서 성립하는 것이다.
구체적으로는, 제 12 발명에 따른 촉매 장착 유닛은,
정화 전의 배기 가스가 유입되는 입구실, 및 정화 후의 배기 가스가 배출되는 출구실로 구획되어 이들이 동심상으로 배치된 유출입부와, 상기 입구실로부터 유입된 배기 가스의 흐름을 상기 출구실 방향으로 반전시키는 연통실 형성부를 구비한 내연기관의 배기 가스 정화 장치에 이용되고, 상기 유출입부 및 상기 연통실 형성부 사이에 연결되는 촉매 장착 유닛으로서,
상기 유출입부에 연결되어 처리대상이 다른 2종 이상의 촉매가 연결방향을 따른 축 둘레로 동심상으로 배치되어 일체화되어 있는 것을 특징으로 한다.
<발명의 효과>
제 1 발명에 의하면, 내연기관의 배기 가스 정화 장치가 유출입부, 촉매 장착부, 및 연통실 형성부라는 3개 구성으로 됨으로써, 촉매의 열화에 의해 유입측과 유출측의 촉매 성능에 편중이 생긴 경우, 촉매 장착부를 반전해서 다시 사용할 수 있으므로 후처리 장치의 이용 효율을 향상시킬 수 있다.
따라서, 예컨대 다른 촉매를 구비한 2개의 후처리 장치의 한쪽이 DPF를 구비하고 다른쪽이 DeNOx 촉매를 구비한 것이면, 이들 DPF 및 DeNOx 촉매에 의해 일체의 촉매 장착부가 형성되게 되므로, 이 촉매 장착부를 유출입부나 연통실에 대하여 반전시킴으로써 DPF 및 DeNOx 촉매를 한번에 반전시킬 수 있고, 통체를 개방해서 DPF만을 뽑아내고, 그 후에 다시 삽입할 필요가 있는 종래에 비해서 반전 작업을 용이하게 할 수 있고, DPF에서의 미립자에 의한 눈막힘을 양호하게 방지할 수 있다. 또한, 촉매 장착부 전체를 반전시키므로, NOx 촉매도 반전시킬 수 있고 DeNOx 촉매로서의 촉매 성능에 편중이 생기기 어렵게 할 수 있어 DeNOx 촉매의 이용 효율을 향상시킬 수 있다.
제 2 발명에 의하면, 촉매 장착부의 유출입부측의 연결부와, 연통실 형성부측의 연결부가 동일 연결 구조로 되어 있으므로 반전시의 장착을 용이하게 할 수 있다.
제 3 발명에 의하면, 촉매 장착부가 연결방향에 직교하는 단면을 중심으로 하여 유출입부 연결측과 연통실 형성부 연결측이 대칭으로 구성되어 있음으로써, 유출입부 연결측의 촉매부분의 성능이 저하했을 경우, 연결실 연결측의 성능이 그다지 저하하지 않는 촉매 부분을 유출입부 연결측에 반전시켜 연결할 수 있으므로 촉매의 이용 효율을 확실하게 향상시킬 수 있다.
제 4 발명에 의하면, 내측 통부 선단이 외측 통부 선단보다 돌출되어 돌출 부위가 유출입부와 끼워 맞춰짐으로써, 유출입부의 내측에 배치되는 입구실 또는 출구실과, 내측 통부 내측에 배치되는 촉매 사이의 통풍을 확보하여 내측의 촉매에 의한 정화를 확실하게 행할 수 있다.
제 5 발명에 의하면, 중심에 DPF가 배치되는 구성으로 함으로써 DPF를 원기둥 형상에 할 수 있으므로 세라믹스로 이루어지는 DPF를 용이하게 제작할 수 있다.
제 6 발명에 의하면, DPF의 외측에 DeNOx 촉매를 배치함으로써 유출입부의 입구실로부터 도입되는 정화 전의 배기 가스를 이들 촉매에 의해 순차적으로 정화하여 DeNOx 촉매에 의해 탈초 효율이 높은 배기 가스 정화 장치를 얻을 수 있다.
제 7 발명에 의하면, 연통실 형성부에 환원제 공급 장치를 설치함으로써 환원제의 공급 공간을 별도 설치할 필요가 없어 배기 가스 정화 장치를 보다 콤팩트하게 할 수 있다.
제 8 발명에 의하면, 연통실로부터 출구실에 이르는 유로 중에 클린업용 산화 촉매를 설치함으로써 DeNOx 촉매에서 잉여가 된 암모니아를 무해화할 수 있어 암모니아로서 외부로 배출되는 것을 방지할 수 있다.
제 9 발명에 의하면, 배기 가스의 유출입부의 입구실이나 출구실에는 촉매 장착부 내의 배기 가스의 흐름 방향에 대하여 직각방향으로 배기 가스가 유출입되도록 입구관이나 출구관이 설치되어 있기 때문에, 내연기관과 배기 가스 정화 장치 사이의 배관의 처리를 용이하게 할 수 있고, 특히 장소 면적이 적은 건설기계의 엔진룸 내에서도 배기 가스 후처리 장치를 확실하게 탑재할 수 있다.
제 10 발명에 의하면, 내측에 형성되는 실을 구획하는 내측 통부가 돌출되게 설치되어 이 돌출 부위에 입구관 또는 출구관이 설치되어 있기 때문에, 외측에 노출된 부분에 입ㆍ출구관을 부착할 수 있어 설치 가공을 외측으로부터 용이하게 할 수 있다.
제 11 발명에 의하면, 내측의 실을 외측의 실로부터 돌출되게 형성할 필요가 없고, 외측의 실내에 완전히 수용시킴으로써, 유출입부를 콤팩트하게 할 수 있어 배기 가스 정화 장치 전체를 소형화할 수 있다. 또한, 내측의 실의 입구관 또는 출구관은 내측의 실에 대하여 끼워맞춤 접합되어 있으므로, 그 끼워맞춤값의 설정에 여유를 갖게 해 두면, 내측의 실의 내측 통부나 입ㆍ출구관에 열변형이 생기더라도 서로의 접합 부분에서의 열응력을 저감시킬 수 있어 내구성을 향상시킬 수 있다.
제 12 발명에 의하면, 배기 가스 정화 장치를 구성하는 촉매 장착부를 이와 같이 유닛화함으로써, 새로운 촉매 장착 유닛을 구입하는 것만으로 배기 가스 정화 장치의 촉매 성능을 향상시킬 수 있는데다가, 배기 가스의 상태에 따라 촉매의 조합을 변경하는 것도 간단히 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시형태에 따른 내연기관의 배기 가스 정화 장치의 전체를 나타내는 단면도이다.
도 2는 배기 가스 정화 장치의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시형태에 따른 내연기관의 배기 가스 정화 장치의 전체를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 1 변형예를 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제 2 변형예를 나타내는 단면도이다.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
1 … 배기 가스 정화 장치 10 … 제 1 후처리 장치
13 … DPF:디젤 미립자 필터 23 … DeNOx 촉매인 요소 탈질 촉매
20 … 제 2 후처리 장치 30 … 연통실
40 … 입구실 43,52,90 … 측벽부
44 … 내측 통부 45 … 입구관
50 … 출구실 51 … 외측 통부
53 … 출구관 61 … 산화 촉매
70 … 촉매 장착부 80 … 유출입부
〔제1실시형태〕
이하, 본 발명의 제1실시형태를 도면에 기초하여 설명한다.
도 1은 본 실시형태에 따른 내연기관의 배기 가스 정화 장치(1)의 전체를 나 타내는 단면도, 도 2는 그 분해 사시도이다. 또한, 본 실시형태에서의 내연기관으로서는 주로 디젤 엔진을 상정하고 있다.
배기 가스 정화 장치(1)는 디젤 엔진의 배기 유로 중에 설치되어 배기 가스 중에 포함되는 미립자를 포집함과 아울러, 대기 중으로의 NOx의 배출량을 저감하기 위한 장치이며, 배기 머플러를 겸하고 있다. 또한, 이와 같은 배기 가스 정화 장치(1)는 유압셔블, 불도저, 휠 로더 등의 건설기계에 바람직하게 탑재된다.
배기 가스 정화 장치(1)는 도 1 및 도 2에 나타나 있는 바와 같이, 제 1 후처리 장치(10) 및 제 2 후처리 장치(20)에 의해 배기 가스의 정화를 행하는 장치이며, 연통실 형성부(30), 촉매 장착부(70), 및 유출입부(80)를 연결해서 구성된다.
(1) 유출입부(80)의 구조
유출입부(80)는 입구실(40) 및 출구실(50)로 구획되고, 이들은 외측 통부(51) 및 내측 통부(44)에 의해 구획되어 있다.
구체적으로는, 입구실(40)은 도시하지 않은 터보 과급기 등으로부터의 배기 가스가 일단 들어가는 공간이며, 도 1에 나타나 있는 바와 같이, 출구실(50)로부터 외부로 돌출되게 형성된 원통 형상의 제 1 내측 통부(41)와, 제 1 내측 통부(41)의 하류측에 설치된 제 2 내측 통부(42)와, 제 1 내측 통부(41)의 일단측을 폐쇄하는 측벽부(43)에 의해 형성된다. 즉, 본 발명의 내측 통부(44)는 일체로 고정된 제 1, 제 2 내측 통부(41,42)에 의해 형성되어 있다.
여기서, 제 2 내측 통부(42)는 하류를 향함에 따라 확대 개방되어 있고, 그 단부 둘레 가장자리는 제 1 후처리 장치(10)의 내측 케이스(11)에 착탈가능하게 끼 워 맞춰져 있다.
제 1 내측 통부(41)의 외주에는 측벽부(52)가 설치되어 있다. 이 측벽부(52)는 원환상으로 되고, 이 개구부분으로부터 입구실(40)의 제 1 내측 통부(41)가 돌출 형성되고, 측벽부(52)와 제 1 내측 통부(41)가 서로 용접 등에 의해 고착되어 있다. 또한, 이 측벽부(52)에는 제 2 내측 통부(42)를 용접 등으로 고착시켜도 되지만, 제 2 내측 통부(42)를 제 1 내측 통부(41)에 끼워 맞추는 정도로 하여도 된다.
또한, 제 1 내측 통부(41) 중 출구실(50)로부터 돌출된 부분에는 터보 과급기측으로부터의 배기 가스를 입구실(40) 내로 유입시키는 입구관(45)이 설치되어 있다. 입구관(45)을 돌출부분에 설치함으로써 제 1 내측 통부(41)로의 용접 등이 외측으로부터 용이하게 행해지게 되어 있다.
입구관(45)은 제 1 내측 통부(41)의 둘레면에 설치되어 있음으로써, 배기 가스를 촉매 장착부(70) 내의 배기 가스의 흐름 방향에 대하여 대략 직각방향으로부터 끌어넣는다. 이렇게 함으로써 터보 과급기로부터의 배관의 길이를 짧게 할 수 있어 배관의 처리에 필요한 장소 면적을 작게 할 수 있다. 이 입구관(45)은 입구실(40)의 내부 공간을 지름방향으로 가로지르는 길이로 설치되어 있고, 둘레면 상에 형성된 다수의 구멍으로부터 배기 가스가 유출되도록 되어 있다.
이 때, 입구관(45)의 내부에는 둥근 구멍 개구를 가진 1쌍의 칸막이 부재(46)가 설치되고, 상류측의 칸막이 부재(46)의 둥근 구멍 개구를 보다 크게 함으로써, 유출되는 배기 가스의 양이 입구관(45)의 길이방향으로 균등화되도록 되어 있다.
출구실(50)은 입구실(40)의 제 2 내측 통부(42)를 덮는 외측 통부(51)와, 이 외측 통부(51)의 일단측을 덮는 측벽부(52)로 형성되어 있다.
외측 통부(51)는 후술하는 촉매 장착부(70)에서 이용되는 외측 케이스(21)와 대략 동일한 지름으로 되고, 외주를 따라 플랜지(51A)가 설치되며, 플랜지(51A)에는 복수의 고정 나사 삽입용 구멍이 형성되어 있다.
출구실(50)의 외측 통부(51)에는 배기 가스를 배출시키는 출구관(53)이 설치되어 있다. 이 출구관(53)도 외측 통부(51)의 둘레면에 설치되어 있음으로써, 배기 가스를 촉매 장착부(70) 내의 배기 가스의 흐름 방향에 대하여 대략 직각방향으로 배출한다. 이렇게 함으로써 엔진룸의 보닛을 관통하게 하여 출구관(53) 외부로 돌출시킬 수 있어 좁은 엔진룸 내에서 출구관(53)을 선회할 필요가 없다.
또한, 출구관(53)은 외측 통부(51)에 고착된 기단측의 스트레이트 관(54)과, 스트레이트 관(54)의 선단에 V커플링에 의해 착탈가능하게 부착된 테일(tail) 관(55)으로 구성되어 있고, 스트레이트 관(54)의 내부에 보조장치(60)가 배치되어 있다.
보조장치(60)는 도시하지 않은 완충부재를 통해서 배치된 산화 촉매(61)를 구비하고 있다. 산화 촉매(61)는 후술하는 DPF(13)에 코팅된 산화 촉매와는 성질이 다르다. 즉, 여기서의 산화 촉매(61)는 후술하는 상류의 요소 탈질 촉매(23)에서 잉여로 된 암모니아를 산화하여 질소와 물로 분해해서 무해화하는 것이다.
(2) 촉매 장착부(70)의 구조
촉매 장착부(70)는 교환가능한 유닛으로서 구성되고, 도 2에 나타나 있는 바와 같이, 동심상으로 배치되는 DPF(13)를 내장한 제 1 후처리 장치(10)와, DPF(13)와는 다른 요소 탈질 촉매(23)를 내장한 제 2 후처리 장치(20)를 구비하여 구성된다.
제 1 후처리 장치(10)는 원통 형상의 내측 케이스(11) 내부에 완충부재(12)를 통해서 원기둥 형상의 DPF(13)를 내장한 구성이다.
이 중, DPF(13)는 상세한 도시를 생략하지만 벌집 형상으로 다수의 작은 구멍을 배치한 구조로 되어 있다. 작은 구멍은 유입측 끝면(13A)으로부터 유출측 끝면(13B)을 향하여 즉, 축방향을 따라 연통되어 있고, 그 단면은 다각 형상(예컨대, 육각 형상)으로 형성되어 있다.
작은 구멍으로서는 유입측 끝면(13A)에서 개구하여 유출측 끝면(13B)에서 눈막힘된 것과, 유입측 끝면(13A)에서 눈막힘되어 유출측 끝면(13B)에서 개구한 것이 교대로 배치되어 있고, 전자의 작은 구멍으로부터 유입된 배기 가스가 경계벽을 통과하여 후자의 작은 구멍에 빠져서 하류측으로 유출된다. 그리고, 그 경계벽에서 미립자가 포집된다. 이러한 DPF(13)의 재질은 코디어라이트나 탄화규소 등의 세라믹스, 또는, 스테인레스나 알루미늄 등의 금속으로 이루어지고, 용도에 따라 적절하게 결정된다. 본 실시형태에서는 세라믹스가 이용되고 있다.
또한, DPF(13)에는 워시 코트 등에 의해 산화 촉매가 코팅되어 있다. 여기서의 산화 촉매는 직접 매연을 연소시킴과 아울러, 유입되는 배기 가스 중의 일산화질소를 산화하여 이산화질소를 생성한다. 생성된 이산화질소는 배기 가스 등의 고 온의 분위기중에서는 불안정하여 산소를 방출해서 일산화탄소로 되돌아오지만, 방출한 산소에 의한 산화력에 의해 DPF(13)에서 연속적으로 포집된 미립자를 순서에 따라 연소시켜 DPF(13)를 상시 막힘이 생기지 않는 상태로 재생한다. 또한, 일산화질소로 되돌아오지 않은 이산화질소는 제 2 후처리 장치(20)까지 도달하게 된다.
제 2 후처리 장치(20)는 원통 형상의 외측 케이스(21)의 내부에 도시하지 않은 완충부재를 통해서 원환상의 요소 탈질 촉매(DeNOx 촉매)(23)를 내장한 구성이며, 제 1 후처리 장치(10)의 외주를 둘러싸도록 배치되어 있다. 즉, 요소 탈질 촉매(23) 중앙의 구멍부분에 제 1 후처리 장치(10)가 배치되고, 임의의 고정수단으로 고정되어 있는 것이다.
이 중, 요소 탈질 촉매(23)는 제올라이트, 바나듐 등의 비금속으로 이루어지고, 환원제로서의 요소로부터 얻어지는 암모니아와 배기 가스 중의 NOx를 반응시켜 NOx를 질소와 산소로 분해해서 정화한다. 이 때, 요소 탈질 촉매(23)는 상류측의 적층체(24)와 하류측의 적층체(25)로 나누어져 있고, 사이의 간극(26)에서 배기 가스의 흐름에 난류를 발생시켜 교반상태를 야기해 반응을 촉진시키고 있다.
이와 같은 촉매 장착부(70)는 반전시켜도 사용 가능하도록 유출입부(80), 촉매 장착부(70), 및 연통실 형성부(30)의 연결방향을 따른 축에 직교하고, 촉매 장착부(70)를 대략 중앙에서 분할하는 단면을 중심으로 해서 대칭형상으로 이루어지고, 제 1, 제 2 후처리 장치(10,20)로의 배기 가스의 유출입 방향을 변경해서 이용할 수 있다.
또한, 외측 통부로서의 외측 케이스(21)의 단부에는 플랜지(21A)가 형성되어 있고, 이 플랜지(21A)에는 고정 나사가 삽입되는 구멍이 복수개 형성되어 있다. 내측 통부로서의 내측 케이스(11)는 대략 원통 형상으로 형성되고, 그 단부는 외측 케이스(21)의 단부보다 돌출되어 있다.
(3) 연통실 형성부(30)의 구조
연통실 형성부(30)는 제 2 후처리 장치(20)의 외측 케이스(21)와 대략 동일한 외경을 가진 접시형상의 커버(31)를 구비하고, 이 커버(31)에는 외주 가장자리를 따라 플랜지(31A)가 형성되고, 이 플랜지(31A)에는 고정 나사 삽입용 구멍이 복수개 형성되어 있다.
커버(31)의 외측 중앙에는 환원제로서의 요소를 분사하는 환원제 공급 장치(32)가 부착되어 있다. 환원제 공급 장치(32)는 도시를 생략하지만, 요소를 저류하는 탱크, 탱크 내의 요소를 압송하는 펌프, 압송된 요소 내의 먼지나 쓰레기 등을 제거하는 필터를 구비하고, 게다가 요소를 공기와 함께 연통실 형성부(30) 내의 연통실에 분사하는 공급부(33)를 구비하고 있다. 공급부(33)로부터 분사된 요소는 배기 가스에 의한 가열에 의해 증발 기화해서 암모니아로 열분해되고, 제 2 후처리 장치(20)의 요소 탈질 촉매(23)에 공급된다.
(4) 배기 가스 정화 장치(1)의 연결구조
이상과 같은 구조의 유출입부(80), 촉매 장착부(70), 및 연통실 형성부(30)는 각각에 설치된 플랜지(51A), 플랜지(21A), 및 플랜지(31A) 부분에서 접촉하고, 각 플랜지(51A,21A,31A)에 형성된 복수의 구멍에 볼트 너트 등의 고정수단을 삽입함으로써 연결된다.
여기서, 유출입부(80)의 플랜지(51A)에 형성된 복수의 구멍, 촉매 장착부(70)의 플랜지(21A)에 형성된 복수의 구멍, 및 연통실 형성부(30)에 형성된 복수의 구멍은 동일한 피치로 서로 대향 배치하도록 형성되어, 촉매 장착부(70)를 반전시키더라도 동일한 위치에서 고정할 수 있다.
또한, 촉매 장착부(70)의 내측 케이스(11)의 선단은 내측 통부(41)가 끼워 맞춰지도록 되어 있어서, 외주부분만의 고정에 의해 동시에 내측 통부(41)와 내측 케이스(11)가 끼워 맞춰져 조립이나 분해를 용이하게 행할 수 있다. 촉매 장착부(70)를 반전시킨 경우에도 마찬가지이다.
이상의 배기 가스 정화 장치(1)는 건설기계의 엔진룸 내에 수용되고, 예컨대 보닛의 이면측에 고정되거나 엔진의 상방에 마운트됨으로써, 엔진과 보닛 사이의 약간의 공간을 이용해서 배치된다. 이 결과, 보닛으로부터는 출구관(53)만이 노출되게 된다.
(5) 배기 가스 정화 장치(1)의 작용 및 효과
다음에, 본 실시형태의 작용 및 효과에 대해서 설명한다.
배기 가스 정화 장치(1) 내의 배기 가스의 흐름은 도 1의 화살표로 나타내어지는 바와 같은 흐름으로 되어 있고, 우선, 엔진의 배기 가스는 입구관(45)으로부터 유출입부(80)의 입구실(40)에 들어가고, 촉매 장착부(70)의 내측 케이스(11)의 내부의 DPF(13)에 공급되고, DPF(13)에 의해 배기 가스 중의 미립자를 포집한 후, 제 1 후처리 장치(10)의 출구(10B)로부터 연통실 형성부(30) 내의 연통실에 공급된다.
연통실 형성부(30) 내의 연통실에서는 DPF(13)에 의해 정화된 후의 배기 가스의 흐름이 반전되고, 입구(20A)로부터 제 2 후처리 장치(20) 내에 공급된다. 이 때, 연통실 내에서는 환원제 공급 장치(32)로부터 요소가 분사되어 요소가 분무된 상태에서 배기 가스는 제 2 후처리 장치(20) 내에 공급된다.
제 2 후처리 장치(20)에서는 배기 가스 중에 분무된 요소로부터 얻어지는 암모니아와 배기 가스 중의 NOx를 요소 탈질 촉매(23)에 의해 반응시켜 배기 가스 중의 NOx를 질소와 물로 분해해서 정화한다. 이 제 2 후처리 장치(20) 내에서 정화된 배기 가스는 출구실(50)에 공급된다.
출구실(50) 내에 공급된 배기 가스는 출구관(53)에 설치된 보조장치(60)에 공급되고, 산화 촉매(61)로 잉여의 암모니아를 산화해서 질소와 물로 분해한 후, 출구관(53)으로부터 외부로 배출된다.
이와 같은 본 실시형태에 의하면, 배기 가스 정화 장치(1)에 있어서 DPF(13)에 의해 포집된 미립자는 운반된 산화 촉매의 작용에 의해 기본적으로는 자기 연소되는 것이지만, 연소되지 않고 남은 미립자가 존재하는 경우에도 촉매 장착부(70)를 반전시켜 DPF(13)에 유입되는 배기 가스의 흐름을 바꿈으로써 포집된 미립자가 연통실 형성부(30)측에 배출되도록 되어 DPF(13)에서의 눈막힘을 보다 확실하게 방지할 수 있다.
또한, 촉매 장착부(70)를 반전시킴으로써 DPF(13)를 중심부분으로부터 빼내지 않고 용이하게 반전할 수 있고, 또한, 요소 탈질 촉매(23)도 동시에 반전되기 때문에 요소 탈질 촉매(23)로의 배기 가스의 유입 방향도 바꿀 수 있고, 항상 일방 측으로부터 배기 가스를 유입시키는 경우에 비해서 요소 탈질 촉매(23)의 편중된 열화를 방지할 수 있어 요소 탈질 촉매(23)의 이용 효율을 향상시킬 수 있다.
〔제2실시형태〕
다음에, 본 발명의 제2실시형태에 대해서 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는 이미 설명한 부분과 동일한 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙여서 그 설명을 생략한다.
도 3에는 본 발명의 제2실시형태로서, 배기 가스 정화 장치(1)의 입구실(40) 및 출구실(50)의 다른 실시형태가 나타내어져 있다.
본 실시형태에서는 입구실(40) 및 출구실(50)의 일단측은 공통의 측벽부(90)에 의해 폐쇄되어 있다. 단, 개별적으로 측벽부를 설치해도 물론 좋다.
또한, 내측 통부(44)가 모두 외측 통부(51) 내에 배치되어 있음으로써, 입구실(40)은 출구실(50) 내에 완전히 덮여져 있고, 입구실(40)에 설치된 입구관(45)은 외측 통부(51)의 둘레벽을 관통해서 설치되어 있다. 또한, 입구실(40)은 출구실(50) 내에 수용될 정도로 소형화되어 있어 배기 가스 정화 장치(1) 전체가 제1실시형태에 비해서 콤팩트하게 되어 있다.
입구실(40)의 입구관(45)은 내측 통부(44) 내에 용접 등으로 고착된 내측 관(47)과, 선단이 내측 통부(44)의 개구 부분에 끼워 맞춰지고 또한 외주부분의 도중이 외측 통부(51)에 용접 등으로 고착된 외측 관(48)으로 구성되고, 외측 관(48)과 내측 관(47) 사이에는 간극(45A)이 형성되어 있다. 이 간극(45A)에 의해 내외측 관(47,48)의 열팽창에 의한 변위를 흡수하고, 내측 통부(44)와의 접합 부분이나 외 측 통부(51)와의 접합 부분에서 생기는 열응력이 완화되도록 되어 있다.
또한, 내측 통부(44)는 제1실시형태와는 달리 1부품으로 구성되고, 측벽부(90)에 대하여 끼워 맞춰져 있다.
다른 구성은 제1실시형태와 동일하다.
〔실시형태의 변형〕
또한, 본 발명은 상기 각 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 다른 구성 등을 포함하며, 이하에 나타내는 변형 등도 본 발명에 포함된다.
예컨대, 상기 각 실시형태에서는 보조장치(60)의 산화 촉매(61)가 출구관(53) 내에 설치되어 있었지만, 도 4(제 1 변형예)나 도 5(제 2 변형예)에 나타내는 바와 같이, 제 2 후처리 장치(20)의 출구의 환상부분 즉 내측 통부(44)의 외주와 외측 통부(51) 사이에 배치되어도 된다. 이 경우의 산화 촉매(61)는 환상으로 되고, 또한 출구관(53)으로서는 스트레이트 부분과 테일 부분이 연속된 1개인 것을 이용할 수 있다.
상기 각 실시형태의 제 2 후처리 장치(20)에는 요소를 환원제로 하는 요소 탈질 촉매(23)가 이용되고 있었지만, 이 밖에, 연료 등의 탄화수소(HC)를 환원제로 하는 DeNOx 촉매나 NOx 흡장 환원 촉매 등을 이용해도 되고, 환원제를 필요로 하지 않는 그 외의 DeNOx 촉매를 이용해도 된다. 또한, 환원제로서 탄화수소를 이용한 경우, 제 2 후처리 장치(20)의 하류에는 암모니아를 무해화하는 산화 촉매(61) 대신에 탄화수소를 산화해서 무해화하는 별도의 성질의 산화 촉매를 배치하는 것이 필요하다.
상기 각 실시형태에서는 분사 공급된 요소를 배기 가스의 열에 의해 증발 기화시키고 있었지만, 연통실 형성부(30) 내에 히터 등을 설치하여 이 히터에 요소를 떨어뜨림으로써 보다 적극적으로 증발시켜도 된다.
상기 각 실시형태의 DPF(13)에는 산화 촉매가 담지되어 있었지만 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예컨대, 도 5에 나타내어지는 바와 같이, DPF(13)에 산화 촉매를 코팅하지 않고, 산화 촉매(161)를 제 2 내측 통부(42)의 DPF(13)보다 상류측에 배치해도 된다.
상기 각 실시형태에서는 중앙의 제 1 후처리 장치(10)로서 DPF(13)를 구비하고, 제 2 후처리 장치(20)로서 요소 탈질 촉매(23)를 구비하고 있었지만, 제 1 후처리 장치에 요소 탈질 촉매 등의 DeNOx 촉매를 설치하고, 제 2 후처리 장치에 DPF를 형성해도 된다. 이와 같은 경우에는 배기 가스의 흐름을 각 실시형태와는 반대로 할 필요가 있기 때문에, 각 실시형태에서의 외측 통부(51)를 이용하여 입구실이 형성되고, 내측 통부(44)를 이용하여 출구실이 형성되게 되며, 또한, 입구관 및 출구관도 각 실시형태와는 반대로 된다. 단, 제 1 후처리 장치에 DPF를 설치함으로써 DPF를 원기둥 형상으로 할 수 있어 DPF을 세라믹스로 제조하는 경우에 바람직하다.
본 발명을 실시하기 위한 최량의 구성, 방법 등은 이상의 기재에서 개시되어 있지만 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명은 주로 특정한 실시형태에 관해서 특별히 도시되고, 또한 설명되어 있지만, 본 발명의 기술적 사상 및 목적하는 범위로부터 일탈하는 일 없이, 이상 서술한 실시형태에 대하여 형상, 수 량, 그 밖의 상세한 구성에 있어서 당업자가 여러가지 변형을 추가할 수 있는 것이다.
따라서, 상기에 개시한 형상, 수량 등을 한정한 기재는 본 발명의 이해를 쉽게 하기 위해서 예시적으로 기재한 것이며, 본 발명을 한정하는 것은 아니기 때문에, 그들의 형상, 수량 등의 한정의 일부 혹은 전부의 한정을 제외한 부재의 명칭으로의 기재는 본 발명에 포함되는 것이다.
본 발명의 배기 가스 정화 장치는 각종의 건설기계 외에 내연기계를 사용하는 모든 산업기계에 이용할 수 있다. 또한, 차량 길이가 긴 차량에 대해서도 종래의 배기 가스 정화 장치로 바꾸어서 이용할 수도 있다.

Claims (12)

  1. 정화 전의 배기 가스가 유입되는 입구실, 및 정화 후의 배기 가스가 배출되는 출구실로 구획됨과 아울러, 상기 입구실이 내측에, 상기 출구실이 외측에 동심상으로 배치된 유출입부;
    이 유출입부에 연결되어 처리대상이 다른 2종 이상의 촉매가 연결방향을 따른 축 둘레로 동심상으로 배치되어 일체화된 촉매 장착부; 및
    이 촉매 장착부의 상기 유출입부와는 반대측에 연결되어 상기 입구실로부터 유입된 배기 가스의 흐름을 상기 출구실 방향으로 반전시키는 연통실 형성부를 구비하고,
    상기 입구실에는 상기 촉매 장착부로의 배기 가스의 흐름 방향에 직교하는 방향으로부터 정화 전의 배기 가스가 유입되는 입구관이 설치되고,
    상기 출구실에는 상기 촉매 장착부에 의해 정화된 배기 가스의 흐름 방향에 직교하는 방향으로 상기 정화 후의 배기 가스를 배출하는 출구관이 설치되고,
    상기 입구실 및 출구실은 동심상으로 배치되는 내측 통부 및 외측 통부에 의해 구획되고,
    상기 촉매 장착부와의 연결측과는 반대측의 각 통부의 단부는 측벽부에 의해 폐쇄되며,
    상기 내측 통부의 단부는 상기 외측 통부의 단부보다 외측으로 돌출되게 형성되고,
    이 내측 통부의 내측에 형성되는 실에 설치되는 상기 입구관은, 상기 내측 통부의 돌출된 부위에 설치됨과 아울러, 입구실의 내부 공간을 가로지르는 길이로 설치되고,
    상기 입구관의 둘레면 상에는, 배기가스 유출용의 다수의 구멍이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 가스 정화 장치.
  2. 정화 전의 배기 가스가 유입되는 입구실, 및 정화 후의 배기 가스가 배출되는 출구실로 구획됨과 아울러, 상기 입구실이 내측에, 상기 출구실이 외측에 동심상으로 배치된 유출입부;
    이 유출입부에 연결되어 처리대상이 다른 2종 이상의 촉매가 연결방향을 따른 축 둘레로 동심상으로 배치되어 일체화된 촉매 장착부; 및
    이 촉매 장착부의 상기 유출입부와는 반대측에 연결되어 상기 입구실로부터 유입된 배기 가스의 흐름을 상기 출구실 방향으로 반전시키는 연통실 형성부를 구비하고,
    상기 입구실에는 상기 촉매 장착부로의 배기 가스의 흐름 방향에 직교하는 방향으로부터 정화 전의 배기 가스가 유입되는 입구관이 설치되고,
    상기 출구실에는 상기 촉매 장착부에 의해 정화된 배기 가스의 흐름 방향에 직교하는 방향으로 상기 정화 후의 배기 가스를 배출하는 출구관이 설치되고,
    상기 입구실 및 출구실은 동심상으로 배치되는 내측 통부 및 외측 통부에 의해 구획되고,
    상기 촉매 장착부와의 연결측과는 반대측의 각 통부의 단부는 측벽부에 의해 폐쇄되며,
    이 내측 통부의 내측에 형성되는 실에 설치되는 입구관은, 상기 외측 통부의 둘레벽을 관통해서 입구실의 내부공간을 가로지르는 길이로 설치되어 있음과 아울러, 상기 내측 통부에 대하여 끼워 맞춰지고, 또한 상기 외측 통부에 대하여 고착되며,
    상기 입구관의 둘레면 상에는 배기가스 유출용의 다수의 구멍이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 가스 정화 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 촉매 장착부는 상기 유출입부측의 연결부와 상기 연통실 형성부측의 연결부가 동일 연결 구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 가스 정화 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 촉매 장착부는 연결방향에 직교하는 단면을 중심으로 하여 상기 유출입부 연결측과 상기 연통실 형성부 연결측이 대칭으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 가스 정화 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 촉매 장착부는 최외주를 덮는 외측 케이스와, 다른 촉매간에 끼워 장착되는 내측 케이스를 구비하고,
    상기 내측 케이스의 연결방향 선단은 상기 외측 케이스 선단보다 돌출되어 이 돌출 부위가 상기 유출입부와 끼워 맞춰져 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 가스 정화 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 촉매 장착부의 내측에 배치되는 촉매는 디젤 미립자 필터이고,
    상기 디젤 미립자 필터의 외측에 배치되는 촉매는 DeNOx 촉매인 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 가스 정화 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 DeNOx 촉매는 요소 탈질 촉매이고,
    상기 연통실 형성부에는 환원제 공급 장치가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 가스 정화 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 연통실로부터 상기 출구실에 이르는 유로 중에는 암모니아를 무해화하는 산화 촉매가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 가스 정화 장치.
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