KR101484254B1 - 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치 - Google Patents

Abstract

차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치가 개시된다. 개시된 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치는 배기 파이프와 연결된 SCR 촉매를 포함하는 것으로서, SCR 촉매의 전방에서 배기 가스의 스트림 방향을 따라 배기 파이프의 곡관부에 장착되며, 배기 파이프의 내부로 환원제를 분사하는 도징유닛을 포함하며, 도징유닛은 곡관부에서 배기 가스의 스트림 방향을 환원제의 분사 방향으로 변화시키는 단차부에 장착될 수 있다.

Description

차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치 {SELECTIVE CATALYST REDUCTION DEVICE FOR EXHAUST SYSTEM}

본 발명의 실시예는 차량의 배기 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배기 가스의 후처리를 위한 선택적 촉매 환원(Selective Catalyst Reduction: 이하 'SCR' 이라고 한다) 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 엔진의 배기 시스템은 배기 가스 중에 함유된 공해 물질인 질소산화물(NOx) 등을 감소시키기 위해 DOC(Diesel Oxidation Catalyst), DPF((Diesel Particulate matter Filter), 및 SCR(Selective Catalyst Reduction) 등과 같은 배기가스 후처리장치를 구비하고 있다.

이 중에서, SCR을 적용한 배기가스 후처리장치(이하, 'SCR 장치' 라고 한다)는 배기 파이프에 SCR 촉매가 연결 설치되고, 배기 파이프의 내부로 요소(urea) 수용액과 같은 환원제를 분사하기 위한 도징유닛이 배기 파이프에 장착되도록 구성된다. 그리고, 배기 파이프의 내부에는 환원제와 배기 가스를 혼합하여 환원제의 기화(증발)을 촉진시키기 위한 믹서를 구비하고 있다.

여기서, 상기 도징유닛은 직관형 배기 파이프 또는 곡관형 배기 파이프에 구성될 수 있는데, 최근에는 배기 가스와 환원제의 균일한 혼합을 위해 곡관형 배기 파이프의 곡관 부위에 도징유닛을 장착하고 있다.

따라서, 종래 기술에 따른 SCR 장치는 도징유닛을 통해 배기 파이프의 내부로 환원제가 분사되면, 그 환원제가 배기 가스의 열에 의해 암모니아(NH₃)로 전환되고, SCR 촉매에 의한 배기가스 중의 질소산화물과 암모니아의 촉매 반응으로서 질소산화물을 질소 가스(N₂)와 물(H₂O)로 환원시킨다.

그런데, 종래 기술에서는 배기 파이프의 곡관 부위에 의해서 배기 가스의 흐름 방향과 환원제의 분사 방향이 수직으로 간섭되기 때문에, 배기 가스의 흐름은 환원제의 분사 입자들에 흐름 방향의 모멘텀을 제공하게 되고, 환원제의 분사 입자는 배기 가스의 영향을 받아 두 힘의 합 방향으로 휘어지게 된다.

이러한 현상은 환원제의 분사 입자와 믹서와의 충돌을 방해하여 환원제의 기화 및 혼합을 억제하고, 특히 환원제의 벽면 충돌로 인한 월 웨팅(wall wetting)을 유발시킬 수 있다.

상기와 같은 월 웨팅 현상은 SCR 촉매의 활성화 및 질소산화물의 정화 효율을 저하시키는 요인으로서 작용하는 바, 환원제가 배기 파이프의 내벽면에서 증발하는 경우 그 환원제의 우레아 입자가 배기 파이프의 내벽면에 부착된 고형물로서 남게 되어 결과적으로는 환원제의 분사량 제어가 어려워지는 문제를 야기시킨다.

한편, 종래 기술에서는 엔진의 rpm에 의하여 배기 가스의 유동이 변화함으로써 환원제 분사 입자들이 수시로 변화되는 상황이 발생하는데, 이는 인젝터의 분사 각도 적용만으로 대응 불가한 실정이다.

본 발명의 실시예들은 인젝터로부터 분사되는 환원제의 분사 입자가 곡관 형의 배기 파이프를 흐르는 배기 가스의 유동에 영향을 받지 않게 하여 환원제의 월 웨팅(wall wetting) 현상을 방지할 수 있고, 환원제 분사 입자에 대한 믹서의 충돌 효율을 극대화 할 수 있는 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명의 실시예들은 배기 가스의 스트림 방향이 환원제의 분사 방향과 일치하도록 유도하여 곡관 부위에서 수직으로 만나는 두 힘의 방향을 동일한 방향으로 변화시켜 배기 가스와 환원제 분사 입자의 혼합이 극대화 되도록 하는 선택적 촉매 환원 장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에 따른 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치는, 배기 파이프와 연결된 SCR 촉매를 포함하는 것으로서, 상기 SCR 촉매의 전방에서 배기 가스의 스트림 방향을 따라 상기 배기 파이프의 곡관부에 장착되며, 상기 배기 파이프의 내부로 환원제를 분사하는 도징유닛을 포함하고, 상기 도징유닛은 상기 곡관부에서 배기 가스의 스트림 방향을 환원제의 분사 방향으로 변화시키는 단차부에 장착될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치에 있어서, 상기 도징유닛은 상기 단차부에 장착되는 도징 보스와, 상기 도징 보스에 배기 가스의 유동 방향을 따라 설치되는 인젝터를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치에 있어서, 상기 인젝터의 장착 각도는 상기 배기 파이프의 내부 중심을 기준으로 하측을 향해 3~5도를 유지할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치에 있어서, 상기 배기 파이프의 내부에는 환원제와 배기 가스를 혼합하기 위한 믹서가 설치될 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 장치에 적용되는 배기 파이프는 SCR 촉매를 포함하는 선택적 촉매 환원 장치의 도징유닛이 장착되는 것으로서, ⅰ)엔진 측과 SCR 촉매 측을 각각 연결하는 곡관부와, ⅱ)상기 곡관부에 단차지게 형성되고, 배기 가스의 스트림 방향을 따라 상기 도징유닛이 장착되며, 배기 가스의 스트림 방향을 상기 도징유닛으로부터 분사되는 환원제의 분사 방향으로 변화시키는 단차부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 선택적 촉매 환원 장치에 적용되는 배기 파이프에 있어서, 상기 단차부는 상기 곡관부에 일정 각도로 평평하게 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 선택적 촉매 환원 장치에 적용되는 배기 파이프에 있어서, 상기 단차부는 상기 곡관부의 내부 중심을 향해 평평하게 단차지며 하향 경사진 제1 단차면과, 상기 제1 단차면으로부터 상측으로 평평하게 연장되며 상기 도징유닛이 장착되는 제2 단차면을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 배기 파이프의 곡관부에서 배기 가스의 스트림 방향이 환원제의 분사 방향과 수직 방향으로 간섭되는 것을 단차부를 통하여 배기 가스의 스트림 방향을 환원제의 분사 방향으로 바꾸어 줌으로써 믹서에 대한 환원제 분사 입자의 충돌 효율을 향상시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 환원제의 분사 입자가 곡관 형의 배기 파이프를 흐르는 배기 가스의 유동에 영향을 받지 않게 되므로 환원제의 벽면 충돌에 따른 월 웨팅(wall wetting) 현상을 방지할 수 있고, 믹서에 의한 배기 가스와 환원제 분사 입자의 충돌을 극대화시킴으로써 환원제의 미립화를 촉진시킬 수 있으므로 환원제를 안정적으로 SCR 촉매(1)에 공급함으로써 질소산화물(NOx)의 안정적인 정화 효율을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 엔진의 rpm에 따른 배기 가스의 유동 변화에 대응하여 환원제의 분사 편차를 줄일 수 있으므로, 실차량의 가감속 구간에서도 환원제의 안정적인 분사가 가능하며, 환원제 분사의 제어 정밀도를 증대시킬 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치 및 이에 적용되는 배기 파이프를 도시한 단면 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치에 적용되는 배기 파이프를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 단면 구성도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치(100: 이하에서는 편의 상 "SCR 장치" 라고 한다)는 차량의 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 정화하기 위한 배기가스 후처리 시스템에 적용될 수 있다.

이러한 SCR 장치(100)는 배기 가스의 스트림을 형성하는 배기 파이프(10)에 SCR 촉매(1)가 연결 설치되고, 배기 파이프(10)의 내부로 요소(urea) 수용액과 같은 환원제를 분사할 수 있는 구성으로 이루어진다.

따라서, 상기 SCR 장치(100)를 통해 배기 파이프(10)의 내부로 환원제가 분사하게 되면, 그 환원제가 배기가스의 열에 의해 암모니아(NH₃)로 전환되고, SCR 촉매(1)에 의한 배기가스 중의 질소산화물과 암모니아의 촉매 반응으로서 질소산화물을 질소 가스(N₂)와 물(H₂O)로 환원시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 상기 SCR 장치(100)는 기본적으로 곡관 형의 배기 파이프(10)에 장착되는 도징유닛(30)과, 그 배기 파이프(10)에 설치되는 믹서(50)를 기본적으로 포함하고 있다.

상기 도징유닛(30)은 엔진 측과 SCR 촉매(1) 측을 각각 연결하는 배기 파이프(10)의 곡관부(11)에 장착되는 바, 그 곡관부(11)에 설치되는 도징 보스(31)와, 도징 보스(31)에 설치되는 인젝터(35)를 포함한다.

상기 도징 보스(31)는 배기 가스의 스트림 방향을 따라 배기 파이프(10)의 곡관부(11) 측에 용접 설치되며, 배기 파이프(10)의 내부와 연결될 수 있다.

그리고, 상기 인젝터(35)는 배기 가스의 스트림 방향을 따라 도징 보스(31)에 장착되며, 그 도징 보스(31)를 통해 배기 파이프(10)의 내부로 환원제를 분사할 수 있는 구조로 이루어진다.

이러한 인젝터(35)는 당 업계에서 배기 계통에 장착되는 공지 기술의 2차 분사장치로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

상기에서 믹서(50)는 배기 파이프(10)를 따라 유동하는 배기 가스와 인젝터(35)를 통해 분사되는 환원제 분사 입자를 혼합하며, 환원제의 무화 및 기화 성능을 개선하기 위한 혼합 촉진 장치로서 구비된다.

상기에서와 같은 본 발명의 실시예에 따른 SCR 장치(100)는 인젝터(35)로부터 분사되는 환원제의 분사 입자가 곡관 형의 배기 파이프(10)를 흐르는 배기 가스의 유동에 영향을 받지 않게 하여 환원제의 월 웨팅(wall wetting) 현상을 방지할 수 있고, 환원제 분사 입자에 대한 믹서(50)의 충돌 효율을 극대화 할 수 있는 구조로 이루어진다.

즉, 본 발명의 실시예는 배기 가스의 스트림 유동에 의한 환원제 분사 입자의 휨을 최소화 할 수 있고, 믹서(50)에 대한 환원제 분사 입자의 충돌이 최대가 되도록 유도하는 SCR 장치(100)를 제공한다.

이를 위해 본 발명의 실시예서는 배기 가스의 스트림 방향이 환원제의 분사 방향과 일치하도록 유도하여 곡관부(11)에서 수직으로 만나는 두 힘의 방향을 동일한 방향으로 변화시켜 배기 가스와 환원제 분사 입자의 혼합이 극대화 되도록 하는 배기 파이프(10)를 제공한다.

본 발명의 실시예에는 배기 가스의 유동이 환원제 분사 입자의 확산에 영향을 준다는 점에서 착상된 것으로, 상기한 배기 파이프(10)는 곡관부(11)에 단차지게 형성되며 위에서 언급한 바 있는 도징유닛(30)이 장착되는 단차부(70)를 포함하고 있다(도 3 참조).

본 발명의 실시예에서, 상기 단차부(70)는 배기 가스의 스트림 방향을 인젝터(35)으로부터 분사되는 환원제의 분사 방향으로 변화시키는 기능을 하게 된다. 즉, 상기 단차부(70)는 곡관부(11)를 따라 흐르는 배기 가스의 스트림 방향을 인젝터(35) 전단에서 변화하도록 유도하는 기능을 한다.

여기서, 상기 단차부(70)는 곡관부(11)에 일정 각도로 평평하게 형성되는 바, 그 곡관부(11)의 내부 중심을 향해 평평하게 단차지며 하향 경사진 제1 단차면(71)과, 제1 단차면(71)으로부터 상측으로 평평하게 연장되며 도징유닛(30)이 장착되는 제2 단차면(72)으로 이루어진다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치의 작용을 설명하기 위한 도면으로, 도 4를 참조하여 상술한 바와 같은 SCR 장치(100) 및 이에 적용되는 배기 파이프(10)의 작용을 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 SCR 장치(100)는 배기 파이프(10)의 곡관부(11)에 구비된 단차부(70)의 제2 단차면(72)에 도징유닛(30)을 구성할 수 있다.

엔진으로부터 배출되는 배기 가스는 배기 파이프(10)의 곡관부(11)로 유입되며, 도징유닛(30)의 인젝터(35)는 곡관부(11)의 상단 측인 단차부(70)의 제2 단차면(72)에서 환원제를 배기 파이프(10)의 내부로 분사한다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 배기 파이프(10)의 곡관부(11)에 단차부(70)를 형성하고 있으므로, 배기 가스의 스트림 방향을 환원제의 분사 방향으로 변화시킬 수 있다. 즉, 상기 단차부(70)는 곡관부(11)를 따라 흐르는 배기 가스의 스트림 방향이 인젝터(35) 전단에서 변화되도록 유도한다.

이로써, 본 발명의 실시예에서는 배기 파이프(10)의 단차부(70)를 통해 배기 가스의 스트림 방향이 환원제의 분사 방향과 일치하도록 유도하여 곡관부(11)에서 수직으로 만나는 두 힘의 방향을 동일한 방향으로 변화시킴으로써 배기 가스의 스트림 유동에 의한 환원제 분사 입자의 휨을 최소화 할 수 있고, 믹서(50)에 대한 환원제 분사 입자의 충돌 효율을 향상시킴으로써 배기 가스와 환원제 분사 입자의 혼합을 극대화시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에서는 배기 파이프(10)의 단차부(70)를 통해 배기 가스의 스트림 방향을 환원제의 분사 방향으로 변화시킴으로써 곡관부(11)에서 수직으로 만나는 배기 가스와 환원제 두 힘의 방향을 동일한 방향으로 변화시킬 수 있으므로, 인젝터(35)로부터 분사되는 환원제 분사 입자의 직진성을 유도할 수 있다.

즉, 도징유닛(30)의 인젝터(35)가 배기 파이프(10)의 중심선을 기준으로 하측을 향해 5도를 유지하는 인젝터(35)의 장착 각도(θ)를 본 발명의 실시예에서는 단차부(70)를 통해 배기 가스의 스트림 방향을 환원제의 분사 방향으로 변화시킴에 따라 3~5도 이내로 변경할 수 있으므로, 환원제 분사 입자의 직진성을 향상시킬 수 있으며, 환원제의 분사 편차를 더욱 줄일 수 있다.

이는 위에서 언급한 바와 같이 배기 가스의 스트림 방향을 환원제의 분사 방향과 일치하게 함으로써 배기 파이프(10)의 곡관부(11)에 의한 배기 가스의 흐름 간섭을 상쇄시킴으로써 가능한 것이다.

지금까지 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 배기 파이프(10)의 곡관부(11)에서 배기 가스의 스트림 방향이 환원제의 분사 방향과 수직 방향으로 간섭되는 것을 단차부(70)를 통하여 배기 가스의 스트림 방향을 환원제의 분사 방향으로 바꾸어 줌으로써 믹서(50)에 대한 환원제 분사 입자의 충돌 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 환원제의 분사 입자가 곡관 형의 배기 파이프(10)를 흐르는 배기 가스의 유동에 영향을 받지 않게 되므로, 환원제의 벽면 충돌에 따른 월 웨팅(wall wetting) 현상을 방지할 수 있고, 믹서(50)에 의한 배기 가스와 환원제 분사 입자의 충돌을 극대화시킴으로써 환원제의 미립화를 촉진시킬 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시예에서는 환원제를 안정적으로 SCR 촉매(1)에 공급함으로써 질소산화물(NOx)의 안정적인 정화 효율을 확보할 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에서는 엔진의 rpm에 따른 배기 가스의 유동 변화에 대응하여 환원제의 분사 편차를 줄일 수 있으므로, 실차량의 가감속 구간에서도 환원제의 안정적인 분사가 가능하며, 환원제 분사의 제어 정밀도를 증대시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.

1... SCR 촉매
10... 배기 파이프
11... 곡관부
30... 도징유닛
31... 도징 보스
35... 인젝터
50... 믹서
70... 단차부
71... 제1 단차면
72... 제2 단차면

Claims (7)

1. 배기 파이프와 연결된 SCR 촉매를 포함하는 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치에 있어서,
   상기 SCR 촉매의 전방에서 배기 가스의 스트림 방향을 따라 상기 배기 파이프의 곡관부에 장착되며, 상기 SCR 촉매의 전방에서 상기 배기 파이프의 내부로 환원제를 분사하는 도징유닛을 포함하며,
   상기 도징유닛은 상기 곡관부에서 배기 가스의 스트림 방향을 환원제의 분사 방향으로 변화시키며 그 곡관부에서 수직으로 만나는 배기 가스와 환원제 두 힘의 방향을 동일한 방향으로 변화시키는 단차부에 장착되고,
   상기 단차부는 상기 곡관부에 일정 각도로 평평하게 형성되고 상기 곡관부의 내부 중심을 향해 평평하게 단차지며 하향 경사진 제1 단차면과, 상기 제1 단차면으로부터 상측으로 평평하게 연장되며 상기 도징유닛이 장착되는 제2 단차면을 포함하되,
   상기 제1 단차면을 통해 배기 가스의 스트림 방향을 환원제의 분사 방향과 일치하도록 유도하고, 상기 제2 단차면을 통해 환원제의 분사 방향을 배기 파이프의 내부 중심 측으로 유도하며, 상기 제1 및 제2 단차면을 통해 곡관부를 따라 흐르는 배기 가스의 스트림 방향이 상기 도징유닛의 전단에서 변화되도록 유도하고,
   상기 제2 단차면에는 환원제를 배기 파이프의 내부로 분사하는 상기 도징유닛이 설치되되, 상기 도징유닛은 인젝터를 포함하고, 상기 인젝터는 상기 단차부에 의해 상기 배기 파이프의 내부 중심을 기준으로 하측을 향해 3~5도의 장착 각도를 유지하며,
   상기 배기 파이프의 내부에는 배기 가스의 스트림 방향이 환원제의 분사 방향으로 변화된 상태의 상기 환원제와 배기 가스를 혼합하기 위한 믹서가 설치되는 것을 특징으로 하는 차량의 배기 시스템용 선택적 촉매 환원 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제

Images