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KR102359737B1 - 통합형 배기가스 후처리 장치 - Google Patents

통합형 배기가스 후처리 장치 Download PDF

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KR102359737B1
KR102359737B1 KR1020210190603A KR20210190603A KR102359737B1 KR 102359737 B1 KR102359737 B1 KR 102359737B1 KR 1020210190603 A KR1020210190603 A KR 1020210190603A KR 20210190603 A KR20210190603 A KR 20210190603A KR 102359737 B1 KR102359737 B1 KR 102359737B1
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KR
South Korea
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exhaust gas
disposed
bypass passage
housing
diesel
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KR1020210190603A
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Inventor
최경민
박예슬
오빈
Original Assignee
부산대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 통합형 배기가스 후처리 장치를 제공한다. 통합형 배기가스 후처리 장치는 배기가스가 유입되는 유입구 및 배기가스가 배출되는 배출구가 정의된 하우징, 상기 하우징 내에 배치되어 배기가스에 포함된 입자상 물질을 제거하는 복수의 디젤미립자 필터, 상기 디젤미립자 필터들 사이에 정의되고, 상기 유입구를 통해 유입된 배기가스를 상기 배출구로 바이패스 시키는 바이패스 통로, 상기 바이패스 통로의 입구단에 배치되어 상기 바이패스 통로로 유입되는 배기가스를 제어하는 바이패스 밸브, 상기 바이패스 통로 내에 배치되어 우레아를 분사하는 분사 노즐 및 상기 하우징 내에 배치되고 상기 바이패스 통로를 통과한 배기가스를 정화시키는 선택적환원촉매를 포함할 수 있다.

Description

통합형 배기가스 후처리 장치{Integrated exhaust gas aftertreatment unit}
본 발명은 하나의 하우징에 디젤산화촉매장치, 디젤미립자 필터 및 선택적환원촉매가 통합적으로 배치될 수 있는 통합형 배기가스 후처리 장치에 관한 것이다.
내연 기관의 연소로 배출되는 배기가스에는 질소산화물(NOx), 이산화탄소, 애쉬(ass) 등 여러 가지 유해 성분이 포함되어 있으며, 이들 유해 성분을 제거하기 위한 장치나 방법들이 고안되어 왔다. 특히, 디젤엔진이 탑재된 차량 또는 선박에서는 디젤미립자 필터(Diesel Particular Filter: DPF), 디젤산화촉매장치(Diesel Oxidation Catalyst: DOC) 및 선택적환원촉매(Selective Catalyst Reduction: SCR) 등의 배기가스 후처리 장치를 사용하여 입자상 물질(particulate matter) 등을 제거하고 있다.
그러나, 디젤산화촉매장치, 디젤미립자 필터 및 선택적환원촉매가 모두 필요로 하는 경우, 공간적 제약이 있는 소형 차량, 소형 선박에는 설계상 문제점이 발생될 수 있다. 특히, 선택적환원촉매의 경우 배기가스와 우레아가 혼합되기 위한 공간이 필수적으로 요구되는데, 디젤산화촉매장치, 디젤미립자 필터 및 선택적환원촉매 모두가 소형 선박이나 차량에 적용되기 어려운 실정이다.
본 발명의 기술적 과제는 하나의 하우징에 디젤산화촉매장치, 디젤미립자 필터 및 선택적환원촉매가 통합적으로 배치될 수 있는 통합형 배기가스 후처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제는 배기가스와 우레아가 혼합될 수 있는 별도의 공간 없이도 선택적환원촉매가 효율적으로 동작될 수 있는 통합형 배기가스 후처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 통합형 배기가스 후처리 장치를 제공한다. 통합형 배기가스 후처리 장치는 배기가스가 유입되는 유입구 및 배기가스가 배출되는 배출구가 정의된 하우징, 상기 하우징 내에 배치되어 배기가스에 포함된 입자상 물질을 제거하는 복수의 디젤미립자 필터, 상기 디젤미립자 필터들 사이에 정의되고, 상기 유입구를 통해 유입된 배기가스를 상기 배출구로 바이패스 시키는 바이패스 통로, 상기 바이패스 통로의 입구단에 배치되어 상기 바이패스 통로로 유입되는 배기가스를 제어하는 바이패스 밸브, 상기 바이패스 통로 내에 배치되어 우레아를 분사하는 분사 노즐 및 상기 하우징 내에 배치되고 상기 바이패스 통로를 통과한 배기가스를 정화시키는 선택적환원촉매를 포함할 수 있다.
일 예에 의하여, 상기 유입구에서 상기 배출구를 향하는 방향을 따라 상기 디젤미립자 필터와 상기 선택적환원촉매가 배치된다.
일 예에 의하여, 상기 바이패스 통로의 출구단에는 분사된 우레아를 배기가스에 혼합시키는 믹서가 배치된다.
일 예에 의하여, 상기 바이패스 통로의 입구단과 출구단 중 상기 입구단에 인접하도록 상기 분사 노즐이 배치되고, 상기 바이패스 통로는 배기가스와 우레아의 가수분해에 요구되는 배관의 길이로써의 역할을 수행한다.
일 예에 의하여, 상기 하우징은 상기 바이패스 밸브와 상기 유입구 사이의 제1 영역, 상기 디젤미립자 필터와 상기 디젤미립자 필터가 배치되는 제2 영역, 상기 믹서가 배치되는 제3 영역 및 상기 선택적환원촉매가 배치되는 제4 영역으로 구분된다.
일 예에 의하여, 상기 믹서와 상기 선택적환원촉매 사이에는 배기가스와 우레아가 혼합되는 공간을 제공하는 혼합 챔버가 배치되고, 상기 혼합 챔버의 외벽 또는 상기 혼합 챔버가 정의된 상기 하우징의 외벽에는 진동을 발생시키는 수트 블로워(soot blower)가 배치된다.
일 예에 의하여, 상기 혼합 챔버 내에는 상기 바이패스 통로의 출구단으로부터 상기 선택적환원촉매를 향하는 방향으로 단면적이 넓어지는 고깔 형상의 내벽이 배치된다.
일 예에 의하여, 상기 바이패스 밸브 및 상기 분사 노즐을 제어하는 제어기를 더 포함하고, 상기 제어기는 상기 바이패스 밸브가 기설정된 수준 이상으로 닫힌 경우에 상기 분사 노즐을 제어하여 우레아를 분사시킨다.
일 예에 의하여, 상기 바이패스 통로를 기준으로 양측에 상기 디젤미립자 필터들이 배치되고, 상기 디젤 미립자 필터들 각각의 외각에 복수의 디젤산화촉매장치(Diesel Oxidation Catalyst: DOC)가 제공된다.
일 예에 의하여, 상기 디젤산화촉매장치들과 상기 하우징 사이는 배기가스 통로로 정의되고, 상기 바이패스 밸브가 폐쇄되면 배기가스는 상기 하우징의 상기 바이패스 통로를 기준으로 상기 디젤산화촉매장치의 외각에 정의된 배기가스 통로들을 통해 상기 디젤산화촉매장치로 유동되고, 상기 디젤산화촉매장치를 통과한 배기가스는 상기 디젤미립자 필터를 통과하여 상기 바이패스 통로로 유동된다.
일 예에 의하여, 상기 하우징 내에 정의되는 2개의 상기 배기가스 통로들 사이에 상기 바이패스 통로, 2개의 상기 디젤산화촉매장치들 및 2개의 상기 디젤미립자 필터들이 배치되고, 상기 배기가스 통로에 유입된 배기가스는 상기 디젤산화촉매장치를 통과하여 상기 디젤미립자 필터로 유동된다.
일 예에 의하여, 상기 바이패스 통로, 상기 디젤산화촉매장치들 및 상기 디젤미립자 필터들의 일측에 배치되는 플레이트를 더 포함하고, 상기 플레이트는 상기 유입구가 정의되는 상기 하우징의 일측과 마주보도록 배치되어 상기 유입구를 통해 유입된 배기가스가 상기 디젤산화촉매장치들 및 상기 디젤미립자 필터들의 일측으로 유입되는 것을 막는다.
일 예에 의하여, 상기 플레이트에는 배기가스의 유동 경로를 조절하는 격벽들이 제공되고, 상기 격벽들 각각은 상기 플레이트에서 상기 유입구를 향하는 방향으로 연장된다.
일 예에 의하여, 상기 바이패스 밸브가 개방되면, 배기가스는 상기 바이패스 통로를 통해 상기 선택적환원촉매를 향해 유동된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 선택적환원촉매가 디젤산화촉매장치들와 디젤미립자 필터들과 일체로 하우징 내에 배치될 수 있다. 또한, 통합형 배기가스 후처리 장치 내에 바이패스 통로는 배기가스와 우레아가 혼합되는 공간으로써 역할을 수행할 수 있으므로, 배기가스와 우레아가 혼합되는 별도의 공간이 요구되지 않을 수 있다. 따라서, 배기가스를 정화하기 위한 배기가스 후처리장치의 소형화가 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 통합형 배기가스 후처리 장치를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 통합형 배기가스 후처리 장치의 바이패스 밸브가 닫힌 상태를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 통합형 배기가스 후처리 장치의 바이패스 밸브가 개방된 상태를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 바이패스 밸브 및 분사 노즐의 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성의 명칭이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 기술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 기술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 통합형 배기가스 후처리 장치를 나타내는 사시도이다.
도 1을 참조하면, 통합형 배기가스 후처리 장치(1)는 디젤산화촉매장치(Diesel Oxidation Catalyst: DOC), 디젤미립자 필터(Diesel Particle Filter: DPF), 선택적환원촉매(Selective Catalyst Reduction: SCR) 및 이들을 감싸는 하우징(100)을 포함할 수 있다. 통합형 배기가스 후처리 장치(1)는 디젤 엔진이 장착된 선박에 설치될 수 있다. 다만, 통합형 배기가스 후처리 장치(1)는 선박 이외에 차량에 적용될 수도 있다.
하우징(100)은 배기가스가 유입되는 유입구(110) 및 배기가스가 배출되는 배출구(130)를 포함할 수 있다. 유입구(110)는 하우징(100)의 일측(101)에 제공될 수 있고, 배출구(130)는 하우징(100)의 일측에 대향하는 타측(102)에 제공될 수 있다. 유입구(110)를 통해 엔진(미도시)으로부터 배출된 배기가스가 유입될 수 있고, 배출구(130)를 통해 배기가스가 선박 외부로 배출될 수 있다. 유입구(110)에서 배출구(130)를 향하는 방향은 제1 방향(x)일 수 있다.
하우징(100)의 일측(101)과 연결된 경사부(103)가 하우징(100)에 정의될 수 있다. 경사부(103)는 제1 방향(x)과 직교하는 제2 방향(y)을 따라 하우징(100)의 일측(101)에 2개가 제공될 수 있다. 경사부(103)는 하우징(100) 내로 유입된 배기가스의 유동 경로 및 유속을 조절하는 역할을 수행할 수 있다.
경사부(103)에는 창문(105)이 제공될 수 있다. 창문(105)을 통해 작업자는 하우징(100) 내부의 상황을 직접 확인할 수 있다. 작업자는 후술하는 바이패스 밸브(미도시)의 개폐 여부 및 바이패스 밸브(미도시)에 수트(soot)가 과도하게 축적된 것을 눈으로 확인할 수 있다.
바이패스 밸브(미도시)는 제어기(미도시)에 의해 자동으로 제어될 수 있고, 작업자에 의해 수동으로 제어될 수 있다. 하우징(100) 상에 제공된 조작부(50)를 통해 작업자는 바이패스 밸브(미도시)의 개폐를 수행할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 통합형 배기가스 후처리 장치의 바이패스 밸브가 닫힌 상태를 나타내는 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 통합형 배기가스 후처리 장치(1)는 디젤산화촉매장치(200), 디젤미립자 필터(300), 바이패스 밸브(400), 분사 노즐(500), 믹서(600) 및 선택적환원촉매(700)를 포함할 수 있다. 즉, 디젤산화촉매장치(200), 디젤미립자 필터(300) 및 선택적환원촉매(700)는 하나의 하우징(100) 내부에 통합되도록 배치될 수 있다.
하우징(100)은 배기가스가 유입되는 유입구(110) 및 배기가스가 배출되는 배출구(130)를 포함할 수 있다. 유입구(110)와 배출구(130)는 제1 방향(x)을 따라 배열될 수 있다. 하우징(100)은 제1 영역(100a), 제2 영역(100b), 제3 영역(100c) 및 제4 영역(100d)으로 구분될 수 있다. 제1 영역(100a)은 바이패스 밸브(400)와 유입구(110) 사이의 공간을 의미할 수 있다. 제2 영역(100b)은 디젤산화촉매장치(200) 및 디젤미립자 필터(300)가 배치되는 공간을 의미할 수 있다. 제3 영역(100c)은 믹서(600)가 배치되는 공간을 의미할 수 있다. 제4 영역(100d)은 선택적환원촉매(700)가 배치되는 공간을 의미할 수 있다.
제1 영역(100a)은 하우징(100)의 일측(101)과 제2 영역(100b)을 정의하는 4개의 면들을 연결하는 경사부들(103)들에 의해 정의될 수 있다. 예를 들어, 경사부들(103)은 4개일 수 있다. 제1 영역(100a)과 제2 영역(100b)은 바이패스 밸브(400) 및 바이패스 밸브(400)가 배치되는 플레이트(150)에 의해 구분될 수 있다. 다시 말해, 제2 영역(100b)은 디젤산화촉매장치(200) 및 디젤미립자 필터(300)를 감싸는 4개의 면들에 의해 정의되는 공간일 수 있고, 제1 영역(100a)은 제2 영역(100b)과 연결되고 플레이트(150)와 하우징(100)의 일측(101) 사이의 공간일 수 있다. 제1 영역(100a)을 정의하는 경사부들(103) 중 적어도 하나에는 하우징(100) 내부에 배치된 바이패스 밸브(400)의 움직임을 육안으로 확인하기 위한 창문(105)이 제공될 수 있다.
제3 영역(100c)에는 수트 블로워(soot blower: 190)가 배치될 수 있다. 수트 블로워(190)는 하우징(100)의 외벽에 부착되어 하우징(100)에 진동을 발생시킬 수 있다. 수트 블로워(190)가 발생시키는 진동에 의해, 하우징(100)의 내면 또는 제3 영역(100c) 내부에 배치되는 내벽(185)에 존재하는 수트가 털어질 수 있다. 제3 영역(100c)은 혼합 챔버(180)로 불릴 수 있고, 혼합 챔버(180)에 대해서는 후술하도록 한다.
제4 영역(100d) 내에는 선택적환원촉매(700)가 배치될 수 있다. 제4 영역(100d)에는 배출구(130)가 정의될 수 있다. 배출구(130)는 하우징(100)의 일측(101)에 대향하는 타측(102)에 정의될 수 있다.
디젤산화촉매장치(200)와 디젤미립자 필터(300) 각각은 직육면체 형상일 수 있다. 디젤산화촉매장치(200)는 탄화수소(HC)나 일산화탄소(CO)를 산화시키거나 입자상 물질에 포함된 용해성유기성분(SOF; Soluble Organic Faction)을 산화시킬 수 있다. 디젤미립자 필터(300)는 배기가스에 포함된 입자상 물질을 필터링하여 포집할 수 있다. 배기가스의 유동 경로를 기준으로 디젤산화촉매장치(200)는 디젤미립자 필터(300) 전단에 배치될 수 있다. 일 예로, 디젤산화촉매장치(200)와 디젤미립자 필터(300)는 유입구(110)에서 배출구(130)를 향하는 제1 방향(x)과 직교하는 제2 방향(y)으로 중첩되도록 배치될 수 있다. 다만, 디젤산화촉매장치(200)와 디젤미립자 필터(300)가 제1 방향(x)과 수직하는 방향이 아닌 다른 방향으로 중첩되도록 배치될 수 있다.
디젤산화촉매장치(200)와 디젤미립자 필터(300) 각각은 복수개로 하우징(100)의 제2 영역(100b) 내에 배치될 수 있다. 예를 들어, 디젤산화촉매장치(200)와 디젤미립자 필터(300)는 각각 2개가 배치될 수 있다. 2개의 디젤미립자 필터들(300) 사이에는 바이패스 통로(140)가 정의될 수 있다. 2개의 디젤미립자 필터들(300) 각각을 기준으로 바이패스 통로(140)와 대향되는 위치에 2개의 디젤산화촉매장치들(200)이 배치될 수 있다. 따라서, 제2 방향(y)을 따라 디젤산화촉매장치(200), 디젤미립자 필터(300), 바이패스 통로(140), 디젤 미립자 필터(300) 및 디젤산화촉매장치(200)가 순차적으로 배치될 수 있다.
바이패스 통로(140)는 유입구(110)를 통해 유입된 배기가스를 믹서(600)로 배출시킬 수 있다. 바이패스 통로(140)의 제1 방향(x)으로의 길이는 디젤산화촉매장치(200)와 디젤미립자 필터(300) 각각의 제1 방향(x)으로의 길이와 동일할 수 있다. 바이패스 통로(140)로 배기가스가 유입되는 경우, 배기가스는 디젤산화촉매장치(200)와 디젤미립자 필터(300)로 유입되지 않을 수 있다. 다시 말해, 바이패스 통로(140)는 유입구(110)를 통해 유입된 배기가스를 믹서(600)로 바이패스 시킬 수 있다.
제2 방향(y)을 따라 배치되는 제2 영역(100b)의 2개의 면들과 디젤산화촉매장치들(200) 사이의 공간은 배기가스 통로(160)로 정의될 수 있다. 배기가스 통로(160)로 유입된 배기가스는 하우징(100)의 제2 영역(100b)과 제3 영역(100c)을 구분하는 차단벽(170)에 의해 유동 경로가 막힐 수 있다. 차단벽(170)은 디젤산화촉매장치(200)와 디젤미립자 필터(300) 각각의 일면과 접촉할 수 있고, 디젤산화촉매장치(200)와 디젤미립자 필터(300) 각각의 타면은 플레이트(150)와 접촉할 수 있다. 이 때, 디젤산화촉매장치(200)와 디젤미립자 필터(300) 각각의 일면과 타면은 제1 방향(x)을 기준으로 정의될 수 있다. 따라서, 배기가스 통로(160)로 유입된 배기가스는 디젤산화촉매장치들(200)로 유입될 수 있다.
디젤산화촉매장치(200)와 디젤미립자 필터(300)의 타면에는 플레이트(150)가 배치될 수 있다. 디젤산화촉매장치(200)와 디젤미립자 필터(300)의 타면은 배출구(130)가 아닌 유입구(110)와 인접한 영역을 의미할 수 있다. 플레이트(150)는 제2 방향(y) 및 제3 방향(z)으로 연장된 벽일 수 있다. 제3 방향(z)은 제1 방향(x) 및 제2 방향(y)과 수직한 방향을 의미할 수 있다. 플레이트(150)는 바이패스 통로(140)의 입구단에 배치될 수 있다. 바이패스 통로(140)의 입구단은 하우징(100)의 유입구(110)와 인접한 영역을 의미할 수 있다. 플레이트(150)는 유입구(110)가 정의되는 하우징(100)의 일측(101)과 마주보도록 배치되어 유입구(110)를 통해 유입된 배기가스가 디젤산화촉매장치들(200) 및 디젤미립자 필터들(300)의 타면으로 유입되는 것을 막을 수 있다. 플레이트(150)의 제2 방향(y)으로의 양 끝단과 하우징(100) 사이는 배기가스 통로(160)의 입구단을 의미할 수 있다. 디젤산화촉매장치(200)와 디젤미립자 필터(300)는 플레이트(150)와 차단벽(170) 사이에 배치될 수 있다.
플레이트(150)에는 2개의 격벽들(155)이 제공될 수 있다. 격벽들(155)은 배기가스의 유동 경로를 조절할 수 있다. 격벽들(155)은 플레이트(150)에서 유입구(110)를 향하는 방향으로 연장될 수 있다. 일 예로, 격벽들(155)은 하우징(100)의 일측(101)을 바라보는 플레이트(150)의 면과 수직하도록 연장될 수 있다. 다른 예로, 격벽들(155)은 하우징(100)의 일측(101)을 바라보는 플레이트(150)의 면과 예각을 이루도록 기울어지도록 연장될 수 있고, 격벽들(155)이 기울이지는 방향은 경사부(103)를 향하는 방향일 수 있다. 격벽들(155)은 제3 방향(z)으로 플레이트(150)와 동일한 높이로 제공될 수 있다.
바이패스 통로(140)의 입구단에는 바이패스 밸브(400)가 배치될 수 있다. 바이패스 밸브(400)는 바이패스 통로(140)로 유입되는 배기가스를 제어할 수 있다. 바이패스 밸브(400)는 플레이트(150)에 정의된 개구부(미도시)에 배치될 수 있고, 상기 개구부(미도시)는 바이패스 통로(140)의 입구단을 의미할 수 있다. 바이패스 밸브(400)는 하나의 축을 기준으로 회전할 수 있는 판 형일 수 있다. 바이패스 밸브(400)는 제3 방향(z)으로 플레이트(150)와 동일한 높이의 벽일 수 있다.
바이패스 밸브(400)가 닫힌 상태에서는 바이패스 밸브(400)와 플레이트(150)가 하나의 벽으로써 기능을 수행할 수 있다. 바이패스 밸브(400)가 열린 상태에서는 플레이트(150)의 개구부(또는 바이패스 통로(140)의 입구단)가 개방될 수 있다. 바이패스 밸브(400)의 개폐에 의해 배기가스가 디젤산화촉매장치들(200)로 유동되거나 바이패스 통로(140)로 유동될 수 있다.
바이패스 통로(140) 내에는 우레아를 분사하는 분사 노즐(500)이 배치될 수 있다. 분사 노즐(500)은 후술하는 선택적환원촉매(700)의 일 구성으로, 우레아를 분사할 수 있다. 우레아는 암모니아 수용액으로 물에 요소 성분을 혼합한 것을 의미할 수 있다. 우레아는 디젤 엔진에서 발생하는 질소산화물(NOx)을 정화시키기 위해 사용되는 물질일 수 있다. 배기가스가 통과하는 바이패스 통로(140)에 우레아를 분사하면 질소산화물이 물과 질소로 환원될 수 있다. 상기 방식에 의해 배기가스를 정화하는 것을 화학적 정화라고 하며, 특히 질소화합물만 환원시키기 때문에 '선택적 환원 촉매 방식'이라고 불릴 수 있다. 예를 들어, 분사 노즐(500)은 바이패스 통로(140) 내를 이동하면서 우레아를 분사할 수 있고, 분사 노즐(500)의 이동을 위해 하우징(100)의 내면에 이동 수단(미도시)이 제공될 수 있다.
바이패스 통로(140)는 배기가스와 우레아의 가수분해에 요구되는 배관의 길이로써의 역할을 수행할 수 있다. 다시 말해, 우레아의 가수분해를 위해서는 우레아와 배기가스가 혼합될 수 있는 공간이 요구되고, 바이패스 통로(140)는 배기가스와 우레아가 혼합될 수 있는 공간을 제공할 수 있다. 바이패스 통로(140)의 역할을 극대화하기 위해, 분사 노즐(500)은 바이패스 통로(140)의 입구단과 인접하도록 배치될 수 있다.
바이패스 통로(140)의 출구단에는 분사된 우레아를 배기가스에 혼합시키는 믹서(600)가 배치될 수 있다. 믹서(600)는 바이패스 통로(140)의 출구단과 연결되고 하우징(100)의 제3 영역(100c) 내에 배치될 수 있다. 즉, 믹서(600)는 혼합 챔버(180) 내에 배치될 수 있다. 혼합 챔버(180) 내에는 바이패스 통로(140)의 출구단으로부터 선택적환원촉매(700)를 향하는 방향으로 단면적이 넓어지는 고깔 형상의 내벽(185)이 배치될 수 있다. 믹서(600)는 내벽(185)이 정의하는 내부에 배치될 수 있다. 내벽(185)의 형상에 의해 믹서(600)에 의해 혼합된 배기가스와 우레아가 선택적환원촉매(700)로 유입되는 속도를 늦춰질 수 있다.
선택적환원촉매(700)는 혼합된 배기가스와 우레아의 촉매 반응을 일으킬 수 있다. 구체적으로, 선택적환원촉매(700)는 암모니아(NH3) 수용액 또는 우레아(NH2(2CO)) 수용액과 배기가스 간의 촉매 반응을 통해 물(H2O)과 질소(N2)로 변환시키는 장치일 수 있다. 선택적환원촉매(700)는 질소산화물(NOx)은 물론 엔진에서 다량 발생하는 일산화탄소를 줄일 수 있다. 선택적환원촉매(700)를 통한 배기가스의 정화 방식은 연료를 추가로 분사하거나, 배기가스 재순환을 통한 축적물을 만들지 않는다는 점에서 연비 개선은 물론 엔진 내부를 오랫동안 깨끗하게 유지할 수 있다는 장점이 있다. 선택적환원촉매(700)를 거쳐 정화된 배기가스는 배출구(130)를 통해 배출될 수 있다. 유입구(110)에서 배출구(130)를 향하는 제1 방향(x)을 따라 디젤미립자 필터(300)와 선택적환원촉매(700) 또는 디젤산화촉매장치(200)와 선택적환원촉매(700)가 배치될 수 있다.
상술한 예와 달리, 통합형 배기가스 후처리 장치(1)는 디젤산화촉매장치(200)를 포함하지 않을 수 있다. 즉, 통합형 배기가스 후처리 장치(1) 내에는 디젤미립자 필터(300)와 선택적환원촉매(700) 만이 배치될 수도 있다.
일 예로, 바이패스 밸브(400)가 닫힌 상태에서는 배기가스가 바이패스 통로(140)로 유동될 수 없다. 배기가스는 배기가스 통로(160)로 유동되게 되고, 배기가스 통로(160)를 거쳐 디젤산화촉매장치(200)로 유입될 수 있다. 디젤산화촉매장치(200)로 유입된 배기가스는 디젤미립자 필터(300)를 거쳐야 바이패스 통로(140)로 유입될 수 있다. 이 때, 격벽들(155)에 의해 배기가스의 유동경로가 변경될 수 있다. 구체적으로, 격벽들(155)에 의해 배기가스는 하우징(100)의 내면을 따라 유동될 수 있다. 격벽들(155)이 없는 경우, 배기가스의 일부는 플레이트(150)를 따라 이동되어 플레이트(150)와 인접한 디젤산화촉매장치들(200)의 일부분으로는 유입되지 않을 수 있다. 이에 따라, 디젤산화촉매장치들(200)의 전 영역에 걸쳐 배기가스를 필터링이 수행되지 않는 문제점이 발생될 수 있다. 다만, 격벽들(155)에 의해 하우징(100)의 내면을 따라 유동되는 배기가스는 디젤산화촉매장치들(200)의 전 영역에 고르게 유입될 수 있다. 따라서, 디젤산화촉매장치들(200)를 통한 배기가스에 포함된 입자상 물질을 필터링 하는 과정의 효율이 상승될 수 있다. 배기가스 통로에 유입된 배기가스는 배기가스 통로들(160)의 끝단에 배치된 차단벽들(170)에 의해 디젤산화촉매장치(200)로 유입될 수 있다. 배기가스는 디젤산화촉매장치(200)를 통과하여 디젤미립자 필터(300)로 유동될 수 있다. 디젤미립자 필터(300)를 통과한 배기가스는 바이패스 통로(140)로 유동되고, 바이패스 통로(140)를 통해 배기가스는 믹서(600)로 유동될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 선박의 운행 제어, 디젤산화촉매장치들(200)과 디젤미립자 필터들(300)의 내구성, 바이패스 밸브(400)에 누적된 수트(soot)의 정도 등을 고려하여 바이패스 밸브(400)의 개폐가 제어되어 배기가스의 경로가 변동될 수 있다. 따라서, 배기가스가 디젤산화촉매장치들(200)과 디젤미립자 필터들(300)로 과도하게 유동되어 디젤산화촉매장치들(200)과 디젤미립자 필터들(300)의 내구성이 나빠지는 것이 방지될 수 있다. 또한, 디젤산화촉매장치들(200)과 디젤미립자 필터들(300)를 향해 배기가스가 지속적으로 유동되는 경우 바이패스 밸브(400)에 수트(soot)가 과도하게 누적될 수 있는데, 바이패스 밸브(400)를 개방시켜 바이패스 밸브(400)에 수트(soot)가 과도하게 누적되는 것이 방지될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 선택적환원촉매(700)가 디젤산화촉매장치들(200)와 디젤미립자 필터들(300)과 일체로 하우징(100) 내에 배치될 수 있다. 따라서, 배기가스를 정화하기 위한 배기가스 후처리장치의 소형화가 구현될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 통합형 배기가스 후처리 장치(1) 내에 바이패스 통로(100)는 배기가스와 우레아가 혼합되는 공간으로써 역할을 수행할 수 있으므로, 배기가스와 우레아가 혼합되는 별도의 공간이 요구되지 않을 수 있다. 따라서, 배기가스를 정화하기 위한 배기가스 후처리장치의 소형화가 구현될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 통합형 배기가스 후처리 장치의 바이패스 밸브가 개방된 상태를 나타내는 단면도이다. 설명의 간략을 위해 도 2와 중복되는 내용의 기재는 생략한다.
도 3을 참조하면, 바이패스 밸브(400)가 개방된 상태인 경우, 유입구(110)를 통해 유입된 배기가스가 바이패스 통로(140)로 유동될 수 있다. 이 때, 배기가스는 배기가스 통로(160)가 아닌 하우징(100)의 배출구(130)과 연통되어 상대적으로 유동저항이 낮은 바이패스 통로(140)로 유입될 수 있다. 따라서, 디젤산화촉매장치들(200) 및 디젤미립자 필터들(300)에 의해 배기가스의 정화 과정이 수행되지 않고 배기가스가 믹서(600)로 유동될 수 있다. 또한, 바이패스 밸브(400)가 개방된 상태에서는 바이패스 밸브(400)에 수트(soot)가 누적되는 양이 크게 줄어 바이패스 밸브(400)의 내구성이 향상될 수 있다. 즉, 사용자의 니즈 또는 배기가스 정화의 필요성에 따라 바이패스 밸브(400)의 개폐가 제어될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 바이패스 밸브 및 분사 노즐의 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 바이패스 밸브(400) 및 분사 노즐(500)를 제어하기 위한 제어기(800)가 제공될 수 있다. 제어기(800)는 바이패스 밸브(400)에 입자상 물질(특히, 수트(soot))이 누적되는 경우 바이패스 밸브(400)를 일부 개방시킬 수 있다. 일 예로, 바이패스 밸브(400)에 누적된 수트(soot)의 양을 측정하기 위한 센서(미도시)가 하우징(100) 내에 배치될 수 있다.
제어기(800)는 일정한 주기 마다 바이패스 밸브(400)를 개방시킬 수 있다. 이 때, 제어기(800)는 바이패스 밸브(400)를 완전히 개방하는 것이 아니라 기설정된 각도 내로 개방시킬 수 있다. 예를 들어, 기설정된 각도는 5도 내지 10도일 수 있고, 기설정된 각도는 플레이트(150)와 바이패스 밸브(400)가 이루는 각도를 의미할 수 있다. 바이패스 밸브(400)가 완전히 닫힌 상태에서는 바이패스 밸브(400)와 플레이트(150)가 하나의 벽으로 보일 수 있다.
제어기(800)는 바이패스 밸브(400)의 개방 정도에 따라 분사 노즐(500)을 제어할 수 있다. 제어기(800)는 바이패스 밸브(400)가 기설정된 수준 이상으로 닫힌 경우에 분사 노즐(500)을 제어하여 우레아를 분사시킬 수 있다. 일 예로, 상기 기설정된 수준은 기설정된 각도인 5도 내지 10도 일 수 있다. 다른 예로, 제어기(800)는 바이패스 밸브(400)의 개폐와 무관하게 분사노즐(500)을 제어하여 우레아를 분사시킬 수 있다. 또 다른 예로, 제어기(800)는 바이패스 밸브(400)가 완전히 닫힌 경우에만 분사 노즐(500)을 제어하여 우레아를 분사시킬 수 있다. 바이패스 밸브(400)가 닫혔다는 것은 배기가스의 정화의 필요성이 높아진 것을 의미할 수 있다. 따라서, 제어기(800)는 선택적환원촉매(700)에서의 배기가스 정화를 위해 분사 노즐(500)을 제어하여 우레아를 분사시킬 수 있다. 만약, 배기가스의 정화가 필요하지 없는 경우, 제어기(800)는 바이패스 밸브(400)를 개방시켜 배기가스를 바이패스 시킬 수 있고, 제어기(800)는 우레아가 분사되지 않도록 분사 노즐(500)을 제어할 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (14)

  1. 배기가스가 유입되는 유입구 및 배기가스가 배출되는 배출구가 정의된 하우징;
    상기 하우징 내에 배치되어 배기가스에 포함된 입자상 물질을 제거하는 복수의 디젤미립자 필터(Diesel Particle Filter: DPF);
    상기 디젤미립자 필터들 사이에 정의되고, 상기 유입구를 통해 유입된 배기가스를 상기 배출구로 바이패스 시키는 바이패스 통로;
    상기 바이패스 통로의 입구단에 배치되어 상기 바이패스 통로로 유입되는 배기가스를 제어하는 바이패스 밸브;
    상기 바이패스 통로 내에 배치되어 우레아를 분사하는 분사 노즐; 및
    상기 하우징 내에 배치되고 상기 바이패스 통로를 통과한 배기가스를 정화시키는 선택적환원촉매(Selective Catalyst Reduction: SCR)를 포함하는,
    통합형 배기가스 후처리 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 유입구에서 상기 배출구를 향하는 방향을 따라 상기 디젤미립자 필터와 상기 선택적환원촉매가 배치되는,
    통합형 배기가스 후처리 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 바이패스 통로의 출구단에는 분사된 우레아를 배기가스에 혼합시키는 믹서가 배치되는,
    통합형 배기가스 후처리 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 바이패스 통로의 입구단과 출구단 중 상기 입구단에 인접하도록 상기 분사 노즐이 배치되고,
    상기 바이패스 통로는 배기가스와 우레아의 가수분해에 요구되는 배관의 길이로써의 역할을 수행하는,
    통합형 배기가스 후처리 장치.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 바이패스 밸브와 상기 유입구 사이의 제1 영역, 상기 디젤미립자 필터와 상기 디젤미립자 필터가 배치되는 제2 영역, 상기 믹서가 배치되는 제3 영역 및 상기 선택적환원촉매가 배치되는 제4 영역으로 구분되는,
    통합형 배기가스 후처리 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 믹서와 상기 선택적환원촉매 사이에는 배기가스와 우레아가 혼합되는 공간을 제공하는 혼합 챔버가 배치되고,
    상기 혼합 챔버의 외벽 또는 상기 혼합 챔버가 정의된 상기 하우징의 외벽에는 진동을 발생시키는 수트 블로워(soot blower)가 배치되는,
    통합형 배기가스 후처리 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 혼합 챔버 내에는 상기 바이패스 통로의 출구단으로부터 상기 선택적환원촉매를 향하는 방향으로 단면적이 넓어지는 고깔 형상의 내벽이 배치되는,
    통합형 배기가스 후처리 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 바이패스 밸브 및 상기 분사 노즐을 제어하는 제어기를 더 포함하고,
    상기 제어기는 상기 바이패스 밸브가 기설정된 수준 이상으로 닫힌 경우에 상기 분사 노즐을 제어하여 우레아를 분사시키는,
    통합형 배기가스 후처리 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 바이패스 통로를 기준으로 양측에 상기 디젤미립자 필터들이 배치되고, 상기 디젤 미립자 필터들 각각의 외각에 복수의 디젤산화촉매장치(Diesel Oxidation Catalyst: DOC)가 제공되는,
    통합형 배기가스 후처리 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 디젤산화촉매장치들과 상기 하우징 사이는 배기가스 통로로 정의되고,
    상기 바이패스 밸브가 폐쇄되면 배기가스는 상기 하우징의 상기 바이패스 통로를 기준으로 상기 디젤산화촉매장치의 외각에 정의된 배기가스 통로들을 통해 상기 디젤산화촉매장치로 유동되고,
    상기 디젤산화촉매장치를 통과한 배기가스는 상기 디젤미립자 필터를 통과하여 상기 바이패스 통로로 유동되는,
    통합형 배기가스 후처리 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 하우징 내에 정의되는 2개의 상기 배기가스 통로들 사이에 상기 바이패스 통로, 2개의 상기 디젤산화촉매장치들 및 2개의 상기 디젤미립자 필터들이 배치되고,
    상기 배기가스 통로에 유입된 배기가스는 상기 디젤산화촉매장치를 통과하여 상기 디젤미립자 필터로 유동되는,
    통합형 배기가스 후처리 장치.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 바이패스 통로, 상기 디젤산화촉매장치들 및 상기 디젤미립자 필터들의 일측에 배치되는 플레이트를 더 포함하고,
    상기 플레이트는 상기 유입구가 정의되는 상기 하우징의 일측과 마주보도록 배치되어 상기 유입구를 통해 유입된 배기가스가 상기 디젤산화촉매장치들 및 상기 디젤미립자 필터들의 일측으로 유입되는 것을 막는,
    통합형 배기가스 후처리 장치.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 플레이트에는 배기가스의 유동 경로를 조절하는 격벽들이 제공되고,
    상기 격벽들 각각은 상기 플레이트에서 상기 유입구를 향하는 방향으로 연장되는,
    통합형 배기가스 후처리 장치.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 바이패스 밸브가 개방되면, 배기가스는 상기 바이패스 통로를 통해 상기 선택적환원촉매를 향해 유동되는,
    통합형 배기가스 후처리 장치.

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