KR100974982B1

KR100974982B1 - 엔진용 배기 정화 장치

Info

Publication number: KR100974982B1
Application number: KR1020080069778A
Authority: KR
Inventors: 야스꼬 스즈끼; 히로아끼 후지따; 사또시 히라누마; 신이찌 사이또; 요시오 나까야마
Original assignee: 미츠비시 후소 트럭 앤드 버스 코포레이션
Priority date: 2007-07-20
Filing date: 2008-07-18
Publication date: 2010-08-09
Also published as: US7992379B2; DE102008032110B4; KR20090009729A; DE102008032110A1; US20090019837A1; JP4949151B2; JP2009024628A; CN101349182A; CN101349182B

Abstract

배기 통로에 배치한 핀 장치(18)의 베이스판(19) 상에 복수의 핀(20) 및 유통 구멍(23)이 고리 형상으로 배열된다. 각 핀(20)이 유통 구멍(23)을 거친 배기의 유통 방향을 변경하여 선회류를 발생시키고, 분사 노즐(24)은 배기 온도로부터 구한 목표 분사량에 따라서 그 배기 중에 요소 수용액을 분사한다. 배기 온도를 검출하는 온도 센서(26)의 온도 검출부(26a)는 특정 핀(20a)의 높이(E1) 이내이고, 동시에 특정 핀(20a)의 선단부로부터 특정 핀(20a)에 인접하는 핀(20)과 연결부(21)와의 경계(22)와의 간격(E2) 내의 영역 내에 위치한다.

온도 센서, 에어 클리너, 터보 차저, 전단 산화 촉매, 전자 밸브

Description

엔진용 배기 정화 장치 {EXHAUST PURIFICATION DEVICE FOR ENGINE}

본 발명은 엔진용 배기 정화 장치에 관한 것으로, 상세하게는 첨가제 분사 수단으로부터 분사된 첨가제가 배기 중에 확산되어 촉매 장치에 공급되도록 구성된 배기 정화 장치에 관한 것이다.

첨가제를 이용하여 배기 중의 유해 성분을 무해한 성분으로 변환함으로써 배기를 정화하는 배기 정화 장치로서는, 예를 들어 SCR 촉매(선택 환원형 NOx 촉매)를 구비한 배기 정화 장치가 있다. 이와 같은 배기 정화 장치는, 예를 들어 일본 특허 출원 공개 제2003-232218호 공보(이하, 특허문헌 1이라 함)에 개시되어 있다.

특허문헌 1의 배기 정화 장치에서는 엔진의 배기관에 설치된 SCR 촉매의 상류측에 복수의 구획판을 구비한 배기 교반용 믹서가 배치된다. 또한 믹서의 상류측에는 요소 수용액을 분사하는 분사 노즐이 배치되어 있다. 엔진의 운전 중에 있어서, 배기관 내를 유동하는 배기에는 분사 노즐로부터 요소 수용액이 분사된다. 분사된 요소 수용액은 믹서의 교반에 의해 배기 중에 확산ㆍ안개화되면서 배기열 및 배기 중의 수증기에 의해 가수 분해되어 암모니아(NH₃)가 생성된다. 이렇게 하 여 생성된 암모니아를 환원제로서 이용하고, SCR 촉매에 있어서 배기 중의 NOx(질소산화물)가 무해한 N₂(질소)로 환원된다.

이와 같은 배기 정화 장치에 있어서, 분사 노즐로부터의 요소 수용액의 분사량은 배기 온도에 따라서 제어되는 것이 바람직하다. 또한, 배기 온도가 하한 온도를 하회하여 암모니아의 양호한 생성을 기대할 수 없을 때에는 요소 수용액의 분사를 중지할 필요도 있다. 그래서, 상기 특허문헌 1의 배기 정화 장치에서는, 믹서와 SCR 촉매 사이에 온도 센서가 설치되고, 온도 센서에 의해 검출되는 배기 온도에 따라서 분사 노즐로부터의 요소 수용액의 분사량이 제어된다.

그러나, 상기 특허문헌 1에 기재된 배기 정화 장치에서는 온도 센서와 분사 노즐이 이격되어 있어, 배기 온도의 검출 위치보다 훨씬 상류측에서 요소 수용액의 분사량이 제어된다. 이로 인해, 이 배기 정화 장치는 요소 수용액의 분사량을 적절하게 제어할 수 없다는 문제를 안고 있다. 그래서, 온도 센서를 분사 노즐 근방에 설치하는 대책도 생각할 수 있지만, 그 경우에는 이하에 서술하는 다른 문제점이 발생해 버린다.

즉, 이 경우에는 분사 노즐로부터 분사된 요소 수용액의 일부가 분사 노즐에 근접하는 온도 센서에 부착된다. 이 결과, 저온의 요소 수용액에 의한 냉각 작용이나 요소 수용액의 기화 잠열의 영향을 받아, 온도 센서의 검출치는 실제의 배기 온도보다 낮은 값으로 되어 버린다. 도4 중 파선은 이와 같은 종래 기술에 있어서의 배기 온도의 검출 상황을 나타내며, 온도 센서에 의한 검출치의 일시적인 저하가 빈번히 발생하고 있는 것을 알 수 있다. 도4 중에 도시된 바와 같이, 온도 저하의 발생 타이밍이 하단에 나타내는 요소 수용액의 분사와 대략 일치하고 있으므로, 온도 센서에 의한 검출치의 일시적인 저하는 온도 센서에의 요소 수용액의 부착이 요인이라 추측할 수 있다.

따라서, 이와 같은 온도 센서를 이용하는 배기 정화 장치에서는, 오차를 포함한 검출치를 기초로 하여 요소 수용액의 분사량이 부적절하게 제어된다. 예를 들어, 실제로는 요소 수용액을 분사하여 NOx를 환원하는 것이 가능한 배기 온도임 에도 불구하고, 배기 온도가 하한 온도 미만이라는 판정에 의해 요소 수용액의 분사가 중지된다. 이 결과, NOx를 환원하는 타이밍을 놓쳐 SCR 촉매가 갖는 NOx 환원에 의한 배기 정화 성능이 최대한으로 활용되지 않게 된다. 당연히, 중지한 분사에 있어서의 요소 수용액의 분사량을 이후의 타이밍에서 추가하여 분사하였다 해도, 요소 수용액의 분사량이 과잉이 될 뿐이다. 이로 인해, 오히려 불필요한 요소 수용액의 소비가 발생하거나, 요소 수용액의 과잉분에 의해 SCR 촉매로의 암모니아 슬립이 발생한다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 분사된 첨가제의 온도 검출 수단에의 부착을 미연에 방지하여, 고정밀도의 배기 온도를 기초로 하여 첨가제의 분사를 적절하게 제어할 수 있는 엔진용 배기 정화 장치를 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 엔진용 배기 정화 장치는 엔진의 배기 통로에 설치되고, 첨가제를 이용하여 상기 엔진의 배기를 정화하는 촉매 장치와, 상기 배기 통로의 상기 촉매 장치의 상류측에 설치되고, 상류측으로부터 하류측으로 배기를 유통시키면서 유통 방향을 변경하여 상기 배기를 교반하는 교반 수단과, 상기 배기 통로의 상기 교반 수단의 하류측에 설치되어 상기 배기 통로 내에 첨가제를 분사하는 첨가제 분사 수단과, 상기 배기 통로의 상기 교반 수단의 하류측에 설치되어 배기 온도를 검출하는 온도 검출 수단과, 상기 온도 검출 수단에 의해 검출된 배기 온도를 기초로 하여 상기 첨가제 분사 수단을 제어하는 제어 수단 을 구비한 엔진용 배기 정화 장치에 있어서, 상기 온도 검출 수단은 배기가 상기 교반 수단을 유통하여 유통 방향의 변경에 수반하여 증속하는 영역 내에 위치하는 온도 검출부를 갖는 것을 특징으로 한다.

따라서, 엔진의 배기는 교반 수단을 유통하면서 유통 방향의 변경에 의해 교반된다. 교반 수단의 하류측에서는, 첨가제 분사 수단으로부터 분사된 첨가제가 배기 중에 확산ㆍ안개화되어 촉매 장치에서 배기 정화에 이용된다. 이때, 첨가제 분사 수단에 의한 첨가제의 분사가 온도 검출 수단에 검출된 배기 온도를 기초로 제어 수단에 의해 제어된다.

교반 수단으로부터는 첨가제를 포함하지 않는 배기가, 유통 방향의 변경에 수반하여 증속하여 하류측을 향해 분출되므로, 교반 수단의 근방의 하류측에는 첨가제를 거의 포함하지 않는 배기가 항상 존재하는 영역이 형성된다. 이 영역 내에 온도 검출 수단의 온도 검출부가 위치함으로써, 첨가제 분사 수단으로부터 분사된 첨가제의 온도 검출부에의 부착이 억제되어, 부착된 요소 수용액의 영향에 의한 검출 오차가 미연에 방지된다.

이 결과, 정밀도가 높은 배기 온도를 기초로, 첨가제 분사 수단에 의한 첨가제의 분사가 행해지고, 촉매 장치의 배기 정화 성능을 양호하게 유지하는 것이 가능해진다.

구체적으로는, 상기 엔진용 배기 정화 장치에 있어서, 상기 교반 수단은 방사상으로 설치된 복수의 연결부로 구획됨으로써 고리 형상으로 배열된 복수의 유통 구멍을 갖는 동시에, 상기 배기 통로 내를 상류측과 하류측으로 구획하는 베이스판 과, 상기 고리 형상의 배열 방향에서 같은 측을 향해 상기 복수의 연결부의 각각으로부터 연속해서 일체로 연장 설치되고, 상기 베이스판으로부터 하류측을 향해 기립된 핀을 구비하고, 상기 교반 수단은 상기 유통 구멍을 통해 배기를 유통시키면서 각 핀에 의해 유통 방향을 변경하여 하류측의 배기 통로 내에 선회류를 발생시키고, 상기 온도 검출 수단의 온도 검출부는 상기 핀 중 특정 핀이 위치하는 유통 구멍에 근접하여 배치되고, 상기 베이스판에 직교하는 방향에 있어서 상기 특정 핀의 모서리부와 상기 베이스판 사이이고, 또한 각 핀의 배열 방향에 있어서 상기 특정 핀의 모서리부와, 상기 특정 핀의 모서리부측에 인접하는 핀의 상기 연결부와의 결합 부분 사이에 위치하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 배기 정화 장치에 있어서는, 교반 수단의 각 유통 구멍의 총 개구 면적은 상류측 및 하류측의 통로 단면적에 비교하여 좁다. 따라서, 유통 구멍을 유통할 때의 배기는 교축되어 증속하고, 또한 그 직후에 핀에 따라 유통 방향이 변경되는 것이라도 증속하여, 유통 구멍으로부터 하류측으로 고속으로 분출한다. 이에 의해 교반 수단의 하류측의 유통 구멍 근방에는, 첨가제를 거의 포함하지 않는 배기가 항상 존재하는 영역이 형성된다. 베이스판에 직교하는 방향에 있어서 특정 핀의 모서리부와 베이스판 사이에서, 또한 각 핀의 배열 방향에 있어서 특정 핀의 모서리부와 특정 핀의 모서리부측에 인접하는 핀의 연결부와의 결합 부분과의 사이의 영역에서는, 배기가 높은 유속을 유지하여 첨가제와의 혼합이 방지된다. 이로 인해, 이 영역 내에 온도 검출 수단의 온도 검출부를 위치시킴으로써, 온도 검출부에의 첨가제의 부착이 확실하게 방지된다.

게다가, 생산시에 있어서 온도 검출부를 위치시켜야 하는 영역을 베이스판이나 핀 등과의 위치 관계를 기초로 하여 용이하게 파악할 수 있으므로, 생산성이 향상 가능해진다.

구체적으로는, 상기 배기 정화 장치에 있어서, 상기 촉매 장치는 암모니아를 환원제로 하여 배기 중의 NOx를 선택 환원하는 선택 환원형 NOx 촉매이며, 상기 첨가제 분사 수단은 상기 첨가제로서 요소 수용액을 분사하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 경우에는, 정밀도가 높은 배기 온도를 기초로 요소 수용액의 공급을 제어할 수 있으므로, 선택 환원형 NOx 촉매에 과부족 없이 암모니아를 공급할 수 있다. 이 결과, 암모니아 슬립의 발생을 방지하면서, NOx의 환원에 의한 선택 환원형 NOx 촉매의 배기 정화 성능을 양호하게 유지하는 것이 가능해진다.

본 발명에 따르면, 분사된 첨가제의 온도 검출 수단에의 부착을 미연에 방지하여, 고정밀도의 배기 온도를 기초로 하여 첨가제의 분사를 적절하게 제어할 수 있는 엔진용 배기 정화 장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시 형태에 관한 엔진용 배기 정화 장치에 대해 도면을 기초로 하여 이하에 설명한다.

도1은 본 실시 형태의 배기 정화 장치가 적용된 디젤 엔진(이하, 엔진이라 함)(1)의 전체 구성도이다. 엔진(1)은 직렬 6기통 엔진으로서 구성되고, 엔진(1)의 각 기통에는 연료 분사 밸브(2)가 설치되어 있다. 각 연료 분사 밸브(2)는 공 통의 커먼 레일(3)로부터 가압 연료가 공급되어, 엔진(1)의 운전 상태에 따른 타이밍으로 밸브 개방함으로써 각 기통의 통 내에 연료를 분사한다.

엔진(1)의 흡기측에는 엔진(1)에 흡기를 공급하기 위한 흡기 매니폴드(4)가 장착되어 있다. 흡기 매니폴드(4)에 접속된 흡기 통로(5)에는 상류측으로부터 에어 클리너(6), 터보 차저(7)의 압축기(7a), 인터쿨러(8)가 설치되어 있다.

또한, 엔진(1)의 배기측에는 엔진(1)의 배기를 배출하기 위한 배기 매니폴드(9)가 장착되어 있다. 배기 매니폴드(9)의 출구측에는 상기 압축기(7a)와 동축 상에 기계적으로 연결된 터보 차저(7)의 터빈(7b)을 통해 배기관(10)이 접속되어 있다.

엔진(1)의 운전 중에 에어 클리너(6)를 거쳐서 흡기 통로(5) 내에 도입된 흡기는 터보 차저(7)의 압축기(7a)에 의해 가압된 후에 인터쿨러(8), 흡기 매니폴드(4)를 거쳐서 각 기통에 분배되고, 각 기통의 흡기 행정에서 각각의 기통 내에 도입된다. 각 기통 내에서는 소정의 타이밍에서 연료 분사 밸브(2)로부터 연료가 분사되어, 이 연료가 압축 상사점 근방에서 착화되어 연소한다. 연료의 연소에 의해 생성된 배기는 배기 매니폴드(9)를 거쳐서 터빈(7b)을 회전 구동한 후에 배기관(10)을 거쳐서 외부로 배출된다.

상기 배기관(10)에는 본 실시 형태의 배기 정화 장치가 설치되어 있다. 배기 정화 장치는 상류측 케이싱(11), 하류측 케이싱(12), 및 양 케이싱(11, 12) 사이에 형성된 믹싱실(13)에 의해 구성된다. 따라서, 배기관(10)에 부가하여, 상류측 케이싱(11), 믹싱실(13) 및 하류측 케이싱(12)에 의해 배기 통로가 형성되어 있 다.

상류측 케이싱(11) 내에는 상류측으로부터 전단 산화 촉매(14) 및 DPF(디젤 파티큘레이트 필터)(15)가 수용되어 있다. 하류측 케이싱(12) 내에는 상류측으로부터 SCR 촉매(선택 환원형 NOx 촉매이며, 본 발명의 촉매 장치에 상당함)(16) 및 후단 산화 촉매(17)가 수용되어 있다. 믹싱실(13)은 전체적으로 중간부가 직경 축소된 벤투리 형상을 이루고, 상류측 케이싱(11)의 후방부로부터 하류측을 향해 테이퍼 형상으로 직경이 축소된 후에, 다시 테이퍼 형상으로 직경이 확대되어 하류측 케이싱(12)의 전방부에 접속되어 있다.

믹싱실(13) 내의 상류측에는 핀 장치(18)(교반 수단)가 설치되어 있다. 이 핀 장치(18)는 스틸제의 원 형상을 이루는 베이스판(19)을 프레스 성형하여 제작되고, 고리 형상으로 배열된 8매의 핀(20)이 형성되어 있다. 베이스판(19)의 주위는 믹싱실(13)의 내벽에 대해 용접되고, 이에 의해 믹싱실(13)의 상류측과 하류측이 베이스판(19)에 의해 구획되어 있다.

도2는 핀 장치(18)를 배기 하류측으로부터 본 도1의 A 화살표도이다. 도3은 핀 장치(18)의 단면 형상을 도시하는, 도2 중 Ⅲ-Ⅲ선에 따르는 단면도이고, 도3에서는 하방이 배기 상류측에, 상방이 배기 하류측에 상당한다. 베이스판(19) 상에는, 중심으로부터 외주를 향해 연장되는 8개의 연결부(21)가 정해지고, 각 연결부(21) 사이의 대략 삼각 형상의 영역이 상기 핀(20)으로서 이용되고 있다. 또한, 각 연결부(21)의 길이 중심 축선의 방향은 베이스판(19)의 중심으로부터 어긋나 있지만, 이에 한정되지 않고, 연결부(21)의 길이 중심 축선이 베이스판(19)의 중심을 통과하도록 연결부(21)를 형성해도 좋다.

각 핀(20)은 인접하는 일측(제1 측)의 연결부(21)에 대해 경계선(22)을 통해 연속되는 한편, 인접하는 타측(제2 측)의 연결부(21)에 대해서는 프레스 성형시에 펀칭되어 분단되어 있다. 마찬가지로, 각 핀(20)의 외주도 프레스 성형시에 펀칭되어 베이스판(19)으로부터 분단되어 있다. 각 핀(20)은 제1 측의 연결부(21)의 경계선(22)을 기점으로 하여 프레스 성형시에 절곡 형성된다. 이에 의해, 각 핀(20)은 베이스판(19) 상으로부터 하류측을 향해 동일 각도 α로 기립하는 동시에, 각 핀(20)의 기립에 의해 베이스판(19) 상에는 상류측과 하류측을 연통시키는 대략 삼각 형상의 유통 구멍(23)이 형성된다. 또한, 본 실시 형태에서는 핀 각도(α)가 10°로 설정되어 있지만, 핀 각도(α)나 핀(20)의 매수는 임의로 변경 가능하다.

믹싱실(13) 내의 핀 장치(18)의 하류측에는 분사 노즐(24)(첨가제 분사 수단)이 배치되어 있다. 이 분사 노즐(24)은 믹싱실(13)의 외주로부터 중심을 향해 연장 설치되고, 그 선단부(24a)는 믹싱실(13)의 중심에서 배기 하류측으로 지향되어 있다. 분사 노즐(24)에는 믹싱실(13)의 외주에 설치된 전자기 밸브(25)를 통해 도시하지 않은 요소 탱크로부터 소정압의 요소 수용액(첨가제)이 공급된다. 분사 노즐(24)은 전자기 밸브(25)의 개폐에 따라서 분사 노즐(24)의 선단부(24a)에 관통 형성된 복수의 분사 구멍으로부터 믹싱실(13)의 외주를 향해 방사상으로 요소 수용액을 분사한다. 도시는 하지 않지만, 분사 노즐(24)의 분사 구멍은 핀 장치(18)의 각 핀(20)에 대응하여 등분 8군데에 형성되어 있다. 이에 의해, 도2에 파선으로 나타내어지는 바와 같이, 각 분출 구멍으로부터 각 핀(20)에 대응하여 요소 수용액이 분사된다.

또한, 분사 노즐(24)의 근접 위치에는 믹싱실(13) 내를 유동하는 배기의 온도(T)를 검출하는 온도 센서(26)(온도 검출 수단)가 배치되어 있다. 온도 센서(26)는 믹싱실(13)의 외주로부터 중심을 향해 연장 설치되고, 그 선단부의 온도 검출부(26a)는 배기 상류측[핀 장치(18)측]으로 지향되어 있다. 온도 센서(26)의 온도 검출부(26a)는 미리 정해진 특정 핀(20a)의 유통 구멍(23) 근방에 배치되어 있다. 또한, 특정 핀(20a)은 8군데의 핀(20) 중 어느 것이라도 좋고, 임의로 변경가능하다.

보다 상세하게는 온도 검출부(26a)는 도2에 도시된 바와 같이 믹싱실(13)의 중심[분사 노즐(24)의 선단부(24a)의 위치와 일치]을 통과하는 직경 방향에 있어서 믹싱실(13)의 외주로부터 거리 L만큼 중심쪽으로 위치하고 있다. 또한, 온도 검출부(26a)는 도3에 도시된 바와 같이 배기의 유통 방향에 있어서 베이스판(19)의 표면으로부터 거리 H(예를 들어 4 ㎜)만큼 이격하여 위치하고 있다. 또한, 온도 검출부(26a)는, 도2 및 도3에 도시된 바와 같이 믹싱실(13)의 둘레 방향[각 핀(20)의 배열 방향]에 있어서 상기 특정 핀(20a)에 인접하는 핀(20)을 지지하는 연결부(21)와 중복되는 위치에 있다.

상기 온도 센서(26) 등의 센서류는 전자 컨트롤 유닛인 ECU(31)(제어 수단)의 입력측에 접속되고, ECU(31)의 출력측에는 상기 연료 분사 밸브(2) 및 분사 노즐(24)의 전자기 밸브(25) 등의 디바이스류가 접속되어 있다. ECU(31)는 센서류로 부터의 검출 정보를 기초로 각 디바이스류를 구동 제어한다. 예를 들어 ECU(31)는 엔진 회전 속도(Ne) 및 액셀 조작량(θacc)을 기초로 하여 도시하지 않는 맵에 따라서 연료 분사량을 설정하는 동시에, 엔진 회전 속도(Ne) 및 연료 분사량을 기초로 하여 도시하지 않는 맵에 따라서 연료 분사 시기를 설정한다. ECU(31)는 이들 연료 분사량 및 연료 분사 시기를 기초로 하여 연료 분사 밸브(2)를 구동 제어하여 엔진(1)을 운전한다.

또한, ECU(31)는 SCR 촉매(16)에 암모니아(NH₃)를 공급하여 NOx의 환원에 의한 배기 정화 작용을 발휘시키기 위해 온도 센서(26)에 의해 검출된 배기 온도(T)를 기초로 하여 요소 수용액의 목표 분사량을 결정한다. 그리고 ECU(31)는 목표 분사량을 기초로 하여 전자기 밸브(25)를 구동 제어하여, 분사 노즐(24)로부터 요소 수용액을 분사시킨다.

본 실시 형태에서는 상술한 바와 같이 온도 센서(26)의 온도 검출부(26a)의 위치를 설정함으로써, 분사 노즐(24)로부터 분사된 요소 수용액이 온도 센서(26)에 부착하는 현상을 방지하고 있다. 이하에서는, 믹싱실(13) 내에서의 배기의 유통 상태, 및 요소 수용액의 확산ㆍ안개화 상태에 대해 설명한다.

엔진(1)으로부터 배출된 배기는 배기관(10)으로부터 상류측 케이싱(11) 내에 도입되어, 전단 산화 촉매(14)를 거쳐서 DPF(15)를 유통할 때에, 배기 중에 함유되어 있는 PM(파티큘레이트 매터)이 DPF(15)에 의해 포집된다. 그 후, 배기는 믹싱실(13) 내에 도입되어 핀 장치(18)의 각 유통 구멍(23)에 분기되면서 유통한다. 배기는 각 유통 구멍(23)에 유통한 직후에 핀(20)에 충돌하여, 핀 각도에 따라서 유통 방향이 변경된다. 그 결과, 배기는 믹싱실(13) 내에서 선회류를 발생시키고, 그 배기 중에 분사 노즐(24)로부터 요소 수용액이 분사된다. 배기의 선회류는 믹싱실(13)의 단면적 변화에 따라서 일단 축소한 후에 다시 확대되고, 이에 의해 요소 수용액이 배기 중에 양호하게 확산ㆍ안개화된다. 믹싱실(13) 내에서의 이송 중에 요소 수용액은 배기열 및 배기 중의 수증기에 의해 가수 분해되어, 암모니아가 생성된다. 생성된 암모니아가 공급됨으로써, SCR 촉매(16)에서는 배기 중의 NOx가 무해한 N₂로 환원되어, 배기의 정화가 행해진다. 이때, 잉여가 된 암모니아는 후단 산화 촉매(17)에 의해 배기 중으로부터 제거된다.

상술한 바와 같이, 분사 노즐(24)로부터의 요소 수용액의 분사는 ECU(31)에 의해 배기 온도(T)를 기초로 하여 제어되고 있다. 배기 온도(T)가 하한 온도를 하회하여 요소 수용액의 분사가 중지될 때, 혹은 엔진(1)의 운전 상태가 SCR 촉매(16)에 의한 NOx의 환원을 필요로 하지 않는 운전 영역에 있을 때 이외에는, 분사 노즐(24)로부터 믹싱실(13) 내에 요소 수용액이 분사된다.

도1로부터 명백한 바와 같이, 분사 노즐(24)의 선단부(24a)에 대해 온도 센서(26)의 온도 검출부(26a)는 약간 상류측에 위치한다. 그러나, 분사 노즐(24)의 선단부(24a)로부터 방사상으로 요소 수용액이 분사되므로, 핀 장치(18)가 설치되지 않은 경우, 혹은 핀 장치(18)가 적절하게 설치되지 않은 경우에는, 분사된 요소 수용액의 일부는 배기의 흐름에 역류하여 상류측에 위치하는 온도 센서(26)의 온도 검출부(26a)에 도달한다. 이와 같은 현상이 전술한 바와 같이 온도 센서(26)에 의한 배기 온도(T)의 검출 오차의 요인이 된다.

또한, 이와 같은 현상의 완화를 위해, 분사 노즐(24)로부터 요소 수용액을 하류측을 향해 분사하는 것도 생각할 수 있다. 그러나, 이 경우에는 요소 수용액이 충분히 확산ㆍ안개화되지 않은 상태에서 SCR 촉매(16)에 공급되어, SCR 촉매(16)의 NOx환원 성능이 악화되어 버린다. 이로 인해, 요소 수용액의 분사 방향은 어느 정도 믹싱실(13)의 외주를 향해 직경 방향으로 설정할 필요가 있어, 온도 센서(26)에의 요소 수용액의 부착 현상은 피할 수 없다.

여기서, 본 실시 형태에 있어서의 핀 장치(18)의 전후에서의 배기의 유통 상태를 확인하면, 핀 장치(18)의 전후의 믹싱실(13) 내의 통로 단면적에 비교하여 핀 장치(18)의 8군데의 유통 구멍(23)의 총 개구 면적은 매우 좁다. 이로 인해, 배기의 흐름은 핀 장치(18)의 각 유통 구멍(23)에서 교축되어 증속하고, 그 직후에 상술한 바와 같이 핀 각도에 따라서 유통 방향이 변경되는 것이라도 증속한다. 한편, 상술한 바와 같이 믹싱실(13) 내의 핀 장치(18)보다 하류측에서는 요소 수용액이 분무 상태로 가득차 있지만, 믹싱실(13)의 핀 장치(18)보다 상류측은 배기만으로 요소 수용액은 포함되어 있지 않다. 따라서, 핀 장치(18)의 유통 구멍(23)에는 요소 수용액을 포함하지 않는 배기가 유통한다. 이때, 도3에 파선으로 나타낸 바와 같이, 유통 구멍(23)으로부터 배기가 고유속으로 분출됨으로써, 핀 장치(18)의 하류측에 있어서도 유통 구멍(23)의 근방에서는 요소 수용액을 대부분 포함하지 않는 배기가 항상 존재하는 영역(이하, 부착 억제 영역이라 함)이 형성되게 된다.

유통 구멍(23)을 유통 후의 배기가 요소 수용액과 혼합하지 않기 위해서는, 배기가 높은 유속을 유지하고 있을 필요가 있기 때문에, 필연적으로 부착 억제 영역은 유통 구멍(23)의 근방에 한정된다. 구체적으로는, 도3에 도시된 바와 같이 배기의 유통 방향에 있어서 베이스판(19)의 표면으로부터 특정 핀(20a)의 선단부까지 상당하는 핀 높이(E1)의 범위 내에서, 또한 믹싱실(13)의 둘레 방향에 있어서 특정 핀(20a)의 선단부로부터 인접하는 핀(20)의 기단부의 경계선(22)까지 상당하는 간격(E2)의 범위 내이면, 배기 유속이 충분히 높기 때문에 부착 억제 영역이라 간주할 수 있다.

상술한 바와 같이, 온도 센서(26)의 온도 검출부(26a)는 베이스판(19)의 표면으로부터 거리 H만큼 이격되어 있지만, 이 위치는 상기 높이 E1의 범위 내이다. 한편, 온도 센서(26)의 온도 검출부(26a)는, 도2 및 도3에 도시된 바와 같이 믹싱실(13)의 둘레 방향에 있어서 특정 핀(20a)에 인접하는 핀(20)의 연결부(21)와 중복되는 위치에 있지만, 이 위치는 상기 간격(E2)의 범위 내이다. 따라서, 온도 검출부(26a)는 부착 억제 영역 내에 위치한다. 온도 검출부(26a)가 이와 같은 위치에 있음으로써, 비록 분사 노즐(24)로부터 분사된 요소 수용액이 분무 상태로 믹싱실(13) 내에 가득차 있었다고 해도, 온도 검출부(26a)로의 요소 수용액의 부착이 억제되어 부착된 요소 수용액의 영향으로 실제의 배기 온도보다 낮게 검출되는 사태가 미연에 방지된다.

도4 중 실선은 본 실시 형태의 배기 온도(T)의 검출 상황을 나타낸 것이다. 도4에 도시된 바와 같이, 요소 수용액의 분사의 유무에 영향을 주지 않고 배기 온 도(T)가 안정되게 검출되고 있으므로, 온도 검출부(26a)로의 요소 수용액의 부착이 적절하게 방지되고 있는 것을 추측할 수 있다. 또한, 도4의 그래프에 있어서, 본 실시 형태와 종래 기술 사이에는, 요소수 분사 타이밍이 아닌 부분에서 온도 센서(26)의 검출치에 대략 일정한 차가 발생하고 있다. 이는 요소 수용액의 부착에 기인하는 것이 아닌, 쌍방의 온도 검출부(26a)의 위치의 차이에 기인하는 것이다.

이와 같이 본 실시 형태의 배기 정화 장치에 따르면, 핀 장치(18)의 유통 구멍(23) 근방의 배기 유속이 높은 부착 억제 영역 내에 온도 센서(26)의 온도 검출부(26a)를 배치하였다. 이에 의해, 분사 노즐(24)로부터 분사되는 요소 수용액이 온도 검출부(26a)에 부착되는 현상을 미연에 방지할 수 있고, 결과적으로 항상 고 정밀도의 배기 온도(T)를 기초로 하여 분사 노즐(24)에 의한 요소 수용액의 분사를 가장 적절하게 제어할 수 있다.

또한, 본 실시 형태의 배기 정화 장치에 따르면, 실제로는 요소 수용액의 분사에 의해 NOx를 환원 가능한 배기 온도임에도 불구하고 하한 온도 미만으로 판정되어 요소 수용액의 분사가 중지되는 사태를 방지할 수 있어, 항상 적절한 타이밍에서 NOx의 환원에 의한 배기의 정화를 실행할 수 있다.

또한, 본 실시 형태의 배기 정화 장치에 따르면, 정밀도가 높은 배기 온도(T)에 의해 최적의 요소 수용액의 분사량을 설정할 수 있다. 따라서, 예를 들어 요소 수용액이 과잉일 때의 요소 수용액의 소비량의 증대나, SCR 촉매(16)로부터의 암모니아 슬립의 발생을 방지할 수 있다. 또한, 반대로 요소 수용액이 부족해졌을 때의 SCR 촉매(16)의 NOx 환원 성능의 저하도 방지할 수 있다. 따라서, 이들 요인 에 의해 SCR 촉매(16)가 갖는 NOx의 환원에 의한 정화 성능을 최대한으로 활용하여 항상 양호한 배기 정화 성능을 실현할 수 있다.

또한, 생산시에 있어서는, 베이스판(19), 핀(20), 경계선(22) 등과의 위치 관계를 기초로 하여 온도 센서(26)의 온도 검출부(26a)를 위치시켜야 하는 부착 억제 영역을 용이하게 파악할 수 있으므로, 결과적으로 배기 정화 장치의 생산성을 향상시킬 수 있다.

온도 센서(26)의 온도 검출부(26a)에의 요소 수용액의 부착을 방지하기 위해서는, 온도 센서(26)를 핀 장치(18)의 상류측으로 이전한다는 대책도 생각할 수 있다. 그러나, 이 경우에는 DPF(15)와 핀 장치(18) 사이에 온도 센서(26)의 설치 공간을 확보할 필요가 생기기 때문에, 배기 정화 장치를 대형화시켜 버린다. 게다가, 열화된 DPF(15)의 교환시에는 동시에 온도 센서(26)를 탈착할 필요가 생기므로, 유지 보수상의 제약도 생긴다. 본 실시 형태의 배기 정화 장치에서는 온도 센서(26)를 상류측에 배치하지 않고 요소 수용액의 부착을 방지할 수 있으므로, 결과적으로 이들 문제점을 회피할 수 있다는 이점도 얻을 수 있다.

그런데, 본 실시 형태에서는 베이스판(19)의 표면으로부터 거리 H이고, 또한 믹싱실(13)의 둘레 방향에 있어서 연결부(21)와 중복되는 부분에 온도 검출부(26a)의 위치를 설정하였지만, 온도 검출부(26a)의 위치는 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 핀 높이(E1) 및 간격(E2)에 의해 규정되는 부착 억제 영역 내이면, 임의로 온도 검출부(26a)의 위치를 변경 가능하다. 단, 온도 검출부(26a)를 핀 장치(18)에 지나치게 근접시키면, 온도 검출부(26a)가 핀 장치(18)로부터의 방사열을 받아 실제의 배기 온도보다 높은 값을 검출해 버린다. 그로 인해, 핀 높이(E1)를 극단적으로 감소시키는 것은 바람직하지 않고, 핀 높이(E1) = 0 부근(예를 들어, 0 내지 2 ㎜)을 제외한 범위 내에서 온도 검출부(26a)의 위치를 설정하는 것이 바람직하다.

한편, 온도 검출부(26a)의 설치 위치에 관한 거리(L)는 핀 높이(E1)나 간격(E2)과는 달리 부착 억제 영역을 직접적으로 규정하는 것은 아니며, 믹싱실(13)의 반경 방향에 있어서 임의로 변경 가능하다. 그러나, 믹싱실(13)의 직경 방향의 외주측일수록, 둘레 방향에 있어서의 유통 구멍(23)의 폭이 확대되는 동시에 핀(20)의 폭도 확대된다. 그에 수반하여, 핀 높이(E1) 및 간격(E2)이 증가하여 부착 억제 영역이 확대된다. 생산시에 있어서 온도 검출부(26a)의 위치 결정에는 어느 정도의 오차가 발생하지만, 부착 억제 영역의 확대는 이 위치 오차를 보다 크게 허용하는 것으로 이어진다. 이로 인해, 분사 노즐(24)과의 간섭 등의 다른 제약이 없는 한, 거리(L)를 가능한 한 작게 설정하여 온도 검출부(26a)를 믹싱실(13)의 외주측으로 위치시키는 것이 바람직하다. 이에 의해, 온도 검출부(26a)의 위치에 대해 보다 큰 오차를 허용할 수 있으므로, 이 점도 생산성의 향상에 기여한다.

이상으로 실시 형태의 설명을 마치지만, 본 발명의 구성은 이 실시 형태의 배기 정화 장치에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 상기 실시 형태에서는, 배기 정화용으로 SCR 촉매(16)를 구비한 디젤 엔진(1)의 배기 정화 장치로서 본 발명을 구체화하였지만, 첨가제의 공급을 필요로 하는 촉매 장치를 구비한 엔진이면 본 발명을 적용하는 것이 가능하다. 예를 들어, 배기 중의 NOx를 흡장하는 흡장형 NOx 촉매를 배기 통로에 구비하고, 흡장한 NOx를 NOx 촉매로부터 방출하여 환원하므로, 첨가제로서 연료를 배기 통로 내에 분사하는 NOx 퍼지를 정기적으로 실행할 필요가 있는 엔진에 본 발명을 적용해도 좋다. 이 경우에는, 도1 있어서 SCR 촉매(16)를 흡장형 NOx 촉매로 치환하고, 분사 노즐(26)로부터 요소 수용액 대신에 연료를 분사하는 구성이 채용된다. 이와 같은 배기 정화 장치에서는, 온도 센서(26)의 온도 검출부(26a)의 위치를 상기 실시 형태와 마찬가지로 설정함으로써, 온도 센서(26)에의 연료 부착을 방지할 수 있다. 이 결과, 고 정밀도의 배기 온도(T)를 기초로 하여 NOx 퍼지를 실행할 수 있다.

또한, 상기 실시 형태에서는 교반 수단으로서 배기에 선회류를 발생시키는 핀 장치(18)가 배기 정화 장치에 설치되었다. 그러나, 배기를 상류측으로부터 하류측으로 유통시키면서 유통 방향을 변경하여 교반하는 것이면, 그 형태는 이에 한정되는 것은 아니다. 어떠한 구성을 채용하는 것으로 해도, 유통 방향의 변경에 수반하여 배기가 증속하는 영역을 부착 억제 영역으로서 정하여, 그 부착 억제 영역에 온도 센서(26)의 온도 검출부(26a)를 위치시키면, 상기 실시 형태와 같은 작용 효과를 얻을 수 있다.

도1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 배기 정화 장치가 적용된 디젤 엔진의 전체 구성도.

도2는 핀 장치를 배기 하류측으로부터 본 도1의 A 화살표도.

도3은 핀 장치의 단면 형상을 도시하는 도2 중의 Ⅲ-Ⅲ선에 따르는 단면도.

도4는 실시 형태 및 종래 기술의 각각에 있어서의 배기 온도의 검출 상황을 비교한 시험 결과를 나타내는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 엔진

4 : 흡기 매니폴드

5 : 흡기 통로

6 : 에어 클리너

7 : 터보 차저

8 : 인터쿨러

9 : 배기 매니폴드

10 : 배기관

13 : 믹싱실

14 : 전단 산화 촉매

24 : 분사 노즐

25 : 전자기 밸브

Claims

엔진(1)의 배기 통로에 설치되고, 첨가제를 이용하여 상기 엔진(1)의 배기를 정화하는 촉매 장치(16)와,

상기 배기 통로의 상기 촉매 장치(16)의 상류측에 설치되고, 상류측으로부터 하류측으로 배기를 유통시키면서 유통 방향을 변경하여 상기 배기를 교반하는 교반 수단(18)과,

상기 배기 통로의 상기 교반 수단(18)의 하류측에 설치되어 상기 배기 통로 내에 첨가제를 분사하는 첨가제 분사 수단(24)과,

상기 배기 통로의 상기 교반 수단(18)의 하류측에 설치되어 배기 온도를 검출하는 온도 검출 수단(26)과,

상기 온도 검출 수단(26)에 의해 검출된 배기 온도를 기초로 하여 상기 첨가제 분사 수단(24)을 제어하는 제어 수단(31)을 구비한 엔진용 배기 정화 장치에 있어서,

상기 온도 검출 수단(26)은 배기가 상기 교반 수단(18)을 유통하여 유통 방향의 변경에 수반하여 증속하는 영역 내에 위치하는 온도 검출부(26a)를 갖는 것을 특징으로 하는 엔진용 배기 정화 장치.
제1항에 있어서, 상기 교반 수단은,

방사상으로 설치된 복수의 연결부(21)로 구획됨으로써 고리 형상으로 배열된 복수의 유통 구멍(23)을 갖는 동시에, 상기 배기 통로 내를 상류측과 하류측으로 구획하는 베이스판(19)과,

상기 고리 형상의 배열 방향에서 같은 측을 향해 상기 복수의 연결부(21)의 각각으로부터 연속해서 일체로 연장 설치되고, 상기 베이스판(19)으로부터 하류측을 향해 기립된 핀(20)을 구비하고,

상기 교반 수단(18)은 상기 유통 구멍(23)을 통해 배기를 유통시키면서 각 핀(20)에 의해 유통 방향을 변경하여 하류측의 배기 통로 내에 선회류를 발생시키고,

상기 온도 검출 수단(26)의 온도 검출부(26a)는 상기 핀(20) 중 특정 핀(20a)이 위치하는 유통 구멍(23)에 근접하여 배치되고, 상기 베이스판(19)에 직교하는 방향에 있어서 상기 특정 핀(20a)의 모서리부와 상기 베이스판(19) 사이이고, 또한 각 핀(20)의 배열 방향에 있어서 상기 특정 핀(20a)의 모서리부와, 상기 특정 핀(20a)의 모서리부측에 인접하는 핀(20)의 상기 연결부(21)와의 결합 부분(22) 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 엔진용 배기 정화 장치.
제1항에 있어서, 상기 촉매 장치는 암모니아를 환원제로 하여 배기 중의 NOx를 선택 환원하는 선택 환원형 NOx 촉매(16)이며,

상기 첨가제 분사 수단(24)은 상기 첨가제로서 요소 수용액을 분사하는 것을 특징으로 하는 엔진용 배기 정화 장치.