KR20070120116A - 배출 가스 재순환 라인 내에 배출 가스 처리 유닛 및 열교환기를 갖춘 배출 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 내연 기관(2)의 배출 시스템(1)에 관한 것으로서, 상기 내연 기관(2)이 흡입 시스템(3) 및 배출구(4)를 포함하며, 상기 배출구(4) 및 상기 흡입 시스템이 배출 가스 재순환 라인(5)을 통해 연결되고, 상기 배출 가스 재순환 라인(5) 내에 배출 가스 처리 장치(6) 및 열 교환기(7)가 형성된다. 상기 열 교환기(7)가 제1 배압을 가지고, 상기 배출 가스 처리 장치(6)가 상기 제1 배압 보다 낮은 제2 배압을 갖는다. 상기 배출 가스 처리 장치(6)는 작동하는 동안 상기 배출 가스 처리 장치(6)에 유입되는 가스 유동(14)이 균질화되도록 유동 방향에서 상기 열 교환기(7)의 상류로 제1 거리(8)에 형성된다. 상기 배출 가스 시스템은 배출 가스 재순환 라인(5) 내에 열 교환기(7), 및 벌집형상체와 같은 배출 가스 처리 장치(6)의 유리한 실시예를 허용하여, 열 교환기(7) 및 배출 가스 처리 장치(6) 모두가 종래의 시스템에 비해 보다 작은 실시예를 가질 수 있다. 이로써, 이러한 시스템의 장착 시 상당한 비용 절감을 얻을 수 있다.
Description
본 발명은 배출 가스 재순환 라인 내에 배출 가스 처리 유닛 및 열 교환기를 갖춘 배출 시스템에 관한 것이다.
내연 기관의 배출 시스템에는 종종, 특히 배출 가스가 내연 기관의 공기 유입구 영역 안으로 재순환되는 경우 배출 가스를 냉각시키는데 사용되는 열 교환기가 형성된다. 배출 가스 내에 존재하는 오염물질에 의한 열 교환기의 오염은 열 교환기의 효율을 감소시켜, 열 교환기가 구성될 때 열 교환기가 비교적 긴 시간 동안에 걸쳐 최소한의 기준 효율을 갖는 것을 보장하기 위해 열 교환기가 기본적으로 과도 규모(overdimension)를 가져야 한다.
열 교환기의 오염을 감소시키기 위해, 종래 기술에서는 열 교환기의 상류에 촉매 변환기를 형성하였는데, 이러한 촉매 변환기에 의해, 열 교환기 내에서 끈적이는 증착물이 될 수 있는 적어도 긴-사슬형 탄화수소가 제거된다. 이러한 시스템은 촉매 변환기가 상류에 배열되므로 배출 가스의 불충분한 변환이 발생되어, 열 교환기의 오염이 여전히 발생하거나, 열 교환기의 오염을 효과적으로 방지하기 위 해 촉매 변환기가 상당히 큰 규모로 제공되어야 한다는 단점을 갖는다.
출발 지점으로서 이를 감안하여, 본 발명의 근본적인 목적은 배출 가스 재순환 라인 내에 사용되며 열 교환기 및 촉매 변환기를 포함하며 열 교환기의 오염을 효과적으로 감소시키는 동시에 열 교환기와 촉매 변환기의 총 체적이 최소한으로 작아질 수 있는 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 아래의 청구의 범위 청구항 1의 특징부를 갖는 배출 시스템에 의해 달성된다. 종속항들의 내용은 유리한 개선예들이다.
본 발명의 내연 기관의 배출 시스템에서, 상기 내연 기관이 흡입 시스템 및 배출구를 포함하며, 상기 배출구 및 상기 흡입 시스템이 배출 가스 재순환 라인을 통해 연결되고, 상기 배출 가스 재순환 라인 내에 배출 가스 처리 장치 및 열 교환기가 형성되며, 상기 열 교환기가 제1 배압을 가지고, 상기 배출 가스 처리 장치가 상기 제1 배압 보다 낮은 제2 배압을 가지며, 상기 배출 가스 처리 장치는 작동하는 동안 상기 배출 가스 처리 장치에 유입되는 가스 유동이 균질화되도록 유동 방향에서 상기 열 교환기의 상류로 제1 거리에 형성되는 것을 특징으로 한다. 이것은 특히, 유동 방향에서 배출 가스 처리 장치의 상류의 배압이 열 교환기의 제1 배압에 의해 영향을 받음을 의미한다.
여기서, 이러한 열 교환기는 특히 피드-백 배출 가스를 냉각시키는 배출 냉각기라고도 불리는 것이다. 내연 기관은 특히, 예컨대 자동차의 디젤 기관(예컨대, 승용차, 화물차, 기관-작동식 이륜 구동 차량, 보트 또는 항공기의 디젤 기관) 또는 고정식 분야의 디젤 엔진과 같은 디젤 기관이다. 균질화(homogenization)는 또한 발생되는 속도의 가능 분포(probability)의 확장(widening)으로서 이해될 수 있다.
열 교환기의 구성은 배출 가스 처리 장치에 비해 상승된 배압을 초래한다. 특히, 배출 가스가 관류하는 복수의 파이프를 갖는 열 교환기가 유리하다. 열 교환기의 하우징을 통해 유동하며 내연 기관의 냉각 회로(도시 안됨)로부터 추출되는 냉매는 바람직하게 이들 파이프 둘레로 유동한다. 특히, 세라믹 또는 금속 벌집형상체, 또는 그 외의 와이어 메쉬 바디, 금속 포옴(foam) 등으로 이루어진 바디와 같은 벌집형상체가 배출 가스 처리 장치로서 적합하다. 금속 벌집형상체는 특히 적어도 부분적으로 구조화된 하나 이상의 금속층과, 적절하다면, 감기거나 적층되어 함께 꼬인 하나 이상의 필수적으로 매끄러운 층으로부터 구성된다. 함께 꼬이거나 감긴 이들 층은 공동(cavity)을 형성하며, 이 공동을 통해 유체가 유동할 수 있고 층들의 경계가 나뉘어 진다. 이들 층은 특히 알루미늄(Al) 강 또는 크롬(Cr) 강과 같은 고온 부식에 견디는 물질로 형성된다. 이들 층은 특히, 예컨대 고온 납땜 방법에 의해 물질적으로 결합되는 방식으로 서로 연결될 수 있다. 기본적으로 매끄러운 층들과 적어도 부분적으로 구조화된 층들은, 적어도 일정 영역에, 가스 유동의 혼합을 보다 균일하게 촉진시키는 미세구조물, 배플(baffle), 파열부(breakthrogh) 및/또는 통공을 구비할 수 있다.
가스 유동이 배츨 가스 처리 장치에 유입되기 전에 이 가스 유동의 균질화는 배출 가스 처리 장치가 열 교환기의 비교적 근접한 상류에 형성된다는 사실에 의해 유리하게 발생된다. 이로써, 배출 가스 처리 장치 내에 이미 가스 유동의 균질화를 발생시켜서, 배출 가스가 배출 가스 처리 장치의 횡단면에 대해 보다 균일하게 적용되므로 여기서의 변환률이 개선된다. 따라서, 배출 가스 처리 장치의 체적은 배출 가스 내의 오염 물질의 동일한 변환률을 갖는 종래의 구성과 비교해서 감소될 수 있다. 오염 물질의 상당히 보다 효과적인 변환률은 또한 열 교환기의 오염을 감소시켜서, 종래의 열 교환기와 비교할 때 보다 적은 규모의 열 교환기가 제공될 수 있다.
오로지 낮은 배압을 갖는 배출 가스 처리 유닛을 형성하기 위해, 비교적 적은 수의 셀(cell), 예컨대 400cpsi(제곱인치 당 셀의 수) 미만, 바람직하게 300cpsi 미만, 특히 바람직하게 200cpsi 이하, 더 바람직하게 100cpsi의 셀을 갖는 벌집형상체를 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 다른 유리한 구성에 의하면, 상기 제1 거리는 상기 제1 배압 및 상기 제2 배압의 효과가 축적되도록 선택된다.
여기서, 축적(accumulation)이라는 것은 특히, 배출 가스 처리 장치의 상류에 존재하는 배압이 배출 가스 처리 장치의 상류에 존재하는 제2 배압 보다 크다는 것을 말한다. 유동 내의 부품의 상류의 배압은 유동을 변화시키는 압력 쿠션의 형태를 초래한다. 극한 경우에, 본 발명은, 하나는 열 교환기의 전방에, 다른 하나는 배출 가스 처리 장치의 전방에 각각 압력 쿠션을 갖는 2개의 영역 대신에 배출 가스 처리 장치의 전방에 오로지 하나의 압력 쿠션이 형성되는 상황을 초래한다.
유리하게 배압이 축적됨으로써, 배출 가스가 배출 가스 처리 장치 안으로 유동하기 전에 배출 가스 처리 장치의 제2 배압 보다 큰 배압을 극복해야 하는 상황에 이르게 된다. 열 교환기 및 배출 가스 처리 장치의 구성에 따라, 심지어 배압은 제2 배압 보다 상당히 크다. 배압을 상승시키면, 배출 가스 처리 장치의 유동의 균질화를 발생시켜서, 배출 가스 처리 장치 및 열 교환기를 통한 가스 유동의 균질화를 발생시킨다.
본 발명에 따른 다른 유리한 구성에 의하면, 상기 열 교환기의 가스 유입구 단부측으로부터 상기 배출 가스 처리 장치의 가스 유입구 단부의 제2 거리는 60mm 미만, 바람직하게 45mm 미만, 특히 바람직하게 30mm 미만이다.
상기한 값들은 특히 유리함이 증명되었다. 특히, 통상의 작동 상태 하에서 제1 및 제2 배압의 효과가 축적된다.
본 발명에 따른 다른 유리한 구성에 의하면, 유동 방향에서 상기 배출 가스 처리 장치의 크기는 100mm 미만, 바람직하게 50mm 미만, 특히 바람직하게 25mm 이하인,
배출 가스 내의 대응하는 물질 특히, 탄화수소의 상당히 균질화되고 효과적인 변환으로 인해, 비교적 크기가 작은 배출 가스 처리 장치가 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 다른 유리한 구성에 의하면, 상기 배출 가스 처리 장치와 상기 열 교환기 사이의 상기 제1 거리는 15mm 미만, 바람직하게 10mm 미만, 특히 바람직하게 5mm 미만이다.
벌집형상체에 의해, 표면, 배압 등과 같은 특성이 상당히 정밀하게 설정될 수 있는 배출 가스 처리 장치를 제공할 수 있다. 특히 금속 또는 세라믹 벌집형상체가 이러한 벌집형상체로서 적합하다. 특히, 예컨대 독일 특허출원번호 제197 55 703 A1호, 국제특허출원번호 제 90/13736 A1호, 및 국제특허출원번호 제 99/11911 A1호에 개시된 바와 같은 벌집형상체가 유리하게 사용될 수 있다. 벌집형상체의 부착에 관해서는 상기한 출원들의 전체 내용을 참조하면 된다.
본 발명에 따른 또 다른 유리한 구성에 의하면, 상기 배출 가스 처리 장치는 벌집형상체를 포함한다.
특히, 공통 하우징 내에 열 교환기 및 배출 가스 처리 장치를 제공하는 것이 또한 유리하다. 본 명세서에서, 배출 가스 처리 장치는 구슬선(beading) 등에 의해 하우징의 대응하는 구슬(bead) 내에 유지될 수 있다. 또한, 열 교환기의 단부측 상에 동일 높이로 배출 가스 처리 장치를 끼워 맞출 수 있다.
본 발명에 따른 또 다른 유리한 구성에 의하면, 상기 배출 가스 처리 장치는 촉매 활성 코팅, 특히 산화 촉매 코팅을 포함한다.
이러한 촉매 활성 코팅은 에컨대, 세라믹 와시 코팅(ceramic wash coating)을 포함하는데, 이러한 세라믹 와시 코팅은 원하는 반응을 촉진시키는 물질을 함유하는데, 즉, 특히 이 세라믹 와시 코팅은 배출 가스 재순환 라인 내의 온도에서 감지할 수 있을 정도로 발생될 정도로 이들 반응의 반응 온도를 감소시키는 물질을 함유한다. 특히, 플래티늄, 로듐 등과 같은 귀금속이 촉매 변환기로서 적합하다. 산화 촉매 코팅은 특히, 이들이 열 교환기의 오염을 또한 책임지므로 탄화수소의 산화를 촉진시킨다. 탄화수소는 열 교환기의 냉각 영역에서 응축되며 열 교환기의 벽들에 배출 가스 내에 함유된 매연(그을음) 입자들이 고착되게 할 수 있는 끈적한 물질을 형성한다. 따라서, 탄화수소의 산화는 특히 열 교환기이 오염을 상당히 감소시키는 유리한 방법이다. 특히 디젤 기관의 배출 시스템에서, 탄화수소의 완전한 산화까지의 상당히 넓은 범위로의 확장은 배출 가스 내의 산소의 비교적 높은 비율로 인해 발생된다.
탄화수소의 산화의 최대로 가능한 변환 효율을 달성하기 위해, 배출 가스 처리 장치는 특히, 휴지 시간(dwell time)이 가능한 길고 반응에 대해 이용가능한 표면이 가능한 넓도록 형성된다.
본 발명에 따른 또 다른 유리한 구성에 의하면, 상기 제2 배압에 대한 상기 제1 배압의 비는 2 초과, 바람직하게는 10 초과이다.
특히 이들 배압 상태 하에서, 즉 열 교환기의 배압이 2배 또는 심지어 10배 만큼 배출 가스 처리 장치의 배압 보다 큰 경우, 열 교환기의 제1 배압과 배출 가스 처리 장치의 제2 배압의 효과는 심지어 15mm 이하의 제1 거리에서 특히 유리한 방식으로 축적된다.
아래에, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명할 것이며, 상기한 본 발명은 여기에 기술하는 바와 같은 예시적인 실시예들과 장점들에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 배출 시스템의 제1 예시적 실시예의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 배출 시스템의 제1 예시적 실시예의 세부 항목의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 배출 시스템의 제2 예시적 실시예의 세부 항목의 개략도이다.
도 4는 유속의 2가지 가능한 분포의 개략도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 *
1: 배출 시스템 2: 내연 기관
3: 흡입 시스템 4: 배출구
5: 배출 가스 재순환 라인 6: 배출 가스 처리 장치
7: 열 교환기 8: 제1 거리
9: 제2 거리 10: 열 교환기의 가스 유입구 단부측
11: 배출 가스 처리 장치의 가스 유입구 단부측
12: 크기 13: 원뿔부
14: 가스 유동 15: 배출 파이프
16: 하우징 17: 벌집형상체
18: 통로 19: 제1 가능 분포
20: 제2 가능 분포
도 1은 내연 기관(2)의 본 발명에 따른 배출 시스템(1)의 제1 예시적 실시예의 개략도이다. 이 내연 기관(2)은 흡입 시스템(3) 및 배출구(4)를 포함하며, 배출구(4)와 흡입 시스템(3)이 배출 가스 처리 장치(6) 및 열 교환기(7)가 형성되는 배출 가스 순환 라인(5)을 경유하여 연결될 수 있다. 열 교환기(7)는 제1 배 압(first backpressure)을 가지며, 배출 가스 처리 장치(6)는 제1 배압 보다 낮은 제2 배압을 갖는다. 배출 가스의 통상의 유동 방향이 대응하는 화살표로 표시되어 있다. 배출 가스 순환 라인(5)을 통해 유동하는 배출 가스의 양은 예컨대 대응하는 밸브(도시 안됨)에 의해 조절될 수 있다. 배출 가스 순환 라인(5)은 배출 가스 터보차저(도시 안됨)의 상류 또는 하류의 배출 가스측에서 분기될 수 있다.
본 발명에 의하면, 배출 가스 처리 유닛(6)은 작동되는 동안 배출 가스 처리 유닛(6)에 유입되는 가스 유동(14)이 균질화되도록 유동 방향으로 열 교환기(7)의 상류에서 제1 거리(8)에 형성된다. 제1 거리(8)는 특히 15mm 미만, 바람직하게는 10mm 미만, 특히 바람직하게는 5mm 미만이다. 열 교환기(7) 및 배출 가스 처리 장치(6)는 다음과 같은 방식으로 구현되는데 즉, 배출 가스 처리 장치(6) 안으로 유동하는 배출 가스가 배출 가스 처리 장치(6)의 제2 배압 보다 높은 배압을 극복해야 하도록 제1 배압과 제2 배압의 효과가 이러한 제1 거리(8)에서 축적되는 방식으로 구현된다. 이로써, 상기한 바와 같이, 배출 가스 처리 장치(6) 안으로 유동하는 가스 유동(14)이 균질화되는 상황이 실현된다.
도 2는 배출 가스 처리 장치(6) 및 열 교환기(7)를 포함하는 배출 가스 재순환 라인(5)의 세부 항목의 개략도이다. 열 교환기(7)의 가스 유입구 단부측(10)과 배출 가스 처리 장치(6)의 가스 유입구 단부측(11) 사이의 제2 거리(9)는 배출 가스 처리 장치(6) 내의 유동이 균질화되는 방식으로 본 발명에 따라 선택된다. 특히, 제2 거리(9)는 60mm 미만, 바람직하게는 45mm 미만, 특히 30mm 미만이다. 특히 대략 20 내지 40 mm의 유동 방향의 크기(12)를 갖는 단축 벌집형상체가 배출 가 스 처리 장치(6)로서 사용될 수 있다. 제1 거리(8)는 예컨대, 15mm 미만, 또는 5mm 이하이다. 특히, 제1 거리(8)는 열 교환기(7)의 제1 배압 및 배출 가스 처리 장치(6)의 제2 배압의 효과가 축적되도록 선택되어, 배출 가스 처리 장치(6) 안으로 유동하는 배출 가스가 배출 가스 처리 장치(6)의 제2 배압 보다 큰 배압, 바람직하게는 제2 배압 보다 상당히 큰 배압을 극복해야 한다.
도 3은 본 발명에 따른 배출 시스템(1)의 다른 예시적인 실시예의 세부 항목의 개략도이다. 여기서, 원추형인 통로(18)를 갖춘 벌집형상체(17)로서 구현되는 배출 가스 처리 장치(6)를 포함하는 원뿔부(13)가 배출 가스 재순환 라인(5) 내에 형성된다. 배출 가스 재순환 라인(5)을 통과하는 가스 유동(14)은 원뿔부(13)에 의해 열 교환기(7)로 인도된다. 열 교환기(7)는 하우징(16) 내에 배출 파이프(15)를 포함한다. 가스 유동(14)은 배출 파이프(15)를 통과하며, 내연 기관(2)의 냉각 회로의 일부분인 냉각제가 하우징(16) 내의 배출 파이프(15) 주위로 유동한다. 열 교환기(7)와 배출 가스 처리 장치(6) 사이의 제1 거리(8)는 작동되는 동안 배출 가스 처리 장치(6)에서 배출되는 가스 유동(14)이 균질화되는 방식으로 본 발명에 따라 선택된다.
도 4는 속도(v)의 제1 가능 분포(19)와 속도(v)의 제2 가능 분포(20)의 개략도이다. 제1 가능 분포는 가스가 단지 배출 가스 처리 장치(6)를 통해 유동하는 경우, 즉 열 교환기(7)가 유동 방향으로 상기 배출 가스 처리 장치(6)의 하류에 형성되지 않은 경우에 얻어진다. 가스에 존재하는 어떤 속도의 가능성이 2개의 분포로 도시화된다. 가능성 및 속도 모두가 상대 단위로 주어진다. 제2 가능 분 포(20)는 본 발명에 따른 시스템 내의 가능 분포이다. 따라서, 이러한 제2 가능 분포는 배출 가스 재순환 라인(5) 내에 열 교환기(7) 및 배출 가스 처리 장치(6)를 갖춘 배출 시스템(1)에 관한 것이다. 제2 가능 분포(20)는 제1 가능 분포(19)에 비해 상대적으로 보다 넓으며, 특히, 제1 가능 분포(19)에 비해 절반의 최대값(전체 폭 절반 최대값)을 갖는 보다 큰 폭을 갖는다. 이것은 유동의 본 발명에 따른 균질화 때문이다.
본 발명에 따른 배출 시스템은 열 교환기(7) 및 배출 가스 처리 장치(6)(예컨대, 벌집형상체)가 배출 가스 재순환 라인(5) 내에 유리하게 형성되는 것을 허용함과 동시에, 열 교환기(7) 및 배출 가스 처리 장치(6) 모두가 종래 기술에 비해 보다 작게 구성될 수 있다. 이것은 상기한 시스템을 구성할 때 상당한 비용 절감의 효과를 제공한다.
Claims (8)
- 내연 기관(2)의 배출 시스템(1)으로서,상기 내연 기관(2)이 흡입 시스템(3) 및 배출구(4)를 포함하며, 상기 배출구(4) 및 상기 흡입 시스템이 배출 가스 재순환 라인(5)을 통해 연결되고, 상기 배출 가스 재순환 라인(5) 내에 배출 가스 처리 장치(6) 및 열 교환기(7)가 형성되며, 상기 열 교환기(7)가 제1 배압을 가지고, 상기 배출 가스 처리 장치(6)가 상기 제1 배압 보다 낮은 제2 배압을 갖는, 내연 기관(2)의 배출 시스템(1)에 있어서,상기 배출 가스 처리 장치(6)는 작동하는 동안 상기 배출 가스 처리 장치(6)에 유입되는 가스 유동(14)이 균질화되도록 유동 방향에서 상기 열 교환기(7)의 상류로 제1 거리(8)에 형성되는 것을 특징으로 하는내연 기관의 배출 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1 거리(8)는 상기 제1 배압 및 상기 제2 배압의 효과가 축적되도록 선택되는,내연 기관의 배출 시스템.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 열 교환기(7)의 가스 유입구 단부측(10)으로부터 상기 배출 가스 처리 장치(6)의 가스 유입구 단부측(11)의 제2 거리(9)는 60mm 미만, 바람직하게 45mm 미만, 특히 바람직하게 30mm 미만인,내연 기관의 배출 시스템.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,유동 방향에서 상기 배출 가스 처리 장치(6)의 크기(12)는 100mm 미만, 바람직하게 50mm 미만, 특히 바람직하게 25mm 이하인,내연 기관의 배출 시스템.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 배출 가스 처리 장치(6)와 상기 열 교환기(7) 사이의 상기 제1 거리(8)는 15mm 미만, 바람직하게 10mm 미만, 특히 바람직하게 5mm 미만인,내연 기관의 배출 시스템.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 배출 가스 처리 장치(6)는 벌집형상체(7)를 포함하는,내연 기관의 배출 시스템.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 배출 가스 처리 장치(6)는 촉매 활성 코팅, 특히 산화 촉매 코팅을 포함하는,내연 기관의 배출 시스템.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제2 배압에 대한 상기 제1 배압의 비는 2 초과, 바람직하게는 10 초과인,내연 기관의 배출 시스템.
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