KR20140023696A

KR20140023696A - 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템

Info

Publication number: KR20140023696A
Application number: KR1020120089977A
Authority: KR
Inventors: 정연욱; 정대진; 서경호; 백상현
Original assignee: 세종공업 주식회사
Priority date: 2012-08-17
Filing date: 2012-08-17
Publication date: 2014-02-27

Abstract

본 발명은 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템에 관한 것으로서, 이를 위해 본 발명은 DOC(10)에 DPF(20)를 직렬로 연결하면서 상기 DPF(20)에는 SCR(70)을 연결하여 배기가스로부터 질소산화물과 입자상 물질을 제거하는 구성에 있어서, 상기 DPF(20)의 출구에서 입자상 물질을 제거한 배기가스를 직각의 방향으로 유동하도록 안내하는 배기유도 챔버(30)와; 상기 배기유도 챔버(30)의 입구와는 직각의 방향에 형성되는 출구에 일단이 결합되고, 일단으로부터 직각 절곡되도록 하여 타단이 상기 DPF(20)와 평행한 방향으로 형성되며, 절곡부의 외측 주면에는 상기 DPF(20)와 평행한 방향으로 형성되는 타단을 향해 우레아가 분사되도록 우레아 인젝터(41)를 구비하는 엘보우 형상의 믹싱 챔버(40)와; 상기 믹싱 챔버(40)의 배기가스가 배출되는 출구측에 일단이 직렬로 연결되면서 일측에서 상호 직렬로 연결되는 상기 DOC(10)와 DPF(20)와는 병렬로 배열되는 우레아 믹싱 파이프(50)와; 상기 우레아 믹싱 파이프(50)의 출구측 타단에 하단부가 연결되도록 하면서 하부측으로 유입되는 배기가스를 상부로 유도되도록 하여 상기 우레아 믹싱 파이프(50)와 병렬로 배열되도록 한 SCR(70)에 상부가 연결되도록 하는 가이드 챔버(60)를 결합한 구성으로 구비되게 하여 최소한의 레이아웃 공간을 통한 구현을 가능하면서 우레아 믹싱 효율이 더욱 향상되도록 하고, DPF(20)의 분리 또는 결합이 용이토록 하여 DPF(20)의 클리닝 및 유지 관리가 좀더 용이하게 할 수 있도록 하는데 특징이 있다.

Description

디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템{Post treatment exhaust contamination gas decreasing system in diesel engine}

본 발명은 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배관을 병렬식 배열로 구비하여 최소한의 공간에서 레이아웃이 가능하도록 하고, 우레아와의 믹싱 타임을 보다 연장되게 하므로서 믹싱 효율이 향상되도록 하는 동시에 DFP의 양단부 연결을 체해결이 용이한 링형의 클램핑에 의해 결속되게 하므로서 DPF의 클리닝을 손쉽게 할 수 있도록 하는 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 디젤엔진은 저연비이면서 우수한 신뢰성을 바탕으로 자동차, 선박, 일반산업용 등 산업 전반에서 사용 용도가 다양하고, 고출력 및 고부하 운전이 가능하여 수요가 계속 증가하고 있다.

또한, 저연비 차량을 목표로 추진되고 있는 3L 자동차 프로그램(Car Program) 또는 슈퍼카 프로젝트(Super Car Project)에서 디젤엔진 채용이 기정 사실화되고 있어 디젤엔진 차량의 증가가 예상되고 있다.

그러나 선진 각국에서 이러한 디젤자동차가 총 대기오염의 40%를 차지할 정도로 대기오염의 주범으로 인식되고 있기도 하다.

이에 대응하기 위하여 각국에서는 디젤엔진의 배기가스 규제를 강화시키고 있다. 이러한 디젤자동차의 대기오염은 주로 질소산화물(NOx)과 입자상 물질(PM)에 의해 발생한다.

따라서, 디젤자동차 배기 규제의 주요한 대상물질은 질소산화물과 입자상 물질이며, 이의 대응기술로는 연료 분사시기 지연과 배기가스 재순환 장치(Exhaust Gas Recirculation,EGR)에 의한 질소산화물 농도 저감과, 입자상 물질을 저감하기 위한 엔진의 연소 성능 개선 및 개량에 중점을 두고 개발되었다.

엔진의 배기 가스 중에 함유된 공해 물질인 디젤 입자상 물질(PM) 및 질소산화물(NOx) 등을 감소시키기 위해 DOC(Diesel Oxidation Catalyst), DPF((Diesel Particulate matter Filter) 및 SCR(Selective Catalyst Reduction) 등과 같은 배기가스 후처리 장치를 구비하고 있다.

이 중에서, SCR은 인젝터를 통해 배기 가스의 유동 방향으로 분사되는 환원제(우레아)가 배기 가스의 열에 의해 암모니아(NH3)로 가수분해되고, 배기 가스 중의 질소산화물과 암모니아의 촉매 반응으로서 질소산화물을 질소 가스(N2)와 물(H2O)로 환원시키는 것이다.

DOC, DPF 및 SCR을 채용한 배기가스 후처리 장치는 DOC와 DPF를 배기가스의 유동 방향으로 장착하고, DPF의 후단에는 SCR을 장착하며, DPF와 SCR 사이에는 환원제를 분사하기 위한 인젝터를 지닌 우레아 믹싱 챔버를 구비하고 있다.

우레아 믹싱 챔버에서는 EM(emission) 기준 강화에 따라 인젝터를 통한 환원제의 분사압을 증대시켜 그 분사압 증대에 따른 환원제의 분사 속도를 증가시키도록 하고 있다.

하지만 이들 DOC와 DPF와 SCR을 연속해서 직렬로 연결하는데에는 자동차 하부에 충분한 설치 공간이 제공되어야만 하고, 우레아 믹싱 챔버에 분사된 환원제의 일부가 챔버 내부에서 고형물로 퇴적되면서 SCR의 촉매 활성화 및 질소산화물의 정화 효율을 악화시키는 치명적인 결과를 초래하기도 한다.

또한 종전의 DPF는 DOC와 우레아 믹싱 챔버에 복수의 스크류를 이용하여 플랜지 결합하는 조립 구조로 연결되도록 하고 있어 DPF의 내부를 클리닝하기 위해서는 체결 스크류를 모두 풀고 다시 체결해야 하는 수고가 따르고, 그만큼 요구되는 작업 시간이 길어지면서 클리닝 작업 주기를 지연시키게 되는 원인이 되고 있어 DPF를 통한 미립자 제거 효율이 저하되는 문제점도 갖고 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 폐단과 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 우레아를 믹싱하는 구간이 보다 연장되게 하므로서 믹싱 효율이 보다 향상되도록 하는 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템을 제공하는데 주된 목적이 있다.

또한 본 발명은 직렬로 연결되는 DOC와 DPF에 대해 SCR이 병렬로 연결되게 하므로서 레이아웃 공간을 최소화할 수 있도록 하는 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템을 제공하는데 다른 목적이 있다.

특히 본 발명은 DPF의 링형상 플랜지로 이루어지는 양단부를 링형의 클램프로서 분리 및 결합이 용이하게 연결되게 하므로서 DPF의 보다 잦은 주기적 클리닝이 가능하도록 하는 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

이에 상기한 목적 달성을 위하여 본 발명의 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템은, DOC에 DPF를 직렬로 연결하면서 상기 DPF에는 SCR을 연결하는 구성에 있어서, 상기 DPF의 출구에서 입자상 물질을 제거한 배기가스를 직각의 방향으로 유동하도록 안내하는 배기유도 챔버와; 상기 배기유도 챔버의 입구와는 직각의 방향에 형성되는 출구에 일단이 결합되고, 일단으로부터 직각 절곡되도록 하여 타단이 상기 DPF와 평행한 방향으로 형성되며, 절곡부의 외측 주면에는 상기 DPF와 평행한 방향으로 형성되는 타단을 향해 우레아가 분사되도록 우레아 인젝터를 구비하는 엘보우 형상의 믹싱 챔버와; 상기 믹싱 챔버의 배기가스가 배출되는 출구측에 일단이 직렬로 연결되면서 일측에서 상호 직렬로 연결되는 상기 DOC와 DPF와는 병렬로 배열되는 우레아 믹싱 파이프와; 상기 우레아 믹싱 파이프의 출구측 타단에 하단부가 연결되도록 하면서 하부측으로 유입되는 배기가스를 상부로 유도되도록 하여 상기 우레아 믹싱 파이프와 병렬로 배열되도록 한 SCR에 상부가 연결되도록 하는 가이드 챔버의 결합으로 이루어지는 구성이 특징이다.

상기의 구성에서 상기 DPF의 양단부는 각각 DOC와 배기유도 챔버의 서로 다른 외경의 링형 플랜지에 링형 클램프를 결합하여 연결되도록 하며, 상기 믹싱 챔버의 배기가스가 배출되는 출구측 단부에는 복수의 블레이드들이 다양한 각도로 형성된 믹서가 구비되도록 한다.

또한 본 발명에서 상기 우레아 인젝터는 상기 믹싱 챔버의 배기가스 배출 단부에 구비한 상기 믹서를 향해 우레아를 분사하도록 한다.

상기한 구성에 따른 배기가스 후처리 시스템을 통해 우레아 믹싱 효율이 보다 향상되게 하므로서 배기가스 정화효율을 향상시키게 됨은 물론 SCR을 DOC와 DPF에 대해 병렬로 설치되도록 하여 보다 좁은 공간에서도 설치가 가능하도록 하는 이점이 있다.

또한 본 발명은 DPF를 연결하는 연결 부위를 링형 클램핑에 의해 연결되게 하므로서 체해결이 용이해지게 하여 DPF의 청소를 손쉽게 할 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템의 연결 구조를 예시한 평면도,
도 2는 본 발명에 따른 엘보우 형상의 믹싱 챔버에 적용되는 믹서의 결합 구성을 예시한 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 DPF의 관연결 수단인 오링형 클램프를 예시한 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 우레아 인젝터에 의한 우레아 분사 양태를 도시한 믹싱 챔버의 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 배기가스 후처리 시스템에서의 가이드 챔버를 유동하는 배기가스의 흐름을 도시한 단면도.

이에 상기한 구성의 본 발명에 따른 배기가스 후처리 시스템의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 배기가스 후처리 시스템의 연결 구조를 예시한 평면도이다.

도시한 바와 같이 본 발명은 크게 DOC(10)와 DPF(20)와 배기유도 챔버(30)와 믹싱 챔버(40)와 우레아 믹싱 파이프(50)와 가이드 챔버(60) 및 SCR(70)의 결합으로 이루어지는 구성이다.

상기의 구성에서 DOC(10)와 DPF(20)와 배기유도 챔버(30)와 SCR(70)은 종전의 배기가스 후처리 시스템에서도 구비되는 구성으로, 본 발명에서는 직렬로 연결되는 DOC(10)와 DPF(20)와 배기유도 챔버(30)에 대해 SCR(70)은 병렬식으로 배치되도록 하는 특징이 있다.

즉 본 발명에는 입자상 물질(PM) 중 탄화수소와 일산화탄소의 성분을 각각 촉매에 의한 산화반응으로 물과 이산화탄소로 변환시켜 주는 산화촉매인 DOC(10)와 매연 등의 입자상 물질(PM)을 필터로 걸러주는 입자상 물질 제거용 필터인 DPF(20)가 직렬로 연결 및 배열되도록 하고, DPF(20)의 후단에는 DPF(20)를 통해 입자상 물질이 제거되도록 한 배기가스의 유동 방향을 직각의 방향으로 전환되도록 하는 배기유도 챔버(30)가 직렬로 연결되도록 한다.

배기유도 챔버(30)는 원통의 형상이면서 DPF(20)의 후단부와 연결되는 일측의 입구에 대하여 그에 직각의 방향인 외주면의 일측으로 출구를 형성되도록 하므로서 DPF(20)로부터 유입되는 배기가스가 방향을 직각 방향으로 전환되어 유동하도록 하는 구성이다.

배기유도 챔버(30)의 입구와는 직각의 방향에서 배기유도 챔버(30)의 출구에 결합되는 구성이 엘보우 형상의 믹싱 챔버(40)이다.

믹싱 챔버(40)는 일단이 배기유도 챔버(30)의 출구에 결합되면서 이 일단으로부터 직각 절곡되게 하여 타단이 형성되도록 하고, 이렇게 절곡되는 외측의 절곡면에는 우레아 인젝터(41)가 구비되도록 하며, 타단측 출구에는 도 2에서와 같은 믹서(42)가 구비되도록 하는 구성이다.

이때 환원제인 우레아를 분사하도록 구비되는 우레아 인젝터(41)는 외측의 절곡면에서 믹싱 챔버(40)의 출구측으로 구비되는 믹서(42)를 향해 우레아가 분사되도록 분사노즐이 위치되도록 하며, 믹서(42)는 도 2에서와 같이 다양한 각도를 갖는 블레이드(42)들을 구비하면서 배기가스에 우레아가 원활하게 믹싱되도록 한다.

믹싱 챔버(40)의 출구측으로는 우레아 믹싱 파이프(50)가 연결되도록 하며, 우레아 믹싱 파이프(50)는 믹싱 챔버(40)의 출구에 직렬로 연결되게 하므로서 결국 DOC(10)와 DPF(20)와는 병렬로 배열되는 형상으로 구비되도록 하는 구성이다.

우레아 믹싱 파이프(50)는 믹싱 챔버(40)의 출구를 통해 배기가스와 우레아를 믹싱되도록 하면서 충분하게 믹싱될 수 있도록 일정 길이로 구비되는 믹싱 챔버의 기능을 하는 구성이다.

한편 본 발명의 가이드 챔버(60)는 우레아 믹싱 파이프(50)와 SCR(60)간을 연결하는 구성으로서, 일단은 우레아 믹싱 파이프(50)의 출구에 연결되도록 하면서 타단은 배기가스 중에 포함된 질소산화물을 촉매를 이용하여 물과 질소로 환원시켜 주는 SCR(60)에 연결되도록 하되 이때의 SCR(60)은 우레아 믹싱 파이프(50)를 기준으로 DOC(10)와 DPF(20)와는 반대측에서 병렬로 배열되도록 하며, 따라서 가이드 챔버(60)는 우레아 믹싱 파이프(50)와 SCR(60)에 연결되는 양단부가 동일한 방향에 형성되도록 한다.

다만 가이드 챔버(60)에서 우레아 믹싱 파이프(50)와 연결되는 일단측 직경보다는 SCR(60)에 연결되는 타단측 직경이 SCR(60)의 외경에 동일한 크기로 확장 형성되는 구성으로 형성되도록 한다.

즉 가이드 챔버(60)의 SCR(60)에 연결되는 단부는 SCR(60)측으로 배기가스가 SCR(60)의 전면에 걸쳐 확산 유동하도록 우레아 믹싱 파이프(50)에 연결되는 단부로부터 점차 배기가스의 유동로 내경이 점차 커지도록 하면서 배기가스의 유동에 간섭없이 원활한 흐름이 되도록 한다.

한편 상기의 구성에서 DOC(10)와 배기유도 챔버(30)에 연결되는 DPF(20)와의 연결 부위는 상호 연결단부간 내접 또는 외접되도록 상호 중첩되게 연결되도록 하는 링형 플랜지 연결로 이루어지도록 하면서 이 플랜지 연결 부위에는 외주면으로 도 3에서와 같은 링형상의 클램프(80)에 의해 압착 고정되면서 연결되도록 한다.

이하 본 발명의 배기가스 후처리 시스템을 이용한 작용 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 배기가스 후처리 시스템은 엔진으로부터 배기되는 배기가스를 DOC(10)로 유도하여 배기가스의 입자상 물질 중 고비점 탄화수소를 정화하도록 하고, 이어서 DPF(20)를 거치면서는 입자상 물질을 걸러주도록 한다.

이렇게 고비점 탄화수소와 입자상 물질을 필터링한 배기가스는 배기유도 챔버(30)의 일측으로 유입되어 외주면 일측을 통해서 유출되도록 하고, 배기유도 챔버(30)를 통해 유출되는 배기가스는 엘보우 형상의 믹싱 챔버(40)에 유입되며, 믹싱 챔버(40)를 통해 유동하는 배기가스를 향해 외주면측으로 구비한 우레아 인젝터(41)를 통해 우레아가 분사되도록 한다.

도 4는 본 발명에 따른 우레아 인젝터에 의한 우레아 분사 양태를 도시한 믹싱 챔버의 단면도로서, 도시한 바와 같이 믹싱 챔버(40)에서 우레아 인젝터(41)를 통해서는 믹싱 챔버(40)의 출구측에 구비되도록 한 믹서(42)를 향해 우레아가 분사되면서 배기가스와의 혼합이 균일하게 이루어질 수 있도록 한다.

또한 우레아가 상기 믹서(42)를 향해 분사되도록 하면 우레아가 믹서(42)를 향해 분사되고 배기가스가 유입되면 배기가스의 압력에 의해 분사노즐이 화살표 방향(상부방향)으로 살짝 들리게 되어 우레아가 믹서(42) 전반에 골고루 분사되면서 배기가스와의 혼합이 균일하게 이루어질 수 있다. 즉 분사노즐의 분사방향이 배기가스의 압력에 의해 이동되도록 구성하는 것도 가능하다.

우레아가 혼합된 배기가스는 우레아 믹싱 파이프(50)를 통과하면서 배기가스와 우레아의 혼합 효율을 더욱 향상시키게 되며, 우레아 믹싱 파이프(50)를 통과한 배기가스는 가이드 챔버(60)의 일측을 통해 유입된다.

도 5는 본 발명에 따른 배기가스 후처리 시스템에서의 가이드 챔버를 유동하는 배기가스의 흐름을 도시한 단면도로서, 도시한 바와 같이 가이드 챔버(60)에서는 우레아 믹싱 파이프(50)와 연결되는 일단부로부터 SCR(70)에 연결되는 타단부측으로 일정 각도를 휘어 유동하도록 한다.

이를 위해 가이드 챔버(60)는 우레아 믹싱 파이프(50)측 단부와 대응되는 면이 보다 후방으로 연장 형성되도록 하면서 이 믹싱 파이프(50)측 입구와 동일한 방향으로 형성되는 출구측 주면은 SCR(70)의 직경에 대응하도록 점차 내경이 확장되면서 SCR(70)에 연결되도록 하는 구성이다.

다시 말해 가이드 챔버(60)에서 믹싱 파이프(50)와 SCR(70)측 단부는 180°의 각도차를 갖도록 하므로서 배기가스가 이들 단부와 마주보는 내주면에 충돌하면서 유동 흐름에 거의 간섭을 받지 않도록 한다.

특히 가이드 챔버(60)의 배기가스가 충돌하는 면을 보다 외측으로 돌출되게 하면서 완만한 곡선형상으로 SCR(70)에 연결되지 않으면 결국 SCR(70)측에서는 배기가스가 한쪽으로 집중되어 통과하게 되므로 배기가스를 정화하는 성능과 함께 일측으로 배기가스가 집중되면서 결국 정화 효율이 저하되는 현상을 방지할 수가 있게 된다.

한편 본 발명은 SCR(70)측으로 유도되는 배기가스의 유동 흐름을 최적화할 수가 있고, 유속의 균일도를 고르게 나타나게 할 수가 있으므로 정화성능을 보다 향상시키게 되는 효과가 있게 된다.

10 : DOC 20 : DPF
30 : 배기유도 챔버 40 : 믹싱 챔버
41 : 우레아 인젝터 42 : 믹서
420 : 블레이드 50 : 우레아 믹싱 파이프
60 : 가이드 챔버 70 : SCR
80 : 클램프

Claims

DOC(10)에 DPF(20)를 직렬로 연결하면서 상기 DPF(20)에는 SCR(70)을 연결하여 배기가스로부터 질소산화물과 입자상 물질을 제거하는 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템으로,
상기 DPF(20)의 출구에서 입자상 물질을 제거한 배기가스를 직각의 방향으로 유동하도록 안내하는 배기유도 챔버(30)와;
상기 배기유도 챔버(30)의 입구와는 직각의 방향에 형성되는 출구에 일단이 결합되고, 일단으로부터 직각 절곡되도록 하여 타단이 상기 DPF(20)와 평행한 방향으로 형성되며, 절곡부의 외측 주면에는 상기 DPF(20)와 평행한 방향으로 형성되는 타단을 향해 우레아가 분사되도록 우레아 인젝터(41)를 구비하는 엘보우 형상의 믹싱 챔버(40)와;
상기 믹싱 챔버(40)의 배기가스가 배출되는 출구측에 일단이 직렬로 연결되면서 일측에서 상호 직렬로 연결되는 상기 DOC(10)와 DPF(20)와는 병렬로 배열되는 우레아 믹싱 파이프(50)와;
상기 우레아 믹싱 파이프(50)의 출구측 타단에 하단부가 연결되도록 하면서 하부측으로 유입되는 배기가스를 상부로 유도되도록 하여 상기 우레아 믹싱 파이프(50)와 병렬로 배열되도록 한 SCR(70)에 상부가 연결되도록 하는 가이드 챔버(60);의 결합으로 이루어지는 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 DPF(20)의 양단부는 상기 DOC(10)와 상기 배기유도 챔버(30)의 서로 다른 외경의 링형 플랜지에 링형 클램프(80)를 결합하여 연결되도록 하는 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 믹싱 챔버(40)의 배기가스가 배출되는 출구측 단부에는 복수의 블레이드(420)들이 다양한 각도로 형성된 믹서(42)가 구비되도록 하는 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 우레아 인젝터(41)는 상기 믹싱 챔버(40)의 배기가스 배출 단부에 구비한 상기 믹서(42)를 향해 우레아를 분사하도록 하는 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템.