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KR101327882B1 - 환원제 수용액 믹싱 장치 및 배기 가스 후처리 장치 - Google Patents

환원제 수용액 믹싱 장치 및 배기 가스 후처리 장치 Download PDF

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KR101327882B1
KR101327882B1 KR1020127028890A KR20127028890A KR101327882B1 KR 101327882 B1 KR101327882 B1 KR 101327882B1 KR 1020127028890 A KR1020127028890 A KR 1020127028890A KR 20127028890 A KR20127028890 A KR 20127028890A KR 101327882 B1 KR101327882 B1 KR 101327882B1
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pipe
exhaust gas
mixing
exhaust
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Inventor
다다시 이이지마
히로후미 기자와
보쿠 이토
신지 쓰지무라
다카시 가토
데쓰오 오리타
간지 나미마쓰
잇세이 하라
히로유키 도미오카
Original Assignee
가부시키가이샤 고마쓰 세이사쿠쇼
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Publication date
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Abstract

본 발명은, 요소(尿素) 수용액 믹싱(mixing) 장치에 있어서, 요소 수용액과 배기 가스를 양호하게 혼합할 수 있고, 또한 배기관의 내벽에 요소 수용액이 부착되는 것을 억제한다. 이 장치는, 배기관(4B)과, 인젝터(5)와, 믹싱 파이프(6)와, 내관(7)을 구비하고 있다. 배기관(4B)은, 만곡부를 가지는 엘보부(elbow part)(10)와, 엘보부(10)의 하류측에 설치된 직선부(11)를 가진다. 인젝터(5)는, 엘보부(10)의 만곡부 외측에 설치되고, 직선부(11)를 향해 요소 수용액을 분사한다. 믹싱 파이프(6)는, 엘보부(10) 내부에 있어서 인젝터(5)로부터 분사되는 요소 수용액의 주위를 덮도록 배치되고, 외주면에 복수의 개구(6a)를 가지고 있다. 내관(7)은, 믹싱 파이프(6)의 하류측에 믹싱 파이프(6)의 출구부와 간격을 두고, 또한 직선부(11)의 내벽과의 사이에 간격을 두고 배치되고, 내부 및 외주부를 배기 가스가 유통 가능하다.

Description

환원제 수용액 믹싱 장치 및 배기 가스 후처리 장치{REDUCING AGENT AQUEOUS SOLUTION MIXING DEVICE AND EXHAUST GAS POST-TREATMENT DEVICE}
본 발명은, 환원제(還元劑) 수용액 믹싱(mixing) 장치, 특히, 배기 가스 중의 입자형 물질을 포집(捕集)하는 필터와 배기 가스 중의 질소산화물을 환원 정화하는 환원 촉매와의 사이에 있어서 필터와 병렬로 배치되고, 배기 가스 중에 환원제 수용액을 첨가하기 위한 환원제 수용액 믹싱 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 상기한 환원제 수용액 믹싱 장치를 구비한 배기 가스 후처리 장치에 관한 것이다.
엔진의 배기 가스에는 질소산화물(NOx)이 포함되어 있다. 이 질소산화물이 대기 중에 방출되는 것을 억제하기 위해, 배기 경로의 도중에 배기 가스 후처리 장치가 설치되어 있다. 이 배기 가스 후처리 장치는, 배기 가스 중의 입자형 물질을 포집하는 필터와, 필터의 배기 하류측에 배치되고 배기 가스 중에 요소(尿素) 수용액을 첨가하는 요소 수용액 믹싱 장치와, 이 믹싱 장치의 보다 하류측에 배치되고 배기 가스 중의 질소산화물을 환원 정화하는 환원 촉매를 구비하고 있다.
상기한 배기 가스 후처리 장치에 있어서의 요소 수용액 믹싱 장치는, 배기관 내에 환원제로서의 요소 수용액을 분사하는 인젝터를 가지고 있다. 인젝터로부터 배기관 내에 분사된 요소 수용액은 배기 가스와 혼합되어 배기 하류측의 환원 촉매에 공급된다. 여기서는, 먼저, 배기 가스에 의해 요소 수용액이 열분해되어 암모니아를 얻을 수 있다. 그리고, 환원 촉매에서는, 이 암모니아를 환원제로서 사용하여, 배기 가스 중의 질소산화물이 환원 정화된다.
이와 같은 장치에 있어서는, 요소 수용액을 열분해하여 암모니아를 얻기 위해 충분한 반응 시간이 필요해지고, 이를 위해서는 인젝터와 환원 촉매와의 사이에 긴 거리를 확보할 필요가 있다. 이 거리가 짧은 경우에는, 배기관 내에 분사된 요소 수용액은 배기 가스와 충분히 혼합되지 않고, 그 일부가, 외기에 의해 냉각된 배기관의 내벽에 부착되어, 액적(液滴)으로 되어 버린다. 이와 같은 배기관의 내벽에 부착된 요소 수용액은 분해되기 어렵다. 따라서, 환원 촉매에 공급되는 암모니아가 부족하게 될 우려가 있다. 또한, 배기관의 내벽에서 액적으로 된 요소 수용액은 결정화(結晶化)되어 내벽에 퇴적되는 경우가 있다.
그래서, 특허 문헌 1 및 2에 개시되어 있는 바와 같이, 인젝터의 배기 하류측에 있어서, 배기관의 내부에 내관(內管)을 설치하여 이중관 구조로 하고, 내관의 내부에 요소 수용액을 분사하도록 한 장치가 제공되어 있다. 여기서는, 내관의 외주부에는 배기 가스가 흐르므로, 이 배기 가스에 의해 내관이 가열되고, 내관의 내벽에 요소 수용액이 액적으로서 부착되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 특허 문헌 3 및 4에는, 인젝터로부터 환원 촉매까지의 거리가 짧은 경우라도, 요소 수용액이 충분히 분해될 수 있도록 한 장치가 개시되어 있다. 이들 문헌에 나타낸 장치에서는, 인젝터의 하류측에 믹싱 파이프가 형성되어 있고, 믹싱 파이프의 내부에 인젝터로부터 요소 수용액이 분사되도록 되어 있다. 또한, 믹싱 파이프의 외주면에는 복수의 개구가 형성되어 있다. 여기서는, 믹싱 파이프의 개구를 통해서 배기 가스를 믹싱 파이프의 내부로 유입시킴으로써, 믹싱 파이프 내부에서 난류(亂流)가 발생한다. 이 배기 가스의 난류를 이용하여, 요소 수용액의 분산화를 촉진하여, 요소 수용액의 암모니아에 대한 분해 효율을 향상시키고 있다.
일본특표 2008―509328호 공보 WO2006/025110 A1 US2010/0263359 A1 일본공개특허 제2008―208726호 공보
특허 문헌 1 및 2에 개시되어 있는 장치에서는, 인젝터로부터 분사된 요소 수용액이, 충분히 분산화되지 않아 입경이 큰 채 내관에 충돌하게 된다. 그러므로, 내관에 부착된 액적을 증발시키기 위해서는 큰 열량을 필요로 하므로, 내관의 외주부를 통과하는 배기 가스만으로는 충분한 열량을 확보할 수 없는 경우가 있다. 그래서, 이들 장치에서는, 다른 열원으로서 히터 등을 설치할 필요가 있다.
또한, 특허 문헌 3 및 4에 개시되어 있는 장치에서는, 믹싱 파이프의 내부에서 배기 가스와 요소 수용액이 혼합되기 용이해진다. 그러나, 믹싱 파이프의 배기 하류측에서는, 외기에 의해 냉각된 배기관의 내벽에 요소 수용액의 액적이 부착되는 문제가 발생할 우려가 있다. 따라서, 환원 촉매로 암모니아가 부족한 문제나, 배기관의 내벽에 퇴적물이 형성되는 문제는 해소되지 않는다.
본 발명의 과제는, 요소 수용액 등의 환원제 수용액을 배기 가스와 혼합하는 장치에 있어서, 요소 수용액 등의 환원제 수용액과 배기 가스를 양호하게 혼합할 수 있고, 또한 배기관의 내벽에 환원제 수용액이 부착되는 것을 억제하는 것에 있다.
제1 발명에 관한 환원제 수용액 믹싱 장치는, 배기 가스 중의 입자형 물질을 포집하는 필터와 배기 가스 중의 질소산화물을 환원 정화하는 환원 촉매와의 사이에 배치되고, 배기 가스 중에 환원제 수용액을 첨가하기 위한 장치로서, 배기관과, 인젝터와, 믹싱 파이프와, 내관을 구비하고 있다. 배기관은, 만곡부를 가지는 엘보부(elbow part)와, 엘보부의 배기 하류측에 설치된 직선부를 가진다. 인젝터는, 엘보부의 만곡부 외측에 설치되고, 직선부를 향해 엘보부 내부에 환원제 수용액을 분사한다. 믹싱 파이프는, 엘보부 내부에 있어서, 인젝터로부터 분사되는 환원제 수용액의 주위를 덮도록 배치되고, 외주면에 복수의 개구를 가지고 있다. 내관은, 믹싱 파이프의 배기 하류측에 믹싱 파이프의 배기 하류측의 출구부와 배기류를 따른 방향으로 간격을 두고, 또한 직선부의 내벽과의 사이에 간격을 두고 배치되고, 내부 및 외주부를 배기 가스가 유통 가능하다.
이 장치에서는, 상류측으로부터 엘보부로 흘러 온 배기 가스는, 믹싱 파이프의 외주면의 개구를 통과하여 내부로 유입된다. 믹싱 파이프의 내부에는, 인젝터로부터 환원제 수용액이 분사되고 있고, 따라서 믹싱 파이프의 내부에 있어서 배기 가스와 환원제 수용액이 혼합된다. 이 믹싱 파이프에 의해 혼합된 배기 가스 및 환원제 수용액은, 하류측의 내관으로 유입된다. 내관은 외주부를 흐르는 배기 가스에 의해 가열되어 있고, 내관의 내벽에 환원제 수용액이 부착되어도, 증발하여 암모니아로 변환된다. 그러므로, 배기관 및 내관의 내벽에 환원제 수용액이 액적으로서 부착되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 믹싱 파이프의 출구부와 내관과의 사이에는 배기류를 따른 방향으로 소정 간격이 형성되어 있으므로, 상류측의 배기 가스가 내관의 외주부로 흘러들기 용이해진다. 따라서, 내관은 배기 가스에 의해 효율적으로 가열되고, 내관의 내부에서의 환원제 수용액의 분해 효율이 촉진된다.
제2 발명에 관한 환원제 수용액 믹싱 장치는, 제1 발명의 장치에 있어서, 내관의 배기 상류측의 입구부의 내경은 믹싱 파이프의 출구부의 내경보다 크다.
여기서는, 믹싱 파이프의 내부에서 혼합된 배기 가스와 환원제 수용액이 내관으로 원활하게 흘러든다.
제3 발명에 관한 환원제 수용액 믹싱 장치는, 제2 발명의 장치에 있어서, 믹싱 파이프 및 내관은, 믹싱 파이프의 출구부 개구와 내관의 입구부 개구가 인젝터의 분사 각도 범위를 내포하도록 배치되어 있다.
여기서는, 믹싱 파이프의 출구부 개구가, 분사된 환원제 수용액의 확산 범위보다 넓어지므로, 분사된 환원제 수용액이 믹싱 파이프의 내벽에 직접 충돌하는 것이 방지된다. 따라서, 믹싱 파이프의 내벽에 환원제 수용액이 액적으로서 부착되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 내관의 입구부의 개구가 환원제 수용액의 확산 범위보다 넓으므로, 분사된 환원제 수용액을 효율적으로 내관 내부로 받아들일 수 있다.
제4 발명에 관한 환원제 수용액 믹싱 장치는, 제1 내지 제3 발명 중 어느 하나의 장치에 있어서, 믹싱 파이프의 출구부는 배기관의 내벽과의 사이에 간격을 두고 있다. 그리고, 믹싱 파이프의 출구부와 배기관의 내벽과의 사이에는, 믹싱 파이프의 외주부의 배기 가스를 내관으로 안내하는 유통부가 형성되어 있다.
여기서, 배기관의 내부에 믹싱 파이프나 내관 등의 부재를 배치하는 경우, 유로 저항이 커지지 않도록 할 필요가 있다. 특허 문헌 3 및 4에 나타낸 바와 같이, 믹싱 파이프의 출구부와 배기관의 내벽과의 사이를 폐쇄하고, 상류측으로부터의 배기 가스가 모두 믹싱 파이프의 개구를 통과하도록 한 구성에서는, 배기 가스가 믹싱 파이프를 통과할 때의 유로 저항이 커진다. 이 경우에는, 엔진의 배압이 높아져, 연비의 악화로 이어진다.
따라서, 이 제4 발명에서는, 믹싱 파이프의 출구부와 배기관의 내벽과의 사이에 간격을 확보하고, 믹싱 파이프의 외주부의 배기 가스를 내관으로 안내하는 유통부가 형성되어 있다. 이와 같은 구성에서는, 모든 배기 가스를 믹싱 파이프 내부로 받아들이도록 한 구성와 비교하여, 배기관의 유로 저항이 작아진다. 그러므로, 엔진의 배압이 억제되어, 연비의 악화를 방지할 수 있다.
제5 발명에 관한 환원제 수용액 믹싱 장치는, 제4 발명의 장치에 있어서, 믹싱 파이프는, 출구부와는 반대측의 단부가 엘보부의 직선부와 대향하는 벽에 지지되어 있다.
이와 같은 믹싱 파이프의 지지 구조에서는, 믹싱 파이프의 출구부 근방을 배기관에 대하여 지지할 필요가 없다. 즉, 믹싱 파이프의 출구부와 배기관 내벽과의 사이의 유통부에, 배기 가스의 유통을 방해하는 부재를 설치할 필요가 없다. 따라서, 배기관의 유로 저항을 더욱 작게 할 수 있다.
제6 발명에 관한 환원제 수용액 믹싱 장치는, 제1 내지 제5 발명 중 어느 하나의 장치에 있어서, 믹싱 파이프의 복수의 개구는, 믹싱 파이프의 원주 방향의 일부의 각도 영역에만 형성되어 있다.
여기서는, 믹싱 파이프의 개구는 외주면 중 일부에만 형성되어 있으므로, 이 개구를 통과하여 내부로 받아들여진 배기 가스는, 일정한 흐름을 형성하게 된다. 따라서, 이 배기 가스의 흐름에 의해, 배기 가스와 환원제 수용액의 혼합 및 환원제 수용액의 분해가 촉진된다.
제7 발명에 관한 환원제 수용액 믹싱 장치는, 제6 발명의 장치에 있어서, 믹싱 파이프의 복수의 개구는, 믹싱 파이프의 외주를, 90° 간격으로 원주 방향으로 순차적으로 제1 영역, 제2 영역, 제3 영역, 제4 영역으로 4등분한 경우, 제1 영역 및 제3 영역에만, 또는 제2 영역 및 제4 영역에만 형성되어 있다.
여기서는, 제6 발명과 마찬가지로, 믹싱 파이프 내부의 배기 가스는 일정한 흐름을 형성하므로, 배기 가스와 환원제 수용액의 혼합 및 환원제 수용액의 분해가 촉진된다.
제8 발명에 관한 환원제 수용액 믹싱 장치는, 제1 내지 제7 발명 중 어느 하나의 장치에 있어서, 배기류를 따른 방향의 1개소에서, 내관의 외주부의 원주 방향의 복수 개소를 배기관에 지지하기 위한 지지부를 가지는 지지 부재를 더 구비하고 있다. 그리고, 지지 부재와 내관의 외주면과의 사이의 지지부 이외의 영역은 배기 가스가 유통 가능하며, 내관의 외주면에는 개구가 형성되어 있지 않다.
여기서는, 내관의 외주부가 지지 부재의 지지부에 의해 배기관에 지지되어 있다. 그리고, 내관 외주에 있어서, 지지부 이외의 영역을 배기 가스가 원활하게 흐른다. 또한, 내관의 외주면에는 개구가 형성되어 있지 않으므로, 내관 외주를 충분한 양의 배기 가스가 흐르게 되어, 내관은 효율적으로 가열된다.
제9 발명에 관한 환원제 수용액 믹싱 장치는, 제1 내지 제7 발명 중 어느 하나의 장치에 있어서, 내관의 배기 하류측의 출구부를 배기관에 지지하고, 또한 내관의 외주면과 배기관의 내벽과의 사이의 배기 가스의 유통을 규제하는 지지 부재를 더 구비하고 있다. 그리고, 내관의 출구부의 외주면에는, 복수의 개구가 형성되어 있다.
여기서는, 내관의 출구부는 지지 부재에 의해 배기 가스의 유통이 규제된다. 따라서, 내관 외주부의 배기 가스는, 출구부 근방에서, 내관의 외주면의 개구를 통해 내부로 흘러든다. 그러므로, 내관의 출구 부분에서 배기 가스와 환원제 수용액이 다시 혼합된다. 그러므로, 환원제 수용액의 분해가 더욱 촉진된다.
제10 발명에 관한 환원제 수용액 믹싱 장치는, 제1 내지 제9 발명 중 어느 하나의 장치에 있어서, 믹싱 파이프와 내관은 동축(同軸)으로 배치되어 있다.
여기서는, 믹싱 파이프에 의해 혼합된 배기 가스와 환원제 수용액이 원활하게 내관으로 흘러든다.
제11 발명에 관한 배기 가스 후처리 장치는, 배기 가스 중의 입자형 물질을 포집하는 필터와, 필터의 배기 하류측에 있어서 필터와 병렬로 배치된 제1 내지 제10 발명 중 어느 하나의 환원제 수용액 믹싱 장치와, 환원제 수용액 믹싱 장치의 배기 하류측에 배치되고 배기 가스 중의 질소산화물을 환원 정화하는 환원 촉매를 구비하고 있다.
제12 발명에 관한 배기 가스 후처리 장치는, 제11 발명의 장치에 있어서, 환원 촉매는 환원제 수용액 믹싱 장치와 병렬로 배치되어 있다.
이상과 같은 본 발명에서는, 환원제 수용액 믹싱 장치에 있어서, 요소 수용액 등의 환원제 수용액과 배기 가스를 양호하게 혼합할 수 있고, 또한 배기관의 내벽에 환원제 수용액이 부착되는 것을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 의한 배기 가스 후처리 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시형태에 의한 요소 수용액 믹싱 장치의 단면(斷面) 구성도이다.
도 3은 플랜지의 정면도이다.
도 4는 믹싱 파이프 및 그 장착 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4의 우측면도이다.
도 6은 인젝터의 분사 각도, 믹싱 파이프, 및 내관의 배치를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 배기관 내의 배기 가스의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 8은 믹싱 파이프 내부의 배기 가스의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시형태의 도 2에 상당하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시형태에 의한 믹싱 파이프를 나타낸 도면이다.
[전체 구성]
도 1은 본 발명의 일실시형태에 의한 배기 가스 후처리 장치(1)의 구성도이다. 이 배기 가스 후처리 장치(1)는, 배기 상류측(이하, 단지 「상류측」이라고 함)으로부터 순차적으로, 디젤·미립자·필터(Diesel particulate filter: 이하, 「DPF」라고 함)(1A)와, 요소 수용액 믹싱 장치(1B)와, 질소산화물 환원 촉매(이하, 「SCR」이라고 함)(1C)를 구비하고 있다. 이들 각각의 장치는, 도시하지 않은 디젤 엔진으로부터 배기 매니폴드를 통하여 배출되는 배기 가스가 유통하는 배기관의 도중에 설치되어 있다.
DPF(1A)는, 배기 가스 중의 입자형 물질을 포집하는 것이며, 케이스(4A)의 내부에 수납되어 있다.
요소 수용액 믹싱 장치(1B)는, 배기 가스 중에 환원제로서의 요소 수용액을 첨가하는 것이다. 첨가된 요소 수용액은 가수분해되어 암모니아로 되고, 암모니아는 배기 가스와 함께 접속관(2)을 통하여 SCR(1C)에 공급된다. 그리고, 요소 수용액 믹싱 장치(1B)에 대해서는, 후술한다.
SCR(1C)은, 요소 수용액 믹싱 장치(1B)로부터의 암모니아가 환원제로서 사용되어, 배기 가스 중의 질소산화물이 환원 정화된다. 이 SCR(1C)은 케이스(4C)의 내부에 수납되어 있다.
DPF(1A)를 수납하는 케이스(4A), 요소 수용액 믹싱 장치(1B), 및 SCR(1C)을 수납하는 케이스(4C)는, 각각 병렬로 배치되어 있다. 그리고, 케이스(4A)의 배기 하류측(이하, 단지 「하류측」이라고 함)의 단부와 요소 수용액 믹싱 장치(1B)의 상류측 단부가 연결되고, 요소 수용액 믹싱 장치(1B)의 하류측 단부와 케이스(4C)의 상류측 단부가, 만곡되는 접속관(2)에 의해 접속되어 있다.
이상과 같이, 케이스(4A), 요소 수용액 믹싱 장치(1B), 및 케이스(4C)는, S자형으로 배치되고, 전체로서 컴팩트한 배기 가스 후처리 장치가 구성되어 있다. 그리고, 케이스(4A) 내부에 있어서, DPF(1A)의 상류측에, 배기 가스 중의 미연소 연료분을 산화 처리하는 산화 촉매를 설치해도 된다. 또한, 케이스(4C) 내부에 있어서, SCR(1C)의 하류측에, 잉여의 암모니아를 산화 처리하는 암모니아 저감 촉매를 설치해도 된다.
[요소 수용액 믹싱 장치]
도 2에 본 발명의 일실시형태에 의한 요소 수용액 믹싱 장치(1B)의 구성을 나타내고 있다. 요소 수용액 믹싱 장치(1B)는, 전술한 바와 같이, DPF(1A)와 SCR(1C)과의 사이에 배치되어 있다. 그리고, 도 1에서는, 요소 수용액 믹싱 장치(1B)의 하류측에 접속된 접속관(2)도 포함하여 나타내고 있다.
요소 수용액 믹싱 장치(1B)는, 배기관(4B)과, 요소 수용액을 분사하는 인젝터(5)와, 믹싱 파이프(6)와, 내관(7)을 가지고 있다.
[배기관]
배기관(4B)은, 배기 상류측(이하, 단지 「상류측」이라고 함)에 배치된 엘보부(10)와, 엘보부(10)의 하류측에 배치된 직선부(11)를 가지고 있다. 엘보부(10) 및 직선부(11)는 모두 원통형으로 형성되어 있다.
엘보부(10)는, 도 2에 나타낸 x 방향(상류측에 있어서 배기 가스가 흐르는 방향)으로부터 흘러 온 배기 가스를 x 방향과 직교하는 y 방향으로 흐르게 하기 위한 접속관이다. 엘보부(10)는 만곡부(10a)를 가지고 있다. 만곡부(10a)의 외측 부분에는, x 방향을 따른 평면으로 형성된 장착부(10b)가 형성되어 있다. 즉, 장착부(10b)는 직선부(11)의 입구부 개구와 대향하고 있다. 또한, 엘보부(10)의 상류측 단부 및 하류측 단부에는, 각각 접속용의 플랜지부(10c, 10d)가 형성되어 있다. 그리고, 각각의 플랜지부(10c, 10d)에는, 접속용의 볼트가 장착되는 구멍이 형성되어 있다.
직선부(11)는 y 방향을 따라 연장되는 직선형의 관이다. 직선부(11)의 상류측 단부에는 접속용 및 지지용의 플랜지(지지 부재)(12)가 용접되고, 하류측 단부에는 접속관(2)을 접속하기 위한 환형(環形)의 어댑터(13)가 용접되어 있다.
플랜지(12)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 직사각형의 플레이트 부재이다. 플랜지(12)의 4개의 코너부에는, 엘보부(10)의 플랜지부(10d)와 접속하기 위한 볼트가 장착되는 구멍(12a)이 형성되어 있다. 또한, 플랜지(12)의 중앙부에는, 직선부(11)의 내경과 같은 직경의 구멍(12b)이 형성되어 있다. 또한, 이 구멍(12b)에 외주측으로부터 중심부를 향해 돌출되도록, 4개의 같은 형상의 지지 돌기(12c)가 형성되어 있다. 4개의 지지 돌기(12c)는 등각도(等角度) 간격으로 배치되어 있다.
이와 같은 플랜지(12)를 볼트에 의해 엘보부(10)의 플랜지부(10d)에 고정함으로써, 엘보부(10)와 직선부(11)가 연결된다.
[인젝터]
인젝터(5)는, 엘보부(10)의 만곡부(10a)의 외측 부분에 있어서, 믹싱 파이프(6)와 함께 장착부(10b)에 장착되어 있다. 이 장착 구조의 자세한 것은 후술한다. 인젝터(5)는, 선단의 분출구로부터 요소 수용액만을 에어와 혼합하지 않고 직선부(11)를 향해 믹싱 파이프(6)의 내부로 분사한다. 이 실시형태에 사용되는 인젝터(5)는, 분사 각도가 25°이며, 이 인젝터(5)의 분출구의 중심은, 배기관(4B)의 직선부(11)의 중심축 CL의 연장선 상에 위치하고 있다.
[믹싱 파이프]
믹싱 파이프(6)는, 이 믹싱 파이프(6)를 엘보부(10)에 고정시키기 위한 부재 등과 서브 유닛화되어 있다. 이 서브 유닛을 도 4 및 도 5에 나타낸다. 그리고, 도 5는 도 4의 우측면도이다.
믹싱 파이프(6)는, 원통형이며, 중심축은 직선부(11)의 중심축 CL과 동축이다. 믹싱 파이프(6)는, 엘보부(10)에 있어서 인젝터(5)로부터의 요소 수용액이 내부로 분사되는 위치에 배치되어 있다. 즉, 믹싱 파이프(6)는 인젝터(5)로부터 분사되는 요소 수용액의 주위를 덮도록 배치되어 있다. 믹싱 파이프(6)의 외표면에는, 복수의 개구(6a)가 형성되어 있다. 이 복수의 개구(6a)는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 믹싱 파이프(6)의 외주를, 90° 간격으로 원주 방향으로 순차적으로 제1 영역 A, 제2 영역 B, 제3 영역 C, 제4 영역 D로 4 등분한 경우, 제2 영역 B 및 제4 영역 D에만 형성되어 있다.
믹싱 파이프(6)의 출구부와는 반대측의 상류측 단부(도 2 및 도 4에 있어서 좌측의 단부)에는, 제1 플레이트(15)가 용접에 의해 고정되어 있다. 제1 플레이트(15)는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 외형이 각 변에 곡선부를 가지는 대략 삼각형상이며, 파이프 고정부(15a)와, 장착부(15b)와, 안내부(15c)를 가지고 있다. 파이프 고정부(15a)에는 믹싱 파이프(6)의 단부가 용접에 의해 고정되어 있다. 장착부(15b)는, 파이프 고정부(15a)의 외주측에 있어서 파이프 고정부(15a)와 단차를 두고 형성되고, 엘보부(10)의 장착부(10b)에 볼트에 의해 장착된다. 또한, 안내부(15c)는, 파이프 고정부(15a)의 중앙부에 형성되어 있고, 파이프 고정부(15a)로부터 외측으로 멀어짐에 따라 소경(小徑)으로 테이퍼형으로 형성되어 있다. 그리고, 안내부(15c)의 파이프 고정부(15a)와는 반대측의 단부에는 개구가 형성되어 있다.
제1 플레이트(15)의 믹싱 파이프(6)와는 반대측에는, 오목부(15d)가 형성되어 있다. 이 오목부(15d)에 제2 플레이트(16)가 끼워넣어져 용접에 의해 고정되어 있다. 제2 플레이트(16)는, 원판형이며, 중앙부에 인젝터(5)의 분출구가 배치되는 구멍(16a)이 형성되어 있다. 또한, 제2 플레이트(16)에는, 복수의 나사공(16b)이 형성되어 있고, 이 나사공(16b)을 통하여 인젝터(5)가 제2 플레이트(16)에 지지되어 있다.
[내관]
내관(7)은, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 원통형으로 형성되고, 외주면은 플랜지(12)의 지지 돌기(12c)의 선단에 의해 지지되어 있고, 이들은 용접에 의해 고정되어 있다. 이로써, 내관(7)은, 믹싱 파이프(6)의 하류측에 있어서, 직선부(11)의 내벽과의 사이에 간격을 두고 배치되어 있다. 즉, 내관(7)과 직선부(11)에 의해 이중관이 형성되어 있다. 또한, 내관(7)의 내경은 믹싱 파이프(6)의 외경보다 크고, 내관(7)은 믹싱 파이프(6)의 출구부로부터 소정 거리 이격(離隔)되어 배치되어 있다.
그리고, 내관(7)의 외주면에는 개구나 슬릿 등은 형성되어 있지 않다. 따라서, 내관(7)의 외주부와 내주부와의 사이에서 배기 가스가 유통하지는 않는다.
[각 구성 부재의 배치에 대하여]
도 6을 참조하여, 인젝터(5)(요소 수용액의 분사 각도)와, 믹싱 파이프(6)와, 내관(7)과, 엘보부(10) 및 직선부(11)를 포함하는 배기관(4B)과의 위치 관계를 상세하게 설명한다. 여기서, 전술한 바와 같이, 믹싱 파이프(6)와 내관(7)은 동축 상에 배치되어 있고, 인젝터(5)의 분출구는, 이들의 중심축 CL의 연장선 상에 위치하고 있고, 내관(7)의 입구부 개구와 대향하고 있다.
먼저, 믹싱 파이프(6)의 출구부(하류측 단부에서, 도 6에 있어서 우측 단부)와 엘보부(10)의 내벽과의 사이에는 간격이 존재하고 있다. 믹싱 파이프(6)는 출구부와는 반대측의 단부에서만 엘보부(10)에 지지되어 있으므로, 이 공간에는 믹싱 파이프(6)를 지지하기 위한 부재는 설치되어 있지 않다. 즉, 배기 가스의 유통을 방해하는 부재 등이 존재하지 않는 환형의 유통부(20)가 형성되어 있다. 따라서, 상류측으로부터 흘러 온 배기 가스는, 이 유통부(20)를 통하여, 믹싱 파이프(6)의 내부를 통과하지 않고 내관(7) 측으로 유통할 수 있다.
또한, 믹싱 파이프(6)의 출구부와 내관(7)의 입구부와의 사이에는 y 방향으로 소정 간격 L이 설치되어 있다. 또한, 내관(7)의 입구부의 내경 di는 믹싱 파이프(6)의 출구부의 내경 dm보다 크다.
이상과 같은 배치 및 치수 관계에 의해, 인젝터(5)의 분사 각도 범위(도 6의 각도 α(본 실시형태에서는 25°의 내측의 범위)는, 믹싱 파이프(6)의 출구부 개구와 내관(7)의 입구부 개구보다 좁은 범위로 되어 있다. 즉, 믹싱 파이프(6)의 출구부 개구와 내관(7)의 입구부 개구는, 인젝터(5)의 분사 각도 범위를 내포하고 있다.
[동작]
엔진의 가동 시에는, 배기 가스가 배기 매니폴드를 통하여 배기관으로 배출된다. 이 배기 가스는, 엘보부(10)로 흘러 온다. 엘보부(10)에 유입되어 온 배기 가스는, 도 7의 화살표 G1으로 나타낸 바와 같이, 믹싱 파이프(6)의 외주면의 개구(6a)를 통과하여 믹싱 파이프(6)의 내부로 유입된다. 또한, 배기 가스는, 도 7의 화살표 G2로 나타낸 바와 같이, 믹싱 파이프(6)의 외주면과 엘보부(10)의 내벽과의 사이에 형성된 유통부(20)를 통과하여 내관(7)으로 안내된다.
한편, 인젝터(5)로부터는 요소 수용액이 믹싱 파이프(6)의 내부를 향해 분사된다. 이 때, 요소 수용액이 분사되는 범위는, 믹싱 파이프(6)의 중심축을 중심으로 한 25°의 범위이다.
여기서, 상류측으로부터의 배기 가스는, 요소 수용액이 분사된 영역을 향해 흘러 온다. 그러나, 요소 수용액은 믹싱 파이프(6)의 내부를 향해 분사되고, 배기 가스는 믹싱 파이프(6)의 개구(6a)를 통과하여 내부로 흘러들므로, 분사된 요소 수용액은 배기 가스에 의해 영향을 쉽게 받지 않는다. 그러므로, 믹싱 파이프(6)에 대향하는 엘보부(10)의 내벽[특히, 도 7의 영역(10e)]에 요소 수용액이 부착되는 것이 억제된다.
또한, 배기 가스가 믹싱 파이프(6)의 개구(6a)를 통과하여 내부로 흘러들 때, 개구(6a)가 제2 영역 B와 제4 영역 D밖에 형성되어 있지 않으므로, 이들 개구(6a)를 통과한 배기 가스는, 믹싱 파이프(6)의 내부에서 도 8에 나타낸 바와 같은 선회류로 된다. 이 배기 가스의 선회류에 의해, 배기 가스와 요소 수용액과의 혼합이 촉진되어, 요소 수용액의 미세화가 촉진되게 된다.
이상과 같이 하여, 내관(7)에는, 믹싱 파이프(6)에서 요소 수용액이 첨가된 배기 가스 및 유통부(20)를 통과한 배기 가스가 유입된다. 내관(7)의 외주부, 즉 내관(7)의 외주면과 배기관(4B)의 내벽과의 사이의 공간에는, 주로 유통부(20)를 통과한 배기 가스가 하류측을 향해 흐르고, 이로써, 내관(7)은 가열된다. 또한, 내관(7)의 내부에서는, 요소 수용액은 배기 가스의 열 및 배기 가스 중의 수증기에 의해 가수분해되어 암모니아로 된다.
여기서, 요소 수용액이 내관(7)의 내벽에 부착되지만, 전술한 바와 같이, 내관(7)은 그 외주부를 통과하는 배기 가스에 의해 가열되고 있으므로, 반응이 촉진되어, 내관(7)으로의 요소 수용액의 부착이 억제된다.
이상과 같이 하여 생성된 암모니아는, 배기 가스와 함께 SCR에 공급된다. 그리고, 이 환원 촉매에 있어서는, 암모니아가 환원제로서 사용되어, 배기 가스 중의 질소산화물이 환원 정화된다.
[특징]
(1) 요소 수용액은 믹싱 파이프(6)의 내부로 분사되고, 배기 가스는 믹싱 파이프(6)의 개구(6a)를 통과하여 믹싱 파이프(6)의 내부로 유입된다. 따라서, 요소 수용액이 엘보부(10)의 내벽에 부착되는 것이 억제된다.
(2) 믹싱 파이프(6)의 개구(6a)는 외주면의 일부 영역에만 형성되어 있으므로, 개구(6a)를 통과하여 믹싱 파이프(6)의 내부로 유입된 배기 가스는 선회류로 된다. 이 배기 가스의 선회류에 의해, 인젝터(5)로부터 분사된 요소 수용액이 양호하게 분산되어 믹싱 파이프의 내부에서 미세화가 촉진된다. 따라서, 배기 가스와 요소 수용액이 균일하게 혼합된다.
(3) 요소 수용액이 첨가된 배기 가스는, 배기 가스에 의해 가열된 내관(7)을 통과하므로, 요소 수용액이 내관(7)의 내벽에 부착되어, 퇴적되는 것을 억제할 수 있다.
(4) 믹싱 파이프(6)의 출구부의 외주부에는 유통부(20)가 형성되어 있고, 상류측으로부터 흘러 온 배기 가스는, 믹싱 파이프(6)에 유입되고, 또한, 이 유통부(20)를 통과하여 내관(7)으로 안내된다. 따라서, 배기관(4B) 내에서의 배기 가스의 유로 저항이 작아져, 엔진의 배압이 억제된다.
(5) 믹싱 파이프(6)는, 출구부와는 반대측의 단부에서만 엘보부(10)에 지지되어 있고, 출구부 외주의 유통부(20)에는 배기 가스의 흐름을 방해하는 부재 등이 존재하지 않는다. 따라서, 배기관(4B) 내부의 유로 저항을 더욱 작게 할 수 있다.
(6) 믹싱 파이프(6)의 출구부와 내관(7)의 입구부와의 사이에는 배기류를 따른 방향으로 소정 간격이 형성되고, 내관(7)의 입구부는 믹싱 파이프(6)의 출구부의 직경보다 크다. 또한, 믹싱 파이프(6)의 출구부 개구와 내관(7)의 입구부 개구가 인젝터(5)로부터 분사되는 요소 수용액의 분사 각도 범위를 내포하고 있다. 따라서, 배기 가스가 내관(7)으로 흘러들기 쉽고, 또한 인젝터(5)로부터 분사된 요소 수용액이 믹싱 파이프(6)의 내벽에 직접 충돌하는 것이 방지되고, 또한 분사된 요소 수용액을 효율적으로 내관(7)의 내부로 받아들일 수 있다.
[다른 실시형태]
본 발명은 이상과 같은 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 범위를 일탈하지 않고 각종 변형 또는 수정이 가능하다.
(a) 도 9에 다른 실시형태를 나타낸다. 이 도 9에 나타낸 실시형태는, 내관 및 그 지지 구조와 배기관의 엘보부와 직선부의 접속 구조만이 앞의 실시형태와 상위하고, 다른 구성은 앞의 실시형태와 마찬가지이다.
이 실시형태에 있어서의 배기관(24)은, 엘보부(25)와 직선부(26)로 구성되어 있다. 엘보부(25)는, 직선부(26)와의 접속부의 구조가 상이하게 되어 있지만, 다른 구성은 앞의 실시형태의 엘보부(10)와 같다. 직선부(26)는, 상류측의 단부에, 상류측으로 갈수록 직경이 넓어지는 플랜지부(26a)를 가지고 있다. 엘보부(25)의 하류측의 단부에는, 환형의 부재나 가스켓으로 이루어지는 플랜지 유닛(27)이 설치되어 있다. 그리고, 직선부(26)의 플랜지부(26a)가 엘보부(25)의 플랜지 유닛(27)에 연결되어 있다. 또한, 직선부(26)의 배기류를 따른 길이 방향의 대략 중간부에는, 내주측으로 오목한 4개의 지지용 오목부(26b)가 형성되어 있다.
내관(30)은, 원통형으로 형성되고, 길이 방향의 대략 중간부의 외주면이 직선부(26)의 4개의 지지용 오목부(26b)와 맞닿아 있다. 또한, 내관(30)의 출구측 단부의 외주면이, 환형의 지지 부재(31)에 의해 직선부(26)에 지지되어 있다. 지지 부재(31)는 내관(30)의 출구측 단부의 외주면에 스폿 용접에 의해 고정되어 있다. 따라서, 내관(30)의 외주를 흐르는 배기 가스는, 이 지지 부재(31)에 의해 흐름이 규제된다. 그리고, 여기서의 「규제」란, 내관(30)의 외주부를 흐르는 모든 배기 가스를 차단하는 경우와, 소량의 배기 가스의 통과를 허용하는 경우를 포함한다.
또한, 내관(30)의 출구측의 단부에는, 지지 부재(31)가 설치되어 있는 영역을 제외하고 상류측에 소정 범위에 걸쳐서, 개구(30a)가 형성되어 있다.
이와 같은 실시형태에서는, 내관(30)의 외주부를 흐르는 배기 가스는, 내관(30)을 가열한 후, 지지 부재(31)에 의해 그 흐름이 규제된다. 그리고, 지지 부재(31)에 의해 차단된 배기 가스는, 내관(30)의 개구(30a)를 통과하여 내관(30)의 내부로 안내된다. 그리고, 내관(30)의 출구 부분에서, 재차 요소 수용액과 혼합된다.
이와 같은 실시형태에서는, 앞의 실시형태와 동일한 작용 효과에 더하여, 배기 가스와 요소 수용액을 더욱 양호한 효율로 혼합시킬 수 있다.
(b) 믹싱 파이프의 형상, 개구가 형성되는 영역은, 상기 실시형태에 한정되지 않는다.
예를 들면, 도 10에 나타낸 바와 같이, 믹싱 파이프(6’)의 형상을, 분사 방향의 하류측을 향해 직경이 커지도록 한 테이퍼형으로 해도 된다. 이 경우에는, 인젝터(5)로부터 분사된 요소 수용액이 믹싱 파이프(6’)의 내벽에 부착되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 상기 실시형태에서는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 믹싱 파이프(6)의 제2 영역 B 및 제4 영역 D에 개구(6a)를 형성하였으나, 서로 대향하는 제1 영역 A 및 제3 영역 C에 개구를 형성해도 된다. 또한, 4개의 영역 중 1개의 영역에만 개구를 형성해도 된다. 개구가 형성되는 각 영역은 90°의 범위에 한정되지 않는다. 예를 들면, 90° 미만의 각도, 또는 90°를 넘는 각도의 범위에 걸친 영역에 개구를 형성해도 된다.
(c) 상기 실시형태에서는, 환원제로서 요소 수용액을 사용하였지만, 다른 환원제를 사용하는 경우라도 본 발명을 마찬가지로 적용할 수 있다.
[산업 상의 이용 가능성]
본 발명의 환원제 수용액 믹싱 장치에서는, 요소 수용액 등의 환원제 수용액과 배기 가스를 양호하게 혼합할 수 있고, 또한 배기관의 내벽에 환원제 수용액이 부착되는 것을 억제할 수 있다.
1: 배기 가스 후처리 장치
1A: DPF
1B: 요소 수용액 믹싱 장치
1C: SCR
4, 24: 배기관
5: 인젝터
6, 6’: 믹싱 파이프
6a: 개구
7, 30: 내관
30a: 내관의 개구
10, 25: 엘보부
10a: 만곡부
11, 26: 직선부
12: 플랜지(지지 부재)
12c: 지지 돌기
20: 유통부
26b: 지지용 오목부
B, D: 개구(6a)가 형성된 영역

Claims (12)

  1. 배기 가스 중의 입자형 물질을 포집(捕集)하는 필터와 배기 가스 중의 질소산화물을 환원(還元) 정화하는 환원 촉매와의 사이에 배치되고, 상기 배기 가스 중에 환원제 수용액을 첨가하기 위한 환원제 수용액 믹싱(mixing) 장치로서,
    만곡부를 가지는 엘보부(elbow part)와, 상기 엘보부의 배기 하류측에 설치된 직선부를 가지는 배기관;
    상기 엘보부의 만곡부 외측에 설치되고, 상기 직선부를 향해 상기 엘보부 내부에 상기 환원제 수용액을 분사하는 인젝터;
    상기 엘보부 내부에 있어서, 상기 인젝터로부터 분사되는 상기 환원제 수용액의 주위를 덮도록 배치되고, 외주면에 복수의 개구를 가지는 믹싱 파이프;
    상기 믹싱 파이프의 배기 하류측에, 상기 믹싱 파이프의 배기 하류측의 출구부와 배기류를 따른 방향으로 간격을 두고, 또한 상기 직선부의 내벽과의 사이에 간격을 두고 배치되고, 내부 및 외주부를 배기 가스가 유통 가능한 내관(內管);
    을 포함하는, 환원제 수용액 믹싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내관의 배기 상류측의 입구부의 내경(內徑)은 상기 믹싱 파이프의 출구부의 내경보다 큰, 환원제 수용액 믹싱 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 믹싱 파이프 및 상기 내관은, 상기 믹싱 파이프의 출구부 개구와 상기 내관의 입구부 개구가 상기 인젝터의 분사 각도 범위를 내포하도록 배치되어 있는, 환원제 수용액 믹싱 장치.
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