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KR102303371B1 - 배기가스 후처리 시스템 및 내연기관 - Google Patents

배기가스 후처리 시스템 및 내연기관 Download PDF

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KR102303371B1
KR102303371B1 KR1020170035196A KR20170035196A KR102303371B1 KR 102303371 B1 KR102303371 B1 KR 102303371B1 KR 1020170035196 A KR1020170035196 A KR 1020170035196A KR 20170035196 A KR20170035196 A KR 20170035196A KR 102303371 B1 KR102303371 B1 KR 102303371B1
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플라멘 토쉐프
프란시스 나나
안드레아스 되링
Original Assignee
만 에너지 솔루션즈 에스이
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Publication date
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Abstract

내연기관의 배기가스 후처리 시스템, 즉 SCR 배기가스 후처리 시스템은, SCR 촉매 컨버터(9)로 통하는 배기가스 공급 라인(8)을 구비하고, SCR 촉매 컨버터(9)로부터 멀어지게 연장되는 배기가스 배출 라인(11)을 구비하며, 환원제, 특히 암모니아 또는 암모니아 전구체 물질을 배기가스 내로 유입하기 위해 배기가스 공급 라인(8)에 할당되는 유입 장치를 구비하고, 각각의 SCR 촉매 컨버터(9) 상류에서 배기가스를 환원제와 혼합하기 위해 유입 장치의 하류에 있는 배기가스 공급 라인(8)에 의해 마련되는 혼합 섹션을 구비하고, 배기가스 공급 라인(8)은 하류 단부(15)에 의해 SCR 촉매 컨버터(9)를 수용하는 리액터 챔버(10)로 개방되며, 리액터 챔버(10) 내에서 배기가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15)와 SCR 촉매 컨버터(9) 사이에서 SCR 촉매 컨버터(9)의 상류에 배기가스 배압을 증가시키는 장치(25)가 위치 설정된다.

Description

배기가스 후처리 시스템 및 내연기관{EXHAUST GAS AFTER-TREATMENT SYSTEM AND INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연기관의 배기가스 후처리 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 배기가스 후처리 시스템을 구비하는 내연기관에 관한 것이다.
예컨대 발전소에서 채용되는 고정식 내연기관에서의 연소 프로세스에서 그리고 예컨대 선박에서 채용되는 비고정식 내연기관에서의 연소 프로세스 중에는 질소산화물들이 형성되는데, 이들 질소산화물은 통상적으로 석탄, 핏콜, 원유, 중유 또는 경유와 같은 황 함유 화석 연료의 연소 중에 형성된다. 이러한 이유로, 상기한 내연기관에는, 내연기관을 빠져나오는 배기가스를 클리닝하는, 특히 탈질화 처리를 행하는 배기가스 후처리 시스템이 할당된다.
배기가스 내의 질소산화물을 환원시키기 위해, 소위 SCR 촉매 컨버터가 주로 현장으로부터 알려진 배기가스 후처리 시스템에 채용된다. SCR 촉매 컨버터에서, 질소산화물의 선택적 촉매 환원이 발생하며, 이 경우에 질소산화물의 환원을 위해 암모니아(NH3)가 환원제로서 요구된다. 이러한 목적으로 암모니아 또는, 예컨대 요소와 같은 암모니아 전구체 물질은 액체 형태로 SCR 촉매 컨버터 상류의 배기가스 내로 유입되며, 이때 암모니아 또는 암모니아 전구체 물질은 SCR 촉매 컨버터 상류에서 배기가스와 혼합된다. 이러한 목적으로, 암모니아 또는 암모니아 전구체 물질의 유입과 SCR 촉매 컨버터 사이에, 관행에 따라 혼합 섹션이 마련된다.
SCR 촉매 컨버터를 포함하는, 현장으로부터 알려진 배기가스 후처리 시스템의 경우, 배기가스 환원, 특히 질소산화물 환원이 이미 성공적으로 이루어지지만, 배기가스 후처리 시스템을 더욱 개선할 필요가 있다. 특히, 콤팩트한 구성의 상기한 배기가스 후처리 시스템을 사용하는 효율적인 배기가스 후처리를 가능하게 할 필요가 있다.
이것으로부터 출발하여, 본 발명의 목적은 새로운 타입의 내연기관의 배기가스 후처리 시스템과, 이러한 배기가스 후처리 시스템을 구비하는 내연기관을 형성하는 데 주안점을 둔다.
이러한 목적은 청구항 1에 따른 내연기관의 배기가스 후처리 시스템을 통해 해결된다.
본 발명에 따르면, 배기가스 공급 라인은 하류 단부에 의해 SCR 촉매 컨버터를 수용하는 리액터 챔버로 개방되며, 리액터 챔버 내에서 배기가스 공급 라인의 하류 단부와 SCR 촉매 컨버터 사이에, 배기가스 배압을 증가시키는 장치가 SCR 촉매 컨버터 상류에 위치 설정된다. SCR 촉매 컨버터 상류의 배기가스 배압을 증가시키는 장치의 도움으로 인해, SCR 촉매 컨버터 상류의 배기가스 흐름이 저지되며, 그 결과로 원주방향으로 그리고 또한 반경방향으로 봤을 때에 SCR 촉매 컨버터에 배기가스 흐름이 균일하게 공급되는 것이 달성될 수 있다. 이로 인해, 콤팩트한 구성의 배기가스 후처리 시스템에 의해 효율적인 배기가스 클리닝이 보장될 수 있다. 더욱이, 그을음 입자가 장치에 퇴적되어 배기가스 배압을 증가시킬 수 있으며, 그 후 그을음 입자는 더 이상 SCR 촉매 컨버터 영역으로 진입할 수 없지만 이와 동시에 SCR 촉매 컨버터를 클로깅한다. 이것은 또한 콤팩트한 구성의 배기가스 후처리 시스템에 의한 효율적인 배기가스 클리닝을 보장하는 역할을 한다.
유익한 다른 양태에 따르면, 배기가스 배압을 증가시키는 장치는 SCR 촉매 컨버터의 자유 흐름 단면(clear flow cross section)의 최대 2배, 바람직하게는 최대 1배, 특히 바람직하게는 최대 0.5배에 상응하는 자유 흐름 단면을 포함한다. 이러한 다른 양태는 콤팩트한 구성에 의해 매우 효율적인 배기가스 후처리를 가능하게 한다.
유익한 다른 양태에 따르면, 흐름 방향으로 봤을 때에 배기가스 배압을 증가시키는 장치의 두께 또는 길이와 흐름 방향으로 봤을 때에 SCR 촉매 컨버터의 두께 또는 길이 사이의 비가 적어도 1:50, 바람직하게는 적어도 1:100, 매우 바람직하게는 적어도 1:200에 이른다. 이러한 다른 양태는 콤팩트한 구성에 의해 매우 효율적인 배기가스 후처리를 가능하게 한다.
유익한 다른 양태에 따르면, 흐름 방향으로 봤을 때에 배기가스 배압을 증가시키는 장치와 SCR 촉매 컨버터 사이의 거리와, 흐름 방향으로 봤을 때에 SCR 촉매 컨버터의 두께 또는 길이 간의 비가 최대 2:1, 바람직하게는 최대 1:1, 매우 바람직하게는 최대 1:2에 이른다. 이러한 다른 양태는 콤팩트한 구성에 의해 매우 효율적인 배기가스 후처리를 가능하게 한다.
더욱 유익한 다른 양태에 따르면, 적어도 하나의 블로우 다운(blow-down) 장치가 리액터 챔버 내에서 배기가스 배압을 증가시키는 장치와 SCR 촉매 컨버터 사이에 위치 설정되며, 블로우 다운 장치는 배기가스 배압을 증가시키는 장치를 퍼지하고 및/또는 SCR 촉매 컨버터를 퍼지하는 역할을 한다. 이러한 다른 양태는 콤팩트한 구성에 의해 매우 효율적인 배기가스 후처리를 가능하게 한다.
본 발명에 따른 내연기관은 청구항 14에 규정된다.
본 발명의 바람직한 다른 양태는 종속항 및 아래의 설명에서 얻어진다. 본 발명의 예시적인 실시예가 도면에 의해 보다 상세히 설명되지만, 도면으로 제한되지 않는다. 도면에서,
도 1은 본 발명에 따른 배기가스 후처리 시스템을 구비하는 내연기관의 개략적인 사시도.
도 2는 도 1의 배기가스 후처리 시스템의 상세도.
도 3은 도 2의 상세도.
도 4은 도 3의 상세도를 관통하는 단면도.
본 발명은 내연기관, 예컨대 발전소의 고정식 내연기관이나 선박에서 채용되는 비고정식 내연기관의 배기가스 후처리 시스템에 관한 것이다. 특히, 배기가스 후처리 시스템은 중유로 작동되는 선박 디젤 엔진에서 채용된다.
도 1은, 배기가스 과급기 시스템(2) 및 배기가스 후처리 시스템(3)을 구비하는 내연기관(1)의 구성을 보여준다. 내연기관(1)은 비고정식 또는 고정식 내연기관, 특히 선박의 비고정식 작동 내연기관일 수 있다. 내연기관(1)의 실린더를 빠져나가는 배기가스는, 내연기관(1)에 공급되는 급기를 압축하기 위해 배기가스의 열에너지로부터 기계 에너지를 추출하기 위해 배기가스 과급 시스템(2)에서 활용된다.
따라서, 도 1은 복수 개의 배기가스 과급기, 즉 고압측 상의 제1 배기가스 과급기(4)와 저압측 상의 제2 배기가스 과급기(5)를 포함하는 배기가스 과급기 시스템(2)을 구비하는 내연기관(1)을 보여준다. 내연기관(1)의 실린더를 빠져나가는 배기가스는 초기에는 제1 배기가스 과급기(4)의 고압 터빈(6)을 통해 흐르고, 이 고압 터빈에서 팽창되는데, 이때 해당 프로세스에서 추출된 에너지는 급기를 압축하기 위해 제1 배기가스 과급기(4)의 고압 압축기에서 활용된다. 배기가스 흐름 방향으로 봤을 때, 제1 배기가스 과급기(4) 하류에는 제2 배기가스 과급기(5)가 배치되며, 이미 제1 배기가스 과급기(4)의 고압 터빈(6)을 통해 흐른 배기가스는 제2 배기가스 과급기(5)를 통해, 즉 제2 배기가스 과급기(5)의 저압 터빈(7)을 통과하도록 안내된다. 제2 배기가스 과급기(5)의 저압 터빈(7)에서, 배기가스는 더 팽창되고, 해당 프로세스에서 추출된 에너지는 마찬가지로 내연기관(1)의 실린더에 공급되는 급기를 압축하기 위해 제1 배기가스 과급기(5)의 저압 압축기에서 활용된다.
배기가스 과급기(4, 5)를 포함하는 배기가스 과급 시스템(2)뿐만 아니라, 내연기관(1)은 SCR 배기가스 후처리 시스템인 배기가스 후처리 시스템(3)을 포함한다. SCR 배기가스 후처리 시스템(3)은 제1 압축기(5)의 고압 터빈(6)과 제2 배기가스 과급기(5)의 저압 터빈(7) 사이에 연결되며, 이에 따라 제1 배기가스 과급기(4)의 고압 터빈(6)을 빠져나가는 배기가스는 제2 배기가스 과급기(5)의 저압 터빈(7) 영역에 도달하기 전에, 먼저 배기가스 후처리 시스템(3)을 통해 안내된다.
도 1은, 제1 배기가스 과급기(4)의 고압 터빈(6)에서부터 시작하여 배기가스가 SCR 촉매 컨버터(9) - 리액터 챔버(10)에 배치됨 - 의 방향으로 안내될 수 있는 배기가스 공급 라인(8)을 보여준다.
도 1은 더욱이 SCR 촉매 컨버터(9)로부터 제2 배기가스 과급기(5)의 저압 터빈(7) 방향으로 배기가스를 배출하는 역할을 하는 배기가스 배출 라인(11)을 보여준다. 저압 터빈(7)에서 시작하여, 배기가스는 라인(21)을 통해 특히 개구로 흐른다.
터빈 상류에 위치 설정되는 단일단 과급형 엔진에 의한 유익한 어플리케이션은 도시하지 않는다.
리액터 챔버(10)로 그리고 이에 따라 리액터 챔버(10) 내에 위치 설정된 SCR 촉매 컨버터(9)로 통하는 배기가스 공급 라인(8)과 리액터 챔버(10)로부터 그리고 이에 따라 SCR 촉매 컨버터(9)로부터 멀어지게 연장되는 배기가스 배출 라인(11)은 우회로(12) - 차단 요소(13)가 포함됨 - 를 통해 커플링된다. 차단 요소(13)가 폐쇄되는 경우, 우회로(12)는 배기가스가 흐르지 못하도록 폐쇄된다. 이와 대조적으로, 특히 차단 요소(13)가 개방될 때, 배기가스는 우회로(12)를 통해, 즉 리액터 챔버(10)를 지나 그리고 이에 따라 리액터 챔버(10) 내에 위치 설정되는 SCR 촉매 컨버터(9)를 지나 흐를 수 있다. 도 2는 우회로(12)가 차단 요소(13)를 통해 폐쇄된 경우에 배기가스 후처리 시스템(3)을 통과하는 배기가스의 흐름을 화살표 14로 예시하며, 도 2로부터 배기가스 공급 라인(8)이 하류 단부(15)에 의해 리액터 챔버(10) 내로 개방되는 것이 자명하고, 배기가스 공급 라인(8)의 이 단부(15) 구역에 있는 배기가스는 대략 180°만큼의 흐름 편향을 겪고, 흐름 편향 후의 배기가스는 SCR 촉매 컨버터(9)를 통해 안내된다.
배기가스 후처리 시스템(3)의 배기가스 공급 라인(8)에는 유입 장치(16)가 할당되는데, 이 유입 장치를 통해 환원제, 특히 암모니아 또는 암모니아 전구체 물질 - SCR 촉매 컨버터(9) 구역에서 배기가스의 질소 산화물을 정해진 방식으로 변환하기 위해 필요함 - 이 배기가스 흐름 내로 유입될 수 있다. 배기가스 후처리 시스템(3)의 이러한 유입 장치(16)는 바람직하게는 분사 노즐이며, 분사 노즐을 통해 암모니아 또는 암모니아 전구체 물질이 배기가스 공급 라인(8) 내의 배기가스 흐름에 주입된다. 도 2는 배기가스 공급 라인(8)의 구역에서 배기가스 내로 환원제가 원추형(17)으로 주입되는 것을 예시한다.
배기가스의 흐름 방향으로 봤을 때에 유입 장치(16)의 하류에 그리고 SCR 촉매 컨버터(9)의 상류에 배치되는 배기가스 후처리 시스템(3)의 섹션은 혼합 섹션이라고 부른다. 특히, 배기가스 공급 라인(8)은 유입 장치(16) 하류에 혼합 섹션을 제공하는데, 이 혼합 섹션에서 배기가스가 SCR 촉매 컨버터(9) 상류에서 환원제와 혼합될 수 있다.
배기가스 공급 라인(8)은 하류 단부(15)에 의해 리액터 챔버(10) 내로 개방된다. 배기가스 공급 라인(8)의 이 하류 단부(15)에는 배기가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15)에 대해 변위될 수 있는 배플 요소(20)가 할당된다. 도시한 예시적인 실시예에서, 배플 요소(20)는, 리액터 챔버(10) 내로 개방된 배기가스 공급 라인(8)의 단부(15)에 대해 선형으로 변위 가능하다. 하류 단부(15)에서 배기가스 공급 라인(8)을 차단하거나 하류 단부(15)에서 배기가스 공급 라인을 개방하기 위해, 배플 요소(20)가 배기가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15)에 대해 변위 가능하다. 특히 배플 요소(20)가 하류 단부(15)에서 배기가스 공급 라인(8)을 차단할 때, 이후에 배기가스를 SCR 촉매 컨버터(9) 또는 SCR 촉매 컨버터(9)를 수용하는 리액터 챔버(10)를 완전히 지나가도록 안내하기 위해 우회로(12)의 차단 요소(13)가 개방되는 것이 바람직하다. 특히 배플 요소(20)가 배기가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15)를 개방할 때, 우회로(12)의 차단 요소(13)는 완전히 폐쇄되거나 적어도 부분적으로 개방될 수 있다.
특히 배플 요소(20)가 배기가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15)를 개방할 때, 배기가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15)에 대한 배플 요소(20)의 상대 위치는 특히 배기가스 공급 라인(8)을 통과하는 배기가스 질량 유량 및/또는 배기가스 공급 라인(8)에 있는 배기가스의 온도 및/또는 유입 장치(16)를 통해 배기가스 흐름 내로 유입되는 환원제의 양에 좌우된다.
배기가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15)가 개방된 상태에서 배플 요소(20)의 다른 기능은, 배기가스 흐름 내에 존재하는 액체 환원제의 임의의 액적이 배플 요소에 도달하여 포획되고, 그러한 액체 환원제의 액적이 SCR 촉매 컨버터(9)의 영역에 도달하는 것을 방지하기 위해 미립화되도록 하는 것이다. 하류 단부(15)가 개방된 상태에서 배기가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15)에 대한 배플 요소(20)의 위치에 의해, 특히 배플 요소(20) 구역에 있어서 배기가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15) 구역에서 편향되는 배기가스가 보다 반경방향 내측에 위치 설정된 섹션 방향으로 또는 보다 반경방향 외측에 위치 설정된 SCR 촉매 컨버터(9)의 섹션들의 방향으로 안내 또는 조향되었는지의 여부를 결정할 수도 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 배기가스 공급 라인(8)은 하류 단부(15) 구역에서 깔때기형으로 확장되어 디퓨저를 형성한다. 이것으로 인해, 하류 단부(15) 구역에서의 배기가스 공급 라인(8)의 흐름 단면은 증가되며, 이때 특히 도 2로부터 자명한 바와 같이, 배기가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15) 상류의 배기가스 흐름 방향으로 봤을 때에 배기가스 공급 라인의 흐름 단면이 초기에 감소한다. 따라서, 도 2는 환원제를 위한 유입 장치(16)의 하류에서 배기가스 흐름 방향으로 봤을 때에 배기가스 공급 라인(8)의 흐름 단면은 초기에는 대략 일정하지만, 그 후에는 처음에는 점차 테이퍼지고, 궁극적으로는 하류 단부(15) 구역에서 확대된다.
이 경우에 배기가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15)에서의 흐름 단면의 이러한 확대는 바람직하게는, 배기가스 공급 라인(8)이 하류 단부(15) 전방에서 초기에 테이퍼지는 섹션보다 짧은 배기가스 공급 라인(8)의 섹션을 통해 이루어진다.
바람직하게는, 배플 요소는 배기가스 공급 라인(8)을 향하는 측부(22)에서 만곡되어, 바람직하게는 벨 형상으로 만곡되어 배기가스용 흐름 안내부를 형성한다. 따라서, 배기가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15)를 향하는 배플 요소(20)의 측부는 배플 요소의 반경방향 외부 섹션 상에서보다 배플 요소(20)의 반경방향 내부 섹션 상에서 배기가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15)까지의 거리가 짧다. 따라서, 배플 요소(20)는 측부(24)의 중앙부에서 배기가스의 흐름방향에 대한 배기가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15) 방향으로 인발되거나 만곡된다.
이미 설명한 바와 같이, 배기가스 공급 라인(8)은 그 하류 단부(15)에 의해, SCR 촉매 컨버터(9)를 수용하는 리액터 챔버(10) 내로 개방된다. 여기에서, 배기가스 공급 라인(8)은 도 2에 따르면 리액터 챔버(10)의 하부측을 관통하고, 그 하류 단부(15)에 의해 리액터 챔버(10)의 상부측(23)에 인접하여 종결되며, 이때 이미 설명한 바와 같이 하류 단부(15)에서 배기가스 공급 라인을 빠져나가는 배기가스는 후속하여 SCR 촉매 컨버터(9)를 통해 흐르기 전에 180°로 편향된다.
특히 도 3으로부터 자명한 바와 같이, 배기가스 배압을 증가시키는 장치(25)는 배기가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15)와 SCR 촉매 컨버터(9) 사이에서 SCR 촉매 컨버터(9) 상류에 위치 설정된다. 배기가스 배압을 증가시키는 이러한 장치(25)는, 예컨대 그리드, 천공판 등일 수 있다. SCR 촉매 컨버터 상류의 배기가스 배압을 증가시키는 장치(25)의 도움으로 인해, SCR 촉매 컨버터(9) 상류의 배기가스 흐름이 저지되며, 그 결과로 원주방향으로 그리고 또한 반경방향으로 봤을 때에 SCR 촉매 컨버터에 배기가스 흐름이 균일하게 공급되는 것이 달성될 수 있다. 이로 인해, 콤팩트한 구성의 배기가스 후처리 시스템에 의해 효율적인 배기가스 클리닝이 보장될 수 있다.
배기가스 배압을 증가시키는 장치(25)는 더욱이, 배기가스에 함유되는 그을음 입자가 이 장치에 퇴적될 수 있다는 장점을 갖는다. 더욱이, 배기가스 배압을 증가시키는 장치(25)에 퇴적되는 그을음 입자는 더 이상 SCR 촉매 컨버터 구역에 진입할 수 없고, SCR 촉매 컨버터를 클로깅할 수 없다. 이로 인해, 콤팩트한 구성에 의한 효율적인 배기가스 후처리도 또한 보장될 수 있다.
배기가스 배압을 증가시키는 장치(25)는 또한 SCR 촉매 컨버터의 자유 흐름 단면의 최대 2배, 바람직하게는 최대 1배, 특히 바람직하게는 최대 0.5배에 상응하는 자유 흐름 단면을 갖는다. 이러한 방식으로, 한편으로는 SCR 촉매 컨버터(9)를 통한 일정한 배기가스 흐름이 보장될 수 있고, 다른 한편으로는 그음을 입자가 배기가스 배압을 증가시키는 장치(25) 구역에 미리 퇴적되어, 더 이상 SCR 촉매 컨버터(9) 구역에 도달하지 않는 것이 보장될 수 있다.
바람직하게는, 흐름 방향 또는 배기가스 흐름 방향으로 봤을 때에 배기가스 배압을 증가시키는 장치의 두께 또는 길이와, 흐름 방향 또는 배기가스 흐름으로 봤을 때에 SCR 촉매 컨버터(9)의 두께 또는 길이 간의 비가 적어도 1:50, 바람직하게는 적어도 1:100, 매우 바람직하게는 적어도 1:200에 이른다. 이것은 또한 콤팩트한 구성의 배기가스 후처리 시스템(3)에 의한 효율적인 배기가스 후처리를 제공하는 역할을 한다.
바람직하게는, 흐름 방향 또는 배기가스 흐름 방향으로 봤을 때에 배기가스 배압을 증가시키는 장치(25)와 흐름 방향 또는 배기가스 흐름으로 봤을 때에 SCR 촉매 컨버터(9) 사이의 거리에 대응하는 거리와, 흐름 방향 또는 배기가스 흐름 방향으로 봤을 때에 SCR 촉매 컨버터(9)의 두께 또는 길이 간의 비는 최대 1:6, 바람직하게는 1:5, 매우 바람직하게는 1:4에 이른다. 이로 인해, 콤팩트한 구성에 의한 효율적인 배기가스 후처리도 또한 보장될 수 있다.
이미 설명한 바와 같이, 배기가스 배압을 증가시키는 장치(15)는 특히 천공판 또는 그리드, 바람직하게는 그리드 폭이 특히 최대 6 mm, 바람직하게는 최대 4 mm, 매우 바람직하게는 최대 1.5 mm인 비교적 미세 메시 그리드이다.
배기가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15)와 SCR 촉매 컨버터(9) 사이에 위치 설정되는 배기가스 배압을 증가시키는 장치(25)에 의해, SCR 촉매 컨버터(9)에 배기가스를 일정하게 공급하는 것이 보장될 수 있다. 배기가스 배압을 증가시키는 것에 의해, 배기가스 흐름이 유발되고, 이에 의해 SCR 촉매 컨버터(9)에 대한 균일한 배기가스 분포가 보장된다. 이로 인해, 콤팩트한 구성에 의한 효율적인 배기가스 후처리가 가능해질 수 있다.
배기가스 배압을 증가시키기 위한 장치(25)의 다른 장점은, 이 장치가 마찬가지로, 배기가스에 함유되는 그을음 입자가 퇴적될 수 있는 예비 분리기의 기능을 보장한다는 데 있다. 이로 인해, 그음을 입자가 방해 없이 SCR 촉매 컨버터(9)에 도달하여, SCR 촉매 컨버터를 클로깅하는 것이 방지될 수 있다. 이로 인해, 콤팩트한 구성에 의한 효율적인 배기가스 후처리가 가능해질 수 있다.
본 발명의 유익한 다른 양태에 따르면, SCR 촉매 컨버터(9)가 수용되고, 더욱이 배기가스 배압을 증가시키는 장치(25)가 수용되고 배기가스 공급 라인(9)의 하류 단부(15)가 개방되는 리액터 챔버(10) 내에, 적어도 하나의 블로우 다운 장치(24), 예컨대 공기 노즐이 위치 설정되며, 블로우 다운 장치(24) 또는 각각의 블로우 다운 장치(24)는 배기가스 배압을 증가시키는 장치(25)와 SCR 촉매 컨버터(9) 사이에 배치된다.
여기에서, 블로우 다운 장치(24) 또는 각각의 블로우 다운 장치(24)는 해당 장치에 퇴적된 그을음 입자에 대하여 배기가스 배압을 증가시키는 장치(25)를 퍼지하고/하거나 SCR 촉매 컨버터(9)를 퍼지하는 역할을 하여, SCR 촉매 컨버터(9) 및/또는 배기가스 배압을 증가시키는 디자이스(25)가 클로깅되는 것을 방지한다. 장치(25)와 촉매 컨버터 사이의 블로우 다운 장치의 배치를 통해, 장치는 배기가스 흐름 방향에 반하여 바람이 송출되어 깨끗해질 수 있다.
여기에서, 도 4는 바람직하게는 리액터 챔버(10) 내에, 즉 흐름 방향 또는 배기가스 흐름 방향을 가로질러 연장되는, 배기가스 배압을 증가시키는 장치(25)의 표면 및/또는 SCR 촉매 컨버터(9)의 대응하는 표면 상에 와류 흐름 또는 소용돌이 흐름이 형성되도록 하는 방식으로 배향되는 블로우 다운 장치(24)의 바람직한 배향을 보여준다. 상기한 와류 흐름 또는 소용돌이 흐름에 의해, SCR 촉매 컨버터(9)와 배기가스 배압을 증가시키는 장치(25)로부터의 그을음 입자의 배출이 매우 효율적으로 일어날 수 있다. 여기에서, 도 4는, SCR 촉매 컨버터(9)와 배기가스 배압을 증가시키는 장치(25)가 수용되는 리액터 챔버(10)가 바람직하게는 단면이 원형이고, 리액터 챔버(10)의 하부측(22)과 상부측(23) 사이에서 연장되는 벽(19)을 갖는 것을 보여준다. 그러한 벽(19)을 블로우 다운 장치(24)의 배향과 조합함으로써, 와류 흐름 또는 소용돌이 흐름이 매우 유리하게 형성될 수 있다.
본 발명은 콤팩트한 구성에 의해 효율적인 배기가스 후처리를 가능하게 한다. 이러한 목적으로, 적어도, 배기가스 배압을 증가시키는 장치(25)가, SCR 촉매 컨버터(9)가 내부에 수용되고, 배기가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15)가 내부로 개방되는 리액터 챔버(10)에서 SCR 촉매 컨버터(9)의 상류에 위치 설정된다. 해당 장치에 퇴적되는 그을음 입자에 대하여 배기가스 배압을 증가시키는 장치(25) 및/또는 SCR 촉매 컨버터(9)를 퍼지하기 위해, 배기가스 배압을 증가시키는 장치(25)와 SCR 촉매 컨버터(9) 사이에 적어도 하나의 블로우 다운 장치(24)가 배치된다는 점에서 배기가스 후처리의 효율성이 더욱 증가할 수 있다.
도 1의 내연기관(1)의 경우, 배기가스 후처리 시스템(3)은 배기가스 과급 시스템(2)의 상류에 위치 설정된다. 내연기관(1)의 실린더에 대한 접근은 개방되어 있지만, 배기가스 과급기(4, 5)의 접근성이 제한된다. 그러나, 배기가스 과급기(4, 5)에 대한 유지 보수 작업이 필요할 때에 리액터 챔버(10)는 쉽게 분해될 수 있다.
도 1에 도시한 배기가스 과급 시스템(2) 상류의 배기가스 후처리 시스템(3)의 직립형 구성과는 대조적으로, 배기가스 과급 시스템(2)에 이웃한, 배기가스 후처리 시스템(3)의 90° 틸팅된 수평 구성도 또한 가능하지만, 그러한 수평 구성의 경우에는 구성의 길이가 길어진다. 그러나, 내연기관(1)과 배기가스 과급 시스템(2)은 이때 리액터 챔버(10)를 분해할 필요 없이 유지 보수 작업을 위한 제약 없이 이용 가능하다.
본 발명은 SCR 촉매 컨버터뿐만 아니라 CH4 및 HCHO 산화 촉매 컨버터와 함께 사용될 수 있음이 명백하다.
1 : 내연기관
2 : 배기가스 과급 시스템
3 : 배기가스 후처리 시스템
4 : 배기가스 과급기
5 : 배기가스 과급기
6 : 고압 터빈
7 : 저압 터빈
8 : 배기가스 공급 라인
9 : SCR 촉매 컨버터
10 : 리액터 챔버
11 : 배기가스 배출 라인
12 : 우회로
13 : 차단 요소
14 : 배기가스 안내부
15 : 단부
16 : 유입 장치
17 : 주입 원추부
18 : 혼합 섹션
19 : 벽
20 : 배플 요소
21 : 라인
22 : 측부
23 : 측부
24 : 블로우 다운 장치
25 : 장치

Claims (17)

  1. 내연기관의 배기가스 후처리 시스템(3)으로서, 촉매 컨버터(9)와, 이 촉매 컨버터(9)로 통하는 배기가스 공급 라인(8)을 구비하는 것인 내연기관의 배기가스 후처리 시스템에 있어서,
    배기가스 공급 라인(8)은 하류 단부(15)에 의해, 촉매 컨버터(9)를 수용하는 리액터 챔버(10)로 개방되고, 리액터 챔버(10) 내에 배기가스 공급 라인(8)의 하류 단부(15)와 촉매 컨버터(9) 사이에서 촉매 컨버터(9) 상류에 배기가스 배압을 증가시키는 장치(25)가 위치 설정되며,
    리액터 챔버(10) 내에서 배기가스 배압을 증가시키는 장치(25)와 촉매 컨버터(9) 사이에, 적어도 하나의 블로우 다운(blow-down) 장치(24)가 위치 설정되고, 블로우 다운 장치는 배기가스 배압을 증가시키는 장치(25)를 퍼지하거나, 또는 촉매 컨버터(9)를 퍼지하는 역할을 하며,
    블로우 다운 장치(24)는 배기가스 배압을 증가시키는 장치(25) 또는 촉매 컨버터(9)의 흐름 방향에 대해 횡방향으로 연장되는 표면 상에 와류 흐름 또는 소용돌이 흐름을 유발하도록 하는 방식으로 배향되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 후처리 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 배기가스 후처리 시스템의 촉매 컨버터(9)는 SCR 촉매 컨버터이고, 배기가스 배출 라인(11)이 SCR 촉매 컨버터로부터 멀어지게 연장되고, 환원제를 배기가스 내로 유입하기 위한 유입 장치(16)가 배기가스 공급 라인(8)에 할당되며, SCR 촉매 컨버터의 상류에서 배기가스를 환원제와 혼합하기 위해 유입 장치(16)의 하류에, 배기가스 공급 라인(8)에 의해 혼합 섹션(18)이 마련되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 후처리 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 배기가스 배압을 증가시키는 장치(25)는, 촉매 컨버터(9)의 자유 흐름 단면(clear flow cross section)의 최대 2배에 상응하는 자유 흐름 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 후처리 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 배기가스 배압을 증가시키는 장치(25)의 자유 흐름 단면은 촉매 컨버터(9)의 자유 흐름 단면의 최대 1배에 상응하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 후처리 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 배기가스 배압을 증가시키는 장치(25)의 자유 흐름 단면은 촉매 컨버터(9)의 자유 흐름 단면의 최대 0.5배에 상응하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 후처리 시스템.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 흐름 방향으로 봤을 때에 배기가스 배압을 증가시키는 장치(25)의 두께 또는 길이와, 흐름 방향으로 봤을 때에 촉매 컨버터(9)의 두께 또는 길이 간의 비는 적어도 1:50인 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 후처리 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 배기가스 배압을 증가시키는 장치(25)의 두께 또는 길이와 촉매 컨버터(9)의 두께 또는 길이 간의 비는 적어도 1:100에 이르는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 후처리 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 배기가스 배압을 증가시키는 장치(25)의 두께 또는 길이와 촉매 컨버터(9)의 두께 또는 길이 간의 비는 적어도 1:200에 이르는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 후처리 시스템.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 흐름 방향으로 봤을 때에 배기가스 배압을 증가시키는 장치(25)와 촉매 컨버터(9) 사이의 거리에 대응하는 거리와, 흐름 방향으로 봤을 때에 촉매 컨버터(9)의 두께 또는 길이 간의 비는 최대 2:1에 이르는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 후처리 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 거리와 촉매 컨버터(9)의 두께 또는 길이 간의 비는 최대 1:1에 이르는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 후처리 시스템.
  11. 제9항에 있어서, 상기 거리와 SCR 촉매 컨버터의 두께 또는 길이 간의 비는 최대 1:2에 이르는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 후처리 시스템.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 배기가스 배압을 증가시키는 장치(25)는 그리드 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기가스 후처리 시스템.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제1항 또는 제2항에 따른 배기가스 후처리 시스템(3)을 구비하는 내연기관(1).
  16. 제15항에 있어서, 내연기관은 고압 터빈(6)을 포함하는 제1 배기가스 과급기(4) 및 저압 터빈(7)을 포함하는 제2 배기가스 과급기(5)를 구비하는 다단 배기가스 과급 시스템(2)을 포함하고, 배기가스 후처리 시스템(3)은 고압 터빈(6)과 저압 터빈(7) 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  17. 제15항에 있어서, 단일단 과급형 내연기관의 경우, 배기가스 후처리 시스템이 터빈 상류에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
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