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KR102431789B1 - 노후 경유차 배기가스 후처리 시스템의 환원제 분사 시스템 - Google Patents

노후 경유차 배기가스 후처리 시스템의 환원제 분사 시스템 Download PDF

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KR102431789B1
KR102431789B1 KR1020200185161A KR20200185161A KR102431789B1 KR 102431789 B1 KR102431789 B1 KR 102431789B1 KR 1020200185161 A KR1020200185161 A KR 1020200185161A KR 20200185161 A KR20200185161 A KR 20200185161A KR 102431789 B1 KR102431789 B1 KR 102431789B1
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강소연
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Abstract

본 발명은 내연기관의 배기관에 장착되어, 배기가스에 포함된 탄화수소(HC)나 일산화탄소(CO)를 산화시키거나 입자상 물질에 포함된 용해성유기성분(SOF; Soluble Organic Fraction)을 산화시키는 디젤산화촉매장치(DOC; Diesel Oxidation Catalyst) 및 질소 산화물(NOx)을 정화하기 위한 선택적촉매환원장치(SCR; Selective Catalyst Reduction)를 포함하는 배기가스 후처리 시스템에 있어서, 상기 디젤산화촉매장치 전단에 위치하여, 우레아수용액이 도입되는 우레아도입부, 상기 디젤산화촉매장치를 관통하여 마련되되, 상기 우레아도입부를 통해 도입된 상기 우레아수용액이 통과하는 우레아유동관로, 및 상기 우레아유동관로의 하류측단부에 마련되어, 상기 우레아수용액과 상기 배기가스를 혼합하는 우레아믹서를 포함하는 배기가스 후처리 시스템의 환원제 분사 시스템을 제공한다.

Description

노후 경유차 배기가스 후처리 시스템의 환원제 분사 시스템 {REDUCTANT INJECTION SYSTEM FOR AFTER-TREATMENT OF EXHAUST GAS OF OLD DIESEL VEHICLE}
본 발명은 배기가스 후처리 시스템의 환원제 분사 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세히는 차량 뿐만 아니라 선박, 발전기 등에 탑재된 내연기관으로부터 배출되는 배기가스를 정화하기 위한 배기가스 후처리 시스템의 환원제 분사 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 차량, 선박, 발전기 등에서 고효율 및 고출력의 운전이 가능한 디젤 엔진의 수요가 계속 증가하고 있다. 이는 디젤유가 가격이 저렴하고 연비나 출력 측면에서 장점이 있기 때문이다.
이러한 디젤 엔진을 구동시, 대기 오염을 일으키는 질소산화물(NOx)과 입자상 물질(PM; Particulate Matter)이 배기가스에 포함되어 배출되기 때문에 이를 줄이기 위해 매연저감장치는 의무적으로 장착해야 한다.
일 예로, 도 1에 도시한 바와 같이, 종래 배기가스 후처리 시스템은, 내연기관에서 배출되는 배기가스를 정화하기 위해 미립자(PM)를 포집하기 위한 미립자포집장치(DPF; Diesel Particulate matter Filter)(23)와, 질소 산화물(NOx)을 정화하기 위한 선택적촉매환원장치(SCR; Selective Catalyst Reduction)(22)를 포함할 수 있으며, 미립자포집장치(23)의 전단에 배기가스에 포함된 탄화수소(HC)나 일산화탄소(CO)를 산화시키거나 입자상 물질에 포함된 용해성유기성분(SOF; Soluble Organic Fraction)을 산화시키는 디젤산화촉매장치(DOC; Diesel Oxidation Catalyst)(21)를 포함할 수 있다.
선택적촉매환원장치(22)는 우레아(urea)를 환원제로 하여 질소산화물을 저감 또는 제거시키기 때문에, 선택적촉매환원장치(22)의 전단에는 중간 배관에 우레아를 분사시키기 위한 우레아인젝터(31)가 마련될 수 있고, 이때 질소산화물 저감 능력을 향상시키기 위해 우레아 분사를 최적화시킬 수 있도록, 우레아인젝터(31)와 선택적촉매환원장치(22) 사이에는 우레아인젝터(31)를 통해 유입된 우레아수용액에 의해 가수분해된 암모니아가 배기가스와 혼합되고, 선택적촉매환원장치(22)에 넓은 범위로 균일하게 혼합되어 유입될 수 있도록 우레아믹서(32)가 포함될 수 있다(한국특허등록번호 제1195799호 등 참조).
이러한 시스템은 도 1과 같이 각각의 기능을 수행하는 촉매가 독립적으로 존재해야 하며, 이로 인하여 배기가스 후처리 시스템의 크기나 길이가 커질 수 밖에 없는 문제점이 있다.
따라서 최근에는 디젤자동차 배기가스 후처리 시스템에 이러한 기술의 단점을 보완하기 위하여 DPF와 SCR의 기능을 동시에 부여한 SDPF(SCR on Diesel Particulate Filter) 기술이 적용되고 있다. 이 시스템은 도 3에 도시한 바와 같이 DOC-SDPF-SCR-AOC 기술이 적용된 기술로써, SDPF에 DPF의 PM 포집 기술과 SCR의 질소산화물 저감 기술을 접목시킨 기술이다. 이때 촉매의 성능, 저감량 등에 따라 SCR 촉매를 장착하지 않을 수도 있다.
이 시스템 역시 질소산화물을 제거하기 위하여 환원제로써 우레아 또는 암모니아를 사용하게 되며, 상기 한국특허등록번호 제1195799호 등에서 언급한 믹서를 DOC와 SDPF 사이의 배기관에 설치하게 된다.
이와 같이, 종래에는 질소산화물을 저감하기 위하여 선택적촉매환원장치(22)를 사용하게 되면 우레아인젝터(31)가 요구되고, 이뿐 아니라 가수분해된 암모니아가 배기가스와 균일하게 혼합하기 위해 선택적촉매환원장치(22)의 전단에 중간배관이 필요하였기 때문에, 전체 배기가스 후처리 시스템의 길이나 크기를 줄여 소형화할 수 없는 문제가 있다.
따라서, 선택적촉매환원장치를 가진 배기가스 후처리 시스템을 소형화할 수 없는 문제를 해소하기 위한 기술의 필요성이 대두되고 있다.
KR 10-1195799 B1 KR 10-1369651 B1 KR 10-2122849 B1 KR 10-2028423 B1
본 발명은, 배기가스 후처리 시스템을 소형화할 수 있고, 우레아 수용액의 가수분해 반응을 원활하게 일으킬 수 있는 배기가스 후처리 시스템의 환원제 분사 시스템을 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 내연기관의 배기관에 장착되어, 배기가스에 포함된 탄화수소(HC)나 일산화탄소(CO)를 산화시키거나 입자상 물질에 포함된 용해성유기성분(SOF; Soluble Organic Fraction)을 산화시키는 디젤산화촉매장치(DOC; Diesel Oxidation Catalyst) 및 질소 산화물(NOx)을 정화하기 위한 선택적촉매환원장치(SCR; Selective Catalyst Reduction)를 포함하는 배기가스 후처리 시스템에 있어서, 상기 디젤산화촉매장치 전단에 위치하여, 우레아수용액이 도입되는 우레아도입부, 상기 디젤산화촉매장치를 관통하여 마련되되, 상기 우레아도입부를 통해 도입된 상기 우레아수용액이 통과하는 우레아유동관로, 및 상기 우레아유동관로의 하류측단부에 마련되어, 상기 우레아수용액과 상기 배기가스를 혼합하는 우레아믹서를 포함하는 배기가스 후처리 시스템의 환원제 분사 시스템을 제공한다.
일 실시예에 따라, 상기 선택적촉매환원장치는, 입자상물질을 포집하여 배기가스를 정화하는 미립자포집장치와 일체로 형성된 SDPF(SCR on DPF; Selective Catalyst Reduction - on - Diesel Particulate Filter)일 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 선택적촉매환원장치의 후단에 위치하여, 상기 선택적촉매환원장치에서 유출된 암모니아를 산화하여 정화시키기 위한 암모니아슬립촉매장치(AOC; Ammonia Oxidation Catalyst)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 디젤산화촉매장치 후단에 위치하여, 상기 배기가스를 정화하기 위해 미립자(PM)를 포집하기 위한 미립자포집장치(DPF; Diesel Particulate Filter)를 더 포함하되, 상기 우레아유동관로는 상기 디젤산화촉매장치 및 상기 미립자포집장치를 관통하여 마련될 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 우레아도입부는, 상기 우레아수용액이 상기 우레아유동관로를 통과할 수 있도록 고압의 공기와 함께 도입될 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 우레아유동관로는, 상기 디젤산화촉매장치의 중심에 길이방향을 따라 마련될 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 우레아유동관로는, 상기 디젤산화촉매장치가 촉매 반응에 의해 발열시 상기 우레아유동관로 내 유동하는 상기 우레아수용액에 열을 전달할 수 있도록 열전도체일 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 우레아믹서는, 상기 우레아수용액과 상기 배기가스를 혼합하기 위해 관형의 몸체와, 상기 몸체의 내주면을 따라 내측, 그리고 상기 선택적촉매환원장치를 향해 연장형성된 복수의 블레이드를 포함하는 블레이드믹서이되, 상기 복수의 블레이드는 비틀어진 형상일 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 우레아믹서는, 상기 우레아수용액이 도입되는 도입관과, 상기 도입관의 말단부에 마련되어 확관 형성된 헤드와, 상기 헤드의 말단부에 마련되어 상기 우레아수용액이 방사방향으로 분사될 수 있도록 다수의 분사구를 가진 반구형의 헤드커버를 포함하는 방사형분사믹서일 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 디젤산화촉매장치와 상기 선택적촉매환원장치 사이에는, 상기 우레아수용액을 분사시키기 위한 우레아인젝터가 구비되지 않을 수 있다.
우레아(Urea) 수용액이 가수분해 반응을 일으켜 기화된 암모니아가 배기가스의 질소산화물과 반응하여 질소와 수증기로 정화되도록 할 때, 본 발명에 따른 배기가스 후처리 시스템의 환원제 분사 시스템은, 우레아가 디젤산화촉매장치를 관통할 때 디젤산화촉매장치의 반응시 발생하는 열에 의해 가열되기 때문에, 가수분해를 원활하게 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 배기가스 후처리 시스템의 환원제 분사 시스템은, 디젤산화촉매장치와 선택적촉매환원장치 사이에 우레아 인젝션 공간을 별도로 요구하지 않기 때문에, 배기가스 후처리 시스템을 소형화(compact)할 수 있다.
또한, 우레아믹서를 블레이드 믹서가 아닌 방사형분사믹서를 사용하는 경우, 디젤산화촉매장치와 선택적촉매환원장치 사이 공간을 더 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 배기가스 후처리 시스템의 구성도이다.
도 2 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템의 환원제 분사 시스템의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤산화촉매장치의 전체 외관을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드믹서의 전체 외관을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사형분사믹서의 전체 외관을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 우레아유동관로의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성 요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 2 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템의 구성도이다.
도 2 내지 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템은, 내연기관의 배기관에 장착되어, 배기가스에 포함된 탄화수소(HC)나 일산화탄소(CO)를 산화시키거나 입자상 물질에 포함된 용해성유기성분(SOF; Soluble Organic Fraction)을 산화시키는 디젤산화촉매장치(DOC; Diesel Oxidation Catalyst) 및 질소 산화물(NOx)을 정화하기 위한 선택적촉매환원장치(SCR; Selective Catalyst Reduction)을 포함하되, 디젤산화촉매장치(21)의 전단에 위치하여 우레아수용액이 도입되는 우레아도입부(110), 디젤산화촉매장치(21)를 관통하여 마련되되 우레아도입부(110)를 통해 도입된 우레아수용액이 통과하는 우레아유동관로(120), 및 우레아유동관로(120)의 하류측단부에 마련되어 상기 우레아수용액에 의해 가수분해된 암모니아와 상기 배기가스를 혼합하는 우레아믹서(130)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 종래와 같이, 디젤산화촉매장치(21)와 선택적촉매환원장치(22) 사이에 우레아 인젝션을 위한 공간을 별도로 요구하지 않기 때문에, 전체 배기가스 후처리 시스템을 소형화할 수 있다.
다만, 도 2 내지 5에 도시한 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 갖는 배기가스 후처리 시스템이 구현될 수 있음은 물론이다.
이하, 각 구성요소들에 대해 살펴보기로 한다.
미립자포집장치(23)는 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스가 통과하는 배기관에 장착되어, 미립자포집장치(23)는 배기가스에 포함된 입자상 물질(PM; Particulate Matter) 대부분을 포집하여, 배기관을 통해 외부로 배출되는 배기가스를 정화할 수 있다.
미립자포집장치(23)는 배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집하기 위하여, 일 예로 다공질의 세라믹 허니컴 셀의 입구와 출구를 교번하여 플러깅된 필터, 즉 Wall Flow Monoliths Type일 수 있다. 배기가스는 플러깅되지 않은 셀의 입구로 유입되어, 플러깅되어 있지 않은 인접한 셀과의 경계에 형성된 입자상 물질(PM) 포집용 셀 벽을 통과하고, 상기 플러깅되지 않은 셀의 출구로 유출되는 과정에서, 셀 벽이 입자상 물질(PM)을 포집하게 된며, 입자상 물질의 그을음(soot) 입자는 벽면에 cake 형태로 포집되게 된다.
미립자포집장치(23)는 엔진(10)의 배기가스 중 입자상 물질을, 필터를 이용하여 물리적으로 포집하지만 포집할 수 있는 포집량에는 한계가 있기 때문에, 미립자포집장치(23)에 고온의 배기가스를 통과시켜 포집된 입자상 물질을 연소 제거하는 강제 재생을 통해, 입자상 물질의 포집 능력을 회복시킬 수 있다.
배기가스의 온도는 내연기관 엔진의 운전패턴에 따라 차이가 발생하므로 배기가스의 온도를 이용한 입자상 물질의 산화반응은 주기가 불규칙하며 저속/저부하 조건과 같은 배기가스 온도가 낮을 때에는 재생이 불가능하므로 보조 열원을 통한 매연재생이 필요하다.
이를 위해, 미립자포집장치(23)의 상류측에는 버너(미도시)가 위치하여, 미립자포집장치(23)로 유입되는 배기가스를 가열하여 승온시킬 수 있다. 배기가스를 가열하기 위해 전기나 마이크로파 등을 이용할 수 있으나, 그 종류를 특별히 한정하지 않는다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 미립자포집장치(23)의 상류측에는 디젤산화촉매장치(DOC; Diesel Oxidation Catalyst)(21)가 위치할 수 있다.
디젤산화촉매장치(21)는, 코디어라이트 등을 원료로 한 세라믹스로 구성된 허니컴 구조의 담지체 등에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 등의 귀금속을 촉매로서 배기가스 중의 산소(O2)를 이용하여 배기가스 중에 포함된 탄화수소(HC)나 일산화탄소(CO)를 산화하거나 입자상 물질에 포함된 용해성유기성분(SOF; Souluble Organic Fraction)을 산화시켜, 물(H2O)과 이산화탄소(CO2)로 바꾸는 촉매장치이다.
또한, 디젤산화촉매장치(21)는 일산화질소(NO)를 산화시켜 이산화질소(NO2)를 생성하고 산화된 이산화질소(NO2)가 미립자포집장치(23) 내 포집된 카본(carbon)과 산화반응을 일으키도록 한다.
미립자포집장치(23)는 상기 디젤산화촉매장치(21)에서 반응하지 못한 가스상 물질을 저감하는 것과 동시에 필터에 포집된 그을음(soot)(carbon)과의 산화반응을 시켜 이산화탄소와 물로 전환시켜 그을음(soot)을 재생(산화)시키게 된다.
디젤산화촉매장치(21)에서 일어나는 화학반응식은 하기 화학식 1과 같고, 이어서 디젤산화촉매장치(21) 후단에 위치한 미립자포집장치(23)에서 일어나는 화학반응식은 하기 화학식 2와 같다.
[화학식 1]
HC(SOF) + O2 → CO2 + H2O
HC, CO + O2 → CO2 + H2O(CO from Engine)
NO + O2 → NO2
[화학식 2]
C(Soot) + O2 → CO/CO2
C(Soot) + NO2 → CO/CO2 + NO
NO + O2 → NO2
Cㅒ + O2 → CO2(CO from Soot)
HC, CO + O2 → CO2 + H2O(잔류 가스 상 HC, CO)
전술한 바와 같이, 배기가스가 저온인 경우 촉매에 의한 입자상 물질(PM)의 연소속도가 엔진(10)에서 발생되는 입자상 물질(PM)의 생성 속도보다 느려서 결국 후단에 위치한 미립자포집장치(23)에 입자상 물질(PM)이 쌓여 배압이 상승하게 된다. 결국, 촉매에 의한 자연재생방식만으로는 한계가 있고, 연료를 사용하는 버너를 이용하여 배기온도를 상승시킴으로써 미립자포집장치(23)에 축적된 입자상 물질(PM)을 태워 강제재생함으로써, 매연을 저감시킬 수 있다.
디젤산화촉매장치(21)의 상류측에는 탄화수소인젝터(미도시)가 위치할 수 있고, 탄화수소젝터는 배기관 내부에 탄화수소(HC)를 분사하여, 증가된 일산화탄소 및 수소성분으로 인하여 디젤산화촉매장치(21)에 유입된 배기가스의 산화로 발열이 일어나고 선택적촉매환원장치(22)로 유입되는 배기가스의 온도를 상승시키게 한다. 이로 인하여, 저온 및 저부하 조부하 조건에서도 선택적촉매환원장치(22)에 유입되는 배기가스의 온도를 활성 온도 이상으로 유지하도록 함으로써 암모니아 슬립 저감 및 선택적환원촉매 정화 성능을 개선시킬 수 있다.
한편, 상기 미립자포집장치(23)의 전단 또는 후단에는 선택적촉매환원장치(22)가 위치할 수 있다.
선택적촉매환원장치(22)는 철이나 구리가 도핑된 알루미노실리케이트 등의 제올라이트 촉매나 바나듐을 티타니아에 도핑한 바나듐계 촉매를 세라믹 허니컴 등의 담체에 담지시킨 것으로, 환원제인 우레아(urea)(또는 요소수)가 배기가스의 열에 의해 암모니아로 전환되고, 선택적환원촉매에 의하여 배기가스 중의 질소산화물(NOx)과 암모니아(NH3)의 촉매반응으로서 질소산화물을 질소가스(N2)와 물(H2O)로 환원시키도록 한다.
이를 위해, 종래에는 상류측 배기관에 위치한 우레아인젝터(31)에 의해 우레아가 분사되었으나, 본 발명의 일 실시예에 따르면 디젤산화촉매장치(21)의 전단에 우레아수용액이 도입되는 우레아도입부(110)를 위치시키고, 우레아도입부(110)를 통해 도입된 우레아수용액이 디젤산화촉매장치(21)를 관통하여 마련된 우레아유동관로(120)를 통과하여, 우레아수용액에 의해 가수분해된 암모니아가 선택적촉매환원장치(22)의 일 면에 분사되도록 할 수 있다.
우레아도입부(110)를 통해 도입된 우레아수용액이 디젤산화촉매장치(21)의 길이방향을 따라 관통형성된 우레아유동관로(120)를 통과하여 암모니아가 선택적촉매환원장치(22)에 분사될 수 있도록, 우레아저장탱크(112)와 우레아도입부(110) 사이에 마련된 분기관(113)의 일 측에는 공기압축기(111)가 연결될 수 있다. 즉, 공기압축기(111)에 의해 제공된 고압의 공기를 매개로 우레아저장탱크(112)로부터 배출된 우레아수용액은 우레아유동관로(120)에 가압되어 우레아유동관로(120)를 통과할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤산화촉매장치의 전체 외관을 나타낸 도면이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤산화촉매장치(21)는 우레아유동관로(120)가 길이방향으로 삽입 설치될 수 있도록 형성된 관통공(211)을 포함할 수 있다. 바람직한 일 실시예에 따라, 상기 우레아유동관로(120)가 삽입 설치되는 관통공(211)은 디젤산화촉매장치(21)의 중심에 길이방향을 따라 형성되어, 디젤산화촉매장치(21)가 배기가스의 산화로 발열이 일어날때 그 열이 우레아유동관로(120)를 통과하는 우레아수용액에 효과적으로 전달될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
물론, 디젤산화촉매장치(21)의 관통공(211)에 삽입 설치된 상기 우레아유동관로(120)는 디젤산화촉매장치(21)에서 발행된 열이 잘 전달될 수 있도록 열전도체, 일 예로 금속재(Ag, Cu. Al, Au 등)인 것이 바람직하다.
결국, 우레아유동관로(120)를 통과하는 우레아수용액은 별도의 승온장치(또는 가열장치)에 의하지 않고, 디젤산화촉매장치(21)의 반응열에 의해 가열되어 가수분해 반응을 원활하게 일으킬 수 있는 효과가 있다.
우레아유동관로(120)는 특별히 한정하지 않으나, 고압의 우레아수용액이 통과하는 유로를 마련하기 때문에, 우레아유동관로(120)의 외주면에는 돌출형성된 제1 및 제2 돌기부재(121~124)가 마련될 수 있다.
도 6은 디젤산화촉매장치(210)를 예시로 나타내었으나, 도 2에서 도시한 바와 같이, 디젤산화촉매장치(210)의 후단에 미립자포집장치(23)가 위치하는 경우, 우레아유동관로(120)는 디젤산화촉매장치(210) 및 미립자포집장치(23) 모두를 관통하여 마련될 수 있음은 물론이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 우레아유동관로의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 9에 도시한 바와 같이, 우레아유동관로(120)의 외주면에 형성된 제1 및 제2 돌기부재(121~124) 사이에 디젤산화촉매장치(210)가 개재되어 고정됨으로써, 고압의 우레아수용액이 유입/유출되더라도 움직이지 않도록 하는 것이 바람직하다.
일 실시예에 따른, 제1 및 제2 돌기부재(121~122)는, 도 9(a)에 도시한 바와 같이, 우레아유동관로(120)의 외주면 2 곳 각각에 둘레를 따라 돌출된 링(ring) 형상이되, 제1 및 제2 돌기부재(121~122) 사이의 거리는 디젤산화촉매장치(21)의 길이에 상응하여, 디젤산화촉매장치(210)의 관통공(211)에 끼워진 우레아유동관로(120)가 이동하지 않고 위치가 고정될 수 있다.
제1 및 제2 돌기부재(121~122)는 내열성을 갖고, 내주면은 마찰력을 가진 실리콘소재 등으로서, 제1 및 제2 돌기부재(121~122)는 우레아유동관로(120)에 장탈착 가능하도록 구현되어, 우레아유동관로(120)를 관통공(211)에 삽입한 상태에서 제1 및 제2 돌기부재(121~122)를 끼워 장착할 수 있다.
이와 달리, 도 9(b)에 도시한 바와 같이, 상기 제1 및 제2 돌기부재(123~124)는 포고핀(pogo pin)과 같이 탄성력을 가진 돌기일 수 있으며, 상기 제1 및 제2 돌기부재(123~124) 각각은 우레아유동관로(120)의 외주면을 따라 적어도 한 개가 마련되되, 상기 제1 및 제2 돌기부재(123~124) 사이에는 디젤산화촉매장치(210)의 길이만큼 이격 배치될 수 있다.
상기 제1 및 제2 돌기부재(123~124)는 우레아유동관로(120)를 관통공(211)에 삽입할 때 외력으로 상기 제1 및 제2 돌기부재(123~124) 중 어느 하나를 가압하여 압입된 상태로 삽입할 수 있으며, 우레아유동관로(120)가 관통공(211)에 삽입이 완료되었을 때 가압된 어느 하나의 돌기부재(123~124)는 탄성력에 의해 돌출됨으로써, 디젤산화촉매장치(210)에 우레아유동관로(120)의 장착은 완료될 수 있다.
결국, 우레아유동관로(120)의 외주면에 돌출 형성된 제1 및 제2 돌기부재(123~124)에 의해 그 사이에 개재된 디젤산화촉매장치(210)가 고정되어, 고압의 우레아수용액이 우레아유동관로(120)를 따라 유입/유출되더라도 디젤산화촉매장치(21) 상에서 이동하지 않고 그 위치라 고정될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따라, 우레아유동관로(120)의 하류측단부에는, 우레아유동관로(120)를 통과한 우레아수용액에 의해 가수분해된 암모니아와 디젤산화촉매장치(21)를 통과한 배기가스를 혼합하기 위한 우레아믹서(130)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 우레아믹서(130)는, 우레아수용액에 의해 가수분해된 암모니아와 배기가스를 혼합하기 위해, 도 7에 도시한 바와 같은 블레이드믹서(131)일 수 있다.
블레이드믹서(131)는 선택적촉매환원장치(22)의 전단 배기관의 내주면에 끼워지도록 마련된 관형의 몸체(1311)와, 상기 몸체(1311)의 내주면을 따라 내측을 향해 연장형성된 복수의 블레이드(1312)를 포함할 수 있다.
이때 블레이드(1312)는 암모니아와 배기가스가 흐를 때 서로 균일하게 혼합될 수 있도록, 암모니아와 배기가스의 흐름을 유도하기 위한 것으로서, 블레이드(1312)는 흐름 방향을 따라 하류측, 즉 선택적촉매환원장치(22) 방향으로 연장형성되되, 스크류성 기류를 유도하기 위해 비틀어진 형태를 가질 수 있다.
즉, 암모니아와 배기가스가 블레이드의 외면을 따라 흐르도록 함으로써 효과적으로 섞이도록 하고, 혼합된 암모니아와 배기가스가 선택적촉매환원장치(22)의 일면에 분사되도록 함으로써, 선택적촉매환원장치(22)의 질소산화물 제거능을 향상시킬 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따라, 우레아믹서(130)는, 도 8에 도시한 바와 같이, 우레아유동관로(120)를 통과하는 우레아수용액에 의해 가수분해된 암모니아를 미세입자로 분사할 수 있도록 다수의 미세분사구를 가진 반구형의 헤드커버(1323)를 가진 방사형분사믹서(132)일 수 있다.
즉, 방사형분사믹서(132)의 헤드커버(1323)에 미세한 크기로 다수 타공된 분사구(o)를 통해 암모니아가 미세하게 쪼개지고, 미세입자의 암모니아가 반구형의 헤드커버(1323)에 의해 방사방향으로 선택적촉매환원장치(22)를 향해 분사됨으로써, 디젤산화촉매장치(21)를 통과한 배기가스와 잘 혼합되도록 할 수 있다. 이렇게, 균일하게 혼합된 배기가스와 암모니아가 선택적촉매환원장치(22)의 일면에 분사됨으로써, 선택적촉매환원장치(22)의 질소산화물 제거능을 향상시킬 수 있다.
도 8에 도시한 바와 같이, 방사형분사믹서(132)는 넓은 면적을 가진 상기 헤드커버(132)로 암모니아가 주입될 수 있도록, 암모니아가 도입되는 도입관(1321)과, 도입관(1321)의 말단부에 마련되어 상기 헤드커버(132)에 암모니아를 유도하기 위해 확관 형성된 헤드(1322)를 포함할 수 있다.
이렇게 본 발명의 일 실시예에 따른 방사형분사믹서(132)는 선택적촉매환원장치(22)의 전단에 블레이드믹서(131)를 설치하기 위한 배기관 내 공간까지도 더욱 축소할 수 있기 때문에, 전체 배기가스 후처리 시스템의 더욱 소형화할 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 선택적촉매환원장치(22)는 미립자포집장치(23)와 조합된 SDPF(SCR on DPF; Selective Catalyst Reduction - on - Diesel Particulate Filter)(22a)일 수도 있다.
SDPF(22a)는 DPF에 SCR촉매(일 예로, Cu-zeolite, Fe-zeolite 등)를 코팅하여 SDPF 전단에서 공급되는 암모니아와 배기가스 중의 NOx를 SCR 촉매 상에서 반응시켜, NOx를 물과 질소로 정화시킬 수 있다. 또한, SDPF(22a)는 필터의 기능을 하므로, DPF의 기능인 배기가스 중의 입자상물질(PM)을 포집할 수 있다.
SDPF(22a)는 종류에 따라 passive type과 active type으로 나눌 수 있으나, 이는 본 발명의 범위를 벗어나는 것으로 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 4 및 5에 도시한 바와 같이, 선택적촉매환원장치(22)는 SDPF(22a)로 대체되는 경우, 전체 배기가스 후처리 시스템의 길이나 크기를 더욱 줄여 소형화할 수 있고, 도 3에 도시한 바와 같이, 질소산화물의 저감 능력을 향상시키기 위해 SDPF(22a)와 선택적촉매환원장치(22)는 직병렬로 조합 배치될 수도 있다.
또한, 상기 선택적촉매환원장치(22)의 후단에는 암모니아슬립촉매장치(AOC; Ammonia Oxidation Catalyst)(24)를 더 포함하여, 배기가스 중의 암모니아(NH3)를 산화하여 질소(N2)와 물(H2O)로 바꿈으로써, 선택환원촉매장치(22)에서 유출된 암모니아를 정화하여 암모니아가 대기 중으로 유출되는 것을 방지할 수도 있다.
여기서, 상기 암모니아슬립촉매장치 역시, 디젤산화촉매장치(21)와 유사하게 코디어라이트 등을 원료로 한 세라믹으로 구성된 허니컴 구조의 담지체 등에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 등의 귀금속을 촉매로서 구성될 수 있다.
물론 도 6에 도시한 바와 같이, 선택적촉매환원장치(22)를 SDPF(22a)로 대체하고, AOC(24)를 생략하는 경우에는 전체 배기가스 후처리 시스템의 길이나 크기를 최소화할 수 있다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 엔진 21: 디젤산화촉매장치
22: 선택적촉매환원장치 22a: SDPF
23: 미립자포집장치 24: 암모니아슬립촉매장치
31: 우레아인젝터 32: 믹서
110: 우레아도입부 111: 공기압축기
112: 우레아저장탱크 113: 분기관
120: 우레아유동관로 121, 123: 제1 돌기부재
122, 124: 제2 돌기부재 130: 우레아믹서
131: 블레이드믹서 1311: 몸체
1312: 블레이드 132: 방사형분사믹서
1321: 도입관 1322: 헤드
1323: 헤드커버 210: 디젤산화촉매장치
211: 관통공

Claims (10)

  1. 내연기관의 배기관에 장착되어, 배기가스에 포함된 탄화수소(HC)나 일산화탄소(CO)를 산화시키거나 입자상 물질에 포함된 용해성유기성분(SOF; Soluble Organic Fraction)을 산화시키는 디젤산화촉매장치(DOC; Diesel Oxidation Catalyst) 및 질소 산화물(NOx)을 정화하기 위한 선택적촉매환원장치(SCR; Selective Catalyst Reduction)를 포함하는 배기가스 후처리 시스템에 있어서,
    상기 디젤산화촉매장치 전단에 위치하여, 우레아수용액이 도입되는 우레아도입부;
    상기 디젤산화촉매장치를 관통하여 마련되되, 상기 우레아도입부를 통해 도입된 상기 우레아수용액이 통과하는 우레아유동관로; 및
    상기 우레아유동관로의 하류측단부에 마련되어, 상기 우레아수용액에 의해 가수분해된 암모니아와 상기 배기가스를 혼합하는 우레아믹서;
    를 포함하고,
    상기 우레아도입부는, 상기 우레아수용액이 상기 우레아유동관로를 통과할 수 있도록 고압의 공기와 함께 도입되되,
    상기 우레아유동관로의 외주면에 제1 및 제2 돌기부재가 형성되되, 상기 제1 및 제2 돌기부재 사이에 상기 디젤산화촉매장치가 개재되어 고정되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템의 환원제 분사 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 선택적촉매환원장치는, 입자상물질을 포집하여 배기가스를 정화하는 미립자포집장치와 일체로 형성된 SDPF(SCR on DPF; Selective Catalyst Reduction - on - Diesel Particulate Filter)인 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템의 환원제 분사 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 선택적촉매환원장치의 후단에 위치하여, 상기 선택적촉매환원장치에서 유출된 암모니아를 산화하여 정화시키기 위한 암모니아슬립촉매장치(AOC; Ammonia Oxidation Catalyst)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템의 환원제 분사 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 디젤산화촉매장치 후단에 위치하여, 상기 배기가스를 정화하기 위해 미립자(PM)를 포집하기 위한 미립자포집장치(DPF; Diesel Particulate Filter)를 더 포함하되,
    상기 우레아유동관로는 상기 디젤산화촉매장치 및 상기 미립자포집장치를 관통하여 마련되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템의 환원제 분사 시스템.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 우레아유동관로는, 상기 디젤산화촉매장치의 중심에 길이방향을 따라 마련되는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템의 환원제 분사 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 우레아유동관로는, 상기 디젤산화촉매장치가 촉매 반응에 의해 발열시 상기 우레아유동관로 내 유동하는 상기 우레아수용액에 열을 전달할 수 있도록 열전도체인 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템의 환원제 분사 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 우레아믹서는,
    상기 암모니아와 상기 배기가스를 혼합하기 위해 관형의 몸체와, 상기 몸체의 내주면을 따라 내측, 그리고 상기 선택적촉매환원장치를 향해 연장형성된 복수의 블레이드를 포함하는 블레이드믹서이되, 상기 복수의 블레이드는 비틀어진 형상인 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템의 환원제 분사 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 우레아믹서는,
    상기 암모니아가 도입되는 도입관과, 상기 도입관의 말단부에 마련되어 확관 형성된 헤드와, 상기 헤드의 말단부에 마련되어 상기 암모니아가 방사방향으로 분사될 수 있도록 다수의 분사구를 가진 반구형의 헤드커버를 포함하는 방사형분사믹서인 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템의 환원제 분사 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 디젤산화촉매장치와 상기 선택적촉매환원장치 사이에는, 상기 우레아수용액을 분사시키기 위한 우레아인젝터가 구비되지 않는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템의 환원제 분사 시스템.
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