KR100836416B1 - 요소수용액 분산장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량의 배기계에서 배출되는 배기가스를 보다 효과적으로 정화하기 위하여 차량 배기계에 분사되는 요소수용액이 고루 분산되도록 제어하여, 요소수용액의 열분해로 형성되는 암모니아와 배기가스의 질소산화물이 균일하게 혼합되도록 유도하기 위한 요소수용액 분산장치에 관한 것으로서, 이를 위하여 요소수용액 분산장치에 있어서,

중앙이 빈 공간으로 이루어진 원형의 플레이트 형상의 테두리와; 원형의 밴드 플레이트로 형성되어 상기 테두리에 고정되는 고정대와; 상기 고정대의 내면에 고정되는 밴드 플레이트 형상의 날개 프레임과; 상기 날개 프레임에 일체로 형성되어 배기가스와 요소수용액을 분산시키는 플레이트 형상의 날개;로 이루어져 엔진의 배기가스와 요소수용액을 고루 분산하고 균일한 혼합을 유도할 수 있도록 엔진 배기관 내에 설치되는 것을 특징으로 하는 요소수용액 분산장치를 제공한다.

엔진, 배기관, 배기가스, 요소수용액, 날개, 날개 프레임

Description

요소수용액 분산장치{Dispersing apparatus for urea solution of vehicle}

도 1은 엔진 배기관에서의 배기가스의 일반적인 유동 현상을 도시한 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 요소수용액 분산장치를 도시한 사시도,

도 3은 도 2의 측면도,

도 4는 도 2의 날개 프레임과 날개를 후부에서 바라본 일부 사시도,

도 5는 도 2의 사용상태를 도시한 개략적인 측면도,

도 6은 동일한 레이아웃을 갖는 배기관에 도 2를 사용하기 전과 후의 질소산화물의 정화율 분포를 도시한 도표,

도 7은 배기관 내에 요소수용액이 고여서 요소 응착 고형물이 형성된 것을 도시한 사시도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 날개 프레임 2 : 날개

3 : 고정대 4 : 테두리

본 발명은 요소수용액 분산장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량의 배기계에서 배출되는 배기가스를 보다 효과적으로 정화하기 위하여 차량 배기계에 분사되는 요소수용액이 고루 분산되도록 제어하여, 요소수용액의 열분해로 형성되는 암모니아와 배기가스의 질소산화물이 균일하게 혼합되도록 유도하기 위한 요소수용액 분산장치에 관한 것이다.

일반적으로 엔진에서 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기가스는 배기 파이프의 도중에 형성된 촉매변환기(Catalytic converter)로 유도되어 정화되고, 머플러를 통과하면서 소음이 감쇄된 후 테일 파이프를 통해 대기 중으로 방출된다.

상기한 촉매변환기는 매연여과장치(DTF, Diesel Particulate Filter)의 일종으로 배기가스에 포함되어 있는 오염물질을 무해물질로 바꿔서 깨끗하게 한다.

그리고 촉매변환기 내부에는 배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집하기 위한 촉매담체가 형성되어 있어서 엔진에서 배출되는 각종 배기가스를 화학적 변환과정을 통하여 정화시킨다.

상기 촉매변환기에 적용되는 촉매형식 중에서 선택적 촉매 환원 장치(SCR, Selective Catalytic Reduction)가 있다. 선택적 촉매 환원 장치는 THC, CO 등과 같은 환원제가 산소와 NOx 중에서 NOx와 더 잘 반응하도록 한다는 의미에서 '선택적' 촉매 환원 장치라고 명명되고 있다.

선택적 환원촉매 중에서 암모니아-SCR은 NOx를 정화하기 위한 환원제로 암모니아를 사용하는데 NOx에 대한 선택도가 매우 우수할 뿐만 아니라, 산소가 존재하 는 경우에 NOx와 암모니아 사이의 반응이 촉진되는 장점이 있어 디젤 배기가스에 적용하기에 유리하다.

실제로 암모니아-SCR은 대형 고정오염원인인 화력발전소에 적용되어 그 성능이 입증된 바가 있다. 이러한 암모니아-SCR을 자동차에 적용하여 NOx를 선택적으로 제거하고자 하는 것이 요소-SCR(Urea-SCR)이다.

상기 요소-SCR은 요소수용액을 SCR 촉매 상류에 주입하여 요소가 분해되면서 생성되는 암모니아를 사용하여 NOx를 선택적으로 환원시키는 것이기 때문에 SCR 촉매를 기준으로 보았을 때 암모니아-SCR이라고 볼 수 있다.

전술한 바와 같이, 요소 수용액을 엔진의 배기관 내에 분사하여 질소산화물을 정화하는 방법은 일반적으로 잘 알려져 있다.

그러나 요소수용액을 배기관 내에 단순히 분사하는 것만으로는, 요소수용액의 분해로 생성된 암모니아가 질소산화물과 균일한 혼합을 이루어 효과적인 질소산화물의 저감을 이루기가 쉽지 않다.

한편, 엔진 배기가스의 유동은 배기계 레이아웃에 따라 유동의 치우침 현상이 발생하게 된다.

이러한 배기가스의 유동은 매우 일반적이며, 이런 배기관 내에 요소수용액을 분사한다고 하여도 균일한 혼합을 기대하기는 어렵다.

따라서, 요소수용액의 치우침 현상이 발생하고 요소수용액의 액적화 진행에 따라 요소수용액 고임 현상이 발생하게 된다.

도 7에서 보는 바와 같이, 요소수용액이 고여 요소 응착 현상이 발생하여 차 량의 고온 운전시 응착된 고형물이 탈착되어 암모니아를 발생시키는 2차 문제도 야기된다.

암모니아 가스는 대기 중에 10ppm 이상이 배출될 경우, 매우 역겨운 냄새를 유발시키며 이는 고가의 차량 상품성에 매우 치명적인 영향을 미친다.

이와 같이, 엔진 배기관 내에 분사되는 요소수용액과 배기가스의 비균일 혼합에 따라 배기관의 요소부산물 침적 등의 문제가 발생하고, 상기와 같은 부산물의 침적은 배기관의 부식을 가속시켜 내구 수명을 단축시킨다.

따라서, 요소수용액의 분사에 대한 질소산화물과의 균일한 혼합을 유도하여 질소산화물의 정화 효율을 증가시킬 필요가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 엔진 배기가스의 질소산화물을 효과적으로 환원하기 위하여 배기관 내에 물리적인 분산장치를 형성 장착하여, 배기가스와 요소수용액을 고루 분산함으로써 엔진 배기가스와 요소수용액의 치우침 현상을 방지하고, 질소산화물과 요소수용액의 균일한 혼합을 유도할 수 있는 요소수용액 분산장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 요소수용액 분산장치에 있어서,

중앙이 빈 공간으로 이루어진 원형의 플레이트 형상의 테두리와; 원형의 밴 드 플레이트로 형성되어 상기 테두리에 고정되는 고정대와; 상기 고정대의 내면에 고정되는 밴드 플레이트 형상의 날개 프레임과; 상기 날개 프레임에 일체로 형성되어 배기가스와 요소수용액을 분산시키는 플레이트 형상의 날개;로 이루어져 엔진의 배기가스와 요소수용액을 고루 분산하고 균일한 혼합을 유도할 수 있도록 엔진 배기관 내에 설치되는 것을 특징으로 하는 요소수용액 분산장치를 제공한다.

바람직한 일구현예로서, 상기 날개 프레임이 격자모양으로 형성되어 배기가스와 요소수용액의 균일한 분산을 유도하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 다른 일구현예로서, 상기 날개는 상기 날개 프레임에 상하로 교번되어 소정의 각도를 가지며 일체로 형성된 것을 특징으로 한다.

바람직한 또 다른 일구현예로서, 상기 날개는 날개와 날개 프레임이 이루는 각도와 날개의 길이를 조절하여 배기가스와 요소수용액이 분산되는 정도를 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.

첨부한 도 2는 본 발명에 따른 요소수용액 분산장치를 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2의 측면도이며, 도 4는 도 2의 날개 프레임과 날개를 후부에서 바라본 일부 사시도이다.

본 발명은 엔진의 배기관 내에서 배기가스와 요소수용액의 균일한 혼합을 유도하기 위하여 날개 프레임(1)과 날개(2)와 고정대(3) 및 테두리(4)로 이루어진 간단한 장치를 이용하여 배기가스와 요소수용액을 고루 분산시키는 것에 주안점이 있다.

상기 테두리(4)는 중앙이 빈 공간으로 이루어진 원형의 플레이트로 형성되고, 상기 고정대(3)는 원형의 밴드 플레이트로 형성되어 상기 테두리(4)의 내주면에 고정된다.

상기 날개 프레임(1)은 격자모양의 플레이트 형상으로, 상기 고정대(3)의 내면에 고정하여 배기가스와 요소수용액의 효과적인 분산을 유도한다.

상기 날개(2)는 사각의 플레이트 형상으로, 상기 날개 프레임(1)의 가로판과 세로판 중 일측에 일체로 형성되되, 상하 방향으로 교번되어 날개 프레임(1)에 대해 소정의 각도를 가지고 형성된다.

이때, 상기 날개(2)는 분산장치의 후부 즉, 고정대(3)가 테두리(4)에서 돌출된 쪽에 형성된다.

상기 날개(2)는 날개(2)와 날개 프레임(1)이 이루는 각도와 날개(2)의 길이를 조절하여 배기가스와 요소수용액이 분산되는 정도를 조절할 수 있다.

따라서, 차량과 엔진 배기량 및 배기계 레이아웃의 형상에 따라 상기 각도와 길이를 적절하게 조절하여 형성되어야 한다.

본 발명의 분산장치는 그 크기를 조절하여 엔진 배기관 내에 어느 위치에든 장착이 가능한 구조로서 삽입형과 고정형으로 모두 사용 가능하다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 요소수용액 분산장치의 사용상태를 설명하면 다음과 같다.

먼저 차량과 엔진 배기량 및 배기계의 레이아웃에 맞게 분산장치의 크기와 날개(2)의 길이, 날개(2)와 날개 프레임(1)이 이루는 각도 등을 조절하여 적절하게 구성한다.

배기계의 레이아웃에 따라 배기가스 유동의 치우침 현상이 발생하는 곳이나 요소수용액의 균일한 분산이 필요한 부분에 분산장치를 설치한다.

실린더 헤드의 배기 포트로부터 배출되는 배기가스가 배기 매니폴드를 통해 배기 시스템으로 이송되면 배기계의 레이아웃에 따라 배기가스 유동의 치우침 현상이 발생하게 되는데, 이때 배기가스가 분산장치를 통과하게 되면 상기 배기가스는 날개(2)와 날개 프레임(1)이 이루는 각도와 날개(2)의 길이에 따라 각 방향으로 고루 분산되고 배기가스의 유동이 개선되어 배기계의 레이아웃을 수정하지 않고서도 유동의 균일성이 향상된다.

그리고 배기가스를 정화하기 위하여 요소수용액이 분사되면 그 액적이 분산장치에 부딪혀서 여러 방향으로 분산된다.

따라서, 상기와 같이 여러 방향으로 고루 분산된 배기가스와 요소수용액은 보다 균일한 혼합을 이룰 수 있게 된다.

이에 따라, 배기가스 내의 질소산화물이 효과적으로 정화되어 그 정화율이 상승하게 된다.

도 6에서 동일한 레이아웃을 갖는 배기계 내부에 본 발명에 따른 분산장치를 적용하여 사용전(a) 참조)과 사용후(b) 참조)의 질소산화물을 측정하여 질소산화물 정화율의 단면분포도를 도시하였다.

분산장치를 사용하기 전에는 정화율의 분포가 아래쪽으로 치우쳐 있는 반면, 사용한 후에는 정화율의 분포가 아래쪽으로 치우친 것이 상당부분 개선되었고, 전 체적인 정화율이 많이 향상되었다.

본 발명은 인테이크 매니폴드에 적용하여 유동의 흐름을 개선하는 등의 목적을 위해 분산장치의 형상을 본떠서 손쉽게 개선하는 것으로 본 발명과 동일한 효과를 기대할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 요소수용액 분산장치는 엔진 배기가스와 요소수용액을 여러 방향으로 고루 분산시켜 배기가스 내의 질소산화물과 요소수용액의 균일한 혼합을 유도하여 질소산화물을 효과적으로 정화하는 것이 가능하다.

또한, 배기가스 유동의 흐름을 개선하여 유동의 치우침 현상을 방지한다.

부수적으로, 요소수용액이 질소산화물과 균일한 혼합을 이루게 됨으로써 요소수용액의 고임 현상이 방지되어 배기관 내에 요소 응착 현상을 방지한다.

Claims (4)

1. 삭제
2. 삭제
3. 중앙이 빈 공간으로 이루어진 원형의 플레이트 형상의 테두리(4)와, 원형의 밴드 플레이트로 형성되어 상기 테두리(4)에 고정되는 고정대(3)와, 상기 고정대(3)의 내면에 고정되는 밴드 플레이트 형상의 날개 프레임(1)과, 상기 날개 프레임(1)에 일체로 형성되어 배기가스와 요소수용액을 분산시키는 플레이트 형상의 날개(2)로 이루어져 엔진의 배기가스와 요소수용액을 고루 분산하고 균일한 혼합을 유도할 수 있도록 엔진 배기관 내에 설치되는 요소수용액 분산장치에 있어서,

   상기 날개(2)는 상기 날개 프레임(1)에 상하로 교번되어 소정의 각도를 가지며 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 요소수용액 분산장치.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 날개(2)는 날개(2)와 날개 프레임(1)이 이루는 각도와 날개(2)의 길이를 조절하여 배기가스와 요소수용액이 분산되는 정도를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 요소수용액 분산장치.

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