JP2009510323A - 内燃機関の排気ガス加熱装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ＬＰＧ、ＬＮＧ、揮発油、軽油、バイオディーゼルまたは含酸素炭化水素であるＤＭＥを燃料として駆動する内燃機関の排気ガス浄化装置の加熱器に係る構成に関する。小容量の燃焼改質器、排気ガス吸入部及び２次燃料供給装置を特徴として構成される。また、排気ガス吸入部を設置することによって排気ガス中に包含されている酸素を活用して改質ガス燃焼を誘導する。加熱装置を駆動するとき、触媒反応器と２次燃料供給装置に空気と燃料を単一の導管で供給する。これによって、燃焼改質器によって供給されるＬＰＧ、ＬＮＧ、揮発油、軽油、バイオディーゼルまたは含酸素炭化水素であるＤＭＥの熱分解による燃料供給用導管内の炭素沈積現象を排除することによって、排気ガス加熱装置の耐久性を確保し、燃焼改質装置に外部空気の供給量を最少化することのできる排気ガス加熱装置及び運転方法を提供する。

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス加熱装置に関する。より詳細には、ＬＰＧ、ＬＮＧ、揮発油、軽油、バイオディーゼルまたは含酸素炭化水素であるＤＭＥ（以下、燃料と表記する）を燃料にして駆動する内燃機関の排気ガスを浄化させる装置の加熱に必要な内燃機関の排気ガス加熱装置に関する。

内燃機関によって駆動される車両は、粒子相物質（Particulate Material）と窒素酸化物を持続的に排出するので都心汚染の主要原因であり、このため車両に対する環境的規制がますます強化されつつある。

このような汚染物質を除去するための方法として、エンジン効率性の極大化及び燃料の高級化を通じて源泉的に汚染物質の排出量を減少させるための努力とともに粒子相物質の除去用フィルタ、窒素酸化物除去用触媒剤のような排気ガスの後処理に対する研究が推進されている。

それにも拘らず、排気ガスの後処理工程は、車両状態と運行条件とに非常に依存的であるため、適用される対象は非常に限定的である。

現在、フィルタを再生させるためのエネルギ源として、電気加熱方式とバーナを利用する燃焼熱を活用する方案が試図されているが、前記のシステムが適用されるためには、使用可能な電力の制限、または外部バーナの設置に必要な空間確保などの問題を解決しなければならない。

最近、排気ガスの中に炭化水素を供給することにより排気ガスを加熱および／または改質を通じて還元ガスを形成するための概念特許などが多数出願されているが、この燃焼／改質に必要の具体的なシステムの構成を提示していない。

排気ガスの中に炭化水素を噴射する場合、軽油はその沸点以下の低い温度で再凝縮が進行され、これを抑制するためにはまた別途の排気ガス加熱装置の設置が必要とならざるを得ない。

このような問題点を補完する方法として、電気を利用した蒸発器を使用して軽油を蒸気（vapor）に転換させた後、排気ガス中に混合してＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst；ディーゼル酸化触媒）において燃焼させる方法に関して発表されたことがある。

しかし、ＤＯＣの温度が２３５℃以下においては、気化燃料の燃焼が不可能であり、低い排気ガスの温度によって、気化された燃料の再凝縮への対備がさらに必要となるため、燃料噴射期間の制限を伴う。

図１は、従来の燃料噴射によるＤＰＦ加熱の一般構成図であって、エンジン１０から出た排気ガスに熱源を補助するための燃料を排気ガスと混合してＤＯＣ１１に導入し、前記ＤＯＣ１１において前記排気ガスと燃料が酸化されて熱が発生し、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter；ディーゼル微粒子除去装置）１２を再生させることのできる熱源として使用する。

前記ＤＯＣ１１は、排気ガス中に含有されている一酸化炭素、炭化水素、粒子相物質の中から可溶性有機物質（soluble organic fraction；ＳＯＦ）及びＤＰＦの加熱用として供給する燃料の燃焼作用がある。

前記ＤＰＦ１２は、前記ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）の後端に直列配置される構成に従い、ディーゼルエンジンから発生する粒子相物質をフィルタに捕集させることによって、粒子相物質の排出を抑制し、粒子相物質が一定量以上捕集されるときには、外部供給の熱源によって捕集された粒子相物質を燃焼させてフィルタを再生させる。

図１においては、前記ＤＯＣ１１から発生される熱を使用している。
図２は、図１に比べて燃料蒸発装置２１をさらに追加し、前記燃料蒸発装置２１は、排気ガスに燃料（特に軽油）を気化させて供給することにより排気ガスとの混合性を向上させてＤＯＣ２２における酸化反応を促進する役割を行う。

内燃機関の排気ガスは、特にディーゼル車両の場合、粒子相物質をフィルタ（金属、またはセラミックス材質）に捕集して連続的に酸化させるか、または／同時に周期的に燃焼させて粒子相物質を除去することによりフィルタを再生させる。

フィルタの再生周期は、排気ガスの温度分布およびＮＯｘ／ｓｏｏｔの比によって流動的である。また、排気ガスの温度は、車両のモデル、エンジンの形式、道路の状態、交通渋滞度などへの従属性を有し、ＮＯｘ／ｓｏｏｔの比率もＥＧＲ率に従って可変的である。

つまり、以上のように、後処理装置の性能を考慮して排気ガスの温度を調節するために、（運行車両における）エンジンの運用条件を変化させることは不可能であることが現実であることから、排気ガスを加熱するために独立的な別途の加熱システムを必要とする実情である。

本願発明は、前記のような問題を解決するために案出された発明であって、改質反応用触媒反応器への空気供給量を最少化することができ、車両の運行条件とは独立的にＤＰＦを再生させることのできる排気ガス加熱装置を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、排気ガス加熱装置の内部において、炭化水素供給用チューブの内部に生成するコークスを排除するためのシステムの構成と運転方法を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、内燃機関の排気ガス加熱装置において所定のガスから窒素酸化物を除去する還元ガスを供給するための、窒素酸化物除去用還元ガスの製造装置を提供することである。

前記の課題を解決するために本発明は、触媒改質器の後端に排気ガスの一部が改質反応器の内部に伝達（吸入）されるように、排気ガス吸入孔を形成して改質反応器から排出される還元ガスの着火を誘導して外部からの空気供給量を最少化し、排気ガス中に包含されている酸素を酸化剤として活用させるようにする。

また、本発明は、排気ガスの排出管体の内部に、燃焼改質触媒と電熱ヒータが装着されている触媒反応器に燃料を供給する導管を設けて、燃料とともに酸化剤である空気を供給することとしてもよい。

前記排気ガス吸入孔は改質触媒層の後端に設置され、改質ガスを燃焼させて２次燃料の蒸発及び着火を可能にする高熱部を形成することとしてもよい。

このように、排気ガス中に含まれている酸化剤を活用することによって外部空気の供給量を顕著に低めることができる。
このことにより、空気圧縮器の駆動に要する電気エネルギの消費を最少化することができる。

また、排気ガスの一部を触媒反応器に導入する構成の反応器の場合、排気ガスの吸入量を最少化し、相対的に圧力損失の低い２次吸入を通じて酸化剤を吸入するため、排気パイプ内の圧力損失を最少化して燃費の低下を緩和することができる。

本発明の燃料／空気の供給ラインは、その内部の燃料を蒸発させるための滞留時間及び伝熱面積を増大させるように形成されることとしてもよい。

また、前記燃料／空気の供給ラインは、管体の内部が管体の長手方向に進行する螺旋形に形成されることとしてもよい。

また、前記燃料と空気の導入は、時間差で、燃料供給と空気供給とを交互に導入することとしてもよい。

また、本発明は、改質ガスの着火によって形成される高温部に燃料の加熱部および／または改質部を備え、改質ガスの排出部を４００℃（エンジン形式によって可変的であるが）以下となる位置に形成し、改質ガスの自然着火を抑制することにより、改質ガスを円滑に触媒表面に伝達することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付した図面を参照して説明する。下記の各図面の構成要素に対する参照符号は、同一の構成要素の場合は、他の図面上に表示されるものと可能の限り同一の符号を付与し、本発明の要旨が混同されると判断される公知機能及び構成に対する説明は省略する。

本発明においては、触媒反応器を排気ガスが移動する空間の内部に位置させることによって、排気ガスにより加熱器を冷却させる作用を確保するとともに、排気ガス中に含まれている酸素を利用して炭化水素の燃焼を誘導し、この過程で生成された熱を活用して後端装置（ＤＯＣ、ＤＰＦ）と、図面内に表記されていないＤｅ−ＮＯｘ用触媒またはＮＯｘＴｒａｐの加熱を行うことができる。

また、前記触媒反応器の後端には２次燃料の噴射部を設置している。
また、２次燃料または空気を噴射する以前にこれをガス化させるために、３５０℃以上まで加熱されるように予熱部または蒸発領域を備える。このときの熱源は、別途の空間に加熱装置を装着する必要がなく、触媒反応器の後端の高熱部に設置させることができる。

また、２次燃料または空気の供給ラインには、自体の燃焼熱によって導入燃料を加熱するための熱交換／加熱部（recuperator、復熱装置）を設置することによって、システムを容易にコントロールすることができる適宜性を提供する。

このとき、もっとも重要な事項は、前記２次燃料／空気供給ラインの燃料／空気の噴射ノズルは、改質反応器の後端の近くに位置させることにより、改質器のキャパシティが小さくても２次燃料の着火が円滑に進行されることができるので好ましい。

さらに、より好ましくは、２次燃料／空気供給用噴射ノズルの後端に予熱部が位置されるようにするとき、自体の燃焼熱によって２次燃料／空気の混合ガス、または燃料の予熱と蒸発を進行することができるので着火がさらに容易になるとともに、これによって燃料の液相状態での供給を根源的に排除することができる。

前記２次燃料／空気供給用噴射ノズルの後端に位置づけされる加熱／蒸発器の形態は、ガスの流れに対する影響を最少化しながら、高熱と接触することのできる空間を与える形態であることが好ましく、特別な制限条件はない。

前記加熱／蒸発装置は、適用車両の排気量にしたがって、２つ以上を直列または並列状に設置して、加熱器内の温度の均一性を図るとともに加熱容量を増大させることができる。

即ち、排気ガスの容量にしたがって、触媒反応器の基本サイズは同一のサイズに維持するとともに、これによって局部的な高温部を形成してガスの流れの後流側に多数の供給器を直列または並列に設置することによって適用サイズに対する対応性（調節機能）と加熱器内の温度の均一性を向上させることができる。

また、加熱及び蒸発部（recuperator）は、２次燃料／空気供給用噴射ノズルの後位に位置づけるとき、着火によって生成される熱源を活用することができ、多量の燃料を気化／燃焼させて供給することができるので好ましい構成である。

ここで、２次燃料が着火されないまま、単純蒸発または改質を通じてＤＯＣで燃焼が進行される場合、ＤＯＣのキャパシティを増大させねばならず、燃焼可能な条件温度のみにより噴射しなければならない制限がある。

したがって、本発明のように、２次燃料を着火させることにより大部分の燃料を燃焼させるので、本加熱器を適用する場合、ＤＯＣを不要にするか、または縮小維持することのできる付加的なメリットがある。

本発明において、さらに重要な特徴部分は、改質反応器の後端において改質ガスに排気ガスを混合させるための排気ガス吸入孔を有していることである。また、燃料を空気と混合して導入するか、空気と燃料を交互に導入することにより燃料供給ライン内における炭素の沈積による詰まりを防いでいることである。

また、他の発明は、前記内燃機関の排気ガス加熱装置を備え、所定のガスから窒素酸化物を除去する還元ガスを提供するための、窒素酸化物除去用還元ガスの供給装置を提供する。

前記還元ガスの供給方法における還元ガスは、燃料／空気供給ラインを通じて供給される燃料の供給量を増大させるか、または、反応器内への排気ガスの導入量を減少させることにより不完全燃焼を誘導する方法によって得ることができる。より多量の還元ガスを得るためには、反応器後端部に位置する高熱部に予熱部を設置して燃料の熱分解を進行させ、この排出部であるノズルを還元ガスに着火が不可能な温度領域に位置させることにより還元ガスが排気ガスの中に混合されるようにし、反応器の後端においてＮＯｘ除去用還元剤として使用することができる。

以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照して詳細に説明する。
図３は、本発明によるＤＰＦ加熱システムの模式図であって、図１または図２における従来の燃料供給方式を代替して排気ガス加熱装置１２００、１３００が装着されたシステムの構成を表す模式図である。

燃料は、実施例による車両の場合、用意された同一の種類を使用することができ、例えば同一の場所で運用される小型発電機などの場合は、異なる種類の炭化水素を使用することができ、酸化剤である空気は外部の圧縮装置を通じて供給される。
以下、実施例と実験例を挙げて詳細に説明する。

［実施例１］
図４は、本発明の実施例１による排気ガス加熱装置１２００を概略的に図示している。
図４を参照して、前記排気ガス加熱装置１２００は、触媒反応器５００、点火器１７０、導入排気ガスの着火部９００、また、燃料の２次噴射のための噴射手段、及び燃焼ガスと排気ガスとを混合する混合器２００と、排気ガスの移動空間を形成するハウジング１００によって構成され、排気ガスの加熱を行う独立の部品を備える。なお、前記混合器２００は、加熱装置１２００を装着する便宜によってはハウジング１００の外部に位置させても加熱装置の役割に支障がない。

前記着火部９００の側面には、排気ガスが燃焼領域９２０に導入されるように、多数の流入孔９１０を形成する。前記多数の流入孔９１０は、燃焼領域９２０の前部には少数の流入孔が形成されるとともに、燃焼領域９２０の後部には多数の流入孔を形成して、前記流入孔９１０を介する空気の導入量が漸次的に増加されるようにする。

また、前記着火部９００と前記触媒反応器５００との間には、燃焼改質触媒５１０を固定するために多数の孔を有する分離板５２０が設置される。

前記触媒反応器５００の形態は特に限定しないが、図４に示されるように、排気ガスの流入と燃料を導入する導入部７００の断面積は、燃焼が進行するに従って生じる体積の膨張を考慮して燃焼改質触媒５１０が機能する反応部の断面積より小口径にすることが好ましい。

前記導入部７００と反応部の断面積の比が０．１〜０．９範囲を維持する時、点火が迅速に進行され、未燃炭化水素のスリップ（slipping）を最少化することができる。

したがって、前記触媒反応器５００は、直径が互に異なる２つの管体でありながらテーパ状になっている連結部位を有する形状でなり、略じょうごのような形態に形成される。

本発明に使用される前記触媒反応器５００は、局所加熱を通じて着火を進行することができるので、車両の運行条件（排気ガスの温度）と関係なしに、エンジンの空回転状態（排気ガスの温度１００℃）においても排気ガス加熱装置１２００を稼動させてＤＰＦの加熱と窒素酸化物を除去するための還元剤を供給することができる。

特に、触媒反応器５００の性能を極大化する運用方法として、前記触媒反応器５００を通過した燃焼ガスとの熱交換によって、前記導入部７００に供給される燃料を予熱する１次燃料予熱ライン３２０を前記反応器５００の後端部側に配置させる。

前記１次燃料予熱ライン３２０は、図示しない外部からの燃料供給源と連通されている１次燃料供給ライン３００と連通されるとともに、前記ハウジング１００の内部で数回折曲させて前記燃料ガスとの接触面積を極大化させている。

また、前記１次燃料供給ライン３００には、燃焼を補助するための空気を供給する１次空気供給ライン３１０が連通される。これは、燃料の熱分解によって生成するコークスの沈積による導管の詰まりを防止するべく、前記１次燃料供給ライン３００に空気を同時に供給するためである。

また、本実施例１（図４）による前記排気ガス加熱装置１２００には、さらにハウジング１００内部の前記触媒反応器５００の後端部に２次燃料を供給する２次燃料予熱ライン６３０と、該２次燃料予熱ライン６３０の末端部にノズル６２０が装着されている。

前記２次燃料予熱ライン６３０と前記ノズル６２０は、前記１次燃料予熱ライン３２０と前記触媒反応器５００との間に配置されている。

また、前記２次燃料予熱ライン６３０は、図示しない外部からの燃料供給源と連通されている２次燃料供給ライン６００と連通されるとともに、前記ハウジング１００の内部で数回折曲させて前記燃焼ガスとの接触面積を極大化させている。

また、前記２次燃料供給ライン６００には、燃焼を補助するための空気を供給する２次空気供給ライン６１０が連通される。これは、燃料の熱分解によって生成するコークスの沈積による前記ノズル６２０の内部及び導管の詰まりを防止するように、前記２次燃料供給ライン６００に空気を同時に供給するためである。

上記のように、前記１次燃料供給ライン３００及び２次燃料供給ライン６００によって間欠的に空気を供給することによって一定時間中に生成されたコークスを除去することができるので、外部からの空気供給量を最少化するとともに導管の詰まりを防止することができる。

また、燃焼改質触媒５１０の特性上、８００℃以上の高温では反応速度が非常に速いので反応物の空間速度を非常に高く（２００，０００／ｈｒ以上）維持することができるので、改質触媒である貴金属の使用量を最少化することができる。

本実施例１による前記触媒反応器５００の燃焼改質触媒５１０が充填されている反応部の断面は、円型または多角型とすることができ、その形態に制限はない。しかし好ましくは、膨張部である触媒反応器５００の直径／対角線は５０ｍｍ以下が適切であり、より好ましくは４０ｍｍ以下が好適である。

前記燃焼改質触媒５１０は、特別な制限条件はなく、既存公知の燃焼触媒及び改質触媒をすべて使用することができる。

前記触媒反応器５００の導入部７００には、点火器１７０が設置され、前記点火器１７０は前記ハウジング１００の壁体に設置されている点火器連結口１３０と、該連結口に挿入される電熱ヒータ連結管１４０とに連結され、前記電熱ヒータ連結管１４０を貫通する電源供給ライン１５０によって電源が供給される。

また、前記混合器２００は、前記ハウジング１００の後端部に設置され、改質されたガスと、触媒反応器５００を通過しない排気ガスとを混合する役割を有し、改質ガスを燃焼させるＤＯＣに燃料が均一に供給されるようにしてＤＯＣのダメージを抑制する。

本発明による触媒反応器５００には、酸化触媒と改質触媒を混合して使用することとしてもよい。
ただ、酸化力（酸化率）を強化させるために、酸化触媒の含量を８０重量％以上使用することが好ましい。さらに望ましい態様は、軽油と空気（または排気ガス）が導入される導入口には、酸化触媒１００重量％を使用するとともに、触媒反応器５００の後部においては、１００重量％の改質触媒を使用することとして分けて装着することが好ましい。本実施例１においては、酸化触媒１００重量％を使用した結果を示している。

［実施例２］
図５は、本発明の実施例２による反応器５０１の概略的な断面図である。図５に図示されていない部分は、図４の図面と同一であり、以下の説明も同一の符号を使用する。

実施例２における反応器５０１は、実施例１の反応器５００と同一であるが、着火部９０１に排気ガスの導入量を増大させて容量の増加を図るため、図５に示したように、流入孔９１１の外側の排気ガスを前記流入孔９１１側に集中させる導入器９３１を設置する。

前記導入器９３１は、略コーン形状を有し、前記着火部９０１の後端になるほど口径が小さくなるように形成される。
したがって、実施例１の着火部９００に比べて、前記流入孔９１１に流入される排気ガスの量を大きく増大させることができる。

［実施例３］
図６は、本発明の実施例３における反応器５０２の概略的な断面図である。図６において未図示の部分は、図４の図面と同一であり、以下の説明もやはり同一の符号を使用する。

本実施例３は、前記実施例２と同様に着火部９０２に排気ガスの導入量を増大させて容量の増加を図るため、図６に図示したように、流入孔の外側に排気ガスを前記流入孔側に方向を転換させる導入管９３２を設置する。

実施例１のように着火部９０２に形成されている排気ガス流入孔の方向と前記着火部９０２の周囲において排気ガスが流れる方向は略垂直である。

よって、排気ガスは、前記着火部９０２の内側と外側の圧力差によって前記流入孔に導入される。したがって、これを補助するため、強制的に前記排気ガスの進行方向を流入孔の方向と一致させることのできる折曲されたチューブ形態の導入管９３２を設置して、前記流入孔を通じた排気ガスの導入量を増大させることができる。

ここで、前記実施例２と前記実施例３とを比較するとき、好ましい形態は、実施例２の形態であって、コンパクトな外形とともに上部の触媒反応器の高温部を通過させることにより排気ガスが加熱されることができるので、改質ガスの着火をより迅速に進行することができて効果的である。

［実施例４］
図７には、本発明の実施例４における排気ガス加熱装置１３００を概略的に図示する。
本発明の効果をより高めることのできるさらに他の構成を図７に図示する。反応器５０３に必要とする空気を外部から受け入れなくとも、排気ガス中の一部を導入する形態で構成することができる。

つまり、導入部７００の前端に排気ガスを吸入するラッパ型吸入用コーン（suction cone）７１３を一体的に装着する。

このような構成によって、１次燃料への空気供給のための使用電力を最少化することができる。

なお、本実施例４における加熱器１３００は、前記吸入用コーン７１３を装着したことを除いては実施例１と同様に構成される。

次いで、本発明において使用する燃焼改質触媒５１０の製造方法を説明する。
先ず、白金を活性成分として使用し、その支持体はアルミナを使用した。活性金属である貴金属の含浸に先立って３〜５ｍｍ粒子形状の活性化アルミナ（ｇａｍｍａ−Ａｌ_２Ｏ_３、Ｃａｎｔｏ製品）に硝酸セリウム（Ｃｅ（ＮＯ_３）_２・ｘＨ_２Ｏ、Ａｌｄｒｉｃｈ社製品）を含浸して乾燥（１０５℃、２４時間）させた後、これを１３００℃で１２時間焼成した。完成された複合支持体に塩化白金酸（Ｈ_２ＰｔＣｌ_６・ｘＨ_２Ｏ、ハンギョルゴールド社製品）を蒸留水に溶解して白金を含浸した。各前駆物質中、セリウムは支持体を基準にして１０重量％、白金は支持体全体重量を基準にして０．２重量％となるように添加した。白金含浸の後、乾燥（１０５℃、２４時間）、焼成（１０００℃、２４時間）を経て製品を完成した（Ｐｔ／Ｃｅ／Ａｌ_２Ｏ_３）。

本発明による前記排気ガス加熱装置１２００、１３００を使用して排気ガスを加熱するとき、これによる被加熱体であるＤＰＦの形状、または材料的な特性について特別な制限条件はない。現在、製品として市販されているセラミックス系、金属系、ＳｉＣまたはＳｉＮで構成されたモノリス（monolith）型、フォーム型、または粒子型のように多様な形態のフィルタに適用することができる。

ただ、捕集された粒子相物質（ＰＭ）の燃焼によってフィルタが局部的に過熱されることがあるため、少なくとも９００℃以上の耐熱性を必要とする。

また、このフィルタには貴金属系酸化触媒または窒素吸蔵金属のコーティングを通じて作用温度を低くする方法も利用することができる。

本発明によるＤＰＦ加熱システムを運用するための主要測定位置及び項目を次に列挙する。
ＤＰＦの前後の差圧 ΔＰ
触媒反応器５００に流入する排気ガスの温度 Ｔ１
触媒反応器５００の排出ガスの温度 Ｔ２
２次燃焼の排出ガスの温度 Ｔ３
ＤＯＣ入口の排気ガスの温度 Ｔ４
ＤＯＣ出口及びＤＰＦ入口の排気ガスの温度 Ｔ５
ＤＰＦ出口の排気ガスの温度 Ｔ６

ＤＰＦの圧力損失ΔＰのモニタリング過程において、粒子相物質の捕集量増加による基準値以上の圧力損失が感知される時、点火器に電源を供給して燃焼改質触媒５１０の加熱を進行する。

このとき、Ｔ１の温度が３５０℃以上であると、電源供給の過程が省略されることができる。また、触媒反応器５００の温度が３５０℃以下であるときは、５〜６００秒間電源を印加して燃料を供給する。

触媒反応器５００の排出ガスの温度Ｔ２が３００℃以上に達すると、ヒータの電源供給を中断する。
触媒反応器５００に燃料供給量を増加させて２次燃焼排出ガスの排出部の温度Ｔ３を６００℃以上に上昇させる。

２次燃料を供給してＴ５の温度を５００℃以上に維持してＤＰＦ３０００の再生を進行する。
フィルタ差圧ΔＰが基準値以下に低くなるまで燃料を供給して再生を進行する。

ＤＰＦの出口の排気ガスの温度Ｔ６が６５０℃以上（ＤＰＦの耐熱性によって可変的であるが）に至らないように燃料供給量を調節してフィルタの損耗を防止する安全モードを制御部（ＥＣＵ）内に包含する。

以下、本発明による内燃機関の排気ガス加熱装置の実験結果に対して詳細に説明する。なお、以下の実験例は前記実施例３（図６）に準じて実験した。

（実験例１）
触媒反応器５０２は空気及び燃料導入部７０２にステンレス３１６素材の３／４インチティ（Tee）を使用するとともに、前記触媒反応器５０２は、ステンレス３１６素材の内径３５ｍｍパイプを使用して点火器部分の直径は小径するとともに、主反応器部分の直径は拡張させた構造になるように作製した。発明の詳細な説明で記述した燃焼触媒（Ｐｔ／Ｃｅ／Ａｌ_２Ｏ_３）３５ｍｌを前記触媒反応器５０２に装入した。

前記着火部９０２は、前記主反応器５０２の直径と同一のチューブ側面に図６のような構成になるように１／４インチのエルボ（elbow）２つと３／８インチのエルボ４つを接合して改質ガスの中に排気ガスを混合した。

ガス導入部には、初期加熱用点火器１７２と、空気及び燃料供給ラインを連結して作製した。前記加熱器は、外部で分解組立が可能になるようネジの末端部分にヒータが装着された常用製品（ディーゼル車両用加熱プラグ）を使用した。

２次燃料供給の配管は、１／８インチのステンレスチューブを使用して作製した。
前記触媒反応器５０２、前記着火部９０２及び１次燃料予熱ライン３２０及び２次燃料予熱ライン６３０を内径１０cm、長さ２５cmのハウジング１００の内部に装着して完成した。

本発明の排気ガス加熱装置を図３の順序で車両の排気口に装着して性能を測定した。ただ、ＤＰＦ３０００の装着は省略し、ＤＯＣ（２．５リットルエンジン用商用製品）入口・出口温度Ｔ４、Ｔ５と排気ガス加熱装置１２００の周辺温度Ｔ１、Ｔ２を測定した。

実験においては、過給機（super charger）が装着された２．５リットルディーゼル車両を使用した。エンジン起動の後、無負荷空回転１３００ｒｐｍの状態を３０分間維持して排気ガスの温度が正常状態を維持した条件下で、排気ガス加熱装置１２００を作動して排気ガスの加熱状態をモニタリングした。

先ず、点火器１７１（図５）に３分間２４Ｖ直流電源を供給し、空気と燃料を供給して起動させた。点火した後、空気と燃料の供給量は、図８のグラフに示すように変化させた。空気は圧縮機を使用して供給し、軽油は液相ポンプを使用して供給した。実験時間の経過による各部分の温度は１秒間隔にモニタリングした。

実験結果を図９に示す。１００℃以下の排気ガスをＤＰＦの再生温度である５５０℃以上に加熱することができた。
また、燃料供給量とＤＯＣの後端部の温度は、図１０に示すように線形の関係を得た。

前記のように、本発明の好ましい実施形態を参照して説明したが、該当技術分野の熟練された当業者であれば、特許請求の範囲に記載の本発明の思想及び領域を逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更することができる。

本発明に係る排気ガス加熱装置は、エンジンの負荷及び回転状態とは独立的に、排気ガスを必要とする温度まで加熱することができる。したがって、自己再生が難しい中小型ディーゼル車両用第３世代ＤＰＦシステムの構成に必須とする核心モジュールとしてその活用性が期待される。

従来技術の燃料噴射によるＤＰＦ加熱システムの模式図である。 従来技術の燃料蒸発器を利用したＤＰＦ加熱システムの模式図である。 本発明によるＤＰＦ加熱システムの模式図である。 本発明の実施例１における排気ガス加熱装置の一具体例を示した図面である。 本発明の実施例２における排気ガスの吸入部分の構成例を示した図面である。 本発明の実施例３における排気ガスの吸入部分の構成例を示した図面である。 本発明の実施例４における排気ガス加熱装置の構成の一具体例を示した図面である。 実施例３における実験条件の変化を示した図面である。 実施例３における実験結果のグラフ図である。 実施例３における実験結果のグラフ図である。

Claims (12)

1. 管体型のハウジングと、
   該ハウジング内に装着され、排気ガスを燃焼／改質させるために燃焼改質触媒を充填し、前端部に電熱ヒータが設置された排気ガス導入部と、
   該排気ガス導入部と前記ハウジングの外部から連結されて燃料を供給する１次燃料予熱ラインとが連結される触媒反応器と、
   該触媒反応器の後端部に設置され、前記触媒反応器から排出される燃焼改質ガスと、前記触媒反応器と前記ハウジングとの間を流れる排気ガスとの一部が混合されて可燃性物質を燃焼させる着火部と、
   該着火部の後端部に設置された２次燃料予熱ラインと、
   該２次燃料予熱ラインから燃料の供給を受けて前記排気ガス中に燃料を噴射して排気ガスを２次燃焼させるノズルと、
   前記触媒反応器の後端部に設置され、該触媒反応器の燃焼触媒を経由した燃焼ガスと前記触媒反応器と前記ハウジングとの間を流れる排気ガスとを混合する混合器とを備える内燃機関の排気ガス加熱装置。
2. 前記触媒反応器と前記着火部との間には、前記燃焼改質触媒を固定するとともに、燃焼改質ガスを通過させるように多数の孔が形成されている分離板が設置されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気ガス加熱装置。
3. 前記触媒反応器の導入部の前端部に排気ガスを吸入する吸入用コーン（suction cone）がさらに装着されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気ガス加熱装置。
4. 前記１次燃料予熱ラインと前記２次燃料予熱ラインは、前記ハウジング内で数回折曲されて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気ガス加熱装置。
5. 前記１次燃料予熱ラインと前記２次燃料予熱ラインは、それぞれ１次燃料供給ラインと２次燃料供給ラインとに連結されるとともに、該１次燃料供給ラインと２次燃料供給ラインには、空気を供給する１次空気供給ラインと２次空気供給ラインとがそれぞれ連結されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気ガス加熱装置。
6. 前記１次燃料予熱ラインと前記２次燃料予熱ラインに空気と燃料を交互に供給することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気ガス加熱装置。
7. 前記着火部の外周面には、外側の排気ガスを内部に流入させる複数の流入孔が形成されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気ガス加熱装置。
8. 前記流入孔は、前記着火部の後端になるほどその個数を増加させるか、または直径を大きくして排気ガスの流入量を増加させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気ガス加熱装置。
9. 前記着火部の周囲に前記流入孔を通じた排出ガスの流入を促進させるように導入器がさらに設置され、該導入器はコーン形態であって、前記着火部の後端部になるほど断面積が縮小するテーパ型であることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の排気ガス加熱装置。
10. 前記流入孔には、該流入孔を通じた排気ガスの流入を促進させるようにさらに導入管が一体的に設置され、該導入管は折曲されて前記排気ガスが流れる方向に対して平行な部分と垂直な部分とを含んで構成されることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の排気ガス加熱装置。
11. 請求項１乃至請求項１０に記載の内燃機関の排気ガス加熱装置を利用して窒素酸化物を除去する触媒剤またはトラップを加熱する方法。
12. 請求項１乃至請求項１０に記載の内燃機関の排気ガス加熱装置を利用して窒素酸化物を除去する還元剤を供給する方法。
    

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