KR20070053577A - 산화제 조절장치를 가지는 내연기관 배기가스 가열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LPG, LNG, 휘발유, 경유, 바이오디젤 또는 함산소 탄화수소인 DME를 원료로 구동하는 내연기관의 배가가스 정화장치의 가열에 필요한 내연기관 배기가스 가열장치에 관한 것으로, 관체의 하우징; 상기 하우징 내에 장착되어 배기가스를 연소/개질시키도록 연소개질촉매가 충진되고, 상기 촉매반응기의 도입부에는 점화기가 설치되며, 상기 하우징의 외부로부터 연결되어 연료를 공급하는 연료예열라인이 설치되고, 전단부에 배기가스를 유입하는 배기가스 흡입콘이 일체로 설치되는 촉매반응기; 상기 촉매반응기 후단에 설치되어 상기 촉매반응기로부터 배출되는 연소개질가스와 상기 촉매반응기와 상기 하우징 사이로 흐르는 배기가스의 일부 혼합된 가연성 물질을 연소하기 위한 연소촉매판; 상기 촉매반응기의 후단에 설치되어 상기 연소촉매를 경유한 연소가스와 상기 촉매반응기와 상기 하우징 사이로 흐르는 배기가스를 혼합하는 혼합기; 및 상기 배기가스 흡입콘으로 유입되는 배기가스의 양을 조절하는 공기흡입량 조절기구를 포함하는 내연기관 배기가스 가열장치이다.

탄화수소 연소, 탄화수소 개질, 내연기관, 환원가스, 가열기

Description

산화제 조절장치를 가지는 내연기관 배기가스 가열장치{Exhaust gas heating device for internal-combustion engine having oxidizer uptake control unit}

도 1은 종래기술의 연료분사에 의한 DPF 가열 시스템 구성도

도 2는 종래기술의 연료증발기를 이용한 DPF 가열 시스템 구성도

도 3은 본 발명에 따른 가열기를 사용한 배기가스 정화장치 구성도

도 4는 본 발명의 실시예1에 따른 배기가스 가열장치의 단면도

도 5는 콘형의 공기흡입량 조절기구

도 6은 도 5의 작동모습의 개략도

도 7은 스로틀밸브를 이용한 공기흡입량 조절기구

도 8은 스윙밸브를 이용한 공기흡입량 조절기구

도 9는 실시예에 따른 가열기 실험결과

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10,20,30: 엔진 11,22,2000: DOC

12,23, 3000: DPF 21: 증발장치

40: 차압센서 100: 하우징

130: 히터 연결구 140: 점화기 연결관

150: 전원공급라인 170: 점화기

200: 혼합기 300: 연료예열라인

400: 유량조절캡 440: 구동축

450: 액츄에이터 460: 스로틀밸브

461: 스윙밸브 500: 촉매반응기

510: 연소개질촉매 550: 촉매지지판

600: 배기가스 흡입콘 700: 도입부

800: 2차연료공급튜브 850: 2차연료공급노즐

860: 연료분사 액적 900: 연소촉매판

1000: 배기가스 가열장치

본 발명은 내연기관 배기가스 가열장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 LPG, LNG, 휘발유, 경유, 바이오디젤 또는 함산소 탄화수소인 DME를 원료로 구동하는 내연기관의 배가가스 정화장치의 가열에 필요한 내연기관 배기가스 가열장치에 관한 것이다.

탄화수소를 연료로 구동하는 내연기관에서는 입자상물질(PM) 및 질소산화물 (NO_X)의 오염물생성이 문제시 되고 있고 차량보급 증가에 따라서 환경오염 또한 날로 증가되는 추세에 있다.

특히, 디젤 차량의 경우 휘발유 차량대비 CO₂ 배출량이 적은 장점이 있어 보급대수가 더욱 확대되고 있다.

그러나, 디젤 차량의 경우 연소효율을 향상하기 위하여 산소의 분압을 높게 유지하기 때문에 질소산화물의 생성량이 증가되고, 이와 함께 연료의 특성에 따라서 입자상 물질의 생성이 많은 단점이 있어 도심의 주된 오염원으로 평가되고 있다.

상기 문제를 해소하기 위하여 다각도에서 연구를 추진 중에 있으며 특히, 입자상 물질 제거용 필터, 질소산화물 제거용 촉매제에 대한 연구가 집중되고 있다.

이 때 핵심적인 사항으로서, 필터가열용 연료 또는/동시에 질소산화물 제거용 환원제로서 탄화수소를 공급하고 있으나, 차량의 운행조건에 따라서 배기가스 온도의 변화 폭이 크고, 탄화수소 자체를 연소하기 위한 온도의 유지가 어렵기 때문에 운행노선 또는 배기가스 배출 온도조건을 만족하는 차량에 대하여 선별적으로 적용하고 있다. 즉, 배기가스 정화장치(DPF, De-NO_X 촉매제) 적용의 선행조건으로 배기가스의 가열을 필요로 한다.

연료인 탄화수소를 연소 및/또는 합성가스(수소, 일산화탄소) 및 저급탄화수소 형태의 환원성 가스로 개질(reforming)하여 필터(DPF) 가열 또는 질소산화물 환원제로 활용할 때 배기가스의 온도 조건에 무관하게 정화장치가 기능을 발휘할 수 있다.

탄화수소의 촉매연소/개질을 통한 합성가스 제조에 대하여 많은 연구가 진행된바 있으나, 내연기관 배기가스의 가열용으로 아직 미완성 단계에 있다.

현재는 가열에너지원으로 배터리로부터 공급되는 전기, 또는 탄화수소를 버너에서 연소하여 연소열을 활용하는 방안이 시도되고 있다.

그러나, 이들 장치는 사용가능한 전력의 제한성, 또는 외부 버너 설치에 필요한 공간의 확보의 문제로 배기가스 가열시스템 개발은 미완성 단계로 자동차 후처리 시스템의 실용화에 걸림돌로 작용되고 있다.

배기가스 중에 탄화수소를 공급하여 배기가스를 가열 및/또는 개질을 통하여 환원가스를 제조하기 위한 개념 특허들이 다수 출원되어 있으나, 이의 연소/개질에 필요한 구체적인 시스템 구성을 제시하지 못하고 있다.

배기가스 중에 탄화수소를 분사할 경우 경유 끓는 점(boiling point) 이하의 낮은 온도에서는 이의 응축을 억제하기 위한 별도의 배기가스 가열장치를 필요로 한다.

이러한 점을 보완한 방법으로서 전기를 이용한 증발기를 이용하여 증기(vapor)로 전환하고 배기가스 중에 혼합하여 디젤산화촉매 (Diesel Oxidize Catalyst, 이하 DOC)에 의한 연소기법 또한 발표된바 있다. 그러나, 이 또한, DOC의 온도가 235℃ 이하에서는 기화 디젤의 연소가 불가능하며 기화된 연료의 재 응축에 대한 대비를 필요로 하기 때문에 적용차량에 대한 한계점으로 작용된다.

도 1은 연료분사에 의한 디젤입자제거용 필터 (Diesel Particulate Filter, 이하 DPF) 가열 일반 구성도로, 엔진(10)으로부터 생성된 배기가스에 보조 연료(fuel)를 공급하고 배기가스와 혼합하여 DOC(11)에 입력되고, 상기 DOC(11)에서 상기 배기가스와 연료가 산화되어 열을 발생하여, DPF(12)가 재생할 수 있는 열원을 공급한다.

상기 DOC(11)는 배기가스중에 포함된 일산화탄소, 탄화수소, 입자상 물질 (Particulate Matter, 이하 PM)중에서 가용성유기물질(soluble organic fraction, 이하 SOF) 및 DPF 가열용으로 공급하는 연료의 연소작용을 한다.

상기 DPF(12)는 상기 DOC의 후단에 직렬 배치되는 구성을 따르며, 디젤엔진으로부터 나오는 입자상물질을 필터에 포집시킴으로써 최종 배출되는 배기가스의 입자상물질을 저감시키는 역할을 하며, PM이 일정량 이상 포집 되면 외부 공급열원에 의하여 PM을 연소하여 필터를 재생한다. 도 1에서는 상기 DOC(11)로부터 발생되는 열을 사용하고 있다.

도 2는 도 1에 비해서 연료 증발장치(21)를 더 포함하고 있으며, 상기 증발장치(21)는 배기가스에 연료(fuel)를 기화 공급하여 배기가스와의 혼합성을 향상하여 DOC(22)에서의 산화과정을 원활하게 하는 역할을 한다.

내연기관의 배기가스는, 특히, 디젤 차량의 경우, 입자상 물질을 필터(금속, 또는 세라믹 재질)로 포집하여 연속적으로 산화하거나 또는/동시에 주기적으로 연소를 진행하여 필터를 재생한다. 필터의 재생 주기는 배기가스의 온도 분포 NO/soot 비에 따라서 가변성을 갖는다. 배기가스의 온도는 차량 모델, 노후상태, 도로여건, 교통 혼잡상태에 따른 종속성을 갖고, NO/soot의 비율 또한 EGR 비에 따 라서 가변적이다.

즉, 후처리 장치의 성능을 고려하여 배기가스의 온도를 조절하기 위하여 엔진 운용조건의 변화는 불가능하므로, 필요에 따라서 배기가스를 가열하기 위한 독립적인 가열시스템이 필요한 실정에 있다.

본 목적을 달성하기 위하여 본 연구진은 소형의 개질반응기를 배기가스관내에 위치시키고 배기가스의 일부를 흡입하여 디젤연료의 부분산화반응을 진행하여 열원을 공급하여 차량의 운행 조건에 독립적으로 DPF의 재생이 가능한 가열시스템 구성을 제안한바 있다(출원번호 2005-99272).

상기 구성에서는 부분산화반응에 필요한 산소의 공급원으로 배기가스의 일부를 흡입하기 때문에 별도의 공기압축장치 사용을 배제하기 위한 장점이 있는 반면, 가열기의 작동을 필요로 하지 않는 차량 운행상태에서도 배기가스가 반응기를 통과하기 구성이기 때문에 배기가스 흐름에 저항체로 작용하여 연료의 낭비요인으로 작용되는 문제점이 있어 이의 보완을 필요로 한다. 또한, 가열장치의 기동시 반응기로 유입되는 배기가스가 가열히터의 냉각매체로 작용되어 기동히터의 용량 증가가 요구되기 때문에 바람직한 구성으로 외부 바이패스 라인의 설치를 제시하고 있다. 그러나, 상기 구성은 장치의 가격적인 문제 및 부피의 증가로 인하여 설치 공간의 제한성으로 작용되는 문제점을 내포하고 있다. 따라서 본 발명에서는 외부바이패스 라인의 설치를 배제하면서 상기 문제점을 보완한 배기가스 가열장치를 제공한다.

상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 내연기관을 구동하기 위한 탄화수소의 일부를 배기가스 중에서 연소하여 DPF 또는/동시에 De-NO_X 후처리 장치가 기능이 발휘될 수 있는 내연기관 배기가스 가열장치를 제공하는 데에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 연료의 일부를 배기관중에서 촉매연소를 진행하여 배출가스를 가열하거나 또는 동시에 100℃ 미만의 저온에서도 연소 가능한 합성가스(H₂와 CO의 혼합가스)를 제조하기 위한 반응기 적용시 반응열에 대한 열적 안정성을 확보할 수 있는 내연기관 배기가스 가열장치를 제공하는 데에 있다.

특히, 부분 산화반응에 필요한 공기의 공급원으로 엔진의 배기가스를 활용하여 별도 부대장치의 필요성을 배제한 시스템을 제공함과 동시에 연비저하의 배제 및 신속한 기동이 가능한 산화제 조절장치를 가지는 내연기관 배기가스 가열장치를 제공한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 관체의 하우징; 상기 하우징 내에 장착되어 배기가스를 연소/개질시키도록 연소개질촉매가 충진되고, 상기 촉매반응기의 도입부에는 점화기가 설치되며, 상기 하우징의 외부로부터 연결되어 연료를 공급하는 연료예열라인이 설치되고, 전단부에 배기가스를 유입하는 배기가스 흡입 콘이 일체로 설치되는 촉매반응기; 상기 촉매반응기 후단에 설치되어 상기 촉매반응기로부터 배출되는 연소개질가스와 상기 촉매반응기와 상기 하우징 사이로 흐르는 배기가스의 일부 혼합된 가연성 물질을 연소하기 위한 연소촉매판; 상기 촉매반응기의 후단에 설치되어 상기 연소촉매를 경유한 연소가스와 상기 촉매반응기와 상기 하우징 사이로 흐르는 배기가스를 혼합하는 혼합기; 및 상기 배기가스 흡입콘으로 유입되는 배기가스의 양을 조절하는 공기흡입량 조절기구를 포함하는 내연기관 배기가스 가열장치이다.

상기 공기흡입량 조절기구는 배기가스 흡입콘의 입구를 접하면서 수직으로 왕복운동하도록 설치되어 상기 배기가스 흡입콘의 입구를 개폐하는 유량조절캡인 것을 특징으로 한다.

또, 상기 유량조절캡은 액츄에이터의 구동축과 일체로 되어 수직으로 왕복운동하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 유량조절캡은 상기 배기가스 흡입콘과 접하는 부분의 단면적이 가장 크고 반대측으로 갈수록 단면적이 작아지는 원추형인 것을 특징으로 한다.

또, 상기 공기흡입량 조절기구는 촉매반응기 내에 설치되는 스로틀 밸브인 것을 특징으로 한다.

또, 상기 공기흡입량 조절기구는 상기 배기가스 흡입콘 전단에 회전 가능하도록 고정되어 상기 배기가스 흡입콘의 입구를 개폐하는 스윙밸브인 것을 특징으로 한다.

또 다른 발명은, 상기의 내연기관 배기가스 가열장치를 포함하여 소정의 가 스로부터 질소산화물 제거용 환원가스를 제조하는 질소산화물 제거용 환원가스 제조장치이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서는 촉매반응기를 배기가스가 유통되는 공간 내부에 위치시킴으로서 이에 의한 냉각 작용을 확보함과 동시에 생성열을 이용하여 후단 장치(DOC, DPF) 도면내에 미 표기된 De-NO_X용 촉매 또는 NO_X trap의 가열을 진행할 수 있다.

또, 상기 촉매반응기에는 배기가스의 일부를 공급 받기 위한 유도콘이 설치되고, 상기 유도콘을 통해 상기 촉매반응기에 유입되는 배기가스의 양을 가변하기 위한 공기흡입량조절기구가 장착된다.

상기 공기흡입량 조절기구는 상기 유도콘의 외부에 설치하거나, 상기 유도콘 또는 상기 촉매반응기의 도입부에 설치할 수 있다.

만일, 상기 유도콘의 외부에 설치된 경우에는 배기가스 흐름을 최소화하기 위한 유선형으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 공기흡입력 조절기구를 설치하면, 상기 유도콘을 통해 유입되는 배기가스의 양을 조절할 수 있기 때문에 배기가스의 가열을 필요로 하지 않는 운행조건에서 배기가스의 흐름에 방해역할의 최소화로 촉매의 오염억제, 기동시간 단축 보다 더욱 압력강하에 의한 연비저하에 대한 억제를 이룩할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 DPF 가열 시스템 구성도로서, 도 1 또는 도 2에서 연 료공급방식 대신, 배기가스 가열장치(1000)를 설치하였다.

연소에 필요한 연료는 차량에 탑재된 연료 또는 별도의 탄화수소를 활용할 수 있고, 산화제인 공기는 외부 압축장치를 통하여 공급되거나, 배기가스의 일부를 사용한다.

도 4는 본 발명의 실시예1에 따른 배기가스 가열장치(1000)의 단면도를 도시한 것이다.

본 발명의 배기가스 가열장치(1000)는 도 4에 도시된 바와 같이, 촉매반응기(500), 점화기(170), 그리고 , 2차가열을 위한 2차가열수단 및 연소가스와 배기가스의 혼합기(200)와 배가스 이동 공간이 포함된 하우징(100)으로 구성되어 배기가스 가열을 수행하는 독립된 부품을 형성한다.

상기 촉매반응기(500)의 형태는 제한이 없으나, 도4에 도시된 바와 같이 배기가스 및 연료가 도입되는 도입부(700)의 단면적은, 배기가스 및 연료를 연소개질촉매(510)에 의하여 개질하는 촉매반응기(500)의 단면적보다 작게 설치하는 것이 착화를 위한 점화기의 전력소비를 감소할 수 있어 바람직하다.

도입부(700)와 반응부의 단면적 비가 0.1~0.9 범위를 유지할 때 점화가 신속하고 미연탄화수소의 슬립을 최소화할 수 있다.

따라서, 상기 언급한 촉매반응기는 직경이 서로 다른 2개의 관체가 테이퍼진 연결부위를 가지는 형상으로써, 대략 깔때기의 형태를 가진다.

본 발명에 사용되는 촉매반응기(500)는 국소가열을 통하여 착화를 진행할 수 있기 때문에 차량의 운행조건과 무관하게, 엔진공회전 상태(배기가스 온도 100℃) 에서도 개질시스템(1000)을 기동하여 DPF의 가열 및 질소산화물 제거용 환원제를 공급한다.

특히, 바람직한 반응기 형태(500)에서, 작은 부피 내에서 고온(700℃ 이상)조건에서 개질을 진행할 때 얻어질 수 있는 장점으로, 반응기로 경유 공급시 별도의 증발장치 또는 분사용 노즐이 불필요하고 액상으로 공급하여도 고온에 의하여 증발과 함께 신속한 개질반응이 진행되기 때문에 경유에 포함된(5중량% 이하) 350-480℃에 이르는 고 비점 탄화수소의 축적을 완전 배제할 수 있다.

또한, 개질촉매의 특성상 고온에서는 반응속도가 매우 빠르기 때문에 반응물의 공간속도를 매우 높게(200,000/hr 이상) 유지할 수 있어 개질촉매인 귀금속의 사용량을 최소화할 수 있다.

도 4에서의 상기 촉매반응기(500)의 연소개질촉매(510)가 충진된 반응부의 단면은 원형 또는 다각형일 수 있으며, 그 모양의 제한은 없다.

또한, 팽창부의 반응기 직경/대각선은 50mm이하가 적절하다. 바람직하기로는 30mm 이하가 추천된다. 냉각핀이 장착되어도 촉매반응기 직경이 너무 크게 되면 촉매자체의 열전달 속도가 느린 문제가 있어 소기의 목적을 달성할 수 없다.

연소개질촉매(510)는 특별한 제한조건이 없으며 기존에 알려진 연소촉매 및 개질촉매 모두 사용가능하다. 연소촉매(600) 또한 특별한 제한조건은 없으며 산소가 부족한 상태에서 코크생성 없이 연소/개질 성능을 발휘하는 귀금속 촉매가 바람직하다.

본 발명에서 사용한 연소개질촉매(510)의 연소촉매와 개질 촉매의 조성 및 제조방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저 연소촉매를 설명하면, 백금을 활성성분으로 사용하였고 지지체는 알루미나를 사용하였다. 활성금속인 귀금속의 담지에 앞서 3-5mm 입자형 활성화알루미나(gamma-Al2O3_, 칸토제품)에 세륨나이트레이트(Ce(NO₃)₂.xH₂O, 알드리치제품)을 담지하고 건조(105℃, 24시간)후에 이를 1300℃에서 12시간 소성하였다. 완성된 복합 지지체에 염화백금산(H₂PtCl₆.xH₂O, 한결골드사 제품)을 증류수에 용해하여 활성금속을 담지하였다. 각 전구물질은 세륨은 지지체를 기준으로 10중량%, 백금은 지지체 전체 중량을 기준으로 0.2중량%가 포함되도록 첨가하였다. 백금 담지후에 건조(105℃, 24시간), 소성(1000℃, 24시간)하여 제조 완성하였다(Pt/Ce/Al2O3).

개질촉매 역시 상기 연소촉매의 제조와 같은 순서로 제조하였다(Rh/Mg/Al2O3). 다만, 세륨을 마그네슘 전구체(Mg(NO₃)₂.xH₂O, 알드리치제품)로, 백금을 로듐 전구체(RhCl₃.xH₂O, 고지마제품)로 대체하였다.

상기 촉매반응기(500)의 외표면에는 냉각핀이 다수 설치되어 반응열의 방열을 진행하여 작은 부피 내에서 탄화수소의 연소/개질 용량을 증가시킬 수 있는 촉매연소기(1000)를 제공할 수 있다.

상기 촉매반응기(500)의 도입부(700)에는 점화기(170)가 설치되며, 상기 점화기(170)는 상기 하우징(100)의 벽체에 설치된 점화기 연결구(130)에 삽입되는 점화기 연결관(140)과 연결되며, 상기 점화기 연결관(140)을 관통하는 전원공급라인(150)에 의해 전원을 공급받는다.

상기 촉매반응기(500)의 도입부의 전단에 배기가스 흡입콘(600)이 설치되어 있다.

상기 배기가스 흡입콘(600)의 형태는 특별한 제한이 없으나, 입구의 단면적은 하우징(100)의 20-70%의 범위를 필요로 한다. 하우징 대비 흡입콘의 단면적이 너무 적을 때 반응기(500)으로 유입되는 배기가스의 총량이 적기 때문에 산화반응을 충분하게 진행할 수 없고, 반대로 흡입콘의 단면적이 70% 이상으로 증가되면, 배기가스 흐름에 방해역할의 증가에 따라 연비저하를 초래한다.

실시예1에서는 공기흡입량 조절기구로 유량조절캡(400)이 사용되며, 상기 배기가스 흡입콘(600)의 입구를 상기 유량조절캡(400)의 왕복운동에 의해 개폐하는 방식이다.

상기 개폐를 위한 수단은 상기 유량조절캡(400)에 일체로 형성된 구동축(440)과 액츄에이터(450)을 포함하여 구성된다. 상기 액츄에이터(450)는 공압 또는 유압으로 작동될 수 있다.

상기 유량조절캡(400)은 원뿔의 형태를 가지고, 상기 배기가스 흡입콘(600)의 단면을 가릴 수 있는 크기의 단면적이 요구된다.

많은 양의 배기가스를 촉매반응기 내로 공급 받아야 되는 운전모드에서는, 배기가스가 통과되는 면적중에서 상기 유량조절캡(400)의 전방의 뾰족한 부분의 배기가스 이동을 억제하기 때문에 압력손실이 발생되고 이에 따라서 배기가스 흡입콘(600)의 직경을 작게 구성하여도 배기가스의 흐름을 유도할 수 있게 된다.

따라서, 가열이 필요하지 않은 대부분의 운행시간동안에 배기가스의 흐름에 영향을 최소화 할 수 있기 때문에 상기 배기가스 흡입콘(600)의 직경을 줄일 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 유량조절캡(400)의 장착에 따라서 배기가스 흡입콘(600)의 단면적은 하우징 단면적의 10-50%면 충분하게 되고, 또한 배기가스 흐름의 방해물로 작용되는 유량조절캡(400) 또한 각뿔의 형태로 원추각을 30~120도로 하여 가스흐름을 자연스럽게 한다.

이 때 유량조절캡(400)의 형태는 촉매반응기의 형태에 따라서 변화된다.

일례로 단면이 사각형인 촉매반응기일 때는 유량조절캡(400)은 정사각뿔의 형태로 대응된다.

따라서, 상기 유량조절캡(400)의 형상의 제한은 없으나, 배기가스의 흐름을 원활히 하기 위해 유선형을 가져야 한다.

캡의 크기는 흡입콘(600)을 가릴 수 있는 크기면 충분하다. 그러나, 캡의 단면적이 가스도입용 콘에 비해서 너무 넓을 때는 배기가스의 흐름에 방해역할이 크게 되고, 이와 반대로 캡의 단면적이 배기가스 흡입콘의 입구 단면적보다 작은 경우 소기의 목적을 기대할 수 없다.

또한, 앞서 언급한 바와 같이, 상기 유량조절캡(400)의 설치에 의하여 반응기는 가열되지 않은 운행 상태에서 배기가스가 촉매층을 통과하기 않기 배가스내의 오염물(특히 PM)이 촉매의 외표면에 코팅되거나 촉매층에 입자상 오염물 축적에 따른 초기 저온 기동의 지연 현상을 배제할 수 있다.

배기가스의 가열을 시작할 때 유량조절캡(400)의 위치는 도 6와 왼쪽도면과 같은 위치에 두고, 점화기(170)에 전원을 인가하고 연료 공급의 개시와 함께 도 6의 가운데 도면과 같이 유량조절캡(400)을 이동시켜 배기가스 흡입콘(600)의 일부를 개방한다.

상기 유량조절캡(400)의 이동에 의한 개방정도는 공기 흡입콘(600) 단면적의 5-50%를 부여하여 착화를 개시하여 700℃이상으로 신속하게 가열한다.

이 때 연료의 공급량은 0.5-10ml/min으로 유지한다. 반응기를 700℃ 이상으로 가열한 후에 연료공급량의 증가와 동시에 유량조절캡(400)의 위치를 도 6의 오른쪽 도면과 같은 위치로 이동시켜 공기 흡입량을 증가시킨다.

그리고, 냉각효율을 보다 향상하기 위하여 하우징(100)의 내벽에 배플을 설치하여 엔진배기가스가 상기 촉매반응기(500)의 외표면에 집중될 수 있도록 구성한다.

하우징(100)의 내벽 가까이에 유동되는 엔진배기가스의 진행방향을 상기 촉매반응기(500)를 향하도록 상기 배플을 상기 하우징(100)의 벽면에 대하여 소정의 각도를 가지도록 설치한다.

외부로부터 공급되는 연료는 하우징(100)을 통과하면서 도입부(700)에 공급되기 전에 연료예열공급라인(300)에서 배기가스 및 상기 촉매반응기(500)로부터 발생되는 열에 의하여 자연스러운 예열이 진행되도록 한다.

따라서, 상기 연료예열공급라인(300)은 상기 촉매반응기(500)의 후단부, 더욱 바람직하게는 2차가열수단의 후방에 설치되며, 열교환 면적을 증가시키기 위해 상기 하우징(100) 내부에서 수회 절곡되어 형성된다.

상기 배기가스 가열장치(1000)는 배기가스 파이프(100)의 내부에 촉매반응기(500)의 후단에 개질가스를 연소하기 위한 연소촉매판(900)과 이의 후방에 2차연료를 공급하기 위한 2차연료공급튜브(800) 및 2차연료분사노즐(850)이 장착된다.

또한, 상기 촉매반응기(500)의 후방에는 상술한 바와 같이 1차 연료 및 2차 연료용를 공급 및 예열하기 위한 라인(300, 800)이 설치되고, 상기 연료예열공급라인(300, 800)의 후방에 연소가스 및 배기가스를 혼합하기 위한 혼합기(200)가 설치된다.

상기 연소촉매판(900)은 촉매반응기(500)에서 배출되는 개질가스에 의하여 신속하게 가열되어 활성화 될 수 있도록 촉매반응기(500) 후단의 5-100mm 범위에 위치한다.

또한, 연소촉매판(900)의 형태는 100-300cell 밀도를 갖는 금속 또는 세라믹 재질의 하니컴에 산화촉매를 코팅한 형태가 바람직하다.

상기 촉매반응기(500)와 촉매의 거리가 5mm이하로 가까울 때는 상기 촉매반응기(500)에서 배출된 개질가스와 배기가스의 혼합정도가 낮기 때문에 연소에 필요한 산소가 작아 가열효과가 낮은 문제가 있다.

반면, 거리가 100mm 이상으로 유지하게 되면, 개질가스와 배기가스의 혼합량이 너무 증가되어 촉매가 망실되는 온도까지 상승될 수 있다. 또한, 이러한 현상은 산화촉매를 코팅한 모노리스의 셀밀도에 의해서도 나타날 수 있다.

모노리스의 셀밀도가 100 이하일 때 공기와 혼합된 반응물과 촉매의 접촉이 원활하지 못하기 연소의 진행이 불가능하다. 또한, 모노리스의 셀밀도가 300 이상 이면 모노리스에 의하여 개질가스의 이동이 억제되기 때문에 배기가스와의 혼합이 너무 크게 되고 국부적인 발열이 진행된다.

상기 연소촉매판(900)은 상기에서 제조된 Pt/Ce/Al2O3 촉매를 분말로 가공하고 이를 슬러리화하여 200셀밀도의 코디어라이트 하니컴에 코팅하여 사용하였다(Pt/Ce/Al2O3/monolith).

상기 연료공급노즐(850)은 연소촉매판(900)의 후단에 설치되며, 개질반응기(500)에서 생성된 환원가스가 연소촉매에 의하여 고온가스가 형성되기 때문에 이의 열량을 이용하여 추가적인 탄화수소의 공급을 진행하도록 구성된다.

이에 따라서 개질반응기(500)의 용량이 작아도 많은 2차연료의 공급이 가능하게 된다.

상기 연료분사노즐(850)은 상기 연료공급튜브(800)와 연결되어, 상기 하우징(100)의 길이방향을 향해 연료를 분사한다. 분사되는 연료는 도면부호 860으로 표시하였다.

또한, 상기 연료공급튜브(800)를 하우징(100) 내부에서의 표면적을 늘리기 위해 나선형상으로 하였으며, 상기 나선형상의 연료공급튜브(800)의 중간에 연료분사노즐(850)을 설치하였다.

따라서, 상기 연소촉매판(900)을 지난 배기가스의 열량 및 상기 연료분사노즐(850)에 의한 연소열에 의해 상기 연료공급튜브(800) 내의 연료가 예열될 수 있다.

상기 혼합기(200)는 상기 하우징(100)의 하단부에 설치되며, 개질가스와 촉 매반응기를 통과하지 않는 배기가스를 혼합하는 역할을 하여, 개질가스를 연소할 DOC에 균일한 연료농도 및 가스온도가 유지되도록 하여 DOC의 국부적인 가열을 억제한다.

도4에 보인 바와 같이 후단연소촉매(900)에서 배출되는 가스와 촉매반응기(500) 외부를 통과하는 가스를 혼합하기 위한 상기 혼합기(200)의 적합한 형태는 각 가스에 회전력을 주어서 짧은 거리에서 혼합될 수 있도록 나선형 구성이 바람직하다.

도 7은 본 발명의 실시예2에 따른 공기흡입량 조절기구로써, 스로틀밸브(460)를 사용하였다.

즉, 촉매반응기(500)를 통과하는 배기가스 유량의 조절 측면만을 고려하여 도 7에 도시된 바와 같이 단순한 형태의 스로틀밸브(460)가 상기 촉매반응기(500)의 도입부(700)에 설치된다.

따라서, 상기 스로틀밸브(460)가 회전하면서, 상기 촉매반응기(500)에 유입되는 배기가스의 양을 조절한다.

도 8은 본 발명의 실시예3에 따른 공기흡입량 조절기구로써, 스윙밸브(461)를 사용하였다.

즉, 촉매반응기(500)를 통과하는 배기가스 유량의 조절 측면만을 고려하여 도 8에 도시된 바와 같이 단순한 형태의 스윙밸브(461)가 상기 배기가스 흡입콘(600)의 전단에 설치된다.

따라서, 상기 스윙밸브(461)가 회전하면서, 상기 배기가스 흡입콘(600)의 입 구를 열고 닫아서 촉매반응기(500)에 유입되는 배기가스의 양을 조절한다.

그러나, 도7 및 도 8의 형태의 공기흡입량 조절기구는 배기가스 흐름에 공기저항이 항시 존재한다.

또는 촉매반응기(500)의 후단에 상기 스윙밸브(461)를 장착하여 배기가스의 유출량을 조절할 수 있으나, 이 역시 가열장치를 사용하지 않는 운전모드에서 배기가스 흐름에 저항체로 작용되는 현상의 억제효과를 기대할 수 없다.

따라서, 상기 목적으로 이루기 위한 캡의 형태는 도 5과 실시예1과 같이 유량조절캡(400)의 형태가 바람직하다.

이하, 상기 실시예1에 의한 실험과정 및 결과를 설명한다.

본 발명에 의해 수행되는 반응식 1에 따르는 부분산화반응(partial oxidation) 은 발열반응으로서 반응개시에 따라서 촉매반응기의 온도가 자연적으로 가열되는 장점이 있다.

C₁₅H₃₂ + 7.5O₂ → 15CO + 16H₂, 생성열= 3,587kcal/kg

따라서, 기동시 작은 에너지를 공급하여 촉매층을 가열하였을 경우, 반응열에 의하여 지속적인 경유 산화반응이 진행된다. 즉, 반응기 기동시 유입되는 공기 유량을 가감할 수 있도록 시스템이 구성될 때 소용량의 점화기 장착으로 신속한 기동을 제공한다.

실시예1의 유량조절캡(400)은 운전 상태에서 따라서 배기가스 흡입콘의 상부에서 반경방향으로 이동되고 이의 이동은 외부에 장착된 액츄에이터(450)에 의하여 진행된다.

본 가열기 운용용 ECU 내에 운전 모드에 따라서 이의 구동 기능을 포함한다.

본 발명에 따른 촉매연소기를 사용하여 배기가스를 가열하고 이에 의한 피가열체인 DPF의 형태 또는 재료적인 특성에는 특별한 제한조건이 없다. 현재 제품으로 출시되고 있는 세라믹계, 금속계, SiC 또는 SiN으로 구성된 모노리형, 폼형, 입자형과 같이 다양한 형태의 필터에 적용될 수 있다. 다만, 포집된 soot의 연소에 의하여 필터가 국부적으로 과열될 수 있기 때문에 최소 900℃ 이상의 내열성을 필요로 한다. 또한, 이의 필터에는 귀금속계 산화촉매 또는 질소 흡장금속의 코팅을 통하여 작용온도를 낮추는 방법 또한 사용될 수 있다.

본 발명에 의한 DPF 가열 시스템을 운용하기 위한 주요 측정위치 및 항목은 다음과 같다.

- DPF 전후의 차압(ΔP)

- 촉매연소기로 유입되는 배가스 온도(T1)

- 촉매연소기 배출 가스 온도(T2)

- DOC 입구의 배기가스 온도(T3)

- DPF 출구의 배기가스 온도(T4)

- 캡의 위치 : state 1(닫힘), state 2(20-30%열림), state 3(90% 이상 열림)

DPF의 차압 모니터링 과정에서 입자상 물질의 포집량 증가에 따른 기준치 이상의 압력손실이 감지될 때 캡의 위치(state 1)를 확인하고, 점화기에 전원을 공급하여 개질/연소촉매의 가열을 시작한다.

이 때 T1의 온도가 350℃이상이면 전원공급과정은 생략될 수 있다. 가열기 주변의 촉매 온도가 350℃ 이상에 이르기 위한 시간(10-600초) 동안 전원을 인가하고 캡의 위치를 이동(state 2)하고 연료를 공급한다.

T2의 온도가 300℃이상으로 배출될 때 히터의 전원공급을 중단하고 캡의 위치를 state 3으로 이동하며 연료의 공급량을 증가한다.

2차연소 촉매의 후단온도가 500℃ 이상에 이를 때 2차연료의 공급을 시작한다.

필터의 차압(ΔP)이 기준치 이하로 낮아질 때까지 연료를 공급하여 필터의 재생을 진행한다.

다만, 차압이 기준치 이하로 도달하지 않은 상태에서도 촉매연소기(500) 후단 온도(T2)가 1000℃이상에 도달되면 연료의 공급량을 증가시키고 2차 연료의 공급량을 감소시켜 촉매연소기(500)의 온도를 1000℃ 이하의 조건을 만족하면서 필터(3000)의 재생을 실시한다.

또한, 필터 출구의 온도(T4)가 650℃ 이상(DPF의 내열성에 따라 가변적임)에 이르지 않도록 2차연료의 공급량을 조절하여 필터의 망실을 방지하는 안전모드를 ECU내에 포함한다.

본 발명에 따른 내연기관 배기가스 가열장치는 공급하는 연료에 따라서 질소산화물의 환원가스용으로 사용될 수 있다.

본 반응장치는 기동초기에 연소반응(반응식 2)에 필요한 산소와 연료의 비를 유지하여 촉매를 신속하게 가열하고, 배출가스의 온도가 500℃ 이상으로 상승할 때 연소촉매 후단의 고온부에 2차 연료를 공급하여 액상연료의 기화/착화를 진행하여 DPF의 가열 시간을 단축하는 형태로 시스템의 구성 및 운전 또한 가능하다.

촉매반응기에(500)에 연료와 공기의 공급량을 증가시켜 연소촉매판(900) 후방 배출가스의 온도(T3)를 600℃ 이상으로 상승시킨다.

2차연료를 공급하여 T5의 온도를 500℃ 이상으로 유지하여 DPF(3000)의 재생을 진행한다.

필터의 차압(ΔP)이 기준치 이하로 낮아질 때까지 연료를 공급하여 필터의 재생을 진행한다.

다만, 차압이 기준치 이하로 도달하지 않은 상태에서도 촉매반응기(500) 후단 온도(T2)가 900℃이상에 도달되면 연료의 공급량을 감소시켜서 900℃이하의 조건을 만족하면서 필터(3000)의 재생을 실시한다.

또한, 필터 출구의 온도(T6)가 650℃ 이상(DPF의 내열성에 따라 가변적임)에 이르지 않도록 연료의 공급량을 조절하여 필터의 망실을 방지하는 안전모드를 ECU내에 포함한다.

본 발명에 따른 내연기관 배기가스 가열장치는 연료량/산소의 비율 변화에 따라서 질소산화물 제거용 환원가스 공급장치로 사용될 수 있다.

C₁₅H₃₂ + 23O₂ → CO₂ + H₂O, 연소열 = 11,000kcal/kg

이하, 본 발명에 다른 내연기관 배기가스 가열장치의 실험결과에 대하여 상세히 설명한다.

[실시예 1]

배기가스 흡입콘(600)은 입구의 직경이 38mm로서 하우징 단면적의 28%인 원형 깔대기 형태가 되도록 제작하였다. 촉매반응기(500)는 점화기가 내장되는 부분의 직경은 12mm이고 확장부의 내경은 23mm 길이 35mm가 되도록 제작하였다.

상기 촉매반응기(500)의 공급흡입량을 조절하기 위한 유량조절캡(400)은 직경 43mm, 원뿔각 60도가 되도록 제작하였고, 상기 유량조절캡(400)은 하우징(100)의 반경방향으로 슬라이딩 될 수 있도록 구동축(440)을 사용하여 액츄에이터(450)와 연결하였다.

상기에서 설명된 연소/개질촉매를 촉매반응기(500)에 장입하였다. 조립된 촉매반응기(500)는 내경 72mm, 길이 200mm의 하우징(100) 내부에 장착하여 완성하였 다.

외부가열장치에 의해 가열된 공기(100℃, 150℃)를 가열장치(1000)에 공급(78Nm³/hr)하였다. 촉매반응기(500)의 연료 연소용 산소는 하우징에 공급되는 일부의 공기를 흡입하여 사용하며, 흡입량은 유량조절캡(400)의 위치 이동을 통하여 가변하고, 경유는 펌프를 사용하여 외부에서 공급하였다.

반응기 각 부분의 온도가 정상상태에 도달한 후에 유량조절캡(400)의 위치를 도 6의 왼쪽 도면과 같이 위치시키고, 가열기(12V, 120W용량)에 전원을 공급하여 촉매를 가열하였다. 유량조절캡(400)의 위치를 도 6의 가운데 도면과 같이 이동하고, 경유(ULSD)를 3.0㎖/min로 공급하였다.

촉매반응기(500)의 온도가 500℃ 이상으로 증가될 때 연료의 공급량을 7ml/min으로 공급량을 증가시키고 캡의 위치를 도 6의 오른쪽 도면과 같은 위치로 이동하였다.

연소촉매판(900)의 온도가 600℃ 이상에 이를 때 2차 연료의 공급량을 단계적으로 증가시켜 DOC의 후단 온도를 550℃이상까지 가열하고 일정시간을 유지하였다.

이에 따른 DOC(2000) 입구 및 출구의 온도 변화는 도 9와 같이 PM 연소에 필요한 550℃까지 가열 가능한 것으로 나타났다. 이러한 점으로 경유의 착화온도 이하의 배기가스 조건에서 사용가능한 DPF 재생용 열원공급장치로 평가된다.

[실시예 2]

실시예 1과 동일하게 가열실험을 진행하였다. 다만, 캡이 장착되지 않은 형태의 반응기와 운전조건이 동일하도록 기동 초기부터 캡의 위치를 도 6의 오른쪽 도면의 위치에 고정하고 전원공급 및 기동을 개시하였다.

실험결과, 공기온도 100℃ 및 150℃서 전원 공급을 10분 이상 지속하여도 가열기(1000)의 운전 개시가 불가능 한 것으로 나타났다(도면 미표기).

이러한 현상은 점화기(170)에 전원을 공급하여도 반응기에 도입되는 가스에 의한 냉각효과로 인하여 촉매연소 가능한 온도까지 가열이 불가능하기 때문이다. 따라서 캡이 없는 형태의 반응기 구성에서는 가열기의 용량이 증대되어야 된다는 점을 고려하였을 때, 본 발명의 효과를 평가할 수 있다.

상기의 내연기관 배기가스 가열장치를 이용하여, 소정의 가스로부터 질소산화물 제거용 환원가스를 제조하는 질소산화물 제거용 환원가스 제조장치를 구성할 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

본 발명의 배기가스 가열용 연소개질기의 제공에 따라서 자동차의 운행상태에 독립적으로 DPF의 재생이 가능하게 되었다.

따라서, DPF의 보급사업 특히, 도심을 운행하는 버스를 물론이며 배기가스의 온도가 낮은 중소형 차량까지 DPF의 적용을 가능하게 한다.

또한, 질소산화물의 환원제로 사용가능한 환원가스 공급 장치의 제공에 따라서 향후 Euro V 규제에 대응가능한 후처리 시스템의 완성에 필요한 시스템으로 활용성이 기대된다.

Claims (7)

1. 관체의 하우징;

   상기 하우징 내에 장착되어 배기가스를 연소/개질시키도록 연소개질촉매가 충진되고, 상기 촉매반응기의 도입부에는 점화기가 설치되며, 상기 하우징의 외부로부터 연결되어 연료를 공급하는 연료예열라인이 설치되고, 전단부에 배기가스를 유입하는 배기가스 흡입콘이 일체로 설치되는 촉매반응기;

   상기 촉매반응기 후단에 설치되어 상기 촉매반응기로부터 배출되는 연소개질가스와 상기 촉매반응기와 상기 하우징 사이로 흐르는 배기가스의 일부 혼합된 가연성 물질을 연소하기 위한 연소촉매판;

   상기 촉매반응기의 후단에 설치되어 상기 연소촉매를 경유한 연소가스와 상기 촉매반응기와 상기 하우징 사이로 흐르는 배기가스를 혼합하는 혼합기; 및

   상기 배기가스 흡입콘으로 유입되는 배기가스의 양을 조절하는 공기흡입량 조절기구를 포함하는 내연기관 배기가스 가열장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 공기흡입량 조절기구는 배기가스 흡입콘의 입구와 접하면서 수직으로 왕복운동되도록 설치하어 상기 배기가스 흡입콘의 입구를 개폐하는 유량조절캡인 것을 특징으로 하는 내연기관 배기가스 가열장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 유량조절캡은 액츄에이터의 구동축과 일체로 되어 수직으로 왕복운동하는 것을 특징으로 하는 내연기관 배기가스 가열장치.
4. 제2항에 있어서, 상기 유량조절캡은 상기 배기가스 흡입콘과 접하는 부분의 단면적이 가장 크고 반대측으로 갈수록 단면적이 작아지는 원뿔인 것을 특징으로 하는 내연기관 배기가스 가열장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 공기흡입량 조절기구는 촉매반응기 내에 설치되는 스로틀 밸브인 것을 특징으로 하는 내연기관 배기가스 가열장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 공기흡입량 조절기구는 상기 배기가스 흡입콘 전단에 회전가능하도록 고정되어 상기 배기가스 흡입콘의 입구를 개폐하는 스윙밸브인 것을 특징으로 하는 내연기관 배기가스 가열장치.
7. 제1항 내지 제6항의 내연기관 배기가스 가열장치를 포함하여 소정의 가스로 부터 질소산화물 제거용 환원가스를 제조하는 질소산화물 제거용 환원가스 제조장치.

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