KR20230023707A - 배기가스 촉매를 전기 가열하는 디바이스 - Google Patents

배기가스 촉매를 전기 가열하는 디바이스 Download PDF

Info

Publication number
KR20230023707A
KR20230023707A KR1020237000281A KR20237000281A KR20230023707A KR 20230023707 A KR20230023707 A KR 20230023707A KR 1020237000281 A KR1020237000281 A KR 1020237000281A KR 20237000281 A KR20237000281 A KR 20237000281A KR 20230023707 A KR20230023707 A KR 20230023707A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
catalyst
exhaust gas
heating device
cell structure
exhaust pipe
Prior art date
Application number
KR1020237000281A
Other languages
English (en)
Inventor
스티븐 마르텐스
Original Assignee
비테스코 테크놀로지스 게엠베하
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 비테스코 테크놀로지스 게엠베하 filed Critical 비테스코 테크놀로지스 게엠베하
Publication of KR20230023707A publication Critical patent/KR20230023707A/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/20—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion ; Methods of operation or control of catalytic converters
    • F01N3/2006—Periodically heating or cooling catalytic reactors, e.g. at cold starting or overheating
    • F01N3/2013—Periodically heating or cooling catalytic reactors, e.g. at cold starting or overheating using electric or magnetic heating means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/101—Three-way catalysts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/103—Oxidation catalysts for HC and CO only
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/20—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion ; Methods of operation or control of catalytic converters
    • F01N3/2006—Periodically heating or cooling catalytic reactors, e.g. at cold starting or overheating
    • F01N3/2013—Periodically heating or cooling catalytic reactors, e.g. at cold starting or overheating using electric or magnetic heating means
    • F01N3/2026—Periodically heating or cooling catalytic reactors, e.g. at cold starting or overheating using electric or magnetic heating means directly electrifying the catalyst substrate, i.e. heating the electrically conductive catalyst substrate by joule effect
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/20—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion ; Methods of operation or control of catalytic converters
    • F01N3/2066—Selective catalytic reduction [SCR]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2240/00—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being
    • F01N2240/16—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being an electric heater, i.e. a resistance heater
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/0807—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by using absorbents or adsorbents
    • F01N3/0814—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by using absorbents or adsorbents combined with catalytic converters, e.g. NOx absorption/storage reduction catalysts
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A50/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE in human health protection, e.g. against extreme weather
    • Y02A50/20—Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Exhaust Gas After Treatment (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

본 발명은 배기가스 촉매용 전기 가열 디바이스(1)로서, 상기 전기 가열 디바이스는 슬리브(10), 및 전류의 흐름에 의해 가열되고 상기 슬리브(10) 내에 포함된 가열 셀형 구조체(20)를 포함하고, 상기 전기 가열 디바이스(1)는 배기가스 파이프 내에 흐르는 배기가스가 촉매에 도달하기 전에 셀형 매트릭스를 통과하도록 세그먼트의 단면을 완전히 점유하도록, 촉매(90) 상류의 배기가스 파이프(91)의 세그먼트에 위치되도록 설계되고, 상기 가열 셀형 구조체(20)는 상기 가열 셀형 구조체의 출구에서 배기가스의 온도가 배기가스의 흐름 방향에 수직인 단면에서 균일하도록, 배기가스의 흐름 방향에 수직인 단면에서 불균일한 화력을 방산하도록 설계되는 것을 특징으로 한다.

Description

배기가스 촉매를 전기 가열하는 디바이스
본 출원은 배기가스 촉매용 전기 가열 디바이스로서, 상기 전기 가열 디바이스는 배기 파이프 내 촉매의 상류에 위치되고, 배기가스를 가열하여 효과적인 촉매 작용 온도로 올리도록 설계된, 배기가스 촉매용 전기 가열 디바이스에 관한 것이다.
가솔린 차량의 3원 촉매는 400℃ 초과의 온도에서 유효 동작 범위를 갖는 반면, 디젤 차량의 오염 제어 시스템은 약 180℃에서 효과적으로 동작한다. 디젤 차량의 오염 제어 시스템은 일반적으로 탄화수소(HC) 및 일산화탄소(CO)를 처리하는 산화 촉매, 질소 산화물(NOx)을 처리하는 선택적 촉매성 환원 촉매, 및 미립자 필터를 포함한다.
엔진이 저온 시동되면 배기가스의 온도는 처음에는 낮고, 촉매의 유효 동작 값에 도달할 때까지 온도가 상승하는 데 일정 시간이 필요하다. 이는 배기가스가 너무 낮은 온도를 갖는 전체 시간 기간 동안 촉매에 의해 배기가스가 올바르게 필터링되지 않는다는 것을 의미한다.
동일한 문제가, 운전자가 가벼운 적재 차량으로 저속으로 운전하는 경우 배기가스가 잠재적으로 오랜 지속 시간 동안 유효 촉매 온도보다 낮은 온도로 유지될 수 있는, 가솔린 엔진보다 가열되는 데 더 오랜 시간이 걸리는 디젤 엔진의 경우에 존재한다. 배기가스 온도가 유효 온도보다 낮은 이러한 문제는 도심외 주행 후 저부하 도심 주행으로 복귀하는 경우에도 발생할 수 있다.
하이브리드 차량의 경우에도 전기 모터를 장시간 동안 가동하면 연소 기관이 냉각되고, 연소 기관을 재시동할 때도 동일한 배기가스 온도 문제가 발생한다.
이를 해결하기 위해 촉매의 상류에 가열 디바이스를 위치시키는 것이 알려져 있다. 이 가열 디바이스는 엔진의 배기 파이프에 배치된 슬리브(sleeve)의 형태를 취할 수 있으며, 슬리브는 배기가스가 촉매에 도달하기 전에 내부에서 가열되기 위해 가스가 통과하는 가열 셀형 매트릭스(heating cellular matrix)를 포함할 수 있다.
이러한 유형의 디바이스와 관련된 문제는 가스 흐름 방향에 수직인 단면에서 매트릭스 입구의 배기가스 온도가 균일하지 않다는 것이다. 도 1은 배기 파이프에 배열되고 촉매(C)와, 이 촉매의 상류에 가열 디바이스(H)를 포함하는 선행 기술의 촉매 시스템을 개략적으로 도시한다.
예를 들어 이 도면에 도시된 바와 같이, 가스는 가스 파이프 외부의 주변 온도, 파이프의 열 관성, 및 엔진 또는 터보차저의 출구의 가스 분포의 영향으로 인해, 중심보다 파이프 주변에서 더 차가울 수 있다. 엔진 구성에 따라 다른 프로파일이 있을 수 있다. 그 결과 가열 디바이스의 하류에서도 불균일한 온도 프로파일(T)이 발생하고, 그 결과 촉매에 도달하는 배기가스는 특정 위치에서 가열에도 불구하고 유효 촉매 온도보다 낮은 온도를 가질 수 있다. 이것은 배기가스의 온도가 유효 촉매 작용 온도 이상인 구역을 나타내는 구역(Zok)의 양쪽에 도시된 구역(Z1 및 Z2)의 경우이다.
본 발명의 목적은 전술한 종래 기술의 단점을 극복하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 촉매의 필터링 효과를 증가시키고 차량의 유해한 배출물을 감소시키는 것을 가능하게 하는 가열 디바이스를 제안하는 것이다.
이와 관련하여, 본 발명은 배기가스 촉매용 전기 가열 디바이스로서, 전기 가열 디바이스는 슬리브, 및 전류의 흐름에 의해 가열되고 슬리브 내에 포함된 가열 셀형 구조체를 포함하고,
전기 가열 디바이스는 배기가스 파이프 내에 흐르는 배기가스가 촉매에 도달하기 전에 셀형 매트릭스를 통과하도록 상기 세그먼트의 단면을 완전히 점유하도록, 촉매 상류의 배기가스 파이프의 세그먼트에 위치되도록 설계되고,
가열 셀형 구조체는 가열 셀형 구조체의 출구에서 배기가스의 온도가 배기가스의 흐름 방향에 수직인 단면에서 균일하도록, 배기가스의 흐름 방향에 수직인 단면에서 불균일한 화력을 방산시키도록 설계되는 것을 특징으로 하는 배기가스 촉매용 전기 가열 디바이스를 제안한다.
일 실시예에서, 셀형 구조체는 제1 화력(P1)을 방산시키도록 설계된 주변 부분과, 제2 화력(P2)을 방산시키도록 설계된 중심 부분을 포함하고, 제1 화력(P1)은 제2 화력(P2)보다 크다.
일 실시예에서, 가열 셀형 구조체는 상이한 전기 저항률을 갖는 적어도 2개의 재료로 구성된다.
일 실시예에서, 셀형 구조체는 가열 디바이스가 배기 파이프에 위치될 때 배기가스의 흐름 방향에 대응하는 축을 중심으로 가열 셀형 패널을 감음으로써 얻어지며, 셀형 패널은 축을 따라 가변 치수를 갖는다.
일 실시예에서, 가열 셀형 패널은, 플레이트가 감기면, 셀형 구조체의 주변 부분을 형성하도록 설계된 적어도 하나의 제1 부분, 및 플레이트가 감기면, 셀형 구조체의 중심 부분을 형성하도록 설계된 적어도 하나의 제2 부분을 가질 수 있고, 상기 적어도 하나의 제1 부분은 감는 축의 방향으로 제2 부분의 치수보다 더 작은 치수를 갖는다.
일 실시예에서, 가열 디바이스는 배기가스의 흐름 방향에 대해 가열 셀형 구조체의 하류에서 슬리브에 배치된 촉매 작용 요소를 더 포함한다.
일 실시예에서, 촉매 작용 요소는 산화, LNT 또는 3원 촉매 유형이다.
본 발명의 또 다른 주제는 배기가스용 촉매 조립체로서, 적어도 하나의 촉매, 및 전술한 설명에 따른 전기 가열 디바이스를 포함하고, 촉매는,
- 3원 촉매,
- 산화 촉매,
- LNT 촉매,
- 선택적 촉매 환원 촉매
로 이루어진 군으로부터 선택되는, 배기가스용 촉매 조립체이다.
또한 본 발명은 차량으로서, 연소 엔진, 이 연소 엔진에서 연소에 의해 발생하는 배기가스용 배기 파이프, 배기 파이프 내에 배치된 촉매, 및 배기 파이프에서 배기가스의 흐름 방향에 대해 촉매의 상류에서 배기 파이프에 배치된 전술한 설명에 따른 전기 가열 디바이스를 포함하는, 차량에 관한 것이다.
마지막으로 본 발명은 전술한 설명에 따른 가열 디바이스를 설계하는 방법으로서, 촉매 상류의 배기 파이프 단면에서 배기가스 온도 프로파일을 측정하는 단계, 촉매의 입구에서 일정한 온도 프로파일을 얻기 위해 촉매의 상류의 배기 파이프 단면에서 방산될 화력의 프로파일을 결정하는 단계, 및 가열 셀형 매트릭스에 의해 배기가스를 가열하여 촉매의 입구에서 배기가스의 일정한 온도 프로파일을 얻을 수 있도록 가열 디바이스의 가열 셀형 매트릭스의 구역 및 각각의 구역에 의해 방산될 수 있는 화력을 규정하는 단계를 포함하는, 가열 디바이스를 설계하는 방법에 관한 것이다.
제안된 발명은 촉매 유입구에서 균일한 배기가스 온도 프로파일을 얻을 수 있게 하여 배기가스가 배기 파이프의 전체 단면에 걸쳐 촉매의 유효 동작 온도에 있을 수 있도록 하고, 따라서 이것은 촉매 작용의 효율성을 향상시킨다.
추가 특징, 세부 사항 및 이점은 이후의 상세한 설명을 읽고 첨부된 도면을 연구하면 명백해질 것이다.
이미 기술된 도 1은 종래 기술에 따른 촉매 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 3은 가열 디바이스의 일례를 도시한다.
도 4a는 가열 디바이스의 구조체의 일례를 개략적으로 도시한다.
도 4b는 가열 디바이스의 다른 예를 개략적으로 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가열 디바이스 설계 방법의 주요 구현 단계를 개략적으로 도시한다.
이제 도 2를 참조하여, 가솔린 또는 디젤 유형의 연소 엔진(도시되지 않음)을 포함하는 차량용 촉매 조립체(9)의 일부를 형성하는 전기 가열 디바이스(1)에 대해 설명한다. 촉매 조립체는 촉매(90)를 포함하고, 촉매는 엔진에서 연소에 의해 생성된 가스용 배기 파이프(91) 내에 배치되고, 배기가스가 대기로 배출되기 전에 배기가스를 필터링하도록 설계된다.
엔진의 특성에 따라 촉매는 질소 산화물을 감소시키고 일산화탄소를 산화시키며 연소되지 않은 탄화수소를 산화시키는 3원 촉매(일반적으로 가솔린 엔진용)일 수 있다. 또한 촉매는 CO 및 HC를 산화시키는 산화 촉매(DOC), 또는 산화 촉매이고 NOx를 저장하고 환원시키는 촉매인 LNT(Lean NOx Trap) 촉매, 또는 선택적 촉매성 환원 촉매, 또는 선택적 촉매성 환원 촉매가 뒤따르는 산화 촉매를 포함하는 조립체 등일 수 있다.
전기 가열 디바이스(1)는 촉매(90)의 상류, 즉 엔진의 출구와 촉매의 입구 사이 배기 파이프(91) 내에 배치된다. 도 3을 참조하면, 전기 가열 디바이스(1)는 원통형 슬리브(10), 및 전류의 흐름에 의해 가열되고 슬리브 내에 포함된 가열 셀형 구조체(20)를 포함한다.
원통형 슬리브(10)의 외부 직경은 배기 파이프(91)의 내부 직경에 대응하여, 가열 디바이스가 배기가스 파이프(91)의 세그먼트 내에 위치되어 상기 세그먼트의 단면을 완전히 점유할 수 있다. 따라서, 생성된 가스는 슬리브를 통해 촉매에 도달하기 전에 반드시 가열 셀형 구조체(20)를 통과한다.
가열 디바이스는 또한, 슬리브 내에 가열 셀형 구조체를 지지하기 위한 지지 디바이스, 예를 들어, 가열 셀형 구조체의 하류, 예를 들어, 슬리브(10) 내에 수용되는 지지 구조체(19), 및 이 지지 구조체에 가열 셀형 구조체를 유지하는 홀딩 패드(24)를 포함한다.
일 실시예에서, 그리고 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이, 지지 구조체(19)는 가열 디바이스(1)가 전술한 촉매(90)와 관련하여 보충 촉매 작용 요소(19)를 포함하도록 보충 촉매 작용 요소 기능을 가질 수 있다. 촉매 작용 요소(19)는 산화(DOC) 또는 LNT 촉매 유형, 또는 3원 촉매 유형일 수 있다.
일 실시예에서, 촉매 작용 요소(19)는 이러한 촉매 유형의 유효성을 증가시키기 위해 촉매(90)와 동일한 유형이다. 일 변형예로서, 이는 전기 가열 디바이스(1)의 촉매 작용 요소(19)와 촉매(90)에 의해 배기가스를 보완적으로 처리하도록 하기 위해 다른 유형이다. 비제한적인 예로서, 촉매 작용 요소는 3원 유형일 수 있는 반면, 촉매(90)는 선택적 촉매 환원 유형이다.
가열 셀형 구조체(20)는 가열 디바이스가 설치될 때 배기 파이프에서 가스의 이동 방향과 평행한 축 주위로 가열 셀형 패널(21)을 감음으로써 얻어질 수 있다(도 2에서 화살표(F)로 표시됨). 그 예가 도 4a 및 도 4b에 도시된 패널(21)은 적어도 하나의 금속 셀형 매트릭스(23)를 포함하며, 이 금속 셀형 매트릭스는 또한 금속인 지지층(22)에 부착될 수 있거나 심지어 2개의 지지층(22) 사이에 위치될 수 있다. 셀형 매트릭스(23)는 배기가스가 통과할 수 있는 복수의 셀을 포함하는 형성물을 의미하는 것으로 이해되며, 여기서 셀은 전류가 흐르는 동안 가열되는 금속 벽으로 구분된다. 가열 셀형 구조체(20)는 또한 셀형 구조체를 가열하기 위해 셀형 구조체를 통해 전류가 흐르게 할 수 있는 전기 커넥터(30)를 포함한다. 구조체는 금속 지지 벽의 제1 단부가 제1 전기 커넥터에 연결되고 금속 지지 벽의 제2 단부가 제2 전기 커넥터에 연결되는 방식으로 배열되어, 전류는 금속 지지 벽과, 이 벽에 장착된 셀형 매트릭스 전체에 흐르도록 한다.
금속 지지 벽과 셀형 매트릭스에서 전류 흐름은 주울 효과에 의해 배기가스를 가열할 수 있다.
슬리브는 또한 셀형 구조체의 전기 커넥터(30)를 수용하고 적절한 커넥터를 통해 전류 생성기에 연결될 수 있도록 고정된 위치에 전기 커넥터를 유지할 수 있는 연결 패드(31)를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 셀형 구조체(20)는 전기 가열 디바이스의 출구에서 배기가스의 온도가 상기 단면에서 균일하여 하류에 위치된 촉매 입구에서 균일하도록, 배기가스의 흐름 방향에 수직인 단면에서 불균일한 화력을 방산시키도록 설계된다.
유리하게는, 배기 파이프(91)의 단면에서 전기 가열 디바이스에 의해 방산될 화력 프로파일은 매트릭스의 출구에서 배기가스의 온도 프로파일이 일정하도록 가열 셀형 구조체의 입구에서 배기가스의 온도 프로파일의 함수로서 결정된다.
도 2에 도시된 비제한적 예에 따르면, 가열 셀형 구조체의 입구에서 가스의 온도 프로파일은 배기 파이프의 중심에 위치된 가스가 파이프 주변에 위치된 가스보다 더 높은 온도를 갖는 것이고, 이것은 파이프에 포함된 가스의 온도에 대한 주변 온도의 영향, 파이프의 열 관성, 및 엔진 또는 엔진의 터보차저의 출구에서의 가스 분포와 관련이 있다. 이 경우에, 셀형 구조체(20)는 유리하게는 화력(P1)을 방산시키도록 설계된 주변 부분과, 화력(P2)을 방산시키도록 설계된 중심 부분을 갖도록 설계되며, 여기서 전체 단면에 걸쳐 출구에서의 가스의 온도를 일정하게 제공하기 위해 P1은 P2보다 크다.
다른 방식으로 다른 화력을 방산시키도록 설계된 부분을 얻는 것도 가능하다.
제1 예에 따르면, 셀형 구조체(20)는 상이한 전기 저항률을 갖는 2개의 상이한 재료로 형성된 부분을 포함할 수 있다. 예를 들어, FeCrAl Y 합금, 저항률이 20℃에서 1.44 옴-미터(ohm-meter)인 M.N. 1.1767, 및 Ni70Cr30 합금, 저항률이 20℃에서 1.19 옴-미터인 M.N. 2.4658을 선택할 수 있다.
일 변형예로서, 그리고 도 4a를 참조하면, 셀형 구조체에 의해 방산될 화력의 변화는 상기 구조체를 얻기 위해 감기는 패널(21)의 기하학적 형상을 수정함으로써 얻어질 수 있다. 유리하게는, 패널(21)은 가스 흐름 방향으로 가변적인 치수(d)를 갖는다. 도 4a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 전류(I)는 패널을 감는 축(X-X)(도 4b)에 수직인 방향으로 패널(21)에 흐르고, 이 축은 가스의 흐름 방향에 평행하다. 따라서, 가스 흐름 방향으로 거리가 짧을수록 전류 흐름 단면이 줄어들고, 전류가 횡단하는 패널 단면에 반비례하는 전기 저항을 증가시킬 수 있다. 플레이트 단면의 전기 저항을 증가시키면 단면에서 방산될 화력이 증가한다.
따라서, 가열 디바이스 상류의 온도 프로파일 및 구조체(20)를 얻기 위해 셀형 패널(21)을 감는 형태의 함수로서 요구되는 방산 화력 프로파일에 기초하여, 방산될 화력에 영향을 미치기 위해 기하학적 형상을 수정해야 하는 패널의 구역을 식별할 수 있다.
가열 셀형 구조체의 입구에서 배기가스가 중심에서의 온도보다 주변에서 더 낮은 온도를 갖는 도 2를 참조하여 설명된 예를 참조하면, 도 4b에 도시된 바와 같이 셀형 패널(21)에 대한 하나의 가능한 구성은 전류의 흐름 방향, 즉 가스의 흐름 방향에 수직인 방향으로 2개의 단부 부분(210)을 갖는 것이며, 단부 부분은 단부 부분 사이에 위치된 중심 부분(211)의 치수(d2)에 대해 감소된 가스 흐름 방향의 치수(d1)를 갖는다. 더욱이, 이 경우에, 셀형 패널은 유리하게는 감소된 치수(d1)의 2개의 단부로부터 등거리에 위치된 축(X-X) 주위에 감겨서, 단부 부분은 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이 셀형 구조체의 주변에 위치된다. 따라서, 단부 부분은 동일한 전류에 대해 중심 부분에 의해 방산될 화력(P2)보다 더 큰 화력(P1)을 방산시킬 수 있고, 따라서 가열 디바이스의 하류에서 전체 입구 단면(구역(Zok))에 걸쳐 촉매의 유효 촉매 온도보다 높은 균일한 온도 프로파일(T)을 얻을 수 있다.
도 5는 전술한 가열 디바이스를 설계하는 방법의 주요 단계를 개략적으로 도시하며, 상기 방법은 가열 디바이스의 상류 배기 파이프 단면에서 배기가스 온도 프로파일을 결정하는 제1 단계(100)를 포함한다. 이 단계에 의해 모든 가스를 촉매의 동작 온도로 올리기 위해 가열 디바이스에 의해 보상되어야 하는 온도 차이를 결정할 수 있다.
제2 단계(200)는 하류 방향에서 일정한 온도 프로파일을 얻기 위해 전술한 가열 디바이스의 가열 셀형 구조체에 의해 촉매의 상류 배기 파이프의 단면에서 방산될 화력 프로파일을 결정하는 것을 포함한다. 일 실시예에서, 이러한 결정은 파이프 내 배기가스의 속도 프로파일, 열 손실 등을 고려할 수 있다. 이들 파라미터는 엔진 상태의 함수로서 변할 수 있기 때문에, 이러한 결정은 동일한 엔진에 대한 여러 화력 프로파일 및 동일한 엔진에 대한 여러 전기 가열 디바이스 설계를 생성하기 위해 엔진의 다양한 동작 상태에 대해 결정이 수행될 수 있으며, 따라서 나중 단계에서 화력 프로파일 및 이에 따라 전기 가열 디바이스를 최적화하는 엔진의 상태를 선택할 수 있다.
마지막으로, 제3 단계(300)는 단계(200)에서 결정된 화력 프로파일에 따르기 위해 전기 저항 및 원하는 화력을 얻기 위해 가열 셀형 구조체의 구역을 규정하고, 각각의 구역과 관련된 화력을 결정하고, 및 각각의 구역을 치수 조정하거나 또는 적절한 재료를 선택하는 것을 포함한다.

Claims (8)

  1. 배기가스 촉매용 전기 가열 디바이스(1)로서,
    상기 전기 가열 디바이스는 슬리브(sleeve)(10), 및 전류의 흐름에 의해 가열되고 상기 슬리브(10) 내에 포함된 가열 셀형 구조체(heating cellular structure)(20)를 포함하고,
    상기 전기 가열 디바이스(1)는 배기가스 파이프 내에 흐르는 배기가스가 촉매에 도달하기 전에 셀형 매트릭스를 통과하도록 세그먼트의 단면을 완전히 점유하도록, 촉매(90) 상류의 배기가스 파이프(91)의 세그먼트에 위치되도록 설계되고,
    상기 가열 셀형 구조체(20)는 상기 가열 셀형 구조체의 출구에서 배기가스의 온도가 배기가스의 흐름 방향에 수직인 단면에서 균일하도록, 배기가스의 흐름 방향에 수직인 단면에서 불균일한 화력을 방산시키도록 설계되고, 상기 셀형 구조체(20)는 상기 가열 디바이스가 상기 배기 파이프에 위치될 때 배기가스의 흐름 방향에 대응하는 축(X-X)을 중심으로 가열 셀형 패널(21)을 감음으로써 얻어지며, 상기 셀형 패널(21)은 상기 축을 따라 가변 치수(d)를 갖고, 상기 가열 셀형 패널은, 플레이트가 감기면, 상기 셀형 구조체의 주변 부분을 형성하도록 설계된 적어도 하나의 제1 부분(210), 및 상기 플레이트가 감기면, 상기 셀형 구조체의 중심 부분을 형성하도록 설계된 적어도 하나의 제2 부분(211)을 갖고, 상기 적어도 하나의 제1 부분(210)은 감는 축의 방향으로 상기 제2 부분(211)의 치수(d2)보다 더 작은 치수(d1)를 갖는, 가열 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 셀형 구조체(20)는 제1 화력(P1)을 방산시키도록 설계된 주변 부분과, 제2 화력(P2)을 방산시키도록 설계된 중심 부분을 포함하고, 상기 제1 화력(P1)은 상기 제2 화력(P2)보다 큰, 가열 디바이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가열 셀형 구조체(20)는 상이한 전기 저항률을 갖는 적어도 2개의 재료로 구성되는, 가열 디바이스.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 배기가스의 흐름 방향에 대해 상기 가열 셀형 구조체(20)의 하류에서 상기 슬리브에 배치된 촉매 작용 요소(19)를 추가로 포함하는, 가열 디바이스.
  5. 제4항에 있어서, 상기 촉매 작용 요소(19)는 산화, LNT(Lean NOx Trap) 또는 3원 촉매 유형인, 가열 디바이스.
  6. 배기가스용 촉매 조립체(9)로서,
    상기 촉매 조립체는 적어도 하나의 촉매(90), 및 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 전기 가열 디바이스(1)를 포함하고, 상기 촉매는,
    - 3원 촉매,
    - 산화 촉매,
    - LNT 촉매,
    - 선택적 촉매 환원 촉매
    로 이루어진 군 중에서 선택되는, 배기가스용 촉매 조립체.
  7. 차량으로서,
    연소 기관, 상기 연소 기관에서 연소에 의해 발생하는 배기가스용 배기 파이프(91), 상기 배기 파이프 내에 배치된 촉매(90), 및 상기 배기 파이프에서 배기가스의 흐름 방향에 대해 상기 촉매의 상류에서 상기 배기 파이프에 배치된 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 전기 가열 디바이스(1)를 포함하는, 차량.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 가열 디바이스를 설계하는 방법으로서,
    촉매 상류의 배기 파이프의 단면에서 배기가스 온도 프로파일을 측정하는 단계(100),
    상기 촉매의 입구에서 일정한 온도 프로파일을 얻기 위해 상기 촉매의 상류의 상기 배기 파이프의 단면에서 방산될 화력 프로파일을 결정하는 단계(200), 및
    상기 가열 셀형 매트릭스에 의해 배기가스를 가열하여 상기 촉매의 입구에서 배기가스의 일정한 온도 프로파일을 얻을 수 있도록 상기 가열 디바이스의 가열 셀형 매트릭스의 구역 및 각각의 구역에 의해 방산될 수 있는 화력을 규정하는 단계(300)
    를 포함하는, 가열 디바이스를 설계하는 방법.
KR1020237000281A 2020-06-15 2021-06-02 배기가스 촉매를 전기 가열하는 디바이스 KR20230023707A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2006195A FR3111386B1 (fr) 2020-06-15 2020-06-15 Dispositif de chauffage électrique de catalyseur de gaz d’échappement
FRFR2006195 2020-06-15
PCT/EP2021/064812 WO2021254780A1 (fr) 2020-06-15 2021-06-02 Dispositif de chauffage électrique de catalyseur de gaz d'échappement

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230023707A true KR20230023707A (ko) 2023-02-17

Family

ID=72266569

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020237000281A KR20230023707A (ko) 2020-06-15 2021-06-02 배기가스 촉매를 전기 가열하는 디바이스

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11946406B2 (ko)
KR (1) KR20230023707A (ko)
CN (1) CN115702284B (ko)
FR (1) FR3111386B1 (ko)
WO (1) WO2021254780A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3130317A1 (fr) * 2021-12-15 2023-06-16 Vitesco Technologies Dispositif de chauffage électrique d’un catalyseur de gaz d’échappement

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5948504A (en) * 1993-01-21 1999-09-07 Emitec Gesellschaft Fuer Emissionstechnologie Mbh Electrically insulating supporting structure capable of metallic bonding, process for producing the same, electrically heatable catalytic converter and electrically conductive honeycomb body using the same
US5456890A (en) * 1993-12-09 1995-10-10 W. R. Grace & Co.-Conn. Combined electrically heatable and light-off converter
JP3277655B2 (ja) * 1993-12-21 2002-04-22 トヨタ自動車株式会社 電気加熱式触媒装置
JPH08218846A (ja) * 1995-02-17 1996-08-27 Nippon Soken Inc 内燃機関の排気浄化装置用電気ヒータ
DE19943846A1 (de) * 1999-09-13 2001-03-15 Emitec Emissionstechnologie Vorrichtung mit Heizelement zur Abgasreinigung
DE102007024563A1 (de) * 2007-05-25 2008-11-27 Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh Vorrichtung umfassend einen großen elektrisch beheizbaren Wabenkörper
US8252077B2 (en) * 2007-09-17 2012-08-28 GM Global Technology Operations LLC Electrically heated particulate filter heater insulation
US8051644B2 (en) * 2009-02-18 2011-11-08 GM Global Technology Operations LLC Electrically heated particulate filter zone-based post fuel injection system
DE102012007020A1 (de) * 2012-04-05 2013-10-10 Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh Elektrischer Anschluss von mehreren Blechlagen eines elektrisch beheizbaren Wabenkörpers und zugehöriger Wabenkörper
US10918994B2 (en) * 2013-09-18 2021-02-16 Advanced Technology Emission Solutions Inc. Induction heating apparatus and methods
JP6387976B2 (ja) 2016-02-05 2018-09-12 トヨタ自動車株式会社 電気加熱式触媒
US10161276B2 (en) * 2016-06-20 2018-12-25 GM Global Technology Operations LLC Method and system for non-uniform catalyst heating for internal combustion engine
DE102016214495A1 (de) * 2016-08-04 2018-02-08 Continental Automotive Gmbh Elektrisch beheizbarer Wabenkörper zur Abgasbehandlung mit einer Mehrzahl von Heizelementen
DE102016122304A1 (de) 2016-11-21 2018-05-24 Volkswagen Ag Verfahren zum Aufheizen eines Katalysators sowie Kraftfahrzeug mit einem Katalysator
DE102016224711B4 (de) 2016-12-12 2019-08-01 Continental Automotive Gmbh Verfahren zum Betrieb eines elektrisch beheizbaren Katalysators
DE102017115408A1 (de) 2017-07-10 2019-01-10 Volkswagen Aktiengesellschaft Abgasnachbehandlungssystem und Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors
DE102017216470A1 (de) * 2017-09-18 2019-03-21 Continental Automotive Gmbh Elektrisch beheizbare Heizscheibe für die Abgasnachbehandlung
FR3080148B1 (fr) * 2018-04-11 2020-03-20 Faurecia Systemes D'echappement Ligne d'echappement, dispositif de purification des gaz d'echappement et procede de fabrication du dispositif de purification

Also Published As

Publication number Publication date
CN115702284B (zh) 2024-06-21
FR3111386B1 (fr) 2022-06-10
US20230212970A1 (en) 2023-07-06
CN115702284A (zh) 2023-02-14
FR3111386A1 (fr) 2021-12-17
US11946406B2 (en) 2024-04-02
WO2021254780A1 (fr) 2021-12-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108884739B (zh) 用于流体流动系统的感受器
JP4540283B2 (ja) 加熱要素付き排気ガス浄化装置
US7055314B2 (en) System having open particulate filter and heating element, for cleaning exhaust gases from mobile internal combustion engines
CN110945220A (zh) 废气后处理系统和对内燃机进行废气后处理的方法
CN110832174B (zh) 用于内燃机的废气后处理的系统和方法
US11035272B2 (en) Exhaust system and features thereof
CN111472869A (zh) 排气加热元件
JP6185570B2 (ja) 排ガスシステムの作動のための方法
JP3562004B2 (ja) 内燃機関の触媒浄化装置
EP2754491A1 (en) Electric heating catalyst
KR20230023707A (ko) 배기가스 촉매를 전기 가열하는 디바이스
WO2021080651A1 (en) Exhaust system and features thereof
JP4640145B2 (ja) 内燃機関の排気浄化システム
JP7294253B2 (ja) 排気浄化装置
JP2008202511A (ja) ディーゼルエンジン用排気ガス浄化装置
JP7159465B2 (ja) 触媒コンバータ
JP5504719B2 (ja) 自動車用排気浄化装置
CN219654761U (zh) 电加热器和包括其的后处理系统
JP6963968B2 (ja) 車両、荷役車両、及び排ガス処理システム
AU2020369432B8 (en) Exhaust system and features thereof
US5325665A (en) Catalytic converter arrangement
US20180291785A1 (en) Catalyst apparatus for internal combustion engine
JP4001213B2 (ja) ディーゼル排気微粒子浄化装置
CN115234344A (zh) 电加热催化剂布置
US20200131960A1 (en) Catalytic device and exhaust gas purification system

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination