KR100675957B1 - Internal combustion engine exhaust gas heater - Google Patents
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Abstract
본 발명은 LPG, LNG, 휘발유, 경유 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 전열히터가 설치되며, 상기 하우징의 외부로부터 연결되어 연료를 공급하는 연료예열라인과 연료용 공기를 도입하는 공기예열라인이 설치되는 촉매반응기; 및 상기 촉매반응기의 후단에 설치되어 상기 촉매반응기로부터 배출되는 연소개질가스와 상기 촉매반응기와 상기 하우징 사이로 흐르는 배기가스를 혼합하는 혼합기를 포함하고, 상기 촉매반응기에는 방열수단이 형성된 내연기관 배기가스 가열장치이다.The present invention relates to an internal combustion engine exhaust gas heating apparatus required for heating a exhaust gas purifying apparatus of an internal combustion engine that drives DME which is LPG, LNG, gasoline, diesel, or oxygenated hydrocarbons as a raw material, the housing of a tubular body; The combustion reforming catalyst is filled in the housing so as to burn / reform exhaust gas, and an electrothermal heater is installed at an introduction portion of the catalytic reactor, and a fuel preheating line and fuel air connected from the outside of the housing to supply fuel are provided. Catalytic reactor is installed air preheating line for introducing; And a mixer installed at a rear end of the catalytic reactor to mix the combustion reformed gas discharged from the catalytic reactor and the exhaust gas flowing between the catalytic reactor and the housing, wherein the catalytic reactor has an internal combustion engine exhaust gas heating having heat radiating means. Device.
Description
도 1은 종래기술의 연료분사에 의한 DPF 가열 시스템 구성도1 is a block diagram of a DPF heating system using a conventional fuel injection
도 2는 종래기술의 연료증발기를 이용한 DPF 가열 시스템 구성도2 is a block diagram of a DPF heating system using a fuel evaporator of the prior art
도 3은 본 발명에 의한 DPF 가열 시스템 구성도3 is a block diagram of a DPF heating system according to the present invention
도 4는 본 발명의 일 구성예4 is a configuration example of the present invention
도 5 내지 도 7은 도 4의 촉매반응기의 단면도5 to 7 are cross-sectional views of the catalytic reactor of FIG.
도 8은 개질가스를 이용한 DOC 가열 실험결과8 shows DOC heating test results using reformed gas
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
10,20,30: 엔진 11,22,2000: DOC10,20,30:
12,23, 3000: DPF 21: 증발장치12,23, 3000: DPF 21: Evaporator
40: 차압센서 100: 하우징40: differential pressure sensor 100: housing
120: 배플 130: 히터 연결구120: baffle 130: heater connector
140: 전열히터 연결관 150: 전원공급라인 140: electric heater connector 150: power supply line
170: 전열히터 200: 혼합기170: electric heater 200: mixer
300: 연료예열라인 500: 촉매반응기300: fuel preheating line 500: catalytic reactor
510: 연소개질촉매 530: 확장콘510: combustion reforming catalyst 530: expansion cone
540: 냉각핀 542: 유로형방열판540: cooling fin 542: flow path heat sink
543: 유로 550: 촉매지지판 543: Euro 550: catalyst support plate
600: 공기예열라인 700: 도입부600: air preheating line 700: inlet
1100: 연소개질기 2000: DOC1100: combustion reformer 2000: DOC
본 발명은 내연기관 배기가스 가열장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 LPG, LNG, 휘발유, 경유 또는 함산소 탄화수소인 DME를 원료로 구동하는 내연기관의 배가가스 정화장치의 가열에 필요한 내연기관 배기가스 가열장치에 관한 것이다.The present invention relates to an internal combustion engine exhaust gas heating apparatus, and more particularly, to the internal combustion engine exhaust gas required for heating the exhaust gas purifier of an internal combustion engine driven by DME, which is LPG, LNG, gasoline, diesel, or oxygenated hydrocarbons as a raw material. It relates to a heating device.
탄화수소를 연료로 구동하는 내연기관에서는 질소산화물 및 입자상물질이 생성되며 차량증가에 따라서 환경오염은 날로 증가되는 추세에 있다. Hydrogen-powered internal combustion engines produce nitrogen oxides and particulate matter, and environmental pollution is increasing day by day as vehicles increase.
특히, 디젤 차량의 경우 휘발유 차량대비 CO2 배출량이 적은 장점이 있어 중요성이 강조되고 있다. In particular, diesel vehicles are emphasized in importance because they have less CO 2 emissions than gasoline vehicles.
그러나, 디젤 차량의 경우 연소효율을 향상하기 위하여 산소의 분압을 높게 유지하기 때문에 질소산화물의 생성량이 증가된다. However, in the case of diesel vehicles, the amount of nitrogen oxides is increased because the partial pressure of oxygen is maintained to improve combustion efficiency.
이와 함께 입자상 물질의 생성이 많은 단점이 있어 도심의 주된 오염원으로 작용되고 있다. In addition, there are many disadvantages in the generation of particulate matter, which acts as a major pollutant in urban areas.
상기 문제를 해소하기 위하여 다각도에서 연구를 추진 중에 있으며 특히, 입자상 물질 제거용 필터, 질소산화물 제거용 촉매제에 대한 연구가 추진되고 있다.In order to solve the above problems, researches are being conducted in various angles, and in particular, researches on particulate matter removal filters and nitrogen oxide removal catalysts are being promoted.
이 때 핵심적인 사항으로서 필터가열용 연료 또는/동시에 질소산화물 제거용 환원제로서 탄화수소를 공급하고 있으나, 차량의 운행조건에 따라서 배기가스 온도에 변화가 많으며 탄화수소 자체를 연소하기 위한 조건의 유지가 어렵기 때문에 운행노선 또는 배기가스 배출 온도조건을 만족하는 차량에 대하여 선별적으로 적용하고 있다. At this time, as a key point, hydrocarbons are supplied as filter heating fuel and / or reducing agent for removing nitrogen oxides at the same time, but the exhaust gas temperature varies depending on the driving conditions of the vehicle, and it is difficult to maintain the conditions for burning the hydrocarbons themselves. Therefore, it is selectively applied to vehicles that satisfy the operating route or exhaust gas exhaust temperature conditions.
그러나, 연료인 탄화수소를 연소 및/또는 합성가스(수소, 일산화탄소) 및 저급탄화수소 형태의 환원성 가스로 개질하여 필터(DPF) 가열 또는 질소산화물 환원제로 활용할 때 배기가스의 온도 조건에 무관하게 정화장치가 기능을 발휘할 수 있다. However, when the hydrocarbon, which is a fuel, is reformed into a reducing gas in the form of combustion and / or synthesis gas (hydrogen, carbon monoxide) and lower hydrocarbon, the purification apparatus is used regardless of the exhaust gas temperature conditions when used as a filter (DPF) heating or nitrogen oxide reducing agent. Can function.
탄화수소의 촉매연소/개질 통한 합성가스 제조에 대하여 많은 연구가 진행된바 있으나, 내연기관 배기가스의 가열용으로 아직 미완성 단계에 있다. Although many studies have been conducted on the synthesis of hydrocarbons through catalytic combustion / reformation, they are still in an incomplete stage for heating exhaust gas of internal combustion engines.
현재는 가열에너지원으로 배터리로부터 공급되는 전기, 또는 탄화수소를 버너에서 연소하여 연소열을 활용하는 방안이 시도되고 있다. Currently, a method of utilizing combustion heat by burning electricity or hydrocarbons supplied from a battery as a heating energy in a burner is attempted.
그러나, 이들 장치는 사용가능한 전력의 제한성, 또는 외부 버너 설치에 필요한 공간의 확보 등등의 문제로 배기가스 가열시스템 개발은 미완성 단계로 자동 차 후처리 시스템의 실용화에 걸림돌로 작용되고 있다. However, these devices are an unfinished step due to the limited power available or the space required for installing an external burner, which is an obstacle to the practical use of automatic after-treatment systems.
배기가스 중에 탄화수소를 공급하여 배기가스를 가열 및/또는 개질을 통하여 환원가스를 형성하기 위하여 개념 특허들이 다수 출원되어 있으나, 이의 연소/개질에 필요한 구체적인 시스템 구성을 제시하지 못하고 있다. Although a number of conceptual patents have been filed to form a reducing gas through heating and / or reforming the exhaust gas by supplying hydrocarbons in the exhaust gas, it does not present a specific system configuration necessary for its combustion / reformation.
배기가스 중에 탄화수소를 분사할 경우 경유 BP 이하의 낮은 온도에서는 이의 응축을 억제하기 위한 별도의 배기가스 가열장치를 설치를 필요로 한다. In the case of injection of hydrocarbons into the exhaust gas, a separate exhaust gas heater is required to suppress condensation at low temperatures below the diesel oil BP.
이러한 점을 보완한 방법으로서 전기를 이용한 증발기를 이용하여 증기(vapor)로 전환하여 배기가스 중에 혼합하여 DOC에 의한 연소기법 또한 발표된바 있다. 그러나, 이 또한, DOC의 온도가 235 이하에서는 기화 디젤의 연소가 불가능하며 기화된 연료의 재응축에 대한 대비를 필요로 하기 때문에 적용차량에 대한 한계점으로 작용된다.As a method to compensate for this, a combustion method using DOC has also been published, which is converted into a vapor by using an evaporator using electricity and mixed in the exhaust gas. However, this also serves as a limitation for the applied vehicle because the DOC temperature is less than 235, it is impossible to combust the vaporized diesel and to prepare for the recondensation of the vaporized fuel.
도 1은 연료분사에 의한 DPF 가열 일반 구성도로써, 엔진(10)으로부터 나온 배기가스에 연소를 보조하기 위한 연료(fuel)를 공급하여 배기가스와 혼합하여 DOC(Diesel Oxidize Catalyst;디젤산화촉매)(11)에 입력되고, 상기 DOC(11)에서 상기 배기가스와 연료가 산화되어 열을 발생하여, DPF(Diesel Particulate matter Filter;입자상 물질필터)(12)가 재생할 수 있는 열원을 공급한다.1 is a general configuration diagram of a DPF heating by fuel injection, and supplies a fuel for assisting combustion to the exhaust gas from the
상기 DOC(11)는 배기가스중에 포함된 일산화탄소, 탄화수소, PM중에서 가용성유기물질(soluble organic fraction; SOF) 및 DPF 가열용으로 공급하는 연료의 연소작용을 한다. The
상기 DPF(12)는 상기 디젤산화촉매(DOC)의 후단에 직렬 배치되는 구성을 따 르며, 디젤엔진으로부터 나오는 입자상물질을 필터에 포집시킴으로써 최종 배출되는 배기가스의 입자상물질을 저감시키는 역할을 하며, PM이 일정량 쌓이게 되면 외부 공급열원에 의하여 PM을 연소제거하여 재생한다. 도 1에서는 상기 DOC(11)로부터 발생되는 열을 사용하고 있다.The
도 2는 도 1에 비해 연료 증발장치(21)를 더 포함하고 있으며, 상기 증발장치(21)는 배기가스에 연료(fuel)를 기화시켜 공급하여 배기가스와의 혼합을 향상하여 DOC(22)에서의 산화과정을 원활하게 하는 역할을 한다.FIG. 2 further includes a
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 유동성을 갖는다. 배기가스의 온도는 차량 모델, 노후상태, 도로여건, 교통 혼잡상태에 따른 종속성을 갖고, NO/soot의 비율 또한 EGR 비에 따라서 가변적이다. The exhaust gas of the internal combustion engine, in particular in the case of diesel vehicles, collects particulate matter into a filter (metal or ceramic material) and continuously oxidizes or / or periodically burns at the same time to regenerate the filter. The regeneration period of the filter has fluidity according to the temperature distribution NO / soot ratio of the exhaust gas. The temperature of the exhaust gas has dependence on the vehicle model, aging condition, road conditions, and traffic congestion, and the ratio of NO / soot is also variable according to the EGR ratio.
즉, 후처리 장치의 성능을 고려하여 배기가스의 온도를 조절하기 위하여 엔진의 운용조건의 변화는 불가능한 현실로서, 필요에 따라서 배기가스를 가열하기 위한 독립적인 가열시스템이 필요한 실정에 있다.In other words, in order to adjust the temperature of the exhaust gas in consideration of the performance of the after-treatment device, it is impossible to change the operating conditions of the engine, and there is a need for an independent heating system for heating the exhaust gas as needed.
상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 내연기관을 구동하기 위한 탄화수소의 일부를 배기가스 중에서 연소하여 DPF 또는/동시에 De-NOX 후처리 장치가 기능을 발휘될 수 있는 내연기관 배기가스 가열장치를 제공하는 데에 있다. An object of the present invention devised to solve the above problems is to burn a portion of hydrocarbons for driving an internal combustion engine in exhaust gas so that a DPF or / or a De-NOX aftertreatment device can function at the same time. It is to provide a gas heater.
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. It is still another object of the present invention to apply a reactor for producing a synthesis gas (mixture of H2 and CO) capable of heating a discharge gas by carrying out catalytic combustion of a part of the fuel in an exhaust pipe or simultaneously burning at low temperature below 100 ° C. An object of the present invention is to provide an internal combustion engine exhaust gas heating apparatus capable of securing thermal stability against heat of reaction.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 관체의 하우징; 상기 하우징 내에 장착되어 배기가스를 연소/개질시키도록 연소개질촉매가 충진되고, 상기 촉매반응기의 도입부에는 전열히터가 설치되며, 상기 하우징의 외부로부터 연결되어 연료를 공급하는 연료예열라인과 연료용 공기를 도입하는 공기예열라인이 설치되는 촉매반응기; 및 상기 촉매반응기의 후단에 설치되어 상기 촉매반응기로부터 배출되는 연소개질가스와 상기 촉매반응기와 상기 하우징 사이로 흐르는 배기가스를 혼합하는 혼합기를 포함하고, 상기 촉매반응기에는 방열수단이 형성된 내연기관 배기가스 가열장치이다.The present invention for achieving the above object, the housing of the tube; The combustion reforming catalyst is filled in the housing so as to burn / reform exhaust gas, and an electrothermal heater is installed at an introduction portion of the catalytic reactor, and a fuel preheating line and fuel air connected from the outside of the housing to supply fuel are provided. Catalytic reactor is installed air preheating line for introducing; And a mixer installed at a rear end of the catalytic reactor to mix the combustion reformed gas discharged from the catalytic reactor and the exhaust gas flowing between the catalytic reactor and the housing, wherein the catalytic reactor has an internal combustion engine exhaust gas heating having heat radiating means. Device.
상기 방열수단은 상기 촉매반응기의 외면에 형성된 다수의 방열핀인 것을 특징으로 한다.The heat dissipation means is characterized in that the plurality of heat radiation fins formed on the outer surface of the catalytic reactor.
또, 상기 방열수단은 배기가스가 유동되도록 형성된 상기 촉매반응기를 관통하는 유로인 것을 특징으로 한다.In addition, the heat radiating means is characterized in that the flow path through the catalytic reactor formed so that the exhaust gas flows.
또, 상기 하우징의 내벽면에 배기가스를 상기 촉매반응기 쪽으로 치우쳐 흐르도록 하는 배플을 다수 설치한 것을 특징으로 한다.In addition, a plurality of baffles are provided on the inner wall of the housing to allow exhaust gas to flow toward the catalytic reactor.
또, 상기 연료예열라인 및 공기예열라인은 연료와 연소용 공기를 예열하기 위하여, 상기 촉매반응기의 후단을 지나도록 설치되는 것을 특징으로 한다.The fuel preheating line and the air preheating line may be installed to pass through the rear end of the catalytic reactor in order to preheat the fuel and combustion air.
또, 상기 공기예열라인의 상기 촉매반응기의 후단에 위치하는 부분에 하우징 내부에 체류시간을 증대시키기 위한 버퍼가 설치되는 것을 특징으로 한다.In addition, a buffer for increasing the residence time inside the housing is provided in a portion located in the rear end of the catalytic reactor of the air preheating line.
또 다른 발명은, 상기의 내연기관 배기가스 가열장치를 포함하여 소정의 가스로부터 질소산화물 제거용 환원가스를 제조하는 질소산화물 제거용 환원가스 제조장치이다.Another invention is a nitrogen oxide removal reducing gas production apparatus for producing a reduction gas for nitrogen oxide removal from a predetermined gas, including the internal combustion engine exhaust gas heating apparatus.
또 다른 발명은, 상기의 내연기관 배기가스 가열장치를 포함하여 발생된 연소개질가스를 내연기관에 재공급하는 연료공급장치이다.Another invention is a fuel supply device for resupplying a combustion reformed gas generated by an internal combustion engine exhaust gas heating device to the internal combustion engine.
이하, 본 발명을 도면을 통하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
본 발명에서는 개질반응기를 배기가스 내부에 위치함으로서 이에 의한 냉각 작용을 확보함과 동시에 생성열을 이용하여 후단 장치(DOC, DPF) 도면내에 미 표기된 De-NOX용 촉매 또는 NOX trap의 가열을 진행할 수 있다. In the present invention, by placing the reforming reactor inside the exhaust gas to secure the cooling action by this, the heating of the catalyst for De-NO X or NO X trap not shown in the drawing (DOC, DPF) is performed by using the generated heat. Can be.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 DPF 가열 시스템 구성도로써, 도 1 또는 도 2에서 연료공급방식 대신, 연소개질기(1100)를 설치하였다.3 is a configuration diagram of a DPF heating system according to an exemplary embodiment of the present invention, in which a
연소에 필요한 연료는 차량에 탑재된 연료 또는 별도의 탄화수소를 활용할 수 있고, 산화제인 공기는 외부 압축장치를 통하여 공급된다. The fuel required for combustion may utilize fuel mounted on a vehicle or a separate hydrocarbon, and air, which is an oxidant, is supplied through an external compressor.
본 발명의 연소개질기(1100)는 촉매반응기(500), 촉매가열기(170), 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, 도 4에 도시된 바와 같이 배기가스 및 연료가 도입되는 도입부(700)의 단면적은, 배기가스 및 연료를 연소개질촉매(510)에 의하여 개질하는 반응부의 단면적보다 작게 설치하는 것이 착화를 위한 전기히터의 전력소비를 감소시킬 수 있어 바람직하다.Although the shape of the
도입부(700)와 반응부의 단면적 비가 0.1~0.9 범위를 유지할 때 점화가 신속하게 진행되고 미연탄화수소의 슬립을 최소화할 수 있다. When the ratio of the cross-sectional area of the
따라서, 상기 언급한 촉매반응기는 직경이 서로 다른 2개의 관체가 테이퍼진 연결부위를 가지는 형상으로써, 대략 깔때기의 형태를 가진다.Accordingly, the above-mentioned catalytic reactor has a shape in which two tubular bodies having different diameters have a tapered connection portion, which is roughly in the form of a funnel.
본 발명에 사용되는 촉매반응기(500)는 국소가열을 통하여 착화를 진행할 수 있기 때문에 차량의 운행조건과 무관하게, 엔진공회전 상태(배기가스 온도 100℃)에서도 개질시스템(1100)을 기동하여 DPF의 가열 및 질소산화물 제거용 환원제를 공급한다. Since the
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. In particular, in the
또한, 개질촉매의 특성상 고온에서는 반응속도가 매우 빠르기 때문에 반응물의 공간속도를 매우 높게(200,000/hr 이상) 유지할 수 있기 때문에 개질촉매인 귀금속의 사용량을 최소화할 수 있다. In addition, since the reaction rate is very fast at a high temperature due to the nature of the reforming catalyst, the space velocity of the reactant can be kept very high (200,000 / hr or more), thereby minimizing the amount of precious metal as the reforming catalyst.
도 4에서의 상기 촉매반응기(500)의 연소개질촉매(510)가 충진된 반응부의 단면은 도 5와 같이 원형이거나, 도 6 내지 도 7과 같은 직사각형일 수 있으며, 그 모양의 제한은 없다.The cross section of the reaction part filled with the
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. In addition, the reactor diameter / diagonal of the expanded portion is preferably 50 mm or less. Preferably 30 mm or less is recommended. Even if the cooling fin is installed, if the diameter of the catalytic reactor is too large, there is a problem that the heat transfer rate of the catalyst itself is slow, and thus the desired purpose cannot be achieved.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 촉매반응기(500)의 외표면에는 냉각핀(540)이 다수 설치되어 반응열의 방열을 진행하여 작은 부피 내에서 탄화수소의 연소/개질 용량을 증가시킬 수 있는 촉매연소기(1100)를 제공한다.5 and 6, a plurality of cooling
도 7에 도시된 바와 같이 상기 반응부에 배기가스가 유동될 수 있는 유로(542)를 설치하여, 배기가스와 촉매반응기(500) 사이에서 열전달에 필요한 외표면적을 늘려서, 냉각핀의 장착을 생략할 수도 있다.As shown in FIG. 7, a
이 때 배기가스와 접촉될 수 있는 반응기의 외표면적(S)과 촉매가 장착된 단면적(A)의 비(S/A)는 2.0이상이 되어야 원활한 열교환이 이루어지므로 바람직하다. At this time, the ratio (S / A) of the outer surface area (S) of the reactor that can be in contact with the exhaust gas and the cross-sectional area (A) on which the catalyst is mounted is preferably 2.0 or more, so that smooth heat exchange is achieved.
상기 촉매반응기(500)의 도입부(700)에는 전열히터(170)가 설치되며, 상기 전열히터(170)는 상기 하우징(100)의 벽체에 설치된 전열히터 연결구(130)에 삽입 되는 전열히터 연결관(140)과 연결되며, 상기 전열히터 연결관(140)을 관통하는 전원공급라인(150)에 의해 전원을 공급받는다.An
냉각효율을 보다 향상하기 위하여 하우징(100)의 내벽에 배플(120)을 설치하여 엔진배기가스가 상기 촉매반응기(500)의 외표면에 집중될 수 있도록 구성한다. In order to further improve the cooling efficiency, the
하우징(100)의 내벽 가까이에 유동되는 엔진배기가스의 진행방향을 상기 촉매반응기(500)를 향하도록 상기 배플(120)을 상기 하우징(100)의 벽면에 대하여 소정의 각도를 가지도록 설치한다. The
외부로부터 공급되는 연료는 하우징(100)을 통과하면서 도입부(700)에 공급되기 전에 연료예열라인(300)에서 배기가스 및 상기 촉매반응기(500)로부터 발생되는 열에 의하여 자연스러운 예열이 진행되도록 한다. Fuel supplied from the outside passes through the
따라서, 상기 연료예열라인(300)은 상기 촉매반응기(500)의 후단부에 설치되며, 열교환 효율을 증가시키기 위해 상기 하우징(100) 내부에서 수회 절곡되어 형성된다.Therefore, the
연소용 공기 또한 공기예열라인(600)에서 예열하여 반응물 도입부(700)의 온도 저하를 억제한다.Combustion air is also preheated in the
마찬가지로, 상기 공기예열라인(600)은 상기 촉매반응기(500)의 후단부에 설치되며, 열교환 효율을 증가시키기 위해 상기 하우징(100) 내부에서 수회 절곡되어 형성된다.Similarly, the
또한, 상기 공기예열라인(600)의 상기 촉매반응기(500)의 후단부에 위치한 부분에 버퍼(도시생략)를 두어 연소용 공기의 체류시간을 증대시키는 것도 가능하 다.In addition, it is also possible to increase the residence time of the combustion air by placing a buffer (not shown) in the portion located in the rear end of the
상기 버퍼(도시생략)는 상기 공기예열라인(600)보다 단면적이 큰 관체로써, 연소용 공기의 확산을 통해 체류시간을 늘리는 역할을 한다.The buffer (not shown) is a tube having a larger cross-sectional area than the
상기 혼합기(200)는 상기 하우징(100)의 하단부에 설치되며, 개질가스와 촉매반응기를 통과하지 않는 배기가스를 혼합하는 역할을 하여, 개질가스를 연소할 DOC에 균일한 연료가 공급되도록 하여 DOC의 망실을 억제한다. The
도 4에 보인 바와 같이 촉매연소기(500) 후단에 확장콘(530)에서 배출되는 가스와 촉매연소층을 냉각하면서 통과하는 가스를 혼합하기 위한 상기 혼합기(200)의 적합한 형태는 각 가스에 회전력을 주어서 짧은 거리에서 혼합될 수 있도록 헤리컬 형태가 바람직하다.As shown in FIG. 4, a suitable form of the
상기 확장콘(530)은 상기 촉매연소기(500)로부터 배출되는 연소개질가스를 확산시키는 역할을 한다. 그리고, 상기 확장콘(530)의 내측으로는 상기 촉매연소기(500) 내의 연소개질촉매(510)의 이탈을 방지하는 촉매지지판(550)이 설치된다.The
연소개질촉매(510)는 특별한 제한조건이 없으며 기존에 알려진 연소촉매 및 개질촉매 모두 사용가능하다.
본 발명에서 사용한 연소개질촉매(510)의 연소촉매와 개질 촉매의 조성 및 제조방법을 설명하면 다음과 같다.The composition and preparation method of the combustion catalyst and the reforming catalyst of the
먼저 연소촉매를 설명하면, 백금을 활성성분으로 사용하였고 지지체는 알루미나를 사용하였다. 활성금속인 귀금속의 담지에 앞서 3-5mm 입자형활성화알루미나 (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. First, the combustion catalyst was described, and platinum was used as an active ingredient, and alumina was used as the support. Prior to supporting the precious metal as an active metal, cerium nitrate (Ce (NO 3 ) 2 .xH 2 O, Aldrich product) was dried and dried in 3-5mm granular activated alumina (gamma-Al 2 O 3 , canto product). 105, 24 hours), and then calcined at 1300 for 12 hours. Platinum chloride (H 2 PtCl 6 .xH 2 O, manufactured by HanGold Gold Co., Ltd.) was dissolved in distilled water on the completed composite support to carry an active metal. Each precursor was added to include 10% by weight of cerium and 0.2% by weight of platinum based on the total weight of the support. After platinum support, drying (105, 24 hours) and firing (1000, 24 hours) were completed.
개질촉매 역시 상기 연소촉매의 제조와 같은 순서로 제조하였다. 다만, 세륨을 마그네슘으로 전구체(Mg(NO3)2.xH2O, 알드리치제품)로, 백금을 로듐전구체(RhCl3.xH2O, 고지마제품)로 대체하였다. The reforming catalyst was also prepared in the same order as the combustion catalyst. However, cerium was replaced with magnesium with a precursor (Mg (NO 3 ) 2 .xH 2 O, manufactured by Aldrich), and platinum was replaced with a rhodium precursor (RhCl 3 .xH 2 O, manufactured by Kojima).
본 발명에 의해 수행되는 탄화수소의 개질 반응을 보면, 반응식 1에 따르는 스팀개질(steam reforming), 반응식 2에 따르는 부분산화반응(partial oxidation) 및 반응식 3에 따르는 자열개질(ATR, auto thermal reaction)으로 구분된다.In the reforming reaction of hydrocarbons carried out by the present invention, steam reforming according to
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그러나, 부분산화반응은 반응식 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 발열반응으로서 반응열을 효과적으로 제거하지 못할 때 특히, 기동초기에 O2/CH의 비율을 높게 유지하여 반응기를 운용할 경우 발생열량(반응식 4)을 신속하게 제거하지 못할 때 반응기와 촉매의 망실이 발생된다. However, the partial oxidation reaction is exothermic, as shown in
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따라서, 도 5 내지 도 7과 같이 촉매반응기(500)의 배기가스와의 접촉면적을 늘이기 위하여 유로(543)를 형성하거나, 촉매반응기(500) 외표면에 냉각핀(540)을 설치하고 이의 주변으로 배기가스가 흐르도록 개질시스템(1100)을 구성할 때 촉매반응기(500)와 촉매의 내구성을 제공할 수 있다. Accordingly, as shown in FIGS. 5 to 7, a
본 발명에 따른 촉매연소기를 사용하여 배기가스를 가열하고 이에 의한 피가 열체인 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.There is no particular limitation on the form or material properties of the DPF in which the exhaust gas is heated by means of the catalytic combustion device according to the present invention and the blood is a heating body. It can be applied to various types of filters, such as monolithic, foamy, and granular, composed of ceramic, metal, SiC, or SiN. However, at least 900 ℃ of heat resistance is required because the filter can be locally overheated by the combustion of the collected soot. In addition, a method of lowering the operating temperature through the coating of a noble metal oxide catalyst or a nitrogen occluding metal may also be used in the filter thereof.
본 발명에 의한 DPF 가열 시스템을 운용하기 위한 주요 측정위치 및 항목은 다음과 같다.Main measurement positions and items for operating the DPF heating system according to the present invention are as follows.
- DPF 전후의 차압(△P)-Differential pressure before and after DPF (△ P)
- 촉매연소기로 유입되는 배가스 온도(T1)-Exhaust gas temperature (T1) flowing into the catalytic combustor
- 촉매연소기 배출 가스 온도(T2)-Catalytic combustion exhaust gas temperature (T2)
- DOC 입구의 배기가스 온도(T3)-Exhaust gas temperature at the DOC inlet (T3)
- DPF 출구의 배기가스 온도(T4)-Exhaust gas temperature at the DPF outlet (T4)
DPF의 차압 모니터링 과정에서 입자상 물질의 포집량 증가에 따른 기준치 이상의 압력 손실이 감지될 때 점화기에 전원을 공급하여 연소촉매의 가열을 진행한다. In the differential pressure monitoring of the DPF, when the pressure loss is detected above the reference value due to the increase in the amount of particulate matter collected, the igniter is supplied with power to heat the combustion catalyst.
이 때 T1의 온도가 350℃이상이면 전원공급과정은 생략될 수 있다. 촉매 표면의 온도가 350 이상에 이르기 위한 시간 동안 전원을 인가하고 연료를 공급한다. At this time, if the temperature of T1 is more than 350 ℃ power supply process can be omitted. The power is supplied and fueled for a time for the temperature of the catalyst surface to reach 350 or more.
T2의 온도가 300℃ 이상으로 배출될 때 히터의 전원공급을 중단한다. When the temperature of T2 is discharged above 300 ℃, the power supply to the heater is stopped.
필터의 차압(△P)이 기준치 이하로 낮아질 때까지 연료를 공급하여 필터의 재생을 진행한다. The regeneration of the filter is performed by supplying fuel until the differential pressure DELTA P of the filter becomes lower than the reference value.
다만, 차압이 기준치 이하로 도달하지 않은 상태에서도 촉매연소기(500) 후단 온도(T2)가 900℃ 이상에 도달되면 연료의 공급량을 감소시켜서 900℃ 이하의 조건을 만족하면서 필터(3000)의 재생을 실시한다. However, even when the differential pressure does not reach below the reference value, when the rear end temperature (T2) of the
또한, 필터 출구의 온도(T4)가 650 이상(DPF의 내열성에 따라 가변적임)에 이르지 않도록 연료의 공급량을 조절하여 필터의 망실을 방지하는 안전모드를 ECU내에 포함한다. The ECU also includes a safety mode in the ECU that prevents the loss of the filter by adjusting the amount of fuel supplied so that the temperature T4 of the filter outlet does not reach 650 or more (variable according to the heat resistance of the DPF).
또한, 가열장치(1100)의 기동 직후에는 DPF의 온도가 낮은 경우라도 DOC(2000)의 탄화수소 슬립을 억제하기 위하여 T3가 250℃ 이하일 경우 연료의 공급량의 상한값을 제한하는 기능 또한 ECU 내에 포함한다. In addition, immediately after the start of the
본 발명에 따른 내연기관 배기가스 가열장치는 공급하는 공기와 연료의 비율에 따라서 질소산화물의 환원가스 또는 엔진 내부에 산소 농도를 감소시키기 위한 엔진공급용으로 사용될 수 있다. The internal combustion engine exhaust gas heating apparatus according to the present invention can be used for supplying an engine for reducing oxygen concentration in a reducing gas of nitrogen oxide or an engine in accordance with a ratio of air and fuel to be supplied.
본 반응장치는 기동초기에 연소반응(반응식 4)에 필요한 산소 대 연료의 비를 유지하여 촉매를 신속하게 가열하고, 필요에 따라서 공기의 공급량을 감소시키거나 또는 연료의 공급량을 증가시켜서 부분산화반응으로 전환 운전할 수 있다. The reactor maintains the oxygen-to-fuel ratio required for the combustion reaction (Equation 4) at the start of the reactor to quickly heat up the catalyst and, if necessary, reduce the air supply or increase the fuel supply to partially oxidize the reaction. Can drive to switch.
즉, 연소/개질 반응은 산소와 연료의 공급비에 따라서 가변성이 있고 본 반 응기는 이에 대한 대응성을 갖는다. 본 반응기에 O2/CH 비율은 0.05-15 범위에서 운용가능하다. 반응기의 기동초기에는 반응기의 가열을 신속하게 진행할 수 있도록 O2/CH의 비율은 1.5-15의 범위가 바람직하고, 반응기 온도가 700℃ 이상으로 가열된 후에 연료의 공급량을 증가시키거나 또는 공기의 공급량을 감소시켜서 O2/CH의 비율을 0.15-1.5의 범위로 유지하여 합성가스의 생성량을 증가시킨다. That is, the combustion / reforming reaction is variable according to the supply ratio of oxygen and fuel, and the reactor has a corresponding response. The O 2 / CH ratio in this reactor is operable in the range of 0.05-15. In the initial stage of the reactor, the ratio of O 2 / CH is preferably in the range of 1.5-15 so that the reactor can be rapidly heated, and increases the amount of fuel supplied after the reactor temperature is heated to 700 ° C or higher, or By reducing the feed rate, the ratio of O 2 / CH is maintained in the range of 0.15-1.5 to increase the amount of syngas produced.
또한, 반응기의 온도가 800 이상의 고온이 이르고 T3의 온도가 경유 연소온도(250 ) 이상에 이르면 O2/CH 비율을 더욱 낮게(0.02-0.15) 하여 반응열에 의한 반응기 온도 유지수준에서 낮은 부분산화반응을 진행되도록 연료의 공급량 증가를 통하여 DOC(2000)에서 연소량을 증가시켜서 DPF의 가열을 신속하게 진행하도록 운전가능하다. In addition, when the temperature of the reactor reaches a high temperature of 800 or more and the temperature of T3 reaches the diesel combustion temperature (250) or more, the O 2 / CH ratio is further lowered (0.02-0.15) so that the partial oxidation reaction is low at the reactor temperature maintenance level by the heat of reaction. It is possible to increase the combustion amount in the
즉, 이 때는 일부의 탄화수소 연소를 통하여 경유의 증발열을 얻는 형태의 운전이 진행된다.That is, in this case, the operation of obtaining the heat of evaporation of light oil through some hydrocarbon combustion proceeds.
이하, 본 발명에 다른 내연기관 배기가스 가열장치의 실험결과에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the experimental results of the internal combustion engine exhaust gas heating apparatus according to the present invention will be described in detail.
[실시예 1]Example 1
반응기는 공기 및 연료 도입관(600)으로 스테인레스 316 소재의 3/8" 연결용 티(tee)를 사용하고, 반응기 확장관(700)은 스테인레스 316 소재의 3/4" 튜브를 사 용하여 점화기 부분의 직경을 작게 하고, 주 반응기의 직경을 확장한 구조를 따르도록 제작하였다. The reactor uses a 3/8 "connection tee made of stainless 316 as the air and
상기에서 설명된 개질촉매 29㎖을 촉매반응기(500)에 장입하였다. 조립된 촉매반응기(500)는 직경 75mm, 길이 200mm의 하우징(100)의 내부에 장착하여 완성하였다. 29 ml of the reforming catalyst described above was charged to the
공기 가열장치를 이용하여 공기를 150℃로 가열하여 유량 42Nm3/hr로 촉매가열장치(1100)에 공급하였다. 반응기(500)에 공급되는 공기는 외부에서 압축기를 사용하여 공급하였으며, 경유는 고압펌프를 사용하여 공급하였다.The air was heated to 150 ° C. using an air heater and supplied to the
경유연소용 공기 12ℓ/min를 공급하면서 12V 직류전원을 2분간 공급하고, 경유(ULSD)를 0.5㎖/min으로 공급하였다. 촉매 연소기 후단온도(T2) 및 DOC(2000)의 후단온도가 정상상태에 도달되도록 일정시간을 유지하고 경유의 공급량을 1.0, 1.2, 1.5, 1.8, 2.5, 3.0, 4.5㎖/min 단계적으로 증가시켰다. 12V DC power was supplied for 2 minutes, supplying 12L / min of air for diesel combustion, and ULSD was supplied at 0.5 mL / min. The catalyst was combusted at a constant time so that the rear end temperature (T2) and the rear end temperature of the DOC (2000) reached a steady state, and the gas oil supply was increased in steps of 1.0, 1.2, 1.5, 1.8, 2.5, 3.0, and 4.5 ml / min. .
이에 따른 DOC(2000) 입구 및 출구의 온도는 도 6과 같다. 반응 후에 반응기(500)의 표면 상태는 깨끗하였다. 따라서, 특별한 외형의 변화가 나타나지 않은 점으로 볼 때 발생열량의 배출이 용이한 것으로 평가된다.Accordingly, the temperature of
[비교예 2]Comparative Example 2
상기 실시예 1과 같이 경유연소반응을 진행하였다. 다만, 반응기(500)를 사용하여 연소반응을 진행하였고 이의 외표면을 세라믹 단열재로 보온하였다. 반응기 는 스테인레스 316 소재의 1/4" 튜브와 1/2" 유니온으로 제작하였다. 공기공급량 3ℓ/min, 경유 공급량을 0.5㎖/min으로 공급할 때 반응기 배출부의 온도가 1050 에 도달되어 연료 공급량의 증가는 불가능하였다. The diesel combustion reaction was carried out as in Example 1. However, a combustion reaction was performed using the
경유 연소반응은 2시간 동안 지속하였고, 반응 후의 외형은 외표면의 망실이 나타났다. 이러한 점을 볼 때 반응기에서 생성된 열량의 제거의 중요성을 알 수 있다. The diesel combustion reaction lasted for 2 hours, and the appearance after the reaction showed loss of external surface. This shows the importance of removing the heat generated in the reactor.
상기의 내연기관 배기가스 가열장치를 이용하여, 소정의 가스로부터 질소산화물 제거용 환원가스를 제조하는 질소산화물 제거용 환원가스 제조장치를 구성할 수 있다.By using the above-described internal combustion engine exhaust gas heating apparatus, it is possible to configure a reducing gas producing apparatus for removing nitrogen oxides, which produces a reducing gas for removing nitrogen oxides from a predetermined gas.
또한, 상기의 내연기관 배기가스 가열장치를 포함하여 발생된 연소개질가스를 펌프 등의 순환기구를 이용하여 내연기관에 재공급하는 재생연료공급장치를 구성할 수 있다.In addition, it is possible to configure a regenerated fuel supply device for re-supplying the combustion reformed gas generated by the above-described internal combustion engine exhaust gas heating device to the internal combustion engine by using a circulation mechanism such as a pump.
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.The present invention is not limited to the above-described specific preferred embodiments, and various modifications can be made by any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, such changes will fall within the scope of the claims.
본 발명의 배기가스 가열용 연소개질기의 제공에 따라서 자동차의 운행상태에 독립적으로 DPF의 재생이 가능하게 되었다.With the provision of the combustion reformer for heating the exhaust gas of the present invention, the DPF can be regenerated independently of the driving state of the vehicle.
따라서, DPF의 보급사업 특히, 도심을 운행하는 버스를 물론이며 배기가스의 온도가 낮은 중소형 차량까지 DPF의 적용을 가능하게 한다.Therefore, it is possible to apply the DPF to the DPF dissemination project, in particular, to a small-sized vehicle having a low exhaust gas temperature as well as a bus that runs in the city center.
또한, 질소산화물의 환원제로 사용가능한 환원가스의 공급 장치를 제공의 제공에 따라서 향후 Euro V 규제에 대응가능한 후처리 시스템의 완성에 필요한 시스템으로 활용성이 기대된다.In addition, the provision of a supply device for reducing gas that can be used as a reducing agent for nitrogen oxides is expected to be utilized as a system necessary for the completion of a post-treatment system that can comply with Euro V regulations in the future.
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