JP2005214428A

JP2005214428A - 化学ヒートポンプ、及びそれを備えた高性能・低公害ディーゼルエンジンシステム熱機関

Info

Publication number: JP2005214428A
Application number: JP2004017758A
Authority: JP
Inventors: Shintaro Ishiyama; 新太郎石山
Original assignee: Japan Atomic Energy Research Institute
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2004-01-27
Filing date: 2004-01-27
Publication date: 2005-08-11

Abstract

【課題】
ディーゼルエンジンは熱機関であるため、最高・最低運転温度差によりその効率が決まるため、最低運転温度を高くして熱機関外に放出するのはエンジン効率の観点から好ましくない。
【解決手段】
ディーゼルエンジンの運転温度差をできるだけ高くして、エンジン効率を高めると同時に、その低温排ガスの熱を触媒活性化温度まで高め、その熱を触媒装置に供給することにより、自動車等に設置できる軽量コンパクトなヒートポンプ及びそのヒートポンプを利用した高性能・低公害ディーゼルエンジン車。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジン利用の熱機関、例えばディーゼル自動車などへの民生利用に関する。即ち、本発明は、高温作動型水素吸蔵合金を用いた化学ヒートポシプ、及びそれを備えた高性能・低公害ディーゼルエンジンシステム熱機関に関するものである。

従来のディーゼルエンジン車は、排ガス中から環境に排出されるNOXやSOX等濃度を低減させるため、排ガスを一旦触媒に触れさせることでこれら有害成分を取り除く触媒システムを有している。しかしながら、この触媒の活性化を保つためにはこの触媒を350℃以上の活性点温度まで加熱する必要がある。そのため、ディーゼルエンジンからの排ガス温度をわざわさ高くして排気しているのが現状である。一方、ディーゼルエンジンは熱機関であるため、最高・最低運転温度差によりその効率が決まるため、このような最低運転温度をわざわざ高くして熱機関外に放出するのはエンジン効率の観点から好ましくない（例えば、非特許文献１及び２参照）。
石山新太郎、外２名著、「原研における高温作動型化学ヒートポンプ開発の現状」、水素エネルギーシステム協会誌、ＶｏＬ．１９，Ｎｏ．２，３３−４０（１９９４）石山新太郎、外２名著、「水素貯蔵型化学ヒートポンプの性能評価（Ｉ）」、水素エネルギーシステム協会誌、ＶｏＬ．２１，Ｎｏ．２１，４２−４４（１９９５）

そこで、本発明ではディーゼルエンジンの運転温度差をできるだけ高くして、エンジン効率を高めると同時に、その低温排ガスの熱を触媒活性化温度まで高め、その熱を触媒装置に供給でき、かつ自動車等に設置できる軽量コンパクトなヒートポンプを提案する。即ち、高性能・低公害ディーゼルエンジン車の実用化が果たせる。

そこで、図１に、本発明のヒートポンプを用いて低温排ガス温度を高温化して利用した高性能低公害ディーゼルエンジン車の排ガスの流れを示す。
本発明においては、図１に示されるように、従来のエンジンの最低運転温度（350℃以上）を200℃まで低温化させ、エンジンに十分な仕事をさせた後の排ガスを一旦キャタリシス装置（キャタ）に導きこれを予熱し、その後この低温排ガス温度（150℃）を排気管（エグゾーストパイプ：エキパイ）あたりから再回収し、これを化学式ヒートポンプにより400〜500℃に昇温し、この熱を再びエンジン排ガスに伝えることにより排ガス温度を高温化し最終的にキャタリシスを350℃以上の活性化温度まで加熱する。その結果、エンジン効率は約10％程度効率化し、同時に排ガス中の有害物質除去も達成できる高性能・低公害ディーゼルエンジンシステムが構築される。

そこで、図２及び図３に示す水素吸蔵合金を収納した二つの圧力容器の片方に水素を吸蔵させ、その後エンジン排ガスの排熱により水素吸蔵した合金側容器を加熱し吸蔵水素を乖離し、その乖離平行圧力を利用して反対側の圧力容器に移し、その際発生する高温反応熱を利用して150℃の排熱温度を400〜500℃に昇温できる軽量コンパクトな排熱回収型ヒートポンプを車上に搭載し、下記運転要領で運転することにより、高性能ディーゼルエンジンシステムを実現できる。

本発明ではエンジン排ガスの排熱温度を高温化し再利用できるとともに、排熱源側からの排熱温度を低温化でき、排熱側熱機関の利用温度幅を大きくすることができることから一般的な熱機関への幅広い応用が可能である。即ち、高性能・低公害のディーゼルエンジン車の実用化が果たせる。

［運転手順］
（I）ヒートポンプ初期状態
そこで、図２に示されるように、圧力容器Ａ側をエンジン直接排熱配管周りに取り付け、エンジンからの排ガスを排熱温度200℃まで低温化させ、エンジンに十分な仕事をさせる。次に、排ガスをキャタリシスに通して触媒を活性化させ、排熱温度１５０℃で排出させる。圧力容器Ｂをキャタルシス通過後の排熱配管周りに取り付け、キャタリシス通過後の排ガスで圧力容器Ｂを加熱して排ガスの排熱温度を1００℃以下とし、大気に放出する。この段階ではすでに圧力容器Ｂ内に水素ガスを吸蔵させておき、圧力容器Ａ側は真空にしておく。
（II）運転モードI
（１）上記初期の状態では、圧力容器Ｂ側では準備した水素吸蔵合金は、平衡水素圧力まで水素を乖離している状態となるので、圧力容器Ｂと圧力容器Ａを連結する配管を開（open）にすれば、自然と水素ガスは圧力容器Ａに移動する。この段階で圧力容器Ａ側の水素吸蔵合金は流入水素と水素化反応を生じて発熱する。

（２）ここで、連結配管を繋ぎぱなしにすると両圧力容器間での平衡圧力までこれらの反応は継続する。そこで、連結間にバキュームコンプレッサー（VC）を置くことにより、圧力容器Ｂ内に貯蔵した水素ガスを全て引き出し、全量を圧力容器Ａに移し替える。この移し替えの最中、圧力容器Ｂは吸熱反応、圧力容器Ａは発熱反応となる。

（３）この状態で、エンジンからの直接排熱を200℃から350℃に昇温する熱量に十分な反応熱を確保できるように圧力容器Ａ内の水素吸蔵合金量及び水素吸蔵量を決定すれば良い。

（４）350℃に昇温された排気ガスは、キャタリシスを通過して触媒活性化した後150℃程度となり排出され、圧力容器Ｂの保温熱として供給される。
（５）最終的に排ガスは圧力容器Ｂ中の水素吸蔵合金の乖離熱を供給した後100℃以下で大気中に排気される。
（III）運転モードII
（１）図２に示されるように、圧力容器Ａに水素ガスが完全に移動した後、再び圧力容器Ｂに水素ガス全量を戻す操作が必要である。この段階では、圧力容器Ａは吸熱状態、圧力容器Ｂは逆に発熱状態となる。そこで、エンジンからの直接排熱（200℃）を圧力容器Ａに供給させつつ、VCにより圧力容器Ａ内の水素ガスを圧力容器Ｂに抜き取る。その際のエンジンからの直接排熱温度は200℃から15O℃以下に下がるので、この配管接続箇所を従来のキャタリシスヘ導くのではなく、切り替え弁により圧力容器Ｂ配管に導き、圧力容器Ｂの保温熱を供給する。

（２）圧力容器Ｂでは、圧力容器Ａ側から移動してくる水素ガスと水素吸蔵合金とが水素化反応を生じて発熱するので、この発熱量を圧力容器Ａ配管を通して圧力容器Ｂ配管に導かれた排気ガス（150℃程度）は、この反応熱をもらって350℃に加熱される。この温度段階の排ガスをキャタリシスに導いて活性化させ、150℃程度となった排熱温度の排ガスを大気放出する。

（ア）ディーゼルエンジン車搭載用ヒートポンプ検討条件を下記に示す。
［検討条件］
排ガス条件：流量0.0524kg/s、排気ガス；Cv（定容比熱）757.1J/kgk
エンジン立ち上がり時；
１）200℃の熱源が150℃になるまでエネルギーを吸収。

２）吸収したエネルギーを400〜500℃まで昇温し、200℃の熱源に対して放出。
３）ヒートポンプの作動電力100W以下。
定格運転時；
１）350℃の熱源が150℃になるまでエネルギーを吸収。

２）吸収したエネルギーを400〜500℃まで昇温し、200℃の熱源に対して放出。
３）ヒートポンプの作動電源100W以下。
４）効率85％以上(出熱／入熱)
定格運転到達までに要する時聞；５分以内
サイズ；500mm×500mm×200mm未満
（イ）上記検討条件に対してシステム概算を行なった結果を下記に示す。
［システム概算］
１）熱計算
今回概算した熱計算に用いた数値を下記に記す。

Cp：定積比熱
仮にMH総重量を3kgとした揚合、総発熱量は約5.7MJである。
５分での排気ガス量はCp×５分間×流速＝約16kJ/K
従って、MHの総発熱量がすべて排気ガス（200℃）に伝熱されたと考えて場合、昇温幅ΔTは約350℃と想定される。すなわち、熱増幅後の排熱ガス温度は550℃程度を考えられる。

２）システムの総重量（概算）、寸法等
本発明のシステムの主要機器は、二個の圧力容器及びMH（金属水素化物）、CP及び配管である。（１）の結果、MHの圧力容器Ａ及びＢ各容器内MHは3kg、総計6kgもあれば十分である。VC（100W程度、AC100V）（AC:直流電源）は10kgとして、全体的には流量計、弁等を考慮して総重量50kg程度ではないかと思われる。寸法も500ｍｍ×500ｍｍ×200ｍｍ以内に入る。

上記運転モードＩ及びＩＩを繰り返し操作する必要があるが、排熱側からすれば連続的に350℃の熱をキャタリシス側に供給できることから、本発明のシステムは実用的に供することができる。

高性能ディーゼルエンジンシステムにおける排ガス回収・高温化再利用の流れを示す図である。水素吸蔵合金を利用したヒートポンプの運転モードＩを示した図である。水素吸蔵合金を利用したヒートポンプの運転モードＩＩを示した図である。

Claims

150℃の排ガス温度を400〜500℃まで熱増幅できる化学ヒートポンプ。

高温作動型水素吸蔵合金を用いた請求項１記載の化学ヒートポシプ。

エンジン排熱を低温化し、エンジン効率を高めることのできる請求項１又は２記載の化学ヒートポンプ。

排ガス中の有毒成分を除去する触媒を活性化温度まで昇温できる請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の化学ヒートポンプ。

従来のエンジンの350℃以上の最低運転温度を200℃まで低温化させ、エンジンに十分な仕事をさせた後の排ガスを一旦キャタリシス装置に導きこれを予熱し、150℃まで低温化された低温排ガス温度を排ガス排気管あたりから再回収し、これを化学ヒートポンプにより400〜500℃に昇温し、この熱を再びエンジン排ガスに伝え、排ガス温度を高温化し最終的にキャタリシスを350℃以上の活性化温度まで加熱することにより、エンジン効率を約10％程度効率化し、同時に排ガス中の有害物質除去も達成できる高性能・低公害ディーゼルエンジンシステム機関。