JP6032783B2 - 固体ｓｃｒシステム - Google Patents
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Description
本発明は固体ＳＣＲシステムおよび固体ＳＣＲ還元剤加熱方法に関し、より詳細には、排気管を介して外部に排出される排気ガスの廃熱を利用する固体ＳＣＲシステムおよびこれを利用した固体ＳＣＲ還元剤加熱方法に関する。
一般的に、エンジンから排気マニホールドを介して排出される排気ガスは、排気ガス流出経路に形成された触媒コンバータ（Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）に誘導されて浄化し、マフラーを通過して騒音が減らされた後、排気管を介して大気中に排出される。
前記触媒コンバータは、排気ガスに含まれているＮＯｘのような汚染物質を処理する。
前記触媒コンバータのうちの１つである選択的触媒還元（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ：ＳＣＲ）装置は、排気ガスに含まれている窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化させるが、還元剤としてウレア（Ｕｒｅａ）、アンモニア（Ａｍｍｏｎｉａ）、一酸化炭素、および炭化水素（Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ：ＨＣ）などが用いられる。
（例えば特許文献１参照。）
（例えば特許文献１参照。）
前記還元剤を排気ガスに供給すれば、排気ガスに含まれていた窒素酸化物が前記還元剤と酸化−還元反応を行って窒素に還元される。
ＳＣＲは、車両運転条件とは関係なく、高い水準の窒素酸化物除去性能を維持することができる後処理装置であり、普遍化したウレア（ｕｒｅａ）ＳＣＲは、ウレア水溶液を排気管内のＳＣＲ前端に噴射して排気ガス成分中のＮＯｘ成分を窒素形態に還元する。
図５は、従来の固体ＳＣＲシステムの一部を示す断面図である。
図５を参照すれば、コンテナ１０内に固体状の還元剤２０が貯蔵されている。ポンプ３４と熱交換器３２が駆動し、熱伝達媒体３０によって前記固体状の還元剤２０を加熱して気体状の還元剤８０に変換させる。
その後、前記気体状の還元剤８０の噴射量が調節バルブ６０によって調節され、供給パイプ７０を介してＳＣＲ触媒９０の前端に位置した排気管９４に供給される。
このとき、コンテナ内の温度と圧力は、圧力／温度伝送器４０によって制御器５０に送られる。
このとき、コンテナ内の温度と圧力は、圧力／温度伝送器４０によって制御器５０に送られる。
しかし、固体ＳＣＲシステムは、構成が複雑であり、全体システムの価格が高く、活用が低いという問題がある。
本発明は前記のような点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、固体ＳＣＲ還元剤加熱を排気ガスの廃熱を利用した熱交換装置で代替する固体ＳＣＲシステムを提供することにある。
また、ＳＣＲシステムの価格を下げ、車両エネルギー効率を改善し、車両重量を低減させる固体ＳＣＲシステムを提供することを他の目的とする。
このような目的を達成するための本発明は、固体状の還元剤、前記固体状の還元剤を貯蔵するコンテナ、前記固体状の還元剤が気体状の還元剤に変換されて供給される排気管、前記排気管に備えられたＳＣＲ触媒を含む固体ＳＣＲシステムであって、前記排気管に備えられ、前記排気管を介して排出される排気ガスの廃熱を回収する排気熱回収装置、および前記排気熱回収装置と連結し、回収された熱を前記固体状の還元剤に伝達する熱交換装置を含む固体ＳＣＲシステムを提供することを特徴とする。
本発明の１つまたは多数の実施形態では、前記排気熱回収装置に前記排気ガスが選択的に供給されるように、前記排気管の内部に備えられた流量調節バルブをさらに含むことを特徴とする。
本発明の１つまたは多数の実施形態では、前記排気熱回収装置は、外部への熱移動を遮断するように外側に備えられた断熱物質、および前記排気ガスを迂回させるように内部に備えられた隔壁を含むことを特徴とする。
本発明の１つまたは多数の実施形態では、前記熱交換装置は、熱移送流体が循環する循環パイプ、前記循環パイプ上の熱移送流体を循環させるポンプ、および前記熱移送流体によって移送される熱を放出する放熱フィンを含むことを特徴とする。
本発明の１つまたは多数の実施形態では、前記熱交換装置は、回収される熱を貯蔵できる蓄熱装置と連結することを特徴とする。
本発明の１つまたは多数の実施形態では、固体状の還元剤を貯蔵するコンテナと、排気管を介して排出される排気ガスの廃熱を熱交換によって回収する排気熱回収装置を含む固体ＳＣＲシステムで固体状の還元剤を加熱する方法であって、（ａ）前記コンテナ内の温度および圧力を既設定値と比較する段階、（ｂ）前記（ａ）段階においてコンテナ内の温度または圧力が既設定値よりも小さい場合には、前記排気熱回収装置の温度とコンテナの温度を比較する段階、（ｃ）前記（ｂ）段階において前記排気熱回収装置の温度がコンテナ内の温度よりも高い場合には、前記排気熱回収装置で排気ガスとの熱交換を実施して排気ガスの廃熱を回収する段階、（ｄ）前記熱交換によって回収された熱によって前記固体状の還元剤を加熱する段階を含む固体状の還元剤加熱方法を提供することを特徴とする。
本発明の１つまたは多数の実施形態では、前記（ａ）段階において前記コンテナ内の温度および圧力が既設定値よりも高い場合には、排気ガス熱交換を中断することを特徴とする。
本発明の１つまたは多数の実施形態では、前記（ｂ）段階において前記排気熱回収装置の温度が前記コンテナ内の温度よりも低い場合には、排気ガス熱交換を中断することを特徴とする。
本発明の実施形態は、排気管を介して外部に捨てられる廃熱を熱交換によって回収し、固体ＳＣＲシステムに供給することにより固体ＳＣＲシステムの構成品であるヒーターを省略できるだけでなく、廃熱を利用することによって燃費を改善できる効果がある。
以下、添付の図面を参照しながら、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が容易に実施できるように、本発明の実施形態を中心として説明する。なお、従来の技術と同じ構成要素については、同じ図面符号を用いる。
図１は、本発明の実施形態に係る固体ＳＣＲシステムを示す図である。
図１を参照すれば、本発明の実施形態に係る固体ＳＣＲシステムは、排気管９４にＳＣＲ触媒９０が備えられ、コンテナ１０に固体状の還元剤２０が貯蔵されており、調節バルブ６０の調節によって気体状の還元剤８０がＳＣＲ触媒９０前端の排気管９４に選択的に供給される。
本発明の実施形態に係る固体ＳＣＲシステムは、前記排気管９４上に備えられ、前記排気管９４を介して排出される排気ガス９２の廃熱（Ｈ）を回収する排気熱回収装置１００と、前記コンテナ１０と前記排気熱回収装置１００の間に備えられ、前記排気ガスから回収された前記廃熱（Ｈ）を前記コンテナ１０に提供する熱交換装置１３０とを含む。
図３（ａ）、（ｂ）は本発明の実施形態に係る排気熱回収装置１００を示す断面図である。
図３（ａ）を参照すれば、前記排気熱回収装置１００は前記排気管９４を囲み、その内部には隔壁１５０が備えられ、熱の流れを迂回するようになっている。また、その外側は断熱物質１１０で形成されており前記廃熱（Ｈ）が外部に移動できないようにしてもよい。
図３（ｂ）は、前記排気熱回収装置１００が作動していない状態の排気ガスの流れを示す図である。
もし、排気ガスの廃熱回収が必要なければ、図３（ｂ）に示すように前記流量調節バルブ１４０は完全に開放され、前記排気ガス９２が前記排気熱回収装置１００内に迂回せずにそのまま外部に排出されるようにする。
しかし、もし前記排気ガス９２の廃熱（Ｈ）を回収しようとする場合には、前記排気管９４を遮断し、前記隔壁１５０によって前記排気ガス９２を迂回させる。以下、図３（ａ）に示すように、前記排気ガス９２が前記排気熱回収装置１００内部を迂回しながら前記熱交換装置１３０に熱を伝達する。
図４は、本発明の実施形態に係る熱交換装置を示す図である。
図４を参照すれば、前記熱交換装置１３０は、熱を移送することができる熱移送流体が循環する循環パイプ１３２と、前記循環パイプ１３２上に備えられ、前記熱移送流体を循環させるポンプ１３６と、前記熱移送流体に貯蔵された熱を放出するようにする放熱フィン１３４とを含む。
このとき、前記熱交換装置１３０は、前記コンテナ１０と前記排気熱回収装置１００の間に備えられ、前記コンテナ１０に熱を直接伝達する。
また、蓄熱物質を含む蓄熱装置１６０に排気ガスの廃熱を貯蔵して置き、必要な場合には前記蓄熱装置１６０を介して前記コンテナ１０の急速昇温時に活用してもよい。
前記蓄熱物質および蓄熱装置に対する事項は当業者に自明な事項であるため、具体的な説明は省略する。
本発明の実施形態によれば、前記排気熱回収装置１００は、ＳＣＲ触媒９０の後端に一体型に設置して空間活用度を高めてもよい。
以下、本発明の実施形態に係る固体ＳＣＲシステムおよびこれを利用して固体状の還元剤を加熱する方法について具体的に説明する。
図２は、本発明の実施形態に係る固体ＳＣＲ還元剤を加熱する方法を示すフローチャートである。
図２を参照すれば、まず、車両の始動オン（ｋｅ ｙｏｎ）状態であるとき、コンテナ内の温度（Ｔｃｏｎｔａｉｎｅｒ）と予め設定されたコンテナ１０の温度（Ｔｃｏｎｔａｉｎｅｒ、ｓｅｔ）を比較する。これと同時に、コンテナ１０内の圧力（Ｐｃｏｎｔａｉｎｅｒ）と予め設定されたコンテナ１０の圧力（Ｐｃｏｎｔａｉｎｅｒ、ｓｅｔ）の圧力を比較する（Ｓ１００）。
前記コンテナ１０内の温度と圧力はそれぞれ温度センサ１１１と圧力センサ１１５によって測定され、測定された値は流量供給制御器（Ｄｏｓｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ：ＤＣＵ）１２０に入力される。
また、温度センサ１１２によって前記排気ガス９２の温度が測定される。前記測定される排気ガス９２の温度により、どの程度の廃熱を回収することができるかが推定される。
前記予め設定されたコンテナ１０の温度（Ｔｃｏｎｔａｉｎｅｒ、ｓｅｔ）と前記予め設定されたコンテナ１０の圧力（Ｐｃｏｎｔａｉｎｅｒ、ｓｅｔ）は、前記固体状の還元剤２０を前記気体状の還元剤８０に気体化するために設定された温度および圧力である。
前記Ｓ１００段階において、前記コンテナ１０内の温度および圧力が既設定値よりも大きければ、前記排気ガス９２から熱回収が不必要であるため、前記排気ガス熱交換装置１３０は作動しない（Ｓ１３０）。
しかし、前記Ｓ１００段階において、コンテナ１０内の温度（Ｔｃｏｎｔａｉｎｅｒ）またはコンテナ１０内の圧力（Ｐｃｏｎｔａｉｎｅｒ）が既設定値（Ｔｃｏｎｔａｉｎｅｒ、ｓｅｔ、Ｐｃｏｎｔａｉｎｅｒ、ｓｅｔ）よりも小さい場合には、排気ガスから廃熱を回収するようにする（Ｓ１１０）。
このとき、排気ガスの廃熱を回収する前に、温度センサ１１２によって測定された排気熱回収装置１００の温度（Ｔ排気熱回収装置１００、ｉｎ）と前記コンテナ１０内の温度（Ｔｃｏｎｔａｉｎｅｒ）を比較し（Ｓ１１０）、前記排気熱回収装置１００の温度が前記コンテナ１０内の温度よりも高ければ、前記排気ガス９２の廃熱を回収して熱交換する（Ｓ１２０）。
したがって、ヒーターがなくても、固体状のＳＣＲ還元剤２０を加熱することができる。また、これにより、前記コンテナ１０内の温度と圧力が常に既設定値（Ｔ：ｃｏｎｔａｉｎｅｒ、ｓｅｔ、Ｐ：ｃｏｎｔａｉｎｅｒ、ｓｅｔ）を維持するようにできる。
前記廃熱回収は、排気熱回収装置１００および、流量調節バルブ１４０によって行われる。
図３には排気ガスの廃熱（Ｈ）の流れを示したが、前記排気ガス９２から廃熱（Ｈ）を回収するように判断されれば、前記流量調節バルブ１４０が図３の（ａ）に示すように前記排気管９４を遮断し、前記排気ガス９２が前記排気熱回収装置１００の内部で迂回するようにする。
前記廃熱（Ｈ）は、排気熱回収装置１００内に挿入されている前記循環パイプ１３２に伝達され、前記循環パイプ１３２内の熱移送流体に熱を伝達することによって前記排気ガス９２から熱回収が行われる。
前記回収された熱は、そのままコンテナ１０に供給されたり、前記蓄熱装置１６０に貯蔵されて必要時に用いられたりする。
このような方法により、排気ガスの廃熱を回収してコンテナ１０内の固体状の還元剤２０を気体状の還元剤８０に変換させた後には、前記調節バルブ６０の調節によって前記気体状の還元剤８０が前記排気管９４に供給され、前記排気ガス９２中のＮＯｘを窒素に還元させるようになる。
以上、本発明に関する好ましい実施形態を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の実施形態から当該発明が属する技術分野において通常の知識を有する者によって技術的範囲内において容易に変更することができる。
本発明は、排気管を介して外部に排出される排気ガスの廃熱を利用する固体ＳＣＲシステムおよびこれを利用した固体ＳＣＲ還元剤加熱方法の分野に適用できる。
１０：コンテナ
２０：固体状の還元剤
３０：熱伝達媒体
３２：熱交換器
３４：ポンプ
４０：圧力／温度伝送器
５０：制御器
６０：調節バルブ
７０：供給パイプ
８０：気体状の還元剤
９０：ＳＣＲ触媒
９２：排気ガス
９４：排気管
１００：排気熱回収装置
１１０：断熱物質
１１１、１１２：温度センサ
１１５：圧力センサ
１２０：流量供給制御器
１３０：熱交換装置
１３２：循環パイプ
１３４：放熱フィン
１３６：ポンプ
１４０：流量調節バルブ
１５０：隔壁
Ｈ：廃熱
２０：固体状の還元剤
３０：熱伝達媒体
３２：熱交換器
３４：ポンプ
４０：圧力／温度伝送器
５０：制御器
６０：調節バルブ
７０：供給パイプ
８０：気体状の還元剤
９０：ＳＣＲ触媒
９２：排気ガス
９４：排気管
１００：排気熱回収装置
１１０：断熱物質
１１１、１１２：温度センサ
１１５：圧力センサ
１２０：流量供給制御器
１３０：熱交換装置
１３２：循環パイプ
１３４：放熱フィン
１３６：ポンプ
１４０：流量調節バルブ
１５０：隔壁
Ｈ：廃熱
Claims (2)
- 固体状の還元剤と、前記固体状の還元剤を貯蔵するコンテナと、前記固体状の還元剤が気体状の還元剤に変換されて供給される排気管と、前記排気管に備えられたＳＣＲ触媒とを含む固体ＳＣＲシステムであって、
前記排気管の外周を囲み、前記排気管を介して排出される排気ガスの廃熱を回収する排気熱回収装置と、
前記排気熱回収装置と連結し、回収された熱を前記固体状の還元剤に伝達する熱交換装置と、
前記排気熱回収装置に前記排気ガスが選択的に供給されるように前記排気管の内部に備えられ、前記排気管の下流側位置で回転することによって排気管を遮断又は開放する流量調節バルブと、を含み、
前記排気熱回収装置は、排気熱回収装置の長さ方向先端から後端に至る全てを囲み外部への熱移動を遮断するように排気熱回収装置の外側に備えられる断熱物質と、前記排気ガスを迂回させるように内部に備えられる隔壁と、を有し、
前記熱交換装置は、熱移送流体が循環する循環パイプと、前記循環パイプ上の熱移送流体を循環させるポンプと、前記熱移送流体によって移送される熱を放出する放熱フィンと、を有し、
前記隔壁は、前記流量調節バルブの回転中心となる前記排気管の長さ方向位置における排気管の外周から直線的に前記断熱物質側に向かって延びる流量調節バルブ側延設部分と、この流量調節バルブ側延設部分の延びた先端で略直角に屈曲して排気管の上流側方向である排気熱回収装置の長さ方向先端側方向に向かって延びる屈曲延設部分とからなり、
前記循環パイプは、前記隔壁の流量調節バルブ側延設部分よりも排気管下流側である前記断熱物質の後端側位置で断熱物質を貫通する断熱物質後端側貫通部分と、この断熱物質後端側貫通部分から前記排気管外周に向かって延び、続いて前記隔壁の流量調節バルブ側延設部分を貫通するように屈曲して前記隔壁の屈曲延設部分に沿って延び、続いて前記隔壁の屈曲延設部分よりも前記排気管の上流側方向位置で屈曲して前記断熱物質に向けて延びる排気熱回収装置内部分と、この排気熱回収装置内部分の延びた先端が前記断熱物質を貫通する断熱物質先端側貫通部分と、を有していることを特徴とする固体ＳＣＲシステム。
- 前記熱交換装置は、回収される熱を貯蔵できる蓄熱装置と連結することを特徴とする請求項１に記載の固体ＳＣＲシステム。
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