JP6070402B2 - 化学蓄熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両のエンジンの排気系に設けられた加熱対象物を加熱する化学蓄熱装置に関するものである。

従来の化学蓄熱装置としては、例えば特許文献１に記載されているものが知られている。特許文献１に記載の化学蓄熱装置は、触媒セラミック部の周囲に配置されたアウタシェルに保持され、蓄熱物質（ＣａＯ）を内蔵した筐体部と、蓄熱物質を発熱させるための水を供給する導水管部とを備えている。エンジンの冷間始動時には、蓄熱物質に水を供給することで、ＣａＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｃａ（ＯＨ）_２＋熱という反応（発熱反応）が起こり、化学蓄熱装置から熱が発生するため、触媒セラミック部が加熱される。一般走行時には、排ガスの熱が化学蓄熱装置に吸収され、Ｃａ（ＯＨ）_２＋熱→ＣａＯ＋Ｈ_２Ｏという反応（再生反応）が起こり、再生された水が水蒸気として放出される。

しかし、発熱反応の終了後は、排ガスの温度が所定温度に上がり、その状態が所定時間維持されないと、再生反応を十分に行うことができない。そのような不具合を解決するためには、例えば特許文献２に記載されているように、再生時に、化学蓄熱材を含んだ蓄熱部をヒータにより加熱することが考えられる。

特開昭５９−２０８１１８号公報 特開２０１２−２３１６５９号公報

しかしながら、化学蓄熱装置を加熱するヒータを使用する場合には、ヒータの配置箇所によっては、排ガスの温度が上昇しても、ヒータが邪魔になって排ガスの熱が化学蓄熱装置に伝わりにくくなり、却って再生反応の妨げとなることがある。

本発明の目的は、排ガスの温度にかかわらず、再生反応を効果的に行うことができる化学蓄熱装置を提供することである。

本発明は、車両のエンジンの排気系に設けられた加熱対象物を加熱する化学蓄熱装置において、加熱対象物の周囲に配置された反応器と、反応器と接続され、反応媒体を貯蔵する貯蔵器とを備え、反応器は、反応媒体と化学反応して熱を発生させる発熱材と、発熱材の外側に配置され、発熱材を加熱するヒータとを有することを特徴とするものである。

このような本発明の化学蓄熱装置においては、反応器内の発熱材と反応媒体とが化学反応すると、発熱材に熱が発生し（発熱反応）、その熱により加熱対象物が加熱される。一方、発熱材に熱が与えられると、発熱材と反応媒体とが分離して再生される（再生反応）。ここで、排ガスの温度が低いときは、ヒータにより発熱材を加熱し、そのヒータの熱により再生反応を行う。一方、排ガスの温度が高くなったときは、排ガスの熱のみ、または排ガスの熱及びヒータの熱により再生反応を行う。このとき、ヒータは発熱材の外側に配置されているため、排ガスの熱が発熱材に与えられる際に、ヒータが邪魔になること無く、排ガスの熱が十分に発熱材に伝えられる。以上により、排ガスの温度にかかわらず、再生反応を効果的に行うことができる。

好ましくは、反応器と貯蔵器と接続する配管に設けられ、反応媒体の流路を開閉する開閉手段と、ヒータにより発熱材を加熱するように制御する制御手段とを更に備え、制御手段は、開閉手段が反応媒体の流路を閉じている状態では、ヒータによる発熱材の加熱を行わないように制御する。

このような構成では、開閉手段が反応媒体の流路を開いている状態では、ヒータにより発熱材が加熱されると、発熱材から分離された反応媒体が配管を通って貯蔵器に回収される。一方、開閉手段が反応媒体の流路を閉じている状態では、ヒータにより発熱材が加熱され、発熱材より反応媒体が分離しても、反応媒体が貯蔵器に流入することができない。従って、ヒータを無駄に動作させなくて済むため、再生反応をより効果的に行うことができる。

また、好ましくは、アクセルのオン／オフ状態を検出する検出手段と、検出手段によりアクセルのオフ状態が検出されたときに、ヒータにより発熱材を加熱するように制御する制御手段とを更に備える。

アクセルがオフ状態になったときは、排ガスの温度が下がるため、ヒータにより発熱材を加熱して再生反応を行うのが好適である。このとき、アクセルがオフの状態では、発熱材を加熱するためにヒータに電力（電気エネルギー）を供給しても、燃費及び動力性能に影響を及ぼすことは殆ど無い。また、アクセルがオフ状態になる度に、ヒータにより発熱材が加熱されるため、再生頻度を上げることができる。

このとき、好ましくは、制御手段は、アクセルのオフ状態が検出されたときに、オルタネータにより生成された電力をヒータに供給することにより、ヒータにより発熱材を加熱するように制御する。

このようにアクセルがオフ状態のときに、オルタネータにより生成された電力をヒータに供給することにより、燃費及び動力性能に殆ど影響を及ぼすこと無く、車両の電力を効率良く使用して再生反応を行うことができる。

さらに、好ましくは、反応器は、発熱材の外側に配置された断熱材を更に有し、ヒータは、発熱材と断熱材との間に介在されている。

このように断熱材を設けることにより、ヒータで発生した熱及び排ガスの熱が逃げることが防止されるため、再生反応をより効果的に行うことができる。

本発明によれば、排ガスの温度にかかわらず、再生反応を効果的に行うことができる。これにより、化学蓄熱装置を最大活用することが可能となる。

本発明に係る化学蓄熱装置の一実施形態が適用される排気浄化システムを示す概略構成図である。 本発明に係る化学蓄熱装置の一実施形態を示す概略構成図である。 図２に示した化学蓄熱装置を制御系と共に示す断面図である。 図３に示したコントローラによるヒータ制御処理手順の詳細を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る化学蓄熱装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係る化学蓄熱装置の一実施形態が適用される排気浄化システムを示す概略構成図である。同図において、排気浄化システム１は、車両のディーゼルエンジン２（以下、単にエンジン２という）の排気系に設けられ、エンジン２から排出される排ガス中に含まれる有害物質（環境汚染物質）を浄化するシステムである。

排気浄化システム１は、エンジン２と接続された排気管３の途中に上流側から下流側に向けて順に配置された酸化触媒（ＤＯＣ）４、ディーゼル排気微粒子除去フィルタ（ＤＰＦ）５、選択還元触媒（ＳＣＲ）６及び酸化触媒（ＡＳＣ）７を備えている。

酸化触媒４は、排ガス中に含まれるＨＣやＣＯ等を酸化して浄化する触媒である。ＤＰＦ５は、排ガス中に含まれるＰＭを捕集して取り除くフィルタである。ＳＣＲ６は、尿素やアンモニアを供給して、排ガス中に含まれるＮＯｘを還元して浄化する触媒である。酸化触媒７は、ＳＣＲ６の下流側に流れるＮＨ_３を酸化する触媒である。

ところで、酸化触媒４等の排気触媒には、環境汚染物質の浄化能力を発揮させる温度領域（触媒活性温度）が存在する。従って、エンジン２の始動直後のような排ガスの温度が低いときは、酸化触媒４の温度を触媒活性温度にするために、酸化触媒４を加熱する必要がある。

そこで、排気浄化システム１は、図２に示すように、本実施形態の化学蓄熱装置１０を備えている。化学蓄熱装置１０は、通常は排ガスの熱（排熱）を蓄えておき、必要なときに熱を使用することにより、エネルギーレスで酸化触媒４を加熱するものである。酸化触媒４は、ハニカム形状（格子状）を有している（図３参照）。

化学蓄熱装置１０は、酸化触媒４の周囲に配置された反応器１１と、この反応器１１と配管１２を介して接続された貯蔵器１３と、配管１２に設けられた電磁式の開閉弁１４（開閉手段）とを備えている。反応器１１は、図３に示すように、酸化触媒４の全周を取り囲むようにリング状をなしている。

反応器１１は、金属（例えばＳＵＳ）で形成された外筒ケース２１を有している。外筒ケース２１内には、反応媒体であるＮＨ_３（アンモニア）と化学反応して熱を発生させる発熱材２２が収容されている。発熱材２２としては、ＭｇＣｌ_２、ＣａＣｌ_２、ＮｉＣｌ_２、ＺｎＣｌ_２、ＳｒＣｌ_２等が用いられる。発熱材２２は、外筒ケース２１内にリング状に設けられ、排気管３と接するように配置されている。

外筒ケース２１内における発熱材２２の外側周囲には、発熱材２２に与えられる熱が外部に逃げることを防ぐためのリング状の断熱材１５が配置されている。

発熱材２２と断熱材１５との間には、発熱材２２を加熱するリング状の電気ヒータ１６が介在されている。電気ヒータ１６は、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）で形成され、電力（電気エネルギー）を受けて作動する。なお、断熱材１５及び電気ヒータ１６には、発熱材２２と繋がる配管１２を通すための貫通孔（図示せず）がそれぞれ形成されている。

発熱材２２（例えばＭｇＣｌ_２）とＮＨ_３とが化学反応して化学吸着（配位結合）すると、発熱材２２で熱が発生する。つまり、下記の反応式（Ａ）における左辺から右辺への反応（発熱反応）が起こる。一方、発熱材２２に熱が与えられると、ＭｇＣｌ_２とＮＨ_３とが分離（脱離）する。つまり、下記の反応式（Ａ）における右辺から左辺への反応（再生反応）が起こる。
ＭｇＣｌ_２（ＮＨ_３）_２＋４ＮＨ_３ ⇔ Ｍｇ（ＮＨ_３）_６Ｃｌ_２＋熱 …（Ａ）

また、化学蓄熱装置１０は、図３に示すように、排ガスの温度を検出する温度センサ１７と、アクセルのオン／オフ状態を検出するアクセルセンサ１８と、コントローラ１９とを更に備えている。アクセルセンサ１８は、例えばアクセルの開度が０に近い所定値以下のときは、アクセルオフと検出し、アクセルの開度が所定値よりも大きいときは、アクセルオンと検出する。

コントローラ１９は、温度センサ１７及びアクセルセンサ１８の検出信号に基づいてオルタネータ２０を制御することで、電気ヒータ１６への電気エネルギー（電力）の供給を制御する。そのコントローラ１９による電気ヒータ１６の制御処理については、後で詳述する。

また、コントローラ１９は、上記の開閉弁１４の制御も行う。具体的には、コントローラ１９は、例えば温度センサ１７により検出された排ガスの温度が予め決められた触媒活性温度よりも低く設定される基準温度より高くなったときに、開閉弁１４を開くように制御すると共に、上記の再生反応が終了したときに、開閉弁１４を閉じるように制御する。再生反応の終了は、例えば排ガスの温度と再生時間との積算値から判断することができるし、或いは貯蔵器１３内の圧力を検出して判断することもできる。

図４は、コントローラ１９による電気ヒータ１６の制御処理手順の詳細を示すフローチャートである。同図において、まず開閉弁１４が開いている状態であるかどうかを判断する（手順Ｓ１０１）。その判断は、上述したコントローラ１９による開閉弁１４の制御処理により行う。

開閉弁１４が開いている状態であると判断されたときは、温度センサ１７により検出された排ガスの温度が再生可能温度よりも低いかどうかを判断する（手順Ｓ１０２）。再生可能温度は、排ガスの熱（排熱）により上記の再生反応が可能となる温度である。

排ガスの温度が再生可能温度よりも低いと判断されたときは、アクセルセンサ１８により検出されたアクセルの状態がオフであるかどうかを判断する（手順Ｓ１０３）。アクセルの状態がオフであると判断されたときは、オルタネータ２０により発電動作を行い、オルタネータ２０から電気ヒータ１６に電気エネルギーを供給するように、オルタネータ２０を制御する（手順Ｓ１０４）。これにより、電気ヒータ１６が通電されるため、電気ヒータ１６により発熱材２２が加熱されるようになる。

手順Ｓ１０１で開閉弁１４が閉じた状態であると判断されたとき、手順Ｓ１０２で排ガスの温度が再生可能温度以上であると判断されたとき、手順Ｓ１０３でアクセルの状態がオンであると判断されたときは、オルタネータ２０による発電動作を休止し、オルタネータ２０から電気ヒータ１６への電気エネルギーの供給を停止するように、オルタネータ２０を制御する（手順Ｓ１０５）。これにより、電気ヒータ１６の通電が解除されるため、電気ヒータ１６による発熱材２２の加熱が終了するようになる。

以上において、アクセルセンサ１８は、アクセルのオン／オフ状態を検出する検出手段を構成する。コントローラ１９は、ヒータ１６により発熱材２２を加熱するように制御する制御手段を構成する。

以上のような化学蓄熱装置１０を備えた排気浄化システム１において、エンジン２の始動直後のように排ガスの温度が低いときは、開閉弁１４は閉じたままとなっている。排ガスの温度が上昇して触媒活性温度よりも低く設定される基準温度に達すると、開閉弁１４が開弁される。すると、貯蔵器１３内の圧力が反応器１１内の圧力よりも高いため、貯蔵器１３に吸着されたＮＨ_３が配管１２を通って反応器１１に供給され、反応器１１に含まれる発熱材２２（例えばＭｇＣｌ_２）とＮＨ_３とが化学反応して化学吸着し、反応器１１に熱が発生する。つまり、上述した発熱反応が起こるようになる。反応器１１に発生した熱は酸化触媒４に伝わり、酸化触媒４が活性温度まで加熱されるようになる。

そして、排ガスの温度が更に上昇しても再生可能温度までは達していない場合に、アクセルがオフ状態（減速状態）のときは、オルタネータ２０により発電が行われ、オルタネータ２０から電気ヒータ１６に電気エネルギーが供給される。すると、電気ヒータ１６が通電され、電気ヒータ１６により発熱材２２が加熱されるため、その熱によってＭｇＣｌ_２とＮＨ_３とが分離し、上述した再生反応が起こるようになる。このとき、反応器１１の圧力が貯蔵器１３の圧力よりも高くなるため、ＭｇＣｌ_２から分離したＮＨ_３が配管１２を通って貯蔵器１３に戻り、ＮＨ_３が活性炭に吸着されて回収されるようになる。

一方、排ガスの温度が更に上昇しても再生可能温度までは達していない場合に、アクセルがオン状態（加速状態）のときは、オルタネータ２０による発電が行われず、オルタネータ２０から電気ヒータ１６への電気エネルギーの供給が停止する。このため、電気ヒータ１６が通電されず、電気ヒータ１６による発熱材２２の加熱が停止するため、上述した再生反応が起こることが無い。

その後、排ガスの温度が更に上昇して再生可能温度に達すると、アクセルがオフ状態のときでも、オルタネータ２０から電気ヒータ１６への電気エネルギーの供給が停止するため、電気ヒータ１６による発熱材２２の加熱が停止する。その状態では、排ガスの熱（排熱）が酸化触媒４から発熱材２２に与えられることで、ＭｇＣｌ_２とＮＨ_３とが分離し、上述した再生反応が起こるようになる。このとき、反応器１１の圧力が貯蔵器１３の圧力よりも高くなるため、ＭｇＣｌ_２から分離したＮＨ_３が貯蔵器１３に回収されるようになる。

その後、再生反応が終了すると、開閉弁１４が閉弁され、貯蔵器１３へのＮＨ_３の回収が終了し、貯蔵器１３においてＮＨ_３が高圧状態で貯蔵されることになる。

以上のように本実施形態にあっては、反応器１１における発熱材２２と断熱材１５との間に電気ヒータ１６を配置し、アクセルがオフ状態のときは、オルタネータ２０から電気ヒータ１６に電気エネルギーを供給することで、電気ヒータ１６により発熱材２２を加熱し、アクセルがオン状態のときは、オルタネータ２０から電気ヒータ１６への電気エネルギーの供給を停止することで、電気ヒータ１６による発熱材２２の加熱を停止する。

このとき、電気ヒータ１６は発熱材２２の外側周囲に配置されているので、発熱時に電気ヒータ１６が邪魔になることが無く、発熱材２２で発生した熱が十分に酸化触媒４に伝えられる。また、排熱を利用した再生時にも電気ヒータ１６が邪魔になることが無く、排熱が十分に発熱材２２に伝えられる。

また、アクセルがオフ状態のときは、排ガスの温度が下がる傾向にあるため、オルタネータ２０から電気ヒータ１６に電気エネルギーを供給して、電気ヒータ１６により発熱材２２を加熱することで、再生を効果的に行うことができる。ここで、アクセルがオン状態のときに、オルタネータ２０を回転させて発電を行うと、燃費が悪化すると共にエンジン出力が落ちる。しかし、アクセルがオフ状態のときのみ、オルタネータ２０を回転させて発電を行うことにより、燃費及び動力性能に殆ど影響を及ぼすこと無く、再生を行うことができる。また、アクセルがオフ状態になる度に、オルタネータ２０から電気ヒータ１６に電気エネルギーを供給して反応器１１を加熱するので、再生頻度が上がり、貯蔵器１３にＮＨ_３を十分に回収することができる。

以上のように本実施形態によれば、排ガスの温度が高くても低くても、再生反応を効果的に実施することができる。これにより、化学蓄熱装置１０を有効活用することが可能となる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、排ガスの温度が再生可能温度までは達していない場合に、アクセルがオフ状態のときは、オルタネータ２０から電気ヒータ１６に電力を供給し、アクセルがオン状態のときは、オルタネータ２０から電気ヒータ１６への電力の供給を停止するようにしたが、特にその態様には限られず、排ガスの温度が再生可能温度以上となった場合でも、同じように動作させても良い。この場合には、排ガスの温度が再生可能温度以上になると、アクセルがオフ状態のときは、排ガスの熱と電気ヒータ１６の熱とが発熱材２２に与えられて、再生が行われることとなる。

また、上記実施形態では、アクセルがオン状態のときは、オルタネータ２０から電気ヒータ１６への電力の供給を停止するようにしたが、特にその態様には限られず、オルタネータ２０から電気ヒータ１６に供給される電力を減少させても良いし、オルタネータ２０から電気ヒータ１６への電力の供給を停止しなくても良い。

さらに、上記実施形態では、アクセルがオフ状態のときは、オルタネータ２０から電気ヒータ１６に電力を直接供給するようにしたが、特にその態様には限られず、例えばオルタネータ２０により生成（発電）された電力を一旦バッテリに蓄え、そのバッテリから電気ヒータ１６に電力を供給しても良い。

また、上記実施形態では、発熱材２２と化学反応する反応媒体としてＮＨ_３を使用したが、反応媒体としては、特にＮＨ_３には限られず、Ｈ_２Ｏを使用しても良い。この場合、Ｈ_２Ｏと化学反応する発熱材としては、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＭｎＯ、ＣｕＯ、Ａｌ_２Ｏ_３等を使用することができる。

さらに、上記実施形態では、反応器１１の形状をリング状としたが、反応器１１としては特にそれに限られず、酸化触媒４の周囲の一部に配置されたものであっても良い。

また、上記実施形態は、酸化触媒４を加熱する化学蓄熱装置１０についてであるが、本発明の化学蓄熱装置は、ディーゼルエンジンまたはガソリンエンジンの排気系に設けられた排気触媒を加熱するもの、或いは排気系に設けられた他の加熱対象物（例えば排気管等）を加熱するものであれば適用可能である。

２…ディーゼルエンジン、３…排気管（排気系）、４…酸化触媒（加熱対象物）、１０…化学蓄熱装置、１１…反応器、１２…配管、１３…貯蔵器、１４…開閉弁（開閉手段）、１５…断熱材、１６…電気ヒータ、１８…アクセルセンサ（検出手段）、１９…コントローラ（制御手段）、２０…オルタネータ、２２…発熱材。

Claims (5)

1. 車両のエンジンの排気系に設けられた加熱対象物を加熱する化学蓄熱装置において、
   前記加熱対象物の周囲に配置された反応器と、
   前記反応器と接続され、反応媒体を貯蔵する貯蔵器とを備え、
   前記反応器は、前記反応媒体と化学反応して熱を発生させると共に熱が与えられると前記反応媒体が分離する発熱材と、前記発熱材の外側周囲に配置され、前記発熱材と前記反応媒体とが分離する再生反応時に前記発熱材を加熱するヒータとを有することを特徴とする化学蓄熱装置。
2. 前記反応器と前記貯蔵器と接続する配管に設けられ、前記反応媒体の流路を開閉する開閉手段と、
   前記ヒータにより前記発熱材を加熱するように制御する制御手段とを更に備え、
   前記制御手段は、前記開閉手段が前記反応媒体の流路を閉じている状態では、前記ヒータによる前記発熱材の加熱を行わないように制御することを特徴とする請求項１記載の化学蓄熱装置。
3. アクセルのオン／オフ状態を検出する検出手段と、
   前記検出手段により前記アクセルのオフ状態が検出されたときに、前記ヒータにより前記発熱材を加熱するように制御する制御手段とを更に備えることを特徴とする請求項１記載の化学蓄熱装置。
4. 前記制御手段は、前記アクセルのオフ状態が検出されたときに、オルタネータにより生成された電力を前記ヒータに供給することにより、前記ヒータにより前記発熱材を加熱するように制御することを特徴とする請求項３記載の化学蓄熱装置。
5. 前記反応器は、前記発熱材の外側に配置された断熱材を更に有し、
   前記ヒータは、前記発熱材と前記断熱材との間に介在されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の化学蓄熱装置。

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