JP6160257B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンからの排ガスを浄化する排気浄化装置に関するものである。

従来の排気浄化装置としては、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に記載の排気浄化装置は、エンジンより排出された排ガスを浄化する触媒セラミック部と、この触媒セラミック部の周囲に配置され、筐体部内に内蔵された蓄熱物質を含む化学反応蓄熱装置と、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。水と蓄熱物質とを発熱反応させると、化学反応蓄熱装置から熱が発生し、熱伝導により触媒セラミック部が加熱される。

特開昭５９−２０８１１８号公報

しかしながら、上記従来技術においては、筐体部と蓄熱物質との接合面の接触性が十分でないと、両者の接合面での熱損失が大きくなるため、加熱対象である排気触媒を効果的に加熱することができないという問題がある。

本発明の目的は、加熱対象を効果的に加熱することができる排気浄化装置を提供することである。

本発明は、エンジンからの排ガスを浄化する排気浄化装置において、エンジンと接続される排気通路に設けられる加熱対象と、反応媒体と化学反応して熱を発生させる蓄熱材を含み、蓄熱材で発生した熱により加熱対象を加熱する反応器と、反応器と接続され、反応媒体を貯蔵する貯蔵器とを備え、加熱対象と蓄熱材との間には、介在部が加熱対象及び蓄熱材と接するように配置されており、介在部と蓄熱材との接触部分は凹凸状をなしていることを特徴とするものである。

このような本発明の排気浄化装置においては、貯蔵器に貯蔵された反応媒体と反応器に含まれる蓄熱材とが化学反応して熱が発生し、その熱が介在部を介して加熱対象に伝わることで、加熱対象が加熱される。このとき、介在部と蓄熱材との接触部分を凹凸状とすることにより、介在部と蓄熱材との接触面積が大きくなる。このため、介在部と蓄熱材との間における熱抵抗が小さくなり、蓄熱材から介在部への熱伝導性が向上する。これにより、加熱対象を効果的に加熱することができる。

好ましくは、加熱対象は、排気通路の一部を形成する排気管の内部に配置されており、介在部は、排気管である。この場合には、排気管と蓄熱材との接触部分が凹凸状をなすこととなるため、蓄熱材から排気管への熱伝導性が向上する。

また、反応器は、蓄熱材を収容するケースを有し、介在部は、ケースであっても良い。この場合には、ケースと蓄熱材との接触部分が凹凸状をなすこととなるため、蓄熱材からケースへの熱伝導性が向上する。

また、好ましくは、反応器内における蓄熱材に対して介在部の反対側には、弾性を有する断熱材が配置されている。このような構成では、弾性を有する断熱材によって蓄熱材が介在部に対して押し付けられることになるため、蓄熱材と介在部との接触度が高くなる。従って、蓄熱材から介在部への熱伝導性が更に向上するため、加熱対象をより効果的に加熱することができる。

本発明によれば、加熱対象を効果的に加熱することができる。これにより、例えば加熱対象が排気触媒である場合に、排気触媒による排気浄化作用を促進させることが可能となる。

本発明に係る排気浄化装置の一実施形態を示す概略構成図である。 図１に示した化学蓄熱ユニットを排気管と共に示す斜視図である。 図２に示した反応器及び排気管を酸化触媒と共に示す断面図である。 図３のIV−IV線断面図である。 本発明に係る排気浄化装置の他の実施形態として、化学蓄熱ユニットの反応器を排気管及び酸化触媒と共に示す側断面図である。 図３に示した反応器及び排気管の変形例を酸化触媒と共に示す断面図である。 図４に示した排気管の変形例を示す断面図である。 図４に示した排気管と蓄熱材との接触部分を凹凸状にする他の変形例を示す平面図である。

以下、本発明に係る排気浄化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。なお、図面において、同一または同等の要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明に係る排気浄化装置の一実施形態を示す概略構成図である。同図において、本実施形態の排気浄化装置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）を浄化する装置である。

排気浄化装置１は、エンジン２と接続された排気通路３の途中に上流側から下流側に向けて順に設けられた酸化触媒（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、添加弁８より添加された尿素水から加水分解して生成されたＮＨ_３（アンモニア）によって、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をすり抜けて下流側に流れたＮＨ_３を酸化する触媒である。

酸化触媒４は、図２及び図３に示すように、排気通路３の一部を形成する円筒状の排気管９の内側に配置されている。酸化触媒４は、触媒物質を担持するハニカム基材１０からなっている。ハニカム基材１０は、熱伝導率の高いＳｉＣ（炭化ケイ素）で形成されているのが望ましい。ハニカム基材１０に担持される触媒物質としては、白金やパラジウム等の貴金属が用いられる。

このような酸化触媒４等の触媒には、環境汚染物質の浄化能力を発揮させる温度領域（活性温度）が存在する。従って、酸化触媒４の温度を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、排気浄化装置１は、エネルギーレスで酸化触媒４を加熱する化学蓄熱ユニット１１を備えている。化学蓄熱ユニット１１は、通常は排ガスの熱（排熱）を蓄えておき、必要なときに蓄えた熱を使用するというものである。

化学蓄熱ユニット１１は、図１及び図２に示すように、酸化触媒４の周囲に排気管９を挟んで配置されたリング状の反応器１２と、この反応器１２と媒体供給通路１３を介して接続され、反応媒体としてのＮＨ_３を吸着して貯蔵する貯蔵器１４とを有している。貯蔵器１４には、ＮＨ_３を物理吸着する活性炭が内蔵されている。媒体供給通路１３には、開閉弁１５が設けられている。

反応器１２は、図３及び図４に示すように、金属（例えばＳＵＳ）で形成されたリング状のケース１６を有している。なお、図３では、媒体供給通路１３は省略している。ケース１６内には、ＮＨ_３と化学反応して熱を発生させる蓄熱材１７が収容されている。蓄熱材１７は、排気管９に接触するようにリング状に設けられている。蓄熱材１７は、例えばＭｇＣｌ_２、ＣａＣｌ_２、ＮｉＣｌ_２、ＺｎＣｌ_２、ＳｒＣｌ_２等で形成されている。

ケース１６内における蓄熱材１７の外側（蓄熱材１７に対して排気管９の反対側）には、弾性を有する断熱材１８がケース１６に接触するようにリング状に配置されている。弾性を有する断熱材１８としては、例えばアルミナやシリカのマットが用いられる。

蓄熱材１７と断熱材１８との間には、ＮＨ_３の流路を形成する金属繊維１９が介在されている。金属繊維１９としては、例えばＳＵＳ繊維等が挙げられる。媒体供給通路１３の一端部は、断熱材１８を貫通して金属繊維１９と接続されている。

排気管９と蓄熱材１７との接触部分は凹凸状をなしている。具体的には、排気管９の外周面には、複数の断面矩形状（柱状）の突起部９ａが酸化触媒４の長手方向（排気方向）及び円周方向に沿って突設されている。各突起部９ａは、例えばブラスト、溶射、エッチング及び金型プレス等によってエンボス加工またはデボス加工を施すことにより形成される。そして、各突起部９ａ間に蓄熱材１７が入り込んだ状態となっている。これにより、排気管９と蓄熱材１７との接触部分が凹凸状に粗面化されることとなる。

このとき、弾性を有する断熱材１８によって蓄熱材１７が排気管９に押し付けられるため、蓄熱材１７は排気管９と隙間無く密接するようになる。なお、排気管９は、酸化触媒４及び蓄熱材１７と接触する介在部を構成している。

以上のように構成された排気浄化装置１において、エンジン２からの排ガスの温度が低いときは、貯蔵器１４に貯蔵されたＮＨ_３が媒体供給通路１３を介して反応器１２の蓄熱材１７に供給され、蓄熱材１７（例えばＭｇＣｌ_２）とＮＨ_３とが化学反応して化学吸着（配位結合）し、蓄熱材１７から熱が発生する。つまり、下記の反応式における左辺から右辺への反応（発熱反応）が起こる。そして、蓄熱材１７で発生した熱が排気管９を介して酸化触媒４に伝熱され、その熱によって酸化触媒４が汚染物質の浄化に適した活性温度まで加熱される。
ＭｇＣｌ_２＋_ｘＮＨ_３ ⇔ Ｍｇ（ＮＨ_３）_ｘＣｌ_２＋熱

一方、エンジン２からの排ガスの温度が高くなると、排ガスの熱が蓄熱材１７に与えられることでＭｇＣｌ_２とＮＨ_３とが分離する。つまり、上記の反応式における右辺から左辺への反応（再生反応）が起こる。そして、ＭｇＣｌ_２から分離したＮＨ_３は、媒体供給通路１３を介して貯蔵器１４に戻って回収される。

ここで、排気管９と蓄熱材１７との接触部分は凹凸状をなしているため、排気管９と蓄熱材１７との接触面積が大きくなり、両者の熱伝導面が増大する。このため、上記の発熱反応においては、蓄熱材１７から排気管９へ熱が伝わりやすくなる。また、弾性を有する断熱材１８によって蓄熱材１７が排気管９に押し付けられるため、蓄熱材１７と排気管９との接触度が高くなり、蓄熱材１７から排気管９へ熱が更に伝わりやすくなる。従って、蓄熱材１７で発生した熱が速やかに酸化触媒４に伝達されるようになるため、発熱反応を迅速に行うことができる。

以上のように本実施形態によれば、上述したように排気管９と蓄熱材１７との接触面積が大きくなることから、排気管９と蓄熱材１７との間の熱抵抗（熱損失）が低下するため、蓄熱材１７から排気管９への熱伝導性が向上する。これにより、排気通路３に設けられた酸化触媒４を効果的に加熱することができる。その結果、酸化触媒４による有害物質の浄化作用を促進させることが可能となる。

図５は、本発明に係る排気浄化装置の他の実施形態として、化学蓄熱ユニットの反応器を排気管及び酸化触媒と共に示す側断面図である。

同図において、本実施形態の排気浄化装置１は、上記の反応器１２に代えて、反応器３０を備えている。反応器３０は、酸化触媒４の周囲に直接配置されている。反応器３０は、上記の蓄熱材１７、断熱材１８及び金属繊維１９を収容するケース３１を有している。ケース３１は、蓄熱材１７と接触する内側壁部（介在部）３２と、断熱材１８と接触する外側壁部３３と、内側壁部３２と外側壁部３３とを繋ぐ側壁部３４とを有している。側壁部３４には、上記の排気管９が連結されている。

内側壁部３２と蓄熱材１７との接触部分は凹凸状をなしている。具体的には、内側壁部３２の周面には、複数の断面矩形状（柱状）の突起部３２ａが酸化触媒４の長手方向及び円周方向に沿って突設されている。各突起部３２ａは、上述した実施形態における突起部９ａと同じ方法で形成されている。

本実施形態においては、ケース３１の内側壁部３２と蓄熱材１７との接触面積が大きくなるため、内側壁部３２と蓄熱材１７との間の熱抵抗が低下し、蓄熱材１７から内側壁部３２への熱伝導性が向上する。これにより、上記実施形態と同様に、酸化触媒４を効果的に加熱することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものでは無い。例えば、上記実施形態では、複数の柱状の突起部９ａが排気管９の外周面に酸化触媒４の長手方向及び円周方向に沿って突設されているが、突起部９ａの形状としては特に柱状には限られず、例えば図６に示すように、複数のリング状の突起部９ｂを排気管９の外周面に酸化触媒４の長手方向に沿って突設させる構成であっても良い。また、特に図示はしないが、酸化触媒４の長手方向に延びる複数の突起部を排気管９の外周面に酸化触媒４の円周方向に沿って突設させる構成であっても良い。何れの構成においても、排気管９と蓄熱材１７との接触部分が凹凸状になっていない場合に比べて、排気管９と蓄熱材１７との接触面積が大きくなるため、酸化触媒４を効果的に加熱することが可能となる。

また、上記実施形態では、排気管９の外周面に断面矩形状の突起部９ａが突設されているが、突起部９ａの形状としては特に断面矩形状には限られない。例えば、図７（ａ）、（ｂ）に示すように突起部９ａの形状を断面三角形状としても良いし、図７（ｃ）に示すように突起部９ａの形状を断面半円形状としても良いし、図７（ｄ）に示すように突起部９ａの形状を断面台形状としても良い。

さらに、上記実施形態では、排気管９の外周面に複数の突起部９ａを設けることで、排気管９と蓄熱材１７との接触部分を凹凸状となるようにしたが、排気管９と蓄熱材１７との接触部分を凹凸状とする構造としては、特にそれには限られず、連結体としても良い。例えば図８に示すように、格子状の連結体構造物２０を排気管９の外周面に固定しても良い。連結体構造物２０は、蓄熱材１７側に開口している。そして、連結体構造物２０の開口に蓄熱材１７が入り込んだ状態となる。これにより、排気管９と蓄熱材１７との接触部分が凹凸状をなすこととなるため、上記と同様に排気管９と蓄熱材１７との接触面積が大きくなる。なお、連結体構造物２０を形成する格子の形状としては、六角形や四角形であれば良い。連結体構造物２０を構成する個々の枠体２０ａは、溶接及びロウ付け等により接合される。

また、排気管９と蓄熱材１７との接触部分を凹凸状とする構造としては、それ以外にも、例えば排気管９の外周面に複数の円形の凹部を形成しても良い。

なお、以上の変形例については、ケース３１の内側壁部３２と蓄熱材１７との接触部分に形成された凹凸状の構造にも適用可能である。

また、上記実施形態では、酸化触媒４の外周に反応器１２；３０を配置する構成としたが、反応器の配置箇所としては、特にそれに限られず、酸化触媒４の中であっても良い。その場合には、反応器は筒状のケース内に蓄熱材のみを収容し、ケースと蓄熱材との接触部分を凹凸状とする。

さらに、上記実施形態では、反応媒体であるＮＨ_３とＭｇＣｌ_２、ＣａＣｌ_２等の蓄熱材１７とを化学反応させて熱を発生させるようにしたが、反応媒体としては、特にＮＨ_３には限られず、例えばＨ_２Ｏとしても良い。この場合には、Ｈ_２Ｏと化学反応させる蓄熱材としては、ＣａＯ、ＭｎＯ、ＣｕＯ、Ａｌ_２Ｏ_３等を使用する。

さらに、上記実施形態は、ディーゼルエンジン２の排気系に設けられた酸化触媒４を加熱するものであるが、本発明は、ディーゼルエンジン２の排気系に設けられた他の排気触媒や部材を加熱するもの、或いはガソリンエンジンの排気系に設けられた何れかの排気触媒や部材を加熱するものにも適用可能である。

１…排気浄化装置、２…ディーゼルエンジン、３…排気通路、４…酸化触媒（加熱対象）、９…排気管（介在部）、９ａ，９ｂ…突起部、１０…ハニカム基材、１２…反応器、１４…貯蔵器、１７…蓄熱材、１８…断熱材、２０…連結体構造物、３０…反応器、３１…ケース、３２…内側壁部（介在部）、３２ａ…突起部。

Claims (3)

1. エンジンからの排ガスを浄化する排気浄化装置において、
   前記エンジンと接続される排気通路に設けられる加熱対象と、
   反応媒体と化学反応して熱を発生させる蓄熱材を含み、前記蓄熱材で発生した熱により前記加熱対象を加熱する反応器と、
   前記反応器と接続され、前記反応媒体を貯蔵する貯蔵器とを備え、
   前記加熱対象と前記蓄熱材との間には、介在部が前記加熱対象及び前記蓄熱材と接するように配置されており、
   前記介在部と前記蓄熱材との接触部分は凹凸状をなしており、
   前記反応器内における前記蓄熱材に対して前記介在部の反対側には、弾性を有する断熱材が配置されており、
   前記蓄熱材と前記断熱材との間には、前記反応媒体の流路を形成する金属繊維が介在されており、
   前記断熱材は、前記金属繊維を介して前記蓄熱材を前記介在部に押し付けることを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記加熱対象は、前記排気通路の一部を形成する排気管の内部に配置されており、
   前記介在部は、前記排気管であることを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
3. 前記反応器は、前記蓄熱材を収容するケースを有し、
   前記介在部は、前記ケースの一部であることを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。

Images