WO2014065086A1 - 蓄熱装置 - Google Patents

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WO2014065086A1
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porous sheet
catalyst
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聡 針生
貴文 山▲崎▼
潤也 鈴木
山内 崇史
靖樹 廣田
玄太郎 山中
志満津 孝
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株式会社豊田自動織機
株式会社豊田中央研究所
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    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a heat storage device for warming up a catalyst provided in an exhaust system of an internal combustion engine of a vehicle.
  • the exhaust system of the vehicle is provided with a catalyst or the like in order to purify environmental pollutants (HC, CO, NOx, etc.) contained in the exhaust gas discharged from the engine.
  • the catalyst has an optimum temperature (activation temperature) for activating the purification capacity.
  • activation temperature When starting the engine, the temperature of the exhaust gas is low, and it takes time to reach the activation temperature of the catalyst.
  • a device for warming up the catalyst In order to raise the temperature at the catalyst to the activation temperature in a short time when the temperature of the exhaust gas is low, such as when the engine is started, a device for warming up the catalyst is required.
  • a heat storage device using reaction heat of a chemical reaction is known. This heat storage device warms up after reducing fuel consumption loss.
  • Patent Document 1 discloses a catalyst warm-up device in which a heat storage material is arranged outside a catalyst and warms the catalyst using reaction heat of a chemical reaction of the heat storage material.
  • the catalyst is supported on a honeycomb base material provided in the exhaust pipe, and it is necessary to protect the catalyst supported on the honeycomb base material from an impact during traveling of the vehicle. Therefore, when the heat storage material is arranged outside the catalyst as in Patent Document 1, generally, a mat or the like is provided between the catalyst and the heat storage material, and the mat or the like absorbs the impact. Yes. However, when such a mat is provided between the catalyst and the heat storage material, heat generated in the heat storage material is transmitted to the catalyst through the mat, so that the heat transfer efficiency to the catalyst is lowered. If a mat or the like is not provided between the catalyst and the heat storage material, the heat transfer efficiency does not decrease, but it is difficult to absorb the impact during vehicle travel.
  • an object of the present invention is to provide a heat storage device that can prevent a decrease in heat transfer efficiency and can absorb an impact during vehicle travel.
  • the present invention is a heat storage device for warming up a catalyst disposed in an exhaust system of an internal combustion engine of a vehicle, and has a reactor that generates heat by chemically reacting with ammonia, an adsorbent, and the adsorbent is ammonia.
  • An adsorber that adsorbs and stores the gas, and a connection line that connects the reactor and the adsorber and moves ammonia between the reactor and the adsorber, and the reactor covers the outer periphery of the catalyst.
  • a heat storage material, a porous sheet provided to cover the outer periphery of the heat storage material, and a casing enclosing the heat storage material and the porous sheet, and one end of the connection line is The porous sheet is opened through the casing.
  • a catalyst for purifying exhaust gas is provided in an exhaust system of an internal combustion engine of a vehicle, and a heat storage device for warming up the catalyst is provided.
  • the present invention includes a reactor that chemically reacts with ammonia to generate heat, and an adsorber that adsorbs and stores ammonia with an adsorbent. In order to move ammonia between the reactor and the adsorber, the reactor and the adsorber are connected through a connection line.
  • the reactor has a heat storage material and a porous sheet, and the heat storage material and the porous sheet are enclosed in a casing.
  • the heat storage material is provided so as to cover the outer periphery of the catalyst, and warms up the catalyst.
  • the porous sheet is provided so as to cover the outer periphery of the heat storage material, and constitutes an ammonia passage.
  • One end of the connection line is opened in the porous sheet, and ammonia flows from the connection line.
  • the inflowing ammonia is uniformly dispersed by the porous sheet and supplied to the heat storage material.
  • the porous sheet causes a stress buffering effect. Accordingly, the porous sheet suppresses deformation of the heat storage material in the radial direction of the exhaust pipe when the heat storage material swells due to the supply of ammonia.
  • an increase in the heat transfer distance is suppressed.
  • the porous sheet absorbs an impact during traveling of the vehicle. As a result, it is possible to prevent a decrease in heat transfer efficiency of the heat generated in the heat storage material to the catalyst and to absorb an impact during traveling of the vehicle.
  • the reactor may further have a heat insulating material provided so as to be enclosed in the casing and cover the outer peripheral portion of the porous sheet.
  • a heat storage material, a porous sheet and a heat insulating material are enclosed in a casing.
  • the heat insulating material is provided so as to cover the outer peripheral portion of the porous sheet, and prevents heat from escaping to the outside.
  • the heat insulating material causes a stress buffering action. Therefore, the heat insulating material suppresses the deformation of the heat storage material in the radial direction of the exhaust pipe when the heat storage material swells due to the supply of ammonia, and absorbs an impact during traveling of the vehicle. As a result, it is possible to further prevent the heat transfer efficiency of the heat storage material from being reduced to the catalyst and to further absorb an impact during traveling of the vehicle.
  • the porous sheet may be formed of stainless steel or ceramic.
  • the porous sheet serving as the ammonia passage is not corroded by ammonia, and a stress buffering action can be generated in the porous sheet.
  • a heat storage device that can prevent a decrease in heat transfer efficiency and can absorb an impact during vehicle travel.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an exhaust purification system including a heat storage device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the reactor of the heat storage device according to the present embodiment.
  • the heat storage device according to the present invention is applied to a heat storage device provided in an exhaust purification system provided in an exhaust system of a vehicle engine (internal combustion engine).
  • the exhaust purification system according to the present embodiment purifies harmful substances (environmental pollutants) contained in exhaust gas discharged from an engine (particularly a diesel engine).
  • the exhaust purification system according to the present embodiment includes a catalyst DOC (Diesel Oxidation Catalyst), SCR (Selective Catalytic Reduction), ASC (Ammonia Slip Catalyst), and a filter DPF (Diesel Particulate Filter).
  • a chemical heat storage device is also provided to warm up the catalyst.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an exhaust purification system including a heat storage device according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the reactor of the heat storage device according to the present embodiment.
  • the exhaust purification system 1 includes a diesel oxidation catalyst (DOC) 4, a diesel exhaust particulate removal filter (DPF) 5, a selective reduction catalyst (SCR) 6, and an ammonia slip catalyst (ASC) 7.
  • DOC4 diesel oxidation catalyst
  • DPF diesel exhaust particulate removal filter
  • SCR selective reduction catalyst
  • ASC ammonia slip catalyst
  • DOC4, DPF5, SCR6, and ASC7 are arranged in the order of DOC4, DPF5, SCR6, ASC7 from the upstream side to the downstream side of the exhaust pipe 3 connected to the exhaust side of the engine 2.
  • the DOC 4 oxidizes HC, CO and the like contained in the exhaust gas.
  • the DPF 5 collects and removes PM (Particulate Matter) contained in the exhaust gas.
  • the SCR 6 supplies ammonia (NH 3 ) or urea water to the upstream side in the exhaust pipe 3 by the injector 6a and causes NOx contained in the exhaust gas to react with ammonia, thereby reducing and purifying NOx. To do.
  • the urea water is hydrolyzed to ammonia.
  • the ASC 7 oxidizes the ammonia that has passed through the SCR 6 and has flowed downstream of the SCR 6.
  • Each catalyst 4, 6, and 7 has a temperature range (that is, an activation temperature) that can exert a purification ability against environmental pollutants.
  • the lower limit of the activation temperature of DOC4 is about 150 ° C.
  • the temperature of the exhaust gas immediately after being discharged from the engine 2 is relatively low at about 100 ° C.
  • the exhaust purification system 1 has a heat storage device 8 that warms up the catalyst.
  • the exhaust purification system 1 is provided with a temperature sensor that detects the temperature of exhaust gas (or the temperature of the catalyst) exhausted from the engine 2.
  • the heat storage device 8 is a chemical heat storage device that warms up the catalyst without requiring external energy such as electric power.
  • the heat storage device 8 normally stores the heat (exhaust heat) of the exhaust gas, and warms up the catalyst using the heat stored when necessary.
  • the heat storage device 8 warms up the DOC 4 that is a catalyst located on the upstream side of the exhaust pipe 3.
  • the heat storage device 8 includes a reactor 9, an adsorber 10, a connection line 11, and an on-off valve 12.
  • the reactor 9 is provided so as to cover the entire outer peripheral portion of the DOC 4.
  • the reactor 9 has a heat storage material (reaction material) that chemically reacts with ammonia.
  • ammonia and the heat storage material chemically react to generate heat.
  • the heat storage material include a metal chloride, a metal bromide, or a metal iodide compound, and specifically include MgCl 2 , CaCl 2 , NiCl 2 , ZnCl 2 , or SrCl 2 .
  • the structure of the reactor 9 will be described later in detail.
  • the adsorber 10 incorporates activated carbon as an adsorbent that physically adsorbs ammonia.
  • the ammonia is physically adsorbed with the activated carbon to store the ammonia, and the ammonia is separated from the activated carbon to release the ammonia.
  • connection line 11 connects the reactor 9 and the adsorber 10.
  • the connection line 11 is a conduit for moving ammonia between the reactor 9 and the adsorber 10.
  • the on-off valve 12 is disposed in the middle of the connection line 11. When the on-off valve 12 is opened, ammonia can be transferred between the reactor 9 and the adsorber 10 through the connection line 11.
  • the on / off control of the on / off valve 12 is performed by an ECU (Electronic Control Unit) (not shown) that controls the engine 2.
  • the reactor 9 is provided so as to cover the entire outer peripheral portion of the DOC 4 via the exhaust pipe 3. That is, the reactor 9 is disposed so as to indirectly cover the entire outer periphery of the DOC 4 via the exhaust pipe 3.
  • DOC4 has a honeycomb substrate.
  • the honeycomb substrate is disposed in a thin exhaust pipe 3 having an annular cross section.
  • a catalyst is supported on the honeycomb substrate.
  • the reactor 9 includes a plurality of heat storage materials 9a, a porous sheet 9b, a heat insulating material 9c, and a casing 9d.
  • the plurality of heat storage materials 9a, the porous sheet 9b, the heat insulating material 9c, and the casing 9d are disposed outside the DOC4.
  • a pair of annular plates are provided on the outer peripheral surface of the exhaust pipe 3 where the DOC 4 is located so as to be orthogonal to the outer peripheral surface of the exhaust pipe 3.
  • One annular plate is arranged around the position of the upstream end of the DOC 4.
  • Another annular plate is arranged around the position of the downstream end of DOC4.
  • the exhaust pipe 3 and the pair of annular plates define a space for storing the heat storage material 9a, the porous sheet 9b, and the heat insulating material 9c.
  • Each heat storage material 9a is in the form of being hardened in a tablet shape.
  • a cross section cut by a plane orthogonal to the outer peripheral surface of the exhaust pipe 3 has a substantially annular shape as a whole as shown in FIG. ing.
  • the plurality of heat storage materials 9 a are arranged along the longitudinal direction of the exhaust pipe 3 and along the circumferential direction of the exhaust pipe 3 in a region between the pair of annular plates on the outer peripheral surface of the exhaust pipe 3. Has been placed.
  • the plurality of heat storage materials 9 a are in contact with the outer peripheral surface of the exhaust pipe 3.
  • the plurality of heat storage materials 9 a are arranged so as to directly cover the outer peripheral surface of the exhaust pipe 3. That is, the plurality of heat storage materials 9 a are arranged so as to indirectly cover the entire outer peripheral portion of the DOC 4 via the exhaust pipe 3.
  • the heat storage material 9a expands when ammonia enters.
  • the plurality of heat storage materials 9a have a gap between the heat storage materials 9a adjacent to each other in the longitudinal direction so that the heat storage material 9a expands in the longitudinal direction of the exhaust pipe 3, not in the radial direction of the exhaust pipe 3. Is arranged in. That is, in a state where ammonia is not contained in the heat storage material 9a, the length in which the same number of heat storage materials 9a as the number arranged in the longitudinal direction are arranged in contact with each other between the pair of annular plates is a pair of annular plates. Shorter than the distance between the plates.
  • the porous sheet 9b has a thin sheet shape.
  • the porous sheet 9b has a substantially cylindrical shape when disposed outside the exhaust pipe 3. Therefore, the porous sheet 9b has a substantially annular shape as shown in FIG. 2 in a cross section cut by a plane orthogonal to the outer peripheral surface of the exhaust pipe 3.
  • the porous sheet 9b is disposed between the pair of annular plates so as to be along the outer peripheral surfaces of the plurality of heat storage materials 9a disposed along the outer peripheral surface of the exhaust pipe 3.
  • the porous sheet 9b has a fine filter shape (net shape), and constitutes a passage for ammonia.
  • the porous sheet 9b needs to be formed of a material that does not corrode to ammonia in order to constitute an ammonia passage.
  • the porous sheet 9b needs to be formed of an elastically deformable material (a flexible material) in order to generate a stress buffering action.
  • a flexible material examples include stainless steel or ceramic.
  • the porous sheet 9b is disposed so as to directly cover the outer peripheral portions of the plurality of heat storage materials 9a having a substantially cylindrical shape as a whole.
  • the heat insulating material 9c has a predetermined thickness.
  • the heat insulating material 9 c has a substantially cylindrical shape in a state where the heat insulating material 9 c is disposed outside the exhaust pipe 3. Therefore, the heat insulating material 9 c has a substantially annular shape as shown in FIG. 2 in a cross section cut by a plane orthogonal to the outer peripheral surface of the exhaust pipe 3.
  • the heat insulating material 9c is arrange
  • the heat insulating material 9 c is relatively hard in order to prevent the heat storage material 9 a from expanding in the radial direction of the exhaust pipe 3.
  • the heat insulating material 9c also needs to be formed of a material that is elastically deformed in order to cause a stress buffering operation.
  • the heat insulating material 9c is also a porous body.
  • the heat insulating material 9c may not be a porous body.
  • the heat insulating material 9c is arrange
  • the casing 9d is disposed between the pair of annular plates along the outer peripheral surface of the heat insulating material 9c. Both end portions of the casing 9d are welded to a pair of return plates. Therefore, the space defined by the casing 9d, the exhaust pipe 3, and the pair of annular plates is sealed, and the heat storage material 9a, the porous sheet 9b, and the heat insulating material 9c are sealed in the sealed space. Since the heat storage material 9a is sealed in the sealed space, the heat storage material 9a can repeatedly react with ammonia.
  • a flange 13 for attaching an exhaust pipe or the like to the vehicle body is provided on the outer peripheral surface of the casing 9d.
  • connection line 11 penetrates into the casing 9d and the heat insulating material 9c, and opens to the outer peripheral surface side of the porous sheet 9b. Therefore, when ammonia is released from the adsorber 10 and the on-off valve 12 is opened, ammonia flows into the porous sheet 9b from the one end 11a of the connection line 11.
  • the on-off valve 12 is controlled by the ECU. Is opened, and ammonia is supplied to the reactor 9 through the connection line 11. At this time, the pressure of the adsorber 10 is higher than the pressure of the reactor 9, and ammonia moves to the reactor 9 side.
  • ammonia flows into the porous sheet 9b from one end 11a of the connection line 11. Ammonia diffuses uniformly by the porous sheet 9b. The uniformly diffused ammonia is evenly supplied to the plurality of heat storage materials 9 a disposed on the outer peripheral surface of the exhaust pipe 3.
  • Each heat storage material 9a (for example, MgCl 2 ) chemically reacts with the supplied ammonia, occludes ammonia, and generates heat.
  • Each heat storage material 9a is, if made of MgCl 2, and MgCl 2 and ammonia is coordination bond. That is, the reaction from the left side to the right side in the following reaction formula occurs.
  • each temperature of the catalyst such as DOC4 rises and rises to an activation temperature suitable for purification of environmental pollutants in the exhaust gas.
  • each heat storage material 9a expands by supplying ammonia.
  • each heat storage material 9a is suppressed from being deformed in the radial direction of the exhaust pipe 3, and the exhaust pipe 3 Deforms in the longitudinal direction. Therefore, it is suppressed that the heat transfer distance from each heat storage material 9a becomes long.
  • each heat storage material 9a since each heat storage material 9a is arrange
  • the impact caused by the traveling of the vehicle is absorbed by the stress buffering action generated by the porous sheet 9b and the heat insulating material 9c. Therefore, the DOC 4 and the heat storage material 9a can be protected from an impact caused by traveling of the vehicle.
  • a large impact due to the collision is also absorbed by the stress buffering action generated by the porous sheet 9b and the heat insulating material 9c, so that damage to the DOC 4 and the like can be prevented.
  • a heat storage material 9a is provided on the outer peripheral portion of the DOC 4 (the outer peripheral surface of the exhaust pipe 3 having a small thickness), and the entire outer peripheral surface of the heat storage material 9a. Is provided with a porous sheet 9b.
  • a heat insulating material 9c is provided on the entire outer peripheral surface of the porous sheet 9b.
  • the heat insulating material 9c is hard, when the heat storage material 9a swells due to the supply of ammonia, the deformation of the heat storage material 9a in the radial direction of the exhaust pipe 3 is suppressed, and the heat transfer distance can be prevented from becoming long.
  • the porous sheet 9b is formed of stainless steel or ceramic. Therefore, the porous sheet 9b serving as the ammonia passage is not corroded by ammonia, and a stress buffering action can be generated in the porous sheet 9b.
  • the present invention is applied to an exhaust purification system that includes DOC, SCR, and ASC as a catalyst, and further includes a DPF as a filter.
  • the applied exhaust purification system is limited to this. Absent.
  • the present invention can be applied to exhaust purification systems having various other configurations as long as the exhaust purification system includes at least a catalyst and a heat storage device that warms up the catalyst.
  • the engine is not limited to a diesel engine, and may be a gasoline engine or the like.
  • the catalyst to be warmed up is DOC4, and the reactor 9 of the heat storage device 8 is arranged in the DOC4.
  • the reactor 9 is placed in other places depending on the catalyst to be warmed up. It may be arranged.
  • the reactor 9 may be arranged in SCR6. In this case, the reactor 9 is provided so as to cover the outer periphery of the SCR 6.
  • the material of the porous sheet 9b is stainless steel or ceramic, but is not limited thereto.
  • the material of the porous sheet 9b may be a material other than stainless steel and ceramic as long as it does not corrode to ammonia and elastically deforms.
  • the heat storage device 8 includes the heat insulating material 9c, but the heat storage device 8 may not include the heat insulating material 9c.
  • the heat storage device 8 may include, for example, a porous sheet arranged in two layers, the inner and outer layers.
  • the inner porous sheet may be soft in order to cause a stress buffering action
  • the outer porous sheet may be hard in order to cause a deformation suppressing action.
  • the reactor 9 (the heat storage material 9a, the porous sheet 9b, and the heat insulating material 9c) is disposed so as to cover the entire outer peripheral portion of the catalyst (DOC4), but is not limited thereto.
  • the reactor 9 may be arrange
  • the present invention can be used for a heat storage device for warming up a catalyst provided in an exhaust system of an internal combustion engine (for example, a diesel engine).
  • an internal combustion engine for example, a diesel engine.

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Abstract

蓄熱装置(8)は、アンモニアと化学反応して熱を発生させる反応器(9)と、吸着材を有し、吸着材でアンモニアを吸着して貯蔵する吸着器(10)と、反応器(9)と吸着器(10)とを接続し、反応器(9)と吸着器(10)との間でアンモニアを移動させる接続ライン(11)と、を備えている。反応器(9)は、触媒の外周部を覆うように設けられている蓄熱材(9a)と、蓄熱材(9a)の外周部を覆うように設けられている多孔体シート(9b)と、蓄熱材(9a)と多孔体シート(9b)とを封入するケーシング(9d)と、を有している。接続ライン(11)の一端(11a)は、ケーシング(9d)に貫入して多孔体シート(9b)に開口されている。

Description

蓄熱装置
 本発明は、車両の内燃機関の排気系に設けられている触媒を暖機する蓄熱装置に関する。
 車両の排気系には、エンジンから排出される排気ガスに含まれる環境汚染物質(HC、CO、及びNOx等)を浄化するために、触媒等が設けられている。触媒には、浄化能力を活性化するための最適温度(活性温度)が存在する。エンジン始動時は、排気ガスの温度が低く、触媒の活性温度に達するまでに時間を要する。エンジン始動時等の排気ガスの温度が低いときに、触媒での温度を活性温度にまで短時間で温度上昇させるためには、触媒を暖機するための装置が必要である。この装置として、化学反応の反応熱を利用した蓄熱装置が知られている。この蓄熱装置は、燃費ロスを低減した上で、暖機を行う。特許文献1には、触媒の外側に蓄熱材が配置され、蓄熱材の化学反応の反応熱を利用して触媒を暖機する触媒暖機装置が開示されている。
特開昭59-208118号公報
 触媒は排気管内に設けられているハニカム基材に担持されており、このハニカム基材に担持された触媒を車両走行時の衝撃から守る必要がある。そのため、特許文献1のように触媒の外側に蓄熱材が配置されている場合、一般的に、触媒と蓄熱材との間にマット等が設けられており、当該マット等が衝撃を吸収している。しかしながら、このようなマットが触媒と蓄熱材との間に設けられている場合、蓄熱材で発生した熱がマットを通して触媒に伝達されるので、触媒への熱伝達効率が低下する。マット等が触媒と蓄熱材との間に設けられていない場合、熱伝達効率は低下しないが、車両走行時の衝撃を吸収し難い。
 そこで、本発明は、熱伝達効率の低下を防止できかつ車両走行時の衝撃を吸収できる蓄熱装置を提供することを課題とする。
 本発明は、車両の内燃機関の排気系に配置された触媒を暖機する蓄熱装置であって、アンモニアと化学反応して熱を発生させる反応器と、吸着材を有し、吸着材でアンモニアを吸着して貯蔵する吸着器と、反応器と吸着器とを接続し、反応器と吸着器との間でアンモニアを移動させる接続ラインと、を備え、反応器は、触媒の外周部を覆うように設けられている蓄熱材と、蓄熱材の外周部を覆うように設けられている多孔体シートと、蓄熱材と多孔体シートとを封入するケーシングと、を有し、接続ラインの一端は、ケーシングに貫入して多孔体シートに開口されている。
 車両の内燃機関の排気系には、排気ガスを浄化するための触媒が設けられており、この触媒を暖機するための蓄熱装置が備えられる。本発明は、アンモニアと化学反応して熱を発生させる反応器と、吸着材でアンモニアを吸着して貯蔵する吸着器と、を備えている。反応器と吸着器との間でアンモニアを移動させるために、反応器と吸着器とが接続ラインを通して接続されている。反応器は、蓄熱材と多孔体シートとを有しており、蓄熱材と多孔体シートとがケーシングに封入されている。蓄熱材は、触媒の外周部を覆うように設けられており、触媒を暖機する。多孔体シートは、蓄熱材の外周部を覆うように設けられており、アンモニアの通路を構成する。多孔体シートには、接続ラインの一端が開口されており、接続ラインからアンモニアが流入する。流入するアンモニアは、多孔体シートによって均一に分散されて、蓄熱材に供給される。多孔体シートは、応力緩衝作用を生じさせる。したがって、多孔体シートは、アンモニア供給によって蓄熱材が膨らんだときに、蓄熱材の排気管の半径方向への変形を抑制する。蓄熱材の排気管の半径方向への変形が抑制されると、熱伝達距離が長くなるのが抑制される。また、多孔体シートは、車両走行時等の衝撃を吸収する。これらの結果、蓄熱材で発生した熱の触媒への熱伝達効率の低下を防止できるとともに、車両走行時等の衝撃を吸収できる。
 反応器は、ケーシングに封入され且つ多孔体シートの外周部を覆うように設けられている断熱材を更に有していてもよい。
 反応器では、蓄熱材、多孔体シート及び断熱材がケーシングに封入されている。断熱材は、多孔体シートの外周部を覆うように設けられており、熱が外部に逃げるのを防止する。断熱材は、応力緩衝作用を生じさせる。したがって、断熱材は、アンモニア供給によって蓄熱材が膨らんだときに蓄熱材の排気管の半径方向への変形を抑制するとともに、車両走行時等の衝撃を吸収する。これらの結果、蓄熱材の熱の触媒への熱伝達効率の低下を更に防止できるとともに、車両走行時等の衝撃を更に吸収できる。
 多孔体シートは、ステンレス鋼又はセラミックで形成されていてもよい。この場合、アンモニアの通路となる多孔体シートがアンモニアで腐食することがなく、多孔体シートに応力緩衝作用を生じさせることができる。
 本発明によれば、熱伝達効率の低下を防止できかつ車両走行時の衝撃を吸収できる蓄熱装置を提供するができる。
図1は、本発明の実施の形態に係る蓄熱装置を備えた排気浄化システムの概略構成図である。 図2は、本実施の形態に係る蓄熱装置の反応器の断面図である。
 以下、図面を参照して、本発明に係る蓄熱装置の実施の形態を説明する。なお、各図において同一又は相当する要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
 本実施の形態では、本発明に係る蓄熱装置が、車両のエンジン(内燃機関)の排気系に設けられている排気浄化システムに備えられる蓄熱装置に適用されている。本実施の形態に係る排気浄化システムは、エンジン(特に、ディーゼルエンジン)から排出される排気ガス中に含まれる有害物質(環境汚染物質)を浄化する。本実施の形態に係る排気浄化システムは、触媒のDOC(Diesel Oxidation Catalyst)、SCR(Selective Catalytic Reduction)、及びASC(Ammonia Slip Catalyst)、並びに、フィルタのDPF(Diesel Particulate Filter)を備えており、触媒を暖機する化学蓄熱装置も備えている。
 図1及び図2を参照して、本実施の形態に係る排気浄化システム1について説明する。図1は、本実施の形態に係る蓄熱装置を備えた排気浄化システムの概略構成図である。図2は、本実施の形態に係る蓄熱装置の反応器の断面図である。
 排気浄化システム1は、ディーゼル酸化触媒(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、及びアンモニアスリップ触媒(ASC)7を有している。DOC4、DPF5、SCR6、及びASC7は、エンジン2の排気側に接続された排気管3の上流側から下流側に向けて、DOC4、DPF5、SCR6、ASC7の順で配置されている。
 DOC4は、排気ガス中に含まれるHC及びCO等を酸化する。DPF5は、排気ガス中に含まれるPM(Particulate Matter)を捕集して取り除く。SCR6は、インジェクタ6aによって排気管3内の上流側にアンモニア(NH)又は尿素水を供給して、排気ガス中に含まれるNOxとアンモニアとを化学反応させることによって、NOxを還元して浄化する。尿素水は、加水分解してアンモニアになる。ASC7は、SCR6を通過してSCR6の下流側に流れたアンモニアを酸化する。
 各触媒4,6,7には、環境汚染物質に対する浄化能力を発揮できる温度領域(すなわち、活性温度)が存在する。例えば、DOC4の活性温度の下限は150℃程度である。エンジン2の始動直後などは、エンジン2から排出された直後の排気ガスの温度は100℃程度と比較的低い。エンジン2の始動直後などでも、各触媒4,6,7で浄化能力を発揮させるためには、各触媒4,6,7での温度を迅速に活性温度に高める必要がある。そのため、排気浄化システム1は、触媒の暖機を行う蓄熱装置8を有している。排気浄化システム1には、エンジン2から排出された排気ガスの温度(又は、触媒の温度)を検出する温度センサが設けられている。
 蓄熱装置8は、電力などの外部エネルギーを必要とすることなく、触媒を暖機する化学蓄熱装置である。蓄熱装置8は、通常は排気ガスの熱(排熱)を蓄えておき、必要なときに蓄えた熱を使用して触媒を暖機する。蓄熱装置8は、排気管3における上流側に位置する触媒であるDOC4において暖機を行う。蓄熱装置8は、反応器9、吸着器10、接続ライン11、及び、開閉弁12を備えている。
 反応器9は、DOC4の外周部の全面にわたるように設けられている。反応器9は、アンモニアと化学反応する蓄熱材(反応材)を有している。反応器9では、アンモニアと蓄熱材とが化学反応して熱を発生させる。蓄熱材には、塩化金属、臭化金属、又はヨウ化金属化合物が挙げられ、具体的には、MgCl、CaCl、NiCl、ZnCl、又はSrClが挙げられる。反応器9の構造については、後で詳細に説明する。
 吸着器10は、アンモニアを物理吸着する吸着材としての活性炭が内蔵されている。吸着器10では、アンモニアを活性炭と物理吸着させてアンモニアを貯蔵し、アンモニアを活性炭から分離させてアンモニアを放出する。
 接続ライン11は、反応器9と吸着器10とを接続している。接続ライン11は、反応器9と吸着器10との間でアンモニアを移動させる管路である。開閉弁12は、接続ライン11の途中に配置されている。開閉弁12が開弁されると、接続ライン11を通して反応器9と吸着器10との間でアンモニアの移動が可能となる。開閉弁12の開閉制御は、エンジン2を制御するECU(Electronic Control Unit)(図示せず)等で行われる。
 図2を参照して、反応器9の構造について説明する。反応器9は、上述したように、排気管3を介して、DOC4の外周部の全面を覆うように設けられている。すなわち、反応器9は、排気管3を介して、DOC4の外周部全体を間接的に覆うように配置されている。DOC4は、ハニカム基材を有する。ハニカム基材は、断面環状の薄い排気管3内に配置されている。ハニカム基材には、触媒が担持されている。反応器9は、複数の蓄熱材9a、多孔体シート9b、断熱材9c、及びケーシング9dを有している。複数の蓄熱材9a、多孔体シート9b、断熱材9c、及びケーシング9dは、DOC4の外側に配置されている。
 排気管3における、DOC4が位置している箇所の外周面には、一対の環状プレート(図示せず)が排気管3の外周面に直交するように設けられている。一つの環状プレートは、DOC4の上流端の位置周辺に配置されている。もう一つの環状プレートは、DOC4の下流端の位置周辺に配置されている。排気管3と一対の環状プレートとが、蓄熱材9a、多孔体シート9b、及び断熱材9cを収納する空間を規定する。
 各蓄熱材9aは、タブレット状に固められた形態を呈している。複数の蓄熱材9aは、排気管3の外側に配置された状態では、排気管3の外周面に直交する面で切断した断面において、図2に示されるように、全体として略円環状を呈している。複数の蓄熱材9aは、排気管3の外周面における一対の環状プレートの間の領域に、排気管3の長手方向に沿って並べられると共に排気管3の周方向に沿って並べられるように、配置されている。複数の蓄熱材9aは、排気管3の外周面に接触している。したがって、排気管3の外周面に接するように配置された複数の蓄熱材9aは、排気管3を介してDOC4を暖機する。排気管3の厚みが薄いことから、複数の蓄熱材9aは、実質的に、DOC4を直接暖機する。複数の蓄熱材9aは、排気管3の外周面を直接的に覆うように配置されている。すなわち、複数の蓄熱材9aは、排気管3を介して、DOC4の外周部全体を間接的に覆うように配置されている。
 蓄熱材9aは、アンモニアが入ると膨らむ。蓄熱材9aが膨らむ際に、排気管3の半径方向ではなく排気管3の長手方向に膨らむように、複数の蓄熱材9aは、上記長手方向で隣り合う蓄熱材9aの間に隙間を有する状態で配置されている。すなわち、蓄熱材9aにアンモニアが入っていない状態では、一対の環状プレートの間において上記長手方向に配置された個数と同じ個数の蓄熱材9aを互いに接触させて並べた長さは、一対の環状プレートの間の間隔よりも短い。
 多孔体シート9bは、薄いシート状を呈している。多孔体シート9bは、排気管3の外側に配置された状態では、略円筒状を呈している。したがって、多孔体シート9bは、排気管3の外周面に直交する面で切断した断面において、図2に示されるように、略円環状を呈している。多孔体シート9bは、排気管3の外周面に沿うように配置された複数の蓄熱材9aの外周面に沿うように、一対の環状プレートの間に配置されている。多孔体シート9bは、目が細かいフィルタ状(網状)を呈しており、アンモニアの通路を構成する。多孔体シート9bは、アンモニアの通路を構成するために、アンモニアに腐食しない材質で形成される必要がある。多孔体シート9bは、応力緩衝作用を生じさせるために、弾性変形する材質(たわむ材質)で形成される必要もある。これらの条件を備える材質としては、例えば、ステンレス鋼又はセラミックがある。多孔体シート9bは、全体として略円筒状を呈する複数の蓄熱材9aの外周部を直接的に覆うように配置されている。
 断熱材9cは、所定の厚みを有する。断熱材9cは、排気管3の外側に配置された状態では、略円筒状を呈している。したがって、断熱材9cは、排気管3の外周面に直交する面で切断した断面において、図2に示されるように、略円環状を呈している。断熱材9cは、多孔体シート9bの外周面に沿うように、一対の環状プレートの間に配置されている。断熱材9cは、蓄熱材9aが排気管3の半径方向に膨らむのを抑制するために、比較的硬質である。断熱材9cは、応力緩衝作を生じさせるために、弾性変形する材質でも形成されている必要もある。本実施形態では、断熱材9cも、多孔体である。断熱材9cは、多孔体でなくてもよい。断熱材9cは、多孔体シート9bの外周部を直接的に覆うように配置されている。
 ケーシング9dは、断熱材9cの外周面に沿って一対の環状プレートの間に配置されている。ケーシング9dの両端部は、一対の還状プレートにそれぞれ溶接されている。したがって、ケーシング9d、排気管3、及び一対の環状プレートによって画成される空間は、密閉されており、密閉空間内に蓄熱材9a、多孔体シート9b、断熱材9cが封入されている。蓄熱材9aは密閉空間内に封入されているので、蓄熱材9aはアンモニアと繰り返し化学反応できる。ケーシング9dの外周面には、排気管などを車体に取り付けるためのフランジ13が設けられている。
 接続ライン11の一端11aは、ケーシング9d及び断熱材9cに貫入し、多孔体シート9bの外周面側に開口している。したがって、吸着器10からアンモニアが放出され、開閉弁12が開かれているときには、接続ライン11の一端11aからアンモニアが多孔体シート9bに流入する。
 続いて、排気浄化システム1の蓄熱装置8(特に、反応器9)の動作を説明する。車両停止中(エンジン2が停止中)は、開閉弁12は閉じられている。したがって、吸着器10において活性炭からアンモニアが分離していても、接続ライン11を通してアンモニアが反応器9に供給されない。
 エンジン2の始動後、エンジン2から排出された排気ガスの温度が所定温度(DOC4等の活性温度より低い温度)より低いとき、例えば、エンジン2の始動直後等では、ECUによる制御によって開閉弁12が開けられ、接続ライン11を通してアンモニアが反応器9に供給される。このとき、吸着器10の圧力が反応器9の圧力よりも高く、アンモニアが反応器9側に移動する。
 反応器9では、接続ライン11の一端11aからアンモニアが多孔体シート9bに流入する。多孔体シート9bにより、アンモニアが均一に拡散する。均一に拡散したアンモニアが、排気管3の外周面に配設されている複数の蓄熱材9aに均等に供給される。各蓄熱材9a(例えば、MgCl)では、供給されたアンモニアと化学反応して、アンモニアを吸蔵し、熱を発生する。各蓄熱材9aが、MgClからなる場合、MgClとアンモニアとが配位結合する。つまり、下記の反応式における左辺から右辺への反応が起こる。各蓄熱材9aから発生した熱は、厚みが薄い排気管3を通してDOC4に伝わる。この結果、DOC4等の触媒の各温度が上昇し、排気ガス中の環境汚染物質の浄化に適した活性温度まで上昇する。
   MgCl+6NH⇔MgCl・6・NH+ΔH
   ΔH=67kJ/mol(NH
 反応器9では、断熱材9cによって外側に熱が逃げ難いため、各蓄熱材9aで発生した熱が内側(DOC4側)に伝わる。反応器9では、アンモニアが供給されることにより、各蓄熱材9aが膨らむ。このとき、硬質の断熱材9cによって(更に、多孔体シート9b及び断熱材9cが生じさせる応力緩衝作用によって)、各蓄熱材9aは排気管3の半径方向への変形が抑えられ、排気管3の長手方向に変形する。したがって、各蓄熱材9aからの熱の伝達距離が長くなるのが、抑制される。反応器9では、各蓄熱材9aは、厚みが薄い排気管3の外周面に配置されているので、各蓄熱材9aはDOC4(触媒)を実質的に直接暖機する。これらの結果、各蓄熱材9aからDOC4(触媒)への熱伝達効率が低下するのを防止できる。
 エンジン2から排出された排気ガスの温度が所定温度(DOC4等の活性温度より高い温度)より高くなると、排気ガスの排熱が反応器9の蓄熱材9aに与えられる。これにより、アンモニアと蓄熱材9aとが分離し、高温のアンモニアが発生する。つまり、上記の反応式における右辺から左辺への反応が起こる。分離したアンモニアは、反応器9から接続ライン11を通って吸着器10に戻る。すなわち、分離したアンモニアは、蓄熱材9aから多孔体シート9bを通過した後、接続ライン11を通って吸着器10に戻る。このとき、反応器9の圧力が吸着器10の圧力よりも高く、アンモニアが吸着器10側に移動する。吸着器10では、活性炭がアンモニアを物理吸着して貯蔵する。
 車両走行時に、車両走行による衝撃は、多孔体シート9b及び断熱材9cが生じさせる応力緩衝作用によって吸収される。したがって、車両走行による衝撃からDOC4及び蓄熱材9aを保護することができる。特に、車両衝突時に、衝突による大きな衝撃も多孔体シート9b及び断熱材9cが生じさせる応力緩衝作用によって吸収されるので、DOC4等の損傷を防止できる。
 排気浄化システム1の蓄熱装置8(特に、反応器9)では、DOC4の外周部(厚みが薄い排気管3の外周面)に蓄熱材9aが設けられており、蓄熱材9aの外周面の全面に多孔体シート9bが設けられている。これにより、蓄熱材9aで発生した熱のDOC4(触媒)への熱伝達効率の低下を防止できるとともに、車両走行時等の衝撃を吸収できる。その結果、蓄熱装置8による加熱効率が低下せず、熱ロスを防止でき、DOC4等の温度が活性温度に迅速に達する。
 蓄熱装置8では、多孔体シート9bの外周面の全面に断熱材9cが設けられている。これにより、蓄熱材9aで発生した熱のDOC4への熱伝達効率の低下を更に防止できるとともに、車両走行時等の衝撃を更に吸収できる。特に、断熱材9cが硬質であるため、アンモニア供給によって蓄熱材9aが膨らんだときに蓄熱材9aの排気管3の半径方向への変形が抑制され、熱伝達距離が長くなるのを防止できる。
 蓄熱装置8では、多孔体シート9bは、ステンレス鋼又はセラミックで形成されている。したがって、アンモニアの通路となる多孔体シート9bがアンモニアで腐食することがなく、多孔体シート9bに応力緩衝作用を生じさせることができる。
 以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
 例えば、本実施の形態では、本発明が、触媒としてDOC、SCR、及びASCを備え、更にフィルタとしてDPFを備える排気浄化システムに適用されているが、適用される排気浄化システムはこれに限られない。本発明は、触媒及び触媒を暖機する蓄熱装置を少なくとも備える排気浄化システムであれば、他の様々な構成の排気浄化システムに適用できる。エンジンも、ディーゼルエンジンに限られることなく、ガソリンエンジン等であってもよい。
 本実施の形態では、暖機される触媒がDOC4であり、蓄熱装置8の反応器9がDOC4に配置されているが、反応器9は、暖機対象である触媒に応じて他の箇所に配置されていてもよい。例えば、暖機される触媒がSCR6である場合には、反応器9がSCR6に配置されていてもよい。この場合、反応器9は、SCR6の外周部を覆うように設けられる。
 本実施の形態では、多孔体シート9bの材質は、ステンレス鋼又はセラミックであるが、これに限られない。多孔体シート9bの材質は、アンモニアに腐食せず且つ弾性変形する材質であれば、ステンレス鋼及びセラミック以外の材質でもよい。
 本実施の形態では、蓄熱装置8は断熱材9cを備えているが、蓄熱装置8は断熱材9cを備えていなくてもよい。蓄熱装置8が断熱材9cを備えていない場合、蓄熱装置8は、例えば、内外2層に配置された多孔体シートを備えていてもよい。この場合、内側の多孔体シートが、応力緩衝作用を生じさせるために、軟質であり、外側の多孔体シートが、変形抑制作用を生じさせるために、硬質であってもよい。
 本実施の形態では、反応器9(蓄熱材9a、多孔体シート9b、及び断熱材9c)は、触媒(DOC4)の外周部全体を覆うように配置されているが、これに限られない。反応器9は、触媒の外周部の一部を覆うように配置されていてもよい。
 本発明は、内燃機関(例えば、ディーゼルエンジン等)の排気系に設けられている触媒を暖機する蓄熱装置に利用できる。
 1…排気浄化システム、2…エンジン、3…排気管、4…ディーゼル酸化触媒(DOC)、5…ディーゼル排気微粒子除去フィルタ(DPF)、6…選択還元触媒(SCR)、6a…インジェクタ、7…アンモニアスリップ触媒(ASC)、8…蓄熱装置、9…反応器、9a…蓄熱材、9b…多孔体シート、9c…断熱材、9d…ケーシング、10…吸着器、11…接続ライン、12…開閉弁、13…フランジ。

Claims (3)

  1.  車両の内燃機関の排気系に配置された触媒を暖機する蓄熱装置であって、
     アンモニアと化学反応して熱を発生させる反応器と、
     吸着材を有し、前記吸着材でアンモニアを吸着して貯蔵する吸着器と、
     前記反応器と前記吸着器とを接続し、前記反応器と前記吸着器との間でアンモニアを移動させる接続ラインと、を備え、
     前記反応器は、触媒の外周部を覆うように設けられている蓄熱材と、前記蓄熱材の外周部を覆うように設けられている多孔体シートと、前記蓄熱材と前記多孔体シートとを封入するケーシングと、を有し、
     前記接続ラインの一端は、前記ケーシングに貫入して前記多孔体シートに開口されている。
  2.  請求項1に記載の蓄熱装置であって、
     前記反応器は、前記ケーシングに封入され且つ前記多孔体シートの外周部を覆うように設けられている断熱材を更に有する。
  3.  請求項1又は2に記載の蓄熱装置であって、
     前記多孔体シートは、ステンレス鋼又はセラミックで形成されている。
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