WO2014203754A1 - 化学蓄熱装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a chemical heat storage device that heats a heating target disposed in a pipe from an outer peripheral portion.
- a catalyst or the like is provided to purify environmental pollutants (HC, CO, NOx, etc.) contained in 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. Therefore, there is a case where a heating device for warming up the catalyst is provided in order to raise the temperature in a short time to the activation temperature of the catalyst when the temperature of the exhaust gas is low at the time of engine start or the like.
- this heating device there is a chemical heat storage device using reaction heat of a chemical reaction in order to warm up by reducing energy loss (fuel consumption loss).
- Patent Document 1 discloses a first container in which a catalyst body is disposed in a gas passage pipe through which exhaust gas flows, and an adsorbent that generates heat and absorbs heat by adsorbing / desorbing water as an adsorbed medium on the upstream side.
- a catalyst heating apparatus in which a second container and a first container that are disposed and contain an adsorbed medium are communicated with each other through a communication pipe in which an on-off valve is disposed.
- a reactor (reactant) is arranged on the entire circumference of the outer peripheral portion of the heating target in order to improve the temperature rise performance for the heating target such as a catalyst and the assembly of the reactor. Is heated from the outer periphery.
- the reaction medium disposed on the entire circumference of the outer peripheral portion has one reaction medium inlet, the reaction medium must be supplied from the one inlet.
- the reaction material Since the reaction material is arranged in a circumferential shape and there is a difference in the distance between the introduction port and the reaction material depending on the position where the reaction material is arranged, the reaction material farther away from the introduction port is slower to transmit the reaction medium, It is difficult for the reaction medium to be transmitted to the entire reaction material disposed on the outer periphery of the heating target. For this reason, the chemical reaction between the reaction medium and the reaction material may be biased depending on the position where the reaction material is arranged, and there is a possibility that heating unevenness (and thus temperature increase unevenness) may occur with respect to the heating target. As a result, it is not possible to quickly raise the temperature of the entire heating target (particularly, the side farther from the inlet).
- an object of the present invention is to provide a chemical heat storage device that facilitates transmission of the reaction medium to the entire reaction material.
- a chemical heat storage device is a chemical heat storage device that heats a heating target disposed in a pipe, and stores a reaction material that chemically reacts with the reaction medium to generate heat, and the reaction medium.
- An adsorber that adsorbs and stores the adsorbent with an adsorbent, and a connecting pipe that connects the adsorber and the reactor, and the reactor is disposed on the outer peripheral surface of the portion of the pipe where the heating target is disposed.
- the reactor is provided with a plurality of inlets through which the reaction medium is introduced.
- the chemical heat storage device heats the heating target from the outer periphery.
- This chemical heat storage device includes an adsorber and a reactor, and the adsorber and the reactor are connected by a connecting pipe.
- the reaction medium is adsorbed with an adsorbent and stored.
- the reactor when the reaction medium is introduced from the adsorber through the connecting pipe, the reaction material and the reaction medium chemically react to generate heat.
- the reactor is disposed on the outer periphery of the heating target.
- the reactor is provided with a plurality of inlets for introducing the reaction medium. This inlet may also serve as an outlet for leading out the reaction medium.
- reaction material is circumferentially arranged on the outer periphery of the object to be heated, since there are a plurality of reaction medium introduction ports, the reaction material is arranged compared to the case where there is only one introduction port.
- the distance difference between the introduction port and the reaction material depending on the position can be reduced, and the reaction material supplying the reaction medium per one introduction port can be reduced. Therefore, the difference in the speed at which the reaction medium is transmitted depending on the position where the reaction material is disposed is reduced, and the reaction medium is easily transmitted to the entire reaction material.
- the chemical heat storage device can easily transmit the reaction medium to the entire reaction material by providing a plurality of reaction medium inlets in the reactor, and can suppress uneven heating (and hence uneven temperature increase) for the object to be heated.
- the heating efficiency of the heating target by the chemical heat storage device is improved, and the entire heating target can be quickly heated.
- the reactor surrounds the outer peripheral surface of the portion of the pipe over the entire circumference in the circumferential direction, and the plurality of inlets are arranged at equal intervals in the circumferential direction of the reactor. It is preferable to arrange so as to be.
- the plurality of introduction ports are arranged at equal intervals in the circumferential direction, the difference in distance between the introduction port and the reaction material due to the circumferential position where the reaction material is arranged can be minimized.
- the reaction medium can be easily transmitted more quickly to the entire reaction material.
- the plurality of inlets be arranged at positions other than the lower part in the gravity direction of the reactor so as to avoid the blocking of the inlet by the reaction material.
- the introduction port When the introduction port is arranged at the lower part (gravity direction) of the reactor, the introduction port may be blocked by a substance (for example, a reaction material) inside the reactor. Accordingly, by arranging a plurality of inlets other than the lower part of the reactor, the inlets can be blocked.
- the reactor is divided into a plurality of areas in which the reaction medium can move according to a plurality of inlets, and the plurality of inlets are provided in each of the divided areas. It is.
- the reaction medium may be supplied to the reaction material in each area.
- the introduction port is provided for each of the divided areas, the reaction medium can be introduced from each introduction port for each area, and the reaction material supplying the reaction medium per one introduction port can be reduced ( It is sufficient to supply the reaction medium only to the reaction material in the area). Therefore, the difference in the speed at which the reaction medium is transmitted depending on the position where the reaction material is disposed is reduced, the reaction medium is quickly transmitted to the reaction material in the area, and the reaction medium is more easily transmitted to the entire reaction material.
- the reactor is provided with a lead-out port through which the reaction medium is led out, and the lead-out port has a gravity direction of the reactor so as to avoid clogging of the lead-out port by the reactant. It is suitable if it arrange
- the outlet is provided separately from the inlet in the reactor, the flow of the reaction medium is unidirectional from the inlet to the outlet, and convection and turbulence are suppressed, and the flow of the reaction medium is smooth. become. Further, by arranging the outlet at a position other than the lower part of the reactor, the outlet can be prevented from being blocked by the substance inside the reactor.
- the reaction medium can be easily transmitted to the entire reaction material, and uneven heating with respect to the heating target can be suppressed.
- the chemical heat storage device according to the present invention is applied to a chemical heat storage device provided in an exhaust gas purification system provided in an exhaust system of a vehicle engine.
- the exhaust gas purification system according to the present embodiment is a system that purifies harmful substances (environmental pollutants) contained in exhaust gas discharged from an engine (particularly a diesel engine).
- the exhaust gas purification system according to the present embodiment includes a catalyst DOC [Diesel Oxidation Catalyst], SCR [Selective Catalytic Reduction] and ASC [Ammonia Slip Catalyst], and a filter DPF [Diesel Particulate Filter].
- the exhaust gas purification system according to the present embodiment also includes a chemical heat storage device for warming up the DOC. In this embodiment, there are four embodiments having different configurations such as a reactor of a chemical heat storage device.
- FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an exhaust gas purification system according to the present embodiment.
- the exhaust gas purification system 1 includes a diesel oxidation catalyst (DOC) 4, a diesel exhaust particulate removal filter (DPF) 5, a selective reduction catalyst from the upstream side to the downstream side of the exhaust pipe 3 connected to the exhaust side of the engine 2. (SCR) 6 and ammonia slip catalyst (ASC) 7.
- DOC diesel oxidation catalyst
- DPF diesel exhaust particulate removal filter
- SCR selective reduction catalyst from the upstream side to the downstream side of the exhaust pipe 3 connected to the exhaust side of the engine 2.
- ASC ammonia slip catalyst
- the exhaust pipe 3 corresponds to the piping described in the claims.
- DOC4 is a catalyst that oxidizes HC, CO, etc. contained in the exhaust gas.
- the DPF 5 is a filter that collects and removes PM contained in the exhaust gas.
- SCR 6 When SCR 6 is supplied with ammonia (NH 3 ) or urea water (hydrolyzed to become ammonia) upstream of the exhaust pipe 3 by the injector 6a, it chemically reacts with NOx contained in the exhaust gas. This is a catalyst that reduces and purifies NOx.
- the ASC 7 is a catalyst that oxidizes ammonia that has flowed downstream through 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 a relatively low temperature of about 100 ° C. Therefore, in order to exhibit the purification ability of the catalysts 4, 6, 7 even immediately after the engine 2 is started, it is necessary to quickly bring the temperatures of the catalysts 4, 6, 7 to the activation temperature. Therefore, the exhaust gas purification system 1 also has a chemical heat storage device 8 that warms up the catalyst.
- the exhaust gas 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 chemical heat storage device 8 is a chemical heat storage device that warms up the catalyst without external energy. That is, the chemical heat storage device 8 normally stores the heat (exhaust heat) of the exhaust gas, and uses the heat when necessary to warm up the catalyst. In particular, the chemical heat storage device 8 warms up (heats) the DOC 4 that is a catalyst located upstream in the exhaust pipe 3 from the outer peripheral portion. By warming up upstream, the exhaust gas whose temperature has been warmed up flows to the downstream catalyst (SCR6, ASC7).
- the chemical heat storage device 8 includes a reactor 9, an adsorber 10, a connecting pipe 11, an on-off valve 12, and the like. In the present embodiment, DOC4 corresponds to a heating object described in the claims.
- the reactor 9 is disposed on the entire circumference of the outer peripheral surface of the exhaust pipe 3 where the DOC 4 is disposed, and the cross-sectional shape is a donut (annular) shape surrounding the DOC 4.
- the cross-section of the cross-sectional donut shape is a flow path cross section obtained by cutting the reactor 9 perpendicularly to the direction in which the exhaust gas flows.
- the reactor 9 includes a reaction material (heat storage material) 9a that chemically reacts with ammonia (reaction medium), and the reaction material 9a is accommodated in a casing 9b. In the reactor 9, ammonia and the reaction material 9a chemically react and chemisorb (coordinate bond) to generate heat.
- reaction material 9a In the reactor 9, when the reaction material 9a and ammonia are combined, the reaction material 9a separates from the ammonia when the temperature exceeds a predetermined temperature and starts to release ammonia. Usually released. Each of these temperatures varies depending on the combination of the reactant 9a and ammonia.
- the reaction material 9a is in a solid state solidified in a tablet shape.
- a plurality of the tablet-like reaction materials 9a are arranged along the direction in which the exhaust gas flows on the outer peripheral surface of the DOC 4 (part of the exhaust pipe 3), and along the circumferential direction on the outer peripheral surface of the DOC 4.
- Are arranged side by side. Therefore, the side cross-sectional shape of the tablet-like reaction material 9a is a rectangular shape, and the normal cross-sectional shape is a divided donut shape (arc shape having a predetermined thickness).
- the reaction material is arranged on the entire circumference of the outer peripheral surface of the DOC 4 by the multiple reaction materials 9 a arranged along the flow direction and the circumferential direction of the exhaust gas, and the cross-sectional shape becomes a donut shape surrounding the DOC 4. Yes.
- the length in the direction in which the exhaust gas flows in the row of the reactants 9a arranged in a plurality has a length that covers the entire DOC4. Therefore, the reaction material 9 a directly disposed on the outer peripheral surface of the DOC 4 can directly warm up the entire DOC 4 through the thin exhaust pipe 3.
- the reaction material 9a, ammonia and chemically reacted to generate heat a material that can be heated to above the activation temperature of the catalyst, for example, divalent chloride (MCl 2), the divalent bromide (MBr 2), 2 Valent iodide (MI 2 ), and M is suitably Mg, Ni, Co, Fe, Mn, Ca, Sr, Ba, Cu, Cr, or the like.
- the casing 9b is disposed so as to cover the entire outer peripheral side of the reactor 9 and the entire upstream end and downstream end of the reactor 9, and forms a sealed space with the outer peripheral surface of the DOC 4.
- the reaction material 9a is enclosed therein.
- the reactor 9 is provided with a plurality of inlets or inlets and outlets that are opened with respect to the reactant 9a in order to introduce / lead ammonia.
- the configuration of the introduction outlet or the inlet and outlet of the reactor 9 will be described in detail in the following embodiments.
- a heat insulating material or the like may be provided between the reaction material 9a and the casing 9b.
- the adsorber 10 contains activated carbon as an adsorbent that physically adsorbs ammonia.
- the ammonia is stored in a state of being physically adsorbed with the activated carbon, the exhaust heat of exhaust gas (warmed ammonia) is stored, the ammonia is separated from the activated carbon, the ammonia is released, and the ammonia is reacted. 9 is supplied.
- the connecting pipe 11 is a pipe line that connects the reactor 9 and the adsorber 10 and moves ammonia between the reactor 9 and the adsorber 10.
- One end of the connection pipe 11 passes through the casing 9b of the reactor 9 and is connected to the introduction outlet or the introduction port and the discharge port.
- the on-off valve 12 is disposed in the middle of the connecting pipe 11. When the on-off valve 12 is opened, ammonia can be transferred between the reactor 9 and the adsorber 10 via the connection pipe 11. Since the configuration of the connecting pipe 11 and the on-off valve 12 varies depending on the configuration of the introduction outlet or the inlet and outlet of the reactor 9, it will be described in detail in the following embodiments.
- the opening / closing control of the opening / closing valve 12 is performed by an ECU [Electronic Control Unit] (not shown) that controls the engine 2.
- the DOC 4 that is the heating target of the chemical heat storage device 8 has a structure in which a catalyst is supported on a cylindrical honeycomb substrate 4a disposed in a thin exhaust pipe 3 having an annular cross section. is there. Therefore, a part of the exhaust pipe 3 constitutes the outer peripheral surface of the DOC 4.
- the material of the honeycomb substrate 4a is, for example, ceramic.
- the material of the exhaust pipe 3 is, for example, stainless steel (SUS).
- FIG. 2 is a configuration diagram of the chemical heat storage device according to the present embodiment.
- FIG. 3 is a front sectional view around the reactor of the chemical heat storage device according to the first embodiment.
- the reactor 9A is provided with two introduction outlets 9c and 9d.
- the introduction outlets 9c and 9d serve as both an ammonia introduction port into the reactor 9A and an ammonia outlet port from the reactor 9A.
- the two introduction outlets 9c and 9d are arranged at diagonal positions in the horizontal direction of the reactor 9A so that the arrangement intervals are equal (180 ° intervals) in the circumferential direction of the reactor 9A.
- the two introduction outlets 9c and 9d are preferably arranged at the center position in the direction in which the exhaust gas flows in the reactor 9A.
- the introduction outlets 9c and 9d correspond to a plurality of introduction ports described in the claims.
- the connecting pipe 11 includes two branch pipes 11a and 11b corresponding to the two introduction outlets 9c and 9d, and one junction pipe 11c.
- the branch pipe 11a is a pipe for one inlet / outlet 9c, and one end is connected to the inlet / outlet 9c and the other end is connected to the junction pipe 11c.
- the branch pipe 11b is a pipe for the other inlet / outlet 9d, and one end is connected to the inlet / outlet 9d and the other end is connected to the junction pipe 11c.
- One end of the junction pipe 11 c is connected to the branch pipe 11 a and the branch pipe 11 b, and the other end is connected to the adsorber 10.
- An opening / closing valve 12a is disposed in the branch pipe 11a.
- An open / close valve 12b is disposed in the branch pipe 11b.
- One on-off valve 12 may be provided only in the junction pipe 11c.
- the on / off valve is controlled by the ECU. 12a and 12b are opened, and ammonia is supplied from the adsorber 10 to the reactor 9A through the connecting pipe 11 (from the merging pipe 11c to the branch pipes 11a and 11b). At this time, the pressure of the adsorber 10 is higher than the pressure of the reactor 9A, and ammonia moves to the reactor 9A side.
- a predetermined temperature a temperature set based on the activation temperature of the catalyst
- the ammonia to be supplied is introduced from the introduction outlet 9c on one side in the horizontal direction in the reactor 9A through the branch pipe 11a in which the on-off valve 12a is opened, and the branch pipe 11b in which the on-off valve 12b is opened.
- the inlet 9d on the other side in the horizontal direction in the reactor 9A Through the inlet 9d on the other side in the horizontal direction in the reactor 9A. Therefore, ammonia is introduced from the diagonal in the horizontal direction into the reaction material 9a disposed on the entire circumference of the outer peripheral portion of the DOC4.
- the reaction material 9a that is separated from the introduction outlets 9c and 9d in the circumferential direction has a maximum of 90 °, so the difference in the speed at which ammonia is transmitted depending on the position where the reaction material 9a is disposed is small (from the introduction outlets 9c and 9d). There is little delay of ammonia to the reaction material 9a which is far away), and ammonia is quickly transmitted to the whole reaction material 9a.
- the supplied ammonia and the reaction material 9a chemically react and chemisorb to generate heat.
- there is little bias in the chemical reaction depending on the position where the reaction material 9a is arranged and there is little heat generation unevenness in the entire outer periphery of the DOC 4.
- This heat is transmitted to the outer peripheral portion of DOC 4 (a part of exhaust pipe 3).
- the exhaust gas can be purified by the DOC 4.
- the reactor 9A is provided with the two inlets 9c and 9d diagonally in the horizontal direction, so that the ammonia by the position where the reactant 9a is disposed Is small, and ammonia is quickly transmitted to the entire reaction material 9a disposed on the entire circumference of the outer peripheral portion of the DOC4.
- an uneven chemical reaction between ammonia and the reactive material 9a corresponding to the position where the reactive material 9a is disposed can be suppressed, and the chemical reaction can be promoted in the entire reactive material 9a.
- the heating unevenness (and consequently the temperature rising unevenness) with respect to the heating target can be suppressed, the heating efficiency to the DOC 4 by the chemical heat storage device 8 is improved, and the entire DOC 4 can be rapidly heated.
- the two inlets 9c and 9d are arrange
- the lower portion indicates a predetermined range including the lowest point in the gravity direction of the reactor in the usage state of the chemical heat storage device.
- FIG. 4 is a front sectional view of the periphery of the reactor of the chemical heat storage device according to the second embodiment.
- the configuration according to the second embodiment is different from the configuration according to the first embodiment in that the area in which the ammonia can move is divided into two in the reactor 9B according to the two inlets. .
- the reactor 9B is provided with two introduction outlets 9e and 9f similar to the two introduction outlets 9c and 9d according to the first embodiment.
- the connecting pipe 11 has the same configuration as that of the connecting pipe 11 (two branch pipes 11a and 11b and one joining pipe 11c) according to the first embodiment.
- the introduction outlets 9e and 9f correspond to a plurality of introduction ports described in the claims.
- Separation walls 9g and 9h are disposed in the reactor 9B.
- the partition wall 9g is provided between the casing 9b and the exhaust pipe 3 (the outer peripheral surface of the DOC 4) at the uppermost part in the reactor 9B.
- the partition wall 9h is provided between the casing 9b and the exhaust pipe 3 at the lowest part in the reactor 9B.
- the length of the partition walls 9g and 9h is the entire region in the direction in which the exhaust gas flows in the reactor 9B.
- the reactor 9B is divided into two areas 9i and 9j by the partition walls 9g and 9h. Each area 9i, 9j has a half donut shape in cross section.
- the partition walls 9g and 9h are formed of a material through which ammonia cannot pass, for example, stainless steel (SUS). Therefore, in the two areas 9i and 9j, ammonia can move within each area, but ammonia cannot move to the other area.
- the partition walls 9g and 9h are preferably provided between the pallet-shaped reaction materials 9a.
- one introduction outlet 9e is provided at a horizontal position. In the area 9i, only ammonia introduced from the introduction outlet 9e can move. In the area 9j, the other introduction outlet 9f is provided at a horizontal position. In the area 9j, only ammonia introduced from the introduction outlet 9f can move.
- the on-off valves 12a and 12b are opened and the connection pipe 11 is connected from the adsorber 10 as in the first embodiment.
- Ammonia is supplied to the reactor 9B.
- the ammonia to be supplied is introduced from the inlet 9e on one side in the horizontal direction in the reactor 9B through the branch pipe 11a in which the on-off valve 12a is opened, and the branch pipe 11b in which the on-off valve 12b is opened.
- the inlet 9f on the other side in the horizontal direction in the reactor 9B.
- ammonia is introduced from the diagonal in the horizontal direction into the reaction material 9a disposed on the entire circumference of the outer peripheral portion of the DOC4.
- the movement range of ammonia introduced from the introduction outlet 9e is only in the area 9i on one side.
- the movement range of ammonia introduced from the introduction outlet 9f is only in the area 9j on the other side.
- the reaction material 9a that is separated from the introduction outlets 9e and 9f in the circumferential direction has a maximum of 90 ° and the movement range of ammonia introduced from each of the introduction outlets 9e and 9f is narrow. There is very little difference in the speed at which ammonia is transmitted depending on where it is.
- reaction material 9a in area 9i + reaction material 9a in area 9j the entire reaction material 9a (reaction material 9a in area 9i + reaction material 9a in area 9j).
- the supplied ammonia and the reaction material 9a chemically react and chemisorb to generate heat.
- there is little bias in the chemical reaction due to the position where the reaction material 9a in each area 9i, 9j is arranged, and there is little heat generation unevenness on the entire circumference of the outer periphery of the DOC4.
- This heat is transmitted to the outer peripheral portion of DOC 4 (a part of exhaust pipe 3).
- the exhaust gas can be purified by the DOC 4.
- the configuration according to the second embodiment has the following effects in addition to the effects of the configuration according to the first embodiment.
- the inside of the reactor 9B is divided into two areas 9i and 9j according to the two introduction outlets 9e and 9f, so that the introduction is made at each introduction outlet 9e and 9f.
- the movement range of the ammonia to be carried out is narrow, and the reaction material 9a supplying ammonia per one inlet / outlet 9e, 9f can be relatively reduced (half of the whole reaction material 9a).
- the difference in the speed at which ammonia is transmitted depending on the position where the reactant 9a is arranged in each of the areas 9i and 9j can be further reduced, and more ammonia is added to the entire reactant 9a arranged on the entire outer periphery of the DOC4. It is transmitted quickly. As a result, the deviation of the chemical reaction between ammonia and the reaction material 9a due to the position where the reaction material 9a is disposed can be further suppressed, and the chemical reaction can be further promoted in the entire reaction material 9a.
- FIG. 5 is a front sectional view around the reactor of the chemical heat storage device according to the third embodiment.
- the configuration according to the third embodiment differs from the configuration according to the second embodiment in the arrangement of the two introduction outlets.
- the reactor 9C two partition walls 9m and 9n similar to the two partition walls 9g and 9h according to the second embodiment are provided. Therefore, the inside of the reactor 9C is divided into two areas 9o and 9p by the partition walls 9m and 9n, similarly to the two areas 9i and 9j according to the second embodiment.
- the reactor 9C is provided with two introduction outlets 9k and 9l.
- the two introduction outlets 9k and 9l are arranged side by side in the circumferential direction above the reactor 9C.
- the two introduction outlets 9k and 9l are preferably arranged at the center position in the direction in which the exhaust gas flows in the reactor 9C.
- the introduction outlet 9k is provided at a position opened to one area 9o in the upper part of the reactor 9C. In the area 9o, only ammonia introduced from the introduction outlet 9k can move.
- the introduction outlet 9l is provided at a position opened to the other area 9p in the upper part of the reactor 9C. In the area 9p, only ammonia introduced from the introduction outlet 9l can move.
- the introduction outlets 9k and 9l correspond to a plurality of introduction ports described in the claims.
- the on-off valves 12a and 12b are opened and the connection pipe 11 is connected from the adsorber 10 as in the first embodiment.
- Ammonia is supplied to the reactor 9C.
- the ammonia to be supplied is introduced from the introduction outlet 9k on the upper side of the reactor 9C through the branch pipe 11a in which the on-off valve 12a is opened, and passes through the branch pipe 11b in which the on-off valve 12b is opened.
- the inlet 9l on the other side of the upper part of the reactor 9C The movement range of ammonia introduced from the introduction outlet 9k is only in the area 9o on one side.
- the movement range of ammonia introduced from the introduction outlet 9l is only in the area 9p on the other side.
- the range of movement of ammonia introduced from the respective introduction outlets 9k, 9l is narrow, so that there are few reaction materials 9a supplying ammonia per one introduction outlet 9k, 9l, and positions where the reaction materials 9a are arranged.
- the difference in the speed at which ammonia is transmitted is small. Therefore, ammonia is quickly transmitted to the entire reaction material 9a (reaction material 9a in area 9o + reaction material 9a in area 9p).
- the supplied ammonia and the reaction material 9a chemically react and chemisorb to generate heat.
- the interior of the reactor 9C is divided into two areas 9o and 9p, and the introduction outlets 9k and 9l are provided in the areas 9o and 9p.
- the reaction material 9a supplying ammonia per one inlet / outlet 9k, 9l can be relatively reduced. Therefore, the difference in the speed at which ammonia is transmitted depending on the position where the reactant 9a is arranged in each area 9o, 9p can be reduced, and the ammonia can be quickly applied to the entire reactant 9a disposed on the entire outer periphery of the DOC4. It is transmitted.
- the bias of the chemical reaction can be suppressed, and the heating unevenness with respect to the heating target can be suppressed, so that the entire DOC 4 can be quickly heated.
- the introduction outlets 9k and 9l are formed by substances inside the reactor 9C. It will not be blocked.
- the two branch pipes 11a and 11b can be shortened and the mounting space can be made compact. Excellent mountability. Incidentally, even when the introduction outlet cannot be provided at a diagonal position in the horizontal direction or the like due to vehicle mounting restrictions, the configuration according to the third embodiment enables mounting.
- FIG. 6 is a front sectional view of the periphery of the reactor of the chemical heat storage device according to the fourth embodiment.
- the configuration according to the fourth embodiment is different from the configuration according to the first embodiment in that a separate inlet and outlet are provided.
- the reactor 9D is provided with two inlets 9q and 9r and one outlet 9s.
- the two inlets 9q and 9r are arranged in the circumferential direction below the reactor 9D.
- One outlet 9s is arranged at the top of the reactor 9D.
- the inlets 9q and 9r and the outlet 9s are preferably arranged at the center in the direction in which the exhaust gas flows in the reactor 9D.
- the introduction ports 9q and 9r correspond to a plurality of introduction ports described in the claims.
- a partition wall 9t is disposed in the reactor 9D.
- the partition wall 9t is provided between the casing 9b and the exhaust pipe 3 at the lowest part in the reactor 9D.
- the length of the partition wall 9t is the entire area in the direction in which the exhaust gas flows.
- the position of the partition wall 9t is a position between the introduction port 9q and the introduction port 9r.
- the connection pipe 11 includes two introduction pipes 11d and 11e corresponding to the two introduction openings 9q and 9r and one outlet pipe 11f corresponding to the one outlet 9s.
- the introduction pipe 11d is a pipe for one introduction port 9q, and one end is connected to the introduction port 9q and the other end is connected to the adsorber 10.
- the introduction pipe 11d is a pipe for the other introduction port 9r, and one end is connected to the introduction port 9r and the other end is connected to the adsorber 10.
- the outlet pipe 11f is a pipe for the outlet 9s, and one end is connected to the outlet 9s and the other end is connected to the adsorber 10.
- the two introduction pipes 11d and 11e and the one outlet pipe 11f are provided with on-off valves 12, respectively.
- the two on-off valves 12 disposed in the two introduction pipes 11d and 11e are opened by the control of the ECU, Ammonia is supplied from the adsorber 10 to the reactor 9D through the introduction pipes 11d and 11e.
- the pressure of the adsorber 10 is higher than the pressure of the reactor 9D, and ammonia moves to the reactor 9D side.
- the supplied ammonia is introduced from an inlet 9q on the lower side of the reactor 9D through an introduction pipe 11d in which the on-off valve 12 is opened, and is introduced into an introduction pipe 11e in which the on-off valve 12 is opened.
- the on-off valve 12 provided in the outlet pipe 11f is opened by the control of the ECU.
- the open / close valve 12 of the outlet pipe 11f is opened, the separated ammonia is led out from the outlet 9s of the reactor 9D and returns to the adsorber 10 through the outlet pipe 11f.
- the pressure of the reactor 9D is higher than the pressure of the adsorber 10, and ammonia moves to the adsorber 10 side.
- the adsorbent stores the ammonia by physical adsorption.
- the ECU closes the three on-off valves 12.
- the reactor 9D is provided with two inlets 9q and 9r and one outlet 9s diagonally, and the inlet 9q and 9r are respectively provided by the partition wall 9t. Since the flow path of the introduced ammonia is divided, the difference in the speed at which ammonia is transmitted depending on the position where the reaction material 9a is disposed is small, and the reaction material 9a as a whole disposed on the entire outer periphery of the DOC 4 Ammonia is transmitted quickly. As a result, as in the first embodiment, the bias of the chemical reaction can be suppressed, and the heating unevenness with respect to the heating target can be suppressed, so that the entire DOC 4 can be quickly heated.
- the inlets 9q and 9r and the outlet 9s are arranged diagonally, the direction in which ammonia flows is unidirectional, and convection and turbulence are generated. The ammonia flow is reduced.
- the inlets 9q and 9r are arrange
- the introduction ports 9q and 9r are not blocked.
- the lower portion indicates a predetermined range including the lowest point in the gravity direction of the reactor in the usage state of the chemical heat storage device.
- the outlet 9s is also arranged at the upper part, it is not blocked. Incidentally, even when the introduction outlet cannot be provided in the horizontal direction due to vehicle mounting restrictions, it is possible to avoid the blockage by adopting the configuration according to the fourth embodiment.
- the present invention is applied to an exhaust gas purification system provided with DOC, SCR, and ASC as a catalyst, and a DPF as a filter, but can be applied to exhaust gas purification systems having various other configurations.
- the vehicle is a diesel engine vehicle, it can also be applied to a gasoline engine vehicle. It can also be applied to exhaust gas purification systems other than vehicles. Further, the present invention can be applied to other than the exhaust gas purification system.
- the DOC of the catalyst is used as the heating target of the chemical heat storage device, but the heating target may be other, for example, other catalysts such as SCR.
- the reaction medium for the chemical reaction in the chemical heat storage device is ammonia, but other mediums such as carbon dioxide, alcohol, and water may be used.
- the reactor is provided on the entire circumference of the outer peripheral portion of the DOC. However, the reactor may not be provided on the entire circumference.
- the reactor is provided with two introduction ports (introduction ports), but three or more may be provided. Even when three or more inlets are provided, it is desirable that the arrangement intervals be equal in the circumferential direction of the reactor according to the number (particularly, when the inside of the reactor is not divided into a plurality of areas).
- the two inlets and outlets are arranged at equal intervals (180 ° interval: diagonal) in the circumferential direction of the reactor (particularly when the reactor is not divided into two areas).
- position a some inlet in the circumferential direction at equal intervals may be sufficient.
- a plurality of introduction ports or introduction outlets may be arranged so that the arrangement interval becomes the widest within the mountable range.
- various forms in the circumferential direction of the reactor are shown as the arrangement of the plurality of inlets or the plurality of inlets, but the exhaust gas in the reactor is arranged for the arrangement of the plurality of inlets or the plurality of inlets.
- two introduction ports or introduction outlets are arranged on the upstream side and the downstream side in the reactor.
- the arrangement interval may be increased in the circumferential direction of the reactor and in the direction in which the exhaust gas flows.
- two introduction ports or introduction outlets are arranged on one side in the horizontal direction on the upstream side and the downstream side in the reactor. It is arranged on the other side in the horizontal direction.
- the introduction outlet is provided at a diagonal position in the horizontal direction.
- the introduction outlet may be provided at a diagonal position in a direction other than the direction.
- the two introduction outlets are provided at the top, but the introduction outlets may be provided at other positions below the vehicle mounting range. By providing it at a position below the uppermost part, the distance between the reaction material arranged at the lower part and the introduction outlet can be reduced.
- the partition wall is provided in the reactor, but a configuration in which the partition wall is not provided may be used.
- the introduction port is provided at the bottom, the discharge port is provided at the top, and the introduction port and the discharge port are arranged diagonally in the direction of gravity. It is good also as a structure arrange
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Abstract
排気管3内に配設される加熱対象(例えば、DOC4)を外周部から加熱する化学蓄熱装置であって、反応媒体と化学反応して熱を発生させる反応材9aを収納する反応器9Aと、反応媒体を吸着材で吸着して貯蔵する吸着器と、吸着器と反応器9Aとを接続する分岐管11a,11bとを備え、前記配管における加熱対象が配設された部分の外周面に反応器9Aが配設され、反応器9Aには、反応媒体が導入される導入出口9c,9dが複数設けられ、この複数の導入出口9c,9dは、反応器9Aの下部に位置しないように、反応器9Aの周方向において配置間隔が等間隔になるように配置される。
Description
本発明は、配管内に配設される加熱対象を外周部から加熱する化学蓄熱装置に関する。
車両等の排気系には、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、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。そこで、エンジン始動時等の排気ガスの温度が低いときに触媒の活性温度まで短時間で温度上昇させるために、触媒を暖機するための加熱装置を設ける場合がある。この加熱装置としては、エネルギロス(燃費ロス)を低減して暖機を行うために、化学反応の反応熱を利用した化学蓄熱装置がある。特許文献1には、排気ガスの流れるガス通路管内に触媒体が配設され、その上流側に被吸着媒体である水の吸着/脱離により発熱/吸熱する吸着剤を収納した第1容器が配設され、被吸着媒体を収納する第2容器と第1容器とが開閉弁が配設された連通管で連通された触媒加熱装置が開示されている。
化学蓄熱装置には、触媒等の加熱対象に対する昇温性や反応器の組付性を向上させるために、加熱対象の外周部の全周に反応器(反応材)が配設され、加熱対象を外周部から加熱するものがある。このように外周部の全周に配設される反応器において反応媒体の導入口が1個の場合、その1個の導入口から反応媒体を供給しなければならない。反応材が周状に配置され、反応材が配置されている位置によって導入口と反応材との距離に差があるので、導入口から離れている反応材ほど反応媒体が伝わるのが遅くなり、加熱対象の外周部に配置される反応材全体に反応媒体が伝わり難い。そのため、反応材が配置されている位置によって反応媒体と反応材との化学反応に偏りが発生し、加熱対象に対する加熱ムラ(ひいては、昇温ムラ)が起こる可能性がある。その結果、加熱対象全体(特に、導入口から離れている側ほど)を迅速に昇温できない。
そこで、本発明は、反応媒体を反応材全体に伝わり易くする化学蓄熱装置を提供することを課題とする。
本発明に係る化学蓄熱装置は、配管内に配設される加熱対象を加熱する化学蓄熱装置であって、反応媒体と化学反応して熱を発生する反応材を収納する反応器と、反応媒体を吸着材で吸着して貯蔵する吸着器と、吸着器と反応器とを接続する接続管とを備え、前記配管における加熱対象が配設された部分の外周面に、反応器が配設され、反応器には、反応媒体が導入される導入口が複数設けられることを特徴とする。
化学蓄熱装置は、加熱対象を外周部から加熱する。この化学蓄熱装置は、吸着器と反応器を備え、吸着器と反応器とが接続管で接続されている。吸着器では、反応媒体を吸着材で吸着して貯蔵する。反応器では、吸着器から接続管を介して反応媒体が導入されると、反応材と反応媒体とが化学反応して熱を発生させる。反応器は、加熱対象の外周部に配設され。特に、反応器には、反応媒体を導入するための導入口が複数設けられている。この導入口は、反応媒体を導出するための導出口を兼ねたものでもよい。反応器(反応材)は加熱対象の外周部に周状に配置されているが、反応媒体の導入口が複数あるので、導入口が1個の場合に比べて、反応材が配置されている位置による導入口と反応材との距離差を小さくすることができたり、1個の導入口あたりの反応媒体を供給する反応材を減らすことができる。そのため、反応材が配置されている位置による反応媒体が伝わる速さの差が小さくなり、反応材全体に反応媒体が伝わり易くなる。その結果、反応材が配置されている位置による反応媒体と反応材との化学反応の偏りを抑制でき、加熱対象の外周部に配置される反応材全体において化学反応を促進できる。このように、化学蓄熱装置は、反応器に反応媒体の導入口を複数設けることにより、反応媒体を反応材全体に伝わり易くでき、加熱対象に対する加熱ムラ(ひいては、昇温ムラ)を抑制できる。その結果、化学蓄熱装置による加熱対象への加熱効率が向上し、加熱対象全体を迅速に昇温できる。
本発明の上記化学蓄熱装置では、前記反応器は前記配管の前記部分の外周面を周方向に全周に亘って取り囲み、複数の導入口は、反応器の周方向において配置間隔が等間隔になるように配置されると好適である。このように、複数の導入口を周方向において等間隔に配置させることにより、反応材が配置されている周方向の位置による導入口と反応材との距離差を最も小さくできる。その結果、反応媒体を反応材全体により迅速に伝わり易くできる。
本発明の上記化学蓄熱装置では、複数の導入口は、前記反応材による前記導入口の閉塞を回避するように、前記反応器の重力方向に対する下部以外に配置されると好適である。反応器の下部(重力方向)に導入口を配置した場合、反応器の内部の物質(例えば、反応材)によって導入口が閉塞される可能性がある。そこで、複数の導入口を反応器の下部以外に配置させることにより、導入口の閉塞を回避できる。
本発明の上記化学蓄熱装置では、反応器は、複数の導入口に応じて反応媒体が移動可能なエリアが複数に分割され、複数の導入口は、分割された各エリアにそれぞれ設けられると好適である。このように、複数の導入口に応じて反応器が複数のエリアに分割されているので、分割されたエリア毎にエリア内の反応材に反応媒体を供給すればよい。そして、その分割されたエリア毎に導入口がそれぞれ設けられるので、エリア毎に各導入口から反応媒体を導入でき、1個の導入口あたりの反応媒体を供給する反応材を減らすことができる(エリア内だけの反応材だけに反応媒体を供給すればよい)。そのため、反応材が配置されている位置による反応媒体が伝わる速さの差が小さくなり、エリア内の反応材に反応媒体が迅速に伝わり、反応材全体に反応媒体がより迅速に伝わり易くなる。
本発明の上記化学蓄熱装置では、反応器には、反応媒体を導出する導出口が設けられ、導出口は、前記反応材による前記導出口の閉塞を回避するように、前記反応器の重力方向に対する下部以外に配置されると好適である。このように、反応器に導入口とは別に導出口が設けられるので、反応媒体の流れが導入口から導出口への一方向になり、対流や乱流が抑えられ、反応媒体の流れがスムーズになる。さらに、導出口を反応器の下部以外に配置させることにより、反応器の内部の物質によって導出口の閉塞を回避できる。
本発明によれば、反応器に反応媒体の導入口を複数設けることにより、反応媒体を反応材全体に伝わり易くでき、加熱対象に対する加熱ムラを抑制できる。
以下、図面を参照して、本発明に係る化学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、本発明に係る化学蓄熱装置を、車両のエンジンの排気系に設けられる排気ガス浄化システムに備えられる化学蓄熱装置に適用する。本実施の形態に係る排気ガス浄化システムは、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。本実施の形態に係る排気ガス浄化システムは、触媒のDOC[Diesel Oxidation Catalyst]、SCR[SelectiveCatalytic Reduction]とASC[Ammonia Slip Catalyst]及びフィルタのDPF[Diesel Particulate Filter]を備えている。また、本実施の形態に係る排気ガス浄化システムは、DOCを暖機するための化学蓄熱装置も備えている。本実施の形態には、化学蓄熱装置の反応器等の構成が異なる4つの実施形態がある。
図1を参照して、第1~第4の実施の形態で共通する排気ガス浄化システム1の全体構成について説明する。図1は、本実施の形態に係る排気ガス浄化システムの概略構成図である。
排気ガス浄化システム1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、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、アンモニアスリップ触媒(ASC)7を有している。なお、本実施の形態では、排気管3が特許請求の範囲に記載する配管に相当する。
DOC4は、排気ガス中に含まれるHCやCO等を酸化する触媒である。DPF5は、排気ガス中に含まれるPMを捕集して取り除くフィルタである。SCR6は、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(NH3)あるいは尿素水(加水分解してアンモニアになる)が供給されると、アンモニアと排気ガス中に含まれるNOx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触媒である。ASC7は、SCR6をすり抜けて下流側に流れたアンモニアを酸化する触媒である。
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。しかし、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℃程度と比較的低温である。そこで、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、各触媒4,6,7での温度を迅速に活性温度にする必要がある。そのために、排気ガス浄化システム1は、触媒の暖機を行う化学蓄熱装置8も有している。なお、排気ガス浄化システム1には、エンジン2から排出された排気ガスの温度(あるいは、触媒の温度)を検出する温度センサが設けられている。
化学蓄熱装置8は、外部エネルギレスで触媒を暖機する化学蓄熱装置である。つまり、化学蓄熱装置8は、通常は排気ガスの熱(排熱)を蓄えておき、必要なときにその熱を使用して触媒を暖機する。特に、化学蓄熱装置8は、排気管3における上流に位置する触媒であるDOC4を外周部から暖機(加熱)する。上流で暖機することによって、暖機で昇温した排気ガスが下流の触媒(SCR6、ASC7)に流れる。化学蓄熱装置8は、反応器9、吸着器10、接続管11、開閉弁12等を備えている。なお、本実施の形態では、DOC4が特許請求の範囲に記載する加熱対象に相当する。
反応器9は、排気管3におけるDOC4の配設される箇所の外周面の全周に配設され、断面形状がDOC4を囲むドーナツ(環状)形状である。この断面ドーナツ形状の断面は、反応器9を排気ガスの流れる方向に対して垂直に切った流路断面である。図3等に示すように、反応器9は、アンモニア(反応媒体)と化学反応する反応材(蓄熱材)9aを有しており、この反応材9aがケーシング9bに収納されている。反応器9では、アンモニアと反応材9aとが化学反応して化学吸着(配位結合)し、熱を発生させる。また、反応器9では、反応材9aとアンモニアとが結合した状態で、所定温度以上になると反応材9aとアンモニアとが分離して、アンモニアを放出し始め、それより高い所定温度になるとアンモニアを殆ど放出する。これらの各温度は、反応材9aとアンモニアとの組み合わせによって変わる。
反応材9aは、タブレット状に固められた固体状である。このタブレット状の反応材9aが、DOC4の外周面(排気管3の一部)において排気ガスの流れる方向に沿って複数個並べられて配設されるとともに、DOC4の外周面において周方向に沿って複数個並べられて配設される。したがって、タブレット状の反応材9aの側断面形状は長方形状であり、正断面形状は分割されたドーナツ形状(所定の厚さを有する円弧形状)である。この排気ガスの流れる方向及び周方向に沿って配設された多数個の反応材9aによって、DOC4の外周面の全周に反応材が配設され、断面形状がDOC4を囲むドーナツ形状となっている。複数個並べられて配設された反応材9aの列の排気ガスの流れる方向の長さは、DOC4の全体を覆う長さを有している。したがって、DOC4の外周面に直接配設された反応材9aは、薄い排気管3を介してDOC4全体を直接暖機できる。反応材9aとしては、アンモニアと化学反応して発熱し、触媒の活性温度以上に昇温できる材料を用い、例えば、2価の塩化物(MCl2)、2価の臭化物(MBr2)、2価のヨウ化物(MI2)であり、MはMg、Ni、Co、Fe、Mn、Ca、Sr、Ba、Cu、Cr等が適している。
ケーシング9bは、反応器9の外周側の全面及び反応器9の上流端部と下流端部の全面を覆うように配設され、DOC4の外周面との間で密閉された空間を形成し、その中に反応材9aを封入している。このように、反応材9aは密閉空間内に封入されているので、アンモニアと繰り返し化学反応できる。反応器9には、アンモニアを導入/導出するために、反応材9aに対して開口される導入出口又は導入口と導出口が複数個設けられている。この反応器9の導入出口又は導入口と導出口の構成については、下記の各実施の形態で詳細に説明する。なお、反応材9aとケーシング9bとの間に、断熱材等を設けてもよい。
吸着器10は、アンモニアと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た状態で貯蔵して、排気ガスの排熱(温まったアンモニア)を蓄えるとともに、アンモニアを活性炭から分離させてアンモニアを放出して、アンモニアを反応器9に供給する。
接続管11は、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管路である。接続管11の一端は、反応器9のケーシング9bを貫通して、導入出口又は導入口と導出口に繋がっている。開閉弁12は、接続管11の途中に配設される。開閉弁12が開弁されると、接続管11を介して反応器9と吸着器10との間でアンモニアの移動が可能となる。接続管11及び開閉弁12の構成については、反応器9の導入出口又は導入口と導出口の構成に応じて変わるので、下記の各実施の形態で詳細に説明する。なお、この開閉弁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。
なお、化学蓄熱装置8の加熱対象であるDOC4は、図3等に示すように、断面環状の薄い排気管3内に配設された円柱形状のハニカム基材4aに触媒が担持された構造である。したがって、排気管3の一部が、DOC4の外周面を構成している。ハニカム基材4aの材料は、例えば、セラミックである。また、排気管3の材料は、例えば、ステンレス(SUS)である。
まず、図2及び図3を参照して、第1の実施の形態に係る反応器9Aの導入出口及びそれに応じた接続管11及び開閉弁12の構成について説明する。図2は、本実施の形態に係る化学蓄熱装置の構成図である。図3は、第1の実施の形態に係る化学蓄熱装置の反応器周辺の正断面図である。
反応器9Aには、2個の導入出口9c,9dが設けられている。導入出口9c,9dは、反応器9A内へのアンモニアの導入口と反応器9Aからのアンモニアの導出口を兼ねる。2個の導入出口9c,9dは、反応器9Aの周方向において配置間隔が等間隔(180°間隔)になるように、反応器9Aの水平方向において対角の位置に配置される。2個の導入出口9c,9dは、反応器9Aにおける排気ガスの流れる方向において中心位置に配置されるのが望ましい。なお、第1の実施の形態では、導入出口9c,9dが特許請求の範囲に記載する複数の導入口に相当する。
接続管11は、2個の導入出口9c,9dに対応した2本の分岐管11a,11bと1本の合流管11cからなる。分岐管11aは、一方の導入出口9c用の配管であり、一端が導入出口9cに繋がり、他端が合流管11cに繋がる。分岐管11bは、他方の導入出口9d用の配管であり、一端が導入出口9dに繋がり、他端が合流管11cに繋がる。合流管11cは、一端が分岐管11aと分岐管11bに繋がり、他端が吸着器10に繋がる。分岐管11aには、開閉弁12aが配設されている。分岐管11bには、開閉弁12bが配設されている。なお、開閉弁12は合流管11cにのみ1つ設けることもできる。
以上のように構成した化学蓄熱装置8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12a,12b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、接続管11を介してアンモニアが反応器9Aに供給されない。
エンジン2が始動後に、エンジン2から排出された排気ガスの温度が所定温度(触媒の活性温度に基づいて設定された温度)より低いときには(エンジン2の始動直後など)、ECUによる制御によって開閉弁12a,12bが開かれ、吸着器10から接続管11(合流管11cから分岐管11a,11b)を介してアンモニアが反応器9Aに供給される。このとき、吸着器10の圧力が反応器9Aの圧力よりも高く、アンモニアが反応器9A側に移動する。特に、供給されるアンモニアは、開閉弁12aが開かれた分岐管11aを介して反応器9Aにおける水平方向の一方側の導入出口9cから導入されるとともに、開閉弁12bが開かれた分岐管11bを介して反応器9Aにおける水平方向の他方側の導入出口9dから導入される。したがって、アンモニアは、DOC4の外周部の全周に配置される反応材9aに水平方向の対角から導入される。これによって、導入出口9c,9dから周方向に離れている反応材9aでも最大90°なので、反応材9aが配置されている位置によるアンモニアが伝わる速さの差が小さく(導入出口9c,9dから離れている反応材9aまでのアンモニアの遅れが少ない)、アンモニアが反応材9a全体に迅速に伝わる。反応器9Aでは、供給されたアンモニアと反応材9aとが化学反応して化学吸着し、熱を発生する。この際、反応材9aが配置されている位置による化学反応の偏りが少なく、DOC4の外周部の全周において熱の発生ムラが少ない。この熱は、DOC4の外周部(排気管3の一部)に伝わる。これによって、DOC4が加熱され、温度がDOC4の活性温度以上になると、DOC4で排気ガスを浄化できる。
エンジン2から排出された排気ガスの温度が所定温度より高くなると、排気ガスの排熱によって、反応器9Aでは、アンモニアと反応材9aとが分離し、アンモニアが発生する。この分離したアンモニアは、開閉弁12a,12bが開かれているので、反応器9Aの導入出口9c,9dから導出され、接続管11(分岐管11a,11bから合流管11c)を介して吸着器10に戻る。このとき、反応器9A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、吸着材がアンモニアを物理吸着して貯蔵する。吸着器10内の圧力値がアンモニアの満貯蔵状態を示す圧力値になった場合、ECUでは開閉弁12a,12bを閉じる。
この第1の実施の形態に係る構成によれば、反応器9Aに2個の導入出口9c,9dが水平方向の対角に設けられているので、反応材9aが配置されている位置によるアンモニアが伝わる速さの差が小さく、DOC4の外周部の全周に配設される反応材9a全体にアンモニアが迅速に伝わる。その結果、反応材9aが配置されている位置に応じたアンモニアと反応材9aとの化学反応の偏りを抑制でき、反応材9a全体において化学反応を促進できる。さらに、加熱対象に対する加熱ムラ(ひいては、昇温ムラ)を抑制でき、化学蓄熱装置8によるDOC4への加熱効率が向上し、DOC4全体を迅速に昇温できる。
また、第1の実施の形態に係る構成によれば、2個の導入出口9c,9dが水平方向の対角に配置されているので、反応材9aが配置されている周方向の位置による導入出口9c,9dと反応材9aとの距離差を最も小さくできる(最大でも角度90°に応じた距離差である)。また、第1の実施の形態に係る構成によれば、2個の導入出口9c,9dは水平方向に配置されているので(反応器9Aの下部(重力方向)に配置されていないので)、反応器9Aの内部の物質(例えば、反応材)の下方への落ち込みがあっても、導入出口9c,9dが閉塞されるようなことはない。ここで、下部とは、化学蓄熱装置の使用状態における反応器の重力方向における最下点を含む所定の範囲を示す。
次に、図4を参照して、第2の実施の形態に係る反応器9Bの導入出口及びそれに応じた接続管11及び開閉弁12の構成について説明する。図4は、第2の実施の形態に係る化学蓄熱装置の反応器周辺の正断面図である。第2の実施の形態に係る構成は、第1の実施の形態に係る構成と比較すると、反応器9B内を2個の導入出口に応じてアンモニアが移動可能なエリアを2分割した点が異なる。
反応器9Bには、第1の実施の形態に係る2個の導入出口9c,9dと同様の2個の導入出口9e,9fが設けられる。また、接続管11も、第1の実施の形態に係る接続管11(2本の分岐管11a,11bと1本の合流管11c)と同様の構成である。なお、第2の実施の形態では、導入出口9e,9fが特許請求の範囲に記載する複数の導入口に相当する。
反応器9B内に、隔壁9g,9hが配設されている。隔壁9gは、反応器9B内の最上部においてケーシング9bと排気管3(DOC4の外周面)との間に設けられる。隔壁9hは、反応器9B内の最下部においてケーシング9bと排気管3との間に設けられる。隔壁9g,9hの長さは、反応器9B内の排気ガスの流れる方向の全域である。この隔壁9g,9hによって、反応器9B内は2つのエリア9i,9jに分割されている。各エリア9i,9jは、断面形状が半ドーナツ形状である。
隔壁9g,9hは、アンモニアが通過できない材料で形成され、例えば、ステンレス(SUS)で形成される。したがって、2つのエリア9i,9jでは、各エリア内でのアンモニアの移動は可能であるが、他方のエリアへのアンモニアの移動は不可である。なお、隔壁9g,9hは、パレット状の反応材9aの間に設けるとよい。
エリア9iには、水平方向の位置に一方の導入出口9eが設けられている。エリア9i内では、導入出口9eから導入されたアンモニアだけが移動可能である。エリア9jには、水平方向の位置に他方の導入出口9fが設けられている。エリア9j内では、導入出口9fから導入されたアンモニアだけが移動可能である。
以上のように構成した化学蓄熱装置8の動作を説明する。車両停止中(エンジン2が停止中)及び暖機終了後の各動作は、第1の実施の形態で説明した動作と同様の動作なので、説明を省略する。
エンジン2が始動後に、エンジン2から排出された排気ガスの温度が所定温度より低いときには、第1の実施の形態と同様に、開閉弁12a,12bが開かれ、吸着器10から接続管11を介してアンモニアが反応器9Bに供給される。特に、供給されるアンモニアは、開閉弁12aが開かれた分岐管11aを介して反応器9Bにおける水平方向の一方側の導入出口9eから導入されるとともに、開閉弁12bが開かれた分岐管11bを介して反応器9Bにおける水平方向の他方側の導入出口9fから導入される。したがって、アンモニアは、DOC4の外周部の全周に配置される反応材9aに水平方向の対角から導入される。導入出口9eから導入されたアンモニアの移動範囲は、一方側のエリア9i内だけである。また、導入出口9fから導入されたアンモニアの移動範囲は、他方側のエリア9j内だけである。これによって、導入出口9e,9fから周方向に離れている反応材9aでも最大90°でありかつ各導入出口9e,9fから導入されたアンモニアの移動範囲が狭いので、反応材9aが配置されている位置によるアンモニアが伝わる速さの差が非常に小さい。そのため、アンモニアが反応材9a全体(エリア9i内の反応材9a+エリア9j内の反応材9a)に迅速に伝わる。反応器9Bでは、供給されたアンモニアと反応材9aとが化学反応して化学吸着し、熱を発生する。この際、各エリア9i,9j内の反応材9aが配置されている位置による化学反応の偏りが少なく、DOC4の外周部の全周において熱の発生ムラが少ない。この熱は、DOC4の外周部(排気管3の一部)に伝わる。これによって、DOC4が加熱され、温度がDOC4の活性温度以上になると、DOC4で排気ガスを浄化できる。
この第2の実施の形態に係る構成は、第1の実施の形態に係る構成による効果を有する上に以下の効果も有している。第2の実施の形態に係る構成によれば、反応器9B内が2個の導入出口9e,9fに応じて2つのエリア9i,9jに分割されているので、各導入出口9e,9fで導入されるアンモニアの移動範囲が狭く、1個の導入出口9e,9fあたりでアンモニアを供給する反応材9aを相対的に低減できる(反応材9a全体の半分ずつ)。そのため、各エリア9i,9jにおいて反応材9aが配置されている位置によるアンモニアが伝わる速さの差を更に小さくでき、DOC4の外周部の全周に配設される反応材9a全体にアンモニアがより迅速に伝わる。その結果、反応材9aが配置されている位置によるアンモニアと反応材9aとの化学反応の偏りを更に抑制でき、反応材9a全体において化学反応を更に促進できる。
次に、図5を参照して、第3の実施の形態に係る反応器9Cの導入出口及びそれに応じた接続管11及び開閉弁12の構成について説明する。図5は、第3の実施の形態に係る化学蓄熱装置の反応器周辺の正断面図である。第3の実施の形態に係る構成は、第2の実施の形態に係る構成と比較すると、2個の導入出口の配置が異なる。
反応器9C内には、第2の実施の形態に係る2個の隔壁9g,9hと同様の2個の隔壁9m,9nが設けられている。したがって、この隔壁9m,9nによって、第2の実施の形態に係る2つのエリア9i,9jと同様に、反応器9C内は2つのエリア9o,9pに分割されている。
反応器9Cには、2個の導入出口9k,9lが設けられている。この2個の導入出口9k,9lは、反応器9Cの上部に周方向に並べて配置される。2個の導入出口9k,9lは、反応器9Cにおける排気ガスの流れる方向において中心位置に配置されるのが望ましい。導入出口9kは、反応器9Cの上部において一方のエリア9oに開口される位置に設けられている。エリア9o内では、導入出口9kから導入されたアンモニアだけが移動可能である。導入出口9lは、反応器9Cの上部において他方のエリア9pに開口される位置に設けられている。エリア9p内では、導入出口9lから導入されたアンモニアだけが移動可能である。なお、第3の実施の形態では、導入出口9k,9lが特許請求の範囲に記載する複数の導入口に相当する。
以上のように構成した化学蓄熱装置8の動作を説明する。車両停止中(エンジン2が停止中)及び暖機終了後の各動作は、第1の実施の形態で説明した動作と同様の動作なので、説明を省略する。
エンジン2が始動後に、エンジン2から排出された排気ガスの温度が所定温度より低いときには、第1の実施の形態と同様に、開閉弁12a,12bが開かれ、吸着器10から接続管11を介してアンモニアが反応器9Cに供給される。特に、供給されるアンモニアは、開閉弁12aが開かれた分岐管11aを介して反応器9Cにおける上部の一方側の導入出口9kから導入されるとともに、開閉弁12bが開かれた分岐管11bを介して反応器9Cにおける上部の他方側の導入出口9lから導入される。導入出口9kから導入されたアンモニアの移動範囲は、一方側のエリア9o内だけである。また、導入出口9lから導入されたアンモニアの移動範囲は、他方側のエリア9p内だけである。これによって、各導入出口9k,9lから導入されたアンモニアの移動範囲が狭いので、1個の導入出口9k,9lあたりでアンモニアを供給する反応材9aが少なく、反応材9aが配置されている位置によるアンモニアが伝わる速さの差が小さい。そのため、アンモニアが反応材9a全体(エリア9o内の反応材9a+エリア9p内の反応材9a)に迅速に伝わる。反応器9Cでは、供給されたアンモニアと反応材9aとが化学反応して化学吸着し、熱を発生する。この際、各エリア9o,9p内の反応材9aが配置されている位置による化学反応の偏りが少なく、DOC4の外周部の全周において熱の発生ムラが少ない。この熱は、DOC4の外周部(排気管3の一部)に伝わる。これによって、DOC4が加熱され、温度がDOC4の活性温度以上になると、DOC4で排気ガスを浄化できる。
この第3の実施の形態に係る構成によれば、反応器9C内が2つのエリア9o,9pに分割され、各エリア9o,9pに各導入出口9k,9lが設けられているので、第2の実施の形態と同様に、1個の導入出口9k,9lあたりでアンモニアを供給する反応材9aを相対的に低減できる。そのため、各エリア9o,9pにおいて反応材9aが配置されている位置によるアンモニアが伝わる速さの差を小さくでき、DOC4の外周部の全周に配設される反応材9a全体にアンモニアが迅速に伝わる。その結果、第1の実施の形態と同様に、化学反応の偏りを抑制でき、加熱対象に対する加熱ムラを抑制できるので、DOC4全体を迅速に昇温できる。また、第3の実施の形態に係る構成によれば、2個の導入出口9k,9lは反応器9Cの上部に配置されているので、反応器9Cの内部の物質によって導入出口9k,9lが閉塞されるようなことはない。また、第3の実施の形態に係る構成によれば、上部に2個の導入出口9k,9lを配置させているので、2本の分岐管11a,11bを短くできかつ搭載スペースをコンパクトにでき、搭載性に優れている。ちなみに、車両搭載制約により、導入出口を水平方向等の対角の位置に設けることができない場合でも、第3の実施の形態に係る構成とすることにより搭載が可能となる。
次に、図6を参照して、第4の実施の形態に係る反応器9Dの導入口と導出口及びそれに応じた接続管11及び開閉弁12の構成について説明する。図6は、第4の実施の形態に係る化学蓄熱装置の反応器周辺の正断面図である。第4の実施の形態に係る構成は、第1の実施の形態に係る構成と比較すると、導入口と導出口とを別に設ける点が異なる。
反応器9Dには、2個の導入口9q,9r及び1個の導出口9sが設けられている。2個の導入口9q,9rは、反応器9Dの下部に周方向に並べて配置される。1個の導出口9sは、反応器9Dの最上部に配置される。このように、2個の導入口9q,9rと1個の導出口9sとは、重力方向において対角に配置される。導入口9q,9r及び導出口9sは、反応器9Dにおける排気ガスの流れる方向において中心位置に配置されるのが望ましい。なお、第4の実施の形態では、導入口9q,9rが特許請求の範囲に記載する複数の導入口に相当する。
反応器9D内に、隔壁9tが配設されている。隔壁9tは、反応器9D内の最下部においてケーシング9bと排気管3との間に設けられる。隔壁9tの長さは、排気ガスの流れる方向の全域である。この隔壁9tの位置は、導入口9qと導入口9rとの間の位置である。この隔壁9tによって、導入口9qから導入されるアンモニアが導出口9sまで流れる流路と導入口9rから導入されるアンモニアが導出口9sまで流れる流路とを分けることができる。
接続管11は、2個の導入口9q,9rに対応した2本の導入管11d,11eと1個の導出口9sに対応した1本の導出管11fからなる。導入管11dは、一方の導入口9q用の配管であり、一端が導入口9qに繋がり、他端が吸着器10に繋がる。導入管11dは、他方の導入口9r用の配管であり、一端が導入口9rに繋がり、他端が吸着器10に繋がる。導出管11fは、導出口9s用の配管であり、一端が導出口9sに繋がり、他端が吸着器10に繋がる。2本の導入管11d,11e及び1本の導出管11fには、開閉弁12がそれぞれ配設されている。
以上のように構成した化学蓄熱装置8の動作を説明する。車両停止中(エンジン2が停止中)は、3個の開閉弁12は全て閉じられている。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、導入管11d,11eを介してアンモニアが反応器9Dに供給されない。
エンジン2が始動後に、エンジン2から排出された排気ガスの温度が所定温度より低いときには、ECUによる制御によって2本の導入管11d,11eに配設される2個の開閉弁12が開かれ、吸着器10から導入管11d,11eを介してアンモニアが反応器9Dに供給される。このとき、吸着器10の圧力が反応器9Dの圧力よりも高く、アンモニアが反応器9D側に移動する。特に、供給されるアンモニアは、開閉弁12が開かれた導入管11dを介して反応器9Dにおける下部の一方側の導入口9qから導入されるとともに、開閉弁12が開かれた導入管11eを介して反応器9Dにおける他方側の導入口9rから導入される。導入口9qから導入されたアンモニアは、隔壁9tによって分けられた反応器9D内の一方側の流路を通って反応器9Dの上部の導出口9s側に移動する。また、導入口9rから導入されたアンモニアは、隔壁9tによって分けられた反応器9D内の他方側の流路を通って反応器9Dの上部の導出口9s側に移動する。これによって、各導入口9q,9rから導入されたアンモニアの移動範囲が狭いので、1個の導入口9q,9rあたりでアンモニアを供給する反応材9aが少なく、反応材9aが配置されている位置によるアンモニアが伝わる速さの差が小さい。そのため、アンモニアが反応材9a全体に迅速に伝わる。反応器9Dでは、供給されたアンモニアと反応材9aとが化学反応して化学吸着し、熱を発生する。この際、反応材9aが配置されている位置による化学反応の偏りが少なく、DOC4の外周部の全周において熱の発生ムラが少ない。この熱は、DOC4の外周部(排気管3の一部)に伝わる。これによって、DOC4が加熱され、温度がDOC4の活性温度以上になると、DOC4で排気ガスを浄化できる。
エンジン2から排出された排気ガスの温度が所定温度より高くなると、ECUによる制御によって導出管11fに配設される開閉弁12が開かれる。この際、排気ガスの排熱によって、反応器9Dでは、アンモニアと反応材9aとが分離し、アンモニアが発生する。この分離したアンモニアは、導出管11fの開閉弁12が開かれているので、反応器9Dの導出口9sから導出され、導出管11fを介して吸着器10に戻る。このとき、反応器9D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、吸着材がアンモニアを物理吸着して貯蔵する。吸着器10の圧力値がアンモニアの満貯蔵状態を示す圧力値になった場合、ECUでは3個の開閉弁12を閉じる。
この第4の実施の形態に係る構成によれば、反応器9Dに2個の導入口9q,9r及び1個の導出口9sが対角に設けられ、隔壁9tによって導入口9q,9rでそれぞれ導入されたアンモニアの流路が分けられているので、反応材9aが配置されている位置によるアンモニアが伝わる速さの差が小さく、DOC4の外周部の全周に配設される反応材9a全体にアンモニアが迅速に伝わる。その結果、第1の実施の形態と同様に、化学反応の偏りを抑制でき、加熱対象に対する加熱ムラを抑制できるので、DOC4全体を迅速に昇温できる。
また、第4の実施の形態に係る構成によれば、導入口9q,9rと導出口9sとを対角に配置しているので、アンモニアの流れる方向が一方向になり、対流や乱流が低減され、アンモニアの流れがスムーズになる。また、第4の実施の形態に係る構成によれば、導入口9q,9rを下部に配置し、導出口9sを上部に配置している、すなわち、導出口9Sが下部以外に配置されているので、下部の導入口9q,9rからアンモニアが高圧で反応器9D内に導入されるため、反応器9D内の内部物質の落ち込みがあっても、その下部から上方への高圧によって噴き返すことができる。そのため、導入口9q,9rが閉塞されるようなことはない。ここで、下部とは、化学蓄熱装置の使用状態における反応器の重力方向における最下点を含む所定の範囲を示す。また、導出口9sも上部に配置されているので、閉塞されない。ちなみに、車両搭載制約により、導入出口を水平方向に設けることができない場合でも、第4の実施の形態に係る構成とすることにより閉塞回避が可能である。
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、本実施の形態では触媒としてDOC、SCR及びASC、フィルタとしてDPFを備える排気ガス浄化システムに適用したが、他の様々な構成の排気ガス浄化システムに適用できる。また、車両もディーゼルエンジン車としたが、ガソリンエンジン車等にも適用できる。また、車両以外の排気ガス浄化システムにも適用できる。また、排気ガス浄化システム以外にも適用できる。
また、本実施の形態では化学蓄熱装置の加熱対象として触媒のDOCとしたが、加熱対象としては他のものでよく、例えば、SCR等の他の触媒がある。また、本実施の形態では化学蓄熱装置における化学反応の反応媒体をアンモニアとしたが、二酸化炭素、アルコール、水等の他の媒体でもよい。また、本実施の形態では反応器をDOCの外周部の全周に設ける構成としたが、反応器を全周に設けない構成でもよい。
また、本実施の形態では反応器に導入口(導入出口)を2個設ける構成としたが、3個以上設けてもよい。導入口を3個以上設ける場合でも、個数に応じて反応器の周方向において配置間隔が等間隔になるように配置することが望ましい(特に、反応器内を複数のエリアに分割しない場合)。
また、本実施の形態では2個の導入出口を反応器の周方向において等間隔(180°間隔:対角)で配置する構成(特に、反応器内を2つのエリアに分割しない場合)としたが、複数の導入口を周方向において等間隔で配置しない構成でもよい。特に、車両搭載制約により導入口又は導入出口を等間隔で配置できない場合、搭載可能の範囲内で最も配置間隔が広くなるように複数の導入口や導入出口を配置すればよい。
また、本実施の形態では複数の導入口又は複数の導入出口の配置として反応器の周方向における各種形態を示したが、複数の導入口又は複数の導入出口の配置については反応器における排気ガスの流れる方向において配置間隔が広くなるようにしてもよく、例えば、2個の導入口又は導入出口を反応器における上流側と下流側に配置させる。さらに、反応器の周方向かつ排気ガスの流れる方向において配置間隔が広くなるようにしてもよく、例えば、2個の導入口又は導入出口を反応器における上流側における水平方向の一方側と下流側における水平方向の他方側に配置させる。
また、第1、2の実施の形態では水平方向において対角の位置に導入出口を設ける構成としたが、導入出口が内部物質で閉塞する可能性がある下部に配置されない位置であれば、水平方向の以外の方向において対角の位置に導入出口を設ける構成としてもよい。
また、第3の実施の形態では最上部に2個の導入出口を設ける構成としたが、車両搭載上可能な範囲で、それより下方の他の位置に導入出口を設けてもよい。最上部よりも下方の位置に設けることにより、下部に配置される反応材と導入出口との距離を小さくできる。
また、第4の実施の形態では反応器内に隔壁を設けたが、隔壁を設けない構成でもよい。また、第4の実施の形態では導入口を最下部に設け、導出口を最上部に設けて、導入口と導出口とを重力方向において対角に配置する構成としたが、水平方向等の他の方向において対角に配置する構成としてもよい。
1…排気ガス浄化システム、2…エンジン、3…排気管、4…ディーゼル酸化触媒(DOC)、4a…ハニカム基材、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…化学蓄熱装置、9,9A,9B,9C,9D…反応器、9a…反応材、9b…ケーシング、9c,9d,9e,9f,9k,9l…導入出口、9g,9h,9m,9n,9t…隔壁、9i,9j,9o,9p…エリア、9q,9r…導入口、9s…導出口、10…吸着器、11…接続管、11a,11b…分岐管、11c…合流管、11d,11e…導入管、11f…導出管、12,12a,12b…開閉弁。
Claims (5)
- 配管内に配設される加熱対象を加熱する化学蓄熱装置であって、
反応媒体と化学反応して熱を発生する反応材を収納する反応器と、
前記反応媒体を吸着材で吸着して貯蔵する吸着器と、
前記吸着器と前記反応器とを接続する接続管と、
を備え、
前記配管における前記加熱対象が配設された部分の外周面に、前記反応器が配設され、
前記反応器には、前記反応媒体が導入される導入口が複数設けられる化学蓄熱装置。 - 前記反応器は前記配管の前記部分の外周面を周方向に全周に亘って取り囲み、前記複数の導入口は、前記反応器の周方向において配置間隔が等間隔になるように配置される請求項1に記載の化学蓄熱装置。
- 前記複数の導入口は、前記反応材による前記導入口の閉塞を回避するように、前記反応器の重力方向に対する下部以外に配置される請求項1又は請求項2に記載の化学蓄熱装置。
- 前記反応器は、前記複数の導入口に応じて反応媒体が移動可能なエリアが複数に分割され、
前記複数の導入口は、前記分割された各エリアにそれぞれ設けられる請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の化学蓄熱装置。 - 前記反応器には、反応媒体を導出する導出口が設けられ、
前記導出口は、前記反応材による前記導出口の閉塞を回避するように、前記反応器の重力方向に対する下部以外に配置される請求項1に記載の化学蓄熱装置。
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