(57)【要約】【課題】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。【解決手段】アンモニアと化学反応して熱を発生させる反応器９と、吸着材でアンモニアを吸着して貯蔵する吸着器と、反応器９と吸着器とを接続して反応器９と吸着器との間でアンモニアを移動させる接続ライン１１とを備える蓄熱装置であって、反応器９は、排気管３内に配設された触媒４の外周部に設けられた蓄熱材９ａと、蓄熱材９ａの外周部に設けられた多孔体シート９ｂと、多孔体シート９ｂの外周部に設けられた断熱材９ｃとを有し、ケーシング９ｄで封入され、接続ライン１１の一端はケーシング９ｄ及び断熱材９ｃに貫入して多孔体シート９ｂに開口されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の内燃機関の排気系に設けら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、排気管内に配設された触媒の外周部に設けられた蓄熱材と、前記蓄熱材の外周部に設けられた多孔体シートとを有し、ケーシングで封入され、
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ことを特徴とする蓄熱装置。
【請求項２】
前記反応器は、前記多孔体シートの外周部に設けられた断熱材を有することを特徴とする請求項１に記載の蓄熱装置。
【請求項３】
前記多孔体シートは、ステンレス又はセラミックで形成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の蓄熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両の内燃機関の排気系に設けられた触媒を暖機する蓄熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、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装置が必要である。この装置としては、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蓄熱装置がある。特許文献１には、触媒の外周部に蓄熱材を配置させ、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５９−２０８１１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
触媒は排気管内に配設された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のように触媒の外周部に蓄熱材を配置させた構造の場合、一般的に、触媒と蓄熱材との間にマット等を設けて、衝撃を吸収している。しかし、このようなマットを設けた場合、マットを介して蓄熱材で発生した熱を触媒に伝達させることになるので、触媒への熱伝達効率が低下する。逆に、マット等を設けない場合、熱伝達効率は低下しないが、車両走行時の衝撃を吸収できない。
【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る蓄熱装置は、車両の内燃機関の排気系に設けら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、排気管内に配設された触媒の外周部に設けられた蓄熱材と、蓄熱材の外周部に設けられた多孔体シートとを有し、ケーシングで封入され、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ことを特徴とする。
【０００７】
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ある。この蓄熱装置は、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を備えており、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によって接続されている。特に、反応器は、蓄熱材と多孔体シートを有しており、その蓄熱材と多孔体シートがケーシングによって封入されている。蓄熱材は、排気管内に配設された触媒の外周部を覆うように設けられ、触媒を直接暖機できる。また、多孔体シートは、その蓄熱材の外周部を覆うように設けられ、アンモニアの通路となる。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される。流入されたアンモニアは、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。また、多孔体シートの応力緩衝作用により、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（熱伝達距離が長くなるのを防止）できるとともに、車両走行時等の衝撃を吸収できる。このように、この蓄熱装置は、触媒の外周部に蓄熱材を設け、その外周部に多孔体シートを設けることにより、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。
【０００８】
本発明の上記蓄熱装置では、反応器は、多孔体シートの外周部に設けられた断熱材を有すると好適である。
【０００９】
反応器は、蓄熱材と多孔体シートの他に断熱材も有しており、蓄熱材、多孔体シート及び断熱材がケーシングによって封入されている。断熱材は、多孔体シートの外周部を覆うように設けられ、熱が外部に逃げるのを防止できる。また、断熱材の応力緩衝作用により、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できるとともに、車両走行時等の衝撃を吸収できる。このように、この蓄熱装置では、多孔体シートの外周部に断熱材を設けることにより、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。
【００１０】
本発明の上記蓄熱装置では、多孔体シートは、ステンレス又はセラミックで形成されると好適である。このように、蓄熱装置では、多孔体シートをステンレス又はセラミックで形成することにより、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持たせることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、触媒の外周部に蓄熱材を設け、その外周部に多孔体シートを設けることにより、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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】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】本実施の形態に係る蓄熱装置の反応器の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
本実施の形態では、本発明に係る蓄熱装置を、車両のエンジン（内燃機関）の排気系に設けられる排気浄化システムに備えられる蓄熱装置に適用する。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）を浄化するシステムである。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[SelectiveCatalytic Reduction]とＡＳＣ[Ammonia Slip Catalyst]及びフィルタのＤＰＦ[Diesel Particulate Filter]を備えており、触媒を暖機するための化学蓄熱装置も備えている。
【００１５】
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。
【００１６】
排気浄化システム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。
【００１７】
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。
【００１８】
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、排気浄化システム１は、触媒の暖機を行う蓄熱装置８も有している。なお、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（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。
【００１９】
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、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。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、開閉弁１２等を備えている。
【００２０】
反応器９は、ＤＯＣ４の外周部の全面に設けられる。反応器９は、アンモニアと化学反応する蓄熱材（反応材）を有しており、アンモニアと蓄熱材とが化学反応して熱を発生させる。蓄熱材としては、塩化金属、臭化金属、ヨウ化金属化合物であり、例えば、ＭｇＣｌ２、ＣａＣｌ２、ＮｉＣｌ２、ＺｎＣｌ２、ＳｒＣｌ２がある。反応器９の構造については、後で詳細に説明する。
【００２１】
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。
【００２２】
接続ライン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。開閉弁１２は、接続ライン１１の途中に配設される。開閉弁１２が開弁されると、接続ライン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。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。
【００２３】
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、上記にしたように、ＤＯＣ４の外周部に設けられる。ＤＯＣ４は、断面環状の薄い排気管３内に配設されたハニカム基材に触媒が担持された構造である。反応器９は、このＤＯＣ４が配設される外周部に、蓄熱材９ａ、多孔体シート９ｂ、断熱材９ｃ、ケーシング９ｄを有している。
【００２４】
ＤＯＣ４が配設される箇所の排気管３の外周面には、蓄熱材９ａ、多孔体シート９ｂ、断熱材９ｃを収納するために、ＤＯＣ４の上流端の位置周辺に外周面に対して垂直に環状のプレート（図示せず）が設けられとともに、ＤＯＣ４の下流端の位置周辺に外周面に対して垂直に環状のプレート（図示せず）が設けられている。
【００２５】
蓄熱材９ａは、タブレット状に固められた形態であり、図２に示すように断面形状が分割されたドーナツ形状である。多数個の蓄熱材９ａは、排気管３の外周面の長手方向に上流側の環状プレートと下流側の環状プレートとの間に複数個並べられて配設され、排気管３の外周面の円周方向に複数個並べられて配設される。したがって、排気管３の外周面に直接配設された多数個の蓄熱材９ａは、薄い排気管３を介してＤＯＣ４を直接暖機できる。
【００２６】
蓄熱材９ａは、アンモニアが入ると膨らむ。蓄熱材９ａが膨らんだ場合に、排気管３の半径方向ではなく長手方向に膨らむように、上流側の環状プレートと下流側の環状プレートとの間の複数個の蓄熱材９ａは、上流側の環状プレートと下流側の環状プレートとの間に余裕を持たせた状態で（隙間ができるように）配設されている。つまり、この複数個の蓄熱材９ａにアンモニアが入っていない状態の場合、複数個の蓄熱材９ａを並べた長さは、上流側の環状プレートと下流側の環状プレートとの間の長さよりも短い。
【００２７】
多孔体シート９ｂは、薄いシート状であり、図２に示すように断面形状が薄いドーナツ形状である。多孔体シート９ｂは、排気管３の外周面に配設された多数個の蓄熱材９ａの外周面に沿って上流側の環状プレートと下流側の環状プレートとの間に配設される。多孔体シート９ｂは、目の細かいフィルタ状（網状）であり、アンモニアの通路となる。多孔体シート９ｂは、アンモニアの通路となるのでアンモニアに腐食しない材質でありかつ応力緩衝作用を持たせるために弾性変形する材質（たわむ材質）で形成される。このような材質を有するものとしては、例えば、ステンレス、セラミックがある。
【００２８】
断熱材９ｃは、図２に示すように断面形状が所定の厚さを有するドーナツ形状である。断熱材９ｃは、多孔体シート９ｂの外周面に沿って上流側の環状プレートと下流側の環状プレートとの間に配設される。断熱材９ｃは、蓄熱材９ａが半径方向に膨らむのを抑え込むために、硬質の断熱材である。また、断熱材９ｃは、応力緩衝作用を持たせるために弾性変形する材質で形成される。また、断熱材９ｃも、多孔体である。なお、断熱材９ｃは、多孔体でなくてもよい。
【００２９】
ケーシング９ｄは、断熱材９ｃの外周面に沿って上流側の環状プレートと下流側の環状プレートとの間に配設され、両端部が上流側の還状プレート及び下流側の環状プレートにそれぞれ溶接される。したがって、ケーシング９ｄと排気管３及び上流側の環状プレートと下流側の環状プレートによって形成される空間は、密閉された空間であり、その中に蓄熱材９ａ、多孔体シート９ｂ、断熱材９ｃを封入している。このように、蓄熱材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。ケーシング９ｄの外周面には、車体に取り付けるためのフランジ１３，１３が設けられている。
【００３０】
接続ライン１１の一端は、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の一端からアンモニアが多孔体シート９ｂに流入される。
【００３１】
以上のように構成した排気浄化システム１における蓄熱装置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を介してアンモニアが反応器９に供給されない。
【００３２】
エンジン２が始動後、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１２が開けられ、接続ライン１１を介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。
【００３３】
反応器９では、接続ライン１１の一端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では、アンモニアが均一に拡散する。そして、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多数個の蓄熱材９ａに均等に供給される。各蓄熱材９ａ（例えば、ＭｇＣｌ２）では、供給されたアンモニアと化学反応（配位結合）してアンモニアを吸蔵し、熱を発生する。つまり、下記の反応式における左辺から右辺への反応が起こる。そして、各蓄熱材９ａから発生した熱が薄い排気管３を介してＤＯＣ４に伝わり、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。
ＭｇＣｌ２＋６ＮＨ３⇔ＭｇＣｌ２・６・ＮＨ３＋熱ΔＨ
※ΔＨ＝６７ｋＪ／ｍｏｌ（ＮＨ３）
【００３４】
この際、反応器９では、断熱材９ｃによって外側に熱が逃げないので、各蓄熱材９ａで発生した熱が内側（ＤＯＣ４側）に伝わる。また、反応器９では、アンモニアが供給されて各蓄熱材９ａは膨らむが、硬質の断熱材９ｃによって（さらに、多孔体シート９ｂと断熱材９ｃの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。これによって、各蓄熱材９ａからの熱の伝達距離が長くなるのを防止できる。また、反応器９では、各蓄熱材９ａが薄い排気管３の外周面に配設されているので、各蓄熱材９ａからＤＯＣ４（触媒）を直接暖機できる。これらによって、各蓄熱材９ａからＤＯＣ４（触媒）への熱伝達効率の低下を防止できる。
【００３５】
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に与えられることにより、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。そして、分離したアンモニアは、反応器９（特に、蓄熱材９ａから多孔体シート９ｂを通って）から接続ライン１１を介して吸着器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。
【００３６】
また、車両走行時に、車両走行による衝撃を多孔体シート９ｂや断熱材９ｃの応力緩衝作用によって吸収できる。その結果、その衝撃からＤＯＣ４や蓄熱材９ａを守ることができる。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や断熱材９ｃの応力緩衝作用によって吸収できるので、ＤＯＣ４等の損傷を防止できる。
【００３７】
この排気浄化システム１における蓄熱装置８（特に、反応器９）によれば、ＤＯＣ４の外周部（薄い排気管３の外周面の全面）に蓄熱材９ａを設け、その外周面の全面に多孔体シート９ｂを設けることにより、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。
【００３８】
また、蓄熱装置８によれば、多孔体シート９ｂの外周面の全面に断熱材９ｃを設けることにより、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、硬質の断熱材９ｃとすることにより、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を抑制でき、熱伝達距離が長くなるのを防止できる。
【００３９】
また、蓄熱装置８によれば、多孔体シート９ｂをステンレス又はセラミックで形成することにより、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に応力緩衝作用を持たせることができる。
【００４０】
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。
【００４１】
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を備える排気浄化システムに適用したが、触媒及び触媒を暖機する蓄熱装置を少なくとも備えるものであれば、他の様々な構成の排気浄化システムに適用できる。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。
【００４２】
また、本実施の形態では触媒を暖機するためにＤＯＣの外周部に蓄熱装置の反応器を配設する構成としたが、暖機対象の触媒に応じて他の箇所に配設してもよく、例えば、暖機対象の触媒をＳＣＲとした場合にはＳＣＲの外周部に配設してもよい。
【００４３】
また、本実施の形態では多孔体シートの材質としてステンレスやセラミックを挙げたが、アンモニアに腐食せずかつ弾性変形する材質であれば、他のものでもよい。
【００４４】
また、本実施の形態では断熱材を備える蓄熱装置としたが、断熱材を備えない蓄熱装置としてもよい。断熱材を備えない蓄熱装置の場合、例えば、内外２層の多孔体シートとし、内側の多孔体シートを軟質の多孔体シート（応力緩衝作用）、外側の多孔体シートを硬質の多孔体シート（変形抑制作用）で構成してもよい。
【００４５】
また、本実施の形態では触媒（ＤＯＣ）の外周部の全面に蓄熱材、多孔体シート、断熱材を設ける構成としたが、触媒の外周部の一部に設ける構成としてもよい。
【符号の説明】
【００４６】
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。
【図１】
2014085093.tif 000003
【図２】
2014085093.tif 000004