(57)【要約】【課題】アンモニアを用いた化学蓄熱によって、エンジンの排気系に設けられた被加熱部材を加熱する場合に、アンモニアの熱分解を抑制することができる排気浄化装置を提供する。【解決手段】排気浄化装置１は、磁性体製の排気管３内に配置された酸化触媒４と、アンモニアを用いた化学蓄熱を利用して酸化触媒４を加熱する反応器８とを備えている。反応器８は、排気管３の周囲に配置され、複数に分割されている。反応器８の外面は、磁性体で形成されている。各反応器８の外面にはコイル１５がそれぞれ巻かれており、各コイル１５には、電圧を印加するための外部電源１６がそれぞれ接続されている。通常は、各反応器８は排気管３の外周面から離間した状態となっている。外部電源１６がＯＮになると、各コイル１５に電流が流れるため、各反応器８に電磁力が発生し、その電磁力によって各反応器８が排気管３の外周面に吸着（接触）する。【選択図】図３
2014066162.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンからの排気ガスを浄化する排気浄化装置において、
前記エンジンと接続された排気管の内部に設けられた被加熱部材と、
前記排気管の周囲に配置されていると共に、アンモニアと化学反応して熱を発生させる反応材料を含み、前記被加熱部材を加熱する反応器と、
前記反応器に前記アンモニアを供給するアンモニア供給手段と、
前記反応器を磁力によって前記排気管の外周面に対して接触及び離間させる移動手段とを備えることを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
前記排気管の外周面及び前記反応器の外面は、何れも磁性体で形成されており、
前記移動手段は、前記反応器の外面に巻かれたコイルと、前記コイルに電圧を印加する電源とを有することを特徴とする請求項１記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記排気ガスの温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段により検出された前記排気ガスの温度に基づいて前記移動手段を制御する制御手段とを更に備え、
前記制御手段は、前記排気ガスの温度が所定温度よりも低いときは、前記反応器を前記排気管の外周面に対して接触させるように前記電源をＯＮ制御し、前記排気ガスの温度が前記所定温度よりも高いときは、前記反応器を前記排気管の外周面に対して離間させるように前記電源をＯＦＦ制御することを特徴とする請求項２記載の排気浄化装置。
【請求項４】
前記エンジンはディーゼルエンジンであり、
前記被加熱部材は、前記排気ガス中に含まれる有害物質を酸化して浄化する酸化触媒であり、
前記排気管における前記酸化触媒の下流側には、前記排気ガス中に含まれる有害物質を捕集して取り除くディーゼル排気微粒子除去フィルタが配置されており、
前記反応器は、前記排気管の周囲に前記排気管の周方向に沿って複数配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンからの排気ガスを浄化する排気浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンから排出される排気ガスには、ＣＯ、ＨＣ、ＰＭ、ＮＯｘ等の環境汚染物質が含まれている。これらの環境汚染物質を浄化するために、エンジンに接続された排気管に触媒及びフィルタが設けられている。触媒には、環境汚染物質の浄化能力を活性化するための最適温度が存在する。エンジンスタート時は、エンジン及び排気ガスの温度が低く、触媒が活性化する温度に達するまでに時間がかかるため、環境汚染物質が浄化されずに大気に放出される。そのようなエンジンスタート時における環境汚染物質の大気放出を防止するためには、触媒を短時間で活性化温度以上まで加熱する必要がある。その場合、触媒にヒータを付けて触媒を加熱したり、排気管内に燃料を噴いてプラグで着火し、その熱で触媒を加熱するという方法がある。しかし、いずれの方法も、触媒の加熱に燃料を使用するため、燃費が悪くなるという課題がある。
【０００３】
上記問題の解決方法として、燃費ロスを低減するために、例えば特許文献１に記載されているように、化学反応の反応熱を利用して触媒を加熱するという方法がある。例えば、触媒の近傍に反応材料（例えばＭｇＣｌ２）を配置し、その反応材料を吸着器に貯められているアンモニア（ＮＨ３）と反応させる。つまり、ＭｇＣｌ２＋６ＮＨ３→ＭｇＣｌ２−６ＮＨ３＋熱という反応を起こし、その時に発生した反応熱で触媒を加熱する。なお、上記反応により生成されたＭｇＣｌ２−６ＮＨ３は、２００℃以上の排熱によってＭｇＣｌ２とＮＨ３とに分解され、元に戻される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−５８６７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来技術においては、以下の問題点が存在する。即ち、化学蓄熱の熱輸送の媒体であるＮＨ３は４００℃以上で熱分解することが、実験により確認されている。従って、ＮＨ３と反応する反応材料を含んだ反応器が排気管に接触した状態で配置されている場合には、排気ガスの温度が４００℃以上になると、反応器内に存在するＮＨ３が熱分解してしまい、結果的に十分な反応熱が得られなくなる。
【０００６】
本発明の目的は、アンモニア（ＮＨ３）を用いた化学蓄熱によって、エンジンの排気系に設けられた被加熱部材を加熱する場合に、アンモニアの熱分解を抑制することができる排気浄化装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、エンジンからの排気ガスを浄化する排気浄化装置において、エンジンと接続された排気管の内部に設けられた被加熱部材と、排気管の周囲に配置されていると共に、アンモニアと化学反応して熱を発生させる反応材料を含み、被加熱部材を加熱する反応器と、反応器にアンモニアを供給するアンモニア供給手段と、反応器を磁力によって排気管の外周面に対して接触及び離間させる移動手段とを備えることを特徴とするものである。
【０００８】
このように本発明の排気浄化装置において、排気ガスの温度が低いときは、移動手段により磁力を利用して反応器を排気管の外周面に対して接触させる。その状態では、反応器において反応材料とアンモニアとが化学反応することで反応熱が発生し、その反応熱によって被加熱部材が加熱される。一方、排気ガスの温度が高くなったときは、移動手段により反応器を排気管の外周面に対して離間させる。その状態では、排気管と反応器との間に空気層が形成されるため、排気管内を通る高温状態の排気ガスの熱（排熱）が反応器に伝わりにくくなる。これにより、反応器内のアンモニアの熱分解を抑制することができる。
【０００９】
好ましくは、排気管の外周面及び反応器の外面は、何れも磁性体で形成されており、移動手段は、反応器の外面に巻かれたコイルと、コイルに電圧を印加する電源とを有する。この場合には、電源をＯＮにすると、コイルに電流が流れるため、反応器に電磁力が発生し、その電磁力により反応器が排気管の外周面に吸着（接触）する。その状態で、電源をＯＦＦにすると、コイルに電流が流れないため、反応器に発生した電磁力が無くなり、反応器が排気管の外周面から離れる。従って、移動手段を簡単の構成で実現することができる。
【００１０】
このとき、好ましくは、排気ガスの温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段により検出された排気ガスの温度に基づいて移動手段を制御する制御手段とを更に備え、制御手段は、排気ガスの温度が所定温度よりも低いときは、反応器を排気管の外周面に対して接触させるように電源をＯＮ制御し、排気ガスの温度が所定温度よりも高いときは、反応器を排気管の外周面に対して離間させるように電源をＯＦＦ制御する。この場合には、反応器が排気管の外周面に接触している状態で、排気ガスの温度が所定温度よりも高くなると、自動的に電源がＯＦＦとなり、反応器が排気管の外周面から離れる。
【００１１】
また、好ましくは、エンジンはディーゼルエンジンであり、被加熱部材は、排気ガス中に含まれる有害物質を酸化して浄化する酸化触媒であり、排気管における酸化触媒の下流側には、排気ガス中に含まれる有害物質を捕集して取り除くディーゼル排気微粒子除去フィルタが配置されており、反応器は、排気管の周囲に排気管の周方向に沿って複数配置されている。ディーゼル排気微粒子除去フィルタ（ＤＰＦ）の再生時、つまりＤＰＦに堆積したＰＭ（煤）を燃焼させる際に、酸化触媒を通る排気ガスは６００℃以上の高温状態となる。従って、ディーゼルエンジンの排気系に設けられた酸化触媒に、本発明の排気浄化装置を適用することが特に効果的である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、アンモニアを用いた化学蓄熱によって、エンジンの排気系に設けられた被加熱部材を加熱する場合に、アンモニアの熱分解を抑制することができる。これにより、反応器から十分な反応熱を発生させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る排気浄化装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１に示した排気浄化装置の要部を示す構成図である。
【図３】図１に示した排気浄化装置の要部を示す断面図である。
【図４】図２に示したコントローラによる電源制御処理の手順を示すフローチャートである。
【図５】図３に示した各反応器が排気管の外周面に接触した状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る排気浄化装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係る排気浄化装置の一実施形態を示す概略構成図である。同図において、本実施形態の排気浄化装置１は、ディーゼルエンジン（単にエンジンということがある）２の排気系に設けられ、エンジン２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）を浄化する装置である。
【００１６】
排気浄化装置１は、エンジン２と接続された排気管３の上流側から下流側に向けて順に配置された酸化触媒（ＤＯＣ）４、ディーゼル排気微粒子除去フィルタ（ＤＰＦ）５及び選択還元触媒（ＳＣＲ）６を備えている。エンジン２と酸化触媒４との間には、排気管３内に燃料を添加する燃料添加弁７が設けられている。酸化触媒４は、排気ガス中に含まれるＨＣやＣＯ等を酸化して浄化する触媒である。ＤＰＦ５は、排気ガス中に含まれるＰＭ（煤）を捕集して取り除くフィルタである。ＳＣＲ６は、尿素水等を供給して、排気ガス中に含まれるＮＯｘを還元して浄化する触媒である。
【００１７】
また、排気浄化装置１は、化学蓄熱を利用して酸化触媒４を加熱する反応器８を更に備えている。反応器８には、アンモニア（ＮＨ３）を貯蔵する貯蔵器９がＮＨ３供給管１０を介して接続されている。なお、ＮＨ３供給管１０には、開閉弁１１が設けられている。
【００１８】
図２は、排気浄化装置１の要部を示す構成図であり、図３は、排気浄化装置１の要部を示す断面図である。各図において、酸化触媒４は、磁性体（例えばＳＵＳ）で形成された円筒状の排気管３内に配置されている。酸化触媒４は、触媒物質を担持するハニカム基材１２で形成されている。ハニカム基材１２は、例えばコージェライト等のセラミックスやステンレス等のメタルで形成されている。ハニカム基材１２に担持される触媒物質としては、白金やパラジウム等の貴金属が用いられる。
【００１９】
反応器８は、複数（ここでは４つ）に分割されている。各反応器８は、断面湾曲状をなしており、排気管３の周囲における酸化触媒４に対応する位置に所定の間隔をもって配置されている。反応器８は、磁性体（例えばＳＵＳ）で形成された筐体１３を有している。つまり、反応器８の外面は、磁性体で形成されている。筐体１３内には、ＮＨ３と化学反応して熱を発生させる固体状または粉末状の反応材料（図示せず）が収容されている。反応材料としては、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等が挙げられる。
【００２０】
排気管３と各反応器８との間には、各反応器８を排気管３の外周面に対して離間する方向に付勢するバネ等の弾性体１４がそれぞれ設けられている。また、各反応器８は、支持部材（図示せず）に排気管３の径方向に移動可能に支持されている。
【００２１】
各反応器８の筐体１３の外面には、コイル１５がそれぞれ巻かれている。各コイル１５には、当該コイル１５に電圧を印加するための外部電源１６がそれぞれ接続されている。各コイル１５及び各外部電源１６は、各反応器８を排気管３の外周面に対して排気管３の径方向に接触及び離間させる移動手段を構成している。なお、通常は、弾性体１４の付勢力によって各反応器８は排気管３の外周面に対して離間した状態となっている（図３参照）。
【００２２】
さらに、排気浄化装置１は、エンジン２の始動及び停止を指示操作するためのイグニッションスイッチ（ＩＧスイッチ）１７と、酸化触媒４を通る排気ガスの温度を検出する温度センサ１８と、ＩＧスイッチ１７の操作信号及び温度センサ１８の検出信号に基づいて、各外部電源１６をＯＮ／ＯＦＦ制御するコントローラ１９とを備えている。
【００２３】
図４は、コントローラ１９による電源制御処理の手順を示すフローチャートである。なお、本フローチャートは、エンジン２の始動により排気ガスの温度が低い状態から十分高い状態となるまでの処理手順を示したものである。
【００２４】
図４において、まずＩＧスイッチ１７の操作信号に基づいて、ＩＧスイッチ１７がＯＮされたかどうか判断する（手順Ｓ１０１）。ＩＧスイッチ１７がＯＮされたときは、各外部電源１６をＯＮにするように制御することで、各外部電源１６により各コイル１５に電圧を印加する（手順Ｓ１０２）。すると、各コイル１５に電流が流れるため、各反応器８に電磁力が発生する。このため、図５に示すように、弾性体１４の付勢力に抗して、各反応器８が磁性体製の排気管３の外周面に吸着（接触）するようになる。なお、各反応器８が排気管３の外周面に吸着した状態では、弾性体１４は、各反応器８に形成された凹部（図２及び図３では不図示）に収容される。
【００２５】
次いで、温度センサ１８の検出信号を取得し（手順Ｓ１０３）、温度センサ１８により検出された排気ガスの温度が閾値よりも高いかどうかを判断する（手順Ｓ１０４）。ここで、閾値は、ＮＨ３が熱分解する温度（例えば４００℃程度）よりも僅かに低い温度に設定されている。
【００２６】
排気ガスの温度が閾値よりも高いときは、各外部電源１６をＯＦＦにするように制御することで、各外部電源１６による各コイル１５への電圧の印加を停止する（手順Ｓ１０５）。すると、各コイル１５に電流が流れなくなるため、各反応器８に生じた電磁力が解除され、弾性体１４の付勢力により各反応器８が排気管３の外周面から離れるようになる（図２及び図３参照）。つまり、各反応器８が元の通常位置に戻る。
【００２７】
このような排気浄化装置１において、ＩＧスイッチ１７によりエンジン２が始動されると、各外部電源１６がＯＮ状態とされ、各コイル１５に電流が流れるため、上述したように各反応器８が排気管３の外周面に接触する（図５参照）。エンジン２の始動直後は、排気ガスの温度が低いため、各反応器８により酸化触媒４が加熱される。
【００２８】
具体的には、開閉弁１１が開弁され、貯蔵器９に貯蔵されたＮＨ３がＮＨ３供給管１０を介して各反応器８に導入される。すると、各反応器８に充填された反応材料（ここではＭｇＣｌ２）とＮＨ３とが化学（配位）反応してＮＨ３を吸蔵し、各反応器８から熱（反応熱）が発生する。つまり、下記の反応式における左辺から右辺への反応（発熱反応）が起こる。このとき、各反応器８と排気管３とは接触しているため、熱伝導性が良い状態となっている。このため、反応器８から発生した反応熱が十分に酸化触媒４に伝えられ、その反応熱によって酸化触媒４が汚染物質の浄化に適した活性化温度まで効果的に加熱されるようになる。
ＭｇＣｌ２＋６ＮＨ３  ⇔  ＭｇＣｌ２−６ＮＨ３＋熱（ΔＨ）
（ΔＨ＝６７ｋＪ／ｍｏｌ（ＮＨ３））
【００２９】
その後、排気ガスの温度が高くなって例えば２００℃程度になると、排気ガスの熱（排熱）が各反応器８に与えられることでＭｇＣｌ２とＮＨ３とが分離する。つまり、上記の反応式における右辺から左辺への反応（再生反応）が起こる。そして、開閉弁１１が開弁された状態で、分離したＮＨ３が各反応器８からＮＨ３供給管１０を介して貯蔵器９に戻る。
【００３０】
排気ガスの温度が更に高くなって上記閾値（例えば４００℃程度よりも僅かに低い温度）に達すると、各外部電源１６がＯＦＦ状態とされ、各コイル１５に電流が流れなくなるため、上述したように各反応器８が排気管３の外周面にから離れる（図２及び図３参照）。このため、各反応器８と排気管３との間に空気層が形成され、断熱性が確保されるようになる。従って、ＤＰＦ５に堆積した煤（ＰＭ）を燃焼するために、燃料添加弁７から添加された燃料により酸化触媒４が６００℃以上の高温状態となっても、その高温の熱が各反応器８に伝わりにくいため、各反応器８内に存在するＮＨ３の熱分解が抑制される。
【００３１】
以上のように本実施形態によれば、排気管３における酸化触媒４に対応する部位の周囲に複数の反応器８を配置し、電磁力を利用して各反応器８を排気管３の外周面に対して接離可能な構成としたので、酸化触媒４を効果的に加熱しつつ、反応器８内のＮＨ３の熱分解を抑制することができる。これにより、ＮＨ３の総量が確保されるため、上記の発熱反応を促進させて十分な反応熱を発生させることができる。その結果、酸化触媒４の加熱性能を向上させることが可能となる。
【００３２】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、反応器８の外面に巻回されたコイル１５と、このコイル１５に電圧を印加する外部電源１６とを有し、反応器８に電磁力を発生させて、反応器８を排気管３の外周面に接触させるようにしたが、磁力を利用して反応器８を排気管３の外周面に接触及び離間させるものであれば、特に上記の構成には限られない。例えば、反応器８に磁石を取り付け、その磁石付きの反応器８を排気管３の径方向に移動させる手段を設けても良い。
【００３３】
また、上記実施形態では、排気管３自体が磁性体からなっているが、特にそれには限られず、非磁性体からなる排気管３の外周面に磁性体層を形成しても良い。
【００３４】
また、上記実施形態は、ＤＰＦ５の上流側に設けられた酸化触媒４を複数の反応器８により加熱するものであるが、複数の反応器８により加熱される被加熱部材としては、特に酸化触媒４には限られず、例えばＤＰＦ５の下流側に設けられたＳＣＲ６や、ＳＣＲ６の下流側に設けられた図示しないアンモニアスリップ触媒（ＡＳＣ）でも良い。また、被加熱部材としては、そのような触媒以外でも、排気管３に設けられ加熱を必要とするものであれば良い。
【００３５】
さらに、本発明は、ディーゼルエンジン２の排気系に限られず、ガソリンエンジンの排気系に設けられたものにも適用可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１…排気浄化装置、２…ディーゼルエンジン、３…排気管（排気系）、４…酸化触媒（被加熱部材）、５…ディーゼル排気微粒子除去フィルタ（ＤＰＦ）、８…反応器、９…貯蔵器（アンモニア供給手段）、１０…ＮＨ３供給管（アンモニア供給手段）、１５…コイル（移動手段）、１６…外部電源（移動手段）、１８…温度センサ（温度検出手段）、１９…コントローラ（制御手段）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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