DE112017006850T5 - Wärmeerzeugungssystem, abgasreinigungsvorrichtung und verfahren zum regenerieren einer wabenstruktur - Google Patents

Wärmeerzeugungssystem, abgasreinigungsvorrichtung und verfahren zum regenerieren einer wabenstruktur Download PDF

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Abstract

Ein Wärmeerzeugungssystem 1 enthält einen Flüssigkeitslagertank 2, der konfiguriert ist, um eine Flüssigkeit 7 zu lagern, ein Heizelement 3, das einen Reaktionsbehälter 10, der einen Lagerraum 9 innerhalb des Behälters aufweist, und einen porösen Körper 11, der in dem Lagerraum 9 gelagert ist und mit einem Feststoff 14 für exotherme Reaktion beladen ist, der eine exotherme Reaktion verursacht, wenn er sich mit der Flüssigkeit 7 in Kontakt befindet, enthält, ein Flüssigkeitseinspritzmechanismuselement 4, das ein Flüssigkeitsströmungsrohr 15, das zwischen dem Flüssigkeitslagertank 2 und dem Lagerraum 9 des Reaktionsbehälters 10 verbindet, durch das die Flüssigkeit 7 strömt, und ein Einspritzventil 16, das die Flüssigkeit 7 in dem Flüssigkeitslagertank 2 in den Lagerraum 9 einspritzt, enthält, und ein Ableitungsmechanismuselement 5, das ein Ableitungsrohr 17, das mit dem Lagerraum 9 des Reaktionsbehälters 10 in Verbindung steht, und eine Ableitungseinheit, die ein durch die exotherme Reaktion, die durch den Kontakt zwischen der Flüssigkeit 7 und dem Feststoff 14 für exotherme Reaktion verursacht wird, erzeugtes flüssiges Produkt 12 und ein verdampftes Material 13 der Flüssigkeit 7 von dem Lagerraum 9 durch das Ableitungsrohr 17 ableitet, enthält.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Wärmeerzeugungssystem, eine Abgasreinigungsvorrichtung und ein Verfahren zum Regenerieren einer Wabenstruktur und spezifischer auf ein Wärmeerzeugungssystem des chemischen Erwärmens eines Fluids, wie z. B. einer Flüssigkeit oder eines Gases, unter Verwendung der Reaktionswärme einer exothermen Reaktion, die durch den Kontakt zwischen einer Flüssigkeit und einem Feststoff für exotherme Reaktion verursacht wird, eine Abgasreinigungsvorrichtung, die eine Funktion des Ausführens einer Regenerationsbehandlung einer Wabenstruktur aufweist, die das Wärmeerzeugungssystem aufweist, und ein Verfahren zum Regenerieren einer Wabenstruktur, die die Abgasreinigungsvorrichtung aufweist.
  • Technischer Hintergrund
  • In den letzten Jahren wird ein wabenförmiger poröser Körper (eine Wabenstruktur), der mit Trennwänden versehen ist, die durch mehrere Zellen definiert und ausgebildet sind, unter Verwendung eines porösen Keramikmaterials hergestellt, wobei er als ein Material für einen Katalysatorträger, einen DPF (Dieselpartikelfilter) oder dergleichen verwendet wird. Zusätzlich wird eine Abgasreinigungsvorrichtung unter Verwendung einer derartigen Wabenstruktur hergestellt (siehe z. B. die Patentdokumente 1 und 2). Bei dieser Abgasreinigungsvorrichtung können Schwebstoffe (PM) in dem von einer Dieselkraftmaschine emittierten Abgas entfernt werden und kann eine Abgasreinigungsbehandlung, die verschiedenen Vorschriften und Emissionsstandards entspricht, ausgeführt werden.
  • Liste der Entgegenhaltungen
  • Patentdokumente
    • [Patentdokument 1] JP-B2-4111439
    • [Patentdokument 2] JP-B2-4227347
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Das durch die Erfindung zu lösende Problem
  • Ein DPF weist einen Abdichtabschnitt auf, in dem eine Stirnfläche und die andere Stirnfläche einer Wabenstruktur mit einem vorgegebenen Anordnungsstandard abgedichtet sind. Wenn die Schwebstoffe kontinuierlich durch eine Abgasreinigungsvorrichtung, die den DPF anwendet, entfernt werden, lagern sich deshalb die Schwebstoffe innerhalb des DPF ab.
  • In dem Zustand, in dem eine große Menge derartiger Schwebstoffe abgelagert ist, ist der Reinigungswirkungsgrad verringert und wird ein Druckverlust eines Fluids (des Abgases) zwischen der einen Stirnfläche und der anderen Stirnfläche vergrößert. Deshalb ist es in einer vorgegebenen Häufigkeit notwendig, eine „Regenerationsbehandlung“ des Anordnens eines Oxidationskatalysators in einer Vorstufe des DPF auszuführen und Kraftstoff dem Oxidationskatalysator zuzuführen, um Oxidationswärme zu erzeugen, das auf eine hohe Temperatur erwärmte Verbrennungsgas dem DPF in einer hinteren Stufe zuzuführen und die abgelagerten Schwebstoffe zu verbrennen. Deshalb ist die Abgasreinigungsvorrichtung mit einer Funktion zum Ausführen einer derartigen Regenerationsbehandlung versehen.
  • Selbst wenn das Hochtemperatur-Verbrennungsgas dem DPF zugeführt wird, erfordert ein Temperaturanstieg des DPF hier manchmal Zeit, weil der DPF selbst eine Wärmekapazität aufweist. Deshalb gibt es eine Möglichkeit, dass der Verbrennungswirkungsgrad (der Regenerationswirkungsgrad) der Schwebstoffe verringert ist. Weiterhin verursacht die Hinzufügung einer Heizvorrichtung zum Erhöhen der Temperatur des Verbrennungsgases an einem Einlass des DPF manchmal eine Zunahme der Größe oder des Gewichts der Abgasreinigungsvorrichtung selbst oder ist manchmal eine komplizierte Steuerung für das Erwärmen erforderlich.
  • Deshalb ist es in Anbetracht der obigen Situation eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Wärmeerzeugungssystem, das mit einer relativ einfachen Konfiguration kompakt gebildet werden kann, eine Abgasreinigungsvorrichtung, die eine Regenerationsbehandlung einer Wabenstruktur, die das Wärmeerzeugungssystem aufweist, ausführen kann und ein Verfahren zum Regenerieren einer Wabenstruktur, die eine Abgasreinigungsvorrichtung aufweist, zu schaffen.
  • Die Mittel zum Lösen des Problems
  • Um das obenerwähnte Problem zu lösen, schafft die vorliegende Erfindung ein Wärmeerzeugungssystem, eine Abgasreinigungsvorrichtung und ein Verfahren zum Regenerieren einer Wabenstruktur wie folgt.
  • [1] Ein Wärmeerzeugungssystem enthält einen Flüssigkeitslagertank, der konfiguriert ist, um zu lagern; ein Heizelement, das enthält: einen Reaktionsbehälter, der einen Lagerraum innerhalb des Behälters aufweist, und einen porösen Körper, der in dem Lagerraum gelagert ist und mit einem Feststoff für exotherme Reaktion beladen ist, der eine exotherme Reaktion verursacht, wenn er sich mit der Flüssigkeit in Kontakt befindet; ein Flüssigkeitseinspritzmechanismuselement, das enthält: ein Flüssigkeitsströmungsrohr, das zwischen dem Flüssigkeitslagertank und dem Lagerraum des Reaktionsbehälters verbindet, durch das die Flüssigkeit strömt, und eine Einspritzeinheit, die die Flüssigkeit in dem Flüssigkeitslagertank in den Lagerraum einspritzt; und ein Ableitungsmechanismuselement, das enthält: ein Ableitungsrohr, das mit dem Lagerraum des Reaktionsbehälters in Verbindung steht, und eine Ableitungseinheit, die ein durch die exotherme Reaktion, die durch den Kontakt zwischen der Flüssigkeit und dem Feststoff für exotherme Reaktion verursacht wird, erzeugtes flüssiges Produkt und ein verdampftes Material der Flüssigkeit von dem Lagerraum durch das Ableitungsrohr ableitet.
  • [2] Das Wärmeerzeugungssystem gemäß dem obigen [1], das ferner eine Verflüssigungseinheit enthält, die das abgeleitete verdampfte Material kühlt, um einen Phasenübergang zu der Flüssigkeit zu verursachen; und eine Flüssigkeitsrückgewinnungseinheit, die die verflüssigte Flüssigkeit in dem Flüssigkeitslagertank zurückgewinnt.
  • [3] Das Wärmeerzeugungssystem gemäß dem obigen [1] oder [2], wobei der Reaktionsbehälter aus einer doppelten Röhrenstruktur besteht, die aufweist: einen inneren zylindrischen Abschnitt und einen äußeren zylindrischen Abschnitt, der auf der Außenseite des inneren zylindrischen Abschnitts separat vorgesehen ist, wobei der Lagerraum zwischen dem inneren zylindrischen Abschnitt und dem äußeren zylindrischen Abschnitt vorgesehen ist.
  • [4] Das Wärmeerzeugungssystem gemäß einem des obigen [1] bis [3], wobei der Feststoff für exotherme Reaktion ein Erdalkalimetallelementoxid oder eine Mischung aus mehreren Erdalkalimetallelementoxiden ist.
  • [5] Das Wärmeerzeugungssystem gemäß dem obigen [4], wobei das Erdalkalimetallelementoxid ein Calciumoxid ist und die Flüssigkeit Wasser ist.
  • [6] Das Wärmeerzeugungssystem gemäß einem des obigen [1] bis [5], wobei der poröse Körper aus einem Keramikmaterial hergestellt ist, das Silicium und Siliciumcarbid als die Hauptkomponenten enthält.
  • [7] Das Wärmeerzeugungssystem gemäß dem obigen [3], das ferner eine Wärmetauscheinheit enthält, die wenigstens teilweise gegen eine innere Umfangsfläche des inneren zylindrischen Abschnitts des Reaktionsbehälters anstößt und konfiguriert ist, um die durch die exotherme Reaktion erzeugte Reaktionswärme zur Außenseite des Heizelements zu übertragen.
  • [8] Das Wärmeerzeugungssystem gemäß dem obigen [7], wobei die Wärmetauscheinheit eine Wabenwärmetauscheinheit ist, die Trennwände aufweist, die mehrere Zellen definieren, wobei sich die mehreren Zellen von einer Stirnfläche bis zu der anderen Stirnfläche erstrecken, um einen Strömungsweg eines Fluids zu bilden.
  • [9] Eine Abgasreinigungsvorrichtung, die das Wärmeerzeugungssystem gemäß einem des obigen [1] bis [8] aufweist, die enthält: eine Wabenstruktur, die Trennwände aufweist, die mehrere Zellen definieren, wobei sich die mehreren Zellen von einer Stirnfläche bis zu der anderen Stirnfläche erstrecken, um eine Strömung eines Fluids zu bilden; einen Metallhülsenkörper, der einen Strukturaufnahmeraum aufweist, der die Wabenstruktur darin aufnehmen kann; und das Wärmeerzeugungssystem, in dem das Heizelement an einer stromaufwärts gelegenen Position des Strukturaufnahmeraums der einen Stirnfläche zugewandt angeordnet ist, wobei die Abgasreinigungsvorrichtung eine Regenerationsfunktion des Einleitens des durch das Heizelement erwärmten Fluids von der einen Stirnfläche in die Wabenstruktur und des Entfernens der innerhalb der Struktur abgelagerten Schwebstoffe durch das Fluid aufweist.
  • [10] Eine Abgasreinigungsvorrichtung, die das Wärmeerzeugungssystem gemäß einem des obigen [1] bis [8] aufweist, die eine Wabenstruktur, die Trennwände aufweist, die mehrere Zellen definieren, wobei sich die mehreren Zellen von einer Stirnfläche bis zu der anderen Stirnfläche erstrecken, um einen Strömungsweg eines Fluids zu bilden; einen Metallhülsenkörper, der einen Strukturaufnahmeraum aufweist, der eine Wabenstruktur darin aufnehmen kann; und das Wärmeerzeugungssystem, in dem das Heizelement so angeordnet ist, dass das Heizelement wenigstens teilweise gegen eine Außenfläche eines Außenhüllenabschnitts eines Hülsenkörper-Außenhüllenabschnitts des Hülsenkörpers anstößt oder teilweise in den Hülsenkörper-Außenhüllenabschnitt eingebettet ist, enthält, wobei die Abgasreinigungsvorrichtung eine Regenerationsfunktion des Einleitens des Fluids von der einen Stirnfläche der durch das Heizelement erwärmten Wabenstruktur durch den Hülsenkörper in die Wabenstruktur und des Entfernens der innerhalb der Struktur abgelagerten Schwebstoffe durch das Fluid aufweist.
  • [11] Die Abgasreinigungsvorrichtung gemäß dem obigen [9] oder [10], wobei die Wabenstruktur eine abgedichtete Wabenstruktur ist, die mehrere Abdichtabschnitte enthält, in denen die offenen Enden der Zellen in der einen Stirnfläche und/oder der anderen Stirnfläche in Übereinstimmung mit einem vorgegebenen Anordnungsstandard abgedichtet sind.
  • [12] Die Abgasreinigungsvorrichtung gemäß einem des obigen [9] bis [11], wobei die Wabenstruktur mit wenigstens einem Katalysator eines selektiven Reduktionskatalysators, eines Dreiwegekatalysators und eines Dreiwegekatalysators des NOx-Lagertyps auf der Oberfläche der Trennwand und/oder innerhalb der Trennwand beladen ist.
  • [13] Die Abgasreinigungsvorrichtung gemäß dem obigen [10], die ferner eine Wärmeleitungseinheit enthält, die zwischen der Wabenstruktur und dem Hülsenkörper angeordnet ist und die aus einem wärmeleitfähigen Material ausgebildet ist, das die durch das in dem Hülsenkörper-Außenhüllenabschnitt vorgesehene Heizelement erzeugte Reaktionswärme zu der Wabenstruktur überträgt.
  • [14] Ein Verfahren zum Regenerieren einer Wabenstruktur, die die Abgasreinigungsvorrichtung gemäß einem des obigen [9] bis [13] aufweist, wobei das Verfahren einen Fluideinleitungsschritt des Einleitens eines Fluids von der einen Stirnfläche in die Wabenstruktur; einen Fluiderwärmungsschritt des Erwärmen des Fluids, bevor es in die Wabenstruktur eingeleitet wird, unter Verwendung des Wärmeerzeugungssystems der Abgasreinigungsvorrichtung; und einen Regenerationsbehandlungsschritt des Entfernens der innerhalb der Struktur abgelagerten Schwebstoffe durch das erwärmte Fluid, um die Wabenstruktur zu regenerieren, enthält.
  • [15] Ein Verfahren zum Regenerieren einer Wabenstruktur, die die Abgasreinigungsvorrichtung gemäß einem des obigen [9] bis [13] aufweist, wobei das Verfahren einen Fluideinleitungsschritt des Einleitens eines Fluids von der einen Stirnfläche in die in einem Metallhülsenkörper aufgenommene Wabenstruktur; einen Wabenstrukturerwärmungsschritt des Erwärmens der Wabenstruktur durch den Hülsenkörper unter Verwendung des Wärmeerzeugungssystems der Abgasreinigungsvorrichtung; und einen Regenerationsbehandlungsschritt des Entfernens der innerhalb der Struktur abgelagerten Schwebstoffe durch die erwärmte Wabenstruktur und das Fluid, um die Wabenstruktur zu regenerieren, enthält.
  • [16] Das Verfahren zum Regenerieren einer Wabenstruktur gemäß dem obigen [14] oder [15], wobei das Erwärmen des Fluids oder der Wabenstruktur durch das Wärmeerzeugungssystem gleichzeitig mit dem Beginn der Einleitung des Fluids in die Struktur oder vor dem Beginn der Einleitung begonnen wird.
  • Die Wirkung der Erfindung
  • Gemäß dem Wärmeerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine exotherme Reaktion mit einer relativ einfachen Konfiguration zu verursachen, in der eine Flüssigkeit und ein Feststoff für exotherme Reaktion in Kontakt miteinander gebracht werden, und ein Objekt, wie z. B. ein Fluid, unter Verwendung der Reaktionswärme zu erwärmen. Bei der Regenerationsbehandlung einer Wabenstruktur in der Abgasreinigungsvorrichtung mit diesem Wärmeerzeugungssystem wird ein Fluid (Dieselkraftstoff) vorgewärmt und dann in die Wabenstruktur eingeleitet oder wird die Wabenstruktur erwärmt, wobei dadurch der Wirkungsgrad der Regenerationsbehandlung erhöht werden kann. Weiterhin kann gemäß dem Verfahren zum Regenerieren einer Wabenstruktur die Regenerationsbehandlung der Wabenstruktur unter Verwendung der Abgasreinigungsvorrichtung stabil ausgeführt werden.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische graphische Darstellung, die eine schematische Konfiguration eines Wärmeerzeugungssystems einer vorliegenden Ausführungsform zeigt.
    • 2 ist eine schematische graphische Darstellung, die eine schematische Konfiguration eines Wärmeerzeugungssystems einer weiteren beispielhaften Konfiguration, die eine Verflüssigungseinheit und eine Flüssigkeitsrückgewinnungseinheit enthält, zeigt.
    • 3 ist eine schematische graphische Darstellung, die eine schematische Konfiguration eines Wärmeerzeugungssystems einer weiteren beispielhaften Konfiguration, die einen Reaktionsbehälter enthält, der eine doppelte Röhrenstruktur aufweist, zeigt.
    • 4 ist eine schematische graphische Darstellung, die eine schematische Konfiguration eines Wärmeerzeugungssystems einer weiteren beispielhaften Konfiguration, die eine Wärmetauscheinheit enthält, zeigt.
    • 5 ist eine schematische graphische Darstellung, die eine schematische Konfiguration eines Wärmeerzeugungssystems, das eine Wärmetauscheinheit enthält, einer weiteren beispielhaften Konfiguration zeigt.
    • 6 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, das eine schematische Konfiguration einer Abgasreinigungsvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
    • 7 ist eine Graphik, die die Temperatur des DPF und die Zeitsteuerungen der Nacheinspritzung und der Wassereinspritzung in der Abgasreinigungsvorrichtung nach 6 entlang einer Zeitreihe zeigt.
    • 8 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, das eine schematische Konfiguration einer Abgasreinigungsvorrichtung einer weiteren beispielhaften Konfiguration zeigt.
    • 9 ist eine Graphik, die die Temperatur des DPF und die Zeitsteuerungen der Nacheinspritzung und der Wassereinspritzung in der Abgasreinigungsvorrichtung nach 8 entlang einer Zeitreihe zeigt.
    • 10 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, das eine schematische Konfiguration einer Abgasreinigungsvorrichtung einer weiteren beispielhaften Konfiguration zeigt.
    • 11 ist eine Graphik, die die Drehzahl der Kraftmaschine und eine Zeitsteuerung der Wassereinspritzung in der Abgasreinigungsvorrichtung nach 10 entlang einer Zeitreihe zeigt.
  • Die Art zum Ausführen der Erfindung
  • Im Folgenden wird eine Ausführungsform eines Wärmeerzeugungssystems einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, einer Abgasreinigungsvorrichtung, die das Wärmeerzeugungssystem aufweist, und eines Verfahrens zum Regenerieren einer Wabenstruktur, die in einer Abgasreinigungsvorrichtung verwendet wird, bezüglich der Zeichnungen beschrieben. Das Wärmeerzeugungssystem, die Abgasreinigungsvorrichtung und das Verfahren zum Regenerieren einer Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung sind nicht auf die folgenden Ausführungsformen eingeschränkt, wobei verschiedene Änderungen, Modifikationen, Verbesserungen und dergleichen in der Bauform hinzugefügt werden können, ohne vom Wesentlichen der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • Das Wärmeerzeugungssystem:
  • Wie in 1 gezeigt ist, enthält das Wärmeerzeugungssystem 1 der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hauptsächlich einen Flüssigkeitslagertank 2, ein Heizelement 3, ein Flüssigkeitseinspritzmechanismuselement 4 und ein Ableitungsmechanismuselement 5. Bei dem Wärmeerzeugungssystem 1 der vorliegenden Ausführungsform kann das Heizelement 3 unter Verwendung einer exothermen chemischen Reaktion auf eine hohe Temperatur erwärmt werden, wobei die Wärme durch das Heizelement 3 zur Außenseite übertragen werden kann. Im Ergebnis kann das Wärmeerzeugungssystem 1 der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden, um verschiedene Fluide zu erwärmen.
  • Ausführlich dient für die obige Konfiguration der Flüssigkeitslagertank 2 zum vorübergehenden Lagern einer Flüssigkeit 7 zum Verursachen einer exothermen Reaktion durch das Heizelement 3, wobei er mit einem Flüssigkeitslagerraum 8 zum Lagern einer vorgegebenen Menge der Flüssigkeit 7 darin versehen ist. Hier kann z. B. Wasser als die Flüssigkeit 7, die in dem Flüssigkeitslagertank 2 gelagert ist, verwendet werden. Unter Verwendung von Wasser wird die Handhabung der Flüssigkeit in dem Wärmeerzeugungssystem 1 gefördert, wobei es möglich ist, die Kosten zu verringern, wenn das Wärmeerzeugungssystem 1 hergestellt oder betrieben wird.
  • Das zu verwendende Wasser ist nicht besonders eingeschränkt, wobei zusätzlich zu normalem reinen Wasser destilliertes Wasser, ionenausgetauschtes Wasser oder dergleichen verwendet werden kann. Weiterhin ist das Material, das den Flüssigkeitslagertank 2 bildet, außerdem nicht spezifisch eingeschränkt, wobei einer, der mit Materialien, wie z. B. einem Metall und einem Harz, gebildet ist, aus dem die Flüssigkeit 7 nicht entweicht, verwendet werden kann.
  • Andererseits enthält das Heizelement 3 hauptsächlich einen Reaktionsbehälter 10 einer hohlen Struktur, der innerhalb des Behälters einen Lagerraum 9 aufweist, und einen porösen Körper 11, der in den Lagerraum 9 aufgenommen ist. Hier kann der Reaktionsbehälter 10 hauptsächlich aus einem Metallmaterial, wie z. B. rostfreiem Stahl oder Eisen, hergestellt sein, wobei er eine flüssigkeitsdichte Struktur aufweist, in der die Flüssigkeit 7 nicht entweicht, selbst wenn die Flüssigkeit 7 in dem Flüssigkeitslagertank 2 in den Lagerraum 9 eingespritzt und gefüllt wird.
  • Weiterhin ist es notwendig, eine bestimmte Druckbeständigkeitsstruktur aufzuweisen, so dass eine äußere Hülle des Reaktionsbehälters 10 nicht deformiert wird, selbst wenn der Druck in dem Lagerraum 9 durch ein flüssiges Produkt 12 und ein verdampftes Material 13, die durch die später beschriebene exotherme Reaktion in dem Lagerraum 9 erzeugt werden, erhöht wird.
  • Der in dem Lagerraum 9 aufgenommene poröse Körper 11 kann aus einem porösen Keramikmaterial, das mehrere (nicht gezeigte) Poren enthält, hergestellt sein. Durch das Einbeziehen mehrerer Poren können viele Feststoffe 14 für exotherme Reaktion in den porösen Körper 11 geladen werden. Weiterhin kann die Kontaktfläche zwischen der in den Lagerraum 9 eingespritzten Flüssigkeit und den Feststoffen 14 für eine exothermen Reaktion vergrößert werden, wobei die exotherme chemische Reaktion durch die Flüssigkeit 7 und die Feststoffe 14 für exotherme Reaktion stabil erzeugt werden kann.
  • Obwohl eine innere Struktur des porösen Körpers 11 nicht besonders eingeschränkt ist, kann z. B. eine keramische Wabenstruktur, die mit Trennwänden versehen ist, die mehrere Zellen definieren, wobei sich die mehreren Zellen von einer Stirnfläche bis zu der anderen Stirnfläche erstrecken, um einen Strömungsweg des Fluids zu bilden, verwendet werden. Dadurch können viele Feststoffe 14 für exotherme Reaktion geladen werden, wobei der Eintritt der Flüssigkeit 7 in das Innere des porösen Körpers 11 gefördert wird. Im Ergebnis können die Flüssigkeit 7 und die Feststoffe 14 für exotherme Reaktion sofort miteinander in Kontakt gebracht werden, wobei die exotherme Reaktion vom Beginn der Einspritzung der Flüssigkeit 7 in den Lagerraum 9 schnell verursacht werden kann.
  • Als ein Material zum Bilden des porösen Körpers kann z. B. ein wohlbekanntes Material, wie z. B. ein Si/SiC-Keramikmaterial, das Silicium und Siliciumcarbid als die Hauptkomponenten enthält, und ein Keramikmaterial, das Cordierit als eine Hauptkomponente enthält, verwendet werden. Dadurch kann der poröse Körper 11 fest und wärmebeständig hergestellt werden. Hier bezieht sich die „Hauptkomponente“ auf eine Hauptkomponente, die den porösen Körper 11 bildet, wobei sie z. B. als eine, die 50 Masse-% oder mehr Silicium, Siliciumcarbid und dergleichen bezüglich der gesamten Materialien enthält, eine, die das höchsten Komponentenverhältnis aufweist, oder dergleichen definiert sein kann.
  • Die Form des porösen Körpers 11 ist nicht besonders eingeschränkt und kann die Form des Lagerraums 9 des Reaktionsbehälters 10 sein, der aufzunehmen ist. Wenn der Reaktionsbehälter 10 z. B. in einer im Wesentlichen zylindrischen Form ausgebildet ist und der Lagerraum 9 im Innern als ein im Wesentlichen runder säulenförmiger Raum gemäß einer Außenform des Reaktionsbehälters 10 konfiguriert ist, kann ein im Wesentlichen runder säulenförmiger poröser Körper 11, der den im Wesentlichen runden säulenförmigen Lagerraum 9 enthalten kann, erhalten werden. Ein (nicht gezeigter) Abstandshalter oder dergleichen kann zwischen dem in den (dem) Lagerraum 9 aufgenommenen (enthaltenen) porösen Körper 11 und der (nicht gezeigten) Innenwandfläche des Reaktionsbehälters 10 nach Bedarf angeordnet sein, wobei der Aufnahmezustand des porösen Körpers 11 stabilisiert werden kann.
  • Andererseits verursacht der Feststoff 14 für exotherme Reaktion durch den Kontakt mit der Flüssigkeit 7 chemisch eine exotherme Reaktion. Wenn z. B. Wasser als die Flüssigkeit 7 verwendet wird, kann Calciumoxid (CaO), Strontiumoxid (SrO), Magnesiumoxid (MgO) oder dergleichen als der Feststoff 14 für exotherme Reaktion ausgewählt werden. Es können Erdalkalimetallelementoxide anders als die obigen oder Mischungen daraus oder verschiedene Feststoffe 14 für eine exothermen Reaktion, die durch den Kontakt mit der Flüssigkeit 7 eine exotherme Reaktion verursachen, verwendet werden. Eine Kombination aus Wasser und Calciumoxid ist im Hinblick auf die Leichtigkeit der Verfügbarkeit, die Sicherheit, die Leichtigkeit der Handhabung und dergleichen besonders bevorzugt.
  • Wenn Wasser als die Flüssigkeit 7 ausgewählt ist und Calciumoxid als der Feststoff 14 für exotherme Reaktion ausgewählt ist, erzeugt das Calciumoxid durch den Kontakt mit dem Wasser, um Calciumhydroxid zu erzeugen (siehe die chemische Formel im Folgenden), Wärme bis etwa mehrere hundert °C. CaO (f) + H2O (fl) → Ca(OH)2 (wss) (Formel)
  • Zu diesem Zeitpunkt wird Wasser als die Flüssigkeit 7 bezüglich des Calciumoxids als der Feststoff 14 für exotherme Reaktion, der in den porösen Körper 11 geladen ist, übermäßig in den Lagerraum 9 eingespritzt. Deshalb wird das in den Lagerraum 9 eingespritzte Wasser durch die Wärmeerzeugung, die die Produktion des Calciumhydroxids begleitet, verdunstet (verdampft), wobei es Wasserdampf wird. Wenn die Reaktion fortschreitet, wird es zusätzlich ein Zustand thermischen Gleichgewichts, wobei die exotherme Reaktion stoppt. Hier entspricht bei der Reaktion das Calciumhydroxid dem oben beschriebenen flüssigen Produkt 12, während der verdampfte Wasserdampf dem verdampften Material 13 entspricht.
  • Andererseits verbindet das Flüssigkeitseinspritzmechanismuselement 4 zwischen dem Flüssigkeitslagertank 2 und dem Reaktionsbehälter 10 des Heizelements 3. Das Flüssigkeitseinspritzmechanismuselement 4 enthält hauptsächlich ein röhrenförmiges Flüssigkeitsströmungsrohr 15, durch das die Flüssigkeit 7 von dem Flüssigkeitslagertank 2 zu dem Lagerraum 9 strömen kann, und eine Einspritzeinheit, die die Flüssigkeit 7 in dem Flüssigkeitslagertank 2 durch das Flüssigkeitsströmungsrohr 15 in den Lagerraum 9 zuführt.
  • In dem Wärmeerzeugungssystem 1 der vorliegenden Ausführungsform wird ein Einspritzventil 16, das z. B. in der Mitte der Rohrleitung des Flüssigkeitsströmungsrohrs 15 vorgesehen ist und die Einspritzzeitsteuerung, die Einspritzmenge und dergleichen der Flüssigkeit 7 steuern kann, als die Konfiguration der Einspritzeinheit verwendet. Die Flüssigkeit 7 kann durch eine Öffnungsoperation des Einspritzventils 16 von dem Flüssigkeitslagertank 2 dem Lagerraum 9 zugeführt werden. Zu diesem Zeitpunkt ist der Reaktionsbehälter 10 des Heizelements 3 an einer Position angeordnet, die tiefer als ein Flüssigkeitspegel der in dem Flüssigkeitslagertank 2 gelagerten Flüssigkeit 7 ist, so dass die Flüssigkeit 7 in dem Flüssigkeitslagertank 2 gemäß der Schwerkraft in den Lagerraum 9 strömt.
  • Weiterhin kann das Flüssigkeitseinspritzmechanismuselement 4 mit (nicht gezeigten) Mitteln zur zwangsweisen Einspritzung versehen sein, die die Flüssigkeit 7 aus dem Flüssigkeitslagertank 2 unter Verwendung von Druckluft oder dergleichen gleichzeitig mit der Öffnungsoperation des Einspritzventils 16 in den Lagerraum 9 zwangsweise zuführen (einspritzen). Im Ergebnis wird der Lagerraum 9 in einem kurzen Zeitraum mit der Flüssigkeit 7 gefüllt, wobei der in den porösen Körper 11 geladene Feststoff 14 für exotherme Reaktion in einem kurzen Zeitraum mit der Flüssigkeit 7 in Kontakt gebracht werden kann. Deshalb ist es möglich, den Zeitraum vom Beginn des Betriebs des Wärmeerzeugungssystems 1 bis zum Erreichen einer hohen Temperatur des Heizelements 3 zu verkürzen, um den Heizwirkungsgrad durch das Wärmeerzeugungssystem 1 zu verbessern.
  • Zusätzlich kann die Steuerung des Öffnens und des Schließens des Einspritzventils 16 z. B. manuell ausgeführt werden oder durch das Steuern eines wohlbekannten Solenoidventils ausgeführt werden. Durch das Ausführen der Steuerung unter Verwendung eines Solenoidventils ist es möglich, die Einspritzmenge der Flüssigkeit 7 zu steuern und eine Betriebszeitsteuerung des Wärmeerzeugungssystems 1 einfach zu steuern.
  • Andererseits enthält das Ableitungsmechanismuselement 5 hauptsächlich ein röhrenförmiges Ableitungsrohr 17, das mit dem Lagerraum 9 des Reaktionsbehälters 10 in Verbindung steht, und eine Ableitungseinheit, die das flüssige Produkt 12 und das verdampfte Material 13, die durch den Kontakt zwischen der Flüssigkeit 7 und dem Feststoff 14 für exotherme Reaktion erzeugt werden, durch das Ableitungsrohr 17 aus dem Lagerraum 9 ableitet. Hier werden als eine Ableitungseinheit in dem Wärmeerzeugungssystem 1 der vorliegenden Ausführungsform ein Ableitungsventil 18, das in der Mitte der Rohrleitung des Ableitungsrohrs 17 vorgesehen ist, und eine Ableitungspumpe 19 zum zwangsweisen Saugen des flüssigen Produkts 12 und des verdampften Materials 13 aus dem Lagerraum 9 und zum Ableiten dieser verwendet. Wenn z. B. Wasser als die Flüssigkeit 7 verwendet wird und Calciumoxid als der Feststoff 14 für exotherme Reaktion verwendet wird, werden die wässrige Calciumhydroxidlösung als das flüssige Produkt 12 und der Wasserdampf als das verdampfte Material 13 abgeleitet.
  • Der Kontakt zwischen der Flüssigkeit 7 und dem Feststoff 14 für exotherme Reaktion verursacht eine exotherme Reaktion in dem Lagerraum 9 des Reaktionsbehälters 10 des Heizelements 3, wobei der Reaktionsbehälter 10 eine hohe Temperatur erreicht. Deshalb können verschiedene Objekte (ein Festkörper, eine Flüssigkeit und dergleichen) unter Verwendung einer von einer Außenfläche des Reaktionsbehälters 10 übertragenen Wärme erwärmt werden. Durch das Vorsehen des Reaktionsbehälters 10 des Wärmeerzeugungssystems 1 der vorliegenden Ausführungsform in der Mitte eines Strömungswegs eines Fluids, wie z. B. eines Abgases, wird das Fluid, das durch die Nähe des Reaktionsbehälters 10 hindurchgeht, erwärmt, wobei die Temperatur des Fluids ansteigt.
  • Dadurch kann das Erwärmen eines Objekts, wie z. B. eines Fluids, unter Verwendung des Wärmeerzeugungssystems 1 der vorliegenden Ausführungsform ausgeführt werden. Weil das Wärmeerzeugungssystem 1 der vorliegenden Ausführungsform eine relativ einfache Konfiguration aufweist, in der die Flüssigkeit 7 und der Feststoff 14 für exotherme Reaktion miteinander in Kontakt gebracht werden, ist keine komplizierte Steuerung erforderlich und können die Herstellungskosten niedrig gehalten werden. Weiterhin werden eine Beladungsmenge des Feststoffs 14 für exotherme Reaktion (wie z. B. Calciumoxid), der in den porösen Körper 11, der in dem Lagerraum 9 aufgenommen ist, geladen ist, eine Einspritzmenge der eingespritzten Flüssigkeit 7 (wie z. B. Wasser) und eine Zeitsteuerung des Einspritzbeginns gesteuert, wobei dadurch die zu der Außenfläche des Reaktionsbehälters 10 übertragene Wärmemenge eingestellt werden kann. Im Ergebnis kann die Steuerung der Wärmemenge des Objekts relativ einfach ausgeführt werden.
  • Zusätzlich kann eine Konfiguration, wie sie in 2 gezeigt ist, als ein Wärmeerzeugungssystem 20 einer weiteren beispielhaften Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden. Um die Beschreibung zu vereinfachen, sind hier den Konfigurationen, die im Wesentlichen die gleichen wie jene des oben beschriebenen Wärmeerzeugungssystems 1 (siehe 1) sind, die gleichen Bezugszeichen gegeben, wobei die ausführliche Beschreibung weggelassen wird. Das Wärmeerzeugungssystem 20 einer weiteren beispielhaften Konfiguration enthält ferner eine Verflüssigungseinheit 21, die das verdampfte Material 13 (z. B. den Wasserdampf), das durch das Ableitungsrohr 17 des Ableitungsmechanismuselements 5 zur Außenseite des Reaktionsbehälters 10 abgeleitet wird, kühlt und es durch einen Phasenübergang in die Flüssigkeit 7 verflüssigt, und eine (nicht gezeigte) Flüssigkeitsrückgewinnungseinheit, die die durch die Verflüssigungseinheit 21 verflüssigte Flüssigkeit in dem Flüssigkeitslagertank 2 zurückgewinnt. Hier kann die Verflüssigungseinheit 21 z. B. ein Verfahren der Luftkühlung des verdampften Materials 13 (des Wasserdampfs) mit hoher Temperatur anwenden, indem sie mehrere (nicht gezeigte) Wärmeableitungs-Metallplatten aufweist, um die Kontaktfläche mit der Außenluft zu vergrößern.
  • Das von dem Lagerraum 9 abgeleitete verdampfte Material 13 verliert in dem Ableitungsrohr 17 allmählich seine Temperatur und erreicht die Verflüssigungseinheit 21, wobei ihm ferner durch die mehreren Wärmeableitungsplatten die Wärme entzogen wird. Im Ergebnis findet ein Phasenübergang von Gas zu Flüssigkeit statt, wobei es schließlich zu der Flüssigkeit 7 zurückkehrt. Die Flüssigkeit 7 des Phasenübergangs wird zurückgewonnen und abermals in den Flüssigkeitslagertank eingeleitet. Dadurch kann die Flüssigkeit 7 (z. B. das Wasser) wiederverwendet werden.
  • Weiterhin kann gemäß einem Wärmeerzeugungssystem 30 einer weiteren beispielhaften Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform ein Reaktionsbehälter 32 eines Heizelements 31 aus einer doppelten Röhrenstruktur bestehen, die einen inneren zylindrischen Abschnitt 33a und einen äußeren zylindrischen Abschnitt 33b, der auf der Außenseite des inneren zylindrischen Abschnitts 33a separat vorgesehen ist, aufweist (siehe 3). Folglich weist der Reaktionsbehälter 32 einen im Wesentlichen ringförmigen Querschnitt auf. Obwohl in 3 einer gezeigt ist, der einen im Wesentlichen ringförmigen Querschnitt aufweist, ist er nicht darauf eingeschränkt, wobei einer, der einen im Wesentlichen rechteckigen ringförmigen Querschnitt aufweist, verwendet werden kann.
  • In 3 sind die Konfigurationen mit Ausnahme des Reaktionsbehälters 32 die gleichen wie jene in der oben beschriebenen 2, wobei den gleichen Konfigurationen die gleichen Bezugszeichen gegeben sind. In diesem Fall weist gemäß der Form des Reaktionsbehälters 32, der eine doppelte Röhrenstruktur aufweist, der Lagerraum 34 im Inneren außerdem einen im Wesentlichen ringförmigen Querschnitt auf, wobei der aufzunehmende poröse Körper 35 außerdem eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist.
  • Durch das Wärmeerzeugungssystem 30 mit dem Reaktionsbehälter 32, der die doppelte Röhrenstruktur anwendet, kann die Temperatur der Bereiche nah bei einer inneren Umfangsfläche 36a und einer äußeren Umfangsfläche 36b des Reaktionsbehälters 32 erhöht werden. Deshalb wird es zum Erwärmen einer Flüssigkeit, eines Gases und dergleichen, die durch diese Bereiche hindurchgehen, nützlich.
  • Andererseits ist gemäß einem Wärmeerzeugungssystem 40 einer weiteren beispielhaften Konfiguration der vorliegenden Erfindung zusätzlich zu dem in 3 gezeigten Wärmeerzeugungssystem 30 eine Wärmetauscheinheit 41 mit einem im Wesentlichen ringförmigen Querschnitt vorgesehen, so dass sie gegen die innere Umfangsfläche 36a des inneren zylindrischen Abschnitts 33a des Reaktionsbehälters 32, der eine doppelte Röhrenstruktur aufweist, anstößt. Dadurch kann die Wärme des Reaktionsbehälters 32, der durch den Betrieb des Wärmeerzeugungssystems 40 eine hohe Temperatur erreicht hat, durch die Wärmetauscheinheit 41 übertragen werden. Im Ergebnis kann die in dem Reaktionsbehälter 32 erzeugte Wärme effizient zu einem weiteren Medium, wie z. B. einem Fluid, übertragen werden, wobei ein Wärmeverlust unterdrückt werden kann. Zusätzlich ist eine Montageposition der Wärmetauscheinheit 41 nicht auf die Seite der inneren Umfangsfläche 36a des Reaktionsbehälters 32 eingeschränkt, wobei die Wärmetauscheinheit 41 auf der Seite der äußeren Umfangsfläche 36b vorgesehen sein kann.
  • Hier kann als die Wärmetauscheinheit 41 z. B. eine Wabenwärmetauscheinheit unter Verwendung einer wabenförmigen Wabenstruktur, die mehrere Zellen definiert, wobei sich die mehreren Zellen von einer Stirnfläche bis zu der anderen Stirnfläche erstrecken, um einen Strömungsweg des Fluids zu bilden, ausgebildet sein. Wie oben beschrieben worden ist, kann die Wabenwärmetauscheinheit unter Verwendung verschiedener Keramikmaterialien hergestellt sein, wobei sie aus einem Material besteht, das beim Wärmeaustausch und der Wärmeübertragung hervorragend ist. Dadurch ist der Wirkungsgrad des Wärmeaustauschs verbessert.
  • Weiterhin ist es gemäß einem Wärmeerzeugungssystem 50 einer weiteren beispielhaften Konfiguration der vorliegenden Erfindung zusätzlich zu dem in 3 gezeigten Wärmeerzeugungssystem 30 möglich, eine Wärmetauscheinheit 51 zu verwenden, die aus einer im Wesentlichen runden säulenförmigen Wabenstruktur besteht (siehe 5), um die Seite der inneren Umfangsfläche 36a des inneren zylindrischen Abschnitts 33a des Reaktionsbehälters 32, der die doppelte Röhrenstruktur aufweist, vollständig zu füllen. Hier kann die Wärmetauscheinheit 51 als eine Wabenwärmetauscheinheit ausgebildet sein, wie sie oben beschrieben worden ist. Dadurch kann das Fluid erwärmt werden, ohne eine Strömung des Fluids zu stören.
  • Die Abgasreinigungsvorrichtung und das Verfahren zum Regenerieren einer Wabenstruktur
  • Wie in 6 gezeigt ist, enthält eine Abgasreinigungsvorrichtung 60 einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Wabenstruktur 62 als einen DPF, die (nicht gezeigte) Trennwände aufweist, die mehrere (nicht gezeigte) Zellen definieren, wobei sich die mehreren Zellen von einer Stirnfläche 61a bis zu der anderen Stirnfläche 61b erstrecken, um einen Strömungsweg eines Fluids F zu bilden, einen Metallhülsenkörper 64, der einen Strukturaufnahmeraum 63 aufweist, der die Wabenstruktur 62 darin aufnehmen kann, und ein Wärmeerzeugungssystem 40 (siehe 4), in dem das Heizelement 31 an einer stromaufwärts gelegenen Position des Strukturaufnahmeraums 63 der einen Stirnfläche 61a der Wabenstruktur 62 zugewandt angeordnet ist, wobei sie eine Regenerationsfunktion zum Entfernen von Schwebstoffen aufweist.
  • Ferner ist ein Abstandshalterelement 65 zwischen dem Hülsenkörper 64 und der Wabenstruktur 62 und dem Heizelement 31 angeordnet. 6 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, das eine schematische Konfiguration der Abgasreinigungsvorrichtung 60 der vorliegenden Ausführungsform schematisch zeigt, wobei eine Veranschaulichung der Konfiguration in dem Wärmeerzeugungssystem 40 mit Ausnahme des Heizelements 31 weggelassen ist. Wenn es nicht anders spezifiziert ist, wird überdies die folgende Beschreibung unter der Annahme gegeben, dass Wasser als die Flüssigkeit 7 verwendet wird und Calciumoxid als der Feststoff 14 für exotherme Reaktion verwendet wird.
  • Weiterhin kann die Wabenstruktur als der oben beschriebene DPF eine abgedichtete Wabenstruktur sein, die mehrere Abdichtabschnitte enthält, an denen die offenen Enden der Zellen in der einen Stirnfläche 61a und der anderen Stirnfläche 61b in Übereinstimmung mit jedem vorgegebenen Anordnungsstandard abgedichtet sind. Weil die Konfigurationen der Wabenstruktur 62 und der abgedichteten Wabenstruktur bereits bekannt sind, wird ihre ausführliche Beschreibung hier weggelassen.
  • Als das Wärmeerzeugungssystem 40 wird das eine, das in der oben beschriebenen 4 gezeigt ist, verwendet, wobei sein Heizelement 31 eine doppelte Röhrenstruktur aufweist, die den inneren zylindrischen Abschnitt 33a und den äußeren zylindrischen Abschnitt 33b aufweist, in die der ringförmige poröse Körper 35, der mit dem Feststoff 14 für exotherme Reaktion beladen ist, in den Lagerraum 34 im Inneren aufgenommen ist. Ferner ist eine im Wesentlichen ringförmige Wärmetauscheinheit 41 (eine Wabenwärmetauscheinheit) so vorgesehen, dass sie entlang einer Form der inneren Umfangsfläche 36a des inneren zylindrischen Abschnitts 33a anstößt.
  • Unter Verwendung der Abgasreinigungsvorrichtung 60 mit der obigen Konfiguration können Schwebstoffe, wie z. B. Ruß, die auf der Wabenstruktur 62 abgelagert sind, effizient entfernt werden, wodurch die Regenerationsbehandlung der Wabenstruktur 62 ausgeführt wird. Das heißt, bei der Regenerationsbehandlung zum Entfernen der Schwebstoffe wird die Flüssigkeit 7 von dem Flüssigkeitslagertank 2 des Wärmeerzeugungssystems 40 in den Lagerraum 9 des Reaktionsbehälters 10 in Übereinstimmung mit einer Zeitsteuerung einer Nacheinspritzung zum Einspritzen nicht verbrannten Dieselkraftstoffs (der dem Fluid F entspricht) eingespritzt, um eine exotherme Reaktion zu verursachen.
  • Das Wärmeerzeugungssystem 40 wird gleichzeitig mit dem Beginn des Fluideinleitungsschrittes des Einleitens des Fluids F in die Wabenstruktur 62 oder vor dem Beginn der Einleitung des Fluids betrieben, wobei die Einspritzung der Flüssigkeit 7 (des Wassers) von dem Flüssigkeitslagertank 2 in den Reaktionsbehälter 32 des Heizelements 31 begonnen wird. Im Ergebnis tritt eine exotherme Reaktion aufgrund des Kontakts zwischen der Flüssigkeit 7 und dem Feststoff 14 für exotherme Reaktion (dem Calciumoxid) auf, wobei das Heizelement 31 in einem kurzen Zeitraum eine hohe Temperatur erreicht. Hier gibt die „hohe Temperatur“ einen Temperaturbereich von etwa 200 °C bis 500 °C gemäß der Kombination aus Wasser und Calciumoxid an. Der Temperaturbereich ändert sich gemäß der Flüssigkeit 7 und dem Feststoff 14 für exotherme Reaktion, die verwendet werden.
  • Weiterhin wird die Reaktionswärme aufgrund der exothermen Reaktion zu der Wärmetauscheinheit 41 übertragen, die entlang der inneren Umfangsfläche 36a des Heizelements 31, das eine doppelte Röhrenstruktur aufweist, vorgesehen ist. Weil diese Wärmetauscheinheit 41 eine wabenförmige Wabenwärmetauscheinheit ist, wie oben erwähnt worden ist, geht ein Teil des Fluids F (siehe das Fluid F' in 6), das aus nicht verbranntem Dieselkraftstoff besteht, durch die Wärmetauscheinheit 41 hindurch, wobei er eine Stirnfläche 61a der Wabenstruktur 62 erreicht. Im Ergebnis wird das Fluid F' erwärmt, indem es durch die Wärmetauscheinheit 41 hindurchgeht (der Fluiderwärmungsschritt).
  • Dadurch kann die Temperatur (die DPF-Temperatur) der Wabenstruktur 62, in der die Regenerationsbehandlung ausgeführt wird, gesteuert werden, so dass sie vom Beginn des Anfangs der Regenerationsbehandlung hoch ist (siehe 7). Im Ergebnis wird das durch das Heizelement 31 und die Wärmetauscheinheit 41 erwärmte Hochtemperaturfluid F in die Struktur der Wabenstruktur 62 eingeleitet, wobei die abgelagerten Schwebstoffe effizient entfernt werden, wodurch die Wabenstruktur 62 regeneriert wird, (der Regenerationsbehandlungsschritt).
  • Weil insbesondere das Hochtemperaturfluid F vom Beginn des Anfangs der Regenerationsbehandlung in die Struktur eingeleitet wird, ist der Wirkungsgrad der Regenerationsbehandlung stabilisiert, wobei die Regenerationsbehandlung in einem kurzen Zeitraum abgeschlossen werden kann. Folglich können die Kosten und dergleichen der Regenerationsbehandlung verringert werden. Selbst wenn die Wärmetauscheinheit 41, wie sie oben beschrieben worden ist, keine Wabenwärmetauscheinheit ist, wird das Fluid F erwärmt, indem es durch die Nähe der Wärmetauscheinheit 41 oder des Heizelements 31 hindurchgeht, wobei eine ausreichende Wirkung in der Abgasreinigungsvorrichtung 60 der vorliegenden Ausführungsform gezeigt werden kann.
  • Weiterhin enthält, wie in 8 gezeigt ist, eine Abgasreinigungsvorrichtung 70 einer weiteren beispielhaften Konfiguration der vorliegenden Erfindung hauptsächlich eine Wabenstruktur 62 als einen DPF, die (nicht gezeigte) Trennwände aufweist, die mehrere (nicht gezeigte) Zellen definieren, wobei sich die mehreren Zellen von einer Stirnfläche 61a bis zu der anderen Stirnfläche 61b erstrecken, um einen Strömungsweg eines Fluids F zu bilden, einen Metallhülsenkörper 64, der einen Strukturaufnahmeraum 63 aufweist, der die Wabenstruktur 62 darin aufnehmen kann, und ein Wärmeerzeugungssystem 30 (siehe 3), in dem das Heizelement 31 angeordnet ist, so dass das Heizelement 31 gegen die innere Umfangsfläche 36a des Heizelements 31 in der Außenfläche eines Außenhüllenabschnitts 66a des Hülsenkörper-Außenhüllenabschnitts 66 des Hülsenkörpers 64 anstößt oder in die innere Umfangsfläche 36a des Heizelements 31 in der Außenfläche eines Außenhüllenabschnitts 66a des Hülsenkörper-Außenhüllenabschnitts 66 des Hülsenkörpers 64 eingebettet ist.
  • Ferner ist ein Abstandshalterelement 67 zwischen dem Hülsenkörper 64, der Wabenstruktur 62 und dem Hülsenkörper-Außenhüllenabschnitt 66 angeordnet. Das Abstandshalterelement 67 ist aus einem wärmeleitfähigen Material ausgebildet, das die durch das Heizelement 31 erzeugte Reaktionswärme durch den Metallhülsenkörper 64 (den Hülsenkörper-Außenhüllenabschnitt 66), wie z. B. rostfreien Stahl, und das Abstandshalterelement 67 zu der Wabenstruktur 62 überträgt. Das Abstandshalterelement 67 entspricht der Wärmeleitungseinheit in der vorliegenden Erfindung.
  • Im Ergebnis wird die durch das Heizelement 31 erzeugte Reaktionswärme schnell zu der Wabenstruktur 62 übertragen. In der Abgasreinigungsvorrichtung 70 der vorliegenden Ausführungsform ist eine, in der das Heizelement 31 so angeordnet ist, dass es gegen die Außenfläche eines Außenhüllenabschnitts 66a des Hülsenkörper-Außenhüllenabschnitts 66 anstößt, gezeigt. Sie ist jedoch nicht darauf eingeschränkt, wobei z. B. eine, in der das Heizelement 31 in den Hülsenkörper-Außenhüllenabschnitt 66 eingebettet ist, verwendet werden kann. Selbst bei dieser Konfiguration kann die Reaktionswärme effizient zu der Wabenstruktur 62 übertragen werden.
  • Unter Verwendung der Abgasreinigungsvorrichtung 70 mit der obigen Konfiguration können Schwebstoffe, wie z. B. Ruß, die auf der Wabenstruktur 62 abgelagert sind, effizient entfernt werden, wodurch die Regenerationsbehandlung der Wabenstruktur 62 ausgeführt wird. Der Unterschied zu der oben beschriebenen Abgasreinigungsvorrichtung 60 ist, nicht das Fluid F zu erwärmen, sondern die zu regenerierende Wabenstruktur 62 direkt zu erwärmen.
  • Dadurch wird das Wärmeerzeugungssystem 30 gleichzeitig mit dem Beginn des Fluideinleitungsschrittes des Einleitens des Fluids F in die Wabenstruktur 62 oder vor dem Beginn der Einleitung des Fluids F betrieben, wobei die Einspritzung der Flüssigkeit 7 (des Wassers) von dem Flüssigkeitslagertank 2 in den Reaktionsbehälter 32 des Heizelements 31 begonnen wird. Im Ergebnis tritt eine exotherme Reaktion aufgrund des Kontakts zwischen der Flüssigkeit 7 und dem Feststoff 14 für exotherme Reaktion (dem Calciumoxid) auf, wobei das Heizelement 31 in einem kurzen Zeitraum eine hohe Temperatur erreicht.
  • Zu diesem Zeitpunkt wird die durch das Heizelement 31 erzeugte Reaktionswärme durch den Metallhülsenkörper-Außenhüllenabschnitt 66 und das wärmeleitfähige Abstandshalterelement 67 zu der Wabenstruktur 62 übertragen (der Wabenstrukturerwärmungsschritt). Im Ergebnis steigt die Temperatur der Wabenstruktur 62 in dem Hülsenkörper 64 im Vergleich zu einer gewöhnlichen Regenerationsbehandlung früher an (siehe 9). Im Ergebnis kann die gleiche Wirkung wie das direkte Erwärmen des Fluids F gezeigt werden.
  • Weiterhin kann eine Abgasreinigungsvorrichtung 80 einer weiteren beispielhaften Konfiguration der vorliegenden Erfindung eine sein, wie sie in 10 gezeigt ist. Gemäß dessen ist die Konfiguration im Wesentlichen die gleiche wie die der bereits beschriebenen Abgasreinigungsvorrichtung 70, wobei sie insofern anders ist, als die mit einem Katalysator beladene Wabenstruktur 81 in dem Strukturaufnahmeraum 63 des Hülsenkörpers 64 aufgenommen ist. Hier bezieht sich die mit einem Katalysator beladene Wabenstruktur 81 z. B. auf eine, in der wenigstens einer von einem selektiven Reduktionskatalysator (SCR-Katalysator), einem Dreiwegekatalysator, einem Dreiwegekatalysator des NOx-Lagertyps und dergleichen auf die Oberfläche der Trennwand und/oder innerhalb der Trennwand der Wabenstruktur geladen ist.
  • Dadurch kann in der Abgasreinigungsvorrichtung 80, die die mit einem Katalysator beladene Wabenstruktur 81 anwendet, die gleiche Wirkung der Regenerationsbehandlung gezeigt werden, wie sie oben beschrieben worden ist. Wie in 11 gezeigt ist, kann z. B. durch das Erzeugen der Reaktionswärme durch das Wärmeerzeugungssystem 30 vor dem Beginn des Starts der Dieselkraftmaschine eine gute Regenerationsbehandlung ausgeführt werden.
  • Im Folgenden werden Beispiele des Wärmeerzeugungssystems, der Abgasreinigungsvorrichtung und des Verfahrens zum Regenerieren einer Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei aber das Wärmeerzeugungssystem und dergleichen der vorliegenden Erfindung nicht auf diese Beispiele eingeschränkt sind.
  • BEISPIELE
  • Das Beispiel 1 und das Vergleichsbeispiel 1
  • Die Abgasreinigungsvorrichtung (siehe Fig. 8)
  • Es wurde eine Si/SiC-basierte Wabenstruktur (ein DPF) mit einem Wabendurchmesser von 144 mm und einer Wabenlänge von 152 mm über ein wärmeleitfähiges Abstandshalterelement in einen Metallhülsenkörper eingehülst. Weiterhin wurde ein Heizelement, das einen Reaktionsbehälter mit einer doppelten Röhrenstruktur aufweist, um den Hülsenkörper installiert. Hier war das Intervall (das Lückenintervall) zwischen dem inneren zylindrischen Abschnitt und dem äußeren zylindrischen Abschnitt des Reaktionsbehälters auf 8,5 mm gesetzt. Ein Si/SiCbasierter poröser Körper, der mit Calciumoxid (CaO) als ein exothermer Feststoff beladen ist, (der im Folgenden als ein „mit CaO beladener Si/SiC-basierter poröser Körper“ bezeichnet wird) wurde in einem Lagerraum in einem Reaktionsbehälter gelagert. Hier war das Volumenverhältnis des porösen Körpers und des Feststoffs für exotherme Reaktion auf 1:1 gesetzt, wobei die Gesamtporosität auf 20 % gesetzt war.
  • Das Herstellungsverfahren des mit CaO beladenen Si/SiCbasierten porösen Körpers
  • Es wurde ein ringförmiger Si/SiC-basierter poröser Körper mit einer Dicke von 8,5 mm, einer Länge von 63 mm und einer Porosität von 65 % mit einer breiartigen wässrigen Calciumcarbonatlösung imprägniert, die durch das Hinzufügen von Wasser zu Calciumcarbonatpulver (CaCO3-Pulver) erhalten wurde, wobei dann eine Wärmebehandlung während 1 Stunde bei einer Erwärmungstemperatur von 1300 °C ausgeführt wurde. Dadurch wurde das Calciumcarbonat in Calciumoxid geändert, um einen mit CaO beladenen Si/SiC-basierten porösen Körper zu erhalten. Zwei erhaltene mit CaO beladene Si/SiC-basierte poröse Körper wurden in Reihe angeordnet und in einem Reaktionsbehälter, der eine doppelte Röhrenstruktur aufweist, gelagert.
  • Das experimentelle Verfahren
  • Die Abgasreinigungsvorrichtung mit der obigen Konfiguration (siehe 8) wurde im Abgassystem einer 2000-cm3-Dieselkraftmaschine angebracht und kontinuierlich gemäß den Bedingungen einer Drehzahl von 2000 min-1 und eines Antriebsdrehmoments von 8 Nm betrieben, um Ruß in der Wabenstruktur (dem DPF) abzulagern.
  • Parallel zur Ablagerung des Rußes wurde ein Einspritzventil einer Einspritzeinheit eines Wärmeerzeugungssystems geschlossen, wohingegen ein Ableitungsventil einer Ableitungseinheit geöffnet war, wobei eine Ableitungspumpe während 5 Minuten betrieben wurde, um das verbleibende Gas in dem Lagerraum des Reaktionsbehälters abzuleiten. Danach wurde das Ableitungsventil geschlossen, um den Lagerraum des Reaktionsbehälters abzudichten. Danach wurde das Gewicht der Wabenstruktur gemessen und dann die Regenerationsbehandlung der Wabenstruktur ausgeführt.
  • Zu diesem Zeitpunkt war das Einspritzventil der Einspritzeinheit während 30 s vor dem Beginn der Regenerationsbehandlung der Wabenstruktur geöffnet, wobei die Flüssigkeit (das Wasser) in den Lagerraum des Reaktionsbehälters eingespritzt wurde. Nach dem Ablauf von 30 s von dem Beginn der Wassereinspritzung wurde die Regenerationsbehandlung der Wabenstruktur begonnen, wobei die Temperatur an einer Stirnfläche der Wabenstruktur (die Einlassgastemperatur) auf 600 °C eingestellt wurde und die Regeneration während 8 Minuten ausgeführt wurde. Danach wurde das Gewicht der Wabenstruktur abermals gemessen, wobei der Regenerationswirkungsgrad des Rußes gemessen wurde. Ein Fall, in dem das Wärmeerzeugungssystem gemäß den obigen Bedingungen betrieben wurde, wird als das Beispiel 1 bezeichnet, während ein Fall, in dem das Wärmeerzeugungssystem nicht betrieben wurde, als das Vergleichsbeispiel 1 bezeichnet wird.
  • Die experimentellen Ergebnisse
  • Im Vergleich des Beispiels 1 und des Vergleichsbeispiels 1 betrug der Regenerationswirkungsgrad des Vergleichsbeispiels 1 40 %, wohingegen der Regenerationswirkungsgrad im Beispiel 1, in dem das Wärmeerzeugungssystem betrieben wurde, 70 % betrug, wobei folglich bestätigt wurde, dass der Regenerationswirkungsgrad durch eine Verwendung des Wärmeerzeugungssystems signifikant erhöht wurde. In der Tabelle 1 in Folgenden ist eine Zusammenfassung (1) der Abgasreinigungsvorrichtung, (2) des mit CaO beladenen Si/SiC-basierten porösen Körpers, (3) der Bedingungen des experimentellen Verfahrens und (4) der experimentellen Ergebnisse gezeigt.
    Figure DE112017006850T5_0001
  • Das Beispiel 2 und das Vergleichsbeispiel 2
  • Die Abgasreinigungsvorrichtung (siehe Fig. 6)
  • Es wurde eine Si/SiC-basierte Wabenstruktur (ein DPF) mit einem Wabendurchmesser von 144 mm und einer Wabenlänge von 152 mm über ein wärmeleitfähiges Abstandshalterelement in einen Metallhülsenkörper (in denselben wie im Beispiel 1 und im Vergleichsbeispiel 1) eingehülst. Weiterhin wurde ein Heizelement, das einen Reaktionsbehälter mit einer doppelten Röhrenstruktur aufweist, auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Wabenstruktur installiert. Ein Si/SiCbasierter poröser Körper, der mit Calciumoxid (CaO) als ein exothermer Feststoff beladen ist, (der im Folgenden als ein „mit CaO beladener Si/SiC-basierter poröser Körper“ bezeichnet wird) wurde in einem Lagerraum in einem Reaktionsbehälter gelagert. Hier war das Volumenverhältnis des porösen Körpers und des Feststoffs für exotherme Reaktion auf 1:1 gesetzt, wobei die Gesamtporosität auf 20 % gesetzt war. Weiterhin wurde eine aus SiC hergestellte Wabenstruktur als eine Wärmetauscheinheit entlang einer inneren Umfangsfläche des Reaktionsbehälters angebracht (siehe 6).
  • Das Herstellungsverfahren des mit CaO beladenen Si/SiCbasierten porösen Körpers
  • Die Beschreibung wird weggelassen, weil es das gleiche wie im Beispiel 1 und im Vergleichsbeispiel 1 ist.
  • Das experimentelle Verfahren
  • Die Beschreibung wird weggelassen, weil es das gleiche wie im Beispiel 1 und im Vergleichsbeispiel 1 ist. Wie im Beispiel 1 und im Vergleichsbeispiel 1 wird ein Einspritzventil einer Einspritzeinheit 30 s vor dem Beginn der Regenerationsbehandlung der Wabenstruktur geöffnet, wobei eine Flüssigkeit (Wasser) in den Lagerraum des Reaktionsbehälters eingespritzt wird. Ein Fall, in dem das Wärmeerzeugungssystem gemäß den obigen Bedingungen betrieben wurde, wird als das Beispiel 2 bezeichnet, während ein Fall, in dem das Wärmeerzeugungssystem nicht betrieben wurde, als das Vergleichsbeispiel 2 bezeichnet wird.
  • Die experimentellen Ergebnisse
  • Im Vergleich des Beispiels 2 und des Vergleichsbeispiels 2 betrug der Regenerationswirkungsgrad des Vergleichsbeispiels 1 40 %, wohingegen der Regenerationswirkungsgrad im Beispiel 1, in dem das Wärmeerzeugungssystem betrieben wurde, 60 % betrug, wobei folglich bestätigt wurde, dass der Regenerationswirkungsgrad durch eine Verwendung des Wärmeerzeugungssystems signifikant erhöht wurde. In der obigen Tabelle 1 ist eine Zusammenfassung (1) der Abgasreinigungsvorrichtung, (2) des mit CaO beladenen Si/SiC-basierten porösen Körpers, (3) der Bedingungen des experimentellen Verfahrens und (4) der experimentellen Ergebnisse gezeigt.
  • Das Beispiel 3 und das Vergleichsbeispiel 3
  • Die Abgasreinigungsvorrichtung (siehe Fig. 10)
  • Eine mit einem Katalysator beladene Wabenstruktur, in der eine aus Cordierit hergestellte (aus Cd hergestellte) Wabenstruktur mit einem Wabendurchmesser von 110 mm und einer Wabenlänge von 100 mm mit einem Dreiwegekatalysator beladen ist, wurde über ein wärmeleitfähiges Abstandshalterelement in einen Metallhülsenkörper eingehülst. Zu diesem Zeitpunkt wurde eine Struktur gebildet, so dass 50 % der Gesamtlänge des Abstandshalterelements aus einem Metallgeflecht hergestellt waren, um die Wärmeleitfähigkeit zwischen der mit einem Katalysator beladen Wabenstruktur und dem Hülsenkörper zu verbessern (Abdeckung: 50 %). Ferner wurde ein Heizelement mit einem Reaktionsbehälter mit einer doppelten Röhrenstruktur um den Hülsenkörper installiert. Ein Si/SiCbasierter poröser Körper, der mit Calciumoxid (CaO) als ein exothermer Feststoff beladen ist, (der im Folgenden als ein „mit CaO beladener Si/SiC-basierter poröser Körper“ bezeichnet wird) wurde in einem Lagerraum in einem Reaktionsbehälter gelagert. Hier war das Volumenverhältnis des porösen Körpers und des Feststoffs für exotherme Reaktion auf 1:1 gesetzt, wobei die Gesamtporosität auf 20 % gesetzt war.
  • Das Herstellungsverfahren des mit CaO beladenen Si/SiCbasierten porösen Körpers
  • Es wurde ein ringförmiger Si/SiC-basierter poröser Körper mit einer Dicke von 8,5 mm, einer Länge von 90 mm und einer Porosität von 65 % mit einer breiartigen wässrigen Calciumcarbonatlösung imprägniert, die durch das Hinzufügen von Wasser zu einem Calciumcarbonatpulver (CaCO3-Pulver) erhalten wurde, wobei dann eine Wärmebehandlung während 1 Stunde bei einer Erwärmungstemperatur von 1300 °C ausgeführt wurde. Dadurch wurde das Calciumcarbonat in Calciumoxid geändert, um einen mit CaO beladenen Si/SiC-basierten porösen Körper zu erhalten.
  • Das experimentelle Verfahren
  • Die Abgasreinigungsvorrichtung mit der obigen Konfiguration (siehe 10) wurde im Abgassystem einer 2000-cm3-Dieselkraftmaschine angebracht, wobei ein Warmlaufbetrieb unter den Bedingungen einer Drehzahl von 2000 min-1 und eines Antriebsdrehmoments von 5 Nm ausgeführt wurde.
  • Parallel zu dem Warmlaufbetrieb war ein Einspritzventil einer Einspritzeinheit eines Wärmeerzeugungssystems geschlossen, wohingegen ein Ableitungsventil einer Ableitungseinheit geöffnet war, wobei eine Ableitungspumpe während 5 Minuten betrieben wurde, um das verbleibende Gas in dem Lagerraum des Reaktionsbehälters abzuleiten. Danach wurde das Ableitungsventil geschlossen, um den Lagerraum des Reaktionsbehälters abzudichten. Danach wurde die Kraftmaschine gestoppt und ihr erlaubt, bis zur Zimmertemperatur abzukühlen. Als Nächstes wurde ein Anfahrbetrieb der Kraftmaschine ausgeführt, wobei die Temperatur an einer Mittelposition der mit einem Katalysator beladenen Wabenstruktur durch ein Thermoelement gemessen wurde.
  • Zu diesem Zeitpunkt war das Einspritzventil der Einspritzeinheit 15 s vor dem Kraftmaschinenstart geöffnet, wobei eine Flüssigkeit (Wasser) in den Lagerraum des Reaktionsbehälters eingespritzt wurde. Der Zeitraum, nachdem die Kraftmaschine gestartet worden war, bis die Temperatur der Mittelposition der mit einem Katalysator beladenen Wabenstruktur 180 °C erreicht hatte, wurde gemessen. Ein Fall, in dem das Wärmeerzeugungssystem gemäß den obigen Bedingungen betrieben wurde, wird als das Beispiel 3 bezeichnet, während ein Fall, in dem das Wärmeerzeugungssystem nicht betrieben wurde, als das Vergleichsbeispiel 3 bezeichnet wird.
  • Die experimentellen Ergebnisse
  • Im Vergleich des Beispiels 3 und des Vergleichsbeispiels 3 betrug der Zeitraum, um 180 °C zu erreichen, des Vergleichsbeispiels 3 20 s, wohingegen der Zeitraum, um 180 °C zu erreichen, des Beispiels 3, in dem das Wärmeerzeugungssystem betrieben wurde, 15 s betrug, wobei folglich bestätigt wurde, dass der Zeitraum, um 180 °C zu erreichen, durch den Betrieb des Wärmeerzeugungssystems verkürzt wurde. Das heißt, durch das Erwärmen der mit einem Katalysator beladenen Wabenstruktur vor dem Start der Kraftmaschine kann die Temperatur, bei der der geladene Katalysator aktiviert wird, schnell erreicht werden. Im Ergebnis ist es möglich, die Reinigungsbehandlung, die eine hohe Katalysatoraktivität aufrechterhält, unmittelbar nach dem Start der Kraftmaschine auszuführen. In der obigen Tabelle 1 ist eine Zusammenfassung (1) der Abgasreinigungsvorrichtung, (2) des mit CaO beladenen Si/SiC-basierten porösen Körpers, (3) der Bedingungen des experimentellen Verfahrens und (4) der experimentellen Ergebnisse gezeigt.
  • Das Beispiel 4 und das Vergleichsbeispiel 4
  • Die Abgasreinigungsvorrichtung (siehe Fig. 10)
  • Eine mit einem Katalysator beladene Wabenstruktur, in der eine aus Cordierit hergestellte (aus Cd hergestellte) Wabenstruktur mit einem Wabendurchmesser von 110 mm und einer Wabenlänge von 100 mm mit einem Dreiwegekatalysator beladen ist, wurde über ein wärmeleitfähiges Abstandshalterelement in einen Metallhülsenkörper eingehülst. Zu diesem Zeitpunkt wurde eine Struktur gebildet, so dass 50 % der Gesamtlänge des Abstandshalterelements aus einem Metallgeflecht hergestellt waren, um die Wärmeleitfähigkeit zwischen der mit einem Katalysator beladen Wabenstruktur und dem Hülsenkörper zu verbessern (Abdeckung: 50 %). Weiterhin wurde ein Heizelement mit einem Reaktionsbehälter mit einer doppelten Röhrenstruktur um den Hülsenkörper installiert. Ein Si/SiCbasierter poröser Körper, der mit Strontiumoxid (SrO) als ein exothermer Feststoff beladen ist, (der im Folgenden als ein „mit SrO beladener Si/SiC-basierter poröser Körper“ bezeichnet wird) wurde in einem Lagerraum in einem Reaktionsbehälter gelagert. Hier war das Volumenverhältnis des porösen Körpers und des Feststoffs für exotherme Reaktion auf 1:1 gesetzt, wobei die Gesamtporosität auf 20 % gesetzt war.
  • Das Herstellungsverfahren des mit SrO beladenen Si/SiCbasierten porösen Körpers
  • Es wurde ein ringförmiger Si/SiC-basierter poröser Körper mit einer Dicke von 8,5 mm, einer Länge von 90 mm und einer Porosität von 65 % mit einer breiartigen wässrigen Strontiumcarbonatlösung imprägniert, die durch das Hinzufügen von Wasser zu einem Strontiumcarbonatpulver (SrCO3-Pulver) erhalten wurde, wobei dann eine Wärmebehandlung während 1 Stunde bei einer Erwärmungstemperatur von 1300 °C ausgeführt wurde. Dadurch wurde das Strontiumcarbonat in Strontiumoxid geändert, um einen mit SrO beladenen Si/SiC-basierten porösen Körper zu erhalten.
  • Das experimentelle Verfahren
  • Die Abgasreinigungsvorrichtung mit der obigen Konfiguration (siehe 10) wurde im Abgassystem einer 2000-cm3-Dieselkraftmaschine angebracht, wobei ein Warmlaufbetrieb unter den Bedingungen einer Drehzahl von 2000 min-1 und eines Antriebsdrehmoments von 5 Nm ausgeführt wurde.
  • Parallel zu dem Warmlaufbetrieb war ein Einspritzventil einer Einspritzeinheit eines Wärmeerzeugungssystems geschlossen, wohingegen ein Ableitungsventil einer Ableitungseinheit geöffnet war, wobei eine Ableitungspumpe während 5 Minuten betrieben wurde, um das verbleibende Gas in dem Lagerraum des Reaktionsbehälters abzuleiten. Danach wurde das Ableitungsventil geschlossen, um den Lagerraum des Reaktionsbehälters abzudichten. Danach wurde die Kraftmaschine gestoppt und ihr erlaubt, bis zur Zimmertemperatur abzukühlen. Als Nächstes wurde ein Anfahrbetrieb der Kraftmaschine ausgeführt, wobei die Temperatur an einer Mittelposition der mit einem Katalysator beladenen Wabenstruktur durch ein Thermoelement gemessen wurde.
  • Zu diesem Zeitpunkt war das Einspritzventil der Einspritzeinheit 15 s vor dem Kraftmaschinenstart geöffnet, wobei eine Flüssigkeit (Wasser) in den Lagerraum des Reaktionsbehälters eingespritzt wurde. Der Zeitraum, nachdem die Kraftmaschine gestartet worden war, bis die Temperatur der Mittelposition der mit einem Katalysator beladenen Wabenstruktur 180 °C erreicht hatte, wurde gemessen. Ein Fall, in dem das Wärmeerzeugungssystem gemäß den obigen Bedingungen betrieben wurde, wird als das Beispiel 4 bezeichnet, während ein Fall, in dem das Wärmeerzeugungssystem nicht betrieben wurde, als das Vergleichsbeispiel 4 bezeichnet wird.
  • Die experimentellen Ergebnisse
  • Im Vergleich des Beispiels 4 und des Vergleichsbeispiels 4 betrug der Zeitraum, um 180 °C zu erreichen, des Vergleichsbeispiels 4 20 s, wohingegen der Zeitraum, um 180 °C zu erreichen, des Beispiels 4, in dem das Wärmeerzeugungssystem betrieben wurde, 13 s betrug, wobei folglich bestätigt wurde, dass der Zeitraum, um 180 °C zu erreichen, durch den Betrieb des Wärmeerzeugungssystems verkürzt wurde. Das heißt, es wurde bestätigt, dass die gleiche Wirkung erhalten wurde, selbst wenn der Feststoff für exotherme Reaktion von Calciumoxid (CaO) zu Strontiumoxid (SrO) geändert wurde. In der obigen Tabelle 1 ist eine Zusammenfassung (1) der Abgasreinigungsvorrichtung, (2) des mit CaO beladenen Si/SiC-basierten porösen Körpers, (3) der Bedingungen des experimentellen Verfahrens und (4) der experimentellen Ergebnisse gezeigt.
  • Das Beispiel 5 und das Vergleichsbeispiel 5
  • Die Abgasreinigungsvorrichtung (siehe Fig. 10)
  • Eine mit einem Katalysator beladene Wabenstruktur, in der eine aus Cordierit hergestellte (aus Cd hergestellte) Wabenstruktur mit einem Wabendurchmesser von 110 mm und einer Wabenlänge von 100 mm mit einem Dreiwegekatalysator beladen ist, wurde über ein wärmeleitfähiges Abstandshalterelement in einen Metallhülsenkörper eingehülst. Zu diesem Zeitpunkt wurde eine Struktur gebildet, so dass 50 % der Gesamtlänge des Abstandshalterelements aus einem Metallgeflecht hergestellt waren, um die Wärmeleitfähigkeit zwischen der mit einem Katalysator beladen Wabenstruktur und dem Hülsenkörper zu verbessern (Abdeckung: 50 %). Weiterhin wurde ein Heizelement mit einem Reaktionsbehälter mit einer doppelten Röhrenstruktur um den Hülsenkörper installiert. Ein Si/SiCbasierter poröser Körper, der mit Magnesiumoxid (MgO) als ein exothermer Feststoff beladen ist, (der im Folgenden als ein „mit MgO beladener Si/SiC-basierter poröser Körper“ bezeichnet wird) wurde in einem Lagerraum in einem Reaktionsbehälter gelagert. Hier war das Volumenverhältnis des porösen Körpers und des Feststoffs für exotherme Reaktion auf 1:1 gesetzt, wobei die Gesamtporosität auf 20 % gesetzt war.
  • Das Herstellungsverfahren des mit MgO beladenen Si/SiCbasierten porösen Körpers
  • Es wurde ein ringförmiger Si/SiC-basierter poröser Körper mit einer Dicke von 8,5 mm, einer Länge von 90 mm und einer Porosität von 65 % mit einer breiartigen wässrigen Magnesiumcarbonatlösung imprägniert, die durch das Hinzufügen von Wasser zu einem Magnesiumcarbonatpulver (MgCO3-Pulver) erhalten wurde, wobei dann eine Wärmebehandlung während 1 Stunde bei einer Erwärmungstemperatur von 1300 °C ausgeführt wurde. Dadurch wurde das Magnesiumcarbonat in Magnesiumoxid geändert, um einen mit MgO beladenen Si/SiCbasierten porösen Körper zu erhalten.
  • Das experimentelle Verfahren
  • Die Abgasreinigungsvorrichtung mit der obigen Konfiguration (siehe 8) wurde im Abgassystem einer 2000-cm3-Dieselkraftmaschine angebracht, wobei ein Warmlaufbetrieb unter den Bedingungen einer Drehzahl von 2000 min-1 und eines Antriebsdrehmoments von 5 Nm ausgeführt wurde.
  • Parallel zu dem Warmlaufbetrieb war ein Einspritzventil einer Einspritzeinheit eines Wärmeerzeugungssystems geschlossen, wohingegen ein Ableitungsventil einer Ableitungseinheit geöffnet war, wobei eine Ableitungspumpe während 5 Minuten betrieben wurde, um das verbleibende Gas in dem Lagerraum des Reaktionsbehälters abzuleiten. Danach wurde das Ableitungsventil geschlossen, um den Lagerraum des Reaktionsbehälters abzudichten. Danach wurde die Kraftmaschine gestoppt und ihr erlaubt, bis zur Zimmertemperatur abzukühlen. Als Nächstes wurde ein Anfahrbetrieb der Kraftmaschine ausgeführt, wobei die Temperatur an einer Mittelposition der mit einem Katalysator beladenen Wabenstruktur durch ein Thermoelement gemessen wurde.
  • Zu diesem Zeitpunkt war das Einspritzventil der Einspritzeinheit 15 s vor dem Kraftmaschinenstart geöffnet, wobei eine Flüssigkeit (Wasser) in den Lagerraum des Reaktionsbehälters eingespritzt wurde. Der Zeitraum, nachdem die Kraftmaschine gestartet worden war, bis die Temperatur der Mittelposition der mit einem Katalysator beladenen Wabenstruktur 180 °C erreicht hatte, wurde gemessen. Ein Fall, in dem das Wärmeerzeugungssystem gemäß den obigen Bedingungen betrieben wurde, wird als das Beispiel 5 bezeichnet, während ein Fall, in dem das Wärmeerzeugungssystem nicht betrieben wurde, als das Vergleichsbeispiel 5 bezeichnet wird.
  • Die experimentellen Ergebnisse
  • Im Vergleich des Beispiels 5 und des Vergleichsbeispiels 5 betrug der Zeitraum, um 180 °C zu erreichen, des Vergleichsbeispiels 5 20 s, wohingegen der Zeitraum, um 180 °C zu erreichen, des Beispiels 5, in dem das Wärmeerzeugungssystem betrieben wurde, 16 s betrug, wobei folglich bestätigt wurde, dass der Zeitraum, um 180 °C zu erreichen, durch den Betrieb des Wärmeerzeugungssystems verkürzt wurde. Das heißt, es wurde bestätigt, dass die gleiche Wirkung erhalten wurde, selbst wenn der Feststoff für exotherme Reaktion von Calciumoxid (CaO) des Beispiels 3 oder von Strontiumoxid (SrO) des Beispiels 4 zu Magnesiumoxid (MgO) geändert wurde. In der obigen Tabelle 1 ist eine Zusammenfassung (1) der Abgasreinigungsvorrichtung, (2) des mit CaO beladenen Si/SiC-basierten porösen Körpers, (3) der Bedingungen des experimentellen Verfahrens und (4) der experimentellen Ergebnisse gezeigt.
  • Wie oben beschrieben worden ist, wird gemäß dem Wärmeerzeugungssystem, der Abgasreinigungsvorrichtung und dem Verfahren zum Regenerieren einer Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung durch den Kontakt zwischen einer Flüssigkeit, wie z. B. Wasser, und einem Feststoff für exotherme Reaktion, wie z. B. Calciumoxid, eine exothermen Reaktion erzeugt, wobei die so erhaltene Reaktionswärme verwendet werden kann, um ein Fluid, wie z. B. Dieselkraftstoff, oder die Wabenstruktur selbst zu erwärmen. Dadurch ist es möglich, den Zeitraum zu verkürzen, bis die Wabenstruktur, die die Regenerationsbehandlung und dergleichen ausführt, und die mit einem Katalysator beladene Wabenstruktur, die die Reinigungsbehandlung und dergleichen ausführt, sich erwärmen, wobei es möglich ist, unmittelbar nach dem Beginn der Regenerationsbehandlung und der Reinigungsbehandlung eine stabile Wirkung zu zeigen. Im Ergebnis können der Regenerationswirkungsgrad und der Reinigungswirkungsgrad verbessert werden.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Das Wärmeerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden, um ein Fluid in einer Abgasreinigungsvorrichtung unter Verwendung eines DPF oder dergleichen zu erwärmen, wobei die Abgasreinigungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung in einem Kraftfahrzeug oder dergleichen, das mit einer Dieselkraftmaschine oder dergleichen ausgerüstet ist, installiert werden kann. Weiterhin kann das Verfahren zum Regenerieren einer Wabenstruktur für die Regenerationsbehandlung einer Wabenstruktur in einem Kraftfahrzeug oder dergleichen, das mit einer Dieselkraftmaschine oder einer Benzinkraftmaschine ausgerüstet ist, verwendet werden.
  • Bezugszeichenliste
  • 1, 20, 30, 40, 50: Wärmeerzeugungssystem, 2: Flüssigkeitslagertank, 3, 31: Heizelement, 4: Flüssigkeitseinspritzmechanismuselement, 5: Ableitungsmechanismuselement, 7: Flüssigkeit (Wasser), 8: Flüssigkeitslagerraum, 9, 34: Lagerraum, 10, 32, Reaktionsbehälter, 11, 35: poröser Körper, 12: flüssiges Produkt, 13: verdampftes Material, 14: Feststoff für exotherme Reaktion, 15: Flüssigkeitsströmungsrohr, 16: Einspritzventil (Einspritzeinheit), 17: Ableitungsrohr, 18: Ableitungsventil (Ableitungseinheit), 19: Ableitungspumpe (Ableitungseinheit), 21: Verflüssigungseinheit, 33a: innerer zylindrischer Abschnitt, 33b: äußerer zylindrischer Abschnitt, 36a: innere Umfangsfläche, 36b: äußere Umfangsfläche, 41, 51: Wabenwärmetauscheinheit (Wärmetauscheinheit), 60, 70, 80: Abgasreinigungsvorrichtung, 61a: eine Stirnfläche, 61b: die andere Stirnfläche, 62: Wabenstruktur, 63: Strukturaufnahmeraum, 64: Hülsenkörper, 65, 67: Abstandshalterelement, 66: Hülsenkörper-Außenhüllenabschnitt, 66a: Außenfläche des Außenhüllenabschnitts, 81: mit einem Katalysator beladene Wabenstruktur und F, F': Fluid.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 4111439 B2 [0002]
    • JP 4227347 B2 [0002]

Claims (16)

  1. Wärmeerzeugungssystem, das Folgendes umfasst: einen Flüssigkeitslagertank, der konfiguriert ist, um eine Flüssigkeit zu lagern; ein Heizelement, das enthält: einen Reaktionsbehälter, der einen Lagerraum innerhalb des Behälters aufweist, und einen porösen Körper, der in dem Lagerraum gelagert ist und mit einem Feststoff für exotherme Reaktion beladen ist, der eine exotherme Reaktion verursacht, wenn er sich mit der Flüssigkeit in Kontakt befindet; ein Flüssigkeitseinspritzmechanismuselement, das enthält: ein Flüssigkeitsströmungsrohr, das zwischen dem Flüssigkeitslagertank und dem Lagerraum des Reaktionsbehälters verbindet, durch das die Flüssigkeit strömt, und eine Einspritzeinheit, die die Flüssigkeit in dem Flüssigkeitslagertank in den Lagerraum einspritzt; und ein Ableitungsmechanismuselement, das enthält: ein Ableitungsrohr, das mit dem Lagerraum des Reaktionsbehälters in Verbindung steht, und eine Ableitungseinheit, die ein durch die exotherme Reaktion, die durch den Kontakt zwischen der Flüssigkeit und dem Feststoff für exotherme Reaktion verursacht wird, erzeugtes flüssiges Produkt und ein verdampftes Material der Flüssigkeit von dem Lagerraum durch das Ableitungsrohr ableitet.
  2. Wärmeerzeugungssystem nach Anspruch 1, das ferner umfasst: eine Verflüssigungseinheit, die das abgeleitete verdampfte Material kühlt, um einen Phasenübergang zu der Flüssigkeit zu verursachen; und eine Flüssigkeitsrückgewinnungseinheit, die die verflüssigte Flüssigkeit in dem Flüssigkeitslagertank zurückgewinnt.
  3. Wärmeerzeugungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Reaktionsbehälter aus einer doppelten Röhrenstruktur besteht, die aufweist: einen inneren zylindrischen Abschnitt und einen äußeren zylindrischen Abschnitt, der auf der Außenseite des inneren zylindrischen Abschnitts separat vorgesehen ist, und der Lagerraum zwischen dem inneren zylindrischen Abschnitt und dem äußeren zylindrischen Abschnitt vorgesehen ist.
  4. Wärmeerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Feststoff für exotherme Reaktion ein Erdalkalimetallelementoxid oder eine Mischung aus mehreren Erdalkalimetallelementoxiden ist.
  5. Wärmeerzeugungssystem nach Anspruch 4, wobei das Erdalkalimetallelementoxid ein Calciumoxid ist und die Flüssigkeit Wasser ist.
  6. Wärmeerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der poröse Körper aus einem Keramikmaterial hergestellt ist, das Silicium und Siliciumcarbid als die Hauptkomponenten enthält.
  7. Wärmeerzeugungssystem nach Anspruch 3, das ferner eine Wärmetauscheinheit umfasst, die wenigstens teilweise gegen eine innere Umfangsfläche des inneren zylindrischen Abschnitts des Reaktionsbehälters anstößt und konfiguriert ist, um die durch die exotherme Reaktion erzeugte Reaktionswärme zur Außenseite des Heizelements zu übertragen.
  8. Wärmeerzeugungssystem nach Anspruch 7, wobei die Wärmetauscheinheit eine Wabenwärmetauscheinheit ist, die Trennwände aufweist, die mehrere Zellen definieren, wobei sich die mehreren Zellen von einer Stirnfläche bis zu der anderen Stirnfläche erstrecken, um einen Strömungsweg des Fluids zu bilden.
  9. Abgasreinigungsvorrichtung, die das Wärmeerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist, wobei die Abgasreinigungsvorrichtung umfasst: eine Wabenstruktur, die Trennwände aufweist, die mehrere Zellen definieren, wobei sich die mehreren Zellen von einer Stirnfläche bis zu der anderen Stirnfläche erstrecken, um einen Strömungsweg eines Fluids zu bilden; einen Metallhülsenkörper, der einen Strukturaufnahmeraum aufweist, der die Wabenstruktur in dem Strukturaufnahmeraum aufnehmen kann; und das Wärmeerzeugungssystem, in dem das Heizelement an einer stromaufwärts gelegenen Position des Strukturaufnahmeraums der einen Stirnfläche zugewandt angeordnet ist, wobei die Abgasreinigungsvorrichtung eine Regenerationsfunktion des Einleitens des durch das Heizelement erwärmten Fluids von der einen Stirnfläche in die Wabenstruktur und des Entfernens der innerhalb der Struktur abgelagerten Schwebstoffe durch das Fluid aufweist.
  10. Abgasreinigungsvorrichtung, die das Wärmeerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist, wobei die Abgasreinigungsvorrichtung umfasst: eine Wabenstruktur, die Trennwände aufweist, die mehrere Zellen definieren, wobei sich die mehreren Zellen von einer Stirnfläche bis zu der anderen Stirnfläche erstrecken, um einen Strömungsweg eines Fluids zu bilden; einen Metallhülsenkörper, der einen Strukturaufnahmeraum aufweist, der die Wabenstruktur in den Strukturaufnahmeraum aufnehmen kann; und das Wärmeerzeugungssystem, in dem das Heizelement so angeordnet ist, dass das Heizelement wenigstens teilweise gegen eine Außenfläche eines Außenhüllenabschnitts eines Hülsenkörper-Außenhüllenabschnitts des Hülsenkörpers anstößt oder teilweise in den Hülsenkörper-Außenhüllenabschnitt eingebettet ist, wobei die Abgasreinigungsvorrichtung eine Regenerationsfunktion des Einleitens des Fluids von der einen Stirnfläche der durch das Heizelement erwärmten Wabenstruktur durch den Hülsenkörper in die Wabenstruktur und des Entfernens der innerhalb der Struktur abgelagerten Schwebstoffe durch das Fluid aufweist.
  11. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Wabenstruktur eine abgedichtete Wabenstruktur ist, die mehrere Abdichtabschnitte enthält, in denen die offenen Enden der Zellen in der einen Stirnfläche und/oder der anderen Stirnfläche in Übereinstimmung mit einem vorgegebenen Anordnungsstandard abgedichtet sind.
  12. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Wabenstruktur mit wenigstens einem Katalysator eines selektiven Reduktionskatalysators, eines Dreiwegekatalysators und eines Dreiwegekatalysators des NOx-Lagertyps auf der Oberfläche der Trennwand und/oder innerhalb der Trennwand beladen ist.
  13. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 10, die ferner eine Wärmeleitungseinheit umfasst, die zwischen der Wabenstruktur und dem Hülsenkörper angeordnet ist und die aus einem wärmeleitfähigen Material ausgebildet ist, das die durch das in dem Hülsenkörper-Außenhüllenabschnitt vorgesehene Heizelement erzeugte Reaktionswärme zu der Wabenstruktur überträgt.
  14. Verfahren zum Regenerieren einer Wabenstruktur, die die Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13 aufweist, wobei das Verfahren umfasst: einen Fluideinleitungsschritt des Einleitens eines Fluids von der einen Stirnfläche in die Wabenstruktur; einen Fluiderwärmungsschritt des Erwärmens des Fluids, bevor es in die Wabenstruktur eingeleitet wird, unter Verwendung des Wärmeerzeugungssystems der Abgasreinigungsvorrichtung; und einen Regenerationsbehandlungsschritt des Entfernens der innerhalb der Struktur abgelagerten Schwebstoffe durch das erwärmte Fluid, um die Wabenstruktur zu regenerieren.
  15. Verfahren zum Regenerieren einer Wabenstruktur, die die Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13 aufweist, wobei das Verfahren umfasst: einen Fluideinleitungsschritt des Einleitens eines Fluids von der einen Stirnfläche in die in einem Metallhülsenkörper aufgenommene Wabenstruktur; einen Wabenstrukturerwärmungsschritt des Erwärmens der Wabenstruktur durch den Hülsenkörper unter Verwendung des Wärmeerzeugungssystems der Abgasreinigungsvorrichtung; und einen Regenerationsbehandlungsschritt des Entfernens der innerhalb der Struktur abgelagerten Schwebstoffe durch die erwärmte Wabenstruktur und das Fluid, um die Wabenstruktur zu regenerieren.
  16. Verfahren zum Regenerieren einer Wabenstruktur nach Anspruch 14 oder 15, wobei das Erwärmen des Fluids oder der Wabenstruktur durch das Wärmeerzeugungssystem gleichzeitig mit dem Beginn der Einleitung des Fluids in die Struktur oder vor dem Beginn der Einleitung begonnen wird.
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