JP2017133698A - 化学蓄熱装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】反応媒体の移動系の異常や加熱器の異常を早期に検知できる化学蓄熱装置を提供することを課題とする。【解決手段】加熱対象物を加熱する化学蓄熱装置10であって、反応媒体と化学反応して熱を発生させる蓄熱材11aを有する加熱器11と、反応媒体を貯蔵する貯蔵器12と、加熱器11と貯蔵器12とを接続する接続管13と、接続管13に設けられる開閉弁14と、開閉弁14の開閉を制御する制御部15と、加熱時における加熱器11の発生熱量に関する値を取得する取得部15と、貯蔵器12から加熱器11に供給可能な反応媒体の量から加熱器11の発生熱量に関する値を推定する推定部15とを備え、制御部15は、反応媒体を加熱器11に供給するために開閉弁14の開制御を行った場合に、取得部15で取得した発生熱量に関する値と推定部15で推定した発生熱量に関する値との差が閾値以上の場合に異常と判定する。【選択図】図1
Description
本発明は、化学蓄熱装置に関する。
車両等の排気系には、エンジンから排出される排気ガスに含まれる環境汚染物質(HC、CO、NOx等)を浄化するために、酸化触媒やNOx触媒等、種々の排気浄化触媒が設けられている。これらの排気浄化触媒は、活性温度以上で高い浄化能力を発揮するため、例えば、エンジン冷間始動時等の触媒の温度が低い時には、これを早期に活性温度以上に昇温させる必要がある。そこで、エンジン冷間始動時等に触媒を暖機して早期に活性温度以上に昇温させるための加熱装置を排気系に設けることが考えられている。この種の加熱装置としては、エネルギロス(燃費ロス)を低減しつつ触媒の暖機を行うことが可能な、反応媒体と蓄熱材との化学反応の熱を利用する化学蓄熱装置が知られている。例えば、特許文献1には、車両排気系に設けられた、加熱対象物としての触媒を暖機する化学蓄熱装置であって、触媒の外周部に設けられた反応材料(蓄熱材)を有する反応器(加熱器)と反応媒体としてのアンモニアを貯蔵する貯蔵器とが管路を介して接続され、この管路に開閉弁が設けられることが開示されている。
加熱器でアンモニアを蓄熱材と反応させて加熱対象物を加熱する暖機を行う場合又は貯蔵器で蓄熱材から脱離したアンモニアの回収を行う場合、所望の量のアンモニアを加熱器と貯蔵器との間で移動させる。このとき、管路に設けられた開閉弁は開制御され、管路を介したアンモニアの移動が可能となっている。しかしながら、例えば、開閉弁の故障や管路の詰まり等のアンモニアの移動経路(移動系)における異常が発生すると、加熱器と貯蔵器との間におけるアンモニアの移動が阻害される。また、加熱器の破損によるアンモニアの漏れや蓄熱材の劣化等の加熱器における異常が発生すると、加熱器での反応性が低下する。このような場合、意図したとおりの暖機やアンモニアの回収ができなくなる。
そこで、本技術分野においては、反応媒体の移動系の異常や加熱器の異常を早期に検知できる化学蓄熱装置が要請されている。
本発明の一側面に係る化学蓄熱装置は、加熱対象物を加熱する化学蓄熱装置であって、反応媒体と化学反応して熱を発生させる蓄熱材を有し、加熱対象物を加熱する加熱器と、反応媒体を貯蔵する貯蔵器と、加熱器と貯蔵器とを接続し、反応媒体が流れる接続管と、接続管に設けられる開閉弁と、開閉弁の開閉を制御する制御部と、加熱対象物の加熱時における加熱器の発生熱量に関する値を取得する取得部と、貯蔵器から加熱器に供給可能な反応媒体の量から加熱器の発生熱量に関する値を推定する推定部とを備え、制御部は、反応媒体を貯蔵器から加熱器に供給するために開閉弁の開制御を行った場合に、取得部で取得した発生熱量に関する値と推定部で推定した発生熱量に関する値との差が閾値以上の場合に異常と判定する判定処理を行う。
この化学蓄熱装置では、取得部によって加熱器の実際の発生熱量に関する値を取得するとともに、推定部によって加熱器に供給可能な反応媒体の量から加熱器の発生熱量に関する値を推定する。反応媒体の移動系の異常で反応媒体が加熱器まで移動できない場合あるいは加熱器の異常で加熱器での反応性が低下している場合、供給可能な反応媒体の量から推定される加熱器の発生熱量に比べて、加熱器での実際の発生熱量が少なくなる。この場合、加熱器や加熱対象物等の温度上昇は少ない。一方、反応媒体が加熱器まで移動でき、加熱器での反応性も低下していない場合、推定の発生熱量と実際の発生熱量とは略同じになる。この場合、その実際の発生熱量に応じて加熱器や加熱対象物等の温度が上昇する。したがって、化学蓄熱装置では、実際の発生熱量に関する値と推定の発生熱量に関する値との差が閾値以上の場合に異常と判定することにより、反応媒体の移動系の異常や加熱器の異常を早期に検知できる。
一実施形態の化学蓄熱装置では、発生熱量に関する値は、発生熱量に応じて上昇する加熱器の上昇温度、発生熱量に応じて上昇する加熱対象物の上昇温度、発生熱量に応じて上昇する加熱対象物の内部を流れる流体の上昇温度のうちのいずれかの上昇温度である。なお、発生熱量に関する値は、加熱器の発生熱量自体でもよい。
一実施形態の化学蓄熱装置では、化学蓄熱装置は、エンジンを駆動源とする車両に搭載され、当該車両の排気系における加熱対象物を加熱し、加熱器の下流側の排気ガスの温度を検出する下流側温度検出部を備え、取得部は、下流側温度検出部で検出した下流側の排気ガスの温度から上昇温度を取得する。さらに、一実施形態の化学蓄熱装置では、加熱器の上流側の排気ガスの温度を検出する上流側温度検出部を備え、取得部は、下流側温度検出部で検出した下流側の排気ガスの温度から上流側温度検出部で検出した上流側の排気ガスの温度を減算した温度差から上昇温度を取得する。
この化学蓄熱装置では、下流側温度検出部で検出した加熱器の下流側の排気ガスの温度だけを用いることにより、簡易な構成で加熱器等の上昇温度を取得することができる。さらに、化学蓄熱装置では、下流側温度検出部で検出した加熱器の下流側の排気ガスの温度に加えて上流側温度検出部で検出した加熱器の上流側の排気ガスの温度を用いることにより、加熱器等の上昇温度を精度良く取得することができる。
一実施形態の化学蓄熱装置では、制御部は、エンジンの始動時に開閉弁の開制御を行った場合に判定処理を行う。エンジンの始動前は、排気ガスの温度が低く、加熱器の温度も低い。また、エンジンの始動前は、貯蔵器に多くの量の反応媒体が貯蔵されており、加熱器に多くの量の反応媒体を供給でき、加熱器で発生する熱量が多くなる。そのため、エンジン始動時には、加熱器の発生熱量に関する値を用いた判定を精度良く行うことができる。
一実施形態の化学蓄熱装置では、推定部は、貯蔵器に貯蔵された反応媒体の貯蔵量を取得し、当該反応媒体の貯蔵量から加熱器に供給可能な反応媒体の量を取得し、当該供給可能な反応媒体の量から加熱器の発生熱量に関する値を推定する。このように、簡単に加熱器の発生熱量に関する値を推定できる。
一実施形態の化学蓄熱装置では、貯蔵器の温度を検出する貯蔵器温度検出部と、貯蔵器の圧力を検出する貯蔵器圧力検出部とを備え、推定部は、貯蔵器温度検出部で検出した温度と貯蔵器圧力検出部で検出した圧力を用いて反応媒体の貯蔵量を取得する。このように、貯蔵器の温度と圧力から簡単に貯蔵器に貯蔵されている反応媒体の貯蔵量を取得できる。
本発明によれば、反応媒体の移動系の異常や加熱器の異常を早期に検知できる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る化学蓄熱装置を説明する。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。
一実施形態に係る化学蓄熱装置は、車両のエンジンの排気系に設けられる排気ガス浄化システムに備えられる化学蓄熱装置に適用する。一実施形態に係る排気ガス浄化システムは、エンジン(特に、ディーゼルエンジン)から排出される排気ガス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り、触媒のDOC[Diesel Oxidation Catalyst]、SCR[SelectiveCatalytic Reduction]とASC[Ammonia Slip Catalyst]及びフィルタのDPF[Diesel Particulate Filter]を備えている。また、一実施形態に係る排気ガス浄化システムは、暖機用の化学蓄熱装置も備えており、化学蓄熱装置がエンジンとDOCとの間に配置される熱交換器に設けられる。
図1を参照して、一実施形態に係る排気ガス浄化システム1の全体構成について説明する。図1は、一実施形態に係る排気ガス浄化システム1の概略構成図である。
排気ガス浄化システム1は、エンジン2の排気側に接続された排気管3の上流側から下流側に向けて、熱交換器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)7、アンモニアスリップ触媒(ASC)8を備えている。これら熱交換器4、DOC5、DPF6、SCR7、ASC8が配設される各部分は、配設されない部分の排気管3の径よりも大きくなっている。排気管3及び熱交換器4、DOC5、DPF6、SCR7、ASC8の各内部にはエンジン2から排出される排気ガスが流れ、排気ガスの流れる方向によって上流側や下流側が規定される。
熱交換器4は、エンジン2から排出された排気ガスと後述するヒータ11との間で熱の交換(伝達)を行う機器である。熱交換器4は、高熱伝導性を有する金属材料で形成され、外筒の内部がハニカム構造となっている。なお、熱交換器4はハニカム構造に限らず、周知の熱交換構造を適用可能である。
DOC5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。DPF6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。SCR7は、インジェクタ7a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。ASC8は、SCR7をすり抜けて下流側に流れたアンモニアを酸化する触媒である。
各触媒5,7,8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。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比較的低温であり、その活性温度より低い場合がある。そこで、エンジン2の始動直後などでも、各触媒5,7,8で浄化能力を発揮させるために、各触媒5,7,8での温度を迅速に活性温度にする必要がある。そのために、排気ガス浄化システム1は、最上流の熱交換器4(内部を流れる排気ガス)を加熱し、触媒の暖機を行う化学蓄熱装置10を備えている。
化学蓄熱装置10は、外部エネルギレスで触媒などの加熱対象物を暖機する化学蓄熱装置である。具体的には、化学蓄熱装置10は、加熱対象物からの熱を蓄熱して蓄熱材から脱離する反応媒体を蓄えておき、その蓄えられた反応媒体を必要なときに蓄熱材に供給することで蓄熱材と反応媒体とを化学反応させ、化学反応時の反応熱(放熱)を利用して加熱対象物を暖めるものである。即ち、化学蓄熱装置10は、可逆的な化学反応を利用して、加熱対象物からの熱を蓄えるとともに、加熱対象物に熱を供給するものであるといえる。この実施形態では、化学蓄熱装置10は、最も上流に位置する触媒であるDOC5より上流側に配置した熱交換器4を加熱する。熱交換器4の内部には排気ガスが流れており、排気ガスとの間で熱交換をする構成となっている。したがって、排気ガスの流れる配管の最も上流側(エンジン2に近い側)に化学蓄熱装置10を配置することによって、エンジン2の始動時等における温度がさほど高くない状態の排気ガスを、熱交換器4の下流に配置された触媒(DOC5,SCR7、ASC8)へ到達する前に迅速に昇温できる。なお、この実施形態では、熱交換器4が特許請求の範囲に記載の加熱対象物に相当する。
化学蓄熱装置10は、ヒータ11、ストレージ12、接続管13、バルブ14等を備えており、コントローラ15によって制御される。なお、この実施形態では、ヒータ11が特許請求の範囲に記載の加熱器に相当し、ストレージ12が特許請求の範囲に記載の貯蔵器に相当し、接続管13が特許請求の範囲に記載の接続管に相当し、バルブ14が特許請求の範囲に記載の開閉弁に相当し、コントローラ15が特許請求の範囲に記載の制御部に相当する。
ヒータ11は、熱交換器4の外周部の全周に設けられ、断面形状が熱交換器4を囲む環状である。ヒータ11は、反応媒体(アンモニア)との化学反応により発熱する蓄熱材11aを有しており、この蓄熱材11aがケーシングに収納されている。ここでは、反応媒体としてアンモニアを用いている。ヒータ11では、アンモニアが供給されるとアンモニアと蓄熱材11aとが化学反応(化学吸着または配位結合)し、熱を発生させる。また、ヒータ11では、排気ガスの排熱を受けて蓄熱材11aが所定温度以上になると蓄熱材11aとアンモニアとが分離(脱離)して、アンモニアを放出し、アンモニアの回収が可能となる。この所定温度は、ヒータ11で用いられる蓄熱材11aと反応媒体との組み合わせなどによって決まる。
蓄熱材11aは、熱交換器4の外筒の外周面の全周に接するように配設される。蓄熱材11aとしては、反応媒体であるアンモニアと化学反応して発熱し、熱交換器4を通過する排気ガスを触媒(DOC5等)の活性温度以上に昇温できる材料を用いる。アンモニアと反応した後の蓄熱材11aは、熱交換器4を流れる高温の排気ガスからの熱を蓄熱すると、アンモニアを脱離する。この蓄熱材11aの材料としては、ハロゲン化合物のMXaの組成を持つ材料であり、M=Mg、Ca、Srなどのアルカリ土類金属、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Znなどの遷移金属であり、XがCl、Br、Iなどであり、a=2、3である。なお、蓄熱材11aには、熱伝導性を向上させる添加物を混合してもよい。添加物としては、例えば、カーボンファイバ、カーボンビーズ、SiCビーズ、Cu、Ag、Ni、Ci−Cr、Al、Fe、ステンレスなどの金属ビーズ、高分子ビーズ、高分子ファイバである。ケーシングは、ヒータ11の外周側の全面及びヒータ11の上流端部と下流端部の全面を覆うように配設され、熱交換器4の外筒の外周面との間で密閉された空間を形成し、その中に蓄熱材11aを封入している。このように、蓄熱材11a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。なお、蓄熱材11aとケーシングとの間に断熱材を設けてもよいし、グラファイトシート、アルミニウムなどの金属シートなどで形成された熱伝導シートを設けてもよい。
図2を参照して、ヒータ11におけるアンモニア供給量、発生熱量、上昇温度の関係について説明する。図2は、ヒータ11におけるアンモニア供給量と発生熱量との関係を示すグラフであり、横軸がヒータ11に供給されるアンモニア供給量であり、縦軸がヒータ11で発生する熱量である。ストレージ12からヒータ11にアンモニアが供給されると、アンモニアの供給量に対応する量の蓄熱材11aがアンモニアと化学反応し、熱を発生させる。したがって、図2に示すように、ヒータ11へのアンモニア供給量が増加するとヒータ11での発生熱量が線形に増加する。したがって、この線形のグラフAを参照して、ヒータ11へのアンモニアの供給量から発生熱量を求めることができる。ヒータ11では、この発生熱量が増加するほど温度が上昇する。この発生熱量に応じたヒータ11で上昇する温度は、所定の換算式で求めることができる。この所定の換算式は、ヒータ11の熱容量などに基づいて得られる。
ストレージ12は、反応媒体であるアンモニアを保持(吸着)及び分離(放出)が可能な吸着材12aが内蔵されている。吸着材12aとしては、例えば、物理吸着によるアンモニアの貯蔵が可能な活性炭が用いられる。ストレージ12では、アンモニアを吸着材12aから分離させてヒータ11に供給するとともに、暖機終了後には排気ガスの排熱を受けて蓄熱材11aより脱離したアンモニアを吸着材12aに物理吸着させることで再び回収する。なお、吸着材12aとしては、活性炭に限られず、例えば、メソポーラスシリカ、メソポーラスカーボンやメソポーラスアルミナ等のメソ孔を有するメソポーラス材、または、ゼオライト、シリカゲルを用いてもよい。
図3を参照して、ストレージ12のおける温度、圧力、アンモニア吸着量(ストレージ12で貯蔵されているアンモニアの貯蔵量)の関係について説明する。図3(a)は、ストレージ12内の温度−アンモニア飽和蒸気圧の関係を示すグラフであり、横軸が温度(℃)であり、縦軸がアンモニア飽和蒸気圧(kPa)である。図3(b)は、ストレージ12内の相対圧力(=ストレージ12内の圧力/アンモニア飽和蒸気圧)−アンモニア吸着量の関係を示すグラフであり、横軸が相対圧力であり、縦軸がアンモニア吸着量(g)である。
ストレージ12内の温度とアンモニア飽和蒸気圧とは、図3(a)に示すように、温度が高くなるとアンモニア飽和蒸気圧が高くなるアンモニア飽和蒸気圧曲線C1で示す関係がある。したがって、このアンモニア飽和蒸気圧曲線C1を参照して、ストレージ12内の温度からストレージ12内のアンモニア飽和蒸気圧を求めることができる。また、ストレージ12内の相対圧力とアンモニア吸着量とは、図3(b)に示すように、相対圧力が高くなるとアンモニア吸着量(アンモニアの貯蔵量)が増加するアンモニア吸着量曲線C2で示す関係がある。したがって、このアンモニア吸着量曲線C2を参照して、相対圧力からストレージ12内のアンモニア吸着量を求めることができる。この2つの関係から、ストレージ12内の温度と圧力を取得できると、ストレージ12内の温度からアンモニア飽和蒸気圧を求め、このアンモニア飽和蒸気圧とストレージ12内の圧力から相対圧力を算出し、この相対圧力からアンモニア吸着量を求めることができる。
このように、ストレージ12内の温度と圧力から、ストレージ12に貯蔵されているアンモニア吸着量(アンモニア貯蔵量)を推定できる。暖機時には、このストレージ12のアンモニアの貯蔵量から、暖機時においてストレージ12及びヒータ11の圧力を所定圧に保つためにストレージ12に残存している残存量を減算した量のアンモニアをヒータ11に供給可能である。したがって、ストレージ12のアンモニア貯蔵量から、ヒータ11に供給可能なアンモニアの量を求めることができる。
接続管13は、ヒータ11とストレージ12とを接続する管であり、ヒータ11とストレージ12との間で反応媒体(アンモニア)が流れる流路となる。バルブ14は、接続管13の途中に配設され、ヒータ11とストレージ12との間のアンモニアの流路を開閉するバルブである。バルブ14が開かれると、接続管13を介してヒータ11とストレージ12との間でアンモニアの移動が可能となる。バルブ14の開閉制御は、コントローラ15で行われる。バルブ14は、電磁式のノーマリクローズのバルブであり、電流を流したときに開く。なお、バルブ14は、電磁式以外のバルブでもよい。
図4を参照して、この接続管13及びバルブ14によるヒータ11とストレージ12との間のアンモニアの移動(特に、暖機時)について説明する。図4は、化学蓄熱装置10の暖機時にバルブを開いた後の動作を示す概念図である。なお、図4において、ヒータ11の蓄熱材11a内に存在するNH3は蓄熱材11aに化学吸着されたアンモニアを示しており、ストレージ12の吸着材12a内に存在するNH3は吸着材12aに物理吸着されたアンモニアを示している。
図2に示すヒータ11内のアンモニアA11は、蓄熱材11aに化学吸着されていない気相のアンモニアを示す。これは、例えば、蓄熱材11aの昇温にともなって蓄熱材11aから脱離したアンモニアや、ストレージ12に回収されずに残留した残留アンモニアなどである。このアンモニアA11の量に応じて、ヒータ11内の圧力が変わる。また、ストレージ12内には、吸着材12aに物理吸着されたアンモニア以外にも、吸着材12aに吸着されていないアンモニアA12(気体)が存在する。これら吸着材12aに吸着されたアンモニア及び吸着されていないアンモニアA12の量に応じて、ストレージ12内の圧力が変わる。
加熱対象物の暖機前は、ストレージ12内にアンモニアが貯蔵されているので、ストレージ12の圧力がヒータ11内の圧力よりも高くなっている。この状態でバルブ14を開制御すると、移動系が正常状態にある時には、接続管13に設けられたバルブ14が開かれて、ストレージ12とヒータ11との圧力差により、図4に示すように、アンモニア(気体)がストレージ12からヒータ11へ接続管13を介して移動する。そして、ヒータ11では、蓄熱材11aとアンモニアとが化学反応して熱を発生し、その発生した熱量に応じて温度が上昇する。この暖機時等にバルブ14が開かれると、短時間後に接続管13で接続されたヒータ11とストレージ12との間で圧力が平衡状態になり、ヒータ11内の圧力とストレージ12内の圧力とが同じ圧力(平衡吸着圧)になる。この平衡状態になるまでの時間は、アンモニアの拡散速度及び接続管13の長さや管径等により異なる。
しかし、接続管13とバルブ14からなるアンモニアの移動系に異常が発生すると、接続管13を介したヒータ11とストレージ12との間でのアンモニアの移動が、正常状態と同じように行われない場合がある。この場合、バルブ14の開制御が開始されてから所定時間が経過しても、ストレージ12に貯蔵されているアンモニアがヒータ11へ移動しない。そのため、ヒータ11では、蓄熱材11aとアンモニアとの化学反応が行われず、熱を発生しない。その結果、ヒータ11の温度が上昇せず、加熱対象物や排気ガスの温度も上昇しない。アンモニアの移動系の異常としては、例えば、経年劣化等による機械的故障又は電気的故障でバルブ14が開かない場合、蓄熱材11aの一部が欠落したものが接続管13内に詰まった場合、接続管13の一部が破損した場合などがある。
アンモニアの移動系に異常がない場合でも、ヒータ11に異常があると、ヒータ11での化学反応の反応性が低下する場合がある。この場合、供給可能な量のアンモニアがヒータ11に移動しても、ヒータ11では、反応性が正常な場合よりも蓄熱材11aとアンモニアとの化学反応が行われず、発生する熱量が少ない。その結果、ヒータ11での温度上昇も少なく、加熱対象物や排気ガスの温度上昇も少ない。全く化学反応が行われず、温度が上昇しない場合もある。ヒータ11の異常としては、例えば、ヒータ11の破損よってアンモニアが漏れる場合、ヒータ11内の蓄熱材11aが劣化している場合などがある。
コントローラ15は、CPU[CentralProcessing Unit]、ROM[ReadOnly Memory]、RAM[Random Access Memory]などからなり、化学蓄熱装置10を制御する制御部である。コントローラ15には、温度センサ16,17,18、圧力センサ19などの各種センサが接続されており、これら複数のセンサより、適宜、制御に必要な情報を取得する。また、コントローラ15は、バルブ14が接続されており、取得した情報に基づいて化学蓄熱装置10を制御するための各処理を行い、必要に応じてバルブ14の開閉制御を行う。コントローラ15での具体的な処理について説明する前に、温度センサ16,17,18、圧力センサ19について説明しておく。コントローラ15は化学蓄熱装置10専用のものでもよいし、エンジンECU[Electronic Control Unit]等のECUの一機能として組み込まれるものとしてもよい。
なお、この実施形態では、温度センサ16が特許請求の範囲に記載の上流側温度検出部に相当し、温度センサ17が特許請求の範囲に記載の下流側温度検出部に相当し、コントローラ15での処理が特許請求の範囲に記載の取得部に相当し、温度センサ18が特許請求の範囲に記載の貯蔵器温度検出部に相当し、圧力センサ19が特許請求の範囲に記載の貯蔵器圧力検出部に相当し、コントローラ15での処理が特許請求の範囲に記載の推定部に相当する。
温度センサ16は、エンジン2と熱交換器4との間の排気管3内を流れる排気ガスの温度を検出するセンサである。温度センサ16では、一定時間毎に、熱交換器4及びヒータ11の上流側の排気ガスの温度を検出し、その検出した温度情報をコントローラ15に送信する。また、温度センサ17は、熱交換器4とDOC5との間の排気管3内を流れる排気ガスの温度を検出するセンサである。温度センサ17では、一定時間毎に、熱交換器4及びヒータ11の下流側の排気ガスの温度を検出し、その検出した温度情報をコントローラ15に送信する。この温度センサ16,17で検出される排気ガスの温度は、ヒータ11での上昇温度の取得等のために、以下のコントローラ15の処理で利用される。
なお、ヒータ11内に設けられる蓄熱材11aは、アンモニアとの化学反応によりその体積が膨張する。そのため、例えば、ヒータ11の内部に温度センサを設けた場合には、温度センサが蓄熱材11aの膨張による圧力を受けて壊れることを防止する必要がある。また、ヒータ11では、ケーシング内に封入された蓄熱材11aがアンモニアと繰り返し化学反応できるように、密閉空間を形成している。そのため、ヒータ11の内部に温度センサを設けた場合には、密閉空間の気密性を十分に確保する必要がある。このようにヒータ11に温度センサを設けることがコストや部品点数の増加などの面から困難となる場合には、ヒータ11の温度を取得するために、ヒータ11に温度センサを設ける代わりに、熱交換器4(ヒータ11)の上流部及び下流部の排気ガスの温度を検出する温度センサ16,17で代用している。
また、エンジン2では、燃焼制御のために必要な排気ガスの温度を温度センサ16,17のうちの少なくとも一方の温度センサにより取得している。つまり、排気ガスの温度を検出する温度センサ16,17のうちの少なくとも一方の温度センサは必須のセンサである。したがって、この温度センサ16,17を化学蓄熱装置10の制御にも利用することで、ヒータ11の温度を取得するための温度センサを別途設ける必要がなくなり、コストや部品点数の増加を抑制することができる。
温度センサ18は、ストレージ12内の温度を検出するセンサである。温度センサ18では、一定時間毎に、ストレージ12内の温度を検出し、その検出した温度情報をコントローラ15に送信する。圧力センサ19は、ストレージ12内の圧力を検出するセンサである。圧力センサ19では、一定時間毎に、ストレージ12内の圧力を検出し、その検出した圧力情報をコントローラ15に送信する。
なお、温度センサ16,17,18や圧力センサ19には、検出の応答性能(応答速度等)がそれぞれある。そのため、各温度センサ16,17,18は、応答速度に応じて、排気管3内やストレージ12内の温度が変化してからその変化後の温度を検出するまでに時間を要する。また、圧力センサ19は、応答速度に応じて、ストレージ12内の圧力が変化してからその変化後の圧力を検出するまでに時間を要する。
それでは、コントローラ15での具体的な処理について説明する。コントローラ15では、エンジン2の稼働中、温度センサ16で検出された熱交換器4の上流側での排気ガスの温度が暖機開始温度以下か否かを判定する。コントローラ15では、排気ガスの温度が暖機開始温度以下と判定すると、バルブ14を開くためにバルブ14に電流を供給する。暖機開始温度は、排気ガス浄化システム1において暖機が必要な温度である。暖機開始温度は、触媒(DOC5等)の活性温度等に基づいて設定される。
エンジン2の稼働中の暖機終了後、コントローラ15では、温度センサ16で検出された排気ガスの温度(ヒータ11(蓄熱材11a)の温度に相当)がアンモニア回収可能温度より高いか否かを判定する。コントローラ15では、排気ガスの温度がアンモニア回収可能温度より高いと判定すると、バルブ14を開くためにバルブ14に電流を供給する。また、コントローラ15では、排気ガスの温度がアンモニア回収可能温度以下と判定すると、バルブ14を閉じるためにバルブ14への電流の供給を停止する。アンモニア回収可能温度は、暖機後にヒータ11からアンモニアを回収可能な温度である。アンモニア回収可能温度は、ヒータ11で用いられる蓄熱材11aとアンモニアの組み合わせによって決まる蓄熱材11aからアンモニアが分離する温度等に基づいて設定される。また、アンモニア回収可能温度は、外気温も考慮して設定されてもよく、例えば、外気温が高いほど高い温度が設定される。
特に、暖機時には、コントローラ15では、バルブ14への電流の供給(つまり、バルブ14の開制御)の前に温度センサ18で検出されたストレージ12内の温度を用いて、図3(a)に示すアンモニア飽和蒸気圧曲線C1を参照してアンモニア飽和蒸気圧を取得する。コントローラ15では、バルブ14の開制御前に圧力センサ19で検出されたストレージ12内の圧力をこのアンモニア飽和蒸気圧で除算して相対圧力を算出する。コントローラ15では、この相対圧力を用いて、図3(b)に示すアンモニア吸着量曲線C2を参照してストレージ12でのアンモニア吸着量を取得する。コントローラ15では、このアンモニア吸着量(アンモニア貯蔵量)から、ストレージ12及びヒータ11の圧力を所定圧に保つために残存している残存量を減算して、バルブ14の開制御前のヒータ11に供給可能なアンモニアの量を取得する。さらに、コントローラ15では、この供給可能な量のアンモニアが全てヒータ11に供給されたと仮定して、この供給可能なアンモニアの量を用いて、図2に示すグラフ(マップ)Aを参照してヒータ11での発生熱量を取得する。そして、コントローラ15では、この発生熱量を所定の換算式によって換算して、ヒータ11で上昇する温度を推定する。なお、このヒータ11で上昇する温度の推定処理についてはバルブ14の開制御前と開制御後の何れのタイミングで行ってもよいが、この推定処理にはバルブ14の開制御前のヒータ11に供給可能なアンモニアの量が必要となるので、少なくともバルブ14の開制御前に温度センサ18で検出されたストレージ12内の温度と圧力センサ19で検出されたストレージ12内の圧力を取得しておく必要がある。
コントローラ15では、暖機時のバルブ14の開制御を開始してからの時間を計測し、その計測した時間が一定時間経過したか否かを判定する。一定時間は、暖機時のヒータ11での上昇温度を用いて安定した異常判定を行うために必要な時間である。この一定時間は、上記したバルブ14が開かれてから圧力が平衡状態になるまでの時間、温度センサ16,17,18や圧力センサ19の応答速度に応じた検出の遅れ時間等のうちの最も長い時間に基づいて設定するとよい。一定時間としては、例えば、数秒である。
バルブ14の開制御を開始してから一定時間が経過すると、コントローラ15では、温度センサ17で検出されたヒータ11の下流側の温度から温度センサ16で検出されたヒータ11の上流側の温度を減算して温度差を取得する。この温度差を、暖機時にヒータ11で実際に上昇した温度として代用する。この温度差を所定の換算式で換算してヒータ11で上昇した温度をより精度良く取得するようにしてもよい。
そして、コントローラ15では、バルブ14の開制御後に実測したヒータ11で上昇した温度とバルブ14の開制御前のアンモニアの供給可能な量から推定したヒータ11での上昇する温度との温度差(絶対値)を算出する。コントローラ15では、この温度差(絶対値)が閾値未満か否かを判定する。この閾値は、ヒータ11での上昇温度の実測値と推定値とが略同じ温度か否かを判定するための閾値である。閾値は、温度センサ16,17,18や圧力センサ19の各検出誤差等に基づいて設定するとよい。また、ヒータ11の温度の代用として温度センサ16,17によって排気ガスの温度を検出しているので、この温度センサ16,17が設けられる箇所での排気ガスの温度とこの箇所から離れた箇所にあるヒータ11の温度との温度差も考慮して閾値を設定するとよい。
温度差(絶対値)が閾値未満の場合、コントローラ15では、接続管13とバルブ14からなるアンモニアの移動系及びヒータ11は正常と判定する。一方、温度差(絶対値)が閾値以上の場合、コントローラ15では、アンモニアの移動系あるいはヒータ11に何らかの異常があると判定し、車両の運転者に対して異常通知を行う。この異常通知としては、例えば、化学蓄熱装置10の警告灯の点灯、化学蓄熱装置10(特に、接続管13、バルブ14、ヒータ11)の異常を知らせる情報のディスプレイの表示や音声の出力がある。
以上のように構成した化学蓄熱装置10の動作を説明する。特に、暖機時の異常検知の動作について図5のフローチャートに沿って説明する。図5は、化学蓄熱装置10における暖機時の異常検知の動作を示すフローチャートである。
エンジン2の稼働中、コントローラ15では、温度センサ16で検出された排気ガスの温度が暖機開始温度以下か否かを判定する(S1)。S1にて排気ガスの温度が暖機開始温度より高いと判定した場合、コントローラ15では、バルブ14への電流の供給を停止する(S2)。バルブ14では、電流が供給されないので、閉じる。この場合、接続管13を介したアンモニアの移動は不能である。S1の判定は、温度センサ16で検出される排気ガスの温度が暖機開始温度以下になるまで繰り返し行われる。
S1にて排気ガスの温度が暖機開始温度以下と判定した場合、コントローラ15では、温度センサ18で検出されたストレージ12内の温度と圧力センサ19で検出されたストレージ12内の圧力からストレージ12でのアンモニア貯蔵量を取得し、このアンモニア貯蔵量からストレージ12及びヒータ11の圧力を所定圧に保つために残存している残存量を減算してヒータ11に供給可能なアンモニア量を取得し、この供給可能なアンモニア量から図2に示すグラフAを参照してヒータ11での発生熱量を取得し、この発生熱量から所定の換算式によりヒータ11で上昇する温度(推定値)を算出する(S3)。ここでは、バルブ14を開く前のストレージ12からヒータ11に供給可能な量のアンモニアをヒータ11に供給できた場合を想定して、ヒータ11で上昇する温度を推定しておく。そして、コントローラ15では、バルブ14に電流を供給する(S4)。接続管13やバルブ14に異常がない場合、バルブ14は、供給された電流が流れると、開く。これによって、接続管13を介したアンモニアの移動が可能となる。このとき、ストレージ12内の圧力がヒータ11内の圧力よりも高く、アンモニアがヒータ11側に移動し、接続管13内を流れる。そして、接続管13内を流れるアンモニアが、ヒータ11に供給される。この際、バルブ14を開いてから短時間で、ヒータ11内の圧力とストレージ12内の圧力とが同じ圧力になる(圧力の平衡状態)。ヒータ11に異常がない場合、ヒータ11では、この供給された量のアンモニアと蓄熱材11aとが化学反応して熱を発生し、発生した熱量に応じて温度が上昇する。この熱は、ヒータ11を暖めると熱交換器4の外筒に伝わり、伝熱効果によって熱交換器4の内部にまで伝わる。熱交換器4全体が加熱され、熱交換器4の内部を流れる排気ガスが迅速に昇温する。さらに、この昇温された排気ガスが下流側に流れ、DOC5、SCR7、ASC8の各触媒が昇温する。そして、この各触媒の温度が活性温度以上になると、排気ガスを浄化できる。
コントローラ15では、S4のバルブ14の開制御の開始からの時間を計測し、開始から一定時間経過したか否かを判定する(S5)。S5の判定は、一定時間経過するまで繰り返し行われる。S5にて一定時間経過したと判定すると、コントローラ15では、温度センサ16で検出されたヒータ11の上流側の温度と温度センサ17で検出されたヒータ11の下流側の温度からヒータ11で上昇した温度(実測値)を取得する(S6)。ここで、ヒータ11で実際に上昇した温度を取得する。但し、ヒータ11にアンモニアが供給されていない場合あるいはヒータ11での反応性が低下している場合、ヒータ11では温度が上昇していない。
そして、コントローラ15では、ヒータ11での上昇温度の実測値と推定値との差(絶対値)を算出し、その差が閾値未満か否かを判定する(S7)。S7にて差が閾値未満と判定した場合(バルブ14の開制御開始から一定時間経過後にヒータ11で実際に上昇した温度とアンモニアの供給可能な量から推定されたヒータ11で上昇する温度とが略同じの場合)、コントローラ15では、アンモニアの移動系及びヒータ11に異常がないと判定する。一方、S7にて差が閾値以上と判定した場合(バルブ14の開制御開始から一定時間経過後にヒータ11で実際に上昇した温度とアンモニアの供給可能な量から推定されたヒータ11で上昇する温度とが異なる場合)、コントローラ15では、アンモニアの移動系あるいはヒータ11に異常があることを検知し(S8)、異常があることを車両の運転者に対して通知する(S9)。この場合、ストレージ12内の吸着材12aから分離したアンモニアがヒータ11に正常に移動しておらず、接続管13、バルブ14、ヒータ11のうちのいずれかに異常がある。
特に、エンジン2の始動時に暖機を行う場合、エンジン2の始動前は、排気ガスの温度が低く、ヒータ11の温度も低い。また、エンジン2の始動前は、ストレージ12に十分な量のアンモニアが貯蔵されており、ヒータ11に多くの量のアンモニアを供給でき、ヒータ11で発生する熱量も多くなる。そのため、エンジン2の始動時には、ヒータ11で上昇する温度が大きくなり、ヒータ11で上昇する温度を用いた判定を精度良く行うことができる。
暖機終了後、エンジン2の稼働がある程度継続し、エンジン2から排出された排気ガスの温度が高くなると、ヒータ11では、アンモニアと蓄熱材11aとが分離し、アンモニアが発生する。そして、排気ガスの温度がアンモニア回収可能温度より高い場合、バルブ14に電流が供給される。バルブ14は、供給された電流が流れると、開く。これによって、接続管13でのアンモニアの移動が可能となる。このとき、ヒータ11内の圧力がストレージ12内の圧力よりも高く、アンモニアがストレージ12側に移動し、接続管13内を流れる。そして、接続管13内を流れるアンモニアが、ストレージ12で回収される。ストレージ12では、吸着材12aでアンモニアを吸着して貯蔵する。
この化学蓄熱装置10によれば、暖機時のバルブ14の開制御を行った場合にヒータ11の発生熱量に応じた実際の上昇温度と供給可能なアンモニアの量から推定された発生熱量に応じた上昇温度との差が閾値以上の場合に異常と判定することにより、アンモニアの移動系やヒータ11の異常を早期に検知できる。特に、エンジン2の始動時にこの判定を行うと、精度良く判定できる。
この化学蓄熱装置10によれば、ヒータ11の上流側と下流側の排気ガスの温度を検出する温度センサ16,17を利用することにより、ヒータ11に別途に温度センサを設けることなく、ヒータ11での実際の上昇温度を精度良く取得できる。また、化学蓄熱装置10によれば、ストレージ12の温度と圧力から簡単にストレージ12に貯蔵されているアンモニアの貯蔵量を取得できる。さらに、化学蓄熱装置10によれば、このアンモニアの貯蔵量を用いることにより、ヒータ11に供給可能なアンモニアの量を取得でき、この供給可能なアンモニアの量から簡単にヒータ11の発生熱量や上昇温度を推定できる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
例えば、上記実施形態では触媒としてDOC、SCR及びASC、フィルタとしてDPFを備える排気ガス浄化システムに適用したが、他の構成の排気ガス浄化システムに適用してもよく、例えば、DOC、SCR、ASCのうちのいずれか1つ又は2つの触媒を備えない排気ガス浄化システムや、DOC、SCR、ASC以外の触媒を備える排気ガス浄化システムに適用してもよい。また、車両もディーゼルエンジン車としたが、ガソリンエンジン車等にも適用できる。また、エンジンを駆動源とする船、発電機等の他の搭載対象物にも適用できる。
また、上記実施形態では加熱対象物としてDOCの上流側の熱交換器としたが、加熱対象物としては他のものでよく、例えば、DOC、SCR、ASCのうちのいずれかの触媒を加熱対象物としてもよい。
また、上記実施形態ではヒータを熱交換器の外周部の全周に設ける構成としたが、加熱対象物の外周部の一部分にだけヒータを設けてもよいし、また、加熱対象物の外周部以外の箇所に設けてもよく、例えば、排気ガスを加熱するために、排気ガス配管の内部にヒータを設けてもよい。排気ガス配管の内部にヒータを設ける場合には、複数の加熱器と熱交換部とを交互に積層した構成としてもよい。
また、上記実施形態で反応媒体をアンモニアとしたが、アルコール、水等の他の反応媒体でもよい。また、上記実施形態では反応媒体がアンモニアの場合の蓄熱材、吸着材の各材料をそれぞれ例示したが、化学蓄熱装置で用いられる反応媒体に応じて、蓄熱材、吸着材は適宜他の材料が用いられる。
また、上記実施形態ではヒータで上昇する温度を取得するために排気ガスの温度を検出する温度センサを熱交換器とエンジンとの間(ヒータの上流側)及び熱交換器とDOCとの間(ヒータの下流側)に設けたが、温度センサを熱交換器とDOCとの間にだけ設けてもよい。このヒータの下流側の排気ガスの温度だけを用いる場合、バルブ開制御後のヒータの下流側の排気ガスの温度からバルブ開制御前のヒータの下流側の排気ガスの温度を減算して、ヒータで上昇する温度を取得する。この場合、ヒータの上流側の温度センサを削減でき、構成を簡易化できる。また、ヒータに温度センサを設けることが可能であれば、ヒータに温度センサを設けて、ヒータ内の温度を直接検出してもよい。このヒータ内の温度を用いる場合、バルブ開制御後のヒータ内の温度からバルブ開制御前のヒータ内の温度を減算して、ヒータで上昇する温度を取得する。
また、上記実施形態ではバルブの開制御を開始してから一定時間経過後に異常の判定を行う構成としたが、バルブの開制御を開始してから一定時間待たずに異常の判定を行ってもよい。一定時間待たないでよい場合は、温度センサや圧力センサの検出の遅れ時間やバルブが開かれてから圧力が平衡状態になるまでの時間が非常に短く、それらの時間を考慮する必要がない場合である。
また、上記実施形態ではヒータの上昇温度の実測値と推定値との差の絶対値を算出し、その差の絶対値が閾値以上(未満)か否かを判定する構成としたが、絶対値を用いずに判定してもよい。例えば、暖機の場合、アンモニアの移動系に異常があるとヒータで温度が上昇しないので(ヒータの上昇温度の実測値が略0)、ヒータの上昇温度の推定値から実測値を減算して差を取得し、その差が閾値以上か否かを判定する。
また、上記実施形態ではヒータの発生熱量に応じて上昇するヒータでの上昇温度を用いて異常判定処理を行う構成としたが、ヒータの発生熱量に応じて上昇する加熱対象物(例えば、熱交換器)での上昇温度を用いて異常判定処理を行ってもよいし、ヒータの発生熱量に応じて上昇する加熱対象物の内部を流れる排気ガス(流体)の上昇温度を用いて異常判定処理を行ってもよいし、あるいは、ヒータの発生熱量自体を用いて異常判定処理を行ってもよい。
1…排気ガス浄化システム、2…エンジン、3…排気管、4…熱交換器、5…ディーゼル酸化触媒(DOC)、6…ディーゼル排気微粒子除去フィルタ(DPF)、7…選択還元触媒(SCR)、7a…インジェクタ、8…アンモニアスリップ触媒(ASC)、10…化学蓄熱装置、11…ヒータ、12…ストレージ、13…接続管、14…バルブ、15…コントローラ、16,17,18…温度センサ、19…圧力センサ。
Claims (7)
- 加熱対象物を加熱する化学蓄熱装置であって、
反応媒体と化学反応して熱を発生させる蓄熱材を有し、前記加熱対象物を加熱する加熱器と、
反応媒体を貯蔵する貯蔵器と、
前記加熱器と前記貯蔵器とを接続し、反応媒体が流れる接続管と、
前記接続管に設けられる開閉弁と、
前記開閉弁の開閉を制御する制御部と、
前記加熱対象物の加熱時における前記加熱器の発生熱量に関する値を取得する取得部と、
前記貯蔵器から前記加熱器に供給可能な反応媒体の量から前記加熱器の発生熱量に関する値を推定する推定部と、
を備え、
前記制御部は、反応媒体を前記貯蔵器から前記加熱器に供給するために前記開閉弁の開制御を行った場合に、前記取得部で取得した前記発生熱量に関する値と前記推定部で推定した前記発生熱量に関する値との差が閾値以上の場合に異常と判定する判定処理を行う、化学蓄熱装置。 - 前記発生熱量に関する値は、前記発生熱量に応じて上昇する前記加熱器の上昇温度、前記発生熱量に応じて上昇する前記加熱対象物の上昇温度、前記発生熱量に応じて上昇する前記加熱対象物の内部を流れる流体の上昇温度のうちのいずれかの上昇温度である、請求項1に記載の化学蓄熱装置。
- 前記化学蓄熱装置は、エンジンを駆動源とする車両に搭載され、当該車両の排気系における加熱対象物を加熱し、
前記加熱器の下流側の排気ガスの温度を検出する下流側温度検出部を備え、
前記取得部は、前記下流側温度検出部で検出した下流側の排気ガスの温度から前記上昇温度を取得する、請求項2に記載の化学蓄熱装置。 - 前記加熱器の上流側の排気ガスの温度を検出する上流側温度検出部を備え、
前記取得部は、前記下流側温度検出部で検出した下流側の排気ガスの温度から前記上流側温度検出部で検出した上流側の排気ガスの温度を減算した温度差から前記上昇温度を取得する、請求項3に記載の化学蓄熱装置。 - 前記制御部は、前記エンジンの始動時に前記開閉弁の開制御を行った場合に前記判定処理を行う、請求項3又は請求項4に記載の化学蓄熱装置。
- 前記推定部は、前記貯蔵器に貯蔵された反応媒体の貯蔵量を取得し、当該反応媒体の貯蔵量から前記加熱器に供給可能な反応媒体の量を取得し、当該供給可能な反応媒体の量から前記加熱器の発生熱量に関する値を推定する、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の化学蓄熱装置。
- 前記貯蔵器の温度を検出する貯蔵器温度検出部と、
前記貯蔵器の圧力を検出する貯蔵器圧力検出部と、
を備え、
前記推定部は、前記貯蔵器温度検出部で検出した温度と前記貯蔵器圧力検出部で検出した圧力を用いて前記反応媒体の貯蔵量を取得する、請求項6に記載の化学蓄熱装置。
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