JP2017082706A - 排気熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒の早期活性化を実現しながら、排気熱回収機能及びＥＧＲクーラ機能を十分に発揮することができる排気熱回収装置を提供すること。【解決手段】排気熱回収装置１は、エンジン（内燃機関）１０からの排ガス（排気）Ｇを流通させる排気流路２１に配置され、排ガスＧを浄化するための触媒を有する１つ以上の触媒部３と、排気流路２１に配置され、排ガスＧから熱を回収するための熱交換器を有し、かつ、熱交換器を通過した排ガスＧをエンジン１０の吸気系に還流させることができるよう構成された熱交換部４と、を備えている。触媒部３は、排気流路２１において、熱交換部４の上流側にのみ配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、排気熱回収装置に関する。

車両等において、内燃機関の排気流路には、排気を浄化するための触媒を有する触媒部（例えば、触媒と触媒を担持する担体とを含む触媒装置等）が配置されている。また、排気再循環冷却機能（以下、ＥＧＲクーラ機能という。ＥＧＲ：Ｅｘａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）を有する内燃機関の排気流路には、排気から排気熱を回収するための熱交換器が配置されている。熱交換器を通過して排気熱が回収され、冷却された排気の一部は、内燃機関の吸気系に還流される。

例えば、特許文献１には、内燃機関の排気流路において、排気熱回収機能及びＥＧＲクーラ機能の両機能を有する熱交換器、熱交換器の上流側に配置された上流側触媒部（上流触媒）、熱交換器の下流側に配置された下流側触媒部（下流触媒）等を備えた内燃機関の制御装置が開示されている。

特願２００９−１３８６１５号公報

しかしながら、上記特許文献１の内燃機関の制御装置では、熱交換器の下流側に下流側触媒部が配置されている。そのため、内燃機関の始動時、上流側触媒部及び下流側触媒部における触媒の早期活性が要求されるが、下流側触媒部が熱交換器の下流側（内燃機関から遠い位置）にあることから、熱交換器を通過して熱回収された低温の排気が下流側触媒部に流入する。これにより、熱交換器にて回収した排気熱を内燃機関の暖機等に利用することができるものの、下流側触媒部における触媒の早期活性が困難となり、触媒の暖機時間が長くなる。一方、下流側触媒部における触媒の早期活性を実現しようとすると、高温の排気が下流側触媒部に流入するように、例えば、熱交換器を通過する排気量を減らす等、熱交換器の排気熱回収機能の発揮を抑制しなければならない。

また、内燃機関の高負荷時（高回転時）、熱交換器のＥＧＲクーラ機能を発揮させる場合、熱交換器が下流側触媒部の上流側（内燃機関に近い位置）にあることから、熱交換器に到達するまでの排気の放熱量が少なく、高温の排気が熱交換器に流入することになる。これにより、熱交換器にて排気熱を回収し、冷却した排気を内燃機関の吸気系に還流させる際、排気との間での熱交換量が多くなるため、ラジエータ等の車両の冷却装置に対する負荷が大きくなる。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、触媒の早期活性を実現しながら、排気熱回収機能及びＥＧＲクーラ機能を十分に発揮することができる排気熱回収装置を提供する。

本発明の一の態様である排気熱回収装置は、内燃機関からの排気を流通させる排気流路に配置され、排気を浄化するための触媒を有する１つ以上の触媒部と、排気流路に配置され、排気から熱を回収するための熱交換器を有し、かつ、熱交換器を通過した排気を内燃機関の吸気系に還流させることができるよう構成された熱交換部と、を備えている。触媒部は、排気流路において、熱交換部の上流側にのみ配置されている。

上記排気熱回収装置によれば、触媒部は、排気流路において、熱交換器を有する熱交換部の上流側にのみ配置されている。例えば、触媒部が複数の場合、全ての触媒部が熱交換器を有する熱交換部の上流側に配置されている。言い換えれば、熱交換器を有する熱交換部の下流側に、触媒部が配置されていない。

そのため、内燃機関の始動時、触媒部における触媒の早期活性が要求されるが、触媒部が熱交換部よりも上流側（内燃機関に近い位置）にあることから、高温の排気を触媒部に流入させることができ、触媒部における触媒の早期活性を実現することができる。また、触媒部を通過した排気を熱交換部に流入させ、熱交換部の熱交換器において排気熱の回収を行い、回収した排気熱を内燃機関の暖機等に利用することができる。よって、触媒の早期活性を実現しながら、排気熱回収機能を十分に発揮することができる。

また、内燃機関の高負荷時（高回転時）、熱交換部のＥＧＲクーラ機能を発揮させる場合、熱交換部が触媒部よりも下流側（内燃機関から遠い位置）にあることから、熱交換部の熱交換器に到達するまでの排気の放熱量が多くなり、低温の排気が熱交換器に流入することになる。これにより、熱交換器にて排気熱を回収し、冷却した排気を内燃機関の吸気系に還流させる際、排気との間での熱交換量が少なくなり、ＥＧＲクーラ機能を十分に発揮することができる。さらに、ラジエータ等の車両の冷却装置に対する負荷を小さくすることができる。

なお、上記排気熱回収装置において、触媒部としては、例えば、触媒と触媒を担持する担体とを含む触媒装置等が挙げられる。触媒部は、１つ以上である。すなわち、触媒部は、１つであってもよいし、複数であってもよい。また、内燃機関の吸気系とは、内燃機関に吸気するための部分、例えば、内燃機関に供給する空気を流通させる吸気流路等をいう。

排気熱回収装置の全体構成を示す説明図である。 熱交換部の詳細及びエンジン始動時の制御を示す説明図である。 熱交換部の詳細及びエンジン高負荷時の制御を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
（実施形態１）
図１〜図３に示すように、本実施形態の排気熱回収装置１は、エンジン（内燃機関）１０からの排ガス（排気）Ｇを流通させる排気流路２１に配置され、排ガスＧを浄化するための触媒を有する１つ以上の触媒部３と、排気流路２１に配置され、排ガスＧから熱を回収するための熱交換器４１を有し、かつ、熱交換器４１を通過した排ガスＧをエンジン１０の吸気系に還流させることができるよう構成された熱交換部４と、を備えている。触媒部３は、排気流路２１において、熱交換部４の上流側にのみ配置されている。以下、この排気熱回収装置１を詳細に説明する。

図１に示すように、排気熱回収装置１は、自動車等の車両のエンジン１０に設けられている。エンジン１０は、ガソリンエンジンである。エンジン１０には、エンジン１０からの排ガスＧを流通させ、排ガスＧを外部に排出するための排気管２が接続されている。排気管２内には、排気流路２１が形成されている。

排気熱回収装置１は、排気流路２１の途中に配置された２つの触媒部３を備えている。２つの触媒部３は、第１触媒部３Ａ及び第２触媒部３Ｂである。また、排気熱回収装置１は、同じく排気流路２１の途中に配置された熱交換部４を備えている。熱交換部４は、熱交換器４１（後述する図２、図３参照）を有する。

第１触媒部３Ａは、排気流路２１において、エンジン１０と熱交換部４との間に配置されている。第１触媒部３Ａは、排ガスＧを浄化するための触媒（図示略）と、触媒を担持する担体３１Ａとを含む三元触媒装置である。触媒は、白金、パラジウム、ロジウム等の貴金属である。担体３１Ａは、円柱状のセラミック製フィルタであり、上流側端面に流入した排ガスＧが下流側端面から流出するように構成されている。排ガスＧ中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等は、第１触媒部３Ａを通過する際に、酸化・還元反応により浄化される。

第２触媒部３Ｂは、排気流路２１において、エンジン１０と熱交換部４との間であり、かつ、第１触媒部３Ａの下流側に配置されている。第２触媒部３Ｂは、排ガスＧを浄化するための触媒（図示略）と、触媒を担持する担体３１Ｂとを含む三元触媒装置である。触媒は、白金、パラジウム、ロジウム等の貴金属である。担体３１Ｂは、円柱状のセラミック製フィルタであり、上流側端面に流入した排ガスＧが下流側端面から流出するように構成されている。排ガスＧ中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等は、第２触媒部３Ｂを通過する際に、酸化・還元反応により浄化される。

２つの触媒部３（第１触媒部３Ａ、第２触媒部３Ｂ）は、排気流路２１において、熱交換部４の上流側（熱交換器４１の上流側）に配置されている。したがって、触媒部３は、排気流路２１において、熱交換部４の上流側（熱交換器４１の上流側）にのみ配置されている。すなわち、熱交換部４の下流側（熱交換器４１の下流側）に、触媒部３が配置されていない。

図２、図３に示すように、熱交換部４は、主流路２１１を有する。また、熱交換部４は、主流路２１１から分岐され、主流路２１１と熱交換器４１との接続する第１副流路２１２と、熱交換器４１と主流路２１１とを接続し、主流路２１１に合流する第２副流路２１３とを有する。すなわち、熱交換器４１の上流側に第１副流路２１２が、熱交換器４１の下流側に第２副流路２１３が配置されている。主流路２１１、第１副流路２１２及び第２副流路２１３は、いずれも排気流路２１の一部を構成している。

熱交換部４の主流路２１１の途中には、排気バルブ４２が配置されている。排気バルブ４２は、熱交換部４内における排ガスＧの流れ、主流路２１１及び第１副流路２１２を流通する排ガスＧの量等を制御するためのバルブ（弁）である。排気バルブ４２は、車両に搭載されたＥＣＵ（図示略）からの制御信号等により、排気バルブ４２の開閉、開度等を制御できるよう構成されている。なお、排気バルブ４２は、サーモスタット等の電子制御しないバルブであってもよい。

熱交換器４１は、排ガスＧから排気熱を回収可能に構成されている。具体的には、熱交換器４１は、熱交換器４１を通過する排ガスＧと、熱交換器４１内を流通する熱交換媒体（例えば水等）との間で熱交換を行い、熱交換器４１を通過する排ガスＧから排気熱を回収し、排ガスＧを冷却する。

また、熱交換部４の第２副流路２１３は、第２副流路２１３から分岐されたＥＧＲ流路５１を介して、エンジン１０の吸気系に接続されている。具体的には、第２副流路２１３は、ＥＧＲ流路５１を介して、エンジン１０に空気を供給するための吸気流路（図示略）に接続されている。なお、ＥＧＲ流路５１は、ＥＧＲ管５によって形成されている。ＥＧＲ流路５１の途中には、ＥＧＲバルブ５２が配置されている。ＥＧＲバルブ５２は、エンジン１０の吸気系に還流させる排ガスＧの量を制御するためのバルブ（弁）である。ＥＧＲバルブ５２は、車両に搭載されたＥＣＵ（図示略）からの制御信号等により、ＥＧＲバルブ５２の開閉、開度等を制御できるよう構成されている。

次に、本実施形態の排気熱回収装置１の制御について説明する。
図２は、エンジン１０の始動時における熱交換部４の状態を示している。このとき、排ガスＧが主流路２１１を流通しないように、つまり排ガスＧが第１副流路２１２から熱交換器４１に流入するように、主流路２１１の排気バルブ４２が閉じた状態となっている。また、熱交換器４１を通過した排ガスＧがＥＧＲ流路５１を流通しないように、つまり熱交換器４１を通過した排ガスＧが第２副流路２１３を流通するように、ＥＧＲ流路５１のＥＧＲバルブ５２が閉じた状態となっている。

図２に示す状態では、エンジン１０から第１触媒部３Ａ及び第２触媒部３Ｂを通過して熱交換部４に流入した排ガスＧは、第１副流路２１２から熱交換器４１に流入する。熱交換器４１に流入した排ガスＧは、熱交換器４１内を流通する熱交換媒体（例えば水等）との間で熱交換が行われる。これにより、排ガスＧから排気熱が回収され、排ガスＧが冷却される。排気熱の回収によって暖められた熱交換媒体は、エンジン１０の暖機等に利用される。熱交換器４１を通過した排ガスＧは、第２副流路２１３から熱交換部４の下流側へと流通する。

また、図２に示す状態において、さらに、熱交換器４１を通過した排ガスＧの一部がＥＧＲ流路５１を流通するように、ＥＧＲ流路５１のＥＧＲバルブ５２を開いた状態（後述の図３参照）にすることもできる。この場合、熱交換器４１を通過して冷却された排ガスＧは、その一部がＥＧＲ流路５１を流通し、エンジン１０の吸気系（吸気流路）に還流され、残りが第２副流路２１３から熱交換部４の下流側へと流通する。

図３は、エンジン１０の高負荷時（高回転時）における熱交換部４の状態を示している。このとき、排ガスＧの一部が主流路２１１を流通し、残りが第１副流路２１２から熱交換器４１に流入するように、主流路２１１の排気バルブ４２が開いた状態となっている。排気バルブ４２の開度を調整することにより、主流路２１１を流通する排ガスＧの量、言い換えれば第１副流路２１２から熱交換器４１に流入する排ガスＧの量を制御することができる。また、熱交換器４１を通過した排ガスＧの一部がＥＧＲ流路５１を流通するように、ＥＧＲ流路５１のＥＧＲバルブ５２が開いた状態となっている。

図３の状態では、エンジン１０から第１触媒部３Ａ及び第２触媒部３Ｂを通過して熱交換部４に流入した排ガスＧは、その一部が主流路２１１から熱交換部４の下流側へと流通し、残りが第１副流路２１２から熱交換器４１に流入する。熱交換器４１に流入した排ガスＧは、熱交換器４１内を流通する熱交換媒体（例えば水等）との間で熱交換が行われる。これにより、排ガスＧから排気熱が回収され、排ガスＧが冷却される。熱交換器４１を通過して冷却された排ガスＧは、その一部がＥＧＲ流路５１を流通し、エンジン１０の吸気系（吸気流路）に還流され、残りが第２副流路２１３から熱交換部４の下流側へと流通する。

次に、本実施形態の排気熱回収装置１の作用効果について説明する。
本実施形態の排気熱回収装置１によれば、触媒部３（３Ａ、３Ｂ）は、排気流路２１において、熱交換器４１を有する熱交換部４の上流側にのみ配置されている。本実施形態では、全ての触媒部３（３Ａ、３Ｂ）が熱交換器４１を有する熱交換部４の上流側に配置されている。言い換えれば、熱交換器４１を有する熱交換部４の下流側に、触媒部３（３Ａ、３Ｂ）が配置されていない。

そのため、エンジン１０の始動時、触媒部３（３Ａ、３Ｂ）における触媒の早期活性が要求されるが、触媒部３（３Ａ、３Ｂ）が熱交換部４よりも上流側（エンジン１０に近い位置）にあることから、高温の排ガスＧを触媒部３（３Ａ、３Ｂ）に流入させることができ、触媒の早期活性を実現することができる。また、触媒部３（３Ａ、３Ｂ）を通過した排ガスＧを熱交換部４に流入させ、熱交換部４の熱交換器４１において排気熱の回収を行い、回収した排気熱をエンジン１０の暖機等に利用することができる。よって、触媒の早期活性を実現しながら、排気熱回収機能を十分に発揮することができる。さらに、熱交換器４１を通過した排ガスＧの一部をエンジン１０の吸気系（吸気流路）に還流させれば、ＥＧＲクーラ機能をも発揮することができる。

また、本実施形態では、エンジン１０の始動時、熱交換部４の主流路２１１の排気バルブ４２を閉じた状態としている。そのため、熱交換部４（熱交換器４１）よりも上流側の圧力が上昇し、熱交換部４（熱交換器４１）よりも上流側にある触媒部３（３Ａ、３Ｂ）の温度を効果的に上昇させることができる。これにより、触媒の早期活性をより効果的に実現することができる。

また、エンジン１０の高負荷時（高回転時）、熱交換部４のＥＧＲクーラ機能を発揮させる場合、熱交換部４が触媒部３（３Ａ、３Ｂ）よりも下流側（エンジン１０から遠い位置）にあることから、熱交換部４の熱交換器４１に到達するまでの排ガスＧの放熱量が多くなり、低温の排ガスＧが熱交換器４１に流入することになる。これにより、熱交換器４１にて排気熱を回収し、冷却した排ガスＧをエンジン１０の吸気系に還流させる際、排ガスＧとの間での熱交換量が少なくなり、ＥＧＲクーラ機能を十分に発揮することができる。さらに、ラジエータ等の車両の冷却装置に対する負荷を小さくすることができる。

このように、本実施形態の排気熱回収装置１によれば、触媒の早期活性を実現しながら、熱交換器４１を含む熱交換部４における排気熱回収機能及びＥＧＲクーラ機能を十分に発揮することができる。

（その他の実施形態）
なお、本発明は、上述の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。

（１）上述の実施形態において、エンジン（内燃機関）は、ガソリンエンジンであったが、ディーゼルエンジンであってもよい。
（２）上述の実施形態において、触媒部の数が２つであったが、これに限定されるものではなく、触媒部の数は１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。

（３）上述の実施形態において、触媒部の触媒としては、白金、パラジウム、ロジウム等の貴金属を用いたが、これに限定されるものではなく、他の触媒材料を用いてもよい。例えば、エンジン（内燃機関）の種類に合わせて最適な触媒材料を選択してもよい。

（４）上述の実施形態において、触媒を担持する担体としては、円柱状のセラミック製フィルタを用いたが、これに限定されるものではなく、担体の形状、材料等を種々変更してもよい。

（５）上述の実施形態において、熱交換部４は、熱交換器４１、排気流路２１を構成する主流路２１１、第１副流路２１２及び第２副流路２１３等を備える構成であったが、熱交換部の構成は、これに限定されるものではなく、熱交換器を有し、かつ、熱交換器を通過した排ガス（排気）をエンジン（内燃機関）の吸気系に還流させることができるよう構成されていれば、種々様々な構成とすることができる。

（６）本発明の各構成要素は概念的なものであり、上述の実施形態に限定されない。例えば、１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上述の実施形態の構成の少なくとも一部を同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。

１…排気熱回収装置
１０…エンジン（内燃機関）
２１…排気流路
３…触媒部
４…熱交換部
４１…熱交換器
Ｇ…排ガス（排ガス）

Claims (1)

1. 内燃機関からの排気を流通させる排気流路に配置され、前記排気を浄化するための触媒を有する１つ以上の触媒部と、
   前記排気流路に配置され、前記排気から熱を回収するための熱交換器を有し、かつ、該熱交換器を通過した前記排気を前記内燃機関の吸気系に還流させることができるよう構成された熱交換部と、を備え、
   前記触媒部は、前記排気流路において、前記熱交換部の上流側にのみ配置されていることを特徴とする排気熱回収装置。