JP2005069161A - 内燃機関の排気浄化処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＮＯx触媒などを利用する内燃機関の排気浄化処理装置において、浄化媒体である触媒の温度を最適な温度範囲に維持することができ、且つ、ＳＯｘ被毒回復の処理を触媒劣化が生じない温度範囲に正確に維持して行うことを可能とする。
【解決手段】 排気浄化処理装置は、吸蔵還元型ＮＯx触媒などの排気浄化処理媒体を利用して内燃機関からの排気ガスの浄化を行う。排気浄化処理媒体へ供給される排気ガスの熱は、作動温度領域の異なる複数の排気熱輸送装置により回収される。これにより、触媒に供給される排気ガスの温度を、触媒の浄化に最適な温度範囲、又は、ＳＯｘ被毒回復に最適であって触媒劣化の生じない温度範囲にコントロールすることができる。このため、排気ガスの浄化を精度良く行うことができ、さらに、触媒を劣化させることなく効果的にＳＯｘ被毒回復を行うこともできる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化処理を行う排気浄化処理装置に関し、特に触媒などの排気浄化処理媒体の温度制御を行う排気浄化処理装置に関する。

自動車などの内燃機関から排出される排気ガスの中には、窒素酸化物（ＮＯｘ）などが含まれている。最近では、この窒素酸化物（ＮＯｘ）などを浄化するために三元触媒や吸蔵還元型ＮＯｘ触媒などが用いられている。このような窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する触媒（以下、単に「触媒」と呼ぶ）には最適温度範囲（例えば、３５０〜４５０℃）が存在し、この最適温度範囲に触媒の温度が入っていなければ高い浄化率を得ることはできない。従って、ＮＯｘ排出量を低減するには、触媒の温度を最適温度範囲内に維持することが要求される。

触媒の温度を最適温度範囲内に維持する方法として、触媒に流入する排気ガスの熱をヒートパイプなどを用いた排気熱回収装置により回収して、排気ガスの温度を下げるという方法がある。例えば、排気熱回収装置を触媒の上流に設け、適度に冷却された排気ガスを触媒に送るものが知られている（特許文献１を参照）。その他にも、類似の排気熱回収装置を用いて触媒に流入する排気ガスの温度を下げ、触媒を最適な温度範囲に維持するという技術が特許文献２乃至４に記載されている。

ところで、内燃機関の燃料には硫黄（Ｓ）が含まれている場合があり、そのような燃料が内燃機関で燃焼されると、有害な硫黄酸化物（ＳＯｘ）が生成される。この硫化酸化物（ＳＯｘ）は、窒素酸化物（ＮＯｘ）と同様のメカニズムによって、上記の触媒により浄化することができる。しかし、触媒が吸蔵する硫化酸化物（ＳＯｘ）の濃度が増加すると、窒素酸化物（ＮＯｘ）の浄化能力が低下する、いわゆる、ＳＯｘ被毒が生じてしまう。そのため、触媒に流入する排気の空燃比を弱リッチとしたり、エンジン負荷を大きく上げるなどの制御を行うことにより、この触媒のＳＯｘ被毒を回復（以下、「ＳＯｘ被毒回復」と呼ぶ）しなければならない。

ＳＯｘ被毒回復を行う場合においても、最適な温度範囲（例えば、６５０〜７００℃）が存在する。そのため、ＳＯｘ被毒回復を行うには、まず、触媒の温度をこの温度範囲付近まで上昇させる必要がある。しかし、この温度範囲を超えるまで触媒の温度を上昇させてしまうと（例えば、７２０℃以上）、触媒の吸蔵材飛散や固層反応などのいわゆる触媒劣化が生じてしまう恐れがある。したがって、ＳＯｘ被毒回復処理を行う際も、触媒温度を正確にコントロールする必要がある。

しかし、上述の特許文献１及至４に記載された方法では、ＳＯｘ被毒回復処理の際に、触媒が劣化しないような温度に触媒温度を正確にコントロールすることは困難である。また、ＳＯｘ被毒回復とは別に、エンジンが高負荷状態であるときには排気ガス温度が触媒劣化を引き起こすほどの高温になってしまうことがある。

特開平３−９１７号公報

実案昭６３−２２３２１号公報 特開２０００−１７９３３８号公報 特表２００３ー５１５０４２号公報

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ＮＯｘ触媒などを利用する内燃機関の排気浄化処理装置において、浄化媒体であるＮＯｘ触媒などの温度を最適温度範囲に維持することができ、且つ、ＳＯｘ被毒回復の処理を触媒劣化が生じない温度範囲に正確に維持して行うことが可能な内燃機関の排気浄化処理装置を提供することにある。

本発明の１つの観点では、内燃機関の排気浄化処理装置は、排気ガスを浄化する排気浄化処理媒体と、排気浄化処理媒体の上流側の排気通路に設けられ、前記排気ガスの熱を回収して輸送する複数の排気熱輸送手段と、を備え、前記複数の排気熱輸送手段は、それぞれ作動温度領域が異なることを特徴とする。

上記の排気浄化処理装置は、排気浄化処理媒体を利用して内燃機関から排出される排気ガスの浄化処理を行う。排気浄化処理媒体は排気ガスが通過する排気通路などに配置され、例えば排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯx）を処理する吸蔵還元型ＮＯx触媒の他、三元触媒、ディーゼル車の排気ガス中に含まれる粒子状物質を処理するフィルタや触媒などでもかまわない。排気浄化処理媒体の上流側の排気通路には、排気ガスの熱を回収し、低温側に輸送することができる複数の排気熱輸送装置が設置されており、それぞれ作動温度範囲が異なっている。排気浄化処理媒体へ供給される排気ガスは、各排気熱輸送装置がその熱を回収し、輸送することによって冷却することができる。つまり、排気ガス温度がそれぞれの作動温度範囲付近に至ったときに、排気ガス温度をその作動温度範囲内に維持することができる。よって、各排気熱輸送装置の作動温度範囲を、望ましい温度範囲にそれぞれ設定することにより、排気浄化の促進や燃費の向上などを図ることができる。なお、排気熱輸送装置としては、例えばヒートパイプなどを用いることができる。

上記の排気浄化処理装置の一態様では、前記排気熱輸送手段は、第１の排気熱輸送手段と、第２の排気熱輸送手段と、を備え、前記第１の排気熱輸送手段の作動温度領域は、前記排気浄化処理媒体の最適な浄化性能が得られる温度領域であり、前記第２の排気熱輸送手段の作動温度領域は、前記排気浄化処理媒体が劣化する温度以下である。

この態様では、第１の排気熱輸送手段が排気ガスを冷却することにより、浄化に最適な範囲に排気浄化処理媒体の温度を維持することができる。また、第２の排気熱輸送手段が排気ガスを冷却することにより、排気ガス温度が高温となった場合でも、排気浄化処理媒体の劣化を防止することができる。

上記の排気浄化処理装置の他の一態様では、前記排気浄化処理媒体はＳＯｘを吸収し、前記第２の排気熱輸送手段の作動温度領域は、前記排気浄化処理媒体内のＳＯｘの被毒回復に最適な温度領域である。これにより、排気浄化処理媒体を劣化させることなく、効果的にＳＯｘ被毒回復処理を行うことができる。

上記の排気浄化処理装置の他の一態様は、前記排気熱輸送手段から輸送された熱を再利用する排気熱再利用手段を備える。これにより、排気ガスから回収され、排気熱輸送装置により輸送されてくる熱を無駄にすることなく、運動エネルギーや電気的エネルギーに変換して再利用することができる。運動エネルギーへの変換を行う排気熱輸送装置としては、例えば、スターリングエンジンやランキンサイクルエンジンやブレイトンサイクルエンジンなどを利用することができる。また、電気エネルギーへの変換を行う排気熱輸送装置としては、熱電素子や発電機などを利用することができる。

上記の排気浄化処理装置の他の一態様では、前記排気熱再利用手段は、排気ガスの熱を輸送する前記排気熱輸送手段ごとに異なる。この態様では、排気熱輸送装置の作動温度範囲に応じて適切な排気熱再利用装置を選択する。例えば、少量の熱を輸送する排気熱輸送装置に対しては熱電素子などを設置し、大きな熱を輸送する排気熱輸送装置に対してはスターリングエンジンなどを設けることが好ましい。これにより、効率よく排気熱を再利用することができる。

上記の排気浄化処理装置の他の一態様は、前記排気ガスの温度を検出する排気ガス温度検出手段と、前記排気浄化処理媒体内のＳＯｘ被毒を回復するＳＯｘ被毒回復処理手段と、を備え、前記ＳＯｘ被毒回復処理手段は前記排気ガス温度検出手段が検出した前記排気ガスの温度に基づいてＳＯｘ被毒回復処理を行う。

リッチスパイクその他のＳＯｘ被毒回復のための処理は燃費悪化に繋がるので、この態様では、排気ガス温度を考慮して無駄なＳＯｘ被毒回復は行わないようにする。例えば、排気ガスがＳＯｘ被毒回復処理に最適な温度である場合などはわざわざＳＯｘ被毒回復のための処理を行わないようにする。

上記の排気浄化処理装置の他の一態様では、前記排気ガス温度検出手段は、前記排気浄化処理媒体の上流側で、且つ、前記排気熱輸送手段の上流側及び下流側排気通路上にそれぞれ１つずつ設けられる。これにより、検出された排気ガス温度に基づいて、排気熱輸送手段の動作状態を判定することが可能となる。

好適な実施例では、前記排気ガス温度検出手段が検出した排気ガス温度の差が、所定温度以上でない場合は、前記排気熱輸送手段が正常に作動していないと判断する手段を備えることができる。排気熱輸送装置が正常に作動していれば、この装置の前後では、排気ガスの温度に所定量異常の差が生じているはずである。よって、排気ガスの温度に所定量以上の差がなければ、排気熱輸送装置は正常に動作していないと判定することができる。

また、前記排気ガス温度検出手段が検出した排気ガス温度が、所定温度以上である場合にも前記排気熱輸送手段が正常に作動していないと判断する手段を備えることができる。排気熱輸送装置が正常に作動していれば、この装置の下流側では排気ガスの温度は所定温度以下に維持されるはずである。よって、排気ガスの温度が所定温度以上である場合は排気熱輸送装置は正常に動作していないと判定することができる。

また、前記排気熱輸送手段が正常に作動していないと判断した場合は、前記ＳＯｘ被毒回復処理手段はＳＯｘ被毒回復処理を行わないようにすることができる。これは、排気熱輸送手段による温度制御が正しく行われない状態でＳＯｘ被毒回復処理を行うと、無駄に燃料を消費したり、排気浄化処理媒体が高温になって劣化する恐れがあるからである。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。

まず、本発明による排気浄化処理装置の基本概念について図１を参照して説明する。図１は本発明に係る排気浄化処理装置の基本構成を模式的に示すブロック図である。

図１において、排気浄化処理装置１００はエンジン１０１から出力される排気の浄化処理を行うものであり、排気浄化処理部１０２と、排気通路１０３と、排気浄化処理部１０２の上流側の排気通路１０３上に設けられた排気熱輸送装置１０５及び排気熱輸送装置１０６と、を備える。

エンジン１としては、例えば、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどを用いることができる。

排気浄化処理部１０２は、例えばエンジンの排気系に設けられる吸蔵還元型ＮＯｘ触媒などを用いたものとすることができる。前述のように吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、その温度によりＮＯｘ浄化率が変化するので、本発明による排気浄化処理装置により排気浄化処理部１０２は触媒浄化のために適正な温度範囲（３５０〜４５０℃）に維持される。

また、ＳＯｘ被毒回復を行うのに最適な温度（例えば６５０〜７００℃）は、触媒が劣化してしまう温度（例えば、７２０℃以上、以下「触媒劣化温度」と呼ぶ。）に近いので、一般的にはＳＯｘ被毒回復処理の実行中に排気ガス温度が触媒劣化温度に達してしまうことがありうる。また、エンジンに所定量以上の負荷がかかった場合にも、排気ガス温度が触媒劣化温度に達してしまうことがありうる。しかし、本発明による排気浄化処理装置は、そのような場合に排気ガスが触媒劣化温度に達することを防止することができる。

排気熱輸送装置１０５と排気熱輸送装置１０６は、熱を低温側から高温側に輸送することができる装置であり、例えば、ヒートパイプなどを用いることができる。これにより、高温となった排気ガスの温度を下げることができる。本発明においては、このような機能を有する排気熱輸送装置を複数備えている（図１においては、例として２つの排気熱輸送装置を用いているものを示す）。このように複数の排気熱輸送装置を用いたのは、触媒を高浄化率が得られる最適温度範囲（３５０〜４５０℃、以下「触媒浄化最適温度範囲」と呼ぶ）に維持すること、触媒温度が触媒劣化温度に達することを防止すること、及び、ＳＯｘ被毒回復処理中は触媒温度をＳＯｘ被毒回復に最適な温度範囲（６５０〜７００℃、以下「被毒最適温度範囲」と呼ぶ）に維持すること、を確実に行うためである。これについて、図１を参照しながら具体的に説明していく。なお、以下の説明では、触媒温度は排気ガス温度にほぼ等しいものとしている。

図１の排気浄化処理装置１００では、触媒の温度を触媒浄化最適温度範囲に維持するための排気熱輸送装置１０５と、触媒の温度を被毒最適温度範囲に維持するとともに、触媒の温度が触媒劣化温度に達することを防止するための排気熱輸送装置１０６とが設けられている。排気熱輸送装置１０５は、触媒浄化最適温度範囲内の例えば４００℃以上の温度範囲で動作する。また、排気熱輸送装置１０６は、被毒最適温度範囲内の例えば７００℃以上で動作する。

排気ガス温度が４００℃以下のときには２つの排気熱輸送装置１０５及び１０６はいずれも作動しないが、排気ガス温度が４００℃以上になれば、排気熱輸送装置１０５が作動する。但し、この温度領域においては、排気熱輸送装置１０６は作動しない。これにより、排気ガス温度が触媒浄化最適温度範囲以上に上がらないように制御される。

一方、ＳＯｘ被毒回復を行う際、及び、エンジン１０１に所定量以上の負荷がかかった際には、排気ガスの温度は高温（例えば、７００℃付近）になる。このとき、排気熱輸送装置１０５は熱輸送能力が限界に達してしまうが、排気熱輸送装置１０６が作動し始め、排気ガス温度を被毒最適温度範囲に維持する。つまり、排気熱輸送装置１０６は触媒温度が触媒劣化温度に達することを防止する。このように、作動温度範囲が異なる排気熱輸送装置を複数設けたので、排気ガスの温度を目的別に確実にコントロールすることができる。

なお、排気熱輸送装置１０５及び１０６を配置する位置は図１に示したものに限定されず、例えば排気ガスの流れる方向に対して垂直な方向に並べて配置することができる。さらに、排気熱輸送装置が輸送した熱は、そのまま外部に放出しても良いし（即ち、大気空冷する）、図示しないエンジン冷却系へ導入して冷却しても良いし、エネルギーとして再利用することもできる。

さらに、排気浄化処理部１０２の典型的な例は上述の吸蔵還元型ＮＯｘ触媒であるが、本発明の適用はこれには限定されない。例えば三元触媒は温度の影響により熱劣化が生じるため温度管理を行うことが有効である。よって、三元触媒により上記の排気浄化処理部１０２を構成し、本発明により熱劣化防止のための制御を行うこともできる。また、ディーゼル車の排出ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を浄化処理するための粒子状物質除去フィルタや、粒子状物質とＮＯｘとを同時に浄化する浄化装置などが知られている。粒子状物質除去フィルタはフィルタに詰まった粒子状物質の再生のために温度制御が必要であり、粒子状物質とＮＯｘとを同時に浄化する浄化装置は吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を利用するのでやはり適正な温度範囲を維持することが要求される。よって、それら浄化装置を排気浄化処理部１０２として構成し、本発明を適用することも可能である。

次に、本発明の実施例について説明する。以下、上述の排気浄化処理装置の基本概念を具体的に適用した実施例について説明する。

［第１実施例］
図２は、第１実施例に係る排気浄化処理装置の概略構成図である。また、図３は図２の排気熱回収部６をエンジン１側から見た図である。

図２において、排気浄化処理装置１００はエンジン１から出力される排気の浄化処理を行うものであり、排気浄化処理部３と、排気通路５と、排気熱回収部６とを備えている。さらに、排気熱回収部６は、排気浄化処理部３の上流側の排気通路５に熱交換器７が設けられ、この熱交換器７上にヒートパイプ９と、ヒートパイプ１１と、が設けられて構成されている。

図３について説明すると、ヒートパイプ９とヒートパイプ１１は、排気ガスの流れる方向と垂直に並んで熱交換器７上に配置されている。さらに、第１実施例では、これらのヒートパイプ９とヒートパイプ１１の上部に、排気熱再利用装置１３が設けられている。

エンジン１には、例えば、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどを用いることができる。また、排気浄化処理部３としては、前述したようなＮＯｘ吸蔵還元型触媒や三元触媒などを用いることができる。

熱交換器７は排気ガスの形態で排気通路５内を輸送されてきた熱を放熱することができるものであり、例えば、フィンなどを備えた装置とすることができる。これにより、排気ガスの熱を放出して下げることができる。

ヒートパイプ９とヒートパイプ１１は、液体の蒸発と凝縮の潜熱を利用した閉ループの熱電素子で、小さな温度差で大量の熱輸送が可能な装置である。これにより、高温となった排気ガスの熱を輸送するため、温度を下げることができる。このヒートパイプの選別は、目的とする作動温度領域で状態変化する作動流体を選択することより行う。

第１実施例においても、触媒を最適温度範囲に維持する目的と、上述したＳＯｘ被毒回復及び触媒劣化防止の目的を両立するために、２本のヒートパイプを用いている。つまり、ヒートパイプ９は、排気ガス温度を触媒浄化最適温度範囲に維持する役割を担う。また、ヒートパイプ１１は、排気ガス温度を被毒最適温度範囲に維持し、かつ、排気ガス温度が触媒劣化温度にまで上昇することを防止する役割を担う。そのため、ヒートパイプ９内の作動流体の沸点は、ヒートパイプ１１の作動流体の沸点よりも低くなっている。

以下で、２本のヒートパイプの動作について、例を挙げて説明する。ここで、排気浄化処理部３内の触媒の触媒浄化最適温度範囲が３５０〜４５０℃であり、ＳＯｘ被毒回復のための被毒最適温度範囲は６５０〜７００℃であるものとする。排気ガス温度が４００℃未満では、いずれのヒートパイプも作動せず、排気ガス温度は低下することなく排気浄化処理部３内の触媒に導入される。排気ガス温度が４００℃以上になるとヒートパイプ９が作動し始め、触媒の温度は４００℃前後に保たれる。Ｒ／Ｌ１２０km/h（＝Road／Load）程度の負荷までは、排気ガス温度を４５０℃以下に維持することができ、リッチスパイク制御などを行うことなく触媒を触媒浄化最適温度に維持することができる。したがって、燃費悪化は最小限に抑えられる。

次に、Ｒ／Ｌ１２０km/h 程度の負荷を超えるようになるとヒートパイプ９は熱輸送量限界に達し（即ち、サチュレートする）、又は熱輸送能力が著しく低下し（即ち、凍結限界になる）、排気ガス温度の上昇を防ぎきれなくなってしまう。その後、上昇した排気ガス温度が７００℃付近になると、ヒートパイプ１１が作動し始めて排気ガス温度が７００℃を超えないように機能する。このヒートパイプ１１により、触媒が触媒劣化温度（例えば７２０℃前後）まで上昇することが防止され、触媒劣化を防ぐことができる。また、ヒートパイプ１１は、ＳＯｘ被毒回復処理によって排気ガスの温度を被毒最適温度範囲まで上昇させたときも、７００℃以上にはならないように働く。これにより、触媒の劣化を招かずに、確実にＳＯｘ被毒回復処理を行うことができる。

さらに、第１実施例においては、ヒートパイプ９及び１１により回収され、輸送された排気熱を排気熱再利用装置１３にて再利用することができる。この排気熱再利用装置１３は、熱エネルギーを運動エネルギーに変換したり、熱エネルギーから電気エネルギーに変換して再利用することができる。熱エネルギーを運動エネルギーに変換して動力を得る具体的な方法としては、高温熱源側に熱を付与することにより温度差を生み出し、これによる気体の熱膨張・熱収縮を利用して仕事を得るというスターリングエンジンの使用が挙げられる。また、この他にも、ランキンサイクルエンジンやブレイトンサイクルエンジンなどを用いることができる。一方、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する方法としては、熱エネルギーから動力を生み出して発電機を動作させることにより電気を発生させたり、熱エネルギーを直接電気に変換する熱電素子を用いることができる。

以上のように、第１実施例に係る排気浄化処理装置では、２つのヒートパイプを用い排気ガスの温度を正確にコントロールすると共に、これらヒートパイプから輸送されてきた排気熱を再利用することができる。

［第２実施例］
次に第２実施例に係る排気浄化処理装置について説明する。第２実施例に係る排気浄化処理装置は、ヒートパイプごとに異なる排気熱再利用装置を備えている点で第１実施例とは異なる。

第２実施例に係る排気浄化処理装置の概略構成図を図４に示す。第２実施例に係る排気浄化処理装置は図２に示した第１実施例に係る排気浄化処理装置と基本的に同様の構成を有している。つまり、排気浄化処理装置１００は、排気浄化処理部３と、排気通路５と、排気熱回収部６とを備えている。排気熱回収部６としては、排気浄化処理部３の上流側の排気通路５に熱交換器７が設けられ、熱交換器７上にヒートパイプ９とヒートパイプ１１とが設けられている。なお、エンジン１には、例えば、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどを用いることができる。また、排気浄化処理部としては、前述したようなＮＯｘ吸蔵還元型触媒や三元触媒などを用いることができる。

次に、図４において、ヒートパイプ９とヒートパイプ１１は、排気ガスの流れる方向と垂直な方向に並んで熱交換器７上に配置されている。さらに、第２実施例では、これらのヒートパイプ９とヒートパイプ１１の上部に、排気熱再利用装置１５と排気熱再利用装置１７がそれぞれ設けられている。これら熱交換器７と２つのヒートパイプ９及び１１の機能などは、上述した第１実施例と同様である。すなわち、ヒートパイプ９は作動温度が触媒の浄化率が高い触媒浄化最適温度範囲付近（３５０〜４５０℃）にあり、ヒートパイプ１１は作動温度が被毒最適温度範囲付近（６５０〜７００℃）にある。これらにより、通常走行時には触媒温度を浄化率の高い最適温度範囲に保つことができる。また、エンジン負荷が著しく大きいときや、ＳＯｘ被毒回復時には触媒が触媒劣化温度に達することを防止することができる。
第２実施例では、このようなヒートパイプに、それぞれ異なる特徴を有する排気熱再利用装置が備えられている。具体的には、ヒートパイプ９に対応する排気熱再利用装置１５として熱電素子を備え、ヒートパイプ１１に対応する排気熱再利用装置１７としてスターリングエンジンを備えることができる。以下で、このような選択を行った理由について説明する。

まず、ヒートパイプ９は、上述のように作動温度が比較的低いので輸送される熱エネルギーも小さい。そのため、ヒートパイプ９に対応する排気熱再利用装置１５として熱伝素子を利用すれば、熱電素子のスタティック・材料の特性を選定することにより小さな熱エネルギーを回収することができる。また、熱電素子には使用温度制限があるが、ヒートパイプ９はその温度に達する前に熱輸送限界又は熱輸送低下に達するので、熱電素子に悪影響を及ぼすことはない。これに対し、ヒートパイプ９に対応する排気熱再利用装置１５としてスターリングエンジンを用いた場合は、摩擦損失が大きいために実際に使用できる熱がわずかなものとなってしまう。このような理由から、ヒートパイプ９に対応する排気熱再利用装置１５として熱電素子を用いている。

一方、ヒートパイプ１１は作動温度が比較的高温であるので、輸送される熱エネルギーは大きい。そのため、ヒートパイプ１１に対応する排気熱再利用装置１７としてスターリングエンジンを用いれば、摩擦損失を差し引いても大きなエネルギーが残るので、排気熱を再利用に大きく貢献させることができる。このような理由から、ヒートパイプ１１に対応する排気熱再利用装置１７としてはスターリングエンジンが用いられる。なお、ヒートパイプ１１に対応する排気熱利用装置１７は、上記の理由により、スターリングエンジンに限定されるわけではなく、ランキンサイクルエンジンやブレイトンサイクルエンジンなどを使用することもできる。

以上のように、第２実施例においては、ヒートパイプごとに異なる排気熱再利用装置を用いている。第１実施例のように、輸送されてくる熱エネルギーが異なるにも拘らず同じ排気熱再利用装置を設けるよりも、それぞれの特徴に合った装置を設けることにより、ヒートパイプ９及び１１を利用して排気ガスから回収した熱を効率よく再利用することができる。即ち、第２実施例においては、複数のヒートパイプを設けたことにより精度よく排気ガス温度をコントロールすることができ、さらに、ヒートパイプごとに異なる排気熱再利用装置を設置したので効率良く排気ガスの熱を再利用することができる。

［第３実施例］
次に、第３実施例について説明する。第３実施例に係る排気浄化処理装置は、上述の第１及び第２実施例の機能に加えて、ＳＯｘ被毒回復を行う処理を加味した点で異なる。なお、以下に述べるＳＯｘ被毒回復処理は、排気ガスの熱を輸送するヒートパイプの故障判定も同時に行えるようにした例である。

まず、第３実施例に係る排気浄化処理装置の概略構成について、図５を用いて説明する。第３実施例に係る排気浄化処理装置２００は、排気浄化処理部３と、エンジン１に連結された排気通路５と、排気浄化処理部３の上流側の排気通路５上に設けられた熱交換器７と、この熱交換器７の上部に設けられたヒートパイプ９及びヒートパイプ１１と、ＥＣＵ１９（Engine Control Unit）と、を備える。また、排気浄化処理部３より上流側で、且つ熱交換器７の上流側及び下流側に排気温センサ２１と排気温センサ２３がそれぞれ設けられている。

エンジン１には、例えば、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどを用いることができる。また、排気浄化処理部としては、前述したようなＮＯｘ吸蔵還元型触媒や三元触媒などを用いることができる。

熱交換器７、ヒートパイプ９及びヒートパイプ１１の機能などは、上述した第１及び第２実施例と同様である。すなわち、ヒートパイプ９は作動温度が触媒浄化最適温度範囲付近（３５０〜４５０℃）にあり、ヒートパイプ１１は作動温度が被毒最適温度範囲付近（６５０〜７００℃）にある。これらにより、通常走行時には触媒温度を浄化率の高い最適温度範囲に保つことができる。また、エンジン負荷が著しく大きいときや、ＳＯｘ被毒回復時には触媒が触媒劣化温度に達することを防止することができ、かつ、ＳＯｘ被毒回復時には効果的にＳＯｘ被毒回復を行うことができる。

さらに、第３実施例においても、ヒートパイプ９とヒートパイプ１１は、第１実施例又は第２実施例で述べたように排気熱再利用装置に接続し、排気熱の再利用を図ることができる。

第３実施例においては、排気浄化処理部３より上流側で、且つ熱交換器７の上流側及び下流側に、排気温センサ２１と排気温センサ２３が設置されている。これらは、排気通路５内を流れる排気ガスの温度に対応した電気信号をＥＣＵ１９に出力する。

ＥＣＵ１９は、排気温センサ２１と排気温センサ２３からの出力に基づき、本実施例に係る制御を行う。なお、ＥＣＵ１９は、エンジン１や図示しない車両などの様々な制御を行うが、それらは本発明とは直接の関連を有しないので、以下では説明を省略する。

次に、本実施例に係る、ＥＣＵ１９が行う制御の概要について説明する。本実施例においては、ＥＣＵ１９は、ヒートパイプ９及び１１の上流側及び下流側で検出される排気ガス温度に基づいて、ヒートパイプが故障しているかどうかの判定処理、及び、ＳＯｘ被毒回復に関する処理を行う。

まず、ヒートパイプの故障判定方法の概要について説明する。エンジン１から排出される排気ガスの温度がヒートパイプ９の作動温度よりも高いとき、ヒートパイプ９が正常に働いているならば、排気ガス温度はヒートパイプ９の前後で差があるはずである。即ち、ヒートパイプの下流側で検出される排気ガス温度は、上流側で検出される排気ガス温度より低いはずである。一方、ヒートパイプ９が故障していれば、ヒートパイプ９の上流側及び下流側で検出される排気ガス温度に差は生じない。したがって、ＥＣＵ１９は、ヒートパイプ９の上流側及び下流側の排気温センサ２１及び２３の検出温度に所定量以上の差がない場合は、ヒートパイプ９が正しく動作していない（例えば故障している）という判定を下す。

また、エンジン１から排出される排気ガスの温度がヒートパイプ１１の作動温度よりも高いとき、ヒートパイプ１１が正常に働いているならば、ヒートパイプ１１の下流側で検出される排気ガス温度はヒートパイプ１１の作動温度を超えるはずはない。よって、ＥＣＵ１９は、ヒートパイプ１１の下流側の排気音センサ２３の検出温度がヒートパイプ１１の作動温度より高い所定温度を超える場合は、ヒートパイプ１１が正しく動作していないと判定する。

なお、ＥＣＵ１９内にはＯＢＤ（On-Board Diagnosis）を組み込むことができる。ＯＢＤは、装置にトラブルが生じるとそれを検知しダイアグコード（即ち、故障番号）を記憶する。これを読み取ることによりトラブルが発生した箇所を即座に検出することができるので、効率よく故障検出をすることができる。このダイアグコードは、ＥＣＵ１９に短絡信号を送りコードを表示するモードに切り替えて、運転席のメーターパネルの中などにある「エンジンチェックランプ」が点滅する回数と点滅から点滅までの時間的な間隔を数字に置き換えることで知らせることが可能である。本実施例では、ＥＣＵ１９がヒートパイプの故障判定を下した場合は、ＥＣＵ１９内のＯＢＤにそのダイアグコードを記憶させる。そして、ヒートパイプが故障している旨を、エンジンチェックランプの点灯により知らせることができる。

次に、ＥＣＵ１９が行うＳＯｘ被毒回復処理の概要について述べる。先に述べたように、触媒の温度が被毒最適温度範囲付近の高温（６５０〜７００℃）になるとＳＯｘ被毒回復処理を行うことができる。このとき、ＥＣＵ１９は、前述したヒートパイプ１１が故障していると判明した場合や、触媒の状態がＳＯｘ被毒回復を必要とする状態（以下、「被毒状態」と呼ぶ。）に至っていない場合には、ＳＯｘ被毒回復処理を行わないようにする。ＳＯｘ被毒状態であるか否かかの判定は、ＥＣＵ１９が燃料の積算噴射量を算出し、この算出された積算噴射量に基づいて行うことができる。市販されている燃料中の硫黄濃度はほぼ決まっており、さらに、燃料中の硫黄はほぼ全て触媒に吸収されることから、積算噴射量に基づいて触媒が吸蔵するＳＯｘ量を推定できる。そのため、ＥＣＵ１９は、燃料の積算噴射量に基づいて被毒状態であるか否か、即ちＳＯｘ被毒回復処理をすべきかどうかを判定することができる。なお、この燃料噴射量に基づく方法の代わりに、被毒状態であるか否かの判定は、走行距離に基づいて行うこともできる。また、直接的にＳＯｘ量を検出できるセンサを設けて、そのＳＯｘセンサの検出結果に基づいて行うこともできる。

ＥＣＵ１９は、被毒状態であると判定した場合は、被毒回復処理として、触媒の温度を高温にするために、点火遅角などにより強制的にエンジンに大きな負荷がかかるようにし、さらにスロットル弁を調節して空燃費を弱リッチにする。

次に、ＥＣＵ１９により行われる具体的なＳＯｘ被毒回復処理について、図６のフローチャートを用いて説明する。なお、図６に示した制御フローは、ＥＣＵ１９により、エンジン１回転毎（即ち、所定クランク角毎）に実行されるものとする。なお、このＳＯｘ被毒回復処理はヒートパイプの故障判定処理も含んでいる。

まず、ステップＳ１０１では、ＥＣＵ１９は、排気温センサ２１の検出温度とヒートパイプ９の作動温度の比較を行う。つまり、ステップＳ１０１では、ヒートパイプ９の上流側の排気ガス温度がヒートパイプ９の作動温度よりも高いかどうかを判定する。なお、ヒートパイプ９の作動温度は、予めＥＣＵ１９内に記憶させておくことができる。

ステップＳ１０１にて排気温センサ２１の検出温度がヒートパイプ９の作動温度よりも低温であると判定された場合においては（ステップＳ１０１；Ｎｏ）、ヒートパイプ９が正常に作動しているかどうか判断できる状況ではなく、尚且つ、この状況ではＳＯｘ被毒回復処理を行うと判定を行うべきではない。したがって、ＳＯｘ被毒回復処理を行わないで、当該制御フローを抜ける。

一方、ステップＳ１０１にて、排気温センサ２１の検出温度がヒートパイプ９の作動温度よりも高温であると判定された場合は（ステップＳ１０１；Ｙｅｓ）、ステップＳ１０２に進み、ＥＣＵ１９は、排気温センサ２１の検出温度とヒートパイプ９のドライアウト温度とを比較する。このドライアウト温度とは、ヒートパイプ内の作動液体がすべて乾いてしまい、ヒートパイプとしての機能が停止してしまう温度である。つまり、ステップＳ１０２では、ヒートパイプ９を経由する前の排気ガスの温度が、ヒートパイプ９が対処できる温度であるかどうかの判定を行う。

ステップＳ１０２にて排気ガスの温度がヒートパイプ９のドライアウト温度よりも低温であると判定された場合は（ステップＳ１０２；Ｙｅｓ）、ステップＳ１０３に進み、ＥＣＵ１９は、排気温センサ２１と排気温センサ２３の検出温度の差が所定量以上であるかどうかを判定する。ヒートパイプ９が正常に作動しているならば、ヒートパイプ９の通過前と後では、排気ガス温度にある程度の差が生じるはずである。一方、ヒートパイプ９が故障しているならば、このような温度差は生じない。したがって、ステップＳ１０３での判定は、ヒートパイプ９が正常に作動しているかどうかを決定するために行っている。なお、上述した温度差の所定量は、ＥＣＵ１９内に、ヒートパイプの故障温度判定値などとして予め記憶しておくことができる。

ステップＳ１０３にて、２つの排気温センサの検出温度差が所定量以上であればステップＳ１０６に進み、所定量以下であればステップＳ１０５に進む。

一方、ステップＳ１０２にて排気ガスの温度がヒートパイプ９のドライアウト温度よりも高温であると判定された場合は（ステップＳ１０２；Ｎｏ）、ステップＳ１０４にて、ＥＣＵ１９が、排気温センサ２３の検出温度と触媒の劣化温度との比較を行う。ヒートパイプ１１が正常に作動しているならば、ヒートパイプ１１通過後の排気ガスの温度は、触媒劣化温度には達しないはずである。したがって、ステップＳ１０４では、ヒートパイプ１１が正常に作動しているかどうかを決定するために判定を行っている。

ステップＳ１０４にて、排気温センサ２３の検出温度が触媒劣化温度よりも低温であると判定された場合は、そのままの排気ガス温度でＳＯｘ被毒回復が行うことができ（即ち、あえてＳＯｘ被毒回復のためのエンジン制御などを行う必要がない）ので当該制御フローを抜ける。

ステップＳ１０３にて２つの排気温センサの検出温度差が所定量以下であると判定された場合（ステップＳ１０３；Ｎｏ）、及び、ステップＳ１０４にて排気温センサ２３の検出温度が触媒の劣化温度よりも低温であると判定された場合（ステップＳ１０４；Ｎｏ）は、ステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０５では、ＥＣＵ１９により、ヒートパイプ９又は１１が正常に動作していないと判定が下され、当該制御フローを抜ける。つまり、ヒートパイプが故障などしている際には、ＳＯｘ被毒回復処理にてエンジンを高負荷状態などさせると、燃費悪化や環境汚染を招くため、ＳＯｘ被毒回復処理は行わない。なお、ヒートパイプの故障の旨は、先に述べたようにＯＢＤにダイアグコードを記憶させることができる。また、ヒートパイプが故障していることを、エンジンチェックランプの点灯により知らせることも可能である。

以上のように、ＥＣＵ１９は、２つの排気温センサからの検出温度と、ヒートパイプの作動温度やドライアウト温度と、触媒の劣化温度と、に基づいて各ヒートパイプ９及び１１が正常に動作しているか否かの判定を行うことができる。

次に、ステップＳ１０６以降で行われていく、ＳＯｘ被毒回復処理について説明していく。まず、ステップＳ１０６では、ＥＣＵ１９は、先述したように燃料の積算噴射量を算出する。そして、ステップＳ１０７にて、この積算噴射量と被毒判定噴射量とを比較する。この被毒判定噴射量は、ＳＯｘ被毒回復処理が必要とされる状態に至るまでに要する燃料の積算噴射量であり、ＥＣＵ１９に予め記憶させておくことができる。燃料の積算噴射量が被毒判定噴射量に達していない場合は（ステップＳ１０７；Ｎｏ）、ＳＯｘ被毒回復を行う必要はないので当該制御フローを抜ける。一方、燃料の積算噴射量が被毒判定噴射量に達している場合は（ステップＳ１０７；Ｙｅｓ）、ステップＳ１０８にて、ＳＯｘ被毒回復処理が実行される。このＳＯｘ被毒回復処理にて行われる具体的な制御としては、例えば、点火遅角などにより強制的にエンジンに大きな負荷がかかるようにし、さらにスロットル弁を調節して空燃費を弱リッチ化することができる。そして、ステップＳ１０９に進み、被毒回復処理終了か否かを判定する。被毒回復処理が終了していればこの制御フローを終了し、被毒回復処理が終了していなければステップＳ１０８に戻り、被毒回復処理を継続する。

このように、第３実施例に係る排気浄化処理装置では、複数のヒートパイプを備えたことにより確実に排気ガス温度を精度よくコントロールすることができることに加え、さらに、ヒートパイプの故障判定を行うとともにＳＯｘ被毒回復処理を正確に行うことができる。更に、ヒートパイプの故障を知らせることができるので、早期にその修理が行うことができる。また、ヒートパイプに排気熱再利用装置を設置した場合には高温の排気ガスからヒートパイプを介して熱エネルギーを回収し再利用することができるので、ＳＯｘ被毒回復処理を行うことによる燃費悪化分を熱エネルギーの再利用により補うことができる。

本発明に係る排気浄化処理装置の基本概念を示すブロック図である。 本発明の実施例に係る排気浄化処理装置の概略構成を示す図である。 第１実施例に係る排気浄化処理装置の排気熱回収部の概略構成を示す図である。 第２実施例に係る排気浄化処理装置の排気熱回収部の概略構成を示す図である。 第３実施例に係る排気浄化処理装置の概略構成を示す図である。 第３実施例に係るＳＯｘ被毒回復処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１、１０１ エンジン
３、１０２ 排気浄化処理部
５、１０３ 排気通路
６ 排気熱回収部
７ 熱交換器
９、１１ ヒートパイプ
１３、１５、１７ 排気熱再利用装置
１９ ＥＣＵ
２１、２３ 排気温センサ
１００、２００ 排気浄化処理装置
１０５、１０６ 排気熱輸送装置

Claims (10)

1. 内燃機関の排気浄化処理装置において、
   排気ガスを浄化する排気浄化処理媒体と、
   排気浄化処理媒体の上流側の排気通路に設けられ、前記排気ガスの熱を回収して輸送する複数の排気熱輸送手段と、を備え、
   前記複数の排気熱輸送手段は、それぞれ作動温度領域が異なることを特徴とする内燃機関の排気浄化処理装置。
2. 前記排気熱輸送手段は、第１の排気熱輸送手段と、第２の排気熱輸送手段と、を備え、
   前記第１の排気熱輸送手段の作動温度領域は、前記排気浄化処理媒体の最適な浄化性能が得られる温度領域であり、
   前記第２の排気熱輸送手段の作動温度領域は、前記排気浄化処理媒体が劣化する温度以下であることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化処理装置。
3. 前記排気浄化処理媒体はＳＯｘを吸収し、前記第２の排気熱輸送手段の作動温度領域は、前記排気浄化処理媒体内のＳＯｘの被毒回復に最適な温度領域であることを特徴とする請求項２に記載の排気浄化処理装置。
4. 前記排気熱輸送手段から輸送された熱を再利用する排気熱再利用手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化処理装置。
5. 前記排気熱再利用手段は、排気ガスの熱を輸送する前記排気熱輸送手段ごとに異なることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化処理装置。
6. 前記排気ガスの温度を検出する排気ガス温度検出手段と、
   前記排気浄化処理媒体内のＳＯｘ被毒を回復するＳＯｘ被毒回復処理手段と、を備え、
   前記ＳＯｘ被毒回復処理手段は前記排気ガス温度検出手段が検出した前記排気ガスの温度に基づいてＳＯｘ被毒回復処理を行うことを特徴とする請求項１及至５のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化処理装置。
7. 前記排気ガス温度検出手段は、前記排気浄化処理媒体の上流側で、且つ、前記排気熱輸送手段の上流側及び下流側排気通路上にそれぞれ１つずつ設けられていることを特徴とする請求項６又は７に記載の内燃機関の排気浄化処理装置。
8. 前記排気ガス温度検出手段が検出した排気ガス温度の差が、所定温度以上でない場合は、前記排気熱輸送手段が正常に作動していないと判断する手段を備えることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の排気浄化処理装置。
9. 前記排気ガス温度検出手段が検出した排気ガス温度が、所定温度以上である場合は、前記排気熱輸送手段が正常に作動していないと判断する手段を備えることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の排気浄化処理装置。
10. 前記排気熱輸送手段が正常に作動していないと判断した場合は、前記ＳＯｘ被毒回復処理手段はＳＯｘ被毒回復処理を行わないことを特徴とする請求項８又は９に記載の内燃機関の排気浄化処理装置。

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