JP2010038072A - 内燃機関用排気処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 内燃機関の排気管に触媒を備える排気処理装置において、排気熱を効率よく利用して、触媒の昇温制御を効果的に実施し、触媒や熱媒体の劣化を抑制して、高効率で信頼性に優れた排気処理装置を実現する。
【解決手段】 排気管１１に触媒２とその加熱手段２１を有する排気処理装置において、加熱手段２１の上流に熱授受手段４１を、触媒２の下流に熱授受手段４２を設け、熱回収通路４３で熱媒体の循環路を形成する。ＥＣＵ３は、温度センサ２１で検出される排気温度に応じて、加熱手段２１と、熱回収通路４３熱媒体搬送手段４４の作動を制御し、触媒２の下流の熱を上流へ移動させて触媒の温度上昇を促進する。あるいは上流の熱を下流に廃棄して触媒２の劣化を防止して、効率よい温度制御を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に触媒を配設した排気処理装置に関し、特に排気の熱を回収または廃棄する手段を備えた内燃機関用排気処理装置に関する。

内燃機関の排気管に触媒を設けて、触媒の作用で排気を浄化することが行われている。また、冷間時の浄化向上のために触媒加熱の手段を持ち、触媒を昇温させて活性化を促進する構造とした装置が知られている。例えば、特許文献１には、内燃機関を含む動力源を備える車両において、排気管にガス浄化触媒を設け、その上流に、機関暖機等に使用される燃焼式ヒータからの燃焼ガス通路を接続して、始動時昇温を行う制御装置が提案されている。

しかしながら、特許文献１に記載される制御装置は、触媒を通過した熱が捨てられるため、熱利用効率が悪い欠点がある。これに対し、特許文献２に記載されるような熱回収装置を採用することで、排気の熱を利用することが検討される。

特許文献２には、バイパス経路の外周に、熱交換経路と媒体経路を同心状に配設して、排気ガス経路を、バイパス経路と熱交換経路とに切り替える切替弁を設けた排気熱回収装置が開示されている。この装置は、車両の冷間時において排気ガスを熱交換経路に導くことにより、回収した熱を内燃機関の暖気等に用いるもので、暖気後は排気ガスをバイパス経路へ導いて排出している。
特開２００２−４７９２２号公報 特開２００８−２５５５７号公報

しかしながら、特許文献２に記載される熱回収装置は、複数の経路を形成するための管路構成や排気ガスの流れを変えるための構成が複雑である。また、熱媒体が高温条件で劣化するおそれがあることから、劣化を防ぐために排気ガスの流れを変える必要があり、切替弁を設置している。ところが、切替弁は、弁軸を中心に回動可能な弁体が、バイパスパイプの開口端部を開閉する構成であり、高温、腐食環境下での信頼性に欠ける欠点がある。

そこで、本願発明は、排気通路に触媒を加熱する手段を備える排気処理装置において、発生する熱を効率よく利用して、触媒の昇温制御を効果的に実施可能とすること、さらに、使用する熱媒体の劣化を抑制可能であり、高温、腐食環境下における耐久性を向上させて、高効率で信頼性に優れた排気処理装置の実現を目的とする。

請求項１記載の発明では、内燃機関の排気通路に設けられた触媒と、この触媒を加熱するための加熱手段と、排気の熱を回収するための熱回収手段を備える内燃機関用排気処理装置において、
上記熱回収手段が、上記触媒の上流および下流にそれぞれ設置された一対の熱授受手段と、これら一対の熱授受手段を接続する熱回収流路と、該熱回収流路に設けられた熱媒体搬送手段を有しており、
上記排気通路に排出される排気の温度に応じて、上記加熱手段および上記熱媒体搬送手段の作動および上記熱媒体搬送手段作動時の熱回収の方向を制御する制御手段を設ける。

上記構成において、熱回収手段は、排気の温度が低い時には、加熱手段を作動させるとともに、熱媒体搬送手段によって触媒下流の排気ガスの熱を上流側へ戻し、触媒の温度上昇を促進する。排気の温度が高い時には、触媒上流の排気の熱を下流側へ排出することで、触媒の温度が過度に上昇するのを防止する。したがって、排気熱を効率よく再利用して、また触媒の劣化を防止して、昇温制御を効果的に実施することができるので、高効率で信頼性に優れた排気処理装置を実現できる。

請求項２記載の発明では、請求項１の発明において、上記制御手段は、上記排気の温度が上記触媒の活性温度より低い時には、上記加熱手段をオンするとともに、上記熱媒体搬送手段をオンして、上記触媒の下流の熱授受手段で回収した熱を上流の熱授受手段へ戻す。一方、請求項３記載の発明では上記排気の温度が上記触媒の劣化温度以上である時には、上記加熱手段をオフするとともに、上記熱媒体搬送手段をオンして、上記触媒の上流の熱授受手段で回収した熱を下流の熱授受手段を経て廃棄して、上記触媒の昇温および冷却を制御する。

具体的には、加熱手段のオンオフと熱媒体搬送手段のオンオフを、排気温度に応じて切り換え、熱媒体によって回収される熱の移動を制御することで、触媒を加熱あるいは冷却して効果的な温度制御を実施することができる。

請求項４記載の発明では、請求項１または２，３の発明において、上記制御手段は、上記排気の温度が上記触媒の活性温度以上である時には、上記加熱手段をオフする。

具体的には、排気ガスの熱で触媒温度を活性温度以上に保持することができる場合には、加熱手段の作動を停止することで、エネルギーロスをなくし、より効果的な温度制御を実現できる。

請求項５記載の発明では、請求項１ないし４の発明において、上記熱回収流路が、上記一対の熱授受手段に両端がそれぞれ接続される一対の熱媒体流路を有し、これら一対の熱媒体流路と上記一対の熱授受手段とが熱媒体の循環路を形成して、排気の熱を上記熱授受手段の一方から他方へ移動させる。

具体的には、一対の熱授受手段を一対の熱媒体流路で連結し、熱媒体が熱回収通路を循環する構成とすることで、容易に一方で回収した熱を他方へ移動させることができるので、熱の回収、再利用を効率よく実施することができる。

請求項６記載の発明は、請求項５に記載の内燃機関用排気処理装置において、上記熱授受手段は、上記排気通路の外周に接して配置され、上記一対の熱媒体流路にそれぞれ連通する入口と出口を設けた熱授受室を備え、該熱授受室内を通過する熱媒体が上記排気通路の排気と熱交換を行う。

具体的には、熱授受手段を排気通路を取り巻くように形成され、内部を熱媒体が流通する熱授受室にて構成すると、熱媒体と排気ガスとの熱交換を効率よく行って、排気の熱を回収、再利用することができる。

請求項７記載の発明では、請求項６の発明の構成において、上記熱授受室を、上記排気通路の外周を取り巻く二重筒状に形成し、その内側室および外側室のいずれか一方に上記熱媒体流路からの熱媒体を流通させる流路の切換手段を設けて、熱授受量を調節可能とする。

熱授受室で同心状に形成された内側室および外側室にて構成することもできる。例えば、排気温度が低い場合には、熱媒体を内側室に流通させて熱を回収し、外側室を保温層として使用することで昇温効率を高める。また、排気温度が高い場合には、熱媒体を外側室に流通させて熱媒体の劣化を防止し、内側室を断熱層として利用する。このように排気温度に応じて、熱媒体の流路を変えることで受熱量を変更し、最適な温度制御を実現できる。

請求項８記載の発明では、請求項６または７に記載の内燃機関用排気処理装置において、上記熱媒体流路から上記熱授受室に導入される熱媒体を切り換える手段を設ける。

好適には、熱授受手段に導入される熱媒体の種類を変更することもできる。例えば熱媒体が劣化するおそれがある高温となった時に、上記熱媒体流路から上記熱授受室に導入される熱媒体を、高温で劣化しない熱媒体に切り換えることで、熱回収性能を維持しつつ信頼性を高めることができる。

請求項９記載の発明では、請求項１ないし８の発明の構成において、上記熱回収手段が、上記触媒の下流の熱授受手段から内燃機関の他の部位へ熱を供給する第２の熱回収通路を有している。

触媒の温度制御が不要な安定な条件下において、例えば暖房等への熱使用が要求される場合には、熱授受手段で回収した排気の熱を、第２の熱回収通路から他の部位へ供給することもでき、より効果的に排気の熱を再利用することができる。

（第１実施形態）
以下、本発明を適用した内燃機関用排気処理装置を図面に基づいて説明する。図１〜４は本発明の第１実施形態であり、図１は排気処理装置全体の基本構成を、図２〜４はその動作を、図５、６はその効果を説明する図である。図１において、内燃機関であるエンジン１は、ガソリン燃料やディーゼル燃料等の燃焼により動力を発生する一般的な構成のもので、各気筒の燃焼室に連結される排気通路である排気管１１を有し、燃料の燃焼による排気ガスを排出する。

排気管１１には、排気ガスに含まれる有害成分を浄化処理する触媒２が配設され、その上流側に、触媒２を加熱するための加熱手段２１が設置される。触媒２は、例えばガソリンエンジン用として知られる公知の三元触媒、ＮＯｘ触媒や、ディーゼルエンジン用の触媒付ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）等のいずれであってもよく、通常、セラミックハニカム構造体よりなる担体に触媒金属成分を担持させた公知の構成を有する。

加熱手段２１には、燃料の燃焼熱を利用する燃料燃焼方式の加熱装置を使用することが望ましい。この装置は、例えば、図示しない燃料供給路から供給される燃料を、燃焼室に導入して着火燃焼させ、その燃焼熱で排気を加熱した後、触媒２に導入する構成であり、排気を速やかに昇温して高効率で触媒２を加熱できる利点がある。また、燃焼量の制御により触媒２の温度を安定して制御できる。その他、公知の車両用ヒータ、例えば、通電により発熱する電気式ヒータを加熱手段２１として使用することもできる。

加熱手段２１の上流には、エンジン１から排出される排気温度を検出する温度センサ２２が配設される。制御手段であるＥＣＵ３は、温度センサ２２の検出結果を基に、加熱手段２１を作動させるとともに、本発明の特徴である熱回収手段４の作動を制御して、触媒２の始動時昇温を実施し、さらには始動後の温度が適切に保持されるように制御する。この特徴部分について、以下に詳述する。

熱回収手段４は、加熱手段２１と温度センサ２２の間の排気管１１に設置される熱授受手段４１と、触媒２の下流の排気管１１に設置される熱授受手段４２と、これら熱授受手段４１、４２を接続する熱回収通路４３と、熱回収通路４３内に熱媒体を流通させるための熱媒体搬送手段４４とを有している。熱回収通路４３は、熱授受手段４１から熱授受手段４２へ向かう第１流路４３１と、熱授受手段４２から熱授受手段４１へ向かう第２流路４３２とを備え、これら第１流路４３１、第２流路４３２を流通する熱媒体を介して、熱授受手段４１、４２間の熱移動を行う熱媒体の循環路を形成している。熱媒体としては、例えば、エンジン冷却水（クーラント液）や、エンジンオイル等を使用することができる。

熱授受手段４１、４２は、排気管１１の外周側に同心状に配設される両端閉鎖の筒状体からなり、筒壁と排気管１１の外周壁との間に形成される環状空間部が、熱授受室４１ａ、４２ａとなる。熱授受手段４１、４２の熱授受室４１ａ、４２ａは、第１流路４３１または第２流路４３２に接続される熱媒体の入口および出口を有し、排気管１１の外周壁を介して排気ガスと熱媒体との熱交換を行う。この時、熱授受手段４１の入口には第２流路４３２が、出口には第１流路４３１が接続され、熱授受手段４２の入口には第１流路４３１が、出口には第２流路４３２が接続される。

なお、図１は、本実施形態の構成を模式的に示すもので、第１流路４３１および第２流路４３２の流路構成や配置、これら流路４３１、４３２と熱授受室４１ａ、４２との接続構造、入口および出口の配置等は、適宜設定される。通常は、熱授受室４１ａ、４２となる環状空間部の一端側と他端側に、それぞれ入口と出口とが形成されるように配置することで、熱授受室４１ａ、４２内に入口から出口へ向かう環状流路が形成され、熱媒体がスムーズに流れて排気ガスと熱交換する。

熱媒体搬送手段４４は、熱回収通路４３に介設されるポンプを備え、ＥＣＵ３によって制御されて、熱媒体を所定の方向に流通させる。ポンプは、第１流路４３１および第２流路４３２のそれぞれに設ける必要はなく、熱授受手段４１、４２間の熱媒体の循環と、熱移動が十分可能であれば、いずれか一方に設けてもよい。ＥＣＵ３は、温度センサ２２によって検出される排気ガスの温度に応じて熱媒体搬送手段４４をオンオフ動作させ、熱授受手段４１から熱授受手段４２へ、あるいは熱授受手段４２から熱授受手段４２へ排気の熱を移動させる。熱移動が不要な場合には、熱媒体搬送手段４４を停止させる。

図２〜４により、上記構成の排気処理装置におけるＥＣＵ３の動作を説明する。ＥＣＵ３は、エンジン１の始動時に昇温制御を行って、触媒２の温度を活性温度まで速やかに昇温させる一方、触媒２の温度が劣化温度を超えないように保持して、安定した浄化性能を維持させる。この時、熱回収手段４による熱の再利用により効果的な温度制御を可能にする。また、触媒２の温度制御に使用されない余剰の熱を、他の部位に供給することで、発生する熱をより効果的に再利用する。

図２は、エンジン１からの排気温度が、触媒２の活性温度より低い場合で、ＥＣＵ３は加熱手段２１を作動させて、加熱した排気を触媒２に導入する。同時に、熱回収手段４の熱媒体搬送手段４４を作動させ、熱回収通路４３に熱媒体を循環させる。冷間時には、エンジン１の排気温度が低く、触媒２による排気浄化性能が低下するが、本実施形態では、まず、加熱手段２１にて排気ガスが加熱され、さらにその下流側の触媒２を加熱する。触媒２を通過した排気ガスは、次いで、熱授受手段４２を通過する際に、熱授受室４２ａを流通する熱媒体と熱交換し、熱を放出した後、外部へ排出される。

熱媒体により回収された熱は、熱回収通路４３の第２流路４３２から、触媒２の上流側の熱授受手段４１に導入される。熱媒体は、熱授受室４１ａを通過する間に、より低温の排気ガスと熱交換し、熱を放出した後、第１流路４３１を経て再び熱授受手段４２へ循環される。排気ガスは下流側から運ばれた熱によって昇温し、さらに加熱手段２１によって加熱される。触媒２は、より高温となった排気の熱によって、速やかに昇温され、活性温度に到達するので、初期の浄化性能を大きく向上させることができる。

図３は、例えばエンジン１が高負荷運転状態にあるために、排気温度が触媒２の劣化温度より高い場合で、触媒２の温度が過度に上昇して劣化をまねくおそれがある。そこで、ＥＣＵ３は加熱手段２１の作動を停止して、排気ガスが加熱されないようにする。同時に、熱回収手段４の熱媒体搬送手段４４を作動させ、熱回収通路４３に熱媒体を循環させる。エンジン１の排気温度が高い時には、排気ガスが熱授受手段４２を通過する際に、相対的に温度の低い熱授受室４２ａの熱媒体と熱交換し、熱を放出した後、触媒２に供給される。

したがって、触媒２に導入される排気温度を低下させることができ、触媒２の過昇温を防止して、劣化による触媒性能の低下を抑制する。これにより、触媒２の温度が適正な範囲に保持され、安定した浄化性能を発揮する。一方、上流側の熱授受手段４２にて回収された熱は、熱媒体によって熱回収通路４３の第１流路４３１から、触媒２の下流側の熱授受手段４２に運ばれる。触媒２を通過した排気ガスは、さらに温度が低下しているので、熱授受手段４２の熱授受室４２ａを流通する熱媒体から、熱を受け取って外部へ排出される。放熱により温度が低下した熱媒体は、第２流路４３２を経て再び熱授受手段４１へ循環される。

図４は、エンジン１が安定走行状態にあり、排気温度が触媒２の活性温度より高い場合（かつ劣化温度より低い場合）で、排気の熱により触媒２を十分加熱できるので、ＥＣＵ３は加熱手段２１の作動を停止する。また、触媒２の下流の熱を回収して上流へ運んだり、逆に、上流の熱を下流へ廃棄したりする必要もないので、熱回収手段４の熱媒体搬送手段４４の作動も停止する。これにより、触媒２の温度を安定して活性温度以上に保持し、高い浄化性能を発揮できる。

ただし、この状態では、排気ガスが比較的高い温度を保ったまま、排出されてしまう。そこで、図示するように、車両の他の部位に排気の熱を運ぶための第２の熱回収通路４５と、熱媒体搬送手段４６を設けることができる。第２の熱回収通路４５は、例えば、車室暖房手段５と熱媒体搬送手段４６を介して接続され、さらにエンジン１に接続される。第２の熱回収通路４５は、熱回収通路４３と同様、触媒２の下流側の熱授受手段４２に接続され、熱授受室４２ａに熱媒体を導入する方向に流れる第１流路４５１と、車室暖房手段５へ熱媒体を送出する方向へ流れる第２流路４５２を有している。車室暖房手段５とエンジン１を接続する往復流路は、通常公知のエンジン冷却水通路５１、５２によって構成される。

上記構成によれば、排気温度が触媒２の活性温度より高く、かつエンジン暖機が終了しておらず、車室暖房が必要な場合には、加熱手段２１と熱媒体搬送手段４４はオフとし、熱媒体搬送手段４６のみ作動させる。これにより、触媒２の下流側の熱授受手段４２に導入された比較的高温の排気ガスが、熱授受室４２ａを通過する熱媒体と熱交換し、熱を放出した後、排出される。回収された熱は、熱回収通路４５の第２流路４５２から熱媒体搬送手段４６を経て、車室暖房手段５へ、さらにエンジン１へ供給され、これらを加熱する。その後、熱媒体は、第２の熱回収通路４５の第１流路４５１から再び熱授受手段４２へ循環される。

図５は、本実施形態の構成による触媒２の昇温効果を示すもので、エンジン１の始動時に、加熱手段２１および熱媒体搬送手段４４の両方をオンとして、熱回収による触媒２の加熱を行った場合の触媒温度の時間変化を、加熱手段２１のみをオンとした場合、加熱手段２１および熱媒体搬送手段４４の両方をオフとした場合と比較している。図に明らかなように、何も作動させない場合に対して加熱手段２１を作動させると、触媒２の温度上昇の開始が早まり、活性温度に達するまでの時間が短縮されるが、加熱手段２１に加えて熱媒体搬送手段４４を作動させることで、触媒２の温度上昇の開始をさらに早め、その後の急速な温度上昇によって、速やかに活性温度まで昇温させることができる。

また、図６は、本実施形態の構成による触媒２の冷却効果を示すもので、高負荷時等にエンジン１から高温の排気ガスが排出された場合、触媒２の温度が劣化温度を超えることがある。このような場合でも、熱媒体搬送手段４４を作動させて、排気ガスの熱を触媒２に導入される前に回収することで、触媒２の温度を低下させ、劣化温度より十分低い温度にすることができる。この効果は、熱媒体の搬送速度に比例し、搬送速度が大きいほど、触媒２の温度を大きく低下させることができる。

（第２実施形態）
図７〜１２は本発明の第２実施形態であり、熱媒体の劣化を防止するための構造を備えている。図７〜９は熱授受手段４１、４２の他の構成例を、図１０は、それら熱授受手段４１、４２を使用した排気浄化装置の全体構成を示す。図１１は、熱媒体搬送手段４４の具体的構成例を、図１２はその作動を説明するタイムチャートである。

図７において、本実施形態の熱授受手段４１、４２は、排気管１１の外周側に同心状に配設される両端閉鎖の二重筒状に形成し、その内周側に形成される環状空間部を、内側室４１ｂ、４２ｂ、外周側に形成される環状空間部を、外側室４１ｃ、４２ｃとしている。これら内側室４１ｂ、４２ｂ、外側室４１ｃ、４２ｃにて、熱授受室４１ａ、４２ａを構成する。そして、図７〜９に示すように、エンジン１からの排気温度に応じて、熱回収通路４３の第１、第２流路４３１、４３２から、内側室４１ｂ、４２ｂ、外側室４１ｃ、４２ｃへの熱媒体の導入を切り換える。

図１０に示すように、本実施形態では、熱回収通路４３の第１流路４３１、第２流路４３２を、それぞれ内側流路４３１ａ、４３２ａ、外側流路４３１ｂ、４３２ｂを有する二重通路構造に形成する。図７、８に示すように、内側流路４３１ａ、４３２ａは、熱授受室４１ａ、４２ａの内側室４１ｂ、４２ｂに、外側流路４３１ｂ、４３２ｂは、熱授受室４１ａ、４２ａの外側室４１ｃ、４２ｃに接続される。内側室４１ｂ、４２ｂ、外側室４１ｃ、４２ｃへの接続部は、入口と出口が環状空間部の両端に位置して、熱媒体が内部をスムーズに流れるようにする。また、内側室４１ｂ、４２ｂと外側室４１ｃ、４２ｃは、入口と出口が反対側に位置して、流れ方向が対向するように構成されている。

本実施形態では、熱回収通路４３のうち、熱授受手段４１から熱授受手段４１へ向かう第２流路４３２の途中に、熱媒体搬送手段４４を配設している。熱媒体搬送手段４４は、図１１に詳細を示すように、熱授受手段４１と内側流路４３１ａ、外側流路４３１ｂを介して連通する熱媒体タンク４４１と、開閉弁４４２を介して熱媒体タンク４４１と連結されるポンプ４４４と、熱授受手段４２側の内側流路４３１ａ、外側流路４３１ｂへ、熱媒体を供給する流路の切換手段としての流路切換弁４４５を有している。

開閉弁４４２とポンプ４４４の間には、空気取り入れ弁４４３が接続される。これにより、開閉弁４４２が閉じた状態でポンプ４４４を作動させると、ポンプ負圧により空気を吸い込むことができる。さらに、流路切換弁４４５を切り換えることで、内側流路４３１ａ、外側流路４３１ｂへ、熱媒体および空気のいずれかを導入することができる。また、熱授受手段４２側の内側流路４３１ａ、外側流路４３１ｂは、それぞれ逆流防止弁４４６、４４７を介して熱媒体タンク４４１への合流通路に接続される。熱媒体タンク４４１には、空気抜き弁４４８が設けられ、内側流路４３１ａ、外側流路４３１ｂから流入する空気を排出して、熱媒体のみを貯留する。

ＥＣＵ３は、第１の実施形態と同様、温度センサ２２の検出結果に基づいて、加熱手段２１と熱回収手段４の熱媒体搬送手段４４を制御し、触媒２の温度制御を行う。本実施形態では、熱媒体搬送手段４４の開閉弁４４２とポンプ４４４のオンオフ、流路切換弁４４５の切り換えによって、熱授受手段４１、４２の内側室４１ｂ、４２ｂ、外側室４１ｃ、４２ｃへの熱媒体の導入を制御し、熱媒体の劣化を防止しつつ効果的な熱回収を実施する。

上記構成の排気処理装置におけるＥＣＵ３の動作を、図１２を参照しながら図７〜９により説明する。ここでは、熱媒体をクーラント液とし、その劣化温度が例えば１８０℃（内側室４１ｂ、４２ｂ）、５００℃（外側室４１ｃ、４２ｃ）、触媒活性温度が例えば２５０℃、触媒劣化温度が例えば５００℃であるとして説明する。図７は、エンジン１からの排気温度が、触媒２の活性温度より低い場合で、ＥＣＵ３は図１０の加熱手段２１を作動させて加熱した排気を触媒２に導入する。同時に、熱媒体搬送手段４４の開閉弁４４２を開き、ポンプ４４４を作動させて、熱回収通路４３に熱媒体を循環させる。流路切換弁４４５は第２流路４３２の内側流路４３２ａ側に切り換えられる。

これにより、図７に示すように、熱授受手段４１、４２の熱授受室４１ａ、４２ａには、内側室４１ｂ、４２ｂに熱媒体が導入される。この時、外側室４１ｃ、４２ｃには空気の層が形成され、熱媒体の流通する内側室４１ｂ、４２ｂから外部への放熱を防止する保温層として機能する。すなわち、熱授受手段４２の内側室４２ｂでは熱媒体が排気ガスの熱を効率よく受熱し、回収通路４３２を経て熱授受手段４１の内側室４１ｂへ導入されて、回収した熱を外部へ逃がすことなく、排気ガスと熱交換することができる。したがって、排気熱をより効果的に利用して触媒２の温度上昇を促進することができる。

図８は、エンジン１からの排気温度が、熱媒体の劣化温度（例えば１８０℃）より高い場合で、ＥＣＵ３はこれに先立ち、図１０の加熱手段２１をオン、熱媒体搬送手段４４のポンプ４４４をオン、流路切換弁４４５を第２流路４３２の内側流路４３２ａ側に切り換えた状態で、開閉弁４４２を閉じる（図１２参照）。すると、熱媒体を熱媒体タンク４４１からの供給が停止され、ポンプ４４４負圧で空気取り入れ弁４３３が開弁するために、空気が流路切換弁４４５から第２流路４３２の内側流路４３２ａへ吸い込まれる。

これにより、図８に示すように、熱授受手段４１、４２の熱授受室４１ａ、４２ａには、内側室４１ｂ、４２ｂに空気が導入される。次いで、流路切換弁４４５を第２流路４３２の外側流路４３２ｂ側に切り換え、この状態で、開閉弁４４２を開くと、熱媒体タンク４４１から第２流路４３２の外側流路４３２ｂへ熱媒体が供給され、熱授受室４１ａ、４２ａの外側室４１ｃ、４２ｃに熱媒体が導入される。この時、内側室４１ｂ、４２ｂの空気の層は、外側室４１ｃ、４２ｃと排気管１１の間に介在する断熱層として機能する。すなわち、外側室４１ｃ、４２ｃの熱媒体が、高温の排気ガスが流通する排気管１１と直接接触しないようにすることで、熱媒体の劣化を防止しながら、効果的に熱交換を行って、回収した熱を再利用し、触媒２を速やかに活性温度まで上昇させることができる。

図１２において、エンジン１からの排気温度が触媒２の活性温度（例えば２５０℃）に到達したら、触媒２を加熱する加熱手段２１を停止する。さらにエンジン１からの排気温度が上昇し、外側室４１ｃ、４２ｃを流通する熱媒体の劣化温度（例えば５００℃）近傍となったら、ＥＣＵ３は熱媒体搬送手段４４の開閉弁４４２を閉じる。すると、ポンプ４４４負圧で空気取り入れ弁４３３が開弁するために、空気が流路切換弁４４５から第２流路４３２の外側流路４３２ｂへ吸い込まれ、外側室４１ｃ、４２ｃへ導入される。次いで、ポンプ４４４をオフとすると、熱授受室４１ａ、４２ａの内側室４１ｂ、４２ｂ、外側室４１ｃ、４２ｃともに、空気層（滞留）となる。

図９は、エンジン１からの排気温度が、触媒の劣化温度（例えば９００℃）よりさらに高くなった場合で、ＥＣＵ３は、熱授受室４１ａ、４２ａの内側室４１ｂ、４２ｂ、外側室４１ｃ、４２ｃともに、空気層となっている図示の状態のまま、図１０の熱媒体搬送手段４４の流路切換弁４４５を第１流路４３２の内側流路４３２ａ側に切り換え、この状態で、ポンプ４４４を作動させる。

これにより、熱授受手段４１、４２間を、熱媒体としての空気が流通する。すなわち、開閉弁４４２が閉じているために、ポンプ４４４負圧で空気取り入れ弁４３３から空気が取り込まれ、流路切換弁４４５から第２流路４３２の内側流路４３２ａを経て、触媒２上流の熱授受手段４１へ供給される。熱授受手段４１では、熱授受室４１ａの内側室４１ｂを流通する空気に、高温の排気ガスの熱が放出され、第１流路４３１の内側流路４３１ａを経て、触媒２下流の熱授受手段４２へ送出される。熱授受手段４２では、熱授受室４２ａの内側室４１ｂを流通する空気によって運ばれた熱が、相対的に低温の排気ガスに放出される。したがって、触媒２に、劣化温度を超える高温の排気ガスが流入するのを防止し、劣化を抑制して、良好な浄化性能を発揮することができる。

以上のように、本発明によれば、排気ガスの熱を有効に再利用して触媒の昇温を行う一方、高温の排気ガスによる熱媒体や触媒の劣化を抑制して、効率よい温度制御を実現できる。よって、簡易な構成で高性能かつ信頼性に優れた排気処理装置を得ることができる。

本発明の第１実施形態における内燃機関用排気処理装置の全体構成図である。 本発明の第１実施形態の動作（排気温度が触媒活性温度より低い場合）を説明する図である。 本発明の第１実施形態の動作（排気温度が触媒劣化温度より高い場合）を説明する図である。 本発明の第１実施形態の動作（排気温度が触媒活性温度より高い場合）を説明する図であり、第１実施形態の基本構成に第２の熱回収手段を設けた図である。 本発明の第１実施形態における昇温効果を説明するための図である。 本発明の第１実施形態における冷却効果を説明するための図である。 本発明の第２実施形態における排気処理装置の主要部断面図であり、排気温度が触媒活性温度より高い場合の動作を説明する図である。 本発明の第２実施形態における排気処理装置の主要部断面図であり、排気温度が熱媒体劣化温度より高い場合の動作を説明する図である。 本発明の第２実施形態における排気処理装置の主要部断面図であり、排気温度が触媒劣化温度より高い場合の動作を説明する図でる。 本発明の第２実施形態における内燃機関用排気処理装置の全体構成図である。 本発明の第２実施形態における内燃機関用排気処理装置の主要部である熱媒体搬送手段の構成を示す図である。 本発明の第２実施形態の排気処理装置における制御手段の動作を説明するための図である。

符号の説明

１ エンジン
１１ 排気管（排気通路）
２ 触媒
２１ 加熱手段
３ ＥＣＵ（制御手段）
４ 熱回収手段
４１、４２ 熱授受手段
４１ａ、４２ａ 熱授受室
４１ｂ、４２ｂ 内側室
４１ｃ、４２ｃ 外側室
４３ 熱回収通路
４３１ 第１流路
４３２ 第２流路
４４ 熱媒体搬送手段
４４１ 熱媒体タンク
４４２ 開閉弁
４４３ 空気取り入れ弁
４４４ ポンプ
４４５ 流路切換弁

Claims (9)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた触媒と、この触媒を加熱するための加熱手段と、排気の熱を回収するための熱回収手段を備える内燃機関用排気処理装置において、
   上記熱回収手段が、上記触媒の上流および下流にそれぞれ設置された一対の熱授受手段と、これら一対の熱授受手段を接続する熱回収流路と、該熱回収流路に設けられた熱媒体搬送手段を有しており、
   上記排気通路に排出される排気の温度に応じて、上記加熱手段および上記熱媒体搬送手段の作動および上記熱媒体搬送手段作動時の熱回収の方向を制御する制御手段を設けたことを特徴とする内燃機関用排気処理装置。
2. 請求項１記載の内燃機関用排気処理装置において、上記制御手段は、
   上記排気の温度が上記触媒の活性温度より低い時には、上記加熱手段をオンするとともに、上記熱媒体搬送手段をオンして、上記触媒の下流の熱授受手段で回収した熱を上流の熱授受手段へ戻すことを特徴とする内燃機関用排気処理装置。
3. 請求項１記載の内燃機関用排気処理装置において、上記排気の温度が上記触媒の劣化温度以上である時には、上記加熱手段をオフするとともに、上記熱媒体搬送手段をオンして、上記触媒の上流の熱授受手段で回収した熱を下流の熱授受手段を経て廃棄して、上記触媒の昇温および冷却を制御することを特徴とする内燃機関用排気処理装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の内燃機関用排気処理装置において、上記制御手段は、上記排気の温度が上記触媒の活性温度以上である時には、上記加熱手段をオフすることを特徴とする内燃機関用排気処理装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の内燃機関用排気処理装置において、上記熱回収流路が、上記一対の熱授受手段に両端がそれぞれ接続される一対の熱媒体流路を有し、これら一対の熱媒体流路と上記一対の熱授受手段とが熱媒体の循環路を形成して、排気の熱を上記熱授受手段の一方から他方へ移動させることを特徴とする内燃機関用排気処理装置。
6. 請求項５に記載の内燃機関用排気処理装置において、上記熱授受手段は、上記排気通路の外周に接して配置され、上記一対の熱媒体流路にそれぞれ連通する入口と出口を設けた熱授受室を備え、該熱授受室内を通過する熱媒体が上記排気通路の排気と熱交換を行うことを特徴とする内燃機関用排気処理装置。
7. 請求項６に記載の内燃機関用排気処理装置において、上記熱授受室を、上記排気通路の外周を取り巻く二重筒状に形成し、その内側室および外側室のいずれか一方に上記熱媒体流路からの熱媒体を流通させる流路の切換手段を設けて、熱授受量を調節可能としたことを特徴とする内燃機関用排気処理装置。
8. 請求項６または７に記載の内燃機関用排気処理装置において、上記熱媒体流路から上記熱授受室に導入される熱媒体を切り換える手段を設けたことを特徴とする内燃機関用排気処理装置。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の内燃機関用排気処理装置において、上記熱回収手段が、上記触媒の下流の熱授受手段から内燃機関の他の部位へ熱を供給する第２の熱回収通路を有していることを特徴とする内燃機関用排気処理装置。

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