JP2010144733A - 排気熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気浄化触媒の暖機性能を維持しつつ常に一定以上の排気熱の回収を行うことができる排気熱回収装置を提供する。
【解決手段】排気熱回収装置２５は、熱回収部６０ａ、６１ａと熱交換部６０ｂ、６１ｂとを備える複数のヒートパイプ６０、６１を具備する。各ヒートパイプは熱回収部において内燃機関から排出される排気ガスから熱を回収すると共にこの回収した熱を熱交換部において加熱対象へと伝熱する。第一ヒートパイプ６０の熱回収部６０ａは機関排気通路内に設けられた排気浄化触媒２０’又はその上流側で排気ガスから熱を回収する。第二ヒートパイプ６１の熱回収部６１ｂは排気浄化触媒の下流側で排気ガスから熱を回収する。
【選択図】図３

Description

本発明は、排気熱回収装置に関する。

内燃機関から排出される排気ガスは一般に大気温度よりも高温であり、従って大きな熱エネルギを含んでいる。そこで、排気ガスに含まれる熱エネルギを回収し、回収した熱エネルギを内燃機関の他の装置の昇温に利用したり、熱エネルギを電気エネルギに変換してバッテリに充電したりする排気熱回収装置が提案されている。

斯かる排気熱回収装置としては、例えば、内燃機関の排気系の構成部品にヒートパイプを取り付けると共にこのヒートパイプに熱電変換素子を取り付けたものが知られている（例えば、特許文献１）。このようにヒートパイプを用いることで、排気系の熱を熱電変換素子に移動させて発電を行わせている。

特に、特許文献１に記載の排気熱回収装置では、内燃機関の排気系の構成部品にヒートパイプを取り付けることにより排気浄化触媒に流入する排気ガスに含まれる熱量が減少してしまうという問題を解決すべく、ヒートパイプの作動開始温度を排気浄化触媒の活性温度よりも高い温度に設定している。

特開２００５−２６４９１６号公報 特開２００５−６９１６１号公報 特公平６−２９５５１号公報

ところで、特許文献１に記載の排気熱回収装置のようにヒートパイプの作動開始温度を排気浄化触媒の活性温度よりも高い温度に設定すると、排気浄化触媒に流入する排気ガスの温度が触媒の活性温度以下のときにはヒートパイプによる熱エネルギの回収が行われない。従って、この間、昇温が必要な内燃機関の他の装置を昇温することができない。

ここで、昇温が必要な装置としては、例えば原料として供給される燃料（すなわち原料燃料）を分離して、原料燃料とは性状の異なる燃料を生成する燃料分離装置が知られている。斯かる燃料分離装置では、原料燃料を効率的に分離させるために原料燃料を一定温度以上にまで昇温する必要があり、この原料燃料の昇温に上述したような排気熱回収装置を用いることが考えられる。

ところが、上述したように特許文献１に記載されたような排気熱回収装置を用いると、斯かる燃料分離装置において原料燃料を一定温度以上にまで昇温できず、よって原料燃料を効率的に分離させることができない場合がある。このように原料燃料を効率的に分離させることができないと、内燃機関の燃焼を最適に維持することができない。

そこで、本発明の目的は、排気浄化触媒の暖機性能を維持しつつ常に一定以上の排気熱の回収を行うことができる排気熱回収装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明では、熱回収部と熱交換部とを備える複数の熱輸送装置を具備し、各熱輸送装置は熱回収部において内燃機関から排出される排気ガスから熱を回収すると共にこの回収した熱を熱交換部において加熱対象へと伝熱する、排気熱回収装置において、第一熱輸送装置の熱回収部は機関排気通路内に設けられた排気浄化触媒又はその上流側で排気ガスから熱を回収し、第二熱輸送装置の熱回収部は上記排気浄化触媒の下流側で排気ガスから熱を回収する。
第１の発明によれば、第一熱輸送装置の熱回収部が排気浄化触媒又はその上流側で排気ガスから熱を回収するため、内燃機関の冷間始動時であっても排気ガスから熱を回収することができる。一方、第二熱輸送装置の熱回収部が排気浄化触媒の下流側で排気ガスから熱を回収するため、内燃機関の暖機後には排気ガスから多量の熱を回収することができる。

第２の発明では、第１の発明において、上記複数の熱輸送装置の熱輸送能力は熱輸送装置毎に異なる。

第３の発明では、第２の発明において、上記第一熱輸送装置の熱容量は第二熱輸送装置の熱容量よりも小さい。

第４の発明では、第３の発明において、上記熱輸送装置はヒートパイプであり、上記第一熱輸送装置と第二熱輸送装置とではヒートパイプ内の熱媒体の量が異なる。

第５の発明では、第１の発明において、上記熱交換部では加熱対象流体の加熱が行われる。

第６の発明では、第５の発明において、上記内燃機関から排出される排気ガスの温度に応じて熱交換部を流れる加熱対象流体の流量が制御される。

第７の発明では、第５の発明において、上記熱輸送装置がヒートパイプであり、上記第二熱輸送装置の温度が基準温度よりも低いときには、上記第二熱輸送装置の熱交換部を流れる加熱対象流の流量がゼロとされる。

第８の発明では、第５の発明において、上記第一熱輸送装置の熱交換部と上記第二熱輸送装置の熱交換部とを通る加熱対象流体用の流路と、上記第一熱輸送装置の熱交換部と上記第二熱輸送装置の熱交換部との間の流路に設けられた流量調整弁とを具備し、該流量調整弁は上記第一熱輸送装置の熱交換部を通った加熱対象流体のうち上記第二熱輸送装置の熱交換部を通る加熱対象流体の流量を調整する。

本発明によれば、第二熱輸送装置が排気浄化触媒の下流側で排気ガスの熱を回収するため、排気浄化触媒の暖機性能を維持することができる。また、第一熱輸送装置が排気浄化触媒又はその上流側で排気ガスの熱を回収するため、内燃機関の冷間始動時であっても或る程度の熱を回収することができる。従って、本発明によれば、第一熱輸送装置と第二熱輸送装置との熱輸送能力を適切に設定することにより、排気浄化触媒の暖機性能を維持しつつ常に一定以上の排気熱の回収を行うことができる。

火花点火式内燃機関の側面断面図を示す図である。 燃料供給機構の概略構成を模式的に示す図である。 第一実施形態の排気熱回収装置の概略図である。 図３のＡ−Ａ線概略断面図である。 ヒートパイプの熱回収部における熱回収量と熱交換部へと伝達可能な熱伝達量との関係を示すグラフである。 第二実施形態の排気熱回収装置の概略図である。 第三実施形態の排気熱回収装置の概略図である。 第四実施形態の排気熱回収装置の概略図である。

以下、図面を参照して本発明の第一実施形態の排気熱回収装置について詳細に説明する。図１に排気熱回収装置の搭載される火花点火式内燃機関の側面断面図を示す。

図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は燃焼室５の頂面中央部に配置された点火プラグ、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートをそれぞれ示す。シリンダヘッド４のシリンダ内壁面周辺部には燃焼室５内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁（以下、「筒内噴射用燃料噴射弁」という）１１ａが配置される。吸気ポート８は吸気枝管１２を介してサージタンク１３に連結され、各吸気枝管１２にはそれぞれ対応する吸気ポート８内に向けて燃料を噴射するための燃料噴射弁（以下、「ポート噴射用燃料噴射弁」という）１１ｂが配置される。

サージタンク１３は吸気ダクト１４を介してエアクリーナ１５に連結され、吸気ダクト１４内にはアクチュエータ１６によって駆動されるスロットル弁１７と例えば熱線を用いた吸入空気量検出器１８とが配置される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９を介して排気浄化触媒（例えば三元触媒）を内蔵した触媒コンバータ２０に連結される。触媒コンバータ２０は排気管２１に接続される。なお、以下では排気ポート１０の下流側において排気通路を画成する排気マニホルド１９、触媒コンバータ２０、排気管２１を総称して排気管２２と称する。

燃料噴射弁１１ａ、１１ｂは燃料タンク２３に接続され、燃料噴射弁１１ａ、１１ｂと燃料タンク２３との間には燃料分離装置２４が設けられる。燃料分離装置２４は、原料燃料（燃料タンク３内に貯留されるガソリン）を原料燃料よりもオクタン価の高い高オクタン価燃料と原料燃料よりもオクタン価の低い低オクタン価燃料とに分離する。また、排気管２２には排気管２２内を流れる排気ガスから熱を回収して加熱対象へと伝熱する排気熱回収装置２５が設けられる。

電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５及び出力ポート３６を具備する。吸入空気量検出器１８の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して点火プラグ６、燃料噴射弁１１ａ、１１ｂ、スロットル弁駆動用アクチュエータ１６、燃料分離装置２４に接続される。

次に、本実施形態の車載用の燃料分離装置２４の構成について図２を参照して説明する。図２は燃料供給機構の概略構成を模式的に示す図である。

図２に示した燃料供給機構は、原料燃料タンク２３、燃料分離装置２４、高オクタン価燃料用タンク５１と低オクタン価燃料用タンク５２とを具備する。原料燃料タンク２３には通常の（市販の）ガソリンが供給され、貯留されている。原料燃料タンク２３に貯留されている燃料は燃料分離装置２４により、原料燃料よりもオクタン価の高い高オクタン価燃料と、原料燃料よりもオクタン価の低い低オクタン価燃料とに分離され、分離された燃料はそれぞれ高オクタン価燃料用タンク５１と低オクタン価燃料用タンク５２とに貯留される。

高オクタン価燃料用タンク５１内の高オクタン価燃料は、フィードポンプ５３によりポート噴射用燃料噴射弁１１ｂに供給され、各気筒の吸気ポート８に噴射される。一方、低オクタン価燃料用タンク５２内の低オクタン価燃料は、フィードポンプ５４により筒内噴射用燃料噴射弁１１ａに供給され、各気筒の燃焼室５内に直接噴射される。

このように、本実施形態では、低オクタン価燃料用と高オクタン価燃料用に互いに独立した燃料噴射弁１１ａ、１１ｂを使用しているため、機関運転状態に応じて低オクタン価燃料と高オクタン価燃料との一方を選択的に、或いは両方を所定の比率で動じに機関本体１の各気筒の燃焼室５に供給することが可能となっている。

次に、図２を参照して本実施形態の燃料分離装置２４について簡単に説明する。燃料分離装置２４は、流量制御弁５５、熱交換器５６、分離膜を用いた分離ユニット５７、凝縮式又は冷却式の気液分離器５８等を具備する。

分離ユニット５７は、耐熱容器からなるハウジング５７ａをアロマ分離膜５７ｂで２つの区画５７ｃ、５７ｄに区分した構成とされている。アロマ分離膜５７ｂとしては、ガソリン中の芳香族成分を選択的に透過させる性質を有するものが使用される。すなわち、アロマ分離膜５７ｂでは、原料燃料を一方の側（例えば、区画５７ｃ側、すなわち低オクタン価燃料側）に比較的高い圧力で供給し、もう一方の側（例えば、区画５７ｄ側、すなわち高オクタン価燃料側）を比較的低圧に保持すると、主に原料燃料中の芳香族成分が分離膜５７ｂを透過して分離膜５７ｂの低圧側（区画５７ｄ側、すなわち高オクタン価側）の表面に浸出して低圧側に面した分離膜５７ｂ表面を覆うようになる。

この低圧側の分離膜５７ｂの表面を覆う液状の浸出燃料を除去することにより、高圧区画５７ｃ側から低圧区画５７ｄ側に連続的に分離膜５７ｂを通して芳香族成分の浸出が生じるようになる。本実施形態では、低圧側（区画５７ｄ側）の圧力を浸出した芳香族成分の蒸気圧よりも低い圧力に維持することにより、低圧側の分離膜５７ｂ表面を覆う芳香族成分を多く含む浸出燃料を蒸発させて連続的に表面から除去し、燃料蒸気の形で回収するようにしている。

分離膜ユニット５７の低圧側区画５７ｄから回収された燃料蒸気は、気液分離器５８に送られて、そこで冷却される。これにより、比較的沸点の高い芳香族成分は液化し、気液分離器５８には芳香族成分を多く含む液体の高オクタン価燃料が生成される。このようにして生成された高オクタン価燃料は、高オクタン価燃料用タンク５１に供給される。

一方、分離膜ユニット５７の高圧側区画５７ｃに残った燃料は、芳香族成分の一部が除去されて高オクタン価成分含有量が少なくなっている。従って、分離膜ユニット５７の高圧側区画５７ｃ内には芳香族成分の含有量の少ない低オクタン価燃料が生成される。このようにして生成された低オクタン価燃料は、低オクタン価燃料用タンク５２に供給される。

ここで、分離膜５７ｂの分離効率はこの分離膜５７ｂの作動条件によって大きく変化する。従って、分離膜５７ｂによる分離効率を高いものとするためには、分離膜５７ｂの作動条件を適切に制御する必要がある。このような分離膜５７ｂの分離効率に影響する作動条件として、分離膜５７ｂに供給される原料燃料の温度が挙げられる。

原料燃料中の芳香族成分の量のうち分離膜５７ｂを透過するものの割合（透過率）は、大気温からある温度に到達するまでは原料燃料の温度上昇に応じて増大する。この温度は分離膜５７ｂの低圧側（区画５７ｄ）の温度がある下限温度に到達する温度である。この下限温度は分離膜５７ｂ低圧側の圧力の関数であり、例えば低圧側の圧力が５ｋＰａで３５３Ｋ（８０°Ｃ）程度になる。

一方、低圧側での温度が蒸気下限温度を超えて上昇を続けると、透過率は或る温度以上では低下するようになる。すなわち、低圧側での温度を維持すべき最適温度範囲が存在し、この最適温度範囲は、例えば低圧側圧力が５〜５０ｋＰａの範囲で３４８Ｋ〜４３８Ｋ（約７５°Ｃ〜１６５°Ｃ）程度となる。

従って、分離膜５７ｂによる分離効率を最大にするためには、分離膜５７ｂの低圧側温度が上記最適温度範囲になるように原料燃料の温度を維持する必要がある。このため、本実施形態では、原料燃料を分離膜ユニット５７に供給する前に熱交換器５６を用いて原料燃料を加熱して、分離膜５７ｂによる分離効率が最も高くなるような温度に維持するようにしている。なお、本発明の実施形態では、熱交換器５６として後述する排気熱回収装置２５の熱交換部が利用される。

また、本実施形態では、原料燃料タンク２３の燃料ポンプ５９と熱交換器５６との間の燃料配管に流量制御弁５５が設けられており、この流量制御弁５５の開度を制御することにより、熱交換器５６及び分離ユニット５７への原料燃料の供給流量が制御される。

なお、上述した燃料供給機構の構成及び燃料分離装置２４の構成は一つの例である。熱交換器の必要な燃料分離装置が設けられれば、如何なる構成の燃料供給機構が用いられても良い。

次に、図３を参照して本発明の第一実施形態の排気熱回収装置２５について説明する。図３に示したように、排気熱回収装置２５は、二つのヒートパイプ６０、６１を有し、各ヒートパイプ６０、６１はその一端に熱回収部６０ａ、６１ａを有すると共に、他端に熱交換部６０ｂ、６１ｂを有する。本実施形態では、一方のヒートパイプ６０の熱回収部６０ａは排気浄化触媒２０’の排気上流側において排気管２２に取り付けられ、他方のヒートパイプ６１の熱回収部６１ａは排気浄化触媒２０’の排気下流側において排気管２２に取り付けられている。以下の説明では、二つのヒートパイプ６０、６１のうち排気上流側において排気管２２に取り付けられているものを上流側ヒートパイプ６０、排気下流側において排気管２２に取り付けられているものを下流側ヒートパイプ６１と称する。

図４は、図３のＡ−Ａ線概略断面図である。図４に示したように、本実施形態では、ヒートパイプ６０、６１の熱回収部６０ａ、６１ａは、排気管２２を貫通し、排気管２２内の排気通路内に挿入される。熱回収部６０ａ、６１ａにおいてヒートパイプ６０、６１の側面には複数のフィン６２が取り付けられる。これにより、ヒートパイプ６０、６１の熱回収部６０ａ、６１ａでは、排気通路内を流れる排気ガスからヒートパイプ６０、６１に熱が伝達される。

なお、ヒートパイプ６０、６１の熱回収部６０ａ、６１ａは、排気ガスから熱を回収することができれば、上述した図４に示したような構成のみならず、様々な構成を採用可能である。例えば、ヒートパイプ６０、６１を排気管２２回りに巻回させて、排気管２２を介して排気通路内を流れる排気ガスから熱を回収するようにしてもよい。

一方、ヒートパイプ６０、６１の熱交換部６０ｂ、６１ｂは、いずれも原料燃料タンク２３と分離ユニット５７との間において燃料供給管６３に取り付けられる。ヒートパイプ６０、６１の熱交換部６０ｂ、６１ｂも上記ヒートパイプの熱回収部６０ａ、６１ａと同様に、燃料供給管６３を貫通し、燃料供給管６３内の燃料通路内に挿入される。これにより、ヒートパイプ６０、６１の熱交換部６０ｂ、６１ｂでは、ヒートパイプ６０、６１から燃料通路内を流れる燃料へと熱伝達が行われる。なお、ヒートパイプ６０、６１の熱交換部６０ｂ、６１ｂについても、上記熱回収部６０ａ、６１ａと同様に、燃料に熱を伝達することができれば、上記構成のみならず、様々な構成を採用可能である。

各ヒートパイプ６０、６１は、内部に毛細管構造（ウィック）を有する中空管から構成され、中空管内には、例えば水や蒸気といった熱媒体が封入される。ヒートパイプ６０、６１では、熱回収部６０ａ、６１ａにおいて排気ガスの熱によりヒートパイプ６０、６１内の熱媒体が蒸発し、この蒸発した熱媒体は熱交換部６０ｂ、６１ｂにおいて燃料に熱を伝達し、これにより熱媒体が凝縮する。凝縮した熱媒体は排気ガスの熱により再び蒸発せしめられる。ヒートパイプ６０、６１によれば、斯かるサイクルを繰り返すことで、熱回収部６０ａ、６１ａから熱交換部６０ｂ、６１ｂへと熱の伝達が行われる。

従って、本発明の実施形態では、上流側ヒートパイプ６０は、その熱回収部６０ａで排気浄化触媒２０’の排気上流側において排気ガスから熱を回収すると共に、その熱交換部６０ｂで燃料供給管６３内を流れる燃料に熱を供給する。一方、下流側ヒートパイプ６１は、その熱回収部６１ａで排気浄化触媒２０’の排気下流側において排気ガスから熱を回収すると共に、その熱交換部６１ｂで燃料供給管６３内を流れる燃料に熱を供給する。

また、本発明の実施形態では、上流側ヒートパイプと下流側ヒートパイプとで熱輸送能力が異なるものとされる。例えば、本実施形態では、上流側ヒートパイプの方が下流側ヒートパイプよりも熱容量が小さいものとされる。

図５は、ヒートパイプの熱回収部における熱回収量と、熱交換部へと伝達可能な熱伝達量との関係を示すグラフである。図５中の実線は熱容量の小さいヒートパイプ（以下、「小容量ヒートパイプ」という）における関係を、破線は封熱容量の大きいヒートパイプ（以下、「大容量ヒートパイプ」）における関係をそれぞれ示している。

図５から分かるように、小容量ヒートパイプの場合、熱回収量が少ない場合において、熱回収量の増大量に対する熱伝達量の増大量が大きく、熱回収量の増大に伴って迅速に熱伝達量が上昇する。すなわち、小容量ヒートパイプでは、熱回収部において回収される熱回収量が少ないときであっても、熱を伝達することができる。従って、小容量ヒートパイプでは、熱回収部において排気管２２内を流れる排気ガスの温度が低いときから熱交換部への熱の移動を開始させることができる。

ところが、一般にヒートパイプによって伝達可能な熱量は限られている。すなわち、熱回収量が少ないうちは熱回収量の増大に伴って熱伝達量が増大する。しかしながら、或る一定の熱伝達量（最大熱伝達量）に到達すると、それ以上熱回収量が増大しても熱伝達量は増大しなくなってしまう。この最大熱伝達量はヒートパイプの容量に応じて異なり、ヒートパイプの容量が小さいほど最大熱伝達量は小さい。

従って、小容量ヒートパイプは、排気管２２を流れる排気ガスの温度が低いときから熱回収部において排気ガスの熱を回収してその熱を熱交換部へ伝熱することができる。しかしながら、小容量ヒートパイプは最大熱伝達量が小さく、よって排気ガスの温度が高くなっても熱回収部から熱交換部へ多量の熱を伝達することはできない。逆に、大容量ヒートパイプは、排気管２２を流れる排気ガスの温度が低いときには熱回収部において排気ガスの熱を回収しても効率的に熱交換部へ伝熱することができない。しかしながら、大容量ヒートパイプは最大熱伝達量が大きく、よって排気ガスの温度が高くなると熱回収部から熱交換部へ多量の熱を伝達することができる。

なお、ヒートパイプの熱容量をヒートパイプ毎に変える方法としては、例えばヒートパイプ内に封入される熱媒体の量を変える事が挙げられる。ヒートパイプ内に封入される熱媒体の量を少なくすればヒートパイプの熱容量を小さくすることができ、逆にヒートパイプ内に封入する熱媒体の量を多くすればヒートパイプの熱容量を大きくすることができる。

或いは、ヒートパイプの熱容量を変える方法として、熱媒体の種類を変えることも挙げられる。熱容量の小さい液体を熱媒体として用いればヒートパイプの熱容量を小さくすることができる。逆に熱容量の大きい液体を熱媒体として用いればヒートパイプの熱容量を大きくすることができる。

さらに、ヒートパイプの熱容量を変える方法として、ヒートパイプの数を変えることが考えられる。ヒートパイプの数を多くすれば、これらヒートパイプ全体の熱容量は大きいものとなり、逆にヒートパイプの数を少なくすると、これらヒートパイプ全体の熱容量は小さいものとなる。従って、例えば、上流側ヒートパイプ６０を一本のヒートパイプから構成し、下流側ヒートパイプ６１を複数本のヒートパイプから構成するようにすることもできる。

このように、上流側ヒートパイプ６０の熱容量を小さくし、下流側ヒートパイプ６１の熱容量を大きくすると、内燃機関の冷間始動時等に排気浄化触媒２０’を迅速に昇温させつつ、加熱対象（すなわち、燃料供給管６３内を流れる原料燃料）に対して必要最低限の熱を供給することができるようになる。本実施形態によってこのような効果を得られる理由について以下に説明する。

内燃機関の冷間始動時においては排気浄化触媒２０’はその活性温度にまで昇温されていない。したがって、排気ガスの浄化性能を高めるためには、排気浄化触媒２０’を昇温する必要がある。ところが、排気浄化触媒２０’の排気上流側に大容量ヒートパイプを配置して排気ガスから熱を回収すると、排気ガスの熱は大容量ヒートパイプによって多量に回収されてしまうため、排気浄化触媒２０’に流入する排気ガスの温度は機関本体１から排出された排気ガスの温度よりもかなり低下する。このため、排気浄化触媒２０’を迅速に昇温させることができなくなってしまう。一方、排気浄化触媒２０’の排気上流側に小容量ヒートパイプを配置して排気ガスから熱を回収すれば、小容量ヒートパイプによって回収される排気ガスの熱は少量であるため、排気浄化触媒２０’に流入する排気ガスの温度は機関本体１から排出された排気ガスの温度とほとんど変わらない。このため、排気浄化触媒２０’を迅速に昇温することができる。

特に、本実施形態のように加熱対象流体が原料燃料であって燃料分離のために原料燃料が加熱される場合、内燃機関の冷間始動時から多量の原料燃料を加熱する必要はない。すなわち、内燃機関の冷間始動時には通常、アイドル運転が行われるため、燃料噴射弁から噴射すべき燃料量は少ない。このため、燃料分離すべき燃料の量も少なく、従って内燃機関の冷間始動時には多量の原料燃料を加熱する必要はない。このため内燃機関の冷間始動時には、小容量ヒートパイプを用いて燃料を加熱すれば、必要最低限の量の原料燃料を加熱することができる。本実施形態では、排気浄化触媒２０’の排気上流側に小容量の上流側ヒートパイプ６０が設けられているため、内燃機関の冷間始動時において必要最低限の量の原料燃料を加熱することができる。

しかしながら、上述したように小容量ヒートパイプは最大熱伝達量が小さいため、小容量ヒートパイプのみを用いると排気浄化触媒２０’が十分に昇温された後であっても十分な量の原料燃料を加熱することができない。これに対して、本実施形態では、上述したように排気浄化触媒２０’の排気下流側には大容量の下流側ヒートパイプ６１が設けられている。排気浄化触媒２０’が十分に昇温された後には排気浄化触媒２０’から排出される排気ガスの温度は比較的高い。従って、排気浄化触媒２０’の排気下流側に大容量の下流側ヒートパイプ６１を設けることにより、排気浄化触媒２０’が十分に昇温された後にはこの大容量の下流側ヒートパイプ６１によって排気浄化触媒２０’から排出された排気ガスから多量に熱を回収することができ、その結果、加熱対象流体である原料燃料を十分に加熱することができる。

このように本発明の実施形態によれば、内燃機関の冷間始動時においては排気浄化触媒２０’の暖機性能をほとんど悪化させることなく必要最低限の熱量を回収することができると共に、内燃機関の暖機後には多量の熱量を回収することができる。すなわち、内燃機関の冷間始動時に排気浄化触媒２０’を迅速に昇温させつつ、加熱対象に対して常に必要最低限の熱量以上の熱を供給することができる。

また、上述したような排気熱回収装置２５の構成を採用する場合、上流側ヒートパイプ６０の熱回収部６０ａを排気ポート１０の直ぐ排気下流側に配置することもできる。これにより、内燃機関の冷間始動時においても確実に排気ガスから熱を回収して原料燃料の加熱を行うことができる。

また、本実施形態では、機関本体１から排出される排気ガスの温度に応じて流量制御弁５５によってヒートパイプ６０、６１の熱交換部６０ａ、６１ａを流れる原料燃料の流量が制御される。具体的には、機関本体１から排出される排気ガスの温度が低いほどヒートパイプ６０、６１の熱交換部６０ａ、６１ａを流れる原料燃料の流量は減少せしめられ、機関本体１から排出される排気ガスの温度が高くなるにつれてヒートパイプ６０、６１の熱交換部６０ａ、６１ａを流れる原料燃料の流量が増大せしめられる。

すなわち、上述したように原料燃料を分離ユニット５７において効率的に分離させるためには、分離膜５７ｂの低圧側温度が上記所定の最適温度範囲内にある必要がある。ところが、ヒートパイプ６０、６１の熱交換部６０ａ、６１ａを流れる原料燃料を一定とすると、ヒートパイプ６０、６１によって排気ガスから回収される熱量が少な過ぎると或いは斯かる熱量が多すぎると、分離ユニット５７に流入する原料燃料の温度が低すぎたり高すぎたりしてしまう。このような場合には、分離膜５７ｂの低圧側温度を最適温度範囲内に収めることができない。

ここで、ヒートパイプ６０、６１によって排気ガスから回収される熱量はヒートパイプの熱回収部６０ａ、６１ａを流れる排気ガスの温度に依存し、斯かる排気ガスの温度が高い程、回収される熱量も多く、よって原料燃料に伝達される熱量も多い。従って、機関本体１から排出される排気ガスの温度が高くなるにつれてヒートパイプ６０、６１の熱交換部６０ａ、６１ａを流れる原料燃料の流量を増大させることで、原料燃料の温度を一定温度範囲内に維持することができる。

次に、図６を参照して本発明の第二実施形態について説明する。第二実施形態の排気熱回収装置２５’の構成は基本的に第一実施形態の排気熱回収装置２５の構成と同様である。しかしながら、第二実施形態では、図６に示したように、上流側ヒートパイプ６０の熱回収部６０ａが排気浄化触媒２０’の排気上流側ではなく、排気浄化触媒２０’自体又は排気浄化触媒２０’を収容する触媒コンバータ２０に取り付けられている。

このように、上流側ヒートパイプ６０の熱回収部６０ａを排気浄化触媒２０’自体又は排気浄化触媒２０’を収容する触媒コンバータ２０に取り付けることにより、機関本体１から排出された排気ガスはヒートパイプ６０、６１により熱を吸収されることなく排気浄化触媒２０’に流入する。このため、特に内燃機関の冷間始動時において、より迅速に排気浄化触媒２０’を暖機させることができる。

また、排気浄化触媒２０’とヒートパイプ６０の熱回収部６０ａとを一体的に形成することにより、又は触媒コンバータ２０とヒートパイプ６０の熱回収部６０ａとを一体的に形成することにより、これら一体化された部品の車両への搭載性が向上する。

次に、図７を参照して本発明の第三実施形態について説明する。第三実施形態の排気熱回収装置２５’’の構成は基本的に第一実施形態又は第二実施形態の排気熱回収装置２５、２５’の構成と同様である。しかしながら、第三実施形態では、上流側ヒートパイプ６０の熱交換部６０ｂと下流側ヒートパイプ６１の熱交換部６１ｂとの間において燃料供給管６３に経路切替弁６４が設けられている。

図７に示したように、上流側ヒートパイプ６０の熱交換部６０ｂと下流側ヒートパイプ６１の熱交換部６１ｂとの間において燃料供給管６３からはバイパス管６５が分岐しており、このバイパス管６５の分岐部には経路切替弁６４が設けられる。バイパス管６５は下流側ヒートパイプ６１の熱交換部６１ｂをバイパスして直接分離ユニット５７の高圧区画５７ｃに連通する。このバイパス管６５の長さは分岐部下流から分離ユニット５７までの燃料供給管６３の長さよりも短い。経路切替弁６４は、上流側ヒートパイプ６０の熱交換部６０ｂから流出した原料燃料を下流側ヒートパイプ６１の熱交換部６１ｂへ流入させる流入位置と、上流側ヒートパイプ６０の熱交換部６０ｂから流出した燃料をバイパス管６５に流入させるバイパス位置との間で切替可能である。

従って、経路切替弁６４が流入位置にあるときには、原料燃料タンク２３の燃料は上流側ヒートパイプ６０の熱交換部６０ｂ及び下流側ヒートパイプ６１の熱交換部６１ｂの両熱交換部を通る。一方、経路切替弁６４がバイパス位置にあるときには、原料燃料タンク２３の燃料は上流側ヒートパイプ６０の熱交換部６０ｂのみを通り、下流側ヒートパイプ６１の熱交換部６１ｂは通らない。

本実施形態では、下流側ヒートパイプ６１の温度（すなわち、下流側ヒートパイプ６１内に封入された熱媒体の温度）が或る一定の基準温度よりも低いときには経路切替弁６４が流入位置にされ、原料燃料は両熱交換部６０ｂ、６１ｂを通って流れる。一方、下流側ヒートパイプ６１の温度が上記基準温度以上であるときには経路切替弁６４がバイパス位置にされ、原料燃料は上流側ヒートパイプ６０の熱交換部６０ｂのみを通って流れる。

ここで、下流側ヒートパイプ６１の温度が低いときには、下流側ヒートパイプ６１の熱交換部６１ｂにおいて原料燃料はあまり昇温されない。このため、下流側ヒートパイプ６１の温度が低いときに原料燃料が分岐部下流の燃料供給管６３を通ると、原料燃料は分岐部下流における燃料供給管６３内を流れる間に燃料供給管６３の周囲の大気によって熱を奪われ、原料燃料の温度は分離ユニット５７に流入するまでに低下してしまう。

本実施形態では、下流側ヒートパイプ６１の温度が低いときには、原料燃料はバイパス管６５を通って分離ユニット５７に流入する。バイパス管６５の長さは分岐部下流における燃料供給管６３の長さよりも短いため、原料燃料がバイパス管６５内を流れる間に、バイパス管６５の周囲の大気によって奪われる熱量は少なく、よって原料燃料の温度は分離ユニット５７に流入するまでにあまり低下しない。従って、本実施形態によれば、排気ガスの熱を効率的に分離ユニット５７に流入する原料燃料に供給することができる。

なお、上記基準温度は、例えば、バイパス管６５を介して原料燃料を分離ユニット５７に流入させた場合も、燃料供給管６３を介して原料燃料を分離ユニット５７に流入させた場合も、分離ユニット５７に流入する原料燃料の温度が等しくなるような下流側ヒートパイプ６１の温度とされる。

また、上記実施形態では、下流側ヒートパイプ６１の温度に応じて原料燃料を流す経路を変更しているが、下流側ヒートパイプ６１の温度のみならず、他のパラメータ（例えば、内燃機関始動後の経過時間等）に応じて原料燃料を流す経路を変更してもよい。

また、下流側ヒートパイプ６１の温度と流量制御弁５５の開度とに応じて経路切替弁６４の位置を切り替えても良い。すなわち、下流側ヒートパイプ６１の温度が非常に高く且つ流量制御弁５５の開度が小さいときには経路切替弁６４をバイパス位置にし、それ以外のときには経路切替弁６４を流入位置にするようにしてもよい。

すなわち、流量制御弁５５の開度が小さいと燃料供給管６３内を流れる原料燃料の流量が少なく、また下流側ヒートパイプ６１の温度が高いと下流側ヒートパイプ６１の熱交換部６１ｂにおいて原料燃料に供給される熱量が多くなる。このような場合に原料燃料に下流側ヒートパイプ６１の熱交換部６１ｂを通過させると、原料燃料は過剰に加熱されてしまい、燃料の劣化等が生じてしまう。そこで、このような場合には、原料燃料を下流側ヒートパイプ６１の熱交換部６１ｂに流さないようにすることにより、原料燃料の過加熱を防止することができる。

さらに、上記実施形態では、バイパス管６５の分岐部に経路切替弁６４が設けられているが、経路切替弁６４の代わりに、分岐部下流の燃料供給管６３及びバイパス管６５に流入する燃料の流量を調整可能な流量調整弁を設けてもよい。これにより、下流側ヒートパイプ６１の温度に応じて分岐部下流の燃料供給管６３内に流れる原料燃料の流量を調整することができる。

次に、図８を参照して本発明の第四実施形態について説明する。第四実施形態の排気熱回収装置２５’’’の構成は基本的に第三実施形態の排気熱回収装置２５’’の構成と同様である。しかしながら、第四実施形態では、経路切替弁６４、バイパス管６５が設けられておらず、代わりに燃料供給管及び流量制御弁が二つずつ設けられている。

すなわち、図８に示したように、第四実施形態では、原料燃料タンク２３と分離ユニット５７との間に二つの燃料供給管６３ａ、６３ｂが設けられると共に、各燃料供給管６３ａ、６３ｂにはそれぞれ流量制御弁５５ａ、５５ｂが設けられる。上流側ヒートパイプ６０の熱交換部６０ｂは第一燃料供給管６３ａに取り付けられると共に、下流側ヒートパイプ６１の熱交換部６１ｂは第二燃料供給管６３ｂに取り付けられる。

本実施形態では、下流側ヒートパイプ６１の温度が或る一定の基準温度よりも低い時には、第一燃料供給管６３ａに設けられた流量制御弁５５ａのみが開弁されて、第二燃料供給管６３ｂに設けられた流量制御弁５５ｂは開弁されない。一方、下流側ヒートパイプ６１の温度が上記基準温度以上であるときには、両流量制御弁５５ａ、５５ｂが開弁される。これにより、上記第三実施形態と同様に、排気ガスの熱を効率的に分離ユニット５７に流入する原料燃料に供給することができる。

なお、本実施形態においても、上記第三実施形態と同様に、下流側ヒートパイプ６１の温度と原料燃料タンク２３から分離ユニット５７に供給すべき原料燃料の流量とに応じて第二流量制御弁５５ｂの開度を調整してもよい。すなわち、下流側ヒートパイプ６１の温度が非常に高く且つ原料燃料タンク２３から分離ユニット５７に供給すべき原料燃料の流量が少ないときには第二流量制御弁５５ｂを閉弁し、それ以外のときには第二流量制御弁５５ｂを開弁するようにしてもよい。これにより、原料燃料の過加熱を防止することができる。

１ 機関本体
８ 吸気ポート
１０ 排気ポート
１１ａ、１１ｂ 燃料噴射弁
２２ 排気管
２３ 燃料タンク
２４ 燃料分離装置
２５ 排気熱回収装置
５５ 流量制御弁
６０ 上流側ヒートパイプ
６１ 下流側ヒートパイプ
６０ａ、６１ａ 熱回収部
６０ｂ、６１ｂ 熱交換部
６３ 燃料供給管

Claims (8)

1. 熱回収部と熱交換部とを備える複数の熱輸送装置を具備し、各熱輸送装置は熱回収部において内燃機関から排出される排気ガスから熱を回収すると共にこの回収した熱を熱交換部において加熱対象へと伝熱する、排気熱回収装置において、
   第一熱輸送装置の熱回収部は機関排気通路内に設けられた排気浄化触媒又はその上流側で排気ガスから熱を回収し、第二熱輸送装置の熱回収部は上記排気浄化触媒の下流側で排気ガスから熱を回収する、排気熱回収装置。
2. 上記複数の熱輸送装置の熱輸送能力は熱輸送装置毎に異なる、請求項１に記載の排気熱回収装置。
3. 上記第一熱輸送装置の熱容量は第二熱輸送装置の熱容量よりも小さい、請求項２に記載の排気熱回収装置。
4. 上記熱輸送装置はヒートパイプであり、上記第一熱輸送装置と第二熱輸送装置とではヒートパイプ内の熱媒体の量が異なる、請求項３に記載の排気熱回収装置。
5. 上記熱交換部では加熱対象流体の加熱が行われる、請求項１に記載の排気熱回収装置。
6. 上記内燃機関から排出される排気ガスの温度に応じて熱交換部を流れる加熱対象流体の流量が制御される、請求項５に記載の排気熱回収装置。
7. 上記熱輸送装置がヒートパイプであり、上記第二熱輸送装置の温度が基準温度よりも低いときには、上記第二熱輸送装置の熱交換部を流れる加熱対象流の流量がゼロとされる、請求項５に記載の排気熱回収装置。
8. 上記第一熱輸送装置の熱交換部と上記第二熱輸送装置の熱交換部とを通る加熱対象流体用の流路と、上記第一熱輸送装置の熱交換部と上記第二熱輸送装置の熱交換部との間の流路に設けられた流量調整弁とを具備し、該流量調整弁は上記第一熱輸送装置の熱交換部を通った加熱対象流体のうち上記第二熱輸送装置の熱交換部を通る加熱対象流体の流量を調整する、請求項５に記載の排気熱回収装置。

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