JP2018204879A - エンジン駆動ヒートポンプの排気熱交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気浄化触媒の温度を触媒活性化温度以上に維持しつつ、できる限り多くの熱を排気から回収することが可能なエンジン駆動ヒートポンプの排気熱交換装置を提供する。【解決手段】冷却配管４１の排気熱交換器４４よりも下流側にてエキゾーストマニホールド３１を経由する第１経路４１ｄとエンジン２０を経由する第２経路４１ｅとに冷却配管４１を分岐させる分岐部４６と、第１経路４１ｄを流れる冷却液の流量である第１流量Ｑ１を調整可能な第１流量制御弁Ｖ１と、排気浄化触媒３３の温度である触媒床温に相関を有する温度を検出する温度センサ８４と、を備える。制御部８０は、触媒床温が触媒活性化温度以下である（Ｔｃａｔ≦Ｔｌｏ）と判定したときは第１流量制御弁Ｖ１を用いて第１流量Ｑ１を減量し、触媒床温が触媒活性化温度より高い（Ｔｃａｔ＞Ｔｌｏ）と判定したときは第１流量制御弁Ｖ１を用いて第１流量Ｑ１を増量するように構成される。【選択図】図３

Description

本発明は、排気浄化触媒の上流及び下流において熱交換を行うエンジン駆動ヒートポンプの排気熱交換装置に関する。

従来から、ガスエンジンの排気温度が低い場合、排気通路における排気浄化触媒の上流側に設けられた電気ヒータ及びガスバーナ等の加熱手段により排気浄化触媒を昇温して触媒を活性化させる排気熱交換装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。しかしながら、装置のサイズ及びコストを低減する観点からは、このような加熱手段を付加することなく排気浄化触媒の温度を活性化温度以上に維持することが望ましい。

特開２００５−１９３１７５号公報（図１）

ところで、従来のガスエンジン駆動ヒートポンプの排気熱交換装置（以下、「従来装置」と称呼される。）の中には、できるだけ多くの熱を回収するために、排気熱交換器だけでなく、ガスエンジン本体及びエキゾーストマニホールドからも熱を回収することができるように構成されたものが知られている。例えば、図９に示す従来装置９１０においては、冷却配管９４１の循環経路中にエンジン９２０及びエキゾーストマニホールド９３１が直列に配置されている。このように、従来装置９１０は、排気経路９３２における排気浄化触媒９３３の上流側のエンジン９２０及びエキゾーストマニホールド９３１と、排気浄化触媒９３３の下流側の排気熱交換器９４４と、からそれぞれ熱を回収することができるようになっている。従って、従来装置９１０は、排気熱交換器９４４のみから熱を回収する装置に比べて、多くの熱を回収することができる。しかしながら、その一方でエンジン９２０からの排気温度が低下し、排気浄化触媒９３３の温度が触媒活性化温度に達しなくなる虞がある。

本発明は上記課題に対処するために為されたものである。即ち、本発明の目的の一つは、排気浄化触媒の温度を触媒活性化温度以上に維持しつつ、できる限り多くの熱を排気から回収することが可能なエンジン駆動ヒートポンプの排気熱交換装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係るエンジン駆動ヒートポンプの排気熱交換装置（以下、「本発明装置」とも称呼する。）は、エンジン、排気通路、排気浄化触媒、排気熱交換器、冷却液ポンプ及び冷却配管を備える。エンジンは、例えばガスを燃料として運転されるガスエンジン等の内燃機関である。排気通路は、エンジンの排気ポートと連通し、エンジンの排気を通過させる。排気浄化触媒は、排気通路に配設され、排気中に含まれる炭化水素、一酸化炭素及び窒素酸化物等の有害成分を除去する。排気熱交換器は、排気通路の排気浄化触媒よりも下流側に配設される。冷却液ポンプは、排気熱交換器に冷却液を圧送する。冷却配管は、冷却液ポンプの吐出口から吐出された冷却液を、排気熱交換器を経由した後に排気通路の排気浄化触媒よりも上流側の部位である排気上流部及びエンジンを経由して、冷却液ポンプの吸入口に取り入れることにより冷却液を循環させる。そして、排気熱交換器において熱交換が行われるとともに、排気上流部及びエンジンと冷却配管の内部を流れる冷却液との間において熱交換が行われる。

冷却配管は分岐部及び合流部を含む。分岐部は、排気熱交換器よりも下流側において、排気上流部を経由する第１経路と、エンジンを経由する第２経路と、に冷却配管を分岐させる。合流部は、排気上流部及びエンジンよりも下流側において、第１経路と第２経路とを合流させる。分岐部は、第１経路を流れる冷却液の流量である第１流量を調整可能な第１流量制御弁を備える。更に、本発明装置は、排気浄化触媒の温度である触媒床温に相関を有する温度である触媒相関温度を検出する温度センサと、第１流量制御弁の弁開度を制御する制御部と、を備える。

制御部は、温度センサにより検出された触媒相関温度と所定の閾値温度との比較に基づいて触媒床温が触媒活性化温度以下であると判定したときは、第１流量制御弁を用いて第１流量を減量し、上記比較に基づいて触媒床温が触媒活性化温度より高いと判定したときは、第１流量制御弁を用いて第１流量を増量する。

本発明によれば、排気浄化触媒の温度を触媒活性化温度以上に維持しつつ、できる限り多くの熱を排気から回収することが可能なエンジン駆動ヒートポンプの排気熱交換装置を提供することができる。

本発明の他の目的、他の特徴及び付随する利点は、以下の図面を参照しつつ記述される本発明の実施形態についての説明から容易に理解されるであろう。

図１は、本発明の第１実施例に係るエンジン駆動ヒートポンプの排気熱交換装置（第１装置）の概略構成図である。 図２は、図１に示したコントロールバルブの概略構成図である。 図３は、図１に示した制御部のＣＰＵが実行する「冷却水流量制御ルーチン」を示したフローチャートである。 図４は、本発明の第２実施例に係るエンジン駆動ヒートポンプの排気熱交換装置（第１装置）のコントロールバルブの概略構成図である。 図５は、本発明の第３実施例に係るエンジン駆動ヒートポンプの排気熱交換装置（第１装置）の概略構成図である。 図６は、図５に示したコントロールバルブの概略構成図である。 図７は、図５に示した制御部のＣＰＵが実行する「冷却水流量制御ルーチン」を示したフローチャートである。 図８は、従来装置の概略構成図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係るエンジン駆動ヒートポンプの排気熱交換装置（以下、「第１装置」とも称呼する。）について説明する。

第１装置は、内燃機関であるエンジンと、エンジンの排気ポートと連通し、エンジンの排気を通過させる排気通路と、排気通路に配設される排気浄化触媒と、排気通路の排気浄化触媒よりも下流側に配設される排気熱交換器と、排気熱交換器に冷却液を圧送する冷却液ポンプと、冷却液ポンプの吐出口から吐出された冷却液を、排気熱交換器を経由した後に排気通路の排気浄化触媒よりも上流側の部位である排気上流部及びエンジンを経由して、冷却液ポンプの吸入口に取り入れることにより冷却液を循環させる冷却配管と、を備える、エンジン駆動ヒートポンプの排気熱交換装置である。第１装置は、例えば空気調和機等を構成するヒートポンプに適用することができる。

上記エンジンは、単気筒又は多気筒の内燃機関であり、例えば都市ガス及びプロパンガス等のガスを燃料とするガスエンジンである。ここでいう排気上流部は、例えば、単気筒のンジンにおいては、排気通路を形成する排気管の排気ポートに近い部分であり、多気筒のエンジンにおいては、エキゾーストマニホールドである。冷却液としては、例えば冷却水及び冷却用オイル等が用いられる。

第１装置は、排気熱交換器において熱交換を行うとともに、排気上流部及びエンジンと、冷却配管の内部を流れる冷却液と、の間において熱交換を行うように構成される。即ち、第１装置は、排気浄化触媒の上流側及び下流側の両方において熱交換を行う排気熱交換装置である。

冷却配管は分岐部及び合流部を含む。分岐部は、排気熱交換器よりも下流側において、排気上流部を経由する第１経路と、エンジンを経由する第２経路と、に冷却配管を分岐させる。合流部は、排気上流部及びエンジンよりも下流側において第１経路と第２経路とを合流させる。分岐部は、第１経路を流れる冷却液の流量である第１流量を調整可能な第１流量制御弁を備える。即ち、冷却液の循環経路において、排気上流部及びエンジンは並列に配置される。第１流量制御弁は、第１流量を調整可能である限り、特に限定されない。例えば、第１流量制御弁は、入力電圧値又は入力電流値に応じて弁開度を調整することができる電動調整弁であり、常閉式又は常開式の何れであってもよい。

更に、第１装置は、排気浄化触媒の温度（以下、「触媒床温」とも称呼する。）に相関を有する温度である触媒相関温度を検出する温度センサと、第１流量制御弁の弁開度を制御する制御部と、を備える。排気浄化触媒の温度（触媒床温）は直接計測されなくてもよい。温度センサは、例えば、排気浄化触媒の入口近傍又は出口近傍に取り付けられてもよく、或いは排気浄化触媒の外壁に取り付けられてもよい。これらの場合、「触媒相関温度」は、それぞれ、排気浄化触媒の入口近傍又は出口近傍の温度、或いは排気浄化触媒の外壁の温度である。

制御部は、温度センサにより検出された触媒相関温度と所定の閾値温度との比較に基づいて排気浄化触媒の温度（触媒床温）が触媒活性化温度以下であると判定したときは、第１流量制御弁を用いて第１流量を減量し、上記比較に基づいて触媒床温が触媒活性化温度より高いと判定したときは、第１流量制御弁を用いて第１流量を増量するように構成される。上記所定の閾値温度とは、例えば、触媒床温が触媒活性化温度であるときの触媒相関温度として、予め実験等により定められた値である。よって、触媒相関温度と所定の閾値温度とを比較することにより、触媒床温と触媒活性化温度との大小関係を判定することができる。

排気浄化触媒の温度（触媒床温）が触媒活性化温度以下であると判定すると、第１装置は、第１流量制御弁の弁開度を小さくして第１流量を減量することにより、排気上流部における熱回収の効率（排気冷却効率）を低下させる。従って、第１装置は、排気温度を上昇させ、その結果、排気浄化触媒の温度を触媒活性化温度より高くすることができる。反対に、排気浄化触媒の温度が触媒活性化温度より高いと判定すると、第１装置は、第１流量制御弁の弁開度を大きくして第１流量を増量することにより、排気上流部における熱回収の効率（排気冷却効率）を向上させることができる。従って、第１装置によれば、触媒床温を触媒活性化温度以上に維持しつつ、できる限り多くの熱を排気から回収することができる。

（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態に係るエンジン駆動ヒートポンプの排気熱交換装置（以下、「第２装置」とも称呼する。）について説明する。

第２装置は、分岐部に、第２経路を流れる冷却液の流量である第２流量を調整可能な第２流量制御弁を更に備える。更に、第２装置が備える制御部は、第２流量制御弁を用いて第２流量を変更するように構成されている。これにより、第１流量制御弁及び第２流量制御弁をそれぞれ独立して制御することができる。例えば、排気浄化触媒温度の温度を上昇させるために第１流量制御弁の弁開度を小さくしている場合であっても、反対に排気上流部からの熱回収をするために第１流量制御弁の弁開度を大きくしている場合であっても、エンジンの温度及び運転状況等に応じて、第２流量制御弁の弁開度を変更することにより第２流量を変更することができる。

例えば、第１流量制御弁の弁開度が大きくされると、第１流量が増量される一方で、第２流量が減少してしまう。この状態が続くと、エンジンからの熱回収の効率が低下して、エンジンの温度が上昇する虞がある。よって、この場合、第２装置は、第２流量制御弁の弁開度を大きくして、第２流量を増加させてもよい。これにより、エンジンの温度が上昇することを防止することができる。反対に、第１流量制御弁の弁開度が小さくされると、第１流量が減量される一方で、第２流量が増加してしまう。この状態が続くと、例えば、エンジンが暖気運転中である場合には、エンジンの暖気を妨げる虞がある。よって、この場合、第２装置は、第２流量制御弁の弁開度を小さくして、第２流量を減少させてもよい。これにより、エンジンの暖気を妨げることを防止することができる。

また、例えば、冷却配管全体の流量（即ち、第１流量と第２流量の和）を一定に保持する必要がある場合は、第１流量制御弁により第１流量を増量した分だけ第２流量制御弁により第２流量を減量してもよい。反対に、第１流量制御弁により第１流量制御弁を減量した分だけ第２流量制御弁により第２流量を増量してもよい。

（第３実施形態）
以下、本発明の第３実施形態に係るエンジン駆動ヒートポンプの排気熱交換装置（以下、「第３装置」とも称呼する。）について説明する。

第３装置は、冷却配管に排気上流部及びエンジンの何れとも熱交換することなく分岐部と合流部との間をバイパスする第３経路を含む。更に、第３装置の分岐部は、排気熱交換器よりも下流側において第１経路と第２経路と第３経路とに冷却配管を分岐させ、分岐部に第３経路を流れる冷却液の流量である第３流量を調整可能な第３流量制御弁を更に備える。

第３装置の制御部は、排気浄化触媒の温度（触媒床温）が触媒活性化温度以下であると判定したときは、第１流量制御弁を用いて第１流量を減量するとともに第３流量制御弁を用いて第３流量を第１流量の減量分だけ増量する。一方、第３装置の制御部は、触媒床温が触媒活性化温度より高いと判定したときは、第１流量制御弁を用いて第１流量を増量するとともに第３流量制御弁を用いて第３流量を第１流量の増量分だけ減量する。

第３装置によれば、例えば、第１経路の流量（第１流量）を減量した場合、第３経路の流量（第３流量）を第１流量の減量分だけ増量することにより、第１流量と第３流量との合計流量を一定に維持することができる。従って、第３装置によれば、排気上流部への冷却液の流量を変化させてもエンジンへの冷却水量（第２流量）を一定に維持することができる。即ち、第３装置によれば、第１流量の制御により触媒床温を触媒活性化温度以上に維持しつつ、第１流量の変化に伴う第２流量の変化を低減してエンジンに対する冷却能力も維持することができる。

＜第１実施形態の実施例＞
以下、本発明の第１実施形態の実施例に係るエンジン駆動ヒートポンプの排気熱交換装置（以下、「第１実施例装置」とも称呼される。）について、図面を参照しながら説明する。

図１に示したように、第１実施例装置１０は、エンジン２０、排気系統３０、冷却・熱交換系統４０及び制御部８０を備えている。

エンジン２０は、内燃機関である限り特に限定されないが、本実施例においては、４気筒・４サイクル・火花点火式ガスエンジンである。エンジン２０は、冷媒を圧縮する図示しない圧縮機を駆動する駆動力を出力する。エンジン２０には、図示しないウォータジャケットが取り付けられている。このウォータジャケットには後述する冷却水が流れるようになっている。このウォータジャケットによりエンジン２０と冷却水との間で熱交換が可能となる。

排気系統３０は、エキゾーストマニホールド３１、排気管３２、排気浄化触媒３３及びマフラー３４を備えている。図中、排気経路は破線の矢印によって示される。エキゾーストマニホールド３１は、エンジン２０の各気筒の排気ポートに接続された枝部と、枝部が集合した集合部（図示省略）と、を含む。エキゾーストマニホールド３１には、図示しないウォータジャケットが取り付けられている。このウォータジャケットには後述する冷却水が流れるようになっている。このウォータジャケットによりエキゾーストマニホールドを通過する排気と冷却水との間で熱交換が可能となる。排気管３２の一端はエキゾーストマニホールド３１の図示しない集合部に接続されている。排気管３２には、その上流側から排気浄化触媒３３、マフラー３４が介装されている。エキゾーストマニホールド３１及び排気管３２はエンジン２０から排出される排気の通路である「排気通路」を構成している。

排気浄化触媒（以下、単に「触媒」とも称呼される。）３３は、排気浄化触媒３３中を通過する排気から炭化水素、一酸化炭素及び窒素酸化物を酸化・還元反応により窒素、水及び二酸化炭素に変換して除去することができるようになっている。本実施例の触媒３３においては、ハニカム構造の耐熱性セラミックス（例えば、コーディエライト）をその中に有する円柱状の基材に触媒コート層が塗布されている。触媒コート層は、多孔質酸化物（アルミナ、セリア、ジルコニア及びチタニア等）に触媒金属（Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ及びＲｕ等の白金族の貴金属）が担持されている。このような触媒３３の活性化温度（ライトオフ温度）Ｔｌｏは２５０乃至３００℃程度である。

冷却・熱交換系統４０は、冷却配管４１、冷却水タンク４２、冷却水ポンプ４３、排気熱交換器４４、熱交換器４５、コントロールバルブ４６及び合流部４７を備えている。図中、冷却水経路は実線の矢印によって示される。冷却配管４１は、冷却水タンク４２に貯留された冷却水を循環させる配管である。冷却配管４１は、第１接続配管４１ａ、第２接続配管４１ｂ、第３接続配管４１ｃ、第４接続配管４１ｄ、第５接続配管４１ｅ、第６接続配管４１ｆ、第７接続配管４１ｇ、第８接続配管４１ｈ及び第９接続配管４１ｉにより構成される。

第１接続配管４１ａは、冷却水タンク４２の出口と冷却水ポンプ４３の吸入口４３ａとの間を接続する。第２接続配管４１ｂは、冷却水ポンプ４３の吐出口４３ｂと排気熱交換器４４の入口との間を接続する。第３接続配管４１ｃは、排気熱交換器４４の出口とコントロールバルブ４６の入口４６ａとの間を接続する。第４接続配管４１ｄは、コントロールバルブ４６の第１出口４６ｂとエキゾーストマニホールド３１に取り付けられたウォータジャケット（図示せず）との間を接続する。第５接続配管４１ｅは、コントロールバルブ４６の第２出口４６ｃとエンジン２０に取り付けられたウォータジャケット（図示せず）との間を接続する。エキゾーストマニホールド３１のウォータジャケットの出口に接続された第６接続配管４１ｆとエンジン２０のウォータジャケットの出口と熱交換器の入口に接続された第７接続配管４１ｇとは合流部４７において合流する。第８接続配管４１ｈは、合流部４７と熱交換器４５の入口との間を接続する。第９接続配管４１ｉは、熱交換器４５の出口と冷却水タンク４２の入口との間を接続する。

冷却水タンク４２は、冷却水ポンプ４３に供給する冷却水を貯留する。冷却水ポンプ４３は、冷却水タンク４２に貯留された冷却水を、第１接続配管４１ａを通じて、吸入口４３ａから吸入し、高圧化して吐出口から第２接続配管４１ｂに吐出（圧送）する。

排気熱交換器４４は、第２接続配管４１ｂと第３接続配管４１ｃとの間に配設されるとともに、排気管３２の排気浄化触媒３３とマフラー３４との間に配設されている。排気熱交換器４４は、第２接続配管４１ｂから第３接続配管４１ｃへと流れる冷却水とエンジン２０から排出される排気との間において熱交換を行う。即ち、排気熱交換器４４は、エンジン２０から排出された排気（気体）と冷却水ポンプ４３から吐出された冷却水（液体）との間にて熱交換を行う気液式の熱交換器として構成される。この熱交換により冷却水は加熱され、加熱された冷却水は第３接続配管４１ｃに流出する。

熱交換器４５は、第８接続配管４１ｈから第９接続配管へと流れる冷却水と、図示しない圧縮機から送られてくる冷媒との間において熱交換を行う。

コントロールバルブ４６は、第３接続配管４１ｃを流れる冷却水を第４接続配管４１ｄと第５接続配管４１ｅとに分岐するとともに、第４接続配管４１ｄに流れる冷却水の流量を調整可能に構成される。

より具体的には、コントロールバルブ４６においては、図２に示したように第１流量制御弁Ｖ１が入口４６ａと第１出口４６ｂとの間の冷却水流路（以下、「第１流路」とも称呼される。）４６１に介装される。第１流量制御弁Ｖ１は、第１経路を流れる冷却液の流量である第１流量を調整可能である限り、特に限定されない。本実施例においては、弁を通過する冷却水の流量が入力電圧に対して線形的に変化するような特性を有する周知の「電動調整弁」を第１流量制御弁Ｖ１として採用した。一方、入口４６ａと第２出口４６ｃとの間の冷却水流路（以下、「第２流路」とも称呼される。）４６２は常に連通している。第１流路４６１、第４接続配管４１ｄ及びエキゾーストマニホールド３１のウォータジャケットは「第１経路」を構成する。第２流路４６２、第５接続配管４１ｅ及びエンジン２０のウォータジャケットは「第２経路」を構成する。このコントロールバルブ４６は「分岐部」とも称呼される。

合流部４７は、第１経路及び第２経路を合流し、合流した第１経路及び第２経路を第６接続配管４１ｆに接続する。このように、冷却配管４１は、冷却水ポンプ４３の吐出口４３ｂから吐出された冷却水を、冷却水タンク４２、冷却水ポンプ４３、排気熱交換器４４、コントロールバルブ４６、エンジン２０及びエキゾーストマニホールド３１並びに熱交換器４５を経由して、冷却水ポンプ４３の吸入口４３ａに取り入れることにより冷却水を循環させる。

制御部８０は、ＣＰＵ８１、ＲＯＭ８２、ＲＡＭ８３及びインタフェースＩ／Ｆ等を含むマイクロコンピュータを主要構成部品として有する電子制御回路である。ＣＰＵ８１は、メモリ（ＲＯＭ８２）に格納されたインストラクション（ルーチン）を実行することにより後述する各種機能を実現する。

制御部８０は、エンジン２０、コントロールバルブ４６及び温度センサ８４等と電気的に接続され、これらとの間において、検出信号及び制御信号の送受信が可能となるように構成されている。温度センサ８４は、排気浄化触媒３３の出口に設けられ、排気浄化触媒３３から排出されるガスの温度を検出する。温度センサ８４の検出値は、排気浄化触媒３３の温度（触媒床温）に相関を有する値であり、以下、「触媒相関温度Ｔｃｃ」とも称呼される。

（作動）
以下、第１実施例装置１０の作動について説明する。ＣＰＵ８１は、温度センサ８４の検出信号に基づいて触媒相関温度Ｔｃｃを取得する。ＣＰＵ８１は、取得した触媒相関温度Ｔｃｃと予め定められた閾値温度Ｔｔｈとを比較する。閾値温度Ｔｔｈは、例えば、取得した触媒相関温度Ｔｃｃが閾値温度Ｔｔｈであるとき、排気浄化触媒３３の温度である触媒床温Ｔｃａｔが触媒活性化温度Ｔｌｏ（例えば、３００℃）となるように設定される。

取得した触媒相関温度Ｔｃｃが閾値温度Ｔｔｈ以下である場合、ＣＰＵ８１は、第１流量制御弁Ｖ１の弁開度を小さくして、エキゾーストマニホールド３１への冷却水の流量（第１流量）Ｑ１を減量する。ところで、一般的には、熱交換器による熱の回収量は冷却水の通過流量と入口と出口の温度差ΔＴとの積として算出される。つまり、冷却性能は温度差ΔＴが一定であれば冷却水の通過流量に比例する。よって、第１流量Ｑ１が減量されると、エキゾーストマニホールド３１における排気の冷却能力（熱回収能力）が低減する。その結果、エキゾーストマニホールド３１から排出される排気の温度、即ち、排気浄化触媒３３に流入する排気の温度が上昇するので、触媒床温を触媒活性化温度に近付けることができる。

一方、取得した触媒相関温度Ｔｃｃが閾値温度Ｔｔｈよりも高い場合、ＣＰＵ８１は、第１流量制御弁Ｖ１の弁開度を大きくして、第１流量Ｑ１を増量する。第１流量Ｑ１が増量されると、エキゾーストマニホールド３１における排気の冷却能力（熱回収能力）が向上する。その結果、エキゾーストマニホールド３１を流れる排気から回収される熱量を増大させることができる。

（第１実施例装置の具体的作動）
以下、第１実施例装置１０の実際の作動について、図３を参照しながら説明する。ＣＰＵ８１は、一定時間が経過する毎に図３にフローチャートにより示した「冷却水流量制御ルーチン」を実行するようになっている。以下、（１）触媒相関温度Ｔｃｃが閾値温度Ｔｔｈ以下である場合と、（２）触媒相関温度Ｔｃｃが閾値温度よりも高い場合と、に場合分けをして説明する。なお、以下の説明においては、第１流量制御弁Ｖ１は常閉式の電動調整弁であるものとする。

（１）触媒相関温度Ｔｃｃが閾値温度Ｔｔｈ以下である場合
ＣＰＵ８１は所定の時点にてステップ３００から処理を開始してステップ３１０に進み、温度センサ８４によって検出された信号に基づいて触媒相関温度Ｔｃｃを取得する。次いで、ＣＰＵ８１はステップ３２０に進み、取得された触媒相関温度Ｔｃｃが閾値温度Ｔｔｈ以下であるか否かを判定する。

この場合、触媒相関温度Ｔｃｃは閾値温度Ｔｔｈ以下であるので、ＣＰＵ８１はステップ３２０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ３３０に進み、第１流量Ｑ１の減量を指示する。より具体的には、ＣＰＵ８１は第１流量制御弁Ｖ１の制御電圧を前回設定値（初回のルーチンの場合はイニシャル値）よりも所定電圧だけ降圧させて、第１流量制御弁Ｖ１の弁開度を小さくするよう指示する。その後、ＣＰＵ８１はステップ３５０に進み、上記指示に基づいて第１流量制御弁Ｖ１を制御し、第１流量Ｑ１を減量する。

その結果、エキゾーストマニホールド３１における排気の冷却能力が低減し、エキゾーストマニホールド３１を通過する排気の温度が上昇する。そして、このようにして温度が上昇した排気が排気浄化触媒３３に流入するので、排気浄化触媒３３の温度が上昇する。ＣＰＵ８１は、ステップ３９５に進み、触媒相関温度Ｔｃｃが閾値温度Ｔｔｈを超えるまで、このルーチンを繰り返す。

（２）触媒相関温度Ｔｃｃが閾値温度よりも高い場合
この場合も上記（１）の場合と同様に、ＣＰＵ８１は所定の時点にてステップ３００から処理を開始して、ステップ３１０に進み、触媒相関温度Ｔｃｃを取得してステップ３２０に進む。但し、この場合は、触媒相関温度Ｔｃｃは閾値温度Ｔｔｈよりも高い。従って、ＣＰＵ８１はステップ３２０にて「Ｎｏ」と判定してステップ３４０に進み、第１流量Ｑ１の増量を指示する。より具体的には、ＣＰＵ８１は第１流量制御弁Ｖ１の制御電圧を前回設定値（初回のルーチンの場合はイニシャル値）よりも所定電圧だけ昇圧させて、第１流量制御弁Ｖ１の弁開度を大きくするよう指示する。その後、ＣＰＵ８１は、ステップ３５０に進み、上記指示に基づいて第１流量制御弁Ｖ１を制御し、第１流量Ｑ１を増量する。

その結果、エキゾーストマニホールド３１における排気の冷却能力（熱回収能力）が向上し、エキゾーストマニホールド３１を通過する排気から回収される熱量が増大する。ＣＰＵ８１は、ステップ３９５に進み、触媒相関温度Ｔｃｃが閾値温度Ｔｔｈ以下となるまで、このルーチンを繰り返す。

以上説明したように、第１実施例装置１０においては、エキゾーストマニホールド３１を経由する冷却配管（第１経路）と、エンジン２０を経由する冷却配管（第２経路）と、に冷却配管４１が分岐している。更に、第１実施例装置１０においては、第１経路中に第１流量制御弁Ｖ１を介装することにより、第１流量Ｑ１を温度センサ８４により検出された温度（触媒相関温度Ｔｃｃ）に応じて調整することができる。

具体的には、第１実施例装置１０は、検出される触媒相関温度Ｔｃｃが所定の閾値温度Ｔｔｈ以下である場合、排気浄化触媒３３の温度（触媒床温）Ｔｃａｔが触媒活性化温度Ｔｌｏ以下であると判定する。この場合、第１実施例装置１０は、第１流量制御弁Ｖ１の弁開度を小さくして第１流量Ｑ１を減量することにより、エキゾーストマニホールド３１における熱回収の効率（排気冷却効率）を低下させる。その結果、排気温度が上昇し、触媒床温Ｔｃａｔが上昇し、所期の排気浄化作用を排気浄化触媒３３に発揮させることができる。

反対に、検出される触媒相関温度Ｔｃｃが所定の閾値温度Ｔｔｈより高い場合、第１実施例装置１０は、触媒床温Ｔｃａｔが触媒活性化温度Ｔｌｏより高いと判定する。この場合、第１実施例装置１０は、第１流量制御弁Ｖ１の弁開度を大きくして第１流量Ｑ１を増量することにより、エキゾーストマニホールド３１における熱回収の効率（排気冷却効率）を向上させることができる。このように、第１実施例装置１０によれば、触媒床温Ｔｃａｔを触媒活性化温度Ｔｌｏ以上に維持しつつ、できる限り多くの熱を排気から回収することができる。言い換えると、第１実施例装置１０によれば、エミッションを増やすことなく、効率よく排気の熱を回収することができる排気熱交換装置を実現することができる。

なお、本実施例においては、上述したように常閉式の電動調整弁を第１流量制御弁Ｖ１はとして採用した。しかしながら、第１流量制御弁Ｖ１は常開式の電動調整弁であってもよい。その場合、第１流量制御弁Ｖ１の弁開度を小さくするときは、第１流量制御弁Ｖ１の制御電圧を前回設定値（初回のルーチンの場合はイニシャル値）よりも所定電圧だけ昇圧させればよい。反対に、第１流量制御弁Ｖ１の弁開度を大きくするときは、第１流量制御弁Ｖ１の制御電圧を前回設定値（初回のルーチンの場合はイニシャル値）よりも所定電圧だけ降圧させればよい。

＜第２実施形態の実施例＞
以下、本発明の第２実施形態の実施例に係るエンジン駆動ヒートポンプの排気熱交換装置（以下、「第２実施例装置」とも称呼される。）について、図面を参照しながら説明する。第２実施例装置は、コントロールバルブ４６の入口４６ａと第２出口４６ｃとの間の冷却水通路に流量制御弁が介装されている点において、第１実施例装置と相違している。以下、この相違点を中心に第２実施例装置について説明する。

第２実施例装置は、図４に示したように、コントロールバルブ４６Ａの第１流路４６１に介装される第１流量制御弁Ｖ１に加え、第２流路４６２に介装される第２流量制御弁Ｖ２を備える。第１流量制御弁Ｖ１と同様に、第２流量制御弁Ｖ２もまた、第２経路を流れる冷却液の流量である第２流量を調整可能である限り、特に限定されない。本実施例においては、弁を通過する冷却水の流量が入力電圧に対して線形的に変化するような特性を有する周知の「電動調整弁」を第２流量制御弁Ｖ２として採用した。

第２実施例装置が備える制御部は、第２流量制御弁Ｖ２を用いて第２流量Ｑ２を変更するように構成されている。これにより、第１流量制御弁Ｖ１及び第２流量制御弁Ｖ２をそれぞれ独立して制御して、第１流量Ｑ１及び第２流量Ｑ２をそれぞれ独立して制御することができる。例えば、排気浄化触媒温度の温度を上昇させるために第１流量制御弁の弁開度を小さくしている場合であっても、反対に排気上流部からの熱回収をするために第１流量制御弁の弁開度を大きくしている場合であっても、エンジンの温度及び運転状況等に応じて、第２流量制御弁の弁開度を変更することにより第２流量を変更することができる。

＜第３実施形態の実施例＞
次に、第３実施形態の実施例に係るエンジン駆動ヒートポンプの排気熱交換装置（以下、「第３実施例装置」とも称呼される。）について、図面を参照しながら説明する。第３実施例装置１０Ｂは、コントロールバルブにおいて、第４接続配管４１ｄ及び第５接続配管４１ｅに加え、もう一つの接続配管である第１０接続配管４１ｊに対しても分岐する３分岐の構成とする点において、第１実施例装置１０及び第２実施例装置と相違している。以下、コントロールバルブの構成が相違している点を中心に説明する。

第３実施例装置１０Ｂにおいて、図５に示したように、第１０接続配管４１ｊがコントロールバルブ４６Ｂの第３出口４６ｄと合流部４７との間に設けられる。第１０接続配管４１ｊは、冷却配管４１の一部であるが、排気系統３０との熱交換に寄与しないように配設されている。第１０接続配管４１ｊは、以下、「バイパス配管４１ｊ」とも称呼される。

コントロールバルブ４６Ｂは、図６に示したように、第３接続配管４１ｃを流れる冷却水を、第４接続配管４１ｄ、第５接続配管４１ｅ及び第１０接続配管（バイパス配管）４１ｊに分岐するとともに、第４接続配管４１ｅ及びバイパス配管４１ｊに流れる冷却水の流量を調整可能に構成される。

より具体的には、コントロールバルブ４６Ｂは、第１流量制御弁Ｖ１及び第３流量制御弁Ｖ３を備える。第１流量制御弁Ｖ１は、第１実施例装置１０及び第２実施例装置１０Ａと同様に第３接続配管４１ｃと第４接続配管４１ｄとの間（即ち、第１流路４６１）に介装される。第３流量制御弁Ｖ３は、第３接続配管４１ｃとバイパス配管４１ｊとの間（以下、「第３流路４６３」と称呼される。）に介装される。

従って、バイパス配管４１ｊは、第３流量制御弁Ｖ３を介して、第３接続配管４１ｃと合流部４７との間を連通する。第３接続配管４１ｃと第５接続配管４１ｅとの間（即ち、第２流路４６２）には流量制御弁が備えられていない。つまり、第２流路４６２は常に連通している。

第３流路４６３及びバイパス配管４１ｊは排気上流部としてのエキゾーストマニホールド３１及びエンジン２０の何れとも熱交換することなく分岐部４７と合流部としてのコントロールバルブ４６Ｂとの間をバイパスする「第３経路」を構成する。第３流量制御弁Ｖ３もまた、第３経路を流れる冷却液の流量である第３流量を調整可能である限り、特に限定されない。本実施例においては、弁を通過する冷却水の流量が入力電圧に対して線形的に変化するような特性を有する周知の「電動調整弁」を第３流量制御弁Ｖ３として採用した。

（第３実施例装置の具体的作動）
以下、第３実施例装置１０Ｂの実際の作動について、図７を参照しながら説明する。ＣＰＵ８１は、一定時間が経過する毎に図７にフローチャートにより示した「冷却水流量制御ルーチン」を実行するようになっている。以下、（１）触媒相関温度Ｔｃｃが閾値温度Ｔｔｈ以下である場合と、（２）触媒相関温度Ｔｃｃが閾値温度よりも高い場合と、に場合分けをして説明する。なお、以下の説明においては、第１流量制御弁Ｖ１及び第３流量制御弁Ｖ３は常閉式の電動調整弁であるものとする。

（１）触媒相関温度Ｔｃｃが閾値温度Ｔｔｈ以下である場合
ＣＰＵ８１は所定の時点にてステップ７００から処理を開始してステップ７１０に進み、温度センサ８４の検出した信号から触媒相関温度Ｔｃｃを取得する。次いで、ＣＰＵ８１はステップ７２０に進み、取得した触媒相関温度Ｔｃｃが閾値温度Ｔｔｈ以下であるか否かを判定する。

この場合、触媒相関温度Ｔｃｃは閾値温度Ｔｔｈ以下であるので、ＣＰＵ８１はステップ７２０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ７３０に進み、第１流量Ｑ１の減量及びバイパス配管４１ｊを流れる冷却水の流量（第３流量）Ｑ３の増量を指示する。より具体的には、ＣＰＵ８１は第１流量制御弁Ｖ１の制御電圧を前回設定値（初回のルーチンの場合はイニシャル値）よりも所定電圧だけ降圧させて、第１流量制御弁Ｖ１の弁開度を小さくするよう指示する。更に、ＣＰＵ８１は第３流量制御弁Ｖ３の制御電圧を前回設定値（初回のルーチンの場合はイニシャル値）よりも所定電圧だけ昇圧させて、第３流量制御弁Ｖ３の弁開度を大きくするように指示する。このとき、第１流量制御弁Ｖ１及び第３流量制御弁Ｖ３の制御電圧は、第１流量Ｑ１の減量分と第３流量Ｑ３の増量分とが等しくなるように設定される。

その後、ＣＰＵ８１はステップ７５０に進み、上記指示に基づいて第１流量制御弁Ｖ１及び第３流量制御弁Ｖ３を制御し、第１流量Ｑ１を減量するとともに第３流量Ｑ３を増量する。このとき、上述したように第１流量Ｑ１の減量分と第３流量Ｑ３の増量分は等しい。従って、第１流量Ｑ１と第３流量Ｑ３の和はステップ７５０における制御の前後で変化しない。その結果、第５接続配管４１ｅに流れ込む第２流量Ｑ２も変化しない。ＣＰＵ８１は、ステップ７９５に進み、触媒相関温度Ｔｃｃが閾値温度Ｔｔｈを超えるまで、このルーチンを繰り返す。

（２）触媒相関温度Ｔｃｃが閾値温度よりも高い場合
この場合も上記（１）の場合と同様に、ＣＰＵ８１は所定の時点にてステップ７００から処理を開始して、ステップ７１０に進み、触媒相関温度Ｔｃｃを取得してステップ７２０に進む。但し、この場合は、触媒相関温度Ｔｃｃは閾値温度Ｔｔｈよりも高い。従って、ＣＰＵ８１はステップ７２０にて「Ｎｏ」と判定してステップ７４０に進み、第１流量Ｑ１の増量及び第３流量Ｑ３の減量を指示する。より具体的には、ＣＰＵ８１は第１流量制御弁Ｖ１の制御電圧を前回設定値（初回のルーチンの場合はイニシャル値）よりも所定電圧だけ昇圧させて、第１流量制御弁Ｖ１の弁開度を大きくするように指示する。更に、ＣＰＵ８１は、第３流量制御弁Ｖ３の制御電圧を前回設定値（初回のルーチンの場合はイニシャル値）よりも所定電圧だけ降圧させて、第３流量制御弁Ｖ３の弁開度を小さくするように指示する。

その後、ＣＰＵ８１はステップ７５０に進み、上記指示に基づいて第１流量制御弁Ｖ１及び第３流量制御弁Ｖ３を制御し、第１流量Ｑ１を増量するとともに第３流量Ｑ３を減量する。このように制御することにより、第１流量Ｑ１の増量分と第３流量Ｑ３の減量分とは等しくなる。従って、第１流量Ｑ１と第３流量Ｑ３の和はステップ７５０の制御の前後において変化しない。その結果、第５接続配管４１ｅに流れ込む第２流量Ｑ２も変化しない。ＣＰＵ８１は、ステップ７９５に進み、触媒相関温度Ｔｃｃが閾値温度Ｔｔｈ以下となるまで、このルーチンを繰り返す。

なお、上述したように、本実施例においても、常閉式の電動調整弁を第１流量制御弁Ｖ１及び第３流量制御弁Ｖ３として採用した。しかしながら、第１流量制御弁Ｖ１は常開式の電動調整弁であってもよい。その場合、第１流量制御弁Ｖ１及び第３流量制御弁Ｖ３の弁開度を小さくするときは、第１流量制御弁Ｖ１の制御電圧を前回設定値（初回のルーチンの場合はイニシャル値）よりも所定電圧だけ昇圧させればよい。反対に、第１流量制御弁Ｖ１の弁開度を大きくするときは、第１流量制御弁Ｖ１の制御電圧を前回設定値（初回のルーチンの場合はイニシャル値）よりも所定電圧だけ降圧させればよい。

以上のように、第３実施例装置１０Ｂは、コントロールバルブ４６Ｂ及びバイパス配管４１ｊを設けることにより、第１流量Ｑ１を変化させた場合であっても第２流量Ｑ２を一定に維持することができる。即ち、第３実施例装置１０Ｂは、エンジン２０に対する冷却能力を維持しながら、エキゾーストマニホールド３１に対する冷却能力を変化させ、排気温度を変化させることが可能となる。

例えば、コールドスタート時のようにエンジン２０の温度が触媒活性化温度Ｔｌｏより低い状況においては排気温度が低いので、第１流量Ｑ１が減量される。前述の第１実施例装置１０によれば、第１流量Ｑ１の減量に伴って第２流量Ｑ２が増加することがある。従って、第１実施例装置１０によれば、コールドスタート時にも拘わらず、エンジン２０の冷却水の流量（第２流量Ｑ２）が増加し、その結果、エンジン２０の暖気に時間を要する可能性がある。これに対し、第３実施例装置１０Ｂは、第１流量Ｑ１を減量しても第２流量Ｑ２は変化せず、エンジン２０が暖気されにくくなることを防止することができる。

＜変形例＞
本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、以下に述べるように、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。

第１実施例装置１０乃至第３実施例装置１０Ｂにおいて、温度センサ８４は排気浄化触媒３３の出口近傍に設けられていたが、温度センサ８４は排気浄化触媒３３の入口近傍に設けられてもよい。また、温度センサ８４は排気浄化触媒３３の筐体の外壁又は内壁に取り付けられていてもよい。

第１実施例装置１０乃至第３実施例装置１０Ｂは、流量（弁開度）が入力電圧に対して線形的に変化する特性を有する第１流量制御弁Ｖ１乃至第３流量制御弁Ｖ３を用いていたが、流量が入力電圧に対して２次関数的に変化する特性（イコールパーセント特性）を有する流量制御弁が用いられてもよい。この場合、第１流量制御弁Ｖ１及び第３流量制御弁Ｖ３の制御電圧との関係はそれぞれ予め定められ、ルックアップテーブル又は関数としてＲＯＭ８２に格納されていればよい。

第１実施例装置１０乃至第３実施例装置１０Ｂに用いられる第１流量制御弁Ｖ１乃至第３流量制御弁Ｖ３は、電圧によりその流量を調整可能な制御弁であったが、電流によりその流量を調整可能な制御弁が用いられてもよい。

第１実施例装置１０乃至第３実施例装置１０Ｂにおいて、エンジン２０は４気筒エンジンであったが、４気筒以外の単気筒も含むエンジンであってもよい。単気筒エンジンにおいては、エキゾーストマニホールド３１に代えて、排気ポート近傍の排気管に冷却水を通すためのウォータジャケットが配設されればよい。

第１実施例装置１０乃至第３実施例装置１０Ｂにおいては冷却液として冷却水が用いられていたが、冷却用オイルが用いられてもよい。

第３実施例装置１０Ｂにおいて、第３接続配管４１ｃと第５接続配管４１ｅ（第２流路４６２）との間に流量制御弁は設けられていなかったが、第２流路４６２には流量制御弁（例えば、第２流量制御弁Ｖ２）が設けられてもよい。この変形例によれば、第２流路４６２の流量（第２流量）Ｑ２を減量又は増量する一方、第３流路４６３の流量（第３流量）Ｑ３を増量又は減量することにより、全体の流量（＝Ｑ１＋Ｑ３）を一定としつつ、第１流量Ｑ１に影響を与えることなく第２流量Ｑ２を減少又は増加させることができる。

１０、１０Ａ及び１０Ｂ…排気熱交換装置、２０…エンジン、３０…排気系統、３１…エキゾーストマニホールド、３２…排気管、３３…排気浄化触媒、４０…冷却・熱交換系統、４１…冷却配管、４１ｃ…第３接続配管、４１ｄ…第４接続配管（第１経路）、４１ｅ…第５接続配管（第２経路）、４１ｆ…第６接続配管、４１ｇ…第７接続配管、４１ｈ…第８接続配管、４１ｉ…第９接続配管、４１ｊ…第１０接続配管、４３…冷却水ポンプ、４３ａ…吸入口、４３ｂ…吐出口、４４…排気熱交換器、４５…熱交換器、４６及び４６Ｂ…コントロールバルブ（分岐部）、４６１…第１流路、４６２…第２流路、４７…合流部、８０…制御部、８４…温度センサ、Ｖ１…第１流量制御弁、Ｖ２…第２流量制御弁、並びにＶ３…第３流量制御弁。

Claims (3)

1. 内燃機関であるエンジンと、
   前記エンジンの排気ポートと連通し、前記エンジンの排気を通過させる排気通路と、
   前記排気通路に配設される排気浄化触媒と、
   前記排気通路の前記排気浄化触媒よりも下流側に配設される排気熱交換器と、
   前記第１排気熱交換器に冷却液を圧送する冷却液ポンプと、
   前記冷却液ポンプの吐出口から吐出された前記冷却液を、前記排気熱交換器を経由した後に前記排気通路の前記排気浄化触媒よりも上流側の部位である排気上流部及び前記エンジンを経由して、前記冷却液ポンプの吸入口に取り入れることにより前記冷却液を循環させる冷却配管と、
   を備え、
   前記排気熱交換器において熱交換を行うとともに、前記排気上流部及び前記エンジンと、前記冷却配管の内部を流れる前記冷却液と、の間においても熱交換を行うように構成されたエンジン駆動ヒートポンプの排気熱交換装置であって、
   前記冷却配管は分岐部及び合流部を含み、
   前記分岐部は、前記排気熱交換器よりも下流側において、前記排気上流部を経由する第１経路と、前記エンジンを経由する第２経路と、に前記冷却配管を分岐させ、
   前記合流部は、前記排気上流部及び前記エンジンよりも下流側において、前記第１経路と前記第２経路とを合流させ、
   前記分岐部は、前記第１経路を流れる冷却液の流量である第１流量を調整可能な第１流量制御弁を備え、
   前記排気熱交換装置は、
   前記排気浄化触媒の温度である触媒床温に相関を有する温度である触媒相関温度を検出する温度センサと、
   前記第１流量制御弁の弁開度を制御する制御部と、
   を更に備え、
   前記制御部は、
   前記温度センサにより検出された前記触媒相関温度と所定の閾値温度との比較に基づいて前記触媒床温が触媒活性化温度以下であると判定したときは、前記第１流量制御弁を用いて前記第１流量を減量し、
   前記比較に基づいて前記触媒床温が前記触媒活性化温度より高いと判定したときは、前記第１流量制御弁を用いて前記第１流量を増量する、
   ように構成されている、
   排気熱交換装置。
2. 請求項１に記載のエンジン駆動ヒートポンプの排気熱交換装置であって、
   前記分岐部に前記第２経路を流れる冷却液の流量である第２流量を調整可能な第２流量制御弁を更に備え、
   前記制御部は、前記第２流量制御弁を用いて前記第２流量を変更するように構成されている、
   排気熱交換装置。
3. 請求項１に記載のエンジン駆動ヒートポンプの排気熱交換装置であって、
   前記冷却配管は、前記排気上流部及び前記エンジンの何れとも熱交換することなく前記分岐部と前記合流部との間をバイパスする第３経路を含み、
   前記分岐部は、前記排気熱交換器よりも下流側において、前記第１経路と前記第２経路と前記第３経路とに前記冷却配管を分岐させ、
   前記分岐部は、前記第３経路を流れる冷却液の流量である第３流量を調整可能な第３流量制御弁を更に備え、
   前記制御部は、
   前記比較に基づいて前記触媒床温が前記触媒活性化温度以下であると判定したときは前記第１流量制御弁を用いて前記第１流量を減量するとともに前記第３流量制御弁を用いて前記第３流量を前記第１流量の減量分だけ増量し、
   前記比較に基づいて前記触媒床温が前記触媒活性化温度より高いと判定したときは前記第１流量制御弁を用いて前記第１流量を増量するとともに前記第３流量制御弁を用いて前記第３流量を前記第１流量の増量分だけ減量するように構成されている、
   排気熱交換装置。
   

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