JP7251564B2 - 排気熱回収機構 - Google Patents

Description

本発明は、排気熱回収機構に関し、より詳細には、内燃機関の排気と冷媒との間で熱交換可能な排気熱回収機構に関する。

排気と冷却水との間で熱交換可能な排気熱回収装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載の排気熱回収装置は排気の熱量を回収して冷却水を昇温することで、内燃機関の暖機を促進している。

特開２０１７－２１８９６６号公報

本願の発明者は、特許文献１に記載の排気熱回収装置において排気と冷却水の間で熱交換が行われた際に凝縮水が生じることに着目した。

本開示の目的は、排気と冷媒の間で熱交換が行われる際に生じた凝縮水を利用する排気熱回収機構を提供することである。

上記の目的を達成する本発明の一態様の排気熱回収機構は、内燃機関の気筒から排出された排気が通過する排気通路から分岐した後にその排気通路に合流する排気熱回収通路と、排気の流れを前記排気通路および前記排気熱回収通路のどちらか一方の通路に切り替える排気用通路切替装置と、前記排気熱回収通路に配置されて、前記内燃機関の冷却水または潤滑油のどちらか一方から成る冷媒および排気の間で熱交換する第一熱交換器と、を備えた排気熱回収機構において、排気の流れに関して前記第一熱交換器の下流の側の前記排気熱回収通路に配置されて、水と水和反応して蓄熱した熱を放熱するまたは熱の吸熱により脱水反応して蓄熱する化学蓄熱装置を備え、この化学蓄熱装置が前記第一熱交換器における熱交換で生じた凝縮水と水和反応して前記化学蓄熱装置を通過する排気を昇温し、排気の流れに関して前記化学蓄熱装置の下流の側に配置された昇温対象物を昇温する構成にしたことを特徴とする。

本発明の一態様によれば、第一熱交換器で排気の熱を回収した際に生じた凝縮水を利用して、化学蓄熱装置で水和反応を生じさせて化学蓄熱装置を通過する排気を昇温することができる。これにより、化学蓄熱装置よりも下流に配置された昇温対象物を昇温することができる。

第一実施形態の排気熱回収機構を例示する構成図である。 第一実施形態の排気熱回収機構の制御方法を例示するフロー図である。 図２の制御フローでフラグが立ったときに行われる制御フローを例示するフロー図である。 図２のＩから続く制御フローを例示するフロー図である。 図１の迂回通路を流れる冷却水および排気熱回収通路を流れる排気の温度を例示する相関図である。 第二実施形態の排気熱回収機構を例示する構成図である。

以下に、本開示における排気熱回収機構の実施形態について説明する。図１および図６において、一点鎖線は信号線を示し、白抜き矢印は排気の流れを示し、塗り潰し矢印は冷媒である冷却水の流れを示す。図１および図６では、構成が分かり易いように冷却水や排気の流路の構造を変化させており、必ずしも実際に製造するものとは一致させていない。図１および図６の煩雑さを回避するために図示する気筒２は一つのみとする。

図１に例示するように、第一実施形態の排気熱回収機構１０は、冷媒として内燃機関１を冷却する冷却水を用いて、その冷却水と内燃機関１の気筒２から排出される排気との間で熱交換を行う機構であり、昇温対象が後述する第二熱交換器１５である。

内燃機関１は軽油を燃料とするディーゼルエンジンであり、気筒２の内部のピストン３の往復直線運動により動力を得る機関である。内燃機関１は一気筒のみではなく図示しない他の気筒を有する多気筒エンジンである。内燃機関１の燃料は軽油に限定されるものではなく、ガソリンや液化ガスでもよい。内燃機関１の気筒数および気筒配置は特に限定されるものではない。内燃機関１は排気熱回収機構１０、冷却機構２０、および、排気浄化機構３０を備えて構成される。

冷却機構２０は、共有通路２１、冷却通路２２、迂回通路２３、および、冷却水用通路切替装置２４を備える循環回路であり、共有通路２１に冷却水用ポンプ２５およびウォータジャケット２６が配置され、冷却通路２２にラジエータ２７が配置される。冷却機構２０は、冷却水が共有通路２１を通過後に冷却水用通路切替装置２４により冷却通路２２および迂回通路２３の少なくとも一方の通路に流れて、再び共有通路２１へ循環するように構成される。

冷却水用ポンプ２５は冷却水を吐出して冷却水を循環させるポンプである。冷却水用ポンプ２５は電動式ウォータポンプや動力伝達機構によりクランク軸４に連結された機械式ウォータポンプが例示される。ウォータジャケット２６は気筒２の周囲に設けられた冷却水の通路であり、その通路が複数の気筒２を取り巻くように形成されている。

冷却水用通路切替装置２４は冷却通路２２および迂回通路２３の分岐点に配置される。冷却水用通路切替装置２４は、冷却水の温度上昇に伴って膨張し、冷却水の温度低下に伴って収縮する性質を有する熱膨張体により伸縮動作するリフタ（図示しない）を有するサーモスタットで構成される。冷却水用通路切替装置２４は、冷却水の温度に応じて冷却通路２２および迂回通路２３に流れる冷却水の流量を調節可能な構成であればよく、開度を制御可能な三方弁で構成されてもよい。

ラジエータ２７は内燃機関１０が搭載された車両の前方側（図１の左側）に配置されて、その後方の側には冷却ファン２８が配置される。ラジエータ２７は車速風と後続の冷却ファン２８による冷却風とを利用して内部を通過する冷却水を冷却する熱交換器である。冷却通路２２はその中途位置にラジエータ２７が設けられて冷却水がラジエータ２７により冷却される流路である。迂回通路２３は冷却通路２２を迂回して冷却水がラジエータ２７により冷却されない流路である。

排気浄化機構３０は、排気通路５に配置された酸化触媒装置３１、フィルタ装置３２、還元剤噴射装置３３、および、選択的還元触媒装置３４を有して構成される。酸化触媒装置３１は排気の流れに関してフィルタ装置３２の上流側に配置されて、排気に含有する炭化水素、一酸化炭素、及び一酸化窒素を酸化する触媒を有する。フィルタ装置３２は排気に含有する粒子状物質を濾過捕集する。還元剤噴射装置３３は排気の流れに関して選択的還元触媒装置３４の上流側に配置されて、尿素水を噴射して選択的還元触媒装置３４に還元剤であるアンモニアを供給する。選択的還元触媒装置３４はアンモニアを還元剤として排気に含有する窒素酸化物を還元浄化する触媒を有する。なお、排気浄化機構３０としては、酸化触媒装置３１の上流側に配置されて、排気に未然の燃料を噴射する排気管燃料噴射装置や、選択的還元触媒装置３４の下流側に配置されて、選択的還元触媒装置３４を通過後の排気に含まれる還元剤を吸着除去する還元剤吸着触媒装置を有してもよい。

本開示において還元触媒装置は排気に含有される窒素酸化物を還元浄化する触媒装置を示し、本実施形態における選択的還元触媒装置３４に相当する。還元触媒装置は希薄混合気（リーン）条件で窒素酸化物を吸蔵し、過濃混合気（リッチ）条件で窒素酸化物を還元する吸蔵型還元触媒装置で構成されてもよい。

排気熱回収機構１０は排気熱回収通路１１、排気用通路切替装置１２、第一熱交換器１３、化学蓄熱装置１４、および、第二熱交換器１５を備えて構成される。また、排気熱回収機構１０は、温度変数取得装置として水温センサ１６、反応変数取得装置として温度差センサ１７および排気流量センサ１８、ならびに、制御装置４０を備えて構成される。

排気熱回収通路１１は気筒２から排出された排気が通過する排気通路５から分岐した後に排気通路５に合流する通路である。排気熱回収通路１１は、排気が排気熱回収通路１１を流れる場合にも排気浄化機構３０の各々の装置を通過するように構成されることが望ましい。また、排気熱回収通路１１は、排気の流れに関して選択的還元触媒装置３４よりも上流の側で排気通路５に合流することが望ましい。排気熱回収通路１１は排気の流れに関してフィルタ装置３２よりも下流の側の排気通路５から分岐し、選択的還元触媒装置３４よりも上流の側の排気通路５に合流する構成である。

排気用通路切替装置１２は排気熱回収通路１１および排気通路５の分岐点に配置される、または、排気熱回収通路１１および排気通路５の分岐点ならびに合流点の間の中途位置に排気通路５に配置される。排気用通路切替装置１２は、排気の流れを排気熱回収通路１１または排気通路５のいずれか一方の通路にすることが可能であればよく、分岐点に配置される場合に三方弁で構成され、中途位置に配置される場合に排気通路５を開放または遮蔽するグローブ弁、ゲート弁、バタフライ弁などで構成される。

第一熱交換器１３は排気熱回収通路１１および迂回通路２３のそれぞれの中途位置に配置される。第一熱交換器１３は排気熱回収通路１１を流れる排気と迂回通路２３を流れる冷却水との間で熱交換を行う。第一熱交換器１３の構成は排気と冷却水との間で熱交換可能であれば特に限定されるものではない。

化学蓄熱装置１４は排気の流れに関して第一熱交換器１３よりも下流の側の排気熱回収通路１１に配置される。化学蓄熱装置１４は、化学蓄熱材と水とが水和反応して蓄熱した熱を放熱する、または、熱の吸熱により化学蓄熱材が脱水反応して蓄熱する構成である。化学蓄熱装置１４は通過する排気との接触表面積を確保するために多孔質体で構成されることが望ましい。化学蓄熱装置１４としては、ハニカム形状のセラミックスを基材として、水酸化マグネシムや塩化カルシウムなどの化学蓄熱材を担持した開放型の装置が例示される。

第二熱交換器１５は排気の流れに関して化学蓄熱装置１４よりも下流の側の排気熱回収通路１１および冷却水の流れに関して第一熱交換器１３よりも下流の側の迂回通路２３に配置される。第一熱交換器１３は化学蓄熱装置１４を通過した排気と第一熱交換器１３を通過した冷却水との間で熱交換を行う。第二熱交換器１５の構成は排気と冷却水との間で熱交換可能であれば特に限定されるものではない。

水温センサ１６はウォータジャケット２６および冷却水用通路切替装置２４の間の共有通路２１に配置され、温度変数としてウォータジャケット２６を通過後で、かつ、冷却水用通路切替装置２４を通過前の冷却水の温度Ｔｗを取得する。水温センサ１６は温度変数取得装置として機能するセンサである。

温度差センサ１７は第一熱交換器１３および化学蓄熱装置１４の間の排気熱回収通路１１に配置された第一温度センサ、ならびに、化学蓄熱装置１４および第二熱交換器１５の間の排気熱回収通路１１に配置された第二温度センサから成る。温度差センサ１７は化学蓄熱装置１４の入口を通過する排気の入口温度から化学蓄熱装置１４の出口を通過する排気の出口温度を減算した温度差ΔＴを取得する。

排気流量センサ１８は化学蓄熱装置１４を通過する排気の単位時間当たりの体積流量Ｑｇを取得可能であればよく、排気の流れに関して化学蓄熱装置１４よりも上流の側に配置されていればよい。

制御装置４０は各種情報処理を行う中央演算装置（ＣＰＵ）、その各種情報処理を行うために用いられるプログラムや情報処理結果を読み書き可能な内部記憶装置、及び各種インターフェースなどから構成されるハードウェアである。制御装置４０は、排気用通路切替装置１２、燃料噴射装置７、および、各取得装置に電気的に接続されている。

制御装置４０は、機能要素として判定部４１、切替制御部４２、および、昇温制御部４３を有する。各機能要素は、プログラムとして内部記憶装置に記憶されていて、適時、中央演算装置により実行されている。各機能要素としては、プログラムの他にそれぞれが独立して機能するプログラマブルコントローラ（ＰＬＣ）や電気回路で構成されてもよい。

判定部４１は各取得装置が取得した変数が入力されて、入力された変数に基づいた判定結果を各制御部に出力する機能要素である。判定部４１は、内燃機関１の温度状態が冷間状態か否かの判定と化学蓄熱装置１４で脱水反応が開始した状態か否かおよび脱水反応が完了した状態か否かの判定とを行う。また、判定部４１は脱水反応が完了するまでに要する時間が長いか否かの判定を行う。

判定部４１は、内燃機関１の温度状態が冷間状態か否かの判定を水温センサ１６が取得した冷却水の温度Ｔｗが予め設定された温度閾値Ｔａよりも下回るか否かで判定する。温度閾値Ｔａは冷却水の目標温度以下の温度であり、冷却水用通路切替装置２４が冷却水を冷却通路２２へ流し始める温度に設定されることが望ましい。温度閾値Ｔａは予め実験、試験、あるいはシミュレーションにより求められる。温度閾値Ｔａとしては冷却水の目標温度を用いてもよい。冷却水の目標温度としては８５℃前後が例示される。

内燃機関１の温度状態が冷間状態とは内燃機関１が冷間始動する状態である。冷間始動とは、内燃機関１の各部の温度が雰囲気温度と同等の温度、あるいは雰囲気温度よりも低い温度の状態を示す。同等の温度とは同一の温度を含み、同一の温度と見做せる範囲でその温度よりも高い温度でもよい。例えば、雰囲気温度に対して１０度未満の温度差であれば同等の温度として見做す。

判定部４１は、脱水反応が開始した状態か否かの判定を温度差センサ１７が取得した温度差ΔＴが負の値になったか否かで判定する。水和反応は発熱を伴う反応であり、水和反応が生じている場合に化学蓄熱装置１４を通過した後の排気の温度は通過する前の排気の温度よりも高くなり、温度差ΔＴが正の値になる。脱水反応は吸熱を伴う反応であり、脱水反応が生じている場合に化学蓄熱装置１４を通過した後の排気の温度は通過する前の排気の温度よりも低くなり、温度差ΔＴが負の値になる。

判定部４１は、脱水反応が完了した状態か否かの判定を脱水反応が開始されてから化学蓄熱装置１４への単位時間当たりの入熱量Ｑｈの積算値ΣＱｈが予め設定された入熱量閾値Ｑａ以上か否かで判定する。入熱量Ｑｈは温度差ΔＴと排気流量センサが取得した排気の体積流量Ｑｇとから求まり、積算値ΣＱｈは単位時間ごとの入熱量Ｑｈを積算した値である。入熱量閾値Ｑａは化学蓄熱装置１４の脱水反応が完了したことを判定可能な閾値であり、予め実験、試験、あるいは、シミュレーションにより求められる。化学蓄熱装置１４の脱水反応の完了までに必要な熱量は、化学蓄熱装置１４が有する化学蓄熱材の量に応じる。脱水反応の完了は化学蓄熱装置１４の化学蓄熱材のうちの半分以上が脱水した状態でもよく、八割以上が脱水した状態であることが望ましい。

判定部４１は、脱水反応が完了するまでに要する時間が長いか否かの判定を、温度差ΔＴが負になってから経過した時間ｔｘを計時し、計時したその時間ｔｘが予め設定された時間閾値ｔａ以上経過したか否かで判定する。時間閾値ｔａは適宜設定可能である。

切替制御部４２は判定部４１の判定結果が入力されて、その判定結果に基づいて排気用通路切替装置１２を制御して、排気用通路切替装置１２により排気が流れる通路を排気熱回収通路１１または排気通路５のどちらか一方の通路に切り替える制御を行う機能要素である。切替制御部４２は、判定部４１が内燃機関１の温度状態が冷間状態と判定した場合に、排気用通路切替装置１２により排気を排気熱回収通路１１へ流す制御を行う。切替制御部４２は、判定部４１が内燃機関１の温度状態が冷間状態でないと判定し、さらに、判定部４１が脱水反応が完了した状態と判定した場合に、排気用通路切替装置１２により排気を排気通路５へ流す制御を行う。

昇温制御部４３は判定部４１の判定結果が入力されて、その判定結果に基づいて化学蓄熱装置１４を通過する排気の温度を昇温する機能要素である。昇温制御部４３は、判定部４１が脱水反応が完了するまでに要する時間が長いと判定した場合に、燃料噴射装置７を制御する。化学蓄熱装置１４を通過する排気の温度を昇温する手段としては、燃料噴射装置７から噴射される燃料噴射量を増加して排出される排気を昇温する手段、あるいは、燃料噴射装置７から噴射される燃料の一部を排気通路５の酸化触媒装置３１に供給して酸化触媒装置３１を通過する排気を昇温する手段が例示される。

図２に例示する制御フローは内燃機関１の運転中に所定の周期ごとに繰り返し行われ、図３および図４に例示する制御フローは図２の制御フローでフラグが立った場合に行われ、フラグを降ろすまで行われる。所定の周期とは各取得装置が取得値を取得する周期とする。フロー図における一周期の経過は「リターン」で示す。フロー図におけるフラグは判定結果を保持する変数であり、フラグが立った状態を「１」で示し、フラグが降りた状態を「０」で示す。

図２に例示するように、水温センサ１６が冷却水の温度Ｔｗを取得すると（Ｓ１１０）、判定部４１は取得した温度Ｔｗが温度閾値Ｔａよりも下回るか否かを判定する（Ｓ１２０）。温度Ｔｗが温度閾値Ｔａよりも下回ると判定すると（Ｓ１２０：ＹＥＳ）、判定部４１はフラグを立てる（Ｓ１３０）。温度Ｔｗが温度閾値Ｔａ以上と判定すると（Ｓ１２０：ＮＯ）、判定部４１はフラグが降りているか否かを判定する（Ｓ１４０）。

次いで、フラグが立った状態の場合に切替制御部４２は排気用通路切替装置１２により排気が流れる通路を排気熱回収通路１１に切り替える（Ｓ１５０）。一方、フラグが降りた状態の場合に切替制御部４２は排気用通路切替装置１２により排気が流れる通路を排気通路５に切り替える（Ｓ１６０）。以上の制御フローが繰り返される。

図３および図４に例示するように、図２の制御フローでフラグが立ち、温度差センサ１７が温度差ΔＴを取得すると（Ｓ２１０）、判定部４１は取得した温度差ΔＴが負になったか否かを判定する（Ｓ２２０）。

温度差ΔＴが負にならないと判定すると（Ｓ２２０：ＮＯ）、制御フローはスタートへ戻る。温度差ΔＴが負になったと判定し（Ｓ２２０：ＹＥＳ）、排気流量センサ１８が排気の体積流量Ｑｇを取得すると（Ｓ２３０）、判定部４１は温度差ΔＴと体積流量Ｑｇとに基づいて単位時間当たりの入熱量Ｑｈを推定する（Ｓ２４０）。次いで、判定部４１は単位時間ごとの入熱量Ｑｈを積算した積算値ΣＱｈを算出する（Ｓ２５０）。次いで、判定部４１は積算値ΣＱｈが入熱量閾値Ｑａ以上か否かを判定する（Ｓ２６０）。積算値ΣＱｈが入熱量閾値Ｑａ以上と判定すると（Ｓ２６０：ＹＥＳ）、判定部４１はフラグを降ろして（Ｓ２７０）、この制御フローが終了する。

積算値ΣＱｈが入熱量閾値Ｑａを下回ると判定すると（Ｓ２６０：ＮＯ）、判定部４１は温度差ΔＴが負になってから経過した時間ｔｘが時間閾値ｔａ以上経過したか否かを判定する（Ｓ２８０）。時間ｔｘが時間閾値ｔａ以上経過したと判定すると（Ｓ２８０：ＹＥＳ）、昇温制御部４３は燃料噴射装置７により排気を昇温して（Ｓ２９０）、制御フローがスタートへ戻る。時間ｔｘが時間閾値ｔａを経過していないと判定すると（Ｓ２８０：ＮＯ）、制御フローがスタートへ戻る。

内燃機関１が冷間始動すると、冷却水用通路切替装置２４は冷却水を迂回通路２３へのみ流し、排気用通路切替装置１２は排気を排気熱回収通路１１へ流す。次いで、第一熱交換器１３は冷却水と排気とを熱交換し、冷却水の温度を上昇させ、排気の温度を下降させる。この排気の温度の下降に伴って、排気に含まれる水蒸気が凝縮水となる。次いで、生じた凝縮水が排気により化学蓄熱装置１４に運ばれて化学蓄熱装置１４の化学蓄熱材に衝突すると、化学蓄熱装置１４は化学蓄熱材が衝突した凝縮水と水和反応して、発熱する。化学蓄熱装置１４はこの化学蓄熱材の発熱により化学蓄熱装置１４を通過する排気の温度を上昇させる。次いで、第二熱交換器１５は第一熱交換器１３で昇温された冷却水と化学蓄熱装置１４を通過して昇温した排気とを熱交換し、冷却水の温度をさらに上昇させ、排気の温度を下降させる。

図５に例示するように、排気熱回収機構１０は化学蓄熱装置１４の水和反応により第一熱交換器１３で温度が下降した排気を昇温することで、第一熱交換器１３と第二熱交換器１５との二つの熱交換器により冷却水の温度を二段階で昇温する。

冷却水の温度が上昇すると、冷却水用通路切替装置２４は冷却水を冷却通路２２および迂回通路２３の両方の通路へ流し、迂回通路２３を流れる冷却水の流量を減少させる。一方、水和反応が完了すると、化学蓄熱装置１４は化学蓄熱材が脱水反応して、排気の熱を吸熱する。化学蓄熱装置１４はこの化学蓄熱材の吸熱により化学蓄熱装置１４を通過する排気の温度を下降させる。排気用通路切替装置１２は脱水反応が完了するまで排気を排気熱回収通路１１へ流し、脱水反応が完了すると排気を排気通路５へ流す。

以上のように、排気熱回収機構１０は、内燃機関１の温度状態が冷間状態の場合に排気用通路切替装置１２により排気を排気熱回収通路１１へ流す。これにより、第一熱交換器１３で排気の熱を回収した際に生じた凝縮水を利用して、化学蓄熱装置１４で水和反応を生じさせて排気を昇温させ、昇温対象である第二熱交換器１５で再度、冷却水と昇温した排気とを熱交換することで、冷却水をより昇温させることができる。この結果、内燃機関１が冷間始動した場合に内燃機関１の暖機に要する時間を短縮することができる。

排気熱回収機構１０は排気を排気熱回収通路１１へ流した場合に化学蓄熱装置１４の脱水反応が完了するまで排気を排気熱回収通路１１へ流し続けることが望ましい。これにより、次に内燃機関１の温度状態が冷間状態になるまで化学蓄熱装置１４が蓄熱した状態を維持することができる。この結果、次に内燃機関１の温度状態が冷間状態になり、排気を排気熱回収通路１１へ流したときに、水和反応が生じて化学蓄熱装置１４を通過する排気を昇温することができる。

排気熱回収機構１０は化学蓄熱装置１４の脱水反応の完了を化学蓄熱装置１４の前後の温度差ΔＴの変化のみで判定することも可能であるが、脱水反応の完了を化学蓄熱装置１４への入熱量の積算値ΣＱｈで判定することが望ましい。時間の経過とともに迂回通路２３を流れる冷却水の流量が減少することで、第一熱交換器１３における熱交換による温度変化が乏しくなり、温度差ΔＴのみで脱水反応の完了を判定することが難しくなる。そこで、化学蓄熱装置１４への入熱量の積算値ΣＱｈで判定することで、脱水反応の完了を高精度に判定することが可能となる。

排気熱回収機構１０は脱水反応が開始されてから経過した時間が長い場合に排気を昇温することで、脱水反応が完了するまでに要する時間を短縮することができる。これにより、排気熱回収機構１０の下流の側に配置された装置への影響を回避するには有利になる。

排気熱回収機構１０は内燃機関１の温度状態が冷間状態である間に化学蓄熱装置１４の水和反応が完了しない構成であることが望ましい。具体的に、化学蓄熱装置１４の化学蓄熱材の量が内燃機関１の温度状態が冷間状態から脱するまでの間で水和反応が完了しない量に設定されることが望ましい。この量は予め試験、実験、あるいはシミュレーションにより求めることが可能である。本開示において内燃機関１の温度状態が冷間状態である間とは冷却機構２０の冷却水用通路切替装置２４により冷却水が迂回通路２３のみを流れる間である。

図６に例示するように、第二実施形態の排気熱回収機構１０は第一実施形態に対して昇温対象が異なる。第二実施形態の排気熱回収機構１０は昇温対象が選択的還元触媒装置３４であり、第二熱交換器１５を備えず、化学蓄熱装置１４の下流の側の排気熱回収通路１１が選択的還元触媒装置３４の手前で排気通路５に合流する構成である。また、排気熱回収機構１０は温度変数取得装置として排気温度センサ１９を備える。

排気温度センサ１９は選択的還元触媒装置３４の上流側または下流側あるいはその両方に配置され、通過する排気の温度Ｔｇを取得するセンサである。排気温度センサ１９の代わりに燃料噴射量から排気の温度を間接的に取得する装置や選択的還元触媒装置３４の温度を直接的に取得するセンサも例示される。

判定部４１は、内燃機関１の温度状態が冷間状態か否かの判定を水温センサ１６が取得した冷却水の温度Ｔｗが温度閾値Ｔａよりも下回るか否かと排気温度センサ１９が取得した排気の温度Ｔｇが予め設定した温度閾値Ｔｂよりも下回るか否かとの両方で判定する。温度閾値Ｔｂは選択的還元触媒装置３４の触媒が活性化する温度であり、予め実験、試験、あるいはシミュレーションにより求められる。触媒が活性化する温度とは、還元剤噴射装置３３から尿素水を噴射する温度であり、噴射された尿素水がアンモニアに加水分解し、そのアンモニアが供給された選択的還元触媒装置３４で窒素酸化物の浄化が開始される温度である。触媒が活性化する温度としては２００度～３００度の範囲の温度が例示される。つまり、触媒が活性化する温度に至っていない状態とは選択的還元触媒装置３４の浄化率が低下する状態である。

本実施形態における内燃機関１の温度状態が冷間状態とは内燃機関１０が冷間始動する状態、または、選択的還元触媒装置３４の触媒が活性化する温度に至っていない状態である。

化学蓄熱装置１４の化学蓄熱材の量は、第一実施形態よりも多く、選択的還元触媒装置３４の触媒が活性化する温度に至るまで水和反応が完了しない量であることが望ましい。

以上のように、排気熱回収機構１０は、第一熱交換器１３で排気の熱を回収した際に生じた凝縮水を利用して、化学蓄熱装置１４で水和反応を生じさせて排気を昇温させ、昇温対象である選択的還元触媒装置３４を昇温させることができる。この結果、早期に触媒を活性化させるには有利になり、排気の浄化率を向上することができる。

既述した実施形態の排気熱回収機構１０の冷媒は冷却機構２０を循環する冷却水に限定されずに、内燃機関１の各部を潤滑あるいは冷却する潤滑油で構成されてもよい。

排気熱回収機構１０の温度変数取得装置は内燃機関１の温度状態が冷間状態か否かを判定可能な温度変数を取得する装置であればよい。温度変数取得装置としては内燃機関１の潤滑油の温度を取得する油温センサも例示される。また、温度変数取得装置としては冷却機構２０の冷却水用通路切替装置２４の開度を取得するセンサも例示される。

排気熱回収機構１０の反応変数取得装置は化学蓄熱装置１４における反応状態を判定可能な反応変数を取得する装置であればよい。反応変数取得装置は温度差センサ１７のみで構成されてもよい。また、反応変数取得装置としては、排気流量センサ１８の代わりに吸入吸気量センサを用いて、吸気通路６に配置された吸入吸気量センサが取得した吸気の体積流量および燃料噴射装置７から噴射される燃料噴射量から排気の体積流量Ｑｇを推定する装置も例示される。

排気熱回収機構１０は第二熱交換器１５と選択的還元触媒装置３４との両方を昇温対象としてもよい。具体的に、排気熱回収機構１０は、第一実施形態の構成に対して、化学蓄熱装置１４および第二熱交換器１５の間の排気熱回収通路１１から分岐して、選択的還元触媒装置３４の手前で排気通路５に合流する通路と、その通路と排気熱回収通路１１の分岐に配置された通路切替装置とを備えて構成されてもよい。これにより、冷却水の昇温後に、選択的還元触媒装置３４を昇温することが可能となる。

排気熱回収機構１０の昇温装置としては化学蓄熱装置１４を通過する排気を昇温可能な構成であればよく、燃料噴射装置７に限定されない。昇温装置としては排気浄化機構３０が排気管燃料噴射装置を有する場合にその排気管燃料噴射装置も例示される。また、昇温装置としては化学蓄熱装置１４よりも上流の側の排気熱回収通路１１に設置された電熱ヒータも例示される。

冷却水用通路切替装置２４は冷却通路２２および迂回通路２３の分岐点または合流点のどちらか一方に配置されていればよい。冷却水用通路切替装置２４が冷却通路２２および迂回通路２３の分岐点に配置された出口制御式の冷却機構２０は、エア抜き性を向上でき、かつキャビテーションの発生を抑制できるので耐久性の向上に有利になり、特に、トラックなどの大型車両には好適である。冷却水用通路切替装置２４が冷却通路２２および迂回通路２３の合流点に配置された入口制御式の冷却機構２０は出口制御式の冷却機構２０と比較して冷却水の温度調整の面で有利になる。

１ 内燃機関
２ 気筒
５ 排気通路
１０ 排気熱回収機構
１１ 排気熱回収通路
１２ 排気用通路切替装置
１３ 第一熱交換器
１４ 化学蓄熱装置
１５ 第二熱交換器
１６ 水温センサ
１７ 温度差センサ
１８ 排気流量センサ
１９ 排気温度センサ
４０ 制御装置

Claims (8)

1. 内燃機関の気筒から排出された排気が通過する排気通路から分岐した後にその排気通路に合流する排気熱回収通路と、排気の流れを前記排気通路および前記排気熱回収通路のどちらか一方の通路に切り替える排気用通路切替装置と、前記排気熱回収通路に配置されて、前記内燃機関の冷却水または潤滑油のどちらか一方から成る冷媒および排気の間で熱交換する第一熱交換器と、を備えた排気熱回収機構において、
   排気の流れに関して前記第一熱交換器の下流の側の前記排気熱回収通路に配置されて、水と水和反応して蓄熱した熱を放熱するまたは熱の吸熱により脱水反応して蓄熱する化学蓄熱装置を備え、この化学蓄熱装置が前記第一熱交換器における熱交換で生じた凝縮水と水和反応して前記化学蓄熱装置を通過する排気を昇温し、排気の流れに関して前記化学蓄熱装置の下流の側に配置された昇温対象物を昇温する構成にしたことを特徴とする排気熱回収機構。
2. 排気の流れに関して前記化学蓄熱装置の下流の側の前記排気熱回収通路に配置されて、前記第一熱交換器を通過後の前記冷媒および前記化学蓄熱装置を通過後の排気の間で熱交換する第二熱交換器を備え、この第二熱交換器が前記昇温対象物である請求項１に記載の排気熱回収機構。
3. 前記内燃機関は前記排気通路に排気を還元浄化する還元触媒装置を備える構成であり、
   前記排気熱回収通路は排気の流れに関して前記還元触媒装置の上流の側で前記排気通路に合流する構成であり、前記還元触媒装置が前記昇温対象物である請求項１に記載の排気熱回収機構。
4. 前記内燃機関の温度状態が冷間状態か否かを判定可能な温度変数を取得する温度変数取得装置と、前記排気用通路切替装置を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記温度変数取得装置が取得した前記温度変数に基づいて前記内燃機関の温度状態が冷間状態であると判定すると前記排気用通路切替装置により排気を前記排気熱回収通路へ流し、前記内燃機関の温度状態が冷間状態でないと判定すると前記排気用通路切替装置により排気を前記排気通路へ流す制御を行う構成である請求項１～３のいずれか１項に記載の排気熱回収機構。
5. 前記化学蓄熱装置における反応状態を判定可能な反応変数を取得する反応変数取得装置を備え、
   前記制御装置は、前記排気用通路切替装置により排気を前記排気熱回収通路へ流した場合に前記反応変数取得装置が取得した前記反応変数に基づいて、前記化学蓄熱装置における脱水反応が完了したと判定するまで前記排気用通路切替装置により排気を前記排気熱回収通路へ流し、脱水反応が完了したと判定したときに前記排気用通路切替装置により排気を前記排気通路へ流す制御を行う構成である請求項４に記載の排気熱回収機構。
6. 前記反応変数は前記化学蓄熱装置の入口を通過する排気の入口温度から前記化学蓄熱装置の出口を通過する排気の出口温度を減算した差分と前記化学蓄熱装置を通過する排気の流量とで構成され、
   前記制御装置は前記差分と前記流量とに基づいて前記化学蓄熱装置への入熱量を推定し、推定したその入熱量が予め設定された入熱量閾値以上になったときに脱水反応が完了したと判定する構成である請求項５に記載の排気熱回収機構。
7. 排気の流れに関して前記化学蓄熱装置の上流の側に排気の温度を昇温する昇温装置を備え、
   前記制御装置は、前記化学蓄熱装置の入口を通過する排気の入口温度から前記化学蓄熱装置の出口を通過する排気の出口温度を減算した差分が負になってから経過した時間を計時し、計時したその時間が予め設定された時間閾値以上に経過したときに前記昇温装置により前記化学蓄熱装置を通過する排気の温度を昇温する制御を行う構成である請求項４～６のいずれか１項に記載の排気熱回収機構。
8. 前記冷媒は冷却水であり、その冷却水は冷却水用ポンプ、ウォータジャケット、冷却水用通路切替装置、ならびに、ラジエータが介設された冷却通路およびその冷却通路を迂回する迂回通路の少なくとも一方の通路を順に循環する構成であり、
   前記第一熱交換器は前記迂回通路の中途位置に配置される請求項１～７のいずれか１項に記載の排気熱回収機構。

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