JPWO2002059467A1 - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

排気ガスの温度は、その流れ方向上流側から下流側に向けて次第に低下し、排気ガスと逆方向に流れる熱交換器の作動媒体の温度は、その流れ方向上流側から下流側に向けて次第に上昇する。排気ガス温度と作動媒体温度との温度差は、作動媒体の液相領域および二相領域の境界部分において最小になっており、触媒装置は前記温度差最小位置の近傍であって排気ガスの流れ方向上流側に組み込まれるため、触媒装置が発生した熱を熱交換器で有効利用することができる。触媒装置は温度が一定である作動媒体の二相領域に配置されており、かつ前記一定の温度は触媒活性温度であるため、触媒に安定した排気ガス浄化性能を発揮させることができる。

Description

発明の分野
本発明は、排気ガスと作動媒体との間で熱交換を行う熱交換器の内部に排気ガスを浄化する触媒装置を一体に設けたものを排気通路に配置した内燃機関に関する。
背景技術
排気ガス浄化装置の触媒が排気ガス浄化性能を効果的に発揮し得る温度領域を持つことは良く知られている。例えば、触媒温度が触媒活性温度未満であるために充分な性能を発揮できない場合には、排気通路の極力上流側の排気ガス温度が高い位置に排気ガス浄化装置を配置したり、電熱ヒータで排気ガス浄化装置を加熱したり、加熱用の燃焼器で発生した燃焼ガスで排気ガス浄化装置を加熱したりして、触媒温度を触媒活性温度まで上昇させることが行われている。一方、排気ガス浄化装置の触媒温度が触媒劣化温度以上になると、触媒が劣化して排気ガス浄化性能が低下するため、内燃機関の空燃比を理論空燃比よりもリッチにして、未燃焼の燃料の気化熱で触媒を冷却して触媒劣化温度未満に維持することが行われている。
また排気通路に排気ガス浄化装置を設けた内燃機関において、排気ガス浄化装置の上流側の排気通路および下流側の排気通路にそれぞれ熱交換器を配置することにより、排気ガス浄化装置の温度性能と熱交換器の廃熱回収性能との両立を図るものが、日本特開昭６０−９３１１０号公報により公知である。
ところで、触媒温度を触媒活性温度に維持すべく排気ガス浄化装置を排気通路の極力上流側に配置することは、排気ガス浄化装置が内燃機関本体やその補機類に干渉してレイアウトが難しくなる問題があり、また電熱ヒータや加熱用の燃焼器を設けることは余分の熱エネルギーを消費することになるため、システム全体のエネルギー消費量が増加するという問題がある。一方、触媒温度を触媒劣化温度未満に維持すべく、混合気をリッチにして余剰の燃料の気化熱で触媒を冷却することは、燃料消費量の増加をもたらすという問題がある。
また上記特開昭６０−９３１１０号公報に記載されたものは、触媒温度を自動的に制御することが本質的に困難である。なぜならば、このものは触媒の上流側の排気通路に設けられた熱交換器が余分な熱容量として作用するため、内燃機関の冷間始動時に排気ガスの熱エネルギーが熱交換器に吸収されてしまい、その下流側に設けられた触媒の温度を速やかに触媒活性温度まで高めることができなくなる。一方、触媒温度が触媒劣化温度を越えた場合、その上流側の熱交換器が排気ガスと作動流体との間で熱交換を行って排気ガスの温度を低下させ、その温度低下した排気ガスで触媒の温度を触媒劣化温度未満に冷却するため、触媒温度の応答性が低くなって速やかな温度制御が難しいという問題がある。
また触媒は排気ガス浄化反応により発熱するが、上記特開昭６０−９３１１０号公報に記載されたものは、触媒が排気ガス浄化反応により発生した熱を熱交換器において有効利用していない。
発明の開示
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、熱交換器の内部に触媒装置を一体に設けたものを排気通路に配置した内燃機関において、触媒装置が発する熱を熱交換器において有効利用するとともに、触媒温度を適切に維持して排気ガス浄化性能を高めることを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の第１の特徴によれば、排気ガスと作動媒体との間で熱交換を行う熱交換器の内部に排気ガスを浄化する触媒装置を一体に設けたものを排気通路に配置した内燃機関において、熱交換器の内部で排気ガスと作動媒体との温度差が最小になる位置の近傍であって、排気ガスの温度が触媒不活性温度よりも高い領域に触媒装置を配置したことを特徴とする内燃機関が提案される。
上記構成によれば、熱交換器の内部で排気ガスと作動媒体との温度差が最小になる位置の近傍に触媒装置を配置したので、熱交換器の熱交換効率が最も低くなる部分で触媒装置が発生する反応熱を熱交換器の作動媒体に効果的に与えることが可能となり、触媒装置が発生する反応熱を有効利用して熱交換器の性能を高めることができる。しかも触媒装置は排気ガスの温度が触媒不活性温度よりも高い領域に配置されるので、排気ガス浄化性能を高めることができる。
また本発明の第２の特徴によれば、上記第１の特徴に加えて、排気ガスと作動媒体との温度差が最小になる位置よりも、排気ガスの流れ方向上流側に触媒装置を配置したことを特徴とする内燃機関が提案される。
上記構成によれば、触媒装置を排気ガスと作動媒体との温度差が最小になる位置よりも上流側に配置したので、触媒装置の下流に在る排気ガスと作動媒体との温度差が最小になる位置に触媒装置が発生する反応熱を効果的に作用させ、熱交換器の性能を最大限に高めることができる。
また本発明の第３の特徴によれば、上記第１の特徴に加えて、作動媒体の二相領域に触媒装置を配置したことを特徴とする内燃機関が提案される。
上記構成によれば、温度が一定に維持される作動媒体の二相領域に触媒装置を配置したので、触媒温度を安定させて触媒温度が触媒不活性温度まで下がったり触媒劣化温度まで上がったりするのを確実に防止することができる。
尚、実施例の第１段熱交換器Ｈ１〜第５段熱交換器Ｈ５は本発明の熱交換器に対応し、実施例の第１段メタル触媒装置４６Ａ〜第４段メタル触媒装置４６Ｄは本発明の触媒装置に対応する。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、内燃機関Ｅは上下に積層されたシリンダブロック１１、シリンダヘッド１２およびヘッドカバー１３を備えており、シリンダブロック１１に形成したシリンダボア１４にピストン１５が摺動自在に嵌合する。シリンダヘッド１２に形成された燃焼室１６にそれぞれ連なる吸気ポート１７および排気ポート１８のうち、吸気ポート１７は従来どおりシリンダヘッド１２の内部に穿設されているが、排気ポート１８は別部材で構成されてシリンダヘッド１２に結合される。
吸気弁孔１９を開閉する吸気弁２０のステム２１の上端は、吸気ロッカーアーム軸２２に枢支された吸気ロッカーアーム２３の一端に当接し、排気弁孔２４を開閉する排気弁２５のステム２６の上端は、排気ロッカーアーム軸２７に枢支された排気ロッカーアーム２８の一端に当接する。そして図示せぬクランクシャフトに連動して回転するカムシャフト２９に設けた吸気カム３０および排気カム３１に前記吸気ロッカーアーム２３の他端および排気ロッカーアーム２８の他端が当接することにより、吸気弁２０および排気弁２５が開閉駆動される。
シリンダヘッド１２の排気側の側面には蒸発器一体型の排気ガス浄化装置Ｃが設けられる。以下、図２〜図１５に基づいて蒸発器一体型の排気ガス浄化装置Ｃの構造を説明する。
蒸発器は内燃機関Ｅの排気ガスを熱源として温度および圧力を上昇させた蒸気を発生させるもので、排気ポート１８を基端として排気管３２（図１参照）に連なる排気通路３３と、この排気通路３３中に配置されて排気ガスとの間で熱交換を行う熱交換器Ｈ１〜Ｈ５とを備えており、後述するメタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄは第３段熱交換器Ｈ３に組み込まれる。
排気ポート１８は、排気ガスの流れ方向上流側に位置して略一定の直径を有する等径部１８ａと、等径部１８ａの下流側に連設されて直径がラッパ状の拡径する拡径部１８ｂを有しており、等径部１８ａの外周には第５段熱交換器Ｈ５が設けられ、拡径部１８ｂの内部には第４段熱交換器Ｈ４が設けられる。第５段熱交換器Ｈ５は、等径部１８ａの外周に約５回転巻き付けられた１本の伝熱管３４から構成される。第４段熱交換器Ｈ４は拡径部１８ｂの内部に収納された多段に巻回された１本の伝熱管３５から構成されており、第５段熱交換器Ｈ５の伝熱管３４は、排気ポート１８に形成した開口（図示せず）を通って第４段熱交換器Ｈ４の伝熱管３５に連続している。
図１３Ａ〜図１３Ｃを参照すると明らかなように、第４段熱交換器Ｈ４の伝熱管３５は、排気ポート１８の拡径部１８ｂの内部形状に沿うようにテーパーした３重コイル状に巻き付けられており、内層のコイルは後方（図中左側）から前方（図中右側）に向かって直径を縮小しながら巻かれ、前端で折り返した後の中間層のコイルは前方から後方に向かって直径を拡大しながら巻かれ、後端で折り返した後の外層のコイルは後方から前方に向かって直径を縮小しながら巻かれている。図１３Ａおよび図１３Ｂに示す水入口は後述する上流側の第３段熱交換器Ｈ３に接続され、図１３Ｃに示す水出口は前記下流側の第５段熱交換器Ｈ５の伝熱管３４に接続される。図１３Ａに示す丸付数字▲１▼〜▲６▼は伝熱管３５内を水が流れる経路を示している。
尚、第４段熱交換器Ｈ４の伝熱管３５を、排気ポート１８の拡径部１８ｂの内部形状に沿うようにテーパーした３重コイル状に巻き付けたことにより、この拡径部１８ｂを流れる排気ガスに整流作用を与えて流通抵抗の軽減に寄与することができる。
図３〜図８に最も良く示されるように、排気ポート１８の拡径部１８ｂの後端に円板状の分配通路形成部材４１が結合されており、この分配通路形成部材４１の後面に別の円板状の分配通路形成部材４２をろう付けで結合することにより、両分配通路形成部材４１，４２間に第２螺旋形分配通路４３が形成される。第２螺旋形分配通路４３の半径方向外端に前記第４段熱交換器Ｈ４の伝熱管３５の上流端が後述する手法で接続される。両分配通路形成部材４１，４２には前記第２螺旋形分配通路４３に沿うように螺旋形開口４４が形成される。螺旋形開口４４の断面は排気ポート１８の拡径部１８ｂの傾斜に沿うように出口側が半径方向外側に傾斜しており、その内部に多数のガイドベーン４５…が傾斜して取り付けられる。従って、排気ポート１８の拡径部１８ｂから供給された排気ガスは、螺旋形開口４４を通過する際に半径方向外側に拡散しながら旋回流となる。
排気ポート１８の拡径部１８ｂの後端には厚肉のフランジ１８ｃが形成されており、このフランジ１８ｃの半径方向外端に後方に延びる円形の段部１８ｄが形成される。円板状の分配通路形成部材４１の前面外周は排気ポート１８の段部１８ｄに嵌合し、かつ排気ポート１８のフランジ１８ｃに形成された２個のピン孔１８ｅ，１８ｅと分配通路形成部材４１に形成された２個のピン孔４１ａ，４１ａとに２本のピン３６，３６がそれぞれ嵌合する。分配通路形成部材４１、排気ポート１８および２本のピン３６，３６はろう付けにより結合される。図３の円内に拡大して示すように、フランジ１８ｃの段部１８ｄの内周面に面取り１８ｇが施されており、分配通路形成部材４１を排気ポート１８のフランジ１８ｃにろう付けする際に、両者を容易に嵌合させることができ、かつろう材が確実に流れるように考慮されている。
両分配通路形成部材４１，４２間に形成された第２螺旋形分配通路４３の下流端（半径方向外端）と、第４段熱交換器Ｈ４の伝熱管３５の上流端とが、排気ポート１８のフランジ１８ｃを介して接続される。即ち、分配通路形成部材４１には第２螺旋形分配通路４３の下流端に接続されて該分配通路形成部材４１を貫通する通路４１ｂが形成され、排気ポート１８のフランジ１８ｃには前記通路４１ｂに連通する通路１８ｆが形成される。フランジ１８ｃの通路１８ｆはＬ字状に屈曲しており、排気ポート１８の内面に開口する部分に第４段交換器Ｈ４の伝熱管３５の上流端が嵌合して結合される（図３参照）。
以上のように、分配通路形成部材４１および排気ポート１８は、ピン３６，３６で円周方向に位置決めされ、かつ排気ポート１８の段部１８ｄで半径方向に位置決めされてろう付けにより結合されるので、分配通路形成部材４１の通路４１ｂおよび排気ポート１８の通路１８ｆを位置ずれすることなく連通させて高温高圧の蒸気をスムーズに流すことができ、しかも前記蒸気が分配通路形成部材４１および排気ポート１８の接合面から漏れるのを確実に防止することができる。
分配通路形成部材４１および排気ポート１８のろう付けにはペースト状のろう材が使用され、そのろう材はアプリケータ（注射器）で接合面に塗布される。このとき分配通路形成部材４１に複数の置きろう用の溝４１ｃ…（図７参照）を形成し、その溝内４１ｃ…にろう材を塗布することにより、ろう付けによる強度およびシール性を更に高めることができる。この場合、置きろう用の溝４１ｃ…を外部に連通させる小径（例えば１．０ｍｍ程度）のガス抜き孔を形成し、ろう材が溶融する際に発生するガスを外部に逃がすと一層確実にろう付けすることができる。また接合面に連通する確認孔を設ければ、この確認孔を通して確実にろう付けが行われているかを判断でき、ろう付けの信頼性を高めることができる。尚、置きろう用の溝４１ｃ…は、構造上の問題がなければ、できるだけ回転対称の位置に設けることが望ましい。実施例において使用されるろう材は、（株）東京ブレイズ製のＮｉ基ベース９０５Ｘである。そのろう付け温度は１０００℃〜１１００℃であって、排気ガスの熱でろう材が溶けないように考慮されている。
図２、図９〜図１１および図１４に最も良く示されるように、第１段メタル触媒装置４６Ａ〜第４段メタル触媒装置４６Ｄおよび第３段熱交換器Ｈ３の外周を覆う円筒状ケース４７の前端が前記分配通路形成部材４２に結合され、また円筒状ケース４７の後端に相互に重ね合わされた状態で結合された２枚の環状の分配通路形成部材４８，４９間に第４円形分配通路５０が形成され、この第４円形分配通路５０にパイプを螺旋形に湾曲させた第１螺旋形分配通路５１の外端が接続される。直列に配置された第１段メタル触媒装置４６Ａ〜第４段メタル触媒装置４６Ｄの各々は、表面に排気ガス浄化触媒を担持した波形の金属担体５２〜５５を４種類の直径を有する環状に形成し、それらを同心円状に配置して構成される。図１２に拡大して示すように、各段のメタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄの金属担体５２〜５５の波形の位相は相互に半ピッチずつずれている。
第３段熱交換器Ｈ３は異なる直径を有するコイル状に巻かれた４本の伝熱管５６〜５９から構成される（図１４参照）。４本の伝熱管５６〜５９は前記第１段メタル触媒装置４６Ａ〜第４段メタル触媒装置４６Ｄの４個の金属担体５２〜５５と同心かつ交互に配置されて円筒状ケース４７内に収納される。４本の伝熱管５６〜５９の下流端は前記第２螺旋形分配通路４３の中間部に接続され、４本の伝熱管５６〜５９の上流端は前記第１螺旋形分配通路５１の中間部に接続される。
第１段メタル触媒装置４６Ａ〜第４段メタル触媒装置４６Ｄおよび第３段熱交換器Ｈ３の外周を覆う円筒状ケース４７の半径方向外側に２個の円筒状ケース６０，６１が同軸に配置されており、両円筒状ケース６０，６１間に第２段熱交換器Ｈ２が環状に配置される。第２段熱交換器Ｈ２は、一方向のコイル状に巻かれた多数の伝熱管６２…と、他方向のコイル状に巻かれた多数の伝熱管６３…とが、それらの一部を噛み合わせた状態で交互に配置されており、これにより空間内の伝熱管６２…，６３…の配置密度を高めている。而して、第１段メタル触媒装置４６Ａ〜第４段メタル触媒装置４６Ｄおよび第３段熱交換器Ｈ３の外周は、第２段熱交換器Ｈ２の伝熱管６２…，６３…によって取り囲まれる。
外側の円筒状ケース６０の前端に固定された環状の分配通路形成材６４と、この分配通路形成部材６４の前面に結合された環状の分配通路形成部材６５との間に第３円形分配通路６６が形成される。第２段熱交換器Ｈ２の伝熱管６２…，６３…の上流端は前記第３円形分配通路６６に接続され、伝熱管６２…，６３…の下流端は前記第４円形分配通路５０に接続される。第２段熱交換器Ｈ２の外側を覆う円筒状ケース６０の後端に、第１段メタル触媒装置４６Ａ〜第４段メタル触媒装置４６Ｄおよび第３段熱交換器Ｈ３の後面を覆う皿状のエンドキャップ６７が固定される。
蒸発器一体型の排気ガス浄化装置Ｃの外郭を構成する着脱自在なカバー７１は、中央に排気管３２に連なる排気孔７２ａが形成された板状の分配通路形成部材７２と、この分配通路形成部材７２の前面に結合された環状の分配通路形成部材７３とを備えており、両分配通路形成部材７２，７３間に第１円形分配通路７４が形成される。分配通路形成部材７３から、半径方向外側に位置する円筒状ケース７５と、半径方向内側に位置する円筒状ケース７６とが微小な間隔をもって前方に延びており、外側の円筒状ケース７５の前端に設けたフランジ７７が、分配通路形成部材４２に固定した取付板７８の後端に設けたフランジ７９と重ね合わされてボルト８０…でシリンダヘッド１２に共締めされる。
内側の円筒状ケース７６の前端に環状の分配通路形成部材８１が固定されており、この分配通路形成部材８１の前面に環状の分配通路形成部材８２を結合することにより第２円形分配通路８３が形成される。第１円形分配通路７４および第２円形分配通路８３は同形であって前後に向かい合っている。カバー７１の内部にカップ状に形成された内壁部材８４が収納されており、この内壁部材８４の外周面と内側の円筒状ケース７６の内周面との間に第１段熱交換器Ｈ１が配置される。
第１段熱交換器Ｈ１は、前記第２段熱交換器Ｈ２と類似の構造で、一方向のコイル状に巻かれた多数の伝熱管８５…と、他方向のコイル状に巻かれた多数の伝熱管８６…とが、それらの一部を噛み合わせた状態で交互に配置され、これら伝熱管８５…，８６…によって第２段熱交換器Ｈ２の外周が取り囲まれる。伝熱管８５…，８６…の上流端は第１円形分配通路７４に接続され、下流端は第２円形分配通路８３に接続される。
第５段熱交換器Ｈ５の伝熱管３４、第４段熱交換器Ｈ４の伝熱管３５、第３段熱交換器Ｈ３の伝熱管５６〜５９、第２段熱交換器Ｈ２の伝熱管６２…，６３…、第１段熱交換器Ｈ１の伝熱管８５…，８６…の材質は、耐熱性ステンレス鋼（オーステナイト系の、例えばＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１０Ｓや、フェライト系の、例えばＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４４４）、あるいはニッケル基耐熱合金が好ましい。尚、伝熱管の結合にはろう付け、レーザー溶接あるいは機械的拘束が好ましい。
また第１段メタル触媒装置４６Ａ〜第４段メタル触媒装置４６Ｄの金属担体５２〜５５としては、耐熱ステンレス鋼（例えば２０重量％Ｃｒ−５重量％Ａｌフェライト系ステンレス鋼）や、ニッケル基耐熱合金の金属箔（厚さ０．１ｍｍ以下）が好ましい。
図１５を参照すると明らかなように、高圧蒸気の元となる水が供給される給水口８７が第１円形分配通路７４に設けられており、第１円形分配通路７４は第１段熱交換器Ｈ１の多数の伝熱管８５…，８６…を介して第２円形分配通路８３に連通し、この第２円形分配通路８３は連通路８８を介して第３円形分配通路６６に連通する。第３円形分配通路６６は第２段熱交換器Ｈ２の伝熱管６２…，６３…を介して第４円形分配通路５０に連通し、第４円形分配通路５０は第１螺旋形分配通路５１を介して第３段熱交換器Ｈ３の４本の伝熱管５６〜５９に連通する。第３段熱交換器Ｈ３の４本の伝熱管５６〜５９は、第２螺旋形分配通路４３と、第４段熱交換器Ｈ４の伝熱管３５と、第５段熱交換器Ｈ５の伝熱管３４とを介して蒸気排出口８９に連通する。
このように、給水口８７から供給された水が第１段熱交換器Ｈ１→第２段熱交換器Ｈ２→第３段熱交換器Ｈ３→第４段熱交換器Ｈ４→第５段熱交換器Ｈ５を経て蒸気排出口８９に達するまでに、内燃機関Ｅから出て前記水の流れ方向と逆方向に流れる排気ガスとの間で熱交換を行って蒸気となる。
即ち、内燃機関Ｅから出た排気ガスは、排気ポート１８の等径部１８ａを通過する間に、その等径部１８ａの外周面に巻き付けた伝熱管３４よりなる第５段熱交換器Ｈ５との間で熱交換を行う。排気ポート１８の等径部１８ａから拡径部１８ｂに流入した排気ガスは、その拡径部１８ｂの内部に収納した３重コイル状の伝熱管３５よりなる第４段熱交換器Ｈ４に直接接触して熱交換を行う。排気ポート１８を出た排気ガスは第１段メタル触媒装置４６Ａ〜第４段メタル触媒装置４６Ｄの内部を通過して有害成分を浄化され、その際に前記第１段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄと同心に配置された伝熱管５６〜５９よりなる第３段熱交換器Ｈ３との間で熱交換を行う。
第１段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄおよび第３段熱交換器Ｈ３を通過した排気ガスはエンドキャップ６７に阻止されてＵターンし、一対の円筒状ケース６０，６１間に配置された伝熱管６２…，６３…よりなる第２段熱交換器Ｈ２を後方から前方に流れる間に熱交換され、その後に１８０°方向変換して円筒状ケース７６および内壁部材８４間に配置された伝熱管８５…，８６…よりなる第１段熱交換器Ｈ１を前方から後方に流れる間に熱交換され、最後に分配通路形成部材７２の排気孔７２ａから排気管３２に排出される。
第２段熱交換器Ｈ２を通過した排気ガスは排気ポート１８の拡径部１８ｂに連なる螺旋形開口４４を通過する際に半径方向外側に拡散し、かつ螺旋形開口４４の内部に装着されたガイドベーン４５…によって旋回流となる。これにより、第１段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄの全体に排気ガスを均一に作用させ、かつ第１段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄ内における排気ガスの滞留時間を長くして排気ガス浄化効果を高めることができる。また図１２に拡大して示すように、各段のメタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄの金属担体５２〜５５の波形の位相は相互に半ピッチずつずれているため、排気ガスの流れに強い乱流を発生させることができる。これにより、第１段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄ内における排気ガスの滞留時間を長くして排気ガス浄化効果を高めるとともに、隣接する第３段熱交換器Ｈ３の熱交換効率を高めることができる。
また第３段熱交換器Ｈ３の４本の伝熱管５６〜５９を第１螺旋形分配通路５１および第２螺旋形分配通路４３の最適な位置に接続することにより、つまり管長が長い半径方向外側の伝熱管５６の両端を第１螺旋形分配通路５１の半径方向外側および第２螺旋形分配通路４３の半径方向外側に接続し、管長が短い内側の伝熱管５９の両端を第１螺旋形分配通路５１の半径方向内側および第２螺旋形分配通路４３の半径方向内側に接続することにより、第１、第２螺旋形分配通路５１，４３の一部の流路長を含む４本の伝熱管５６〜５９の流路長をできるだけ均一化し、各伝熱管５６〜５９の圧損差を減少させることができる。
また第１段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄと第３段熱交換器Ｈ３とを相互に熱交換可能に一体化したので、第１段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄで発生した反応熱を第３段熱交換器Ｈ３で回収して熱エネルギーの回収効果を高めることができ、しかも第３段熱交換器Ｈ３を流れる水の流量を制御することで、第１段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄを加熱して活性化を図ったり、第１段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄを冷却して耐久性の向上を図ったりすることができる。
第１段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄおよび第３段熱交換器Ｈ３を通過した排気ガスは、螺旋形のパイプ材で構成された第１螺旋形分配通路５１を通過する際にも熱交換する。この第１螺旋形分配通路５１により排気ガスの流れが分散されるため、その後方の排気ガス折り返し位置にあるエンドキャップ６７にヒートスポットが発生するのを防止し、かつ熱的に厳しい条件下にあるエンドキャップ６７の保護とエンドキャップ６７からの放熱とを防止することができる。しかも螺旋形のパイプ材よりなる第１螺旋形分配通路５１は可撓性を有するため、全長がそれぞれ異なる４本の伝熱管５６〜５９の熱膨張量の差を吸収することができる。
また排気ガスは内燃機関Ｅ側から排気管３２側に流れるのに対して、水は排気管３２側から内燃機関Ｅ側に流れるため、排気ガスおよび水はクロスフローの状態になり、第１段〜第５段熱交換器Ｈ１〜Ｈ５の全域に亘って排気ガスと水との間の温度差を最大限に確保し、両者間の熱交換効率の向上に寄与することができる。更に、排気通路３３を３段のジグザグ状に折り曲げるとともに、第１段〜第３段熱交換器Ｈ１〜Ｈ３を半径方向に積層して配置したので、サーマルリークを最小限に抑え、かつ内部からの騒音の放散を防止しながら、蒸発器一体型の排気ガス浄化装置Ｃ全体の寸法を極力小型化して内燃機関Ｅのシリンダヘッド１２にコンパクトに配置することができる。
また第１段〜第３段熱交換器Ｈ１〜Ｈ３および第１段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄを半径方向に積層して迷路状に配置したので、その消音効果で蒸発器一体型の排気ガス浄化装置Ｃの外部に排気騒音が漏れるのを効果的に防止することができるだけでなく、主に第１段〜第５段熱交換器Ｈ１〜Ｈ５により排気ガス温度の低減効果を得ることができる。これにより、排気マフラーを簡略化したり省略したりすることが可能になり、排気装置そのもののコンパクト化や軽量化が可能になる。しかも排気ガス温度の低下により特に第１段熱交換器Ｈ１の下流側の排気通路の温度が低下するので、耐熱性に対する設計自由度が増加して排気通路にプラスティック等の材料を使用することが可能となる。その結果、車両用の内燃機関Ｅにあっては、排気通路の形状の自由度、車両への取付の自由度、冷却性に対する自由度等が増加し、従来排気装置によって制約を受けていた車両全体の設計自由度を高めるとともに、排気装置全体の軽量化に資することができる。
次に、図１６に基づいて第１段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄの設置位置について説明する。
排気ガスの温度は、その流れ方向上流側から下流側に向けて次第に低下し、排気ガスと逆方向に流れる水あるいは蒸気（作動媒体）の温度は、その流れ方向上流側から下流側に向けて次第に上昇するが、排気ガスの温度は作動媒体の温度よりも常に高く保たれていて排気ガスから作動媒体への熱移動が行われる。作動媒体は当初は水だけの状態（液相領域）にあり、排気ガスの熱で作動媒体が加熱されると水と蒸気とが混在する状態（二相領域）に移行し、排気ガスの熱で作動媒体が更に加熱されると蒸気だけの状態（気相領域）に移行する。二相領域では水と蒸気との混合物の温度が一定値に保持される。
第１段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄの触媒が低温のために機能を充分に発揮できない触媒不活性温度領域は液相領域の上流側の一部に対応しており、逆に触媒が高温のために劣化する触媒劣化温度領域は気相領域の下流側の一部に対応している。従って、触媒不活性温度領域および触媒劣化温度領域に挟まれた触媒活性温度領域に、つまり液相領域の下流域、二相領域の全域および気相領域の上流域の何れかに第１段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄを配置すれば、触媒の劣化を防止しながら排気ガス浄化機能を発揮させることができる。
一般的に、自動車等の移動機器類に使用されて出力変動を伴う内燃機関における触媒活性温度領域は、その上限値が８００〜９００℃であり、その下限値が２５０〜３００℃である。また発電装置等の定置式プラント機器類に使用されて出力が一定の内燃機関における触媒活性温度領域は、その上限値が５００〜６００℃であり、その下限値が１００〜２００℃である。
実施例では、液相領域は第１段熱交換器Ｈ１および第２段熱交換器Ｈ２に対応し、二相領域は第３段熱交換器Ｈ３に対応し、気相領域は第４段熱交換器Ｈ４および第５段熱交換器Ｈ５に対応する。排気ガス温度と作動媒体温度との温度差は、液相領域および二相領域の境界部分（つまり第２段熱交換器Ｈ２および第３段熱交換器Ｈ３の境界部分）において最小になっており、その温度差最小位置の近傍であって、かつ排気ガスの流れ方向上流側である第３段熱交換器Ｈ３の内部に第１段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄが組み込まれている。
排気ガスから作動媒体への伝熱量はそれらの温度差に比例するため、温度差が小さい部分では排気ガスから作動媒体への熱伝達を効果的に行うことができなくなる。しかしながら、第１段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄは触媒の排気ガス浄化反応によって発熱するため、その第１段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄを前記温度差最小位置の近傍、つまり第３段熱交換器Ｈ３の内部に配置することにより、触媒が発生する熱で作動媒体を効果的に加熱して第３段熱交換器Ｈ３の効率を高めることができる。特に、第１段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄを前記温度差最小位置に対して排気ガスの流れ方向上流側に配置したので、触媒において発生した反応熱をその直下流の温度差最小位置に有効に作用させて作動媒体を効果的に加熱することができる。更に、第１段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄは温度が一定である作動媒体の二相領域に配置されており、かつ前記一定の温度は触媒活性温度であるため、触媒に安定した排気ガス浄化性能を発揮させることができる。
上述した実施例では第１段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄを作動媒体の二相領域に対応する第３段熱交換器Ｈ３の内部に配置しているが、温度差最小位置の近傍であれば液相領域に対応する位置（例えば、第２段熱交換器Ｈ２の内部に配置することができる。上述した実施例では温度差最小位置が第２段熱交換器Ｈ２および第３段熱交換器Ｈ３の境界位置に存在するが、その温度差最小位置が第２段熱交換器Ｈ２内にずれていれば、このような場合も起こり得る。
図１９には作動媒体（つまり水）が得る熱量が触媒装置の有無によりどのように変化するかが示されており、また図２０には給水量（つまり蒸気流量）により触媒床温度がどのように変化するかが示されている。図１８には上記データを得るための各温度の計測点の位置が示されている。即ち、排気ガス入口温度は蒸発器の排気ガス入口において計測され、排気ガス出口温度は蒸発器の排気ガス出口において計測され、水入口温度は蒸発器の水入口において計測され、水出口温度は蒸発器の水出口において計測され、触媒床温度は触媒装置の排気ガス入口近傍において計測される。
図１９から明らかなように、蒸発器が発生する蒸気の条件を３５０°Ｃ ７ＭＰａに設定し、蒸発器の入口での排気ガスの熱量を変化させたとき、触媒装置を持つ蒸発器では触媒装置を持たない蒸発器に比べて、水が得た熱量は前記排気ガスの熱量の大小に関わらず、略一定の熱量ΔＱｗａｔｅｒだけ大きくなることが分かる。その理由は、排気ガスの熱量に加えて、触媒装置が発生する熱量が水の温度上昇に寄与するためである。尚、蒸発器の入口での排気ガスの熱量は、排気ガス入口温度および排気ガス流量から求められ、水が得た熱量は、水入口温度、水出口温度および水流量から求められる。
図２０から明らかなように、排気ガス入口温度を７２０°Ｃに設定した状態で蒸気流量を変化させると、蒸気流量の増加に応じて触媒床温度が低下することが分かる。その理由は、蒸気流量が大きいほど触媒装置が発生する熱が蒸気に奪われ易くなるためであり、蒸気流量により触媒床温度を触媒劣化温度以下に保持できることを示している。
【表１】

表１および図１７には、第１段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄを二相領域に配置したもの（第１実施例）と、第１段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄを液相領域に配置したもの（第２実施例）と、第１段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄを持たないもの（第１比較例）と、第１段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄを気相領域に配置したもの（第２比較例）とが示される。触媒の高温に対する耐久性および熱交換器の伝熱管の過熱に対する耐久性の両方について総合的に判定すると、第１、第２実施例が第１、第２比較例に比べて優れていることが分かる。
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明は触媒装置を一体に備えた熱交換器を排気通路に配置した任意の用途の内燃機関に対して適用することができる。
【図面の簡単な説明】
図１〜図２０は本発明の実施例を示すもので、図１は内燃機関のシリンダヘッド部の縦断面図、図２は図１の要部拡大断面図、図３は図２の３部拡大図、図４は図３の４−４線矢視図、図５は図３の５−５線矢視図、図６は図３の６−６線矢視図、図７は図３の７−７線矢視図、図８は図４の８−８線断面図、図９は図２の９−９線断面図、図１０は図２の１０−１０線断面図、図１１は図２の要部拡大図、図１２は図９の１２部拡大図、図１３Ａ〜図１３Ｃは第４段熱交換器の伝熱管を示す図、図１４はメタル触媒装置および第３段熱交換器の分解斜視図、図１５は蒸発器の給水経路を示す模式図、図１６は温度差最小位置およびメタル触媒装置の設置位置を説明する図、図１７は実施例および比較例のメタル触媒装置の設置位置を示す図、図１８は排気ガス温度、水温度および触媒温度の測定点を示す図、図１９は水が得る熱量が触媒装置の有無によりどのように変化するかを示すグラフ、図２０は給水量により触媒温度がどのように変化するかを示すグラフである。

Claims (3)

1. 排気ガスと作動媒体との間で熱交換を行う熱交換器（Ｈ１〜Ｈ５）の内部に排気ガスを浄化する触媒装置（４６Ａ〜４６Ｄ）を一体に設けたものを排気通路（３３）に配置した内燃機関において、
   熱交換器（Ｈ１〜Ｈ５）の内部で排気ガスと作動媒体との温度差が最小になる位置の近傍であって、排気ガスの温度が触媒不活性温度よりも高い領域に触媒装置（４６Ａ〜４６Ｄ）を配置したことを特徴とする内燃機関。
2. 排気ガスと作動媒体との温度差が最小になる位置よりも、排気ガスの流れ方向上流側に触媒装置（４６Ａ〜４６Ｄ）を配置したことを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
3. 作動媒体の二相領域に触媒装置（４６Ａ〜４６Ｄ）を配置したことを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。

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