WO2001053667A1 - Combustion gas purifier and internal combustion engine - Google Patents

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Description

明細書 燃焼ガス浄化装置および内燃機関
発明の分野
本発明は、 燃焼装置から出る燃焼ガス中の有害成分を酸化 Z還元反応により浄 化する燃焼ガス浄化装置に関する。 また本発明は、 排気通路に、 排気ガスを浄化 する排気ガス浄化装置と、 排気ガスとの間で熱交換する熱交換器とを設けた内燃 機関に関する。
背景技術
触媒反応により内燃機関の排気ガス中の有害成分を浄化する触媒装置は触媒担 体に例えば白金系の触媒を担持させた構造を持ち、 その触媒には触媒反応に最適 な温度が存在する。 例えば、 触媒温度が活性化温度以下で反応性に劣る場合には、 排気ガス温度が高い排気通路の上流側に触媒装置を配置して加熱したり、 電熱ヒ 一夕や加熱専用の燃焼装置で発生した燃焼ガスで触媒装置を加熱して触媒反応を 活性化させる等の方法が採用されている。 逆に、 触媒温度がその耐熱温度よりも 高温になる場合には、 空燃比を理論空燃比よりもリツチにして余剰の燃料の気ィ匕 熱で触媒を冷却して劣ィ匕を防止している。
また排気通路に配置された触媒装置の上流および下流に熱交換器を配置し、 排 気ガスの温度を制御することにより触媒温度を適切に保持するものが、 日本特開 昭 6 0— 9 3 1 1 0号公報により公知である。
触媒装置を最も効率的に機能させるには、 触媒反応に最適な温度範囲内で使用 することは当然であるが、 触媒反応に最適な温度から外れた場合に触媒温度を触 媒反応に最適な温度範囲内に速やかに回復させることも重要である （表 1参照)。 ここでいう触媒反応に最適な温度から外れるということは、 触媒温度が最適温度 よりも低い場合と高い場合とがあり、 触媒温度を触媒反応に最適な温度範囲内に 回復させるということには、 触媒温度を上昇させる場合と下降させる場合とがあ る。 【表 1】
触媒反応の温度範囲の例
燃焼装置の運転形態 净化触媒の一般的使用限界温度 (用途） 上限（°c) 下限（°c) 出力変動/非定格運転
800〜900 250〜300 (自動車等の移動機器類） 出力一定/定格運転
500〜600 100-200 (定置式プラン卜機器類）
例えば、 内燃機関が始動した直後には触媒装置自体の温度が大気温に近い状態 にあり、 従って触媒装置をできるだけ速やかに加熱して触媒温度を活性化温度以 上に昇温させる必要がある。
従来の手法のうち、 排気ガス温度が高い排気通路の上流位置に触媒装置を配置 する手法では、 触媒装置を使用する装置あるいはシステム全体の構造上の制約か ら、 排気通路の上流端に触媒装置を接近させるには機械的な限界がある。 また低 温の触媒装置を電熱ヒー夕や加熱専用の燃焼装置で発生した燃焼ガスで加熱する 手法では、 特別のエネルギー源が必要になってシステム全体の燃料消費量が増加 する問題がある。
逆に、 触媒温度が過剰に高まると触媒の劣化が発生するため、 触媒温度を速や かに耐熱温度以下に冷却する必要がある。 この場合には空燃比をリツチにして余 剰の燃料の気化熱で触媒を冷却するため、 燃料消費量が増加する問題がある。 ところで、 前記日本特開昭 6 0— 9 3 1 1 0号公報に記載されたものでは、 触 媒温度を能動的に制御することが本質的に困難である。 すなわち、 この手法では 触媒装置の上流側に熱交換器が設けられており、 熱源である排気ガスが通過する 排気通路内に余分な熱容量が存在している。 つまり、 冷間始動直後に内燃機関本 体が未だ低温の状態では、 排気ガスの熱が触媒装置よりも上流の熱交換器の温度 上昇に消費されてしまい、 触媒装置を昇温させる前に排気ガスの温度が低下して しまう。
また触媒が過熱状態にある場合には、 触媒装置の上流側の熱交換器の内部で排 気ガスおよび低温媒体間で熱交換を行つて先ず排気ガスの温度を低下させ、 熱交 換により温度低下した排気ガスを触媒装置に供給して間接的に触媒の温度上昇を 抑制している。 そして当然ではあるが、 触媒装置の下流側の熱交換器は触媒温度 の低下には殆ど寄与しない。
以上のように、 この手法は熱源である排気ガスの温度を制御して触媒に伝達さ れる熱エネルギーを間接的に制御するものであるため、 触媒温度を的確に制御す ることは困難である。
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 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制御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 6 0— 9 3 1 1 0号公報、 日本特開平 8— 6 8 3 1 8 号公報により公知である。
ところで排気ガス浄化装置は排気ガス中の有害成分を除去する際に反応熱が発 生するが、 上記従来のものは排気ガス浄化装置と熱交換器とが直接接触していな いので、 排気ガス浄化装置が発生した反応熱を熱交換器において有効に利用する ことが困難である。 また熱交換器を流れる作動媒体の流量により排気ガス浄化装 置の温度を制御して触媒の活性化や過熱からの保護を図ることができるが、 上記 従来のものは排気ガス浄化装置と熱交換器とが直接接触していないので、 排気ガ ス浄ィ匕装置の温度を効果的に制御することが困難である。
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、 システム全体のエネルギー効率 を低下させることなく、 触媒温度を最適温度範囲に能動的に制御し得る排気ガス 浄化装置を提供することを第 1の目的とする。
また本発明は、 内燃機関の排気通路に設けた排気ガス浄ィ匕装置および熱交換器 の性能を最大限に発揮させることを第 2の目的とする。
上記第 1の目的を達成するために、 本発明によれば、 燃焼装置からの燃焼ガス を導く排気通路中に燃焼ガスを浄ィヒする触媒装置を配置し、 この触媒装置の少な くとも一部の触媒装置にその温度を調節する温度調節手段を設けたことを特徴と する燃焼ガス浄化装置が提案される。
上記構成によれば、 燃焼装置からの燃焼ガスを導く排気通路中に設けた触媒装' 置の少なくとも一部の触媒装置に、 その温度を調節する温度調節手段を設けたの で、 触媒装置の温度を燃焼ガスの温度を介して受動的に制御するのでなく温度調 節手段により能動的に制御することができ、 これにより触媒温度を最適温度範囲 に的確に制御することが可能となる。
また上記構成に加えて、 前記温度調節手段は熱交換器であることを特徴とする 燃焼ガス浄化装置が提案される。
上記構成によれば、 触媒装置の温度を調節する温度調節手段が熱交換器である ので、 燃焼ガスの熱エネルギーと触媒反応で発生した熱エネルギーとを有効に回 収して熱交換器の性能を高めることができる。
また上記構成に加えて、 前記温度調節手段を備えた触媒装置は排気通路の上流 側に位置することを特徴とする燃焼ガス浄化装置が提案される。
上記構成によれば、 温度調節手段を備えた触媒装置を排気通路の上流側に位置 させたので、 特別の熱エネルギー源を設けることなく、 燃焼装置の始動後に高温 の燃焼ガスで触媒装置を速やかに加熱して触媒活性化温度以上に昇温させること ができる。
また上記構成に加えて、 前記温度調節手段は前記一部の触媒装置以外の触媒装 置の温度調節をも行うことを特徴とする燃焼ガス浄化装置が提案される。 上記 構成によれば、 一部の触媒装置の温度調節手段はその他の触媒装置の温度調節を も行うので、 触媒装置全体の触媒温度を最適温度範囲に的確に制御することが可 能となる。
また上記構成に加えて、 前記触媒装置よりも上流側の排気通路に燃焼ガスの温 度を調節する温度調節手段を設けたことを特徴とする燃焼ガス浄化装置が提案さ れる。
上記構成によれば、 触媒装置よりも上流側の排気通路に温度調節手段を設けた ので、 高温の燃焼ガスの温度を温度調節手段で調節して触媒装置の温度が耐熱温 度以上になるのを防止することができる。
また上記構成に加えて、 前記温度調節手段は熱交換器であることを特徴とする 燃焼ガス浄化装置が提案される。
上記構成によれば、 触媒装置よりも上流側の排気通路に設けられた温度調節手 段が熱交換器であるので、 高温の燃焼ガスの熱エネルギーを有効に回収して熱交 換器の性能を高めることができる。
また上記構成に加えて、 前記少なくとも一部の触媒装置と、 前記温度調節手段 とを相互に熱交換可能に接触させて配置したことを特徴とする燃焼ガス浄化装置 が提案される。
上記構成によれば、 内燃機関の排気通路に設けた触媒装置に温度調節手段を相 互に熱交換可能に接触させたので、 温度調節手段による触媒装置の温度制御を効 果的に行わせて触媒の活性化および保護を図ることができる。 また上記構成に加えて、 前記少なくとも一部の触媒装置をメタルで構成し、 前 記温度調節手段との接触部位で相互に一体化したことを特徴とする燃焼ガス浄化 装置が提案される。
上記構成によれば、 メタルで構成した触媒装置を温度調節手段に一体化したの で、 触媒装置および温度調節手段間の熱交換を極めて効率的に行うことができる。 尚、 上記第 1〜第 8の特徴において、 実施例の内燃機関 1は燃焼装置に対応し、 実施例のプレ触媒装置 3 4およびメイン触媒装置 3 5は触媒装置に対応し、 実施 例の第 3段熱交換器 H 3、 第 4段熱交換器 H 4および第 5段熱交換器 H 5は温度 調節手段に対応する。
また上記第 2の目的を達成するために、 本発明によれば、 排気通路に、 排気ガ スを浄化する排気ガス浄化装置と、 排気ガスとの間で熱交換する熱交換器とを設 けた内燃機関において、 前記排気ガス浄ィヒ装置の少なくとも一部と、 前記熱交換 器の少なくとも一部とを相互に熱交換可能に接触させて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、 内燃機関の排気通路に設けた排気ガス浄化装置および熱交 換器を相互に熱交換可能に接触させて配置したので、 排気ガス浄化装置が排気ガ ス中の有害成分を除去する際に発生した反応熱を熱交換器で効果的に回収して廃 熱回収性能を最大限に高めることができるだけでなく、 熱交換器を流れる作動媒 体の流量により排気ガス浄化装置の温度を効果的に制御して触媒の活性化および 保護を図ることができる。
また上記構成に加えて、 排気ガス浄ィ匕装置および熱交換器の接触部の上流側に、 排気ガスの流れを攪拌する攪拌手段を設け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、 排気ガス浄化装置および熱交換器の接触部の上流側に攪拌 手段を設けたので、 排気ガスの流れを攪拌して排気ガス浄化装置および熱交換器 に排気ガスを均一かつ充分に接触させ、 排気ガス浄化効果および熱交換効果を更 に高めることができる。
また上記構成に加えて、 前記排気ガス浄化装置の少なくとも一部をメタルで構 成し、 前記熱交換器の少なくとも一部との接触部位で相互に一体化したことを特 徵とする内燃機関が提案される。
上記構成によれば、 メタルで構成した排気ガス浄化装置を熱交換器に一体化し たので、 排気ガス浄化装置および熱交換器間の熱交換を極めて効率的に行うこと ができる。
尚、 上記第 9〜第 1 1の特徴において、 実施例の第 1段メタル触媒装置 2 4 6 A〜第 4段メタル触媒装置 2 4 6 Dは排気ガス浄化装置に対応し、 実施例の第 1 段熱交換器 H 1〜第 5段熱交換器 H 5は熱交換器に対応し、 実施例のガイドべ一 ン 2 4 5は攪拌手段に対応する。
図面の簡単な説明
図 1〜図 1 8は本発明の第 1実施例を示すもので、 図 1はランキンサイクルを 用いた駆動装置の全体構成を示す図、 図 2は駆動装置の動力伝達装置の構造を示 す図、 図 3は内'燃機関のシリンダヘッド部の縦断面図、 図 4は図 3の 4一 4線断 面図、 図 5は図 3の要部拡大断面図、 図 6は図 5の 6— 6線断面図、 図 7は図 5 の要部拡大図、 図 8は図 6の要部拡大図、 図 9 Aは第 4段熱交換器の伝熱管を示 す図、 図 9 Bは図 9 Aの b方向矢視図、 図 9 Cは図 9 Aの c方向矢視図、 図 1 0 はプレ触媒装置の分解斜視図、 図 1 1は蒸発器の給水経路を示す模式図、 図 1 2 は蒸発器の分解斜視図、 図 1 3は実施例および比較例の触媒装置および熱交換器 の配置を示す図、 図 1 4は低温始動時における排気ポートからの距離と排気ガス 温度との関係を示すグラフ、 図 1 5は高温時における排気ポートからの距離と排 気ガス温度との関係を示すグラフ、 図 1 6は複数給水の効果を説明するグラフ、 図 1 7はレイノルズ数と伝熱性能との関係を定常流および脈動流について示した グラフ、 図 1 8はレイノルズ数と伝熱性能との関係を異なる排気圧力について示 したグラフである。
図 1 9〜図 2 9は本発明の第 2実施例を示すもので、 図 1 9は内燃機関のシリ ンダへッド部の縦断面図、 図 2 0は図 1 9の要部拡大断面図、 図 2 1は図 2 0の 2 1 - 2 1線矢視図、 図 2 2は図 2. 0の 2 2— 2 2線断面図、 図 2 3は図 2 0の 2 3 - 2 3線断面図、 図 2 4は図 2 0の要部拡大図、 図 2 5は図 2 2の 2 5部拡 大図、 図 2 6は図 2 1の 2 6— 2 6線断面図、 図 2 7 Aは第 4段熱交換器の伝熱 管を示す図、 図 2 7 Bは図 2 7 Aの b方向矢視図、 図 2 7 Cは図 2 7 Aの c方向 矢視図、 図 2 8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 2 9は 蒸発器の給水経路を示す模式図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の第 1実施例を図 1〜図 1 8に基づいて説明する。
図 1において、 自動車に搭載された燃焼装置としての内燃機関 1の廃熱回収装 置 2は、 内燃機関 1の廃熱、 例えば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、 つまり高圧蒸気を発生する蒸発器 3と、 その高圧蒸気の膨脹によつ て軸出力を発生する膨張機 4と、 膨張機 4から排出される前記膨張後の温度およ び圧力が下降した蒸気、 つまり低圧蒸気を液化する凝縮器 5と、 凝縮器 5からの 水を蒸発器 3に供給する給水ポンプ 6とを有する。
図 2を併せて参照すると明らかなように、 廃熱回収装置 2に接続された動力伝 達装置 1 2 1は、 遊星歯車機構 1 2 2、 ベルト式無段変速機 1 2 3および発電 · 電動機 1 2 4を備える。
遊星歯車機構 1 2 2は、 サンギヤ 1 2 5と、 リングギヤ 1 2 6と、 ブラネタリ キヤリャ 1 2 7と、 ブラネ夕リキヤリャ 1 2 7に軸支されて前記サンギヤ 1 2 5 およびリングギヤ 1 2 6に同時に嚙合する複数のプラネタリギヤ 1 2 8とを備え る。 膨張機 4の出力軸 1 2 9に接続されたプラネタリキヤリャ 1 2 7は、 キヤリ ャブレーキ 1 3 0によって図示せぬケ一シングに締結可能である。 発電 ·電動機 1 2 4の入 ·出力軸 1 3 1に接続されたサンギヤ 1 2 5は、 サンギヤブレーキ 1 3 2によって図示せぬケーシングに締結可能である。 リングギヤ 1 2 6はリング ギヤブレーキ 1 3 3によって図示せぬケーシングに締結可能である。 キヤリャブ レーキ 1 3 0、 サンギヤブレーキ 1 3 2およびリングギヤブレーキ 1 3 3は、 油 圧ブレーキあるいは電磁ブレーキで構成される。
発電 ·電動機 1 2 4は充放電可能なバッテリ 1 3 4に接続される。 発電 ·電動 機 1 2 4は、 膨張機 4あるいは内燃機関 1の軸出力により駆動されて発電機とし て機能する場合にはバッテリ 1 3 4を充電し、 バッテリ 1 3 4から給電されて電 動機として機能する場合には、 内燃機関 1による駆動輪の駆動をアシストし、 あ るいは内燃機関 1の始動を行う。
ベルト式無段変速機 1 2 3は、 入力軸 1 3 5に設けられた駆動プーリ 1 3 6と、 出力軸 1 3 7に設けられた従動プーリ 1 3 8と、 両プーリ 1 3 6 , 1 3 8に巻き 掛けられた無端ベルト 1 3 9とを備える。 駆動プーリ 1 3 6の溝幅および従動プ ーリ 1 3 8の溝幅は油圧制御あるいは電気制御によってそれぞれ可変であり、 駆 動プーリ 1 3 6の溝幅を増加させて従動プーリ 1 3 8の溝幅を減少させると変速 比が L OW側に無段階に変化し、 駆動プーリ 1 3 6の溝幅を減少させて従動ブー リ 1 3 8の溝幅を増加させると変速比が TO P側に無段階に変化する。
遊星歯車機構 1 2 2のリングギヤ 1 2 6に設けた駆動ギヤ 1 4 0はベルト式無 段変速機 1 2 3の入力軸 1 3 5に設けた従動ギヤ 1 4 1に嚙合する。 内燃機関 1 の軸出力は出力軸 1 4 2を介して変速機 1 4 3に伝達され、 変速機 1 4 3の出力 は図示せぬ駆動輪に伝達される。 ベルト式無段変速機 1 2 3の出力軸 1 3 7に設 けた駆動ギヤ 1 4 4が内燃機関 1の出力軸 1 4 2に設けた従動ギヤ 1 4 5に嚙合 する。
膨張機 4の出力軸 1 2 9および発電 ·電動機 1 2 4の入 ·出力軸 1 3 1に、 そ れぞれトルクリミッタ 1 4 6 , 1 4 7が設けられる。 トルクリミッタ 1 4 6 , 1 4 7は、 膨張機 4あるいは発電 ·電動機 1 2 4に所定値以上のトルクが加わった 場合にスリップし、 過剰な負荷の発生を防止する。 トルクリミッタ 1 4 6 , 1 4 7は所定値以上の過負荷となるトルクの発生時に締結を解除されるクラッチで置 き換えることができる。 ベルト式無段変速機 1 2 3の出力軸 1 3 7にクラッチ 1 4 8が設けられる。 クラッチ 1 4 8は内燃機関 1あるいは駆動輪から逆伝達され る駆動力で膨張機 4に過負荷が加わるのを防止するためのもので、 締結時に内燃 機関 1および膨張機 4を接続し、 締結解除時に内燃機関 1および膨張機 4を切り 離す。
而して、 遊星歯車機構 1 2 2のサンギヤブレーキ 1 3 2を締結してサンギヤ 1 2 5を固定するとプラネ夕リキヤリャ 1 2 7およびリングギヤ 1 2 6がそれぞれ 入力要素あるいは出力要素になり、 膨張機 4からプラネタリキヤリャ 1 2 7に入 力された駆動力がリングギヤ 1 2 6に出力され、 そこから駆動ギヤ 1 4 0、 従動 ギヤ 1 4 1、 ベルト式無段変速機 1 2 3、 駆動ギヤ 1 4 4および従動ギヤ 1 4 5 を介して内燃機関 1の出力軸 1 4 2に伝達されるため、 膨張機 4の軸出力で内燃 機関 1の軸出力をアシス卜することができる。 一方、 膨張機 4の始動時に前述と 逆の経路で駆動力を伝達すれば、 内燃機関 1の軸出力で膨張機 4をスムーズに始 動することができる。
また遊星歯車機構 1 2 2のリングギヤブレーキ 1 3 3を締結してリングギヤ 1 2 6を固定すると膨張機 4あるいは発電 ·電動機 1 2 4がそれぞれ入力要素およ び出力要素になり、 膨張機 4からプラネタリキヤリャ 1 2 7に入力された駆動力 がサンギヤ 1 2 5を経て発電 ·電動機 1 2 4に出力され、 発電 ·電動機 1 2 4を 発電機として機能させてバッテリ 1 3 4を充電することができる。 一方、 膨張機 4の始動時に前述と逆の経路で駆動力を伝達すれば、 電動機として機能する発 電 ·電動機 1 2 4の軸出力で膨張機 4をスムーズに始動することができる。
また遊星歯車機構 1 2 2のキヤリャブレーキ 1 3 0を締結してプラネタリキヤ リャ 1 2 7を固定するとサンギヤ 1 2 5およびリングギヤ 1 2 6がそれぞれ入力 要素あるいは出力要素になる。 従って、 電動機として機能する発電 ·電動機 1 2 4からサンギヤ 1 2 5に入力された駆動力がリングギヤ 1 2 6に出力され、 そこ から駆動ギヤ 1 4 0、 従動ギヤ 1 4 1、 ベルト式無段変速機 1 2 3、 駆動ギヤ 1 4 4および従動ギヤ 1 4 5を介して内燃機関 1の出力軸 1 4 2に伝達され、 内燃 機関 1の軸出力のアシストや内燃機関 1の始動が行われる。 一方、 内燃機関 1の 軸出力を前述と逆の経路で発電 ·電動機 1 2 4に伝達し、 該発電 ·電動機 1 2 4 を発電機として機能させてバッテリ 1 3 4を充電することができる。
次に、 内燃機関 1の廃熱回収装置 2の蒸発器 3の構造を、 図 3〜図 1 2に基づ いて詳細に説明する。
図 3〜図 8に示すように、 直列 3気筒内燃機関 1は上下に積層されたシリンダ ブロック 1 1、 シリンダへッド 1 2およびへッドカバー 1 3を備えており、 シリ ンダブロック 1 1に形成した 3個のシリンダボア 1 4…にそれぞれピストン 1 5 …が摺動自在に嵌合する。 シリンダヘッド 1 2に形成された 3個の燃焼室 1 6 にそれぞれ連なる吸気ポート 1 7…および排気ポート 1 8…のうち、 吸気ポート 1 7…は従来どおりシリンダへッド 1 2の内部に穿設されているが、 排気ポート 1 8…は別部材で構成されてシリンダへッド 1 2に結合される。
吸気弁孔 1 9を開閉する吸気弁 2 0のステム 2 1の上端は、 吸気口ッカ一ァ一 ム軸 2 2に枢支された吸気ロッカーアーム 2 3の一端に当接し、 排気弁孔 2 4を 開閉する排気弁 2 5のステム 2 6の上端は、 排気ロッカーアーム軸 2 7に枢支さ れた排気ロッカーアーム 2 8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 2 9に設けた吸気カム 3 0および排気カム 3 1に前記吸気口ッカーァ一ム 2 3の他端および排気ロッカーアーム 2 8の他端が 当接することにより、 吸気弁 2 0および排気弁 2 5が開閉駆動される。
シリンダへッド 1 2の排気側の側面には、 内燃機関 1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、 つまり高圧蒸気を発生する蒸発器 3が設けら れる。 蒸発器 3は前記 3個の排気ポート 1 8…を基端として排気管 3 2に連なる 排気通路 3 3と、 この排気通路 3 3中に配置された 3個のプレ触媒装置 3 4…お よび 3個のメイン触媒装置 3 5…と、 排気通路 3 3を流れる排気ガスとの間で熱 交換を行う熱交換器 H I〜H 5…とを備える。
各排気ポート 1 8は、 排気ガスの長れ方向上流側に位置して略一定の直径を有 する等径部 1 8 aと、 等径部 1 8 a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 1 8 bとからなり、 等径部 1 8 aの外周には第 5段熱交換器 H 5が設 けられ、 拡径部 1 8 bの内部には第 4段熱交換器 H 4が設けられる。 第 5段熱交 換器 H 5は、 等径部 1 8 aの外周に約 5回転巻き付けられた 1本の伝熱管 3 7か ら構成される。 第 4段熱交換器 H 4は拡径部 1 8 bの内部に収納された多段に巻 回された 1本の伝熱管 3 8から構成されており、 第 5段熱交換器 H 5の伝熱管 3 7は、 排気ポート 1 8に形成した開口 （図示せず） を通って第 4段熱交換器 H 4 の伝熱管 3 8に連続している。
図 9 A〜図 9 Cを参照すると明らかなように、 第 4段熱交換器 H 4の伝熱管 3 8は、 排気ポート 1 8の拡径部 1 8 b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 9 Bに示す水入口は後述する上流側の第 3段熱交換器 H 3に接続され、 図 9 C に示す水出口は前記下流側の第 5段熱交換器 H 5の伝熱管 3 7に接続される。 図 9 Aに示す丸付数字①〜⑥は伝熱管 3 8内を水が流れる経路を示している。 尚、 第 4段熱交換器 H 4の伝熱管 3 8を、 排気ポート 1 8の拡径部 1 8 bの内 部形状に沿うようにテ一パーした 3重コイル状に巻き付けたことにより、 この拡 径部 1 8 b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 7および図 8に最も良く示されるように、 排気ポート 1 8の拡径部 1 8 bの 後端に環状の分配通路形成部材 4 1がー体に形成されており、 この分配通路形成 部材 4 1の後面に別の環状の分配通路形成部材 4 2を結合することにより、 両分 配通路形成部材 4 1， 4 2間に第 3円形分配通路 4 3が形成される。 この第 3円 形分配通路 4 3に、 前記第 4段熱交換器 H 4の伝熱管 3 8の上流端が接続される。 プレ触媒装置 3 4の外周を覆う円筒状ケース 4 4の前端が前記分配通路形成部 材 4 2に結合され、 また円筒状ケース 4 4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 4 5 , 4 6間に第 2円形分配通路 4 7 が形成される。 そして円筒状ケース 4 4の内部にプレ触媒装置 3 4および第 3段 熱交換器 H 3が配置される。
プレ触媒装置 3 4はメタルでハニカム板状に形成された 7枚の触媒担体 4 8〜 を備えており、 その表面に公知の排気ガス浄化触媒が担持されている。 円筒状ケ ース 4 4の内部で 7枚の触媒担体 4 8…を囲むように配置された第 3段熱交換器 H 3は、 屈曲させた 2本の伝熱管 4 9 , 4 9から構成される （図 1 0参照)。 各伝 熱管 4 9 , 4 9は円形の平面内でジグザグに折り曲げられた後に、 軸方向に 1ピ ツチ離間した次の平面に移って同形状のジグザグに折り曲げられ、 これを複数ピ ツチ分繰り返した円筒状の外形を有している。 そして 2本の伝熱管 4 9， 4 9を 相互に組み合わせたものの内部空間に、 前記 7枚の触媒担体 4 8…が収納される。 このとき 2本の伝熱管 4 9 , 4 9は 7枚の触媒担体 4 8…の表面に密着して一体 化される。 そして 2本の伝熱管 4 9， 4 9の上流端は前記分配通路形成部材 4 5， 4 6間に形成された第 2円形分配通路 4 7に接続され、 また下流端は前記分配通 路形成部材 4 1 , 4 2間に形成された第 3円形分配通路 4 3に接続される。
プレ触媒装置 3 4の円筒状ケース 4 4の半径方向外側に 2個の円筒状ケース 5 0 , 5 1が同軸に配置されており、 両円筒状ケース 5 0 , 5 1間に第 2段熱交換 器 H 2が環状に配置される。 第 2段熱交換器 H 2は、 一方向のコイル状に巻かれ た多数の伝熱管 5 2…と、 他方向のコイル状に巻かれた多数の伝熱管 5 3…とが、 それらの一部を嚙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 5 2 ···， 5 3…の配置密度を高めている。 而して、 プレ触媒装置 3 4の外 周は、 伝熱管 5 2—， 5 3…によって取り囲まれる。
夕 M則の円筒状ケース 5 0の前端に固定した分配通路形成材 5 4と、 この分酉己通 路形成部材 5 4の前面に結合された分配通路形成部材 5 5との間に第 1円形分配 通路 5 6が形成される。 伝熱管 5 2〜， 5 3…の上流端は前記第 1円形分配通路 5 6に接続され、 伝熱管 5 2 ， 5 3…の下流端は前記第 2円形分配通路 4 7に 接続される。
3個のプレ触媒装置 3 4…は、 金属板をプレス加工した板状の取付板 5 7で一 纏めにしてシリンダへッド 1 2に固定される。 取付板 5 7には 3個の開口 5 7 a …が形成されており、 これら開口に 5 7 a…に 3個の排気ポート 1 8…の拡径部 1 8 b…の分配通路形成部材 4 1がそれぞれ固定されて一体化される。 取付板 5 7の外周に固定した小判形のフランジ 5 8が 1 6本のポルト 5 9…でシリンダへ ッド 1 2に固定される。
3個のプレ触媒装置 3 4…の後方に 3個のメイン触媒装置 3 5…が配置される。 メイン触媒装置 3 5…は全体として円筒状に形成されたハニカム構造の触 担体 6 0…の表面に触媒を担持したもので、 その外周に厚肉のリング部材 6 1…が嵌 合する。 メイン触媒装置 3 5 ··'の直径はプレ触媒装置 3 4…の直径よりも大きく、 メイン触媒装置 3 5…はプレ触媒装置 3 4…と同じ直径の内層部 3 5 a…と、 プ レ触媒装置 3 4…の外周から外側にはみ出した外層部 3 5 b…とに別れている。 プレ触媒装置 3 4…とメイン触媒装置 3 5…との対向部をシールすべく、 分配通 路形成部材 4 6の後面にスプリング 6 2…を介して支持したシール部材 6 3 ···が メイン触媒装置 3 5…の前面に弾発的に当接する。 メイン触媒装置 3 5…の外周 のリング ¾5材 6 1…の後端にスプリング 6 4…を介してエンドキャップ 6 5 ···カ 支持される。 3個のエンドキャップ 6 5…の後面は、 後述する内壁部材 6 6の前 面に設けた突起 6 6 a…に当接して前方に押圧されている。
3個のプレ触媒装置 3 4…および 3個のメイン触媒装置 3 5…の外側は、 着脱 自在な共通のカバ一 7 1で覆われる。 カバー 7 1は、 中央に排気管 3 2の取付孔 7 2 aが形成された板状の分配通路形成部材 7 2と、 この分配通路形成部材 7 2 の前面に結合された三連リング状の分配通路形成部材 7 3とを備えており、 両分 配通路形成部材 7 2， 7 3間に第 1三連リング状分配通路 7 4が形成される。 三 連リング状の分配通路形成部材 7 3からは半径方向外側に位置する筒状部材 7 5 と、 半径方向内側に位置する筒状部材 7 6とが微小な間隔をもって前方に延びて おり、 外側の筒状部材 7 5の前端に設けた小判形のフランジ 7 7が、 前記フラン ジ 5 8と重ね合わされてポルト 5 9…で共締めされる。
内側の筒状部材 7 6の前端には三連リング状の分配通路形成部材 7 8が固定さ れており、 この分配通路形成部材 7 8の前面に略同形の分配通路形成部材 7 9を 結合することにより、 第 2三連リング状分配通路 8 0が形成される。 第 1三連リ ング状分配通路 7 4および第 2三連リング状分配通路 8 0は同形であって前後に 向かい合つている。 カバ一 7 1の内部には、 カップ状に形成された前記内壁部材 6 6が収納されており、 この内壁部材 6 6の外周面と内側の筒状部材 7 6の内周 面との間に第 1段熱交換器 H 1が配置される。
第 1段熱交換器 H Iは、 前記第 2段熱交換器 H 2…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 8 1…と、 他方向のコイル状に巻かれた多数の 伝熱管 8 2…とが、 それらの一部を嚙み合わせた状態で交互に配置され、 これら 伝熱管 8 "， 8 2…によって第 2段熱交換器 H 2…の外周およびメイン触媒装 置 3 5…の外周が取り囲まれる。 伝熱管 8 1—, 8 2…の上流端は第 1三連リン グ状分配通路 7 4に接続され、 下流端は第 2三連リング状分配通路 8 0に接続さ れる。
第 5段熱交換器 H 5…の伝熱管 3 7〜、 第 4段熱交換器 H 4…の伝熱管 3 8 ···、 第 3段熱交換器 H 3…の伝熱管 4 9… 第 2段熱交換器 H 2…の伝熱管 5 2…， 5 3—, 第 1段熱交換器 H Iの伝熱管 8 1 ···， 8 2…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 S U S 3 1 6 L、 S U S 3 1 0 Sや、 フェラ イト系の、 例えば S U S 4 3 0、 S U S 4 4 4) , 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や機械的拘束が好ましい。
またプレ触媒装置 3 4…の触媒担体 4 8…としては、 耐熱ステンレス鋼 （例え ば 2 0重量％C r— 5重量％A 1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 . 1 mm以下） が好ましく、 メイン触媒装置 3 5…の触 媒担体 6 0…としては、 コ一デユライトが好ましい。
図 1 1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 8 3が第 1三連リング状分配通路 7 4の中央部に設けられており、 第 1三連リ ング状分配通路 7 4は、 3個のメイン触媒装置 3 5…の外周を囲むように配置さ れた第 1段熱交換器 H Iの多数の伝熱管 8 "， 8 2…を介して第 2三連リング 状分配通路 8 0に連通し、 この第 2三連リング状分配通路 8 0は着脱自在な 2個 の継ぎ手 8 4…を介して 3個の第 1円形分配通路 5 6…に連通する。
3個の第 1円形分配通路 5 6…は、 3個のプレ触媒装置 3 4…の外周を囲むよ うに配置された第 2熱交換器 H 2…の伝熱管 5 2 ···, 5 3…を介して 3個の第 2 円形分配通路 4 7…に連通し、 これら 3個の第 2円形分配通路 4 7…は、 それぞ れ 3個のプレ触媒装置 3 4…の内部に配置された第 3段熱交換器 H 3…の各 2本 の伝熱管 4 9…を介して 3個の第 3円形分配通路 4 3…に連通する。 そして 3個 の第 3円形分配通路 4 3…は、 3個の排気ポート 1 8…の内部を通る第 4段熱交 換器 H 4…の各 1本の伝熱管 3 8…と、 3個の排気ポート 1 8…の外部を通る第 5段熱交換器 H 5…の各 1本の伝熱管 3 7…とを通った後に、 継ぎ手 8 5で合流 して排水口 8 6から後段の膨張機 4に供給される。
また途中給水口 8 7から給水された水は分配器 8 8で 3方向に分岐し、 その一 部が継ぎ手 8 4…を介して 3個の第 1円形分配通路 5 6に途中給水され、 その一 部が 3個の第 2円形分配通路 4 7…に途中給水され、 その一部が 3個の第 3円形 分配通路 4 3…に途中給水される。
このように、 給水口 8 3から供給された水が第 1段熱交換器 H I→第 2段熱交 換器 H 2…—第 3段熱交換器 H 3…—第 4段熱交換器 H 4… 第 5段熱交換器 H 5…を経て排水口 8 6に達するまでに、 内燃機関 1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 1から出た排気ガスは、 3個の排気ポート 1 8…の等径部 1 8 a…を通過する間に、 その等径部 1 8 a…の外周面に巻き付けた伝熱管 3 7…よ りなる第 5段熱交換器 H 5…との間で熱交換を行う。 排気ポート 1 8…の等径部 1 8 a…から拡径部 1 8 b…に流入した排気ガスは、 その拡径部 1 8 b…の内部 に収納した 3重コイル状に巻いた伝熱管 3 8…よりなる第 4段熱交換器 H 4…に 直接接触して熱交換を行う。 排気ガスは排気ポ一ト 1 8…から 3個のプレ触媒装 置 3 4…の各 7個の触媒担体 4 8…の内部を通過して有害成分を浄化され、 その 際に前記触媒担体 4 8…の周囲を囲む伝熱管 4 9…よりなる第 3段熱交換器 H 3 …との間で熱交換を行う。
3個のプレ触媒装置 3 4…を通過した排気ガスは 3個のメイン触媒装置 3 5… の内層部 3 5 a…を前方から後方に通過した後、 エンドキャップ 6 5…に阻止さ れて Uターンし、 メイン触媒装置 3 5…の外層部 3 5 b…を後方から前方に通過 し、 その間にメイン触媒装置 3 5…によって排気ガス中の有害成分が浄ィ匕される。 メイン触媒装置 3 5…を出た排気ガスは、 一対の円筒状ケース 5 0—, 5 1…間 に配置された伝熱管 5 2 ···， 5 3…よりなる第 2段熱交換器 H 2…を後方から前 方に流れる間に熱交換され、 その後に 1 8 0 ° 方向変換して筒状部材 7 6および 内壁部材 6 6間に配置された伝熱管 8 "， 8 2…よりなる第 1段熱交換器 H I 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 7 2の取付孔 7 2 aから排気管 3 2に排出される。
上記構造の蒸発器 3を組み立てる手順を、 主に図 1 2を参照して説明する。 先ず、 第 4段熱交換器 H 4…および第 5段熱交換器 H 5…を予め組み付けた 3 個の排気ポート 1 8…と、 第 2段熱交換器 H 2…および第 3段熱交換器 H 3…を 予め組み付けた 3個のプレ触媒装置 3 4…とを一体化したサブアセンブリをシリ ンダヘッド 1 2に取り付ける。 即ち、 板状の取付板 5 7の 3個の開口 5 7 a…に、 3個の排気ポート 1 8…に設けた分配通路形成部材 4 1をそれぞれ固定して一体 化し、 その取付板 5 7の外周に固定した小判形のフランジ 5 8をシリンダへッド 1 2に位置決めする。
続いて、 3個のプレ触媒装置 3 4…の後方から 3個のメイン触媒装置 3 5…を 接近させ、 メイン触媒装置 3 5…の外周のリング部材 6 1…の前端外周を第 2段 熱交換器 H 2…の円筒状ケース 5 0…の後端外周に嵌合させる。 このとき、 分配 通路形成部材 4 6…の後面にスプリング 6 2…を介して支持したシ一ル部材 6 3 …がメイン触媒装置 3 5…の前面に弹発的に当接する （図 4参照)。
続いて、 カバ一 7 1を前方に移動させ、 円を横方向にずらせて 3個重ねた三連 形状の第 1段熱交換器 H 1で 3個のメイン触媒装置 3 5…および 3個の第 2段熱 交換器 H 2…の外周を覆い、 カバ一 7 1の筒状部材 7 5に設けたフランジ 7 7を 取付板 5 7のフランジ 5 8の後面に重ね合わせ、 1 6本のポルト 5 9…でシリン ダへッド 1 2に結合する。 このとき、 カバー 7 1の内部の内壁部材 6 6の突起 6 6 a…でメイン触媒装置 3 5…のエンドキャップ 6 5…を前方に押圧し、 エンド キャップ 6 5…の外周に設けたバネ座 6 7…とメイン触媒装置 3 5…の外周のリ ング部材 6 1…の後端に設けたパネ座 6 8…との間にスプリング 6 4…を圧縮す る （図 4参照)。
以上のように、 プレ触媒装置 3 4…およびメイン触媒装置 3 5…を含む内層部 分と、 それらの外周を覆う外層部分であるカバー 7 1とを半径方向に若千の隙間 を持たせて組み付けるので、 それらの半径方向の熱膨張を吸収することができる。 またメイン触媒装置 3 5…はプレ触媒装置 3 4…の後面とカバー 7 1の内壁部材 6 6の前面との間にスプリング 6 2 -, 6 4…によって弾発的に保持されるので、 プレ触媒装置 3 4…およびメイン触媒装置 3 5…の軸方向の熱膨張を吸収するこ とができる。
そして最後に、 3個の第 1円形分配通路 5 6…をそれぞれ継ぎ手 8 4…を介し てカバ一 Ί 1の前端の第 2三連リング状分配通路 8 0に接続するとともに、 3個 の排気ポート 1 8…から延びる第 5段熱交換器 H 5…の 3本の伝熱管 3 7…を継 ぎ手 8 5で合流させて蒸発器 3の組み立てを完了する。
ところで、 図 1 3に示すように、 本実施例 P— 1では、 排気ガスを浄化する触 媒装置を、 上流側のプレ触媒装置 3 4…と下流側のメイン触媒装置 3 5…とに分 割し、 プレ触媒装置 3 4…の排気ガス流れ方向上流側に第 4段熱交換器 H 4…お よび第 5段熱交換器 H 5…を配置し、 メイン触媒装置 3 5…の排気ガス流れ方向 下流側に第 1段熱交換器 H 1および第 2段熱交換器 H 2…を配置している。 尚、 前述したように、 第 3段熱交換器 H 3…はプレ触媒装置 3 4…の内部に収納され る。
一方、 比較例 C一 0は触媒装置および熱交換器を一切備えないもの、 比較例 C 一 1はメイン触媒装置だけを備えたもの、 比較例 C— 2はプレ触媒装置の後段に メイン触媒装置を備えたもの、 比較例 C一 3はメイン触媒装置の前段および後段 にそれぞれ熱交換器を備えたものである。
図 1 4は、 内燃機関 1の始動直後の冷間時において、 排気ガスの温度が上流側 から下流側に向けて （L 0→L 1→L 2→L 3→L 4→L 5 ) に向けてどのよう に変ィ匕するかを示すものである。 本実施例 P— 1によれば、 プレ触媒装置 3 … を排気通路 3 3の上流側に配置し、 かつプレ触媒装置 3 4…の容量を小さく設定 したことにより、 冷間時においてもプレ触媒装置 3 4…の温度を触媒活性化温度 以上に速やかに昇温させ、 排気ガス中の有害成分を効果的に低減することができ る。
また容量の小さぃプレ触媒装置 3 4…だけでは排気ガス浄化能力が不足するが、 その下流側に大容量のメイン触媒装置 3 5…を配置することにより、 小容量のプ レ触媒装置 3 4…の排気ガス浄ィヒ能力を充分に補っている。 更にメイン触媒装置 3 5…の内層部 3 5 a…と外層部 3 5 b…とで排気ガスの流れ方向が反転するの で、 先ず排気ガスがメイン触媒装置 3 5…の内層部 3 5 a…を通過する際に触媒 反応により温度上昇し、 その温度上昇した排気ガスをメイン触媒装置 3 5…の外 層部 3 5 b…に供給するとともに、 排気ガスを 1 8 0 ° が反転する際に排気ガス 中の有害成分を効果的に混合せしめて外層部 3 5 b…における触媒反応を促進し、 メイン触媒装置 3 5…全体としての排気ガス浄化性能を高めることができる。 し かも内層部 3 5 a…の排気ガスを外層部 3 5 b…の排気ガスで覆ってサーマルリ —クを防止し、 熱交換効率の低下を防止することができる。
図 1 5は、 内燃機関 1の高温運転時において排気ガスの温度が上流側から下流 側に向けてどのように変化するかを示すものである。 本実施例 P— 1によれば、 プレ触媒装置 3 4…の位置が排気ポート 1 8…に近いために高温の排気ガスに晒 されて劣化する虞があるが、 排気ポート 1 8…に第 4段熱交換器 H 4…および第 5段熱交換器 H 5…を配置したことにより、 プレ触媒装置 3 4…の触媒温度が耐 熱温度を越えるのを防止することができる。 またプレ触媒装置 3 4…の内部にお いても、 第 3段熱交換器 H 3の触媒担体 4 8…を 7個に分割してそれそれを細 ((¾ にし、 且つ前記触媒担体 4 8…の周囲に第 3段熱交換器 H 3…のジグザグ状の折 り曲げた伝熱管 4 9…を直接接触させたことにより、 プレ触媒装置 3 4…の触媒 温度が耐熱温度を越えるのを一層確実に防止することができる。 しかも、 第 1段熱交換器 H l、 第 2段熱交換器 H 2〜、 第 3段熱交換器 Η 3 ···、 第 4段熱交換器 Η 4…および第 5段熱交換器 Η 5…を直列に接続し、 第 1段熱交 換器 Η 1側から第 5段熱交換器 Η 5…側に順次給水するようになっているため (この給水方法をヮンウェイ給水という）、 その給水量を増減することにより内燃 機関 1の運転状態に応じてプレ触媒装置 3 4…およびメイン触媒装置 3 5…の温 度を適切に制御することができる （表 2参照)。
【表 2】
低温始動性および高温耐熱性の比較 低温始動性 高温耐熱性
(早期活性化） (触媒の劣化） 総合判定 比較例 C-1 不良 不良 不良
C-2 良 不良 不良
C一 3 不良 良 不良
：熱交換器中
の低温媒体 ：なし ：なし
の流量制御
実施例 P - 1 良 良 良
：熱交換器中
の低温媒体 -有り ：有り
の流量制御 (流量：少） (流量：多）
また第 1段熱交換器 H 1力ゝら第 5段熱交換器 H 5…までの給水経路の途中の 3 個所、 つまり第 2段熱交換器 H 2…の直上流の第 1円形分配通路 5 6…と、 第 3 段熱交換器 H 3…の直上流の第 2円形分配通路 4 7…と、 第 4段熱交換器 H 4— の直上流の第 3円形分配通路 4 3…とに途中給水し、 第 2段〜第 4段熱交換器 H 2 -, H 3〜， H 4…に対する給水量を内燃機関 1の運転状態 （排気ガスの流量 や排気ガスの温度） や触媒温度の変化に応じて個別に制御すれば （この給水方法 を複数,給水という）、 プレ触媒装置 3 4…およびメイン触媒装置 3 5…の触媒温度 を触媒反応に適した温度に一層きめ細かく制御することができる （表 3および図 1 6参照)。
【表 3】
熱負荷変動時の触媒温度の追従性 燃焼装置の運転状況（熱負荷）
流量制 触媒の状態 低熱負荷 中熱負荷 咼熱負何 御方法
温度域 追従性 浄化性能 温度域 追従性 浄化性能 温度域 追従性 浄化性能 ワンウェイ プレ鈾 ¾g 良 早い
給水 良 良 早い 良 良 早い 良 メイン触媒 低目 不足 低目 遅い 不足 低目 遅い 不足
，途中 (なし） (なし） (なし）
給水
： ^糸 フ J、M ：少 ：中 ：多 複数給水 プレ触媒 良 早い 良 良 早い 良 良 早い 良 メイン触媒 良 早い 良 良 早い 良 良 早い 良
•途中 ( 中 ¾
給水 (Α) (Β) (C) (Α) (Β) (C) (Α) (Β) (C) 水位置）
：途中給水量 ：微少 ：微少 ：微少 ：微少 ：少 ：少 ：少 ：中 ：多
" ^ α/ΐ量 ：少 ：中 ：多
複数給水の効果を図 1 6に基づいて更に説明する。 破線で示すワンウェイ給水 を行う場合、 内燃機関 1の低負荷状態にあわせて給水量を少なく設定すると、 触 媒温度は早めに下限温度 （触媒活性化温度） を越えるが、 上限温度 （触媒耐熱温 度） を越えるのも早くなつてしまう。 逆に、 内燃機関 1の高負荷状態にあわせて 給水量を多く設定すると、 触媒温度が下限温度 （触媒活性化温度） を越えるのが 遅れる反面、 上限温度 （触媒耐熱温度） を越えるのを遅らせることができる。 こ のように、 ワンウェイ給水では触媒の早期活性化と耐久性とを両立させるのが難 しくなるが、 内燃機関 1の低負荷状態で給水量を少なく設定し、 負荷が増大する 途中で途中給水により給水量を増加させることにより、 触媒の早期活性化と耐久 性とを両立させることが可能となる。
尚、 図中でプレ触媒装置 3 4…のラインが左側にあり、 メイン触媒装置 3 … のラインが右側にあるのは、 プレ触媒装置 3 4…の容量が小さく、 メイン触媒装 置 3 5…の容量が大きいためである。 勿論、 3個所の途中給水口の給水量をそれ ぞれ別個に制御することによる、 プレ触媒装置 3 4…およびメイン触媒装置 3 5 …の温度を一層精密に制御することができる。
以上のように、 本実施例 P— 1によれば、 比較例 C一 0〜C一 3に比べて排気 ガス浄化性能および触媒装置の耐久性能を総合的に高めることができる。 特に、 プレ触媒装置 3 4…の内部に第 3段熱交換器 H 3を一体に設けたことによりプレ 触媒装置 3 4…の温度を能動的に制御することができ、 またプレ触媒装置 3 " の近傍の第 1円形分配通路 5 6 '·'、 第 2円形分配通路 4 7…および第 3円形分配 通路 4 3…に途中給水することにより、 プレ触媒装置 3 4…自体の温度だけでな く、 その下流に位置するメイン触媒装置 3 5…の温度をも的確に制御し、 総合的 な排気ガス浄化性能を大幅に高めることができる。
5段の熱交換器 H I〜H 5…の伝熱面密度 （伝熱面積 Z体積） は、 第 1段熱交 換器 H Iが最大であり、 そこから第 5段勢交換器 H 5…に向かって漸減する。 ま た 5段の熱交換器 H 1〜H 5…の通路断面積は、 第 1段熱交換器 H 1が最小であ り、 そこから第 5段熱交換器 H 5…に向かって漸増する。 第 1段熱交換器 H l〜 第 4段熱交換器 H …の伝熱面密度および通路断面積は表 4に示され。 【表 4】
各段の熱交換器の伝熱面密度および通路断面積の比較 伝熱面密度（ m—1 ) 通路断面積（ m 2 ) 第 1段熱交換器 680 0.0008 第 2段熱交換器 480 0.0009 第 3段熱交換器 440 0.0009 第 4段熱交換器 90 0.001
伝熱面密度 （伝熱面積 Z体積） を第 1段熱交換器 H Iから第 5段熱交換器 H 5 …に向かって漸減させたことにより、 燃焼室 1 6…に近いために温度が高い排気 ガスが通過する第 5段熱交換器 H 5…の伝熱面密度を最小にし、 排気通路 3 3を 通過して温度低下した排気ガスが通過する第 1段熱交換器 H 1の伝熱面密度を最 大にすることにより、 5段の熱交換器 H I ~H 5…の全域に亘つて平均的な熱交 換¾ (率を得ることができる。
また燃焼室 1 6…から出た排気ガスは高温で体積が大きいために流速が速くな るため、 燃焼室 1 6…に近い第 5段熱交換器 H 5…の通路断面積を最大にして圧 損を最小限に抑えることができる。 一方、 排気通路 3 3を通過して温度低下した 排気ガスは体積が低下して流速も低下するため、 第 1段熱交換器 H 1の通路断面 積を最小にして蒸発器 3をコンパクト化することができる。 ·
第 1段熱交換器 H 1〜第 4段熱交換器 H 4…の伝熱面密度および通路断面積を 表 3のように設定した効果は、 表 5に纏められている。
【表 5】
ο従来技術の場合 (均一構造）
Figure imgf000028_0001
排ニニガス、水の通過面積
前段≥後段
伝熱面密度：
前段≤後段
ο本発明の場合
前 部（排ガス高温部）後段部（排ガス低 部 ) ο更に期待できる効果 熱交換 1 高い j高いト 4 ' コンパク卜になる 排ガス圧損 低圧損になる 水（蒸気）圧損 ί ¾
ところで、 内燃機関 1側から見た前段の熱交換器である第 2段〜第 5段熱交換 器 H 2〜〜H 5…は各排気ポート 1 8…毎に設けられており、 各排気ポート 1 8 …から出た排気ガスが混合することがないため、 排気干渉の発生を回避して内燃 機関 1の出力低下を防止することができる。 また排気ポート 1 8…の出口では排 気ガスの圧力の脈動が存在し、 かつ排気圧力も高いために伝熱促進効果が期待で きる。 図 1 7は、 排気脈動のない熱風装置と排気脈動のある内燃機関とについて、 各レイノルズ数における伝熱性能を比較したものであるが、 排気脈動のある内燃 機関の方が伝熱性能が高いことが確認される。 図 1 8は、 パイプ管群式の熱交換 器を設けた単気筒内燃機関において、 2種類の排気圧力で各レイノルズ数におけ る伝熱性能を比較したものであるが、 排気圧力が高い方が伝熱性能が高いことが 確認される。
また内燃機関 1側から見た後段の熱交換器である第 1段熱交換器 H 1では、 3 個の排気ポ一ト 1 8…からの排気ガスが集合して脈動のない流れになるため、 排 気ガスを高温かつ一定温度に維持し、 力 脈動流.と異なって排気ガスの流れが静 止しない定常流にして熱交換性能の低下を防止することができる。
しかも、 排気ガスは内燃機関 1側から排気管 3 2側に流れるのに対して、 水は 排気管 3 2側から内燃機関 1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 H 1〜H 5…の全域に亘つて排気ガスと 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。
また図 4から明らかなように、 蒸発器 3の幅 （内燃機関 1のクランクシャフト 方向の幅） は 3個のシリンダポア 1 4…の幅と大差がなく、 極めてコンパクトで ある。 しかも 1 6本のポルト 5 9…を緩めるだけで蒸発器 3をシリンダへッド 1 2から取り外すことができるので、 メンテナンスが容易であるばかりか、 カバー 7 1によって蒸発器 3全体が高剛性に一体ィ匕されるので、 内燃機関 1の振動に対 する耐久性も向上する。
更に、 排気通路 3 3を 3段のジグザグ状に折り曲げるとともに、 第 1段〜第 4 段熱交換器 H I〜H 4…を半径方向に積層して配置したので、 サーマルリ一クを 最小限に抑え、 かつ蒸発器 3の内部からの騒音の放散を防止しながら、 蒸発器 3 全体の寸法を極力小型化して内燃機関 Eのシリンダへッド 1 2にコンパクトに配 置することができる。
また第 1段〜第 5段熱交換器 H 1〜H 5 ·'·、 プレ触媒装置 3 4およびメイン触 媒装置 3 5を半径方向に積層して迷路状に配置したので、 その消音効果で廃熱回 収装置 2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 H 1〜H 5…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 H 1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、 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、 従来排気装置によつ 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 1 9〜図 2 9に基づいて本発明の第 2実施例を説明する。
図 1 9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 2 1 1、 シリンダへッド 2 1 2およびへッドカバ一 2 1 3を備えており、 シリンダブ口ッ ク 2 1 1に形成したシリンダポア 2 1 4にピストン 2 1 5が摺動自在に嵌合する。 シリンダへッド 2 1 2に形成された燃焼室 2 1 6にそれぞれ連なる吸気ポート 2 1 7および排気ポート 2 1 8のうち、 P及気ポ一ト 2 1 7は従来どおりシリンダへ ッド 2 1 2の内部に穿設されているが、 排気ポ一ト 2 1 8は別部材で構成されて シリンダへッド 2 1 2に結合される。
P及気弁孔 2 1 9を開閉する吸気弁 2 2 0のステム 2 2 1の上端は、 P及気ロッカ 一アーム軸 2 2 2に枢支された吸気ロッカーアーム 2 2 3の一端に当接し、 排気 弁孔 2 2 4を開閉する排気弁 2 2 5のステム 2 2 6の上端は、 排気口ッカ一ァー ム軸 2 2 7に枢支された排気ロッカーアーム 2 2 8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 2 2 9に設けた吸気力 ム 2 3 0および排気カム 2 3 1に前記吸気口ッカーアーム 2 2 3の他端および排 気口ッカーァ一ム 2 2 8の他端が当接することにより、 P及気弁 2 2 0および排気 弁 2 2 5が開閉駆動される。
シリンダへッド 2 1 2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 0〜図 2 9に基づいて蒸発器一体型の排気ガス浄ィ匕装 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 2 1 8を基端として排気管 2 3 2に連なる排気 通路 2 3 3と、 この排気通路 2 3 3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 H 1〜H 5とを備えており、 後述するメタル触媒装置 2 4 6 A〜 2 4 6 Dは第 3段熱交換器 H 3に組み込まれる。
排気ポート 2 1 8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 2 1 8 aと、 等径部 2 1 8 a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 2 1 8 bとからなり、 等径部 2 1 8 aの外周には第 5段熱交換器 H 5が設けられ、 拡径部 2 1 8 bの内部には第 4段熱交換器 H 4が設けられる。 第 5段熱交換器 H 5は、 等径部 2 1 8 aの外周に約 5回転巻き付けられた 1本の 伝熱管 2 3 4から構成される。 第 4段熱交換器 H 4は拡径部 2 1 8 bの内部に収 納された多段に巻回された 1本の伝熱管 2 3 5から構成されており、 第 5段熱交 換器 H 5の伝熱管 2 3 4は、 排気ポート 2 1 8に形成した開口 （図示せず） を通 つて第 4段熱交換器 H 4の伝熱管 2 3 5に連続している。
図 2 7 A〜図 2 7 Cを参照すると明らかなように、 第 4段熱交換器 H 4の伝熱 管 2 3 5は、 排気ポート 2 1 8の拡径部 2 1 8 bの内部形状に沿うようにテーパ 一した 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 の中間層のコィルは前方から後方に向かつ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 2 7 Bに示す水入口は後述する上流側の第 3段熱交換器 H 3に接続 され、 図 2 7 Cに示す水出口は前記下流側の第 5段熱交換器 H 5の伝熱管 2 3 4 に接続される。 図 2 7 Aに示す丸付数字①〜⑥は伝熱管 2 3 5内を水が流れる経 路を示している。
尚、 第 4段熱交換器 H 4の伝熱管 2 3 5を、 排気ポート 2 1 8の拡径部 2 1 8 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 2 1 8 b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 2 0、 図 2 1および図 2 6に最も良く示されるように、 排気ポート 2 1 8の 拡径部 2 1 8 bの後端に円板状の分配通路形成部材 2 4 1が結合されており、 こ の分配通路形成部材 2 4 1の後面に別の円板状の分配通路形成部材 2 4 2を結合 することにより、 両分配通路形成部材 2 4 1， 2 4 2間に第 2螺旋形分配通路 2 3が形成される。 第 2螺旋形分配通路 2 4 3の半径方向外端に前記第 4段熱交 換器 H 4の伝熱管 2 3 5の上流端が接続される。 両分配通路形成部材 2 4 1 , 2 4 2には前記第 2螺旋形分配通路 2 4 3に沿うように螺旋形開口 2 4 4が形成さ れる。 第 2螺旋形開口 2 4 4の断面は排気ポート 2 1 8の拡径部 2 1 8 b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べ ーン 2 4 5…が傾斜して取り付けられる。 従って、 排気ポート 2 1 8の拡径部 2 1 8 bから供給された排気ガスは、 螺旋形開口 2 4 4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。
図 2 0、 図 2 2〜図 2 4および図 2 8に最も良く示されるように、 第 1段メタ ル触媒装置 2 4 6 A〜第 4段メタル触媒装置 2 4 6 Dおよび第 3段熱交換器 H 3 の外周を覆う円筒状ケ一ス 2 4 7の前端が前記分配通路形成部材 2 4 2に結合さ れ、 また円筒状ケース 2 4 7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 2 4 8， 2 4 9間に第 4円形分配通路 2 5 0が形成 され、 この第 4円形分配通路 2 5 0にパイプを螺旋形に湾曲させた第 1螺旋形分 配通路 2 5 1のタ端が接続される。 直列に配置された第 1段メタル触媒装置 2 4 6 A〜第 4段メタル触媒装置 2 4 6 D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 2 5 2〜2 5 5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 2 5に拡大して示すように、 各段のメタ ル触媒装置 2 4 6 A〜2 4 6 Dの金属担体 2 5 2〜 2 5 5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 H 3は異なる直径を有するコィル状に巻かれた 4本の伝熱管 2 5 6〜2 5 9から構成される （図 2 8参照)。 4本の伝熱管 2 5 6〜2 5 9は前記 第 1段メタル触媒装置 2 4 6 A〜第 4段メタル触媒装置 2 4 6 Dの 4個の金属担 体 2 5 2〜 2 5 5と同心かつ交互に配置されて円筒状ケース 2 4 7内に収納され る。 4本の伝熱管 2 5 6〜 2 5 9の下流端は前記第 2螺旋形分配通路 2 4 3の中 間部に接続され、 4本の伝熱管 2 5 6〜 2 5 9の上流端は前記第 1螺旋形分配通 路 2 5 1の中間部に接続される。
第 1段メタル触媒装置 2 4 6 A〜第 4段メタル触媒装置 2 4 6 Dおよび第 3段 熱交換器 H 3の外周を覆う円筒状ケース 2 4 7の半径方向外側に 2個の円筒状ケ ース 2 6 0 , 2 6 1が同軸に配置されており、 両円筒状ケース 2 6 0， 2 6 1間 に第 2段熱交換器 H 2が環状に配置される。 第 2段熱交換器 H 2は、 一方向のコ ィル状に巻かれた多数の伝熱管 2 6 2…と、 他方向のコイル状に巻かれた多数の 伝熱管 2 6 3…とが、 それらの一部を嚙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 2 6 2 '··, 2 6 3…の配置密度を高めている。 而して、 第 1段メタル触媒装置 2 4 6 A〜第 4段メタル触媒装置 2 4 6 Dおよび第 3段熱 交換器 H 3の外周は、 第 2段熱交換器 H 2の伝熱管 2 6 2…， 2 6 3…によって 取り囲まれる。
外側の円筒状ケース 2 6 0の前端に固定された環状の分配通路形成材 2 6 4と、 この分配通路形成部材 2 6 4の前面に結合された環状の分配通路形成部材 2 6 5 との間に第 3円形分配通路 2 6 6が形成される。 第 2段熱交換器 H 2の伝熱管 2 6 2 -, 2 6 3…の上流端は前記第 3円形分配通路 2 6 6に接続され、 伝熱管 2 6 2 ···， 2 6 3…の下流端は前記第 4円形分配通路 2 5 0に接続される。 第 2段 熱交換器 H 2の外側を覆う円筒状ケース 2 6 0の後端に、 第 1段メタル触媒装置 2 4 6 A〜第 4段メタル触媒装置 2 4 6 Dおよび第 3段熱交換器 H 3の後面を覆 う皿状のエンドキャップ 2 6 7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一 2 7 1 は、 中央に排気管 2 3 2に連なる排気孔 2 7 2 aが形成された板状の分配通路形 成部材 2 7 2と、 この分配通路形成部材 2 7 2の前面に結合された環状の分配通 路形成部材 2 7 3とを備えており、 両分配通路形成部材 2 7 2， 2 7 3間に第 1 円形分配通路 2 7 4が形成される。 分配通路形成部材 2 7 3から、 半径方向外側 に位置する円筒状ケース 2 7 5と、 半径方向内側に位置する円筒状ケース 2 7 6 と力 S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 275の前端に 設けたフランジ 277が、 分配通路形成部材 242に固定した取付板 278の後 端に設けたフランジ 279と重ね合わされてポルト 280…でシリンダへッド 2 12に共締めされる。
内側の円筒状ケース 276の前端に環状の分配通路形成部材 281が固定され ており、 この分配通路形成部材 281の前面に環状の分配通路形成部材 282を 結合することにより第 2円形分配通路 283が形成される。 第 1円形分配通路 2 74および第 2円形分配通路 283は同形であって前後に向かい合つている。 力 バ一 271の内部に力ップ状に形成された内壁部材 284が収納されており、 こ の内壁部材 284の外周面と内側の円筒状ケース 276の内周面との間に第 1段 熱交換器 HIが配置される。
第 1段熱交換器 HIは、 前記第 2段熱交換器 H 2と類似の構造で、 一方向のコ ィル状に巻かれた多数の伝熱管 285…と、 他方向のコイル状に巻かれた多数の 伝熱管 286…とが、 それらの一部を嚙み合わせた状態で交互に配置され、 これ ら伝熱管 285-, 286…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 285 ···, 286…の上流端は第 1円形分配通路 274に接続され、 下流 端は第 2円形分配通路 283に接続される。
第 5段熱交換器 H 5の伝熱管 234、 第 4段熱交換器 H 4の伝熱管 235、 第 3段熱交換器 H3の伝熱管 256〜259、 第 2段熱交換器 H 2の伝熱管 262 ···, 263···、 第 1段熱交換器 HIの伝熱管 285'··， 286…の材質は、 耐熱 性ステンレス鋼 （ォ一ステナイト系の、 例えば SUS 316L、 SUS 310 S や、 フェライト系の、 例えば SUS430、 SUS 444), 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 246 A〜第 4段メタル触媒装置 246Dの金属担 体 252〜 255としては、耐熱ステンレス鋼（例えば 20重量％C r _ 5重量％ A 1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. 1 mm以下） が好ましい。
図 29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 2 8 7が第 1円形分配通路 2 7 4に設けられており、 第 1円形分配通路 2 7 4 は第 1段熱交換器 H Iの多数の伝熱管 2 8 5 -, 2 8 6…を介して第 2円形分配 通路 2 8 3に連通し、 この第 2円形分配通路 2 8 3は連通路 2 8 8を介して第 3 円形分配通路 2 6 6に連通する。 第 3円形分配通路 2 6 6は第 2段熱交換器 H 2 の伝熱管 2 6 2 ···， 2 6 3…を介して第 4円形分配通路 2 5 0に連通し、 第 4円 形分配通路 2 5 0は第 1螺旋形分配通路 2 5 1を介して第 3段熱交換器 H 3の 4 本の伝熱管 2 5 6〜2 5 9に連通する。 第 3段熱交換器 H 3の 4本の伝熱管 2 5 6〜2 5 9は、 第 2螺旋形分配通路 2 4 3と、 第 4段熱交換器 H 4の伝熱管 2 3 5と、 第 5段熱交換器 H 5の伝熱管 2 3 4とを介して蒸気排出口 2 8 9に連通す る。
このように、 給水口 2 8 7から供給された水が第 1段熱交換器 H I→第 2段熱 交換器 H 2—第 3段熱交換器 H 3→第 4段熱交換器 H 4→第 5段熱交換器 H 5を 経て蒸気排出口 2 8 9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 2 1 8の等径部 2 1 8 aを 通過する間に、 その等径部 2 1 8 aの外周面に巻き付けた伝熱管 2 3 4よりなる 第 5段熱交換器 H 5との間で熱交換を行う。 排気ポート 2 1 8の等径部 2 1 8 a から拡径部 2 1 8 bに流入した排気ガスは、 その拡径部 2 1 8 bの内部に収納し た 3重コイル状の伝熱管 2 3 5よりなる第 4段熱交換器 H 4に直接接触して熱交 換を行う。 排気ポート 2 1 8を出た排気ガスは第 1段メタル触媒装置 2 4 6 A〜 第 4段メタル触媒装置 2 4 6 Dの内部を通過して有害成分を浄ィ匕され、 その際に 前記第 1段〜第 4段メタル触媒装置 2 4 6 A〜 2 4 6 Dと同心に配置された伝熱 管 2 5 6〜2 5 9よりなる第 3段熱交換器 H 3との間で熱交換を行う。
第 1段〜第 4段メタル触媒装置 2 4 6 A〜2 4 6 Dおよび第 3段熱交換器 H 3 を通過した排気ガスはエンドキャップ 2 6 7に阻止されて Uターンし、 一対の円 筒状ケース 2 6 0， 2 6 1間に配置された伝熱管 2 6 2 ··'， 2 6 3…よりなる第 2段熱交換器 H 2を後方から前方に流れる間に熱交換され、 その後に 1 8 0 ° 方 向変換して円筒状ケース 2 7 6および内壁部材 2 8 4間に配置された伝熱管 2 8 5 -, 2 8 6…よりなる第 1段熱交換器 H I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 2 7 2の排気孔 2 7 2 aから排気管 2 3 2に排出 される。
第 2段熱交換器 H 2を通過した排気ガスは排気ポート 2 1 8の拡径部 2 1 8 b に連なる螺旋形開口 2 4 4を通過する際に半径方向外側に拡散し、 かつ螺旋形開 口 2 4 4の内部に装着されたガイドべーン 2 4 5…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 2 4 6 A〜2 4 6 D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 2 4 6 A〜2 4 6 D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 2 5に拡大して示すように、 各段のメタル触媒装置 2 4 6 A〜2 4 6 Dの金 属担体 2 5 2〜 2 5 5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 2 4 6 A〜2 4 6 D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 H 3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 H 3の 4本の伝熱管 2 5 6〜 2 5 9を第 1螺旋形分配通路 2 5 1および第 2螺旋形分配通路 2 4 3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 2 5 6の両端を第 1螺旋形分配通路 2 5 1 の半径方向外側および第 2螺旋形分配通路 2 4 3の半径方向外側に接続し、 管長 が短い内側の伝熱管 2 5 9の両端を第 1螺旋形分配通路 2 5 1の半径方向内側お よび第 2螺旋形分配通路 2 4 3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 2 5 1， 2 4 3の一部の流路長を含む 4本の伝熱管 2 5 6〜 2 5 9の流路長をできるだけ均一化し、 各伝熱管 2 5 6〜2 5 9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 2 4 6 A〜2 4 6 Dと第 3段熱交換器 H 3 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 2 4 6 A〜 2 4 6 Dで発生した反応熱を第 3段熱交換器 H 3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 H 3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 2 4 6 A〜2 4 6 D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 2 4 6 A〜2 4 6 Dを冷却して 耐久性の向上を図つたりすることができる。
尚、第 3段熱交換器 H 3を流れる水量を制御する手段は、 第 1実施例の図 1 1、 図 1 6等にて示した 「複数給水」 の構成を追加すればよく、 具体的には図 2 9を 参照して、 第 1段熱交換器 H 1力 ^ら第 5段熱交換器 H 5…までの給水経路の途中 の 4個所、 つまり第 2段熱交換器 H 2…の直上流の第 3円形分配通路 2 6 6…と、 第 3段熱交換器 H 3…の直上流の第 4円形分配通路 2 5 0又は第 1螺旋形分配通 路 2 5 1…と、 第 4段熱交換器 H 4…の直上流の第 2螺旋形分配通路 2 4 3…と に途中給水し、 第 2段〜第 4段熱交換器 H 2…， H 3 ， H 4…に対する給水量 を内燃機関 1の運転状態 （排気ガスの流量や排気ガスの温度） や触媒温度の変化 に応じて個別に制御すれば （この給水方法を複数給水という）、 第 1段〜第 4段メ タル触媒装置 2 4 6 A〜2 4 6 Dの触媒温度を触媒反応に適した温度に一層きめ 細かく制御することができる。
第 1段〜第 4段メタル触媒装置 2 4 6 A〜2 4 6 Dおよび第 3段熱交換器 H 3 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 2 5 1を通過する際にも熱交換する。 この第 1螺旋形分配通路 2 5 1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ヤッ プ 2 6 7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 2 6 7の保護とエンドキャップ 2 6 7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 2 5 1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 2 5 6〜2 5 9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 2 3 2側に流れるのに対して、 水は排 気管 2 3 2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 H 1〜H 5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 2 3 3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 H 1〜H 3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のシリンダへッド 2 1 2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 H 1 ~H 3および第 1段〜第 4段メタル触媒装置 2 4 6 A〜 2 4 6 D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 H I〜H 5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ゃ 軽量ィ匕が可能になる。 しかも排気ガス温度の低下により特に第 1段熱交換器 H 1 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 て排気通路にブ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。
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。
例えば、 第 1実施例では燃焼装置として自動車用の内燃機関 1を例示したが、 本発明は他の任意の燃焼装置に対して適用することができる。
産業上の利用可能性
以上のように、 本発明に係る燃焼ガス浄化装置は、 内燃機関およびその他の任 意の燃焼装置から出る燃焼ガス中の有害成分を酸化/還元反応により浄化するも のに対して適用可能である。 また本発明に係る内燃機関は、 排気ガスを浄化する 排気ガス浄化装置と、 排気ガスとの間で熱交換する熱交換器とを排気通路に設け たものに対して適用可能である。

Claims

請求の範囲
1. 燃焼装置 (1) からの燃焼ガスを導く排気通路 （33) 中に燃焼ガスを浄ィ匕 する触媒装置 （34， 35) を配置し、 この触媒装置 （34， 35) の少なくと も一部の触媒装置 （34) にその温度を調節する温度調節手段 （H3) を設けた ことを特徴とする燃焼ガス浄化装置。
2. 前記温度調節手段 （H3) は熱交換器であることを特徴とする、 請求項 1に 記載の燃焼ガス浄化装置。
3. 前記温度調節手段 （H3) を備えた触媒装置 （34) は排気通路 （33) の 上流側に位置することを特徴とする、'請求項 1または請求項 2に記載の燃焼ガス 浄化装置。
4. 前記温度調節手段（H3) は前記一部の触媒装置 （34) 以外の触媒装置 (3 5) の温度調節をも行うことを特徴とする、 請求項 1〜請求項 3の何れか 1項に 記載の燃焼ガス浄化装置。
5. 前記触媒装置 （34， 35) よりも上流側の排気通路 （33) に燃焼ガスの 温度を調節する温度調節手段 （H4, H5) を設けたことを特徴とする、 請求項 1〜請求項 4の何れか 1項に記載の燃焼ガス浄化装置。
6. 前記温度調節手段 （H4， H5) は熱交換器であることを特徴とする、 請求 項 5に記載の燃焼ガス浄化装置。
7. 前記少なくとも一部の触媒装置 （34) と、 前記温度調節手段 （H3) とを 相互に熱交換可能に接触させて配置したことを特徴とする、 請求項 1〜請求項 4 の何れか 1項に記載の燃焼ガス浄化装置。
8. 前記少なくとも一部の触媒装置 (34) をメタルで構成し、 前記温度調節手 段 （H3) との接触部位で相互に一体ィ匕したことを特徴とする、 請求項 7に記載 の燃焼ガス浄化装置。
9. 排気通路 （233) に、 排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置 （246A〜 246D) と、 排気ガスとの間で熱交換する熱交換器 （H1〜H5) とを設けた 内燃機関において、
前記排気ガス浄化装置 （246A〜246D) の少なくとも一部と、 前記熱交 換器 （H1〜H5) の少なくとも一部とを相互に熱交換可能に接触させて配置し たことを特徵とする内燃機関。
10. 排気ガス浄化装置 （246A〜246D) および熱交換器 （H1〜H5) の接触部の上流側に、 排気ガスの流れを攪拌する攪拌手段 （245) を設けたこ とを特徴とする、 請求項 9に記載の内燃機関。
11. 前記排気ガス浄化装置 （246A〜246D) の少なくとも一部をメタル で構成し、 前記熱交換器 （H1〜H5) の少なくとも一部との接触部位で相互に 一体化したことを特徴とする、 請求項 9または請求項 10に記載の内燃機関。
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