WO2002059467A1 - Moteur a combustion interne - Google Patents

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WO2002059467A1
WO2002059467A1 PCT/JP2002/000383 JP0200383W WO02059467A1 WO 2002059467 A1 WO2002059467 A1 WO 2002059467A1 JP 0200383 W JP0200383 W JP 0200383W WO 02059467 A1 WO02059467 A1 WO 02059467A1
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WO
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exhaust gas
temperature
heat exchanger
catalyst
stage
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PCT/JP2002/000383
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English (en)
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Inventor
Seiji Nishimoto
Tsuyoshi Baba
Kazuya Takahashi
Original Assignee
Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha
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Priority to US10/470,081 priority patent/US7096664B2/en
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    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
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    • F01N3/2006—Periodically heating or cooling catalytic reactors, e.g. at cold starting or overheating
    • F01N3/2046—Periodically cooling catalytic reactors
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    • F01N2240/02—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being a heat exchanger
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to an internal combustion engine in which a heat exchanger for exchanging heat between exhaust gas and a working medium and a catalyst device for purifying exhaust gas integrally provided therein are arranged in an exhaust passage.
  • a catalyst of an exhaust gas purifying device has a temperature range in which exhaust gas purifying performance can be effectively exhibited. For example, when the catalyst temperature is lower than the catalyst activation temperature, sufficient performance cannot be achieved. If the exhaust gas temperature is high as much as possible on the upstream side of the exhaust passage, an exhaust gas purifier is installed. The temperature of the catalyst is raised to the catalyst activation temperature by heating the gas purifier or heating the exhaust gas purifier with the combustion gas generated in the heating combustor.
  • the catalyst temperature of the exhaust gas purification device becomes higher than the catalyst deterioration temperature, the catalyst deteriorates and the exhaust gas purification performance decreases, so the air-fuel ratio of the internal combustion engine is set to be richer than the stoichiometric air-fuel ratio, and the unburned fuel
  • the catalyst is cooled with the heat of vaporization to maintain the temperature below the catalyst deterioration temperature.
  • heat exchangers are disposed in the exhaust passage on the upstream side and the exhaust passage on the downstream side of the exhaust gas purification device, respectively, so that the temperature of the exhaust gas purification device can be reduced.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-93110 discloses a device that achieves both performance and waste heat recovery performance of a heat exchanger.
  • the heat exchanger provided in the exhaust passage on the upstream side of the catalyst acts as an extra heat capacity, so that the heat energy of the exhaust gas is absorbed by the heat exchanger during the cold start of the internal combustion engine.
  • the catalyst temperature exceeds the catalyst deterioration temperature the heat exchanger on the upstream side exchanges heat between the exhaust gas and the working fluid to lower the temperature of the exhaust gas, and the temperature of the exhaust gas decreases. In this case, the temperature of the catalyst is cooled to a temperature lower than the catalyst deterioration temperature, so that the response of the catalyst temperature is low, so that there is a problem that prompt temperature control is difficult.
  • the catalyst generates heat due to the exhaust gas purification reaction
  • the catalyst described in Japanese Patent Laid-Open No. 60-93110 effectively utilizes the heat generated by the catalyst in the exhaust gas purification reaction in the heat exchanger. I haven't.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and in an internal combustion engine in which a catalyst device is integrally provided inside a heat exchanger and arranged in an exhaust passage, heat generated by the catalyst device is effectively used in the heat exchanger.
  • the goal is to improve the exhaust gas purification performance by maintaining the catalyst temperature appropriately while using it.
  • a catalyst device for purifying exhaust gas is integrally provided inside a heat exchanger that exchanges heat between the exhaust gas and a working medium. Is located in the heat exchanger near the position where the temperature difference between the exhaust gas and the working medium is minimized, and the temperature of the exhaust gas is higher than the catalyst inert temperature.
  • An internal combustion engine characterized by arranging a catalytic device in a region is proposed.
  • the catalyst device since the catalyst device is arranged near the position where the temperature difference between the exhaust gas and the working medium is minimized inside the heat exchanger, the portion where the heat exchange efficiency of the heat exchanger is lowest is obtained.
  • the reaction heat generated by the catalyst device can be effectively given to the working medium of the heat exchanger, and the performance of the heat exchanger can be improved by effectively utilizing the reaction heat generated by the catalyst device.
  • the catalyst device since the catalyst device is disposed in a region where the temperature of the exhaust gas is higher than the catalyst inactive temperature, the exhaust gas purification performance can be improved.
  • the catalyst device is arranged on the upstream side in the exhaust gas flow direction from the position where the temperature difference between the exhaust gas and the working medium is minimized.
  • the catalyst device since the catalyst device is disposed upstream of the position where the temperature difference between the exhaust gas and the working medium is minimized, the temperature difference between the exhaust gas and the working medium downstream of the catalyst device is reduced.
  • the reaction heat generated by the catalyst device is effectively applied to the position where the heat exchanger is minimized, thereby maximizing the performance of the heat exchanger.
  • an internal combustion engine characterized in that, in addition to the first aspect, a catalyst device is arranged in a two-phase region of a working medium.
  • the catalyst device is arranged in the two-phase region of the working medium in which the temperature is kept constant, so that the catalyst temperature is stabilized and the catalyst temperature drops to the catalyst inactive temperature or rises to the catalyst deterioration temperature. Can be reliably prevented.
  • first-stage heat exchanger H1 to the fifth-stage heat exchanger H5 of the embodiment correspond to the heat exchanger of the present invention
  • first-stage metal catalyst unit 46A to the fourth-stage metal of the embodiment
  • the catalyst device 46 D corresponds to the catalyst device of the present invention.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a cylinder head portion of an internal combustion engine
  • FIG. 2 is an enlarged sectional view of a main part of FIG. 1
  • FIG. Fig. 4 is a view taken along the line 4-14 in Fig. 3
  • Fig. 5 is a view taken along the line 5-5 in Fig. 3
  • Fig. 6 is a view taken along the line 6-6 in Fig. 3
  • Fig. 7 Fig. 8 is a sectional view taken along line 7-7 in Fig.
  • Fig. 8 is a sectional view taken along line 8-8 in Fig. 4
  • Fig. 9 is a sectional view taken along line 9-19 in Fig. 2
  • Fig. 10 is 10-10 'in Fig. 2.
  • Fig. 11 is an enlarged view of the main part of Fig. 2
  • Fig. 12 is an enlarged view of part 12 of Fig. 9, and
  • Figs. 13A to 13C show the heat transfer tubes of the fourth stage heat exchanger.
  • Fig. 14, Fig. 14 is an exploded perspective view of the metal catalyst unit and the third stage heat exchanger
  • Fig. 15 is a schematic diagram showing the water supply path of the evaporator
  • Fig. 16 is the minimum temperature difference position and the installation position of the metal catalyst unit
  • FIG. 17 is a diagram showing the installation positions of the metal catalyst devices of the example and the comparative example
  • FIG. 18 is an exhaust gas temperature
  • Fig. 19 shows the measurement points of temperature and catalyst temperature.
  • Fig. 19 shows how the amount of heat obtained by water changes depending on the presence or absence of a catalyst device.
  • Fig. 20 shows how the catalyst temperature changes depending on the amount of water supply. This is a graph that indicates BEST MODE FOR CARRYING OUT THE IN
  • the internal combustion engine E is provided with a cylinder block 11, a cylinder head 12, and a head cover 13, which are vertically stacked, and a cylinder bore 14 formed in the cylinder block 11.
  • the piston 15 is slidably fitted on the piston.
  • the intake port 17 and exhaust port 18 connected to the combustion chamber 16 formed in the cylinder head 12 the intake port 17 is bored inside the cylinder head 12 as before.
  • the exhaust port 18 is formed of a separate member and connected to the cylinder head 12.
  • the upper end of the stem 21 of the intake valve 20 that opens and closes the intake valve hole 19 abuts one end of the intake rocker arm 23 pivotally supported by the intake rocker arm shaft 22 to open and close the exhaust valve hole 24.
  • the upper end of the stem 26 of the exhaust valve 25 abuts on one end of an exhaust rocker arm 28 pivotally supported by an exhaust rocker arm shaft 27.
  • the other end of the intake rocker arm 23 and the other end of the exhaust rocker arm 28 correspond to an intake cam 30 and an exhaust cam 31 provided on a camshaft 29 that rotates in conjunction with a crank shaft (not shown). The contact causes the intake valve 20 and the exhaust valve 25 to open and close.
  • An exhaust gas purifying device C integrated with an evaporator is provided on the exhaust side surface of the cylinder head 12.
  • the structure of the evaporator-integrated exhaust gas purifying apparatus C will be described with reference to FIGS. 2 to 15.
  • the evaporator uses the exhaust gas of the internal combustion engine E as a heat source to generate steam whose temperature and pressure have been increased.
  • the evaporator has an exhaust port 18 as a base end and an exhaust passage 3 3 connected to an exhaust pipe 32 (see Fig. 1).
  • heat exchangers H1 to H5 arranged in the exhaust passage 33 to exchange heat with the exhaust gas, and a metal catalyst device 46A to 46D described later. Is installed in the third stage heat exchanger H3.
  • the exhaust port 18 is located on the upstream side in the flow direction of the exhaust gas and has an approximately constant diameter portion 18a having a substantially constant diameter.
  • a fifth-stage heat exchanger H5 is provided on the outer periphery of the equal-diameter portion 18a, and the inside of the enlarged-diameter portion 18b is provided. Is equipped with a fourth stage heat exchanger H4.
  • the fifth-stage heat exchanger H5 is composed of one heat transfer tube 3 4 wound about 5 turns around the outer circumference of the It is composed of
  • the fourth-stage heat exchanger H4 is composed of one heat transfer tube 35 wound in multiple stages and housed inside the enlarged diameter portion 18b.
  • the heat pipe 34 is connected to the heat transfer pipe 35 of the fourth-stage heat exchanger H 4 through an opening (not shown) formed in the exhaust port 18.
  • the heat transfer tube 35 of the fourth-stage heat exchanger H4 is formed so as to follow the internal shape of the expanded portion 18b of the exhaust port 18.
  • the inner layer coil is wound from the back (left side in the figure) to the front (right side in the figure) while decreasing in diameter, and the inner layer is folded back at the front end.
  • the coil is wound with its diameter increasing from the front to the back, and the outer layer coil that is folded back at the rear end is wound with the diameter decreasing from the back to the front.
  • the water inlet shown in FIGS. 13A and 13B is connected to the upstream third-stage heat exchanger H3 described later, and the water outlet shown in FIG. 13C is connected to the downstream fifth-stage heat exchanger H3. Connected to H5 heat transfer tube 34.
  • the circled numbers 1 to ⁇ ⁇ shown in FIG. 13A indicate the paths through which water flows in the heat transfer tubes 35.
  • the heat transfer tube 35 of the fourth-stage heat exchanger H4 was wound in a triple coil shape tapered along the inner shape of the expanded portion 18b of the exhaust port 18 so that this expansion was achieved. A rectifying action can be given to the exhaust gas flowing through the diameter portion 18b, thereby contributing to a reduction in flow resistance.
  • a disc-shaped distribution passage forming member 41 is connected to the rear end of the enlarged diameter portion 18 b of the exhaust port 18.
  • a second spiral distribution passage 43 is formed between the two distribution passage formation members 41 and 42 by joining another disc-shaped distribution passage formation member 42 to the rear surface of the first distribution passage by brazing.
  • the upstream end of the heat transfer tube 35 of the fourth-stage heat exchanger H4 is connected to the radially outer end of the second spiral distribution passage 43 by a method described later.
  • a helical opening 44 is formed in each of the distribution passage forming members 41 and 42 along the second helical distribution passage 43.
  • the cross-section of the helical opening 4 4 has its outlet side inclined outward in the radial direction so as to follow the inclination of the enlarged portion 18 b of the exhaust port 18, and a number of guide vanes 45 inside the interior. Mounted at an angle. Therefore, the exhaust gas supplied from the enlarged diameter portion 18 b of the exhaust port 18 becomes a swirling flow while diffusing outward in the radial direction when passing through the spiral opening 44.
  • a thick flange 18c is formed at the rear end of the enlarged diameter portion 18b of the exhaust port 18 and a circular step 18d extending rearward at the radially outer end of the flange 18c. Is formed.
  • the outer periphery of the front surface of the disc-shaped distribution passage forming member 4 1 is fitted into the step 18 d of the exhaust port 18 and two pin holes 18 formed in the flange 18 c of the exhaust port 18
  • Two pins 36 and 36 are fitted into e and 18 e and two pin holes 41 a and 41 a formed in the distribution passage forming member 41, respectively.
  • the distribution passage forming member 41, the exhaust port 18 and the two pins 36, 36 are connected by brazing.
  • the inner periphery of the step 18 d of the flange 18 c has a chamfer of 18 g, and the distribution passage forming member 41 is connected to the exhaust port 18.
  • the downstream end (radially outer end) of the second spiral distribution passage 43 formed between the two distribution passage forming members 41, 42 and the upstream end of the heat transfer tube 35 of the fourth stage heat exchanger H4. are connected through the flange 18 c of the exhaust port 18. That is, a passage 41 b connected to the downstream end of the second spiral distribution passage 43 and penetrating through the distribution passage forming member 41 is formed in the distribution passage forming member 41, and the flange 1 of the exhaust port 18 is formed. A passage 18 f communicating with the passage 41 b is formed in 8 c.
  • the passage 18 f of the flange 18 c is bent in an L shape, and the upstream end of the heat transfer tube 35 of the fourth-stage exchanger H 4 fits into the portion that opens to the inner surface of the exhaust port 18. (See Figure 3).
  • the distribution passage forming member 41 and the exhaust port 18 are positioned in the circumferential direction by the pins 36 and 36, and are positioned in the radial direction by the step 18d of the exhaust port 18.
  • the passages 4 1 b of the distribution passage forming member 41 and the passage 18 f of the exhaust port 18 are communicated without displacement, and the high-temperature and high-pressure steam flows smoothly. Further, it is possible to reliably prevent the steam from leaking from the joint surface between the distribution passage forming member 41 and the exhaust port 18.
  • Paste brazing material is used for brazing the distribution passage forming member 41 and the exhaust port 18, and the brazing material is applied to the joint surface with an applicator (a syringe).
  • a plurality of brazing grooves 41c ⁇ are formed in the distribution passage forming member 41, and the brazing material is applied to the grooves 41c ... in the grooves, thereby forming a brazing material.
  • Strength And the sealing property can be further improved.
  • a small-diameter (for example, about 1.0 mm) vent hole is formed to communicate the brazing groove 41c with the outside, and the gas generated when the brazing material is melted is released to the outside. Brazing can be done reliably. If a confirmation hole communicating with the joint surface is provided, it is possible to determine whether brazing is being performed reliably through this confirmation hole, and it is possible to enhance the reliability of brazing.
  • the brazing filler metal used in the examples is Ni Base 905X manufactured by Tokyo Blaze Co., Ltd.
  • the brazing temperature is 100 ° C. to 110 ° C., which is designed so that the heat of the exhaust gas does not melt the brazing material. As best shown in FIGS.
  • the front end of the cylindrical case 47 that covers the outer periphery of the cylindrical case 47 is connected to the distribution passage forming member 42, and the two annular distribution passages that are connected to the rear end of the cylindrical case 47 in a state of being overlapped with each other.
  • a fourth circular distribution passage 50 is formed between the forming members 48, 49, and the outer end of the first spiral distribution passage 51 formed by spirally bending a pipe is formed in the fourth circular distribution passage 50. Connected.
  • Each of the first-stage metal catalyst unit 46 A to the fourth-stage metal catalyst unit 46 D arranged in series has a corrugated metal carrier 52 to 55 with a surface on which an exhaust gas purification catalyst is carried. It is formed in the shape of an annulus having different diameters and arranged concentrically. As shown in FIG. 12 in an enlarged manner, the phases of the waveforms of the metal carriers 52 to 55 of the metal catalyst devices 46 A to 46 D at each stage are shifted from each other by a half pitch.
  • the third-stage heat exchanger H3 consists of four heat transfer tubes 56 to 59 wound in a coil shape with different diameters (see Fig. 14).
  • the four heat transfer tubes 56 to 59 are arranged concentrically and alternately with the four metal carriers 52 to 55 of the first stage metal catalyst unit 46 A to the fourth stage metal catalyst unit 46 D. Then, it is stored in the cylindrical case 47.
  • the downstream ends of the four heat transfer tubes 56 to 59 are connected to the intermediate portion of the second spiral distribution passage 43, and the upstream ends of the four heat transfer tubes 56 to 59 are the first spiral distribution tubes.
  • Two cylindrical cases on the outside in the direction 6 0 and 61 are coaxially arranged, and the second-stage heat exchanger H2 is annularly arranged between both cylindrical cases 60 and 61.
  • the second-stage heat exchanger H2 has a large number of heat transfer tubes 6 2 ... wound in one direction and a large number of heat transfer tubes 6 3 ... wound in the other direction.
  • the heat transfer tubes are arranged alternately in a state where the parts are put together, thereby increasing the arrangement density of the heat transfer tubes 6 2.
  • the outer circumferences of the first-stage metal catalyst unit 46 A to the fourth-stage metal catalyst unit 46 D and the third-stage heat exchanger H 3 are connected to the heat transfer tubes 6 2 of the second-stage heat exchanger H 2. ⁇ , 6 3...
  • annular distribution passage forming member 64 fixed to the front end of the outer cylindrical case 60 and an annular distribution passage forming member 65 coupled to the front surface of the distribution passage forming member 64
  • Three circular distribution passages 66 are formed.
  • the upstream ends of the heat transfer tubes 6 2..., 6 3... Of the second-stage heat exchanger H 2 are connected to the third circular distribution passage 66, and the downstream ends of the heat transfer tubes 6 2. It is connected to the fourth circular distribution passage 50.
  • the first-stage metal catalyst unit 46A to the fourth-stage metal catalyst unit 46D and the third-stage heat exchanger H A dish-shaped end cap 6 7 covering the rear surface of 3 is fixed.
  • the detachable cover 71 constituting the outer shell of the exhaust gas purifying apparatus C integrated with the evaporator is provided with a plate-shaped distribution passage forming member 72 having an exhaust hole 72 at the center thereof, which is connected to the exhaust pipe 32.
  • a cylindrical case 75 located radially outward and a cylindrical case 76 located radially inward extend forward from the distribution passage forming member 73 with a small gap, and the outer cylinder is formed.
  • Mounting plate 7 fixed to 2 7 Flange 7 9 provided at the rear end is superimposed and bolted 80 It is fastened to 1 and 2.
  • An annular distribution passage forming member 81 is fixed to the front end of the inner cylindrical case 76, and the annular distribution passage forming member 82 is connected to the front surface of the distribution passage forming member 81 to form the second distribution passage forming member 82.
  • a circular distribution passage 83 is formed.
  • the first circular distribution channel 74 and the second circular distribution channel 83 are identical and face each other.
  • a cup-shaped inner wall member 84 is housed inside the cover 71.
  • the first-stage heat exchanger H1 is arranged between the peripheral surface and the inner peripheral surface of the inner cylindrical case 76.
  • the first-stage heat exchanger HI has a structure similar to that of the second-stage heat exchanger H2, and includes a number of heat transfer tubes 85 wound in one direction and a coil in the other direction. A large number of the heat transfer tubes 86 are alternately arranged with a part of them joined together, and the outer circumference of the second-stage heat exchanger H2 is surrounded by these heat transfer tubes 85, 86, ... .
  • the upstream ends of the heat transfer tubes 85, 86, ... are connected to the first circular distribution passage 74, and the downstream ends are connected to the second circular distribution passage 83.
  • Heat transfer tube 34 of 5th stage heat exchanger H5, heat transfer tube 35 of 4th stage heat exchanger H4, heat transfer tube 56-59 of 3rd stage heat exchanger ri3, transfer of 2nd stage heat exchanger H2 63, the first-stage heat exchanger HI's heat transfer tubes 85 ', 86 ... are made of heat-resistant stainless steel (one stainless steel, for example, SUS316L, SUS310) Preference is given to S or ferrite based alloys, eg S US 430, SUS 444), or nickel-based heat-resistant alloys. In addition, brazing, laser welding, or mechanical restraint is preferable for connecting the heat transfer tubes.
  • the metal carriers 52 to 55 of the first-stage metal catalyst unit 46 A to the fourth-stage metal catalyst unit 46 D are heat-resistant stainless steel (for example, 20 wt% Cr—5 wt% A 1 ferritic stainless steel). ) Or a metal foil of a nickel-base heat-resistant alloy (having a thickness of 0.1 mm or less) is preferable.
  • a water supply port 87 to which water as a source of high-pressure steam is supplied is provided in the first circular distribution passage 74, and the first circular distribution passage 74 is provided in the first-stage heat exchange.
  • the second circular distribution passage 83 communicates with the third circular distribution passage 66 via the communication passage 88 via a number of heat transfer tubes 85-, 86... Of the vessel HI.
  • the third circular distribution passage 66 communicates with the fourth circular distribution passage 50 via the heat transfer tubes 62, 63, ... of the second-stage heat exchanger H2, and the fourth circular distribution passage 50 is the first spiral distribution.
  • the passage 51 communicates with the four heat transfer tubes 56 to 59 of the third-stage heat exchanger H3.
  • the four heat transfer tubes 56 to 59 of the third-stage heat exchanger H3 include a second spiral distribution passage 43, a heat-transfer tube 35 of the fourth-stage heat exchanger H4, and a fifth-stage heat exchanger H5.
  • the water supplied from the water supply port 87 is supplied to the first-stage heat exchanger H1 ⁇ second-stage heat exchanger H2 ⁇ third-stage heat exchanger H3 ⁇ fourth-stage heat exchanger H4 ⁇
  • heat is exchanged between the exhaust gas exiting the internal combustion engine E and flowing in the opposite direction to the flow direction of the water. Turns into steam.
  • the exhaust gas discharged from the internal combustion engine E passes through the equal-diameter portion 18a of the exhaust port 18 while the fifth heat-transfer tube 34 is wound around the outer peripheral surface of the equal-diameter portion 18a.
  • the exhaust gas flowing into the enlarged diameter portion 18b from the equal diameter portion 18a of the exhaust port 18 is formed of a triple coil heat transfer tube 35 housed inside the enlarged diameter portion 18b.
  • the heat exchange is performed by directly contacting the stage heat exchanger H4.
  • the exhaust gas exiting the exhaust port 18 passes through the inside of the first-stage metal catalyst unit 46A to the fourth-stage metal catalyst unit 46D to purify harmful components.
  • the fourth-stage metal catalyst unit 46A to 46D exchanges heat with the third-stage heat exchanger H3 composed of heat transfer tubes 56 to 59 arranged concentrically.
  • Exhaust gas that has passed through the first- to fourth-stage metal catalyst units 46 A to 46 D and the third-stage heat exchanger H 3 is blocked by the end cap 67, making a U-turn, and a pair of cylindrical casings.
  • Heat is exchanged while flowing from the rear to the front through the second-stage heat exchanger H2 composed of heat transfer tubes 6 2. ° The direction is changed and heat is generated while flowing through the first-stage heat exchanger H1 consisting of heat transfer tubes 8 5 ⁇ , 8 6 ⁇ arranged between the cylindrical case 76 and the inner wall member 84. It is exchanged and finally discharged to the exhaust pipe 32 from the exhaust hole 72 a of the distribution passage forming member 72.
  • the exhaust gas that has passed through the second-stage heat exchanger H2 diffuses radially outward when passing through the spiral opening 44 connected to the enlarged diameter portion 18b of the exhaust port 18, and the spiral opening 4 A swirling flow is created by the guide vanes 4 5 mounted inside the 4.
  • the exhaust gas uniformly acts on the entire first to fourth stage metal catalyst devices 46 A to 46 D, and the inside of the first to fourth stage metal catalyst devices 46 A to 46 D ,
  • the residence time of the exhaust gas can be lengthened to enhance the exhaust gas purification effect. Also, as shown in FIG.
  • the first- to fourth-stage metal catalyst units 46 A to 46 It is possible to increase the exhaust gas purifying effect by extending the residence time of the exhaust gas in D, and to increase the heat exchange efficiency of the adjacent third-stage heat exchanger H3.
  • the pipe length is reduced.
  • the pipe length is reduced.
  • the inner heat transfer tube having a shorter pipe length.
  • the first and second spiral distribution passages 51, 43 are connected.
  • the flow path lengths of the four heat transfer tubes 56 to 59 including a part of the flow path lengths of the heat transfer tubes 56 to 59 can be made as uniform as possible, and the pressure drop difference between the heat transfer tubes 56 to 59 can be reduced.
  • first- to fourth-stage metal catalyst units 46 A to 46 D and the third-stage heat exchanger H 3 are integrated so that they can exchange heat with each other.
  • the reaction heat generated in 46 A to 46 D can be recovered by the third-stage heat exchanger H 3 to improve the heat energy recovery effect, and the flow rate of water flowing through the third-stage heat exchanger H 3
  • the first- to fourth-stage metal catalyst devices 46 A to 46 D are heated and activated, and the first to fourth-stage metal catalyst devices 46 A to 4 D are heated. 6D can be cooled to improve durability.
  • Exhaust gas that has passed through the first to fourth stage metal catalyst units 46 A to 46 D and the third stage heat exchanger H 3 passes through the first spiral distribution passage 5 composed of spiral pipe material. It also exchanges heat when passing through 1. Since the exhaust gas flow is dispersed by the first spiral distribution passage 51, a heat spot is prevented from being generated at the end cap 67 located at the position where the exhaust gas is turned back, and severe thermal conditions are applied. It is possible to protect the end cap 67 below and prevent heat radiation from the end cap 67. Moreover, since the first spiral distribution passage 51 made of a spiral pipe material is flexible, it can absorb the difference in the amount of thermal expansion between the four heat transfer tubes 56 to 59 having different overall lengths. .
  • first to third-stage heat exchangers H1 to H3 and the first to fourth-stage metal catalyst units 46A to 46D are laminated in a radial direction and arranged in a maze, so This not only effectively prevents the exhaust noise from leaking out of the exhaust gas purifier C integrated with the evaporator, but also the first- to fifth-stage heat exchangers H1 to H 5, the effect of reducing the exhaust gas temperature can be obtained. As a result, the exhaust muffler can be simplified or omitted, and the exhaust device itself can be reduced in size and weight.
  • the degree of freedom in designing heat resistance increases, and materials such as plastic are used for the exhaust passage. It can be used.
  • the degree of freedom of the shape of the exhaust passage, the degree of freedom of attachment to the vehicle, the degree of freedom for cooling, and the like are increased, and the vehicle which was conventionally restricted by the exhaust system is This increases the degree of freedom in overall design and contributes to the weight reduction of the exhaust system.
  • the temperature of the exhaust gas gradually decreases from the upstream side to the downstream side in the flow direction, and the temperature of water or steam (working medium) flowing in the opposite direction to the exhaust gas increases from the upstream side to the downstream side in the flow direction.
  • the temperature of the exhaust gas is constantly kept higher than the temperature of the working medium, and heat transfer from the exhaust gas to the working medium takes place.
  • the working medium is initially in a water-only state (liquid phase region), and when the working medium is heated by the heat of the exhaust gas, it transitions to a state in which water and steam are mixed (two-phase region), and the exhaust gas When the working medium is further heated by heat, it shifts to a state of only vapor (gas phase region).
  • the temperature of the mixture of water and steam is maintained at a constant value.
  • the catalysts of the first to fourth metal catalyst units 46 A to 46 D do not function sufficiently due to the low temperature.
  • the catalyst inactive temperature region corresponds to a part of the upstream side of the liquid phase region.
  • the catalyst deterioration temperature region where the catalyst is deteriorated due to the high temperature corresponds to a part of the downstream side of the gas phase region. Therefore, the first stage is located in the catalyst active temperature region sandwiched between the catalyst inactive temperature region and the catalyst degradation temperature region, that is, any of the downstream region of the liquid phase region, the entire region of the two-phase region, and the upstream region of the gas phase region.
  • the upper limit of the catalyst activation temperature range of an internal combustion engine used in mobile devices such as automobiles and having output fluctuations is 800 to 900 ° C, and the lower limit is 2 ° C. 50 to 300C.
  • the upper limit of the catalyst activation temperature range in an internal combustion engine with a constant output used for stationary plant equipment such as a power generator is 500 to 600 ° C, and the lower limit is 100 ° C. 0 to 200 ° C.
  • the liquid phase region corresponds to the first-stage heat exchanger H1 and the second-stage heat exchanger H2
  • the two-phase region corresponds to the third-stage heat exchanger H3
  • the gas-phase region corresponds to the third-stage heat exchanger H3.
  • four-stage heat exchanger H4 and fifth-stage heat exchanger H5. The temperature difference between the exhaust gas temperature and the working medium temperature is minimized at the boundary between the liquid phase region and the two-phase region (that is, at the boundary between the second-stage heat exchanger H2 and the third-stage heat exchanger H3).
  • the first to fourth stage metal catalyst units 46A to 4 6D is incorporated.
  • the first- to fourth-stage metal catalyst devices 46 A to 46 D generate heat due to the exhaust gas purification reaction of the catalyst, so that the first to fourth-stage metal catalyst devices 46 A to 46 D are generated. Is disposed near the minimum temperature difference position, that is, inside the third-stage heat exchanger H3, the working medium is effectively heated by the heat generated by the catalyst, and the third-stage heat exchanger H3 3, the efficiency can be increased.
  • the reaction heat generated in the catalyst is directly The working medium can be effectively heated by effectively operating at the minimum temperature difference position downstream.
  • the first to fourth stage meta The catalyst devices 46 A to 46 D are arranged in a two-phase region of the working medium having a constant temperature, and the constant temperature is a catalyst activation temperature, so that the catalyst has stable exhaust gas purification performance. Can be demonstrated.
  • the first to fourth stage metal catalyst devices 46 A to 46 D are arranged inside the third stage heat exchanger H 3 corresponding to the two-phase region of the working medium.
  • the position corresponding to the liquid phase region for example, it can be disposed inside the second-stage heat exchanger H2.
  • the minimum temperature difference position corresponds to the second-stage heat exchange. Such a case may occur if the temperature difference is located at the boundary between the heat exchanger H2 and the third-stage heat exchanger H3, but the minimum temperature difference is shifted within the second-stage heat exchanger H2.
  • Figure 19 shows how the amount of heat obtained by the working medium (that is, water) changes depending on the presence or absence of a catalytic device.
  • Figure 20 shows that the catalyst bed temperature depends on the amount of supplied water (that is, the steam flow rate). It shows how it changes.
  • Figure 18 shows the locations of the measurement points at each temperature to obtain the above-mentioned data. That is, the exhaust gas inlet temperature is measured at the exhaust gas inlet of the evaporator, the exhaust gas outlet temperature is measured at the exhaust gas outlet of the evaporator, the water inlet temperature is measured at the water inlet of the evaporator, and the water outlet temperature is evaporated.
  • the catalyst bed temperature is measured near the exhaust gas inlet of the catalytic device, and is measured at the water outlet of the vessel.
  • Table 1 and FIG. 17 show that the first to fourth stage metal catalyst units 46 A to 46 D are arranged in the two-phase region (first embodiment) and the first to fourth stage metal catalyst units.
  • Catalyst devices 46 A to 46 D arranged in the liquid phase region (second embodiment) and first to fourth stage metal catalyst devices without 46 A to 46 D (first comparison) Example) and one in which the first to fourth metal catalyst devices 46A to 46D are arranged in the gas phase region (second comparative example).
  • the first and second examples are superior to the first and second comparative examples. I understand.
  • the present invention can be applied to an internal combustion engine for any use in which a heat exchanger integrally including a catalyst device is disposed in an exhaust passage.

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Description

明 細 書 内燃機関
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ツチにして、 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 6 0 - 9 3 1 1 0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 に千渉してレイアウトが難しくなる問題があり、 また電熱ヒ一夕や加熱用の燃焼 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、 混合気をリツ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 6 0— 9 3 1 1 0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 応答性が低くなつ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 6 0 - 9 3 1 1 0 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 H 1〜第 5段熱交換器 H 5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 4 6 A〜第 4段メタル触媒装置 4 6 Dは 本発明の触媒装置に対応する。
図面の簡単な説明
図 1〜図 2 0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へッ 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 4一 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 9一 9線断面図、 図 1 0は図 2の 1 0— 1 0線断面図、 図 1 1は図 2の要部 拡大図、 図 1 2は図 9の 1 2部拡大図、 図 1 3 A〜図 1 3 Cは第 4段熱交換器の 伝熱管を示す図、 図 1 4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 1 5は蒸発器の給水経路を示す模式図、 図 1 6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 1 7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 1 8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 1 9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 2 0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。 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 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、 シリンダブ口ック 1 1 に形成したシリンダボア 1 4にピストン 1 5が摺動自在に嵌合する。 シリンダへ ッド 1 2に形成された燃焼室 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、 排気ポ一ト 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、 吸気ロッカーァ一 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に前記吸気ロッカーアーム 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 1 5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 1 8を基端として排気管 3 2 (図 1参照） 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、 後述するメ夕ル触媒装置 4 6 A〜 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 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 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を有しており、 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 4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 5から構成されており、 第 5段熱交換器 H 5の伝熱管 3 4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 5に連続している。
図 1 3 A〜図 1 3 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 5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 1 3 Aおよび図 1 3 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 1 3 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 4に接続される。 図 1 3 Aに示す丸付数字①〜⑥は伝熱管 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 3 5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 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 3〜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 に円板状の分配通路形成部材 4 1が結合されており、 この分配通路形成部材 4 1 の後面に別の円板状の分配通路形成部材 4 2をろう付けで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 2螺旋形分配通路 4 3が形成される。 第 2 螺旋形分配通路 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 3 5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 4 1， 4 2には前記第 2 螺旋形分配通路 4 3に沿うように螺旋形開口 4 4が形成される。 螺旋形開口 4 4 の断面は排気ポート 1 8の拡怪部 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一ン 4 5…が傾斜して取り付けら れる。 従って、 排気ポート 1 8の拡径部 1 8 bから供給された排気ガスは、 螺旋 形開口 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。 排気ポート 1 8の拡径部 1 8 bの後端には厚肉のフランジ 1 8 cが形成されて おり、 このフランジ 1 8 cの半径方向外端に後方に延びる円形の段部 1 8 dが形 成される。 円板状の分配通路形成部材 4 1の前面外周は排気ポート 1 8の段部 1 8 dに嵌合し、 かつ排気ポート 1 8のフランジ 1 8 cに形成された 2個のピン孔 1 8 e , 1 8 eと分配通路形成部材 4 1に形成された 2個のピン孔 4 1 a， 4 1 aとに 2本のピン 3 6， 3 6がそれぞれ嵌合する。 分配通路形成部材 4 1、 排気 ポート 1 8および 2本のピン 3 6 , 3 6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 1 8 cの段部 1 8 dの内周面に面取り 1 8 g が施されており、 分配通路形成部材 4 1を排気ポート 1 8のフランジ 1 8 c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 4 1 , 4 2間に形成された第 2螺旋形分配通路 4 3の下流 端 （半径方向外端） と、 第 4段熱交換器 H 4の伝熱管 3 5の上流端とが、 排気ポ —ト 1 8のフランジ 1 8 cを介して接続される。 即ち、 分配通路形成部材 4 1に は第 2螺旋形分配通路 4 3の下流端に接続されて該分配通路形成部材 4 1を貫通 する通路 4 1 bが形成され、 排気ポート 1 8のフランジ 1 8 cには前記通路 4 1 bに連通する通路 1 8 f が形成される。 フランジ 1 8 cの通路 1 8 f は L字状に 屈曲しており、 排気ポート 1 8の内面に開口する部分に第 4段交換器 H 4の伝熱 管 3 5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 4 1および排気ポート 1 8は、 ピン 3 6 , 3 6で円周方向に位置決めされ、 かつ排気ポート 1 8の段部 1 8 d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 4 1の通路 4 1 bおよび排気ポート 1 8の通路 1 8 f 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 4 1 および排気ポー卜 1 8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 4 1および排気ポート 1 8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一夕 （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 4 1に複数の置きろう用の溝 4 1 c〜 （図 7参照） を形 成し、 その溝内 4 1 c…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 4 1 c…を 外部に連通させる小径 （例えば 1 . 0 mm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 4 1 c…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 N i基べ一ス 9 0 5 Xである。 そのろう付け温度は 1 0 0 0 °C〜 1 1 0 0 °C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 1 1および図 1 4に最も良く示されるように、 第 1段メタル触 媒装置 4 6 A〜第 4段メタル触媒装置 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 4 7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 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 4 8， 4 9間に第 4円形分配通路 5 0が形成され、 この第 4円形分 配通路 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 5 1の外端が接続 される。 直列に配置された第 1段メ夕ル触媒装置 4 6 A〜第 4段メタル触媒装置 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 5 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 1 2に拡大して示すように、 各段のメタル触媒装置 4 6 A〜4 6 Dの金属担 体 5 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イル状に巻かれた 4本の伝熱管 5 6〜5 9から構成される （図 1 4参照）。 4本の伝熱管 5 6〜5 9は前記第 1段 メ夕ル触媒装置 4 6 A〜第 4段メタル触媒装置 4 6 Dの 4個の金属担体 5 2〜 5 5と同心かつ交互に配置されて円筒状ケース 4 7内に収納される。 4本の伝熱管 5 6〜5 9の下流端は前記第 2螺旋形分配通路 4 3の中間部に接続され、 4本の 伝熱管 5 6〜5 9の上流端は前記第 1螺旋形分配通路 5 1の中間部に接続される 第 1段メタル触媒装置 4 6 A〜第 4段メタル触媒装置 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 4 7の半径方向外側に 2個の円筒状ケース 6 0 , 6 1が同軸に配置されており、 両円筒状ケース 6 0 , 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、 一方向のコイル状に巻かれ た多数の伝熱管 6 2…と、 他方向のコイル状に巻かれた多数の伝熱管 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 6 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 4 6 A〜第 4段メタル触媒装置 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 6 2 ···, 6 3…によって取り囲まれる。
外側の円筒状ケース 6 0の前端に固定された環状の分配通路形成材 6 4と、 こ の分配通路形成部材 6 4の前面に結合された環状の分配通路形成部材 6 5との間 に第 3円形分配通路 6 6が形成される。 第 2段熱交換器 H 2の伝熱管 6 2 ··· , 6 3…の上流端は前記第 3円形分配通路 6 6に接続され、 伝熱管 6 2…， 6 3…の 下流端は前記第 4円形分配通路 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 6 0の後端に、 第 1段メタル触媒装置 4 6 A〜第 4段メタル触 媒装置 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 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ー 7 1は 、 中央に排気管 3 2に連なる排気孔 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環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円形分配通路 7 4 が形成される。 分配通路形成部材 7 3から、 半径方向外側に位置する円筒状ケ一 ス 7 5と、 半径方向内側に位置する円筒状ケース 7 6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 7 5の前端に設けたフランジ 7 7力 分配 通路形成部材 4 2に固定した取付板 7 8の後端に設けたフランジ 7 9と重ね合わ されてボルト 8 0…でシ 'リンダへッド 1 2に共締めされる。
内側の円筒状ケース 7 6の前端に環状の分配通路形成部材 8 1が固定されてお り、 この分配通路形成部材 8 1の前面に環状の分配通路形成部材 8 2を結合する ことにより第 2円形分配通路 8 3が形成される。 第 1円形分配通路 7 4および第 2円形分配通路 8 3は同形であって前後に向かい合つている。 カバー 7 1の内部 にカップ状に形成された内壁部材 8 4が収納されており、 この内壁部材 8 4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 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 ィ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、 それらの一部を嚙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 H 5の伝熱管 34、 第 4段熱交換器 H 4の伝熱管 35、 第 3段 熱交換器 ri3の伝熱管 56〜59、 第 2段熱交換器 H 2の伝熱管 62···, 63 、 第 1段熱交換器 H Iの伝熱管 85··'， 86…の材質は、 耐熱性ステンレス鋼 （ ォ一ステナイ 卜系の、 例えば SUS 316 L、 S US 31 0 Sや、 フェライ ト系 の、 例えば S US 430、 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 46 A〜第 4段メタル触媒装置 46 Dの金属担体 5 2〜55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 エライ 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 1 5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 HI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 H 2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 H 3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 H 4の伝熱管 35と、 第 5段熱交換器 H 5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 8 7から供給された水が第 1段熱交換器 H 1→第 2段熱 ¾ 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 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 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 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 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重コイル状の 伝熱管 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 1 8を出た排気ガスは第 1段メタル触媒装置 4 6 A〜第 4段メタル触媒装置 4 6 D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 4 6 A〜4 6 Dと同心に配置された伝熱管 5 6〜5 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 4 6 A〜 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 6 7に阻止されて Uターンし、 一対の円筒状ケ ース 6 0， 6 1間に配置された伝熱管 6 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 7 6および内壁部材 8 4間に配置された伝熱管 8 5 ···, 8 6…よりなる 第 1段熱交換器 H 1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の排気孔 7 2 aから排気管 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 1 8の拡径部 1 8 bに連 なる螺旋形開口 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 4 4 の内部に装着されたガイドべ一ン 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 4 6 A〜 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 4 6 A〜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 1 2に拡大して 示すように、 各段のメタル触媒装置 4 6 A〜4 6 Dの金属担体 5 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 4 6 A〜 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 5 6〜 5 9を第 1螺旋形分配通路 5 1 および第 2螺旋形分配通路 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 5 6の両端を第 1螺旋形分配通路 5 1の半径方向外 側および第 2螺旋形分配通路 4 3の半径方向外側に接続し、 管長が短い内側の伝 熱管 5 9の両端を第 1螺旋形分配通路 5 1の半径方向内側および第 2螺旋形分配 通路 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 5 1 , 4 3の一部の流路長を含む 4本の伝熱管 5 6〜 5 9の流路長をできるだけ均一 ィヒし、 各伝熱管 5 6〜 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 4 6 A〜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 4 6 A〜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 4 6 A〜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 4 6 A〜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。
第 1段〜第 4段メタル触媒装置 4 6 A〜 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 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 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ャップ 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 ヤップ 6 7の保護とエンドキャップ 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 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 5 6〜 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 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 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。 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 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、 サ一マルリークを 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 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 4 6 A〜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 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、 排気マフラ一を簡略化し 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 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 次に、 図 1 6に基づいて第 1段〜第 4段メタル触媒装置 4 6 A〜4 6 D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 4 6 A〜 4 6 D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 4 6 A〜 4 6 D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 8 0 0〜 9 0 0 °Cであり、 その下限値が 2 5 0〜3 0 0 C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 5 0 0〜 6 0 0 °Cであり、 その下限値が 1 0 0〜2 0 0 °Cである。
実施例では、 液相領域は第 1段熱交換器 H 1および第 2段熱交換器 H 2に対応 し、 二相領域は第 3段熱交換器 H 3に対応し、 気相領域は第 4段熱交換器 H 4お よび第 5段熱交換器 H 5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 H 2および第 3段 熱交換器 H 3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 H 3の内部に 第 1段〜第 4段メタル触媒装置 4 6 A〜4 6 D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 4 6 A〜4 6 D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 4 6 A〜 4 6 Dを前記温度差最小位置の近傍、 つまり第 3段熱交換器 H 3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 H 3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 4 6 A〜4 6 D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 4 6 A〜4 6 D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 4 6 A〜 4 6 Dを作動媒体 の二相領域に対応する第 3段熱交換器 H 3の内部に配置している力 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 H 2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 H 2および第 3段熱交換器 H 3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 H 2内にずれていれば、 このような場合も起こり得る。
図 1 9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 2 0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 1 8には上記デ一夕を得 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 1 9から明らかなように、 蒸発器が発生する蒸気の条件を 3 5 0 ° C . ' 7 M P a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 A Q w a t e r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 2 0から明らかなように、 排気ガス入口温度を 7 2 0 ° 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】
Figure imgf000017_0001
表 1および図 1 7には、 第 1段〜第 4段メタル触媒装置 4 6 A〜4 6 D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 4 6 A〜 4 6 D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 4 6 A〜4 6 D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 4 6 A〜4 6 D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。

Claims

請求の範囲
1. 排気ガスと作動媒体との間で熱交換を行う熱交換器 （H 1〜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 （H 1〜H 5) 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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