WO2017073224A1 - 排気熱回収装置 - Google Patents

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WO2017073224A1
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exhaust
heat
exhaust gas
heat exchanger
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裕美 石川
裕久 大上
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フタバ産業株式会社
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    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • 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
    • F01N3/18—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 characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/20—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 characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion ; Methods of operation or control of catalytic converters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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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
    • F01N3/24—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 characterised by constructional aspects of converting apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting from exhaust energy the devices using heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/14—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories in relation to the exhaust system
    • F02M26/15—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories in relation to the exhaust system in relation to engine exhaust purifying apparatus
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • This disclosure relates to an exhaust heat recovery apparatus.
  • a catalyst portion for example, a catalyst device including a catalyst and a carrier supporting the catalyst
  • a catalyst for purifying exhaust gas is disposed in an exhaust passage of the internal combustion engine.
  • a heat exchanger for recovering exhaust heat from the exhaust is provided in an exhaust passage of an internal combustion engine having an exhaust recirculation cooling function (hereinafter referred to as an EGR cooler function; EGR is an abbreviation for Exhaust Gas Recirculation). Is arranged. Exhaust heat is recovered through the heat exchanger, and a part of the cooled exhaust gas is recirculated to the intake system of the internal combustion engine.
  • Patent Document 1 discloses a heat exchanger having both an exhaust heat recovery function and an EGR cooler function in an exhaust passage of an internal combustion engine, and an upstream catalyst portion (upstream catalyst disposed on the upstream side of the heat exchanger. ), A control device for an internal combustion engine including a downstream catalyst portion (downstream catalyst) and the like disposed on the downstream side of the heat exchanger is disclosed.
  • a downstream side catalyst unit is disposed on the downstream side of the heat exchanger. Therefore, when the internal combustion engine is started, early activation of the catalyst in the upstream catalyst portion and the downstream catalyst portion is required, but the downstream catalyst portion is downstream of the heat exchanger (a position far from the internal combustion engine). Then, the low-temperature exhaust gas recovered through heat through the heat exchanger flows into the downstream catalyst section. As a result, although the exhaust heat recovered by the heat exchanger can be used for warming up the internal combustion engine or the like, early activation of the catalyst in the downstream side catalyst part becomes difficult, and the warming up time of the catalyst becomes long.
  • the heat exchanger is reduced, for example, by reducing the amount of exhaust passing through the heat exchanger so that the high temperature exhaust gas flows into the downstream catalyst section.
  • the exhaust heat recovery function must be suppressed.
  • the heat exchanger when the internal combustion engine has a high load (at a high rotation speed), when the EGR cooler function of the heat exchanger is exhibited, the heat exchanger is located upstream of the downstream catalyst portion (position close to the internal combustion engine). The amount of heat released from the exhaust gas until reaching the exchanger is small, and high-temperature exhaust gas flows into the heat exchanger. As a result, when the exhaust heat is recovered by the heat exchanger and the cooled exhaust gas is recirculated to the intake system of the internal combustion engine, the amount of heat exchange with the exhaust gas increases. The load increases.
  • the exhaust heat recovery function and the EGR cooler function can be sufficiently exhibited while realizing early activation of the catalyst.
  • An exhaust heat recovery device is disposed in an exhaust passage through which exhaust from an internal combustion engine is circulated, and is disposed in the exhaust passage, and one or more catalyst portions having a catalyst for purifying the exhaust And a heat exchanger that has a heat exchanger for recovering heat from the exhaust and is configured to recirculate the exhaust that has passed through the heat exchanger to the intake system of the internal combustion engine. Yes.
  • the catalyst part is disposed only upstream of the heat exchange part in the exhaust flow path.
  • the catalyst part is disposed only upstream of the heat exchange part having the heat exchanger in the exhaust passage.
  • all the catalyst parts are arranged upstream of the heat exchange part having a heat exchanger.
  • the catalyst part is not arranged on the downstream side of the heat exchange part having the heat exchanger.
  • the catalyst unit is upstream of the heat exchange unit (position close to the internal combustion engine), high-temperature exhaust gas is used as the catalyst unit.
  • the catalyst can be allowed to flow, and early activation of the catalyst in the catalyst portion can be realized.
  • the exhaust gas that has passed through the catalyst unit is allowed to flow into the heat exchange unit, the exhaust heat is recovered in the heat exchanger of the heat exchange unit, and the recovered exhaust heat can be used for warming up the internal combustion engine or the like. Therefore, the exhaust heat recovery function can be sufficiently exhibited while realizing early activation of the catalyst.
  • the heat exchange unit when the internal combustion engine is under a high load (at high rotation), when the EGR cooler function of the heat exchange unit is exhibited, the heat exchange unit is located on the downstream side (a position far from the internal combustion engine) from the catalyst unit. The amount of heat released from the exhaust gas until it reaches the heat exchanger increases, and low-temperature exhaust gas flows into the heat exchanger. As a result, when the exhaust heat is recovered by the heat exchanger and the cooled exhaust gas is recirculated to the intake system of the internal combustion engine, the amount of heat exchange with the exhaust gas is reduced, and the EGR cooler function can be sufficiently exhibited. Can do. Furthermore, it is possible to reduce the load on the vehicle cooling device such as a radiator.
  • examples of the catalyst unit include a catalyst apparatus including a catalyst and a carrier supporting the catalyst. There are one or more catalyst parts. That is, the catalyst part may be one or plural.
  • the intake system of the internal combustion engine refers to a portion for intake of air into the internal combustion engine, for example, an intake passage for circulating air supplied to the internal combustion engine.
  • the exhaust heat recovery apparatus 1 of the present embodiment is disposed in an exhaust passage 21 through which exhaust gas (exhaust gas) G from an engine (internal combustion engine) 10 flows, and purifies the exhaust gas G.
  • the exhaust gas G is disposed in the exhaust passage 21 and has a heat exchanger 41 for recovering heat from the exhaust gas G, and the exhaust gas G that has passed through the heat exchanger 41 is engineed.
  • a heat exchanging unit 4 configured to be able to recirculate to 10 intake systems.
  • the two catalyst units 3 are arranged only on the upstream side of the heat exchange unit 4 in the exhaust passage 21.
  • the exhaust heat recovery apparatus 1 will be described in detail.
  • the exhaust heat recovery device 1 is provided in an engine 10 of a vehicle such as an automobile.
  • the engine 10 is a gasoline engine.
  • An exhaust pipe 2 for circulating the exhaust gas G from the engine 10 and discharging the exhaust gas G to the outside is connected to the engine 10.
  • An exhaust passage 21 is formed in the exhaust pipe 2.
  • the exhaust heat recovery device 1 includes two catalyst parts 3 arranged in the middle of the exhaust passage 21.
  • the two catalyst parts 3 are a first catalyst part 3A and a second catalyst part 3B.
  • the exhaust heat recovery apparatus 1 also includes a heat exchanging unit 4 that is also disposed in the middle of the exhaust passage 21.
  • the heat exchange unit 4 includes a heat exchanger 41 (see FIGS. 2 and 3).
  • the first catalyst unit 3A is disposed between the engine 10 and the heat exchange unit 4 in the exhaust passage 21.
  • the first catalyst unit 3A is a three-way catalyst device that includes a catalyst (not shown) for purifying the exhaust gas G and a carrier 31A that supports the catalyst.
  • the catalyst is a noble metal such as platinum, palladium, or rhodium.
  • the carrier 31A is a cylindrical ceramic filter, and is configured such that the exhaust gas G flowing into the upstream end face flows out from the downstream end face. HC, CO, NOx, etc. in the exhaust gas G are purified by an oxidation / reduction reaction when passing through the first catalyst unit 3A.
  • the second catalyst unit 3B is disposed between the engine 10 and the heat exchanging unit 4 in the exhaust passage 21 and on the downstream side of the first catalyst unit 3A.
  • the second catalyst unit 3B is a three-way catalyst device that includes a catalyst (not shown) for purifying the exhaust gas G and a carrier 31B that supports the catalyst.
  • the catalyst is a noble metal such as platinum, palladium, or rhodium.
  • the carrier 31B is a cylindrical ceramic filter, and is configured such that the exhaust gas G flowing into the upstream end face flows out from the downstream end face. HC, CO, NOx, etc. in the exhaust gas G are purified by an oxidation / reduction reaction when passing through the second catalyst unit 3B.
  • the two catalyst units 3 are arranged only on the upstream side of the heat exchange unit 4 (upstream side of the heat exchanger 41) in the exhaust passage 21. Accordingly, the two catalyst units 3 are arranged on the upstream side of the heat exchange unit 4 (upstream side of the heat exchanger 41) in the exhaust passage 21, and on the downstream side of the heat exchange unit 4 (of the heat exchanger 41). It is not arranged on the downstream side.
  • the heat exchange unit 4 has a main flow path 211.
  • the heat exchanging unit 4 is branched from the main flow path 211, connects the first sub flow path 212 connecting the main flow path 211 and the heat exchanger 41, the heat exchanger 41 and the main flow path 211, and is connected to the main flow path.
  • 2nd subchannel 213 which joins 211. That is, the first sub-channel 212 is disposed on the upstream side of the heat exchanger 41, and the second sub-channel 213 is disposed on the downstream side of the heat exchanger 41.
  • the main channel 211, the first sub channel 212, and the second sub channel 213 all constitute part of the exhaust channel 21.
  • An exhaust valve 42 is disposed in the middle of the main flow path 211 of the heat exchange unit 4.
  • the exhaust valve 42 is a valve (valve) for controlling the flow of the exhaust gas G in the heat exchange unit 4, the amount of the exhaust gas G flowing through the main channel 211 and the first sub-channel 212, and the like.
  • the exhaust valve 42 is configured to be able to control the opening / closing, the opening degree, and the like of the exhaust valve 42 by a control signal or the like from an ECU (not shown) mounted on the vehicle.
  • the exhaust valve 42 may be a valve that is not electronically controlled, such as a thermostat.
  • the heat exchanger 41 is configured to recover exhaust heat from the exhaust gas G. Specifically, the heat exchanger 41 performs heat exchange between the exhaust gas G that passes through the heat exchanger 41 and a heat exchange medium (for example, water) that circulates in the heat exchanger 41, and the heat exchanger The exhaust gas heat is recovered from the exhaust gas G passing through 41 and the exhaust gas G is cooled.
  • a heat exchange medium for example, water
  • the second sub flow path 213 of the heat exchanging section 4 is connected to the intake system of the engine 10 via the EGR flow path 51 branched from the second sub flow path 213.
  • the second auxiliary flow path 213 is connected to an intake flow path (not shown) for supplying air to the engine 10 via the EGR flow path 51.
  • the EGR flow path 51 is formed by the EGR pipe 5.
  • An EGR valve 52 is arranged in the middle of the EGR flow path 51.
  • the EGR valve 52 is a valve (valve) for controlling the amount of exhaust gas G recirculated to the intake system of the engine 10.
  • the EGR valve 52 is configured to be able to control the opening and closing, the opening degree, and the like of the EGR valve 52 by a control signal or the like from an ECU (not shown) mounted on the vehicle.
  • FIG. 2 shows the state of the heat exchange unit 4 when the engine 10 is started.
  • the exhaust valve 42 of the main channel 211 is closed so that the exhaust gas G does not flow through the main channel 211, that is, the exhaust gas G flows into the heat exchanger 41 from the first sub-channel 212. Yes.
  • the exhaust gas G that has passed through the heat exchanger 41 does not flow through the EGR flow path 51, that is, the exhaust gas G that has passed through the heat exchanger 41 flows through the second sub-flow path 213.
  • the EGR valve 52 is in a closed state.
  • the exhaust gas G that has flowed from the engine 10 through the first catalyst unit 3 ⁇ / b> A and the second catalyst unit 3 ⁇ / b> B into the heat exchange unit 4 flows into the heat exchanger 41 from the first sub-flow channel 212. .
  • the exhaust gas G that has flowed into the heat exchanger 41 undergoes heat exchange with a heat exchange medium (such as water) that circulates in the heat exchanger 41. Thereby, exhaust heat is recovered from the exhaust gas G, and the exhaust gas G is cooled.
  • the heat exchange medium warmed by collecting the exhaust heat is used for warming up the engine 10 or the like.
  • the exhaust gas G that has passed through the heat exchanger 41 flows from the second sub-flow path 213 to the downstream side of the heat exchange unit 4.
  • the EGR valve 52 of the EGR flow path 51 is further opened so that a part of the exhaust gas G that has passed through the heat exchanger 41 flows through the EGR flow path 51 (see FIG. 3). ).
  • a part of the exhaust gas G cooled by passing through the heat exchanger 41 flows through the EGR flow path 51 and is recirculated to the intake system (intake flow path) of the engine 10, and the rest is the second substream. It circulates from the path 213 to the downstream side of the heat exchange unit 4.
  • FIG. 3 shows a state of the heat exchanging unit 4 when the engine 10 is under a high load (at the time of high rotation).
  • the exhaust valve 42 of the main flow path 211 is in an open state so that a part of the exhaust gas G flows through the main flow path 211 and the rest flows from the first sub flow path 212 into the heat exchanger 41. .
  • the opening degree of the exhaust valve 42 By adjusting the opening degree of the exhaust valve 42, the amount of the exhaust gas G flowing through the main channel 211, in other words, the amount of the exhaust gas G flowing into the heat exchanger 41 from the first sub-channel 212 can be controlled.
  • the EGR valve 52 of the EGR flow path 51 is open so that a part of the exhaust gas G that has passed through the heat exchanger 41 flows through the EGR flow path 51.
  • the exhaust gas G that has flowed from the engine 10 through the first catalyst unit 3 ⁇ / b> A and the second catalyst unit 3 ⁇ / b> B into the heat exchange unit 4 is partly downstream of the heat exchange unit 4 from the main flow path 211.
  • the remainder flows into the heat exchanger 41 from the first subchannel 212.
  • the exhaust gas G that has flowed into the heat exchanger 41 undergoes heat exchange with a heat exchange medium (such as water) that circulates in the heat exchanger 41. Thereby, exhaust heat is recovered from the exhaust gas G, and the exhaust gas G is cooled.
  • a heat exchange medium such as water
  • the two catalyst parts 3 (the first catalyst part 3A and the second catalyst part 3B) are connected to the heat exchange part 4 having the heat exchanger 41 in the exhaust passage 21. It is arranged only upstream.
  • the two catalyst units 3 are arranged on the upstream side of the heat exchange unit 4 having the heat exchanger 41, and are not arranged on the downstream side of the heat exchange unit 4 having the heat exchanger 41.
  • the engine 10 when the engine 10 is started, early activation of the catalyst in each catalyst unit 3 is required.
  • the two catalyst units 3 are upstream of the heat exchange unit 4 (position close to the engine 10), the temperature is high.
  • the exhaust gas G can be caused to flow into the two catalyst parts 3, and early activation of the catalysts of the two catalyst parts 3 can be realized.
  • the exhaust gas G that has passed through the two catalyst parts 3 is caused to flow into the heat exchange part 4, the exhaust heat is recovered in the heat exchanger 41 of the heat exchange part 4, and the recovered exhaust heat is used to warm up the engine 10. Can be used. Therefore, the exhaust heat recovery function can be sufficiently exhibited while realizing the early activation of the catalyst in each catalyst unit 3.
  • the EGR cooler function can also be exhibited.
  • the exhaust valve 42 of the main flow path 211 of the heat exchange unit 4 is closed. Therefore, the pressure on the upstream side of the heat exchange unit 4 (heat exchanger 41) is increased, and the temperatures of the two catalyst units 3 on the upstream side of the heat exchange unit 4 (heat exchanger 41) are effectively increased. Can be made. Thereby, the early activity of the catalyst in each catalyst part 3 can be realized more effectively.
  • the heat exchanging unit 4 is located downstream of the two catalyst units 3 (a position far from the engine 10). For this reason, the heat release amount of the exhaust gas G until it reaches the heat exchanger 41 of the heat exchanging unit 4 increases, and the low temperature exhaust gas G flows into the heat exchanger 41. As a result, when the exhaust heat is recovered by the heat exchanger 41 and the cooled exhaust gas G is recirculated to the intake system of the engine 10, the amount of heat exchange with the exhaust gas G is reduced, and the EGR cooler function is sufficiently achieved. It can be demonstrated. Furthermore, it is possible to reduce the load on the vehicle cooling device such as a radiator.
  • the exhaust heat recovery function and the EGR cooler function in the heat exchange unit 4 including the heat exchanger 41 while realizing the early activation of the catalyst in each catalyst unit 3. can be fully demonstrated.
  • this indication is not limited to the above-mentioned embodiment at all, and it cannot be overemphasized that it can implement with a various aspect in the range which does not deviate from this indication.
  • the engine (internal combustion engine) is a gasoline engine, but may be a diesel engine.
  • the number of catalyst parts is two, but is not limited to this, and the number of catalyst parts may be one or three or more. Also good.
  • a noble metal such as platinum, palladium, or rhodium is used as the catalyst of the catalyst portion, but the present invention is not limited to this, and other catalyst materials may be used.
  • an optimal catalyst material may be selected according to the type of engine (internal combustion engine).
  • a cylindrical ceramic filter is used as the carrier for supporting the catalyst.
  • the present invention is not limited to this, and the shape and material of the carrier may be variously changed. .
  • the heat exchanging unit 4 is configured to include the heat exchanger 41, the main channel 211 that configures the exhaust channel 21, the first sub channel 212, the second sub channel 213, and the like.
  • the configuration of the heat exchange unit is not limited to this, and the exhaust gas (exhaust gas) having the heat exchanger and passing through the heat exchanger is recirculated to the intake system of the engine (internal combustion engine).
  • exhaust gas exhaust gas having the heat exchanger and passing through the heat exchanger is recirculated to the intake system of the engine (internal combustion engine).
  • Various configurations can be employed as long as they can be configured.
  • Each component of the present disclosure is conceptual and is not limited to the above-described embodiment.
  • the functions of one component may be distributed to a plurality of components, or the functions of a plurality of components may be integrated into one component.
  • at least a part of the configuration of the above-described embodiment may be replaced with a known configuration having a similar function.

Abstract

排気熱回収装置は、内燃機関からの排気を流通させる排気流路に配置され、排気を浄化するための触媒を有する１つ以上の触媒部と、排気流路に配置され、排気から熱を回収するための熱交換器を有し、かつ、熱交換器を通過した排気を内燃機関の吸気系に還流させることができるよう構成された熱交換部と、を備えている。１つ以上の触媒部は、排気流路において、熱交換部の上流側にのみ配置されている。

Description

排気熱回収装置 関連出願の相互参照
　本国際出願は、２０１５年１０月２９日に日本国特許庁に出願された日本国特許出願第２０１５－２１３０５４号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０１５－２１３０５４号の全内容を本国際出願に参照により援用する。
　本開示は、排気熱回収装置に関する。
　車両等において、内燃機関の排気流路には、排気を浄化するための触媒を有する触媒部（例えば、触媒と触媒を担持する担体とを含む触媒装置等）が配置されている。また、排気再循環冷却機能（以下、ＥＧＲクーラ機能という。ＥＧＲは、Ｅｘａｕｓｔ　Ｇａｓ　Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎの略である。）を有する内燃機関の排気流路には、排気から排気熱を回収するための熱交換器が配置されている。熱交換器を通過して排気熱が回収され、冷却された排気の一部は、内燃機関の吸気系に還流される。
　例えば、特許文献１には、内燃機関の排気流路において、排気熱回収機能及びＥＧＲクーラ機能の両機能を有する熱交換器、熱交換器の上流側に配置された上流側触媒部（上流触媒）、熱交換器の下流側に配置された下流側触媒部（下流触媒）等を備えた内燃機関の制御装置が開示されている。
特願２００９－１３８６１５号公報
　しかしながら、上記特許文献１の内燃機関の制御装置では、熱交換器の下流側に下流側触媒部が配置されている。そのため、内燃機関の始動時、上流側触媒部及び下流側触媒部における触媒の早期活性が要求されるが、下流側触媒部が熱交換器の下流側（内燃機関から遠い位置）にあることから、熱交換器を通過して熱回収された低温の排気が下流側触媒部に流入する。これにより、熱交換器にて回収した排気熱を内燃機関の暖機等に利用することができるものの、下流側触媒部における触媒の早期活性が困難となり、触媒の暖機時間が長くなる。一方、下流側触媒部における触媒の早期活性を実現しようとすると、高温の排気が下流側触媒部に流入するように、例えば、熱交換器を通過する排気量を減らす等して、熱交換器の排気熱回収機能の発揮を抑制しなければならない。
　また、内燃機関の高負荷時（高回転時）、熱交換器のＥＧＲクーラ機能を発揮させる場合、熱交換器が下流側触媒部の上流側（内燃機関に近い位置）にあることから、熱交換器に到達するまでの排気の放熱量が少なく、高温の排気が熱交換器に流入することになる。これにより、熱交換器にて排気熱を回収し、冷却した排気を内燃機関の吸気系に還流させる際、排気との間での熱交換量が多くなるため、ラジエータ等の車両の冷却装置に対する負荷が大きくなる。
　本開示の一側面においては、触媒の早期活性を実現しながら、排気熱回収機能及びＥＧＲクーラ機能を十分に発揮できることが望ましい。
　本開示の一側面である排気熱回収装置は、内燃機関からの排気を流通させる排気流路に配置され、排気を浄化するための触媒を有する１つ以上の触媒部と、排気流路に配置され、排気から熱を回収するための熱交換器を有し、かつ、熱交換器を通過した排気を内燃
機関の吸気系に還流させることができるよう構成された熱交換部と、を備えている。触媒部は、排気流路において、熱交換部の上流側にのみ配置されている。
　上記排気熱回収装置によれば、触媒部は、排気流路において、熱交換器を有する熱交換部の上流側にのみ配置されている。例えば、触媒部が複数の場合、全ての触媒部が熱交換器を有する熱交換部の上流側に配置されている。言い換えれば、熱交換器を有する熱交換部の下流側に、触媒部が配置されていない。
　そのため、内燃機関の始動時、触媒部における触媒の早期活性が要求されるが、触媒部が熱交換部よりも上流側（内燃機関に近い位置）にあることから、高温の排気を触媒部に流入させることができ、触媒部における触媒の早期活性を実現することができる。また、触媒部を通過した排気を熱交換部に流入させ、熱交換部の熱交換器において排気熱の回収を行い、回収した排気熱を内燃機関の暖機等に利用することができる。よって、触媒の早期活性を実現しながら、排気熱回収機能を十分に発揮することができる。
　また、内燃機関の高負荷時（高回転時）、熱交換部のＥＧＲクーラ機能を発揮させる場合、熱交換部が触媒部よりも下流側（内燃機関から遠い位置）にあることから、熱交換部の熱交換器に到達するまでの排気の放熱量が多くなり、低温の排気が熱交換器に流入することになる。これにより、熱交換器にて排気熱を回収し、冷却した排気を内燃機関の吸気系に還流させる際、排気との間での熱交換量が少なくなり、ＥＧＲクーラ機能を十分に発揮することができる。さらに、ラジエータ等の車両の冷却装置に対する負荷を小さくすることができる。
　なお、上記排気熱回収装置において、触媒部としては、例えば、触媒と触媒を担持する担体とを含む触媒装置等が挙げられる。触媒部は、１つ以上である。すなわち、触媒部は、１つであってもよいし、複数であってもよい。内燃機関の吸気系とは、内燃機関に吸気するための部分、例えば、内燃機関に供給する空気を流通させる吸気流路等をいう。
排気熱回収装置の全体構成を示す説明図である。 熱交換部の詳細及びエンジン始動時の制御を示す説明図である。 熱交換部の詳細及びエンジン高負荷時の制御を示す説明図である。
　１…排気熱回収装置、３…触媒部、４…熱交換部、１０…エンジン（内燃機関）、２１…排気流路、４１…熱交換器、Ｇ…排ガス（排ガス）
　以下、本開示の実施形態を図面と共に説明する。
　図１～図３に示すように、本実施形態の排気熱回収装置１は、エンジン（内燃機関）１０からの排ガス（排気）Ｇを流通させる排気流路２１に配置され、排ガスＧを浄化するための触媒を有する２つの触媒部３と、排気流路２１に配置され、排ガスＧから熱を回収するための熱交換器４１を有し、かつ、熱交換器４１を通過した排ガスＧをエンジン１０の吸気系に還流させることができるよう構成された熱交換部４と、を備えている。２つの触媒部３は、排気流路２１において、熱交換部４の上流側にのみ配置されている。以下、この排気熱回収装置１を詳細に説明する。
　図１に示すように、排気熱回収装置１は、自動車等の車両のエンジン１０に設けられている。エンジン１０は、ガソリンエンジンである。エンジン１０には、エンジン１０からの排ガスＧを流通させ、排ガスＧを外部に排出するための排気管２が接続されている。排気管２内には、排気流路２１が形成されている。
　排気熱回収装置１は、排気流路２１の途中に配置された２つの触媒部３を備えている。２つの触媒部３は、第１触媒部３Ａ及び第２触媒部３Ｂである。また、排気熱回収装置１は、同じく排気流路２１の途中に配置された熱交換部４を備えている。熱交換部４は、熱交換器４１（図２、図３参照）を有する。
　第１触媒部３Ａは、排気流路２１において、エンジン１０と熱交換部４との間に配置されている。第１触媒部３Ａは、排ガスＧを浄化するための触媒（図示略）と、触媒を担持する担体３１Ａとを含む三元触媒装置である。触媒は、白金、パラジウム、ロジウム等の貴金属である。担体３１Ａは、円柱状のセラミック製フィルタであり、上流側端面に流入した排ガスＧが下流側端面から流出するように構成されている。排ガスＧ中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等は、第１触媒部３Ａを通過する際に、酸化・還元反応により浄化される。
　第２触媒部３Ｂは、排気流路２１において、エンジン１０と熱交換部４との間であり、かつ、第１触媒部３Ａの下流側に配置されている。第２触媒部３Ｂは、排ガスＧを浄化するための触媒（図示略）と、触媒を担持する担体３１Ｂとを含む三元触媒装置である。触媒は、白金、パラジウム、ロジウム等の貴金属である。担体３１Ｂは、円柱状のセラミック製フィルタであり、上流側端面に流入した排ガスＧが下流側端面から流出するように構成されている。排ガスＧ中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等は、第２触媒部３Ｂを通過する際に、酸化・還元反応により浄化される。
　２つの触媒部３（第１触媒部３Ａ、第２触媒部３Ｂ）は、排気流路２１において、熱交換部４の上流側（熱交換器４１の上流側）にのみ配置されている。したがって、２つの触媒部３は、排気流路２１において、熱交換部４の上流側（熱交換器４１の上流側）に配置されており、熱交換部４の下流側（熱交換器４１の下流側）に配置されていない。
　図２、図３に示すように、熱交換部４は、主流路２１１を有する。また、熱交換部４は、主流路２１１から分岐され、主流路２１１と熱交換器４１との接続する第１副流路２１２と、熱交換器４１と主流路２１１とを接続し、主流路２１１に合流する第２副流路２１３とを有する。すなわち、熱交換器４１の上流側に第１副流路２１２が、熱交換器４１の下流側に第２副流路２１３が配置されている。主流路２１１、第１副流路２１２及び第２副流路２１３は、いずれも排気流路２１の一部を構成している。
　熱交換部４の主流路２１１の途中には、排気バルブ４２が配置されている。排気バルブ４２は、熱交換部４内における排ガスＧの流れ、主流路２１１及び第１副流路２１２を流通する排ガスＧの量等を制御するためのバルブ（弁）である。排気バルブ４２は、車両に搭載されたＥＣＵ（図示略）からの制御信号等により、排気バルブ４２の開閉、開度等を制御できるよう構成されている。なお、排気バルブ４２は、サーモスタット等の電子制御しないバルブであってもよい。
　熱交換器４１は、排ガスＧから排気熱を回収可能に構成されている。具体的には、熱交換器４１は、熱交換器４１を通過する排ガスＧと、熱交換器４１内を流通する熱交換媒体（例えば水等）との間で熱交換を行い、熱交換器４１を通過する排ガスＧから排気熱を回収し、排ガスＧを冷却する。
　また、熱交換部４の第２副流路２１３は、第２副流路２１３から分岐されたＥＧＲ流路５１を介して、エンジン１０の吸気系に接続されている。具体的には、第２副流路２１３は、ＥＧＲ流路５１を介して、エンジン１０に空気を供給するための吸気流路（図示略）に接続されている。なお、ＥＧＲ流路５１は、ＥＧＲ管５によって形成されている。ＥＧＲ流路５１の途中には、ＥＧＲバルブ５２が配置されている。ＥＧＲバルブ５２は、エンジン１０の吸気系に還流させる排ガスＧの量を制御するためのバルブ（弁）である。ＥＧＲバルブ５２は、車両に搭載されたＥＣＵ（図示略）からの制御信号等により、ＥＧＲバルブ５２の開閉、開度等を制御できるよう構成されている。
　次に、本実施形態の排気熱回収装置１の制御について説明する。
　図２は、エンジン１０の始動時における熱交換部４の状態を示している。このとき、排ガスＧが主流路２１１を流通しないように、つまり排ガスＧが第１副流路２１２から熱交換器４１に流入するように、主流路２１１の排気バルブ４２が閉じた状態となっている。また、熱交換器４１を通過した排ガスＧがＥＧＲ流路５１を流通しないように、つまり熱交換器４１を通過した排ガスＧが第２副流路２１３を流通するように、ＥＧＲ流路５１のＥＧＲバルブ５２が閉じた状態となっている。
　図２に示す状態では、エンジン１０から第１触媒部３Ａ及び第２触媒部３Ｂを通過して熱交換部４に流入した排ガスＧは、第１副流路２１２から熱交換器４１に流入する。熱交換器４１に流入した排ガスＧは、熱交換器４１内を流通する熱交換媒体（例えば水等）との間で熱交換が行われる。これにより、排ガスＧから排気熱が回収され、排ガスＧが冷却される。排気熱の回収によって暖められた熱交換媒体は、エンジン１０の暖機等に利用される。熱交換器４１を通過した排ガスＧは、第２副流路２１３から熱交換部４の下流側へと流通する。
　また、図２に示す状態において、さらに、熱交換器４１を通過した排ガスＧの一部がＥＧＲ流路５１を流通するように、ＥＧＲ流路５１のＥＧＲバルブ５２を開いた状態（図３参照）にすることもできる。この場合、熱交換器４１を通過して冷却された排ガスＧは、その一部がＥＧＲ流路５１を流通し、エンジン１０の吸気系（吸気流路）に還流され、残りが第２副流路２１３から熱交換部４の下流側へと流通する。
　図３は、エンジン１０の高負荷時（高回転時）における熱交換部４の状態を示している。このとき、排ガスＧの一部が主流路２１１を流通し、残りが第１副流路２１２から熱交換器４１に流入するように、主流路２１１の排気バルブ４２が開いた状態となっている。排気バルブ４２の開度を調整することにより、主流路２１１を流通する排ガスＧの量、言い換えれば第１副流路２１２から熱交換器４１に流入する排ガスＧの量を制御することができる。また、熱交換器４１を通過した排ガスＧの一部がＥＧＲ流路５１を流通するように、ＥＧＲ流路５１のＥＧＲバルブ５２が開いた状態となっている。
　図３の状態では、エンジン１０から第１触媒部３Ａ及び第２触媒部３Ｂを通過して熱交換部４に流入した排ガスＧは、その一部が主流路２１１から熱交換部４の下流側へと流通し、残りが第１副流路２１２から熱交換器４１に流入する。熱交換器４１に流入した排ガスＧは、熱交換器４１内を流通する熱交換媒体（例えば水等）との間で熱交換が行われる。これにより、排ガスＧから排気熱が回収され、排ガスＧが冷却される。熱交換器４１を通過して冷却された排ガスＧは、その一部がＥＧＲ流路５１を流通し、エンジン１０の吸気系（吸気流路）に還流され、残りが第２副流路２１３から熱交換部４の下流側へと流通する。
　次に、本実施形態の排気熱回収装置１の作用効果について説明する。
　本実施形態の排気熱回収装置１によれば、２つの触媒部３（第１触媒部３Ａ、第２触媒部３Ｂ）は、排気流路２１において、熱交換器４１を有する熱交換部４の上流側にのみ配置されている。本実施形態では、２つの触媒部３が熱交換器４１を有する熱交換部４の上流側に配置されており、熱交換器４１を有する熱交換部４の下流側に配置されていない。
　そのため、エンジン１０の始動時、各触媒部３における触媒の早期活性が要求されるが、２つの触媒部３が熱交換部４よりも上流側（エンジン１０に近い位置）にあることから、高温の排ガスＧを２つの触媒部３に流入させることができ、２つの触媒部３の触媒の早期活性を実現することができる。また、２つの触媒部３を通過した排ガスＧを熱交換部４に流入させ、熱交換部４の熱交換器４１において排気熱の回収を行い、回収した排気熱をエンジン１０の暖機等に利用することができる。よって、各触媒部３における触媒の早期活性を実現しながら、排気熱回収機能を十分に発揮することができる。さらに、熱交換器４１を通過した排ガスＧの一部をエンジン１０の吸気系（吸気流路）に還流させれば、ＥＧＲクーラ機能をも発揮することができる。
　また、本実施形態では、エンジン１０の始動時、熱交換部４の主流路２１１の排気バルブ４２を閉じた状態としている。そのため、熱交換部４（熱交換器４１）よりも上流側の圧力が上昇し、熱交換部４（熱交換器４１）よりも上流側にある２つの触媒部３の温度を効果的に上昇させることができる。これにより、各触媒部３における触媒の早期活性をより効果的に実現することができる。
　また、エンジン１０の高負荷時（高回転時）、熱交換部４のＥＧＲクーラ機能を発揮させる場合、熱交換部４が２つの触媒部３よりも下流側（エンジン１０から遠い位置）にあることから、熱交換部４の熱交換器４１に到達するまでの排ガスＧの放熱量が多くなり、低温の排ガスＧが熱交換器４１に流入することになる。これにより、熱交換器４１にて排気熱を回収し、冷却した排ガスＧをエンジン１０の吸気系に還流させる際、排ガスＧとの間での熱交換量が少なくなり、ＥＧＲクーラ機能を十分に発揮することができる。さらに、ラジエータ等の車両の冷却装置に対する負荷を小さくすることができる。
　このように、本実施形態の排気熱回収装置１によれば、各触媒部３における触媒の早期活性を実現しながら、熱交換器４１を含む熱交換部４における排気熱回収機能及びＥＧＲクーラ機能を十分に発揮することができる。
　（その他の実施形態）
　なお、本開示は、上述の実施形態に何ら限定されるものではなく、本開示を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
　（１）上述の実施形態において、エンジン（内燃機関）は、ガソリンエンジンであったが、ディーゼルエンジンであってもよい。
　（２）上述の実施形態において、触媒部の数が２つであったが、これに限定されるものではなく、触媒部の数は１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。
　（３）上述の実施形態において、触媒部の触媒としては、白金、パラジウム、ロジウム等の貴金属を用いたが、これに限定されるものではなく、他の触媒材料を用いてもよい。例えば、エンジン（内燃機関）の種類に合わせて最適な触媒材料を選択してもよい。
　（４）上述の実施形態において、触媒を担持する担体としては、円柱状のセラミック製フィルタを用いたが、これに限定されるものではなく、担体の形状、材料等を種々変更してもよい。
　（５）上述の実施形態において、熱交換部４は、熱交換器４１、排気流路２１を構成する主流路２１１、第１副流路２１２及び第２副流路２１３等を備える構成であったが、熱交換部の構成は、これに限定されるものではなく、熱交換器を有し、かつ、熱交換器を通過した排ガス（排気）をエンジン（内燃機関）の吸気系に還流させることができるよう構成されていれば、種々様々な構成とすることができる。
　（６）本開示の各構成要素は概念的なものであり、上述の実施形態に限定されない。例えば、１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上述の実施形態の構成の少なくとも一部を同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。

Claims (1)

  1. 　内燃機関からの排気を流通させる排気流路に配置され、前記排気を浄化するための触媒を有する１つ以上の触媒部と、
    　前記排気流路に配置され、前記排気から熱を回収するための熱交換器を有し、かつ、該熱交換器を通過した前記排気を前記内燃機関の吸気系に還流させることができるよう構成された熱交換部と、を備え、
    　前記１つ以上の触媒部は、前記排気流路において、前記熱交換部の上流側にのみ配置されている、排気熱回収装置。
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