JP5195381B2 - 排気熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気ガスの熱を回収する排気熱回収装置に関するものである。

従来、排気熱回収装置として、特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１に記載の排気熱回収装置は、内燃機関の排気管上に配置され、内部を通過する冷却水と排気ガスとの間で熱交換を行うと共に、排気管内の排気ガスにより暖機が行われる触媒を有する排気熱回収器と、冷却水の流量を調整する冷却水流量調節手段とを備えている。そして、内燃機関の始動後で、かつ、触媒を暖機中の場合には、冷却水流量調節手段によって冷却水の流量を所定量以下にし、触媒に発生した反応熱が冷却水によって奪われるのを抑え、触媒の暖機を促進している。
特開２００８−１９０４３７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の排気熱回収装置では、冷却水と排気ガスとが直接的に熱交換する為、触媒に発生した反応熱や排気ガスの熱が冷却水に伝熱し易い状態にある。その結果、内燃機関の始動後で、かつ、触媒を暖機中の場合に、触媒の暖機を促進する為に、冷却水の流量を所定量以下にすると、冷却水が沸騰してしまう虞がある。また、逆に、冷却水流量調節手段によって冷却水の流量を冷却水が沸騰する虞の無い流量に調節すると、触媒の暖機が遅れてしまう。従って、触媒の早期暖機と冷却水の沸騰防止との両立が図り難いといった問題点がある。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、触媒の早期暖機と冷却水の沸騰防止との両立が実現可能な排気熱回収装置を提供する。

本発明は、上記の目的を達成する為に、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に係る発明は、内部に封入された作動媒体と内燃機関（１０２）の排気ガスとを熱交換させ、作動媒体を蒸発させるとともに排気ガスを浄化する触媒（１０５）を冷却可能とする蒸発部（１３０、２３０、３３０、４３０）と、
蒸発部（１３０、２３０、３３０、４３０）にて蒸発した作動媒体と内燃機関（１０２）を冷却する冷却水とを熱交換させ、作動媒体を凝縮させるとともに冷却水を加熱可能とする凝縮部（１４０）と、
凝縮部（１４０）から蒸発部（１３０、２３０、３３０、４３０）へ吐出される作動媒体用の液還流路（１６０）を開閉する流量調整手段（１７０）とを備えるヒートパイプ式の排気熱回収器（１２０、２２０、３２０、４２０）と、
触媒（１０５）の温度を検出する触媒温度検出手段（１０６）とを有する排気熱回収装置において、
排気ガスは、作動媒体を介して間接的に冷却水と熱交換するようになっており、
触媒温度検出手段（１０６）にて検出された触媒温度検出値が、第１閾値温度（Ｔｃ１）以下の場合に、流量調整手段（１７０）によって液還流路（１６０）を閉状態にする触媒暖機モードに設定可能な制御部（１８０）を有することを特徴とする。

これによれば、蒸発部（１３０、２３０、３３０、４３０）が触媒（１０５）を冷却可能とする為、触媒（１０５）の過熱を抑制することが可能となる。更に、触媒暖機モードにおいて、凝縮部（１４０）から蒸発部（１３０、２３０、３３０、４３０）へ吐出される作動媒体の流量を「０」にして、蒸発部（１３０、２３０、３３０、４３０）における作動媒体と排気ガスとの熱交換量を「０」とさせる為、蒸発部（１３０、２３０、３３０、４３０）において触媒（１０５）を冷却すること無く、第１閾値温度（Ｔｃ１）以下の触媒（１０５）の早期暖機を図ることができる。また、冷却水と排気ガスとが作動媒体を介して間接的に熱交換する為、流量調整手段（１７０）によって作動媒体の流量を「０」にすることで冷却水と排気ガスとの熱交換量が「０」となり、その結果、冷却水の沸騰防止を図ることが可能となる。従って、触媒（１０５）の早期暖機と冷却水の沸騰防止との両立が可能となる。

請求項２に係る発明では、制御部（１８０）は、触媒温度検出値が、第１閾値温度（Ｔｃ１）より大きな第２閾値温度（Ｔｃ２）以上である場合に、流量調整手段（１７０）によって、触媒温度検出値が第１閾値温度（Ｔｃ１）以上であって第２閾値温度（Ｔｃ２）より小さくなるように、作動媒体の流量を調整する触媒冷却モードに設定可能であることを特徴とする。

これによれば、触媒冷却モードにおいて、凝縮部（１４０）から蒸発部（１３０、２３０、３３０、４３０）へ吐出される作動媒体の流量を調整することで、蒸発部（１３０、２３０、３３０、４３０）における作動媒体と排気ガスとの熱交換量が調整される為、蒸発部（１３０、２３０、３３０、４３０）における触媒（１０５）の冷却が促進され、第２閾値温度（Ｔｃ２）以上の触媒（１０５）の過熱抑制を図ることが可能となる。

請求項３に係る発明では、冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段（１１７）を有し、制御部（１８０）は、触媒冷却モードにおいて、流量調整手段（１７０）によって、冷却水温度検出手段（１１７）にて検出された冷却水温度検出値が、第３閾値温度（Ｔｗ２）より小さくなるように維持しながら、作動媒体の流量を調整することを特徴とする。

これによれば、触媒冷却モードにおいて、冷却水温度検出値が第３閾値温度（Ｔｗ２）より小さくなるように維持しながら、凝縮部（１４０）から蒸発部（１３０、２３０、３３０、４３０）へ吐出される作動媒体の流量を調整する為、冷却水の過熱防止を図ることが可能となる。その結果、触媒冷却モードにおいて、触媒（１０５）の過熱抑制と冷却水の過熱防止との両立が可能となる。

請求項４に係る発明では、制御部（１８０）は、触媒温度検出値が、第１閾値温度（Ｔｃ１）より大きく第２閾値温度（Ｔｃ２）より小さい場合に、流量調整手段（１７０）によって、触媒温度検出値が第１閾値温度（Ｔｃ１）となるように、作動媒体の流量を調整する触媒維持モードに設定可能であることを特徴とする。

これによれば、触媒維持モードにおいて、凝縮部（１４０）から蒸発部（１３０、２３０、３３０、４３０）へ吐出される作動媒体の流量を調整して触媒温度検出値が第１閾値温度（Ｔｃ１）となるように蒸発部（１３０、２３０、３３０、４３０）における作動媒体と排気ガスとの熱交換量が調整される為、蒸発部（１３０、２３０、３３０、４３０）における触媒（１０５）の冷却を任意に制御することができ、触媒温度検出値を第１閾値温度（Ｔｃ１）に維持し、触媒（１０５）の劣化を最大限防止することが可能となる。

請求項５に係る発明では、蒸発部（１３０）は、排気ガスが内部を通過する排気管（１０３）内であって、排気管（１０３）の内燃機関（１０２）側の一端部であるエキゾーストマニホールド（１０４）より排気ガス流れ後流側に配置されることを特徴とする。

これによれば、蒸発部（１３０）は、排気管（１０３）内に配置される為、作動媒体と排気ガスとを確実に熱交換させることが可能となる。

請求項６に係る発明では、蒸発部（２３０、３３０、４３０）は、排気ガスが内部を通過する排気管（１０３）表面に配設されることを特徴とする。

これによれば、蒸発部（２３０、３３０、４３０）は、排気管（１０３）の表面に配設される為、蒸発部（２３０、３３０、４３０）が外気に対する排気管（１０３）の断熱部として機能し、例えば、冬季等の外気温度が低い場合、低い温度の外気によって排気ガスが冷やされることを防止することが可能となる。また、蒸発部（２３０、３３０、４３０）を構成する部品、例えば、作動媒体を内部に流通させるチューブ（１３２）等を排気管（１０３）内に配設させる必要が無くなるので、触媒暖機モードにおいて、蒸発部（２３０、３３０、４３０）を構成する部品、例えば、チューブ（１３２）等が排気熱を奪うことを防止することが可能となる。

請求項７に係る発明では、蒸発部（３３０）は、排気管（１０３）表面であって、排気管（１０３）の内燃機関（１０２）側の一端部であるエキゾーストマニホールド（１０４）の表面に配置されることを特徴とする。

これによれば、蒸発部（３３０）は、排気管（１０３）内を流通する排気ガスであって、最も温度の高い排気ガスが流通するエキゾーストマニホールド（１０４）の表面に配設される為、蒸発部（３３０）が外気に対するエキゾーストマニホールド（１０４）の断熱部として機能し、例えば、冬季等の外気温度が低い場合、低い温度の外気によって最も温度の高い排気ガスが冷やされることを防止することが可能となる。

請求項８に係る発明では、蒸発部（４３０）は、排気管（１０３）表面のうち、触媒（１０５）が保持される位置に配置されることを特徴とする。

これによれば、蒸発部（４３０）が排気管（１０３）表面のうち、触媒（１０５）を保持する部分の表面に配置されているので、蒸発部（４３０）と触媒（１０５）とを近接配置可能となり、触媒（１０５）の温度が急に変化した場合に、その触媒（１０５）の急な温度変化に直ちに対応することが可能となる。

請求項９に係る発明では、蒸発部（１３０）には、触媒（１０５）が一体的に配設されることを特徴とする。

これによれば、蒸発部（１３０）の内部に触媒（１０５）が一体的に配設されるため、排気熱回収器（１２０）及び触媒（１０５）を排気管（１０３）に搭載し易くなる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下に、本発明の第１実施形態における排気熱回収装置１００の構造について、図１〜図３を用いて説明する。図１は、本実施形態における排気熱回収器１２０が適用された排気系システム１０１の概略構成を示す構成図である。図２は、本実施形態における排気熱回収器１２０が適用された冷却系システム１１０の概略構成を示す構成図である。図３は、本実施形態における排気熱回収器１２０を示す正面図である。図４は、本実施形態における排気熱回収装置１００が有する制御装置１８０の概略構成を示す構成図である。図１〜図４の破線矢印は、信号の入出力を示している。図２の実線矢印は、冷却水の流れを示し、太線で表した実線は、冷却水が流れる通路を示している。

排気系システム１０１は、内燃機関であるエンジン１０２と、エンジン１０２から吐出された排気ガスが内部を通過する排気管１０３と、排気管１０３の途中に設けられ、排気ガスを浄化する触媒１０５と、排気管１０３において触媒１０５より排気ガス流れ上流側に設けられ、排気ガスの熱（以下、排気熱という）を回収するヒートパイプ式の排気熱回収器１２０とを有している。排気管１０３のエンジン１０２側の一端部であるエキゾーストマニホールド１０４は、４つ股に分かれており、エンジン１０２内の図示しない各ピストン内に連通している。また、触媒１０５には、触媒１０５の温度を検出する触媒温度検出手段として触媒温度センサ１０６が配設されている。触媒温度センサ１０６は、検出した触媒１０５の温度に対応する触媒温度信号Ｓ２を制御装置１８０に供給する。

冷却系システム１１０は、冷却水を用いてエンジン１０２の冷却を行うとともに、この冷却水と排気ガスとの間で熱交換を行うことによって排気熱を回収し、エンジン１０２の暖機やヒータコア１１２の熱源に利用するシステムである。本実施形態において、冷却水は、各冷却水通路１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃを通過することによって、エンジン１０２の冷却、及び暖機などを行う。第１冷却水通路１１１ａ上には、ヒータコア１１２、及び排気熱回収器１２０が設けられており、第２冷却水通路１１１ｂ上には、ラジエータ１１３が設けられており、第３冷却水通路１１１ｃ上には、電動ポンプ１１４が設けられている。なお、以下では、各冷却水通路１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃを区別しない場合には、単に冷却水通路１１１として用いるものとする。

以下、各システム１０１、１１０を構成する構成部品を詳しく説明する。

エンジン１０２は、供給される燃料と空気との混合気を燃焼させることによって動力を発生する装置である。例えば、エンジン１０２は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどによって構成される。また、エンジン１０２は、ハイブリット車両などに搭載される。更に、エンジン１０２には、冷却水の温度を検出する冷却水温度手段として冷却水温度センサ１１７が設けられている。本実施形態では、冷却水温度センサ１１７は、エンジン１０２の冷却水出口部に設けられている。冷却水温度センサ１１７は、検出した冷却水の温度に対応する冷却水温度信号Ｓ３を制御装置１８０に出力する。

ラジエータ１１３は、その内部を通過する冷却水を外気によって冷却する熱交換器である。本実施形態では、図示しない電動ファンの回転により導入された風によって、ラジエータ１１３内の冷却水の冷却が促進される。また、電動ポンプ１１４は、電動式のモータを備えて構成され、このモータの駆動により冷却水を冷却水通路１１１内を循環させる。具体的には、電動ポンプ１１４は、図示しないバッテリから電力が供給され、制御装置１８０から供給される制御信号によって回転数などが制御される。

サーモスタット１１５は、冷却水の温度に応じて開閉する弁によって構成される。本実施形態では、サーモスタット１１５は、第２冷却水通路１１１ｂと、ラジエータ１１３をバイパスするバイパス通路１１６との合流部に配設されている。サーモスタット１１５は、冷却水の温度が高温となったときに開弁し、冷却水をラジエータ１１３に通過させて冷却し、エンジン１０２のオーバーヒートを抑制する。これに対して、冷却水の温度が比較的に低温である場合には、サーモスタット１１５は閉弁している。この場合には、冷却水は、ラジエータ１１３を通過せず、バイパス通路１１６を流れ、冷却水の温度低下が抑制される為、エンジン１０２のオーバークールが抑制される。

排気熱回収器１２０は、内部に作動媒体、本実施形態では純水が封入された密閉容器を有している。密閉容器は、排気ガス通路１３１の内部に配置される蒸発部１３０と、冷却水槽１４１の内部に配置される凝縮部１４０とを有し、蒸発部１３０と凝縮部１４０とは、蒸気流路１５０と液還流路１６０とによって環状に連結されている。

蒸発部１３０は、排気ガス通路１３１を流れる排気ガスと作動媒体との熱交換を行う熱交換器であり、内部を作動媒体が流れる複数の蒸発チューブ１３２と、複数の蒸発チューブ１３２に連通する一対の蒸発ヘッダ１３３（１３３ａ、１３３ｂ）と、蒸発チューブ１３２の外壁に接触して取り付けられる伝熱用のフィン１３４とを備えている。

凝縮部１４０は、冷却水槽１４１の内部を流れるエンジン１０２冷却水と作動媒体との熱交換を行う熱交換器であり、内部を作動媒体が流れる複数の凝縮チューブ１４２と、複数の凝縮チューブ１４２に連通する一対の凝縮ヘッダ１４３（１４３ａ、１４３ｂ）とを備えている。冷却水槽１４１は、２本の接続パイプ１４４を介して第１冷却水通路１１１ａに接続されている。

蒸発部１３０と凝縮部１４０とは、両者のヘッダ１３３、１４３を通じて環状に連結されている。具体的には、蒸発部１３０の一方（図示上側）の第１蒸発ヘッダ１３３ａと、凝縮部１４０の一方の第１凝縮ヘッダ１４３ａとが連結されて蒸気流路１５０が形成されている。また、蒸発部１３０の他方（図示下側）の第２蒸発ヘッダ１３３ｂと、凝縮部１４０の他方の第２凝縮ヘッダ１４３ｂとが連結されて液還流路１６０が形成されている。従って、蒸発部１３０で排気ガスより受熱して沸騰した気相状態の作動媒体は、第１蒸発ヘッダ１３３ａから第１凝縮ヘッダ１４３ａへ流入し、凝縮部１４０で冷却水に放熱して凝縮した液相状態の作動媒体は、第２凝縮ヘッダ１４３ｂから第２蒸発ヘッダ１３３ｂに流入する構成となっている。

本実施形態における排気熱回収器１２０は、凝縮部１４０から蒸発部１３０へ吐出される作動媒体の流量を調整する流量調整手段として、モード切替弁１７０を備えている。モード切替弁１７０は、第２凝縮ヘッダ１４３ｂに組み込まれており、制御装置１８０から出力された流量調整信号Ｓ１に基づいて液還流路１６０を開閉できる弁体１７１を有している。本実施形態におけるモード切替弁１７０は、電磁の力で液還流路１６０を開閉する弁体１７１を備えている。

制御装置１８０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭなどを含むマイクロコンピュータとその周辺回路とを備えて構成されている。制御装置１８０は、触媒温度センサ１０６からの検出信号である触媒温度信号Ｓ２、及び冷却水温度センサ１１７からの検出信号である冷却水温度信号Ｓ３が入力されるようになっている。そして、制御装置１８０は、これらの入力信号に基づいて、モード切替弁１７０に弁開度信号Ｓ１を出力し、モード切替弁１７０を作動制御し、各種モードに設定可能としている。具体的に、本実施形態における制御装置１８０は、触媒暖機モード、触媒維持モード、及び触媒冷却モードに各状況に応じて設定可能としている。

触媒暖機モードは、エンジン１０２の始動後であって、触媒温度検出値が、触媒１０５の活性化下限温度に基づき設定される第１閾値温度Ｔｃ１以下の場合に設定される。触媒暖機モードでは、モード切替弁１７０は、弁開度「０」の閉状態に作動制御される。従って、触媒暖機モードでは、凝縮部１４０から蒸発部１３０へ吐出される作動媒体の流量は「０」であり、排気ガスは、蒸発部１３０において作動媒体と熱交換（以下、熱回収という）すること無く通過する。

触媒維持モードは、エンジン１０２の始動後であって、触媒温度検出値が、第１閾値温度Ｔｃ１より大きく、触媒１０５の耐熱上限温度に基づいて設定される第２閾値温度Ｔｃ２より小さい場合に設定される。触媒維持モードでは、モード切替弁１７０は、弁開度Ｌ１の開状態に作動制御される。弁開度Ｌ１は、触媒温度検出値が第１閾値温度Ｔｃ１に維持されつつ最も効率よく熱回収可能に設定された弁開度である。従って、触媒維持モードでは、凝縮部１４０から蒸発部１３０へ吐出される作動媒体の流量は、弁開度Ｌ１に設定されたモード切替弁１７０から吐出可能な流量となり、排気ガスは、蒸発部１３０において、弁開度Ｌ１に応じた流量の作動媒体に熱回収され、触媒温度検出値が第１閾値温度Ｔｃ１に維持される温度に冷却されて通過する。

触媒冷却モードは、エンジン１０２の始動後であって、触媒温度検出値が、第２閾値温度Ｔｃ２以上である場合に設定される。触媒冷却モードでは、モード切替弁１７０は、弁開度Ｌ２の開状態に作動制御される。弁開度Ｌ２は、弁開度Ｌ１より大きい値であって、冷却水温度検出値がラジエータ１１３の放熱許容温度に基づいて設定される第３閾値温度Ｔｗ２より小さくなるように設定された弁開度であり、本実施形態では更に、触媒温度検出値が第２閾値温度Ｔｃ２より小さくなるように設定されている。ここで、本実施形態における弁開度Ｌ２は、触媒温度検出値が第２閾値温度Ｔｃ２より小さくなることより、冷却水温度検出値が第３閾値温度Ｔｗ２より小さくなることを優先して設定されている。従って、触媒冷却モードでは、凝縮部１４０から蒸発部１３０へ吐出される作動媒体の流量は、弁開度Ｌ２に設定されたモード切替弁１７０から吐出可能な流量となり、排気ガスは、蒸発部１３０において、弁開度Ｌ２に応じた流量の作動媒体に熱回収され、触媒温度検出値が第２閾値温度Ｔｃ２より小さくなる温度に冷却されて通過する。また、冷却水は、凝縮部１４０において、冷却水温度検出値が第３閾値温度Ｔｗ２より小さくなる温度に加熱されることになる。

次に、本実施形態における排気熱回収装置１００の作動について、図５を用いて説明する。図５は、本実施形態におけるエンジン負荷、モード切替弁１７０の弁開度、排気熱回収器１２０による回収熱量、触媒温度検出値、及び冷却水温度検出値を示すタイムチャートである。横軸の原点は、エンジン１０２の始動時を示している。また、破線で示す挙動は、比較例であり、従来の直接式排気熱回収器の挙動である。

１．触媒暖機期間ａ
触媒暖機期間ａとは、エンジン１０２の始動から、触媒温度検出値が第１閾値温度Ｔｃ１に到達するまでの期間である。換言すると、触媒暖機期間ａは、制御装置１８０にて、触媒暖機モードに設定されている期間である。

具体的には、エンジン１０２の始動開始直後、エンジン負荷は上昇する。そして、通常運転時のエンジン負荷Ｐ１に落ち着く。ここで、触媒温度検出値が第１閾値温度Ｔｃ１以下である為、触媒暖機モードに設定される。触媒暖機モードでは、弁開度は「０」であり、凝縮部１４０から蒸発部１３０には作動媒体が吐出されない。その為、熱回収量は、「０」となる。回収熱量が「０」の為、排気ガスは、熱回収されること無く蒸発部１３０を通過する為、温度の高い状態で触媒１０５に到達する。従って、触媒暖機期間ａにおける触媒温度検出値の温度上昇の勾配は、比較例と比べて大きい。また、エンジン１０２から放熱される熱によって、冷却水温度検出値は上昇する。

２．エンジン暖機期間ｂ
エンジン暖機期間ｂとは、触媒温度検出値が第１閾値温度Ｔｃ１に到達してから、冷却水温度検出値が、エンジン１０２を暖機するのに最適な温度であって、サーモスタット１１５を開状態とさせ、ラジエータ１１３にて放熱を開始させる温度に基づいて設定された第４閾値温度Ｔｗ１に到達するまでの期間である。換言すると、エンジン暖機期間ｂは、制御装置１８０にて、触媒維持モードに設定されている期間である。

具体的には、エンジン負荷は、通常運転時のエンジン負荷Ｐ１の状態に維持されている状態である。また、触媒温度検出値は、エンジン暖機期間ｂにおいても、触媒暖機期間ａの勾配のまま温度上昇しようとするが、触媒温度検出値が第１閾値温度Ｔｃ１より大きく第２閾値温度Ｔｃ２より小さい為、触媒維持モードに設定され、第１閾値温度Ｔｃ１に維持される。つまり、触媒温度検出値を第１閾値温度Ｔｃ１に維持する為に、モード切替弁１７０の弁開度は、「０」の閉状態から弁開度Ｌ１の開状態に向かって上昇する。従って、モード切替弁１７０が閉状態から開状態となる為、熱回収量は、弁開度Ｌ１時に熱回収して得られる熱回収量Ｑ１に向かって上昇する。そして、冷却水温度検出値は、蒸発部１３０にて熱回収される熱回収量分、温度上昇の勾配が大きくなる。よって、エンジン暖機期間ｂは、冷却水温度検出値の温度上昇の勾配を大きくして、エンジン１０２の暖機促進を図っている。

３．触媒維持期間ｃ
触媒維持期間ｃは、冷却水温度検出値が第４閾値温度Ｔｗ１に到達してから、触媒温度検出値が第２閾値温度Ｔｃ２に到達するまでの期間である。換言すると、触媒維持期間ｃは、エンジン暖機期間ｂと同様に制御装置１８０にて、触媒維持モードに設定されている期間である。

具体的には、エンジン負荷は、通常運転時のエンジン負荷Ｐ１の状態に維持されている状態である。また、触媒温度検出値は、触媒維持モードに設定されている為、第１閾値温度Ｔｃ１に維持されている。従って、弁開度は、弁開度Ｌ１に維持され、熱回収量も、熱回収量Ｑ１に維持されている。そして、冷却水温度検出値が第４閾値温度Ｔｗ１に到達した為、サーモスタット１１５を開状態とさせ、ラジエータ１１３にて放熱を開始させている。その結果、冷却水温度検出値に関しても、第４閾値温度Ｔｗ１に維持されている。

４．触媒冷却期間ｄ
触媒冷却期間ｄは、触媒温度検出値が第２閾値温度Ｔｃ２に到達してから、冷却水温度検出値を第３閾値Ｔｗ２より小さな値に維持しながら、触媒温度検出値が第２閾値温度Ｔｃ２より小さい値に落ち着くまでの期間である。換言すると、触媒冷却期間ｄは、制御装置１８０にて、触媒冷却モードに設定されている期間である。

具体的には、エンジン負荷は、触媒冷却期間ｄの直前において、通常運転時のエンジン負荷Ｐ１よりも高負荷な高負荷運転時のエンジン負荷Ｐ２に上昇し、触媒冷却期間ｄにおいても、高負荷運転が続いている状態である。それに従って、触媒温度検出値も、触媒冷却期間ｄの直前において、第１閾値温度Ｔｃ１から第２閾値温度Ｔｃ２に上昇している。触媒冷却期間ｄにおいては、触媒温度検出値が第２閾値温度Ｔｃ２となった為、触媒冷却モードに設定され、弁開度が弁開度Ｌ２に向かって上昇し、それに伴い、熱回収量も、熱回収量Ｑ１から熱回収量Ｑ２に向かって上昇する。ここで、熱回収量Ｑ２は、弁開度Ｌ２時において熱回収される熱量であって、熱回収量Ｑ２を熱回収しても、冷却水温度検出値が第３閾値温度Ｔｗ２以上とならない熱量である。その結果、弁開度が弁開度Ｌ２となり、熱回収量が熱回収量Ｑ２となることにより、触媒温度検出値は、第２閾値温度Ｔｃ２より小さい値に落ち着く。また、冷却水温度検出値も温度上昇はするが、第３閾値温度Ｔｗ２以上の値にはならず、第３閾値温度Ｔｗ２以下の値に落ち着く。

本実施形態における排気熱回収装置１００は、蒸発部１３０が触媒１０５を冷却可能とする為、触媒１０５の過熱を抑制することが可能となる。更に、触媒暖機モードにおいて、蒸発部１３０における作動媒体と排気ガスとの熱交換量を「０」としている為、蒸発部１３０において排気ガスは熱回収されること無く触媒１０５に到達している。その為、触媒１０５の早期暖機を図ることが可能となる。また、作動媒体の流量を「０」とする為、作動媒体を介して熱交換する冷却水と排気ガスとの熱交換量が０となり、冷却水の沸騰防止を図ることが可能となる。従って、触媒１０５の早期暖機と冷却水の沸騰防止との両立が可能となる。

また、本実施形態における排気熱回収装置１００は、触媒冷却モードにおいて、凝縮部１４０から蒸発部１３０へ吐出される作動媒体の流量を増やして、蒸発部１３０における作動媒体と排気ガスとの熱交換量を増加させている為、蒸発部１３０において排気ガスは多量に熱回収されて触媒１０５に到達する。その結果、触媒１０５の更なる過熱抑制を図ることが可能となる。また、冷却水温度検出値が第３閾値温度Ｔｗ２より小さくなるように維持しながら、作動媒体の流量を増やしている為、冷却水の過熱防止を図ることが可能となる。従って、触媒１０５の過熱抑制と冷却水の過熱防止との両立が可能となる。

また、本実施形態における排気熱回収装置１００は、触媒維持モードにおいて、凝縮部１４０から蒸発部１３０へ吐出される作動媒体の流量を調整して触媒温度検出値が第１閾値温度Ｔｃ１となるように、蒸発部１３０における作動媒体と排気ガスとの熱交換量を調整している為、蒸発部１３０において排気ガスの熱回収量を任意に制御することができる。その結果、触媒１０５の冷却を任意に制御することができ、触媒温度検出値を第１閾値温度Ｔｃ１に維持し、触媒１０５の劣化を最大限防止することが可能となる。

また、本実施形態における蒸発部１３０は、排気管１０３内であって、エキゾーストマニホールド１０４より排気ガス流れ後流側に配置されている為、作動媒体と排気ガスとを確実に熱交換させることが可能となる。

（第２実施形態）
第２実施形態における排気熱回収装置２００について、図６に基づいて説明する。ここで、第２実施形態を含め、以下に説明する各実施形態に関して、上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省する。図６は、本実施形態における排気熱回収装置２００の概略構成を示す構成図である。

本実施形態における排気熱回収装置２００は、第１実施形態における排気熱回収装置１００の排気熱回収器１２０に代えて、蒸発部２３０が排気管１０３表面であって、排気管１０３の一端部であるエキゾーストマニホールド１０４と触媒１０５との間に配置された排気熱回収器２２０を備えている。蒸発部２３０は、排気管１０３を覆うように設けられ、排気管１０３内の排気ガスと蒸発部２３０内の作動媒体とを熱交換させる。蒸発した作動媒体は、凝縮部１４０へ流入し、凝縮部１４０にて凝縮され、モード切替弁１７０によって蒸発部２３０へ吐出される。

この本実施形態の構成においても、触媒暖機モード、触媒維持モード、及び触媒冷却モードに設定することによって、触媒１０５の早期暖機と冷却水の沸騰防止の両立が可能となり、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態では、排気管１０３の表面に配設される為、蒸発部２３０が外気に対する排気管１０３の断熱部として機能し、例えば、冬季等の外気温度が低い場合、低い温度の外気によって排気ガスが冷やされることを防止することが可能となる。また、蒸発部１３０を構成する部品、例えば、第１実施形態における蒸発チューブ１３２等を排気管１０３内に配設させる必要が無くなるので、触媒暖機モードにおいて、蒸発部１３０を構成する部品、例えば、第１実施形態における蒸発チューブ１３２等が排気熱を奪うことを防止することが可能となる。

（第３実施形態）
第３実施形態における排気熱回収装置３００について、図７に基づいて説明する。図７は、本実施形態における排気熱回収装置３００の概略構成を示す構成図である。

本実施形態における排気熱回収装置３００は、第２実施形態における排気熱回収装置２００の排気熱回収器２２０に代えて、蒸発部３３０が排気管１０３表面であって、排気管１０３の一端部であるエキゾーストマニホールド１０４の表面に配置された排気熱回収器３２０を備えている。蒸発部３３０は、エキゾーストマニホールド１０４を覆うように設けられ、エキゾーストマニホールド１０４内の排気ガスと蒸発部３３０内の作動媒体とを熱交換させる。蒸発した作動媒体は、凝縮部１４０へ流入し、凝縮部１４０にて凝縮され、モード切替弁１７０によって蒸発部３３０へ吐出される。

この本実施形態の構成においても、触媒暖機モード、触媒維持モード、及び触媒冷却モードに設定することによって、触媒１０５の早期暖機と冷却水の沸騰防止の両立が可能となり、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態のように、蒸発部３３０が排気管１０３内を流通する排気ガスであって、最も温度の高い排気ガスが流通するエキゾーストマニホールド１０４の表面に配置されている場合、蒸発部３３０が外気に対するエキゾーストマニホールド１０４の断熱部として機能し、第２実施形態と比べて、例えば、冬季等の低い温度の外気によって最も温度の高い排気ガスが冷やされることを防止することが可能となる。

（第４実施形態）
第４実施形態における排気熱回収装置４００について、図８に基づいて説明する。図８は、本実施形態における排気熱回収装置４００の概略構成を示す構成図である。

本実施形態における排気熱回収装置４００は、第２実施形態における排気熱回収装置２００の排気熱回収器２２０に代えて、蒸発部４３０が排気管１０３表面のうち、触媒１０５が保持される位置に配設された排気熱回収器４２０を備えている。蒸発部４３０は、触媒１０５が保持される部分の表面を覆うように設けられ、触媒１０５を通過中の排気ガスと蒸発部４３０内の作動媒体とを熱交換させる。蒸発した作動媒体は、凝縮部１４０へ流入し、凝縮部１４０にて凝縮され、モード切替弁１７０によって蒸発部４３０へ吐出される。

この本実施形態の構成においても、触媒暖機モード、触媒維持モード、及び触媒冷却モードに設定することによって、触媒１０５の早期暖機と冷却水の沸騰防止の両立が可能となり、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態のように、蒸発部４３０が排気管１０３表面のうち、触媒１０５が保持される位置に配置されていることから蒸発部４３０と触媒１０５とを近接配置することが可能となり、第２実施形態と比べて、触媒１０５の温度が急に変化した場合に、その触媒１０５の急な温度変化に直ちに対応することが可能となる。

（他の実施形態）
上記第１実施形態では、触媒１０５と蒸発部１３０とは、別体として配置されているが、本発明は、これに限定されることは無い。蒸発部１３０に触媒１０５が一体的に配設される構成としても良い。例えば、蒸発部１３０が有するフィン１３４に、触媒１０５を坦持（ごく微量のものを付けて持たせる）させて構成されるものを採用していても良い。これによれば、蒸発部１３０の内部に触媒１０５が一体的に配設されるため、排気熱回収器１２０及び触媒１０５を排気管１０３に搭載し易くなる。

また、上記各実施形態では、触媒温度検出手段として、触媒１０５に配設された触媒温度センサ１０６が用いられているが、本発明は、これに限定されることは無い。触媒温度検出手段として、例えば、触媒１０５の直前における排気ガスの温度を検出する排気ガス温度センサであっても良い。また、触媒温度検出手段として、触媒１０５の直前における排気ガスの温度を検出する排気ガス温度センサの検出値と、触媒１０５の直後における排気ガス温度を検出する排気ガス温度センサの検出値との平均値を触媒温度信号Ｓ２として制御装置１８０に供給する構成であっても良い。

また、上記各実施形態では、冷却水温度センサ１１７は、エンジン１０２の出口部に設けられているが、本発明は、これに限定されることは無い。冷却水温度検出手段は、冷却水回路１１１内の冷却水の温度を検出可能な温度センサであれば良い。

また、上記各実施形態では、弁開度Ｌ２は、触媒温度検出値が第２閾値温度Ｔｃ２より小さくなることより、冷却水温度検出値が第３閾値温度Ｔｗ２より小さくなることを優先して設定されているが、本発明は、これに限定されることは無い。例えば、弁開度Ｌ２は、冷却水温度検出値が第３閾値温度Ｔｗ２より小さくなることより、触媒温度検出値が第２閾値温度Ｔｃ２より小さくなることを優先して設定されていても良い。また、例えば、弁開度Ｌ２は、冷却水温度検出値に関係無く、触媒温度検出値が第２閾値温度Ｔｃ２より小さくなるように設定されていても良い。

また、上記各実施形態では、弁開度Ｌ２は、弁開度Ｌ１より大きい値であるが、本発明は、これに限定されることは無い。弁開度Ｌ２は、弁開度Ｌ１より小さい値であって、冷却水温度検出値が第３閾値温度Ｔｗ２より小さくなるように設定された弁開度であっても良い。また、弁開度Ｌ２は、弁開度Ｌ１より小さい値であって、触媒温度検出値が第２閾値温度Ｔｃ２より小さくなるように設定された弁開度であっても良い。更に、弁開度Ｌ２は、弁開度Ｌ１より小さい値であって、冷却水温度検出値が第３閾値温度Ｔｗ２より小さくなるように設定された弁開度であり更に、触媒温度検出値が第２閾値温度Ｔｃ２より小さくなるように設定された弁開度であっても良い。

第１実施形態における排気熱回収器が適用された排気系システムの概略構成を示す構成図である。 第１実施形態における排気熱回収器が適用された冷却系システムの概略構成を示す構成図である。 第１実施形態における排気熱回収器を示す正面図である。 第１実施形態における排気熱回収装置が有する制御装置の概略構成を示す構成図である。 第１実施形態におけるエンジン負荷、モード切替弁の弁開度、排気熱回収器による回収熱量、触媒温度検出値、及び冷却水温度検出値を示すタイムチャートである。 第２実施形態における排気熱回収装置の概略構成を示す構成図である。 第３実施形態における排気熱回収装置の概略構成を示す構成図である。 第４実施形態における排気熱回収装置の概略構成を示す構成図である。

符号の説明

１０２…エンジン（内燃機関）、１０３…排気管、１０４…エキゾーストマニホールド、１２０…排気熱回収器、１０５…触媒、１０６…触媒温度センサ（触媒温度検出手段）、１１７…冷却水温度センサ（冷却水温度検出手段）、１３０…蒸発部、１４０…凝縮部１７０…モード切替弁（流量調整手段）１８０… 制御装置（制御部）。

Claims (9)

1. 内部に封入された作動媒体と内燃機関（１０２）の排気ガスとを熱交換させ、前記作動媒体を蒸発させるとともに前記排気ガスを浄化する触媒（１０５）を冷却可能とする蒸発部（１３０、２３０、３３０、４３０）と、
   前記蒸発部（１３０、２３０、３３０、４３０）にて蒸発した前記作動媒体と前記内燃機関（１０２）を冷却する冷却水とを熱交換させ、前記作動媒体を凝縮させるとともに前記冷却水を加熱可能とする凝縮部（１４０）と、
   前記凝縮部（１４０）から前記蒸発部（１３０、２３０、３３０、４３０）へ吐出される前記作動媒体用の液還流路（１６０）を開閉する流量調整手段（１７０）とを備えるヒートパイプ式の排気熱回収器（１２０、２２０、３２０、４２０）と、
   前記触媒（１０５）の温度を検出する触媒温度検出手段（１０６）とを有する排気熱回収装置において、
   前記排気ガスは、前記作動媒体を介して間接的に前記冷却水と熱交換するようになっており、
   前記触媒温度検出手段（１０６）にて検出された触媒温度検出値が、第１閾値温度（Ｔｃ１）以下の場合に、前記流量調整手段（１７０）によって前記液還流路（１６０）を閉状態にする触媒暖機モードに設定可能な制御部（１８０）を有することを特徴とする排気熱回収装置。
2. 前記制御部（１８０）は、前記触媒温度検出値が、前記第１閾値温度（Ｔｃ１）より大きな第２閾値温度（Ｔｃ２）以上である場合に、前記流量調整手段（１７０）によって、前記触媒温度検出値が前記第１閾値温度（Ｔｃ１）以上であって前記第２閾値温度（Ｔｃ２）より小さくなるように、前記作動媒体の流量を調整する触媒冷却モードに設定可能であることを特徴とする請求項１に記載の排気熱回収装置。
3. 前記冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段（１１７）を有し、
   前記制御部（１８０）は、前記触媒冷却モードにおいて、前記流量調整手段（１７０）によって、前記冷却水温度検出手段（１１７）にて検出された冷却水温度検出値が、第３閾値温度（Ｔｗ２）より小さくなるように維持しながら、前記作動媒体の流量を調整することを特徴とする請求項２に記載の排気熱回収装置。
4. 前記制御部（１８０）は、前記触媒温度検出値が、前記第１閾値温度（Ｔｃ１）より大きく前記第２閾値温度（Ｔｃ２）より小さい場合に、前記流量調整手段（１７０）によって、前記触媒温度検出値が前記第１閾値温度（Ｔｃ１）となるように、前記作動媒体の流量を調整する触媒維持モードに設定可能であることを特徴とする請求項２または３に記載の排気熱回収装置。
5. 前記蒸発部（１３０）は、前記排気ガスが内部を通過する排気管（１０３）内であって、前記排気管（１０３）の前記内燃機関（１０２）側の一端部であるエキゾーストマニホールド（１０４）より前記排気ガス流れ後流側に配置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の排気熱回収装置。
6. 前記蒸発部（２３０、３３０、４３０）は、前記排気ガスが内部を通過する排気管（１０３）表面に配設されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の排気熱回収装置。
7. 前記蒸発部（３３０）は、前記排気管（１０３）表面であって、前記排気管（１０３）の前記内燃機関（１０２）側の一端部であるエキゾーストマニホールド（１０４）の表面に配置されることを特徴とする請求項６に記載の排気熱回収装置。
8. 前記蒸発部（４３０）は、前記排気管（１０３）表面のうち、前記触媒（１０５）が保持される位置に配置されることを特徴とする請求項６に記載の排気熱回収装置。
9. 前記蒸発部（１３０）には、前記触媒（１０５）が一体的に配設されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の排気熱回収装置。

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