(57)【要約】【課題】排気ガス浄化システムにおいて、触媒加熱時には、触媒担持部分を加熱して迅速に活性化温度以上にして触媒の浄化機能を効率よく利用できると共に、触媒冷却時には、触媒担持部分を冷却して所定の温度以下に維持して浄化率低下及び熱劣化を防止できる排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法を提供する。【解決手段】排気ガス浄化装置１０の触媒を加熱又は冷却するための触媒用熱交換部２２を設けて、触媒加熱時は、排気通路３の排気熱吸収部２１と触媒用熱交換部２２との間に形成した第１のヒートポンプ２０により、排気熱吸収部２１で吸収した排気ガスＧの熱を排気ガス浄化装置１０に供給し、触媒冷却時は、触媒用熱交換部２２と冷却水又は外気に熱を放出する排熱部３２との間で形成した第２のヒートポンプ３０により、排気ガス浄化装置１０の熱を触媒用熱交換部２２で吸収して排熱部３２に供給する。【選択図】図１
2010084546.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒を担持した排気ガス浄化装置を排気通路に設けた排気ガス浄化システムにおいて、  前記触媒を加熱又は冷却するための触媒用熱交換部を設けて、前記排気通路に設けた排気熱吸収部と前記触媒用熱交換部との間で第１のヒートポンプを形成すると共に、前記触媒用熱交換部と冷却水又は外気に熱を放出する排熱部との間で第２のヒートポンプを形成し、
前記触媒を加熱する必要があるときには、前記第１のヒートポンプにより、前記排気熱吸収部で吸収した排気ガスの熱を前記排気ガス浄化装置に供給し、前記触媒を冷却する必要があるときには、前記第２のヒータポンプにより、前記排気ガス浄化装置の熱を前記触媒用熱交換部で吸収して、この吸収した熱を前記排熱部に供給するヒートポンプ制御手段を備えたことを特徴とする排気ガス浄化システム。
【請求項２】
前記触媒の温度を指標する触媒温度指標温度を検出する触媒温度指標温度検出手段を設けると共に、
前記ヒートポンプ制御手段が、この触媒温度指標温度検出手段で検出された触媒温度指標温度が予め設定した第１判定温度以下の場合には、前記第１のヒートポンプを作動させると共に前記第２のヒートポンプを停止し、この検出された触媒温度指標温度が予め設定した第２判定温度を超えた場合には、前記第１のヒートポンプを停止させると共に前記第２のヒートポンプを作動する制御を行うことを特徴とする請求項１記載の排気ガス浄化システム。
【請求項３】
前記排気熱吸収部を設けた排気通路部分を迂回する排気バイパス通路を設けると共に、前記排気熱吸収部を設けた排気通路部分に排気ガスを通過させる場合と前記排気バイパス通路に排気ガスを通過させる場合とに切り替える排気ガス切替手段を設け、
前記ヒートポンプ制御手段が、前記第１のヒートポンプを停止している時は、前記排気ガス切り替え手段により、前記排気バイパス通路に排気ガスを通過させる制御を行うことを特徴とする請求項１又は２記載の排気ガス浄化システム。
【請求項４】
触媒を担持した排気ガス浄化装置を排気通路に設けた排気ガス浄化システムの排気ガス浄化方法において、
前記触媒を加熱する必要があるときには、排気通路に設けた排気熱吸収部と、前記排気ガス浄化装置に設けた触媒用熱交換部との間で形成した第１のヒートポンプにより、前記排気熱吸収部で吸収した排気ガスの熱を前記排気ガス浄化装置に供給して前記触媒を加熱し、
前記触媒を冷却する必要があるときには、前記触媒用熱交換部と冷却水又は外気に熱を放出する排熱部との間で形成した第２のヒートポンプにより、前記排気ガス浄化装置の熱を前記触媒用熱交換部で吸収して、この吸収した熱を前記排熱部に供給して前記触媒を冷却することを特徴とする排気ガスの浄化方法。
【請求項５】
前記触媒の温度を指標する触媒温度指標温度を検出する触媒温度指標温度検出手段で検出された触媒温度指標温度が、予め設定した第１判定温度以下の場合には、前記第１のヒートポンプを作動させると共に前記第２のヒートポンプを停止し、この検出された触媒温度指標温度が予め設定した第２判定温度を超えた場合には、前記第１のヒートポンプを停止させると共に前記第２のヒートポンプを作動することを特徴とする請求項４記載の排気ガス浄化方法。
【請求項６】
前記排気ガス浄化装置の前記触媒の脱硫処理制御において、
脱硫制御を開始した後では、
前記触媒の温度を指標する触媒温度指標温度を検出する触媒温度指標温度検出手段で検出された触媒温度指標温度が、予め設定した第１判定温度以下では、前記第１のヒートポンプを作動すると共に前記第２のヒートポンプを停止して前記触媒を加熱し
前記触媒温度指標温度が、前記第１判定温度を越え、かつ、前記第１判定温度より高い予め設定した第２判定温度以下のときには、前記第１のヒートポンプと前記第２のヒートポンプを停止して、触媒の脱硫を行い、
前記触媒温度指標温度が、前記第２判定温度を越えたときには、前記第１のヒートポンプを停止したまま前記第２のヒートポンプを作動して前記触媒を冷却して、触媒の脱硫を行い、
脱硫完了後は、
前記触媒温度指標温度が前記第２判定温度以下の予め設定した第３判定温度以下に降温するまで、前記第１のヒートポンプは停止したままで、前記第２のヒートポンプを作動することを特徴とする請求項４又は５に記載の排気ガス浄化方法。
【請求項７】
前記第１のヒートポンプを停止している時は、前記排気熱吸収部を設けた排気通路部分を迂回させて排気ガスを流すことを特徴とする請求項４，５又は６記載の排気ガス浄化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒を備えた排気ガス浄化システムにおいて、ヒートパイプを利用して触媒を担持した排気ガス浄化装置の加熱及び冷却を効率良く行うことができる排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気ガスを浄化するための装置の一つに、排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）の浄化のためのＮＯｘ浄化触媒装置がある。このＮＯｘ浄化触媒装置の一つに、アルカリ金属又はアルカリ土類金属を貴金属と共に担持して、酸素過剰な排気ガス中のＮＯ（一酸化窒素）を酸化してＮＯ2（二酸化窒素）にし、このＮＯ2を硝酸塩として触媒上に吸着させて、ＮＯｘを浄化するＮＯｘ吸蔵還元型触媒を担持した装置がある。このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、排気ガスが酸素過剰なリーン空燃比状態では、ＮＯｘを吸蔵し、酸素濃度が低いか、空燃比が１より小さいリッチ空燃比状態では、吸蔵したＮＯｘを放出すると共に、この放出されたＮＯｘを還元雰囲気中で還元して、ＮＯｘを低減する。
【０００３】
また、排気ガス浄化装置の別の装置として、ＮＯｘを吸蔵することはできないが、貴金属を主に担持して、その酸化作用により、ＣＯ（一酸化炭素）やＨＣ（炭化水素）を酸化除去する酸化触媒装置がある。更に、排気ガス中のＰＭ（微粒子状物質）を捕集して、フィルタに担持した酸化触媒やＰＭ酸化触媒により酸化除去する触媒付きフィルタ装置がある。
【０００４】
これらの排気ガス浄化装置を使用して、内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ、ＰＭ等の有害成分を浄化して、これらの有害成分の大気中への放出量を減少し、排出基準以下にまで下げている。
【０００５】
しかしながら、これらの触媒を使用した排気ガス浄化システム（排気ガスの後処理システム）では、触媒の種類にもよるが、概略、２００℃〜２５０℃の温度に到達してから、触媒はその浄化反応を開始する。そのため、触媒の温度がこの活性化温度に到達するまでは、排気ガス中の有害成分を触媒反応で除去することはできず、有害成分がそのまま大気中へ排出されてしまう。従って、触媒が活性化して浄化反応が可能となる温度まで、触媒を昇温させる必要がある。
【０００６】
また、触媒の脱硫（硫黄脱離）処理の際には、触媒をリッチ空燃比状態で脱硫可能温度以上に維持する必要があるが、脱硫処理中での触媒温度の低下を防いで高温状態で温度維持するために、触媒に流入する高温の排気ガスにより触媒を昇温する従来技術では、排気ガス中の未燃燃料（未燃ＨＣ）を燃焼させて排気ガス温度を上昇させるために、脱硫処理中においても、排気ガスを定期的にリーン空燃比状態にして酸素を供給して未燃燃料を燃焼する処理が必要であり、この未燃燃料の発熱反応に必要な処理のための時間、即ち、排気ガス昇温処理のための時間が必要となり、脱硫処理時間が長くなるという問題がある。また、この排気ガスの温度維持のためにリーン空燃比状態へ切り替えた直後に、即ち、酸素供給直後に、触媒が過加熱されて、この過加熱によって触媒の熱劣化が生じるという問題がある。
【０００７】
また、脱硫処理制御に限らず、触媒が高温になった場合にも、触媒による排気ガスの浄化性能が下がったり、触媒が熱劣化したりするという問題がある。例えば、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒では、４５０℃以上の温度域に入った場合には、ＮＯを酸化させて得たＮＯ2が温度に依存して分解するため、この温度域に入るとＮＯｘの浄化率が下がってしまう。
【０００８】
従って、これらのＮＯｘ浄化触媒装置、酸化触媒装置、触媒付きフィルタ装置を備えた排気ガス浄化システムにおいては、エンジン始動直後等で触媒の温度が低い場合や脱硫処理等の場合等では、触媒を加熱して活性化温度までの到達時間を短くする必要がある。また、エンジンの運転状態が高負荷運転等で、排気ガス温度が高い場合や脱硫処理後の場合等では、触媒を冷却して所定の温度以下に維持する必要がある。
【０００９】
一方、水等の気相と液相に交互変化し易い媒体を封入し、この媒体の相変化に伴う潜熱の出入を利用して熱を移動させるヒートポンプが熱移動の手段として利用されており、エンジンにも利用され始めている。
【００１０】
例えば、ヒートポンプの吸熱側熱交換器を内燃機関エンジンの排気通路に設けると共に、ヒートポンプの放熱側熱交換器をヒータコアの冷却水通路に設けて、排気ガスの熱をヒータコアの冷却水に伝達する排気熱回収装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１１】
また、ヒートポンプの吸熱部を排気マニホールドの熱交換器に、ヒートポンプの発熱部をエンジンの冷却水通路に設けて、排気ガスの熱を冷却水に伝達するエンジンの排気熱回収装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【００１２】
更に、ヒートポンプの発熱部を熱負荷（吸収冷凍機、暖房設備、ボイラー等）への温水の温度上昇に用いると共に、ヒートポンプの吸熱部を、エンジン運転補助部材（過給機や潤滑油）で用いた温水からの吸熱に用いる熱回収発電装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【００１３】
しかしながら、これらの排気熱回収装置では、触媒の温度管理にヒートポンプを用いることに関しては触れられていない。本発明者は、ヒートポンプを用いて触媒の加熱と冷却の両方を行うことで触媒の温度管理を容易に行うことができるとの知見を得て本発明に至ったものである。
【００１４】
【特許文献１】特開２００７−３０３４３５号公報
【特許文献２】実開昭６３−１００６２４号公報
【特許文献３】実開昭６３−９８４４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、ＮＯｘ浄化触媒装置、酸化触媒装置、触媒付きフィルタ装置等の触媒を担持した排気ガス浄化装置を備えた排気ガス浄化システムにおいて、触媒を加熱する必要があるときには、触媒を担持した部分を加熱して迅速に活性化温度以上にして触媒の浄化機能を効率よく利用できると共に、触媒を冷却する必要があるときには、触媒を担持した部分を冷却して所定の温度以下に維持して浄化率の低下及び熱劣化を防止できる排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の目的を達成するための本発明の排気ガス浄化システムは、触媒を担持した排気ガス浄化装置を排気通路に設けた排気ガス浄化システムにおいて、前記触媒を加熱又は冷却するための触媒用熱交換部を設けて、前記排気通路に設けた排気熱吸収部と前記触媒用熱交換部との間で第１のヒートポンプを形成すると共に、前記触媒用熱交換部と冷却水又は外気に熱を放出する排熱部との間で第２のヒートポンプを形成し、前記触媒を加熱する必要があるときには、前記第１のヒートポンプにより、前記排気熱吸収部で吸収した排気ガスの熱を前記排気ガス浄化装置に供給し、前記触媒を冷却する必要があるときには、前記第２のヒータポンプにより、前記排気ガス浄化装置の熱を前記触媒用熱交換部で吸収して、この吸収した熱を前記排熱部に供給するヒートポンプ制御手段を備えて構成する。
【００１７】
この構成によれば、触媒を加熱する必要があるときには、第１のヒートポンプを使用して、エンジンの排気ガスの熱で触媒を加熱でき、また、触媒を冷却する必要があるときには、第２のヒートポンプを使用して、触媒を冷却して適温に維持することができる。つまり、ヒートパイプの特性を利用して、触媒加熱時では、排気熱を利用して触媒加熱の効果を高めて、触媒昇温のための時間の短縮を図ることができ、また、触媒冷却時には、媒体の蒸気の放熱効果を利用して触媒の熱を冷却水や大気中へ放熱し触媒の冷却を促進することができる。
【００１８】
また、排気ガスの熱をヒートポンプで触媒に供給するため、触媒に流入する高温の排気ガスからの熱伝達で触媒を昇温する従来技術に比べて、排気ガスの温度を低温化できる。そのため、触媒や触媒付きフィルタの再生処理時や脱硫処理時等で、従来技術のように触媒を加熱するために、排気管内へ未燃燃料（未燃ＨＣ（炭化水素））を直接噴射する必要がなくなり、本発明ではリッチ空燃比状態にするためだけの未燃燃料を供給すればよいので、従来技術に比べて本発明では未燃燃料の供給量を低減することができ、その結果、未燃燃料の大気中への流出量も抑制できる。
【００１９】
しかも、触媒用熱交換部を、第１のヒートポンプと第２のヒートポンプとで共用し、第１のヒートポンプではヒートポンプの媒体が気化する発熱部として使用し、第２のヒートポンプではヒートポンプの媒体が液化する吸熱部として使用するので、熱交換システムを単純化することができる。
【００２０】
上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記触媒の温度を指標する触媒温度指標温度を検出する触媒温度指標温度検出手段を設けると共に、前記ヒートポンプ制御手段が、この触媒温度指標温度検出手段で検出された触媒温度指標温度が予め設定した第１判定温度以下の場合には、前記第１のヒートポンプを作動させると共に前記第２のヒートポンプを停止し、この検出された触媒温度指標温度が予め設定した第２判定温度を超えた場合には、前記第１のヒートポンプを停止させると共に前記第２のヒートポンプを作動する制御を行うように構成する。
【００２１】
ここで、「触媒温度指標温度」は、触媒温度そのもの又はその温度を指標する温度のことを言う。これは、触媒温度を直接計測することが難しい場合が多いので、代わりにこの触媒温度に密接な関係を持った温度、例えば、触媒を担持する排気ガス浄化装置に流入する排気ガスの温度や排気ガス浄化装置から流出する排気ガスの温度を用いることもある。そのため、触媒温度の代わりに用いる温度も含む表現として「触媒温度指標温度」と表現している。
【００２２】
この第１判定温度は、触媒の活性化温度やＰＭ強制再生や脱硫等の処理が可能になる温度、即ち、処理の下限温度に関係する温度であり、触媒の種類にもよるが、酸化触媒やＮＯｘ吸蔵還元型触媒では、２００℃〜３００℃の範囲内の温度であり、例えば２５０℃に設定される。また、触媒付フィルタのＰＭ強制再生処理では、第１判定温度を触媒の脱硫可能温度に関係する７００℃程度に設定される。
【００２３】
また、第２判定温度は、触媒の浄化性能低下開始温度や熱劣化開始温度（例えば、８００℃）に関係する温度、即ち、上限に関する温度であり、触媒の種類にもよるが、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒では、ＮＯｘ浄化性能の面から４００℃〜５００℃の範囲内の温度であり、例えば４５０℃に設定される。また、酸化触媒や触媒付フィルタでは、熱劣化の面から６５０℃〜７５０℃の範囲内の温度であり、例えば７００℃に設定される。なお、触媒付フィルタの未燃燃料吸着処理では、活性化温度に関係する２５０℃程度に設定される。
【００２４】
この構成によれば、比較的簡単な制御で、第１のヒートポンプと第２のヒートポンプを使い分けて、触媒温度指標温度が第１判定温度以下のときにはエンジンの排気ガスの熱で触媒を加熱でき、また、触媒温度指標温度が第２判定温度を超えたときには触媒を冷却して適温に維持することができる。
【００２５】
この触媒の加熱及び冷却の両方が制御可能なシステムにより、使用する触媒の浄化性能を十分に発揮するのに適した温度域内に、触媒の温度を維持することが容易にできるようになる。
【００２６】
上記の排気ガス浄化システムにおいて、前記排気熱吸収部を設けた排気通路部分を迂回する排気バイパス通路を設けると共に、前記排気熱吸収部を設けた排気通路部分に排気ガスを通過させる場合と前記排気バイパス通路に排気ガスを通過させる場合とに切り替える排気ガス切替手段を設け、前記ヒートポンプ制御手段が、前記第１のヒートポンプを停止している時は、前記排気ガス切り替え手段により、前記排気バイパス通路に排気ガスを通過させる制御を行うように構成する。
【００２７】
この構成によれば、第１のヒートポンプの作動が停止している時には、第１のヒートポンプの吸熱部である排気熱吸収部への排気ガスの熱の供給が停止されるので、第１のヒートポンプ内部における媒体が過剰に温められて媒体の圧力が過剰に上昇することを回避できる。
【００２８】
そして、上記の目的を達成するための本発明の排気ガス浄化方法は、触媒を担持した排気ガス浄化装置を排気通路に設けた排気ガス浄化システムの排気ガス浄化方法において、前記触媒を加熱する必要があるときには、排気通路に設けた排気熱吸収部と、前記排気ガス浄化装置に設けた触媒用熱交換部との間で形成した第１のヒートポンプにより、前記排気熱吸収部で吸収した排気ガスの熱を前記排気ガス浄化装置に供給して前記触媒を加熱し、前記触媒を冷却する必要があるときには、前記触媒用熱交換部と冷却水又は外気に熱を放出する排熱部との間で形成した第２のヒートポンプにより、前記排気ガス浄化装置の熱を前記触媒用熱交換部で吸収して、この吸収した熱を前記排熱部に供給して前記触媒を冷却することを特徴とする方法である。
【００２９】
この方法によれば、第１のヒートポンプにより触媒を加熱できるので、エンジン始動直後のように、触媒が低温で触媒を加熱する必要があるときには、迅速に触媒を昇温できる。また、第２のヒートポンプにより触媒を冷却できるので、エンジン高負荷運転時のように、触媒が高温で触媒を冷却する必要があるときには、触媒を冷却して適温に維持することができる。つまり、ヒートパイプの特性を利用して、触媒を加熱するときは、排気熱を利用して触媒加熱の効果を高めて、触媒昇温のための時間の短縮を図ることができ、また、触媒を冷却するときは、媒体の蒸気の放熱効果を利用して触媒の熱を冷却水や大気中への放熱し触媒の冷却を促進することができる。
【００３０】
しかも、この方法では、触媒用熱交換部を、第１のヒートポンプと第２のヒートポンプとで共用し、第１のヒートポンプではヒートポンプの媒体が気化する発熱部として使用し、第２のヒートポンプではヒートポンプの媒体が液化する吸熱部として使用するので、熱交換システムを単純化することができる。
【００３１】
上記の排気ガス浄化方法において、前記触媒の温度を指標する触媒温度指標温度を検出する触媒温度指標温度検出手段で検出された触媒温度指標温度が、予め設定した第１判定温度以下の場合には、前記第１のヒートポンプを作動させると共に前記第２のヒートポンプを停止し、この検出された触媒温度指標温度が予め設定した第２判定温度を超えた場合には、前記第１のヒートポンプを停止させると共に前記第２のヒートポンプを作動するようにする。
【００３２】
この方法によれば、比較的簡単な制御で、第１のヒートポンプと第２のヒートポンプを使い分けて、触媒加熱時にはエンジンの排気ガスの熱で触媒を効率よく加熱でき、また、触媒冷却時には触媒を効率よく冷却して適温に維持することができる。この触媒の加熱及び冷却の両方が制御可能なシステムにより、使用する触媒の浄化性能の発揮に適した温度域内に、触媒の温度を維持することが容易にできるようになる。なお、この「触媒温度指標温度」と「第１判定温度」と「第２判定温度」は、上記したものと同じである。
【００３３】
上記の排気ガス浄化方法において、前記排気ガス浄化装置の前記触媒の脱硫処理制御において、脱硫制御を開始した後では、前記触媒の温度を指標する触媒温度指標温度を検出する触媒温度指標温度検出手段で検出された触媒温度指標温度が、予め設定した第１判定温度以下では、前記第１のヒートポンプを作動すると共に前記第２のヒートポンプを停止して前記触媒を加熱し、前記触媒温度指標温度が、前記第１判定温度を越え、かつ、前記第１判定温度より高い予め設定した第２判定温度以下のときには、前記第１のヒートポンプと前記第２のヒートポンプを停止して、触媒の脱硫を行い、前記触媒温度指標温度が、前記第２判定温度を越えたときには、前記第１のヒートポンプを停止したまま前記第２のヒートポンプを作動して前記触媒を冷却して、触媒の脱硫を行い、脱硫完了後は、前記触媒温度指標温度が前記第２判定温度以下の予め設定した第３判定温度以下に降温するまで、前記第１のヒートポンプは停止したままで、前記第２のヒートポンプを作動するようにする。
【００３４】
この「触媒温度指標温度」「第１判定温度」「第２判定温度」は上記と同じであるが、脱硫制御であるので、第１判定温度は触媒の脱硫可能温度に関係する温度であり、触媒の種類にもよるが、酸化触媒やＮＯｘ吸蔵還元型触媒や触媒付きフィルタでは、６００℃〜７００℃の範囲内の温度であり、例えば６５０℃に設定される。また、第２判定温度は触媒が熱劣化を生じない温度であり、７００℃〜８００℃の範囲内の温度であり、例えば７５０℃に設定される。
【００３５】
また、第３判定温度は触媒を担持した排気ガス浄化装置が周囲の環境に対して悪影響を及ぼさない安全温度に関係する温度であり、３００℃〜４００℃の範囲内の温度であり、例えば３５０℃に設定される。
【００３６】
この方法によれば、特に、脱硫処理時においては、触媒温度を脱硫可能温度以上に維持することが必要であるが、従来技術のように排気ガス中の未燃燃料を燃焼させて排気ガス温度を上昇させる必要が、本発明ではなくなるので、排気ガスがリッチ空燃比状態を維持するのに必要な最低限の量になるように、排気ガス中への酸素供給量を減らした状態で、排気温度を脱硫可能温度以上の温度に維持できるようになる。
【００３７】
そのため、触媒に流入する排気ガスの昇温により触媒を昇温する従来技術では、脱硫処理に必要な高温維持のために、脱硫処理中に、エンジンの排気ガスを定期的にリーン空燃比状態にして酸素を供給して未燃燃料を燃焼する処理が必要であったが、本発明では、この未燃燃料の発熱反応に必要な処理のための時間を不要にすることができるので、脱硫処理時間を短くすることができる。それと共に、従来技術における酸素供給直後の触媒の過加熱を、本発明では回避することができるので、この過加熱による触媒の熱劣化を回避できる。
【００３８】
また、触媒の冷却が可能なので、脱硫（硫黄脱離）処理後に、排気ガス浄化装置の周囲の環境に対して安全となる安全温度より低い低温度域まで、排気ガス浄化装置を冷ますための時間を短縮することができる。
【００３９】
上記の排気ガス浄化方法において、前記第１のヒートポンプを停止している時は、前記排気熱吸収部を設けた排気通路部分を迂回させて排気ガスを流すようにする。この方法によれば、第１のヒートポンプの作動が停止している時には、第１のヒートポンプの吸熱部である排気熱吸収部への排気ガスの熱の供給が停止されるので、第１のヒートポンプ内部における媒体の圧力が過剰に上昇することを回避できる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明に係る排気ガス浄化システムによれば、ＮＯｘ浄化触媒装置、酸化触媒装置、触媒付きフィルタ装置等の触媒を用いた排気ガス浄化装置において、ヒートパイプの特性を利用して、触媒を加熱する必要があるときは、排気熱を利用して触媒加熱の効果を高めて、触媒昇温のための時間の短縮を図ることができ、また、触媒を冷却する必要があるときは、媒体の蒸気の放熱効果を利用して触媒の熱を冷却水や大気中への放熱し触媒の冷却を促進することができる。
【００４１】
そのため、触媒を加熱する必要があるときには、第１のヒートポンプを使用して、エンジンの排気ガスの熱で触媒を加熱できるので、触媒温度が活性化温度以上になるために必要な時間を短縮して、触媒が活性化温度域までの昇温するまでの間に放出される有害成分の排出を減少することができる。また、触媒を冷却する必要があるときには、第２のヒートポンプを使用して、触媒を冷却して適温に維持することができる。しかも、この構成では、触媒用熱交換部を、第１のヒートポンプと第２のヒートポンプとで共用し、第１のヒートポンプではヒートポンプの媒体が気化する発熱部として使用し、第２のヒートポンプではヒートポンプの媒体が液化する吸熱部として使用するので、熱交換システムを単純化することができる。
【００４２】
また、本発明に係る排気ガス浄化方法によれば、ＮＯｘ浄化触媒装置、酸化触媒装置、触媒付きフィルタ装置等の触媒を用いた排気ガス浄化装置において、ヒートパイプの特性を利用して、触媒を加熱する必要があるときは、排気熱を利用して触媒加熱の効果を高めて、触媒昇温のための時間の短縮を図ることができ、また、触媒を冷却する必要があるときは、媒体の蒸気の放熱効果を利用して触媒の熱を冷却水や大気中への放熱し触媒の冷却を促進することができる。
【００４３】
そのため、エンジン始動直後の暖機運転や低負荷運転のように、触媒が低温で触媒を加熱する必要があるときには、第１のヒートポンプにより触媒を加熱して迅速に触媒を昇温できる。また、エンジン高負荷運転時のように、触媒が高温で触媒を冷却する必要があるときには、第２のヒートポンプにより触媒を冷却して適温に維持することができる。
【００４４】
しかも、この方法では、触媒用熱交換部を、第１のヒートポンプと第２のヒートポンプとで共用し、第１のヒートポンプではヒートポンプの媒体が気化する発熱部として使用し、第２のヒートポンプではヒートポンプの媒体が液化する吸熱部として使用するので、熱交換システムを単純化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
以下、本発明に係る実施の形態の排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明の実施の形態の排気ガス浄化システム１の構成を示す。この排気ガス浄化システム１は、エンジン（内燃機関）２の排気通路３に、排気ガスＧ中の有害成分を浄化する触媒を担持したＮＯｘ浄化触媒装置、酸化触媒装置、触媒付きフィルタ装置のいずれか又は幾つかの組み合わせで形成される排気ガス浄化装置１０を配置して構成される。
【００４６】
排気ガス浄化装置１０がＮＯｘ吸蔵還元型触媒を担持したＮＯｘ浄化触媒装置の場合には、排気ガス中のＮＯｘを浄化するために、モノリス触媒で形成される。このモノリス触媒のコージェライトハニカム等の担持体に酸化アルミニウム、酸化チタン等の触媒コート層を設ける。この触媒コート層に、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の触媒金属と、バリウム（Ｂａ）等のＮＯｘ吸蔵材（ＮＯｘ吸蔵物質）とからなるＮＯｘ吸蔵還元触媒を担持させて構成される。
【００４７】
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、酸素濃度が高い排気ガスの状態、即ち、空燃比リーン状態の時に、排気ガス中のＮＯｘをＮＯｘ吸蔵材が吸蔵することにより、排気ガス中のＮＯｘを浄化し、酸素濃度が低いか空燃比が１より小さい空燃比リッチ状態か、あるいは、空燃比が１の空燃比ストイキ状態の時に、吸蔵したＮＯｘを放出すると共に、この放出されたＮＯｘを触媒金属の触媒作用により還元することにより、大気中へのＮＯｘの流出を防止する。
【００４８】
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、空燃比リーン状態が継続すると、ＮＯｘ吸蔵材が硝酸塩に変化してしまうため、ＮＯｘ吸蔵能力が飽和する前に、排気ガスを空燃比リッチ状態にする再生制御を行って、吸蔵したＮＯｘを放出及び還元して、ＮＯｘ吸蔵能力を回復している。
【００４９】
この排気ガス浄化装置１０が、酸化触媒を担持した酸化触媒装置の場合には、排気ガス中のＨＣ（炭化水素）を酸化して排気ガス温度を上昇させたり、排気ガス中のＮＯ（一酸化窒素）を酸化してＮＯ2 （二酸化窒素）にしてＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化し易くしたりするために、多孔質のセラミックのハニカム構造等の担持体に、白金等の酸化触媒を担持させて形成される。
【００５０】
また、排気ガス浄化装置１０が、触媒付きフィルタ装置の場合には、排気ガス中のＰＭ（微粒子状物質）を浄化するために、多孔質のセラミックのハニカムのチャンネル（排気ガスの通路）の入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型ウォールフロータイプのフィルタ等で形成される。このフィルタの部分に、比較的高温ではＰＭやＨＣの酸化を促進するように、また、比較的低温ではＨＣを吸着できるように、白金や酸化セリウム等の触媒が担持される。排気ガス中のＰＭは、この触媒付きフィルタ装置の多孔質セラミックの壁で捕集される。
【００５１】
この触媒付きフィルタ装置では、ＰＭの捕集量が増加して圧力損失が増加するのを防止するために、ＰＭの捕集量が所定の捕集量を超えた場合や触媒付きフィルタ装置の前後差圧が所定の差圧量を超えた場合に、排気ガス温度を上昇して、触媒付きフィルタ装置をＰＭの燃料温度以上に昇温する排気昇温制御を行う。この排気昇温制御では、未燃燃料供給制御を含む空燃比リッチ制御が行われる。
【００５２】
本発明においては、図１〜図３に示すように、排気ガス浄化システム１は、第１のヒートポンプ２０と第２のヒートポンプ３０とを設けて構成される。
【００５３】
図２に示すように、この第１のヒートポンプ２０は、排気通路３に設けた排気熱吸収部（熱吸収部）２１と排気ガス浄化装置１０に設けた触媒用熱交換部（熱放出部）２２と、この排気熱吸収部２１と触媒用熱交換部２２とを連結する第１断熱部２３と第２断熱部２４とから形成される。この第１断熱部２３は、第１制御弁２３ａと第１熱交換用水タンク２３ｂと第１加圧ポンプ２３ｃと、これらを直列に接続した配管２３ｄとで形成される。また、第２断熱部２４は、第２制御弁２４ａとこれを設けた配管２４ｄで形成され、更に、第２断熱部２４には、気相の媒体Ｂ１の圧力を検出する第１圧力センサ２４ｅが設けられる。
【００５４】
また、図３に示すように、第２のヒートポンプ３０は、排気ガス浄化装置１０に設けた触媒用熱交換部（熱吸収部）２２と排熱部（熱放出部）３２と、触媒用熱交換部２２とこの排熱部３２とを連結する第３断熱部３３と第４断熱部３４とから形成される。この第３断熱部３３は、第３制御弁３３ａと第２熱交換用水タンク３３ｂと第２加圧ポンプ３３ｃと、これらを直列に接続した配管３３ｄとで形成される。また、第４断熱部３４は、第４制御弁３４ａとこれを設けた配管３４ｄとで形成される。更に、第４断熱部３４には、気相の媒体Ｂ２の圧力を検出する第２圧力センサ３４ｅが設けられる。
【００５５】
また、図４に示すように、排気通路３において、排気熱吸収部２１を設けた排気通路部分である拡径部３ａを迂回する排気バイパス通路４を設ける。それと共に、排気ガスＧの通路を、拡径部３ａと排気バイパス通路４との間で切り替えるための排気ガス切替手段を設ける。この排気ガス切替手段は、拡径部３ａの上流側における、排気通路３からの排気バイパス通路４の分岐部位に設けた第１排気切替弁４ａと、拡径部３ａの下流側における、排気バイパス通路４の排気通路３への合流部位に設けた第２排気切替弁４ｂと、これらの第１排気切替弁４ａと第２排気切替弁４ｂの切替制御を行う排気ガス切替制御装置から構成される。
【００５６】
この排気ガス切替制御装置により、第１排気切替弁４ａを排気ガスＧが拡径部３ａ側に流れるように切り替えると共に、第２排気切替弁４ｂを排気ガスＧが拡径部３ａ側から下流の排気通路３側に流れるように切り替えることで、排気ガスＧを拡径部３ａに流す。また、排気ガス切替制御装置により、第１排気切替弁４ａを排気ガスＧが排気バイパス通路４側に流れるように切り替えると共に、第２排気切替弁４ｂを排気ガスＧが排気バイパス通路４側から下流の排気通路３側に流れるように切り替えることで、拡径部３ａを迂回して、排気ガスＧを排気バイパス通路４に流す。
【００５７】
なお、この排気ガス切替制御装置は、後述するヒートポンプ制御手段段４０ａに組み込まれる。この排気ガス切替制御装置は、第１のヒートポンプ２０を停止している時は、排気ガス切替手段により、排気バイパス通路４に排気ガスＧを通過させる制御を行う。
【００５８】
そして、図５に模式的に示すように、この第２のヒートポンプ３０の熱吸収部は、第１のヒートパイプ２０の熱放熱部である触媒用熱交換部２２で兼用される。そのため、第２のヒートポンプ３０の媒体Ｂ２は第１のヒートポンプ３０の媒体Ｂ１と同じ媒体とする。また、排熱部３１は、図１及び図３に示すように、エンジンの冷却水Ｗとの間で熱交換する熱交換器で形成される。この排熱部３１は、大気との間で熱交換する熱交換器で形成してもよい。これらの熱交換器はプレート型熱交換器等の周知の技術の熱交換器で形成できる。
【００５９】
ここで用いるヒートポンプは、図６の「水の状態図」に示すようの、媒体として水を使用し、この媒体の気相と液相との相変化に伴う潜熱を利用するものであり、熱吸収部で液相の媒体が外部から熱を吸収して外部を冷却して気化する。この気化した媒体は断熱部を経由して熱放出部に移送され、熱放出部で外部に熱を放出して外部を加熱して液化する。この液化した媒体は断熱部を経由して熱吸収部に戻される。この媒体の循環により、熱吸収部での吸熱と、熱放出部の放熱を連続して行う。また、媒体の移動には、加圧ポンプと配管内の一部に設けられた金網での毛管現象を用いる。
【００６０】
なお、図６では、線Ｌ１は融解曲線を、線Ｌ２は昇華圧曲線を、線Ｌ３は蒸気圧曲線を示し、点Ｐ１は臨界点を、点Ｐ２は三重点を示す。また、第１及び第２のヒートポンプ２０、３０では、斜線部のＺ１，Ｚ２の領域内に対応する温度と圧力を使用している。なお、図６の図中の圧力の１ａｔｍは１０１．３３ｋＰａで、２７１．６ａｔｍは、２７．５２１ＭＰａである。
【００６１】
また、排気熱吸収部２１は、図７に示すように、拡径した排気管３ａ内に配設された、第１のヒートポンプ２０の媒体（ここでは水を使用）Ｂ１が流れる熱交換部で形成される。また、触媒用熱交換部２２は、図８〜図１０に示すように、排気ガス浄化装置１０の外側周囲に設けられた触媒表面熱交換部で形成される。
【００６２】
この図８は、角型の排気ガス浄化装置１０の周囲に設けられた熱交換器で形成された触媒用熱交換部２２を示し、図９と図１０は、楕円形の触媒担持体（ハニカム構造）１０ａの外周に設けた触媒用熱交換部２２を示す。この触媒担持阿智１０ａは触媒を担持する部分である。この図９と図１０に示す触媒用熱交換部２２では、触媒担持体１０ａを包む金属筐体１０ｂの表面に、熱交換面積を数百倍に広げるために繊維状金属１０ｃを焼結し接合させている。なお、繊維状金属１０ｃの代わりに金属微粒子、多孔質金属等を金属筐体１０ｂの表面に焼結して接合してもよい。
【００６３】
また、図１１及び図１２に示すように、第１断熱部２３の配管２３ｄの内部には、液化した媒体Ｂ１を付着させて、排気熱吸収部（熱吸収部）２１への移動を促進させるために金網２３ｄａを設ける。また、第２断熱部２４の配管２４ｄ、第３断熱部３４の配管３４ｄ、第４断熱部３４の配管３４ｄも同様な内部構造にして構成する。
【００６４】
更に、排気ガス浄化装置１０に流入する排気ガスの温度Ｔｇを検出する排気ガス温度センサ４１と、排気ガス浄化装置１０の触媒温度（触媒温度指標温度）Ｔｃを検出する触媒温度センサ（触媒温度指標温度検出手段）４２を設ける。これらの温度センサ４１、４２は熱電対等で形成できる。それと共に、第１及び第２のヒートポンプ２０、３０の作動を制御するためのヒートポンプ制御手段４０ａを、エンジンの制御を行うエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）等と呼ばれる制御装置（ＥＣＵ）４０に設ける。
【００６５】
このヒートポンプ制御手段４０ａは、触媒温度センサ４２で検出された触媒温度Ｔｃが予め設定した第１判定温度Ｔｃ１以下の場合には第１のヒートポンプ２０を作動させると共に第２のヒートポンプ３０を停止し、この検出された触媒温度Ｔｃが予め設定した第２判定温度Ｔｃ２を超えた場合には第１のヒートポンプ２０を停止させると共に第２のヒートポンプ３０を作動する制御を行うように構成する。
【００６６】
第１のヒートポンプ２０の作動は、第１圧力センサ２５で検出される第１圧力値Ｐａに基づいて、第１制御弁２３ａと第２制御弁２４ａを開弁し、第１加圧ポンプ２３ｃを作動させると、液相の媒体Ｂ１は、第１熱交換用水タンク２３ｂから排気熱吸収部２１に供給される。媒体Ｂ１は、排気熱吸収部２１で熱を吸収して気化し、配管２４ｂと第２制御弁２４ａを経由して触媒用熱交換部２２に供給される。気相の媒体Ｂ１は触媒用熱交換部２２で熱を放出し液化する。一方、排気ガス浄化装置１０の触媒担持体１０ａでは、この媒体Ｂ１の熱を受けて昇温する。液化した媒体Ｂ１は第１制御弁２３ａと第２断熱部２４を経由して第１熱交換用水タンク２３ｂに戻る。
【００６７】
この第１のヒートポンプ２０の作動により、排気ガス浄化装置１０の触媒を加熱する必要があるときには、排気熱吸収部２１で吸収した排気ガスＧの熱を排気ガス浄化装置１０に供給する。
【００６８】
また、第２のヒートポンプ２０の作動は、第２圧力センサ３４で検出される第２圧力値Ｐｂに基づいて、第３制御弁３２ａと第４制御弁３３ａを開弁し、第２加圧ポンプ３２ｃを作動させると、液相の媒体Ｂ２は、第２熱交換用水タンク３２ｂから触媒用熱交換部２２に供給される。媒体Ｂ２は、触媒用熱交換部２２で熱を吸収して気化し、配管３３ｂと第４制御弁３３ａを経由して排熱部３１に供給される。気相の媒体Ｂ２は排熱部３１で熱を放出し液化する。一方、エンジンの冷却水Ｗでは、この媒体Ｂ２の熱を受けて昇温するが、ラジエータ等の冷却システムで冷却される。排熱部３２で液化した媒体Ｂ２は第３制御弁３２ａを経由して第２熱交換用水タンク３２ｂに戻る。
【００６９】
この第２のヒータポンプ２０の作動により、排気ガス浄化装置１０の触媒を冷却する必要があるときには、排気ガス浄化装置１０の熱を触媒用熱交換部２２で吸収して、この吸収した熱を排熱部３１に放出する。
【００７０】
次に、上記の構成の排気ガス浄化システム１における排気ガス浄化方法について説明する。本発明においては、この第１のヒートポンプ２０と第２のヒートポンプ３０は、暖機運転や低負荷運転等で触媒を加熱する必要がある場合と、触媒付きフィルタの蓄積したＰＭを燃焼除去するためのＰＭ強制再生処理や、触媒を硫黄被毒から回復させるための脱硫処理等で、触媒を冷却する必要がある場合とで、それぞれの場合に応じて次のように制御される。
【００７１】
最初に、暖機運転や低負荷運転の場合等で使用される触媒加熱制御について、図１３の制御フローを参照しながら説明する。エンジンが始動される等して、上級の制御フローで触媒を加熱する必要があると判定されて、図１３の制御フローが上級の制御フローから呼ばれてスタートすると、ステップＳ１１で、排気ガス温度センサ４１で検出された排気ガス温度Ｔｇと予め設定した排気ガス判定温度Ｔｇｃを入力する。この状態では、第１制御弁２３ａと第２制御弁２４ａは両方とも閉弁している。また、第１排気切替弁４ａと第２排気切替弁４ｂは排気ガスを排気バイパス通路４に流すように切り替えられている。
【００７２】
次のステップＳ１２で、排気ガス温度Ｔｇが排気ガス判定温度Ｔｇｃを超えているか否かを判定する。このステップＳ１２の判定で、排気ガス温度Ｔｇが排気ガス判定温度Ｔｇｃ以下のときには（ＮＯ）、予め設定した時間（排気ガス温度Ｔｇのチェックのインターバルに関係する時間）を経過した後に、ステップＳ１１に戻る。これにより排気ガスＧの上昇を待つ。この排気ガス判定温度Ｔｇｃは排気ガスＧから熱を回収してもよい排気ガス温度であり、例えば、１５０℃に設定される。
【００７３】
また、このステップＳ１２の判定で、排気ガス温度Ｔｇが排気ガス判定温度Ｔｇｃを超えているときには（ＹＥＳ）、ステップＳ１３に行き、第１のヒートポンプ２０の作動を開始する。この作動開始では、排気ガスＧが排気通路２の拡径部２ａを通過するように、第１排気切替弁３ａと第２排気切替弁３ｂを切り替える。それと共に、第１加圧ポンプ２３ｃを数秒作動させた後、第１加圧ポンプ２３ｃを停止し、開弁していた第１制御弁２３ａを閉弁する。これにより、液相の媒体Ｂ１を、小流量だけ排気熱吸収部２１に供給し第１熱交換用水タンク２３ｂから排気熱吸収部２１に供給する。排気熱吸収部２１に供給された媒体Ｂ１は排気ガスＧから熱を吸収して気化する。
【００７４】
このステップＳ１３の制御をした後、ステップＳ１４に行き、第１圧力センサ２４で検出された第１圧力値Ｐａと予め設定された第１判定圧力値Ｐａｃを入力し、ステップＳ１５で、この第１圧力値Ｐａが第１判定圧力値Ｐａｃを超えたか否かを判定する。この第１判定圧力値Ｐａｃは気化した媒体Ｂ１の触媒用熱交換部２２への供給を開始する圧力であり、例えば、１０ｋＰａに設定される。
【００７５】
このステップＳ１５の判定で、第１圧力値Ｐａが第１判定圧力値Ｐａｃ以下のときには（ＮＯ）、予め設定した時間（第１圧力値Ｐａのチェックのインターバルに関係する時間）を経過した後に、ステップＳ１４に戻る。これにより、排気熱吸収部２１で気化した媒体Ｂ１の圧力である第１圧力値Ｐａが第１判定圧力値Ｐａｃを超えるのを待つ。
【００７６】
このステップＳ１５の判定で、第１圧力値Ｐａが第１判定圧力値Ｐａｃを超えたときには（ＹＥＳ）、ステップＳ１６に行き、第１制御弁２３ａは閉弁したままで、第２制御弁２４ａを開弁し、排気熱吸収部２１で熱を吸収して気化した媒体Ｂ１を配管２４ｂと第２制御弁２４ａを経由して触媒用熱交換部２２に供給する。このときは、第１加圧ポンプ２３ｃは、第１圧力値Ｐａが第１判定圧力Ｐｃａ以下では作動し、その他の場合は作動を停止している。
【００７７】
この気相の媒体Ｂ１は触媒用熱交換部２２で熱を放出し液化する。一方、排気ガス浄化装置１０の触媒担持体１０ａでは、この媒体Ｂ１の熱を受けて昇温する。液化した媒体Ｂ１は第１制御弁２３ａを経由して第１熱交換用水タンク２３ｂに戻る。この戻った液相の媒体Ｂ１は、排気熱吸収部２１での媒体Ｂ１の気化に伴い、順次、第１断熱部２３と第２断熱部２４を通って排気熱吸収部２１に移動し、第１のヒートパイプ２０内を循環する。つまり、第１断熱部２３と第２断熱部２４とで同じようにガスは触媒用熱交換部２２へ、液体は排気熱交換部２１へと動く。
【００７８】
次のステップＳ１７で、温度センサ４１で検出した触媒温度Ｔｃと予め設定した第２判定温度Ｔｃ２を入力する。次のステップＳ１８では、触媒温度Ｔｃが第１判定温度Ｔｃ１を超えたか否かを判定する。このステップＳ１８の判定で、触媒温度Ｔｃが第１判定温度Ｔｃ１以下のときには（ＮＯ）、予め設定した時間（触媒温度Ｔｃのチェックのインターバルに関係する時間）を経過した後に、ステップＳ１７に戻る。
【００７９】
なお、触媒温度Ｔｃを直接計測することが難しい場合には、代わりにこの触媒温度Ｔｃに密接な関係を持った温度、例えば、触媒を担持する排気ガス浄化装置１０に流入する排気ガスＧの温度や排気ガス浄化装置１０から流出する排気ガスＧの温度等の触媒温度を指標する温度を用いることもできる。
【００８０】
この第１判定温度Ｔｃ１は、触媒を活性化温度にするために加熱する場合は、触媒の活性化温度に関係する温度であり、触媒の種類にもよるが、酸化触媒やＮＯｘ吸蔵還元型触媒では、２００℃〜３００℃の範囲内の温度であり、例えば２５０℃に設定される。また、触媒付フィルタのＰＭ強制再生処理で、触媒付きフィルタを加熱する場合は、ＰＭの燃焼開始温度に関係する温度であり、触媒の種類にもよるが、６００℃〜７００℃の範囲内の温度であり、例えば６５０℃に設定される。また、触媒の脱硫処理で、触媒を脱硫可能温度にするために加熱する場合は、触媒の脱硫可能温度に関係する温度であり、触媒の種類にもよるが、酸化触媒やＮＯｘ吸蔵還元型触媒では、６５０℃〜７５０℃の範囲内の温度であり、例えば７００℃に設定される。
【００８１】
また、このステップＳ１８の判定で、触媒温度Ｔｃが第１判定温度Ｔｃ１を超えているときには（ＹＥＳ）、ステップＳ１９に行き、第１のヒートパイプ２０の作動を停止する。この作動の停止は、第２制御弁２４ａを閉弁すると共に、第１制御弁２３ａを開弁し、この開弁から数秒後に閉弁する。それと共に、排気ガスＧを排気バイパス通路３を通過するように、第１排気切替弁３ａと第２排気切替弁３ｂを切り替える。このステップＳ１９の第１のヒートパイプ２０の作動停止の後、リターンして上級の制御フローに戻る。
【００８２】
この触媒加熱制御の方法によれば、エンジン始動直後の暖機運転や低負荷運転等で触媒を加熱する必要があるのときには、排気ガスＧの温度Ｔｇが排気ガス判定温度Ｔｇｃより高くなったときに、触媒温度Ｔｃが第１判定温度Ｔｃ１を超えるまでの間、第１のヒートパイプ２０を用いて、排気ガス浄化装置１０の触媒を加熱することができる。
【００８３】
次に、高負荷運転の場合等で使用される触媒冷却制御について、図１４と図１５の制御フローを参照しながら説明する。エンジンが高負荷運転等に入るなどして、上級の制御フローで触媒の冷却が必要であると判定されると、この触媒「冷却制御の前半の図１４の制御フローが上級の制御フローから呼ばれてスタートする。最初のステップＳ２１で、触媒温度センサ４２で検出された触媒温度Ｔｃと予め設定した第２判定温度Ｔｃ２を入力する。次のステップＳ２２で、触媒温度Ｔｃが第２判定温度Ｔｃ２を超えているか否かを判定する。
【００８４】
このステップＳ２２の判定で、触媒温度Ｔｃが第２判定温度Ｔｃ２以下のときには（ＮＯ）、予め設定した時間（触媒温度Ｔｃのチェックのインターバルに関係する時間）を経過した後に、ステップＳ２１に戻る。これにより触媒温度Ｔｃの上昇を待つ。この第２判定温度Ｔｃ２は触媒の冷却を開始する触媒温度である。
【００８５】
この第２判定温度は、触媒の浄化性能低下開始温度や熱劣化開始温度（例えば、８００℃）に関係する温度であり、触媒の種類にもよるが、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒では、ＮＯｘ浄化性能の面から４００℃〜５００℃の範囲内の温度であり、例えば４５０℃に設定される。また、酸化触媒や触媒付フィルタでは、脱硫処理等では、熱劣化の面から６５０℃〜７５０℃の範囲内の温度であり、例えば７００℃に設定される。なお、触媒付フィルタの未燃燃料吸着処理では、第２判定温度を活性化温度に関係する２５０℃程度とする。
【００８６】
また、このステップＳ２２の判定で、触媒温度Ｔｃが第２判定温度Ｔｃ２を超えているときには（ＹＥＳ）、ステップＳ２３に行き、第２のヒートポンプ３０の作動を開始する。この作動開始では、排気ガスＧが排気通路２の拡径部２ａを迂回するように、第１排気切替弁３ａと第２排気切替弁３ｂを切り替える。それと共に、第３制御弁３３ａを開弁して第２加圧ポンプ３３ｃを作動させる。これにより、液相の媒体Ｂ２を、小流量だけ第２熱交換用水タンク３２ｂから触媒用熱交換部２２に供給する。触媒用熱交換部２２に供給された媒体Ｂ２は触媒１０ａから熱を吸収して気化する。
【００８７】
このステップＳ２３の制御をした後、ステップＳ２４に行き、第２圧力センサ３２で検出された第２圧力値Ｐｂと予め設定された第２判定圧力Ｐｂｃを入力し、ステップＳ２５で、この第２圧力値Ｐｂが第２判定圧力Ｐｂｃ以下であるか否かを判定する。この第２判定圧力Ｐｂｃは第２圧力ポンプ３２ａの作動を停止する圧力であり、例えば、１０ｋＰａに設定される。
【００８８】
このステップＳ２５の判定で、第２圧力値Ｐｂが第２判定圧力Ｐｂｃ以下のときには（ＮＯ）、予め設定した時間（第２圧力値Ｐｂのチェックのインターバルに関係する時間）を経過した後に、ステップＳ２４に戻る。これにより、触媒用熱交換部２２で気化した媒体Ｂ２の圧力Ｐｂが第２判定圧力Ｐｂｃを超えるのを待つ。
【００８９】
このステップＳ２５の判定で、第２圧力値Ｐｂが第２判定圧力Ｐｂｃを超えたときには（ＹＥＳ）、ステップＳ２６に行き、第２加圧ポンプ３３ｃを停止させる。
【００９０】
次のステップＳ２７で、第２圧力センサ３２で検出された第２圧力値Ｐｂと予め設定された第３判定圧力Ｐｂｄを入力し、ステップＳ２８で、この第２圧力値Ｐｂが第３判定圧力Ｐｂｄ超えているか否かを判定する。この第３判定圧力Ｐｂｄは気化した媒体Ｂ２の排熱部３１への供給を開始する圧力であり、例えば、１０ｋＰａに設定される。
【００９１】
このステップＳ２８の判定で、第２圧力値Ｐｂが第３判定圧力Ｐｂｄ以下のときには（ＮＯ）、予め設定した時間（第２圧力値Ｐｂのチェックのインターバルに関係する時間）を経過した後に、ステップＳ２３に戻る。これにより、触媒用熱交換部２２で気化した媒体Ｂ２の圧力Ｐｂが第３判定圧力Ｐｂｄを超えるのを待つ。
【００９２】
このステップＳ２８の判定で、第２圧力値Ｐｂが第３判定圧力Ｐｂｄを超えたときには（ＹＥＳ）、ステップＳ２９に行き、第３制御弁３３ａを開弁し、触媒用熱交換部２２で熱を吸収して気化した媒体Ｂ２を配管３３ｂと第４制御弁３３ａを経由して排熱部３１に供給する。この気相の媒体Ｂ２は放熱部３１で熱を放出し液化する。一方、排気ガス浄化装置１０の触媒を担持した部分では、この媒体Ｂ２から熱を放出して降温する。液化した媒体Ｂ１は第３制御弁３２ａを経由して第２熱交換用水タンク２３ｂに戻る。この戻った液相の媒体Ｂ２は、触媒用熱交換部２２での媒体Ｂ２の気化に伴い、順次、第３断熱部３３と第４断熱部３４を通って排熱部３１に移動し、第２のヒートパイプ３０内を循環する。つまり、第３断熱部３３と第４断熱部３４とで同じようにガスは排熱部３２へ、液体は触媒用熱交換部２２へと動く。
【００９３】
前半の図１４は、図４の最後のＡから、後半の図１５の最初のＡに連続しているので、次のステップＳ３０で、触媒温度センサ４１で検出した触媒温度Ｔｃと予め設定した第３判定温度Ｔｃ３を入力する。次のステップＳ３０では、触媒温度Ｔｃが第３判定温度Ｔｃ３以下であるか否かを判定する。このステップＳ３０の判定で、触媒温度Ｔｃが第３判定温度Ｔｃ３を超えているときには（ＮＯ）、予め設定した時間（触媒温度Ｔｃのチェックのインターバルに関係する時間）を経過した後に、ステップＳ２９に戻る。
【００９４】
この第３判定温度Ｔｃ３は触媒が冷却されて、触媒の冷却が不要になる温度であり、第２判定温度Ｔｃ２と同じ場合も異なる場合もある。触媒の脱硫処理などでは、この第３判定温度は、第２判定温度（例えば７００℃）とは別に、脱硫処理後に排気ガス浄化装置１０の周囲の環境に対して安全な低温域まで冷却する場合には、例えば、２５０℃に設定される。
【００９５】
また、このステップＳ３０の判定で、触媒温度Ｔｃが第３判定温度Ｔｃ３以下のときには（ＹＥＳ）、ステップＳ３１に行き、第２のヒートパイプ３０の作動を停止する。この作動の停止は、第４制御弁３２ａを閉弁し、この閉弁と共に第３制御弁３３aを開けてから数秒後に、第３制御弁３２ａを閉弁する。なお、排気ガスＧが排気バイパス通路３を通過するように、第１排気切替弁３ａと第２排気切替弁３ｂを切り替えたままとする。このステップＳ３１の第２のヒートパイプ３０の作動停止の後、リターンして上級の制御フローに戻る。
【００９６】
この触媒冷却制御の方法によれば、エンジンが高負荷運転等で触媒を冷却する必要があるときには、触媒温度Ｔｃが第２判定温度Ｔｃ２より高くなったときに、触媒温度Ｔｃが第２判定温度Ｔｃと同じかそれよりも低い第３判定温度Ｔｃ３以下になるまでの間、第２のヒートパイプ３０を用いて、触媒を冷却することができる。
【００９７】
上記の構成の排気ガス浄化システム１及び排気ガス浄化方法によれば、排気ガス浄化装置１０の触媒を加熱する必要があるときには、第１のヒートポンプ２０を使用して、エンジンの排気ガスＧの熱で触媒を加熱でき、また、排気ガス浄化装置１０の触媒を冷却する必要があるときには、第２のヒートポンプ３０を使用して、触媒を冷却して適温に維持することができる。
【００９８】
つまり、ヒートパイプの特性を利用して、触媒加熱時では、排気熱交換部２１の排気ガスＧの熱で加熱された媒体Ｂ１の蒸気を利用して、触媒用熱交換部２２における触媒加熱の効果を高めて、触媒昇温のための時間の短縮を図ることができ、また、触媒冷却時には、排熱部３２における媒体Ｂ２の蒸気の放熱効果を利用して、触媒用熱交換部２２で受け取った触媒の熱を冷却水Ｗや大気中へ放熱し触媒の冷却を促進することができる。
【００９９】
また、排気ガスＧの熱を第１のヒートポンプ２０で触媒に供給するため、触媒に流入する排気ガスＧの昇温により触媒を昇温する従来技術に比べて、排気ガスＧの温度を高温化する必要がなくなり、排気ガスＧを低温化できる。そのため、排気ガス浄化装置１０の再生処理時や触媒の脱硫処理時に、従来技術のように、触媒を加熱するために排気通路２内へ未燃燃料（未燃ＨＣ）を直接噴射する必要がなくなり、本発明ではリッチ空燃比状態にするためだけの未燃燃料を供給すればよいので、従来技術に比べて、本発明では未燃燃料の供給量を低減することができる。その結果、未燃燃料の大気中への流出量も抑制できる。
【０１００】
つまり、排気ガス昇温のための未燃燃料の燃焼を行わずに、空燃比制御のための未燃燃料の燃焼のみを行って酸素供給量を減らして、触媒を所定のリッチ空燃比雰囲気で、かつ、所定の温度域内に維持することが容易となるため、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒等で、脱硫処理中に不可欠な、空燃比と温度の維持のための時間を減らし、脱硫処理のための制御時間を短くすると共に、従来技術で発生していた酸素供給直後の過加熱防止と触媒の熱劣化防止が可能になる。
【０１０１】
言い換えれば、排気ガスを比較的低温のままで、触媒を加熱できるので、脱硫処理で排気ガスを昇温するために排気管内に直接噴射する未燃燃料の供給量を低減し、未燃燃料の大気中への流出を抑制できる。
【０１０２】
しかも、触媒用熱交換部２２を、第１のヒートポンプ２０と第２のヒートポンプ３０で共用し、第１のヒートポンプ２０ではヒートポンプの媒体Ｂ１が気化する発熱部として使用し、第２のヒートポンプ３０ではヒートポンプの媒体Ｂ２が液化する吸熱部として使用するので、熱交換システムを単純化することができる。
【０１０３】
その上、上記したような比較的簡単な制御で、第１のヒートポンプ２０と第２のヒートポンプ３０を使い分けて、触媒温度Ｔｃが第１判定温度Ｔｃ１以下のときにはエンジンの排気ガスＧの熱で触媒を加熱でき、また、触媒温度Ｔｃが第２判定温度Ｔｃ２を超えたときには触媒を冷却して適温に維持することができる。この触媒の加熱及び冷却の両方が制御可能なシステムにより、使用する触媒の浄化性能を十分に発揮するのに適した温度域に、触媒の温度を維持することが容易にできるようになる。
【０１０４】
従って、触媒の温度Ｔｃを、第１判定温度Ｔｃ１と第２判定温度Ｔｃ２の間の温度域内に容易に維持することができる。つまり、温度調節の対象となる触媒が、酸化触媒であれば、例えば、２５０℃〜７００℃内に触媒の温度を維持し、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒であれば、例えば、２５０℃〜４５０℃の温度域内に触媒の温度を維持できる。更に、これらの触媒の脱硫処理であれば、例えば、６５０℃〜７５０℃の温度域内に触媒の温度を維持できる。特に、比較的触媒容積が大きいＮＯｘ吸蔵還元型触媒の場合に、高温で行う脱硫処理後に、周囲環境に安全な低温度域である例えば２５０℃（第３判定温度Ｔｃ３）以下まで冷却するのに必要な時間を短縮できる。
【０１０５】
また、触媒付きＤＰＦにおいては、ＰＭを強制的に燃焼除去するＰＭ強制再生の処理であれば、６５０℃（第１判定温度Ｔｃ１）より上の温度域内に触媒の温度を維持することができ、また、排気ガス中の未燃燃料の吸着処理中であれば、２５０℃（第２判定温度Ｔｃ２）以下の温度域内に触媒の温度を維持できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明の実施の形態の排気ガス浄化システムの構成を示す図である。
【図２】第１のヒートポンプの構成を示す図である。
【図３】第２のヒートポンプの構成を示す図である。
【図４】排熱吸収部と排気バイパス通路の構成を示す図である。
【図５】第１のヒートパイプと第２のヒートパイプの関連を示す図である。
【図６】ヒートポンプと媒体の相変化の関係を示す図である。
【図７】排気熱吸収部の構成を示す切欠き部分を含む斜視図である。
【図８】排気ガス浄化装置と触媒用熱交換部の構成を示す切欠き部分を含む斜視図である。
【図９】排気ガス浄化装置と触媒用熱交換部の構成を示す断面拡大図である。
【図１０】排気ガス浄化装置の金属筐体の表面の構成を示す断面部分拡大図である。
【図１１】断熱部の内周面の断面構造を示す断面図である。
【図１２】断熱部の内周面の断面構造を示す断面を含む斜視図である。
【図１３】触媒加熱制御の制御フローの一例を示す図である。
【図１４】触媒冷却制御の制御フローの一例を示す図である。
【図１５】図１４の制御フローの続きを示す図である。
【符号の説明】
【０１０７】
１  排気ガス浄化システム
２  エンジン（内燃機関）
３  排気通路
３ａ  拡径した排気管（排気熱交換部を設けた排気通路部分）
４  排気バイパス通路
４ａ  第１排気切替弁
４ｂ  第２排気切替弁
１０  排気ガス浄化装置
１０ａ  触媒担体部
１０ｂ  金属筐体
１０ｃ  繊維状金属
２０  第１のヒートポンプ
２１  排気熱吸収部（熱吸収部）
２２  触媒用熱交換部（熱放出部、かつ、熱吸収部）
２３  第１断熱部
２４  第２断熱部
３０  第２のヒートポンプ
３２  排熱部（熱放出部）
３３  第３断熱部
３４  第４断熱部
３５  冷却水ライン
４０  エンジンの制御装置（ＥＣＵ）
４０ａ  ヒートポンプ制御手段
４１  排気ガス温度センサ
４２  触媒温度センサ（触媒温度指標温度検出手段）
Ｂ１，Ｂ２  媒体
Ｇ  排気ガス
Ｔｇ  排気ガス温度
Ｔｇｃ  排気ガス判定温度
Ｔｃ  触媒温度
Ｔｃ１  第１判定温度
Ｔｃ２  第２判定温度
Ｔｃ３  第３判定温度
Ｗ  エンジンの冷却水
【図１】
2010084546.tif 000003
【図２】
2010084546.tif 000004
【図３】
2010084546.tif 000005
【図４】
2010084546.tif 000006
【図５】
2010084546.tif 000007
【図６】
2010084546.tif 000008
【図７】
2010084546.tif 000009
【図８】
2010084546.tif 000010
【図９】
2010084546.tif 000011
【図１０】
2010084546.tif 000012
【図１１】
2010084546.tif 000013
【図１２】
2010084546.tif 000014
【図１３】
2010084546.tif 000015
【図１４】
2010084546.tif 000016
【図１５】
2010084546.tif 000017