(57)【要約】【課題】この発明は、廃熱回収装置に関し、排気通路に置かれた触媒の活性状態を損なうことなく有効に廃熱を回収することを目的とする。【解決手段】排気通路の触媒２２，２４の下流に蒸発器２８を、その上流に過熱器１６を配置する。蒸発器２８は噴射弁３０から噴射された作動流体を蒸気化する。過熱器１６は、流入蒸気を過熱蒸気化する。蒸発器２８を過熱器１６に繋げる第1状態と、蒸発器２８を膨張器４８に繋げる第２状態とを実現する制御弁３８を備える。触媒２２，２４の活性が損なわれない温度環境では制御弁３８を第１状態とし、その活性が損なわれる環境では制御弁３８を第２状態とする。前記第１状態が選択された場合は非過熱状態の蒸気の生成に適した量の作動流体を噴射弁３０に噴射させる。前記第２状態が選択された場合は過熱蒸気の生成に適した量の作動流体を噴射弁３０に噴射させる。【選択図】図１
2018131968.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路の触媒の下流に配置される蒸発器と、前記触媒の上流に配置される過熱器とを備える内燃機関の廃熱回収装置であって、
前記蒸発器は、作動流体の噴射弁を備え、当該噴射弁から噴射された作動流体に排気熱を伝達する構成を有し、かつ、蒸気化された作動流体を流出させる蒸気流出口を備え、
前記過熱器は、流入口から流入した作動流体の蒸気を排気熱により過熱蒸気化して流出口から流出させる構成を有し、
作動流体の過熱蒸気の流入を受けて、当該過熱蒸気のエネルギを機械的エネルギに変換する膨張器と、
前記蒸発器の蒸気流出口を前記過熱器の流入口に繋げる第１状態と、当該蒸気流出口を前記膨張器に繋げる第２状態とを選択的に実現する制御弁と、
前記過熱器の流出口を前記膨張器に繋げる連通路と、
前記噴射弁及び前記制御弁を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記排気通路の状態に基づいて、前記触媒の活性が損なわれるか否かを判断する処理と、
前記活性が損なわれないと判断された場合に前記制御弁を前記第１状態とする処理と、
前記活性が損なわれると判断された場合に前記制御弁を前記第２状態とする処理と、
前記第１状態が選択された場合に、前記蒸発器が、非過熱状態の蒸気を生成するのに適した量の作動流体を前記噴射弁に噴射させる処理と、
前記第２状態が選択された場合に、前記蒸発器が、過熱蒸気を生成するのに適した量の作動流体を前記噴射弁に噴射させる処理と、を実行することを特徴とする内燃機関の廃熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の廃熱回収装置に係り、特に、車載用内燃機関の廃熱回収に適した廃熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、内燃機関の廃熱回収装置が開示されている。この装置は、内燃機関の排気ガスで水を加熱する蒸発器を備えている。蒸発器で過熱されることにより生成された水蒸気は膨張器に送られる。膨張器は、その水蒸気のエネルギを機械的なエネルギに変換する。これにより、内燃機関の廃熱が機械エネルギとして回収される。
【０００３】
上記従来の装置は、蒸発器で生成される水蒸気の温度を目標蒸気温度に制御するための制御装置を備えている。この制御装置は、内燃機関の運転状態に基づいて、蒸発器への給水量を変化させる。具体的には、蒸発器が大きな受熱量を得る運転状態では給水量を増やし、他方、その受熱量が小さくなる運転状態では給水量を減量する。このため、この装置によれば、膨張器に流れ込む水蒸気の温度を安定的に目標蒸気温度とすることができる。
【０００４】
出願人は、特許文献１を含めて、本発明に関連する先行技術文献として下記の文献を認識している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１１５８０１号公報
【特許文献２】特開２０１５−１９０３８８号公報
【特許文献３】特開２０１５−２００１８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
車両に搭載される内燃機関の排気通路には、排気ガスを浄化するための触媒が組み込まれる。触媒は、活性温度の下で本来の浄化能力を発揮する。このため、車載用内燃機関は、触媒を活性温度に保った状態で作動させる必要がある。
【０００７】
上記従来の廃熱回収装置において、蒸発器は、排気ガスの熱により水を蒸気化する。この際、必然的に排気ガスから熱が奪われる。そして、上記従来の装置は、触媒が活性状態にあるか否かを考慮することなく、内燃機関の状態に応じて蒸発器への給水量を制御する。つまり、上記従来の装置では、水蒸気の温度を目標蒸気温度とすることが触媒を活性状態とすることに優先されている。このため、上記従来の装置では、触媒が十分に活性化されていない状況下で排気ガスの熱量が多大に蒸発器によって奪われ、長期に渡って触媒が不活性状態に置かれてしまうという事態が生じ得る。
【０００８】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、排気通路に置かれた触媒の活性状態を損なうことなく有効に廃熱を回収することの出来る内燃機関の廃熱回収装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記の目的を達成するため、排気通路の触媒の下流に配置される蒸発器と、前記触媒の上流に配置される過熱器とを備える内燃機関の廃熱回収装置であって、
前記蒸発器は、作動流体の噴射弁を備え、当該噴射弁から噴射された作動流体に排気熱を伝達する構成を有し、かつ、蒸気化された作動流体を流出させる蒸気流出口を備え、
前記過熱器は、流入口から流入した作動流体の蒸気を排気熱により過熱蒸気化して流出口から流出させる構成を有し、
作動流体の過熱蒸気の流入を受けて、当該過熱蒸気のエネルギを機械的エネルギに変換する膨張器と、
前記蒸発器の蒸気流出口を前記過熱器の流入口に繋げる第１状態と、当該蒸気流出口を前記膨張器に繋げる第２状態とを選択的に実現する制御弁と、
前記過熱器の流出口を前記膨張器に繋げる連通路と、
前記噴射弁及び前記制御弁を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記排気通路の状態に基づいて、前記触媒の活性が損なわれるか否かを判断する処理と、
前記活性が損なわれないと判断された場合に前記制御弁を前記第１状態とする処理と、
前記活性が損なわれると判断された場合に前記制御弁を前記第２状態とする処理と、
前記第１状態が選択された場合に、前記蒸発器が、非過熱状態の蒸気を生成するのに適した量の作動流体を前記噴射弁に噴射させる処理と、
前記第２状態が選択された場合に、前記蒸発器が、過熱蒸気を生成するのに適した量の作動流体を前記噴射弁に噴射させる処理と、を実行することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、触媒の下流に配置された蒸発器は、触媒の受熱量に影響を与えることなく、作動流体に排気熱を伝達することができる。そして、触媒の活性が損なわれない運転状態の下では、制御弁が第１状態とされることにより、蒸発器で生成された蒸気が、触媒の上流に配置された過熱器に供給される。この際、過熱器は、排気熱を用いて蒸気を過熱蒸気化する。そして、過熱状態とされた蒸気は連通路を通って膨張器に送られる。その結果、膨張器において効率的にエネルギが回収される。
【００１１】
触媒の活性が損なわれると判断された場合は、制御弁が第２状態とされることにより、蒸発器から過熱器への蒸気の流入が断たれる。その結果、触媒の上流で排気熱が過熱器に奪われなくなり、触媒に十分な熱量が与えられる。これにより、触媒は適正な活性状態に移行する。この際、噴射弁は、蒸発器が過熱蒸気を生成するのに適した量の作動流体を噴射する。このため、膨張器には、制御弁を介して、蒸発器から過熱状態の蒸気が供給される。従って、この場合も、膨張器では効率的にエネルギが回収される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１の構成を示す図である。
【図２】図１に示す制御弁の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】図１に示す制御弁が第１状態をとることで実現される動作を説明するための図である。
【図４】図１に示す制御弁が第２状態をとることで実現される動作を説明するための図である。
【図５】図１に示すECUが制御弁を制御するために実行するルーチンのフローチャートである。
【図６】図１に示すECUが蒸発器への作動流体の噴射量を算出するために実行するルーチンのフローチャートである。
【図７】図６に示すルーチン中で参照されるマップの一例を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態２の特徴を説明するためのタイミングチャートである。
【図９】本発明の実施の形態２においてECUが蒸発器への作動流体の噴射量を算出するために実行するルーチンのフローチャートである。
【図１０】本発明の実施の形態３の特徴を説明するためのタイミングチャートである。
【図１１】本発明の実施の形態３により達成される効果の一例を説明するための図である。
【図１２】本発明の実施の形態３においてECUが蒸発器への作動流体の噴射量を制御するために実行するルーチンのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。図１に示すシステムは内燃機関１０を備えている。内燃機関１０の吸気通路には、エアフロセンサ１２と吸気温センサ１４が配置されている。
【００１４】
内燃機関１０の排気通路には、過熱器１６が配置されている。過熱器１６は、流入口１８と流出口２０を備えている。流入口１８は、作動流体の蒸気の流入を受けるために設けられている。作動流体は、内燃機関１０の廃熱を機械エネルギとして回収するための媒体として用いられる流体である。本実施形態では、作動流体として水が用いられる。過熱器１６は、流入口１８から流入してきた蒸気を、内燃機関１０の排気熱により加熱し、過熱状態とすることができる。そして、過熱器１６は、このようにして過熱蒸気化された作動流体を流出口２０から流出させることができる。
【００１５】
過熱器１６の下流には第１触媒２２及び第２触媒２４が直列に配置されている。第１触媒２２の上流側には、排気温度センサ２６が配置されている。排気温度センサ２６によれば、第１触媒２２に流れ込む排気ガスの温度（以下、「触媒前温度Tc」と称す）を検出することができる。
【００１６】
第２触媒２４の下流には、蒸発器２８が配置されている。蒸発器２８は、その内部に噴射弁３０を備えている。噴射弁３０には、水ポンプ３２が繋がれている。また、水ポンプ３２と噴射弁３０との間には流体圧力センサ３４が配置されている。
【００１７】
水ポンプ３２は、噴射弁３０に対して作動流体として水を供給することができる。また、水ポンプ３２は、外部からの要求に応じて噴射弁３０に供給する水の圧力を変化させることができる。流体圧力センサ３４は、噴射弁３０に供給される水の圧力を検知することができる。
【００１８】
噴射弁３０は、水ポンプ３２から供給される水を、作動流体として蒸発器２８の内部に噴射することができる。蒸発器２８は、噴射された水に排気熱を伝達することで蒸気を生成することができる。蒸発器２８には、蒸気流出口３６が設けられている。蒸発器２８の加熱により生じた蒸気は、この蒸気流出口３６から流出することができる。
【００１９】
蒸気流出口３６には、制御弁３８が繋がれている。蒸気流出口３６と制御弁３８との間には蒸気圧力センサ４０が配置されている。蒸気圧力センサ４０は、蒸発器２８から制御弁３８に流れ込む蒸気の温度を検知することができる。
【００２０】
制御弁３８には、第１流出路４２と第２流出路４４が連通している。制御弁３８は、蒸発器２８の蒸気流出口３６を第１流出路４２に連通させる第１状態と、その蒸気流出口３６を第２流出路４４に連通させる第２状態とを選択的に実現することができる。
【００２１】
第１流出路４２は、過熱器１６の流入口１８に連通している。他方、第２流出路４４は、過熱器１６の流出口２０と共に連通路４６に連通している。連通路４６は、膨張器４８のノズル５０に連通している。また、連通路４６には、ノズル５０に流れ込む蒸気の温度を検出するための蒸気温度センサ５１が設けられている。
【００２２】
膨張器４８は、ノズル５０から過熱蒸気の供給を受けた場合に、その過熱蒸気のエネルギを機械的エネルギに変換するタービンである。膨張器４８には、作動流体を冷却するためのコンデンサ５２が連通している。また、コンデンサ５２の下方には液化した作動流体を捕獲するためのキャッチタンク５４が設けられている。上述した水ポンプ３２は、キャッチタンク５４に溜まった水を噴射弁３０に向けて吐出する。
【００２３】
図１に示すシステムは、ECU（Electronic Control Unit）５６を備えている。上述した各種センサの出力はECU５６に供給されている。ECU５６には更に、回転速度センサなど、内燃機関１０の状態を検知する各種センサ（図示略）が接続されている。ECU５６は、それらのセンサの出力に基づいて内燃機関１０の排気通路の状況、作動流体の状況、並びに内燃機関１０の作動状態を検知することができる。また、ECU５６には、上述した噴射弁３０、制御弁３８、水ポンプ３２等のアクチュエータが接続されている。ECU５６は、内燃機関１０の状態に応じてそれらのアクチュエータを制御することができる。
【００２４】
［実施の形態１の特徴］
図２は、本発明の実施の形態１の特徴を説明するためのタイミングチャートである。具体的には、図２上段の波形５７は、排気温度センサ２６が検出する触媒前温度Tcの経時変化を示す。また、図２下段の波形５８は、制御弁３８の状態変化を示す。
【００２５】
本実施形態では、触媒前温度Tcに関して、下限温度Tcloと下限ヒス温度Tclohが定義されている。下限温度Tcloは、第１触媒２２及び第２触媒２４を活性温度に維持するために必要な触媒前温度Tcである。下限温度Tcloは、予め定めた固定の温度でもよい。或いは、下限温度Tcloは、内燃機関１０の運転状態に応じて、具体的には、排気ガスの流量に応じて変化する可変の温度であってもよい。下限ヒス温度Tclohは、制御上のハンチングを防ぐための設定温度であり、下限温度Tcloより一定値だけ高温に設定される。
【００２６】
図２に示す例では、時刻t0の時点で触媒前温度Tcが下限温度Tcloに対して十分に高い温度に保たれている。本実施形態では、この場合、制御弁３８が第１状態に制御される。
【００２７】
図３は、制御弁３８が第１状態である場合に実現される状態を示す。制御弁３８が第１状態であると、蒸発器２８の蒸気流出口３６は制御弁３８を介して過熱器１６の流入口１８に連通する。この場合、蒸発器２８が生成する作動流体の蒸気は、過熱器１６に流入する。
【００２８】
蒸発器２８は、噴射弁３０から噴射された作動流体を排気熱により加熱する。この際、排気熱量に対して作動流体の噴射量が多いほど生成される蒸気の温度は高温となる。本実施形態では、制御弁３８が第１状態である場合には、噴射弁３０から噴射される作動流体の量が非過熱状態の蒸気を生成するのに適した量に制御される。その結果、図３に示す状態では、蒸発器２８から過熱器１６に、非過熱状態の蒸気が供給される。
【００２９】
過熱器１６は、流入口１８から供給される蒸気を排気熱により加熱して過熱蒸気を生成する。生成された過熱蒸気は、流出口２０から流出し、連通路４６を通ってノズル５０に到達する。そして、ノズル５０から過熱蒸気が流入することにより、膨張器４８によってエネルギが効率良く回収される。この際、過熱器１６によって排気熱が奪われるが、触媒前温度Tcが下限温度Tcloより十分に高いため、第１触媒２２及び第２触媒２４は活性状態を維持することができる。
【００３０】
図２に示すタイミングチャートは、時刻t1において触媒前温度Tcが下限温度Tcloを下回る様子を示している。図２の下段に示すように、本実施形態では、触媒前温度Tcが下限温度Tcloを下回ると、制御弁３８が第１状態から第２状態に切り替えられる。
【００３１】
図４は、制御弁３８が第２状態である場合に実現される状態を示す。図４に示すように、この場合は蒸発器２８の蒸気流出口３６が、制御弁３８及び連通路４６を介してノズル５０に連通する。その結果、蒸発器２８の内部で生成された蒸気は、過熱器１６を介することなく膨張器４８（図１参照）に直接流入する。
【００３２】
本実施形態では、制御弁３８が第２状態である場合には、噴射弁３０から噴射される作動流体の量が、過熱蒸気の生成に適した量に減量される。その結果、図４に示す状態では、蒸発器２８からノズル５０に過熱状態の蒸気が供給される。その結果、膨張器４８は、内燃機関１０の排気熱を、この場合においても効率的に回収することができる。この際、過熱器１６が殆ど熱量を奪わないため、触媒前温度Tcは上昇し易い状態となる。
【００３３】
図２に示す例では、時刻t１において制御弁３８が第２状態に切り替えられた後、触媒前温度Tcが徐々に上昇に転じ、時刻t2において下限ヒス温度Tclohを上回る温度に復帰している。このように、本実施形態によれば、触媒前温度Tcが下限温度Tcloを下回る状態が長期に渡って継続するのを防ぐことができる。このため、第１触媒２２及び第２触媒２４は、適正に活性状態を実現することができる。
【００３４】
図２に示すように、時刻t2に触媒前温度Tcが下限ヒス温度Tclohを上回ると、制御弁３８が再び第１状態に切り替えられる。その結果、非過熱状態の蒸気が過熱器１６に供給される状態が復帰し、効率的な廃熱回収が実現される。この際、下限ヒス温度Tclohが下限温度Tcloより高い温度に設定されているため、制御上のハンチングは適切に回避される。
【００３５】
［実施の形態１のルーチン］
図５は、本実施形態においてECU５６が制御弁３８を制御するために実行するルーチンのフローチャートである。図５に示すルーチンでは、先ず、内燃機関１０が始動されているか否かが判別される（ステップ１００）。内燃機関１０が始動されていなければ、今回のルーチンが終了される。
【００３６】
他方、内燃機関１０が始動されていると判別された場合は、次に、排気温度センサ２６の出力に基づいて触媒前温度Tcが計測される（ステップ１０２）。
【００３７】
続いて、触媒前温度Tcが下限温度Tclo以下であるかが判別される（ステップ１０４）。その結果、Tc≦Tcloが成立しないと判別された場合は、過熱器１６の下流に、触媒の活性を維持するに十分な熱量が確保されていると判断することができる。この場合は、次に後述するステップ１１０の処理が実行される。
【００３８】
一方、上記ステップ１０４でTc≦Tcloが成立すると判別された場合は、過熱器１６の下流に触媒の活性を維持するのに十分な熱量が確保されていないと判断することができる。この場合は、次に、制御弁３８を第２状態として膨張器４８に連通させる処理が実行される（ステップ１０６）。この処理が実行されると、以後、過熱器１６に蒸気が流入しなくなり、触媒前温度Tcが上昇し易い状態が実現される。
【００３９】
ステップ１０６の処理が終わると、次に、触媒前温度Tcが下限ヒス温度Tcloh以上であるかが判別される（ステップ１０８）。Tc≧Tclohが成立していない場合は、過熱器１６下流の熱量が、未だ、触媒の活性を維持するのに十分ではないと判断することができる。この場合は、制御弁３８を第２状態に維持したまま今回の処理が終了される。
【００４０】
他方、ステップ１０８でTc≧Tclohが成立すると判別された場合は、過熱器１６の下流に、触媒の活性を維持するのに十分な熱量が確保されていると判断することができる。この場合は、制御弁３８を第１状態として過熱器１６に連通させる処理が実行される（ステップ１１０）。この処理が実行されると、以後、作動流体の蒸気が過熱器１６に流入し、過熱器１６によって過熱状態とされた蒸気が膨張器４８に供給される状態となる。その結果、以後、第１触媒２２及び第２触媒２４を適正に活性状態に維持するのに適した状態が実現される。以上の処理が終わると、今回のルーチンが終了される。
【００４１】
図６は、本実施形態において、蒸発器２８への作動流体の噴射量を算出するための実行するルーチンのフローチャートである。図６に示すルーチンでは、先ず内燃機関１０の回転速度及び負荷が検出される（ステップ１１２）。
【００４２】
次に、内燃機関１０の排気温度が閾値Tlimより高いか否かが判別される（ステップ１１４）。ここでは、具体的には、先ず、ステップ１１２で検出した回転速度及び負荷に基づいて、内燃機関１０から排出される排気ガスの温度（排気温度）が算出される。次に、その排気温度が閾値Tlimより高いか否かが判別される。閾値Tlimは、蒸発器２８が作動流体を蒸気化させるのに必要な最低限の温度である。
【００４３】
内燃機関１０の始動直後など、蒸発器２８が作動流体を蒸気化させることが困難な状況下では、排気温度が閾値Tlim以下となり、上記ステップ１１４の判別が否定される。本実施形態では、この場合、噴射弁３０から蒸発器２８への噴射量がゼロとされる（ステップ１１６）。この処理が行われることにより、本実施形態では、蒸発器２８の内部に蒸気化されない作動流体が滞留してしまうのを回避することができる。
【００４４】
上記ステップ１１４で内燃機関１０の排気温度が閾値Tlimより高いと判別された場合は、次に、制御弁３８が過熱器１６に連通しているか、つまり、第１状態であるかが判別される（ステップ１１８）。
【００４５】
制御弁３８が過熱器１６に連通していると判別された場合は、蒸発器２８から流出した蒸気が過熱器１６に供給されると判断できる。この場合、蒸発器２８は、非過熱状態の蒸気を生成する必要がある。このため、上記の判別がなされた場合は、次に基本噴射量MAP_Aが参照される（ステップ１２０）。
【００４６】
図７は、基本噴射量MAP_Aのイメージ図である。図７に示すように、基本噴射量MAP_Aには、内燃機関１０の回転速度と負荷とに基づいて作動流体の噴射量が定められている。蒸発器２８が排気ガスから受ける熱量は、排気ガスの温度及び流量により決定される。そして、排気ガスの温度及び流量は、内燃機関１０の回転速度及び負荷により決定される。基本噴射量MAP_Aには、回転速度及び負荷に対応する熱量により、非過熱状態の蒸気を生成するのに適した噴射量が定められている。従って、基本噴射量MAP_Aによれば、蒸発器２８に非過熱状態の蒸気を生成させるための噴射量を算出することができる。
【００４７】
上記ステップ１１８で、制御弁３８が過熱器１６に連通していないと判別された場合は、蒸発器２８から流出する蒸気が膨張器４８に直接流入すると判断できる。この場合、蒸発器２８には過熱状態の蒸気を生成させる必要がある。このため、上記の判別がなされた場合は、次に基本噴射量MAP_Bが参照される（ステップ１２２）。
【００４８】
基本噴射量MAP_Bは、基本噴射量MAP_Aと同様に、内燃機関１０の回転速度と負荷とに基づいて作動流体の噴射量が定められている。但し、基本噴射量MAP_Bには、回転速度と負荷とで定まる座標位置に、過熱蒸気の生成に適した噴射量が定められている。この噴射量は、必然的に基本噴射量MAP_Aに定められている噴射量に比して少量である。基本噴射量MAP_Bによれば、蒸発器２８に過熱状態の蒸気を生成させるための噴射量を算出することができる。
【００４９】
ステップ１２０又は１２２の処理が終わると、次に、参照中のマップに基づいて噴射量が算出される（ステップ１２４）。ECU５６は、このようにして算出した噴射量を噴射弁３０に噴射させる。これにより、本実施形態によれば、排気温度が閾値Tlimを越えている限り、制御弁３８が何れの状態にあっても、膨張器４８には過熱蒸気を供給することができる。このため、本実施形態によれば、内燃機関１０の廃熱を常に効率的に回収することができる。
【００５０】
実施の形態２．
次に、図８及び図９を参照して本発明の実施の形態２について説明する。本実施形態の廃熱回収装置は、図１に示す構成において、ECU５６に、図５及び図６に示すルーチンに加えて図９に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
【００５１】
図８は本実施形態の廃熱回収装置の特徴を説明するためのタイミングチャートである。図８において、上段に示す波形６０は噴射弁３０による蒸発器２８への作動流体の噴射量の経時変化を示す。また、下段の波形６２は、膨張器４８のノズル５０に流入する作動流体の蒸気温度（以下、「ノズル前温度Tn」と称す）の経時変化を示す。本実施形態において、ノズル前温度は蒸気温度センサ５１により検出することができる。
【００５２】
上述した実施の形態１では、制御弁３８の状態に応じて、膨張器４８のノズル５０には常に過熱蒸気が供給されるように、噴射弁３０からの噴射弁を制御することとしている。しかしながら、ノズル５０に到達する蒸気の温度、つまりノズル前温度Tnは、走行風や外気温の影響を受ける。このため、作動流体の噴射量を基本噴射量のマップに従って算出しても、車両の走行環境によっては、ノズル前温度Tnが想定温度を下回る事態が生じ得る。このような事態は、特に、制御弁３８が第２状態となり、蒸発器２８が膨張器４８に直接連通される場合に生じ易い。
【００５３】
ノズル前温度Tnが想定温度を大きく下回るような状況下では、膨張器４８の中で作動流体の凝縮が生ずることがある。そして、そのような凝縮は膨張器の機械抵抗を増大させ、廃熱の回収効率を低下させる。このため、廃熱回収装置においては、膨張器４８の内部での作動流体の凝縮を回避することが求められる。
【００５４】
上記の観点より、本実施形態では、ノズル前温度Tnに関する下限温度Tnlo、並びに下限ヒス温度Tnlohが定義されている。下限温度Tnloは、膨張器４８の内部で作動流体を凝縮させないことを保証できる最低限のノズル前温度Tnである。下限温度Tnloは、予め定めた固定の温度でもよい。或いは、下限温度Tnloは、車両の速度や外気温に応じて適宜設定することとしてもよい。下限ヒス温度Tnlohは、制御上のハンチングを防ぐための設定温度であり、下限温度Tnloより一定値だけ高温に設定される。
【００５５】
図８は、時刻t0の時点で十分に高温に保たれていたノズル前温度Tnが、時刻t3以後、走行風の影響で低下し始め、時刻t4において下限温度Tnloを下回った状態を示している。ノズル前温度Tnは、蒸発器２８への作動流体の噴射量を減らすことで上昇させることができる。このため、本実施形態では、ノズル前温度Tnが下限温度Tnloを下回る時刻t４において、作動流体の噴射量が減量される。
【００５６】
この減量により走行風等の影響が打ち消されれば、ノズル前温度Tnは上昇に転じ、やがては下限ヒス温度Tnlohを上回る温度に達する。そして、ノズル前温度Tnが下限ヒス温度Tnlohを上回っていれば、膨張器４８の中で作動流体が凝縮することがない。このため、本実施形態のシステムは、噴射量の減量後にノズル前温度Tnが下限ヒス温度Tnlohにまで復帰したら、その時点で蒸発器２８への噴射量を基本の噴射量に復帰させる。
【００５７】
図８は、時刻t4の後、噴射量の減量分が走行風等の影響を打ち消すことができず、ノズル前温度Tnが下限温度Tnloを下回る状態が長期化した状態を示している。そして、図８の波形６０は、時刻t5の時点で噴射量が一旦ゼロまで減量されている状態を示している。このように、本実施形態のシステムは、作動流体の噴射量を減量した後、所定の待機時間を経てもそのノズル前温度Tnが下限ヒス温度Tnlohにまで復帰しない場合には、作動流体の噴射を一旦停止することとしている。このような処理によれば、低温の作動流体が膨張器４８に供給され続け、膨張器４８の動作不良が誘発されるのを有効に回避することができる。
【００５８】
［実施の形態２のルーチン］
図９は、本実施形態においてECU５６が作動流体の噴射量を補正するために実行するルーチンのフローチャートである。図９に示すルーチンでは、先ず内燃機関１０が始動されているか否かが判別される（ステップ１３０）。内燃機関１０が始動されていなければ、今回のルーチンが終了される。
【００５９】
内燃機関１０が始動されていると判別された場合は、次に、基本噴射量の算出処理が行われる（ステップ１３２）。この処理は、具体的には、図６に示す上記のルーチンにより行われる。
【００６０】
次に、蒸気温度センサ５１の出力に基づいて、ノズル前温度Tnが検出される（ステップ１３４）。
【００６１】
次いで、ノズル前温度Tnが、ノズル前温度の下限温度Tnlo以下であるかが判別される（ステップ１３６）。ノズル前温度Tnが下限温度Tnlo以下でない場合は、膨張器４８に適温の過熱蒸気が流入していると判断することができる。この場合は、作動流体の噴射量を補正する必要がないことから、そのまま今回の処理が終了される。
【００６２】
一方、ステップ１３６でTn≦Tnloが成立すると判別された場合は、蒸発器２８への作動流体の噴射量を減らして、ノズル前温度Tnを上昇させる必要があると判断できる。この場合は、先ず、現在のノズル前温度Tnと下限温度Tnloとの差分（Tn-Tnlo）が算出される（ステップ１３８）。
【００６３】
次に、上記差分（Tn-Tnlo）に基づいて、作動流体の減量噴射量が算出される（ステップ１４０）。ECU５６には、単位量の作動流体を適温の過熱蒸気にするために必要な熱量が記憶されている。ここでは、先ず、上記の差分（Tn-Tnlo）を補うため、つまり、TnをTnloに上昇させるために必要な不足熱量が算出される。次いで、その不足熱量を上記の記憶熱量で除することにより噴射量の減量分が算出される。更に、基本の噴射量から減量分を減じることで減量噴射量が算出される。
【００６４】
上記の処理が終わると、次に、算出された減量噴射量が噴射弁３０から蒸発器２８内部に噴射される（ステップ１４２）。
【００６５】
ステップ１４２の処理が終わると、次に、ノズル前温度Tnが下限ヒス温度Tnloh以上に復帰したか否かが判別される（ステップ１４４）。ステップ１４２の処理により蒸発器２８への作動流体の噴射量が減量されれば、蒸発器２８から流出する上記の温度が上昇する。その結果、ノズル前温度Tnも通常は上昇傾向を示す。このため、噴射量が適正に減量されていれば、ノズル前温度Tnは、やがて下限ヒス温度Tnloh以上に復帰するはずである。
【００６６】
上記ステップ１４４で、ノズル前温度Tnが未だ下限ヒス温度Tnloh以上になっていないと判別された場合は、先ず、減量補正の実行後、所定の待機時間が経過したか否かが判別される（ステップ１４６）。その結果、未だ待機時間が経過していないと判別された場合は、減量補正の影響が現れるのを待つべく、本ルーチンの処理サイクル毎に再び上記ステップ１４２の処理が実行される。
【００６７】
ステップ１４２乃至ステップ１４６の処理が繰り返される過程で待機時間の経過が判定された場合は、噴射量の減量補正では、ノズル前温度Tnの低下を相殺できない環境が生じていると判断できる。ECU５６は、この場合、蒸発器２８への作動流体の噴射を一旦ゼロにする（ステップ１４８）。これにより、以後、噴射弁３０から蒸発器２８への作動流体の噴射が停止される。その結果、膨張器４８に低温の蒸気が流れ込み続けるのを防ぐことができ、作動不良の発生を未然に防ぐことができる。
【００６８】
ステップ１４２乃至ステップ１４６の処理が繰り返される過程で、ノズル前温度Tnが下限ヒス温度Tnloh以上となった場合は、そのまま今回のルーチンが終了される。以後、再び本ルーチンが起動されると、ステップ１３６でTn≦Tnloの条件が不成立となり、蒸発器２８には基本の噴射量で作動流体が供給される。この際、ノズル前温度Tnが十分に上昇しているため、膨張器４８は効率的にエネルギを回収することができる。
【００６９】
実施の形態３．
次に、図１０乃至図１２を参照して本発明の実施の形態３について説明する。本実施形態の廃熱回収装置は、図１に示す構成において、ECU５６に、図５及び図６に示すルーチンに加えて図１２に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
【００７０】
図１０は本実施形態の廃熱回収装置の特徴を説明するためのタイミングチャートである。図１０において、上段に示す波形６４は噴射弁３０による蒸発器２８への作動流体の噴射量の経時変化を示す。また、下段の波形６４は、排気温度センサ２６によって検出される触媒前温度Tcの経時変化を示す。
【００７１】
内燃機関１０の作動中には、多大な排気熱が継続して排出され続ける事態が生じ得る。このような場合には、触媒の過熱を防ぐために排気温度を下げることが必要である。排気温度は、例えば、内燃機関１０に供給する混合気の空燃比をリッチ化することにより低下させ得ることが知られている。しかしながら、このような手法によれば、必然的に燃料消費量が増加する。
【００７２】
これに対して、本実施形態の構成によれば、過熱器１６に流れ込む蒸気の量を増やせば、過熱器１６で消費される熱量が増え、燃費特性を悪化させることなく触媒前温度Tcを下げることができる。このため、本実施形態では、触媒前温度Tcが過剰に高温化した場合には、その温度Tcが触媒の耐熱温度を超えないように、過熱器１６に流入する作動流体の蒸気の量を増加させることとしている。
【００７３】
上記の観点より、本実施形態では、触媒前温度Tcに関して、上限温度TcHiと上限ヒス温度TcHihが定義されている。上限温度TcHiは、第１触媒２２及び第２触媒２４の耐熱温度から所定のマージン分だけ低く設定した温度である。上限ヒス温度TcHihは、制御上のハンチングを防ぐための設定温度であり、上限温度TcHiより一定値だけ低く設定されている。
【００７４】
図１０は、時刻t0の時点で適温に保たれていた触媒前温度Tcが、時刻t6において上限温度TcHiを上回る様子を示している。上限温度TcHiは当然に下限温度Tcloより高温である。このため、触媒前温度Tcが上限温度TcHiを上回る場合には、制御弁３８は当然に第１状態、つまり、蒸発器２８を過熱器１６に繋げる状態となっている。そして、本実施形態の装置は、TcがTcHiを上回る時刻t6において、蒸発器２８への作動流体の噴射量を増量する。
【００７５】
触媒前温度Tcが上限温度TcHiを上回るような状況下では、蒸発器２８にも十分な排気熱が伝わるため、噴射量が増えた分だけ蒸発器２８から流出する蒸気量が増加する。そして、このようにして増量された蒸気が過熱器１６に流入する。その結果、過熱器１６の受熱量が増し、触媒前温度Tcが低下し易い状態となる。
【００７６】
図１０は、噴射量増量の影響により時刻t7において触媒前温度Tcが上昇から下降に転じる様子を示している。この低下が十分であれば、やがては触媒前温度Tcが上限ヒス温度TcHih以下にまで低下する。そして、触媒前温度Tcが上限ヒス温度TcHih以下であれば、触媒が熱によりダメージを受けることがない。このため、本実施形態のシステムは、噴射量の増量後に触媒前温度Tcが上限ヒス温度TcHih以下にまで低下したら、その時点で蒸発器２８への噴射量を固定し、又は基本の噴射量に復帰させる。
【００７７】
図１０は、時刻t7の後、過熱器１６が十分に排気熱を消費することができず、触媒前温度Tcが上限ヒス温度TcHihに低下するのに長い時間を要している状態を示す。そして、図１０の波形６６は、時刻t8の時点で作動流体の噴射量を上限値に増量している様子を示している。この上限値は、噴射弁３０及び水ポンプ３２の仕様等により決定される値である。
【００７８】
図１０に示す例では、時刻t8において噴射量を上限値とした後も、触媒前温度Tcが上限ヒス温度TcHihを上回る状態が継続している。本実施形態のシステムは、この場合、触媒を保護する第２の手段として、内燃機関１０に供給する混合気の空燃比をリッチ化する。空燃比がリッチ化されると、燃料の気化熱により燃焼ガスの温度が下がり、その結果排気温度が低下する。図１０に示す例では、時刻t9において混合気のリッチ化が開始され、その後、触媒前温度Tcが低下している。
【００７９】
図１１は、上述した特長的動作によって達成される効果の一例を説明するための図である。図１１において、波形６８は内燃機関１０の全開特性を示している。また、破線で示す波形７０は、混合気のリッチ化だけで触媒を保護しようとした場合に空燃比を理論空燃比に維持できる領域の境界を示す。そして、波形７２は、本実施形態のシステムが空燃比を理論空燃比に維持できる領域の境界を示す。この図に示すように、本実施形態のシステムによれば、理論空燃比を維持できる運転領域を広く確保することができる。このため、このシステムによれば、良好な燃費特性を得ることができる。
【００８０】
［実施の形態３のルーチン］
図１２は、本実施形態においてECU５６が触媒保護のために実行するルーチンのフローチャートである。図１２に示すルーチンでは、先ず内燃機関１０が始動されているか否かが判別される（ステップ１５０）。内燃機関１０が始動されていなければ、今回のルーチンが終了される。
【００８１】
内燃機関１０が始動されていると判別された場合は、次に、基本噴射量の算出処理が行われる（ステップ１５２）。この処理は、具体的には、図６に示す上記のルーチンにより行われる。
【００８２】
次に、排気温度センサ２６の出力に基づいて、触媒前温度Tcが検出される（ステップ１５４）。
【００８３】
次いで、触媒前温度Tcが上限温度TcHi以上であるかが判別される（ステップ１５６）。触媒前温度Tcが上限温度TcHi以上でない場合は、第１触媒２２に適温の排気ガスが流入しており、熱による触媒のダメージを心配する必要がないと判断することができる。この場合は、過熱器１６の消費熱量を増やす必要がないことから、そのまま今回の処理が終了される。
【００８４】
一方、ステップ１５６でTc≧TcHiが成立すると判別された場合は、蒸発器２８への作動流体の噴射量を増やして過熱器１６への蒸気流入量を増やす必要があると判断できる。この場合は、先ず、現在の触媒前温度Tcと上限温度TcHiとの差分（Tc-TcHi）が算出される（ステップ１５８）。
【００８５】
次に、上記差分（Tc-TcHi）に基づいて増量噴射量が算出される（ステップ１６０）。ECU５６は、単位量の排気ガスを単位温度だけ下げるために過熱器１６が消費するべき熱量を記憶している。そして、排気ガスの流量を上記の記憶熱量に掛け合わせることにより、TcをTcHiに下げるための過熱器１６における消費熱量を算出する。ECU５６は、また、単位量の熱量で非過熱状態の蒸気を過熱状態とすることのできる作動流体量を記憶している。そして、過熱器１６における上記消費熱量に、その作動流体量の記憶値を掛け合わせることにより噴射量の増量分を算出する。最後に、基本の噴射量にその増量分を加えることにより、増量噴射量を算出する。
【００８６】
上記の処理が終わると、次に、算出された増量噴射量が噴射弁３０から蒸発器２８に噴射される（ステップ１６２）。
【００８７】
ステップ１６２の処理が終わると、次に、触媒前温度Tcが上限ヒス温度TcHih以下に低下したか否かが判別される（ステップ１６４）。ステップ１６２の処理により蒸発器２８への作動流体の噴射量が増量されれば、過熱器１６に流れ込む蒸発量が増え、過熱器１６による消費熱量が増加する。その結果、通常は触媒前温度Tcが低下傾向を示す。このため、噴射量が適正に増量されていれば、触媒前温度Tcは、やがて上限ヒス温度TcHih以下に下がるはずである。
【００８８】
上記ステップ１６４で、触媒前温度Tcが未だ上限ヒス温度TcHih以下になっていないと判別された場合は、先ず、増量補正の実行後、所定の待機時間が経過したか否かが判別される（ステップ１６６）。その結果、未だ待機時間が経過していないと判別された場合は、減量補正の影響が現れるのを待つべく、本ルーチンの処理サイクル毎に再び上記ステップ１６２の処理が実行される。
【００８９】
ステップ１６２乃至ステップ１６６の処理が繰り返される過程で、触媒前温度Tcが上限ヒス温度TcHih以下となった場合は、そのまま今回のルーチンが終了される。以後、再び本ルーチンが起動されると、ステップ１５６でTc≧TcHiの条件が不成立となり、蒸発器２８には基本の噴射量で作動流体が供給される。この際、触媒前温度Tcが十分に低下しているため、第１触媒２２及び第２触媒２４に熱によるダメージが生ずることはない。
【００９０】
ステップ１６２乃至ステップ１６６の処理が繰り返される過程で待機時間の経過が判定された場合は、噴射量の増量補正では、触媒前温度Tcを十分に低下させることができないと判断できる。ECU５６は、この場合、噴射量を上限噴射量に変更して蒸発器２８に作動流体を供給する（ステップ１６８）。
【００９１】
上記の処理が終わると、再び、触媒前温度Tcが上限ヒス温度TcHih以下に低下したか否かが判別される（ステップ１７０）。
【００９２】
その結果、未だTc≦TcHiが成立していないと判別された場合は、所定の待機時間が経過したか否かが判別される（ステップ１７２）。そして、未だ待機時間が経過していないと判別された場合は、噴射量を上限値とした影響が現れるのを待つべく、本ルーチンの処理サイクル毎に上記ステップ１６８の処理が実行される。
【００９３】
ステップ１６８乃至ステップ１７２の処理が繰り返される過程で、触媒前温度Tcが上限ヒス温度TcHih以下となった場合は、そのまま今回のルーチンが終了される。以後、再び本ルーチンが起動されると、触媒前温度Tcが十分に低下しているため、蒸発器２８には基本の噴射量で作動流体が供給される。
【００９４】
ステップ１６８乃至ステップ１７２の処理が繰り返される過程で待機時間の経過が判定された場合は、作動流体の増量では、触媒前温度Tcを十分に低下させることができないと判断できる。ECU５６は、この場合、混合気のリッチ化により排気ガスの温度を下げる処理を行う（ステップ１７４）。これにより、熱による第１触媒２２及び第２触媒２４の損傷を適切に回避することができる。また、上記の処理によれば、混合気をリッチ化する運転領域を十分に小さくすることができ、内燃機関１０に良好な燃費特性を与えることができる。
【００９５】
［実施の形態２及び３の変形例］
ところで、上記の説明では、実施の形態２のシステムは、ノズル前温度Tnの上昇を目的とした減量補正のみを作動流体の噴射量に課すこととしている。また、実施の形態３のシステムは、触媒前温度Tcの低下を目的とした増量補正のみをして作動流体の噴射量に課すこととしている。しかしながら、これらの補正は、組み合わせて用いることとしてもよい。
【符号の説明】
【００９６】
１０  内燃機関
１６  過熱器
１８  流入口
２０  流出口
２２  第１触媒
２４  第２触媒
２６  排気温度センサ
２８  蒸発器
３０  噴射弁
３６  蒸気流出口
３８  制御弁
４６  連通路
４８  膨張器
５０  ノズル
Tc  触媒前温度
Tclo  触媒前温度の下限温度
Tcloh  触媒前温度の下限ヒス温度
TcHi  触媒前温度の上限温度
TcHih  触媒前温度の上限ヒス温度
Tn  ノズル前温度
Tnlo  ノズル前温度の下限温度
Tnloh  ノズル前温度の下限ヒス温度
Tlim  作動流体の蒸気化可否に関する排気温度の閾値
【図１】
2018131968.tif 000003
【図２】
2018131968.tif 000004
【図３】
2018131968.tif 000005
【図４】
2018131968.tif 000006
【図５】
2018131968.tif 000007
【図６】
2018131968.tif 000008
【図７】
2018131968.tif 000009
【図８】
2018131968.tif 000010
【図９】
2018131968.tif 000011
【図１０】
2018131968.tif 000012
【図１１】
2018131968.tif 000013
【図１２】
2018131968.tif 000014