(57)【要約】【課題】内燃機関の排気後処理装置の触媒の熱によって排気後処理装置の周辺の雰囲気が高温になることを抑制しつつ、廃熱を回収することができる廃熱回収装置を提供する。【解決手段】廃熱回収装置５０，５０ａは、内燃機関１０に適用され、作動流体が循環する循環通路５２に順に配置された熱交換器５４，５４ａ、膨張器５５及び凝縮器５６を有するランキンサイクルシステム５１，５１ａを備える廃熱回収装置において、熱交換器が、内燃機関の排気通路１３に配置された排気後処理装置２０の外周部分に配置されて、熱交換器に供給された作動流体と排気後処理装置の触媒との間で熱交換を行うことを特徴とする。【選択図】図１
2018053788.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に適用され、作動流体が循環する循環通路に順に配置された熱交換器、膨張器及び凝縮器を有するランキンサイクルシステムを備える廃熱回収装置において、
前記熱交換器が、前記内燃機関の排気通路に配置された排気後処理装置の外周部分に配置されて、前記熱交換器に供給された前記作動流体と前記排気後処理装置の触媒との間で熱交換を行うことを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項２】
前記触媒の発熱量に応じて、前記熱交換器に供給される前記作動流体の流量を制御する流量制御装置をさらに備える請求項１記載の廃熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃熱回収装置に関し、詳しくは内燃機関に適用された廃熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関に適用された廃熱回収装置として、ランキンサイクルシステムを備えるものが知られている（例えば特許文献１参照）。具体的には特許文献１のランキンサイクルシステムは、作動流体が循環する循環通路に順に配置された熱交換器（特許文献１では過熱器と称されている）、膨張器（特許文献１では動力回収部と称されている）、及び凝縮器を備えている。作動流体は、熱交換器において、内燃機関の排気との間で熱交換をする。熱交換器を経由した作動流体は、膨張器で膨張し、このときにエネルギーを出力する。膨張器を経由した作動流体は凝縮器で凝縮して、その後、熱交換器に戻る。このようなサイクルを繰り返しながら、特許文献１に係るランキンサイクルシステムは、内燃機関の排気の熱（すなわち廃熱）を回収して、エネルギーを出力している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１３８８８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、一般に、内燃機関の排気通路には、排気後処理装置が配置されており、この排気後処理装置は排気浄化用の触媒を備えている。そして、この触媒は、この触媒において生じた化学反応の反応熱によって高温になることがある。従来の廃熱回収装置の場合、この高温になった触媒の熱を回収できる構成になっていないので、この高温になった触媒の熱が排気後処理装置の外周部分から排気後処理装置の周辺へ伝達されて、排気後処理装置の周辺の雰囲気が高温になるおそれがある。
【０００５】
本発明は上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の排気後処理装置の触媒の熱によって排気後処理装置の周辺の雰囲気が高温になることを抑制しつつ、廃熱を回収することができる廃熱回収装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係る廃熱回収装置は、内燃機関に適用され、作動流体が循環する循環通路に順に配置された熱交換器、膨張器及び凝縮器を有するランキンサイクルシステムを備える廃熱回収装置において、前記熱交換器が、前記内燃機関の排気通路に配置された排気後処理装置の外周部分に配置されて、前記熱交換器に供給された前記作動流体と前記排気後処理装置の触媒との間で熱交換を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ランキンサイクルシステムの熱交換器の作動流体によって、排気後処理装置の触媒の熱（廃熱）を回収することができるので、この触媒の熱によって排気後処理装置の周辺の雰囲気が高温になることを抑制しつつ、廃熱を回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態１に係る内燃機関システムの構成を模式的に示す構成図である。
【図２】実施形態２に係る内燃機関システムの構成を模式的に示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係る廃熱回収装置５０を有する内燃機関システム１の構成を模式的に示す構成図である。この内燃機関システム１は、車両に搭載されている。内燃機関システム１は、内燃機関１０と、排気後処理装置２０と、制御装置３０と、廃熱回収装置５０とを備えている。内燃機関１０の具体的な種類は特に限定されるものではなく、ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等を用いることができる。本実施形態においては、内燃機関１０の一例として、ディーゼルエンジンが用いられている。また、図１に例示されている内燃機関１０は、一例として、＃１〜＃４の気筒１１を有する多気筒型の内燃機関であるが、内燃機関１０の気筒１１の個数はこれに限定されるものではない。
【００１０】
排気後処理装置２０は、内燃機関１０の排気通路１３に配置されている。本実施形態に係る排気後処理装置２０は、前段側（上流側）の排気後処理装置であるフィルター装置２１と、このフィルター装置２１の後段側（下流側）に配置された排気後処理装置である尿素ＳＣＲ装置２５と、を備えている。
【００１１】
フィルター装置２１は、排気浄化用の触媒である酸化触媒２２と、この酸化触媒２２よりも下流側に配置された排気浄化用のフィルター２３とを備えている。フィルター２３は、排気中のＰＭを捕集するフィルターであり、本実施形態では、一例として、ウォールスルータイプのディーゼルパティキュレートフィルターを用いている。酸化触媒２２としては、白金、パラジウム等の触媒を用いることができる。この酸化触媒２２は、その酸化触媒作用によって、排気中の一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ２）に変化させる酸化反応を促進させる。排気温度が所定温度以上になった場合、この酸化触媒２２において生成された二酸化窒素によって、フィルター２３に堆積したＰＭを燃焼させて、二酸化炭素（ＣＯ２）として排出させることができる。これにより、フィルター２３を再生させることができる。
【００１２】
尿素ＳＣＲ装置２５は、尿素水噴射弁２６、尿素ＳＣＲ触媒２７、及びアンモニアスリップ触媒２８を備えている。尿素水噴射弁２６は、フィルター２３よりも下流側であって尿素ＳＣＲ触媒２７よりも上流側の排気通路１３部分に配置されており、制御装置３０によって制御されて、尿素水溶液を排気中に噴射する。尿素ＳＣＲ触媒２７は、排気中のＮＯｘを選択的に還元する触媒であり、例えば、バナジウム、モリブデン、タングステン等の卑金属酸化物等を用いることができる。アンモニアスリップ触媒２８は、尿素ＳＣＲ触媒２７を通過したアンモニアを酸化させる酸化触媒である。
【００１３】
尿素ＳＣＲ装置２５は、例えば以下の手法によって排気中のＮＯｘ濃度を低減させている。まず、排気中のＮＯｘは尿素ＳＣＲ触媒２７に吸着される。尿素水噴射弁２６が排気中に尿素水溶液を噴射すると、噴射された尿素水溶液中の尿素は加水分解され、この結果、アンモニアが生成される。このアンモニアは、尿素ＳＣＲ触媒２７の触媒作用を利用して、尿素ＳＣＲ触媒２７に吸着している排気中のＮＯｘを還元させる。これにより、ＮＯｘは窒素と水とに分解される。このようにして、尿素ＳＣＲ装置２５は、排気中のＮＯｘ濃度を低減させて、ＮＯｘの大気への放出の抑制を効果的に図っている。また、ＮＯｘの還元に寄与しなかったアンモニアは、アンモニアスリップ触媒２８によって酸化される。これにより、アンモニアが内燃機関システム１の外部に漏出することが抑制されている。
【００１４】
また、本実施形態に係る内燃機関システム１は、尿素ＳＣＲ装置２５の触媒（具体的には尿素ＳＣＲ触媒２７及びアンモニアスリップ触媒２８）の熱が尿素ＳＣＲ装置２５の周辺部に伝達することを抑制する部材として、ヒートプロテクタ４０を備えている。具体的には、本実施形態に係るヒートプロテクタ４０は、尿素ＳＣＲ触媒２７及びアンモニアス
リップ触媒２８の外側にある排気通路１３の外周部分に、この排気通路１３の外周部分を全体的に覆うように配置されている。また、ヒートプロテクタ４０は、断熱材を含んでおり、これによりヒートプロテクタ４０の熱伝導率は排気通路１３の熱伝導率よりも低くなっている。このヒートプロテクタ４０を備えることにより、尿素ＳＣＲ装置２５の触媒の熱によって、尿素ＳＣＲ装置２５の周辺の雰囲気が加熱されて、高温になることが抑制されている。
【００１５】
なお、これは後述するが、本実施形態に係るフィルター装置２１の場合、熱交換器５４がフィルター装置２１のヒートプロテクタとしての機能を有しているので、フィルター装置２１には、熱交換器５４以外のヒートプロテクタは配置されていない。
【００１６】
制御装置３０は、内燃機関１０の燃料噴射時期や燃料噴射量等を制御することで内燃機関１０の動作を制御するとともに、尿素水噴射弁２６の動作や、後述する廃熱回収装置５０のポンプ５３の動作も制御する。このような制御装置３０として、本実施形態においては、制御部としての機能を有するＣＰＵ３１と、ＣＰＵ３１の動作に用いられる各種データやプログラム等を記憶する記憶部３２とを有する電子制御装置を用いている。記憶部３２としては、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の各種の記憶装置を用いることができる。
【００１７】
続いて、廃熱回収装置５０の詳細について説明する。廃熱回収装置５０はランキンサイクルシステム５１を備えている。このランキンサイクルシステム５１は、内燃機関１０に適用されており、作動流体（Ｆ）が循環する循環通路である作動流体循環通路５２と、この作動流体循環通路５２に順に配置されたポンプ５３、熱交換器５４、膨張器５５及び凝縮器５６を備えている。なお、本実施形態においては、作動流体の一例として、水を用いている。
【００１８】
ポンプ５３は、作動流体を圧送するポンプである。ポンプ５３は、制御装置３０によって制御されることで駆動する。このようなポンプ５３の一例として、本実施形態においては、電動式の流体ポンプを用いている。ポンプ５３によって圧送された作動流体（液体状態の作動流体）は、熱交換器５４に供給される。
【００１９】
熱交換器５４は、排気後処理装置２０の外周部分、具体的にはフィルター装置２１の外周部分に配置されており、熱交換器５４に供給された作動流体とフィルター装置２１の触媒（酸化触媒２２）との間で熱交換を行う。
【００２０】
具体的には、本実施形態に係る熱交換器５４は、フィルター装置２１の外側の排気通路１３の外周部分に、この排気通路１３の外周を全体的に覆うように配置されている。この熱交換器５４に供給された作動流体は、熱交換器５４において、酸化触媒２２の熱を受熱することで加熱されて気体（具体的には蒸気）になる。この気体となった作動流体は、膨張器５５に供給される。
【００２１】
膨張器５５は、膨張器５５に供給された作動流体を膨張させて、エネルギーを出力する装置である。本実施形態においては、膨張器５５の一例として、蒸気タービンを用いている。この膨張器５５としての蒸気タービンには、発電機（図示せず）が装着されている。蒸気タービンは、蒸気タービンに供給された作動流体からの圧力を受けて回転し、この回転によって発電機が発電する。この発電された電力は、バッテリー等の充電装置（図示せず）に充電される。このようにして、本実施形態に係る膨張器５５は、作動流体を膨張させて、電気エネルギーを出力している。
【００２２】
膨張器５５を経由した作動流体は凝縮器５６に供給される。凝縮器５６は、供給された作動流体を凝縮させて液体に戻す装置である。このような機能を有するものであれば、凝
縮器５６の具体的な構成は特に限定されるものではないが、本実施形態に係る凝縮器５６は、凝縮器５６に供給された作動流体を外気との熱交換によって凝縮させて液体に戻すように構成されている。凝縮器５６を経由した作動流体（液体）は、ポンプ５３に戻り、再び熱交換器５４に供給される。
【００２３】
以上のように、廃熱回収装置５０のランキンサイクルシステム５１は、排気後処理装置２０の触媒の熱、具体的にはフィルター装置２１の酸化触媒２２の熱（廃熱）を回収して、エネルギー（具体的には電気エネルギー）を出力している。
【００２４】
続いて、制御装置３０によるポンプ５３の制御について説明する。制御装置３０は、排気後処理装置２０の触媒、具体的にはフィルター装置２１の酸化触媒２２の発熱量に応じてポンプ５３の出力を制御することで、酸化触媒２２の発熱量に応じて熱交換器５４に供給される作動流体の流量を制御している。すなわち、本実施形態に係る制御装置３０は、触媒の発熱量に応じて熱交換器５４に供給される作動流体の流量を制御する流量制御装置としての機能を有している。
【００２５】
具体的には、制御装置３０は、酸化触媒２２の発熱量が大きいほどポンプ５３の出力を増大させている。この制御装置３０による制御の具体例は以下のとおりである。
【００２６】
まず、酸化触媒２２の発熱量は、特に、フィルター再生処理の実行時に増大する。そこで、制御装置３０は、このフィルター再生処理が実行された場合に、ポンプ５３の出力を、フィルター再生処理の実行開始前の時点におけるポンプ５３の出力よりも増大させることで、酸化触媒２２の発熱量が大きいほど熱交換器５４に供給される作動流体の流量を増大させている。
【００２７】
逆の視点でこれを説明すると、制御装置３０は、酸化触媒２２の発熱量が小さいほど熱交換器５４に供給される作動流体の流量を減少させているともいえる。これにより、熱交換器５４の作動流体との熱交換によって酸化触媒２２が過度に冷却されることを抑制することができる。
【００２８】
なお、上述したフィルター再生処理の具体的な内容は、特に限定されるものではないが、以下の手法を用いることができる。例えば、内燃機関システム１が、酸化触媒２２よりも上流側の排気通路１３に、燃料を添加する排気管インジェクタ（図示せず）を備えている場合、制御装置３０は、フィルター再生処理において、この排気管インジェクタから燃料を排気通路１３内に添加させる。この排気通路１３内に添加された燃料は、酸化触媒２２において燃焼する。これにより、排気温度が上昇して高温になるので、この高温になった排気の熱によってフィルター２３のＰＭを燃焼させてフィルター２３を強制的に再生させることができる。
【００２９】
あるいは、フィルター再生処理として、ポスト噴射（これはメイン噴射よりも後の時期に気筒１１内へ燃料を噴射する燃料噴射制御である）を実行することで、排気温度を強制的に上昇させて、フィルター２３を強制的に再生することもできる。あるいは、フィルター再生処理として、ポスト噴射及び排気管インジェクタによる燃料添加の両方を実行することもできる。
【００３０】
以上説明した本実施形態によれば、ランキンサイクルシステム５１の熱交換器５４の作動流体によって、フィルター装置２１の酸化触媒２２の熱（すなわち廃熱）を回収することができる。すなわち、本実施形態に係る熱交換器５４は、ヒートプロテクタとしての機能を有しつつ、廃熱を回収している。これにより、酸化触媒２２の熱によってフィルター装置２１の周辺の雰囲気が高温になることを抑制しつつ、廃熱を回収することができる。
【００３１】
また本実施形態によれば、上述したように、フィルター装置２１の周辺の雰囲気が高温になることを抑制できるので、内燃機関システム１や車両におけるフィルター装置２１の配置箇所の自由度を向上させることもできる。
【００３２】
また本実施形態によれば、制御装置３０が酸化触媒２２の発熱量に応じて熱交換器５４に供給される作動流体の流量を制御しているので、酸化触媒２２の発熱量に応じて、熱交換器５４における酸化触媒２２と作動流体との間の熱交換を制御することができる。これにより、フィルター装置２１の周辺の雰囲気が高温になることを効果的に抑制することができる。また、酸化触媒２２が熱交換器５４の作動流体との熱交換によって過度に冷却されることを抑制することもできる。
【００３３】
（実施形態２）
図２は本発明の実施形態２に係る廃熱回収装置５０ａを有する内燃機関システム１ａの構成を模式的に示す構成図である。本実施形態に係る廃熱回収装置５０ａのランキンサイクルシステム５１ａは、熱交換器５４ａの配置箇所が、フィルター装置２１ではなく、尿素ＳＣＲ装置２５に変更されている点において、図１に示すランキンサイクルシステム５１と異なっている。
【００３４】
熱交換器５４ａは、尿素ＳＣＲ装置２５の外周部分、具体的には尿素ＳＣＲ装置２５の触媒（尿素ＳＣＲ触媒２７及びアンモニアスリップ触媒２８）の外周部分に配置されており、熱交換器５４ａに供給された作動流体と尿素ＳＣＲ装置２５の触媒との間で熱交換を行う。
【００３５】
具体的には、熱交換器５４ａは、尿素ＳＣＲ装置２５の尿素ＳＣＲ触媒２７及びアンモニアスリップ触媒２８の外側にある排気通路１３の外周部分に、この排気通路１３の外周を全体的に覆うように配置されている。熱交換器５４ａに供給された作動流体は、尿素ＳＣＲ触媒２７及びアンモニアスリップ触媒２８の熱を受熱することで加熱されて気体になる。この気体となった作動流体は、膨張器５５に供給される。
【００３６】
なお、熱交換器５４ａの配置箇所は、上述したような尿素ＳＣＲ触媒２７及びアンモニアスリップ触媒２８の両方の外周部分に限定されるものではない。例えば熱交換器５４ａは、尿素ＳＣＲ触媒２７及びアンモニアスリップ触媒２８のいずれか一方の外周部分にのみ配置されて、他方の触媒の外周部分には配置されていなくてもよい。この構成の場合、熱交換器５４ａに供給された作動流体は、熱交換器５４ａの内側（内周側）に配置された尿素ＳＣＲ触媒２７又はアンモニアスリップ触媒２８の熱を受熱することで加熱されて気体になる。
【００３７】
また本実施形態に係るフィルター装置２１の外周部分には、熱交換器の代わりにヒートプロテクタ４０ａが配置されている。具体的にはヒートプロテクタ４０ａは、フィルター装置２１の外周部分を覆うように配置されており、フィルター装置２１の酸化触媒２２の熱がフィルター装置２１の周辺に伝達することを抑制して、フィルター装置２１の周辺の雰囲気が高温になることを抑制している。
【００３８】
また、本実施形態に係る制御装置３０は、尿素ＳＣＲ装置２５の触媒の発熱量に応じてポンプ５３の出力を制御することで、この触媒の発熱量に応じて熱交換器５４ａに供給される作動流体の流量を制御している。なお、この触媒としては、尿素ＳＣＲ触媒２７を用いてもよく、アンモニアスリップ触媒２８を用いてもよく、この両方を用いてもよい。本実施形態においては、この触媒の一例として、尿素ＳＣＲ触媒２７を用いている。すなわち、本実施形態に係る制御装置３０は、尿素ＳＣＲ触媒２７の発熱量に応じて熱交換器５
４ａに供給される作動流体の流量を制御している。
【００３９】
具体的には制御装置３０は、尿素ＳＣＲ触媒２７の発熱量が大きいほどポンプ５３の出力を増大させることで熱交換器５４ａに供給される作動流体の流量を増大させている。この制御装置３０による制御の具体例は以下のとおりである。
【００４０】
まず、尿素ＳＣＲ触媒２７の発熱量は、特に、尿素水噴射弁２６による尿素水噴射が実行された場合に増大する。なお、この場合、アンモニアスリップ触媒２８の発熱量も増大する。そこで、本実施形態に係る制御装置３０は、この尿素水噴射が実行された場合に、ポンプ５３の出力を、尿素水噴射実行開始前の時点におけるポンプ５３の出力よりも増大させることで、尿素ＳＣＲ触媒２７の発熱量が大きいほど熱交換器５４ａに供給される作動流体の流量を増大させている。
【００４１】
以上説明した本実施形態によれば、ランキンサイクルシステム５１ａの熱交換器５４ａの作動流体によって、尿素ＳＣＲ装置２５の触媒の熱を回収することができるので、この触媒の熱（すなわち廃熱）によって尿素ＳＣＲ装置２５の周辺の雰囲気が高温になることを抑制しつつ、廃熱を回収することができる。
【００４２】
また本実施形態によれば、上述したように、尿素ＳＣＲ装置２５の周辺の雰囲気が高温になることを抑制できるので、内燃機関システム１ａや車両における尿素ＳＣＲ装置２５の配置箇所の自由度を向上させることもできる。
【００４３】
また本実施形態によれば、制御装置３０が尿素ＳＣＲ装置２５の触媒の発熱量に応じて熱交換器５４ａに供給される作動流体の流量を制御しているので、尿素ＳＣＲ装置２５の触媒の発熱量に応じて作動流体とこの触媒との間の熱交換を制御することができる。これにより、尿素ＳＣＲ装置２５の周辺の雰囲気が高温になることを効果的に抑制することができる。また、尿素ＳＣＲ装置２５の触媒が熱交換器５４ａの作動流体との熱交換によって過度に冷却されることを抑制することもできる。
【００４４】
（実施形態１及び実施形態２の変形例）
なお、廃熱回収装置のランキンサイクルシステムは、実施形態１に係る熱交換器５４の特徴と実施形態２に係る熱交換器５４ａの特徴とを両方備える構成とすることもできる。この場合、内燃機関システムは、図１のヒートプロテクタ４０や図２のヒートプロテクタ４０ａを備える代わりに、フィルター装置２１の外周部分に配置された熱交換器５４（図１）や尿素ＳＣＲ装置２５の外周部分に配置された熱交換器５４ａ（図２）を備えている。そして、このランキンサイクルシステムの熱交換器は、フィルター装置２１及び尿素ＳＣＲ装置２５の両方の外周部分に配置されて、熱交換器に供給された作動流体とフィルター装置２１の触媒及び尿素ＳＣＲ装置２５の触媒との間で熱交換を行う。
【００４５】
本変形例によれば、ランキンサイクルシステムの熱交換器の作動流体によって、フィルター装置２１及び尿素ＳＣＲ装置２５の触媒の熱を回収することができるので、この触媒の熱（すなわち廃熱）によってフィルター装置２１及び尿素ＳＣＲ装置２５の周辺の雰囲気が高温になることを抑制しつつ、廃熱を回収することができる。
【００４６】
以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１，１ａ  内燃機関システム
１０  内燃機関
１３  排気通路
２０  排気後処理装置
２１  フィルター装置
２２  酸化触媒（触媒）
２３  フィルター
２５  尿素ＳＣＲ装置
２６  尿素水噴射弁
２７  尿素ＳＣＲ触媒（触媒）
２８  アンモニアスリップ触媒（触媒）
３０  制御装置（流量制御装置）
４０，４０ａ  ヒートプロテクタ
５０，５０ａ  廃熱回収装置
５１，５１ａ  ランキンサイクルシステム
５２  作動流体循環通路（循環通路）
５３  ポンプ
５４，５４ａ  熱交換器
５５  膨張器
５６  凝縮器
【図１】
2018053788.tif 000003
【図２】
2018053788.tif 000004