(57)【要約】【課題】排気熱を効率的に回収可能とした上で、冷態始動時には排気浄化触媒による排気浄化性能を迅速に確保可能にする。【解決手段】排気マニホールド３の周囲に熱媒体を流通させて、排気マニホールド３を通過する排気から熱媒体を介して排気熱を回収する排気熱回収装置において、上流側排気浄化触媒５の触媒温度を検出する上流側触媒温度センサ３１により検出した触媒温度により、上流側排気浄化触媒５が非活性状態であることが検出された場合には、熱媒体の流通を規制して、排気マニホールド３の熱容量を低下させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に排気浄化触媒を備えた内燃機関の排気熱回収装置において、
前記排気浄化触媒の上流側の排気通路を通過する排気から熱媒体を介して排気熱を回収する排気熱回収手段と、
前記排気浄化触媒の非活性状態を検出する触媒状態検出手段と、
前記触媒状態検出手段により前記排気浄化触媒が非活性状態であることが検出された場合に、前記排気浄化触媒より上流側の排気通路の熱容量が低下するように、前記排気熱回収手段による排気熱の回収を抑制する回収抑制手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関の排気熱回収装置。
【請求項２】
前記排気熱回収手段は、内管及び外管を備えた二重構造の排気管を備え、前記内管と外管との間に前記熱媒体を流通させ、内管を流通する排気から前記熱媒体を介して排気熱を回収することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気熱回収装置。
【請求項３】
前記排気熱回収手段は、熱電素子を備え、該熱電素子により前記熱媒体の熱を電気に変換して回収することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気熱回収装置に係り、詳しくは、排気浄化触媒を備えた内燃機関における排気熱の回収技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン（内燃機関）の排気通路には、通常、排気中の有害成分を浄化するために排気浄化触媒が設けられている。排気浄化触媒は、一般的に、冷態始動時のように触媒温度が低下している場合には、その性能を十分に発揮することが困難である。
一方、エンジンの不要な排気熱を回収して他の電気機器等に利用する排気熱回収装置が知られている。排気熱回収装置は、例えば排気通路に設けられた熱電素子により、排気通路を通過する排気の熱を電気に変換して回収する(特許文献１)。このような排気熱回収装置では、排気熱を効率よく回収できるように、熱電素子を排気通路の極力上流部に配置することが望ましい。
【特許文献１】特開２００５−２９９４１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、排気浄化触媒を備えた内燃機関に上記の排気熱回収装置を設け、排気熱を効率よく回収するために排気浄化触媒の上流側に熱電素子を配置すると、排気浄化触媒の上流側の排気通路の熱容量が増加してしまうので、冷態始動時に排気浄化触媒に流入する排気の温度が上昇し難くなり排気浄化性能を迅速に確保できなくなる虞がある。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、排気熱を効率的に回収可能とした上で、冷態始動時には排気浄化触媒による排気浄化性能を迅速に確保可能な排気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】
【０００４】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明では、排気通路に排気浄化触媒を備えた内燃機関の排気熱回収装置において、排気浄化触媒の上流側の排気通路を通過する排気から熱媒体を介して排気熱を回収する排気熱回収手段と、排気浄化触媒の非活性状態を検出する触媒状態検出手段と、触媒状態検出手段により排気浄化触媒が非活性状態であることが検出された場合に、排気浄化触媒より上流側の排気通路の熱容量が低下するように、排気熱回収手段による排気熱の回収を抑制する回収抑制手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００５】
また、請求項２の発明では、請求項１において、排気熱回収手段は、内管及び外管を備えた二重構造の排気管を備え、内管と外管との間に熱媒体を流通させ、内管を流通する排気から熱媒体を介して排気熱を回収することを特徴とする。
また、請求項３の発明では、請求項１または２において、排気熱回収手段は、熱電素子を備え、該熱電素子により熱媒体の熱を電気に変換して回収することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の請求項１の内燃機関の排気浄化装置によれば、排気熱回収手段により排気浄化触媒の上流側で効率的に排気熱を回収できる一方、排気浄化触媒が非活性状態である場合には、排気浄化触媒より上流側の排気通路の熱容量が低下しないように排気熱の回収が抑制され、排気浄化触媒に流入する排気の熱損失が抑えられる。したがって、排気浄化触媒が高温に晒されて劣化する事態に至る可能性を低減できるとともに、内燃機関の冷態始動時に排気浄化触媒を迅速に活性化させ排気浄化性能を確保することができる。
【０００７】
また、本発明の請求項２の内燃機関の排気浄化装置によれば、二重構造の排気管の内管と外管との間に熱媒体を流通させ、内管を流通する排気から熱媒体を介して排気熱を回収するので、排気熱回収手段を容易に構成することができる。また、熱媒体の流通を制御することで容易に排気通路の熱容量を調整することができ、排気熱の回収の抑制を容易に行うこともできる。
【０００８】
また、本発明の請求項３の内燃機関の排気浄化装置によれば、熱電素子により排気熱が電気に変換して回収されるので、回収された排気熱を電気機器等に利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の排気熱回収装置が適用されたエンジン（内燃機関）１の排気系の概略構成図である。
車両に搭載されたエンジン１の排気ポート２には排気マニホールド３を介して排気管４の一端が接続されている。排気管４には、排気マニホールド３に近接して上流側排気浄化触媒（ＦＣＣ）５が設けられるとともに、下流側に例えば車両の床下に位置して下流側排気浄化触媒（ＵＣＣ）６が介装されている。
【００１０】
上流側排気浄化触媒５及び下流側排気浄化触媒６は、例えば三元触媒が用いられており排気中のＮＯｘ等の有害成分を浄化する機能を有する。三元触媒は、触媒温度が上昇して活性化した状態で浄化性能が発揮される。
排気マニホールド３は、一部が下流側に向かって下方に延びている。排気マニホールド３の下方に延びた部分は、内管１０と外管１１とを有する二重構造となっており、内管１０と外管１１との間には上下方向に延び両端が閉塞された空間１２が形成されている。外管１１には、上流側に管路２０の一端２０ａが、下流側に管路２０の他端２０ｂが接続されている。管路２０は空間１２と連通しており、空間１２及び管路２０によって水等の流体状の熱媒体が流通可能なループ状の流通路が形成されている。排気マニホールド３に形成された空間１２は、ループ状の流通路の中で最上方に位置するように配置されている。管路２０には、空間１２より下方に熱媒体を貯留するタンク２１が介装されているとともに、タンク２１をバイパスするバイパスライン２２が設けられている。タンク２１の上方に位置する管路２０とバイパスライン２２との分岐点には、電磁式のバルブ２３が設けられている。バルブ２３は、タンク２１が介装された管路２０とバイパスライン２２とを選択的に開閉する機能を有する。バイパスライン２２との合流部と一端２０ａとの間の管路２０には、電動式のポンプ２４が介装されている。ポンプ２４は合流部側から空間１２に向かって、熱媒体を供給する機能を有する。また、ポンプ２４と一端２０ａとの間の管路２０には、空間１２からポンプ２４への熱媒体の逆流を防ぐ逆止弁２５が設けられている。一方、他端２０ｂとバルブ２３との間の管路２０には、排気マニホールド３に近接して電力変換器２６が介装されている。電力変換器２６は、例えば熱電素子によって構成されており、管路２０を流通する熱媒体の熱を電気に変換する機能を有する。
【００１１】
なお、内管１０及び外管１１を含む二重構造の排気マニホールド３、管路２０、ポンプ２４、電力変換器２６及びこれらを流通する熱媒体を含むシステムが本発明の排気熱回収手段に該当する。
また、エンジン１には、冷却水温度を検出する水温センサ３０が備えられている。上流側排気浄化触媒５には触媒温度を検出する上流側触媒温度センサ３１が、下流側浄化触媒６には触媒温度を検出する下流側触媒温度センサ３２が設けられている。
【００１２】
ＥＣＵ（電子コントロールユニット）４０は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）及びエンジン始動からの時間を計測するタイマ等を含んで構成されている。
ＥＣＵ４０の入力側には、上述する水温センサ３０、上流側触媒温度センサ３１及び下流側触媒温度センサ３２が接続され、これらセンサ類からの検出情報が入力されるとともに、例えばエンジンの作動を制御するエンジン制御部からエンジン１の運転信号が入力される。
【００１３】
一方、ＥＣＵ４０の出力側には、上述したポンプ２４及びバルブ２３が接続されている。ＥＣＵ４０は、上記各種センサからの検出情報に基づいて、ポンプ２４及びバルブ２３の作動制御を行う。
図２は、ＥＣＵ４０でのエンジン作動時におけるポンプ２４及びバルブ２３の作動制御要領を示すフローチャートである。本ルーチンはエンジン作動時に繰り返し実行される。
【００１４】
先ず、図２に示すように、ステップＳ１０では、水温センサ３０により検出したエンジン１の冷却水温度ＷＴを入力する。そして、ステップＳ２０に進む。
ステップＳ２０では、上流側触媒温度センサ３１により検出した上流側排気浄化触媒５の触媒温度Ｔfccを入力するとともに、下流側触媒温度センサ３２により検出した下流側排気浄化触媒６の触媒温度Ｔuccを入力する。そして、ステップＳ３０に進む。
【００１５】
ステップＳ３０では、ステップＳ１０で入力した冷却水温度ＷＴが所定値ＷＴ1未満であるか否かを判別する。この所定値ＷＴ1は、上流側排気浄化触媒５が確実に活性化するエンジン冷却水温に設定すればよい。冷却水温度ＷＴが所定値ＷＴ1未満である場合はステップＳ４０に進む。
ステップＳ４０では、タイマから始動後の経過時間Ｔｓを入力し、該経過時間Ｔｓが所定時間Ｔｓ1未満であるか否かを判別する。この所定時間Ｔｓ1は、上流側排気浄化触媒５の早期活性化の観点から始動後に必ず排気熱回収を禁止する時間に設定すればよい。経過時間Ｔｓが所定時間Ｔｓ1未満である場合は、ステップＳ６０に進む。経過時間Ｔｓが所定時間Ｔｓ1以上である場合は、ステップＳ５０に進む。
【００１６】
ステップＳ５０では、ステップＳ２０で入力した上流側排気浄化触媒５の触媒温度Ｔfccが所定値Ｔfcc１未満であるか否かを判別する。この所定値Ｔfcc１は、上流側排気浄化触媒５の活性温度に設定すればよい。触媒温度Ｔfccが所定値Ｔfcc１未満である場合は、ステップＳ６０に進む。
ステップＳ６０ではポンプ２４を非駆動状態とする（回収抑制手段）。そして、本ルーチンを終了する。
【００１７】
一方、ステップＳ３０において冷却水温度ＷＴが所定値ＷＴ1以上であると判定された場合、またはステップＳ５０において触媒温度Ｔfccが所定値Ｔfcc１以上であると判定された場合には、ステップＳ１００に進む。
ステップＳ１００では、タンク２１側の管路２０が閉塞するとともにバイパスラインが開放されるようにバルブ２３を制御する。そして、ステップＳ１１０に進む。
【００１８】
ステップＳ１１０では、ステップＳ２０で入力した下流側排気浄化触媒６の触媒温度Ｔuccが所定値Ｔucc1より高いか否かを判別する。この所定値Ｔucc1は、下流側排気浄化触媒６に流入する排気温度を調節するための閾値であり、下流側排気浄化触媒６が必要以上に昇温しないように適宜設定すればよい。触媒温度Ｔuccが所定値Ｔucc1より高い場合は、ステップＳ１２０に進む。
【００１９】
ステップＳ１２０では、ポンプ２４を強（吐出量大）作動させる。そして、本ルーチンを終了する。
ステップＳ１１０において触媒温度が所定値Ｔucc以下であると判定された場合には、ステップＳ１３０に進む。
ステップＳ１３０では、ポンプ２４を弱（吐出量小）作動させる。そして、本ルーチンを終了する。
【００２０】
図３は、ＥＣＵ４０でのエンジン停止時におけるポンプ２４及びバルブ２３の作動制御要領を示すフローチャートである。本ルーチンは図２に示すフローチャートと並行して優先的に実行される。
図３に示すように、先ず、ステップＳ２００では、エンジン停止状態かつキースイッチがＯＦＦであるか否かを判別する。エンジン停止状態かつキースイッチがＯＦＦである場合は、ステップＳ２１０に進む。
【００２１】
ステップＳ２１０では、ポンプ２４の駆動を停止させる。そして、ステップＳ２２０に進む。
ステップＳ２２０では、タンク２１側の管路２０が開放されるとともにバイパスライン２２が閉塞されるようにバルブ２３を制御する。そして、本ルーチンを終了する。
図４は、ポンプ２４非作動時の熱媒体の位置を示す説明図である。図５は、ポンプ２４作動時の熱媒体の流通状態を示す説明図である。
【００２２】
以上のように制御することで、本実施形態では、冷却水温ＷＴが所定値ＷＴ1以下であるとともに、始動から所定時間Ｔｓ1経過する前または上流側排気浄化触媒５が非活性状態である場合には、ポンプ２４は作動せず、またタンク２１側の管路２０が開放する。したがって、図４に示すように、空間１２内の熱媒体が自重により管路２０内を落下してタンク２１内に流入するので、空間１２内に熱媒体がなくなる。したがって、排気マニホールド３を通過する排気は熱媒体により熱を吸収されることなく、上流側排気浄化触媒５に流入する。これにより、冷態始動時には、排気マニホールド３の熱容量が低下して排気熱の温度低下が抑制され、効率よく上流側排気浄化触媒５を暖めて迅速に活性化させることができる。また、排気マニホールド３の内管１０は閉塞した空間１２で覆われ、外気に直接触れない構造となるので、排気マニホールド３から外気へ熱が逃げ難くなり、より効率的に排気熱を上流側排気浄化触媒５に供給することができる。
【００２３】
一方、冷却水温ＷＴが所定値ＷＴ1以上であるか、または始動から所定時間Ｔｓ1を越えかつ上流側排気浄化触媒５が活性状態である場合には、ポンプ２４が作動するとともに、タンク２１側の管路２０が閉塞しバイパスライン２２が開放するので、図５に示すように、熱媒体が空間１２内を流通する。したがって、排気マニホールド３を通過する排気の熱は熱媒体に吸収され、昇温した熱媒体から電力変換器２６によって電気が発生する。電力変換器２６によって発生された電気は、例えばバッテリシステムに供給されて蓄電され、電気機器等に利用される。なお、熱媒体により回収された排気熱は、上記のように電気エネルギーに変換して利用する以外にもヒータやランキンサイクル等に利用してもよい。
【００２４】
更に、下流側排気浄化触媒６の温度に応じてポンプ２４の駆動を強弱に変化させるので、排気熱の回収量が変化して下流側排気浄化触媒６へ流入する排気の熱が調節され、下流側排気浄化触媒６の昇温と排気熱回収とを適宜バランスよく行うことができる。
また、上記のように熱媒体の流通、停止や流通速度を切り換えることで、排気の温度をコントロールすることができるので、排気浄化触媒５、６の過昇温を防止して劣化を抑制することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る内燃機関の排気系の概略構成図である。
【図２】エンジン作動時におけるポンプ及びバルブの作動制御要領を示すフローチャートである。
【図３】エンジン停止時におけるポンプ及びバルブの作動制御要領を示すフローチャートである
【図４】ポンプ非作動時の熱媒体の位置を示す説明図である。
【図５】ポンプ作動時の熱媒体の流通状態を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  エンジン
２  排気管
３  排気浄化触媒
４  排気マニホールド
５  タンク
６  熱電素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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