JP2004360522A

JP2004360522A - Exhaust system

Info

Publication number: JP2004360522A
Application number: JP2003158088A
Authority: JP
Inventors: Kiyohito Murata; 清仁村田; Shoichi Iwamoto; 昭一岩本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-06-03
Filing date: 2003-06-03
Publication date: 2004-12-24
Anticipated expiration: 2023-06-03
Also published as: JP4196737B2

Abstract

【課題】排熱発電の回収効率を向上させるとともに触媒の熱劣化も防止する排気システムを提供することを課題とする。
【解決手段】内燃機関から排出された排気ガスを触媒により浄化するとともに排気ガスの熱エネルギによって発電する排気システム１であって、排気ガスを触媒により浄化する第１排気浄化手段と、第１排気浄化手段の下流側に配置され、排気ガスを触媒により浄化する第２排気浄化手段と、第２排気浄化手段の上流側に配置される第１排熱発電手段と、第１排気浄化手段の下流側に配置される第２排熱発電手段と、第１排気浄化手段と第２排熱発電手段の第２熱交換部とに排気ガスを流す第１排気通路５と、第２排気浄化手段と第１排熱発電手段の第１熱交換部とに排気ガスを流す第２排気通路６と、第１排気通路５と第２排気通路６とを切り換える切換手段８と、切換手段８の切り換えを制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１An object of the present invention is to provide an exhaust system that improves recovery efficiency of waste heat power generation and that also prevents thermal deterioration of a catalyst.
An exhaust system (1) for purifying exhaust gas discharged from an internal combustion engine with a catalyst and generating electric power by the thermal energy of the exhaust gas, comprising: first exhaust purification means for purifying exhaust gas with a catalyst; A second exhaust gas purifying means disposed downstream of the purifying means for purifying exhaust gas by means of a catalyst; a first exhaust heat power generating means disposed upstream of the second exhaust gas purifying means; and a downstream of the first exhaust gas purifying means. A second exhaust heat generating means disposed on the side, a first exhaust passage 5 for flowing exhaust gas to the first exhaust gas purifying means and a second heat exchange part of the second exhaust heat generating means, a second exhaust gas purifying means, The second exhaust passage 6 for flowing exhaust gas to the first heat exchange section of the first exhaust heat generating means, the switching means 8 for switching between the first exhaust passage 5 and the second exhaust passage 6, and the switching of the switching means 8 And control means for controlling.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガスを触媒により浄化するとともに排気ガスの熱エネルギによって発電する排気システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンから排出される排気ガスは、有害物質（一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物等）を含んでいる。そのため、排気系には三元触媒等の触媒からなる触媒装置が設けられ、この触媒装置によって排気ガスを浄化している。このような触媒は、活性温度（例えば、３５０℃〜８００℃）を有し、触媒温度が活性温度内の場合に浄化作用がある。
【０００３】
また、排気ガスは、エンジンの出力が大きくなるほど多量の熱エネルギを含んでおり、熱エネルギに応じてガス温度が高くなる。この熱エネルギは、その一部が触媒装置の触媒温度を活性温度まで上昇させるために利用されるが、この昇温に利用されなかった熱エネルギの殆どが回収されることなく放散される。そこで、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換することによって、排気ガスの熱エネルギを回収する排熱発電装置が開発されている。排熱発電装置では、排気ガスが流れる排気管（高温側）と冷却部（低温側）との間に熱電変換モジュールを配置し、この高温側と低温側との温度差に応じて熱電変換モジュールの各熱電素子で発電している。この排熱発電装置における熱電変換効率を向上させるためには、高温側の温度を上げるとともに、高温側と低温側との温度差を大きくする必要がある。
【０００４】
触媒装置では、エンジンのコールドスタート等の触媒温度が低温時には触媒温度を活性温度まで迅速に上昇させる必要がある。そこで、従来の排気システムでは、触媒装置をエキゾーストマニホールドの直下等の排気系において排気ガスの放熱ロスが少ない箇所に配置し、排熱発電装置をその下流側に配置していた（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−１９５７６５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかながら、触媒装置の下流側に排熱発電装置を配置する構成では、排気ガスの熱エネルギが触媒装置での昇温に利用されたり、排気通路内を流れている時に放散するので、熱エネルギが減少し、排気温度も低くなる。そのため、排熱発電装置では、熱電変換効率が低下し、熱エネルギの回収効率も低くなってしまう。特許文献１に記載されている発明でも、触媒装置の下流に２つに排熱回収手段が配置されているので、その回収効率は低くなる。
【０００７】
また、触媒装置をエキゾーストマニホールドの直下等の排気系の上流側に配置する構成では、触媒が熱劣化する恐れがある。というのは、エキゾーストマニホールドの直下等では排気ガスの放熱ロスが殆どないので、エンジンが高出力時には排気ガスの熱エネルギが多く、高温の排気ガスによって触媒温度も非常に高温となる。触媒温度が活性温度を超えると、浄化作用が低下し、触媒が熱劣化する。特許文献１に記載されている発明でも、触媒装置が上流に配置されているので、触媒が熱劣化する恐れがある。
【０００８】
そこで、本発明は、排熱発電の回収効率を向上させるとともに触媒の熱劣化も防止する排気システムを提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る排気システムは、内燃機関から排出された排気ガスを触媒により浄化するとともに排気ガスの熱エネルギによって発電する排気システムであって、排気ガスを触媒により浄化する第１排気浄化手段と、第１排気浄化手段の下流側に配置され、排気ガスを触媒により浄化する第２排気浄化手段と、第２排気浄化手段の上流側に配置され、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する第１熱電変換部と、第１熱電変換部の一端面に排気ガスの熱エネルギを伝導する第１熱交換部と、第１熱電変換部の他端面を冷却する第１冷却部とを有する第１排熱発電手段と、第１排気浄化手段の下流側に配置され、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する第２熱電変換部と、第２熱電変換部の一端面に排気ガスの熱エネルギを伝導する第２熱交換部と、第２熱電変換部の他端面を冷却する第２冷却部とを有する第２排熱発電手段と、第１排気浄化手段と第２排熱発電手段の第２熱交換部とに排気ガスを流す第１排気通路と、第２排気浄化手段と第１排熱発電手段の第１熱交換部とに排気ガスを流す第２排気通路と、第１排気通路と第２排気通路とを切り換える切換手段と、切換手段の切り換えを制御する制御手段とを備え、制御手段は、内燃機関が低出力の場合には切換手段によって第１排気通路に切り換え、内燃機関が低出力でない場合には切換手段によって第２排気通路に切り換えることを特徴とする。
【００１０】
この排気システムでは、内燃機関が低出力の場合、制御手段が切換手段によって第１排気通路に切り換え、まず、第１排気浄化手段に排気ガスを流し、その後に、その下流側に位置する第２排熱発電手段の第２熱交換部に排気ガスを流す。低出力時には排気ガスの熱エネルギが少ないが、排気系の上流側において、第１排気浄化手段が、排気ガスの熱エネルギを優先的に利用し、排気ガスを浄化する。第１排気浄化手段で回収されなかった排気ガスの熱エネルギがあった場合、第１排気浄化手段の下流側において、第２排熱発電手段が、第２熱交換部によってその排気ガスの熱エネルギを第２熱電変換部の一端面まで伝導するとともに第２冷却部によって第２熱電変換部の他端面を冷却し、第２熱電変換部によって発電する。そのため、内燃機関のコールドスタート時でも、第１排気浄化手段において触媒温度を活性温度まで迅速に上昇させ、早期に排気ガスを浄化することができる。さらに、低出力で排気ガスの熱エネルギは少ないが、第２排熱発電手段によって第１排気浄化手段で回収しなかった排気ガスの熱エネルギを無駄なく回収できるので、回収効率が高くなる。また、この排気システムでは、内燃機関が低出力でない場合、制御手段が切換手段によって第２排気通路に切り換え、まず、第１排熱発電手段の第１熱交換部に排気ガスを流し、その後に、下流側に位置する第２排気浄化手段に排気ガスを流す。低出力でない時には下流側の第２排気浄化手段でも触媒温度が活性温度に達しているので、上流側において、第１排熱発電手段が、第１熱交換部によってその排気ガスの熱エネルギを第１熱電変換部の一端面まで伝導するとともに第１冷却部によって第１熱電変換部の他端面を冷却し、第１熱電変換部によって発電する。そして、下流側において、第２排気浄化手段が、排気ガスを浄化する。そのため、低出力でない場合の多量の排気ガスの熱エネルギを放熱等によって低減する前に、上流側の第１排熱発電手段で優先的に熱エネルギを回収するので、回収効率が高くなる。さらに、第１排熱発電手段で熱エネルギを回収してから第２排気浄化手段に排気ガスが流れるので、第２排気浄化手段の触媒が高温になるのを抑制し、触媒の熱劣化を防止することができる。また、第１排気浄化手段でも、排気ガスの熱エネルギの少ない低出力時にしか排気ガスが流れないので、触媒の熱劣化を防止することができる。切換手段に対する切換制御は、内燃機関の出力状態を示すパラメータに基づいて行われ、例えば、排気ガスの温度、熱交換部の温度等に基づいて行う。
【００１１】
本発明の上記排気システムでは、第１排気浄化手段は、第２排気浄化手段より小さいと好適である。
【００１２】
この排気システムでは、第１排気浄化手段を第２排気浄化手段より小さく構成し、その触媒の熱容量を少なくする。したがって、第１排気浄化手段では、触媒温度の昇温が促進され、少ない熱エネルギでも触媒温度の上昇が早くなる。そのため、内燃機関のコールドスタート時でも、排気ガスの熱エネルギが少ないにもかかわらず、触媒温度が活性温度に達する時間が短くなる。
【００１３】
本発明の上記排気システムでは、第１排熱発電手段及び／又は第２排熱発電手段は、周方向に複数個配置され、第１排熱発電手段が周方向に複数個配置される場合には第１触媒浄化手段の周りに複数個の第１熱交換部を配置し、第２排熱発電手段が周方向に複数個配置される場合には第２触媒浄化手段の周りに複数個の第２熱交換部を配置するように構成してもよい。
【００１４】
この排気システムでは、周方向に複数個配置された第１熱交換部の内側に第１触媒浄化手段が配置されている場合（つまり、第１触媒浄化手段が複数個の第１熱交換部に囲まれている場合）、内燃機関の低出力時には、第１触媒浄化手段は、第１熱交換部の気体層とその外側の第１熱電変換部自体との２重の断熱効果を受けるので、放熱が抑制される。そのため、排気ガスの熱エネルギの放熱によるロスが低減し、触媒温度の昇温が促進される。また、この排気システムでは、周方向に複数個配置された第２熱交換部の内側に第２触媒浄化手段が配置されている場合（つまり、第２触媒浄化手段が複数個の第２熱交換部に囲まれている場合）、内燃機関の低出力でない時には、第２排熱発電手段は、第２触媒浄化手段から放散される排気ガスの熱エネルギを第２熱交換部によって第２熱電変換部に伝導し、第２熱電変換部で発電する。そのため、第２排気浄化手段において触媒温度が活性温度に達していて、熱エネルギを必要としない場合でも、その第２排気浄化手段からの放熱を第２排熱発電手段で回収するので、回収効率が更に向上する。
【００１５】
本発明の上記排気システムでは、切換手段は、第１排気通路を開閉する第１バルブと、第２排気通路を開閉する第２バルブと、第１バルブと第２バルブとが取り付けられる回転軸とを有し、回転軸が回転することによって、第１排気通路の開閉と第２排気通路の開閉とが逆になるように構成してもよい。
【００１６】
この排気システムでは、第１排気通路を開閉する第１バルブと第２排気通路を開閉する第２バルブとが同じ回転軸で回転し、第１バルブが第１排気通路を開いた場合には第２バルブが第２排気通路を閉じ、第１バルブが第１排気通路を閉じた場合には第２バルブが第２排気通路を開く。そのため、第１バルブ及び第２バルブを開閉動作させるための駆動手段等が１つでよいので、部品点数が削減し、切換手段への制御も１系統でよく、システム構成が簡素化する。
【００１７】
本発明の上記排気システムでは、第１冷却部及び第２冷却部に冷媒を供給する排熱発電用ラジエータを備え、制御手段は、第１冷却部に流す冷媒の流量及び第２冷却部に流す冷媒の流量を制御する構成としてもよい。
【００１８】
この排気システムは、制御手段が排熱発電用ラジエータから第１冷却部及び第２冷却部に流す冷媒の流量を各々制御し、第１排熱発電手段及び第２排熱発電手段での発電を制御する。この冷媒の流量制御は、例えば、熱交換部の温度、排熱発電手段の発電量、スロットルバルブの開度、アクセルペダルの操作量等に基づいて行う。この具体的な制御としては、例えば、内燃機関のコールドスタート時には、第１冷却部及び第２冷却部に冷媒を流すのを停止し、熱伝導による放熱を防止し、第１排気浄化手段において排気ガスの熱エネルギを効率良く利用できる。また、熱交換部の温度が所定温度以上になった場合に第１冷却部及び第２冷却部への冷媒の供給を開始し、熱電変換部の一端面と他端面との温度差を大きくし、熱電変換効率を向上させることができる。また、内燃機関の停止後も熱交換部が熱エネルギを蓄えている間は第１冷却部及び第２冷却部に冷媒を供給し、発電を継続し、回収効率を向上させる。このように、第１冷却部及び第２冷却部への冷媒の流量を制御することによって、触媒温度の昇温を促進でき、回収効率を向上させることができる。
【００１９】
本発明の上記排気システムは、排熱発電用ラジエータから第１冷却部及び第２冷却部に冷媒を循環させる電動ポンプを備え、制御手段は、電動ポンプの回転数を制御するように構成してもよい。
【００２０】
この排気システムは、制御手段が排熱発電用ラジエータから第１冷却部及び第２冷却部に冷媒を循環させる電動ポンプの回転数を制御することによって、第１冷却部及び第２冷却部への冷媒の流量を調整する。ちなみに、回転数を０にすることによって、第１冷却部及び第２冷却部への冷媒の供給を停止することができる。
【００２１】
本発明の上記排気システムは、第１冷却部に流す冷媒の流量を調整する第１冷媒バルブと、第２冷却部に流す冷媒の流量を調整する第２冷媒バルブとを備え、制御手段は、第１冷媒バルブの開度及び第２冷媒バルブの開度を制御するように構成してもよい。
【００２２】
この排気システムは、制御手段が第１冷却部への冷媒の流量を調整する第１冷媒バルブの開度及び第２冷却部への冷媒の流量を調整する第２冷媒バルブの開度を制御することによって、第１冷却部及び第２冷却部への冷媒の流量を調整する。ちなみに、冷媒バルブを全閉にすることによって、第１冷却部及び第２冷却部への冷媒の供給を停止することができる。
【００２３】
本発明の上記排気システムは、排熱発電用ラジエータの冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段を備え、制御手段は、冷媒温度検出手段で検出した冷媒温度に基づいて、排熱発電用ラジエータのファンの回転数を制御するように構成してもよい。
【００２４】
この排気システムは、制御手段が冷媒温度検出手段で検出した排熱発電用ラジエータの冷媒温度に基づいて排熱発電用ラジエータのファンの回転数を制御することによって、冷媒温度を適正な温度に調整する。例えば、冷媒温度が所定温度以上になった場合には、ファンを回転させて冷媒の温度を低下させ、熱電変換部の一端面と他端面との温度差を大きくし、熱電変換効率を向上させる。
【００２５】
本発明の上記排気システムは、内部が分割構造であり、排熱発電用ラジエータと内燃機関用ラジエータとが分離して設けられるラジエータと、排熱発電用ラジエータの冷媒の供給先を第１冷却部及び第２冷却部と内燃機関とに切り換える冷媒切換バルブとを備え、制御手段は、冷媒切換バルブの切り換えを制御するように構成してもよい。
【００２６】
この排気システムは、排熱発電用と内燃機関用とが一体となったラジエータを備えている。このラジエータでは、その内部の分割構造によって排熱発電用ラジエータと内燃機関用ラジエータとが分離独立しており、第１冷却部及び第２冷却部と内燃機関とに分けて冷媒を供給できる。さらに、排気システムは、排熱発電用ラジエータの冷媒の供給先を２つの冷却部から内燃機関に切り換える冷媒切換バルブを備えている。そして、排気システムでは、制御手段が冷媒切換バルブの切り換えを制御し、排熱発電用ラジエータの冷媒を内燃機関に流すこともできる。例えば、登坂等の高負荷の場合、内燃機関では大きな冷却能力が必要となるので、排熱発電用ラジエータの冷媒も内燃機関の冷却に利用し、内燃機関のオーバヒートを防止することができる。一方、通常運転等の高負荷でない場合、内燃機関では大きな冷却能力を必要としないので、排熱発電用ラジエータの冷媒を第１熱電変換部及び第２熱電変換部の冷却に利用し、発電を促進する。このように、内燃機関が高負荷の場合には排熱発電用ラジエータの冷媒を利用できるので、内燃機関用ラジエータを高負荷に対応して大型化する必要はなく、一体化したラジエータを高負荷に対応した大きさとすればよい。したがって、排熱発電手段を備えない場合の通常の大きさのラジエータを分割し、排熱発電用ラジエータと内燃機関用ラジエータとを構成しても十分に対応可能である。ちなみに、登坂等の高負荷の頻度は極端に少なく、高負荷以外の頻度が多いので、排熱発電用ラジエータを殆ど発電に利用できる。また、高負荷の場合には、排気ガスの熱エネルギも多いので、発電変換効率は良くないが、発電量自体は多い。
【００２７】
本発明の上記排気システムは、第１排熱発電手段及び／又は第２排熱発電手段は、周方向に複数個配置され、第１排熱発電手段が周方向に複数個配置される場合、第１触媒浄化手段の周りに複数個の第１排熱発電手段を配置し、各第１排熱発電手段の第１冷却部の外側に第１弾性部を配置し、当該第１弾性部により当該第１冷却部を外側から押圧して第１熱電変換部を固定し、第２排熱発電手段が周方向に複数個配置される場合、第２触媒浄化手段の周りに複数個の第２排熱発電手段を配置し、各第２排熱発電手段の第２冷却部の外側に第２弾性部を配置し、当該第２弾性部により当該第２冷却部を外側から押圧して第２熱電変換部を固定するように構成してもよい。
【００２８】
この排気システムでは、第１排熱発電手段及び／又は第２排熱発電手段が周方向に複数個配置されている。第１排熱発電手段が周方向に複数個配置されている場合、周方向に配置されている第１排熱発電手段の内側に第１触媒浄化手段が配置されるとともに第１冷却部の外側に第１弾性部が配置され、この第１弾性部により第１冷却部を外側から押圧して第１熱電変換部を固定する。また、第２排熱発電手段が周方向に複数個配置されている場合、周方向に配置されている第２排熱発電手段の内側に第２触媒浄化手段が配置されるとともに第２冷却部の外側に第２弾性部が配置され、この第２弾性部により第２冷却部を外側から押圧して第２熱電変換部を固定する。この排気システムでは、第１弾性部や第２弾性部の作用により、小さいばね定数で熱電変換部を熱交換部と冷却部との間に押えつけるとともに熱交換部及び冷却部から適切な面圧力を熱電変換部に加えることによって熱電変換部を固定する。そのため、熱電変換部の高温側（熱交換部）と低温側（冷却部）との間でその温度差による熱膨張の差によって歪が発生しても、小さいばね定数によって歪を吸収することができる。
【００２９】
本発明の上記排気システムでは、第１弾性部及び／又は第２弾性部は、押圧部材を有し、押圧部材が点接触又は線接触すると好適である。
【００３０】
この排気システムは、弾性部において押圧部材が点接触又は線接触しているので、熱により歪等が発生して弾性部による冷却部への押圧箇所が位置ずれしても、弾性部から冷却部に（ひいては、冷却部から熱電変換部に）面圧力を均一に与えることができる。そのため、冷却部と熱電変換部との面当りが均一化し、冷却部と熱電変換部との間の面接触性が良くなる。
【００３１】
本発明の上記排気システムでは、第１弾性部及び／又は第２弾性部は、弾性力をもつクランプ部材を有し、クランプ部材により周方向に配置された第１冷却部又は第２冷却部を外側から押圧するように構成してもよい。
【００３２】
この排気システムでは、弾性力をもつバンド状のクランプ部材によって冷却部を押圧するので、このクランプ部材の弾性力により小さいばね定数で熱電変換部を熱交換部と冷却部との間に押えつけることができ、熱交換部及び冷却部から適切な面圧力を熱電変換部に加えることができる。
【００３３】
本発明の上記排気システムでは、周方向に複数個配置されている第１排熱発電手段及び／又は第２排熱発電手段は、周方向に配置されるいずれの第１熱電変換部又は第２熱電変換部の中心線でも対称構造とすると好適である。
【００３４】
この排気システムでは、周方向に複数個配置されている第１排熱発電手段及び／又は第２排熱発電手段が周方向に配置されるいずれの第１熱電変換部又は第２熱電変換部の中心線でも対称構造となっている。つまり、同形状の排熱発電手段が、排気浄化手段を中心にして、偶数個配置される。このように対称構造とすることによって、排気ガスが外側に向かって均等に流れ、熱エネルギが均一に分散し、発電変換効率が向上する。
【００３５】
本発明の上記排気システムは、周方向に複数個配置されている第１排熱発電手段の内側に配置される第１触媒浄化手段及び／又は周方向に複数個配置されている第２排熱発電手段の内側に配置される第２触媒浄化手段は、触媒セルを形成するための複数の縦方向骨格部材と複数の横方向骨格部材とを有し、縦方向骨格部材は排気ガスの流れ方向に対して略直交する面において第１熱電変換部又は第２熱電変換部に対して略直交方向に配置され、縦方向骨格部材の厚さが第１熱電変換部又は第２熱電変換部に近いほど太いと好適である。
【００３６】
この排気システムでは、周方向に複数個配置されている熱交換部の内側に配置される触媒浄化手段において複数の縦方向骨格部材と複数の横方向骨格部材とが交差し、その縦方向骨格部材及び横方向骨格部材に触媒が担持されて触媒セルを形成している。この縦方向骨格部材が排気ガスの流れ方向に対して略直交する面において熱電変換部に対して略直交方向に配置されることによって、排気浄化手段における排気ガスの熱エネルギの伝導方向が熱電変換部に対して略直交し、熱エネルギの伝導性が良い。また、縦方向骨格部材の厚さが熱電変換部に近いほど太くすることによって、排気浄化手段の触媒セルが熱電変換部に近いほど細くなり、排気ガスの熱エネルギの熱電変換部への指向性が良い。そのため、排気浄化手段から熱電変換部へ伝導される排気ガスの熱エネルギが増加し、排熱発電手段における発電量が増加し、回収効率が高くなる。
【００３７】
本発明の上記排気システムは、横方向骨格部材間の間隔が、第１熱電変換部又は第２熱電変換部に近いほど広いと好適である。
【００３８】
この排気システムでは、縦方向骨格部材の厚さが熱電変換部に近いほど太い上に、横方向骨格部材間の間隔が熱電変換部に近いほど広いので、排気ガスの流れ方向に対して略直交する面において触媒浄化手段のいずれの箇所でも触媒セルの面積が略均一化し、排気ガスが触媒浄化手段に均等に広がる。そのため，触媒浄化手段の全域の触媒セルで浄化が行われ、触媒浄化手段における浄化効率が向上する。
【００３９】
本発明の上記排気システムでは、第１排熱発電手段及び／又は第２排熱発電手段は、排気ガスの流れ方向に複数個配置され、第１排熱発電手段が流れ方向に複数個配置される場合、隣接する第１冷却部を屈曲自在に連結し、第２排熱発電手段が流れ方向に複数個配置される場合、隣接する第２冷却部を屈曲自在に連結するように構成してもよい。
【００４０】
この排気システムでは、第１排熱発電手段及び／又は前記第２排熱発電手段が排気ガスの流れ方向に複数個配置されている。第１排熱発電手段が流れ方向に複数個配置されている場合、隣接する第１冷却部が屈曲自在に連結されているので、隣接する第１冷却部間で位置ずれが許容される。第２排熱発電手段が流れ方向に複数個配置されている場合、隣接する第２冷却部が屈曲自在に連結されているので、隣接する第２冷却部間で位置ずれが許容される。排熱発電手段が排気ガスの流れ方向に複数個配置された場合、下流の熱交換部ほど排気ガスの熱エネルギが回収されて温度が低くなり、熱交換部では温度勾配が発生する。そのため、上流の熱交換部ほど熱膨張が大きくなり、隣接する熱交換部間で熱膨張による変形差が発生する。しかし、この排気システムでは、隣接する冷却部間での位置ずれ（ひいては、隣接する熱電変換部の位置ずれ）を許容できるので、各排熱発電手段において熱電変換部を均一に押えつけることができ、各部間で空気層が発生しない。その結果、空気層によって熱エネルギの伝導が阻害されることなく、熱電変換効率が低下しない。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る排気システムの実施の形態を説明する。
【００４２】
本実施の形態では、本発明に係る排気システムを、自動車に搭載し、エンジンからの排気ガスを浄化するとともに排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する排気システムに適用する。本実施の形態に係る排気システムは、第１触媒装置と第２触媒装置及びその下流側に排熱発電装置を備えるとともに、第１触媒装置及び第２触媒装置に排気ガスを流す低出力用流路と高出力用流路及びこの２つの流路が合流して排熱発電装置に排気ガスを流す合流用流路を備える。本実施の形態に係る触媒装置は、排熱発電ユニットを備えており、排熱発電も行うことができる。また、本実施の形態に係る排気システムは、１つのラジエータを分割構造とし、エンジン用ラジエータの他に排熱発電用ラジエータを備える。本実施の形態には、第１触媒装置の配設箇所の違いにより２つの形態があり、第１の実施の形態ではエキゾーストマニホールドの直下に配設し、第２の実施の形態ではエキゾーストマニホールドの分岐管に各々配設する。
【００４３】
図１を参照して、第１の実施の形態に係る排気システム１の構成について説明する。図１は、第１の実施の形態に係る排気システムの一部破断正面図である。
【００４４】
排気システム１は、自動車に搭載され、４気筒のエンジン（図示せず）のエキゾーストマニホールドＥＭの下流の排気系に構成される。排気システム１は、主なものとして、排熱発電ユニットを備える第１触媒装置２、排熱発電ユニットを備える第２触媒装置３、排熱発電装置４、低出力用流路５、高出力用流路６、合流用流路７、流路切換装置８及び冷却システム９を備えている（図２０参照）。排気システム１では、第１触媒装置２がエキゾーストマニホールドＥＭの直下に配設され、その下流に第２触媒装置３が配設され、更に下流に排熱発電装置４が配設される。そして、排気システム１では、流路切換装置８によって低出力用流路５と高出力用流路６とを切り換え、いずれか一方の流路５，６によって第１触媒装置２及び第２触媒装置３に排気ガスを流し、合流用流路７によって排熱発電装置４に排気ガスを流す。
【００４５】
なお、本実施の形態では、低出力用流路５が特許請求の範囲に記載する第１排気通路に相当し、高出力用流路６が特許請求の範囲に記載する第２排気通路に相当し、流路切換装置８が特許請求の範囲に記載する切換手段に相当する。
【００４６】
図２及び図３を参照して、エキゾーストマニホールドＥＭの構造について説明する。図２は、図１のエキゾーストマニホールドの平面図である。図３は、図１のエキゾーストマニホールドの正面図である。
【００４７】
エキゾーストマニホールドＥＭは、低出力用流路５と高出力用流路６とを形成するために、二重管構造となっている。エキゾーストマニホールドＥＭは、エンジンのシリンダヘッドの取付面１０と合流部材１１との間に４つの分岐管１２，・・・が接続され、各分岐管１２，・・・の内部に内管１３，・・・が各々設けられている。合流部材１１は、中空の半球状であり、その端部には第１触媒装置２との取付部１１ａが設けられている。内管１３は、一端部が取付面１０から突出して各気筒のシリンダヘッド内まで延び（図２参照）、他端部が合流管１４の一端部に接続している（図３参照）。合流管１４は、一端部が半球状になっており、他端部が第１触媒装置２の触媒管２０ａに接続する（図７参照）。
【００４８】
内管１３，・・・及び合流管１４内に形成される流路は、低出力用流路５であり、エンジンが低出力時に排気ガスを流す。低出力時には排気ガスの温度が低いが、内管１３，・・・では、分岐管１２，・・・による二重構造が断熱層となり、放熱による排気ガス温度の低下が防止される。また、内管１３，・・・をシリンダヘッド内まで延ばすことによっても、排気ガス温度の低下が防止される。
【００４９】
分岐管１２，・・・と内管１３，・・・との間及び合流部材１１と合流管１４との間に形成される流路は、高出力用流路６であり、エンジンが高出力時に排気ガスを流す。高出力時には排気ガスの温度が高いが、分岐管１２，・・・及び合流部材１１は外気に接しているので、その表面から放熱し、排気ガス温度が低下する。
【００５０】
図４〜図７を参照して、第１触媒装置２の構成について説明する。図４は、図１の第１触媒装置の正面図である。図５は、図１の第１触媒装置の側面図（上流側）である。図６は、図４の正面図におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。図７は、図４の正面図におけるＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【００５１】
第１触媒装置２は、エキゾーストマニホールドＥＭの直下に配設される。第１触媒装置２は、中央部に触媒ユニット２０を有し、触媒ユニット２０の周りに１８個の排熱発電ユニット２１，・・・が配設される。第１触媒装置２には、周方向に沿って６個の排熱発電ユニット２１，・・・が配置され（図６参照）、長手方向（排気ガスの流れる方向）に沿って３個の排熱発電ユニット２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃが配置される（図７参照）。第１触媒装置２では、低出力用流路５を流れる排気ガスを触媒ユニット２０で浄化し、高出力用流路６を流れる排気ガスの熱エネルギを各排熱発電ユニット２１，・・・で電気エネルギに変換し、その電気エネルギをＤＣ／ＤＣコンバータ（図示せず）等を介してバッテリ（図示せず）に充電する。
【００５２】
なお、第１の実施の形態では、触媒ユニット２０が特許請求の範囲に記載する第１排気浄化手段に相当し、排熱発電ユニット２１が特許請求の範囲に記載する第１排熱発電手段に相当する。
【００５３】
第１触媒装置２には、最上流部にエキゾーストマニホールドＥＭの合流部材１４と接続する排気導入管２２が配設され、最下流部に流路切換装置８と接続するための取付部材２３が配設される。取付部材２３は、板状であり、低出力用流路５及び高出力用流路６を形成する２つの孔が開口されている。取付部材２３には、低出力用流路５の孔に接続する低出力用排気排出管２４が取り付けられ、高出力用流路６の孔に接続する高出力用排気排出管２５が設けられる。
【００５４】
触媒ユニット２０は、第１触媒装置２の中央に配設される触媒管２０ａを備えている。触媒管２０ａは、エキゾーストマニホールドＥＭの合流管１４と低出力用排気排出管２４との間に接続し、低出力用流路５を形成する（図７参照）。触媒管２０ａの内部には、多数本の縦方向骨格部材２０ｂ，・・・と多数本の横方向骨格部材２０ｃ，・・・とが配設され、縦方向骨格部材２０ｂ，・・・及び横方向骨格部材２０ｃ，・・・にはペレット状の三元触媒が担持されている（図６参照）。縦方向骨格部材２０ｂ，・・・と横方向骨格部材２０ｃ，・・・とは、断面視して、等間隔であり、直交している。したがって、触媒ユニット２０には、断面視して同一面積の正方形の触媒セルが多数個形成されている。そのため、触媒管２０ａ内に排気ガスが流れた場合、触媒管２０ａの全域で均等に排気ガスを浄化でき、触媒効率が高い。また、触媒ユニット２０は、触媒管２０ａが細く構成され、三元触媒の量を少なくし、触媒による熱容量を少なくしている。このように触媒ユニット２０を小型化できるのは、第１触媒装置２はエンジンが低出力時の排気ガスの流量が少ない場合にのみ浄化を行うからである。
【００５５】
排熱発電ユニット２１，・・・は、触媒管２０ａの周りに６０°毎に等間隔で配設されるとともに（図６参照）、触媒管２０ａの長手方向に沿って隣接して配設される（図７参照）。排熱発電ユニット２１は、熱電変換モジュール２１ｂ単位に構成され、熱電変換モジュール２１ｂの大きさを基準としてユニットを構成する各部が構成されている。排熱発電ユニット２１では、熱電変換モジュール２１ｂに対して低温側及び高温側から適切な圧力（例えば、１４ｋｇ／ｃｍ^２）を加えるとともにユニット全体をばね系により柔軟に押えつけ、熱電変換モジュール２１ｂの熱電変換効率を上げている。そのために、排熱発電ユニット２１は、熱交換部２１ａ、熱電変換モジュール２１ｂ、冷却部２１ｃ、ばねクランプ部２１ｄを備えており（図６参照）、熱エネルギが移動する系並びにばねクランプシステムを構成している。
【００５６】
なお、第１の実施の形態では、熱交換部２１ａが特許請求の範囲に記載の第１熱交換部に相当し、熱電変換モジュール２１ｂが特許請求の範囲に記載の第１熱電変換部に相当し、冷却部２１ｃが特許請求の範囲に記載の第１冷却部に相当し、ばねクランプ部２１ｄが特許請求の範囲に記載の第１弾性部に相当する。
【００５７】
熱交換部２１ａは、熱電変換モジュール２１ｂの高温端面に対して適切な圧力を加えて固定し、排気ガスの熱エネルギをその高温端面を伝導する。また、熱交換部２１ａは、触媒管２０ａの長手方向に沿って配設される３つの排熱発電ユニット２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの熱交換部が一体で形成され、触媒管２０ａと同じ長さを有する（図７参照）。排気導入管２２と高出力用排気排出管２５との間には、６個の熱交換部２１ａ，・・・が溶接等によって接続される（図６参照）。そして、６個の熱交換部２１ａ，・・・は、触媒管２０ａに６０°毎に配置され、高出力用流路６を形成している。
【００５８】
熱交換部２１ａは、図６に示すように、断面視して略等脚台形状であり、排気ガスの流れる空間を有している。この等脚台形状では、長辺部と短辺部を結ぶ２つの側辺部からなる。熱交換部２１ａの長辺部は、熱電変換モジュール２１ｂを載置するために、肉厚の板状である。この長辺部の載置面は、熱電変換モジュール２１ｂの高温端面と密着するために、水平面となっている。熱交換部２１ａの短辺部は、円弧状であり、触媒管２０ａに溶接等によって接着される。各熱交換部２１ａの側辺部は、６０°をなす位置に配置された両側の熱交換部２１ａ，２１ａの各側辺部に溶接によって各々接着されている。そして、６個の熱交換部２１ａ，・・・は、周方向に沿って連結され、側面視して略正六角形になる（図６参照）。熱交換部２１ａの内部には、熱交換フィン２１ｅが設けられ、この熱交換フィン２１ｅにより排気ガスの熱エネルギを伝導する。熱交換フィン２１ｅは、熱交換部２１ａの長辺部に垂設され、各フィンの高さが側辺部及び短辺部に接しない程度に沿うような高さである。
【００５９】
熱電変換モジュール２１ｂでは、両端面間の温度差に応じてゼーベック効果により熱エネルギを電気エネルギに変換し、その電気エネルギを２つの電極（図示せず）から出力する。そのために、熱電変換モジュール２１ｂは、複数の熱電素子（例えば、Ｂｉ_２Ｔｅ_３等からなるｐ型とｎ型の２種類の半導体）（図示せず）を備えており、これらの熱電素子を電気的には直列にかつ熱的には並列に配置している。また、熱電変換モジュール２１ｂは、小面積の略正方形状であり、平行かつ水平な高温端面と低温端面を有している。この高温端面と熱交換部２１ａとの間及び低温端面と冷却部２１ｃとの間には、それぞれ絶縁シート（図示せず）が介装される。
【００６０】
冷却部２１ｃは、熱電変換モジュール２１ｂの低温端面に対して適切な圧力を加えて固定し、水冷式によりその低温端面を冷却する。また、冷却部２１ｃ，・・・は、触媒管２０ａの長手方向に沿って配設される３つの排熱発電ユニット２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの冷却部がそれぞれ連結され、隣接する冷却部２１ｃ，２１ｃ間がジャバラパイプ２８，２８で接続される（図４、図７参照）。このジャバラパイプ２８の作用により、隣接する冷却部２１ｃ，２１ｃ間で屈曲自在となっている。上流の６つの冷却部２１ｃ，・・・には冷却水パイプ２６，・・・が各々取り付けられ、下流の６つの冷却水２１ｃ，・・・には冷却水パイプ２７，・・・が各々取り付けされる。さらに、周方向に隣接する２組の冷却水パイプ２６，２６間は冷却水ホース２９，・・・で接続されるとともに周方向に隣接する３組の冷却水パイプ２７，２７間は冷却水ホース２９，・・・で接続される。また、６つの冷却水パイプ２６，・・・のうちの１つの冷却水パイプ２６に排熱発電用ラジエータ７０Ａから冷却水が導入され、その隣接する冷却水パイプ２６から排熱発電用ラジエータ７０Ａに冷却水を排出する（図２０参照）。したがって、１８個全ての冷却部２１ｃ，・・・には、同じ冷却水が循環する。
【００６１】
冷却部２１ｃは、冷却蓋２１ｆと冷却本体２１ｇとからなり、この冷却蓋２１ｆが冷却本体２１ｇに載せられて、ボルト等によって固定される（図６参照）。冷却蓋２１ｆは、冷却本体２１ｇの蓋であり、幅方向が冷却本体２１ｇと同寸法である。冷却蓋２１ｆの外面には、ばねクランプ部２１ｄの板ばね２１ｉが載置され、板ばね２１ｉ及びその上に載置される押圧部材２１ｊを両側から支持する支持部が設けられている。冷却本体２１ｇは、幅方向、長手方向共に熱電変換モジュール２１ｂより若干長い寸法を有する肉厚の箱形状であり、その箱の凹部に冷却水が流れる。冷却本体２１ｇの凹部には、冷却水を冷やすために、冷却フィン２１ｈが設けられている。冷却フィン２１ｈの各フィンは、全て同じ高さを有し、冷却本体２１ｇに冷却蓋２１ｆが取り付けられた場合に冷却蓋２１ｆの底面に接する程度の高さである。冷却本体２１ｇの底面は、熱電変換モジュール２１ｂの低温端面と密着するために、水平面となっている。
【００６２】
ばねクランプ部２１ｄは、冷却部２１ｃの外側から所定の圧力を印加し、熱電変換モジュール２１ｂを冷却部２１ｃと熱交換部２１ａとの間に固定する（図６参照）。この際、ばねクランプ部２１ｄでは、所定の弾性力により排熱発電ユニット２１全体をしなやかに押えつけている。また、ばねクランプ部２１ｄは、周方向に沿って配設される６つの排熱発電ユニット２１，・・・のばねクランプ部２１ｄが連結され、この６つのばねクランプ２１ｄ，・・・によって装置全体を締め付けている。そのために、ばねクランプ部２１ｄは、板ばね２１ｉ、押圧部材２１ｊ及びクランプ２１ｋを備えている。クランプ２１ｋは、周方向に隣接する３つのばねクランプ部２１ｄ，・・・のクランプが一体となったものである。なお、所定の圧力は、熱電変換モジュール２１ｂと冷却部２１ｃ及び熱交換部２１ａとの面圧力が適切な圧力になる程度の圧力である。
【００６３】
板ばね２１ｉは、冷却蓋２１ｆの外面に載置される。板ばね２１ｉは、小さいばね定数を有し、弾性力を発生させている。押圧部材２１ｊは、板ばね２１ｉに載置される。押圧部材２１ｊは、クランプ２１ｋと点接触するために略半球状である。クランプ２１ｋは、断面視して略半円形の板状である。クランプ２１ｋは、隣接する排熱発電ユニット２１，２１の間に弾性力発生部２１ｍを各々有しており、この２つの弾性力発生部２１ｍ，２１ｍによりばね構造体となっている。弾性力発生部２１ｍは、断面視して一部欠けた略円形であり、弾性力を有している。クランプ２１ｋの両端は、締結される相手側のクランプ２１ｋの両端に対向する対向面を有しており、その対向面にボルト２１ｎが貫通するボルト孔（図示せず）が形成されている。
【００６４】
ばねクランプ部２１ｄでは、冷却部２１ｃの冷却蓋２１ｆに板ばね２１ｉが載置され、その板ばね２１ｉの上に押圧部材２１ｊが載置され、押圧部材２１ｊの上にクランプ２１ｋが載置される。さらに、２個のクランプ２１ｋ，２１ｋが、その両端でボルト２１ｎ，２１ｎ及びナット２１ｏ，２１ｏによって締結される。締結されるクランプ２１ｋ，２１ｋの対向面間には、リング状の緩衝部材２１ｐが介装される。その２個のクランプ２１ｋ，２１ｋは、断面視して略円形状となり、６つの排熱発電ユニット装置２１，・・・の最外部を被う。そして、周方向に沿って連結されている６つのばねクランプ２１ｄ，・・・によって、６つの排熱発電ユニット２１，・・・全体をベルトのように締め付けている。ばねクランプ部２１ｄでは、板ばね２１ｉ及び押圧部材２１ｊを介するクランプ２１ｋによる押えつけによって、冷却部２１ｃ（ひいては、熱電変換モジュール２１ｂや熱交換部２１ａ）に所定の圧力を加える。この所定の圧力は、ボルト２１ｎ及びナット２１ｏの締め付け力によって調整することができる。ちなみに、板ばね２１ｉやクランプ２１ｋの位置がずれて、押えつけに偏りが発生しても、板ばね２１ｉとクランプ２１ｋとが点接触しているので、冷却部２１ｃに均一な圧力を加えることができる。そのため、冷却部２１ｃには、均一な面圧力が発生する。
【００６５】
このように、第１触媒装置２では、触媒ユニット２０を小型化しているので、その熱容量が小さい。そのため、第１触媒装置２では、エンジンのコールドスタート時における排気ガスの温度が低い（排気ガスの熱エネルギが少ない）場合でも、触媒温度の昇温が早く、活性温度まで早期に到達する。また、第１触媒装置２では、触媒ユニット２０の周りに排熱発電ユニット２１，・・・が配置されるので、熱交換部２１ａ，・・・の気体層及び熱電変換モジュール２１ｂ，・・・の素子自体が断熱層となる。そのため、第１触媒装置２では、二重の断熱効果により、排気ガスの熱エネルギの放熱ロスが大幅に低減され、触媒温度の昇温を更に促進する。
【００６６】
また、第１触媒装置２では、同じ構成を有する排熱発電ユニット２１，・・・が触媒ユニット２０の周りに６０°毎に６つ配置されているので、断面視して正六角形となっている。そのため、第１触媒装置２は、周方向に配置される６つの熱電変換モジュール２１ｂのうちのいずれの中心線においても対称構造となっており、排気ガスが外側に向かって均等に流れ、熱エネルギが均一に分散し、発電変換効率に優れている。
【００６７】
また、第１触媒装置２では、ばねクランプ部２１ｄによって所定の弾性力を発生させるとともに一点で接触しているので、熱電変換モジュール２１ｂを均一でかつ適正な押えつけ力により柔軟性豊かに固定することができる。そのため、第１触媒装置２では、熱膨張による様々な不具合現象を防止することができる。この不具合現象としては、例えば、熱電変換モジュール２１ｂの過大荷重による割れ等の破損、各固定ボルトの緩み、過大荷重による排気ガスの流路の変形、各接触面間に形成される空気層による熱抵抗の増大がある。
【００６８】
また、第１触媒装置２では、長手方向に排熱発電ユニット２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃを配置させ、冷却部２１ｃ，２１ｃ，２１ｃをジャバラパイプ２８，２８で屈曲自在に連結しているので、冷却部２１ｃの位置が自在に動く。そのため、第１触媒装置２では、長手方向に沿って温度勾配による熱膨張差があっても、その熱膨張差を吸収できる。その結果、長手方向に配置された熱電変換モジュール２１ｂ，２１ｂ，２１ｂを均一に押えつけることができ、熱電変換モジュール２１ｂの高温端面や低温端面において空気層が発生しない。というのは、第１触媒装置１では、上流側から排気ガスの熱エネルギを回収していくので、下流側にいくほど温度が低くなり、温度勾配が発生し、さらに、その温度差に応じて熱膨張による変形差が発生する。図７に示すように、長手方向に配置される排熱発電ユニット２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃにおいて、触媒ユニット２０を挟んで相対する熱電変換モジュール２１ｂ，２１ｂの高温端面間の長さを上流側からそれぞれａ，ｂ，ｃとした場合、熱膨張の変形差によってｂがｃ以上となり、ａがｂ以上となる。エンジンが低出力の場合、上流側で殆ど熱エネルギを回収してしまうので、下流側では低温で一様となり、温度勾配が無くなる。ちなみに、長手方向に配置された冷却部２１ｃ，２１ｃ，２１ｃを一体構造とした場合、熱交換部２１ａの温度勾配による熱膨張の変形差により、長手方向に配置された熱電変換モジュール２１ｂ，２１ｂ，２１ｂを均一に押えつけられなくなる。そのため、熱電変換モジュール２１ｂの高温端面や低温端面において空気層ができ、熱抵抗が発生し、熱エネルギの伝導効率が低下する。
【００６９】
このように、第１触媒装置１では、周方向に配置される６つの押圧部材２１ｊ，・・・がクランプ２１ｋ，２１ｋと接触する６つの接触点で形成される円の直径が熱膨張で大きくなっても、クランプ２１ｋ，２１ｋのばね構造体と板ばね２１ｉ，・・・による弾性力及び押圧部材２１ｊ，・・・の点接触並びに正六角形の対称構造によって、周方向に配置される６つの熱電変換モジュール２１ｂ，・・・を最適な押えつけ力でかつ均等な力で固定することができる。
【００７０】
図８〜図１２を参照して、第２触媒装置３の構成について説明する。図５は、図１の第２触媒装置の正面図である。図９は、図１の第２触媒装置の側面図（上流側）である。図１０は、図８の正面図におけるＣ−Ｃ線に沿った断面図である。図１１は、図８の正面図におけるＤ−Ｄ線に沿った断面図である。図１２は、図１０の断面図における触媒ユニットの拡大図である。なお、第２触媒装置３は、第１触媒装置２と略同様の構成を有するので、その構成において異なる点のみ詳細に説明する。
【００７１】
第２触媒装置３は、流路切換装置８の下流側に配設される。第２触媒装置３は、中央部に触媒ユニット３０を有し、触媒ユニット３０の周りに３２個の排熱発電ユニット３１，・・・が配設される。第２触媒装置３には、周方向に沿って８個の排熱発電ユニット３１，・・・が配置され（図１０参照）、長手方向に沿って４個の排熱発電ユニット３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄが配置される（図１１参照）。第２触媒装置３では、高出力用流路６に流れる排気ガスを触媒ユニット３０で浄化し、低出力用流路５又は高出力用流路６を流れる排気ガスの熱エネルギを各排熱発電ユニット３１，・・・で電気エネルギに変換し、その電気エネルギをＤＣ／ＤＣコンバータ等を介してバッテリに充電する。
【００７２】
なお、本実施の形態では、触媒ユニット３０が特許請求の範囲に記載する第２排気浄化手段に相当し、排熱発電ユニット３１が特許請求の範囲に記載する第２排熱発電手段に相当する。
【００７３】
第２触媒装置３には、最上流部に流路切換装置８と接続するための取付部材３３が配設され、最下流部に排熱発電装置４と接続するための取付部材３４が配設される（図１１参照）。取付部材３３は、板状であり、低出力用流路５及び高出力用流路６を形成する２つの孔が開口されている。取付部材３３には、低出力用流路５の孔に接続する低出力用排気導入管３５が取り付けられ、高出力用流路６の孔に接続する高出力用排気導入管３６が取り付けられる。取付部材３４は、板状であり、合流用流路７を形成する１つの孔が開口されている。取付部材３４には、その孔に接続する合流用排気排出管３７が取り付けられる。
【００７４】
触媒ユニット３０は、第２触媒装置３の中央に配設される触媒管３０ａを備えている。触媒管３０ａは、高出力用排気排出管３６に接続し、高出力用流路６を形成する（図１１参照）。触媒管３０ａは、周方向に配列される８つの排熱発電ユニット３１，・・・に対応して８分割構造とするために、４５°毎に分割部材３０ｂが配設されている（図１２参照）。分割部材３０ｂ，・・・で分割された触媒管３０ａの各区画には、多数本の縦方向骨格部材３０ｃ，・・・と多数本の横方向骨格部材３０ｄ，・・・とが配設され、縦方向骨格部材３０ｃ，・・・及び横方向骨格部材３０ｄ，・・・にはペレット状の三元触媒が担持されている。縦方向骨格部材３０ｃ，・・・は、断面視して、熱電変換モジュール３１ｂに対して直交方向に配置され、触媒管３０ａの中心から外側にかけてその厚さが徐々に厚くなっている。横方向骨格部材３０ｄ，・・・は、断面視して、縦方向骨格部材３０ｃ，・・・と直交するようにかつ等間隔で配置される。したがって、触媒ユニット３０の各区画には、断面視して、中心から外側にかけて細くなる等脚台形状の触媒セルが多数個形成されている。そのため、触媒管３０ａ内に排気ガスが流れた場合、排気ガスの熱エネルギが熱交換部３１ａに向かって移動しやすくなる。また、触媒ユニット３０は、触媒管３０ａの径が太く構成され、三元触媒の量も多い。このように触媒ユニット３０を大型化するのは、第２触媒装置３はエンジンが中〜高出力時の排気ガス量が多い場合に浄化を行うからである。
【００７５】
なお、本実施の形態では、縦方向骨格部材３０ｃが特許請求の範囲に記載する縦方向骨格部材に相当し、横方向骨格部材３０ｄが特許請求の範囲に記載する横方向骨格部材に相当する。
【００７６】
なお、横方向骨格部材３０ｃ，・・・を等間隔で配置するのでなく、中心から外側にかけて間隔が広くなるように配置してもよい。中心から外側にかけて触媒セルの面積が徐々に大きくなるように配置した場合、排気ガスを中心より外側に流すことができ、排熱発電ユニット３１，・・・での排気ガスの熱エネルギの回収を促進できる。また、中心から外側にわたって触媒セルの面積が均一になるよう配置した場合、触媒管３０ａの全域で均等に排気ガスを浄化でき、触媒効率が高くなる。
【００７７】
排熱発電ユニット３１，・・・は、触媒管３０ａの周りに４５°毎に等間隔で配設されるとともに（図１０参照）、触媒管３０ａの長手方向に沿って隣接して配設される（図１１参照）。排熱発電ユニット３１は、第１触媒装置２の排熱発電ユニット２１と同様の構成を有するが、その各部材の大きさや形状が異なっている。排熱発電ユニット３１は、熱交換部３１ａ、熱電変換モジュール３１ｂ、冷却部３１ｃ、ばねクランプ部３１ｄを備えている（図１０参照）。
【００７８】
なお、本実施の形態では、熱交換部３１ａが特許請求の範囲に記載の第２熱交換部に相当し、熱電変換モジュール３１ｂが特許請求の範囲に記載の第２熱電変換部に相当し、冷却部３１ｃが特許請求の範囲に記載の第２冷却部に相当し、ばねクランプ部３１ｄが特許請求の範囲に記載の第２弾性部に相当する。
【００７９】
熱交換部３１ａは、第１触媒装置２の熱交換部２１ａと同様の構成及び作用を有する。しかし、熱交換部３１ａは、熱交換部２１ａのように周方向に沿っての分割構造ではなく、周方向に一体で形成されている。したがって、熱交換部３１ａは、触媒管３０ａの全周を覆う筒状であり、触媒管３０ａと同じ長さを有する（図１０、図１１参照）。熱交換部３１ａには、接続部材３９によって低出力用排気導入管３５が接続され、接続部材３８によって合流用排気排出管３７が接続される。そして、熱交換部３１ａは、低出力用流路５を形成している。
【００８０】
熱交換部３１ａは、図１０に示すように、断面視して外面が正八角形状であり、内面が触媒管３０ａに嵌合する円形状である。熱交換部３１ａの外面は、熱電変換モジュール３１ｂの高温端面と密着するために、水平面となっている。熱交換部３１ａには、周方向に配置される８つの熱電変換モジュール３１ｂ，・・・に対応して排気ガスが流れる空間が形成されている。この空間には、熱交換フィン３１ｅが各々設けられ、この熱交換フィン３１ｅにより排気ガスの熱エネルギを伝導する。熱交換フィン３１ｅは、熱交換部３１ａの外面に垂設され、各フィンの高さが内面に接しない程度に沿うような高さである。
【００８１】
熱電変換モジュール３１ｂは、第１触媒装置２の熱電変換モジュール２１ｂと同様の構成及び作用を有する。熱電変換モジュール３１ｂの高温端面と熱交換部３１ａとの間及び低温端面と冷却部３１ｃとの間には、それぞれ絶縁シート３１ｑが各々介装される（図１２参照）。
【００８２】
冷却部３１ｃは、冷却蓋３１ｆ及び冷却本体３１ｇ並びに冷却本体３１ｇの凹部に設けられる冷却フィン３１ｈを備え、第１触媒装置２の冷却部２１ｃと同様の構成及び作用を有する（図１０参照）。冷却部３１ｃ，・・・は、触媒管３０ａの長手方向に沿って配設される４つの排熱発電ユニット３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｃの冷却部が連結され、隣接する冷却部３１ｃ，３１ｃ間がジャバラパイプ４２，４２で接続される（図８、図１１参照）。最上流の８つの冷却部３１ｃ，・・・には冷却水パイプ４０，・・・が各々取り付けられ、最下流の８つの冷却水３１ｃ，・・・には冷却水パイプ４１，・・・が各々取り付けされる。さらに、周方向に隣接する３組の冷却水パイプ４０，４０間は冷却水ホース４３，・・・で接続されるとともに周方向に隣接する４組の冷却水パイプ４１，４１間は冷却水ホース４３，・・・で接続される。また、８つの冷却水パイプ４０，・・・のうちの１つの冷却水パイプ４０に排熱発電用ラジエータ７０Ａから冷却水が導入され、その隣接する冷却水パイプ４０から排熱発電用ラジエータ７０Ａに冷却水を排出する（図２０参照）。したがって、３２個全ての冷却部３１ｃ，・・・には、同じ冷却水が循環する。
【００８３】
ばねクランプ部３１ｄは、板ばね３１ｉ、押圧部材３１ｊ及びクランプ３１ｋを備え、第１触媒装置２のばねクランプ部２１ｄと同様の構成及び作用を有する（図１０参照）。ばねクランプ部３１ｄは、周方向に沿って配設される８つの排熱発電ユニット３１，・・・のばねクランプ部３１ｄが連結され、この８つのばねクランプ３１ｄ，・・・によって装置全体を締め付けている。クランプ３１ｋは、周方向に隣接する４つのばねクランプ部３１ｄ，・・・のクランプが一体となったものであり、３つの弾性力発生部３１ｍ，・・・を有している。周方向に沿って配置される２個のクランプ３１ｋ，３１ｋは、その両端でボルト３１ｎ，３１ｎ及びナット３１ｏ，３１ｏによって締結され、締結されるクランプ３１ｋ，３１ｋの対向面間には緩衝部材３１ｐが介装される。
【００８４】
このように、第２触媒装置３では、第１触媒装置２と略同様の構成を有するので、第１触媒装置２と同様の効果も有する。また、第２触媒装置３では、触媒ユニット３０を大型化しているので、エンジンが中〜高出力時で排気ガスの流量が多くても浄化が可能である。
【００８５】
また、第２触媒装置３では、エンジンが中〜高出力時の排気ガスの熱エネルギが多い場合に浄化を行うので、触媒ユニット３０ではその多量の熱エネルギを回収できない。そこで、第２触媒装置では、触媒ユニット３０の外周に沿って配置されている排熱発電ユニット３１，・・・で電気エネルギとして回収することができ、排気ガスの熱エネルギの回収効率が高くなる。さらに、第２触媒装置３では、触媒ユニット３０の内部構造を排気ガスの熱エネルギが熱交換部３１，・・・に移動しやすい構造としているので、熱電変換モジュール３１ｂの高温端面の昇温を促進し、排気ガスの熱エネルギの回収効率が更に高くなる。
【００８６】
図１３〜図１６を参照して、排熱発電装置４の構成について説明する。図１３は、図１の排熱発電装置の正面図である。図１４は、図１の排熱発電装置の側面図（上流側）である。図１５は、図１３の正面図におけるＥ−Ｅ線に沿った断面図である。図１６は、図１４の側面図におけるＦ−Ｆ線に沿った断面図である。なお、排熱発電装置４は、第１触媒装置２等の触媒ユニットを有さないが、第１触媒装置２等の排熱発電ユニットと略同様の構成を有するので、その構成において異なる点のみ詳細に説明する。
【００８７】
排熱発電装置４は、第２触媒装置３の下流側に配設される。排熱発電装置４は、装置の中心の周りに４個の排熱発電ユニット５１，・・・が配置され（図１５参照）、長手方向に沿って４個の排熱発電ユニット５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄが配置される（図１６参照）。排熱発電装置４では、合流用流路７を流れる排気ガスの熱エネルギを各排熱発電ユニット５１，・・・で電気エネルギに変換し、その電気エネルギをＤＣ／ＤＣコンバータ等を介してバッテリに充電する。
【００８８】
排熱発電装置４には、最上流部に第２触媒装置３と接続するための取付部材５３が配設され、最下流部に排気管（図示せず）と接続するための取付部材５４が配設される（図１６参照）。取付部材５３は、板状であり、合流用流路７を形成する１つの孔が開口されている。取付部材５３には、合流用流路７の孔に接続する排気導入管５５が取り付けられる。取付部材５４は、板状であり、合流用流路７を形成する１つの孔が開口されている。取付部材５４には、合流用流路７の孔に接続する排気排出管５６が設けられる。排気導入管５５と排気排出管５６との間には、４個の分割排気管５７，５７，５７，５７が排熱発電装置４の中央部に９０°毎に配置され、溶接等によって接続される（図１５参照）。
【００８９】
分割排気管５７は、主要部が薄板状であり、断面視して二等辺三角形状である（図１５参照）。この二等辺三角形状では、底辺部と２つの側辺部とのなす角が４５°である。また、分割排気管５７の底辺部には、長手方向に沿って４つの開口部５７ａ，・・・が形成されている（図１６参照）。開口部５７ａ，・・・は、略正方形であり、熱交換部５１ａの熱交換フィン５１ｅが挿入される。各分割排気管５７の側辺部は、９０°をなす位置に配置された両側の分割排気管５７，５７の各側辺部に溶接によって各々接着されている。そして、４個の分割排気管５７，・・・は、周方向に沿って連結され、側面視して略正方形になる。また、各分割排気管５７には４個の熱交換フィン５１ｅ，・・・が取り付けられ、４つの開口部５７ａ，・・・が閉じることによって合流用流路７が形成される。
【００９０】
排熱発電ユニット５１，・・・は、周方向に沿って４５°毎に等間隔で配設されるとともに（図１５参照）、長手方向に沿って隣接して配設される（図１６参照）。排熱発電ユニット５１は、第１触媒装置２の排熱発電ユニット２１と略同様の構成を有し、その各部材の大きさや形状が異なっている。排熱発電ユニット５１は、熱交換部５１ａ、熱電変換モジュール５１ｂ、冷却部５１ｃ、ばねクランプ部５１ｄを備えている。
【００９１】
熱交換部５１ａは、分割排気管５７及び熱交換フィン５１ｅからなる。熱交換フィン５１ｅの基台は、熱電変換モジュール５１ｂを載置するために、肉厚の板状である。この基台の載置面は、熱電変換モジュール５１ｂの高温端面と密着するために、水平面となっている。この基台の外縁部は、熱交換フィン５１ｅを分割排気管５７に取り付けた際にその分割排気管５７の底辺部に係止するフランジとなっている。基台のフィン面には、フィンが垂設される。熱交換フィン５１ｅの各フィンの高さは、分割排気管５７に取り付けられた場合にその側辺部に接しない程度に沿うような高さである。４個の熱交換フィン５１ｅ，・・・は、分割排気管５７の開口部５７ａ，・・・に各々嵌め込まれボルトによって締結され、合流用流路７を形成する（図１６参照）。
【００９２】
熱電変換モジュール５１ｂは、第１触媒装置２の熱電変換モジュール２１ｂと同様の構成及び作用を有する。
【００９３】
冷却部５１ｃは、冷却蓋５１ｆ及び冷却本体５１ｇ並びに冷却本体５１ｇの凹部に設けられる冷却フィン５１ｈを備え、第１触媒装置２の冷却部２１ｃと同様の構成及び作用を有する（図１５参照）。冷却部５１ｃ，・・・は、長手方向に沿って配設される４つの排熱発電ユニット５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｃの冷却部が連結され、隣接する冷却部５１ｃ，５１ｃ間がジョイントパイプ５８で接続される（図１６参照）。ジョイントパイプ５８は、冷却部５１ｃの端部に設けられた冷却水管５１ｑに取り付けられ、冷却水管５１ｑとの間にはＯリングが介装される。ジョイントパイプ５８は屈曲性を有しているので、隣接する冷却部５１ｃ，５１間は屈曲自在となっている。最上流の４つの冷却部５１ｃ，・・・の各冷却水管５１ｑ，・・・には冷却水パイプ５９，・・・が各々取り付けられ、最下流の４つの冷却水５１ｃ，・・・の各冷却水管５１ｑ，・・・には冷却水パイプ６０，・・・が各々取り付けされる。さらに、周方向に隣接する１組の冷却水パイプ５９，５９間は冷却水ホース６１で接続されるとともに周方向に隣接する２組の冷却水パイプ６０，６０間は冷却水ホース６１，・・・で接続される。また、４つの冷却水パイプ５９，・・・のうちの１つの冷却水パイプ５９に排熱発電用ラジエータ７０Ａから冷却水が導入され、その隣接する冷却水パイプ５９から排熱発電用ラジエータ７０Ａに冷却水を排出する（図２０参照）。したがって、１６個全ての冷却部５１ｃ，・・・には、同じ冷却水が循環する。
【００９４】
ばねクランプ部５１ｄは、板ばね５１ｉ、押圧部材５１ｊ及びクランプ５１ｋを備え、第１触媒装置２のばねクランプ部２１ｄと同様の構成及び作用を有する（図１５参照）。ばねクランプ部５１ｄは、周方向に沿って配設される４つの排熱発電ユニット５１，・・・のばねクランプ部５１ｄが連結され、この４つのばねクランプ５１ｄ，・・・によって装置全体を締め付けている。クランプ５１ｋは、周方向に隣接する２つのばねクランプ部５１ｄ，・・・のクランプが一体となったものであり、１つの弾性力発生部５１ｍを有している。周方向に沿って配置される２個のクランプ５１ｋ，５１ｋは、その両端でボルト５１ｎ，５１ｎ及びナット５１ｏ，５１ｏによって締結され、締結されるクランプ５１ｋ，５１ｋの対向面間には緩衝部材５１ｐが介装される。
【００９５】
このように、排熱発電装置４では、第１触媒装置２の排熱発電ユニット２１，・・・と略同様の構成を有するので、第１触媒装置２の排熱発電ユニット２１，・・・と同様の効果も有する。排熱発電装置４では、第１触媒装置２及び第２触媒装置３で回収できなかった排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換し、排気システム１としての熱エネルギの回収効率を向上させる。
【００９６】
図１〜図３、図７、図１１を参照して、低出力用流路５について説明する。低出力用流路５は、第１触媒装置２の触媒管２０ａ及び第２触媒装置３の熱交換部３１ａ，・・・に排気ガスを流すための流路であり、エンジンが低出力時に排気ガスが流れる。低出力用流路５は、主に、内管１３，・・・、合流管１４、触媒管２０ａ、低出力用排気排出管２４、低出力用排気導入管３５、熱交換部３１ａによって形成される。
【００９７】
図１〜図３、図７、図１１を参照して、高出力用流路６について説明する。高出力用流路６は、第１触媒装置２の熱交換部２１ａ，・・・及び第２触媒装置３の触媒管３０ａに排気ガスを流すための流路であり、エンジンが中〜高出力時に排気ガスが流れる。高出力用流路６は、主に、分岐管１２，・・・と内管１３，・・・との間の空間、排気導入管２２と合流管１４との間の空間、熱交換部２１ａ，・・・、高出力用排気排出管２５、高出力用排気導入管３６、触媒管３０ａによって形成される。エンジンが中〜高出力時には排気ガスの流量が多くなるので、高出力用流路６の断面積は低出力用流路５の断面積より大きい。
【００９８】
図１、図１１、図１６を参照して、合流用流路７について説明する。合流用流路７は、第２触媒装置３より下流側に排気ガスを流すための流路であり、排気ガスが常時流れる。合流用流路７は、主に、合流用排気管３７、排気導入管５５、分割排気管５７，・・・、排気排出管５６及びそれより下流の排気管によって構成される。
【００９９】
図１、図１７〜図１９を参照して、流路切換装置８について説明する。図１７は、図１の流路切換装置の正面図である。図１８は、図１の流路切換装置の側面図である。図１９は、図１７の正面図におけるＧ−Ｇ線に沿った断面図である。
【０１００】
流路切換装置８は、低出力用流路５と高出力用流路６とを切り換えるための装置であり、第１触媒装置２と第２触媒装置３との間に配設される。流路切換装置８は、主に、装置本体８ａ、シャフト８ｂ、低出力用バルブ８ｃ及び高出力用バルブ８ｄから構成される。
【０１０１】
なお、本実施の形態ではシャフト８ｂが特許請求の範囲に記載する回転軸に相当し、低出力用バルブ８ｃが特許請求の範囲に記載する第１バルブに相当し、高出力用バルブ８ｄが特許請求の範囲に記載する第２バルブに相当する。
【０１０２】
装置本体８ａは、肉厚の板状であり、低出力用流路５の連通路となる円形の低出力用バルブ孔８ｅ及び高出力用流路６の連通路となる円形の高出力用バルブ孔８ｆが開口されている。低出力用流路５及び高出力用流路６の断面積に対応して、高出力用バルブ孔８ｆの断面積は低出力用バルブ８ｅの断面積より大きい。装置本体８ａの一面には第１触媒装置２の取付部材２３が取り付けられ、低出力用バルブ孔８ｅが低出力用排気排出管２４に接続し、高出力用バルブ孔８ｆが高出力用排気排出管２５に接続する（図７参照）。装置本体８ａの他面には第２触媒装置３の取付部材３３が取り付けられ、低出力用バルブ孔８ｅが低出力用排気導入管３５に接続し、高出力用バルブ孔８ｆが高出力用排気導入管３６に接続する（図１１参照）。また、装置本体８ａは、その内部にシャフト８ｂを通すために、一端部と低出力用バルブ孔８ｅとの間、低出力用バルブ孔８ｅと高出力用バルブ孔８ｆとの間及び高出力用バルブ孔８ｆと他端部との間をそれぞれ貫通するシャフト孔８ｇ，８ｈ，８ｉが開口されている。
【０１０３】
シャフト８ｂは、装置本体８ａのシャフト孔８ｇ，低出力用バルブ孔８ｅ、シャフト孔８ｈ、高出力用バルブ孔８ｆ及びシャフト孔８ｉに通され、装置本体８ｂの両端部から突出している。シャフト８ｂは、シャフト孔８ｇ及びシャフト孔８ｉで軸受ブッシュ８ｊ，８ｋで回転自在に支持されている。シャフト８ｂの一面には、低出力用バルブ孔８ｅの位置に第１凹部が形成されている。また、シャフト８ｂの第１凹部が形成される一面と９０°をなす他面には、高出力用バルブ孔８ｆの位置に第２凹部が形成されている。シャフト８ｂの一端には連結部材８ｌによってアクチュエータ８ｍが取り付けられ、アクチュエータ８ｍが駆動するとシャフト８ｂが回転する。
【０１０４】
低出力用バルブ８ｃは、円板形状であり、低出力用バルブ孔８ｅを閉じる大きさを有している。低出力用バルブ８ｃは、低出力用バルブ孔８ｅに嵌合する位置に配置され、シャフト８ｂの第１凹部にビス８ｎ，８ｎによって取り付けられる。低出力用バルブ８ｃは、その回転中心軸がシャフト８ｂの回転中心軸上となり、９０°の範囲内で回転自在である。
【０１０５】
高出力用バルブ８ｄは、円板形状であり、高出力用バルブ孔８ｆを閉じる大きさを有している。高出力用バルブ８ｄは、高出力用バルブ孔８ｆに嵌合する位置に配置され、シャフト８ｂの第２凹部にビス８ｏ，８ｏによって取り付けられる。高出力用バルブ８ｄは、その回転中心軸がシャフト８ｂの回転中心軸上となり、９０°の範囲内で回転自在である。低出力用バルブ８ｃと高出力用バルブ８ｄとは、同軸上で回転し、９０°の角度をなしている。
【０１０６】
このように、流路切換装置８では、シャフト８ｂに低出力用バルブ８ｃと高出力用バルブ８ｄとが９０°の角度なして取り付けられているので、低出力用バルブ８ｃで低出力用バルブ孔８ｅを全閉した時には高出力用バルブ孔８ｆが全開し、高出力用バルブ８ｄで高出力用バルブ孔８ｆを全閉した時には低出力用バルブ孔８ｅが全開する。つまり、流路切換装置８では、シャフト８ｂを回転させるだけで低出力用流路５及び高出力用流路６の開閉を一緒にでき、低出力用流路５の開閉と高出力用流路６の開閉とを常に逆転させることができる。そのため、流路切換装置８は、２つの低出力用流路５と高出力用流路６とを開閉するためにアクチュエータ及びそれに付随する部品を１セットでよいので、部品点数が少なく、装置構成も簡素化できる。
【０１０７】
図２０を参照して、排気システム１の冷却システム９について説明する。図２０は、本実施の形態に係る排気システムにおける冷却システムの構成図である。
【０１０８】
冷却システム９は、第１触媒装置２の冷却部２１ｃ，・・・、第２触媒装置３の冷却部３１ｃ，・・・及び排熱発電装置４の冷却部５１ｃ，・・・も供給する冷却水の流量を調整する。そのために、冷却システム９は、ラジエータ７０、冷却水温度センサ７１、切換装置７２、ウォータポンプ７３、第１バルブ７４、第２バルブ７５、第３バルブ７６、第１温度センサ７７、第２温度センサ７８、第３温度センサ７９及びエンジンＥＣＵ［ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ］８０を備えている。ラジエータ７０には、排熱発電用ラジエータ７０Ａとエンジン用ラジエータ７０Ｂとが構成される。なお、エンジンＥＣＵ８０は、冷却システム９だけでなく、排気システム１全体の制御を行う。
【０１０９】
なお、本実施の形態では、ラジエータ７０が特許請求の範囲に記載するラジエータに相当し、排熱発電用ラジエータ７０Ａが特許請求の範囲に記載する排熱発電用ラジエータに相当し、冷却水温度センサ７１が特許請求の範囲に記載する冷媒温度検出手段に相当し、切換装置７２が特許請求の範囲に記載する冷媒切換バルブに相当し、ウォータポンプ７３が特許請求の範囲に記載する電動ポンプに相当し、第１バルブ７４が特許請求の範囲に記載する第１冷媒バルブに相当し、第２バルブ７５が特許請求の範囲に記載する第２冷媒バルブに相当し、エンジンＥＣＵ８０が特許請求の範囲に記載する制御手段に相当する。
【０１１０】
ラジエータ７０は、自動車に通常備えられるエンジンの排気量等に応じた冷却能力及びサイズを有するラジエータである。ラジエータ７０は、排熱発電用ラジエータ７０Ａとエンジン用ラジエータ７０Ｂとして独立して機能するために、２分割構造となっており、分割する箇所に分割壁７０ａが設けられている。分割するサイズとしては、エンジン用ラジエータ７０Ｂの方を大きくする。各ラジエータ７０Ａ，７０Ｂでは、通常時には、他方のラジエータ側へ冷却水が移動することはなく、その内部でのみ冷却水が循環する。しかし、分割壁７０ａには、上部と下部にそれぞれ連通孔が設けられており、その連通孔を開閉する上側バルブ７０ｂと下側バルブ７０ｃとが設けられている（図２１参照）。上側バルブ７０ｂと下側バルブ７０ｃを開くことによって、ラジエータ７０Ａ，７０Ｂ間で冷却水の移動が可能となる。
【０１１１】
排熱発電用ラジエータ７０Ａは、通常、冷却部２１ｃ，・・・、冷却部３１ｃ，・・・及び冷却部５１ｃ，・・・へ冷却水を供給し、エンジンが高負荷時にはエンジンに冷却水を供給するラジエータである。排気発電用ラジエータ７０Ａは、電動式のファン７０ｄが備えられており、このファン７０ｄにより冷却水温度を低温化することができる。ファン７０ｄは、冷却水温度センサ７１で検出した冷却水温度に基づいてエンジンＥＣＵ８０によって回転数制御される。冷却水温度センサ７１は、サーミスタ等の温度センサであり、排熱発電用ラジエータ７０Ａ内を流れる冷却水の温度を検出する。
【０１１２】
エンジン用ラジエータ７０Ｂは、エンジンへ冷却水を供給するラジエータである。エンジン用ラジエータ７０Ｂは、電動式のファン７０ｅが備えられており、このファン７０ｅにより冷却水温度を低温化することができる。ファン７０ｅは、冷却水温度に基づいてエンジンＥＣＵ８０によって回転数制御される。ちなみに、エンジン用ラジエータ７０Ｂから供給された冷却水は、サーモスタットＴＨを通ってウォータポンプＷＰに入り、ウォータポンプＷＰで流量が調整された後、シリンダブロックＳＢを循環し、さらに、シリンダヘッドＳＨを循環してエンジン用ラジエータ７０Ｂに戻る。また、エンジン内を循環している冷却水が低温の場合、サーモスタットＳＨが閉じてエンジン用ラジエータ７０Ｂからの冷却水の供給が遮断されるとともに、シリンダヘッドＳＨを循環した冷却水は、バイパス流路ＢＰを通ってサーモスタットＴＨに戻り、エンジン内を再び循環する。
【０１１３】
切換装置７２は、通常時には排熱発電用ラジエータ７０Ａからの冷却水をウォータポンプ７３に流すとともにエンジン用ラジエータ７０Ｂからの冷却水をサーモスタットＴＨに流し、エンジンが高負荷時には排熱発電用ラジエータ７０Ａからの冷却水もサーモスタットＴＨに流す。そのために、切換装置７２は、一方の入口には排熱発電用ラジエータ７０Ａの出口が配管され、他方の入口にはエンジン用ラジエータ７０Ｂの出口が配管され、一方の出口にはウォータポンプ７３が配管され、他方の出口にはサーモスタットＴＨが配管される。さらに、切換装置７２は、バルブ７２ａが備えられており、バルブ７２ａが閉じている場合には一方の入口から入った排熱発電用ラジエータ７０Ａからの冷却水を一方の出口から排出してウォータポンプ７３に流し、バルブ７２ａが開いた場合には一方の入口から入った排熱発電用ラジエータ７０Ａからの冷却水を他方の出口から排出してサーモスタットＴＨに流す。バルブ７２ａは、エンジンＥＣＵ８０によって開閉制御される。
【０１１４】
ウォータポンプ７３は、電動式であり、排熱発電用ラジエータ７０Ａから供給する冷却水の流量を調整するポンプである。ウォータポンプ７３の出口には、３つのバルブ７４〜７６にそれぞれ配管される。各ウォータポンプ７３は、エンジンＥＣＵ８０によって回転数制御される。
【０１１５】
第１バルブ７４は、ウォータポンプ７３の出口と第１触媒装置２の冷却部２１ｃの冷却水パイプ２６との配管上に設けられ、冷却部２１ｃ，・・・に供給する冷却水の流量を調整するバルブである。第１バルブ７４は、第１温度センサ７７で検出した熱交換部２１ａにおける温度に基づいてエンジンＥＣＵ８０によって開度制御される。第１温度センサ７７は、サーミスタ等の温度センサであり、熱交換部２１ａを流れる排気ガス又は熱交換フィン２１ｅ自体の温度を検出する。
【０１１６】
第２バルブ７５は、ウォータポンプ７３の出口と第２触媒装置３の冷却部３１ｃの冷却水パイプ４０との配管上に設けられ、冷却部３１ｃ，・・・に供給する冷却水の流量を調整するバルブである。第２バルブ７５は、第２温度センサ７８で検出した熱交換部３１ａにおける温度に基づいてエンジンＥＣＵ８０によって開度制御される。第２温度センサ７８は、サーミスタ等の温度センサであり、熱交換部３１ａを流れる排気ガス又は熱交換フィン３１ｅ自体の温度を検出する。
【０１１７】
第３バルブ７６は、ウォータポンプ７３の出口と排熱発電装置４の冷却部５１ｃの冷却水パイプ５９との配管上に設けられ、冷却部５１ｃ，・・・に供給する冷却水の流量を調整するバルブである。第３バルブ７６は、第３温度センサ７９で検出した熱交換部５１ａにおける温度に基づいてエンジンＥＣＵ８０によって開度制御される。第３温度センサ７９は、サーミスタ等の温度センサであり、熱交換部５１ａを流れる排気ガス又は熱交換フィン５１ｅ自体の温度を検出する。
【０１１８】
エンジンＥＣＵ８０は、ＣＰＵ［ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ］、ＲＯＭ［ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ］、ＲＡＭ［ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ］等からなる電子制御ユニットである。エンジンＥＣＵ８０は、各種センサが接続され、各種センサからの検出値に基づいて各種制御値等を設定し、エンジン及びエンジンに関する各部を制御する制御装置である。さらに、エンジンＥＣＵ８０は、冷却システム９の各部及び流路切換装置８を制御し、排気システム１の制御装置でもある。
【０１１９】
エンジンＥＣＵ８０では、冷却水温度センサ７１から冷却水温度を取得し、排熱発電用ラジエータ７０Ａ内の冷却水の温度が高くなるのに応じてファン回転数を高くするための信号をファン７０ｄに送信する。また、エンジンＥＣＵ８０では、エンジン用ラジエータ７０Ｂ内の冷却水の温度が高くなるのに応じてファン回転数を高くするための信号をファン７０ｅに送信する。ちなみに、自動車が走行中にはラジエータ７０に走行風が当たるので、冷却水温度がそれほど高温にならない。しかし、自動車が停止中やエンジンが高負荷時には、冷却水が高温になる場合がある。排熱発電用の冷却水を低温化することによって、熱電変換モジュール２１ｂ、３１ｂ、５１ｂの低温端面を低温化でき、低温端面と高温端面との温度差を大きくすることによって発電量を増加し、回収効率を向上させる。
【０１２０】
また、エンジンＥＣＵ８０は、エンジンが高負荷（例えば、登坂時や高速走行時）であると判定した場合には、バルブを開くための信号を上側バルブ７０ｂ、下側バルブ７０ｃ、バルブ７２ａにそれぞれ送信する。この際、エンジンＥＣＵ８０は、モータ回転数を０にするための信号をウォータポンプ７３に送信し、バルブを閉じるための信号を第１バルブ７４、第２バルブ７５、第３バルブ７６にそれぞれ送信する。このようにバルブ７０ｂ，７０ｃ，７２ａを開くことによって排熱発電用ラジエータ７０Ａの冷却水もエンジンに供給するとともに冷却部２１ｃ，３１ｃ，５１ｃへの冷却水の供給も停止し、排熱発電用ラジエータ７０Ａの冷却水もエンジンを冷却するために利用する。つまり、ラジエータ７０の冷却能力を全てエンジンの冷却に利用し、エンジンの高温化（ひいては、オーバヒート）を防止する。エンジンが高負荷か否かの判定としては、スロットルバルブの開度、吸入空気量、エンジントルク、エンジン回転数、排気ガスの温度等に基づいて行う。
【０１２１】
なお、通常の自動車の運転パターンでは、登坂や高速走行等の高負荷状態（高出力）で運転される頻度は極めて少なく、中〜低負荷状態（中〜低出力）で運転されることが殆どである。ラジエータ７０の冷却能力は高負荷状態に対応できる能力を有しており、中〜低負荷状態ではラジエータ７０の冷却能力に余裕がある。そこで、冷却システム９ではラジエータ７０を２分割構造として排熱発電用ラジエータ７０Ａによってその冷却能力に余裕のある時に排熱発電用として利用する。このように、冷却水を供給して熱電変換モジュール２１ｂ、３１ｂ、５１ｂの低温端面を冷却することによって発電量を増加し、回収効率を向上させる。また、高負荷状態の場合、冷却水を利用して熱電変換モジュール２１ｂ、３１ｂ、５１ｂの低温端面を冷却することはできないが、高負荷状態での走行頻度は少なく、排気ガスの熱エネルギ自体は多いので発電量は大きい。
【０１２２】
また、エンジンＥＣＵ８０は、第１温度センサ７７からの熱交換部２１ｃにおける温度、第２温度センサ７８からの熱交換部３１ｃにおける温度、第３温度センサ７９からの熱交換部５１ｃにおける温度を取り入れ、この温度が所定温度以上となった場合に所定モータ回転数にするための信号をウォータポンプ７３に送信するとともに、バルブを開くための信号をバルブ７４，７５，７６にそれぞれ送信する。バルブ７４，７５，７６の開閉は、熱交換部２１ｃ，３１ｃ，５１ｃでの各温度に基づいて個別に行う。このように熱交換部２１ａ，３１ａ，５１ａにおける温度が所定温度に達した場合に冷却部２１ｃ，３１ｃ，５１ｃに冷却水を流すので、常時冷却水を流すときよりも熱交換部２１ａ，３１ａ，５１ａにおける温度が高温となり、熱電変換モジュール２１ｂ，３１，５１ｂの発電効率が向上し、排気ガスの熱エネルギの回収効率を向上させる。
【０１２３】
また、エンジンＥＣＵ８０は、エンジンの始動開始後所定時間が経過するまで（例えば、５分間経過するまで）、モータ回転数を０にするための信号をウォータポンプ７３に送信するとともに、バルブを閉じるための信号をバルブ７４，７５，７６にそれぞれ送信する。このようにエンジンのコールドスタート時には、冷却部２１ｃ，３１ｃ，５１ｃへの冷却水の供給を停止して排熱発電を停止し、触媒温度の昇温を促進させる。
【０１２４】
また、エンジンＥＣＵ８０は、エンジンの停止直後、モータ回転数を所定回転数に維持するための信号をウォータポンプ７３に送信するとともに、バルブを開いた状態を維持する信号をバルブ７４，７５，７６にそれぞれ送信する。このようにエンジンの停止直後も冷却部２１ｃ，３１ｃ，５１ｃへの冷却水の供給を継続し、エンジンの停止後も熱交換部２１ａ，３１ａ，５１ａに蓄えられている熱エネルギを利用して発電を行い、排気ガスの熱エネルギの回収効率を向上させる。なお、冷却水を供給する期間は、エンジンの停止後所定時間経過するまででもよいし、熱交換部２１ａ，３１ａ，５１ａの温度が低下するまででもよいし、あるいは、発電量が０になるまででもよい。
【０１２５】
また、エンジンＥＣＵ８０は、排気ガス温度センサ（図示せず）から排気ガスの温度を取り入れ、この排気ガスの温度が触媒の活性温度における下限温度未満の場合には低出力用流路５に排気ガスを流すための信号を流路切換装置８のアクチュエータ８ｍに送信し、排気ガスの温度が下限温度以上の場合には高出力用流路６に排気ガスを流すための信号をアクチュエータ８ｍに送信する。排気ガス温度センサは、サーミスタ等の温度センサであり、第２触媒装置３の入口又は出口における排気ガスの温度を検出する。このように第２触媒装置３における触媒が活性温度に達していない場合（エンジンの低出力時（特に、エンジンのコールドスタート時））には低出力用流路５に排気ガスを流して第１触媒装置２で排気ガスを浄化するとともに第２触媒装置３で排気ガスの熱エネルギを電気エネルギとして回収し、触媒が活性温度に達した場合（エンジンの中〜高出力時）には高出力用流路６に排気ガスを流して第２触媒装置３で排気ガスを浄化するとともに第１触媒装置２及び第２触媒装置３で排気ガスの熱エネルギを電気エネルギとして回収する。
【０１２６】
このように、冷却システム９は、ラジエータを２分割構造とすることにより、ラジエータを大型化することなく、エンジン用と排熱発電用との冷却を可能としている。そのため、排熱発電用としてラジエータの搭載スペースを別に確保する必要はなく、コスト的にも抑えることができる。また、冷却システム９は、排熱発電用ラジエータ７０Ａの冷却能力もエンジン用に利用可能とすることにより、エンジンの高負荷時でもエンジンの高温化やオーバヒートを防止することができる。
【０１２７】
また、冷却システム９は、排熱発電用ラジエータ７０Ａの冷却水の低温化、冷却部２１ｃ，３１ｃ，５１ｃへの冷却水の流量の調整、エンジンの停止後の冷却部２１ｃ，３１ｃ，５１ｃへの冷却水の供給等により、排気ガスの熱エネルギの回収効率を向上させる。また、冷却システム９は、エンジンの開始後の冷却部２１ｃ，３１ｃ，５１ｃへの冷却水の供給停止により、触媒温度の昇温を促進させる。
【０１２８】
また、排気システム１は、低出力用流路５と高出力用流路６とを切り換えることにより、エンジンが低出力時（特に、コールドスタート時）に触媒温度の昇温を促進するとともに、エンジンの中〜高出力時に触媒の熱劣化の防止と排気ガスの熱エネルギの高い回収効率とを可能とする。
【０１２９】
次に、図１、図２０等を参照して、排気システム１における動作について説明する。ここでは、エンジンのスタート時の状態１（スタートから５分経過するまで）、エンジン暖気後の低出力の状態２（時速６０ｋｍ／ｈ以下）、状態２からエンジン出力を増加させた中出力の状態３（時速１２０ｋｍ／ｈ以下）、状態３からエンジン出力を若干減少させた状態４、状態３からエンジン出力を大幅に減少させた状態５（状態２に戻る）、状態３からエンジン出力を大幅に増加させた高出力の状態６（時速１２０ｋｍ／ｈ以上で加速）、エンジンの停止直後の状態７の７つの状態での動作について説明する。
【０１３０】
状態１における動作について説明する。この状態では、排気ガスの熱エネルギが少なく、排気ガスの温度も低い。そこで、排気システム１では、エンジンＥＣＵ８０からの指令によって流路切換装置８により排気ガスを流す流路を低出力用流路５とし、エンジンからの排気ガスを第１触媒装置２の触媒管２０ａ、第２触媒装置３の熱交換部３１ａ，・・・、排熱発電装置４の熱交換部５１ａ，・・・に流す。第１触媒装置２の触媒ユニット２０では、ユニットの小型化、エキゾーストマニホールドＥＭの直下への配置、排熱発電ユニット２１，・・・による２重の断熱効果により、触媒温度の昇温が促進される。そのため、エンジンのコールドスタートで排気ガスの温度が低いにもかかわらず、早期に触媒温度が活性温度に達し、排気ガスの浄化を開始できる。この際、排気ガスの熱エネルギを触媒温度の昇温に使うので、この熱エネルギによる発電を行えない。そこで、排気システム１では、エンジンＥＣＵ８０からの指令によってウォータポンプ７３の回転停止及び第１〜第３バルブ７４〜７６の全閉により冷却部２１ｃ，３１ｃ，５１ｃへの冷却水の供給を停止し、排熱発電ユニット２１，３１，５１での発電を停止する。
【０１３１】
状態２における動作について説明する。この状態では、第１触媒装置２の触媒ユニット２０における触媒温度が活性温度に達しているので、排気ガスの熱エネルギを発電にも利用できる。そこで、排気システム１では、エンジンＥＣＵ８０からの指令によってウォータポンプ７３のモータ回転の開始及び第２バルブ７５を開くことにより冷却部３１ｃへの冷却水の供給を開始し、第２触媒装置３の排熱発電ユニット３１，・・・での発電を開始する。この際、排気ガスの熱エネルギはまだ少ないので、発電量は少ない。ちなみに、排気システム１では、エンジンからの排気ガスの流れは状態１と同じであり、第１触媒装置２の触媒ユニット２０で排気ガスを浄化している。
【０１３２】
状態３における動作について説明する。この状態では、排気ガスの熱エネルギが多くなり、第２触媒装置３の触媒ユニット３０における触媒温度も活性温度に達している。そこで、排気システム１では、エンジンＥＣＵ８０からの指令によって流路切換装置８により排気ガスを流す流路を高出力用流路６に切り換え、エンジンからの排気ガスを第１触媒装置２の熱交換部２１ａ，・・・、第２触媒装置３の触媒管３０ａ、排熱発電装置４の熱交換部５１ａ，・・・に流す。排気システム１では、第１触媒装置２の触媒ユニット２０での排気ガスの浄化を停止し、第２触媒装置３の触媒ユニット３０で排気ガスを浄化する。したがって、排気ガスの温度が高くなっているが、エキゾーストマニホールドＥＭの直下に配置されている第１触媒装置２の触媒ユニット２０には排気ガスが流れないので、触媒ユニット２０の触媒の熱劣化を防止することができる。また、排気システム１では、エンジンＥＣＵ８０から指令によってウォータポンプ７３のモータ回転及び第２バルブ７５の開状態を継続することにより冷却部３１ｃへの冷却水の供給を継続し、第２触媒装置３の排熱発電ユニット３１，・・・での発電を継続させる。この場合、第２触媒装置３の熱交換部３１ａ，・・・には排気ガスは流れていないが、触媒ユニット３０における触媒セルの形状により触媒管３０ａを流れる排気ガスの熱エネルギが熱交換部３１ａ，・・・に効率的に伝導され、この熱エネルギによって発電が行われる。この際、排気ガスの熱エネルギは増えてきているので、発電量もそれに応じて増加している。
【０１３３】
特に、第２触媒装置３の出口での温度（ひいては、触媒ユニット３０の触媒温度）が活性温度より高い場合、その温度を下げるために、排気ガスの熱エネルギを第２触媒装置３の上流側で回収する必要がある。そこで、排気システム１では、エンジンＥＣＵ８０からの指令によってウォータポンプ７３のモータ回転数の増加及び第１バルブ７４を開くことにより冷却部２１ｃ，・・・への冷却水の供給を開始し、第１触媒装置２の排熱発電ユニット２１，・・・での発電を開始する。そのため、排気システム１では、第２触媒装置３の上流側で排気ガスの熱エネルギが回収され、第２触媒装置３の触媒ユニット３０の触媒温度を低下させることができ、触媒ユニット３０の触媒の熱劣化を防止することができる。また、排気システム１では、第１触媒装置２において触媒ユニット２０の外側の排熱発電ユニット２１，・・・で排気ガスの熱エネルギを回収するので、触媒ユニット２０の触媒の熱劣化を更に防止する。さらに、排気システム１では、発電量が増加して排気ガスの熱エネルギの回収効率が高くなる。
【０１３４】
状態４における動作について説明する。この状態では、排気ガスの熱エネルギが若干少なくなったので、第２触媒装置３の触媒ユニット３０の触媒温度が活性温度より低くなるのを未然に防ぐ必要がある。そこで、排気システム１では、エンジンＥＣＵ８０からの指令によってウォータポンプ７３のモータ回転数の減少及び第１バルブ７４を閉じることにより冷却部２１ｃ，・・・への冷却水の供給を停止し、第１触媒装置２の排熱発電ユニット２１，・・・での発電を停止する。そのため、排気システム１では、第１触媒装置２での排気ガスの熱エネルギの回収が停止することによって、第２触媒装置３の触媒ユニット３０の触媒温度の低下を防止し、触媒ユニット３０で排気ガスの浄化を継続して行う。
【０１３５】
状態５における動作について説明する。この状態では、排気ガスの熱エネルギが急激に減少するので、第２触媒装置３の触媒ユニット３０の触媒温度が低下して排気ガスの浄化ができなくなる。そこで、排気システム１では、エンジンＥＣＵ８０からの指令によって流路切換装置８により排気ガスを流す流路を低出力用流路５に切り換え、エンジンからの排気ガスを第１触媒装置２の触媒管２０ａ、第２触媒装置３の熱交換部３１ａ，・・・、排熱発電装置４の熱交換部５１ａ，・・・に流す。そのため、排気システム１では、第１触媒装置２の触媒ユニット２０で排気ガスの浄化を開始し、排気ガスの浄化ができなくなる状態を未然に回避する。また、排気システム１では、エンジンＥＣＵ８０から指令によってウォータポンプ７３のモータ回転及び第２バルブ７５の開状態を継続することにより冷却部３１ｃへの冷却水の供給を継続し、第２触媒装置３の排熱発電ユニット３１，・・・での発電を継続させる。
【０１３６】
状態６における動作について説明する。この状態では、排気ガスの熱エネルギが非常に大きくなるので、熱エネルギの回収能力を上げ、触媒の熱劣化を防止する必要がある。そこで、排気システム１では、エンジンＥＣＵ８０からの指令によってウォータポンプ７３のモータ回転数の増加及び第３バルブ７６を開くことにより冷却部５１ｃ，・・・への冷却水の供給を開始し、排熱発電装置４の排熱発電ユニット５１，・・・での発電を開始する。また、第１触媒装置２の排熱発電ユニット２１，・・・での発電を停止している場合、排気システム１では、エンジンＥＣＵ８０からの指令によって第１バルブ７４を開くことにより冷却部２１ｃ，・・・への冷却水の供給も開始し、第１触媒装置２の排熱発電ユニット２１，・・・での発電も開始する。そのため、排気システム１では、第１触媒装置２、第２触媒装置３及び排熱発電装置４での排気ガスの熱エネルギの回収が行われ、システムとして最大の回収能力を発揮させて熱エネルギの回収を行う。そのため、発電量は、非常に多くなる。また、排気ガスの温度が高くなっているが、第１触媒装置２、第２触媒装置３及び排熱発電装置４で排気ガスの熱エネルギを回収するので、触媒ユニット２０及び触媒ユニット３０の触媒の熱劣化を防止することができる。
【０１３７】
状態７における動作について説明する。この状態では、エンジンが停止しているので新たに排気ガスの熱エネルギが発生しないが、熱交換部２１ａ，３１ａ，５１ａにはまだ熱エネルギが蓄積されている。そこで、排気システム１では、エンジンＥＣＵ８０からの指令によってウォータポンプ７３の回転を継続及び第１〜第３バルブ７４〜７６の開状態を継続することにより冷却部２１ｃ，３１ｃ，５１ｃへの冷却水の供給を継続し、第１触媒装置２、第２触媒装置３、排熱発電装置４の排熱発電ユニット２１，３１，５１での発電を継続する。そして、排気システム１では、熱交換部２１ａ，３１ａ，５１ａに熱エネルギが無くなったと判断した場合、エンジンＥＣＵ８０からの指令によってウォータポンプ７３の回転を停止及び第１〜第３バルブ７４〜７６の閉じることにより冷却部２１ｃ，３１ｃ，５１ｃへの冷却水の供給を停止し、第１触媒装置２、第２触媒装置３、排熱発電装置４の排熱発電ユニット２１，３１，５１での発電を終了する。この場合の発電量は、熱交換部２１ａ，３１ａ，５１ａに蓄積されている熱エネルギ量による。ちなみに、排気システム１では、低出力用流路５及び高出力用流路６には排気ガスが流れない。
【０１３８】
この排気システム１によれば、２つの低出力用流路５と高出力用流路６とを切り換えて排気ガスを流すとともに排気ガスの熱エネルギが多い場合には排熱発電ユニット２１，３１，５１でその熱エネルギを回収するので、触媒ユニット２０，３０の触媒の熱劣化を防止することができる。そのため、触媒の熱劣化を見込んで触媒の担持量を多くする必要がないので、高コストの貴金属である触媒の担持量を減らすことができる。特に、排気ガスの熱エネルギが少なくときにしか上流側の触媒ユニット２０には排気ガスを流さないので、第１触媒装置２をエキゾーストマニホールドＥＭの直下に配置させることもでき、触媒温度の昇温を促進できる。
【０１３９】
また、排気システム１によれば、３箇所に配置された排熱発電ユニット２１，３１，５１で効率的にその熱エネルギを回収するので、排気ガスの熱エネルギの回収効率が高い。その際、排気システム１では、冷却システム９により冷却部２１ｃ，３１，５１ｃへの冷却水の流量を調整することによって排熱発電ユニット２１，３１，５１における発電を制御することができる。特に、排気システム１では、第２触媒装置３における触媒ユニット３０の触媒セルの形状を熱エネルギが排熱発電ユニット３１に移動し易い形状としているので、第２触媒装置３では排気ガスの浄化と排熱発電とを共存でき、その排熱発電の回収効率も高い。
【０１４０】
また、この排気システム１によれば、第１触媒装置２をエキゾーストマニホールドＥＭの直下に配置するとともに触媒ユニット２０を小型化しているので、エンジンのコールドスタート時でも排気ガスの浄化を早期に開始できる。
【０１４１】
また、この排気システム１によれば、第１触媒装置２及び第２触媒装置３を熱電変換モジュール２１ｂ，３１ｂをばね構造体によって固定しているので、熱電変換モジュール２１ｂ，３１ｂを適正な押えつけ力で固定できるとともに熱膨張による様々な不具合現象を防止することができる。
【０１４２】
図２２、図２３を参照して、第２の実施の形態に係る排気システム８１について説明する。図２２は、第２の実施の形態に係る排気システムにおける第１触媒装置及びエキゾーストマニホールドの斜視図である。図２３は、図２２の第１触媒装置の側断面図である。なお、ここでの説明では、第１の実施の形態に係る排気システム１と異なる点のみ説明する。
【０１４３】
排気システム８１は、第１の実施の形態に係る排気システム１と略同様の構成を有するが、第１触媒装置８２，・・・をエキゾーストマニホールドＥＭの分岐管８３，・・・の最上流部にそれぞれ配設したこと及び第１触媒装置８２の構成が異なる。排気システム８１は、４つの第１触媒装置８２，・・・を備え、それ以外は排気システム１と同様の構成である。排気システム８１では、第１触媒装置８２，・・・がエキゾーストマニホールドＥＭの分岐管８３，・・・にそれぞれの最上流部に配設され、エキゾーストマニホールドＥＭの直下に第２触媒装置（図示せず）が配設され、更にその下流に排熱発電装置（図示せず）が配設される。
【０１４４】
エキゾーストマニホールドＥＭは、低出力用流路と高出力用流路とを形成するために二重管構造となっており、４つの分岐管８３，・・・の内部に内管（図示せず）が各々設けられている。内管内に形成される流路は、低出力用流路を形成している。また、分岐管８３，・・・と内管との間に形成される流路は、高出力用流路を形成している。
【０１４５】
第１触媒装置８２は、第１の実施の形態に係る第１触媒装置２と略同様の構成であり、中央部に触媒ユニット９０を有し、触媒ユニット９０の周りに８個の排熱発電ユニット９１，・・・が配設される。第１触媒装置８２には、周方向に沿って４個の排熱発電ユニット９１，・・・が配置され（図２３参照）、長手方向に沿って２個の排熱発電ユニット９１Ａ，９１Ｂが配置される（図２２参照）。第１触媒装置８２では、低出力用流路を流れる排気ガスを触媒ユニット９０で浄化し、高出力用流路を流れる排気ガスの熱エネルギを各排熱発電ユニット９１，・・・で電気エネルギに変換する。第１触媒装置８２には、最上流部にエンジンのシリンダヘッドの取付面８４と直接接続する排気導入管９２が配設され、最下流部には分岐管８３が直接接続する。したがって、第１触媒装置８２は、エンジンの排気ガスの出口の直下に配置されることになり、気筒毎に設けられる。
【０１４６】
触媒ユニット９０は、第１触媒装置８２の中央に配設される触媒管９０ａを備えている。触媒管９０ａは、エキゾーストマニホールドＥＭの分岐管８３にそれぞれ設けられる内管の一部となる。触媒管９０ａにはエンジンの各気筒から排出される排気ガスが直接流れ込み、排気ガスの熱エネルギの放熱ロスが殆どない。そこで、触媒ユニット９０では、触媒管９０ａを第１の実施の形態に係る触媒管２０ａより更に細く構成し、三元触媒の量を少なくし、触媒による熱容量を少なくしている。
【０１４７】
排熱発電ユニット９１，・・・は、触媒管９０ａの周りに９０°毎に等間隔で配設されるとともに、触媒管９０ａの長手方向に沿って隣接して配設される。排熱発電ユニット９１は、熱交換部９１ａ、熱電変換モジュール９１ｂ、冷却部９１ｃ、ばねクランプ部９１ｄを備えており、熱エネルギが移動する系並びにばねクランプシステムを構成している。
【０１４８】
なお、第２の実施の形態では、熱交換部９１ａが特許請求の範囲に記載の第１熱交換部に相当し、熱電変換モジュール９１ｂが特許請求の範囲に記載の第１熱電変換部に相当し、冷却部９１ｃが特許請求の範囲に記載の第１冷却部に相当し、ばねクランプ部９１ｄが特許請求の範囲に記載の第１弾性部に相当する。
【０１４９】
熱交換部９１ａは、触媒管９０ａの長手方向に沿って配設される２つの排熱発電ユニット９１Ａ，９１Ｂの熱交換部が一体で形成され、触媒管９０ａと同じ長さを有する。排気導入管９２と分岐管８３との間には、４個の熱交換部９１ａ，・・・が溶接等によって接続される。そして、４個の熱交換部９１ａ，・・・は、触媒管９０ａに９０°毎に配置され、高出力用流路を各々形成している。４個の熱交換部９１ａ，・・・は、周方向に沿って連結され、側面視して略正四角形になる。
【０１５０】
熱電変換モジュール９１ｂ、冷却部９１ｃは第１触媒装置２のものと同様の構成であるが、ばねクランプ部９１ｄは板ばねを備えない点が異なる。板ばねを供えない場合でも、クランプ９１ｋの弾性力発生部９１ｍの弾性力により、ばねクランプ部９１ｄはばね構造体として機能する。
【０１５１】
この排気システム８１によれば、第１触媒装置８２，・・・をエンジンからの排気ガスの出口の直近に配置しているので、触媒管９０ａ，・・・に流れ込む排気ガスが殆ど放熱ロスしない。そのため、触媒ユニット９０を更に小型化でき、触媒温度の昇温を更に促進できる。その結果、エンジンのコールドスタート時には、排気ガスの浄化を一層早期に行うことができる。また、触媒ユニット９０における触媒の担持量も減らすことができる。
【０１５２】
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
【０１５３】
例えば、本実施の形態では排熱発電装置を自動車に適用したが、排気ガスを排出する内燃機関を備える他のものに適用してもよい。
【０１５４】
また、本実施の形態では第１触媒装置及び第２触媒装置において触媒ユニットの周りに複数個の排熱発電ユニットを配置させて一体で構成としたが、触媒ユニットと排熱発電ユニットとを流路上に直列に配置させる等の他の構成でもよい。
【０１５５】
また、本実施の形態では排熱発電ユニットを１８個、３２個、１６個、８個有する構成としたが、配置するスペースや形状等を考慮して、周方向や長手方向に適宜の個数の排熱発電ユニットを配置し、適宜の個数の排熱発電ユニットを有する構成としてもよい。
【０１５６】
また、本実施の形態では第１触媒装置、第２触媒装置以外に排熱発電装置を備える構成としたが、第１触媒装置及び第２触媒装置で排気ガスの熱エネルギを十分に回収することができる場合には排熱発電装置を備えない構成としてもよい。
【０１５７】
また、本実施の形態では触媒装置の冷却部間はジャバラパイプで接続し、排熱発電装置の冷却部間はジョイントパイプで接続する構成としたが、触媒装置の冷却部間をジョイントパイプで接続しあるいは排熱発電装置の冷却部間はジャバラパイプで接続してもよいし、冷却部間を屈曲自在に接続できるものであればよいので、これらの部材以外にもゴムホース等の他のものでもよい。
【０１５８】
また、第１の実施の形態ではばねクランプ部において板ばね及びクランプによって弾性力を発生させる構成としたが、いずれか一方で弾性力を発生させる構成としてもよい。また、板ばね以外にも弾性力を有する他の部材でもよいし、クランプにおいても弾性力発生部以外の弾性力を発生する他の形状でもよい。
【０１５９】
また、本実施の形態ではばねクランプ部において押圧部材が点接触する構成としたが、線接触する構成としてもよい。
【０１６０】
また、本実施の形態では流路切換装置において高出力用バルブを低出力用バルブより大径に構成したが、高出力用バルブの数を低出力用バルブの数より多くして、エンジンの出力の違いによる排気ガスの流量の違いに対応してもよい。
【０１６１】
また、本実施の形態では排熱発電用ラジエータとエンジン用ラジエータを一体構造としたが、別体でもよい。
【０１６２】
また、本実施の形態では冷却部への冷却水の流量調整をウォータポンプの回転数制御とバルブの開度制御で行ったが、いずれか一方だけでもよい。
【０１６３】
また、本実施の形態では排熱発電ユニットの冷却部への冷却水の流量を調整するためにウォータポンプの回転数制御や第１〜第３バルブの開閉制御を熱交換部の温度に基づいて行う構成としたが、排熱発電における発電量、スロットルバルブの開度、燃料の供給量等の他のものに基づいて行ってよい。発電量の場合には発電量が所定発電量以上の場合に冷却水を流し、スロットル開度の場合には所定開度以上の場合に冷却水を流し、燃料供給量の場合には所定供給量以上の場合に冷却水を流す。
【０１６４】
また、本実施の形態では冷却部への冷却水を供給するか否かによる流量調整としたが、熱交換部における温度等に応じて流量を多段階や無段階で調整するようにしてもよい。
【０１６５】
また、本実施の形態では流路切換装置の切換制御を第２触媒装置の入口又は出口での排気ガスの温度に基づいて行う構成としたが、スロットルバルブの開度、燃料供給量、吸入空気量、熱交換部における温度等のエンジンの出力状態（ひいては、排気ガスの熱エネルギ量）を推定できる他のものに基づいて行ってもよい。
【０１６６】
【発明の効果】
本発明によれば、排熱発電の回収効率を向上させることができるとともに、触媒の熱劣化も防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る排気システムの一部破断正面図である。
【図２】図１のエキゾーストマニホールドの平面図である。
【図３】図１のエキゾーストマニホールドの正面図である。
【図４】図１の第１触媒装置の正面図である。
【図５】図１の第１触媒装置の側面図（上流側）である。
【図６】図４の正面図におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図７】図４の正面図におけるＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【図８】図１の第２触媒装置の正面図である。
【図９】図１の第２触媒装置の側面図（上流側）である。
【図１０】図８の正面図におけるＣ−Ｃ線に沿った断面図である。
【図１１】図８の正面図におけるＤ−Ｄ線に沿った断面図である。
【図１２】図１０の断面図における触媒ユニットの拡大図である。
【図１３】図１の排熱発電装置の正面図である。
【図１４】図１の排熱発電装置の側面図（上流側）である。
【図１５】図１３の正面図におけるＥ−Ｅ線に沿った断面図である。
【図１６】図１４の側面図におけるＦ−Ｆ線に沿った断面図である。
【図１７】図１の流路切換装置の正面図である。
【図１８】図１の流路切換装置の側面図である。
【図１９】図１７の正面図におけるＧ−Ｇ線に沿った断面図である。
【図２０】本実施の形態に係る排気システムにおける冷却システムの構成図である。
【図２１】図２０のラジエータにおけるＨ−Ｈ線に沿った断面図である。
【図２２】第２の実施の形態に係る排気システムにおける第１触媒装置及びエキゾーストマニホールドの斜視図である。
【図２３】図２２の第１触媒装置の側断面図である。
【符号の説明】
１，８１…排気システム、２，８２…第１触媒装置、３…第２触媒装置、４…排熱発電装置、５…低出力用流路、６…高出力用流路、７…合流用流路、８…流路切換装置、８ａ…装置本体、８ｂ…シャフト、８ｃ…低出力用バルブ、８ｄ…高出力用バルブ、８ｅ…低出力用バルブ孔、８ｆ…高出力用バルブ孔、８ｇ〜８ｉ…シャフト孔、８ｊ，８ｋ…軸受ブッシュ、８ｌ…連結部材、８ｍ…アクチュエータ、８ｎ，８ｏ…ビス、９…冷却システム、１０，８４…取付面、１１…合流部材、１１ａ…取付部、１２，８３…分岐管、１３…内管、１４…合流管、２０，３０，９０…触媒ユニット、２０ａ，３０ａ，９０ａ…触媒管、２０ｂ，３０ｃ…縦方向骨格部材、２０ｃ，３０ｄ…横方向骨格部材、３０ｂ…分割部材、２１，２１Ａ〜２１Ｃ，３１，３１Ａ〜３１Ｄ，５１，５１Ａ〜５１Ｄ，９１，９１Ａ，９１Ｂ…排熱発電ユニット、２１ａ，３１ａ，５１ａ，９１ａ…熱交換部、２１ｂ，３１ｂ，５１ｂ，９１ｂ…熱電変換モジュール、２１ｃ，３１ｃ，５１ｃ，９１ｃ…冷却部、２１ｄ，３１ｄ，５１ｄ，９１ｄ…ばねクランプ部、２１ｅ，３１ｅ，５１ｅ…熱交換フィン、２１ｆ，３１ｆ，５１ｆ…冷却蓋、２１ｇ，３１ｇ，５１ｇ…冷却本体、２１ｈ，３１ｈ，５１ｈ…冷却フィン、２１ｉ，３１ｉ，５１ｉ…板ばね、２１ｊ，３１ｊ，５１ｊ…押圧部材、２１ｋ，３１ｋ，５１ｋ…クランプ、２１ｍ，３１ｍ，５１ｍ，９１ｍ…弾性力発生部、２１ｎ，３１ｎ，５１ｎ…ボルト、２１ｏ，３１ｏ，５１ｏ…ナット、２１ｐ，３１ｐ，５１ｐ…緩衝部材、５１ｑ…冷却水管、３１ｑ…緩衝シート、２２…排気導入管、２３，３３，３４，５３，５４…取付部材、２４…低出力用排気排出管、２５…高出力用排気排出管、２６，２７，４０，４１，５９，６０…冷却水パイプ、２８，４２…ジャバラパイプ、２９，４３，６１…冷却水ホース、３５…低出力用排気導入管、３６…高出力用排気導入管、３７…合流用排気排出管、３８，３９…接続部材、５５…排気導入管、５６…排気排出管、５７…分割排気管、５７ａ…開口部、５８…ジョイントパイプ、７０…ラジエータ、７０ａ…分割壁、７０ｂ…上側バルブ、７０ｃ…下側バルブ、７０ｄ，７０ｅ…ファン、７０Ａ…排熱発電用ラジエータ、７０Ｂ…エンジン用ラジエータ、７１…冷却水温度センサ、７２…切換装置、７２ａ…バルブ、７３…ウォータポンプ、７４…第１バルブ、７５…第２バルブ、７６…第３バルブ、７７…第１温度センサ、７８…第２温度センサ、７９…第３温度センサ、８０…エンジンＥＣＵ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust system that purifies exhaust gas with a catalyst and generates power using thermal energy of the exhaust gas.
[0002]
[Prior art]
Exhaust gas emitted from the engine contains harmful substances (carbon monoxide, hydrocarbons, nitrogen oxides, etc.). Therefore, a catalyst device including a catalyst such as a three-way catalyst is provided in the exhaust system, and the exhaust gas is purified by the catalyst device. Such a catalyst has an activation temperature (for example, 350 ° C. to 800 ° C.) and has a purifying action when the catalyst temperature is within the activation temperature.
[0003]
Further, the exhaust gas contains a larger amount of thermal energy as the output of the engine increases, and the gas temperature increases in accordance with the thermal energy. Part of this heat energy is used to raise the catalyst temperature of the catalyst device to the activation temperature, but most of the heat energy not used for this temperature rise is dissipated without being recovered. Therefore, an exhaust heat power generator that recovers the heat energy of the exhaust gas by converting the heat energy of the exhaust gas into electric energy has been developed. In the exhaust heat power generation device, a thermoelectric conversion module is arranged between an exhaust pipe (high temperature side) through which exhaust gas flows and a cooling unit (low temperature side), and a thermoelectric conversion module is provided according to a temperature difference between the high temperature side and the low temperature side. Power is generated by each thermoelectric element. In order to improve the thermoelectric conversion efficiency in this exhaust heat power generation device, it is necessary to increase the temperature on the high temperature side and increase the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side.
[0004]
In the catalyst device, when the temperature of the catalyst is low, such as when the engine is cold-started, it is necessary to quickly raise the catalyst temperature to the activation temperature. Therefore, in the conventional exhaust system, the catalyst device is disposed in a portion of the exhaust system such as immediately below the exhaust manifold where heat radiation loss of exhaust gas is small, and the exhaust heat power generation device is disposed downstream thereof (see Patent Document 1). ).
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-5-195765
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the configuration in which the exhaust heat power generation device is disposed downstream of the catalyst device, the heat energy of the exhaust gas is used for raising the temperature in the catalyst device or is dissipated when flowing in the exhaust passage. And the exhaust temperature also decreases. Therefore, in the exhaust heat power generation device, the thermoelectric conversion efficiency is reduced, and the recovery efficiency of the heat energy is also reduced. Also in the invention described in Patent Document 1, since two exhaust heat recovery means are disposed downstream of the catalyst device, the recovery efficiency is low.
[0007]
Further, in a configuration in which the catalyst device is disposed on the upstream side of the exhaust system such as immediately below the exhaust manifold, the catalyst may be thermally degraded. This is because there is almost no heat dissipation loss of the exhaust gas immediately below the exhaust manifold or the like, so when the engine is at a high output, the heat energy of the exhaust gas is large, and the catalyst temperature becomes extremely high due to the high-temperature exhaust gas. When the catalyst temperature exceeds the activation temperature, the purification action is reduced, and the catalyst is thermally degraded. Also in the invention described in Patent Literature 1, since the catalyst device is disposed upstream, the catalyst may be thermally degraded.
[0008]
Therefore, an object of the present invention is to provide an exhaust system that improves the recovery efficiency of waste heat power generation and also prevents thermal deterioration of a catalyst.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
An exhaust system according to the present invention is an exhaust system that purifies exhaust gas exhausted from an internal combustion engine with a catalyst and generates power using thermal energy of the exhaust gas, and a first exhaust gas purifying unit that purifies the exhaust gas with a catalyst. A second exhaust gas purifying means disposed downstream of the first exhaust gas purifying means for purifying exhaust gas by a catalyst; and a second exhaust gas purifying means disposed upstream of the second exhaust gas purifying means for converting heat energy of the exhaust gas into electric energy. (1) a first thermoelectric converter having a first thermoelectric converter, a first heat exchanger for transmitting heat energy of exhaust gas to one end of the first thermoelectric converter, and a first cooling unit for cooling the other end of the first thermoelectric converter; An exhaust heat generating means, a second thermoelectric converter disposed downstream of the first exhaust purification means for converting heat energy of the exhaust gas into electric energy, and a heat energy of the exhaust gas on one end face of the second thermoelectric converter. Conduct A second heat exchange unit having a second heat exchange unit, a second cooling unit for cooling the other end surface of the second thermoelectric conversion unit, and a second heat exchange between the first exhaust purification unit and the second exhaust heat generation unit. A first exhaust passage through which exhaust gas flows through the first exhaust passage, a second exhaust passage through which exhaust gas flows through the second exhaust gas purification unit and the first heat exchange unit of the first exhaust heat power generation unit, a first exhaust passage and a second exhaust passage. Switching means for switching between the exhaust passage and control means for controlling the switching of the switching means, wherein the control means switches to the first exhaust passage by the switching means when the internal combustion engine has a low output; If not, the switching means switches to the second exhaust passage.
[0010]
In this exhaust system, when the internal combustion engine has a low output, the control unit switches to the first exhaust passage by the switching unit. First, the exhaust gas flows into the first exhaust purification unit, and then the second exhaust gas is located downstream of the first exhaust purification unit. The exhaust gas flows through the second heat exchange section of the exhaust heat power generation means. At low output, the heat energy of the exhaust gas is small, but on the upstream side of the exhaust system, the first exhaust gas purification means purifies the exhaust gas by using the heat energy of the exhaust gas preferentially. When there is thermal energy of the exhaust gas that has not been recovered by the first exhaust gas purifying means, the second exhaust heat power generation means causes the second heat exchange unit to provide a heat energy of the exhaust gas downstream of the first exhaust gas purifying means. Is transmitted to one end surface of the second thermoelectric conversion unit, the other end surface of the second thermoelectric conversion unit is cooled by the second cooling unit, and power is generated by the second thermoelectric conversion unit. Therefore, even at the time of a cold start of the internal combustion engine, it is possible to quickly raise the catalyst temperature to the activation temperature in the first exhaust gas purification means and purify the exhaust gas early. Further, although the heat energy of the exhaust gas is low at a low output, the heat energy of the exhaust gas not recovered by the first exhaust gas purification means can be recovered without waste by the second exhaust heat power generation means, so that the recovery efficiency is increased. Further, in this exhaust system, when the internal combustion engine is not at low output, the control means switches to the second exhaust passage by the switching means, and first, the exhaust gas flows to the first heat exchange section of the first exhaust heat power generation means, and thereafter, Then, the exhaust gas is caused to flow to the second exhaust gas purification means located on the downstream side. When the output is not low, the catalyst temperature has reached the activation temperature also in the second exhaust gas purification means on the downstream side. Therefore, on the upstream side, the first exhaust heat power generation means reduces the heat energy of the exhaust gas by the first heat exchange section to the second heat purification section. The first thermoelectric conversion section conducts electricity to one end face of the thermoelectric conversion section, cools the other end face of the first thermoelectric conversion section, and generates power by the first thermoelectric conversion section. Then, on the downstream side, the second exhaust gas purification unit purifies the exhaust gas. Therefore, before the thermal energy of a large amount of exhaust gas when the output is not low is reduced by heat radiation or the like, the thermal energy is preferentially recovered by the first exhaust heat power generation means on the upstream side, so that the recovery efficiency is increased. Furthermore, since the exhaust gas flows to the second exhaust gas purifying means after the heat energy is recovered by the first exhaust heat power generating means, the temperature of the catalyst of the second exhaust gas purifying means is suppressed, and the thermal deterioration of the catalyst is prevented. can do. Further, also in the first exhaust gas purifying means, since the exhaust gas flows only at the time of low output in which the heat energy of the exhaust gas is small, it is possible to prevent thermal deterioration of the catalyst. The switching control for the switching means is performed based on a parameter indicating the output state of the internal combustion engine, and is performed based on, for example, the temperature of the exhaust gas, the temperature of the heat exchange unit, and the like.
[0011]
In the exhaust system of the present invention, it is preferable that the first exhaust gas purifying means is smaller than the second exhaust gas purifying means.
[0012]
In this exhaust system, the first exhaust gas purifying means is made smaller than the second exhaust gas purifying means, and the heat capacity of the catalyst is reduced. Therefore, in the first exhaust gas purifying means, the temperature rise of the catalyst temperature is promoted, and the catalyst temperature rises quickly even with a small amount of thermal energy. Therefore, even when the internal combustion engine is cold-started, the time during which the catalyst temperature reaches the activation temperature is shortened despite the fact that the heat energy of the exhaust gas is small.
[0013]
In the exhaust system of the present invention, the first exhaust heat power generation means and / or the second exhaust heat power generation means are arranged in a plurality in the circumferential direction, and the plurality of first exhaust heat power generation means are arranged in the circumferential direction. Is provided with a plurality of first heat exchanging units around the first catalyst purifying means, and when a plurality of second exhaust heat generating means are arranged in the circumferential direction, a plurality of first heat exchanging units are provided around the second catalyst purifying means. You may comprise so that a 2nd heat exchange part may be arrange | positioned.
[0014]
In this exhaust system, when the first catalyst purifying means is disposed inside the plurality of first heat exchanging sections arranged in the circumferential direction (that is, when the first catalyst purifying means is provided in the plurality of first heat exchanging sections) When the internal combustion engine is at a low output, the first catalyst purifying means receives a double adiabatic effect of the gas layer of the first heat exchange section and the first thermoelectric conversion section itself outside the first heat exchange section. Heat radiation is suppressed. Therefore, the loss due to the heat radiation of the exhaust gas is reduced, and the temperature rise of the catalyst is promoted. Further, in this exhaust system, when the second catalyst purifying means is arranged inside the second heat exchanging portions arranged in the circumferential direction (that is, when the second catalyst purifying means has a plurality of second heat exchanging means). When the internal combustion engine is not at a low output, the second exhaust heat power generation means converts the heat energy of the exhaust gas radiated from the second catalyst purification means into the second thermoelectric conversion by the second heat exchange unit. And the second thermoelectric converter generates power. Therefore, even when the catalyst temperature has reached the activation temperature in the second exhaust gas purifying means and thermal energy is not required, the heat radiation from the second exhaust gas purifying means is recovered by the second exhaust heat power generating means, so that the recovery efficiency is improved. Is further improved.
[0015]
In the exhaust system of the present invention, the switching means includes a first valve that opens and closes the first exhaust passage, a second valve that opens and closes the second exhaust passage, and a rotating shaft to which the first valve and the second valve are attached. And the opening and closing of the first exhaust passage and the opening and closing of the second exhaust passage may be reversed by rotation of the rotating shaft.
[0016]
In this exhaust system, the first valve that opens and closes the first exhaust passage and the second valve that opens and closes the second exhaust passage rotate on the same rotating shaft, and when the first valve opens the first exhaust passage, the first valve opens. When the two valves close the second exhaust passage and the first valve closes the first exhaust passage, the second valve opens the second exhaust passage. Therefore, only one drive unit or the like for opening and closing the first valve and the second valve may be used, so that the number of parts is reduced, the control to the switching unit may be performed by one system, and the system configuration is simplified.
[0017]
In the exhaust system of the present invention, a radiator for exhaust heat generation that supplies a refrigerant to the first cooling unit and the second cooling unit is provided, and the control unit controls a flow rate of the refrigerant flowing to the first cooling unit and a flow rate of the refrigerant to the second cooling unit. It may be configured to control the flow rate of the refrigerant.
[0018]
In this exhaust system, the control means controls the flow rates of the refrigerant flowing from the radiator for waste heat power generation to the first cooling unit and the second cooling unit, respectively, and the power generation by the first waste heat power generation unit and the second waste heat power generation unit is performed. Control. The control of the flow rate of the refrigerant is performed based on, for example, the temperature of the heat exchange unit, the power generation amount of the exhaust heat power generation means, the opening degree of the throttle valve, the operation amount of the accelerator pedal, and the like. As a specific control, for example, at the time of a cold start of the internal combustion engine, the flow of the refrigerant to the first cooling unit and the second cooling unit is stopped, heat radiation due to heat conduction is prevented, and the first exhaust gas purifying means The heat energy of the gas can be used efficiently. In addition, when the temperature of the heat exchange unit becomes equal to or higher than the predetermined temperature, the supply of the refrigerant to the first cooling unit and the second cooling unit is started, and the temperature difference between one end surface and the other end surface of the thermoelectric conversion unit is increased. In addition, the thermoelectric conversion efficiency can be improved. Further, even after the internal combustion engine is stopped, the refrigerant is supplied to the first cooling unit and the second cooling unit while the heat exchanging unit is storing the heat energy, the power generation is continued, and the recovery efficiency is improved. As described above, by controlling the flow rate of the refrigerant to the first cooling unit and the second cooling unit, the increase in the catalyst temperature can be promoted, and the recovery efficiency can be improved.
[0019]
The exhaust system of the present invention includes an electric pump that circulates a refrigerant from a radiator for exhaust heat generation to a first cooling unit and a second cooling unit, and the control unit is configured to control a rotation speed of the electric pump. Is also good.
[0020]
In this exhaust system, the control means controls the number of revolutions of the electric pump that circulates the refrigerant from the radiator for exhaust heat generation to the first cooling unit and the second cooling unit, so that the first cooling unit and the second cooling unit are controlled. Adjust the flow rate of the refrigerant. Incidentally, by setting the number of rotations to 0, the supply of the refrigerant to the first cooling unit and the second cooling unit can be stopped.
[0021]
The exhaust system of the present invention includes a first refrigerant valve that adjusts a flow rate of a refrigerant that flows to a first cooling unit, and a second refrigerant valve that adjusts a flow rate of a refrigerant that flows to a second cooling unit. You may comprise so that the opening degree of a 1st refrigerant valve and the opening degree of a 2nd refrigerant valve may be controlled.
[0022]
In this exhaust system, the control means controls the opening of the first refrigerant valve for adjusting the flow rate of the refrigerant to the first cooling unit and the opening degree of the second refrigerant valve for adjusting the flow rate of the refrigerant to the second cooling unit. Thereby, the flow rate of the refrigerant to the first cooling unit and the second cooling unit is adjusted. Incidentally, by completely closing the refrigerant valve, the supply of the refrigerant to the first cooling unit and the second cooling unit can be stopped.
[0023]
The exhaust system of the present invention includes a refrigerant temperature detecting unit that detects a temperature of a refrigerant of the radiator for exhaust heat generation, and the control unit controls the radiator for exhaust heat generation based on the refrigerant temperature detected by the refrigerant temperature detecting unit. You may comprise so that the rotation speed of a fan may be controlled.
[0024]
This exhaust system adjusts the refrigerant temperature to an appropriate temperature by controlling the rotation speed of the fan of the exhaust heat power generation radiator based on the refrigerant temperature of the exhaust heat power generation radiator detected by the control means by the refrigerant temperature detection means. I do. For example, when the refrigerant temperature is equal to or higher than a predetermined temperature, the temperature of the refrigerant is reduced by rotating the fan, the temperature difference between one end surface and the other end surface of the thermoelectric conversion unit is increased, and the thermoelectric conversion efficiency is improved. .
[0025]
In the exhaust system of the present invention, the inside of the exhaust system has a divided structure, and a radiator in which a radiator for exhaust heat generation and a radiator for an internal combustion engine are separately provided; And a refrigerant switching valve for switching between the second cooling unit and the internal combustion engine, and the control means may be configured to control switching of the refrigerant switching valve.
[0026]
This exhaust system includes a radiator in which exhaust heat power generation and an internal combustion engine are integrated. In this radiator, the radiator for exhaust heat generation and the radiator for the internal combustion engine are separated and independent by the internal divided structure, and the refrigerant can be supplied separately to the first and second cooling units and the internal combustion engine. Further, the exhaust system includes a refrigerant switching valve that switches the supply destination of the refrigerant of the exhaust heat generation radiator from the two cooling units to the internal combustion engine. In the exhaust system, the control means controls the switching of the refrigerant switching valve so that the refrigerant of the exhaust heat power generation radiator can flow to the internal combustion engine. For example, in the case of a high load such as climbing a slope, the internal combustion engine requires a large cooling capacity. Therefore, the refrigerant of the radiator for exhaust heat generation is also used for cooling the internal combustion engine, and it is possible to prevent overheating of the internal combustion engine. On the other hand, when the load is not high, such as during normal operation, the internal combustion engine does not require a large cooling capacity. Therefore, the refrigerant of the radiator for exhaust heat generation is used to cool the first thermoelectric conversion unit and the second thermoelectric conversion unit. Facilitate. As described above, when the internal combustion engine has a high load, the refrigerant of the radiator for exhaust heat generation can be used. Therefore, it is not necessary to increase the size of the radiator for the internal combustion engine to cope with the high load. The size should be compatible with the size. Therefore, it is possible to sufficiently cope with the case where the radiator having a normal size without the exhaust heat power generation means is divided and the radiator for exhaust heat power generation and the radiator for the internal combustion engine are configured. Incidentally, since the frequency of high load such as climbing a slope is extremely low and the frequency other than high load is high, the radiator for exhaust heat power generation can be almost used for power generation. In the case of a high load, the thermal energy of the exhaust gas is large, so that the power generation conversion efficiency is not good, but the power generation amount itself is large.
[0027]
In the exhaust system of the present invention, when the first exhaust heat power generation means and / or the second exhaust heat power generation means are arranged in a plurality in the circumferential direction, and when the plurality of first exhaust heat power generation means are arranged in the circumferential direction, A plurality of first exhaust heat generating means are arranged around the first catalyst purifying means, and a first elastic portion is arranged outside the first cooling portion of each first exhaust heat generating means. When the first cooling section is pressed from the outside to fix the first thermoelectric conversion section and a plurality of second exhaust heat power generation means are arranged in the circumferential direction, a plurality of second exhaust heat generation means are provided around the second catalyst purification means. The exhaust heat generating means is disposed, the second elastic portion is disposed outside the second cooling portion of each second exhaust heat generating means, and the second cooling portion is pressed from the outside by the second elastic portion, and the second elastic portion is pressed. You may comprise so that a thermoelectric conversion part may be fixed.
[0028]
In this exhaust system, a plurality of first exhaust heat generating means and / or second exhaust heat generating means are arranged in the circumferential direction. When a plurality of the first exhaust heat power generation means are arranged in the circumferential direction, the first catalyst purifying means is arranged inside the first exhaust heat power generation means arranged in the circumferential direction and the outside of the first cooling unit. The first elastic portion is disposed on the first cooling portion, and the first cooling portion is pressed from the outside by the first elastic portion to fix the first thermoelectric conversion portion. When a plurality of the second exhaust heat power generation means are arranged in the circumferential direction, the second catalyst purification means is arranged inside the second exhaust heat heat generation means arranged in the circumferential direction, and the second cooling unit is provided. A second elastic portion is disposed outside the first elastic member, and the second elastic portion presses the second cooling portion from the outside to fix the second thermoelectric conversion portion. In this exhaust system, the thermoelectric conversion section is pressed between the heat exchange section and the cooling section with a small spring constant by the action of the first elastic section and the second elastic section, and the appropriate surface pressure is applied from the heat exchange section and the cooling section. Is added to the thermoelectric converter to fix the thermoelectric converter. Therefore, even if distortion occurs due to the difference in thermal expansion between the high-temperature side (heat exchange section) and the low-temperature side (cooling section) of the thermoelectric conversion section, the distortion can be absorbed by a small spring constant. it can.
[0029]
In the exhaust system according to the aspect of the invention, it is preferable that the first elastic portion and / or the second elastic portion have a pressing member, and that the pressing member be in point contact or line contact.
[0030]
In this exhaust system, since the pressing member is in point contact or line contact in the elastic portion, even if a distortion or the like is generated due to heat and the pressing position of the elastic portion to the cooling portion is displaced, the cooling portion is moved from the elastic portion to the cooling portion. (And from the cooling unit to the thermoelectric conversion unit). Therefore, the surface contact between the cooling unit and the thermoelectric conversion unit is made uniform, and the surface contact between the cooling unit and the thermoelectric conversion unit is improved.
[0031]
In the exhaust system according to the aspect of the invention, the first elastic unit and / or the second elastic unit may include a clamp member having an elastic force, and may include a first cooling unit or a second cooling unit arranged in a circumferential direction by the clamp member. You may comprise so that it may press from the outside.
[0032]
In this exhaust system, the cooling unit is pressed by the band-shaped clamp member having elasticity. Therefore, the thermoelectric conversion unit is pressed between the heat exchange unit and the cooling unit with a smaller spring constant by the elastic force of the clamp member. And an appropriate surface pressure can be applied to the thermoelectric conversion unit from the heat exchange unit and the cooling unit.
[0033]
In the exhaust system of the present invention, a plurality of the first exhaust heat generating means and / or the second exhaust heat generating means arranged in the circumferential direction may be any one of the first thermoelectric converters or the second thermoelectric converters arranged in the circumferential direction. It is preferable that the center line of the thermoelectric conversion section also has a symmetric structure.
[0034]
In this exhaust system, any one of the first thermoelectric converters or the second thermoelectric converters in which a plurality of the first exhaust heat generating means and / or the second exhaust heat generating means arranged in the circumferential direction are arranged in the circumferential direction. It has a symmetrical structure even at the center line. That is, an even number of the exhaust heat generating means having the same shape is arranged around the exhaust purification means. With such a symmetrical structure, exhaust gas flows evenly outward, heat energy is uniformly dispersed, and power generation conversion efficiency is improved.
[0035]
In the exhaust system according to the present invention, the first catalyst purification means disposed inside the plurality of first exhaust heat power generation means arranged in the circumferential direction and / or the second exhaust heat arranged in plurality in the circumferential direction. The second catalyst purifying means disposed inside the power generating means has a plurality of vertical skeleton members and a plurality of horizontal skeleton members for forming a catalyst cell, and the vertical skeleton members are arranged in a flow direction of the exhaust gas. Is arranged in a direction substantially orthogonal to the first thermoelectric conversion section or the second thermoelectric conversion section on a surface substantially orthogonal to the first thermoelectric conversion section, and the thickness of the vertical skeleton member is close to the first thermoelectric conversion section or the second thermoelectric conversion section. It is preferable that it is as thick as possible.
[0036]
In this exhaust system, the plurality of vertical skeletal members and the plurality of horizontal skeletal members intersect in the catalyst purifying means disposed inside the plurality of heat exchange units disposed in the circumferential direction, and the longitudinal skeletal members thereof The catalyst is carried on the lateral frame members to form a catalyst cell. By arranging the vertical skeletal member in a direction substantially perpendicular to the flow direction of the exhaust gas and in a direction substantially perpendicular to the thermoelectric converter, the direction of conduction of the heat energy of the exhaust gas in the exhaust gas purifying means is thermoelectric conversion. It is substantially perpendicular to the part and has good thermal energy conductivity. In addition, by increasing the thickness of the vertical skeletal member closer to the thermoelectric converter, the catalyst cell of the exhaust gas purification unit becomes thinner closer to the thermoelectric converter, and the directivity of the heat energy of the exhaust gas to the thermoelectric converter is increased. Is good. Therefore, the thermal energy of the exhaust gas transmitted from the exhaust gas purifying means to the thermoelectric converter increases, the power generation amount in the exhaust heat power generating means increases, and the recovery efficiency increases.
[0037]
In the exhaust system of the present invention, it is preferable that the distance between the lateral skeletal members is wider as being closer to the first thermoelectric converter or the second thermoelectric converter.
[0038]
In this exhaust system, the thickness of the vertical skeletal member is thicker as it is closer to the thermoelectric converter, and the interval between the horizontal skeletal members is wider as it is closer to the thermoelectric converter. In this case, the area of the catalyst cell is substantially uniform at any point of the catalyst purifying means, and the exhaust gas is evenly spread to the catalyst purifying means. Therefore, purification is performed in the catalyst cells in the entire area of the catalyst purification means, and the purification efficiency of the catalyst purification means is improved.
[0039]
In the exhaust system of the present invention, a plurality of the first exhaust heat generation means and / or the second exhaust heat power generation means are arranged in the flow direction of the exhaust gas, and a plurality of the first exhaust heat generation means are arranged in the flow direction. In this case, adjacent first cooling units are connected to bend freely, and when a plurality of second exhaust heat generating means are arranged in the flow direction, the adjacent second cooling units are connected to bend freely. Is also good.
[0040]
In this exhaust system, a plurality of the first exhaust heat generation means and / or the second exhaust heat power generation means are arranged in the flow direction of the exhaust gas. When a plurality of the first exhaust heat power generation means are arranged in the flow direction, the adjacent first cooling units are connected to bend freely, so that a positional shift between the adjacent first cooling units is allowed. When a plurality of the second exhaust heat power generation means are arranged in the flow direction, the adjacent second cooling units are flexibly connected to each other, so that a positional shift between the adjacent second cooling units is allowed. When a plurality of exhaust heat power generation means are arranged in the flow direction of the exhaust gas, the heat energy of the exhaust gas is recovered and the temperature becomes lower in the downstream heat exchange section, and a temperature gradient occurs in the heat exchange section. Therefore, the thermal expansion increases in the upstream heat exchange section, and a deformation difference occurs between adjacent heat exchange sections due to thermal expansion. However, in this exhaust system, the displacement between the adjacent cooling units (and, consequently, the displacement of the adjacent thermoelectric conversion units) can be tolerated, so that the thermoelectric conversion units can be uniformly pressed down by each exhaust heat power generation means. Therefore, no air layer is generated between the parts. As a result, the conduction of thermal energy is not hindered by the air layer, and the thermoelectric conversion efficiency does not decrease.
[0041]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of an exhaust system according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0042]
In the present embodiment, the exhaust system according to the present invention is applied to an exhaust system which is mounted on an automobile and purifies exhaust gas from an engine and converts heat energy of the exhaust gas into electric energy. The exhaust system according to the present embodiment includes a first catalyst device, a second catalyst device, and an exhaust heat power generation device downstream of the first catalyst device, and a low-output flow for flowing exhaust gas to the first catalyst device and the second catalyst device. A path, a high output flow path, and a flow path for merging where the two flow paths merge to flow exhaust gas to the exhaust heat power generation device are provided. The catalyst device according to the present embodiment includes a waste heat power generation unit, and can also perform waste heat power generation. Further, the exhaust system according to the present embodiment has one radiator having a divided structure, and includes a radiator for exhaust heat generation in addition to the radiator for the engine. In the present embodiment, there are two modes depending on the location of the first catalyst device. In the first embodiment, the first catalyst device is disposed immediately below the exhaust manifold, and in the second embodiment, the exhaust manifold is disposed. Each is installed in a branch pipe.
[0043]
The configuration of the exhaust system 1 according to the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a partially cutaway front view of the exhaust system according to the first embodiment.
[0044]
The exhaust system 1 is mounted on an automobile, and is configured in an exhaust system downstream of an exhaust manifold EM of a four-cylinder engine (not shown). The exhaust system 1 mainly includes a first catalyst device 2 including an exhaust heat power generation unit, a second catalyst device 3 including an exhaust heat power generation unit, an exhaust heat power generation device 4, a low output flow path 5, a high output power A flow path 6, a merging flow path 7, a flow path switching device 8, and a cooling system 9 are provided (see FIG. 20). In the exhaust system 1, the first catalyst device 2 is disposed immediately below the exhaust manifold EM, the second catalyst device 3 is disposed downstream thereof, and the exhaust heat power generation device 4 is further disposed downstream thereof. In the exhaust system 1, the low-output channel 5 and the high-output channel 6 are switched by the channel switching device 8, and the first catalyst device 2 and the second catalyst device are switched by one of the channels 5 and 6. The exhaust gas is caused to flow through the exhaust heat generator 3 through the merging flow path 7.
[0045]
In the present embodiment, the low-output passage 5 corresponds to a first exhaust passage described in claims, and the high-output passage 6 corresponds to a second exhaust passage described in claims. The flow path switching device 8 corresponds to the switching means described in the claims.
[0046]
The structure of the exhaust manifold EM will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a plan view of the exhaust manifold of FIG. FIG. 3 is a front view of the exhaust manifold of FIG.
[0047]
The exhaust manifold EM has a double pipe structure in order to form the low-output channel 5 and the high-output channel 6. In the exhaust manifold EM, four branch pipes 12,... Are connected between the mounting surface 10 of the cylinder head of the engine and the joining member 11, and the inner pipes 13,. .. are provided respectively. The joining member 11 has a hollow hemispherical shape, and an end portion thereof is provided with a mounting portion 11 a for connecting to the first catalyst device 2. The inner pipe 13 has one end protruding from the mounting surface 10 and extending into the cylinder head of each cylinder (see FIG. 2), and the other end is connected to one end of the merge pipe 14 (see FIG. 3). One end of the merging tube 14 is hemispherical, and the other end is connected to the catalyst tube 20a of the first catalyst device 2 (see FIG. 7).
[0048]
The flow path formed in the inner pipes 13,... And the merge pipe 14 is a low-output flow path 5 through which the exhaust gas flows when the engine has a low output. When the output is low, the temperature of the exhaust gas is low. However, in the inner pipes 13,..., The double structure of the branch pipes 12,. Also, by extending the inner tubes 13,... Into the cylinder head, the exhaust gas temperature is prevented from lowering.
[0049]
The flow path formed between the branch pipes 12,... And the inner pipes 13,... And between the junction member 11 and the junction pipe 14 is the high output flow path 6, and the engine has a high output. Occasional exhaust gas flow. When the output is high, the temperature of the exhaust gas is high, but since the branch pipes 12,... And the joining member 11 are in contact with the outside air, heat is radiated from the surface thereof, and the exhaust gas temperature decreases.
[0050]
The configuration of the first catalyst device 2 will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a front view of the first catalyst device of FIG. FIG. 5 is a side view (upstream side) of the first catalyst device of FIG. 1. FIG. 6 is a sectional view taken along line AA in the front view of FIG. FIG. 7 is a sectional view taken along line BB in the front view of FIG.
[0051]
The first catalyst device 2 is disposed immediately below the exhaust manifold EM. The first catalyst device 2 has a catalyst unit 20 in the center, and 18 exhaust heat generation units 21 are arranged around the catalyst unit 20. In the first catalyst device 2, six exhaust heat generating units 21,... Are arranged along the circumferential direction (see FIG. 6), and three exhaust heat generating units 21 are arranged along the longitudinal direction (the direction in which exhaust gas flows). The thermoelectric generation units 21A, 21B, 21C are arranged (see FIG. 7). In the first catalytic device 2, the exhaust gas flowing through the low-output flow path 5 is purified by the catalyst unit 20, and the heat energy of the exhaust gas flowing through the high-output flow path 6 is converted by each exhaust heat power generation unit 21,. The electric energy is converted into electric energy, and the electric energy is charged into a battery (not shown) via a DC / DC converter (not shown) or the like.
[0052]
In the first embodiment, the catalyst unit 20 corresponds to the first exhaust gas purifying means described in the claims, and the exhaust heat power generation unit 21 corresponds to the first exhaust heat power generating means described in the claims. Equivalent to.
[0053]
The first catalyst device 2 is provided with an exhaust introduction pipe 22 connected to the merging member 14 of the exhaust manifold EM at the most upstream portion, and an attachment member 23 for connecting to the flow path switching device 8 at the most downstream portion. Is established. The mounting member 23 is plate-shaped, and has two holes forming the low-output channel 5 and the high-output channel 6. A low-output exhaust / exhaust pipe 24 connected to the hole of the low-output flow path 5 is attached to the mounting member 23, and a high-output exhaust / exhaust pipe 25 connected to the hole of the high-output flow path 6 is provided.
[0054]
The catalyst unit 20 includes a catalyst tube 20a provided at the center of the first catalyst device 2. The catalyst pipe 20a is connected between the merge pipe 14 of the exhaust manifold EM and the low-output exhaust discharge pipe 24 to form the low-output flow path 5 (see FIG. 7). Inside the catalyst tube 20a, a number of vertical frame members 20b,... And a number of horizontal frame members 20c,. A three-way catalyst in the form of a pellet is supported on the directional frame members 20c,... (See FIG. 6). The vertical skeleton members 20b,... And the horizontal skeleton members 20c,. Therefore, in the catalyst unit 20, a large number of square catalyst cells having the same area in cross section are formed. Therefore, when the exhaust gas flows into the catalyst tube 20a, the exhaust gas can be uniformly purified over the entire region of the catalyst tube 20a, and the catalyst efficiency is high. The catalyst unit 20 has a thin catalyst tube 20a, reduces the amount of the three-way catalyst, and reduces the heat capacity of the catalyst. The reason why the size of the catalyst unit 20 can be reduced in this way is that the first catalyst device 2 performs purification only when the flow rate of the exhaust gas is low when the engine is at low output.
[0055]
The exhaust heat power generation units 21,... Are arranged at equal intervals around the catalyst tube 20a every 60 ° (see FIG. 6), and are arranged adjacent to each other along the longitudinal direction of the catalyst tube 20a. (See FIG. 7). The waste heat power generation unit 21 is configured in units of the thermoelectric conversion module 21b, and each unit configuring the unit based on the size of the thermoelectric conversion module 21b is configured. In the waste heat power generation unit 21, an appropriate pressure (for example, 14 kg / cm) is applied to the thermoelectric conversion module 21b from the low temperature side and the high temperature side. ² ) Is added and the whole unit is flexibly pressed by a spring system to increase the thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric conversion module 21b. To this end, the exhaust heat power generation unit 21 includes a heat exchange unit 21a, a thermoelectric conversion module 21b, a cooling unit 21c, and a spring clamp unit 21d (see FIG. 6), and constitutes a system in which heat energy moves and a spring clamp system. are doing.
[0056]
In the first embodiment, the heat exchange unit 21a corresponds to a first heat exchange unit described in claims, and the thermoelectric conversion module 21b corresponds to a first thermoelectric conversion unit described in claims. The cooling portion 21c corresponds to a first cooling portion described in the claims, and the spring clamp portion 21d corresponds to a first elastic portion described in the claims.
[0057]
The heat exchange section 21a applies an appropriate pressure to the high-temperature end face of the thermoelectric conversion module 21b and fixes the same, and conducts the heat energy of the exhaust gas through the high-temperature end face. The heat exchange unit 21a is formed integrally with heat exchange units of three exhaust heat power generation units 21A, 21B, and 21C disposed along the longitudinal direction of the catalyst tube 20a, and has the same length as the catalyst tube 20a. (See FIG. 7). Six heat exchange parts 21a,... Are connected between the exhaust introduction pipe 22 and the high-output exhaust discharge pipe 25 by welding or the like (see FIG. 6). The six heat exchange sections 21a,... Are arranged at intervals of 60 ° in the catalyst tube 20a to form the high-output channel 6.
[0058]
As shown in FIG. 6, the heat exchanging portion 21a has a substantially equilateral trapezoidal shape in cross section, and has a space through which exhaust gas flows. In this isosceles trapezoid shape, it is composed of two side portions connecting a long side portion and a short side portion. The long side portion of the heat exchange section 21a has a thick plate shape for mounting the thermoelectric conversion module 21b. The mounting surface of this long side portion is a horizontal surface so as to be in close contact with the high-temperature end surface of the thermoelectric conversion module 21b. The short side portion of the heat exchange portion 21a has an arc shape and is bonded to the catalyst tube 20a by welding or the like. The side portions of each heat exchanging portion 21a are bonded by welding to the respective side portions of the heat exchanging portions 21a on both sides arranged at a position forming 60 °. The six heat exchange sections 21a,... Are connected along the circumferential direction, and form a substantially regular hexagon when viewed from the side (see FIG. 6). Heat exchange fins 21e are provided inside the heat exchange section 21a, and the heat exchange fins 21e conduct heat energy of exhaust gas. The heat exchange fins 21e are provided vertically on the long sides of the heat exchange portion 21a, and have a height such that the height of each fin does not contact the side and short sides.
[0059]
In the thermoelectric conversion module 21b, heat energy is converted into electric energy by the Seebeck effect according to the temperature difference between both end surfaces, and the electric energy is output from two electrodes (not shown). Therefore, the thermoelectric conversion module 21b includes a plurality of thermoelectric elements (for example, Bi ₂ Te ₃ And the like (not shown), and these thermoelectric elements are electrically arranged in series and thermally in parallel. The thermoelectric conversion module 21b has a small area and a substantially square shape, and has parallel and horizontal high-temperature end faces and low-temperature end faces. An insulating sheet (not shown) is interposed between the high-temperature end face and the heat exchange section 21a and between the low-temperature end face and the cooling section 21c.
[0060]
The cooling unit 21c applies an appropriate pressure to the low-temperature end face of the thermoelectric conversion module 21b to fix the low-temperature end face, and cools the low-temperature end face by a water cooling method. Are connected to the cooling units of the three exhaust heat power generation units 21A, 21B, 21C arranged along the longitudinal direction of the catalyst tube 20a, and the adjacent cooling units 21c, 21c are connected to each other. The spaces are connected by bellows pipes 28, 28 (see FIGS. 4 and 7). By the action of the bellows pipe 28, the adjacent cooling portions 21c can be bent freely. The cooling water pipes 26 are attached to the six upstream cooling portions 21c, respectively, and the cooling water pipes 27 are attached to the six downstream cooling waters 21c, respectively. Is done. Further, two sets of cooling water pipes 26, 26 adjacent in the circumferential direction are connected by cooling water hoses 29,..., And three sets of cooling water pipes 27, 27 adjacent in the circumferential direction are connected by cooling water hoses. 29,... Further, cooling water is introduced from one of the six cooling water pipes 26 to one of the cooling water pipes 26 from the exhaust heat generation radiator 70A, and the adjacent cooling water pipe 26 is supplied to the exhaust heat generation radiator 70A. The cooling water is discharged (see FIG. 20). Therefore, the same cooling water circulates through all 18 cooling units 21c,.
[0061]
The cooling unit 21c includes a cooling lid 21f and a cooling main body 21g. The cooling lid 21f is mounted on the cooling main body 21g and fixed with bolts or the like (see FIG. 6). The cooling lid 21f is a lid of the cooling main body 21g, and has the same dimension in the width direction as the cooling main body 21g. On the outer surface of the cooling lid 21f, a leaf spring 21i of a spring clamp portion 21d is placed, and a support portion that supports the leaf spring 21i and the pressing member 21j placed thereon from both sides is provided. The cooling main body 21g has a thick box shape having a dimension slightly longer than the thermoelectric conversion module 21b in both the width direction and the longitudinal direction, and the cooling water flows through a concave portion of the box. Cooling fins 21h are provided in the recess of the cooling main body 21g to cool the cooling water. All the fins of the cooling fins 21h have the same height, and have such a height that they contact the bottom surface of the cooling lid 21f when the cooling lid 21f is attached to the cooling main body 21g. The bottom surface of the cooling main body 21g is a horizontal surface so as to be in close contact with the low-temperature end surface of the thermoelectric conversion module 21b.
[0062]
The spring clamp unit 21d applies a predetermined pressure from outside the cooling unit 21c, and fixes the thermoelectric conversion module 21b between the cooling unit 21c and the heat exchange unit 21a (see FIG. 6). At this time, in the spring clamp portion 21d, the entire exhaust heat power generation unit 21 is supplely pressed by a predetermined elastic force. The spring clamps 21d are connected to the spring clamps 21d of six exhaust heat generation units 21,... Arranged along the circumferential direction, and the six spring clamps 21d,. Is tightened. For this purpose, the spring clamp 21d includes a leaf spring 21i, a pressing member 21j, and a clamp 21k. The clamp 21k is formed by integrally integrating three spring clamp portions 21d,. The predetermined pressure is such that the surface pressures of the thermoelectric conversion module 21b, the cooling unit 21c, and the heat exchange unit 21a become appropriate pressures.
[0063]
The leaf spring 21i is mounted on the outer surface of the cooling lid 21f. The leaf spring 21i has a small spring constant and generates an elastic force. The pressing member 21j is mounted on the leaf spring 21i. The pressing member 21j has a substantially hemispherical shape to make point contact with the clamp 21k. The clamp 21k has a substantially semicircular plate shape in cross section. The clamp 21k has elastic force generating portions 21m between the adjacent exhaust heat power generation units 21 and 21, respectively, and forms a spring structure by the two elastic force generating portions 21m and 21m. The elastic force generating portion 21m has a substantially circular shape with a part cut off when viewed in cross section, and has an elastic force. Both ends of the clamp 21k have opposing surfaces opposing both ends of the clamp 21k on the other side to be fastened, and a bolt hole (not shown) through which the bolt 21n penetrates is formed in the opposing surface.
[0064]
In the spring clamp portion 21d, the leaf spring 21i is placed on the cooling lid 21f of the cooling portion 21c, the pressing member 21j is placed on the leaf spring 21i, and the clamp 21k is placed on the pressing member 21j. . Further, two clamps 21k, 21k are fastened at both ends by bolts 21n, 21n and nuts 21o, 21o. A ring-shaped cushioning member 21p is interposed between the opposed surfaces of the clamps 21k, 21k to be fastened. The two clamps 21k, 21k have a substantially circular shape in cross section, and cover the outermost of the six exhaust heat generation unit devices 21,. The six exhaust heat generating units 21,... Are entirely tightened like a belt by six spring clamps 21d,. In the spring clamp portion 21d, a predetermined pressure is applied to the cooling portion 21c (therefore, the thermoelectric conversion module 21b and the heat exchange portion 21a) by pressing with the clamp 21k via the leaf spring 21i and the pressing member 21j. This predetermined pressure can be adjusted by the tightening force of the bolt 21n and the nut 21o. Incidentally, even if the positions of the leaf springs 21i and the clamps 21k are shifted and the pressing is biased, since the leaf springs 21i and the clamps 21k are in point contact, it is possible to apply uniform pressure to the cooling unit 21c. it can. Therefore, a uniform surface pressure is generated in the cooling unit 21c.
[0065]
Thus, in the first catalyst device 2, since the catalyst unit 20 is downsized, its heat capacity is small. Therefore, in the first catalyst device 2, even when the temperature of the exhaust gas at the time of cold start of the engine is low (the heat energy of the exhaust gas is small), the catalyst temperature rises quickly and reaches the activation temperature early. Also, in the first catalyst device 2, since the exhaust heat power generation units 21,... Are arranged around the catalyst unit 20, the gas layers of the heat exchange units 21a,. The element itself becomes a heat insulating layer. Therefore, in the first catalyst device 2, the heat dissipation loss of the heat energy of the exhaust gas is greatly reduced due to the double heat insulation effect, and the temperature rise of the catalyst is further promoted.
[0066]
Also, in the first catalyst device 2, since six exhaust heat power generation units 21,... Having the same configuration are arranged around the catalyst unit 20 every 60 °, the cross-section becomes a regular hexagon. I have. Therefore, the first catalyst device 2 has a symmetrical structure at any center line of the six thermoelectric conversion modules 21b arranged in the circumferential direction, so that the exhaust gas flows uniformly outward and the thermal energy Are uniformly dispersed, and the power generation conversion efficiency is excellent.
[0067]
Further, in the first catalyst device 2, since a predetermined elastic force is generated by the spring clamp portion 21d and the contact is made at one point, the thermoelectric conversion module 21b is fixed in a flexible manner by a uniform and appropriate pressing force. be able to. Therefore, in the first catalyst device 2, various trouble phenomena due to thermal expansion can be prevented. Examples of the failure phenomena include breakage of the thermoelectric conversion module 21b such as a crack due to an excessive load, loosening of each fixing bolt, deformation of the exhaust gas flow path due to the excessive load, and heat generated by an air layer formed between the contact surfaces. There is an increase in resistance.
[0068]
Further, in the first catalytic device 2, the exhaust heat power generation units 21A, 21B, 21C are arranged in the longitudinal direction, and the cooling units 21c, 21c, 21c are flexibly connected by the bellows pipes 28, 28. The position of 21c moves freely. Therefore, even if there is a difference in thermal expansion due to the temperature gradient along the longitudinal direction, the first catalyst device 2 can absorb the difference in thermal expansion. As a result, the thermoelectric conversion modules 21b, 21b, 21b arranged in the longitudinal direction can be pressed uniformly, and no air layer is generated on the high-temperature end face or the low-temperature end face of the thermoelectric conversion module 21b. That is, in the first catalyst device 1, since the thermal energy of the exhaust gas is recovered from the upstream side, the temperature becomes lower toward the downstream side, a temperature gradient is generated, and furthermore, according to the temperature difference, A deformation difference occurs due to thermal expansion. As shown in FIG. 7, in the exhaust heat power generation units 21A, 21B, and 21C arranged in the longitudinal direction, the length between the high-temperature end faces of the thermoelectric conversion modules 21b and 21b opposed to each other with the catalyst unit 20 interposed therebetween is determined from the upstream side. When a, b, and c are used, b becomes c or more and a becomes b or more due to a difference in thermal expansion deformation. When the engine has a low output, almost all of the heat energy is recovered on the upstream side, so that the temperature is low and uniform on the downstream side, and the temperature gradient is eliminated. Incidentally, when the cooling units 21c, 21c, 21c arranged in the longitudinal direction have an integral structure, the thermoelectric conversion modules 21b, 21b, 21b, 21b, 21 21b cannot be pressed uniformly. Therefore, an air layer is formed on the high-temperature end face and the low-temperature end face of the thermoelectric conversion module 21b, and thermal resistance is generated, thereby lowering the efficiency of heat energy transmission.
[0069]
Thus, in the first catalyst device 1, the diameter of the circle formed by the six contact points where the six pressing members 21j,... Arranged in the circumferential direction contact the clamps 21k, 21k is large due to thermal expansion. , And the elastic force of the spring structures of the clamps 21k, 21k and the leaf springs 21i,... And the point contact of the pressing members 21j,. The thermoelectric conversion modules 21b,... Can be fixed with an optimal pressing force and an equal force.
[0070]
The configuration of the second catalyst device 3 will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a front view of the second catalyst device of FIG. FIG. 9 is a side view (upstream side) of the second catalyst device in FIG. 1. FIG. 10 is a sectional view taken along line CC in the front view of FIG. FIG. 11 is a sectional view taken along line DD in the front view of FIG. FIG. 12 is an enlarged view of the catalyst unit in the cross-sectional view of FIG. Since the second catalyst device 3 has substantially the same configuration as the first catalyst device 2, only different points in the configuration will be described in detail.
[0071]
The second catalyst device 3 is provided downstream of the flow path switching device 8. The second catalyst device 3 has a catalyst unit 30 in the center, and 32 exhaust heat generation units 31,... Are arranged around the catalyst unit 30. In the second catalyst device 3, eight exhaust heat generating units 31,... Are arranged along the circumferential direction (see FIG. 10), and four exhaust heat generating units 31A, 31B, along the longitudinal direction. 31C and 31D are arranged (see FIG. 11). In the second catalyst device 3, the exhaust gas flowing through the high-output flow path 6 is purified by the catalyst unit 30, and the heat energy of the exhaust gas flowing through the low-output flow path 5 or the high-output flow path 6 is converted into each exhaust heat power generation. The units 31 convert the electric energy into electric energy, and charge the electric energy to the battery via a DC / DC converter or the like.
[0072]
In the present embodiment, the catalyst unit 30 corresponds to a second exhaust gas purification unit described in the claims, and the exhaust heat power generation unit 31 corresponds to a second exhaust heat power generation device described in the claims. .
[0073]
In the second catalyst device 3, an attachment member 33 for connecting to the flow path switching device 8 is provided at the most upstream portion, and an attachment member 34 for connecting to the exhaust heat power generation device 4 is provided at the most downstream portion. (See FIG. 11). The attachment member 33 is plate-shaped, and has two holes that form the low-output channel 5 and the high-output channel 6. A low-power exhaust introduction pipe 35 connected to the hole of the low-output flow path 5 is attached to the mounting member 33, and a high-output exhaust introduction pipe 36 connected to the hole of the high-output flow path 6 is attached. The attachment member 34 is plate-shaped, and has one opening that forms the merging flow path 7. The attachment member 34 is attached with a merging exhaust / exhaust pipe 37 connected to the hole.
[0074]
The catalyst unit 30 includes a catalyst tube 30a disposed at the center of the second catalyst device 3. The catalyst pipe 30a is connected to the high-output exhaust discharge pipe 36 to form the high-output flow path 6 (see FIG. 11). The catalyst tube 30a is provided with a dividing member 30b for every 45 ° so as to have an eight-part structure corresponding to the eight exhaust heat generation units 31,... Arranged in the circumferential direction (FIG. 12). reference). In each section of the catalyst tube 30a divided by the division members 30b,..., A large number of vertical skeleton members 30c,. , A vertical skeleton member 30c,... And a horizontal skeleton member 30d,. The vertical frame members 30c,... Are arranged in a direction orthogonal to the thermoelectric conversion module 31b when viewed in cross section, and the thickness thereof gradually increases from the center to the outside of the catalyst tube 30a. The horizontal skeleton members 30d,... Are arranged at equal intervals so as to be orthogonal to the vertical skeleton members 30c,. Accordingly, in each section of the catalyst unit 30, a large number of equal-leg trapezoidal catalyst cells which become narrower from the center to the outer side in cross section are formed. Therefore, when the exhaust gas flows into the catalyst tube 30a, the heat energy of the exhaust gas easily moves toward the heat exchange unit 31a. In the catalyst unit 30, the diameter of the catalyst tube 30a is configured to be large, and the amount of the three-way catalyst is large. The reason why the size of the catalyst unit 30 is increased in this way is that the second catalyst device 3 performs purification when the amount of exhaust gas is large when the engine is at a medium to high output.
[0075]
In the present embodiment, the vertical skeleton member 30c corresponds to the vertical skeleton member described in the claims, and the horizontal skeleton member 30d corresponds to the horizontal skeleton member described in the claims.
[0076]
Note that the lateral skeletal members 30c,... May not be arranged at equal intervals, but may be arranged so that the intervals increase from the center to the outside. When the catalyst cells are arranged so that the area of the catalyst cells gradually increases from the center to the outside, the exhaust gas can flow outside the center, and the heat energy of the exhaust gas can be recovered by the exhaust heat power generation units 31,. Can promote. Further, when the catalyst cells are arranged so that the area of the catalyst cells is uniform from the center to the outside, the exhaust gas can be evenly purified in the entire region of the catalyst tube 30a, and the catalyst efficiency increases.
[0077]
The exhaust heat generation units 31,... Are arranged at equal intervals around the catalyst tube 30a at 45 ° intervals (see FIG. 10), and are arranged adjacent to each other along the longitudinal direction of the catalyst tube 30a. (See FIG. 11). The exhaust heat power generation unit 31 has the same configuration as the exhaust heat power generation unit 21 of the first catalyst device 2, but the size and shape of each member are different. The exhaust heat power generation unit 31 includes a heat exchange unit 31a, a thermoelectric conversion module 31b, a cooling unit 31c, and a spring clamp unit 31d (see FIG. 10).
[0078]
In the present embodiment, the heat exchange unit 31a corresponds to a second heat exchange unit described in the claims, and the thermoelectric conversion module 31b corresponds to a second thermoelectric conversion unit described in the claims. The cooling portion 31c corresponds to a second cooling portion described in the claims, and the spring clamp portion 31d corresponds to a second elastic portion described in the claims.
[0079]
The heat exchange section 31a has the same configuration and operation as the heat exchange section 21a of the first catalyst device 2. However, the heat exchanging part 31a is not integrally formed in the circumferential direction, instead of being divided along the circumferential direction like the heat exchanging part 21a. Therefore, the heat exchange part 31a is a cylindrical shape that covers the entire circumference of the catalyst tube 30a, and has the same length as the catalyst tube 30a (see FIGS. 10 and 11). A low-output exhaust introduction pipe 35 is connected to the heat exchange section 31 a by a connection member 39, and a confluence exhaust discharge pipe 37 is connected by a connection member 38. And the heat exchange part 31a forms the low output flow path 5.
[0080]
As shown in FIG. 10, the heat exchange section 31a has a regular octagonal outer surface when viewed in cross section, and a circular shape whose inner surface fits into the catalyst tube 30a. The outer surface of the heat exchange section 31a is a horizontal plane so as to be in close contact with the high-temperature end face of the thermoelectric conversion module 31b. The heat exchange part 31a has a space in which exhaust gas flows corresponding to the eight thermoelectric conversion modules 31b,... Arranged in the circumferential direction. Heat exchange fins 31e are provided in the spaces, and the heat exchange fins 31e conduct heat energy of the exhaust gas. The heat exchange fins 31e are suspended from the outer surface of the heat exchange portion 31a, and have a height such that the height of each fin does not contact the inner surface.
[0081]
The thermoelectric conversion module 31b has the same configuration and operation as the thermoelectric conversion module 21b of the first catalyst device 2. Insulating sheets 31q are interposed between the high-temperature end face of the thermoelectric conversion module 31b and the heat exchange section 31a and between the low-temperature end face and the cooling section 31c, respectively (see FIG. 12).
[0082]
The cooling unit 31c includes a cooling lid 31f, a cooling body 31g, and cooling fins 31h provided in recesses of the cooling body 31g, and has the same configuration and operation as the cooling unit 21c of the first catalyst device 2 (see FIG. 10). The cooling units 31c,... Are connected to the cooling units of four exhaust heat power generation units 31A, 31B, 31C, 31C disposed along the longitudinal direction of the catalyst tube 30a, and are provided between adjacent cooling units 31c, 31c. Are connected by bellows pipes 42, 42 (see FIGS. 8 and 11). The cooling water pipes 40,... Are attached to the eight most upstream cooling parts 31c, respectively, and the cooling water pipes 41,. Each is attached. Furthermore, three sets of cooling water pipes 40 adjacent in the circumferential direction are connected by cooling water hoses 43,..., And four sets of cooling water pipes 41 adjacent in the circumferential direction are connected by the cooling water hoses. 43,... Also, cooling water is introduced from one of the eight cooling water pipes 40 to the cooling water pipe 40 from the radiator 70A for waste heat generation, and the cooling water pipe 40 adjacent to the radiator 70A for waste heat generation. The cooling water is discharged (see FIG. 20). Therefore, the same cooling water circulates through all 32 cooling units 31c,.
[0083]
The spring clamp 31d includes a leaf spring 31i, a pressing member 31j, and a clamp 31k, and has the same configuration and operation as the spring clamp 21d of the first catalyst device 2 (see FIG. 10). The spring clamps 31d are connected to the spring clamps 31d of eight exhaust heat generating units 31,... Arranged along the circumferential direction, and the eight spring clamps 31d,. ing. The clamp 31k is formed by integrating the clamps of four spring clamp portions 31d,... Which are adjacent in the circumferential direction, and has three elastic force generating portions 31m,. The two clamps 31k, 31k arranged along the circumferential direction are fastened at both ends by bolts 31n, 31n and nuts 31o, 31o, and a cushioning member 31p is provided between opposing surfaces of the fastened clamps 31k, 31k. Interposed.
[0084]
As described above, the second catalyst device 3 has substantially the same configuration as the first catalyst device 2, and thus has the same effect as the first catalyst device 2. Further, in the second catalyst device 3, since the size of the catalyst unit 30 is increased, purification can be performed even when the flow rate of exhaust gas is large when the engine is at a medium to high output.
[0085]
Further, in the second catalyst device 3, the purification is performed when the engine has a large amount of heat energy of the exhaust gas when the engine is at a middle to high output. Therefore, the catalyst unit 30 cannot recover a large amount of heat energy. Therefore, in the second catalyst device, the exhaust heat power generation units 31,... Arranged along the outer periphery of the catalyst unit 30 can recover as electric energy, and the efficiency of recovering the heat energy of the exhaust gas increases. . Furthermore, in the second catalyst device 3, since the internal structure of the catalyst unit 30 has a structure in which the heat energy of the exhaust gas is easily transferred to the heat exchange units 31,..., The temperature of the high-temperature end face of the thermoelectric conversion module 31b is reduced. This further enhances the efficiency of recovering the thermal energy of the exhaust gas.
[0086]
The configuration of the exhaust heat power generation device 4 will be described with reference to FIGS. FIG. 13 is a front view of the exhaust heat power generation device of FIG. FIG. 14 is a side view (upstream side) of the exhaust heat power generation device of FIG. 1. FIG. 15 is a sectional view taken along line EE in the front view of FIG. FIG. 16 is a sectional view taken along line FF in the side view of FIG. Although the exhaust heat power generation device 4 does not have a catalyst unit such as the first catalyst device 2, it has substantially the same configuration as the exhaust heat power generation unit such as the first catalyst device 2. This will be described in detail.
[0087]
The exhaust heat power generation device 4 is disposed downstream of the second catalyst device 3. The exhaust heat power generation device 4 has four exhaust heat power generation units 51,... Arranged around the center of the device (see FIG. 15), and four exhaust heat power generation units 51A, 51B, along the longitudinal direction. 51C and 51D are arranged (see FIG. 16). In the waste heat power generation device 4, the heat energy of the exhaust gas flowing through the merging flow path 7 is converted into electric energy by each waste heat power generation unit 51,..., And the electric energy is converted into a battery through a DC / DC converter or the like. To charge.
[0088]
The exhaust heat power generation device 4 is provided with a mounting member 53 for connecting to the second catalyst device 3 at the most upstream portion, and a mounting member 54 for connecting to an exhaust pipe (not shown) at the most downstream portion. (See FIG. 16). The attachment member 53 is plate-shaped, and has one opening that forms the merging channel 7. An exhaust introduction pipe 55 connected to the hole of the merging flow path 7 is attached to the attachment member 53. The attachment member 54 is plate-shaped, and has one opening that forms the merging flow path 7. The attachment member 54 is provided with an exhaust discharge pipe 56 connected to the hole of the merging flow path 7. Between the exhaust introduction pipe 55 and the exhaust discharge pipe 56, four divided exhaust pipes 57, 57, 57, 57 are arranged at 90 ° intervals at the center of the exhaust heat power generator 4 and connected by welding or the like. (See FIG. 15).
[0089]
The main part of the divided exhaust pipe 57 has a thin plate shape, and has an isosceles triangular shape in cross section (see FIG. 15). In this isosceles triangular shape, the angle formed by the base and the two sides is 45 °. Further, four openings 57a,... Are formed in the bottom side of the divided exhaust pipe 57 along the longitudinal direction (see FIG. 16). Are substantially square, and the heat exchange fins 51e of the heat exchange part 51a are inserted. The side portions of each of the divided exhaust pipes 57 are bonded by welding to the respective side portions of the divided exhaust pipes 57 on both sides arranged at a position forming 90 °. The four divided exhaust pipes 57 are connected along the circumferential direction and have a substantially square shape when viewed from the side. Also, four heat exchange fins 51e,... Are attached to each divided exhaust pipe 57, and the four openings 57a,.
[0090]
Are disposed at equal intervals at 45 ° along the circumferential direction (see FIG. 15), and are disposed adjacent to each other along the longitudinal direction (see FIG. 16). ). The exhaust heat power generation unit 51 has substantially the same configuration as the exhaust heat power generation unit 21 of the first catalyst device 2, and the size and shape of each member are different. The exhaust heat power generation unit 51 includes a heat exchange unit 51a, a thermoelectric conversion module 51b, a cooling unit 51c, and a spring clamp unit 51d.
[0091]
The heat exchange part 51a is composed of a divided exhaust pipe 57 and heat exchange fins 51e. The base of the heat exchange fins 51e is a thick plate for mounting the thermoelectric conversion module 51b. The mounting surface of the base is in a horizontal plane so as to be in close contact with the high-temperature end surface of the thermoelectric conversion module 51b. The outer edge of the base is a flange that locks to the bottom of the divided exhaust pipe 57 when the heat exchange fins 51e are attached to the divided exhaust pipe 57. Fins are vertically provided on the fin surface of the base. The height of each fin of the heat exchange fins 51e is such that it does not come into contact with the side when the fin is attached to the divided exhaust pipe 57. The four heat exchange fins 51e,... Are fitted into the openings 57a,... Of the divided exhaust pipes 57, respectively, and fastened by bolts to form the merging flow path 7 (see FIG. 16).
[0092]
The thermoelectric conversion module 51b has the same configuration and operation as the thermoelectric conversion module 21b of the first catalyst device 2.
[0093]
The cooling unit 51c includes a cooling lid 51f, a cooling main body 51g, and cooling fins 51h provided in recesses of the cooling main body 51g, and has the same configuration and operation as the cooling unit 21c of the first catalyst device 2 (see FIG. 15). Are connected to the cooling units of four exhaust heat power generation units 51A, 51B, 51C, 51C arranged along the longitudinal direction, and a joint pipe 58 is provided between adjacent cooling units 51c, 51c. (See FIG. 16). The joint pipe 58 is attached to a cooling water pipe 51q provided at an end of the cooling unit 51c, and an O-ring is interposed between the joint pipe 58 and the cooling water pipe 51q. Since the joint pipe 58 has flexibility, the space between the adjacent cooling parts 51c and 51 is bendable. Each of the cooling water pipes 51q,... Of the four most upstream cooling parts 51c,. Cooling water pipes 60,... Are attached to the cooling water pipes 51q,. Further, a pair of cooling water pipes 59, 59 adjacent in the circumferential direction are connected by a cooling water hose 61, and a pair of cooling water pipes 60, 60 adjacent in the circumferential direction are connected to a cooling water hose 61,.・ Connected by Also, cooling water is introduced from one of the four cooling water pipes 59 to the cooling water pipe 59 from the radiator 70A for waste heat generation, and the cooling water pipe 59 adjacent to the radiator 70A for waste heat generation. The cooling water is discharged (see FIG. 20). Therefore, the same cooling water circulates through all 16 cooling units 51c,.
[0094]
The spring clamp 51d includes a leaf spring 51i, a pressing member 51j, and a clamp 51k, and has the same configuration and operation as the spring clamp 21d of the first catalyst device 2 (see FIG. 15). The spring clamps 51d are connected to the spring clamps 51d of the four exhaust heat generation units 51,... Arranged along the circumferential direction, and the four spring clamps 51d,. ing. The clamp 51k is formed by integrating the clamps of two spring clamps 51d,... Adjoining in the circumferential direction, and has one elastic force generating part 51m. The two clamps 51k, 51k arranged along the circumferential direction are fastened at both ends by bolts 51n, 51n and nuts 51o, 51o, and a cushioning member 51p is provided between opposing surfaces of the clamps 51k, 51k to be fastened. Interposed.
[0095]
As described above, the exhaust heat power generation device 4 has substantially the same configuration as the exhaust heat power generation units 21,... Of the first catalyst device 2. It also has the same effect as. The exhaust heat power generation device 4 converts the heat energy of the exhaust gas that could not be recovered by the first catalyst device 2 and the second catalyst device 3 into electric energy, and improves the recovery efficiency of the heat energy as the exhaust system 1.
[0096]
The low-output channel 5 will be described with reference to FIGS. 1 to 3, 7, and 11. The flow path 5 for low output is a flow path for flowing exhaust gas to the catalyst tube 20a of the first catalyst device 2 and the heat exchange portions 31a,. Gas flows. The low-output flow path 5 is mainly formed by the inner pipes 13,..., The merge pipe 14, the catalyst pipe 20a, the low-output exhaust discharge pipe 24, the low-output exhaust introduction pipe 35, and the heat exchange section 31a. You.
[0097]
The high-output channel 6 will be described with reference to FIGS. 1 to 3, 7, and 11. The high-output flow path 6 is a flow path for flowing exhaust gas to the heat exchange portions 21a,... Of the first catalyst device 2 and the catalyst tube 30a of the second catalyst device 3, and the engine has a medium to high output. Sometimes exhaust gas flows. The high-output flow path 6 mainly includes a space between the branch pipes 12,... And the inner pipes 13,..., A space between the exhaust introduction pipe 22 and the junction pipe 14, and a heat exchange section 21a. ,... Are formed by the high-output exhaust discharge pipe 25, the high-output exhaust introduction pipe 36, and the catalyst pipe 30a. Since the flow rate of the exhaust gas increases when the engine is at a medium to high output, the cross-sectional area of the high-output flow path 6 is larger than the cross-sectional area of the low-output flow path 5.
[0098]
The merging channel 7 will be described with reference to FIGS. The merging flow path 7 is a flow path for flowing exhaust gas downstream of the second catalyst device 3, and the exhaust gas always flows. The merging flow path 7 mainly includes a merging exhaust pipe 37, an exhaust introduction pipe 55, a divided exhaust pipe 57,..., An exhaust discharge pipe 56, and an exhaust pipe downstream therefrom.
[0099]
The channel switching device 8 will be described with reference to FIGS. 1 and 17 to 19. FIG. 17 is a front view of the flow path switching device of FIG. FIG. 18 is a side view of the flow path switching device of FIG. FIG. 19 is a sectional view taken along line GG in the front view of FIG.
[0100]
The channel switching device 8 is a device for switching between the low-output channel 5 and the high-output channel 6, and is provided between the first catalyst device 2 and the second catalyst device 3. The flow path switching device 8 mainly includes an apparatus main body 8a, a shaft 8b, a low output valve 8c, and a high output valve 8d.
[0101]
In this embodiment, the shaft 8b corresponds to the rotating shaft described in the claims, the low output valve 8c corresponds to the first valve described in the claims, and the high output valve 8d corresponds to the patent. It corresponds to the second valve described in the claims.
[0102]
The device main body 8a is a thick plate, and has a circular low-output valve hole 8e serving as a communication path for the low-output flow path 5 and a circular high-output valve serving as a communication path for the high-output flow path 6. The hole 8f is opened. Corresponding to the cross-sectional areas of the low-output channel 5 and the high-output channel 6, the cross-sectional area of the high-output valve hole 8f is larger than the cross-sectional area of the low-output valve 8e. The mounting member 23 of the first catalyst device 2 is mounted on one surface of the device main body 8a, the low-output valve hole 8e is connected to the low-output exhaust discharge pipe 24, and the high-output valve hole 8f is connected to the high-output exhaust discharge. Connect to tube 25 (see FIG. 7). The attachment member 33 of the second catalyst device 3 is attached to the other surface of the device main body 8a, the low output valve hole 8e is connected to the low output exhaust introduction pipe 35, and the high output valve hole 8f is connected to the high output exhaust. Connect to the introduction pipe 36 (see FIG. 11). The apparatus body 8a is provided between the one end and the low-output valve hole 8e, between the low-output valve hole 8e and the high-output valve hole 8f, and between the high-output valve hole and the shaft 8b. Shaft holes 8g, 8h, 8i are respectively opened to penetrate between the valve hole 8f and the other end.
[0103]
The shaft 8b passes through the shaft hole 8g, the low-output valve hole 8e, the shaft hole 8h, the high-output valve hole 8f, and the shaft hole 8i of the apparatus main body 8a, and protrudes from both ends of the apparatus main body 8b. The shaft 8b is rotatably supported by bearing bushes 8j and 8k in the shaft holes 8g and 8i. On one surface of the shaft 8b, a first concave portion is formed at a position of the low-output valve hole 8e. A second concave portion is formed at the position of the high-output valve hole 8f on the other surface forming 90 ° with the one surface on which the first concave portion is formed of the shaft 8b. An actuator 8m is attached to one end of the shaft 8b by a connecting member 81, and when the actuator 8m is driven, the shaft 8b rotates.
[0104]
The low-output valve 8c has a disk shape and has a size to close the low-output valve hole 8e. The low-output valve 8c is arranged at a position to be fitted in the low-output valve hole 8e, and is attached to the first recess of the shaft 8b by screws 8n, 8n. The low output valve 8c has its rotation center axis on the rotation center axis of the shaft 8b, and is rotatable within a range of 90 °.
[0105]
The high output valve 8d has a disk shape and has a size to close the high output valve hole 8f. The high-output valve 8d is arranged at a position to be fitted in the high-output valve hole 8f, and is attached to the second recess of the shaft 8b by screws 8o, 8o. The high output valve 8d has its rotation center axis on the rotation center axis of the shaft 8b, and is rotatable within a range of 90 °. The low-output valve 8c and the high-output valve 8d rotate coaxially and form an angle of 90 °.
[0106]
As described above, in the flow path switching device 8, since the low output valve 8c and the high output valve 8d are attached to the shaft 8b at an angle of 90 °, the low output valve 8c is connected to the low output valve hole. When the valve 8e is fully closed, the high-output valve hole 8f is fully opened, and when the high-output valve hole 8f is fully closed by the high-output valve 8d, the low-output valve hole 8e is fully opened. That is, in the flow path switching device 8, the low-output flow path 5 and the high-output flow path 6 can be opened and closed together simply by rotating the shaft 8b, and the opening and closing of the low-output flow path 5 and the high-output flow path 6 can always be reversed. Therefore, the flow path switching device 8 requires only one set of the actuator and its associated parts to open and close the two low-output flow paths 5 and the high-output flow path 6, so that the number of parts is small and the apparatus configuration is small. Can also be simplified.
[0107]
The cooling system 9 of the exhaust system 1 will be described with reference to FIG. FIG. 20 is a configuration diagram of a cooling system in the exhaust system according to the present embodiment.
[0108]
The cooling system 9 also supplies cooling to the cooling units 21c,... Of the first catalyst device 2, the cooling units 31c,. Adjust the water flow. Therefore, the cooling system 9 includes a radiator 70, a cooling water temperature sensor 71, a switching device 72, a water pump 73, a first valve 74, a second valve 75, a third valve 76, a first temperature sensor 77, and a second temperature sensor. 78, a third temperature sensor 79 and an engine ECU [Electronic Control Unit] 80. The radiator 70 includes a radiator 70A for exhaust heat generation and a radiator 70B for an engine. The engine ECU 80 controls not only the cooling system 9 but also the entire exhaust system 1.
[0109]
In the present embodiment, the radiator 70 corresponds to a radiator described in claims, the radiator 70A for exhaust heat generation corresponds to a radiator for exhaust heat generation described in claims, and a cooling water temperature sensor. 71 corresponds to the refrigerant temperature detecting means described in the claims, the switching device 72 corresponds to the refrigerant switching valve described in the claims, and the water pump 73 corresponds to the electric pump described in the claims. The first valve 74 corresponds to a first refrigerant valve described in the appended claims, the second valve 75 corresponds to a second refrigerant valve described in the appended claims, and the engine ECU 80 corresponds to the appended claims. It corresponds to the control means described.
[0110]
The radiator 70 is a radiator having a cooling capacity and a size corresponding to the displacement of an engine usually provided in an automobile. The radiator 70 has a two-part structure in order to function independently as a radiator 70A for exhaust heat generation and a radiator 70B for the engine, and a dividing wall 70a is provided at a part to be divided. As the size to be divided, the engine radiator 70B is made larger. In each of the radiators 70A and 70B, normally, the cooling water does not move to the other radiator side, and the cooling water circulates only inside thereof. However, the dividing wall 70a is provided with communication holes at the upper and lower portions, respectively, and is provided with an upper valve 70b and a lower valve 70c which open and close the communication holes (see FIG. 21). By opening the upper valve 70b and the lower valve 70c, the cooling water can be moved between the radiators 70A and 70B.
[0111]
The radiator 70A for exhaust heat generation normally supplies cooling water to the cooling units 21c,..., The cooling units 31c,... And the cooling units 51c,. The radiator to supply. The exhaust power generation radiator 70A is provided with an electric fan 70d, and the cooling water temperature can be lowered by the fan 70d. The rotation speed of the fan 70d is controlled by the engine ECU 80 based on the coolant temperature detected by the coolant temperature sensor 71. The cooling water temperature sensor 71 is a temperature sensor such as a thermistor, and detects the temperature of cooling water flowing in the exhaust heat power generation radiator 70A.
[0112]
The engine radiator 70B is a radiator that supplies cooling water to the engine. The engine radiator 70B is provided with an electric fan 70e, and the temperature of the cooling water can be lowered by the fan 70e. The rotation speed of the fan 70e is controlled by the engine ECU 80 based on the cooling water temperature. By the way, the cooling water supplied from the engine radiator 70B enters the water pump WP through the thermostat TH, and after the flow rate is adjusted by the water pump WP, circulates through the cylinder block SB and further circulates through the cylinder head SH. Then, the process returns to the engine radiator 70B. Further, when the cooling water circulating in the engine is at a low temperature, the thermostat SH closes to shut off the supply of the cooling water from the engine radiator 70B, and the cooling water circulated through the cylinder head SH passes through the bypass passage. It returns to the thermostat TH through the BP, and circulates again in the engine.
[0113]
The switching device 72 normally causes the cooling water from the exhaust heat generation radiator 70A to flow to the water pump 73 and the cooling water from the engine radiator 70B to the thermostat TH. When the engine is under a high load, the switching device 72 outputs the cooling water from the exhaust heat generation radiator 70A. Of the cooling water is also supplied to the thermostat TH. For this purpose, the switching device 72 is configured such that an outlet of a radiator 70A for exhaust heat generation is provided at one inlet, an outlet of a radiator 70B is provided at the other inlet, and a water pump 73 is provided at one outlet. A thermostat TH is connected to the other outlet. Further, the switching device 72 is provided with a valve 72a, and when the valve 72a is closed, the cooling water from the exhaust heat power generation radiator 70A that has entered from one inlet is discharged from one outlet and a water pump is provided. 73, and when the valve 72a is opened, the cooling water from the exhaust heat generation radiator 70A that has entered from one inlet is discharged from the other outlet and flows to the thermostat TH. The opening and closing of the valve 72a is controlled by the engine ECU 80.
[0114]
The water pump 73 is a motor-driven pump that adjusts the flow rate of cooling water supplied from the radiator 70A for exhaust heat generation. The outlet of the water pump 73 is connected to three valves 74 to 76, respectively. The rotation speed of each water pump 73 is controlled by the engine ECU 80.
[0115]
The first valve 74 is provided on a pipe between the outlet of the water pump 73 and the cooling water pipe 26 of the cooling unit 21c of the first catalyst device 2, and adjusts the flow rate of the cooling water supplied to the cooling units 21c,. Valve. The opening degree of the first valve 74 is controlled by the engine ECU 80 based on the temperature in the heat exchange section 21a detected by the first temperature sensor 77. The first temperature sensor 77 is a temperature sensor such as a thermistor, and detects the temperature of the exhaust gas flowing through the heat exchange unit 21a or the temperature of the heat exchange fins 21e.
[0116]
The second valve 75 is provided on a pipe between the outlet of the water pump 73 and the cooling water pipe 40 of the cooling unit 31c of the second catalyst device 3, and adjusts the flow rate of the cooling water supplied to the cooling units 31c,. Valve. The opening degree of the second valve 75 is controlled by the engine ECU 80 based on the temperature in the heat exchange section 31a detected by the second temperature sensor 78. The second temperature sensor 78 is a temperature sensor such as a thermistor, and detects the temperature of the exhaust gas flowing through the heat exchange unit 31a or the temperature of the heat exchange fins 31e itself.
[0117]
The third valve 76 is provided on a pipe between the outlet of the water pump 73 and the cooling water pipe 59 of the cooling unit 51c of the exhaust heat power generator 4, and adjusts the flow rate of the cooling water supplied to the cooling units 51c,. Valve. The opening of the third valve 76 is controlled by the engine ECU 80 based on the temperature in the heat exchange unit 51a detected by the third temperature sensor 79. The third temperature sensor 79 is a temperature sensor such as a thermistor, and detects the temperature of the exhaust gas flowing through the heat exchange unit 51a or the temperature of the heat exchange fins 51e itself.
[0118]
The engine ECU 80 is an electronic control unit including a CPU [Central Processing Unit], a ROM [Read Only Memory], a RAM [Random Access Memory], and the like. The engine ECU 80 is a control device that is connected to various sensors, sets various control values and the like based on detection values from the various sensors, and controls the engine and various parts related to the engine. Further, the engine ECU 80 controls each part of the cooling system 9 and the flow path switching device 8, and is also a control device of the exhaust system 1.
[0119]
The engine ECU 80 acquires the cooling water temperature from the cooling water temperature sensor 71, and transmits a signal for increasing the fan rotation speed to the fan 70d as the temperature of the cooling water in the exhaust heat power generation radiator 70A increases. I do. Further, the engine ECU 80 transmits a signal for increasing the fan speed to the fan 70e as the temperature of the cooling water in the engine radiator 70B increases. By the way, since the traveling wind hits the radiator 70 while the automobile is traveling, the cooling water temperature does not become so high. However, when the vehicle is stopped or when the engine is under a high load, the cooling water may become hot. By lowering the temperature of the cooling water for waste heat power generation, the low-temperature end faces of the thermoelectric conversion modules 21b, 31b, and 51b can be lowered. Improve collection efficiency.
[0120]
When the engine ECU 80 determines that the engine is under a high load (for example, when climbing a hill or traveling at high speed), the engine ECU 80 transmits a signal for opening the valve to the upper valve 70b, the lower valve 70c, and the valve 72a, respectively. I do. At this time, the engine ECU 80 transmits a signal for reducing the motor speed to zero to the water pump 73 and transmits a signal for closing the valves to the first valve 74, the second valve 75, and the third valve 76, respectively. . By opening the valves 70b, 70c, 72a in this way, the cooling water of the exhaust heat generation radiator 70A is also supplied to the engine, and the supply of the cooling water to the cooling units 21c, 31c, 51c is stopped. 70 A of cooling water is also used to cool the engine. In other words, the entire cooling capacity of the radiator 70 is used for cooling the engine, thereby preventing the engine from becoming hot (and eventually overheating). The determination as to whether the engine has a high load is made based on the opening degree of the throttle valve, the intake air amount, the engine torque, the engine speed, the temperature of the exhaust gas, and the like.
[0121]
In a normal vehicle driving pattern, the vehicle is very rarely driven in a high load state (high output) such as climbing a hill or running at high speed, and is almost always driven in a medium to low load state (middle to low output). It is. The cooling capacity of the radiator 70 has a capacity to cope with a high load state, and the cooling capacity of the radiator 70 has a margin in a medium to low load state. Therefore, in the cooling system 9, the radiator 70 is divided into two parts, and the radiator 70A for exhaust heat generation uses the radiator 70A for exhaust heat generation when there is a sufficient cooling capacity. In this manner, the cooling water is supplied to cool the low-temperature end faces of the thermoelectric conversion modules 21b, 31b, and 51b, thereby increasing the amount of power generation and improving the recovery efficiency. Further, in the case of a high load state, the low-temperature end faces of the thermoelectric conversion modules 21b, 31b, and 51b cannot be cooled using the cooling water, but the traveling frequency under the high load state is low, and the heat energy itself of the exhaust gas is low. Since there are many, the power generation is large.
[0122]
Further, engine ECU 80 takes in the temperature in heat exchange section 21c from first temperature sensor 77, the temperature in heat exchange section 31c from second temperature sensor 78, and the temperature in heat exchange section 51c from third temperature sensor 79, When the temperature becomes equal to or higher than a predetermined temperature, a signal for setting the motor rotation speed to a predetermined value is transmitted to the water pump 73, and a signal for opening the valve is transmitted to the valves 74, 75, and 76, respectively. The opening and closing of the valves 74, 75, 76 are individually performed based on the respective temperatures in the heat exchange units 21c, 31c, 51c. Since the cooling water flows to the cooling units 21c, 31c, 51c when the temperatures in the heat exchanging units 21a, 31a, 51a reach the predetermined temperature, the heat exchanging units 21a, 31a, 31a, 51a, 51c have a higher flow rate than when the cooling water always flows. The temperature at 51a becomes high, the power generation efficiency of the thermoelectric conversion modules 21b, 31, and 51b is improved, and the efficiency of recovering the heat energy of the exhaust gas is improved.
[0123]
Further, the engine ECU 80 transmits a signal for setting the motor speed to zero to the water pump 73 and closes the valve until a predetermined time elapses after the start of the engine (for example, until five minutes elapse). Are transmitted to the valves 74, 75 and 76, respectively. As described above, at the time of cold start of the engine, the supply of the cooling water to the cooling units 21c, 31c, and 51c is stopped to stop the exhaust heat power generation, and to promote the temperature rise of the catalyst temperature.
[0124]
Immediately after the engine stops, the engine ECU 80 transmits a signal for maintaining the motor rotation speed to the predetermined rotation speed to the water pump 73, and transmits a signal for maintaining the valve open state to the valves 74, 75, and 76. Send each. Thus, the supply of the cooling water to the cooling units 21c, 31c, 51c is continued immediately after the engine is stopped, and the power is generated by using the heat energy stored in the heat exchange units 21a, 31a, 51a even after the engine is stopped. To improve the efficiency of recovering the heat energy of the exhaust gas. The period for supplying the cooling water may be until a predetermined time elapses after the engine is stopped, until the temperature of the heat exchange units 21a, 31a, 51a decreases, or until the power generation amount becomes zero. May be.
[0125]
The engine ECU 80 takes in the temperature of the exhaust gas from an exhaust gas temperature sensor (not shown), and if the temperature of the exhaust gas is lower than the lower limit temperature of the activation temperature of the catalyst, the exhaust gas is supplied to the low output flow path 5. A signal for flowing exhaust gas to the actuator 8m of the flow path switching device 8, and when the temperature of the exhaust gas is equal to or higher than the lower limit temperature, a signal for flowing exhaust gas to the high output flow path 6 is transmitted to the actuator 8m. . The exhaust gas temperature sensor is a temperature sensor such as a thermistor, and detects the temperature of the exhaust gas at the inlet or the outlet of the second catalyst device 3. As described above, when the catalyst in the second catalyst device 3 has not reached the activation temperature (when the engine has a low output (especially, at the time of a cold start of the engine)), the exhaust gas is caused to flow through the low-output channel 5 and the first The catalyst device 2 purifies the exhaust gas and the second catalyst device 3 recovers the heat energy of the exhaust gas as electric energy. When the catalyst reaches the activation temperature (when the engine is at a medium to high output), it is used for high output. Exhaust gas is caused to flow through the flow path 6 to purify the exhaust gas by the second catalyst device 3, and heat energy of the exhaust gas is recovered as electric energy by the first catalyst device 2 and the second catalyst device 3.
[0126]
As described above, the cooling system 9 has the radiator divided into two parts, thereby enabling cooling for the engine and the exhaust heat generation without increasing the size of the radiator. Therefore, it is not necessary to secure a separate mounting space for the radiator for the exhaust heat generation, and the cost can be reduced. In addition, the cooling system 9 can prevent the engine from becoming hot or overheated even when the engine is under a high load by making the cooling capacity of the radiator 70A for exhaust heat generation available for the engine.
[0127]
The cooling system 9 also lowers the temperature of the cooling water of the radiator 70A for exhaust heat generation, adjusts the flow rate of the cooling water to the cooling units 21c, 31c, and 51c, and controls the cooling units 21c, 31c, and 51c after the engine stops. The efficiency of recovering the heat energy of the exhaust gas is improved by supplying cooling water or the like. In addition, the cooling system 9 promotes the temperature rise of the catalyst by stopping the supply of the cooling water to the cooling units 21c, 31c, and 51c after the start of the engine.
[0128]
Further, the exhaust system 1 switches between the low-output flow path 5 and the high-output flow path 6 to promote the temperature increase of the catalyst at the time of low output of the engine (particularly at the time of cold start), At high to medium power, it is possible to prevent thermal degradation of the catalyst and to achieve high recovery efficiency of heat energy of exhaust gas.
[0129]
Next, the operation of the exhaust system 1 will be described with reference to FIGS. Here, a state 1 at the start of the engine (until 5 minutes have passed from the start), a low output state 2 after the engine warms up (60 km / h or less), and a medium output state in which the engine output is increased from the state 2 3 (120 km / h or less), State 4 in which the engine output is slightly reduced from State 3, State 5 in which the engine output is greatly reduced from State 3 (return to State 2), and Engine output is greatly increased from State 3. Operations in seven states, that is, the increased high-output state 6 (acceleration at 120 km / h or more per hour) and the state 7 immediately after the engine is stopped will be described.
[0130]
The operation in the state 1 will be described. In this state, the heat energy of the exhaust gas is small, and the temperature of the exhaust gas is also low. Therefore, in the exhaust system 1, the flow path through which the exhaust gas flows by the flow path switching device 8 in accordance with a command from the engine ECU 80 is set as the low output flow path 5, and the exhaust gas from the engine is used as the catalyst pipe 20 a of the first catalyst device 2. Flow through the heat exchange sections 31a,... Of the second catalyst device 3 and the heat exchange sections 51a,. In the catalyst unit 20 of the first catalyst device 2, the catalyst temperature is promoted by the downsizing of the unit, the arrangement directly below the exhaust manifold EM, and the double heat insulation effect of the exhaust heat power generation units 21,. You. Therefore, even though the temperature of the exhaust gas is low at a cold start of the engine, the catalyst temperature reaches the activation temperature early and the purification of the exhaust gas can be started. At this time, since the heat energy of the exhaust gas is used to raise the temperature of the catalyst, power generation using this heat energy cannot be performed. Therefore, in the exhaust system 1, the rotation of the water pump 73 is stopped and the supply of the cooling water to the cooling units 21c, 31c, and 51c is stopped by stopping the rotation of the water pump 73 and fully closing the first to third valves 74 to 76 according to a command from the engine ECU 80. Power generation in the exhaust heat power generation units 21, 31, and 51 is stopped.
[0131]
The operation in the state 2 will be described. In this state, since the catalyst temperature in the catalyst unit 20 of the first catalyst device 2 has reached the activation temperature, the thermal energy of the exhaust gas can be used for power generation. Therefore, the exhaust system 1 starts the rotation of the motor of the water pump 73 and opens the second valve 75 in response to a command from the engine ECU 80 to start supplying the cooling water to the cooling unit 31c, and discharges the second catalyst device 3. Power generation by the thermoelectric generation units 31, ... is started. At this time, since the heat energy of the exhaust gas is still small, the amount of power generation is small. Incidentally, in the exhaust system 1, the flow of the exhaust gas from the engine is the same as in the state 1, and the exhaust gas is purified by the catalyst unit 20 of the first catalyst device 2.
[0132]
The operation in the state 3 will be described. In this state, the heat energy of the exhaust gas increases, and the catalyst temperature in the catalyst unit 30 of the second catalyst device 3 has also reached the activation temperature. Therefore, in the exhaust system 1, the flow path through which the exhaust gas flows is switched to the high-output flow path 6 by the flow path switching device 8 according to a command from the engine ECU 80, and the exhaust gas from the engine is transferred to the heat exchange section of the first catalyst device 2. , 21a,..., The catalyst tube 30a of the second catalyst device 3, and the heat exchange portions 51a,. In the exhaust system 1, the purification of the exhaust gas in the catalyst unit 20 of the first catalyst device 2 is stopped, and the exhaust gas is purified in the catalyst unit 30 of the second catalyst device 3. Therefore, although the temperature of the exhaust gas is high, since the exhaust gas does not flow through the catalyst unit 20 of the first catalyst device 2 disposed immediately below the exhaust manifold EM, thermal deterioration of the catalyst of the catalyst unit 20 is reduced. Can be prevented. Further, in the exhaust system 1, the motor rotation of the water pump 73 and the open state of the second valve 75 are continued according to a command from the engine ECU 80, so that the supply of the cooling water to the cooling unit 31 c is continued. Power generation by the exhaust heat power generation units 31, ... is continued. In this case, the exhaust gas does not flow through the heat exchange sections 31a,... Of the second catalyst device 3, but the heat energy of the exhaust gas flowing through the catalyst pipe 30a depends on the shape of the catalyst cells in the catalyst unit 30. .. Are efficiently transmitted to the heat generating devices 31a,. At this time, since the heat energy of the exhaust gas is increasing, the amount of power generation is correspondingly increasing.
[0133]
In particular, when the temperature at the outlet of the second catalyst device 3 (and, consequently, the catalyst temperature of the catalyst unit 30) is higher than the activation temperature, the heat energy of the exhaust gas is reduced on the upstream side of the second catalyst device 3 in order to lower the temperature. Must be collected at Therefore, in the exhaust system 1, the supply of the cooling water to the cooling units 21c,... Is started by increasing the motor rotation speed of the water pump 73 and opening the first valve 74 in response to a command from the engine ECU 80. The power generation by the exhaust heat power generation units 21 of the catalyst device 2 is started. Therefore, in the exhaust system 1, the heat energy of the exhaust gas is recovered on the upstream side of the second catalyst device 3, the catalyst temperature of the catalyst unit 30 of the second catalyst device 3 can be reduced, and the catalyst of the catalyst unit 30 can be reduced. Thermal degradation can be prevented. Further, in the exhaust system 1, the thermal energy of the exhaust gas is recovered by the exhaust heat power generation units 21,... Outside the catalyst unit 20 in the first catalyst device 2, so that the catalyst of the catalyst unit 20 is further prevented from being thermally degraded. I do. Further, in the exhaust system 1, the power generation amount increases, and the efficiency of recovering the heat energy of the exhaust gas increases.
[0134]
The operation in the state 4 will be described. In this state, since the thermal energy of the exhaust gas is slightly reduced, it is necessary to prevent the catalyst temperature of the catalyst unit 30 of the second catalyst device 3 from becoming lower than the activation temperature. Therefore, in the exhaust system 1, the supply of the cooling water to the cooling units 21 c,... Is stopped by decreasing the motor rotation speed of the water pump 73 and closing the first valve 74 in response to a command from the engine ECU 80. The power generation in the exhaust heat power generation units 21 of the catalyst device 2 is stopped. Therefore, in the exhaust system 1, the recovery of the thermal energy of the exhaust gas in the first catalyst device 2 is stopped, so that the catalyst temperature of the catalyst unit 30 of the second catalyst device 3 is prevented from lowering. Continue purifying the gas.
[0135]
The operation in the state 5 will be described. In this state, since the thermal energy of the exhaust gas sharply decreases, the catalyst temperature of the catalyst unit 30 of the second catalyst device 3 decreases, and the exhaust gas cannot be purified. Therefore, in the exhaust system 1, the flow path through which the exhaust gas flows is switched to the low output flow path 5 by the flow path switching device 8 according to a command from the engine ECU 80, and the exhaust gas from the engine is transferred to the catalyst pipe 20 a of the first catalyst device 2. , The heat exchange units 31a,... Of the second catalyst device 3, and the heat exchange units 51a,. Therefore, in the exhaust system 1, purification of the exhaust gas is started by the catalyst unit 20 of the first catalyst device 2, thereby avoiding a state in which the exhaust gas cannot be purified. Further, in the exhaust system 1, the motor rotation of the water pump 73 and the open state of the second valve 75 are continued according to a command from the engine ECU 80, so that the supply of the cooling water to the cooling unit 31 c is continued. Power generation by the exhaust heat power generation units 31, ... is continued.
[0136]
The operation in the state 6 will be described. In this state, the thermal energy of the exhaust gas becomes very large, so it is necessary to increase the thermal energy recovery capability and prevent the catalyst from being thermally degraded. Therefore, in the exhaust system 1, the supply of the cooling water to the cooling units 51 c,... Is started by increasing the motor rotation speed of the water pump 73 and opening the third valve 76 according to a command from the engine ECU 80. The power generation by the exhaust heat power generation units 51 of the power generation device 4 is started. When the power generation by the exhaust heat power generation units 21,... Of the first catalyst device 2 is stopped, the exhaust system 1 opens the first valve 74 in response to a command from the engine ECU 80 so that the cooling units 21c, , And the power generation in the exhaust heat power generation units 21 of the first catalyst device 2 also starts. Therefore, in the exhaust system 1, the thermal energy of the exhaust gas is recovered in the first catalytic device 2, the second catalytic device 3, and the exhaust heat power generation device 4, and the maximum recovering capacity of the system is exhibited to generate the thermal energy. Perform recovery. Therefore, the amount of power generation becomes very large. Although the temperature of the exhaust gas is high, the first catalyst device 2, the second catalyst device 3, and the exhaust heat power generation device 4 recover the heat energy of the exhaust gas. Can be prevented from being thermally degraded.
[0137]
The operation in the state 7 will be described. In this state, since the engine is stopped, no new heat energy of the exhaust gas is generated, but heat energy is still accumulated in the heat exchange units 21a, 31a, and 51a. Therefore, in the exhaust system 1, the rotation of the water pump 73 is continued according to a command from the engine ECU 80 and the open state of the first to third valves 74 to 76 is continued, so that the cooling water is supplied to the cooling units 21 c, 31 c, and 51 c. The supply is continued, and the power generation in the exhaust heat generation units 21, 31, 51 of the first catalyst device 2, the second catalyst device 3, and the exhaust heat power generation device 4 is continued. In the exhaust system 1, when it is determined that the heat exchange units 21 a, 31 a, and 51 a have no heat energy, the rotation of the water pump 73 is stopped and the first to third valves 74 to 76 are closed according to a command from the engine ECU 80. As a result, the supply of the cooling water to the cooling units 21c, 31c, and 51c is stopped, and the power generation by the exhaust heat generation units 21, 31, and 51 of the first catalyst device 2, the second catalyst device 3, and the exhaust heat generation device 4 is performed. finish. The amount of power generation in this case depends on the amount of heat energy stored in the heat exchange units 21a, 31a, and 51a. Incidentally, in the exhaust system 1, no exhaust gas flows through the low-output channel 5 and the high-output channel 6.
[0138]
According to the exhaust system 1, the exhaust gas is caused to flow by switching between the two low-output channels 5 and the high-output channels 6, and when the thermal energy of the exhaust gas is large, the exhaust heat generating units 21, 31, Since the heat energy is recovered at 51, the catalysts of the catalyst units 20, 30 can be prevented from being thermally degraded. Therefore, it is not necessary to increase the supported amount of the catalyst in anticipation of thermal degradation of the catalyst, so that the supported amount of the expensive noble metal catalyst can be reduced. In particular, since the exhaust gas is supplied to the upstream catalyst unit 20 only when the heat energy of the exhaust gas is low, the first catalyst device 2 can be disposed immediately below the exhaust manifold EM, and the temperature of the catalyst rises. Can be promoted.
[0139]
Further, according to the exhaust system 1, the heat energy is efficiently recovered by the exhaust heat power generation units 21, 31, and 51 arranged at three places, so that the heat energy recovery efficiency of the exhaust gas is high. At that time, in the exhaust system 1, the power generation in the exhaust heat power generation units 21, 31, and 51 can be controlled by adjusting the flow rate of the cooling water to the cooling units 21c, 31, and 51c by the cooling system 9. In particular, in the exhaust system 1, since the shape of the catalyst cell of the catalyst unit 30 in the second catalyst device 3 is a shape in which thermal energy is easily transferred to the exhaust heat power generation unit 31, the second catalyst device 3 purifies the exhaust gas. It can coexist with waste heat power generation, and the recovery efficiency of the waste heat power generation is high.
[0140]
Further, according to the exhaust system 1, since the first catalyst device 2 is disposed immediately below the exhaust manifold EM and the size of the catalyst unit 20 is reduced, the purification of exhaust gas can be started early even at the time of a cold start of the engine. .
[0141]
Further, according to the exhaust system 1, since the first catalyst device 2 and the second catalyst device 3 are fixed by the thermoelectric conversion modules 21b and 31b by the spring structure, the thermoelectric conversion modules 21b and 31b are appropriately pressed. It can be fixed by force and can prevent various troubles due to thermal expansion.
[0142]
An exhaust system 81 according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 22 is a perspective view of the first catalyst device and the exhaust manifold in the exhaust system according to the second embodiment. FIG. 23 is a side sectional view of the first catalyst device of FIG. Note that, in this description, only points different from the exhaust system 1 according to the first embodiment will be described.
[0143]
The exhaust system 81 has substantially the same configuration as the exhaust system 1 according to the first embodiment, except that the first catalyst devices 82 are arranged at the most upstream portion of the branch pipes 83 of the exhaust manifold EM. And the configuration of the first catalyst device 82 is different. The exhaust system 81 includes four first catalyst devices 82,..., And has the same configuration as the exhaust system 1 except for the above. In the exhaust system 81, the first catalyst devices 82,... Are disposed at the most upstream portions of the branch pipes 83,... Of the exhaust manifold EM, respectively, and the second catalyst devices (not shown) are provided immediately below the exhaust manifold EM. And an exhaust heat power generation device (not shown) is further disposed downstream thereof.
[0144]
The exhaust manifold EM has a double pipe structure to form a low output flow path and a high output flow path, and has an inner pipe (not shown) inside the four branch pipes 83,. Are provided respectively. The flow path formed in the inner tube forms a low output flow path. The flow path formed between the branch pipes 83,... And the inner pipe forms a high output flow path.
[0145]
The first catalyst device 82 has substantially the same configuration as the first catalyst device 2 according to the first embodiment, has a catalyst unit 90 in the center, and has eight exhaust heat power generation units around the catalyst unit 90. .. Are provided. In the first catalyst device 82, four exhaust heat power generation units 91,... Are arranged along the circumferential direction (see FIG. 23), and two exhaust heat power generation units 91A, 91B along the longitudinal direction. (See FIG. 22). In the first catalyst device 82, the exhaust gas flowing through the low-output passage is purified by the catalyst unit 90, and the heat energy of the exhaust gas flowing through the high-output passage is converted into electric energy by the exhaust heat generation units 91,. Convert to In the first catalyst device 82, an exhaust introduction pipe 92 that is directly connected to the mounting surface 84 of the cylinder head of the engine is provided at the most upstream part, and a branch pipe 83 is directly connected to the most downstream part. Therefore, the first catalyst device 82 is disposed immediately below the exhaust gas outlet of the engine, and is provided for each cylinder.
[0146]
The catalyst unit 90 includes a catalyst tube 90a disposed at the center of the first catalyst device 82. The catalyst pipe 90a becomes a part of an inner pipe provided in each of the branch pipes 83 of the exhaust manifold EM. Exhaust gas discharged from each cylinder of the engine flows directly into the catalyst tube 90a, and there is almost no heat radiation loss of heat energy of the exhaust gas. Therefore, in the catalyst unit 90, the catalyst tube 90a is configured to be thinner than the catalyst tube 20a according to the first embodiment, the amount of the three-way catalyst is reduced, and the heat capacity of the catalyst is reduced.
[0147]
The exhaust heat power generation units 91 are arranged at regular intervals around the catalyst tube 90a at intervals of 90 °, and are arranged adjacent to each other along the longitudinal direction of the catalyst tube 90a. The exhaust heat power generation unit 91 includes a heat exchange unit 91a, a thermoelectric conversion module 91b, a cooling unit 91c, and a spring clamp unit 91d, and constitutes a system in which thermal energy moves and a spring clamp system.
[0148]
In the second embodiment, the heat exchange unit 91a corresponds to a first heat exchange unit described in the claims, and the thermoelectric conversion module 91b corresponds to a first thermoelectric conversion unit described in the claims. The cooling portion 91c corresponds to a first cooling portion described in the claims, and the spring clamp portion 91d corresponds to a first elastic portion described in the claims.
[0149]
The heat exchange section 91a is formed integrally with heat exchange sections of two exhaust heat power generation units 91A and 91B disposed along the longitudinal direction of the catalyst tube 90a, and has the same length as the catalyst tube 90a. Are connected between the exhaust introduction pipe 92 and the branch pipe 83 by welding or the like. The four heat exchange parts 91a,... Are arranged at every 90 ° in the catalyst tube 90a to form high-output channels. The four heat exchange portions 91a,... Are connected along the circumferential direction and have a substantially square shape when viewed from the side.
[0150]
The thermoelectric conversion module 91b and the cooling unit 91c have the same configuration as that of the first catalyst device 2, except that the spring clamp unit 91d does not include a leaf spring. Even when a leaf spring is not provided, the spring clamp 91d functions as a spring structure due to the elastic force of the elastic force generator 91m of the clamp 91k.
[0151]
According to the exhaust system 81, since the first catalyst devices 82,... Are arranged immediately near the outlet of the exhaust gas from the engine, the exhaust gas flowing into the catalyst tubes 90a,. . Therefore, the size of the catalyst unit 90 can be further reduced, and the temperature rise of the catalyst can be further promoted. As a result, at the time of a cold start of the engine, purification of exhaust gas can be performed earlier. Further, the amount of the catalyst carried on the catalyst unit 90 can be reduced.
[0152]
As described above, the embodiments according to the present invention have been described, but the present invention is not limited to the above embodiments, but may be implemented in various forms.
[0153]
For example, in the present embodiment, the exhaust heat power generation device is applied to an automobile, but may be applied to another device having an internal combustion engine that emits exhaust gas.
[0154]
Further, in the present embodiment, a plurality of exhaust heat power generation units are arranged around the catalyst unit in the first catalyst device and the second catalyst device to be integrated, but the catalyst unit and the exhaust heat power generation unit are connected to each other. Other configurations such as disposing them in series on a road may be used.
[0155]
In the present embodiment, the exhaust heat power generation unit is configured to have 18, 32, 16, or 8 pieces. However, in consideration of the space and shape to be arranged, an appropriate number of The exhaust heat power generation unit may be arranged to have an appropriate number of heat exhaust power generation units.
[0156]
In the present embodiment, the exhaust heat power generation device is provided in addition to the first catalyst device and the second catalyst device. However, the first catalyst device and the second catalyst device need to sufficiently recover the heat energy of the exhaust gas. If such a configuration is possible, the exhaust heat power generation device may not be provided.
[0157]
In the present embodiment, the cooling units of the catalyst device are connected by bellows pipes, and the cooling units of the exhaust heat power generation device are connected by joint pipes. However, the cooling units of the catalyst devices are connected by joint pipes. Alternatively, the cooling units of the exhaust heat power generator may be connected by bellows pipes, or any other unit that can be connected flexibly between the cooling units may be used. Good.
[0158]
In the first embodiment, the elastic force is generated by the leaf spring and the clamp in the spring clamp portion. However, the elastic force may be generated by either one of them. Further, other members having an elastic force may be used other than the leaf spring, and the clamp may have another shape that generates an elastic force other than the elastic force generating portion.
[0159]
Further, in the present embodiment, the pressing member makes a point contact in the spring clamp portion, but it may be a line contact.
[0160]
Further, in the present embodiment, the high-output valve is configured to have a larger diameter than the low-output valve in the flow path switching device, but the number of high-output valves is larger than the number of low-output valves, and the output of the engine is increased. May correspond to the difference in the flow rate of the exhaust gas.
[0161]
Further, in the present embodiment, the radiator for exhaust heat generation and the radiator for the engine are integrated, but they may be separate bodies.
[0162]
In the present embodiment, the flow rate of the cooling water to the cooling unit is adjusted by controlling the rotation speed of the water pump and controlling the opening of the valve.
[0163]
Further, in the present embodiment, in order to adjust the flow rate of the cooling water to the cooling unit of the exhaust heat generation unit, the control of the rotation speed of the water pump and the opening / closing control of the first to third valves are performed based on the temperature of the heat exchange unit. Although the configuration is performed, it may be performed based on other factors such as the power generation amount in exhaust heat power generation, the opening degree of the throttle valve, and the fuel supply amount. In the case of the power generation amount, the cooling water flows when the power generation amount is equal to or more than the predetermined power generation amount, the cooling water flows in the case where the throttle opening degree is equal to or more than the predetermined opening degree, and the predetermined supply amount in the case of the fuel supply amount. In the above cases, the cooling water flows.
[0164]
In the present embodiment, the flow rate is adjusted depending on whether or not the cooling water is supplied to the cooling unit. However, the flow rate may be adjusted in multiple steps or steplessly according to the temperature in the heat exchanging section. .
[0165]
Further, in this embodiment, the switching control of the flow path switching device is performed based on the temperature of the exhaust gas at the inlet or the outlet of the second catalyst device. However, the opening degree of the throttle valve, the fuel supply amount, the intake air The determination may be performed based on other factors that can estimate the output state of the engine such as the amount and the temperature in the heat exchange unit (and the thermal energy amount of the exhaust gas).
[0166]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while improving the collection efficiency of waste heat power generation, the thermal degradation of a catalyst can also be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partially broken front view of an exhaust system according to a first embodiment.
FIG. 2 is a plan view of the exhaust manifold of FIG.
FIG. 3 is a front view of the exhaust manifold shown in FIG. 1;
FIG. 4 is a front view of the first catalyst device of FIG. 1;
FIG. 5 is a side view (upstream side) of the first catalyst device of FIG. 1;
FIG. 6 is a sectional view taken along line AA in the front view of FIG. 4;
FIG. 7 is a sectional view taken along line BB in the front view of FIG.
FIG. 8 is a front view of the second catalyst device of FIG. 1;
FIG. 9 is a side view (upstream side) of the second catalyst device of FIG. 1;
FIG. 10 is a sectional view taken along line CC in the front view of FIG. 8;
FIG. 11 is a sectional view taken along line DD in the front view of FIG. 8;
FIG. 12 is an enlarged view of a catalyst unit in the cross-sectional view of FIG.
FIG. 13 is a front view of the exhaust heat power generation device of FIG.
FIG. 14 is a side view (upstream side) of the exhaust heat power generation device of FIG.
FIG. 15 is a sectional view taken along the line EE in the front view of FIG.
FIG. 16 is a sectional view taken along line FF in the side view of FIG. 14;
FIG. 17 is a front view of the channel switching device of FIG. 1;
FIG. 18 is a side view of the channel switching device of FIG. 1;
FIG. 19 is a sectional view taken along line GG in the front view of FIG.
FIG. 20 is a configuration diagram of a cooling system in the exhaust system according to the present embodiment.
21 is a cross-sectional view of the radiator of FIG. 20 taken along the line HH.
FIG. 22 is a perspective view of a first catalyst device and an exhaust manifold in an exhaust system according to a second embodiment.
FIG. 23 is a side sectional view of the first catalyst device of FIG. 22.
[Explanation of symbols]
1, 81: exhaust system, 2, 82: first catalyst device, 3: second catalyst device, 4: exhaust heat power generation device, 5: low-output channel, 6: high-output channel, 7: merging Flow path, 8: Flow path switching device, 8a: Device body, 8b: Shaft, 8c: Low output valve, 8d: High output valve, 8e: Low output valve hole, 8f: High output valve hole, 8g 8i: shaft hole, 8j, 8k: bearing bush, 8l: connecting member, 8m: actuator, 8n, 8o: screw, 9: cooling system, 10, 84: mounting surface, 11: joining member, 11a: mounting portion, 12, 83 ... branch pipe, 13 ... inner pipe, 14 ... merge pipe, 20, 30, 90 ... catalyst unit, 20a, 30a, 90a ... catalyst pipe, 20b, 30c ... vertical frame member, 20c, 30d ... horizontal direction Skeleton member, 30b ... divided member, 21, 21A-21C 31, 31A to 31D, 51, 51A to 51D, 91, 91A, 91B ... waste heat power generation unit, 21a, 31a, 51a, 91a ... heat exchange unit, 21b, 31b, 51b, 91b ... thermoelectric conversion module, 21c, 31c , 51c, 91c: cooling part, 21d, 31d, 51d, 91d: spring clamp part, 21e, 31e, 51e: heat exchange fin, 21f, 31f, 51f: cooling lid, 21g, 31g, 51g: cooling body, 21h, 31h, 51h ... cooling fins, 21i, 31i, 51i ... leaf springs, 21j, 31j, 51j ... pressing members, 21k, 31k, 51k ... clamps, 21m, 31m, 51m, 91m ... elastic force generating parts, 21n, 31n, 51n bolt, 21o, 31o, 51o nut, 21p, 31p, 51p cushioning member, 51q cooling water 31q: Buffer sheet, 22: Exhaust introduction pipe, 23, 33, 34, 53, 54: Mounting member, 24: Low output exhaust / exhaust pipe, 25: High output exhaust / exhaust pipe, 26, 27, 40, 41 , 59, 60 ... cooling water pipe, 28, 42 ... bellows pipe, 29, 43, 61 ... cooling water hose, 35 ... low output exhaust introduction pipe, 36 ... high output exhaust introduction pipe, 37 ... merged exhaust discharge Pipe, 38, 39 connecting member, 55 exhaust exhaust pipe, 56 exhaust exhaust pipe, 57 split exhaust pipe, 57a opening, 58 joint pipe, 70 radiator, 70a split wall, 70b upper valve 70c: lower valve, 70d, 70e: fan, 70A: radiator for exhaust heat generation, 70B: radiator for engine, 71: cooling water temperature sensor, 72: switching device, 72a: valve, 73 ... 74, first valve, 75 second valve, 76 third valve, 77 first temperature sensor, 78 second temperature sensor, 79 third temperature sensor, 80 engine ECU

Claims

An exhaust system that purifies exhaust gas discharged from an internal combustion engine with a catalyst and generates power using thermal energy of the exhaust gas,
First exhaust gas purifying means for purifying exhaust gas with a catalyst;
A second exhaust gas purifying means disposed downstream of the first exhaust gas purifying means and purifying exhaust gas with a catalyst;
A first thermoelectric converter disposed upstream of the second exhaust gas purifying means for converting heat energy of exhaust gas into electric energy; and a first thermoelectric converter for transmitting heat energy of exhaust gas to one end face of the first thermoelectric converter. A first heat exchange unit, a first exhaust heat generating unit having a first cooling unit that cools the other end surface of the first thermoelectric conversion unit,
A second thermoelectric converter disposed downstream of the first exhaust gas purification means for converting heat energy of exhaust gas into electric energy; and a second thermoelectric converter for transmitting heat energy of exhaust gas to one end face of the second thermoelectric converter. (2) a second waste heat power generation unit having: a heat exchange unit; and a second cooling unit that cools the other end surface of the second thermoelectric conversion unit.
A first exhaust passage for allowing exhaust gas to flow through the first exhaust purification unit and a second heat exchange unit of the second exhaust heat power generation unit;
A second exhaust passage for flowing exhaust gas to the second exhaust purification unit and the first heat exchange unit of the first exhaust heat generation unit;
Switching means for switching between the first exhaust passage and the second exhaust passage;
Control means for controlling switching of the switching means,
The control means switches to the first exhaust passage by the switching means when the internal combustion engine has a low output, and switches to the second exhaust passage by the switching means when the internal combustion engine is not at a low output. Exhaust system characterized.

The exhaust system according to claim 1, wherein the first exhaust gas purification unit is smaller than the second exhaust gas purification unit.

A plurality of the first exhaust heat generating means and / or the second exhaust heat generating means are arranged in a circumferential direction;
When a plurality of the first exhaust heat generating means are arranged in the circumferential direction, a plurality of first heat exchange units are arranged around the first catalyst purifying means, and the second exhaust heat generating means is arranged in the circumferential direction. The exhaust system according to claim 1, wherein when a plurality of second heat exchange units are arranged, a plurality of second heat exchange units are arranged around the second catalyst purifying unit.

The switching means has a first valve for opening and closing the first exhaust passage, a second valve for opening and closing the second exhaust passage, and a rotating shaft to which the first valve and the second valve are attached. ,
The exhaust according to any one of claims 1 to 3, wherein opening and closing of the first exhaust passage and opening and closing of the second exhaust passage are reversed by rotation of the rotating shaft. system.

A radiator for exhaust heat generation for supplying a refrigerant to the first cooling unit and the second cooling unit,
The exhaust gas according to any one of claims 1 to 4, wherein the control unit controls a flow rate of the refrigerant flowing through the first cooling unit and a flow rate of the refrigerant flowing through the second cooling unit. system.

An electric pump that circulates refrigerant from the radiator for exhaust heat generation to the first cooling unit and the second cooling unit,
The exhaust system according to claim 5, wherein the control unit controls a rotation speed of the electric pump.

A first refrigerant valve for adjusting a flow rate of the refrigerant flowing through the first cooling unit;
A second refrigerant valve for adjusting a flow rate of the refrigerant flowing through the second cooling unit,
7. The exhaust system according to claim 5, wherein the control unit controls an opening of the first refrigerant valve and an opening of the second refrigerant valve. 8.

A refrigerant temperature detecting means for detecting a temperature of a refrigerant of the radiator for waste heat power generation,
The said control means controls the number of rotations of the fan of the said radiator for exhaust heat generation based on the refrigerant temperature detected by the said refrigerant temperature detection means, The one of Claim 5 characterized by the above-mentioned. Exhaust system described in.

A radiator in which the inside is a divided structure, and the radiator for exhaust heat generation and the radiator for the internal combustion engine are provided separately,
A refrigerant switching valve that switches a supply destination of a refrigerant of the radiator for exhaust heat generation to the first cooling unit and the second cooling unit and the internal combustion engine;
The exhaust system according to any one of claims 5 to 8, wherein the control unit controls switching of the refrigerant switching valve.

A plurality of the first exhaust heat generating means and / or the second exhaust heat generating means are arranged in a circumferential direction;
When a plurality of the first exhaust heat power generation means are arranged in the circumferential direction, a plurality of the first exhaust heat power generation means are arranged around the first catalyst purification means, and A first elastic portion is arranged outside the cooling portion, and the first cooling portion is pressed from the outside by the first elastic portion to fix the first thermoelectric conversion portion. When a plurality of units are arranged, a plurality of second exhaust heat generating units are arranged around the second catalyst purifying unit, and a second elastic unit is arranged outside the second cooling unit of each second exhaust heat generating unit. The exhaust system according to any one of claims 1 to 9, wherein the second cooling portion is pressed from the outside by the second elastic portion to fix the second thermoelectric conversion portion.

The first elastic portion and / or the second elastic portion has a pressing member,
The exhaust system according to claim 10, wherein the pressing member makes a point contact or a line contact.

The first elastic portion and / or the second elastic portion has a clamp member having an elastic force,
The exhaust system according to claim 10, wherein the first cooling unit or the second cooling unit arranged in a circumferential direction is pressed from the outside by the clamp member.

The first and / or second exhaust heat generating means arranged in the circumferential direction may be the center line of any of the first or second thermoelectric converters arranged in the circumferential direction. The exhaust system according to any one of claims 10 to 12, wherein the exhaust system has a symmetric structure.

First catalyst purifying means arranged inside the plurality of first exhaust heat generating means arranged in the circumferential direction and / or arranged inside second exhaust heat generating means arranged in the circumferential direction. The second catalyst purifying means has a plurality of vertical frame members and a plurality of horizontal frame members for forming a catalyst cell,
The vertical skeleton member is disposed in a direction substantially perpendicular to the flow direction of the exhaust gas in a direction substantially perpendicular to the first thermoelectric conversion section or the second thermoelectric conversion section, and the thickness of the vertical skeleton member is The exhaust system according to any one of claims 10 to 13, wherein the thickness of the exhaust system is larger as being closer to the first thermoelectric converter or the second thermoelectric converter.

The exhaust system according to claim 14, wherein an interval between the lateral skeletal members is wider as being closer to the first thermoelectric converter or the second thermoelectric converter.

A plurality of the first exhaust heat generating means and / or the second exhaust heat generating means are arranged in a flow direction of the exhaust gas;
When a plurality of the first exhaust heat power generation means are arranged in the flow direction, adjacent first cooling units are connected to bend freely. The exhaust system according to any one of claims 10 to 15, wherein the second cooling unit (10) is connected to bend freely.