JP2016102446A - 排気熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡略な流路構成及び単一の制御弁によって、各流路の選択とともに流量制御を可能とし効率的な熱回収と熱電発電を実現し得る、排気熱回収装置を提供することを課題とする。【解決手段】内燃機関の排気熱回収装置において、排気ガスを導入する主排気流路２と、主排気流路２から分岐し合流部５において合流する迂回流路３と、合流部５において主排気流路２と迂回流路３を開閉する弁装置１０とを備え、迂回流路３には排気ガスと熱交換をする熱交換器７及び熱電発電装置６を具備し、弁装置１０は主排気流路２及び迂回流路３の一方を閉塞した状態で他方流路の面積を連続的に設定する単一の弁部材とする。【選択図】図１

Description

本発明は、自動車の内燃機関等の排気熱回収装置に関する。

従来、内燃機関で動く自動車の総合的な熱効率の向上のために、内燃機関の排気熱を熱交換器で回収し冷却媒体を加熱して暖機促進や暖房性能向上に供する排気熱回収装置を、排気管に介装することが多用されている。また、排気熱を直接電気へ変換し、補機駆動やバッテリー充電に供する熱電発電装置を排気管に介装することも提案されている。そこで、排気熱の更なる有効活用の観点から、熱交換器と熱電発電装置を両方とも排気管に介装する統合型の排気熱回収装置も考え得るが、互いに必要とされる運転領域が異なること、あるいは、両方とも必要としない運転領域（バイパス域）も存在することから、各装置への排気ガスおよび冷却媒体の供給を上手く制御する必要があり、その実現は困難となっている。

理想的には、（α）熱電発電装置を介装する流路、（β）熱交換器を介装する流路、（γ）（α）（β）とも迂回して流れるバイパス流路、の三流路を独立して備え、三流路を選択的に切り替え得るとともに選択した複数流路における流量割合を連続的に分配制御できるような排気熱回収装置があれば好適であるが、そのような複数の独立流路および切り替えバルブを具備する大型システムは制御が困難となる上に、重量やスペースにおいて車両搭載上も著しく制限を受けるため、実現性が乏しい。

そのような問題の一解決策として特許文献１においては、単一の筐体内に熱交換器と熱電発電装置（熱電発電素子）と板状バルブ体（開閉弁）とを備え、筐体内の排気ガスの流れを板状バルブ体の姿勢によって向きを変えることで、熱交換器と熱電発電素子への排気ガスの当たり方を変えて、疑似的に上記（α）（β）（γ）のような各流路を現出させる排気熱回収装置が開示されている。尚、特許文献２には、「内燃機関に接続される排気流路を構成する少なくとも二つの流路を備えた内燃機関の排気装置において、単一の弁部材によって流路切換を行うと共に各々の流路面積調整を適切に行い得る排気装置」が開示されている（特許文献２の段落〔００１４〕に記載）。

特許第３７６７５０９号公報 特許第４４８６９６３号公報

しかしながら、特許文献１に開示される排気熱回収装置においては、上述の（α）（β）（γ）のような独立した流路を確保できないとともに、各流路におけるガス流量分配を大雑把にしか調節できないため、要求を満たせていない。

実際の車両運転状態においては、内燃機関の高負荷運転時には、熱交換器と熱電発電素子には排気ガスを接触させることなく主排気流路（バイパス流路）にだけ流すことで、内燃機関の出力性能を確保するとともに過剰な熱回収および熱電発電を回避したい。しかしながら特許文献１の排熱回収装置によっては、内燃機関の高負荷時においても熱交換器と熱電発電素子に高温大流量のガスが当たってしまうため、熱交換器においては冷却水の沸騰が、熱電発電装置においては熱電発電素子への熱害が懸念される。もちろん、流路抵抗を最小にして内燃機関の出力性能を稼ぎたいとの本来目的も達成できない。

また、内燃機関の低負荷乃至中負荷運転領域においては、熱回収および熱電発電に必要な熱量分だけの排気ガスを両者へ接触させるとともに、それ以上の不要な排気ガスは主排気流路へ流すというような各流路における流量調節（分配制御）が必要であるところ、特許文献１の排熱回収装置のような単一空間内における流向制御では実現が不可能である。さらに、主排気流路を内燃機関の運転状態によって絞り、消音要件を優先させるような制御も実現できない。

そこで本発明は、簡略な流路構成及び単一の制御弁によって、各流路の選択とともに流量制御を可能とし、効率的な熱回収と熱電発電を実現し得る排気熱回収装置を提供することを課題とする。

上記の課題を達成するため、本発明に係る排気熱回収装置は、内燃機関の排気ガスを導入する主排気流路と、該主排気流路から分岐し当該主排気流路と合流部において合流する迂回流路と、前記合流部において前記主排気流路と前記迂回流路を開閉する弁装置とを備え、前記迂回流路には前記迂回流路内の排気ガスと熱交換をする熱交換器及び熱電発電装置を具備し、前記弁装置は前記主排気流路及び前記迂回流路の一方を閉塞した状態で他方の流路面積を連続的に設定する単一の弁部材で構成することとしたものである。

上記の排気熱回収装置において、前記単一の弁部材を前記内燃機関の運転状態に応じて駆動し、前記主排気流路及び前記迂回流路の流路切換を行うと共に、前記主排気流路及び前記迂回流路の各々の流路面積調整を行う制御装置を備えたものとするとよい。

また、前記熱交換器及び前記熱電装置に冷却媒体流路を具備し、前記内燃機関の冷却媒体を導入して熱交換を行うこととするとよい。

本発明は上述のように構成されているので、以下の効果を奏する。即ち、本発明の排気熱回収装置においては、主排気流路及び迂回流路の一方を完全に閉塞した状態で他方流路の面積を連続的に設定する弁装置を合流部に備えるとともに、迂回流路に熱交換器と熱電素子を前後して配備したので、内燃機関の高負荷時には熱交換器と熱電発電素子には排気ガスを接触させることなく主排気流路にだけ流すことで内燃機関の出力性能を確保できるとともに、過剰な熱回収および熱電発電を回避できる。また、主排気流路を閉塞しながら迂回流路の流路面積を任意に設定できるので、内燃機関の運転状態に応じ熱回収量及び熱電発電量を設定できる。さらに、迂回流路と主排気流路へ同時に流しながらその配分も任意に設定できるので、内燃機関の運転状態に応じた要求状態に対応可能となる。

上記の排気熱回収装置において、単一の弁部材を内燃機関の運転状態に応じて駆動し、主排気流路及び迂回流路の流路切換を行うと共に、主排気流路及び迂回流路の各々の流路面積調整を行う制御装置を備えたものとすれば、熱回収及び熱電発電要求、内燃機関の出力性能要求、流路絞りによる消音要求等において、時々刻々の優先度に応じたトレードオフ制御が可能となる

本発明の一実施形態に係る排気熱回収装置の暖機状態を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る排気熱回収装置の暖機後の通常運転状態を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る排気熱回収装置の熱回収および熱電発電状態を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る排気熱回収装置の消音要件優先状態を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る排気熱回収装置のバイパス状態を示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係る排気熱回収装置の暖機状態を示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係る排気熱回収装置の通常運転状態を示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係る排気熱回収装置のバイパス状態を示す断面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る排気熱回収装置の暖機状態を示す断面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る排気熱回収装置の通常運転状態を示す断面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る排気熱回収装置の通常運転状態を示す断面図である。

以下、本発明の望ましい実施形態について図面を参照して説明する。図１乃至図５は本発明の一実施形態に係る排気熱回収装置を示すものである。図示しない内燃機関に接続された上流側排気管ＥＰ１と車両後方へ延びる下流側排気管ＥＰ２との間に、排気熱回収装置１が接続されている。これらの接続方法については、本実施形態のように接続部Ｊ１及びＪ２において溶接等で直接接続することとしてもよいし、フランジや継手装置を介して着脱自在に接続することとしてもよい。尚、図面の左方が排気ガスの上流側で、図示しない内燃機関より触媒コンバータ等を経て、排気ガスが排気管ＥＰ１内を流下する。そして、図の右方が排気ガスの下流側となる。

排気管ＥＰ１に接続する分岐部４において主排気流路２と迂回流路３とに分岐しており、両流路は下流の合流部５において合流する。合流部５内には、両流路の流れを選択し、かつ流量配分を制御し得る弁装置である単一の弁部材１０が配されている。迂回流路３には、上流側に熱電発電装置６が、下流側に熱交換器７が、直列状に介装されている。即ち、本発明における排気熱回収装置は全ての実施形態ともに、熱電発電装置６及び熱交換器７を介装する迂回流路と両方とも介装しない主排気流路との二つの流路で構成される。

熱電発電装置６は、複数の熱電発電素子６ａで熱交換フィン６ｂを挟持するとともに、熱電発電素子６ａの外面には冷却媒体通路６ｃが設けられた構造である。迂回流路３を流れる排気ガスは熱交換フィン６ｂ内を通過する際に熱交換し、その熱が熱電発電素子６ａの内側面に伝達される。一方、熱電発電素子６ａの外側面は冷却媒体流路６ｃ内を流れる冷却媒体とも熱交換するが、ここにおいて、排気ガスからの伝熱と冷却媒体への伝熱の温度差ΔＴが大きいほど、その発電量が大きくなる特性がある。熱交換器７は、複数の冷却フィン７ａと複数の冷却媒体流路７ｂとが交互に積層されて熱交換器を形成しており、冷却フィン７ａを通過する排気ガスが冷却媒体と熱交換する。尚、冷却媒体としては、内燃機関を冷却するための車両の冷却システムにて用いられるクーラント液をそのまま導入するのが好適であるが、その他の冷却媒体でも構わない。熱電発電素子としては、ゼーベック効果を利用したものが一般的であるが、上記の熱電発電素子６ａは、それに限らず温度差によって発電する素子であればどのようなものでもよい。また、排気ガスは熱交換フィン６ｂ内を通過するに従って温度が低下するので、温度変化に応じて上流側から下流側に向かって対応温度が異なる熱電発電素子を配置すれば、更に効率的な発電が可能となる。

熱電発電装置６の冷却媒体流路６ｃと熱交換器７の冷却媒体流路７ｂとは連通管８を介して連通されている。導入管６ａから冷却媒体流路６ｃに入った冷却媒体は熱交換を経て連通管８へ排出され、連通管８を通って冷却媒体流路７ｂへ流入し、更に熱交換を経て導出管７ｃから排出されて、図示しない車両の冷却水流路へ供される。尚、冷却媒体を流す方向、すなわち冷却媒体流路６ｃと熱交換器７の冷却媒体流路７ｂのどちらへ先に冷却媒体を通すかについては、本実施形態に限らず適宜設定すればよいが、本実施形態のように、温度差ΔＴを大きく確保するため低い温度の冷却媒体を導入したい熱電発電装置６へ先に通し、熱電発電装置６によって加熱された後の冷却媒体が、より多くの熱を回収したい熱交換器７へ流入するという順序が、合理的である。

弁部材１０は断面扇形状であり、その要部分をピボット軸９により揺動自在に軸支され、弁部材１０の外周壁面が迂回流路３の内壁面および主排気流路の内壁面に摺動自在に配設されている。弁部材１０はアクチュエータＡＣＴに連結され、このアクチュエータＡＣＴを介して、電子制御ユニットＥＣＵにより内燃機関の運転状態に応じて駆動制御される。アクチュエータＡＣＴは、例えばステップモータ(図示せず)を有し、これが電子制御ユニットＥＣＵによって精密に回転駆動あるいは保持固定される。電子制御ユニットＥＣＵでは、各種センサ（酸素センサ、圧力センサ、水温センサ、回転センサ、アクセル開度センサ等）の検出信号等に基づき、内燃機関の運転状況、運転者のアクセルペダル等の操作状況、更には、車両姿勢や制動状況が監視され、所定のサイクルで、その時点における弁部材１０の最適な位置が演算され、その位置まで回転し、あるいはその位置で停止するように、上記ステップモータの駆動信号が出力される。而して、上記のアクチュエータＡＣＴ及び電子制御ユニットＥＣＵによって制御装置が構成され、主排気流路２と迂回流路３との間の流路切換（各流路の開閉）が行われると共に、主排気流路２および迂回流路３の各々の流路面積調整が行われる。尚、電子制御ユニットＥＣＵは、本システム専用に設置しても良いし、車両や内燃機関の電子制御ユニットに統合しても構わない。また、弁部材１０の具体的な設定および駆動の詳細については、前掲の特許文献２に開示された弁部材を参考にすることができる。

図１においては、主排気流路２が弁部材１０によって全閉状態とされ、排気流路は迂回流路３側へ切り替えられる。従って、排気ガスａのすべてが迂回流路３に導入され、熱電発電装置６と熱交換器７にて熱交換された後、合流部５において主排気流路２へ排気ガスｂとして排出される。更に、本実施形態においては、主排気流路２が全閉状態に維持された状態で、弁部材１０の揺動駆動によって、出力要件及び消音要件に適合するように迂回流路３の流路面積が逐次調整される。例えば、弁部材１０と迂回流路３との隙間を流れる排気ガスｂの量が調整されると、弁部材１０の「絞り機能」により「流量調節機能」が発揮される。尚、弁部材１０は無段階に駆動し得るので、主排気流路２を全閉状態に維持した状態で、迂回流路３の流路面積を任意に調整することができる。

図１の態様は、内燃機関の始動直後で内燃機関および冷却媒体が温まっていない冷間時、所謂暖機状態を示すもので、冷却媒体が一定温度に達するまでの暖機期間においては、早期に冷却媒体温度を向上させる要件が最優先される。従って、熱交換器７における熱回収が優先されるため、前述のように主排気流路２が、凹部１１内に位置する弁部材１０によって全閉状態とされ、排気流路は迂回流路３側へ切り替えられている。そして、排気ガスのすべてが迂回流路３に導入され、熱電発電装置６と熱交換器７にて熱交換された後、合流部５において主排気流路２へ排出される。この時、熱電発電装置６にて熱交換された排気ガスが熱交換器７へ流入することになるが、熱電発電素子自体は低熱伝導率のため熱回収量は微々たるものであり、悪影響はない。尚、暖機過程においては、弁部材１０によって主排気流路２が全閉となるのが好ましいが、排気ガスの完全遮断が必須ではないので、主排気流路２の排気流量が必要なだけ絞られていれば、必ずしも全閉状態とする必要はなく、若干開いた状態でも構わない。

図２の態様は、暖機が完了後の通常運転状態を示すものであり、内燃機関の中回転乃至高回転時の状態において適度な熱電発電および熱回収を実施するものである。この状態においては、弁部材１０は主排気流路２と迂回流路３の両方に排気ガスを流せる範囲内で揺動し、時々刻々の優先要件に従い電子制御ユニットＥＣＵからの指示を受けて、各流路へ流す割合(配分)を決めている。すなわち、主排気流路２を流れる量ｅは隙間ｇによって決まり、迂回流路３を流れる量ｄは隙間ｆによって決まるので、これら両隙間の大きさをトレードオフ調整することで、熱電発電量および熱回収量と、消音量あるいは内燃機関の出力を適宜選択できる。

このように本発明の排気熱回収装置によれば、前述の（α）(β)（γ）の独立した三流路とその切替弁を必要とせずに、特に（α：熱電発電素子を介装する流路）と（β：熱交換器を介装する流路）を統合し、二流路と単一の弁体だけの簡易な全体構成で、従来の課題を解決できる。更に、熱電発電および熱回収要件、消音要件、内燃機関出力要件を、車両側からの優先要求に従って統合的にトレードオフ制御することも可能となる。

図３および図４の態様は、暖機後の通常運転時においても図２のように両流路に排気ガスを流すことをせず、あえて片側の流路のみに流すことで優先する要件を満たすものである。例えば図３の態様は、迂回流路３を流れる排気ガス流量ｈを絞ることで熱電発電装置６および熱交換器７に流れる排気ガスの流速を遅くして、積極的に熱電発電量および熱回収量を増やすような制御形態である。また図４の態様は、主排気流路２のみに排気ガスを流し、かつ排気ガス流量ｉを絞っている。このようにすることで、熱電発電および熱回収が不要の状態における消音要件を優先させることができる。

図５の態様は、内燃機関の中回転乃至高回転時、あるいは高負荷時の状態を示すもので、主排気流路２が全開状態とされると共に、迂回流路３が全閉状態とされる。すなわち、前述の（γ）に対応する態様である。これにより、熱交換器と熱電発電素子に高温大流量の排気ガスを接触させることがなくなるので、熱交換器においては過度の熱回収および冷却水の沸騰を、熱電発電装置においては過度の発電や素子への熱害を、それぞれ防止できる。もちろん、主排気流路２（バイパス流路）にだけ抵抗なく排気ガスを流すことで、内燃機関の出力性能を確保することもできる。

図６乃至図８は、本発明の第２の実施形態に係る排気熱回収装置１ｘを示すものであり、前述の第１の実施形態に対して、熱電発電装置６と熱交換器７の配置順序が逆となっている。即ち、迂回流路３における上流側に熱交換器７を配置すると共に下流側に熱電発電装置６を配置したものである。このような配置とすることにより、内燃機関から流下してきた排気ガスが直接熱交換器７に導入されるため、暖機時の冷却媒体の早期温度上昇に寄与する。尚、冷却媒体の導入順序については、第１の実施形態と同様に熱電発電装置６へ先に通し、熱電発電装置６によって加熱された後の冷却媒体が熱交換器７へ流入するという順序が、合理的であるが、必要に応じて適宜順序を入れ替えても構わない

図６の態様は、第１の実施形態における図１の態様と同じ状態を示すものであり、内燃機関の暖機中の状態である。内燃機関から流下してきた排気ガスが直接熱交換器７に導入されるため、暖機時の冷却媒体の早期温度上昇に効果的である。

図７の態様は、第１の実施形態における図２の態様と同じ状態、すなわち暖機完了後の内燃機関の中回転乃至高回転時における状態を示すものであり、適度な熱電発電および熱回収を実施する状態である。この状態においては、弁部材１０は主排気流路２と迂回流路３の両方に排気ガスを流せる範囲内で揺動し、時々刻々の優先要件に従い電子制御ユニットＥＣＵからの指示を受けて、各流路へ流す割合(配分)を決めている。この場合においても、熱電発電よりも熱回収を積極的に実施できる構造として有効である。

図８の態様は、第１の実施形態における図３の態様と同じ状態、すなわち内燃機関の中回転乃至高回転時、あるいは高負荷時の状態を示すもので、主排気流路２が全開状態とされると共に、迂回流路３が全閉状態とされる。この場合においては熱電発電装置６と熱交換器７の順序は関係が無いが、図３の態様と同様に、熱交換器においては過度の熱回収および冷却水の沸騰を、熱電発電装置においては過度の発電や素子への熱害を、それぞれ防止できると共に、主排気流路２（バイパス流路）にだけ抵抗なく排気ガスを流すことで、内燃機関の出力性能を確保することもできる。

図９乃至図１１は、本発明の第３の実施形態に係る排気熱回収装置１ｙを示すものであり、前述の第１の実施形態に対して、冷却媒体の流路および制御が異なる。図９において、図示しない車両の冷却媒体通路から分岐してきた冷却媒体配管２１０が分岐２１１において第１導入管２１２および第２導入管２１３とに分かれ、第１導入管２１２は熱電発電装置６に、第２導入管２１３は熱交換器７へそれぞれ接続される。そして熱電発電装置６に接続された第１導出管２１４と熱交換器７に接続された第２導出管２１５は切換弁２１７に接続されている。冷却媒体の流れを切替える切換弁２１７は、第１導出管２１４内および第２導出管２１５内を流れて来る冷却媒体の流れを選択可能な所謂三方弁であり、第１導出管２１４からの冷却媒体と第２導出管２１５からの冷却媒体の流れについて、何れか一方を選択するか、あるいは両方を選択することが可能である。従って、熱電発電装置６と熱交換器７について、何れか一方のみに冷却媒体を流すことも、両方に冷却媒体を流すことも自在である。尚、三方弁の構造については周知であるため、図示を省略する。

図９の態様は、第１の実施形態における図１の態様と同じ状態であり、内燃機関の暖機中の状態である。暖機過程において早く車両の冷却媒体を昇熱させたいとの要求を優先して、切換弁２１７を操作して冷却媒体を熱交換器７のみに流す状態とし、熱電発電装置６には流さない。それにより、熱電発電装置６に冷却水の熱を奪われることがなくなるため、冷却媒体の早期温度上昇が促進される。

図１０の態様は、第１の実施形態における図２の態様と同じ状態であり、内燃機関の中回転乃至高回転時の状態において適度な熱発電および熱回収を実施するものである。この状態においては、切換弁２１７を操作して熱電発電装置６と熱交換器７の両方に冷却媒体を流す状態とする。低い温度の冷却媒体を直接導入したい熱電発電装置６が熱交換器７の影響を受けることがなくなり、発電効率を高めることができる。特に寒冷地などにおいては、熱交換器７における常時熱回収によって暖房補助としたいニーズがあり、本実施形態によれば、熱発電と常時熱回収を効率的に両立させることができる。

一方、内燃機関の中回転乃至高回転時の状態において、熱回収する必要がなく、積極的に熱発電を実施したいような場合においては、図１１の態様のように、切換弁２１７を操作して熱電発電装置６のみに冷却水を流し、熱交換器７への流入を止めると良い。但し、熱交換器７に排気ガスが流入し、熱交換器７内での冷却媒体が沸騰する懸念があるため、熱交換器７内で冷却媒体温度を何らかの手段で監視しておくことが好ましい。

１ 、１ｘ、１ｙ 排気熱回収装置
２ 主排気流路
３ 迂回流路
４ 分岐部
５ 合流部
６ 熱電発電装置
６ａ 熱電素子
６ｂ 熱交換フィン
６ｃ 冷却媒体流路
６ｄ 導入管
７ 熱交換器
７ａ 熱交換フィン
７ｂ 冷却媒体流路
７ｃ 導出管
８ 連通管
９ ピボット軸
１０ 弁装置
１１ 凹部
２１０、２１６ 冷却媒体配管
２１１ 分岐
２１２ 第１導入管
２１３ 第２導入管
２１４ 第１導出管
２１５ 第２導出管
２１７ 切換弁

Claims (3)

1. 内燃機関の排気ガスを導入する主排気流路と、該主排気流路から分岐し当該主排気流路と合流部において合流する迂回流路と、前記合流部において前記主排気流路と前記迂回流路を開閉する弁装置とを備える排気熱回収装置において、前記迂回流路には前記迂回流路内の排気ガスと熱交換をする熱交換器及び熱電発電装置を具備し、前記弁装置は前記主排気流路及び前記迂回流路の一方を閉塞した状態で他方の流路面積を連続的に設定する単一の弁部材であることを特徴とする排気熱回収装置。
2. 前記単一の弁部材を前記内燃機関の運転状態に応じて駆動し、前記主排気流路及び前記迂回流路の流路切換を行うと共に、前記主排気流路及び前記迂回流路の各々の流路面積調整を行う制御装置を備えたことを特徴とする請求項１記載の排気熱回収装置。
3. 前記熱交換器及び前記熱電発電装置は冷却媒体の流路を具備し、前記内燃機関の冷却媒体を導入して熱交換を行うことを特徴とする請求項１又は２記載の排気熱回収装置。

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