JP2004011512A

JP2004011512A - エンジンの排熱回収装置

Info

Publication number: JP2004011512A
Application number: JP2002165144A
Authority: JP
Inventors: Masaru Oishi; 大石　勝
Original assignee: Sango Co Ltd
Current assignee: Sango Co Ltd
Priority date: 2002-06-06
Filing date: 2002-06-06
Publication date: 2004-01-15

Abstract

【課題】触媒コンバータの上流と下流に排熱回収手段を設けたものにおいて、排気ガスの高温時には高温の排気ガス熱によって触媒コンバータの劣化を招かないようにし、排気ガスの低温時には、排気ガスの熱を回収することなく触媒コンバータへ流入させて触媒の安定した浄化性能が得られるようにする。
【解決手段】エンジンの排気流路２の途中に触媒コンバータ３を設け、触媒コンバータ３の上流の排気流路に高温用排熱回収手段４を設け、触媒コンバータ３の下流の排気流路に低温用排熱回収手段５を設ける。前記高温用排熱回収手段４よりも上流にて排気流路から分岐し、高温用排熱回収手段４をバイパスして触媒コンバータ３の上流に通じるバイパス流路６と、排気ガスの温度に応じて前記排気流路とバイパス流路６への排気ガスの流れを制御する制御バルブ７を設ける。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエンジンの排熱回収装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車等のエンジンの排熱（排気ガスの熱エネルギー）の一部を回収し、この回収した熱を利用してエンジンの暖機性能の向上や車室内ヒータ性能の向上を図り、また、排熱による触媒の高温劣化を防止する装置が提案されており、例えば図６に示すように、エンジン１０１からの排気流路に触媒コンバータ１０２を設け、該触媒コンバータ１０２の上流側排気流路１０３と下流側排気流路１０４とに、第１熱交換器１０５と第２熱交換器１０６を設け、水などの受熱媒体をポンプ１０７により圧送するとともに触媒コンバータ１０２の温度に応じて分配器１０８により第１熱交換器１０５と第２熱交換器１０６に分配供給するものが特開昭６０−９３１１０号公報に開示されている。これを第１の従来の技術とする。
【０００３】
また、図７に示すように、触媒コンバータ２０１の後方に、高温用排熱回収手段２０２を備えた第１排気ガス流路２０３と、低温用排熱回収手段２０４を備えた第２排気ガス流路２０５とを設け、排気ガスの温度に応じて前記２つの排気ガス流路２０３，２０５を切り換えるバルブ２０６を設けたものが特開平５−１９５７６５号公報に開示されている。これを第２の従来の技術とする。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記第１の従来の技術においては、エンジン始動時等の排気ガスが低温の場合には、受熱媒体を第２熱交換器１０６側に分配制御しても排気ガスは必ず第１熱交換器１０５内を通るため、触媒コンバータ１０２へ流入する排気ガスの温度が低下してしまい、触媒による十分な浄化性能が得られないという問題がある。
【０００５】
また、前記第２の従来の技術においては、触媒コンバータ２０１の後方に両排熱回収手段２０２，２０４があるため、排気ガスが高温の場合、その高温の排気ガスが触媒コンバータ２０１を通ることになり、触媒コンバータ２０１の高温劣化を招くおそれがあり、また、高温用排熱回収手段２０２による熱回収が行われにくい問題がある。
【０００６】
そこで本発明は、前記の各問題を解決する内燃機関の排熱回収装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、請求項１記載の第１の発明は、エンジンの排気流路の途中に触媒コンバータを設け、触媒コンバータの上流の排気流路に高温用排熱回収手段を設け、触媒コンバータの下流の排気流路に低温用排熱回収手段を設けてなるエンジンの排熱回収装置において、
前記高温用排熱回収手段よりも上流にて排気流路から分岐し、高温用排熱回収手段をバイパスして触媒コンバータの上流に通じるバイパス流路と、排気ガスの温度に応じて前記排気流路とバイパス流路への排気ガスの流れを制御する制御バルブを設けたことを特徴とするものである。
【０００８】
本発明において、エンジンからの排気ガスの温度が、設定温度以上の場合には、制御バルブを高温用排熱回収手段側の排気流路に切り換えることにより、高温の排気ガスの熱を高温用排熱回収手段で回収して温度低下を図り、この温度低下した排気ガスを触媒コンバータへ流す。これにより、排気ガスの高温時における触媒コンバータの高温劣化を防止することができる。更に、高温の排気ガスが高温用排熱回収手段を通るので、十分な熱回収が行われる。
【０００９】
また、エンジンの始動時などにおいて、エンジンからの排気ガスの温度が、設定温度以下の場合には、制御バルブをバイパス流路側に切り換えることにより、その排気ガスは、高温用排熱回収手段を流通することなく触媒コンバータに流入する。これにより、低温の排気ガスが、高温用排熱回収手段によって更に温度低下を招くことを防止し、触媒コンバータの温度を適正範囲内に維持して、触媒による安定した浄化性能を得ることができる。また、低温の排気ガスが低温用排熱回収手段を流通することにより、排気ガスの熱の回収が行われる。
【００１０】
また、前記高温用および低温用排熱回収手段で回収された排気ガスの熱エネルギーは有効に活用できる。
【００１１】
更に、熱回収により排気ガスの温度が下がり、排気騒音が低減され、メインマフラやサブマフラの小型化を図ることができる。
また、排気ガスの温度に応じて、排気ガスの流量が、排気流路とバイパス流路に同時に所望の割合で分配されるように制御バルブを制御することにより、触媒コンバータの浄化性能や、熱の回収を最適に制御することができる。
【００１２】
請求項２記載の第２の発明は、前記第１の発明において、前記高温用排熱回収手段を設けた排気流路と前記低温用排熱回収手段を設けた排気流路とを近接して、前記高温用排熱回収手段と低温用排熱回収手段とを一体型構造にしたものである。
【００１３】
本発明においては、両排気流路を近接して両排熱回収手段を一体型構造にしたので、本発明の排熱回収装置をコンパクトにすることができる。
【００１４】
請求項３記載の第３の発明は、前記第１又は第２の発明において、少なくとも前記触媒コンバータの上流側の排気流路を断熱構造にしたものである。
【００１５】
本発明においては、触媒コンバータの上流側の排気流路を断熱構造としたことにより、排気ガスが保温され、触媒コンバータの早期活性化が可能となり、エミッションが向上する。
【００１６】
請求項４記載の第４の発明は、前記第１乃至第３の発明において、前記高温用排熱回収手段および低温用排熱回収手段として、熱電変換モジュールの高温側を排気流路側に配置し、低温側に冷却ユニットを配置してなる熱電変換システムで構成したものである。
【００１７】
本発明においては、熱電変換モジュールにより排熱エネルギーの一部を電気に変換して回収し、この電気を各電装品の駆動源として利用することができる。そのため、オルタネータの負荷が低減され、燃費の向上を図ることができる。
【００１８】
更に、冷却ユニットを水冷式にしてエンジンの冷却水を使用することにより、冷寒時のヒータ性能の向上およびエンジンの暖機性の向上を図ることができ、燃費が向上する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施の形態を図１乃至図５に示す実施例に基づいて説明する。
【００２０】
図１及び図２は第１実施例を示す。
エンジン１からの排気ガスが流れるメイン排気ガス流路（排気流路）２の途中には触媒コンバータ３が設けられており、該触媒コンバータ３の上流側のメイン排気ガス流路２には高温用排熱回収手段４が設けられ、下流側のメイン排気ガス流路２には低温用排熱回収手段５が設けられている。
【００２１】
この高温用および低温用の両排熱回収手段４，５は、水あるいは空気などの受熱媒体を用いて排気ガスの熱を回収する一般的な熱交換器を用いてもよく、また、後述する熱電変換システムを使用してもよい。
【００２２】
前記高温用排熱回収手段４よりも上流側のメイン排気ガス流路２からバイパス流路６が分岐され、該バイパス流路６の下流側は前記高温用排熱回収手段４をバイパスして前記触媒コンバータ３の上流側のメイン排気ガス流路２に連通している。
【００２３】
前記バイパス流路６の分岐部には、エンジン１側からの排気ガスの流れを、分岐部より下流のメイン排気ガス流路２またはバイパス流路６へ切り換える制御バルブ７が設けられている。なお、この制御バルブ７は前記高温用排熱回収手段４の下流側におけるメイン排気ガス流路２とバイパス流路６の下流端との連通部（分岐点）に設けて流路を切り換えるようにしてもよい。
【００２４】
前記制御バルブ７としては、エンジン吸気負圧あるいは電気にて制御されるアクチュエータ制御式バルブや、背圧感応式バルブを用いることができる。
【００２５】
また、前記制御バルブ７の切り換えは、排気ガスの温度に応じて排気ガスの流通をメイン排気ガス流路２側へ切り換えたりバイパス流路６側に切り換えるようになっており、例えば触媒コンバータ３の近傍の排気ガスの温度を測定する温度センサを設けるとともにこの温度センサからの信号により制御バルブ７に切り換え信号を発する制御回路等を設け、排気ガスの温度が設定した温度より高温の場合には制御バルブ７が、該制御バルブ７の上流側及び下流側のメイン排気ガス流路２を連通するとともにバイパス流路６を閉塞するように切り換わり、また、排気ガスが設定以下の低温の場合には、制御バルブ７の上流側のメイン排気ガス流路２とバイパス流路６とを連通するとともに制御バルブ７の下流側のメイン排気ガス流路２を閉塞するようになっている。
【００２６】
以上の構成において、エンジン１からの排気ガスの温度が設定以上の高温の場合には、制御バルブ７がメイン排気ガス流路２側へ切り換わり、排気ガスの流れは、図１の実線の矢印の如く、高温用排熱回収手段４→触媒コンバータ３→低温用排熱回収手段５を通りメイン排気ガス流路２の下流へ流れる。
【００２７】
したがって、高温の排気ガスの熱の一部は高温用排熱回収手段４にて熱交換されて回収され、排気ガスの温度が低下し、触媒コンバータ３の高温劣化を招くことが防止される。この回収した熱は後述するように有効に利用することができる。
【００２８】
また、エンジン１の始動時等において排気ガスが設定以下の低温の場合には、制御バルブ７が、バイパス流路６側へ切り換わり、排気ガスの流れは、図１の破線の如く、バイパス流路６→触媒コンバータ３→低温用排熱回収手段５を通りメイン排気ガス流路２の下流へ流れる。
【００２９】
したがって、低温の排気ガスが高温用排熱回収装置４によって更に低温化されることなく触媒コンバータ３へ流入し、触媒コンバータ３の温度を適正範囲内に維持することができ、触媒コンバータ３の早期活性化を図り、触媒による安定した浄化性能が得られる。
【００３０】
次に、前記高温用および低温用排熱回収手段４，５として、熱電変換モジュールと冷却ユニットからなる熱電変換システムを使用する場合の例について図２により説明する。
【００３１】
高温用排熱回収手段４に用いる熱電変換システム９としては、例えば図２に示す熱電変換モジュール１０に高温耐熱性を有するＳｉ−Ｇｅ系熱電変換モジュールを使用し、また、低温用排熱回収手段５に用いる熱電変換システム９としては、例えば図２に示す熱電変換モジュール１０に比較的低温時で発電効率の高いＢｉ−Ｔｅ系熱電変換モジュールを使用する。
【００３２】
また、高温用排熱回収手段４に用いる熱電変換モジュール１０として、例えば、Ｃｏ−Ｓｂ系の熱電変換モジュールや、Ｃｏ−Ｓｂ系熱電変換モジュールのスクッテルダイト構造を有するものや、別材料熱電変換モジュールを組み合わせるカスケードタイプ、セグメントタイプを使用してもよい。
【００３３】
前記の熱電変換モジュール１０は、発電効率の高い材質、構成であればよく、前記のものに限定するものではない。
【００３４】
そして、前記熱電変換モジュール１０の高温側面１０ａを、例えば、電気絶縁層１１、高温側部材１２を介して前記メイン排気ガス流路２に配置するとともにその受熱フィン１３をメイン排気ガス流路２中に配置し、排気ガスの熱が高温側部材１２、電気絶縁層１１を伝熱して熱電変換モジュール１０の高温側面１０ａに伝熱するようになっている。
【００３５】
熱電変換システム９を構成する冷却ユニット１４は、前記熱電変換モジュール１０の低温側面１０ｂに電気絶縁層１５を介して配置されており、受熱媒体通路１６を形成している。
【００３６】
そして、冷却ユニット１４の受熱媒体通路１６に、受熱媒体である冷却水（水冷式）あるいは空気（空冷式）を流通させて、前記熱電変換モジュール１０からの熱を受熱する。
【００３７】
前記の構成において、熱発電素子からなる熱電変換モジュール１０の高温側面１０ａに排気ガスの高温の熱が作用し、低温側面１０ｂが受熱媒体により低温であると、この温度差により、熱変換モジュール１０において熱エネルギーが電気エネルギーに変換される。そのため、この電気を回収して各電装品に使用することができる。
【００３８】
また、冷却ユニット１４を水冷式としてエンジン冷却水を受熱媒体通路１６に流通させた場合には、発電に使用されなかった排気熱エネルギーがエンジン冷却水に回収され、エンジンの暖機性能の向上および車室内のヒータ性能の向上を図ることができる。
【００３９】
また、冷却ユニット１４に、図２に示すようなフィン１７を形成すると放熱しやすくなり、発電効率を高めることができる。
【００４０】
なお、前記受熱フィン１３および放熱フィン１７の形状は、図２に示す形状に限るものではない。
【００４１】
前記図１において、少なくとも触媒コンバータ３よりも上流の排気流路、すなわち、メイン排気ガス流路２とバイパス流路６は、２重管構造や断熱材を用いた断熱構造２ａ，６ａとして、排気ガスが比較的低温の場合に、触媒コンバータ３の早期活性化を果たす構造になっている。
【００４２】
次に、図３に示す第２実施例について説明する。
本第２実施例は、前記第１実施例と同様の高温用排熱回収手段４と低温用排熱回収手段５とを隣接して一体型構造にしたものである。
【００４３】
本実施例における制御バルブ７および流路の構成は、一体化させた高温用および低温用排熱回収手段４，５に適合させたもので、前記第１実施例と同様である。また、高温用および低温用排熱回収手段４，５も前記と同様であるが、その冷却ユニット１４は、高温用および低温用排熱回収手段４，５にそれぞれ別個独立して設けてもよいし、両者に共通させて１個にしてもよい。
【００４４】
その他の構造は前記第１実施例と同様であるため、前記と同一部分には前記と同一の符号を付してその説明は省略する。
【００４５】
前記図３は模式的に表したものであるが、これを具体化した構造の例として図４に第３実施例として示す。
【００４６】
図４において、２はメイン排気ガス流路で、その上流端はフランジ３１によりエンジン１側の排気管に接続される。メイン排気ガス流路２の途中にはバイパス流路６が分岐されている。該分岐部には前記の制御バルブ７が設けられており、アクチュエータ７ａにより、制御バルブ７を、設定以上の高温時にはＡ側位置に切り換えて排気ガスをメイン排気ガス流路２側へ流し、設定以下の低温時にはＢ側位置に切り換えて排気ガスをバイパス流路６へ流すようになっている。
【００４７】
前記のように高温時にメイン排気ガス流路２へ流れた排気ガスは、図４の実線の矢印の如く、流路２ｂを通じて高温用の熱電変換システム９Ａを備えた流路２ｃに流入し、その後、隔壁３２，３３で仕切られた流路２ｄを通じて触媒コンバータ３に流入し、その後、流路２ｅを通じて低温用の熱電変換システム９Ｂを備えた流路２ｆに流入し、その後、流路２ｇを通じて排出される。
【００４８】
また、前記のように低温時にバイパス流路６へ流れた排気ガスは、図４の破線の矢印の如く、流路６ｂを通じて触媒コンバータ３に流入し、その後、流路２ｅによって低温用の熱電変換システム９Ｂを備えた流路２ｆに流入し、その後、流路２ｇから排出される。
【００４９】
前記流路２ｃと２ｆは図４および図５に示すように、隣接して並行に配置され、これら両流路２ｃと２ｆを共通の基板３４などの適宜手段で連結し、両流路２ｃ，２ｆに位置して高温用の熱電変換システム９Ａと低温用の熱電変換システム９Ｂが付設されており、これにより、高温用排熱回収手段４と低温用排熱回収手段５とが一体型構造になっている。
【００５０】
なお、図４に示す実施例においても、少なくとも、メイン排気ガス流路２、流路２ｂ〜２ｄ及びバイパス流路６、流路６ｂを前記のように２重管構造や断熱構造にするとよい。
【００５１】
前記各実施例は、制御バルブ７を、排気ガスが、排気ガス流路２とバイパス流路６のいずれか一方に流れる場合は他方への流れを阻止するように切り換わる流路切換バルブで構成した例であるが、前記各実施例の制御バルブ７およびその制御回路などを、排気ガスの温度に応じて、排気ガスが排気ガス流路２とバイパス流路６へ同時に、かつ、所定の割合の量で分配されるように構成してもよい。このような分配制御を行う場合には、制御バルブ７をアクチュエータ制御式バルブを用いるとよい。
【００５２】
このように、排気ガスの温度に応じて排気ガスを、排気ガス流路２とバイパス流路６へ同時に所定の割合の量で分配制御することにより、触媒コンバータの浄化性能や、熱の回収性を最適にすることができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上のようであるから、請求項１に記載の発明によれば、排気ガスが高温の場合には、その排気ガスの温度を低下させて触媒コンバータへ流入させるため、触媒コンバータの高温劣化を防止することができる。
【００５４】
また、排気ガスが低温の場合には、この排気ガスの温度を低下させることなく触媒コンバータへ流入させて、触媒コンバータの十分な浄化性能を発揮させることができる。
【００５５】
更に、排気ガスの熱の一部を回収できることにより、排気ガスの熱エネルギーを有効活用し、燃費向上、ＣＯ_２の削減ができる。また、高温の排気ガスが高温用排熱回収手段を通るため、熱回収が十分行われる。
【００５６】
更に、排気ガスの熱の一部を回収することにより、排気ガスの温度が下がり、排気騒音を低減でき、メインマフラ、サブマフラの小型化が実現できる。
【００５７】
請求項２記載の発明によれば、更に、排熱回収装置のコンパクト化およびそれに伴い、コストの低減が可能になる。
【００５８】
請求項３記載の発明によれば、更に、特に排気ガスが低温の場合に、排気ガスを保温して、触媒コンバータの早期活性化を図ることができ、エミッションが向上する。
【００５９】
そして、請求項４記載の発明によれば、更に、排気ガスの熱エネルギーを電気に変換して回収し、この電気を各電装品に使用することができ、オルタネータの負荷の低減、燃費の向上を図ることができる。
【００６０】
更に、冷却ユニットを水冷式にしてエンジンの冷却水を使用することにより、冷寒時のヒータ性能の向上およびエンジンの暖機性の向上を図り、燃費の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す概略構成図。
【図２】本発明の熱電変換システムの実施例を示す断面図。
【図３】本発明の第２実施例を示す概略構成図。
【図４】図３に示す実施例を具体化した例を示す図。
【図５】図４における熱電変換システム部の断面図。
【図６】第１の従来の技術を示す概略構成図。
【図７】第２の従来の技術を示す概略構成図。
【符号の説明】
１　　エンジン
２　　排気流路（メイン排気ガス流路）
３　　触媒コンバータ
４　　高温用排熱回収手段
５　　低温用排熱回収手段
６　　バイパス流路
７　　制御バルブ
２ａ，６ａ　　断熱構造
１０　熱電変換モジュール
１４　冷却ユニット

Claims

エンジンの排気流路の途中に触媒コンバータを設け、触媒コンバータの上流の排気流路に高温用排熱回収手段を設け、触媒コンバータの下流の排気流路に低温用排熱回収手段を設けてなるエンジンの排熱回収装置において、
前記高温用排熱回収手段よりも上流にて排気流路から分岐し、高温用排熱回収手段をバイパスして触媒コンバータの上流に通じるバイパス流路と、排気ガスの温度に応じて前記排気流路とバイパス流路への排気ガスの流れを制御する制御バルブを設けたことを特徴とするエンジンの排熱回収装置。
前記高温用排熱回収手段を設けた排気流路と前記低温用排熱回収手段を設けた排気流路とを近接して、前記高温用排熱回収手段と低温用排熱回収手段とを一体型構造にした請求項１記載のエンジンの排熱回収装置。
少なくとも前記触媒コンバータの上流側の排気流路を断熱構造にした請求項１又は２記載のエンジンの排熱回収装置。
前記高温用排熱回収手段および低温用排熱回収手段として、熱電変換モジュールの高温側を排気流路側に配置し、低温側に冷却ユニットを配置してなる熱電変換システムで構成した請求項１乃至３のいずれかに記載のエンジンの排熱回収装置。