JP2004036499A

JP2004036499A - 自動車用排熱回収装置

Info

Publication number: JP2004036499A
Application number: JP2002195148A
Authority: JP
Inventors: Kiyohito Murata; 村田　清仁
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-07-03
Filing date: 2002-07-03
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2022-07-03
Also published as: JP4232399B2

Abstract

【課題】小型化を可能とし、排気浄化と排熱回収の両方を効率よく行うことが可能な排熱回収装置を提供する。
【解決手段】シリンダ１０内にディスプレーサーピストン１１とパワーピストン１２を備え、発電機２を駆動するスターリングエンジンは、リジェネレータ３に接続される熱交換器５が排ガス流路６内に配置されており、この熱交換器５の排ガス流路６内の露出表面に三元触媒が配置されている。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車に搭載される内燃機関の排熱を回収する排熱回収装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車に搭載される内燃機関は、熱エネルギーの約３割が排気ガスの熱エネルギーとして捨てられているのが実状である。そこで、自動車の燃費、効率を向上させるためには、排気ガスのエネルギー（排熱）を回収することが有効と考えられる。定置式のコジェネレーションシステムなどにおいては、熱交換器を利用した排熱回収装置が広く用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、自動車においては、エンジンルームのスペースが限られており、一般的な熱交換器を利用した排熱回収装置を配置することが困難である。また、排気系には排気浄化装置が設置されるが、排気浄化装置と排熱回収装置とも効率良く作動する排気温度の範囲が限定されるので、その配置関係、運転条件の設定が難しく、実用化が進んでいない。
【０００４】
そこで本発明は、小型化を可能とし、排気浄化と排熱回収の両方を効率よく行うことが可能な排熱回収装置を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る排熱回収装置は、内燃機関の排気系に配置される排熱回収装置であって、排気を熱源とするスターリングエンジンを備え、このスターリングエンジンの熱交換部に排気浄化触媒を配置しているものである。
【０００６】
スターリングエンジンを用いることで、排気系に配置することで排熱を回収することが可能である。そして、スターリングエンジンの熱交換部に排気浄化触媒を配置して、排熱回収装置と排気浄化装置を一体化することにより、両者を別々に設ける場合に比べて全体をコンパクトな構成とすることができる。スターリングエンジンの性能は熱交換面積の大小に左右されるが、排気浄化触媒が一体化されていることでこの部分の大きさを確保しつつ、装置全体をコンパクトにすることが可能となる。また、触媒の温度制御が容易になる。
【０００７】
この熱交換部は、排気通路が折り返し構造とされていることが好ましい。これにより、排気との熱交換面積を確保することができる。
【０００８】
また、熱交換部は、排気との熱交換面積を増大させるフィンを備えているとよい。あるいは、この熱交換部は、多孔質体によって形成されていることが好ましい。このようにすると、排気との熱交換面積をより増大させることが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は本発明に係る自動車用排熱回収装置の第１の実施形態を示す概略構成図であり、図２は、そのＩＩ−ＩＩ線断面図である。この排熱回収装置１００は、図示していないエンジンの排気ポートに接続されるものであって、スターリングエンジンシステムを構成している。
【００１１】
具体的には、密封容器であるシリンダ１０内には、往復駆動するディスプレーサーピストン１１とパワーピストン１２が同軸で配置されており、それぞれコンロッド１３、１４を介してクランク軸１５に接続されている。密封容器内には作動流体として高圧のヘリウムガスが貯留されている。クランク軸１５は発電機２に接続されている。シリンダ１０の筒壁のクランク軸１５と反対の側にはリジェネレータ３がリジェネレータ３よりクランク軸１５よりにはクーラー４が配置され、クーラー４には外部から冷却水が供給されている。排ガス流路６中には、熱交換器５が配置されており、この熱交換器は内部に熱媒体を流動させるパイプ５０とパイプ５０と一体化されたフィン５１で構成されており（図２参照）、パイプ５０はリジェネレータ３に接続され、熱媒体を循環させる構成となっている。そして、フィン５１には排気浄化用の三元触媒が塗布されている。
【００１２】
次に、この排熱回収装置の動作を説明する。触媒温度が低い、つまり、フィン５１の表面温度が低い場合には、クランク軸１５をロックしてスターリングシステムの作動を停止させる。これにより、フィン５１表面に塗布された触媒の昇温を促す。
【００１３】
触媒温度が高い場合には、触媒温度を低下させるため、クランク軸１５のロックを解除して、スターリングシステムを作動させる。ディスプレーサーピストン１１とシリンダ１０の筒壁との間には隙間があり、ディスプレーサーピストン１１がシリンダ１０内で図中左側に位置している際には、シリンダ１０内のヘリウムガスはリジェネレータ３によって加熱されて膨張し、パワーピストン５をシリンダ１０内で図の左方向に移動させる。一方、ディスプレーサーピストン１１が図１に示すようにシリンダ１０内で右側に位置している際には、シリンダ１０内のヘリウムガスはクーラー４によって冷却されて収縮し、パワーピストン５をシリンダ１０内で図の右方向に移動させる。パワーピストン５の往復運動はコンロッド１４を介してクランク軸１５に伝えられ、発電機２を回転させて電気エネルギーが得られる。クランク軸１５の回転はまた、コンロッド１３を介してディスプレーサーピストン１１に伝えられ、これを往復駆動させる。このようにして排気の熱エネルギーを利用して発電を行うことで熱エネルギーの回収が図れる。また、触媒を熱交換器として利用することで、触媒の過熱を抑制することができ、エミッションの劣化を抑制できる。また、高速運転時等の高負荷時の触媒過熱防止策として、従来排気温度を下げるために行われてきた燃料リッチ制御が不要となるため、高速燃費が向上する効果も得られる。
【００１４】
また、排気浄化装置（三元触媒）と排熱回収装置とが一体化されているため、装置全体のコンパクト化が図れ、エンジンの排気ポートに近接して配置することができるので、排気浄化性能、排熱回収効率の両者を向上させることができる。
【００１５】
（第２の実施形態）
図３は、本発明に係る自動車用排熱回収装置の第２の実施形態を示す概略構成図であり、図４がそのＩＶ−ＩＶ線断面図、図５がＶ−Ｖ線断面図である。この第２実施形態においては、２気筒のスターリングエンジンがエンジンの排気ポートに近接して配置されている。このようにスターリングエンジンを多気筒化しても、排気浄化装置と排熱回収装置を一体化させてコンパクト化しているため、エンジンに近接して配置することが可能となり、搭載性が向上する。そして、エンジン１の排気ポートに近接して配置することで、運転初期における触媒の昇温性を向上させることができる。一方、排気ポートに近接して触媒を配置すると、高負荷時に高温の排ガスが流入するが、本実施形態では第１の実施形態と同様に、スターリングエンジンの駆動により、触媒の冷却が可能であるため、従来のような触媒過熱を心配する必要がない。
【００１６】
（第３の実施形態）
図６は、本発明に係る自動車用排熱回収装置の第３の実施形態を示す概略構成図である。この実施形態は、基本的には第１の実施形態と同一であり、熱交換器５の構造のみが第１の実施形態と異なっている。具体的には、この実施形態では、熱交換器５はＳｉＣ等によって形成された多孔質性の内側円筒５２とこの内側円筒の一端と外側を包み込む外側円筒５３を有し、パイプ５０がこの円筒５２、５３内に配置されている。
【００１７】
このような構成とすることで、第１の実施形態では、フィン５１のフィン方向に沿って流動していた排ガスは、この第３の実施形態では、熱交換器５の内側円筒部５２に導入されて軸方向に流れた後、外側円筒部５３に導入され、軸方向に逆方向に流動して排出される。つまり、触媒の表面積を大きくし、熱交換面積を増大させ、かつ、排ガス流路を折り返し構造とすることで、熱交換器内の排ガス流路を長くとることができるため、熱交換効率が増大し、回収エネルギー量を増大させることができるとともに、触媒冷却能力が向上する。その結果、熱交換器をコンパクト化することができる。
【００１８】
（第４の実施形態）
図７は、本発明に係る自動車用排熱回収装置の第４の実施形態を示す概略構成図であり、図８がそのＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。この実施形態も基本的には第１の実施形態と同一であり、熱交換器５の構造のみが第１〜第３の実施形態と異なっている。具体的には、この実施形態では、熱交換器５のフィン５４がパイプ５１および排ガス流動方向に直交して配置される金属プレートからなり、このプレート５４には排ガスが導通するための多数の空孔５４ａが配置されている点が相違する。そして、このプレート５４表面に三元触媒が担持されている。
【００１９】
この実施形態においても第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００２０】
（第５の実施形態）
図９は、本発明に係る自動車用排熱回収装置の第５の実施形態を示す概略構成図であり、図１０はその熱交換部をＸ方向からみた図である。この実施形態も基本的には第１の実施形態と同一であり、熱交換器５の構造のみが第１〜第４の実施形態と異なっている。具体的には、この実施形態では、熱交換器５はパイプ５０を多層化した多層パイプ群から構成されている。そして、各パイプ５０をらせん状に形成することで、パイプ５０の密集配置を可能としている。このパイプ５０の表面に三元触媒を塗布、蒸着等により配置することで、触媒の温度管理がさらに容易になる利点もある。そして、フィン等が存在しないので、熱交換器５をそれだけ小型化することができ、装置全体のコンパクト化が図れる。
【００２１】
以上の説明では、スターリングエンジン部分の構成をほぼ同一としたが、スターリングエンジン部分については各種の構成を採用することができる。いずれの場合でも熱源として排気ガスを用い、排気との熱交換部に三元触媒、その他の排気浄化触媒を配置する点は共通させる必要がある。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、熱交換部に排気浄化触媒を配置したスターリングエンジンシステムを排気系に配置するので、排気浄化装置と排熱回収装置を一体化してコンパクト化が図れる。また、スターリングエンジンシステムの作動により排気浄化触媒を冷却できるため、従来のようにエンジンの排気温度を低下させるための燃料リッチ制御が不要となり、燃費向上が図れる。さらに、排気浄化触媒をエンジンの排気ポートに近接して配置することができるので、搭載性が向上し、また、熱回収効率を向上させることができ、触媒の昇温性能も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る自動車用排熱回収装置の第１の実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】本発明に係る自動車用排熱回収装置の第２の実施形態を示す概略構成図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】図３のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】本発明に係る自動車用排熱回収装置の第３の実施形態を示す概略構成図である。
【図７】本発明に係る自動車用排熱回収装置の第４の実施形態を示す概略構成図である。
【図８】図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。
【図９】本発明に係る自動車用排熱回収装置の第５の実施形態を示す概略構成図である。
【図１０】図９の熱交換部をＸ方向からみた図である。
【符号の説明】
２…発電機、３…リジェネレータ、４…クーラー、５…熱交換器、６…排ガス流路、１０…シリンダ、１１…ディスプレーサーピストン、１２…パワーピストン、１３、１４…コンロッド、１５…クランク軸、５０…パイプ、５１、５４…フィン、５２…内側円筒、５３…外側円筒、１００…排熱回収装置。

Claims

自動車に搭載される内燃機関の排気系に配置される排熱回収装置であって、
排気を熱源とするスターリングエンジンを備え、前記スターリングエンジンの熱交換部に排気浄化触媒を配置している自動車用排熱回収装置。
前記熱交換部は、排気通路が折り返し構造とされている請求項１記載の自動車用排熱回収装置。
前記熱交換部は、排気との熱交換面積を増大させるフィンを備えている請求項１または２に記載の自動車用排熱回収装置。
前記熱交換部は、多孔質体によって形成されている請求項１〜３のいずれかに記載の自動車用排熱回収装置。