JP2005299417A - 排気熱発電装置およびそれを備えた自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】 配管構造を複雑化することなく排気熱発電装置の熱電変換効率を向上させる。
【解決手段】 エンジン１０からの排気１５は、排気管１１０内部を所定方向に沿って排出される。冷却水ポンプ２３０は、冷却水循環路２５０，２６０のそれぞれに冷媒が循環するように冷却水を供給する。冷却水循環路２６０には、排気管１１０に沿って設けられ、内部を冷却水が流れる冷却水管２６５が含まれる。スタックＳＴ１〜ＳＴ３において、複数の熱電発電素子が、排気管１１０および冷却水管２６５に対して排気１５の上流側から下流側へ順次取付けられる。冷却水管２６５中の冷却水の流れが、排気管１１０を流れる排気１５の方向と対向するように設計することにより、下流側のスタックＳＴ３での排気管１１０および冷却水管２６５の温度差が大きくなるので、各スタックでの発電量差が低減されて、全体の発電量が向上する。
【選択図】 図２

Description

この発明は、排気熱発電装置に関し、より特定的には、車両のエンジン等の熱源からの排気の熱エネルギを電気エネルギに変換する排気熱発電装置およびそれを備えた自動車に関する。

従来より、省エネルギ化を図るために、自動車等のエンジンや工場の等から排出された排気ガスに含まれた熱エネルギを、熱電変換素子によって電気エネルギに変換して有効利用する排気熱発電装置が提案されている（たとえば特許文献１）。特に、このような排気熱発電装置をハイブリッド自動車に搭載して、廃エネルギを回収する動作に異常が生じた際にエネルギ効率が低下するのを抑制する構成（たとえば特許文献２）や、排気熱発電装置中の発電モジュールの取付構造を改良することにより、発電モジュールの発電量を確保する構成が提案されている（たとえば特許文献３）。

特に、特許文献３では、エンジンからの排気管の外面に発電モジュールの高温端を押圧取付けし、低温端を冷却水で冷却することで廃熱を電力に変換して、高い電力変換効率を有する熱電発電素子を備えた自動車の技術が開示されている。
特開昭６１−２５４０８２号公報 特開２００１−２８８０５号公報 特開２００１−１２２４０号公報

特許文献３に開示された自動車用排熱発電装置では、排気管内の集熱フィンを排気管の下流ほど高密度に設けることにより熱電発電素子の高温端を一定温度に制御して、エンジンの低出力領域でも発電量を確保している。さらに、当該フィンは熱電発電素子の押圧取付けの際の補強部材としての機能を兼ねて備えている。

しかしながら、このような構造では、フィンを多数設けることによって、排気ガスが流れにくくなり、かつ配管の構造も複雑になるといった問題点が発生してしまう。

この発明は、このような問題点を解決するためのものであって、この発明の目的は、配管構造を複雑化することなく、熱電変換効率を向上させた排気熱発電装置およびそれを備えた自動車を提供することである。

この発明による排気熱発電装置は、排気管と、冷却管と、冷媒供給部と、複数の熱電発電素子とを備える。排気管は、内部を熱源からの排気が所定方向に流れる。冷却管は、排気管に沿って設けられ、排気管を冷却するための冷媒が内部を流れる。冷媒供給部は、冷却管へ冷媒を供給する。複数の熱電発電素子は、排気の流れる方向に沿って排気管および冷却管に順次取付けられる。複数の熱電発電素子の各々は、高温端および低温端の間の温度差に応じた電力を発電し、かつ、各熱電発電素子の高温端および低温端は、対応の部位の排気管および冷却管にそれぞれ取付けられる。冷媒供給部は、排気管内を排気が流れる方向と対向する方向に冷媒が冷却管内を流れるように、冷媒を供給する。

好ましくは、各熱電発電素子は、排気管および冷却管の間に挟まれるように配置される。

この発明による自動車は、請求項１または２に記載の排気熱発電装置と、第１の駆動力発生装置と、電力源と、第２の駆動力発生装置とを備える。第１の駆動力発生装置は、燃料の燃焼エネルギーを源として車輪駆動力を発生する。排気熱発電装置は、第１の駆動力発生装置を熱源として電力を発電する。第２の駆動力発生装置は、排気熱発電装置による発電電力および電力源からの供給電力を源として車輪駆動力を発生する。

好ましくは、電力源は二次電池であり、排気熱発電装置は、排気熱発電装置による発電電力を二次電圧の充電電圧に変換する電力変換器をさらに含む。

また好ましくは、自動車は、入力された電力を第２の駆動力発生装置の駆動電力に変換する駆動電力変換装置をさらに備え、排気熱発電装置は、排気熱発電装置による発電電力を前駆動電力変換への入力電力へ変換する電力変換器をさらに含む。

あるいは好ましくは、自動車は、発電装置と、制御装置とをさらに備える。発電装置は、第１の駆動力発生装置によって発生された車輪駆動力の少なくとも一部を、第２の駆動力発生装置の駆動電力に利用可能な電力へ変換する。制御装置は、自動車を運転者の指示に応じて運転させるために設けられる。電力源は二次電池であり、制御装置は、運転者の指示に基づいて算出される車両の走行に必要な車両要求パワーおよび二次電池の充電レベルを維持するための充電要求パワーに加えて、排気熱発電装置による発電電力をさらに考慮して、第１の駆動力発生装置の作動を制御する。

この発明による排気熱発電装置は、排気管に沿って設けられる冷却管内の冷媒の流れと排気管内の排気の流れとを対向させるので、両者の流れを同方向とした場合と比較して、排気の下流側に位置する熱電発電素子での発電量を確保できる。この結果、熱電発電素子全体での発電量も増加するので、発電効率を向上できる。

また、熱電発電素子は、排気管および冷却管の間に挟み込んで配置することで、効率的に取付けられる。

この発明による自動車は、第１の駆動力発生装置（エンジン）および第２の駆動力発生装置（モータ）の双方によって車輪駆動が可能なハイブリッドシステムへ、請求項１または２に記載の排気熱発電装置を適用して、第１の駆動力発生装置（エンジン）からの排気の熱エネルギを電気エネルギに高効率に回収できる。これにより、車両のエネルギ効率を改善して、燃費向上を図ることができる。

特に、排気熱発電装置による発電電力は、電力源（バッテリ）の充電電力、あるいは第２の駆動力発生装置（モータ）の駆動電力発生装置（インバータ）の入力電力として利用できる。

さらに、車両要求パワーおよび二次電池からの充電要求パワーを考慮して第１の駆動力発生装置（エンジン）の作動を制御する構成において、排気熱発電装置による発電電力をさらに反映して当該制御を行なうことにより、排気熱発電装置での発電効率の向上を自動車の燃費向上により直接的に反映することが可能となる。

以下に、この発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰返さない。

図１は、この発明による排気熱発電装置を備えた自動車のハイブリッドシステム１００の全体構成を示すブロック図である。

図１を参照して、この発明の実施の形態によるハイブリッドシステム１００は、エンジン１０と、バッテリ２０と、インバータ３０と、車輪４０ａと、トランスアクスル５０と、ＥＣＵ（Electric Control Unit）９０と、排気マニホールド１０５と、排気管１１０と、排気熱発電装置２００とを備える。

エンジン１０は、ガソリン等の燃料の燃焼エネルギを源として、車輪４０ａの駆動力を発生する。すなわち、エンジン１０は、この発明における「第１の駆動力発生装置」に相当する。また、エンジン１０は、この発明における「熱源」としても作用する。排気マニホールド１０５は、エンジン１０からの排気１５をまとめて排気管１１０へ送出する。排気管１１０は、排気１５を所定方向に排出する。

バッテリ２０は、「電力源」として動作して、電力ライン５１に直流電力を供給する。バッテリ２０は、充電可能な二次電池で構成され、代表的には、ニッケル・水素蓄電池やリチウムイオン二次電池等が適用される。

インバータ３０は、電力ライン５１にバッテリ２０から供給された直流電力を交流電力に変換して、電力ライン５３へ出力する。あるいは、インバータ３０は、電力ライン５２，５３に供給された交流電力を直流電力に変換して、電力ライン５１へ出力する。

トランスアクスル５０は、トランスミッションとアクスル（車軸）を一体構造として備えており、動力分割機構６０と、減速機６２と、ジェネレータ７０と、モータ８０とを有する。

動力分割機構６０は、エンジン１０によって生じた駆動力を、減速機６２を介して車輪４０ａ駆動用の車軸４１へ伝達する経路と、ジェネレータ７０へ伝達する経路とに分割可能である。

ジェネレータ７０は、動力分割機構６０を介して伝達されたエンジン１０からの駆動力によって回転されて発電する。ジェネレータ７０による発電電力は、電力ライン５２を介してインバータ３０へ供給され、バッテリ２０の充電電力として、あるいはモータ８０の駆動電力として用いられる。すなわち、ジェネレータ７０は、この発明における「発電装置」に相当する。

モータ８０は、インバータ３０から電力ライン５３に供給された交流電力によって回転駆動される。すなわち、インバータ３０は、この発明における「駆動電力変換装置」に対応する。

モータ８０によって生じた駆動力は、減速機６２を介して車軸４１へ伝達される。すなわち、モータ８０は、車輪駆動力を発生する「第２の駆動力発生装置」に相当する。

また、回生制動動作時にモータ８０が車輪４０ａの減速に伴って回転される場合には、モータ８０に生じた起電力（交流電力）が、電力ライン５３へ供給される。

ＥＣＵ９０は、ハイブリッドシステム１００が搭載された自動車を運転者の指示に応じて運転させるために、自動車に搭載された機器・回路群の全体動作を制御する。ＥＣＵ９０は、代表的には、予めプログラムされた所定シーケンスおよび所定演算を実行するためのマイクロコンピュータ等で構成される。

このように、ハイブリッドシステム１００を搭載したハイブリッド自動車においては、車輪４０ａは、エンジン１０による駆動力およびモータ８０による駆動力の両方によって駆動可能である。

排気熱発電装置２００は、排気管１１０を介して取出された、エンジン１０からの排気の熱エネルギを源として発電する。排気熱発電装置２００の発電電力は、経路２１５に示すようにバッテリ２０の充電に用いられ、あるいは、経路２２０に示すように直接インバータ３０へ供給されて、最終的にはモータ８０が発生する車輪駆動力の源の一部となる。

なお、図示しないが、バッテリ２０の供給電力は、モータ８０駆動用のインバータ３０以外への機器および回路へも供給可能である。すなわち、排気熱発電装置２００の発電電力は、バッテリ２０の充電を介して、自動車に搭載された任意の機器および回路の駆動電力としても使用できる。あるいは、排気熱発電装置２００の発電電力を図１に示す経路以外によって他の機器および回路へ直接供給する構成とすることも可能である。

また、排気熱発電装置２００の構成については後ほど詳細に説明する。

ハイブリッドシステム１００では、発進時ならびに低速走行時あるいは緩やかな坂を下るとき等の軽負荷時には、エンジン効率の悪い領域を避けるために、エンジン１０を動作させることなく、モータ８０による駆動力で走行する。

通常走行時には、エンジン１０から出力された駆動力は、動力分割機構６０によって、車輪４０ａの駆動力と、ジェネレータ７０での発電用駆動力とに分割される。ジェネレータ７０による発電電力は、モータ８０の駆動に用いられる。したがって、通常走行時には、エンジン１０による駆動力をモータ８０による駆動力でアシストして、車輪４０ａが駆動される。ＥＣＵ９０は、動力分割機構６０による動力分割比率を全体の効率が最大となるように制御する。

全開加速時には、バッテリ２０からの供給電力がモータ８０の駆動にさらに用いられて、車輪４０ａの駆動力がさらに増加する。

減速および制動時には、モータ８０は、車輪４０ａによって回転駆動されて発電機として作用する。モータ８０の回生発電によって回収された電力は、電力ライン５３、インバータ３０および電力ライン５１を介してバッテリ２０の充電に用いられる。

さらに、車両停止時には、エンジン１０は自動的に停止される。

このように、この発明の実施の形態によるハイブリッドシステム１００は、エンジンによって発生された駆動力と、電気エネルギを源としてモータ８０によって発生された駆動力等の組合せによって、燃費を向上させた車両運転を行なう。

ＥＣＵ９０は、車両状況に応じてエンジン１０およびモータ８０の作動を制御する。特に、ＥＣＵ９０は、バッテリ２０が一定の充電状態を維持する制御を行なっており、ＳＯＣ（State of Charge）値の監視等によってバッテリ充電量の低下を検知すると、上記の基本的なエンジン１０およびモータ８０の作動条件に加えて、ジェネレータ７０の駆動によってバッテリ２０を充電するためにエンジン１０を作動させる。

この発明による排気熱発電装置２００によって排気１５の熱エネルギから得られた電気エネルギは、バッテリ２０の充電電力あるいはインバータ３０への入力電力として、ハイブリッドシステム１００中で回収される。したがって、排気熱発電装置２００の熱電発電効率を改善することにより、ハイブリッドシステム１００を搭載した自動車全体におけるエネルギ効率が向上する。

この発明による排気熱発電装置２００は、以下に説明するような構成とすることで、その熱電発電効率を改善する。

図２は、この発明の実施の形態による排気熱発電装置２００の構成を示すブロック図である。

図２を参照して、「熱源」であるエンジン１０からの排気１５は、排気マニホールド１０５で集められた後、排気管１１０により所定方向に沿って排出される。

排気熱発電装置２００は、排気管１１０に取付けられた複数のスタック２１０と、電力変換器２２０と、冷却水ポンプ２３０と、冷却水ラジエータ２４０と、冷却水循環路２５０，２６０とを有する。

この発明における「冷媒供給部」に相当する冷却水ポンプ２３０は、冷却水循環路２５０，２６０のそれぞれに冷媒が循環するように、冷媒を供給する。冷媒としては代表的には水が用いられるので、以下では冷媒を「冷却水」と称する。冷却水循環路２５０，２６０内での冷却水の流れ方向は、図中では当該循環路上の矢印で示される。

冷却水循環路２６０には、排気管１１０に沿って設けられ、内部を冷却水が流れる冷却水管２６５が含まれる。冷却水管２６５は、この発明における「冷却管」に相当する。

複数のスタック２１０は、排気１５の上流側から下流側に沿って順次設けられる。図２の構成例では、排気１５の上流側から下流側へスタックＳＴ１，ＳＴ２，ＳＴ３が順に設けられる。各スタック２１０は同様の構造を有する。

図３を参照して、各スタック２１０において、高温端２７１が排気管１１０と接し、かつ、低温端２７２が冷却水管２６５と接するように熱電発電素子２７０が取付けられる。これにより、複数の熱電発電素子２７０は、排気管１１０および冷却水管２６５に対して、排気１５の上流側から下流側へ順次取付けられる。

熱電発電素子２７０は、高温端２７１および低温端２７２の間の温度差に応じた電力を発電する。したがって、排気管１１０の上流側から下流側へ順次取付けられた熱電発電素子２７０の各々は、対応の部位の排気管１１０および冷却水管２６５の温度差に応じた電力を発電する。

なお、図３に示すように、熱電発電素子２７０を排気管１１０および冷却水管２６５の間に挟み込んで配置することにより、熱電発電素子２７０を効率的に取付けることができる。

再び図２を参照して、スタックＳＴ１〜ＳＴ３の熱電発電素子２７０による発電電力Ｐ１〜Ｐ３は、電力変換器２２０によって電力Ｐｈに変換される。電力Ｐｈは、図１に示したように、バッテリ２０の充電電力に用いられ、あるいは、インバータ３０へ直接入力される。すなわち、電力変換器２２０は、スタックＳＴ１〜ＳＴ３からの発電電力Ｐ１〜Ｐ３を、バッテリ２０の充電電力あるいはインバータ３０への入力電力へ変換する。

冷却水は、主に冷却水管２６５の通過時に排気管を冷却することにより、排気１５から熱を奪ってその温度を下げる。

冷却水循環路２６０を循環して温度が情報した冷却水は、冷却水循環路２５０へ送出され冷却水ラジエータ２４０によって放熱される。冷却水循環路２６０を循環した冷却水は、再び冷却水循環路２５０へ送出されて排気１５の冷却に用いられる。

この発明による排気熱発電装置２００では、冷却水管２６５中の冷却水の流れが、排気管１１０を流れる排気１５の方向と対向するように設計される。

具体的には、冷却水ポンプ２３０から送出された冷却水が、排気管１１０の下流側のスタックＳＴ３から上流側のスタックＳＴ１の方向へ、スタックＳＴ３〜ＳＴ２〜ＳＴ１の順に冷却水管２６５中を通過するように冷却水循環路２６０が設計される。

図４には、比較例として示される、冷却水の循環経路が異なる排気熱発電装置２００♯が示される。

図４を参照して、比較例として示される排気熱発電装置２００♯は、排気管１１０中の排気１５と同じ方向に、冷却水管２６５を冷却水を流れる点が図２に示した排気熱発電装置２００と異なる。排気熱発電装置２００♯のその他の構成は、図２に示した排気熱発電装置２００と同様である。

すなわち、排気熱発電装置２００♯では、排気１５の上流側のスタックＳＴ１から下流側のスタックＳＴ３へ向かってスタックＳＴ１〜ＳＴ２〜ＳＴ３の順に、冷却水が冷却水管２６５中を通過するように冷却水ポンプ２３０が配置される。

図５（ａ）には、排気熱発電装置２００♯での各スタックＳＴ１〜ＳＴ３における熱電発電素子の高温端および低温端の間の温度差が示され、図６（ａ）には図５（ａ）に示した温度差による各スタックでの発電量が示される。

排気熱発電装置２００♯では、排気管１１０での排気１５の流れ方向と、冷却水管２６５中の冷却水の流れ方向とが同じであるので、冷却水管２６５と接する低温端２７２の温度２８２は、スタックＳＴ１からＳＴ３へ向かって順に高くなる。一方、排気管１１０と接する低温端２７２の温度２８２は、スタックＳＴ１からＳＴ３へ向かって順に低くなる。

この結果、高温端および低温端の温度２８１および２８２の温度差Δｔ１♯，Δｔ２♯、Δｔ３♯のばらつきが大きくなる。すなわち、排気管の下流側に位置するスタック（ＳＴ３）において、温度差Δｔ３♯を確保することが困難となる。

これに対して、図５（ｂ）には、この発明による排気熱発電装置２００での各スタックＳＴ１〜ＳＴ３における熱電発電素子の高温端および低温端の間の温度差が示され、図６（ｂ）には図５（ｂ）に示した温度差による各スタックでの発電量が示される。

排気熱発電装置２００では、排気管１１０内の排気１５の流れ方向と、冷却水管２６５内の冷却水の流れ方向とが対向するため、冷却水管２６５と接する低温端２７２の温度２８２は、スタックＳＴ１からＳＴ３へ向かって順に低くなる。排気管１１０と接する低温端２７２の温度２８２は、排気熱発電装置２００♯と同様に、スタックＳＴ１からＳＴ３に向かって順に低くなる。

したがって、高温端および低温端の温度２８１および２８２の温度差Δｔ１，Δｔ２，Δｔ３のばらつきは抑制され、排気管１１０の下流側に位置するスタック（ＳＴ３）においても温度差Δｔ３を確保することが可能となる。

この結果、図６（ａ）に示されるように、比較例として示される排気熱発電装置２００♯では、スタックＳＴ１〜ＳＴ３における発電量Ｐ１♯〜Ｐ３♯にばらつきが大きいため、特に下流側のスタックＳＴ３♯での発電量を確保することができず、発電量Ｐｈ♯についてもそれほど大きく確保できない。

これに対して、図６（ｂ）に示されるように、この発明による排気熱発電装置２００では、下流側のスタックＳＴ３でも熱電発電素子での温度差Δｔ３を確保できるので、各スタックＳＴ１〜ＳＴ３における発電量Ｐ１〜Ｐ３のばらつきが小さくなり、トータルの発電量Ｐｈを比較例でのＰｈ♯よりも大きくすることができる。これにより、排気熱発電装置の発電効率が向上する。

さらに、発電効率に優れたこの発明による排気熱発電装置によって、以下に説明するようなエンジン駆動制御を行なうことにより、ハイブリッド自動車の燃費を低減できる。

図１で説明したように、ＥＣＵ９０は、車両状況に応じてエンジン１０およびモータ８０の作動を制御する。特に、ＳＯＣ（State of Charge）値の監視等によって、バッテリ２０の充電状態を一定レベルへ維持するために、ＥＣＵ９０は、エンジン１０に要求されるエンジンパワーＰｅを算出するとともに、算出されたエンジンパワーＰｅに基づいて、下記の式（１），（２）に従ってエンジン１０の作動・停止および作動時の出力パワーを制御する。

Ｐｅ＝Ｐｖ＋Ｐｂ ・・・（１）
Ｐｂ＝Ｐｃｈｇ＋Ｐｓｍ−Ｐｈ ・・・（２）
式（１），（２）において、車両要求パワーＰｖは、アクセル操作に代表される運転者からの操作および、現在の車速に代表される車両状況等から、ＥＣＵ９０に予めプログラムされた所定の算出式に従って算出されるものとする。バッテリパワーＰｂは、ＳＯＣ値に応じて算出されるバッテリ充電要求パワーＰｃｈｇ、および補機等での損失パワーＰｓｍの和から、排気熱発電装置２００による発電量Ｐｈを差し引いて算出される。

このように、車両要求パワーＰｖおよびバッテリ２０の充電状態を維持するためのバッテリ充電要求パワーＰｃｈｇを考慮してエンジン１０の作動・停止を制御する構成において、排気熱発電装置による発電量Ｐｈをさらに反映して当該制御を行なうことにより、排気熱発電装置での発電効率向上をより有効にエンジン１０の作動頻度低減につなげることができる。これにより、排気熱発電装置２００での発電効率向上を自動車の燃費向上へより直接的に反映することが可能となる。

なお、この発明による排気熱発電装置２００は、図１に示したハイブリッドシステムのみでなく、たとえば図７に示すような、四輪駆動が可能なハイブリッドシステム１０１に適用することも可能である。

図７は、この発明による排気熱発電装置を備えた自動車のハイブリッドシステムの他の構成例を示すブロック図である。

図７を参照して、この発明の他の例によるハイブリッドシステム１０１は、前輪４０ａおよび４０ｂを駆動可能な四輪駆動システムを有している。

ハイブリッドシステム１０１は、エンジン１０と、バッテリ２０と、インバータ３０と、ＥＣＵ９０と、フロント用のトランスアクスル１５１と、リア用のトランスアクスル１５２と、排気熱発電装置２００とを有する。

フロント用のトランスアクスル１５１は、動力分割機構６１と、モータジェネレータＭＧ１と、無段変速装置（ＣＶＴ）５５とを有する。モータジェネレータＭＧ１は、車輪４０ａの駆動用に設けられた図１におけるモータ８０と同様の機能を有する。動力分割機構６１は、図１における動力分割機構６０と同様の機能を有し、エンジン１０からの動力を、無段変速機５５を介して車輪４０ａの駆動力とする経路と、モータジェネレータＭＧ１の発電用駆動力する経路との間で分配する。

さらに、モータジェネレータＭＧ１がインバータ３０からの供給電力によって回転されることで発生する駆動力は、動力分割機構６０を介して無段変速機５５へ与えられることにより、車輪４０ａの駆動力として用いることができる。

リア用のトランスアクスル１５２は、モータジェネレータＭＧ２を有する。モータジェネレータＭＧ２は、インバータ３０からの供給電力によって後輪４０ｂを駆動することができる。

図１に示した構成と同様に、バッテリ２０からの供給電力は電力ライン５１を介してインバータ３０へ供給される。また、排気熱発電装置２００からの発電電力は、経路２１５によってバッテリ２０を充電するために用いてもよく、あるいは経路２２０に示すようにインバータ３０へ直接入力することも可能である。

モータジェネレータＭＧ１およびＭＧ２は、回生動作時には車輪４０ａ，４０ｂによって回転されて発電する。発電された電力は、インバータ３０によって直流電力に変換されてバッテリ２０の充電に用いられる。

ハイブリッドシステム１０１では、発進時は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２によって車輪４０ａ，４０ｂが駆動される。また、エンジン効率の悪い領域での走行となる軽負荷時には、エンジン１０を停止して、フロント用のモータジェネレータＭＧ１による前輪４０ａの駆動によって走行が行なわれる。

通常走行時には、エンジン効率の良い領域での走行となるため、基本的にはエンジン１０の動力によって前輪４０ａを駆動することで走行する。この際に、バッテリ２０の充電量が不足している場合には、必要に応じてエンジン１０の駆動力を用いてモータジェネレータＭＧ１を発電機として駆動することによって、バッテリ２０の充電が行なわれる。

全開加速時には、エンジン１０の出力が上昇されるとともに、無段変速機（ＣＶＴ）の変速比を大きくすることにより加速が行なわれる。また、モータジェネレータＭＧ１によって車輪駆動力をアシストすることで加速力が増加される。さらに、必要に応じてリア用のモータジェネレータＭＧ２による後輪４０ｂの駆動によってさらに加速が強化される。

制動減速時には、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を発電機として作動させて運動エネルギを回収し、バッテリ２０を充電する。

さらに低摩擦係数（μ）路走行時には、前輪４０ａのスリップ検出等に応答して、フロント用のモータジェネレータＭＧ１を発電機として作動させて発電した電力を利用して、リア用のモータジェネレータＭＧ２を駆動して四輪駆動（４ＷＤ）とすることにより車両の走行安定性を確保する。

この際に、モータジェネレータＭＧ１の発電量ではモータジェネレータＭＧ２の駆動電力が十分供給できない場合には、バッテリ２０からの供給電力によってモータジェネレータＭＧ２が動作される。

ハイブリッドシステム１０１においても、ＥＣＵ９０は、車両状況に応じた車両要求パワーおよびバッテリ２０の充電状態を維持するように算出されるバッテリパワーに基づいて、エンジン１０の作動・停止および出力パワーを制御するので、この発明による効率の高い排気熱発電装置を用いることにより、エンジンの作動頻度および出力パワーを有効に低減して燃費向上を図ることが可能となる。

以上この発明の実施の形態では、この発明による排気熱発電装置をハイブリッド自動車に搭載する例について説明した。しかしながら、この発明の適用は上記の実施の形態に限定されるものではない。すなわち、この発明による排気熱発電装置は、この他のあらゆる構成のハイブリッド自動車に搭載して、エンジン排気熱を電気エネルギとして有効に回収して燃費向上を実現できる。また、この発明による排気熱発電装置の適用は、ハイブリッド自動車に限定されず、熱源からの排気を所定方向に導く排気管と当該排気管と並行に設けられた冷却水管とを設ける系に共通に適用して、熱回収効率を向上させることが可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明による排気熱発電装置を備えた自動車のハイブリッドシステムの全体構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態による排気熱発電装置の構成を示すブロック図である。 図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 比較例として示される排気熱発電装置の構成を示すブロック図である。 各スタックでの熱電発電素子の高温端および低温端の温度差を説明する図である。 各スタックでの発電量を説明する図である。 この発明による排気熱発電装置を備えた自動車のハイブリッドシステムの他の構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１０ エンジン、１５ 排気、２０ バッテリ、３０ インバータ、４０ａ 車輪（前輪）、４０ｂ 後輪、４１ 車軸、５０，１５１，１５２ トランスアクスル、５１〜５３ 電力ライン、５５ 無段変速機（ＣＶＴ）、６０，６１ 動力分割機構、６２ 減速機、７０ ジェネレータ、８０ モータ、１００，１０１ ハイブリッドシステム、１０５ 排気マニホールド、１１０ 排気管、２００ 排気熱発電装置、２１０，ＳＴ１，ＳＴ２，ＳＴ３ スタック、２２０ 電力変換器、２３０ 冷却水ポンプ、２４０ 冷却水ラジエータ、２５０，２６０ 冷却水循環路、２６５ 冷却水管、２７０ 熱電発電素子、２７１ 高温端、２７２ 低温端、２８１ 高温端温度、２８２ 低温端温度、ＭＧ１，ＭＧ２ モータジェネレータ、Ｐｂ バッテリパワー、Ｐｃｈｇ バッテリ充電要求パワー、Ｐｅ エンジンパワー、Ｐｈ 発電量（排気熱発電装置）、Ｐｓｍ 損失パワー、Ｐｖ 車両要求パワー。

Claims (6)

1. 熱源からの排気が内部を所定方向に流れる排気管と、
   前記排気管に沿って設けられ、前記排気管を冷却するための冷媒が内部を流れる冷却管と、
   前記冷却管へ前記冷媒を供給する冷媒供給部と、
   前記排気の流れる方向に沿って前記排気管および前記冷却管に順次取付けられた複数の熱電発電素子とを備え、
   前記複数の熱電発電素子の各々は、高温端および低温端の間の温度差に応じた電力を発電し、かつ、各前記熱電発電素子の高温端および低温端は、対応の部位の前記排気管および前記冷却管にそれぞれ取付けられ、
   前記冷媒供給部は、前記排気管内を前記排気が流れる方向と対向する方向に前記冷媒が前記冷却管内を流れるように、前記冷媒を供給する、排気熱発電装置。
2. 各前記熱電発電素子は、前記排気管および前記冷却管の間に挟まれるように配置される、請求項１記載の排気熱発電装置。
3. 燃料の燃焼エネルギーを源として車輪駆動力を発生する第１の駆動力発生装置と、
   請求項１または２に記載の排気熱発電装置と、
   電力源とを備え、
   前記排気熱発電装置は、前記第１の駆動力発生装置を前記熱源として電力を発電し、
   前記排気熱発電装置による発電電力および前記電力源からの供給電力を源として車輪駆動力を発生する第２の駆動力発生装置をさらに備える、自動車。
4. 前記電力源は二次電池であり、
   前記排気熱発電装置は、前記排気熱発電装置による発電電力を前記二次電圧の充電電圧に変換する電力変換器をさらに含む、請求項３に記載の自動車。
5. 入力された電力を前記第２の駆動力発生装置の駆動電力に変換する駆動電力変換装置をさらに備え、
   前記排気熱発電装置は、前記排気熱発電装置による発電電力を前駆動電力変換への入力電力へ変換する電力変換器をさらに含む、請求項３に記載の自動車。
6. 前記第１の駆動力発生装置によって発生された前記車輪駆動力の少なくとも一部を、前記第２の駆動力発生装置の駆動電力に利用可能な電力へ変換する発電装置と、
   前記自動車を運転者の指示に応じて運転させるための制御装置とをさらに備え、
   前記電力源は二次電池であり、
   前記制御装置は、前記運転者の指示に基づいて算出される車両の走行に必要な車両要求パワーおよび前記二次電池の充電レベルを維持するための充電要求パワーに加えて、前記排気熱発電装置による発電電力をさらに考慮して、前記第１の駆動力発生装置の作動を制御する、請求項３に記載の自動車。

Images