JP2006022670A - 内燃機関の排熱回収装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＥＧＲ装置を備えた内燃機関において、エネルギー効率を向上させるのに有効な内燃機関の排熱回収装置を提供すること。
【解決手段】内燃機関の排熱回収装置１は、排気通路１１と吸気通路１２との間に、排ガスの一部を吸気通路に還流させる排ガス還流通路１３を設けたものである。この内燃機関の排熱回収装置１は、排ガスの熱量を回収して熱電変換可能なように排ガス還流通路１３に配設された熱電モジュール４と、熱電モジュール４が発電した電力を変換するレギュレータ１５と、レギュレータ１５が発電した電力を充電するように構成された蓄電池１５０と、排ガス温度に連動して変動する指標温度を計測する温度センサ１６とを有してなる。熱電モジュール４は、温度センサ１６で計測される指標温度が所定のしきい値以上であるときに熱電発電を実施するように構成されている。
【選択図】図１
【解決手段】内燃機関の排熱回収装置１は、排気通路１１と吸気通路１２との間に、排ガスの一部を吸気通路に還流させる排ガス還流通路１３を設けたものである。この内燃機関の排熱回収装置１は、排ガスの熱量を回収して熱電変換可能なように排ガス還流通路１３に配設された熱電モジュール４と、熱電モジュール４が発電した電力を変換するレギュレータ１５と、レギュレータ１５が発電した電力を充電するように構成された蓄電池１５０と、排ガス温度に連動して変動する指標温度を計測する温度センサ１６とを有してなる。熱電モジュール４は、温度センサ１６で計測される指標温度が所定のしきい値以上であるときに熱電発電を実施するように構成されている。
【選択図】図１
Description
本発明は、排ガスの一部を吸気側に還流させるＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排出ガス再循環）装置を備えた内燃機関の排熱回収装置に関する。
従来、排ガス中のＮＯｘを低減することを目的として、排ガスの一部を吸気側に還流させるＥＧＲ装置を備えた内燃機関がある。このＥＧＲ装置では、吸気される混合気に排ガスを還流させることにより混合気を不活性化させて、燃焼温度を低下させることでＮＯｘの低減を図っている。
上記ＥＧＲ装置としては、さらに、排ガスを還流させる通路に冷却装置を設けたものもある（例えば、特許文献１参照。）。このようなＥＧＲ装置では、内燃機関における燃焼温度をさらに低減して、排ガス中のＮＯｘの低減効果を一層、向上している。
上記ＥＧＲ装置としては、さらに、排ガスを還流させる通路に冷却装置を設けたものもある（例えば、特許文献１参照。）。このようなＥＧＲ装置では、内燃機関における燃焼温度をさらに低減して、排ガス中のＮＯｘの低減効果を一層、向上している。
しかしながら、上記従来のＥＧＲ装置では、次のような問題がある。すなわち、排ガスの還流通路に冷却装置を設けた上記ＥＧＲ装置では、上記冷却装置を介して回収された排ガスの熱量が無駄にされていた。そのため、上記ＥＧＲ装置は、排ガス浄化の点で有効あるものの、エネルギー効率の点では十分に満足し得るものとは言えなかった。
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、ＥＧＲ装置を備えた内燃機関において、エネルギー効率を向上させるのに有用な内燃機関の排熱回収装置を提供しようとするものである。
本発明は、内燃機関の排気通路と吸気通路との間に、上記内燃機関の排ガスの一部を上記吸気通路に還流させる排ガス還流通路を設けた内燃機関の排熱回収装置において、
高温側端部と低温側端部との温度差を電気に変換する熱電素子を構成するｐ型半導体素子及びｎ型半導体素子を有してなり、排ガスの熱量を回収して熱電発電可能なように上記高温側端部が上記排ガス還流通路と熱的に接続された状態で配設された熱電モジュールと、
該熱電モジュールが発電した電力を変換するレギュレータと、
該レギュレータが変換した電力を充電する蓄電池と、
上記排ガス温度に連動して変化する指標温度を計測するための温度センサとを有してなり、
上記熱電モジュールは、上記指標温度が所定のしきい値以上であるときに熱電発電を実施するように構成されていることを特徴とする内燃機関の排熱回収装置にある（請求項１）。
高温側端部と低温側端部との温度差を電気に変換する熱電素子を構成するｐ型半導体素子及びｎ型半導体素子を有してなり、排ガスの熱量を回収して熱電発電可能なように上記高温側端部が上記排ガス還流通路と熱的に接続された状態で配設された熱電モジュールと、
該熱電モジュールが発電した電力を変換するレギュレータと、
該レギュレータが変換した電力を充電する蓄電池と、
上記排ガス温度に連動して変化する指標温度を計測するための温度センサとを有してなり、
上記熱電モジュールは、上記指標温度が所定のしきい値以上であるときに熱電発電を実施するように構成されていることを特徴とする内燃機関の排熱回収装置にある（請求項１）。
本発明の内燃機関の排熱回収装置は、排ガスの熱量を回収して熱電発電を実施するように上記排ガス還流通路に取り付けた熱電モジュールと、該熱電素子ユニットが発電した電力を変換するレギュレータと、該レギュレータが変換した電力を充電する蓄電池と、排ガス温度に依存する上記指標温度を計測する上記温度センサとを有してなる。そして、上記内燃機関の排熱回収装置では、上記指標温度センサで計測される上記指標温度が所定のしきい値以上であるときに、上記熱電モジュールが熱電発電を実施する。なお、ここで、この熱電発電とは、熱電素子が奏するゼーベック効果により、上記高温側端部と上記低温側端部との温度差に応じた電力を発生させることをいう。
そのため、上記指標温度が予め定めたしきい値以上となったときには、上記熱電モジュールにより排ガスの熱量を回収して発電でき、その電力を蓄電池に蓄えておくことができる。ここで、本発明では、熱電モジュールと蓄電池との間に、レギュレータを配設してある。そして、このレギュレータが、熱電モジュールが発電する電力を蓄電池に充電するのに適した電流範囲あるいは電圧範囲の電力に変換する。それ故、上記内燃機関の排熱回収装置では、上記熱電モジュールが発電する電圧値や電流値の大小に関わらず、その電力を効率的に蓄電池に蓄えることができる。なお、例えば、内燃機関を搭載した自動車の電力負荷が大きい場合には、上記レギュレータで電圧変換した電力を、直接的に車両内の電装品等に向けて供給することもできる。
このように、上記内燃機関の排熱回収装置では、上記指標温度が所定のしきい値以上となったときに上記熱電モジュールが熱電発電を実施する。そして、熱電モジュールが熱電発電を実施すれば、上記排ガス還流通路を流動する排ガスの熱量を回収でき、その温度を低下させることができる。これにより、低温となった排ガスを吸気通路に還流させることができ、内燃機関の燃焼温度を抑制して、ＮＯｘ低減効果を高めることができる。
さらに、低温の排ガスを還流させて吸気温度を抑制すれば、吸入空気の密度を増加させ、その吸入量を増量できる。そして、これにより、内燃機関における燃焼状態を完全に近づけることができるため、ＰＭや黒鉛等を低減させるという効果が得られる。
そして、上記のごとく還流させる排ガスの熱量を電力として回収すれば、従来、無駄にされていた熱エネルギーを回収して、内燃機関全体でのエネルギー効率を格段に向上させることができる。
そして、上記のごとく還流させる排ガスの熱量を電力として回収すれば、従来、無駄にされていた熱エネルギーを回収して、内燃機関全体でのエネルギー効率を格段に向上させることができる。
一方、例えば、上記指標温度が上記しきい値を下回る場合に上記熱電モジュールによる熱電発電を停止させれば、上記内燃機関の排ガスの温度を高く維持でき、上記排気通路中に配設された排ガス浄化用の触媒等の温度を速やかに昇温させることができる。そして、この触媒等を速やかに活性させれば、その排ガス浄化性能を早期に立ち上げて、有害成分の排出を抑制することができる。
以上のように、本発明の内燃機関の排熱回収装置は、吸気側に還流させる排ガスの熱量を回収して熱電発電することで、エネルギー効率と排ガス浄化性能とを高いレベルで両立し得るものである。
本発明の内燃機関の排熱回収装置における上記熱電モジュールは、上記のごとく温度差を電気に変換する熱電素子を有している。この熱電素子としては、ｎ型半導体素子とｐ型半導体素子とを組み合わせて構成された公知のものを利用することができる。上記ｐ型半導体素子としては、例えば、Ｎａ2ＣｏＯ2、Ｚｎ4Ｓｂ3及びＢｉＴｅ等の半導体材料より形成できる。また、上記ｎ型半導体材料としては、例えば、ＢｉＴｅ、ＺｎＯ及びＣｏＳｂ3等の半導体材料より形成できる。
また、上記熱電モジュールは、断熱支持部材を介設して、上記排ガス還流通路の長手方向に沿って上記ｎ型半導体素子と上記ｐ型半導体素子とを交互に積層してなり、上記高温側端部及び上記低温側端部では、電極部材を介して上記ｎ型半導体素子と上記ｐ型半導体素子とを電気的に接続してあることが好ましい（請求項２）。
上記のように構成された熱電モジュールの場合には、上記断熱支持部材により、上記高温側端部と上記低温側端部との間の空気の対流を防止できる。それ故、上記高温側端部と上記低温側端部との温度差を高く維持して、排ガスの熱量の回収効率を一層高めることができる。なお、上記断熱支持部材としては、例えば、シリカアルミナ系ファイバー、その他の様々な断熱材を用いることができる。
上記のように構成された熱電モジュールの場合には、上記断熱支持部材により、上記高温側端部と上記低温側端部との間の空気の対流を防止できる。それ故、上記高温側端部と上記低温側端部との温度差を高く維持して、排ガスの熱量の回収効率を一層高めることができる。なお、上記断熱支持部材としては、例えば、シリカアルミナ系ファイバー、その他の様々な断熱材を用いることができる。
また、上記熱電モジュールでは、最大熱電効率が得られるピーク温度が異なる複数の分割熱電素子を組み合わせて上記熱電素子を構成してあり、上記ピーク温度が高い分割熱電素子である高温素子を、上記高温側端部に近づけて配置してあることが好ましい（請求項３）。
この場合には、上記高温素子を、上記高温側端部側に近づけて配置することで、各分割熱電素子の特性をさらに効率よく発揮させてエネルギー回収効率を一層、高めることができる。
この場合には、上記高温素子を、上記高温側端部側に近づけて配置することで、各分割熱電素子の特性をさらに効率よく発揮させてエネルギー回収効率を一層、高めることができる。
また、上記熱電モジュールでは、上記ｎ型半導体素子と上記ｐ型半導体素子との組み合わせを、上記排ガス還流通路の長手方向に沿って２層以上積層してあり、上記高温素子の径方向の厚みＡと、上記ピーク温度が最も低い上記分割熱電素子である低温素子の径方向の厚みＢとの比（Ａ／Ｂ）が、上記排ガス還流通路の上流側ほど大きくなるよう、各分割熱電素子の構成比を変更してあることが好ましい（請求項４）。
上記排ガス還流通路の上流側ほど温度が高いという排ガスの温度分布に対応して、上記各分割熱電素子の径方向の厚さ比（Ａ／Ｂ）を変更する場合には、上記熱電モジュールを構成する上記各分割熱電素子を、高効率が得られる適正な温度域で有効に活用でき、エネルギー回収効率をさらに高めることができる。
上記排ガス還流通路の上流側ほど温度が高いという排ガスの温度分布に対応して、上記各分割熱電素子の径方向の厚さ比（Ａ／Ｂ）を変更する場合には、上記熱電モジュールを構成する上記各分割熱電素子を、高効率が得られる適正な温度域で有効に活用でき、エネルギー回収効率をさらに高めることができる。
また、上記ｐ型半導体素子は、半導体材料としてのＮａ2ＣｏＯ2、Ｚｎ4Ｓｂ3及びＢｉＴｅのいずれかよりなり、上記ｎ型半導体素子は、半導体材料としてのＢｉＴｅ、ＺｎＯ及びＣｏＳｂ3のいずれかよりなることが好ましい（請求項５）。
この場合には、上記の各半導体材料よりなる上記ｐ型半導体素子あるいは上記ｎ型半導体素子を用いて熱電特性が優れた熱電モジュールを構成することができる。
この場合には、上記の各半導体材料よりなる上記ｐ型半導体素子あるいは上記ｎ型半導体素子を用いて熱電特性が優れた熱電モジュールを構成することができる。
また、上記低温側端部は、冷却液との間で熱交換するように構成された低温側熱交換部を有することが好ましい（請求項６）。
この場合には、液冷で上記低温側熱交換部を冷却すれば、熱電モジュールの低温側端部を効率良く冷却して、その熱電変換効率を高めることができる。
この場合には、液冷で上記低温側熱交換部を冷却すれば、熱電モジュールの低温側端部を効率良く冷却して、その熱電変換効率を高めることができる。
また、上記低温側端部は、空冷フィンよりなる低温側熱交換部を有することが好ましい（請求項７）。
この場合には、上記空冷フィンを介して低温側端部における熱交換を実施でき、比較的簡単な装置構成により上記排熱回収装置を実現できる。
この場合には、上記空冷フィンを介して低温側端部における熱交換を実施でき、比較的簡単な装置構成により上記排熱回収装置を実現できる。
また、上記ｎ型半導体素子、上記ｐ型半導体素子及び上記断熱支持部材は、それぞれ、内周部に貫通穴を設けた環状をなし、上記排ガス還流通路は、上記各貫通穴が相互に連通する状態で積層した上記ｎ型半導体素子、上記ｐ型半導体素子及び上記断熱支持部材の内周側に形成されていることが好ましい（請求項８）。
この場合には、上記排ガス還流通路を流動する排ガスの排熱を、上記熱電素子に効率良く伝達し得る構造を実現できる。そのため、上記内燃機関の排熱回収装置は、エネルギー回収効率に優れたものとなる。
この場合には、上記排ガス還流通路を流動する排ガスの排熱を、上記熱電素子に効率良く伝達し得る構造を実現できる。そのため、上記内燃機関の排熱回収装置は、エネルギー回収効率に優れたものとなる。
（実施例１）
本例は、ＥＧＲ装置を備えた内燃機関の排熱回収装置に関する例である。この内容について、図１〜図６を用いて説明する。
本例の内燃機関の排熱回収装置１は、図１に示すごとく、内燃機関３の排気通路１１と吸気通路１２との間に、上記内燃機関３の排ガスの一部を上記吸気通路１１に還流させる排ガス還流通路１３を設けたものである。
この内燃機関の排熱回収装置１は、高温側端部４１と低温側端部４２との温度差を電気に変換する熱電素子を構成するｐ型半導体素子４０２及びｎ型半導体素子４０１を有してなり、排ガスの熱量を回収して熱電発電可能なように高温側端部４１が排ガス還流通路１３と熱的に接続された状態で配設された熱電モジュール４と、該熱電モジュール４が発電した電力を変換するレギュレータ１５と、該レギュレータ１５が変換した電力を充電する蓄電池１５０と、排ガス温度に連動して変化する指標温度を計測する温度センサ１６（本例では、吸気温センサ。以下、適宜吸気温センサ１６と記載する。）とを有してなる。
上記の熱電モジュール４は、上記吸気温センサ１６で計測される上記指標温度が所定のしきい値以上であるときに熱電発電を実施するように構成されている。
以下に、この内容について詳しく説明する。
本例は、ＥＧＲ装置を備えた内燃機関の排熱回収装置に関する例である。この内容について、図１〜図６を用いて説明する。
本例の内燃機関の排熱回収装置１は、図１に示すごとく、内燃機関３の排気通路１１と吸気通路１２との間に、上記内燃機関３の排ガスの一部を上記吸気通路１１に還流させる排ガス還流通路１３を設けたものである。
この内燃機関の排熱回収装置１は、高温側端部４１と低温側端部４２との温度差を電気に変換する熱電素子を構成するｐ型半導体素子４０２及びｎ型半導体素子４０１を有してなり、排ガスの熱量を回収して熱電発電可能なように高温側端部４１が排ガス還流通路１３と熱的に接続された状態で配設された熱電モジュール４と、該熱電モジュール４が発電した電力を変換するレギュレータ１５と、該レギュレータ１５が変換した電力を充電する蓄電池１５０と、排ガス温度に連動して変化する指標温度を計測する温度センサ１６（本例では、吸気温センサ。以下、適宜吸気温センサ１６と記載する。）とを有してなる。
上記の熱電モジュール４は、上記吸気温センサ１６で計測される上記指標温度が所定のしきい値以上であるときに熱電発電を実施するように構成されている。
以下に、この内容について詳しく説明する。
本例の排熱回収装置１は、図１に示すごとく、排ガス再循環装置（ＥＧＲ装置）を備えた内燃機関３に適用するものである。なお、本例では、自動車用のディーゼルエンジンへの適用例を説明するが、上記排熱回収装置１を内燃機関３としては、本例のディーゼルエンジンに限定されるものではなく、直噴ガソリンエンジンなどＥＧＲ装置を装着可能な種々の内燃機関に適用することができる。
同図に示すごとく、内燃機関３（以下、適宜ディーゼルエンジン３と記載する。）の吸気側には、吸気管１２０が接続されており、吸入空気の上流側に向けて図示しないサージタンク、スロットルボディ、エアクリーナ等が順に接続されている。そして、吸気管１２０、サージタンク等により上記吸気通路１２が形成されている。ここで、吸気管１２０には、吸入空気の温度を計測するための上記吸気温センサ１６を配設してある。すなわち、本例では、上記温度センサとして吸気温センサ１６を用いて、上記指標温度として吸気温を利用している。なお、この吸気温に代えて、排気温等の温度を上記指標温度として利用することができる。
上記のように構成された吸気通路１２を介してディーゼルエンジン３に供給される吸入空気は、燃料噴射弁３１から噴射される霧化燃料と混合されて、燃焼室３０内に吸入される。そして、燃焼室３０内で燃焼した後の排ガスは、排気マニホールド（図示略）、該排気マニホールドが集合してなる排気管１１０を介して大気中に排出される。ここで、排気マニホールド及び排気管１１０等によって、上記排気通路１１が形成されている。
排気管１１０と、サージタンクの上流側をなす吸気管１２０との間には、図１に示すごとく、排ガスを還流させるための排ガス還流通路１３としての還流管１３０を接続してある。ここで、還流管１３０の中間部分には、材質ＳＵＳよりなり、内部に排ガスを流動させるように構成したブロック状の熱交換ブロック１３１を設けてある。そして、この熱交換ブロック１３１と、上記熱電モジュール４と、後述する冷却ブロック１３５とを組み合わせてＥＧＲクーラ１１を構成してある。また、還流管１３０と吸気管１２０との接合箇所には、ＥＧＲバルブ１７を配設してある。このＥＧＲバルブ１７は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）６と電気的に接続してあり、該ＥＣＵ６からの制御信号によって開閉動作するように構成してある。
上記レギュレータ１５は、図１及び図２に示すごとく、熱電モジュール４と蓄電池１５０との間の電気的な経路中に配置されている。このレギュレータ１５は、内部回路として、電圧制御回路部１５１と電流制御回路部１５２とを有している。そして、このレギュレータ１５は、熱電モジュール４の発生電流や発生電圧を、所定の範囲に調節して安定化させるためのものである。これにより、還流管１３０を流動する排ガスの温度や流量に関わらず熱電モジュール４が発生した電力を、安定的に蓄電池１５０に充電できる。さらに、本例のレギュレータ１５は、熱電モジュール４が発生した電力を蓄電池１５０に供給するか、ライト等の車両の電装品１５５に供給するかの切り替えを行うスイッチ回路部１５３を有している。このスイッチ回路部１５３は、ＥＣＵ６と電気的に接続され、このＥＣＵ６により制御可能なように構成されている。
上記蓄電池１５０は、周知の車両用バッテリである。本例の排熱回収装置１では、図示しないオルタネータから蓄電池１５０に至る充電経路に加えて、熱電モジュール４からレギュレータ１５を介して蓄電池１５０に至る第２の充電経路を形成してある。これにより、熱電モジュール４を用いて回収した排ガスの熱量を、電力として回収して有効に活用できるようにしてある。なお、本例では、図１に示すごとく、熱電モジュール４と蓄電池１５０及びレギュレータ１５との間に、熱電モジュール４による発電を実施するかしないかを切り替えるスイッチボックス１８を配設してある。スイッチボックス１８は、ＥＣＵ６によって制御可能に構成されており、このスイッチボックス１８を介して熱電モジュール４とレギュレータ１５とを電気的に接続することで、熱電モジュール４に熱電発電を実施させるように構成してある。
本例のＥＣＵ６は、図１に示すごとく、上記吸気温センサ１６等と電気的に接続されており、これらの出力信号に基づいてＥＧＲバルブ１７や、レギュレータ１５のスイッチ回路部１５３（図２）や、スイッチボックス１８等を制御するように構成されている。また、ＥＣＵ６は、車両内で消費される電力の大きさを監視する機能を有しており、この電力負荷の大きさに応じて上記スイッチ回路部１５３を切り替えるように構成されている。
ＥＣＵ６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力Ｉ／Ｆ回路等によって構成された制御ユニットである。そして、このＥＣＵ６は、ＲＯＭに格納されたコンピュータプログラムに沿って所定の制御を実行するように構成されている。
ＥＣＵ６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力Ｉ／Ｆ回路等によって構成された制御ユニットである。そして、このＥＣＵ６は、ＲＯＭに格納されたコンピュータプログラムに沿って所定の制御を実行するように構成されている。
本例の排熱回収装置１では、図１に示すごとく、上記のごとく中間部分に熱交換ブロック１３１を設けた還流管１３０の両端を、上記排気通路１１をなす排気管１１０あるいは上記吸気通路１２をなす吸気管１２０と連通するように接続させることで、上記排ガス還流通路１３を形成してある。還流管１３０の熱交換ブロック１３１は、図３に示すごとく、内部に排ガス還流通路１３をなす貫通孔１３１ａを設けた略平板状のものである。そして、この熱交換ブロック１３１は、熱電モジュール４を配設するための略平面状の放熱面１３１ｂを設けてなる。なお、本例では、排ガス還流通路１３を流動する排ガスの熱量を効率良く回収できるように、熱伝導率の高い材質ＳＵＳにより熱交換ブロック１３１を形成してある。
さらに、本例の排熱回収装置１は、図１及び図３に示すごとく、熱電モジュール４を構成する熱電素子４０の低温側端部４２を冷却するための略平板状の冷却ブロック１３５を有している。本例では、この冷却ブロック１３５を、熱伝導性に優れる材質ＳＵＳより形成してある。冷却ブロック１３５は、冷却媒体である水を流動させるための流通孔１３５ａを長手方向に貫通してある。この冷却ブロック１３５には、図示しないポンプから延設された供給パイプと排出パイプとが接続され、内部に、上記の水よりなる冷却媒体が流動する。そして、冷却ブロック１３５は、図４に示すごとく、熱交換ブロック１３１の上記放熱面１３１ｂと所定の間隙を設けて対面する略平面状の吸熱面１３５ｂを設けてなる。なお、ここで、冷却媒体を流動させる上記のポンプは、後述するＥＣＵ６により制御可能なように構成してある。
そして、上記熱交換ブロック１３１及び上記冷却ブロック１３５は、図４に示すごとく、相互に対面させた放熱面１３１ｂと吸熱面１３５ｂとの間に、熱電モジュール４を挟持している。この熱電モジュール４は、ｐ型半導体素子４０２とｎ型半導体素子４０１とを組み合わせてなる熱電素子４０を複数、配設したものである。具体的には、本例では、ｎ型半導体４０１としてＢｉＴｅを用い、ｐ型半導体４０２としてもＢｉＴｅを用いた。
ここで、本例の熱電モジュール４の構造について簡単に説明する。熱電モジュール４は、図４に示すごとく、熱交換ブロック１３１の放熱面１３１ｂと、冷却ブロック１３５の吸熱面１３５ｂとが相互に対面する隙間に、ｐ型半導体素子４０２とｎ型半導体素子４０１とを並設した熱電素子４０を複数、配置したものである。各熱電素子４０をなすｐ型半導体素子４０２とｎ型半導体素子４０１とは、上記放熱面１３１ｂ側の高温側端部４１において高温側電極４５ａを介して電気的に接続されている。そして、上記吸熱面１３５ｂ側の低温側端部４２においては、ｐ型半導体素子４０２は、隣り合う他の熱電素子４０のｎ型半導体素子４０１と低温側電極４５ｂを介して電気的に接続されており、ｎ型半導体素子４０１は、隣り合う他の熱電素子４０のｐ型半導体素子４０２と低温側電極４５ｂを介して電気的に接続されている。そして、各熱電素子４０は、高温側端部４５ａと低温側端部４５ｂとの間に生じた温度差に応じて起電力を発生する。
図４及び図５に示すごとく、略平面状を呈する熱交換ブロック１３１の放熱面１３１ｂには、電気的絶縁を図ると共に熱伝導性を維持するためのアルミナの溶射膜４６ａを形成してある。さらにその外表面には、導電性材料である白金をスパッタリングにより成膜してなるスパッタ膜４５２ａを形成してある。このスパッタ膜４５２ａの外層には、いわゆるＡｇペーストを塗布して焼き付けた焼き付け銀膜４５３ａを介して熱伝導マット４５４ａを接合してある。なお、本例の熱伝導マット４５４ａとしては、Ａｇマットを用いた。
さらに、熱伝導マット４５４ａの外層には、再び上記と同様の焼き付け銀膜４５３ａを配し、これによりｎ型（ｐ型）半導体素子４０２（４０１）の高温側端部４１を接合している。なお、ｎ型（ｐ型）半導体素子４０２（４０１）の高温側端部４１の表面には、上記と同様のスパッタ膜４５２ａを形成してある。以上のように、本例では、２層のスパッタ膜４５２ａと、２層の焼き付け銀膜４５３ａと、熱伝導マット４５４ａとにより、上記高温側電極４５ａを形成してある。
また、図４及び図５に示すごとく、略平面状を呈する冷却ブロック１３５の冷却面１３５ｂには、電気的絶縁を図ると共に熱伝導性を維持するためのアルミナの溶射膜４６ｂを形成してある。さらにその外表面には、導電性材料である白金をスパッタリングにより成膜してなるスパッタ膜４５２ｂを形成してある。このスパッタ膜４５２ｂの外層には、いわゆるＡｇペーストを塗布して焼き付けた焼き付け銀膜４５３ｂを介して熱伝導マット４５４ｂを接合してある。なお、本例の熱伝導マット４５４ｂとしては、Ａｇマットを用いた。
さらに、熱伝導マット４５４ｂの外層には、再び上記と同様の焼き付け銀膜４５３ｂを配し、これによりｎ型（ｐ型）半導体素子４０２（４０１）の低温側端部４２を接合している。なお、ｎ型（ｐ型）半導体素子４０２（４０１）の低温側端部４２の表面には、上記と同様のスパッタ膜４５２ｂを形成してある。以上のように、本例では、高温側電極４５ａと同様、２層のスパッタ膜４５２ｂと、２層の焼き付け銀膜４５３ｂと、熱伝導マット４５４ｂとにより、上記低温側電極４５ｂを形成してある。
上記のように構成された本例の排熱回収装置１の制御方法について、図６に示すフローチャートに沿って説明する。
まず、ステップＳ１０１では、吸気管１２０に配設された吸気温センサ１６の出力を参照して吸気温度Ｔａを取り込む。そして、ステップＳ１０２において、計測された吸気温度Ｔａと、予め設定されたしきい値温度Ｔｈとを比較し、Ｔａ＞Ｔｈが成立していればステップＳ１０３ａ以降の処理ステップを実施する。一方、Ｔａ＞Ｔｈが成立していなければ、ステップＳ１０３ｂを実施する。このステップＳ１０３ｂでは、ＥＧＲバルブ１７を閉止すると共に、スイッチボックス１８を切断して熱電モジュール４とレギュレータ１５とを電気的に切断し、さらに、上記ポンプを停止させて冷却ブロック１３５への冷却媒体の供給を停止させる。これにより、ＥＧＲ機能を停止させる。
まず、ステップＳ１０１では、吸気管１２０に配設された吸気温センサ１６の出力を参照して吸気温度Ｔａを取り込む。そして、ステップＳ１０２において、計測された吸気温度Ｔａと、予め設定されたしきい値温度Ｔｈとを比較し、Ｔａ＞Ｔｈが成立していればステップＳ１０３ａ以降の処理ステップを実施する。一方、Ｔａ＞Ｔｈが成立していなければ、ステップＳ１０３ｂを実施する。このステップＳ１０３ｂでは、ＥＧＲバルブ１７を閉止すると共に、スイッチボックス１８を切断して熱電モジュール４とレギュレータ１５とを電気的に切断し、さらに、上記ポンプを停止させて冷却ブロック１３５への冷却媒体の供給を停止させる。これにより、ＥＧＲ機能を停止させる。
ステップＳ１０３ａでは、ＥＧＲバルブ１７を開口させると共に、スイッチボックス１８を接続して熱電モジュール４とレギュレータ１５とを電気的に接続し、さらに、ポンプを作動して冷却ブロック１３５への冷却媒体の供給を実施する。これにより、ＥＧＲ機能を動作させると共に、熱電モジュール４による熱電発電を実施する。また、ステップＳ１０４では、電力負荷の大きさＬを取り込み、この電力負荷Ｌと予め設定されたしきい値Ｌｔｈとの比較を実施する（ステップＳ１０５）。
そして、Ｌ＞Ｌｔｈが成立しない場合には、ステップＳ１０６に移行し、熱電モジュール４が熱電発電した電力を蓄電池１５０に蓄える充電モードを実施する。一方、Ｌ＞Ｌｔｈが成立する場合には、ステップＳ１０７に移行し、熱電モジュール４が発生する電力をレギュレータ１５を介して直接的に、電装品１５５に供給する電力消費モードを実施する。
（実施例２）
本例は、実施例１における熱電モジュールの構成を変更した例である。この内容について図７及び図８を用いて説明する。
本例の熱電モジュール４では、図７に示すごとく、最大熱電効率が得られるピーク温度が異なる２つの分割熱電素子である高温素子４８１、４８２と低温素子４９１、４９２とにより各熱電素子４０を構成している。この熱電モジュール４では、ピーク温度が低い低温素子４９１、４９２を、冷却ブロック１３５に近づけて配置してある。すなわち、熱交換ブロック１３１の放熱面１３１ｂ側に高温素子４８１、４８２を配置し、冷却ブロック１３５の冷却面１３５ｂ側に低温素子４９１、４９２を配置した。
なお、本例では、ｎ型半導体よりなる高温素子４８１としてＣｏＳｂを、ｐ型半導体よりなる高温素子４８２としてＺｎＳｂを用いた。また、ｎ型半導体よりなる低温素子４９１としてＢｉ2Ｔｅ3を、ｐ型半導体よりなる低温素子４９２としてＢｉ2Ｔｅ3を用いた。
本例は、実施例１における熱電モジュールの構成を変更した例である。この内容について図７及び図８を用いて説明する。
本例の熱電モジュール４では、図７に示すごとく、最大熱電効率が得られるピーク温度が異なる２つの分割熱電素子である高温素子４８１、４８２と低温素子４９１、４９２とにより各熱電素子４０を構成している。この熱電モジュール４では、ピーク温度が低い低温素子４９１、４９２を、冷却ブロック１３５に近づけて配置してある。すなわち、熱交換ブロック１３１の放熱面１３１ｂ側に高温素子４８１、４８２を配置し、冷却ブロック１３５の冷却面１３５ｂ側に低温素子４９１、４９２を配置した。
なお、本例では、ｎ型半導体よりなる高温素子４８１としてＣｏＳｂを、ｐ型半導体よりなる高温素子４８２としてＺｎＳｂを用いた。また、ｎ型半導体よりなる低温素子４９１としてＢｉ2Ｔｅ3を、ｐ型半導体よりなる低温素子４９２としてＢｉ2Ｔｅ3を用いた。
ここで、高温素子４８１（４８２）と低温素子４９１（４９２）との中間構造について簡単に説明する。図８に示すごとく、高温素子４８１（４８２）における低温素子４９１（４９２）側の外表面には、スパッタ膜４５２ｃを成膜してあり、その外表面には、焼き付け銀膜４５３ｃ、熱伝導マット４５４ｃ及び、焼き付け銀膜４５３ｃの３つの層を形成してある。そして、これら３つの層の外表面に、スパッタ膜４５２ｃを成膜した低温素子４９１（４９２）を接合してある。すなわち、２層のスパッタ膜４５２ｃ、２層の焼き付け銀膜４５３ｃ及び熱伝導マット４５４ｃにより、高温素子４８１（４８２）と低温素子４９１（４９２）との間の中間電極４５ｃを形成してある。
本例の熱電モジュール４における熱電素子４０は、図７に示すごとく、放熱面１３１ｂと吸熱面１３５ｂとの間隙で、高温素子４８１、４８２と低温素子４９１、４９２とを積層して形成してある。そのため、高温側端部４１と低温側端部４２との間の温度勾配を２つに区切って、それぞれの温度域にピーク温度を合わせた異なる上記２種類の分割熱電素子を対応させることができるので、全体として各熱電素子４０のエネルギー変換効率を高めることができる。
なお、その他の構成及び作用効果は、実施例１と同様である。
なお、その他の構成及び作用効果は、実施例１と同様である。
（実施例３）
本例は、実施例２における熱電素子の構成を変化させた例である。この内容について、図９を用いて説明する。
同図（ｂ）に示すごとく、還流管１３０を流動する排ガスの温度は、上流側から下流側に向けて次第に低下していく。なお、同図では、横軸に還流管の軸方向の距離Ｄを上流側の位置を基準として規定し、縦軸に排ガスの温度Ｔを規定している。
そこで、本例では、同図（ａ）に示すごとく、排ガスの温度の低下に合わせて、上流側では、熱電素子４０全体に占める高温素子４８１、４８２の割合を高くし、下流側では、熱電素子４０全体に占める低温素子４９１、４９２の割合を低くしてある。
本例は、実施例２における熱電素子の構成を変化させた例である。この内容について、図９を用いて説明する。
同図（ｂ）に示すごとく、還流管１３０を流動する排ガスの温度は、上流側から下流側に向けて次第に低下していく。なお、同図では、横軸に還流管の軸方向の距離Ｄを上流側の位置を基準として規定し、縦軸に排ガスの温度Ｔを規定している。
そこで、本例では、同図（ａ）に示すごとく、排ガスの温度の低下に合わせて、上流側では、熱電素子４０全体に占める高温素子４８１、４８２の割合を高くし、下流側では、熱電素子４０全体に占める低温素子４９１、４９２の割合を低くしてある。
以上のように、本例の熱電モジュール４では、還流管を流動する排ガスの温度に対して、各熱電素子４０の温度特性を適合させることで、熱電モジュール４全体のエネルギー変換効率をさらに向上してある。
なお、その他の構成及び作用効果については実施例２と同様である。
なお、その他の構成及び作用効果については実施例２と同様である。
（実施例４）
本例は、実施例１の排熱回収装置を基にして、熱電モジュールの構造及び、その冷却構造を変更した例である。この内容について、図１０〜図１３を用いて説明する。
本例の熱電モジュール４は、図１０及び図１１に示すごとく、断面略六角外形状に形成した還流管１３０における略平面状の各放熱面１３０ｂに高温側端部４１を対面させた熱電素子４０を有している。そして、還流管１３０の内周部には、高温側熱交換部５を形成してある。この高温側熱交換部５は、別体で構成して還流管１３０と接合することもできるが、本例では、還流管１３０と高温側熱交換部５とを一体的に成形した銅の押出材を適用した。
本例は、実施例１の排熱回収装置を基にして、熱電モジュールの構造及び、その冷却構造を変更した例である。この内容について、図１０〜図１３を用いて説明する。
本例の熱電モジュール４は、図１０及び図１１に示すごとく、断面略六角外形状に形成した還流管１３０における略平面状の各放熱面１３０ｂに高温側端部４１を対面させた熱電素子４０を有している。そして、還流管１３０の内周部には、高温側熱交換部５を形成してある。この高温側熱交換部５は、別体で構成して還流管１３０と接合することもできるが、本例では、還流管１３０と高温側熱交換部５とを一体的に成形した銅の押出材を適用した。
図１０に示すごとく、本例における上記熱電素子４は、上記断面略六角外形状を呈する還流管１３０の外周を囲うようにリング状に配置してあるので、全体で六角柱状の外形状を呈している。そして、この熱電素子４０は、その周方向においてスリット４９を設けて周方向６個に分割されている。また、図１１に示すごとく、上記熱電素子４０は、還流管１３０の長手方向にｎ型半導体４０１とｐ型半導体４０２とを並列させてなると共に、両者の間には断熱材４０９を介在させてある。
本例の還流管１３０は、図１０に示すごとく、六角形状を呈しており、その内面においては、その角部近傍からそれぞれ中心に向かって長さの異なる一対のフィン５１、５２が形成されている。すなわち、合計６本の短いフィン５１と、合計６本の長いフィン５２とを組み合わせて上記高温側熱交換部５を形成してある。
また、図１０〜図１２に示すごとく、還流管１３０の各放熱面１３０ｂには、電気的絶縁を図ると共に熱伝導性を維持するためのアルミナの溶射膜４６ａを形成してある。そして、その外表面には、実施例１と同様に、２層のスパッタ膜４５２ａと、２層の焼き付け銀膜４５３ａと、熱伝導マット４５４ａを積層してなる高温側電極４５ａを形成してある。そして、熱電素子４０の低温側端部４２にも、上記高温側電極４５ａと同様に形成された低温側電極４５ｂを介して、銅製の低温側熱交換部７を接合してある。
上記低温側熱交換部７は、図１１に示すごとく、底部７０とその両端から立設させた２枚のフィン７１よりなるコ字状断面を有している。そして、低温側熱交換部７は、上記一対のｎ型半導体４０１とｐ型半導体４０２の両方に掛かるように、その底部７０を接合してある。そして、本例の熱電モジュール４は、還流管１３０の長手方向に複数の熱電素子４０を配置したものである。
なお、実施例２と同様に、熱電モジュール４の構成を変更することも可能である。すなわち、図１３に示すごとく、最大熱電効率が得られるピーク温度が異なる２つの分割熱電素子である高温素子４８１、４８２と低温素子４９１、４９２とを組み合わせた各熱電素子４０を用いて熱電モジュール４を構成することもできる。具体的には、還流管１３０の外周面上に高温素子４８１、４８２を配設し、その径方向外側に中間電極４５ｃを介して低温素子４９１、４９２を配設して熱電素子４０を構成することができる。さらに、実施例３と同様に、還流管１３０の長手方向に沿って熱電素子４０全体に対する高温素子４８１、４８２と低温素子４９１、４９２との構成比を変更することも有効である。
１ 排熱回収装置
１０ ＥＧＲクーラ
１１ 排気通路
１１０ 排気管
１２ 吸気通路
１２０ 吸気管
１３ 排ガス還流通路
１３０ 還流管
１３１ 熱交換ブロック
１３５ 冷却ブロック
１５ レギュレータ
１５０ 蓄電池
１６ 温度センサ（吸気温センサ）
１７ ＥＧＲバルブ
３ 内燃機関（ディーゼルエンジン）
４ 熱電モジュール
４０ 熱電素子
４０１ ｎ型半導体素子
４０２ ｐ型半導体素子
１０ ＥＧＲクーラ
１１ 排気通路
１１０ 排気管
１２ 吸気通路
１２０ 吸気管
１３ 排ガス還流通路
１３０ 還流管
１３１ 熱交換ブロック
１３５ 冷却ブロック
１５ レギュレータ
１５０ 蓄電池
１６ 温度センサ（吸気温センサ）
１７ ＥＧＲバルブ
３ 内燃機関（ディーゼルエンジン）
４ 熱電モジュール
４０ 熱電素子
４０１ ｎ型半導体素子
４０２ ｐ型半導体素子
Claims (8)
- 内燃機関の排気通路と吸気通路との間に、上記内燃機関の排ガスの一部を上記吸気通路に還流させる排ガス還流通路を設けた内燃機関の排熱回収装置において、
高温側端部と低温側端部との温度差を電気に変換する熱電素子を構成するｐ型半導体素子及びｎ型半導体素子を有してなり、排ガスの熱量を回収して熱電発電可能なように上記高温側端部が上記排ガス還流通路と熱的に接続された状態で配設された熱電モジュールと、
該熱電モジュールが発電した電力を変換するレギュレータと、
該レギュレータが変換した電力を充電する蓄電池と、
上記排ガス温度に連動して変化する指標温度を計測するための温度センサとを有してなり、
上記熱電モジュールは、上記指標温度が所定のしきい値以上であるときに熱電発電を実施するように構成されていることを特徴とする内燃機関の排熱回収装置。 - 請求項１において、上記熱電モジュールは、断熱支持部材を介設して、上記排ガス還流通路の長手方向に沿って上記ｎ型半導体素子と上記ｐ型半導体素子とを交互に積層してなり、上記高温側端部及び上記低温側端部では、電極部材を介して上記ｎ型半導体素子と上記ｐ型半導体素子とを電気的に接続してあることを特徴とする内燃機関の排熱回収装置。
- 請求項２において、上記熱電モジュールでは、最大熱電効率が得られるピーク温度が異なる複数の分割熱電素子を組み合わせて上記熱電素子を構成してあり、上記ピーク温度が高い分割熱電素子である高温素子を、上記高温側端部に近づけて配置してあることを特徴とする内燃機関の排熱回収装置。
- 請求項３において、上記熱電モジュールでは、上記ｎ型半導体素子と上記ｐ型半導体素子との組み合わせを、上記排ガス還流通路の長手方向に沿って２層以上積層してあり、上記高温素子の径方向の厚みＡと、上記ピーク温度が最も低い上記分割熱電素子である低温素子の径方向の厚みＢとの比（Ａ／Ｂ）が、上記排ガス還流通路の上流側ほど大きくなるよう、各分割熱電素子の構成比を変更してあることを特徴とする内燃機関の排熱回収装置。
- 請求項１〜４のいずれか１項において、上記ｐ型半導体素子は、半導体材料としてのＮａ2ＣｏＯ2、Ｚｎ4Ｓｂ3及びＢｉＴｅのいずれかよりなり、上記ｎ型半導体素子は、半導体材料としてのＢｉＴｅ、ＺｎＯ及びＣｏＳｂ3のいずれかよりなることを特徴とする内燃機関の排熱回収装置。
- 請求項１〜５のいずれか１項にいて、上記低温側端部は、冷却液との間で熱交換するように構成された低温側熱交換部を有することを特徴とする内燃機関の排熱回収装置。
- 請求項１〜５のいずれか１項において、上記低温側端部は、空冷フィンよりなる低温側熱交換部を有することを特徴とする内燃機関の排熱回収装置。
- 請求項１〜７のいずれか１項において、上記ｎ型半導体素子、上記ｐ型半導体素子及び上記断熱支持部材は、それぞれ、内周部に貫通穴を設けた環状をなし、上記排ガス還流通路は、上記各貫通穴が相互に連通する状態で積層した上記ｎ型半導体素子、上記ｐ型半導体素子及び上記断熱支持部材の内周側に形成されていることを特徴とする内燃機関の排熱回収装置。
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| JP2008051002A (ja) * | 2006-08-24 | 2008-03-06 | Sanoh Industrial Co Ltd | 窒素酸化物処理装置および方法 |
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| CN113775455A (zh) * | 2021-09-23 | 2021-12-10 | 中国第一汽车股份有限公司 | 发动机排气运行方法、系统、电子设备及存储装置 |
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