JP2006220005A - 車両の熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 十分且つ安定した温度差を確保可能な位置に熱電モジュールをレイアウトし、当該熱電モジュールによる熱電発電によりエンジンの負担を軽減させ燃費を向上させることができる車両の熱電発電装置を提供すること。
【解決手段】 吸気管(4)におけるコンプレッサハウジング(12)の吸気出口部分(12b)と、排気管(8)におけるタービンハウジング(16)の排気入口部分(16b)との間に熱電モジュール(40)を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両の熱電発電装置に係り、詳しくは熱電モジュールを用いた熱電発電による電力供給に関する。

従来、車両に搭載された電気機器等の補機類への電力供給はオルタネータ等により発電した電力により行っていた。
しかし、オルタネータはエンジンの出力によって駆動するため、エンジンにはオルタネータを駆動させる分の負担が余計にかかり燃費の悪化を招いていた。
そこで、低温部と高温部との温度差によって発電可能な熱電モジュールを車両に設け、当該熱電モジュールによる熱電発電によりエンジンの負担を軽減する技術が開示されている。（特許文献１参照）。
特開２００１−３３２２９３号公報

熱電モジュールを用いた熱電発電によって安定した高い発電電力を得るには、熱電モジュールの低温部と高温部との温度差を大きくし、当該温度差を維持することである。
車両において高温源となり得る部分は比較的多くあるが、特に高温となり得るのはエンジンの排気系であり、排気直後の排ガスは十分な高温源となる。
それに対し、車両において安定した低温源を確保することは難しく、例えば代表的な低温源としては冷却水があるが、冷却水を排気系の周りに通すのは困難である。このように、車両において、排気系等の高温源の近傍にあり、比較的低温で、且つその温度を維持することのできる低温源を得るのは困難である。

上記特許文献１に開示された技術では、熱電モジュールの高温部をエンジンや排気マフラ等に設け、低温部を主に空気流としているが、エンジンや排気マフラ等は排気直後の排ガスに比べそれほど高温とはならず、空気流を低温部とすると車両停止中等により空気の流れが止まると低温を維持するのが困難である。したがって、上記特許文献１に開示された技術の、熱電モジュールを用いた熱電発電は十分で安定した発電量を得ることは難しいという問題がある。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、十分且つ安定した温度差を確保可能な位置に熱電モジュールをレイアウトし、当該熱電モジュールによる熱電発電によりエンジンの負担を軽減させ燃費を向上させることができる車両の熱電発電装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１の車両の熱電発電装置では、内燃機関の排気通路に配設されたタービンを排ガスにより回転させることで吸気通路に配設されたコンプレッサを回転させて吸気の過給を行うターボ過給機と、前記吸気通路における前記コンプレッサ側に設けた低温部及び前記排気通路における前記タービン側に設けた高温部を有し、該低温部と該高温部との温度差により熱電発電を行う熱電モジュールとを備えることを特徴とする車両の熱電発電装置。

これより、吸気通路と排気通路が接近するターボ過給機のコンプレッサ側とタービン側との間に熱電モジュールを設け、当該熱電モジュールの熱電発電を行う。
請求項２の車両の熱電発電装置では、前記熱電モジュールを用いた熱電発電による発電電力が前記車両の要求電力を満たす場合にのみ、該熱電モジュールを用いた熱電発電による車両の電力供給を行うことを特徴としている。

これより、熱電モジュールを用いた熱電発電により行う車両の電力供給は、当該熱電発電による発電電力が車両の要求電力を満たしている場合のみとし、当該熱電発電による発電電力が車両の供給電力に満たない場合には、熱電モジュールを用いた熱電発電による車両の電力供給は行わない。
請求項３の車両の熱電発電装置では、前記低温部と前記高温部との温度差が、予め設定された所定温度差以上である場合にのみ、該熱電モジュールを用いた熱電発電による車両の電力供給を行うことを特徴としている。

これより、熱電モジュールを用いた熱電発電により行う車両の電力供給は、熱電モジュールの低温部と高温部との温度差を十分に得られる場合のみとし、熱電モジュールの低温部と高温部との温度差が十分に得られない場合には、熱電モジュールを用いた熱電発電による車両の電力供給は行わない。

上記手段を用いる本発明の請求項１の車両の熱電発電装置によれば、ターボ過給機のコンプレッサ側とタービン側との間が互いに接近しているという構造を有効に利用し、熱電モジュールを容易にレイアウトすることができる。また、低温部及び高温部はそれぞれの熱源との間隔を近くすることができるため、損失の少ない熱電発電を行うことができる。
さらに、熱電モジュールの低温部と高温部との間隔が狭くても、吸気及び排気はエンジンが運転している間流動しているため、温度差は維持され、このことから熱電モジュールは十分な発電電力を安定して得ることができる。

これにより、オルタネータを使用せず、熱電モジュールを用いた熱電発電により車両の補機類等に対して良好に電力を供給することができ、オルタネータを駆動する分のエンジンの負担を軽減し燃費を向上させることができる。
請求項２の車両の熱電発電装置によれば、熱電モジュールによる発電電力が車両の供給電力に満たない場合には熱電発電による電力供給を行わないようにすることで、車両の電力供給が不安定になることを防止することができる。

請求項３の車両の熱電発電装置によれば、低温部と高温部の温度差が低い場合には、熱電発電による電力供給を行わないようにすることで、車両の電力供給が不安定になることを十分に防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１を参照すると本発明に係る熱電発電装置を備えた車両の概略構成図が示されており、図２を参照すると図１のＡ−Ａ線に沿う断面図が示されている。以下、図１に基づき説明する。
図１に示すように、車両に搭載されたエンジン（内燃機関）１の吸気側には吸気マニホールド２を介して吸気管（吸気通路）４が接続されており、一方、エンジン１の排気側には排気マニホールド６を介して排気管（排気通路）８が接続されている。

当該吸気管４及び排気管８の途中にはターボチャージャ（ターボ過給機）１０が設けられている。
詳しくは、吸気管４にターボチャージャ１０のコンプレッサハウジング１２が設けられており、当該コンプレッサハウジング１２内にコンプレッサインペラ１４が収納されている。一方、排気管８にはターボチャージャ１０のタービンハウジング１６が設けられており、当該タービンハウジング１６内にタービンインペラ１８が収納されている。コンプレッサハウジング１２とタービンハウジング１６はセンターハウジング２０を介して連結されており、コンプレッサインペラ１４とタービンインペラ１８は互いが同期回転するようセンターハウジング２０内に収納されている回転軸２２を介して連結されている。

コンプレッサハウジング１２の吸気入口部１２ａ及びタービンハウジング１６の排気出口部１６ａはそれぞれ回転軸２２の軸線方向に向かって吸気管４、排気管８がそれぞれ接続されており、吸気出口部１２ｂ及び排気入口部１６ｂは、各インペラ１４、１８の外周から、回転軸２２と垂直をなす同一方向に向かって吸気管４、排気管８がそれぞれ接続されている。

また、吸気管４において、コンプレッサハウジング１２よりも吸気下流側にはコントロールパイプ３０の一端が接続されており、当該コントロールパイプ３０の他端側にはウエストゲートアクチュエータ３２が接続されている。さらに、排気管８において、タービンハウジング１６の排気上流側と排気下流側を連通する排気バイパス管３４が接続され、当該排気バイパス管３４の排気上流端にはウエストゲートバルブ３６が設けられている。ウエストゲートバルブ３６は上記ウエストゲートアクチュエータ３２とロッド３７を介して連結されている。

ウエストゲートバルブ３６は、吸気の過給圧が所定以上となると、ウエストゲートアクチュエータ３２によって開方向に作動されることで、排気流をバイパス管３４内へと迂回させる機能を有する。
吸気管４において、コントロールパイプ３０よりもさらに吸気下流側には、過給され温度が上昇した吸気を冷却するインタークーラ３８が設けられている。

コンプレッサ側となるコンプレッサハウジング１２の吸気出口部１２ｂ近傍の吸気管４と、タービン側となるタービンハウジング１６の排気入口部１６ａ近傍の排気管８との間には熱電モジュール４０が設けられている。なお、上記実施形態では吸気出口部１２ｂ近傍と排気入口部１６ａ近傍との間に熱電モジュールを設けているが、ターボチャージャ１０の形状やレイアウトに応じて吸気入口部１２ａ近傍と排気出口部１６ｂ近傍との間に設けてもよい。また、コンプレッサハウジング１２とタービンハウジング１６との間に設けてもよい。

詳しくは、熱電モジュール４０は、図２にも示すように、吸気管４及び排気管８と直接当接している絶縁体４０ａ、４０ｂを介して設けられ、吸気管４側を低温部、排気管８側を高温部としている。当該熱電モジュールは、この低温部と高温部から得られる温度差、つまり吸気と排気の温度差により熱電発電を行う機能を有する。
また、当該熱電モジュール４０が設けられている部分の、吸気管４内及び排気管８内には、絶縁体４０ａ、４０ｂの当接している面と垂直をなし、且つ管内を流れる吸気または排気の方向に延びた、複数の放熱フィン４２、吸熱フィン４４が設けられている。当該放熱フィン４２や吸熱フィン４４は吸気や排気の流れを妨げることなく、吸気や排気の温度を熱電モジュール１０に伝達しやすくする機能を有している。

さらに、当該熱電モジュール４０が設けられている部分の、吸気管４内及び排気管８内には、吸気温度センサ４６、排気温度センサ４８がそれぞれ設けられている。
また熱電モジュール４０はＤＣ／ＤＣコンバータ５０と電気的に接続されている。当該ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は熱電モジュール４０により発電された電力を適切な電圧に変換する機能を有している。

また、車両にはエンジン１の出力により発電するオルタネータ５２、電力を蓄電するバッテリ５４、空調類、オーディオ類、ランプ類等の車両に搭載されている電気機器の補機類５６が搭載されている。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０、オルタネータ５２、バッテリ５４、及び補機類５６はそれぞれ電気的に接続されている。
さらに、車両には、当該車両の各種制御を行うＥＣＵ（電子コントロールユニット）６０が搭載されている。当該ＥＣＵ６０は上記吸気温度センサ４６、排気温度センサ４８、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０、オルタネータ５２、バッテリ５４、補機類５６等の各種装置等と電気的に接続されている。

以下、このように構成された本発明に係る車両の熱電発電装置の作用について説明する。
図３を参照すると、本発明に係る熱電発電装置を備えた車両のＥＣＵ６０により実行される車両走行中の電力供給についての制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同フローチャートに基づき説明する。

まず、ステップＳ１では、例えばブーストセンサ（図示せず）からの情報に基づき、ターボチャージャ１０のタービン１８が作動しているか否かを判別する。つまり、ある程度の排気流量があるか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）であれば、ステップＳ２に進む。
ステップＳ２では、上記吸気温度センサ４６及び排気温度センサ４８により検出される吸気温度と排気温度から熱電モジュール４０の低温部と高温部の温度差Ｔを算出する。このとき当該低温部の温度及び高温部の温度は、放熱フィン４２、吸熱フィン４４により吸気及び排気の温度がそれぞれ良好に伝達されている。

次のステップＳ３では、算出した温度差Ｔと予め設定してある所定温度Ｔ１（例えば４００℃）とを比較し、温度差Ｔが所定温度Ｔ１以上であるか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）であれば、ステップＳ４に進む。
ステップＳ４では、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０から、熱電モジュール４０の熱電発電により発電される発電電力Ｅ１を検出する。

また、次のステップＳ５では、補機類５６等の各種装置を機能させるために必要な電力や、バッテリ５４の充電量が少ない場合には必要な充電量を含めた、要求電力Ｅ２を算出する。
そして、ステップＳ６において、熱電モジュール４０による発電電力Ｅ１と補機類５６等の要求電力Ｅ２とを比較し、発電電力Ｅ１が要求電力Ｅ２以上であるか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）であれば、ステップＳ７に進む。

ステップＳ７では、熱電モジュール４０による熱電発電により補機類４８等への電力供給を行い、当該ルーチンを抜ける。
一方、ステップＳ１、ステップＳ３またはステップＳ６における判別結果が偽（Ｎｏ）であった場合、即ちタービン１８が作動していない場合、温度差Ｔが所定温度差Ｔ１未満であった場合、または、発電電力Ｅ１が要求電力Ｅ１未満であった場合には、ステップＳ１０に進む。

ステップＳ１０では、エンジン１の出力により駆動するオルタネータ５２での発電電力により補機類４８等の電力供給を行い、当該ルーチンを抜ける。
以上のように、ターボチャージャ１０のコンプレッサハウジング１２の吸気出口部分１２ｂとタービンハウジング１６の排気入口部分１６ｂとの間が互いに接近しているという構造を有効に利用し、熱電モジュール４０を容易にレイアウトすることができる。また、低温部及び高温部と熱源との間隔を近くすることができるため、損失が少ない効率のよい熱電発電を行うことができる。

さらに、熱電モジュール４０の低温部と高温部との間隔が狭くても、吸気及び排気はエンジン１が運転している間流動しているため温度差は維持され、熱電モジュール４０は十分な発電電力を安定して得ることができる。
これにより、本発明に係る車両の熱電発電装置は、オルタネータ５２を使用せず、熱電モジュール４０を用いた熱電発電により車両の補機類５６等に対して良好に電力を供給することができ、オルタネータ５２を駆動する分のエンジン１の負担を軽減し燃費を向上させることができる。

また、熱電モジュール４０を用いた熱電発電では、十分な電力を確保することができない場合には、オルタネータ５２の発電を切り換えることで車両の電力供給が不安定になることを確実に防止することができる。
以上で本発明に係る車両の熱電発電装置の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。

例えば、上記実施形態では、熱電モジュール４０の熱電発電による発電電力Ｅ１はＤＣ／ＤＣコンバータ５０から検出しているが、これに限られるものではなく、熱電モジュール４０の低温部と高温部との温度差Ｔから発電電力Ｅ１を算出するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、熱電モジュール４０の低温部と高温部との温度差Ｔによる判別（ステップＳ３）と、熱電モジュール４０の熱電発電による発電電力Ｅ１による判別（ステップＳ６）の両方の判別を行っているが、どちらか一方のみの判別としても構わない。

また、上記実施形態では、タービン１８の作動を判別しているが（ステップＳ１）、当該判別を行わないようにしてもよい。
また、上記実施例では、吸気温と排気温をそれぞれ温度センサで検出しているが、吸気温は外気温度で推定し、排気温はエンジンの運転状態で推定することも可能である。

本発明に係る熱電発電装置を備えた車両の概略構成図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本発明に係る熱電発電装置を備えた車両のＥＣＵにより実行される車両走行中の電力供給についての制御ルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１ エンジン（内燃機関）
４ 吸気管（吸気通路）
８ 排気管（排気通路）
１０ ターボチャージャ（ターボ過給機）
１２ コンプレッサハウジング
１２ｂ 吸気出口部
１６ タービンハウジング
１６ｂ 排気入口部
４０ 熱電モジュール
４２ 放熱フィン
４４ 吸熱フィン
４６ 吸気温度センサ
４８ 排気温度センサ
５０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
５２ オルタネータ
５４ バッテリ
５６ 補機類
６０ ＥＣＵ

Claims (3)

1. 内燃機関の排気通路に配設されたタービンを排ガスにより回転させることで吸気通路に配設されたコンプレッサを回転させて吸気の過給を行うターボ過給機と、
   前記吸気通路における前記コンプレッサ側に設けた低温部及び前記排気通路における前記タービン側に設けた高温部を有し、該低温部と該高温部との温度差により熱電発電を行う熱電モジュールと、
   を備えることを特徴とする車両の熱電発電装置。
2. 前記熱電モジュールを用いた熱電発電による発電電力が前記車両の要求電力を満たす場合にのみ、該熱電モジュールを用いた熱電発電による車両の電力供給を行うことを特徴とする請求項１記載の車両の熱電発電装置。
3. 前記低温部と前記高温部との温度差が、予め設定された所定温度差以上である場合にのみ、該熱電モジュールを用いた熱電発電による車両の電力供給を行うことを特徴とする請求項１または２記載の車両の熱電発電装置。

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