JP2007016747A - Automobile exhaust heat power generation device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、内燃機関の排気系に配置した熱電素子により発電する自動車用排熱発電装置に関する。 The present invention relates to an automobile exhaust heat power generation apparatus that generates power by a thermoelectric element disposed in an exhaust system of an internal combustion engine.
従来、自動車において、それぞれエンジン(内燃機関)から排出される排気ガスの熱エネルギーを回収して電力に変換するものとしては、例えば、排気ガスが通過する排気通路からのガス熱が高温端面に伝達可能とされる熱電変換素子が配置され、該熱電変換素子の低温端面には放熱部材が配置されることにより構成された排熱発電装置が知られている。(特許文献1参照)。 Conventionally, in automobiles, the heat energy of exhaust gas discharged from each engine (internal combustion engine) is recovered and converted into electric power. For example, gas heat from an exhaust passage through which exhaust gas passes is transmitted to a high temperature end face. 2. Description of the Related Art There is known an exhaust heat power generation apparatus configured by disposing a possible thermoelectric conversion element and disposing a heat dissipating member on a low-temperature end face of the thermoelectric conversion element. (See Patent Document 1).
前記特許文献1によれば、上述した排熱発電装置は、熱電変換モジュールの高温端面と低温端面との間に生じた温度差に応じて、ゼーベック効果により生じた熱起電力により発電が行われることで、排気ガスの熱エネルギーを回収して電力に変換することができるとしている。
According to
しかしながら、一般的に上述したような熱電変換素子は、最も効率的に発電できる素子固有の最適発電温度範囲を有しているものであり、内燃機関の運転状態によっては、この最適発電温度範囲を下回る時間帯が生じる場合がある。 However, in general, the thermoelectric conversion element as described above has an optimum power generation temperature range unique to the element that can generate power most efficiently. Depending on the operating state of the internal combustion engine, this optimum power generation temperature range may be reduced. There may be times below.
仮に、内燃機関の運転状態により排気ガス温度が前記最適発電温度範囲を下回ってしまうと、発電能力の低下により駆動対象装置に対する電力供給が不安定になってしまうおそれがある。 If the exhaust gas temperature falls below the optimum power generation temperature range due to the operating state of the internal combustion engine, the power supply to the drive target device may become unstable due to a decrease in power generation capacity.
この発明は、内燃機関の運転状態に関わらず熱電素子の発電能力を保持し、安定した電力供給が行える自動車用排熱発電装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an automotive exhaust heat power generation apparatus that can maintain the power generation capability of a thermoelectric element regardless of the operating state of an internal combustion engine and can stably supply power.
この発明の自動車用排熱発電装置は、内燃機関の排気系に配置した熱電素子により発電する自動車用排熱発電装置であって、排気ガスが通過し、上記熱電素子の高温側に対して熱伝達可能に配置した排気通路と、上記熱電素子の高温側に対して熱伝達可能に配置した加熱手段と、上記熱電素子の低温側に対して熱伝達可能に配置した低温側熱交換器とを含み、上記加熱手段は、上記内燃機関の運転状態に起因して排気ガス温度が上記熱電素子の高温側の発電温度範囲より低い場合、熱電素子に対して排熱を行うことを特徴とする。 An automobile exhaust heat power generation apparatus according to the present invention is an automobile exhaust heat power generation apparatus that generates electric power using a thermoelectric element disposed in an exhaust system of an internal combustion engine, through which exhaust gas passes and heats the high temperature side of the thermoelectric element. An exhaust passage arranged so as to be able to transmit, a heating means arranged so as to be able to transfer heat to the high temperature side of the thermoelectric element, and a low temperature side heat exchanger arranged so as to be able to transfer heat to the low temperature side of the thermoelectric element. And the heating means exhausts heat to the thermoelectric element when the exhaust gas temperature is lower than the power generation temperature range on the high temperature side of the thermoelectric element due to the operating state of the internal combustion engine.
この構成によれば、熱電素子高温側が最適の発電温度範囲を下回った場合であっても、加熱手段により高温側が加熱されるため、熱電素子の高温側における温度変化を補償することができる。 According to this configuration, even when the high temperature side of the thermoelectric element falls below the optimum power generation temperature range, the temperature change on the high temperature side of the thermoelectric element can be compensated because the high temperature side is heated by the heating means.
この発明の一実施態様においては、前記加熱手段を、前記排気通路の一部に対して熱伝達可能に配置した化学ヒートポンプにより構成し、上記化学ヒートポンプは、反応部と、凝縮部と、連通路と、該連通路に設置した圧力調整弁とを含んでなり、上記反応部は、マグネシウム化合物と水とを脱水または水和反応させ、上記凝縮部は、水蒸気を凝縮させ、上記連通路は、反応部と凝縮部とを連結して上記水蒸気を流通させるものとし、上記内燃機関の運転状態に起因して排気ガス温度が上記熱電素子の高温側の発電温度範囲より高い場合は、排気ガス熱により上記反応部にて水和反応を生じさせることにより上記化学ヒートポンプに吸熱させ、排ガス温度が発電温度範囲より低い場合は、上記反応部にて水和反応を生じさせることにより上記化学ヒートポンプに排熱させることを特徴とする。 In one embodiment of the present invention, the heating means is constituted by a chemical heat pump disposed so as to be able to transfer heat to a part of the exhaust passage, and the chemical heat pump includes a reaction portion, a condensing portion, and a communication passage. And a pressure regulating valve installed in the communication path, the reaction section dehydrates or hydrates the magnesium compound and water, the condensation section condenses water vapor, and the communication path includes: When the steam is circulated by connecting the reaction unit and the condensing unit, and the exhaust gas temperature is higher than the power generation temperature range on the high temperature side of the thermoelectric element due to the operating state of the internal combustion engine, the exhaust gas heat By causing the chemical heat pump to absorb heat by causing a hydration reaction in the reaction part, and if the exhaust gas temperature is lower than the power generation temperature range, causing the hydration reaction in the reaction part to Characterized in that to waste heat Manabu heat pump.
この構成によれば、排気ガス熱の温度が発電温度範囲を上回った時の熱エネルギーを蓄積し、排気ガス熱の温度が発電温度範囲を下回った時には、上記蓄積された熱エネルギーを放出することにより、熱電素子を加熱することができるため、熱電素子専用の特別な熱源を設ける必要がない。 According to this configuration, the thermal energy when the temperature of the exhaust gas heat exceeds the power generation temperature range is accumulated, and when the temperature of the exhaust gas heat falls below the power generation temperature range, the stored thermal energy is released. Thus, since the thermoelectric element can be heated, it is not necessary to provide a special heat source dedicated to the thermoelectric element.
この発明の一実施態様においては、前記排気通路に、排気ガス温度を検出する温度検出手段を配置するとともに、前記熱電素子の高温側の発電温度範囲の上限閾値および下限閾値を予め設定し、上記温度検出手段により検出された排気ガス温度が上記上限閾値よりも高い場合または、上記下限閾値よりも低い場合、前記圧力調整弁を開くように制御することを特徴とする。 In one embodiment of the present invention, in the exhaust passage, temperature detecting means for detecting the exhaust gas temperature is disposed, and an upper limit threshold and a lower limit threshold of a power generation temperature range on the high temperature side of the thermoelectric element are set in advance, When the exhaust gas temperature detected by the temperature detecting means is higher than the upper limit threshold or lower than the lower limit threshold, the pressure control valve is controlled to open.
この構成によれば、温度検出手段により直接的に排気ガス温度を監視し、且つ熱電素子にとって最適な温度範囲を予め設定しているため、化学ヒートポンプによる吸熱、発熱運転を適切なタイミングで行わせることができる。 According to this configuration, the exhaust gas temperature is directly monitored by the temperature detection means, and the optimum temperature range for the thermoelectric element is set in advance, so that heat absorption and heat generation operation by the chemical heat pump are performed at appropriate timing. be able to.
この発明の一実施態様においては、前記熱電素子と前記反応部と前記排気通路の一部とを一体化した発電ユニットとして構成することを特徴とする。
この構成によれば、互いの熱伝達を効率よく行うことができる。
In one embodiment of the present invention, the thermoelectric element, the reaction section, and a part of the exhaust passage are configured as a power generation unit.
According to this structure, mutual heat transfer can be performed efficiently.
この発明の一実施態様においては、前記排気通路の途中に触媒コンバータを配置し、前記発電ユニットを上記触媒コンバータの下流に配置することを特徴とする。 In one embodiment of the present invention, a catalytic converter is arranged in the middle of the exhaust passage, and the power generation unit is arranged downstream of the catalytic converter.
この構成によれば、化学ヒートポンプによる吸熱作用により、触媒の作用が低下し、触媒コンバータの浄化能力が低下することを防止できる。 According to this structure, it can prevent that the effect | action of a catalyst falls by the endothermic effect by a chemical heat pump, and the purification capacity of a catalytic converter falls.
この発明の一実施態様においては、前記発電ユニットを、排気ガス温度が10・15モード燃費の走行パターンにおいて250〜400℃の範囲で変化する排気通路の部分を含むように配置することを特徴とする。 In one embodiment of the present invention, the power generation unit is disposed so as to include an exhaust passage portion in which the exhaust gas temperature changes in a range of 250 to 400 ° C. in a travel pattern of 10.15 mode fuel consumption. To do.
この構成によれば、前記化学ヒートポンプのマグネシウム化合物と水とを効率よく反応させることができるため、化学ヒートポンプの吸熱、排熱能力を最大限高めることができる。 According to this structure, since the magnesium compound of the chemical heat pump and water can be reacted efficiently, the heat absorption and exhaust heat capacity of the chemical heat pump can be maximized.
この発明の一実施態様においては、熱電素子がテルル−ビスマス系素子であることを特徴とする。 In one embodiment of the present invention, the thermoelectric element is a tellurium-bismuth element.
この構成によれば、化学ヒートポンプの吸熱、排熱能力が最も高い温度範囲と、熱電素子が効率よく発電できる最適の発電温度範囲とが重複するため、排熱発電装置全体としての稼動効率を最大限にできる。 According to this configuration, the temperature range with the highest heat absorption and exhaust heat capacity of the chemical heat pump overlaps with the optimum power generation temperature range where the thermoelectric element can generate power efficiently, so that the overall operation efficiency of the exhaust heat power generator is maximized. Can be limited.
この発明によれば、熱電素子高温側が最適の発電温度範囲を下回った場合であっても、熱電素子の高温側における温度変化を補償することにより、熱電素子の高温側と低温側との間の温度差を、発電が効率的に行われる最適な温度差に保持することができるため、発電能力を保持し、安定した電力供給を行うことができる。 According to this invention, even when the high temperature side of the thermoelectric element falls below the optimum power generation temperature range, the temperature change between the high temperature side and the low temperature side of the thermoelectric element is compensated by compensating for the temperature change on the high temperature side of the thermoelectric element. Since the temperature difference can be maintained at an optimum temperature difference at which power generation is performed efficiently, power generation capability can be maintained and stable power supply can be performed.
この発明の一実施形態を以下図面と共に説明する。
図1は、この発明の実施形態に係る自動車の排熱発電ユニット1および排気系構造を示す概略説明図であり、この実施形態に係る車両には、内燃機関となるエンジン2が配置されるとともに、該エンジン2の排気マニホールド3から後方に排気通路4が延び、該排気通路4上には、排気ガス流の上流側から順に、触媒コンバータ5、排熱発電ユニット1、およびサイレンサ6が設けられている。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic explanatory view showing an exhaust heat
前記触媒コンバータ5は、エンジン2の燃焼室から排出される排気ガスを浄化する排気ガス浄化触媒が用いられており、この触媒は、空燃比が理論空燃比付近であるときに最もよく浄化能力を発揮する特性をもつ。また、上記触媒の浄化能力は、排気ガス熱の温度にも依存しており、この排気ガス熱の温度がより高い状態にあるほどその能力を発揮するものである。
The
エンジン2の冷却装置としては、冷却水を循環させる冷却水循環通路7と、冷却水を冷却するラジエータ8とが備えられ、不図示のウォータポンプにより、エンジン2の燃焼室近傍を冷却するウォータジャケットとラジエータ8とを経由して冷却水を循環させることにより、エンジンの冷却が行われるようになっている。
The cooling device for the
ここで、前記排熱発電ユニット1は、図2に示すように、熱交換器フィン4aを取付けた排気通路4の一部4bと、その排気通路4の一部4bの外周に熱伝達可能に配置された化学ヒートポンプ11と、該化学ヒートポンプ11から高温側に対して熱伝達可能に配置された熱電素子12と、該熱電素子12の低温側に対して熱伝達可能に配置され、熱交換器フィン7aを取付けた前記冷却水循環通路7の一部7bと、図1に示す触媒コンバータ5よりも下流の排気通路4の排気ガス温度を検出するための温度センサ13とからなり、これらが一体化され車体に取付けられている。
Here, as shown in FIG. 2, the exhaust heat
なお、熱電素子12の低温側について、これを冷却水循環通路7の一部7bとしているが、冷却効果の大きいものであれば熱交換器フィン7aのみにより構成することもできる。
In addition, about the low temperature side of the
また、前記温度センサ13は、例えば、2種類の異なった材料の2つの接点部に異なった温度を与えた時の熱起電力を利用して温度検出を行う熱電対により構成することができ、図2の二点鎖線で示すように、化学ヒートポンプ11の反応容器11aまたは、熱電素子12の高温側の近傍に配置することもできる。
Further, the
他に、前記温度センサ13は、周囲の温度によりその電気抵抗値が変化するサーミスタにより構成することもでき、これらいずれの場合も、温度検出値を電気信号に変換してデータ処理することが可能になる。
In addition, the
前記化学ヒートポンプ11は主に、酸化マグネシウム(MgO)を収容し、外周に熱交換器フィン11bを取付けた反応容器11aと、水蒸気を凝縮・液化または蒸発させるためのコンデンサ11cの他、反応容器11aと、コンデンサ11cとの間の水蒸気通路11dを開閉するための圧力調整弁11eからなる。
The
熱電素子12は、P型、N型の半導体を複数接合して構成されるものであり、排気通路4および、化学ヒートポンプ11側を高温側に、冷却水循環通路7の一部7b側を低温側に設定することにより、排気通路4を通過する排気ガス熱による高温側温度と、冷却水による低温側温度との間の温度差に応じて発電するものである。
The
また、この実施形態においては、熱電素子12としてテルル−ビスマス系素子を用いている。このテルル−ビスマス系素子を用いるにあたって、本出願人は、冷却水循環通路7を通過する冷却水により、熱電素子12の低温側を約80℃で冷却することを前提にすると、最も効率よく発電する温度差の範囲、即ち熱電素子12の高温側の最適温度範囲は約270〜280℃程度となることを見出した。
In this embodiment, a tellurium-bismuth element is used as the
図示実施形態は上記の如く構成するものにして、以下作用を説明する。
先ず、化学ヒートポンプ11の反応容器11a内に収容された酸化マグネシウムについてであるが、この酸化マグネシウムの水和反応と水酸化マグネシウム(Mg(OH)2)の脱水反応は、下記の反応式で示される。
MgO+H2O⇔Mg(OH)2+ΔH
ΔH=−81.02kJ/モル
即ち、酸化マグネシウムの水和反応は発熱反応であり、水酸化マグネシウムの脱水反応は吸熱反応である。そして、この反応は、気体である水蒸気と固体であるマグネシウム系との2相系でおこる可逆反応である。従って、排気ガスの排熱を用いて吸熱反応を行わせることによって、無駄となるはずのエネルギーを熱の形で蓄熱し、必要なときに逆反応を行わせることにより、有効なエネルギーとして利用することができる。
The illustrated embodiment is configured as described above, and the operation will be described below.
First, regarding magnesium oxide accommodated in the
MgO + H 2 O⇔Mg (OH) 2 + ΔH
ΔH = −81.02 kJ / mol That is, the hydration reaction of magnesium oxide is an exothermic reaction, and the dehydration reaction of magnesium hydroxide is an endothermic reaction. This reaction is a reversible reaction that occurs in a two-phase system of water vapor as a gas and magnesium as a solid. Therefore, by making the endothermic reaction using exhaust heat of the exhaust gas, the energy that should be wasted is stored in the form of heat and is used as effective energy by causing the reverse reaction to occur when necessary. be able to.
次に、図に従って化学ヒートポンプ11の作動原理について説明する。図3および図4は、この発明に係る化学ヒートポンプ11の構成及び作動原理を示す概略図であり、図3は排熱を吸収させて水酸化マグネシウムの脱水反応を起こさせた(か焼に相当)蓄熱状態、図4は酸化マグネシウムの水和反応による発熱状態を各々示している。因みに、か焼とは、鉱石を燃焼させる方法であり、鉱石内部での燃焼を持続するために熱風を送ることをいう。
Next, the operation principle of the
なお、水酸化マグネシウムは、好ましくは250〜450℃程度でか焼すると、前記微小粒子同士の焼結が起こらないので、得られた酸化マグネシウムは元の水酸化マグネシウムの粒子構造をそのまま維持し、比表面積が大きく、高温での発熱反応活性が高い酸化マグネシウムを得ることができることが知られている。 When magnesium hydroxide is preferably calcined at about 250 to 450 ° C., sintering between the fine particles does not occur, so the obtained magnesium oxide maintains the original particle structure of magnesium hydroxide as it is, It is known that magnesium oxide having a large specific surface area and high exothermic reaction activity at high temperatures can be obtained.
従って、排気通路4のうちでも、実際に自動車が使用される状況の燃費に近づけるため一定の条件で走行する所謂10・15モード燃費の走行パターンにおいて、排気ガス温度が、前記水酸化マグネシウムがか焼するに好ましい温度範囲である250〜450℃となる位置に、前記化学ヒートポンプ11を含む排熱発電ユニット1を配置することがより好ましい。
Therefore, even in the
そこで、排気発電装置1のユニットを、10・15モード燃費の走行パターンにおいて、排気ガス温度が250〜450℃となる位置に配置した場合の、排熱発電ユニット1ユニットの作動を、排気ガス温度の時間変化を示す図5および、前記化学ヒートポンプ11のサイクルにおけるT−P線図(温度Tに対する水蒸気の平衡圧力Pを示す図)となる図6とともに説明する。なお、図6において、横軸は絶対温度の逆数、縦軸は圧力(atm)の対数を表す。
Therefore, the operation of the exhaust heat
なお、化学ヒートポンプ11の圧力調整弁11eを開閉するにあたっては、排気ガス温度に基づいて行うものとしており、この圧力調整弁11eの開閉を制御するために上限閾値Ta、下限閾値Tbを設定している。これら両閾値Ta、Tbは、テルル−ビスマス系素子からなる熱電素子12が最も効率よく発電する排気ガス温度範囲に合わせて、図5に示すように各々約270℃、280℃程度としている。
The
以上のように構成された化学ヒートポンプ11は、例えば、図5に示す時間t1〜t2の時間帯Aにおいて、排気ガス温度が、熱電素子12が効率よく発電する温度範囲の上限閾値Taより高くなった場合は、排気ガスの熱を吸熱して、図3における反応容器11a内の水酸化マグネシウムが脱水反応を起こし、酸化マグネシウムに変化するとともに、高温、高圧の水蒸気を放出する。この時の化学ヒートポンプ11内の水蒸気の状態を温度T1、圧力P1とする(図6中の(1)の状態に対応)。
In the
ここで、温度センサ13により、排気ガス温度が上限閾値Taより高くなったことを検出すると、圧力調整弁11eを開くように制御され、反応容器11aから排出された水蒸気の一部はコンデンサ11cに移動して冷却、凝縮・液化され、この際熱が放出される。この時、コンデンサ11c内での水蒸気の状態は温度T2(<T1)、圧力P2(<P1)となる(図6中の(2)の状態に対応)。
Here, when the
次に、時間t2にて排気ガス温度が上限閾値Taより低くなり、温度センサ13が、熱電素子12が効率よく発電する温度範囲内となったことを検出すると、時間帯Bにおいては、圧力調整弁11eを閉じるように制御され、ここで反応容器11a内の水蒸気を温度T3(<T1)まで冷却すると、圧力はP3(<T2)まで低下する(図6中の(4)の状態に対応)。
Next, when the exhaust gas temperature becomes lower than the upper limit threshold Ta at time t2 and the
ここで、時間t3において温度センサ13により、排気ガス温度が、熱電素子12が効率よく発電する温度範囲の下限閾値Tbより低くなったことを検出すると、圧力調整弁11eを開くように制御される。
Here, at time t3, when the
この時、時間t3〜t4の時間帯Cにおいて、コンデンサ11c内の水蒸気の圧力が反応容器11a内よりも高ければ、図4において、水蒸気が反応容器11aに移動して、水蒸気と酸化マグネシウムとが水和反応を起こし、化学ヒートポンプ11から放熱される。
At this time, if the pressure of the water vapor in the
但し、コンデンサ11c内の水蒸気の圧力が反応容器11a内よりも低ければ、図1、図3に示すように、水蒸気を反応容器11aに強制的に移動させるためのポンプ11fを適宜設けるようにしてもよい。
However, if the water vapor pressure in the
ここで、コンデンサ11c内の水蒸気の移動に伴い、コンデンサ11c内では水蒸気圧が低下し、さらに凝縮・液化した水蒸気が蒸発するためコンデンサ11c内の温度が下がる。この時、コンデンサ11c内での水蒸気の状態は温度T4(<T2)、圧力P4(<P2)となる(図6中の(3)の状態に対応)。
Here, along with the movement of the water vapor in the
そして、排気ガス温度が下限閾値Tbより高くなったことを温度センサ13が検出すると、時間帯Dにおいては、圧力調整弁11eを閉じるように制御され、化学ヒートポンプ11の蓄熱、発熱運転の1サイクルが終了する。この時、反応容器11a内での水蒸気の状態は温度T3、圧力P3となる(図6中の(4)の状態に対応)。
When the
上述したような、酸化マグネシウムの水和反応に伴う発熱運転により、排気通路4、熱電素子12の高温側(図2参照)を加熱することができるようになったため、図5の時間t4において再び排気ガス温度を、熱電素子12が効率よく発電する温度範囲内にすることができる。従って、熱電素子12の高温側の温度と低温側の温度との間の温度差を発電効率において最適なものに保持することができるため、発電能力を保持し、安定した電力供給を行うことができるようになったのである。
Due to the heat generation operation accompanying the hydration reaction of magnesium oxide as described above, the
そして、時間t5〜t6の時間帯Eのように、再び排気ガス温度が上限閾値Taより高くなった場合は、化学ヒートポンプ11は蓄熱運転を行い、次に、排気ガス温度が、上限閾値Taより低くなった場合に蓄熱された熱を発熱運転により放出するといったサイクルを繰り返すことができるようになっている。
When the exhaust gas temperature again becomes higher than the upper limit threshold Ta as in the time zone E from time t5 to t6, the
このように、過剰に上昇した排気ガス熱を吸熱して蓄熱し、該蓄熱した熱を、排気ガス温度が低下した時に放熱することにより、熱電素子12のために新たな熱エネルギーを発生させる専用の熱源を設ける必要がなくなるため、システム全体を稼動させるために必要な熱エネルギーを削減することができる。
In this way, the exhaust gas heat that has risen excessively is absorbed and stored, and the stored heat is dissipated when the exhaust gas temperature decreases, thereby generating new thermal energy for the
また、マグネシウム化合物の化学反応による発熱作用を用いることにより、圧力調整弁11eの開放時から短時間で熱電素子12の高温側を加熱することができるため、特に、図5に示すような、排気ガス温度の変動が短時間で発生する排気系にとって好適であり、熱電素子12の発電状態が途切れる時間をできるだけ短くし、安定した電力供給システムとすることができる。
Further, since the high temperature side of the
さらにまた、排気通路4に、排気ガス温度を検出する温度センサ13を配置するとともに、熱電素子12の高温側の発電温度範囲の上限閾値Taおよび下限閾値Tbを予め設定し、上記温度センサ13により検出された排気ガス温度が上限閾値Taよりも高い場合または、下限閾値Tbよりも低い場合、圧力調整弁11eを開くように制御するようになっている。
Furthermore, a
これにより、検出された排気ガス温度を直接的に監視することで排気ガス温度をより正確に把握できるとともに、熱電素子にとって最適な温度範囲が予め設定されているため、化学ヒートポンプ11による吸熱、発熱運転をより適切なタイミングで行わせることができる。従って、排熱発電ユニット1のシステム全体としての稼動ロスをできるだけ少なくすることができる。
Accordingly, the exhaust gas temperature can be grasped more accurately by directly monitoring the detected exhaust gas temperature, and the optimum temperature range for the thermoelectric element is set in advance. Driving can be performed at a more appropriate timing. Therefore, the operation loss of the exhaust heat
ところで、熱電素子12の発電効率を向上させるにあたっては、図2において、前記熱電素子12と前記化学ヒートポンプ11の反応容器11aと前記排気通路4の一部4bとが一体化され排熱発電ユニット1として構成されていることが好ましく、これにより、互いの隙間から熱エネルギーが外部に放出されることを防止できる。従って、熱の伝達効率が低下して、結果として発電効率が低下することを防止できる。
By the way, in order to improve the power generation efficiency of the
ここで、化学ヒートポンプ11のうち、特に、コンデンサ11cについては、例えば、車両外部の気象条件、季節の変化等が、前記蓄熱運転および、発熱運転における水蒸気の液化、蒸発といった状態変化に対して影響をできるだけ及ぼさないように、車両中央付近の底部に配置するのが好ましい。
Here, in the
また、熱電素子12としてテルル−ビスマス系素子を用いることにより、熱電素子12が効率よく発電できる温度範囲(約270〜280℃程度)と、化学ヒートポンプ11において、水酸化マグネシウムをか焼して、水酸化マグネシウムから高温での発熱反応活性が高い酸化マグネシウムを得ることができる最適の温度範囲(約250〜450℃程度)とが重複することになる。
In addition, by using a tellurium-bismuth-based element as the
従って、熱電素子12の高温側の温度が低下した時の発熱運転が最も効率よく行われるとともに、発電素子12の発電効率自体が向上するため、排熱発電ユニット1のシステム全体としての稼動効率を最大限にすることができる。
Therefore, the heat generation operation when the temperature on the high temperature side of the
さらにまた、排熱発電ユニット1と、図1に示す触媒コンバータ5との関係において、排熱発電ユニット1を上記触媒コンバータ5よりも排気ガス流の下流に配置している。これにより、化学ヒートポンプ11による吸熱作用により温度が低下した排気ガスの通過で触媒の作用が低下し、触媒コンバータ5の浄化能力が低下することを防止できる。
Furthermore, in the relationship between the exhaust heat
ところで、エンジン2の運転状態に関わらず、熱電素子12の発電能力を保持し、安定した電力供給を行うといった目的を達成するにあたって、蓄熱運転を行うことは必ずしも限定される要件ではない。
By the way, irrespective of the operation state of the
例えば、図7に示す排熱発電装置21のように、酸化マグネシウムの水和反応に伴う発熱により、排気ガス温度を上昇させる化学ヒートポンプ11に代わって、熱電素子32の高温側に対して熱伝達可能にヒータ34を配置し、車両に搭載されているバッテリ35とスイッチ36を介して接続されるものであってもよい。なお、この別の実施形態において作用等が最初と同様のものについては詳述を略することとする。
For example, as in the exhaust heat
具体的には、温度センサ33により、熱電素子32の高温側において、排気通路24における排気ガス温度が、熱電素子32が効率よく発電する温度範囲の下限閾値より低くなったことを検出すると、スイッチ36を閉じ、バッテリ35から電力供給を受けてヒータ34が加熱される。そして、この熱が熱電素子32の高温側に伝達されることにより、高温側と低温側との温度差が再び増大し、熱電素子32の発電状態を安定させることができる。
Specifically, when the temperature sensor 33 detects that the exhaust gas temperature in the
これにより、一般的に車両に搭載されている既存のバッテリ35を補助的に熱源として使用することができ、且つ、電熱コイルにより構成されるヒータ34とすることにより、これら排気発電装置21全体を省スペース化することができる。
Thereby, the existing
ところで、熱電素子12、32を効率よく作動させるための排気ガス温度を温度センサ13、33を用いて直接検出することにも限定されない。例えば、アクセルペダルの踏み込み量(即ちアクセル開度)またはスロットルバルブの開度が所定量以下になったことを検出することにより、所定時間後に排気ガス温度が低下することを間接的に判定させるようにしてもよい。
By the way, it is not limited to detecting the exhaust gas temperature for operating the
また、車両の走行速度とアクセルペダルの踏み込み量との関係により、低速走行でアクセルペダルを踏み込んだ時は排気ガス温度が上昇傾向にあるものとし、高速走行でアクセルペダルの踏み込み量に変化がない時は排気ガス温度が低下傾向にあるものとみなすことにより、排気ガス温度の状態を間接的に判定させるようにしてもよい。 Also, due to the relationship between the vehicle running speed and the accelerator pedal depression amount, the exhaust gas temperature tends to rise when the accelerator pedal is depressed at low speeds, and there is no change in the accelerator pedal depression amount at high speeds. In some cases, the exhaust gas temperature state may be indirectly determined by assuming that the exhaust gas temperature tends to decrease.
これらの場合、別の目的で使用されるアクセル開度、スロットル開度センサを、この発明に係る熱電素子の制御用としても兼用させることができる。
なお、その他の作用効果については、最初の実施形態と同様である。
In these cases, the accelerator opening and throttle opening sensors used for other purposes can also be used for controlling the thermoelectric element according to the present invention.
Other functions and effects are the same as in the first embodiment.
この発明の構成と、上述の実施形態との対応において、
この発明の内燃機関は、エンジン2に対応し、
以下同様に、
加熱手段は、化学ヒートポンプ11、ヒータ34、バッテリ35に対応し、
排熱発電装置は、排熱発電ユニット1に対応し、
反応部は、反応容器11aに対応し、
凝縮部は、コンデンサ11cに対応し、
温度検出手段は、温度検出センサ13、33に対応するも、
この発明は、上述の実施形態の構成のみに限定されるものではなく、多くの実施の形態を得ることができる。
In correspondence between the configuration of the present invention and the above-described embodiment,
The internal combustion engine of the present invention corresponds to the
Similarly,
The heating means corresponds to the
The exhaust heat power generator corresponds to the exhaust heat
The reaction part corresponds to the
The condensing part corresponds to the
The temperature detection means corresponds to the
The present invention is not limited only to the configuration of the above-described embodiment, and many embodiments can be obtained.
1、21…排熱発電ユニット
2…エンジン
4、24…排気通路
5…触媒コンバータ
7…冷却水循環通路
11…化学ヒートポンプ
11a…反応容器
11c…コンデンサ
11d…水蒸気通路
11e…圧力調整弁
12、32…熱電素子
13、33…温度検出センサ
34…ヒータ
35…バッテリ
DESCRIPTION OF
Claims (7)
排気ガスが通過し、上記熱電素子の高温側に対して熱伝達可能に配置した排気通路と、
上記熱電素子の高温側に対して熱伝達可能に配置した加熱手段と、
上記熱電素子の低温側に対して熱伝達可能に配置した低温側熱交換器とを含み、
上記加熱手段は、
上記内燃機関の運転状態に起因して排気ガス温度が上記熱電素子の高温側の発電温度範囲より低い場合、熱電素子に対して排熱を行う
自動車用排熱発電装置。 An automotive exhaust heat power generation apparatus that generates electric power with a thermoelectric element arranged in an exhaust system of an internal combustion engine,
An exhaust passage through which exhaust gas passes and is arranged so that heat can be transferred to the high temperature side of the thermoelectric element;
Heating means arranged to be able to transfer heat to the high temperature side of the thermoelectric element;
Including a low-temperature side heat exchanger arranged to transfer heat to the low-temperature side of the thermoelectric element,
The heating means is
An automotive exhaust heat power generation apparatus that exhausts heat to a thermoelectric element when an exhaust gas temperature is lower than a power generation temperature range on a high temperature side of the thermoelectric element due to an operating state of the internal combustion engine.
上記化学ヒートポンプは、反応部と、凝縮部と、連通路と、該連通路に設置した圧力調整弁とを含んでなり、
上記反応部は、マグネシウム化合物と水とを脱水または水和反応させ、
上記凝縮部は、水蒸気を凝縮させ、
上記連通路は、反応部と凝縮部とを連結して上記水蒸気を流通させるものとし、
上記内燃機関の運転状態に起因して排気ガス温度が上記熱電素子の高温側の発電温度範囲より高い場合は、排気ガス熱により上記反応部にて水和反応を生じさせることにより上記化学ヒートポンプに吸熱させ、
排ガス温度が発電温度範囲より低い場合は、上記反応部にて水和反応を生じさせることにより上記化学ヒートポンプに排熱させる
請求項1記載の自動車用排熱発電装置。 The heating means is constituted by a chemical heat pump arranged to be able to transfer heat to a part of the exhaust passage,
The chemical heat pump includes a reaction unit, a condensing unit, a communication path, and a pressure regulating valve installed in the communication path.
The reaction part dehydrates or hydrates the magnesium compound and water,
The condensing part condenses water vapor,
The communication path connects the reaction part and the condensing part to distribute the water vapor,
When the exhaust gas temperature is higher than the power generation temperature range on the high temperature side of the thermoelectric element due to the operating state of the internal combustion engine, the chemical heat pump is caused to generate a hydration reaction in the reaction part by the exhaust gas heat. Endothermic,
The exhaust heat power generator for automobiles according to claim 1, wherein, when the exhaust gas temperature is lower than the power generation temperature range, the chemical heat pump exhausts heat by causing a hydration reaction in the reaction part.
前記熱電素子の高温側の発電温度範囲の上限閾値および下限閾値を予め設定し、
上記温度検出手段により検出された排気ガス温度が上記上限閾値よりも高い場合または、上記下限閾値よりも低い場合、前記圧力調整弁を開くように制御する
請求項2記載の自動車用排熱発電装置。 In the exhaust passage, a temperature detecting means for detecting the exhaust gas temperature is disposed,
An upper limit threshold and a lower limit threshold of the power generation temperature range on the high temperature side of the thermoelectric element are set in advance,
The automobile exhaust heat power generation apparatus according to claim 2, wherein when the exhaust gas temperature detected by the temperature detection means is higher than the upper limit threshold or lower than the lower limit threshold, the pressure control valve is controlled to open. .
請求項2または3記載の自動車用排熱発電装置。 The automobile exhaust heat power generation device according to claim 2 or 3, wherein the thermoelectric element, the reaction section, and a part of the exhaust passage are integrated as a power generation unit.
前記発電ユニットを上記触媒コンバータの下流に配置する
請求項4記載の自動車用排熱発電装置。 A catalytic converter is arranged in the middle of the exhaust passage,
The exhaust heat power generator for an automobile according to claim 4, wherein the power generation unit is disposed downstream of the catalytic converter.
請求項4または5記載の自動車用排熱発電装置。 6. The exhaust heat power generator for an automobile according to claim 4, wherein the power generation unit is disposed so as to include a portion of an exhaust passage in which an exhaust gas temperature changes in a range of 250 to 400 ° C. in a travel pattern of 10.15 mode fuel efficiency. .
請求項2乃至6のうちいずれか一項記載の自動車用排熱発電装置。
The exhaust heat power generator for automobiles according to any one of claims 2 to 6, wherein the thermoelectric element is a tellurium-bismuth element.
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