JP2007187139A - 排熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排熱回収効率を向上させること。
【解決手段】この排熱回収装置１０は、内燃機関１が排出する排ガスＥｘから熱エネルギーを回収する。この排熱回収装置１０は、内燃機関１の排ガスＥｘを浄化する触媒５よりも排ガスＥｘの流れ方向における下流側に、排ガスＥｘの熱エネルギーを回収する第１スターリングエンジン１００Ａを配置する。また、触媒５よりも排ガスＥｘの流れ方向における上流側に、排ガスＥｘの熱エネルギーを回収する第２スターリングエンジン１００Ｂを配置する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、熱機関の排熱から熱エネルギーを回収する排熱回収装置に関する。

熱機関を用いることにより、乗用車やバス、トラック等の車両に搭載される内燃機関の排熱から熱エネルギーを回収する排熱回収装置がある。このような用途に用いられる排熱回収装置としては、例えば、理論熱効率に優れたスターリングエンジンがある。特許文献１には、内燃機関の排ガスの持つ熱エネルギーを回収する排熱回収装置として用いるスターリングエンジンが開示されている。

このスターリングエンジンは、内燃機関とは別個に用意されて、内燃機関の排ガス通路であって、浄化触媒の下流に設けられる。内燃機関の排ガス通路は、スターリングエンジンの熱交換器に通ずる主排ガス通路と、このスターリングエンジンの熱交換器を迂回するバイパス排ガス通路とから構成される。そして、内燃機関が排出する排ガス温度がスターリングエンジンの耐久性が確保できる範囲内で、前記内燃機関の排ガスを主排ガス通路に流し、前記範囲の外ではバイパス排ガス通路に流す。

特開２００５−１１３８１０号公報

しかし、特許文献１に開示されているスターリングエンジンは、浄化触媒の下流に設けられるため、スターリングエンジンの耐久性が確保できる範囲、かつ浄化触媒の耐久性が確保できる範囲の温度の排ガスからしか熱エネルギーを回収できない。その結果、排熱の回収効率が低く、これを改善する余地がある。

そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、排熱の回収効率を向上させることができる排熱回収装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明に係る排熱回収装置は、熱機関が排出する排ガスから熱エネルギーを回収する排熱回収装置であって、前記熱機関の前記排ガスを浄化する浄化触媒よりも前記排ガスの流れ方向における下流側で、前記排ガスの熱エネルギーを回収する第１排熱回収手段と、前記浄化触媒よりも前記排ガスの流れ方向における上流側で、前記排ガスの熱エネルギーを回収する第２排熱回収手段と、を含むことを特徴とする。

この排熱回収装置は、排ガスの流れ方向における浄化触媒の下流側で排ガスの熱エネルギーを回収する第１排熱回収手段と、排ガスの流れ方向における浄化触媒の上流側で前記排ガスの熱エネルギーを回収する第２排熱回収手段とを含む。これによって、浄化触媒の温度に応じて、排熱回収に用いる排熱回収手段を選択して使用できるため、熱エネルギーが回収可能な排ガスの温度範囲が広くなる。その結果、排熱の回収効率を向上させることができる。

次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、前記第１排熱回収手段が発生する動力又は前記第２排熱回収手段が発生する動力の少なくとも一方を吸収する動力吸収手段を備えることを特徴とする。

次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、同一の前記動力手段によって、前記第１排熱回収手段が発生する動力又は前記第２排熱回収手段が発生する動力の少なくとも一方を吸収することを特徴とする。

次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、前記第１排熱回収手段と前記動力吸収手段との間に設けられる第１動力断続手段と、前記第２排熱回収手段と前記動力吸収手段との間に設けられる第２動力断続手段と、を備えることを特徴とする。

次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、前記浄化触媒の温度に基づいて、前記第１動力断続手段及び第２動力断続手段の係合／開放を制御することを特徴とする。

次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、前記第１動力断続手段は、前記浄化触媒の温度が予め定めた第１の基準温度よりも高くなった場合に係合し、前記第２動力断続手段は、前記浄化触媒の温度が予め定めた第２の基準温度よりも高くなった場合に係合することを特徴とする。

次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、前記動力吸収手段は、前記浄化触媒の温度に応じて前記排ガスの熱エネルギーを回収して動力を発生することを特徴とする。

次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、前記動力吸収手段は、前記浄化触媒の温度が予め定めた第１の基準温度よりも高くなった場合には、前記第１排熱回収手段から動力を吸収し、前記浄化触媒の温度が予め定めた第２の基準温度よりも高くなった場合には、前記第２排熱回収手段から動力を吸収することを特徴とする。

この発明は、排熱回収効率を向上させることができる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。なお、以下の説明では、排熱回収手段としてスターリングエンジンを用い、熱機関である内燃機関の排ガスから熱エネルギーを回収する場合を例とする。なお、排熱回収手段としては、スターリングエンジンの他、ブレイトンサイクルを利用した排熱回収装置等を用いることができる。また、熱機関の種類は問わない。

この実施形態は、排ガスを浄化する浄化触媒よりも排ガスの流れ方向における下流側で、排ガスの熱エネルギーを回収する第１排熱回収手段と、浄化触媒よりも排ガスの流れ方向における上流側で、前記排ガスの熱エネルギーを回収する第２排熱回収手段とを備える点に特徴がある。まず、この実施形態に係る排熱回収手段の構成を説明する。

図１は、この実施形態に係る排熱回収手段であるスターリングエンジンを示す断面図である。図２は、この実施形態に係る排熱回収手段であるスターリングエンジンが備える空気軸受の構成例を示す断面図である。図３は、ピストンの支持に用いる近似直線機構の例を示す説明図である。この実施形態に係る排熱回収手段であるスターリングエンジン１００は、いわゆるα型の直列２気筒スターリングエンジンである。そして、第１シリンダである高温側シリンダ１０１内に収められた第１ピストンである高温側ピストン１０３と、第２シリンダである低温側シリンダ１０２内に収められた第２ピストンである低温側ピストン１０４とが直列に配置されている。

高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２とは、基準体である基板１１１に、直接、又は間接的に支持、固定されている。この実施形態に係るスターリングエンジン１００においては、この基板１１１が、スターリングエンジン１００の各構成要素の位置基準となる。このように構成することで、前記各構成要素の相対的な位置精度を確保できる。

高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２との間には、略Ｕ字形状のヒータ（加熱器）１０５と再生器１０６とクーラー１０７とで構成される熱交換器１０８が配置される。このように、ヒータ１０５を略Ｕ字形状にすることによって、内燃機関の排ガス通路内のような比較的狭い空間にも、ヒータ１０５を容易に配置することができる。また、このスターリングエンジン１００のように、高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２とを直列に配置することにより、内燃機関の排ガス通路のような筒状の空間にもヒータ１０５を比較的容易に配置することができる。

ヒータ１０５の一方の端部は高温側シリンダ１０１側に配置され、他方の端部は再生器１０６側に配置される。再生器１０６は、一方の端部がヒータ１０５側に配置され他方の端部はクーラー１０７側に配置される。クーラー１０７の一方の端部は再生器１０６側に配置され、他方の端部は低温側シリンダ１０２側に配置される。

また、高温側シリンダ１０１、低温側シリンダ１０２及び熱交換器１０８内には作動流体（この実施形態では空気）が封入されており、ヒータ１０５から供給される熱及びクーラー１０７で排出する熱によってスターリングサイクルを構成し、スターリングエンジン１００を駆動する。ここで、例えば、ヒータ１０５、クーラー１０７は、熱伝導率が高く耐熱性に優れた材料のチューブを複数束ねた構成とすることができる。また、再生器１０６は、多孔質の蓄熱体で構成することができる。なお、ヒータ１０５、クーラー１０７及び再生器１０６の構成は、この例に限られるものではなく、排熱回収対象の熱条件やスターリングエンジン１００の仕様等によって、好適な構成を選択することができる。

図１に示すように、スターリングエンジン１００を構成する高温側シリンダ１０１、高温側ピストン１０３、コンロッド１０９、クランク軸１１０等の各構成要素は、筺体１００Ｃに格納される。ここで、スターリングエンジン１００の筺体１００Ｃは、クランクケース１１４Ａと、シリンダブロック１１４Ｂとを含んで構成されている。

筺体１００Ｃ内は、加圧手段１１５により加圧される。これは、高温側及び低温側シリンダ１０１、１０２、及び熱交換器１０８内の作動流体を加圧して、スターリングエンジン１００からより多くの出力を取り出すためである。

また、この実施形態に係るスターリングエンジン１００では、筺体１００Ｃにはシール軸受１１６が取り付けられており、クランク軸１１０がシール軸受１１６により支持される。クランク軸１１０の出力は、フレキシブルカップリング１１８を介して筺体１００Ｃの外部へ取り出される。なお、この実施形態において、フレキシブルカップリング１１８には、オルダムカップリングを使用している。次に、この実施形態に係る排熱回収装置の構成を説明する。

図４は、この実施形態に係る排熱回収装置の構成を示す構成図である。この排熱回収装置１０は、第１排熱回収手段である第１スターリングエンジン１００Ａと、第２排熱回収手段である第２スターリングエンジン１００Ｂと、を備える。熱機関である内燃機関１の排ガスＥｘから熱エネルギーを回収する際には、第１スターリングエンジン１００Ａ又は第２スターリングエンジン１００Ｂのうち少なくとも一方が用いられる。

第２スターリングエンジン１００Ｂが備えるヒータ（以下第２ヒータという）１０５Ｂ及び第１スターリングエンジン１００Ａが備えるヒータ（以下第１ヒータという）１０５Ａは、内燃機関１の排気通路２内に配置される。なお、排気通路２内には、第１、第２スターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂの再生器（図１の再生器１０６に相当する）を配置してもよい。

内燃機関１の排気通路２には、内燃機関１から排出された排ガスＥｘを浄化するための浄化触媒（以下単に触媒という）５が設けられる。第１スターリングエンジン１００Ａと第２スターリングエンジン１００Ｂとは、触媒５を挟むように配置される。この実施形態では、触媒５に対し、排ガスＥｘの流れ方向における下流側に第１スターリングエンジン１００Ａが配置され、排ガスＥｘの流れ方向における上流側に第２スターリングエンジン１００Ｂが配置される。すなわち、第１スターリングエンジン１００Ａは、触媒５と排気通路２の出口２ｏとの間に配置され、第２スターリングエンジン１００Ｂは、内燃機関１と触媒５との間に配置される。

これによって、第１スターリングエンジン１００Ａの第１ヒータ１０５Ａ及び第２スターリングエンジン１００Ｂの第２ヒータ１０５Ｂも、触媒５を挟むように配置される。すなわち、触媒５に対し、排ガスＥｘの流れ方向における下流側に第１ヒータ１０５Ａが配置され、排ガスＥｘの流れ方向における上流側に第２ヒータ１０５Ｂが配置される。すなわち、第１ヒータ１０５Ａは、触媒５と排気通路２の出口２ｏとの間に配置され、第２ヒータ１０５Ｂは、内燃機関１と触媒５との間に配置される。

排気通路２の上流側、すなわち、内燃機関１に近い方が、内燃機関１から排出される排ガスＥｘの温度は高くなる。この実施形態では、第１スターリングエンジン１００Ａよりも第２スターリングエンジン１００Ｂの方が排気通路２の上流側に配置されるので、第２スターリングエンジン１００Ｂの方が第１スターリングエンジン１００Ａよりも高温の排ガスＥｘから熱エネルギーを回収できるようにすることが好ましい。このため、例えば、第２スターリングエンジン１００Ｂの耐熱性を、第１スターリングエンジン１００Ａよりも高くしたり、作動流体の種類等を調整したりすることが好ましい。

この実施形態において、第１ヒータ１０５Ａ及び第２ヒータ１０５Ｂは、排気通路２に設けられる中空の第１ヒータケース３内及び第２ヒータケース４内にそれぞれ設けられる。そして、第１ヒータケース３と第２ヒータケース４とは、それぞれ触媒５の出口５ｏ側と入口５ｉ側とに接続される。ここで、触媒５の入口５ｉは、排ガスＥｘが流入する開口部であり、出口５ｏは、触媒５によって浄化された排ガスが触媒５から排出される開口部である。

この実施形態では、第２ヒータ１０５Ｂを内部に備える第２ヒータケース４の内径Ｄ１と触媒５の内径Ｄ２とを略同一の大きさにしてある。これによって、第２ヒータケース４から排ガスＥｘが触媒５に流入した場合に、触媒５内で排ガスＥｘが偏在することを抑制することができる。その結果、触媒５内における排ガスＥｘの偏在に起因する触媒の温度低下や局所的な昇温、あるいは浄化性能の低下を抑制できる。また、第２ヒータケース４の内径Ｄ１と触媒５の内径Ｄ２とを略同一の大きさを略同一とすることにより、排ガスＥｘの縮流や急拡大を抑制できるので、第２ヒータケース４と触媒５との接続部における圧力損失を抑制できる。

また、この実施形態では、第１ヒータ１０５Ａを内部に備える第１ヒータケース３の内径Ｄ３と触媒５の内径Ｄ２とを、略同一の大きさにしてある。これによって、触媒５を通過した後の排ガスＥｘの縮流や急拡大を抑制できるので、第１ヒータケース３と触媒５との接続部における圧力損失を抑制できる。ここで、第１、第２ヒータケース３、４や浄化触媒５の断面形状が円形以外の場合には、内径の値として等価直径Ｄｅ（＝４×Ａ／Ｌ）を用いる。ここで、Ａは排ガスＥｘが通過する流路の断面積であり、Ｌは前記流路の内周長である。また、上記効果を得るためには、第１ヒータケース３の内径Ｄ１及び第２ヒータケース４の内径Ｄ３は、触媒５の内径Ｄ２の９５％以上１０５％以下とすることが好ましい。

この実施形態において、第１スターリングエンジン１００Ａ又は第２スターリングエンジン１００Ｂの少なくとも一方を用いて回収した排ガスＥｘの熱エネルギーは、第１、第２スターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂで運動エネルギーに変換される。そして、運動エネルギーに変換された排ガスＥｘの熱エネルギーは、動力吸収手段である電動機／発電機（以下ＭＧ）７によって電気エネルギーに変換される。ここで、ＭＧ７は、発電負荷が与えられることによって、第２スターリングエンジン１００Ｂ等によって回収した排ガスＥｘの熱エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。このように、ＭＧ７は、第１スターリングエンジン１００Ａが発生する動力又は第２スターリングエンジン１００Ｂが発生する動力のうち少なくとも一方を吸収する機能を有する。

すなわち、ＭＧ７は、排ガスＥｘの熱エネルギーによって作動する第２スターリングエンジン１００Ｂ又は第１スターリングエンジン１００Ａのうち少なくとも一方によって駆動されて、前記熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。ＭＧ７で発生した電気エネルギーは、インバータ８を介して蓄電池９に蓄えられる。インバータ８は、機関ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０が備える、この実施形態に係る排熱回収装置の運転制御装置３０によって制御される。

第２スターリングエンジン１００ＢとＭＧ７との間には、第２動力断続手段である第２クラッチ６Ｂが介在し、また、第１スターリングエンジン１００ＡとＭＧ７との間には、第１動力断続手段である第１クラッチ６Ａが介在する。このような構成によって、第２スターリングエンジン１００Ｂ又は第１スターリングエンジン１００Ａのうち少なくとも一方を選択して、ＭＧ７が駆動される。

第１クラッチ６Ａ及び第２クラッチ６Ｂは、機関ＥＣＵ５０が備える、この実施形態に係る排熱回収装置の運転制御装置３０によって制御される。排熱回収装置の運転制御装置３０が第１クラッチ６Ａを係合すると、第１スターリングエンジン１００ＡとＭＧ７とが接続される。この状態で第１スターリングエンジン１００Ａを駆動すると、ＭＧ７が電力を発生する。また、排熱回収装置の運転制御装置３０が第１クラッチ６Ａを開放すると、第１スターリングエンジン１００ＡとＭＧ７との機械的な接続が切断される。この状態で第１スターリングエンジン１００Ａを駆動しても、ＭＧ７は電力を発生しない。第２スターリングエンジン１００Ｂ及び第２クラッチ６Ｂでも同様である。

第２スターリングエンジン１００Ｂで排ガスＥｘから熱エネルギーを回収すると、第２スターリングエンジン１００Ｂに移動した熱量に相当する分、排ガスＥｘの温度は低下する。その結果、触媒５に流入する排ガスＥｘの温度は、内燃機関１から排出されたときよりも低くなる。ここで、触媒５が浄化性能を発揮するためには、触媒５が所定の温度（以下活性温度という）よりも高い温度範囲で使用されることが必要である。

したがって、第２スターリングエンジン１００Ｂで排ガスＥｘから熱エネルギーを回収する場合、内燃機関１が排出する排ガスＥｘの温度によっては、触媒５に流入する排ガスＥｘの温度が前記活性温度を下回ってしまうこともある。このような場合、触媒５が浄化性能を発揮できないおそれがあるので、第２クラッチ６Ｂを開放することによって、ＭＧ７と第２スターリングエンジン１００Ｂとの機械的な接続を切断する。これによって、第２スターリングエンジン１００Ｂは排ガスＥｘの熱エネルギーを回収しなくなるので、触媒５に流入する排ガスＥｘの温度低下を最小限に抑えて、触媒５の浄化性能を発揮させることができる。

このとき、触媒５で浄化された後の排ガスＥｘには、第１スターリングエンジン１００Ａに出力を発生させるだけの熱量が残存している場合もある。このような場合には、第１クラッチ６Ａを係合することによって、ＭＧ７と第１スターリングエンジン１００Ａとを機械的に接続する。これによって、第１スターリングエンジン１００ＡにはＭＧ７を駆動するための負荷が発生するので、第１スターリングエンジン１００Ａは、触媒５から排出される排ガスＥｘから熱エネルギーを回収して、ＭＧ７を駆動する。次に、この実施形態に係る排熱回収装置１０の制御に用いる排熱回収装置の運転制御装置３０を説明する。

図５は、この実施形態に係る排熱回収装置の制御に用いる排熱回収装置の運転制御装置の構成を示す説明図である。図５に示すように、この実施形態に係る排熱回収装置の運転制御装置３０は、機関ＥＣＵ５０に組み込まれて構成されている。機関ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）５０ｐと、記憶部５０ｍと、入力及び出力ポート５５、５６と、入力及び出力インターフェイス５７、５８とから構成される。

なお、機関ＥＣＵ５０とは別個に、この実施形態に係る排熱回収装置の運転制御装置３０を用意し、これを機関ＥＣＵ５０に接続してもよい。そして、この実施形態に係る排熱回収装置の運転制御を実現するにあたっては、機関ＥＣＵ５０が備える第１スターリングエンジン１００Ａや第２スターリングエンジン１００Ｂ等に対する制御機能を、前記排熱回収装置の運転制御装置３０が利用できるように構成してもよい。

排熱回収装置の運転制御装置３０は、運転条件判定部３１と、運転制御部３２とを含んで構成される。これらが、この実施形態に係る排熱回収装置の運転制御を実行する部分となる。この実施形態において、排熱回収装置の運転制御装置３０は、機関ＥＣＵ５０を構成するＣＰＵ５０ｐの一部として構成される。また、ＣＰＵ５０ｐには、内燃機関制御部５３ｈが備えられており、これによって内燃機関１の運転を制御する。

ＣＰＵ５０ｐと、記憶部５０ｍとは、バス５４₁〜５４₃を介して、入力ポート５５及び出力ポート５６を介して接続される。これにより、排熱回収装置の運転制御装置３０を構成する運転条件判定部３１と運転制御部３２とは、相互に制御データをやり取りしたり、一方に命令を出したりできるように構成される。また、排熱回収装置の運転制御装置３０は、機関ＥＣＵ５０が有する内燃機関１や排熱回収装置１０等の運転制御データを取得し、これを利用することができる。また、排熱回収装置の運転制御装置３０は、この実施形態に係る排熱回収装置の運転制御を機関ＥＣＵ５０が予め備えている運転制御ルーチンに割り込ませたりすることができる。

入力ポート５５には、入力インターフェイス５７が接続されている。入力インターフェイス５７には、触媒温度センサ４０、エアフローメータ４１、機関回転数センサ４２、冷却水温度センサ４３、排ガス温度センサ４４その他の、排熱回収装置の運転制御に必要な情報を取得するセンサ類が接続されている。これらのセンサ類から出力される信号は、入力インターフェイス５７内のＡ／Ｄコンバータ５７ａやディジタル入力バッファ５７ｄにより、ＣＰＵ５０ｐが利用できる信号に変換されて入力ポート５５へ送られる。これにより、ＣＰＵ５０ｐは、内燃機関１の運転制御や、排熱回収装置の運転制御に必要な情報を取得することができる。

出力ポート５６には、出力インターフェイス５８が接続されている。出力インターフェイス５８には、第１クラッチ６Ａ、第２クラッチ６Ｂ、インバータ８その他の、排熱回収装置の運転制御に必要な制御対象が接続されている。出力インターフェイス５８は、制御回路５８₁、５８₂等を備えており、ＣＰＵ５０ｐで演算された制御信号に基づき、前記制御対象を動作させる。このような構成により、前記センサ類からの出力信号に基づき、機関ＥＣＵ５０のＣＰＵ５０ｐは、排熱回収装置１０や内燃機関１を制御することができる。

記憶部５０ｍには、この実施形態に係る排熱回収装置の運転制御の処理手順を含むコンピュータプログラムや制御マップ、あるいはこの実施形態に係る排熱回収装置の運転制御に用いる、制御データマップ等が格納されている。ここで、記憶部５０ｍは、ＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性のメモリ、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。

上記コンピュータプログラムは、ＣＰＵ５０ｐへすでに記録されているコンピュータプログラムと組み合わせによって、この実施形態に係る排熱回収装置の運転制御の処理手順を実現できるものであってもよい。また、この排熱回収装置の運転制御装置３０は、前記コンピュータプログラムの代わりに専用のハードウェアを用いて、運転条件判定部３１及び運転制御部３２の機能を実現するものであってもよい。次に、この実施形態に係る排熱回収装置の運転制御を説明する。次の説明では、適宜図１〜図５を参照されたい。なお、この実施形態に係る排熱回収装置の運転制御は、上記排熱回収装置の運転制御装置３０によって実現できる。

図６は、この実施形態に係る排熱回収装置の運転制御の手順を示すフローチャートである。図７は、高温側駆動判定温度の設定に用いる制御マップの一例を示す説明図である。この実施形態に係る排熱回収装置１０は、例えば図６に示すような駆動手順で駆動される。まず、排熱回収装置の運転制御装置３０の運転条件判定部３１は、触媒温度センサ４０から触媒５の温度（以下触媒温度）Ｔｃを取得する（ステップＳ１０１）。なお、触媒温度センサ４０は、実際には触媒床の温度を測定しており、触媒温度センサ４０で測定した触媒床の温度を、触媒５の温度とみなす。

次に、運転条件判定部３１は、ステップＳ１０１において取得した触媒温度Ｔｃを、実験や解析等によって予め定めた低温側駆動判定温度（第１の基準温度）Ｔｌと比較する（ステップＳ１０２）。低温側駆動判定温度Ｔｌは、触媒５の下流側に配置される第１スターリングエンジン１００Ａで、触媒５から排出される排ガスＥｘから熱エネルギーを回収するか否かを判定するために用いる指標である。より具体的には、低温側駆動判定温度Ｔｌは、触媒５を通過した排ガスＥｘの温度が、第１スターリングエンジン１００Ａを駆動でき、かつＭＧ７にある程度の電力を発生させることができる程度の温度となるような触媒温度である。

Ｔｌ≧Ｔｃである場合（ステップＳ１０２：Ｎｏ）、触媒５から排出される排ガスＥｘによって第１スターリングエンジン１００Ａを運転し、ＭＧ７にある程度の電力を発生させることはできず、実質的に排ガスＥｘの熱エネルギーを回収することはできない。これは、例えば、内燃機関１や排熱回収装置１０の温度が定常運転に必要とされる温度に到達していない状態である。このような状態で、第１スターリングエンジン１００Ａを運転すると、実質的に排ガスＥｘの熱エネルギーを回収することはできないのみならず、第１スターリングエンジン１００Ａを介して大気中へ熱が放出されることになり、内燃機関１や排熱回収装置１０の暖機を妨げる。

この場合、排熱回収装置の運転制御装置３０の運転制御部３２は、第１及び第２スターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂの運転を停止する（ステップＳ１０４）。具体的には、運転制御部３２は、第１及び第２クラッチ６Ａ、６Ｂの両方を開放し、ＭＧ７と第１及び第２スターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂとの機械的な接続を切断する。これによって、第１及び第２スターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂは排ガスＥｘの熱エネルギーを回収しなくなる。その結果、排熱回収装置１０を介して大気中へ放出される熱を抑制できるので、内燃機関１や排熱回収装置１０の暖機を迅速に完了させることができる。

Ｔｌ＜Ｔｃ、すなわち触媒温度Ｔｃが低温側駆動判定温度Ｔｌよりも高い場合（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）、触媒５から排出される排ガスＥｘによって第１スターリングエンジン１００Ａを駆動し、ＭＧ７に電力を発生させることができると判定できる。Ｔｌ＜Ｔｃである場合（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）、運転条件判定部３１は、ステップＳ１０１において取得した触媒温度Ｔｃを、実験や解析等によって予め定めた高温側駆動判定温度（第２の基準温度）Ｔｈと比較する（ステップＳ１０３）。

高温側駆動判定温度Ｔｈは、触媒５の上流側に配置される第２スターリングエンジン１００Ｂによって、内燃機関１から排出される排ガスＥｘから熱エネルギーを回収するか否かを判定するために用いる指標である。より具体的には、高温側駆動判定温度Ｔｈは、第２スターリングエンジン１００Ｂを駆動できるとともに、ＭＧ７にある程度の電力を発生させることができ、かつ、第２スターリングエンジン１００Ｂを駆動した後の排ガスＥｘが触媒５に流入したときに、触媒５の活性温度よりも高い温度を維持できるような触媒温度である。

Ｔｈ＜Ｔｃ、すなわち触媒温度Ｔｃが高温側駆動判定温度Ｔｈよりも高い場合（ステップＳ１０３：Ｙｅｓ）、第１及び第２スターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂの両方から排ガスＥｘの熱エネルギーを回収できるとともに、触媒５の浄化性能も確保できる。この場合、運転制御部３２は、第１及び第２スターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂの両方を運転して、内燃機関１が排出する排ガスＥｘの熱エネルギーを回収する（ステップＳ１０５）。

具体的には、運転制御部３２は、第１及び第２クラッチ６Ａ、６Ｂの両方を係合させ、ＭＧ７と第１及び第２スターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂとを機械的に接続するとともに、ＭＧ７に発電負荷を与える。これによって、第１及び第２スターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂは、排ガスＥｘから熱エネルギーを回収し、これを運動エネルギーに変換して、ＭＧ７を駆動する。

Ｔｈ≧Ｔｃである場合（ステップＳ１０３：Ｎｏ）、第２スターリングエンジン１００Ｂで排ガスＥｘの熱エネルギーを回収すると、熱エネルギーを回収した後の排ガスＥｘが触媒５に流入することによって触媒温度が活性温度を下回るおそれがある。したがって、この場合には、第１スターリングエンジン１００Ａのみを運転して排ガスＥｘの熱エネルギーを回収する。（ステップＳ１０６）。

具体的には、運転制御部３２は、第２クラッチ６Ｂを開放するとともに、第１クラッチ６Ａを係合させ、ＭＧ７と第１スターリングエンジン１００Ａとを機械的に接続するとともに、ＭＧ７に発電負荷を与える。これによって、第１スターリングエンジン１００Ａは、触媒５から排出される排ガスＥｘから熱エネルギーを回収し、これを運動エネルギーに変換して、ＭＧ７を駆動する。一方、第２スターリングエンジン１００Ｂは排ガスＥｘの熱エネルギーを回収しなくなるので、排ガスＥｘの温度低下を抑制して、触媒５の浄化性能を維持する。

このように、この実施形態に係る排熱回収装置１０は、触媒温度Ｔｃに基づいて、第１及び第２クラッチ６Ａ、６Ｃの係合／開放を制御する。そして、動力吸収手段であるＭＧ７は、触媒温度Ｔｃに応じて排ガスＥｘの熱エネルギーを回収する。このとき、触媒温度Ｔｃが低温側駆動判定温度Ｔｌよりも高くなった場合には、ＭＧ７は第１スターリングエンジン１００Ａから動力を吸収して発電する。また、触媒温度Ｔｃが高温側駆動判定温度Ｔｈよりも高くなった場合には、ＭＧ７は第２スターリングエンジン１００Ｂから動力を吸収して発電する。

スターリングエンジン等の排熱回収手段を、排ガスＥｘの流れ方向における浄化触媒５の上流側に配置すると、触媒５の浄化性能を維持するため、熱エネルギーを回収した後の排ガスＥｘは、ある温度（例えば活性温度）よりも高く維持する必要がある。したがって、排ガスＥｘの温度が低い場合は触媒５の浄化性能が維持できないので、排ガスＥｘの熱エネルギーを回収することはできない。その結果、排ガスＥｘから熱エネルギーを回収できる排ガスＥｘの温度が限られることになり、排熱の回収効率は低くなる。

一方、スターリングエンジン等の排熱回収手段を、排ガスＥｘの流れ方向における浄化触媒５の下流側に配置すると、触媒５を通過して温度の低下した排ガスＥｘからしか熱エネルギーを回収できないので、排熱の回収効率は低くなる。このように、触媒５の上流側又は下流側のいずれか一方に排熱回収手段を配置すると、排熱の回収効率は低下してしまう。

この実施形態に係る排熱回収装置１０は、排ガスＥｘの流れ方向における触媒５の下流側には第１スターリングエンジン１００Ａを、上流側には第２スターリングエンジン１００Ｂを配置する。そして、この排熱回収装置１０は、上記手順に示すように、触媒５の温度に応じて第１スターリングエンジン１００Ａ又は第２スターリングエンジン１００Ｂの少なくとも一方を用いて排ガスＥｘの熱エネルギーを回収する。このため、この排熱回収装置１０は、熱エネルギーを回収可能な排ガスＥｘの温度範囲が広くなる。その結果、排熱の回収効率を向上させることができる。同時に触媒５の浄化性能も確保できる。

ここで、高温側駆動判定温度Ｔｈについて説明する。上述したように、取得した触媒温度Ｔｃが高温側駆動判定温度Ｔｈよりも高い場合には、第２スターリングエンジン１００Ｂを用いて排ガスＥｘの熱エネルギーを回収する。高温側駆動判定温度Ｔｈを一定値とした場合には、内燃機関１の運転状態や内燃機関１が排出する排ガスＥｘの温度に関係なく、Ｔｈ＜Ｔｃが成立すると第２スターリングエンジン１００Ｂを用いて排ガスＥｘの熱エネルギーを回収する。

この場合、例えば、内燃機関１が低負荷で運転されていると、内燃機関１の排ガスＥｘの温度は中、高負荷の場合と比較して低くなる。その結果、Ｔｈ＜Ｔｃが成立した場合であっても、第２スターリングエンジン１００Ｂを駆動した後の排ガスＥｘが触媒５に流入すると、触媒温度が活性温度を下回るおそれがある。

一方、例えば、内燃機関１が高負荷で運転されていると、内燃機関１の排ガスＥｘの温度は低、中負荷の場合と比較して高くなる。その結果、第２スターリングエンジン１００Ｂを駆動して温度が低下した排ガスＥｘであっても、触媒５の活性温度よりも高い温度である場合がある。このような場合には、第２スターリングエンジン１００Ｂによって排ガスＥｘの熱エネルギーを回収しても触媒５の浄化性能は維持できるため、第２スターリングエンジン１００Ｂを運転しないと排熱の回収効率が低下する。

そこで、触媒温度Ｔｃと高温側駆動判定温度Ｔｈとを比較するにあたっては、例えば、内燃機関１の運転条件を考慮して高温側駆動判定温度Ｔｈを設定する。この場合、例えば、図７に示す制御マップ６０を用いる。この制御マップ６０は、実験や解析等によって予め求められるものであり、内燃機関１の負荷ＫＬ、機関回転数ＮＥが小さくなるにしたがって（ＫＬｍ＞ＫＬ２…＞ＫＬ１、ＮＥｎ＞ＮＥ２…＞ＮＥ１）、高温側駆動判定温度Ｔｈを大きくしてある。

このようにすれば、触媒５の活性温度を下回らない範囲で第２スターリングエンジン１００Ｂを駆動できるので、触媒の浄化性能を維持しつつ、排ガスＥｘの熱エネルギーを回収することができる。また、触媒５の温度が活性温度より低くても、第２スターリングエンジン１００Ｂを駆動した後の排ガスＥｘによって触媒５の温度を活性温度よりも高くできる場合には、第２スターリングエンジン１００Ｂを駆動することにより、排熱の回収効率を向上させることができる。

このように、高温側駆動判定温度Ｔｈは、予め定めた一定値としてもよいが、内燃機関１の運転状態や排熱回収装置１０の要求出力等に応じて変更してもよい。なお、高温側駆動判定温度Ｔｈを変更するにあたっては、排ガス温度センサ４４（図４参照）によって取得される排ガスＥｘの温度に基づいて決定してもよい。

図８は、この実施形態の第１変形例に係る排熱回収装置の構成を示す構成図である。この排熱回収装置１０ａは、上記排熱回収装置１０（図４参照）と同様の構成であるが、第１排熱回収手段と第２排熱回収手段とに、それぞれ動力吸収手段を設ける点が異なる。他の構成は上記実施形態と同様である。

第２排熱回収手段である第２スターリングエンジン１００Ｂは、第２動力吸収手段である第２ＭＧ（電動機／発電機）７Ｂを駆動する。また、第１排熱回収手段である第１スターリングエンジン１００Ａは、第１動力吸収手段である第１ＭＧ（電動機／発電機）７Ａを駆動する。この変形例においては、第２スターリングエンジン１００Ｂと第２ＭＧ７Ｂとの間、及び第１スターリングエンジン１００Ａと第１ＭＧ７Ａとの間には、動力断続手段（クラッチ）は設けていない。しかし、これらの間に動力断続手段を設けてもよい。

第１及び第２ＭＧ７Ａ、７Ｂで発生した電気エネルギーは、それぞれ第１インバータ８Ａ、第２インバータ８Ｂを介して蓄電池９に蓄えられる。なお、第１、第２インバータ８Ａ、８Ｂは、機関ＥＣＵ５０が備える、この実施形態に係る排熱回収装置の運転制御装置３０によって制御される。

第２スターリングエンジン１００Ｂによって内燃機関１が排出する排ガスＥｘから熱エネルギーを回収する場合には、排熱回収装置の運転制御装置３０の運転制御部３２（図５参照）が第２インバータ８Ｂを制御することにより、蓄電池９から第２ＭＧ７Ｂに電力を供給して、第２スターリングエンジン１００Ｂを起動する。なお、第２スターリングエンジン１００Ｂを駆動するか否かの判定は、上述した手順による。

第２スターリングエンジン１００Ｂが起動したら、運転制御部３２は、第２ＭＧ７Ｂに発電負荷を与える。これによって、第２スターリングエンジン１００Ｂによって第２ＭＧ７Ｂを駆動して第２ＭＧ７Ｂから電力を発生させ、内燃機関１が排出する排ガスＥｘの熱エネルギーを電気エネルギーとして回収する。

第１スターリングエンジン１００Ａによって内燃機関１が排出する排ガスＥｘから熱エネルギーを回収する場合には、排熱回収装置の運転制御装置３０の運転制御部３２（図５参照）が第１インバータ８Ａを制御することにより蓄電池９から第１ＭＧ７Ａに電力を供給して、第１スターリングエンジン１００Ａを起動する。なお、第１スターリングエンジン１００Ａを駆動するか否かの判定は、上述した手順による。

第１スターリングエンジン１００Ａが起動したら、運転制御部３２は、第１ＭＧ７Ａに発電負荷を与える。これによって、第１スターリングエンジン１００Ａによって第１ＭＧ７Ａを駆動して第１ＭＧ７Ａから電力を発生させ、内燃機関１が排出する排ガスＥｘの熱エネルギーを電気エネルギーとして回収する。

図９は、この実施形態の第２変形例に係る排熱回収装置の構成を示す構成図である。この排熱回収装置１０ｂは、上記排熱回収装置１０（図４参照）と同様の構成であるが、第１排熱回収手段が発生する動力と第２排熱回収手段が発生する動力とを、内燃機関１の出力軸に出力する点が異なる。他の構成は上記実施形態と同様である。

第１排熱回収手段である第１スターリングエンジン１００Ａが、排ガスＥｘの熱エネルギーを運動エネルギーに変換することによって発生する動力は、動力吸収手段である動力合成装置２０へ入力される。また、第２排熱回収手段である第２スターリングエンジン１００Ｂが、排ガスＥｘの熱エネルギーを運動エネルギーに変換することによって発生する動力は、動力合成装置２０へ入力される。

動力合成装置２０は、内燃機関１の出力軸２１に取り付けられる動力合成ギヤ２６と、これに噛み合うとともに、動力合成装置２０の入力軸２８に取り付けられる出力ギヤ２７とを含んで構成される。入力軸２８の両端部には、それぞれ第１動力断続手段である第１クラッチ６Ａとそれぞれ第２動力断続手段である第２クラッチ６Ｂとが取り付けられる。そして、第２スターリングエンジン１００Ｂが発生する動力は第２クラッチ６Ｂを介して、第１スターリングエンジン１００Ａが発生する動力は第１クラッチ６Ａを介して、動力合成装置２０の入力軸２８へ入力される。ここで、第１及び第２クラッチ６Ａ、６Ｂは、機関ＥＣＵ５０が備える、この実施形態に係る排熱回収装置の運転制御装置３０によって制御される。

動力合成装置２０の入力軸２８へ入力された第２スターリングエンジン１００Ｂ等の動力は、出力ギヤ２７によって動力合成ギヤ２６へ伝達される。そして、前記動力と内燃機関１が発生する動力とが動力合成ギヤ２６で合成され、合成された動力が動力合成ギヤ２６に取り付けられる動力伝達軸２２に伝達される。動力伝達軸２２は、合成後の動力をデファレンシャルギヤ２３に伝達する。デファレンシャルギヤ２３は、伝達された前記動力を第１駆動軸２４Ａと第２駆動軸２４Ｂとに出力し、第１車輪２５Ａと第２車輪２５Ｂを駆動する。

このように、動力合成装置２０は、第１スターリングエンジン１００Ａが発生する動力又は第２スターリングエンジン１００Ｂが発生する動力のうち少なくとも一方を、内燃機関１が発生する動力と合成する。動力合成装置２０は、見かけ上、第１スターリングエンジン１００Ａが発生する動力又は第２スターリングエンジン１００Ｂが発生する動力のうち少なくとも一方を吸収する。なお、動力合成装置２０の出力ギヤ２７と動力合成ギヤ２６との変速比が変更できる構成としてもよい。第２スターリングエンジン１００Ｂ等の回転数は急激に変化させることが難しいが、前記変速比を可変とすれば、内燃機関１の機関回転数の広い範囲で、第２スターリングエンジン１００Ｂ等の動力と内燃機関１の動力とを合成できる。

以上、この実施形態及びその変形例では、排ガスを浄化する触媒よりも排ガスの流れ方向における下流側で排ガスの熱エネルギーを回収する第１排熱回収手段と、触媒よりも排ガスの流れ方向における上流側で前記排ガスの熱エネルギーを回収する第２排熱回収手段とを含んで排熱回収装置を構成する。これによって、触媒の温度に応じて、排熱回収に用いる排熱回収手段を選択して使用できるため、熱エネルギーを回収可能な排ガスの温度範囲が広くなる。その結果、排熱の回収効率を向上させることができる。また、例えば、排ガスの温度が低く、触媒が規定の浄化性能を発揮できない場合には、触媒の上流側に配置される排熱回収装置での排熱回収を停止することにより、触媒５の浄化性能も確保できる。

また、触媒よりも排ガスの流れ方向における上流側に第２排熱回収手段を設けるので、この第２排熱回収手段が熱的なバッファーとしても機能する。これによって、排ガスの温度が急激に変化した場合でも、触媒に流入する排ガスの温度の変化を比較的小さく抑えることができる。その結果、瞬間的に高い温度の排ガスが触媒に流入することに起因する触媒の耐久性低下を抑制することができる。また、排ガスの急激な温度低下があっても、ある程度の熱容量を持つ第２排熱回収手段を通過した排ガスが触媒に流入する結果、排ガスの温度低下を抑制できるので、触媒の浄化性能の低下を抑制できる。

以上のように、本発明に係る排熱回収装置は、熱機関の排熱回収に有用であり、特に、排熱回収効率を向上させることに適している。

この実施形態に係る排熱回収手段であるスターリングエンジンを示す断面図である。 この実施形態に係る排熱回収手段であるスターリングエンジンが備える空気軸受の構成例を示す断面図である。 ピストンの支持に用いる近似直線機構の例を示す説明図である。 この実施形態に係る排熱回収装置の構成を示す構成図である。 この実施形態に係る排熱回収装置の制御に用いる排熱回収装置の運転制御装置の構成を示す説明図である。 この実施形態に係る排熱回収装置の運転制御の手順を示すフローチャートである。 高温側駆動判定温度の設定に用いる制御マップの一例を示す説明図である。 この実施形態の第１変形例に係る排熱回収装置の構成を示す構成図である。 この実施形態の第２変形例に係る排熱回収装置の構成を示す構成図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 排気通路
３ 第１ヒータケース
４ 第２ヒータケース
７ ＭＧ
７Ａ 第１ＭＧ
７Ｂ 第２ＭＧ
５ 触媒（浄化触媒）
６Ａ 第１クラッチ
６Ｂ 第２クラッチ
８ インバータ
８Ａ 第１インバータ
８Ｂ 第２インバータ
１０、１０ａ、１０ｂ 排熱回収装置
２０ 動力合成装置
３０ 排熱回収装置の運転制御装置
３１ 運転条件判定部
３２ 運転制御部
４０ 触媒温度センサ
５０ 機関ＥＣＵ
６０ 制御マップ
１００ スターリングエンジン
１００Ａ 第１スターリングエンジン
１００Ｂ 第２スターリングエンジン
１０５ ヒータ
１０５Ａ 第１ヒータ
１０５Ｂ 第２ヒータ

Claims (8)

1. 熱機関が排出する排ガスから熱エネルギーを回収する排熱回収装置であって、
   前記熱機関の前記排ガスを浄化する浄化触媒よりも前記排ガスの流れ方向における下流側で、前記排ガスの熱エネルギーを回収する第１排熱回収手段と、
   前記浄化触媒よりも前記排ガスの流れ方向における上流側で、前記排ガスの熱エネルギーを回収する第２排熱回収手段と、
   を含むことを特徴とする排熱回収装置。
2. 前記第１排熱回収手段が発生する動力又は前記第２排熱回収手段が発生する動力の少なくとも一方を吸収する動力吸収手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の排熱回収装置。
3. 同一の前記動力手段によって、前記第１排熱回収手段が発生する動力又は前記第２排熱回収手段が発生する動力の少なくとも一方を吸収することを特徴とする請求項２に記載の排熱回収装置。
4. 前記第１排熱回収手段と前記動力吸収手段との間に設けられる第１動力断続手段と、
   前記第２排熱回収手段と前記動力吸収手段との間に設けられる第２動力断続手段と、
   を備えることを特徴とする請求項３に記載の排熱回収装置。
5. 前記浄化触媒の温度に基づいて、前記第１動力断続手段及び第２動力断続手段の係合／開放を制御することを特徴とする請求項４に記載の排熱回収装置。
6. 前記第１動力断続手段は、前記浄化触媒の温度が予め定めた第１の基準温度よりも高くなった場合に係合し、
   前記第２動力断続手段は、前記浄化触媒の温度が予め定めた第２の基準温度よりも高くなった場合に係合することを特徴とする請求項５に記載の排熱回収装置。
7. 前記動力吸収手段は、前記浄化触媒の温度に応じて前記排ガスの熱エネルギーを回収して動力を発生することを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の排熱回収装置。
8. 前記動力吸収手段は、
   前記浄化触媒の温度が予め定めた第１の基準温度よりも高くなった場合には、前記第１排熱回収手段から動力を吸収し、
   前記浄化触媒の温度が予め定めた第２の基準温度よりも高くなった場合には、前記第２排熱回収手段から動力を吸収することを特徴とする請求項７に記載の排熱回収装置。

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