JP2015535044A - 熱電発電機を備えた排ガスシステム - Google Patents

Abstract

排ガスライン（２１）を備える、特には内燃機関のための排ガスシステムが提供され、排ガスライン（２１）は、少なくと１つの排ガスターボチャージャー（２３）並びに排ガスの流れの方向（Ｓ）で後続して配設された熱電変換装置（２４）を含み、熱電変換装置（２４）が熱電変換ステージ（２５）を備え、排ガスライン（２１）に少なくと１つのバイパスライン（２７）が付設されており、これが、排ガスの少なくとも一部（Ｂ）を少なくとも１つのバイパスライン（２７）へ分流するために、流れの上流で排ガスターボチャージャー（２３）の前方において、排ガスを導くように排ガスライン（２１）から分岐しており、その際、少なくと１つのバイパスライン（２７）が、流れの下流で熱電変換ステージ（２５）の後方において、排ガスを導くように排ガスライン（２１）に合流している。

Description

本発明は、特許請求の範囲の請求項１の前提部分に記載の排ガスシステムに関するものである。

特には自動車両の、内燃機関の排ガスは、通常大きな熱エネルギーを有している。この熱エネルギーを利用可能なものとし、また、未使用で環境へ排出することを避けるために、排ガスのエネルギーを回収する熱電変換装置を含む排ガスシステム（排気システム）が知られている。これは、部分的にエネルギーを回収することによって、内燃機関のエネルギーの全体効率を顕著に改善することを可能にする。

この場合、既知の方法で排ガス触媒装置内に組み込み可能であり、複数の熱電的な変換要素を有する熱電発電機が使用され、それらの熱電的な変換要素は周知の「ゼーベック効果」に基いて熱エネルギーを電気エネルギーへと変換する。簡潔に表すと、この際、変換要素の二つの端部の間の温度差が利用され、これは自動車両の場合は一般に、排ガスと冷却剤の間に存在し、これらは両者互いに別々に、熱電発電機を貫流する。熱電発電機についての一般的な知見に基いて、物理的なプロセスについての詳細な記述は、省略することが出来る。

既知の装置においては、内燃機関の特定の駆動範囲で、特には高負荷レベルで、三つの互いに独立した「過負荷ケース」が発生し得る。第一の過負荷ケースは、排ガスの質量流量（マスフロー）が大きすぎる場合に、もたらされる。これは、排気背圧の上昇及び内燃機関のチャージ交換の仕事（チャージサイクルの仕事）の著しい増加を導き、その際、後者は全負荷消費或いは全負荷出力に対して、悪影響を有する。更なる過負荷ケースは、熱電発電機を通って導かれる冷却剤への熱入力が増加し、そして、この冷却剤が熱電発電機と作用連結した車両の冷却回路を通って十分に運び去られ得ないことによって生じ得る。第三の過負荷ケースは、熱電発電機の熱電材料の許容された最大温度を超えた場合に発生し、それにより、この熱電材料は破損し得る。これらの過負荷ケースを避けるために、例えば熱電発電機内に組み込まれた専用のバイパス、を含む熱電発電機を設けることが知られている。更に、既知の装置はバイパスを流れる貫流の専用の制御部を必要とする。

本発明の課題は従って、上述の短所を少なくとも部分的に解消し、そして特には可能な限り簡潔且つ効果的な方法で上述の三つの過負荷ケースを可能な限り避けるような、排ガスシステムを提供することである。

この課題は、特許請求の範囲の請求項１の特徴を有する排ガスシステムを用いて、達成することが出来る。有利な実施形態は従属請求項からもたらされる。

それに従い、排ガスラインを備える、特には内燃機関のための排ガスシステムが提供される、その際、この排ガスラインは、少なくとも一つの排ガスターボチャージャー（排ガス過給器）並びに排ガスの流れの方向で後続して配設される熱電変換装置を含み、この熱電変換装置が熱電変換ステージを備え、排ガスラインに少なくとも１つのバイパスラインが付設されており、このバイパスラインは排ガスの少なくとも一部を前記少なくとも１つのバイパスラインへ分流するために、流れの上流で、前記排ガスターボチャージャーの前方において、前記排ガスラインから、排ガスを導くように分岐している。更に、少なくとも１つのバイパスラインは、流れの下流で、熱電変換ステージの後方において、排ガスを導くように排ガスラインに合流している。

従って、排ガスの少なくとも一部を、排ガスラインからそれぞれのバイパスラインへ分流するため、そして、流れの下流にて、熱電変換ステージに後続して、排ガスラインへ戻す（帰流する）ために、排ガスターボチャージャー或いはそのタービンの前方で排ガスラインから分岐する、一つ又は複数のバイパスラインも提案される。

排ガスターボチャージャー或いはそのタービンの前方で、排ガスを少なくとも部分的に分流することは、従って、一方で排ガスターボチャージャーのタービンのチャージ圧の減少に利用される。

他方で、この装置を用いることで、少なくとも部分的な排ガスの分流を使って、熱電変換ステージへ作用する排ガス流に対しても、影響を及ぼすことが出来るようになる。この方法では、特には排ガスマスフローが大きくまた排ガス温度が特に高いような大きなモーター負荷の場合に、有利な方法で、上述の３つの過負荷ケースを避けること、或いは、それらの影響を低減すること、が可能である。

この装置は従って、排ガスターボチャージャー或いはそのタービンのために、並びに、同時に熱電変換ステージのために、組み合わされたバイパス装置を設けることを可能にし、その際、当該装置は特に簡潔に形成されており、また、必要な取り付け空間は僅かである。その代わりに言い換えれば排ガスターボチャージャー及び変換ステージが共に同一のバイパスラインを分けあい、そして従って、熱電発電機のための追加の個別のバイパス装置、並びに、バイパス装置を流れる貫流の個別の制御装置を、有利な方法で省略出来るようになる。

更なる実施形態に従えば、熱電変換装置は排ガスの流れの方向で熱電変換ステージに対して後続して配設される触媒ステージを有しており、その際、熱電変換ステージ及び流れの下流で後続する触媒ステージの間の少なくとも１つのバイパスラインは、排ガスを導くように排ガスラインに合流する。

従って、この構成形態を用いれば、少なくとも１つのバイパスラインを通って導かれる排ガスは、触媒ステージの前方で、再度排ガスラインへ戻される。それゆえ、１つ又は複数のパイパスラインを用いることで、熱電変換ステージの迂回部を用意することが出来る一方で、しかしながら同時に、触媒ステージを、排ガスライン内を流れる排ガスのためにも、そしてまた１つ或いは複数のバイパスラインを通って導かれる排ガスのためにも、利用することが出来る。従って、バイパスライン内部の追加の触媒装置を省略することが出来る。

例えば、熱電変換ステージは、熱電発電機を含むことも出来る。

更に、熱電発電機は排ガスラインの内部に配設されていてもよく、これは熱電発電機に排ガスライン内を導かれる排ガスを作用させるためである。

これは、熱電発電機が直接排ガスライン内に位置し、従って熱電発電機が直接排ガスラインを導かれる排ガス流によって流れに晒される或いは作用されること、を意味している。

更なる実施形態に従えば、熱電変換ステージは、少なくとも１つの熱電交換機、及び、この熱電交換機に連結された冷却回路を含む。

それに従って、熱電変換ステージは、１つ又は複数の熱電交換機が排ガスラインと作用連結されているように、構成されているが、これは排ガスラインと熱電交換機に連結された冷却回路の間での熱交換をもたらすためである。

更に、熱電変換ステージの熱電発電機は、冷却回路と作用連結されていてもよい。この場合は、熱電変換発電機は、冷却回路の内部に、従って、排ガスラインの外部に、配設されている。特に、排ガスラインと作用連結された熱交換機を介しての熱交換が、冷却回路の冷却剤に対して行われ、そして、それを加熱する。加熱された冷却媒体は、その後熱電発電機に作用し、そして従って、熱供給によって、エネルギーの再生（回収）のために必要な温度差を供する。

例えば、熱電発電機は、熱電的なサンドイッチ構造、及び／又は、熱電的なパイプ構造特にはシェルアンドチューブ熱交換器、を有することも出来る。

更に、少なくとも１つのバイパスラインは、選択的にそして少なくとも部分的にバイパスラインを閉鎖及び／又は開放するための、制御要素（アクチュエータ）、特には操作可能なフラップを含んでもよい。この制御要素は特には、排ガスターボチャージャーのウェイストゲート弁として形成されている。これは、排ガス触媒の領域で支配的な排ガス温度のために、既に構成さている。この際、必要に応じて、例えば幾何学的な観点に関して、特別に適合させることが可能であることは自明である。ウェイストゲート弁の利用は、他にも、以下の様な利点を提供する、つまり、それは排ガスターボチャージャーのために通常いずれにせよ備えられなければならないので、組み合わされたバイパスライン及びその制御要素に基いて、これは熱電変換ステージのためにも利用可能であり、そして従って、追加の部材が必要にならず、それによって、それに関する追加の費用及び余計な故障リスクがもたらされることはない。

代替的に、局地的に支配的な温度に耐えそして企図された機能を供するのに適した別の制御要素も使用可能である。

制御要素の実施形態によらず、これを、個々のバイパスラインの入口部分の領域すなわち排ガスラインから分岐する領域か、又は、個々のバイパスラインの出口部分の領域すなわち個々のバイパスラインが排ガスラインへ合流する領域、に配設することが出来る。入口部分及び出口部分の間の排ガスライン内部の位置が可能であることも自明である。同様に、個々のバイパスラインに、専用の１つの制御要素又は複数の制御要素が、上述の複数の位置に、付設されていてもよい。同様に、複数のバイパスラインに１つの制御要素を共同で割り当てることも可能である。

別の実施形態に従えば、熱電変換ステージは、ラディアル触媒装置（主流方向が半径方向である触媒装置）、及び／又は、アキシャル触媒装置（主流方向が軸方向である触媒装置）を含む。

更に、少なくとも１つのバイパスラインは、主に排ガスラインの外部に形成されていてもよい。これは、１つのバイパスラインが、又は、複数のバイパスラインのうちの少なくとも１つが、基本的に排ガスラインとは分離していること、そして従って、排ガスラインの構成要素内に組み込まれていはいないこと、を意味する。確かに、連結部分は、１つの或いは複数のバイパスラインのライン部分の接続のために、特に入口領域及び出口領域の範囲に、もうけられ得るものであるが、特には他の構成要素への完全な組込みは行われるべきではない。この構成様態は、特に完結且つ安価な製造及び組み立てを可能にする。

代替として、１つ又は複数のバイパスラインは、排ガスターボチャージャーのウエストゲート流路の幾何学的な適合によって形成出来るので、この流路は、記載された入口部分及び出口部分にて、排ガスラインから分岐或いはこれに合流出来る。

本発明は以下において、二つの実施例を用いて、図面に関連してより詳しく説明される。

従来技術に従う排ガスシステムを示している。 １つのバイパスライン及び変換装置を有する明細書に従う排ガスシステムを概略図で示している。 図２に従う排ガスシステムのための変換装置の代替の実施形態を示している。

図１には、従来技術に従う排ガスシステム１０が図示されている。排ガスシステム１０は、マニホールド１２を備えた排ガスライン１１を有しており、このマニホールド１２は排ガスを排出するために、例えば、車両の（非図示の）内燃機関と接続可能である。更に、排ガスライン１１は、タービン１３を備える排ガスターボチャージャー、及び、下流側に配設されたフレイムチューブ１４を含んでいる、その際、フレイムチューブ１４は組み込まれた熱電発電機１５並びにこれに対して流れの方向で後続して配設された排ガス触媒装置１６を備えており、この排ガス触媒装置１６は例えばアキシャル触媒装置として構成されている。加えて排ガスシステム１０は、高温側（ホットエンド）及び冷温側（コールドエンド）に分けられ得るものであり、「ホットエンド」は、排ガスライン１１、マニホールド１２、タービン１３及びバイパスライン１７を含む。また、コールドエンドはこの場合、フレイムチューブ１４及び排ガス触媒装置１６を含む。

バイパスライン１７は、流れの方向においてタービン１３の前方で、排ガスライン１１から分岐し、そして一般的に、分流された排ガスを戻すために、タービン１３の後方で排ガスライン１１に合流する。

熱電発電機１５は、排ガスエネルギーの回収を達成するためのシステムであって、熱を電気エネルギーへと変換するために、所謂ゼーベック効果を利用する。このためには、温度差が必要であり、この温度差は排ガスライン内に導かれる排ガスと熱電発電機１５を通って流れる冷却剤の間で発生される。

既知の装置１０はしかしながら、内燃機関の特定の駆動状態において、発生した排ガスの背圧が上昇し、当該上昇により内燃機関のチャージ交換の仕事が不利な様態で高められる、という欠点を有している。更に、熱電発電機１５の冷却剤への熱入力は、利用される冷却器によってこの熱入力が十分な程度で排出され得ないほどに高められ得る。加えて、高すぎる排ガス温度に基いて熱電発電機の熱電材料が損傷し得る、というリスクが存在する。

熱電発電機１５は、図示された実施形態では、例えばいわゆるラディアル触媒装置として実施されている。これは、この触媒装置が軸上で流れに晒されるが、半径方向で貫流されることを意味している。加えて、フレイムチューブ１４は、上述のように、第２の触媒要素として排ガス触媒装置１６を含んでおり、この第２の触媒要素は例えばアキシャル触媒装置として実施されている。それぞれに専用のモノリスを備えた第１の触媒装置１５及び第２の触媒装置１６の二つに分けることは、特には、有利な加熱挙動並びに改善された排気を可能にする。

図２は、例えば内燃機関のための、排ガスライン２１を備えた排ガスシステム２０を示しており、その際、排ガスシステム２１は、排ガスターボチャージャー或いはそのタービン２３、並びに、熱電変換ステージ２５を備え排ガスの流れの方向Ｓで下流に配設された熱電変換装置２４、を含んでいる。排ガスライン２１には、バイパスライン２７が割り当てられており、これは、流れの上流で排ガスターボチャージャーのタービン２３の前方において、排ガスの少なくとも一部をバイパスライン２７へ分流するために、排ガスを導くように排ガスライン２１から分岐している。バイパスライン２７は、流れの下流で、熱電変換ステージ２７の後方において、排ガスライン２１、或いは、変換装置２４の後続部に、排ガスを導くように合流する。

熱電変換装置２４は、更に、排ガスの流れの方向Ｓで熱電変換ステージ２５に後続して配設される触媒ステージ２４を含んでおり、これは例えばアキシャル触媒装置として形成されている。バイパスライン２７は従って、熱電変換ステージ２５と流れの下流で後続する触媒ステージ２６の間で、排ガスを導くように排ガスライン２１或いは変換装置２４に合流する。

図示された実施例においては、熱電変換ステージ２５は熱電発電機として構成されまた排ガスライン２１の内部に配設されているので、これは直接排ガスライン２１を流れる排ガスによって貫流されそしてその作用を受ける。

熱電発電機は、熱電的なサンドイッチ構造を有している。これについての代替は、図３に図示されている。

バイパスライン２７の貫流に影響を及ぼすために、バイパスライン２７は、（概略的にのみ示唆されている）制御要素２８を含んでおり、これは例えば、バイパスライン２７を選択的にそして少なくとも部分的に閉鎖及び／又は開放するために操作可能なフラップ弁の形態の制御要素である。制御要素２８が閉じた状態にある場合、それによりバイパスライン２７は閉じられているので、排ガスの貫流が避けられ、排ガスは全てが排ガスライン２１を通って導かれる（矢印Ａ）。

それに対して制御要素２８が少なくとも部分的に開いた状態にある場合、それにより排ガスの一部はバイパスライン２７を通って流れることが出来る（矢印Ｂ）。排ガスの残りの一部は、存在する限り、引き続き排ガスライン２１を進む（矢印Ａ）。

制御要素２８は例えばウエストゲートバルブとして構成されていてもよい。更に、制御要素２８はバイパスライン２７の任意の位置に、例えば、入口位置２７ａの領域或いは図示された出口位置２７ｂの領域に、配設されていてもよい。

図２からも識別できるように、バイパスライン２７は基本的に排ガスライン２１の外側に形成されており、そして、入口位置２７ａの領域及び出口位置２７ｂの領域で、この排ガスライン２１或いは排ガスライン２１の構成要素と接続されている。

図３は、図２に従う排ガスシステム２０のための変換装置３４の代替的な実施形態を示している。図示された変換装置３４は、同様に変換ステージ３５並びに触媒ステージ３６を含んでいる。図２の変換装置２４とは異なり、図３に示される変換ステージ３５は熱電的なパイプ構造を有している。例えばこの場合、シェルアンドチューブ熱交換器であってもよい。

１０ 排ガスシステム
１１ 排ガスライン
１２ マニホールド
１３ タービン
１４ フレイムチューブ
１５ 熱電発電機
１６ 排ガス触媒
１７ バイパスライン
２０ 排ガスシステム
２１ 排ガスライン
２２ マニホールド
２３ タービン
２４ 変換装置
２５ 変換ステージ
２６ 触媒ステージ
２７ バイパスライン
２７ａ 入口位置
２７ｂ 出口位置
２８ 制御要素
３４ 変換装置
３５ 変換ステージ
３６ 触媒ステージ
Ａ 排ガス流
Ｂ 排ガス流
Ｓ 排ガスの流れの方向

Claims (10)

1. 排ガスライン（２１）を備える、特には内燃機関のための排ガスシステムにして、前記排ガスライン（２１）が、少なくと１つの排ガスターボチャージャー（２３）並びに排ガスの流れの方向（Ｓ）で後続して配設された熱電変換装置（２４）を含み、前記熱電変換装置（２４）が熱電変換ステージ（２５）を備え、前記排ガスライン（２１）に少なくと１つのバイパスライン（２７）が付設されており、これが、排ガスの少なくとも一部を前記少なくとも１つのバイパスライン（２７）へ分流するために、流れの上流で前記排ガスターボチャージャー（２３）の前方において、排ガスを導くように前記排ガスライン（２１）から分岐している
   排ガスシステムにおいて、
   前記少なくと１つのバイパスライン（２７）が、流れの下流で前記熱電変換ステージ（２５）の後方において、排ガスを導くように前記排ガスライン（２１）に合流すること
   を特徴とする排ガスシステム。
2. 請求項１に記載の排ガスシステムにおいて、
   前記熱電変換装置（２４）が、排ガスの流れの方向（Ｓ）で前記熱電変換ステージ（２５）に対して後続して配設される触媒ステージ（２６）を含んでおり、その際、前記少なくと１つのバイパスライン（２７）が、前記熱電変換ステージ（２５）と下流側で後続する前記触媒ステージ（２６）の間で、排ガスを導くように前記排ガスライン（２１）に合流すること、
   を特徴とする排ガスシステム。
3. 請求項１又は２に記載の排ガスシステムにおいて、
   前記熱電変換ステージ（２５）が熱電発電機を含むこと、
   を特徴とする排ガスシステム。
4. 請求項３に記載の排ガスシステムにおいて、
   前記熱電発電機に前記排ガスライン（２１）を導かれる排ガスを作用させるために、前記熱電発電機が前記排ガスライン（２１）内部に配設されていること、
   を特徴とする排ガスシステム。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の排ガスシステムにおいて、
   前記熱電変換ステージ（２５）が、少なくとも１つの熱交換器及び前記熱交換器に連結された冷却回路を含んでいること、
   を特徴とする排ガスシステム。
6. 請求項５に記載の排ガスシステムにおいて、
   前記熱電変換ステージ（２５）の前記熱電発電機が、前記冷却回路に作用接続されていること、
   を特徴とする排ガスシステム。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の排ガスシステムにおいて、
   前記熱電発電機が、熱電的なサンドイッチ構造、及び／又は、熱電的なパイプ構造、特にはシェルアンドチューブ熱交換器を有すること、
   を特徴とする排ガスシステム。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の排ガスシステムにおいて、
   前記少なくとも１つのバイパスライン（２７）が、選択的にそして少なくとも部分的に前記バイパスライン（２７）を閉鎖及び／又は開放するための、制御要素（２８）、特には操作可能なフラップを、有していること、
   を特徴とする排ガスシステム。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の排ガスシステムにおいて、
   前記熱電変換ステージ（２５）が、ラディアル触媒装置及び／又はアキシャル触媒装置を含んでいること、
   を特徴とする排ガスシステム。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の排ガスシステムにおいて、
    前記少なくとも１つのバイパスライン（２７）が基本的に前記排ガスライン（２１）の外部に形成されていること、
    を特徴とする排ガスシステム。
    

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