JP2019011717A - Thermoelectric device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱電デバイスに関する。 The present invention relates to a thermoelectric device.
エンジンから排出される排気ガスの温度管理や排気ガスに含まれる廃熱の回収を目的として、エンジンおよび排気ガス浄化装置に対して直列に設けられた熱電ジェネレータ(TEG)を含む熱電変換部を備える熱電デバイスが知られている。例えば、特許文献1では、排気通路に設けられた熱電ジェネレータにより排気ガスに含まれる廃熱を利用して発電を行うとともに排気ガスを冷却したり、バッテリ等の蓄電装置から熱電ジェネレータに電力を供給して加熱することで排気ガスを加熱するヒートポンプとして機能させることで、排気ガスを所望の温度範囲に保つことができることが記載される。 For the purpose of temperature management of exhaust gas discharged from the engine and recovery of waste heat contained in the exhaust gas, a thermoelectric conversion unit including a thermoelectric generator (TEG) provided in series with the engine and the exhaust gas purification device is provided. Thermoelectric devices are known. For example, in Patent Document 1, a thermoelectric generator provided in the exhaust passage generates power using waste heat contained in the exhaust gas, cools the exhaust gas, and supplies power to the thermoelectric generator from a power storage device such as a battery. It is described that the exhaust gas can be kept in a desired temperature range by functioning as a heat pump that heats the exhaust gas by heating.
このような熱電デバイスでは、熱電変換部が設けられる排気系に熱電変換部をバイパスするバイパス回路を設けるとともに、バイパス回路上に設置したバイパス弁を開閉制御することで、熱電変換部の保護、燃費効果、排気ガスの浄化性能等の向上を図るためのフレキシブルな運用が考えられる。例えば、排気ガスが過度に高温になった場合には、排気ガスが熱電変換部をバイパスするようにバイパス弁を切り換えることで、熱電変換部を保護することができる。また、エンジン始動時など、排気ガスの温度が低い場合には、排気ガスが熱電変換部を迂回するようにバイパス弁を切り換えることで、排気ガスの暖気を促し、排気ガス浄化装置の排気ガス浄化率に対する要求温度への到達時間を短くし、浄化性能の向上ができる。熱電変換部の作動が不要な場合や、熱電変換効率が低下する場合もまた、排気ガスが熱電変換部を迂回するようにバイパス弁を切り換えることで、燃費性能の向上が可能となる。 In such a thermoelectric device, a bypass circuit that bypasses the thermoelectric conversion unit is provided in the exhaust system in which the thermoelectric conversion unit is provided, and the bypass valve installed on the bypass circuit is controlled to open and close, thereby protecting the thermoelectric conversion unit and fuel consumption. Flexible operation to improve the effect, exhaust gas purification performance, etc. can be considered. For example, when the exhaust gas becomes excessively hot, the thermoelectric conversion unit can be protected by switching the bypass valve so that the exhaust gas bypasses the thermoelectric conversion unit. In addition, when the temperature of the exhaust gas is low, such as when starting the engine, the exhaust valve is switched so that the exhaust gas bypasses the thermoelectric conversion section, thereby promoting warming of the exhaust gas and purifying the exhaust gas of the exhaust gas purification device. The time to reach the required temperature with respect to the rate can be shortened, and the purification performance can be improved. Even when the operation of the thermoelectric conversion unit is unnecessary or when the thermoelectric conversion efficiency is lowered, the fuel consumption performance can be improved by switching the bypass valve so that the exhaust gas bypasses the thermoelectric conversion unit.
このようなバイパス回路を採用したフレキシブルな制御は、そのシステムの複雑さやコンポーネントの大きさから搭載性が課題となる。特に、トラックやバスなどの商用車に採用する場合、この課題は顕著となる。 In flexible control employing such a bypass circuit, mountability becomes a problem due to the complexity of the system and the size of components. In particular, this problem becomes prominent when employed in commercial vehicles such as trucks and buses.
以上から、本発明の少なくとも一実施形態は上述の事情に鑑みてなされたものであり、フレキシブルな制御性を確保しつつ、車両への搭載性を向上させることができる熱電デバイスを提供することを目的とする。 As described above, at least one embodiment of the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and provides a thermoelectric device that can improve mountability to a vehicle while ensuring flexible controllability. Objective.
本発明の少なくとも一実施形態に係る熱電デバイスは、上記課題を解決するために
内燃機関からの排気ガスが流入する排気ガス経路と、
第1の方向に延びる第1経路に沿って設けられ前記排気ガス経路から前記排気ガスが流入する熱電変換部と、前記第1の方向において前記第1経路と平行となるように設けられ、前記排気ガス経路から流入する前記排気ガスを浄化する排気ガス浄化部と、を備える排気ガス後処理部と、を含み、
前記排気ガス後処理部における前記排気ガス経路から流入する排気ガスの流路は、前記排気ガス浄化部のみを通過する第1流路と前記熱電変換部を通過した後に前記排気ガス浄化部を通過する第2流路との間で選択可能となるように構成されるか、前記排気ガス浄化部のみを通過する第1流路と前記排気ガス浄化部を通過した後に前記熱電変換部を通過する第3流路との間で選択可能となるように構成される。
In order to solve the above problems, a thermoelectric device according to at least one embodiment of the present invention includes an exhaust gas path through which exhaust gas from an internal combustion engine flows,
A thermoelectric conversion unit provided along a first path extending in a first direction and into which the exhaust gas flows from the exhaust gas path; and provided in parallel with the first path in the first direction; An exhaust gas purification unit that purifies the exhaust gas flowing in from the exhaust gas path, and an exhaust gas aftertreatment unit,
The flow path of the exhaust gas flowing from the exhaust gas path in the exhaust gas aftertreatment section passes through the exhaust gas purification section after passing through the first flow path that passes only the exhaust gas purification section and the thermoelectric conversion section. Between the first flow path that passes only the exhaust gas purification section and the exhaust gas purification section, and then passes through the thermoelectric conversion section. It is configured to be selectable between the third flow path.
上記構成によれば、排気ガス後処理部は、第1の方向に延びる第1経路に沿って設けられ排気ガス経路から排気ガスが流入する熱電変換部と、第1の方向において第1経路と平行となるように設けられ、排気ガス経路から流入する排気ガスを浄化する排気ガス浄化部と、を備える。これにより、排気ガス後処理部を小型化できるので、車両への搭載性が向上する。
また、上記構成によれば、排気ガス後処理部における排気ガス経路から流入する排気ガスの流路は、排気ガス浄化部のみを通過する第1流路と熱電変換部を通過した後に排気ガス浄化部を通過する第2流路との間で選択可能となるように構成されるか、排気ガス浄化部のみを通過する第1流路と排気ガス浄化部を通過した後に熱電変換部を通過する第3流路との間で選択可能となるように構成される。これにより、排気ガス経路から流入する排気ガスを熱電変換部に導くか否かを選択できるので、熱電変換部を動作させるか否かを例えば排気ガスの温度や排気ガスの圧力等に応じて制御できる。したがって、燃費を向上させつつ熱電変換部の耐久性を向上できる。
According to the above configuration, the exhaust gas post-processing section is provided along the first path extending in the first direction, the thermoelectric conversion section into which exhaust gas flows from the exhaust gas path, and the first path in the first direction. And an exhaust gas purification unit that purifies the exhaust gas flowing in from the exhaust gas path. As a result, the exhaust gas aftertreatment unit can be reduced in size, so that mounting on a vehicle is improved.
Further, according to the above configuration, the exhaust gas flow path flowing from the exhaust gas path in the exhaust gas post-processing section passes through the first flow path that passes only the exhaust gas purification section and the thermoelectric conversion section, and then the exhaust gas purification. Between the first flow path and the exhaust gas purification section after passing through only the exhaust gas purification section, and after passing through the thermoelectric conversion section. It is configured to be selectable between the third flow path. As a result, it is possible to select whether or not the exhaust gas flowing from the exhaust gas path is guided to the thermoelectric conversion unit. it can. Therefore, the durability of the thermoelectric conversion part can be improved while improving the fuel efficiency.
本発明の少なくとも一実施形態によれば、熱電デバイスの車両への搭載性を向上できるとともに、燃費を向上させつつ熱電変換部の耐久性を向上できる。 According to at least one embodiment of the present invention, it is possible to improve the mounting property of a thermoelectric device on a vehicle and improve the durability of the thermoelectric conversion unit while improving fuel efficiency.
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, etc. of the components described in the embodiments or shown in the drawings are not intended to limit the scope of the present invention, but are merely illustrative examples. Absent.
For example, expressions expressing relative or absolute arrangements such as “in a certain direction”, “along a certain direction”, “parallel”, “orthogonal”, “center”, “concentric” or “coaxial” are strictly In addition to such an arrangement, it is also possible to represent a state of relative displacement with an angle or a distance such that tolerance or the same function can be obtained.
For example, an expression indicating that things such as “identical”, “equal”, and “homogeneous” are in an equal state not only represents an exactly equal state, but also has a tolerance or a difference that can provide the same function. It also represents the existing state.
For example, expressions representing shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes represent not only geometrically strict shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes, but also irregularities and chamfers as long as the same effects can be obtained. A shape including a part or the like is also expressed.
On the other hand, the expressions “comprising”, “comprising”, “comprising”, “including”, or “having” one constituent element are not exclusive expressions for excluding the existence of the other constituent elements.
図1は本発明の一実施形態に係る熱電デバイス1の全体構成を示す模式図である。
熱電デバイス1は、車両に走行用動力源として搭載される内燃機関2から排出される排気ガスの熱エネルギー(廃熱)を回収して発電を行う装置である。内燃機関2は化石燃料をシリンダ内で燃焼させて仕事をする原動機であり、本実施形態では内燃機関2として燃料として軽油を使用する4シリンダディーゼルエンジンが例示されている。
尚、本発明の適用対象には燃料としてガソリンを使用するガソリンエンジンが含まれてもよい。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration of a thermoelectric device 1 according to an embodiment of the present invention.
The thermoelectric device 1 is an apparatus that collects heat energy (waste heat) of exhaust gas discharged from an internal combustion engine 2 mounted on a vehicle as a driving power source and generates electric power. The internal combustion engine 2 is a prime mover that works by burning fossil fuel in a cylinder. In this embodiment, a four-cylinder diesel engine that uses light oil as fuel is exemplified as the internal combustion engine 2.
The application target of the present invention may include a gasoline engine that uses gasoline as a fuel.
内燃機関2では、吸気ガス経路4から取り込んだ空気(外気)は吸気マニホールド5を介して各シリンダに供給され、各シリンダにてピストンサイクルに応じて圧縮加熱される。また各シリンダでは、圧縮過熱された空気に対してインジェクタから燃料を噴射し、燃料が自己着火することにより燃焼が行われる。本実施形態では、内燃機関2は過給用のターボチャージャ6を備える。ターボチャージャ6は、排気ガスにより駆動されるタービン8と、該タービン8と連動するコンプレッサ10とを有する。
尚、吸気ガス経路4のうちコンプレッサ10の下流側には、コンプレッサ10によって圧縮された吸気を冷却するためのインタークーラ12が設置されている。
In the internal combustion engine 2, air (outside air) taken from the
An
また内燃機関2はコモンレールシステム(不図示)を搭載しており、各シリンダに供給される燃料は、サプライポンプで高圧にされてレール(蓄圧室)内に蓄えられ、所定タイミングでインジェクタから各シリンダに所定量が噴射されるように制御される。 The internal combustion engine 2 is equipped with a common rail system (not shown), and fuel supplied to each cylinder is increased in pressure by a supply pump and stored in a rail (accumulation chamber). It is controlled so that a predetermined amount is injected.
各シリンダで生じる排気ガスは、排気マニホールド14を介して排気ガス経路16から外部に排出される。排気ガス経路16のうちターボチャージャ6を構成するタービン8の下流側には、排気ガス後処理部60が設けられている。排気ガス後処理部60は、後述するようにDPF(Diesel Particulate Filter)である排気ガス浄化部620を備えており、排気ガスに含まれる粒子状物質が排気ガス浄化部620で捕集される。排気ガス後処理部60の詳細については後で詳述する。
尚、排気ガス浄化部620は粒子状物質の捕集量が所定量を超えた場合に、捕集性能の低下を改善するために捕集した粒子状物質を燃焼する再生機能を有していてもよい。
Exhaust gas generated in each cylinder is discharged to the outside from the
The exhaust
排気ガス経路16のうち排気ガス後処理部60より下流側には、排気ガスを浄化するための触媒20が設けられている。本実施形態では、排気ガスに含まれる窒素酸化物(NOx)を浄化するための触媒20として、選択触媒還元脱硝装置(SCR:Selective Catalytic Reduction)が用いられている。選択触媒還元脱硝装置は、還元剤として例えば尿素水が用いられる。還元剤は、排気ガスの高温雰囲気下で加水分解され、生成されたアンモニアが排気ガス中の窒素酸化物(NOx)と化学反応することで窒素(N2)と水(H2O)とに還元することにより浄化が行われる。
A
また内燃機関2は、排気ガスの一部を吸気側に還流させることにより、排気ガス中の窒素酸化物(NOx)の低減や部分負荷時の燃費向上を目的とするEGRシステム22を備える。EGRシステム22は、排気マニホールド14と吸気マニホールド5との間に形成されたEGR経路24と、EGR経路24を通過する排気ガスを冷却するためのEGRクーラ26と、排気ガスの還流量を調整するためのEGRバルブ28と、を備える。EGRバルブ28の開度は、不図示のコントロールユニットにより制御され、EGRシステム22による排気ガスの還流量が調整される。
The internal combustion engine 2 also includes an
内燃機関2のシリンダブロック等にはウォータージャケット(不図示)が設けられており、該ウォータージャケット中を冷却水が流れることにより、内燃機関2の水冷が行われている。冷却水は循環経路30を循環する。循環経路30は、冷却水を圧送するための冷却水ポンプ32と、冷却水を外気と熱交換して放熱するためのラジエータ34と、を備える。内燃機関2を冷却することで温度が上昇した冷却水は、冷却水ポンプ32によってラジエータ34に送られ、外気との熱交換により冷却された後、再び内燃機関2に送られる。
The cylinder block or the like of the internal combustion engine 2 is provided with a water jacket (not shown), and the internal combustion engine 2 is cooled by flowing cooling water through the water jacket. The cooling water circulates in the
ラジエータ34における放熱は、ラジエータ34に面するように配置されたラジエータファン35による送風により促進される。ラジエータファン35は、内燃機関2の動力の一部を用いて駆動され、その送風量は、例えばラジエータ34に送られる冷却水の温度に応じて制御されることにより、冷却水の温度は適切な範囲に冷却される。
Heat dissipation in the
また冷却水ポンプ32は、内燃機関2とベルト等の伝達機構を介して機械的に接続されることにより、内燃機関2の動力の一部を用いて駆動する機械式ポンプであるが、後述するバッテリ42に蓄電された電力や、オルタネータ36又は後述する熱電変換部610で発電される電力を用いて駆動される電動式ポンプであってもよい。
The cooling
内燃機関2で発生する動力は、主に、不図示の出力軸を介して車両の走行輪側に伝達されるが、その一部は、ベルト等の伝達機構を介して発電用のオルタネータ36に伝達される。オルタネータ36は、内燃機関2から伝達される動力で回転されることにより交流電力を発電する交流発電機である。オルタネータ36で発電された交流電力は、インバータ38によって直流変換された後、車内負荷40に供給されるほか、余剰分はバッテリ42に蓄積される。
尚、オルタネータ36は上記のように発電に用いられる他、バッテリ42に蓄積される電力を消費して電動機(モータ)として駆動することで、内燃機関2をアシストすることもできる。
The power generated in the internal combustion engine 2 is mainly transmitted to the traveling wheel side of the vehicle via an output shaft (not shown), but a part of the power is transmitted to the
The
(排気ガス後処理部60について)
図2を参照して、一実施形態の排気ガス後処理部60について説明する。図2は、一実施形態の排気ガス後処理部60の構造を示す、模式的な断面図であり、図2(a)は、後述するバイパス弁607が閉じた状態を示し、図2(b)は、バイパス弁607が開いた状態を示す。
排気ガス後処理部60は、図示左右方向である第1の方向に延びる第1経路601に沿って設けられ排気ガス経路16から排気ガスが流入する熱電変換部610と、第1の方向において第1経路601と平行となるように設けられ、排気ガス経路16から流入する排気ガスを浄化する排気ガス浄化部620とを備える。
(Exhaust gas aftertreatment section 60)
With reference to FIG. 2, the exhaust-
The exhaust
熱電変換部610は、排気ガス浄化部620の周囲を囲むように円筒状に形成された熱交換器611と、熱交換器611の外周に取り付けられた熱電素子612と、熱電素子612の外周に取り付けられた冷却装置613とを備えている。
熱交換器611は、第1経路601内に設けられ、第1経路601内を流れる排気ガスと接触する。換言すると、第1経路601は、排気ガス浄化部620の周囲を囲むように円筒状に形成された排気ガスの流路であり、この第1経路601内に円筒形状を呈する熱交換器611が配置されている。
熱電素子612は、2種類の異種金属(または半導体)の両端を接続し、その両端に温度差を設けると起電力が発生するゼーベック効果を利用する素子である。
冷却装置613は、熱電素子612の外周を囲うように円筒状に形成された冷却装置であり、循環経路30から分岐する冷却水導入ライン46を介して低温の冷却水が導入される。冷却装置613からの冷却水は、冷却水戻しライン48を介して循環経路30に戻される。
The
The
The
The
熱電素子612の一方の面である内周面には、熱交換器611が取り付けられ、他方の面である外周面には、冷却装置613が取り付けられている。熱交換器611は、第1経路601内を流れる排気ガスの熱によって熱電素子612の内周面を加熱するように構成されている。冷却装置613は、冷却水導入ライン46を介して導入される低温の冷却水によって熱電素子612の外周面を冷却するように構成されている。
A
熱電変換部610と排気ガス浄化部620との間には、第1経路601を通過した排気ガスを円筒形状を呈する第1経路601の内側で排気ガス浄化部620の図示左方の上流側に導く内側経路603が設けられている。排気ガス浄化部620の図示右方の下流側は、排気ガス経路16を介して図1に示した触媒20と接続されている。
Between the
以下の説明では、排気ガス浄化部620の図示左方の上流側の領域をDPF上流側領域605と呼ぶ。DPF上流側領域605は、内側経路603の下流側と接続されている。また、第1経路601のうち、熱交換器611よりも上流側を第1経路上流部601aと呼ぶ。
第1経路上流部601aとDPF上流側領域605とは、隔壁606で隔てられている。隔壁606は、第1経路上流部601aとDPF上流側領域605とを連通する開口606aを有し、開口606aには、開口606aを開放及び閉止するバイパス弁607が設けられている。バイパス弁607は、例えば板状の弁体の回動によって開口606aを開放及び閉止するバタフライバルブ式の弁であり、不図示のアクチュエータによって駆動される。図2(a)に示すように、バイパス弁607が開口606aを閉止すると、第1経路上流部601aとDPF上流側領域605とは、隔壁606で隔てられる。図2(b)に示すように、バイパス弁607が開口606aを開放すると、第1経路上流部601aとDPF上流側領域605とは、開口606aを介して連通する。
In the following description, the left upstream region of the exhaust
The first path
このように構成される一実施形態の排気ガス後処理部60における排気ガスの流れについて説明する。
The flow of the exhaust gas in the exhaust
(バイパス弁607が開口606aを閉止している場合)
図2(a)に示すように、バイパス弁607が開口606aを閉止している場合、図示左方の排気ガス経路16から矢印aで示すように第1経路上流部601aに流入した排気ガスは、第1経路601を下流側に向かって流れ、第1経路601内の熱交換器611を通過した後、矢印bで示すように流れの向きを反転させて内側経路603を経由し、矢印cで示すようにDPF上流側領域605に到達する。
尚、排気ガスが第1経路601内の熱交換器611を通過すると、熱交換器611は排気ガスの熱を熱電素子612に伝達して熱電素子612の内周面を加熱する。また、熱電素子612の外周面は冷却装置613によって冷却される。
このようにして熱電素子612の内周面と外周面との間には温度差が生じるので、熱電素子612では、熱電発電(TEG:Thermoelectric Generation)が行われる。
(When the
As shown in FIG. 2A, when the
When the exhaust gas passes through the
In this manner, a temperature difference is generated between the inner peripheral surface and the outer peripheral surface of the
DPF上流側領域605に到達した排気ガスは、DPF上流側領域605から排気ガス浄化部620を通過する。その際、上述したように、排気ガス中の粒子状物質が排気ガス浄化部620で捕捉される。
DPF602通過後の排気ガスは、矢印dで示すように排気ガス浄化部620の図示右方の下流側に接続された排気ガス経路16を介して図1に示した触媒20へと流れる。触媒20ではNOxが浄化される。
The exhaust gas that has reached the DPF
The exhaust gas after passing through the DPF 602 flows to the
(バイパス弁607が開口606aを開放している場合)
図2(b)に示すように、バイパス弁607が開口606aを開放している場合、図示左方の排気ガス経路16から流入した排気ガスは、第1経路601を下流側に向かって流れずに、矢印eで示すように開口606aを介してDPF上流側領域605に流入する。すなわち、第1経路上流部601aに流入した排気ガスは、熱電変換部610を迂回してDPF上流側領域605に流入する。
DPF上流側領域605に流入した排気ガスは、DPF602を通過して、矢印fで示すように排気ガス浄化部620の図示右方の下流側に接続された排気ガス経路16を介して図1に示した触媒20へと流れる。
(When the
As shown in FIG. 2B, when the
Exhaust gas that has flowed into the DPF
このように、上述した一実施形態では、排気ガス後処理部60における排気ガス経路16から流入する排気ガスの流路は、熱電変換部610を通過した後に排気ガス浄化部620を通過する流路と、排気ガス浄化部620のみを通過する流路との間で選択可能となるように構成されている。
Thus, in the above-described embodiment, the flow path of the exhaust gas flowing from the
(熱電素子612における熱電発電について)
上述したように、バイパス弁607が開口606aを閉止されて、排気ガスが第1経路601内の熱交換器611を通過すると、熱電素子612では、熱電発電が行われる。
熱電素子612で発電された電力は温度差に応じた電圧を有する直流であるため、図1に示したコンバータ49によって所定の電圧に変圧される。コンバータ49の出力は、車内負荷40に供給されるほか、余剰分はバッテリ42に蓄積される。
尚、本実施形態では、上述のオルタネータ36で発電された電力と、熱電素子612で発電された電力の供給先(車内負荷40及びバッテリ42)を共用している場合を示しているが、これらは独立的に設けられていてもよい。
(About thermoelectric power generation in the thermoelectric element 612)
As described above, when the
Since the electric power generated by the
In the present embodiment, the power generated by the
(バイパス弁607の開閉制御について)
一実施形態の排気ガス後処理部60では、バイパス弁607の開閉は、例えば次のように制御される。一実施形態に係る熱電デバイス1は、制御部50と、排気ガス経路16のうち、例えば、排気ガス後処理部60の上流に設置される温度センサ45a及び圧力センサ45bを備えている。
オルタネータ36及び熱電素子612における発電量は、コントロールユニットである制御部50によってそれぞれ制御される。制御部50は、電子演算装置等からなるECU(Engine Control Unit)の一部として構成されており、予めインストールされた所定のプログラムに応じた制御を実行する。
温度センサ45a及び圧力センサ45bの検出結果は、電気的信号として制御部50に送られる。
(Regarding opening / closing control of the bypass valve 607)
In the exhaust
The amount of power generated in the
The detection results of the temperature sensor 45a and the pressure sensor 45b are sent to the
制御部50は、温度センサ45aで検出した排気ガスの温度が、熱電素子612における温度−発電特性、すなわち変換効率が一定の値以上となる所定の温度範囲内であり、かつ、圧力センサ45bで検出した排気ガスの圧力が所定の圧力以下であれば、開口606aを閉止するようにバイパス弁607の不図示のアクチュエータに駆動信号を出力する。これにより、図2(a)に示すように、バイパス弁607によって開口606aが閉止されるので、排気ガスが熱電変換部610を通過する。したがって、熱電素子612で、熱電発電が行われ、熱電素子612で発電された電力がコンバータ49を介して車内負荷40やバッテリ42へ供給される。
また、制御部50は、熱電素子612で発電された電力量に応じて、内燃機関2のオルタネータ36の駆動負荷を減らすようにオルタネータ36での発電量を制御する。
これにより、排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーとして回収できるので、エネルギー効率が向上する。
The
Further, the
Thereby, the thermal energy of the exhaust gas can be recovered as electric energy, so that energy efficiency is improved.
また、制御部50は、温度センサ45aで検出した排気ガスの温度が、上述した所定の温度範囲外であるか、又は、圧力センサ45bで検出した排気ガスの圧力が上述した所定の圧力を超えていれば、開口606aを開放するようにバイパス弁607の不図示のアクチュエータに駆動信号を出力する。これにより、図2(b)に示すように、バイパス弁607によって開口606aが開放されるので、排気ガスが熱電変換部610を迂回する。そのため、熱電素子612では、熱電発電が行われなくなる。
In addition, the
したがって、温度センサ45aで検出した排気ガスの温度が、上述した所定の温度範囲を下回る場合、排気ガスが熱電変換部610を迂回することで排気ガス経路16における排気抵抗を抑制できるので、熱電変換部610を設置することによる内燃機関2の性能低下を抑制できる。
また、温度センサ45aで検出した排気ガスの温度が、上述した所定の温度範囲を上回る場合、排気ガスが熱電変換部610を迂回することで熱電素子612が過熱されることを抑制でき、熱電変換部610の耐久性を向上できる。
圧力センサ45bで検出した排気ガスの圧力が上述した所定の圧力を超えた場合、排気ガスが熱電変換部610を迂回することで排気ガス経路16における排気抵抗を抑制できるので、内燃機関2の性能低下を抑制できる。
Therefore, when the temperature of the exhaust gas detected by the temperature sensor 45a falls below the above-described predetermined temperature range, the exhaust gas bypasses the
Further, when the temperature of the exhaust gas detected by the temperature sensor 45a exceeds the above-described predetermined temperature range, it is possible to suppress the
When the pressure of the exhaust gas detected by the pressure sensor 45b exceeds the above-described predetermined pressure, the exhaust gas bypasses the
このように、上述した排気ガス後処理部60は、図示左右方向である第1の方向に延びる第1経路601に沿って設けられ排気ガス経路16から排気ガスが流入する熱電変換部610と、第1の方向において第1経路601と平行となるように設けられ、排気ガス経路16から流入する排気ガスを浄化する排気ガス浄化部620とを備える。これにより、排気ガス後処理部60を小型化できるので、車両への搭載性が向上する。
また、上述した排気ガス後処理部60では、排気ガス後処理部60における排気ガス経路16から流入する排気ガスの流路は、熱電変換部610を通過した後に排気ガス浄化部620を通過する流路と、排気ガス浄化部620のみを通過する流路との間で選択可能となるように構成されている。これにより、排気ガス経路16から流入する排気ガスを熱電変換部610に導くか否かを選択できるので、熱電変換部610を動作させるか否かを、上述したように、例えば排気ガスの温度や排気ガスの圧力等に応じて制御できる。したがって、燃費を向上させつつ熱電変換部610の耐久性を向上できる。
As described above, the exhaust
Further, in the exhaust
本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
例えば、上述した一実施形態の排気ガス後処理部60では、熱電変換部610の熱交換器611は、排気ガス浄化部620の周囲を囲むように円筒状に形成されている。すなわち、上述した一実施形態の排気ガス後処理部60では、熱電変換部610は、排気ガス浄化部620の周囲を囲むように円筒状に形成されている。しかし、熱電変換部610は、必ずしも円筒状に形成されていなくてもよい。例えば、熱電変換部610は、排気ガス浄化部620を外周側で、周方向の一部に延在するように形成されていてもよい。また、熱電変換部610は、排気ガス浄化部620を外周側から挟み込むように複数設けられていてもよく、例えば、一対の熱電変換部610が排気ガス浄化部620を外周側から挟み込むように配置されていてもよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes forms obtained by modifying the above-described embodiments and forms obtained by appropriately combining these forms.
For example, in the exhaust
例えば、一対の熱電変換部610が排気ガス浄化部620を外周側から挟み込むように配置されている場合、排気ガス後処理部60の第1経路601を図2における図示左右方向である第1の方向に延在する2つの流路によって構成し、2つの流路の一方に一対の熱電変換部610の一方を配置し、2つの流路の他方に一対の熱電変換部610の他方を配置してもよい。
この場合、第1経路601の2つの流路における第1経路上流部601aのそれぞれに、バタフライバルブ式の流量制御弁を設け、この流量制御弁によって、排気ガスを熱電変換部610及び排気ガス浄化部620を通過させるか、排気ガス浄化部620のみを通過させるかを切り替え可能に構成してもよい。
For example, when the pair of
In this case, a butterfly valve type flow control valve is provided in each of the first path
上述した一実施形態の排気ガス後処理部60では、図2(a)及び図3(a)に示すように、図示左方の排気ガス経路16から第1経路上流部601aに流入した排気ガスは、第1経路601を図示右方の下流側に向かって流れ、第1経路601内の熱交換器611を通過した後、流れの向きを反転させて内側経路603を図示左方のDPF上流側領域605に向かって流れ、さらに流れの向きを反転させて排気ガス浄化部620内を図示右方に向かって流れた。尚、図3は、排気ガス後処理部60内における排気ガスの流れの向きを単純化して表した図であり、図3(a)は、上述した一実施形態の排気ガス後処理部60内における排気ガスの流れの向きを表し、図3(b)は、次に述べる他の実施形態の排気ガス後処理部60内における排気ガスの流れの向きを表す。
すなわち、図3(b)で示した他の実施形態に係る排気ガス後処理部60のように、図示左方の排気ガス経路16から第1経路上流部601aに流入した排気ガスが、第1経路601を図示右方の下流側に向かって流れ、第1経路601内の熱交換器611を通過した後、流れの向きを反転させて排気ガス浄化部620内を図示左方に向かって流れるようにしてもよい。
In the exhaust
That is, as in the exhaust
上述した一実施形態では、バイパス弁607が開口606aを閉止している場合、排気ガスは、熱電変換部610を通過した後に排気ガス浄化部620を通過した。すなわち、上述した一実施形態では、排気ガス後処理部60における排気ガス経路16から流入する排気ガスの流路は、熱電変換部610を通過した後に排気ガス浄化部620を通過する流路と、排気ガス浄化部620のみを通過する流路との間で選択可能となるように構成されている。
しかし、バイパス弁607が開口606aを閉止している場合に、排気ガスが、排気ガス浄化部620を通過した後に熱電変換部610を通過するようにしてもよい。すなわち、排気ガス後処理部60における排気ガス経路16から流入する排気ガスの流路は、排気ガス浄化部620を通過した後に熱電変換部610を通過する流路と、排気ガス浄化部620のみを通過する流路との間で選択可能となるように構成されていてもよい。
In the above-described embodiment, when the
However, when the
上述した一実施形態の排気ガス後処理部60では、熱電素子612で熱電発電を行わせたが、例えば、排気ガスの温度が低い場合などに、オルタネータ36やバッテリ42からの電力を熱電素子612に供給することで熱電素子612を発熱させて、熱電変換部610を通過する排気ガスを加熱してもよい。例えば排気ガス浄化部620の再生時に熱電素子612を発熱させて、熱電変換部610を通過する排気ガスを加熱してもよい。
また、上述した一実施形態では、触媒20として選択触媒還元脱硝装置を用いているが、このような選択触媒還元脱硝装置では、尿素水の加水分解の反応速度が雰囲気温度に依存するため、例えば冷態始動時のように排気ガスが比較的低温な場合には、所定量のアンモニアを生成するために必要とされる還元剤の消費量が増加してしまう。そこで、上述のように熱電変換部610をヒータとして機能させることで排気ガスの昇温を促進することで、触媒20における還元剤の消費を効果的に抑制できる。その結果、還元剤の貯蔵タンクの容量が少なく済むため、限られたスペースを有する車両に対して良好な搭載性を発揮するとともに、還元剤の消費量削減による経済性も達成できる。
In the exhaust
In the above-described embodiment, a selective catalytic reduction denitration apparatus is used as the
上述した一実施形態では、排気ガス浄化部620と熱電変換部610とを排気ガス後処理部60として一体的に構成したが、上述した一実施形態の排気ガス後処理部60における構造と同様の構造によって触媒20と熱電変換部610とを一体的に構成してもよい。すなわち、触媒20の周囲に排気ガスの流路を設け、この流路中に熱電変換部610を配置することで、触媒20を通過する排気ガスの熱エネルギーを熱電変換部610で電気エネルギーに変換するようにしてもよい。
In the above-described embodiment, the exhaust
1 熱電デバイス
2 内燃機関
16 排気ガス経路
20 触媒
60 排気ガス後処理部
601 第1経路
607 バイパス弁
610 熱電変換部
620 排気ガス浄化部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thermoelectric device 2
Claims (1)
第1の方向に延びる第1経路に沿って設けられ前記排気ガス経路から前記排気ガスが流入する熱電変換部と、前記第1の方向において前記第1経路と平行となるように設けられ、前記排気ガス経路から流入する前記排気ガスを浄化する排気ガス浄化部と、を備える排気ガス後処理部と、を含み、
前記排気ガス後処理部における前記排気ガス経路から流入する排気ガスの流路は、前記排気ガス浄化部のみを通過する第1流路と前記熱電変換部を通過した後に前記排気ガス浄化部を通過する第2流路との間で選択可能となるように構成されるか、前記排気ガス浄化部のみを通過する第1流路と前記排気ガス浄化部を通過した後に前記熱電変換部を通過する第3流路との間で選択可能となるように構成される、熱電デバイス。 An exhaust gas path through which exhaust gas from the internal combustion engine flows,
A thermoelectric conversion unit provided along a first path extending in a first direction and into which the exhaust gas flows from the exhaust gas path; and provided in parallel with the first path in the first direction; An exhaust gas purification unit that purifies the exhaust gas flowing in from the exhaust gas path, and an exhaust gas aftertreatment unit,
The flow path of the exhaust gas flowing from the exhaust gas path in the exhaust gas aftertreatment section passes through the exhaust gas purification section after passing through the first flow path that passes only the exhaust gas purification section and the thermoelectric conversion section. Between the first flow path that passes only the exhaust gas purification section and the exhaust gas purification section, and then passes through the thermoelectric conversion section. A thermoelectric device configured to be selectable with the third flow path.
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JP2020186663A (en) * | 2019-05-13 | 2020-11-19 | 株式会社豊田中央研究所 | Exhaust emission control device |
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